JP7221770B2

JP7221770B2 - 機械システムの摩擦同定装置

Info

Publication number: JP7221770B2
Application number: JP2019073638A
Authority: JP
Inventors: 善久北条; 拓哉佐藤; 敏昌宮崎
Original assignee: Nagaoka University of Technology; Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Nagaoka University of Technology; Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2039-04-08
Also published as: JP2020173116A

Description

本発明は、モータと機械装置が捻じれ要素によって結合されている機械システムの特性、とりわけ捻じれ要素によって生じる捻じれ摩擦を同定する摩擦同定装置に関する。

機械装置をモータにより駆動する際には、装置の特性を正確に把握することが重要である。とりわけ、モータと機械装置との間の共振による振動の特性を測定することが重要である。そこで、このような特性を測定するための技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、モータトルク指令値から捻じれトルクまでの伝達関数とモータトルク指令値から機械装置回転速度の伝達関数の比を計算することで機械装置の特性を測定する技術が記載されている。

特許第６１４９９４８号公報

特許文献１に記載されている技術では、制御対象の摩擦は、モータと機械装置の摩擦という形で同定されている。しかし、実際にはモータと機械装置の摩擦以外に、捻じれ要素による捻じれ摩擦が別に存在する。
そのため、特許文献１に記載されている技術では、モータと機械装置を結合するカップリングなどの捻じれ要素による捻じれ摩擦が考慮されておらず、正しいモデル化ができず共振時における特性に誤差が生じてしまう。

上記のような問題点を鑑みてなされた本発明の目的は、モータと機械装置を結合する捻じれ要素によって生じる捻じれ摩擦を考慮して機械システムをモデル化し、前記捻じれ要素の捻じれ摩擦を同定する摩擦同定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る摩擦同定装置は、機械装置を駆動するモータと機械装置が捻じれ要素を介して結合された機械システムの特性を同定する装置であって、前記機械装置に入力されるトルクを検出するトルク検出部と、前記機械装置に入力されるトルクから捻じれトルクを算出するトルク算出器と、モータ回転速度と機械装置回転速度との差である捻じれ速度と、前記捻じれ要素のバネ定数と、推定捻じれ摩擦に基づき、捻じれトルク推定値を演算する捻じれトルク推定部と、前記捻じれトルクと前記捻じれトルク推定値との偏差が小さくなるように前記推定捻じれ摩擦を調整する推定捻じれ摩擦調整部とを、備える。

また、本発明に係る摩擦同定装置において、前記推定捻じれ摩擦調整部は、前記捻じれトルク測定値と前記捻じれトルク推定値との実効値又は平均値を演算して用いることが好ましい。

また、本発明に係る摩擦同定装置において、前記捻じれトルクは、前記トルク検出部から得られる機械装置に入力されるトルクをフィルタに入力し、共振周波数の成分のみを取り出すことによって算出することを特徴とする。

また、本発明に係る摩擦同定装置において、前記機械装置回転速度は、前記トルク検出部から得られる機械装置に入力されるトルクと機械装置の慣性および摩擦から算出することを特徴とする。

本発明に係る摩擦同定装置によれば、モータと機械装置を結合するカップリングなどの捻じれ要素によって生じる摩擦を同定でき、正確な共振特性のモデルを得ることができる。

本発明の一実施形態に係る摩擦同定装置の概要を示す図である。本発明の請求項１の実施形態（実施例１）を示す構成図である。本発明の請求項３の実施形態（実施例２）を示す構成図である。本発明の請求項４の実施形態（実施例３）を示す構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦同定装置の概要を示す図である。本実施形態に係る摩擦同定装置は、モータと機械装置とがカップリングなどの捻じれ要素により結合され、捻じれ要素を介してモータにより機械装置が駆動される機械システムにおいて、モータと機械装置との間に介在するカップリングなどの捻じれ要素によって生じる捻じれ摩擦を同定するものである。

図２は本発明の一実施形態に係る摩擦同定装置１０の構成例を示す図である。上述したようなモータと機械装置とがカップリングなどの捻じれ要素により結合された機械システムは、図２に示す２慣性系モデル２０に近似することができる。まず、この２慣性系モデル２０について説明する。２慣性系モデル２０は、モータ２１と、機械装置２２と、捻じれ要素２３とを含む。

モータ２１は、モータの機械的要素（慣性および摩擦）を示す。モータ２１の伝達関数は１／（Ｊ_Ｍｓ＋Ｄ_Ｍ）で表される。Ｊ_Ｍはモータ２１の慣性モーメントであり、Ｄ_Ｍはモータ２１の摩擦であり、ｓはラプラス演算子である。モータ２１は、減算器２４により演算されるモータ出力トルクＴ_Ｍと捻じれトルクＴ_Ｓとの差が入力され、モータ回転速度ω_Ｍを出力する。

機械装置２２は、機械装置の機械的要素（慣性および摩擦）を示す。機械装置２２の伝達関数は、１／（Ｊ_Ｌｓ＋Ｄ_Ｌ）で表される。Ｊ_Ｌは機械装置２２の慣性モーメントであり、Ｄ_Ｌは機械装置２２の摩擦である。機械装置２２は、加算器２５により演算される捻じれトルクＴ_Ｓと機械装置側の負荷トルクである負荷トルクＴ_Ｌとの和が入力され、機械装置回転速度ω_Ｌを出力する。

捻じれ要素２３の伝達特性は、（Ｋ_Ｓ／ｓ＋Ｄ_Ｓ）で表される。Ｋ_Ｓはばね定数であり、Ｄ_Ｓは捻じれ摩擦である。捻じれ要素２３は、減算器２６により演算されるモータ回転速度ω_Ｍと機械装置回転速度ω_Ｌとの差である捻じれ速度ω_Ｓが入力され、捻じれトルクＴ_Ｓとして出力する。

図２に示す２慣性系モデル２０において、捻じれトルクは以下の式（１）で表される。

式（１）より、バネ定数Ｋ_Ｓが既知でモータ回転速度ω_Ｍと機械装置回転速度ω_Ｌが回転数検出装置などによって検出あるいは推定できる場合、未知数は捻じれ摩擦Ｄ_Ｓのみとなる。

次に、本実施形態に係る摩擦同定装置１０の構成について説明する。

図２に示す摩擦同定装置１０は、トルク検出部１１と、減算器１２と、減算器１３と、捻じれトルク推定部１４と、推定捻じれ摩擦調整部１５とを備える。

トルク検出部１１は、捻じれ要素２３と機械装置２２の間に設けられ、機械装置２２に入力されるトルクＴ_ｔを検出する。トルク検出部１１としては、例えばトルク計を用いることができる。

減算器１２は負荷トルクＴ_Ｌと検出部によるトルクＴ_ｔとを減算し捻じれトルクＴ_Ｓとして出力する。

減算器１３はモータ回転速度ω_Ｍと機械装置回転速度ω_Ｌとを減算し捻じれ速度ω_Ｓとして出力する。モータ回転速度ω_Ｍと機械装置回転速度ω_Ｌの検出には、例えばエンコーダなどの角度検出器から得た位置情報を用いて算出することができる。

捻じれトルク推定部１４は、減算器１３による捻じれ速度ω_Ｓと、捻じれ要素のバネ定数Ｋ_Ｓと後述する推定捻じれ摩擦調整部１５による推定捻じれ摩擦Ｄ_Ｓ^から式（２）を演算し、捻じれトルク推定値Ｔ_Ｓ^を出力する。なお、ａ＾は、ａの上に＾が付された記号を表すものとする。

推定捻じれ摩擦調整部１５は、減算器１２による捻じれトルクＴ_Ｓと、捻じれトルク推定部１４による捻じれトルク推定値Ｔ_Ｓ^の偏差が小さくなるように、捻じれトルク推定部１４による捻じれトルク推定値Ｔ_Ｓ^の演算に用いられる推定捻じれ摩擦Ｄ_Ｓ^を調整する。

捻じれ摩擦Ｄ_Ｓと推定捻じれ摩擦Ｄ_Ｓ^の偏差は、以下の式（３）のように捻じれトルクＴ_Ｓと捻じれトルク推定値Ｔ_Ｓ^の偏差に現れることになる。上述したように、推定捻じれ摩擦調整部１５により推定捻じれ摩擦Ｄ_Ｓ^を調整することで捻じれトルクＴ_Ｓと捻じれトルク推定値Ｔ_Ｓ^の偏差を小さくすることできる。すなわち、捻じれトルクＴ_Ｓと捻じれトルク推定値Ｔ_Ｓ^の偏差がゼロになると、捻じれ要素による捻じれ摩擦Ｄ_Ｓと推定捻じれ摩擦Ｄ_Ｓ^の偏差もゼロになる。従って、モータと機械装置との間との共振特性を表す上で重要なパラメータである捻じれ要素による捻じれ摩擦Ｄ_Ｓを同定することができる。

なお、推定捻じれ摩擦調整部１５は、捻じれトルクＴ_Ｓの実効値と捻じれトルク推定値Ｔ_Ｓ^の実効値を演算し、それらを用いて捻じれトルクＴ_Ｓと捻じれトルク推定値Ｔ_Ｓ^の偏差を演算することが好ましい。

図３は請求項３の実施例を示したもので、図２と異なるところは、フィルタ１６を設け、機械装置に入力されるトルクＴ_ｔをフィルタ１６に入力し共振周波数の周波数成分のみを取り出すことでフィルタ１６の出力を捻じれトルクとして得ることである。また、フィルタ１６による捻じれトルクＴ_Ｓの位相ずれを補償するために位相調整器１７によって捻じれ速度ω_Ｓの位相を調整することである。他は図２と同様である。

すなわち、フィルタ１６は、機械装置に入力されるトルクＴ_ｔの低周波数成分を除去し、共振周波数の周波数成分を取得できるように適切に設定されたフィルタとして使用される。このように構成したことにより、負荷トルクＴ_Ｌを取得できない場合でも、捻じれ摩擦Ｄ_Ｓの同定が可能となる。

図４は請求項４の実施例を示したものである。図２と異なるのは、速度演算器１８を設け、トルク検出部１１より得られる機械装置に入力されるトルクＴ_ｔを速度演算器１８に入力することによって以下の式（４）より機械装置回転速度推定値ω_Ｌ＾を得ることである。他は図２と同様である。このように構成したことにより、機械装置側に速度検出装置が設けられない場合でも捻じれ摩擦Ｄ_Ｓの同定が可能となる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。

１０摩擦同定装置
１１トルク検出部
１２,１３,２４,２６減算器
１４捻じれトルク推定部
１５推定捻じれ摩擦調整部
１６フィルタ
１７位相調整器
１８速度演算器
１９捻じれトルク算出器
２０２慣性系モデル
２１モータ
２２機械装置
２３捻じれ要素
２５加算器

Claims

機械装置とモータが捻じれ要素を介して接続されている機械システムの摩擦同定装置であって、
前記機械装置に入力されるトルクを検出するトルク検出部と、
前記機械装置に入力されるトルクから捻じれトルクを算出するトルク算出器と、
モータ回転速度と機械装置回転速度との差である捻じれ速度と、前記捻じれ要素のバネ定数と、推定捻じれ摩擦に基づき、捻じれトルク推定値を演算する捻じれトルク推定部と、
前記捻じれトルクと前記捻じれトルク推定値との偏差が小さくなるように前記推定捻じれ摩擦を調整する推定捻じれ摩擦調整部と、
を備えることを特徴とする摩擦同定装置。
請求項１に記載の摩擦同定装置において、前記推定捻じれ摩擦調整部は、前記捻じれトルクと前記捻じれトルク推定値の実効値又は平均値を演算して差分を計算し、前記推定捻じれ摩擦を調整することを特徴とする摩擦同定装置。
請求項１に記載の摩擦同定装置において、前記トルク検出部から得られる機械装置に入力されるトルクをフィルタに入力し共振周波数の周波数成分のみを取り出すことによって前記捻じれトルクを演算することを特徴とする摩擦同定装置。
請求項１に記載の摩擦同定装置において、前記トルク検出部から得られる機械装置に入力されるトルクと前記機械装置の慣性および摩擦を用いて前記機械装置回転速度を演算することを特徴とする摩擦同定装置。