JP4547619B2 - 機械定数同定装置および同定方法 - Google Patents
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指令発生部11が目標とする速度指令Vrefを速度制御部12に出力すると、速度制御部12はモータ速度Vfbが速度指令Vrefに一致するように速度制御をし、トルク指令Trefとモータ速度Vfbを同定部18に出力してモータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを推定部17に出力する。
推定部17は、モータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを入力するとモータモデルを用いてモデル速度Vfb’を推定するとともに、モデル速度Vfb’がモータ速度Vfbに一致するように速度制御をしてモデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を同定部18に出力する。
同定部18は入力したトルク指令Trefとモータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を用いてモータの慣性モーメントとモータモデルの慣性モーメントの比J/J’を求め、その比J/J’を調整部19に出力する。
調整部19はこの比J/J’を所定のフィルタに通した後の値に基づいて速度制御部12の比例ゲインKvと積分ゲインKiを決定しており、速度制御部12の積分器の値を調節することによって慣性モーメントが変動しても正常に動作することができるようになっている。
速度制御部12は、モータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを推定部17に出力し、トルク指令Trefとモータ速度Vfbを同定部18に出力する。
推定部17は、モータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを入力すると、モータ速度Vfbを指令としてモデル速度Vfb’がモータ速度Vfbに一致するように速度制御し、モデルトルク指令Tref’でモータモデル(1/J’s)を駆動する。なお、ここで、モータモデルの慣性モーメント値J’は既知の値であり、モータモデルからモデル速度Vfb’が出力されているものとする。
同定部18は、トルク指令Trefと速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を入力すると、それぞれ時定数Tkのハイパスフィルタを通して絶対値をとる。
このハイパスフィルタは、トルク指令に時定数Tkのローパスフィルタを通した値をトルク指令Trefから減じて実現されており、推定部をなしている。そして、ハイパスフィルタの各出力の絶対値|FTr|、|FTr’|をとって所定区間[a,b]の時間積分をとり慣性モーメントJを演算している。
速度制御部12の速度比例積分項をフィードフォワード信号として推定部17に入力すれば、ハイパスフィルタで除去できなかった外乱成分の影響を抑えることができようになる。
このように、従来の制御定数調整装置は、任意の速度指令でもモデルトルク指令Tref’をリアルタイムで同定することができるため、負荷の慣性モーメントが時々刻々に変化するような場合であっても負荷の慣性モーメントを正確に同定することができるのである。
次に従来の制御定数同定装置を用いてシミュレーションしたのでその結果を図14に示す。この例ではモータにモータ回転子慣性モーメントの5倍の剛体負荷をつけている。図からわかるようにシミュレーションの結果によると、慣性モーメントは真値に対して約4倍の値(24.4×10e-5kgm2)となっている。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、摩擦を速度に依存する粘性摩擦と速度の方向に依存するクーロン摩擦に分離して、その係数・定数を同定することができるとともに、リアルタイムで確実に慣性モーメントの同定を行うことができる機械定数同定装置および方法を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、速度指令Vrefを出力する指令発生部と、前記速度指令Vrefと実際のモータ速度Vfbが一致するようにトルク指令Trefを決定して該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部と、を備えた機械定数同定装置において、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、一定外乱トルクTdを同定する全摩擦算出部と、速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定するクーロン摩擦同定部と、クーロン摩擦同定部の同定結果であるクーロン摩擦定数Cを用いて、粘性摩擦係数Dを同定する粘性摩擦同定部とを備えたことを特徴としている。
また請求項2に記載の発明は、前期全摩擦算出部は 前記モータ速度Vfbが停止したことを判定し、判定信号を出力する速度判定部と、前記判定信号の信号状態により、前記トルク指令Trefを時間積算して、時間積算値を出力する時間積算部と、前記時間積算値を加算時間で除算し、一定外乱同定値を出力する除算器と、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出する全摩擦同定部とを備えたことを特徴としている。
また請求項3に記載の発明は、前記クーロン摩擦同定部は粘性摩擦係数D’とモータ速度Vfbを乗算して粘性摩擦係数D’の粘性摩擦トルクを算出する乗算器(20)と、前記粘性摩擦トルクを入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Aを出力する時間積算部(21)と、前記モータ速度Vfbを入力すると加速時間と減速時間を計測してその和を算出する加速・減速時間測定部(22)と、トルク指令Trefから一定外乱トルクTdを減算した値を入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Bを出力する時間積算部(23)と、前記時間積算値A、Bと前記加速・減速時間の和を入力すると(3)式によってクーロン摩擦Cを算出するクーロン摩擦算出部(24)とからなることを特徴としている。
C=2×(時間積算値A−時間積算値B)/(加速・減速時間の和) (3)
また請求項4に記載の発明は、前記粘性摩擦同定部は、トルク指令Trefとクーロン摩擦Cと一定外乱トルクTdを入力して減算する減算器と、その減算結果とモータ速度Vfbから(4)式に従って粘性摩擦係数Dを算出する粘性摩擦算出部とからなることを特徴としている。
D=∫(Vfb×(減算器出力))dt/∫(Vfb 2)dt (4)
また請求項5に記載の発明は、速度指令Vrefを出力する指令発生部(11)と、前記速度指令Vrefと実際のモータ速度Vfbが一致するようにトルク指令Trefを決定して該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部と、を備えた機械定数同定装置において、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、一定外乱トルクTdを同定する全摩擦算出部と、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定するクーロン摩擦同定部と、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Tref、前記クーロン摩擦定数Cを用いて、粘性摩擦係数Dを同定する粘性摩擦同定部と、モータモデルからモデル速度Vfb’を推定してモータ速度Vfbと一致するように速度制御し、モデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を出力する推定部と、トルク指令Trefとクーロン摩擦C、粘性摩擦係数D、モータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を入力すると、モータとモータモデルの慣性モーメント比J/J’を求めて出力する慣性モーメント同定部と、この慣性モーメント比J/J’を受けると、所定のフィルタに通して速度制御部の制御ゲインを決定する調整部とを備えたことを特徴としている。
また、請求項2及び7に記載の発明によると、一定外乱トルクを同定することができ、モニタすることができる。
また、請求項3及び8に記載の発明によると、速度の方向に依存するクーロン摩擦と速度に依存する粘性摩擦を同定することができ、モニタすることができる。
また、請求項4及び9に記載の発明によると、速度の方向に依存するクーロン摩擦を独立に同定することができる。
また、請求項5に記載の発明によると、速度に依存する粘性摩擦と速度の方向に依存するクーロン摩擦に分離して、その係数・定数を同定することができ、リアルタイムで慣性モーメントの同定を確実に行うことができる。
次に図3を用いてクーロン摩擦同定部14の動作を説明する。減算器27は、速度制御部12が出力するトルク指令Trefから一定外乱同定値Tdを減算し、求めた減算値を出力する。時間積算部23は、その減算値を入力し、所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Aを出力する。乗算器20は全摩擦算出部13が出力する粘性摩擦係数D’と速度制御部12が出力するモータ速度Vfbを入力して乗算し、粘性摩擦係数D’の粘性摩擦トルクを算出する。時間積算部21はその粘性摩擦トルクを入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Bを出力する。加速・減速時間測定部22はモータ速度Vfbを入力すると加速時間と減速時間を計測してその和を算出する。クーロン摩擦算出部24は、時間積算部23、21の時間積算値A、Bと加速・減速時間の和を入力すると(5)式によってクーロン摩擦Cを算出する。
C=2×(時間積算値A−時間積算値B)/(加速・減速時間の和) (5)
次に、粘性摩擦同定部15の動作について図8のブロック図を用いて説明する。減算器25はトルク指令Trefから一定外乱同定値Tdとクーロン摩擦Cを減算してその減算結果を出力する。粘性摩擦算出部26がその減算結果とモータ速度Vfbを入力すると(6)式に従って粘性摩擦係数Dを算出する。
D=∫(Vfb×(減算器出力))dt/∫(Vfb 2)dt (6)
ただし、クーロン摩擦Cと粘性摩擦係数Dは全粘性摩擦係数D’が算出されなければ導出することができないため、1回も速度指令によって動作させなければクーロン摩擦Cと粘性摩擦係数Dが更新されることはない。そのため、1回目の速度指令では粘性摩擦係数Dを全粘性摩擦係数D’と同じにしている。
図において、指令発生部11は速度指令Vrefを速度制御部12に出力している。速度制御部12は、入力された速度指令Vrefにモータ速度Vfbが一致するように速度制御をして、トルク指令Trefを全摩擦算出部13とクーロン摩擦同定部14、粘性摩擦同定部15、慣性モーメント同定部18に出力するとともに、モータ速度Vfbを全摩擦算出部13とクーロン摩擦同定部14、粘性摩擦同定部15、推定部17、慣性モーメント同定部18に出力する。第1実施例と同様に全摩擦算出部13は、摩擦をモータ速度Vfbに比例した粘性摩擦に換算した場合の粘性摩擦係数D’を求めてクーロン摩擦同定部14に出力し、一定外乱同定値Tdを求めてクーロン摩擦同定部14と粘性摩擦同定部15、慣性モーメント同定部18に出力する。クーロン摩擦同定部14は、粘性摩擦係数D’と一定外乱同定値Td、モータ速度Vfb、トルク指令Trefからクーロン摩擦Cを算出し、粘性摩擦同定部15と慣性モーメント同定部18へ出力する。粘性摩擦同定部15はクーロン摩擦Cと一定外乱同定値Td、モータ速度Vfb、トルク指令Trefから粘性摩擦係数Dを算出して慣性モーメント同定部18へ出力する。推定部17はモータ速度Vfbを入力すると、モータモデルからモデル速度Vfb’を推定してモータ速度Vfbと一致するように速度制御をし、モデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を慣性モーメント同定部18に出力する。慣性モーメント同定部18はトルク指令Trefとクーロン摩擦C、粘性摩擦係数D、一定外乱同定値Td、モータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を入力すると、モータとモータモデルの慣性モーメント比J/J’を求め、その慣性モーメント比J/J’を調整部19に出力する。調整部19は、この慣性モーメント比J/J’を受け取り、所定のフィルタに通した値に基づいて、速度制御部12内の制御ゲインを決定する。
次に図10を用いて、慣性モーメント同定部18の動作について説明する。粘性摩擦同定部15が出力する粘性摩擦係数Dと速度制御部12が出力するモータ速度Vfbを入力すると、これらを乗じて粘性摩擦トルクを求め、続いて速度制御部12が出力するトルク指令Trefからその粘性摩擦トルクが減算され、更に全摩擦算出部13が出力する一定外乱同定値Tdも減算され、更にクーロン摩擦同定部14が出力するクーロン摩擦Cも減算される。こうして摩擦トルクを減算したトルク指令と、モータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’とを用いてモータとモータモデルの慣性モーメント比J/J’を求める。
14 クーロン摩擦同定部、 15 粘性摩擦同定部、 16 摩擦表示部、
17 推定部、 18 慣性モーメント同定部、19 調整部、
20 乗算器、 21、23 時間積算部、
22 加速・減速時間計測部、24 クーロン摩擦算出部、 25 減算器、
26 粘性摩擦算出部 27 減算器 30 速度判定部
31 時間積算部 32 除算器 33 全摩擦同定部
Claims (9)
- 速度指令Vrefを出力する指令発生部(11)と、前記速度指令Vrefと実際のモータ速度Vfbが一致するようにトルク指令Trefを決定して該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部(12)と、を備えた機械定数同定装置において、
前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、一定外乱トルクTdを同定する全摩擦算出部(13)と
速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定するクーロン摩擦同定部(14)と、
クーロン摩擦同定部の同定結果であるクーロン摩擦定数Cを用いて、粘性摩擦係数Dを同定する粘性摩擦同定部(15)と、
を備えたことを特徴とする機械定数同定装置。 - 前記全摩擦算出部(13)は
前記モータ速度Vfbが停止したことを判定し、判定信号を出力する速度判定部(30)と、前記判定信号の信号状態により、前記トルク指令Trefを時間積算して、時間積算値を出力する時間積算部(31)と、前記時間積算値を加算時間で除算し、一定外乱同定値を出力する除算器(32)と、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出する全摩擦同定部(33)と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の機械定数同定装置。 - 前記クーロン摩擦同定部(14)は
粘性摩擦係数D’とモータ速度Vfbを乗算して粘性摩擦係数D’の粘性摩擦トルクを算出する乗算器(20)と、
前記粘性摩擦トルクを入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Aを出力する時間積算部(21)と、
前記モータ速度Vfbを入力すると加速時間と減速時間を計測してその和を算出する加速・減速時間測定部(22)と、
トルク指令Trefから一定外乱トルクTdを減算した値を入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Bを出力する時間積算部(23)と、
前記時間積算値A、Bと前記加速・減速時間の和を入力すると(1)式によってクーロン摩擦Cを算出するクーロン摩擦算出部(24)と
からなることを特徴とする請求項1に記載の機械定数同定装置。
C=2×(時間積算値A−時間積算値B)/(加速・減速時間の和) (1) - 前記粘性摩擦同定部(15)は、
トルク指令Trefとクーロン摩擦Cと一定外乱トルクTdを入力して減算する減算器(25)と、
その減算結果とモータ速度Vfbから(2)式に従って粘性摩擦係数Dを算出する粘性摩擦算出部(26)と
からなることを特徴とする請求項1に記載の機械定数同定装置。
D=∫(Vfb×(減算器出力))dt/∫(Vfb 2)dt (2) - 速度指令Vrefを出力する指令発生部(11)と、前記速度指令Vrefと実際のモータ速度Vfbが一致するようにトルク指令Trefを決定して該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部(12)と、を備えた機械定数同定装置において、
前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、一定外乱トルクTdを同定する全摩擦算出部(13)と
前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定するクーロン摩擦同定部(14)と、
前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Tref、前記クーロン摩擦定数Cを用いて、粘性摩擦係数Dを同定する粘性摩擦同定部(15)と、
モータモデルからモデル速度Vfb’を推定してモータ速度Vfbと一致するように速度制御し、モデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を出力する推定部(17)と、
トルク指令Trefとクーロン摩擦C、粘性摩擦係数D、モータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を入力すると、モータとモータモデルの慣性モーメント比J/J’を求めて出力する慣性モーメント同定部(18)と、
この慣性モーメント比J/J’を受けると、所定のフィルタに通して速度制御部の制御ゲインを決定する調整部(19)と
を備えたことを特徴とする機械定数同定装置。 - 速度指令Vrefを出力する指令発生部(11)と、前記速度指令Vrefと実際のモータ速度Vfbが一致するようにトルク指令Trefを決定して該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部(12)とを備えたモータ制御装置において、
摩擦が全て速度に比例する粘性摩擦であるとして前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて粘性摩擦係数D’を算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて一定外乱トルクTdを同定し、速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定し、前記クーロン摩擦定数Cを用いて粘性摩擦係数Dを同定することを特徴とする機械定数同定方法。 - 前記一定外乱トルクTdは、前記モータ速度Vfbが停止したことを判定してその判定状態によって前記トルク指令Trefを時間積算し、その時間積算値を加算時間で除算して求められることを特徴とする請求項6に記載の機械定数同定方法。
- 前記クーロン摩擦Cは、粘性摩擦係数D’と前記モータ速度Vfbを乗じてから所定区間[a,b]で時間積算して時間積分値Bを求め、前記モータ速度Vfbの加速時間と減速時間を計測してその和を求め、前記トルク指令Trefから一定外乱トルクTdを減じてから所定区間[a,b]で時間積算して時間積分値Aを求め、前記時間積算値A、Bと前記加速・減速時間の和を用いて(3)式によって算出されることを特徴とする請求項6に記載の機械定数同定方法。
C=2×(時間積算値A−時間積算値B)/(加速・減速時間の和) (3) - 前記粘性摩擦係数Dは、トルク指令Trefからクーロン摩擦Cと一定外乱トルクTdを減算し、その減算結果とモータ速度Vfbから(4)式に従って算出されることを特徴とする請求項6に記載の機械定数同定方法。
D=∫(Vfb×(減算器出力))dt/∫(Vfb 2)dt (4)
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