JP2006211872A - 電動機制御装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機械特性に依存せず，低周波から高周波までの広い周波数帯域において電動機速度に依存する振動周波数に対し，振動抑制をすることができる電動機制御装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】 電動機、または機械系の速度を推定する速度推定器１０５と，速度推定器で推定した推定速度と電動機または機械系の速度との差をもとに振動信号を生成する振動信号生成器１０８と，振動信号を基に補正量を算出する補正量演算器１０６と、速度指令または速度から振動周波数を生成する周波数演算器１０７とを備え、速度推定器の推定ゲインを、振動周波数に比例した値に設定するとともに、補正量演算器１０６の位相調整フィルタ時定数を、振動周波数に反比例した値に設定し、補正量を速度偏差に加算するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械振動を抑制する電動機抑制装置とその制御方法で，特に速度に依存して周波数が変化する振動を抑制する振動抑制に関する。

従来の電動機制御装置は，電動機または機械系の速度を推定する速度推定器と，前記速度推定器にて推定した推定速度と前記電動機または機械系実速度との差を基に振動信号を作成する振動信号作成器と，前記振動信号を基に補正量を算出する補正量演算器とを有し，前記補正量を用いて速度フィードバック信号を補正することによって機械振動を抑制している（例えば、特許文献１参照）。また、電動機の速度に応じてノッチフィルタ係数を変更し，振動抑制を行なうものもある（例えば、特許文献２参照）。
図３は，特許文献１の従来技術を実現するためのブロック図である。
図３において、３０１は速度指令に基づいて電動機または機械系の速度を制御する速度制御器，３０２は前記速度制御器によって作成されたトルク指令に基づいて電流制御を行なう電流制御器，３０３は機械系を駆動する電動機，３０４は電動機または機械系の速度を検出する速度検出器，３０５はトルク指令および前記速度検出器によって検出された速度を入力とし，電動機または機械系の速度を推定する速度推定器，３０６は速度推定器によって推定された推定速度と速度検出器によって検出された電動機または機械系の速度との偏差に基づく振動信号に対し，位相調整等を行なうフィルタ処理を行い，さらに，振動信号の振幅を調整する補正量演算器である。電動機または機械系の速度と推定速度の差から振動信号を生成し，位相および振幅調整された振動信号を速度指令または，速度フィードバックから加算，またはトルク指令に加算することによって機械系に発生した振動を抑制する。

図１１は特許文献１の制御ブロック図で、速度推定器と補正量演算器の内部構成を示しており、振動を補正する補正信号を速度指令に加算し，振動を抑制する例である。この場合，補正信号は，速度フィードバック信号に含まれる振動成分と同相で同じ周波数であれば，振動を抑制することができる。位相調整器を１次のローパスフィルタとしたとき，機械振動の周波数をｆｎとすると，速度推定器の推定ゲインＫ１を式（１），ハイパスフィルタＨＰＦ）および位相調整用のローパスフィルタの時定数Ｔｓを式（２）を用いて計算すると補正信号は，速度フィードバック信号に含まれる振動成分と同相で同じ周波数を持つ。
Ｋ１＝ｆｎ／２ （１）
Ｔｓ［ｓ］＝２／（２＊π＊ｆｎ［Ｈｚ］） （２）
Ｋ２は実機にあわせて調整を行う調整値である。
図４は，特許文献２の従来技術を実現するためのブロック図である
図４において，４０１は速度制御器、４０２は電流制御器、４０３は電動機、４０４は速度検出器で図３と同一の構成であり、５０５はトルク指令に含まれる特定の周波数成分を除去するためのノッチフィルタ，４０６は速度指令に電動機の構造上の特性によって定まる定数を乗算することによってノッチフィルタ係数を求めるための周波数を速度に応じて算出する周波数演算器である。
速度指令に比例したノッチフィルタ係数を自動的に設定するため，速度検出器の構造上の誤差によって生じる振動など速度に比例した振動成分を抑制することができる。
特許第３１８９８６５号公報（第３−４頁、図３） 特開平６−１４１５７８号公報（第２−３頁、図１）

図６は，図４の電動機によって図示していないニ慣性の機械系を駆動する機構において機械系の反共振周波数付近の周波数に対し，ノッチフィルタを設定した場合の速度指令から速度フィードバックまでの周波数特性である。ノッチフィルタは，特定周波数のゲインを低下する特性のため，共振周波数でのゲインの上昇を抑え，共振振動を抑制する効果があるが，反共振周波数での振動に対しては，振動抑制効果はない。図７は，図６の周波数特性における時間応答であるが，トルク指令に振動が発生している。特許文献２の従来振動抑制装置では，ノッチフィルタを使用しているため，電動機の構造上の特性による振動を比較的低い周波数まで抑制するためには，ノッチフィルタによるゲインの低下や位相遅れのため返って，制御特性が悪化するため，速度ループゲインが上げられないという問題があった。
図８は図１の電動機によって図示していないニ慣性の機械系を駆動する機構において，機械系の反共振周波数付近の周波数に対し，数式１，２に基づいて速度推定器および補正量調整器の係数を設定した場合の振動抑制装置の速度指令から速度フィードバックまでの周波数特性である。図８において，図６のような反共振周波数付近のゲインの低下はなく，図９の時間応答では，図７のような振動はない。
このように特許文献１の従来の振動抑制装置は、反共振周波数での振動を抑制する効果を持つが，速度推定器や位相調整器の係数が固定であるため，特定の周波数成分付近の振動周波数しか抑制効果がない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、機械特性に依存せず，低周波から高周波までの広い周波数帯域において電動機速度に依存する振動周波数に対し，振動抑制をすることができる電動機制御装置とその制御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、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、速度指令と電動機または機械系の速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御器と，前記トルク指令をもとに電流を生成して前記電動機を駆動する電流制御部からなる電動機制御装置において、前記電動機、または前記機械系の推定速度を生成する速度推定手段と，前記推定速度と前記電動機または前記機械系の速度との差から振動信号を生成する振動信号生成器と，前記振動信号をバンドパスフィルタを通して補正量を生成する補正量演算器と、前記速度指令または前記速度から振動周波数を生成する周波数演算器とを備え、前記速度推定器の推定ゲインを、前記振動周波数に比例した値に設定するとともに、前記バンドパスフィルタ時定数を、前記振動周波数に反比例する値に設定し、前記補正量を前記速度偏差に加算することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電動機制御装置において、前記振動周波数をｆｎ（Ｈｚ）としたとき、前記バンドバスフィルタの時定数を２／２πｆｎ（ｓｅｃ）に、前記推定ゲインをｆｎ／２に設定することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、速度指令と電動機または機械系の速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御器と，前記トルク指令をもとに電流を生成して前記電動機を駆動する電流制御部とからなる電動機制御方法において、前記速度指令、または前記機械系の速度から振動周波数を生成するステップと、速度推定器の推定ゲインを、前記振動周波数に比例した値に設定するステップと、前記補正量演算器の位相調整フィルタ時定数を、前記振動周波数に反比例した値に設定するステップと、前記電動機、または前記機械系の速度を推定し推定速度を生成するステップと、前記推定速度と前記電動機または前記機械系の速度との差をもとに振動信号を生成するステップと、前記振動信号を基に補正量を算出するステップと、前記補正量を前記速度偏差に加算するステップとを備えることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電動機制御方法において、前記振動周波数をｆｎ（Ｈｚ）としたとき、前記バンドバスフィルタの時定数を２／２πｆｎ（ｓｅｃ）に、前記推定ゲインをｆｎ／２に設定することを特徴とするものである。

本発明によると、機械特性に依存せず，低周波から高周波までの広い周波数帯域において電動機速度に依存する振動周波数に対し，振動抑制をすることができる電動機制御装置とその制御方法を提供することができる。

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。

図１は、本発明の電動機抑制装置の第１の実施例を示すブロック図である。図１において、１０１は速度指令に基づいて電動機または機械系の速度を制御する速度制御器，１０２は速度制御器によって作成されたトルク指令に基づいて電流制御を行なう電流制御器，１０３は機械系を駆動する電動機，１０４は電動機または機械系の速度を検出する速度検出器，１０５はトルク指令および前記速度検出器によって検出された速度を入力とし，電動機または機械系の速度を推定する速度推定器，１０６は速度推定器によって推定された推定速度と前記速度検出器によって検出された電動機または機械系の速度との偏差に基づく振動信号に対し，位相調整等を行なうフィルタ処理を行い，さらに，振動信号を所定数倍し，振動信号の振幅を調整する補正量演算器，１０７は速度指令に電動機の構造上の特性によって定まる定数を掛けることによって速度推定器，および補正量演算器の係数を求めるための周波数を速度に応じて算出する周波数演算器である。従来の技術（特許文献１）と同様に位相および振幅調整された振動信号を速度指令に加算または，速度フィードバックから減算することによって機械系に発生した振動を抑制するが，速度推定器および位相調整等を行なう補正量演算器の係数を速度指令によって式（１）および式（２）に基づいてオンラインで変更することが従来技術と異なる。本案は、速度指令または速度から速度に比例する周波数をもつｆｎを算出し、速度に応じて速度推定器の推定ゲイン、および位相調整フィルタ時定数をオンラインで変えるものである。通常は、振動周波数をｆｎとすると、推定ゲインｋ１はｆｎ／２に、位相調整フィルタ時定数Ｔｓは、Ｔｓ［ｓ］＝２／（２＊π＊ｆｎ［Ｈｚ］）に設定される。
なお，図１は位相および振幅調整された振動信号を速度指令または，速度フィードバックから加算した場合を示すブロック図である。

図２は，本発明の電動機制御装置の第２の実施例を示すブロック図である。速度推定器および位相調整等を行なう補正量演算器の係数をオンラインで変更するために速度フィードバック信号を使用しているのが図１と異なる。
図５は，周波数演算器で振動周波数を作成および速度推定器および補正量演算器の係数を算出する処理までのフローチャートを示す。図５においてまず，ステップ１で速度に依存する振動周波数に対し，単位速度（例えば１［ｍｉｎ^−１］）あたりの振動周波数を振動波形観測して求める。次に，ステップ２で振動抑制を行なう周波数の上限値（ｆｍａｘ）および下限値（ｆｍｉｎ）を設定する。次に，ステップ３で抑制する振動周波数（ｆｎ）を算出する。次に，ステップＰ３でｆｎとｆｍａｘおよびｆｍｉｎを比較し，ｆｍｉｎ≦ｆｎ≦ｆｍａｘの条件を満足している場合は，ステップ４に移行し，不満足の場合は，ステップ５に移行する。ステップ４で抑制する振動周波数（ｆｎ）に基づき，速度推定器および補正量演算器の係数を変更する。また、ステップ５で補正量演算器の振動信号の振幅値をゼロとして振動抑制を無効にとして処理を終了する。

図１０は本発明の電動機制御方法を示すフローチャートである。図１０において、まず、ステップＳＴ１で速度指令、または前記機械系の速度から振動周波数を生成する。次に、ステップＳＴ２で速度推定器の推定ゲインを、前記振動周波数に比例した値に設定する。次に、ステップＳＴ３で補正量演算器の位相調整フィルタ時定数を、振動周波数に反比例した値に設定する。次に、ステップＳＴ４で電動機、または機械系の速度を推定し推定速度を生成する。次に、ステップＳＴ５で推定速度と電動機または機械の速度との差をもとに振動信号を生成する。次に、ステップＳＴ６で振動信号を基に補正量を算出する。次に、ステップＳＴ７で補正量を速度偏差に加算して終了する。

本発明の電動機制御装置とその制御方法は、機械特性に依存せず，低周波から高周波までの広い周波数帯域において電動機速度に依存する振動周波数に対し，振動抑制をすることができるので、工作機械やロボットをはじめとし、半導体製造装置などの一般産業機械にも幅広く適用することが期待できる。

本発明の電動機制御装置の第１の実施例を示すブロック図 本発明の電動機制御装置の第２の実施例を示すブロック図 従来の電動機制御装置（特許文献１）の構成を示すブロック図 従来の電動機制御装置（特許文献２）の構成を示すブロック図 本発明の振動抑制装置の周波数演算器の処理を示すフローチャート 従来技術の課題を示す周波数特性 従来技術の課題を示す時間応答 本発明の周波数特性 本発明の時間応答 本発明の方法を示すフローチャート 従来技術の制御ブロック図

符号の説明

１０１，２０１，３０１，４０１ 速度制御器
１０２，２０２，３０２，４０２ 電流制御器
１０３，２０３，３０３，４０３ 電動機
１０４，２０４，３０４，４０４ 速度検出器
１０５，２０５，３０５ 速度推定器
１０６，２０６，３０６ 補正量演算器
１０７，２０７，３０７，５０６ 周波数演算器
５０５ ノッチフィルタ

Claims (4)

1. 速度指令と電動機または機械系の速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御器と，前記トルク指令をもとに電流を生成して前記電動機を駆動する電流制御部からなる電動機制御装置において、
   前記電動機、または前記機械系の推定速度を生成する速度推定手段と，
   前記推定速度と前記電動機または前記機械系の速度との差から振動信号を生成する振動信号生成器と，
   前記振動信号をバンドパスフィルタを通して補正量を生成する補正量演算器と、
   前記速度指令または前記速度から振動周波数を生成する周波数演算器と、
   を備え、
   前記速度推定器の推定ゲインを、前記振動周波数に比例した値に設定するとともに、前記バンドパスフィルタ時定数を、前記振動周波数に反比例する値に設定し、前記補正量を前記速度偏差に加算することを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記振動周波数をｆｎ（Ｈｚ）としたとき、 前記バンドバスフィルタの時定数を２／２πｆｎ（ｓｅｃ）に、前記推定ゲインをｆｎ／２に設定することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
3. 速度指令と電動機または機械系の速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御器と，前記トルク指令をもとに電流を生成して前記電動機を駆動する電流制御部とからなる電動機制御方法において、
   前記速度指令、または前記機械系の速度から振動周波数を生成するステップと、
   速度推定器の推定ゲインを、前記振動周波数に比例した値に設定するステップと、
   前記補正量演算器の位相調整フィルタ時定数を、前記振動周波数に反比例した値に設定するステップと、
   前記電動機、または前記機械系の速度を推定し推定速度を生成するステップと、
   前記推定速度と前記電動機または前記機械系の速度との差をもとに振動信号を生成するステップと、
   前記振動信号を基に補正量を算出するステップと、
   前記補正量を前記速度偏差に加算するステップと、
   を備えることを特徴とする電動機制御方法。
4. 前記振動周波数をｆｎ（Ｈｚ）としたとき、 前記バンドバスフィルタの時定数を２／２πｆｎ（ｓｅｃ）に、前記推定ゲインをｆｎ／２に設定することを特徴とする請求項３記載の電動機制御方法。

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