JPWO2008053772A1 - モータ制御装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

少ない稼動範囲で、摩擦や制御の影響により低周波の傾きが一定しない場合にも高精度に慣性モーメントが推定できるモータ制御装置とその制御方法を提供する。位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部（２）と、トルク指令に基づいてモータ電流を制御する電流制御部（１）と、を備えたモータ制御装置において、多数の周波数成分を含むテストトルク指令を生成するテストトルク指令生成部（３）と、テストトルク指令に対する速度信号の応答から周波数特性を算出する周波数特性算出部（４）と 周波数特性より機械パラメータを算出する機械パラメータ算出部（６）と、を備えた。

Description

本発明は、機械モデルが推定可能なモータ制御装置に関する。

従来、機械の慣性モーメントを同定する場合には、規定パターンの動作である程度の範囲を実際に駆動し、そのとき出力されるトルク指令および速度を基に慣性モーメントを求めていた。(特許文献１)
また、周波数特性の低周波の傾きを基に慣性モーメントを求めることもあった。(特許文献２、３)
この慣性モーメントの値を利用することにより、モータ制御装置のパラメータを最適に調整することが出来、制振制御を行うフィードフォワード制御器やオブザーバのモデルに用いることで機械の特性を向上させることが出来た。
特開平９−１８２４７９号公報 特開２００２−３０４２１９号公報 特開２００３−７９１７４号公報

従来の機械モデル推定装置では、特許文献１の従来技術の場合、規定パターンの動作である程度の範囲を実際に駆動するため、機械の動作範囲が取れない場合、同定動作が実施できない場合があった。また、特許文献２、３の従来技術においては、周波数特性の低周波の傾きにより慣性モーメントを求めるという手法を用いるため、摩擦や制御の影響により低周波の傾きが一定しない場合、十分な同定精度が得られない場合があった。
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、少ない稼動範囲で、摩擦や制御の影響により低周波の傾きが一定しない場合にも高精度に慣性モーメントが推定できるモータ制御装置とその制御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、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１記載の発明は、位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、トルク指令に基づいてモータ電流を制御する電流制御部と、を備えたモータ制御装置において、 多数の周波数成分を含むテストトルク指令を生成するテストトルク指令生成部と、前記テストトルク指令に対する前記速度信号の応答から実機周波数特性を算出する実機周波数特性算出部と、前記実機周波数特性より機械パラメータを生成する機械部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、位置指令と前記位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と前記速度信号から前記トルク指令を生成する速度制御部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記実機周波数特性は、共振周波数とその振幅、反共振周波数とその振幅を含むことを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１および２記載のモータ制御装置において、機械パラメータ生成部は、二慣性数式モデルの総慣性モーメントと制動係数を繰り返し微小変化させ、二慣性数式モデル周波数特性が実機周波数特性とを略一致させ、前記総慣性モーメントと前記制動係数をパラメータとして決定することを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項４記載のモータ制御装置において、前記二慣性系数式モデルを式（１）で表し、反共振周波数と共振周波数の中間周波数のゲインを式（２）で表したことを特徴とする。

ここでＪは総慣性モーメント、ω_Ｈは共振周波数、ω_Ｌは反共振周波数、ωはテスト周波数、ζは制動係数、ｓはラプラス演算子である。
請求項６記載の発明は、請求項５記載のモータ制御装置において、機械パラメータ生成部は、前記実機周波数特性と前記二慣性系数式モデル周波数特性の反共振周波数から共振周波数までの範囲のゲインを比較し、前記実機周波数特性のゲインが大きければ二慣性系数式モデルの総慣性モーメントを微小増加させ、少なければ微小減少させて、略一致するまで繰り返すことを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項６記載のモータ制御装置において、前記ゲインの大小は、反共振周波数から共振周波数までのゲイン面積を比較することにより決定することを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、する請求項６記載のモータ制御装置において、前記総慣性モーメントの初期値は式（３）であることを特徴とするものである。

ただし、Ｙ_Ｌは実機周波数特性の反共振周波数のｄｂ換算ゲイン、Ｙ_Ｈは共振周波数のｄｂ換算ゲインである。
請求項９記載の発明は、請求項６記載のモータ制御装置において、前記総慣性モーメントの初期値は式（５）であることと特徴とするものである。
Ｊ＝√（ω_Ｈ／ω_Ｌ）／（ω_Ｌ・Ｙ_Ｍ） （４）
ただしＹ_Ｍは実機周波数特性のω＝√（ω_Ｈ・ω_Ｌ）のときのゲインである。
請求項１０記載の発明は、位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、トルク指令に基づいてモータ電流を制御する電流制御部と、を備えたモータ制御装置の制御方法において、多数の周波数成分を含むテストトルク指令を電流制御部に入力し実機周波数特性をもとめるステップと、前記実機周波数特性と、二慣性系数式モデル周波数特性とを比較ステップと、前記実機周波数特性と前記二慣性系数式モデル周波数特性のゲインが合うように総慣性モーメントと制動係数を繰り返し微小補正するステップと、前記ゲインが略一致したら総慣性モーメントと制動系数をパラメータとして決定するステップと、を備えることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、オープンループでの周波数解析結果を用いて慣性モーメントを同定する場合に、粘性摩擦や制御器の影響で低周波数領域の周波数特性が下がってしまう様な対象についても高精度に同定するモータ制御装置を提供できる。
請求項２に記載の発明によると、制御器により制御されたクローズドループの構成での周波数解析結果を用いて慣性モーメントを同定する場合に、粘性摩擦や制御器の影響で低周波数領域の周波数特性が下がってしまう様な対象についても高精度に同定するモータ制御装置を提供できる。
請求項３乃至９記載の発明によると、少ない稼動範囲で、摩擦や制御の影響により低周波の傾きが一定しない場合にも高精度に慣性モーメントが推定できるモータ制御装置を提供できる。
請求項１０記載の発明によると、少ない稼動範囲で、摩擦や制御の影響により低周波の傾きが一定しない場合にも高精度に慣性モーメントが推定できるモータ制御装置の制御方法を提供できる。

本発明の構成を示すブロック図 本発明の構成を示すブロック図 本発明の方法を示すフローチャート 本発明の曲線適合方法を示す図 従来の方法による同定結果を示す図 本発明による同定結果を示す図

符号の説明

１ 電流制御部
２ 速度信号生成部
３ テストトルク指令生成部
４ 周波数特性算出部
５ 機械パラメータ算出部
６ 機械パラメータ
７ 位置制御部
８ 速度制御部
１１ モータ
１２ 位置検出器
１３ 機械
２１ 測定により得られた周波数応答
２２ 二慣性系モデルの周波数応答
２３ 評価開始点
２４ 評価終了点
２５ 剛体系モデルの周波数特性

以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施例の構成を示すブロック図である。図において、１は電流制御部、２は速度信号生成部、３はテストトルク指令生成部、４は周波数特性算出部、５は機械モデル算出部、６は機械モデル、１１はモータ、１２は位置検出器、１３は機械である。電流制御部１は、トルク指令を電流指令に変換し、電流指令とモータ電流の電流偏差をＰＩＤ制御処理をして電圧指令を生成し、電圧指令をＰＷＭして電力変換器を駆動しモータに電力を供給する。速度信号生成部２は、モータに結合された位置検出器の位置信号の時間差分をとり速度信号を生成する。テストトルク指令生成部３は、モータ制御装置が通常運転モードではなくテストモードのときに多くの周波数成分を含むトルク指令を生成し電流制御部１に入力する。周波数特性算出部は、テストトルク指令が電流制御部１に入力されたときの速度信号を計測し周波数特性を算出する。機械モデル算出部５は、周波数特性の山谷の周波数を共振周波数、反共振周波数の組み合わせを推定し、いくつかの候補を抽出し、モデル化したい２慣性系を判別する。

図３に本発明の方法のフローチャートを示す。図に示すように、本発明の方法は、ステップ１〜７の７つのステップで処理を行う。ステップ１では、多くの周波数成分を含むテストトルク指令を電流制御部に入力し、速度信号の応答を計測する。ステップ２では、入力したテストトルク指令および計測した速度信号の応答を基に機械の周波数特性を演算する。ステップ３では、周波数特性演算の結果に対して、山谷の検出を行い。二慣性系モデルとしての共振周波数および反共振周波数の組み合わせを推定し、いくつかの候補を抽出する。ステップ４では、目的に応じ、モデル化したい二慣性系の組を判別する。例えば、システム全体の剛体モードの慣性モーメントを求める場合には、最も低い周波数を選択する。また、高周波の振動に対する制振制御の調整を目的とする場合には、問題となっている共振周波数とこれに対応する反共振周波数を選択する。多くの共振周波数があり、自動判別が難しい場合や、直接対象となる周波数を設定したい場合にはステップ５により、手動で共振周波数および反共振周波数を選択する。ステップ６では、選択された共振周波数および反共振周波数の組み合わせに対して二慣性系モデルの曲線適合を行うことによりモデルを調整する。ステップ７ではこの評価後のモデルから、共振周波数、反共振周波数に加え、慣性モーメントおよび振動の減衰を同定する。なお、点線部８は、 特許文献３に該当する部分である。

以下、ステップ６およびステップ７について詳細に説明する。
共振周波数ωH、反共振周波数ωL、減衰ζ、総慣性モーメントJとすると、二慣性系モデルのトルクから速度までの伝達関数は、式（１）で表される。
これを周波数領域での振幅をｄｂ換算ゲインＨ（ω）として表わすと周波数ωの関数として式（２）で表わされる。ここで減衰ζが十分小さいとすると、共振周波数ωＨ、反共振周波数ωＬの中間点は近似的に式（５）の様に表わされる。

周波数応答演算により求められた反共振周波数のゲインＹＬ、共振周波数のゲインＹＨとすると、総慣性モーメントＪは、式（３）により算出できる。ゲインは周辺数点の平均値を用いるのが良い。

式（５）により近似的に求めたＪおよびζ＝０を初期値として、式（２）を用いたモデルと、測定により得られた周波数応答演算結果との曲線適合により、パラメータを同定する。曲線適合には、最小二乗法や遺伝的アルゴリズムなど様々な方法が適用できるが、ここでは、図４に示すような反共振周波数−共振周波数間の面積比較および中間点比較について説明する。図中、測定により得られた実機周波数特性１、二慣性系数式モデル周波数特性２、評価開始点３、評価終了点４を示す。３は反共振周波数に、４は共振周波数に対応する。調整条件を示すと以下のようになる。
まず、減衰係数ζについて、周波数特性演算により得られたゲインＹ（ω）とすると、式（６）の条件で調整する。

ここで、δは任意の調整値 、また、総慣性モーメントJについては、以下の条件で調整する。

ここで、σは任意の調整値である。モデルを二慣性系に限定した場合、総慣性モーメントが式（７）の条件により容易に求められるため、減衰係数はモデルと測定により得られた周波数特性の一致度判定により、求めることが出来る。
システム全体の剛体モードの慣性モーメントを求める場合の具体的な同定結果の例を図３、図４に示す。図３は、従来の手法による同定結果を示す図である。図６は、本発明による同定結果を示す図である。測定した周波数特性１に対し、曲線適合により同定されたモデルは従来例が５、本発明によるモデルが２である。剛体モードの慣性モーメント真値６０倍の機械に対し、従来の手法では、低周波数領域の傾きの平均値から７０倍と同定されていたのに対し、本手法を用いることにより、同定値は５５．５倍となり、従来の手法に比べ高精度に慣性モーメントが同定できていることがわかる。

図２は本発明の第２実施例の構成を示すブロック図である。第１実施例に位置制御部７と速度制御部８が追加されている。
また、総慣性モーメントを同定するのに共振周波数と反共振周波数の中間点の周波数をω_Ｍ＝√（ω_Ｌ＊ω_Ｈ）に選定することもできる。ζ＝０のときの周波数ω_Ｍでの二慣性系モデルのゲインＨ’（ω）は式（８）で表される。
Ｈ’（ω）＝｜Ｇ’（ｊω）｜＝（１／Ｊ／ω_Ｌ）＊√（ω_Ｈ／ω_Ｌ） （８）
また実機周波数特性の中間点のゲインをＹＭとすると総慣性モーメントＪは式（９）で表される。
Ｊ＝√（ω_Ｈ／ω_Ｌ）／ω_Ｌ／Ｙ_Ｍ （９）
これを初期値として用いて同定すればよい。

求める慣性モーメントは共振点および反共振点の周波数とゲインを用いているので、多慣性メカのモデリングにおいても、それぞれのバネ要素のバネ定数および慣性モーメントが求められるため、これに応じたフィルタの最適設定に応用することが出来る。

本発明のモータ制御装置は少ない稼動範囲で、摩擦や制御の影響が大きい場合にも高精度に慣性モーメントが推定できるので、ロボットや工作機械をはじめ一般産業機械などへの適用が期待できる。また、本発明はモータ制御装置の中に組込むことを前提としているが、慣性モーメント推定装置としても適用が可能である。

Claims (10)

1. 位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、トルク指令に基づいてモータ電流を制御する電流制御部と、を備えたモータ制御装置において、
   多数の周波数成分を含むテストトルク指令を生成するテストトルク指令生成部と、
   前記テストトルク指令に対する前記速度信号の応答から実機周波数特性を算出する実機周波数特性算出部と、
   前記実機周波数特性より機械パラメータを生成する機械パラメータ生成部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 位置指令と前記位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と前記速度信号から前記トルク指令を生成する速度制御部と、を備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記実機周波数特性は、共振周波数とその振幅、反共振周波数とその振幅を含むことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
4. 機械パラメータ生成部は、二慣性数式モデルの総慣性モーメントと制動係数を繰り返し微小変化させ、二慣性数式モデル周波数特性が実機周波数特性とを略一致させ、前記総慣性モーメントと前記制動係数をパラメータとして決定することを特徴とする請求項１および２記載のモータ制御装置。
5. 前記二慣性系数式モデルを式（１）で表し、反共振周波数と共振周波数の中間周波数のゲインを式（２）で表したことを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
   
   
   
   
   
   
   ここでＪは総慣性モーメント、ω_Ｈは共振周波数、ω_Ｌは反共振周波数、ωはテスト周波数、ζは制動係数、ｓはラプラス演算子である。
6. 機械パラメータ生成部は、前記実機周波数特性と前記二慣性系数式モデル周波数特性の反共振周波数から共振周波数までの範囲のゲインを比較し、前記実機周波数特性のゲインが大きければ二慣性系数式モデルの総慣性モーメントを微小増加させ、少なければ微小減少させて、略一致するまで繰り返すことを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
7. 前記ゲインの大小は、反共振周波数から共振周波数までのゲイン面積を比較することにより決定することを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
8. 前記総慣性モーメントの初期値はそれぞれ式（３）であることを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
   
   
   
   ただし、Ｙ_Ｌは実機周波数特性の反共振周波数のｄｂ換算ゲイン、Ｙ_Ｈは共振周波数のｄｂ換算ゲインである。
9. 前記総慣性モーメントの初期値は式（５）であることと特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
   Ｊ＝√（ω_Ｈ／ω_Ｌ）／（ω_Ｌ・Ｙ_Ｍ） （４）
   ただしＹ_Ｍは実機周波数特性のω＝√（ω_Ｈ・ω_Ｌ）のときのゲインである。
10. 位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、トルク指令に基づいてモータ電流を制御する電流制御部と、を備えたモータ制御装置の制御方法において、
    多数の周波数成分を含むテストトルク指令を電流制御部に入力し実機周波数特性をもとめるステップと、
    前記実機周波数特性と、前記二慣性系数式モデル周波数特性とを比較ステップと、
    前記実機周波数特性と前記二慣性系数式モデル周波数特性のゲインが合うように総慣性モーメントと制動係数を繰り返し微小補正するステップと、
    前記ゲインが略一致したら総慣性モーメントと制動系数をパラメータとして決定するステップと、
    を備えることを特徴とするモータ制御装置の制御方法。