JP4296331B2 - 負荷状態推定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，負荷状態推定装置に係り，詳しくは，複数の負荷が結合軸により直列的に連結された多質点機械系負荷や単独の負荷を駆動するサーボモータをフィードバック制御するために，各段の負荷の負荷速度や，負荷間の結合軸トルク，負荷トルク外乱などを推定する負荷状態推定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば，機械負荷を駆動するサーボモータの制御を行う時，モータと負荷の間の結合部が低剛性であると共振・反共振が発生し，制御が困難となる場合がある。この共振・反共振を防止するためには，フィードバック制御が有効である。負荷速度に基づいて速度フィードバック制御を行う場合を例にすれば，フィードバック時の変数である上記負荷速度を何らかの方法により測定する必要が生じるが，上記負荷速度を直接測定するのは不可能な場合が多く，測定が可能な場合でも測定器は高価であり，現実的な解決手段として採用しがたい。このため観測可能な変数（例えば，モータ速度及びモータ電流）に基づいて上記負荷速度等の状態変数を推定するオブザーバが用いられる。このようなオブザーバは，例えば特開平９−３２２５８０号公報に記載されている。
上記公報に記載のオブザーバは，図３に示す如く，サーボモータ１のモータ電流の指令値Ｉ_A （検出値でもよい）とパルスエンコーダ等の速度検出器２により検出されたモータ速度の検出値ω_M とに基づいて，上記サーボモータ１のモータ軸トルクＴ_L を推定するモータ軸トルク推定部３と，上記モータ軸トルク推定部３により推定された上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L ^* と上記モータ速度の検出値ω_M とに基づいて，サーボモータ１にモータ軸１１を介して結合された負荷４の負荷速度ω_L 及び上記負荷４に外部から加わる負荷トルク外乱Ｔ_D を推定する負荷状態推定部５とを具備しており，上記負荷状態推定部５により推定された負荷速度ω_L ^* 及び負荷トルク外乱Ｔ_D ^* は，上記サーボモータ１を制御する制御装置６に供給される。
【０００３】
上記制御装置６は，上記負荷状態推定部５から供給された負荷速度の推定値ω_L ^* ，負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* などに基づいて，上記速度検出器２により検出されるモータ速度の検出値ω_M に対してフィードバック制御を行いながら，上記サーボモータ１を駆動させる。ここで，図４にサーボモータと機械負荷からなる系の一例のブロック図を示し，図５に上記オブザーバの概略構成例のブロック図を示す。
尚，図４及び図５において，Ｉ_A はサーボモータに与えられるモータ電流の指定値，Ｋ_A はトルク定数，Ｔ_A はモータ電流の指令値Ｉ_A から演算したモータトルク，ω_M はサーボモータのモータ速度，Ｔ_L はサーボモータと負荷とを結合するモータ軸のモータ軸トルク，ω_L は負荷の負荷速度，Ｔ_D は負荷に外部から加わる負荷トルク外乱，Ｊ_M はモータイナーシャ，Ｋεはモータ軸のバネ定数，Ｊ_L は負荷のイナーシャを表し，各変数や定数に^* 記号が付されている場合には各変数や定数の推定値を表す。また，ラプラス演算子はｓで表されている。
図４に示したサーボモータと負荷とからなる系の状態方程式は次式（１）乃至（３）のように表すことができる。
ω_M ＝（１／Ｊ_M ｓ）（Ｔ_A −Ｔ_L ） （１）
ω_L ＝（１／Ｊ_L ｓ）（Ｔ_L −Ｔ_D ） （２）
Ｔ_L ＝（Ｋε／ｓ）（ω_M −ω_L ） （３）
上記公報に記載のオブザーバが備える上記モータ軸トルク推定部３は，上記（１）式に基づいて，例えば図５に示す如く構成することができる。
即ち，上記モータ軸トルク推定部３において，上記サーボモータ１のモータ軸トルクの推定値Ｔ_L ^* は，モータトルクＴ_A とモータ速度の検出値ω_M とを用いた次式（４）に従って求められる。
Ｔ_L ^* ＝Ｔ_A −Ｊ_M ^* ｓω_M （４）
また，上記負荷状態推定部５は，上記（３）及び（２）式に基づいて，例えば図５に示す如く構成することができる。
即ち，上記負荷状態推定部５において，上記負荷４の負荷速度の推定値ω_L ^* は，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L ^* とモータ速度の検出値ω_M とを用いた次式（５）に従って求められる。
ω_L ^* ＝ω_M −（ｓ／Ｋε^* ）Ｔ_L ^* （５）
また，上記負荷４に外部から加わる負荷トルク外乱Ｔ_D ^* は，上記負荷速度の推定値ω_L ^* と上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L ^* とを用いた次式（６）に従って求められる。
Ｔ_D ^* ＝Ｔ_L ^* −Ｊ_L ^* ｓω_L ^* （６）
このように上記公報に記載のオブザーバでは，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L ^* と上記負荷速度の推定値ω_L ^* だけでなく，上記負荷に外部から加わる負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* も求められるため，負荷トルク外乱が変動する場合でも，上記公報に記載のオブザーバを用いて好適な制御を行うことができた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記公報に記載のオブザーバでは，各推定値を求めるためにそれぞれ微分要素が用いられているため，推定に際してノイズが増幅されてしまい，騒音振動の原因となる場合があった。
適当な箇所にローパスフィルタを配置して上記ノイズを低減させることも可能であるが，ローパスフィルタの挿入により推定遅れが発生してしまう。例えば推定した状態変数をサーボ系にフィードバックし制御応答特性の改善をはかるような用途の場合，この推定遅れにより制御特性が劣化し，場合によっては，不安定振動の原因となってしまうことも考えられる。
本発明は，このような従来の技術における課題を解決するために，負荷状態推定装置を改良し，サーボモータのモータトルクとモータ軸トルクの推定値との差を積分して定めるモータ速度の推定値とサーボモータのモータ速度の検出値の推定値とが等しくなるように積分要素及び比例要素からなる第１の補償器により算定して上記サーボモータのモータ軸トルクの推定を行うと共に，サーボモータのモータ軸トルクの推定値と負荷に外部から加わる負荷トルク外乱との差を積分して定めた負荷の負荷速度の推定値と上記モータ軸トルクの推定値の微分値に応じて定める負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる第２の補償器により上記負荷トルク外乱の推定値を算定して上記負荷の負荷速度の推定を行うことにより，モータ軸トルクや負荷速度，負荷トルク外乱の推定の際に生じるノイズ成分を抑えて，サーボモータの騒音振動発生低減に貢献することができる負荷状態推定装置を提供することを目的とするものである。
また，上記のような微分要素による制御時の騒音振動発生の問題は，負荷が単独の場合に限らず，複数の負荷が結合軸により直列的に連結された多質点機械系負荷の場合には，それだけ推定すべき状態変数の数が増加するのでさらに深刻化する。
そこで，本発明の他の目的は，多質点機械系負荷がサーボモータに接続されている場合でも，モータ軸トルク，各段毎の負荷速度や結合軸トルク，及び負荷トルク外乱を精度良く推定して制御時の騒音振動を抑えることのできる負荷状態推定装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，請求項１に係る発明は，負荷を駆動するサーボモータのモータ電流或いはモータ電流指令から定めた上記サーボモータのモータトルクと上記サーボモータのモータ速度の検出値とに基づいて上記サーボモータのモータ軸トルクを推定するモータ軸トルク推定部と，上記モータ軸トルク推定部により推定された上記モータ軸トルクの推定値と上記モータ速度の検出値とに基づいて，上記負荷の負荷速度，及び上記負荷に外部から加わる負荷トルク外乱を推定する負荷状態推定部とを具備してなる負荷状態推定装置において，上記モータ軸トルク推定部が，上記モータトルクと上記モータ軸トルクの推定値との差を積分して定める上記サーボモータのモータ速度の推定値と，上記モータ速度の検出値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる第１の補償器を用いて，上記モータ軸トルクの推定値を算定するものであり，上記負荷状態推定部が，上記モータ軸トルクの推定値の微分値と上記モータ速度の検出値とに応じて定める上記負荷の負荷速度の補助推定値と，上記負荷トルク外乱の推定値と上記モータ軸トルクの推定値との差を積分して定める上記負荷の負荷速度の推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる第２の補償器を用いて，上記負荷トルク外乱の推定値を算定するものであることを特徴とする負荷状態推定装置として構成されている。
【０００６】
上記請求項１に記載の負荷状態推定装置によれば，サーボモータのモータトルクとモータ軸トルクの推定値との差を積分して定めたモータ速度の推定値とモータ速度の検出値とが等しくなるように積分要素及び比例要素からなる第１の補償器により算定されて上記サーボモータのモータ軸トルクの推定が行われると共に，サーボモータのモータ軸トルクの推定値と負荷に外部から加わる負荷トルク外乱との差を積分して定めた負荷の負荷速度の推定値と，上記モータ軸トルクの推定値の微分値に応じて定める負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる第２の補償器により上記負荷トルク外乱の推定値が算定されて，上記負荷速度の推定が行われるため，各状態変数を推定する際に生じるノイズ成分を抑えた精度の良い負荷速度や負荷トルク外乱の推定値を制御装置に供給して，サーボモータを制御する際の騒音振動発生の低減に貢献することができる。
【０００７】
また，請求項２に係る発明は，複数の負荷を結合軸により直列的に連結した多質点機械系負荷を駆動するサーボモータのモータ電流或いはモータ電流指令から定めた上記サーボモータのモータトルクと上記サーボモータのモータ速度の検出値とに基づいて，上記サーボモータのモータ軸トルクを推定するモータ軸トルク推定部と，上記モータ軸トルク推定部により推定された上記モータ軸トルクの推定値と上記モータ速度の検出値とに基づいて，上記サーボモータに結合された初段の負荷の負荷速度と上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクとを推定する初段負荷状態推定器と，（ｉ−１）段目の負荷の負荷速度の推定値と，上記（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値とに基づいて，上記ｉ段目の負荷の負荷速度と上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクとを推定する各段負荷状態推定器とを具備してなる負荷状態推定装置において，上記モータ軸トルク推定部が，上記モータトルクと上記モータ軸トルクの推定値との差を積分して定める上記サーボモータのモータ速度の推定値と，上記モータ速度の検出値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなるモータ軸トルク補償器を用いて，上記モータ軸トルクの推定値を算定するものであり，上記初段負荷状態推定器が，上記モータ軸トルクの推定値の微分値と上記モータ速度の検出値とに応じて定める上記初段の負荷の負荷速度の補助推定値と，上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値と上記モータ軸トルクの推定値との差を積分して定める上記初段の負荷の負荷速度の推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる初段補償器を用いて，上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値を算定するものであり，上記各段負荷状態推定器が，上記（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値の微分値と上記（ｉ−１）段目の負荷の負荷速度の推定値とに応じて定める上記ｉ段目の負荷の負荷速度の補助推定値と，上記（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値と上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値との差を積分して定める上記ｉ段目の負荷の負荷速度の推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる各段補償器を用いて，上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値を算定するものであることを特徴とする負荷状態推定装置として構成されている。
【０００８】
また，請求項３に係る発明は，上記請求項２に記載の負荷状態推定装置において，最終段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクとして推定されるトルクを上記サーボモータに外部から加わる負荷トルク外乱とすることをその要旨とする。
【０００９】
上記請求項２又は３に記載の負荷状態推定装置によれば，サーボモータのモータトルクとモータ軸トルクの推定値との差を積分して定めるサーボモータのモータ速度の推定値とモータ速度の検出値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなるモータ軸トルク補償器により算定されて上記サーボモータのモータ軸トルクの推定が行われるため，上記モータ軸トルクに関する推定ノイズが抑えられると共に，初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値とモータ軸トルクの推定値との差を積分して定める初段の負荷の負荷速度の推定値と，上記モータ軸トルクの推定値の微分値に応じて定める初段の負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる初段補償器により上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値が算定されて，初段の負荷の負荷速度の推定が行われるため，初段の負荷の負荷速度，及び初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値を求める際に生じるノイズ成分の影響が排除され，しかも，（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値とｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値との差を積分して定めるｉ段目の負荷の負荷速度の推定値と，（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値の微分値に応じて定めるｉ段目の負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる各段補償器により上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値が算定されて，上記ｉ段目の負荷の負荷速度の推定が行われるため，上記ｉ段目の負荷の負荷速度，及び上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクを推定する際に生じるノイズ成分の影響が排除される。この結果，サーボモータに多質点機械系負荷が接続されている場合でも，負荷各段の負荷速度及び負荷間の結合軸トルク，及び負荷トルク外乱を精度良く推定して，制御の際の騒音振動の発生を抑え，サーボモータの安定制御に寄与することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下，添付図面を参照して，本発明の実施の形態につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明の具体的な一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここに，図１は本発明の一実施の形態に係る負荷状態推定装置の概略構成を示すブロック図である。
図１に示す如く，本発明の一実施の形態に係る負荷状態推定装置は，図３及び図５に示した従来装置と，負荷４を駆動するサーボモータ１のモータ電流指令Ｉ_A から定めた上記サーボモータ１のモータトルクＴ_A と上記サーボモータのモータ速度の検出値ω_M とに基づいて上記サーボモータ１のモータ軸トルクＴ_L1（Ｔ_L ）を推定するモータ軸トルク推定部３と，上記モータ軸トルク推定部３により推定された上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* （Ｔ_L ^* ）と上記モータ速度の検出値ω_M とに基づいて，上記負荷４の負荷速度ω_L1（ω_L ），及び上記負荷４に外部から加わる負荷トルク外乱Ｔ_D を推定する負荷状態推定部５とを具備する点で同様である。
一方，本実施の形態に係る負荷状態推定装置が，従来装置と異なるのは，図１に示す如く，上記モータ軸トルク推定部３が，上記モータトルクＴ_A と上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* との差を積分して定める上記サーボモータ１のモータ速度の推定値ω_M ^* と，上記モータ速度の検出値ω_M とが等しくなるように，積分要素３０１及び比例要素３０２からなるＩ−Ｐ補償器（第１の補償器の一例）３０３を用いて，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* を算定するものであり，上記負荷状態推定部５が，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* の微分値と上記モータ速度の検出値ω_M とに応じて定める上記負荷の負荷速度の補助推定値ω_L12 ^* と，上記負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* と上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* との差を積分して定める上記負荷の負荷速度の推定値ω_L11 ^* とが等しくなるように，積分要素５０１と比例要素５０２とからなるＩ−Ｐ補償器（第２の補償器の一例）５０３を用いて，上記負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* を算定するものである点である。
尚，Ｉ−Ｐ補償器３０３及び５０３の積分要素３０１，５０１，及び比例要素３０２，５０２にはそれぞれ適当な値のゲイン定数Ｋ_I ，Ｋ_p が与えられ，図１の例では同じ記号を付しているが，このゲイン定数Ｋ_I ，Ｋ_p は必ずしも同じ値を意味するものではない。
【００１１】
以下，上記負荷状態推定装置の詳細について説明する。
上記負荷状態推定装置において，モータ軸トルク推定部３には，サーボモータ１のモータトルクＴ_A とサーボモータの回転速度の検出値ω_M とが供給される。上記モータトルクＴ_A は，例えばサーボモータ１に与えられるモータ電流指令Ｉ_A に基づいて算出される。尚，モータ電流指令Ｉ_A の代わりにモータ電流の検出値を用いることも可能である。また，上記サーボモータ１の回転速度ω_M は，例えばモータ軸１１に接続されたタコジェネレータやパルスエンコーダ等の速度検出器２により検出される（図３参照）。
上記モータ軸トルク推定部３では，上記（１）式に基づいて負荷４の負荷速度の推定値ω_M ^* が求められ，この推定値ω_M ^* が負荷速度の検出値ω_M と等しくなるようにＩ−Ｐ補償器３０３によりモータ軸トルクの推定値Ｔ_D ^* の算定が行われる。
即ち，モータトルクＴ_A と，上記サーボモータ１と負荷４とを連結するモータ軸１１のモータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* との差が求められ，この差がモータイナーシャＪ_M と同じ時定数Ｊ_M ^* を備えた積分器３０４で積分され，上記サーボモータのモータ速度の推定値ω_M ^* が求められる。
そして，上記モータ速度の推定値ω_M ^* ，及び上記モータ速度の検出値ω_M と上記モータ速度の推定値ω_M ^* の差は，Ｉ−Ｐ補償器３０３の比例要素３０２及び積分要素３０１にそれぞれ供給され，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* が求められる。
上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* が実際のモータ軸トルクＴ_L1と等しい場合には，上記モータ速度の推定値ω_M ^* と上記モータ速度の検出値ω_M とが等しくなるが，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* が実際のモータ軸トルクＴ_L1と等しくない場合には，上記モータ速度の推定値ω_M ^* と上記モータ速度の検出値ω_M とが等しくなくなるため，上記Ｉ−Ｐ補償器３０３により上記モータ速度の推定値ω_M ^* と上記モータ速度の検出値ω_M とが等しくなるように，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* が算定される。
式で表せば，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* は，例えば次式（７）に従って算定される。
Ｔ_L1 ^* ＝Ｋ_p ω_M ^* −（Ｋ_I ／ｓ）（ω_M −ω_M ^* ） （７）
このように，上記モータ軸トルク推定部３では，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* の推定が，上記（４）式を用いて行われず，モータトルクＴ_A とモータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* との差を積分して定めたモータ速度の推定値ω_M ^* と検出値ω_M とが等しくなるように上記Ｉ−Ｐ補償器３０３により上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* が算定されて，実際のモータ軸トルクＴ_L1と等しくされるから，推定時のノイズ増大が抑えられる。
【００１２】
また，負荷状態推定部５には，上記モータ軸トルク推定部３により推定された上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* と上記モータ速度の検出値ω_M とが供給され，これらに基づいて負荷速度の推定値ω_L11 ^* と負荷に外部から加わる負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* とが推定される。
特に，この負荷状態推定部５では，上記（５）式に基づく負荷速度の推定だけでなく，上記（６）式に基づく負荷速度の推定も行われる。
より具体的には，２つの負荷速度の推定値ω_L11 ^* ，ω_L12 ^* は次式（８），（９）に従ってそれぞれ求められる。
ω_L11 ^* ＝（１／Ｊ_L1 ^* ｓ）（Ｔ_L1 ^* −Ｔ_D ^* ） （８）
ω_L12 ^* ＝ω_M −（ｓ／Ｋε1 ^* ）Ｔ_L1 ^* （９）
即ち，上記負荷状態推定部５において，上記モータ軸トルク推定部３により推定された上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* は，バネ定数Ｋε1 ^* を有する微分器５０４と，負荷イナーシャＪ_L1と同じ時定数Ｊ_L1 ^* を有する積分器５０５とに供給される。
上記微分器５０４により微分された上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* と上記負荷４の負荷速度の検出値ω_M との差に応じて，上記負荷４の負荷速度の補助推定値ω_L12 ^* が求められる。
このように上記負荷速度の補助推定値ω_L12 ^* を上記（９）式に従って推定する際には，モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* のノイズが抑えられていたとしても，従来装置と同様，微分処理が行われるため，推定ノイズが生じる恐れがある。
この推定ノイズの影響を排除するために，上記負荷状態推定部５では，上記補助推定値ω_L12 ^* が参照されるものの，最終的な負荷速度の推定値としては，上記（８）式に従ったω_L11 ^* が用いられる。
上記負荷速度の推定値ω_L11 ^* は，上記モータ軸トルク推定部３により推定されたモータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* と負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* との差が，上記積分器５０５に供給されることにより求められる。
上記負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* は，積分要素５０１及び比例要素５０２からなるＩ−Ｐ補償器５０３により，次式（１０）に従って，上記負荷速度の推定値ω_L11 ^* と補助推定値ω_L12 ^* とが，等しくなるように算定されるものである。
Ｔ_D ^* ＝Ｋ_p ω_L11 ^* −（Ｋ_I ／ｓ）（ω_L12 ^* −ω_L11 ^* ） （１０）
仮に負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* が実際の負荷トルク外乱Ｔ_D と等しい場合には，上記負荷速度の推定値ω_L11 ^* と補助推定値ω_L12 ^* とは等しくなり，上記負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* が実際の負荷トルク外乱Ｔ_D と等しくない場合には，上記負荷速度の推定値ω_L11 ^* と補助推定値ω_L12 ^* とは等しくならず，その差が上記Ｉ−Ｐ補償器５０３の積分要素５０１に，上記負荷速度の推定値 ω_L11 ^* が上記Ｉ−Ｐ補償器５０３の比例要素５０２にそれぞれ供給され，上記積分要素５０１と比例要素５０２との出力の差が反転され，その反転出力が，実際の負荷トルク外乱Ｔ_D と一致するよう算定された負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* として出力される。
【００１３】
従って，上記負荷状態推定部５では，負荷速度の補助推定値ω_L12 ^* と等しいながら，推定ノイズの少ない積分器５０５から出力された負荷速度の推定値ω_L11 ^* が負荷速度の推定値として用いられることになる。しかも，上記負荷速度の推定の際に，負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* の算定も行われるが，これも比例要素を有しない上記Ｉ−Ｐ補償器５０５により行われるため，ノイズ成分の少ない負荷速度の推定値ω_L11 ^* 及び負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* を制御装置６に供給して安定制御に貢献することができる。
このように，本実施の形態に係る負荷状態推定装置によれば，サーボモータのモータトルクとモータ軸トルクの推定値との差を積分して定めたモータ速度の推定値とモータ速度の検出値とが等しくなるように算定されて上記サーボモータのモータ軸トルクの推定が行われると共に，サーボモータのモータ軸トルクの推定値と負荷トルク外乱との差を積分して定めた負荷の負荷速度の推定値と，上記モータ軸トルクの推定値の微分値に応じて定める負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる補償器により負荷トルク外乱の推定値が算定されて負荷速度の推定が行われるため，各状態変数を推定する際に生じるノイズ成分を抑えた精度の良い負荷速度や負荷トルク外乱の推定値を制御装置に供給して，サーボモータを制御する際の騒音振動発生の低減に貢献することができる。
【００１４】
【実施例】
上記実施の形態では，単独の負荷４がサーボモータ１に接続されている場合について説明したが，これに限られるものではなく，複数の負荷が結合軸により直列的に連結された多質点機械系負荷について本発明を適用することも可能である。例えば２つの負荷が接続された場合の本発明に係る負荷状態推定装置の概略構成に関するブロック図を図２に示す。
２つの負荷が結合軸により直列的に連結された多質点機械系負荷の場合，本発明に係る負荷状態推定装置の推定対象となる状態変数は，図２に示す如く，モータ軸トルクＴ_L1，初段の負荷の負荷速度ω_L1（ω_L11 ），初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクＴ_L2，最終段である２段目の負荷の負荷速度ω_L2（ω_L12 ），及び最終段の負荷に外部から加わる負荷トルク外乱Ｔ_D である。
尚，負荷トルク外乱Ｔ_D は，本発明に係る負荷状態推定装置においては，最終段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクに相当する。
【００１５】
そして，本実施例に係る負荷状態推定装置は，図２に示す如く，複数の負荷を結合軸により直列的に連結した多質点機械系負荷を駆動するサーボモータのモータ電流指令Ｉ_A （或いはモータ電流の検出値）から定めた上記サーボモータのモータトルクＴ_A と上記サーボモータのモータ速度の検出値ω_M とに基づいて，上記サーボモータのモータ軸トルクＴ_L1（Ｔ_L ）を推定するモータ軸トルク推定部３と，上記モータ軸トルク推定部３により推定された上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* （Ｔ_L ^* ）と上記モータ速度の検出値ω_M とに基づいて，上記サーボモータに結合された初段の負荷の負荷速度ω_L1（ω_L ）と上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクＴ_L2 ^* （Ｔ_Li+1 ^* ）とを推定する初段負荷状態推定器５１（５）と，初段（（ｉ−１）段目に相当）の負荷の負荷速度の推定値ω_L1 ^* と，上記初段の負荷と２段目（ｉ段目に相当）の負荷との間の結合軸トルクの推定値Ｔ_L2 ^* とに基づいて，上記２段目の負荷の負荷速度ω_L2（ω_Li）と上記２段目の負荷と３（（ｉ＋１）段目に相当）の負荷との間の結合軸トルク，即ち負荷トルク外乱Ｔ_D とを推定する各段負荷状態推定器５２（５）とを具備する点で従来装置と同様である。
【００１６】
一方，本実施例に係る負荷状態推定装置が，従来装置と異なるのは，上記モータ軸トルク推定部３が，上記モータトルクＴ_A と上記モータ軸トルクの推定値ＴＴ_L1 ^* との差を積分器３０４により積分して定める上記サーボモータのモータ速度の推定値ω_M ^* と，上記モータ速度の検出値ω_M とが等しくなるように，積分要素３０１及び比例要素３０２からなる補償器３０３（モータ軸トルク補償器に相当）を用いて，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* を算定するものであり，上記初段負荷状態推定器５１が，上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* の微分値と上記モータ速度の検出値ω_M とに応じて定める上記初段の負荷の負荷速度の補助推定値ω_L12 ^* と，上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値Ｔ_L2 ^* と上記モータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* との差を積分器５０５１（５０５）により積分して定める上記初段の負荷の負荷速度の推定値ω_L11 ^* とが等しくなるように，積分要素５０１１（５０１）及び比例要素５０２１（５０２）からなる補償器５０３１（５０３）（初段補償器に相当）を用いて，上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値Ｔ_L2 ^* を算定するものであり，上記各段負荷状態推定器５２が，上記初段の負荷と２段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値Ｔ_L2 ^* の微分値と上記初段の負荷の負荷速度の推定値ω_L11 ^* とに応じて定める上記２段目の負荷の負荷速度の補助推定値ω_L22 ^* と，上記初段の負荷と２段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値Ｔ_L2 ^* と上記２段目の負荷と３段目（（ｉ＋１）段目に相当）の負荷との間の結合軸トルクの推定値，即ち負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* との差を積分器５０５２（５０５）により積分して定める上記２段目の負荷の負荷速度の推定値ω_L21 ^* とが等しくなるように，積分要素５０１２（５０１）及び比例要素５０２２（５０２）からなる補償器５０３２（５０３）（各段補償器に相当）を用いて，上記負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* を算定するものである点である。
【００１７】
また，本実施例に係る負荷状態推定装置のモータ軸トルク推定部３は，上記実施の形態に係る負荷状態推定装置のものと全く同様である。本実施例に係る負荷状態装置が，上記実施の形態に係る負荷状態推定装置と異なるのは，上記実施の形態に係る負荷状態推定部５が，サーボモータ１に接続された負荷に応じた数だけ追加された点である。
即ち，本実施例に係る負荷状態推定装置の初段負荷状態推定器５１の基本的構成は，上記実施の形態に係る負荷状態推定装置の負荷状態推定部５と同様である。異なるのは，上記初段負荷状態推定器５１により推定される状態変数が，負荷トルク外乱Ｔ_D ではなく，初段の負荷とその次段である２段目の負荷とを結合する結合軸の結合軸トルクＴ_L2である点である。
また，本実施例に係る負荷状態推定装置の各段負荷状態推定器５２の基本的構成も，上記実施の形態に係る負荷状態推定装置の負荷状態推定部５と同様である。異なるのは，モータ速度の検出値ω_M とモータ軸トルク推定部３からのモータ軸トルクの推定値Ｔ_L1 ^* とが供給されるのではなく，初段負荷状態推定器５１から初段の負荷の負荷速度の推定値ω_L11 ^* と初段の負荷と２段目の負荷との間の結合軸トルクＴ_L2とが供給され，これに基づいて，２段目の負荷の負荷速度ω_L21 が推定される点である。
上記初段負荷状態推定器５１及び各段負荷状態推定器５２の詳細についても，上記相違点を除き上記負荷状態推定部５と同様である。
【００１８】
また，上記例では，簡単のため，２つの負荷が結合軸により直列的に連結された多質点機械系負荷を対象としたが，もちろん３つ以上の負荷が結合軸により直列的に連結された多質点機械系負荷に本発明を適用することも可能である。この場合には，負荷の数に対応して負荷状態推定部５が追加され，多段接続されることになる。
各段負荷状態推定部５２，…の構成に係る上記（８）式及び（９）式を，ｎ段目（ｎは２以上の整数）の負荷に対して一般化すれば，次式（１１）及び（１２）のように表すことができる。
ω_Ln1 ^* ＝（１／Ｊ_Ln ^* ｓ）（Ｔ_Ln ^* −Ｔ_L(n+1) ^* ） （１１）
ω_Ln2 ^* ＝ω_L(n-1)1 ^* −（ｓ／Ｋεn ^* ）Ｔ_Ln ^* （１２）
また，ｎ段目と（ｎ＋１）段目との間の結合軸トルクの推定値Ｔ_L(n+1) ^* は，次式（１３）に従って算定される。
Ｔ_L(n+1) ^*＝Ｋ_p ω_Ln1 ^* −（Ｋ_I ／ｓ）（ω_Ln2 ^* −ω_Ln1 ^* ） （１３）
尚，上記整数ｎが最終段に相当する数である場合には，上記（１１）及び（１３）式におけるＴ_L(n+1) ^* は負荷トルク外乱の推定値Ｔ_D ^* に相当する。
また，ｎが１の場合，各段負荷状態推定部５２，…は初段負荷状態推定部５１に相当し，上記（１２）式におけるω_L(n-1)1 ^* に代わりモータ速度の検出値ω_M が用いられる。
上記（１１）乃至（１３）式に示される通り，多質点機械系負荷の状態変数を推定する場合には，負荷の数だけ負荷状態推定部を直列に多段接続すればよい。このような本実施例に係る負荷状態推定装置によれば，サーボモータのモータトルクとモータ軸トルクの推定値との差を積分して定めるサーボモータのモータ速度の推定値とモータ速度の検出値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなるモータ軸トルク補償器により算定されて上記サーボモータのモータ軸トルクの推定が行われるため，上記モータ軸トルクに関する推定ノイズが抑えられると共に，初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値とモータ軸トルクの推定値との差を積分して定める初段の負荷の負荷速度の推定値と，上記モータ軸トルクの推定値の微分値に応じて定める初段の負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる初段補償器により上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値が算定されて，初段の負荷の負荷速度の推定が行われるため，初段の負荷の負荷速度，及び初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値を求める際に生じるノイズ成分の影響が排除され，しかも，（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値とｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値との差を積分して定めるｉ段目の負荷の負荷速度の推定値と，（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値の微分値に応じて定めるｉ段目の負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる各段補償器により上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値が算定されて，上記ｉ段目の負荷の負荷速度の推定が行われるため，上記ｉ段目の負荷の負荷速度，及び上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクを推定する際に生じるノイズ成分の影響が排除される。この結果，サーボモータに多質点機械系負荷が接続されている場合でも，負荷各段の負荷速度及び負荷間の結合軸トルク，及び負荷トルク外乱を精度良く推定して，制御の際の騒音振動の発生を抑え，サーボモータの安定制御に寄与することができる。このような負荷状態推定装置も本発明における負荷状態推定装置の一例である。
また，上記実施の形態及び実施例では，積分要素及び比例要素からなる各補償器にＩ−Ｐ補償器３０３，５０３を用いたが，これは好適な例であり，例えばＰＩ補償器を用いることも可能である。但し，ＰＩ補償器を用いた場合には，Ｉ−Ｐ補償器を用いた場合と比べ，各段の負荷の負荷速度の推定値ω_Ln1 ^* の推定ノイズが増加してしまう恐れがある。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明した通り，上記請求項１に記載の負荷状態推定装置によれば，サーボモータのモータトルクとモータ軸トルクの推定値との差を積分して定めたモータ速度の推定値とモータ速度の検出値とが等しくなるように積分要素及び比例要素からなる第１の補償器により算定されて上記サーボモータのモータ軸トルクの推定が行われると共に，サーボモータのモータ軸トルクの推定値と負荷に外部から加わる負荷トルク外乱との差を積分して定めた負荷の負荷速度の推定値と，上記モータ軸トルクの推定値の微分値に応じて定める負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる第２の補償器により上記負荷トルク外乱の推定値が算定されて，上記負荷速度の推定が行われるため，各状態変数を推定する際に生じるノイズ成分を抑えた精度の良い負荷速度や負荷トルク外乱の推定値を制御装置に供給して，サーボモータを制御する際の騒音振動発生の低減に貢献することができる。
【００２０】
また，上記請求項２又は３に記載の負荷状態推定装置によれば，サーボモータのモータトルクとモータ軸トルクの推定値との差を積分して定めるサーボモータのモータ速度の推定値とモータ速度の検出値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなるモータ軸トルク補償器により算定されて上記サーボモータのモータ軸トルクの推定が行われるため，上記モータ軸トルクに関する推定ノイズが抑えられると共に，初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値とモータ軸トルクの推定値との差を積分して定める初段の負荷の負荷速度の推定値と，上記モータ軸トルクの推定値の微分値に応じて定める初段の負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる初段補償器により上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値が算定されて，初段の負荷の負荷速度の推定が行われるため，初段の負荷の負荷速度，及び初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値を求める際に生じるノイズ成分の影響が排除され，しかも，（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値とｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値との差を積分して定めるｉ段目の負荷の負荷速度の推定値と，（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値の微分値に応じて定めるｉ段目の負荷の負荷速度の補助推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる各段補償器により上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値が算定されて，上記ｉ段目の負荷の負荷速度の推定が行われるため，上記ｉ段目の負荷の負荷速度，及び上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクを推定する際に生じるノイズ成分の影響が排除される。この結果，サーボモータに多質点機械系負荷が接続されている場合でも，負荷各段の負荷速度及び負荷間の結合軸トルク，及び負荷トルク外乱を精度良く推定して，制御の際の騒音振動の発生を抑え，サーボモータの安定制御に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態に係る負荷状態推定装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】 本発明の一実施例に係る負荷状態推定装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】 従来の負荷状態推定装置を含むサーボモータの制御装置の概略構成を示す図。
【図４】 サーボモータと負荷とからなる系のブロック図。
【図５】 従来の負荷状態推定装置の概略構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
１…サーボモータ
３…モータ軸トルク推定部
４…負荷
５…負荷状態推定部
５１…初段負荷状態推定器
５２…各段負荷状態推定器
３０１，５０１…積分要素
３０２，５０２…比例要素
３０３，５０３…Ｉ−Ｐ補償器

Claims (3)

1. 負荷を駆動するサーボモータのモータ電流或いはモータ電流指令から定めた上記サーボモータのモータトルクと上記サーボモータのモータ速度の検出値とに基づいて上記サーボモータのモータ軸トルクを推定するモータ軸トルク推定部と，
   上記モータ軸トルク推定部により推定された上記モータ軸トルクの推定値と上記モータ速度の検出値とに基づいて，上記負荷の負荷速度，及び上記負荷に外部から加わる負荷トルク外乱を推定する負荷状態推定部とを具備してなる負荷状態推定装置において，
   上記モータ軸トルク推定部が，上記モータトルクと上記モータ軸トルクの推定値との差を積分して定める上記サーボモータのモータ速度の推定値と，上記モータ速度の検出値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる第１の補償器を用いて，上記モータ軸トルクの推定値を算定するものであり，
   上記負荷状態推定部が，上記モータ軸トルクの推定値の微分値と上記モータ速度の検出値とに応じて定める上記負荷の負荷速度の補助推定値と，上記負荷トルク外乱の推定値と上記モータ軸トルクの推定値との差を積分して定める上記負荷の負荷速度の推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる第２の補償器を用いて，上記負荷トルク外乱の推定値を算定するものであることを特徴とする負荷状態推定装置。
2. 複数の負荷を結合軸により直列的に連結した多質点機械系負荷を駆動するサーボモータのモータ電流或いはモータ電流指令から定めた上記サーボモータのモータトルクと上記サーボモータのモータ速度の検出値とに基づいて，上記サーボモータのモータ軸トルクを推定するモータ軸トルク推定部と，
   上記モータ軸トルク推定部により推定された上記モータ軸トルクの推定値と上記モータ速度の検出値とに基づいて，上記サーボモータに結合された初段の負荷の負荷速度と上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクとを推定する初段負荷状態推定器と，
   （ｉ−１）段目の負荷の負荷速度の推定値と，上記（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値とに基づいて，上記ｉ段目の負荷の負荷速度と上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクとを推定する各段負荷状態推定器とを具備してなる負荷状態推定装置において，
   上記モータ軸トルク推定部が，上記モータトルクと上記モータ軸トルクの推定値との差を積分して定める上記サーボモータのモータ速度の推定値と，上記モータ速度の検出値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなるモータ軸トルク補償器を用いて，上記モータ軸トルクの推定値を算定するものであり，
   上記初段負荷状態推定器が，上記モータ軸トルクの推定値の微分値と上記モータ速度の検出値とに応じて定める上記初段の負荷の負荷速度の補助推定値と，上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値と上記モータ軸トルクの推定値との差を積分して定める上記初段の負荷の負荷速度の推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる初段補償器を用いて，上記初段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクの推定値を算定するものであり，上記各段負荷状態推定器が，上記（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値の微分値と上記（ｉ−１）段目の負荷の負荷速度の推定値とに応じて定める上記ｉ段目の負荷の負荷速度の補助推定値と，上記（ｉ−１）段目の負荷とｉ段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値と上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値との差を積分して定める上記ｉ段目の負荷の負荷速度の推定値とが等しくなるように，積分要素及び比例要素からなる各段補償器を用いて，上記ｉ段目の負荷と（ｉ＋１）段目の負荷との間の結合軸トルクの推定値を算定するものであることを特徴とする負荷状態推定装置。
3. 最終段の負荷とその次段の負荷との間の結合軸トルクとして推定されるトルクを上記サーボモータに外部から加わる負荷トルク外乱とする請求項２に記載の負荷状態推定装置。

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