JP4446156B2

JP4446156B2 - モータ駆動システムのベルト切断検出装置および方法

Info

Publication number: JP4446156B2
Application number: JP2004050690A
Authority: JP
Inventors: 友礎清田; 泰資深田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: JP2005245113A

Description

本発明は、モータ駆動システムのベルト切断検出装置および方法に関する。

ベルトを使用した駆動装置における従来のベルト切断検出方法は、駆動装置における電動機への電流値を検出し、その電流値と無負荷時の電流値とを比較することでベルトの異常を判断している（例えば、特許文献１参照）。また、ベルトの両側にレーザセンサ（投光器と受光器）を設置し、ベルトが切断したときには、それまで遮断されていたレーザー光が受光器に当たることでベルトが切断したと判断しているものもある。このように、従来の駆動装置では、駆動装置への電流値を検出すること、またはベルト部にセンサを用いることにより、ベルト切断を検出するという方法がとられていた。
特開平５−３２８７４１（第１〜４頁、図１）

駆動装置への電流値を検出する従来のベルト切断検出方法では、検出した電流値を無負荷時の電流値と比較している。しかし、負荷の状態によってはベルトが正常でも駆動装置への電流値が小さくなる場合があり（例えば、ロボットにおいてアームが下向きになっていて重力の影響が小さい場合など）、その場合には検出した電流値と無負荷時の電流値との差が小さくなるため、ベルト切断検出の精度において問題がある。また、レーザセンサを用いたベルト切断検出方法では、このレーザセンサを準備するためにコストがかかり、またレーザセンサおよびケーブルを設置するためのスペースが必要になるという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ベルト切断検出用のレーザセンサなどの特別な検出ハードウェアを必要とせずに、信頼性が高く確実にベルトの切断を検出するモータ駆動システムのベルト切断検出装置および方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明は位置と速度指令をフィードバック制御器へ出力する上位制御装置と、位置検出手段を備え負荷をベルトで駆動するモータ駆動システムのベルト切断検出装置において、位置速度指令を入力し、モデルトルクを演算するモデルトルク演算手段と、前記フィードバック制御器から出力されるトルク指令値から外乱値を推定するオブサーバと、前記モデルトルクＴｍとトルク指令値Ｔｒｅｆとを比較するトルク比較手段と、事前に設定した閾値Ｔｈと前記外乱値とを比較する外乱比較手段と、前記トルク比較手段から出力されるアラーム信号と前記外乱比較手段から出力されるアラーム信号の両方を入力し両アラーム信号の論理積でベルト切断異常を検出するフラグチェック手段とを備えたものである。
また、位置と速度指令をフィードバック制御器へ出力する上位制御装置と、位置検出手段を備え負荷をベルトで駆動するモータ駆動システムのベルト切断検出方法において、モデルトルク演算手段により位置速度指令を入力しモデルトルクを演算し、オブサーバにより前記フィードバック制御器から出力されるトルク指令値から外乱値を推定し、トルク比較手段により前記モデルトルクＴｍとトルク指令値Ｔｒｅｆとを比較し、外乱比較手段により事前に設定した閾値Ｔｈと前記外乱値とを比較し、フラグチェック手段により前記トルク比較手段から出力されるアラーム信号と前記外乱比較手段から出力されるアラーム信号の両方を入力し両アラーム信号の論理積でベルト切断異常を検出するものである。

請求項１に記載のベルト検出方法では、無負荷時のモデルトルクとトルク指令値を比較することで、従来方法で駆動装置への電流値を検出していたのと同様に、ベルトの切断を検出することができる。それとともに、オブザーバにより推定した外乱としきい値を比較することで、負荷の状態を考慮に入れたベルト切断の検出をすることができる。この二重の比較を行うことで、信頼性が高く精度良くベルトの切断を検出することができる。
また、ソフトウェアでベルト切断検出を実現するため、レーザセンサなどのベルト切断検出用の特別なセンサとその取り付けスペースを必要としない。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の方法を実施する駆動装置の制御ブロック図である。図１において、１は上位からの指令器であり例えば数値制御装置、ロボット制御装置等がこれに相当する。２はフィードバック制御器、３はモータ、４は負荷、５はモデルトルク演算器、６はトルク比較器、７はオブザーバ、８は外乱比較器、９はフラグチェック手段である。モータ３はベルト１０を介して負荷と連結されている。またモータ３は位置、速度の検出手段であるエンコーダ１１を備えている。
指令器１からの位置、速度指令とエンコーダ１１から出力する角度情報は、フィードバック制御器２へ入力される。フィードバック制御器２はモータ３へトルク指令値を出力する。このトルク指令値に基づき、モータ３を駆動し、図２のようにモータ３とベルト１０により連結された負荷４を駆動する。位置指令θｒｅｆ、モータ角度θ、位置ゲインＫｐ、速度ゲインＫｖ、ラプラス演算子ｓ、トルク指令値Ｔｒｅｆとするとトルク指令値は（１）式で表わすことができる。
Ｔｒｅｆ＝Ｋｖ｛Ｋｐ（θｒｅｆ−θ）−ｓθ｝・・・（１）

モデルトルク演算器５での計算について説明する。速度指令Ｖｒｅｆ、モデル加速度αｍ、モデルトルクＴｍ、モータ側イナーシャＪｍ、モータ側粘性摩擦Ｑｍ、位置ゲインＫｐとすると、モデル加速度αｍおよびモデルトルクＴｍは各々（２）、（３）式で表わされる。
αｍ＝｛ｓＫｐ／（ｓ＋Ｋｐ）｝Ｖｒｅｆ・・・（２）
Ｔｍ＝Ｊｍ（αｍ＋Ｑｍ）・・・（３）
モータ３と負荷４を連結するベルト１０が何らかの原因で切断すると、モータ３に負荷がかからなくなるので、フィードバック制御器２から出力されるトルク指令値が小さくなる。指令器１からの速度指令値を基に、モデルトルク演算器５で無負荷時のモデルトルクＴｍを計算し、この無負荷時のモデルトルクＴｍとトルク指令値Ｔｒｅｆをトルク比較器６で比較し、トルク指令値が無負荷時のモデルトルクより小さくなる場合はアラームフラグＡをたてる。

次にオブザーバ７を簡単に説明する。モータ３と負荷４を含めたモータ駆動システムの状態方程式を（４）（５）式で表わすことができる。ここでｘ：モータ角度、外乱等からなる状態変数、ｙ：出力（モータ角度）、ｕ：入力（トルク指令値）、Ａ、Ｂ、Ｃ：係数行列である。
ｘ´＝Ａｘ＋Ｂｕ・・・（４）
ｙ＝Ｃｘ・・・（５）
オブザーバを次式で表わすことができる。ｘ´はｘの時間ｔの一回微分を、添え字ｅｓｔは状態の推定値であることを表わす。
ｘ´_ｅｓｔ＝Ａｘ_ｅｓｔ＋Ｂｕ＋ＬＣ（ｘ−ｘ_ｅｓｔ）・・・（６）
また、トルク指令値およびモータ３の角度情報から、オブザーバ７により外乱ｄを推定する。この外乱ｄはモータ３とベルト１０で連結された負荷４のモデルを考慮して推定され、正常な動作をしている場合には外乱ｄは小さくなる。しかし、ベルト１０が切断しモータ３に負荷がかからなくなるとこの外乱ｄが大きくなるため、外乱ｄとしきい値Ｔｈを外乱比較器８で比較し、外乱ｄがしきい値Ｔｈよりも大きくなる場合はアラームフラグＢをたてる。

フラグチェック９にて、アラームフラグＡ、アラームフラグＢが両方共にたてば、ベルト１０が切断したと判断し、アラームを発生する。アラームフラグＡ、アラームフラグＢのどちらか一方もしくは両方ともたっていない場合は、正常と判断する。

上記説明ではアラームフラグＡ、アラームフラグＢがともにたてば、ベルト１０が切断したと判断するとしたが、切断検出の条件はこれに限らず、自由な設計の範囲である。例えば、一定時間アラームフラグが出力されればベルトが切断したと判断するなど時間の条件を加えてもよい。また、モデルトルクにオフセットを加えたり、外乱のしきい値の大きさを変更することによって、各アラームフラグに重みづけしてベルト切断を判断することもできる。

モータを制御するソフトウェアによりベルト切断を検出することで、特別なセンサを使用せず、ベルトを用いた駆動装置に適用できる。

本発明の一実施例を示す駆動装置の制御ブロック図本発明の一実施例を示す駆動装置の構成図

符号の説明

１指令器
２フィードバック制御器
３モータ
４負荷
５モデルトルク演算器
６トルク比較器
７オブザーバ
８外乱比較器
９フラグチェック
１０ベルト
１１エンコーダ

Claims

位置と速度指令をフィードバック制御器へ出力する上位制御装置と、位置検出手段を備え負荷をベルトで駆動するモータ駆動システムのベルト切断検出装置において、
位置速度指令を入力し、モデルトルクを演算するモデルトルク演算手段と、前記フィードバック制御器から出力されるトルク指令値から外乱値を推定するオブサーバと、
前記モデルトルクＴｍとトルク指令値Ｔｒｅｆとを比較するトルク比較手段と、
事前に設定した閾値Ｔｈと前記外乱値とを比較する外乱比較手段と、
前記トルク比較手段から出力されるアラーム信号と前記外乱比較手段から出力されるアラーム信号の両方を入力し両アラーム信号の論理積でベルト切断異常を検出するフラグチェック手段とを備えたことを特徴とするモータ駆動システムのベルト切断検出装置。
位置と速度指令をフィードバック制御器へ出力する上位制御装置と、位置検出手段を備え負荷をベルトで駆動するモータ駆動システムのベルト切断検出方法において、
モデルトルク演算手段により位置速度指令を入力しモデルトルクを演算し、
オブサーバにより前記フィードバック制御器から出力されるトルク指令値から外乱値を推定し、
トルク比較手段により前記モデルトルクＴｍとトルク指令値Ｔｒｅｆとを比較し、
外乱比較手段により事前に設定した閾値Ｔｈと前記外乱値とを比較し、
フラグチェック手段により前記トルク比較手段から出力されるアラーム信号と前記外乱比較手段から出力されるアラーム信号の両方を入力し両アラーム信号の論理積でベルト切断異常を検出することを特徴とするモータ駆動システムのベルト切断検出方法。