JP2019095904A

JP2019095904A - 無駄時間補償装置及びそれを備えた共振抑制制御装置

Info

Publication number: JP2019095904A
Application number: JP2017222814A
Authority: JP
Inventors: 陽二増井; Yoji Masui
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-06-20
Anticipated expiration: 2037-11-20
Also published as: JP7032636B2

Abstract

【課題】無駄時間を有する制御対象に対して前記無駄時間の補償を容易に行うことができる無駄時間補償装置を提供する。【解決手段】無駄時間補償部２０は、無駄時間を有する制御対象Ｐの出力値を入力指令に対して負帰還するフィードバックループ１０を備えた制御系において前記無駄時間の補償を行う。無駄時間補償装置２０は、前記制御対象の振動を低減するために、前記制御対象の推定される応答値から振動減衰補正値を算出する推定補正値算出部６１と、前記無駄時間が経過する前の前記振動減衰補正値を算出する無駄時間分算出部６２と、前記推定補正値算出部６１によって算出された前記振動減衰補正値と前記無駄時間分算出部６２によって算出された前記無駄時間が経過する前の前記振動減衰補正値との差を算出する減算器６３とを備え、減算器６３の出力を前記制御対象の入力指令に対して負帰還する。【選択図】図２

Description

本発明は、無駄時間を有する制御対象に対して前記無駄時間の補償を行う無駄時間補償装置に関する。

制御対象を制御する際に、サンプリング周期及び制御装置内での通信等によって、前記制御対象に実際に入力される指令が入力指令に対して遅れることが知られている。このような遅れは、一般的に無駄時間と呼ばれる。この無駄時間は、前記制御対象の制御に影響を与えることが知られている。

例えば、前記制御対象が複数の慣性を有し且つ共振を生じる多慣性共振システムの場合、該多慣性共振システムが無駄時間を有すると、前記制御対象の振動に影響を与えることが知られている。

このような前記無駄時間による振動の影響を低減するために、例えば特許文献１に開示されている共振抑制制御装置が知られている。この共振抑制制御装置は、軸ねじれトルクの検出遅れによる無駄時間要素と、インバータのトルク伝達特性の無駄時間要素とを考慮して、軸ねじれトルク検出値をハイパスフィルタに通して共振周波数成分を抑制する。

具体的には、前記共振抑制制御装置は、トルク指令から前記バイパスフィルタの出力を減算し、該減算出力を位相補償器に通して位相補償後トルク指令値を求め、該位相補償後トルク指令値をモータトルク指令としてインバータに与える。なお、前記位相補償器の伝達関数Ｇ_PHCは、以下のとおりである。
Ｇ_PHC＝（α・ｓ＋ω_phc）／（ｓ＋ω_phc）

ただし、αは位相補償パラメータであり、ω_phcは位相補償フィルタカットオフ周波数である。

特開２０１７−９９０８４号公報

上述の特許文献１に開示されている共振抑制制御装置は、ハイパスフィルタを用いることにより、軸ねじれトルク検出値のうち直流成分には影響を与えずに共振周波数成分を抑制できる。しかしながら、前記特許文献１の共振抑制制御装置では、モータトルク指令において無駄時間の影響を低減するために、位相補償器の伝達関数Ｇ_PHCにおいて、無駄時間を考慮して位相補償パラメータαを適宜調整する必要がある。

本発明の目的は、無駄時間を有する制御対象に対して前記無駄時間の補償を容易に行うことができる無駄時間補償装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る無駄時間補償装置は、無駄時間を有する制御対象の出力値を入力指令に対して負帰還するフィードバックループを備えた制御系において前記無駄時間の補償を行う無駄時間補償装置である。この無駄時間補償装置は、前記制御対象の振動を低減するために、前記制御対象の推定される応答値から振動減衰補正値を算出する推定補正値算出部と、前記無駄時間が経過する前の前記振動減衰補正値を算出する無駄時間分算出部と、前記推定補正値算出部によって算出された前記振動減衰補正値と前記無駄時間分算出部によって算出された前記無駄時間が経過する前の前記振動減衰補正値との差を算出する減算器とを備え、前記減算器の出力を前記制御対象の入力指令に対して負帰還する（第１の構成）。

これにより、無駄時間の影響を受けることなく制御対象を制御することができる。すなわち、制御対象の入力指令から求められる前記制御対象の推定される応答値を用いて、振動減衰補正値を算出するとともに、該振動減衰補正値と無駄時間を考慮した場合の振動減衰補正値との差を、前記制御対象の入力指令に負帰還することにより、無駄時間を考慮して制御対象を制御することができる。したがって、制御対象の共振を容易に且つ効果的に抑制することができる。

前記第１の構成において、前記推定補正値算出部は、前記推定される応答値を微分して所定の定数を乗算することにより、前記振動減衰補正値を求める（第２の構成）。

これにより、上述の第１の構成を実現できる。具体的には、図２に示すブロック線図において、伝達関数は、（１）式によって表される。

ここで、ｒは入力値であり、ｙは応答値であり、Ｐは制御対象の伝達関数であり、Ｋ_Dは微分係数（所定の定数）であり、ｓは微分演算子であり、Ｌは無駄時間である。

また、制御対象の伝達関数は、（２）式によって表される。

ここで、ω_nは固有振動数であり、ζは減衰比であり、Ｋは制御対象のゲインである。

上述の（１）式に（２）式を代入することにより、以下の（３）式のような伝達関数が得られる。

上述の（３）式は、共振を抑制する伝達関数と、無駄時間の伝達関数ｅ^-Lsとを用いて表される。よって、無駄時間を考慮しつつ制御対象の共振を抑制することができる。したがって、前記制御対象の共振をより効果的に抑制できる。

本発明の一実施形態に係る共振抑制制御装置は、無駄時間を有する制御対象の出力値を入力指令に対して負帰還するフィードバックループを備えた多慣性共振システムの共振を抑制する共振抑制制御装置である。この共振抑制制御装置は、第１または第２の構成に記載の無駄時間補償装置と、前記フィードバックループに設けられ、振動の減衰比を調整する減衰比調整部と、を備える（第３の構成）。

これにより、共振が生じる制御対象に対してフィードバックループを備えた多慣性共振システムの共振を、無駄時間を考慮して効果的に抑制できる。

前記第３の構成において、共振抑制制御装置は、前記制御対象の入力指令に入力される外乱を抑制する外乱抑制部をさらに備える（第４の構成）。これにより、制御対象の入力指令に外乱が入力された場合でも、無駄時間を考慮しつつ、外乱の影響を排除して、制御対象を制御することができる。

前記第３または第４の構成において、共振抑制制御装置は、前記制御対象の複数の振動モードから所定の振動モードを抽出するフィルタをさらに備える（第５の構成）。これにより、制御対象が複数の振動モードを有する場合でも、各振動モードに対して無駄時間を考慮して、共振を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る無駄時間補償装置は、制御対象の推定される応答値から振動減衰補正値を算出する推定補正値算出部と、無駄時間が経過する前の前記振動減衰補正値を算出する無駄時間分算出部と、前記推定補正値算出部によって算出された前記振動減衰補正値と前記無駄時間分算出部によって算出された前記無駄時間が経過する前の前記振動減衰補正値との差を算出する減算器とを備え、該減算器の出力を前記制御対象の入力指令に対して負帰還する。これにより、無駄時間の影響を受けることなく制御対象を制御することができる。したがって、前記制御対象の制御において前記無駄時間の補償を容易に行うことができる無駄時間補償装置が得られる。

図１は、実施形態１に係る無駄時間補償装置を備えた試験装置の概略構成を示す機能ブロック図である。図２は、実施形態１に係る制御装置のブロック線図である。図３は、制御対象のボード線図である。図４は、制御対象のステップ応答を示す図である。図５は、実施形態２に係る制御装置の図２相当図である。図６は、実施形態３に係る制御装置の図２相当図である。図７は、実施形態４に係る制御装置の図２相当図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

＜実施形態１＞
（全体構成）
図１は、本発明の実施形態１に係る無駄時間補償装置を備えた試験装置１の概略構成を機能ブロックで示す図である。この試験装置１は、自動車のモータなどの供試体Ｍの特性を試験するための試験装置である。なお、試験装置１で試験する供試体Ｍは、モータ以外の回転体であってもよい。

具体的には、試験装置１は、制御装置２と、モータ駆動回路３と、電動モータ４と、トルク検出器５とを備える。

制御装置２は、入力指令であるモータトルク指令ｒと後述のフィードバック値とを用いて、モータ駆動回路３に対する駆動指令を生成する。制御装置２は、トルク検出器５の出力値を用いてモータトルク指令ｒに対して負帰還するフィードバックループ１０（共振抑制制御装置）を有する（図２参照）。なお、制御装置２が前記駆動指令を生成する構成は、従来と同様であるため、制御装置２の詳しい説明は省略する。フィードバックループ１０の構成については後述する。

モータ駆動回路３は、特に図示しないが、複数のスイッチング素子を有する。モータ駆動回路３は、前記駆動指令に基づいて前記複数のスイッチング素子が駆動することにより、電動モータ４の図示しないコイルに電力を供給する。

電動モータ４は、図示しない回転子及び固定子を有する。前記固定子のコイルにモータ駆動回路３から電力が供給されることにより、前記回転子が前記固定子に対して回転する。前記回転子は、図示しない中間軸を介して、供試体Ｍに対し、供試体Ｍと一体で回転可能に連結されている。これにより、前記回転子の回転によって、電動モータ４から供試体Ｍにトルクを出力することができる。なお、電動モータ４の構成は、一般的なモータの構成と同様であるため、電動モータ４の詳しい説明は省略する。

トルク検出器５は、電動モータ４と供試体Ｍとを接続する中間軸に設けられている。トルク検出器５は、電動モータ４から出力されたトルクを検出する。トルク検出器５で検出されたトルクの出力値は、制御装置２にフィードバックループ１０の入力値として入力される。すなわち、トルク検出器５の出力値は、フィードバック制御に用いられる。なお、トルク検出器５の構成は、従来の構成と同様であるため、トルク検出器５の詳しい説明は省略する。

上述のような構成を有する試験装置１は、電動モータ４、トルク検出器５及び供試体Ｍを含む軸系の剛性によって、電動モータ４の回転時に機械共振（単に共振という）が生じる。供試体Ｍの試験において、前記共振が周波数の測定範囲内で発生した場合、トルク検出器５では、電動モータ４の出力トルクに前記共振の振動成分が加わったトルク（例えば軸トルク）が検出される。そのため、前記共振の振動成分を除去することが望まれる。

これに対し、本実施形態において、制御装置２は、図２に示すように、入力指令であるモータトルク指令ｒに対してトルク検出器５の出力値をフィードバックするフィードバックループ１０と、制御対象Ｐを制御する際の無駄時間を考慮する無駄時間補償部２０（無駄時間補償装置）とを有する。すなわち、本実施形態の試験装置１は、制御装置２、モータ駆動回路３、電動モータ４及びトルク検出器５を含み且つ供試体Ｍを含まない制御系によって、電動モータ４の駆動を制御する。

なお、図２において、ｒはモータトルク指令としての目標値（入力値）であり、ｙはトルク検出器５の出力値（応答値）であり、Ｋ_Dは微分係数であり、ｓは微分要素であり、Ｌは無駄時間である。

また、図２における符号Ｐは制御対象であり、本実施形態では、制御対象Ｐは、モータ駆動回路３、電動モータ４及びトルク検出器５を含む。なお、制御対象Ｐには、電動モータ４と供試体Ｍとを接続する中間軸のうち、電動モータ４からトルク検出器５までの範囲も含む。

さらに、図２において、Ｐ＾は制御対象Ｐの応答値（トルク検出器の出力値）の推定値であり、ｅ^-Ls＾は制御対象Ｐの推定される応答値に無駄時間を考慮した値である。なお、以下では、各図において各文字の上に付される“＾”を、説明の都合上、各文字の後ろに記載する。

フィードバックループ１０は、微分要素ｓを含む微分フィードバック系である。フィードバックループ１０には、トルク検出器５の出力値が入力される。フィードバックループ１０は、減衰比調整部５１を有する。減衰比調整部５１は、微分要素ｓ及び微分係数Ｋ_Dによって、制御対象に対する減衰比を調整する。フィードバックループ１０では、トルク検出器５の出力値は、減衰比調整部５１によって処理された後、フィードバック値としてモータトルク指令ｒに負帰還される。

無駄時間補償部２０は、無駄時間の影響をなくすように、制御対象Ｐの入力指令を補正する。具体的には、無駄時間補償部２０は、制御対象Ｐの推定される応答値から振動減衰補正値を求めるとともに、該振動減衰補正値と推定された無駄時間による前記振動減衰補正値との差分を求めて、制御対象Ｐの入力指令に対して負帰還する。これにより、無駄時間補償部２０は、入力指令から無駄時間による影響を排除することができる。

詳しくは、無駄時間補償部２０は、推定補正値算出部６１と、無駄時間分算出部６２と、減算器６３とを有する。推定補正値算出部６１は、制御対象Ｐの入力指令から推定される応答値Ｐ＾を微分して微分係数Ｋ_Dを乗算することにより、振動減衰補正値を求める。無駄時間分算出部６２は、推定される無駄時間前の振動減衰補正値を求める。減算器６３は、推定補正値算出部６１で求めた振動減衰補正値と無駄時間前の振動減衰補正値との差分を求める。よって、減算器６３から出力される値は、無駄時間の影響が排除された振動減衰補正値である。減算器６３の出力は、制御対象Ｐの入力指令に対して負帰還される。

このように、無駄時間の影響が排除された振動減衰補正値を用いて、制御対象Ｐの入力指令を補正することにより、制御対象Ｐの制御において無駄時間の影響を排除することができる。よって、無駄時間の影響を受けることなく、制御対象Ｐの共振を抑制することができる。

ここで、図２に示すブロック図における構成を伝達関数で示した場合、伝達関数は、以下の（１）式である。

また、制御対象Ｐの伝達関数は、以下の（２）式である。

上述の（２）式において、ω_nは固有振動数であり、ζは減衰比であり、Ｋは制御対象のゲインである。

上述の（１）式に（２）式を代入することにより、以下の（３）式が得られる。

上述の（３）式に示すように、図２のブロック図における伝達関数は、制御対象Ｐの共振を抑制する伝達関数と無駄時間の伝達関数ｅ^-Lsとを用いて表される。このように、図２に示すブロック図の構成により、無駄時間を考慮しつつ制御対象Ｐの共振を抑制することができる。

図３に、本実施形態の効果を示すボード線図を示す。なお、図３において、上図がゲイン特性を示すボード線図であり、下図が位相特性を示すボード線図である。図３のボード線図において、無駄時間を考慮した場合（図３において“本実施形態”）の波形を実線で示し、無駄時間を考慮せずに微分フィードバック制御を行った場合（図３において“微分ＦＢあり”）の波形を破線で示し、微分フィードバック制御を行わない場合（図３において“微分ＦＢなし）の波形を一点鎖線で示す。

図３に示すように、本実施形態のように無駄時間を考慮した場合には、微分フィードバック制御を行わない場合及び無駄時間を考慮せずに微分フィードバック制御を行った場合に比べて、共振を抑制することができる。よって、本実施形態のように無駄時間を考慮することにより、効果的に共振を抑制できることが分かる。

図４に、本実施形態の効果を示すステップ応答を示す。なお、図４は、信号強度が１のステップ信号を入力した場合（二点鎖線）の制御対象の出力、すなわちトルク検出器５から出力される信号強度の時間変化を示す。図４において、無駄時間を考慮した場合（図３において“本実施形態”）の波形を実線で示し、無駄時間を考慮せずに微分フィードバック制御を行った場合（図３において“微分ＦＢあり”）の波形を破線で示す。なお、図４において、入力されるステップ信号の波形を二点鎖線で示す。

図４に示すように、本実施形態のように無駄時間を考慮した場合には、無駄時間を考慮せずに微分フィードバック制御を行った場合とは異なり、信号立ち上がり時の信号強度の変動がほとんどない。よって、本実施形態の構成は、振動を抑制しつつ制御対象Ｐを応答性良く制御できることが分かる。

以上のように、無駄時間を考慮して制御対象Ｐの入力指令を補正する本実施形態の構成により、制御対象Ｐの共振を容易に抑制しつつ、制御対象Ｐを応答性良く制御することができる。

＜実施形態２＞
図５に、実施形態２に係る制御装置１０２のブロック線図を示す。図５に示す構成は、フィードバックループ１１０の外に、無駄時間補償部２０が設けられている点で、実施形態１の構成とは異なる。なお、以下では、実施形態１と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略し、実施形態１と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、無駄時間補償部２０は、制御装置１０２のフィードバックループ１１０の外に設けられている。この実施形態では、実施形態１の図２に示すブロック図と同じ伝達関数になるように、フィードバックループ１１０が構成されている。すなわち、フィードバックループ１１０は、実施形態１と同様の減衰比調整部５１と、フィードバックループ用無駄時間補償部１５３とを有する。

フィードバックループ用無駄時間補償部１５３は、フィードバックループ１１０において無駄時間を考慮する。すなわち、フィードバックループ用無駄時間補償部１５３は、制御対象Ｐの応答値を推定する応答推定部１５４と、制御対象Ｐの推定される応答値における無駄時間分を求める無駄時間分算出部１５５と、減算器１５６とを有する。

応答推定部１５４は、フィードバックループ１１０の減衰比調整部５１の出力値を用いて、制御対象Ｐの応答値を推定する。無駄時間分算出部１５５は、制御対象Ｐの推定される応答値のうち無駄時間分を算出する。減算器１５６は、応答推定部１５４で推定した応答値と無駄時間分算出部１５５で算出された応答値の無駄時間分との差を求める。減算器１５６の出力は、フィードバックループ１１０の減衰比調整部５１の入力側に負帰還される。これにより、フィードバックループ１１０内で無駄時間を考慮することができる。

上述の構成により、図５に示すブロック図の伝達関数は、図２に示すブロック図の伝達関数と同じであるため、実施形態２の構成においても、実施形態１と同様の作用効果が得られる。

＜実施形態３＞
図６に、実施形態３に係る制御装置２０２のブロック線図を示す。図６に示す構成は、外乱オブザーバ２７０を有する点で、実施形態１の構成とは異なる。なお、以下では、実施形態１と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略し、実施形態１と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、外乱オブザーバ２７０は、予測部２７１と、減算器２７２と、補正部２７３とを有する。予測部２７１は、制御対象Ｐの入力指令から、無駄時間も含めて制御対象Ｐの応答値を予測する。減算器２７２は、予測部２７１で予測した応答値と制御対象Ｐの実際の応答値との差を求める。補正部２７３は、減算器２７２の出力及びオブザーバゲインＫｏｂを用いて、オブザーバ値を得る。得られたオブザーバ値は、制御対象Ｐの入力指令に正帰還される。

これにより、無駄時間だけでなく、外乱ｄの影響も排除して、制御対象Ｐの制御を行うことができる。

＜実施形態４＞
図７に、実施形態４に係る制御装置３０２のブロック線図を示す。図７に示す構成は、フィードバックループ３１０に振動モード抽出用のフィルタ３５２を有する点で、実施形態１の構成とは異なる。なお、以下では、実施形態１と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略し、実施形態１と異なる部分についてのみ説明する。

図７の例では、制御対象Ｐが２次の振動モードを有し且つフィルタ３５２が制御対象Ｐで生じる１次の振動モードを抽出する場合を示す。

図７に示すように、フィードバックループ３１０は、減衰比調整部５１と、フィルタ３５２とを有する。フィルタ３５２は、制御対象Ｐで生じる複数の振動モードから所定の振動モードのみを抽出する。抽出された振動モードに対し、実施形態１のように無駄時間補償部２０によって無駄時間を考慮することにより、制御対象Ｐの前記振動モードにおける共振を抑制することができる。

なお、制御対象Ｐの振動モードは、３次以上であってもよい。また、フィルタ３５２が抽出する振動モードは１次以外の振動モードであってもよい。

また、特に図示しないが、制御対象Ｐの複数の振動モードをそれぞれ抽出して、各振動モードに対して実施形態１の無駄時間補償部２０によって無駄時間を考慮することにより、前記各振動モードにおける共振を抑制することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

前記各実施形態では、微分フィードバック制御において無駄時間を無駄時間補償部２０で考慮している。しかしながら、微分フィードバック制御以外のフィードバック制御で且つ無駄時間が影響する制御に対して、前記実施形態のように無駄時間を考慮してもよい。

前記各実施形態では、制御対象Ｐは、モータ駆動回路３、電動モータ４及びトルク検出器５を含む。しかしながら、制御対象は、他の構成を含んでもよいし、他の構成を有する軸系を含んでいてもよい。

前記実施形態３では、制御装置２０２が外乱オブザーバ２７０を有し、前記実施形態４では、制御装置３０２が制御対象Ｐの共振の振動モードを抽出するフィルタ３５２を有する。制御装置は、外乱オブザーバ及びフィルタの両方を有していてもよい。

本発明は、無駄時間を有する制御対象に対して前記無駄時間の補償を行う無駄時間補償装置に利用可能である。

１試験装置
２、１０２、２０２、３０２制御装置
３モータ駆動回路
４電動モータ
５トルク検出器
１０、１１０、３１０フィードバックループ
２０無駄時間補償部（無駄時間補償装置）
５１減衰比調整部
６１推定補正値算出部
６２無駄時間分算出部
６３減算器
１５３フィードバックループ用無駄時間補償部
１５４応答推定部
１５５無駄時間分算出部
１５６減算器
２７０外乱オブザーバ
２７１予測部
２７２減算器
２７３補正部
３５２フィルタ
Ｐ制御対象

Claims

無駄時間を有する制御対象の出力値を入力指令に対して負帰還するフィードバックループを備えた制御系において前記無駄時間の補償を行う無駄時間補償装置であって、
前記制御対象の振動を低減するために、前記制御対象の推定される応答値から振動減衰補正値を算出する推定補正値算出部と、
前記無駄時間が経過する前の前記振動減衰補正値を算出する無駄時間分算出部と、
前記推定補正値算出部によって算出された前記振動減衰補正値と前記無駄時間分算出部によって算出された前記無駄時間が経過する前の前記振動減衰補正値との差を算出する減算器とを備え、
前記減算器の出力を前記制御対象の入力指令に対して負帰還する、無駄時間補償装置。
請求項１に記載の無駄時間補償装置において、
前記推定補正値算出部は、前記推定される応答値を微分して所定の定数を乗算することにより、前記振動減衰補正値を求める、無駄時間補償装置。
無駄時間を有する制御対象の出力値を入力指令に対して負帰還するフィードバックループを備えた多慣性共振システムの共振を抑制する共振抑制制御装置であって、
請求項１または２に記載の無駄時間補償装置と、
前記フィードバックループに設けられ、振動の減衰比を調整する減衰比調整部と、
を備える、共振抑制制御装置。
請求項３に記載の共振抑制制御装置において、
前記制御対象の入力指令に入力される外乱を抑制する外乱抑制部をさらに備える、共振抑制制御装置。
請求項３または４に記載の共振抑制制御装置において、
前記制御対象の複数の振動モードから所定の振動モードを抽出するフィルタをさらに備える、共振抑制制御装置。