JP4390539B2 - 負荷特性演算装置及びモータ制御装置 - Google Patents
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Description
T − D − R・ω = J・a ・・・(1)
T0 − D − R・ω0 = J・a0 ・・・(2)
T1 − D − R・ω1 = J・a1
T2 − D − R・ω2 = J・a2
T − (D − m・g) − R・ω = J・a ・・・(3)
T − (D + m・g) − R・ω = J・a ・・・(4)
モータの速度を検出する速度検出手段と、検出したトルク及び速度に基づき、負荷特性として、動摩擦及び偏加重を演算し、出力する演算手段とを有する。演算手段は、動摩擦D及び偏加重Gを、モータの正転時に演算される動摩擦及び偏加重の合成値(+D−G)とモータの逆転時に演算される動摩擦及び偏加重の合成値(−D−G)とから求める。
また、演算手段は、速度とトルクの検出値に基づき逐次最小二乗法を用いて、粘性摩擦係数と動摩擦と偏加重のうちの少なくとも1つを演算するようにしてもよい。
図1は、本発明のモータ制御装置の構成図である。モータ制御装置1は、ロータリーエンコーダ4、指令発生器5、位置指令受信器6、位置受信器7、駆動器8、位置偏差演算器10、位置制御器20、速度検出器30、速度偏差演算器40、速度制御器50、トルク指令補正器60、および負荷特性演算器70を含む。
eθ(i) = θ*(i) − θ(i) ・・・(5)
ω*(i) = Kpp(i)・eθ(i) ・・・(6)
Kpp(i) = Kpp(ψ(i−1)) ・・・(7)
ω(i) = {θ(i) − θ(i−1)}/Ts ・・・(8)
eω(i) = ω*(i) − ω(i) ・・・(9)
Tp*(i) = Kvp(i)・J(i−1)・{eω(i)
+ Σ(eω(i))・Ts/τvi(i)} ・・・(10)
τvi(i) = τvi(ψ(i−1)) ・・・(11)
T*(i) = Tp*(i) + Th(i) ・・・(12)
Th(i) = Th(ψ(i−1)) ・・・(13)
前述のように図6は負荷の模式図を示した図であり、図6(a)、(b)は、偏加重がないときの負荷の模式図であり、図6(c)、(d)は偏加重が大きいときの負荷の模式図である。座標の正の向きの取り方により、偏加重の向きが変化するが、運動方程式は、下記式(14)のとおりである。
T = J・a + R・ω + Td ・・・(14)
なお、Tはトルク、Jはイナーシャ、aは加速度、Rは粘性摩擦係数、ωは前述のように速度、Tdは、動摩擦Dと偏加重Gとの合成値である。図6(c)、(d)において、下向きを正と定義する。
T = J・a + R・ω + (+D−G) (ω>0のとき) ・・・(15)
T = J・a + R・ω + (+D+G) (ω<0のとき) ・・・(16)
負荷特性演算器70は、まず、速度ω、加速度a、トルク指令Tに基づいて状態を決定する。具体的には、負荷特性演算器70は下記式(17)に基づいて状態フラグ(Flag)を設定する。
Flag = "F" (ω> ω0、|a|>a0、|T*|>T0のとき)
Flag = "R" (ω<−ω0、|a|>a0、|T*|>T0のとき)
Flag = "S" (上記以外) ・・・(17)
ここで、ω0、a0、およびT0は、それぞれ状態を決定するために使用する速度ω、加速度の大きさ|a|、およびトルク指令の大きさ|T*|の閾値を示す正数である。
i)速度ωが所定値より大きいか否か。
ii)加速度aの大きさが所定値より大きいか否か。
iii)トルクTの大きさが所定値より大きいか否か。
Flag = "F" (ω>ω0のとき)
Flag = "R" (ω<ω0のとき)
Flag = "S" (上記以外) ・・・(17a)
または、
Flag = "F" (ω>0、|a|>a0のとき)
Flag = "R" (ω<0、|a|>a0のとき)
Flag = "S" (上記以外) ・・・(17b)
または、
Flag = "F" (ω>0、|T|>T0のとき)
Flag = "R" (ω<0、|T|>T0のとき)
Flag = "S" (上記以外) ・・・(17c)
T* = Jf・a + Rf・ω + Tdf ・・・(18)
a(i) = {ω(i) − ω(i−1)}/Ts ・・・(19)
そして、逐次最小二乗法を用いて、式(18)におけるJf、Rf、Tdfを推定する。
T* = Jr・a + Rr・ω + Tdr ・・・(25)
Jf(i) = Jf(i−1) ・・・(30)
Rf(i) = Rf(i−1) ・・・(31)
Tdf(i) = Tdf(i−1) ・・・(32)
Jr(i) = Jr(i−1) ・・・(33)
Rr(i) = Rr(i−1) ・・・(34)
Tdr(i) = Tdr(i−1) ・・・(35)
本実施形態では、位置制御器20は位置比例ゲインKppを式(7)に示すように負荷特性に基づいて変化させる。図2は、本実施形態において位置制御器20における粘性摩擦係数Rに対する位置比例ゲインの変化を示した図である。図2に示すように、粘性摩擦係数Rが大きくなると、位置比例ゲインKppが大きくなるように、位置比例ゲインKppを変化させる。具体的には、下記式(37)のように変化させる。
R(i−1) < R11のとき
Kpp(i)=Kpp1
R11 ≦ R(i−1) < R12のとき
Kpp(i)=
Kpp1+(R(i−1)−R11)・(Kpp2−Kpp1)/(R12−R11)
R(i−1) ≧ R12のとき
Kpp(i)==Kpp2 ・・・(37)
本実施形態では、速度制御器50は速度積分時定数τviを式(11)に示すように負荷特性に基づいて変化させる。図3は、本実施形態における速度制御器50における粘性摩擦係数Rに対する速度積分時定数τviの関係図である。図3のように、粘性摩擦係数Rが大きくなると、速度積分時定数が小さくなるように変化させる。具体的には、下記式(40)のように変化させる。
R(i−1) < R21のとき、
τvi(i)=τvi1
R21 ≦ R(i−1) < R22のとき、
τvi(i)=
τvi1+(R(i−1)−R21)・(τvi2−τvi1)/(R22−R21)
R(i−1) ≧ R22のとき、
τvi(i)=τvi2 ・・・(40)
トルク指令補正器60は、トルク指令補正量Thを次式(41)で示すように、前回のサイクルの偏加重Gの符号を変えたものを新たなトルク指令補正量Thとする。
Th(i) = −G(i−1) ・・・(41)
Th(i)
= −G(i−1)+D(i−1) (ω>0のとき)
= −G(i−1)−D(i−1) (ω<0のとき) ・・・(42)
Th(i)
= −G(i−1)+D(i−1)+R(i−1)・ω(i) (ω>0のとき)
= −G(i−1)−D(i−1)+R(i−1)・ω(i) (ω<0のとき)
・・・(43)
本実施形態におけるモータ制御装置1の全体的な処理の流れを説明する。図4は、モータ制御装置1における、位置偏差演算器10、位置制御器20、速度検出器30、速度偏差演算器40、速度制御器50、トルク指令補正器60、および負荷特性演算器70において実行される処理の流れを示すフローチャートである。
2 モータ
3 負荷
4 ロータリーエンコーダ
5 指令発生器
10 位置偏差演算器
20 位置制御器
30 速度検出器
40 速度偏差演算器
50 速度制御器
60 トルク指令補正器
70 駆動器
80 負荷特性演算器
Claims (14)
- モータが発生するトルクを検出するトルク検出手段と、
モータの速度を検出する速度検出手段と、
前記検出したトルク及び速度に基づき、負荷特性として、動摩擦D及び偏加重Gを演算し、出力する演算手段と
を有し、
前記演算手段は、前記動摩擦D及び偏加重Gを、前記モータの正転時に演算される動摩擦及び偏加重の合成値(+D−G)と前記モータの逆転時に演算される動摩擦及び偏加重の合成値(−D−G)とから求める、
ことを特徴とする負荷特性演算装置。 - 前記演算手段は、前記検出したトルクの大きさ、前記検出した速度の大きさ、前記検出した速度の時間変化の大きさのうちの少なくとも1つが、それぞれに対して設定された所定値以上となる場合の、トルクと速度の検出値に基づき前記演算を実行することを特徴とする請求項1記載の負荷特性演算装置。
- 前記演算手段は、負荷特性としてイナーシャJと粘性摩擦係数Rをさらに求め、イナーシャJを、前記モータの正転時に演算されるイナーシャと前記モータの逆転時に演算されるイナーシャとを平均して求め、前記粘性摩擦係数Rを、前記モータの正転時に演算される粘性摩擦係数と前記モータの逆転時に演算される粘性摩擦係数とを平均して求めることを特徴とする請求項1または2記載の負荷特性演算装置。
- 前記演算手段は、前記速度とトルクの検出値に基づき逐次最小二乗法を用いて、動摩擦と偏加重のうちの少なくとも1つを演算することを特徴とする請求項1または2記載の負荷特性演算装置。
- 請求項1記載の負荷特性演算装置と、
該負荷特性演算装置から出力される動摩擦と偏加重のうちの少なくとも1つに基づき、速度ゲイン及び速度積分時定数を用いてモータが発生する出力トルクの指令であるトルク指令を生成し、出力する速度制御手段と、
前記トルク指令にしたがいモータ駆動電圧を生成し、出力する駆動手段と
を備えたことを特徴とするモータ制御装置。 - 前記負荷特性演算装置から出力される動摩擦及び偏加重のうちの少なくとも1つに基づいて、前記速度制御手段から出力されるトルク指令を補正するトルク指令補正手段をさらに備え、
前記駆動手段は、該補正されたトルク指令にしたがいモータ駆動電圧を生成し、出力することを特徴とする請求項5記載のモータ制御装置。 - 位置ゲインを比例定数として速度指令を生成、出力する位置制御手段と、
前記動摩擦に基づき、前記速度ゲインに対する前記位置ゲインの比率を示すゲイン比率と、前記速度積分時定数のうちの少なくとも1つを変更するゲイン変更手段とをさらに備えることを特徴とする請求項5記載のモータ制御装置。 - 前記ゲイン変更手段は、前記ゲイン比率が前記動摩擦の増加に応じて大きくなるように、前記ゲイン比率を変更することを特徴とする請求項7記載のモータ制御装置。
- 前記ゲイン変更手段は、前記速度積分時定数が前記動摩擦の増加に応じて小さくなるように、前記速度積分時定数を変更することを特徴とする請求項7記載のモータ制御装置。
- 請求項3記載の負荷特性演算装置と、
該負荷特性演算装置から出力される粘性摩擦係数と動摩擦と偏加重のうちの少なくとも1つに基づき、速度ゲイン及び速度積分時定数を用いてモータが発生する出力トルクの指令であるトルク指令を生成し、出力する速度制御手段と、
前記トルク指令にしたがいモータ駆動電圧を生成し、出力する駆動手段と
を備えたことを特徴とするモータ制御装置。 - 前記負荷特性演算装置から出力される粘性摩擦係数と動摩擦と偏加重のうちの少なくとも1つに基づいて、前記速度制御手段から出力されるトルク指令を補正するトルク指令補正手段をさらに備え、
前記駆動手段は、該補正されたトルク指令にしたがいモータ駆動電圧を生成し、出力することを特徴とする請求項10記載のモータ制御装置。 - 位置ゲインを比例定数として速度指令を生成、出力する位置制御手段と、
前記粘性摩擦係数および前記動摩擦の少なくとも1つに基づき、前記速度ゲインに対する前記位置ゲインの比率を示すゲイン比率と、前記速度積分時定数のうちの少なくとも1つを変更するゲイン変更手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項10記載のモータ制御装置。 - 前記ゲイン変更手段は、前記ゲイン比率が前記粘性摩擦係数および前記動摩擦の少なくとも1つの増加にともない大きくなるように、前記ゲイン比率を変更することを特徴とする請求項12記載のモータ制御装置。
- 前記ゲイン変更手段は、前記速度積分時定数が前記粘性摩擦係数および前記動摩擦の少なくとも1つの増加に伴い小さくなるように、前記速度積分時定数を変更することを特徴とする請求項12記載のモータ制御装置。
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