JP4228157B2 - イナーシャ同定方法および装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボモータに接続される慣性系負荷のイナーシャを同定するイナーシャ同定方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
サーボモータの制御の分野では、モータおよびモータに接続される負荷のイナーシャを知っておくことは、制御パラメータの調整において重要なことである。一般的に、モータのイナーシャは予め分かるが、負荷のイナーシャを構造から計算することは困難である。そのため負荷イナーシャを測定する機能を制御装置に組み込むことが要求される。従来は、所定のパターンで制御対象を移動させ、位置や速度の制御量および指令信号から直接イナーシャを計算するという方法をとっていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の負荷イナーシャの同定方法では、同定精度を向上するためには、制御対象の速度に大きな変化量が必要であった。その結果、負荷が広い範囲を移動することが必要となり、可動範囲が狭い負荷には適用できなかった。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明は速度制御系におけるイナーシャ同定方法において、前記速度制御系の中に遅れ要素を備え、遅れ時間TDを一定として比例ゲインKvを変えて前記速度制御系が安定かどうかを調べ、モータに負荷を付けたときの前記速度制御系の発振限界ゲインKvMとモータ単体での前記速度制御系の発振限界ゲインKvM0との比RKMを計算して記憶し、前記遅れ時間TDを大きくした時の発振限界ゲイン比と前記発振限界ゲイン比RKMとの差eRKがある値より小さくなるまで前記比RKMの計算を行い、この計算が終了した時の発振限界ゲイン比RKMに前記モータのイナーシャをかけた値を前記モータと負荷を加えた総イナーシャとすることを特徴とする。
まず図1、2によって本発明の原理を説明する。
図1において、Vrは速度指令、Vは制御対象4の実速度、1は速度ゲインKv、2は遅れ要素、3はトルクフィルタである。制御対象4のイナーシャをJとする。制御対象4が二慣性共振系である場合、反共振周波数をfaとし、制御対象が多慣性共振系である場合、最小の反共振周波数をfaとし、制御対象が剛体である場合fa=+∞とする。遅れ時間TDを十分大きくすれば(TD ≫0.25/fa)、閉ループ系の位相交差周波数(fΦ≒0.25/TD)がfaより遙かに小さい。そこで、制御対象4(P(s))が多慣性共振系であっても剛体とほとんど同じ周波数特性を持つ、すなわち制御対象4(P(s))は1/(Js)とほとんど同じ位相とゲインとみなせる。モータ単体であっても、負荷がついていても、同じ遅れ時間TD であれば、発振限界でのループゲインは同一であるため、負荷がついている場合の比例ゲインをKvMとし、モータ単体の場合の比例ゲインをKvM0とし、モータのイナーシャをJmとすると、KvM0/Jm=KvM/Jが成り立つ。Jmは既知であり、あらかじめ図1の方法で遅れ時間TD としてモータ単体での比例ゲインKvM0をとっておく。負荷を取り付けた状態での比例ゲインKvMがわかったら、(1)式で全体のイナーシャを計算できる。
J = Jm・KvM /KvM0 (1)
負荷の可動範囲が狭くても同定できるため速度指令信号Vrは図2の三角形部分の面積Srがなるべく小さくなるように、例えば、負荷の可動範囲の二分の一以下になるように設定すればよい。図2において、tは時間、tdは指令時間、teは制御終了時間である。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、図に基づいて本発明の実施例を説明する。図3は本発明を慣性共振系に適用した場合のブロック図である。
図3において、11は速度指令信号発生部、12はゲイン調節部、13は遅れ要素生成部、14は同定/復帰切替部、15は制御対象、16は観測装置、17は微分部、18は制御状況判定部、19は同定部、20は原点位置復帰制御部である。同定部19において、速度指令信号発生部11に指令方式を、ゲイン調節部12にゲインKvの値を、遅れ要素生成部13に遅れ時間TDの値を、同定/復帰切替部14に同定信号を、制御状況判定部18に制御状況判定方式をそれぞれ与えるための初期値が設定される。
速度指令信号発生部11は、前述のように、図2の速度指令Vrを送出する。ついで、ゲイン調節部12は、速度指令と微分部17の出力である制御対象速度との差を、同定部19が与えたゲインKvを掛け、遅れ要素生成部13に送出する。遅れ要素生成部13は同定部19が与えた遅れ時間TDでその信号を遅らせ、トルク指令とする。同定/復帰切替部14は同定部19が与えた同定の指令通りのトルクを制御対象15に出力させる。たとえばエンコーダ等の観測装置16は制御対象15の位置を観測し、位置情報を微分器17、制御状況判定部18、原点位置復帰制御部20に出力する。微分器17は位置のデータを微分し、速度フィードバック信号とする。同定部19は、上記の速度フィードバック制御を行わせながら、制御状況判定部18に、観測装置16のデータに基づき、速度フィードバック制御系の状態を監視させる。速度フィードバック制御系が発振し始めたら(例えば、負荷が原点位置から1.5Srの距離を動いたら)、もしくは決まった時間内での制御が安定に終ったら、同定部19は、原点位置復帰制御部20に働かせ、同時に同定/復帰切替部14に切替指令を出し、負荷を原点位置に戻す。このようにKvを変えながら、発振限界ゲインKvMを探索する。
同定部19は、負荷を取り付ける前に既に同じ方法でモータ単体での制御系の発振限界ゲインKvM0を探索し、メモリしておいてあり、KvMを求めた後、負荷を付けた制御系の発振限界ゲインKvMとモータ単体での制御系の発振限界ゲインKvM0との発振限界ゲイン比RKMを計算する。
同定部19は、発振限界ゲイン比RKMがほぼ一定になるまで、一定のパターンで遅れ時間TDを大きく再設定をし(例えば、倍にし)、発振限界ゲインKvMを探索し、発振限界ゲイン比RKMの計算を行う。
最後に求めたRKMに既知のモータのイナーシャをかけ、得られた値を全体のイナーシャとし、同定の処理を終了する。
図4は図3の動作を具体的に説明するフローチャートであり、図5は図4のステップ200において発振限界ゲインKvMを探索する処理を説明したフローチャートである。
図4において、ステップ100にて、指令方式を速度指令信号発生部11、ゲインKvの値をゲイン調節部12、遅れ時間TDの値を遅れ要素生成部13、同定信号を同定/復帰切替部14、制御状況判定方式を制御状況判定部18のそれぞれに与える初期値を同定部19に設定する。ついで、ステップ200にて、一定の遅れ時間TDで後述する発振限界ゲインKvMの探索を行う。同定部19は、負荷を取り付ける前に既に同じ方法でモータ単体での制御系の発振限界ゲインKvM0を探索し、記憶してあり、KvMを求めた後、ステップ300にて負荷を付けた制御系の発振限界ゲインKvMとモータ単体での制御系の発振限界ゲインKvM0との発振限界ゲイン比RKMを計算する。
ついで、ステップ400にて該演算が一回目であるかどうかの判定を行う。該演算が一回目であれば、同定部19はステップ400にて「YES」と判定して、ステップ600に進む。
ステップ400にて条件を満たさないなら「NO」となり、ステップ500に進み、今回の発振限界ゲイン比と前回の発振限界ゲイン比RKMとの差eRKが精度を保証するため設定したしきい値ERKより小さいかどうかの判定を同定部19で行う。ステップ500にて条件を満たせば「YES」となり、ステップ800に進み、イナーシャを計算する。
発振限界ゲイン比の差eRKが大きければ、同定部19はステップ500にて「NO」と判定して、ステップ700に進み、発振限界ゲイン比RKMを計算する回数が最大設定回数Nmaxを超えたのかどうかの判定を行う。回数がまだ少ないならば、同定部19はステップ700にて「NO」と判定して、ステップ600に進む。
同定部19はステップ600にて一定のパターンで遅れ時間TDを大きく再設定を行う(例えば、倍にする)。遅れ時間TDの再設定を行った後、ステップ200に戻ってもう一回発振限界ゲインを探索し、発振限界ゲイン比RKMの計算を行う。
発振限界ゲイン比RKMを計算する回数がNmaxを超えたら、同定部19はステップ700にて「YES」と判定して、ステップ800に進み、そこで、最後に求めたRKMに既知のモータのイナーシャをかけ、得られた値を全体のイナーシャとし、同定の処理を終了する。
図5は、図4のステップ200の発振限界ゲインKvM を探索するサブルーチンを示すフローチャートである。図5のフローチャートにおいて、同定部19は、ステップ200aにて、発振限界ゲインKvM を探索するサブルーチンの動作を開始する。
すると、速度指令信号発生部11はステップ201にて、図2にて三角形部分の面積Srがなるべく小さくなるように(例えば、負荷の可動範囲の二分の一以下)速度指令を生成する。ついで、ステップ202において、ゲイン調節部12は、速度指令と微分部17の出力である制御対象速度との差を、同定部19が与えた初期ゲインKvを掛け、遅れ要素生成部13に送出する。遅れ要素生成部13は同定部19が与えた遅れ時間TD(サンプル数)でその信号を遅らせ、トルク指令とする。同定/復帰切替部14は同定部19が与えた同定の指令通りのトルクを制御対象15に出力させる。観測装置(エンコーダ)16は制御対象15の位置を観測し、位置情報を微分器17に出力する。微分器17は位置のデータを微分し、速度フィードバック信号とする。
同定部19は、上記の速度フィードバック制御を行わせながら、制御状況判定部18にステップ203にて、観測装置のデータに基づき、速度フィードバック制御系の状態を監視させる。速度フィードバック制御系が発振し始めたら(例えば、負荷が原点位置から1.5Srの距離を動いたら)、もしくは決まった時間内での制御が安定に終わったら、同定部19はステップ204にて、原点位置復帰制御部20を働かせ、同時に同定/復帰切替部14に切替指令を送出し、負荷を原点位置に戻す。
ついで、同定部19はステップ205にて該探索が一回目であるかどうかの判定を行う。該探索が一回目であれば、同定部19は「YES」と判定して、ステップ208に進み、該探索が一回目でなければ、「NO」と判定して、ステップ206に進む。
同定部19はステップ206にて該フィードバック制御の安定状況が前回のと違うかどうかの判定を行う。同じであれば、同定部19は「NO」と判定して、ステップ208に進み、違うならば「YES」と判定して、ステップ207に進む。
同定部19はステップ207にて、該フィードバック制御を行うため使ったゲインKvの値と前回のゲインとの差の絶対値が精度を保証するため設定したしきい値Ekより小さいかどうかの判定を行う。小さければ同定部19は「YES」と判定して、ステップ211にて設定された最後の二つのゲインKvの小さい方を発振限界ゲインKvM と決定し、この発振限界ゲインKvM の探索を終了する。なお、前記差の絶対値が精度を保証するため設定したしきい値Ekより大きければ同定部19は「NO」と判定して、ステップ208に進む。
同定部19はステップ208にて、制御状況判定部18がステップ203にて判定した制御系の安定状況の結果を用いて、ゲインKvの再設定方式を決める。制御系が安定であれば、「YES」と判定して、ステップ209に進み、ゲイン調節部12は一定のパターン(例えば、二分法)でゲインKvを大きく再設定する。制御系が不安定であれば、「NO」と判定して、ステップ210に進み、ゲイン調節部12は一定のパターン(例えば、二分法)でゲインKvを小さく再設定する。その後、ゲインKvの再設定を行った後、ステップ201に戻ってもう一回発振限界ゲインKvM の探索を行う。
【0006】
【発明の効果】
以上のように本発明は、電流指令から実際のトルクまでのゲインが全く分からなくても同定でき、また剛体系はもちろん、共振周波数に関わらず慣性系に対して、遅れ時間TDを十分に大きくすれば、狭い可動範囲内で精度よく同定が行われる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理を示す図
【図2】 速度指令の一パターンを示す図
【図3】 本発明の同定制御装置を慣性系に適用した場合の概略図
【図4】 図3の動作を具体的に説明するフローチャート
【図5】 図4の発振限界ゲインKvM探索のサブルーチンを示すフローチャート
【符号の説明】
1 ゲイン
2 遅れ要素
3 トルクフィルタ
4 制御対象
11 速度指令信号発生部
12 ゲイン調節部
13 遅れ要素生成部
14 同定/復帰切替部
15 制御対象
16 エンコーダ(観測装置)
17 微分要素
18 制御状況判定部
19 同定部
20 原点位置復帰制御部
Claims (2)
- 速度制御系におけるイナーシャ同定方法において、前記速度制御系の中に遅れ要素を備え、遅れ時間TDを一定として比例ゲインKvを変えて前記速度制御系が安定かどうかを調べ、モータに負荷を付けたときの前記速度制御系の発振限界ゲインKvMとモータ単体での前記速度制御系の発振限界ゲインKvM0との比RKMを計算して記憶し、前記遅れ時間TDを大きくした時の発振限界ゲイン比と前記発振限界ゲイン比RKMとの差eRKがある値より小さくなるまで前記比RKMの計算を行い、この計算が終了した時の発振限界ゲイン比RKMに前記モータのイナーシャをかけた値を前記モータと負荷を加えた総イナーシャとすることを特徴とするイナーシャ同定方法。
- 速度制御系におけるイナーシャ同定装置において、前記速度制御系中に存在する遅れ要素の遅れ時間TDを一定にし比例ゲインKvを変えて前記速度制御系が安定かどうかを調べる手段と、モータに負荷を付けたときの前記速度制御系の発振限界ゲインKvMとモータ単体での前記速度制御系の発振限界ゲインKvM0の比RKMを記憶する手段と、
前記遅れ時間TDを大きくした時の発振限界ゲイン比と前記発振限界ゲイン比RKMとの差eRKがある値より小さくなるまで前記比RKMの計算を行う手段と、
計算が終了した時の発振限界ゲイン比RKMに前記モータのイナーシャをかけた値を前記モータと負荷を加えた総イナーシャとする手段と
を備えたことを特徴とするイナーシャ同定装置。
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