JP2007129789A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルクを推定できるようにし、精度よくイナーシャをオンラインで同定することができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】上位コントローラからの速度指令と、モータの位置検出器から得られる位置情報の差分あるいは速度検出器から得られる速度情報のフィードバックに基づき、モータへのトルク指令を生成する速度制御器と、該トルク指令を基にモータに流れる電流を制御する電流指令値に換算する電流制御器と、モータと負荷の総イナーシャを同定するイナーシャ同定演算装置とを備えたモータ制御装置において、該イナーシャ同定演算装置は、外乱オブザーバ部４１によりトルク指令とモータ速度から外乱推定値を算出し、外乱トルク推定部４３により外乱推定値とモータ速度から外乱トルク推定値を算出し、イナーシャ同定部４２により外乱トルク推定値とモータ速度とトルク指令からイナーシャを同定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、外乱トルクおよびイナーシャをオンライン同定するモータ制御装置に関する。

従来、モータ制御装置において、モータを駆動する際、電流を適応同定側によりオンラインでイナーシャを同定するために、オブザーバによる外乱推定値をそのまま外乱トルクとみなしている（例えば、非特許文献１参照）。

図１は一般のイナーシャ同定演算装置を有するモータ制御装置の構成を示すブロック図であり、従来および後述する本発明に共通な説明図として示したものである。
図１において、１は負荷を動かすためのモータ、２はモータ１の速度制御を行うための速度制御器であり、上位コントローラ（図示せず）または位置制御器（図示せず）から受取った速度指令と、モータ１に直結された位置検出器（エンコーダ；図示せず）から得られる位置情報の差分や速度検出器（タコジェネレータ；図示せず）から得られる速度情報のフィードバックに基づいて、モータへのトルク指令を生成する。
また、３は電流制御器であり、速度制御器２で得られたトルク指令をもとに電流指令値に換算し、モータに流れる電流がその指令値通りになるように電流を制御する。４はイナーシャ同定演算装置であり、モータの動作中に情報を取得し、該情報を用いてモータ１および負荷の総イナーシャを同定する。なお、Ｋｔはモータの発生するトルクとモータコイルに流れる電流の関係を表すトルク定数を表わし、Ｊはモータおよび負荷の総イナーシャを表わしている。

図５は従来のイナーシャを同定するイナーシャ同定演算装置の構成とその処理内容を説明したブロック図である。
図５のイナーシャ同定演算装置においては、４１は外乱オブザーバ部、４２はイナーシャ同定部である。はじめに外乱オブザーバ部４１により外乱推定値を算出する。ただしこの

は、イナーシャ誤差外乱を含む式（１）に示す値に収束する。Ｔ_ｄは外乱トルク、ａは加速度、Ｊ_ｎは外乱オブザーバで用いられるノミナルイナーシャを表す。

次に、イナーシャ同定部４２で外乱推定値を用いてイナーシャ同定値を算出する。

このように、従来のイナーシャ同定演算装置では、オブザーバによる外乱推定値をそのまま外乱トルクとして使用する、という手順がとられていた。
電気学会論文誌Ｄ編、１１４巻４号、１９９４年、堀洋一・亀井宏映著「低精度エンコーダを用いるサーボモータの高性能制御（瞬時速度オブザーバと慣性モーメントの同定）」（本文４２４頁〜４３１頁）

従来のイナーシャ同定演算装置で外乱トルクおよびイナーシャを同定する際、オブザーバによる外乱推定値をそのまま外乱トルクとみなしてイナーシャの同定を行うという手順をとっているが、オブザーバによる外乱推定値にはイナーシャ誤差外乱が含まれるので、そのまま外乱トルクとして用いるとオブザーバで用いているノミナルイナーシャが同定されてしまうという問題があった。そこで外乱トルクと同時にイナーシャも同定して少しずつイナーシャ同定値を更新していく方法がとられるが、収束性の解析が困難であり、安定性が保証されないという問題があった。

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、イナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルクを推定すると共に、外乱トルク推定値を用いることで精度よくイナーシャをオンラインで同定することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、負荷を動かすためのモータと、上位コントローラまたは位置制御器より得られた速度指令と、前記モータに直結された位置検出器から得られる位置情報の差分あるいは速度検出器から得られる速度情報のフィードバックに基づいて、前記モータへのトルク指令を生成する速度制御器と、前記速度制御器で得られたトルク指令を基に前記モータに流れる電流を制御するための電流指令値に換算する電流制御器と、前記モータの動作中に情報を取得し、該情報を用いて前記モータおよび前記負荷の総イナーシャを同定するイナーシャ同定演算装置と、を備えたモータの制御装置において、前記イナーシャ同定演算装置は、前記モータから出力される速度信号と前記トルク指令から外乱推定値を算出する外乱オブザーバ部と、前記モータの速度信号と前記外乱推定値からイナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値を算出する外乱トルク推定部と、前記モータ速度信号および前記トルク指令並びに前記外乱トルク推定値から前記総イナーシャ同定値を算出するイナーシャ同定部と、を備えたことを特徴としている。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記外乱トルク推定部は、外乱トルクＴ_ｄをモータ速度ωが正のときと負のときでそれぞれ以下のモータ速度の一次式で表し、モータ速度ωが正のときの粘性係数Ｄｐと、モータ速度ωが正のときの定数項Ｃｐと、モータ速度ωが負のときの粘性係数Ｄｎと、モータ速度ωが負のときの定数項Ｃｎを適応同定則により算出することを特徴としている。

また、請求項３の発明は、請求項１または２に記載のモータ制御装置において、前記外乱トルク推定部は、閾値を設定し、モータ加速度の絶対値が閾値より小さいときのみ外乱トルク推定処理を行うことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、イナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値をオンラインで算出することにより、精度よくイナーシャ同定値を算出することができる。

また、請求項２に記載の発明によると、クーロン摩擦がある場合でも精度よくイナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値を算出することができる。

また、請求項３に記載の発明によると、オブザーバの外乱推定値に対するイナーシャ誤差外乱の割合が小さいときの情報のみを用いてイナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値を算出することができ、精度のよい外乱トルク推定値を算出することができる。

以下、本発明の実施例について、図に基づいて具体的に説明する。

本発明の実施例を示すモータ制御装置の構成は、図１で示した従来の装置と基本的に同じであるためその説明を省略し、モータ制御装置の構成の中で従来技術とは異なるイナーシャ同定演算装置の処理についてのみ説明する。

図２は本発明の実施例を示すイナーシャを同定するイナーシャ同定演算装置の構成とその処理内容を示すブロック図である。
図において、４３は外乱トルク推定部である。

本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、イナーシャ同定演算装置４は、モータ１から出力される速度信号とトルク指令から外乱推定値を算出する外乱オブザーバ部４１と、モータ１の該速度信号と該外乱推定値からイナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値を算出する外乱トルク推定部４３と、モータ１の速度信号および該トルク指令並びに該外乱トルク推定値から総イナーシャ同定値を算出するイナーシャ同定部４２とを備えた点である。以下、図２に示す構成に基づき、イナーシャ同定方法について簡単に説明する。
はじめに外乱オブザーバ部４１により外乱推定値を算出する際、この

は、イナーシャ誤差外乱を含む式（１）に示す値に収束する。

次に外乱トルク推定部４３で、イナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値を求める。この部分の詳細は後述する。

次にイナーシャ同定部４２で外乱トルク推定値を用いてイナーシャ同定値を算出する。イナーシャの同定方法は様々な方法が考案されているが、例えば以下の適応同定式を用いることができる。ただし、γは定数で、適当に調整する。例えばγ＝１×１０^−８とすればよい。Ｔ_ｄｍは外乱トルク推定部４３で求めた外乱トルク推定値、Ｔ_ｒｅｆはトルク指令、ａは加速度を表す。ｋは初期値０の整数で、同定周期ごとに１ずつ増える。

これらの外乱オブザーバ部４１からイナーシャ同定部４３までの処理を適応同定則の周期ごとに繰り返す。適応同定則の周期はモータの制御周期と同じでなくてもよく、たとえばモータ制御周期の１０倍とすればよい。

図４は、本発明の実施例を示す外乱トルクモデルを表すグラフである。これは一般に想定される粘性摩擦、クーロン摩擦、一定外乱を足し合わせたモデルである。外乱トルクＴ_ｄをモータ速度ωが正のときと負のときでそれぞれモータ速度の一次式で表し、モータ速度が正のときの粘性係数Ｄｐと、モータ速度が正のときの定数項Ｃｐと、モータ速度が負のときの粘性係数Ｄｎと、モータ速度が負のときの定数項Ｃｎを用いて、式（３）のようにモデル化する。粘性係数はＤｐ＝Ｄｎとしてもよい。

図３は、本発明の実施例を示す外乱トルク推定部の処理の詳細手順を示すフローチャートである。この図を用いて上記図２示す外乱トルク推定部４３の処理の詳細を説明する。
まず、ステップＳＴ３０でｋに１を足す。次にステップＳＴ３１でオブザーバによる外乱推定値とモータ速度を取得する。次にステップＳＴ３２でモータ速度の差分によりモータ加速度を算出する。モータ速度分解能が低く、差分値が大きく変動する場合はローパスフィルタをかけてもよい。次にステップＳＴ３３でモータ加速度と設定した閾値とを比較し、モータ加速度が閾値より小さいときはステップＳＴ３４、モータ加速度が閾値より大きいときはステップＳＴ３５に移る。（１）式からわかるように、加速度ａが小さいときには第２項を０と見なすことができ、オブザーバによる外乱推定値は外乱トルクと一致する。そのため、ある閾値を設定しておき、それよりモータ加速度が小さくなったときのみ外乱オブザーバの値から外乱トルクを適応同定するのである。ステップＳＴ３４ではモータ速度の正負の判別を行い、モータ速度が正のときはステップＳＴ３６、モータ速度が負のときはステップＳＴ３７に移る。ステップＳＴ３６、ステップＳＴ３７ではイナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値を以下の適応同定則による式（４）から（８）より求める。どちらも同じ式により求められるため、以下Ｄ、Ｃを用いて説明する。ステップＳＴ３６ではＤ＝Ｄｐ、Ｃ＝Ｃｐであり、ステップＳＴ３７ではＤ＝Ｄｎ、Ｃ＝Ｃｎである。ただしγ_０は適当な正の定数であり、例えばγ_０＝０．１とすればよい。

最後にステップＳＴ３８、ステップＳＴ３９で、算出されたＤ、Ｃを用いて（３）式により外乱トルクＴ_ｄｍを算出する。

また、モータ加速度が閾値より大きいときのステップＳＴ３５ではモータ速度の正負の判別を行い、モータ速度が正のときはステップＳＴ３８、モータ速度が負のときはステップＳＴ３９に移る。適応同定は行わず、前回のＤ、Ｃを更新せずに用いて（３）式により外乱トルクＴ_ｄを算出する。

上述の適応同定則による式は以下のような固定トレース法の一般式から導出したものである。出力ｙ（ｉ）が次式で与えられるシステムを考える。

ただし、θは推定したいパラメータベクトル、ζは入手可能な信号ベクトル、ｗは平均値０のノイズを表す。このとき以下の固定トレース法の一般式により

を適応同定できることが知られている。

式（１０）から式（１３）で、

（加速度が小さいときのオブザーバによる外乱トルク推定値）とおくことにより式（４）から式（８）の適応同定則による式が得られる。

このように、イナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値を算出してからイナーシャ同定値を算出するので、外乱トルクがある場合でも精度よくイナーシャのオンライン同定ができるのである。

イナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値を算出してからイナーシャ同定値を算出するので、外乱トルクがある場合でも精度よくイナーシャのオンライン同定ができて、サーボモータのオンラインイナーシャ同定とその推定値を用いた制御パラメータのオートチューニング、産業用ロボットのイナーシャオンライン同定という用途にも適用できる。

一般のイナーシャ同定演算装置を有するモータ制御装置の構成を示すブロック図であり、従来および後述する本発明に共通な説明図として示したもの 本発明の実施例を示すイナーシャを同定するイナーシャ同定演算装置の構成とその処理内容を説明したブロック図 本発明の実施例を示す外乱トルク推定部の処理の詳細手順を示すフローチャート 本発明の実施例を示す外乱トルクモデルを表すグラフ 従来のイナーシャを同定するイナーシャ同定演算装置の構成とその処理内容を説明したブロック図

符号の説明

１ モータ、
２ 速度制御器、
３ 電流制御器、
４ イナーシャ同定演算装置、
４１ 外乱オブザーバ部
４２ イナーシャ同定部
４３ 外乱トルク推定部
Ｋｔ トルク定数、
Ｊ モータおよび負荷の総イナーシャ

Claims (3)

1. 負荷を動かすためのモータと、
   上位コントローラまたは位置制御器より得られた速度指令と、前記モータに直結された位置検出器から得られる位置情報の差分あるいは速度検出器から得られる速度情報のフィードバックに基づいて、前記モータへのトルク指令を生成する速度制御器と、
   前記速度制御器で得られたトルク指令を基に前記モータに流れる電流を制御するための電流指令値に換算する電流制御器と、
   前記モータの動作中に情報を取得し、該情報を用いて前記モータおよび前記負荷の総イナーシャを同定するイナーシャ同定演算装置と、
   を備えたモータの制御装置において、
   前記イナーシャ同定演算装置は、前記モータから出力される速度信号と前記トルク指令から外乱推定値を算出する外乱オブザーバ部と、
   前記モータの速度信号と前記外乱推定値からイナーシャ誤差外乱を含まない外乱トルク推定値を算出する外乱トルク推定部と、
   前記モータ速度信号および前記トルク指令並びに前記外乱トルク推定値から前記総イナーシャ同定値を算出するイナーシャ同定部と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記外乱トルク推定部は、外乱トルクＴ_ｄをモータ速度ωが正のときと負のときでそれぞれ以下のモータ速度の一次式で表し、モータ速度ωが正のときの粘性係数Ｄｐと、モータ速度ωが正のときの定数項Ｃｐと、モータ速度ωが負のときの粘性係数Ｄｎと、モータ速度ωが負のときの定数項Ｃｎを適応同定則により算出することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
   
3. 前記外乱トルク推定部は、閾値を設定し、モータ加速度の絶対値が閾値より小さいときのみ外乱トルク推定処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。