JPWO2009025132A1 - モータ制御装置とその慣性モーメント同定方法 - Google Patents

Abstract

摩擦や一定トルク外乱が存在する場合に、負荷の連結したモータの慣性モーメントを微小動作のみで精度良く同定することができ、その同定結果に基づいて高速高精度制御を実施できる慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置とその慣性モーメント同定方法を提供する。前記慣性モーメント同定器（１０８）が、前記位置指令の各周波数に対する前記モータ位置に基づいて、各周波数のモータ位置に分離する周波数成分分離器（１０９）と、前記位置指令と、分離された前記各周波数のモータ位置とに基づいて、各周波数の前記相対位相の正接を算出するモータ位置位相正接演算器（１１０）、（１１２）と、前記各周波数の前記相対位相の正接に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出する慣性モーメント演算器（１１４）と、を有する。

Description

本発明は、負荷が連結したモータである制御対象の慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定器を備え、その同定結果に基づいて制御対象を制御する、モータ制御装置とその慣性モーメント同定方法に関する。

従来技術の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置は、正負対称な速度指令、正負対称な台形波である第１速度指令と前記第１速度指令の振幅のみ増幅した第２速度指令を用いてモータの慣性モーメントを同定し、その同定結果に基づいて負荷の連結したモータである制御対象の動作を制御している（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来技術の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置である。図において、４０１は速度指令発生部、４０２は速度制御部、４０３はモデル速度制御部、４０４は同定部、４０５は調整部である。

以下、図４を用いて従来技術のモータ慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置の構成および動作を説明する。速度指令発生部４０１は速度指令を出力する。速度制御部４０２は、前記速度指令と速度制御変数を入力し、トルク指令を出力する。モデル速度制御部４０３は、前記速度指令と調整信号を入力し、トルク指令推定値を出力する。同定部４０４は、前記トルク指令と前記トルク指令推定値を入力し、前記トルク指令の１階時間積分値と前記トルク指令推定値の１階時間積分値の比により、イナーシャを同定して出力し、正負対称な前記速度指令に対する正転時と逆転時における前記トルク指令の差より一定トルク外乱を算出し、正負対称な台形波である第１速度指令と前記第１速度指令の振幅のみを増幅した速度指令である第２速度指令のそれぞれに対するトルク指令である第１トルク指令、第２トルク指令、前記一定トルク外乱を用いてクーロン摩擦を算出し、前記第１トルク指令、前記第２トルク指令、前記第１速度指令、前記第２速度指令を用いて粘性摩擦を算出する。調整部４０５は、前記イナーシャを入力し、前記速度制御変数と前記調整信号を出力する。
特開平１１−４６４８９号公報（第３−５頁、第１図）

しかしながら、従来技術の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置は、可動範囲の限定された負荷の連結したモータの慣性モーメント同定において摩擦や一定トルク外乱が存在する場合に、十分な加速度が得られないために同定精度が落ちる問題があり、その同定結果に基づいて高速高精度制御を実施できない問題があった。

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、摩擦や一定トルク外乱が存在する場合に、負荷の連結したモータの慣性モーメントを微小動作のみで精度良く同定することができ、その同定結果に基づいて高速高精度制御を実施できる慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置とその慣性モーメント同定方法を提供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のである。
請求項１記載の発明は、位置指令を発生する位置指令発生器と、モータ位置を検出する位置検出器と、前記位置指令と前記モータ位置とに基づいて速度指令を演算する位置制御器と、前記速度指令に基づいてトルク指令を演算する速度制御器と、負荷の連結したモータである制御対象の慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定器と、その同定結果である慣性モーメント同定値に基づいて前記モータ位置が前記位置指令に追従するように制御するモータ制御装置において、前記慣性モーメント同定器が、複数の周波数成分を含む前記位置指令と、その各周波数成分である位置指令周波数成分に対する前記モータ位置との相対位相の正接であるモータ位置位相正接に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出するものである。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置制御器がＰ制御器であって、前記速度制御器が、ＰＩ制御器、Ｐ制御器、Ｉ−Ｐ制御器のうち、いずれか１つであるものである。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置指令発生器が、数千分の１回転程度の微小振幅な前記位置指令を発生するものである。
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明における前記慣性モーメント同定器における、複数の周波数成分を含む前記位置指令が、前記制御対象の***振周波数より十分に低い異なる周波数の正弦波を偶数個足し合わせたものである。
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明における前記慣性モーメント同定器が、前記位置指令周波数成分に対する前記モータ位置の周波数成分であるモータ位置周波数成分に分離する周波数成分分離器と、前記位置指令と、前記モータ位置周波数成分とに基づいて、前記モータ位置周波数成分に対する前記モータ位置位相正接を算出するモータ位置位相正接演算器と、前記モータ位置位相正接に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出する慣性モーメント演算器と、を有するものである。
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明における前記周波数成分分離器が、前記モータ位置周波数成分を、ＦＦＴを用いて分離するものである。
また、請求項７記載の発明は、請求項５記載の発明における前記周波数成分分離器が、前記モータ位置周波数成分を、周波数範囲の連続した複数のバンドパスフィルタを用いて分離するものである。
また、請求項８記載の発明は、請求項５記載の発明における前記慣性モーメント演算器が、前記位置指令の含む複数の周波数である位置指令周波数と前記モータ位置位相正接の乗算値と、前記モータ位置位相正接の前記位置指令周波数による除算値に基づいて前記慣性モーメント同定値を算出するものである。
請求項９記載の発明は、位置指令を発生する位置指令発生器と、モータ位置を検出する位置検出器と、前記位置指令と前記モータ位置とに基づいて速度指令を演算する位置制御器と、前記速度指令に基づいてトルク指令を演算する速度制御器と、負荷の連結したモータである制御対象の慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定器と、その同定結果である慣性モーメント同定値に基づいて前記モータ位置が前記位置指令に追従するように制御するモータ制御装置の慣性モーメント同定方法において、前記位置指令発生器が、複数の周波数成分を含む前記位置指令を発生し、前記慣性モーメント同定器が、前記位置指令と、前記位置指令の各周波数成分である位置指令周波数成分に対する前記モータ位置との相対位相の正接であるモータ位置位相正接に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出する、という手順で処理するのである。
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明における前記慣性モーメント同定値を算出する処理が、前記位置制御器をＰ制御器、前記速度制御器をＰＩ制御器、Ｐ制御器、Ｉ−Ｐ制御器のうち、いずれか１つを用いるのである。
また、請求項１１記載の発明は、請求項９記載の発明における前記位置指令を発生する処理が、前記制御対象の***振周波数より十分に低い異なる周波数の正弦波を偶数個足し合わせた前記位置指令発生するのである。
また、請求項１２記載の発明は、請求項９記載の発明における前記慣性モーメント値を算出する処理が、前記位置指令の各周波数成分である位置指令周波数成分に対する前記モータ位置の周波数成分であるモータ位置周波数成分に分離し、前記位置指令と、前記モータ位置周波数成分とに基づいて、前記モータ位置位相正接を算出し、前記モータ位置位相正接に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出するのである。
また、請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の発明における前記モータ位置周波数成分に分離する処理が、前記モータ位置周波数成分を、ＦＦＴを用いて分離するのである。
また、請求項１４記載の発明は、請求項１２記載の発明における前記モータ位置周波数成分に分離する処理が、前記モータ位置周波数を、周波数範囲の連続した複数のバンドパスフィルタを用いて分離するのである
また、請求項１５記載の発明は、請求項９記載の発明における前記慣性モーメント同定値を算出する処理が、前記位置指令の含む複数の周波数である位置指令周波数と前記モータ位置位相正接の乗算値と、前記モータ位置位相正接の前記位置指令周波数による除算値に基づいて前記慣性モーメント同定値を算出するのである

請求項１、５乃至８、９、１２乃至１５記載の発明によると、摩擦や一定トルク外乱が存在する場合または制御対象の姿勢が変化する場合にも、前記制御対象の慣性モーメントを高精度に同定し、その同定結果に基づいて前記制御対象の高速高精度制御をすることができる。
また、請求項２または１０記載の発明によると、様々なタイプの速度制御器を適用することができ、モータ制御装置としての汎用性を拡げることができる。
また、請求項３記載の発明によると、摩擦や一定トルク外乱が存在する場合または制御対象の姿勢が変化する場合にも、数千分の１回転程度の微小振幅のみで前記制御対象の慣性モーメントを高精度に同定し、その同定結果に基づいて前記制御対象の高速高精度制御をすることができる。
また、請求項４または１１記載の発明によると、様々な周波数の***振周波数をもつ制御対象に適用することができ、モータ制御装置としての汎用性を拡げることができる。

本発明の第１実施例を示す慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置 本発明の第１実施例における粘性摩擦を変化させた場合のシミュレーション結果 本発明の第１実施例における一定トルク外乱を変化させた場合のシミュレーション結果 従来技術の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置

符号の説明

１０１ 位置指令発生器
１０２ 位置制御器
１０３ 速度制御器
１０４ トルク制御器
１０５ 制御対象
１０６ 位置検出器
１０７ 微分器
１０８ 慣性モーメント同定器
１０９ 周波数成分分離器
１１０ 第１モータ位置記憶器
１１１ 第１モータ位置位相正接演算器
１１２ 第２モータ位置記憶器
１１３ 第２モータ位置位相正接演算器
１１４ 慣性モーメント演算器
４０１ 速度指令発生部
４０２ 速度制御部
４０３ モデル速度制御部
４０４ 同定部
４０５ 調整部

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。

図１は、本発明の第１実施例を示す慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置である。
図１において、１０１は位置指令発生器、１０２は位置制御器、１０３は速度制御器、１０４はトルク制御器、１０５は制御対象、１０６は位置検出器、１０７は微分器、１０８は慣性モーメント同定器、１０９は周波数成分分離器、１１０は第１モータ位置記憶器、１１１は第１モータ位置位相正接演算器、１１２は第２モータ位置記憶器、１１３は第２モータ位置位相正接演算器、１１４は慣性モーメント演算器である。

図１において、位置指令発生器１０１は複数の周波数成分を含む位置指令を出力する。ここで、複数の周波数成分を含む位置指令とは、例えば制御対象１０５の***振周波数より十分に低い２つの異なる周波数の正弦波を足し合わせたものである。
位置制御器１０２は前記位置指令とモータ位置を入力し、速度指令を出力する。速度制御器１０３は前記速度指令とモータ速度を入力しトルク指令を出力する。トルク制御器１０４は前記トルク指令を入力しモータ駆動信号により負荷の連結したモータである制御対象１０５を駆動する。位置検出器１０６は前記モータ位置を検出し出力する。微分器１０７は前記モータ位置を入力し前記モータ速度を出力する。慣性モーメント同定器１０８は前記位置指令と前記モータ位置を入力し制御対象１０５の慣性モーメントである慣性モーメント同定値を算出し出力する。

慣性モーメント同定器１０８において、周波数成分分離器１０９は前記モータ位置を入力し、周波数がω１とω２の周波数成分である第１モータ位置と第２モータ位置とに分離し、それぞれを出力する。
第１モータ位置記憶器１１０は、前記第１モータ位置をあらかじめ設定した周期分記憶し、第１モータ位置記憶値として出力する。
第１モータ位置位相正接演算器１１１は、前記位置指令と前記第１モータ位置記憶値を入力し、その相対位相の正接である第１モータ位置位相正接を算出し出力する。
第２モータ位置記憶器１１２は、前記第２モータ位置をあらかじめ設定した周期分記憶し、第２モータ位置記憶値として出力する。
第２モータ位置位相正接演算器１１３は、前記位置指令と前記第２モータ位置記憶値を入力し、その相対位相の正接である第２モータ位置位相正接を算出し出力する。
慣性モーメント演算器１１４は、前記第１モータ位置位相正接と前記第２モータ位置位相正接を入力し、その入力信号に基づいて前記慣性モーメント同定値を算出し出力する。

本発明が従来技術と異なる部分は、慣性モーメント同定器１０８が、複数の周波数成分を含む位置指令に基づいたモータ位置からその周波数成分を分離して出力する周波数成分分離器１０９と、第１モータ位置位相正接を算出する第１モータ位置位相正接演算器１１１と、第２モータ位置位相正接を算出する第２モータ位置位相正接演算器１１３と、を備えた部分である。

以下、慣性モーメント同定器１０８が、慣性モーメント同定値を算出する仕組みの詳細を説明する。
位置制御器１０２を位置Ｐ制御ゲインがＫｐであるＰ制御とし、速度制御器１０３を速度Ｐ制御ゲインがＫｖｊ、速度制御積分時定数がＴｉであるＰＩ制御とすると、位置制御器１０２、速度制御器１０３、トルク制御器１０４、制御対象１０５、位置検出器１０６、微分器１０７を含む閉ループ系の運動方程式は、式（１）となる。

ただし、Ｊは制御対象１０５の慣性モーメント、Ｄは粘性摩擦、θはモータ位置、ｒは複数の周波数成分を含む位置指令である。速度制御器１０３がＰＩ制御であり積分制御を含むので、一定トルク外乱ｗは式（１）には現われない。
位置指令ｒの周波数ω１における周波数成分を第１位置指令とすると、前記第１位置指令に対する定常状態におけるモータ位置θの位相である第１モータ位置位相φ１は、式（２）であらわされる。

同様に、位置指令ｒの周波数ω２における周波数成分を第２位置指令とすると、前記第２位置指令に対するモータ位置θの位相である第２モータ位置位相φ２は、式（３）であらわされる。

式(２)と式（３）より粘性摩擦Ｄを消去し、慣性モーメントＪについて解くと式（４）を得る。

ここで、式（４）において、第１位置位相φ１の正接である第１位置位相正接と、第２位置位相φ２の正接である第２位置位相正接を算出する方法を以下に示す。
前記第１位置指令と、前記第１位置指令に対する前記モータ位置である第１モータ位置は、それぞれ式（５）、式（６）と表される。

ただし、ｒ０は位置指令振幅、Ａ１は第１モータ位置の振幅である第１モータ位置振幅である。前記第１位置指令の振幅ｒ０を１とした第１正規化位置指令と、前記第１モータ位置の振幅Ａ１を１とした第１正規化モータ位置との差である第１正規化モータ位置偏差は、式（５）と式（６）とを展開すれば式（７）であらわされる。

また、前記第１正規化モータ位置偏差の振幅である第１正規化モータ位置偏差振幅α_１は、式（８）であらわされる。

前記第１モータ位置位相正接は、第１正規化モータ位置偏差振幅α_１を用いて式（９）であらわされる。

前記第２位置指令に対しても同様に、第２正規化モータ位置偏差振幅α_２を求めることができ、前記第２モータ位置位相正接は、第２正規化モータ位置偏差振幅α_２を用いて式（１０）であらわされる。

図１の慣性モーメント同定器１０８は、式（４）、式（９）、式（１０）を用いて制御対象１０５の総慣性モーメント（モータ慣性モーメント＋負荷慣性モーメント）を算出するのである。

式（４）は粘性摩擦Ｄを含まないので、制御対象１０５の粘性摩擦が大きい場合にも高精度に慣性モーメント同定ができる。また、式（４）は一定トルク外乱ｗを含まないので、負荷の連結したモータである制御対象１０５の姿勢に影響を受けることなく、高精度に慣性モーメント同定ができる。また、式（４）において、前記第１モータ位置位相正接および前記第２モータ位置位相正接はともに、分母と分子に対になってあらわれるので、前記第１モータ位置および前記第２モータ位置の波形が位置検出器１０６の分解能、非線形摩擦、バックラッシなどの影響により劣化し、前記第１モータ位置位相正接および前記第２モータ位置位相正接が誤差を含む場合にも、その影響は相殺し同定精度を損なわない。
したがって、制御対象１０５を微小動作させる場合にも適用でき、可動範囲の限定された制御対象１０５に対しても適用可能である。

また更に、前記第１モータ位置と前記第２モータ位置はＦＦＴにより算出することもでき、周波数範囲の連続した複数のバンドパスフィルタを用いて算出することもできる。
なお、第１実施例において複数の周波数成分を含む位置指令が２つの周波数成分を含む例を記載したが、２より大きい偶数の周波数成分を含む場合としても式（４）、式（９）、式（１０）に相当する式を用いて制御対象１０５の総慣性モーメントを算出することもできる。その場合は、第１実施例の構成に相当数のモータ位置記憶器およびモータ位置位相正接演算器を追加して備えることは言うまでもない。

以下、第１実施例におけるシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いた数値は以下の通りである。
Ｊｍ＝０．１１６×１０＾−４［ｋｇ・ｍ＾２］、Ｊｌ＝０．４６４×１０＾−４［ｋｇ・ｍ＾２］、Ｊ＊＝Ｊｍ＋Ｊｌ、Ｄ０＝０．０００４［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］、ｗ０＝０［Ｎ・ｍ］、Ｋｐ＝４０［ｓ＾−１］、Ｋｖ＝４０（２π）［ｓ＾−１］、Ｋｖｊ＝Ｋｖ＊Ｊｍ、Ｔ＝１２５×１０＾−６［ｓ］、Ｔｒａｔ＝０．６３７［Ｎ・ｍ］、ｒ０＝０．００１［ｒａｄ］、ω１＝１０（２π）［ｒａｄ／ｓ］、ω２＝２０（２π）［ｒａｄ／ｓ］、ｂ＝１７［ｂｉｔ］
ただし、Ｊｍはモータ慣性モーメント、Ｊｌは負荷慣性モーメント、Ｊ＊は慣性モーメント真値、Ｄ０は公称粘性摩擦、ｗ０は公称一定トルク外乱、Ｋｐは位置Ｐ制御ゲイン、Ｋｖは正規化速度Ｐ制御ゲイン、Ｋｖｊは速度Ｐ制御ゲイン、Ｔは制御周期、Ｔｒａｔは定格トルク、ｒ０は位置指令振幅、ω１は第１位置指令周波数、ω２は第２位置指令周波数、ｂは位置検出器１０６の分解能である。
前記公称粘性摩擦は、以下のシミュレーションにおいて一定トルク外乱を変化させる場合に用いる粘性摩擦の値であり、また前記公称一定トルク外乱は、粘性摩擦を変化させる場合に用いる一定トルク外乱の値である。

図２は、第１実施例における粘性摩擦を変化させた場合のシミュレーション結果である。なお、一定トルク外乱ｗは公称一定トルク外乱ｗ０とした。
また、図３は、第１実施例における一定トルク外乱を変化させた場合のシミュレーション結果である。なお、粘性摩擦Ｄは公称粘性摩擦Ｄ０とした。
図２および図３に示す慣性モーメント同定誤差ｅＪ（％）は、慣性モーメント真値Ｊ＊と慣性モーメント同定値Ｊを用いて式（１１）により算出した。

図２において、粘性摩擦Ｄを０［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］から０．００１［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］まで変化させた場合、慣性モーメント同定誤差の絶対値は２［％］以下でほぼ一定である。この２［％］以下の誤差は、式（１）に考慮されていない位置検出器１０６の分解能などによるものである。式（４）によると、粘性摩擦は慣性モーメント同定誤差に影響しないことを示している。
本シミュレーションでは産業用機械を構成するスライダやベルト機構の持つ粘性摩擦の一般的な値を用いたが、式（４）は粘性摩擦を含まないので更に大きな粘性摩擦を持つ制御対象に対しても同程度の同定誤差で慣性モーメント同定が実施できる。

また、図３において、一定トルク外乱ｗを定格トルクＴｒａｔの０［％］から５０［％］まで変化させた場合、式（１１）によって算出した慣性モーメント同定誤差の絶対値は２［％］以下でほぼ一定である。この２［％］以下の誤差は、式（１）に考慮されていない位置検出器１０６の分解能などによるものである。式（４）によると、一定トルク外乱は慣性モーメント同定誤差に影響しないことを示している。

図２および図３において、位置指令振幅ｒ０は０．００１［ｒａｄ］（位置検出器１０６の分解能が１７［ｂｉｔ］において２５［ｐｕｌｓｅ］程度）程度であり、トルク指令振幅は定格トルクＴｒａｔの０．２［％］程度であった。したがって、本発明によると微小動作のみで制御対象１０５の慣性モーメントを同定でき、さらに負荷慣性モーメントの大きな制御対象に対しても適用可能であることを示している。

本実施例のモータ制御装置の構成は、速度制御器１０３をＰ制御とするほかは第１実施例と同じであるので、構成の詳細な説明を省略する。
以下、慣性モーメント同定器１０８が、慣性モーメント同定値を算出する仕組みについて説明する。
速度制御器１０３をＰ制御とし、制御対象１０５の慣性モーメントをＪ、粘性摩擦をＤ、モータ位置をθ、複数の周波数成分を含む位置指令をｒ、一定トルク外乱をｗ、位置Ｐ制御ゲインをＫｐ、速度Ｐ制御ゲインをＫｖｊとすると、位置制御器１０２、速度制御器１０３、トルク制御器１０４、制御対象１０５、位置検出器１０６、微分器１０７を含む閉ループ系の運動方程式は、式（１２）で表される。

第１実施例と同様に、位置指令ｒの周波数ω１における周波数成分を第１位置指令とすると、前記第１位置指令に対するモータ位置θの位相である第１モータ位置位相φ１は、式（１３）であらわされる。

同様に、位置指令ｒの周波数ω２における周波数成分を第２位置指令とすると、前記第２位置指令に対するモータ位置θの位相である第２モータ位置位相φ２は、式（１４）であらわされる。

式（１３）と式（１４）より粘性摩擦Ｄを消去すると、式（１５）を得る。

第１実施例の式（７）と同様に第１正規化モータ位置偏差を求め、その振幅である第１正規化モータ位置偏差振幅α_１は、式（１６）と求められる。

第１モータ位置位相正接は第１正規化モータ位置偏差振幅α１を用いて式（１７）と表される。

同様に、第２モータ位置位相正接は第２正規化モータ位置偏差振幅α２を用いて式（１８）と表される。

図１の慣性モーメント同定器１０８は、式（１５）、式（１７）、式（１８）を用いて制御対象１０５の総慣性モーメントを算出するのである。

式（１５）は粘性摩擦Ｄを含まないので、制御対象１０５の粘性摩擦が大きい場合にも高精度に慣性モーメント同定ができる。また、式（１５）は一定トルク外乱ｗを含まないので、負荷の連結したモータである制御対象１０５の姿勢に影響を受けることなく、高精度に慣性モーメント同定ができる。また、式（１５）において、前記第１モータ位置位相正接および前記第２モータ位置位相正接はともに、分母と分子に対になってあらわれるので、前記第１モータ位置および前記第２モータ位置の波形が位置検出器１０６の分解能、非線形摩擦、バックラッシなどの影響により劣化し、前記第１モータ位置位相正接および前記第２モータ位置位相正接が誤差を含む場合にも、その影響は相殺し同定精度を損なわない。
したがって、制御対象１０５を微小動作させる場合にも適用でき、可動範囲の限定された制御対象１０５に対しても適用可能である。

本実施例のモータ制御装置の構成は、速度制御器１０３をＩ−Ｐ制御とするほかは第１実施例または第２実施例と同じであるので、構成の詳細な説明を省略する。
以下、慣性モーメント同定器１０８が慣性モーメント同定値を算出する仕組みについて説明する。
速度制御器１０３をＩ−Ｐ制御とし、制御対象１０５の慣性モーメントをＪ、粘性摩擦をＤ、モータ位置をθ、位置指令をｒ、一定トルク外乱をｗ、位置Ｐ制御ゲインをＫｐ、速度Ｐ制御ゲインをＫｖｊ、速度制御積分時定数をＴｉとすると、位置制御器１０２、速度制御器１０３、トルク制御器１０４、制御対象１０５、位置検出器１０６、微分器１０７を含む閉ループ系の運動方程式は式（１９）で表される。

速度制御器１０３がＩ−Ｐ制御であり積分制御を含むので、一定トルク外乱ｗは式（１９）には現われない。
第１実施例と同様に、位置指令ｒの周波数ω１における周波数成分を第１位置指令とすると、前記第１位置指令に対するモータ位置θの位相である第１モータ位置位相φ１は、式（２０）であらわされる。

同様に、位置指令ｒの周波数ω２における周波数成分を第２位置指令とすると、前記第２位置指令に対するモータ位置θの位相である第２モータ位置位相φ２は、式（２１）であらわされる。

式（２０）と式（２１）より粘性摩擦Ｄを消去すると式（２２）を得る。

第１実施例の式（７）と同様に第１正規化モータ位置偏差を求め、その振幅である第１正規化モータ位置偏差振幅α１は、式（２３）と求められる。

第１モータ位置位相正接は第１正規化モータ位置偏差振幅α１を用いて式（２４）と表される。

同様に、第２モータ位置位相正接は第２正規化モータ位置偏差振幅α２を用いて式（２５）と表される。

図１の慣性モーメント同定器１０８は、式（２２）、式（２４）、式（２５）を用いて制御対象１０５の総慣性モーメントを算出する。

式（２２）は粘性摩擦Ｄを含まないので、制御対象１０５の粘性摩擦が大きい場合にも高精度に慣性モーメント同定ができる。また、式（２２）は一定トルク外乱ｗを含まないので、負荷の連結したモータである制御対象１０５の姿勢に影響を受けることなく、高精度に慣性モーメント同定ができる。また、式（２２）において、前記第１モータ位置位相正接および前記第２モータ位置位相正接はともに、分母と分子に対になってあらわれるので、前記第１モータ位置および前記第２モータ位置の波形が位置検出器１０６の分解能、非線形摩擦、バックラッシなどの影響により劣化し、前記第１モータ位置位相正接および前記第２モータ位置位相正接が誤差を含む場合にも、その影響は相殺し同定精度を損なわない。
したがって、制御対象１０５を微小動作させる場合にも適用でき、可動範囲の限定された制御対象１０５に対しても適用可能である。

なお、本発明と同じ作用効果（摩擦や一定トルク外乱が存在する場合に、負荷の連結したモータの慣性モーメントを微小動作のみで精度良く同定することができ、その同定結果に基づいて高速高精度制御を実施できる）をもつ技術に、同出願人の特願２００７−２０６２７（以下、他の出願という）がある。

他の出願には、「位置指令を発生する位置指令発生器と、モータ位置を検出する位置検出器と、前記位置指令と前記モータ位置とに基づいて速度指令を演算する位置制御器と、前記速度指令に基づいてトルク指令を演算する速度制御器と、負荷を連結したモータである制御対象の慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定器とを備えた慣性モーメント同定装置において、前記慣性モーメント同定器が、前記位置指令と前記モータ位置との位相差に基づいて前記慣性モーメントを同定することを特徴とする慣性モーメント同定装置」が記載されている（請求項１参照）。

具体的には、「前記速度制御器が、第１および第２の速度比例制御ゲインである第１速度比例制御ゲインおよび第２速度比例制御ゲインを有し、前記慣性モーメント同定器が、前記第１速度比例制御ゲインで前記制御対象を駆動した場合に第１モータ位置を出力し、前記第２速度比例制御ゲインで前記制御対象を駆動した場合に第２モータ位置を出力する切替器と、前記第１モータ位置を設定長記憶して第１モータ位置記憶値を出力する第１モータ位置記憶器と、前記第２モータ位置を設定長記憶して第２モータ位置記憶値を出力する第２モータ位置記憶器と、前記位置指令と前記第１モータ位置記憶値との位相差に基づいて第１モータ位置位相を演算して出力する第１モータ位置位相演算器と、前記位置指令と前記第２モータ位置記憶値との位相差に基づいて第２モータ位置位相を演算して出力する第２モータ位置位相演算器と、前記第１モータ位置位相と前記第２モータ位置位相とに基づいて慣性モーメント同定値を演算する慣性モーメント演算器と、を有すること」が記載されており（請求項３参照）、更に、前記「慣性モーメント同定装置を備えることを特徴とするモータ制御装置」が記載されている（請求項５参照）。

本発明と他の出願との構成を対比すれば、他の出願における速度制御器、切替器、モータ位置位相演算器、慣性モーメント演算器と、本発明における制御器の速度制御器、周波数成分分離器、モータ位置位相正接演算器、慣性モーメント演算器とは、その具体的な態様が異なること、すなわち同じ作用効果を奏するものの、本発明と他の出願とは異なる構成であることは明らかである。

負荷が連結したモータの慣性モーメントを微小動作のみで同定できるので、半導体製造装置、工作機械、産業用ロボットなどの一般産業用機械に広く適用できる。

Claims (15)

1. 位置指令を発生する位置指令発生器と、モータ位置を検出する位置検出器と、前記位置指令と前記モータ位置とに基づいて速度指令を演算する位置制御器と、前記速度指令に基づいてトルク指令を演算する速度制御器と、負荷の連結したモータである制御対象の慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定器と、その同定結果である慣性モーメント同定値に基づいて前記モータ位置が前記位置指令に追従するように制御するモータ制御装置において、
   前記慣性モーメント同定器が、複数の周波数成分を含む前記位置指令と、その各周波数成分である位置指令周波数成分に対する前記モータ位置との相対位相の正接であるモータ位置位相正接に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記位置制御器がＰ制御器であって、
   前記速度制御器が、ＰＩ制御器、Ｐ制御器、Ｉ−Ｐ制御器のうち、いずれか１つであることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記位置指令発生器が、数千分の１回転程度の微小振幅な前記位置指令を発生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. 前記慣性モーメント同定器における、複数の周波数成分を含む前記位置指令が、前記制御対象の***振周波数より十分に低い異なる周波数の正弦波を偶数個足し合わせたものであることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
5. 前記慣性モーメント同定器が、前記位置指令周波数成分に対する前記モータ位置の周波数成分であるモータ位置周波数成分に分離する周波数成分分離器と、
   前記位置指令と、前記モータ位置周波数成分とに基づいて、前記モータ位置周波数成分に対する前記モータ位置位相正接を算出するモータ位置位相正接演算器と、
   前記モータ位置位相正接に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出する慣性モーメント演算器と、を有することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
6. 前記周波数成分分離器が、前記モータ位置周波数成分を、ＦＦＴを用いて分離することを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
7. 前記周波数成分分離器が、前記モータ位置周波数成分を、周波数範囲の連続した複数のバンドパスフィルタを用いて分離することを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
8. 前記慣性モーメント演算器が、前記位置指令の含む複数の周波数である位置指令周波数と前記モータ位置位相正接の乗算値と、前記モータ位置位相正接の前記位置指令周波数による除算値に基づいて前記慣性モーメント同定値を算出することを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
9. 位置指令を発生する位置指令発生器と、モータ位置を検出する位置検出器と、前記位置指令と前記モータ位置とに基づいて速度指令を演算する位置制御器と、前記速度指令に基づいてトルク指令を演算する速度制御器と、負荷の連結したモータである制御対象の慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定器と、その同定結果である慣性モーメント同定値に基づいて前記モータ位置が前記位置指令に追従するように制御するモータ制御装置の慣性モーメント同定方法において、
   前記位置指令発生器が、複数の周波数成分を含む前記位置指令を発生し、
   前記慣性モーメント同定器が、前記位置指令と、前記位置指令の各周波数成分である位置指令周波数成分に対する前記モータ位置との相対位相の正接であるモータ位置位相正接に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出する、という手順で処理することを特徴とするモータ制御装置の慣性モーメント同定方法。
10. 前記慣性モーメント同定値を算出する処理が、前記位置制御器をＰ制御器、前記速度制御器をＰＩ制御器、Ｐ制御器、Ｉ−Ｐ制御器のうち、いずれか１つを用いることを特徴とする請求項９記載のモータ制御装置の慣性モーメント同定方法。
11. 前記位置指令を発生する処理が、前記制御対象の***振周波数より十分に低い異なる周波数の正弦波を偶数個足し合わせた前記位置指令発生することを特徴とする請求項９記載のモータ制御装置の慣性モーメント同定方法。
12. 前記慣性モーメント値を算出する処理が、前記位置指令の各周波数成分である位置指令周波数成分に対する前記モータ位置の周波数成分であるモータ位置周波数成分に分離し、
    前記位置指令と、前記モータ位置周波数成分とに基づいて、前記モータ位置位相正接を算出し、
    前記モータ位置位相正接に基づいて、前記慣性モーメント同定値を算出することを特徴とする請求項９記載のモータ制御装置の慣性モーメント同定方法。
13. 前記モータ位置周波数成分に分離する処理が、前記モータ位置周波数成分を、ＦＦＴを用いて分離することを特徴とする請求項１２記載のモータ制御装置の慣性モーメント同定方法。
14. 前記モータ位置周波数成分に分離する処理が、前記モータ位置周波数を、周波数範囲の連続した複数のバンドパスフィルタを用いて分離することを特徴とする請求項１２記載のモータ制御装置の慣性モーメント同定方法。
15. 前記慣性モーメント同定値を算出する処理が、前記位置指令の含む複数の周波数である位置指令周波数と前記モータ位置位相正接の乗算値と、前記モータ位置位相正接の前記位置指令周波数による除算値に基づいて前記慣性モーメント同定値を算出することを特徴とする請求項９記載のモータ制御装置の慣性モーメント同定方法。