JP4220366B2 - Torsional vibration system controller - Google Patents
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Description
本発明は、オフィスオートメーション(OA)機器、ファクトリオートメーション(FA)機器等に使用される柔結合された機構のモータを制御する捩り振動系制御装置に関するものである。 The present invention relates to a torsional vibration system control apparatus for controlling a motor of a softly coupled mechanism used in office automation (OA) equipment, factory automation (FA) equipment, and the like.
従来から、柔結合された機構のモータを制御する捩り振動系制御装置は知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
特許文献1では制御装置、および特許文献2では状態空間法によるねじり系制御装置が開示されている。
また、開発中の捩り振動系制御装置では、駆動側慣性体と従動側慣性体とが捩り軸で連結された制御対象である場合に、外乱が印加される従動側慣性体を高精度に位置制御する位置制御手段を設けるように試みているが、この技術では推定した外乱値をそのまま実時間で状態推定に用いている。
In addition, in the torsional vibration system control device under development, when the drive side inertial body and the driven side inertial body are controlled objects connected by a torsion shaft, the driven side inertial body to which disturbance is applied is positioned with high accuracy. Although an attempt is made to provide a position control means for controlling, this technique uses the estimated disturbance value as it is for state estimation in real time.
モータ駆動系ではトルク伝達機構に弾性体要素が含まれていることが多く、モータ自身や従動側慣性体の慣性モーメントと関係して共振系を構成している。このとき、それほど回転精度が要求されないものではトルク伝達機構が剛結合と見なせるため、共振系による制御への影響は無視できる。
しかしながら回転精度が厳しくなると、その仕様を満足させるために高利得制御が必要となり、制御しなければならない上限周波数が高くなる。このような系ではもはや剛結合で扱うことは困難である。
図5は制御対象となる柔結合された2慣性系の物理モデルを示す概略図である。図中の各記号は以下のような意味を示している。
・JM:駆動側慣性モーメント
・DM:駆動側粘性抵抗
・JL:従動側慣性モーメント
・DL:従動側粘性抵抗
・KC:捩り軸バネ定数
・DC:捩り軸粘性抵抗
・τM:駆動軸トルク(操作量)
・ωM:駆動軸角速度
・θM:駆動軸角度(観測出力)
・τL:従動軸トルク(外乱)
・ωL:従動軸角速度
・θL:従動軸角度(観測出力)
なお、このときの共振周波数ω0は以下の式で示すことができる。
ω0=
このような系を古典的な制御手法(PIDや位相補償等)で制御しようとすると、制御対象の出力1変数のみで制御を行なうため、制御対象の共振周波数において位相遅れの増大が問題となり、これを超えて制御することは困難である。
In a motor drive system, an elastic body element is often included in a torque transmission mechanism, and a resonance system is configured in relation to the moment of inertia of the motor itself or the driven inertial body. At this time, if the rotational accuracy is not so required, the torque transmission mechanism can be regarded as a rigid coupling, so the influence on the control by the resonance system can be ignored.
However, when the rotational accuracy becomes severe, high gain control is required to satisfy the specifications, and the upper limit frequency that must be controlled increases. Such systems are no longer difficult to handle with rigid coupling.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a physical model of a softly coupled two-inertia system to be controlled. Each symbol in the figure has the following meaning.
· J M: drive-side inertia moment · D M: drive side viscous resistance · J L: driven inertia · D L: driven viscous resistance · K C: torsion shaft spring constants · D C: torsional axis viscous resistance · tau M : Drive shaft torque (operation amount)
・ Ω M : Drive shaft angular velocity ・ θ M : Drive shaft angle (observation output)
・ Τ L : Driven shaft torque (disturbance)
・ Ω L : driven shaft angular velocity ・ θ L : driven shaft angle (observation output)
The resonance frequency ω 0 at this time can be expressed by the following equation.
ω 0 =
When such a system is controlled by a classical control method (PID, phase compensation, etc.), control is performed with only one output variable of the controlled object, so that an increase in phase delay becomes a problem at the resonance frequency of the controlled object. It is difficult to control beyond this.
一方、状態フィードバック制御による方法では、制御対象の内部状態全てを扱うため、制御対象が線形システムとみなせる範疇では、状態フィードバック制御することにより、共振周波数を超えて制御することが可能となる。
状態フィードバック制御を実現するためには全ての状態変数を知っておく必要があるが、実際の制御対象では状態観測できるものは限られることが多く、このままでは状態フィードバック制御することができない。
そこで状態フィードバック制御を実現するために、制御対象の内部状態を推定する状態推定器を用意する。このとき状態推定器の入力として、操作量τMと観測出力θM、θLのほかに外乱トルクτLが必要であるが、一般には外乱トルクの計測は困難である。
そのことから、簡単のために外乱トルクτLをゼロ、または一定値に設定するが、いずれも実際に発生する外乱トルクτLとの差異により状態推定器の出力に大きな誤差を生じるため、系を不安定化させる恐れがある。
図6は一般的に弾性体要素の捩れを無視し剛体として扱う構成を示す概略図である。また、このような外乱推定器としては、図6に示すように、一般的に弾性体要素の捩れを無視し剛体として扱うものが知られている。
しかしながら、ここで取り上げたような制御対象の場合、弾性体と剛体の違いから推定した外乱トルクτL(推定値)に差異が生じ、上述と同様に系を不安定化させる恐れがある。
そこで本発明の目的は、このような観点に鑑みて、状態フィードバック制御に用いる推定誤差の少ない状態推定器を実現するために、新たに弾性体要素を考慮した外乱トルク推定器を備えた捩り振動系制御装置を提供することにある。
On the other hand, in the method based on the state feedback control, since all the internal states of the control target are handled, it is possible to control beyond the resonance frequency by performing the state feedback control in a category where the control target can be regarded as a linear system.
In order to realize the state feedback control, it is necessary to know all the state variables. However, there are many cases where the actual control target can observe the state, and the state feedback control cannot be performed as it is.
Therefore, in order to realize the state feedback control, a state estimator for estimating the internal state of the controlled object is prepared. At this time, disturbance torque τ L is required as an input to the state estimator in addition to manipulated variable τ M and observation outputs θ M , θ L , but in general, measurement of disturbance torque is difficult.
Therefore, for the sake of simplicity, the disturbance torque τ L is set to zero or a constant value. However, in both cases, a large error occurs in the output of the state estimator due to the difference from the disturbance torque τ L actually generated. May be destabilized.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration in which the twist of the elastic element is generally ignored and treated as a rigid body. As such a disturbance estimator, as shown in FIG. 6, one that generally treats a torsion of an elastic element and treats it as a rigid body is known.
However, in the case of the control target as taken up here, there is a difference in the disturbance torque τ L (estimated value) estimated from the difference between the elastic body and the rigid body, and there is a risk that the system will become unstable as described above.
Therefore, in view of such a viewpoint, an object of the present invention is torsional vibration provided with a disturbance torque estimator newly considering an elastic body element in order to realize a state estimator with small estimation error used for state feedback control. It is to provide a system control device.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、第1の角度検出器が接続されるモータと、前記モータと弾性体要素で接続されるとともに、第2の角度検出器が接続される慣性体と、前記モータに入力されるモータ操作量値と前記第1の角度検出器によって検出される第1の角度値と前記第2の角度検出器によって検出される第2の角度値を用いて前記慣性体に印加されるトルク値を算出する外乱推定器と、外乱推定器によって算出される前記トルク値を記憶する外乱メモリと、前記外乱メモリに記憶されているトルク値と前記モータに入力された前記モータ操作量値と前記第1の角度値と前記第2の角度値とを用いて、前記モータおよび前記慣性体を含む制御対象の内部状態である角度値および角速度値を推定する状態推定器と、前記状態推定器で推定された前記制御対象の内部状態である角度値および角速度値と前記モータおよび前記慣性体に対する制御目標値である角度値および角速度値との偏差に基づいて、前記モータに入力されるモータ操作量値を算出する制御器と、を具備することを特徴とする捩り振動系制御装置である。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載された発明において、前記状態推定器が、前記慣性体が1回転した場合に、前記外乱メモリに記憶されているトルク値を用いて前記制御対象の内部状態である角度値および角速度値を推定する状態推定器であることを特徴とするものである。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載された発明において、前記制御器が、前記モータおよび前記慣性体を含む制御対象の周波数の上限値を前記制御対象が有する共振周波数の値よりも高い値に制御する制御器であることを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the invention according to
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the state estimator uses a torque value stored in the disturbance memory when the inertial body makes one revolution. It is a state estimator that estimates an angle value and an angular velocity value that are internal states of the controlled object .
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the controller has a resonance frequency at which the control target has an upper limit value of the frequency of the control target including the motor and the inertial body. The controller is controlled to a value higher than the value .
本発明によれば、柔結合された2慣性系において、外乱推定器によって従動軸側に印加される外乱トルクが推定できるため、状態推定器の推定精度が向上し、丈夫で安定なフィードバック制御が可能となる。
また、外乱トルク検出器や、観測出力以外の各状態検出器が不要となるため、制御系の構成が簡単になりコストが低減でき、さらに、外乱メモリを兼ね備えることにより、過去に推定した外乱状況を記憶しておくことができる。
そのため、周期性外乱においては、フィードバックループによる外乱メモリが無い場合よりも高い周波数帯まで外乱を除去することができ、また、状態フィードバック制御器により、捩れを有する制御対象においても、高利得制御によって高精度な回転制御が実現できる。
According to the present invention, since the disturbance torque applied to the driven shaft side by the disturbance estimator can be estimated in the softly coupled two-inertia system, the estimation accuracy of the state estimator is improved, and robust and stable feedback control is achieved. It becomes possible.
In addition, the disturbance torque detector and each state detector other than the observation output are not required, so the configuration of the control system can be simplified and the cost can be reduced. Can be stored.
Therefore, in periodic disturbances, disturbances can be removed up to a higher frequency band than when there is no disturbance memory due to a feedback loop. High-precision rotation control can be realized.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は本発明による捩り振動系制御装置の状態フィードバック制御系の全体構成図を示すブロック図である。
図1において制御対象は駆動軸(図示せず)に連結されたモータ1(=駆動側慣性体)に捩り軸(弾性体要素)1aによって柔結合されたかつ従動軸(図示せず)に連結された慣性体2(=従動側慣性体)であり、モータ1と慣性体2各々に角度検出器3、4が接続され、慣性体2には外乱トルクτLが印加される構成となっている。
制御部Cは外乱推定器5、外乱メモリ6、状態推定器7、それに状態フィードバック制御器8とから構成され、制御部Cへの入力としては上記2つの角度検出器3、4によって得られる回転角θM、θLと、設計者が希望する目標状態値XRとが入力される。
また、制御部Cの出力τM(=操作量)にはモータ駆動用PWMアンプ9が接続されており、このモータ駆動用PWMアンプ9の出力はモータ1に接続されている。
図2は図1の外乱推定器5を示す詳細図である。柔結合された2慣性系を制御対象としていることから、この外乱推定器5では柔結合部分にあたる弾性体要素を考慮して外乱トルクτL(このτLは推定値である、以下推定値を図面の記号に合わせて(〜)と表示する)を推定する構成となっている。なお、Tはローパスフィルタの時定数である。
図3は図1の状態推定器7を示す詳細図である。操作量と観測出力、それに推定した外乱トルクを入力して、制御対象の内部状態全てを推定する。状態推定器7内部のフィードバック利得Eはカルマンフィルタの設計法によって決定されることができる。
しかし、適切なノイズ共分散データを与えることにより、リカッティ(Riccati)方程式を解くことで求まる。設計法として、状態推定器が、カルマンフィルタを有することにより、設計者が極配置等を考慮せずに容易に設計を行なうことができる。
図4は図1の状態フィードバック制御器を示す詳細図である。推定した内部状態X(〜)(ωM(〜)、ωL(〜)、θM(〜)、θL(〜))と目標状態XRとの偏差から操作量τMを算出する。
状態フィードバック利得Fは最適レギュレータ設計法によって決定されるが、制御仕様を満たすように適切に評価関数を与え、リカッティ(Riccati)方程式を解くことにより求まる。
このとき、制御対象の共振を抑制するようにするためには、(制御しようとする上限周波数)>(制御対象の共振周波数)となるように評価関数を与える必要がある。設計法として、この最適レギュレータを用いることにより、設計者が極配置等を考慮せずに容易に設計を行なうことができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a state feedback control system of a torsional vibration system control apparatus according to the present invention.
In FIG. 1, the object to be controlled is connected to a motor 1 (= drive side inertial body) connected to a drive shaft (not shown) by a torsion shaft (elastic body element) 1a and connected to a driven shaft (not shown). an inertial body 2 (= driven inertial body), the
The control unit C includes a
A motor drive PWM amplifier 9 is connected to the output τ M (= operation amount) of the control unit C, and the output of the motor drive PWM amplifier 9 is connected to the
FIG. 2 is a detailed view showing the
FIG. 3 is a detailed view showing the state estimator 7 of FIG. Input the manipulated variable, the observed output, and the estimated disturbance torque to estimate all the internal states of the controlled object. The feedback gain E inside the state estimator 7 can be determined by a Kalman filter design method.
However, it is obtained by solving the Riccati equation by giving appropriate noise covariance data. As a design method, since the state estimator has a Kalman filter, the designer can easily design without considering the pole arrangement or the like.
FIG. 4 is a detailed diagram illustrating the state feedback controller of FIG. The manipulated variable τ M is calculated from the deviation between the estimated internal state X (˜) (ω M (˜), ω L (˜), θ M (˜), θ L (˜)) and the target state X R.
The state feedback gain F is determined by an optimal regulator design method, and is obtained by giving an evaluation function appropriately so as to satisfy the control specifications and solving a Riccati equation.
At this time, in order to suppress the resonance of the controlled object, it is necessary to give an evaluation function so that (the upper limit frequency to be controlled)> (the resonant frequency of the controlled object). By using this optimum regulator as a design method, the designer can easily design without considering the pole arrangement or the like.
つぎに図1の動作について説明する。モータ1の軸に取り付けられた角度検出器3および慣性体2に取り付けられた角度検出器4から得られる各々の回転角情報は、外乱推定器5と状態推定器7に入力される。
また、状態フィードバック制御器8から出力される操作量τMは、モータ駆動用PWMアンプ9に入力されると共に、外乱推定器5と状態推定器7にも入力される。
外乱推定器5では、操作量τMと2つの回転角θM、θLから制御対象のモデルを使用して、従動側慣性体2に印加される外乱トルクτL(〜)を推定する。このとき、制御対象内部の柔結合された軸の弾性KCや粘性DCを考慮した形で推定を行う。
そして外乱推定器5から出力される推定値は実時間では使用せずに一時的に外乱メモリ6に記憶される。記録に当たっては、本実施形態の場合、従動側慣性体2は回転体であるため印加される外乱トルクに周期性があるものと見なすことができる。
そして、従動側慣性体2が1回転した後、すなわち同一の回転角に至ったときに、記憶しておいた外乱推定値を状態推定器7で用いることでフィードフォワード制御を行う。これにより周期性をもつ外乱については、バンディング帯域である高い周波数帯(約20〜200Hz程度)にまで外乱抑圧効果を高めることができる。
状態推定器7は、予め推定しておいた外乱トルクτL(〜)、操作量τMそれに2つの回転角θM、θLから制御対象のモデルを使って、制御対象の内部状態X(〜)(ωM(〜)、ωL(〜)、θM(〜)、θL(〜))を推定する。
このとき、常に推定状態θM(〜)、θL(〜)と回転角θM、θLとを比較し、誤差を生じたときにはフィードバック利得Eの効果によって回転角θM、θLに合わせて推定状態θM(〜)、θL(〜)を修正する動作を行う。
状態フィードバック制御器8では、制御対象の内部状態X(〜)と、設計者が希望する目標状態XRとの偏差に対し、状態フィードバックを行うことによって操作量τMを算出する。
Next, the operation of FIG. 1 will be described. Respective rotation angle information obtained from the angle detector 3 attached to the shaft of the
Further, the operation amount τ M output from the state feedback controller 8 is input to the motor drive PWM amplifier 9 and also to the
The
The estimated value output from the
Then, after the driven inertial body 2 makes one rotation, that is, when the same rotation angle is reached, the stored disturbance estimated value is used in the state estimator 7 to perform feedforward control. Thereby, about the disturbance which has periodicity, the disturbance suppression effect can be heightened to the high frequency band (about 20-200 Hz) which is a banding band.
The state estimator 7 uses the model of the controlled object from the disturbance torque τ L (˜), the manipulated variable τ M and the two rotation angles θ M , θ L which are estimated in advance, and uses the controlled object model X ( ˜) (ω M (˜), ω L (˜), θ M (˜), θ L (˜)) are estimated.
At this time, the estimated states θ M (˜), θ L (˜) are always compared with the rotation angles θ M , θ L. When an error occurs, the estimated values θ M (˜), θ L (˜) are adjusted to the rotation angles θ M , θ L by the effect of the feedback gain E. To correct the estimated states θ M (˜) and θ L (˜).
The state feedback controller 8, and the control target of the internal state X (~), with respect to the deviation between the target state X R the designer wishes to calculate the manipulated variable tau M by performing the state feedback.
以上のような制御装置を実際に構成する場合、デジタルシステムの利点を得るためにデジタルシグナルプロセッサ(DSP)を用いて実現するのが一般的であるが、この場合には本願の図に示すような連続時間系を離散時間系に置き換える必要がある。
この離散化に伴い、制御処理による演算遅れ(=1サンプリング周期遅れ)によって、制御系が不安定化する問題が生じる。そこで、操作量の演算遅れ分を1状態と考え、これを状態フィードバックに追加することにより、この演算遅れを補償し、制御系の安定性を保持することができる。
柔結合された2慣性系において、外乱推定器5によって従動軸側に印加される外乱トルクが推定できるため、状態推定器7の推定精度が向上し、丈夫で安定なフィードバック制御が可能となる。
また、外乱トルク検出器や、観測出力以外の各状態検出器が不要となるため、制御系の構成が簡単になりコストが低減できる。そしてまた、外乱メモリを兼ね備えることにより、過去に推定した外乱状況を記憶しておくことができる。
そのため、周期性外乱においては、フィードバックループによる外乱メモリ6が無い場合よりも高い周波数帯まで外乱を除去することができる。さらには、状態フィードバック制御器8により、捩れを有する制御対象においても、高利得制御によって高精度な回転制御が実現できる。
外乱推定値5を得ることで、精度良く制御対象の各内部状態を推定することができる。また、過去に推定した外乱状況を記憶しておき、記憶されている内容から現在の外乱推定値を得ることによって、周期性外乱への即応性を高めることができる。
捩り振動系制御に必要な制御対象の内部状態全てが揃い、状態フィードバック制御が可能となる。また、捩り振動系制御のための状態フィードバック制御が実現され、モデルに対しての最適制御が可能になる。
制御処理装置の演算遅れ(=1サンプリング周期遅れ)による制御系の不安定化を無くすことができる。また、捩れを有する制御対象でも共振周波数を超えて制御可能となるため、高利得制御が実現され、高精度な回転制御が可能となる。
設計手法が統一化されるため、制御設計が容易となる。カルマンフィルタは極配置法と比較して、設計者が極零点等を考慮する必要が無くなり、ノイズ共分散データを与えるのみであるため設計が容易である。
最適レギュレータでは極配置法と比較して、設計者が極零点等を考慮する必要が無くなり、重み係数の設定のみであるため設計が容易である。
When the control device as described above is actually configured, it is generally realized by using a digital signal processor (DSP) in order to obtain the advantages of the digital system. In this case, as shown in the figure of the present application. It is necessary to replace a continuous time system with a discrete time system.
Along with this discretization, there arises a problem that the control system becomes unstable due to calculation delay (= 1 sampling period delay) due to control processing. Therefore, the calculation delay of the manipulated variable is regarded as one state, and this is added to the state feedback, so that the calculation delay can be compensated and the stability of the control system can be maintained.
In the softly coupled two-inertia system, the disturbance torque applied to the driven shaft side by the
Further, since a disturbance torque detector and each state detector other than the observation output are not required, the configuration of the control system is simplified and the cost can be reduced. Moreover, by providing a disturbance memory, it is possible to store a disturbance situation estimated in the past.
Therefore, in the periodic disturbance, the disturbance can be removed up to a higher frequency band than in the case where there is no disturbance memory 6 due to the feedback loop. Furthermore, the state feedback controller 8 can realize high-precision rotation control by high gain control even for a controlled object having torsion.
By obtaining the estimated
All the internal states of the control object necessary for torsional vibration system control are prepared, and state feedback control is possible. In addition, state feedback control for torsional vibration system control is realized, and optimal control for the model becomes possible.
It is possible to eliminate instability of the control system due to calculation delay (= 1 sampling period delay) of the control processor. In addition, since a control object having a twist can be controlled beyond the resonance frequency, high gain control is realized, and highly accurate rotation control is possible.
Since the design method is unified, control design becomes easy. Compared with the pole placement method, the Kalman filter is easy to design because it is not necessary for the designer to consider poles and zeros, and only gives noise covariance data.
Compared with the pole placement method, the optimal regulator does not require the designer to consider pole zeros, and the design is easy because only the weighting factor is set.
C 制御部
1 モータ1(駆動側慣性体)
1a 捩り軸(弾性体要素)
2 慣性体(従動側慣性体)
3 角度検出器
4 角度検出器
5 外乱推定器
6 外乱メモリ
7 状態推定器
8 状態フィードバック制御器
1a Torsion shaft (elastic element)
2 Inertial body (driven inertial body)
3 Angle detector 4
Claims (3)
前記モータと弾性体要素で接続されるとともに、第2の角度検出器が接続される慣性体と、 An inertial body connected to the motor and an elastic body element and connected to a second angle detector;
前記モータに入力されるモータ操作量値と前記第1の角度検出器によって検出される第1の角度値と前記第2の角度検出器によって検出される第2の角度値を用いて前記慣性体に印加されるトルク値を算出する外乱推定器と、 The inertial body using a motor operation amount value input to the motor, a first angle value detected by the first angle detector, and a second angle value detected by the second angle detector. A disturbance estimator for calculating a torque value applied to
外乱推定器によって算出される前記トルク値を記憶する外乱メモリと、 A disturbance memory for storing the torque value calculated by the disturbance estimator;
前記外乱メモリに記憶されているトルク値と前記モータに入力された前記モータ操作量値と前記第1の角度値と前記第2の角度値とを用いて、前記モータおよび前記慣性体を含む制御対象の内部状態である角度値および角速度値を推定する状態推定器と、 Control including the motor and the inertial body using the torque value stored in the disturbance memory, the motor operation amount value input to the motor, the first angle value, and the second angle value A state estimator that estimates an angle value and an angular velocity value that are internal states of the object;
前記状態推定器で推定された前記制御対象の内部状態である角度値および角速度値と前記モータおよび前記慣性体に対する制御目標値である角度値および角速度値との偏差に基づいて、前記モータに入力されるモータ操作量値を算出する制御器と、 Based on a deviation between an angle value and an angular velocity value, which are internal states of the control object estimated by the state estimator, and an angle value and an angular velocity value, which are control target values for the motor and the inertial body, are input to the motor. A controller for calculating a motor manipulated variable value,
を具備することを特徴とする捩り振動系制御装置。 A torsional vibration system control device comprising:
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