JP4668776B2 - MOTOR TORQUE RIPPLE MEASUREMENT METHOD, MEASUREMENT DEVICE, TORQUE RIPPLE SUPPRESSION METHOD, AND MOTOR DRIVE DEVICE USING THE SUPPRESSION METHOD - Google Patents
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Description
本発明は、サーボモータ等のモータで駆動される装置において、モータの運転に起因して発生するトルクリプルを簡便に測定し、また、そのトルクリプルを抑制する技術に関する。 The present invention relates to a technique for easily measuring torque ripple generated due to operation of a motor in a device driven by a motor such as a servo motor and suppressing the torque ripple.
サーボモータ、特に、永久磁石式モータは、コギングトルクや磁気飽和などによりトルクリプルと呼ばれる回転にともないトルクが変動する現象がある。このトルクリプルは、装置の動作精度を低下させたり、特定の周波数では装置と機械共振して異音を発生したりするなどの問題を生じる。そこで、このトルクリプルを正確に測定し、制御で補償することが望まれる。
このトルクリプルを測定する方法として、通常、トルクメータと呼ばれる軸のねじれ方向の変位を検出して力として測定する装置がある。しかし、トルクメータは精度を高めようとすると動作原理上軸のねじり剛性を低くしてトルクに対する変位をある程度大きくする必要がある。ところが、トルクメータは、モータの回転子と負荷装置との間に配置するため、両者の回転慣性と軸のねじりバネで生じる機械共振の影響により数十Hzを超えるトルク脈動(トルクリプル)成分に関してはその正確な測定は困難となる。
また、周波数分析器などの高価な装置を多数必要とし、例えば、機械組立ての現場での調整作業など遠隔地で簡便に行うには不向きであった。
Servo motors, particularly permanent magnet motors, have a phenomenon in which the torque varies with rotation called torque ripple due to cogging torque, magnetic saturation, and the like. This torque ripple causes problems such as lowering the operation accuracy of the device and generating noise due to mechanical resonance with the device at a specific frequency. Therefore, it is desirable to accurately measure this torque ripple and compensate by control.
As a method for measuring this torque ripple, there is usually a device called a torque meter that detects a displacement in the torsional direction of a shaft and measures it as a force. However, in order to increase the accuracy of the torque meter, it is necessary to reduce the torsional rigidity of the shaft and increase the displacement with respect to the torque to some extent on the principle of operation. However, since the torque meter is arranged between the rotor of the motor and the load device, a torque pulsation (torque ripple) component exceeding several tens of Hz is caused by the influence of both the rotational inertia and the mechanical resonance generated by the torsion spring of the shaft. Its accurate measurement becomes difficult.
In addition, many expensive devices such as frequency analyzers are required, and for example, it is unsuitable for simple adjustment in a remote place such as adjustment work at the site of machine assembly.
これに対する従来技術として、トルクメータを使わず、装置組立て時のトルクリプルを調整する方法として、例えば、特許文献1には、装置のセンサ情報を用いてトルクリプルを推定する方法が開示されている。
As a conventional technique for this, as a method for adjusting torque ripple at the time of assembling the apparatus without using a torque meter, for example,
以上のように、従来技術にあっては、トルクリプルの結果生じる被駆動部の変位の測定情報を用いてトルクリプルを推定する場合において、比較的大きな慣性をもつ被駆動部を駆動した場合、トルクリプルで生じる変位は極めて小さくなり、これを高精度に測定するには極めて高い分解能の位置センサが必要となり実用的ではない。 As described above, in the prior art, when the torque ripple is estimated using the measurement information of the displacement of the driven part generated as a result of the torque ripple, when the driven part having a relatively large inertia is driven, The displacement that occurs is extremely small, and in order to measure this with high accuracy, a position sensor with extremely high resolution is required, which is not practical.
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、高精度な位置センサやトルクメータを必要とすることなく、簡便容易にモータのトルクリプルの測定を可能とするトルクリプル測定方法、測定装置、また、そのトルクリプルを抑制するトルクリプル抑制方法、およびそのトルクリプル抑制方法を適用したモータ駆動装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a torque ripple measurement method that can easily and easily measure torque ripple of a motor without requiring a highly accurate position sensor or torque meter. An object of the present invention is to provide a measuring device, a torque ripple suppressing method for suppressing the torque ripple, and a motor driving device to which the torque ripple suppressing method is applied.
また、この発明に係るモータのトルクリプル測定方法は、負荷を駆動するモータが発生するトルクリプルを測定する方法であって、
モータの回転数を可変とすると共に、負荷に取り付けられ負荷の移動方向に単一の振動数で共振する特性を有する共振子、およびこの共振子の振動による変位量を検出する変位量検出器を備え、
共振子が共振したときのモータの回転数である共振時回転数に基づきトルクリプルの周波数を演算により求めるものである。
A torque ripple measuring method for a motor according to the present invention is a method for measuring torque ripple generated by a motor driving a load,
A resonator having a characteristic that makes the rotation speed of the motor variable and resonates at a single frequency in the moving direction of the load, and a displacement detector that detects the displacement due to the vibration of the resonator. Prepared,
The frequency of torque ripple is obtained by calculation based on the rotational speed at resonance, which is the rotational speed of the motor when the resonator resonates.
また、この発明に係るモータのトルクリプル測定装置は、以上の共振子および変位量検出器を備えたものである。 A motor torque ripple measuring apparatus according to the present invention includes the above-described resonator and displacement detector.
また、この発明に係るモータのトルクリプル測定方法は、負荷を駆動するモータが発生するトルクリプルを測定する方法であって、
負荷に取り付けられ負荷の移動方向に単一の振動数で共振する特性を有する共振子、この共振子の振動による変位量を検出する変位量検出器、およびモータを駆動する駆動手段に入力されるトルク指令にトルクリプル指令を重畳するトルクリプル指令重畳手段を備え、
モータを、共振子が共振するよう、当該モータで発生するトルクリプルの周波数に相当する共振時回転数で駆動すると共に、トルクリプルの周波数を有する信号をトルクリプル指令としてトルクリプル指令重畳手段によりトルク指令に重畳し、所定の基準位相に対するトルクリプル指令の位相差を所定の範囲で変動させたとき変位量検出器の出力が最小または最大となったときの極値位相差および当該極値位相差においてトルクリプル指令の振幅を所定の範囲で変動させたとき変位量検出器の出力が最小となったときの極値振幅を求め、極値位相差および極値振幅に基づき当該周波数のトルクリプルの位相差および振幅を求めるものである。
A torque ripple measuring method for a motor according to the present invention is a method for measuring torque ripple generated by a motor driving a load,
Input to a resonator attached to the load and having a characteristic of resonating at a single frequency in the moving direction of the load, a displacement detector for detecting a displacement due to the vibration of the resonator, and a driving means for driving the motor A torque ripple command superimposing means for superimposing the torque ripple command on the torque command;
The motor is driven at a resonance speed corresponding to the frequency of the torque ripple generated by the motor so that the resonator resonates, and a signal having the torque ripple frequency is superimposed on the torque command by the torque ripple command superimposing means as a torque ripple command. When the phase difference of the torque ripple command with respect to the predetermined reference phase is varied within a predetermined range, the extreme value phase difference when the output of the displacement detector becomes the minimum or maximum, and the amplitude of the torque ripple command at the extreme value phase difference Obtaining the extreme amplitude when the output of the displacement detector becomes the minimum when fluctuating within a specified range, and obtaining the phase difference and amplitude of the torque ripple at that frequency based on the extreme phase difference and the extreme amplitude It is.
また、この発明に係るモータのトルクリプル測定装置は、以上の共振子、変位量検出器およびトルクリプル指令重畳手段を備えたものである。 A motor torque ripple measuring apparatus according to the present invention includes the above-described resonator, displacement detector, and torque ripple command superimposing means.
また、この発明に係るモータのトルクリプル抑制方法は、以上の測定方法で求めた、位相差および振幅を有する周波数のトルクリプルを、その位相を180゜ずらしトルクリプル指令としてトルク指令に重畳することにより、この重畳をしない場合に発生するトルクリプルを相殺抑制するようにしたものである。 In addition, the torque ripple suppression method for a motor according to the present invention includes a torque ripple having a frequency having a phase difference and an amplitude obtained by the above measurement method by shifting the phase by 180 ° and superimposing it on the torque command as a torque ripple command. The torque ripple generated when the superposition is not performed is canceled out and suppressed.
また、この発明に係るモータ駆動装置は、以上の共振子、変位量検出器およびトルクリプル指令重畳手段を備えたものである。 The motor driving apparatus according to the present invention includes the above-described resonator, displacement amount detector, and torque ripple command superimposing means.
以上の共振子により、特定周波数のトルクリプルの存在および発生量を把握できるので、高精度な位置センサやトルクメータを必要とすることなく、簡便容易にモータのトルクリプルの測定を行うことができる。また、簡便容易にモータのトルクリプルの周波数、そして、トルクリプルの振幅、位相差を求めることができる。更に、簡便容易にトルクリプルを抑制することができる。 The presence and generation amount of the torque ripple of the specific frequency can be grasped by the above-described resonator, so that the torque ripple of the motor can be easily and easily measured without requiring a highly accurate position sensor or torque meter. Further, the frequency of the torque ripple of the motor and the amplitude and phase difference of the torque ripple can be obtained easily and easily. Furthermore, torque ripple can be easily and easily suppressed.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1におけるモータのトルクリプル測定装置を取り付けた機械装置の構成を示す図である。図1の機械装置では、固定物6の一端にサーボモータ1が取り付けられ、このサーボモータ1の回転軸には、ボールネジを使った直線機構5が結合され、更に、負荷2を貫通して形成された雌ねじに直線機構5の雄ねじが螺合する構成となっている。
そして、サーボモータ1が回転すると、それに伴って直線機構5が回転し、これと螺合する負荷2が、紙面の上下方向に昇降する機構となっている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a mechanical device to which a motor torque ripple measuring device according to
When the
図2は、サーボモータ1の駆動装置を示すブロック図である。サーボアンプ12は、上位機構からの回転数指令とトルク指令を入力するとともに、位置検出器11からのモータ回転数をフィードバックしてモータ通電電流を演算し、サーボモータ1に所定の周波数、電圧を供給する。
FIG. 2 is a block diagram showing a drive device for the
次に、図1に戻って、この発明の要部である、トルクリプル測定装置を構成する、共振子4、振動変位センサ3および変位量計測器7について説明する。先ず、共振子4は、一端が負荷2に取り付け固定されており、他端が、負荷2の移動方向、従って、サーボモータ1がトルクリプルを発生すると、そのトルクリプルが作用する方向に単一の振動数で共振する特性を有している。共振子4としては、簡単には、棒状のバネ要素に錘を取り付けたものでもよい。
振動変位センサ3は、共振子4の先端の振動を検出するもので、光学式や磁気式のもので簡単に入手が可能である。変位量計測器7は、振動変位センサ3で検出した変位量を計測するもので、振動変位センサ4と変位量計測器7とで、本願特許請求の範囲でいう変位量検出器を構成する。
Next, returning to FIG. 1, the resonator 4, the
The
ところで、モータの回転数を、r1[r/min]、モータ回転子の極対数を、Pnとするとき、回転数r1におけるモータのトルクリプルの周波数f1は、(1)式で表現することができる。 By the way, when the rotational speed of the motor is r1 [r / min] and the number of pole pairs of the motor rotor is Pn, the frequency f1 of the torque ripple of the motor at the rotational speed r1 can be expressed by equation (1). .
ここで、nは、モータ1回転あたりに発生するトルクリプルの数を極対数Pnで割った値であり、本願明細書では、これを、トルクリプルの発生調波次数と称しており、対象とするモータにおいて、このnとモータ回転数r1が決まれば、(1)式から一義的にトルクリプルの周波数f1が決まる。以下、共振子の共振を抑制するようなトルクリプル指令を求め、このトルクリプル指令から周波数f1のトルクリプルを計測する。 Here, n is a value obtained by dividing the number of torque ripples generated per rotation of the motor by the number of pole pairs Pn. In the present specification, this is referred to as a generated harmonic order of torque ripple, and the target motor When n and the motor speed r1 are determined, the torque ripple frequency f1 is uniquely determined from the equation (1). Hereinafter, a torque ripple command that suppresses the resonance of the resonator is obtained, and the torque ripple at the frequency f1 is measured from the torque ripple command.
mは,モータ1回転あたりに発生するトルクリプルの数を示している。以下、モータ一回転あたりこのm回脈動する正弦波のトルクリプル指令を作成してトルク指令に重畳し、共振子の共振を抑制するトルクリプル指令を求めていく。 m represents the number of torque ripples generated per one rotation of the motor. In the following, a torque ripple command of a sine wave pulsating m times per rotation of the motor is created and superimposed on the torque command to obtain a torque ripple command that suppresses resonance of the resonator.
サーボモータ1を組み込んだ機械装置において、モータのトルクリプルを測定により把握する最終の目的は、その把握したデータに基づき、発生するトルクリプルを抑制することである。この場合、現実には、トルクリプルの周波数は判明している場合が多いので、以下では、実際にモータを機械装置に組み込んだ場合のトルクリプルの振幅、位相差を、図1に示したトルクリプル測定装置を使って測定する方法、更に、その測定結果を利用して、モータから発生するトルクリプルを抑制する方法について説明する。なお、トルクリプルの周波数が判明しておらず、これを求める測定方法については、後段の実施の形態2で説明するものとする。
In the mechanical device incorporating the
図3は、トルク指令としては、一定値を与えているにも拘わらず、トルクリプルが発生してモータのトルクが脈動している場合の、各波形を示す。図において、実線の直線はトルク指令、点線は、モータの出力トルクで、一定のトルク指令の値に振幅a1のトルクリプル成分が重畳したものとなっている。実線の正弦波は、基準位相とするため例示したモータ電流の基本波成分で、このモータ電流基本波成分を基準位相とすると、この例では、トルクリプルは、b1の位相差を有している。 FIG. 3 shows each waveform when a torque ripple occurs and the torque of the motor pulsates even though a constant value is given as the torque command. In the figure, the solid line is the torque command, and the dotted line is the output torque of the motor. The torque ripple component of amplitude a1 is superimposed on the value of the constant torque command. The solid-line sine wave is a fundamental wave component of the motor current exemplified for the reference phase, and when this motor current fundamental wave component is the reference phase, in this example, the torque ripple has a phase difference of b1.
図4は、トルクリプルの振幅および位相差を測定するための回路を示し、先の図2の回路に、トルクリプル指令重畳手段としての、トルクリプル指令重畳回路13および加算器14を付加している。トルクリプル指令重畳回路13は、トルクリプルの周波数、振幅、位相差の情報を入力してトルクリプル指令を作成し、加算器14によりこのトルクリプル指令がトルク指令に重畳される。
FIG. 4 shows a circuit for measuring the amplitude and phase difference of torque ripple, and a torque ripple
次に、トルクリプルの振幅および位相差を測定する要領について説明する。先ず、サーボモータ1の回転数を、共振子4が共振状態となるよう、測定対象であるトルクリプルの発生調波次数nに相当する共振時回転数に設定し、サーボモータ1を駆動状態とする。
ここでは、トルクリプルの周波数(発生調波次数n)は既知としているので、共振子4の共振周波数をF1とすると、上記共振時回転数r2[r/min]は(2)式で表される。
Next, a procedure for measuring the amplitude and phase difference of torque ripple will be described. First, the rotation speed of the
Here, since the frequency of the torque ripple (the generated harmonic order n) is known, the resonance speed r2 [r / min] is expressed by the equation (2) when the resonance frequency of the resonator 4 is F1. .
そして、トルクリプル指令重畳回路13により、発生調次数nの周波数を有するトルクリプル指令を、任意の振幅、位相差のもので作成して加算器14によりトルク指令に重畳し、変位量計測器7の出力である共振子の振幅を監視する。
先ず、図5に示すように、トルクリプル指令の位相差を所定の範囲で徐々に変動させ、共振子の振幅が最小となる極値位相差βを求める。なお、図5では、共振子の振幅が最小となる点から極値位相差βを求めたが、共振子の振幅が最大となる点からも同様の極値位相差βを求めることができる。
Then, the torque ripple
First, as shown in FIG. 5, the phase difference of the torque ripple command is gradually changed within a predetermined range to obtain the extreme value phase difference β at which the amplitude of the resonator is minimized. In FIG. 5, the extreme value phase difference β is obtained from the point where the amplitude of the resonator is minimized, but the same extreme value phase difference β can also be obtained from the point where the amplitude of the resonator is maximized.
次に、位相差を上記極値位相差βに固定し、図6に示すように、トルクリプル指令の振幅を所定の範囲で徐々に変動させ、共振子の振幅が最小となる点から極値振幅αを求める。
以上で求められた極値振幅αおよび極値位相差βに基づき、負荷の大きさ等測定時の条件を加味した必要な換算を経て測定対象調波次数のトルクリプルの振幅および位相差を得ることができる。
なお、当然ながら、トルク指令に重畳するトルクリプル指令として、共振子の振幅が最小となる点として最終的に調整されたものの波形は、実際に発生するトルクリプルの波形を極性反転させたものとなる。
Next, the phase difference is fixed to the above-mentioned extreme value phase difference β, and the amplitude of the torque ripple command is gradually varied within a predetermined range as shown in FIG. Find α.
Based on the extreme value amplitude α and the extreme value phase difference β obtained above, obtain the amplitude and phase difference of the torque ripple of the harmonic order to be measured through necessary conversion taking into account the measurement conditions such as the load size. Can do.
As a matter of course, the waveform of the torque ripple command superimposed on the torque command and finally adjusted as the point where the amplitude of the resonator is minimized is obtained by reversing the polarity of the actually generated torque ripple waveform.
なお、モータのトルクリプルの周波数が複数存在する場合は、それぞれの周波数毎に、共振子4が共振する共振時回転数でモータを回転させ、トルクリプルの振幅、位相差の測定を行えばよい。 If there are a plurality of frequencies of torque ripple of the motor, the amplitude and phase difference of the torque ripple may be measured by rotating the motor at the resonance speed at which the resonator 4 resonates for each frequency.
以上で説明した測定原理から容易に理解できるように、以上の測定結果を利用して実際のモータ運転時に発生するトルクリプルを抑制することができる。図4で説明したトルクリプル指令重畳手段13、14と同等の構成を備え、ここで重畳するトルクリプル指令としては、先の測定で求めたトルクリプルの位相を180゜ずらしたものとする。換言すれば、先の測定時に重畳したトルクリプル指令と同等のものとなる。この意味で、本願発明によるトルクリプル抑制方法は、測定によりトルクリプルの振幅と位相差を確実に把握することなく、先の測定時に共振子の振幅が最小となるときに重畳したトルクリプル指令をモータ運転時に重畳してトルクリプルを抑制する場合も包含するものである。 As can be easily understood from the measurement principle described above, torque ripple generated during actual motor operation can be suppressed using the above measurement results. The torque ripple command superimposing means 13 and 14 described with reference to FIG. 4 have the same configuration, and the torque ripple command superimposed here is that the phase of the torque ripple obtained in the previous measurement is shifted by 180 °. In other words, it is equivalent to the torque ripple command superimposed during the previous measurement. In this sense, the torque ripple suppression method according to the present invention does not reliably grasp the amplitude and phase difference of torque ripple by measurement, and outputs a torque ripple command superimposed when the amplitude of the resonator is minimized during the previous measurement during motor operation. This includes the case where torque ripple is suppressed by superimposing.
図7は、以上のトルクリプル抑制方法を実施した場合の各波形を示す。即ち、実線の脈動波形で示すように、トルク指令は、先の図3で示した一定の本来のトルク指令値に、発生するトルクリプルを相殺するためのトルクリプル指令を重畳したものとなり、結果として、トルクリプルは抑制されて、モータの出力トルクは点線で示すように、一定の値の特性となる。 FIG. 7 shows each waveform when the above torque ripple suppression method is implemented. That is, as shown by the solid pulsation waveform, the torque command is obtained by superimposing the torque ripple command for canceling the generated torque ripple on the constant original torque command value shown in FIG. Torque ripple is suppressed, and the output torque of the motor has a constant value as shown by the dotted line.
なお、複数の周波数のトルクリプル指令をトルク指令に重畳する場合、異なる調波間での干渉があるが、トルクリプル指令の振幅はモータのトルク指令値に比べて十分に小さい値であるため、個々のトルクリプルの調波、周波数において測定した最適振幅,位相データを重畳してよい。 When a torque ripple command with multiple frequencies is superimposed on the torque command, there is interference between different harmonics, but the amplitude of the torque ripple command is sufficiently smaller than the torque command value of the motor. The optimum amplitude and phase data measured at the harmonics and frequencies may be superimposed.
ところで、モータのトルクリプルは負荷2に応じて変化する。そのため,様々な負荷がかかる状況でモータを用いる場合,負荷依存性を把握する必要がある。図8に、トルクの平均値(平均値を取ることでトルクリプル成分が除去される)とトルクリプルの振幅との関係を示す。同図には、トルク平均値2点で同定したトルクリプル振幅を直線で、実測値を▲印で示している。同図に示すように、異なるトルク値2点から線形補間により他のトルク値の場合のトルクリプルを同定することができる。
図8で求めた関係は、そのまま、重畳すべきトルクリプル指令の振幅と負荷との関係となるので、この関係特性に応じて重畳するトルクリプル指令の振幅を制御するようにすれば、負荷が変動した場合でも、常に、トルクリプルが抑制される安定した運転特性が得られる。
Incidentally, the torque ripple of the motor changes according to the
The relationship obtained in FIG. 8 is directly the relationship between the amplitude of the torque ripple command to be superimposed and the load. Therefore, if the amplitude of the torque ripple command to be superimposed is controlled according to this relationship characteristic, the load fluctuated. Even in this case, a stable operating characteristic in which torque ripple is always suppressed can be obtained.
なお、上記説明では、異なるトルク値2点から線形補間により他のトルク値の場合のトルクリプルを同定したが、トルク値が0の場合はトルクリプルがほぼ0となるため、トルク値1点からトルクリプルの振幅の算出を行い、トルク値0の場合とこの測定した1点のトルク値でのデータより線形補間により他のトルク値におけるトルクリプルを同定することができる。
In the above description, the torque ripple in the case of another torque value is identified by linear interpolation from two different torque values. However, when the torque value is 0, the torque ripple is almost 0. Amplitude is calculated, and torque ripples at other torque values can be identified by linear interpolation from the data at the
以上のように、この発明の実施の形態1においては、共振子4の共振状態を監視することにより、特定周波数のトルクリプルの存在および発生量を把握できるので、高精度な位置センサやトルクメータを必要とすることなく、簡便容易にモータのトルクリプルの測定を行うことができる。また、簡便容易にモータのトルクリプルの振幅、位相差を求めることができる。更に、簡便容易にトルクリプルを抑制することができる。 As described above, in the first embodiment of the present invention, the presence and generation amount of the torque ripple of the specific frequency can be grasped by monitoring the resonance state of the resonator 4, so that a highly accurate position sensor or torque meter is provided. The torque ripple of the motor can be measured easily and easily without the need. Further, the amplitude and phase difference of the torque ripple of the motor can be obtained simply and easily. Furthermore, torque ripple can be easily and easily suppressed.
更に具体的に言えば、サーボモータは、実際に機械に取り付けて使用するものであり、現地のシステムにおいては、従来、モータのトルクリプルが発生している場合、サーボアンプのトルク指令値の調整によりモータのトルク脈動を抑制している。この場合、サーボモータ単体でのトルクリプルの測定を行うためには、モータを取り外してトルクメータを駆動モータに取り付けてモータのトルクリプルを測定することが必要であった。また,トルクメータが無い場合は特許文献1のようにセンサ情報からトルクリプルを推定していたため,サーボアンプの調整にはFFTアナライザや加速度センサなどの機材が必要であり、調整時間に数日かかる場合もあり必要な費用が高額となった。
これに対し、この発明の実施の形態1を適用した場合は、現地のシステムはそのままで、その負荷に取り付ける共振子の共振を監視することで、トルクリプルの測定が可能となるので、簡便安価短時間に、必要なトルクリプルの測定が可能となる。
More specifically, a servo motor is actually used by being attached to a machine. In a conventional system, when a torque ripple of a motor has conventionally occurred, the servo amplifier torque command value is adjusted. Torque pulsation of the motor is suppressed. In this case, in order to measure the torque ripple of the servo motor alone, it is necessary to remove the motor and attach the torque meter to the drive motor to measure the torque ripple of the motor. Further, when there is no torque meter, torque ripple is estimated from sensor information as in
On the other hand, when the first embodiment of the present invention is applied, the torque ripple can be measured by monitoring the resonance of the resonator attached to the load without changing the local system. The required torque ripple can be measured over time.
実施の形態2.
この実施の形態2では、トルクリプルの周波数が判明しておらず、これを図1、2で説明した測定装置を利用して求める方法について説明する。サーボモータ1の回転数を可変として共振子4が共振する回転数である共振時回転数を求める。
この場合、共振子4の共振周波数F1が既知であれば、求められた共振時回転数がr2[r/min]とすると、先の(2)式の関係を利用してトルクリプルの周波数(発生調波次数n)を求めることができる。
トルクリプルの周波数が複数存在する場合は、モータの回転数を広範囲に変化させれば、それぞれの周波数に応じた複数の共振時回転数が得られるので、これら各共振時回転数の値から各周波数を求めればよい。ここで,上記(1)式に示すPnがわからない場合でも,モータ1回転あたりに発生するトルクリプルの数は容易に求められる。従って、極対数および発生調波次数がわからない場合でもトルクリプルの周波数を求めることができ、さらに以下の手順を行うことによってトルクリプルを求めることができる。
In the second embodiment, a method of obtaining the torque ripple frequency using the measuring apparatus described in FIGS. The rotational speed at resonance, which is the rotational speed at which the resonator 4 resonates, is obtained by making the rotational speed of the
In this case, if the resonance frequency F1 of the resonator 4 is known, assuming that the calculated rotation speed at resonance is r2 [r / min], the frequency of the torque ripple (occurrence is generated using the relationship of the above equation (2). The harmonic order n) can be determined.
When there are multiple torque ripple frequencies, if the motor rotation speed is changed over a wide range, multiple resonance rotation speeds corresponding to each frequency can be obtained. You can ask for. Here, even when Pn shown in the above equation (1) is not known, the number of torque ripples generated per one rotation of the motor can be easily obtained. Therefore, the frequency of the torque ripple can be obtained even when the number of pole pairs and the generated harmonic order are not known, and the torque ripple can be obtained by performing the following procedure.
ここで、共振周波数が互いに異なる複数の共振子を用意しておけば、トルクリプルの複数の周波数を求める場合、共振子の共振状態を作り出すために必要なモータの回転数の変化範囲をその分狭くすることができ、極端な高速域や低速域での駆動が回避できるので、モータ自身、また、モータを速度制御駆動するインバータ等の機器の能力による測定範囲の制約が緩和されるという利点がある。 Here, if a plurality of resonators having different resonance frequencies are prepared, when obtaining a plurality of torque ripple frequencies, the range of change in the number of rotations of the motor necessary for creating the resonance state of the resonator is narrowed accordingly. Since it is possible to avoid driving in extremely high speed ranges and low speed ranges, there is an advantage that restrictions on the measurement range due to the ability of the motor itself and devices such as an inverter for controlling the motor speed are relaxed. .
また、モータが発生しうるトルクリプルの各周波数の比に対応して設定された互いに異なる共振周波数を有する複数の共振子を備えておき、これら共振子の少なくとも1個が共振したときのモータの共振時回転数を求め、このとき同時に共振した共振子の共振周波数からトルクリプルの周波数を演算により求めるようにすれば、モータの回転数を、一度上記共振時回転数に設定するだけで、想定されうる周波数の種別の内、どの周波数のトルクリプルが発生しているかが同時に分かるという利点がある。 In addition, a plurality of resonators having different resonance frequencies set corresponding to the ratio of each frequency of torque ripple that can be generated by the motor are provided, and resonance of the motor when at least one of these resonators resonates. If the rotational speed of the motor is obtained and the frequency of the torque ripple is obtained by calculation from the resonant frequency of the resonator that resonates at the same time, it can be assumed that the rotational speed of the motor is set to the rotational speed of the resonance once. There is an advantage that it is possible to simultaneously determine which frequency of the torque ripple is generated among the types of frequencies.
そもそも、トルクリプルの周波数を決める発生調波次数nは、整数であり、しかも、例えば、n=2、6、12等、モータの種別や定格等で概ね予測が可能であることから、以上では、共振子4の共振周波数が既知であるとしたが、単一の振動数で共振する特性を有しているがその共振周波数が必ずしも判明していない場合にも周波数を推定できる可能性がある。
図9は、モータの回転数を所定の範囲で変動させた場合の、同じ1個の共振子の振動量をプロットしたもので、複数の共振点、この図の例では、3個所で共振が生じていることが分かる。これら3個所における共振時回転数の比は、トルクリプルの発生している3つの調波次数の比に一致することから、この制約条件を根拠にこれら周波数を推定できる。
更に、トルクリプルの周波数の予想範囲が狭く設定できる場合等では、より簡便に周波数の推定が可能となる。
In the first place, the generated harmonic order n that determines the frequency of the torque ripple is an integer, and for example, n = 2, 6, 12, etc., and can generally be predicted by the motor type, rating, etc. Although it is assumed that the resonance frequency of the resonator 4 is known, there is a possibility that the frequency can be estimated even when the resonance frequency has a characteristic of resonating at a single frequency but the resonance frequency is not necessarily known.
FIG. 9 is a plot of the vibration amount of the same resonator when the number of rotations of the motor is varied within a predetermined range. Resonance occurs at a plurality of resonance points, that is, three locations in the example of this figure. You can see that it has occurred. Since the ratio of the rotational speed at resonance at these three locations matches the ratio of the three harmonic orders at which torque ripple is generated, these frequencies can be estimated based on this constraint condition.
Further, when the expected range of the torque ripple frequency can be set narrow, the frequency can be estimated more easily.
以上のように、この発明の実施の形態2においては、共振子4の共振状態を監視することにより、特定周波数のトルクリプルの存在および発生量を把握できるので、高精度な位置センサやトルクメータを必要とすることなく、簡便容易にモータのトルクリプルの周波数を求めることができる。 As described above, in the second embodiment of the present invention, the presence and generation amount of the torque ripple of the specific frequency can be grasped by monitoring the resonance state of the resonator 4, so that a highly accurate position sensor or torque meter is provided. The torque ripple frequency of the motor can be easily and easily obtained without requiring it.
実施の形態3.
図10は、この発明の実施の形態3におけるトルクリプル測定装置を示す図である。ここでは、直線機構5が減速機8を介してサーボモータ1の回転軸に結合されている。減速機8の減速比を、1:s(sは整数)とすると、モータのトルクリプルの周波数成分が負荷2の部分ではs倍されて観測される。従って、共振子4の共振周波数をF2とすると、共振時回転数r3[r/min]は(3)式で表される。
FIG. 10 is a diagram showing a torque ripple measuring apparatus according to
即ち、減速機8を結合することにより、同一周波数のトルクリプルの測定を行う場合、直結する場合に比較して、モータの共振時回転数が(1/s)倍に低減され、特に、高次のトルクリプルの測定を実施する場合に実行が容易となる利点がある。 That is, when measuring the torque ripple of the same frequency by connecting the speed reducer 8, the rotational speed at resonance of the motor is reduced by (1 / s) times compared to the case of directly connecting, and in particular, higher order There is an advantage that it is easy to execute when measuring the torque ripple.
実施の形態4.
以上の各形態例では、図1に示したように、サーボモータ1の回転を直線機構5に伝え、負荷2を直線方向に駆動する機械装置に適用した場合について説明したが、本願発明は、図11に示すように、サーボモータ1の回転動力を、歯車等の回転動力伝達機構を介して負荷2に伝える装置に適用することもできる。但し、この場合は、同図に示すように、負荷2に取り付ける共振子4は、モータの回転力によって負荷が移動する方向となる負荷2の回転方向に所定の周波数で共振するものとし、振動変位センサ3は、共振子4の当該共振の方向の変位を検出するものとする。
これにより、負荷が回転運動をする機械装置にあっても、先の各形態例と全く同様に、共振子4の共振状態を監視することにより、周波数のトルクリプルの存在および発生量を把握できるので、高精度な位置センサやトルクメータを必要とすることなく、簡便容易にモータのトルクリプルの測定を行うことができる。また、簡便容易にモータのトルクリプルの周波数、そして、トルクリプルの振幅、位相差を求めることができる。更に、簡便容易にトルクリプルを抑制することができる。
Embodiment 4 FIG.
In each of the above embodiments, as shown in FIG. 1, the case where the rotation of the
As a result, even in a mechanical device in which the load rotates, the existence and generation amount of the frequency torque ripple can be ascertained by monitoring the resonance state of the resonator 4 in exactly the same manner as the previous embodiments. The torque ripple of the motor can be measured easily and easily without the need for a highly accurate position sensor or torque meter. Further, the frequency of the torque ripple of the motor and the amplitude and phase difference of the torque ripple can be obtained easily and easily. Furthermore, torque ripple can be easily and easily suppressed.
なお、以上では、共振子4と振動変位センサ3とが独立の別体で構成されているものとしたが、センサに共振子機能を兼ね備えた加速度センサや歪みゲージを利用したもので構成してもよい。
また、以上では、サーボモータを使用した機械装置に適用した場合について説明したが、この発明は、他の種類の回転モータを使用した装置にも広く適用でき同等の効果を奏する。
更に、直線駆動するリニアモータにおいても、共振子を移動系に取り付けることで、以上で説明したと同様の原理で、リニアモータの推力リプルの簡便容易な測定が可能となる。
In the above description, the resonator 4 and the
In the above description, the case where the present invention is applied to a mechanical device using a servo motor has been described. However, the present invention can be widely applied to devices using other types of rotary motors, and provides the same effect.
Further, in a linear motor that is driven linearly, by attaching a resonator to the moving system, it is possible to easily and easily measure the thrust ripple of the linear motor based on the same principle as described above.
また、この発明の各変形例において、共振時回転数と共振子の共振周波数とからトルクリプルの周波数を演算により求めるので、簡便容易に確実にトルクリプルの周波数を得ることができる。 In each modification of the present invention, the torque ripple frequency is obtained from the rotation speed at resonance and the resonance frequency of the resonator by calculation, so that the torque ripple frequency can be obtained easily and reliably.
また、共振周波数が互いに異なる複数の共振子を備えたので、必要なモータの回転数の変化範囲を狭くでき、モータの駆動系の負担が軽減される。 In addition, since a plurality of resonators having different resonance frequencies are provided, the necessary range of change in the rotational speed of the motor can be narrowed, and the burden on the motor drive system is reduced.
また、モータの回転数を所定の範囲で変動させ互いに異なる複数の回転数で共振子が共振したときの複数の共振時回転数に基づきトルクリプルの周波数を演算により求めるので、たとえ、共振子の共振周波数が既知でなくても、周波数の推定が可能となる。 In addition, the frequency of the torque ripple is calculated based on the number of rotations at resonance when the number of rotations of the motor fluctuates within a predetermined range and the resonators resonate at a plurality of different rotations. Even if the frequency is not known, the frequency can be estimated.
また、モータが発生しうるトルクリプルの各周波数の比に対応して設定された互いに異なる共振周波数を有する複数の共振子を備え、共振子の少なくとも1個が共振したときのモータの共振時回転数および少なくとも1個の共振した共振子と同時に共振した共振子の共振周波数からトルクリプルの周波数を演算により求めるので、モータの回転数を、一度共振時回転数に設定するだけでトルクリプルの複数種別の周波数を得ることができる。 The motor includes a plurality of resonators having different resonance frequencies set corresponding to the ratio of each frequency of torque ripple that can be generated by the motor, and the motor rotation speed at resonance when at least one of the resonators resonates. Since the torque ripple frequency is calculated from the resonance frequency of the resonator that resonates simultaneously with at least one resonating resonator, a plurality of types of torque ripple frequencies can be obtained simply by setting the motor rotation speed to the resonance rotation speed once. Can be obtained.
また、負荷が変動する場合、重畳するトルクリプル指令の振幅を、負荷の変動に追従して変動させるようにしたので、負荷が変動しても常にトルクリプルが抑制される。 In addition, when the load fluctuates, the amplitude of the superimposed torque ripple command is varied following the load variation, so that torque ripple is always suppressed even when the load varies.
また、負荷とトルクリプル指令の振幅との関係を特定する関係特性は、先の測定方法により、負荷の少なくとも1点において測定された当該負荷とトルクリプル指令の振幅との関係から演算により決定するので、負荷変動への追従制御で必要となる、負荷とトルクリプル指令の振幅との関係を特定する関係特性の取得が容易となる。 In addition, since the relationship characteristic that specifies the relationship between the load and the amplitude of the torque ripple command is determined by calculation from the relationship between the load and the amplitude of the torque ripple command measured at at least one point of the load by the previous measurement method, It becomes easy to obtain a relational characteristic that specifies the relation between the load and the amplitude of the torque ripple command, which is necessary for the follow-up control to the load fluctuation.
1 サーボモータ、2 負荷、3 振動変位センサ、4 共振子、7 変位量計測器、12 サーボアンプ、13 トルクリプル指令重畳回路、14 加算器。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
上記モータの回転数を可変とすると共に、上記負荷に取り付けられ上記負荷の移動方向に単一の振動数で共振する特性を有する共振子、およびこの共振子の振動による変位量を検出する変位量検出器を備え、
上記共振子が共振したときの上記モータの回転数である共振時回転数に基づき上記トルクリプルの周波数を演算により求めることを特徴とするモータのトルクリプル測定方法。 A method for measuring torque ripple generated by a motor driving a load,
A resonator having a variable speed of the motor and having a characteristic of resonating at a single frequency in the moving direction of the load, and a displacement amount for detecting a displacement amount due to the vibration of the resonator Equipped with a detector,
A method for measuring torque ripple of a motor, wherein the frequency of the torque ripple is obtained by calculation based on a rotational speed at resonance which is a rotational speed of the motor when the resonator resonates .
モータのトルクリプル測定方法。 The method for measuring torque ripple of a motor according to claim 2, comprising a plurality of resonators having different resonance frequencies .
上記共振子の少なくとも1個が共振したときの上記モータの共振時回転数および上記少なくとも1個の共振した共振子と同時に共振した共振子の共振周波数から上記トルクリプルの周波数を演算により求めることを特徴とする請求項1記載のモータのトルクリプル測定方法。 A plurality of resonators having different resonance frequencies set corresponding to the ratio of each frequency of torque ripple that can be generated by the motor;
The frequency of the torque ripple is obtained by calculation from the number of revolutions of the motor at the time of resonance when at least one of the resonators resonates and the resonance frequency of the resonator that resonates simultaneously with the at least one resonator. The method for measuring torque ripple of a motor according to claim 1 .
上記負荷に取り付けられ上記負荷の移動方向に単一の振動数で共振する特性を有する共振子、この共振子の振動による変位量を検出する変位量検出器、および上記モータを駆動する駆動手段に入力されるトルク指令にトルクリプル指令を重畳するトルクリプル指令重畳手段を備え、
上記モータを、上記共振子が共振するよう、当該モータで発生するトルクリプルの周波数に相当する共振時回転数で駆動すると共に、上記トルクリプルの周波数を有する信号を上記トルクリプル指令として上記トルクリプル指令重畳手段により上記トルク指令に重畳し、所定の基準位相に対する上記トルクリプル指令の位相差を所定の範囲で変動させたとき上記変位量検出器の出力が最小または最大となったときの極値位相差および当該極値位相差において上記トルクリプル指令の振幅を所定の範囲で変動させたとき上記変位量検出器の出力が最小となったときの極値振幅を求め、上記極値位相差および極値振幅に基づき当該周波数のトルクリプルの位相差および振幅を求めることを特徴とするモータのトルクリプル測定方法。 A method for measuring torque ripple generated by a motor driving a load,
A resonator attached to the load and having a characteristic of resonating at a single frequency in the moving direction of the load, a displacement detector for detecting a displacement due to the vibration of the resonator, and a driving means for driving the motor Torque ripple command superimposing means for superimposing the torque ripple command on the input torque command,
The motor is driven at a resonance speed corresponding to the frequency of torque ripple generated by the motor so that the resonator resonates, and a signal having the frequency of torque ripple is used as the torque ripple command by the torque ripple command superimposing means. When the phase difference of the torque ripple command with respect to a predetermined reference phase is varied within a predetermined range, superimposed on the torque command, the extreme phase difference when the output of the displacement detector becomes minimum or maximum, and the pole When the amplitude of the torque ripple command is varied within a predetermined range in the value phase difference, an extreme value amplitude is obtained when the output of the displacement detector is minimized, and the value is calculated based on the extreme value phase difference and the extreme value amplitude. A method for measuring torque ripple of a motor, comprising: obtaining a phase difference and an amplitude of torque ripple at a frequency .
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