JP5197498B2 - ジンバル制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ジャイロ機構のジンバル制御装置に関するものである。

角運動量を有する物体が、その角運動量ベクトルの方向を変えた場合、角運動量ベクトルと、角運動量ベクトルの変化速度に対応する角速度ベクトルとの外積で与えられるジャイロ・トルクが、物体から外界に対して作用する。ジャイロ機構は、当該作用を利用した装置であり、従来から船舶、ゴンドラ、クレーン等の制振装置、人工衛星、航空機等の姿勢制御装置として使用されている。

図１２は、一般的なジャイロ機構の全体図である。図１２に示すジャイロ機構１０は、ロータ１、ジンバル・ハウジング２、ホイール軸受３、ホイール・モータ４、ジンバル・ハウジング支持フレーム５、ジンバル軸受６、ジンバル・モータ７、角度検出器８、および制御器９で構成されている。

ジンバル・ハウジング２およびホイール軸受３は、ロータ１をスピン軸（Ｚ軸）回りに回転自在に支持する。ホイール・モータ４は、ジンバル・ハウジング２に固定され、ロータ１に対してスピン軸（Ｚ軸）回りの回転トルクを作用させる。ジンバル・ハウジング支持フレーム５およびジンバル軸受６は、ジンバル・ハウジング２をジンバル軸（Ｘ軸）回りに回転自在に支持する。

ジンバル・モータ７は、ジンバル・ハウジング支持フレーム５に固定され、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２に対してジンバル軸（Ｘ軸）回りの回転トルク（以下、ジンバル・トルク）を作用させる。角度検出器８は、ジンバル・ハウジング支持フレーム５に固定され、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２のジンバル軸（Ｘ軸）回りの回転角度（以下、ジンバル角度）を検出する。そして、制御器９は、角度検出器８によって検出したジンバル角度に基づいて制御演算を実行し、演算結果をジンバル・モータ７にフィードバックする。

このような構成のもと、ジンバル・ハウジング２に固定されたホイール・モータ４によって、ロータ１を所定の角速度でＺ軸回りに回転させる。さらに、ジンバル・ハウジング支持フレーム５に固定されたジンバル・モータ７によって、ロータ１、ジンバル・ハウジング２、ホイール軸受３、およびホイール・モータ４全体をＸ軸回りに回転させる。これにより、ロータ１が有するＺ軸方向の角運動量ベクトルと、ジンバル・モータ７によるロータ１のＸ軸方向の角速度ベクトルとの外積で与えられるＹ軸方向のジャイロ・トルクが、外界に対して出力される。

通常、ロータ１におけるＺ軸回りの回転運動は、ホイール・モータ４を介して制御器９によって制御される。また、Ｘ軸回りの回転運動は、角度検出器８によって検出したロータ１のＸ軸回り回転角度に基づいて、ジンバル・モータ７を介して制御器９によって制御される。

ここで、ジャイロ機構１０を人工衛星の姿勢制御装置として適用する場合に、ロータに対してジャイロ・トルクの出力軸回りにトルクを作用させる磁気アクチュエータを追加することで、人工衛星に伝達するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去するものがある（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、先の図１２の構成において、ジンバル・ハウジング２に対するロータ１の支持方式を、従来のホイール軸受３による機械的な支持から、磁気軸受を利用した非接触支持に変更している。これにより、磁気軸受が、ロータ１に対してジャイロ・トルクの出力軸（Ｙ軸）回りに回転トルクを作用させる。当該回転トルクによって、ロータ１は、ジンバル軸（Ｘ軸）回りに摂動し、ジンバル・モータ７がこの摂動に追従するようにフィードバック制御される。この結果、磁気軸受によって出力軸（Ｙ軸）回りに作用させた回転トルクを人工衛星に直接伝達させることで、人工衛星に伝達するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去するようにしている。

特表平８−５０５８２６号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
この従来技術は、ジャイロ機構１０を人工衛星の姿勢制御装置として適用する場合に、人工衛星に伝達するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去する方法である。しかしながら、ホイール・モータ４およびジンバル・モータ７に加えて、ジンバル・ハウジング２に対してロータ１を非接触支持するための磁気軸受を追加する必要がある。この結果、構造の複雑化、質量の増加、および信頼性の低下を招くという問題がある。

また、従来のジャイロ機構１０が発生するジャイロ・トルクは、ロータ１が有するＺ軸方向の角運動量ベクトルと、ジンバル・モータ７によるロータ１のＸ軸方向の角速度ベクトルとの外積で与えられる。従って、非常に大きなジャイロ・トルクが出力できるという点が特徴の一つである。しかしながら、特許文献１における従来技術では、磁気軸受で発生する出力軸（Ｙ軸）回りの回転トルクしか出力できないため、ジャイロ機構１０としての最大出力トルクが大幅に低下するという問題もある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、人工衛星、航空機等の姿勢制御装置としてジャイロ機構を適用する場合、新たな機械構造を追加することなく、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去することのできるジンバル制御装置を得ることを目的とする。

本発明に係るジンバル制御装置は、ジンバル軸回りの回転角度の検出結果に基づいて速度制御系による第１のジンバル・トルク指令値を制御演算し、第１のジンバル・トルク指令値に基づいてジャイロ機構のジンバル・モータをフィードバック制御する制御部を備え、制御部は、外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減する第２のジンバル・トルク指令値を算出する制御ブロックをさらに備え、第１のジンバル・トルク指令値に対して第２のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値によりジンバル・モータに供給する電流を制御するものである。

本発明に係るジンバル制御装置によれば、外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減するようにジンバル・トルク指令値を生成してジンバル・モータに供給する電流を制御することにより、人工衛星、航空機等の姿勢制御装置としてジャイロ機構を適用する場合、新たな機械構造を追加することなく、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去することのできるジンバル制御装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るジンバル制御装置のブロック線図である。 本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における進相量の最適調整方法の説明図である。 従来のジンバル制御装置における、外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性を示した図である。 従来のジンバル制御装置における、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形を示した図である。 本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性を示す図である。 本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形を示した図である。 本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における、回転座標系回転速度と進相量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係るジンバル制御装置のブロック線図である。 本発明の実施の形態３に係るジンバル制御装置のブロック線図である。 本発明の実施の形態４に係るジンバル制御装置のブロック線図である。 本発明の実施の形態４のジンバル制御装置における外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性を示す図である。 一般的なジャイロ機構の全体図である。

以下、本発明のジンバル制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態１〜４におけるジャイロ機構自体は、従来技術として説明した図１２と同一である。また、各実施の形態の図中において、同一の符号を付したものは、同一部分または相当部分を示す。

実施の形態１．
先の図１２に示した構成のもと、ホイール・モータ４によって、ロータ１を所定の角速度でスピン軸（Ｚ軸）回りに回転させる。さらに、ジンバル・モータ７によって、ロータ１、ジンバル・ハウジング２、ホイール軸受３、およびホイール・モータ４全体をジンバル軸（Ｘ軸）回りに回転させる。これにより、ロータ１が有するスピン軸（Ｚ軸）方向の角運動量ベクトルと、ジンバル・モータ７によるロータ１のジンバル軸（Ｘ軸）方向の角速度ベクトルとの外積で与えられるトルク出力軸（Ｙ軸）方向のジャイロ・トルクが、外界に対して出力される。

このとき、ジンバル軸（Ｘ軸）回りの回転運動は、角度検出器８によって検出したロータ１を含むジンバル・ハウジング２のジンバル角度に基づいて、ジンバル・モータ７を介して制御器９で制御される。

図１は、本発明の実施の形態１に係るジンバル制御装置のブロック線図である。図１に示したように、本実施の形態１のジンバル制御装置は、位置制御器１１、速度制御器１２、電流制御器１３、疑似微分器１４、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、積分器１７、および固定座標変換器１８を備えており、先の図１２に示したジャイロ機構１０の制御を行っている。なお、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、積分器１７、および固定座標変換器１８で構成されるブロックは、制御ブロック２０に相当し、本願発明の技術的特徴を有する構成部分に相当する。

位置制御器１１は、角度検出器８によって検出されたジンバル角度θをフィードバックし、ジンバル角度指令θ_Ｃとの偏差を入力としてジンバル角速度指令ω_Ｃを算出する。疑似微分器１４は、ジンバル角度θを入力としてジンバル角速度ωを算出する。速度制御器１２は、ジンバル角速度指令ω_Ｃとジンバル角速度ωとの偏差を入力として、第１のジンバル・トルク指令を算出する。

回転座標変換器１５は、疑似微分器１４で算出されたジンバル角速度ωの符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する。低域通過フィルタ１６は、回転座標変換器１５の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する。積分器１７は、低域通過フィルタ１６の出力を積分する。さらに、固定座標変換器１８は、積分器１７の出力に対して所定の進相量を重畳して、固定座標系による表現に変換し、第２のジンバル・トルク指令を出力する。

電流制御器１３は、速度制御器１２から出力される第１のジンバル・トルク指令と、固定座標変換器１８から出力される第２のジンバル・トルク指令との加算値をジンバル・トルク指令τ_Ｃとして入力する。さらに、電流制御器１３は、ジンバル・トルク指令τ_Ｃに基づいて、ジャイロ機構１０内のジンバル・モータ７に供給する電流を制御する。

次に、制御ブロック２０による進相量の最適調整方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における進相量の最適調整方法の説明図である。図２において、Ｘ_Ｒ、Ｙ_Ｒ軸は、回転座標変換器１５における回転座標系の座標軸である。また、図２中の符号２１〜２４は、以下のものを意味している。
２１：固定座標系に対する回転座標系の回転方向を、矢印で表したもの。
２２：制御ブロック２０の動作後における、低域通過フィルタ１６の出力が描く軌跡を矢印で表したものであり、固定座標変換器１８における進相量が最適値の場合
２３：制御ブロック２０の動作後における、低域通過フィルタ１６の出力が描く軌跡を矢印で表したものであり、固定座標変換器１８における進相量が最適値よりも小さい場合
２４：制御ブロック２０の動作後における、低域通過フィルタ１６の出力が描く軌跡を矢印で表したものであり、固定座標変換器１８における進相量が最適値よりも大きい場合

次に、図１に示したジンバル制御装置の具体的な動作について説明する。まず始めに、ジャイロ機構１０に対する一般的なジンバル制御装置の１つとして、図１に示すブロック線図において、制御ブロック２０を除いたフィードバック制御系について説明する。

図３は、従来のジンバル制御装置における、外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性を示した図である。当該制御系において、実際のジャイロ機構１０では、ジンバル軸（Ｘ軸）回りの外乱トルクτ_Ｄがジャイロ機構１０の入力段に重畳する。このため、このときの外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの周波数特性は、大略、この図３で与えられる。ただし、図３において、Ｊ、Ｋ_Ｄは、以下のものを意味している。
Ｊ：ロータ１、ジンバル・ハウジング２、ホイール軸受３、およびホイール・モータ４全体のジンバル軸（Ｘ軸）回りの慣性モーメント
Ｋ_Ｄ：速度制御器１２の比例ゲイン

一方、回転体の一般的な特性として、ロータ１をスピン軸（Ｚ軸）回りに回転速度Ωで回転させた場合、ロータ１が有する動不釣合い、ホイール軸受３の不均一性等に起因して、ジンバル軸（Ｘ軸）回りの外乱トルクτ_Ｄがロータ１から発生する。通常、当該外乱トルクτ_Ｄは、ロータ１の回転運動に同期しており、その周波数成分は、ａを所定の実定数として、ａΩで与えられる。

このような外乱トルクτ_Ｄに対して、図３に示すように、慣性モーメントＪ、比例ゲインＫ_Ｄ、および外乱トルクの周波数ａΩで決定する所定ゲインで、ジンバル角速度ωが応答する。図４は、従来のジンバル制御装置における、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形を示した図である。この図４に示すように、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２は、当該外乱トルクτ_Ｄに起因してジンバル軸（Ｘ軸）回りに周波数ａΩで微小振動する。

ジャイロ機構１０が出力するトルク出力軸（Ｙ軸）方向のジャイロ・トルクτ_Ｇは、ロータ１が有するスピン軸（Ｚ軸）方向の角運動量と、ロータ１のジンバル角速度ωとの積で与えられる。このため、図４に示すように、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２がジンバル軸（Ｘ軸）回りに周波数ａΩで微小振動すると、ジャイロ・トルクτ_Ｇには、当該振動に同期した脈動トルクが発生する。

そこで、本実施の形態１におけるジンバル制御装置では、はじめに、先の図１に示す回転座標変換器１５によって、ジンバル角速度ωの符号反転値を、回転速度ａΩで回転する回転座標系表現に変換する。

このときの変換式は、ω_ＲＸ、ω_ＲＹをそれぞれ回転座標系表現のＸ_Ｒ成分、Ｙ_Ｒ成分、ｔを時間として、下式（１）で与えられる。

さらに、周波数ａΩのジンバル角速度ωの微小振動を、振幅をω（バー）、位相角を

として、下式（２）とおく。ただし、ω（バー）という表記は、ωの上に￣が付されたことを意味している。

上式（１）、（２）より、回転座標変換器１５の出力は、下式（３）となり、周波数２ａΩの交流成分と直流信号に分離される。

次に、低域通過フィルタ１６のカットオフ周波数を、上式（３）の交流成分（周波数２ａΩ）を十分減衰可能な値に設定することで、低域通過フィルタ１６によって回転座標変換器１５の出力（上式（３））から直流成分のみを抽出する。さらに、低域通過フィルタ１６の出力を、積分器１７によって積分する。

積分器１７の出力は、固定座標変換器１８に入力され、所定の進相量φを重畳して、固定座標系表現に変換する。このときの変換式は、Ｘ_Ｉ、Ｙ_Ｉを積分器１７の出力におけるＸ_Ｒ成分、Ｙ_Ｒ成分とし、Ｘ_Ｓ、Ｙ_Ｓを固定座標変換器１８の出力におけるＸ成分、Ｙ成分として、下式（４）で与えられる。

そこで、固定座標変換器１８の出力のうち、Ｘ_Ｓをジンバル・トルク指令に重畳する。このとき、制御ブロック２０の伝達関数Ｗ（ｓ）は、下式（５）で与えられる。

ここで、上式（５）におけるω_ＬＰＦおよびＫ_Ｉは、以下の内容を意味している。
ω_ＬＰＦ ：低域通過フィルタ１６におけるカットオフ周波数
Ｋ_Ｉ ：積分器１７における比例係数

図５は、本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性を示す図である。図１における制御ブロック２０を付加した全体の周波数特性は、大略、この図５で表される。

図５に示すように、制御ブロック２０を付加することで、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度ａΩと等価な周波数域において、低減することができる。

図６は、本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形を示した図である。図５の周波数特性を備えることで、図６に示すように、周波数ａΩの外乱トルクτ_Ｄに起因するジンバル角速度ωの微小振動を抑制することが可能となる。その結果、ジャイロ機構１０が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、回転座標系の回転速度ａΩと等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。

なお、固定座標変換器１８において重畳する進相量φの最適値は、先の図２に示すように、回転座標系で表現された低域通過フィルタ１６の出力が、制御ブロック２０の動作後に描く軌跡に基づいて調整することができる。具体的には、進相量φの設定が最適値よりも小さい場合、矢印２３に示すように、当該軌跡は、回転座標系の回転方向２１と同一方向に回転する。また、進相量φの設定が最適値よりも大きい場合、矢印２４に示すように、当該軌跡は、回転座標系の回転方向２１と反対方向に回転する。その一方、進相量φの設定が最適値の場合、矢印２２に示すように、当該軌跡は、回転座標系上を回転することなく原点に収束する。

図７は、本発明の実施の形態１のジンバル制御装置における、回転座標系回転速度と進相量との関係を示すグラフである。固定座標変換器１８において重畳する進相量φは、回転座標変換器１５における回転座標系の回転速度ａΩに応じて、上記調整方法に基づいて常に最適値となるように設定されている。このときの回転座標系回転速度ａΩと進相量φの関係は、大略、この図７に示すとおりとなる。

これにより、回転座標系の回転速度ａΩ（つまり外乱トルクτ_Ｄ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することが可能となる。

以上のように、実施の形態１によれば、回転座標変換器、低域通過フィルタ、積分器、および固定座標変換器で構成される制御ブロックを備えている。これにより、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減することができる。この結果、外乱トルクτ_Ｄに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制し、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。

特に、外乱トルクτ_Ｄがロータのスピン軸回り回転運動に同期して、周波数ａΩ（ａ：所定の実定数、Ω：ロータのスピン軸回り回転速度）で発生する場合には、回転座標系の回転速度をａΩと設定することで、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、ロータのスピン軸回り回転運動に同期した脈動トルクを除去することができる。

さらに、本実施の形態１のジンバル制御装置では、回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、固定座標変換器において重畳する進相量φが、常に最適値となるように設定される。この結果、回転座標系の回転速度（つまり外乱トルクτ_Ｄ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、外部からジンバル角度指令θ_Ｃが与えられた場合の制御方法について説明した。これに対して、本実施の形態２では、外部からジンバル角速度指令ω_Ｃが与えられた場合に、同様の制御方法を適用する場合について説明する。

図８は、本発明の実施の形態２に係るジンバル制御装置のブロック線図である。図８に示したように、本実施の形態２のジンバル制御装置は、速度制御器１２、電流制御器１３、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、積分器１７、および固定座標変換器１８を備えており、先の図１２に示したジャイロ機構１０の制御を行っている。なお、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、積分器１７、および固定座標変換器１８で構成されるブロックは、制御ブロック２０に相当し、本願発明の技術的特徴を有する構成部分に相当する。

先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、本実施の形態２における図８の構成は、位置制御器１１および疑似微分器１４を備えていない点が異なっている。また、本実施の形態２におけるジャイロ機構（図１２）は、ジンバル角度を検出する角度検出器８の代わりに、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２のジンバル軸（Ｘ軸）回りのジンバル角速度を検出する角速度検出器８ａを備えている。

速度制御器１２は、角速度検出器８ａによって検出されたジンバル角速度ωをフィードバックし、ジンバル角速度指令ω_Ｃとの偏差を入力として第１のジンバル・トルク指令を算出する。

回転座標変換器１５は、角速度検出器８ａによって検出されたジンバル角速度ωの符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する。低域通過フィルタ１６は、回転座標変換器１５の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する。積分器１７は、低域通過フィルタ１６の出力を積分する。さらに、固定座標変換器１８は、積分器１７の出力に対して所定の進相量を重畳して、固定座標系による表現に変換し、第２のジンバル・トルク指令を出力する。

電流制御器１３は、速度制御器１２から出力される第１のジンバル・トルク指令と、固定座標変換器１８から出力される第２のジンバル・トルク指令との加算値をジンバル・トルク指令τ_Ｃとして入力する。さらに、電流制御器１３は、ジンバル・トルク指令τ_Ｃに基づいて、ジャイロ機構１０内のジンバル・モータ７に供給する電流を制御する。

なお、本実施の形態２のジンバル制御装置における進相量の最適調整方法、外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形、および回転座標系回転速度と進相量の関係は、それぞれ、先の実施の形態１の図２、図５、図６および図７と同一である。

次に、図８に示したジンバル制御装置の具体的な動作について説明する。まず始めに、ジャイロ機構１０に対する一般的なジンバル制御装置の１つとして、図８に示すブロック線図において、制御ブロック２０を除いたジンバル角速度ωのフィードバック制御系について説明する。

当該制御系において、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの周波数特性は、大略、先の図３で与えられる。一方、回転体の一般的な特性として、ロータ１をスピン軸（Ｚ軸）回りに回転速度Ωで回転させた場合、ロータ１が有する動不釣合い、ホイール軸受３の不均一性等に起因して、ジンバル軸（Ｘ軸）回りの外乱トルクτ_Ｄがロータ１から発生する。通常、当該外乱トルクτ_Ｄは、ロータ１の回転運動に同期しており、その周波数成分は、ａを所定の実定数として、ａΩで与えられる。

このような外乱トルクτ_Ｄに対して、図３に示す所定ゲインで、ジンバル角速度ωが応答する。このため、ロータ１を含むジンバル・ハウジング２は、先の図４に示すように、当該外乱トルクτ_Ｄに起因してジンバル軸（Ｘ軸）回りに周波数ａΩで微小振動する。その結果、ジャイロ機構１０が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇには、当該振動に同期した脈動トルクが発生する。

そこで、本実施の形態２におけるジンバル制御装置では、はじめに、先の図８に示す回転座標変換器１５によって、ジンバル角速度ωの符号反転値を、回転速度ａΩで回転する回転座標系表現に変換する。

このときの変換式は、上式（１）で与えられ、周波数ａΩのジンバル角速度ωの微小振動を、上式（２）とおくと、回転座標変換器１５の出力は、上式（３）に示すように、周波数２ａΩの交流成分と直流信号に分離される。

次に、低域通過フィルタ１６のカットオフ周波数を、上式（３）の交流成分（周波数２ａΩ）を十分減衰可能な値に設定することで、低域通過フィルタ１６によって回転座標変換器１５の出力（上式（３））から直流成分のみを抽出する。さらに、低域通過フィルタ１６の出力を、積分器１７によって積分する。

積分器１７の出力は、固定座標変換器１８に入力され、所定の進相量φを重畳して、固定座標系表現に変換する。このときの変換式は、上式（４）で与えられ、固定座標変換器１８の出力のうち、Ｘ_Ｓをジンバル・トルク指令に重畳する。

このとき、制御ブロック２０の伝達関数Ｗ（ｓ）は、上式（５）、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの周波数特性は、大略、先の図５で表される。このようにして、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度ａΩと等価な周波数域において低減することができる。

これにより、先の図６に示すように、周波数ａΩの外乱トルクτ_Ｄに起因するジンバル角速度ωの微小振動を抑制することが可能となる。その結果、ジャイロ機構１０が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、回転座標系の回転速度ａΩと等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。

なお、固定座標変換器１８において重畳する進相量φの最適値は、先の図２に示すように、回転座標系で表現された低域通過フィルタ１６の出力が、制御ブロック２０の動作後に、回転座標系上を回転することなく原点に収束する値として、調整することができる。

固定座標変換器１８において重畳する進相量φは、回転座標変換器１５における回転座標系の回転速度ａΩに応じて、上記調整方法に基づいて常に最適値となるように設定されている。このときの回転座標系回転速度ａΩと進相量φの関係は、大略、先の図７に示すとおりとなる。

これにより、回転座標系の回転速度ａΩ（つまり外乱トルクτ_Ｄ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することが可能となる。

以上のように、実施の形態２によれば、回転座標変換器、低域通過フィルタ、積分器、および固定座標変換器で構成される制御ブロックを備えている。これにより、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減することができる。この結果、外乱トルクτ_Ｄに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制し、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。

特に、外乱トルクτ_Ｄがロータのスピン軸回り回転運動に同期して、周波数ａΩ（ａ：所定の実定数、Ω：ロータのスピン軸回り回転速度）で発生する場合には、回転座標系の回転速度をａΩと設定することで、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、ロータのスピン軸回り回転運動に同期した脈動トルクを除去することができる。

さらに、本実施の形態２のジンバル制御装置では、回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、固定座標変換器において重畳する進相量φが、常に最適値となるように設定される。この結果、回転座標系の回転速度（つまり外乱トルクτ_Ｄ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、制御ブロック２０内の構成が、先の実施の形態１、２とは異なる場合について、説明する。

図９は、本発明の実施の形態３に係るジンバル制御装置のブロック線図である。図９に示したように、本実施の形態３のジンバル制御装置は、位置制御器１１、速度制御器１２、電流制御器１３、疑似微分器１４、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、不完全積分器１９、および固定座標変換器１８を備えており、先の図１２に示したジャイロ機構１０の制御を行っている。なお、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、不完全積分器１９、および固定座標変換器１８で構成されるブロックは、本実施の形態３における制御ブロック２０に相当し、本願発明の技術的特徴を有する構成部分に相当する。

先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、本実施の形態３における図９の構成は、制御ブロック２０内の積分器として、積分器１７の代わりに不完全積分器１９を備えている点が異なっている。この不完全積分機１９は、所定の周波数以上の周波数領域においてのみ、低域通過フィルタ１６の出力を積分するものである。その他の構成要素は、先の実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

なお、本実施の形態３のジンバル制御装置における進相量の最適調整方法、外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形、および回転座標系回転速度と進相量の関係は、それぞれ、先の実施の形態１の図２、図５、図６および図７と同一である。

次に、図９に示したジンバル制御装置の具体的な動作について説明する。この図９に示すブロック線図において、制御ブロック２０を除くフィードバック制御系、回転座標変換器１５、低域通過フィルタ１６、固定座標変換器１８の機能および動作は、全て先の実施の形態１と同一である。

先の実施の形態１では、低域通過フィルタ１６の出力を積分器１７によって積分していた。この場合、ジャイロ機構１０におけるジンバル・モータ７によって、ジンバル軸（Ｘ軸）回りに作用する外乱トルクτ_Ｄを相殺することで、外乱トルクτ_Ｄに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制している。

換言すれば、ジンバル・モータ７が外乱トルクτ_Ｄを完全に相殺できない場合、外乱トルクτ_Ｄに起因するジンバル角速度ωの微小振動が残留し、積分器１７の出力が増加し続けるため、ジンバル制御装置の安定性を損なう可能性がある。

そこで、本実施の形態３におけるジンバル制御装置では、制御ブロック２０内の積分器を、所定の周波数以上の周波数領域においてのみ、低域通過フィルタ１６の出力を積分する不完全積分器１９としている。

この不完全積分器１９の回転座標系における伝達関数は、下式（６）で与えられる。

ここで、上式（６）におけるω_ＤＩＳおよびＫ_Ｉは、以下の内容を意味している。
ω_ＤＩＳ ：不完全積分器１９におけるカットオフ周波数
Ｋ_Ｉ ：不完全積分器１９における比例係数

ジンバル・モータ７が外乱トルクτ_Ｄを完全に相殺できず、外乱トルクτ_Ｄに起因するジンバル角速度ωの微小振動が残留する場合でも、不完全積分器１９の出力が所定範囲内に制限される。このため、ジンバル制御装置の安定性を維持することが可能となる。

以上のように、実施の形態３によれば、回転座標変換器、低域通過フィルタ、不完全積分器、および固定座標変換器で構成される制御ブロックを備えている。これにより、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減することができる。この結果、外乱トルクτ_Ｄに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制し、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分の脈動トルクを除去することができる。

特に、外乱トルクτ_Ｄがロータのスピン軸回り回転運動に同期して、周波数ａΩ（ａ：所定の実定数、Ω：ロータのスピン軸回り回転速度）で発生する場合には、回転座標系の回転速度をａΩと設定することで、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、ロータ１のスピン軸回り回転運動に同期した脈動トルクを除去することができる。

さらに、本実施の形態３のジンバル制御装置では、回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、固定座標変換器において重畳する進相量φが、常に最適値となるように設定される。この結果、回転座標系の回転速度（つまり外乱トルクτ_Ｄ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。

加えて、本実施の形態３のジンバル制御装置では、低域通過フィルタの出力の積分に不完全積分器を適用している。この結果、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分においてジンバル角速度ωの変動が完全に抑制できない場合においても、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。

なお、本実施の形態３では、不完全積分器１９を備えた制御ブロック２０を、先の実施の形態１に適用する場合について説明したが、先の実施の形態２に適用することもでき、同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、基本的には、先の実施の形態３と同様の構成を備えるとともに、制御ブロック２０を複数備える場合について、説明する。なお、以下の説明では、制御ブロック２０を複数備える構成の一例として、２つの制御ブロック２０ａ、２０ｂによる構成について、具体的に説明する。

図１０は、本発明の実施の形態４に係るジンバル制御装置のブロック線図である。図１０に示したように、本実施の形態４のジンバル制御装置は、位置制御器１１、速度制御器１２、電流制御器１３、疑似微分器１４、および２系統の制御ブロック２０ａ、２０ｂを備えており、先の図１２に示したジャイロ機構１０の制御を行っている。なお、これら２系統の制御ブロック２０ａ、２０ｂは、ともに、先の実施の形態３における制御ブロック２０と同様の構成を備えており、本願発明の技術的特徴を有する構成部分に相当する。

次に、本実施の形態４の特徴である２系統の制御ブロック２０ａ、２０ｂの機能を中心に、以下に説明する。説明をわかり易くするために、２系統を添字ａ、ｂで区別するとともに、第１、第２と称して説明する。

第１の回転座標変換器１５ａおよび第２の回転座標変換器１５ｂは、疑似微分器１４で算出されたジンバル角速度ωの符号反転値を、それぞれロータ１のスピン軸（Ｚ軸）回り回転速度Ωのａ_１倍およびａ_２倍で回転する回転座標系による表現に変換する。第１の低域通過フィルタ１６ａおよび第２の低域通過フィルタ１６ｂは、それぞれ第１の回転座標変換器１５ａおよび第２の回転座標変換器１５ｂの出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する。

第１の不完全積分器１９ａおよび第２の不完全積分器１９ｂは、所定の周波数以上の周波数領域においてのみ、それぞれ第１の低域通過フィルタ１６ａおよび第２の低域通過フィルタ１６ｂの出力を積分する。さらに、第１の固定座標変換器１８ａおよび第２の固定座標変換器１８ｂは、それぞれ第１の不完全積分器１９ａおよび第２の不完全積分器１９ｂの出力に対して、それぞれ第１の進相量φ_１および第２の進相量φ_２を重畳して、固定座標系による表現に変換し、第２のジンバル・トルク指令および第３のジンバル・トルク指令を出力する。

電流制御器１３は、速度制御器１２から出力される第１のジンバル・トルク指令と、第１の固定座標変換器１８ａから出力される第２のジンバル・トルク指令と、第２の固定座標変換器１８ｂから出力される第３のジンバル・トルク指令との加算値をジンバル・トルク指令τ_Ｃとして入力する。さらに、電流制御器１３は、ジンバル・トルク指令τ_Ｃに基づいて、ジャイロ機構１０内のジンバル・モータ７に供給する電流を制御する。

なお、本実施の形態４のジンバル制御装置における進相量の最適調整方法、ジンバル角速度およびジャイロ・トルクの時間波形、および回転座標系回転速度と進相量の関係は、それぞれ、先の実施の形態１の図２、図６、および図７と同一である。

次に、図１０に示したジンバル制御装置の具体的な動作について説明する。この図１０に示すブロック線図において、制御ブロック２０ａ、２０ｂを除くフィードバック制御系の機能および動作は、先の実施の形態１と同一であり、各制御ブロック２０ａ、２０ｂの機能および動作は、先の実施の形態３と同一である。

先の実施の形態３では、フィードバック制御系に付加する制御ブロック２０を単一としていた。この場合、ジンバル軸（Ｘ軸）回りに作用する外乱トルクτ_Ｄが複数周波数成分を有する場合に、所定の単一周波数成分に対してのみ、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの感度を低減することができる。

換言すれば、回転座標変換器１５における回転座標系の回転速度と等価な周波数成分以外の外乱トルクτ_Ｄに対して、ジンバル角速度ωの変動を抑制することができない。その結果、ジャイロ機構１０が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇには、依然として脈動トルクが残留することになる。

そこで、本実施の形態４におけるジンバル制御装置では、外乱トルクτ_Ｄの周波数成分がａ_１Ωおよびａ_２Ω（ａ_１、ａ_２：所定の実定数、ただしａ_１≠ａ_２）となる場合に、制御ブロック２０を２個並列接続している。さらに、第１の制御ブロック２０ａにおける第１の回転座標変換器１５ａにおいて、回転座標系の回転速度をａ_１Ωに設定し、第２の制御ブロック２０ｂにおける第２の回転座標変換器１５ｂにおいて、回転座標系の回転速度をａ_２Ωに設定する。

また、第１の制御ブロック２０ａにおける第１の固定座標変換器１８ａにおいて、第１の不完全積分器１９ａの出力に対して重畳する第１の進相量φ_１は、回転座標系の回転速度ａ_１Ωに応じて、先の実施の形態１と同一の調整方法に基づいて、常に最適値となるように設定される。同様に、第２の制御ブロック２０ｂにおける第２の固定座標変換器１８ｂにおいて、第２の不完全積分器１９ｂの出力に対して重畳する第２の進相量φ_２は、回転座標系の回転速度ａ_２Ωに応じて、先の実施の形態１と同一の調整方法に基づいて、常に最適値となるように設定される。

そして、第１の固定座標変換器１８ａおよび第２の固定座標変換器１８ｂの出力のうち、上式（４）のＸ_Ｓに対応する信号の加算値を、ジンバル・トルク指令に対して重畳する。図１１は、本発明の実施の形態４のジンバル制御装置における外乱トルクに対するジンバル角速度の周波数特性を示す図である。図１０における制御ブロック２０ａ、２０ｂを付加した全体の周波数特性は、大略、この図１１で表される。

図１０に示すように、制御ブロック２０ａ、２０ｂを並列接続することで、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度ａ_１Ωおよびａ_２Ωと等価な複数周波数域において低減することができる。

以上のように、実施の形態４によれば、回転座標変換器、低域通過フィルタ、不完全積分器、および固定座標変換器で構成される制御ブロックを複数備えている。これにより、外乱トルクτ_Ｄに対するジンバル角速度ωの感度を、回転座標系の回転速度と等価な複数の周波数域において低減することができる。この結果、外乱トルクτ_Ｄに起因するジンバル角速度ωの変動を抑制し、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、回転座標系の回転速度と等価な複数の周波数成分の脈動トルクを除去することができる。

特に、外乱トルクτ_Ｄがロータのスピン軸回り回転運動に同期して、複数周波数ａ_１Ωおよびａ_２Ω（ａ_１、ａ_２：所定の実定数、ただしａ_１≠ａ_２、Ω：ロータのスピン軸回り回転速度）で発生する場合には、回転座標系の回転速度をａ_１Ωおよびａ_２Ωと設定することで、ジャイロ機構が出力するジャイロ・トルクτ_Ｇから、ロータのスピン軸回り回転運動に同期した複数周波数成分の脈動トルクを除去することができる。

さらに、本実施の形態４のジンバル制御装置では、第１の回転座標変換器および第２の回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、第１の固定座標変換器において重畳する第１の進相量φ_１および第２の固定座標変換器において重畳する第２の進相量φ_２が、常に最適値となるように設定される。この結果、回転座標系の回転速度（つまり外乱トルクτ_Ｄ）に起因するジンバル角速度ωの変動を抑制する周波数域を変化させた場合でも、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。

加えて、本実施の形態４のジンバル制御装置では、第１の低域通過フィルタおよび第２の低域通過フィルタの出力の積分に、第１の不完全積分器および第２の不完全積分器を適用している。この結果、回転座標系の回転速度と等価な周波数成分においてジンバル角速度ωの変動が完全に抑制できない場合においても、ジンバル制御装置の安定性を維持することができる。

なお、上述した実施の形態４では、制御ブロックを２個並列接続する構成としたが、外乱トルクτ_Ｄの周波数成分に応じて、３個以上の制御ブロックを並列接続してもよく、同様の効果を得ることができる。

さらに、上述した実施の形態４では、先の実施の形態３における構成に対して、制御ブロックを複数備える場合について説明した。しかしながら、本実施の形態４は、このような構成に限定されるものではない。先の実施の形態１、２における構成に対して、不完全積分器１９を備えた制御ブロック２０を複数備える場合にも、同様の効果を得ることができる。さらに、先の実施の形態１、２における積分器１７を備えた制御ブロックを複数備える場合にも、同様の効果を得ることができる。

１ ロータ、２ ジンバル・ハウジング、３ ホイール軸受、４ ホイール・モータ、５ ジンバル・ハウジング支持フレーム、６ ジンバル軸受、７ ジンバル・モータ、８ 角度検出器、８ａ 角速度検出器、９ 制御器（制御部）、１０ ジャイロ機構、１１ 位置制御器、１２ 速度制御器、１３ 電流制御器、１４ 疑似微分器、１５、１５ａ、１５ｂ 回転座標変換器、１６、１６ａ、１６ｂ 低域通過フィルタ、１７ 積分器、１８、１８ａ、１８ｂ 固定座標変換器、１９、１９ａ、１９ｂ 不完全積分器、２０、２０ａ、２０ｂ 制御ブロック。

Claims (8)

1. ジンバル軸回りの回転角度の検出結果に基づいて速度制御系による第１のジンバル・トルク指令値を制御演算し、前記第１のジンバル・トルク指令値に基づいてジャイロ機構のジンバル・モータをフィードバック制御する制御部を備えたジンバル制御装置であって、
   前記制御部は、外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減する第２のジンバル・トルク指令値を算出する制御ブロックをさらに備え、前記第１のジンバル・トルク指令値に対して前記第２のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
   ことを特徴とするジンバル制御装置。
2. 請求項１に記載のジンバル制御装置において、
   前記ジャイロ機構は、
   ロータと、
   前記ロータをスピン軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジングと、
   前記ジンバル・ハウジングをジンバル軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジング支持フレームと、
   前記ジンバル・ハウジングに固定され、前記ロータに対してスピン軸回りの回転トルクを作用させるホイール・モータと、
   前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングのジンバル軸回りの回転角度を検出する角度検出器と、
   前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングに対してジンバル軸回りの回転トルクを作用させるジンバル・モータと
   を有し、
   前記制御部は、ジンバル軸回りの回転角度からジンバル角速度を算出する疑似微分器を有し、
   前記制御部内の前記制御ブロックは、
   前記疑似微分器から出力されるジンバル角速度の符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する回転座標変換器と、
   前記回転座標変換器の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する低域通過フィルタと、
   前記低域通過フィルタの出力を積分する積分器と、
   前記積分器の出力に対して所定の進相量を重畳して固定座標系による表現に変換し、前記第２のジンバル・トルク指令値を算出する固定座標変換器と
   を有し、
   前記制御部は、前記角度検出器によって検出されたジンバル軸回りの回転角度に基づいて前記第１のジンバル・トルク指令値を算出し、前記第１のジンバル・トルク指令値に対して前記第２のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
   ことを特徴とするジンバル制御装置。
3. 請求項１に記載のジンバル制御装置において、
   前記ジャイロ機構は、
   ロータと、
   前記ロータをスピン軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジングと、
   前記ジンバル・ハウジングをジンバル軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジング支持フレームと、
   前記ジンバル・ハウジングに固定され、前記ロータに対してスピン軸回りの回転トルクを作用させるホイール・モータと、
   前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングのジンバル軸回りの回転角速度を検出する角速度検出器と、
   前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングに対してジンバル軸回りの回転トルクを作用させるジンバル・モータと、
   を有し、
   前記制御部内の前記制御ブロックは、
   前記角速度検出器から出力されるジンバル軸回りの回転角速度の符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する回転座標変換器と、
   前記回転座標変換器の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する低域通過フィルタと、
   前記低域通過フィルタの出力を積分する積分器と、
   前記積分器の出力に対して所定の進相量を重畳して固定座標系による表現に変換し、前記第２のジンバル・トルク指令値を算出する固定座標変換器と
   を有し、
   前記制御部は、前記角速度検出器によって検出されたジンバル軸回りの回転角速度に基づいて前記第１のジンバル・トルク指令値を算出し、前記第１のジンバル・トルク指令値に対して前記第２のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
   ことを特徴とするジンバル制御装置。
4. 請求項２または３に記載のジンバル制御装置において、
   前記固定座標変換器は、前記回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、前記積分器の出力に対して重畳する前記進相量を変化させ、前記第２のジンバル・トルク指令値を算出することを特徴とするジンバル制御装置。
5. 請求項４に記載のジンバル制御装置において、
   前記固定座標変換器は、前記積分器の出力に対して重畳する前記進相量を、回転座標系で表現された前記低域通過フィルタの出力が描く軌跡が、回転座標系上を回転することなく原点に収束するように設定し、前記第２のジンバル・トルク指令値を算出することを特徴とするジンバル制御装置。
6. 請求項２ないし５のいずれか１項に記載のジンバル制御装置において、
   前記回転座標変換器は、ジンバル軸回りの回転角速度の符号反転値を、ロータのスピン軸回り回転速度を所定倍した回転速度で回転する回転座標系による表現に変換することを特徴とするジンバル制御装置。
7. 請求項２ないし６のいずれか１項に記載のジンバル制御装置において、
   前記積分器は、所定の周波数以上の周波数領域においてのみ、低域通過フィルタの出力を積分する不完全積分器で構成されることを特徴とするジンバル制御装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のジンバル制御装置において、
   前記制御ブロックは、並列接続された複数の制御ブロックで構成され、前記外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の互いに異なる回転速度と等価な周波数域において低減する複数のジンバル・トルク指令値として、前記複数の制御ブロックごとに個別に算出し、前記第１のジンバル・トルク指令値に対して前記複数のジンバル・トルク指令値をそれぞれ重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
   ことを特徴とするジンバル制御装置。

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