JP2007285430A - アクティブ制振装置及びアクティブ制振装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】理想的なスカイフックダンパを実現することができるアクティブ制振装置を提供する。
【解決手段】バネ要素及びダンパ要素によって支持された付加質量部材１１と、付加質量部材１１を駆動するアクチュエータ１２，１３と、付加質量部材１１の相対変位量を検出する変位センサ１６と、制振対象機器４の加速度を検出する加速度センサ１７とを備え、付加質量部材１１をアクチュエータ１２，１３により制振対象機器４の振動速度に応じて駆動した場合の反力を用いて振動抑制するアクティブ制振装置であって、変位センサ出力に基づいて負の剛性及び負の減衰を与えることにより付加質量部材を支持する部材１４のバネ特性を打ち消し、０に近づけるようにするとともに、減衰特性を０に近づける制振制御を行う制御手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象機器の振動抑制の制御を行うアクティブ制振装置及びアクティブ制振装置の制御方法に関する。

従来から、構造物の振動を抑制する手段の一つとして、構造物の振動方向に付加振動体を付設し、この付加振動体を対象構造物に対して変位させるときの反作用を利用して対象の構造物の振動を抑制するダイナミックダンパが知られている。また、付加振動体と制振対象構造物の間にアクチュエータを設けておき、計測した対象構造物の振動量に応じてアクチュエータに制振力を発生させることにより制振効果を高めるアクティブダイナミックダンパも知られている。

しかしながら、このようなアクティブダイナミックダンパでは、振動を抑制するためにアクチュエータを駆動する必要があり、それに何らかのエネルギを加えなければならず、このため通常電力料金などの形でランニングコストがかかり、従ってアクチュエータ駆動電力の省エネルギ化が望まれる。

このような問題を解決するために、構造物に付加振動体を取り付けて対象の構造物と付加振動体の間に設けたアクチュエータにより制振力を加えることにより対象構造物の振動を抑制するアクティブダイナミックダンパにおいて、制振力指令のうち振動抑制への影響力の小さい構造物振動固有周波数未満の成分を低域除去フィルタにより除去して、アクチュエータ駆動用電力の消費量が少なくて済むようにした制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第２７６６７２３号公報

ところで、特許文献１に示すようなアクティブダイナミックダンパにあっては、アクチュエータで実現するバネとダンパのバネ定数及び減衰係数という２つのパラメータを最適な動吸振器と等しい特性になるように調整する必要があり、調整作業に手間がかかるという問題がある。
また、アクチュエータで実現されるバネの影響で理想的なスカイフックダンパを実現することができないという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、理想的なスカイフックダンパを実現することができるアクティブ制振装置及びアクティブ制振装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、バネ要素及びダンパ要素によって支持された付加質量部材と、前記付加質量部材を駆動するアクチュエータと、前記付加質量部材の相対変位量を検出する変位センサと、制振対象機器の加速度を検出する加速度センサとを備え、前記付加質量部材を前記アクチュエータにより前記制振対象機器の振動速度に応じて駆動した場合の反力を用いて振動抑制するアクティブ制振装置であって、前記変位センサ出力に基づいて負の剛性及び負の減衰を与えることにより前記付加質量部材を支持する部材のバネ特性を打ち消し、０に近づけるようにするとともに、減衰特性を０に近づける制振制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする。

本発明は、前記制振対象機器の振動速度は、前記加速度センサ出力を積分値に基づいて求めることを特徴とする。

本発明は、前記負の剛性は、前記変位センサ出力を正帰還することで与えることを特徴とする。

本発明は、前記負の減衰は、前記変位センサ出力の微分値を正帰還することで与えることを特徴とする。

本発明は、前記変位センサ出力の低周波数域を除去するハイパスフィルタを備えたことを特徴とする。

本発明は、前記加速度センサ出力の低周波数域を除去するハイパスフィルタを備えたことを特徴とする。

本発明は、前記加速度センサ出力の対象振動のみを検出するバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする。

本発明は、前記アクチュエータに対する駆動指令から対象振動のみを検出するバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする。

本発明は、対象振動以外の振動成分の信号を除去するノッチフィルタを備えたことを特徴とする。

本発明は、前記アクチュエータが電磁式のアクチュエータであり、該アクチュエータの逆起電力を検出し、該逆起電力信号を速度信号としてフィードバックし、さらに前記逆起電力信号を積分処理して振動変位信号としてフィードバックすることを特徴とする。

本発明は、前記アクチュエータは、レシプロモータであることを特徴とする。

本発明は、バネ要素及びダンパ要素によって支持された付加質量部材と、前記付加質量部材を駆動するアクチュエータと、前記付加質量部材の相対変位量を検出する変位センサと、制振対象機器の加速度を検出する加速度センサとを備え、前記付加質量部材を前記アクチュエータにより前記制振対象機器の振動速度に応じて駆動した場合の反力を用いて振動抑制するアクティブ制振装置の制御方法であって、前記変位センサ出力に基づいて負の剛性及び負の減衰を与えることにより前記付加質量部材を支持する部材のバネ特性を打ち消し、０に近づけるようにするとともに、減衰特性を０に近づける制振制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、制振装置を構成するバネ特性や減衰特性の影響を受けることなく、理想的なスカイフックダンパとして動作させることができるという効果が得られる。また、制御帯域を対象振動の周波数近傍に限定することで、制振装置の静的なバネ特性を生かしたまま良好な振動抑制制御を行うことができるという効果も得られる。

以下、本発明の一実施形態によるアクティブ制振装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１は、制振制御の対象物である制御対象機器４に固定して、内部に備えるアクチュエータ（レシプロモータ）によって付加質量部材を駆動することにより制御対象機器４の振動を抑制するアクティブ制振装置（以下、制振装置と称する）である。ここでいう制御対象機器４とは、ロボットアームやマウンタ装置、露光装置などの半導体関連機器、半導体用搬送車、プラント配管類などの自己の振動を抑制する必要がある機器や構造物のことである。ここでは制御対象機器４は、所定の質量を持ち、バネ４１及びダンパ４２からなるものとして説明する。

符号２は、制振装置１を制御するコントローラである。符号３は、制振装置１を駆動するパワーアンプである。符号１１は、制御対象機器４に対して付加する付加質量（以下、おもりと称する）である。符号１２は、レシプロモータを構成する固定子であり、制御対象機器４に固定される。符号１３は、レシプロモータを構成する可動子であり、往復動（図１の紙面では上下動）を行う。制振装置１は、制御対象機器４の抑制するべき振動の方向と可動子１３の往復動方向（推力方向）とが一致するように、制御対象機器４に固定される。符号１４は、可動子１３及びおもり１１を推力方向に移動可能なように支持する板バネである。符号１５は、可動子１３とおもり１１を接合する軸であり、板バネ１４によって支持されている。符号１６は、制御対象機器４とおもり１１との相対変位を検出する変位センサであり、検出した変位量の情報は、コントローラ２に対して出力する。符号１７は、制御対象機器４の加速度を検出する加速度センサであり、検出した加速度の情報は、コントローラ２に対して出力する。

ここで、図２を参照して、制振装置１の動作原理を説明する。図２は、図１に示す制振装置１及び制御対象機器４をモデル化した模式図である。この図において、符号Ｍは、バネ要素（ｋ_２）とダンパ要素（Ｃ_２）及びアクチュエータ（ｕ）で構成するレシプロモータを示している。ここでは、おもり１１の質量をｍ_２、制御対象機器４の質量をｍ_１であるものとして説明する。制御対象機器４の振動数は、バネ定数ｋ_１のバネ４１と減衰係数Ｃ_１のダンパ４２の特性によって決まるため、おもり１１を動吸振器として機能させることができれば、制御対象機器４の振動を抑制することが可能となる。動吸振器は、レシプロモータＭを介して支持されたおもり１１をレシプロモータＭを駆動することにより振動させ、このおもり１１が振動するときの反力によって、制御対象機器４の振動を抑制するものである。レシプロモータＭとおもり１１によって実現された動吸振器は、パッシブの動吸振器のバネ要素とダンパ要素をレシプロモータＭによって実現しているため、コントローラ２を調整することで理想的な動吸振器を実現することができるが、バネ要素とダンパ要素の２つを厳密に調整する必要がある。

図２に示すように、バネ要素とダンパ要素を有しているレシプロモータＭをコントローラ２によって調整して、理想的なスカイフックダンパを実現するためには、バネ定数ｋ_２と減衰係数Ｃ_２の影響をなくし、絶対速度に比例した力を与えればよい。本発明では、変位センサ１６の出力に基づいて、レシプロモータＭを制御して、負のバネ剛性と負の減衰を与えることにより、バネ定数ｋ_２と減衰係数Ｃ_２を打ち消して０に近づけてバネとダンパの要素の影響をなくすとともに、加速度センサ１７の出力に基づいて制御対象機器４の絶対速度を求め、これらに基づいてスカイフックダンパの特性に近づけるように制御することが目的である。このとき、バネ特性は、おもり１１の固有振動数が制御対象機器４の固有振動数よりも低くなるように調整されればよい。また、減衰係数もＣ２より小さくなる程度に調整すればよい。動吸振器に比べて厳密な調整は不要であり、制御対象機器４の振動を抑制するためのパラメータは、絶対速度のフィードバックゲインの調整のみで制振制御を行うことが可能となる。

次に、図３を参照して、制御系の構成と制御動作を説明する。図３は、図１に示す装置の制御系モデルを示すブロック図である。図３において、上段の「１／ｍ_２」、「１／ｓ」、「１／ｓ」は、力が加わった場合のおもり１１の変位ｘ_２の状態を示すブロックであり、下段の「１／ｍ_１」、「１／ｓ」、「１／ｓ」は、力が加わった場合の制御対象機器４の変位ｘ_１の状態を示すブロックである。また、ｋ_２、Ｃ_２は、レシプロモータＭの板バネ１４などの機械要素がもつバネ定数と減衰係数を示している。また、ｃ_１、ｋ_１は、それぞれダンパ４２の減衰係数、バネ４１のバネ定数を示している。制振制御を行うコントローラ２は、変位センサ１６の出力Ｋｓを入力し、周波数制限フィルタ２１を通すことにより、不要な信号成分を除去した後に、変位量のフィードバックゲインＫｃを与えるとともに、周波数制限フィルタ２１の出力を微分することにより、相対速度ｓを求め、これに相対速度のフィードバックゲインＣｃを与える。一方、コントローラ２は、加速度センサ１７の出力Ｋａを積分演算することにより絶対速度に変換した後に、絶対速度のフィードバックゲインＣｓｃを与える。変位量のフィードバックゲインＫｃを与えられた信号、相対速度のフィードバックゲインＣｃを与えられた信号及び絶対速度のフィードバックゲインＣｓｃを与えられた信号を合成し、周波数制限フィルタ２２を通すことにより、不要な信号成分を除去した後に、パワーアンプ３へ出力する。これによりパワーアンプ３の出力信号に基づいて、レシプロモータ（アクチュエータ）の駆動が行われることになる。このとき、変位量信号に基づいてバネ定数ｋ_２と減衰係数Ｃ_２が０に近づくように制御されるとともに、振動加速度信号に基づいてスカイフックダンパとして作用するように制御されることになる。このように制御された結果、制振装置１を構成するバネ要素の影響を受けることなく、理想的なスカイフックダンパとして動作させることができる。

ここで、図４を参照して、変位量に基づいてバネ定数ｋ_２と減衰係数Ｃ_２が０に近づくように制御するとともに、減衰係数Ｃ_２がスカイフックダンパの減衰係数になるように制御する動作を説明する。図４は、本発明の動作原理モデルを示すブロック図である。図４（ａ）に示すΔｋ_２は、図２に示すバネ要素ｋ_２の影響をなくすための負のバネ剛性に相当するゲインである。一方、図４（ａ）に示すΔＣ_２は、図２に示すダンパ要素Ｃ_２の影響をなくすためのゲインである。またＶは、制御対象機器４の絶対速度に対するゲインである。図４（ａ）において、Δｋ_２をバネ定数ｋ_２相当の負バネ定数とし、ΔＣ_２をダンパ要素Ｃ_２相当の負減衰係数とすることにより、見かけ上はバネ要素ｋ_２とダンパ要素Ｃ_２がないものと見なすことが可能となり、図４（ｂ）に示すように、制御対象機器４の絶対速度に基づく制御量Ｖのみのモデルとして制御を行えばよいことになる。そして、図４（ｂ）のＶに基づいてスカイフックダンパを実現する減衰係数になるように制御すればよいため、最適な制振制御を行うことが可能となる。

次に、図３に示す周波数制限フィルタ２１について説明する。フィルタ２１は、変位センサ１６の出力信号の低周波数部分を除去するためのハイパスフィルタである。このハイパスフィルタを設けることにより、静的な剛性は機械系のバネ定数で保持し、動的な剛性は小さくすることができるため、付加質量の静的な変位が変わらないようにすることができる。また、フィルタ２１は、変位センサ１６の出力信号のうち、制振対象の振動のみを検出するためのバンドパスフィルタをさらに備えていてもよい。また、フィルタ２１は、制振対象の振動以外の振動成分（高次モード振動など）の信号を除去するためのノッチフィルタをさらに備えていてもよい。

また、コントローラ２とパワーアンプ３の間に、コントローラ２の出力信号（レシプロモータＭの駆動指令）から、低周波数成分を除去するためのハイパスフィルタを備えていてもよい。これにより、静的な剛性は機械系のバネ定数で保持し、動的な剛性は小さくすることができるため、補助質量の静的な変位が変わらないようにすることができる。また、コントローラ２とパワーアンプ３の間に、コントローラ２の出力信号（レシプロモータＭの駆動指令）から、制御対象周波数域の信号を抽出するためのバンドパスフィルタを備えていてもよい。

また、加速度センサ１７の低周波数部分を除去するためのハイパスフィルタを備えていてもよい。また、加速度センサ１７の出力から制振対象振動のみを検出するためのバンドパスフィルタを備えていてもよい。また、フィルタ２１と同等のフィルタを加速度センサ１７の出力位置に設けるようにしてもよい。また、フィルタ２１は省略して、フィルタ２１と同等のフィルタをフィルタ２２の位置に設けるようにしてもよい。

全周波数域でバネ剛性を０にすると、付加質量の位置保持力がなくなるため、不安定になるが、このように、制御帯域を制振対象振動の周波数近傍に限定することで、制振装置１の静的なバネ特性を生かしたまま良好な振動制御を行なうことができるようになる。

なお、前述した説明では相対速度信号の検出を変位センサ１６の出力に基づいて求めるようにしたが、おもり１１と制御対象機器４の相対運動によって発生するレシプロモータ（電磁アクチュエータ）の逆起電力（相対変位に比例）を検出し、これを速度信号としてフィードバックするとともに、積分処理を行い振動変位信号としてフィードバックするようにしてもよい。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す装置をモデル化した模式図である。 図１に示す装置の制御系モデルを示すブロック図である。 動作原理モデルを示すブロック図である。

符号の説明

１・・・制振装置、１１・・・おもり、１２・・・レシプロモータ（固定子）、１３・・・レシプロモータ（可動子）、１４・・・板バネ、１５・・・軸、１６・・・変位センサ、２・・・コントローラ、３・・・パワーアンプ、４・・・制御対象機器、４１・・・バネ要素、４２・・・ダンパ要素

Claims (12)

1. バネ要素及びダンパ要素によって支持された付加質量部材と、前記付加質量部材を駆動するアクチュエータと、前記付加質量部材の相対変位量を検出する変位センサと、制振対象機器の加速度を検出する加速度センサとを備え、前記付加質量部材を前記アクチュエータにより前記制振対象機器の振動速度に応じて駆動した場合の反力を用いて振動抑制するアクティブ制振装置であって、
   前記変位センサ出力に基づいて負の剛性及び負の減衰を与えることにより前記付加質量部材を支持する部材のバネ特性を打ち消し、０に近づけるようにするとともに、減衰特性を０に近づける制振制御を行う制御手段を備えたことを特徴とするアクティブ制振装置。
2. 前記制振対象機器の振動速度は、前記加速度センサ出力を積分値に基づいて求めることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ制振装置。
3. 前記負の剛性は、前記変位センサ出力を正帰還することで与えることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ制振装置。
4. 前記負の減衰は、前記変位センサ出力の微分値を正帰還することで与えることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ制振装置。
5. 前記変位センサ出力の低周波数域を除去するハイパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアクティブ制振装置。
6. 前記加速度センサ出力の低周波数域を除去するハイパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアクティブ制振装置。
7. 前記加速度センサ出力の対象振動のみを検出するバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアクティブ制振装置。
8. 前記アクチュエータに対する駆動指令から対象振動のみを検出するバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のアクティブ制振装置。
9. 対象振動以外の振動成分の信号を除去するノッチフィルタを備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のアクティブ制振装置。
10. 前記アクチュエータが電磁式のアクチュエータであり、該アクチュエータの逆起電力を検出し、該逆起電力信号を速度信号としてフィードバックし、さらに前記逆起電力信号を積分処理して振動変位信号としてフィードバックすることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ制振装置。
11. 前記アクチュエータは、レシプロモータであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のアクティブ制振装置。
12. バネ要素及びダンパ要素によって支持された付加質量部材と、前記付加質量部材を駆動するアクチュエータと、前記付加質量部材の相対変位量を検出する変位センサと、制振対象機器の加速度を検出する加速度センサとを備え、前記付加質量部材を前記アクチュエータにより前記制振対象機器の振動速度に応じて駆動した場合の反力を用いて振動抑制するアクティブ制振装置の制御方法であって、
    前記変位センサ出力に基づいて負の剛性及び負の減衰を与えることにより前記付加質量部材を支持する部材のバネ特性を打ち消し、０に近づけるようにするとともに、減衰特性を０に近づける制振制御を行うことを特徴とするアクティブ制振装置の制御方法。
    

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