WO2018163655A1 - モータ制御装置、モータ制御システム、暴走状態検出方法、およびプログラム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a motor control device that detects motor runaway.
- the servo motor may run into a runaway state where it accelerates in the direction opposite to the command due to miswiring of the servo motor.
- One method of detecting such a runaway is a method of judging that the runaway state occurs when the servomotor is accelerating and the torque command to the servomotor is different from the acceleration direction of the servomotor.
- erroneous detection occurs when the motor is moved due to an offset or an offset load.
- Patent Document 1 monitors the speed when the servo motor starts accelerating, compares the speed with the displacement speed that is the peak speed, and updates the displacement speed and the servo motor if the speed is larger than the displacement speed. Runaway detection is performed.
- this method has a problem that runaway cannot be detected until the motor speed exceeds the peak speed, and it takes time to detect runaway especially when the inertia load is large. Also, erroneous detection may occur when unstable oscillation occurs due to the gain setting of the controller.
- An object of the present invention is to detect motor runaway in a short time while suppressing erroneous detection.
- the sign of the motor jerk (also referred to as jerk or jerk) is compared with the sign of the torque command differential value. If it continues for more than this, it will be judged as a runaway state.
- the motor control device is a motor control device that controls the motor by generating a torque command so that the detected speed of the motor matches the command speed, Torque command differentiating means for differentiating to obtain a torque command differential value, motor actual speed second order differentiating means for obtaining motor jerk by second-order differentiation of the detected speed of the motor, sign of the motor jerk and the torque command And a runaway detection means for judging that the motor is in a runaway state when an abnormal state in which the sign of the differential value does not match continues for a predetermined time or longer.
- the motor control device can quickly detect the runaway of the motor without erroneous detection even when there is an offset load.
- the runaway detection means in this aspect compares the torque command differential value and the sign of the motor jerk at a predetermined time interval, and when the determination result that they are inconsistent is repeatedly detected a predetermined number of times, the motor is in a runaway state. Judgment can be made. For example, when the predetermined time is 10 milliseconds, code coincidence / non-coincidence is determined every other millisecond, and a runaway state may be determined when there is no continuous coincidence 10 times.
- the runaway detection means in this aspect is configured such that when the torque command is other than 0 and the torque command differential value is 0, the sign of the motor acceleration that is the first-order differential value of the motor and the torque command It is also preferable to determine that the state is abnormal even if the codes do not match.
- the runaway state detecting means regards the abnormal state based on the mismatch between the sign of the torque command differential value and the motor jerk and the abnormal state based on the mismatch between the torque command when the torque command is saturated and the motor acceleration as the same abnormal state, It may be determined that the motor has runaway when a state satisfying either one continues for a predetermined time or more. Alternatively, the runaway state detection means may regard these two runaway states as different, and may determine that the motor has runaway when one of the conditions continues for a predetermined time or longer.
- the runaway detection means in this aspect is the duration of the abnormal condition. May be reset to zero. Further, the runaway detection means according to the present aspect provides the motor acceleration when the torque command is other than 0 and the differential value of the torque command is 0 before the abnormal state continues for the predetermined time or more. If the sign of the torque command coincides with the sign of the torque command, the duration of the abnormal state may be reset to zero.
- the torque command differentiating means and the motor actual speed second-order differentiating means obtain a differential value after applying a low-pass filter to the input signal.
- the band of the differentiating means is not limited, the higher the frequency, the higher the gain and the greater the noise, which tends to cause false detection.
- the motor control device when the runaway detection unit detects the runaway state of the motor, interrupts current supply to the motor, uses a dynamic brake, or sets the torque command to 0. It is preferable to further include emergency stop means for stopping the motor by at least one of the methods.
- the motor when a motor runaway is detected, the motor can be stopped immediately.
- Another aspect of the present invention is a motor control device that controls the motor by generating a torque command so that the detected speed of the motor matches the commanded speed, and is a second-order differential value of the detected speed of the motor.
- the motor control device includes a runaway state detecting means.
- Still another aspect of the present invention is a motor control system including a motor and the motor control device described above.
- the present invention can be understood as a motor control device having at least a part of the above functions.
- the present invention can also be understood as a control method for executing at least a part of the above processing.
- the present invention can also be understood as a computer program for causing a computer to execute this method, or a computer-readable storage medium in which this computer program is stored non-temporarily.
- Each of the above means and processes can be combined with each other as much as possible to constitute the present invention.
- the motor controller can detect motor runaway in a short time while suppressing false detection.
- FIG. 1 is a block diagram of a motor control device according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a flowchart of a runaway state detection process in the first embodiment.
- FIG. 3 is a diagram for explaining detection of a runaway state at the time of incorrect wiring connection in the first embodiment.
- FIG. 4 is a diagram for explaining detection of a runaway state when a disturbance occurs in the first embodiment.
- FIG. 5 is a block diagram of a motor control device according to the second embodiment.
- FIG. 6 is a flowchart of a runaway state detection process in the second embodiment.
- FIG. 7 is a diagram for explaining a runaway detection process in the second embodiment.
- FIG. 8A is a diagram illustrating a differentiator according to the third embodiment.
- FIG. 8B is a view for explaining the effect of the low-pass filter of the differentiator in the third embodiment.
- FIG. 8C is a diagram illustrating a differentiator without a low-pass filter.
- FIG. 1 shows a schematic configuration of a motor control system in which a motor control device of the present invention is incorporated.
- the motor system includes a motor control device 1, a motor 2, and an encoder 3.
- the motor control device 1 has a function of generating a torque command so that the speed of the motor 2 matches a speed command from a controller (not shown) to control the motor 2 and detecting a runaway of the motor 2.
- the motor 2 is incorporated in the device as an actuator of various mechanical devices (not shown, for example, an arm or a transport device of an industrial robot).
- the motor 2 is an AC motor.
- the encoder 3 is attached to the motor 2 in order to detect the operation of the motor 2.
- the encoder 3 includes position information about the rotation position (angle) of the rotation shaft of the motor 2, information on the rotation speed of the rotation shaft, and the like.
- the encoder 3 can be a general incremental type encoder or absolute type encoder.
- the motor control device 1 includes a speed command input unit 11, a speed control unit 12, a current controller 13, a speed detector 14, a torque command differentiator 15, a motor actual speed second-order differentiator 16, a comparator 17, and a runaway state detection unit. 18 and a motor stop 19 are provided.
- the torque command differentiator 15, the motor actual speed second-order differentiator 16, the comparator 17, and the runaway state detection unit 18 are functional units for detecting the runaway of the motor 2.
- the speed command input unit 11 receives the command speed of the motor 2 from a controller (not shown).
- the speed detector 14 acquires the actual speed (detected speed) of the motor 2 based on the feedback signal from the encoder 3.
- the speed control unit 12 generates a torque command so that the command speed matches the detected speed.
- the current controller 13 turns on / off switching elements such as IGBTs based on the torque command, and supplies AC power to the motor 2.
- the torque command differentiator 15 receives the torque command generated by the speed control unit 12 and calculates its differential value (first-order differential value).
- the output of the torque command differentiator 15 is referred to as a torque command differential value.
- the actual motor speed second-order differentiator 16 receives the actual motor speed output from the speed detector 14 and calculates the second-order differential value.
- the second derivative of speed (first derivative of acceleration) is called jerk, jerk, jerk, and the like.
- the output of the motor actual speed second-order differentiator 16 is referred to as motor jerk.
- the comparator 17 receives the torque command differential value from the torque command differentiator 15 and the motor jerk from the motor actual speed second-order differentiator 16, and determines whether the signs of these values match. The comparison result by the comparator 17 is input to the runaway state detection unit 18.
- the runaway state detection unit 18 uses the comparison result by the comparator 17 to determine whether or not the motor 2 is in a runaway state. Specifically, the runaway state detection unit 18 determines that an abnormal state occurs when the sign of the torque command differential value and the motor jerk does not match, and when the abnormal state continues for a predetermined time or longer, the motor 2 Is determined to be in a runaway state. In FIG. 1, only the comparison result of the comparator 17 is input to the runaway state detection unit 18, but in actuality, the torque command value and the actual motor speed (detected speed) are input. The runaway state of the motor 2 is detected using these pieces of information. Details of the runaway state detection process will be described below with reference to a flowchart.
- the torque command differentiator 15, the motor actual speed second-order differentiator 16, the comparator 17, and the runaway state detection unit 18 may be implemented as a digital circuit or an analog circuit. These functional units may be realized by a combination of DSP (Digital Signal Processor), FGPA (Field Programmable Gate Array), MPU (Micro Processor Unit) and a program.
- DSP Digital Signal Processor
- FGPA Field Programmable Gate Array
- MPU Micro Processor Unit
- the motor stop unit 19 When the motor stop unit 19 receives a signal indicating that a runaway state is detected from the runaway state detection unit 18, the motor stop unit 19 performs an emergency stop. For example, the motor stop unit 19 either cuts off the current supply from the current controller 13 to the motor 2, uses a dynamic brake (regenerative brake), or sets the torque command to zero, or a plurality of these The motor 2 is stopped by the combination.
- the motor stop unit 19 either cuts off the current supply from the current controller 13 to the motor 2, uses a dynamic brake (regenerative brake), or sets the torque command to zero, or a plurality of these The motor 2 is stopped by the combination.
- FIG. 2 is a flowchart showing a runaway state detection process performed by the runaway state detection unit 18.
- the processing shown in FIG. 2 is periodically executed, and the execution interval may be arbitrary, but may be about 1 millisecond, for example.
- the runaway state detection unit 18 confirms that the motor detection speed is greater than or equal to the first threshold in step S11 and that the torque command is greater than or equal to the second threshold in step S12. .
- the determination in step S11 is for confirming that the motor is operating, and a sufficiently small value is set as the first threshold value.
- the determination in step S12 is a determination for avoiding erroneous detection, and for example, a value of about 10% of the rated torque is set as the second threshold value.
- step S11 If any of the determinations in steps S11 and S12 is not satisfied (S11-NO or S12-NO), the process proceeds to step S17, and the runaway state detection unit 18 counts that the abnormal state continues. Reset the abnormal duration to zero.
- step S13 the runaway state detection unit 18 determines whether the signs of the torque command differential value and the motor jerk are different. judge. This determination is made based on the output from the comparator 17.
- step S14 If the sign of the torque command differential value and the motor jerk is different (S13-YES), the process proceeds to step S14, and the runaway state detector 18 increments the abnormal duration. On the other hand, when the signs of the torque command differential value and the motor jerk coincide with each other (S13-NO), the process proceeds to step S17, and the runaway state detection unit 18 resets the abnormal duration to zero.
- step S15 the runaway state detection unit 18 determines whether or not the abnormal continuation time is equal to or greater than a third threshold value (predetermined time).
- the third threshold is a time during which it can be determined that the motor is running out of control when the mismatch between the sign of the torque command differential value and the motor jerk continues for the predetermined time or longer.
- the third threshold value for example, 10 milliseconds (10 in the counter value) can be adopted.
- the runaway state detection unit 18 ends the process while holding the determination. On the other hand, if the abnormal continuation time is greater than or equal to the third threshold (S14-YES), the process proceeds to step S16, and the runaway state detection unit 18 determines that the motor 2 is in a runaway state. When the runaway of the motor 2 is detected, the motor stop unit 19 performs an emergency stop measure for the motor 2.
- FIG. 3 shows (A) torque command value, (B) motor acceleration, (C) motor speed, (D) torque command differential value, and (E) motor when the motor control device 1 and the motor 2 are incorrectly connected. It is a figure which shows a jerk. In this case, the direction of the torque command and the rotation direction of the motor are reversed, and the speed control loop constitutes positive feedback. Therefore, the torque command increases with time, and the speed of the motor 2 also increases in the opposite direction.
- the runaway of the motor 2 can be detected quickly regardless of the magnitude of the load inertia of the motor. This is because, in the present embodiment, the condition that the motor speed exceeds the peak speed is not used as the condition for detecting runaway, and the condition is that the sign of the torque command differential value and the sign of the motor jerk are inconsistent. The sign of the torque command differential value and the sign of the motor jerk are different from those immediately after the motor is driven (T1). Therefore, the motor runaway can be detected at T2 after a predetermined time has elapsed from T1.
- FIG. 4 is a diagram showing (A) torque command value, (B) motor acceleration, (C) motor speed, (D) torque command differential value, and (E) motor jerk when there is a disturbance such as an eccentric load. It is. In this example, it is assumed that the motor held by the brake or the like is released from the holding state after the driving is started, and acceleration is generated by the offset load.
- the present embodiment can prevent erroneous detection that the motor is running out of control even though there is a disturbance such as an uneven load even though the motor is not running out of control.
- runaway can be detected quickly regardless of the load inertia of the motor, and erroneous detection when a disturbance occurs can be suppressed.
- FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the motor control device 1 according to the present embodiment. 5 that are substantially the same as the functional units shown in FIG. 1 are assigned the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
- the motor control device 1 includes a motor actual speed first-order differentiator 20 and a comparator 21 as compared with the first embodiment.
- the motor actual speed first-order differentiator 20 receives the motor actual speed output from the speed detector 14 and calculates the first-order differential value.
- the output of the motor actual speed first-order differentiator 20 is referred to as motor acceleration.
- the comparator 21 receives the torque command value from the speed control unit 12 and the motor acceleration from the motor actual speed first-order differentiator 20, and determines whether the signs of these values match. The comparison result by the comparator 21 is input to the runaway state detection unit 18.
- the runaway state detection unit 18 in this embodiment receives the comparison result of the comparator 21 and the torque command differential value from the torque command differentiator 15 in addition to the comparison result of the comparator 17.
- the runaway state detection process in the runaway state detection unit 18 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
- step S18 the runaway state detection unit 18 determines whether or not the torque command differential value is zero in step S18.
- the torque command differential value is not zero (S18-NO)
- the process proceeds to step S13, and the same determination as in the first embodiment is performed. In other words, if the sign of the torque command differential value and the motor jerk is different, it is determined that there is an abnormal state and the abnormal duration is incremented, and if not, the abnormal duration is reset to zero.
- step S ⁇ b> 19 the runaway state detection unit 18 determines whether the sign of the torque command value and the motor acceleration is different using the comparison result by the comparator 21. Although the torque command is saturated, the state where the rotation direction of the motor is opposite to the command is not a normal state. Therefore, if these codes are different, it is determined that the state is abnormal, and the process proceeds to step S14 to increment the abnormal duration. On the other hand, if these codes coincide with each other, it is determined that there is no abnormal state, and the process proceeds to step S17 to reset the abnormality continuation time to zero. The subsequent processing is the same as in the first embodiment.
- FIG. 7 shows (A) torque command value, (B) motor acceleration, (C) motor speed, and (D) torque when the torque command is saturated when the motor control device 1 and the motor 2 are incorrectly connected. It is a figure which shows a command differential value and (E) motor jerk.
- the sign of the torque command differential value and the motor jerk differs due to incorrect wiring.
- time until the torque command is saturated time from T7 to T8
- the differential value of the torque command becomes zero, and the motor jerk also becomes zero accordingly. Therefore, runaway detection based on the sign of these values cannot be performed.
- the torque command differential value when the torque command differential value is zero, the runaway of the motor can be detected by comparing the sign of the torque command with the sign of the motor acceleration.
- the runaway state detection unit 18 determines that the runaway state is present when the state in which either the determination in step S13 or the determination in step S19 is affirmed continues for a predetermined time or longer. However, the runaway state detection unit 18 regards the state in which step S13 is affirmed and the state in which step S19 is affirmed as different abnormal states, and when one of the abnormal states continues for a predetermined time or more, You may make it judge that there exists.
- Modification 1 In the above description of the embodiment, the example in which the motor speed control is performed has been described. However, the motor control device may perform position control. Although it is assumed that the motor control device 1 is a servo driver, the motor control device 1 may be an inverter. An example of the motor driven by the inverter is an induction motor.
- a band-limited differentiator 80 including a low-pass filter 81 and a differentiator 82 may be employed as shown in FIG. 8A.
- the band limiting differentiator 80 can limit the band of the differentiator 82 by obtaining a differential value after applying a low pass filter to the input signal.
- the band of the differentiator is not limited by the low-pass filter, the gain increases and the noise increases as the frequency increases as shown in FIG. 8C. Therefore, erroneous detection of a runaway state is likely to occur.
- FIG. 8B gain at a high frequency can be suppressed and noise can be reduced. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of erroneous detection of a runaway state caused by noise caused by differentiation.
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Abstract
モータ制御装置は、モータの検出速度が指令速度と一致するようにトルク指令を生成して前記モータを制御する。モータ制御装置は、前記トルク指令を微分してトルク指令微分値を得るトルク指令微分手段と、前記モータの検出速度を2階微分してモータ加加速度を得るモータ実速度2階微分手段と、前記モータ加加速度の符号と前記トルク指令微分値の符号と不一致である異常状態が所定時間以上継続した場合に、前記モータが暴走状態であると判断する暴走検出手段と、を備える。これにより、誤検出を抑制しつつ短時間でモータの暴走を検出できる。
Description
本発明は、モータの暴走を検出するモータ制御装置に関する。
サーボモータの誤配線などの理由から、サーボモータが指令とは逆方向に加速する暴走状態に陥ることがある。
このような暴走を検出する一つの手法は、サーボモータが加速中であるときに、サーボモータに対するトルク指令とサーボモータの加速方向が違う場合に暴走状態であると判断する手法である。しかしながら、オフセットや偏荷重などによってモータが動かされた場合には誤検出が起きるという課題があった。
特許文献1は、この課題に対処するために、サーボモータが加速し始めたら速度を監視し、速度をピーク速度である変位速度と比較し、変位速度よりも大きければ変位速度の更新とサーボモータの暴走検出を行う。しかしながら、この手法ではモータ速度がピーク速度を超えるまで暴走を検出することができず、特に慣性負荷が大きい場合に暴走検出に時間がかかるという問題がある。また、制御器のゲイン設定によって制御不安定の発振が生じた場合にも、誤検出を起こす可能性があった。
本発明は、誤検出を抑制しつつ短時間でモータの暴走を検出することを目的とする。
本発明においては、上記課題を解決するために、モータの加加速度(ジャークあるいは躍度とも称される)の符号と、トルク指令微分値の符号とを比較し、両者の符号の不一致が所定時間以上継続した場合に暴走状態であると判断する。
詳細には、本発明の一態様に係るモータ制御装置は、モータの検出速度が指令速度と一致するようにトルク指令を生成して前記モータを制御するモータ制御装置であって、前記トルク指令を微分してトルク指令微分値を得るトルク指令微分手段と、前記モータの検出速度を2階微分してモータ加加速度を得るモータ実速度2階微分手段と、前記モータ加加速度の符号と前記トルク指令微分値の符号とが不一致である異常状態が所定時間以上継続した場合に、前記モータが暴走状態であると判断する暴走検出手段と、を備える。
偏荷重などがある場合には、トルク指令とモータ加速度の符号は正常動作でも一致しないことはありうるが、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号は正常動作であれば一致する。したがって、本態様に係るモータ制御装置は、偏荷重がある場合であっても、モータの暴走を誤検出無く迅速に検出できる。
本態様における暴走検出手段は、所定の時間間隔でトルク指令微分値とモータ加加速度の符号を比較し、不一致であるという判定結果が所定回数繰り返し検出された場合に、モータが暴走状態にあると判断することができる。例えば、上記の所定時間を10ミリ秒とする場合、1ミリ秒おきに符号の一致/不一致を判定し、10回連続して不一致のときに暴走状態であると判定すればよい。
本態様における暴走検出手段は、前記トルク指令が0以外であり、かつ、前記トルク指令微分値が0であるときに、前記モータの1階微分値であるモータ加速度の符号と、前記トルク指令の符号とが不一致の場合にも、異常状態であると判断することも好ましい。
暴走中にトルク指令値が飽和する事態が想定される。その場合、トルク指令微分値は0となり、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号の比較では暴走を検出できない。そこで、トルク指令が0以外かつトルク指令微分値が0である場合には、モータ加速度の符号とトルク指令の符号によって暴走を検出するとよい。トルクが飽和しているにも関わらずモータ加速度とトルク指令が不一致である状態は正常動作ではないので、トルク飽和時にはモータ加速度とトルク指令の符号に基づく判定でも誤検出は生じない。
暴走状態検出手段は、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号の不一致に基づく異常状態と、トルク指令が飽和時のトルク指令とモータ加速度の不一致に基づく異常状態とを同じ異常状態と見なして、いずれか一方を満たす状態が所定時間以上継続した場合にモータが暴走したと判断してもよい。あるいは、暴走状態検出手段は、これら2つの暴走状態を異なるものと見なして、一方の条件が連続して所定時間以上継続した場合にモータが暴走したと判断してもよい。
本態様における暴走検出手段は、前記異常状態が前記所定の時間以上継続する前に、前記モータ加加速度の符号と前記トルク指令微分値の符号とが一致した場合には、前記異常状態の継続時間をゼロリセットしてもよい。また、本態様における暴走検出手段は、前記異常状態が前記所定の時間以上継続する前に、トルク指令が0以外であり、かつ、前記トルク指令の微分値が0であるときに、前記モータ加速度の符号と前記トルク指令の符号とが一致した場合には、前記異常状態の継続時間をゼロリセットしてもよい。
このような構成によれば、偶発的に発生した符号の不一致やノイズ等による符号の不一致による誤検出を除去できる。
本態様において、前記トルク指令微分手段および前記モータ実速度2階微分手段は、入力信号にローパスフィルタを適用してから微分値を求めることも好ましい。微分手段の帯域を制限しない場合、周波数が高くなるほどゲインが高くなりノイズが大きくなって誤検出が生じやすくなる。微分手段にローパスフィルタを設けて微分信号の帯域を制限することで、微分によって生じたノイズを原因とする誤検出を抑制できる。
本態様におけるモータ制御装置は、前記暴走検出手段によって前記モータの暴走状態が検出されたときに、前記モータへの電流供給を遮断する、ダイナミックブレーキを使用する、または前記トルク指令を0にする、の少なくともいずれかの手法により前記モータを停止させる非常停止手段をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、モータの暴走が検出されたときに、即座にモータを停止させることができる。
本発明の他の態様は、モータの検出速度が指令速度と一致するようにトルク指令を生成して前記モータを制御するモータ制御装置であって、前記モータの検出速度の2階微分値であるモータ加加速度の符号と、前記トルク指令の微分値の符号とが不一致の場合に異常状態であると判断し、前記異常状態が所定の時間以上継続した場合に前記モータが暴走状態であると判断する暴走状態検出手段を備える、ことを特徴とするモータ制御装置である。
本発明のさらに他の態様は、モータと、上記記載のモータ制御装置と、を備えるモータ制御システムである。
なお、本発明は、上記機能の少なくとも一部を有するモータ制御装置として捉えることができる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を実行する制御方法として捉えることもできる。また、本発明は、この方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム、あるいはこのコンピュータプログラムを非一時的に記憶したコンピュータ可読記憶媒体として捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
モータ制御装置が誤検出を抑制しつつ短時間でモータの暴走を検出できる。
(第1の実施形態)
[構成]
図1は、本発明のモータ制御装置が組み込まれるモータ制御システムの概略構成を示す。モータシステムは、モータ制御装置1とモータ2とエンコーダ3とを備える。モータ制御装置1は、モータ2の速度がコントローラ(不図示)からの速度指令に一致するようにトルク指令を生成してモータ2を制御するとともに、モータ2の暴走を検知する機能を有する。モータ2は、図示しない各種の機械装置(例えば、産業用ロボットのアームや搬送装置)のアクチュエータとして当該装置内に組み込まれている。例えば、モータ2は、ACモータである。エンコーダ3は、モータ2の動作を検出するためにモータ2に取り付けられる。エンコーダ3は、モータ2の回転軸の回転位置(角度)についての位置情報、その回転軸の回転速度の情報等を含む。エンコーダ3には一般的なインクリメンタル型エンコーダ、アブソリュート型エンコーダを用いることができる。
[構成]
図1は、本発明のモータ制御装置が組み込まれるモータ制御システムの概略構成を示す。モータシステムは、モータ制御装置1とモータ2とエンコーダ3とを備える。モータ制御装置1は、モータ2の速度がコントローラ(不図示)からの速度指令に一致するようにトルク指令を生成してモータ2を制御するとともに、モータ2の暴走を検知する機能を有する。モータ2は、図示しない各種の機械装置(例えば、産業用ロボットのアームや搬送装置)のアクチュエータとして当該装置内に組み込まれている。例えば、モータ2は、ACモータである。エンコーダ3は、モータ2の動作を検出するためにモータ2に取り付けられる。エンコーダ3は、モータ2の回転軸の回転位置(角度)についての位置情報、その回転軸の回転速度の情報等を含む。エンコーダ3には一般的なインクリメンタル型エンコーダ、アブソリュート型エンコーダを用いることができる。
モータ制御装置1のより具体的な構成について説明する。モータ制御装置1は、速度指令入力部11、速度制御部12、電流制御器13、速度検出器14、トルク指令微分器15、モータ実速度2階微分器16、比較器17、暴走状態検出部18、モータ停止部19を備える。これらの構成のうち、トルク指令微分器15、モータ実速度2階微分器16、比較器17、暴走状態検出部18が、モータ2の暴走を検出するための機能部である。
速度指令入力部11は、コントローラ(不図示)からモータ2の指令速度を受け取る。速度検出器14は、エンコーダ3からのフィードバック信号に基づいて、モータ2の実速度(検出速度)を取得する。速度制御部12は、指令速度と検出速度が一致するように、トルク指令を生成する。電流制御器13は、トルク指令に基づいて、IGBT等のスイッチング素子をオン・オフして、モータ2に交流電力を供給する。
トルク指令微分器15は、速度制御部12が生成するトルク指令を受け取り、その微分値(1階微分値)を算出する。以下では、トルク指令微分器15の出力を、トルク指令微分値と称する。
モータ実速度2階微分器16は、速度検出器14が出力するモータ実速度を受け取り、その2階微分値を算出する。速度の2階微分(加速度の1階微分)は、加加速度、躍度、ジャークなどと称される。以下では、モータ実速度2階微分器16の出力のことを、モータ加加速度と称する。
比較器17は、トルク指令微分器15からのトルク指令微分値と、モータ実速度2階微分器16からのモータ加加速度を受け取り、これらの値の符号が一致するか否かを判定する。比較器17による比較結果は暴走状態検出部18に入力される。
暴走状態検出部18は、比較器17による比較結果を用いて、モータ2が暴走状態にあるか否かを判断する。具体的には、暴走状態検出部18は、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号が不一致である場合に異常状態であると判断し、この異常状態が所定時間以上継続した場合に、モータ2が暴走状態にあると判断する。なお、図1においては、暴走状態検出部18には比較器17の比較結果のみが入力されるように示されているが、実際には、トルク指令値やモータ実速度(検出速度)が入力され、これらの情報も用いてモータ2の暴走状態検出を行う。暴走状態検出処理の詳細については、以下でフローチャートを参照しながら説明する。
トルク指令微分器15、モータ実速度2階微分器16、比較器17、および暴走状態検出部18は、デジタル回路として実装してもよいしアナログ回路として実装してもよい。また、これらの機能部を、DSP(Digital Signal Processor)やFGPA(Field Programmable Gate Array)やMPU(Micro Processor Unit)とプログラムとの組み合わせによって実現してもよい。
モータ停止部19は、暴走状態検出部18から暴走状態が検出された旨の信号を受け取ると、モータ2を非常停止する。モータ停止部19は、例えば、電流制御器13からモータ2への電流供給を遮断するか、ダイナミックブレーキ(回生ブレーキ)を使用するか、トルク指令をゼロにするかのいずれか、またはこれら複数の組み合わせによってモータ2を停止させる。
[処理]
図2は、暴走状態検出部18による暴走状態検出処理の流れを示すフローチャートである。図2に示す処理は定期的に実行され、その実行間隔は任意であってよいが例えば1ミリ秒程度とすることができる。
図2は、暴走状態検出部18による暴走状態検出処理の流れを示すフローチャートである。図2に示す処理は定期的に実行され、その実行間隔は任意であってよいが例えば1ミリ秒程度とすることができる。
まず、暴走状態検出の前提として、暴走状態検出部18は、ステップS11においてモータ検出速度が第1の閾値以上であること、およびステップS12においてトルク指令が第2の閾値以上であることを確認する。ステップS11における判定は、モータが動作中であることを確認するためのものであり、第1の閾値としては十分に小さな値を設定する。ステップS12における判定は、誤検出を避けるための判定であり、第2の閾値として例えば定格トルクの10%程度の値を設定する。
ステップS11およびS12のいずれかの判定を満たさない場合(S11-NOまたはS12-NO)は、ステップS17に進んで、暴走状態検出部18は、異常状態が継続していることをカウントするための異常継続時間をゼロリセットする。
ステップS11およびS12の判定を両方とも満たす場合(S11-YESおよびS12-YES)は、ステップS13に進んで、暴走状態検出部18は、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号が異なるかどうかを判定する。この判定は、比較器17からの出力に基づいて行われる。
トルク指令微分値とモータ加加速度の符号が異なる場合(S13-YES)は、ステップS14に進んで、暴走状態検出部18は、異常継続時間をインクリメントする。一方、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号が一致する場合(S13-NO)は、ステップS17に進んで、暴走状態検出部18は、異常継続時間をゼロにリセットする。
ステップS15では、暴走状態検出部18は、異常継続時間が第3の閾値(所定の時間)以上であるか否かを判定する。第3の閾値は、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号の不一致がこの所定の時間以上継続した場合に、モータが暴走していると判定できる時間である。第3の閾値として、例えば、10ミリ秒(カウンタの値では10)を採用できる。
異常継続時間が第3の閾値未満である場合(S14-NO)は、暴走状態検出部18は、判定を保留したまま処理を終了する。一方、異常継続時間が第3の閾値以上である場合(S14-YES)は、ステップS16に進んで、暴走状態検出部18は、モータ2が暴走状態にあると判断する。モータ2の暴走が検出された場合には、モータ停止部19によってモータ2の非常停止措置が実施される。
[動作例]
図3,図4を参照して、具体的なケースにおける暴走状態検出処理について説明する。
図3,図4を参照して、具体的なケースにおける暴走状態検出処理について説明する。
図3は、モータ制御装置1とモータ2の接続を誤った場合の、(A)トルク指令値、(B)モータ加速度、(C)モータ速度、(D)トルク指令微分値、(E)モータ加加速度を示す図である。この場合、トルク指令の方向とモータの回転方向が逆となり、速度制御ループが正帰還を構成する。したがって、トルク指令が時間とともに増加し、それに伴ってモータ2も逆方向に速度が増加する。
本実施形態では、モータの負荷慣性の大小にかかわらず、迅速にモータ2の暴走を検出できる。なぜならば、本実施形態は、モータ速度がピーク速度を超えることを暴走検出の条件としておらず、トルク指令微分値の符号とモータ加加速度の符号の不一致を条件としているからである。トルク指令微分値の符号とモータ加加速度の符号は、モータの駆動直後(T1)から異なり、したがって、T1から所定時間経過後のT2にはモータの暴走を検出できる。
図4は、偏荷重などの外乱がある場合の、(A)トルク指令値、(B)モータ加速度、(C)モータ速度、(D)トルク指令微分値、(E)モータ加加速度を示す図である。この例では、ブレーキなどによって保持されていたモータが駆動開始後に保持状態を解除され、偏荷重によって加速度が生じた場合を想定している。
偏荷重がある場合、トルク指令とモータ加速度の符号が一致しない場合がある。図の例では、駆動後からT3までの期間と、T6からT7までの期間において、トルク指令とモータ加速度の符号が一致しない。したがって、従来技術のようにトルク指令とモータ加速度の符号に基づいて暴走検出を行う場合には誤検出が生じる可能性がある。
しかしながら、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号は、全ての期間において一致する。したがって、本実施形態は、偏荷重などの外乱がある場合であっても、モータが暴走していないにもかかわらずモータが暴走していると誤って検出することを防止できる。
以上のように本実施形態によれば、モータの負荷慣性にかかわらず迅速に暴走を検出できるとともに、外乱が発生している場合の誤検出を抑制できる。
(第2の実施形態)
[構成]
第2の実施形態は、トルク指令が飽和した場合にもモータの暴走を検出可能とする。図5は、本実施形態に係るモータ制御装置1の構成を示す図である。図5に示す機能部のうち図1に示す機能部と実質的に同一のものについては、同一の参照番号を付してその詳細な説明を省略する。
[構成]
第2の実施形態は、トルク指令が飽和した場合にもモータの暴走を検出可能とする。図5は、本実施形態に係るモータ制御装置1の構成を示す図である。図5に示す機能部のうち図1に示す機能部と実質的に同一のものについては、同一の参照番号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態に係るモータ制御装置1は、第1の実施形態と比較して、モータ実速度1階微分器20および比較器21を備える。
モータ実速度1階微分器20は、速度検出器14が出力するモータ実速度を受け取り、その1階微分値を算出する。以下では、モータ実速度1階微分器20の出力を、モータ加速度と称する。
比較器21は、速度制御部12からのトルク指令値と、モータ実速度1階微分器20からのモータ加速度を受け取り、これらの値の符号が一致するか否かを判定する。比較器21による比較結果は暴走状態検出部18に入力される。
本実施形態における暴走状態検出部18は、比較器17の比較結果に加え、比較器21の比較結果およびトルク指令微分器15からのトルク指令微分値を受け取る。本実施形態の暴走状態検出部18における暴走状態検出処理について、図6を参照しつつ説明する。
[処理]
図6のフローチャートにおいて、図2に示す処理と実質的に同一のものについては、同一の参照番号を伏してその詳細な説明を省略する。本実施形態においては、ステップS11およびS12の判定を両方満たした場合に、暴走状態検出部18は、ステップS18においてトルク指令微分値がゼロであるか否かを判定する。トルク指令微分値がゼロではない場合(S18-NO)には、ステップS13に進んで第1の実施形態と同様の判定を行う。すなわち、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号が異なれば異常状態であると判断して異常継続時間をインクリメントし、そうでなければ異常継続時間をゼロリセットする。
図6のフローチャートにおいて、図2に示す処理と実質的に同一のものについては、同一の参照番号を伏してその詳細な説明を省略する。本実施形態においては、ステップS11およびS12の判定を両方満たした場合に、暴走状態検出部18は、ステップS18においてトルク指令微分値がゼロであるか否かを判定する。トルク指令微分値がゼロではない場合(S18-NO)には、ステップS13に進んで第1の実施形態と同様の判定を行う。すなわち、トルク指令微分値とモータ加加速度の符号が異なれば異常状態であると判断して異常継続時間をインクリメントし、そうでなければ異常継続時間をゼロリセットする。
一方、トルク指令微分値がゼロの場合(S18-YES)は、ステップS19に進む。ステップS19では、暴走状態検出部18は、比較器21による比較結果を用いて、トルク指令値とモータ加速度の符号が異なるか否かを判定する。トルク指令が飽和しているにもかかわらず、モータの回転方向が指令と逆である状態は正常状態とはいえない。したがって、これらの符号が異なる場合には異常状態であると判断してステップS14に進み、異常継続時間をインクリメントする。一方、これらの符号が一致する場合には異常状態ではないと判断してステップS17に進み、異常継続時間をゼロリセットする。以降の処理は第1の実施形態と同様である。
[動作例]
図7は、モータ制御装置1とモータ2の接続を誤った場合において、トルク指令が飽和するケースの、(A)トルク指令値、(B)モータ加速度、(C)モータ速度、(D)トルク指令微分値、(E)モータ加加速度を示す図である。誤配線によってトルク指令微分値とモータ加加速度の符号は異なる。ここでは、トルク指令が飽和するまでの時間(T7からT8の時間)が暴走検出のための閾値時間よりも短いと仮定する。T8以降はトルク指令の微分値がゼロとなり、またそれにしたがってモータ加加速度もゼロとなるので、これらの値の符号に基づく暴走検出は行えない。しかしながら、本実施形態では、トルク指令微分値がゼロのときには、トルク指令の符号とモータ加速度の符号を比較してモータの暴走を検出可能である。
図7は、モータ制御装置1とモータ2の接続を誤った場合において、トルク指令が飽和するケースの、(A)トルク指令値、(B)モータ加速度、(C)モータ速度、(D)トルク指令微分値、(E)モータ加加速度を示す図である。誤配線によってトルク指令微分値とモータ加加速度の符号は異なる。ここでは、トルク指令が飽和するまでの時間(T7からT8の時間)が暴走検出のための閾値時間よりも短いと仮定する。T8以降はトルク指令の微分値がゼロとなり、またそれにしたがってモータ加加速度もゼロとなるので、これらの値の符号に基づく暴走検出は行えない。しかしながら、本実施形態では、トルク指令微分値がゼロのときには、トルク指令の符号とモータ加速度の符号を比較してモータの暴走を検出可能である。
このように本実施形態では、トルク指令が飽和する場合であっても、モータの暴走を確実に検出できる。
本実施形態では、暴走状態検出部18は、ステップS13の判定またはステップS19の判定のいずれかが肯定される状態が所定の時間以上継続した場合に、暴走状態であると判断している。しかしながら、暴走状態検出部18は、ステップS13が肯定される状態とステップS19が肯定される状態をそれぞれ異なる異常状態とみなして、いずれかの異常状態が所定の時間以上継続する場合に暴走状態であると判断するようにしてもよい。
(変形例1)
上記の実施形態の説明において、モータの速度制御を行う例を説明したが、モータ制御装置は位置制御を行ってもよい。また、モータ制御装置1はサーボドライバであることを想定しているが、モータ制御装置1はインバータであってもよい。インバータにより駆動されるモータとしては、誘導モータを例示できる。
上記の実施形態の説明において、モータの速度制御を行う例を説明したが、モータ制御装置は位置制御を行ってもよい。また、モータ制御装置1はサーボドライバであることを想定しているが、モータ制御装置1はインバータであってもよい。インバータにより駆動されるモータとしては、誘導モータを例示できる。
(変形例2)
上記の実施形態における微分器(1階微分器、2階微分器)として、図8Aに示すように、ローパスフィルタ81と微分器82からなる帯域制限微分器80を採用してもよい。帯域制限微分器80は入力信号にローパスフィルタを適用してから微分値を求めることで、微分器82の帯域を制限できる。ローパスフィルタによって微分器の帯域を制限しない場合、図8Cに示すように周波数が高くなるほどゲインが高くなりノイズが多くなる。したがって、暴走状態の誤検出が発生しやすくなる。これに対して、ローパスフィルタによって微分器の帯域を制限することで、図8Bに示すように、高周波数におけるゲインを抑制できノイズを低減できる。したがって、微分によって生じるノイズを原因とした暴走状態の誤検出の発生を抑制できる。
上記の実施形態における微分器(1階微分器、2階微分器)として、図8Aに示すように、ローパスフィルタ81と微分器82からなる帯域制限微分器80を採用してもよい。帯域制限微分器80は入力信号にローパスフィルタを適用してから微分値を求めることで、微分器82の帯域を制限できる。ローパスフィルタによって微分器の帯域を制限しない場合、図8Cに示すように周波数が高くなるほどゲインが高くなりノイズが多くなる。したがって、暴走状態の誤検出が発生しやすくなる。これに対して、ローパスフィルタによって微分器の帯域を制限することで、図8Bに示すように、高周波数におけるゲインを抑制できノイズを低減できる。したがって、微分によって生じるノイズを原因とした暴走状態の誤検出の発生を抑制できる。
1・・・モータ制御装置
2・・・モータ
3・・・エンコーダ
11・・・速度指令入力部
12・・・速度制御部
13・・・電流制御器
14・・・速度検出器
15・・・トルク指令微分器
16・・・モータ実速度2階微分器
17・・・比較器
18・・・暴走状態検出部
19・・・モータ停止部
20・・・モータ実速度1階微分器
21・・・比較器
2・・・モータ
3・・・エンコーダ
11・・・速度指令入力部
12・・・速度制御部
13・・・電流制御器
14・・・速度検出器
15・・・トルク指令微分器
16・・・モータ実速度2階微分器
17・・・比較器
18・・・暴走状態検出部
19・・・モータ停止部
20・・・モータ実速度1階微分器
21・・・比較器
Claims (10)
- モータの検出速度が指令速度と一致するようにトルク指令を生成して前記モータを制御するモータ制御装置であって、
前記トルク指令を微分してトルク指令微分値を得るトルク指令微分手段と、
前記モータの検出速度を2階微分してモータ加加速度を得るモータ実速度2階微分手段と、
前記モータ加加速度の符号と前記トルク指令微分値の符号とが不一致である異常状態が所定時間以上継続した場合に、前記モータが暴走状態であると判断する暴走検出手段と、
を備える、モータ制御装置。 - 前記暴走検出手段は、前記異常状態が前記所定の時間以上継続する前に、前記モータ加加速度の符号と前記トルク指令微分値の符号とが一致した場合には、前記異常状態の継続時間をゼロリセットする、
請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記暴走検出手段は、前記トルク指令が0以外であり、かつ、前記トルク指令の微分値が0であるときに、前記モータの1階微分値であるモータ加速度の符号と、前記トルク指令の符号とが不一致の場合にも、異常状態であると判断する、
請求項1または2に記載のモータ制御装置。 - 前記暴走検出手段は、前記異常状態が前記所定の時間以上継続する前に、前記トルク指令が0以外であり、かつ、前記トルク指令の微分値が0であるときに、前記モータ加速度の符号と前記トルク指令の符号とが一致した場合には、前記異常状態の継続時間をゼロリセットする、
請求項3に記載のモータ制御装置。 - 前記トルク指令微分手段および前記モータ実速度2階微分手段は、入力信号にローパスフィルタを適用してから微分値を求める、
請求項1から4のいずれか1項に記載のモータ制御装置。 - 前記暴走検出手段によって前記モータの暴走状態が検出されたときに、前記モータへの電流供給を遮断する、ダイナミックブレーキを使用する、または前記トルク指令を0にする、の少なくともいずれかの手法により前記モータを停止させる非常停止手段をさらに備える、
請求項1から5のいずれか1項に記載のモータ制御装置。 - モータの検出速度が指令速度と一致するようにトルク指令を生成して前記モータを制御するモータ制御装置であって、
前記モータの検出速度の2階微分値であるモータ加加速度の符号と、前記トルク指令の微分値の符号とが不一致の場合に異常状態であると判断し、前記異常状態が所定の時間以上継続した場合に前記モータが暴走状態であると判断する暴走状態検出手段を備える、
ことを特徴とするモータ制御装置。 - モータと、
請求項1から7のいずれか1項に記載のモータ制御装置と、
を備えるモータ制御システム。 - モータの検出速度が指令速度と一致するようにトルク指令を生成して前記モータを制御するモータ制御装置が行うモータの暴走状態検出方法であって、
前記トルク指令を微分してトルク指令微分値を得るステップと、
前記モータの検出速度を2階微分してモータ加加速度を得るステップと、
前記モータ加加速度の符号と前記トルク指令微分値の符号と不一致である異常状態が所定時間以上継続した場合に、前記モータが暴走状態であると判断するステップと、
を含む、暴走状態検出方法。 - 請求項9に記載の方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
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