JP2011094695A - Method and apparatus for controlling active mass damper - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、対象物に取り付けてその振動を減殺する制御力を付加するためのアクティブ・マスダンパの制御に関する。 The present invention relates to the control of an active mass damper for adding a control force that is attached to an object and attenuates its vibration.
従来より、例えば特許文献1に記載の如く、対象物において局所的に振動が大きくなりやすい部位にアクティブ・マスダンパ(Active Mass Damper:以下、AMDと略称する)を取り付けることは知られている。AMDは、マス部材をばね要素及び減衰要素を介して対象物に支持し、これをアクチュエータによって駆動する際の反力を、対象物にその振動を減殺する制御力として付加するものである。
Conventionally, as described in
前記の文献には、対象物の振動状態を検出するセンサからの信号をフィードバックしてアクチュエータを制御する際に、負の剛性及び負の減衰を与えることで、付加質量部材(マス部材)を支持するばね要素のばね特性を打ち消し、かつダンパ要素の減衰力を0に近づけることができ、これにより理想的なスカイフックダンパを実現できると記載されている。 In the above literature, when an actuator is controlled by feeding back a signal from a sensor that detects a vibration state of an object, an additional mass member (mass member) is supported by giving negative rigidity and negative damping. It is described that the spring characteristic of the spring element to be canceled can be canceled and the damping force of the damper element can be brought close to 0, thereby realizing an ideal skyhook damper.
一方で本願の出願人は、前記文献のものと同様にセンサ信号をフィードバックしてAMDを制御する場合に、そのフィードバックループにデジタルフィルタを介挿して、AMDの錘(マス部材)及び板ばねからなる付加振動系の共振の影響を排除することを提案し、既に特許出願をしている(特許文献2を参照)。 On the other hand, when the applicant of the present application feeds back a sensor signal to control AMD in the same manner as in the above document, a digital filter is inserted in the feedback loop, and the weight (mass member) of the AMD and the leaf spring are inserted. Proposed to eliminate the influence of resonance of the additional vibration system, and has already filed a patent application (see Patent Document 2).
ところが、AMDは前記したように、対象物において局所的に振動が大きくなりやすい部位に後付けすることが多く、その取付剛性が不足すると十分な制振効果が得られない。すなわち、機器等に後からAMDを取り付けるとすれば、そもそも締結スペースを十分に確保できない場合があるし、ボルトを通す孔も望ましい位置に形成できるとは限らないからである。 However, as described above, AMD is often retrofitted to a site where vibration is likely to increase locally on the object, and if the mounting rigidity is insufficient, a sufficient damping effect cannot be obtained. That is, if AMD is attached later to a device or the like, a sufficient fastening space may not be secured in the first place, and a hole for passing a bolt may not necessarily be formed at a desired position.
そうしてAMDの取付部において十分な剛性が得られないと、AMDの錘だけでなく、これを支持するばね要素やケース、或いは一体の振動センサ等も含めたAMD全体が可動質量となって機器等を加振するようになり、その影響でAMDの制御が不安定化し発振する虞れがあるから、フィードバックゲインを十分に大きく設定することができない。 If sufficient rigidity cannot be obtained at the mounting portion of the AMD, not only the weight of the AMD but also the entire AMD including the spring element and case supporting the AMD or the integral vibration sensor becomes a movable mass. Since the device or the like is vibrated, and the AMD control is unstable due to the influence, the feedback gain cannot be set sufficiently large.
斯かる知見は、本発明の発明者らがAMDの制振効果を高めるために鋭意、研究を重ねる過程で見出したものである。すなわち、前記のようなAMD制御の開ループ伝達関数には、図4に示すように例えば100Hz付近に反共振が現れ、これを境に高周波側に向かってゲインが増大するようになる。一方、図では300Hz付近に位相交点があり、ここでのゲイン余裕が小さいことから、これ以上、フィードバックゲインを大きくすることができない。 Such knowledge has been found by the inventors of the present invention in the process of earnestly researching to enhance the vibration damping effect of AMD. That is, in the open loop transfer function of the AMD control as described above, an anti-resonance appears, for example, near 100 Hz as shown in FIG. 4, and the gain increases toward the high frequency side with this as a boundary. On the other hand, in the figure, there is a phase intersection near 300 Hz, and since the gain margin here is small, the feedback gain cannot be increased any more.
つまり、図の例では100Hz付近の反共振の影響によって、フィードバックゲインを十分に大きく設定することができなくなっており、この反共振の原因を探るために実験、考察を重ねた結果として発明者らは、前記の如くAMD全体が可動質量となり、それを機器等に取り付ける部位のコンプライアンスにより当該機器等を加振することが原因になって、前記の反共振が生じているものと推定した。 In other words, in the example shown in the figure, the feedback gain cannot be set sufficiently large due to the influence of anti-resonance near 100 Hz. As a result of repeated experiments and considerations to find the cause of this anti-resonance, the inventors. As described above, it was estimated that the anti-resonance was caused by the fact that the entire AMD had a movable mass, and the device was vibrated by compliance of the site where it was attached to the device.
斯かる新規な知見に基づいて本発明の目的は、AMDの機器等(対象物)への取付剛性が不足する場合でも、その取付部のコンプライアンスによる悪影響を受けないようにして、AMD制御の不安定化を防止しつつ制振効果を高めることにある。 Based on such new knowledge, the object of the present invention is to prevent AMD from being adversely affected by the compliance of the mounting portion even when the mounting rigidity of the AMD device or the like (object) is insufficient. The purpose is to increase the damping effect while preventing stabilization.
前記の目的を達成するために本発明では、対象物の振動状態に基づいてAMDを制御するフィードバックループから、当該AMDの対象物への取付部におけるコンプライアンスの影響を排除するようにした。 In order to achieve the above object, in the present invention, the influence of compliance in the attachment portion of the AMD to the object is excluded from the feedback loop that controls the AMD based on the vibration state of the object.
具体的に請求項1の発明は、対象物にAMD(アクティブ・マスダンパ)を取り付けて、その振動を減殺する制御力を付加するように制御する場合に、当該対象物の振動状態を検出するためのセンサを準備し、該センサからの信号をフィードバックして、前記対象物の振動状態に基づいてコントローラによりAMDを制御するとともに、前記センサにより検出される対象物の振動状態のうち、AMDの対象物への取付部におけるコンプライアンスの影響は無視するように、前記コントローラによるAMDの制御を補正することを特徴とする。
Specifically, the invention of
前記の方法によると、まず、対象物の振動状態がセンサにより検出され、このセンサからの信号をフィードバックしてコントローラによりAMDが制御されることにより、当該AMDのマス部材を駆動する反力が対象物に、その振動を減殺するような制御力として付加されるようになる。 According to the above method, first, the vibration state of the object is detected by the sensor, and the reaction force that drives the mass member of the AMD is controlled by feeding back the signal from the sensor and controlling the AMD by the controller. It is added to the object as a control force that reduces the vibration.
その際、AMDの取付部のコンプライアンスが大きいと当該AMD全体が可動質量となって対象物を加振するようになり、この影響で前記AMDの制御が不安定化する虞れがある。そこで、センサにより検出される対象物の振動状態のうち、前記取付部のコンプライアンスによる悪影響、即ち前記のようなAMD全体の振動による影響については無視することによって、制御の不安化を防止することができる。 At this time, if the compliance of the mounting portion of the AMD is large, the AMD as a whole becomes a movable mass and vibrates the object, which may cause the control of the AMD to become unstable. In view of this, it is possible to prevent control anxiety by ignoring the adverse effects caused by the compliance of the mounting portion among the vibration states of the object detected by the sensor, that is, the influence caused by the vibration of the entire AMD as described above. it can.
具体的には、前記のようにコンプライアンスによる共振特性を打ち消すために、伝達関数G(s)が以下の式(A)によって表されるフィルタをフィードバック・ループに介挿すればよい(請求項2)。 Specifically, in order to cancel the resonance characteristic due to compliance as described above, a filter whose transfer function G (s) is represented by the following expression (A) may be inserted in the feedback loop (claim 2). ).
尚、前記の式(A)において、m1は対象物の質量、k1及びc1はそれぞれ対象物のばね定数及び減衰係数であり、k2及びc2はそれぞれ、アクティブ・マスダンパの取付部におけるばね定数及び減衰係数である。 In the above formula (A), m 1 is the mass of the object, k 1 and c 1 are the spring constant and damping coefficient of the object, respectively, and k 2 and c 2 are the attachment parts of the active mass damper, respectively. Is a spring constant and a damping coefficient.
見方を変えれば本発明は、アクティブ・マスダンパによって対象物の振動を減殺する制御力を付加するようにした制御装置であって、前記対象物の振動状態を検出するためのセンサと、該センサからの信号をフィードバックし、前記対象物の振動状態に応じてアクティブ・マスダンパを制御する制御手段と、前記センサにより検出される対象物の振動状態のうち、前記アクティブ・マスダンパの対象物への取付部におけるコンプライアンスの影響を無視するように、前記制御手段による制御を補正する補正手段と、を備えるものである(請求項3)。 In other words, the present invention provides a control device for adding a control force for reducing vibration of an object by an active mass damper, the sensor for detecting the vibration state of the object, and the sensor. The control means for controlling the active mass damper according to the vibration state of the object, and the mounting portion of the active mass damper to the object among the vibration states of the object detected by the sensor And correction means for correcting the control by the control means so as to ignore the influence of compliance in (Claim 3).
この制御装置を用いれば、前記請求項1の発明に係る制御方法を容易に実行することができ、その作用効果が得られる。尚、補正手段は前記請求項2に記載のフィルタによって実現することができる(請求項4)。
If this control device is used, the control method according to the invention of
以上、説明したように本発明に係るAMD制御によると、対象物の振動状態に応じてAMDを作動させ、その振動を減殺するような制御力を発生させるフィードバックループに、上述の伝達関数式(A)で表されるフィルタを介挿する等することで、対象物との取付部におけるコンプライアンスの影響を排除することができる。これによりAMD制御の不安定化を招くことなく、フィードバックゲインを十分に大きく設定できるようになり、制振性能が向上する。 As described above, according to the AMD control according to the present invention, the above-described transfer function formula (in the feedback loop that generates the control force that operates the AMD according to the vibration state of the object and attenuates the vibration) By inserting a filter represented by A), it is possible to eliminate the influence of compliance at the attachment portion with the object. As a result, the feedback gain can be set sufficiently large without destabilizing the AMD control, and the vibration damping performance is improved.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the following description of preferable embodiment is only an illustration essentially, and is not intending restrict | limiting this invention, its application thing, or its use.
図1には、本発明に係るアクティブ・マスダンパを除振台上の機器Dに適用した実施形態を模式的に示す。図の例では機器Dは例えば電子顕微鏡であって、試料を載せるステージ等が収容される筐体d1と、その天井部から上方に延びる鏡塔d2とを備えている。また、図の例では機器Dは所謂パッシブ除振台の定盤1上に載置されて、図には2つのみ示すが複数の防振体2,2,…によって床上に支持されている。防振体2としては空気ばねを用いたものが好ましいが、防振ゴムやコイルばねであってもよい。
FIG. 1 schematically shows an embodiment in which an active mass damper according to the present invention is applied to a device D on a vibration isolation table. In the example shown in the figure, the device D is, for example, an electron microscope, and includes a housing d1 in which a stage or the like on which a sample is placed is accommodated, and a mirror tower d2 extending upward from the ceiling. In the example shown in the figure, the device D is placed on a
そして、図の例では機器Dの鏡塔d2の頂部にアクティブ・マスダンパ3(以下、AMD)を取り付けている。これは、図示のように上下に長い鏡塔d2の頂部では構造的に水平方向の振動が大きくなりやすく、これにより光学系の位置が微妙にずれてしまうという問題に対処するためである。こうして局所的に振動の大きくなりやすい部位にAMD3を取り付ければ、振動を低減する効果が高い。 In the illustrated example, an active mass damper 3 (hereinafter referred to as AMD) is attached to the top of the mirror tower d2 of the device D. This is to cope with the problem that the horizontal vibration tends to be structurally large at the top of the mirror tower d2 that is long in the vertical direction as shown in the figure, thereby causing the position of the optical system to shift slightly. Thus, if AMD3 is attached to a site where vibration is likely to increase locally, the effect of reducing vibration is high.
−AMDの構造例−
一例としてAMD3は、その内部に収容した錘4をリニアモータ5によって駆動するもので、その駆動力の反力が機器Dに対してその振動を減殺する制御力として付加される。図の例では、錘4とリニアモータ5のハウジングとが一体化されており、この一体のマス部材が軸線X方向に離れた2箇所にて板ばね6,6により支持されている。また、図の例ではAMD3に振動センサ7も一体化されており、これにより検出される機器Dの振動状態、即ち加速度、速度ないし変位を示す信号が、コントローラ8に向けて出力される。
-Example structure of AMD-
As an example, AMD3 drives the
より詳しくは図2を参照すると、AMD3のケース30は、図には仮想線で示すように四角筒状であり、その筒軸(軸線X)の方向の一端側(図の左手前側)に振動センサ7が配設されている。錘4は全体としては円柱状で、隣接する振動センサ7の端部を包囲するように開口する円形断面の凹部4aを有している。この凹部4aを囲む周壁の先端に、板ばね6の内周部を挟持するように締結リング41がねじ留めされている。
Referring to FIG. 2 in more detail, the
一方、錘4の反対側にはリニアモータ5のハウジングを兼ねたヨークが取り付けられている。ヨークは図の右奥側に開口する有底円筒状で、図示しないボビンを取り囲むように非接触状態で組み合わされており、それらの間に電磁力が作用するようになっている。ヨークの筒壁部の先端(図の右奥端)には締結リング51がねじ留めされて、前記した締結リング41と同じく板ばね6の内周部を挟持している。
On the other hand, a yoke that also serves as a housing for the
すなわち、図示のAMDにおいては一体化された錘4とリニアモータ5のヨークとが、2枚の板ばね6,6によってケース30の周壁に支持されて、該ケース30の筒軸方向に移動可能なマス部材を構成している(正確には2つの締結リング41,51も含まれる)。一方で、リニアモータ5のボビンはケース30の他端壁に固定されており、前記のマス部材、即ち錘4やヨーク等を駆動する反力は、ケース30を介して機器Dの鏡塔d2に伝えられ、当該鏡塔d2の振動を減殺する制御力となる。
That is, in the illustrated AMD, the
−AMDの制御−
次にコントローラ8によるAMD3の制御について説明する。この実施形態のコントローラ8は、基本的に振動センサ7からの信号をフィードバックしてAMD3のリニアモータ5を制御し、これにより錘4を駆動する反力として前記のように制御力を得るもので、そのような基本的な制御を行う基本制御部8a(制御手段)をソフトウエア・プログラムの態様で備えている(図1参照)。
-Control of AMD-
Next, control of AMD3 by the
この基本制御部8aは、一例としてブロック図3に示すように、振動センサ7からの信号、即ち対象物の振動状態を表す信号をフィードバックし、必要に応じてノイズを除去するためのフィルタ処理や種々の演算処理を行った上でフィードバックゲインを乗算して、反転した後に制御信号としてプラントに入力する。プラントには機器Dの他にリニアモータ5や振動センサ7の特性も含まれている。
As shown in FIG. 3 as an example, the
そうして振動センサ7からの信号をフィードバックして、リニアモータ5を制御することで、機器Dにはその実際の振動状態に対応する適切な制御力を付加することができ、プラントの共振倍率が低下する。図4には実際にAMD制御の開ループ伝達関数を実測した結果のグラフ、即ち上段に位相曲線を、下段にゲイン曲線をそれぞれ示し、機器Dの共振によってゲイン曲線の20Hz付近に現れる筈のピークが抑えられていることが分かる。
Thus, by feeding back the signal from the
また、そのゲイン曲線の100Hz付近にはノッチ(反共振点)があり、ここを境に高周波側に向かってゲインが増大している。一方、位相曲線を見ると100Hzよりも高周波側で位相遅れが大きくなっていて、図の例では300Hz付近に位相交点が現れている。これは、デジタル信号処理を行うためのアンチエイリアシングフィルタの影響である。 Further, there is a notch (antiresonance point) in the vicinity of 100 Hz of the gain curve, and the gain increases toward the high frequency side with this as a boundary. On the other hand, looking at the phase curve, the phase delay is larger on the higher frequency side than 100 Hz, and in the example shown in the figure, a phase intersection appears in the vicinity of 300 Hz. This is an effect of an anti-aliasing filter for performing digital signal processing.
図の例では前記の位相交点におけるゲイン余裕が5dBくらいしかなく、これ以上はフィードバックゲインを大きくすることができないが、実測時のAMD制御のフィードバックゲインは10程度であり、十分なものとはいえない。つまり、図の例では前記の100Hz付近の反共振の影響で、コントローラ8の基本制御部8aによるフィードバック制御のゲインを十分に大きく設定することができず、制振効果が不十分なものになっている。
In the example shown in the figure, the gain margin at the phase intersection is only about 5 dB, and the feedback gain cannot be increased beyond this. However, the feedback gain of AMD control at the time of actual measurement is about 10, which is sufficient. Absent. That is, in the example shown in the figure, the gain of the feedback control by the
そこで、この実施形態では、前記の開ループ伝達関数から100Hz付近の反共振が無くなるように、コントローラ8の基本制御部8aによるAMD3の制御を補正する補正制御部8b(補正手段:図1参照)を設けている。具体的には補正制御部8bは、前記した図3に示すように、AMD制御のフィードバック・ループに反共振の影響を打ち消すようなデジタルフィルタ(補償フィルタ)を介挿したものである。
Therefore, in this embodiment, the
−補償フィルタ−
詳しくは、まず、本発明の発明者らは、前記の開ループ伝達関数における100Hz付近の反共振の原因を探るべく図5のような振動系のモデルを想定した。図示のモデルでは、AMD3のケース30を機器Dの頂部に取り付けるブラケット等(取付部)のコンプライアンスに着目している。尚、取付部はブラケット等に限らず、ケース30を機器Dの頂部に直接、締結してもよいし、締結が難しい場合には接着することも考えられる。
-Compensation filter-
Specifically, first, the inventors of the present invention assumed a vibration system model as shown in FIG. 5 in order to investigate the cause of anti-resonance near 100 Hz in the open loop transfer function. In the illustrated model, attention is paid to the compliance of a bracket or the like (attachment portion) for attaching the
同図においてm1は、制振対象である機器Dや定盤1等の質量であり、これを支持する防振体2のばね定数及び減衰係数をそれぞれk1、c1としている。尚、機器Dの弾性変形を考慮してその剛性や内部損失も加味してばね定数や減衰係数を決めることもできる。また、図においてm2は、錘4だけでなくリニアモータ5や板ばね6、振動センサ7まで含めたAMD3全体の質量を表し、このAMD3の取付部におけるコンプライアンスの影響を、ばね定数k2及び減衰係数c2で表している。
In the figure, m 1 is the mass of the device D, the
さらに、図においてf2は、AMD3のリニアモータ5によって錘4が駆動されるときにその反力として生じる慣性力であり、変位x0、x1、x2はそれぞれ、床(基礎)、機器D及びAMD3の変位を表す。尚、同図では便宜上、変位x0、x1、x2を上下方向に示しているが、実際には上下、前後及び左右のいずれであってもよい。
Further, in the figure, f 2 is an inertial force generated as a reaction force when the
図5のような2自由度系の運動方程式は以下の式(1)、(2)のようになる。尚、両式において変位xの上に黒点「・」を付しているのは周知の如く時間で微分したこと、即ち速度や加速度を表すものであるが、これを本文中では「′」に置き換えて表記している。そして、それらの運動方程式(1)、(2)にそれぞれラプラス演算子sを導入し、変数X1を消去して整理すると以下の式(3)が得られる。 The equations of motion of the two-degree-of-freedom system as shown in FIG. 5 are as shown in the following equations (1) and (2). In both formulas, the black dot “·” is added to the displacement x, as is well known, that is, it represents the differentiation with respect to time, that is, the speed and acceleration. It is replaced and described. Then, when the Laplace operator s is introduced into each of the equations of motion (1) and (2) and the variable X 1 is eliminated and rearranged, the following equation (3) is obtained.
よって、AMD3の機器Dへの取付部のコンプライアンスX2/F2の伝達関数、即ち、AMD3の作動によって生じる慣性力f2が当該AMD3自体を振動させて、これが振動センサ7によって検出されるまでの応答が、以下の式(4)として表される。
Therefore, until the transfer function of the compliance X 2 / F 2 of the attachment portion of the
前記式(4)によるコンプライアンスの周波数応答をシミュレーションした結果は図6(a)のようになり、同図(b)に示す実測結果とよく一致している。両者はいずれも20Hz付近に共振点が現れており、これは機器D及び除振台からなる主振動系の固有振動数に一致する。また、100Hz付近には反共振点が現われていて、これが、上述した開ループ伝達関数の100Hz付近の反共振の原因である、という仮定が成り立つ。 The result of simulating the compliance frequency response according to the equation (4) is as shown in FIG. 6 (a), which is in good agreement with the actual measurement result shown in FIG. 6 (b). In both cases, a resonance point appears in the vicinity of 20 Hz, which coincides with the natural frequency of the main vibration system including the device D and the vibration isolation table. Further, an anti-resonance point appears in the vicinity of 100 Hz, and it is assumed that this is the cause of the anti-resonance in the vicinity of 100 Hz of the above-described open loop transfer function.
ここで、前記コンプライアンスの周波数応答における反共振の周波数fnは、前記式(4)の分子の式の特性根として以下の式(5)のように求められるが、AMD3の取付部の剛性は弾性体2に比べてかなり高いから(k1≪k2)、反共振周波数fnは、機器Dの質量m1と取付部の剛性(ばね定数k2)とによって殆ど決まることになり、AMD3の質量m2には依存しない。
Here, the anti-resonance frequency f n in the frequency response of the compliance is obtained as the following equation (5) as the characteristic root of the numerator equation of the equation (4), but the rigidity of the mounting portion of the
言い換えると、前記の仮定の通りAMD3の取付部のコンプライアンスの影響で、AMD3のフィードバック制御の開ループ伝達関数に反共振が現れているのであれば、この反共振の周波数も、AMD3の質量が変わっても変化しない筈である。 In other words, if the anti-resonance appears in the open-loop transfer function of the feedback control of the AMD3 due to the influence of the compliance of the mounting portion of the AMD3 as described above, the mass of the AMD3 also changes at the frequency of this anti-resonance. But it should not change.
そこで、本発明者らはAMD3の錘4やリニアモータ5、さらには振動センサ7も取り外して、その重量を大幅に軽減した状態で再度、開ループ伝達関数を実測し、反共振の周波数(100Hz付近)に変化がないことを確認した。これにより、前記の仮定通りAMD3の取付部のコンプライアンスが、開ループ伝達関数における反共振の原因であると推定できる。
Therefore, the present inventors removed the
そして、斯かる新規な知見に基づいて発明者らは、前記式(4)によって表されるコンプライアンスX2/F2の分子を1にするような、以下の式(6)のように表されるデジタルフィルタを用いることとした。この場合、低周波のオフセットを補償する必要があり、式(6)の分母においてs=0とすると分母がωn 2になることを考慮すれば、このωn 2を分子に乗じて、フィルタの伝達関数anti_compは、以下の式(7)のように表される。 Based on such novel knowledge, the inventors expressed the following formula (6) that makes the numerator of compliance X 2 / F 2 represented by the formula (4) 1: We decided to use a digital filter. In this case, it is necessary to compensate for the offset of the low-frequency, considering that the denominator is omega n 2 When s = 0 in the denominator of equation (6), multiplied by the omega n 2 in the molecule, the filter The transfer function anti_comp is expressed by the following equation (7).
尚、この実施形態では、上述したようにAMD3のフィードバック制御を行う基本制御部8aをソフトウエア・プログラムによって実現しており、同様に補正制御部8bとなるデジタルフィルタ(補償フィルタ)もソフトウエア・プログラムによって実現することができる。前記式(7)の伝達関数式から等価なデジタルフィルタのプログラムを導出する手法は種々、知られている(例えばZ変換等)。
In this embodiment, as described above, the
以上、要するにこの実施形態では、コントローラ8に前記式(7)として表される補償フィルタを設けて、振動センサ7からの信号をフィードバックするAMD制御のフィードバックループに介挿し、このAMD3の機器Dへの取付部のコンプライアンスによる反共振の影響を打ち消すようにしている。換言すれば、AMD3のフィードバック制御において前記コンプライアンスの影響は無視されることになる。
In short, in this embodiment, in this embodiment, the
図7は、前記の補償フィルタを用いた場合のコンプライアンスのシミュレーション結果であり、補償フィルタを用いない場合(点線で示す)と対比すると、補償フィルタにより100Hz付近のノッチ(反共振)が解消され、高周波側でもゲインが低下していることが分かる。同様に図8に示す開ループ伝達関数においても100Hz付近の反共振がなくなり、その高周波側でゲインが緩やかに低下していて、位相交点においても十分なゲイン余裕のあることが分かる。 FIG. 7 is a simulation result of compliance when the compensation filter is used. When compared with the case where the compensation filter is not used (indicated by a dotted line), a notch (antiresonance) near 100 Hz is eliminated by the compensation filter. It can be seen that the gain also decreases on the high frequency side. Similarly, in the open-loop transfer function shown in FIG. 8, the anti-resonance near 100 Hz disappears, the gain gradually decreases on the high frequency side, and it can be seen that there is a sufficient gain margin at the phase intersection.
すなわち、図8のように補償フィルタを用いた場合でも、アンチエイリアシングフィルタの影響は残るので、位相曲線において100Hz以上では位相の遅れが増加している。この実施形態では一例として4次のバターワースフィルタを用いており、そのカットオフ周波数である300Hz付近で360°の位相遅れが発生するから、130Hz付近に位相交点が現れている。しかし、図の例では位相交点におけるゲイン余裕が15dBくらいあり、まだまだフィードバックゲインを大きくできることが分かる。 That is, even when the compensation filter is used as shown in FIG. 8, the influence of the anti-aliasing filter remains, so that the phase delay increases at 100 Hz or more in the phase curve. In this embodiment, a fourth-order Butterworth filter is used as an example, and a phase delay of 360 ° occurs in the vicinity of 300 Hz, which is the cut-off frequency. Therefore, a phase intersection appears in the vicinity of 130 Hz. However, in the example shown in the figure, the gain margin at the phase intersection is about 15 dB, and it can be seen that the feedback gain can still be increased.
したがって、この実施形態によると、まず、定盤1上に載置した機器Dの振動状態がAMD3の振動センサ7により検出され、この振動センサ7からの信号を受けたコントローラ8の基本制御部8aにおいてリニアモータ5への制御信号が演算される。そして、その制御信号を受けて作動するリニアモータ5が錘4を駆動し、この駆動力の反力が機器Dにその振動を減殺するような制御力として付加されるようになる。
Therefore, according to this embodiment, first, the vibration state of the device D placed on the
その際に、フィードバックループに介挿されている補償フィルタ(補正制御部8b)によって、前記のように振動センサ7により検出される機器Dの振動状態のうち、当該機器DとAMD3との取付部のコンプライアンスに起因する共振の影響が打ち消されているから、この共振の影響でAMD制御が不安定化することはなく、十分にフィードバックゲインを大きくして制振性能を高めることができる。
At this time, of the vibration state of the device D detected by the
図9は、この実施形態のAMD制御による制振効果を補償フィルタのない場合等と対比して示した振動伝達率の実測結果であり、同図には点線のグラフで示すように、AMD3を取り付ければ補償フィルタのない場合でも、所謂パッシブのもの(仮想線のグラフ)に比べて機器Dの共振倍率が低下することが分かる。 FIG. 9 is an actual measurement result of the vibration transmissibility shown by comparing the damping effect by the AMD control of this embodiment with the case without the compensation filter. As shown by the dotted line graph in FIG. It can be seen that even if no compensation filter is provided, the resonance magnification of the device D is reduced as compared with a so-called passive filter (virtual line graph).
但し、補償フィルタを用いない場合は上述したようにフィードバックゲインが例えば10程度に規制され、それ以上は大きくすることができない。これに対して補償フィルタを用いれば、図の例ではフィードバックゲインを30くらいまで上げることができ、このときの振動伝達率は図に実線のグラフで示すようになって、補償フィルタのない場合(点線のグラフ)よりも大幅に低下している。 However, when the compensation filter is not used, as described above, the feedback gain is restricted to about 10, for example, and cannot be increased beyond that. On the other hand, if the compensation filter is used, the feedback gain can be increased to about 30 in the example of the figure, and the vibration transmissibility at this time is as shown by the solid line graph in the figure, and there is no compensation filter ( It is much lower than the dotted line graph).
以上、説明した実施形態のAMD3や除振台の構成はあくまでも例示であり、これらが本発明の構成を限定することはない。例えばAMD3には振動センサ7を一体化する必要はない。また、リニアモータ5に代えて圧電素子等のアクチュエータを用いることもできる。
As described above, the configurations of the
また、コントローラ8の補正制御部8bをソフトウエア・プログラムではなく、アナログ回路にて構成することも可能である。すなわち、前記の式(7)の補償フィルタは一般的な2次のローパスフィルタになり、これをアナログ回路で実現すると図10に示すようになる。このローパスフィルタの伝達関数は、以下の式(8)として表される。
Further, the
式(8)において、ω0、ω0 2、ω0/Qは、それぞれ以下の式(9)として表される。 In equation (8), ω 0 , ω 0 2 , and ω 0 / Q are each expressed as the following equation (9).
さらに、前記の実施形態では機器Dを除振台上に搭載する例に付いて説明しているが、こうして除振台を用いて設置された機器Dだけでなく、より簡易な手法で設置された機器にAMD3を取り付ける場合にも、本発明は適用可能である。この場合、対象物のばね定数k1や減衰係数c2はいずれも機器D自体の剛性や減衰特性に対応するものとなる。
Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the device D is mounted on the vibration isolation table is described. However, the device D is not only installed using the vibration isolation table, but also installed by a simpler method. The present invention can also be applied to the case where the
また、AMD3の基本的なフィードバック制御については前記実施形態に例示した所謂古典制御の手法によるものには限定されず、例えばLQ制御やH∞制御等、現代制御の手法によるものとしてもよい。 The basic feedback control of AMD3 is not limited to the so-called classical control method exemplified in the above embodiment, and may be based on a modern control method such as LQ control or H∞ control.
以上、説明したように本発明に係るアクティブ・マスダンパの制御によれば、その不安定化を招くことなく制御ゲインを十分に大きくして、制振効果を高めることができるので、特に精密機器を対象とする場合に好適である。 As described above, according to the control of the active mass damper according to the present invention, the control gain can be sufficiently increased without causing instability, and the vibration damping effect can be enhanced. It is suitable for the target.
D 機器(対象物)
3 アクティブ・マスダンパ(AMD)
7 加速度センサ(センサ)
8 コントローラ
8a 基本制御部(制御手段)
8b 補正制御部(フィルタ、補正手段)
D Equipment (object)
3 Active Mass Damper (AMD)
7 Acceleration sensor (sensor)
8
8b Correction control unit (filter, correction means)
Claims (4)
前記対象物の振動状態を検出するためのセンサを準備し、
該センサからの信号をフィードバックして、前記対象物の振動状態に基づいてコントローラにより前記アクティブ・マスダンパを制御するとともに、
前記センサにより検出される対象物の振動状態のうち、前記アクティブ・マスダンパの対象物への取付部におけるコンプライアンスの影響を無視するように、前記コントローラによるアクティブ・マスダンパの制御を補正する
ことを特徴とするアクティブ・マスダンパの制御方法。 An active mass damper is attached to an object, and control is performed so as to add a control force that attenuates the vibration,
Preparing a sensor for detecting a vibration state of the object;
The signal from the sensor is fed back, and the active mass damper is controlled by the controller based on the vibration state of the object,
The control of the active mass damper by the controller is corrected so as to ignore the influence of the compliance in the attachment portion of the active mass damper to the target object among the vibration states of the target object detected by the sensor, Control method of active mass damper.
前記対象物の振動状態を検出するためのセンサと、
該センサからの信号をフィードバックして、前記対象物の振動状態に応じてアクティブ・マスダンパを制御する制御手段と、
前記センサにより検出される対象物の振動状態のうち、前記アクティブ・マスダンパの対象物への取付部におけるコンプライアンスの影響を無視するように、前記制御手段によるアクティブ・マスダンパの制御を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とするアクティブ・マスダンパの制御装置。 A control device for adding a control force for reducing vibration of an object by an active mass damper attached to the object,
A sensor for detecting a vibration state of the object;
Control means for feeding back a signal from the sensor and controlling an active mass damper according to a vibration state of the object;
Correction means for correcting the control of the active mass damper by the control means so as to ignore the influence of compliance in the attachment portion of the active mass damper to the object among the vibration states of the object detected by the sensor; ,
An active mass damper control device comprising:
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