WO2003017459A1 - Appareil de detection de la frequence de resonance d'une unite de commande d'un moteur electrique - Google Patents

Description

明細書

電動機制御装置の共振周波数検出装置

[技術分野]

本発明は、 電動機を用いた位置決め装置に関するものであり、 特に、 位置決め制御 系を利用して機械の共振周波数を検出する電動機制御装置の共振周波数検出装置に関 する。

[従来の技術]

半導体製造装置や工作機械、 産業用口ポット等では、 電動機を用いて位置決め制御 されることが多い。 その位置決め精度には、 機械の共振周波数が与える影響が大きい ため、 前もって正確な共振周波数をつかんでおくことが望ましく、 同時に、 制御系が 組まれて稼動している状態で正確に測れることが望まれる。 この必要性から、 従来は

F F Tを用いて周波数特性を解析し、 共振周波数を割り出す、 という方法が用いられ ている。 この従来技術を図に基づいて説明する。

図 1 1は電動機制御系に組み込まれた従来の共振周波数検出装置の構成を示すプロ ック図である。 図において、 1は指令発生器であり、 2は制御器、 3は電動機、 4は 機械、 5は検出器、 1 2は F F Tアナライザ、 1 3は出力装置であり、 次のように動 作する。

指令発生器 1は掃引正弦波や白色雑音波、 M系列波形、 インパクト波等のいずれか の指令信号 Cを生成し、 制御器 2に入力する。 この指令に応じて制御器 2が電動機 3 に電流を供給すると、 電動機 3が機械 4を駆動する。 このとき、 検出器 5は、 電動機 3の回転位置や回転速度等の電動機動作量 mを検出して応答信号 Sを出力する。 F F Tアナライザ 1 2は指令信号 Cと応答信号 Sを同時に入力すると F F T演算を実施し、 周波数特性 Fを算出する。 出力装置 1 3は周波数特性 Fを入力すると数値や、 グラフ 化して可視化したものを出力する。 このようにして共振周波数が計測されると、 安定 化のために電動機制御系に反映される。

安定化した制御系について図 1 2を用いて説明する。 図において、 2〜5は図 1 1 と同じ制御器、 電動機、 機械、 検出器であり、 7は閉ループ制御器、 8はフィルタ処 理部である。 フィル夕処理部 8はこの制御系の共振周波数を抑えるために設けられた ものであり、 その周波数設定は、 計測した共振周波数に対応するフィル夕部入力値 B を手動で入力して行われる。 こうして設定されると、 この制御系に所望の動作をさせ るべく、 所望の動作指令 Mを与えて電動機 3によって機械 4を駆動させていた。

ところが、 従来技術によると、 共振周波数を計測するために F F Tを使って多量の デ一夕を用いた演算を必要としており、 電動機制御に通常は使われない F F Tアナラ ィザを別途準備するか、 F F T演算を実施できて多量の演算処理が可能な高価な演算 装置を必要とするため、 演算時間が長くなり、 コストが嵩み、 さらに使い勝手がよく ないという問題があった。

[発明の開示]

本発明は、 簡単な演算で共振周波数を高速に計測でき、 安価な演算装置で共振周波 数が検出できる電動機制御装置の共振周波数検出装置を提供することを目的とする。 本発明の共振周波数検出装置は、 機械を駆動する電動機と、 その機械の動作量を検 出する検出手段と、 制御指令を受けて前記電動機を駆動する制御器とからなる電動機 制御系において、 掃引正弦波信号を発生して前記電動機制御系に入力する指令発生器 と、 前記指令発生器が出力する前記掃引正弦波信号の周波数情報と前記検出手段の信 号を入力し、 前記検出手段の信号の絶対値が最大となる前記掃引正弦波信号の周波数 を共振周波数として出力する信号処理器とを備えたことを特徴とするものである。 請求項 2、 3に記載の本発明は、 前記検出手段は前記電動機の位置または速度、 あ るいは前記機械の位置または速度を検出して前記動作量とすることを特徴とし、 前記 電動機制御系がオープンループの場合は前記指令発生器の信号は前記制御器に入力さ れていることを特徴としている。

請求項 4に記載の本発明は、前記検出手段の信号を（一）端子に入力する減算器と、 その減算器の信号を受けて働き前記制御器に制御指令を出力する閉ループ制御器を備 えて前記電動機制御系が閉ループをなしている場合は、 前記指令発生器の信号は前記 減算器の （+ ) 端子に入力されていることを特徴としている。

請求項 5に記載の本発明は、前記検出手段の信号を（一）端子に入力する減算器と、 その減算器の信号を受けて働き制御指令を出力する閉ループ制御器と、 その制御指令 を入力して所定の帯域の信号を低減したあと前記制御器に出力するフィル夕処理部と、 を備えて前記電動機制御系が閉ループをなしている場合は、 加算器が前記フィル夕処 理部と前記制御器の間に設けられ、 その一方の入力に前記指令発生器の信号が入力さ れており、 前記指令発生器の信号と前記フィルタ処理部の信号の和が前記制御器に入 力されていることを特徴としている。

請求項 6に記載の本発明は、 前記掃引正弦波信号は、 最小周波数 F_ninから最大周波 数 F_maxまでの範囲に周波数が制限されており、 前記信号処理器は、 前記検出手段の信 号を所定の周波数範囲に制限して入力するとともに、 前記最小周波数 F_rain以上の周波 数だけを検出することを特徴としている。

請求項 7に記載の本発明は、 前記掃引正弦波信号は、 最小周波数 F_minから最大周波 数 F_MXまでの範囲に周波数が制限されており、 前記信号処理器は、 前記検出手段の信 号を所定の周波数範囲に制限して入力するとともに、 前記最小周波数 F_minより大きい 検出最小周波数 Fl im以上の周波数だけを検出する

ことを特徴としている。

請求項 8に記載の本発明は、 前記検出器と前記信号処理器の間にハイパスフィル夕 が設けられていることを特徴としている。

以上のようになっているので、 簡単な演算で共振周波数を高速に計測でき、 安価な 演算装置で共振周波数が検出できるのである。

• [図面の簡単な説明]

図 1は、 本発明を適用した電動機制御系の構成を示すブロック図である。 図 2は、 第 2実施例の構成を示すブロック図である。 図 3は、 第 3実施例の構成を示すブロッ ク図である。 図 4は、 第 4実施例の構成を示すブロック図である。 図 5は、 第 5実施 例の構成を示すブロック図である。 図 6は、 第 6実施例の構成を示すブロック図であ る。 図 7は、 フィル夕設定後の構成を示すブロック図である。 図 8は、 指令発生器が 生成する指令信号の時間波形を示す図である。 図 9は、 本発明を適用した掃引正弦波 の周波数と時間の関係を示す図である。 図 1 0は、 第 7実施例の構成を示すブロック 図である。 図 1 1は、 従来技術を適用した電動機制御系の構成を示すブロック図であ る。 図 1 2は、 従来のフィル夕設定後の構成を示すブロック図である。

[発明を実施するための最良の形態]

以下、 本発明の実施例を図に基づいて説明する。 図 1は本発明の共振周波数検出装 置の構成を示すブロック図である。 図において、 1は指令発生器、 2は制御器、 3は 電動機、 4は機械、 5は検出器、 6は信号処理器である。 指令発生器 1は最小周波数 Fminから最大周波数 Fmaxまで周波数が変化する掃引正弦波指令を指令信号 Cとして 出力し、 同時に、 時々刻々と変化する指令信号 Cの周波数の情報 Aも出力する。 制御 器 2は、 指令発生器 1から受けた指令信号 Cに従って電動機 3を駆動し、 連結された 機械 4が動作する。 電動機 3に連結された検出器 5の出力は図 8のように電動機動作 量 mを検出し、 これを応答信号 Sとして信号処理器 6に送る。 この図では電動機 3と 機械 4が連結されているため、 電動機動作量 mを検出すれば、 機械 4の共振特性を検 出できる。 この応答信号 Sは機械 4が周波数に依存して少しの外力でも大きな反応を 示す共振特性を持っため、 共振周波数では振幅が最大となる。

信号処理器 6は掃引正弦波指令の周波数情報 Aと応答信号 Sを受け取り、 最小周波 数 F_minを過ぎた検出最小下限周波数 F_{l im} から共振周波数の検出のための演算を行な う。 検出最小下限周波数 F_{l im}以上で、 図 8のように、 応答信号 Sの絶対値が最大とな るときの掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果 f を出力す る。

図 9は掃引正弦波の周波数と時間の関係を示すグラフである。 t。から t _e間の時間 中、 最小周波数 F_minから検出最小下限周波数 F_{l ira}を経て、最大周波数 F_MXまで周波数が 変化する掃引正弦波指令を指令信号 Cとなる。信号処理器 6は検出最小下限周波数 F_{l im} より高い周波数となる時間 から t_e間において、 共振周波数の検出を実施する。 なお、 第 1の実施例では、 検出器 5が電動機動作量 mを検出したが、 機械 4の機械 動作量 Xを検出しても良い。 また、 掃引正弦波の周波数と時間の関係は、 直線に限ら れることは無く、 任意の曲線であっても構わない。

また、 検出最小下限周波数 F_{l im}を最小周波数 F ^と同様に取り扱っても構わない。 図 2は第 2実施例の構成を示すプロック図であり、 検出器 5が機械 4の機械動作量 Xを検出するように配置した点が図 1と異なっている。 信号処理器 6は掃引正弦波指 令の周波数情報 Aと応答信号 Sを受け取り、 応答信号 Sの絶対値が最大となるときの 掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果 f を出力する。

図 3は第 3実施例の構成を示すプロック図であり、 電動機制御系が閉ループをなし ている場合のブロック図である。 この例では、 検出器 5は電動機 3の電動機動作量 m を検出するように設けられており、 また、 制御器 2の前段に閉ループ制御器 7が設け られ、 その前段に減算器が設けられている。 そして減算器の （+ ) 端子に印加される 指令と検出器 5の信号が比較され、 その差を受けた閉ループ制御器 7が、 その差を小 さくするよう働いて制御器 2に指令を出力する。 この閉ループ制御系に指令発生器 1 と信号処理器 6が追加され、 指令発生器 1の指令信号 Cが減算器の （+ ) 端子に印加 される。 信号処理器 6は、 指令発生器 1が出力する掃引正弦波指令の周波数情報 Aと 検出器 5が出力する応答信号 Sを受け取り、 応答信号 Sの絶対値が最大となるときの 掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果 f を出力する。

図 4は第 4実施例の構成を示すプロック図であり、 図 3において指令発生器 1が出 力する指令信号 Cを減算器の （+ ) 端子に印加していたものを、 制御器 2と閉ループ 制御器 7の間に設けた加算器の一方の入力端子に変えたものである。 このような構成 としても、 図 3の場合と同様に、 応答信号 Sの絶対値が最大となるときの掃引正弦波 の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果 f を出力する。 なお、 図 3、 図 4では検出器 5を電動機 3に連結して電動機動作量 mを検出しているが、 検出器 5を 機械 4に連結して機械動作量 Xを直接検出してもよい。

図 5は第 5実施例の構成を示すブロック図である。 この図は、 図 4の閉ループ制御 器 7の後段にフィル夕処理部 8を追加挿入して設けた構成になっており、 フィルタ処 理部 8·は外部から指令を与えてフィルタ特性を変えることができるようになっている。 第 4実施例と同様にして信号処理器 6が共振周波数を検出し、 その共振周波数検出結 果 f をフィル夕処理部 8に入力すると、 その入力に応じてフィル夕処理部 8が設定さ れ、 共振周波数の帯域の特性を抑えるフィル夕とすることができる。 共振周波数が検 出できれば、 共振周波数検出結果 f をもとにフィルタ処理部 8の設定値を自動的に決 定できる。

なお、 この実施例では指令信号 Cをフィル夕処理部 8と制御器 2の間に設けた加算 器の一方の入力としたが、 閉ループ制御器 7の前段に設けた減算器の （+ ) 端子に入 力しても良い。

図 6は第 6実施例の構成を示すブロック図であり、 図 5の閉ループ制御器 7と、 そ の前段の減算器付近の構成を変えた構成になっている。 閉ループ制御器 7 Bは、 減算 器と位置制御器 9、 減算器、 速度制御器 1 0、 速度演算器 1 1から構成されている。 この図で位置制御器 9の前段にある減算器の （+ ) 端子には、 大きさが 0の動作指令 Mを与えており、 これによつて位置ずれしないで共振周波数の検出が行なわれる。 閉 ループ制御器 7 Bでは、 電動機動作量 mを検出して得られた応答信号が、 減算器を経 由して位置制御器 9に入力され、 同時に、 速度演算器 1 1を経由して速度制御器 1 0 に入力される。そして速度制御器 1 0は位置制御器 9の出力と一致するように制御し、 位置制御器 9は電動機動作量 mの位置が動作指令 Mの 0位置と一致するように制御す る。 共振周波数は図 1〜図 5と同様にして求められる。 なお、 図 5の場合と同様、 検 出器を機械 4に連結して機械動作量を直接検出してもよく、 電動機 3や機械 4の位置 ずれが問題でなければ、 動作指令信号 Mの代わりに指令信号 Cを入力して共振周波数 を検出してもよい。 また、 以上の実施例では、 共振周波数を検出する目的に応じて、 例えば、 フィルタ処理部 8に複数のフィルタを設定する際に、 フィルタ間の干渉を避 けるためフィル夕設定周波数が限定されている場合には、 周波数範囲を制限しで周波 数を検出してもよく、任意に設定した周波数 F l im以上 Fmax以下の絶対値の最大値を 検出して共振周波数としてもよい。

図 7は図 5、 6で検出した共振周波数に基づいてフィル夕処理部を設定し、その後、 設定したフィル夕処理部を生かして通常の運転をしているときの構成を示すブロック 図である。 この制御系で動作指令 Mを入力すると、 閉ループ制御器 7は、 電動機動作 量 mと動作指令 Mがー致するように制御し、 共振を抑えるフィルタ処理部がうまく機 能して電動機動作量 mと動作指令 Mがより一致しやすくなつている。

なお、 図 7の構成と図 5の構成は、 スィッチを設けて切り替えられるようにしても 良い。 また、 図 3、 図 4、 図 5、 図 7では閉ル一プ制御器 7を 1つの制御器として示 したが、 図 6のように位置制御器 9、 速度演算器 1 1、 速度制御器 1 0を含む構成と してもよい。 また、 機械の動作量が指令信号と一致するように電動機 3の動作を検出 器 5が検出した応答信号 Sに基づき制御するのであれば、 内部構成を変更した閉ルー プ制御器 7でもよい。 フィルタ処理部 8や制御器 2を含めて順番や構成を変更しても よい。

図 1 0は第 7実施例の構成を示すブロック図である。図において、 1は指令発生器、 2は制御器、 3は電動機、 4は機械、 5は検出器、 6は信号処理器、 1 4はハイパス フィルタ手段である。

検出器 5が電動機動作量 mを検出し、 これを応答信号 Sとして、 ハイパスフィル夕 手段 1 4を経由して信号処理器 6に送る点が図 1と異なっている。 信号処理器 6は掃 引正弦波指令の周波数情報 Aと応答信号 Sを受け取り、 ハイパスフィル夕手段 1 4に て信号のオフセットゃ低周波数成分を応答信号 Sから取り除き、 応答信号 Sの絶対値 が最大となるときの掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果 f を出力する。

なお、 この実施例では、 信号処理器 6は検出最小下限周波数 F_{l im}以上という条件を 付けなかったが、 第 1の実施例と同様に、検出最小下限周波数 F_nm以上で、応答信号 S の絶対値が最大となるときの掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数 検出結果 f を出力しても良い。

また、 検出器 5は電動機動作量 mを検出したが、 機械 4の機械動作量 Xを検出して も良い。

[産業上の利用可能性]

本発明によれば、 請求項に記載された構成の共振周波数検出装置としたので、 簡単 な演算で共振周波数を高速に算出でき、 安価な演算装置を用いて、 共振周波数を検出 するという効果がある。 また、 共振周波数を検出すると共に、'フィルタ処理部に共振 周波数を抑えるフィルタ処理入力値を自動入力し設定し、 自動的に電動機制御装置の 性能を向上できるという効果がある。

Claims

請求の範囲

1 . 機械を駆動する電動機と、 その機械の動作量を検出する検出手段と、 制御指令 を受けて前記電動機を駆動する制御器とからなる電動機制御系において、 掃引正弦波 信号を発生して前記電動機制御系に入力する指令発生器と、 前記指令発生器が出力す る前記掃引正弦波信号の周波数情報と前記検出手段の信号を入力し、 前記検出手段の 信号の絶対値が最大となる前記掃引正弦波信号の周波数を共振周波数として出力する 信号処理器とを備えたことを特徴とする電動機制御装置の共振周波数検出装置。

2 . 前記検出手段は前記電動機の位置または速度、 あるいは前記機械の位置または 速度を検出して前記動作量とすることを特徴とする請求項 1に記載の電動機制御装置 の共振周波数検出装置。

3 . 前記電動機制御系がオープンループの場合は前記指令発生器の信号は前記制御 器に入力されていることを特徴とする請求項 1または 2に記載の電動機制御装置の共 振周波数検出装置。

4 . 前記検出手段の信号を （一） 端子に入力する減算器と、 その減算器の信号を受 けて働き前記制御器に制御指令を出力する閉ループ制御器を備えて前記電動機制御系 が閉ループをなしている場合は、 前記指令発生器の信号は前記減算器の （+ ) 端子に 入力されていることを特徴とする請求項 1または 2に記載の電動機制御装置の共振周 波数検出装置。

5 . 前記検出手段の信号を （一） 端子に入力する減算器と、 その減算器の信号を受 けて働き制御指令を出力する閉ループ制御器と、 その制御指令を入力して所定の帯域 の信号を低減したあと前記制御器に出力するフィル夕処理部と、 を備えて前記電動機 制御系が閉ループをなしている場合は、 加算器が前記フィル夕処理部と前記制御器の 間に設けられ、 その一方の入力に前記指令発生器の信号が入力されており、 前記指令 発生器の信号と前記フィルタ処理部の信号の和が前記制御器に入力されていることを 特徴とする請求項 1または 2に記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。

6 . 前記掃引正弦波信号は、 最小周波数 F_rainから最大周波数 F_maxまでの範囲に周波 数が制限されており、 前記信号処理器は、 前記検出手段の信号を所定の周波数範囲に 制限して入力するとともに、 前記最小周波数 F_min以上の周波数だけを検出することを 特徴とする請求項 1から 5のいずれかに記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。

7 . 前記掃引正弦波信号は、 最小周波数 F_{rai n}から最大周波数 F _Xまでの範囲に周波 数が制限されており、 前記信号処理器は、 前記検出手段の信号を所定の周波数範囲に 制限して入力するとともに、前記最小周波数 F_mi„より大きい検出最小周波数 Fl im以上 の周波数だけを検出することを特徴とする請求項 1力 ら 5のいずれかに記載の電動機 制御装置の共振周波数検出装置。

8 . 前記検出器と前記信号処理器の間にハイパスフィルタが設けられていることを 特徴とする請求項 1から Ίのいずれかに記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。