JP2015216709A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械の異常を検出できるモータ制御装置を提供する。【解決手段】速度制御器１１０は、速度指令と速度フィードバックとの偏差からトルク指令を出力する。トルク指令ノッチフィルタ１１５は、トルク指令から機械３００の共振周波数の信号成分を除去したトルク指令を出力する。電力変換器１２５は、機械３００の共振周波数の信号成分を除去したトルク指令を用いてモータを駆動する。共振周波数推定器１３５は、速度フィードバックを用いてモータ２００が駆動する機械３００の共振周波数を推定する。機械異常検出部１５０は、推定した機械３００の共振周波数を用いて機械異常を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、機械の異常を検出できるモータ制御装置に関する。

ボールネジによって直線的に移動されるテーブルを有する工作機械がある。ボールネジはカップリングを介してモータの出力軸に取り付けられる。モータが回転するとテーブルが直線的に動く。

カップリングは剛性を有する。工作機械はカップリングの剛性の影響を受けて共振する。工作機械が共振すると、工作機械の制御特性に悪影響を及ぼす。このため、工作機械の動きを制御するトルク指令にノッチフィルタを設け、ノッチフィルタに通したトルク指令を用いて、工作機械の動きを制御し、共振の発生を抑制している。

工作機械などの機械系は剛性などの物理特性にばらつきがある。このばらつきが大きいと共振周波数が大きく変化するため、通常のノッチフィルタでは共振を抑制することが難しくなる。共振周波数が大きく変化しても共振が抑制できるようにするために、共振周波数を推定しノッチフィルタの周波数を自動的に設定できる適応ノッチフィルタが開発されている。

しかし、共振周波数が基準値から大きくずれたときには、機械系に何らかの異常が生じたことが考えられ、そのまま作業を継続することは問題である。たとえば、機械の組み付けが正しく行われてなく、固定部に緩みがあるときには、共振周波数が低下するため、適応ノッチフィルタの推定周波数が低下する。推定周波数が低下すると、適応ノッチフィルタの位相遅れにより速度制御応答のハンプが増加するなど、制御特性に悪影響が生じる。このため、加工精度が低下したり、タクトタイムが増加したりして、生産効率が悪化するばかりではなく、極端な場合には機械自体にも悪影響を及ぼす。

機械の異常を検出する技術として、外部センサを設けて異常を検出する技術、モータ電流から異常を検出する技術、モータ位置から異常を検出する技術など、さまざまな技術がある。

外部センサを設けて異常を検出する技術として、下記特許文献１に記載されている技術がある。この技術は、軸受け部に加速度計を設置して軸受け部の振動加速度を計測し、計測した振動加速度に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行い、振動発生周波数の信号を抽出して、異常を検出している。

モータ電流から異常を検出する技術として、下記特許文献２に記載されている技術がある。この技術は、機械設備を駆動する電動機の負荷電流信号（電源周波数とその高周波周波数）をスペクトル分析し、スペクトル分析の結果から機械設備の異常を識別するための診断パラメータを算出する。算出した診断パラメータと診断対象の機械設備ごとにあらかじめ設定した判定基準値とを比較し、算出した診断パラメータが判定基準値よりも大きいときに、機械設備が異常であると判定して、異常を検出している。

モータ位置から異常を検出する技術として、下記特許文献３に記載されている技術がある。この技術は、モータと、モータの位置を検出する位置検出器と、モータを駆動するサーボドライブと、サーボドライブを制御するサーボコントローラと、を備えるサーボシステムにおいて、モータによって駆動される被駆動部の異常を検出する。位置検出器からモータの位置情報を入力する入力部と、モータをほぼ一定速度で回転しているときの位置情報を周波数変換する周波数変換部と、周波数変換された所定周波数における振幅と被駆動部の異常を判定するための閾値とを比較する比較判定部とを有し、振幅が閾値よりも大きくなる周波数によって被駆動部の異常部位を検出している。

特開２００２−２２６１７号公報 特開平１１−８３６８６号公報 特開２０１３−８１２８２号公報

しかし、上述の引用文献１から３に記載された技術では、下記のような問題がある。

特許文献１の技術では、軸受け部に加速度計を設置する必要があり、また、計測した信号に対して複雑な演算処理を施さなければならないため、コスト高になるという問題がある。

特許文献２の技術では、機械の異常を電動機の負荷電流信号を用いて検出しているため、電動機の電源周波数及びその高周波周波数が機械系の共振周波数に一致するような、特定の回転速度でしか異常が検出できないという問題がある。

特許文献３の技術では、モータをほぼ一定速度で動かして異常を検出する必要があり、コントローラからの指令に基づく加減速運転時には異常を正しく検出できないという問題がある。また、高速フーリエ変換やウエーブレット変換による周波数変換は、ソフトウエアによる処理量が多く、高速処理が可能なＣＰＵを用いる必要があり、モータ制御装置がコスト高になるという問題がある。

本発明は、以上のような従来の技術の問題点を解消するために成されたものであり、異常を検出するための特別なセンサを設ける必要がなく、異常の検出に際してモータの回転速度や運転パターンに制約がなく、異常の検出に際して複雑な演算処理の必要がなく、制御特性に生じる悪影響を一定の範囲内に抑制することができる、モータの運転中に機械の異常を検出できるモータ制御装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るモータ制御装置は、速度制御器、トルク指令ノッチフィルタ、電力変換器、共振周波数推定器及び機械異常検出部を有する。

速度制御器は、速度指令と速度フィードバックとの偏差からトルク指令を出力する。トルク指令ノッチフィルタは、前記トルク指令から機械の共振周波数の信号成分を除去したトルク指令を出力する。電力変換器は、前記機械の共振周波数の信号成分を除去したトルク指令を用いてモータを駆動する。共振周波数推定器は、前記速度フィードバックを用いて前記モータが駆動する機械の共振周波数を推定する。機械異常検出部は、推定した前記機械の共振周波数を用いて機械異常を検出する。

以上のような構成を有する本発明に係るモータ制御装置によれば、機械の異常を検出するための特別なセンサを設ける必要がなく、機械の異常の検出に際してモータの回転速度や運転パターンに制約がなく、機械の異常の検出に際して複雑な演算処理の必要がなく、制御特性に生じる悪影響を一定の範囲内に抑制することができる。

本実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。 本実施形態に係るモータ制御装置の動作説明に供するグラフである。

次に、本発明に係るモータ制御装置を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。

［モータ制御装置の構成］
モータ制御装置１００は、速度算出器１０５、速度制御器１１０、トルク指令ノッチフィルタ１１５、トルク制御器１２０、電力変換器１２５、ハイパスフィルタ１３０、共振周波数推定器１３５、機械異常検出部１５０を有する。

モータ制御装置１００はモータ２００に電気的に接続される。モータ２００は機械３００に機械的に接続される。エンコーダ２１０はモータ２００に機械的に接続される。エンコーダ２１０は、モータ２００の位置に関する信号（モータ位置）を出力する。

速度算出器１０５は、エンコーダ２１０から出力されるモータ位置を入力し、これを微分して速度フィードバックを出力する。速度制御器１１０は、図示しないコントローラが出力する速度指令と速度フィードバックとの偏差を入力し、トルク指令を出力する。トルク指令ノッチフィルタ１１５は、トルク指令を入力し、そのトルク指令から機械３００の共振周波数の信号成分を除去したトルク指令を出力する。トルク指令ノッチフィルタ１１５に設定される共振周波数は共振周波数推定器１３５が推定した共振周波数である。トルク制御器１２０は、機械３００の共振周波数の信号成分を除去したトルク指令を入力し、モータ２００がそのトルク指令に応じたトルクを出力するための信号を出力する。電力変換器１２５は、そのトルクを出力するための信号を入力しモータ２００に必要な電圧及び電流を供給する。

ハイパスフィルタ１３０は、速度フィードバックを入力し、速度フィードバックに含まれる高周波数成分の信号を通過させ、それ以外の周波数成分の信号を減衰させる。ハイパスフィルタ１３０が通過させる高周波数成分の信号は、速度制御器１１０の応答周波数よりも高い周波数である。共振周波数推定器１３５は、速度制御器１１０の応答周波数より高い周波数成分の速度フィードバックから機械３００の共振周波数を推定する。共振周波数推定器１３５が推定した共振周波数はトルク指令ノッチフィルタ１１５に設定される。機械異常検出部１５０は、共振周波数推定器１３５が推定した共振周波数を用いて機械３００の異常を検出する。したがって、共振周波数推定器１３５と機械異常検出部１５０が機械３００の異常を検出するセンサの役割を果たす。

機械異常検出部１５０は、上限リミット検出器１５５、下限リミット検出器１６０、継続状態確認器１６５、１７０、ＯＲ回路１７５、スイッチ１８０、初期動作検出器１８５を有する。

上限リミット検出器１５５は、共振周波数推定器１３５が推定した共振周波数が、上限リミット検出器１５５に設定されている、図２に示すような上限リミットの周波数以上の周波数であるか否かを検出する。下限リミット検出器１６０は、共振周波数推定器１３５が推定した共振周波数が、下限リミット検出器１６０に設定されている、図２に示すような下限リミットの周波数以下の周波数であるか否かを検出する。上限リミットの周波数は、機械３００の基準となる共振周波数に対し、許容できる最大の共振周波数を設定する。下限リミットの周波数は、機械３００の基準となる共振周波数に対し、許容できる最小の共振周波数を設定する。

継続状態確認器１６５は、共振周波数推定器１３５の推定した共振周波数が、一定時間以上の時間にわたって上限リミットの周波数以上の周波数になると機械異常を出力する。継続状態確認器１７０は、共振周波数推定器１３５の推定した共振周波数が、一定時間以上の時間にわたって下限リミットの周波数以下の周波数になると機械異常を出力する。

ＯＲ回路１７５は、継続状態確認器１６５、１７０の少なくともいずれか一方から機械異常が出力されているときには、その機械異常を外部に出力する。初期動作検出器１８５は、運転開始と速度指令とを入力し、共振周波数推定器１３５が適切に動作できるか否かを検出する。共振周波数推定器１３５が適切に動作できないことが検出された場合には、継続状態確認器１６５、１７０の後段、ＯＲ回路１７５の出力側に設けたスイッチ１８０を開いて、機械異常が外部に出力されないようにする。共振周波数推定器１３５が適切に動作できることが検出された場合には、スイッチ１８０を閉じて、機械異常が外部に出力されるようにする。

これは、モータ２００の運転開始時において、速度指令が０でモータ２００が停止しており、機械系の摩擦の影響で共振周波数推定器１３５が共振周波数を推定できないような場合に、機械異常が出力されてしまうことを防止するためである。つまり機械３００を動かし始める前に推定した共振周波数が、上限リミットの周波数以上の周波数になるか、または下限リミットの周波数以下の周波数になる場合に、機械異常の誤検出が生じることを防止するためである。

図示しないコントローラが出力する、速度指令に基づくモータ動作の周波数成分は、速度制御器１１０の応答周波数までとなる。ハイパスフィルタ１３０に設定されるカットオフ周波数は、速度制御器１１０の応答周波数よりも高い周波数である。このため、ハイパスフィルタ１３０の出力には速度指令に基づくモータ動作の周波数成分は現れず、コントローラからの指令に基づく加減速運転でも、機械３００の異常は正しく検出できる。

上限リミット検出器１５５に設定する上限リミットの周波数、及び、下限リミット検出器１６０に設定する下限リミットの周波数を、機械３００の破損を防止しうる周波数に設定することにより、機械３００の破損が未然に防止できる。

また、下限リミットの周波数をモータ制御装置１００の制御特性が極端に悪化しない（加工に悪影響を及ぼさない）領域の周波数に設定することにより、共振周波数が低下したとしても、制御特性の悪化を防止することができる。

［モータ制御装置の動作］
次に、モータ制御装置の動作を、図１及び図２を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係るモータ制御装置の動作説明に供するグラフである。具体的には、共振周波数推定器１３５が推定する機械３００の共振周波数のゲインと周波数の関係を示すグラフである。

運転が開始され、図示しないコントローラから速度指令が出力されると、初期動作検出器１８５は、運転開始と速度指令を入力し、機械異常検出部１５０の誤検出を防止するため、スイッチ１８０を開く。一方、運転が開始され、速度指令が上昇してきて共振周波数推定器１３５が適切に動作できるようになると、初期動作検出器１８５は、機械異常検出部１５０が機械異常を検出できるようにするために、スイッチ１８０を閉じる。

速度制御器１１０は、速度算出器１０５が出力する速度フィードバックとコントローラが出力する速度指令との偏差からトルク指令を出力する。ハイパスフィルタ１３０は、速度フィードバックに含まれる高周波数成分の信号を通過させる。共振周波数推定器１３５は、ハイパスフィルタ１３０を通過した速度フィードバックから機械３００の共振周波数を推定する。

トルク指令ノッチフィルタ１１５は、共振周波数推定器１３５が推定した共振周波数を設定する。トルク指令ノッチフィルタ１１５は、速度制御器１１０が出力するトルク指令を入力し、そのトルク指令から機械３００の共振周波数の信号成分を除去したトルク指令を出力する。トルク制御器１２０は、トルク指令ノッチフィルタ１１５を通過したトルク指令を入力し、モータ２００がそのトルク指令に応じたトルクを出力するための信号を出力する。電力変換器１２５は、トルク制御器１２０が出力する信号からモータ２００に必要な電圧及び電流を供給する。

モータ２００は、電力変換器１２５が出力する電圧及び電流にしたがって回転し、機械３００を駆動する。モータ２００の回転位置を示すモータ位置はエンコーダ２１０によって検出され、速度算出器１０５に出力される。

機械３００の共振周波数が図２に示す上限リミットの周波数と下限リミットの周波数との間にあるときには、上限リミット検出器１５５及び下限リミット検出器１６０のいずれからも機械異常は出力されない。したがって、機械異常検出部１５０からは機械異常が出力されない。

一方、機械３００の共振周波数が図２に示す上限リミットの周波数以上の周波数または下限リミットの周波数以下の周波数になったときには、上限リミット検出器１５５または下限リミット検出器１６０から機械異常が出力される。

継続状態確認器１６５が上限リミット検出器１５５から機械異常が一定時間以上の時間にわたって出力されていることを確認したとき、または継続状態確認器１７０が下限リミット検出器１６０から機械異常が一定時間以上の時間にわたって出力されていることを確認したときには、継続状態確認器１６５、１７０はＯＲ回路１７５に機械異常を出力する。ＯＲ回路１７５はスイッチ１８０を介して機械異常を出力する。

また、上限リミット検出器１５５または下限リミット検出器１６０が一定時間以上の時間にわたって機械異常を出力しなかったときには、継続状態確認器１６５、１７０はＯＲ回路１７５に機械異常を出力しない。

たとえば機械３００の共振周波数が、図２に示すように、上限リミットである３８０Ｈｚと下限リミットである２１０Ｈｚとの間にあるときには、機械異常は出力されない。一方、機械３００の共振周波数が、３８０Ｈｚ以上または２１０Ｈｚ以下であり、その状態が一定時間以上の時間にわたって継続したときには、機械異常が出力される。

以上のように、本実施形態に係るモータ制御装置１００は、共振周波数推定器１３５に対して、上限リミット及び下限リミットの周波数を設定し、推定した共振周波数が一定時間以上の時間にわたって、上限リミットの周波数以上の周波数または下限リミットの周波数以下の周波数であるとき場合には、機械異常を出力する。

このため、機械３００の組み付けや機械部品の劣化に伴って機械３００の共振周波数が低下したとしても、モータ制御装置１００の制御特性の悪化を防止することができ、また、機械３００の破損も防止できる。

なお、以上の実施形態では、上限リミット検出器１５５と下限リミット検出器１６０の両方を設けているが、機械３００の共振特性から見て、上限または下限のいずれかの共振を検出して機械異常を出力すれば良いのであれば、上限リミット検出器１５５または下限リミット検出器１６０のどちらか一方を設けるようにしても良い。

本実施形態に係るモータ制御装置１００は、共振周波数推定器１３５と機械異常検出部１５０とを設けているので、異常を検出するための特別なセンサを必要とすることなく、機械３００の異常が検出できる。

また、本実施形態に係るモータ制御装置１００は、速度フィードバックに対し、ハイパスフィルタを通して速度制御器による応答までの周波数成分を除去して機械３００の共振周波数を推定するので、機械３００の異常検出に際してモータ２００の回転速度や運転パターンに制約がない。また、異常検出を上限リミット及び下限リミットの周波数を用いて検出するので、異常検出に際して複雑な演算処理をする必要がない。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

１００ モータ制御装置、
１０５ 速度算出器、
１１０ 速度制御器、
１１５ トルク指令ノッチフィルタ、
１２０ トルク制御器、
１２５ 電力変換器、
１３０ ハイパスフィルタ、
１３５ 共振周波数推定器、
１５０ 機械異常検出部、
１５５ 上限リミット検出器、
１６０ 下限リミット検出器、
１６５、１７０ 継続状態確認器、
１７５ ＯＲ回路、
１８０ スイッチ、
１８５ 初期動作検出器。

Claims (8)

1. 速度指令と速度フィードバックとの偏差からトルク指令を出力する速度制御器と、
   前記トルク指令から機械の共振周波数の信号成分を除去したトルク指令を出力するトルク指令ノッチフィルタと、
   前記機械の共振周波数の信号成分を除去したトルク指令を用いてモータを駆動する電力変換器と、
   前記速度フィードバックを用いてモータが駆動する前記機械の共振周波数を推定する共振周波数推定器と、
   推定した前記機械の共振周波数を用いて機械異常を検出する機械異常検出部と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記共振周波数推定器が推定した前記機械の共振周波数は、前記トルク指令ノッチフィルタに設定されることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記機械異常検出部は、少なくとも、
   前記推定した前記機械の共振周波数が、設定した上限リミットの周波数以上の周波数であるときに機械異常を出力する上限リミット検出器、または、前記推定した前記機械の共振周波数が、設定した下限リミットの周波数以下の周波数であるときに機械異常を出力する下限リミット検出器、のいずれかを有することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記機械異常検出部は、さらに、
   前記上限リミット検出器または前記下限リミット検出器から機械異常が一定時間以上の時間にわたって出力されていることを確認したときに前記機械異常を外部に出力する継続状態確認器を有することを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記機械異常検出部は、さらに、
   前記機械異常を外部に出力されないようにするか、出力されるようにするかを切り替えるスイッチと、
   運転開始と前記速度指令とを入力し、前記共振周波数推定器が適切に動作できるか否かを検出する初期動作検出器と、を有し、
   前記初期動作検出器は、前記共振周波数推定器が適切に動作できないことが検出された場合には、前記スイッチを開いて、前記機械異常が外部に出力されないようにし、前記共振周波数推定器が適切に動作できることが検出された場合には、前記スイッチを閉じて、前記機械異常が外部に出力されるようにする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記スイッチは、前記継続状態確認器の後段に設けたことを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記共振周波数推定器が適切に動作できないことが検出された場合とは、前記機械が動き始めたときに前記速度指令の初期値を用いて推定した共振周波数が、上限リミットの周波数以上の周波数となっているか、または下限リミットの周波数以下の周波数となっている場合であることを特徴とする請求項５または６に記載のモータ制御装置。
8. 前記共振周波数推定器の前段にハイパスフィルタが設けられ、前記ハイパスフィルタは、前記速度フィードバックに含まれる前記速度制御器の応答周波数よりも高い周波数である高周波数成分の信号を通過させ、それ以外の周波数成分の信号を減衰させることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のモータ制御装置。