JP4547619B2 - Machine constant identification device and identification method - Google Patents
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Description
本発明は、ロボットや工作機械等を制御する制御装置に関し、特に機械の摩擦係数と定数をオンラインで同定する機能を備え、機械の動作中に負荷の慣性モーメントが変動しても慣性モーメントをオンラインで同定することができる機械定数同定装置に関する。 The present invention relates to a control device for controlling a robot, a machine tool, and the like, and particularly has a function of identifying a friction coefficient and a constant of a machine online, and even if the inertia moment of a load fluctuates during the operation of the machine, the inertia moment is online. The present invention relates to a machine constant identification device that can be identified by
従来の制御定数同定装置の1つについて説明する。その制御定数同定装置は、入力された速度指令と実際のモータ速度が一致するようにトルク指令を決定してモータ速度を制御する速度制御部と、モータ速度にモデルの速度が一致するように速度制御部をシミュレートする推定部と、トルク指令を所定のハイパスフィルタに通して絶対値をとった後に所定の区間で時間積分した値と、推定部のモデルトルク指令を所定のハイパスフィルタに通して絶対値をとった後に同じ区間で時間積分した値との比から慣性モーメントを同定する同定部とを備えることによって、速度制御部内のモータ速度と推定部内のモデルの速度がゼロでない値で一致する場合にのみ、同定部内で慣性モーメントを同定するというものである(例えば、特許文献1参照)。 One conventional control constant identification device will be described. The control constant identification device determines the torque command so that the input speed command and the actual motor speed match, and controls the motor speed, and the speed so that the model speed matches the motor speed. An estimation unit that simulates the control unit, a value obtained by integrating the torque command through a predetermined high-pass filter and time-integrated in a predetermined section after taking an absolute value, and a model torque command of the estimation unit through a predetermined high-pass filter By providing an identification unit that identifies the moment of inertia from the ratio of the value integrated over time in the same interval after taking the absolute value, the motor speed in the speed control unit and the model speed in the estimation unit match with a non-zero value Only in this case, the moment of inertia is identified in the identification unit (see, for example, Patent Document 1).
この制御定数同定装置を、図を用いて説明すると次のようになる。図12は特許文献1に開示された制御定数調整装置のブロック図であり、この装置が指令発生部11と速度制御部12、推定部17、同定部18、調整部19から成っていることが示されている。また、図では省略しているが、速度制御部12が駆動するモータには負荷JLが取り付けられており、検出器によって実際のモータ速度Vfbが検出されるようになっている。
指令発生部11が目標とする速度指令Vrefを速度制御部12に出力すると、速度制御部12はモータ速度Vfbが速度指令Vrefに一致するように速度制御をし、トルク指令Trefとモータ速度Vfbを同定部18に出力してモータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを推定部17に出力する。
推定部17は、モータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを入力するとモータモデルを用いてモデル速度Vfb’を推定するとともに、モデル速度Vfb’がモータ速度Vfbに一致するように速度制御をしてモデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を同定部18に出力する。
同定部18は入力したトルク指令Trefとモータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を用いてモータの慣性モーメントとモータモデルの慣性モーメントの比J/J’を求め、その比J/J’を調整部19に出力する。
調整部19はこの比J/J’を所定のフィルタに通した後の値に基づいて速度制御部12の比例ゲインKvと積分ゲインKiを決定しており、速度制御部12の積分器の値を調節することによって慣性モーメントが変動しても正常に動作することができるようになっている。
This control constant identification device will be described with reference to the drawings as follows. FIG. 12 is a block diagram of a control constant adjusting device disclosed in
When the
When the motor speed V fb and the feedforward signal FF a are input, the
The identification unit 18 obtains a ratio J / J ′ of the motor inertia moment to the motor model inertia moment using the input torque command T ref , motor speed V fb , model torque command T ref ′, and model speed V fb ′. The ratio J / J ′ is output to the
The adjusting
図13は速度制御部12と推定部17、同定部18の内部構成を詳細に記載したブロック図である。前記のように、速度制御部12が速度指令Vrefを入力すると実際のモータ速度Vfbがこの速度指令Vrefに一致するように速度制御をする。速度制御の形態はPI(比例積分)制御でもIP(積分比例)制御のいずれでもよく、速度制御部12と推定部17の中にあるαを1に設定すればPI制御となり、0に設定すればIP制御となる。
速度制御部12は、モータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを推定部17に出力し、トルク指令Trefとモータ速度Vfbを同定部18に出力する。
推定部17は、モータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを入力すると、モータ速度Vfbを指令としてモデル速度Vfb’がモータ速度Vfbに一致するように速度制御し、モデルトルク指令Tref’でモータモデル(1/J’s)を駆動する。なお、ここで、モータモデルの慣性モーメント値J’は既知の値であり、モータモデルからモデル速度Vfb’が出力されているものとする。
FIG. 13 is a block diagram illustrating in detail the internal configuration of the
The
推定部17は、モデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を同定部18に出力する。なお、推定部17内の比例ゲインKv’と積分時定数Ti’は速度制御器12内の比例ゲインKvと積分時定数Tiと同じ値が望ましい。
同定部18は、トルク指令Trefと速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を入力すると、それぞれ時定数Tkのハイパスフィルタを通して絶対値をとる。
このハイパスフィルタは、トルク指令に時定数Tkのローパスフィルタを通した値をトルク指令Trefから減じて実現されており、推定部をなしている。そして、ハイパスフィルタの各出力の絶対値|FTr|、|FTr’|をとって所定区間[a,b]の時間積分をとり慣性モーメントJを演算している。
速度制御部12の速度比例積分項をフィードフォワード信号として推定部17に入力すれば、ハイパスフィルタで除去できなかった外乱成分の影響を抑えることができようになる。
このように、従来の制御定数調整装置は、任意の速度指令でもモデルトルク指令Tref’をリアルタイムで同定することができるため、負荷の慣性モーメントが時々刻々に変化するような場合であっても負荷の慣性モーメントを正確に同定することができるのである。
次に従来の制御定数同定装置を用いてシミュレーションしたのでその結果を図14に示す。この例ではモータにモータ回転子慣性モーメントの5倍の剛体負荷をつけている。図からわかるようにシミュレーションの結果によると、慣性モーメントは真値に対して約4倍の値(24.4×10e-5kgm2)となっている。
When the torque command T ref , the speed V fb , the model torque command T ref ′, and the model speed V fb ′ are input, the
This high-pass filter is realized by subtracting a value obtained by passing a low-pass filter with a time constant T k from the torque command from the torque command T ref and forms an estimation unit. Then, taking the absolute values | FTr | and | FTr ′ | of the outputs of the high-pass filter, the moment of inertia J is calculated by taking the time integration of the predetermined interval [a, b].
If the speed proportional integral term of the
As described above, the conventional control constant adjusting device can identify the model torque command T ref ′ in real time even with an arbitrary speed command. Therefore, even if the moment of inertia of the load changes every moment. The moment of inertia of the load can be accurately identified.
Next, since simulation was performed using a conventional control constant identification apparatus, the result is shown in FIG. In this example, a rigid load that is five times the motor rotor inertia moment is applied to the motor. As can be seen from the result of the simulation, the moment of inertia is about four times the true value (24.4 × 10e-5 kgm 2 ).
しかしながら、特許文献1に開示された機械定数同定装置は、摩擦の大きい場合や一定外乱トルクが大きい場合は慣性モーメントを正しく同定することができず、場合によっては慣性モーメントの誤同定によって制御系が発振という問題を抱えていた。
そこで、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、摩擦を速度に依存する粘性摩擦と速度の方向に依存するクーロン摩擦に分離して、その係数・定数を同定することができるとともに、リアルタイムで確実に慣性モーメントの同定を行うことができる機械定数同定装置および方法を提供することを目的とする。
However, the mechanical constant identification device disclosed in
Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and it is possible to separate the friction into viscous friction that depends on speed and Coulomb friction that depends on the direction of speed, and to identify the coefficient and constant. An object of the present invention is to provide a machine constant identification apparatus and method that can identify moment of inertia reliably in real time.
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に記載の発明は、速度指令Vrefを出力する指令発生部と、前記速度指令Vrefと実際のモータ速度Vfbが一致するようにトルク指令Trefを決定して該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部と、を備えた機械定数同定装置において、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、一定外乱トルクTdを同定する全摩擦算出部と、速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定するクーロン摩擦同定部と、クーロン摩擦同定部の同定結果であるクーロン摩擦定数Cを用いて、粘性摩擦係数Dを同定する粘性摩擦同定部とを備えたことを特徴としている。
また請求項2に記載の発明は、前期全摩擦算出部は 前記モータ速度Vfbが停止したことを判定し、判定信号を出力する速度判定部と、前記判定信号の信号状態により、前記トルク指令Trefを時間積算して、時間積算値を出力する時間積算部と、前記時間積算値を加算時間で除算し、一定外乱同定値を出力する除算器と、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出する全摩擦同定部とを備えたことを特徴としている。
また請求項3に記載の発明は、前記クーロン摩擦同定部は粘性摩擦係数D’とモータ速度Vfbを乗算して粘性摩擦係数D’の粘性摩擦トルクを算出する乗算器(20)と、前記粘性摩擦トルクを入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Aを出力する時間積算部(21)と、前記モータ速度Vfbを入力すると加速時間と減速時間を計測してその和を算出する加速・減速時間測定部(22)と、トルク指令Trefから一定外乱トルクTdを減算した値を入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Bを出力する時間積算部(23)と、前記時間積算値A、Bと前記加速・減速時間の和を入力すると(3)式によってクーロン摩擦Cを算出するクーロン摩擦算出部(24)とからなることを特徴としている。
C=2×(時間積算値A−時間積算値B)/(加速・減速時間の和) (3)
また請求項4に記載の発明は、前記粘性摩擦同定部は、トルク指令Trefとクーロン摩擦Cと一定外乱トルクTdを入力して減算する減算器と、その減算結果とモータ速度Vfbから(4)式に従って粘性摩擦係数Dを算出する粘性摩擦算出部とからなることを特徴としている。
D=∫(Vfb×(減算器出力))dt/∫(Vfb 2)dt (4)
また請求項5に記載の発明は、速度指令Vrefを出力する指令発生部(11)と、前記速度指令Vrefと実際のモータ速度Vfbが一致するようにトルク指令Trefを決定して該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部と、を備えた機械定数同定装置において、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、一定外乱トルクTdを同定する全摩擦算出部と、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定するクーロン摩擦同定部と、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Tref、前記クーロン摩擦定数Cを用いて、粘性摩擦係数Dを同定する粘性摩擦同定部と、モータモデルからモデル速度Vfb’を推定してモータ速度Vfbと一致するように速度制御し、モデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を出力する推定部と、トルク指令Trefとクーロン摩擦C、粘性摩擦係数D、モータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を入力すると、モータとモータモデルの慣性モーメント比J/J’を求めて出力する慣性モーメント同定部と、この慣性モーメント比J/J’を受けると、所定のフィルタに通して速度制御部の制御ゲインを決定する調整部とを備えたことを特徴としている。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
The invention of
In the invention according to
In the invention according to
C = 2 × (time integrated value A−time integrated value B) / (sum of acceleration / deceleration time) (3)
According to a fourth aspect of the present invention, the viscous friction identifying unit receives a torque command T ref , a Coulomb friction C, and a constant disturbance torque Td and subtracts them, and the subtraction result and motor speed V fb ( 4) A viscous friction calculation unit that calculates a viscous friction coefficient D according to the equation (4).
D = ∫ (V fb × (subtractor output)) dt / ∫ (V fb 2 ) dt (4)
The invention described in
請求項1及び6に記載の発明によると、速度に依存する粘性摩擦と速度の方向に依存するクーロン摩擦に分離して、その係数・定数を同定することができる。
また、請求項2及び7に記載の発明によると、一定外乱トルクを同定することができ、モニタすることができる。
また、請求項3及び8に記載の発明によると、速度の方向に依存するクーロン摩擦と速度に依存する粘性摩擦を同定することができ、モニタすることができる。
また、請求項4及び9に記載の発明によると、速度の方向に依存するクーロン摩擦を独立に同定することができる。
また、請求項5に記載の発明によると、速度に依存する粘性摩擦と速度の方向に依存するクーロン摩擦に分離して、その係数・定数を同定することができ、リアルタイムで慣性モーメントの同定を確実に行うことができる。
According to the first and sixth aspects of the present invention, the coefficient and constant can be identified by separating the viscous friction depending on the speed and the Coulomb friction depending on the speed direction.
Further, according to the second and seventh aspects of the invention, a constant disturbance torque can be identified and monitored.
Further, according to the third and eighth aspects of the invention, it is possible to identify and monitor the Coulomb friction depending on the speed direction and the viscous friction depending on the speed.
Moreover, according to the invention of Claim 4 and 9, the Coulomb friction depending on the direction of speed can be identified independently.
Further, according to the invention described in
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の機械定数同定装置のブロック図である。図において、指令発生部11が速度指令Vrefを速度制御部12に出力すると、速度制御部12はモータ速度Vfbを全摩擦算出部13とクーロン摩擦同定部14、粘性摩擦同定部15へ出力し、トルク指令Trefを全摩擦算出部13とクーロン摩擦同定部14、粘性摩擦同定部15に出力する。全摩擦算出部13は摩擦をモータ速度Vfbに比例する粘性摩擦に換算した場合の粘性摩擦係数D’を求めてクーロン摩擦同定部14と摩擦表示部16へ出力し、一定外乱同定値Tdを求めてクーロン摩擦同定部14と粘性摩擦同定部15、摩擦表示部16へ出力する。クーロン摩擦同定部14は粘性摩擦係数D’と一定外乱同定値Td、モータ速度Vfb、トルク指令Trefを入力するとクーロン摩擦Cを算出して粘性摩擦同定部15と摩擦表示部16へ出力する。粘性摩擦同定部15はクーロン摩擦Cと一定外乱同定値Td、モータ速度Vfb、トルク指令Trefを入力すると粘性摩擦係数Dを算出して摩擦表示部16へ出力する。摩擦表示部16は機械のクーロン摩擦Cと粘性摩擦係数Dまたは粘性摩擦係数D×モータ速度Vfbの粘性摩擦トルクと一定外乱トルクTdをモニタする。
FIG. 1 is a block diagram of a machine constant identification apparatus according to the present invention. In the figure, when the
次に図2を用いて全摩擦算出部13の動作を説明する。速度判定部30は、モータ速度Vfbを入力し、モータが停止したことを判定すると、判定信号を出力する。時間積算部31は、速度判定部30の判定信号の状態に応じて、トルク指令Trefを時間積算し、時間積算値を出力する。除算器32は、その時間積算値を加算時間で除算し、一定外乱同定値Tdを出力する。全摩擦同定部33はモータ速度Vfbとトルク指令Trefから粘性摩擦係数D’を求めて出力する。
次に図3を用いてクーロン摩擦同定部14の動作を説明する。減算器27は、速度制御部12が出力するトルク指令Trefから一定外乱同定値Tdを減算し、求めた減算値を出力する。時間積算部23は、その減算値を入力し、所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Aを出力する。乗算器20は全摩擦算出部13が出力する粘性摩擦係数D’と速度制御部12が出力するモータ速度Vfbを入力して乗算し、粘性摩擦係数D’の粘性摩擦トルクを算出する。時間積算部21はその粘性摩擦トルクを入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Bを出力する。加速・減速時間測定部22はモータ速度Vfbを入力すると加速時間と減速時間を計測してその和を算出する。クーロン摩擦算出部24は、時間積算部23、21の時間積算値A、Bと加速・減速時間の和を入力すると(5)式によってクーロン摩擦Cを算出する。
C=2×(時間積算値A−時間積算値B)/(加速・減速時間の和) (5)
Next, operation | movement of the total
Next, operation | movement of the Coulomb
C = 2 × (time integrated value A−time integrated value B) / (sum of acceleration / deceleration time) (5)
ここで(5)式でクーロン摩擦Cを同定することができる理由を図4〜図7を用いて説明する。図4は区間[a,b]でモータを加減速したときのタイムチャートである。この図に示すように、あるモータ速度Vfbで回転しているときのトルク指令Trefを区間[a,b]で積算すると速度指令Vrefの指令加速度で発生するトルク指令をキャンセルすることができるので、時間積算値Aは区間[a,b]の面積ということから摩擦トルクを求めることができるということになる。全摩擦算出部13の出力となっている粘性摩擦係数D’は、図5のようにモータ速度に比例した粘性摩擦係数であるため、モータ速度Vfbで回転しているときの粘性摩擦トルクと区間[a,b]の時間積算値B(面積)は図6のようになる。ここで、時間積算値Bから時間積算値Aを減算すると図7の斜線部が示すようになり、粘性摩擦係数D’と実際のクーロン摩擦C、粘性摩擦係数Dの誤差を算出することができる。この誤差は加速時間と減速時間の和の時間積算値となり、時間積算値Bから時間積算値Aを減算した値を加速時間と減速時間の和で除算して平均値を算出する。この平均値は、クーロン摩擦Cの半分になるため2倍するとクーロン摩擦Cとなる。
次に、粘性摩擦同定部15の動作について図8のブロック図を用いて説明する。減算器25はトルク指令Trefから一定外乱同定値Tdとクーロン摩擦Cを減算してその減算結果を出力する。粘性摩擦算出部26がその減算結果とモータ速度Vfbを入力すると(6)式に従って粘性摩擦係数Dを算出する。
D=∫(Vfb×(減算器出力))dt/∫(Vfb 2)dt (6)
Here, the reason why the Coulomb friction C can be identified by the expression (5) will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a time chart when the motor is accelerated / decelerated in the section [a, b]. As shown in this figure, when the torque command T ref when rotating at a certain motor speed V fb is integrated in the interval [a, b], the torque command generated at the command acceleration of the speed command V ref can be canceled. Since the time integrated value A is the area of the section [a, b], the friction torque can be obtained. The viscous friction coefficient D ′, which is the output of the total
Next, the operation of the viscous
D = ∫ (V fb × (subtractor output)) dt / ∫ (V fb 2 ) dt (6)
ここで(6)式で粘性摩擦係数Dを同定することができる理由を図5を用いて説明する。区間[a,b]で求めたクーロン摩擦Cは図5における切片となる。この切片に相当する値を実際のトルク指令から減算することにより、全摩擦算出部13と同じ方法で一般的な摩擦モデルである粘性摩擦係数Dを求めることができる。
ただし、クーロン摩擦Cと粘性摩擦係数Dは全粘性摩擦係数D’が算出されなければ導出することができないため、1回も速度指令によって動作させなければクーロン摩擦Cと粘性摩擦係数Dが更新されることはない。そのため、1回目の速度指令では粘性摩擦係数Dを全粘性摩擦係数D’と同じにしている。
Here, the reason why the viscous friction coefficient D can be identified by the equation (6) will be described with reference to FIG. The Coulomb friction C obtained in the section [a, b] is an intercept in FIG. By subtracting the value corresponding to this intercept from the actual torque command, the viscous friction coefficient D, which is a general friction model, can be obtained by the same method as the total
However, since the Coulomb friction C and the viscous friction coefficient D cannot be derived unless the total viscous friction coefficient D ′ is calculated, the Coulomb friction C and the viscous friction coefficient D are updated unless they are operated once according to the speed command. Never happen. Therefore, in the first speed command, the viscous friction coefficient D is made the same as the total viscous friction coefficient D ′.
図9は本発明の機械定数同定装置の第2実施例の構成を示すブロック図である。
図において、指令発生部11は速度指令Vrefを速度制御部12に出力している。速度制御部12は、入力された速度指令Vrefにモータ速度Vfbが一致するように速度制御をして、トルク指令Trefを全摩擦算出部13とクーロン摩擦同定部14、粘性摩擦同定部15、慣性モーメント同定部18に出力するとともに、モータ速度Vfbを全摩擦算出部13とクーロン摩擦同定部14、粘性摩擦同定部15、推定部17、慣性モーメント同定部18に出力する。第1実施例と同様に全摩擦算出部13は、摩擦をモータ速度Vfbに比例した粘性摩擦に換算した場合の粘性摩擦係数D’を求めてクーロン摩擦同定部14に出力し、一定外乱同定値Tdを求めてクーロン摩擦同定部14と粘性摩擦同定部15、慣性モーメント同定部18に出力する。クーロン摩擦同定部14は、粘性摩擦係数D’と一定外乱同定値Td、モータ速度Vfb、トルク指令Trefからクーロン摩擦Cを算出し、粘性摩擦同定部15と慣性モーメント同定部18へ出力する。粘性摩擦同定部15はクーロン摩擦Cと一定外乱同定値Td、モータ速度Vfb、トルク指令Trefから粘性摩擦係数Dを算出して慣性モーメント同定部18へ出力する。推定部17はモータ速度Vfbを入力すると、モータモデルからモデル速度Vfb’を推定してモータ速度Vfbと一致するように速度制御をし、モデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を慣性モーメント同定部18に出力する。慣性モーメント同定部18はトルク指令Trefとクーロン摩擦C、粘性摩擦係数D、一定外乱同定値Td、モータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を入力すると、モータとモータモデルの慣性モーメント比J/J’を求め、その慣性モーメント比J/J’を調整部19に出力する。調整部19は、この慣性モーメント比J/J’を受け取り、所定のフィルタに通した値に基づいて、速度制御部12内の制御ゲインを決定する。
次に図10を用いて、慣性モーメント同定部18の動作について説明する。粘性摩擦同定部15が出力する粘性摩擦係数Dと速度制御部12が出力するモータ速度Vfbを入力すると、これらを乗じて粘性摩擦トルクを求め、続いて速度制御部12が出力するトルク指令Trefからその粘性摩擦トルクが減算され、更に全摩擦算出部13が出力する一定外乱同定値Tdも減算され、更にクーロン摩擦同定部14が出力するクーロン摩擦Cも減算される。こうして摩擦トルクを減算したトルク指令と、モータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’とを用いてモータとモータモデルの慣性モーメント比J/J’を求める。
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the second embodiment of the machine constant identification apparatus of the present invention.
In the figure, the
Next, the operation of the inertia
次に実施例1と実施例2の機械定数調整装置を用いてシミュレーションをしたのでその結果を図11に示す。この例ではモータにモータ回転子慣性モーメントの5倍の剛体負荷をつけた場合の検証実験結果について説明する。図11(a)は、同定された一定外乱Td[Nm]を表しており、破線1が一定外乱の真値(計算値=0.02[Nm])である。(c)は同定された粘性摩擦係数D[×10e-3Nms/rad]を表しており、破線3が粘性摩擦係数の真値(計算値=5×10e-2Nms/rad)である。(b)は同定されたクーロン摩擦C[Nm]を表しており、破線2がクーロン摩擦の真値(計算値=0.01[Nm])である。(e)は同定された慣性モーメント値J(×10e-5kgm2)を表しており、破線4が慣性モーメントの真値(計算値=5.8×10e-5kgm2)である。これらの図から一定外乱Tdと粘性摩擦係数D、クーロン摩擦C、慣性モーメントは全てほぼ真値を示していることがわかる。 このように、本発明の実施例からわかるように、本発明によれば、速度に依存する粘性摩擦と速度の方向に依存するクーロン摩擦に分離して、その係数・定数を同定することができ、リアルタイムで慣性モーメントの同定を確実に行うことができる。また、クーロン摩擦C、粘性摩擦係数D、一定外乱Tdを同定することによって、パソコンなどを通して、自動的に機械モデルを構築することができる。更に、同定した一定外乱Td、クーロン摩擦C、粘性摩擦係数D、粘性摩擦係数D×モータ速度Vfbの粘性摩擦トルクを監視することにより、異常な値が同定された場合には故障と判断することができ、故障診断にも適用できる。
Next, since simulation was performed using the machine constant adjusting apparatus of Example 1 and Example 2, the result is shown in FIG. In this example, a description will be given of a verification experiment result when a rigid load of 5 times the motor rotor inertia moment is applied to the motor. FIG. 11A shows the identified constant disturbance Td [Nm], and the
一定外乱、粘性摩擦とクーロン摩擦を同定することによって経年変化で摩擦が変わった場合でも慣性モーメントを含む機械定数を精度よく同定することができ、また一定外乱、粘性摩擦とクーロン摩擦を同定してモニタすることによって故障診断ができるので、装置が動作することによって慣性モーメントが変化するようなロボットやウェハ搬送装置という用途に適用することができる。また、搬送物の慣性モーメントが変化するようなベルト・ボールネジにより駆動される搬送装置や半導体露光装置という用途にも適用できる。 By identifying constant disturbance, viscous friction and Coulomb friction, it is possible to accurately identify mechanical constants including moment of inertia even when friction changes due to secular change, and by identifying constant disturbance, viscous friction and Coulomb friction Since the failure diagnosis can be performed by monitoring, the present invention can be applied to applications such as robots and wafer transfer apparatuses in which the moment of inertia changes as the apparatus operates. Further, the present invention can also be applied to applications such as a conveying apparatus or a semiconductor exposure apparatus driven by a belt / ball screw that changes the moment of inertia of the conveyed object.
11 指令発生部、 12 速度制御部、 13 全摩擦算出部、
14 クーロン摩擦同定部、 15 粘性摩擦同定部、 16 摩擦表示部、
17 推定部、 18 慣性モーメント同定部、19 調整部、
20 乗算器、 21、23 時間積算部、
22 加速・減速時間計測部、24 クーロン摩擦算出部、 25 減算器、
26 粘性摩擦算出部 27 減算器 30 速度判定部
31 時間積算部 32 除算器 33 全摩擦同定部
11 command generation unit, 12 speed control unit, 13 total friction calculation unit,
14 Coulomb friction identification section, 15 Viscous friction identification section, 16 Friction display section,
17 estimation part, 18 inertia moment identification part, 19 adjustment part,
20 multiplier, 21, 23 time accumulator,
22 acceleration / deceleration time measurement unit, 24 coulomb friction calculation unit, 25 subtractor,
26 Viscosity
Claims (9)
前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、一定外乱トルクTdを同定する全摩擦算出部(13)と
速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定するクーロン摩擦同定部(14)と、
クーロン摩擦同定部の同定結果であるクーロン摩擦定数Cを用いて、粘性摩擦係数Dを同定する粘性摩擦同定部(15)と、
を備えたことを特徴とする機械定数同定装置。 Speed controlling command generator for outputting a speed command V ref and (11), the motor speed by the torque command to determine a torque command T ref so that the actual motor speed V fb and the speed command V ref matches A machine constant identification device comprising a control unit (12),
Using the motor speed V fb and the torque command T ref , the viscous friction coefficient D ′ is calculated as a viscous friction in which the friction is all proportional to the speed, and constant using the motor speed V fb and the torque command T ref. A total friction calculation unit (13) for identifying the disturbance torque Td, a Coulomb friction identification unit (14) for identifying the Coulomb friction constant C depending on the speed direction,
A viscous friction identification unit (15) for identifying a viscous friction coefficient D using a Coulomb friction constant C which is an identification result of the Coulomb friction identification unit;
A machine constant identification device comprising:
前記モータ速度Vfbが停止したことを判定し、判定信号を出力する速度判定部(30)と、前記判定信号の信号状態により、前記トルク指令Trefを時間積算して、時間積算値を出力する時間積算部(31)と、前記時間積算値を加算時間で除算し、一定外乱同定値を出力する除算器(32)と、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出する全摩擦同定部(33)と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の機械定数同定装置。 The total friction calculation unit (13) determines that the motor speed V fb has stopped, and outputs the determination signal to the speed determination unit (30), and the torque command T ref is determined according to the signal state of the determination signal. A time integration unit (31) that integrates and outputs a time integration value, a divider (32) that divides the time integration value by an addition time and outputs a constant disturbance identification value, the motor speed V fb and the A total friction identification unit (33) that calculates a viscous friction coefficient D ′ using the torque command T ref as a viscous friction proportional to the speed,
The machine constant identification device according to claim 1, comprising:
粘性摩擦係数D’とモータ速度Vfbを乗算して粘性摩擦係数D’の粘性摩擦トルクを算出する乗算器(20)と、
前記粘性摩擦トルクを入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Aを出力する時間積算部(21)と、
前記モータ速度Vfbを入力すると加速時間と減速時間を計測してその和を算出する加速・減速時間測定部(22)と、
トルク指令Trefから一定外乱トルクTdを減算した値を入力すると所定の区間[a,b]で時間積算して時間積分値Bを出力する時間積算部(23)と、
前記時間積算値A、Bと前記加速・減速時間の和を入力すると(1)式によってクーロン摩擦Cを算出するクーロン摩擦算出部(24)と
からなることを特徴とする請求項1に記載の機械定数同定装置。
C=2×(時間積算値A−時間積算値B)/(加速・減速時間の和) (1) The Coulomb friction identification unit (14) multiplies the viscous friction coefficient D ′ and the motor speed V fb to calculate a viscous friction torque of the viscous friction coefficient D ′;
A time integrating unit (21) that, when the viscous friction torque is input, integrates time in a predetermined section [a, b] and outputs a time integrated value A;
An acceleration / deceleration time measuring unit (22) for measuring the acceleration time and the deceleration time when the motor speed V fb is input and calculating the sum thereof;
A time integration unit (23) that, when a value obtained by subtracting the constant disturbance torque Td from the torque command T ref is input, integrates time in a predetermined section [a, b] and outputs a time integration value B;
The Coulomb friction calculation unit (24) that calculates the Coulomb friction C according to the equation (1) when the sum of the time integrated values A and B and the acceleration / deceleration time is input. Machine constant identification device.
C = 2 × (time integrated value A−time integrated value B) / (sum of acceleration / deceleration time) (1)
トルク指令Trefとクーロン摩擦Cと一定外乱トルクTdを入力して減算する減算器(25)と、
その減算結果とモータ速度Vfbから(2)式に従って粘性摩擦係数Dを算出する粘性摩擦算出部(26)と
からなることを特徴とする請求項1に記載の機械定数同定装置。
D=∫(Vfb×(減算器出力))dt/∫(Vfb 2)dt (2) The viscous friction identification unit (15)
A subtractor (25) for inputting and subtracting the torque command T ref , the Coulomb friction C, and the constant disturbance torque Td;
The machine constant identification device according to claim 1, further comprising: a viscous friction calculation unit (26) that calculates a viscous friction coefficient D from the subtraction result and the motor speed V fb according to the equation (2).
D = ∫ (V fb × (subtractor output)) dt / ∫ (V fb 2 ) dt (2)
前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、摩擦を全て速度に比例した粘性摩擦として粘性摩擦係数D’を算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、一定外乱トルクTdを同定する全摩擦算出部(13)と
前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて、速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定するクーロン摩擦同定部(14)と、
前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Tref、前記クーロン摩擦定数Cを用いて、粘性摩擦係数Dを同定する粘性摩擦同定部(15)と、
モータモデルからモデル速度Vfb’を推定してモータ速度Vfbと一致するように速度制御し、モデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を出力する推定部(17)と、
トルク指令Trefとクーロン摩擦C、粘性摩擦係数D、モータ速度Vfb、モデルトルク指令Tref’、モデル速度Vfb’を入力すると、モータとモータモデルの慣性モーメント比J/J’を求めて出力する慣性モーメント同定部(18)と、
この慣性モーメント比J/J’を受けると、所定のフィルタに通して速度制御部の制御ゲインを決定する調整部(19)と
を備えたことを特徴とする機械定数同定装置。 Speed controlling command generator for outputting a speed command V ref and (11), the motor speed by the torque command to determine a torque command T ref so that the actual motor speed V fb and the speed command V ref matches A machine constant identification device comprising a control unit (12),
Using the motor speed V fb and the torque command T ref , the viscous friction coefficient D ′ is calculated as a viscous friction in which the friction is all proportional to the speed, and constant using the motor speed V fb and the torque command T ref. A total friction calculation unit (13) for identifying a disturbance torque Td, a Coulomb friction identification unit (14) for identifying a Coulomb friction constant C depending on the speed direction, using the motor speed V fb and the torque command T ref ,
A viscous friction identification unit (15) for identifying a viscous friction coefficient D using the motor speed V fb , the torque command T ref , and the Coulomb friction constant C;
An estimation unit (17) that estimates a model speed V fb ′ from the motor model, controls the speed so as to match the motor speed V fb, and outputs a model torque command T ref ′ and a model speed V fb ′;
When the torque command T ref , Coulomb friction C, viscous friction coefficient D, motor speed V fb , model torque command T ref 'and model speed V fb ' are input, the moment of inertia ratio J / J 'of the motor and motor model is obtained. An inertia moment identification unit (18) to output;
A machine constant identification device comprising: an adjustment unit (19) that determines a control gain of a speed control unit through a predetermined filter when the inertia moment ratio J / J 'is received.
摩擦が全て速度に比例する粘性摩擦であるとして前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて粘性摩擦係数D’を算出し、前記モータ速度Vfbと前記トルク指令Trefを用いて一定外乱トルクTdを同定し、速度の方向に依存するクーロン摩擦定数Cを同定し、前記クーロン摩擦定数Cを用いて粘性摩擦係数Dを同定することを特徴とする機械定数同定方法。 Speed controlling command generator for outputting a speed command V ref and (11), the motor speed by the torque command to determine a torque command T ref so that the actual motor speed V fb and the speed command V ref matches In the motor control device including the control unit (12),
Constant friction calculates the viscous friction coefficient D 'by using the torque command T ref and the motor speed V fb as all are viscous friction is proportional to the speed, using the torque command T ref and the motor speed V fb A mechanical constant identification method characterized by identifying a disturbance torque Td, identifying a Coulomb friction constant C depending on a speed direction, and identifying a viscous friction coefficient D using the Coulomb friction constant C.
C=2×(時間積算値A−時間積算値B)/(加速・減速時間の和) (3) The Coulomb friction C is multiplied by the viscous friction coefficient D ′ and the motor speed V fb and then integrated over time in a predetermined interval [a, b] to obtain a time integral value B. The acceleration time and deceleration of the motor speed V fb are obtained. The time is measured and the sum is obtained. After the constant disturbance torque Td is subtracted from the torque command T ref , the time integration value A is obtained by integrating the time over a predetermined interval [a, b]. The mechanical constant identification method according to claim 6, wherein the mechanical constant is calculated by the equation (3) using the sum of acceleration and deceleration time.
C = 2 × (time integrated value A−time integrated value B) / (sum of acceleration / deceleration time) (3)
D=∫(Vfb×(減算器出力))dt/∫(Vfb 2)dt (4) The viscous friction coefficient D is calculated by subtracting the Coulomb friction C and the constant disturbance torque Td from the torque command T ref and calculating the viscous friction coefficient D from the subtraction result and the motor speed V fb according to the equation (4). The described mechanical constant identification method.
D = ∫ (V fb × (subtractor output)) dt / ∫ (V fb 2 ) dt (4)
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