JP3479922B2 - 電動機駆動系の負荷定数測定方法 - Google Patents

電動機駆動系の負荷定数測定方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電動機駆動系の負荷定
数測定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】電動機の負荷定数測定方式としては、い
くつかの方法が行われていた。 (1)電動機に速度指令として正弦波を加え、正弦波の
周波数を変化させながら繰り返し運転し、その周波数応
答より慣性負荷を計算する。 (2)速度のステップ応答により、その立ち上がりの応
答時間から速度ループの時定数を求め、それより慣性負
荷を計算する(特願平4−355144号)。 (3)電動機の発生トルクを積分し、その値と回転速度
差との比から慣性負荷を求める(特公平4−10319
号公報)。 (4)2回の加速処理において、電動機の発生トルク差
と回転速度差から粘性摩擦係数を求め、その値と電動機
の発生トルクの積分値の差と移動距離差と回転速度差と
から慣性負荷を求める(特願平5−29869号)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記(1)の方法で
は、NC(数値制御)工作機等には電動機と負荷の間に
ボールねじ等の減速機によるバックラッシュが存在する
ため、速度指令として前記の正弦波を与えるのは機械の
減速機を破壊する等の問題がある。前記(2)の方法で
は、サーボアンプにおける電流出力の遅れや静止摩擦等
の影響により、むだ時間が生じたり、応答中における動
摩擦の影響により、速度指令に応じたトルクが出力でき
ずに立ち上がり時間が長くなる等の問題により、正確な
時定数を求めることができず、よって正確な慣性負荷を
求めることができなかった。前記(3)の方法では、一
定の加減速レートおよび回転速度変化幅で加減速を行
い、加速時および減速時における電動機発生トルクに比
例する信号の積分量の里回転速度の変化幅を演算するこ
とにより、負荷イナーシャを推定する方法を挙げている
が、加速状態から減速する際に減速機によるバックラッ
シュが生じるためトルクの積分値に誤差を生じたり、加
速時と減速時では静止摩擦による影響が異なり、静止摩
擦の大きな駆動系では正確な慣性負荷を求めることはで
きなかった。前記(4)の方法では、2つの異なる速度
で加速し、定常状態における回転速度差と駆動装置の出
力トルク差から粘性摩擦係数を演算し、その値と2回の
加速処理における駆動装置の出力トルクの積分量と移動
距離と回転速度を演算することにより負荷イナーシャを
推定しているが、この方法では2回の加速処理を行う必
要があり、できるだけ同じ条件で加速処理を行うために
は、同じ位置からしばらく時間をおいて2回目の加速処
理を行う必要がある。本発明が解決すべき課題は、電動
機駆動系において、機械系のバックラッシュや静止摩
擦、動摩擦等の影響を受けず、かつ電動機の制御方式に
よらずに簡単に負荷を測定できる電動機駆動系の慣性負
荷測定方式を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第1の電動機駆動系の負荷定数測定方法
は、第1の速度指令に対して定常状態にある電動機の駆
動装置に前記第1の速度指令と異なる第2の速度指令を
与え、前記第1および第2の速度指令に対する定常状態
における前記電動機の速度ω1 ,ω2 と前記駆動装置の
出力トルクT1 ,T2 より負荷定数である粘性摩擦係数
Rおよびクーロン摩擦トルクDを求め、前記第1の速度
指令に対する定常状態ω1 から前記第2の速度指令に対
する定常状態ω2 に至るまでの前記駆動装置の出力トル
クT1 ,T2 の積分値Eおよび前記電動機の速度の積分
値Lと、前記第1と第2の速度指令に対する定常状態に
おける前記電動機の速度差ω2 −ω1 、および前記粘性
摩擦係数Rと前記クーロン摩擦トルクDから負荷定数で
ある慣性負荷Jを求めるものである。
【0005】本発明の第2の電動機駆動系の負荷定数測
定方法は、前記第1の方法において、出力トルクおよび
速度の積分値から慣性負荷Jを求める代わりに、ある瞬
間における駆動装置の出力トルクTから前記で求めた粘
性摩擦係数Rと電動機の速度ωの積と動摩擦トルクDを
減じた値と当該瞬間における電動機の加速度dω/dt
の比より負荷定数である慣性負荷Jを求めるものであ
る。
【0006】
【作用】本発明の第1の方法では、電動機を速度ω1
定常状態から異なる速度ω2 まで速度を変化させ、2つ
の定常状態における速度と出力トルクより負荷定数であ
る粘性摩擦係数およびクーロン摩擦トルクを求め、次に
2つの定常状態における速度差と、速度変化開始点から
速度ω2 の定常状態に至った時刻tまでの出力トルクお
よび速度の積分値と、先に求めた粘性摩擦係数およびク
ーロン摩擦トルクより負荷定数である慣性負荷を求める
ものである。以下に、その根拠を説明する。
【0007】一般に、電動機の駆動系は、図2のような
ブロック図で表され、電動機軸に換算した全慣性負荷を
J、ωを角速度、電動機のトルクをT、負荷に要するト
ルクをT1 とすれば、運動方程式は式(1)で表され
る。 J(dω/dt)=T−T1 (1) 電動機の負荷として角速度に比例する粘性摩擦、クーロ
ン摩擦を考えると式(1)は式(2)となる。 J(dω/dt)=T−D−Rω (2) ここで、D、Rはそれぞれ負荷定数であるクーロン摩擦
トルク、粘性摩擦係数である。定常状態においては、d
ω/dt=0であるから、式(2)は式(3)となる。 T−D−Rω=0 (3) ここで、2つの定常状態における出力トルクをT1 、T
2 、角速度をω1 、ω2 とすると、次の式(4)、
(5)で表せる。 T1 −D−Rω1 =0 (4) T2 −D−Rω2 =0 (5) したがって、式(4)、(5)より、式(6)、(7)
に示すように粘性摩擦係数Rとクーロン摩擦トルクDを
求めることができる。 R=(T1 −T2 )/(ω1 −ω2 ) (6) D=(T2 ω1 −T1 ω2 )/(ω1 −ω2 ) (7) つづいて、式(2)を時刻0からtまで積分すると次の
式(8)が得られる。
【数1】 ここで定常状態中における角速度ω1 、ω2 、時刻0か
らtまでの出力トルクの積分値E、時刻0からtまでの
角速度の積分値L(図3(a)の斜線の部分の面積)が
測定されたとすると次の式(9)、(10)が成り立
つ。
【数2】 これより、式(8)は式(11)と表すことができる
(図3(b)参照)。 J(ω2 −ω1)=E−Dt−RL (11) 式(11)よりJを求めれば、次の式(12)が得られ
る。 J=(E−Dt−RL)/(ω2 −ω1) (12) 従って、すでに求めたR、Dと測定値ω1 、ω2 、L、
Eより、負荷定数である慣性負荷Jは求められることに
なる。
【0008】本発明の第2の方法では、式(6),
(7)によって粘性摩擦係数Rとクーロン摩擦トルクD
を求めるところまでは同じであるが、慣性負荷Jを式
(2)によって求めるようにしている。すなわち、式
(2)を変形すると、 J=(T−D−Rω)/(dω/dt) (13) になるため、ある瞬間における出力トルクTと、角速度
ωと、加速度dω/dt=Aにより、すでに求めた粘性
摩擦係数Rとクーロン摩擦トルクDを用いて慣性負荷J
を求めるものである。
【0009】
【実施例】以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて
説明する。図1は第1実施例の構成図である。図中1は
電動機、2は電動機1に加わる負荷、3は電動機1の回
転量および回転速度を検出するパルスジェネレータ、4
は位置指令を出力する上位のコントローラ、5は上位コ
ントローラ4からの位置指令とパルスジェネレータ3か
らのフィードバックパルスから電動機1に駆動電流を出
力するサーボコントローラである。まず、初めに上位コ
ントローラ4は速度ω1 が一定になるような速度指令を
サーボコントローラ5に出力する。サーボコントローラ
5は速度指令とフィードバックパルスをもとにトルクに
比例した駆動電流を計算し、電動機1に出力する。上位
コントローラ4はサーボコントローラ5を通して返され
る速度ω1 が定常状態になったら、速度ω1 とトルクT
1 を測定し、一時記憶バッファ41に記憶する。速度が
ω1 の定常状態から、上位コントローラ4は速度ω2
一定になるような速度指令をサーボコントローラ5に出
力し、サーボコントローラ5から返される速度ω2 とト
ルクT2 を測定し、かつそれぞれを速度ω2 の定常状態
になるまでの時間tについて積算し、一時記憶バッファ
41に記憶する。
【0010】以上の処理から、一時記憶バッファ41に
記憶されたデータはトルクT1 、T2 、速度ω1
ω2 、そして加速開始点から時刻tまでの出力トルクお
よび速度の積算値をそれぞれE、Lとして、前記の式
(6)、(7)に代入し、粘性摩擦係数Rとクーロン摩
擦トルクDを計算し、次に式(12)に基づいて演算器
44から慣性負荷Jを計算して出力する。出力トルクの
積算値Eは、サーボコントローラ5内部の電流アンプに
電流指令を書き込む周期ごとに、電流指令に変換する前
のトルク指令値を時刻0からtまでの間、積算し、上位
コントローラ4の一時記憶バッファ41に保存すること
により得る。また、速度の積算値Lは、パルスジェネレ
ータ3からのフィードバックデータの検出周期ごとに速
度フィードバック値を時刻0からtの間積算し、上位コ
ントローラ4の一時記憶バッファ41に保存することに
より得る。
【0011】図4は本発明の第2実施例の構成を示すブ
ロック図である。図1に示す第1実施例との相違点は、
上位コントローラ4内の一時記憶バッファ41内に、時
々刻々t0 ,t1 ,・・・の出力トルクT0 ,T1 ,・
・・、角速度ω0 ,ω1 ,・・・、角加速度A0
1 ,・・・を格納するテーブルを設けたことである。
すなわち、上位コントローラ4は、運転中、定期的にサ
ーボコントローラ5より出力トルクTi 、位置フィード
バックθi を取り込む。そして位置フィードバックθi
から角速度ωi 、角加速度Ai を差分等の周知の方法で
求め、出力トルクiと共に状態値として一時記憶バッフ
ァ41に記憶する。次に、上位コントローラ4は一時記
憶バッファ41中のデータより式(13)を用いて負荷
定数のうち慣性モーメントJを計算する。この演算のフ
ローチャートを図5に示す。なお、式(13)におい
て、A=0の場合、解が求まらないが、この場合には、
慣性モーメントJが求まらない状態値のうち最新の2組
より(6),(7)式を用いて粘性摩擦係数Rとクーロ
ン摩擦トルクDを再計算することが可能である。負荷定
数計算を、データを変えて繰り返し、平均化などの周知
の統計的手法を用いることによって負荷定数測定精度が
向上し、かつ動的な負荷変動も測定可能となる。測定さ
れた負荷定数は、サーボコントローラのチューニング等
に利用することができる。
【0012】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、電動
機において、機械系のバックラッシュや静止摩擦、動摩
擦等の影響を受けず、かつ電動機の制御方式によらずに
簡単に負荷を測定できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例を示すブロック図であ
る。
【図2】 電動機の出力トルクと負荷トルクの釣合いを
示すブロック図である。
【図3】 負荷定数測定方法の原理を示す説明図であ
る。
【図4】 本発明の第2実施例を示すブロック図であ
る。
【図5】 第2実施例における演算のフローチャートで
ある。
【符号の説明】
1 電動機、2 負荷、3 パルスジェネレータ、4
上位コントローラ、5サーボコントローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−308489(JP,A) 特開 昭60−162492(JP,A) 特開 昭61−88780(JP,A) 特開 平5−15186(JP,A) 特開 平6−165550(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02P 5/41 G01L 3/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の速度指令に対して定常状態にある
    電動機の駆動装置に前記第1の速度指令と異なる第2の
    速度指令を与え、前記第1および第2の速度指令に対す
    る定常状態における前記電動機の速度ω1 ,ω2 と前記
    駆動装置の出力トルクT1 ,T2 より負荷定数である粘
    性摩擦係数Rおよびクーロン摩擦トルクDを求め、前記
    第1の速度指令に対する定常状態ω1 から前記第2の速
    度指令に対する定常状態ω2 に至るまでの前記駆動装置
    の出力トルクT1 ,T2 の積分値Eおよび前記電動機の
    速度の積分値Lと、前記第1と第2の速度指令に対する
    定常状態における前記電動機の速度差ω2 −ω1 、およ
    び前記粘性摩擦係数Rと前記クーロン摩擦トルクDから
    負荷定数である慣性負荷Jを求めることを特徴とする電
    動機駆動系の負荷定数測定方法。
  2. 【請求項2】 第1の速度指令に対して定常状態にある
    電動機の駆動装置に前記第1の速度指令と異なる第2の
    速度指令を与え、前記第1および第2の速度指令に対す
    る定常状態における前記電動機の速度ω1 ,ω2 と前記
    駆動装置の出力トルクT1 ,T2 より負荷定数である粘
    性摩擦係数Rおよびクーロン摩擦トルクDを求め、かつ
    ある瞬間における駆動装置の出力トルクTから前記で求
    めた粘性摩擦係数Rと電動機の速度ωの積と動摩擦トル
    クDを減じた値と当該瞬間における電動機の加速度dω
    /dtの比より負荷定数である慣性負荷Jを求めること
    を特徴とする電動機駆動系の負荷定数測定方法。
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