JPWO2014167852A1 - モータ駆動装置 - Google Patents

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Abstract

本発明のモータ駆動装置（３０）は、動作パターン生成部（１）と、位置速度制御部（２３）と、負荷特性補償部（２４）と、負荷特性測定部（７）と、を備える。動作パターン生成部（１）は、動作パターン毎に、モータ速度またはモータ位置を変化させる加速度の絶対値を増加する。負荷特性測定部（７）は、トルク指令指標が、トルク制限値以下の場合、負荷特性を測定して、負荷特性補償部（２４）の設定を行う。また、負荷特性測定部（７）は、トルク指令指標が、トルク制限値より大きい場合、負荷特性補償部（２４）を設定することなく、負荷特性の測定を終了する。

Description

本発明は、サーボモータを制御するモータ駆動装置に関するものであり、特に、負荷測定の推定に関する。
近年、組み込みマイコン（Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ）が高性能化している。また、従来のＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に対してカスタマイズ可能な要素を組み合わせた集積回路が発展している。組み込みマイコンには、ＲＩＳＣマイコン（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などがある。集積回路には、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ-ｏｎ-ａ-Ｃｈｉｐ）などがある。
現在、これらの組み込みマイコンや集積回路を用いることで、モータ駆動装置は、サーボモータを外部からの指令に基いて駆動するにあたり、基本機能に加えて、さまざまに自動調整する機能を有している。基本機能とは、サーボモータを駆動制御する位置、速度、電流制御などをいう。
図４は、従来のモータ駆動装置のブロック図である。
図４に示すように、モータ駆動装置４０２は、モータ４を駆動制御する基本機能を有する。図中、基本性能は、一重線で囲われたブロックを用いて、各ブロックが実線で接続された、つぎの流れにより、実現される。
上位装置４０１は、モータ駆動装置４０２に外部位置指令を送信する。上位装置４０１から送信された外部位置指令は、モータ駆動装置４０２の指令選択部２１によって受信される。指令選択部２１は、後述する試運転機能２１１から送信される内部位置指令と、上位装置４０１から送信された外部位置指令とのいずれか一方を選択する。指令選択部２１は、指令選択部２１にて選択された、内部位置指令と外部位置指令とのうちいずれか一方を、選択後位置指令として指令応答設定部２２に送信する。
指令応答設定部２２では、スムージング処理、すなわち平準化処理が行われる。さらに、指令応答設定部２２では、内部位置指令または外部位置指令のいずれかを入力とするフィルタ演算処理が行われる。指令応答設定部２２は、フィルタ演算処理が行われた後、フィルタ演算処理した結果としての指令を位置速度制御部２３に送信する。
位置速度制御部２３は、指令応答設定部２２から送信された指令と、エンコーダ５から送信されたモータ位置情報とを用いて、フィードバック制御演算を行う。フィードバック制御演算は、ＰＩＤ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に代表される。位置速度制御部２３にてフィードバック制御演算が行われた後、位置速度制御部２３は、位置偏差が０となるようなトルク指令を送信する。
負荷特性補償部２４は、位置速度制御部２３から送信されたトルク指令に対して、総イナーシャに応じたスケーリング処理を行う。総イナーシャとは、モータ４および負荷６などによるイナーシャをいう。負荷特性補償部２４は、スケーリング処理を行うことで、負荷イナーシャの差異を吸収する。
また、負荷特性補償部２４は、エンコーダ５から送信されたモータ位置情報より、モータ４および負荷６の摩擦トルクを推定する。負荷特性補償部２４は、推定した摩擦トルクを予め加算することにより、補償後のトルク指令を生成する。負荷特性補償部２４は、生成された補償後のトルク指令を共振抑制部２５に送信する。
モータ４と負荷６との共振特性により、振動が引き起こされることがある。引き起こされた振動が励起されないよう、共振抑制部２５は、補償後のトルク指令から特定の周波数成分を除去する、ノッチフィルタ処理、あるいは、ローパスフィルタ処理を行う。共振抑制部２５は、ノッチフィルタ処理、あるいは、ローパスフィルタ処理を行った結果を、最終のトルク指令としてモータ４に送信する。
次に、図４に示すように、モータ駆動装置４０２は、自動調整機能を有する。図中、自動調整機能は、二重線で囲われたブロックを用いて、各ブロックが破線で接続された、つぎの流れにより、実現される。
例えば、特許文献１に示されるように、試運転機能２１１は、モータ駆動装置４０２の内部で、往復運転パターンを生成する。往復運転パターンは、ある傾きの加減速度を有する、一定量の三角波である。往復運転パターンは、正負を有する。
一般的に、試運転機能２１１は、外部からのパラメータが設定されることにより、モータ駆動装置４０２が内蔵するＮＣ演算処理によって指令パターンがリアルタイムに自動で計算される。外部からのパラメータとは、移動量、最高速度、加速時間、減速時間、停止時間などをいう。試運転機能２１１は、一定周期毎に内部位置指令を生成する機能である。
なお、試運転機能２１１から指令選択部２１に内部位置指令を送信する際、試運転機能２１１は、指令選択部２１が内部位置指令を選択するような付加情報を送信することもできる。このように、付加情報を送信すれば、試運転機能２１１から指令選択部２１の動作を指定できる。
例えば、特許文献２に示されるように、指令応答設定機能２２１は、位置指令の応答性を決める指令前置フィルタの遮断周波数を決定する。指令応答設定機能２２１は、モータ駆動装置４０２の外部から剛性値という１つの指標が与えられる。指令応答設定機能２２１は、与えられた剛性値と、モータ駆動装置４０２に内蔵されるテーブルから、指令前置フィルタの遮断周波数を決定する。
一般的に、指令応答設定機能２２１は、つぎの形態で示す、１つ、あるいは、複数の指令応答指標を受信することで、指令応答設定部２２の１つ、または、複数のパラメータを自動設定する。つまり、指令応答指標が受信される形態は、一次遅れや二次遅れのフィルタ時定数や、減衰比で、より細かい周波数特性を指示するものがある。あるいは、指令応答指標が受信される形態は、立ち上がり時間や遅延時間、オーバーシュート量などの時間応答の過渡特性を指示するものがある。指令応答設定機能２２１は、指令応答設定部２２に対する送信や受信の関係が、指令応答指標とできる限り一致するよう、指令応答設定部２２の１つ、または、複数のパラメータを自動設定する。
例えば、特許文献３に示されるように、剛性設定機能２３１は、サーボ剛性を代表する１パラメータを指標としている。剛性設定機能２３１は、サーボ剛性を代表する１パラメータに一定の比率を掛けて、速度比例ゲインや速度積分ゲイン、位置比例ゲインを連動して設定する。また、先に示した特許文献２のように、剛性値に対応したテーブルから、位置速度制御部のゲイン設定を決定してもよい。
一般的に、剛性設定機能２３１は、１つ、あるいは、複数の剛性指標を受信し、位置速度制御部２３の外乱応答が剛性指標にできるだけ一致するよう、位置速度制御部２３の１つ、または、複数のパラメータを自動設定する。
例えば、特許文献４に示されるように、負荷特性測定機能２４１は、モータ４に送信されるトルク指令、および、エンコーダ５から送信されるモータ位置情報と、その高次差分である速度・加速度から、最小二乗推定を用いて、摩擦特性を自動で推定する。摩擦特性とは、モータ４および負荷６などによるイナーシャを合わせた総イナーシャや、常に一定で働く偏荷重トルク、動作方向に依存する動摩擦トルク、動作速度に比例する粘性摩擦トルクなどをいう。
また、負荷特性測定機能２４１は、推定された結果を負荷特性補償部２４に対して、リアルタイムに反映させる。よって、どのような負荷６が接続されても、負荷特性補償部２４は、指令応答指標や剛性指標で指定された同じ応答性を得ることができ、適応ロバスト性を持たせることができる。
例えば、特許文献５に示されるように、適応フィルタ機能２５１は、再帰型のノッチフィルタを用いた適応アルゴリズムにより、モータ速度から抽出した高周波成分をできるだけ０に近づけるよう、共振抑制部２５のパラメータを自動調整する。また、適応フィルタ機能２５１は、つぎのバリエーションを有する。つまり、バリエーションのひとつは、トルク指令から振動成分を抽出する。他のバリエーションは、モデル応答との差から振動成分を抽出する。あるいは、他のバリエーションは、適応フィルタを複数持つ。さらに他のバリエーションは、ノッチ周波数だけではなく、幅や深さ、Ｑ値を自動調整する、というものなどがある。
一般的に、適応フィルタ機能２５１は、何らかの方法で、モータ４と負荷６との共振特性に起因する振動成分を抽出する。適応フィルタ機能２５１は、規範入力との差を最小にする適応アルゴリズムにより、共振抑制部２５のフィルタパラメータを自動調整する。
例えば、特許文献６に示されるように、発振検知機能２６は、エンコーダ５から送信されたモータ位置情報から変動分を抽出する。発振検知機能２６は、抽出された変動分と、しきい値との比較、継続時間の判定などにより、モータ４および負荷６の発振状態を検出する。
発振検知機能２６が発振を検知した場合、発振検知機能２６は、前述の剛性設定機能２３１に発振検知情報を伝達する。このようにして、発振検知機能２６は、フィードバックループの周波数帯域幅が狭くなるような剛性値を選択して、発振を自動的に抑制する。
例えば、特許文献７に示されるように、評価指標測定機能２７は、入出力データを周期的に測定して記憶する。評価指標測定機能２７は、評価指標に対応した入出力データから、評価値を算出、表示、蓄積する機能である。入出力データとは、指令選択部２１の位置指令出力、エンコーダ５のモータ位置出力、負荷特性補償部２４のトルク指令出力などをいう。評価指標とは、整定時間やオーバーシュート、トルク変動などをいう。本機能の重要な側面は、いずれもリアルタイムに取得できる膨大なモータ制御情報から、より意味のある少数の評価指標にデータ圧縮することである。
特開平５−３４６３５９号公報 特開２００７−３３６７９２号公報 特開平６−３１９２８４号公報 特開２００５−１６８１６６号公報 特開２００４−２７４９７６号公報 国際公開第２００８／０８７８９３号 国際公開第２００９／０９６１６９号
本発明が対象とするモータ駆動装置は、モータを駆動する。モータ駆動装置は、動作パターン生成部と、位置速度制御部と、負荷特性補償部と、負荷特性測定部と、を備える。
動作パターン生成部は、モータに対する、少なくともモータ速度またはモータ位置のいずれか一つを指示する動作パターンを生成する。動作パターン生成部は、少なくとも１以上の動作パターンを含む動作指令を生成する。また、動作パターン生成部は、生成した動作指令を送信する。
位置速度制御部は、動作指令と、エンコーダから送信されたモータ位置情報と、を受信する。位置速度制御部は、少なくともモータ位置またはモータ速度のいずれか一つの偏差を０とするようなトルク指令を生成する。また、位置速度制御部は、生成したトルク指令を送信する。
負荷特性補償部は、トルク指令と、モータ位置情報と、負荷特性推定値と、を受信する。負荷特性補償部は、トルク指令に対して、総イナーシャに応じたスケーリング処理を行う。負荷特性補償部は、スケーリング処理後のトルク指令に対して負荷の摩擦トルク推定値を加算し、モータを駆動する補償後トルク指令を生成する。
負荷特性測定部は、トルク指令指標とトルク制限値とを生成する。負荷特性測定部は、補償後トルク指令と、モータ位置情報と、を受信する。負荷特性測定部は、負荷の負荷特性を測定して、負荷特性補償部の設定を行う。
特に、動作パターン生成部は、動作パターン毎に、モータ速度またはモータ位置を変化させる加速度の絶対値を増加する。
負荷特性測定部は、トルク指令指標が、トルク制限値以下の場合、負荷特性を測定して、負荷特性補償部の設定を行う。また、負荷特性測定部は、トルク指令指標が、トルク制限値より大きい場合、負荷特性補償部を設定することなく、負荷特性の測定を終了する。
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態における動作パターン生成部のブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態における負荷特性測定部のブロック図である。 図４は、従来のモータ駆動装置のブロック図である。
本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置は、後述する構成により、サーボ調整について、細かな知識や十分な経験を持たない作業者でも、負荷特性の測定を行う際、最適な動作パターンを生成できる。
つまり、従来のモータ駆動装置は、つぎの改善すべき点を有していた。すなわち、従来のモータ駆動装置は、各種の自動調整機能が個別に最適化される。よって、従来のモータ駆動装置は、サーボ調整、特に、負荷特性の測定について、最適なものとは言えない。
例えば、図４に示す、試運転機能２１１は、サーボ調整以外の目的にも使用される。具体的には、試運転機能２１１は、モータ駆動装置が組み込まれた機器を組み立てる時の原点出しや、動作確認時のエージングや、保守作業における待避動作などにも使用される。
よって、試運転機能２１１は、移動量や速度、加速度などについて、仕様や設定が変更できるようになっている。
しかし、サーボ調整に関するさまざま設定の変更を行う場合、作業者には、サーボ調整と、各種の自動調整機能に関する知識が必要とされる。
負荷特性測定機能２４１は、負荷特性補償部２４が関連する負荷特性を、自動で調整する、便利な機能である。負荷特性には、総イナーシャや、摩擦補償などがある。しかし、負荷特性測定機能２４１は、負荷特性が急峻に変化する用途には適していない。
各パラメータを推測する方法として、最小二乗推定がある。しかし、つぎの装置に対して、最小二乗推定を常時、適用することは適切とはいえない。すなわち、つぎの装置とは、多関節ロボットや、ピック＆プレイス系の装置や、カム駆動で周期的に総イナーシャが変動する装置などである。ピック＆プレイス系の装置は、ダイレクトドライブ化などにより、負荷変動の影響が大きい。
他の各パラメータを推測する方法として、摩擦補償がある。しかし、摩擦補償は、モータ４が機器に組み込まれている場合、有効ではない。例えば、多関節ロボットのように、モータ４が機器に組み込まれている場合、モータ４単体に生じる重力方向は変化する。従って、モータ４単体について、偏荷重トルクを推定しても、多関節ロボットの摩擦補償という観点では、有効ではない。
また、摩擦補償の前提となる、最小二乗法に基く負荷特性の推定は、モータ４の動作パターンや、非線形特性による誤差の影響を受ける。よって、最適な推定値を得るには、システム同定に関する、知識と経験とが、必要であった。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術範囲を限定するものではない。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図である。図２は、本発明の実施の形態における動作パターン生成部のブロック図である。図３は、本発明の実施の形態における負荷特性測定部のブロック図である。
なお、図４に示した、従来のモータ駆動装置４０２と同様の構成要素には、同じ符号を付与し、説明を援用する。
本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置３０は、モータ４を駆動する。モータ駆動装置３０は、動作パターン生成部１と、位置速度制御部２３と、負荷特性補償部２４と、負荷特性測定部７と、を備える。
動作パターン生成部１は、モータ４に対する、少なくともモータ速度またはモータ位置のいずれか一つを指示する動作パターンを生成する。動作パターン生成部１は、少なくとも１以上の動作パターンを含む動作指令１０１を生成する。また、動作パターン生成部１は、生成した動作指令１０１を送信する。
位置速度制御部２３は、動作指令１０１と、エンコーダ５から送信されたモータ位置情報１０４と、を受信する。位置速度制御部２３は、少なくともモータ位置またはモータ速度のいずれか一つの偏差を０とするようなトルク指令１０２を生成する。また、位置速度制御部２３は、生成したトルク指令１０２を送信する。
負荷特性補償部２４は、位置速度制御部２３から送信されたトルク指令１０２に対して、総イナーシャに応じたスケーリング処理を行う。総イナーシャとは、モータ４および負荷６などによるイナーシャをいう。負荷特性補償部２４は、スケーリング処理を行うことで、負荷イナーシャの差異を吸収する。負荷特性補償部２４は、スケーリング処理後のトルク指令に対して、負荷６の摩擦トルク推定値を加算して、モータ４を駆動する補償後トルク指令１０３を生成する。
負荷特性測定部７は、トルク指令指標１２２とトルク制限値１２１とを生成する。負荷特性測定部７は、補償後トルク指令１０３と、モータ位置情報１０４と、を受信する。負荷特性測定部７は、負荷６の負荷特性を測定して、負荷特性補償部２４の設定を行う。
特に、動作パターン生成部１は、動作パターン毎に、モータ速度またはモータ位置を変化させる加速度の絶対値を増加する。
負荷特性測定部７は、トルク指令指標１２２が、トルク制限値１２１以下の場合、負荷特性を測定して、負荷特性補償部２４の設定を行う。また、負荷特性測定部７は、トルク指令指標１２２が、トルク制限値１２１より大きい場合、負荷特性補償部２４を設定することなく、負荷特性の測定を終了する。
また、本実施の形態におけるモータ駆動装置３０が、特に顕著な作用効果を奏する具体例を以下に示す。
すなわち、モータ駆動装置３０において、位置速度制御部２３が位置制御を行う場合、動作指令１０１は、微分すれば三角波形状となる位置指令となる。また、位置速度制御部が速度制御を行う場合、動作指令１０１は、三角波形状の速度指令となる。
よって、モータ駆動装置３０は、指定した移動量に対して、所要時間を最小とした動作パターンを自動生成できる。
また、モータ駆動装置３０において、さらに、動作パターン生成部１は、速度制限値１１３を有する。速度指令を示す最大値が速度制限値１１３より大きい場合、動作パターン生成部１は、加速度と速度制限値１１３とを用いて、動作パターンを生成する。
よって、モータ駆動装置３０は、指定された最高速度によって制限された動作パターンを自動生成できる。モータ駆動装置３０は、動作パターンの移動量を低減できる。
あるいは、モータ駆動装置３０において、さらに、動作パターン生成部１は、速度制限値１１３を有する。速度指令を示す最大値が速度制限値１１３より大きい場合、動作パターン生成部１は、動作パターンを生成しない。負荷特性測定部７は、負荷特性の測定を終了する。
よって、モータ駆動装置３０は、指定された最高速度によって制限された動作パターンを自動生成できる。
また、モータ駆動装置３０において、さらに、動作パターンは、加減速時間を含む。加減速時間が、負荷特性を測定できる測定時間の下限値より短い場合、動作パターン生成部１は、動作パターンを生成しない。負荷特性測定部７は、負荷特性の測定を終了する。
よって、モータ駆動装置３０は、不要な動作指令を生成しないため、負荷測定に要する時間を低減できる。
また、モータ駆動装置３０は、さらに、動作パターンは、トルク指令１０２を含む。トルク指令指標１２２は、動作パターンが含むトルク指令１０２の絶対値の最大値である。
あるいは、モータ駆動装置３０は、さらに、動作パターンは、トルク指令１０２を含む。トルク指令指標１２２は、動作パターンが含む加速区間におけるトルク指令１０２の実効値と、動作パターンが含む減速区間におけるトルク指令１０２の実効値と、のうち、大きい方である。
あるいは、モータ駆動装置３０は、トルク指令指標１２２は、後述する（１）式で算出される。ここで、ａは、動作パターンの加速度とする。ωは、動作パターンにおいて大きさが最大となる速度とする。Ｊは、負荷特性推定値１０５である総イナーシャとする。Ｒは、粘性摩擦係数とする。Ｔｄは、動摩擦と偏加重との合成値とする。このとき、（１）式は、つぎのようになる。
トルク指令指標＝Ｊ×ａ＋Ｒ×ω＋Ｔｄ・・・（１）
よって、モータ駆動装置３０は、作業者の要望に応じたトルク指令指標１２２を得ることができる。
図面とともに、さらに、詳細に説明する。
図１、図２に示すように、動作パターン生成部１は、動作指令１０１を生成する。動作パターン生成部１は、生成した動作指令１０１を位置速度制御部２３へ送信する。動作パターン生成部１は、動作指令１０１の生成に合わせて、有効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信する。
なお、動作パターン生成部１は、つぎの場合、無効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信する。すなわち、ひとつは、動作パターン生成部１が、動作指令１０１の生成を終了する場合である。もうひとつは、動作パターン生成部１が、負荷特性測定部７から送信された負荷特性測定終了信号１０７を、受信した場合である。
位置速度制御部２３は、動作指令１０１とともに、駆動対象であるモータ４に接続されたエンコーダ５よりモータ位置情報１０４を受信する。位置速度制御部２３は、ＰＩＤ制御に代表されるフィードバック演算を行う。位置速度制御部２３は、フィードバック演算の結果としてトルク指令１０２を、負荷特性補償部２４へ送信する。
負荷特性補償部２４は、トルク指令１０２とともに、負荷特性測定部７から送信された負荷特性推定値１０５とエンコーダ５から送信されたモータ位置情報１０４とを受信する。負荷特性補償部２４は、補償後トルク指令１０３を送信する。
負荷特性推定値１０５には、モータ４および負荷６の総イナーシャが含まれる。負荷特性補償部２４は、トルク指令１０２に対して、総イナーシャに応じたスケーリング処理を行う。トルク指令１０２は、スケーリング処理を行うことで、さまざまな負荷６によって異なるモータ等価イナーシャの差異を吸収する。
また、負荷特性推定値１０５には、モータ４および負荷６に存在する偏加重トルク、動摩擦トルク、粘性摩擦トルクなどの摩擦トルクが含まれる。これらの摩擦トルクは、モータ４の駆動において、即応性の改善や、動作方向や速度による応答差を低減する。
図１、図３に示すように、負荷特性測定部７は、補償後トルク指令１０３とともに、モータ位置情報１０４と負荷特性測定開始信号１０６とを受信する。
受信した負荷特性測定開始信号１０６が有効の場合、負荷特性測定部７は、補償後トルク指令１０３およびモータ位置情報１０４に基いて、総イナーシャや摩擦トルクを自動推定する。総イナーシャや摩擦トルクは、例えば、最小二乗推定を用いて、算出できる。総イナーシャは、モータ４および負荷６のイナーシャを合わせたものである。
負荷特性測定開始信号１０６が無効の場合、負荷特性測定部７は、自動推定を行わない。
モータ４には、電流制御やパワー回路を介して、電圧や電流が供給される。負荷特性補償部２４から送信された補償後トルク指令１０３に従って、モータ４に供給される電圧や電流が調整される。よって、補償後トルク指令１０３に応じて、モータ４の出力トルクは変化する。この結果、モータ４に接続された負荷６が、動作する。
次に、図２を用いて、動作パターン生成部１について、詳細に説明する。
図２に示すように、動作パターン生成部１は、加速度設定部１１と、移動量設定部１２と、速度制限値設定部１３と、位置・速度指令生成部１４と、を備える。
加速度設定部１１は、加速度設定値１１１を生成する。加速度設定部１１は、生成された加速度設定値１１１を位置・速度指令生成部１４へ送信する。加速度設定値１１１の初期値は、負荷特性測定部７にて負荷特性の測定が可能な加速度の下限値とする。加速度設定値１１１に従って、位置・速度指令生成部１４で生成される動作指令１０１の１サイクル毎に、加速度が、徐々に増加する。
加速度設定部１１が、加速度を増加させるやり方は、つぎのようなものがある。すなわち、今回の加速度は、前回の加速度に対して、一定の加速度が加算されたものとする方法がある。また、今回の加速度は、前回の加速度の倍の値とする方法などがある。
その他、加速度と必要トルクの関係が、おおよそ分かっている場合なども想定される。このような場合に対応するため、加速度の初期値を作業者が設定できるようにしてもよい。
移動量設定部１２は、移動量設定値１１２を生成する。移動量設定部１２は、生成された移動量設定値１１２を位置・速度指令生成部１４へ送信する。なお、移動量設定値１１２として、モータの１回転やモータの２回転といった規定値を設定する方法がある。あるいは、モータが組み込まれる機器について、可動範囲の制約などに応じて、作業者が、移動量設定値１１２を設定する方法もある。いずれの方法であっても、移動量設定値１１２として、移動量や負荷特性の測定に要する時間などを考慮して、設定されることが望ましい。
速度制限値設定部１３は、速度制限値１１３を生成する。速度制限値設定部１３は、生成された速度制限値１１３を位置・速度指令生成部１４へ送信する。
なお、速度制限値１１３として、モータの最高速度、モータの定格速度、モータが組み込まれる機器で許容される速度、これらの速度に対して、ある係数を乗じてマージンを取った速度などを設定する方法がる。あるいは、実際に使用される条件に合わせて、作業者が、移動量設定値１１３を設定する、などの方法がある。
位置・速度指令生成部１４は、受信した、加速度設定値１１１と、移動量設定値１１２と、速度制限値１１３と、に基いて、動作指令１０１を生成する。位置・速度指令生成部１４は、生成した動作指令１０１を位置速度制御部２３へ送信する。
位置速度制御部２３が位置制御を行う場合、動作指令１０１は、位置指令となる。位置速度制御部２３が速度制御を行う場合、動作指令１０１は、速度指令となる。
動作指令１０１は、速度指令の形状を三角波とすれば、加速度と移動量から一義的に決定される。三角波は、一定の加速度で加速し、ある速度に到達すると同じ大きさの加速度で減速する、というものである。
速度指令の形状を三角波とすることで、位置・速度指令生成部１４は、指定した移動量に対して所要時間を最小とした、動作指令１０１を生成できる。また、位置・速度指令生成部１４は、ある三角波と、速度の符号を反転した三角波とを組み合わせて、往復動作を行う、１つの動作パターンを生成する。１つの動作パターンが、往復動作を行うようになるため、負荷特性の推定全体について、移動量を低減できる。
また、１つの動作パターンを複数個組み合わせて、１サイクルとなる動作指令１０１を生成する。このような動作指令１０１を生成すれば、負荷特性測定部７における負荷特性の推定精度が向上する。動作指令１０１における最高速度が速度制限値１１３を上回る場合、位置・速度指令生成部１４は、加速度設定値１１１と速度制限値１１３とに基いて、動作指令１０１を再び生成する。
なお、位置・速度指令生成部１４は、動作指令１０１を出力せずに、無効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信し、負荷特性の測定を終了してもよい。また、動作指令１０１における最高速度が速度制限値１１３を上回らない場合、動作指令１０１の出力開始に合わせて、位置・速度指令生成部１４は、有効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信する。
負荷特性測定部７から位置・速度指令生成部１４へ負荷特性測定終了信号１０７が送信された場合、位置・速度指令生成部１４から負荷特性測定部７へ無効を示す負荷特性測定開始信号１０６が送信される。負荷特性測定部７は、負荷特性の測定を終了する。
また、動作パターンの加減速時間が負荷特性を測定できる測定時間の下限値より短い場合、位置・速度指令生成部１４は、動作指令１０１を送信しない。また、位置・速度指令生成部１４は、無効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信する。負荷特性測定部７は、負荷特性の測定を終了する。
次に、図３を用いて、負荷特性測定部７について、詳細に説明する。
図３に示すように、負荷特性測定部７は、負荷特性推定部３２１と、トルク制限値設定部３２２と、トルク指令指標作成部３２３と、を備える。
トルク制限値設定部３２２は、トルク制限値１２１を生成する。トルク制限値設定部３２２は、生成されたトルク制限値１２１を負荷特性推定部３２１へ送信する。なお、トルク制限値１２１は、モータの最大トルク、モータの定格トルク、これらのトルクに対して、ある係数を乗じてマージンを取った値をトルクとする方法、あるいは、実際に使用される条件に合わせて、作業者がトルクを設定する方法、などがある。
なお、負荷特性の測定を行う際、イナーシャ比などの負荷特性が不明なため、サーボの応答性を決める位置・速度ループの制御ゲインが、低めに設定されていることが多い。
よって、負荷特性の測定後、同一の動作指令パターンを用いて、制御ゲインの調整を行う際、つぎのことが想定される。すなわち、サーボの応答を高応答な設定とすると、加減速中のトルク指令が大きくなることが想定される。このため、トルク制限値１２１は、モータの最大トルク、モータの定格トルク、あるいは実際に使用される条件でのトルクに対して、ある程度マージンを持たせておくことが望ましい。
トルク指令指標作成部３２３は、負荷特性補償部２４から送信された補償後トルク指令１０３を受信する。トルク指令指標作成部３２３は、トルク指令指標１２２を生成する。トルク指令指標作成部３２３は、生成したトルク指令指標１２２を負荷特性推定部３２１へ送信する。
トルク指令指標１２２は、つぎの方法により、得ることができる。まず、第１の方法は、１つの動作パターンの中にある、トルク指令の絶対値に着目する。このトルク指令の絶対値のうち、最大値をトルク指令指標１２２とする、というものである。
第２の方法は、１つの動作パターンの中にある、加速区間におけるトルク指令の実効値と、減速区間におけるトルク指令の実効値とに着目する。加速区間におけるトルク指令の実効値と、減速区間におけるトルク指令の実効値と、を比較して、大きい方をトルク指令指標１２２とする、というものである。
第３の方法は、負荷特性推定値と加速度とを用いて、前述した（１）式により、算出する方法などがある。
負荷特性推定部３２１は、動作パターン生成部１から送信された負荷特性測定開始信号１０６を受信する。負荷特性推定部３２１は、有効を示す負荷特性測定開始信号１０６を受信した場合、負荷特性の推定を行う。負荷特性の推定は、補償後トルク指令１０３およびモータ位置情報１０４から、例えば、最小二乗推定を用いて、モータおよび負荷を合わせた総イナーシャや、摩擦トルクを自動推定して行う。摩擦トルクには、偏加重トルク、動摩擦トルク、粘性摩擦トルクなどがある。
トルク指令指標１２２がトルク制限値１２１以下の場合、負荷特性推定部３２１は、自動推定した結果で、負荷特性推定値１０５を更新する。負荷特性推定部３２１は、更新した負荷特性推定値１０５を負荷特性補償部２４へ送信する。
トルク指令指標１２２がトルク制限値１２１より大きい場合、負荷特性推定部３２１は、負荷特性推定値１０５を更新しない。負荷特性推定部３２１は、負荷特性測定終了信号１０７を動作パターン生成部１へ送信する。
また、負荷特性推定値１０５の初期値が、おおよそ分かっている場合なども想定される。このような場合に対応するため、負荷特性推定値１０５の初期値は、作業者が設定できるようにしてもよい。なお、負荷特性推定値１０５の初期値が分からない場合、モータのイナーシャを総イナーシャとして、摩擦トルクは０としておくことが望ましい。
位置速度制御部が送信するトルク指令を、できる限り大きなトルク指令、または、実際に使用される条件に近いトルク指令とする。その結果、加速度は、できる限り大きな加速度、または、実際に使用される条件に近い加速度となり、負荷特性の測定精度が向上する。
なお、負荷特性を測定する時のモータ４および負荷６の発振を防止するために、負荷特性の測定を行う前に、サーボの応答性を決める位置・速度ループの制御ゲインを、低応答となるように設定しておくことが望ましい。
また、モータと負荷との共振特性に起因する振動成分を抽出し、規範入力との差を最小にする適応アルゴリズムがある。この適応アルゴリズムを用いて、モータ駆動装置が共振を抑制するノッチフィルタを自動調整する適応フィルタ機能を備えている場合、適応フィルタ機能を有効として、負荷特性の測定を行ってもよい。
また、発振検知機能がエンコーダ５から送信されたモータ位置情報１０４から変動分を抽出する。抽出された変動分としきい値とを比較し、継続時間を判定することなどにより、発振検知機能がモータおよび負荷の発振状態を検出する。発振検知機能が発振を検知した場合、サーボの応答性を決める位置・速度ループの制御ゲインを、自動的に低応答な設定として発信を自動的に抑制する。モータ駆動装置がこのような発振検知機能を備えている場合、発振検知機能を有効として負荷特性測定を行ってもよい。
以上の説明から明らかなように、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置によれば、高加速度、かつ、高トルクでの負荷特性の測定が自動で行われる。よって、サーボ調整について、詳細な知識を持たない作業者でも、適切な調整結果を得ることができる。
また、トルク制限値を適切に設定し、実際の使用条件に近い動作パターンが自動で生成されるため、適切な調整結果を得ることができる。
本発明のモータ駆動装置は、サーボ調整について、詳細な知識を持たない作業者でも、適切な調整結果を得ることができる。
１ 動作パターン生成部
４ モータ
５ エンコーダ
６ 負荷
７ 負荷特性測定部
１１ 加速度設定部
１２ 移動量設定部
１３ 速度制限値設定部
１４ 位置・速度指令生成部
２３ 位置速度制御部
２４ 負荷特性補償部
３０，４０２ モータ駆動装置
１０１ 動作指令
１０２ トルク指令
１０３ 補償後トルク指令
１０４ モータ位置情報
１０５ 負荷特性推定値
１０６ 負荷特性測定開始信号
１０７ 負荷特性測定終了信号
１１１ 加速度設定値
１１２ 移動量設定値
１１３ 速度制限値
１２１ トルク制限値
１２２ トルク指令指標
３２１ 負荷特性推定部
３２２ トルク制限値設定部
３２３ トルク指令指標作成部
４０１ 上位装置
本発明は、サーボモータを制御するモータ駆動装置に関するものであり、特に、負荷測定の推定に関する。
近年、組み込みマイコン（Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ）が高性能化している。また、従来のＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に対してカスタマイズ可能な要素を組み合わせた集積回路が発展している。組み込みマイコンには、ＲＩＳＣマイコン（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などがある。集積回路には、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ-ｏｎ-ａ-Ｃｈｉｐ）などがある。
現在、これらの組み込みマイコンや集積回路を用いることで、モータ駆動装置は、サーボモータを外部からの指令に基いて駆動するにあたり、基本機能に加えて、さまざまに自動調整する機能を有している。基本機能とは、サーボモータを駆動制御する位置、速度、電流制御などをいう。
図４は、従来のモータ駆動装置のブロック図である。
図４に示すように、モータ駆動装置４０２は、モータ４を駆動制御する基本機能を有する。図中、基本性能は、一重線で囲われたブロックを用いて、各ブロックが実線で接続された、つぎの流れにより、実現される。
上位装置４０１は、モータ駆動装置４０２に外部位置指令を送信する。上位装置４０１から送信された外部位置指令は、モータ駆動装置４０２の指令選択部２１によって受信される。指令選択部２１は、後述する試運転機能２１１から送信される内部位置指令と、上位装置４０１から送信された外部位置指令とのいずれか一方を選択する。指令選択部２１は、指令選択部２１にて選択された、内部位置指令と外部位置指令とのうちいずれか一方を、選択後位置指令として指令応答設定部２２に送信する。
指令応答設定部２２では、スムージング処理、すなわち平準化処理が行われる。さらに、指令応答設定部２２では、内部位置指令または外部位置指令のいずれかを入力とするフィルタ演算処理が行われる。指令応答設定部２２は、フィルタ演算処理が行われた後、フィルタ演算処理した結果としての指令を位置速度制御部２３に送信する。
位置速度制御部２３は、指令応答設定部２２から送信された指令と、エンコーダ５から送信されたモータ位置情報とを用いて、フィードバック制御演算を行う。フィードバック制御演算は、ＰＩＤ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に代表される。位置速度制御部２３にてフィードバック制御演算が行われた後、位置速度制御部２３は、位置偏差が０となるようなトルク指令を送信する。
負荷特性補償部２４は、位置速度制御部２３から送信されたトルク指令に対して、総イナーシャに応じたスケーリング処理を行う。総イナーシャとは、モータ４および負荷６などによるイナーシャをいう。負荷特性補償部２４は、スケーリング処理を行うことで、負荷イナーシャの差異を吸収する。
また、負荷特性補償部２４は、エンコーダ５から送信されたモータ位置情報より、モータ４および負荷６の摩擦トルクを推定する。負荷特性補償部２４は、推定した摩擦トルクを予め加算することにより、補償後のトルク指令を生成する。負荷特性補償部２４は、生成された補償後のトルク指令を共振抑制部２５に送信する。
モータ４と負荷６との共振特性により、振動が引き起こされることがある。引き起こされた振動が励起されないよう、共振抑制部２５は、補償後のトルク指令から特定の周波数成分を除去する、ノッチフィルタ処理、あるいは、ローパスフィルタ処理を行う。共振抑制部２５は、ノッチフィルタ処理、あるいは、ローパスフィルタ処理を行った結果を、最終のトルク指令としてモータ４に送信する。
次に、図４に示すように、モータ駆動装置４０２は、自動調整機能を有する。図中、自動調整機能は、二重線で囲われたブロックを用いて、各ブロックが破線で接続された、つぎの流れにより、実現される。
例えば、特許文献１に示されるように、試運転機能２１１は、モータ駆動装置４０２の内部で、往復運転パターンを生成する。往復運転パターンは、ある傾きの加減速度を有する、一定量の三角波である。往復運転パターンは、正負を有する。
一般的に、試運転機能２１１は、外部からのパラメータが設定されることにより、モータ駆動装置４０２が内蔵するＮＣ演算処理によって指令パターンがリアルタイムに自動で計算される。外部からのパラメータとは、移動量、最高速度、加速時間、減速時間、停止時間などをいう。試運転機能２１１は、一定周期毎に内部位置指令を生成する機能である。
なお、試運転機能２１１から指令選択部２１に内部位置指令を送信する際、試運転機能２１１は、指令選択部２１が内部位置指令を選択するような付加情報を送信することもできる。このように、付加情報を送信すれば、試運転機能２１１から指令選択部２１の動作を指定できる。
例えば、特許文献２に示されるように、指令応答設定機能２２１は、位置指令の応答性を決める指令前置フィルタの遮断周波数を決定する。指令応答設定機能２２１は、モータ駆動装置４０２の外部から剛性値という１つの指標が与えられる。指令応答設定機能２２１は、与えられた剛性値と、モータ駆動装置４０２に内蔵されるテーブルから、指令前置フィルタの遮断周波数を決定する。
一般的に、指令応答設定機能２２１は、つぎの形態で示す、１つ、あるいは、複数の指令応答指標を受信することで、指令応答設定部２２の１つ、または、複数のパラメータを自動設定する。つまり、指令応答指標が受信される形態は、一次遅れや二次遅れのフィルタ時定数や、減衰比で、より細かい周波数特性を指示するものがある。あるいは、指令応答指標が受信される形態は、立ち上がり時間や遅延時間、オーバーシュート量などの時間応答の過渡特性を指示するものがある。指令応答設定機能２２１は、指令応答設定部２２に対する送信や受信の関係が、指令応答指標とできる限り一致するよう、指令応答設定部２２の１つ、または、複数のパラメータを自動設定する。
例えば、特許文献３に示されるように、剛性設定機能２３１は、サーボ剛性を代表する１パラメータを指標としている。剛性設定機能２３１は、サーボ剛性を代表する１パラメータに一定の比率を掛けて、速度比例ゲインや速度積分ゲイン、位置比例ゲインを連動して設定する。また、先に示した特許文献２のように、剛性値に対応したテーブルから、位置速度制御部のゲイン設定を決定してもよい。
一般的に、剛性設定機能２３１は、１つ、あるいは、複数の剛性指標を受信し、位置速度制御部２３の外乱応答が剛性指標にできるだけ一致するよう、位置速度制御部２３の１つ、または、複数のパラメータを自動設定する。
例えば、特許文献４に示されるように、負荷特性測定機能２４１は、モータ４に送信されるトルク指令、および、エンコーダ５から送信されるモータ位置情報と、その高次差分である速度・加速度から、最小二乗推定を用いて、摩擦特性を自動で推定する。摩擦特性とは、モータ４および負荷６などによるイナーシャを合わせた総イナーシャや、常に一定で働く偏荷重トルク、動作方向に依存する動摩擦トルク、動作速度に比例する粘性摩擦トルクなどをいう。
また、負荷特性測定機能２４１は、推定された結果を負荷特性補償部２４に対して、リアルタイムに反映させる。よって、どのような負荷６が接続されても、負荷特性補償部２４は、指令応答指標や剛性指標で指定された同じ応答性を得ることができ、適応ロバスト性を持たせることができる。
例えば、特許文献５に示されるように、適応フィルタ機能２５１は、再帰型のノッチフィルタを用いた適応アルゴリズムにより、モータ速度から抽出した高周波成分をできるだけ０に近づけるよう、共振抑制部２５のパラメータを自動調整する。また、適応フィルタ機能２５１は、つぎのバリエーションを有する。つまり、バリエーションのひとつは、トルク指令から振動成分を抽出する。他のバリエーションは、モデル応答との差から振動成分を抽出する。あるいは、他のバリエーションは、適応フィルタを複数持つ。さらに他のバリエーションは、ノッチ周波数だけではなく、幅や深さ、Ｑ値を自動調整する、というものなどがある。
一般的に、適応フィルタ機能２５１は、何らかの方法で、モータ４と負荷６との共振特性に起因する振動成分を抽出する。適応フィルタ機能２５１は、規範入力との差を最小にする適応アルゴリズムにより、共振抑制部２５のフィルタパラメータを自動調整する。
例えば、特許文献６に示されるように、発振検知機能２６は、エンコーダ５から送信されたモータ位置情報から変動分を抽出する。発振検知機能２６は、抽出された変動分と、しきい値との比較、継続時間の判定などにより、モータ４および負荷６の発振状態を検出する。
発振検知機能２６が発振を検知した場合、発振検知機能２６は、前述の剛性設定機能２３１に発振検知情報を伝達する。このようにして、発振検知機能２６は、フィードバックループの周波数帯域幅が狭くなるような剛性値を選択して、発振を自動的に抑制する。
例えば、特許文献７に示されるように、評価指標測定機能２７は、入出力データを周期的に測定して記憶する。評価指標測定機能２７は、評価指標に対応した入出力データから、評価値を算出、表示、蓄積する機能である。入出力データとは、指令選択部２１の位置指令出力、エンコーダ５のモータ位置出力、負荷特性補償部２４のトルク指令出力などをいう。評価指標とは、整定時間やオーバーシュート、トルク変動などをいう。本機能の重要な側面は、いずれもリアルタイムに取得できる膨大なモータ制御情報から、より意味のある少数の評価指標にデータ圧縮することである。
特開平５−３４６３５９号公報 特開２００７−３３６７９２号公報 特開平６−３１９２８４号公報 特開２００５−１６８１６６号公報 特開２００４−２７４９７６号公報 国際公開第２００８／０８７８９３号 国際公開第２００９／０９６１６９号
本発明が対象とするモータ駆動装置は、モータを駆動する。モータ駆動装置は、動作パターン生成部と、位置速度制御部と、負荷特性補償部と、負荷特性測定部と、を備える。
動作パターン生成部は、モータに対する、少なくともモータ速度またはモータ位置のいずれか一つを指示する動作パターンを生成する。動作パターン生成部は、少なくとも１以上の動作パターンを含む動作指令を生成する。また、動作パターン生成部は、生成した動作指令を送信する。
位置速度制御部は、動作指令と、エンコーダから送信されたモータ位置情報と、を受信する。位置速度制御部は、少なくともモータ位置またはモータ速度のいずれか一つの偏差を０とするようなトルク指令を生成する。また、位置速度制御部は、生成したトルク指令を送信する。
負荷特性補償部は、トルク指令と、モータ位置情報と、負荷特性推定値と、を受信する。負荷特性補償部は、トルク指令に対して、総イナーシャに応じたスケーリング処理を行う。負荷特性補償部は、スケーリング処理後のトルク指令に対して負荷の摩擦トルク推定値を加算し、モータを駆動する補償後トルク指令を生成する。
負荷特性測定部は、トルク指令指標とトルク制限値とを生成する。負荷特性測定部は、補償後トルク指令と、モータ位置情報と、を受信する。負荷特性測定部は、負荷の負荷特性を測定して、負荷特性補償部の設定を行う。
特に、動作パターン生成部は、動作パターン毎に、モータ速度またはモータ位置を変化させる加速度の絶対値を増加する。
負荷特性測定部は、トルク指令指標が、トルク制限値以下の場合、負荷特性を測定して、負荷特性補償部の設定を行う。また、負荷特性測定部は、トルク指令指標が、トルク制限値より大きい場合、負荷特性補償部を設定することなく、負荷特性の測定を終了する。
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態における動作パターン生成部のブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態における負荷特性測定部のブロック図である。 図４は、従来のモータ駆動装置のブロック図である。
本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置は、後述する構成により、サーボ調整について、細かな知識や十分な経験を持たない作業者でも、負荷特性の測定を行う際、最適な動作パターンを生成できる。
つまり、従来のモータ駆動装置は、つぎの改善すべき点を有していた。すなわち、従来のモータ駆動装置は、各種の自動調整機能が個別に最適化される。よって、従来のモータ駆動装置は、サーボ調整、特に、負荷特性の測定について、最適なものとは言えない。
例えば、図４に示す、試運転機能２１１は、サーボ調整以外の目的にも使用される。具体的には、試運転機能２１１は、モータ駆動装置が組み込まれた機器を組み立てる時の原点出しや、動作確認時のエージングや、保守作業における待避動作などにも使用される。
よって、試運転機能２１１は、移動量や速度、加速度などについて、仕様や設定が変更できるようになっている。
しかし、サーボ調整に関するさまざま設定の変更を行う場合、作業者には、サーボ調整と、各種の自動調整機能に関する知識が必要とされる。
負荷特性測定機能２４１は、負荷特性補償部２４が関連する負荷特性を、自動で調整する、便利な機能である。負荷特性には、総イナーシャや、摩擦補償などがある。しかし、負荷特性測定機能２４１は、負荷特性が急峻に変化する用途には適していない。
各パラメータを推測する方法として、最小二乗推定がある。しかし、つぎの装置に対して、最小二乗推定を常時、適用することは適切とはいえない。すなわち、つぎの装置とは、多関節ロボットや、ピック＆プレイス系の装置や、カム駆動で周期的に総イナーシャが変動する装置などである。ピック＆プレイス系の装置は、ダイレクトドライブ化などにより、負荷変動の影響が大きい。
他の各パラメータを推測する方法として、摩擦補償がある。しかし、摩擦補償は、モータ４が機器に組み込まれている場合、有効ではない。例えば、多関節ロボットのように、モータ４が機器に組み込まれている場合、モータ４単体に生じる重力方向は変化する。従って、モータ４単体について、偏荷重トルクを推定しても、多関節ロボットの摩擦補償という観点では、有効ではない。
また、摩擦補償の前提となる、最小二乗法に基く負荷特性の推定は、モータ４の動作パターンや、非線形特性による誤差の影響を受ける。よって、最適な推定値を得るには、システム同定に関する、知識と経験とが、必要であった。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術範囲を限定するものではない。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図である。図２は、本発明の実施の形態における動作パターン生成部のブロック図である。図３は、本発明の実施の形態における負荷特性測定部のブロック図である。
なお、図４に示した、従来のモータ駆動装置４０２と同様の構成要素には、同じ符号を付与し、説明を援用する。
本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置３０は、モータ４を駆動する。モータ駆動装置３０は、動作パターン生成部１と、位置速度制御部２３と、負荷特性補償部２４と、負荷特性測定部７と、を備える。
動作パターン生成部１は、モータ４に対する、少なくともモータ速度またはモータ位置のいずれか一つを指示する動作パターンを生成する。動作パターン生成部１は、少なくとも１以上の動作パターンを含む動作指令１０１を生成する。また、動作パターン生成部１は、生成した動作指令１０１を送信する。
位置速度制御部２３は、動作指令１０１と、エンコーダ５から送信されたモータ位置情報１０４と、を受信する。位置速度制御部２３は、少なくともモータ位置またはモータ速度のいずれか一つの偏差を０とするようなトルク指令１０２を生成する。また、位置速度制御部２３は、生成したトルク指令１０２を送信する。
負荷特性補償部２４は、位置速度制御部２３から送信されたトルク指令１０２に対して、総イナーシャに応じたスケーリング処理を行う。総イナーシャとは、モータ４および負荷６などによるイナーシャをいう。負荷特性補償部２４は、スケーリング処理を行うことで、負荷イナーシャの差異を吸収する。負荷特性補償部２４は、スケーリング処理後のトルク指令に対して、負荷６の摩擦トルク推定値を加算して、モータ４を駆動する補償後トルク指令１０３を生成する。
負荷特性測定部７は、トルク指令指標１２２とトルク制限値１２１とを生成する。負荷特性測定部７は、補償後トルク指令１０３と、モータ位置情報１０４と、を受信する。負荷特性測定部７は、負荷６の負荷特性を測定して、負荷特性補償部２４の設定を行う。
特に、動作パターン生成部１は、動作パターン毎に、モータ速度またはモータ位置を変化させる加速度の絶対値を増加する。
負荷特性測定部７は、トルク指令指標１２２が、トルク制限値１２１以下の場合、負荷特性を測定して、負荷特性補償部２４の設定を行う。また、負荷特性測定部７は、トルク指令指標１２２が、トルク制限値１２１より大きい場合、負荷特性補償部２４を設定することなく、負荷特性の測定を終了する。
また、本実施の形態におけるモータ駆動装置３０が、特に顕著な作用効果を奏する具体例を以下に示す。
すなわち、モータ駆動装置３０において、位置速度制御部２３が位置制御を行う場合、動作指令１０１は、微分すれば三角波形状となる位置指令となる。また、位置速度制御部が速度制御を行う場合、動作指令１０１は、三角波形状の速度指令となる。
よって、モータ駆動装置３０は、指定した移動量に対して、所要時間を最小とした動作パターンを自動生成できる。
また、モータ駆動装置３０において、さらに、動作パターン生成部１は、速度制限値１１３を有する。速度指令を示す最大値が速度制限値１１３より大きい場合、動作パターン生成部１は、加速度と速度制限値１１３とを用いて、動作パターンを生成する。
よって、モータ駆動装置３０は、指定された最高速度によって制限された動作パターンを自動生成できる。モータ駆動装置３０は、動作パターンの移動量を低減できる。
あるいは、モータ駆動装置３０において、さらに、動作パターン生成部１は、速度制限値１１３を有する。速度指令を示す最大値が速度制限値１１３より大きい場合、動作パターン生成部１は、動作パターンを生成しない。負荷特性測定部７は、負荷特性の測定を終了する。
よって、モータ駆動装置３０は、指定された最高速度によって制限された動作パターンを自動生成できる。
また、モータ駆動装置３０において、さらに、動作パターンは、加減速時間を含む。加減速時間が、負荷特性を測定できる測定時間の下限値より短い場合、動作パターン生成部１は、動作パターンを生成しない。負荷特性測定部７は、負荷特性の測定を終了する。
よって、モータ駆動装置３０は、不要な動作指令を生成しないため、負荷測定に要する時間を低減できる。
また、モータ駆動装置３０は、さらに、動作パターンは、トルク指令１０２を含む。トルク指令指標１２２は、動作パターンが含むトルク指令１０２の絶対値の最大値である。
あるいは、モータ駆動装置３０は、さらに、動作パターンは、トルク指令１０２を含む。トルク指令指標１２２は、動作パターンが含む加速区間におけるトルク指令１０２の実効値と、動作パターンが含む減速区間におけるトルク指令１０２の実効値と、のうち、大きい方である。
あるいは、モータ駆動装置３０は、トルク指令指標１２２は、後述する（１）式で算出される。ここで、ａは、動作パターンの加速度とする。ωは、動作パターンにおいて大きさが最大となる速度とする。Ｊは、負荷特性推定値１０５である総イナーシャとする。Ｒは、粘性摩擦係数とする。Ｔｄは、動摩擦と偏加重との合成値とする。このとき、（１）式は、つぎのようになる。
トルク指令指標＝Ｊ×ａ＋Ｒ×ω＋Ｔｄ・・・（１）
よって、モータ駆動装置３０は、作業者の要望に応じたトルク指令指標１２２を得ることができる。
図面とともに、さらに、詳細に説明する。
図１、図２に示すように、動作パターン生成部１は、動作指令１０１を生成する。動作パターン生成部１は、生成した動作指令１０１を位置速度制御部２３へ送信する。動作パターン生成部１は、動作指令１０１の生成に合わせて、有効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信する。
なお、動作パターン生成部１は、つぎの場合、無効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信する。すなわち、ひとつは、動作パターン生成部１が、動作指令１０１の生成を終了する場合である。もうひとつは、動作パターン生成部１が、負荷特性測定部７から送信された負荷特性測定終了信号１０７を、受信した場合である。
位置速度制御部２３は、動作指令１０１とともに、駆動対象であるモータ４に接続されたエンコーダ５よりモータ位置情報１０４を受信する。位置速度制御部２３は、ＰＩＤ制御に代表されるフィードバック演算を行う。位置速度制御部２３は、フィードバック演算の結果としてトルク指令１０２を、負荷特性補償部２４へ送信する。
負荷特性補償部２４は、トルク指令１０２とともに、負荷特性測定部７から送信された負荷特性推定値１０５とエンコーダ５から送信されたモータ位置情報１０４とを受信する。負荷特性補償部２４は、補償後トルク指令１０３を送信する。
負荷特性推定値１０５には、モータ４および負荷６の総イナーシャが含まれる。負荷特性補償部２４は、トルク指令１０２に対して、総イナーシャに応じたスケーリング処理を行う。トルク指令１０２は、スケーリング処理を行うことで、さまざまな負荷６によって異なるモータ等価イナーシャの差異を吸収する。
また、負荷特性推定値１０５には、モータ４および負荷６に存在する偏加重トルク、動摩擦トルク、粘性摩擦トルクなどの摩擦トルクが含まれる。これらの摩擦トルクは、モータ４の駆動において、即応性の改善や、動作方向や速度による応答差を低減する。
図１、図３に示すように、負荷特性測定部７は、補償後トルク指令１０３とともに、モータ位置情報１０４と負荷特性測定開始信号１０６とを受信する。
受信した負荷特性測定開始信号１０６が有効の場合、負荷特性測定部７は、補償後トルク指令１０３およびモータ位置情報１０４に基いて、総イナーシャや摩擦トルクを自動推定する。総イナーシャや摩擦トルクは、例えば、最小二乗推定を用いて、算出できる。総イナーシャは、モータ４および負荷６のイナーシャを合わせたものである。
負荷特性測定開始信号１０６が無効の場合、負荷特性測定部７は、自動推定を行わない。
モータ４には、電流制御やパワー回路を介して、電圧や電流が供給される。負荷特性補償部２４から送信された補償後トルク指令１０３に従って、モータ４に供給される電圧や電流が調整される。よって、補償後トルク指令１０３に応じて、モータ４の出力トルクは変化する。この結果、モータ４に接続された負荷６が、動作する。
次に、図２を用いて、動作パターン生成部１について、詳細に説明する。
図２に示すように、動作パターン生成部１は、加速度設定部１１と、移動量設定部１２と、速度制限値設定部１３と、位置・速度指令生成部１４と、を備える。
加速度設定部１１は、加速度設定値１１１を生成する。加速度設定部１１は、生成された加速度設定値１１１を位置・速度指令生成部１４へ送信する。加速度設定値１１１の初期値は、負荷特性測定部７にて負荷特性の測定が可能な加速度の下限値とする。加速度設定値１１１に従って、位置・速度指令生成部１４で生成される動作指令１０１の１サイクル毎に、加速度が、徐々に増加する。
加速度設定部１１が、加速度を増加させるやり方は、つぎのようなものがある。すなわち、今回の加速度は、前回の加速度に対して、一定の加速度が加算されたものとする方法がある。また、今回の加速度は、前回の加速度の倍の値とする方法などがある。
その他、加速度と必要トルクの関係が、おおよそ分かっている場合なども想定される。このような場合に対応するため、加速度の初期値を作業者が設定できるようにしてもよい。
移動量設定部１２は、移動量設定値１１２を生成する。移動量設定部１２は、生成された移動量設定値１１２を位置・速度指令生成部１４へ送信する。なお、移動量設定値１１２として、モータの１回転やモータの２回転といった規定値を設定する方法がある。あるいは、モータが組み込まれる機器について、可動範囲の制約などに応じて、作業者が、移動量設定値１１２を設定する方法もある。いずれの方法であっても、移動量設定値１１２として、移動量や負荷特性の測定に要する時間などを考慮して、設定されることが望ましい。
速度制限値設定部１３は、速度制限値１１３を生成する。速度制限値設定部１３は、生成された速度制限値１１３を位置・速度指令生成部１４へ送信する。
なお、速度制限値１１３として、モータの最高速度、モータの定格速度、モータが組み込まれる機器で許容される速度、これらの速度に対して、ある係数を乗じてマージンを取った速度などを設定する方法がる。あるいは、実際に使用される条件に合わせて、作業者が、移動量設定値１１３を設定する、などの方法がある。
位置・速度指令生成部１４は、受信した、加速度設定値１１１と、移動量設定値１１２と、速度制限値１１３と、に基いて、動作指令１０１を生成する。位置・速度指令生成部１４は、生成した動作指令１０１を位置速度制御部２３へ送信する。
位置速度制御部２３が位置制御を行う場合、動作指令１０１は、位置指令となる。位置速度制御部２３が速度制御を行う場合、動作指令１０１は、速度指令となる。
動作指令１０１は、速度指令の形状を三角波とすれば、加速度と移動量から一義的に決定される。三角波は、一定の加速度で加速し、ある速度に到達すると同じ大きさの加速度で減速する、というものである。
速度指令の形状を三角波とすることで、位置・速度指令生成部１４は、指定した移動量に対して所要時間を最小とした、動作指令１０１を生成できる。また、位置・速度指令生成部１４は、ある三角波と、速度の符号を反転した三角波とを組み合わせて、往復動作を行う、１つの動作パターンを生成する。１つの動作パターンが、往復動作を行うようになるため、負荷特性の推定全体について、移動量を低減できる。
また、１つの動作パターンを複数個組み合わせて、１サイクルとなる動作指令１０１を生成する。このような動作指令１０１を生成すれば、負荷特性測定部７における負荷特性の推定精度が向上する。動作指令１０１における最高速度が速度制限値１１３を上回る場合、位置・速度指令生成部１４は、加速度設定値１１１と速度制限値１１３とに基いて、動作指令１０１を再び生成する。
なお、位置・速度指令生成部１４は、動作指令１０１を出力せずに、無効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信し、負荷特性の測定を終了してもよい。また、動作指令１０１における最高速度が速度制限値１１３を上回らない場合、動作指令１０１の出力開始に合わせて、位置・速度指令生成部１４は、有効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信する。
負荷特性測定部７から位置・速度指令生成部１４へ負荷特性測定終了信号１０７が送信された場合、位置・速度指令生成部１４から負荷特性測定部７へ無効を示す負荷特性測定開始信号１０６が送信される。負荷特性測定部７は、負荷特性の測定を終了する。
また、動作パターンの加減速時間が負荷特性を測定できる測定時間の下限値より短い場合、位置・速度指令生成部１４は、動作指令１０１を送信しない。また、位置・速度指令生成部１４は、無効を示す負荷特性測定開始信号１０６を負荷特性測定部７へ送信する。負荷特性測定部７は、負荷特性の測定を終了する。
次に、図３を用いて、負荷特性測定部７について、詳細に説明する。
図３に示すように、負荷特性測定部７は、負荷特性推定部３２１と、トルク制限値設定部３２２と、トルク指令指標作成部３２３と、を備える。
トルク制限値設定部３２２は、トルク制限値１２１を生成する。トルク制限値設定部３２２は、生成されたトルク制限値１２１を負荷特性推定部３２１へ送信する。なお、トルク制限値１２１は、モータの最大トルク、モータの定格トルク、これらのトルクに対して、ある係数を乗じてマージンを取った値をトルクとする方法、あるいは、実際に使用される条件に合わせて、作業者がトルクを設定する方法、などがある。
なお、負荷特性の測定を行う際、イナーシャ比などの負荷特性が不明なため、サーボの応答性を決める位置・速度ループの制御ゲインが、低めに設定されていることが多い。
よって、負荷特性の測定後、同一の動作指令パターンを用いて、制御ゲインの調整を行う際、つぎのことが想定される。すなわち、サーボの応答を高応答な設定とすると、加減速中のトルク指令が大きくなることが想定される。このため、トルク制限値１２１は、モータの最大トルク、モータの定格トルク、あるいは実際に使用される条件でのトルクに対して、ある程度マージンを持たせておくことが望ましい。
トルク指令指標作成部３２３は、負荷特性補償部２４から送信された補償後トルク指令１０３を受信する。トルク指令指標作成部３２３は、トルク指令指標１２２を生成する。トルク指令指標作成部３２３は、生成したトルク指令指標１２２を負荷特性推定部３２１へ送信する。
トルク指令指標１２２は、つぎの方法により、得ることができる。まず、第１の方法は、１つの動作パターンの中にある、トルク指令の絶対値に着目する。このトルク指令の絶対値のうち、最大値をトルク指令指標１２２とする、というものである。
第２の方法は、１つの動作パターンの中にある、加速区間におけるトルク指令の実効値と、減速区間におけるトルク指令の実効値とに着目する。加速区間におけるトルク指令の実効値と、減速区間におけるトルク指令の実効値と、を比較して、大きい方をトルク指令指標１２２とする、というものである。
第３の方法は、負荷特性推定値と加速度とを用いて、前述した（１）式により、算出する方法などがある。
負荷特性推定部３２１は、動作パターン生成部１から送信された負荷特性測定開始信号１０６を受信する。負荷特性推定部３２１は、有効を示す負荷特性測定開始信号１０６を受信した場合、負荷特性の推定を行う。負荷特性の推定は、補償後トルク指令１０３およびモータ位置情報１０４から、例えば、最小二乗推定を用いて、モータおよび負荷を合わせた総イナーシャや、摩擦トルクを自動推定して行う。摩擦トルクには、偏加重トルク、動摩擦トルク、粘性摩擦トルクなどがある。
トルク指令指標１２２がトルク制限値１２１以下の場合、負荷特性推定部３２１は、自動推定した結果で、負荷特性推定値１０５を更新する。負荷特性推定部３２１は、更新した負荷特性推定値１０５を負荷特性補償部２４へ送信する。
トルク指令指標１２２がトルク制限値１２１より大きい場合、負荷特性推定部３２１は、負荷特性推定値１０５を更新しない。負荷特性推定部３２１は、負荷特性測定終了信号１０７を動作パターン生成部１へ送信する。
また、負荷特性推定値１０５の初期値が、おおよそ分かっている場合なども想定される。このような場合に対応するため、負荷特性推定値１０５の初期値は、作業者が設定できるようにしてもよい。なお、負荷特性推定値１０５の初期値が分からない場合、モータのイナーシャを総イナーシャとして、摩擦トルクは０としておくことが望ましい。
位置速度制御部が送信するトルク指令を、できる限り大きなトルク指令、または、実際に使用される条件に近いトルク指令とする。その結果、加速度は、できる限り大きな加速度、または、実際に使用される条件に近い加速度となり、負荷特性の測定精度が向上する。
なお、負荷特性を測定する時のモータ４および負荷６の発振を防止するために、負荷特性の測定を行う前に、サーボの応答性を決める位置・速度ループの制御ゲインを、低応答となるように設定しておくことが望ましい。
また、モータと負荷との共振特性に起因する振動成分を抽出し、規範入力との差を最小にする適応アルゴリズムがある。この適応アルゴリズムを用いて、モータ駆動装置が共振を抑制するノッチフィルタを自動調整する適応フィルタ機能を備えている場合、適応フィルタ機能を有効として、負荷特性の測定を行ってもよい。
また、発振検知機能がエンコーダ５から送信されたモータ位置情報１０４から変動分を抽出する。抽出された変動分としきい値とを比較し、継続時間を判定することなどにより、発振検知機能がモータおよび負荷の発振状態を検出する。発振検知機能が発振を検知した場合、サーボの応答性を決める位置・速度ループの制御ゲインを、自動的に低応答な設定として発信を自動的に抑制する。モータ駆動装置がこのような発振検知機能を備えている場合、発振検知機能を有効として負荷特性測定を行ってもよい。
以上の説明から明らかなように、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置によれば、高加速度、かつ、高トルクでの負荷特性の測定が自動で行われる。よって、サーボ調整について、詳細な知識を持たない作業者でも、適切な調整結果を得ることができる。
また、トルク制限値を適切に設定し、実際の使用条件に近い動作パターンが自動で生成されるため、適切な調整結果を得ることができる。
本発明のモータ駆動装置は、サーボ調整について、詳細な知識を持たない作業者でも、適切な調整結果を得ることができる。
１ 動作パターン生成部
４ モータ
５ エンコーダ
６ 負荷
７ 負荷特性測定部
１１ 加速度設定部
１２ 移動量設定部
１３ 速度制限値設定部
１４ 位置・速度指令生成部
２３ 位置速度制御部
２４ 負荷特性補償部
３０，４０２ モータ駆動装置
１０１ 動作指令
１０２ トルク指令
１０３ 補償後トルク指令
１０４ モータ位置情報
１０５ 負荷特性推定値
１０６ 負荷特性測定開始信号
１０７ 負荷特性測定終了信号
１１１ 加速度設定値
１１２ 移動量設定値
１１３ 速度制限値
１２１ トルク制限値
１２２ トルク指令指標
３２１ 負荷特性推定部
３２２ トルク制限値設定部
３２３ トルク指令指標作成部
４０１ 上位装置

Claims (8)

  1. モータを駆動するモータ駆動装置であって、
    前記モータに対する、少なくともモータ速度またはモータ位置のいずれか一つを指示する動作パターンと、少なくとも１以上の前記動作パターンを含む動作指令と、を生成し、生成した前記動作指令を送信する動作パターン生成部と、
    前記動作指令と、エンコーダから送信されたモータ位置情報と、を受信し、少なくとも前記モータ位置または前記モータ速度のいずれか一つの偏差を０とするようなトルク指令を生成し、生成した前記トルク指令を送信する位置速度制御部と、
    前記トルク指令と、前記モータ位置情報と、負荷特性推定値と、を受信し、前記モータと前記モータに加えられた負荷との総イナーシャを乗じた後、前記負荷の摩擦トルク推定値を加算して、前記モータを駆動する補償後トルク指令を生成する負荷特性補償部と、
    トルク指令指標とトルク制限値とを生成するとともに、前記補償後トルク指令と、前記モータ位置情報と、を受信し、前記負荷の負荷特性を測定して、前記負荷特性補償部の設定を行う負荷特性測定部と、
    を備え、
    前記動作パターン生成部は、前記動作パターン毎に、前記モータ速度または前記モータ位置を変化させる加速度の絶対値を増加し、
    前記負荷特性測定部は、前記トルク指令指標が、前記トルク制限値以下の場合、前記負荷特性を測定して、前記負荷特性補償部の設定を行い、前記トルク指令指標が、前記トルク制限値より大きい場合、前記負荷特性補償部を設定することなく、前記負荷特性の測定を終了する、モータ駆動装置。
  2. 前記位置速度制御部が位置制御を行う場合、前記動作指令は、微分すれば三角波形状となる位置指令となり、前記位置速度制御部が速度制御を行う場合、前記動作指令は、三角波形状の速度指令となる、請求項１記載のモータ駆動装置。
  3. さらに、前記動作パターン生成部は、速度制限値を有し、
    前記速度指令を示す最大値が前記速度制限値より大きい場合、前記動作パターン生成部は、前記加速度と前記速度制限値とを用いて、前記動作パターンを生成する請求項２記載のモータ駆動装置。
  4. さらに、前記動作パターン生成部は、速度制限値を有し、
    前記速度指令を示す最大値が前記速度制限値より大きい場合、前記動作パターン生成部は、前記動作パターンを生成せず、
    前記負荷特性測定部は、前記負荷特性の測定を終了する請求項２記載のモータ駆動装置。
  5. さらに、前記動作パターンは、加減速時間を含み、前記加減速時間が、前記負荷特性を測定できる測定時間の下限値より短い場合、
    前記動作パターン生成部は、前記動作パターンを生成せず、
    前記負荷特性測定部は、前記負荷特性の測定を終了する請求項２から４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
  6. さらに、前記動作パターンは、前記トルク指令を含み、
    前記トルク指令指標は、前記動作パターンが含む前記トルク指令の絶対値の最大値である請求項１記載のモータ駆動装置。
  7. さらに、前記動作パターンは、前記トルク指令を含み、
    前記トルク指令指標は、前記動作パターンが含む加速区間における前記トルク指令の実効値と、前記動作パターンが含む減速区間における前記トルク指令の実効値と、のうち、大きい方である請求項１記載のモータ駆動装置。
  8. 前記トルク指令指標は、前記動作パターンの加速度をａ、前記動作パターンにおいて大きさが最大となる速度をω、前記負荷特性推定値であるイナーシャをＪ、粘性摩擦係数をＲ、動摩擦と偏加重との合成値をＴｄとしたとき、
    トルク指令指標＝Ｊ×ａ＋Ｒ×ω＋Ｔｄ
    で算出される請求項１記載のモータ駆動装置。
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