TW494055B - Mechanical constant assuming device - Google Patents

Description

494055 Λ7

技術領谈 五、發明說明（1 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於-種機械常數推定裝置，用以推定使用 馬達等驅動裝置之工作機或機器人冑驅 等機械常數。 矩 背景技術 為了要既高精度又穩定地進行使用馬達等驅動裝置之 工作機或機器人等驅動機械的控制，而有必要正確地推定 驅動機械之慣性力矩等的機械常數。 第6圖係包括習知之機械常數推定裝置之速度控制系 統的方塊圖，例如與日本專利特開平^^^313495號公報中 記載一種具有可設定控制增益收斂之自動調諧機能 (Autotumng)的電動機伺服系統之控制裝置為相同的構 者。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖中，30係根據速度指令（未圖示）用以產生轉矩指令 r r的轉矩指令生成部；31係因應轉矩指令用以產生驅 動轉矩rm的馬達等驅動裝置；32係藉由驅動裝置^所 驅動的驅動機械；33係用以檢測驅動機命33之機械速度 Vin的速度檢測器；3 4係將機械速度vm與轉矩指令r ^作 為輸入，以輸出慣性力矩推定值Je的機械常數推定裝置； rd係加在驅動機械32上的擾動轉矩。 又，轉矩指令產生部30,係根據機械常數推定部34 所輸出的慣性力矩推定值Je，而變更内部之增益等的常數 (自動調請），並因應慣性力矩推定值Je以產生轉矩指令r 312168 私紙張尺度適用中p國家標準（CNS)A’4規格⑵0 x 297公髮— 外4055 A7

312168 2 494055 A7 B7 五、發明說明（3 ) am=s·vm ⑴ 於上式中，s為拉譜拉斯運算子。 又，當將加在驅動機械32上的擾動轉矩設為7(1，將 驅動機械32之慣性力矩（真值）設為j時， ^ 轉矩知令！*!*就 可以下式（2)表示。 r r d+J · am (2) 為了簡單說明起見，將轉矩指令ΓΓ表記為連續時間， 而轉矩變化信號生成部42用以求出輪入目前時點之轉矩 指令rr與前次時點之轉矩指令〃的差，且當該差作為微 分而生成轉矩變化信號dr時，轉矩變化信號就可以丁 式（3)表示。 d r =s · r (3) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，在使用速度檢測器所檢測出的機械速度vm上， 由於一般含有高頻之雜訊成份，所以當使用純粹之微分時 就會增大雜訊成份，而造成機械常數之推定誤差的原因。 因此’在加速度變化信號生成部41中，相對於所輸入的機 械速度vm，藉由附加有低通濾波器特性的虛擬微分運算替 代純粹微分，以求出加速度變化信號da。當將低通濾波器 特性設為F(s)時，虛擬加速度信號af就可以下式（4)、式（5) 表示’而加速度變化信號da則可利用下式（6)來運算。 af=s · F(s) · vm (4) af= F(s) · am (5) da=s · af (6) 在此，歸納式（2)、式（3)、式（5)、式（6)，又，將低通 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 312168 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

⑺ 494055 ， A7 _ 一 _ B7 五、發明說明（4) 濾波器特性F(s)當作理想的濾波器而予以忽視時，轉矩變 化4¾说dr就可以下式（7)表示。 d r =s · r d+J · da 在式（7)中，在沒有擾動轉矩r d之平穩狀態下右邊第 一項由於變成〇，所以慣性力矩J.可以下式（8)表示，並可 將驅動機械32之慣性力矩J當作轉矩變化信號dr與加速 度變化信號da之比予以推定。 J=d r /da ···…（8) 第7圖所示之機械常數推定裝置，為了要提高推定精 度，而在使用式（8)時適用逐次最小二乘法者。 將k時點的慣性力矩推定值設為je(k)，將前次時點 ((k_l)時點）之慣性力矩推定值設為je(k-1)，而將根據逐次 最小二乘法所算出之慣性力矩的推定運算式表示於式（9) 至（11)中。

Je(k)- Je(k-l) + P(k) · da(k) · (d r (k)-da(k) · Je(k-l) )......(9) P(k)=P(k-l)/( λ + P(k-l) · da(k)A2) ......(1〇) G(k)=P(k) · da(k) ......⑴） 於上式中，λ係以被稱為忘卻係數的常數，為了對應 驅動機械之慣性力矩的變化而選擇比1稍微小的值。又， P(k)係機械常數推定運算内部中所具有之一種推定增益參 數’可因應加速度變化信號da之大小一邊變化一邊更新。 推定增益部45中之推定增益G(k)，可以包括推定增益 參數P(k)之運算式（1〇)的式（11)表示。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)a4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 312168 Β7 五、發明說明（5 ) 當前式時點（（k-i)時點）之慣性力矩推定值為真 值時由於式（9)之右邊第二項變成零’所以慣性力矩推定 值Je不會被更新。 但是’在前式時點（(k-D時點）之慣性力矩推定值Je(k i)| 與真值不同時，由於會因應推定誤差而產生轉矩變化之誤 差項（d r (lO-daOO · _])) ’所以會如式（9)所示，將在 次時點之慣性力矩推定值中，加上轉矩變化之誤差^ 項乘以推定增益G(k)之值的值，作為k時點之慣性力矩推^ 定值Je(k)。 上述雖就不存在擾動（擾動轉矩r d==〇)之情況的例子 加以說明’但是在平穩狀態下，就加上撞擊擾動 的瞬間加以考量。 在平穩狀態下，將在妨礙馬達旋轉之方向加上撞擊擾 動時所產生的轉矩變化設為dr，，而將加速度變化設為 da’，當使用在式（9)時， (Je(k)= Je(k-l) +P(k) · da(k) · (d r (k)-da(k) · Je(k-l))； 成為下式（12)。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Je(k)=Je(k_l)+ p(k) · da，(k)· (dr，(k)_da，(k)·吨]))……(12) 當在妨礙馬達旋轉之方向加上撞擊擾動時，馬達為要 強迫瞬間減速，而會產生da’<0之大的加速度變化。另一 方面，在加上變成rd>0之擾動轉矩的瞬間，產生擾動轉 矩變化s · td〉0，為了要補償該轉矩部分，而產生變成d| r ’>〇之大的轉矩變化部分。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4.規格（210 X 297公髮） 5 312168 A7 五、發明說明（6) -- 在式（12)中，轉矩變化之誤差項（dT，（k)_da，（k) · ())因dr >〇且da’ <〇而急遽增加，又因“，〈〇， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 故右邊第二項會急遽減少，所以變成將慣性力矩 推定成大量小的值。 疋值誤 八如第6圖所示，慣性力矩推^值^由於可利用轉矩指 7產生部30之控制增益的自動調譜，所以當誤推定慣性力 矩時、，因可將結果反映在控制系統的增益中，而就不可能 生進行所希望動作的轉矩指令，所以與控制性能亞 驅動機械振盪等不穩定現象息息相關。 ^或 第8圖係顯示習知機械常數推定裝置之擾動轉矩與慣 性力矩推定值的關係圖；（a)係顯示對驅動機械提供之擾動 轉矩與時間的特性圖；⑻係顯示慣性力矩與時間的特性 圖。於圖（a)中，rd為擾動轉矩，而圖（b)中，實線為慣性 力矩之真值，虛線則為慣性力矩推定值。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 义t習知之機械常數推定裝置中，在加上擾動轉矩以 刖，f貝性力矩推定值雖然大致是用以推定真值，但是在加 士擾動轉矩的同時，慣性力矩推定值會急速減少，並增加 對慣性力矩真值的誤差。又，推定值在急速減少後，即使 在恢復至原來的慣性力矩推定值以前亦須花費許多時間。 雖然已開始有不僅將機械常數推定利用於習知之切削 機械或機器人等負荷發生變動的用途上，且欲想利用在搬 運裝置上使被搬運物停止之位置上，故意撞擊設備而使之 停止的止動等用途中之要求，但是在習知之機械常數推定 裝置中，如上述般，在對驅動機械提供很大的撞擊擾動時， 1表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(_21〇 X 297公釐）-丨:丨.丨_- 6 312168 494055 A7 五、發明說明（7 ) 由於很難使慣性力矩推 問題點。 彳_地動作，所以有無法利用的 上述，雖為第6 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 象，但是在使用第7圖：厂、：、二的自動調諧構成之現 圖所不之逐次最小二乘法箄 算方式作為機械常數推定裝置時就特㈣著。。 在依據逐次最小二乘法所進行的機械常數 ^面^忘卻係數λ選擇比1還十分小的值’以降低慣 力矩推疋之響應的話’則雖可防止慣性轉矩之誤推定： 2是當減小忘卻係、數時’推^增益就會變小，且由於對推 疋裝置之輸入的推定敏感度遲純，所以對如撞擊擾動之急 速變化不易響應，又即使就慣性力矩之推定值與真值不= 的情況之響應而言，亦同樣會變慢而有使慣性力矩推定之 性能劣化的問題點。 第9圖係包括習知之擾動觀測器、機械常數推定裝置 之速度控制系統的方塊圖。圖中，31至33、rr、7d、vm、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 τ rj與第6圖相同，而省略其說明。χ，35為轉矩指令 產生36係將驅動機械.32之機械速度vm與不包括因撞 擊擾動而產生之擾動轉矩成份的轉矩指令rr,作為輸入， 而輸出慣性力矩推定值je;此外，37係用以去除擾動的擾 動觀測器（observer)。 第9圖係用以解決在對驅動機械提供很大的撞擊擾棄 時，很難使慣性力矩推定正確地動作之習知機械常數推芨 裝置的問題點者；為了不受撞擊擾動之影響以進行機械嘷 數推定，而將利用擾動觀測器去除擾動之轉矩指令Γ Γ，輻 312168 Κ紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4丨規格（210 X 297公釐） A7 '^^-------— B7 __ 五、發明說明（8 ) ^~^ " 入至機械常數推定裝置者。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、雖考慮藉由使用不包括因撞擊擾動產生之擾動轉矩成 伤=轉矩指令rr，，作為輸入至機械常數推定裝置刊的轉 =扣令，以使可不受撞擊擾動之影響來進行機械常數推 疋，但是由於機械常數推定裝置所產生之控制系統增益的 自動調諧與擾動觀測器所產生的擾動去除的干涉，而有動 作變得不穩定之虞故不實用，且由於控制系統變複雜，而 有難以把握收斂特性的問題點。 口 ‘本發明係為解決如上述之問題而完成者，其目的在於 可獲得一種即使給與驅動機械很大的撞擊擾動時，亦可使 慣性力矩推定正確動作的機械常數推定裝置。 發明之揭示 一種機械常數推定裝置，由於具備有： 加速度信號，生成部，用以輸入使用馬達等驅動裝置的 驅動機械之機械速度，且輸出低頻之加速度信號； 虛擬轉矩信號生成部，用以輸入轉矩指令並進行雜音 去除等作業，以輸出低頻之虛擬轉矩信號； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 乘法電路，運算上述低頻之加速度信號與前次之機械 常數推定值之積； 轉矩誤差信號運算部，從上述低頻之虚擬轉矩信號中 減去該乘法電路所運算之積，而輸出轉矩誤差信號； 轉矩誤差變化信號生成部，用以輸入該轉矩誤差信 號’且輸出轉矩誤差變化信號； 機械常數推定增益部，用以輸入該轉矩誤差變化信號| 312168 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)▲規格(210 X 297公釐） A7 A7 費 社 印 製 B7 五、發明說明（9 ) 以推定機械常數；以及 機械常數推定值運算部，在該機械常數推定增益部輸 出之誤差中加上前次之機械常數推定值，並輸出機械常數 推定值，而 '將上述轉矩誤差信號運算部所運算的上述轉矩誤差信 號當作擾動轉矩推定值而輸出，同時 上述機械吊數推定增益部，係根據上述擾動轉矩推定 值，以進行機械常數推定運算 < 更新開㈣更新停止或機 械常數推定增益之變更，因此 可同時推疋驅動機械之機械常數與作用於軀動機械上 的擾動因素，且可防止因擾動因素造成的機械常數之誤推 疋同時可防止因機械常數變動造成的擾動因素之誤推 定。 又，由於其係具備至少二個以上之擾動轉矩抽出部， 而該擾動轉矩抽出部具有濾波器特性，並輸入上述轉矩誤 、 t 誤差信號，以分解及抽出 擾動轉矩成份之頻率成份者，而 上述機械常數‘推定增益部，係根據已分解該擾動轉矩 抽出部所輸出之頻率成份的擾動轉矩成份，以進行機械常 數推疋運算之更新開始或更新停止或機械常數推定增益之 變更， 所以可抽出機械或用途上特有之頻率成份的擾動因 素’且可防止因擾動因素造成的機械常數之誤推定，同時 可防止因機械常數變動造成的擾動因素之誤推定 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規·格(2]〇 χ 297公釐） y 312168 494055 A7 五、發明說明（K>) 復且，上述機械常數推定增益部，由於在擾動作用於 上述驅動機械上之後至回到平穩狀態為止的期間，進行機 械常數推定運算之更新停止或降低機械常數推定增益，因 此 可輕易實現防止因擾動因素造成的機械常數之誤推 定，同時可易於實現防止因機械常數變動造成的擾動因素 之誤推定。 再者’上述機Μ常數推定增益冑，由於在上述驅動機 械之機械常數的推定運算中，適用最小二乘法等的統計處 理手法’且根據上述擾動轉矩推定值，進行用於機械常數 推定之參數運算的更新開始或更新停止或常數之變更，因 此 可邊維持高響應邊輕易實現防止因擾動因素所造成的 機械常數之誤推定，同時可易於實現防止因機械㈣㈣ 造成的擾動因素之誤推定。 又，一種機械常數推定裝置，由於具備有·· 加速度信號生成部，用以輸入使用馬達等驅動裝置的 驅動機械之機械速度，且輸出加速度變化信號； 轉矩變化信號生成部’用以輸入轉矩二進行雜音 去除等作業，以輸出轉矩變化信號； 加速度變化向量生成部，用以輸入前期加速度變化信 號，以生成加速度變化向量； 乘法電路，用以運算由機械常數推定值與擾動轉矩成 份之推定值所組成的前次之參數向量推定值與上述加速度 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公i) ’10 312168 4^4055 A7 五、發明說明（U) 變化向量的行列積； ^減法器，從上述轉矩變化信號中減去該乘法電路所運 算之積，且輸出轉矩誤差變化信號； 機械常數推定增益部，用以輸入該轉矩誤差信號，並 推定誤差向量；以及 加法器，在該機械常數推定增益部輸出之誤差向量中 加上前次之參數向量推定值，且輸出機械常數推定值， 將上述機械常數推定值與擾動轉矩成份之推定值設為 一組，同時推定作為參數向量推定值，因此 # 可防止因擾動轉矩造成的慣性力矩推定之誤動作，並 可獲得高精度之推定結果。 圖式之簡覃說明 第1圖係包含本發明實施形態丨之機械常數推定裝置 的速度控制系統之方塊圖。 第2圖係顯示本發明實施形態1之機械常數推定裝置2 的構成圖。 第3圖（a)及（b)係顯示本發明實施形態i之擾動轉與 慣性力矩推定值的關係圖。 〃 第4圖係顯示本發明實施形態2之機械常數推定裝置 的構成圖。 第5圖係顯示本發明實施形態3之機械常數推定裝置 的構成圖。 第6圖係包含習知機械常數推定裝置之速度控制系統 的方塊圖。 ’ 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格（21G X 297公爱) 一—--—_ ί 11 312168 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-ϋ ί ·ϋ ϋ^OJI ϋ 1 ϋ ϋ ϋ H 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494055 A7 實施形鼯1 第1圖係包含本發明實施形態1之機械常數推定裝置 的速度控制系統之方塊圖。圖中，3丨、32、3 ’係與習知例之第6圖相同，而省略其二3明：Γ又”為 心μ㈣指令^的轉矩指令產生部’2為將機械速度 vm與轉矩信號rr當作輸入並輸出慣性力矩推定值與擾動 推定值的機械常數推定裝置。轉矩指令產生部i，係因應 機械常數推定裝置2所輸出的慣性力矩推定值而進行增益

等的調整作業。 S 習知例中之第6圖、第7圖及第9圖所示的機械常數 推定裝置，雖為用以輸出慣性力矩推定值者，但是實施形 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（12) =圖係顯示習知機械常數推定裝置B的構成圖。 第⑷及⑻圖係顯示習知機械常數推定裝置中擾動韓 矩與慣性力矩推定值的關係圖。 擾動轉 第9圖係包含習知之擾動觀測器 之速度控制系統的方塊圖。 * 疋裝置 發 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 態1中之機械常數推定裝置係用以輸’出慣性力矩推定值與 擾動推定值者。 / 第2圖係顯示本發明實施形態1之機械常數推定裝置9 的構成圖。圖中，11係用以輸入機械速度vm，而輸出4 頻之加速度信號af的加速度信號生成部；ι2係輸入轉央 指令rr，並進行雜音去除等，而輸出低頻之虛擬轉矩信费 rf的虛擬轉矩信號生成部；13係用以運算低頻之加速肩 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 312168 A7 五、發明說明（13) 信號af與保持於慣性力矩推定值保持部1 8内之前次的慣 性力矩推定值Je(k-l)之積的乘法電路；14係從低頻之虛擬 轉矩信號rf中減去乘法電路13所運算的低頻的加速度信 號af與前次之慣性力矩推定值Je(k-l)之積，並用以運算 轉矩誤差信號r err的轉矩誤差信號運算部。又，15係輸 入轉矩誤差信號^；“!·，而輸出轉矩誤差變化信號dr err 的轉矩誤差變化信號生成部；16係輸入轉矩誤差變化信號 dr err且用以推定機械常數的機械常數推定增益部。又， 17係在機械常數推定增益部16所輸出之機械常數推定值 中加上作為前次之機械常數推定值的慣性力矩推定值 Je(k-l)’而輸出作為機械常數推定值之慣性力矩推定值 Je(k)的慣性力矩推定值運算部；18係用以保持慣性力矩推 定值Je(k)的慣性力矩推定值保持部。 以下係利用第1圖及第2圖說明實施形態1之機械常 數推定裝豊的動作。 在此，經由驅動裝置31而實際產生的驅動轉矩1瓜係 與轉矩指令致者。當將加在驅動機械32上的擾動轉 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 矩設為rd，將驅動機械32之機械速度設為vm，將驅動機 械32之慣性力矩（真值）設為J時，驅動機械32之機械加 速度請、轉矩指令Γ Γ，可以下式（13)及式（14)表示。 am~s · vm ......⑴） r r d+J · am ……(⑷ 其中，s係表示拉譜拉斯運算子。 加速度#號生成部11，係輸入機械速度vm,並進行 冢紙張尺錢时關家^仃 ，13 312168 494055 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（14) 下式（15)所表示的運算，以使輸出已去除高頻率成份的加 速度信號af。 af=s · F(s) · vm ......(15) 其中’F(s)係用以去除包含於機械速度之高頻成份 的低通濾波器特性。 虛擬轉矩信號生成部12,係輸入轉矩指令rr，並附加 與加速度信號生成部11相同的低通濾波器特性，而進行下 式（16)表示的運算，以便輸出已去除高頻率成份的虛擬轉 矩信號r f。 r f= F(s) · r r ......(16) 當將加速度信號af和前次之慣性力矩推定值jyn) 之積與虛擬轉矩信號rf之差設為轉矩誤差信號r err時， 轉矩誤差信號τ err就可以式（17)表示。 τ err= r f-af · Je(k-l) ......(17) 在此，假設前次之慣性力矩推定值表示真值， 而當低通濾波器特性當作理想特性而忽視時，就可使用式 (15)及式（16)，而轉矩誤差信號今如.式（18)所示。 r err= r r_J · am ”· ···（18) 若比較式（18)與式（14)妁話，則可知轉矩誤差信號7 err就是擾動轉矩rd。換句話說，利用上述構成可推定擾 動轉矩r dO。 在第7圖所示之習知機械常數推定裝置中，由於係利 用加速度變化信號生成部41及轉矩變化信號生成部42直 接生成用以推疋慣性力矩j所需的加速度變化信號da、轉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂------- 丨-續| 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱 312168 494055

矩變化仏號d r，所以無法求出擾動推定值。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在實施形態1中，加速度信號生成部u，係輸出已去 除高頻率成份的加速度信號af，並利用虛擬轉矩信號生成 部12輸出已去除高頻率成份的虛擬轉矩信號rf，且在利 用轉矩誤差信號運算部14運算轉矩誤差信號rerr之後， 以轉矩誤差變化信號生成部15生成轉矩誤差變化信號dr err，所以在一系列之處理中，可運算擾動轉矩推定值與慣 性力矩推定值。 又，在上式（17)之運算中，即使在前次之慣性力矩推 定值Je(k-l)偏離真值的情況，脈衝擾動等的擾動轉矩成 伤，由於因慣性力矩之偏差所產生之轉矩誤差成份與頻率 成份多有不同的情況，所以亦可取出擾動轉矩成份。 轉矩誤差變化信號生成部15，係將轉矩誤差信號r err 作為輸入’並對此進行微分運算以生率轉矩誤差變化信 號。當將轉矩誤差變化信號設為d r err時，轉矩誤差變化 信號生成部15之運算可使用式（17)表示成如式（19)所示。 d r err=s · ( r f-af · Je(k-l)) （ 19) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 上式（19)中’當代入式（丨5)及式（16)，且進而利用式（3) 及式（6)予以變形時，在低通濾波器特性F(s)當作理想特性 而忽視的情況下，式（19)就可置換成式（20)。

d r err= d r -da · Je(k-l) ......(20) I 假設，若機械常數推定增益部16與習知之機械常數推 定裝置相同的話，則慣性力矩推定運算式，根據上式（2〇) 即可表示為式（21)。 本紙張尺度適用中國國家標準規格(21〇 * 297公釐） 15 312168 494055 A7 B7 五、發明說明（16)

Je(k)=Je(k-l)+G(k) · (d r (k)-da(k) · Je(k-l))……（21) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 上式（21)，係與習知之機械常數推定裝置之慣性力矩 的推定運算式（9)相同，亦可進行與習知之機械常數推定裝 置同等的機械常數推定運算。 機械常數推定增益部16，係根據下式（22)及下式（23) 運鼻推定增益G(K)推定增益參數p(k)，並對轉矩誤差變化 信號d r err乘上推定增益。 G(k)=P(k) · da(k) · nf(k) ......(22) P(k)=P(k-l)/( λ +P(k-1) · da(k)A2) ......(23) 在此，nf(k)係依據擾動轉矩推定值r d〇為基準的標記 (flag)。標記nf(k)在施加擾動轉矩之前的平穩狀態下設為 nf(k)=l，而從擾動轉矩變成某臨界值以上之大小的瞬間直 至回到平穩狀態為止的期間係設為nf(k) = 〇。因而，在 nf(k) = 0之期間，由於變成推定增益G(k) = 0,所以無法根 據式（21)進行慣性力矩推定值之更新。換句話說，機械常 數推定增與部16之輸出，係變成可獲得未包含擾動轉矩成 份的慣性力矩成份。 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 第3圖係顯示本發明實施形態1之擾動轉矩與慣性力 矩推定值的關係圖；（a)係顯示對驅動機械提供之擾動轉矩 與時間的特性圖，（b)係顯示慣性力矩與時間的特性圖。在 圖（a)中，r d為擾動轉矩，而在圖（b)中，實線為慣性力矩 之真值’而虛線為實施形態1之慣性力矩推定值。 在實施开>態1之機械常數推定裝置中，由於可精度佳 地分離慣性力矩之變化與除此以外的擾動轉矩，所以如點 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 16 312168 494055 A7 B7 五、發明說明（Π) 線所示，即使施加擾動轉矩，慣性力矩推定值亦幾乎不受 影響而對真值大致一致，且可防止機械常數之誤推定。 實施形態1之機械常數推定裝置，由於係檢測擾動轉 矩，且在施加擾動轉矩為止的平穩狀態下進行如習知之機 械常數推定，而在可能因擾動轉矩而產生不良影響的期間 停止慣性力矩推定值之更新，所以可獲得不受撞擊擾動影 響的雨精度之機械常數推定值。又，亦可利用於先前無法 使用之止動等的用途中。 又，實施形態1之機械常數推定裝置，即使在慣性力 矩發生變化時由於亦可根據當時之慣性力矩推定值而完成 訂 擾動轉矩r do的運算，所以可獲得高精度之擾動推定值。 實施形熊2. % 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第4圖係顯示本發明實施形態2之機械常數推定裝置 的構成圖。圖中，11至15、17、18係與第2圖相同，並 省略其說明。又，21係具有低通濾波器特性，用以輸入轉 矩誤差信號r err，且輸出低頻之擾動轉矩成份r 的低頻 ••擾動轉矩抽出部；22係具有高通濾波器特性，用輸入轉矩 誤差信號r err.，且輸出·高頻之擾動轉矩成份r d2的高頻擾 動轉矩抽出部；23係反映低頻轉矩成份rdl與高頻轉矩成 份r d2並加以推定運算慣性力矩的機械常數推定增益 部。 另外，低頻擾動轉矩抽出部21之低通濾波器的特性， 係與在加速度信號生成部n、虛擬轉矩信號生成部12中 所利用之低通濾波器的特性不同，且從加速度信號生成部 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) 17 312168 494055 Λ7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

494055 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明（19) 但是在實施形態2中，由於係將低頻之擾動成份予以分離 並抽出’故可抑制低頻擾動成份所造成的誤差，所以亦可 使用於包含較多低頻成份的擾動之摩擦非常大的驅動機械 等用途。 上述中，雖係顯示使用二個濾波器要素而將擾動成份 做頻率分割且抽出的例子，但是藉由追加濾波器要素，就 可更加細腻地分割並抽出擾動之低頻成份，且可更高精度 地考慮擾動要素之影響。 實施形態3. 第5圖係顯示本發明實施形態3之機械常數推定裝豊 的構成圖。圖中’ 41、42、vm、r r、da、dr係與習知例 之第7圖相同，並省略其說明。24係用以輸入加速度變化 信號da，且輸出加速度變化向量的加速度變化向量生成 部，25係用以對加速度變化向量必與保持於參數向量推定 值保持部29之前次之參數向量推定值0e(k-1)之積加以運 算的乘法電路；26係從轉矩變化信號dr中減去以乘法電 路25所運算之加速度變化尚量必與前次之慣性力矩推定 值Je(k_l)之積的運算部；27係用以輸入由減法器26輸出 的轉矩誤差變化信號，且輸出參數誤差向量推定值的機械 常數推定增益部；28係在由機械常數推定增益部27輸出 之誤差中加上前次之參數向量推定值，且輸出參 數向量推定值0e(k)的運算部；29係用以保持參數向量推 定值“的參數向量推定值保持部。又，^係將慣性力矩 推定值與擾動轉矩變化推定值作為一組的參數向量推定 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格（21G X -------. 十19 312168 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) — — —— — — —^OJ·1111·— 鲁·

"(25) ......(26) 又，圖中以粗線顯示之加速度變 出、機械常數推定增益部27的輸生成部24的輸 參數向量推定值保持部29的輸出係表=28的輪出、 ，二說明實施形態3之機械常數推定裝 在關於轉矩變化信號dr的式中，春將作。 微分亦即S· rd，番新田將擾動轉矩之 _ m 4新汉為擾動轉矩變化drd時，m、 可置換成式（24)。 ，式（7) dr-dr d+j· da ……(24) 在實施形態1及實施形態2中，雖係 利用最小二乘法以進行推定是實力矩 = 擾動轉矩變化…之雙方同時利用最小二 :法，作為參數向量推定值<9e來推定者。 首先’導人如式（25)至式（27)所*之常數y與向 向量<9。 y=d r Φ =[da 1] Θ =^[J άτ d]T …···(27) 在此，式（27)之[]τ係表示向量之換位（transp〇s出⑽）。 當使用上式而改寫式（24)時，就可獲得式（28)。 ......(28) 式（28)，係顯示使用從轉矩變化信號與加速度變化 信號da所獲得的y、0即可推定參數向量0。 第5圖所示之機械常數推定裝置，係相對於式08)而 i紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2107^77^"：-1：-— ⑴十度） 20 312168 .. —ίΛ--------tT---------il! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 y= Φ Ύ Θ B7 494055 五、發明說明（21) 適用逐次最小二乘法者。 當將k時點之慣柹六 + ^ 、 推疋值設為、將擾動韓矩 變化之推定值設為dr J行璦勁轉矩 々α r cl e(k)時，即可將表數 e定義為式(29)。 t芩數向量推疋值Θ ^e=[Jedr de]^ ……㈣ 以逐次最小二乘法為基準 運笪彳-Γ 勹I早的推疋參數向量之推定 异式，可以式（30)至（32)表示。 Θ e(k)= Θ e^k -υ +p(k) φ (k) •⑽htoo 略”)...… ^)=p(k-i)-P(k.1) 0(k) 0T(k)P(k i) /(又 ㈨ POcq) 0(k)) .. ... G”(k)=P(k) 0(k) ••…(32) 在上式中，除了 p、0、旦 ^ ^ ^ , ^ e為向1之外，其餘式子内 邛之運算皆與習知例之運算相同。 在習知例之機械常數推定裝晋由 惟疋衮置中，由於只有推定慣性 矩誤差=在混入有擾動轉矩時’該成份就會產生慣性力 ㈣2方面’在實施形態3中’係事先提供慣性力矩與 擾動轉矩之關係式，並當作各自分別存在者來進行推定。 例如’在撞擊擾動成份包含 ^ ^ 、％入“唬時，由於該成份主 要會以擾動轉矩變化成分被推宏 风刀趿推疋輪出，所以在慣性力矩推 疋值中幾乎不會出現該成份 处 ^職絲結果，可防止因擾動轉矩所 造成的慣性力矩推定之誤動作， 果 了獲仔兩精度的推定結 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 312168 訂 參 21 494055 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（22) 因而，在實施形態3之機械常數推定裝置中，即使不 使用根據擾動轉矩之大小而進行慣性力矩推定動作之停止 等的方法，亦可獲得與實施形態1之機械常數推定裝置相 同的效果。 然而’在上述之實施形態1、實施形態2及實施形態3 中，雖為說明推定慣性力矩以作為機械常數的例子，但是 亦可推定彈性係數或黏性常數等的常數以作為其他的機械 常數。 又，上述中，雖說明在擾動轉矩變成某臨界值以上的 大小時，用以停止機械常數推定之運算的例子，但是亦可 進行增益變更，俾使按照例如擾動轉矩之大小，而縮小機 械常數推定增益。 且，上述中，雖係說明在擾動轉矩變成某臨界值以上 的大小時，用以停止機械常數推定之運算的例子，但是就 推定增益參數p(k)之運算而言，亦可進行停止或增益變更等。 上述中，雖說明從擾動轉矩變成某臨界值以上之大小 的瞬間開始至回到平穩狀態為止的一定期間設定標記 nf(k) = 〇的例子，但是回到該平穩狀態的時點之檢測，亦可 觀察機械速度vm或轉矩指令rr等的控制響應波形，以實 際檢測回到平穩狀態的時點，或可在擾動轉矩變成某臨界 值以下之後藉由具有固定的延遲時間來獲得。 上述中，雖係說明使用速度檢測器33以檢測機械速度 vm的例子，但是亦可使用位置檢測器檢測機械位置，而形 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)<4 --- --—— 22 312168 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -βϋ i-i H ϋ ϋ 0 a_i 1· n n 494055 A7 五、發明說明（23) 成將差分或微分機械位置的信號當作機械速冑vm的 構成。 寻效 进上述中，雖說明利用逐次最小二乘法以計算驅動機械 之k性力矩推定值je的例子，但是亦可如電氣學會論文誌 Vol.ll4-D，No.4，P.424-p.431所記載之固定追縱法，或「= 過MATLAB而用以控制之系統識別」（東京電氣大學出版 局）’如ρ·6中所記載般使用非正規化斜率法等其他的統計 處理手法。 上述中，雖說明轉矩誤差變化信號生成部15，係輸入 加速度信號af與前次之慣性力矩推定值的積信號、以及與 虛擬轉矩信號rf之差信號76打，並對此進行微分運算以 生成轉矩誤差變化信號drerr的例子，但是亦可藉由附加 二次之低通濾波器特性等而去除高頻成份。 上述中，雖說明在同一演算法中推定機械常數與擾動 的例子，但是即使以另外準備擾動觀測器而使該結果反映 在機械常數推定增益上的形式，亦可獲得相同的功效。 產_業上之可利用性 如上所述，本發明之機械常數推定裝置，即使在大的 4里擊擾動提供至驅動機械的情況下，由於亦可使慣性力矩 推定正確地動作，所以適用於在搬運裝置中欲停止被搬送 物的位置上故意撞擊設備而使之停止的止動等用途中。 立·件編號之說明 11 加速度信號生成部 12 虛擬轉矩信號生成部 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) n ϋ I 1 n ϋ ϋ^OJ> ϋ ϋ ϋ 1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 23 312168 494055 A7 B7 五、發明說明（24) 13 乘法電路 14 轉矩誤差信號運算部 15 轉矩誤差變化信號生成部 16 機械常數推定增益部 17 機械常數推定值運算部 18 慣性力矩推定值保持部 21 低頻擾動轉矩抽出部 22 高頻擾動轉矩抽出部 23 機械常數推定增益部 24 加速度變化向量生成部 25 乘法電路 26 運算部 27 機械常數推定增益部 28 運算部 29 參數向量推定值保持部 30 轉矩指令產生部 31 驅動裝置 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 32 驅動機械 33 速度檢測器 34 機械常數測定裝置 35 轉矩指令產生部 36 機械常數推定裝置 37 擾動觀測器 41 加速度變化信號生成部 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) 494055 A7 _B7 五、發明說明（25) 42 轉矩變化信號生成部 43 乘法電路 44 運算部 45 推定增益部 46 運算部 47 慣性力矩推定值保持部 ^--------1T---------^__w (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 25 312168

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1· 一種機械常數推定裝置，其係具備有： 加速度信號生成部，用以輸入使用馬達等驅動裝置的 驅動機械之機械速度，且輸出低頻之加逮度信號； 虛擬轉矩信號生成部，用以輸人轉矩指令並進行雜音 去除等作業，以輸出低頻之虛擬轉矩信號； A乘法電路’運算上述低頻之加速度信號與前次之機械 常數推定值之積； 、軺矩誤差運算冑，從上述低頻之虛擬轉矩信號中 減去該乘法電路所運算之積，而輸出轉矩誤差信號； 轉矩誤差變化信號生成部，用以該轉矩誤差信號，且 輸出轉矩誤差變化信號； 機械吊數推疋增益部’用以輸入該轉矩誤差變化信號 以推定機械常數；以及 機械常數推定值運算部，在該機械常數推定增益部輸 出之誤差中加上前次之機械常數推定值，並輸出機械常數 推定值，而 將上述轉矩誤差信號運算部所運算的上述轉矩誤差信 號當作擾動轉矩推定值而輸出，同時 上述機械常數推定增益部，係根據上述擾動轉矩推定 值’以進行機械常數推定運算之更新開始或更新停止或機 械常數推定增益之變更。 2 ·如申請專利範圍第1項之機械常數推定裝置，其係具備 至少二個以上之擾動轉矩抽出部，而該擾動轉矩抽出部具 有渡波器特性，並輸入上述轉矩誤差信號運算部所運算的 尽观尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑽x 297公餐）

   (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 26 312168 A8

   /、、申請專利範圍 度變化向量的行列積； Μ咸法w，從上述轉矩變化信號中減去該乘法電路所運 异之積，且輪出轉矩誤差變化信號； ，械吊數推疋增益部’帛以輸入該轉矩誤差信號 推疋誤差向量；以及 =广機械常數推定增益部輪1之誤差向量加 η之十t量推定值，且輸出機械常數推定值，而 一纟日| 一摱勳轉矩成份之推定值設為 組，同時推定作為參數向量推定值。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

   312168