WO1994002988A1 - Method for estimating inertia and disturbance torque, and method for detecting abnormal load - Google Patents

Description

明 細 書

イ ナ一シ ャ 、 外乱 ト ルク の推定及び異常負荷検出方法 技 術 分 野

本発明は、 工作機械やロボ ッ ト等のモー タで駆動され る機械におけるイ ナ一シ ャ の推定方法、 推定されたイ ナ 一シ ャ を利用 して外乱 ト ルク を推定する方法、 及びモ一 夕 に加わる異常負荷を検出する方法に関する。

背 景 技 術

工作機械の送り 軸や主軸、 或いはロ ボッ トのアー ム等 を駆動するサ一ボモータの駆動制御系に於いて、 モータ 速度をフ ィ 一 ドバッ ク制御するための速度ループゲイ ン を決定するには、 モー タ の ト ルク定数やモー タ及び機械 のイ ナ一 シ ャ の大き さを知る必要があ る。 例えば、 速度 ループで比例積分制御を行な う と き、 比例ゲイ ン、 積分 ゲイ ンはモー タ の （ ト ルク定数ノイ ナ一シ ャ ） の値の関 数と して求め られる。 そのため、 少な く と もモータの ト ルク定数やイ ナ一 シ ャ の値を予め知ってお く 必要があ る。 従来は、 こ の ト ルク定数及びモー タ に接続される機械を 含むイ ナ一シ ャ の値は、 通常概略の値と して分かってい るが、 正確な値は不明である。

ま た、 オブザーバを設けて外乱 トルク を推定する こ と や、 推定 した外乱か らモー タで駆動される機械の送り機 構の不具合や機械的衝突等の異常負荷を検出する こ と も 行なわれている。 摩擦等の外乱の影響を正確に補正 した り 、 モー タで駆動される機械の応答性を良 く するには、 モー タ或いはモー タで駆動さ れる機械系を含むのィ ナー シ ャ と ト ルク 定数の比率を正確に知る必要があ る。

オブザーバで外乱 トルク を推定する場合、 オブザーバ において ト ルク指令からモー タの加速度に変換する係数 にイ ナ一シ ャ と ト ルク定数の比率を利用する こ とか ら、 こ のイ ナー シ ャ と ト ルク定数の比率が正確な値でな けれ ば、 加減速時には正確に外乱 ト ルク を推定する こ とがで き ない。 ま た、 推定外乱 トルク よ り異常負荷を検出する 場合に も、 推定外乱 トルクを正確に検出できないと、 異 常負荷を検出するための し き い値が大き く な り 、 異常負 荷検出の精度が低下する原因にな る。

発 明 の 開 示

本発明の一つの目的は、 特別な測定手段を必要とせず、 モー タ駆動制御系によ って、 上記イ ナ一 シ ャ と ト ルク定 数の比率を推定する こ と にあ る。 本発明の他の 目的は、 上記推定されたイ ナ一 シ ャ と トルク定数の比率を用いて 正確な外乱 トルク を推定する こ と にあ る。 本発明の更に 他の目的は、 上記推定された外乱 トルク を用いて精度よ く モー タ にかかる異常負荷を検出する こ と にあ る。

本発明の方法は、 当該サ ンプリ ング周期の 1 周期前の ト ルク指令 u ( i — 1 )と 2周期前の ト ルク指令 u ( i — 2 )の変化量 U ' と、 当該サ ンプ リ ン グ周期の 1 周期前 のモー タ の実速度 y ( i — 1 )と、 当該サ ンプ リ ング周期 の 2周期前のモータの実速度 y ( i — 2 )と 、 当該サ ンプ リ ング周期の 1 周期前に求めた、 モ一 夕の トルク定数と イ ナー シ ャ との推定比率 b *( i — 1 )と、 か らモー タ の 推定速度 y *を求めるステ ッ プと、 当該サ ンプ リ ング周 期のモー タ の実速度 y ( i )と前記推定速度 y *と の差で あ る推定速度誤差 e を求めるステ ッ プと、 前記推定比率 b *( i )の変化量が、 前記 トルク指令の変化量 u ' が小 さ いと き には小さ く 、 ト ルク指令の変化量 u ' が所定値 にな る までは該 トルク指令の変化量に略比例 した値とな り 、 上記所定値以上にな る と飽和 して一定値となる よ う に上記推定速度誤 e に基づいて上記推定比率 b *( i )を 補正更新するス テ ッ プと 、 前記推定比率 b *( i )が収束 する値を ト ルク定数とイ ナ一 シャ の比率と して決定する ステ ッ プと を備える。

推定比率 b *( i )を補正更新するステ ッ プに於いて、 設定パラ メ ー タ値を と して、 推定比率 b * ( i ) を次 の式によ って補正更新 して、 イ ナ一シ ャ を推定する こ と が出来る。

b * ( i ) = b * ( i - l )+ S - u '- e /(l + yS u '²) 各サ ンプ リ ング周期毎上記処理を実行する と、 上記推 定比率 b *はあ る値に収束 し、 こ の収束値をモー タの ト ルク定数と イ ナ一 シ ャ の比率とする。

こ う して求めた ト ルク定数とイ ナ一 シ ャ の推定比率を、 モータ速度と外乱 ト ルク を状態変数とするオブザーバに おける ト ルク指令か らモー タ の推定加速度に変換する係 数と して使用 し、 外乱 ト ルク を推定する。

更に、 上記推定された外乱 ト ルクが設定所定値を越え る場合には異常負荷と判断 して速度指令を零と してモー 夕を停止さ せる。

図面の簡単な説明

図 1 は、 モ一 夕 における ト ノレク指令 u 力、 らモータの出 力であ る速度 y までの制御系のブロ ッ ク線図、

図 2 は、 異常負荷を検出するためのオブザーバのプロ ッ ク図、

図 3 は、 本発明を実施する工作機械等のサーボモ一 夕 制御系のプロ ッ ク図、

図 4 は、 本発明の方法に従って トルク定数と イ ナ一 シ ャ の比率を推定する処理のフ ローチヤ一 ト 、

図 5 は、 加減速を 1 0 0 mse cの周期で繰り 返 した と き の ト ルク定数と イ ナ一シ ャ の推定比率の遷移を示す図、 図 6 は、 本発明の方法に従って異常負荷を検出する処 理のフ ロ ー チャ ー ト 、

図 7 は、 本発明の異常負荷検出処理を適用せずに衝突 を起こ させ、 ト ルク指令、 推定外乱 ト ルク 、 実速度を実 験によ つて求めたと きの実験結果の図、

図 8 は、 本発明の異常負荷検出方法を適用 して衝突を 起こ さ せ、 トルク指令、 推定外乱 トルク、 実速度を実験 によ っ て求めたと きの実験結果の図であ る。

発明を実施するための最良の形態 図 1 に示す制御系のブロ ッ ク線図に於いて、 モ一 夕 に ト ルク 指令 u が入力される と、 ト ルク指令 u にモー タの ト ルク定数 K tを乗 じた値に外乱 ト ルク T dを加算して得 た値をイ ナー シ ャ J で除 し、 その値を積分 した値がモー 夕の速度 y とな る。 そ こで、 所定サ ンプ リ ング周期 T s 毎の i 周期における トルク指令を u ( i ) 、 モータの実 速度を y ( i ) 、 外乱 ト ルク を T d ( i ) と し、 サ ンプ リ ング周期 T s間に外乱 ト ルク T d及び トルク指令 u は変 化がないとする と、 モー タの速度 y ( i ) は次の式 （ 1 ) で表わすこ とができ る。

y (i) = y (i-l)+ (T s/ J ) · {K t- u (i-1) + T d(i-l)}

.·.·· ( 1 ) ま た、 1 つ前のサ ンプ リ ング周期においては次の式 ( 2 ) が成り立つ

y (i-1) = y (i-2) + (T s/ J ) · {K t- u (i-2) + T d(i-2)}

( 2 ) 式 （ 1 ) から式 （ 2 ) を引 く と、

y (i)-y (i-1) = y (i-l)-y (i-2)

+ (T s/ J )-CK t{u (i-l)-u (i-2)} + T d(i-l)-T d(i-2)]

.... ( 3 ) 外乱 トルク に変化がないと して、 T d(i-l) = T d(i-2) とする と、 式 （ 3 ) よ り 、 次の式 （ 4 ) が成り 立つ。

y (i) = 2· y (i-1)- y (i-2) + (T s- K t/ J )· u ' (i-1)

···♦ ( 4 ) 但し、 u ' (i-1) = u (i-l)-u (i-2) であ る。

こ こ で （ T s'K tZ J ) = b * ( i - 1 ) とおき、 式 ( 4 ) を次の式 （ 5 ) のよ う に書換える。 y *(i) = 2· y (i-l)- y (i-2) + b *(i-l) · u ' (i-1)

···· ( 5 ) 式 （ 5 ) において b * ( i — 1 ) = ( T s · K t/ J ) は ( ト ノレク 定数 /イ ナ一 シ ャ ） の比率を表わ してお り 、 y * (i) は、 b * ( i — 1 ) を用いて推定されたモー タの 推定速度を意味する。

サ ンプ リ ング周期 i におけるモータ の実速度 y ( i )と 推定速度 y *( i ) との差であ る推定誤差 e ( i ) = y ( i ) - y *( i ) を用いてサ ンプ リ ング周期 i における （ ト ル ク定数 Zイ ナ一シ ャ ） の比率 b *( i )を推定する。 以下、 比率 b *( i )を単に推定比率と いう 。

この場合、 ト ルク指令 u の変化 u ' ( i )が小さ い と き は、 上記推定比率の変化 b * ( i )— b * ( i — 1 )を殆ど 「 0」 に近い小さな値と し、 トルク指令 u の変化 u ' (i) が大き く な るにつれて推定比率の変化も大き く な り 、 ト ルク指令 u の変化 u ' ( i )がある設定値以上の大き さ に な る と推定比率の変化を飽和させるよ う なアルゴ リ ズム で推定比率 b * ( i )を推定する。 本実施例では、 次の式 ( 6 ) によ って推定する。

b *(i) = b *(i-l) + j8 - u ' (i) - e {Ϊ) / [\\ β u ' (i)²}

. · · · ( 6 ) 式 （ 6 ) において ^ は収束の速度を決めるパラ メ ータ であ る。 式 （ 6 ) の処理を各サ ンプ リ ング周期毎に実施 すれば、 上記推定比率 b *( i )は収束 し一定な値とな る。

こ の収束 した一定な値の推定比率 b *を外乱 ト ルク を 推定す るオブザーバにおけ る指令 ト ルク か らモー タ の,推 定加速度に変換する係数と して利用すれば、 正確な外乱 ト ルク の推定値を得る こ とができ 、 こ の外乱 ト ルク の推 定値よ り モー タで駆動さ れる送り 機構等の不具合や、 機 械の衝突等の異常負荷の検出を正確に検出する こ とがで き る ₀

図 1 に示すモー タ における ト ルク指令 U か らモー 夕 の 出力であ る速度 y ま で制御系のブロ ッ ク線図をモデルと して、 モー タ の実速度 y と外乱 ト ルク T d を状態変数と する と状態方程式は次の式 （ 7 ) のよ う にな る。

0 / J K t / J

0 0

0 ( 7 ) なお、 式 （ 7 ) において α は加速度、 T d の上に 1 ド ッ ト を付 した卞 dは、 外乱 ト ルク の変化度を意味する力 <、 短い時間では外乱 ト ルク T d には変化がな い と して こ の 値を 0 と仮定 してい る。

式 （ 7 ) で示す方程式よ り 、 オブザーバを組む一般的 な手法によ り 、 速度 y 、 外乱 T d を状態変数と して これ を推定する同一次元オブザーバを組むと 図 2 に符号 5 0 で示すオブザー バと な る。 外乱推定オブザー バ 5 0 の項 5 2、 5 3 の ： 1、 K 2 は外乱推定オ ブザー バのパラ メ — 夕であ り 、 項 5 1 は実際にサー ボモー 夕 に出力 さ れる ト ノレク 指令 と しての電流値 u か らモー タ の 定加速度に 変換す る係数で、 上記推定比率 b ' を用い る。 5 4 は積 分項であ る。 こ の図 2 のブロ ッ ク図を b *= K tZ J と して解析する と、

{u -K t+ T d} (1 / J - S ) = y ( 8 )

{u -(K t/J ) + (y - y a) K l+(y - y a) (K 2/S )} (1/S )

= y a ···· ( 9 )

(なお、 y aは積分項 5 4の出力で推定速度）

第 （ 8 ) 式よ り

u = ( y - J - S - T d) / K t (10) 第 （ 9 ) 式に第 （ 1 0 ) 式を代入 し整理する と、 ( y ♦ J ♦ S -T d)/ J + ( y - y a) K 1

+ (y -y a)(K 2/ S )= y a- S

·.·· (11)

S (y -y a) + (y -y a)-K l + (y -y a)(K 2/S )= T d/J

···' ( 12)

式 （ 1 2 ) よ り

T d

( y - y a) = ( 13)

J S + K 1+ (K 2/ S )

上記式 （ 1 3 ) よ り項 5 3 の出力である積分値 T dlは 次の式 （ 1 4 ) で示される。

T dl= (y - y a)- (K 2/ S )

T d K 2

···· (14)

J S ² + K 1 · S + K 2

式 （ 1 4 ) において、 パラ メ 一 夕 Κ 1、 Κ 2を極が安定 するよ う に選択する と、 T dl= T J と近似する こ と ができ る。 こ の算出された積分値 Tdlに推定比率 b * の 逆数 I Z b * ( = J / K t) を乗ずれば、 外乱 ト ルク T d (に比例する値） の推定値 T d2を求める こ とができ る。 以上のよ う に、 オブザーバによ り推定外乱 ト ルク T d2 を求める際には、 ト ルク指令に ト ルク定数 K t と イ ナ一 シ ャ J の推定比率 b * を乗 じてモータの推定加速度を求 める項 5 1 を含み、 更に、 ト ルク定数 K t と イ ナー シャ J の推定比率の逆数 l Z b * を乗 じて外乱 ト ルクの推定 値 T d2を求める項 5 6を含む。 従って、 外乱 ト ルク の推 定値 T d2と実際の外乱 ト ルク T d との誤差を小さ く する には、 上記項 5 1及び項 5 6での係数は実際の トルク定 数 K t とイ ナー シャ J の推定比率 （ K t / J ) 及びその 逆数 （ J Z K t) に近い値であればある程正確な外乱 ト ルク に対応する推定値を求める こ とができ る こ とを意味 する。 本実施例では、 こ の項 5 1 及び項 5 6の係数を式 ( 6 ) の演算を行ない収束 した ト ルク 定数 K t とイ ナ一 シャ J の推定比率 b * とその逆数を用いる よ う に したか ら、 正確な外乱 トルク の推定値 T d2を得る こ とができ る。 更に、 得られた推定外乱 ト ルク T d2の大き さ から、 負 荷異常を検出する場合で も、 正確に外乱 ト ルク を推定し ているから、 負荷異常を検出するための し き い値は小さ な ものでよ く 負荷異常を精度よ く 検出でき る こ とを意味 してい る。

図 3 は本発明を適用する一実施例の工作機械を駆動す るサーボモータ の駆動制御系のブロ ッ ク図であ る。 1 は 工作機械を制御する制御装置と しての コ ン ビユ タ内蔵の 数値制御装置 （ C N C ) であ る。 共有メ モ リ 2 は C N C 1 とディ ジ タルサ一ボ回路 3 のプロセ ッ サ間の情報の伝 達を仲介 し、 C N C 1 が書き込んだ位置指令等の各種デ — タをディ ジタ ルサ一ボ回路 3 のプロセ ッ サに受け渡 し、 ディ ジ タルサーボ回路 3 のプロセ ッ サが書き込んだァラ ーム情報や前述の推定比率 b * 等を C N C 1 に引 き渡す。 ディ ジ タルサーボ回路 3 はプロセ ッ サ、 R 0 M、 R A M 等で構成されたディ ジタ ルシグナルプロセ ッ サであ る。 ディ ジタルサ一ボ回路 3 は工作機械の各軸のサ一ボモ一 夕 の制御に於いて、 位置ループ制御を比例 （ P ) 制御、 速度ループ制御を比例積分 （ P I ) 制御で制御処理を行 な う。 サ一ボア ンプ 4 は ト ラ ン ジスタ イ ンバー タ等で構 成され、 サ一ボモー タ 5 を駆動する。 位置及び速度検出 器 6 はサーボモー タ 5 の位置、 速度を検出 し、 検出され た位置、 速度 y はディ ジタルサ一ボ回路 3 にフ ィ ー ドバ ッ ク される。 尚、 図 3 に於いてサ一ボア ンブ 4 とサーボ モー タ 5 は 1 軸の制御系のみを示 している。 図 3 に示す サーボモー タの制御系の基本構成は、 従来のディ ジタル サーボ回路を用いた C N C制御工作機械や、 ロボッ 卜の 制御系と して公知な ものであ り 、 詳細な説明は省略する。

図 4 は、 本実施例において、 上記デジタ ルサ一ボ回路 3 のプロセ ッ ザが実行する本発明のィ ナー シ ャ推定処理 に関するフ ローチ ャ ー トであ り 、 該プロセ ッ サは所定周 期毎 （通常の速度ル―ブ処理周期毎） 図 4 に示す処理を 実行する。

イ ナ一シ ャ を推定する ため予め設定された移動指令か らな るプロ グラ ムを C N C 1 に実行さ せ、 イ ナ一シ ャ推 定処理指令を C N C 1 に入力する と、 C N C 1 は上記ブ ロ グラ ムを実行 し、 共有メ モ リ 2 を介 してディ ジタ ルサ ーボ回路 3 のプロセ ッ サに分配周期毎に移動指令を出力 する。 ディ ジタ ルサーボ回路 3のプロセ ッ サはこ の移動 指令を受けて従来と同様に位置ループ処理を実行 し、 速 度指令を求める。 そ して、 図 4の処理を実行する。

まずステ ッ プ S 1 に於いて、 レ ジス タ に記憶された当 該処理周期 i よ り 1 周期前に求め られた ト ルク指令 u ( i - 1 ) から 2周期前の ト ルク指令 u ( i — 2 ) を減 じて ト ルク指令 uの変化値 u ' を求める。

次に、 ステ ッ プ S 2 に於いて、 レ ジス 夕 に記憶された 1 周期前に検出 したサーボモー タの実速度 y ( i - 1 ) を 2倍 した値か ら 2周期前に検出 した実速度 y ( i — 2) を減じた値に、 更に、 レ ジス タ に記憶された前周期にお いて求めた推定比率 b * ( i — 1 ) に上記ステ ッ プ S 1 で求めた ト ルク指令の変化値 u ' を乗 じた値を加算 して 速度推定値 を求める。 即ち、 上記式 （ 5 ) の演算を 行な う こ と によ って速度推定値 y * .を求める。

ステ ッ プ S 3では、 位置ループ処理によ って求め られ た速度指令と、 位置及び速度検出器 6で検出されたサー ボモー タ 5 の実速度 y ( i ) を取り 込む。 ステ ッ プ S 4 に於いて、 こ の速度指令と実速度 y ( i ) に基づいて従 来と同様の速度ループ処理 （ P I 制御等） を実行 し トル ク指令 u ( i ) を求め、 該 ト ルク指令 u ( i ) を電流ル ープに引 き渡し、 サ一ボモー タを駆動制御する。

次にステ ッ プ S 5 に於いて、 ステ ッ プ S 3で取り 込ん だサーボモー タ の実速度 y ( i ) からステ ッ プ S 2で求 めた速度推定値 を減 じて推定速度誤差 e ( i ) を算 出する。 ステ ッ プ S 6では、 ステ ッ プ S 5で求めた推定 速度誤差 e ( i ) 、 レ ジス タ に記憶された前周期で求め た推定比率 b * ( i — 1 ) 及びステ ッ プ S 1 で求めた ト ルク指令 uの変化値 u ' よ り上記式 （ 6 ) の演算を行な つて推定比率 b * ( i ) を求め、 レ ジス 夕 に記憶する と 共に、 共有メ モ リ 2を介 して C N C 1 に出力する。 C N C 1 は表示指令を受けてこ の推定比率 b * を表示装置に 表不する。

上記ステ ッ プ S 1 〜 S 6の処理を速度ループ処理周期 毎に実行 し、 推定比率 b * を順次求めて更新 してゆ く と、 該推定比率 b * はあ る値に収束する。 こ の収束 した値が 求める （ ト ルク定数/イ ナ一 シ ャ ） の比率であ る。

こ う して推定比率 b * が収束 したな らば、 イ ナー シ ャ 推定処理終了指令を入力する と、 こ の推定比率 b * はメ モ リ 内に記憶され、 後述するオブザーバに処理における 係数と して利用 される。 ま た、 こ の推定比率 b * は、 速 度ループのフ ィ 一 ドバッ ク ゲイ ンを決定する こ と に も利 用 される。

図 5 は、 位置制御を行な っている制御系において、 加 減速を 1 0 0 msecの周期で繰り返 した と き に上述の如 く して求めた推定比率 b *の遷移を示すグラ フであ る。 図 5 から推定比率 b *が僅かの時間内で収束し、 或る一定 値とな る こ とが分かる。

図 6 はこ う して求め られた推定比率 b *を利用 して、 ディ ジタルサ一ボ回路 3 のプロセ ッ サが位置及び速度ル —プ処理周期毎に実行 し、 オブザーバによ り 外乱 ト ルク を推定 し、 異常負荷を検出する処理のフ ロ ーチ ャ ー トで あ る。

予め、 オブザーバを構成するパラ メ ータ K 1、 K 2及び 負荷異常検出のための し きい値 T aをディ ジタルサーボ 回路 3 内に設定 してお く 。

先ずステ ッ プ A 1 に於いて、 位置速度検出器 6から送 られて く るサーボモー タ の実速度 y (i) を読み取り 、 ス テ ツ プ A 2 に於いて、 速度ループ処理によ って求め られ た トルク指令 u ( i- 1 )を読み取る。 次にステ ッ プ A 3で は、 ステ ッ プ A 1で読み取っ た実速度 y (i) か ら前周期 に於いて推定され、 レ ジスタ に記憶されている推定速度 y a(i-l)を減 じた値に、 オブザーバの積分ゲイ ンと して のパラ メ 一 夕 K 2 及び速度ループ周期 T s を乗 じた値を、 ア キ ュ ム レ 一 夕 に 記憶 さ れ た 前周 期 ま で の 積分値 T dl(i-l) に加算 し、 当該周期におけ るオブザーバの積 分値 T dl(i) を求める。 即ち、 図 2 における項 5 3 の処 理を実行 し積分値 T dlを求める。

次にステ ッ プ A 4 に於いて、 レ ジス タ に記憶された前 周期の トルク指令 u (i-l) に上記 （ ト ルク定数 イ ナ一 シ ャ ） の推定比率 b * を乗じた値、 ス テ ッ プ A 3で求め た積分値 T dl(i)、 更に、 ステ ッ プ A 1 で読み込んだ当 該周期の実速度 y (i) か ら レ ジス タ に記憶された前周期 で求めた推定速度度 y a(i-l)を減 じた値に、 比例ゲイ ン と してのパラ メ ータ K 1 を乗 じた値を加算 し、 この加算 値に速度ループ周期 T s を乗 じた値を前周期で求めた推 定速度 y a(i-l)に加算 して、 当該周期の推定速度 y a(i) を求める。 即ち、 図 2 における項 5 4 によ って推定速度 y a を求める処理を実行する。

ス テ ッ プ A 5 で は 、 ス テ ッ プ A 3 で求めた積分値 T dl(i) に上記 （ ト ルク 定数 イ ナ一シ ャ ） の推定比率 b * の逆数を乗 じて外乱 トルク の推定値 T d2(i) を求め る 。 ス テ ッ プ A 6 で は 、 ス テ ッ プ A 5 で求め ら れた T d2(i) の絶対値が設定 し き い値 T a よ り 大き いか否か 判断する。 T d2(i) の絶対値がし き い値 T a よ り大き い と きは、 ステ ッ プ A 8 に進み、 モ一 夕 に異常負荷が加わ つて ものと判断 して、 速度指令を 「 0」 とする。 ま た、 推定外乱 ト ルク Td2(i) の絶対値が し き い値 T a 以下な らば、 ステ ッ プ A 7 に進み、 異常負荷は加わ っ ていない と して速度指令を読む。 そ して、 ステ ッ プ A 9 に於いて、 ステ ッ プ A 7及び 8で求め られた速度指令に基づいて従 来と同様の速度ループ処理を実行 し、 ト ルク指令を求め て電流ループに引 き渡す。

ディ ジタルサ一ボ回路 3のプロセ ッ サは上記の処理を 速度ループ処理周期毎に実行 し、 上記ステ ッ プ A 6 で推 定外乱 トルク T d 2 ( i ) の絶対値が し き い値 T a を越えた と きの速度ループ処理周期に於いては速度指令が 「 0 」 とな って速度ループ処理が行なわれる こ と にな り 、 速度 ループ処理によ って得られる トルク指令はモー タの回転 方向と は逆方向への トルク指令とな り モー タは急速に停 止する こ と にな る。

図 7 及び図 8 は、 本実施例によ る負荷異常検出処理を 行なわない場合と行な っ た場合における ト ルク指令 u、 推定外乱 ト ルク T d 2及び実速度 y を測定した結果を示す グラ フであ る。

異常負荷検出処理を行な っていない場合を示す図 7 に 於いては、 衝突が起きた後 ト ルク指令 u が増大 したま ま であ り 、 当然推定外乱 ト ルク T d 2も増大 したま まであ る _c そ して、 実速度 y も衝突後しばら く た って 「 0 」 にな つ ている。

これに対 して、 本発明の異常負荷検出処理を実行 して いる場合を示す図 8 に於いては、 衝突が起きた と き、 ト ノレク指令 u が負にな っている （逆向きの ト ルク指令が発 生 している） 。 これは、 衝突が起き推定外乱 ト ルク T d2 が し き い値を越えて速度指令が 「 0」 と された こ と によ つて生 じた ものであ る。 その結果、 実速度 y も急速に 「 0」 とな り 、 かつ推定外乱 ト ルク T d 2に示される よ う に、 発生 ト ルク も 「 0」 とな っている。 図 8 か ら分かる よ う に、 本発明の異常負荷検出処理を実行すれば、 モ一 夕 に接続された機械が他の ものに衝突 した り 、 モー タで 駆動される送り 軸等の不具合が発生 して異常負荷が生 じ た と き 、 これを直ちに検出でき る こ とができ る。 従って、 機械及び機械が衝突 した ものに対 し大きな力を加える こ とがないので、 これらの ものの破損を防止する こ とがで さ る。

特に、 モー タが加速される と きや、 減速される と き に は ト ルク指令は増加するが、 本発明においては、 ト ルク 定数と イ ナ一シ ャ の比を正確に推定 してい るために、 加 減速時の ト ルク指令の増大に影響されずに、 外乱 ト ルク のみを正確に推定する こ とができ るか ら、 異常負荷を検 出する ための し き い値 T s を小さな値とする こ とができ、 感度よ く 負荷異常を検出する こ とができ る。

なお、 上記実施例では、 推定比率 b * を予め求めるよ う に したが、 速度ループ処理毎に上述 したよ う に推定比 率 b * を求め、 こ の求め られた推定比率 b * に基づいて 速度ループのゲイ ン等を自動的に修正 した り 、 ォブザ一 バの上記係数を自動修正する よ う に して も よい。

なお、 上記実施例ではサ一ボモー タを駆動源と したと きの例を説明 したが、 サ一ボモ一 夕以外のモー タを駆動 源と した と き も同様に本発明は適甩でき る ものであ る。

上述の如 く 本発明によれば、 特別な手段を必要とせず、 正確な （ ト ルク定数 Zイ ナ一 シ ャ ） の比率が求められる ので、 こ の比率によ って決ま る速度ループのゲイ ンや速 度ループのフ ィ 一 ドフ ォ ヮ ー ドのゲイ ンをせ適正な値に 設定する こ とができ る。 更に、 こ の ト ルク定数とイ ナ一 シ ャ の推定比率を用いて外乱を推定するオブザーバの加 速度推定値等を正確に推定する こ とができ る こ とから、 加減速時の ト ルクを除去 した正確な外乱 ト ルク のみを正 確に推定する。 そのため、 こ のオブザーバで異常負荷を 検出する場合も、 異常負荷検出のための し きい値を小さ く する こ とがで き るので、 モー タで駆動される機械の送 り 軸の不具合や、 機械が他の ものに衝突 したと き等の異 常負荷を感度よ く 検出する こ とができ る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . モー 夕速度をフ ィ ー ドバッ ク制御するモー タの駆動 制御系において、 モー タ及びモー タ に接続された機械の イ ナ一 シャ を推定する方法であ って、

( a ) 当該サ ンプ リ ング周期の 1 周期前の ト ルク指令 u ( i 一 1 )と 2 周期前の トルク指令 u ( i — 2 )の変化量 u ' と、 当該サ ンプ リ ング周期の 1 周期前のモー夕 の実 速度 y ( i — 1 )と、 当該サ ンプ リ ング周期の 2 周期前の モー 夕 の実速度 y ( i — 2 )と、 当該サ ンプ リ ング周期の 1 周期前に求めた、 モー タの トルク定数と イ ナ一シャ と の推定比率 b *( i — 1 )と、 からモー タ の推定速度 y *を 求めるステ ッ プと、

( b ) 当該サ ンプ リ ング周期のモー タの実速度 y ( i ) と上記推定速度 y *との差であ る推定速度誤差 e を求め るステ ッ プと、

( c ) 上記推定比率 b * ( i )の変化量が、 上記 トルク 指令の変化量 u ' が小さ いと き には小さ く 、 ト ルク指令 の変化量 u ' が所定値になる までは該 トルク指令の変化 量に略比例 した値と な り 、 上記所定値以上にな る と飽和 して一定値とな るよ う に上記推定速度誤 e に基づいて上 記推定比率 b *( i )を補正更新するステ ッ プと、

( d ) 上記推定比率 b *( i )が収束する値を ト ルク 定 数と イ ナ一シ ャ の比率と して決定するステ ッ プとを備え た、 イ ナー シ ャ 推定方法。

2 . 上記ステ ッ プ （ c ) は、 設定パラ メ ー タ値を と し て、 当該周期における ト ルク定数とイ ナ一 シ ャ の推定比 率 b *( i )を次の式に基づいて補正更新する こ とから成 る、 請求の範囲第 1 項に記載のイ ナー シ ャ推定方法。

b * ( i ) = b * ( i - l ) + ^ - u ' - e / ( 1 + β u ' ²)

3 . モータ速度をフ ィ ー ドバ ッ ク制御するモー タの駆動 制御系において、 外乱 ト ルク を推定する方法であ って、 ( a ) 当該サ ンプ リ ング周期の 1 周期前の ト ルク指令 u ( i 一 1 )と 2 周期前の トルク指令 u ( i — 2 )の変化量 u ' と、 当該サ ンプ リ ング周期の 1 周期前のモータの実 速度 y ( i — 1 )と、 当該サ ンプリ ング周期の 2 周期前の モータ の実速度 y ( i — 2 )と、 当該サ ンプ リ ング周期の 1 周期前に求めた、 モー タの ト ルク定数とイ ナ一シ ャ と の推定比率 b *( i — 1 )と、 か らモー タの推定速度 y *を 求めるステ ッ プと、

( b ) 当該サ ンプ リ ング周期のモー タの実速度 y ( i ) と上記推定速度 y *と の差であ る推定速度誤差 e を求め るステ ッ プと、

( c ) 上記推定比率 b * ( i )の変化量が、 上記 トルク 指令の変化量 u ' が小さ いと き には小さ く 、 ト ルク指令 の変化量 u ' が所定値になる までは該 トルク指令の変化 量に略比例 した値と な り 、 上記所定値以上にな る と飽和 して一定値とな るよ う に上記推定速度誤 e に基づいて上 記推定比率 b * ( i )を補正更新するステ ッ プと、

( d ) 上記推定比率 b *( i )が収束する値を ト ルク定 数とイ ナ一 シャ の比率と して決定するステ ッ プと、 ( e ) モー タ の速度と外乱 トルクを状態変数と し、 ト ルク指令か ら推定加速度に変換する係数を含むォブザー バを設けるステ ッ プと、

( f ) 上記オブザーバの ト ルク指令から推定加速度に 変換する係数を上記ステ ッ プ （ d ) で求めた ト ルク定数 と イ ナ一シ ャ の比率と し、 上記オブザーバによ り外乱 ト ルク を推定するステ ッ プとを備えた、 外乱 トルク推定方

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4. 上記ステ ッ プ （ C ) は、 設定パラ メ ー タ値を S と し て、 当該周期における ト ルク定数とイ ナ一シ ャ の推定比 率 b *( i )を次の式に基づいて補正更新する、 請求の範 囲第 3項に記載の外乱 ト ルク推定方法。

b *( i )= b *( i - l )+ yS - u ' · e / ( 1 + /5 u ' ²)

5. 上記ステ ッ プ （ f ) は、

( f 1 ) 当該サ ンプ リ ング周期のモータ の実速度 y (i) か ら前周期に於いて推定された推定速度 y a( i — 1 )を 減 じた値に、 パラ メ 一 夕 K 2 及び速度ループ周期 T s を 乗 じた値を、 前周期までの積分値 T dl( i — 1 ) に加算 し、 当該周期における積分値 T dl( i ) を求めるステ ツ プと、

( f 2 ) 前周期の トルク指令 u — 1 ) に上記 ト ル ク定数と イ ナ一シ ャ の推定比率 b * を乗 じた値と、 上記 積分値 T dl( i )と、 当該周期の実速度 y ( i ) から前周 期で求めた推定速度度 y a( i — 1 )を減 じた値に、 パラ メ ータ K 1 を乗 じた値とを加算 し、 こ の加算値に速度ル ープ周期 T s を乗じた値を前周期で求めた推定速度 y a ( i 一 1 )に加算 して、 当該周期の推定速度 y a( i )を求 め るス テ ツ フ と 、

( f 3 ) 上記積分値 T dl( i ) に上記 トルク定数と ィ ナー シ ャ の推定比率 b * の逆数を乗 じて外乱 ト ルク の推 定値 T d2( i ) を求めるステ ッ プとを備える、 請求の範 囲第 3項に記載の外乱 ト ルク推定方法。

6. モ一夕速度をフ ィ ー ドバッ ク制御するモー タ の駆動 制御系において、 異常負荷を検出する方法であ って、 ( a ) 当該サ ンプ リ ング周期の 1周期前の ト ルク指令 u ( i 一 1 )と 2周期前の トルク指令 u ( i — 2 )の変化量 u ' と、 当該サ ンプ リ ン グ周期の 1周期前のモー タ の実 速度 y ( i — l )と、 当該サ ンプリ ング周期の 2周期前の モー タ の実速度 y ( i — 2 )と、 当該サ ンプ リ ン グ周期の 1 周期前に求めた、 モー タの ト ルク定数と イ ナ一 シ ャ と の推定比率 b *( i — 1 )と、 か らモー タ の推定速度 y *を 求めるステ ッ プと、

( b ) 当該サ ンプ リ ン グ周期のモー タ の実速度 y ( i ) と上記推定速度 と の差であ る推定速度誤差 e を求め る ステ ッ プと、

( c ) 上記推定比率 b * ( i )の変化量が、 上記 ト ルク 指令の変化量 u ' が小さ いと き には小さ く 、 ト ルク指令 の変化量 u ' が所定値にな る までは該 ト ルク指令の変化 量に略比例 した値と な り 、 上記所定値以上にな る と飽和 さ せて一定値とな る よ う に上記推定速度誤 e に基づいて 上記推定比率 b *( i )を補正更新するステ ッ プと、

( d ) 上記推定比率 b *( i )が収束する値を ト ルク定 数とイ ナ一シ ャ の比率と して決定するステ ッ プと、

( e ) モー タ の速度と外乱 トルクを状態変数と し、 ト ルク指令から推定加速度に変換する係数を含むォブザー バを設けるステ ッ プと、

( f ) 上記オブザーバの ト ルク指令から推定加速度に 変換する係数を上記ステ ッ プ （ d ) で求めた ト ルク定数 とイ ナ一シ ャ の比率と し、 上記オブザーバによ り外乱 ト ルク を推定するステ ッ プと、

( g ) 上記ステ ッ プ （ f ) で推定された外乱 トルクが 設定所定値よ り 大き いか否かを判別するステ ッ プと、

( h ) 上記ステ ッ プ （ g ) に於いて外乱 ト ルクが設定 所定値よ り 大き いと判別されたと き に速度指令を零と し てモー タを停止させるステ ッ プとを備える、 異常負荷検 出方法。