JP5256704B2 - 慣性モーメント推定装置 - Google Patents

Description

本発明は慣性モーメント推定装置に関し、特に、電動機などの駆動装置にて駆動されるロボットなどの負荷慣性モーメントを推定する方法に適用して好適なものである。

工作機械の送り軸やロボットなどに使用されるサーボモータによる制御系では、負荷慣性モーメントを推定することでトルク制御を行う方法がある（特許文献１、２）。
図７は、従来の慣性モーメント推定装置が適用される速度制御系の概略構成を示すブロック図である。
図７において、電動機１２１は連結体１２３を介して負荷１２４に接続され、電動機１２１には、電動機１２１の速度検出値ω_ｍを出力する速度検出器１２２が設けられている。そして、電動機１２１の速度を制御する速度制御系には、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差を算出する減算器１２５、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差を演算増幅してトルク指令値τ_ｒを出力する速度制御器１２６、トルク指令値τ_ｒに基づいて電動機１２１のトルク制御を行うトルク制御器１２７、速度検出値ω_ｍに基づいて電動機１２１の帰還加速度ａ_ｍを出力する加速度演算器１２８、帰還加速度ａ_ｍとトルク指令値τ_ｒに基づいて負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを出力する負荷慣性モーメント推定器１２９、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅに基づいて速度制御器１２６のゲインを調整するゲイン調整器１３０が設けられている。

そして、電動機１２１の速度が速度検出器１２２にて検出されると、その速度検出値ω_ｍが減算器１２５に出力され、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差が減算器１２５にて算出される。そして、減算器１２５にて算出された速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差は速度制御器１２６に出力され、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差を演算増幅することでトルク指令値τ_ｒが算出される。そして、速度制御器１２６にて算出されたトルク指令値τ_ｒはトルク制御器１２７に出力され、トルク指令値τ_ｒに基づいて電動機１２１のトルク制御が行われる。

また、速度検出器１２２にて検出された速度検出値ω_ｍは加速度演算器１２８に出力され、速度検出値ω_ｍに基づいて電動機１２１の加速度が算出される。そして、加速度演算器１２８にて算出された帰還加速度ａ_ｍは負荷慣性モーメント推定器１２９に出力されるとともに、速度制御器１２６にて算出されたトルク指令値τ_ｒは負荷慣性モーメント推定器１２９に出力され、帰還加速度ａ_ｍとトルク指令値τ_ｒに基づいて負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが算出される。そして、負荷慣性モーメント推定器１２９にて算出された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅはゲイン調整器１３０に出力され、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅに基づいて速度制御器１２６のゲインが調整される。

図８は、図７の負荷慣性モーメント推定器の概略構成の一例を示すブロック図である。
図８において、図７の負荷慣性モーメント推定器１２９には、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを１サンプル期間だけ遅延させる遅延器１０１、定常外乱や高周波外乱などをトルク指令値τ_ｒから除去する外乱除去フィルタ１０２ａ、定常外乱や高周波外乱などを帰還加速度ａ_ｍから除去する外乱除去フィルタ１０２ｂ、外乱除去フィルタ１０２ｂを通過した帰還加速度ａ_ｍと遅延器１０１にて１サンプル期間だけ遅延された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを乗算する乗算器１０３、外乱除去フィルタ１０２ａを通過したトルク指令値τ_ｆと乗算器１０３の出力τ_ｅとの偏差Δτを算出する減算器１０４、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅの収束速度を決める推定時定数Ｇを減算器１０４から出力された偏差Δτに乗算する時定数乗算器１０５、帰還加速度ａ_ｍの振動を検出し、推定時定数Ｇに係数αを乗算する係数決定部１０６、遅延器１０１にて１サンプル期間だけ遅延された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを時定数乗算器１０５の出力に加算する加算器１０７が設けられている。

そして、図７の速度制御器１２６にて算出されたトルク指令値τ_ｒは外乱除去フィルタ１０２ａに出力され、トルク指令値τ_ｒから外乱が除去された後、減算器１０４に出力される。また、図７の加速度演算器１２８にて算出された帰還加速度ａ_ｍは外乱除去フィルタ１０２ｂに出力され、帰還加速度ａ_ｍから外乱が除去された後、乗算器１０３および時定数乗算器１０５に出力される。
また、加算器１０７から出力された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅは遅延器１０１に出力され、１サンプル期間だけ遅延された後、加算器１０７に戻されるとともに、乗算器１０３に出力される。

そして、乗算器１０３において、外乱除去フィルタ１０２ｂからの出力ａ_ｆと遅延器１０１にて１サンプル期間だけ遅延された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが乗算され、その乗算結果τ_ｅが減算器１０４に出力される。そして、減算器１０４において、外乱除去フィルタ１０２ａを通過したトルク指令値τ_ｆと乗算器１０３の出力τ_ｅとの偏差Δτが算出された後、時定数乗算器１０５に出力される。そして、時定数乗算器１０５において、減算器１０４から出力された偏差Δτに推定時定数Ｇが乗算され、加算器１０７に出力される。そして、加算器１０７において、遅延器１０１にて１サンプル期間だけ遅延された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが時定数乗算器１０５の出力に加算されることで、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが出力される。

ここで、係数決定部１０６は、加速度演算器１２８にて算出された帰還加速度ａ_ｍの振動が予め定められたレベル以上の時には、０以上１未満の係数αを推定時定数Ｇに乗算する。また、加速度演算器１２８にて算出された帰還加速度ａ_ｍの振動が予め定められたレベルに満たない時には、１という係数αを推定時定数Ｇに乗算する。これにより、帰還加速度ａ_ｍの振動が大きい時には、推定が遅くなり、振動の影響を受け難くすることが可能となることから、負荷慣性モーメントの推定精度を改善することが可能となる。

図９は、図８の係数決定部の概略構成を示すブロック図である。
図９において、係数決定部１０６には、外乱除去フィルタ１０２ｂを通過した帰還加速度ａ_ｆの絶対値を算出する絶対値算出部１１１ａ、絶対値算出部１１１ａの出力の移動平均を算出する移動平均フィルタ１１２ａ、外乱除去フィルタ１０２ｂを通過した帰還加速度ａ_ｆの移動平均を算出する移動平均フィルタ１１２ｂ、移動平均フィルタ１１２ｂの出力の絶対値を算出する絶対値算出部１１１ｂ、移動平均フィルタ１１２ａの出力と絶対値算出部１１１ｂの出力との偏差を算出する減算器１１３、減算器１１３の出力をしきい値１１５と比較する比較器１１４が設けられている。

そして、外乱除去フィルタ１０２ｂを通過した帰還加速度ａ_ｆは絶対値算出部１１１ａおよび移動平均フィルタ１１２ｂに出力される。そして、絶対値算出部１１１ａにて帰還加速度ａ_ｆの絶対値が算出された後、移動平均フィルタ１１２ａに出力され、移動平均フィルタ１１２ａにて移動平均がとられた後、減算器１１３に出力される。また、外乱除去フィルタ１０２ｂを通過した帰還加速度ａ_ｆが移動平均フィルタ１１２ｂに出力されると、移動平均フィルタ１１２ｂにて帰還加速度ａ_ｆの移動平均がとられた後、絶対値算出部１１１ｂに出力され、絶対値算出部１１１ｂにて絶対値が算出された後、減算器１１３に出力される。

そして、減算器１１３において、移動平均フィルタ１１２ａの出力と絶対値算出部１１１ｂの出力との偏差が算出された後、比較器１１４に出力され、比較器１１４にて減算器１１３の出力がしきい値１１５と比較され、指令による加速度変動よりも十分速い振動成分が検出される。
なお、図７の負荷慣性モーメント推定器１２９では、逐次最小２乗法に基づいて負荷慣性モーメントが推定され、今回のｋ時点における負荷慣性モーメントの推定値をＪ_ｅ（ｋ）、前回の（ｋ−１）時点における負荷慣性モーメントの推定値をＪ_ｅ（ｋ−１）とすると、Ｊ_ｅ（ｋ）とＪ_ｅ（ｋ−１）との関係は以下の（１）式で表すことができる。
Ｊ_ｅ（ｋ）＝Ｊ_ｅ（ｋ−１）＋αＧ（ｋ）｛τ_ｆ（ｋ）−Ｊ_ｅ（ｋ−１）ａ_ｆ（ｋ）｝
・・・（１）

ただし、推定時定数Ｇは、逐次最小２乗法においては、外乱除去フィルタ１０２ｂを通過した帰還加速度ａ_ｆに応じて、以下の（２）式および（３）式で求めることができる。
Ｇ（ｋ）＝Ｐ（ｋ）・ａ_ｆ（ｋ） ・・・（２）
Ｐ（ｋ）＝Ｐ（ｋ−１）／（λ＋Ｐ（ｋ−１）ａ_ｆ（ｋ）^２） ・・・（３）
ただし、λは忘却係数と呼ばれる定数で、駆動機械の慣性モーメントの変化に対応するために、１より少し小さな値が選択される。

図１０は、図７の負荷慣性モーメント推定器の概略構成のその他の例を示すブロック図である。
図１０において、図８の時定数乗算器１０５および係数決定部１０６の代わりに、推定区間判定器１０８、時定数乗算器１０９および乗算器１１０が設けられている。
ここで、推定区間判定器１０８は、外乱除去フィルタ１０２ｂを通過した帰還加速度ａ_ｆが所定のレベル以上の場合は、判定フラグｆ_ｅを１とし、所定のレベル未満の場合は、判定フラグｆ_ｅを０とする。時定数乗算器１０９は、（２）式および（３）式で求めた推定時定数Ｇを減算器１０４から出力された偏差Δτに乗算する。乗算器１１０は、時定数乗算器１０９の出力に判定フラグｆ_ｅを乗算し、加算器１０７に出力する。そして、遅延器１０１にて１サンプル期間だけ遅延された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを乗算器１１０の出力に加算することで、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを出力することができる。

この構成では、時定数乗算器１０９の出力に判定フラグｆ_ｅを乗算することで、帰還加速度ａ_ｆを小さくすることができ、Ｓ／Ｎ比が悪化すると、負荷慣性モーメントの推定を停止することが可能となることから、負荷慣性モーメントの推定値の乱れを防止することができる。
特許第３７９６２６１号公報 特開２００６−２１７７２９号公報

しかしながら、図７の慣性モーメント推定器１２９では、コギングトルクや偏芯などにより機械系に振動がある場合、図７のフィードバック制御系で電動機１２１を駆動すると、速度検出値ω_ｍやトルク指令値τ_ｒに振動の影響が現れ、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが本来の値と異なるようになるという問題があった。
すなわち、図８の慣性モーメント推定装置では、帰還加速度ａ_ｍの振動を検出し、振動が予め定めたレベル以上にある間は推定時定数Ｇを小さくすることで、振動の影響が軽減される。

しかし、図９の係数決定部１０６では、帰還加速度ａ_ｍに現れる振動周波数が移動平均フィルタ１１２ａ、１１２ｂの遮断周波数よりも低い場合、振動成分のみの検出が困難となり、推定誤差が増加するという問題があった。
また、図１０の慣性モーメント推定装置では、帰還加速度ａ_ｍが予め定めたレベル以下の場合に推定を停止することで、Ｓ／Ｎ比の悪化に起因する推定誤差が低減される。
しかし、図１０の慣性モーメント推定装置では、コギングトルクや偏芯などにより機械系に振動がある場合、その振動の影響が帰還加速度ａ_ｍにも現れるため、推定動作が停止せず、推定誤差が増加するという問題があった。

図１１は、図１０の慣性モーメント推定装置の各部の動作波形を示す図である。なお、図１１の動作波形は、コギングトルクの大きなモータを駆動した時の負荷慣性モーメント推定動作をシミュレートして求めた。
図１１（ａ）において、図７のフィードバック制御系には、上位装置から速度指令値ω_ｒが入力される。また、図１１（ｂ）に示すように、図８の外乱除去フィルタ１０２ａからは定常外乱や高周波外乱などが除去されたトルク指令値τ_ｆが出力される。また、図１１（ｃ）に示すように、図８の外乱除去フィルタ１０２ｂからは定常外乱や高周波外乱などが除去された帰還加速度ａ_ｆが出力される。図１１（ｂ）および図１１（ｃ）からも判るように、一定速駆動時にコギングトルクに基づく振動がトルク指令値τ_ｆおよび帰還加速度ａ_ｆに現れる。

また、図１１（ｄ）に示すように、振動が継続的に発生する一定速区間においては、図１０の推定区間判定器１０８の判定フラグｆ_ｅは０となる。また、図１１（ｅ）に示すように、図１１（ｄ）の判定フラグｆ_ｅの値に応じて負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅの更新を停止しながら負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを出力することで、図１１（ｆ）に示すように、判定フラグｆ_ｅの値を常に１に設定して負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを出力した場合に比べて、一定速区間での負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅの変動を抑制することができる。ただし、加速終了付近では振動の周波数が低く、図１０の推定区間判定器１０８では振動が検出されないため、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが本来の値の２倍程度となっている。
そこで、本発明の目的は、コギングトルクや偏芯などにより機械系に振動がある場合においても、振動周波数に依存することなく負荷慣性モーメントの推定精度を向上させることが可能な慣性モーメント推定装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の慣性モーメント推定装置によれば、電動機の速度検出値に基づいて第１の帰還加速度を演算する帰還加速度演算手段と、前記電動機の動作を指示する指令値に基づいて第２の帰還加速度を推定する帰還加速度推定手段と、前記電動機のトルク指令値および前記第１の帰還加速度に基づいて、負荷慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定手段と、前記第２の帰還加速度が予め定められたレベル以上の区間を、前記慣性モーメント推定手段にて負荷慣性モーメントを推定する区間として判別する推定区間判別手段と、前記帰還加速度演算手段にて演算された第１の帰還加速度から外乱を除去する第１の外乱除去手段と、前記帰還加速度推定手段にて推定された第２の帰還加速度から外乱を除去する第２の外乱除去手段と、前記トルク指令値から外乱を除去する第３の外乱除去手段とを備え、前記慣性モーメント推定手段は、前記第１の外乱除去手段にて外乱が除去されたｋ時点における第１の帰還加速度をａｆ（ｋ）、前記第３の外乱除去手段にて外乱が除去されたｋ時点におけるトルク指令値をτｆ（ｋ）、ｋ時点における前記負荷慣性モーメントをＪｅ（ｋ）としたとき、前記第１の帰還加速度ａｆ（ｋ）と前記トルク指令値τｆ（ｋ）とを変数とし、前記負荷慣性モーメントＪｅ（ｋ）を係数とする関係式を下式のとおり定め、前記関係式に適応同定法を適用することにより、前記負荷慣性モーメントＪｅ（ｋ）を推定することを特徴とする。
Ｊｅ（ｋ）＝Ｊｅ（ｋ−１）＋ｆｅＧ（ｋ）｛τｆ（ｋ）−Ｊｅ（ｋ−１）ａｆ（ｋ）｝
ここで、Ｊｅ（ｋ−１）は、（ｋ−１）時点における前記負荷慣性モーメント、Ｇ（ｋ）は、推定時定数、ｆｅは、係数である。

また、請求項２記載の慣性モーメント推定装置によれば、前記適応同定法は、逐次最小２乗法または固定トレース法による適応同定法であることを特徴とする。
また、請求項３記載の慣性モーメント推定装置によれば、前記慣性モーメント推定手段は、前記第２の外乱除去手段にて外乱が除去された第２の帰還加速度に基づいて、前記負荷慣性モーメントの推定値の更新速度を調整する推定時定数調整手段を備えることを特徴とする。

また、請求項４記載の慣性モーメント推定装置によれば、前記慣性モーメント推定手段は、前記第２の外乱除去手段にて外乱が除去された第２の帰還加速度が予め定められたレベル未満の場合、前記負荷慣性モーメントの推定値の更新を停止する推定停止手段を備えることを特徴とする。
また、請求項５記載の慣性モーメント推定装置によれば、前記外乱除去手段は、バンドパスフィルタまたはローパスフィルタと差分演算器にて構成されていることを特徴とする。
また、請求項６記載の慣性モーメント推定装置によれば、前記指令値は、速度指令値または位置指令値であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、負荷慣性モーメントの推定区間を判別する帰還加速度を、電動機の動作を指示する指令値に基づいて求めることができ、負荷振動の影響を受けることなく、負荷慣性モーメントの推定区間を判別することができる。このため、コギングトルクや偏芯などにより機械系に振動がある場合においても、速度検出値やトルク指令値に現れる振動の影響が負荷慣性モーメントの推定値に及ぶのを防止することができ、負荷慣性モーメントの推定精度を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る慣性モーメント推定装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る慣性モーメント推定装置が適用される速度制御系の概略構成を示すブロック図である。
図１において、電動機１は連結体３を介して負荷４に接続され、電動機１には、電動機１の速度検出値ω_ｍを出力する速度検出器２が設けられている。そして、電動機１の速度を制御する速度制御系には、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差を算出する減算器５、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差を演算増幅してトルク指令値τ_ｒを出力する速度制御器６、トルク指令値τ_ｒに基づいて電動機１のトルク制御を行うトルク制御器７、トルク指令値τ_ｒ、速度指令値ω_ｒおよび速度検出値ω_ｍに基づいて負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを出力する負荷慣性モーメント推定器８、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅに基づいて速度制御器６のゲインを調整するゲイン調整器９が設けられている。

ここで、負荷慣性モーメント推定器８は、速度指令値ω_ｒに基づいて帰還加速度を推定し、その推定された帰還加速度に基づいて負荷慣性モーメントの推定区間を判別しながら、速度検出値ω_ｍから求めた帰還加速度およびトルク指令値τ_ｒに基づいて負荷慣性モーメントを推定することができる。
そして、電動機１の速度が速度検出器２にて検出されると、その速度検出値ω_ｍが減算器５に出力され、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差が減算器５にて算出される。そして、減算器５にて算出された速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差は速度制御器６に出力され、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差を演算増幅することでトルク指令値τ_ｒが算出される。そして、速度制御器６にて算出されたトルク指令値τ_ｒはトルク制御器７に出力され、トルク指令値τ_ｒに基づいて電動機１のトルク制御が行われる。

また、速度検出器２にて検出された速度検出値ω_ｍおよび上位装置から与えられる速度指令値ω_ｒは負荷慣性モーメント推定器８に出力される。そして、負荷慣性モーメント推定器８において、速度指令値ω_ｒに基づいて帰還加速度が推定され、その推定された帰還加速度に基づいて負荷慣性モーメントの推定区間が判別されながら、速度検出値ω_ｍから求めた帰還加速度およびトルク指令値τ_ｒに基づいて負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが算出される。そして、負荷慣性モーメント推定器８にて算出された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅはゲイン調整器９に出力され、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅに基づいて速度制御器６のゲインが調整される。

これにより、負荷慣性モーメントの推定区間を判別する帰還加速度を、負荷振動の影響のない速度指令値ω_ｒに基づいて求めることができる。このため、コギングトルクや偏芯などにより機械系に振動がある場合においても、速度検出値ω_ｍやトルク指令値τ_ｒに現れる振動の影響が負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅに及ぶのを防止することができ、負荷慣性モーメントの推定精度を向上させることが可能となる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る慣性モーメント推定装置の概略構成を示すブロック図である。
図２において、図１の負荷慣性モーメント推定器８には、負荷慣性モーメントの推定値Ｊｅを１サンプル期間だけ遅延させる遅延器２１、速度検出値ωｍに基づいて電動機１の帰還加速度ａｍを演算する加速度演算器２３、速度指令値ωｒに基づいて電動機１の帰還加速度ａｍｅを推定する帰還加速度推定器２７、定常外乱や高周波外乱などをトルク指令値τｒから除去する外乱除去フィルタ２２ａ、定常外乱や高周波外乱などを帰還加速度ａｍから除去する外乱除去フィルタ２２ｂ、定常外乱や高周波外乱などを帰還加速度ａｍｅから除去する外乱除去フィルタ２２ｃ、外乱除去フィルタ２２ｂを通過した帰還加速度ａｆと遅延器２１にて１サンプル期間だけ遅延された負荷慣性モーメントの推定値Ｊｅを乗算する乗算器２４、外乱除去フィルタ２２ａを通過したトルク指令値τｆと乗算器２４の出力τｅとの偏差Δτを算出する減算器２５、負荷慣性モーメントの推定値Ｊｅの収束速度を決める推定時定数Ｇを減算器２５から出力された偏差Δτに乗算する時定数乗算器２６、外乱除去フィルタ２２ｃを通過した帰還加速度ａｆｅから負荷慣性モーメントの推定区間を判別し、判定フラグｆｅを出力する推定区間判定器２８、時定数乗算器２６の出力に判定フラグｆｅを乗算する乗算器２９、遅延器２１にて１サンプル期間だけ遅延された負荷慣性モーメントの推定値Ｊｅを乗算器２９の出力に加算する加算器３０が設けられている。

なお、外乱除去フィルタ２２ａ〜２２ｃは、バンドパスフィルタまたはローパスフィルタと差分演算器にて構成することができる。そして、高域の遮断周波数に制御帯域の上限値を設定することで、制御帯域以上の高周波外乱を除去することができる。また、低域の遮断周波数を数Ｈｚに設定することで、定常外乱を除去することができる。
そして、図１の速度制御器６にて算出されたトルク指令値τ_ｒは外乱除去フィルタ２２ａに出力され、トルク指令値τ_ｒから外乱が除去された後、減算器２５に出力される。また、図１の速度検出器２にて検出された速度検出値ω_ｍは加速度演算器２３に出力され、加速度演算器２３にて帰還加速度ａ_ｍが演算された後、外乱除去フィルタ２２ｂに出力され、帰還加速度ａ_ｍから外乱が除去された後、乗算器２４に出力される。さらに、上位装置から与えられた速度指令値ω_ｒは帰還加速度推定器２７に出力され、帰還加速度推定器２７にて帰還加速度ａ_ｍｅが演算された後、外乱除去フィルタ２２ｃに出力され、帰還加速度ａ_ｍｅから外乱が除去された後、時定数乗算器２６および推定区間判定器２８に出力される。

また、加算器３０から出力された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅは遅延器２１に出力され、１サンプル期間だけ遅延された後、加算器３０に戻されるとともに、乗算器２４に出力される。
そして、乗算器２４において、外乱除去フィルタ２２ｂからの出力ａ_ｆと遅延器２１にて１サンプル期間だけ遅延された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが乗算され、その乗算結果τ_ｅが減算器２５に出力される。そして、減算器２５において、外乱除去フィルタ２２ａを通過したトルク指令値τ_ｆと乗算器２４の出力τ_ｅとの偏差Δτが算出された後、時定数乗算器２６に出力される。

そして、時定数乗算器２６において、減算器２５から出力された偏差Δτに推定時定数Ｇが乗算され、乗算器２９に出力される。ここで、時定数乗算器２６は、外乱除去フィルタ２２ｃを通過した帰還加速度ａ_ｆｅに基づいて、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅの更新速度を調整することができる。例えば、外乱除去フィルタ２２ｃを通過した帰還加速度ａ_ｆｅの振動が予め定められたレベル以上の時には、０以上１未満の係数αを推定時定数Ｇに乗算することができる。また、外乱除去フィルタ２２ｃを通過した帰還加速度ａ_ｆｅの振動が予め定められたレベルに満たない時には、１という係数αを推定時定数Ｇに乗算する。これにより、帰還加速度ａ_ｆｅの振動が大きい時には、推定が遅くなり、振動の影響を受け難くすることが可能となることから、負荷慣性モーメントの推定精度を改善することが可能となる。

一方、外乱除去フィルタ２２ｃを通過した帰還加速度ａ_ｆｅが推定区間判定器２８に入力されると、推定区間判定器２８は、帰還加速度ａ_ｆｅが所定のレベル以上の場合は、判定フラグｆ_ｅを１とし、所定のレベル未満の場合は、判定フラグｆ_ｅを０とし、乗算器２９に出力する。そして、乗算器２９において、時定数乗算器２６の出力に判定フラグｆ_ｅが乗算され、加算器３０に出力される。そして、加算器３０において、遅延器２１にて１サンプル期間だけ遅延された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが乗算器２９の出力に加算されることで、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが出力される。
ここで、時定数乗算器２６の出力に判定フラグｆ_ｅを乗算することで、帰還加速度ａ_ｆｅを小さくすることができ、Ｓ／Ｎ比が悪化すると、負荷慣性モーメントの推定を停止することが可能となることから、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅの乱れを防止することができる。

図３は、図２の推定区間判定器の概略構成を示すブロック図である。
図３において、推定区間判定器２８には、帰還加速度ａ_ｆｅの絶対値を算出する絶対値演算器４１および帰還加速度ａ_ｆｅとしきい値ａ_ｔｈとを比較する比較器４２が設けられている。
そして、外乱除去フィルタ２２ｃを通過した帰還加速度ａ_ｆｅは絶対値演算器４１に入力され、帰還加速度ａ_ｆｅの絶対値がとられた後、比較器４２に出力される。そして、比較器４２において、帰還加速度ａ_ｆｅの絶対値がしきい値ａ_ｔｈと比較され、帰還加速度ａ_ｆｅがしきい値ａ_ｔｈ以上の場合は、判定フラグｆ_ｅとして１が出力され、しきい値ａ_ｔｈ未満の場合は、判定フラグｆ_ｅとして０が出力される。

ここで、判定フラグｆ_ｅが０になると、（３）式のｆ_ｅがかかる項は全て０となるため、乗算器２９の出力は０となり、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅは前回の値がそのまま保持され、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅの更新が停止される。
なお、帰還加速度推定器２７では、速度制御系の応答を模擬するローパスフィルタでフィルタリングした速度指令値ω_ｒを微分することで、帰還加速度ａ_ｍｅを演算することができる。このローパスフィルタの伝達関数Ｆ（ｓ）は、以下の（４）式で与えることができる。
Ｆ（ｓ）＝１／（１＋Ｊ_ｅ／Ｋ_ｓｓ） ・・・（４）
ただし、Ｋ_ｓは速度ループゲイン（ｒａｄ／ｓ）、ｓはラプラス演算子である。

また、図１の負荷慣性モーメント推定器８では、逐次最小２乗法に基づいて負荷慣性モーメントを推定することができ、今回のｋ時点における負荷慣性モーメントの推定値をＪ_ｅ（ｋ）、前回の（ｋ−１）時点における負荷慣性モーメントの推定値をＪ_ｅ（ｋ−１）とすると、Ｊ_ｅ（ｋ）とＪ_ｅ（ｋ−１）との関係は以下の（５）式で表すことができる。
Ｊ_ｅ（ｋ）＝Ｊ_ｅ（ｋ−１）＋ｆ_ｅＧ（ｋ）｛τ_ｆ（ｋ）−Ｊ_ｅ（ｋ−１）ａ_ｆ（ｋ）｝
・・・（５）
なお、推定時定数Ｇは、逐次最小２乗法においては、（２）式および（３）式で求めることができる。また、適応同定法として逐次最小２乗法の代わりに固定トレース法を用いるようにしてもよい。

図４は、本発明の第１実施形態に係る慣性モーメント推定装置の各部の動作波形を示す図である。なお、図４の動作波形は、コギングトルクの大きなモータを駆動した時の負荷慣性モーメント推定動作をシミュレートして求めた。
図４（ａ）において、図１のフィードバック制御系には、上位装置から速度指令値ω_ｒが入力される。また、図４（ｂ）に示すように、図８の外乱除去フィルタ１０２ａからは定常外乱や高周波外乱などが除去されたトルク指令値τ_ｆが出力される。また、図４（ｃ）に示すように、図２の外乱除去フィルタ１０２ｂからは定常外乱や高周波外乱などが除去された帰還加速度ａ_ｆが出力される。図４（ｂ）および図４（ｃ）からも判るように、一定速駆動時にコギングトルクに基づく振動がトルク指令値τ_ｆおよび帰還加速度ａ_ｆに現れる。また、図４（ｄ）に示すように、図２の外乱除去フィルタ１０２ｃからは定常外乱や高周波外乱などが除去された帰還加速度ａ_ｆｅが出力される。図４（ｄ）からも判るように、帰還加速度ａ_ｆｅには、一定速駆動時にコギングトルクに基づく振動の影響が現れない。

また、図４（ｅ）に示すように、振動が現れる一定速区間においては、図２の推定区間判定器２８の判定フラグｆ_ｅは常に０となる。また、図４（ｆ）に示すように、図４（ｅ）の判定フラグｆ_ｅの値に応じて負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅの更新を停止しながら負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを出力することで、図４（ｇ）に示すように、判定フラグｆ_ｅの値を常に１に設定して負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを出力した場合に比べて、一定速区間での負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅの変動を抑制することができる。また、図２の推定区間判定器２８を用いた場合には、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅに振動の影響が現れるのを防止することができるが、図１０の推定区間判定器１０８を用いた場合には、一定速駆動中に現れる振動の影響により、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが増大することが判る。

図５は、本発明の第２実施形態に係る慣性モーメント推定装置が適用される速度制御系の概略構成を示すブロック図である。
図５において、電動機１の速度を制御する速度制御系には、速度検出値ω_ｍに基づいて位置検出値Ｘ_ｍを算出する位置検出器１０、位置指令値Ｘ_ｒと位置検出値Ｘ_ｍとの偏差を算出する減算器１１、位置指令値Ｘ_ｒと位置検出値Ｘ_ｍとの偏差を演算増幅して速度指令値ω_ｒを出力する位置制御器１２、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差を算出する減算器５、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差を演算増幅してトルク指令値τ_ｒを出力する速度制御器６、トルク指令値τ_ｒに基づいて電動機１のトルク制御を行うトルク制御器７、トルク指令値τ_ｒ、位置指令値Ｘ_ｒおよび速度検出値ω_ｍに基づいて負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅを出力する負荷慣性モーメント推定器１３、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅに基づいて速度制御器６および位置制御器１２のゲインを調整するゲイン調整器１４が設けられている。

ここで、負荷慣性モーメント推定器１３は、位置指令値Ｘ_ｒに基づいて帰還加速度を推定し、その推定された帰還加速度に基づいて負荷慣性モーメントの推定区間を判別しながら、速度検出値ω_ｍから求めた帰還加速度およびトルク指令値τ_ｒに基づいて負荷慣性モーメントを推定することができる。
そして、電動機１の速度が速度検出器２にて検出されると、その速度検出値ω_ｍが位置検出器１０および減算器５に出力される。そして、位置検出器１０において、速度検出値ω_ｍに基づいて位置検出値Ｘ_ｍが算出された後、減算器１１に出力され、位置指令値Ｘ_ｒと位置検出値Ｘ_ｍとの偏差が減算器１１にて算出される。そして、減算器１１にて算出された位置指令値Ｘ_ｒと位置検出値Ｘ_ｍとの偏差は位置制御器１２に出力され、位置指令値Ｘ_ｒと位置検出値Ｘ_ｍとの偏差を演算増幅することで速度指令値ω_ｒが算出される。

そして、位置制御器１２にて算出された速度指令値ω_ｒは減算器５に出力され、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差が減算器５にて算出される。そして、減算器５にて算出された速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差は速度制御器６に出力され、速度指令値ω_ｒと速度検出値ω_ｍとの偏差を演算増幅することでトルク指令値τ_ｒが算出される。そして、速度制御器６にて算出されたトルク指令値τ_ｒはトルク制御器７に出力され、トルク指令値τ_ｒに基づいて電動機１のトルク制御が行われる。

また、速度検出器２にて検出された速度検出値ω_ｍおよび上位装置から与えられる位置指令値Ｘ_ｒは負荷慣性モーメント推定器１３に出力される。そして、負荷慣性モーメント推定器１３において、位置指令値Ｘ_ｒに基づいて帰還加速度が推定され、その推定された帰還加速度に基づいて負荷慣性モーメントの推定区間が判別されながら、速度検出値ω_ｍから求めた帰還加速度およびトルク指令値τ_ｒに基づいて負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅが算出される。そして、負荷慣性モーメント推定器１３にて算出された負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅはゲイン調整器１４に出力され、負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅに基づいて速度制御器６および位置制御器１２のゲインが調整される。

これにより、負荷慣性モーメントの推定区間を判別する帰還加速度を、負荷振動の影響のない位置検出値Ｘ_ｍに基づいて求めることができる。このため、制御系が位置制御系の場合において、コギングトルクや偏芯などによる機械系の振動の影響が速度指令値ω_ｒに及ぶ場合においても、速度検出値ω_ｍやトルク指令値τ_ｒや速度指令値ω_ｒに現れる振動の影響が負荷慣性モーメントの推定値Ｊ_ｅに及ぶのを防止することができ、負荷慣性モーメントの推定精度を向上させることが可能となる。

図６は、本発明の第２実施形態に係る慣性モーメント推定装置の概略構成を示すブロック図である。
図６において、図５の負荷慣性モーメント推定器１３には、図２の帰還加速度推定器２７の代わりに帰還加速度推定器３１が設けられている。ここで、図２の帰還加速度推定器２７は、速度指令値ω_ｒに基づいて帰還加速度ａ_ｍｅを推定し、外乱除去フィルタ２２ｃに出力するのに対し、図６の帰還加速度推定器３１は、位置指令値Ｘ_ｒに基づいて帰還加速度ａ_ｍｅを推定し、外乱除去フィルタ２２ｃに出力する。

ここで、帰還加速度推定器３１では、位置制御系の応答を模擬するローパスフィルタでフィルタリングした位置指令値Ｘ_ｒを２回微分することで、帰還加速度ａ_ｍｅを演算することができる。このローパスフィルタの伝達関数Ｆ（ｓ）は、以下の（６）式で与えることができる。
Ｆ（ｓ）＝１／（１＋１／Ｋ_ｐｓ＋Ｊ_ｅ／（Ｋ_ｓＫ）ｓ^２） ・・・（６）
ただし、Ｋ_ｐは位置ループゲイン、Ｋ_ｓは速度ループゲイン、ｓはラプラス演算子である。

本発明の第１実施形態に係る慣性モーメント推定装置が適用される速度制御系の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る慣性モーメント推定装置の概略構成を示すブロック図である。 図２の推定区間判定器の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る慣性モーメント推定装置の各部の動作波形を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る慣性モーメント推定装置が適用される速度制御系の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る慣性モーメント推定装置の概略構成を示すブロック図である。 従来の慣性モーメント推定装置が適用される速度制御系の概略構成を示すブロック図である。 従来の慣性モーメント推定装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 図８の係数決定部の概略構成を示すブロック図である。 従来の慣性モーメント推定装置の概略構成のその他の例を示すブロック図である。 図１０の慣性モーメント推定装置の各部の動作波形を示す図である。

符号の説明

１ 電動機
２ 速度検出器
３ 連結体
４ 負荷
５、１１ 減算器
６ 速度制御器
７ トルク制御器
８、１３ 負荷慣性モーメント推定器
９、１４ ゲイン調整器
１０ 位置検出器
１２ 位置制御器
２１ 遅延器
２２ａ〜２２ｃ 外乱除去フィルタ
２３ 加速度演算器
２４、２９ 乗算器
２５ 減算器
２６ 推定時定数乗算器
２７、３１ 帰還加速度推定器
２８ 推定区間判定器
３０ 加算器
４１ 絶対値演算器
４２ 比較器

Claims (6)

1. 電動機の速度検出値に基づいて第１の帰還加速度を演算する帰還加速度演算手段と、
   前記電動機の動作を指示する指令値に基づいて第２の帰還加速度を推定する帰還加速度推定手段と、
   前記電動機のトルク指令値および前記第１の帰還加速度に基づいて、負荷慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定手段と、
   前記第２の帰還加速度が予め定められたレベル以上の区間を、前記慣性モーメント推定手段にて負荷慣性モーメントを推定する区間として判別する推定区間判別手段と、
   前記帰還加速度演算手段にて演算された第１の帰還加速度から外乱を除去する第１の外乱除去手段と、
   前記帰還加速度推定手段にて推定された第２の帰還加速度から外乱を除去する第２の外乱除去手段と、
   前記トルク指令値から外乱を除去する第３の外乱除去手段とを備え、
   前記慣性モーメント推定手段は、前記第１の外乱除去手段にて外乱が除去されたｋ時点における第１の帰還加速度をａｆ（ｋ）、前記第３の外乱除去手段にて外乱が除去されたｋ時点におけるトルク指令値をτｆ（ｋ）、ｋ時点における前記負荷慣性モーメントをＪｅ（ｋ）としたとき、前記第１の帰還加速度ａｆ（ｋ）と前記トルク指令値τｆ（ｋ）とを変数とし、前記負荷慣性モーメントＪｅ（ｋ）を係数とする関係式を下式のとおり定め、前記関係式に適応同定法を適用することにより、前記負荷慣性モーメントＪｅ（ｋ）を推定することを特徴とする慣性モーメント推定装置。
   Ｊｅ（ｋ）＝Ｊｅ（ｋ−１）＋ｆｅＧ（ｋ）｛τｆ（ｋ）−Ｊｅ（ｋ−１）ａｆ（ｋ）｝
   ここで、
   Ｊｅ（ｋ−１）は、（ｋ−１）時点における前記負荷慣性モーメント、
   Ｇ（ｋ）は、推定時定数、
   ｆｅは、係数である。
2. 前記適応同定法は、逐次最小２乗法または固定トレース法による適応同定法であることを特徴とする請求項１記載の慣性モーメント推定装置。
3. 前記慣性モーメント推定手段は、前記第２の外乱除去手段にて外乱が除去された第２の帰還加速度に基づいて、前記負荷慣性モーメントの推定値の更新速度を調整する推定時定数調整手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の慣性モーメント推定装置。
4. 前記慣性モーメント推定手段は、前記第２の外乱除去手段にて外乱が除去された第２の帰還加速度が予め定められたレベル未満の場合、前記負荷慣性モーメントの推定値の更新を停止する推定停止手段を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の慣性モーメント推定装置。
5. 前記外乱除去手段は、バンドパスフィルタまたはローパスフィルタと差分演算器にて構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の慣性モーメント推定装置。
6. 前記指令値は、速度指令値または位置指令値であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の慣性モーメント推定装置。

Images