JP2020025462A - Motor control system - Google Patents

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Abstract

To allow appropriate processing to cope with mechanical abnormalities in an entire mechanical system.SOLUTION: A motor control system 100 carries out: a control procedure, performed as steps S15, S25, S40, S115, and S120, for determining a data abnormality on the basis of a comparison between a predetermined data abnormality determination threshold ath which is preset by normally driving a motor 12 and a Mahalanobis distance a(x') which is calculated based on time-series detection data detected by observationally driving the motor 12; and a control procedure, performed as a step S135, for determining the aging deterioration of a motor drive mechanism 1 on the basis of an occurrence frequency of the data abnormality. The motor control system 100 is configured to perform the same drive operation for the normal drive and the observational drive, with the time-series detection data being at least one of a torque command, a motor speed, and a motor position. Alternatively, the motor control system 100 is configured to perform different drive operations for the normal drive and the observational drive, with the time-series detection data being at least one of a disturbance observer estimation value and a speed deviation.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

開示の実施形態は、モータ制御システムに関する。   The disclosed embodiments relate to a motor control system.

特許文献1及び特許文献2には、統計学的手法に基づくセンサデータの解析により機械設備の状態を予兆診断する技術が開示されている。   Patent Literature 1 and Patent Literature 2 disclose techniques for predicting diagnosis of the state of mechanical equipment by analyzing sensor data based on a statistical method.

特許第5827425号公報Japanese Patent No. 5827425 特許第5827426号公報Japanese Patent No. 5827426

しかし、機械システム全体を考慮した場合には、単純に統計学的な手法のみで機械システム全体の異常を判定することは適切でない。   However, when the entire mechanical system is considered, it is not appropriate to determine the abnormality of the entire mechanical system by simply using a statistical method.

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、機械システム全体での機械異常に関する適切な処理が可能なモータ制御システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a motor control system capable of performing appropriate processing regarding a machine abnormality in the entire machine system.

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、モータ駆動機構を駆動するモータを駆動制御するモータ制御システムであって、所定のデータ異常判定しきい値と、モータ駆動時における時系列検出データに基づいて算出したマハラノビス距離と、の比較に基づいてデータ異常を判定するデータ異常判定部と、前記データ異常の判定に基づいて前記モータ駆動機構の機械正常を判定する機械正常判定部と、を有するモータ制御システムが適用される。   According to one aspect of the present invention, there is provided a motor control system for driving and controlling a motor for driving a motor driving mechanism, comprising: a predetermined data abnormality determination threshold; A data abnormality determining unit that determines data abnormality based on a comparison between the Mahalanobis distance calculated based on the series detection data, and a machine normality determining unit that determines machine normality of the motor drive mechanism based on the data abnormality determination And a motor control system having the following.

また、本発明の別の観点によれば、モータ駆動機構を駆動するモータを駆動制御するモータ制御システムであって、所定のデータ異常判定しきい値と、モータ駆動時における時系列検出データに基づいて算出したマハラノビス距離と、の比較に基づいてデータ異常を判定するデータ異常判定部と、前記データ異常の発生頻度に基づいて前記モータ駆動機構の経年劣化を判定する機械劣化判定部と、前記機械劣化判定部が前記経年劣化の発生を検出した場合、前記経年劣化の発生を報知、及び前記モータの駆動制御を停止するモータ停止部と、を有するモータ制御システムが適用される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a motor control system for driving and controlling a motor that drives a motor drive mechanism, the motor control system comprising: a predetermined data abnormality determination threshold; and a time series detection data at the time of driving the motor. A data abnormality determination unit that determines data abnormality based on a comparison with the Mahalanobis distance calculated in the above manner; a machine deterioration determination unit that determines aging of the motor drive mechanism based on the frequency of occurrence of the data abnormality; When the deterioration determination unit detects the occurrence of the aging, a motor control system including a motor stop unit for notifying the occurrence of the aging deterioration and stopping the drive control of the motor is applied.

また、本発明の別の観点によれば、モータ駆動機構を駆動するモータを駆動制御するモータ制御システムであって、前記モータを正常駆動させて予め設定した所定のデータ異常判定しきい値と、前記モータを観測駆動させて検出した時系列検出データに基づいて算出したマハラノビス距離と、の比較に基づいてデータ異常を判定するデータ異常判定部と、前記データ異常の発生頻度に基づいて前記モータ駆動機構の経年劣化を判定する機械劣化判定部と、を備え、前記正常駆動と前記観測駆動とが同じ駆動動作であって、かつ前記時系列検出データがトルク指令、モータ速度、及びモータ位置の少なくとも1つであるモータ制御システムが適用される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a motor control system for driving and controlling a motor that drives a motor driving mechanism, wherein the motor is driven normally to set a predetermined data abnormality determination threshold value, A data abnormality determining unit that determines a data abnormality based on a comparison with a Mahalanobis distance calculated based on time-series detection data detected by driving the motor for observation, and the motor driving based on a frequency of occurrence of the data abnormality. A mechanical deterioration determining unit that determines the aging of the mechanism, wherein the normal drive and the observation drive are the same drive operation, and the time series detection data is at least a torque command, a motor speed, and a motor position. One motor control system is applied.

また、本発明の別の観点によれば、モータ駆動機構を駆動するモータを駆動制御するモータ制御システムであって、前記モータを正常駆動させて予め設定した所定のデータ異常判定しきい値と、前記モータを観測駆動させて検出した時系列検出データに基づいて算出したマハラノビス距離と、の比較に基づいてデータ異常を判定するデータ異常判定部と、前記データ異常の発生頻度に基づいて前記モータ駆動機構の経年劣化を判定する機械劣化判定部と、を備え、前記正常駆動と前記観測駆動とが異なる駆動動作であって、かつ前記時系列検出データが外乱オブザーバ推定値、速度偏差の少なくとも1つであるモータ制御システムが適用される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a motor control system for driving and controlling a motor that drives a motor driving mechanism, wherein the motor is driven normally to set a predetermined data abnormality determination threshold value, A data abnormality determination unit that determines a data abnormality based on a comparison with a Mahalanobis distance calculated based on time-series detection data detected by driving the motor by observing and driving the motor based on a frequency of occurrence of the data abnormality. A mechanical deterioration determining unit that determines aging of the mechanism, wherein the normal drive and the observation drive are different drive operations, and the time-series detection data is at least one of a disturbance observer estimated value and a speed deviation. Is applied.

本発明によれば、機械システム全体での機械異常に関する適切な処理が可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, appropriate processing regarding the machine abnormality in the whole machine system is attained.

モータ制御システムの概略的なブロック構成を表す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic block configuration of a motor control system. トルク指令と出力速度を時系列データとして取得するサーボアンプの制御ブロックを伝達関数形式で表す図である。It is a figure showing the control block of the servo amplifier which acquires a torque command and an output speed as time series data in transfer function form. 自由度=4の場合の時系列データの一例を表す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of time-series data when the degree of freedom is four. カイ2乗分布とデータ異常判定しきい値とマハラノビス距離の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relation of the chi-square distribution, the data abnormality judgment threshold value, and the Mahalanobis distance. セットアップPCのCPUが実行する準備処理の制御手順を表すフローチャートである。9 is a flowchart illustrating a control procedure of a preparation process executed by a CPU of a setup PC. 上位制御装置のCPUが実行する経年劣化判定処理の制御手順を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the control procedure of the aging deterioration determination processing which CPU of a high-order control apparatus performs. 自由度M=1で可動スライド位置違いの場合の出力速度の時系列標本データと時系列観測データとデータ異常の判定結果をプロットしたグラフである。5 is a graph in which time-series sample data of output speed, time-series observation data, and a determination result of a data abnormality are plotted when the degree of freedom is M = 1 and the movable slide position is different. 自由度M=1で可動スライド位置違いの場合のトルク指令の時系列標本データと時系列観測データとデータ異常の判定結果をプロットしたグラフである。6 is a graph in which time series sample data of torque command, time series observation data, and a determination result of data abnormality are plotted when the degree of freedom is M = 1 and the movable slide position is different. 図7中の時刻A1における出力速度の時系列標本データの正規分布と時系列観測データを表すグラフである。8 is a graph showing a normal distribution of time-series sample data of output speed and time-series observation data at time A1 in FIG. 7. 図7中の時刻A2における出力速度の時系列標本データの正規分布と時系列観測データを表すグラフである。8 is a graph showing normal distribution and time-series observation data of time-series sample data of output speed at time A2 in FIG. 7. 図8中の時刻B1におけるトルク指令の時系列標本データの正規分布と時系列観測データを表すグラフである。9 is a graph showing normal distribution and time-series observation data of time-series sample data of a torque command at time B1 in FIG. 8. 図8中の時刻B2におけるトルク指令の時系列標本データの正規分布と時系列観測データを表すグラフである。9 is a graph showing normal distribution and time-series observation data of time-series sample data of a torque command at time B2 in FIG. 8. 出力速度のマハラノビス距離とデータ異常判定しきい値を比較して示すグラフである。It is a graph which shows Mahalanobis distance of output speed and a data abnormality judgment threshold value in comparison. トルク指令のマハラノビス距離とデータ異常判定しきい値を比較して示すグラフである。6 is a graph showing a comparison between a Mahalanobis distance of a torque command and a data abnormality determination threshold. 発振させた場合の出力速度の時系列標本データと時系列観測データとデータ異常の判定結果をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the time-series sample data of the output speed at the time of oscillating, the time-series observation data, and the determination result of the data abnormality. 発振させた場合のトルク指令の時系列標本データと時系列観測データとデータ異常の判定結果をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the time series sample data of the torque command at the time of oscillating, the time series observation data, and the determination result of the data abnormality. 自由度M=2の場合のマハラノビス距離とデータ異常判定しきい値を比較したグラフである。It is the graph which compared the Mahalanobis distance and the data abnormality judgment threshold value when the degree of freedom M = 2. 自由度M=1で可動スライド位置違いの場合の時系列標本データと時系列観測データをゲイン特性でプロットしたグラフである。9 is a graph in which time-series sample data and time-series observation data in a case where the degree of freedom is M = 1 and the movable slide position is different are plotted by gain characteristics. 自由度M=1で可動スライド位置違いの場合の時系列標本データと時系列観測データを位相特性でプロットしたグラフである。9 is a graph in which time-series sample data and time-series observation data in the case where the degree of freedom is M = 1 and the movable slide position is different are plotted by phase characteristics. 自由度M=1で可動スライド同じ位置の場合の時系列標本データと時系列観測データをゲイン特性でプロットしたグラフである。6 is a graph in which time-series sample data and time-series observation data in a case where the degree of freedom is M = 1 and the movable slide is at the same position are plotted by gain characteristics. 自由度M=1で可動スライド同じ位置の場合の時系列標本データと時系列観測データを位相特性でプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the time series sample data and the time series observation data in the case of the degree of freedom M = 1 and the same position of a movable slide at a phase characteristic. トルク指令と出力位置のデータ正常、データ異常の組み合わせによる機械異常の種類を表す図である。It is a figure showing the kind of machine abnormalities by the combination of the torque command and the data normal of an output position, and data abnormalities. 外乱オブザーバの出力を時系列データとして取得するサーボアンプの制御ブロックを伝達関数形式で表す図である。It is a figure showing the control block of the servo amplifier which acquires the output of a disturbance observer as time series data in transfer function form. 速度偏差を時系列データとして取得するサーボアンプの制御ブロックを伝達関数形式で表す図である。It is a figure showing the control block of the servo amplifier which acquires a speed deviation as time series data in transfer function form.

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, an embodiment will be described with reference to the drawings.

<1:モータ制御システムの全体構成>
図1を参照しつつ、本実施形態に係るモータ制御システムの全体構成の一例について説明する。
<1: Overall configuration of motor control system>
An example of the overall configuration of the motor control system according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図1は、モータ制御システムの概略的なブロック構成を表している。図1に示すように、モータ制御システム100は、モータ駆動機構1と、サーボアンプ2と、上位制御装置3と、オペレータ4と、セットアップPC5とを有する。   FIG. 1 shows a schematic block configuration of a motor control system. As shown in FIG. 1, the motor control system 100 includes a motor drive mechanism 1, a servo amplifier 2, a higher-level control device 3, an operator 4, and a setup PC 5.

モータ駆動機構1は、当該モータ制御システム100によってその駆動が制御されるとともに、その駆動に関する各種の異常が判定される対象の機械システムである。このモータ駆動機構1は、エンコーダ11を備えたモータ12と、このモータ12により駆動される駆動機械13とを有している。本実施形態の例では、モータ12は回転型の電動モータであり、エンコーダ11はモータの回転位置を光学的に検出し出力するセンサである。   The motor drive mechanism 1 is a mechanical system whose drive is controlled by the motor control system 100 and in which various abnormalities relating to the drive are determined. The motor drive mechanism 1 includes a motor 12 having an encoder 11 and a drive machine 13 driven by the motor 12. In the example of the present embodiment, the motor 12 is a rotary electric motor, and the encoder 11 is a sensor that optically detects and outputs the rotational position of the motor.

サーボアンプ2は、後述の上位制御装置3から入力される位置指令に上記モータ12の出力位置を追従させるよう駆動電流をモータ12に給電し駆動制御する機能(モータ駆動制御機能)を有している。また本実施形態においてサーボアンプ2は、駆動電流を給電する過程で生成されるトルク指令と、エンコーダ11から出力されたモータ12の出力位置に基づいて生成される出力速度の2つのデータを時系列データとして逐次取得し、上位制御装置3に出力する機能も有している(後述の図2参照)。   The servo amplifier 2 has a function (motor drive control function) of supplying a drive current to the motor 12 and controlling the drive so as to make the output position of the motor 12 follow a position command input from the higher-level control device 3 described later. I have. In the present embodiment, the servo amplifier 2 chronologically combines two data, a torque command generated in the process of supplying a drive current and an output speed generated based on the output position of the motor 12 output from the encoder 11. It also has a function of sequentially acquiring data as data and outputting it to the host control device 3 (see FIG. 2 described later).

上位制御装置3は、駆動機械13に所望の経時的な駆動動作を行わせるためにモータ12の位置指令を逐次出力する機能(モーション制御機能)を有している。また本実施形態において上位制御装置3は、サーボアンプ2から入力された時系列データを記憶し、後述する観測駆動時には、それら時系列データに基づいたデータ異常判定と、データ異常判定の判定態様に基づいた機械異常判定を行う機能も有している。また後述する正常駆動時には、サーボアンプ2から入力された時系列データをそのまま後述のセットアップPC5に出力する。   The host control device 3 has a function (motion control function) of sequentially outputting a position command of the motor 12 to cause the drive machine 13 to perform a desired temporal drive operation. Further, in the present embodiment, the higher-level control device 3 stores the time-series data input from the servo amplifier 2 and performs a data abnormality determination based on the time-series data and a data abnormality determination mode during observation driving described later. It also has a function of making a mechanical abnormality determination based on the information. Further, at the time of normal driving described later, the time series data input from the servo amplifier 2 is output to the setup PC 5 described later as it is.

オペレータ4は、特に図示しない表示部や操作部を備え、上位制御装置3との間で送受する各種情報の表示や各種の指令及びパラメータの入力を行うユーザインターフェースとしての機能を有する。なお後述する観測駆動時には、上位制御装置3から入力された機械異常判定の結果を表示する。   The operator 4 includes a display unit and an operation unit (not shown), and has a function as a user interface for displaying various information transmitted to and received from the host control device 3 and inputting various commands and parameters. At the time of the observation drive described later, the result of the machine abnormality determination input from the host control device 3 is displayed.

セットアップPC5は、例えばノート型の汎用パーソナルコンピュータで構成され、上位制御装置3に対し通常運用を行う前の各種の初期設定を行う機能を有する。また本実施形態においてセットアップPC5は、上記の設定機能の1つとして、後述する正常駆動時に上位制御装置3から入力された時系列データに基づいて、上位制御装置3が上記データ異常判定を行う際に必要となる標本平均、標本共分散行列、及びデータ異常判定しきい値を算出して上位制御装置3に出力する準備処理を行う(後述の図5参照)。なお、通常運用時(つまり後述する観測駆動時)には、当該セットアップPC5は何ら処理を行わず不要となるため、上位制御装置3から接続を取り外せるようになっている。   The setup PC 5 is composed of, for example, a notebook-type general-purpose personal computer, and has a function of performing various initial settings for the host control device 3 before normal operation. Further, in the present embodiment, the setup PC 5 performs one of the above-described setting functions when the higher-level control device 3 performs the data abnormality determination based on time-series data input from the higher-level control device 3 during normal driving described later. A preparation process for calculating a sample average, a sample covariance matrix, and a data abnormality determination threshold required for the above and outputting the calculated data to the host controller 3 is performed (see FIG. 5 described later). During normal operation (that is, during observation driving described later), the setup PC 5 does not perform any processing and becomes unnecessary, so that the connection can be removed from the higher-level control device 3.

なお以上において、サーボアンプ2、上位制御装置3、オペレータ4、及びセットアップPC5が、各請求項記載のモータ制御システムに相当する。   In the above description, the servo amplifier 2, the host controller 3, the operator 4, and the setup PC 5 correspond to the motor control system described in each claim.

<2:サーボアンプの制御ブロック>
図2は、本実施形態におけるサーボアンプ2の制御ブロックを伝達関数形式で表している。なお本実施形態の例では、この図2に示す制御ブロックは、サーボアンプ2が備えるCPU(特に図示せず)により実行されるソフトウェアで実現される。
<2: Servo amplifier control block>
FIG. 2 shows a control block of the servo amplifier 2 in the present embodiment in the form of a transfer function. In the example of the present embodiment, the control block shown in FIG. 2 is realized by software executed by a CPU (not shown) provided in the servo amplifier 2.

この図2において、サーボアンプ2は、減算器21と、位置制御部22と、減算器23と、速度制御部24と、電流制御部25と、速度変換部26を有している。減算器21は、上位制御装置3から入力された位置指令から後述する出力位置(フィードバック位置)を減算して位置偏差を出力する。位置制御部22は、この位置偏差に基づいていわゆるPID制御などにより速度指令を出力する。減算器23は、この速度指令から後述する出力速度(フィードバック速度)を減算して速度偏差を出力する。速度制御部24は、この速度偏差に基づいていわゆるPID制御などによりトルク指令を出力する。電流制御部25は、このトルク指令に基づく電力変換により駆動電流を出力し、モータ12に給電する。そしてこのモータ12が駆動機械13を駆動した際の出力位置をエンコーダ11が検出し、サーボアンプ2にフィードバックする。この出力位置は、上記減算器21において位置指令から減算されるとともに、速度変換部26に入力される。速度変換部26は、この出力位置に基づいてモータ12の駆動速度である出力速度を出力する。なお、この速度変換部26は、出力位置を時間微分する微分器等で構成すればよい。   2, the servo amplifier 2 includes a subtractor 21, a position control unit 22, a subtractor 23, a speed control unit 24, a current control unit 25, and a speed conversion unit 26. The subtracter 21 outputs a position deviation by subtracting an output position (feedback position) described later from the position command input from the host controller 3. The position control unit 22 outputs a speed command based on the position deviation by so-called PID control or the like. The subtracter 23 subtracts an output speed (feedback speed) described later from the speed command to output a speed deviation. The speed control unit 24 outputs a torque command based on the speed deviation by so-called PID control or the like. The current control unit 25 outputs a drive current by power conversion based on the torque command, and supplies power to the motor 12. Then, the encoder 11 detects the output position when the motor 12 drives the drive machine 13 and feeds back the output position to the servo amplifier 2. This output position is subtracted from the position command in the subtractor 21 and is input to the speed conversion unit 26. The speed converter 26 outputs an output speed that is the driving speed of the motor 12 based on the output position. The speed conversion unit 26 may be constituted by a differentiator for differentiating the output position with time.

以上における減算器21、位置制御部22、減算器23、速度制御部24、電流制御部25、及び速度変換部26は、外部のモータ12及びエンコーダ11とともに、いわゆる位置制御フィードバックループと速度制御フィードバックループの2重フィードバックループを構成する。なお、電流制御部25の内部にも電流制御フィードバックループを備えているが、図中では省略している。これらのフィードバックループにおいて、減算器21による位置偏差の出力は位置指令の時間微分処理と同等であり、減算器23による速度偏差の出力は速度指令の時間微分処理と同等である。したがって、サーボアンプ2が備える上記の2重フィードバックループにおいては、

Figure 2020025462

(k:ばね係数、μ:摩擦係数、m:可動部分の慣性モーメント)
の運動方程式に基づくフィードバック制御が行われているとみなせる。 The subtractor 21, the position control unit 22, the subtractor 23, the speed control unit 24, the current control unit 25, and the speed conversion unit 26 described above, together with the external motor 12 and the encoder 11, provide a so-called position control feedback loop and speed control feedback. The loop forms a double feedback loop. Note that a current control feedback loop is also provided inside the current control unit 25, but is omitted in the figure. In these feedback loops, the output of the position deviation by the subtractor 21 is equivalent to the time differential processing of the position command, and the output of the speed deviation by the subtracter 23 is equivalent to the time differential processing of the speed command. Therefore, in the above-described double feedback loop of the servo amplifier 2,
Figure 2020025462

(K: spring coefficient, μ: friction coefficient, m: moment of inertia of movable part)
It can be considered that feedback control based on the equation of motion is performed.

そして本実施形態では、サーボアンプ2がトルク指令と出力速度を時系列データとして システムサイクル等の短い周期で逐次検出し、上位制御装置3へ出力する。   In this embodiment, the servo amplifier 2 sequentially detects the torque command and the output speed as time-series data in a short cycle such as a system cycle, and outputs the time-series data to the host controller 3.

<3:本実施形態の特徴>
近年では、機械システムに対する付加価値向上の一環として予防保全がキーワードになりつつある。これまでにも寿命モニタや設置環境モニタ等により予防保全の一助となる情報を上位制御装置3に提示する構成が取られていたが、これらとは別にモータ駆動機構1の経年変化や発振などの機械異常を検出することが要望されている。本実施形態のモータ制御システム100は、この要望を受けてモータ駆動機構1の機械異常を検出するためのものである。
<3: Features of the present embodiment>
In recent years, preventive maintenance has become a keyword as part of the added value enhancement to mechanical systems. Until now, a configuration has been adopted in which information that assists preventive maintenance is presented to the host control device 3 by means of a life monitor or an installation environment monitor. However, apart from these, information such as aging and oscillation of the motor drive mechanism 1 is provided. There is a need to detect mechanical abnormalities. The motor control system 100 of this embodiment is for detecting a mechanical abnormality of the motor drive mechanism 1 in response to this request.

サーボアンプ2で検出可能な状態量は、モータ12に入力するトルク、及びモータ12が出力する速度や位置である。特にトルクは、位置/速度制御の場合、駆動機械13側の反力の影響も反映されるため、継続して観測することで経年変化などの機械異常を捉えることが可能と考えられる。本実施形態では、観測した波形から変化を検出する手法として、統計学的手法に基づく機械学習を利用する。   The state quantities that can be detected by the servo amplifier 2 are the torque input to the motor 12 and the speed and position output by the motor 12. In particular, in the case of the position / speed control, the influence of the reaction force on the driving machine 13 side is also reflected in the torque, so that it is considered that machine abnormality such as aging can be grasped by continuously observing. In the present embodiment, machine learning based on a statistical method is used as a method for detecting a change from an observed waveform.

しかし、以上のような機械学習で検出できる異常は、あくまで瞬時的に取得されたデータから直接的に判定できる異常状態でしかない。これに対し、モータ駆動機構1のような機械システムでは、非常に短い時間で機構の位置が変化し、条件によっては連続的な微小変位において機構が異常になっている箇所と正常な箇所が発生するため、すべての場所によって経年変化などの機械異常を判定する必要がある。また、機械システム全体を考慮した場合は、単純に統計学的な手法のみで機械システム全体の異常を判定することは適切ではない。   However, the abnormalities that can be detected by the above-described machine learning are only abnormal states that can be directly determined from data acquired instantaneously. On the other hand, in a mechanical system such as the motor drive mechanism 1, the position of the mechanism changes in a very short time, and depending on the conditions, a portion where the mechanism is abnormal and a portion where the mechanism is normal at continuous minute displacement occur. Therefore, it is necessary to determine a mechanical abnormality such as aging depending on every place. In addition, when the entire machine system is considered, it is not appropriate to determine the abnormality of the entire machine system using only a statistical method.

そこで本実施形態のモータ制御システム100では、機械学習によってデータから直接的に判定した異常状態をデータ異常とし、また別に上述したようなモータ駆動機構1における経年劣化や発振の状態に相当する異常状態を機械異常として、これらデータ異常と機械異常を区別して扱う。そして、モータ制御システム100は、モータ駆動機構1の駆動中においてモータ12の入出力に関する時系列データを取得し、この時系列データからデータ異常を判定する。その上で、データ異常と判定された時系列データの取得態様(取得時刻、取得周波数、取得頻度、取得組み合わせ、等)に基づいて、モータ駆動機構1の機械異常を判定する。このデータ異常と機械異常のそれぞれの判定手法について、以下に順を追って説明する。   Therefore, in the motor control system 100 of the present embodiment, an abnormal state directly determined from data by machine learning is regarded as a data abnormality, and an abnormal state corresponding to the aging or oscillation state of the motor drive mechanism 1 as described above. Are treated as machine abnormalities, and these data abnormalities and machine abnormalities are treated separately. Then, the motor control system 100 acquires time-series data relating to input and output of the motor 12 while the motor drive mechanism 1 is being driven, and determines a data abnormality from the time-series data. Then, a mechanical abnormality of the motor drive mechanism 1 is determined based on the acquisition mode (acquisition time, acquisition frequency, acquisition frequency, acquisition combination, and the like) of the time-series data determined to be data abnormality. The respective determination methods for the data abnormality and the machine abnormality will be described below in order.

<4:データ異常判定について>
<4−1:機械学習によるデータ異常判定>
一般に人間が波形を観測して正常/異常の判断を行うのは、主として経験によるところが大きい。この経験を数式として表現し、計算機上で行う手法が機械学習である。機械学習による変化検出手法の基本的な考え方は、基準とするデータ群(以下、標本データという)の正規分布を作成し、運用段階で取得したデータ(以下、観測データという)が正規分布から外れているか否かを確認するというものである。
<4: Data abnormality judgment>
<4-1: Data abnormality judgment by machine learning>
In general, it is largely based on experience that a human observes a waveform to determine normal / abnormal. Machine learning is a method of expressing this experience as a mathematical expression and performing it on a computer. The basic idea of the change detection method using machine learning is to create a normal distribution of a reference data group (hereinafter referred to as sample data), and the data obtained in the operation stage (hereinafter referred to as observation data) deviates from the normal distribution. It is to confirm whether or not it is.

データ異常判定を行う上で、標本データは、データ的に全て正常であることを前提とする場合と、データ的に正常と異常にラベル付けされた標本データが混在している場合が考えられる。しかし、機構部品の経年変化に適用する場合は、事前に異常な標本データを準備することは難しいため、標本データは全て正常であるという前提をとることが現実的と考えられる。   In performing the data abnormality determination, it is conceivable that the sample data is assumed to be all normal in terms of data, and that the sample data is mixed with sample data labeled as normal and abnormal in terms of data. However, when applying to aging of mechanical components, it is difficult to prepare abnormal sample data in advance, so it is realistic to assume that all sample data is normal.

正規分布から外れていることを判断するためには、正規分布の端にデータ異常判定用のしきい値を設定し、観測データが正規分布中心に対してデータ異常判定しきい値よりも離れていることを確認すればよい。   To determine that the data deviates from the normal distribution, a threshold value for data abnormality determination is set at the end of the normal distribution, and the observed data is separated from the center of the normal distribution by more than the data abnormality determination threshold value. You just need to make sure that

<4−2:時系列データについて>
本実施形態では、標本データや観測データを複数種類で取得する場合は、以下のように配列で定義した時系列データDとして取得する。

Figure 2020025462

例えば、同一の駆動機械13を2つのモータ12で駆動するモータ駆動機構(特に図示せず)で、図3に示すように各モータ12それぞれのトルク指令と出力速度を時系列データとして取得した場合(つまり自由度M=変数の種類数=2)には、時系列データDは以下のようになる。ただし、Dの添え字は時刻を示す。
Figure 2020025462

・・・・・・ <4-2: Time series data>
In the present embodiment, when obtaining a plurality of types of sample data and observation data, the data is obtained as time-series data D defined in an array as follows.
Figure 2020025462

For example, when a motor drive mechanism (not particularly shown) that drives the same drive machine 13 with two motors 12 acquires the torque command and output speed of each motor 12 as time-series data as shown in FIG. For (that is, the degree of freedom M = the number of types of variables = 2), the time-series data D is as follows. However, the subscript of D indicates time.
Figure 2020025462

...

<4−3:ホテリングのT法について>
本実施形態では、機械学習による変化検出手法としてホテリングのT法を適用する。ホテリングのT法は、複数種類のデータの変化波形を並列に観測する多変数解析の一手法であり、その処理は以下の(工程1)〜(工程6)で行う。
<4-3: For Hotelling T 2 Method>
In the present embodiment, applying the T 2 method Hotelling as a change detection method using machine learning. T 2 method Hotelling is one method of multivariate analysis to observe a plurality of types of change waveform data in parallel, carried out in the process the following (Step 1) to (step 6).

(工程1)誤報率を決定する
データには正常データと異常データが存在するが、正規分布からどれくらい大きく外れた場合を異常データとするかの指標が誤報率αとなる。例えば、誤報率1%と考えるならα=0.01となる。なお、確率統計論の考え型では、誤報率を0とした場合には全てのデータが正常となってしまうため、原理的に誤報率αを0にはしない。
(Step 1) Determining the False Report Rate There are normal data and abnormal data in the data, but the index of how far out of the normal distribution the abnormal data is set is the false report rate α. For example, if it is considered that the false alarm rate is 1%, α = 0.01. In the probability statistics theory, if the false alarm rate is set to 0, all data becomes normal, and the false alarm rate α is not set to 0 in principle.

(工程2)カイ2乗分布を算出する
自由度M、スケール因子s=1として、カイ2乗分布を次式から計算する。なお、自由度Mは、独立した標本データの種類の数(上述した多変数解析における変数の種類の数)を指定するパラメータである。

Figure 2020025462

ただし、Γはガンマ関数を表し、次式で定義される。
Figure 2020025462
(Step 2) Calculate the Chi-square distribution The chi-square distribution is calculated from the following equation with the degree of freedom M and the scale factor s = 1. The degree of freedom M is a parameter that specifies the number of independent sample data types (the number of variable types in the above-described multivariable analysis).
Figure 2020025462

Here, Γ represents a gamma function and is defined by the following equation.
Figure 2020025462

(工程3)データ異常判定しきい値を算出する
上記(工程1)で決定した誤報率αと、上記(工程2)で算出したカイ2乗分布から、

Figure 2020025462

を満たすデータ異常判定しきい値athを算出する。 (Step 3) Calculate a Data Abnormality Determination Threshold From the false alarm rate α determined in the above (Step 1) and the chi-square distribution calculated in the above (Step 2),
Figure 2020025462

The data abnormality determination threshold value ath that satisfies is satisfied.

(工程4)標本平均と標本共分散行列を算出する
正常データである標本データから標本平均μ(文中の表記ではハットを省略、以下同様)と標本共分散行列Σ(文中の表記ではハットを省略、以下同様)を次式から算出する。

Figure 2020025462

ただし、はn番目の種類の標本データである。 (Step 4) Calculate the sample mean and the sample covariance matrix From the sample data that is normal data, the sample mean μ (the hat is omitted in the notation in the sentence, the same applies hereinafter) and the sample covariance matrix Σ (the hat is omitted in the notation in the sentence) , Etc.) are calculated from the following equation.
Figure 2020025462

Here, is the n-th type of sample data.

(工程5)マハラノビス距離を算出する
上記(工程4)で算出した標本平均μと標本共分散行列Σ、及び検出した観測データに基づいて、マハラノビス距離a(x’)を次式から算出する。

Figure 2020025462
(Step 5) Calculate Mahalanobis distance Based on the sample mean μ and the sample covariance matrix 算出 calculated in the above (Step 4) and the detected observation data, the Mahalanobis distance a (x ′) is calculated from the following equation.
Figure 2020025462

(工程6)データ異常判定しきい値とマハラノビス距離を比較する
上記(工程3)で算出したデータ異常判定しきい値athと、上記(工程5)で算出したマハラノビス距離a(x’)とを比較する。マハラノビス距離a(x’)がデータ異常判定しきい値athを越えている場合(a(x’)>ath)には、上記(工程5)で用いた観測データがデータ異常の状態にあると判定する。
A data abnormality determination threshold a th calculated in (Step 6) data abnormality determination threshold and the comparing the Mahalanobis distance (step 3), and the Mahalanobis distance calculated in (Step 5) a (x ') Compare. When the Mahalanobis distance a (x ′) exceeds the data abnormality determination threshold value a th (a (x ′)> a th ), the observation data used in the above (Step 5) becomes a data abnormal state. It is determined that there is.

図4に示すように、カイ2乗分布は自由度M別に分布が変化する確率分布であり、いわゆる再生性を有している特性から多変数解析での適用に好適である。例えば図3に示したような変数の種類(トルク指令、出力速度)の数が2つの時系列データを取得する場合、自由度M=2となって図4中の実線で示されるカイ2乗分布が利用される。このカイ2乗分布で誤報率αに相当するデータ異常判定しきい値athよりもマハラノビス距離a(x’)が大きい場合、当該マハラノビス距離a(x’)の算出に用いた観測データにデータ異常が発生しているとみなせる。つまり変数の種類数が2つである多変数解析において、それら2つのデータの組み合わせによる多元的な異常の度合い(どれだけ正常からかけ離れているかの度合い)を、データ異常判定しきい値athとマハラノビス距離a(x’)の一元的な比較により判定できる。なお、マハラノビス距離a(x’)の算出時に標本平均μと標本共分散行列Σを用いていることで、2種類のデータそれぞれの正規分布間の相関による影響を相殺している。なお、上記図3に示したような時系列データDを取得した場合でも、データの種類別でそれぞれ自由度=1としたホテリングT法のデータ異常判定を個別に適用することもできる。 As shown in FIG. 4, the chi-square distribution is a probability distribution in which the distribution changes for each degree of freedom M, and is suitable for application in multivariable analysis because of its so-called reproducibility. For example, when acquiring time-series data having two types of variables (torque command and output speed) as shown in FIG. 3, the degree of freedom is M = 2 and the chi-square shown by the solid line in FIG. The distribution is used. If the Mahalanobis distance a (x ′) is larger than the data abnormality determination threshold value a th corresponding to the false alarm rate α in the chi-square distribution, data is added to the observation data used for calculating the Mahalanobis distance a (x ′). It can be considered that an abnormality has occurred. In other words, in a multivariable analysis in which the number of types of variables is two, the degree of multiple abnormality (the degree of deviation from normal) due to the combination of the two data is determined by the data abnormality determination threshold ath . It can be determined by unitary comparison of the Mahalanobis distance a (x ′). Note that the use of the sample mean μ and the sample covariance matrix 時 に when calculating the Mahalanobis distance a (x ′) cancels out the influence of the correlation between the normal distributions of the two types of data. Even when acquiring time series data D when as shown in FIG. 3, it is also possible to apply the data abnormality determination Hotelling T 2 method using the degree of freedom = 1, respectively each type of data independently.

<4−4:具体的なデータ異常判定>
まず比較例として、機械学習を利用せずにデータ異常を判定する方法について説明する。
(事前準備)
1:標本データとして正常なデータを複数取得する。
2:標本データ群から各時刻における正規分布を作成する。
3:各時刻における正規分布に対してデータ異常判定しきい値を設定する。
(データ異常判定)
1:観測データを取得する。
2:取得時刻に対応する正規分布に加える。
3:観測データが正規分布に設定したデータ異常判定しきい値を超えていたら異常と判定する。
<4-4: Specific data abnormality determination>
First, as a comparative example, a method of determining a data abnormality without using machine learning will be described.
(Advance preparation)
1: Acquire a plurality of normal data as sample data.
2: A normal distribution at each time is created from the sample data group.
3: Set a data abnormality determination threshold value for the normal distribution at each time.
(Data abnormality judgment)
1: Obtain observation data.
2: Add to normal distribution corresponding to acquisition time.
3: If the observed data exceeds the data abnormality determination threshold value set in the normal distribution, it is determined to be abnormal.

上記比較例の方法では、時刻ごとに正規分布とデータ異常判定しきい値を作成する必要があり、さらに観測データでも正規分布を計算する必要がある。正規分布の計算には平均値と標準偏差の計算が必要であるが、標準偏差の計算は煩雑なため、時刻ごとに計算を実施するのは現実的ではない。また、データ異常判定しきい値も各時刻の正規分布に対して設定するため時刻ごとに異なった値となる。   In the method of the comparative example, it is necessary to create a normal distribution and a data abnormality determination threshold for each time, and further, it is necessary to calculate a normal distribution also from observation data. The calculation of the normal distribution requires the calculation of the average value and the standard deviation. However, since the calculation of the standard deviation is complicated, it is not realistic to perform the calculation at each time. Also, the data abnormality determination threshold value is different for each time because it is set for the normal distribution at each time.

次に、上記比較例の問題を解決するために機械学習を利用する場合について説明する。機械学習を利用することで処理は以下のようになる。
(事前準備)
1:標本データとして正常なデータを複数取得する。
2:標本データ群から標本平均μと標本共分散行列Σを計算する。
3:誤報率αとカイ2乗分布からデータ異常判定しきい値athを計算する。
(データ異常判定)
1:観測データを取得する。
2:観測データに対してマハラノビス距離a(x’)を計算する。
3:マハラノビス距離a(x’)がデータ異常判定しきい値athを超えていたらデータ異常と判定する。
Next, a case where machine learning is used to solve the problem of the comparative example will be described. The process is as follows by using machine learning.
(Advance preparation)
1: Acquire a plurality of normal data as sample data.
2: Calculate the sample mean μ and the sample covariance matrix か ら from the sample data group.
3: Calculate the data abnormality determination threshold ath from the false alarm rate α and the chi-square distribution.
(Data abnormality judgment)
1: Obtain observation data.
2: Calculate Mahalanobis distance a (x ') for observation data.
3: If the Mahalanobis distance a (x ') exceeds the data abnormality determination threshold value ath , it is determined that the data is abnormal.

このように機械学習を利用した方法では、正規分布の計算の代わりに標本平均μ、標本共分散行列Σ、及びマハラノビス距離a(x’)の計算を行う。これらの計算は単純な四則演算であるため、長期間に渡るモータ駆動機構1の実運用時間中において短い周期で逐次計算しても大きな負荷処理にはならない。また、データ異常判定しきい値athは計算式こそ複雑だが、時刻に依存しない定数となるため事前に一度計算しておくだけで済む。 As described above, in the method using machine learning, a sample mean μ, a sample covariance matrix Σ, and a Mahalanobis distance a (x ′) are calculated instead of calculating a normal distribution. Since these calculations are simple four arithmetic operations, even if they are sequentially calculated in a short cycle during the actual operation time of the motor drive mechanism 1 over a long period of time, a large load processing is not performed. Also, the data abnormality determination threshold value ath is a complicated calculation formula, but it is a constant that does not depend on time, so that it only needs to be calculated once in advance.

<5:機械異常判定について>
上記のデータ異常判定によれば、時系列データを取得した時点におけるデータ上で見た異常状態の有/無(つまり異常/正常)を2値的に判定することができる。しかし、後述する実験結果に示すように1度でもデータ異常が判定されたからといって機械システム全体に機械異常が発生したと判定すべきではない。また、データ異常が複数回発生した際にその発生態様に基づいて機械異常の内容を一次的に推定することが可能である。本実施形態では、経年劣化が進行するに従ってデータ異常の発生頻度が徐々に増加するとの考察に基づき、データ異常の発生頻度が所定値を越えた場合には、モータ駆動機構1に経年劣化の種類の機械異常が発生していると判定する。
<5: Machine abnormality judgment>
According to the above data abnormality determination, the presence / absence (that is, abnormal / normal) of the abnormal state seen on the data at the time when the time-series data is acquired can be binary-determined. However, it should not be determined that a machine abnormality has occurred in the entire machine system just because a data abnormality has been determined even once, as shown in the experimental results described later. Further, when a data abnormality occurs a plurality of times, it is possible to temporarily estimate the contents of the mechanical abnormality based on the mode of occurrence. In the present embodiment, based on the consideration that the frequency of occurrence of the data abnormality gradually increases as the aging progresses, if the frequency of occurrence of the data abnormality exceeds a predetermined value, the type of the aging is added to the motor drive mechanism 1. It is determined that a mechanical abnormality has occurred.

<6:具体的な制御フロー>
上述した経年劣化による機械異常を判定するための具体的な制御フローの一例を、以下に詳細に説明する。まず図5は、データ異常判定に機械学習を利用する場合の上記事前準備に相当する準備処理の制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、データ異常がほぼ生じないと確信できるモータ駆動機構1の正常駆動の駆動状態中に、図1中に示すセットアップPC5のCPU(第1演算装置に相当;特に図示せず)が実行する。なお正常駆動としては、例えばモータ駆動機構1が組立製造後に十分な調整が行われた状態でほぼ設計通りに動作すると確信できる状態(初期運用又は試験運用)での駆動が考えられる。
<6: Specific control flow>
An example of a specific control flow for determining a mechanical abnormality due to aging described above will be described in detail below. First, FIG. 5 is a flowchart illustrating a control procedure of a preparation process corresponding to the above-described preparation when using machine learning for data abnormality determination. This flowchart is executed by the CPU (corresponding to the first arithmetic unit; not particularly shown) of the setup PC 5 shown in FIG. 1 during the normal drive state of the motor drive mechanism 1 in which it is convinced that the data abnormality hardly occurs. I do. As the normal drive, for example, drive in a state (initial operation or test operation) in which the motor drive mechanism 1 can be confident that the motor drive mechanism 1 operates almost as designed in a state where sufficient adjustment has been performed after assembly and manufacture.

まずステップS5で、セットアップPC5のCPUは、誤報率αを決定する。これはユーザからの入力により任意に決定してもよいし、予め設定された値や所定の手法に基づいて算出された値で決定してもよい。   First, in step S5, the CPU of the setup PC 5 determines the false alarm rate α. This may be arbitrarily determined by an input from a user, or may be determined by a value set in advance or a value calculated based on a predetermined method.

次にステップS10へ移り、セットアップPC5のCPUは、変数の種類数を自由度Mとしたカイ2乗分布を算出する。本実施形態では、1つのモータ12に対しトルク指令と出力速度の2種類の時系列データが取得されるため、自由度M=2となる。   Next, proceeding to step S10, the CPU of the setup PC 5 calculates a chi-square distribution with the number of types of variables being M degrees of freedom. In the present embodiment, since two types of time-series data of a torque command and an output speed are acquired for one motor 12, the degree of freedom M = 2.

次にステップS15へ移り、セットアップPC5のCPUは、誤報率αとカイ2乗分布に基づいてデータ異常判定しきい値athを算出する。 Next, the process proceeds to step S15, where the CPU of the setup PC 5 calculates the data abnormality determination threshold ath based on the false alarm rate α and the chi-square distribution.

次にステップS20へ移り、セットアップPC5のCPUは、上位制御装置3とサーボアンプ2を介したモーション制御及びモータ駆動制御によりモータ駆動機構1の正常駆動を開始する。   Next, proceeding to step S20, the CPU of the setup PC 5 starts normal driving of the motor drive mechanism 1 by motion control and motor drive control via the host controller 3 and the servo amplifier 2.

次にステップS25へ移り、セットアップPC5のCPUは、システムサイクルなどの所定時間毎に各変数(各軸のトルク指令及び出力速度)の時系列標本データを、サーボアンプ2及び上位制御装置3を介して取得する。   Next, proceeding to step S25, the CPU of the setup PC 5 sends the time-series sample data of each variable (torque command and output speed of each axis) every predetermined time such as a system cycle via the servo amplifier 2 and the host controller 3. To get.

次にステップS30へ移り、セットアップPC5のCPUは、正常駆動が終了したか否かを判定する。正常駆動がまだ終了しない場合、判定は満たされず、ステップS25に戻って同様の手順を繰り返す。   Next, the process proceeds to step S30, and the CPU of the setup PC 5 determines whether the normal driving has been completed. If the normal driving has not been completed yet, the determination is not satisfied and the process returns to step S25 to repeat the same procedure.

一方、正常駆動が終了した場合、判定が満たされ、ステップS35へ移る。   On the other hand, when the normal driving is completed, the determination is satisfied, and the routine goes to Step S35.

ステップS35では、セットアップPC5のCPUは、モータ駆動機構1の正常駆動を停止する。   In step S35, the CPU of the setup PC 5 stops the normal driving of the motor drive mechanism 1.

次にステップS40へ移り、セットアップPC5のCPUは、上記ステップS25で取得した時系列標本データ群から、標本平均μと標本共分散行列Σを算出する。そして、このフローを終了する。   Next, proceeding to step S40, the CPU of the setup PC 5 calculates a sample mean μ and a sample covariance matrix か ら from the time-series sample data group acquired in step S25. Then, this flow ends.

以上の準備処理のフローにより、特に計算処理の負荷が大きい機械学習の準備処理(工程1〜4)を比較的CPUパワーの高いセットアップPC5であらかじめ行うことができ、モータ制御システム100全体におけるリソース負担を軽減できる。   According to the flow of the preparation processing described above, the preparation processing (steps 1 to 4) of the machine learning, in which the load of the calculation processing is particularly large, can be performed in advance by the setup PC 5 having a relatively high CPU power. Can be reduced.

次に図6は、データ異常判定と機械異常判定を行う経年劣化判定処理の制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、データ異常が生じ得るモータ駆動機構1の観測駆動の駆動状態中に、図1中に示す上位制御装置3のCPU(第2演算装置に相当;特に図示せず)が実行する。なお観測駆動としては、例えばモータ駆動機構1が十分長い期間で運用された状態(実務運用)での駆動が考えられる。   Next, FIG. 6 is a flowchart illustrating a control procedure of an aging deterioration determination process for performing data abnormality determination and machine abnormality determination. This flowchart is executed by the CPU (corresponding to the second arithmetic unit; not particularly shown) of the higher-level control device 3 shown in FIG. 1 during the driving state of the observation driving of the motor driving mechanism 1 where data abnormality may occur. As the observation driving, for example, driving in a state where the motor driving mechanism 1 is operated for a sufficiently long period (practical operation) is considered.

まずステップS105で、上位制御装置3のCPUは、サーボアンプ2を介したモーション制御及びモータ駆動制御によりモータ駆動機構1の観測駆動を開始する。   First, in step S105, the CPU of the host control device 3 starts observation driving of the motor drive mechanism 1 by motion control and motor drive control via the servo amplifier 2.

次にステップS110へ移り、上位制御装置3のCPUは、システムサイクルなどの所定時間毎に各変数(各軸のトルク指令及び出力速度)の時系列観測データを、サーボアンプ2を介して取得する。   Next, the process proceeds to step S110, in which the CPU of the host control device 3 acquires, via the servo amplifier 2, time-series observation data of each variable (torque command and output speed of each axis) at predetermined time intervals such as a system cycle. .

次にステップS115へ移り、上位制御装置3のCPUは、上記ステップS40であらかじめ算出された標本平均μと標本共分散行列Σ、及び上記ステップS110で取得した時系列観測データ群からマハラノビス距離a(x’)を算出する。   Next, the process proceeds to step S115, in which the CPU of the host control device 3 determines the Mahalanobis distance a (from the time series observation data group acquired in step S110) and the sample mean μ and the sample covariance matrix 算出 calculated in advance in step S40. x ′) is calculated.

次にステップS120へ移り、上位制御装置3のCPUは、上記ステップS115で算出したマハラノビス距離a(x’)が、上記ステップS15であらかじめ算出されたデータ異常判定しきい値ath(図中では「しきい値」と略記)を越えているか否かを判定する。言い換えると、上記ステップS110で取得した時系列観測データがデータ異常の状態であるか否かを判定する。マハラノビス距離a(x’)がデータ異常判定しきい値athを越えていない場合、判定は満たされず、ステップS125へ移る。言い換えると、データ異常が発生していないとみなされる。 Next, the process proceeds to step S120, where the CPU of the host control device 3 determines that the Mahalanobis distance a (x ′) calculated in step S115 is equal to the data abnormality determination threshold a th (in FIG. (Abbreviated as “threshold”) is determined. In other words, it is determined whether or not the time-series observation data acquired in step S110 is in a data abnormal state. If the Mahalanobis distance a (x ') does not exceed the data abnormality determination threshold ath , the determination is not satisfied and the routine goes to Step S125. In other words, it is considered that no data abnormality has occurred.

ステップS125では、上位制御装置3のCPUは、観測駆動が終了したか否かを判定する。観測駆動がまだ終了しない場合、判定は満たされず、ステップS110に戻って同様の手順を繰り返す。   In step S125, the CPU of the host control device 3 determines whether the observation driving has been completed. If the observation drive has not been completed yet, the determination is not satisfied and the process returns to step S110 to repeat the same procedure.

一方、観測駆動が終了した場合、判定が満たされ、ステップS130へ移る。   On the other hand, when the observation driving is completed, the determination is satisfied, and the routine goes to Step S130.

ステップS130では、上位制御装置3のCPUは、モータ駆動機構1の観測駆動を停止する。そして、このフローを終了する。   In step S130, the CPU of the host controller 3 stops the observation drive of the motor drive mechanism 1. Then, this flow ends.

一方、上記ステップS120の判定において、マハラノビス距離a(x’)がデータ異常判定しきい値athを越えていた場合、判定が満たされ、ステップS135へ移る。言い換えると、データ異常が発生したとみなされる。 On the other hand, is determined in the step S120, if the Mahalanobis distance a (x ') had exceeded the data abnormality determination threshold a th, the determination is satisfied, the process proceeds to step S135. In other words, it is considered that a data abnormality has occurred.

ステップS135では、上位制御装置3のCPUは、それまでの過去直近で所定回数行われたデータ異常判定における異常の判定頻度(異常と判定された時系列観測データの取得頻度)が所定値(所定しきい値)より大きいか否かを判定する。言い換えると、経年劣化の機械異常が発生したか否かを判定する。直近所定回数におけるデータ異常判定頻度が所定値より大きい場合、判定が満たされ、ステップS140へ移る。言い換えると、経年劣化の機械異常が発生したとみなされる。   In step S135, the CPU of the higher-level control device 3 sets the abnormality determination frequency (the acquisition frequency of the time-series observation data determined to be abnormal) in the data abnormality determination performed a predetermined number of times immediately before in the past to a predetermined value (predetermined value). (Threshold) is determined. In other words, it is determined whether or not an aging mechanical abnormality has occurred. If the data abnormality determination frequency in the latest predetermined number of times is larger than the predetermined value, the determination is satisfied, and the routine goes to Step S140. In other words, it is considered that an aging mechanical abnormality has occurred.

ステップS140では、上位制御装置3のCPUは、モータ駆動機構1に経年劣化が発生したとする判定結果をオペレータ4に送信し、表示部などにその旨を報知させる。そして、ステップS130へ移る。   In step S140, the CPU of the host control device 3 transmits a determination result indicating that the motor drive mechanism 1 has deteriorated over time to the operator 4, and notifies the display unit or the like of the determination result. Then, the process proceeds to step S130.

一方、上記ステップS135の判定において、直近所定回数におけるデータ異常判定頻度が所定値以下である場合、判定は満たされず、ステップS125へ移る。言い換えると、経年劣化の機械異常が発生してないとみなされる。   On the other hand, in the determination in step S135, if the data abnormality determination frequency in the latest predetermined number of times is less than or equal to the predetermined value, the determination is not satisfied, and the routine goes to step S125. In other words, it is considered that there is no aging mechanical abnormality.

以上の経年劣化判定処理のフローにより、計算処理の負荷が比較的小さい機械学習の判定処理(工程5、6)と機械異常判定処理を、比較的CPUパワーの低い上位制御装置3でも行うことができ、モータ制御システム100全体におけるリソース負担を軽減できる。またこの経年劣化判定処理の実行中(実務運用中)には、セットアップPC5は何ら処理を行わず不要となるため、上位制御装置3から接続を取り外すことでモータ制御システム100全体の構成を簡素化でき、堅牢性を向上できる。   According to the flow of the aging deterioration determination processing described above, the determination processing of machine learning (steps 5 and 6) and the machine abnormality determination processing in which the load of the calculation processing is relatively small can be performed even by the host controller 3 having relatively low CPU power. As a result, the resource burden on the entire motor control system 100 can be reduced. Also, during the execution of the aging determination processing (during operation), the setup PC 5 does not perform any processing and becomes unnecessary, and thus the connection of the motor control system 100 is simplified by removing the connection from the host control device 3. It can improve the robustness.

なお、ステップS5、ステップS10、ステップS15、ステップS40、ステップS115、及びステップS120の手順が各請求項記載のデータ異常判定部に相当し、ステップS135の手順が各請求項記載の機械正常判定部又は機械劣化判定部に相当する。   The procedure of steps S5, S10, S15, S40, S115, and S120 corresponds to the data abnormality determination section described in each claim, and the procedure of step S135 corresponds to the machine normality determination section described in each claim. Alternatively, it corresponds to a mechanical deterioration determination unit.

<7:実験によるデータ異常判定の確認>
<7−1:時間軸波形に対する適用結果>
本実施形態によるデータ異常判定の手法の妥当性を、実試験で得た時間軸波形に適用して確認する。この実試験は、鉛直方向に可動するボールねじスライダ(特に図示せず)の特定の位置におけるトルク指令と出力速度をそれぞれ時系列標本データとして20回検出し、同じスライダで位置を違えてトルク指令と出力速度を時系列観測データとして検出した。
<7: Confirmation of data abnormality judgment by experiment>
<7-1: Application result for time axis waveform>
The validity of the data abnormality determination method according to the present embodiment is confirmed by applying to the time-axis waveform obtained in the actual test. In this actual test, a torque command and an output speed at a specific position of a vertically movable ball screw slider (not shown) are respectively detected 20 times as time-series sample data, and the same slider is used at different positions to change the torque command. And output speed were detected as time series observation data.

<7−1−1:自由度M=1で処理した場合>
図7は、出力速度の時系列標本データと時系列観測データをプロットしたグラフを示している。中央の曲線のうち実線のものが時系列標本データであり、他の白抜き破線の曲線が時系列観測データである(以下の各図において同様)。また、下方には、誤報率α=1%とした単変数解析(自由度M=1)でのデータ異常判定結果を、2値的(High/Low)に示すグラフもプロットされている。この実験におけるトレースデータは1000点で構成されているため、データ異常判定は各点ごとに計算している。これは、同じ速度であっても時間が異なればボールねじ上の位置が異なるため、機械システムとしての特性が異なることを考慮している。また、図8は、図7の出力速度の代わりにトルク指令の時系列標本データと時系列観測データとデータ異常の判定結果をプロットしたグラフである。
<7-1-1: When the processing is performed with the degree of freedom M = 1>
FIG. 7 shows a graph in which the time-series sample data and the time-series observation data of the output speed are plotted. The solid curve in the center curve is the time-series sample data, and the other white broken curve is the time-series observation data (similar in each of the following figures). Further, in the lower part, a graph indicating a data abnormality determination result in a single variable analysis (degree of freedom M = 1) with a false alarm rate α = 1% in a binary (High / Low) manner is also plotted. Since the trace data in this experiment is composed of 1000 points, the data abnormality judgment is calculated for each point. This takes into account that, even at the same speed, the position on the ball screw is different if the time is different, so that the characteristics as a mechanical system are different. FIG. 8 is a graph in which the time series sample data of the torque command, the time series observation data, and the determination result of the data abnormality are plotted instead of the output speed of FIG.

まず最初の比較例として、機械学習を利用しない場合には図9〜図12に示すような正規分布に基づくデータ異常判定を行うことになる。図9、図10は、上記図7中の時刻A1、時刻A2それぞれにおける出力速度の時系列標本データの正規分布と時系列観測データを示している。また、図11、図12は、上記図8中の時刻B1、時刻B2それぞれにおけるトルク指令の時系列標本データの正規分布と時系列観測データを示している。図9において、時系列観測データは正規分布の内側に存在するため正常なデータと推測される。一方、図10の時系列観測データは正規分布の外側に存在するため異常なデータと推測される。同様に図11は正常データと推測され、図12は異常データと推測される。機械学習を利用しない場合の基本的な考え方としては、このように正規分布と時系列観測データの比較を全てのデータに対して行うことになるが、実際に実施するのは計算処理負担がかなり大きくなるため現実的ではない。   First, as a first comparative example, when machine learning is not used, data abnormality determination based on a normal distribution as shown in FIGS. 9 to 12 is performed. 9 and 10 show the normal distribution and time-series observation data of the time-series sample data of the output speed at each of the time A1 and the time A2 in FIG. FIGS. 11 and 12 show the normal distribution and the time-series observation data of the time-series sample data of the torque command at each of the time B1 and the time B2 in FIG. In FIG. 9, the time-series observation data is assumed to be normal data because it exists inside the normal distribution. On the other hand, the time-series observation data in FIG. 10 is assumed to be abnormal data because it exists outside the normal distribution. Similarly, FIG. 11 is assumed to be normal data, and FIG. 12 is assumed to be abnormal data. As a basic idea when machine learning is not used, the comparison between normal distribution and time series observation data is performed for all data, but the actual processing requires a considerable computational load. It is not realistic because it becomes large.

図7では1000点の時系列観測データ中57点(5.7%)がデータ異常として判定され、図8では59点(5.9%)がデータ異常として判定されている。波形曲線だけを見る限りでは、目視では差異があると判定することは難しい。一方、図7と図8にそれぞれ対応する図13、図14では、上記(工程5)で算出したマハラノビス距離a(x’)と、(工程3)で算出したデータ異常判定しきい値athを比較して示している。図13、図14にプロットしたグラフを見ると、時系列観測データが時系列標本データから外れているか否かが明確にわかる。 In FIG. 7, 57 points (5.7%) of the 1000 time-series observation data are determined to be data abnormal, and in FIG. 8, 59 points (5.9%) are determined to be data abnormal. It is difficult to visually determine that there is a difference only by looking at the waveform curve. On the other hand, in FIGS. 13 and 14 corresponding to FIGS. 7 and 8, respectively, the Mahalanobis distance a (x ′) calculated in (Step 5) and the data abnormality determination threshold a th calculated in (Step 3) are shown. Are shown in comparison. Looking at the graphs plotted in FIGS. 13 and 14, it can be clearly seen whether or not the time series observation data deviates from the time series sample data.

図15および図16はさらに分かりやすく、同じボールねじスライダを使用して発振させた場合の図7、図8に相当する結果である。図7、図8では小刻みにHigh/Lowを繰り返していたデータ異常判定結果が継続的にデータ異常(High)を示している。   FIGS. 15 and 16 show results that are easier to understand and correspond to FIGS. 7 and 8 when oscillating using the same ball screw slider. In FIGS. 7 and 8, the data abnormality determination result in which High / Low is repeated little by little indicates data abnormality (High) continuously.

<7−1−2:自由度M=2で処理した場合>
上記図7〜図16では、いずれも自由度M=1として、出力速度またはトルク指令の個別の信号に対してデータ異常の検出を行った場合を示した。これに対して自由度M=2とした多変数解析での多元的なデータ異常の検出を行う場合には、上記(工程3)で自由度M=2としたデータ異常判定しきい値athを算出し、出力速度とトルク指令の2乗和の平方根にて計算したマハラノビス距離a(x’)と比較すればよい。
<7-1-2: Case of processing with degree of freedom M = 2>
FIGS. 7 to 16 show the case where the degree of freedom M = 1 is set and the data abnormality is detected with respect to the individual signals of the output speed or the torque command. On the other hand, when performing multi-variable data abnormality detection by multivariable analysis with the degree of freedom M = 2, the data abnormality determination threshold a th with the degree of freedom M = 2 in the above (Step 3). May be calculated and compared with the Mahalanobis distance a (x ′) calculated by the square root of the sum of the square of the output speed and the torque command.

図17は、図7、図8の条件から自由度M=2の場合のマハラノビス距離a(x’)とデータ異常判定しきい値athを比較したグラフを示している。図17と図13、図14を比較すると、出力速度またはトルク指令のいずれかの時系列観測データが時系列標本データよりも大きく外れた時刻でマハラノビス距離a(x’)がデータ異常判定しきい値athを超えていることが分かる。 17, FIG. 7 shows a graph comparing the Mahalanobis distance a (x ') and data abnormality determination threshold a th in case the condition of FIG. 8 degrees of freedom M = 2. When FIG. 17 is compared with FIG. 13 and FIG. 14, the Mahalanobis distance a (x ′) is determined to be a data abnormality judgment at a time when the time-series observation data of either the output speed or the torque command deviates significantly from the time-series sample data. it can be seen that exceeds the value a th.

<7−2:周波数軸波形に対する適用結果>
上記<7−1>では、時間軸波形(つまり時間領域)に対してデータ異常の検出手法を適用した。以下では、横軸に周波数軸を持つ周波数特性のデータに対して自由度M=1の機械学習による手法を適用する。可動スライダがボールねじの反モータ側で20回の周波数測定を実行し、これを時系列標本データとして取得する。その後、可動スライダがボールねじのモータ側で周波数測定を実行し、時系列観測データとして取得した。つまり、直近所定数の各時系列データを周波数解析し、周波数領域でのデータ異常の判定を行った。
<7-2: Result of application to frequency axis waveform>
In the above <7-1>, a data abnormality detection technique is applied to a time axis waveform (that is, a time domain). In the following, a method based on machine learning with a degree of freedom of M = 1 is applied to frequency characteristic data having a frequency axis on the horizontal axis. The movable slider performs frequency measurement 20 times on the side opposite to the motor of the ball screw, and acquires this as time-series sample data. Thereafter, the movable slider performed frequency measurement on the motor side of the ball screw, and obtained as time-series observation data. That is, the frequency analysis was performed on a predetermined number of the latest time-series data, and data abnormality in the frequency domain was determined.

図18はゲイン特性、図19は位相特性で、時系列標本データと時系列観測データを周波数軸上でプロットしたグラフを示している。また各図の下方には、誤報率α=1%に設定したデータ異常判定の結果も2値的(High/Low)にプロットしている。なお、比較のために、図20、図21は、時系列標本データと同じ位置でメカニカルアナリシスを実行した場合の時系列観測データのゲイン特性と位相特性の周波数軸上のグラフを示している。図18では401点のデータ中178点(44%)でデータ異常が検出され、図19では185点(46%)でデータ異常が検出されているのに対し、図20では30点(7.5%)、図21では34点(8.5%)でデータ異常が検出されており、明らかな差を確認できる。   FIG. 18 shows a gain characteristic, and FIG. 19 shows a graph in which time series sample data and time series observation data are plotted on the frequency axis. In the lower part of each figure, the result of the data abnormality determination in which the false alarm rate α is set to 1% is also plotted in a binary manner (High / Low). For comparison, FIGS. 20 and 21 show graphs on the frequency axis of the gain characteristic and the phase characteristic of the time-series observation data when the mechanical analysis is performed at the same position as the time-series sample data. In FIG. 18, data abnormalities are detected at 178 points (44%) of the 401 data points, and in FIG. 19, data abnormalities are detected at 185 points (46%). 5%), and in FIG. 21, data abnormalities were detected at 34 points (8.5%), and a clear difference can be confirmed.

<8:本実施形態の効果>
以上説明したように、本実施形態のモータ制御システム100によれば、ステップS25及びステップS110の手順でモータ駆動機構1の駆動中におけるモータ12の入出力に関する時系列データを取得する。また、モータ制御システム100は、ステップS5、ステップS10、ステップS15、ステップS40、ステップS115、及びステップS120の手順で時系列データのデータ異常を判定する。また、モータ制御システム100は、ステップS135の手順で、データ異常と判定された時系列データの取得態様に基づいて、モータ駆動機構1の機械異常を判定する。つまり、電動モータ駆動のモーション系機械制御に対して予兆診断を適用するに当たり、データ異常と機械異常を区別し、データ異常の発生態様(データ異常とされた時系列データの取得態様)に基づいて機械異常を判定する。この結果、微小なデータ異常の変化にとらわれず、機械システム全体の機械異常についてより有効で詳細かつ明確な判定が行える。また、モータ駆動機構1の機械異常の有無を判定することは、その時点の当該モータ駆動機構1の機械正常を判定することと同等とみなせる。例えば、上記ステップ135の判定が満たされず(No)、モータ駆動機構1が機械異常にないと判定された場合には、当該モータ駆動機構1が機械正常(異常な状態でなく正常な状態)であると判定されたとみなせる。このように機械正常を判定できる本実施形態のモータ制御システム1では、例えば大量生産されたモータ駆動機構1を個別に駆動制御して機械正常を判定することで、それぞれ設計通りの性能や機能を有するかの同一性を試験することができる。または、オーバーホールしたモータ駆動機構1の性能や機能が許容範囲内にあるかの健全性も検証できる。または、異なる2つのモータ駆動機構1の一方から取得した標本データと、他方から取得した観測データとを用いて他方の機械正常を判定することで、それら2つのモータ駆動機構1の間の性能や機能の類似性を検証することもできる。
<8: Effect of the present embodiment>
As described above, according to the motor control system 100 of the present embodiment, the time series data relating to the input and output of the motor 12 during the driving of the motor driving mechanism 1 is acquired in the procedure of steps S25 and S110. In addition, the motor control system 100 determines the data abnormality of the time-series data by the procedure of step S5, step S10, step S15, step S40, step S115, and step S120. Further, the motor control system 100 determines the mechanical abnormality of the motor drive mechanism 1 based on the acquisition mode of the time-series data determined to be abnormal in the procedure of step S135. That is, in applying the predictive diagnosis to the motion-based mechanical control of the electric motor, the data abnormality and the mechanical abnormality are distinguished, and the data abnormality is determined based on the occurrence mode of the data abnormality (the acquisition mode of the time-series data indicating the data abnormality). Judge machine abnormality. As a result, a more effective, detailed and clear judgment can be made on the mechanical abnormality of the entire mechanical system irrespective of a minute change in the data abnormality. Determining the presence or absence of a mechanical abnormality in the motor drive mechanism 1 can be regarded as being equivalent to determining whether the motor drive mechanism 1 is normal in the machine at that time. For example, if the determination in the step 135 is not satisfied (No) and it is determined that the motor drive mechanism 1 is not in a mechanical abnormality, the motor drive mechanism 1 is in a mechanical normal state (not an abnormal state but a normal state). It can be considered that it was determined to be. In this way, in the motor control system 1 of the present embodiment, which can determine the normality of the machine, for example, by individually controlling the drive of the mass-produced motor drive mechanism 1 to determine the normality of the machine, the performance and function as designed can be obtained. Can be tested for identity. Alternatively, the soundness of whether the performance or function of the overhauled motor drive mechanism 1 is within an allowable range can be verified. Alternatively, by using the sample data obtained from one of the two different motor drive mechanisms 1 and the observation data obtained from the other to determine whether the other machine is normal, the performance between the two motor drive mechanisms 1 can be determined. It is also possible to verify the similarity of functions.

なお、機械異常を判定する際に参照するデータ異常の時系列データの取得態様は、取得頻度に限られない。他にも、判定する対象の機械異常に応じて、取得時刻、取得周波数、異常データの取得組み合わせなど多様な取得態様(判定態様)が適用可能である。   Note that the acquisition mode of the time-series data of the data abnormality referred to when determining the machine abnormality is not limited to the acquisition frequency. In addition, various acquisition modes (judgment modes) such as an acquisition time, an acquisition frequency, and an acquisition combination of abnormal data can be applied according to the machine abnormality to be determined.

また、本実施形態では特に、モータ12は、運動方程式に基づくフィードバック制御により駆動制御されており、時系列データは、モータ12に入力するトルク指令と、モータ12が出力する出力速度の少なくともいずれか1つを含んでいる。これにより、正常駆動と観測駆動を同じ駆動動作で行う場合において、簡易に適切な時系列データを取得できるとともに、モータ駆動機構1の機械部分における動作状態について詳細に検証することができる。なお、データ異常を判定するにあたっては、出力速度に変えて出力位置を時系列データとして取得してもほぼ同様の結果が得られる。   In the present embodiment, in particular, the motor 12 is drive-controlled by feedback control based on the equation of motion, and the time-series data is at least one of a torque command input to the motor 12 and an output speed output by the motor 12. Includes one. Thereby, when the normal drive and the observation drive are performed by the same drive operation, appropriate time-series data can be easily obtained, and the operation state of the mechanical part of the motor drive mechanism 1 can be verified in detail. In determining the data abnormality, substantially the same result can be obtained even if the output position is obtained as time-series data instead of the output speed.

また、本実施形態では特に、機械異常の種類を判定することにより、機械システムにどのような種類の機械異常が発生しているかが明確となり、機械異常に対するユーザの対処が容易となる。   Further, in the present embodiment, in particular, by determining the type of machine abnormality, it is clear what kind of machine abnormality has occurred in the mechanical system, and the user can easily deal with the machine abnormality.

また、本実施形態では特に、ステップS135の手順で、機械異常の種類としてモータ駆動機構1の経年劣化を判定する。これにより、ユーザは機械異常を改善するにあたって経年劣化の対処を行えばよいことが明確となり、利便性が向上する。   In the present embodiment, in particular, the aging of the motor drive mechanism 1 is determined as the type of mechanical abnormality in the procedure of step S135. This makes it clear that the user only needs to take measures against aging in improving the machine abnormality, and the convenience is improved.

また、本実施形態では特に、ステップS135の手順で、データ異常と判定された時系列観測データの取得頻度が所定値を超えた場合に、経年劣化の機械異常が発生したと判定する。これにより、高い信頼性で経年劣化の機械異常を判定できる。   Further, in the present embodiment, in particular, in the procedure of step S135, when the acquisition frequency of the time-series observation data determined to be data abnormal exceeds a predetermined value, it is determined that the mechanical abnormality of aging has occurred. As a result, it is possible to determine aged mechanical errors with high reliability.

なお、経年劣化が進行するに従ってデータ異常の発生頻度が徐々に増加するとの考察に基づき、他の判定基準で経年劣化を判定してもよい。例えば、モータ駆動機構1の観測駆動を行う度にデータ異常と判定された時系列観測データの取得頻度が増加傾向にある場合に、経年劣化の機械異常が発生したと判定してもよい。具体的には、観測駆動を行う度にデータ異常と判定された時系列観測データの取得頻度を算出してその履歴を記録し、過去直近の観測駆動間で比較して取得頻度が増加傾向にあると判断した場合に、経年劣化の機械異常が発生したと判定すればよい。   It should be noted that the aging may be determined by another criterion based on the consideration that the occurrence frequency of the data abnormality gradually increases as the aging progresses. For example, when the frequency of acquisition of time-series observation data determined to be data abnormal tends to increase each time the motor drive mechanism 1 performs the observation drive, it may be determined that an aging mechanical abnormality has occurred. Specifically, every time an observation drive is performed, the acquisition frequency of the time-series observation data determined to be abnormal is calculated, the history is recorded, and the comparison is made between the most recent observation drives in the past. If it is determined that there is, it is sufficient to determine that a mechanical abnormality due to aging has occurred.

また、機械異常の特性とデータ異常の判定態様の因果関係が理解されていれば、機械異常の種類として上記の経年劣化以外の種類の機械異常を判定することも可能である。例えば上記図15、図16に示したように、機械異常の種類としてモータ駆動機構1の発振を判定してもよい。これにより、ユーザは機械異常を改善するにあたって発振の対処を行えばよいことが明確となり、利便性が向上する。   In addition, if the causal relationship between the characteristics of the machine abnormality and the determination mode of the data abnormality is understood, it is possible to determine the type of the machine abnormality other than the above-described aging deterioration. For example, as shown in FIGS. 15 and 16, the oscillation of the motor drive mechanism 1 may be determined as the type of mechanical abnormality. Thereby, it becomes clear that the user has to take measures against the oscillation in improving the mechanical abnormality, and the convenience is improved.

そしてこの発振の判定基準として、データ異常と判定された時系列データが所定期間を超えて連続的に取得された場合に、発振の機械異常が発生したと判定する方法がある。これにより、モータ制御システム100は高い確度で発振を判定できる。   As a criterion for determining the oscillation, there is a method for determining that a mechanical error has occurred in the case where the time-series data determined to be abnormal is continuously obtained for a predetermined period of time. Thereby, the motor control system 100 can determine the oscillation with high accuracy.

また他にも、トルク指令と出力速度の両方でデータ異常と判定された場合に、発振の機械異常が発生したと判定する方法もある。これによっても、モータ制御システム100は高い確度で発振を判定できる。さらに、自由度M=1でトルク指令と出力速度でそれぞれ判定されたデータ上の正常/異常の組み合わせ、つまりデータ異常と判定された時系列データの取得組み合わせ(取得態様)に基づいて他の種類の機械異常を判定することもできる。具体的には図22に示すように、トルク指令がデータ異常であって出力速度がデータ正常である場合には、大きな摩擦力に抗して出力速度を維持するようトルクが変動しているとみなせるため、外乱抑圧の機械異常にあると判定できる。また、トルク指令がデータ正常であって出力速度がデータ異常である場合には、トルクが維持されつつ出力速度が変動しているとみなせるため、すなわち機械揺れの機械異常にあると判定できる。なお、経年劣化が進行した結果で発振が生じる場合がある一方、新規の駆動機械13でも設置ミスや調整ミスなどにより発振が生じる場合がある。このため、データ異常の発生態様は、機械異常の発生原因を推定する一助にも成り得る。   In addition, there is also a method of determining that an oscillation mechanical abnormality has occurred when it is determined that both the torque command and the output speed are abnormal. This also allows the motor control system 100 to determine the oscillation with high accuracy. Further, other types based on the combination of normal / abnormal on the data respectively determined by the torque command and the output speed with the degree of freedom M = 1, that is, based on the acquisition combination (acquisition mode) of the time-series data determined to be abnormal Can be determined. Specifically, as shown in FIG. 22, when the torque command is abnormal data and the output speed is normal, the torque is varied so as to maintain the output speed against a large frictional force. Therefore, it can be determined that there is a mechanical abnormality for disturbance suppression. When the torque command is normal and the output speed is abnormal, it can be considered that the output speed fluctuates while the torque is maintained, that is, it can be determined that there is a mechanical abnormality due to mechanical shaking. Oscillation may occur as a result of aging, while oscillation may occur due to an installation error or an adjustment error in the new driving machine 13. For this reason, the occurrence mode of the data abnormality can also help to estimate the cause of the occurrence of the mechanical abnormality.

また、本実施形態では特に、ホテリングのT法によりデータ異常を判定する。これにより、信頼性の高い多変数解析によるデータ異常判定を実現できる。 Also, particularly in this embodiment, it determines the data abnormality by T 2 method Hotelling. This makes it possible to determine data abnormality by highly reliable multivariable analysis.

また、本実施形態では特に、上記ホテリングのT法において、正常駆動時に取得した時系列標本データに基づいて標本平均μと標本共分散行列Σを算出する。またモータ制御システム100は、これら標本平均μと標本共分散行列Σとともに観測駆動時に取得した時系列観測データに基づいてマハラノビス距離a(x’)を算出する。そしてモータ制御システム100は、マハラノビス距離a(x’)とデータ異常判定しきい値athの比較により、時系列観測データのデータ異常を判定する。これにより、いわゆる「教師あり学習」でホテリングT法の機械学習を実行できることから、データ異常判定の信頼性を向上できる。なお、クラスタリングなどによるいわゆる「教師なし学習」で機械学習を利用してもよい。 Further, in the present embodiment in particular, the T 2 method described above Hotelling, it calculates the sample mean μ and the sample covariance matrix Σ based on series sample data when obtained in the normal driving. Further, the motor control system 100 calculates the Mahalanobis distance a (x ′) based on the time series observation data acquired during the observation driving together with the sample mean μ and the sample covariance matrix Σ. Then, the motor control system 100 determines the data abnormality of the time-series observation data by comparing the Mahalanobis distance a (x ′) with the data abnormality determination threshold ath . Accordingly, since it can perform machine learning Hotelling T 2 method in the so-called "supervised learning", thereby improving the reliability of the data abnormality determination. Note that machine learning may be used in so-called “unsupervised learning” by clustering or the like.

また、本実施形態では特に、時間領域でデータ異常を判定することにより、モータ12の出力位置などといった変位や配置などを考慮した機械異常の検討に好適となる。   Further, in the present embodiment, in particular, by judging the data abnormality in the time domain, it is suitable for examining a machine abnormality in consideration of a displacement or an arrangement such as an output position of the motor 12.

なお、上記図18〜図21に示したように、周波数領域でデータ異常を判定してもよく、この場合には部品種類や原因などを考慮した機械異常の検討に好適となる。   As shown in FIGS. 18 to 21, data abnormality may be determined in the frequency domain. In this case, it is suitable for examining a mechanical abnormality in consideration of a component type, a cause, and the like.

また、本実施形態では特に、上記図7、図8、図13〜図21に示したように、時系列データの時間軸波形又は周波数軸波形とデータ異常の判定結果をオペレータ4の同一画面上に重ねて表示することで、機械異常の種類、発生箇所、又は原因などの推定に大きく貢献できる。   In the present embodiment, in particular, as shown in FIGS. 7, 8, and 13 to 21, the time axis waveform or the frequency axis waveform of the time series data and the data abnormality determination result are displayed on the same screen of the operator 4. By superimposing and displaying the information, it is possible to greatly contribute to estimating the type, location, or cause of the machine abnormality.

また、本実施形態では特に、上記図5の準備処理をセットアップPC5のCPUに実行させ、上記図6の経年劣化判定処理を上位制御装置3のCPUに実行させる。このように準備処理と経年劣化判定処理を異なるCPUで分担させて実行することで、各CPUにおける処理負担を軽減できるとともに、観測駆動時におけるデータ異常判定の処理速度及び信頼性を向上できる。   Further, in the present embodiment, in particular, the CPU of the setup PC 5 executes the preparation process of FIG. 5 and the CPU of the host control device 3 executes the aging determination process of FIG. As described above, by performing the preparation process and the aging deterioration determination process in different CPUs, the processing load on each CPU can be reduced, and the processing speed and reliability of the data abnormality determination during observation driving can be improved.

また、本実施形態では特に、準備処理を実行するセットアップPC5が、観測駆動時(経年劣化判定処理の実行時)に(及び上位制御装置3)との接続から分離可能であることで、観測駆動時におけるシステム全体のハードウェアリソースを削減でき、堅牢性を向上できる。   In the present embodiment, in particular, the setup PC 5 that executes the preparation process can be disconnected from the connection with the observation controller (and the higher-level control device 3) at the time of the observation drive (when the aging deterioration determination process is executed). Hardware resources of the entire system at the time can be reduced, and robustness can be improved.

なお各CPUにおける、準備処理と経年劣化判定処理、データ異常の判定と機械異常の判定、などの各処理の分担は上記実施形態に限られない。例えば、サーボアンプ2と上位制御装置3とセットアップPC5の各CPUがどのような組み合わせで一体化してもよく、またどのような分担で実行してもよい。   It should be noted that the sharing of each processing in each CPU such as the preparation processing and the aging deterioration determination processing, the data abnormality determination and the mechanical abnormality determination is not limited to the above embodiment. For example, the servo amplifier 2, the host control device 3, and the CPUs of the setup PC 5 may be integrated in any combination and may be executed in any sharing.

<9:変形例>
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、トルク指令や出力速度(出力位置)以外のデータを時系列データとして取得し、データ異常を判定することも有用である。例えば、上記図2に対応する図23に示すように、外乱オブザーバ27の出力を時系列データとして取得しデータ異常を判定してもよい。図示する例の外乱オブザーバ27は、トルク指令と出力速度に基づいてモータ12に付加される外乱を推定し出力している。これにより、正常駆動と観測駆動を異なる駆動動作で行う場合において、加速度の影響を排除した適切な時系列データを取得できる。
<9: Modification>
The embodiments of the disclosure are not limited to the above, and various modifications can be made without departing from the spirit and technical idea thereof. For example, it is also useful to acquire data other than the torque command and the output speed (output position) as time-series data, and determine a data abnormality. For example, as shown in FIG. 23 corresponding to FIG. 2, the output of the disturbance observer 27 may be acquired as time-series data to determine a data abnormality. The disturbance observer 27 in the illustrated example estimates and outputs a disturbance applied to the motor 12 based on the torque command and the output speed. Accordingly, when normal driving and observation driving are performed by different driving operations, appropriate time-series data excluding the influence of acceleration can be obtained.

他にも、モータ12が出力する出力速度(出力位置)が一定である際には、図24に示すように速度偏差を時系列データとして取得しデータ異常を判定してもよい。これにより、正常駆動と観測駆動を異なる駆動動作で行う場合において、速度の影響を排除した適切な時系列データを取得できる。   Alternatively, when the output speed (output position) output by the motor 12 is constant, a speed deviation may be obtained as time-series data to determine a data abnormality as shown in FIG. Thus, when normal driving and observation driving are performed by different driving operations, appropriate time-series data excluding the influence of speed can be obtained.

また上記実施形態では、上位制御装置3がサーボアンプ2に位置指令を入力する位置制御を行う場合を例に挙げて説明したが、これに限られず速度指令を入力する速度制御を行う場合にも適用可能である。この場合には、サーボアンプ2が減算器、速度制御部、電流制御部、速度変換部で構成される速度制御フィードバックループのみを備えればよい。   Further, in the above embodiment, the case where the host control device 3 performs the position control of inputting the position command to the servo amplifier 2 has been described as an example. Applicable. In this case, the servo amplifier 2 only needs to include a speed control feedback loop including a subtractor, a speed controller, a current controller, and a speed converter.

また、特に図示しないが、モータ駆動機構1が備えるモータ12は直動型のリニアモータであってもよく、その場合にはエンコーダ11の代わりにリニアスケールが用いられ、トルク指令の代わりに推力指令が時系列データとして取得される。   Although not particularly shown, the motor 12 included in the motor drive mechanism 1 may be a linear linear motor. In this case, a linear scale is used instead of the encoder 11, and a thrust command is used instead of the torque command. Is obtained as time-series data.

なお、以上の説明において、「垂直」「平行」「平面」等の記載がある場合には、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「垂直」「平行」「平面」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に垂直」「実質的に平行」「実質的に平面」という意味である。   In the above description, when there is a description such as “vertical”, “parallel”, and “plane”, the description is not strictly meaning. That is, the terms “vertical”, “parallel”, and “plane” mean tolerances and errors in design and manufacturing, and mean “substantially vertical”, “substantially parallel”, and “substantially plane”. .

また、以上の説明において、外観上の寸法や大きさ、形状、位置等が「同一」「同じ」「等しい」「異なる」等の記載がある場合は、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「同一」「等しい」「異なる」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に同一」「実質的に同じ」「実質的に等しい」「実質的に異なる」という意味である。   Further, in the above description, when there is a description such as “identical”, “same”, “equal”, “different”, and the like in terms of external dimensions, size, shape, position, and the like, the description is not strictly meaning. In other words, the terms “same”, “equal”, and “different” mean that tolerances and errors in design and manufacture are allowed, and that “substantially the same”, “substantially the same”, “substantially the same”, Is different. "

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。   Further, in addition to those already described above, the methods according to the above-described embodiment and each modified example may be appropriately combined and used. In addition, although not illustrated one by one, the above-described embodiment and each modified example are implemented with various changes added thereto without departing from the gist thereof.

1 モータ駆動機構
2 サーボアンプ
3 上位制御装置
4 オペレータ
5 セットアップPC
11 エンコーダ
12 モータ
13 駆動機械
21 減算器
22 位置制御部
23 減算器
24 速度制御部
25 電流制御部
26 速度変換部
27 外乱オブザーバ
100 モータ制御システム
Reference Signs List 1 motor drive mechanism 2 servo amplifier 3 host controller 4 operator 5 setup PC
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Encoder 12 Motor 13 Driving machine 21 Subtractor 22 Position control part 23 Subtractor 24 Speed control part 25 Current control part 26 Speed conversion part 27 Disturbance observer 100 Motor control system

Claims (4)

モータ駆動機構を駆動するモータを駆動制御するモータ制御システムであって、
前記モータを正常駆動させて予め設定した所定のデータ異常判定しきい値と、前記モータを観測駆動させて検出した時系列検出データに基づいて算出したマハラノビス距離と、の比較に基づいてデータ異常を判定するデータ異常判定部と、
前記データ異常の発生頻度に基づいて前記モータ駆動機構の経年劣化を判定する機械劣化判定部と、を備え、
前記正常駆動と前記観測駆動とが同じ駆動動作であり、かつ前記時系列検出データがトルク指令、モータ速度、及びモータ位置の少なくとも1つであるか、
又は
前記正常駆動と前記観測駆動とが異なる駆動動作であり、かつ前記時系列検出データが外乱オブザーバ推定値、速度偏差の少なくとも1つである、
ことを特徴とするモータ制御システム。
A motor control system that drives and controls a motor that drives a motor drive mechanism,
A data abnormality is determined based on a comparison between a predetermined data abnormality determination threshold set in advance by normally driving the motor and a Mahalanobis distance calculated based on time series detection data detected by observing and driving the motor. A data abnormality determining unit for determining,
Machine deterioration determining unit that determines aging of the motor drive mechanism based on the frequency of occurrence of the data abnormality,
Whether the normal drive and the observation drive are the same drive operation, and the time series detection data is at least one of a torque command, a motor speed, and a motor position,
Or, the normal drive and the observation drive are different drive operations, and the time series detection data is a disturbance observer estimated value, at least one of speed deviation,
A motor control system, characterized in that:
前記機械劣化判定部は、
前記モータ駆動機構の観測駆動を行う度にデータ異常と判定された時系列検出データの取得頻度が増加傾向にある場合においても、経年劣化が発生したと判定することを特徴とする請求項1記載のモータ制御システム。
The mechanical deterioration determination unit,
2. The method according to claim 1, further comprising: determining that aging has occurred even when the frequency of acquisition of the time-series detection data determined to be abnormal is increasing each time the motor drive mechanism is observed and driven. Motor control system.
前記データ異常判定部は、
時間領域でデータ異常を判定することを特徴とする請求項1又は2記載のモータ制御システム。
The data abnormality determination unit includes:
3. The motor control system according to claim 1, wherein data abnormality is determined in a time domain.
前記データ異常判定部は、
周波数領域でデータ異常を判定することを特徴とする請求項1又は2記載のモータ制御システム。
The data abnormality determination unit includes:
3. The motor control system according to claim 1, wherein a data abnormality is determined in a frequency domain.
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