JP2004088937A

JP2004088937A - モータの負荷機械解析装置

Info

Publication number: JP2004088937A
Application number: JP2002248009A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kaneko; 金子　貴之
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】負荷機械の伝達特性の解析が、モータ駆動装置という限定されたスペースにおいても、幅広い周波数帯域で高精度で行えるようにすることにある。
【解決手段】近似白色ノイズ発生回路７が出力する近似白色ノイズをトルク指令値としてトルク制御回路８へ入力してモータ１を加振するとき、該モータ１に結合した位置発信器３が出力する位置信号を速度検出回路９で速度データに変換し、この速度データと近似白色ノイズをデータ行列としてその一定量を第１記録回路１０に一時的に保存し、これを第１通信線路５で外部の第２記録回路１１へ伝送する操作を繰返し、該第２記録回路１１に記録した複数のデータ行列に基づいて、トルク指令からモータ速度までの伝達特性を特性解析回路１２で解析する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータで駆動する負荷機械の伝達特性の解析機能を、その駆動装置に備えているモータの負荷機械解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
負荷機械をモータで駆動する場合に、制御の応答や機械共振の解析を目的にして、モータの発生トルクから速度までの伝達特性の解析が、近年では多く行われるようになってきている。モータに結合している負荷機械系の伝達特性を解析するにあたって、従来はサーボアナライザ等の専用の測定器を用いることが多かったが、高価であるし、測定に手間がかかるなどの不都合があることから、専用測定器を使用せずに伝達特性を解析する方法が採用されるようになった。
【０００３】
すなわち、幅広い周波数成分が均一に含まれている近似白色ノイズを発生させ、これの信号系列をトルク指令値にしてモータを一定時間加振させ、そのときのトルク指令とモータ速度の情報を、当該モータの駆動装置に内蔵している記憶回路に蓄積し、モータの加振が終了してから記憶回路の蓄積データを外部に取り出し、別途の計算機で伝達特性を解析する方法が、専用測定器に代わって多用されるようになっている。
【０００４】
図８はモータの負荷機械解析装置の回路構成の従来例を示したブロック回路図である。この図８において、モータ駆動装置４は近似白色ノイズ発生回路７とトルク制御回路８と速度検出回路９と記録回路１６で構成されており、その動作は次の通りである。すなわち近似白色ノイズ発生回路７は、Ｍ系列信号に代表される近似白色ノイズを出力する。この近似白色ノイズをトルク指令値としてトルク制御回路８へ与えることにより、トルク制御回路８はモータ１を加振して、これに結合している負荷機械２を駆動する。モータ１は例えば直流電動機や誘導電動機であって回転運動をするが、リニヤモータのように直線運動ををする場合であっても差し支えない。このモータ１にはパルスエンコーダなどの位置発信器３が結合されていて、当該モータ１の時々刻々の位置を検出しており、この位置信号は速度検出回路９で速度検出値に変換される。このとき、前述のトルク指令値（すなわち近似白色ノイズ）と速度検出値が一定の周期でサンプルされ、一定量のデータ行列として記録回路１６に保存される。
【０００５】
記録回路１６に保存された離散的なモータ１のトルク指令と速度のデータ行列が、第１通信線路５を経て計算機６へ転送される。計算機６の構成要素である特性解析回路１２は、通信線路５を経て転送されてきたデータ行列から、最小２乗法を用いて伝達関数の未知の変数を推定するのであるが、記録回路１６のサンプル周期によって、信頼できる周波数帯が限定されてしまう不具合がある。そこで計算機６には間引き回路１７を設けて、伝送されてくるデータ行列を一定間隔で間引くことにより、異なるサンプル周期のデータ行列の複数を生成し、それぞれのデータ行列から未知変数を推定し、周波数特性を推定する段階でこれらを結合することにより、目的とする周波数帯域を満足させるようにしている。
【０００６】
特性解析回路１２がフーリェ変換などにより周波数特性を直接求めるスペクトル密度推定の場合に、解析が可能な最大周波数をｆ_ｈとし、最低周波数をｆ_ｌとすると、これらは下記の数式１と数式２で示される。但しｎは記録回路１６で保存できるデータ量であり、Ｔはサンプル周期である。
【０００７】
【数１】
ｆ_ｈ＝１／（２・Ｔ）
【０００８】
【数２】
ｆ_ｌ＝１／（ｎ・Ｔ）
但し、最低周波数ｆ_ｌの付近では周波数分解能が低くなるため、完全にこの最低周波数ｆ_ｌまで用いられることは少ない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の解析方法では、設定した全ての周波数帯域での解析精度を確保するにあたって、解析したい周波数帯域を確保しながら低周波数領域での解析精度を良好にするためには、周波数分解能を高くする必要があるから、取得するデータ量を多くしなければならない。従って前述した従来例回路のようにモータ駆動装置４内に設置する記録回路１６の容量を大きくしなければならないから、モータ駆動装置４が大形化し且つ高価になる不都合があった。
【００１０】
そこでこの発明の目的は、負荷機械の伝達特性の解析が、モータ駆動装置という限定されたスペースにおいても、幅広い周波数帯域で高精度で行えるようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明のモータの負荷機械解析装置は、
近似白色ノイズを発生する近似白色ノイズ発生回路と、この近似白色ノイズをトルク指令値として入力してモータを加振するトルク制御回路と、該モータに結合した位置発信器が出力する位置信号を速度データに変換する速度検出回路と、この速度データと前記近似白色ノイズをデータ行列としてその一定量を記録する第１記録回路と、でモータ駆動装置を構成し、このデータ行列を当該モータ駆動装置の外へ送信する第１通信線路と、該第１通信線路に接続して前記データ行列の複数を記録する第２記録回路と、　この第２記録回路に記録した複数のデータ行列に基づいて、トルク指令からモータ速度までの伝達特性を解析する特性解析回路と、を備える。
【００１２】
または、速度設定器が設定する速度指令値と、速度検出回路が検出する速度データを入力して、両入力の偏差を零に制御する速度制御回路と、近似白色ノイズを発生する近似白色ノイズ発生回路と、前記速度制御回路の出力信号に該近似白色ノイズを加算した値をトルク指令値として入力してモータを加振するトルク制御回路と、該モータに結合した位置発信器が出力する位置信号を速度データに変換する速度検出回路と、この速度データを前記速度制御回路へ与えると共に、前記近似白色ノイズと該速度データの一定量をデータ行列として記録する第１記録回路と、でモータ駆動装置を構成し、このデータ行列を当該モータ駆動装置の外へ送信する第１通信線路と、該第１通信線路に接続して前記データ行列の複数を記録する第２記録回路と、この第２記録回路に記録した複数のデータ行列に基づいて、トルク指令からモータ速度までの伝達特性を解析する特性解析回路とを備える。
【００１３】
または、位置設定器が設定する位置指令値と、位置発信器が出力する位置信号を入力して、両入力の偏差を零に制御する位置制御回路と、この位置制御回路が出力する速度指令値と、速度検出回路が検出する速度データを入力して、両入力の偏差を零に制御する速度制御回路と、近似白色ノイズを発生する近似白色ノイズ発生装置と、前記速度制御回路の出力信号に該近似白色ノイズを加算した値をトルク指令値として入力してモータを加振するトルク制御回路と、該モータに結合した位置発信器が出力する位置信号を前記位置制御回路へ与えると共に、この位置信号を速度データに変換する速度検出回路と、この速度データを前記速度制御回路へ与えると共に、前記近似白色ノイズと該速度データの一定量をデータ行列として記録する第１記録回路と、でモータ駆動装置を構成し、このデータ行列を当該モータ駆動装置の外へ送信する第１通信線路と、該第１通信線路に接続して前記データ行列の複数を記録する第２記録回路と、この第２記録回路に記録した複数のデータ行列に基づいて、トルク指令からモータ速度までの伝達特性を解析する特性解析回路と、を備える。
【００１４】
または、前記それぞれの第１記録回路を省略し、前記近似白色ノイズと速度データを、前記第１通信線路よりも高速・大容量の第２通信線路で前記第２記録回路へ送信する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表したブロック回路図であって、請求項１に対応するが、図１の第１実施例回路に図示のモータ１，負荷機械２，位置発信器３，通信線路５，近似白色ノイズ発生回路７，トルク制御回路８，速度検出回路９および特性解析回路１２の名称・用途・機能は、図８で既述の従来例回路の場合と同じであるから、同じ部分の説明は省略する。
【００１６】
モータ駆動装置２１では、速度検出回路９は位置発信器３が検出するモータ位置θ_ｍ（ｔ）　をサンプル時間Ｔ_ｓでサンプルして離散信号θ_ｍ（ｎ）　に変換し、次の数式３の演算により離散的な速度Ｎ_ｍ（ｎ）　に変換する。
【００１７】
【数３】
Ｎ_ｍ（ｎ）　＝｛θ_ｍ（ｎ）　−θ_ｍ（ｎ−１）｝／Ｔ_ｓ
第１記録回路１０は、トルク指令τ_ｒ（ｔ）　と速度Ｎ_ｍ（ｎ）　を任意のサンプル時間Ｔ_ｓでサンプルし、離散信号τ_ｒ（ｋ）　およびＮ_ｍ（ｋ）　に変換して、これらをデータ行列として一時的に保存する。計算機２２を構成する第２記録回路１１は、通信線路５を経由して第１記録回路１０から送られてきたデータ行列の複数を保存し、特性解析回路１２は第２記録回路１１に蓄積された情報から伝達特性を解析する。
【００１８】
図２は図１の第１実施例回路における特性解析の手順を表したフローチャートである。このフローチャートにおいて、先ずサンプル周期Ｔ_ａをセット（処理６１）する。次いで近似白色ノイズ発生回路７が出力する近似白色ノイズをトルク指令値にしてモータ１を加振してデータを取得（処理６２）するが、このとき第１記録回路１０には離散化されたトルク指令τ_ｒ（ｋ）　および速度Ｎ_ｍ（ｋ）　のデータ行列が一時的に保存（処理６３，判断７１）される。このデータ行列は第１通信線路５を経由して第１記録回路１０から第２記録回路１１へ転送（処理６４）されるから、第１記録回路１０は空に（判断７２）なる。ここで予め設定した複数のサンプル周期分を取得したか否かのチェック（判断７３）を行い、未だ残っているサンプル周期分があれば、それに周期を変更（処理６７）して、再びそのサンプル周期でのデータ行列の取得を繰り返す。設定した全てのサンプル周期のデータの取得が完了（判断７３）すれば、特性解析回路１２が特性の解析（処理６５，６６）を行う。
【００１９】
なお、予め設定する複数のサンプル周期（処理６１）は、解析する周波数帯域を分割し、周波数分解能とデータの量とを考慮して決定する。
図３は解析により得られたゲインの変化の例を表した周波数特性図であって、目的周波数帯域ｆ_ａを３つの周波数帯域ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３に分割した場合であって、それぞれに最適なサンプル周期で取得したデータ行列をもとにしてゲインの変化を表した周波数特性を求め、表示段階で結合することにより、目的周波数帯域ｆ_ａの精度を満足させることができる。また、それぞれの解析結果の周波数帯域が重複する場合は、互いの特性結果を平均化することにより、滑らかに結合させることができる。
【００２０】
図４は解析により得られた位相角の変化の例を表した周波数特性図であるが、その内容は図３で既述のものと同様である。
図５は本発明の第２実施例を表したブロック回路図であって、請求項２に対応するが、この第２実施例回路は、図１で既述の第１実施例回路に速度制御回路１３と加算器１４および速度設定器３２を付加した構成であるから、図１で既述の第１実施例回路と同じ部分の説明は省略し、付加した部分についての説明を行うこととする。
【００２１】
この第２実施例回路は、モータ駆動装置３１の内部または外部に速度設定器３２を設け、この速度設定器３２が設定する速度指令値と、速度検出回路９が検出する速度検出値とを速度制御回路１３へ入力する。速度制御回路１３は両入力の偏差を零にする操作量を出力する。加算器１４は、この操作量と近似白色ノイズ発生回路７が出力する近似白色ノイズとを加算し、その加算結果をトルク指令値としてトルク制御回路８へ与えることで、速度制御が必要な場合でも特性の解析を行うことができる。
【００２２】
図６は本発明の第３実施例を表したブロック回路図であって、請求項３に対応するが、この第３実施例回路は、図１で既述の第１実施例回路に速度制御回路１３と加算器１４と位置制御回路１５および位置設定器４２を付加した構成であるから、図１で既述の第１実施例回路と同じ部分の説明は省略し、付加した部分についての説明を行うこととする。
【００２３】
この第３実施例回路は、位置発信器３で検出される位置情報と、モータ駆動装置４１の外部または内部に設けた位置設定器４２が設定する位置指令値とを位置制御回路１５へ入力し、両入力の差を零に制御する操作量としての速度指令値を出力する。例えば重力の影響がある機械などで負荷を支持する必要がある環境で解析を行う場合でも、モータ１の位置を制御しながら特性解析を行うことができる。
【００２４】
図７は本発明の第４実施例を表したブロック回路図であって、請求項４に対応するが、この第４実施例回路は、図１で既述の第１実施例回路における第１記録回路１０を省略しているから、これのモータ駆動装置５１は第１実施例回路におけるモータ駆動装置４よりも小形化できるが、第１記録回路１０を省略した分、通信線路を高速・大容量にする必要がある。そこで第１通信線路５の代わりに、これよりも高速で大容量の第２通信線路５２を設置している。
【００２５】
図示は省略するが、第２実施例回路や第３実施例回路でも、第１記録回路１０を省略してその代わりに高速・大容量の第２通信線路５２を敷設すれば、第４実施例回路と同様にすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
モータで駆動する負荷機械の伝達特性を、サーボアナライザなどの専用計測器を使用せずに解析する場合に、従来は、近似白色ノイズをトルク指令値にしてモータを加振して得られるトルク指令情報や速度情報などの複数のサンプル周波数のデータ行列を、モータ駆動装置内のデータ記録回路に保存し、解析していた。しかしモータ駆動装置を大形化ぜずに収納できるデータ記録回路の容量には限界があるから、解析の精度を向上させるのは困難であった。これに対して本発明では、モータ駆動装置内の第１記録回路には特定のサンプル周波数のデータ行列を一時的に保存するのみであり、この特定サンプル周波数のデータ行列は通信線路でモータ駆動装置の外部にある容量の大きい第２記録回路へ送られる。この操作を繰り返すことで、予め設定したサンプル周波数のデータ行列が全て蓄積された段階で特性解析を行うから、モータ駆動装置に収納している第１記録回路の容量を増大させずに、解析精度を向上できる効果が得られる。更に、モータ駆動装置も大形化する必要がなくなって当該モータ駆動装置の価格が上昇する不都合を回避できる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表したブロック回路図
【図２】図１の第１実施例回路における特性解析の手順を表したフローチャート
【図３】解析により得られたゲインの変化の例を表した周波数特性図
【図４】解析により得られた位相角の変化の例を表した周波数特性図
【図５】本発明の第２実施例を表したブロック回路図
【図６】本発明の第３実施例を表したブロック回路図
【図７】本発明の第４実施例を表したブロック回路図
【図８】モータの負荷機械解析装置の回路構成の従来例を示したブロック回路図
【符号の説明】
１　　　　　　　　　　　　　モータ
２　　　　　　　　　　　　　負荷機械
３　　　　　　　　　　　　　位置発信器
４，２１，３１，４１，５１　モータ駆動装置
５　　　　　　　　　　　　　第１通信線路
６，２２　　　　　　　　　　計算機
７　　　　　　　　　　　　　近似白色ノイズ発生回路
８　　　　　　　　　　　　　トルク制御回路
９　　　　　　　　　　　　　速度検出回路
１０　　　　　　　　　　　　　第１記録回路
１１　　　　　　　　　　　　　第２記録回路
１２　　　　　　　　　　　　　特性解析回路
１３　　　　　　　　　　　　　速度制御回路
１４　　　　　　　　　　　　　加算器
１５　　　　　　　　　　　　　位置制御回路
１６　　　　　　　　　　　　　記録回路
１７　　　　　　　　　　　　　間引き回路
３２　　　　　　　　　　　　　速度設定器
４２　　　　　　　　　　　　　位置設定器
５２　　　　　　　　　　　　　第２通信線路
６１〜６７　　　　　　　　　　処理
７１〜７３　　　　　　　　　　判断

Claims

近似白色ノイズを発生する近似白色ノイズ発生回路と、
この近似白色ノイズをトルク指令値として入力してモータを加振するトルク制御回路と、
該モータに結合した位置発信器が出力する位置信号を速度データに変換する速度検出回路と、
この速度データと前記近似白色ノイズをデータ行列としてその一定量を記録する第１記録回路と、でモータ駆動装置を構成し、
このデータ行列を当該モータ駆動装置の外へ送信する第１通信線路と、
該第１通信線路に接続して前記データ行列の複数を記録する第２記録回路と、
この第２記録回路に記録した複数のデータ行列に基づいて、トルク指令からモータ速度までの伝達特性を解析する特性解析回路と、
を備えることを特徴とするモータの負荷機械解析装置。
速度設定器が設定する速度指令値と、速度検出回路が検出する速度データを入力して、両入力の偏差を零に制御する速度制御回路と、
近似白色ノイズを発生する近似白色ノイズ発生回路と、
前記速度制御回路の出力信号に該近似白色ノイズを加算した値をトルク指令値として入力してモータを加振するトルク制御回路と、
該モータに結合した位置発信器が出力する位置信号を速度データに変換する速度検出回路と、
この速度データを前記速度制御回路へ与えると共に、前記近似白色ノイズと該速度データの一定量をデータ行列として記録する第１記録回路と、でモータ駆動装置を構成し、
このデータ行列を当該モータ駆動装置の外へ送信する第１通信線路と、
該第１通信線路に接続して前記データ行列の複数を記録する第２記録回路と、
この第２記録回路に記録した複数のデータ行列に基づいて、トルク指令からモータ速度までの伝達特性を解析する特性解析回路と、
を備えることを特徴とするモータの負荷機械解析装置。
位置設定器が設定する位置指令値と、位置発信器が出力する位置信号を入力して、両入力の偏差を零に制御する位置制御回路と、
この位置制御回路が出力する速度指令値と、速度検出回路が検出する速度データを入力して、両入力の偏差を零に制御する速度制御回路と、
近似白色ノイズを発生する近似白色ノイズ発生装置と、
前記速度制御回路の出力信号に該近似白色ノイズを加算した値をトルク指令値として入力してモータを加振するトルク制御回路と、
該モータに結合した位置発信器が出力する位置信号を前記位置制御回路へ与えると共に、この位置信号を速度データに変換する速度検出回路と、
この速度データを前記速度制御回路へ与えると共に、前記近似白色ノイズと該速度データの一定量をデータ行列として記録する第１記録回路と、でモータ駆動装置を構成し、
このデータ行列を当該モータ駆動装置の外へ送信する第１通信線路と、
該第１通信線路に接続して前記データ行列の複数を記録する第２記録回路と、
この第２記録回路に記録した複数のデータ行列に基づいて、トルク指令からモータ速度までの伝達特性を解析する特性解析回路と、
を備えることを特徴とするモータの負荷機械解析装置。
請求項１乃至請求項３に記載のモータの負荷機械解析装置において、
前記第１記録回路を省略し、前記近似白色ノイズと速度データを、前記第１通信線路よりも高速・大容量の第２通信線路で前記第２記録回路へ送信することを特徴とするモータの負荷機械解析装置。