JP2010051047A - 慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 慣性モーメント同定器107は、入力指令の特定の周波数である指令周波数を算出し出力する指令周波数演算器108と、トルク指令のフーリエ係数であるトルク指令フーリエ係数を算出し出力するトルク指令フーリエ係数演算器109と、モータ位置のフーリエ係数であるモータ位置フーリエ係数を算出し出力するモータ位置フーリエ係数演算器110と、前記指令周波数および前記トルク指令フーリエ係数並びに前記モータ位置フーリエ係数に基づいて、慣性モーメント同定値を算出し出力する慣性モーメント演算器111と、を備える。
【選択図】図1
Description
第1従来技術の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置は、同じ周波数で2つの異なる振幅を持つ位置指令である第1位置指令および第2位置指令のそれぞれに対する積分トルク指令基本周波数成分を設定した時間において評価した値である積分トルク指令評価値を用いて負荷を連結したモータである制御対象の慣性モーメントを同定している(例えば、特許文献1参照)。
また、第2従来技術の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置は、2つの異なる周波数の速度指令に対するモータ位置振幅と、トルク指令のフーリエ係数を用いて前記慣性モーメントを同定している(例えば、特許文献2参照)。
第1基本周波数成分検出器301は、位置指令と位置を入力し、前記位置の周波数成分の中で前記位置指令の基本周波数における周波数成分を位置基本周波数成分として検出し出力する。位置評価器302は、前記位置基本周波数成分の設定した時間における値を位置評価値として検出し出力する。周波数検出器303は、前記位置基本周波数成分の周波数を位置周波数として検出し出力する。第1演算器304は、前記位置評価値と前記位置周波数を入力し修正位置評価値を出力する。積分器305は、トルク指令を入力し前記トルク指令をN階時間積分した積分トルク指令を出力する。(ただしNは自然数とする。)第2基本周波数成分検出器306は、前記位置指令と前記積分トルク指令を入力し、前記積分トルク指令の周波数成分の中で前記位置指令の基本周波数における周波数成分を積分トルク指令基本周波数成分として検出し出力する。積分トルク指令評価器307は、前記積分トルク指令基本周波数成分を入力し、その入力信号を設定した時間において評価した値を積分トルク指令評価値として出力する。第2演算器308は、前記修正位置評価値と前記積分トルク指令評価値を入力し、慣性モーメント同定値を出力する。
速度指令発生器401は、速度指令を出力する。速度制御器402は、前記速度指令と速度を入力しトルク指令を出力する。トルク制御器403は、前記トルク指令を入力しモータ駆動信号を出力する。モータ404は、前記モータ駆動信号により駆動されその位置であるモータ位置は位置検出器405が検出し出力する。微分器406は、前記モータ位置を入力し前記速度を出力する。慣性モーメント同定器407は、前記トルク指令と前記モータ位置を入力し負荷が連結したモータ404の負荷慣性モーメントである慣性モーメント同定値を算出し出力する。慣性モーメント同定器407内部において、トルク指令フーリエ変換器408は、前記トルク指令を入力しその入力信号のフーリエ係数であるトルク指令フーリエ係数を出力する。モータ位置振幅演算器409は、前記モータ位置を入力しその入力信号振幅であるモータ位置振幅を出力する。慣性モーメント演算器410は、前記トルク指令フーリエ係数と前記モータ位置振幅を入力し前記慣性モーメント同定値を算出し出力する。
請求項1に記載の発明は、機械負荷の連結したモータである制御対象を駆動するモータ制御装置であって、入力指令と検出器による検出値であるモータ位置に基づいて前記モータ位置が前記入力指令に追従するように制御するフィードバック制御器と、前記フィードバック制御器の出力であるトルク指令と前記モータ位置とに基づいて前記制御対象の慣性モーメント同定値を算出する慣性モーメント同定器と、を備え、前記慣性モーメント同定値を用いて前記制御対象を駆動するモータ制御装置において、前記入力指令が複数の周波数成分を含む周期信号であって、前記慣性モーメント同定器が、前記入力指令の複数の周波数成分から特定の周波数を算出し、前記特定の周波数における前記トルク指令のフーリエ係数と、前記特定の周波数における前記モータ位置のフーリエ係数とを算出し、前記特定の周波数および前記トルク指令のフーリエ係数並びに前記モータ位置のフーリエ係数に基づいて前記慣性モーメント同定値を算出するのである。
また、請求項5に記載の発明によると、柔軟な負荷の連結した制御対象に対し産業用機械の慣性モーメント同定を、小ストロークで精度良く短時間に実施するとともに、簡単な数式により廉価で性能のやや劣るドライバを用いた産業用機械のモータ側および負荷側の慣性モーメント同定と、その同定結果を用いた動作制御をすることができる。
一方、前記指令周波数が共振周波数より十分大きい場合、すなわちω=ω2>>ωrにおいて、共振および反共振周波数とモータ側および負荷側慣性モーメントとの周知の関係式である式(11)を用いて、式(7)は式(12)、さらに式(13)と書き直すことができる。
同様に、式(8)は、式(14)と書き直すことができる。
慣性モーメント演算器111は、式(9)、(10)、(13)、(14)を用いて負荷側慣性モーメントJl=J−Jmを算出し、前記モータ側慣性モーメントと前記負荷側慣性モーメントである慣性モーメント同定値を出力する。
式(1)から式(14)の説明において、第1指令周波数ω1と第2指令周波数ω2の2つの指令を用いたが、第1指令周波数ω1と第2指令周波数ω2の2つの周波数成分を含む任意の指令を用いても、同様に慣性モーメント同定が実施できる。
指令周波数演算器108は、制御対象105の反共振周波数より十分に低い(例えば1/5程度)周波数である第1指令周波数ω1と、共振周波数より十分に高い(例えば5倍程度)周波数である第2指令周波数ω2を含む周期的な指令を入力し、前記指令の含む周波数のうち慣性モーメント同定に用いる複数の周波数である前記第1指令周波数と第2指令周波数をFFTにより抽出し出力する。
トルク指令フーリエ係数演算器109は、前記トルク指令を入力し、式(5)に基づいて前記指令周波数演算器の複数(例えば2つ)の前記指令周波数から、指令トルク指令フーリエ係数cおよびdを算出し出力する。
モータ位置フーリエ係数演算器110は、前記モータ位置を入力し、式(4)に基づいて前記指令周波数演算器の複数(例えば2つ)の前記指令周波数から、モータ位置フーリエ係数aおよびbを算出し出力する。
慣性モーメント演算器111は、前記指令周波数および前記トルク指令フーリエ係数並びに前記モータ位置フーリエ係数と、を入力し、式(13)あるいは(14)に基づいてモータ側慣性モーメントJmを、式(9)あるいは(10)に基づいて総慣性モーメントJを算出し、更に負荷側慣性モーメントJl=J−Jmを算出し、モータ側慣性モーメントJmと負荷側慣性モーメントJlである前記慣性モーメント同定値を算出し出力する。
また、式(9)、(10)、(13)、(14)を見ても、非常に簡単な数式であることが分かり、廉価で性能のやや劣るドライバを用いた産業用機械のモータ側および負荷側の慣性モーメント同定値を容易に同定することができる。
J=2.44×10−4[kg・m2]、Tc=2.1*10−3[N・m]、ωr=138・2・π[rad/s]、ζr=0.002、ωa=100・2・π[rad/s]、ζa=0.002、Kp=120[s−1]、Kv=120・2・π[s−1]、J0=1.28×10−3[kg・m2]、Ti=0.0053[s]、T=125×10−6[s]、Trat=0.637[N・m]、b=17[bit]、ω1=10・2・π[rad/s]、ω2=200・2・π[rad/s]、r01=0.005[rad]、r02=0.1[rad]
ただし、Jは制御対象105の総慣性モーメント(モータ側慣性モーメントと負荷側慣性モーメント)、Tcはクーロン摩擦、ωrは共振周波数、ζrは共振の減衰係数、ωaは反共振周波数、ζaは反共振の減衰係数、Kpは位置比例制御ゲイン、Kvは速度比例制御ゲイン、J0は公称慣性モーメント、Tiは速度制御積分時定数、Tは制御周期、Tratは定格トルク、bはモータ位置検出器106の分解能、ω1は第1指令周波数、ω2は第2指令周波数、r01は第1指令振幅、r02は第2指令振幅である。
図を見れば、一定トルク外乱を定格トルクの0%から50%まで変化させてもモータ側慣性モーメントは1%以下の誤差で同定でき、負荷側慣性モーメントは3%以下の誤差で同定できることが分かる。また、本シミュレーションにおいて前記モータ位置の振幅は1/157回転以下であり、本発明は可動範囲の限定された一般産業用機械などの慣性モーメント同定に適用可能であることが分かる。また、動作開始から10周期分の前記モータ位置と前記トルク指令を用いたので、前記モータ位置と前記トルク指令を拾得するのに要した時間は0.1sであった。
102 フィードバック制御器
103 フィードフォワード制御器
104 電流制御器
105 制御対象
106 モータ位置検出器
107 慣性モーメント同定器
108 指令周波数演算器
109 トルク指令フーリエ係数演算器
110 モータ位置フーリエ係数演算器
111 慣性モーメント演算器
301 第1基本周波数成分検出器
302 位置評価器
303 周波数検出器
304 第1演算器
305 微分器
306 第2基本周波数成分検出器
307 積分トルク指令評価器
308 第2演算器
401 速度指令発生器
402 速度制御器
403 トルク制御器
404 モータ
405 位置検出器
406 微分器
407 慣性モーメント同定器
408 トルク指令フーリエ変換器
409 モータ位置振幅演算器
410 慣性モーメント演算器
Claims (5)
- 機械負荷の連結したモータである制御対象を駆動するモータ制御装置であって、入力指令と検出器による検出値であるモータ位置に基づいて前記モータ位置が前記入力指令に追従するように制御するフィードバック制御器と、前記フィードバック制御器の出力であるトルク指令と前記モータ位置とに基づいて前記制御対象の慣性モーメント同定値を算出する慣性モーメント同定器と、を備え、前記慣性モーメント同定値を用いて前記制御対象を駆動するモータ制御装置において、
前記入力指令が複数の周波数成分を含む周期信号であって、
前記慣性モーメント同定器が、前記入力指令の複数の周波数成分から特定の周波数を算出し、
前記特定の周波数における前記トルク指令のフーリエ係数と、前記特定の周波数における前記モータ位置のフーリエ係数とを算出し、
前記特定の周波数および前記トルク指令のフーリエ係数並びに前記モータ位置のフーリエ係数に基づいて前記慣性モーメント同定値を算出することを特徴とする慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。 - 前記慣性モーメント同定器は、前記入力指令の前記特定の周波数である指令周波数を算出する指令周波数演算器と、
前記トルク指令のフーリエ係数であるトルク指令フーリエ係数を算出するトルク指令フーリエ係数演算器と、
前記モータ位置のフーリエ係数であるモータ位置フーリエ係数を算出するモータ位置フーリエ係数演算器と、
前記指令周波数および前記トルク指令フーリエ係数並びに前記モータ位置フーリエ係数に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出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請求項1に記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。 - 前記入力指令の前記特定の周波数は、前記制御対象の反共振周波数より十分に低い周波数である第1指令周波数と、前記制御対象の共振周波数より十分に高い周波数である第2指令周波数であることを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
- 前記トルク指令フーリエ係数演算器は、FFT(高速フーリエ変換)を用いて前記トルク指令フーリエ係数を算出し、
前記モータ位置フーリエ係数演算器は、FFT(高速フーリエ変換)を用いて前記モータ位置フーリエ係数を算出することを特徴とする請求項2に記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。 - 前記第1指令周波数における前記モータ位置をフーリエ変換した余弦項の係数を第1モータ位置余弦項フーリエ係数とし、前記第1指令周波数における前記トルク指令をフーリエ変換した余弦項の係数を第1トルク指令余弦項フーリエ係数とし、前記第2指令周波数における前記モータ位置をフーリエ変換した余弦項の係数を第2モータ位置余弦項フーリエ係数とし、前記第2指令周波数における前記トルク指令をフーリエ変換した余弦項の係数を第2トルク指令余弦項フーリエ係数とした場合、
前記慣性モーメント演算器は、前記第1トルク指令余弦項フーリエ係数を、前記第1指令周波数の2乗と前記第1モータ位置余弦項フーリエ係数との乗算値で除算して負号を付した、前記制御対象の総慣性モーメント同定値を算出し、
前記第2トルク指令余弦項フーリエ係数を、前記第2指令周波数の2乗と前記第2モータ位置余弦項フーリエ係数との乗算値で除算し負号を付した、前記制御対象のモータ側慣性モーメント同定値を算出し、
前記総慣性モーメント同定値から前記モータ側慣性モーメント同定値を減算して負荷側慣性モーメント同定値を算出し、
前記モータ側慣性モーメント同定値と前記負荷側慣性モーメント同定値とを前記慣性モーメント同定値として出力することを特徴とする請求項2または4に記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。
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