JP4367058B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットや工作機械等を駆動するモータ制御装置において、動作中にイナ−シャ変動がある場合のイナ−シャの同定及び粘性摩擦係数の同定する技術に関する。

従来のモータ制御装置モ−タ制御における装置として、イナ−シャを同定する機能を有するものがある（例えば、特許文献１参照）。
本出願人が提案したこの装置は、入力された速度指令と実際のモ−タ速度が一致するようにトルク指令を決定しモ−タ速度を制御する速度制御部と、前記モ−タ速度にモデルの速度が一致するように前記速度制御部をシミュレ−トする推定部と、前記速度制御部の速度偏差に所定のフィルタを通した値の絶対値を所定の区間で時間積分した値と、前記推定部の速度偏差の絶対値を同じ区間で時間積分した値との比からイナ−シャを同定する同定部とを備え、前記推定部の速度偏差がゼロかつ、前記推定部内の速度がゼロでない場合にのみ、前記同定部内でイナ−シャを同定する演算を行うことを特徴とするものである。
この装置では、任意の速度指令に対してリアルタイムで同定ができるため、時々刻々イナーシャが変化する場合でもイナ−シャの同定が可能である。
特許第３１８５８５７号公報（第３頁、図１）

しかしながら前記従来技術では、粘性摩擦が大きい場合はその影響でイナーシャ同定値が大きめに算出されることがある。そのため、その同定されたイナーシャ値を用いて制御パラメータを調整すると振動的になることがあるという問題がある。そこで本発明は、粘性摩擦が大きい場合でもイナーシャ同定誤差を小さくするようにし、粘性摩擦係数をも同定することにより、制御パラメータの調整が容易かつ正確に実施でき、モータ制御装置の応答を高速、高精度化し、振動を低く抑制することを可能とするモータ制御装置の提供を目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、速度指令Ｖ_ｒｅｆを出力する速度指令発生部と、前記速度指令Ｖ_ｒｅｆ及びモータ速度検出信号Ｖ_ｆｂを入力し前記モータ速度検出信号Ｖ_ｆｂが前記速度指令Ｖ_ｒｅｆに一致するようにトルク指令Ｔ_ｒｅｆを出力する速度制御部と、前記トルク指令Ｔ_ｒｅｆを入力しトルク制御を行いモータにモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、前記モータの位置または速度を検出し前記モータ速度検出信号Ｖ_ｆｂを出力する検出器とを備えたモータ制御装置において、
前記モータの回転子イナーシャの値及び前記モータにより駆動される負荷機械のイナーシャの値を前記モータの回転軸に換算した値を合計したイナーシャ合計値Ｊと、粘性摩擦係数Ｄとを、少なくとも前記トルク指令Ｔ_ｒｅｆおよび前記モータ速度検出信号Ｖ_ｆｂに基づいて算出する制御定数同定部を備えることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記トルク指令Ｔ_ｒｅｆを区間［ａ，ｂ］すなわち、時刻ａから時刻ｂまで積分した値をＳＴ_ｒｅｆ、すなわち、

とすると、前記モータの回転子イナーシャの値及び前記モータにより駆動される負荷機械のイナーシャの値を前記モータの回転軸に換算した値を合計したイナーシャ合計値Ｊと、粘性摩擦係数Ｄとを、


により算出することを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記イナーシャ合計値Ｊを算出するための区間［ａ，ｂ］を、時刻ａにおけるモータ位置Ｐ_ｆｂ（ａ）と時刻ｂにおけるモータ位置Ｐ_ｆｂ（ｂ）とが一致するような区間とすることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記粘性摩擦係数Ｄが既知である場合は前記イナーシャ合計値Ｊを、

により算出することを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記イナーシャ合計値Ｊが既知である場合は、Ｖ_ｆｂ（ａ）を時刻ａにおけるモータ速度、またＶ_ｆｂ（ｂ）を時刻ｂにおけるモータ速度とすると、前記粘性摩擦係数Ｄを、

により算出することを特徴とするものである。

また、請求項６に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記速度指令Ｖ_ｒｅｆが０でなく、かつ一定でない場合にのみ、前記イナーシャ合計値Ｊを、前記式（２）

または前記式（４）

により算出することを特徴とするものである。

また、請求項７に記載の発明は、同定された前記イナーシャ合計値Ｊと同定された前記粘性摩擦係数Ｄとを、制御パラメータの調整、フィードフォワード信号の作成、または振動抑制補償器の調整に利用することを特徴とするものである。

本発明によれば、動作中にイナーシャが変動する場合や粘性摩擦が大きい場合でも正確にイナーシャ同定ができるとともに、粘性摩擦係数も同定できる。また、請求項７によれば制御パラメータの調整を容易かつ正確に実施でき、モータ制御装置の応答を高速、高精度化し、振動を低く抑制することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

実際のモータ制御装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
図１は、本発明をモータに剛体負荷をつけた駆動装置に適用した場合のブロック図である。図１において、１１は位置制御部、１２は速度制御部、１３はトルク制御部、１４はモータ、１５は検出器、１６は差分器、１７は剛体負荷、１８は制御定数同定部である。
位置制御部１１は位置指令P_refとモータ１４の位置信号P_fbとを入力し、速度指令V_refを速度制御部１２へ出力する。速度制御部１２は前記速度指令V_refとモータの速度信号V_fbとを入力し、トルク指令T_refをトルク制御部１３および制御定数同定部１８へ出力する。トルク制御部１３は前記トルク指令T_refを入力し、モータ駆動電流Ｉ_ｍをモータ１４へ出力する。モータ１４は前記モータ駆動電流Ｉ_ｍによって駆動され、トルクを発生する。そのトルクで剛体負荷１７を駆動する。また、モータ１４には検出器１５が装着されており、前記位置信号P_fbを位置制御部１１および差分器１６へ出力する。差分器１６は前記位置信号P_fbを入力し、前記速度信号V_fbを速度制御部１２および制御定数同定部１８へ出力する。制御定数同定部１８は前記速度信号V_fbと前記トルク指令T_refとを入力する。
位置制御部１１は前記位置信号P_fbが前記位置指令P_refに一致するように位置制御演算を行う。速度制御部１２は前記速度信号V_fbが前記速度指令V_refに一致するように速度制御演算を行う。トルク制御部１３はモータ１４の発生するトルクが前記トルク指令T_refに一致するようにトルク制御演算を行う。検出器１５はモータ１４の位置を検出する。差分器１６は前記位置信号P_fbの一定時間毎の差分をとって、前記速度信号V_fbを求める。制御定数同定部１８は前記速度信号V_fbと前記トルク指令T_refとからモータ１４の回転子イナーシャとモータ１４に取り付けられた剛体負荷１７のイナーシャとの合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄを計算する。

なお、本説明では速度制御部の出力を回転型モータを想定してトルク指令としたが、リニアモータの場合は速度制御部の出力を推力指令として同様な構成で実現すればよい。従って、本発明を用いれば、簡単な数式演算により、イナーシャ合計値と粘性摩擦係数をリアルタイムで同定することができる。

本発明の特徴は、トルク指令Ｔ_ｒｅｆおよびモータ速度検出信号Ｖ_ｆｂに基づいて、イナーシャＪと粘性摩擦係数Ｄとを算出する制御定数同定部１８を備えていることである。
以下、具体的な算出方法について説明する。
制御対象がイナーシャＪと粘性摩擦係数Ｄで表されるとした場合、トルク指令Ｔ_ｒｅｆとモータ速度Ｖ_ｆｂの関係は、式（６）で表される。

ただし、Ｖ_ｆｂ′はＶ_ｆｂの時間微分値である。
式（６）の両辺を区間[a,b]で時間積分すると、式（７）が得られる。さらに、式（１）とおき、両辺に速度Ｖ_ｆｂを乗じると、式（８）となる。

さらに、式（８）を区間[a,b]で時間積分すると、式（９）となる。ここで、式（９）の右辺第2項は、式（１０）となるため、式（９）および式（１０）から、式（４）が得られる。

式（４）の右辺第2項の分母は必ず正であるため、分母は時間とともに増加する。従って、区間[a,b]を大きく取れば、式（４）から、式（２）が得られる。

さらに、式（４）において、時刻ａにおけるモータ位置Ｐ_ｆｂ（ａ）と時刻ｂにおけるモータ位置Ｐ_ｆｂ（ｂ）が一致するような区間[a,b]とすれば、右辺第2項の分子がゼロとなるため、上記式（２）が区間[a,b]を大きく取らなくても成立する。

次に、粘性摩擦係数Ｄの算出方法について説明する。イナーシャの算出方法と同様に、式（６）の関係を利用し、両辺に速度Ｖ_ｆｂを乗じると、式（１１）が得られ、式（１１）の両辺を区間[a,b]で積分すると、式（１２）となる。ここで、式（１２）の右辺第1項は、式（１３）であるため、式（１２）および式（１３）より、式（５）が得られる。

式（５）の右辺第2項の分母は必ず正であるため、分母は時間とともに増加する。従って、区間[a,b]を大きく取れば、式（５）から、式（３）が得られる。

さらに、式（５）において、時刻ａにおけるモータ速度Ｖ_ｆｂ（ａ）と時刻ｂにおけるモータ速度Ｖ_ｆｂ（ｂ）が一致するような区間[a,b]とすれば、式（５）の右辺第2項の分子がゼロとなるため、上記式（３）が区間[a,b]を大きく取らなくても成立する。
以上、イナーシャＪと粘性摩擦係数Ｄの算出方法について説明した。

次にモータにモータ回転子イナーシャの2倍の剛体負荷をつけた場合の検証実験結果を図を用いて説明する。
図２乃至図５はモータ１４にモータイナーシャJmの２倍のイナーシャを持つ剛体負荷１７を付けた場合の検証実験結果である。
図２は速度指令V_ref(rad/s)および速度信号V_fb(rad/s)を表したものであり、図３はトルク指令T_ref(Nm)を表したものである。
また、図４は同定された粘性摩擦係数D(×１０e−３Nms/rad)を表したものであり、破線で示した線は粘性摩擦係数の真値（計算値=０．０４×１０ｅ−３Nms/rad）である。
また、図５は同定されたイナーシャ合計値J(×１０ｅ−３kgm^２)を表したものであり、一点鎖線で示した線はイナーシャ合計値の真値（計算値=０．０２５×１０ｅ−３kgm^２）である。
図４および図５から明らかなように、本方法で同定された粘性摩擦係数と真値はほぼ一致しており、また、同定されたイナーシャ合計値と真値もほぼ一致している。以上の結果から、本発明が有効であることがわかる。

図６は、本発明で同定されたイナーシャ合計値および粘性摩擦係数をフィードフォワード信号の作成に利用した例を説明するモータ制御装置のブロック図である。
図６において、６１はフィードフォワード信号作成器である。フィードフォワード信号作成器６１は位置制御部１１の位置指令P_ref入力を同時に入力してフィードフォワード信号ｆｆを作成して出力する。速度制御部１２の出力信号とこのフィードフォワード信号ｆｆとの和がトルク指令T_refになる。
フィードフォワード信号作成器６１において、ｓはラプラス演算子であり、ＦＦ_ａおよびＦＦ_ｂはフィードフォワードゲインである。Ｊ_ｉおよびＤ_ｉは本発明の制御定数同定部１８で同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄである。
例えば、フィードフォワード信号ｆｆは、位置指令P_refを２階微分したものとフィードフォワードゲインＦＦ_ａを乗じ、さらに同定されたイナーシャ合計値Ｊ_ｉを乗じて得られたものと、位置指令P_refを１階微分したものとフィードフォワードゲインＦＦ_ｂを乗じ、さらに同定された粘性摩擦係数Ｄ_ｉを乗じて得られたものとを加算したものとすることができる。
このように、本発明はフィードフォワード信号の作成に利用できる。

また、本発明により同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄは正確であるので、これらに基づいて、位置ループゲインや速度ループゲインなどの制御パラメータの調整を行うことができることは自明である。
また、本発明により同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄを外乱オブザーバなどの振動抑制補償器の調整に利用できる例として、例えば、本出願人特許の特許第３３６０９３５号公報がある。
本特許において、本発明により同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄを利用することで、推定外乱信号が正確に演算され、振動抑制がより容易に実現可能となる。

本発明は、工作機械や産業用ロボットを駆動するモータ制御装置として利用することができる。

本発明を適用する第1の実施例を説明するモータ制御装置のブロック図 実施例１の検証実験結果（速度指令V_refおよび速度信号V_fb） 実施例１の検証実験結果（トルク指令T_ref） 実施例１の検証実験結果（同定された粘性摩擦係数および真値） 実施例１の検証実験結果（同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび真値） 本発明を適用する第２の実施例を説明するモータ制御装置のブロック図

符号の説明

１１ 位置制御部
１２ 速度制御部
１３ トルク制御部
１４ モータ
１５ 検出器
１６ 差分器
１７ 剛体負荷
１８ 制御定数同定器
６１ フィードフォワード作成器

Claims (5)

1. 速度指令Ｖ_ｒｅｆを出力する速度指令発生部と、前記速度指令Ｖ_ｒｅｆ及びモータ速度検出信号Ｖ _ｆｂ を入力し前記モータ速度検出信号Ｖ_ｆｂが前記速度指令Ｖ_ｒｅｆに一致するようにトルク指令Ｔ_ｒｅｆを出力する速度制御部と、前記トルク指令Ｔ_ｒｅｆを入力しトルク制御を行いモータにモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、前記モータの位置または速度を検出し前記モータ速度検出信号Ｖ_ｆｂを出力する検出器とを備え、
   前記モータの回転子イナーシャの値及び前記モータにより駆動される負荷機械のイナーシャの値を前記モータの回転軸に換算した値を合計したイナーシャ合計値Ｊと、粘性摩擦係数Ｄとを、少なくとも前記トルク指令Ｔ_ｒｅｆおよび前記モータ速度検出信号Ｖ_ｆｂに基づいて算出する制御定数同定部を備えることを特徴とするモータ制御装置において、
   前記制御定数同定部において、前記トルク指令Ｔ _ｒｅｆ を区間［ａ，ｂ］すなわち、時刻ａから時刻ｂまで積分した値をＳＴ _ｒｅｆ 、すなわち、
   
   
   とすると、前記モータの回転子イナーシャの値及び前記モータにより駆動される負荷機械のイナーシャの値を前記モータの回転軸に換算した値を合計したイナーシャ合計値Ｊと、粘性摩擦係数Ｄとを、
   
   
   
   
   
   
   により算出することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御定数同定部において、前記イナーシャ合計値Ｊを算出するための区間［ａ，ｂ］を、時刻ａにおけるモータ位置Ｐ_ｆｂ（ａ）と時刻ｂにおけるモータ位置Ｐ_ｆｂ（ｂ）とが一致するような区間とすることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記制御定数同定部において、前記粘性摩擦係数Ｄが既知である場合は前記イナーシャ合計値Ｊを、
   
   
   ただし、Ｖ _ｆｂ はモータ速度検出信号、ＳＴ _ｒｅｆ はトルク指令Ｔ _ｒｅｆ を区間［ａ，ｂ］すなわち時刻ａから時刻ｂまで積分した値、Ｐ _ｆｂ （ａ）は区間［ａ，ｂ］の時刻ａにおけるモータ位置、Ｐ _ｆｂ （ｂ）は区間［ａ，ｂ］の時刻ｂにおけるモータ位置
   
   により算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
4. 前記制御定数同定部において、前記イナーシャ合計値Ｊが既知である場合は、Ｖ_ｆｂ（ａ）を時刻ａにおけるモータ速度、またＶ_ｆｂ（ｂ）を時刻ｂにおけるモータ速度とすると、前記粘性摩擦係数Ｄを、
   
   
   ただし、ＳＴ _ｒｅｆ はトルク指令Ｔ _ｒｅｆ を区間［ａ，ｂ］すなわち時刻ａから時刻ｂまで積分した値、Ｔ _ｒｅｆ はトルク指令
   
   により算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
5. 前記制御定数同定部において、前記速度指令Ｖ_ｒｅｆが０でなく、かつ一定でない場合にのみ、前記イナーシャ合計値Ｊを、式（２）
   
   
   または式（４）
   
   
   ただし、Ｖ _ｆｂ はモータ速度検出信号、ＳＴ _ｒｅｆ はトルク指令Ｔ _ｒｅｆ を区間［ａ，ｂ］すなわち時刻ａから時刻ｂまで積分した値、Ｐ _ｆｂ （ａ）は区間［ａ，ｂ］の時刻ａにおけるモータ位置、Ｐ _ｆｂ （ｂ）は区間［ａ，ｂ］の時刻ｂにおけるモータ位置
   
   により算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。