JP2010282465A - Gimbal controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ジャイロ機構のジンバル制御装置に関するものである。 The present invention relates to a gimbal control device for a gyro mechanism.
角運動量を有する物体が、その角運動量ベクトルの方向を変えた場合、角運動量ベクトルと、角運動量ベクトルの変化速度に対応する角速度ベクトルとの外積で与えられるジャイロ・トルクが、物体から外界に対して作用する。ジャイロ機構は、当該作用を利用した装置であり、従来から船舶、ゴンドラ、クレーン等の制振装置、人工衛星、航空機等の姿勢制御装置として使用されている。 When an object with angular momentum changes the direction of its angular momentum vector, the gyro torque given by the outer product of the angular momentum vector and the angular velocity vector corresponding to the changing speed of the angular momentum vector is Act. A gyro mechanism is a device that uses this action, and has been conventionally used as a vibration control device such as a ship, a gondola, or a crane, or an attitude control device such as an artificial satellite or an aircraft.
図１２は、一般的なジャイロ機構の全体図である。図１２に示すジャイロ機構１０は、ロータ１、ジンバル・ハウジング２、ホイール軸受３、ホイール・モータ４、ジンバル・ハウジング支持フレーム５、ジンバル軸受６、ジンバル・モータ７、角度検出器８、および制御器９で構成されている。
FIG. 12 is an overall view of a general gyro mechanism. 12 includes a
ジンバル・ハウジング２およびホイール軸受３は、ロータ１をスピン軸（Ｚ軸）回りに回転自在に支持する。ホイール・モータ４は、ジンバル・ハウジング２に固定され、ロータ１に対してスピン軸（Ｚ軸）回りの回転トルクを作用させる。ジンバル・ハウジング支持フレーム５およびジンバル軸受６は、ジンバル・ハウジング２をジンバル軸（Ｘ軸）回りに回転自在に支持する。
The gimbal housing 2 and the wheel bearing 3 support the
ジンバル・モータ７は、ジンバル・ハウジング支持フレーム５に固定され、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２に対してジンバル軸（Ｘ軸）回りの回転トルク（以下、ジンバル・トルク）を作用させる。角度検出器８は、ジンバル・ハウジング支持フレーム５に固定され、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２のジンバル軸（Ｘ軸）回りの回転角度（以下、ジンバル角度）を検出する。そして、制御器９は、角度検出器８によって検出したジンバル角度に基づいて制御演算を実行し、演算結果をジンバル・モータ７にフィードバックする。
The gimbal motor 7 is fixed to the gimbal housing support frame 5 and applies a rotational torque (hereinafter referred to as gimbal torque) around the gimbal axis (X axis) to the gimbal housing 2 including the
このような構成のもと、ジンバル・ハウジング２に固定されたホイール・モータ４によって、ロータ１を所定の角速度でＺ軸回りに回転させる。さらに、ジンバル・ハウジング支持フレーム５に固定されたジンバル・モータ７によって、ロータ１、ジンバル・ハウジング２、ホイール軸受３、およびホイール・モータ４全体をＸ軸回りに回転させる。これにより、ロータ１が有するＺ軸方向の角運動量ベクトルと、ジンバル・モータ７によるロータ１のＸ軸方向の角速度ベクトルとの外積で与えられるＹ軸方向のジャイロ・トルクが、外界に対して出力される。
Under such a configuration, the
通常、ロータ１におけるＺ軸回りの回転運動は、ホイール・モータ４を介して制御器９によって制御される。また、Ｘ軸回りの回転運動は、角度検出器８によって検出したロータ１のＸ軸回り回転角度に基づいて、ジンバル・モータ７を介して制御器９によって制御される。
Normally, the rotational movement around the Z axis in the
ここで、ジャイロ機構１０を人工衛星の姿勢制御装置として適用する場合に、ロータに対してジャイロ・トルクの出力軸回りにトルクを作用させる磁気アクチュエータを追加することで、人工衛星に伝達するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去するものがある（例えば、特許文献１参照）。
Here, when the
具体的には、先の図１２の構成において、ジンバル・ハウジング２に対するロータ１の支持方式を、従来のホイール軸受３による機械的な支持から、磁気軸受を利用した非接触支持に変更している。これにより、磁気軸受が、ロータ１に対してジャイロ・トルクの出力軸（Ｙ軸）回りに回転トルクを作用させる。当該回転トルクによって、ロータ１は、ジンバル軸（Ｘ軸）回りに摂動し、ジンバル・モータ７がこの摂動に追従するようにフィードバック制御される。この結果、磁気軸受によって出力軸（Ｙ軸）回りに作用させた回転トルクを人工衛星に直接伝達させることで、人工衛星に伝達するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去するようにしている。
Specifically, in the configuration of FIG. 12, the support system of the
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
この従来技術は、ジャイロ機構１０を人工衛星の姿勢制御装置として適用する場合に、人工衛星に伝達するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去する方法である。しかしながら、ホイール・モータ４およびジンバル・モータ７に加えて、ジンバル・ハウジング２に対してロータ１を非接触支持するための磁気軸受を追加する必要がある。この結果、構造の複雑化、質量の増加、および信頼性の低下を招くという問題がある。
However, the prior art has the following problems.
This prior art is a method for removing pulsating torque from a gyro torque transmitted to an artificial satellite when the
また、従来のジャイロ機構１０が発生するジャイロ・トルクは、ロータ１が有するＺ軸方向の角運動量ベクトルと、ジンバル・モータ７によるロータ１のＸ軸方向の角速度ベクトルとの外積で与えられる。従って、非常に大きなジャイロ・トルクが出力できるという点が特徴の一つである。しかしながら、特許文献１における従来技術では、磁気軸受で発生する出力軸（Ｙ軸）回りの回転トルクしか出力できないため、ジャイロ機構１０としての最大出力トルクが大幅に低下するという問題もある。
The gyro torque generated by the
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、人工衛星、航空機等の姿勢制御装置としてジャイロ機構を適用する場合、新たな機械構造を追加することなく、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去することのできるジンバル制御装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and when the gyro mechanism is applied as an attitude control device for an artificial satellite, an aircraft, etc., the gyro mechanism is not added without adding a new mechanical structure. An object of the present invention is to obtain a gimbal control device capable of removing pulsation torque from an output gyro torque.
本発明に係るジンバル制御装置は、ジンバル軸回りの回転角度の検出結果に基づいて速度制御系による第１のジンバル・トルク指令値を制御演算し、第１のジンバル・トルク指令値に基づいてジャイロ機構のジンバル・モータをフィードバック制御する制御部を備え、制御部は、外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減する第２のジンバル・トルク指令値を算出する制御ブロックをさらに備え、第１のジンバル・トルク指令値に対して第２のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値によりジンバル・モータに供給する電流を制御するものである。 The gimbal control device according to the present invention controls and calculates the first gimbal torque command value by the speed control system based on the detection result of the rotation angle around the gimbal axis, and the gyroscope based on the first gimbal torque command value. A control unit that feedback-controls the gimbal motor of the mechanism, and the control unit outputs a second gimbal torque command value that reduces the sensitivity of the gimbal angular velocity to disturbance torque in a frequency range equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system. A control block for calculating is further provided, and a current supplied to the gimbal motor is controlled by a gimbal torque command value obtained by superimposing a second gimbal torque command value on the first gimbal torque command value.
本発明に係るジンバル制御装置によれば、外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減するようにジンバル・トルク指令値を生成してジンバル・モータに供給する電流を制御することにより、人工衛星、航空機等の姿勢制御装置としてジャイロ機構を適用する場合、新たな機械構造を追加することなく、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去することのできるジンバル制御装置を得ることができる。 According to the gimbal control device of the present invention, a gimbal torque command value is generated and supplied to the gimbal motor so as to reduce the sensitivity of the gimbal angular velocity to disturbance torque in a frequency range equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system. When applying a gyro mechanism as an attitude control device for artificial satellites, aircraft, etc., by controlling the current to be generated, removing pulsating torque from the gyro torque output by the gyro mechanism without adding a new mechanical structure Can be obtained.
以下、本発明のジンバル制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態１〜４におけるジャイロ機構自体は、従来技術として説明した図１２と同一である。また、各実施の形態の図中において、同一の符号を付したものは、同一部分または相当部分を示す。 Hereinafter, a preferred embodiment of a gimbal control device of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the gyro mechanism itself in the first to fourth embodiments described below is the same as that shown in FIG. In the drawings of the embodiments, the same reference numerals denote the same or corresponding parts.
実施の形態１．
先の図１２に示した構成のもと、ホイール・モータ４によって、ロータ１を所定の角速度でスピン軸（Ｚ軸）回りに回転させる。さらに、ジンバル・モータ７によって、ロータ１、ジンバル・ハウジング２、ホイール軸受３、およびホイール・モータ４全体をジンバル軸（Ｘ軸）回りに回転させる。これにより、ロータ１が有するスピン軸（Ｚ軸）方向の角運動量ベクトルと、ジンバル・モータ７によるロータ１のジンバル軸（Ｘ軸）方向の角速度ベクトルとの外積で与えられるトルク出力軸（Ｙ軸）方向のジャイロ・トルクが、外界に対して出力される。
Under the configuration shown in FIG. 12, the wheel motor 4 rotates the
このとき、ジンバル軸（Ｘ軸）回りの回転運動は、角度検出器８によって検出したロータ１を含むジンバル・ハウジング２のジンバル角度に基づいて、ジンバル・モータ７を介して制御器９で制御される。
At this time, the rotational movement around the gimbal axis (X axis) is controlled by the controller 9 via the gimbal motor 7 based on the gimbal angle of the gimbal housing 2 including the
図１は、本発明の実施の形態１に係るジンバル制御装置のブロック線図である。図１に示したように、本実施の形態１のジンバル制御装置は、位置制御器１１、速度制御器１２、電流制御器１３、疑似微分器１４、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、積分器１７、および固定座標変換器１８を備えており、先の図１２に示したジャイロ機構１０の制御を行っている。なお、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、積分器１７、および固定座標変換器１８で構成されるブロックは、制御ブロック２０に相当し、本願発明の技術的特徴を有する構成部分に相当する。
FIG. 1 is a block diagram of a gimbal control device according to
位置制御器１１は、角度検出器８によって検出されたジンバル角度θをフィードバックし、ジンバル角度指令θＣとの偏差を入力としてジンバル角速度指令ωＣを算出する。疑似微分器１４は、ジンバル角度θを入力としてジンバル角速度ωを算出する。速度制御器１２は、ジンバル角速度指令ωＣとジンバル角速度ωとの偏差を入力として、第１のジンバル・トルク指令を算出する。
The
回転座標変換器１５は、疑似微分器１４で算出されたジンバル角速度ωの符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する。低域通過フィルタ１６は、回転座標変換器１５の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する。積分器１７は、低域通過フィルタ１６の出力を積分する。さらに、固定座標変換器１８は、積分器１７の出力に対して所定の進相量を重畳して、固定座標系による表現に変換し、第２のジンバル・トルク指令を出力する。
The rotating coordinate
電流制御器１３は、速度制御器１２から出力される第１のジンバル・トルク指令と、固定座標変換器１８から出力される第２のジンバル・トルク指令との加算値をジンバル・トルク指令τＣとして入力する。さらに、電流制御器１３は、ジンバル・トルク指令τＣに基づいて、ジャイロ機構１０内のジンバル・モータ７に供給する電流を制御する。
The
次に、制御ブロック２０による進相量の最適調整方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における進相量の最適調整方法の説明図である。図２において、ＸＲ、ＹＲ軸は、回転座標変換器１５における回転座標系の座標軸である。また、図２中の符号２１〜２４は、以下のものを意味している。
２１：固定座標系に対する回転座標系の回転方向を、矢印で表したもの。
２２：制御ブロック２０の動作後における、低域通過フィルタ１６の出力が描く軌跡を矢印で表したものであり、固定座標変換器１８における進相量が最適値の場合
２３：制御ブロック２０の動作後における、低域通過フィルタ１６の出力が描く軌跡を矢印で表したものであり、固定座標変換器１８における進相量が最適値よりも小さい場合
２４：制御ブロック２０の動作後における、低域通過フィルタ１６の出力が描く軌跡を矢印で表したものであり、固定座標変換器１８における進相量が最適値よりも大きい場合
Next, an optimum method for adjusting the phase advance amount by the
21: The rotation direction of the rotating coordinate system with respect to the fixed coordinate system is represented by an arrow.
22: The locus drawn by the output of the low-
次に、図１に示したジンバル制御装置の具体的な動作について説明する。まず始めに、ジャイロ機構１０に対する一般的なジンバル制御装置の１つとして、図１に示すブロック線図において、制御ブロック２０を除いたフィードバック制御系について説明する。
Next, a specific operation of the gimbal control device shown in FIG. 1 will be described. First, a feedback control system excluding the
図３は、従来のジンバル制御装置における、外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性を示した図である。当該制御系において、実際のジャイロ機構１０では、ジンバル軸（Ｘ軸）回りの外乱トルクτＤがジャイロ機構１０の入力段に重畳する。このため、このときの外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの周波数特性は、大略、この図３で与えられる。ただし、図３において、Ｊ、ＫＤは、以下のものを意味している。
Ｊ：ロータ１、ジンバル・ハウジング２、ホイール軸受３、およびホイール・モータ４全体のジンバル軸（Ｘ軸）回りの慣性モーメント
ＫＤ：速度制御器１２の比例ゲイン
FIG. 3 is a graph showing frequency characteristics of the gimbal angular velocity with respect to disturbance torque in the conventional gimbal control device. In the control system, in the
J:
一方、回転体の一般的な特性として、ロータ１をスピン軸（Ｚ軸）回りに回転速度Ωで回転させた場合、ロータ１が有する動不釣合い、ホイール軸受３の不均一性等に起因して、ジンバル軸（Ｘ軸）回りの外乱トルクτＤがロータ１から発生する。通常、当該外乱トルクτＤは、ロータ１の回転運動に同期しており、その周波数成分は、ａを所定の実定数として、ａΩで与えられる。
On the other hand, as a general characteristic of the rotating body, when the
このような外乱トルクτＤに対して、図３に示すように、慣性モーメントＪ、比例ゲインＫＤ、および外乱トルクの周波数ａΩで決定する所定ゲインで、ジンバル角速度ωが応答する。図４は、従来のジンバル制御装置における、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形を示した図である。この図４に示すように、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２は、当該外乱トルクτＤに起因してジンバル軸（Ｘ軸）回りに周波数ａΩで微小振動する。
As shown in FIG. 3, the gimbal angular velocity ω responds to the disturbance torque τ D with a predetermined gain determined by the moment of inertia J, the proportional gain K D , and the frequency aΩ of the disturbance torque. FIG. 4 is a diagram showing time waveforms of gimbal angular velocity and gyro torque in a conventional gimbal control device. As shown in FIG. 4, the gimbal housing 2 including the
ジャイロ機構１０が出力するトルク出力軸（Ｙ軸）方向のジャイロ・トルクτＧは、ロータ１が有するスピン軸（Ｚ軸）方向の角運動量と、ロータ１のジンバル角速度ωとの積で与えられる。このため、図４に示すように、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２がジンバル軸（Ｘ軸）回りに周波数ａΩで微小振動すると、ジャイロ・トルクτＧには、当該振動に同期した脈動トルクが発生する。
The gyro torque τ G in the direction of the torque output axis (Y axis) output by the
そこで、本実施の形態１におけるジンバル制御装置では、はじめに、先の図１に示す回転座標変換器１５によって、ジンバル角速度ωの符号反転値を、回転速度ａΩで回転する回転座標系表現に変換する。
Therefore, in the gimbal control apparatus according to the first embodiment, first, the rotating coordinate
このときの変換式は、ωＲＸ、ωＲＹをそれぞれ回転座標系表現のＸＲ成分、ＹＲ成分、ｔを時間として、下式（１）で与えられる。 The conversion equation at this time is given by the following equation (1), where ω RX and ω RY are the X R component, Y R component of the rotating coordinate system expression, and t is time, respectively.
さらに、周波数ａΩのジンバル角速度ωの微小振動を、振幅をω（バー）、位相角を
上式（１）、（２）より、回転座標変換器１５の出力は、下式（３）となり、周波数２ａΩの交流成分と直流信号に分離される。
From the above equations (1) and (2), the output of the rotary coordinate
次に、低域通過フィルタ１６のカットオフ周波数を、上式（３）の交流成分（周波数２ａΩ）を十分減衰可能な値に設定することで、低域通過フィルタ１６によって回転座標変換器１５の出力（上式（３））から直流成分のみを抽出する。さらに、低域通過フィルタ１６の出力を、積分器１７によって積分する。
Next, the cut-off frequency of the low-
積分器１７の出力は、固定座標変換器１８に入力され、所定の進相量φを重畳して、固定座標系表現に変換する。このときの変換式は、ＸＩ、ＹＩを積分器１７の出力におけるＸＲ成分、ＹＲ成分とし、ＸＳ、ＹＳを固定座標変換器１８の出力におけるＸ成分、Ｙ成分として、下式（４）で与えられる。
The output of the
そこで、固定座標変換器１８の出力のうち、ＸＳをジンバル・トルク指令に重畳する。このとき、制御ブロック２０の伝達関数Ｗ（ｓ）は、下式（５）で与えられる。
Therefore, among the outputs of the fixed coordinate
ここで、上式（５）におけるωＬＰＦおよびＫＩは、以下の内容を意味している。
ωＬＰＦ ：低域通過フィルタ１６におけるカットオフ周波数
ＫＩ ：積分器１７における比例係数
Here, omega LPF and K I in the above equation (5) means the following.
ω LPF : Cut-off frequency in the low-pass filter 16 K I : Proportional coefficient in the
図５は、本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性を示す図である。図１における制御ブロック２０を付加した全体の周波数特性は、大略、この図５で表される。
FIG. 5 is a diagram showing the frequency characteristic of the gimbal angular velocity with respect to the disturbance torque in the gimbal control device according to the first embodiment of the present invention. The overall frequency characteristics to which the
図５に示すように、制御ブロック２０を付加することで、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度ａΩと等価な周波数域において、低減することができる。
As shown in FIG. 5, by adding the
図６は、本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形を示した図である。図５の周波数特性を備えることで、図６に示すように、周波数ａΩの外乱トルクτＤに起因するジンバル角速度ωの微小振動を抑制することが可能となる。その結果、ジャイロ機構１０が出力するジャイロ・トルクτＧから、回転座標系の回転速度ａΩと等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。
FIG. 6 is a diagram showing time waveforms of the gimbal angular velocity and the gyro torque in the gimbal control device according to the first embodiment of the present invention. By providing the frequency characteristic of FIG. 5, it is possible to suppress the minute vibration of the gimbal angular velocity ω caused by the disturbance torque τ D of the frequency aΩ as shown in FIG. As a result, the pulsating torque having a frequency component equivalent to the rotational speed aΩ of the rotating coordinate system can be removed from the gyro torque τ G output from the
なお、固定座標変換器１８において重畳する進相量φの最適値は、先の図２に示すように、回転座標系で表現された低域通過フィルタ１６の出力が、制御ブロック２０の動作後に描く軌跡に基づいて調整することができる。具体的には、進相量φの設定が最適値よりも小さい場合、矢印２３に示すように、当該軌跡は、回転座標系の回転方向２１と同一方向に回転する。また、進相量φの設定が最適値よりも大きい場合、矢印２４に示すように、当該軌跡は、回転座標系の回転方向２１と反対方向に回転する。その一方、進相量φの設定が最適値の場合、矢印２２に示すように、当該軌跡は、回転座標系上を回転することなく原点に収束する。
It should be noted that the optimum value of the phase advance amount φ superimposed in the fixed coordinate
図７は、本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における、回転座標系回転速度と進相量との関係を示すグラフである。固定座標変換器１８において重畳する進相量φは、回転座標変換器１５における回転座標系の回転速度ａΩに応じて、上記調整方法に基づいて常に最適値となるように設定されている。このときの回転座標系回転速度ａΩと進相量φの関係は、大略、この図７に示すとおりとなる。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the rotational coordinate system rotation speed and the phase advance amount in the gimbal control apparatus according to the first embodiment of the present invention. The phase advance amount φ to be superimposed in the fixed coordinate
これにより、回転座標系の回転速度ａΩ（つまり外乱トルクτＤ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することが可能となる。 As a result, it is possible to maintain the stability of the gimbal control device even when the frequency range for suppressing the fluctuation of the gimbal angular velocity ω caused by the rotational speed aΩ (that is, the disturbance torque τ D ) of the rotating coordinate system is changed. Become.
以上のように、実施の形態１によれば、回転座標変換器、低域通過フィルタ、積分器、および固定座標変換器で構成される制御ブロックを備えている。これにより、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減することができる。この結果、外乱トルクτＤに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制し、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτＧから、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。 As described above, according to the first embodiment, the control block including the rotary coordinate converter, the low-pass filter, the integrator, and the fixed coordinate converter is provided. Thereby, the sensitivity of the gimbal angular velocity ω to the disturbance torque τ D can be reduced in a frequency range equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system. As a result, the fluctuation of the gimbal angular velocity ω caused by the disturbance torque τ D can be suppressed, and the pulsating torque having a frequency component equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system can be removed from the gyro torque τ G output from the gyro mechanism. it can.
特に、外乱トルクτＤがロータのスピン軸回り回転運動に同期して、周波数ａΩ（ａ：所定の実定数、Ω：ロータのスピン軸回り回転速度）で発生する場合には、回転座標系の回転速度をａΩと設定することで、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτＧから、ロータのスピン軸回り回転運動に同期した脈動トルクを除去することができる。 In particular, when the disturbance torque τ D is generated at a frequency aΩ (a: a predetermined real constant, Ω: rotational speed around the rotor spin axis) in synchronization with the rotational movement around the spin axis of the rotor, By setting the rotational speed to aΩ, the pulsating torque synchronized with the rotational motion around the spin axis of the rotor can be removed from the gyro torque τ G output from the gyro mechanism.
さらに、本実施の形態１のジンバル制御装置では、回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、固定座標変換器において重畳する進相量φが、常に最適値となるように設定される。この結果、回転座標系の回転速度（つまり外乱トルクτＤ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。 Further, in the gimbal control device of the first embodiment, the phase advance amount φ superimposed in the fixed coordinate converter is always set to the optimum value according to the rotation speed of the rotary coordinate system in the rotary coordinate converter. The As a result, the stability of the gimbal control device can be maintained even when the frequency range for suppressing the fluctuation of the gimbal angular velocity ω due to the rotational speed of the rotating coordinate system (that is, the disturbance torque τ D ) is changed.
実施の形態２．
先の実施の形態１では、外部からジンバル角度指令θＣが与えられた場合の制御方法について説明した。これに対して、本実施の形態２では、外部からジンバル角速度指令ωＣが与えられた場合に、同様の制御方法を適用する場合について説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the control method when the gimbal angle command θ C is given from the outside has been described. On the other hand, in the second embodiment, a case will be described in which the same control method is applied when the gimbal angular velocity command ω C is given from the outside.
図８は、本発明の実施の形態２に係るジンバル制御装置のブロック線図である。図８に示したように、本実施の形態２のジンバル制御装置は、速度制御器１２、電流制御器１３、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、積分器１７、および固定座標変換器１８を備えており、先の図１２に示したジャイロ機構１０の制御を行っている。なお、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、積分器１７、および固定座標変換器１８で構成されるブロックは、制御ブロック２０に相当し、本願発明の技術的特徴を有する構成部分に相当する。
FIG. 8 is a block diagram of the gimbal control device according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the gimbal control device of the second embodiment includes a
先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、本実施の形態２における図８の構成は、位置制御器１１および疑似微分器１４を備えていない点が異なっている。また、本実施の形態２におけるジャイロ機構（図１２）は、ジンバル角度を検出する角度検出器８の代わりに、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２のジンバル軸（Ｘ軸）回りのジンバル角速度を検出する角速度検出器８ａを備えている。
Compared to the configuration of FIG. 1 in the first embodiment, the configuration of FIG. 8 in the second embodiment is different in that the
速度制御器１２は、角速度検出器８ａによって検出されたジンバル角速度ωをフィードバックし、ジンバル角速度指令ωＣとの偏差を入力として第１のジンバル・トルク指令を算出する。
回転座標変換器１５は、角速度検出器８ａによって検出されたジンバル角速度ωの符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する。低域通過フィルタ１６は、回転座標変換器１５の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する。積分器１７は、低域通過フィルタ１６の出力を積分する。さらに、固定座標変換器１８は、積分器１７の出力に対して所定の進相量を重畳して、固定座標系による表現に変換し、第２のジンバル・トルク指令を出力する。
The rotational coordinate
電流制御器１３は、速度制御器１２から出力される第１のジンバル・トルク指令と、固定座標変換器１８から出力される第２のジンバル・トルク指令との加算値をジンバル・トルク指令τＣとして入力する。さらに、電流制御器１３は、ジンバル・トルク指令τＣに基づいて、ジャイロ機構１０内のジンバル・モータ７に供給する電流を制御する。
The
なお、本実施の形態２のジンバル制御装置における進相量の最適調整方法、外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形、および回転座標系回転速度と進相量の関係は、それぞれ、先の実施の形態１の図２、図５、図６および図７と同一である。 In the gimbal control device according to the second embodiment, the method for optimally adjusting the phase advance amount, the frequency characteristics of the gimbal angular velocity with respect to the disturbance torque, the time waveform of the gimbal angular velocity and gyro torque, and the rotational coordinate system rotational speed and The relationships are the same as those in FIGS. 2, 5, 6, and 7 of the first embodiment.
次に、図８に示したジンバル制御装置の具体的な動作について説明する。まず始めに、ジャイロ機構１０に対する一般的なジンバル制御装置の１つとして、図８に示すブロック線図において、制御ブロック２０を除いたジンバル角速度ωのフィードバック制御系について説明する。
Next, a specific operation of the gimbal control device shown in FIG. 8 will be described. First, as one of general gimbal control devices for the
当該制御系において、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの周波数特性は、大略、先の図３で与えられる。一方、回転体の一般的な特性として、ロータ１をスピン軸（Ｚ軸）回りに回転速度Ωで回転させた場合、ロータ１が有する動不釣合い、ホイール軸受３の不均一性等に起因して、ジンバル軸（Ｘ軸）回りの外乱トルクτＤがロータ１から発生する。通常、当該外乱トルクτＤは、ロータ１の回転運動に同期しており、その周波数成分は、ａを所定の実定数として、ａΩで与えられる。
In the control system, the frequency characteristic of the gimbal angular velocity ω with respect to the disturbance torque τ D is generally given in FIG. On the other hand, as a general characteristic of the rotating body, when the
このような外乱トルクτＤに対して、図３に示す所定ゲインで、ジンバル角速度ωが応答する。このため、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２は、先の図４に示すように、当該外乱トルクτＤに起因してジンバル軸（Ｘ軸）回りに周波数ａΩで微小振動する。その結果、ジャイロ機構１０が出力するジャイロ・トルクτＧには、当該振動に同期した脈動トルクが発生する。
The gimbal angular velocity ω responds to the disturbance torque τ D with a predetermined gain shown in FIG. Therefore, the gimbal housing 2 including the
そこで、本実施の形態２におけるジンバル制御装置では、はじめに、先の図８に示す回転座標変換器１５によって、ジンバル角速度ωの符号反転値を、回転速度ａΩで回転する回転座標系表現に変換する。
Therefore, in the gimbal control apparatus according to the second embodiment, first, the rotational coordinate
このときの変換式は、上式（１）で与えられ、周波数ａΩのジンバル角速度ωの微小振動を、上式（２）とおくと、回転座標変換器１５の出力は、上式（３）に示すように、周波数２ａΩの交流成分と直流信号に分離される。
The conversion equation at this time is given by the above equation (1). When the minute vibration of the gimbal angular velocity ω having the frequency aΩ is represented by the above equation (2), the output of the rotary coordinate
次に、低域通過フィルタ１６のカットオフ周波数を、上式（３）の交流成分（周波数２ａΩ）を十分減衰可能な値に設定することで、低域通過フィルタ１６によって回転座標変換器１５の出力（上式（３））から直流成分のみを抽出する。さらに、低域通過フィルタ１６の出力を、積分器１７によって積分する。
Next, the cut-off frequency of the low-
積分器１７の出力は、固定座標変換器１８に入力され、所定の進相量φを重畳して、固定座標系表現に変換する。このときの変換式は、上式（４）で与えられ、固定座標変換器１８の出力のうち、ＸＳをジンバル・トルク指令に重畳する。
The output of the
このとき、制御ブロック２０の伝達関数Ｗ（ｓ）は、上式（５）、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの周波数特性は、大略、先の図５で表される。このようにして、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度ａΩと等価な周波数域において低減することができる。
At this time, the transfer function W (s) of the
これにより、先の図６に示すように、周波数ａΩの外乱トルクτＤに起因するジンバル角速度ωの微小振動を抑制することが可能となる。その結果、ジャイロ機構１０が出力するジャイロ・トルクτＧから、回転座標系の回転速度ａΩと等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。
As a result, as shown in FIG. 6, the minute vibration of the gimbal angular velocity ω caused by the disturbance torque τ D having the frequency aΩ can be suppressed. As a result, the pulsating torque having a frequency component equivalent to the rotational speed aΩ of the rotating coordinate system can be removed from the gyro torque τ G output from the
なお、固定座標変換器１８において重畳する進相量φの最適値は、先の図２に示すように、回転座標系で表現された低域通過フィルタ１６の出力が、制御ブロック２０の動作後に、回転座標系上を回転することなく原点に収束する値として、調整することができる。
It should be noted that the optimum value of the phase advance amount φ superimposed in the fixed coordinate
固定座標変換器１８において重畳する進相量φは、回転座標変換器１５における回転座標系の回転速度ａΩに応じて、上記調整方法に基づいて常に最適値となるように設定されている。このときの回転座標系回転速度ａΩと進相量φの関係は、大略、先の図７に示すとおりとなる。
The phase advance amount φ to be superimposed in the fixed coordinate
これにより、回転座標系の回転速度ａΩ（つまり外乱トルクτＤ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することが可能となる。 As a result, it is possible to maintain the stability of the gimbal control device even when the frequency range for suppressing the fluctuation of the gimbal angular velocity ω caused by the rotational speed aΩ (that is, the disturbance torque τ D ) of the rotating coordinate system is changed. Become.
以上のように、実施の形態２によれば、回転座標変換器、低域通過フィルタ、積分器、および固定座標変換器で構成される制御ブロックを備えている。これにより、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減することができる。この結果、外乱トルクτＤに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制し、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτＧから、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。 As described above, according to the second embodiment, the control block including the rotary coordinate converter, the low-pass filter, the integrator, and the fixed coordinate converter is provided. Thereby, the sensitivity of the gimbal angular velocity ω to the disturbance torque τ D can be reduced in a frequency range equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system. As a result, the fluctuation of the gimbal angular velocity ω caused by the disturbance torque τ D can be suppressed, and the pulsating torque having a frequency component equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system can be removed from the gyro torque τ G output from the gyro mechanism. it can.
特に、外乱トルクτＤがロータのスピン軸回り回転運動に同期して、周波数ａΩ（ａ：所定の実定数、Ω：ロータのスピン軸回り回転速度）で発生する場合には、回転座標系の回転速度をａΩと設定することで、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτＧから、ロータのスピン軸回り回転運動に同期した脈動トルクを除去することができる。 In particular, when the disturbance torque τ D is generated at a frequency aΩ (a: a predetermined real constant, Ω: rotational speed around the rotor spin axis) in synchronization with the rotational movement around the spin axis of the rotor, By setting the rotational speed to aΩ, the pulsating torque synchronized with the rotational motion around the spin axis of the rotor can be removed from the gyro torque τ G output from the gyro mechanism.
さらに、本実施の形態２のジンバル制御装置では、回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、固定座標変換器において重畳する進相量φが、常に最適値となるように設定される。この結果、回転座標系の回転速度（つまり外乱トルクτＤ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。 Furthermore, in the gimbal control device of the second embodiment, the phase advance amount φ superimposed in the fixed coordinate converter is always set to an optimum value according to the rotation speed of the rotary coordinate system in the rotary coordinate converter. The As a result, the stability of the gimbal control device can be maintained even when the frequency range for suppressing the fluctuation of the gimbal angular velocity ω due to the rotational speed of the rotating coordinate system (that is, the disturbance torque τ D ) is changed.
実施の形態３．
本実施の形態３では、制御ブロック２０内の構成が、先の実施の形態１、２とは異なる場合について、説明する。
In the third embodiment, a case where the configuration in the
図９は、本発明の実施の形態３に係るジンバル制御装置のブロック線図である。図９に示したように、本実施の形態３のジンバル制御装置は、位置制御器１１、速度制御器１２、電流制御器１３、疑似微分器１４、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、不完全積分器１９、および固定座標変換器１８を備えており、先の図１２に示したジャイロ機構１０の制御を行っている。なお、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、不完全積分器１９、および固定座標変換器１８で構成されるブロックは、本実施の形態３における制御ブロック２０に相当し、本願発明の技術的特徴を有する構成部分に相当する。
FIG. 9 is a block diagram of the gimbal control device according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, the gimbal control device according to the third embodiment includes a
先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、本実施の形態３における図９の構成は、制御ブロック２０内の積分器として、積分器１７の代わりに不完全積分器１９を備えている点が異なっている。この不完全積分機１９は、所定の周波数以上の周波数領域においてのみ、低域通過フィルタ１６の出力を積分するものである。その他の構成要素は、先の実施の形態１と同様であり、説明を省略する。
Compared with the configuration of FIG. 1 in the first embodiment, the configuration of FIG. 9 in the third embodiment includes an
なお、本実施の形態３のジンバル制御装置における進相量の最適調整方法、外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形、および回転座標系回転速度と進相量の関係は、それぞれ、先の実施の形態１の図２、図５、図６および図７と同一である。 In the gimbal control device according to the third embodiment, the optimum method for adjusting the phase advance amount, the frequency characteristics of the gimbal angular velocity with respect to the disturbance torque, the time waveform of the gimbal angular velocity and the gyro torque, and the rotational coordinate system rotational speed and The relationships are the same as those in FIGS. 2, 5, 6, and 7 of the first embodiment.
次に、図９に示したジンバル制御装置の具体的な動作について説明する。この図９に示すブロック線図において、制御ブロック２０を除くフィードバック制御系、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、固定座標変換器１８の機能および動作は、全て先の実施の形態１と同一である。
Next, a specific operation of the gimbal control device shown in FIG. 9 will be described. In the block diagram shown in FIG. 9, the functions and operations of the feedback control system excluding the
先の実施の形態１では、低域通過フィルタ１６の出力を積分器１７によって積分していた。この場合、ジャイロ機構１０におけるジンバル・モータ７によって、ジンバル軸（Ｘ軸）回りに作用する外乱トルクτＤを相殺することで、外乱トルクτＤに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制している。
In the first embodiment, the output of the low-
換言すれば、ジンバル・モータ７が外乱トルクτＤを完全に相殺できない場合、外乱トルクτＤに起因するジンバル角速度ωの微小振動が残留し、積分器１７の出力が増加し続けるため、ジンバル制御装置の安定性を損なう可能性がある。
In other words, if the gimbal motor 7 is not fully offset the disturbance torque tau D, small vibration of the gimbal angular velocity ω due to the disturbance torque tau D may remain, because the output of the
そこで、本実施の形態３におけるジンバル制御装置では、制御ブロック２０内の積分器を、所定の周波数以上の周波数領域においてのみ、低域通過フィルタ１６の出力を積分する不完全積分器１９としている。
Therefore, in the gimbal control apparatus according to the third embodiment, the integrator in the
この不完全積分器１９の回転座標系における伝達関数は、下式（６）で与えられる。
The transfer function in the rotating coordinate system of the
ここで、上式（６）におけるωＤＩＳおよびＫＩは、以下の内容を意味している。
ωＤＩＳ ：不完全積分器１９におけるカットオフ周波数
ＫＩ ：不完全積分器１９における比例係数
Here, omega DIS and K I in the above formula (6) means the following.
ω DIS : Cut-off frequency in incomplete integrator 19 K I : Proportional coefficient in
ジンバル・モータ７が外乱トルクτＤを完全に相殺できず、外乱トルクτＤに起因するジンバル角速度ωの微小振動が残留する場合でも、不完全積分器１９の出力が所定範囲内に制限される。このため、ジンバル制御装置の安定性を維持することが可能となる。
Gimbal motor 7 can not completely cancel the disturbance torque tau D, even when the minute vibration of the gimbal angular velocity ω due to the disturbance torque tau D remains, the output of the
以上のように、実施の形態３によれば、回転座標変換器、低域通過フィルタ、不完全積分器、および固定座標変換器で構成される制御ブロックを備えている。これにより、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減することができる。この結果、外乱トルクτＤに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制し、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτＧから、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。 As described above, according to the third embodiment, the control block including the rotary coordinate converter, the low-pass filter, the incomplete integrator, and the fixed coordinate converter is provided. Thereby, the sensitivity of the gimbal angular velocity ω to the disturbance torque τ D can be reduced in a frequency range equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system. As a result, the fluctuation of the gimbal angular velocity ω caused by the disturbance torque τ D can be suppressed, and the pulsating torque having a frequency component equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system can be removed from the gyro torque τ G output from the gyro mechanism. it can.
特に、外乱トルクτＤがロータのスピン軸回り回転運動に同期して、周波数ａΩ（ａ：所定の実定数、Ω：ロータのスピン軸回り回転速度）で発生する場合には、回転座標系の回転速度をａΩと設定することで、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτＧから、ロータ１のスピン軸回り回転運動に同期した脈動トルクを除去することができる。
In particular, when the disturbance torque τ D is generated at a frequency aΩ (a: a predetermined real constant, Ω: rotational speed around the rotor spin axis) in synchronization with the rotational movement around the spin axis of the rotor, By setting the rotational speed to aΩ, the pulsating torque synchronized with the rotational motion around the spin axis of the
さらに、本実施の形態３のジンバル制御装置では、回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、固定座標変換器において重畳する進相量φが、常に最適値となるように設定される。この結果、回転座標系の回転速度（つまり外乱トルクτＤ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。 Further, in the gimbal control device of the third embodiment, the phase advance amount φ superimposed in the fixed coordinate converter is always set to an optimum value according to the rotation speed of the rotary coordinate system in the rotary coordinate converter. The As a result, the stability of the gimbal control device can be maintained even when the frequency range for suppressing the fluctuation of the gimbal angular velocity ω due to the rotational speed of the rotating coordinate system (that is, the disturbance torque τ D ) is changed.
加えて、本実施の形態３のジンバル制御装置では、低域通過フィルタの出力の積分に不完全積分器を適用している。この結果、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分においてジンバル角速度ωの変動が完全に抑制できない場合においても、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。 In addition, in the gimbal control device of the third embodiment, an incomplete integrator is applied to the integration of the output of the low-pass filter. As a result, the stability of the gimbal control device can be maintained even when the fluctuation of the gimbal angular velocity ω cannot be completely suppressed in the frequency component equivalent to the rotational velocity of the rotating coordinate system.
なお、本実施の形態３では、不完全積分器１９を備えた制御ブロック２０を、先の実施の形態１に適用する場合について説明したが、先の実施の形態２に適用することもでき、同様の効果を得ることができる。
In the third embodiment, the case where the
実施の形態４．
本実施の形態４では、基本的には、先の実施の形態３と同様の構成を備えるとともに、制御ブロック２０を複数備える場合について、説明する。なお、以下の説明では、制御ブロック２０を複数備える構成の一例として、２つの制御ブロック２０ａ、２０ｂによる構成について、具体的に説明する。
Embodiment 4 FIG.
In the fourth embodiment, a case will be basically described in which a configuration similar to that of the third embodiment is provided and a plurality of control blocks 20 are provided. In the following description, a configuration of two
図１０は、本発明の実施の形態４に係るジンバル制御装置のブロック線図である。図１０に示したように、本実施の形態４のジンバル制御装置は、位置制御器１１、速度制御器１２、電流制御器１３、疑似微分器１４、および２系統の制御ブロック２０ａ、２０ｂを備えており、先の図１２に示したジャイロ機構１０の制御を行っている。なお、これら２系統の制御ブロック２０ａ、２０ｂは、ともに、先の実施の形態３における制御ブロック２０と同様の構成を備えており、本願発明の技術的特徴を有する構成部分に相当する。
FIG. 10 is a block diagram of a gimbal control device according to Embodiment 4 of the present invention. As shown in FIG. 10, the gimbal control device according to the fourth embodiment includes a
次に、本実施の形態４の特徴である２系統の制御ブロック２０ａ、２０ｂの機能を中心に、以下に説明する。説明をわかり易くするために、２系統を添字ａ、ｂで区別するとともに、第１、第２と称して説明する。
Next, the functions of the two
第１の回転座標変換器１５ａおよび第２の回転座標変換器１５ｂは、疑似微分器１４で算出されたジンバル角速度ωの符号反転値を、それぞれロータ１のスピン軸（Ｚ軸）回り回転速度Ωのａ１倍およびａ２倍で回転する回転座標系による表現に変換する。第１の低域通過フィルタ１６ａおよび第２の低域通過フィルタ１６ｂは、それぞれ第１の回転座標変換器１５ａおよび第２の回転座標変換器１５ｂの出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する。
The first rotational coordinate
第１の不完全積分器１９ａおよび第２の不完全積分器１９ｂは、所定の周波数以上の周波数領域においてのみ、それぞれ第１の低域通過フィルタ１６ａおよび第２の低域通過フィルタ１６ｂの出力を積分する。さらに、第１の固定座標変換器１８ａおよび第２の固定座標変換器１８ｂは、それぞれ第１の不完全積分器１９ａおよび第２の不完全積分器１９ｂの出力に対して、それぞれ第１の進相量φ１および第２の進相量φ２を重畳して、固定座標系による表現に変換し、第２のジンバル・トルク指令および第３のジンバル・トルク指令を出力する。
The first
電流制御器１３は、速度制御器１２から出力される第１のジンバル・トルク指令と、第１の固定座標変換器１８ａから出力される第２のジンバル・トルク指令と、第２の固定座標変換器１８ｂから出力される第３のジンバル・トルク指令との加算値をジンバル・トルク指令τＣとして入力する。さらに、電流制御器１３は、ジンバル・トルク指令τＣに基づいて、ジャイロ機構１０内のジンバル・モータ７に供給する電流を制御する。
The
なお、本実施の形態４のジンバル制御装置における進相量の最適調整方法、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形、および回転座標系回転速度と進相量の関係は、それぞれ、先の実施の形態１の図２、図６、および図７と同一である。 Note that the optimum adjustment method of the phase advance amount in the gimbal control device of the fourth embodiment, the time waveform of the gimbal angular velocity and the gyro torque, and the relationship between the rotational coordinate system rotation speed and the phase advance amount are the same as those in the previous implementation. This is the same as FIG. 2, FIG. 6, and FIG.
次に、図１０に示したジンバル制御装置の具体的な動作について説明する。この図１０に示すブロック線図において、制御ブロック２０ａ、２０ｂを除くフィードバック制御系の機能および動作は、先の実施の形態１と同一であり、各制御ブロック２０ａ、２０ｂの機能および動作は、先の実施の形態３と同一である。
Next, a specific operation of the gimbal control device shown in FIG. 10 will be described. In the block diagram shown in FIG. 10, the functions and operations of the feedback control system excluding the
先の実施の形態３では、フィードバック制御系に付加する制御ブロック２０を単一としていた。この場合、ジンバル軸（Ｘ軸）回りに作用する外乱トルクτＤが複数周波数成分を有する場合に、所定の単一周波数成分に対してのみ、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの感度を低減することができる。
In the third embodiment, the
換言すれば、回転座標変換器１５における回転座標系の回転速度と等価な周波数成分以外の外乱トルクτＤに対して、ジンバル角速度ωの変動を抑制することができない。その結果、ジャイロ機構１０が出力するジャイロ・トルクτＧには、依然として脈動トルクが残留することになる。
In other words, the fluctuation of the gimbal angular velocity ω cannot be suppressed with respect to the disturbance torque τ D other than the frequency component equivalent to the rotational velocity of the rotating coordinate system in the rotating coordinate
そこで、本実施の形態４におけるジンバル制御装置では、外乱トルクτＤの周波数成分がａ１Ωおよびａ２Ω（ａ１、ａ２：所定の実定数、ただしａ１≠ａ２）となる場合に、制御ブロック２０を２個並列接続している。さらに、第１の制御ブロック２０ａにおける第１の回転座標変換器１５ａにおいて、回転座標系の回転速度をａ１Ωに設定し、第２の制御ブロック２０ｂにおける第２の回転座標変換器１５ｂにおいて、回転座標系の回転速度をａ２Ωに設定する。
Therefore, in the gimbal control device according to the fourth embodiment, the frequency components of the disturbance torque τ D are a 1 Ω and a 2 Ω (a 1 , a 2 : predetermined real constants, where a 1 ≠ a 2 ). In addition, two
また、第１の制御ブロック２０ａにおける第１の固定座標変換器１８ａにおいて、第１の不完全積分器１９ａの出力に対して重畳する第１の進相量φ１は、回転座標系の回転速度ａ１Ωに応じて、先の実施の形態１と同一の調整方法に基づいて、常に最適値となるように設定される。同様に、第２の制御ブロック２０ｂにおける第２の固定座標変換器１８ｂにおいて、第２の不完全積分器１９ｂの出力に対して重畳する第２の進相量φ２は、回転座標系の回転速度ａ２Ωに応じて、先の実施の形態１と同一の調整方法に基づいて、常に最適値となるように設定される。
In the first fixed coordinate
そして、第１の固定座標変換器１８ａおよび第２の固定座標変換器１８ｂの出力のうち、上式（４）のＸＳに対応する信号の加算値を、ジンバル・トルク指令に対して重畳する。図１１は、本発明の実施の形態４のジンバル制御装置における外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性を示す図である。図１０における制御ブロック２０ａ、２０ｂを付加した全体の周波数特性は、大略、この図１１で表される。
Of the outputs of the first fixed coordinate
図１０に示すように、制御ブロック２０ａ、２０ｂを並列接続することで、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度ａ１Ωおよびａ２Ωと等価な複数周波数域において低減することができる。
As shown in FIG. 10, by connecting the
以上のように、実施の形態４によれば、回転座標変換器、低域通過フィルタ、不完全積分器、および固定座標変換器で構成される制御ブロックを複数備えている。これにより、外乱トルクτＤに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度と等価な複数の周波数域において低減することができる。この結果、外乱トルクτＤに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制し、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτＧから、回転座標系の回転速度と等価な複数の周波数成分の脈動トルクを除去することができる。 As described above, according to the fourth embodiment, a plurality of control blocks including a rotary coordinate converter, a low-pass filter, an incomplete integrator, and a fixed coordinate converter are provided. As a result, the sensitivity of the gimbal angular velocity ω with respect to the disturbance torque τ D can be reduced in a plurality of frequency ranges equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system. As a result, the fluctuation of the gimbal angular velocity ω caused by the disturbance torque τ D is suppressed, and the pulsating torque having a plurality of frequency components equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system is removed from the gyro torque τ G output from the gyro mechanism. be able to.
特に、外乱トルクτＤがロータのスピン軸回り回転運動に同期して、複数周波数ａ１Ωおよびａ２Ω（ａ１、ａ２：所定の実定数、ただしａ１≠ａ２、Ω：ロータのスピン軸回り回転速度）で発生する場合には、回転座標系の回転速度をａ１Ωおよびａ２Ωと設定することで、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτＧから、ロータのスピン軸回り回転運動に同期した複数周波数成分の脈動トルクを除去することができる。 In particular, the disturbance torque τ D is synchronized with the rotational motion around the spin axis of the rotor, and a plurality of frequencies a 1 Ω and a 2 Ω (a 1 , a 2 : predetermined real constants, where a 1 ≠ a 2 , Ω: rotor If the rotation speed of the rotating coordinate system is set to a 1 Ω and a 2 Ω, the gyro torque τ G output from the gyro mechanism can be used to determine the spin axis of the rotor. A pulsating torque having a plurality of frequency components synchronized with the rotational rotation can be removed.
さらに、本実施の形態４のジンバル制御装置では、第１の回転座標変換器および第２の回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、第１の固定座標変換器において重畳する第１の進相量φ１および第２の固定座標変換器において重畳する第２の進相量φ２が、常に最適値となるように設定される。この結果、回転座標系の回転速度（つまり外乱トルクτＤ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。 Further, in the gimbal control device according to the fourth embodiment, the first fixed coordinate converter superimposes the first fixed coordinate converter in accordance with the rotation speed of the rotary coordinate system in the first rotary coordinate converter and the second rotary coordinate converter. The first phase advance amount φ 1 and the second phase advance amount φ 2 superimposed in the second fixed coordinate converter are always set to be optimum values. As a result, the stability of the gimbal control device can be maintained even when the frequency range for suppressing the fluctuation of the gimbal angular velocity ω due to the rotational speed of the rotating coordinate system (that is, the disturbance torque τ D ) is changed.
加えて、本実施の形態４のジンバル制御装置では、第１の低域通過フィルタおよび第２の低域通過フィルタの出力の積分に、第１の不完全積分器および第２の不完全積分器を適用している。この結果、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分においてジンバル角速度ωの変動が完全に抑制できない場合においても、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。 In addition, in the gimbal control apparatus according to the fourth embodiment, the first incomplete integrator and the second incomplete integrator are integrated in the outputs of the first low-pass filter and the second low-pass filter. Has been applied. As a result, the stability of the gimbal control device can be maintained even when the fluctuation of the gimbal angular velocity ω cannot be completely suppressed in the frequency component equivalent to the rotational velocity of the rotating coordinate system.
なお、上述した実施の形態４では、制御ブロックを２個並列接続する構成としたが、外乱トルクτＤの周波数成分に応じて、３個以上の制御ブロックを並列接続してもよく、同様の効果を得ることができる。 In the fourth embodiment described above, a configuration of two parallel connected control block, in accordance with the frequency component of the disturbance torque tau D, may be connected in parallel three or more control blocks, the same An effect can be obtained.
さらに、上述した実施の形態４では、先の実施の形態３における構成に対して、制御ブロックを複数備える場合について説明した。しかしながら、本実施の形態４は、このような構成に限定されるものではない。先の実施の形態１、２における構成に対して、不完全積分器１９を備えた制御ブロック２０を複数備える場合にも、同様の効果を得ることができる。さらに、先の実施の形態１、２における積分器１７を備えた制御ブロックを複数備える場合にも、同様の効果を得ることができる。
Furthermore, in the above-described fourth embodiment, the case where a plurality of control blocks are provided with respect to the configuration in the third embodiment has been described. However, the fourth embodiment is not limited to such a configuration. Similar effects can be obtained when a plurality of control blocks 20 each including the
１ ロータ、２ ジンバル・ハウジング、３ ホイール軸受、４ ホイール・モータ、５ ジンバル・ハウジング支持フレーム、６ ジンバル軸受、７ ジンバル・モータ、８ 角度検出器、８ａ 角速度検出器、９ 制御器（制御部）、１０ ジャイロ機構、１１ 位置制御器、１２ 速度制御器、１３ 電流制御器、１４ 疑似微分器、１５、１５ａ、１５ｂ 回転座標変換器、１６、１６ａ、１６ｂ 低域通過フィルタ、１７ 積分器、１８、１８ａ、１８ｂ 固定座標変換器、１９、１９ａ、１９ｂ 不完全積分器、２０、２０ａ、２０ｂ 制御ブロック。
1 Rotor, 2 Gimbal housing, 3 Wheel bearing, 4 Wheel motor, 5 Gimbal housing support frame, 6 Gimbal bearing, 7 Gimbal motor, 8 Angle detector, 8a Angular velocity detector, 9 Controller (control part) DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記制御部は、外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減する第２のジンバル・トルク指令値を算出する制御ブロックをさらに備え、前記第１のジンバル・トルク指令値に対して前記第２のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
ことを特徴とするジンバル制御装置。 Based on the detection result of the rotation angle around the gimbal axis, the first gimbal torque command value is controlled by the speed control system, and the gimbal motor of the gyro mechanism is feedback controlled based on the first gimbal torque command value. A gimbal control device including a control unit for
The control unit further includes a control block that calculates a second gimbal torque command value that reduces the sensitivity of the gimbal angular velocity to disturbance torque in a frequency range equivalent to the rotational speed of the rotating coordinate system, and the first gimbal A gimbal control device that controls a current supplied to the gimbal motor by a gimbal torque command value obtained by superimposing the second gimbal torque command value on a torque command value.
前記ジャイロ機構は、
ロータと、
前記ロータをスピン軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジングと、
前記ジンバル・ハウジングをジンバル軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジング支持フレームと、
前記ジンバル・ハウジングに固定され、前記ロータに対してスピン軸回りの回転トルクを作用させるホイール・モータと、
前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングのジンバル軸回りの回転角度を検出する角度検出器と、
前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングに対してジンバル軸回りの回転トルクを作用させるジンバル・モータと
を有し、
前記制御部は、ジンバル軸回りの回転角度からジンバル角速度を算出する疑似微分器を有し、
前記制御部内の前記制御ブロックは、
前記疑似微分器から出力されるジンバル角速度の符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する回転座標変換器と、
前記回転座標変換器の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタの出力を積分する積分器と、
前記積分器の出力に対して所定の進相量を重畳して固定座標系による表現に変換し、前記第２のジンバル・トルク指令値を算出する固定座標変換器と
を有し、
前記制御部は、前記角度検出器によって検出されたジンバル軸回りの回転角度に基づいて前記第１のジンバル・トルク指令値を算出し、前記第１のジンバル・トルク指令値に対して前記第２のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
ことを特徴とするジンバル制御装置。 The gimbal control device according to claim 1,
The gyro mechanism is
A rotor,
A gimbal housing that rotatably supports the rotor around a spin axis;
A gimbal housing support frame that rotatably supports the gimbal housing around a gimbal axis;
A wheel motor that is fixed to the gimbal housing and applies a rotational torque about a spin axis to the rotor;
An angle detector that is fixed to the gimbal housing support frame and detects a rotation angle of the gimbal housing including the rotor around a gimbal axis;
A gimbal motor fixed to the gimbal housing support frame and acting on a rotational torque around a gimbal axis with respect to the gimbal housing including the rotor;
The control unit includes a pseudo-differentiator that calculates a gimbal angular velocity from a rotation angle around the gimbal axis.
The control block in the control unit is:
A rotating coordinate converter that converts a sign inversion value of the gimbal angular velocity output from the pseudo-differentiator into an expression by a rotating coordinate system that rotates at a predetermined rotating speed;
A low-pass filter that extracts a frequency component below a predetermined frequency from the output of the rotating coordinate converter;
An integrator for integrating the output of the low-pass filter;
A fixed coordinate converter that superimposes a predetermined amount of phase advance on the output of the integrator and converts it into an expression based on a fixed coordinate system, and calculates the second gimbal torque command value;
The control unit calculates the first gimbal torque command value based on the rotation angle around the gimbal axis detected by the angle detector, and the second gimbal torque command value is calculated with respect to the second gimbal torque command value. A gimbal control device that controls a current supplied to the gimbal motor by a gimbal torque command value on which the gimbal torque command value is superimposed.
前記ジャイロ機構は、
ロータと、
前記ロータをスピン軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジングと、
前記ジンバル・ハウジングをジンバル軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジング支持フレームと、
前記ジンバル・ハウジングに固定され、前記ロータに対してスピン軸回りの回転トルクを作用させるホイール・モータと、
前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングのジンバル軸回りの回転角速度を検出する角速度検出器と、
前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングに対してジンバル軸回りの回転トルクを作用させるジンバル・モータと、
を有し、
前記制御部内の前記制御ブロックは、
前記角速度検出器から出力されるジンバル軸回りの回転角速度の符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する回転座標変換器と、
前記回転座標変換器の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタの出力を積分する積分器と、
前記積分器の出力に対して所定の進相量を重畳して固定座標系による表現に変換し、前記第２のジンバル・トルク指令値を算出する固定座標変換器と
を有し、
前記制御部は、前記角速度検出器によって検出されたジンバル軸回りの回転角速度に基づいて前記第１のジンバル・トルク指令値を算出し、前記第１のジンバル・トルク指令値に対して前記第２のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
ことを特徴とするジンバル制御装置。 The gimbal control device according to claim 1,
The gyro mechanism is
A rotor,
A gimbal housing that rotatably supports the rotor around a spin axis;
A gimbal housing support frame that rotatably supports the gimbal housing around a gimbal axis;
A wheel motor that is fixed to the gimbal housing and applies a rotational torque about a spin axis to the rotor;
An angular velocity detector fixed to the gimbal housing support frame and detecting a rotational angular velocity around the gimbal axis of the gimbal housing including the rotor;
A gimbal motor fixed to the gimbal housing support frame and acting on a rotational torque around a gimbal axis to the gimbal housing including the rotor;
Have
The control block in the control unit is:
A rotational coordinate converter that converts the sign inversion value of the rotational angular velocity about the gimbal axis output from the angular velocity detector into an expression by a rotational coordinate system that rotates at a predetermined rotational speed;
A low-pass filter that extracts a frequency component below a predetermined frequency from the output of the rotating coordinate converter;
An integrator for integrating the output of the low-pass filter;
A fixed coordinate converter that superimposes a predetermined amount of phase advance on the output of the integrator and converts it into an expression based on a fixed coordinate system, and calculates the second gimbal torque command value;
The control unit calculates the first gimbal torque command value based on the rotational angular velocity around the gimbal axis detected by the angular velocity detector, and performs the second operation on the first gimbal torque command value. A gimbal control device that controls a current supplied to the gimbal motor by a gimbal torque command value on which the gimbal torque command value is superimposed.
前記固定座標変換器は、前記回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、前記積分器の出力に対して重畳する前記進相量を変化させ、前記第２のジンバル・トルク指令値を算出することを特徴とするジンバル制御装置。 In the gimbal control device according to claim 2 or 3,
The fixed coordinate converter changes the phase advance amount to be superimposed on the output of the integrator according to the rotational speed of the rotating coordinate system in the rotating coordinate converter, and the second gimbal torque command value A gimbal control device characterized by calculating
前記固定座標変換器は、前記積分器の出力に対して重畳する前記進相量を、回転座標系で表現された前記低域通過フィルタの出力が描く軌跡が、回転座標系上を回転することなく原点に収束するように設定し、前記第２のジンバル・トルク指令値を算出することを特徴とするジンバル制御装置。 In the gimbal control device according to claim 4,
The fixed coordinate converter is configured such that a locus drawn by an output of the low-pass filter expressed in a rotating coordinate system rotates the rotating phase on the phase advance amount superimposed on the output of the integrator. And setting the second gimbal torque command value so as to converge to the origin, and to calculate the second gimbal torque command value.
前記回転座標変換器は、ジンバル軸回りの回転角速度の符号反転値を、ロータのスピン軸回り回転速度を所定倍した回転速度で回転する回転座標系による表現に変換することを特徴とするジンバル制御装置。 In the gimbal control device according to any one of claims 2 to 5,
The rotational coordinate converter converts the sign inversion value of the rotational angular velocity around the gimbal axis into a representation by a rotational coordinate system that rotates at a rotational speed obtained by multiplying the rotational speed around the spin axis of the rotor by a predetermined value. apparatus.
前記積分器は、所定の周波数以上の周波数領域においてのみ、低域通過フィルタの出力を積分する不完全積分器で構成されることを特徴とするジンバル制御装置。 In the gimbal control device according to any one of claims 2 to 6,
The gimbal control device is characterized in that the integrator is constituted by an incomplete integrator that integrates the output of the low-pass filter only in a frequency region of a predetermined frequency or higher.
前記制御ブロックは、並列接続された複数の制御ブロックで構成され、前記外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の互いに異なる回転速度と等価な周波数域において低減する複数のジンバル・トルク指令値として、前記複数の制御ブロックごとに個別に算出し、前記第１のジンバル・トルク指令値に対して前記複数のジンバル・トルク指令値をそれぞれ重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
ことを特徴とするジンバル制御装置。 The gimbal control device according to any one of claims 1 to 7,
The control block is composed of a plurality of control blocks connected in parallel, and a plurality of gimbal torque command values for reducing the sensitivity of the gimbal angular velocity to the disturbance torque in frequency ranges equivalent to different rotational speeds of the rotating coordinate system. And separately calculating each of the plurality of control blocks and supplying the gimbal motor with a gimbal torque command value obtained by superimposing the plurality of gimbal torque command values on the first gimbal torque command value. A gimbal control device characterized by controlling a current to be generated.
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