JP5591400B2 - 駆動機械の負荷特性推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械やロボットなど、モータ等の駆動装置を用いた駆動機械に対して、摩擦などの負荷の特性の推定を行う駆動機械の負荷特性推定装置に関する。

工作機械やロボットにおけるサーボモータなどの駆動装置を用いた駆動機械において、経年劣化や故障といった機械系の診断や特性変化の把握のために、駆動機械の摩擦など、負荷特性を推定し利用することが考えられる。

機械系の特性変動の把握を行う従来技術の１つについて説明する(特許文献１参照)。その従来技術では、駆動機械の動作に対して速度台形波指令を予め作成し、その速度指令に基づいてモータを動作させ、指令に対する最大モータ速度時（すなわち一定速度時）のモータ速度とトルク指令とを保存する。このモータ速度とトルク指令とを最大速度が異なる複数の速度台形波を用いて保存した後、モニタに表示する。また保存された複数のモータ速度ωとトルク指令Ｔｒとを用いて、駆動機械の粘性係数と静止摩擦を同定し、機械系の特性を表す指標として利用する。

この最大モータ速度が異なる複数の速度台形波を用いて測定した複数のモータ速度ω及びトルク指令Ｔｒのデータと、これらのデータから推定した粘性係数と静止摩擦とを、初期運転後、その１週間後、１ヵ月後と定期的に保存し、粘性係数と静止摩擦の値とメーカ指定の値とを比較することで、駆動機械の特性の変動を把握し、正常、異常を判定する方法が示されている。

次に、駆動機械の摩擦を逐次的に推定する従来技術の１つについて説明する(特許文献２参照)。その従来技術では、駆動機械のトルク指令Ｔｒとモータ速度ωとを入力し、モータに外部から加わるトルクである外乱トルクＴｄ(本特許では負荷トルクに相当)の推定値である外乱推定値Ｔｄ＾を出力する外乱オブザーバ部と、外乱推定値Ｔｄ＾とモータ速度ωを入力し、外乱トルクＴｄを以下に示す式（１）のように、速度依存の一次式モデルで近似したときの外乱トルクモデルＴｄｍの粘性係数Ｄと定数項Ｃとを演算する外乱トルク推定部と、外乱トルク推定部の出力とトルク指令Ｔｒとモータ速度ωとを入力し、イナーシャＪｎを同定するイナーシャ同定部で構成されている。

外乱オブザーバ部では、イナーシャ同定部で同定されたイナーシャ同定値Ｊｎとモータ速度ωの時間差分値であるモータ加速度ａとに基づいて、トルク指令からイナーシャの加減速に要するトルク成分を除去し、摩擦や重量負荷など、駆動機械に加わる外乱の推定値である外乱推定値Ｔｄ＾を出力する。ここで、イナーシャの実際の値Ｊとイナーシャ推定値Ｊｎとの間に誤差があれば、外乱推定値Ｔｄ＾は以下の式（２）で表され、第二項のイナーシャ誤差外乱を持つ。また、駆動機械が単純な剛体でない場合も同様にＴｄ＾には誤差が発生する。

Ｔｄ＾＝Ｔｄ＋（Ｊ−Ｊｎ）・ａ ・・・（２）

次に外乱トルク推定部では、式（１）のように外乱トルクＴｄを速度に依存する一次式で近似した外乱トルクモデルＴｄｍに対して適応同定則を適用し、モータ速度ωが正の場合の粘性係数Ｄｐと定数項Ｃｐ、モータ速度が負の場合の粘性係数Ｄｎと定数項Ｃｎとをそれぞれ逐次演算し推定する。ここで定数項Ｃは、定常的な重力負荷によるトルク成分と、モータの動作方向に依存するクーロン摩擦によるトルク成分を合わせたものである。

以上に説明したような手順で粘性項と定数項とを推定するものがすでに提案されている。ここで、上記従来技術における推定の速さについては、モータ速度ωの変化に対する外乱の変化の特性の推定を行うので、モータの速度変化に対応した速さ、すなわち加減速の時定数と同等以下に短い時定数で推定を行うのが通常である。また、イナーシャ推定値Ｊｎに誤差があると上述のように外乱推定値Ｔｄ＾に誤差が発生するため、粘性項Ｄと定数項Ｃで表す外乱トルクモデルＴｄｍの推定結果にも誤差を生じる。このような問題に対して従来技術においては、式（２）より加速度ａが大きいほど外乱推定値Ｔｄ＾の誤差が大きくなるので、加速度ａが所定の閾値より小さい場合だけ外乱トルクモデルＴｄｍの粘性項Ｄと定数項Ｃの推定を実行することで推定誤差を小さくする改良も提案されている。

特開２００９−６８９５０号公報 特開２００７−１２９７８９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術においては、駆動機械の複数の速度台形波の最高速度、つまり駆動機械の複数の異なる一定速度状態のモータ速度とトルク指令の情報を用いたオフライン処理により、駆動機械の摩擦を推定し機械系の特性変化の把握に利用している。しかし機械をいったん停止させて、複数の所定の動作をさせる必要があるため、専用の運転動作をさせるための手間や時間を要し、使用用途が限定されるといった問題がある。

また、特許文献２に記載の従来技術においては、駆動機械における摩擦などの負荷特性を、速度に比例する粘性項の粘性係数と速度の符号にのみ依存する定数項として逐次的に求めるものである。しかしこの従来技術を、駆動機械の経年劣化や故障といった、機械系の特性変化の把握に利用することを考えた場合、以下のようにいくつか問題点がある。

この従来技術においては、モータのトルク指令とモータ加速度と機械系のイナーシャ推定値とに基づいて計算した外乱推定値を用いて、速度変化と摩擦との関係を逐次的に推定する。そのためイナーシャ推定値の誤差、また駆動機械が剛体ではなく、その剛性が低い場合には、そのモデル化誤差に起因して、特に高加速度動作時に推定誤差が大きくなり、安定な推定が困難になるという問題がある。この問題を回避するために、閾値以下の加速度の場合にだけ推定を実行することで推定誤差を小さくする改良方法も、特許文献２に記載されている。しかしその場合、駆動機械の運転条件に応じて閾値を適切に設定しなければ良好な推定を行えない。したがって、摩擦といった機械系固有の負荷特性を、様々な運転条件に対応して安定に推定するのが困難という問題がある。

また上記従来技術においては、駆動機械の負荷特性を速度依存の一次式モデルで近似し、適応同定則を用いて粘性係数と定数項を算出している。しかし、実際の負荷特性と速度依存の一次式で近似したモデルには誤差があり、特に低速運転時には一次式モデルによる近似の精度は悪くなり誤差は大きくなる。その結果、速度の大小といった変化や、低速運転と高速運転とが混在するような運転条件において、負荷特性の推定結果が変化する。このように従来技術においては同じ機械にもかかわらず、運転条件によって推定される負荷特性が変化するという矛盾がある。本来は機械系に固有の負荷特性であるはずの摩擦の推定結果が、運転条件と共に変動してしまい、その経時的な変動を把握できるよう安定に推定するのは困難である。したがって、機械系の診断や特性変化の把握といった用途に用いることはできないという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされものであり、モータ等を用いた駆動機械において、速度の大小や加減速時間の大小といった、様々な運転条件や、その変化にも対応しながら、駆動機械の摩擦といった機械系固有の負荷特性をその経時的な変動も把握できるよう安定して定量化して推定を行い、駆動機械の診断や特性変化の把握にも使える、幅広い用途に利用可能な、駆動機械の負荷特性推定装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、駆動機械の位置に対する動作の指令或いは速度に対する動作の指令を含む動作指令を生成する動作指令生成部と、前記動作指令に前記駆動機械の動作が追従するよう駆動力指令を生成する駆動力指令生成部と、前記駆動力指令に対応した駆動力を発生して前記駆動機械を駆動する駆動部と、前記駆動機械の駆動速度に基づいて、前記駆動機械が、正転動作状態、逆転動作状態、あるいは停止状態のいずれの状態であるかを判定する符号判定部と、前記駆動力指令あるいは前記駆動力を表す信号に基づき、前記駆動機械に加わる負荷駆動力の推定値である負荷駆動力信号を算出する負荷駆動力推定部と、前記符号判定部の判定の結果が正転動作状態である場合に、前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値を算出する正転負荷演算部と、前記符号判定部の判定の結果が逆転動作状態である場合に、前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値を算出する逆転負荷演算部とを備えることを特徴とする。

本発明の駆動機械の負荷特性推定装置によれば、駆動機械に専用の動作をさせることなく、通常の運転動作において駆動機械に加わる負荷の特性を安定して推定できるという効果を奏する。また、その推定結果は駆動機械の診断や特性変化の把握など幅広い用途に応用することができる。

図１は、本発明の実施の形態１の駆動機械の負荷特性推定装置の構成を示したブロック図である。 図２は、図１に記載した正転平均値演算部の構成を示したブロック図である。 図３は、図１に記載した逆転平均値演算部の構成を示したブロック図である。 図４は、駆動速度ｖｍと負荷トルクＴｄの時間変化の関係を示す波形を示した図である。 図５は、駆動速度ｖｍと負荷トルク信号Ｔｄ＾の時間変化の関係を示す波形を示した図である。 図６は、適応同定則による粘性係数と定数項の推定結果の例を示した図である。 図７は、本発明の実施の形態１の負荷特性推定装置による推定結果の例を示した図である。 図８は、実施の形態１の出力結果判定部による推定結果の判定例を示した図である。 図９は、本発明の実施の形態２の駆動機械の負荷特性推定装置の構成を示したブロック図である。 図１０は、駆動速度を速度閾値により分割した各推定区間の様子を示した図である。 図１１は、速度閾値により分割された各推定区間における推定結果を、一次式モデルで近似した様子を示した図である。

以下に、本発明にかかる駆動機械の負荷特性推定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる駆動機械の負荷特性推定装置１００の構成を示すブロック図である。

図１において、動作指令生成部５は、工作機械やロボットなどの駆動機械３の位置や速度に対する動作指令Ｉｐｖを生成する。動作指令Ｉｐｖは、駆動機械３の位置に対する動作の指令、速度に対する動作の指令、或いは位置および動作に対する動作の指令を含んでいる。トルク指令生成部１（駆動力指令生成部）は、駆動機械３が動作指令Ｉｐｖに追従するようなトルク指令Ｔｒ（駆動力指令）を生成する。

駆動部２は例えばモータなどの駆動装置で構成され、トルク指令Ｔｒに応じた駆動トルクＴｍ（駆動力）を発生することで駆動機械３を駆動する。速度検出器４は、駆動機械３の駆動速度ｖｍを検出して出力する。駆動速度ｖｍに関しては、本実施の形態１では駆動機械３の速度を検出して用いるが、これはモータなどで構成される駆動機械３の速度を示す信号であればよく、例えば駆動部２の回転速度を直接検出して用いてもよい。

負荷特性推定装置１００は、符号判定部１０１、負荷トルク推定部１０２（負荷駆動力推定部）、正転平均値演算部１０３、逆転平均値演算部１０４、および出力結果判定部１０５を含んだ構成である。負荷特性推定装置１００には、駆動速度ｖｍとトルク指令Ｔｒとが入力され、後述のように駆動機械３の運転状態の正常、異常を判定した診断結果Ｒを出力する。

次に負荷特性推定装置１００の各構成部について説明する。

符号判定部１０１は、駆動速度ｖｍを入力として受け取り、駆動機械３が正転動作状態、逆転動作状態、あるいは停止状態のどの動作状態にあるかを判定し、これら３つの動作状態のいずれの状態であるかを示す動作情報を含む符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）を出力する。例えば、正転動作状態に対しては１、逆転動作状態に対しては−１、停止状態に対しては０の数値をｓｇｎ（ｖｍ）の出力値として割り当てる。

負荷トルク推定部１０２は、トルク指令Ｔｒと駆動速度ｖｍを入力として受け取り、駆動機械３に外部から加わる摩擦などの負荷分のトルクである負荷トルクＴｄの推定値である負荷トルク信号(負荷駆動力信号)Ｔｄ＾を出力する。以下の式（３）に示すようにトルク指令Ｔｒから加減速動作に要するトルク成分を除去したトルク成分を負荷トルク信号Ｔｄ＾として出力する。

Ｔｄ＾＝Ｔｒ−Ｊｎ・ｓ・ｖｍ ・・・（３）

ここで、Ｊｎは駆動機械３のイナーシャ推定値、ｓはラプラス演算子、ｓ・ｖｍは駆動速度ｖｍをラプラス演算子で微分した駆動加速度を示す。イナーシャ推定値Ｊｎに関しては、本実施の形態の負荷特性推定装置１００が動作する前に、事前に最小二乗法などで推定したものや、本実施の形態の動作と平行して逐次的に推定したものを用いればよい。なお、負荷トルク推定部１０２への入力のトルク指令Ｔｒに関しては、駆動トルクＴｍに対応する信号であればよく、例えば駆動トルクＴｍの検出値や駆動部２におけるモータ電流といった信号で代用してもよい。

正転平均値演算部１０３は、符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）と駆動速度ｖｍと負荷トルク信号Ｔｄ＾とに基づき、駆動機械３が正転している時間区間（正転動作区間）における駆動速度ｖｍに対して逐次的な平均化演算を行った結果である正転速度平均値ｖｍｐと、正転動作区間における負荷トルク信号Ｔｄ＾に対して逐次的な平均化演算を行った結果である正転負荷推定値Ｔｄｐとを出力する。この演算については後述する。

逆転平均値演算部１０４は、符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）と駆動速度ｖｍと負荷トルク信号Ｔｄ＾とに基づき、駆動機械３が逆転している時間区間（逆転動作区間）における駆動速度ｖｍに対して逐次的な平均化演算を行った結果である逆転速度平均値ｖｍｎと、逆転動作区間における負荷トルク信号Ｔｄ＾に対して逐次的な平均化演算を行った結果である逆転負荷推定値Ｔｄｎとを出力する。この演算については後述する。

出力結果判定部１０５には、正転平均値演算部１０３の出力である正転速度平均値ｖｍｐ、正転負荷推定値Ｔｄｐと、逆転平均値演算部１０４の出力である逆転速度平均値ｖｍｎ、逆転負荷推定値Ｔｄｎが入力され、これらの入力から駆動機械３の異常や劣化の判定を行い、その診断結果信号Ｒを出力する。

次に正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４の演算について図２、図３を用いて説明する。

まず図２は、正転平均値演算部１０３の構成を示す図である。この図において正転速度演算部１０３ａには符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）と駆動速度ｖｍとが入力され、例えば以下の（４）式に示す伝達関数において、十分に長い時定数である平均化時定数Ｔを設定した平均化フィルタＦ（ｓ）を用いて、符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）に基づいて判断した駆動機械３の正転動作区間で、駆動速度ｖｍに対して逐次的に平均化する演算を行い、その結果を正転速度平均値ｖｍｐとして出力する。

Ｆ（ｓ）＝１／（Ｔ・ｓ＋１） ・・・（４）

その他の時間区間では処理を停止し正転速度平均値ｖｍｐの値を保持する。ここで、上記の平均化時定数Ｔに関しては、駆動機械３の始動から停止までの１回の動作に要する時間（動作時間）例えば動作時間の１０倍あるいは２０倍といった十分に長い値に設定しておく。

また、正転負荷演算部１０３ｂには符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）と負荷トルク信号Ｔｄ＾とが入力され、正転速度演算部１０３ａと同じ特性を持つ、（４）式で表す平均化フィルタＦ（ｓ）を用いて、符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）に基づいて判断した駆動機械３の正転動作区間で、負荷トルク信号Ｔｄ＾に対して逐次的に平均化する演算を行い、その結果を正転負荷推定値Ｔｄｐとして出力する。その他の時間区間では処理を停止し正転負荷推定値Ｔｄｐの値を保持する。

図３は、逆転平均値演算部１０４の構成を示す図である。この図において逆転速度演算部１０４ａには符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）と駆動速度ｖｍとが入力され、正転平均値演算部１０３で用いたものと同様の平均化フィルタＦ（ｓ）を用いて、符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）に基づいて判断した駆動機械３の逆転動作区間で、駆動速度ｖｍを逐次的に平均化する演算を行い、その結果を逆転速度平均値ｖｍｎとして出力する。その他の時間区間では処理を停止し逆転速度平均値ｖｍｎの値を保持する。

また、逆転負荷演算部１０４ｂには符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）と負荷トルク信号Ｔｄ＾とが入力され、逆転速度演算部１０４ａと同じ特性を持つ平均化フィルタＦ（ｓ）を用いて、符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）に基づいて判断した駆動機械３の逆転動作区間で、負荷トルク信号Ｔｄ＾を逐次的に平均化する演算を行い、その結果を逆転負荷推定値Ｔｄｎとして出力する。その他の時間区間では処理を停止し逆転負荷推定値Ｔｄｎの値を保持する。

次に、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４の出力結果に基づいて、駆動機械３に固有の負荷特性を、平均的な速度と負荷トルクの値の組として安定して推定可能なことを図４乃至図８を用いて説明する。

図４は、駆動機械３の位置や速度を適切に制御しながら、ある所定の動作をさせた場合の時間応答波形を示す図である。図４（ａ）における実線は駆動機械３の駆動速度ｖｍの波形であり、破線は正転速度演算部１０３ａの出力である正転速度平均値ｖｍｐ、点線は逆転速度演算部１０４ａの出力である逆転速度平均値ｖｍｎの波形である。図４（ｂ）における実線は、駆動機械３の負荷トルクＴｄの波形であり、破線は正転負荷演算部１０３ｂの出力である正転負荷推定値Ｔｄｐ、点線は逆転負荷演算部１０４ｂの出力である逆転負荷推定値Ｔｄｎの波形である。ここで負荷トルクＴｄは説明の簡単化のため、後述の一次式モデルの特性と近似して表示する。

図４（ｂ）における実線のように、負荷トルクＴｄを速度依存の一次式モデルで近似した場合、以下に示す式（５）で表すことができる。ここでＤは速度に比例する粘性係数、Ｃは動作方向に依存するクーロン摩擦、ｇは駆動機械３にかかる重力に起因する重力負荷である。

Ｔｄ＝Ｄ・ｖｍ＋Ｃ・ｓｇｎ（ｖｍ）＋ｇ ・・・（５）

式（５）に示す負荷トルクＴｄは、駆動機械３の駆動速度ｖｍの符号に応じて以下に示す式（５ａ）または（５ｂ）で表される。

Ｔｄ＝Ｄｐ・ｖｍ＋Ｃｐ （ｖｍ＞０） ・・・（５ａ）
Ｔｄ＝Ｄｎ・ｖｍ＋Ｃｎ （ｖｍ＜０） ・・・（５ｂ）

ここで、ＤｐとＣｐはそれぞれ駆動速度ｖｍの符号が正の場合の粘性係数と定数項であり、ＤｎとＣｎはそれぞれ駆動速度ｖｍの符号が負の場合の粘性係数と定数項である。定数項ＣｐおよびＣｎはそれぞれ、駆動速度の符号が正のときのクーロン摩擦と重力負荷の和と、駆動速度の符号が負のときのクーロン摩擦と重力負荷の和を示しており、併せて駆動機械３に固有の負荷特性を表す。以下では場合により、この負荷特性のことを摩擦特性と呼ぶ。

ここで、正転負荷演算部１０３ｂと逆転負荷演算部１０４ｂに入力される負荷トルク信号Ｔｄ＾に関して、以下の説明の簡単化のため、この負荷トルク信号Ｔｄ＾と駆動機械３の負荷トルクＴｄが一致するものと仮定すると、正転負荷演算部１０３ｂの出力である正転負荷推定値Ｔｄｐと逆転負荷演算部１０４ｂの出力である逆転負荷推定値Ｔｄｎは、上記の式（５ａ）および（５ｂ）に平均化フィルタＦ（ｓ）を作用させることにより、以下に示す式（６ａ）および（６ｂ）で表される。

Ｔｄｐ＝Ｆ（ｓ）・Ｄｐ・ｖｍ＋Ｆ（ｓ）・Ｃｐ （ｖｍ＞０）・・・（６ａ）
Ｔｄｎ＝Ｆ（ｓ）・Ｄｎ・ｖｍ＋Ｆ（ｓ）・Ｃｎ （ｖｍ＜０）・・・（６ｂ）

また、正転速度演算部１０３ａの出力である正転速度平均値ｖｍｐと逆転速度演算部１０４ａの出力である逆転速度平均値ｖｍｎは以下の式（７ａ）および（７ｂ）で表される。

ｖｍｐ＝Ｆ（ｓ）・ｖｍ （ｖｍ＞０） ・・・（７ａ）
ｖｍｎ＝Ｆ（ｓ）・ｖｍ （ｖｍ＜０） ・・・（７ｂ）

式（６ａ）および（６ｂ）の演算波形を示したのが図４（ｂ）における破線と点線であり、式（７ａ）および（７ｂ）の演算波形を示したのが図４（ａ）における破線と点線となる。

式（６ａ）および（６ｂ）の右辺第一項のＤｐ、Ｄｎは駆動速度ｖｍに対する比例係数であり、また第二項の定数項Ｃｐ、Ｃｎは一定値である。加えて、前述したように正転速度演算部１０３ａと正転負荷演算部１０３ｂとは同じ平均化フィルタＦ（ｓ）を持ち、逆転速度演算部１０４ａと逆転負荷演算部１０４ｂとは同じ平均化フィルタＦ（ｓ）を持つ。このことから、正転負荷推定値Ｔｄｐ、逆転負荷推定値Ｔｄｎ、正転速度平均値ｖｍｐ、逆転速度平均値ｖｍｎには、以下に示す式（８ａ）、（８ｂ）の関係が成り立つ。

Ｔｄｐ＝Ｄｐ・ｖｍｐ＋Ｃｐ （ｖｍ＞０） ・・・（８ａ）
Ｔｄｎ＝Ｄｎ・ｖｍｎ＋Ｃｎ （ｖｍ＜０） ・・・（８ｂ）

すなわち駆動速度ｖｍと負荷トルク信号Ｔｄ＾の演算をすべて同じ平均化フィルタＦ（ｓ）で行う効果により、駆動機械３が駆動速度ｖｍで動作したとき、駆動機械３の負荷トルク信号Ｔｄ＾の平均値は駆動機械３の駆動速度ｖｍの平均値を用いた一次式で表すことができ、式（５ａ）および（５ｂ）で表した駆動機械３の摩擦特性と同様な関係を導出することが可能である。

ここで負荷トルク信号Ｔｄ＾には、駆動機械３の剛性が低い場合は、そのモデル化誤差に起因した振動成分が重畳し、高加減速動作時にはこの成分は更に増大する。これに加え、白色性のノイズも重畳している。しかし、前述した平均化時定数Ｔの設定により、図４に示した各演算波形のように徐々に平均化されるため、これらノイズ等の影響を抑制して安定に、式（５）の摩擦特性と同じ関係に従った正転負荷推定値Ｔｄｐ、逆転負荷推定値Ｔｄｎ、正転速度平均値ｖｍｐ、逆転速度平均値ｖｍｎを演算することができる。さらに、符号判定信号ｓｇｎ（ｖｍ）により駆動機械３の正転、逆転動作は自動的に判定されるため、駆動機械３の実際の稼働中の通常の運転動作で推定を行うことができる。

次に、イナーシャ推定値Ｊｎに誤差があった場合についても、上記演算によりその誤差の影響を受け難く安定に負荷特性を推定できることを説明する。

上記では負荷トルク信号Ｔｄ＾が負荷トルクＴｄに一致するとして説明したが、式（３）のイナーシャ推定値Ｊｎに推定誤差があると、負荷トルク信号Ｔｄ＾には式（９）の右辺第二項に示すイナーシャ誤差外乱が重畳する。ここでＪは駆動機械３のイナーシャを示す。

Ｔｄ＾＝Ｔｄ＋（Ｊ−Ｊｎ）・ｓ・ｖｍ ・・・（９）

図５は、駆動部２を正転動作方向に加減速させたときの駆動機械３の駆動速度ｖｍ（図５（ａ））と負荷トルク信号Ｔｄ＾（図５（ｂ）)の関係を示した時間応答波形である。この図５（ｂ）に示すように、イナーシャ推定値Ｊｎに誤差があると負荷トルク信号Ｔｄ＾にイナーシャ誤差外乱が重畳する。

しかし、このイナーシャ誤差外乱は、駆動機械３の始動から停止するまでの動作区間で平均値を取れば、加速区間と減速区間で相殺される。したがって正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４に、前述した十分長い平均化時定数Ｔを備える平均化フィルタＦ（ｓ）を用いることにより、平均化によって、駆動速度ｖｍと負荷トルク信号Ｔｄ＾の最終的な演算値は式（８ａ）、（８ｂ）の値に収束する。

また、駆動機械３の運転動作において加速時間と減速時間が異なる場合のイナーシャ誤差外乱について検討する。イナーシャ誤差外乱は式（９）に示したように駆動加速度ｓ・ｖｍに比例する誤差外乱である。この駆動加速度ｓ・ｖｍは駆動速度ｖｍの変化率を示したものであるので、駆動機械３の正転動作区間や逆転動作区間のように、機械が動作を始めてから停止するまでの区間で、駆動速度ｖｍの変化率である駆動加速度ｓ・ｖｍの平均値はゼロになることは言うまでも無い。従って、加速時間、減速時間が異なる場合でも、前述したような本実施の形態の平均化の効果により、イナーシャ誤差外乱は加速区間と減速区間で相殺される。

以上のことから、正転平均値演算部１０３で演算される正転速度平均値ｖｍｐと正転負荷推定値Ｔｄｐの値の組と、逆転平均値演算部１０４で演算される逆転速度平均値ｖｍｎと逆転負荷推定値Ｔｄｎの値の組は、駆動機械３に固有の負荷特性をその動作速度に応じて定量的に表したものとなっており、かつ前述した平均化時定数Ｔの設定により安定した演算結果を得ることが可能となる。

なおこの演算処理によれば、正転負荷演算部１０３ｂと逆転負荷演算部１０４ｂの入力として、負荷トルク信号Ｔｄ＾でなくトルク指令Ｔｒを直接用いるようにした場合でも、図５を用いて説明した前述の内容から、正転負荷推定値Ｔｄｐと逆転負荷推定値Ｔｄｎは式（８ａ）、（８ｂ）の右辺の値に収束する。よって負荷トルク推定部１０２による負荷トルク信号Ｔｄ＾の推定処理は省略してもかまわないことがわかる。

次に駆動機械３の摩擦特性と、それを速度比例の一次式で近似したモデルとの間に生じる非線形な誤差の影響について説明する。

図６は、駆動機械３の摩擦特性を詳細に表した一例を示した物であり、横軸は駆動速度ｖｍを、縦軸は負荷トルクＴｄを表している。すなわち、図６は駆動速度ｖｍに応じた負荷特性を示している。図６において実線で示すように、駆動機械３の摩擦特性は厳密には速度に対して比例の直線ではなく曲線の特性となっており、式（５ａ）（５ｂ）で示した一次式モデルと比較すると誤差を持つ。

よってこのような駆動機械３の摩擦特性を、例えば適応同定則を用いて、負荷トルクＴｄを速度比例の一次式として近似したモデルの粘性係数と定数項を推定すると、図６の破線や点線のように、駆動機械３の動作状況によって異なる結果を得る。破線の結果は低速運転が続く状態(低速運転条件)での推定結果で、点線は高速運転が続く状態(高速運転条件)での推定結果である。

図６に示した摩擦特性の例の場合は、低速運転条件の場合は速度が低い区間の摩擦特性の情報で推定されたため、破線の傾きを表す粘性係数は大きく、縦軸（Ｔｄ軸）との切片である定数項の絶対値は小さい。これに対して高速運転条件の場合は速度が高い区間の摩擦特性の情報で推定するため、点線の粘性係数は低速運転条件よりも小さく、縦軸との切片の定数項の絶対値は大きくなる。このように摩擦特性が一次式の直線のモデルから少しずれた曲線の特性になっているだけで、低速、高速といった動作点の相違により、一次式の直線に近似した場合の粘性係数と定数項が大きく異なり、同じ機械に対する推定にもかかわらず、運転条件によって推定される摩擦特性が大きく変化する矛盾が生じる。

これに対して本実施の形態においては、前述したように正転速度演算部１０３ａと正転負荷演算部１０３ｂとに同じ平均化フィルタを、逆転速度演算部１０４ａと逆転負荷演算部１０４ｂとに同じ平均化フィルタを用いる。そして、駆動速度ｖｍと負荷トルク信号Ｔｄ＾に対して十分に長い時定数で平均化の演算を行い、機械系に固有の負荷特性を速度と負荷トルクを平均化した値の組として利用するので、以下のような効果が得られる。

図７は、本実施の形態にかかる駆動機械の負荷特性推定装置１００による推定結果を示した一例である。この図において、実線は駆動機械３の詳細な摩擦特性を示した物であり、黒い丸のプロット点は正転動作区間において高速運転条件での正転速度平均値ｖｍｐと正転負荷推定値Ｔｄｐの値の組、黒い四角形のプロット点は正転動作区間において低速運転条件での正転速度平均値ｖｍｐと正転負荷推定値Ｔｄｐの値の組、白い丸のプロット点は逆転動作区間における高速運転条件での逆転速度平均値ｖｍｎと逆転負荷推定値Ｔｄｎの値の組、白い四角形のプロット点は逆転動作区間における低速運転条件での逆転速度平均値ｖｍｎと逆転負荷推定値Ｔｄｎの値の組をそれぞれ示している。

本実施の形態によれば、低速運転条件では速度が低い区間における曲線の摩擦特性の情報を平均化した速度と負荷トルクの値の組で、高速運転条件では速度が高い区間における摩擦特性の情報を平均化した速度と負荷トルクの値の組として安定に推定される。その結果、図７に示したように、低速運転条件、高速運転条件といった様々な運転条件に応じて、推定される速度と負荷トルクを平均化した値の組は、駆動機械３の詳細な摩擦特性の曲線上にほぼ一致するように得られる。また低速運転や高速運転が均等に繰り返される場合はそれらの平均的な速度と平均的な負荷トルクの組が負荷特性として安定に推定される。

また、正転速度演算部１０３ａと正転負荷演算部１０３ｂの平均化フィルタＦ（ｓ）の特性及び平均化時定数Ｔを同一にして、逆転速度演算部１０４ａと逆転負荷演算部１０４ｂの平均化フィルタＦ（ｓ）の特性及び平均化時定数Ｔを同一にしていることにより、正転平均値演算部１０３で演算される正転速度平均値ｖｍｐ、正転負荷推定値Ｔｄｐの値の組と、逆転平均値演算部１０４で演算される逆転速度平均値ｖｍｎ、逆転負荷推定値Ｔｄｎの値の組は、例えば低速運転条件から高速運転条件へと運転条件が変化するような場合でも、駆動機械３の詳細な摩擦特性の線上から大きく外れることはない。

即ち、このように運転条件が変化した場合であっても、図７に示した低速運転条件での推定結果である四角形のプロット点から、高速運転条件での推定結果である丸のプロット点へと、推定結果は駆動機械３の詳細な摩擦特性の線上から大きく外れることなく移動する。

したがって、図７に示すように、駆動機械３の摩擦特性が、それを速度比例の一次式で近似したモデルとの間に非線形な誤差を生じるような場合でも、単純な往復動作や低速、高速動作が組み合わさる動作など、様々な運転条件に左右されることなく、摩擦特性すなわち駆動機械３に固有の負荷特性を小さな誤差で、かつ安定して定量的に検出することができる。

次に出力結果判定部１０５による駆動機械３の異常や劣化の判定処理の詳細について図８を用いて説明する。

出力結果判定部１０５には、図１に示したように正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４の出力結果である正転速度平均値ｖｍｐ、正転負荷推定値Ｔｄｐ、逆転速度平均値ｖｍｎ、逆転負荷推定値Ｔｄｎがそれぞれ入力される。また出力結果判定部１０５には、駆動機械３の負荷の正常範囲がデータとして格納されている。この格納されている正常範囲と、入力される正転速度平均値ｖｍｐ、正転負荷推定値Ｔｄｐの値の組と、逆転速度平均値ｖｍｎ、逆転負荷推定値Ｔｄｎの値の組とを比較し、駆動機械３の正常、異常を判定した診断結果信号Ｒを出力する。

図８は、出力結果判定部１０５における駆動機械３の異常・劣化の判定の一例を示した図である。図８において、実線は、破線で示す駆動機械３の詳細な摩擦特性を、駆動機械３の正転動作、逆転動作とにそれぞれ対応した２つの速度依存の一次式モデルで近似したものである。この実線の一次式モデルは、例えば駆動機械３から採取した低速運転から高速運転までの幅広い動作範囲の駆動データから実測測定して求めればよい。出力結果判定部１０５には、この実線を基準として適切に設定したマージン幅を持たせた図８に示すハッチングが付された範囲が駆動機械３の負荷の正常範囲として格納されている。

このような正常範囲が格納されている出力結果判定部１０５に、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４により推定された正転速度平均値ｖｍｐと正転負荷推定値Ｔｄｐの値の組と逆転速度平均値ｖｍｎと逆転負荷推定値Ｔｄｎの値の組が入力されると、駆動機械３が正常なとき、これらの組は本実施の形態の負荷特性推定装置１００の特性により図８の破線上付近かつ灰色の正常範囲内に存在する。

しかし、駆動機械３に異常や劣化などが起き、それに起因して摩擦などの負荷が増加するような場合には、速度と負荷トルクを平均化した値の組は破線上付近から大きく外れていき図８のハッチングが付された正常範囲から外れる。よって図８に示すように、出力結果判定部１０５に入力される速度と負荷トルクを平均化した値の組がハッチングが付された正常範囲から外れた場合に、駆動機械３の駆動状態に異常・劣化が起こっていると判定できる。

上記説明においては、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４の平均化フィルタＦ（ｓ）は同じ特性であるとして説明したが、例えば平均化フィルタＦ（ｓ）の次数が異なっても平均化時定数Ｔがほぼ同じであれば、同様な性質が得られることは言うまでも無い。また、フィルタの平均化時定数Ｔが各平均化フィルタＦ（ｓ）で完全に同じでなく、例えば３０％程度の相違があっても、近似的には同様な特性が得られることも言うまでも無い。また、駆動機械３が同じパターンを繰り返して動作するような場合には、平均化時定数Ｔが十分に長ければ正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４の出力である正転速度平均値ｖｍｐ、正転負荷推定値Ｔｄｐ、逆転速度平均値ｖｍｎ、逆転負荷推定値Ｔｄｎは同じ値に収束するので、平均化時定数が厳密に同じ値でなくても良い。

また上記説明では、正転速度演算部１０３ａおよび逆転速度演算部１０４ａを備え、これらにより演算した正転速度平均値ｖｍｐと逆転速度平均値ｖｍｎに基づいて、出力結果判定部１０５が診断結果信号Ｒの判定を行う構成としていた。しかしながら、駆動機械３が部品実装装置である場合など、通常運転動作において、動作指令生成部５の動作指令Ｉｐｖが複数の動作パターンの繰り返しとして生成される場合も多い。このような場合においては、正転速度平均値ｖｍｐと逆転速度平均値ｖｍｎの値は大きく変化することはなくその値も予め把握可能である。したがってこのような場合は、正転速度演算部１０３ａと逆転速度演算部１０４ａを備えなくとも、正転負荷推定値Ｔｄｐおよび逆転負荷推定値Ｔｄｎのみに基づいて駆動機械３に固有の負荷特性を把握できる。そして、それらの変化を出力結果判定部１０５において監視することで、駆動機械３の駆動状態に異常・劣化が起こっているか否かを判定することができる。

なお、本実施の形態による駆動機械の負荷特性推定装置１００は、出力結果判定部１０５を内部に備え、駆動機械３の正常、異常を判定した診断結果信号Ｒを出力する構成として記述したが、出力結果判定部１０５の動作は他の構成要素に比べて非常に長い時間間隔で動作してよいため、出力結果判定部１０５はそれ以外の構成要素と異なる外部の上位装置の機能として実現してもよい。

また、本実施の形態による負荷特性推定装置１００において最も特徴的な信号である、正転速度平均値ｖｍｐ、正転負荷推定値Ｔｄｐ、逆転速度平均値ｖｍｎ、逆転負荷推定値Ｔｄｎを得ることができれば、例えば、出力結果判定部１０５の動作と同等な作業を、定期的に人手により判断して実行することも可能である。すなわち、負荷特性推定装置１００は、負荷特性推定装置は正転速度平均値ｖｍｐ、正転負荷推定値Ｔｄｐ、逆転速度平均値ｖｍｎ、逆転負荷推定値Ｔｄｎを出力するものとして構成してもよい。

なお、本実施の形態では、駆動部２として回転力、つまりトルクを駆動力として発生させる一般的なモータを想定しているが、リニアモータのように直線的な推力を駆動力として発生させる駆動部に関しても、全く同様に実施可能であることは言うまでも無い。

本実施の形態の負荷特性推定装置１００は上記に説明したように、特別な動作パターンとは限らない通常の運転条件で駆動機械を動作させた場合でも、特別な操作を追加することなく、摩擦などの情報を含んだ数値を安定して出力するよう構成される。具体的には、負荷特性推定装置１００は、符号判定部１０１、正転負荷演算部１０３ｂ、逆転負荷演算部１０４ｂを備えて、正転区間と逆転区間とで個別に、十分に長い時定数で負荷トルク信号Ｔｄ＾の逐次的な平均化を行って正転負荷推定値Ｔｄｐと逆転負荷推定値Ｔｄｎの演算を行う構成を有している。これにより、正転と逆転や異なる移動距離の加減速パターンが混在するような通常の運転動作の条件でも、イナーシャ推定誤差やノイズなどの影響を除去し、駆動機械３の摩擦などを含んだ負荷特性を表す数値を安定に得て、駆動機械の診断や特性変化の把握といった幅広い用途に利用可能な駆動機械の負荷特性推定装置を提供することができる。

さらに、正転速度演算部１０３ａと逆転速度演算部１０４ａとを備えて正転速度平均値ｖｍｐと逆転速度平均値ｖｍｎとの演算を行うので、低速運転が続く状態や高速運転が続く状態といった運転条件が変化するような場合でも、速度平均値と負荷推定値との組み合わせとして、運転条件に応じて駆動機械３の負荷特性を表す数値を安定して得ることができる。従って、より幅広い用途に利用可能な駆動機械の負荷特性推定装置を提供することができる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２にかかる駆動機械の負荷特性推定装置２００の構成を示すブロック図である。

図９に示すように、本実施の形態２における負荷特性推定装置２００は、図１に示した駆動機械の負荷特性推定装置１００の内部構成に、動作区間判定部１０６と分割区間平均値演算部１０７を追加し、出力結果判定部１０５に換わり摩擦係数推定部２０５を備えたものである。

図９において、トルク指令生成部１、駆動部２、駆動機械３、速度検出器４、動作指令生成部５、符号判定部１０１、負荷トルク推定部１０２、正転平均値演算部１０３、および逆転平均値演算部１０４に関しては、実施の形態１の場合と入力、出力、機能および動作等は同様であるため説明は省略する。

動作区間判定部１０６には、速度検出器４の出力である駆動機械３の駆動速度ｖｍと、正転速度演算部１０３ａの出力である正転速度平均値ｖｍｐと、逆転速度演算部１０４ａの出力である逆転速度平均値ｖｍｎとが入力される。

動作区間判定部１０６は、駆動機械３の正転動作区間においては、正転速度平均値ｖｍｐを閾値として、駆動速度ｖｍが閾値ｖｍｐよりも大きい高速動作区間を区間１、駆動速度ｖｍが閾値ｖｍｐよりも小さい低速動作区間を区間２と判定する。さらに動作区間判定部１０６は、駆動機械３の逆転動作区間においては、逆転速度平均値ｖｍｎの絶対値を閾値として、駆動速度ｖｍの絶対値が閾値（ｖｍｎの絶対値）よりも大きい高速動作区間を区間３、駆動速度ｖｍの絶対値が閾値（ｖｍｎの絶対値）よりも小さい低速動作区間を区間４と判定する。

即ち、動作区間判定部１０６は、駆動機械３が上記４つの区間のどの区間で動作中かを判定し、これら４つの区間の情報を持った動作区間分割信号Ｓを出力する。動作区間分割信号Ｓには、例えば区間１に１、区間２に２、区間３に３、区間４に４、停止状態に０の数値をそれぞれ割り当てればよい。この区間の分割に関しては、図１０を用いて後述する。

分割区間平均値演算部１０７には、動作区間分割信号Ｓと駆動速度ｖｍと負荷トルク信号Ｔｄ＾とが入力される。分割区間平均値演算部１０７は、動作区間分割信号Ｓにより分割された４つの区間ｋ（ｋ＝１、２、３、４）のそれぞれに対応して、４つの区間速度平均値ｖａ（ｋ）と、４つの区間負荷推定値Ｔａ（ｋ）を出力する。

ここで、区間速度平均値ｖａ（ｋ）は駆動速度ｖｍを区間ｋにおいて逐次的に平均化の演算を行ったもので、区間負荷推定値Ｔａ（ｋ）は負荷トルク信号Ｔｄ＾を区間ｋにおいて逐次的に平均化の演算を行ったものである。なお、図９に示した分割区間平均値演算部１０７の区間速度平均値ｖａ（ｋ）と区間負荷推定値Ｔａ（ｋ）の２つの出力は、この４つの区間ｋで平均化されたそれぞれ４つの値の情報を持つベクトル信号である。

ここで、分割区間平均値演算部１０７での演算及び動作区間判定部１０６と分割区間平均値演算部１０７を追加したことによって、機械系に固有の負荷特性をより詳細に把握することが可能となることについて図１０を用いて説明する。

図１０は本実施の形態において、駆動機械の位置や速度を適切に制御しながら、ある所定の動作をさせた場合の駆動速度ｖｍ（図１０（ａ）)と負荷トルク信号Ｔｄ＾（図１０（ｂ））の時間応答を示した一例である。図１０には、正転速度演算部１０３ａの出力である正転速度平均値ｖｍｐを破線で示し、逆転速度演算部１０４ａの出力である逆転速度平均値ｖｍｎを点線で示している。またこれらの正転速度平均値ｖｍｐと逆転速度平均値ｖｍｎとを閾値とした判定に基づいて、前述した区間１、区間２、区間３、区間４の４つの動作状態に応じた区間に分割した時間区間を示している。

例えば、図１０に示す区間１においては、分割区間平均値演算部１０７は、動作区間判定部１０６から入力される動作区間分割信号Ｓに基づいて、駆動機械３がこの区間１で動作する時間区間では、駆動速度ｖｍに対して逐次的な平均化演算を行った結果を第１の区間速度平均値ｖａ（１）とし、負荷トルク信号Ｔｄ＾に対して逐次的な平均化演算を行った結果を第１の区間負荷推定値Ｔａ（１）として出力する。このとき、ｋ＝１以外、即ち、ｋ＝２、３、４の第ｋの区間速度平均値ｖａ（ｋ）及び第ｋの区間負荷推定値Ｔａ（ｋ）はその値を更新することなく保持する。

駆動機械３がその他の各区間ｎで動作する時間区間においても同様な動作を行い、分割区間平均値演算部１０７は、動作区間信号Ｓに基づいて、駆動機械３が区間ｎで動作する時間区間では、駆動速度ｖｍに対して逐次的に平均化演算を行った結果を第ｎの区間速度平均値ｖａ（ｎ）とし、負荷トルク信号Ｔｄ＾に対して逐次的に平均化演算を行った結果を第ｎの区間負荷推定値Ｔａ（ｎ）として出力する。このとき、ｋ＝ｎ以外の第ｋの区間速度平均値ｖａ（ｋ）および第ｋの区間負荷推定値Ｔａ（ｋ）はその値を更新することなく保持する。

分割区間平均値演算部１０７で各区間ｋにおける駆動速度ｖｍと負荷トルク信号Ｔｄ＾それぞれの平均値の演算に用いる平均化フィルタの伝達特性は同一であり、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４で用いたように、駆動機械３の始動から停止までの１回の動作に要する時間よりも十分に長い平均化時定数Ｔを持つ式（４）で示した平均化フィルタＦ（ｓ）である。

本実施の形態にかかる駆動機械の負荷特性推定装置２００においても、実施の形態１と同様に、正転平均値演算部１０３が出力した正転速度平均値ｖｍｐおよび正転負荷推定値Ｔｄｐと、逆転平均値演算部１０４が出力した逆転速度平均値ｖｍｎおよび逆転負荷推定値Ｔｄｎとを算出する。本実施の形態の負荷特性推定装置２００においては、さらに、追加した動作区間判定部１０６により正転及び逆転動作区間でそれぞれ高速動作区間と低速動作区間とに分割された合計４つの分割区間ｋに対して、同じく追加された分割区間平均値演算部１０７により、区間速度平均値ｖａ（ｋ）と区間負荷推定値Ｔａ（ｋ）の演算を行う。このように、分割された各動作区間において駆動速度と負荷トルクを平均化することにより、機械系に固有の負荷特性を表すより多くの異なる平均化した駆動速度と負荷トルクの組が得られ、速度と負荷駆動力の二次元的な関係を得ることが可能となる。

また、分割区間平均値演算部１０７では、区間速度平均値ｖａ（ｋ）の各々と区間負荷推定値Ｔａ（ｋ）の各々の演算において、正転平均値演算部１０３および逆転平均値演算部１０４において十分に長い平均化時定数Ｔを持つ同様な平均化フィルタＦ（ｓ）を用いて演算を行うので、白色性のノイズや駆動機械の剛性に起因した振動成分などの影響を除去して機械系に固有の負荷特性を安定して定量化できる。

イナーシャ推定値Ｊｎの誤差に起因するイナーシャ誤差外乱に関しても、十分な平均化演算により加速時の誤差と減速時の誤差はそれぞれ相殺され、イナーシャ誤差外乱を除去した負荷トルク信号Ｔｄ＾として区間負荷推定値Ｔａ（ｋ）を計算することができる。なお、正転速度平均値ｖｍｐと逆転速度平均値ｖｍｎを推定区間分割の際の速度閾値として用いていることから、低速運転や高速運転といった様々な運転条件に応じて自動的に推定区間を分割することができる。

図１１は、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４と分割区間平均値演算部１０７の出力である、正転速度平均値ｖｍｐと正転トルク平均値Ｔｄｐの値の組と、逆転速度平均値ｖｍｎと逆転トルク平均値Ｔｄｎの値の組と、区間速度平均値ｖａ（ｋ）と区間トルク平均値Ｔａ（ｋ）の値の各組の演算結果をプロットした物である。これらの結果は前述した内容から、図中に破線で示した駆動機械３の詳細な摩擦特性を示す曲線上付近に小さな誤差の範囲で推定される。実線については後述する。

以上説明したように、図９に示したような構成を備えた駆動機械の負荷特性推定装置２００により、任意の動作パターンで運転をしながら複数の速度に対する負荷特性を安定な数値として演算することで、より詳細な機械系に固有の負荷特性を把握することが可能となる。

次に、摩擦係数推定部２０５の動作について説明する。摩擦係数推定部２０５は以下に説明するように、駆動機械３の詳細な摩擦特性を速度に依存する一次式モデルで近似したときの粘性係数と定数項とを推定するものである。

摩擦係数推定部２０５には、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４と分割区間平均値演算部１０７の演算結果である、図１１に示した駆動速度ｖｍが正、負のそれぞれの場合に対する各３つのプロットの値(平均化された駆動速度と負荷トルクの値の組)が入力される。摩擦係数推定部２０５は、これらの値に基づいて駆動機械３の詳細な摩擦特性を式（５ａ）、（５ｂ）のような一次式モデルで近似した場合の、正転動作時の粘性係数Ｄｐ＾と定数項Ｃｐ＾、逆転動作時の粘性係数Ｄｎ＾と定数項Ｃｎ＾の推定演算を行う。その演算方法としては、正転、逆転の各々の場合に対して、３つの駆動速度の値と３つの負荷トルクの値を用いて、例えば一括型最小二乗法などを適用すればよい。

図１１に実線で示したのが、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４と分割区間平均値演算部１０７の演算結果を用いて最小二乗推定した摩擦特性を示した直線である。図１１において、駆動速度ｖｍが正の領域における実線の傾きが粘性係数Ｄｐ＾に、縦軸(負荷トルク軸)との切片が定数項Ｃｐ＾に、駆動速度ｖｍが負の領域における実線の傾きが粘性係数Ｄｎ＾に、縦軸(負荷トルク軸)との切片が定数項Ｃｎ＾にそれぞれ対応している。

次に、実施の形態２において得られる効果の特徴について説明する。例えば、特許文献２に記載の技術のように、駆動速度ｖｍと負荷トルク信号Ｔｄ＾から直接的に逐次最小二乗法などの方法により定数項Ｃおよび粘性係数Ｄの推定を行った場合、先に述べたように、駆動速度ｖｍの大小や運転パターンの変化により、粘性係数と定数項の推定結果が変動してしまうという問題があった。

これに対して本実施の形態によれば、駆動機械３の正転動作区間および逆転動作区間の２つの動作区間に対して、駆動速度ｖｍに設定した閾値に基づいて分割された、駆動機械３の正転動作状態の高速動作区間と低速動作区間、駆動機械３の逆転動作状態の高速動作区間と低速動作区間の４つの動作区間を加えた計６つの動作区間において、機械系に固有の負荷特性を表す駆動速度と負荷トルクを平均化した値の組を上記のように安定して推定することができる。また、この安定に推定された複数の組を一括的に用いた演算により、駆動機械の摩擦特性を近似した一次式モデルの粘性係数と定数項を、速度の大小といった条件変化に対しても安定して推定することができる。

実施の形態１においては、平均化された駆動速度ｖｍと負荷トルクＴｄの値の組が、駆動機械３に固有の負荷特性を、駆動速度ｖｍの正負に対して各１つの点で表していた。これに対して本実施の形態２においては、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４と分割区間平均値演算部１０７の演算結果を用いることで、駆動機械３の詳細な摩擦特性を、速度に応じた一次式モデルの粘性係数と定数項という２つのパラメータで簡単に表すことができ、すなわち直線として安定して推定し、負荷特性をより詳細に把握することが可能となる。

なお、実施の形態１と同様に、本実施の形態２の推定結果の経時変化を監視することで、駆動機械３の異常を監視することも可能であり、また、特に詳細な説明はしないものの、本実施の形態２の推定結果を駆動機械３の位置や速度の制御する際の摩擦補償として利用することで、制御精度に寄与することも可能である。

実施の形態２においては、動作区間判定部１０６は入力される正転速度平均値ｖｍｐと逆転速度平均値ｖｍｎを推定区間分割の際に閾値として入力したが、この閾値に関しては、外部から適当な閾値を１つ以上設定してもよく、推定区間を１つ以上の閾値により更に細分化しても各区間の速度と負荷トルクの平均値の組は安定に導出されることから、機械系に固有の負荷特性を更に詳細に把握することも可能になる。

つまり、外部から設定した閾値により推定区間を細分化する場合、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４とが本実施の形態２の構成要素から削除されても、分割区間平均値演算部１０７の演算結果のみで、駆動機械３の詳細な摩擦特性を、速度に応じた一次式モデルの粘性係数と定数項という２つのパラメータで表すことができることは言うまでも無い。

実施の形態２においては、以上説明したように駆動機械の負荷特性推定装置２００を構成することにより、駆動機械３に固有の負荷特性を、ノイズやイナーシャ推定値の誤差などの影響を抑制し、速度の大小や加減速時間の大小といった、様々な運転条件や、その変化にも対応しながら、より詳細に、安定して逐次的に推定することができ、より幅広い用途に利用可能な駆動機械の負荷特性推定装置を提供することができる。即ち、通常の運転動作で、駆動機械３に加わる負荷の特性を安定して線形近似できるので、その推定結果を、駆動機械３の特性変化の把握や駆動機械３の制御の際の摩擦補償など幅広い用途に応用することができる。

実施の形態１および２において、通常の運転動作において駆動機械３に加わる負荷の特性を安定して推定できる。またその推定結果は、駆動機械３の診断や特性変化の把握など幅広い用途に応用できる。さらに、駆動機械３の稼働中に動作指令が変更される場合でも、駆動機械３に加わる負荷の特性を安定して推定でき、かつ高速運転、低速運転などの動作条件の過渡的な変化に対しても、駆動機械３に加わる負荷の特性を安定して推定することができる。さらに、逐次的な平均値を算出する演算の時定数を動作指令が始動から停止までの１回の動作に要する時間よりも長い値に設定することにより、イナーシャ推定値の誤差に起因する誤差外乱を抑制できると共に、ノイズや振動成分なども抑制することが可能となる。また、正転平均値演算部１０３と逆転平均値演算部１０４の演算結果を用いることで、駆動機械３の運転状態の正常・異常を判定することができる。

更に、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。

例えば、上記実施の形態１および２それぞれに示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、上記実施の形態１および２にわたる構成要件を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかる駆動機械の負荷特性推定装置は、工作機械やロボットにおけるサーボモータなどの駆動装置を用いた駆動機械の負荷特性推定装置に有用であり、特に、様々な運転条件やその変化にも対応しながら、駆動機械の摩擦といった機械系固有の負荷特性を、その経時的な変動も把握できるよう安定して定量化する駆動機械の負荷特性推定装置に適している。

１ トルク指令生成部
２ 駆動部
３ 駆動機械
４ 速度検出器
５ 動作指令生成部
１００、２００ 駆動機械の負荷特性推定装置
１０１ 符号判定部
１０２ 負荷トルク推定部
１０３ 正転平均値演算部
１０３ａ 正転速度演算部
１０３ｂ 正転負荷演算部
１０４ 逆転平均値演算部
１０４ａ 逆転速度演算部
１０４ｂ 逆転負荷演算部
１０５ 出力結果判定部
１０６ 動作区間判定部
１０７ 分割区間平均値演算部
２０５ 摩擦係数推定部

Claims (12)

1. 駆動機械の位置に対する動作の指令或いは速度に対する動作の指令を含む動作指令を生成する動作指令生成部と、
   前記動作指令に前記駆動機械の動作が追従するよう駆動力指令を生成する駆動力指令生成部と、
   前記駆動力指令に対応した駆動力を発生して前記駆動機械を駆動する駆動部と、
   前記駆動機械の駆動速度に基づいて、前記駆動機械が、正転動作状態、逆転動作状態、あるいは停止状態のいずれの状態であるかを判定する符号判定部と、
   前記駆動力指令あるいは前記駆動力を表す信号に基づき、前記駆動機械に加わる負荷駆動力の推定値である負荷駆動力信号を算出する負荷駆動力推定部と、
   前記符号判定部の判定の結果が正転動作状態である場合に、前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値を算出する正転負荷演算部と、
   前記符号判定部の判定の結果が逆転動作状態である場合に、前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値を算出する逆転負荷演算部と、
   前記符号判定部の判定の結果が正転動作状態である場合に、前記駆動速度の逐次的な平均値を算出する正転速度演算部と、
   前記符号判定部の判定の結果が逆転動作状態である場合に、前記駆動速度の逐次的な平均値を算出する逆転速度演算部と、
   を備えることを特徴とする駆動機械の負荷特性推定装置。
2. 前記正転速度演算部は前記正転負荷演算部と同一の伝達特性を有し、
   前記逆転速度演算部は前記逆転負荷演算部と同一の伝達特性を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。
3. 前記正転負荷演算部が算出した平均値と前記正転速度演算部が算出した平均値との組、および、前記逆転負荷演算部が算出した平均値と前記逆転速度演算部が算出した平均値との組が、それぞれ所定の正常範囲にあるか否かを判断する出力結果判定部を備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。
4. 前記出力結果判定部は、前記所定の正常範囲を、前記駆動機械の正転動作状態と逆転動作状態とにそれぞれ対応した前記駆動速度と前記負荷駆動力との関係を示す２つの一次式に基づいて定める
   ことを特徴とする請求項３に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。
5. 駆動機械の位置に対する動作の指令或いは速度に対する動作の指令を含む動作指令を生成する動作指令生成部と、
   前記動作指令に前記駆動機械の動作が追従するよう駆動力指令を生成する駆動力指令生成部と、
   前記駆動力指令に対応した駆動力を発生して前記駆動機械を駆動する駆動部と、
   前記駆動機械の駆動速度に基づいて、前記駆動機械が、正転動作状態、逆転動作状態、あるいは停止状態のいずれの状態であるかを判定する符号判定部と、
   前記駆動力指令あるいは前記駆動力を表す信号に基づき、前記駆動機械に加わる負荷駆動力の推定値である負荷駆動力信号を算出する負荷駆動力推定部と、
   前記駆動速度と、前記符号判定部の判定の結果と、前記駆動機械の正転動作状態での第１の速度閾値と、前記駆動機械の逆転動作状態での第２の速度閾値とに基づいて、前記駆動機械が、前記駆動速度の大小関係に応じて分割した複数の動作区間の何れの状態であるかを判定する動作区間判定部と、
   前記動作区間判定部の判定の結果に基づいて、複数の前記動作区間毎に前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値を算出し、前記動作区間判定部の判定の結果に基づいて、複数の前記動作区間毎に前記駆動速度の逐次的な平均値を算出する分割区間平均値演算部と、
   を備えることを特徴とする駆動機械の負荷特性推定装置。
6. 複数の前記動作区間毎に算出された前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値と前記駆動速度の逐次的な平均値との組とを、正転動作状態と逆転動作状態とにそれぞれ対応した前記駆動速度と前記負荷駆動力との関係を表した２つの一次式により近似することにより、前記負荷駆動力の一次式モデルにおける粘性係数と定数項を推定する摩擦係数推定部と
   を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。
7. 前記符号判定部の判定の結果が正転動作状態である場合に、前記駆動速度の逐次的な平均値を算出する正転速度演算部と、
   前記符号判定部の判定の結果が逆転動作状態である場合に、前記駆動速度の逐次的な平均値を算出する逆転速度演算部と
   を更に備え、
   前記正転速度演算部が算出した平均値を前記第１の速度閾値とし、
   前記逆転速度演算部が算出した平均値を前記第２の速度閾値とする
   ことを特徴とする請求項５に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。
8. 前記分割区間平均値演算部は、前記動作区間毎に前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値を算出する演算の伝達特性と、前記動作区間毎に前記駆動速度の逐次的な平均値を算出する演算の伝達特性とを同一とする
   ことを特徴とする請求項５に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。
9. 前記符号判定部の判定の結果が正転動作状態である場合に、前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値を算出する正転負荷演算部と、
   前記符号判定部の判定の結果が逆転動作状態である場合に、前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値を算出する逆転負荷演算部と、
   前記符号判定部の判定の結果が正転動作状態である場合に、前記駆動速度の逐次的な平均値を算出する正転速度演算部と、
   前記符号判定部の判定の結果が逆転動作状態である場合に、前記駆動速度の逐次的な平均値を算出する逆転速度演算部と、
   を更に備え、
   前記摩擦係数推定部は、前記粘性係数と前記定数項の推定に、前記正転負荷演算部が算出した平均値と前記正転速度演算部が算出した平均値との組と、前記逆転負荷演算部が算出した平均値と前記逆転速度演算部が算出した平均値との組と、
   を更に用いることを特徴とする請求項６に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。
10. 前記近似は最小二乗法による
    ことを特徴とする請求項６または９に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。
11. 前記正転負荷演算部は、前記逐次的な平均値を算出する演算の時定数を前記動作指令が始動から停止までに要する時間よりも大きい値に設定し、
    前記逆転負荷演算部は、前記逐次的な平均値を算出する演算の時定数を前記動作指令が始動から停止までに要する時間よりも大きい値に設定する
    ことを特徴とする請求項１、２または９に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。
12. 前記分割区間平均値演算部は、前記動作区間判定部の判定の結果に基づいて、複数の前記動作区間毎に前記負荷駆動力信号の逐次的な平均値を算出する演算の時定数を、前記動作指令が始動から停止までに要する時間よりも大きい値に設定する
    ことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の駆動機械の負荷特性推定装置。

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