JP7466346B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本明細書では、送り駆動機構を駆動するモータを制御対象として、前記制御対象の位置および速度をフィードバックして前記制御対象を制御するモータ制御装置を開示する。

工作機械において、サーボモータにより駆動される送り駆動機構の制御には、モータの位置情報を用いる位置フィードバック制御や、速度情報を用いる速度フィードバック制御が広く適用されており、モータ位置、速度が指令値に追従するよう制御されている。このとき、各フィードバック制御系の高帯域化により、モータの位置、速度が指令値に高速・高精度に追従することを実現している。しかし、フィードバック制御系の高帯域化により、安定性が失われ、機械共振に起因する振動を誘発しやすくなる問題がある。

そこで、フィードバック制御系の安定性確保に、帯域遮断フィルタが広く用いられている。帯域遮断フィルタは、制御対象の共振周波数に該当する成分を遮断する目的で使用され、帯域遮断フィルタのパラメータは、出荷前の機械の周波数特性に基づき、調整、決定される。また、量産機については、生産初号機に対して調整を実施し、初号機以降は、その調整結果を反映させるといった方法をとることもある。そのため、生産初号機調整時の機械特性と異なる場合や、経年変化や設置環境の変化により機械特性が変化した場合、出荷前に設定した帯域遮断フィルタでは、機械共振に起因する振動を抑制できない。その結果、機械の損傷が悪化し、加工精度不良や部品交換を招くことが考えられる。

上記課題を解決するため、特許文献１記載の制御システムでは、正弦波指令を速度制御系に入力したときの速度検出値から周波数特性を算出し、周波数特性より共振周波数を検出し、検出された共振周波数に対してフィルタを設定することで、制御系の安定性を確保している。また、共振周波数の変化から機械剛性の低下を推定し、機械剛性が低下した時に警告、点検の必要性を通知する。しかし、上記技術では、機械使用者が、意図的に周波数特性の測定を実施する必要があり、測定タイミングは、機械使用者によって異なる。そのため、機械の経年変化をリアルタイムに監視できず、異常状態を即座に検出できない。また、機械剛性の低下は把握できるが、それに伴い、どの箇所を点検すればよいか明確ではない。

特許文献２記載の制御システムでは、上記特許文献１と同手法により、周波数特性を測定し、周波数特性より検出した共振周波数とその近傍の周波数特性より、減衰比を算出することで、潤滑劣化を警告、潤滑点検の必要性を通知する。しかし、上記技術では、上記特許文献１と同様、機械の経年変化にリアルタイムに対応できない。さらに、劣化状態が軽度な場合、劣化を通知せず、実加工に影響が出るといった課題が挙げられる。

特許第６３１２５４８号 特許第６２０８６９９号

本明細書では、オペレータが専用の指令（例えば正弦波指令等）を制御系に入力しなくても、機械の経年変化を常時、検出できるモータ制御装置を開示する。また、本明細書では、制御系をより安定できるモータ制御装置も開示する。

本明細書で開示するモータ制御装置は、制御対象であるモータの位置および速度をフィードバックして前記制御対象の駆動を制御するモータ制御装置であって、制御対象の位置偏差信号のパワースペクトルを、第一パワースペクトルとして算出する第一ＦＦＴ演算部と、前記第一パワースペクトルのピーク周波数およびスペクトル面積を第一ピーク周波数および第一スペクトル面積として算出する第一スペクトル解析部と、初期状態の前記制御対象のピーク周波数である第二ピーク周波数および前記第一ピーク周波数に基づいて共振周波数の変化率を、初期状態の前記制御対象のスペクトル面積である第二スペクトル面積および前記第一スペクトル面積に基づいて減衰特性の変化率を、それぞれ、算出する変化率演算部と、を備える、ことを特徴とする。

本明細書で開示する技術によれば、オペレータが専用の指令（例えば正弦波指令等）を制御系に入力しなくても、機械の経年変化を常時、検出できる。

第１の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。 図１のモータ制御装置による異常診断手順のフローチャート図である。 周波数解析部で抽出されるピーク周波数を説明する概略図である。 周波数解析部で抽出されるスペクトル面積を説明する概略図である。 第２の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。 図５のモータ制御装置による異常診断手順及び帯域遮断フィルタパラメータ更新手順のフローチャート図である。 第３の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。 第４の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。 第５の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。

以下、モータ制御装置の構成について図面を参照して説明する。図１に、第１の実施形態のモータ制御装置のブロック図を示す。図１に示すように、本実施形態では、モータ４に位置検出部５を設置し、位置検出部５により検出されるモータ位置θ_ｍをフィードバックして、モータ位置θ_ｍおよびモータ速度ω_ｍを、位置指令θ_ｒおよび速度指令ω_ｒに追従させる制御をするものである。

図１のモータ制御装置では、制御対象６において、被駆動体を駆動するモータ４に、モータ回転数から被駆動体の移動量や現在位置を検出する位置検出部５が取り付けられている。

図１のモータ制御装置は、位置制御部１と速度制御部２とを備え、各制御部によりモータ位置およびモータ速度を制御することで、モータにより駆動される被駆動体を制御する制御装置である。

また、モータ制御装置は、制御入力τからモータ位置θ_ｍまでの特性を伝達関数表現する機械モデル８を備える。この機械モデル８には、トルク指令τ_ｔが入力され、その出力が、機械モデル出力信号ｙ_ｍとして出力される。第３加減算部１９は、位置指令θ_ｒから機械モデル出力信号ｙ_ｍを減算し、モデル位置偏差信号θ_ｍｅを出力する。

第二ＦＦＴ演算部１０ｂは、モデル位置偏差信号θ_ｍｅをＦＦＴ処理し、第二パワースペクトルＳ_ｍを算出する。第二スペクトル解析部１１ｂは、第二ＦＦＴ演算部１０ｂが算出した第二パワースペクトルＳ_ｍより、第二ピーク周波数ｆ_ｍと、当該第二ピーク周波数ｆ_ｍ近傍の第二スペクトル面積Ａ_ｍと、を抽出する。

同様に、第一ＦＦＴ演算部１０ａは、位置指令θ_ｒとモータ位置θ_ｍの差分である位置偏差信号θ_ｅをＦＦＴ処理し、第一パワースペクトルＳ_ｐを算出する。第一スペクトル解析部１１ａは、第一ＦＦＴ演算部１０ａが算出した第一パワースペクトルＳ_ｐより、第一ピーク周波数ｆ_ｐと、当該第一ピーク周波数ｆ_ｐ近傍の第一スペクトル面積Ａ_ｐと、を抽出する。

変化率演算部１２は、算出したピーク周波数ｆ_ｍ，ｆ_ｐ、および、スペクトル面積Ａ_ｍ，Ａ_ｐから、制御対象の共振周波数の変化率Δｆと、減衰特性の変化率Δζと、を演算する。

異常診断部１３は、算出された変化率Δｆ，Δζに基づき異常状態の判断、検出、異常箇所の推定を実施し、ＮＣ装置の画面に表示する。

図１に示すモータ制御装置において、第１加減算部１７は、位置指令θ_ｒから位置検出部５により検出されるモータ位置θ_ｍを減算して、位置偏差信号θ_ｅを算出する。この位置偏差信号θ_ｅには、位置制御部１の伝達関数が乗算され、速度指令ω_ｒとして算出される。速度指令ω_ｒは、第２加減算部１８に入力される。

位置検出部５により検出されるモータ位置θ_ｍは、速度変換部７に入力され、微分処理される。速度変換部７からは、モータ速度ω_ｍが出力される。第２加減算部１８は、位置制御部１から入力された速度指令ω_ｒから、速度変換部７から入力されるモータ速度ω_ｍを減算して、速度偏差ω_ｅを算出する。この速度偏差ω_ｅには、速度制御部２の伝達関数が乗算され、トルク指令τ_ｔとして算出される。トルク指令τ_ｔは、帯域遮断フィルタ３に入力される。

帯域遮断フィルタ３は、トルク指令τ_ｔから、制御対象の共振周波数成分を遮断した制御入力τを算出し、この制御入力τを制御対象６に出力する。図１のモータ制御装置において、制御対象６に入力される制御入力τから、制御対象６の出力であるモータ位置θ_ｍまでの伝達関数Ｐ（ｓ）は、式（１）で表現できる。

式（１）は、複数の振動モードの足し合わせで表現でき、式（１）において、ωは、共振角周波数を、ζは、減衰係数を、ｋは、モード係数を、添字ｉは、ｉ次振動モードを、ｎは、振動モード数を、それぞれ表す。図１のモータ制御装置において、機械モデル８の伝達関数には、式（１）を用いる。機械モデル８に式（１）を適用する場合、各パラメータは、出荷前の周波数特性に基づき決定され、共振角周波数ωや振動モード数ｎは、特性変化を検出したい共振角周波数と振動モード数に設定される。

次に、図２に示す異常診断手順のフローチャート図を基に、異常状態の診断手順を説明する。位置指令θ_ｒから機械モデル出力信号ｙ_ｍを減算してモデル位置偏差信号θ_ｍｅを算出し（Ｓ１０）、このモデル位置偏差信号θ_ｍｅを第二ＦＦＴ演算部１０ｂでＦＦＴ処理し、第二パワースペクトルＳ_ｍを算出する（Ｓ１２）。続いて、第二スペクトル解析部１１ｂが、第二パワースペクトルＳ_ｍより、パワースペクトルの利得が極大となる第二ピーク周波数ｆ_ｍと、ピーク周波数近傍のパワースペクトルの利得の積分値である第二スペクトル面積Ａ_ｍと、を抽出する（Ｓ１４）。

ステップＳ１０～Ｓ１２と並行して、第一ピーク周波数ｆ_ｐと、第一ピーク周波数ｆ_ｐ近傍の第一スペクトル面積Ａ_ｐと、も抽出する（Ｓ１６～Ｓ２０）。具体的には、位置指令θ_ｒからモータ位置θ_ｍを減算して位置偏差信号θ_ｅを算出し（Ｓ１６）、この位置偏差信号θ_ｅを第一ＦＦＴ演算部１０ａでＦＦＴ処理し、第一パワースペクトルＳ_ｐを算出する（Ｓ１８）。続いて、第二スペクトル解析部１１ｂが、第一パワースペクトルＳ_ｐより、パワースペクトルの利得が極大となる第一ピーク周波数ｆ_ｐと、第一ピーク周波数ｆ_ｐ近傍のパワースペクトルの利得の積分値である第一スペクトル面積Ａ_ｐと、を抽出する（Ｓ２０）。

ここで、パワースペクトルＳ_ｐ，Ｓ_ｍから抽出されるピーク周波数ｆ_ｐ，ｆ_ｍと、スペクトル面積Ａ_ｐ，Ａ_ｍと、について、図３、図４を参照して説明する。抽出するピーク周波数ｆ_ｐ，ｆ_ｍは、パワースペクトルＳ_ｐ，Ｓ_ｍの利得が極大となる周波数であるため、図３に示すＦＦＴ処理結果のパワースペクトルにおいて、ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４が該当する。この時、抽出するピーク周波数の最大数は式（１）の振動モード数ｎと同数とし、極大値が大きい順に抽出する。そのため、図３において、抽出するピーク周波数の最大数（振動モード数ｎ）を３にした場合、ｆ１，ｆ２，ｆ４が抽出され、ｆ３は、抽出されない。また、ピーク周波数における利得が事前に設定した閾値Ｇｓ以下の場合、そのピーク周波数は、抽出されない。

抽出するピーク周波数ｆ_ｘ近傍のスペクトル面積Ａ_ｘは、図４におけるハッチングを施したエリアの面積である。換言すれば、ピーク周波数をｆ_ｘ、ピーク周波数における利得ＧをＧ＝Ｇｆ_ｘとした場合、スペクトル面積Ａ_ｘは、パワースペクトルの曲線と、Ｇ＝Ｇｆ_ｘ／２の直線と、で囲まれるエリアの面積である。スペクトル面積Ａ_ｘは、Ｇ＝Ｇｆ_ｘ／２をとる２点の周波数幅Δｆｓを、式（２）に入力することで算出される。

式（２）において、添字ｘは、制御対象Ｐまたは機械モデルｍを表す文字のいずれか一方が当てはまる。再び、図２を参照すると、算出されたピーク周波数ｆ_ｐ，ｆ_ｍとスペクトル面積Ａ_ｐ，Ａ_ｍは変化率演算部１２に入力され、共振周波数変化率Δｆ及び減衰特性変化率Δζが算出される（Ｓ２２，Ｓ２４）。ΔｆとΔζは、それぞれ式（３）、式（４）により算出される。

共振周波数変化率Δｆと減衰特性変化率Δζは、抽出したピーク周波数とスペクトル面積の数だけ、算出する。すなわち、上述した通り、ピーク周波数ｆ_ｐ，ｆ_ｍは、極大値が大きい順から抽出され、その最大数は、振動モード数ｎと同じである。例えば、振動モード数ｎが３の場合において、第一ピーク周波数ｆ_ｐとして、ｆ_ｐ１，ｆ_ｐ２，ｆ_ｐ３（なおｆ_ｐ１＞ｆ_ｐ２＞ｆ_ｐ３）が抽出され、第二ピーク周波数ｆ_ｍとして、ｆ_ｍ１，ｆ_ｍ２，ｆ_ｍ３（なおｆ_ｍ１＞ｆ_ｍ２＞ｆ_ｍ３）が抽出されたとする。この場合、共振周波数変化率Δｆとして、Δｆ１＝（ｆ_ｐ１－ｆ_ｍ１）／ｆ_ｍ１、Δｆ２＝（ｆ_ｐ２－ｆ_ｍ２）／ｆ_ｍ２、Δｆ３＝（ｆ_ｐ３－ｆ_ｍ３）／ｆ_ｍ３が算出される。

また、ピーク周波数の抽出数が、振動モード数ｎに達していなくても、ピーク周波数の利得が閾値Ｇｓ以下の場合には、抽出されない。そのため、第一ピーク周波数ｆ_ｐの抽出数と、第二ピーク周波数ｆ_ｍの抽出数と、が一致しない場合がある。例えば、第一ピーク周波数ｆ_ｐとして、ｆ_ｐ１，ｆ_ｐ２，ｆ_ｐ３（なおｆ_ｐ１＞ｆ_ｐ２＞ｆ_ｐ３）が抽出され、第二ピーク周波数ｆ_ｍとして、ｆ_ｍ１，ｆ_ｍ２（なおｆ_ｍ１＞ｆ_ｍ２）のみが抽出される場合もある。この場合には、共振周波数変化率Δｆとして、Δｆ１＝（ｆ_ｐ１－ｆ_ｍ１）／ｆ_ｍ１、Δｆ２＝（ｆ_ｐ２－ｆ_ｍ２）／ｆ_ｍ２の二つのみが算出される。減衰特性変化率Δζについても、同様である。

ステップＳ２２，Ｓ２４で算出された共振周波数変化率Δｆ及び減衰特性変化率Δζは、異常診断部１３に入力され、それぞれの絶対値｜Δｆ｜，｜Δζ｜が、事前に設定した基準値ｆ_ｂ１，Ｚ_ｂ１と比較される（Ｓ２６，Ｓ３０）。なお、基準値ｆ_ｂ１，Ｚ_ｂ１の値は、異常状態判断部１５にて事前に設定される。

共振周波数変化率の絶対値｜Δｆ｜及び減衰特性変化率の絶対値｜Δζ｜が事前に設定した基準値ｆ_ｐ１，Ｚ_ｂ１より小さい場合（Ｓ２６でＮｏかつＳ３０でＮｏ）、異常診断処理を終了する。また、抽出するピーク周波数及びスペクトル面積が存在しない場合は、ステップＳ２２に進まずに、処理を終了する。

一方、｜Δｆ｜≧ｆ_ｐ１、および／または、｜Δζ｜≧Ｚ_ｂ１の場合（Ｓ２６でＹｅｓ、および／または、Ｓ３０でＹｅｓ）、異常箇所を推定し、異常状態を検出し、通知する（Ｓ２８，Ｓ３２）。具体的に、この処理について説明する。

｜Δｆ｜≧ｆ_ｂ１の場合において、Δｆが正値であれば、機械出荷時より共振周波数が高いと、Δｆが負値であれば、機械出荷時より共振周波数が低いと、それぞれ判断できる。ここで、共振周波数（固有振動数）ｆｎは、式（５）で表される。式（５）において、Ｋは、ばね定数（機械剛性）、Ｊは、負荷の大きさ（質量）を表す。

式（５）に示すように、共振周波数ｆｎは、ばね定数（機械剛性）Ｋが向上する、または、負荷（質量）Ｊが小さくなると高くなり、ばね定数（機械剛性）Ｋが低下する、または負荷（質量）Ｊが大きくなると低くなる。負荷（質量）Ｊについては、機械の経年変化や、機台バラつき等により変化することは考えにくいため、機械剛性の変化についてのみ評価する。機械の共振周波数ｆｎは、経年変化等により、低下することは知られており、要因として機械部品の組付け緩みによる機械剛性の低下が考えられる。一方、機械剛性の向上は、経年変化により発生することは考えにくく、組立バラつき等によるものと推定できる。そのため、共振周波数が機械出荷時より低下した場合、すなわち、｜Δｆ｜≧ｆ_ｂ１かつΔｆ＜０の場合、異常状態通知部１６にて、機械剛性の低下と部品の組付け緩み等の点検の必要性をＮＣ装置の画面に通知、表示する。

また、共振周波数が機械出荷時より向上した場合、すなわち、｜Δｆ｜≧ｆ_ｂ１かつΔｆ＞０の場合、機械出荷時と機械特性が異なることのみをＮＣ装置の画面に通知、表示する。算出した共振周波数変化率Δｆが複数ある場合、Δｆ全てにおいて、基準値ｆ_ｂ１との比較、比較結果に基づく異常状態の通知処理を実施する。

共振周波数ｆｎは、式（５）で与えられるため、機械設計時のばね定数Ｋや質量等の数値があれば、部品ごとの共振周波数は推定できる。そのため、送り駆動機構を構成するモータやボールネジ、カップリングなどの主要部品ごとの共振周波数の理論値は、算出でき、その共振周波数が妥当であるかは、出荷前の機械の共振周波数を見れば判断できる。

そのため、機械出荷前に、ボールネジやカップリング等の主要部品の共振周波数の理論値を算出し、主要部品と対応した共振周波数理論値のデータを機械特性記憶部１４に記憶しておく。共振周波数変化率｜Δｆ｜が基準値ｆ_ｂ１以上となった場合、その共振周波数変化率｜Δｆ｜の算出に用いた第二ピーク周波数ｆ_ｍを機械特性記憶部１４に入力し、当該第二ピーク周波数ｆ_ｍと一致する、または一番近い共振周波数を特定する。そして、特定された共振周波数に対応する主要部品情報を点検が必要な部品と推定し、推定結果を異常状態通知部１６に出力する。異常状態通知部１６では、機械剛性の低下、点検の必要性と併せて、点検部品をＮＣ装置の画面に通知、表示する。

次に、スペクトル面積Ａ_ｐ，Ａ_ｍと減衰特性ζの相関関係について説明する。減衰特性や減衰比の算出方法には半値幅法という手法がある。これは、振幅倍率を表す式（６）と共振周波数を表す式（７）の関係より減衰特性ζを式（８）で算出するものである。

式（６）および式（７）において、ｘ_ａは、定常状態の振幅、ｘ_ｓは、静的変化量、ω_０は、固有振動数、ω_ｒは、共振角周波数を表す。式（８）では、パワースペクトルにおいて、振幅のピーク周波数ｆ_０、および、ピーク値より３ｄＢ下がった点の周波数幅Δｆ、から減衰特性ζを算出しており、減衰特性ζは、Δｆとｆ_０に依存することを表している。パワースペクトルにおける周波数幅Δｆは、ピーク周波数ｆ_０付近のスペクトル面積Ａ_ｐ，Ａ_ｍで代用可能と考えられるため、スペクトル面積Ａ_ｐ，Ａ_ｍから減衰特性の変化率を推定できる。また、半値幅法では、ピーク周波数ｆ_０におけるピーク値が３ｄＢより小さい場合に減衰特性を算出できない。さらに、ピーク周波数ｆ_０のみが変化した場合においても減衰特性が変動してしまい、減衰特性（周波数幅）の変動と、共振周波数の変動を切り分けて判断することができないため、スペクトル面積から減衰特性の変化率を算出する。

｜Δζ｜≧Ｚ_ｂ１の場合において、Δζが正値であれば、機械出荷時より減衰特性が向上したと、Δζが負値であれば、機械出荷時より減衰特性が低下したと、判断できる。減衰特性は、送り軸駆動の摺動面の摩擦係数に依存し、摩擦係数は、摺動面の潤滑状態に影響する。経年変化により摺動面の潤滑状態が悪化することによる、減衰特性の低下は考えられるが、減衰特性の向上はないと推定できる。そのため、減衰特性が、機械出荷時より低下した場合、すなわち、｜Δζ｜≧Ｚ_ｂ１かつΔζ＜０の場合、異常状態通知部１６にて減衰特性の低下、潤滑状態の点検の必要性をＮＣ装置の画面に通知、表示する。一方で、Δζ＞０の場合には、｜Δζ｜≧Ｚ_ｂ１であっても、ＮＣ装置の画面への通知、表示は実施せず、処理を終了する。

次に、第２の実施形態のモータ制御装置について説明する。図５は、第２の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。図５のモータ制御装置は、図１のモータ制御装置と比べて、帯域遮断フィルタ３のパラメータを、制御対象６の特性変動に応じて変更、更新する点で異なる。帯域遮断フィルタ３は、トルク指令τ_ｔに含まれる制御対象６の共振周波数成分を遮断することで、機械共振に起因する振動が抑制できる。しかし、制御対象６の共振周波数が変化した場合、すなわち、｜Δｆ｜が一定以上大きい場合、および／または、｜Δζ｜が一定以上大きい場合、帯域遮断フィルタ３による共振周波数成分の遮断効果が十分に発揮されず、機械共振に起因する振動を抑制できないことがある。そこで、図５のモータ制御装置では、異常状態判断部１５で比較する基準値を細分化し、機械特性の変化率が、ある範囲内にある場合、帯域遮断フィルタ３のパラメータを変更、更新する。帯域遮断フィルタ３の伝達特性は、例えば、式（９）で表現する。式（９）中、ω_ｆは、フィルタ中心角周波数、ζ_ｆは、フィルタ減衰定数を表す。

帯域遮断フィルタ３は、トルク指令τ_ｔに含まれる共振周波数成分を遮断するようにパラメータを調整するため、出荷前の機械特性に合わせて調整する。制御対象に複数の共振周波数が存在する場合、複数の帯域遮断フィルタ３を直列に設置することもある。

式（９）で表現した帯域遮断フィルタ３のパラメータ更新手順及び異常診断手順を図６に示すフローチャート図に沿って説明する。ステップＳ１０～Ｓ３２については、第１の実施形態と同様のため、詳細な説明は省略する。

図２の処理では、｜Δｆ｜＜ｆ_ｂ１の場合（Ｓ２６でＮｏ）、そのまま、処理を終了していたが、図６の処理では、｜Δｆ｜＜ｆ_ｂ１の場合には、続いて、｜Δｆ｜と、事前に規定された基準値ｆ_ｂ２と、を比較する（Ｓ４０）。比較の結果、｜Δｆ｜≧ｆ_ｂ２の場合（Ｓ４０でＹｅｓ）、フィルタ更新部２０は、Δｆを式（１０）に代入し、新たなフィルタ中心角周波数ω’_ｆを算出する（Ｓ４２）。

同様に、｜Δζ｜＜Ｚ_ｂ１の場合（Ｓ３０でＮｏ）には、｜Δζ｜と、事前に規定された基準値Ｚ_ｂ２と、を比較する（Ｓ４４）。比較の結果、｜Δζ｜≧Ｚ_ｂ２の場合（Ｓ４４でＹｅｓ）、フィルタ更新部２０は、Δζを式（１１）に代入し、新たなフィルタ減衰定数ζ’_ｆを算出する（Ｓ５０）。

新たなフィルタ中心角周波数ω’_ｆまたは新たなフィルタ減衰定数ζ’_ｆが算出された場合（Ｓ４８でＹｅｓ）、フィルタ更新部２０は、帯域遮断フィルタのパラメータをω’_ｆおよびζ’_ｆに更新する（Ｓ５０）。特性変更した共振周波数や減衰特性が複数存在する場合、全てに対して帯域遮断フィルタを変更、更新するが、特性変更後の共振周波数付近に帯域遮断フィルタが設定されていない場合は、パラメータの変更、更新は実施せず、処理を終了する。なお、上述した実施形態では、帯域遮断フィルタの伝達関数を式（９）で表現したが、パラメータや分子項などを追加した伝達関数を使用するようにしてもよい。

次に、第３の実施形態のモータ制御装置について説明する。図７は、第３の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。図７のモータ制御装置は、図１、図５に示したモータ制御装置と異なり、機械モデルを使用しない。図７のモータ制御装置では、出荷前の機械の周波数特性を測定し、周波数特性より第二ピーク周波数ｆ_ｍおよび第二スペクトル面積Ａ_ｍを抽出し、データとして正常特性記憶部２１に保存しておく。そして、変化率演算部１２に、制御対象の第一ピーク周波数ｆ_ｐおよび第一スペクトル面積Ａ_ｐと、正常特性記憶部２１に保存してある第二ピーク周波数ｆ_ｍと第二スペクトル面積Ａ_ｍを入力することで、共振周波数変化率と減衰特性変化率を算出する。かかる構成とすることで、制御対象を含めた制御系の特性から機械モデルを設計する工程を省略できる。

次に、第４の実施形態のモータ制御装置について説明する。図８は、第４の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。図８のモータ制御装置は、図１、図５に示したモータ制御装置と比べて、機械モデル８の構造及び機械モデル入力信号が異なる。図８のモータ制御装置では、速度指令ω_ｒからモータ位置θ_ｍまでの閉ループ特性を伝達関数表現した機械モデル８を設計し、機械モデル８の入力信号は、速度指令ω_ｒを用いる。機械モデル８に帯域遮断フィルタ３を含めると、解析に必要な周波数成分を遮断してしまうため、機械モデルとする閉ループ系については、帯域遮断フィルタ３の伝達関数を１とする。

次に、第５の実施形態のモータ制御装置について説明する。図９は、第５の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。図９のモータ制御装置は、図１、図５、図８に示したモータ制御装置と比べて、機械モデル８の構造及び機械モデル入力信号が異なる。図９のモータ制御装置では、位置指令θ_ｒからモータ位置θ_ｍまでの閉ループ特性を伝達関数表現した機械モデル８を設計し、機械モデルの入力信号は、位置指令θ_ｒを用いる。機械モデル８に帯域遮断フィルタ３を含めると、解析に必要な周波数成分を遮断してしまうため、機械モデルとする閉ループ系では、帯域遮断フィルタ３の伝達関数を１とする。

以上の説明から明らかなとおり、図１のモータ制御装置によれば、通常のモータ制御の過程で得られる位置偏差信号とモデル位置偏差信号をＦＦＴ処理することで、制御対象の共振周波数と減衰特性の変化をリアルタイムかつ通常動作時に検出でき、経年変化等で機械特性が大きく変化した場合に即座に異常状態の検出、通知が可能となる。さらに、異常箇所の推定により、異常状態が検出されてから、直ちに点検等の対応ができる。

また、図７のモータ制御装置によれば、機械出荷前の周波数特性より共振周波数および減衰特性を抽出して保存しておくことで、同様に制御対象の特性変化を検出でき、機械モデル設計の工程を省略できる。

また、図５、図７、図８、図９のモータ制御装置によれば、共振周波数及び減衰特性の変化が小さい場合に、帯域遮断フィルタのパラメータを特性変化に応じて更新することで、制御系の安定化を図り、加工精度の劣化を防ぐことができる。

１ 位置制御部、２ 速度制御部、３ 帯域遮断フィルタ、４ モータ、５ 位置検出部、６ 制御対象、７ 速度変換部、８ 機械モデル、１０ａ 第一ＦＦＴ演算部、１０ｂ 第二ＦＦＴ演算部、１１ａ 第一スペクトル解析部、１１ｂ 第二スペクトル解析部、１２ 変化率演算部、１３ 異常診断部、１４ 機械特性記憶部、１５ 異常状態判断部、１６ 異常状態通知部、１７ 第１加減算部、１８ 第２加減算部、１９ 第３加減算部、２０ フィルタ更新部、２１ 正常特性記憶部。

Claims (9)

1. 送り駆動機構を駆動するモータを制御対象として、前記制御対象の位置および速度をフィードバックして前記制御対象の駆動を制御するモータ制御装置であって、
   前記制御対象の駆動制御の過程で得られる前記制御対象の位置偏差信号のパワースペクトルを、第一パワースペクトルとして算出する第一ＦＦＴ演算部と、
   前記第一パワースペクトルのピーク周波数およびスペクトル面積を第一ピーク周波数および第一スペクトル面積として算出する第一スペクトル解析部と、
   初期状態の前記制御対象の位置偏差信号のピーク周波数である第二ピーク周波数および前記第一ピーク周波数に基づいて前記制御対象の共振周波数の変化率を、初期状態の前記制御対象の位置偏差信号のスペクトル面積である第二スペクトル面積および前記第一スペクトル面積に基づいて前記制御対象の減衰特性の変化率を、それぞれ、算出する変化率演算部と、
   を備える、ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、さらに、
   前記制御対象を含む制御系の初期状態の特性を伝達関数表現した機械モデルと、
   位置指令から前記機械モデルの出力を減算して算出されるモデル位置偏差信号のパワースペクトルを、第二パワースペクトルとして算出する第二ＦＦＴ演算部と、
   前記第二パワースペクトルのピーク周波数およびスペクトル面積を前記第二ピーク周波数および前記第二スペクトル面積として算出する第二スペクトル解析部と、
   を備える、ことを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、さらに、
   前記第二ピーク周波数および前記第二スペクトル面積を予め記憶する正常特性記憶部を備える、ことを特徴とするモータ制御装置。
4. 送り駆動機構を駆動するモータを制御対象として、前記制御対象の位置および速度をフィードバックして前記制御対象の駆動を制御するモータ制御装置であって、
   制御対象を含む制御系の初期状態の特性を伝達関数表現した機械モデルと、
   位置指令からモータ位置を減算して算出する位置偏差信号と、前記位置指令から前記機械モデルの出力を減算して算出されるモデル位置偏差信号と、をそれぞれ、周波数解析する周波数解析部と、
   前記周波数解析部による周波数解析結果に基づいて、前記送り駆動機構の異常状態を診断する異常診断部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項４に記載のモータ制御装置であって、
   前記異常診断部は、
   前記制御対象の初期状態の共振周波数と、前記共振周波数に対応する部品と、を対応付けて記憶する機械特性記憶部と、
   前記周波数解析部による解析結果に基づいて異常の有無を判断するとともに、異常がある場合に、異常箇所を推定する異常状態判断部と、
   前記異常状態判断部による異常判断結果と異常箇所の推定結果を、オペレータに通知する異常状態通知部と、
   を備える、ことを特徴とするモータ制御装置。
6. 請求項５に記載のモータ制御装置であって、
   前記周波数解析部は、前記制御対象の共振周波数の変化率と、前記制御対象の減衰特性の変化率と、を算出し、
   前記異常状態判断部は、前記共振周波数の変化率および前記減衰特性の変化率の少なくとも一方の絶対値が、予め規定された基準値以上となった場合に、前記基準値以上となった前記共振周波数の変化率および前記減衰特性の変化率の算出に用いたピーク周波数を、前記機械特性記憶部に記憶された情報に照らし合わして、前記算出に用いたピーク周波数に近い共振周波数に対応する部品を特定し、特定された部品を異常箇所として推定する、
   ことを特徴とするモータ制御装置。
7. 送り駆動機構を駆動するモータを制御対象として、前記制御対象の位置および速度をフィードバックして前記制御対象の駆動を制御するモータ制御装置であって、
   前記制御対象の入力信号として、前記制御対象の共振周波数に該当する成分を遮断した信号を出力する帯域遮断フィルタと、
   前記制御対象を含む制御系の初期状態の特性を伝達関数表現した機械モデルと、
   位置指令からモータ位置を減算して算出される位置偏差信号と、前記位置指令から前記機械モデルの出力を減算して算出されるモデル位置偏差信号と、をそれぞれ、周波数解析する周波数解析部と、
   前記周波数解析部による周波数解析結果に基づいて、前記帯域遮断フィルタのパラメータを更新するフィルタ更新部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
8. 請求項７に記載のモータ制御装置であって、
   前記周波数解析部は、前記制御対象の共振周波数の変化率と、前記制御対象の減衰特性の変化率と、を算出し、
   前記フィルタ更新部は、前記共振周波数の変化率および前記減衰特性の変化率の少なくとも一方の絶対値が、予め規定された基準値以上となった場合に、前記基準値以上となった前記共振周波数の変化率および前記減衰特性の変化率に基づいて帯域遮断フィルタのパラメータを再演算し、更新すること、を特徴とするモータ制御装置。
9. 請求項２，４，７のいずれか１項に記載のモータ制御装置であって、
   前記機械モデルは、制御入力からモータ位置までの特性を表現する伝達関数、速度指令からモータ位置までの閉ループ特性を表現する伝達関数、および、前記位置指令から前記モータ位置までの閉ループ特性を表現する伝達関数、のいずれか１つの伝達関数で表現され、
   前記制御入力、前記速度指令、および、前記位置指令、のいずれかの前記機械モデルの伝達関数に対応する信号を機械モデルに入力することで前記機械モデルの出力が生成される、
   ことを特徴とするモータ制御装置。