JP2008072846A

JP2008072846A - モータ制御装置とその制御方法

Info

Publication number: JP2008072846A
Application number: JP2006249469A
Authority: JP
Inventors: Gen Ando; 玄安藤
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】可動範囲が限定された負荷とモータの慣性モーメントを、微小動作のみで高精度に同定するモータ制御装置とその制御方法を提供する・
【解決手段】慣性モーメント同定器（１０８）を備えるモータ制御装置において、慣性モーメント同定器（１０８）は、位置指令から単位位置指令を生成する単位位置指令演算器（１０９）と、モータ位置から単位モータ位置を生成する単位モータ位置演算器（１１０）と、単位位置指令と単位モータ位置から単位位置偏差を生成する単位位置偏差演算器（１１１）と、単位位置偏差から単位位置偏差振幅を生成する単位位置偏差振幅演算器（１１２）と、単位位置偏差振幅から慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント演算器（１１３）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷の連結したモータの慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置に関する。

従来のモータ制御装置は正負対称な速度指令、正負対称な台形波である第１速度指令と前記第１速度指令の振幅のみ増幅した第２速度指令を用いてモータの慣性モーメントを同定するものであった。（例えば、特許文献１参照）。

図５は従来のモータ制御装置である。図５において、５０１は速度指令発生部、５０２は速度制御部、５０３はモデル速度制御部、５０４は同定部、５０５は調整部である。
速度指令発生部５０１は速度指令を生成し、速度制御部５０２は前記速度指令と速度制御変数からトルク指令を生成する。モデル速度制御部５０３は前記速度指令と調整信号からトルク指令推定値を生成する。同定部５０４は前記トルク指令の１階時間積分値と前記トルク指令推定値の１階時間積分値の比によりイナーシャを生成する。調整部５０５は前記イナーシャから前記速度制御変数と前記調整信号を生成するものであった。
特開平１１−４６４８９号公報（第５頁、第１図）

従来のモータ制御装置は、可動範囲の限定された負荷とモータの慣性モーメントの同定において同定精度が落ちる問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、可動範囲が限定された負荷とモータの慣性モーメントを、微少動作のみで高精度に同定するモータ制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。

請求項１記載の発明は、位置指令とモータ位置から速度指令を生成する位置制御器と、前記速度指令とモータ速度からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するトルク制御器と、前記モータ位置を微分して前記モータ速度を生成する微分器と、前記位置指令と前記モータ位置から慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント同定器と、を備えるモータ制御装置において、前記慣性モーメント同定器は、前記モータ位置から単位モータ位置を生成する単位モータ位置演算器と、前記位置指令から単位位置指令を生成する単位位置指令演算器と、前記単位位置指令と前記単位モータ位置から単位位置偏差を生成する単位位置偏差演算器と、前記単位位置偏差から単位位置偏差振幅を生成する単位位置偏差振幅演算器と、前記単位位置偏差振幅から慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント演算器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記位置指令を生成する位置指令発生器を備えることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項２記載のモータ制御装置において、前記位置指令は周期的信号であることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項３記載のモータ制御装置において、前記慣性モーメント演算器は、前記位置指令の基本周波数と前記モータを駆動する制御器の制御パラメータに基づいて前記慣性モーメント同定値を生成することを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記モータ位置の振幅が前記負荷の可動範囲より小さくなるように前記位置指令の振幅を設定することを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記慣性モーメント同定器は、モータ位置位相に基づいて前記慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント演算器を備えることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項６記載のモータ制御装置において、前記慣性モーメント同定器は、前記モータ位置の前記位置指令に対する相対的な位相である前記モータ位置位相を生成するモータ位置位相演算器を備えることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項６記載のモータ制御装置において、前記位置指令を周期的信号とすることを特徴とするものである。
請求項９記載の発明は、請求項８記載のモータ制御装置において、前記慣性モーメント演算器は、前記位置指令の基本周波数と前記モータを駆動する制御器の制御パラメータに基づいて前記慣性モーメント同定値を生成することを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、請求項６記載のモータ制御装置において、前記モータ位置の振幅が前記負荷の可動範囲より小さくなるように前記位置指令の振幅を設定することを特徴とするものである。
請求項１１記載の発明は、位置指令とモータ位置から速度指令を生成する位置制御器と、前記速度指令とモータ速度からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するトルク制御器と、前記モータ位置を微分して前記モータ速度を生成する微分器と、前記位置指令と前記モータ位置から慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント同定器と、を備えるモータ制御装置の制御方法において、前記モータ位置から単位モータ位置を生成するステップと、前記位置指令から単位位置指令を生成するステップと、前記単位位置指令と前記単位モータ位置から単位位置偏差を生成するステップと、前記単位位置偏差から単位位置偏差振幅を生成するステップと、単位位置偏差振幅から前記慣性モーメント同定値を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。

請求項１、２、５、６、７および１０記載の発明によると、任意の位置制御系において、微小動作のみで負荷とモータの慣性モーメントを高精度に同定するモータ制御装置を提供できる。
請求項３、４、８および９記載の発明によると、任意の周期的位置指令に対して微小動作のみで負荷とモータの慣性モーメントを高精度に同定するモータ制御装置を提供できる。
請求項１１記載の発明によると、任意の位置制御系において、微小動作のみで負荷とモータの慣性モーメントを高精度に同定するモータ制御装置の制御方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施例を示すモータ制御装置である。

図１において、１０１は位置指令発生器、１０２は位置制御器、１０３は速度制御器、１０４はトルク制御器、１０５は制御対象、１０６は位置検出器、１０７は微分器、１０８は慣性モーメント同定器、１０９は単位位置指令演算器、１１０は単位モータ位置演算器、１１１は単位位置偏差演算器、１１２は単位位置偏差振幅演算器、１１３は慣性モーメント演算器である。

次に動作について説明する。位置指令発生器１０１は位置指令を生成する。位置制御器１０２は前記位置指令とモータ位置から速度指令を生成する。速度制御器１０３は前記速度指令とモータ速度トルク指令を生成する。トルク制御器１０４は前記トルク指令に基づいてモータに負荷が連結したものである制御対象１０５を駆動する。位置検出器１０６はモータ位置を検出し、微分器１０７は前記モータ位置を微分して前記モータ速度を生成する。慣性モーメント同定器は１０８は前記位置指令と前記モータ位置から制御対象１０５慣性モーメント同定値を生成する。
次に慣性モーメント同定器１０８の動作についてさらに詳しく説明する。単位位置指令演算器１０９は前記位置指令から振幅を１とした単位位置指令を生成する。単位モータ位置演算器１１０は前記モータ位置をから振幅を１とした単位モータ位置を生成する。単位位置偏差演算器１１１は前記単位位置指令と前記単位モータ位置を生成しさらにその差である単位位置偏差を生成する。単位位置偏差振幅演算器１１２は前記単位位置偏差から振幅を１とした単位位置偏差振幅を生成する。慣性モーメント演算器１１３は前記単位位置偏差振幅から前記慣性モーメント同定値を生成する。

図３は本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャートである。図３において、まずステップＳＴ１でモータ位置から単位モータ位置を生成し、次にステップＳＴ２で位置指令から単位位置指令を生成し、次にステップＳＴ３で前記単位位置指令と前記単位モータ位置から単位位置偏差を生成し、次にステップＳＴ４で前記単位位置偏差から単位位置偏差振幅を生成し、次にステップＳＴ５で前記位置偏差振幅から慣性モーメント同定値を生成する。

次に慣性モーメント演算器１１３が慣性モーメント同定値を生成する仕組みを説明する。
モータに負荷が連結したものである制御対象１０５の慣性モーメントをＪ、粘性摩擦をＤとし、位置制御器１０２を位置Ｐ制御ゲインがＫｐであるＰ制御、速度制御器１０３を速度Ｐ制御ゲインがＫｖｊ、速度制御積分時間がＴｉであるＰＩ制御とすると、位置制御器１０２、速度制御器１０３、トルク制御器１０４、制御対象１０５、位置検出器１０６、微分器１０７を含む閉ループ系の運動方程式は式（１）で表される。

位置指令ｒを位置指令周波数がω、位置指令振幅がｒ０である正弦波とする場合、位置指令ｒとモータ位置θは式（２）、式（３）で表される。

ただし、Ａはモータ位置振幅、φはモータ位置位相である。モータ位置位相φと慣性モーメントＪの関係を求めるため、モータ位置θ＝Ａｅ^{ｊ（ωｔ＋θ）}と、位置指令ｒ＝ｒ_０ｅ^ｊωｔを式（１）に代入して解くと式（４）の関係が求められる。

式（４）を慣性モーメントＪについて解くと式（５）を得る。

式（２）と式（３）より前記単位位置偏差は式（６）と求められる。

単位位置偏差振幅演算器１１２は式（６）の振幅である単位位置偏差振幅Ａ_０を式（７）により生成する。

式（７）を変形すると式（８）を得る。

式（８）を式（５）に代入すると式（９）を得る。

慣性モーメント演算器１１３は式（９）により、慣性モーメント同定値を生成する。粘性摩擦Ｄが解らない場合には速度Ｐ制御ゲインＫｖｊを十分に大きく設定することにより、式（９）中の粘性摩擦Ｄを無視しても十分に高い精度で慣性モーメント同定値を生成することができる。

また、式（９）は単位位置偏差振幅Ａ_０に基づいているので、重力などによる一定トルク外乱は慣性モーメント同定結果に影響しない。また、前記モータ位置に換えて前記モータ位置の基本周波数成分を用い、前記位置指令に換えて前記位置指令の基本周波数成分を用いることにより、過渡応答が収まるのを待つことなく短時間に慣性モーメント同定が開始でき、任意の周期的信号である前記位置指令を用いても慣性モーメント同定を実施できる。

また、モータ位置振幅Ａが微小量となるように位置指令振幅ｒ_０を設定することにより、微小動作のみで制御対象１０５の慣性モーメントを同定することができる。

また、慣性モーメント同定器１０８が生成した前記慣性モーメント同定値に基づいて高精度で応答性の高い、モータ制御をすることができる。

このように、位置指令を入力し単位位置指令を出力する単位位置指令演算器１０９と、モータ位置を入力し単位モータ位置を出力する単位モータ位置演算器１１０と、前記単位位置指令と前記単位モータ位置を入力し単位位置偏差を出力する単位位置偏差演算器１１１と、前記単位位置偏差を入力し単位位置偏差振幅を出力する単位位置偏差振幅演算器１１２と前記単位位置偏差振幅を入力し慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント演算器１１３を備えることにより、一定トルク外乱の影響を抑制し、微小動作のみで可動範囲の限定された負荷の連結したモータの慣性モーメントを高精度に同定することができ、前記慣性モーメント同定値に基づいて高精度で応答性の高い、モータ制御をすることができる。

速度制御器１０３をＩ−Ｐ制御とすること以外は、慣性モーメント同定装置の構成は第１実施例と同じであるのでここではその説明を省略する。

以下、慣性モーメント演算器１１３が前記慣性モーメント同定値を生成する仕組みを説明する。

制御対象１０５の慣性モーメントをＪ、粘性摩擦をＤとし、位置制御器１０２を位置Ｐ制御ゲインがＫｐであるＰ制御、速度制御器１０３を速度Ｐ制御ゲインがＫｖｊ、速度制御積分時間がＴｉであるＩ−Ｐ制御とすると、位置制御器１０２、速度制御器１０３、トルク制御器１０４、制御対象１０５、位置検出器１０６、微分器１０７を含む閉ループ系の運動方程式は式（１０）で表される。

位置指令ｒを位置指令周波数がω、位置指令振幅がｒ_０である正弦波とするとモータ位置位相φは第１実施例の式（４）と同様に式（１１）と求められる。

式（１１）を慣性モーメントＪについて解くと式（１２）を得る。

式（９）と同様に、式（８）を用いて単位位置偏差振幅Ａ_０について式（１２）を書き換えると式（１３）を得る。

慣性モーメント演算器１１３は式（１３）により、前記慣性モーメント同定値を生成する。粘性摩擦Ｄが解らない場合には速度Ｐ制御ゲインＫｖｊを十分に大きく設定することにより、式（１３）中の粘性摩擦Ｄを無視しても十分に高い精度で慣性モーメント同定値を生成ことができる。

また、式（１３）は単位位置偏差振幅Ａ_０に基づいているので、重力などによる一定トルク外乱は慣性モーメント同定結果に影響しない。また、前記モータ位置に換えて前記モータ位置の基本周波数成分を用い、前記位置指令に換えて前記位置指令の基本周波数成分を用いることにより、過渡応答が収まるのを待つことなく短時間に慣性モーメント同定が開始でき、任意の周期的信号である前記位置指令を用いても慣性モーメント同定を実施できる。

また、慣性モーメント同定器１０８が生成した慣性モーメント同定値に基づいて高精度で応答性の高い、モータ制御をすることができる。

図２は本発明の第３実施例を示すモータ制御装置である。図２において、１０１は位置指令発生器、１０２は位置制御器、１０３は速度制御器、１０４はトルク制御器、１０５は制御対象、１０６は位置検出器、１０７は微分器、１０８は慣性モーメント同定器、１１３は慣性モーメント演算器、２０１はモータ位置位相演算器である。

次に、第１実施例と異なる部分である慣性モーメント同定器１０８の構成のみについて説明する。慣性モーメント同定器１０８において、モータ位置位相演算器２０１は位置指令とモータ位置から前記モータ位置の前記位置指令に対する相対位相であるモータ位置位相を生成する。慣性モーメント演算器１１３は前記モータ位置位相から慣性モーメント同定値を生成する。

位置制御器１０２をＰ制御とし、速度制御器１０３をＰＩ制御とする場合、慣性モーメント演算器１１３は第１実施例の式（５）を用いて慣性モーメント同定値を生成する。また、位置制御器１０２をＰ制御とし、速度制御器１０３をＩ−Ｐ制御とする場合、慣性モーメント演算器１１３は第２実施例の式（１２）を用いて慣性モーメント同定値を生成する。

粘性摩擦Ｄが解らない場合には速度Ｐ制御ゲインＫｖｊを十分に大きく設定することにより、式（５）または式（１２）中の粘性摩擦Ｄを無視しても十分に高い精度で慣性モーメント同定値を生成することができる。

また、式（５）および式（１２）はモータ位置位相φに基づいているので、重力などによる一定トルク外乱は慣性モーメント同定結果に影響しない。また、前記モータ位置に換えて前記モータ位置の基本周波数成分を用い、前記位置指令に換えて前記位置指令の基本周波数成分を用いることにより、過渡応答が収まるのを待つことなく短時間に慣性モーメント同定が開始でき、任意の周期的信号である前記位置指令を用いても慣性モーメント同定を実施できる。

このように、位置指令とモータ位置からモータ位置位相を生成するモータ位置位相演算器２０１と、前記モータ位置位相から慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント演算器１１３を備えることにより、一定トルク外乱の影響を抑制し、微小動作のみで可動範囲の限定された負荷のとモータの慣性モーメントを高精度に同定することができ、慣性モーメント同定値に基づいて高精度で応答性の高い、モータ制御をすることができる。

慣性モーメント同定装置の構成は第１実施例と同じであるのでここではその説明を省略する。

以下、本実施例のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いた数値は次の通りである。
Ｊｍ＝０．１１６×１０＾−４［ｋｇ・ｍ＾２］、Ｊｌ＝０．８１６４×１０＾−４［ｋｇ・ｍ＾２］、Ｊ＊＝Ｊｍ＋Ｊｌ［ｋｇ・ｍ＾２］、Ｄ＝０．００１［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］、Ｔｒａｔ＝０．６３７［Ｎ・ｍ］、Ｋｐ＝９０［ｓ＾−１］、Ｋｖ＝９０（２π）［ｓ＾−１］、Ｋｖｊ＝ＫｖＪｍ、Ｔｉ＝４／Ｋｖ［ｓ］、Ｔ＝１２５×１０＾−６［ｓ］、ｒ０＝０．０１［ｒａｄ］、ω＝２０（２π）［ｒａｄ／ｓ］
ただし、Ｊｍはモータ慣性モーメント、Ｊｌは負荷慣性モーメント、Ｊ＊は制御対象の慣性モーメント真値、Ｄは粘性摩擦、Ｔｒａｔは定格トルク、Ｔは制御周期とし、位置制御器１０２および速度制御器１０３は位置Ｐ制御ゲインＫｐ、正規化速度Ｐ制御ゲインＫｖ、速度Ｐ制御ゲインＫｖｊ＝Ｋｖ＊Ｊｍ、速度制御積分時間Ｔｉである位置Ｐ速度ＰＩ制御とし、前記位置指令は位置指令振幅ｒ_０、位置指令周波数ωである正弦波とした。位置指令振幅ｒ_０および位置指令周波数ωはモータ位置振幅Ａが微小量となるように設定した。

図４は本発明の本発明の第４実施例を示す一定トルク外乱定格トルク比を変化した場合の慣性モーメント同定結果である。本シミュレーションにおいて粘性摩擦Ｄは解らないものとし、式（９）より無視した。図４において慣性モーメント同定誤差ｅＪ（％）は慣性モーメント同定値Ｊと慣性モーメント真値Ｊ＊を用いて式（１４）により算出した。

図４において、一定トルク外乱を定格トルクＴｒａｔの０％から５０％まで変化させた場合に式（１４）より算出した慣性モーメント同定誤差は約１％で一定である。前記一定トルク外乱は同定精度に影響しないことが解る。粘性摩擦Ｄを０．０１Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄまで増大させた場合にも慣性モーメント同定誤差は３％以下であった。図４のシミュレーションにおいてモータ位置振幅は０．０４ｒａｄ以下（１７ｂｉｔ位置検出器で８３４ｐｕｌｓｅ相当）であり、トルク指令振幅は定格トルクの１０％以下であった。したがって、本発明によると微小動作のみで慣性モーメント同定が実施でき、負荷慣性モーメントがより大きな制御対象に対しても適用可能である。

このように、位置指令から単位位置指令を生成する単位位置指令演算器１０９と、モータ位置から単位モータ位置を生成する単位モータ位置演算器１１０と、前記単位位置指令と前記単位モータ位置から単位位置偏差を生成する単位位置偏差演算器１１１と、前記単位位置偏差から単位位置偏差振幅を生成する単位位置偏差振幅演算器１１２と前記単位位置偏差振幅から慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント演算器１１３を備えることにより、一定トルク外乱の影響を抑制し、微小動作のみで可動範囲の限定された負荷の連結したモータの慣性モーメントを高精度に同定することができ、前記慣性モーメント同定値に基づいて高精度で応答性の高い、モータ制御をすることができる。

微小動作のみで負荷の連結したモータの慣性モーメントを同定することができるので、半導体製造装置などの一般産業用機械の全自動制御に広く適用できる。

本発明の第１実施例を示すモータ制御装置本発明の第３実施例を示すモータ制御装置本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャート本発明の第４実施例を示す一定トルク外乱定格トルク比を変化した場合の慣性モーメント同定結果従来のモータ制御装置

符号の説明

１０１位置指令発生器
１０２位置制御器
１０３速度制御器
１０４トルク制御器
１０５制御対象
１０６位置検出器
１０７微分器
１０８慣性モーメント同定器
１０９単位位置指令演算器
１１０単位モータ位置演算器
１１１単位位置偏差演算器
１１２単位位置偏差振幅演算器
１１３慣性モーメント演算器
２０１モータ位置位相演算器
５０１速度指令発生部
５０２速度制御部
５０３モデル速度制御部
５０４同定部
５０５調整部

Claims

位置指令とモータ位置から速度指令を生成する位置制御器と、前記速度指令とモータ速度からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するトルク制御器と、前記モータ位置を微分して前記モータ速度を生成する微分器と、前記位置指令と前記モータ位置から慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント同定器と、を備えるモータ制御装置において、
前記慣性モーメント同定器は、
前記モータ位置から単位モータ位置を生成する単位モータ位置演算器と、前記位置指令から単位位置指令を生成する単位位置指令演算器と、前記単位位置指令と前記単位モータ位置から単位位置偏差を生成する単位位置偏差演算器と、前記単位位置偏差から単位位置偏差振幅を生成する単位位置偏差振幅演算器と、前記単位位置偏差振幅から前記慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント演算器と、を備えることを特徴とするモータ制御装置。
前記位置指令を生成する位置指令発生器を備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記位置指令は周期的信号であることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
前記慣性モーメント演算器は、前記位置指令の基本周波数と前記モータを駆動する制御器の制御パラメータに基づいて前記慣性モーメント同定値を生成することを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
前記モータ位置の振幅が前記負荷の可動範囲より小さくなるように前記位置指令の振幅を設定することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記慣性モーメント同定器は、モータ位置位相に基づいて前記慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント演算器を備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記慣性モーメント同定器は、前記モータ位置の前記位置指令に対する相対的な位相である前記モータ位置位相を生成するモータ位置位相演算器を備えることを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
前記位置指令を周期的信号とすることを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
前記慣性モーメント演算器は、前記位置指令の基本周波数と前記モータを駆動する制御器の制御パラメータに基づいて前記慣性モーメント同定値を生成することを特徴とする請求項８記載のモータ制御装置。
前記モータ位置の振幅が前記負荷の可動範囲より小さくなるように前記位置指令の振幅を設定することを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
位置指令とモータ位置から速度指令を生成する位置制御器と、前記速度指令とモータ速度からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するトルク制御器と、前記モータ位置を微分して前記モータ速度を生成する微分器と、前記位置指令と前記モータ位置から慣性モーメント同定値を生成する慣性モーメント同定器と、を備えるモータ制御装置の制御方法において、
前記モータ位置から単位モータ位置を生成するステップと、
前記位置指令から単位位置指令を生成するステップと、
前記単位位置指令と前記単位モータ位置から単位位置偏差を生成するステップと、
前記単位位置偏差から単位位置偏差振幅を生成するステップと、
前記単位位置偏差振幅から前記慣性モーメント同定値を生成するステップと、
を備えることを特徴とするモータ制御装置の制御方法。