JP3625215B2

JP3625215B2 - Data collection method for motor load inertia identification

Info

Publication number: JP3625215B2
Application number: JP22478992A
Authority: JP
Inventors: 慶三赤松; 靖彦加来
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JPH0651037A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電動機の負荷イナーシャ、特に工作機械の主軸等を駆動する電動機のイナーシャを同定する際の、データの収集方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電動機制御系の特性が電動機の動作に直接影響するため、制御系のパラメータの調整は極めて重要である。図２は電動機制御系のブロック線図で、１のＫｖは速度ループゲイン、２は電動機、３は速度フィードバック、４のＴｉは積分ゲイン、５のＫｐは位置ループゲイン、７は位置フィードバック、Ｊは電動機の負荷イナーシャ、Ｓはラプラス演算子である。このブロック線図で、１の速度ループゲインＫｖ、４の積分ゲインＴｉ、５のは位置ループゲインＫｐが調整すべき制御系のパラメータである。
しかし、一般にＪ（電動機の負荷イナーシャ；正確には電動機回転イナーシャに機械側負荷イナーシャを加えたもの）の値は未知である場合が非常に多いので、パラメータの自動調整を行なうためには、先ず、負荷イナーシャＪの値を同定する必要がある。
従来、負荷イナーシャを同定する方法として、速度ループゲインのみが機能する状態にしてステップ状の速度指令を入力し、その入力指令に対する応答波形の立ち下がり時の適当な２時点における加速度を観測し、既知の速度ループゲインに前記２時点の時間差を乗じた値から、前記２時点における加速度の自然対数比で除したものを電動機の負荷イナーシャとして同定する方法が採用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、例えば速度制御系（比例制御）の速度のステップ応答波形を差分した加速度波形の減衰率から負荷イナーシャを推定している。現実の電動機制御系では、前記加速度波形に電動機のコギングトルクによるリップル成分が付加されるため、低速度すなわち低回転時に負荷イナーシャの推定誤差が大きくなる。工作機械等では負荷イナーシャの推定は出来るだけ低速度で行ないたいという要求が強い。従って、加速度波形から前記コギングトルク成分を除去することが必要不可欠である。観測した加速度波形を低域通過フィルタに通すことによってリップルを除去しようとすると加速度波形そのものが変化してしまい、負荷イナーシャを同定することが出来なかった。
そこで、本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、電動機の負荷イナーシャを同定する際の、データを収集するデータの収集方法に関する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、回転軸のステップ応答観測波形を用いて電動機の負荷イナーシャを同定するときのデータ収集方法であって、コギングトルクの１周期に相当するモータ回転角をｎ等分し、ｎ等分した各点にモータ回転軸の回転開始点をおいて速度のステップ指令を与えることによりｎ個の応答波形を求めて、該ｎ個の応答波形の各回転開始時間からの同一経過時間における観測値を平均することによって前記ステップ応答観測波形を求めるというものである。
【０００５】
【作用】
本発明は、コギングトルクが軸の回転位置に依存することを利用するもので、以下にその原理を説明する。
本発明の原理を図１のステップ１〜５に示している。すなわち、先ずコギングトルクの１周期に対するモータ軸中心角をｎ等分し（ステップ１）、前記中心角のｎ分の１ずつ回転開始角を移動しながらスッテプ入力に対する応答波形をｎ回観測し、（ステップ２、３）ｎ個の応答波形の回転開始時間から数えて同一観測時間におけるｎ個の観測値を平均することによって観測波形に含まれるコギングトルクによる影響を除去し（ステップ４）コギングトルクの影響を除去した観測波形を用いて正確な負荷イナーシャを同定する（ステップ５）。
このようにして得られた推定慣性モーメントを用いて、制御系のパラメータを設定する（ステップ６）。
図１のステップ４でコキングトルクが相殺されることを以下に説明する。
図３にモータ回転角に対するコギングトルク波形の１例を示す。図３の場合、コギングトルクを正弦波として近似し、その周期はモータ回転角βに対して１周期である。よってモータ回転角速度をωとするとコギングトルクＣ（ｔ）は
【０００６】
【数１】

【０００７】
となる。ここでモータの運転観測開始角を移動角だけずらして運転観測を実行するが（下線部分は図１中のブロック中に記載あり）、移動角は、前記モータ回転角βを運転観測回数ｎで割った刻み幅α
α＝β／ｎ（２）
【０００８】
【数２】

【０００９】
とする。ここでｎは以下で述べる移動平均を取る際の運転・観測の回数である。したがって、第ｉ回目の観測のコギングトルクをＣ（ｔ，ｉ）とすると
【００１０】
【数３】

【００１１】
となる。よってｎ個のコギングトルク波形の移動平均値Ｃａｖｇ（ｔ）は
【００１２】
【数４】

【００１３】
となり、コギングトルクは相殺されてゼロになる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図にもとづいて説明する。図４は本発明の実施例の構成を示す図で、８は電動機、９は負荷イナーシャ、１０は電動機の軸回転量に比例したパルスを発生するパルスジェネレータ、１１は位置指令を発生する上位コントローラ、１２は位置指令とパルスジュネレータからのフィードバックパルスを用いて電動機にトルク電流を出力するサーボコントローラである。
上位コントローラは位置のランプ指令をサーボコントローラに出力し、サーボコントローラは位置指令を１回微分して得られる速度のステップ指令を用いる。速度の出力を１回微分することにより加速度を得ることができる。
実施例に用いたモータでは、コギングトルクの１周期はモータ軸に対してπ／３の角をなしている。つまり
【００１５】
【数５】

【００１６】
である。
平均を採るサンプル数ｎを１０とすると
【００１７】
【数６】

【００１８】
となる。
図５はコギングが存在する場合の加速度応答波形を示す図で、コギングトルクの影響が波形の歪みとして現れている。図６は図５に示す波形に対して１０回の平均をとった加速度観測波形を示しており、コギングの影響が相殺されている。図７は実施例を示すフロー図で、図１におけるステップ１のｎ等分を１０等分、ステップ３における観測回数ｎを１０回にした場合のフロー図である。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば慣性モーメントを推定するための加速度波形に含まれるコギングトルクにより生じる外乱成分を除去することができ、低速度で電動機を回転させて慣性モーメントを同定する場合であっても、慣性モーメントの高精度な同定値が得られる。すなわち、従来技術では不可能であった低回転で電動機を回転させても電動機制御系のパラメータを最適値に設定することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示すフロー図
【図２】電動機制御系のブロック図
【図３】コギングトルク波形図
【図４】本発明の実施例の構成を示す図
【図５】コギングトルクが存在する場合の加速度応答波形を示す図
【図６】平均を採った加速度観測波形を示す図
【図７】本発明の実施例のフロー図
【符号の説明】
１速度ループゲイン
２制御対象
３速度フィードバック
４速度ループ積分器
５位置ループゲイン
６積分器
７位置フィードバック
８電動機
９負荷イナーシャ
１０パルスジェネレータ
１１上位コントローラ
１２サーボコントローラ[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a data collection method for identifying load inertia of an electric motor, particularly inertia of an electric motor that drives a spindle of a machine tool.
[0002]
[Prior art]
In general, since the characteristics of the motor control system directly affect the operation of the motor, adjustment of the parameters of the control system is extremely important. FIG. 2 is a block diagram of the motor control system. Kv of 1 is a speed loop gain, 2 is a motor, 3 is a speed feedback, 4 is an integral gain, 5 is Kp is a position loop gain, 7 is a position feedback, J Is a load inertia of the motor, and S is a Laplace operator. In this block diagram, 1 speed loop gain Kv, 4 integral gain Ti, and 5 are control system parameters to be adjusted by the position loop gain Kp.
However, in general, the value of J (motor load inertia; more precisely, motor rotation inertia plus machine load inertia) is often unknown. Therefore, it is necessary to identify the value of the load inertia J.
Conventionally, as a method for identifying the load inertia, a stepped speed command is input in a state where only the speed loop gain functions, and the acceleration at two appropriate time points at the falling of the response waveform to the input command is observed, A method has been adopted in which a value obtained by multiplying a known speed loop gain by the time difference at the two time points and dividing the value by the natural logarithm ratio of the acceleration at the two time points is identified as the load inertia of the motor.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the prior art, for example, the load inertia is estimated from the attenuation rate of the acceleration waveform obtained by subtracting the speed step response waveform of the speed control system (proportional control). In an actual motor control system, a ripple component due to the cogging torque of the motor is added to the acceleration waveform, so that an estimation error of load inertia becomes large at a low speed, that is, at a low speed. There is a strong demand for machine tools and the like to estimate load inertia at the lowest possible speed. Therefore, it is essential to remove the cogging torque component from the acceleration waveform. If the observed acceleration waveform was passed through a low-pass filter to remove ripple, the acceleration waveform itself changed and the load inertia could not be identified.
Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and relates to a data collection method for collecting data when identifying load inertia of an electric motor.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the present invention is a data collection method for identifying load inertia of a motor using a step response observation waveform of a rotating shaft, and the motor rotation angle corresponding to one cycle of cogging torque is set to n. Equally divide n response waveforms by giving a speed step command at the rotation start point of the motor rotation shaft to each of the n equally divided points, and obtain n response waveforms from each rotation start time of the n response waveforms The step response observation waveform is obtained by averaging the observation values at the same elapsed time.
[0005]
[Action]
The present invention utilizes the fact that the cogging torque depends on the rotational position of the shaft, and its principle will be described below.
The principle of the present invention is shown in steps 1-5 of FIG. That is, first, the motor shaft central angle with respect to one period of cogging torque is divided into n equal parts (step 1), and the response waveform to the step input is observed n times while moving the rotation start angle by 1 / n of the central angle, (Steps 2 and 3) The influence of the cogging torque included in the observed waveform is removed by averaging the n observed values at the same observation time counted from the rotation start time of the n response waveforms (Step 4) the cogging torque. An accurate load inertia is identified using the observed waveform from which the influence of (2) is removed (step 5).
Control system parameters are set using the estimated moment of inertia thus obtained (step 6).
The fact that the coking torque is canceled in step 4 of FIG. 1 will be described below.
FIG. 3 shows an example of a cogging torque waveform with respect to the motor rotation angle. In the case of FIG. 3, the cogging torque is approximated as a sine wave, and its cycle is one cycle with respect to the motor rotation angle β. Therefore, when the motor rotation angular velocity is ω, the cogging torque C (t) is
[Expression 1]

[0007]
It becomes. Here, the operation observation is performed by shifting the motor operation observation start angle by the movement angle (the underlined portion is described in the block in FIG. 1), but the movement angle is determined based on the motor rotation angle β by the number n of operation observations. Divided step width α
α = β / n (2)
[0008]
[Expression 2]

[0009]
And Here, n is the number of operations / observations when taking the moving average described below. Therefore, if the cogging torque of the i-th observation is C (t, i),
[Equation 3]

[0011]
It becomes. Therefore, the moving average value Cavg (t) of n cogging torque waveforms is
[Expression 4]

[0013]
Thus, the cogging torque is canceled and becomes zero.
[0014]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention, where 8 is an electric motor, 9 is a load inertia, 10 is a pulse generator that generates a pulse proportional to the amount of shaft rotation of the electric motor, and 11 is a host controller that generates a position command. , 12 is a servo controller that outputs a torque current to the motor using a position command and a feedback pulse from a pulse generator.
The host controller outputs a position ramp command to the servo controller, and the servo controller uses a speed step command obtained by differentiating the position command once. Acceleration can be obtained by differentiating the velocity output once.
In the motor used in the example, one period of cogging torque forms an angle of π / 3 with respect to the motor shaft. That is, [0015]
[Equation 5]

[0016]
It is.
Assuming that the average number of samples n is 10,
[Formula 6]

[0018]
It becomes.
FIG. 5 is a diagram showing an acceleration response waveform when cogging exists, and the influence of cogging torque appears as waveform distortion. FIG. 6 shows an acceleration observation waveform obtained by averaging 10 times with respect to the waveform shown in FIG. 5, and the influence of cogging is offset. FIG. 7 is a flowchart showing the embodiment. FIG. 7 is a flowchart in the case where the n equality in step 1 in FIG.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the disturbance component caused by the cogging torque included in the acceleration waveform for estimating the moment of inertia can be removed, and the moment of inertia is identified by rotating the motor at a low speed. Even so, a highly accurate identification value of the moment of inertia can be obtained. In other words, it is possible to set the parameters of the motor control system to optimum values even when the motor is rotated at a low speed, which is impossible with the prior art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing the principle of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of an electric motor control system. FIG. 3 is a waveform diagram of a cogging torque. FIG. 6 is a diagram showing an acceleration observation waveform obtained by taking an average . FIG. 7 is a flowchart of an embodiment of the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Speed loop gain 2 Control object 3 Speed feedback 4 Speed loop integrator 5 Position loop gain 6 Integrator 7 Position feedback 8 Electric motor 9 Load inertia 10 Pulse generator 11 Host controller 12 Servo controller

Claims

回転軸のステップ応答観測波形を用いて電動機の負荷イナーシャを同定するときのデータ収集方法であって、コギングトルクの１周期に相当するモータ回転角をｎ等分し、ｎ等分した各点にモータ回転軸の回転開始点をおいて速度のステップ指令を与えることによりｎ個の応答波形を求めて、該ｎ個の応答波形の各回転開始時間からの同一経過時間における観測値を平均することによって前記ステップ応答観測波形を求めることを特徴とする電動機の負荷イナーシャ同定用データ収集方法。 This is a data collection method for identifying the motor load inertia using the step response observation waveform of the rotating shaft, and divides the motor rotation angle corresponding to one period of cogging torque into n equal parts , Obtain n response waveforms by giving a speed step command at the rotation start point of the motor rotation shaft, and average the observed values in the same elapsed time from each rotation start time of the n response waveforms. The step response observation waveform is obtained by the method for collecting data for load inertia identification of an electric motor .