JP2022029503A - Inertia estimation device and motor control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、速度制御が可能なモータに機械負荷を接続してなる機械駆動システムの慣性を推定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for estimating the inertia of a mechanical drive system formed by connecting a mechanical load to a motor capable of speed control.
機械負荷が接続されたモータの速度制御を良好に行うためには、モータ及び機械負荷を含む機械駆動システム全体の慣性を知ってこの慣性を速度制御条件に反映することが必要となる。
慣性が未知である機械負荷をモータに接続して駆動する場合には、運転中のトルクや速度の情報を用いて慣性を推定することが良く行われている。この場合、ある時間範囲のデータを用いてオフラインで推定することも可能であるし、また、逐次最小2乗法などを用いたオンライン推定も既に実用化されている。
In order to satisfactorily control the speed of the motor to which the mechanical load is connected, it is necessary to know the inertia of the entire mechanical drive system including the motor and the mechanical load and reflect this inertia in the speed control conditions.
When a mechanical load whose inertia is unknown is connected to a motor to drive it, it is common practice to estimate the inertia by using information on torque and speed during operation. In this case, it is possible to estimate offline using data in a certain time range, and online estimation using a sequential least squares method or the like has already been put into practical use.
モータによって機械負荷を駆動する際には、慣性×加速度による加速トルクとは別に、クーロン摩擦や粘性摩擦等の負荷トルクが生じることが一般的である。これらの負荷トルクに起因して誤った慣性が推定されないようにするため、例えば非特許文献1では、モータにより印加したトルクと加速度との関係をそのまま使用するのではなく、前回からのトルク変化と加速度変化との関係を用いてオンライン推定することで、一定外乱の影響を除去した慣性推定を実現している。
また、これに関連して特許文献1には、機械負荷の振動検出中には推定ゲインを小さくすることで慣性推定誤差を低減するようにしたオンライン推定手段が開示されている。
When driving a mechanical load by a motor, it is common that load torque such as Coulomb friction and viscous friction is generated in addition to the acceleration torque due to inertia × acceleration. In order to prevent an erroneous inertia from being estimated due to these load torques, for example, in Non-Patent
Further, in connection with this,
更に、非特許文献2には、負荷トルクが、速度に依存しない符号関数型のクーロン摩擦と速度に比例する粘性摩擦との和によって表されるという前提のもとで、クーロン摩擦、粘性摩擦係数と共に慣性を推定する手段が開示されている。本文献では、正負対称な周期信号を速度指令として与え、図6(非特許文献2の図4)に示すように、トルク指令u及び角速度ωに基づく信号τe,q0,q0
’,q1を互いに掛け合わせて得た値を同文献記載の数式(Eqs.(37)~(44))により周期間隔で積分して行列Φの要素φ11,φ13,φ22,φ23,φ33 、及びベクトルVの要素v1,v2,v3を求め、その後に演算Φ-1Vを行うことで慣性を含むパラメータを同定している。
Further, in
非特許文献1や特許文献1に記載された方法によると、一定外乱の影響は除去できたとしても、速度依存性の大きい負荷トルクが生じる場合、これに対して加速トルクが十分大きい条件でない限り、無視できない慣性推定誤差が生じてしまう。
また、非特許文献2に記載された方法によれば、慣性と共に他のパラメータも推定される利点はあるものの、周期信号として速度指令を与えることを前提にしている点に加え、負荷トルクが速度に対して非線形な依存性を示す場合には慣性も含めて正しい値が推定されない恐れもある。
更に、慣性はできるだけ精度良く推定できることが望ましい一方で、短時間で推定したい場合もあるが、従来の推定方法では、推定精度の向上と推定時間の短縮とを両立することが困難であった。
According to the methods described in
Further, according to the method described in Non-Patent
Further, while it is desirable that the inertia can be estimated with as high accuracy as possible, there are cases where it is desired to estimate it in a short time, but it is difficult to achieve both improvement in estimation accuracy and reduction in estimation time by the conventional estimation method.
そこで、本発明の解決課題は、周期運動のような特殊な運転を行う必要がなく、粘性摩擦等の非線形な負荷トルクが存在する条件下でも短時間で正確な推定結果を得ることができる慣性推定装置及びその慣性推定結果を用いてモータを制御するモータ制御装置を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is the inertia that can obtain an accurate estimation result in a short time even under the condition that a non-linear load torque such as viscous friction exists without the need for special operation such as periodic motion. An object of the present invention is to provide an estimation device and a motor control device for controlling a motor using the inertia estimation result thereof.
上記課題を解決するため、請求項1に係る慣性推定装置は、
モータと当該モータにより駆動される機械負荷とを含む機械駆動システムの慣性を推定する装置であって、
前記モータの速度絶対値が所定の閾速度を超える第1の条件、及び、前記モータが始動または方向反転してからの経過時間が所定の閾時間を超える第2の条件、を充足した時に、前記モータの速度を慣性の推定開始速度として記憶する手段と、
前記第1の条件及び前記第2の条件を充足した時に、少なくとも前記モータのトルク及び加速度を被積分関数に含む数値積分を開始する手段と、
前記モータが減速してその速度絶対値が前記推定開始速度を下回った時点で前記数値積分を終了する手段と、
を備え、
前記モータの加減速期間における前記数値積分の演算結果から、前記機械駆動システムの慣性推定値を得ることを特徴とする。
In order to solve the above problem, the inertial estimation device according to
A device that estimates the inertia of a mechanical drive system, including a motor and the mechanical load driven by the motor.
When the first condition in which the absolute speed value of the motor exceeds a predetermined threshold speed and the second condition in which the elapsed time from the start or reversal of the direction of the motor exceeds the predetermined threshold time are satisfied. A means for storing the speed of the motor as an estimated start speed of inertia, and
When the first condition and the second condition are satisfied, a means for starting numerical integration including at least the torque and acceleration of the motor in the integrand.
A means for ending the numerical integration when the motor decelerates and its absolute speed falls below the estimated start speed.
Equipped with
It is characterized in that the inertia estimation value of the mechanical drive system is obtained from the calculation result of the numerical integration in the acceleration / deceleration period of the motor.
請求項2に係る慣性推定装置は、請求項1に記載した慣性推定装置において、
前記慣性推定値をJ1とし、この慣性推定値J1を、
前記加減速期間中の時刻tにおける前記モータの加速度a(t)及びトルクT(t)を用いて、数式Aにより演算することを特徴とする。
[数式A]
J1=∫T(t)a(t)dt/∫{a(t)}2dt
The inertial estimation device according to
The inertial estimation value is J 1 , and the inertial estimation value J 1 is set to
It is characterized in that the calculation is performed by the mathematical formula A using the acceleration a (t) and the torque T (t) of the motor at the time t during the acceleration / deceleration period.
[Formula A]
J 1 = ∫T (t) a (t) dt / ∫ {a (t)} 2 dt
請求項3に係る慣性推定装置は、請求項1に記載した慣性推定装置において、
前記慣性推定値をJ1とし、この慣性推定値J1を、
前記加減速期間中の時刻tにおける前記モータの加速度a(t)、トルクT(t)、速度v(t)、及び、負荷モデルに基づいて推定された推定負荷トルクTLest(v(t))を用いて、数式Bにより演算することを特徴とする。
[数式B]
J1=∫{T(t)-TLest(v(t))}a(t)dt/∫{a(t)}2dt
The inertial estimation device according to
The inertial estimation value is J 1 , and the inertial estimation value J 1 is set to
Acceleration a (t), torque T (t), velocity v (t) of the motor at time t during the acceleration / deceleration period, and estimated load torque T Let (v (t)) estimated based on the load model. ) Is used to perform the calculation by the mathematical formula B.
[Formula B]
J 1 = ∫ {T (t) -T Let (v (t))} a (t) dt / ∫ {a (t)} 2 dt
請求項4に係る慣性推定装置は、請求項2または3に記載した慣性推定装置において、
前記モータの加減速期間ごとに前記慣性推定値J1を求めると共に重みW1=∫{a(t)}2dtを演算する手段と、
前記慣性推定値J1及び重みW1を用いて当該加減速期間以前に記憶した慣性推定平均値J2及び積算重みW2を更新し、更新した慣性推定平均値J2を慣性推定結果として出力する手段と、
を備えたことを特徴とする。
The inertial estimation device according to claim 4 is the inertial estimation device according to
A means for obtaining the inertia estimation value J 1 for each acceleration / deceleration period of the motor and calculating a weight W 1 = ∫ {a (t)} 2 dt.
The inertia estimation average value J 2 and the integrated weight W 2 stored before the acceleration / deceleration period are updated using the inertia estimation value J 1 and the weight W 1 , and the updated inertia estimation average value J 2 is output as the inertia estimation result. And the means to do
It is characterized by being equipped with.
請求項5に係る慣性推定装置は、請求項4に記載した慣性推定装置において、
前記慣性推定平均値J2及び前記積算重みW2は、前記慣性推定値J1及び重みW1が新たに得られる度に、W2前回値にW1今回値を加算した結果を所定の上限値Wmaxにより制限した値をW2今回値として更新した上で、
数式Cにより前記慣性推定平均値J2をJ2今回値として更新することを特徴とする。
[数式C]
J2今回値 =J2前回値+(W1今回値/W2今回値)×(J1今回値-J2前回値)
The inertial estimation device according to claim 5 is the inertial estimation device according to claim 4.
The inertia estimation average value J 2 and the integrated weight W 2 are set to a predetermined upper limit of the result of adding the W 2 previous value to the W 1 current value each time the inertia estimation value J 1 and the weight W 1 are newly obtained. After updating the value limited by the value W max as the W 2 current value,
It is characterized in that the inertia estimation average value J 2 is updated as the J 2 current value by the mathematical formula C.
[Formula C]
J 2 current value = J 2 previous value + (W 1 current value / W 2 current value) × (J 1 current value-J 2 previous value)
請求項6に係る慣性推定装置は、請求項4または5に記載した慣性推定装置において、前記慣性推定平均値J2及び前記積算重みW2が、不揮発性メモリに記憶されると共に外部から初期化可能であることを特徴とする。 In the inertia estimation device according to claim 6, the inertia estimation average value J 2 and the integrated weight W 2 are stored in the non-volatile memory and initialized from the outside in the inertia estimation device according to claim 4. It is characterized by being possible.
請求項7に係るモータ制御装置は、請求項1~6の何れか1項に記載した慣性推定装置により得た慣性推定値を用いて前記モータを制御することを特徴とする。
The motor control device according to claim 7 is characterized in that the motor is controlled by using the inertial estimation value obtained by the inertial estimation device according to any one of
本発明によれば、非特許文献2における周期運動のような特殊な運転を行う必要がなく、粘性摩擦等の非線形な負荷トルクが存在する条件下でも、短時間で正確に機械駆動システムの慣性を推定することができる。
According to the present invention, it is not necessary to perform a special operation like the periodic motion in Non-Patent
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は、機械負荷が接続されたモータを制御するためのモータ制御装置の主要部を示している。
図1において、速度制御部100はモータ速度v(t)が速度指令に一致するようにトルクT(t)を生成し、このトルクT(t)がモータ及び機械負荷200に与えられてモータが駆動される。慣性推定装置300は、少なくとも、モータ速度v(t)、トルクT(t)、及びリセット指令を入力として慣性推定平均値J2を演算する。ここで,トルクT(t)とは、トルク指令、またはトルクを印加のためにモータに通電した電流を検出して得たトルク推定値の何れであっても良い。
慣性推定装置300から出力された慣性推定平均値J2は、例えば速度制御部100における速度制御ゲインを調整してモータの速度及びトルクを制御するために使用される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 shows a main part of a motor control device for controlling a motor to which a mechanical load is connected.
In FIG. 1, the
The inertia estimation average value J 2 output from the
図2は、上記慣性推定装置300の第1実施例を示すブロック図である。ここでは、慣性推定装置に符号300Aを付してある。
モータ速度v(t)は、ローパスフィルタ301を介して積分開始/終了判定部302及び微分演算部303に入力される。
積分開始/終了判定部302は、後述する機能により積分演算の開始・終了判定を行って積分開始・終了指令を出力すると共に、除算手段309及び慣性推定平均部310に対する更新指令を出力する。また、微分演算部303は、モータ速度v(t)を微分して加速度a(t)を演算し、この加速度a(t)は乗算手段304,307に入力される。また、乗算手段304の出力は積分手段305に入力されている。
一方、トルクT(t)は、前記ローパスフィルタ301と同じ時定数のローパスフィルタ306を介して乗算手段307に入力され、前記加速度a(t)との乗算結果が積分手段308に入力されている。
なお、ローパスフィルタ301,306は入力信号に含まれるホワイトノイズ等を除去するためのものであるが、本発明に必須の構成要素ではない。
FIG. 2 is a block diagram showing a first embodiment of the
The motor speed v (t) is input to the integration start /
The integration start /
On the other hand, the torque T (t) is input to the multiplication means 307 via the low-
The low-
積分手段305は∫{a(t)}2dtの演算を行うと共に、積分手段308は∫T(t)a(t)dtの演算を行い、これらの積分手段305,308の出力が除算手段309に入力される。なお、積分手段305の出力である∫{a(t)}2dtは、重みW1として慣性推定平均部310に入力されている。除算手段309では、∫T(t)a(t)dt/∫{a(t)}2dtの演算を行って慣性推定値J1を求め、この慣性推定値J1が慣性推定平均部310に入力されている。
The integrating means 305 performs an operation of ∫ {a (t)} 2 dt, and the integrating means 308 performs an operation of ∫T (t) a (t) dt, and the outputs of these integrating
ここで、積分手段305,308における演算の開始・終了タイミングは、積分開始・終了判定部302から出力される積分開始・終了指令に従っている。また、除算手段309は、積分開始・終了判定部302から出力される更新指令に従って除算を行い、最新の慣性推定値J1及び重みW1をそれぞれの今回値として慣性推定平均部310に出力すると共に、慣性推定平均部310は、慣性推定値J1及び重みW1が入力される度に、前記更新指令に従って後述の更新演算を行い、慣性推定平均値J2を出力する。
Here, the start / end timings of the operations in the integration means 305 and 308 follow the integration start / end command output from the integration start /
次に、積分開始/終了判定部302の構成を図3に基づいて説明する。
まず、モータ速度v(t)は絶対値演算部302aに入力されて速度絶対値|v(t)|が演算される。この速度絶対値|v(t)|はゼロ速度判定部302bに入力されてモータが停止中であるか否かが判定され、その判定信号が次段の遅延部302cに送出される。ゼロ速度判定部302b及び遅延部302cは、モータが停止していない時間、つまり始動または方向反転した時点からの経過時間が所定の閾時間を経過したことを判定するための手段であり、上記閾時間を経過したら、遅延部302cから「High」レベルの信号が論理積演算部302eの一端に入力される。なお、図3では、ゼロ速度判定部302bの出力信号を反転してオンディレー回路からなる遅延部302cに入力しているが、ゼロ速度判定部302bの出力信号を反転させずにオフディレー回路からなる遅延部に入力しても良い。
Next, the configuration of the integration start /
First, the motor speed v (t) is input to the absolute
また、速度絶対値|v(t)|は比較部302dにおいて閾速度と比較され、速度絶対値|v(t)|が閾速度を超えると、「High」レベルの信号が論理積演算部302eの他端に入力される。そして、論理積演算部302eの出力信号は開始指示部302fに入力されており、この開始指示部302fから、積分開始指令及び推定開始速度記憶指令が出力されるようになっている。
更に、速度絶対値|v(t)|は一時における速度制御ゲインの調整に記憶部302gに入力されており、推定開始速度記憶指令に従って検出した推定開始速度が比較部302に入力されている。この比較部302hでは、モータの減速時に速度絶対値|v(t)|が推定開始速度を下回った時点で、積分終了指令及び更新指令を出力する。
Further, the absolute velocity value | v (t) | is compared with the threshold velocity in the
Further, the absolute speed value | v (t) | is input to the
次に、図2の慣性推定装置300A、特にその中の積分開始/終了判定部302を図3のように構成することの意義について説明する。
機械負荷を駆動する際に生じる負荷トルクは、速度に対して非線形的な依存性を示す場合はあっても、ゼロ速度近傍を除いては、加速中、減速中を問わずに速度に対して一意に定まるものが多い。そこで、モータ駆動中のある時刻t1から時刻t2までに生じた負荷トルクTL(v(t))に加速度dv/dtを乗じて積分すると、
∫TL(v(t))(dv/dt)dt=∫TL(v)dvとなり、
積分開始時刻及び積分終了時刻における速度が同じになるように積分すると、
∫TL(v(t))(dv/dt)dt=0となる。
Next, the significance of configuring the
The load torque generated when driving a mechanical load may show a non-linear dependence on speed, but with respect to speed regardless of acceleration or deceleration, except near zero speed. Many are uniquely determined. Therefore, when the load torque TL (v (t)) generated from a certain time t 1 to the time t 2 while the motor is being driven is multiplied by the acceleration dv / dt and integrated,
∫TL (v (t)) (dv / dt) dt = ∫TL (v) dv,
When integrating so that the speeds at the integration start time and integration end time are the same,
∫TL (v (t)) (dv / dt) dt = 0.
このため、運動方程式:T(t)=J(dv/dt)+TL(v(t))に基づいて慣性Jを推定する場合、上記運動方程式の両辺にa=dv/dtを乗じて加速時及び減速時の速度が等しい条件で積分することによって負荷トルクTLの影響が除去され、慣性Jは下記の数式1により推定される。
[数式1]
J=∫T(t)a(t)dt/∫{a(t)}2dt
なお、上記の数式1は、前述した数式Aと実質的に同一である。
Therefore, when estimating the inertia J based on the equation of motion: T (t) = J (dv / dt) + T L (v (t)), both sides of the equation of motion are multiplied by a = dv / dt for acceleration. The influence of the load torque TL is removed by integrating under the condition that the speeds at the time and deceleration are equal, and the inertia J is estimated by the
[Formula 1]
J = ∫T (t) a (t) dt / ∫ {a (t)} 2 dt
The above-mentioned
機械負荷を駆動する場合、ゼロ速度近傍に関しては、ヒステリシスを伴った負荷トルクが生じることが少なくない。数式1によって慣性を正しく推定するには、積分区間からヒステリシス領域を除外する必要があり、その一つの方法としては、モータの速度絶対値が所定の閾速度を超えることを積分開始の条件とすることが考えられる。また、通常運転中は1慣性系とみなして問題ない機械系であっても始動直後は振動的に振る舞う場合があり、慣性を正しく推定するためには、この振動が減衰してから積分を開始することが望ましい。
When driving a mechanical load, load torque with hysteresis often occurs near zero speed. In order to correctly estimate the inertia by
そこで、数式1における分子・分母の積分を開始するには、第1にモータの速度絶対値が上記所定の閾速度を超えること、第2にモータがゼロ速度状態を脱してからの加速時間が所定の閾時間を超えること、を条件とし、これら第1,第2の条件を充足した時に上記の積分を開始してその時の速度絶対値を推定開始速度として記憶し、モータが減速して速度絶対値が前記推定開始速度を下回った時点で上記の積分を終了して、一連の加減速期間における慣性J1を確定することが有効である。
Therefore, in order to start the integration of the numerator and denominator in
図3における積分開始/終了判定部302では、論理積演算部302eが上記第1,第2の条件の充足を判断して開始指示部302fに信号を送り、積分開始指令及び推定開始速度記憶指令を発生させると共に、一時記憶部302g、比較部302h、及び終了指示部302iの動作により、積分終了指令と、慣性推定値J1、重みW1(、及び後述の慣性推定平均値J2、積算重みW2)の更新指令を出力している。
In the integration start /
次に、図2の最終段に設けられて慣性推定値J1及び重みW1が入力されている慣性推定平均部310について、図4を用いて説明する。
慣性が小さく加速度も小さい場合、上記演算方法を使っても、1回の加減速運転だけでは十分な精度で慣性を推定できないことも考えられる。同じ加減速運転を繰り返す場合は加減速運転ごとに得られた慣性推定値に対して単純移動平均を施すなどすれば推定精度を上げられるが、繰り返し運転ではない運転の中で推定精度を向上しようとする場合、加減速運転ごとにそれぞれの慣性推定の信頼性が異なってくる。そこで、本実施形態では、図4に示す慣性推定平均部310によって慣性推定の信頼性向上を可能にしている。
以下、慣性推定平均部310の構成及び動作を説明する。
Next, the inertial estimation average unit 310 provided in the final stage of FIG. 2 to which the inertial estimation value J1 and the weight W1 are input will be described with reference to FIG.
When the inertia is small and the acceleration is also small, it is conceivable that the inertia cannot be estimated with sufficient accuracy by only one acceleration / deceleration operation even if the above calculation method is used. When repeating the same acceleration / deceleration operation, the estimation accuracy can be improved by applying a simple moving average to the inertial estimation value obtained for each acceleration / deceleration operation, but let's improve the estimation accuracy in the operation that is not repeated operation. In this case, the reliability of each inertial estimation differs depending on the acceleration / deceleration operation. Therefore, in the present embodiment, the inertia estimation
Hereinafter, the configuration and operation of the inertia estimation
すなわち、加減速運動ごとの慣性推定値J1及び重みW1とは別に、慣性推定平均値J2及び積算重みW2を定義し、J1,W1が新たに得られる度に、J2,W2を次のように更新する。
図4において、前回値保持部310cから出力されるW2前回値を、切替部310dを介して加算手段310aに入力し、W1今回値と加算する。この加算結果を制限部310bにより所定の上限値(最大値)Wmaxにて制限することにより、W2今回値を得る。また、除算手段310eにより、W1今回値/W2今回値を演算する。
一方、前回値保持部310iから出力される慣性推定平均値J2の前回値を、切替部310jを介して減算手段310fに入力し、J1今回値から減算することにより(J1今回値-J2前回値)を求める。
そして、乗算手段310gにより、(W1今回値/W2今回値)×(J1今回値-J2前回値)を求め、この値とJ2前回値とを加算手段310hにより加算したものを慣性推定平均値J2の今回値として出力する。
以上の処理を数式により表すと、数式2のようになる。なお、この数式2は、前述した数式Cと実質的に同一である。
[数式2]
J2今回値=J2前回値+(W1今回値/W2今回値)×(J1今回値-J2前回値)
That is, the inertia estimation average value J 2 and the integrated weight W 2 are defined separately from the inertia estimation value J 1 and the weight W 1 for each acceleration / deceleration motion, and J 2 is obtained every time J 1 and W 1 are newly obtained. , W 2 is updated as follows.
In FIG. 4, the W 2 previous value output from the previous
On the other hand, the previous value of the inertia estimation average value J2 output from the previous value holding unit 310i is input to the subtracting means 310f via the
Then, (W 1 current value / W 2 current value) × (J 1 current value-J 2 previous value) is obtained by the multiplication means 310 g, and this value and the J 2 previous value are added by the addition means 310h. It is output as the current value of the inertia estimation average value J2.
When the above processing is expressed by a mathematical formula, it becomes as shown in the
[Formula 2]
J 2 current value = J 2 previous value + (W 1 current value / W 2 current value) × (J 1 current value-J 2 previous value)
その上で、図4に示すように、J2,W2は外部からのリセット指令により切替部310j,310dを「0」側に切り替えて初期化可能とする。具体的には、機械負荷を付け替えた際にJ2,W2を初期化し、その後は、J2,W2を不揮発性メモリに記憶しつつ更新する。そして、システムを再起動した際には、システムの運転前に不揮発性メモリからJ2,W2の値を読み込むようにすれば良い。
Then, as shown in FIG . 4, J2 and W2 can be initialized by switching the switching
上述したJ2,W2の更新処理について、更に説明する。
図4において、加算手段310aによりW2前回値にW1今回値を加算した後も、その加算結果が上限値Wmax以下にとどまっている場合には、数式3が成り立つ。
[数式3]
J2今回値=J2前回値+{(W1今回値/(W2前回値+W1今回値)}×(J1今回値-J2前回値)
この数式3を整理すると、数式4が得られる。
[数式4]
J2今回値=(J2前回値×W2前回値+J1今回値×W1今回値)/(W2前回値+W1今回値)
これは、過去の加減速運転全てのデータを用いて慣性推定を行うことに等しく、推定精度の得られにくい加減速運転の場合ほど重みが小さく抑えられるので、信頼性の高い慣性推定平均値J2を得ることができる。
The above-mentioned update processing of J 2 and W 2 will be further described.
In FIG. 4, if the addition result remains below the upper limit value W max even after the addition of the W 1 current value to the W 2 previous value by the addition means 310a, the
[Formula 3]
J 2 current value = J 2 previous value + {(W 1 current value / (W 2 previous value + W 1 current value)} × (J 1 current value-J 2 previous value)
By rearranging this
[Formula 4]
J 2 current value = (J 2 previous value x W 2 previous value + J 1 current value x W 1 current value) / (W 2 previous value + W 1 current value)
This is equivalent to performing inertial estimation using all the data of past acceleration / deceleration operation, and the weight is suppressed to be smaller in the case of acceleration / deceleration operation where estimation accuracy is difficult to obtain, so the average value of inertia estimation with high reliability J 2 can be obtained.
しかし、上限値Wmaxによる制限を導入せずに運転を続けていくと、やがてW2は無限大となり、新たな加減速運転が生じてもJ2は更新されなくなる。このため、制限部310bを用いてW2を所定の上限値Wmaxにて制限することにより、モータを運転し続けても最新の運転結果が慣性推定平均値J2に反映されるようになる。
However, if the operation is continued without introducing the limit by the upper limit value W max , W 2 will eventually become infinite, and J 2 will not be updated even if a new acceleration / deceleration operation occurs. Therefore, by limiting W 2 to a predetermined upper limit value W max by using the limiting
ここで、本実施形態のように重みを定義せずに、例えば、
[数式5]
J2今回値=J2前回値+定数×(J1今回値-J2前回値)(0<定数<1)
として演算する場合を、本実施形態と比較してみる。
数式5によってJ2今回値を演算する場合でも、加減速運動を重ねることによって慣性推定精度は上がっていく。しかし、この場合、加減速運動回数が(3/定数)程度に達するまでの間(言い換えれば、(3/定数)程度に達しない間)は、J2は真値より小さい値になってしまう。また、この演算の場合、慣性推定に適さないような低加速度または短時間の加減速運転が行われた場合にも、その結果を以て他の運動と同様に慣性推定値が更新されてしまう。
これに対して、本実施形態においては、機械負荷を付け替えた時点でJ2,W2を初期化することで加減速運動回数が少ない時から真値に近い推定値が得られると共に、∫{a(t)}2dtに比例した重みを付けて更新するために、慣性推定に適さない運転に対しては慣性推定平均値J2が乱れにくくなる。
Here, without defining the weight as in the present embodiment, for example,
[Formula 5]
J 2 current value = J 2 previous value + constant × (J 1 current value-J 2 previous value) (0 <constant <1)
Let's compare the case of calculating as with the present embodiment.
Even when the J2 value is calculated by the formula 5 , the inertia estimation accuracy is improved by repeating the acceleration / deceleration motions. However, in this case, J 2 becomes a value smaller than the true value until the number of acceleration / deceleration movements reaches about (3 / constant) (in other words, while it does not reach about (3 / constant)). .. Further, in the case of this calculation, even if low acceleration or short-time acceleration / deceleration operation that is not suitable for inertia estimation is performed, the inertia estimation value is updated with the result as in the case of other motions.
On the other hand, in the present embodiment, by initializing J2 and W2 when the mechanical load is changed, an estimated value close to the true value can be obtained from the time when the number of acceleration / deceleration movements is small, and ∫ { Since a (t)} 2 dt is updated with a weight proportional to it, the inertia estimation average value J 2 is less likely to be disturbed for an operation unsuitable for inertia estimation.
次いで、図5は本発明の第2実施例に係る慣性推定装置330Bを示している。なお、慣性推定装置330B以外のモータ制御装置の主要部は、図1と同様に構成されている。
この慣性推定装置330Bでは、負荷トルクの速度依存性TLest(v)が既知であるものとして、負荷トルク推定部311が、各時刻tの速度v(t)に基づき負荷トルクTLest(v(t))を推定して減算手段312に入力し、数式6を用いて慣性推定値J1を求める。
[数式6]
J1=∫{T(t)-TLest(v(t))}a(t)dt/∫{a(t)}2dt
上記の数式6は、前述した数式Bと実質的に同一である。
Next, FIG. 5 shows the inertia estimation device 330B according to the second embodiment of the present invention. The main parts of the motor control device other than the inertial estimation device 330B are configured in the same manner as in FIG.
In this inertia estimation device 330B, assuming that the speed dependence T Let (v) of the load torque is known, the load
[Formula 6]
J 1 = ∫ {T (t) -T Let (v (t))} a (t) dt / ∫ {a (t)} 2 dt
The above-mentioned formula 6 is substantially the same as the above-mentioned formula B.
このように演算すると、分子の被積分関数がJ{a(t)}2に近い値となるため、演算誤差の低減を図ることができる。TLest(v)は、例えばD×v+Tf×sign(v) なる形とし、パラメータD,Tfは前述した非特許文献2に開示された方法等を用いて同定すれば良い。
When the calculation is performed in this way, the integrand of the numerator becomes a value close to J {a (t)} 2 , so that the calculation error can be reduced. The T Rest (v) may be in the form of, for example, D × v + T f × sign (v), and the parameters D and T f may be identified by using the method disclosed in
100:速度制御部
200:モータ及び機械負荷
300,300A,300B:慣性推定装置
301,306:ローパスフィルタ
302:積分開始/終了判定部
302a:絶対値演算部
302b:ゼロ速度判定部
302c:遅延部
302d,302h:比較部
302e:論理積演算部
302f:開始指示部
302g:一時記憶部
302i:終了指示部
303:微分演算部
304,307:乗算手段
305,308:積分手段
309:除算手段
310:慣性推定平均部
310a,310h:加算手段
310b:制限部
310c,310i:前回値保持部
310d,310j:切替部
310e:除算手段
310f:減算手段
310g:乗算手段
311:負荷トルク推定部
312:減算手段
100: Speed control unit 200: Motor and
Claims (7)
前記モータの速度絶対値が所定の閾速度を超える第1の条件、及び、前記モータが始動または方向反転してからの経過時間が所定の閾時間を超える第2の条件、を充足した時に、前記モータの速度を慣性の推定開始速度として記憶する手段と、
前記第1の条件及び前記第2の条件を充足した時に、少なくとも前記モータのトルク及び加速度を被積分関数に含む数値積分を開始する手段と、
前記モータが減速してその速度絶対値が前記推定開始速度を下回った時点で前記数値積分を終了する手段と、
を備え、
前記モータの加減速期間における前記数値積分の演算結果から、前記機械駆動システムの慣性推定値を得ることを特徴とする慣性推定装置。 A device that estimates the inertia of a mechanical drive system, including a motor and the mechanical load driven by the motor.
When the first condition in which the absolute speed value of the motor exceeds a predetermined threshold speed and the second condition in which the elapsed time from the start or reversal of the direction of the motor exceeds the predetermined threshold time are satisfied. A means for storing the speed of the motor as an estimated start speed of inertia, and
When the first condition and the second condition are satisfied, a means for starting numerical integration including at least the torque and acceleration of the motor in the integrand.
A means for ending the numerical integration when the motor decelerates and its absolute speed falls below the estimated start speed.
Equipped with
An inertia estimation device, characterized in that an inertia estimation value of the mechanical drive system is obtained from the calculation result of the numerical integration in the acceleration / deceleration period of the motor.
前記慣性推定値をJ1とし、この慣性推定値J1を、
前記加減速期間中の時刻tにおける前記モータの加速度a(t)及びトルクT(t)を用いて、数式Aにより演算することを特徴とする慣性推定装置。
[数式A]
J1=∫T(t)a(t)dt/∫{a(t)}2dt In the inertia estimation device according to claim 1,
The inertial estimation value is J 1 , and the inertial estimation value J 1 is set to J 1.
An inertia estimation device characterized by calculating by a mathematical formula A using the acceleration a (t) and the torque T (t) of the motor at a time t during the acceleration / deceleration period.
[Formula A]
J 1 = ∫T (t) a (t) dt / ∫ {a (t)} 2 dt
前記慣性推定値をJ1とし、この慣性推定値J1を、
前記加減速期間中の時刻tにおける前記モータの加速度a(t)、トルクT(t)、速度v(t)、及び、負荷モデルに基づいて推定された推定負荷トルクTLest(v(t))を用いて、数式Bにより演算することを特徴とする慣性推定装置。
[数式B]
J1=∫{T(t)-TLest(v(t))}a(t)dt/∫{a(t)}2dt In the inertia estimation device according to claim 1,
The inertial estimation value is J 1 , and the inertial estimation value J 1 is set to J 1.
Acceleration a (t), torque T (t), velocity v (t) of the motor at time t during the acceleration / deceleration period, and estimated load torque T Let (v (t)) estimated based on the load model. ) Is used to calculate the inertia estimation device according to the mathematical formula B.
[Formula B]
J 1 = ∫ {T (t) -T Let (v (t))} a (t) dt / ∫ {a (t)} 2 dt
前記モータの加減速期間ごとに前記慣性推定値J1を求めると共に重みW1=∫{a(t)}2dtを演算する手段と、
前記慣性推定値J1及び重みW1を用いて当該加減速期間以前に記憶した慣性推定平均値J2及び積算重みW2を更新し、更新した慣性推定平均値J2を慣性推定結果として出力する手段と、
を備えたことを特徴とする慣性推定装置。 In the inertial estimation device according to claim 2 or 3.
A means for obtaining the inertia estimation value J 1 for each acceleration / deceleration period of the motor and calculating a weight W 1 = ∫ {a (t)} 2 dt.
The inertia estimation average value J 2 and the integrated weight W 2 stored before the acceleration / deceleration period are updated using the inertia estimation value J 1 and the weight W 1 , and the updated inertia estimation average value J 2 is output as the inertia estimation result. And the means to do
An inertia estimation device characterized by being equipped with.
前記慣性推定平均値J2及び前記積算重みW2は、前記慣性推定値J1及び重みW1が新たに得られる度に、W2前回値にW1今回値を加算した結果を所定の上限値Wmaxにより制限した値をW2今回値として更新した上で、
数式Cにより前記慣性推定平均値J2をJ2今回値として更新することを特徴とする慣性推定装置。
[数式C]
J2今回値 =J2前回値+(W1今回値/W2今回値)×(J1今回値-J2前回値) In the inertial estimation device according to claim 4,
The inertia estimation average value J 2 and the integrated weight W 2 are set to a predetermined upper limit of the result of adding the W 2 previous value to the W 1 current value each time the inertia estimation value J 1 and the weight W 1 are newly obtained. After updating the value limited by the value W max as the W 2 current value,
An inertia estimation device characterized in that the inertia estimation average value J 2 is updated as the J 2 current value by the mathematical formula C.
[Formula C]
J 2 current value = J 2 previous value + (W 1 current value / W 2 current value) × (J 1 current value-J 2 previous value)
前記慣性推定平均値J2及び前記積算重みW2が、不揮発性メモリに記憶されると共に外部から初期化可能であることを特徴とする慣性推定装置。 In the inertial estimation device according to claim 4 or 5.
An inertia estimation device, characterized in that the inertia estimation average value J 2 and the integrated weight W 2 are stored in a non-volatile memory and can be initialized from the outside.
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