JP4311043B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機または電動機で駆動される負荷の、速度または位置の制御を行う電動機の制御装置に関するもので、特に電動機を駆動する場合に発生する機械共振を抑制する電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動機を駆動する場合に発生する機械共振を抑制する電動機の制御装置の第１の従来技術として、特許文献１に記載されたものが知られている。以下、この第１の従来技術について図１５から図１９を用いて説明する。
【０００３】
図１５は第１の従来技術の電動機の制御装置の制御ブロック図を示したものである。図１５において５０１は電動機、５０２は電動機５０１の速度ωrを検出する速度検出器、５０３は連結器、５０４は連結器を介して駆動される負荷、５０５は速度指令値ωr *と速度検出器５０２によって検出された電動機５０１の速度検出値ωrとを比較してその偏差値を出力する減算手段、５０６は上記偏差値ωr *−ωrを演算増幅してトルク指令値τ1 *として出力する演算増幅手段、５０９はトルク指令値τ1 *にフィルタ係数ｆに応じたフィルタリング処理を行い、新たなトルク指令τ2 *を出力する主フィルタ、５０８は新たなトルク指令τ2 *に基づいて電動機５０１を制御するトルク制御手段である。
【０００４】
また、５１０はフィルタ係数ｆを設定して主フィルタ５０９へ出力するフィルタ係数設定手段であり、ハイパスフィルタ５１１、基準信号発生手段５１２、加算手段５１３、適応フィルタ５１４から構成される。
【０００５】
次に動作について説明する。速度指令値ωr *と検出速度ωrが減算手段５０５に入力され、演算増幅手段５０６では減算手段５０５からの入力である偏差値ωr *−ωrが零になるよう演算増幅を行ってトルク指令τ1 *を出力する。主フィルタ５０９はフィルタ係数設定手段５１０からの入力であるフィルタ係数ｆに基づいたフィルタ特性を有しており、トルク指令値τ1 *のフィルタリング処理を行い新たなトルク指令τ2 *をトルク制御手段５０８へ出力する。このトルク制御手段５０８の出力により電動機５０１は速度指令値ωr *に追従するよう速度制御される。
【０００６】
図１６はτ2 *からωrの伝達関数を表すボード線図であり、周波数ｆpに共振周波数を持つ。
【０００７】
図１７は周波数がｆc付近の成分通過を制限する主フィルタの伝達関数を表すボード線図の一例である。
【０００８】
今、フィルタ係数設定手段５１０が動作し、適応後の主フィルタ５０９の通過制限周波数ｆcが共振周波数ｆpに一致するようなフィルタ係数ｆが設定されると、τ*1からωrの伝達関数を表すボード線図は図１８のようになり、共振周波数ｆpでのゲインが抑制され、ゲインピークのない特性となる。その結果、演算増幅手段５０６のゲインを上げて速度制御系の高速応答化を図ることができる。
【０００９】
次に、フィルタ係数設定手段５１０の動作について説明する。検出速度ωrがフィルタ係数設定手段５１０に入力されると、ハイパスフィルタ５１１に通され機械系の共振周波数成分ｄが出力される。一方、所定の周波数以下の周波数成分を含む基準信号ｒが基準信号発生手段５１２から出力される。そして加算手段５１３によって基準信号ｒと機械系共振周波数成分ｄとが加算される。この加算値ｘと基準信号ｒが適応フィルタ５１４に入力される。
【００１０】
図１９を用いて適応フィルタ５１４の動作を説明する。図１９は適応フィルタ５１４の構成を示すブロック図で、フィルタ５１５、減算手段５１６およびフィルタ係数調整手段５１７から構成される。加算値ｘが入力されるとフィルタ５１５でフィルタ処理をし信号ｙを出力する。フィルタ５１５の出力ｙを基準信号ｒに近づけるため減算手段５１６が出力する基準信号ｒと出力ｙの偏差ｅが減少するようフィルタ係数調整手段５１７はフィルタ５１５のフィルタ係数ｆを調整する。この調整結果のフィルタ係数ｆは主フィルタ５０９のフィルタ係数として設定される。適応フィルタ５１４は所定の周波数以下の周波数成分を含む基準信号ｒだけが通過するようフィルタ５１５のフィルタ係数ｆを調整するので、結果として調整されたフィルタ５１５は共振周波数成分の通過を抑制するフィルタとなる。
【００１１】
フィルタ５１５の係数ｆが主フィルタ５０９に設定されるので、速度制御系の機械共振を抑制することができる。
【００１２】
また、第２の従来技術として、非特許文献１に記載されたものが知られており、以下、第２の従来技術について図２０と図２１を用いて説明する。
【００１３】
図２０は第２の従来技術を説明する適応システムの構成例を示す図である。図２０において、６０１はノッチフィルタであり、６０２は（数１）の伝達関数Ｈｋ（ｚ）を持つ２次の全域通過フィルタである。
【００１４】
【数１】
【００１５】
ここで、ρは１近傍で１より小さい所定値である。
【００１６】
図２０より、ノッチフィルタ６０１は（数２）の伝達関数Ｈ（ｚ）を持つ。
【００１７】
【数２】
【００１８】
図２１は全域通過フィルタ６０２の構成を示すブロック図である。ａkを変化させることによりノッチフィルタ６０１の周波数特性を変化させる。適応動作は（数３）を用いて逐次更新する。
【００１９】
【数３】
【００２０】
ここで、μは十分小さい正数、Ｅ［］は集合平均である。また、ｕ（ｎ）は図２１に示す全域通過フィルタの中間変数である。ノッチフィルタ６０１への入力ｘ（ｎ）として正弦波信号が入力されると、（数３）の逐次更新式でａkが更新され、最終的にノッチフィルタ６０１のノッチ中心周波数は入力の正弦波信号の周波数に収束するので、入力信号の周波数成分を抑圧するノッチフィルタが自動生成される。この収束は理論的に証明されることが記述されている。
【００２１】
なお、フィルタ係数調整手段５１７の動作のさせ方はＬＭＳアルゴリズムやＲＬＳアルゴリズムなどが可能であり、例えば、非特許文献２などにて知られている。
【００２２】
【特許文献１】
特許第２５０４３０７号公報
【非特許文献１】
『２次全域通過フィルタを用いた縦続構成適応ノッチフィルタのアルゴリズムと収束性』（小林ら、電子情報通信学会論文誌Ａ、Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ａ Ｎｏ．５ ｐｐ．５９４−５９８ ２０００年５月）
【非特許文献２】
武部幹著”デジタルフィルタ設計”、東海大学出版、１９８６年
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１（第１の従来技術）では、以下のような課題がある。フィルタ５１５は一般的にＦＩＲフィルタを用い、ＩＩＲフィルタなどを用いることもできるとある。また、上記非特許文献２を参照すると、ＩＩＲフィルタを用いる場合、必ずしも適応動作が収束しないことが指摘されている。また、ＦＩＲフィルタを用いる場合、抑制可能な周波数の範囲が限定されるかフィルタ次数を上げる必要がある。例えば、比較的低次である４次のＦＩＲフィルタを考える。すなわちフィルタの伝達関数Ｈf（ｚ）が（数４）で与えられるとする。
【００２４】
【数４】
【００２５】
ここで、ａi（ｉ＝０〜３）はフィルタ係数を示す。
【００２６】
フィルタの制御周波数をｆｓとし、全周波数領域でゲイン特性が０ｄＢ以下かつ、低周波数領域でのゲイン特性が０ｄＢとなる条件のもと、フィルタ係数を変化させると、抑制周波数のうち最も低い周波数はｆｓ／６からｆｓ／２までの間しか設定できない。抑圧したい周波数がこの範囲にあるとは限らず、適用可能な制御対象が限定されることになる。上記条件を満たさないと、制御帯域のゲインが下がり応答性が低下する、あるいは高周波数領域でのゲインが上がって新たな発振の原因となる可能性がある。また、適用範囲を広げようとすると次数を挙げる必要があり、この場合は計算量が増えてしまう。
【００２７】
また、非特許文献２（第２の従来の技術）では、２次のＩＩＲ型ノッチフィルタを用いるので対応周波数範囲が限定されない。また、適応動作の収束も保証されている。しかしながら、ノッチ中心周波数が低いほどノッチ幅が広くなるノッチフィルタ構造である。ノッチ幅が広いほど位相が回る周波数範囲が広くなるので、制御対象を含めた位相特性が悪化する可能性がある。
【００２８】
本発明は上記課題を解決するものであり、機械系の共振を抑制し安定した高速応答を実現できる電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る電動機の制御装置は、
電動機の検出速度もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出速度を速度指令値に追従させるか、または電動機の検出位置もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出位置を位置指令値に追従させる位置／速度制御手段、
を有する電動機の制御装置であって、
速度制御系内または位置制御系内のいずれかに配置され、フィルタ係数変更可能な第１のノッチフィルタと、
前記検出速度もしくは前記検出位置に含まれる所定周波数以上の成分または所定周波数帯域の成分を出力するフィルタ手段と、
フィルタ係数変更可能な第２のノッチフィルタと、
前記第２のノッチフィルタの周波数位相特性に対し、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相、または前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では逆位相かつ高い周波数領域では同位相、の周波数位相特性を有する方向フィルタと、
前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力との積に応じて、前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数を逐次修正し、当該修正された前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数、および前記フィルタ手段の出力、のうち少なくとも一方に応じて前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正するノッチフィルタ係数修正手段と、
を具備する。
【００３０】
上記のように構成された電動機の制御装置によれば、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタを自動生成できるので、機械系の共振を抑制し安定した高速応答を実現できる。この自動生成におきて、対応できる振動周波数範囲は広く、またノッチフィルタのノッチ中心周波数の振動周波数へ収束が保証される。
【００３１】
他の観点の発明における電動機の制御装置は、
電動機の検出速度もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出速度を速度指令値に追従させるか、または電動機の検出位置もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出位置を位置指令値に追従させる位置／速度制御手段、
を有する電動機の制御装置であって、
速度制御系内または位置制御系内のいずれかに配置され、フィルタ係数変更可能な第１のノッチフィルタと、
前記検出速度もしくは前記検出位置に含まれる所定周波数以上の成分または所定周波数帯域の成分を出力するフィルタ手段と、
フィルタ係数変更可能な第２のノッチフィルタと、
前記第２のノッチフィルタの周波数位相特性に対し、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相、または前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では逆位相かつ高い周波数領域では同位相、の周波数位相特性を有する方向フィルタと、
フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力の符号との積に応じて、前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数を逐次修正し、当該修正された前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数、および前記フィルタ手段の出力、のうち少なくとも一方に応じて前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正するノッチフィルタ係数修正手段と、
を具備する。
【００３２】
上記のように構成された電動機の制御装置は、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタを自動生成できるので、機械系の共振を抑制し安定した高速応答を実現できる。この自動生成におきて、対応できる振動周波数範囲は広く、またノッチフィルタのノッチ中心周波数の振動周波数へ収束が保証される。
【００３３】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、
前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力との積、または、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力の符号との積に、
所定値および現時点の前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数の指数関数演算値の両方を乗じた量を、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数の修正量とすることを特徴とする。
【００３４】
上記のように構成された電動機の制御装置によれば、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタの自動生成において、ノッチ周波数の修正が対数軸上で同じになるため、周波数によらず対数軸上で収束動作速度を一定にできる。
【００３５】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、
前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力との積、または、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力の符号との積に、所定値を乗じ、
前記乗算結果の積分値に予め与えられた初期値を加算し、
前記加算値の指数関数演算値を、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数とすることを特徴とする。
【００３６】
上記のように構成された電動機の制御装置によれば、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタの自動生成において、ノッチ周波数の修正が対数軸上で同じになるため、周波数によらず対数軸上で収束動作速度を一定にできる。
【００３７】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、前記第１のノッチフィルタのノッチ周波数におけるゲイン特性がマイナス無限大（−∞）でない所定値である。
【００３８】
上記のように構成された電動機の制御装置は、位相特性の変化幅の狭いノッチフィルタを速度制御系内または位置制御系内に持つため、速度制御特性または位置制御特性を悪化させず自動的に共振抑制ができる。
【００３９】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、
前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数および前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正において、ノッチ中心周波数のみが変化するよう修正し、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数を前記第１のノッチフィルタのノッチ中心周波数とし、
以下の２つの条件
（１）前記第２のノッチフィルタのノッチ周波数の変化が所定値以下である。
【００４０】
（２）前記フィルタ手段の出力の振幅が所定値以上である。
が同時に所定時間以上続いた場合のみ、前記第１のノッチフィルタのノッチ中心周波数におけるゲイン特性が一層制限されるよう前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正することを特徴とする。
【００４１】
上記のように構成された電動機の制御装置は、条件に応じて速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタのノッチ中心周波数におけるゲイン抑圧特性を自動的に変化させるので、振動を抑制できる。
【００４４】
上記のように構成された電動機の制御装置は、条件に応じて速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタのノッチ中心周波数付近におけるゲイン抑圧特性を自動的に変化させるので、振動を抑制できる。
【００４５】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、前記ノッチフィルタ係数修正手段が、速度指令値もしくは位置指令値が所定条件を満たす期間、前記第１のノッチフィルタおよび前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正を停止させる。
【００４６】
上記のように構成された電動機の制御装置は、速度指令に含まれる高調波成分の影響を無視し、適切なノッチフィルタ生成への収束動作を可能にする。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電動機の制御装置の好ましい実施形態について添付の図面を用いて説明する。
【００４８】
《実施の形態１》
図１は本発明に係る実施の形態１の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図１において、負荷２が電動機１によって駆動され、速度検出手段３から電動機１の検出速度ωｍが出力される。速度制御手段４は検出速度ωｍが速度指令値ω＊に追従するようトルク指令τ1＊を出力する。速度制御手段４の具体的動作としては、例えば、差分ω＊−ωｍの比例積分した結果をトルク指令τ1＊として出力する。トルク指令τ1＊は第１のノッチフィルタ５を通され新たなトルク指令τ2＊としてトルク制御手段６に出力する。そして、トルク制御手段６の出力によって電動機１は速度制御される。
【００４９】
また、ハイパスフィルタ７、第２のノッチフィルタ８、方向フィルタ９、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の動作によって、第１のノッチフィルタ５のフィルタ係数が与えられる。第１のノッチフィルタ５は、例えば、（数５）で示す伝達関数Ｈ1（ｓ）を持つ２次の再帰型ノッチフィルタとする。
【００５０】
【数５】
【００５１】
（数５）において、ωn1は第１のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数、ζ1は減衰定数である。
【００５２】
以下、第１のノッチフィルタ５のフィルタ係数の求め方の詳細を説明する。
【００５３】
所定のカットオフ周波数を持つハイパスフィルタ７には検出速度ωｍが入力され、検出速度ωｍに含まれるカットオフ周波数以上の振動成分ｘが出力される。
【００５４】
第２のノッチフィルタ８と方向フィルタ９には振動成分ｘが入力され、それぞれフィルタリング処理結果ｅ1とｅ2を出力する。第２のノッチフィルタ８の特性としては、ノッチ幅は所定の値が予め与えられ、ノッチ中心周波数における深さは−∞（マイナス無限大）とする。例えば、（数６）で示す伝達関数H2（ｓ）を持つ２次の再帰型ノッチフィルタとする。
【００５５】
【数６】
【００５６】
ここで、ωn2は第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数であり、ζ2は減衰定数である。図２は伝達関数Ｈ2（ｓ）の周波数特性を示す図である。図２から分かるようにノッチ中心周波数ωn2の成分が抑圧される特性を持ち、そのゲイン特性は−∞である。入力である振動成分ｘの振動周波数と第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数ωn2が異なる場合は入力の振幅を抑制せず、一致する場合は振幅を抑制するので、第２のノッチフィルタ８の出力の振幅は、入力である振動成分ｘの振動周波数と第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数ωn2のずれの程度を示すと言える。
【００５７】
方向フィルタ９は、第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωn2より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つフィルタであり、例えば（数７）で示す伝達関数Ｈg（ｓ）を持つ２次のフィルタである。
【００５８】
【数７】
【００５９】
図３は伝達関数Ｈg（ｓ）の周波数特性を示す図である。図２の伝達関数Ｈ2（ｓ）の周波数特性と比較して分かるように、ノッチ中心周波数ωn2より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の周波数位相特性を持つ。
【００６０】
図４は第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の構成例を示す図である。方向フィルタ９の出力ｅ2が入力され、符号出力手段１０１によってｅ2の符号ｇ2が出力される。乗算器１０２では、ｇ2と第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1が掛けあわされ第１の積分器１０３に乗算結果ｑ1が入力される。変換手段１０４では第１の積分器１０３の出力である積分値ｑ2をノッチ中心周波数ωn＊に変換する。変換は、例えば（数８）で示す指数関数を用いて変換される。
【００６１】
【数８】
【００６２】
ここで、ｑ0は予め設定された第１の積分器１０３の積分初期値、Ａは負の所定値である。
【００６３】
図５は第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の各データの時間変化を示す図である。図５において、（ａ）から（ｆ）はそれぞれ、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０への入力である第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０への入力である方向フィルタ９の出力ｅ2、符号出力手段１０１の出力ｇ2、乗算器１０２の出力ｑ1、第１の積分器１０３の出力ｑ2、変換手段１０４の出力ωn＊の時間変化、を示す。
【００６４】
検出速度ωｍに含まれる振動成分ｘの振動周波数と、第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数が異なる場合、第２のノッチフィルタ８は振動成分ｘを十分抑圧できないため、振動成分ｘがほぼそのまま出力ｅ1となる（図５（ａ））。今、振動成分ｘの振動周波数が第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数ωn2より低いとする。前述の通り、方向フィルタ９は、第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωnより低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つフィルタであるので、方向フィルタ９の出力ｅ2は第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1と同位相となる（図５（ｂ））。符号出力手段１０１によってｅ2の符号ｇ2が出力される（図５（ｃ））。乗算器１０２はｅ1とｇ2の積ｑ1を演算する。第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1と方向フィルタ９の出力ｅ2が同位相であるので乗算器１０２の出力ｑ1は非負となる（図５（ｄ））。第１の積分器１０３は乗算器１０２の出力ｑ1を積分する。ｑ1が非負であるので積分値ｑ2は増加していく（図５（ｅ））。変換手段１０４で積分値q2と（数８）の変換式を用いてノッチ周波数ωn＊に変換される。（数８）において、Ａが負の所定値であるので積分値ｑ2の増加に伴ってノッチ中心周波数ωn＊は減少していく（図５（ｆ））。第１のフィルタ係数算出手段１０５は、第１のノッチフィルタ５と第２のノッチフィルタ８が、得られたノッチ中心周波数ωn＊を持つようフィルタ係数を設定する。すなわち、ωn＊＝ωn1＝ωn2とする。また、方向フィルタ９が第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωn2より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つようフィルタ係数を設定する。
【００６５】
ノッチ中心周波数ωn＊が下がり、やがて振動成分ｘの振動周波数と一致する。この時、第２のノッチフィルタ８は、その特性から振動周波数成分を抑圧するため出力ｅ1の振幅は０になり、第１の積分器１０３の出力ｑ2は変化しなくなる。
【００６６】
逆に振動成分ｘの振動周波数が第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数より高い場合を考えると、前述の通り、方向フィルタ９は、第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωn2より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つフィルタであるので、方向フィルタ９の出力ｅ2は第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1と逆位相になる。この場合、乗算器１０２の出力は非正になるため、（数８）より積分値ｑ2は減少していく。これはノッチ中心周波数ωn＊が上がっていくことを意味する。ノッチ中心周波数ωn＊が上がり、やがて振動成分ｘの振動周波数と一致すると、第２のノッチフィルタ８は、その特性から振動周波数成分を抑圧するため出力ｅ1の振幅は０になり、第１の積分器１０３の出力ｑ2は変化しなくなる。
【００６７】
従って、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０は、ノッチ中心周波数ωn＊と検出速度に含まれる振動成分ｘの振動周波数が一致するよう動作することになる。
【００６８】
以上のように、本実施の形態１によれば、方向フィルタ９が第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωn＊より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つので、ノッチフィルタ中心周波数ωn＊が必ず検出速度ωｍに含まれる振動成分ｘの振動周波数に収束する。速度制御系内に配置された第１のノッチフィルタ５のノッチ中心周波数ωn1も振動成分ｘの振動周波数に修正されるため、結果として自動的に共振抑制ができる。そして、速度制御手段４のゲインを上げて速度制御系の高速応答化を図ることができる。
【００６９】
また、本実施の形態１ではノッチフィルタとして２次の再帰型ノッチフィルタを用いているので、低い次数で急峻なノッチフィルタが作成でき計算量が少なくて済み、また、幅広い振動周波数に対応した適応動作が可能である。
【００７０】
また、本実施の形態１では方向フィルタの出力の符号を用いることによって、方向フィルタの周波数位相特性のみを使用している。これは、方向フィルタ９が図３に示すように周波数によってゲイン特性が異なる場合でも、乗算器１０２の出力ｑ1の振幅が、振動成分ｘの振動周波数とノッチ中心周波数ωn＊とのずれを表す第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1の振幅のみに依存するようにするためである。結果として、ノッチ中心周波数に対し振動周波数が高い場合も低い場合も同じ感度で適応動作させることが可能となる。
【００７１】
また、本実施の形態１では、変換手段１０４が積分器１０３の出力ｑ2をノッチ中心周波数ωn＊に変換するにあたって、（数８）に示すような指数関数を用いて変換している。これにより、第１の積分器１０３への入力ｑ１の大きさが同じであれば、ノッチ周波数ωn＊の修正が対数軸上で同じになるため、周波数によらず対数軸上で収束動作速度を一定にできる。
【００７２】
《実施の形態２》
図６は本発明に係る実施の形態２の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図６において、上述した実施の形態１のシステム構成を示す図１と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。
【００７３】
図６において、図１と比較すると、第１のノッチフィルタ５の代わりに第３のノッチフィルタ１１が設けられている。以下、第３のノッチフィルタ１１について詳細を説明する。第１のノッチフィルタ係数修正手段１０は第１のノッチフィルタ５の代わりに第３のノッチフィルタ１１の係数を修正する。
【００７４】
上述の第１のノッチフィルタ５は、（数５）に示したようにノッチ中心周波数ωn1におけるゲイン特性が−∞であるため、位相特性の変化は−９０°から９０となる。しかしながら、第１のノッチフィルタ５は速度制御系内に配置されるため、速度制御系の位相遅れを与え、速度制御特性が悪化する場合がある。そこで、本実施の形態における第３のノッチフィルタ１１は、例えば（数９）で示す伝達関数Ｈ3（ｓ）を持つ２次の再帰型ノッチフィルタとする。
【００７５】
【数９】
【００７６】
ここで、ωn3は第３のノッチフィルタ１１のノッチ中心周波数、ζ3は減衰定数、ｄ3は深さ係数である。なお、０＜ｄ3＜１である。例えば、（数９）において深さ係数ｄ3＝０．１とした場合の伝達関数Ｈ3（ｓ）の周波数特性を図７に示す。位相特性としては−５５°から５５°までしか変化しない。従って、図６に示す速度制御系の位相特性を必要以上に悪化させない。
【００７７】
以上のように、本実施の形態２によれば、速度制御系内に配置されるノッチフィルタとして、位相特性の変化に幅の狭いノッチフィルタを用いるため、速度制御特性を悪化させず自動的に共振抑制ができる。そして、速度制御手段４のゲインを上げて速度制御系の高速応答化を図ることができる。
【００７８】
《実施の形態３》
図８は本発明に係る実施の形態３の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図３において、上述した実施の形態２のシステム構成を示す図６と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。
【００７９】
図８において、図６と比較すると、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の代わりに第２のノッチフィルタ係数修正手段１２が設けられている。第３のノッチフィルタ１１のゲイン特性は前述の図７で示されるが、この第３のノッチフィルタ１１では、電動機１および電動機１によって駆動される負荷２から成る制御対象が有する共振成分のピークを十分に抑えきれない場合がある。この場合としては、予め与えられた深さ係数ｄ3によって決まるノッチ中心周波数におけるゲイン抑圧特性が不十分であることが考えられる。この際には、深さ係数ｄ3を小さくすることによってノッチ中心周波数におけるゲイン抑圧特性をさらに向上させれば共振を十分に抑えることが可能となる。以下、本実施形態における第２のノッチフィルタ係数修正手段１２について詳細を説明する。
【００８０】
図９は第２のノッチフィルタ係数修正手段１２の構成を示す図である。図９において、上述した第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の構成を示す図４と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。図９において、図４と比較すると、第１のフィルタ係数算出手段１０５の代わりに第２のフィルタ係数設定手段１２５が設けられている。以下、第２のフィルタ係数設定手段１２５について詳細を説明する。
【００８１】
第２のフィルタ係数算出手段１２５には、変換手段１０４の出力であるノッチ中心周波数ωn＊、ハイパスフィルタの出力である振動成分ｘ、乗算器１０２の出力であるｑ1が入力される。
【００８２】
図１０は第２のノッチフィルタ係数修正手段１２の各データの時間変化を示す図である。図１０において、（ａ）から（ｅ）はそれぞれ、第２のノッチフィルタ係数修正手段１２への入力である振動成分ｘ、第２のノッチフィルタ係数修正手段１２への入力である第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1、乗算器１０２の出力ｑ1、変換手段１０４の出力ωn＊、第３のノッチフィルタ１１の深さ係数ｄ3の時間変化、を示す。
【００８３】
ノッチ中心周波数ωn＊が振動成分ｘの振動周波数に収束すると、第２のノッチフィルタ８の出力はその特性から０になる（図１０（ｂ）の時刻ｔ1）。しかし、速度制御系内に配置された第３のノッチフィルタ１１の特性では、電動機１および電動機１によって駆動される負荷２から成る制御対象が有する共振成分のピークを十分抑えられないために振動成分ｘが残る（図１０（ａ）の時刻ｔ1直後）。このような状態がどうかの判断は、以下の２つの条件が同時に成り立つ時とすることができる。
【００８４】
（１）ノッチ中心周波数ωn＊の変化量が所定値以下である。
【００８５】
（２）振動成分ｘの振幅が所定値以上である。
【００８６】
（１）についてはノッチ中心周波数ωn＊の変化を与える乗算器１０２の出力ｑ1の大きさで判断できる。また、（２）については図１０（ａ）に示すように所定値ｈを予め設定しておき、振動成分ｘの振幅と比較することで可能である。
【００８７】
上記（１）と（２）が両立すると、第３のノッチフィルタ１１の深さ係数ｄ3を小さくすることにより、第３のノッチフィルタ１１のノッチ中心周波数ωn3における抑圧特性を向上させる。やがて十分な抑圧特性を有するようになると、振動成分ｘは抑圧され、振幅が所定値ｈ以下になるので上記条件（２）が成り立たず、第３のノッチフィルタ１１の深さ係数ｄ3の修正が停止する。
【００８８】
以上のように、本実施の形態３によれば、第２のノッチフィルタ係数修正手段は、ノッチ中心周波数ωn＊の収束後、振動成分の振幅が所定値以上の場合には、第３のノッチフィルタのノッチ中心周波数ωn3における抑圧特性を向上させるので、自動的に共振抑制ができる。そして、速度制御手段４のゲインを上げて速度制御系の高速応答化を図ることができる。
【００８９】
なお、本実施の形態３では第３のノッチフィルタ１１の深さ係数ｄ3を小さくすることによってノッチ中心周波数ωn3における抑圧特性を高め共振抑制を行ったが、減衰定数ζ3を大きくすることによってノッチ中心周波数ωn3付近の抑圧特性を向上させ、共振抑制してもよい。
【００９０】
《実施の形態４》
図１１は本発明に係る実施の形態４の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図４において、上述した実施の形態１のシステム構成を示す図１と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。
【００９１】
図１１において、図１と比較すると、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の代わりに第３のノッチフィルタ係数修正手段１３が設けられている。以下、第３のノッチフィルタ係数修正手段１３について詳細を説明する。
【００９２】
図１２は第３のノッチフィルタ係数修正手段１３の構成を示す図である。図１２において、上述した第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の構成を示す図４と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。図１２において、図４と比較すると、第１の積分器１０３の代わりに第２の積分器１３３が設けられている。また、新たに指令加速度変化検出手段１３６が設けられている。指令加速度変化検出手段１３６には速度指令値ω＊が入力される。以下、指令加速度変化検出手段１３６および第２の積分器１３３の動作について詳細を説明する。
【００９３】
指令加速度変化検出手段１３６には速度指令値ω＊が入力され、速度指令値ω＊の加速度の変化を算出する。例えば、速度指令値ω＊の時間差分のさらに時間差分をとることによって加速度の変化が算出できる。第２の積分器１３３に指令加速度変化検出手段１３６の出力値が入力され、入力値が所定値以上であることを検知すると積分動作を一時停止する。この動作の効果は図１３を用いて以下のように説明される。
【００９４】
図１３（ａ）に示される速度指令値ω＊に対し、電動機１がほぼ速度指令値ω＊に追従できているとすると、検出速度ωｍは速度指令値ω＊波形とほぼ同じ波形となる（図１３（ｂ））。この時、検出速度ωｍをハイパスフィルタ７に通過させた結果ｘが図１３（ｃ）である。電動機１および電動機１によって駆動される負荷２からなる制御対象が持つ共振ピークに起因する振動がなくても、加速度変化点に含まれる高調波成分が出力されてしまう。実施の形態１においては図１３（ｃ）のような値もノッチ中心周波数ωn＊を修正するためのデータとしてしまうため、適切なノッチ中心周波数へと修正できない。従って、速度指令値ω＊に含まれる高調波成分に起因するものは無視する必要がある。
【００９５】
図１３（ｄ）は速度指令値ω＊の加速度の変化を示す図である。図１３（ｄ）において大きな値を示す期間と、図１３（ｃ）に示されるハイパスフィルタ７の出力ｘが大きな振幅を生じる期間と一致している。従って、速度指令ω＊の加速度の変化が所定値以上である期間は積分動作を一時停止することにより、速度指令ω＊に含まれる高調波成分の影響を無視し、適切なノッチ中心周波数への収束動作を可能にする。
【００９６】
なお、第２の積分器１３３は、速度指令が非０である期間および速度指令終了時点からの所定時間は積分動作を一時停止するとしてもよい。この動作の効果は図１４を用いて以下のように説明される。
【００９７】
図１４（ａ）のように、図１３（ａ）と同じ速度指令値にノイズが乗っている速度指令値ω＊の場合を考える。図１４（ａ）に示される速度指令値ω＊に対し、電動機１がほぼ速度指令値ω＊に追従できているとすると、検出速度ωｍは速度指令値ω＊波形とほぼ同じ波形となる（図１４（ｂ））。この時、検出速度ωｍをハイパスフィルタ７に通過させた結果ｘが図１４（ｃ）である。電動機１および電動機１によって駆動される負荷２からなる制御対象が持つ共振ピークに起因する振動が無くても、加速度変化点に含まれる高調波成分が出力されてしまう。実施の形態１においては、図１４（ｃ）のような値もノッチ中心周波数ω＊を修正するためのデータとしてしまうため、適切なノッチ中心周波数へと修正できない。従って、速度指令値ω＊に含まれる高調波成分に起因するものは無視する必要がある。
【００９８】
図１４（ｄ）は速度指令値ω＊の加速度の変化を示す図である。ノイズの影響でハイパスフィルタ７の出力ｘ（図１４（ｃ））との相関をとるのが難しい場合、速度指令が非０である期間内および速度指令終了時点からの所定時間内に、ハイパスフィルタ７の出力ｘが大きな振幅を生じる期間がある。従って、速度指令が非０である期間および速度指令終了時点からの所定時間は積分動作を一時停止することにより、速度指令ω＊に含まれる高調波成分の影響を無視し、適切なノッチ中心周波数への収束動作を可能にする。
【００９９】
以上、実施の形態１から４について説明したが、実施の形態１から４において、第１のノッチフィルタ、第２のノッチフィルタおよび方向フィルタはデジタルフィルタで構成してもよい。
【０１００】
また、実施の形態１から４において、第１のノッチフィルタ、第２のノッチフィルタの次数は２次に限定されるものではなく、３次以上の再帰型フィルタとしてもよい。
【０１０１】
また、実施の形態１から４においては、方向フィルタの特性は、第２のノッチフィルタの周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つとしたが、これとは逆に、ノッチ中心周波数より低い周波数領域では逆位相かつ高い周波数領域では同位相の特性を持つとしても本実施形態と同等の作用効果が発揮される。
【０１０２】
また、実施の形態１から４においては、速度制御システムの例をもって説明したが、速度制御に変えて位置制御としたシステム構成に置き換えても同様の作用効果が発揮されるのは言うまでもない。
【０１０３】
また、実施の形態１から４においては、振動成分の検出に電動機の検出速度を用いたが、電動機によって駆動される負荷の速度、位置制御システムであれば電動機あるいは電動機によって駆動される負荷の検出位置を用いてもよい。
【０１０４】
また、実施の形態１から４においては、振動成分を抽出するためにハイパスフィルタを用いたが、振動成分が検出されればよいので、低域側カットオフ周波数がハイパスフィルタと同じで、高域側カットオフ周波数がノッチフィルタの適用周波数範囲の最高周波数より高く設定されたバンドパスフィルタとしても構わない。
【０１０５】
また、実施の形態１から４においては、ノッチフィルタ係数修正手段の構成要素である変換手段は（数８）に示す数式を用いてノッチ中心周波数ωn＊を算出したが、予め積分値ｑ2とノッチ中心周波数ωn＊とのマップを持ち、これを用いて算出してもよい。
【０１０６】
また、実施の形態１から４において、ノッチフィルタ係数修正手段は、電動機および電動機によって駆動される負荷を含む制御対象に発生する振動成分の振動周波数に一致するようノッチ中心周波数を修正できるので、上述した実施の形態１から４の構成に限られることなく、速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタのフィルタ係数の修正の代わりに、速度制御手段の前段に配置され速度指令値に含まれる前記振動周波数の成分を抑制するノッチフィルタのフィルタ係数の修正や、あるいは位置制御手段の前段に配置され位置指令値に含まれる前記振動周波数の成分を抑制するノッチフィルタのフィルタ係数の修正をするとしても同様の作用効果が得られる。また、フィルタ係数を修正するフィルタを、速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタと、速度指令値もしくは位置指令値に含まれる振動周波数の成分を抑制するノッチフィルタとで、ノッチ中心周波数に応じて切り替えるとしても構わない。
【０１０７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したところから明らかなように、本発明の電動機の制御装置は、フィルタ手段の出力を第２のノッチフィルタに通過させた出力と、フィルタ手段の出力を方向フィルタに通過させた出力との積、もしくはフィルタ手段の出力を方向フィルタに通過させた出力の符号との積に応じて、第２のノッチフィルタのフィルタ係数を逐次修正し、当該修正された第２のノッチフィルタのフィルタ係数、およびフィルタ手段の出力、のうち少なくとも一方に応じて第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正するノッチフィルタ係数修正手段を有することにより、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタを自動生成できるので、機械共振に伴う振動を抑制して安定した高速応答を実現できる電動機の制御装置を提供できる。この自動生成においては、対応できる振動周波数範囲は広く、またノッチフィルタのノッチ中心周波数の振動周波数へ収束が保証される。
【０１０８】
また、本発明の電動機の制御装置によれば、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタの自動生成において、ノッチ周波数の修正が対数軸上で同じになるため、周波数によらず対数軸上で収束動作速度を一定にすることが可能となる。
【０１０９】
更に、本発明の電動機の制御装置は、第１のノッチフィルタのノッチ周波数におけるゲイン特性が−∞でない所定値であるとすることにより、位相特性の変化幅の狭いノッチフィルタを速度制御系内または位置制御系内に持つため、速度制御特性または位置制御特性を悪化させず自動的に共振抑制ができる。
【０１１０】
また、本発明の電動機の制御装置は、条件に応じて速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタのノッチ中心周波数もしくはノッチ周波数付近におけるゲイン抑圧特性を自動的に変化させるので、振動を抑制できる。
【０１１１】
更に、本発明の電動機の制御装置は、前記ノッチフィルタ係数修正手段が、速度指令値もしくは位置指令値が所定条件を満たす期間、前記第１のノッチフィルタおよび前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正を停止させることにより、速度指令に含まれる高調波成分の影響を無視し、適切なノッチフィルタ生成への収束動作を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における電動機の制御装置の構成を示すブロック図
【図２】第２のノッチフィルタの周波数特性の一例を示す図
【図３】方向フィルタの周波数特性の一例を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における第１のノッチフィルタ係数修正手段の構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態１における第１のノッチフィルタ係数修正手段における入力信号や内部信号の時間変化示す図
【図６】本発明の実施の形態２における電動機の制御装置の構成を示すブロック図
【図７】第１のノッチフィルタの周波数特性の一例を示す図
【図８】本発明の実施の形態３における電動機の制御装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態３における第２のノッチフィルタ係数修正手段の構成を示すブロック図
【図１０】本発明の実施の形態３における第２のノッチフィルタ係数修正手段における入力信号や内部信号の時間変化示す図
【図１１】本発明の実施の形態４における電動機の制御装置の構成を示すブロック図
【図１２】本発明の実施の形態４における第３のノッチフィルタ係数修正手段の構成を示すブロック図
【図１３】本発明の実施の形態４における速度指令値、検出速度、検出速度に含まれる振動成分、速度指令値の加速度の変化、の時間変化の第１の例を示す図
【図１４】本発明の実施の形態４における速度指令値、検出速度、検出速度に含まれる振動成分、速度指令値の加速度の変化、の時間変化の第２の例を示す図
【図１５】第１の従来技術に係る電動機の制御装置の制御ブロック図
【図１６】第１の従来技術に係る電動機の制御装置における、τ１＊からωｒまでの伝達関数の周波数特性を示す図
【図１７】周波数ｆｎ付近の成分通過を制限する主フィルタの伝達関数の周波数特性を示す図
【図１８】適応動作後の主フィルタの通過制限周波数ｆｎが共振周波数ｆｐに一致巣するようなフィルタ係数ｆが設定された場合の、τ１＊からωｒまでの伝達関数の周波数特性を示す図
【図１９】適応フィルタ５１０の構成を示すブロック図
【図２０】第２の従来技術に係る適応システムの構成例を示す図
【図２１】全域通過フィルタ６０２の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ 電動機
２ 負荷
３ 速度検出手段
４ 速度制御手段
５ 第１のノッチフィルタ
６ トルク制御手段
７ ハイパスフィルタ
８ 第２のノッチフィルタ
９ 方向フィルタ
１０ 第１のノッチフィルタ係数修正手段
１１ 第３のノッチフィルタ
１２ 第２のノッチフィルタ係数修正手段
１３ 第３のノッチフィルタ係数修正手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機または電動機で駆動される負荷の、速度または位置の制御を行う電動機の制御装置に関するもので、特に電動機を駆動する場合に発生する機械共振を抑制する電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動機を駆動する場合に発生する機械共振を抑制する電動機の制御装置の第１の従来技術として、特許文献１に記載されたものが知られている。以下、この第１の従来技術について図１５から図１９を用いて説明する。
【０００３】
図１５は第１の従来技術の電動機の制御装置の制御ブロック図を示したものである。図１５において５０１は電動機、５０２は電動機５０１の速度ωrを検出する速度検出器、５０３は連結器、５０４は連結器を介して駆動される負荷、５０５は速度指令値ωr *と速度検出器５０２によって検出された電動機５０１の速度検出値ωrとを比較してその偏差値を出力する減算手段、５０６は上記偏差値ωr *−ωrを演算増幅してトルク指令値τ1 *として出力する演算増幅手段、５０９はトルク指令値τ1 *にフィルタ係数ｆに応じたフィルタリング処理を行い、新たなトルク指令τ2 *を出力する主フィルタ、５０８は新たなトルク指令τ2 *に基づいて電動機５０１を制御するトルク制御手段である。
【０００４】
また、５１０はフィルタ係数ｆを設定して主フィルタ５０９へ出力するフィルタ係数設定手段であり、ハイパスフィルタ５１１、基準信号発生手段５１２、加算手段５１３、適応フィルタ５１４から構成される。
【０００５】
次に動作について説明する。速度指令値ωr *と検出速度ωrが減算手段５０５に入力され、演算増幅手段５０６では減算手段５０５からの入力である偏差値ωr *−ωrが零になるよう演算増幅を行ってトルク指令τ1 *を出力する。主フィルタ５０９はフィルタ係数設定手段５１０からの入力であるフィルタ係数ｆに基づいたフィルタ特性を有しており、トルク指令値τ1 *のフィルタリング処理を行い新たなトルク指令τ2 *をトルク制御手段５０８へ出力する。このトルク制御手段５０８の出力により電動機５０１は速度指令値ωr *に追従するよう速度制御される。
【０００６】
図１６はτ2 *からωrの伝達関数を表すボード線図であり、周波数ｆpに共振周波数を持つ。
【０００７】
図１７は周波数がｆc付近の成分通過を制限する主フィルタの伝達関数を表すボード線図の一例である。
【０００８】
今、フィルタ係数設定手段５１０が動作し、適応後の主フィルタ５０９の通過制限周波数ｆcが共振周波数ｆpに一致するようなフィルタ係数ｆが設定されると、τ*1からωrの伝達関数を表すボード線図は図１８のようになり、共振周波数ｆpでのゲインが抑制され、ゲインピークのない特性となる。その結果、演算増幅手段５０６のゲインを上げて速度制御系の高速応答化を図ることができる。
【０００９】
次に、フィルタ係数設定手段５１０の動作について説明する。検出速度ωrがフィルタ係数設定手段５１０に入力されると、ハイパスフィルタ５１１に通され機械系の共振周波数成分ｄが出力される。一方、所定の周波数以下の周波数成分を含む基準信号ｒが基準信号発生手段５１２から出力される。そして加算手段５１３によって基準信号ｒと機械系共振周波数成分ｄとが加算される。この加算値ｘと基準信号ｒが適応フィルタ５１４に入力される。
【００１０】
図１９を用いて適応フィルタ５１４の動作を説明する。図１９は適応フィルタ５１４の構成を示すブロック図で、フィルタ５１５、減算手段５１６およびフィルタ係数調整手段５１７から構成される。加算値ｘが入力されるとフィルタ５１５でフィルタ処理をし信号ｙを出力する。フィルタ５１５の出力ｙを基準信号ｒに近づけるため減算手段５１６が出力する基準信号ｒと出力ｙの偏差ｅが減少するようフィルタ係数調整手段５１７はフィルタ５１５のフィルタ係数ｆを調整する。この調整結果のフィルタ係数ｆは主フィルタ５０９のフィルタ係数として設定される。適応フィルタ５１４は所定の周波数以下の周波数成分を含む基準信号ｒだけが通過するようフィルタ５１５のフィルタ係数ｆを調整するので、結果として調整されたフィルタ５１５は共振周波数成分の通過を抑制するフィルタとなる。
【００１１】
フィルタ５１５の係数ｆが主フィルタ５０９に設定されるので、速度制御系の機械共振を抑制することができる。
【００１２】
また、第２の従来技術として、非特許文献１に記載されたものが知られており、以下、第２の従来技術について図２０と図２１を用いて説明する。
【００１３】
図２０は第２の従来技術を説明する適応システムの構成例を示す図である。図２０において、６０１はノッチフィルタであり、６０２は（数１）の伝達関数Ｈｋ（ｚ）を持つ２次の全域通過フィルタである。
【００１４】
【数１】
【００１５】
ここで、ρは１近傍で１より小さい所定値である。
【００１６】
図２０より、ノッチフィルタ６０１は（数２）の伝達関数Ｈ（ｚ）を持つ。
【００１７】
【数２】
【００１８】
図２１は全域通過フィルタ６０２の構成を示すブロック図である。ａkを変化させることによりノッチフィルタ６０１の周波数特性を変化させる。適応動作は（数３）を用いて逐次更新する。
【００１９】
【数３】
【００２０】
ここで、μは十分小さい正数、Ｅ［］は集合平均である。また、ｕ（ｎ）は図２１に示す全域通過フィルタの中間変数である。ノッチフィルタ６０１への入力ｘ（ｎ）として正弦波信号が入力されると、（数３）の逐次更新式でａkが更新され、最終的にノッチフィルタ６０１のノッチ中心周波数は入力の正弦波信号の周波数に収束するので、入力信号の周波数成分を抑圧するノッチフィルタが自動生成される。この収束は理論的に証明されることが記述されている。
【００２１】
なお、フィルタ係数調整手段５１７の動作のさせ方はＬＭＳアルゴリズムやＲＬＳアルゴリズムなどが可能であり、例えば、非特許文献２などにて知られている。
【００２２】
【特許文献１】
特許第２５０４３０７号公報
【非特許文献１】
『２次全域通過フィルタを用いた縦続構成適応ノッチフィルタのアルゴリズムと収束性』（小林ら、電子情報通信学会論文誌Ａ、Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ａ Ｎｏ．５ ｐｐ．５９４−５９８ ２０００年５月）
【非特許文献２】
武部幹著”デジタルフィルタ設計”、東海大学出版、１９８６年
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１（第１の従来技術）では、以下のような課題がある。フィルタ５１５は一般的にＦＩＲフィルタを用い、ＩＩＲフィルタなどを用いることもできるとある。また、上記非特許文献２を参照すると、ＩＩＲフィルタを用いる場合、必ずしも適応動作が収束しないことが指摘されている。また、ＦＩＲフィルタを用いる場合、抑制可能な周波数の範囲が限定されるかフィルタ次数を上げる必要がある。例えば、比較的低次である４次のＦＩＲフィルタを考える。すなわちフィルタの伝達関数Ｈf（ｚ）が（数４）で与えられるとする。
【００２４】
【数４】
【００２５】
ここで、ａi（ｉ＝０〜３）はフィルタ係数を示す。
【００２６】
フィルタの制御周波数をｆｓとし、全周波数領域でゲイン特性が０ｄＢ以下かつ、低周波数領域でのゲイン特性が０ｄＢとなる条件のもと、フィルタ係数を変化させると、抑制周波数のうち最も低い周波数はｆｓ／６からｆｓ／２までの間しか設定できない。抑圧したい周波数がこの範囲にあるとは限らず、適用可能な制御対象が限定されることになる。上記条件を満たさないと、制御帯域のゲインが下がり応答性が低下する、あるいは高周波数領域でのゲインが上がって新たな発振の原因となる可能性がある。また、適用範囲を広げようとすると次数を挙げる必要があり、この場合は計算量が増えてしまう。
【００２７】
また、非特許文献２（第２の従来の技術）では、２次のＩＩＲ型ノッチフィルタを用いるので対応周波数範囲が限定されない。また、適応動作の収束も保証されている。しかしながら、ノッチ中心周波数が低いほどノッチ幅が広くなるノッチフィルタ構造である。ノッチ幅が広いほど位相が回る周波数範囲が広くなるので、制御対象を含めた位相特性が悪化する可能性がある。
【００２８】
本発明は上記課題を解決するものであり、機械系の共振を抑制し安定した高速応答を実現できる電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る電動機の制御装置は、
電動機の検出速度もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出速度を速度指令値に追従させるか、または電動機の検出位置もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出位置を位置指令値に追従させる位置／速度制御手段、
を有する電動機の制御装置であって、
速度制御系内または位置制御系内のいずれかに配置され、フィルタ係数変更可能な第１のノッチフィルタと、
前記検出速度もしくは前記検出位置に含まれる所定周波数以上の成分または所定周波数帯域の成分を出力するフィルタ手段と、
フィルタ係数変更可能な第２のノッチフィルタと、
前記第２のノッチフィルタの周波数位相特性に対し、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相、または前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では逆位相かつ高い周波数領域では同位相、の周波数位相特性を有する方向フィルタと、
前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力との積に応じて、前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数を逐次修正し、当該修正された前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数、および前記フィルタ手段の出力、のうち少なくとも一方に応じて前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正するノッチフィルタ係数修正手段と、
を具備する。
【００３０】
上記のように構成された電動機の制御装置によれば、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタを自動生成できるので、機械系の共振を抑制し安定した高速応答を実現できる。この自動生成におきて、対応できる振動周波数範囲は広く、またノッチフィルタのノッチ中心周波数の振動周波数へ収束が保証される。
【００３１】
他の観点の発明における電動機の制御装置は、
電動機の検出速度もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出速度を速度指令値に追従させるか、または電動機の検出位置もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出位置を位置指令値に追従させる位置／速度制御手段、
を有する電動機の制御装置であって、
速度制御系内または位置制御系内のいずれかに配置され、フィルタ係数変更可能な第１のノッチフィルタと、
前記検出速度もしくは前記検出位置に含まれる所定周波数以上の成分または所定周波数帯域の成分を出力するフィルタ手段と、
フィルタ係数変更可能な第２のノッチフィルタと、
前記第２のノッチフィルタの周波数位相特性に対し、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相、または前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では逆位相かつ高い周波数領域では同位相、の周波数位相特性を有する方向フィルタと、
フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力の符号との積に応じて、前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数を逐次修正し、当該修正された前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数、および前記フィルタ手段の出力、のうち少なくとも一方に応じて前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正するノッチフィルタ係数修正手段と、
を具備する。
【００３２】
上記のように構成された電動機の制御装置は、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタを自動生成できるので、機械系の共振を抑制し安定した高速応答を実現できる。この自動生成におきて、対応できる振動周波数範囲は広く、またノッチフィルタのノッチ中心周波数の振動周波数へ収束が保証される。
【００３３】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、
前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力との積、または、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力の符号との積に、
所定値および現時点の前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数の指数関数演算値の両方を乗じた量を、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数の修正量とすることを特徴とする。
【００３４】
上記のように構成された電動機の制御装置によれば、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタの自動生成において、ノッチ周波数の修正が対数軸上で同じになるため、周波数によらず対数軸上で収束動作速度を一定にできる。
【００３５】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、
前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力との積、または、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力の符号との積に、所定値を乗じ、
前記乗算結果の積分値に予め与えられた初期値を加算し、
前記加算値の指数関数演算値を、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数とすることを特徴とする。
【００３６】
上記のように構成された電動機の制御装置によれば、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタの自動生成において、ノッチ周波数の修正が対数軸上で同じになるため、周波数によらず対数軸上で収束動作速度を一定にできる。
【００３７】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、前記第１のノッチフィルタのノッチ周波数におけるゲイン特性がマイナス無限大（−∞）でない所定値である。
【００３８】
上記のように構成された電動機の制御装置は、位相特性の変化幅の狭いノッチフィルタを速度制御系内または位置制御系内に持つため、速度制御特性または位置制御特性を悪化させず自動的に共振抑制ができる。
【００３９】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、
前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数および前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正において、ノッチ中心周波数のみが変化するよう修正し、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数を前記第１のノッチフィルタのノッチ中心周波数とし、
以下の２つの条件
（１）前記第２のノッチフィルタのノッチ周波数の変化が所定値以下である。
【００４０】
（２）前記フィルタ手段の出力の振幅が所定値以上である。
が同時に所定時間以上続いた場合のみ、前記第１のノッチフィルタのノッチ中心周波数におけるゲイン特性が一層制限されるよう前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正することを特徴とする。
【００４１】
上記のように構成された電動機の制御装置は、条件に応じて速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタのノッチ中心周波数におけるゲイン抑圧特性を自動的に変化させるので、振動を抑制できる。
【００４４】
上記のように構成された電動機の制御装置は、条件に応じて速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタのノッチ中心周波数付近におけるゲイン抑圧特性を自動的に変化させるので、振動を抑制できる。
【００４５】
本発明の他の観点の電動機の制御装置は、前記ノッチフィルタ係数修正手段が、速度指令値もしくは位置指令値が所定条件を満たす期間、前記第１のノッチフィルタおよび前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正を停止させる。
【００４６】
上記のように構成された電動機の制御装置は、速度指令に含まれる高調波成分の影響を無視し、適切なノッチフィルタ生成への収束動作を可能にする。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電動機の制御装置の好ましい実施形態について添付の図面を用いて説明する。
【００４８】
《実施の形態１》
図１は本発明に係る実施の形態１の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図１において、負荷２が電動機１によって駆動され、速度検出手段３から電動機１の検出速度ωｍが出力される。速度制御手段４は検出速度ωｍが速度指令値ω＊に追従するようトルク指令τ1＊を出力する。速度制御手段４の具体的動作としては、例えば、差分ω＊−ωｍの比例積分した結果をトルク指令τ1＊として出力する。トルク指令τ1＊は第１のノッチフィルタ５を通され新たなトルク指令τ2＊としてトルク制御手段６に出力する。そして、トルク制御手段６の出力によって電動機１は速度制御される。
【００４９】
また、ハイパスフィルタ７、第２のノッチフィルタ８、方向フィルタ９、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の動作によって、第１のノッチフィルタ５のフィルタ係数が与えられる。第１のノッチフィルタ５は、例えば、（数５）で示す伝達関数Ｈ1（ｓ）を持つ２次の再帰型ノッチフィルタとする。
【００５０】
【数５】
【００５１】
（数５）において、ωn1は第１のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数、ζ1は減衰定数である。
【００５２】
以下、第１のノッチフィルタ５のフィルタ係数の求め方の詳細を説明する。
【００５３】
所定のカットオフ周波数を持つハイパスフィルタ７には検出速度ωｍが入力され、検出速度ωｍに含まれるカットオフ周波数以上の振動成分ｘが出力される。
【００５４】
第２のノッチフィルタ８と方向フィルタ９には振動成分ｘが入力され、それぞれフィルタリング処理結果ｅ1とｅ2を出力する。第２のノッチフィルタ８の特性としては、ノッチ幅は所定の値が予め与えられ、ノッチ中心周波数における深さは−∞（マイナス無限大）とする。例えば、（数６）で示す伝達関数H2（ｓ）を持つ２次の再帰型ノッチフィルタとする。
【００５５】
【数６】
【００５６】
ここで、ωn2は第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数であり、ζ2は減衰定数である。図２は伝達関数Ｈ2（ｓ）の周波数特性を示す図である。図２から分かるようにノッチ中心周波数ωn2の成分が抑圧される特性を持ち、そのゲイン特性は−∞である。入力である振動成分ｘの振動周波数と第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数ωn2が異なる場合は入力の振幅を抑制せず、一致する場合は振幅を抑制するので、第２のノッチフィルタ８の出力の振幅は、入力である振動成分ｘの振動周波数と第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数ωn2のずれの程度を示すと言える。
【００５７】
方向フィルタ９は、第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωn2より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つフィルタであり、例えば（数７）で示す伝達関数Ｈg（ｓ）を持つ２次のフィルタである。
【００５８】
【数７】
【００５９】
図３は伝達関数Ｈg（ｓ）の周波数特性を示す図である。図２の伝達関数Ｈ2（ｓ）の周波数特性と比較して分かるように、ノッチ中心周波数ωn2より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の周波数位相特性を持つ。
【００６０】
図４は第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の構成例を示す図である。方向フィルタ９の出力ｅ2が入力され、符号出力手段１０１によってｅ2の符号ｇ2が出力される。乗算器１０２では、ｇ2と第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1が掛けあわされ第１の積分器１０３に乗算結果ｑ1が入力される。変換手段１０４では第１の積分器１０３の出力である積分値ｑ2をノッチ中心周波数ωn＊に変換する。変換は、例えば（数８）で示す指数関数を用いて変換される。
【００６１】
【数８】
【００６２】
ここで、ｑ0は予め設定された第１の積分器１０３の積分初期値、Ａは負の所定値である。
【００６３】
図５は第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の各データの時間変化を示す図である。図５において、（ａ）から（ｆ）はそれぞれ、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０への入力である第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０への入力である方向フィルタ９の出力ｅ2、符号出力手段１０１の出力ｇ2、乗算器１０２の出力ｑ1、第１の積分器１０３の出力ｑ2、変換手段１０４の出力ωn＊の時間変化、を示す。
【００６４】
検出速度ωｍに含まれる振動成分ｘの振動周波数と、第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数が異なる場合、第２のノッチフィルタ８は振動成分ｘを十分抑圧できないため、振動成分ｘがほぼそのまま出力ｅ1となる（図５（ａ））。今、振動成分ｘの振動周波数が第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数ωn2より低いとする。前述の通り、方向フィルタ９は、第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωnより低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つフィルタであるので、方向フィルタ９の出力ｅ2は第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1と同位相となる（図５（ｂ））。符号出力手段１０１によってｅ2の符号ｇ2が出力される（図５（ｃ））。乗算器１０２はｅ1とｇ2の積ｑ1を演算する。第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1と方向フィルタ９の出力ｅ2が同位相であるので乗算器１０２の出力ｑ1は非負となる（図５（ｄ））。第１の積分器１０３は乗算器１０２の出力ｑ1を積分する。ｑ1が非負であるので積分値ｑ2は増加していく（図５（ｅ））。変換手段１０４で積分値q2と（数８）の変換式を用いてノッチ周波数ωn＊に変換される。（数８）において、Ａが負の所定値であるので積分値ｑ2の増加に伴ってノッチ中心周波数ωn＊は減少していく（図５（ｆ））。第１のフィルタ係数算出手段１０５は、第１のノッチフィルタ５と第２のノッチフィルタ８が、得られたノッチ中心周波数ωn＊を持つようフィルタ係数を設定する。すなわち、ωn＊＝ωn1＝ωn2とする。また、方向フィルタ９が第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωn2より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つようフィルタ係数を設定する。
【００６５】
ノッチ中心周波数ωn＊が下がり、やがて振動成分ｘの振動周波数と一致する。この時、第２のノッチフィルタ８は、その特性から振動周波数成分を抑圧するため出力ｅ1の振幅は０になり、第１の積分器１０３の出力ｑ2は変化しなくなる。
【００６６】
逆に振動成分ｘの振動周波数が第２のノッチフィルタ８のノッチ中心周波数より高い場合を考えると、前述の通り、方向フィルタ９は、第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωn2より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つフィルタであるので、方向フィルタ９の出力ｅ2は第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1と逆位相になる。この場合、乗算器１０２の出力は非正になるため、（数８）より積分値ｑ2は減少していく。これはノッチ中心周波数ωn＊が上がっていくことを意味する。ノッチ中心周波数ωn＊が上がり、やがて振動成分ｘの振動周波数と一致すると、第２のノッチフィルタ８は、その特性から振動周波数成分を抑圧するため出力ｅ1の振幅は０になり、第１の積分器１０３の出力ｑ2は変化しなくなる。
【００６７】
従って、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０は、ノッチ中心周波数ωn＊と検出速度に含まれる振動成分ｘの振動周波数が一致するよう動作することになる。
【００６８】
以上のように、本実施の形態１によれば、方向フィルタ９が第２のノッチフィルタ８の周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数ωn＊より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つので、ノッチフィルタ中心周波数ωn＊が必ず検出速度ωｍに含まれる振動成分ｘの振動周波数に収束する。速度制御系内に配置された第１のノッチフィルタ５のノッチ中心周波数ωn1も振動成分ｘの振動周波数に修正されるため、結果として自動的に共振抑制ができる。そして、速度制御手段４のゲインを上げて速度制御系の高速応答化を図ることができる。
【００６９】
また、本実施の形態１ではノッチフィルタとして２次の再帰型ノッチフィルタを用いているので、低い次数で急峻なノッチフィルタが作成でき計算量が少なくて済み、また、幅広い振動周波数に対応した適応動作が可能である。
【００７０】
また、本実施の形態１では方向フィルタの出力の符号を用いることによって、方向フィルタの周波数位相特性のみを使用している。これは、方向フィルタ９が図３に示すように周波数によってゲイン特性が異なる場合でも、乗算器１０２の出力ｑ1の振幅が、振動成分ｘの振動周波数とノッチ中心周波数ωn＊とのずれを表す第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1の振幅のみに依存するようにするためである。結果として、ノッチ中心周波数に対し振動周波数が高い場合も低い場合も同じ感度で適応動作させることが可能となる。
【００７１】
また、本実施の形態１では、変換手段１０４が積分器１０３の出力ｑ2をノッチ中心周波数ωn＊に変換するにあたって、（数８）に示すような指数関数を用いて変換している。これにより、第１の積分器１０３への入力ｑ１の大きさが同じであれば、ノッチ周波数ωn＊の修正が対数軸上で同じになるため、周波数によらず対数軸上で収束動作速度を一定にできる。
【００７２】
《実施の形態２》
図６は本発明に係る実施の形態２の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図６において、上述した実施の形態１のシステム構成を示す図１と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。
【００７３】
図６において、図１と比較すると、第１のノッチフィルタ５の代わりに第３のノッチフィルタ１１が設けられている。以下、第３のノッチフィルタ１１について詳細を説明する。第１のノッチフィルタ係数修正手段１０は第１のノッチフィルタ５の代わりに第３のノッチフィルタ１１の係数を修正する。
【００７４】
上述の第１のノッチフィルタ５は、（数５）に示したようにノッチ中心周波数ωn1におけるゲイン特性が−∞であるため、位相特性の変化は−９０°から９０となる。しかしながら、第１のノッチフィルタ５は速度制御系内に配置されるため、速度制御系の位相遅れを与え、速度制御特性が悪化する場合がある。そこで、本実施の形態における第３のノッチフィルタ１１は、例えば（数９）で示す伝達関数Ｈ3（ｓ）を持つ２次の再帰型ノッチフィルタとする。
【００７５】
【数９】
【００７６】
ここで、ωn3は第３のノッチフィルタ１１のノッチ中心周波数、ζ3は減衰定数、ｄ3は深さ係数である。なお、０＜ｄ3＜１である。例えば、（数９）において深さ係数ｄ3＝０．１とした場合の伝達関数Ｈ3（ｓ）の周波数特性を図７に示す。位相特性としては−５５°から５５°までしか変化しない。従って、図６に示す速度制御系の位相特性を必要以上に悪化させない。
【００７７】
以上のように、本実施の形態２によれば、速度制御系内に配置されるノッチフィルタとして、位相特性の変化に幅の狭いノッチフィルタを用いるため、速度制御特性を悪化させず自動的に共振抑制ができる。そして、速度制御手段４のゲインを上げて速度制御系の高速応答化を図ることができる。
【００７８】
《実施の形態３》
図８は本発明に係る実施の形態３の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図３において、上述した実施の形態２のシステム構成を示す図６と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。
【００７９】
図８において、図６と比較すると、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の代わりに第２のノッチフィルタ係数修正手段１２が設けられている。第３のノッチフィルタ１１のゲイン特性は前述の図７で示されるが、この第３のノッチフィルタ１１では、電動機１および電動機１によって駆動される負荷２から成る制御対象が有する共振成分のピークを十分に抑えきれない場合がある。この場合としては、予め与えられた深さ係数ｄ3によって決まるノッチ中心周波数におけるゲイン抑圧特性が不十分であることが考えられる。この際には、深さ係数ｄ3を小さくすることによってノッチ中心周波数におけるゲイン抑圧特性をさらに向上させれば共振を十分に抑えることが可能となる。以下、本実施形態における第２のノッチフィルタ係数修正手段１２について詳細を説明する。
【００８０】
図９は第２のノッチフィルタ係数修正手段１２の構成を示す図である。図９において、上述した第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の構成を示す図４と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。図９において、図４と比較すると、第１のフィルタ係数算出手段１０５の代わりに第２のフィルタ係数設定手段１２５が設けられている。以下、第２のフィルタ係数設定手段１２５について詳細を説明する。
【００８１】
第２のフィルタ係数算出手段１２５には、変換手段１０４の出力であるノッチ中心周波数ωn＊、ハイパスフィルタの出力である振動成分ｘ、乗算器１０２の出力であるｑ1が入力される。
【００８２】
図１０は第２のノッチフィルタ係数修正手段１２の各データの時間変化を示す図である。図１０において、（ａ）から（ｅ）はそれぞれ、第２のノッチフィルタ係数修正手段１２への入力である振動成分ｘ、第２のノッチフィルタ係数修正手段１２への入力である第２のノッチフィルタ８の出力ｅ1、乗算器１０２の出力ｑ1、変換手段１０４の出力ωn＊、第３のノッチフィルタ１１の深さ係数ｄ3の時間変化、を示す。
【００８３】
ノッチ中心周波数ωn＊が振動成分ｘの振動周波数に収束すると、第２のノッチフィルタ８の出力はその特性から０になる（図１０（ｂ）の時刻ｔ1）。しかし、速度制御系内に配置された第３のノッチフィルタ１１の特性では、電動機１および電動機１によって駆動される負荷２から成る制御対象が有する共振成分のピークを十分抑えられないために振動成分ｘが残る（図１０（ａ）の時刻ｔ1直後）。このような状態がどうかの判断は、以下の２つの条件が同時に成り立つ時とすることができる。
【００８４】
（１）ノッチ中心周波数ωn＊の変化量が所定値以下である。
【００８５】
（２）振動成分ｘの振幅が所定値以上である。
【００８６】
（１）についてはノッチ中心周波数ωn＊の変化を与える乗算器１０２の出力ｑ1の大きさで判断できる。また、（２）については図１０（ａ）に示すように所定値ｈを予め設定しておき、振動成分ｘの振幅と比較することで可能である。
【００８７】
上記（１）と（２）が両立すると、第３のノッチフィルタ１１の深さ係数ｄ3を小さくすることにより、第３のノッチフィルタ１１のノッチ中心周波数ωn3における抑圧特性を向上させる。やがて十分な抑圧特性を有するようになると、振動成分ｘは抑圧され、振幅が所定値ｈ以下になるので上記条件（２）が成り立たず、第３のノッチフィルタ１１の深さ係数ｄ3の修正が停止する。
【００８８】
以上のように、本実施の形態３によれば、第２のノッチフィルタ係数修正手段は、ノッチ中心周波数ωn＊の収束後、振動成分の振幅が所定値以上の場合には、第３のノッチフィルタのノッチ中心周波数ωn3における抑圧特性を向上させるので、自動的に共振抑制ができる。そして、速度制御手段４のゲインを上げて速度制御系の高速応答化を図ることができる。
【００８９】
なお、本実施の形態３では第３のノッチフィルタ１１の深さ係数ｄ3を小さくすることによってノッチ中心周波数ωn3における抑圧特性を高め共振抑制を行ったが、減衰定数ζ3を大きくすることによってノッチ中心周波数ωn3付近の抑圧特性を向上させ、共振抑制してもよい。
【００９０】
《実施の形態４》
図１１は本発明に係る実施の形態４の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図４において、上述した実施の形態１のシステム構成を示す図１と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。
【００９１】
図１１において、図１と比較すると、第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の代わりに第３のノッチフィルタ係数修正手段１３が設けられている。以下、第３のノッチフィルタ係数修正手段１３について詳細を説明する。
【００９２】
図１２は第３のノッチフィルタ係数修正手段１３の構成を示す図である。図１２において、上述した第１のノッチフィルタ係数修正手段１０の構成を示す図４と同じ機能・動作をするものについては同一の符号を付し、その動作説明は省略する。図１２において、図４と比較すると、第１の積分器１０３の代わりに第２の積分器１３３が設けられている。また、新たに指令加速度変化検出手段１３６が設けられている。指令加速度変化検出手段１３６には速度指令値ω＊が入力される。以下、指令加速度変化検出手段１３６および第２の積分器１３３の動作について詳細を説明する。
【００９３】
指令加速度変化検出手段１３６には速度指令値ω＊が入力され、速度指令値ω＊の加速度の変化を算出する。例えば、速度指令値ω＊の時間差分のさらに時間差分をとることによって加速度の変化が算出できる。第２の積分器１３３に指令加速度変化検出手段１３６の出力値が入力され、入力値が所定値以上であることを検知すると積分動作を一時停止する。この動作の効果は図１３を用いて以下のように説明される。
【００９４】
図１３（ａ）に示される速度指令値ω＊に対し、電動機１がほぼ速度指令値ω＊に追従できているとすると、検出速度ωｍは速度指令値ω＊波形とほぼ同じ波形となる（図１３（ｂ））。この時、検出速度ωｍをハイパスフィルタ７に通過させた結果ｘが図１３（ｃ）である。電動機１および電動機１によって駆動される負荷２からなる制御対象が持つ共振ピークに起因する振動がなくても、加速度変化点に含まれる高調波成分が出力されてしまう。実施の形態１においては図１３（ｃ）のような値もノッチ中心周波数ωn＊を修正するためのデータとしてしまうため、適切なノッチ中心周波数へと修正できない。従って、速度指令値ω＊に含まれる高調波成分に起因するものは無視する必要がある。
【００９５】
図１３（ｄ）は速度指令値ω＊の加速度の変化を示す図である。図１３（ｄ）において大きな値を示す期間と、図１３（ｃ）に示されるハイパスフィルタ７の出力ｘが大きな振幅を生じる期間と一致している。従って、速度指令ω＊の加速度の変化が所定値以上である期間は積分動作を一時停止することにより、速度指令ω＊に含まれる高調波成分の影響を無視し、適切なノッチ中心周波数への収束動作を可能にする。
【００９６】
なお、第２の積分器１３３は、速度指令が非０である期間および速度指令終了時点からの所定時間は積分動作を一時停止するとしてもよい。この動作の効果は図１４を用いて以下のように説明される。
【００９７】
図１４（ａ）のように、図１３（ａ）と同じ速度指令値にノイズが乗っている速度指令値ω＊の場合を考える。図１４（ａ）に示される速度指令値ω＊に対し、電動機１がほぼ速度指令値ω＊に追従できているとすると、検出速度ωｍは速度指令値ω＊波形とほぼ同じ波形となる（図１４（ｂ））。この時、検出速度ωｍをハイパスフィルタ７に通過させた結果ｘが図１４（ｃ）である。電動機１および電動機１によって駆動される負荷２からなる制御対象が持つ共振ピークに起因する振動が無くても、加速度変化点に含まれる高調波成分が出力されてしまう。実施の形態１においては、図１４（ｃ）のような値もノッチ中心周波数ω＊を修正するためのデータとしてしまうため、適切なノッチ中心周波数へと修正できない。従って、速度指令値ω＊に含まれる高調波成分に起因するものは無視する必要がある。
【００９８】
図１４（ｄ）は速度指令値ω＊の加速度の変化を示す図である。ノイズの影響でハイパスフィルタ７の出力ｘ（図１４（ｃ））との相関をとるのが難しい場合、速度指令が非０である期間内および速度指令終了時点からの所定時間内に、ハイパスフィルタ７の出力ｘが大きな振幅を生じる期間がある。従って、速度指令が非０である期間および速度指令終了時点からの所定時間は積分動作を一時停止することにより、速度指令ω＊に含まれる高調波成分の影響を無視し、適切なノッチ中心周波数への収束動作を可能にする。
【００９９】
以上、実施の形態１から４について説明したが、実施の形態１から４において、第１のノッチフィルタ、第２のノッチフィルタおよび方向フィルタはデジタルフィルタで構成してもよい。
【０１００】
また、実施の形態１から４において、第１のノッチフィルタ、第２のノッチフィルタの次数は２次に限定されるものではなく、３次以上の再帰型フィルタとしてもよい。
【０１０１】
また、実施の形態１から４においては、方向フィルタの特性は、第２のノッチフィルタの周波数位相特性に対し、ノッチ中心周波数より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相の特性を持つとしたが、これとは逆に、ノッチ中心周波数より低い周波数領域では逆位相かつ高い周波数領域では同位相の特性を持つとしても本実施形態と同等の作用効果が発揮される。
【０１０２】
また、実施の形態１から４においては、速度制御システムの例をもって説明したが、速度制御に変えて位置制御としたシステム構成に置き換えても同様の作用効果が発揮されるのは言うまでもない。
【０１０３】
また、実施の形態１から４においては、振動成分の検出に電動機の検出速度を用いたが、電動機によって駆動される負荷の速度、位置制御システムであれば電動機あるいは電動機によって駆動される負荷の検出位置を用いてもよい。
【０１０４】
また、実施の形態１から４においては、振動成分を抽出するためにハイパスフィルタを用いたが、振動成分が検出されればよいので、低域側カットオフ周波数がハイパスフィルタと同じで、高域側カットオフ周波数がノッチフィルタの適用周波数範囲の最高周波数より高く設定されたバンドパスフィルタとしても構わない。
【０１０５】
また、実施の形態１から４においては、ノッチフィルタ係数修正手段の構成要素である変換手段は（数８）に示す数式を用いてノッチ中心周波数ωn＊を算出したが、予め積分値ｑ2とノッチ中心周波数ωn＊とのマップを持ち、これを用いて算出してもよい。
【０１０６】
また、実施の形態１から４において、ノッチフィルタ係数修正手段は、電動機および電動機によって駆動される負荷を含む制御対象に発生する振動成分の振動周波数に一致するようノッチ中心周波数を修正できるので、上述した実施の形態１から４の構成に限られることなく、速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタのフィルタ係数の修正の代わりに、速度制御手段の前段に配置され速度指令値に含まれる前記振動周波数の成分を抑制するノッチフィルタのフィルタ係数の修正や、あるいは位置制御手段の前段に配置され位置指令値に含まれる前記振動周波数の成分を抑制するノッチフィルタのフィルタ係数の修正をするとしても同様の作用効果が得られる。また、フィルタ係数を修正するフィルタを、速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタと、速度指令値もしくは位置指令値に含まれる振動周波数の成分を抑制するノッチフィルタとで、ノッチ中心周波数に応じて切り替えるとしても構わない。
【０１０７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したところから明らかなように、本発明の電動機の制御装置は、フィルタ手段の出力を第２のノッチフィルタに通過させた出力と、フィルタ手段の出力を方向フィルタに通過させた出力との積、もしくはフィルタ手段の出力を方向フィルタに通過させた出力の符号との積に応じて、第２のノッチフィルタのフィルタ係数を逐次修正し、当該修正された第２のノッチフィルタのフィルタ係数、およびフィルタ手段の出力、のうち少なくとも一方に応じて第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正するノッチフィルタ係数修正手段を有することにより、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタを自動生成できるので、機械共振に伴う振動を抑制して安定した高速応答を実現できる電動機の制御装置を提供できる。この自動生成においては、対応できる振動周波数範囲は広く、またノッチフィルタのノッチ中心周波数の振動周波数へ収束が保証される。
【０１０８】
また、本発明の電動機の制御装置によれば、機械共振によって発生する振動に応じたノッチフィルタの自動生成において、ノッチ周波数の修正が対数軸上で同じになるため、周波数によらず対数軸上で収束動作速度を一定にすることが可能となる。
【０１０９】
更に、本発明の電動機の制御装置は、第１のノッチフィルタのノッチ周波数におけるゲイン特性が−∞でない所定値であるとすることにより、位相特性の変化幅の狭いノッチフィルタを速度制御系内または位置制御系内に持つため、速度制御特性または位置制御特性を悪化させず自動的に共振抑制ができる。
【０１１０】
また、本発明の電動機の制御装置は、条件に応じて速度制御系内もしくは位置制御系内に配置されたノッチフィルタのノッチ中心周波数もしくはノッチ周波数付近におけるゲイン抑圧特性を自動的に変化させるので、振動を抑制できる。
【０１１１】
更に、本発明の電動機の制御装置は、前記ノッチフィルタ係数修正手段が、速度指令値もしくは位置指令値が所定条件を満たす期間、前記第１のノッチフィルタおよび前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正を停止させることにより、速度指令に含まれる高調波成分の影響を無視し、適切なノッチフィルタ生成への収束動作を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における電動機の制御装置の構成を示すブロック図
【図２】第２のノッチフィルタの周波数特性の一例を示す図
【図３】方向フィルタの周波数特性の一例を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における第１のノッチフィルタ係数修正手段の構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態１における第１のノッチフィルタ係数修正手段における入力信号や内部信号の時間変化示す図
【図６】本発明の実施の形態２における電動機の制御装置の構成を示すブロック図
【図７】第１のノッチフィルタの周波数特性の一例を示す図
【図８】本発明の実施の形態３における電動機の制御装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態３における第２のノッチフィルタ係数修正手段の構成を示すブロック図
【図１０】本発明の実施の形態３における第２のノッチフィルタ係数修正手段における入力信号や内部信号の時間変化示す図
【図１１】本発明の実施の形態４における電動機の制御装置の構成を示すブロック図
【図１２】本発明の実施の形態４における第３のノッチフィルタ係数修正手段の構成を示すブロック図
【図１３】本発明の実施の形態４における速度指令値、検出速度、検出速度に含まれる振動成分、速度指令値の加速度の変化、の時間変化の第１の例を示す図
【図１４】本発明の実施の形態４における速度指令値、検出速度、検出速度に含まれる振動成分、速度指令値の加速度の変化、の時間変化の第２の例を示す図
【図１５】第１の従来技術に係る電動機の制御装置の制御ブロック図
【図１６】第１の従来技術に係る電動機の制御装置における、τ１＊からωｒまでの伝達関数の周波数特性を示す図
【図１７】周波数ｆｎ付近の成分通過を制限する主フィルタの伝達関数の周波数特性を示す図
【図１８】適応動作後の主フィルタの通過制限周波数ｆｎが共振周波数ｆｐに一致巣するようなフィルタ係数ｆが設定された場合の、τ１＊からωｒまでの伝達関数の周波数特性を示す図
【図１９】適応フィルタ５１０の構成を示すブロック図
【図２０】第２の従来技術に係る適応システムの構成例を示す図
【図２１】全域通過フィルタ６０２の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ 電動機
２ 負荷
３ 速度検出手段
４ 速度制御手段
５ 第１のノッチフィルタ
６ トルク制御手段
７ ハイパスフィルタ
８ 第２のノッチフィルタ
９ 方向フィルタ
１０ 第１のノッチフィルタ係数修正手段
１１ 第３のノッチフィルタ
１２ 第２のノッチフィルタ係数修正手段
１３ 第３のノッチフィルタ係数修正手段
Claims (13)
- 電動機の検出速度もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出速度を速度指令値に追従させるか、または電動機の検出位置もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出位置を位置指令値に追従させる位置／速度制御手段、
を有する電動機の制御装置であって、
速度制御系内または位置制御系内のいずれかに配置され、フィルタ係数変更可能な第１のノッチフィルタと、
前記検出速度もしくは前記検出位置に含まれる所定周波数以上の成分または所定周波数帯域の成分を出力するフィルタ手段と、
フィルタ係数変更可能な第２のノッチフィルタと、
前記第２のノッチフィルタの周波数位相特性に対し、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相、または前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では逆位相かつ高い周波数領域では同位相、の周波数位相特性を有する方向フィルタと、
前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力との積に応じて、前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数を逐次修正し、当該修正された前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数、および前記フィルタ手段の出力、のうち少なくとも一方に応じて前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正するノッチフィルタ係数修正手段と、
を具備することを特徴とする電動機の制御装置。 - 電動機の検出速度もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出速度を速度指令値に追従させるか、または電動機の検出位置もしくは前記電動機によって駆動される負荷の検出位置を位置指令値に追従させる位置／速度制御手段、
を有する電動機の制御装置であって、
速度制御系内または位置制御系内のいずれかに配置され、フィルタ係数変更可能な第１のノッチフィルタと、
前記検出速度もしくは前記検出位置に含まれる所定周波数以上の成分または所定周波数帯域の成分を出力するフィルタ手段と、
フィルタ係数変更可能な第２のノッチフィルタと、
前記第２のノッチフィルタの周波数位相特性に対し、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では同位相かつ高い周波数領域では逆位相、または前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数より低い周波数領域では逆位相かつ高い周波数領域では同位相、の周波数位相特性を有する方向フィルタと、
フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力の符号との積に応じて、前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数を逐次修正し、当該修正された前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数、および前記フィルタ手段の出力、のうち少なくとも一方に応じて前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正するノッチフィルタ係数修正手段と、
を具備することを特徴とする電動機の制御装置。 - 前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数および前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正において、ノッチ中心周波数のみが変化するよう修正し、かつ前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数を前記第１のノッチフィルタのノッチ中心周波数とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機の制御装置。
- 前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力との積、または、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力の符号との積に、
所定値および現時点の前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数の指数関数演算値の両方を乗じた量を、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数の修正量とすることを特徴とする請求項３記載の電動機の制御装置。 - 前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力との積、または、前記フィルタ手段の出力を前記第２のノッチフィルタに通過させた出力と、前記フィルタ手段の出力を前記方向フィルタに通過させた出力の符号との積に、所定値を乗じ、
前記乗算結果の積分値に予め与えられた初期値を加算し、
前記加算値の指数関数演算値を、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数とすることを特徴とする請求項３記載の電動機の制御装置。 - 前記第１のノッチフィルタおよび前記第２のノッチフィルタは、ともに再帰型ノッチフィルタであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機の制御装置。
- 前記第１のノッチフィルタおよび前記第２のノッチフィルタは、次数が２次のノッチフィルタであることを特徴とする請求項６記載の電動機の制御装置。
- 前記第２のノッチフィルタは、ノッチ周波数におけるゲイン特性がマイナス無限大（−∞）であることを特徴とする請求項６記載の電動機の制御装置。
- 前記第１のノッチフィルタは、ノッチ周波数におけるゲイン特性がマイナス無限大（−∞）でない所定値であることを特徴とする請求項６記載の電動機の制御装置。
- 前記ノッチフィルタ係数修正手段は、前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数および前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正において、ノッチ中心周波数のみが変化するよう修正し、前記第２のノッチフィルタのノッチ中心周波数を前記第１のノッチフィルタのノッチ中心周波数とし、
以下の２つの条件
（１）前記第２のノッチフィルタのノッチ周波数の変化が所定値以下である。
（２）前記フィルタ手段の出力の振幅が所定値以上である。
が同時に所定時間以上続いた場合のみ、前記第１のノッチフィルタのノッチ中心周波数におけるゲイン特性が一層制限されるよう前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数を修正することを特徴とする請求項６記載の電動機の制御装置。 - 前記ノッチフィルタ係数修正手段は、速度指令値もしくは位置指令値が所定条件を満たす期間、前記第１のノッチフィルタおよび前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正を停止させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機の制御装置。
- 前記ノッチフィルタ係数修正手段は、速度指令値もしくは位置指令値の加速度の変化が所定値以上の期間、前記第１のノッチフィルタおよび前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正を停止させることを特徴とする請求項１１記載の電動機の制御装置。
- 前記ノッチフィルタ係数修正手段は、速度指令値もしくは位置指令値変化が非０である期間、および速度指令値もしくは位置指令値変化の指令終了時点から所定時間経過した時点までの期間、前記第１のノッチフィルタおよび前記第２のノッチフィルタのフィルタ係数の修正を停止させることを特徴とする請求項１１記載の電動機の制御装置。
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