JP2021005918A - イナーシャの評価を行う制御装置及びイナーシャの評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イナーシャの妥当性を簡易に評価する制御装置を提供すること。【解決手段】制御装置が、電動機と、電動機の実動作を取得する実動作取得部と、電動機と電動機に接続された被駆動体とのイナーシャを含むモデルを用いて電動機へ印加する電流値から電動機の動作を推定するモデル部と、電動機の制御ループに動作信号を所定期間印加する動作信号入力部と、動作信号の印加期間における実動作と推定された動作との差分に基づいてイナーシャを評価する評価値を算出する評価値算出部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、イナーシャの評価を行う制御装置及びイナーシャの評価方法に関する。

イナーシャの推定を行う制御装置が特許文献１に記載されている。また、イナーシャ及び摩擦を含む制御対象の伝達関数の逆モデルを算出して、速度指令と逆モデルを用いてトルク補正値を作成する制御装置が特許文献２に記載されている。
具体的には、特許文献１には、電動機のサーボ制御装置のイナーシャ推定部が、電動機へのトルク指令に正弦波状指令を加える正弦波状指令発生部と、電動機に流れる電流値をサンプリングする電流フィードバックサンプリング部と、電動機の速度フィードバックをサンプリングする速度フィードバックサンプリング部と、速度フィードバックから加速度を計算する加速度値計算部と、これらによってサンプリングデータ記憶部に記憶された、正弦波状指令の複数周期にわたる電流値と加速度値から得た電流代表値と加速度代表値、及び電動機のトルク定数からイナーシャを計算する推定イナーシャ計算部を有することが記載されている。

また、特許文献２には、制御対象を駆動するモータを制御するモータ制御装置が、入力された速度指令に制御対象の実際速度が追従するよう制御するための補正前トルク指令を作成する速度フィードバック制御手段と、速度指令と補正前トルク指令とを用いて、制御対象が有するイナーシャ及び摩擦を含む伝達関数の逆モデルを算出する逆モデル算出手段と、速度指令と逆モデルとを用いて、トルク補正値を生成するトルク補正値生成手段と、補正前トルク指令とトルク補正値とを用いて、制御対象を駆動するモータに対するトルク指令を生成するトルク指令生成手段と、を備えることが記載されている。

特開２０１０−１４８１７８号公報 特開２０１５−１５８４４号公報

イナーシャに依存するパラメータを設定する場合に、イナーシャの妥当性を簡易に評価する制御装置及びイナーシャの評価方法が望まれる。

（１） 本開示の第１の態様は、
電動機と、
前記電動機の実動作を取得する実動作取得部と、
前記電動機と前記電動機に接続された被駆動体とのイナーシャを含むモデルを用いて前記電動機へ印加する電流値から前記電動機の動作を推定するモデル部と、
前記電動機の制御ループに動作信号を所定期間印加する動作信号入力部と、
前記動作信号の印加期間における実動作と推定された動作との差分に基づいて前記イナーシャを評価する評価値を算出する評価値算出部と、
を備えた制御装置である。

（２） 本開示の第２の態様は、上記制御装置と、上記制御装置と接続される上位装置とを有し、
前記制御装置は前記評価値により前記電動機と前記被駆動体とのイナーシャを修正するイナーシャ修正部を有し、
前記上位装置は、
前記制御装置から送信された、修正されたイナーシャを受信する受信部と、
受信されたイナーシャに基づいて、イナーシャ依存パラメータである、電動機の加減速指令の時定数、速度ゲイン、速度フィードフォワード、オブザーバの逆モデル、フィルタの減衰周波数、及びトルク制限値の内、少なくとも１つの設定を変更する変更部を有する制御システムである。

（３）本開示の第３の態様は、
電動機の制御ループに動作信号を所定期間印加し、
前記電動機の実動作を取得し、
前記電動機と前記電動機に接続された被駆動体とのイナーシャを含むモデルを用いて前記電動機へ印加する電流値から前記電動機の動作を推定し、
前記動作信号の印加期間における実動作と推定された動作との差分に基づいて前記イナーシャを評価する評価値を算出する、
前記電動機を制御する制御装置のイナーシャの評価方法である。

本開示の各態様によれば、イナーシャの妥当性を簡易に評価することができる。

本開示の第１実施形態の制御装置を有する制御システムの一構成例を示すブロック図である。 制御装置の電動機及び被駆動体の一例となる、モータを含む工作機械の一部を示すブロック図である。 速度ωと非線形摩擦Fとの関係を示す特性図である。 上位装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態の制御装置の他の例の動作を示すフローチャートである。 第１実施形態の制御装置の更に他の例の動作を示すフローチャートである。 本開示の第２実施形態の制御装置を有する制御システムの一構成例を示すブロック図である。 上位装置の構成を示すブロック図である。

以下、本開示の実施形態を列記する。
（第１実施形態）
図１は本開示の第１実施形態の制御装置を有する制御システムの一構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、制御システム１０は、制御装置１００、制御装置１００に位置指令θｃを出力する上位装置２００、制御装置１００によって駆動される電動機３００、及び電動機３００と接続される被駆動体４００を備えている。
制御装置１００は、減算器１０１、位置制御部１０２、減算器１０３、速度制御部１０４、フィルタ１０５、動作信号入力部１０６、加算器１０７、モデル部１０８、積分器１０９、減算器１１０、評価値算出部１１１、イナーシャ修正部１１２、最適値受信部１１３及び記憶部１１４を備えている。

位置指令θｃは、減算器１０１に出力される。位置指令θｃは、電動機３００を動作させるプログラムに基づいて、上位装置２００によって作成される。
減算器１０１は、位置指令θｃと位置フィードバックされた検出位置θとの差を求め、その差を位置偏差として位置制御部１０２に出力する。
位置制御部１０２は、位置偏差にポジションゲインＫｐを乗じた値を、速度指令ω_Ｃとして減算器１０３に出力する。
減算器１０３は、速度指令ω_Ｃと速度フィードバックされた検出速度（実速度）ωｒとの差を求め、その差を速度偏差として速度制御部１０４に出力する。

速度制御部１０４は、速度偏差に積分ゲインＫ１ｖを乗じて積分した値と、速度偏差に比例ゲインＫ２ｖを乗じた値とを加算して電流指令としてフィルタ１０５に出力する。

フィルタ１０５は、特定の周波数成分を減衰させるフィルタで、例えばノッチフィルタ又はローパスフィルタが用いられ、フィルタ処理された電流指令を加算器１０７に出力する。電動機３００で駆動される工作機械等の被駆動体４００では共振点が存在し、制御装置１００で共振が増大する場合がある。その場合、例えば、ノッチフィルタを用いることで共振を低減することができる。

動作信号入力部１０６は、動作信号を生成して加算器１０７に所定の期間入力する。この所定期間は、後述するように、動作信号を加算器１０７に入力して一定期間経過して速度偏差が収束し、後述する評価値算出部１１１が推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差を、ｎ＝０からｎ＝Ｎ（Ｎは自然数）の（Ｎ＋１）回分の積分を行うまでの期間である。速度制御部１０４、フィルタ１０５、加算器１０７及び電動機３００は制御ループとなる速度制御ループを構成する。動作信号は電動機３００の制御帯域以下の周波数、例えば、２５Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度の低周波数の正弦波信号である。周波数２５Ｈｚ〜１００Ｈｚは一例であって、この範囲に限定されるものではない。動作信号は正弦波に限られず、矩形波等の他の信号であってもよい。動作信号はフィルタ１０５から出力される電流指令に加算器１０７を介して加える替わりに、速度指令ωｃに加えてもよい。図１において、速度指令ωｃに加えられる動作信号を破線で示す。

加算器１０７は、フィルタ１０５から出力される電流指令と動作信号入力部１０６から出力される動作信号とを加算して、電流指令Ｉｑとして電動機３００に入力する。また、加算器１０７は電流指令Ｉｑをモデル部１０８に入力する。なお、フィルタ１０５から出力される電流指令は動作信号が加算器１０７に入力される場合は固定値とされる。

電動機３００は、サーボモータ、スピンドルモータ等である。サーボモータはここでは軸が回転するモータとして説明するが、リニアモータであってもよい。
被駆動体４００は、電動機３００により駆動される工作機械、ロボット、若しくは産業機械等の機械である。電動機３００と被駆動体４００とは制御装置１００の制御対象となる。電動機３００は、工作機械、ロボット、若しくは産業機械等の機械に含まれてもよい。

図２は制御装置１００の電動機３００及び被駆動体４００の一例となる、モータを含む工作機械の一部を示すブロック図である。
制御装置１００は、電動機３００で、被駆動体４００の連結機構４０１を介してテーブル４０２を移動させることで、テーブル４０２の上に搭載された被加工物（ワーク）を加工する。連結機構４０１は、電動機３００に連結されたカップリング４００１と、カップリング４００１に固定されるボールねじ４００３とを有し、ボールねじ４００３にナット４００２が螺合されている。電動機３００の回転駆動によって、ボールねじ４００３に螺着されたナット４００２がボールねじ４００３の軸方向に移動する。ナット４００２の移動によってテーブル４０２が移動する。

電動機３００の回転角度位置は、電動機３００に関連付けられたロータリーエンコーダ３０１によって検出され、回転角度位置によって求められる検出速度（実速度）ωｒは速度フィードバック（速度ＦＢ）として減算器１０３に入力されるとともに減算器１１０に入力される。ロータリーエンコーダ３０１は実動作取得部となる。実動作は検出速度となる。リニアモータを用いる場合は、実動作取得部となるリニアスケールを用いて速度を検出する。検出速度ωｒは積分器１０９で積分されて検出位置θとなり、検出位置θは位置フィードバック（位置ＦＢ）として減算器１０１に入力される。

電動機３００及び被駆動体４００の伝達関数は数式１（以下の数１）で表される。数式１において、Ｊは総イナーシャ、Ｋｔはトルク定数、Ｆは非線形摩擦を示す。総イナーシャＪは電動機のイナーシャと機械のイナーシャの合計である。

非線形摩擦Ｆは、Ｆ（ω）＝Ｖ（ω）＋Ｃ・sign(ω)／ωで表される。Ｖ（ω）は粘性摩擦、Cはクーロン摩擦、ωは速度を示す。関数sign(ω)は、速度ωについての符号関数であり、速度ωの極性を示す。速度ωが正の場合はsign(ω)=１、速度ωが０の場合はsign(ω)=０、速度ωが負の場合はsign(ω)=−１となる。
図３は速度ωと非線形摩擦Ｆとの関係を示す特性図である。粘性摩擦Ｖ（ω）は速度ωに速度に略比例するため、図３に示すように低速度で動かすと非線形摩擦Ｆはクーロン摩擦Ｃ・sign(ω)が支配的となる。動作信号入力部１０６の動作信号を低周波数の信号とし、低速度で動作させることで、粘性摩擦Ｖ（ω）の影響は無視できるようになる。例えば、前述したように、動作信号として、２５Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度の低周波数の正弦波信号が用いられる。

モデル部１０８は電流指令Ｉｑに基づいて推定速度ωｅを算出して減算器１１０に出力する。モデル部１０８の伝達関数は、数式２（以下の数２）で表され、非線形摩擦は考慮しない。Ｊは総イナーシャ、Ｋｔはトルク定数であり、Ｊ及びＫｔの上部の「＾」（ハット又はキャレットという）は測定器等で検出された値の平均値（ノミナル値）であることを示す。

電動機３００及び被駆動体４００の逆モデルは数式３（以下の数３）のように定義する。Ｔはサンプリング周期を表す。ｎはサンプリングデータの番号を示し、１以上の自然数である。数３のトルク定数Ｋｔは数２のトルク定数Ｋｔのノミナル値を示す。数３の総イナーシャＪは総イナーシャＪのノミナル値又は修正された総イナーシャＪを示す。数３の総イナーシャＪは評価値算出部１１１による評価値εに基づいて修正される。

数式３を変形すると数式４（以下の数４）で示される式となる。推定速度ωｅ(n)は、電流指令Ｉｑの積分値の（Ｋｔ・Ｔ）／Ｊ倍の値と推定速度の初期値ωｅ(0)との和に基づいて求めることができる。

減算器１１０は、モデル部１０８から出力される推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差を出力する。減算器１１０は、非線形摩擦を考慮する場合には、推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差から更に非線形摩擦項ζ（ωｒ）を引く。
非線形摩擦項ζ（ωｒ）は以下のように近似することができる。
数式１から、ωｒ（ｎ）＝（Ｋｔ／（Ｊ・ｓ＋Ｆ））×ｉｑとなる。電動機３００を低速度で動作させ、非線形摩擦Ｆにおける粘性摩擦Ｖを無視できるとすると、（Ｊ・ｓ）×ωｒ（ｎ）＋Ｃ×sign(ωｒ)＝Ｋｔ×ｉｑとなり、ωｒ（ｎ）は数式５（以下の数５）で示される。

よって、非線形摩擦項ζ（ωｒ）は、数式５の(Ｃ・sign(ωr))／（Ｊ・ｓ）で近似することができる。
評価値算出部１１１は、非線形摩擦を考慮しない場合には、数式６（以下の数６）に示すように、推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差の絶対値の積分（和）を求め、この積分値を評価値εとしてイナーシャ修正部１１２及び記憶部１１４に出力する。推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差は、動作信号入力部１０６により動作信号を加算器１０７に入力して一定期間経過して速度偏差が収束してから求め、ｎ＝０からｎ＝Ｎの（Ｎ＋１）回分の積分（和）を求める。Ｎは１サンプリング周期におけるサンプリングデータの数を示し、１以上の自然数である。

非線形摩擦を考慮しない場合の評価値は数式３で求められる評価値に限定されず、数式７（以下の数７）で示すように、推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差の絶対値の２乗の積分（和）を求め、この積分値を評価値εとして出力してもよい。

評価値算出部１１１は、非線形摩擦を考慮する場合には、数式８（以下の数８）に示すように、推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差から非線形摩擦項ζ（ωｒ）を引いた値の絶対値の積分（和）を求め、この積分値を評価値εとして出力する。

非線形摩擦を考慮する場合の評価値は数式８で求められる評価値に限定されず、数式９（以下の数９）で示すように、推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差から非線形摩擦項ζ（ωｒ）を引いた値の絶対値の２乗の積分（和）を求め、この積分値を評価値εとして出力してもよい。

イナーシャ修正部１１２は、評価値算出部１１１で算出された評価値εによってモデル部１０８の総イナーシャＪの妥当性を評価する。具体的には、総イナーシャＪの関数である評価値εを最小化する総イナーシャ（以下、修正イナーシャという）Ｊを求める。
イナーシャ修正部１１２で求めた修正イナーシャＪは上位装置２００に出力されるとともに記憶部１１４に出力される。上位装置２００は、後述するように修正イナーシャＪを用いて加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数を求める。

最適値受信部１１３は、上位装置２００から加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数を受信して記憶部１１４に記憶するとともに、加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数に基づいて、速度制御部１０４及びフィルタ１０５の設定を変更する。

記憶部１１４は、修正前の総イナーシャと、修正イナーシャと、加減速の最適時定数、最適速度ゲイン及び共振周波数の変更前後の値と、評価値εとの少なくとも１つを記憶する。記憶部１１４にて記憶された、修正前の総イナーシャと、修正イナーシャと、加減速の最適時定数、最適速度ゲイン及び共振周波数の変更前後の値と、評価値εとの少なくとも１つは不図示の情報通知部となる送信部によって制御装置１００の外部に送信されてもよい。修正前の総イナーシャと、修正イナーシャと、加減速の最適時定数、最適速度ゲイン及び共振周波数の変更前後の値と、評価値εとの少なくとも１つは、制御装置１００内に設けた液晶表示部等の表示部に表示されてもよい。この表示部も情報通知部を構成する。情報通知部は、ユーザに修正前の総イナーシャと、修正イナーシャと、加減速の最適時定数、最適速度ゲイン及び共振周波数の変更前後の値と、評価値εとのうちの少なくとも１つを通知可能であればよく、特に送信部、表示部に限定されない。

図４は上位装置の構成を示すブロック図である。
図４に示すように、上位装置２００は、修正イナーシャ受信部２０１、最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４、最適値送信部２０５及び位置指令生成部２０６を備えている。最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３及び共振周波数計算部２０４は、電動機３００の加減速指令の時定数、速度ゲイン、フィルタの減衰周波数の設定を変更する変更部となる。

修正イナーシャ受信部２０１は、イナーシャ修正部１１２から修正イナーシャを受信し、最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４はそれぞれ修正イナーシャを受けて加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数を計算する。最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４はそれぞれ計算した加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数を、最適値送信部２０５を介して制御装置１００の最適値受信部１１３に出力する。位置指令生成部２０６は電動機３００を動作させるプログラムに基づいて、位置指令θｃを生成して制御装置１００へ出力する。

上位装置２００は位置指令生成部２０６を備えた装置とは別に設けてよく、この場合は、上位装置２００は位置指令生成部２０６を備えていない。

以下、総イナーシャと加減速の時定数、速度ゲイン、共振周波数との関係について説明する。
電動機３００と被駆動体４００の総イナーシャとに対して、加減速の時定数が短すぎると、電動機３００の能力では、指令された加減速を行うことができず、指令トルクに対して出力トルクが飽和して正常な制御ができなくなってしまう。また、電動機３００と被駆動体４００の総イナーシャとに対して、加減速の時定数が長すぎると、電動機３００の能力が十分に引き出されず、必要以上にゆっくりと加減速が行われることになってしまう。

したがって、修正イナーシャに基づいて、加減速の時定数を最適に調整することによって、総イナーシャに合わせて、電動機３００によって可能な最大限の加減速が行われるようにすることができる。

電動機３００と被駆動体４００の総イナーシャに対して速度ゲインが小さすぎると、電動機３００の速度を指令値に追いつかせることができず、安定な制御ができなくなってしまう。また、電動機３００と被駆動体４００の総イナーシャに対して速度ゲインが大きすぎると、振動が発生してしまう場合が考えられる。

そこで、修正イナーシャに基づいて、速度ゲインを最適に調整することによって、速度制御部１０４において、適切な速度調節が行われるようにすることができる。

最適時定数と最適速度ゲインは、イナーシャとの関係を関数で近似したり、テーブルとして記憶し必要に応じて補完したりなどの一般的な手法を用いて求めてもよい。

また、電動機３００では、機械的な共振が発生すると動作が不安定になるなどの悪影響が生じるため、制御装置１００には、共振を防止するためのフィルタ１０５が設けられている。ここで、共振周波数ｆは被駆動体４００のイナーシャに応じて変化する。すなわち、電動機３００のイナーシャをＪｍ、被駆動体４００のイナーシャをＪ_Ｌ、両者間のねじれ剛性をＫｓとすると、共振周波数ｆは以下の数式１０（以下の数１０）で求められる。電動機のイナーシャＪｍは予め理論的又は実験的に求められ、このイナーシャＪｍと修正イナーシャから被駆動体４００のイナーシャをＪ_Ｌも求めることができる。

したがって、修正イナーシャから、上記の数式１０にしたがって共振周波数ｆを求めてフィルタ１０５の減衰周波数を設定することができる。

なお、上位装置２００は最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４のうちの一又は２つの計算部を有してもよい。この場合、制御装置１００は速度制御部１０４とフィルタ１０５のうちの１つを有してもよい。

図５は、制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１１において、動作信号入力部１０６は加算器１０７に動作信号を入力する。

ステップＳ１２において、ロータリーエンコーダ３０１によって検出される回転角度位置によって検出速度（実速度）ωｒが検出される。

ステップＳ１３において、モデル部１０８は電流指令Ｉｑに基づいて推定速度ωｅを計算する。

ステップＳ１４において、評価値算出部１１１は減算器１１０から出力される、推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差を用いて、評価値、例えば、数式３に示す評価値εを計算する。

ステップＳ１５において、評価値算出部１１１は評価値が所定の数に達しない場合には（Ｎｏ）、モデル部１０８の総イナーシャの値を変えてステップＳ１２に戻る。評価値算出部１１１は評価値が所定の数となったときに評価値を計算する動作を終了し（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６において、評価値の評価を行い評価値が最も小さい値のときの総イナーシャ（修正イナーシャ）を求める。評価値が最も小さい値のときの修正イナーシャにモデル部１０８の総イナーシャを設定し、上位装置２００に最も小さい値のときの修正イナーシャを送る。

図６は、制御装置の他の例の動作を示すフローチャートである。
図６に示す動作は、図５に示す動作と、ステップＳ１５とステップＳ１６とが逆に配置している点で異なる。すなわち、ステップＳ１４の後に、ステップＳ１６において、評価値の評価を行い、評価値が前回のステップＳ１６の評価値よりも小さい場合はモデル部１０８の総イナーシャをそのままとする。評価値が前回のステップＳ１６の評価値よりも大きい場合はモデル部１０８の総イナーシャを前回の総イナーシャに戻す。

ステップＳ１６の次にステップＳ１５を行い、評価値算出部１１１は評価値の評価が所定の数に達しない場合には（Ｎｏ）、モデル部１０８の総イナーシャの値を変えてステップＳ１２に戻る。評価値算出部１１１は評価値の評価が所定の数となったときに評価値を計算する動作を終了し（Ｙｅｓ）、動作終了時のモデル部の総イナーシャは最も小さい値のときの修正イナーシャとなるため、これを修正イナーシャとして上位装置２００に送る。

図７は、制御装置の更に他の例の動作を示すフローチャートである。
図７に示す動作は、図５に示す動作と、ステップＳ１３の後に、ステップＳ２１で実測度と推定速度とのデータ記憶を行い、その後、ステップＳ１５、Ｓ１４及びＳ１６の順に処理を行う点で異なる。

ステップＳ２１で、評価値算出部１１１は実測度と推定速度とを、モデル部１０８の総イナーシャの値と紐付けて、評価値算出部１１１内のメモリ等の記憶部にデータ記憶を行う。その後、ステップＳ１５において、評価値算出部１１１は実測度と推定速度が所定の数に達しない場合には（Ｎｏ）、モデル部１０８の総イナーシャの値を変えてステップＳ１２に戻る。ステップＳ１５において、評価値算出部１１１は実測度と推定速度が所定の数となったときに（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４に移る。

ステップＳ１４において、評価値算出部１１１は記憶部から、推定速度ωｅと検出速度ωｒを読みだして、推定速度ωｅと検出速度ωｒとの差を用いて評価値、例えば、数式３に示す評価値を計算する。

ステップＳ１６において、評価値の評価を行い評価値が最も小さい値のときの総イナーシャを求める。評価値が最も小さい値のときの総イナーシャにモデル部１０８の総イナーシャを設定し、上位装置２００に最も小さい値のときの総イナーシャ（修正イナーシャ）を送る。

なお、制御システム１０において、上位装置２００に設けられていた最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、及び共振周波数計算部２０４を制御装置１００に設け、制御装置１００内において、イナーシャ修正部１１２から最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４に修正イナーシャを出力し、最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４が計算した加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数に基づいて速度制御部１０４及びフィルタ１０５の設定を変更してもよい。この場合、上位装置２００の修正イナーシャ受信部２０１及び最適値送信部２０５は不要となり、制御装置１００の最適値受信部１１３も不要となる。
制御装置１００は最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４のうちの一又は２つの計算部を有してもよい。この場合、制御装置１００は速度制御部１０４とフィルタ１０５のうちの１つを有してもよい。

本実施形態において、実動作及び推定動作は実速度及び推定速度とされているが、実位置及び推定位置、又は実加速度及び推定加速度とされてもよい。

本実施形態では、モデル部、モデル部から出力される推定速度と実速度との差を取る減算器、及び推定速度と実速度との差に基づいて評価値を算出する評価値算出部により、総イナーシャの妥当性を簡易に評価することができる。そして、妥当と評価された総イナーシャに基づいてイナーシャ依存のパラメータ（例えば、加減速の時定数、速度ゲイン、共振周波数）を設定することができる。

（第２実施形態）
図８は本開示の第２実施形態の制御装置を有する制御システムの一構成例を示すブロック図である。

本実施形態の制御システム１１は、制御装置１００Ａ、制御装置１００Ａに位置指令θｃを出力する上位装置２００Ａ、制御装置１００Ａによって駆動される電動機３００、及び電動機３００と接続される被駆動体４００を備えている。

制御装置１００Ａは、図１に示した制御装置１００と同一の構成部を備えているが、図８においては、簡略化のため、積分器１０９、評価値算出部１１１、イナーシャ修正部１１２及び記憶部１１４の図示は省略されている。
制御装置１００Ａは、図１に示した制御装置１００に加えて、位置フィードフォード部（位置ＦＦ部）１１５、加算器１１６、速度フィードフォワード部（速度ＦＦ部）１１７、加算器１１８、減算器１１９、電流制限部１２０、逆モデル部１２１、及び外乱補正部１２２を備えている。

モデル部１０８は、図１に示した制御装置１００においては、電流指令Ｉｑに基づいて推定速度ωｅを算出していたが、図８に示す制御装置１００Ａにおいては、電動機３００あるいは電動機３００を駆動するアンプに取り付けられた電流検出器から出力される検出電流（実電流となる）に基づいて推定速度ωｅを算出している。勿論、図１に示した制御装置１００においても、電流指令Ｉｑに基づいて推定速度ωｅを算出する替わりに、電動機３００あるいは電動機３００を駆動するアンプに取り付けられた電流検出器から出力される検出電流（実電流となる）に基づいて推定速度ωｅを算出してもよい。

位置フィードフォワード部１１５は、位置指令θｃを微分してフィードフォワード部係数を掛けた値を、加算器１１６と速度フィードフォワード部１１７に出力する。加算器１１６は位置制御部１０２の出力に位置フィードフォワード部１１５の出力を加算して速度指令ω_Ｃとして減算器１０３に出力する。

速度フィードフォワード部１１７の伝達関数は、速度指令に対する高い応答性の制御を実現するために、電動機３００及び被駆動体４００の伝達関数の逆関数（Ｊ・ｓ＋Ｆ）／Ｋｔに設定される。

加算器１１８は、速度制御部１０４の出力に速度フィードフォワード部１１７の出力を加算して、電流指令としてフィルタ１０５に出力する。

加算器１０７は、電流指令と動作信号入力部１０６から出力される動作信号とを加算して、その加算値を減算器１１９に出力する。

減算器１１９は、加算器１０７の出力と外乱補正部１２２の出力との差をとり、その差を電流制限部１２０に出力する。電流制限部１２０は、出力する電流に制限をかけて電動機３００の発生トルクを制限する。電流制限部１２０は電動機３００に電流を出力する。
モデル部１０８には、前述したように電動機３００あるいは電動機３００を駆動するアンプに取り付けられた電流検出器から出力される検出電流（実電流となる）が入力される。モデル部１０８は検出電流に基づいて推定速度ωｅを算出して減算器１１０に出力する。

逆モデル部１２１は、実速度ωｒから外乱が加えられた電流指令を推定して外乱補正部１２２に出力する。外乱補正部１２２は外乱が加えられた電流指令と電流指令Ｉｑとの差をとって減算器１１９に出力する。逆モデル部１２１、及び外乱補正部１２２は外乱オブザーバを構成する。

最適値受信部１１３は、上位装置２００Ａから加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数、修正された逆モデル、速度フィードフォワード係数、及びトルク制限値を受信して記憶部１１４に記憶するとともに、加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数、修正された逆モデル、速度フィードフォワード係数、及びトルク制限値に基づいて、速度制御部１０４、フィルタ１０５、逆モデル部１２１、速度フィードフォワード部１１７、及び電流制限部１２０の設定を変更する。

図９は上位装置２００Ａの構成を示すブロック図である。
図９に示すように、上位装置２００Ａは、図４に示した上位装置２００の構成に加えて、逆モデル修正部２０７、最適速度フィードフォワード係数計算部２０８、及び最適トルク制限値計算部２０９を備えている。

なお、上位装置２００Ａは、最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４、逆モデル修正部２０７、最適速度フィードフォワード係数計算部２０８、及び最適トルク制限値計算部２０９のうちの一又は複数の計算部を有してもよい。この場合、制御装置１００Ａは速度制御部１０４、フィルタ１０５、逆モデル部１２１、速度フィードフォワード部（速度ＦＦ部）１１７、電流制限部１２０、のうちの一又は複数を有してもよい。上位装置２００Ａは上位装置２００と同様に、位置指令生成部２０６を備えた装置とは別に設けてよく、この場合は、上位装置２００Ａは位置指令生成部２０６を備えていない。

修正イナーシャ受信部２０１は、制御装置１００Ａのイナーシャ修正部１１２から修正イナーシャを受信し、最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４、逆モデル修正部２０７、最適速度フィードフォワード係数計算部（最適速度ＦＦ係数計算部）２０８、及び最適トルク制限値計算部２０９はそれぞれ修正イナーシャを受けて、加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数、逆モデルの係数、最適速度フィードフォワード係数、及び最適トルク制限値を計算する。最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４、逆モデル修正部２０７、最適速度フィードフォワード係数計算部２０８、及び最適トルク制限値計算部２０９はそれぞれ計算した加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数、逆モデルの係数、最適速度フィードフォワード係数、及び最適トルク制限値を、最適値送信部２０５を介して最適値受信部１１３に出力する。

逆モデル部１２１の逆モデルは、電動機３００及び被駆動体からなる制御対象との伝達関数の逆モデルとなるので、修正イナーシャに基づいて、逆モデルを設定することができる。速度フィードフォワード部１１７の係数は電動機３００及び被駆動体４００の伝達関数の逆関数（Ｊ・ｓ＋Ｆ）／Ｋｔに設定されるので、修正イナーシャに基づいて、速度フィードフォワード部１１７の係数を設定することができる。トルク制限値は、電動機３００に必要以上のトルクがかからないように電流制限部１２０の出力電流を制限するために決められ、トルクＴはＴ＝Ｋｔ・Ｉｑ＝（Ｊ・ｓ＋Ｆ）・ωｒで表されるため、修正イナーシャに基づいて上限加速度になる制限値が設定される。

なお、制御システム１１において、上位装置２００Ａに設けられていた最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４、逆モデル修正部２０７、最適速度フィードフォワード係数計算部２０８、及び最適トルク制限値計算部２０９を制御装置１００Ａに設けてもよい。上位装置２００Ａの修正イナーシャ受信部２０１及び最適値送信部２０５は不要となり、制御装置１００Ａの最適値受信部１１３は不要となる。
この場合、制御装置１００Ａ内において、イナーシャ修正部１１２から最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４、逆モデル修正部２０７、最適速度フィードフォワード係数計算部２０８、及び最適トルク制限値計算部２０９に修正イナーシャを出力する。最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４、逆モデル修正部２０７、最適速度フィードフォワード係数計算部２０８、及び最適トルク制限値計算部２０９は加減速の最適時定数、最適速度ゲイン、共振周波数、逆モデル、最適速度フィードフォワード係数、最適トルク制限値を計算し、速度制御部１０４、フィルタ１０５、逆モデル部１２１、速度フィードフォワード部１１７、電流制限部１２０の設定を変更する。

制御装置１００Ａは最適時定数計算部２０２、最適速度ゲイン計算部２０３、共振周波数計算部２０４、逆モデル修正部２０７、最適速度フィードフォワード係数計算部２０８、及び最適トルク制限値計算部２０９のうちの一又は複数の計算部を有してもよい。この場合、制御装置１００Ａは速度制御部１０４、フィルタ１０５、逆モデル部１２１、速度フィードフォワード部１１７、電流制限部１２０のうちの１つ又は複数を有してもよい。

上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

本開示による制御装置及びイナーシャの評価方法は、上述した実施形態を含め、次のような構成を有する各種各様の実施形態を取ることができる。

（１）本開示の一態様は、
電動機（例えば、電動機３００）と、
前記電動機の実動作を取得する実動作取得部（例えば、ロータリーエンコーダ３０１）と、
前記電動機と前記電動機に接続された被駆動体（例えば、被駆動体４００）とのイナーシャを含むモデルを用いて前記電動機へ印加する電流値から前記電動機の動作を推定するモデル部（例えば、モデル部１０８）と、
前記電動機の制御ループに動作信号を所定期間印加する動作信号入力部（例えば、動作信号入力部１０６）と、
前記動作信号の印加期間における実動作と推定された動作との差分に基づいて前記イナーシャを評価する評価値を算出する評価値算出部（例えば、評価値算出部１１１）と、
を備えた制御装置である。

（２）上記（１）の制御装置において、前記評価値算出部は、前記実動作と前記推定された動作との差分から前記電動機の動作における摩擦を除いた値に基づいて前記評価値を算出してもよい。

（３）上記（２）の制御装置において、前記評価値は、前記印加期間における、前記実動作と前記推定された動作との差分値の絶対値和、または二乗和であってよい。

（４）上記（１）〜（３）のいずれかの制御装置において、前記電流値は、前記電動機への電流指令、または実電流値であってよい。

（５）上記（１）〜（４）のいずれかの制御装置において、前記実動作および前記推定された動作は、実速度および推定速度、または、実位置および推定位置、または、実加速度および推定加速度のいずれかであってよい。

（６）上記（１）〜（５）のいずれかの制御装置において、前記評価値により前記電動機と前記被駆動体とのイナーシャを修正するイナーシャ修正部（例えば、イナーシャ修正部１１２）を有してよい。

（７）上記（６）の制御装置において、修正された前記イナーシャに基づいて、前記電動機の加減速指令の時定数、速度ゲイン、速度フィードフォワード係数、オブザーバの逆モデル、フィルタの減衰周波数、またはトルク制限値の内、少なくとも１つの設定を変更する変更部を有してよい。

（８）上記（１）〜（７）のいずれかの制御装置において、修正前のイナーシャと、
修正されたイナーシャと、
前記電動機の加減速指令の時定数、速度ゲイン、速度フィードフォワード係数、オブザーバの逆モデル、フィルタの減衰周波数、またはトルク制限値の内、少なくとも１つの変更前後の値と、
前記評価値と、
の内少なくとも１つを記憶する記憶部（例えば、記憶部１１４）を有してよい。

（９）上記（１）〜（８）のいずれかの制御装置において、前記動作信号は前記電動機の制御帯域以下の周波数における正弦波信号であってよい。

（１０）本開示の他の一態様は、上記（６）に記載の制御装置（例えば制御装置１００、１００Ａ）と、該制御装置と接続される上位装置（例えば、上位装置２００、２００Ａ）とを有し、
前記上位装置は、
前記制御装置から送信された、修正されたイナーシャを受信する受信部と、
受信されたイナーシャに基づいて、イナーシャ依存パラメータである、電動機の加減速指令の時定数、速度ゲイン、速度フィードフォワード、オブザーバの逆モデル、フィルタの減衰周波数、及びトルク制限値の内、少なくとも１つの設定を変更する変更部を有する制御システムである。

（１１）本開示の更に他の一態様は、
電動機の制御ループに動作信号を所定期間印加し、
前記電動機の実動作を取得し、
前記電動機と前記電動機に接続された被駆動体とのイナーシャを含むモデルを用いて前記電動機へ印加する電流値から前記電動機の動作を推定し、
前記動作信号の印加期間における実動作と推定された動作との差分に基づいて前記イナーシャを評価する評価値を算出する、
前記電動機を制御する制御装置のイナーシャの評価方法である。

１００、１００Ａ 制御装置
１０１ 減算器
１０２ 位置制御部
１０３ 減算器
１０４ 速度制御部
１０５ フィルタ
１０６ 動作信号入力部
１０７ 加算器
１０８ モデル部
１０９ 積分器
１１０ 減算器
１１１ 評価値算出部
１１２ イナーシャ修正部
１１３ 最適値受信部
１１４ 記憶部
１１５ 位置フィードフォード部
１１６ 加算器
１１７ 速度フィードフォワード部
１１８ 加算器
１１９ 減算器
１２０ 電流制限部
１２１ 逆モデル部
１２２ 外乱補正部
２００、２００Ａ 上位装置
２０１ 修正イナーシャ受信部
２０２ 最適時定数計算部
２０３ 最適速度ゲイン計算部
２０４ 共振周波数計算部
２０５ 最適値送信部
２０６ 位置指令生成部
２０７ 逆モデル生成部
２０８ 最適速度フィードフォワード係数計算部
２０９ 最適トルク制限値計算部
３００ 電動機
４００ 被駆動体

Claims (11)

1. 電動機と、
   前記電動機の実動作を取得する実動作取得部と、
   前記電動機と前記電動機に接続された被駆動体とのイナーシャを含むモデルを用いて前記電動機へ印加する電流値から前記電動機の動作を推定するモデル部と、
   前記電動機の制御ループに動作信号を所定期間印加する動作信号入力部と、
   前記動作信号の印加期間における実動作と推定された動作との差分に基づいて前記イナーシャを評価する評価値を算出する評価値算出部と、
   を備えた制御装置。
2. 前記評価値算出部は、前記実動作と前記推定された動作との差分から前記電動機の動作における摩擦を除いた値に基づいて前記評価値を算出する請求項１に記載の制御装置。
3. 前記評価値は、前記印加期間における、前記実動作と前記推定された動作との差分値の絶対値和、または二乗和である請求項２に記載の制御装置。
4. 前記電流値は、前記電動機への電流指令、または実電流値である請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記実動作および前記推定された動作は、実速度および推定速度、または、実位置および推定位置、または、実加速度および推定加速度のいずれかである請求項１から４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記評価値により前記電動機と前記被駆動体とのイナーシャを修正するイナーシャ修正部を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の制御装置。
7. 修正された前記イナーシャに基づいて、前記電動機の加減速指令の時定数、速度ゲイン、速度フィードフォワード係数、オブザーバの逆モデル、フィルタの減衰周波数、またはトルク制限値の内、少なくとも１つの設定を変更する変更部を有する請求項６に記載の制御装置。
8. 修正前のイナーシャと、
   修正されたイナーシャと、
   前記電動機の加減速指令の時定数、速度ゲイン、速度フィードフォワード係数、オブザーバの逆モデル、フィルタの減衰周波数、またはトルク制限値の内、少なくとも１つの変更前後の値と、
   前記評価値と、
   の内少なくとも１つを記憶する記憶部を有する請求項１から７のいずれか１項に記載の制御装置。
9. 前記動作信号は前記電動機の制御帯域以下の周波数における正弦波信号である請求項１から８のいずれかに記載の制御装置。
10. 請求項６に記載の制御装置と、該制御装置と接続される上位装置とを有し、
    前記上位装置は、
    前記制御装置から送信された、修正されたイナーシャを受信する受信部と、
    受信されたイナーシャに基づいて、イナーシャ依存パラメータである、電動機の加減速指令の時定数、速度ゲイン、速度フィードフォワード、オブザーバの逆モデル、フィルタの減衰周波数、及びトルク制限値の内、少なくとも１つの設定を変更する変更部を有する制御システム。
11. 電動機の制御ループに動作信号を所定期間印加し、
    前記電動機の実動作を取得し、
    前記電動機と前記電動機に接続された被駆動体とのイナーシャを含むモデルを用いて前記電動機へ印加する電流値から前記電動機の動作を推定し、
    前記動作信号の印加期間における実動作と推定された動作との差分に基づいて前記イナーシャを評価する評価値を算出する、
    前記電動機を制御する制御装置のイナーシャの評価方法。

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