JP3637597B2 - 制御定数同定装置 - Google Patents

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  • Power Engineering (AREA)
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Description

〔技術分野〕
本発明は、工作機械等を駆動するモータの制御装置に関し、特に、イナーシャや粘性摩擦係数という制御定数を同定する制御装置に関する。
〔背景技術〕
制御定数を同定する装置として、例えば、
（１）トルク指令を変えて回転速度を変化させ、トルク指令の積分量と回転速度の変化幅を計算し、（イナーシャ）＝（トルク指令の積分量）／（回転速度変化幅）なる演算からイナーシャを求める同定装置（特開昭61−88780号公報参照）。
（２）ランプ部をもつ速度指令を入力して速度ループをＰ制御で行い、負荷イナーシャがない状態での定常速度偏差と負荷イナーシャがある状態での定常速度偏差の比から負荷イナーシャを求める同定装置（特開平６−70566号公報参照）。
（３）実際とシミュレーションにおける電流検出値もしくは電流指令値を時間積分して電流面積を求め、この電流面積計算結果から最初に仮定したイナーシャ仮定値を修正していくことによりイナーシャを求める同定装置（特開平４−325886号公報参照）。
などがある。
ところが前記従来例（１），（２），（３）ともに、粘性摩擦やクローン摩擦がある場合イナーシャ同定値の誤差やばらつきが大きいという問題がある。また、特に（１）では回転速度が一定レートで変化する指令に限定され、（２）では積分制御を行っていないので外乱の影響を受けやすく、（３）では最初に仮定したイナーシャ仮定値が実際のイナーシャに近づくようにファジイ推論等を使って繰り返し修正を行いながらイナーシャを求めていくので演算が複雑で多量になるという問題もある。
〔発明の開示〕
本発明は、これらの問題を解決できる制御定数同定装置を提供することを目的とする。
上記問題点を解決するために、本発明は、
速度指令Vrefを発生する指令発生部と、
前記速度指令Vrefと実際のモータ速度Vfbによりトルク指令Trefを決定しモータ速度を制御する速度制御部と、
モデルにより前記速度制御部をシミュレートして推定トルク指令Tref'を出力する推定部と、
前記速度制御部の出力であるトルク指令Trefを所定の区間［a,b］で時間積分した値STrefと前記推定部の出力であるトルク指令Tref'を所定の区間［a,b］で時間積分した値STref'との比によりイナーシャＪを同定する同定部とを備え、
前記実際のモータ速度Vfbと前記推定部で求めたモータ速度Vfb'が時刻ｂにおいて零でない値で一致するものとなるように、前記所定の区間［a,b］及び速度指令Vrefを設定することを特徴とするものである。
本発明によれば、粘性摩擦、一定外乱及びクーロン摩擦がある場合でも、イナーシャ同定値の誤差とばらつきが小さく、しかも非常に簡単で少量の演算でイナーシャが求められる制御定数同定装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の基本的な考え方を説明する原理図である。図２は本発明の原理を補足するためのブロック図である。図３は本発明の原理を補足するためのブロック図である。図４は本発明の実施例としての構成図である。図５は速度指令の例である。図６は図４における速度制御部と推定部と同定部の詳細を示す構成図である。図７はACサーボモータを用いた動作例である。
〔発明を実施するための最良の形態〕
以下、最初に本発明の原理を述べ、次にモータを用いた実施例について具体的に説明する。図１は、本発明の基本的な考え方を説明する原理図である。１は速度制御部であり、２は推定部である。速度制御部１ではPI制御を組んでおり、制御対象はイナーシャＪのみとし、同様に推定部２でもPI制御を組み、制御対象はイナーシャJ'のみとする。同図において、速度制御部１の速度Vfbと推定部の速度Vfb'が一致し、VfbとVfb'がいずれも零でない場合、速度制御部のトルク指令積分値STrefとイナーシャＪ及び推定部のトルク指令積分値STref'とイナーシャJ'には、J/J'＝STref/STref'…（１）の関係が成り立ち、イナーシャＪは、Ｊ＝（STref/STref'）＊J'…（２）から直ちに求まる。以上が本発明の基本的原理である。
ただし、粘性摩擦Ｄが存在する系においては、粘性摩擦Ｄを無視することができず、この関係を成立させるには所定の区間［a,b］における速度Vfbの積分値が零である、という条件を付加しなければならない。以下にその理由を述べる。図２は、制御対象がイナーシャＪと粘性摩擦Ｄで表された場合のブロック図であり、図３は図２を書き直したブロック図である。図３から明らかなように、速度Vfbの前記区間［a,b］における積分値が零であれば、粘性摩擦Ｄの影響をなくすことができる。よって、この条件を付加すれば（１）式が成り立ち（２）式から直ちにイナーシャＪが求まる。なお、ここでは速度Vfbの積分値が零としたが、位置を管理していれば、前記区間［a,b］における時刻ａでの位置と時刻ｂでの位置が一致していれば良いことになる。また、モータ速度Vfbの時間積分値が零となるような複数の区間で求めたイナーシャの平均値をイナーシャＪとしてもよい。次に、一定外乱Tdがかかった場合は、ある速度指令Vref1により求めたイナーシャJ1と、速度指令Vref1の正負を反転させたVref2により求めたイナーシャJ2との平均値をイナーシャＪとすれば一定外乱Tdの影響をなくすことができる。クーロン摩擦がある場合は、前記区間［a,b］内でのモータの正転時間と逆転時間が等しくなるように前記区間［a,b］及び速度指令Vrefを設定すればクーロン摩擦の影響もなくすことができる。また、一定外乱Tdは速度指令Vref1により求めたトルク指令積分値STref1と、速度指令Vref1の正負を反転させたVref2により求めたトルク指令積分値STref2との平均値を積分時間ｂ−ａで割ることにより求められる。粘性摩擦Ｄは速度指令Vrefが一定加速時あるいは一定減速時におけるトルク指令Trefの傾き（時間変化）から求めることができる。
次に、モータを用いた実施例について具体的に説明する。図４は本発明の実施例としての構成図である。図中41は指令発生部であり、速度指令Vrefを速度制御部42と推定部43に出力する。また、44は同定部であり、速度制御部42のトルク指令Trefと推定部43のトルク指令Tref'を入力しイナーシャＪ、一定外乱Td及び粘性摩擦Ｄを求める。次に、各部については実験を行った構成に基づいて図５、図６を用いて述べ、ACサーボモータを用いた動作例を図７に示す。指令発生部41は速度指令Vrefを発生する。速度指令Vrefは、例えば図５（Ａ）〜（Ｆ）に示すような指令が考えられるが、ここでは同図中５（Ａ）に示すように最高速度と最低速度の絶対値が同じで加減速が同じである台形形状の速度指令Vrefとした。速度制御部42と推定部43と同定部44の構成を図６に示す。速度制御部42は速度指令Vrefに速度Vfbが一致するように速度ループを組んでおり、ここではPI（比例積分）制御とし、トルク指令Trefをモータを駆動する電流制御器と同定部44に出力する。なお、モータにはモータイナーシャJMの4.16倍の負荷JL（＝4.16＊JM）が取り付けられており、モータからは速度Vfbが出力されているとする。推定部43は速度制御部42と同じくPI制御で構成して、制御対象を1/J'Sでモデル化し、トルク指令Tref'を制御対象1/J'Sと同定部44に出力する。同定部44では速度制御部42から出力されたトルク指令Trefと同定部43から出力されたトルク指令Tref'を受け取り、それぞれを時刻ａから時刻ｂまで時間積分した値STrefとSTref'と推定部のイナーシャJ'とからイナーシャＪを、Ｊ＝（STref/STref'）＊J'により求める。
図７はACサーボモータを用いた場合の動作例であり、Vrefは速度指令、▲１▼は速度制御部42内のモータの速度Vfb、▲１▼’は推定部43内の速度Vfb'、▲２▼は速度制御部内のトルク指令Tref、及び▲２▼’は推定部43内のトルク指令Tref'である。▲２▼と▲２▼’をそれぞれ時刻a1から時刻b1まで時間積分した値STref1とSTref1'と推定部のイナーシャJ'とからイナーシャJ1を求めると、J1＝（STref1/STref1'）＊J'＝5.49＊JMとなり、同様に時刻a2から時刻b2まで時間積分した値STref2とSTref2'と推定部のイナーシャJ'とからイナーシャJ2を求めると、J2＝（STref2/STref2'）＊J'＝4.81＊JMとなるので、イナーシャＪは、Ｊ＝（J1＋J2）/2＝5.15＊JMと同定できる。この同定値は（モータイナーシャJM）＋（負荷イナーシャJL＝4.16＊JM）＝5.16＊JMとほぼ一致している。但し、推定部のイナーシャJ'はJ'＝JMとしてシミュレートした。なお、本実験では推定部の演算もリアルタイムで行ったが、速度指令Vrefを固定していれば、推定部のトルク指令積分値STref'は予め計算できるので、速度制御部42内のトルク指令積分値STrefのみリアルタイムで演算すればよい。
なお、実際には速度が零になる場合、静止摩擦の影響のため前記（１）式の関係は成立しない。従って、前記速度VfbがX1≦Vfb≦X2である場合（但しX1≦0,X2≧０）は前記速度制御部のトルク指令Tref及び前記推定部のトルク指令Tref'の時間積分を行わないようにすればJ/J'＝STref/STref'が成立し、Ｊ＝（STref/STref'）＊J'式からイナーシャＪが直ちに求まる。また、図２のように粘性摩擦Ｄがある場合は、図２を書き直した図３から明らかなように、速度Vfbの前記区間［a,b］における積分値が零であれば、粘性摩擦Ｄの影響をなくすことができるので、前記速度VfbがX1≦Vfb≦X2である場合（但しX1≦0,X2≧０）は、前記速度制御部のトルク指令Tref及び前記推定部のトルク指令Tref'の時間積分を行わないようにし、かつ、前記速度VfbがX1≦Vfb≦X2である場合の時間t1（t1≧０）の間を除いた前記速度Vfbの時間積分値が零となるように前記区間［a,b］および速度指令Vrefを設定すれば粘性摩擦Ｄの影響も除去できる。以上により、速度が零または零に近い場合に生じる静止摩擦等の影響を受けずにイナーシャが同定可能な制御定数同定装置が提供できる。
また、実際とモデルの動作の違いが大きい場合は、速度制御部の速度Vfbと推定部の速度Vfb'が一致しにくいことがある。その場合は、図６に示すように、速度ループゲインKv'を調整する調整部45を設けてもよい。
前記調整部においては、前記推定部のトルク指令Tref'が
Tref'＞０で、速度Vfb＞速度Vfb'の場合は、前記推定部の速度ループゲインKv'を上げ、
前記推定部のトルク指令Tref'がTref'＜０で、速度Vfb＞速度Vfb'の場合は、前記推定部の速度ループゲインKv'を下げ、
前記推定部のトルク指令Tref'がTref'＜０で、速度Vfb＜速度Vfb'の場合は、前記推定部の速度ループゲインKv'を上げるような調整を行う。
〔産業上の利用可能性〕
本発明は、産業用機械、特に負荷の変動が少ない工作機械や仕分け機械等を駆動するモータの制御装置に利用できる。

Claims (13)

  1. 速度指令Vrefを発生する指令発生部と、
    前記速度指令Vrefと実際のモータ速度Vfbによりトルク指令Trefを決定しモータ速度を制御する速度制御部と、
    モデルにより前記速度制御部をシミュレートして推定トルク指令Tref'を出力する推定部と、
    前記速度制御部の出力であるトルク指令Trefを所定の区間［a,b］で時間積分した値STrefと前記推定部の出力であるトルク指令Tref'を所定の区間［a,b］で時間積分した値Stref'との比によりイナーシャＪを同定する同定部とを備え、
    前記実際のモータ速度Vfbと前記推定部で求めたモータ速度Vfb'が時刻ｂにおいて零でない値で一致するものとなるように、前記所定の区間［a,b］及び速度指令Vrefを設定することを特徴とする制御定数同定装置。
  2. 前記指令発生部から発生する速度指令Vrefを予め固定することを特徴とする請求項１記載の制御定数同定装置。
  3. 前記速度制御部において、積分演算を含む制御を行うことを特徴とする請求項１または２記載の制御定数同定装置。
  4. 前記実際のモータ速度Vfbの前記所定の区間［a,b］での時間積分値が零となるように前記区間［a,b］および速度指令Vrefを設定することを特徴とする請求項１乃至３記載の制御定数同定装置。
  5. 前記実際のモータ速度Vfbの時間積分値が零となるような複数の区間で求めたイナーシャの平均値をイナーシャＪとすることを特徴とする請求項１乃至４記載の制御定数同定装置。
  6. 前記区間［a,b］内でのモータの正転時間と逆転時間が等しくなるように前記区間［a,b］及び速度指令Vrefを設定することを特徴とする請求項１乃至３記載の制御定数同定装置。
  7. ある速度指令Vref1により求めたイナーシャJ1と、速度指令Vref1の正負を反転させたVref2により求めたイナーシャJ2との平均値をイナーシャＪとすることを特徴とする請求項１乃至６の制御定数同定装置。
  8. ある速度指令Vref1により求めたトルク指令積分値STref1と、速度指令Vref1の正負を反転させたVref2により求めたトルク指令積分値STref2とにより一定外乱Tdを求めることを特徴とする請求項７記載の制御定数同定装置。
  9. 速度指令Vrefが一定加速時あるいは一定減速時におけるトルク指令Trefの傾き（時間変化）から粘性摩擦係数Ｄを求めることを特徴とする請求項１乃至３記載の制御定数同定装置。
  10. 前記区間［a,b］内で、前記速度VfbがX1≦Vfb≦X2である場合（但しX1≦0,X2≧０）は、前記速度制御部のトルク指令Tref及び前記推定部のトルク指令Tref'の時間積分を行わないようにしたことを特徴とする請求項１記載の制御定数同定装置。
  11. 前記速度VfbがX1≦Vfb≦X2である場合の時間t1（t1≧０）の間を除いた前記速度Vfbの時間積分値が零となるように、前記区間［a,b］および速度指令Vrefを設定することを特徴とする請求項10記載の制御定数同定装置。
  12. 前記速度制御部のモータ速度Vfbと前記推定部の速度Vfb'及びトルク指令Tref'の情報から、前記推定部の速度ループゲインKv'の調整を行う調整部を備えることを特徴とする請求項１記載の制御定数同定装置。
  13. 前記調整部において、前記推定部のトルク指令Tref'がTref'＞０で、速度Vfb＞速度Vfb'の場合は、前記推定部の速度ループゲインKv'を上げ、
    前記推定部のトルク指令Tref'がTref'＜０で、速度Vfb＞速度Vfb'の場合は、前記推定部の速度ループゲインKv'を下げ、
    前記推定部のトルク指令Tref'がTref'＜０で、速度Vfb＜速度Vfb'の場合は、前記推定部の速度ループゲインKv'を上げることを特徴とする請求項12記載の制御定数同定装置。
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