JP2006003953A - 機械振動抑制装置および機械振動周波数検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱等の影響を受けず、正確に機械振動周波数検出を行なうことができる機械振動抑制装置および機械振動周波数検出方法を提供する。
【解決手段】機械振動抑制装置は、周波数解析手段１０にて検出した振動周波数スペクトルと全周波数領域におけるスペクトルの平均値との比率（スペクトル比）を求めるためのスペクトル比算出手段２１と、前記スペクトル比と予め設定されたスペクトル比閾値Ｓｏとを比較して、前記スペクトル比が前記スペクトル比閾値Ｓｏ以下であった場合は、振動周波数検出失敗と判定する周波数解析結果判定手段２２と、を備え、前記スペクトル比がスペクトル比閾値Ｓｏを超えた場合のみ、振動抑制フィルタ６の係数設定処理を行なう。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機によって駆動される機械系に発生した振動の周波数を自動的に検出する機械振動抑制装置および機械振動周波数検出方法に関する。

従来、電動機を運転中に発生した機械振動に対して、機械振動周波数を検出する方法として、例えば本出願人による特願２００３−３２０９８９号（平成１５年９月１２日出願）にて提案されているように、電動機または機械系の速度をオブザーバ等により推定した推定速度と実速度との差、または、電動機へのトルク指令を基に機械振動信号を作成し、機械振動信号を所定のサンプリング時間で一定時間データを蓄積して、蓄積された機械振動信号を周波数解析することによって振動周波数を検出していた。

図３は、従来技術の機械振動抑制装置を示す制御ブロック図である。
図３において、１は速度制御器、２は電動機、３はトルク指令を入力し電動機２を駆動する電圧指令を出力する駆動部、４は電動機２によって駆動される工作機械などの機械系、５は速度検出器、６は振動抑制フィルタ、７は速度推定器、８は機械振動信号作成器、９はデータトレース部、１０は周波数解析部、１１は電動機２と機械系４の連結器、Ｎｒは速度指令、Ｔｒはトルク指令、Ｎｓは電動機の実速度、Ｍｖは機械振動信号、Ｖａは振動検出レベルの閾値、すなわち機械振動信号の閾値、Ｆａは閾値周波数である。
速度制御器１は、速度指令Ｎｒと速度検出器５により検出された電動機２の実速度Ｎｓとの偏差からトルク指令Ｔｒを算出して速度推定器７へ出力する。速度推定器７では、このトルク指令Ｔｒと電動機２の実速度Ｎｓから電動機の推定速度を算出し、機械振動信号作成器８へ出力する。機械振動信号作成器８では、この速度推定器７の出力と電動機２の実速度Ｎｓとの誤差を求め機械振動信号Ｍｖを作成する。この機械振動信号Ｍｖが予め設定された振動検出レベルの閾値Ｖａに達したことを検出して、機械振動信号Ｍｖが振動検出レベルの閾値Ｖａに達した以降の機械振動信号を一定時間データトレース部９に蓄積する。周波数解析部１０では、この蓄積された機械振動信号を周波数解析し、解析結果に基づいて機械共振周波数など特定の周波数成分の通過を抑制する振動抑制フィルタ６のフィルタ係数を設定する。

図４は、従来技術の機械振動周波数検出方法を示すフローチャートである。
図４を用いて、従来技術による機械振動周波数検出方法の手順を説明する。
先ず、速度推定器７の出力と電動機２の実速度との誤差を求め機械振動信号Ｍｖを作成する（ステップＳＴ２）。次に、機械振動信号Ｍｖの絶対値が予め設定された振動検出レベルの閾値Ｖａ以上か否かを判定する（ステップＳＴ３）。ステップＳＴ３にて、機械振動信号Ｍｖの絶対値が振動検出レベルの閾値Ｖａより小さい場合は、そのまま処理を終了する。一方、機械振動信号Ｍｖの絶対値が振動検出レベルの閾値Ｖａ以上と判別された場合は、次のステップＳＴ４へ進む。すなわち、機械振動信号Ｍｖを一定時間トレースし、機械振動データを蓄積する（ステップＳＴ４）。次に、蓄積した機械振動データを周波数解析し（ステップＳＴ５）、周波数スペクトルを基に振動周波数を検出する（ステップＳＴ６）。ここで、周波数解析の手法としては、公知のＦＦＴ（高速フーリエ変換）や、ＤＦＴ（デジタルフーリエ変換）を用いる。次に、振動抑制フィルタ係数設定を以下の手順でおこなう（ステップ１０）。すなわち、振動周波数が予め設定された閾値周波数Ｆａと比較し（ステップＳＴ１０１）、振動周波数が閾値周波数Ｆａ以上の場合は、検出された振動周波数を基にノッチフィルタを設定し（ステップＳＴ１０２）、一方、振動周波数が閾値周波数Ｆａより小さい場合は、ローパスフィルタを設定（ステップＳＴ１０３）することにより、トルク指令に含まれる振動を抑制する。
特開平０５−３４６８１３号公報

このように、従来技術では、機械振動信号が予め設定された振動検出レベルに達した場合、必ず振動周波数の検出が行なわれ、ノッチフィルタまたはローパスフィルタの振動抑制フィルタが設定される。ところで、外乱が印加された場合に機械振動信号が振動検出レベルを超える場合がある。外乱による振動は直ぐに減衰して収まるが、一旦、機械振動信号が振動検出レベルを超えると周波数解析処理が実行される。本来の機械共振ではない周波数を検出し、それを基に振動抑制フィルタが設定されるため、制御系に悪影響を及ぼし、最悪の場合発振してしまう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、外乱の影響を受けず、正確に機械振動周波数検出を行なうことができる機械振動抑制装置および機械振動周波数検出方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、電動機または機械系の速度をオブザーバ等により推定した推定速度と実速度との差、または電動機へのトルク指令に基づいて機械振動信号を作成する機械振動信号作成手段と、前記機械振動信号を所定のサンプリング時間で一定時間データを蓄積するデータトレース手段と、前記データトレース手段によって蓄積された前記機械振動信号を周波数解析する周波数解析手段と、特定の周波数成分の通過を抑制する、または特定周波数以上の成分の通過を抑制するフィルタ手段とを備え、前記周波数解析手段によって検出された振動周波数に基づいて前記フィルタ手段の係数を設定することにより機械振動を抑制する機械振動抑制装置において、前記周波数解析手段にて検出した振動周波数スペクトル値と全周波数領域におけるスペクトルの平均値との比率を求めるためのスペクトル比算出手段と、前記比率と予め設定されたスペクトル比の閾値とを比較して、前記比率が前記スペクトル比の閾値以下であった場合は、振動周波数検出失敗と判定する周波数解析結果判定手段と、を備え、前記比率が前記スペクトル比の閾値を超えた場合のみ、前記フィルタ手段の係数設定処理を行なうことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、電動機または機械系の速度をオブザーバ等により推定した推定速度と実速度との差、または電動機へのトルク指令に基づいて機械振動信号を作成し、前記機械振動信号を所定のサンプリング時間で一定時間データをトレースして蓄積し、前記蓄積された前記機械振動信号の周波数スペクトル値を取得し、解析された振動周波数に基づいて、特定の周波数成分の通過を抑制する、または特定周波数以上の成分の通過を抑制するフィルタの係数を設定することにより機械振動を抑制する機械振動抑制装置における機械振動周波数検出方法において、全周波数領域におけるスペクトルの平均値を取得するステップと、前記振動周波数スペクトル値と前記全周波数領域におけるスペクトルの平均値の比率を算出するステップと、前記比率と予め設定されたスペクトル比の閾値とを比較するステップと、前記スペクトル比の閾値を超える場合は前記フィルタの係数設定を行なうステップと、前記スペクトル比の閾値以下である場合は振動周波数検出失敗と判定し、前記機械振動信号のデータトレースを実行して振動周波数検出の再測定を行なうステップとを有することを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２記載の機械振動周波数検出方法において、前記フィルタの係数設定済みかどうか判断するステップと、前記フィルタの係数設定済みの場合、制御ゲインが変更されたかどうか判断するステップと、前記制御ゲインが変更されたと判断した場合は、前記フィルタの設定を解除するステップと、前記フィルタの係数の再設定を行なうステップと、を有することを特徴としている。

本発明の機械振動抑制装置および機械振動周波数検出方法によれば、周波数解析結果から振動周波数スペクトルと全周波数域のスペクトル平均値を求め、その比率によって、周波数解析結果の異常判別を行なうようにしているので、正確な機械振動周波数検出を行なうことができる。すなわち、外乱の印加などで減衰してしまう振動については振動周波数スペクトルとスペクトル平均値の比が小さいため、再度振動検出処理が行なわれて誤った周波数に振動抑制フィルタが設定されるようなことはない。一方、機械共振による振動の場合は、振動周波数スペクトルとスペクトル平均値の比が大きいため、従来通りの周波数検出が行なわれる。
このように、本発明によれば、外乱等の影響を受けず、正確に機械振動周波数検出を行なうことが出来る。

以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の機械振動抑制装置を示す制御ブロック図である。
図１において、２１はスペクトル比算出部、２２は周波数解析結果判定部、Ｎｒは速度指令、Ｔｒはトルク指令、Ｎｓは電動機の実速度、Ｍｖは機械振動信号、Ｖａは振動検出レベルの閾値すなわち機械振動信号の閾値、Ｓｏはスペクトル比閾値、Ｆｅは周波数解析異常信号、Ｆａは閾値周波数である。尚、図３と同じ説明符号のものは図３と同じ構成要素および機能を示している。
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、本発明は、スペクトル比算出部２１と、周波数解析結果判定部２２とを新たに備えており、スペクトル比算出部２１は、周波数解析部１０にて検出した振動周波数スペクトルと全周波数領域におけるスペクトルの平均値との比率（スペクトル比）を求め周波数解析結果判定部２２へ送出するものとしている点と、周波数解析結果判定部２２は、前記スペクトル比と予め設定されたスペクトル比閾値Ｓｏとを比較してスペクトル比閾値Ｓｏ以下であった場合は振動周波数検出失敗と判定して、周波数解析異常信号Ｆｅをデータトレース部９へ送出するものとしている点、およびゲイン設定変更をデータトレース部９が読み取っている点である。

以下、図１を用いて本発明の機械振動抑制装置の動作を説明する。
速度制御器１は、速度指令Ｎｒと速度検出器５により検出された電動機２の実速度Ｎｓとの偏差からトルク指令Ｔｒを算出して速度推定器７へ出力する。速度推定器７では、このトルク指令Ｔｒと電動機２の実速度Ｎｓから電動機の推定速度を算出し、機械振動信号作成器８へ出力する。機械振動信号作成器８では、この速度推定器７の出力と電動機２の実速度Ｎｓとの誤差を求め機械振動信号Ｍｖを作成する。この機械振動信号Ｍｖが予め設定された振動検出レベルの閾値Ｖａに達したことを検出すると、機械振動信号Ｍｖが振動検出レベルの閾値Ｖａに達した以降の機械振動信号を一定時間データトレース部９に蓄積する。周波数解析部１０では、この蓄積された機械振動信号を周波数解析する。スペクトル比算出部２１は、周波数解析部１０にて検出した振動周波数スペクトルと全周波数領域におけるスペクトルの平均値との比率（スペクトル比）を求め、周波数解析結果判定部２２へ送出する。周波数解析結果判定部２２は、前記スペクトル比と予め設定されたスペクトル比閾値Ｓｏとを比較する。スペクトル比閾値Ｓｏ以下であった場合は振動周波数検出失敗と判定して、周波数解析異常信号Ｆｅをデータトレース部９へ送出する。一方、スペクトル比閾値Ｓｏを超えていたら、正常と判断して、周波数解析部１０は解析結果に基づいて速度制御器１の出力であるトルク指令に対し、機械共振周波数など特定の周波数成分の通過を抑制する振動抑制フィルタ６のフィルタ係数を設定する。
データトレース部９は、周波数解析結果判定部２２からの周波数解析異常信号Ｆｅを受けた場合やゲイン設定変更された場合に、振動抑制フィルタの設定を解除し（ノッチフィルタを無効、ローパスフィルタを初期値に戻す）、再度、振動レベル検出およびデータトレースの蓄積を実行する。

図２は、本発明の機械振動周波数検出方法を示すフローチャートである。尚、図４と同じステップ番号は図４と同じ内容を示している。
本発明が図４と異なる点は、本発明は、ステップＳＴ１、７〜９、１１〜１４を新たに追加している点である。
以下、図２を用いて、本発明による機械振動周波数検出方法の手順を説明する。
先ず、振動抑制フィルタ係数設定済みか判断し（ステップＳＴ１）、振動抑制フィルタ係数設定済みの場合はステップＳＴ１４へ進む。振動抑制フィルタ係数設定済みでない場合は、速度推定器の出力と電動機の実速度との誤差を求め、機械振動信号Ｍｖを作成する（ステップＳＴ２）。次に、機械振動信号Ｍｖの絶対値が予め設定された振動レベルの閾値Ｖａ以上か、否か、を判定する（ステップＳＴ３）。ステップＳＴ３にて、機械振動信号Ｍｖの絶対値が振動レベルの閾値Ｖａ未満の場合は、機械振動信号Ｍｖの絶対値が振動レベルの閾値Ｖａに達するまでステップＳＴ２とステップＳＴ３を繰り返す。

機械振動信号Ｍｖの絶対値が振動レベルの閾値Ｖａ以上と判別された場合は、次のステップＳＴ４へ進む。すなわち、機械振動信号Ｍｖを一定時間トレースし、機械振動データを蓄積する（ステップＳＴ４）。次に、蓄積した機械振動データの周波数解析を行なう（ステップＳＴ５）。ここで、周波数解析の手法としては、公知のＦＦＴ（高速フーリエ変換）や、ＤＦＴ（デジタルフーリエ変換）を用いる。次に、この周波数解析結果より周波数スペクトルの最大値（ピーク）すなわち、振動周波数スペクトルを検出し（ステップＳＴ６）、さらに周波数全体のスペクトル平均値を算出する（ステップＳＴ７）。そして振動周波数スペクトルとスペクトル平均値の比率（スペクトル比）を算出する（ステップＳＴ８）。次に振動周波数スペクトルと平均値の比率がスペクトル比閾値Ｓｏとを比較する（ステップＳＴ９）。スペクトル比閾値Ｓｏを超える場合は、ノッチフィルタ等の振動抑制フィルタを設定する（ステップＳＴ１０）。すなわち、振動周波数が予め設定された閾値周波数Ｆａと比較し（ステップＳＴ１０１）、振動周波数が閾値周波数Ｆａ以上の場合は、検出された振動周波数を基にノッチフィルタを設定し（ステップＳＴ１０２）、一方、振動周波数が閾値周波数Ｆａより小さい場合は、ローパスフィルタを設定（ステップＳＴ１０３）することにより、トルク指令に含まれる振動を抑制する。
一方、スペクトル比閾値Ｓｏ以下の場合は、周波数解析処理異常として、再度ステップＳＴ２の機械振動信号作成から処理を繰り返す（ステップＳＴ１１）。
また、ゲイン設定変更されたか判断し（ステップＳＴ１２）、ゲイン設定変更された場合は、振動抑制フィルタの設定を解除し（ステップＳＴ１３）再度ステップＳＴ２からの処理を行ない振動抑制フィルタを再設定する（ステップＳＴ１４）。

以上述べたように、本実施例に係る機械振動抑制装置および機械振動周波数検出方法は、周波数解析結果から振動周波数スペクトルと全周波数域のスペクトル平均値を求め、その比率によって、周波数解析結果の異常判別を行なうようにしているので、正確な機械振動周波数検出を行なうことができる。
さらに、ゲイン設定を変更した際に、自動的に再度、振動検出および振動周波数検出を行なうようにしているので、ゲインを変更したことによって振動抑制フィルタが不要となるような場合でも、振動抑制フィルタを解除することができ、また、同じ制御装置を異なる機械に接続した場合でも振動抑制フィルタの再設定をオペレータに意識させることなく実行することができる。

本発明は一般産業機械、工作機械、ロボットなど機械振動の抑制を求められる幅広い用途に適用可能である。

本発明の機械振動抑制装置を示す制御ブロック図 本発明の機械振動周波数検出方法を示すフローチャート 従来技術の機械振動抑制装置を示す制御ブロック図 従来技術の機械振動周波数検出方法を示すフローチャート

符号の説明

１ 速度制御器
２ 電動機
３ 駆動部
４ 機械系
５ 速度検出器
６ 振動抑制フィルタ
７ 速度推定器
８ 機械振動信号作成器
９ データトレース部
１０ 周波数解析部
１１ 連結器
２１ スペクトル比算出部
２２ 周波数解析結果判定部
Ｎｒ 速度指令
Ｎｓ 電動機の実速度
Ｔｒ トルク指令
Ｍｖ 機械振動信号
Ｖａ 振動検出レベルの閾値
Ｓｏ スペクトル比閾値、
Ｆａ 閾値周波数
Ｆｅ 周波数解析異常信号

Claims (3)

1. 電動機または機械系の速度をオブザーバ等により推定した推定速度と実速度との差、または電動機へのトルク指令に基づいて機械振動信号を作成する機械振動信号作成手段（８）と、前記機械振動信号を所定のサンプリング時間で一定時間データを蓄積するデータトレース手段（９）と、前記データトレース手段（９）によって蓄積された前記機械振動信号を周波数解析する周波数解析手段（１０）と、特定の周波数成分の通過を抑制する、または特定周波数以上の成分の通過を抑制するフィルタ手段（６）とを備え、前記周波数解析手段（１０）によって検出された振動周波数に基づいて前記フィルタ手段（６）の係数を設定することにより機械振動を抑制する機械振動抑制装置において、
   前記周波数解析手段（１０）にて検出した振動周波数スペクトル値と全周波数領域におけるスペクトルの平均値との比率を求めるためのスペクトル比算出手段（２１）と、
   前記比率と予め設定されたスペクトル比の閾値とを比較して、前記比率が前記スペクトル比の閾値以下であった場合は、振動周波数検出失敗と判定する周波数解析結果判定手段（２２）と、を備え、前記比率が前記スペクトル比の閾値を超えた場合のみ、前記フィルタ手段（６）の係数設定処理を行なうことを特徴とする機械振動抑制装置。
2. 電動機または機械系の速度をオブザーバ等により推定した推定速度と実速度との差、または電動機へのトルク指令に基づいて機械振動信号を作成し、前記機械振動信号を所定のサンプリング時間で一定時間データをトレースして蓄積し、前記蓄積された前記機械振動信号の周波数スペクトル値を取得し、解析された振動周波数に基づいて、特定の周波数成分の通過を抑制する、または特定周波数以上の成分の通過を抑制するフィルタの係数を設定することにより機械振動を抑制する機械振動抑制装置における機械振動周波数検出方法において、
   全周波数領域におけるスペクトルの平均値を取得するステップ（ＳＴ７）と、
   前記振動周波数スペクトル値と前記全周波数領域におけるスペクトルの平均値の比率を算出するステップ（ＳＴ８）と、
   前記比率と予め設定されたスペクトル比の閾値とを比較するステップ（ＳＴ９）と、
   前記スペクトル比の閾値を超える場合は前記フィルタの係数設定を行なうステップ（ＳＴ１０）と、
   前記スペクトル比の閾値以下である場合は振動周波数検出失敗と判定し、前記機械振動信号のデータトレースを実行して振動周波数検出の再測定を行なうステップ（ＳＴ１１）とを有することを特徴とする機械振動周波数検出方法。
3. 前記フィルタの係数設定済みかどうか判断するステップ（ＳＴ１）と、
   前記フィルタの係数設定済みの場合、制御ゲインが変更されたかどうか判断するステップ（ＳＴ１２）と、
   前記制御ゲインが変更されたと判断した場合は、前記フィルタの設定を解除するステップ（ＳＴ１３）と、
   前記フィルタの係数の再設定を行なうステップ（ＳＴ１４）と、を有することを特徴とする請求項２記載の機械振動周波数検出方法。

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