JP2022135160A - Control unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、機械装置をモータにより駆動する系において、モータと機械装置との間の共振による振動を抑制する制御装置に関する。 The present invention relates to a control device that suppresses vibrations due to resonance between a motor and a mechanical device in a system in which the motor and the mechanical device are connected by a torsion element and the mechanical device is driven by the motor.
モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、機械装置をモータにより駆動する系において、モータと機械装置との間の共振による振動が問題となることがある。そこで、このような振動を抑制するための技術が検討されている。 In a system in which a motor and a mechanical device are connected by a torsion element and the mechanical device is driven by the motor, vibration due to resonance between the motor and the mechanical device may pose a problem. Therefore, techniques for suppressing such vibrations are being studied.
例えば、特許文献1には、捻じれトルクτSを検出する検出部と、モータの出力トルクτMと捻じれトルクτSとの偏差に対応するモータ回転速度ωMと摩擦係数DM^とに基づき、摩擦トルクTMDを演算する摩擦トルクシミュレータ部と、モータ回転速度ωMと慣性係数JM^とに基づき、慣性トルクτMJを演算する慣性トルクシミュレータ部と、トルク指令τM
refと摩擦トルクτMDと慣性トルクτMJとを加算してモータの出力トルクτMとして出力する加算器を具備し、トルク指令τM
refと捻じれトルクτSとの偏差が小さくなるように摩擦係数DM^および慣性係数JM^を調整する技術が記載されている。
For example,
特許文献1に記載されている技術では、トルク指令τM
refと捻じれトルクτSとの偏差が小さくなるように摩擦係数DM^および慣性係数JM^を調整するために、トルク計などを用いて捻じれトルクτSを検出する。その場合、検出器の応答の遅れ時間が振動を抑制する制御に影響を与える。そのため、繰り返し学習などの手法により、遅れ時間を補償するための位相調整が行われている。繰り返し学習などを用いることにより、振動周波数が変化する過渡状態に対して振動を抑制する制御の性能が損なわれる問題がある。
In the technique described in
上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、機械装置をモータにより駆動する系において、モータおよび機械装置の慣性モーメントと粘性摩擦と、捻じれ要素のばね定数と摩擦のみのパラメータを用いて、捻じれ要素により連結された装置間の共振による振動の増幅を抑制することができる制御装置を提供することにある。 An object of the present invention, which has been made in view of the above problems, is to provide a system in which a motor and a mechanical device are connected by a torsion element and the mechanical device is driven by the motor. Another object of the present invention is to provide a control device capable of suppressing amplification of vibration due to resonance between devices connected by a torsion element, using only the parameters of the spring constant and friction of the torsion element.
上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置は、捻じれ要素により連結された機械装置を駆動するモータを制御する制御装置であって、振動トルクの振動周波数を検出する振動周波数検出器と、前記振動周波数と、前記モータおよび前記機械装置の慣性モーメントと粘性摩擦と、前記捻じれ要素のばね定数と摩擦から、前記振動トルクと捻じれトルクの大きさを一致させる電気慣性値を演算する電気慣性値演算器と、前記電気慣性値演算器で演算された前記電気慣性値と、前記モータの出力トルクおよび前記捻じれトルクの偏差に対応する前記モータの回転速度と、を基に電気慣性制御を行う電気慣性制御器と、を備える。 In order to solve the above-described problems, a control device according to the present invention is a control device for controlling a motor that drives a mechanical device connected by a torsion element, comprising: a vibration frequency detector for detecting the vibration frequency of vibration torque; , from the vibration frequency, the moment of inertia and viscous friction of the motor and the mechanical device, and the spring constant and friction of the torsion element, an electric inertia value that matches the magnitude of the vibration torque and the torsion torque is calculated. an electric inertia value calculator; an electric inertia value calculated by the electric inertia value calculator; and an electric inertial controller for controlling.
本発明に係る制御装置によれば、モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、機械装置をモータにより駆動する系において、振動周波数が変化していく過程においても逐次電気慣性値を演算することで、モータと機械装置との間の共振による振動を抑制することができる。 According to the control device of the present invention, in a system in which a motor and a mechanical device are connected by a torsion element and the mechanical device is driven by the motor, the electric inertia value is sequentially calculated even in the process of changing the vibration frequency. Thus, vibration due to resonance between the motor and the mechanical device can be suppressed.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated, referring drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る制御装置10の構成例を示す図である。本実施形態に係る制御装置10は、モータと機械装置とが連結部などの捻じれ要素により結合され、捻じれ要素を介してモータにより機械装置が駆動される系において、モータを制御対象とするものである。具体的には、本実施形態に係る制御装置10は、モータと機械装置との間の共振による振動を抑制するようにモータを制御するものである。機械装置は、例えば、自動車のエンジンで発生したエネルギーを駆動輪に伝達するトランスミッションなどの駆動伝達系(供試体)である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a
上述したようなモータと機械装置とが連結部などの捻じれ要素により結合された系は、図1に示す2慣性系システム20に近似することができる。まず、この2慣性系システム20について説明する。2慣性系システム20は、モータ慣性・摩擦部21と、機械装置慣性・摩擦部22と、捻じれ要素部23と、を含む。
A system in which a motor and a mechanical device as described above are connected by a torsion element such as a connecting portion can be approximated to the two-
モータ慣性・摩擦部21は、モータの機械的要素(慣性および摩擦)を示す。モータ慣性・摩擦部21の伝達関数は、1/(JMs+DM)で表される。JMはモータ慣性・摩擦部21の慣性モーメントであり、DMはモータ慣性・摩擦部21の粘性摩擦であり、sはラプラス演算子である。モータ慣性・摩擦部21は、モータの出力トルクτMと捻じれトルクτSとの偏差が入力され、その偏差に対応するモータ回転速度ωMを出力する。モータの出力トルクτMは、電磁気的要素であり、図示していないトルク制御器や速度制御器から出力される。
The motor inertia and
機械装置慣性・摩擦部22は、機械装置の機械的要素(慣性および摩擦)を示す。機械装置慣性・摩擦部22の伝達関数は、1/(JLs+DL)で表される。JLは機械装置慣性・摩擦部22の慣性モーメントであり、DLは機械装置慣性・摩擦部22の粘性摩擦である。機械装置慣性・摩擦部22は、捻じれトルクτSと、機械装置側の負荷トルクである機械装置側負荷トルクτLとの偏差が入力され、その偏差に対応する機械装置回転速度ωLを出力する。
The mechanical device inertia and
捻じれ要素部23の伝達関数は、(KS/s+DS)で表される。KSはばね定数で、Dsは摩擦である。捻じれ要素部23は、モータ回転速度ωMと機械装置回転速度ωLとの偏差が入力され、捻じれトルクτSとして出力する。
A transfer function of the
また、図1に示す2慣性系システム20において、機械装置側負荷トルクτLから捻じれトルクτSまでの伝達関数は、以下の式(1)で表される。
In the two-
式(1)において、機械装置側負荷トルクτLの振動周波数ωにおけるゲイン特性は式(2)で表され、2慣性系システム20のモータおよび機械装置の慣性モーメントと粘性摩擦と、捻じれ要素のばね定数と摩擦のみのパラメータで決定される。 In the equation (1), the gain characteristic of the mechanical device side load torque τL at the vibration frequency ω is represented by the equation (2). is determined by the spring constant and friction-only parameters of
次に、本実施形態に係る制御装置10の構成について説明する。
Next, the configuration of the
図1に示す制御装置10は、振動周波数検出器11と、電気慣性値演算器12と、電気慣性制御器13と、を備える。
A
振動周波数検出器11は、機械装置側負荷トルクτLに含まれる振動トルクの振動周波数ωを検出する。振動周波数検出器11の入力は、捻じれトルクτSをトルク計や加速度計を用いて検出してもよいし、モータ回転速度ωMや機械装置回転速度ωLの振動成分から検出してもよい。 The vibration frequency detector 11 detects the vibration frequency ω of the vibration torque included in the mechanical device side load torque τL . The input to the vibration frequency detector 11 may be torsional torque τ S detected using a torque meter or accelerometer, or may be detected from the vibration component of the motor rotation speed ω M or mechanical device rotation speed ω L. good.
電気慣性制御器13は、モータ回転速度ωMと、電気慣性値演算器12で演算される電気慣性値Jaを入力として、電気慣性トルクτMJを出力する。
The
図1の2慣性系システム20に電気慣性制御器13を付加した場合の、機械装置側負荷トルクτLから捻じれトルクτSまでの伝達関数は、式(3)で表される。
When the
式(1)では、モータ側の慣性モーメントはJMであり、式(3)ではJM+Jaに変換される。それゆえ、式(2)に示す振動周波数ωにおいて、機械装置側負荷トルクτLのから捻じれトルクτSまでのゲイン特性は式(4)に変換される。 In equation (1), the moment of inertia on the motor side is J M and in equation (3) is converted to J M +J a . Therefore, at the vibration frequency ω shown in Equation (2), the gain characteristic from the mechanical device side load torque τL to the torsional torque τS is converted to Equation (4).
機械装置側負荷トルクτLの振幅を捻じれトルクτSの振幅と一致させるために、式(4)が1に等しくなるように電気慣性値Jaについて導出すると式(5)となる。 In order to match the amplitude of the mechanical device side load torque τL with the amplitude of the torsional torque τS , the electrical inertia value Ja is derived so that the equation (4) becomes equal to 1, resulting in the equation (5).
電気慣性値演算器12は、振動周波数検出器11で検出した振動周波数ωを入力し、式(5)により機械装置側負荷トルクτLと捻じれトルクτSを一致させる電気慣性値Jaを演算して、電気慣性制御器13に出力する。
The electric
これにより、2慣性系システム20の持つ共振周波数を有する振動トルクが機械装置側負荷トルクτLとして入力された場合においても、ゲイン増幅せずにゲインを1に維持することができる。
As a result, even when the vibration torque having the resonance frequency of the two-
本発明の効果を図2、図3、図4を用いて説明する。図2は実験に用いたモータ慣性・摩擦部21、機械装置慣性・摩擦部22、捻じれ要素部23の各パラメータを示している。機械装置側負荷トルクτLの振動トルクの振幅は、±1Nmを入力している。
Effects of the present invention will be described with reference to FIGS. 2, 3, and 4. FIG. FIG. 2 shows parameters of the motor inertia/
図3は、電気慣性値演算器12および電気慣性制御器13を用いない場合の、機械装置側負荷トルクτLの振動周波数ωに対する捻じれトルクτSの振幅および位相を示している。
FIG. 3 shows the amplitude and phase of the torsional torque τS with respect to the oscillation frequency ω of the mechanical device-side load torque τL when neither the electric
共振周波数ωnに近づくほど捻じれトルクτSの振幅は大きくなり、共振周波数ωnにおいては機械装置側負荷トルクτLの入力に対して2.5倍以上の振幅となっている。 The amplitude of the torsional torque τS increases as it approaches the resonance frequency ωn , and at the resonance frequency ωn , the amplitude is 2.5 times or more that of the mechanical device side load torque τL .
また、共振周波数ωnに近づくほど捻じれトルクτSの位相遅れが大きくなり、共振周波数ωnを超過した領域では位相が反転している。 Further, the phase delay of the torsional torque τS increases as it approaches the resonance frequency ωn , and the phase is reversed in the region exceeding the resonance frequency ωn .
図4は、電気慣性値演算器12および電気慣性制御器13を用いた場合の、機械装置側負荷トルクτLの振動周波数ωに対する捻じれトルクτSの振幅および位相を示している。
FIG. 4 shows the amplitude and phase of the torsional torque τS with respect to the oscillation frequency ω of the mechanical device side load torque τL when using the electric
共振周波数ωn付近においても、機械装置側負荷トルクτLの振幅と捻じれトルクτSの振幅は、一致している。 Also in the vicinity of the resonance frequency ωn , the amplitude of the mechanical device-side load torque τL and the amplitude of the torsional torque τS match.
また、共振周波数ωn付近においても、機械装置側負荷トルクτLに対する捻じれトルクτSの位相遅れは抑制されている。 In addition, the phase lag of the torsional torque τS with respect to the mechanical device side load torque τL is also suppressed near the resonance frequency ωn .
この場合において、電気慣性値Jaは図4に示すように正の値から負の値へと変化しており、振動周波数ωに対して共振現象が発生しないように演算されている。 In this case, the electric inertia value J a changes from a positive value to a negative value as shown in FIG. 4, and is calculated so as not to cause a resonance phenomenon with respect to the vibration frequency ω.
上述により、電気慣性値演算器12および電気慣性制御器13を用いることで、2慣性系システム20の持つ共振周波数付近においても機械装置側負荷トルクτLと捻じれトルクτSの振幅および位相を一致させることが出来る。
As described above, by using the electric
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。 Although the above embodiments have been described as representative examples, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications and substitutions are possible within the spirit and scope of the invention. Therefore, this invention should not be construed as limited by the above-described embodiments, and various modifications and changes are possible without departing from the scope of the claims.
10 制御装置
11 振動周波数検出器
12 電気慣性値演算器
13 電気慣性制御器
20 2慣性系システム
21 モータ慣性・摩擦部
22 機械装置慣性・摩擦部
23 捻じれ要素部
10 Control Device 11
Claims (1)
振動トルクの振動周波数を検出する振動周波数検出器と、
前記振動周波数と、前記モータおよび前記機械装置の慣性モーメントと粘性摩擦と、前記捻じれ要素のばね定数と摩擦から、前記振動トルクと捻じれトルクの大きさを一致させる電気慣性値を演算する電気慣性値演算器と、
前記電気慣性値演算器で演算された前記電気慣性値と、前記モータの出力トルクおよび前記捻じれトルクの偏差に対応する前記モータの回転速度と、を基に電気慣性制御を行う電気慣性制御器と、
を備えることを特徴とする制御装置。 A control device for controlling a motor that drives a mechanical device connected by a torsion element,
a vibration frequency detector that detects the vibration frequency of the vibration torque;
Electricity for calculating an electric inertia value that matches the magnitude of the vibration torque and the torsion torque from the vibration frequency, the moment of inertia and viscous friction of the motor and the mechanical device, and the spring constant and friction of the torsion element an inertia value calculator;
An electric inertia controller that performs electric inertia control based on the electric inertia value calculated by the electric inertia value calculator and the rotational speed of the motor corresponding to the deviation between the output torque of the motor and the torsional torque. When,
A control device comprising:
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