JP2004178450A - トルク・リップルの補償のための方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パルス幅変調された機械におけるトルク・リップルを補償する方法は、固定フィードバック・コントローラ(42)を利用して一時的乱れに減衰を与えること、及び適応コントローラを利用して定常的乱れを拒否することを含む。別の態様において提供される、トルク・リップルを補償する制御システムは、制御されるべき機械装置と、一時的乱れに減衰を与えるように構成された固定フィードバック・コントローラと、定常的乱れを拒否するように構成された適応コントローラとを含む。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に制御システムに関し、より具体的には、モータによって生じるトルクの変動が望ましくない場合の制御システムに関する。
【0002】
【発明の背景】
永久磁石同期機械(PMSM)は、パルス幅変調方式によって駆動されたときに、モータが生成するトルクに無用の変動、例えばリップルを発生する。このトルク・リップルは好ましいものではない。一般の運動のための多くの用途において、トルク・リップルは主要な関心事である。例えば、トルク・リップルが主要な関心事となる場合の、及び有害なトルク・リップル除去が有益である場合の1つの例は、半導体ウエハのハンドリング装置である。製造業者は、製造中にウエハをステーションからステーションへ動かす間は、該ウエハがどんな形ででも動揺することを望まない。現在のところ、少なくとも幾つかの高価な公知のモータを用いて、モータ内に組み込まれた設計によってトルク・リップルを解決している。
【0003】
最も広く用いられるトルク・リップルの補償技術は、フィードフォワードの手法である。フィードフォワードの手法の必要条件は、モータ構造についての予備的情報であり、及び/又はトルク・リップル信号の事前測定である。モータのロータを基準とする測定信号は、制御装置により、次にモータにフィードフォワードされる。信号を与えることは、結果的にトルク・リップルの減衰をもたらす。トルク・リップル信号の情報全てが利用可能であるときには、フィードフォワードの補償は、広範な分野の問題において有効であり、好ましい手法であるということができる。しかしながら、環境上の物理的な制約か又は使い勝手の問題のいずれかのために、ある状況においてはトルク・リップル信号の情報全てが利用できるわけではない。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の1つの態様において、パルス幅変調された機械のトルク・リップルを補償するための方法が提供される。その方法は、固定フィードバック・コントローラを利用して一時的乱れに減衰を与え、適応コントローラを利用して定常的乱れを拒否することを含む。
【0005】
別の態様においては、トルク・リップルを補償するように構成された制御システムが提供される。その制御システムは、制御されるべき機械装置と、一時的乱れに減衰を与えるように構成された固定フィードバック・コントローラと、定常的乱れを拒否するように構成された適応コントローラとを含む。
【0006】
さらなる態様において、一時的乱れに減衰を与えるように構成された固定フィードバック・コントローラと、定常的乱れを拒否するように構成された適応コントローラとを含む制御システムが提供される。制御システムは、出力=P11d+QPP12eと定義されるシステム出力を最小化するQPを求めるように構成されている。適応コントローラは、時間段階の各々に対して次式による最小平均2乗(LMS)のアルゴリズムを利用して、QPを調整するように構成される。
【0007】
【数13】
【0008】
である。
【0009】
さらに別の態様において、一時的乱れに減衰を与えるように構成された固定フィードバック・コントローラと、定常的乱れを拒否するように構成された適応コントローラとを含む制御システムが提供される。制御システムは、出力=P11d+QPP12eと定義されたシステム出力を最小化するQPを求めるように構成されている。適応コントローラは、時間段階の各々に対して次式による再帰的最小2乗(RLS)のアルゴリズムを利用して、QPを調整するように構成される。
【0010】
【数14】
【0011】
の初期値を含み、ここでは、Iは1より小さい正数である。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の1つの実施形態において、ハイブリッド制御法は、従来型固定フィードバック制御を適応フィードバック技術と組合せる。ハイブリッド制御は、固定コントローラによって一時的乱れに減衰を与え、適応コントローラによって定常的乱れ例えばトルク・リップルの拒否を与える。
【0013】
適応コントローラ技術は、乱れと整合する外部信号の測定を必要としないばかりでなく、乱れがシステムにいかに入るかという情報をも必要としない点で、その他の制御技術と異なる。安定性が問題である場合には、ここに詳述された適応コントローラが実装されて、安定性問題を最小化する。さらに、トルク・リップル補償のための適応コントローラ技術は、適応Q型乱れ推定フィードバック(適応Q)と呼ばれる適応フィードバック制御技術に基づいている。
【0014】
適応コントローラ技術は、トルク・リップル信号がどのようにシステムに入るかについての情報を利用しない点で他のフィードバック技術と異なる。乱れ拒否制御の目的は、乱れ入力からシステム出力に至る望ましい周波数応答を有する伝達関数を作成することにある。ほとんどの場合、コントローラが乱れを減衰するか又は排除する。
【0015】
図1は、通常、線形2次ガウシアン(LQG)コントローラと呼ばれる固定フィードバック・コントローラを含む適応Q型制御システム20のブロック図であり、これには、状態推定器(カルマン・フィルタ)22及び状態フィードバック利得24が含まれる。LQGは適応フィードバック構造26の一部であり、これは、適応フィルタ(QP)28をさらに含む。フィードバック構造26は、機械装置30例えばモータを制御するために用いられる。固定フィードバック・コントローラは、適応フィルタ28が適応不能となり十分迅速には抑制不能となるような一時的乱れに所定量のシステム減衰を与える。さらに、固定フィードバック・コントローラは、結果として生じる制御の適応速度を加速するということがこれまでに分かっている。
【0016】
制御システム20において、制御入力32は、推定誤差を一定に止める機械装置30と同様の方法により、システムの完全識別を仮定して、状態推定器22に影響を及ぼす。そのため、sからeに至る伝達関数がゼロとなる。伝達関数がゼロであるため、ループ内に配置されたいかなる安定した適応フィルタ(QP)28も、結果として生じる不安定なシステムを作動させない。さらに、QPの伝達関数を変化させることによって、機械装置を安定化させるためのコントローラが全て一掃される。
【0017】
QP28が調整され所望のシステム出力を提供する。システム出力は、出力=P11d+P12QPeと定義される。y、u、e及びsをスカラと仮定した場合に、方程式は、出力=P11d+QPP12eとして出力誤差の標準形式に書換えられる。換言すると、システム出力を最小化するQP28を求めることが望ましい。QP28が安定化コントローラを全て一掃するため、品質システムの完全識別を仮定することにより、安定であることを保証されたシステムが確保される。
【0018】
図2は、図1のシステムに比べより詳細に示された適応Q型アルゴリズムを実装するシステム40のブロック図である。具体的には、図2を参照すると、固定フィードバック・コントローラ42は、標準的な線形2次ガウシアン(LQG)制御である。コントローラ42は、乱れがシステムにいかに入るかについての情報を一切もたない。そうではなくむしろ、コントローラ42は、乱れがシステムにいかに入るかを推定する1つのモデルとして恒等行列を用いるように構成される。QPフィルタ構造44は、有限のインパルス応答(FIR)フィルタ46を含み、安定したシステムの伝達関数を保証する。限られた数の係数をもつFIRフィルタ46は、フィルタ構造44が安定化コントローラのサブセットを一掃できるようにする。用いられる適応アルゴリズム48は、非勾配アルゴリズムである。例えば、最小平均2乗(LMS)のアルゴリズム及び再帰的最小2乗(RLS)のアルゴリズムである。
【0019】
図2に示すシステム40のブロック図を参照すると、システム40に実装された1組のシミュレーション方程式が以下に示される。離散時間系LQG(D−T)の状態方程式は、
x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+E??d(k)
y(k)=Cx(k)
u(k)=−Kx´(k)+r(k)+s(k)
x´(k+1)=Ax´(k)+Bu(k)+F(y(k)−y´(k))
y´(k)=Cx´(k)
であり、ここで、F及びKは、適切なリカッチ方程式を用いて計算される。恒等行列は、線形2次推定器(LQE)の設計用のE??行列のためのモデルとして機能する。上記方程式の組合せは、結果として以下に示すような単一系列の1組のD−T状態方程式を生じる。
【0020】
【数15】
【0021】
適応アルゴリズムにおいて、e(k)=y(k)−y´(k)と定義される推定誤差信号を用いる前に、誤差信号は、図2の誤差フィルタ50として示す伝達関数P12を介してフィルタにかけられる。状態方程式は、xp(k+1)=Axp(k)+Be(k)及びyp(k)=Cx(k)であり、ここで、信号のyp(k)及びy(k)は、FIRフィルタ46に対するフィルタの重みを調整する適応アルゴリズム48の所望入力である。
【0022】
上記のように、適応アルゴリズム48は、QPフィルタの重み(FIRフィルタ係数)を調整する役割を担う。QPフィルタの重みを調整するために用いられた2つの例示的なアルゴリズムは、最小平均2乗(LMS)のアルゴリズム及び再帰的最小2乗(RLS)のアルゴリズムである。
【0023】
RLSアルゴリズムは以下のように要約され、ここでは、
【0024】
【数16】
【0025】
の初期値を有し、時間段階の各々に対して、
【0026】
【数17】
【0027】
を提供する。
【0028】
LMSアルゴリズムは以下のように要約され、ここでは、
【0029】
【数18】
【0030】
であり、時間段階の各々について、
【0031】
【数19】
【0032】
のような計算方法を提供する。
【0033】
LMSアルゴリズムは、計算する上で比較的単純であり、数値的効率もよいという利点を有する。しかしながら、LMSアルゴリズムの不利な点は、固定の段階サイズにある。RLSアルゴリズムは、可変の段階サイズを用いることになるが、計算する上では数値的に精緻である。
【0034】
LQGによる乱れ拒否シミュレーション
LQGによる乱れ拒否(LQGDR)コントローラは、適応Q型コントローラを実装されたLQG制御構造とは、2つの方法において異なる。カルマン・フィルタ(LQE)推定器の設計に第1の相違点がある。LQGDRは理想的な制御モデルであり、それは、必要な比較をできるようにして有効度を求めるものである。推定器の設計は、乱れ周波数の内容についての情報の全てを内包し、さらに、乱れ入力からシステム出力に至るモデルを含む。LQEの一部は、上記の適応Q型制御ためのLQG設計と同様の状態及び出力ノイズに関する情報を用いる。LQGDRを導き出すことは、乱れ周波数スペクトルのモデルを含む既存の機械装置の状態方程式を補強することから始まる。乱れは、状態方程式即ちxd(k+1)=Adx(k)+Bdd(k)及びyd(k)=Cdxd(k)に従ってモデル化され、そこでは、Dd期間中の入力をゼロと仮定する。
【0035】
乱れ状態方程式は機械装置の乱れ入力を補強して、図3に示す機械装置及び乱れモデル70において示されたように、カルマン・フィルタのためのカラード・ノイズを作成する。上記方程式の乱れモデルは、離散時間系(D−T)の1つのモデルであるが、一方、乱れは連続時間(C−T)信号であり、これが考えられる誤差原因である。しかしながら、1000ヘルツのD−Tシステムのサンプリング速度において、誤差は無視できる。
【0036】
1つの実施形態において、補強された機械装置モデルの状態方程式は、
【0037】
【数20】
【0038】
のように定義される。
【0039】
図4に示す補強されたシステムモデル80が、LQE及びLQG部分を求めるために用いられる。結果として生じるLQGDRコントローラ100を含む制御構造が図5に示され、そこでは、機械装置モデル102が図4に示す補強されたモデル80に置き換わる。
【0040】
従って、LQGDRコントローラ104のための状態方程式は、
【0041】
【数21】
【0042】
である。
【0043】
本発明を、様々な具体的実施形態によって説明してきたが、当業者には、本発明が、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で、変更を加えて実施することができることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】適応Q型コントローラのブロック図。
【図2】適応Q型アルゴリズムを表す、図1に示すコントローラの詳細ブロック図。
【図3】機械装置及び乱れモデルのブロック図。
【図4】補強されたシステムのブロック図。
【図5】最適乱れ拒否コントローラを組み込んでいるモータ制御システムのブロック図。
【符号の説明】
20 制御システム
22 状態推定器
24 状態フィードバック利得
26 フィードバック構造
28 適応フィルタ
30 機械装置
32 制御入力
Claims (35)
- パルス幅変調された機械におけるトルク・リップルを補償するための方法であって、
固定フィードバック・コントローラ(42)を利用して一時的乱れに減衰を与える段階と、
適応コントローラを利用して定常的乱れを拒否する段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 出力=P11d+QP12eと定義されるシステム出力を最小化するQPを求める段階をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- QPが非勾配アルゴリズムを利用して調整されることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
- QPが、最小平均2乗(LMS)のアルゴリズム及び再帰的最小2乗(RLS)のアルゴリズムの少なくとも1つを利用して調整されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 一時的乱れに減衰を与える前記段階が、線形2次ガウシアン(LQG)コントローラを利用して減衰を与える段階をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 定常的乱れを拒否する前記段階が、適応Q型構造を利用して定常的乱れを拒否する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- F及びKのための計算が適切なリカッチ方程式でなされる、
x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+E??d(k)
y(k)=Cx(k)
u(k)=−Kx´(k)+r(k)+s(k)
x´(k+1)=Ax´(k)+Bu(k)+F(y(k)−y´(k))
y´(k)=Cx´(k)
の離散時間系状態方程式により、前記適応Q型構造を構成する段階を、
さらに含むことを特徴とする、請求項8に記載の方法。 - 推定誤差信号がe(k)=y(k)−y´(k)と定義され、状態方程式が、
xp(k+1)=Axp(k)+Be(k)及び
yp(k)=Cx(k)
である場合に、伝達関数P12を介して前記推定誤差信号e(k)をフィルタ処理する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項10に記載の方法。 - 最適乱れ拒否コントローラを利用して定常的乱れを拒否する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 前記適応Q型構造がゼロ以外の結果を生ずるときの結果比較のための基準線として、前記最適乱れ拒否コントローラを利用する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項12に記載の方法。
- 最適乱れ拒否コントローラを利用する前記段階が、
xd(k+1)=Adx(k)+Bdd(k)及び
yd(k)=Cdxd(k)、ここで、Ddがゼロになると仮定される、
の状態方程式を用いて、乱れをモデル化する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項12に記載の方法。 - トルク・リップルを補償するように構成された制御システム(20)であって、
制御されるべき機械装置(30)と、
一時的乱れに減衰を与えるように構成された固定フィードバック・コントローラ(42)と、
定常的乱れを拒否するように構成された適応コントローラと、
を含むことを特徴とする制御システム(20)。 - 前記制御システムが、出力=P11d+QPP12eと定義されるシステム出力を最小化するQP(28)を求めるように構成されていることを特徴とする、請求項17に記載の制御システム(20)。
- 前記コントローラ(42)が、非勾配アルゴリズム(48)を利用してQP(28)を調整するように構成されていることを特徴とする、請求項18に記載の制御システム(20)。
- 前記コントローラ(42)が、最小平均2乗(LMS)のアルゴリズム(48)及び再帰的最小2乗(RLS)のアルゴリズム(48)の少なくとも1つを利用して、QP(28)を調整するように構成されていることを特徴とする、請求項19に記載の制御システム(20)。
- 線形2次ガウシアン(LQG)コントローラを利用して、一時的乱れに減衰を与えるように構成されていることを特徴とする、請求項17に記載の制御システム(20)。
- 適応Q型構造を利用して定常的乱れを拒否するように構成されていることを特徴とする、請求項17に記載の制御システム(20)。
- 前記適応Q型構造が、
F及びKが適切なリカッチ方程式で計算される、
x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+E??d(k)
y(k)=Cx(k)
u(k)=−Kx´(k)+r(k)+s(k)
x´(k+1)=Ax´(k)+Bu(k)+F(y(k)−y´(k))
y´(k)=Cx´(k)
に応じて構成されていることを特徴とする、請求項24に記載の制御システム(20)。 - 推定誤差信号がe(k)=y(k)−y´(k)と定義され、前記状態方程式が、
xp(k+1)=Axp(k)+Be(k)及び
yp(k)=Cx(k)
である場合に、伝達関数P12を介して前記推定誤差信号e(k)をフィルタ処理するようにさらに構成されていることを特徴とする、請求項26に記載の制御システム(20)。 - 定常的乱れを拒否するように構成された最適乱れ拒否コントローラをさらに含むことを特徴とする、請求項24に記載の制御システム(20)。
- 前記適応Q型構造がゼロ以外の結果を生ずるときの結果比較のための基準線として、前記最適乱れ拒否コントローラが構成されていることを特徴とする、請求項28に記載の制御システム(20)。
- 前記最適乱れ拒否コントローラが、
xd(k+1)=Adx(k)+Bdd(k)及び
yd(k)=Cdxd(k)、ここで、Ddがゼロになると仮定される、
の状態方程式を用いて、乱れをモデル化するように構成されていることを特徴とする、請求項28に記載の制御システム(20)。 - 前記適応Q型構造が、
F及びKが適切なリカッチ方程式で計算される、
x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+E??d(k)
y(k)=Cx(k)
u(k)=−Kx´(k)+r(k)+s(k)
x´(k+1)=Ax´(k)+Bu(k)+F(y(k)−y´(k))
y´(k)=Cx´(k)
に応じて構成されていることを特徴とする、請求項33に記載の制御システム(20)。
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