JP5402649B2 - Notch filter and motor control device having the same - Google Patents

Notch filter and motor control device having the same Download PDF

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本発明は、ノッチフィルタにおける中心周波数のゲイン特性を維持すると共に、振動極を持たずにゲイン特性と位相特性を改善でき、また、フィルタの特性を通常のノッチフィルタよりも詳細に設計できるフィルタとそれを備えたモータ制御装置に関する。 The present invention maintains a gain characteristic of a center frequency in a notch filter, can improve a gain characteristic and a phase characteristic without having a vibration pole, and can be designed in more detail than a normal notch filter. The present invention relates to a motor control device including the same.

従来のノッチフィルタを備えたモータ制御装置は、複数のノッチフィルタを備え、機械共振に起因する発振が生じたときに、ノッチフィルタ選択手段が、周波数推定手段が推定した発振周波数と複数のノッチフィルタの有効・無効の設定状態及びノッチ周波数とに基づき、ノッチフィルタの中から適切な1つを選択し、その選択されたノッチフィルタにノッチ周波数設定手段が発振周波数をノッチ周波数として設定するものであり、機械装置が複数の機械共振を持つ場合でもその複数の機械共振に起因する各発振をそれぞれ抑制でき、かつ、経年変化など何らかの原因で機械装置の共振周波数が変化した場合でもノッチフィルタのノッチ周波数の変更を安定かつ自動的に行なうことが記載されている(例えば、特許文献1) A conventional motor control device including a notch filter includes a plurality of notch filters, and when oscillation due to mechanical resonance occurs, the notch filter selection unit selects the oscillation frequency estimated by the frequency estimation unit and the plurality of notch filters. Based on the valid / invalid setting state and notch frequency, an appropriate one is selected from the notch filters, and the notch frequency setting means sets the oscillation frequency as the notch frequency to the selected notch filter. Even when the mechanical device has multiple mechanical resonances, each oscillation caused by the multiple mechanical resonances can be suppressed, and even if the mechanical device's resonant frequency changes for some reason, such as aging, the notch frequency of the notch filter Is described in a stable and automatic manner (for example, Patent Document 1).

特開2006−288124号公報(第3−5頁、図1)JP 2006-288124 A (page 3-5, FIG. 1)

従来のノッチフィルタを備えたモータ制御装置は、複数のノッチフィルタを直列に備えているが、ある伝達関数のノッチフィルタを直列で配置した場合、その位相特性やゲイン特性は足し合わされるため、一番低い共振周波数以下の位相が大きく遅れてしまい、結果としてモータ制御装置における制御ゲインが上がらず、位置応答が遅くなるという問題があった。   A conventional motor control device including a notch filter includes a plurality of notch filters in series. However, when a notch filter having a certain transfer function is arranged in series, the phase characteristics and gain characteristics are added together. The phase below the lowest resonance frequency is greatly delayed, resulting in a problem that the control gain in the motor control device does not increase and the position response becomes slow.

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ノッチフィルタにおける中心周波数のゲイン特性を維持すると共に、振動極を持たずに中心周波数以外のゲイン特性を改善し、中心周波数以下の位相の遅れを改善することができ、また、フィルタの特性を通常のノッチフィルタよりも詳細に設計できるノッチフィルタとそれを備えたモータ制御装置を提供する。 The present invention has been made in view of such problems, and maintains the gain characteristics of the center frequency in the notch filter, improves the gain characteristics other than the center frequency without having a vibration pole, and has a frequency below the center frequency. Provided are a notch filter and a motor control device including the notch filter that can improve the phase delay and can be designed in more detail than the normal notch filter.

上記問題を解決するため、本発明の代表的な構成は、次のように構成したのである。
ノッチフィルタが、入力信号における特定周波数のゲイン特性を下げるノッチフィルタであって、入力信号を入力し、特定周波数のゲイン特性を下げた第1の信号を出力する第1のノッチフィルタと、入力信号と第1の信号とを減算する減算器と、減算器の出力信号を入力し、特定周波数のゲイン特性を下げた第2の信号を出力する第2のノッチフィルタと、第2の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、第1の信号と、ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、入力信号に対して加算器の出力信号を出力することを特徴とするものである。
In order to solve the above problem, a typical configuration of the present invention is configured as follows.
The notch filter is a notch filter that lowers the gain characteristic of the specific frequency in the input signal, the first notch filter that inputs the input signal and outputs the first signal with the gain characteristic of the specific frequency lowered, and the input signal A subtractor that subtracts the first signal from the first signal, a second notch filter that receives the output signal of the subtractor and outputs a second signal with a reduced gain characteristic at a specific frequency, and the second signal and gain And an adder for adding the first signal and the output signal of the gain multiplier to output the output signal of the adder with respect to the input signal. Is.

本発明の他の代表的な構成は、次のように構成したのである。
モータ制御装置が、位置指令を生成して出力する指令生成部と、位置指令と位置検出器で検出するモータ位置とが一致するように制御演算して電力供給指令を演算して出力する制御部と、を備え、位置検出器付きモータとモータに結合される負荷とで構成される制御対象を駆動するモータ制御装置であって、位置指令に対して、位置指令における特定周波数のゲイン特性を下げて新たな位置指令として出力するノッチフィルタを備え、ノッチフィルタが、前記ノッチフィルタが、前記位置指令を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第1の信号を出力する第1のノッチフィルタと、前記位置指令と前記第1の信号とを減算する減算器と、前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第2の信号を出力する第2のノッチフィルタと、前記第2の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、前記第1の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、前記位置指令に対して前記加算器の出力信号を前記新たな位置指令として出力することを特徴とするものである。
Another typical configuration of the present invention is configured as follows.
A motor control device generates and outputs a position command, and a control unit that calculates and outputs a power supply command by performing control calculation so that the position command and the motor position detected by the position detector match. And a motor control device for driving a control target composed of a motor with a position detector and a load coupled to the motor, wherein the gain characteristic of the specific frequency in the position command is lowered with respect to the position command. A notch filter that outputs a new position command, and the notch filter receives the position command and outputs a first signal with a reduced gain characteristic of the specific frequency. And a subtractor for subtracting the position command and the first signal; and an output signal of the subtractor is input, and a second signal with a reduced gain characteristic of the specific frequency is output. A notch filter, a gain multiplier that multiplies the second signal and a gain, an adder that adds the output signal of the first signal and the gain multiplier, and the position command On the other hand, the output signal of the adder is output as the new position command.

本発明の代表的な構成によると、第1のノッチフィルタで除去した信号成分をもう一度第2のノッチフィルタに通し、ゲインK倍して足し戻すため、第1のノッチフィルタで除去された中心周波数以外の成分が復元でき、ノッチフィルタによる中心周波数以外のゲインの低下や位相の遅れを小さくできる。また、通常のノッチフィルタに対して、振動極を持たずに中心周波数以外のゲイン特性を改善し、中心周波数以下の位相の遅れを改善することができるため、制御対象が近い周波数の複数の共振を有する場合なども、ノッチフィルタで設定した周波数以外の共振を励起せず振動をそれほど増大させず、システムの応答を改善することができる。更に、フィルタの特性を通常のノッチフィルタよりも詳細に設計できるため、使用目的に応じて最適なフィルタが設計できる。 According to the representative configuration of the present invention, the signal component removed by the first notch filter is again passed through the second notch filter and added back by multiplying by a gain K. Therefore, the center frequency removed by the first notch filter is used. It is possible to restore components other than the above, and it is possible to reduce gain reduction and phase delay other than the center frequency due to the notch filter. Compared to a normal notch filter, gain characteristics other than the center frequency can be improved without having a vibration pole, and phase delay below the center frequency can be improved. In the case of having, the resonance of the system other than the frequency set by the notch filter is not excited, the vibration is not increased so much, and the response of the system can be improved. Furthermore, since the characteristics of the filter can be designed in more detail than a normal notch filter, an optimum filter can be designed according to the purpose of use.

本発明の他の代表的な構成によると、通常のノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合に比べて、振動抑制しつつ位相遅れを小さくできるため、モータの位置決め応答を改善できる。 According to another typical configuration of the present invention, since the phase delay can be reduced while suppressing the vibration as compared with the case where a normal notch filter is applied to the motor control device, the positioning response of the motor can be improved.

本発明の第1実施例におけるモータ制御装置のブロック図The block diagram of the motor control apparatus in 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例におけるノッチフィルタの構成を説明するブロック図The block diagram explaining the structure of the notch filter in 1st Example of this invention. 本発明の第2実施例におけるモータ制御装置のブロック図The block diagram of the motor control apparatus in 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例におけるモータ制御装置のブロック図The block diagram of the motor control apparatus in 3rd Example of this invention. 通常のノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果Simulation results when a normal notch filter is applied to a motor controller 本発明の第1実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果Simulation results when the notch filter in the first embodiment of the present invention is applied to a motor control device 本発明の第2実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果Simulation results when the notch filter in the second embodiment of the present invention is applied to a motor control device 本発明の実施形態におけるノッチフィルタの入出力周波数特性図Input / output frequency characteristic diagram of a notch filter in an embodiment of the present invention

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1実施例におけるモータ制御装置のブロック図である。図において、モータ制御装置は、指令生成部1、ノッチフィルタ2、位置・速度制御部3、電流制御部4で構成され、負荷6を結合したモータ5(制御対象7)を駆動するための電力を供給するものである。
指令生成部1は、制御対象7を駆動するための位置指令xrを生成する。後述するノッチフィルタ2は、位置指令xrから周波数ωnのゲインを小さくし、新たな位置指令xr’を出力する。位置・速度制御部3は、新たな位置指令xr’と位置検出部8で検出されたモータ位置xmが一致するように制御演算を行ない、トルク指令trefを出力する。ここでは位置比例、速度比例積分制御を行う場合を例に挙げるが、制御方法はこれに限るものではない。電流制御部4は、トルク指令trefに応じた電流制御を行い、電圧指令vrを出力する。なお、モータ制御装置は、この電圧指令vrを電力に変換する電力変換器を備えるが、ここではその詳細な説明を省略する。また、位置・速度制御部3、電流制御部4を1つの制御部と見た場合、この制御部は駆動する制御対象7に対して電力供給指令を出力するものと見ることができる。
FIG. 1 is a block diagram of a motor control device according to a first embodiment of the present invention. In the figure, the motor control device includes a command generation unit 1, a notch filter 2, a position / speed control unit 3, and a current control unit 4, and power for driving a motor 5 (control target 7) coupled with a load 6. Supply.
The command generation unit 1 generates a position command xr for driving the controlled object 7. The notch filter 2 described later reduces the gain of the frequency ωn from the position command xr and outputs a new position command xr ′. The position / speed control unit 3 performs control calculation so that the new position command xr ′ and the motor position xm detected by the position detection unit 8 coincide with each other, and outputs a torque command tref. Here, a case where position proportional and velocity proportional integral control is performed is taken as an example, but the control method is not limited to this. The current control unit 4 performs current control according to the torque command tref and outputs a voltage command vr. The motor control device includes a power converter that converts the voltage command vr into electric power, but a detailed description thereof is omitted here. Further, when the position / velocity control unit 3 and the current control unit 4 are regarded as one control unit, this control unit can be regarded as outputting a power supply command to the controlled object 7 to be driven.

図2は、本発明の第1実施例におけるノッチフィルタの構成を説明するブロック図である。図において、ノッチフィルタ20は、第1のノッチフィルタ21、第2のノッチフィルタ23、減算器22、ゲイン乗算部24、加算器25で構成される。
第1のノッチフィルタ21は、式(1)で表される伝達関数をもつものである。
FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the notch filter in the first embodiment of the present invention. In the figure, the notch filter 20 includes a first notch filter 21, a second notch filter 23, a subtracter 22, a gain multiplier 24, and an adder 25.
The first notch filter 21 has a transfer function represented by Expression (1).

Figure 0005402649
Figure 0005402649

ここで、ωn:ノッチ中心周波数、ζ1:分子側減衰係数、
ζ2:分母側減衰係数である。
第2のノッチフィルタ23は、式(2)で表される伝達関数をもつものであり、第1のノッチフィルタ21とその中心周波数ωnが同じものである。
Where ωn: notch center frequency, ζ1: molecular side attenuation coefficient,
ζ2: Denominator side attenuation coefficient.
The second notch filter 23 has a transfer function represented by the equation (2), and has the same center frequency ωn as that of the first notch filter 21.

Figure 0005402649
Figure 0005402649

ここで、ωn:ノッチ中心周波数、ζ3:分子側減衰係数、
ζ4:分母側減衰係数である。
Here, ωn: Notch center frequency, ζ3: Molecular side attenuation coefficient,
ζ4: A denominator-side attenuation coefficient.

減算器22は、第1のノッチフィルタ21の入力信号から、第1のノッチフィルタ21の出力信号xa1を減算した信号exを出力する。ゲイン乗算部24は、信号exを入力した第2のノッチフィルタ23の出力信号xa2にゲインKを乗じる。加算器25は、第1のノッチフィルタ21の出力信号xa1とゲイン乗算器24の出力信号とを加算する。 The subtracter 22 outputs a signal ex obtained by subtracting the output signal xa1 of the first notch filter 21 from the input signal of the first notch filter 21. The gain multiplication unit 24 multiplies the output signal xa2 of the second notch filter 23 to which the signal ex is input by a gain K. The adder 25 adds the output signal xa1 of the first notch filter 21 and the output signal of the gain multiplier 24.

このように構成したノッチフィルタ20の入力信号から出力信号までの伝達関数は式(3)で表される。 A transfer function from the input signal to the output signal of the notch filter 20 configured as described above is expressed by Expression (3).

Figure 0005402649
Figure 0005402649

第1のノッチフィルタ21における分母側減衰係数ζ2と第2のノッチフィルタ23における分母側減衰係数ζ4が1以上であれば、このフィルタは振動極を持たないのである。 If the denominator-side attenuation coefficient ζ2 in the first notch filter 21 and the denominator-side attenuation coefficient ζ4 in the second notch filter 23 are 1 or more, this filter has no vibration pole.

次に、本発明の第1実施例におけるノッチフィルタと通常のノッチフィルタ(第1のノッチフィルタのみで構成したもの)をそれぞれモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果を示す。
シミュレーションに際して、図1における位置・速度制御部3、電流制御部4、モータ5を一次遅れのローパスフィルタ(カットオフ周波数15rad/s)で近似した。また、負荷6は、モータ位置xmから負荷位置yまでの伝達特性が、式(4)に示すような共振周波数ω1とω2の2次遅れ系の伝達関数が直列に繋がった構成とした。この場合、負荷6は、共振周波数ω1と共振周波数ω2の2つの共振モードを持つことになる。
Next, simulation results when the notch filter according to the first embodiment of the present invention and a normal notch filter (configured only by the first notch filter) are respectively applied to the motor control device are shown.
In the simulation, the position / speed control unit 3, the current control unit 4, and the motor 5 in FIG. 1 were approximated by a first-order lag low-pass filter (cutoff frequency: 15 rad / s). Further, the load 6 is configured such that the transfer characteristic from the motor position xm to the load position y is such that a transfer function of a second-order lag system of resonance frequencies ω1 and ω2 as shown in Expression (4) is connected in series. In this case, the load 6 has two resonance modes of the resonance frequency ω1 and the resonance frequency ω2.

Figure 0005402649
Figure 0005402649

ここで、d1:共振周波数ω1の減衰係数、d2:共振周波数ω2の減衰係数であって、それぞれの値は、共振周波数ω1=10×2π[rad/s]、ω2=10.5×2π[rad/s]、共振周波数ω1の減衰係数d1=0.0、共振周波数ω1の減衰係数d2=0.4である。 Here, d1: an attenuation coefficient of the resonance frequency ω1, d2: an attenuation coefficient of the resonance frequency ω2, and the respective values are the resonance frequency ω1 = 10 × 2π [rad / s] and ω2 = 10.5 × 2π [ rad / s], the damping coefficient d1 of the resonance frequency ω1 = 0.0, and the damping coefficient d2 of the resonance frequency ω1 = 0.4.

図5は、通常のノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果である。横軸は時間軸、縦軸は位置である。また、通常のノッチフィルタは、式(1)で示される第1のノッチフィルタのみで構成したものに相当するものである。
この場合、共振周波数ω1の減衰係数d1が、共振周波数ω2の減衰係数d2に対して小さいため、通常のノッチフィルタは、共振周波数ω1の共振を抑制するようにωn=ω1,ζ1=d1に設定する。
図において、位置指令に対するモータ位置の位置応答を早くするために、ノッチフィルタパラメータである分母側減衰係数ζ2を1から徐々に小さくしていき、上段はζ2=1、中段はζ2=0.5、下段はζ2=0.2の時の波形である。
分母側減衰係数ζ2を小さくしていくと位置応答は速くなっていくが、式(1)の伝達関数が振動極を持つため、共振周波数ω2の方の共振を励起してしまい、大きな振動が発生している(下段図参照)。下段図において、位置指令に対するモータ位置は0.2秒後には目標値にほぼ一致しているが、その後の振動が大きく、0.4秒ぐらいまで振動の影響が大きい。
FIG. 5 is a simulation result when a normal notch filter is applied to a motor control device. The horizontal axis is the time axis, and the vertical axis is the position. Further, the normal notch filter corresponds to that constituted only by the first notch filter represented by the equation (1).
In this case, since the attenuation coefficient d1 of the resonance frequency ω1 is smaller than the attenuation coefficient d2 of the resonance frequency ω2, the normal notch filter is set to ωn = ω1, ζ1 = d1 so as to suppress the resonance of the resonance frequency ω1. To do.
In the figure, in order to speed up the position response of the motor position to the position command, the denominator-side attenuation coefficient ζ2 that is a notch filter parameter is gradually decreased from 1, the upper stage is ζ2 = 1, and the middle stage is ζ2 = 0.5. The lower part shows the waveform when ζ2 = 0.2.
As the denominator-side attenuation coefficient ζ2 is decreased, the position response becomes faster. However, since the transfer function of Equation (1) has a vibration pole, resonance at the resonance frequency ω2 is excited and large vibration is generated. It has occurred (see the lower figure). In the lower diagram, the motor position with respect to the position command substantially matches the target value after 0.2 seconds, but the subsequent vibration is large, and the influence of the vibration is large up to about 0.4 seconds.

図6は、式(3)に示す本発明の第1実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果である。横軸は時間軸、縦軸は位置である。
ここで、制御対象は式(4)で表され、負荷パラメータである共振周波数ω1=10×2π[rad/s]、ω2=10.5×2π[rad/s]、共振周波数ω1の減衰係数d1=0.0、共振周波数ω1の減衰係数d2=0.4とする。
この場合、共振周波数ω1の減衰係数d1が、共振周波数ω2の減衰係数d2に対して小さいため、ノッチフィルタは、共振周波数ω1の共振を抑制するようにωn=ω1,分子側減衰係数ζ1,ζ3=d1とし、振動極を持たないように分母側減衰係数ζ2,ζ4=1.0とする。
パラメータKを大きくしていくと位置応答は速くなっていき、式(3)の伝達関数が振動極を持たないため、共振周波数ω2の方の共振を励起せず、大きな振動が発生しておらず、位置応答が収束する時間が、十分早くなっている(下段図参照)。下段図において、位置指令に対するモータ位置は0.2秒後には目標値に一致しており、その後の振動もそれほど大きくなっていない。
FIG. 6 is a simulation result when the notch filter in the first embodiment of the present invention represented by the equation (3) is applied to the motor control device. The horizontal axis is the time axis, and the vertical axis is the position.
Here, the object to be controlled is expressed by equation (4), and the resonance frequency ω1 = 10 × 2π [rad / s], ω2 = 10.5 × 2π [rad / s], which are load parameters, and the attenuation coefficient of the resonance frequency ω1. It is assumed that d1 = 0.0 and the damping coefficient d2 = 0.4 of the resonance frequency ω1.
In this case, since the attenuation coefficient d1 of the resonance frequency ω1 is smaller than the attenuation coefficient d2 of the resonance frequency ω2, the notch filter has ωn = ω1, molecular side attenuation coefficients ζ1, ζ3 so as to suppress the resonance of the resonance frequency ω1. = D1 and the denominator-side damping coefficients ζ2, ζ4 = 1.0 so as not to have a vibration pole.
As the parameter K is increased, the position response becomes faster, and the transfer function of the equation (3) does not have a vibration pole, so that the resonance at the resonance frequency ω2 is not excited and a large vibration is generated. The time for the position response to converge is sufficiently fast (see the lower figure). In the lower diagram, the motor position relative to the position command matches the target value after 0.2 seconds, and the subsequent vibration is not so great.

このように本発明の第1実施例におけるモータ制御装置によると、パラメータKを調整することで、振動極を持たずにノッチフィルタの遅れを改善することができるため、複数の共振周波数が近傍にあるような制御対象に対して、ノッチフィルタにおける中心周波数ωnに設定した周波数以外の近傍の振動を励起せず、位置決め応答を早くすることができる。 As described above, according to the motor control apparatus in the first embodiment of the present invention, by adjusting the parameter K, the delay of the notch filter can be improved without having the vibration pole. With respect to a certain control target, it is possible to accelerate positioning response without exciting vibrations in the vicinity of the frequency set to the center frequency ωn in the notch filter.

図3は、本発明の第2実施例におけるモータ制御装置のブロック図である。図において、モータ制御装置は、指令生成部1、ノッチフィルタ2、位置・速度制御部3、電流制御部4で構成され、負荷6を結合したモータ5(制御対象7)を駆動するための電力を供給するものである。
本実施例のモータ制御装置が、第1実施例のモータ制御装置と異なる点は、ノッチフィルタ2が指令生成部1の出力である位置指令xrではなく、位置・速度制御部3の出力であるトルク指令trefに対して、適用されている点である。その他の同一符号が付された構成は、同一の作用効果をそうするものであるため、詳細の説明を省略する。
FIG. 3 is a block diagram of a motor control device according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the motor control device includes a command generation unit 1, a notch filter 2, a position / speed control unit 3, and a current control unit 4, and power for driving a motor 5 (control target 7) coupled with a load 6. Supply.
The motor control device of the present embodiment is different from the motor control device of the first embodiment in that the notch filter 2 is not the position command xr that is the output of the command generation unit 1 but the output of the position / speed control unit 3. This is a point that is applied to the torque command tref. Since the other components with the same reference numerals have the same operational effects, detailed description thereof is omitted.

シミュレーションに際して、図3における位置・速度制御部3は、位置比例制御(比例ゲイン100[rad/s])、速度比例制御(比例ゲイン600[rad/s])とし、電流制御部4は応答が十分速いとして省略した。また、負荷6は、モータ位置xmから負荷位置yまでの伝達特性が、式(5)に示すような共振周波数をω3とする2次遅れ系の伝達関数で表される構成とした。 In the simulation, the position / velocity control unit 3 in FIG. 3 uses position proportional control (proportional gain 100 [rad / s]) and speed proportional control (proportional gain 600 [rad / s]), and the current control unit 4 responds. Omitted as fast enough. Further, the load 6 is configured such that the transfer characteristic from the motor position xm to the load position y is represented by a second-order lag transfer function having a resonance frequency ω3 as shown in Expression (5).

Figure 0005402649

ここで、負荷パラメータである共振周波数ω3=100×2π[rad/s]、共振周波数ω3の減衰係数d3=0.0とする。
Figure 0005402649

Here, it is assumed that the resonance frequency ω3 = 100 × 2π [rad / s], which is the load parameter, and the attenuation coefficient d3 = 0.0 of the resonance frequency ω3.

図7は、本発明の第2実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果である。横軸は時間軸、縦軸は位置である。
上段図は、ノッチフィルタを適用しない場合、中段図は、式(1)で示される第1のノッチフィルタのみで構成した通常のノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合、下段図は、本発明の第2実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合、のものである。
図において、上段図では、制御対象7が100Hzの共振系であるのに対して、位置・速度制御部3の制御ゲインが高いため、モータ位置である応答が発振している。中段図では、通常のノッチフィルタを用いることで発振せず安定に応答しているが、位置決め時に振動が大きく残ってしまっている。この振動は、通常のノッチフィルタの各パラメータを調整してもおさまらない。下段図では、本発明の第2実施例におけるノッチフィルタの各パラメータを、共振周波数ωnをω3と同じ値である100×2π、ノッチフィルタパラメータである分子側減衰係数ζ1,ζ3をd3と同じ値である0.0、分母側減衰係数ζ4=0.16、ゲインパラメータK=0.0066に設定することで、通常のノッチフィルタを適用した場合と比較して、十分に位置決め時の振動が小さくできている。
FIG. 7 is a simulation result when the notch filter according to the second embodiment of the present invention is applied to a motor control device. The horizontal axis is the time axis, and the vertical axis is the position.
The upper diagram shows the case where the notch filter is not applied, the middle diagram shows the case where the normal notch filter constituted only by the first notch filter represented by the formula (1) is applied to the motor control device, and the lower diagram shows the present invention. This is when the notch filter in the second embodiment is applied to a motor control device.
In the figure, in the upper diagram, the control object 7 is a resonance system of 100 Hz, whereas the control gain of the position / velocity control unit 3 is high, so that the response indicating the motor position oscillates. In the middle diagram, a normal notch filter is used to respond stably without oscillation, but a large amount of vibration remains during positioning. This vibration does not stop even if each parameter of a normal notch filter is adjusted. In the lower diagram, the parameters of the notch filter in the second embodiment of the present invention are as follows. The resonance frequency ωn is 100 × 2π that is the same value as ω3, and the molecular side attenuation coefficients ζ1 and ζ3 that are notch filter parameters are the same values as d3. By setting to 0.0, denominator-side damping coefficient ζ4 = 0.16, and gain parameter K = 0.666, vibration during positioning is sufficiently small as compared with the case where a normal notch filter is applied. is made of.

このように、本発明の第1,2実施例におけるノッチフィルタと、それを備えたモータ制御装置は、通常のノッチフィルタが、分子と分母の減衰係数ζ1、ζ2を調整できるだけなのに対し、2つのノッチフィルタの分子と分母の減衰係数ζ1、ζ2、ζ3、ζ4とゲインKとの5つのパラメータを持ち、ノッチフィルタの特性を詳細に設計できるため、位置決め動作時の振動を低減することができるのである。 As described above, the notch filter and the motor control apparatus including the notch filter according to the first and second embodiments of the present invention can adjust the numerator and denominator damping coefficients ζ 1 and ζ 2, while Since the notch filter has five parameters, numerator and denominator damping coefficients ζ1, ζ2, ζ3, ζ4, and gain K, and the characteristics of the notch filter can be designed in detail, vibration during positioning operation can be reduced. is there.

図4は、本発明の第3実施例におけるモータ制御装置のブロック図である。図において、モータ制御装置は、指令生成部1、ノッチフィルタ2、位置・速度制御部3、電流制御部4で構成され、負荷6を結合したモータ5(制御対象7)を駆動するための電力を供給するものである。
本実施例のモータ制御装置が、第1実施例のモータ制御装置と異なる点は、ノッチフィルタ2が指令生成部1の出力である位置指令xrではなく、位置検出部8の出力であるモータ位置xmに対して、適用されている点である。その他の同一符号が付された構成は、同一の作用効果をそうするものであるため、詳細の説明を省略する。
この場合も、第1または2実施例と同様に、通常のノッチフィルタと比較して位置決め時の振動を低減する効果がある。
FIG. 4 is a block diagram of a motor control device according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the motor control device includes a command generation unit 1, a notch filter 2, a position / speed control unit 3, and a current control unit 4, and power for driving a motor 5 (control target 7) coupled with a load 6. Supply.
The motor control device of this embodiment is different from the motor control device of the first embodiment in that the notch filter 2 is not the position command xr that is the output of the command generation unit 1 but the motor position that is the output of the position detection unit 8. It is a point that is applied to xm. Since the other components with the same reference numerals have the same operational effects, detailed description thereof is omitted.
Also in this case, as in the first or second embodiment, there is an effect of reducing vibration during positioning as compared with a normal notch filter.

ここで、本発明の実施形態におけるノッチフィルタと、通常のノッチフィルタとの入出力周波数特性を比較する。なお、通常のノッチフィルタは、式(1)で示される第1のノッチフィルタのみで構成したものに相当するものである。
図8は、本発明の実施形態におけるノッチフィルタの入出力周波数特性図である。図において、上段はゲイン特性、下段は位相特性、上段縦軸はゲイン、下段縦軸は位相、横軸は周波数である。また、本発明の実施形態におけるノッチフィルタは実線、通常のノッチフィルタは破線である。
本発明の実施形態におけるノッチフィルタは、そのゲインKのみを調整することにより、その中心周波数(図示では5Hz)のゲイン特性(図示では−40dB)を維持すると共に、中心周波数以外のゲイン特性を上げ(図示矢印)、かつ中心周波数以下の位相の遅れを少なく(図示矢印)することができる。
Here, the input / output frequency characteristics of the notch filter according to the embodiment of the present invention and a normal notch filter are compared. Note that the normal notch filter corresponds to a configuration including only the first notch filter represented by the equation (1).
FIG. 8 is an input / output frequency characteristic diagram of the notch filter in the embodiment of the present invention. In the figure, the upper stage is gain characteristics, the lower stage is phase characteristics, the upper vertical axis is gain, the lower vertical axis is phase, and the horizontal axis is frequency. In the embodiment of the present invention, the notch filter is a solid line, and the normal notch filter is a broken line.
The notch filter in the embodiment of the present invention maintains the gain characteristic (−40 dB in the figure) of the center frequency (5 Hz in the figure) by adjusting only the gain K, and increases the gain characteristics other than the center frequency. It is possible to reduce the phase delay below the center frequency (shown arrow) (shown arrow).

振動極を持たずにノッチフィルタにおける中心周波数以外のゲイン特性を改善し、中心周波数以下の位相の遅れを改善することができるため、制御対象が近い周波数の複数の共振を有する場合なども、ノッチフィルタで設定した周波数以外の共振を励起せずにノッチフィルタによる入力信号からの遅れを小さくすることができ、また、フィルタの特性を通常のノッチフィルタよりも詳細に設計できるため、単軸のモータ制御装置だけでなく複数軸からなる産業用ロボットなどの振動抑制にも適用できる。この場合、教示された手先座標系での位置指令にも適用することができるし、また、各軸の指令に変換した後の各軸位置指令にも適用することができる。また更に、このノッチフィルタはモータ制御に限定したものではないため、プラントや電気回路、信号処理などの振動抑制等にも適用できる。 The gain characteristics other than the center frequency in the notch filter can be improved without having a vibration pole, and the phase delay below the center frequency can be improved, so the notch can also be used when the controlled object has multiple resonances at close frequencies. A single-axis motor can be designed because the delay from the input signal by the notch filter can be reduced without exciting resonance other than the frequency set by the filter, and the filter characteristics can be designed in more detail than a normal notch filter. It can be applied not only to control devices but also to vibration suppression for industrial robots with multiple axes. In this case, it can be applied to a position command in the taught hand coordinate system, and can also be applied to each axis position command after being converted into a command for each axis. Furthermore, since this notch filter is not limited to motor control, it can also be applied to vibration suppression in plants, electrical circuits, signal processing, and the like.

1 指令生成部
2 ノッチフィルタ
3 位置・速度制御部
4 電流制御部
5 モータ
6 負荷
7 制御対象
8 位置検出部
20 ノッチフィルタ
21 ノッチフィルタ1
22 減算器
23 ノッチフィルタ2
24 ゲイン乗算部
25 加算器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Command generation part 2 Notch filter 3 Position / speed control part 4 Current control part 5 Motor 6 Load 7 Control object 8 Position detection part 20 Notch filter 21 Notch filter 1
22 Subtractor 23 Notch filter 2
24 gain multiplier 25 adder

Claims (4)

入力信号における特定周波数のゲイン特性を下げるノッチフィルタであって、
前記入力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第1の信号を出力する第1のノッチフィルタと、
前記入力信号と前記第1の信号とを減算する減算器と、
前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第2の信号を出力する第2のノッチフィルタと、
前記第2の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、
前記第1の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、
前記入力信号に対して前記加算器の出力信号を出力することを特徴とするノッチフィルタ。
A notch filter that lowers the gain characteristic of a specific frequency in the input signal,
A first notch filter that inputs the input signal and outputs a first signal with a reduced gain characteristic of the specific frequency;
A subtractor for subtracting the input signal and the first signal;
A second notch filter that inputs an output signal of the subtractor and outputs a second signal having a reduced gain characteristic of the specific frequency;
A gain multiplier for multiplying the second signal by a gain;
An adder that adds the first signal and the output signal of the gain multiplier;
A notch filter that outputs an output signal of the adder with respect to the input signal.
位置指令を生成して出力する指令生成部と、
前記位置指令と位置検出器で検出するモータ位置とが一致するように制御演算して電力供給指令を演算して出力する制御部と、を備え、前記位置検出器付きモータと前記モータに結合される負荷とで構成される制御対象を駆動するモータ制御装置であって、
前記位置指令に対して、前記位置指令における特定周波数のゲイン特性を下げて新たな位置指令として出力するノッチフィルタを備え、
前記ノッチフィルタが、前記位置指令を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第1の信号を出力する第1のノッチフィルタと、
前記位置指令と前記第1の信号とを減算する減算器と、
前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第2の信号を出力する第2のノッチフィルタと、
前記第2の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、
前記第1の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、
前記位置指令に対して前記加算器の出力信号を前記新たな位置指令として出力することを特徴とするモータ制御装置。
A command generator for generating and outputting a position command;
A control unit that calculates and outputs a power supply command so that the position command and the motor position detected by the position detector coincide with each other, and is coupled to the motor with the position detector and the motor. A motor control device for driving a control object composed of a load
With respect to the position command, comprising a notch filter that lowers the gain characteristic of the specific frequency in the position command and outputs it as a new position command,
A first notch filter that receives the position command and outputs a first signal with a reduced gain characteristic of the specific frequency;
A subtractor for subtracting the position command and the first signal;
A second notch filter that inputs an output signal of the subtractor and outputs a second signal having a reduced gain characteristic of the specific frequency;
A gain multiplier for multiplying the second signal by a gain;
An adder that adds the first signal and the output signal of the gain multiplier;
A motor control device that outputs an output signal of the adder as the new position command in response to the position command.
位置指令を生成して出力する指令生成部と、
前記位置指令と位置検出器で検出するモータ位置とが一致するように制御演算して電力供給指令を演算して出力する制御部と、を備え、前記位置検出器付きモータと前記モータに結合される負荷とで構成される制御対象を駆動するモータ制御装置であって、
前記モータ位置に対して、前記モータ位置における特定周波数のゲイン特性を下げて新たなモータ位置として出力するノッチフィルタを備え、
前記ノッチフィルタが、前記モータ位置を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第1の信号を出力する第1のノッチフィルタと、
前記モータ位置と前記第1の信号とを減算する減算器と、
前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第2の信号を出力する第2のノッチフィルタと、
前記第2の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、
前記第1の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、
前記モータ位置に対して前記加算器の出力信号を前記新たなモータ位置として出力することを特徴とするモータ制御装置。
A command generator for generating and outputting a position command;
A control unit that calculates and outputs a power supply command so that the position command and the motor position detected by the position detector coincide with each other, and is coupled to the motor with the position detector and the motor. A motor control device for driving a control object composed of a load
With respect to the motor position, a notch filter that lowers the gain characteristic of a specific frequency at the motor position and outputs it as a new motor position,
A first notch filter that inputs the motor position and outputs a first signal with a reduced gain characteristic of the specific frequency;
A subtractor for subtracting the motor position and the first signal;
A second notch filter that inputs an output signal of the subtractor and outputs a second signal having a reduced gain characteristic of the specific frequency;
A gain multiplier for multiplying the second signal by a gain;
An adder that adds the first signal and the output signal of the gain multiplier;
A motor control device that outputs an output signal of the adder as the new motor position with respect to the motor position.
位置指令を生成して出力する指令生成部と、
前記位置指令と位置検出器で検出するモータ位置とが一致するように制御演算してトルク指令を演算して出力する位置速度制御部と、を備え、前記トルク指令に基づいて前記位置検出器付きモータと前記モータに結合される負荷とで構成される制御対象を駆動するモータ制御装置であって、
前記トルク指令に対して、前記トルク指令における特定周波数のゲイン特性を下げて新たなトルク指令として出力するノッチフィルタを備え、
前記ノッチフィルタが、前記トルク指令を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第1の信号を出力する第1のノッチフィルタと、
前記トルク指令と前記第1の信号とを減算する減算器と、
前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第2の信号を出力する第2のノッチフィルタと、
前記第2の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、
前記第1の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、
前記トルク指令に対して前記加算器の出力信号を前記新たなトルク指令として出力することを特徴とするモータ制御装置。
A command generator for generating and outputting a position command;
A position / speed control unit that calculates and outputs a torque command so that the position command and the motor position detected by the position detector coincide with each other, and includes the position detector based on the torque command. A motor control device for driving a controlled object composed of a motor and a load coupled to the motor,
With respect to the torque command, comprising a notch filter that lowers the gain characteristic of the specific frequency in the torque command and outputs it as a new torque command,
A first notch filter that receives the torque command and outputs a first signal with a reduced gain characteristic of the specific frequency;
A subtractor for subtracting the torque command and the first signal;
A second notch filter that inputs an output signal of the subtractor and outputs a second signal having a reduced gain characteristic of the specific frequency;
A gain multiplier for multiplying the second signal by a gain;
An adder that adds the first signal and the output signal of the gain multiplier;
A motor control device that outputs an output signal of the adder as the new torque command in response to the torque command.
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