JP2008199759A - 機械モデル推定装置と機械モデル推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適切な機械モデルを再現する共振周波数と反共振周波数の組み合わせを容易に推定できる機械モデル推定装置と機械モデル推定方法を提供する。
【解決手段】モータ制御装置に多数の周波数成分を含むトルク指令を出力するトルク指令生成部（１）と、モータ制御装置からトルク指令に応じたモータ速度信号とトルク指令を入力し機械周波数振幅特性を生成する機械周波数特性生成部（３）と、を備えた機械モデル推定装置において、剛体モデル周波数振幅特性を生成する剛体モデル周波数特性生成部（２）と、機械周波数振幅特性と剛体モデル周波数振幅特性を比較し特性差を生成する周波数特性比較部（５）と、特性差から機械モデルを決定する機械モデル決定部（６）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置や工作機械などの位置決め装置あるいは産業用ロボットに用いられるモータ制御装置に関し、特に、サーボ調整を最適に行うためのモータ制御装置の機械モデル推定装置と機械モデル推定方法に関する。

従来、モータ制御装置で駆動する負荷機械の共振周波数および反共振周波数を推定するには、動作指令信号と回転検出器信号とから得た周波数特性の突起形状を読み取り、共振周波数と反共振周波数を自動算出している。（特許文献１、２）
この共振周波数および反共振周波数の値を利用し、シミュレーションや制御器のモデルを最適に調整することができる。特に制振制御を行うフィードフォワード制御器やオブザーバのモデルに用いることでモータ制御装置により駆動する機械システムの特性を大きく向上させることが出来る。
特開２００３−７９１７４号公報 特開２００５−２１４７１１号公報

従来の機械モデル推定装置では、測定した周波数特性の突起の凸部から共振周波数を凹部から反共振周波数を求めるため、共振周波数と反共振周波数を別々に検出した場合、その組み合わせが不明確となってしまう場合があった。また、ノイズや多数の振動モードを含む場合、適切な機械モデルを再現する共振周波数と反共振周波数の組み合わせを正しく推定できない場合があった。

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、適切な機械モデルを再現する共振周波数と反共振周波数の組み合わせを容易に推定できる機械モデル推定装置と機械モデル推定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、次のようにしたのである。

請求項１に記載の発明は、モータ制御装置に多数の周波数成分を含むトルク指令を生成するトルク指令生成部と、前記モータ制御装置から前記トルク指令に応じたモータ速度信号と前記トルク指令を入力し機械周波数振幅特性を生成する機械周波数特性生成部と、を備えた機械モデル推定装置において、剛体モデル周波数振幅特性を生成する剛体モデル周波数特性生成部と、前記機械周波数振幅特性と前記剛体モデル周波数振幅特性を比較し特性差を生成する周波数特性比較部と、前記特性差から機械モデルを決定する機械モデル決定部と、を備えることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の機械モデル推定装置において、前記周波数特性比較部は、振幅が変化する振幅変化値とそのときの周波数を求め、振幅変化値の大きい順に共振周波数と反共振周波数を抽出し、共振周波数と反共振周波数の組み合わせを推定することを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の機械モデル推定装置において、前記機械周波数振幅特性を平滑化して新たな機械周波数振幅特性を生成する平滑化処理部を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３記載の機械モデル推定装置において、前記平滑化処理部は、移動平均処理にて平滑化処理をすることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３記載の機械モデル推定装置において、前記周波数特性比較部は、機械周波数振幅特性と剛体モデル周波数振幅特性を周波数領域で差分し、該当周波数ごとにもとめた調整値で除算して振幅変化値を生成することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項５記載の機械モデル推定装置において、前記該当周波数をωとした場合、前記該当周波数毎に調整した調整値を、１０のω乗とす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１乃至３記載の機械モデル推定装置において、振幅変化値のピークが該当する周波数以下で最も小さい振幅値の周波数を反共振周波数とし、前記ピークが該当する周波数以上で最も大きい振幅値の周波数を共振周波数とすることを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至３記載の機械モデル推定装置において、抽出する共振周波数および反共振周波数の組み合わせは、振幅変化値が設定した値以上の場合のみとすることを特徴とするものである。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至３記載の機械モデル推定装置において、設定した値以上の振幅特性変化値がなかった場合、対象を剛体モデルとすることを特徴とするものである。

請求項１０に記載の発明は、モータ制御装置に多数の周波数成分を含むトルク指令を出力するトルク指令生成部と、前記モータ制御装置から前記トルク指令に応じたモータ速度信号と前記トルク指令を入力し機械周波数振幅特性を生成する機械周波数特性生成部と、を備えた機械モデル推定装置の機械モデル推定方法において、剛体モデル周波数振幅特性を生成するステップと、前記機械周波数振幅特性と前記剛体モデル周波数振幅特性を比較し特性差を生成するステップと、前記特性差から機械モデルを決定するステップと、を備えることを特徴とするものである。

本発明によると、周波数特性の特徴的な変化を検出し、適切な共振周波数および反共振周波数の組み合わせを容易にかつ高精度に推定できる機械モデル推定装置と機械モデル推定方法を提供できる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は本発明の機械モデル推定装置の構成を示すブロック図である。図１において、１はトルク指令生成部、２は剛体モデル周波数特性生成部、３は機械周波数特性生成部、４は平滑化処理部、５は周波数特性比較部、６は機械モデル決定部、１１はモータ制御装置、１２はモータ、１３は位置検出器、１４は機械である。トルク指令生成部１は多数の周波数成分を含むトルク指令を生成し、剛体モデル部２はトルク指令から剛体モデル速度信号を生成する。モータ制御装置１１は、トルク指令により機械１４に結合されたモータ１２のトルクを制御し、位置検出器１３の生成するモータ位置信号からモータ速度信号を生成する。剛体モデル周波数特性生成部３は、トルク指令と剛体モデル速度信号から剛体モデル周波数振幅特性を生成し、機械周波数特性生成部４はトルク指令とモータ位置信号から機械周波数振幅特性を生成する。平滑化処理部５は、機械周波数振幅特性を平滑して新たな機械周波数振幅特性を生成する。周波数特性比較部は、剛体モデル周波数振幅特性と機械周波数振幅特性から特性差を生成する。機械モデル決定部７は特性から機械のモデルを決定する。

図２は図１の各ブロックの処理を示すフローチャートである。図２のステップ１で多くの周波数成分を含むトルク指令を制御器に入力して速度応答を計測し、ステップ２で入力したトルク指令および計測した速度応答を基に機械の周波数応答を演算する。次に、ステップ３で周波数応答演算の結果の振幅特性に対して、剛体モデルの振幅特性との差を求め、ステップ４で剛体モデルの振幅特性との差を周波数軸上で差分し、該当周波数毎に調整した調整値で除することにより、次式のように振幅特性変化値の算出する。

ここで、ΔＧ（ω）は周波数ωにおける振幅特性変化値、Ｇ（ω）は周波数ωにおける振幅特性の差、Δωは周波数軸上の刻み幅、Ａ（ω）は周波数ωにおける調整値である。また、調整値は、次式により求める。

次にステップ５でステップ４で求めた振幅特性変化値が設定閾値を超えるピーク部を探索し、該当するピーク部の周波数を挟んで存在する共振周波数および反共振周波数の組み合わせを抽出する。ここで、該当するピーク部が存在しない場合、対象を剛体モデルとみなす。ピーク部が存在する場合は、ステップ６で、ステップ５で求めた共振周波数および反共振周波数の組み合わせ毎に、ピーク部が該当する周波数以下で最も振幅値が小さい周波数を反共振周波数とし、ピークが該当する周波数以上で最も振幅値が大きい周波数を共振周波数とすることにより共振周波数および反共振周波数を推定する。ここでいう振幅値とはステップ３で求めた周波数応答演算の結果の振幅特性と剛体モデルの振幅特性との差を指す。ステップ７では、各共振周波数および反共振周波数の組み合わせ毎に曲線適合などの手法を用いて、二慣性系パラメータを推定する。また、剛体モデルと判定された場合には、剛体パラメータを推定する。

図３は、本発明による共振周波数および反共振周波数の推定結果で、周波数領域での振幅特性を表しており、Ｓ１は測定により得られた周波数応答、Ｓ２はＳ１を移動平均フィルタにより平滑化した周波数応答、本発明の推定により得られた共振周波数および反共振周波数の組み合わせの第１候補は、Ｓ３の共振点、Ｓ４の反共振点であり、曲線適合により求めた二慣性系モデルの周波数応答がＳ５である。このときの判定基準となる振幅特性変化値を示す図を図４に示す。Ｓ６が振幅特性変化値、Ｓ７が振幅特性変化のピーク値、Ｓ８がモデル化判定閾値をしめしており、振幅特性変化値でＳ７が最も大きなピークであり、このピークに該当する周波数を囲む共振周波数および反共振周波数が図３中のＳ３、Ｓ４のように推定されていることがわかる。また、Ｓ８による判定条件では、応答に影響する共振周波数および反共振周波数の組が２組存在することがわかる。

図５は本発明の機械モデル推定方法を示すフローチャートである。図５のステップＳＴ１で多数の周波数成分を含むトルク指令を生成し、ステップＳＴ２でトルク指令によりモータを駆動し、ステップＳＴ３でトルク指令とモータ速度信号から機械周波数振幅特性を生成し、ステップＳＴ４で剛体モデル周波数振幅特性を生成し、ステップＳＴ５で機械周波数振幅特性と剛体モデル周波数振幅特性を比較し特性差を生成し、ステップＳＴ６で特性差から機械モデルを決定する。特性差から機械モデルを決定する方法は図２で説明したとおりである。

本発明の機械モデル推定装置の構成を示すブロック図 本発明の機械モデル推定装置の処理を示すフローチャート 本発明の機械モデル推定装置の推定結果を示す図 本発明の機械モデル推定装置の振幅特性変化値を示す図 本発明の機械モデル推定方法を示すフローチャート

符号の説明

１ トルク指令生成部
２ 剛体モデル周波数特性生成部
３ 機械周波数特性生成部
４ 平滑化処理部
５ 周波数特性比較部
６ 機械モデル決定部
１１ モータ制御装置
１２ モータ
１３ 位置検出器
１４ 機械

Claims (10)

1. モータ制御装置に多数の周波数成分を含むトルク指令を出力するトルク指令生成部と、前記モータ制御装置から前記トルク指令に応じたモータ速度信号と前記トルク指令を入力し機械周波数振幅特性を生成する機械周波数特性生成部と、を備えた機械モデル推定装置において、
   剛体モデル周波数振幅特性を生成する剛体モデル周波数特性生成部と、
   前記機械周波数振幅特性と前記剛体モデル周波数振幅特性を比較し特性差を生成する周波数特性比較部と、
   前記特性差から機械モデルを決定する機械モデル決定部と、
   を備えることを特徴とする機械モデル推定装置。
2. 前記周波数特性比較部は、振幅が変化する振幅変化値とそのときの周波数を求め、振幅変化値の大きい順に共振周波数と反共振周波数を抽出し、共振周波数と反共振周波数の組み合わせを推定することを特徴とする請求項１記載の機械モデル推定装置。
3. 前記機械周波数振幅特性を平滑化して新たな機械周波数振幅特性を生成する平滑化処理部を備えることを特徴とする請求項１記載の機械モデル推定装置。
4. 前記平滑化処理部は、移動平均処理にて平滑化処理をすることを特徴とする請求項３記載の機械モデル推定装置。
5. 前記周波数特性比較部は、機械周波数振幅特性と剛体モデル周波数振幅特性を周波数領域で差分し、該当周波数ごとにもとめた調整値で除算して振幅変化値を生成することを特徴とする請求項１乃至３記載の機械モデル推定装置。
6. 前記該当周波数をωとした場合、前記該当周波数毎に調整した調整値を、１０のω乗とすることを特徴とする請求項５記載の機械モデル推定装置。
7. 振幅変化値のピークが該当する周波数以下で最も小さい振幅値の周波数を反共振周波数とし、前記ピークが該当する周波数以上で最も大きい振幅値の周波数を共振周波数とすることを特徴とする請求項１乃至３記載の機械モデル推定装置。
8. 抽出する共振周波数および反共振周波数の組み合わせは、振幅変化値が設定した値以上の場合のみとすることを特徴とする請求項１乃至３記載の機械モデル推定装置。
9. 設定した値以上の振幅特性変化値がなかった場合、対象を剛体モデルとすることを特徴とする請求項１乃至３記載の機械モデル推定装置。
10. モータ制御装置に多数の周波数成分を含むトルク指令を出力するトルク指令生成部と、前記モータ制御装置から前記トルク指令に応じたモータ速度信号と前記トルク指令を入力し機械周波数振幅特性を生成する機械周波数特性生成部と、を備えた機械モデル推定装置の機械モデル推定方法において、
    多数の周波数成分を含むトルク指令を生成するステップと、
    前記トルク指令によりモータを駆動するステップと、
    前記トルク指令とモータ速度信号から機械周波数振幅特性を生成するステップと、
    剛体モデル周波数振幅特性を生成するステップと、
    前記機械周波数振幅特性と前記剛体モデル周波数振幅特性を比較し特性差を生成するステップと、
    前記特性差から機械モデルを決定するステップと、
    を備えることを特徴とする機械モデル推定方法。