JP4565426B2

JP4565426B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP4565426B2
Application number: JP2004267730A
Authority: JP
Inventors: 和寛鶴田; 裕司中村; スーン・キ，スル
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: JP2006087179A

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−シャと粘性摩擦係数を同定する機能を有するものがある（例えば、特願２００３−３１２６９２号第３頁、図１）。
本出願人が提案したこの装置は、トルク指令Ｔ_ｒｅｆからモータ速度Ｖ_ｆｂまでを、

ただし、ｄ/ｄｔは時間微分を表す。
と表し、この関係式をもとに数式変換してイナーシャJと粘性摩擦係数Dを、

ただし、ＳＴ_ｒｅｆはＴ_ｒｅｆの時間積分値である。

により同定する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イナーシャと粘性摩擦係数の同定が可能である。
特開２００１−２３８４７７号公報

しかしながら前記従来技術では、重力などの一定外乱やクーロン摩擦の影響でイナーシャ同定値および粘性摩擦係数に誤差を生じてしまう。以下にその理由を簡単に説明する。一定外乱トルクＴ_ｃが存在する場合、前記（１０）式は以下のようになる。

この関係式をもとに数式変換してイナーシャJと粘性摩擦係数Dを算出すると、

ただし、ＳＴ_ｃはＴ_ｃの時間積分値である。

となる。式（１４）において、右辺第２項は時刻aと時刻ｂにおける位置が同じである場合はゼロとなるが、右辺第３項の影響でイナーシャの同定誤差を生じる。同様に、式（１５）において、右辺第２項は時刻aと時刻ｂにおける速度が同じである場合はゼロとなるが、右辺第３項の影響で粘性摩擦係数の同定誤差を生じる。
そこで本発明は、一定外乱やクーロン摩擦がある場合においても、動作中にイナーシャおよび粘性摩擦係数を正確に同定できるモータ制御装置を提供することを目的とする。
また、位置ループゲイン、速度ループゲインなどの制御パラメータを容易かつ正確に調整でき、モータ制御装置の応答を高速、高精度化し、負荷機械の振動を抑制することを目的とする。

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、

ただし、Ｔ_ｒｅｆ′はＴ_ｒｅｆの時間微分値、Ｖ_ｆｂ′はＶ_ｆｂの時間微分値、aおよびｂは
任意の時刻を表し、ｂ＞ａである。
により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におけるモータ速度の絶対値｜Ｖｆｂ（ａ）｜と時刻ｂにおけるモータ速度の絶対値｜Ｖｆｂ（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３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３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および一定外乱力Ｔｃ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、前記粘性摩擦係数Ｄを算出するための区間［ａ，ｂ］を、時刻ａにおけるモータ速度微分値の絶対値｜Ｖｆｂ′（ａ）｜と時刻ｂにおけるモータ速度微分値の絶対値｜Ｖｆｂ′（ｂ）｜とが一致するような区間とするものである。

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、前記イナーシャ合計値Ｊが既知である場合は、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７に記載の発明は、前記制御定数同定部において、Ｖ_ｆｂの時間微分値Ｖ_ｆｂ′、Ｔ_ｒｅｆの時間微分値Ｔ_ｒｅｆ′を、

ただし、ｓはラプラス演算子で微分、ＬＰＦはローパスフィルタの伝達関数を表す。
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８に記載の発明は、前記制御定数同定部において、Ｖ_ｆｂの時間微分値Ｖ_ｆｂ′、Ｔ_ｒｅｆの時間微分値Ｔ_ｒｅｆ′を、

ただし、ＬＰＦはローパスフィルタの伝達関数を表し、α＞０、β＞０の定数である。
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９に記載の発明は、前記制御定数同定部において、Ｖ_ｆｂの時間微分値Ｖ_ｆｂ′、Ｔ_ｒｅｆの時間微分値Ｔ_ｒｅｆ′を、オブザーバを利用して算出することを特徴とするものである。

また、請求項１０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。

また、請求項１１に記載の発明は、前記フィードフォワ−ド信号を、位置指令の微分値に同定された前記粘性摩擦係数Ｄを乗じた値と位置指令の２階微分値に同定された前記イナーシャ合計値Ｊを乗じた値とを加えた値とすることを特徴とするものである。

また、請求項１２に記載の発明は、前記速度指令Ｖ_ｒｅｆを、位置指令Ｐ_ｒｅｆおよびモータ位置信号Ｐ_ｆｂを入力し、位置指令Ｐ_ｒｅｆにモータ位置信号Ｐ_ｆｂが一致するように決定することで、位置制御を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、重力などの一定外乱やクーロン摩擦がある場合においても、動作中にイナーシャおよび粘性摩擦係数の同定を正確に実施できる。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。なお、記号P_ref、V_ref、T_ref中の添え字ｒｅｆは指令値を、P_fb、V_fb中の添え字ｆｂは検出器（１５）からのフィードバック信号を表わす。
図１は、本発明をモータ１４に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、位置指令P_refに位置信号P_fbが一致するように速度指令V_refを決定し、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、速度指令V_refに速度信号V_fbが一致するようにトルク指令T_refを決定し、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い、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、位置信号P_fbの一定時間毎の差分をとって速度信号V_fbを算出し、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とを入力し、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と一定外乱T_ｃ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（１３）で表される。

ここで、ｄＶ_ｆｂ／ｄｔはＶ_ｆｂの時間微分値であるが、実際には請求項７または請求項８を用いた数式演算により算出した値を利用するため、

とおく。

式（１３）の両辺に速度の時間微分値を乗じて区間[a,b]で時間積分すると、式（１７）が得られる。

ここで、式（１７）の右辺第２項は、

と書き換え、式（１７）を整理すると、

式（４）の右辺第2項および右辺第３項においてＶ_ｆｂ′²≧0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（１）が得られる。

さらに、式（４）において、時刻ａにおけるモータ速度Ｖｆｂ（ａ）と時刻ｂにおけるモータ速度Ｖｆｂ（ｂ）が一致するような区間[a,b]とすれば、右辺第2項および右辺第３項の分子がゼロとなるため、上記式（１）が区間[a,b]を大きく取らなくても成立する。
従って、本方法を用いれば一定外乱の影響を受けずにイナーシャが同定できる。
なお、粘性摩擦係数Ｄと一定外乱T_ｃが予めわかっている場合は、式（４）に代入すればさらに精度良くイナーシャが同定できる。

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（１３）の関係を利用し、両辺を時間微分すると式（１９）が得られる。

式（１９）の右辺第３項は、一定外乱の時間微分値であるためゼロになる。
ここで、右辺第１項および第2項は、実際には請求項７または請求項８を用いた数式演算により算出した値を利用するため、

とおく。
次に、式（１９）の両辺に速度Ｖ_ｆｂの時間微分値Ｖ_ｆｂ′を乗じて区間[a,b]で積分すると、式（２２）となる。

ここで、式（２２）の右辺第1項は、式（２３）であるため、式（５）が得られる。

式（５）の右辺第2項おいてＶ_ｆｂ′²≧0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（２）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微分値の絶対値｜Ｖｆｂ′（ａ）｜と時刻ｂにおけるモータ速度微分値の絶対値｜Ｖｆｂ′（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（２）が区間[a,b]を大きく取らなくても成立する。
従って、本方法を用いれば一定外乱の影響を受けずに粘性摩擦係数が同定できる。
なお、イナーシャＪが予めわかっている場合は、式（５）に代入すればさらに精度良く粘性摩擦係数が同定できる。

なお、Ｖ_ｆｂの時間微分値Ｖ_ｆｂ′、Ｔ_ｒｅｆの時間微分値Ｔ_ｒｅｆ′は、

ただし、ｓはラプラス演算子で微分、ＬＰＦはローパスフィルタの伝達関数を表す。
により算出する、または、

ただし、ＬＰＦはローパスフィルタの伝達関数を表し、α＞０、β＞０の定数である。
により算出する、もしくは、オブザーバを利用して算出すれば良い。
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１４にモータ回転子イナーシャの２０倍の負荷をつけた場合のシミュレーション結果を図を用いて説明する。なお、この負荷には一定方向から加わる外乱トルクと粘性摩擦が付加されている。
図２乃至図５は本発明を用いたシミュレーション結果であり、図６乃至図７は従来方法を用いたシミュレーション結果である。
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および図６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、破線で示した線はイナーシャ合計値の真値（計算値=０．２４×１０ｅ−３kgm^２）である。
また、図５および図７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、一点鎖線で示した線は粘性摩擦係数の真値（計算値=０．０１×１０ｅ−３Nms/rad）である。
図４および図５から明らかなように、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は真値とほぼ一致している。一方、図６および図７から明らかなように、従来方法で同定されたイナーシャ合計値および粘性摩擦係数は大きな誤差が生じている。本シミュレーションでは一定方向に外乱トルクが加わっているため、式（１４）および式（１５）における右辺第３項が同定誤差の原因となっている。
以上の結果から、本発明が有効であることがわかる。

図８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８において、２１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２１は位置制御部１１の位置指令P_refを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２１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のシミュレーション結果（速度指令V_refおよび速度信号V_fb）実施例１のシミュレーション結果（トルク指令T_ref）実施例１のシミュレーション結果（同定されたイナーシャ合計値Ｊ及び真値）実施例１のシミュレーション結果（同定された粘性摩擦係数および真値）従来方法のシミュレーション結果（同定されたイナーシャ合計値Ｊ及び真値）従来方法のシミュレーション結果（同定された粘性摩擦係数および真値）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負荷
１８制御定数同定器
２１フィードフォワード作成器

Claims

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、

ただし、Ｔ_ｒｅｆ′はＴ_ｒｅｆの時間微分値、Ｖ_ｆｂ′はＶ_ｆｂの時間微分値、aおよびｂは
任意の時刻を表し、ｂ＞ａである。
により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。
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におけるモータ速度の絶対値｜Ｖ_ｆｂ（ａ）｜と時刻ｂにおけるモータ速度の絶対値｜Ｖ_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。
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請求項１記載のモータ制御装置。
前記制御定数同定部において、
前記粘性摩擦係数Ｄおよび一定外乱力Ｔｃ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請求項１記載のモータ制御装置。
前記制御定数同定部において、前記粘性摩擦係数Ｄを算出するための区間［ａ，ｂ］を、時刻ａにおけるモータ速度微分値の絶対値｜Ｖ_ｆｂ′（ａ）｜と時刻ｂにおけるモータ速度微分値の絶対値｜Ｖ_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。
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、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請求項１記載のモータ制御装置。
前記制御定数同定部において、
Ｖ_ｆｂの時間微分値Ｖ_ｆｂ′、Ｔ_ｒｅｆの時間微分値Ｔ_ｒｅｆ′を、

ただし、ｓはラプラス演算子で微分、ＬＰＦはローパスフィルタの伝達関数を表す。
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。
前記制御定数同定部において、
Ｖ_ｆｂの時間微分値Ｖ_ｆｂ′、Ｔ_ｒｅｆの時間微分値Ｔ_ｒｅｆ′を、

ただし、ＬＰＦはローパスフィルタの伝達関数を表し、α＞０、β＞０の定数である。
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。
前記制御定数同定部において、
Ｖ_ｆｂの時間微分値Ｖ_ｆｂ′、Ｔ_ｒｅｆの時間微分値Ｔ_ｒｅｆ′を、オブザーバを利用して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。
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請求項１記載のモータ制御装置。
前記フィードフォワ−ド信号を、位置指令の微分値に同定された前記粘性摩擦係数Ｄを乗じた値と位置指令の２階微分値に同定された前記イナーシャ合計値Ｊを乗じた値とを加えた値とすることを特徴とする請求項１０記載のモータ制御装置。
前記速度指令Ｖ_ｒｅｆを、位置指令Ｐ_ｒｅｆおよびモータ位置信号Ｐ_ｆｂを入力し、位置指令Ｐ_ｒｅｆにモータ位置信号Ｐ_ｆｂが一致するように決定することで、位置制御を行うことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。