JP2007011940A - 振動検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機位置の振幅を用いて機台に検出器を付けることなく前記機台の振動を検出できる振動検出装置を提供する。
【解決手段】位置を入力し位置振幅を出力する位置振幅検出器１０１と、前記位置振幅を入力し機台振動トルク振幅を出力する機台振動トルク振幅検出器１０２と、前記機台振動トルク振幅を入力し機台支配モード固有周波数を検出し出力する共振周波数検出器１０３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、機台振動を検出する振動検出装置に関する。

従来技術による振動検出装置は、モータと機械負荷に掃引正弦波信号を入力し、前記モータと機械負荷の応答信号の極大値の起こる時間から、前記モータと機械負荷の共振周波数を検出している（例えば、特許文献１参照）。
図７は、第１の従来技術を示す振動検出装置の構成図である。
図７において、７０１は指令発生器、７０２は速度制御器、７０３は電流制御器、７０４はモータと機械負荷、７０５は検出器、７０６は信号処理器である。
以下、図７を用いて、第１の従来技術による振動検出装置の構成を説明する。
指令発生器７０１は、掃引正弦波信号を出力する。速度制御器７０２は、トルク指令を出力する。電流制御器７０３は、前記掃引正弦波信号に前記トルク指令を加算した信号である電流指令と応答信号を入力し、モータ電流を出力する。モータと機械負荷７０４は、前記モータ電流により駆動され、その前記応答信号は、検出器７０５が検出し、出力する。信号処理器７０６は、前記掃引正弦波信号と前記応答信号を入力し、前記応答信号の極大値の起こる時間から共振周波数を検出し、出力する。

また、他の従来技術による振動検出装置として、機台変位と機台速度をオブザーバにより推定しているものがある（例えば、特許文献２参照）。
図８は、第２の従来技術を示す振動検出装置の構成図である。
図８において、８０１は指令発生器、８０２は位置制御器、８０３は速度制御器、８０４はドライブ部、８０５はリニアモータ、８０６はセンサ、８０７は微分器、８０８はオブザーバ、８０９は機台変位フィードバックゲイン、８１０は機台速度フィードバックゲインである。
以下、図８を用いて、第２の従来技術による振動検出装置の構成を説明する。
図８において、指令発生器８０１は、目標位置指令を出力する。位置制御器８０２は、前記目標位置指令から位置情報を減算した位置追従偏差を入力し、速度指令を出力する。速度制御器８０３は前記速度指令から速度情報を減算した速度追従偏差を入力し、速度制御器出力を出力する。ドライブ部８０４は、前記速度制御器出力から機台変位フィードバックと機台速度フィードバックを減算した推力指令を入力し、モータ電流を出力する。リニアモータ８０５は、前記モータ電流により駆動され、その位置はセンサ８０６が検出し、前記位置情報として出力する。微分器８０７は、前記位置情報を入力し、前記速度情報を出力する。オブザーバ８０８は、前記推力指令と前記位置情報を入力し、機台変位と機台速度を推定し出力する。機台変位フィードバックゲイン８０９は、前記機台変位を入力し、その入力信号にゲインを乗算した前記機台変位フィードバックを出力する。機台速度フィードバックゲイン８１０は、前記機台速度を入力し、その入力信号にゲインを乗算した前記機台速度フィードバックを出力する。

このように、第１の従来技術による振動検出装置は、モータと機械負荷に掃引正弦波信号を入力し、前記モータと機械負荷の応答信号の極大値の起こる時間から前記モータと機械負荷の共振周波数を検出するものである。
また、第２の従来技術による振動検出装置は、機台変位と機台速度をオブザーバにより推定するものである。
特開２００３−３４８８７１号公報（第３頁、第３図） 特開２００４−２１４１３号公報（第６−８頁、第１図）

しかしながら、第１の従来技術による振動検出装置は、モータと機械負荷に掃引正弦波信号を入力し、前記モータと機械負荷の応答信号の極大値の起こる時間から前記モータと機械負荷の共振周波数を検出する構成となっており、前記応答信号は、前記モータと機械負荷の応答であって機台の応答ではないので、機台振動を検出する場合、前記機台に検出器を付ける必要があり、その為、前記機台に検出器を付けることなく前記機台の共振周波数を検出することができないという問題があった。

また、第２の従来技術による振動検出装置は、機台変位と機台速度をオブザーバにより推定する構成となっており、前記機台の数学モデルおよび系定数があらかじめ分かっていない場合は前記機台変位を推定することができず、前記機台の共振周波数を検出することができ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、電動機が設置されている機台に検出器を付けることなく前記電動機の位置のみから前記機台の共振周波数を検出することができる振動検出装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、位置指令を出力する指令発生器と、位置検出器が検出した電動機の位置を入力し速度を出力する微分器と、前記位置指令と前記位置を入力し速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と前記速度を入力しトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令を入力し電動機電流により前記電動機を駆動するトルク制御器と、前記位置を入力し機台支配モード固有周波数を出力する機台振動検出器と、を備える振動検出装置において、前記機台振動検出器は、前記位置を入力しその入力信号の振幅である位置振幅を出力する位置振幅検出器と、前記位置振幅を入力し前記位置振幅、前記位置制御器のパラメタ、前記速度制御器のパラメタ、前記位置指令の周波数、および前記位置指令の振幅に基づいて機台振動トルク振幅を算出し出力する機台振動トルク振幅検出器と、前記機台振動トルク振幅を入力しその入力信号の極大値の起こる周波数である機台支配モード固有周波数を検出し出力する共振周波数検出器と、を有することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、位置指令を出力する指令発生器と、位置検出器が検出した電動機の位置を入力し速度を出力する微分器と、前記位置指令と前記位置を入力し速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と前記速度を入力しトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令を入力し電動機電流により前記電動機を駆動するトルク制御器と、前記位置を入力し機台支配モード固有周波数を出力する機台振動検出器と、を備える振動検出装置において、前記機台振動検出器は、前記位置を入力しその入力信号の振幅である位置振幅を出力する位置振幅検出器と、前記位置振幅を入力し前記位置振幅、前記位置制御器のパラメタ、前記速度制御器のパラメタ、前記位置指令の周波数と前記位置指令の振幅に基づいて機台振動トルク振幅の前記位置指令の周波数による１階微分値の分子である機台振動トルク振幅微分値分子を算出し出力する機台振動トルク振幅微分値分子検出器と、前記機台振動トルク振幅微分値分子を入力しその入力信号の符号が反転する周波数である機台支配モード固有周波数を検出し出力する符号反転検出器と、を有することを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、位置指令を出力する指令発生器と、位置検出器が検出した電動機の位置を入力し速度を出力する微分器と、前記位置指令と前記位置を入力し速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と前記速度を入力しトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令を入力し電動機電流により前記電動機を駆動するトルク制御器と、前記位置指令と前記位置を入力し機台支配モード固有周波数を出力する機台振動検出器と、を備える振動検出装置において、前記機台振動検出器は、前記位置指令を入力しその入力信号のスペクトルである位置指令スペクトルを検出し出力する位置指令スペクトル検出器と、前記位置を入力しその入力信号のスペクトルである位置スペクトルを検出し出力する位置スペクトル検出器と、前記位置指令スペクトルと前記位置スペクトルを入力し前記位置指令スペクトル、前記位置スペクトル、前記位置制御器のパラメタ、前記速度制御器のパラメタに基づいて機台振動トルク振幅を前記位置指令スペクトルにより除算した正規化機台振動トルク振幅を算出し出力する正規化機台振動トルク振幅検出器と、前記正規化機台振動トルク振幅を入力しその入力信号の極大値の起こる周波数である機台支配モード固有周波数を検出し出力する正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器と、を有することを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３記載の振動検出装置において、前記位置制御器および前記速度制御器は、Ｐ制御であることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１または３記載の振動検出装置において、前記位置制御器は、Ｐ制御であり、前記速度制御器は、ＰＩ制御であることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１または３記載の振動検出装置において、前記位置制御器は、Ｐ制御であり、前記速度制御器は、Ｉ−Ｐ制御であることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項１または２記載の振動検出装置において、前記指令発生器は、掃引正弦波信号を前記位置指令として出力するものであることを特徴としている。

また、請求項８記載の発明は、請求項３記載の振動検出装置において、前記位置指令スペクトル検出器および前記位置スペクトル検出器は、フーリエ変換器であることを特徴としている。

また、請求項９記載の発明は、請求項３記載の振動検出装置において、前記位置指令スペクトル検出器および前記位置スペクトル検出器は、複数の連続した等しい幅の周波数帯域を持つバンドパスフィルタと振幅検出器から成ることを特徴としている。

また、請求項１０記載の発明は、請求項１記載の振動検出装置において、前記機台振動トルク振幅検出器は、前記位置制御器をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器をゲインがＫｖｊであるＰ制御とし、前記電動機の慣性モーメントをＪ、前記電動機の粘性摩擦をＤ、前記位置振幅をＡ、前記位置指令の周波数をω、前記位置指令の振幅をｕ０としたとき、前記機台振動トルク振幅Ａｂを次式（１）により算出し出力するものであることを特徴としている。

また、請求項１１記載の発明は、請求項１記載の振動検出装置において、前記機台振動トルク振幅検出器は、前記位置制御器をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器をＰ制御ゲインがＫｖｊで、積分時間がＴｉであるＰＩ制御とし、前記電動機の慣性モーメントをＪ、前記電動機の粘性摩擦をＤ、前記位置振幅をＡ、前記位置指令の周波数をω、前記位置指令の振幅をｕ０としたとき、前記機台振動トルク振幅Ａｂを次式（２）により算出し出力するものであることを特徴としている。

また、請求項１２記載の発明は、請求項１記載の振動検出装置において、前記機台振動トルク振幅検出器は、前記位置制御器をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器をＰ制御ゲインがＫｖｊで、積分時間がＴｉであるＩ−Ｐ制御とし、前記電動機の慣性モーメントをＪ、前記電動機の粘性摩擦をＤ、前記位置振幅をＡ、前記位置指令の周波数をω、前記位置指令の振幅をｕ０としたとき、前記機台振動トルク振幅Ａｂを次式（３）により算出し出力することを特徴としている。

また、請求項１３記載の発明は、請求項２記載の振動検出装置において、前記機台振動トルク振幅微分値分子検出器は、前記位置制御器をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器をゲインがＫｖｊであるＰ制御とし、前記電動機の慣性モーメントをＪ、前記電動機の粘性摩擦をＤ、前記位置振幅をＡ、機台振動がない場合の位置振幅をＡ０、前記位置指令の周波数をω、前記位置指令の振幅をｕ０としたとき、前記機台振動トルク振幅微分値分子Ｎを次式（４）により算出し出力するものであることを特徴としている。

また、請求項１４記載の発明は、請求項３記載の振動検出装置において、前記正規化機台振動トルク振幅検出器は、前記位置制御器をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器をゲインがＫｖｊであるＰ制御とし、前記電動機の慣性モーメントをＪ、前記電動機の粘性摩擦をＤ、基底周波数ωｉにおける前記位置指令スペクトルをｕｉ、前記基底周波数ωｉにおける前記位置振幅をＡｉとしたとき、前記正規化機台振動トルク振幅Ｒｉを次式（５）により算出し出力するものであることを特徴としている。

また、請求項１５記載の発明は、請求項３記載の振動検出装置において、前記正規化機台振動トルク振幅検出器は、前記位置制御器をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器をＰ制御ゲインがＫｖｊで、積分時間がＴｉであるＰＩ制御とし、前記電動機の慣性モーメントをＪ、前記電動機の粘性摩擦をＤ、基底周波数ωｉにおける前記位置指令スペクトルをｕｉ、前記基底周波数ωｉにおける前記位置振幅をＡｉとしたとき、前記正規化機台振動トルク振幅Ｒｉを次式（６）により算出し出力することを特徴としている。

また、請求項１６記載の発明は、請求項３記載の振動検出装置において、前記正規化機台振動トルク振幅検出器は、前記位置制御器をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器をＰ制御ゲインがＫｖｊで、積分時間がＴｉであるＩ−Ｐ制御とし、前記電動機の慣性モーメントをＪ、前記電動機の粘性摩擦をＤ、基底周波数ωｉにおける前記位置指令スペクトルをｕｉ、前記基底周波数ωｉにおける前記位置振幅をＡｉとしたとき、前記正規化機台振動トルク振幅Ｒｉを次式（７）により算出し出力するものであることを特徴としている。

請求項１、３、８、９記載の発明によると、電動機位置の振幅を用いて、機台に検出器を付けることなく、前記機台の振動を検出することができる。

また、請求項２記載の発明によると、電動機位置の振幅を用いて、機台に検出器を付けることなく、検出が困難な前記機台の振動を検出することができる。

また、請求項４、１０、１３、１４記載の発明によると、一定トルク外乱の影響を抑制し、電動機位置の振幅を用いて、機台に検出器を付けることなく、前記機台の振動を検出することができる。

また、請求項５、６、１１、１２、１５、１６記載の発明によると、通常制御系構成のままで、一定トルク外乱の影響を抑制し、電動機位置の振幅を用いて、機台に検出器を付けることなく、前記機台の振動を検出することができる。

また、請求項７記載の発明によると、電動機位置の振幅を用いて、機台に検出器を付けることなく、短時間に前記機台の振動を検出することができる。

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２は、本発明を適用する振動検出装置の構成概要図である。
図２において、２０１は指令発生器、２０２は位置制御器、２０３は速度制御器、２０４はトルク制御器、２０５は電動機、２０６は位置検出器、２０７は微分器、２０８は機台振動検出器である。
以下、図２を用いて本発明を適用する振動検出装置の構成概要を説明する。
指令発生器２０１は、位置指令を出力する。位置制御器２０２は、前記位置指令と位置を入力し速度指令を出力する。速度制御器２０３は、前記速度指令と速度を入力し、トルク指令を出力する。トルク制御器２０４は、前記トルク指令を入力し、電動機電流を出力する。電動機２０５は、前記電動機電流により駆動され、その前記位置は、位置検出器２０６が検出し、出力する。微分器２０７は、前記位置を入力し、前記速度を出力する。機台振動検出器２０８は、前記位置指令と前記位置を入力し、機台支配モード固有周波数を算出し出力する。

図１は、本発明の第１実施例を示す振動検出装置における機台振動検出器の詳細構成図である。
図１において、１０１は位置振幅検出器、１０２は機台振動トルク振幅検出器、１０３は共振周波数検出器である。
本実施例が、従来技術である特許文献１および特許文献２と相違する点は、以下のとおりである。
すなわち、本実施例の機台振動検出器２０８は、位置を入力し、その入力信号の振幅である位置振幅を出力する位置振幅検出器１０１と、前記位置振幅を入力し、機台振動トルク振幅を算出し出力する機台振動トルク振幅検出器１０２と、前記機台振動トルク振幅を入力し、その入力信号の極大値の起こる周波数である機台支配モード固有周波数を検出し、出力する共振周波数検出器１０３と、を備えるようにしている点である。

以下、図１、２を用いて、本実施例の振動検出装置の動作について説明する。
電動機２０５の慣性モーメントがＪ、粘性摩擦がＤであり、位置制御器２０２をゲインがＫｐのＰ制御、速度制御器２０３をゲインがＫｖｊのＰ制御、位置指令を振幅ｕ０、周波数ωである正弦波、一定トルク外乱がｗ、機台上の座標系における位置がθ、機台振動により前記機台上の座標系で発生する見かけのトルクである機台振動トルクが振幅Ａｂ、位相φｂであるとすると、位置制御器２０２、速度制御器２０３、トルク制御器２０４、電動機２０５、位置検出器２０６、微分器２０７を含む閉ループ系の運動方程式は式（８）で表される。
式（８）において、前記位置は、前記位置指令に対する前記閉ループ系の応答と前記機台振動トルクに対する前記閉ループ系の応答の和である。前記位置指令に対する前記閉ループ系の定常応答振幅である指令位置振幅Ａ１と、前記機台振動トルクに対する前記閉ループ系の定常応答振幅である振動位置振幅Ａ２は、それぞれ、式（９）と式（１０）のように求められる。
定常状態における前記位置の振幅である位置振幅Ａと、式（９）、式（１０）に示した指令位置振幅Ａ１と振動位置振幅Ａ２の間には、式（１１）の関係がある。
前記位置指令の周波数が前記機台の固有周波数より離れている場合、近似的にＡ２＜＜Ａ１であり、式（１１）の右辺第２項と右辺第３項は右辺第１項に比べて小さい値をとる。
また、前記位置指令の周波数が前記機台の固有周波数に近い場合、前記機台の位相φｂは−３π／２ｒａｄに近い値をとるので式（１１）の右辺第３項はその他の項に比べて小さい値をとる。実際、位置Ｐ速度Ｐ制御した電動機２０５と前記機台を合わせた運動方程式は２慣性系で近似でき、その運動方程式をモード座標系において表現すると、２つの独立した１慣性系の式となり、１つの式のモードトルクの符号ともう１つの式のモードトルクの符号が逆となる。機台共振の影響の大きいモードの共振周波数付近において、そのモードの式の位相は、前記位置指令の位相に対して、−３π／２ｒａｄずれている。従って、近似的に式（１１）の右辺第３項を無視することができ、式（１２）の関係が得られる。
式（１０）と式（１２）により、機台振動トルク振幅Ａｂは式（１３）のように表される。
式（１３）により、機台振動トルク振幅検出器１０２は、機台振動トルク振幅Ａｂを算出することができる。共振周波数検出器１０３は、式（１３）で表される機台振動トルク振幅Ａｂが極大値をとる周波数を、機台支配モード固有周波数として検出する。また、式（１３）は、一定トルク外乱ｗを含まないので、求められた機台振動トルク振幅は、一定トルク外乱の影響を受けない。

前記位置指令を掃引正弦波とした場合、共振周波数検出器１０３は、前記機台振動トルク振幅が極大値をとる時間より、前記時間における前記位置指令の周波数を機台支配モード固有周波数として検出する。

以下、本実施例のシミュレーション結果を示す。
本シミュレーションでは、位置Ｐ速度Ｐ制御した電動機２０５がボールねじを介してステージを駆動し、電動機２０５、前記ボールねじ、前記ステージが機台上に設置されている場合を仮定する。前記閉ループ系と前記機台を合わせた運動方程式は式（１４）のように表すことができる。
ただし、Ｊｍは電動機２０５と前記ボールねじを合わせた慣性モーメント、Ｍは負荷質量、ｐはボールねじピッチ、Ｍｂは機台質量、ｋｂは機台剛性、ｃｂは機台粘性摩擦、ｘｂは機台位置、ｄは一定外乱である。

本シミュレーションには、式（１５）の数値を用いた。
ただし、Ｔは制御周期、ｕ０は位置指令振幅、Ｔｒａｔは定格トルクである。機台剛性ｋｂは、前記機台の固有周波数が１０Ｈｚとなるように選んだ。すなわち、
式（１５）の数値において、式（１４）で表される運動方程式の固有値問題を解くと、固有周波数はωｂ＝９．１（２π）ｒａｄ／ｓ、ωｍ＝１５．０（２π）ｒａｄ／ｓと求められる。固有周波数ωｂにおける式（１４）で表される系の動作は、機台振動に支配されているので、固有周波数ωｂにおけるモードを機台支配モードと呼び、固有周波数ωｍにおける式（１４）で表される系の動作は、位置Ｐ速度Ｐ制御した電動機のダイナミクスに支配されているので、固有周波数ωｍにおけるモードを電動機支配モードと呼ぶ。

図３は、本発明の第１実施例を示す振動検出装置のシミュレーション結果の説明図であり、図３（ａ）は機台支配モードのモードシェイプであり、図３（ｂ）は電動機支配モードのモードシェイプである。
図３では、たしかに、図３（ａ）に示す機台支配モードでは前記機台の変位が前記電動機の変位より大きく、図３（ｂ）に示す電動機支配モードでは前記電動機の変位が前記機台の変位より大きくなっていることが分かる。

図４は、本発明の第１実施例を示す振動検出装置の機台位置振幅と機台振動トルク振幅のシミュレーション結果であり、図４（ａ）は機台位置振幅、図４（ｂ）は式（１３）により算出した前記機台振動トルク振幅Ａｂである。
前記機台位置振幅は、前記機台支配モードの固有周波数ωｂ＝９．１（２π）ｒａｄ／ｓにおいて、極大値をとる。
図４（ａ）において、前記機台支配モードの固有周波数ωｂ＝９．１（２π）ｒａｄ／ｓ付近には極大点が存在し、前記電動機支配モードの固有周波数ωｍ＝１５．０（２π）ｒａｄ／ｓ付近には極大点が存在しないのは、前記閉ループ系の減衰係数が１より大きいためである。図４（ｂ）に示す式（１３）により算出した前記機台振動トルク振幅Ａｂは、前記機台支配モードの固有周波数ωｂ＝９．１（２π）ｒａｄ／ｓ付近で極大値をとる。したがって、共振周波数検出器１０３は、前記機台振動トルク振幅Ａｂが極大値をとる位置指令周波数により、機台支配モード固有周波数を検出することができる。

このように、本実施例に係る振動検出装置は、位置振幅を入力し、機台振動トルク振幅を出力する機台振動トルク振幅検出器１０２と、前記機台振動トルク振幅の極大値の起こる周波数により、機台支配モード固有周波数を検出する共振周波数検出器１０３を有する構成としているので、一定トルク外乱の影響を抑制し、電動機位置の振幅を用いて機台に検出器を付けることなく前記機台の振動を検出することができる。

本実施例が第１実施例と相違する点は、本実施例の速度制御器２０３をＰＩ制御としている点である。その他の構成は第１実施例と同じであるので、その説明は省略する。
以下、共振周波数検出器１０３における機台支配モード固有周波数算出の仕組みを説明する。
速度制御器２０３がＰＩ制御であり、そのＰ制御ゲインがＫｖｊ、その積分時間がＴｉである場合、前記閉ループ系の運動方程式は第１実施例と同様に求められ式（１７）となる。
式（１７）を変形すると式（１８）が求められる。
ただし、一定トルク外乱ｗの１階時間微分値は零であるので、前記一定トルク外乱ｗは式（１８）に表れない。第１実施例と同様に、前記位置指令に対する前記閉ループ系の定常応答振幅である指令位置振幅Ａ１と前記機台振動トルクに対する前記閉ループ系の定常応答振幅である振動位置振幅Ａ２を求めると、式（１９）と式（２０）のように表すことができる。
機台振動トルク振幅Ａｂは第１実施例と同様の近似により求められ式（２１）と求められる。

式（２１）により、機台振動トルク振幅検出器１０２は、機台振動トルク振幅Ａｂを算出することができる。共振周波数検出器１０３は、式（２１）で表される機台振動トルク振幅Ａｂが極大値をとる周波数を、機台支配モード固有周波数として検出する。また、式（２１）は、一定トルク外乱ｗを含まないので、求められた機台振動トルク振幅は、前記一定トルク外乱ｗの影響を受けない。

このように、本実施例に係る振動検出装置は、第１実施例同様、位置振幅を入力し、機台振動トルク振幅を出力する機台振動トルク振幅検出器１０２と、前記機台振動トルク振幅の極大値の起こる周波数により機台支配モード固有周波数を検出する共振周波数検出器１０３を有する構成としているので、一定トルク外乱の影響を抑制し、電動機位置の振幅を用いて機台に検出器を付けることなく前記機台の振動を検出することができる。

本実施例が第１実施例と相違する点は、本実施例の速度制御器２０３は、Ｉ−Ｐ制御としている点である。その他の構成は第１実施例と同じであるので、その説明は省略する。
以下、共振周波数検出器１０３における機台支配モード固有周波数算出の仕組みを説明する。

速度制御器２０３がＩ−Ｐ制御であり、そのＰ制御ゲインがＫｖｊ、その積分時間がＴｉである場合、前記閉ループ系の運動方程式は第１実施例と同様に求められ式（２２）となる。
式（２２）を変形すると式（２３）を得る。
一定トルク外乱ｗの１階時間微分値は零であるので、前記一定トルク外乱ｗは式（２３）に表れない。

第２実施例と同様に、前記位置指令に対する前記閉ループ系の定常応答振幅である指令位置振幅Ａ１と、前記機台振動トルクに対する前記閉ループ系の定常応答振幅である振動位置振幅Ａ２を求めると、式（２４）と式（２５）となる。
機台振動トルク振幅Ａｂは第１実施例と同様の近似により求められ、式（２６）となる。

式（２６）により、機台振動トルク振幅検出器１０２は、機台振動トルク振幅Ａｂを算出することができる。共振周波数検出器１０３は、式（２６）で表される機台振動トルク振幅Ａｂが極大値をとる周波数を、機台支配モード固有周波数として検出する。また、式（２６）は一定トルク外乱ｗを含まないので、求められた機台振動トルク振幅は、前記一定トルク外乱ｗの影響を受けない。

このように、本実施例に係る振動検出装置は、第１実施例同様、位置振幅を入力し機台振動トルク振幅を出力する機台振動トルク振幅検出器１０２と、前記機台振動トルク振幅の極大値の起こる周波数により機台支配モード固有周波数を検出する共振周波数検出器１０３を有する構成をしているので、一定トルク外乱の影響を抑制し、電動機位置の振幅を用いて機台に検出器を付けることなく前記機台の振動を検出することができる。

図５は、本発明の第４実施例を示す振動検出装置における機台振動検出器の詳細構成図である。
図５において、１０１は位置振幅検出器、５０１は機台振動トルク振幅微分値分子検出器、５０２は符号反転検出器である。
本実施例が、従来技術である特許文献１と特許文献２と相違する点は以下のとおりである。
すなわち、本実施例の機台振動検出器２０８は、位置振幅を入力し機台振動トルク振幅微分値分子を算出し出力する機台振動トルク振幅微分値分子検出器５０１と、前記機台振動トルク振幅微分値分子を入力しその入力信号の符号が反転する周波数を用いて機台支配モード固有周波数を検出し出力する符号反転検出器５０２を備ええるようにしている点である。

以下、図２、５を用いて、本実施例の振動検出装置の動作を説明する。
機台振動トルク振幅Ａｂは、第1実施例の式（１３）と同様に求められる。式（１３）の位置指令周波数ωによる1階微分値は、正数の分母を持つ分数で表され、その符号は、その分子である機台振動トルク振幅微分値分子の符号と同じである。機台振動がない場合の位置振幅がＡ０である場合、前記機台振動トルク振幅微分値分子Ｎは、式（２７）と求められる。
符号反転検出器５０２は、式（２７）で表される前記機台振動トルク振幅微分値分子の符号が変化する位置指令周波数ωを、機台支配モード固有周波数として検出し、出力する。式（２７）は、一定トルク外乱ｗを含まないので、求められる前記機台振動トルク振幅微分値分子は、前記一定トルク外乱の影響を受けない。

位置指令を掃引正弦波とする場合、符号反転検出器５０２は、前記機台振動トルク振幅微分値分子の符号が変化する時間より、前記時間における前記位置指令の周波数を機台支配モード固有周波数として検出する。

このように、本実施例に係る振動検出装置は、位置振幅を入力し、機台振動トルク振幅微分値分子を算出し、出力する機台振動トルク振幅微分値分子検出器５０１と、前記機台振動トルク振幅微分値分子を入力し、その入力信号の符号が反転する周波数により機台支配モード固有周波数を検出し、出力する符号反転検出器５０２を有する構成としているので、一定トルク外乱の影響を抑制し、電動機位置の振幅を用いて機台に検出器を付けることなく検出が困難な前記機台の振動を検出することができる。

図６は、本発明の第５実施例を示す振動検出装置における機台振動検出器の詳細構成図である。
図６において、６０１は位置指令スペクトル検出器、６０２は位置スペクトル検出器、６０３は正規化機台振動トルク振幅検出器、６０４は正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器である。
先ず、図６を用いて、本実施例の機台振動検出器の詳細構成を説明する。
位置指令スペクトル検出器６０１は、位置指令を入力し、位置指令スペクトルを出力する。位置スペクトル検出器６０２は、位置を入力し、位置スペクトルを出力する。正規化機台振動トルク振幅検出器６０３は、前記位置指令スペクトルと前記位置スペクトルを入力し、前記位置指令スペクトルで正規化した機台振動トルク振幅である正規化機台振動トルク振幅を算出し、出力する。正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器６０４は、前記正規化機台振動トルク振幅を入力し、その入力信号が極大値をとる基底周波数を機台支配モード固有周波数として検出し、出力する。

次に、図２、６を用いて本実施例の機台振動検出器の動作を説明する。
前記位置制御器をゲインがＫｐのＰ制御とし、前記速度制御器をゲインがＫｖｊのＰ制御とし、前記電動機の慣性モーメントがＪ、前記電動機の粘性摩擦がＤ、複数の周波数成分を含む位置指令の基底周波数ωｉにおけるスペクトルである前記位置指令スペクトルがｕｉ、前記基底周波数ωｉにおける前記位置振幅がＡｉである場合、機台振動トルク振幅Ａｂは、第1実施例の式（１３）と同様に導出できる。正規化機台振動トルク振幅検出器６０３は、機台振動トルク振幅Ａｂを前記位置指令スペクトルにより除算することにより、式（２８）に表す正規化機台振動トルク振幅Ｒｉを算出する。
正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器６０４は、式（２８）が極大値をとる基底周波数ωｉを機台支配モード固有周波数として検出し、出力する。式（２８）は、一定トルク外乱ｗを含まないため、求められる正規化機台振動トルク振幅は、前記一定トルク外乱ｗの影響を受けない。

また、位置指令スペクトル検出器６０１と位置スペクトル検出器６０２は、フーリエ変換を用いて前記位置指令スペクトルと前記位置スペクトルを検出することができる。

また、位置指令スペクトル検出器６０１を複数の連続した等しい幅の周波数帯域を持つバンドパスフィルタと振幅検出器とし、位置スペクトル検出器６０２を複数の連続した等しい幅の周波数帯域を持つバンドパスフィルタと振幅検出器とし、それぞれのバンドパスフィルタの出力信号振幅を用いて、前記位置指令スペクトルと前記位置スペクトルを検出することができる。

このように、本実施例に係る振動検出装置は、位置指令スペクトルと位置スペクトルを入力し正規化機台振動トルク振幅を算出し出力する正規化機台振動トルク振幅検出器６０３と、前記正規化機台振動トルク振幅を入力しその入力信号の極大値の起こる基底周波数により機台支配モード固有周波数を検出し出力する正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器６０４を有する構成としているので、一定トルク外乱の影響を抑制し、電動機位置の振幅を用いて機台に検出器を付けることなく前記機台の振動を検出することができる。

本実施例が第５実施例と相違する点は、本実施例の速度制御器２０３をＰＩ制御としている点である。その他の構成は第５実施例と同じであるので、その説明は省略する。
以下、正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器６０４における機台支配モード固有周波数算出の仕組みを説明する。
位置制御器２０２をゲインがＫｐのＰ制御、速度制御器２０３をＰ制御ゲインＫｖｊで積分時間がＴｉのＰＩ制御、電動機２０５の慣性モーメントがＪ、電動機２０５の粘性摩擦がＤ、複数の周波数成分を含む位置指令の基底周波数ωｉにおけるスペクトルである前記位置指令スペクトルがｕｉ、前記基底周波数ωｉにおける前記位置振幅がＡｉである場合、機台振動トルク振幅Ａｂは、第２実施例の式（２１）と同様に導出できる。正規化機台振動トルク振幅検出器６０３は、機台振動トルク振幅Ａｂを前記位置指令スペクトルにより除算することにより、式（２９）に表す正規化機台振動トルク振幅Ｒｉを算出する。
正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器６０４は、式（２９）が極大値をとる基底周波数ωｉを機台支配モード固有周波数として検出し、出力する。式（２９）は一定トルク外乱ｗを含まないため、求められる正規化機台振動トルク振幅は前記一定トルク外乱ｗの影響を受けない。

このように、本実施例に係る振動検出装置は、第５実施例同様、位置指令スペクトルと位置スペクトルを入力し正規化機台振動トルク振幅を算出し出力する正規化機台振動トルク振幅検出器６０３と、前記正規化機台振動トルク振幅を入力しその入力信号の極大値の起こる基底周波数により機台支配モード固有周波数を検出し出力する正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器６０４を有する構成としているので、一定トルク外乱の影響を抑制し、電動機位置の振幅を用いて機台に検出器を付けることなく前記機台の振動を検出することができる。

本実施例が第５実施例と相違する点は、本実施例の速度制御器２０３は、Ｉ−Ｐ制御としている点である。その他の構成は第５実施例と同じであるので、その説明は省略する。
以下、正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器６０４における機台支配モード固有周波数算出の仕組みを説明する。
位置制御器２０２をゲインがＫｐのＰ制御、速度制御器２０３をＰ制御ゲインＫｖｊで積分時間がＴｉのＩ−Ｐ制御、電動機２０５の慣性モーメントがＪ、電動機２０５の粘性摩擦がＤ、複数の周波数成分を含む位置指令の基底周波数ωｉにおけるスペクトルである前記位置指令スペクトルがｕｉ、前記基底周波数ωｉにおける前記位置振幅がＡｉである場合、機台振動トルク振幅Ａｂは、第３実施例の式（２６）と同様に導出できる。正規化機台振動トルク振幅検出器６０３は、機台振動トルク振幅Ａｂを前記位置指令スペクトルにより除算することにより、式（３０）に表す正規化機台振動トルク振幅Ｒｉを算出する。
正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器６０４は、式（３０）が極大値をとる基底周波数ωｉを機台支配モード固有周波数として検出し、出力する。式（３０）は、一定トルク外乱ｗを含まないため、求められる正規化機台振動トルク振幅は、前記一定トルク外乱ｗの影響を受けない。

このように、本実施例に係る振動検出装置は、第５実施例同様、位置指令スペクトルと位置スペクトルを入力し正規化機台振動トルク振幅を算出し出力する正規化機台振動トルク振幅検出器６０３と、前記正規化機台振動トルク振幅を入力しその入力信号の極大値の起こる基底周波数により機台支配モード固有周波数を検出し出力する正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器６０４を有する構成としているので、一定トルク外乱の影響を抑制し、電動機位置の振幅を用いて機台に検出器を付けることなく前記機台の振動を検出することができる。

電動機位置の振幅を用いることによって、機台に検出器を付けることなく、前記機台の振動を検出することができるので、機台振動の影響を抑制することが要求される一般産業装置などにおける位置決め制御という用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す振動検出装置における機台振動検出器の詳細構成図 本発明を適用する振動検出装置の構成概要図 本発明の第１実施例を示す振動検出装置のシミュレーション結果の説明図 本発明の第１実施例を示す振動検出装置の機台位置振幅と機台振動トルク振幅のシミュレーション結果 本発明の第４実施例を示す振動検出装置における機台振動検出器の詳細構成図 本発明の第５実施例を示す振動検出装置における機台振動検出器の詳細構成図 第１の従来技術を示す振動検出装置の構成図 第２の従来技術を示す振動検出装置の構成図

符号の説明

１０１ 位置振幅検出器
１０２ 機台振動トルク振幅検出器
１０３ 共振周波数検出器
２０１ 指令発生器
２０２ 位置制御器
２０３ 速度制御器
２０４ トルク制御器
２０５ 電動機
２０６ 位置検出器
２０７ 微分器
２０８ 機台振動検出器
５０１ 機台振動トルク振幅微分値分子検出器
５０２ 符号反転検出器
６０１ 位置指令スペクトル検出器
６０２ 位置スペクトル検出器
６０３ 正規化機台振動トルク振幅検出器
６０４ 正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器
７０１ 指令発生器
７０２ 速度制御器
７０３ 電流制御器
７０４ モータと機械負荷
７０５ 検出器
７０６ 信号処理器
８０１ 指令発生器
８０２ 位置制御器
８０３ 速度制御器
８０４ ドライブ部
８０５ リニアモータ
８０６ センサ
８０７ 微分器
８０８ オブザーバ
８０９ 機台変位フィードバックゲイン
８１０ 機台速度フィードバックゲイン

Claims (16)

1. 位置指令を出力する指令発生器（２０１）と、
   位置検出器（２０６）が検出した電動機（２０５）の位置を入力し速度を出力する微分器（２０７）と、
   前記位置指令と前記位置を入力し速度指令を出力する位置制御器（２０２）と、
   前記速度指令と前記速度を入力しトルク指令を出力する速度制御器（２０３）と、
   前記トルク指令を入力し電動機電流により前記電動機（２０５）を駆動するトルク制御器（２０４）と、
   前記位置を入力し機台支配モード固有周波数を出力する機台振動検出器（２０８）と、を備える振動検出装置において、
   前記機台振動検出器（２０８）は、
   前記位置を入力しその入力信号の振幅である位置振幅を出力する位置振幅検出器（１０１）と、
   前記位置振幅を入力し前記位置振幅、前記位置制御器（２０２）のパラメタ、前記速度制御器（２０３）のパラメタ、前記位置指令の周波数、および前記位置指令の振幅に基づいて機台振動トルク振幅を算出し出力する機台振動トルク振幅検出器（１０２）と、
   前記機台振動トルク振幅を入力しその入力信号の極大値の起こる周波数である機台支配モード固有周波数を検出し出力する共振周波数検出器（１０３）と、を有することを特徴とする振動検出装置。
2. 位置指令を出力する指令発生器（２０１）と、
   位置検出器（２０６）が検出した電動機（２０５）の位置を入力し速度を出力する微分器（２０７）と、
   前記位置指令と前記位置を入力し速度指令を出力する位置制御器（２０２）と、
   前記速度指令と前記速度を入力しトルク指令を出力する速度制御器（２０３）と、
   前記トルク指令を入力し電動機電流により前記電動機（２０５）を駆動するトルク制御器（２０４）と、
   前記位置を入力し機台支配モード固有周波数を出力する機台振動検出器（２０８）と、を備える振動検出装置において、
   前記機台振動検出器（２０８）は、
   前記位置を入力しその入力信号の振幅である位置振幅を出力する位置振幅検出器（１０１）と、
   前記位置振幅を入力し前記位置振幅、前記位置制御器（２０２）のパラメタ、前記速度制御器（２０３）のパラメタ、前記位置指令の周波数、前記位置指令の振幅に基づいて機台振動トルク振幅の前記位置指令の周波数による１階微分値の分子である機台振動トルク振幅微分値分子を算出し出力する機台振動トルク振幅微分値分子検出器（５０１）と、
   前記機台振動トルク振幅微分値分子を入力しその入力信号の符号が反転する周波数である機台支配モード固有周波数を検出し出力する符号反転検出器（５０２）と、を有することを特徴とする振動検出装置。
3. 位置指令を出力する指令発生器（２０１）と、
   位置検出器（２０６）が検出した電動機（２０５）の位置を入力し速度を出力する微分器（２０７）と、
   前記位置指令と前記位置を入力し速度指令を出力する位置制御器（２０２）と、
   前記速度指令と前記速度を入力しトルク指令を出力する速度制御器（２０３）と、
   前記トルク指令を入力し電動機電流により前記電動機（２０５）を駆動するトルク制御器（２０４）と、
   前記位置指令と前記位置を入力し機台支配モード固有周波数を出力する機台振動検出器（２０８）と、を備える振動検出装置において、
   前記機台振動検出器（２０８）は、
   前記位置指令を入力しその入力信号のスペクトルである位置指令スペクトルを検出し出力する位置指令スペクトル検出器（６０１）と、
   前記位置を入力しその入力信号のスペクトルである位置スペクトルを検出し出力する位置スペクトル検出器（６０２）と、
   前記位置指令スペクトルと前記位置スペクトルを入力し前記位置指令スペクトル、前記位置スペクトル、前記位置制御器（２０２）のパラメタ、前記速度制御器（２０３）のパラメタに基づいて機台振動トルク振幅を前記位置指令スペクトルにより除算した正規化機台振動トルク振幅を算出し出力する正規化機台振動トルク振幅検出器（６０３）と、
   前記正規化機台振動トルク振幅を入力しその入力信号の極大値の起こる周波数である機台支配モード固有周波数を検出し出力する正規化機台振動トルク振幅極値周波数検出器（６０４）と、を有することを特徴とする振動検出装置。
4. 前記位置制御器（２０２）および前記速度制御器（２０３）は、
   Ｐ制御であることを特徴とする請求項１乃至３記載の振動検出装置。
5. 前記位置制御器（２０２）は、
   Ｐ制御であり、
   前記速度制御器（２０３）は、
   ＰＩ制御であることを特徴とする請求項１または３記載の振動検出装置。
6. 前記位置制御器（２０２）は、
   Ｐ制御であり、
   前記速度制御器（２０３）は、
   Ｉ−Ｐ制御であることを特徴とする請求項１または３記載の振動検出装置。
7. 前記指令発生器（２０１）は、
   掃引正弦波信号を前記位置指令として出力するものであることを特徴とする請求項１または２記載の振動検出装置。
8. 前記位置指令スペクトル検出器（６０１）および前記位置スペクトル検出器（６０２）は、
   フーリエ変換器であることを特徴とする請求項３記載の振動検出装置。
9. 前記位置指令スペクトル検出器（６０１）および前記位置スペクトル検出器（６０２）は、
   複数の連続した等しい幅の周波数帯域を持つバンドパスフィルタと振幅検出器から成ることを特徴とする請求項３記載の振動検出装置。
10. 前記機台振動トルク振幅検出器（１０２）は、
    前記位置制御器（２０２）をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器（２０３）をゲインがＫｖｊであるＰ制御とし、前記電動機（２０５）の慣性モーメントをＪ、前記電動機（２０５）の粘性摩擦をＤ、前記位置振幅をＡ、前記位置指令の周波数をω、前記位置指令の振幅をｕ０としたとき、
    前記機台振動トルク振幅Ａｂを次式（１）により算出し出力するものであることを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
    
11. 前記機台振動トルク振幅検出器（１０２）は、
    前記位置制御器（２０２）をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器（２０３）をＰ制御ゲインがＫｖｊで、積分時間がＴｉであるＰＩ制御とし、前記電動機（２０５）の慣性モーメントをＪ、前記電動機（２０５）の粘性摩擦をＤ、前記位置振幅をＡ、前記位置指令の周波数をω、前記位置指令の振幅をｕ０としたとき、
    前記機台振動トルク振幅Ａｂを次式（２）により算出し出力するものであることを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
    
12. 前記機台振動トルク振幅検出器（１０２）は、
    前記位置制御器（２０２）をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器（２０３）をＰ制御ゲインがＫｖｊで、積分時間がＴｉであるＩ−Ｐ制御とし、前記電動機（２０５）の慣性モーメントをＪ、前記電動機（２０５）の粘性摩擦をＤ、前記位置振幅をＡ、前記位置指令の周波数をω、前記位置指令の振幅をｕ０としたとき、
    前記機台振動トルク振幅Ａｂを次式（３）により算出し出力することを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
    
13. 前記機台振動トルク振幅微分値分子検出器（５０１）は、
    前記位置制御器（２０２）をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器（２０３）をゲインがＫｖｊであるＰ制御とし、前記電動機（２０５）の慣性モーメントをＪ、前記電動機（２０５）の粘性摩擦をＤ、前記位置振幅をＡ、機台振動がない場合の位置振幅をＡ０、前記位置指令の周波数をω、前記位置指令の振幅をｕ０としたとき、
    前記機台振動トルク振幅微分値分子Ｎを次式（４）により算出し出力するものであることを特徴とする請求項２記載の振動検出装置。
    
14. 前記正規化機台振動トルク振幅検出器（６０３）は、
    前記位置制御器（２０２）をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器（２０３）をゲインがＫｖｊであるＰ制御とし、前記電動機（２０５）の慣性モーメントをＪ、前記電動機（２０５）の粘性摩擦をＤ、基底周波数ωｉにおける前記位置指令スペクトルをｕｉ、前記基底周波数ωｉにおける前記位置振幅をＡｉとしたとき、
    前記正規化機台振動トルク振幅Ｒｉを次式（５）により算出し出力するものであることを特徴とする請求項３記載の振動検出装置。
    
15. 前記正規化機台振動トルク振幅検出器（６０３）は、
    前記位置制御器（２０２）をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器（２０３）をＰ制御ゲインがＫｖｊで、積分時間がＴｉであるＰＩ制御とし、前記電動機（２０５）の慣性モーメントをＪ、前記電動機（２０５）の粘性摩擦をＤ、基底周波数ωｉにおける前記位置指令スペクトルをｕｉ、前記基底周波数ωｉにおける前記位置振幅をＡｉとしたとき、
    前記正規化機台振動トルク振幅Ｒｉを次式（６）により算出し出力することを特徴とする請求項３記載の振動検出装置。
    
16. 前記正規化機台振動トルク振幅検出器（６０３）は、
    前記位置制御器（２０２）をゲインがＫｐであるＰ制御とし、前記速度制御器（２０３）をＰ制御ゲインがＫｖｊで、積分時間がＴｉであるＩ−Ｐ制御とし、前記電動機（２０５）の慣性モーメントをＪ、前記電動機（２０５）の粘性摩擦をＤ、基底周波数ωｉにおける前記位置指令スペクトルをｕｉ、前記基底周波数ωｉにおける前記位置振幅をＡｉとしたとき、
    前記正規化機台振動トルク振幅Ｒｉを次式（７）により算出し出力するものであることを特徴とする請求項３記載の振動検出装置。