JP2009048462A - 機械的共振周波数補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数を算出する際の処理速度を向上させる。
【解決手段】サーボモータシステム１は、モータ２に接続されるサーボコントローラ３に機械的共振周波数補償装置２１が設けられている。機械的共振周波数補償装置２１は、エンコーダ４から速度フィードバック値が入力されるバンドパスフィルタ２２と、共振周波数推定器２３と、ノッチフィルタ係数発生器２４とを備え、共振周波数推定器２３は共分散行列の逆行列の値を用いた最小二乗理論によって算出される収斂値としてノッチフィルタの係数を求めるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータを含むシステムに使用される機械的共振周波数補償装置に関する。

サーボモータなどを搭載した装置には、共振周波数を除去することで安定した動作を実現できるようにしたものがある。ここで、共振周波数は、装置の構成、使用状況によっても異なるため、共振周波数を推定し、ノッチフィルタを調整する機能を有する装置が開発されている。この種の装置は、雑音を含む入出力信号から制御対象の特性を同定するために逐次最小二乗法（ＲＬＳ）を使用している。例えば、非特許文献１の図１４に開示されているように、２つパラメータの推定値を前回値を用いて逐次計算する。得られた２つのパラメータの推定値から共振周波数を推定し、ノッチフィルタのフィルタ係数を決定する。
中野、「ＡＣサーボドライブの技術動向」、社団法人日本能率協会、第２１次第６回モータ技術フォーラム、２００２年１１月２９日、ｐ．１‐１４

しかしながら、出力信号の今回値と前回値を使って逐次的に最小二乗法を用いて計算すると、処理が複雑になって機械的共振補填装置にかかる負荷が大きかった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、共振周波数を算出する際の処理速度を向上させることを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、サーボモータの回転情報を検出する回転情報検出器からの回転信号のうち所定の周波数帯域の信号だけを抽出する帯域通過フィルタと、前記サーボモータを含むシステムの共振周波数を前記帯域通過フィルタが抽出した信号から算定する共振周波数推定器と、前記共振周波数推定器で算定した共振周波数からフィルタ係数を決定するノッチフィルタ係数発生器と、前記ノッチフィルタ係数発生器で決定した前記フィルタ係数を使って前記システムの共振周波数の信号を除去するノッチフィルタと、を備え、前記共振周波数推定器は、前記システムを２次遅れ系としたときの伝達関数の分母の二つの係数を共分散行列の逆行列の値を用いた最小二乗理論によって算出される収斂値として求めるように構成されていることを特徴とする機械的共振周波数補償装置とした。
この機械的共振周波数補償装置では、共振周波数を求めるための係数を収斂値として算出する。この際に、共分散行列の逆行列の値を用いた最小二乗理論が用いられる。従来に比べて計算が簡略になる。

本発明によれば、共分散行列の逆行列の値を用いた最小二乗理論を用いることで従来に比べて計算が簡略になって処理速度が向上する。運転条件に応じて共振周波数が変化した場合でも適切なフィルタリングによる制振が可能になる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、サーボシステム１は、モータ２と、モータ２に供給する電流を制御するサーボコントローラ３と、モータ２の回転を検出するエンコーダ４（回転情報検出器）を備える。

サーボコントローラ３は、モータ２に接続して使用され、外部からの位置指令値と、エンコーダ４からの位置フィードバック値と、モータ２に入力される電流フィードバック値が入力され、位置ループと、速度ループと、電流ループを形成している。
具体的には、サーボコントローラ３は、位置比較器１１を有する。位置比較器１１は、位置指令値から位置フィードバック値を減じて位置偏差を算出し、その出力は位置制御器１２に接続されている。位置制御器１２は、位置偏差から速度指令値を算出するもので、その出力は速度比較器１３に接続されている。

速度比較器１３は、速度指令値から速度フィードバック値を減じて速度偏差を算出するもので、その出力は速度制御器１４に接続されている。速度制御器１４は、速度偏差から電流指令値を算出するように構成されており、その出力は電流比較器１５に接続されている。
電流比較器１５は、電流指令値から電流フィードバック値を減じて電流偏差を算出するもので、その出力はノッチフィルタからなるトルク指令フィルタ１６に接続されている。トルク指令フィルタ１６の出力である電流偏差は、電流制御器１７に入力されるようになっている。電流制御器１７は、電流偏差を増幅させるもので、電流制御器１７の出力に応じてモータ２に通電が行われる。なお、実際にモータ２に供給される電流は、不図示のインバータなどを通して供給される。

さらに、このサーボシステム１のサーボコントローラ３には、機械的共振周波数補償装置２１が設けられている。機械的共振周波数補償装置２１は、エンコーダ４が出力する速度フィードバック値が入力されるバンドパスフィルタ２２（帯域通過フィルタ）と、共振周波数推定器２３と、ノッチフィルタ係数発生器２４と、前記したトルク指令フィルタ１６を備える。共振周波数推定器２３は、バンドパスフィルタ２２を通したエンコーダ４の出力信号が入力され、共振周波数を推定する処理を行う。その出力は、ノッチフィルタ係数発生器２４に接続されている。ノッチフィルタ係数発生器２４は、ノッチフィルタの係数を発生させる処理を行うもので、その出力はトルク指令フィルタ１６に接続されている。

ここで、共振周波数推定器２３は、以下に示す数式（１）で表される伝達関数で表される２次遅れ系システムを想定し、入力Ｕｋ（ｋ＝０，１，・・・）をゼロにし、出力ｙｋ（ｋ＝０，１，・・・）をバンドパスフィルタ２２を通した速度フィードバック値としたときの係数Ａ１、Ａ２を推定する。

係数Ａ１、Ａ２の推定値が得られると、このシステムの共振周波数ω〔ｒａｄ〕は、数式（２）のように表すことができる。

ただし、Ａ２＞０、Ｔはサンプリング周期〔ｓｅｃ〕とする。
つまり、係数Ａ１，Ａ２の値を算出できれば、共振周波数ωを推定できるので、共振周波数ωを除去するようなノッチフィルタの係数を決定することができる。

そこで、この共振周波数推定器２３では、係数Ａ１、Ａ２の推定に共分散行列の逆行列の値を用いた最小二乗理論を用いて行っている。具体的には、適切な初期値として、

を与え、共分散行列Ｐとして、

を計算する。数式（４）を満たすθｋが

となって、２つの係数Ａ１、Ａ２を与える。θｋを計算するにあたり、共分散行列Ｐの逆行列Ｐ^−１を計算する必要があるが、共分散行列Ｐが２行２列の行例であることから、その逆行列は以下に示すように既知の形になる。

次に、このサーボシステム１の動作を説明する。
サーボコントローラ３に位置指令値が入力されると、位置比較器１１で位置フィードバック値に対する位置偏差が算出される。位置偏差から位置制御器１２で速度指令値が作成され、速度比較器１３において速度フィードバック値と比較される。比較結果である速度偏差は、速度制御器１４に入力され、電流指令値が算出される。電流比較器１５は、電流指令値と電流フィードバック値を比較して電流偏差を算出する。トルク指令フィルタ１６を通して電流制御器１７に入力された信号に応じてモータ２に電流が供給される。
モータ２のロータが回転すると、エンコーダ４が位置フィードバック信号と速度フィードバック信号を出力する。このサーボシステム１では、位置フィードバック信号が位置比較器１１にフィードバックされ、位置偏差がゼロになるように制御される。速度フィードバック信号が、速度比較器１３にフィードバックされ、速度偏差がゼロになるように電流制御が行われる。さらに、モータ２に供給される電流の値が電流比較器１５にフィードバックされ、電流偏差がゼロになるように電流制御が行われる。

ここで、モータ２を回転させたときに共振周波数による振動を抑制するために、機械的共振周波数補償装置２１がトルク指令フィルタ１６としてのノッチフィルタのフィルタ係数を設定する。数式（３）で示すような初期値を使って数式（４）を使った逐次最小二乗法を実行し、θｋとして２つの係数Ａ１、Ａ２の値を得る。これら係数Ａ１、Ａ２を数式（２）に代入すれば共振周波数ωが推定される。共振周波数ωは、ノッチフィルタ係数発生器２４に入力され、このような共振周波数成分を除去できるようなフィルタ係数が発生させられる。
これによって、トルク指令フィルタ１６で電流偏差の信号から共振周波数ωの成分が除去されるので、フィルタリング後の信号に基づいてモータ２への通電が行われる。

この実施の形態では、共振周波数ωの成分を除去する際に、２次遅れ系の伝達関数の係数Ａ１，Ａ２を数式（４）を用いて決定するようにしたので、計算処理を簡略化できる。数式（４）を実施するためには、例えば乗算２０回に除算１回を行うプログラムを作成すれば良い。これに対して、従来の最小二乗理論に基づく計算では、同様のプログラムで乗算４４回と除算１回が必要であった。このように、この実施の形態では、必要な計算回数を削減できるので、処理速度の高速化が図れる。モータ２の回転数を変えた場合など、運転条件に応じて共振周波数が変化したときに、係数Ａ１，Ａ２を速やかに算出して共振周波数ωを推定することができるので、サーボシステム１を確実に制振できるようになる。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。

本発明の実施の形態に係る制御ブロック図である。

符号の説明

１ サーボシステム
２ モータ
３ サーボコントローラ
４ エンコーダ（回転情報検出器）
２１ 機械的共振周波数補償装置
２２ バンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）
２３ 共振周波数推定器
２４ ノッチフィルタ係数発生器
Ａ１，Ａ２ 係数
ω 共振周波数

Claims (1)

1. サーボモータの回転情報を検出する回転情報検出器からの回転信号のうち所定の周波数帯域の信号だけを抽出する帯域通過フィルタと、
   前記サーボモータを含むシステムの共振周波数を前記帯域通過フィルタが抽出した信号から算定する共振周波数推定器と、
   前記共振周波数推定器で算定した共振周波数からフィルタ係数を決定するノッチフィルタ係数発生器と、
   前記ノッチフィルタ係数発生器で決定した前記フィルタ係数を使って前記システムの共振周波数の信号を除去するノッチフィルタと、
   を備え、
   前記共振周波数推定器は、前記システムを２次遅れ系としたときの伝達関数の分母の二つの係数を共分散行列の逆行列の値を用いた最小二乗理論によって算出される収斂値として求めるように構成されていることを特徴とする機械的共振周波数補償装置。

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