JP5469949B2 - 電動機械の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機を駆動源として含む電動機械の制御装置に関する。

従来技術の第１の例として、特許文献１には電動機械に生じている振動周波数成分をトルク指令から除去することで電動機械の共振による振動を抑制する技術が記載されている。

図６を参照して上記第１の例を説明する。電動機１０１に負荷１０２が繋がれており、速度検出手段１０３から電動機１０１の検出速度ω_ｍが出力される。速度制御手段１０４は、減算手段１００で算出された速度指令ω_ｒ*と検出速度ω_ｍの偏差を零に制御するためのトルク指令τ_１*を出力する。速度制御手段１０４の具体的動作としては、例えば差分（ω_ｒ*−ω_ｍ）を比例積分制御した結果をトルク指令τ_１*として出力する。トルク指令τ_１*は第１のノッチフィルタ１０５を通され新たなトルク指令τ_２*としてトルク制御手段１０６に出力される。トルク制御手段１０６の出力によって電動機１０１は速度制御される。上記第１のノッチフィルタ１０５のノッチ中心周波数ｆ_ｎは以下のように求められる。

検出速度ω_ｍが、所定のカットオフ周波数を持つハイパスフィルタ１０７に入力されカットオフ周波数以上の振動成分ｙが出力される。この振動成分ｙが第２のノッチフィルタ１０８に入力されフィルタリングの結果ｅが出力される。ノッチ中心周波数修正手段１０９は第２のノッチフィルタ１０８の出力ｅの振幅が減少するよう第２のノッチフィルタ１０８のノッチ中心周波数ｆ_ｎを逐次修正していく。この第２のノッチフィルタ１０８のノッチ中心周波数ｆ_ｎを第１のノッチフィルタ１０５のノッチ中心周波数とする。振動が非常に小さい場合、ノッチ中心周波数の修正は十分できていると判断できる。そこで、ノッチ中心周波数修正手段１０９は出力ｅの振幅が所定値以上の時のみ第２のノッチフィルタ１０８のノッチ中心周波数ｆ_ｎを修正する。

また、ノッチ中心周波数修正手段１０９は第２のノッチフィルタ１０８の出力ｅの振幅が減少するよう第２のノッチフィルタ１０８のノッチ中心周波数ｆ_ｎを逐次修正していくが、毎回の変化量が大きすぎると最適なノッチ中心周波数付近で振動的になり収束しない、いわゆるリミットサイクルが発生する可能性がある。そこでノッチ中心周波数修正手段１０９において毎回のノッチ中心周波数ｆ_ｎの変化量に上限値を設ける。

次にハイパスフィルタ１０７について説明する。検出速度ω_ｍから振動成分を取り出すためのハイパスフィルタ１０７の次数を２次以上としており、カットオフ周波数ω_ｃ以上に含まれる振動成分のみを取り出すことが可能となる。

加速度の変化点ではハイパスフィルタ１０７の出力ｙにインパルス的な値が表れる。これを振動と認識してしまうと第２のノッチフィルタ１０８のノッチ中心周波数の修正を妨げるのでこのような値は無視するのが望ましい。そこで既知である速度指令ω_ｒ*の２階差分から加速度の変化を計算し、その値が所定値以下の場合のみノッチ中心周波数の修正を行う。なお、上記説明では振動を検出するためにハイパスフィルタを用いたが、振動を検出できればよいから、低域側カットオフ特性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よい、と説明されている。

従来技術の第２の例として、特許文献２には減速機のトルクムラによって生じるトルクリップルをトルク指令への補正値の加算によって抑制し、電動機械の振動を低減する技術が記載されている。

図７は上記第２の例の実施形態として開示されている構成から位置制御ループを省略した構成を示す。これは、上記第２の例を実施する上で、位置制御ループを省略しても本質は失われないからであり、この図７によって第２の例を説明する。

電動機１０１に減速機１１０を介して負荷１０２が繋がれており、速度検出手段１０３から電動機１０１の検出速度ω_ｍが出力される。速度制御手段１０４は、減算手段１００で算出された速度指令ω_ｒ*と検出速度ω_ｍの偏差を零に制御するためのトルク指令τ_１*を出力する。減算手段１１４によりトルク指令τ_１*から演算器１１３の出力τ_３*を減算して新たなトルク指令τ_２*をトルク制御手段１０６に入力する。そしてトルク制御手段１０６の出力によって電動機１０１は速度制御される。上記演算器１１３の出力τ_３*は以下のように求められる。

まず、検出速度ω_ｍを、バンドパスフィルタ１１１を通過させる。バンドパスフィルタ１１１は減速機１１０の内部で発生するトルクリップルの周波数帯域を通過帯域とするので、出力される信号ω_ｍ３には減速機１１０の内部で発生するトルクリップルの周波数帯域の信号のみが含まれる。信号ω_ｍ３を、微分器１１２を通過させて信号ω_ｍ３の微分値（ｄ／ｄｔ）ω_ｍ３を得て演算器１１３への入力とする。微分を行なうのはバンドパスフィルタ１１１の出力ω_ｍ３が速度の次元を持っており、これを加速度の次元に変換するためである。演算器１１３は加速度の次元に変換された信号（ｄ／ｄｔ）ω_ｍ３に適当なゲインをかけて減速機１１０において生じるトルクリップルを補償するための信号τ_３*を出力する。

上記第２の例は減速機１１０をハーモニックドライブ（登録商標）とし、ハーモニックドライブ（登録商標）のトルクムラを数式化することで演算器１１３においては電動機１０１の速度指令ω_ｒ*の関数であるゲインＦ(ω_ｒ*)を乗じてτ_３*＝Ｆ(ω_ｒ*)（ｄ／ｄｔ）ω_ｍ３を出力すればよいとしている。ここでＦ(ω_ｒ*)は、以下の数１による式（１）で表される。

ただし、Ｋ_２は電動機１０１の軸のねじりばね定数、Ｊ_３は電動機１０１の慣性モーメントである。

特開２００３−５２１８８号公報 特開昭６３−１３８９号公報

「共振機械系制御のための適応ノッチフィルタの設計」（松井義弘、H15電気学会産業応用部門大会2-10）

次に、上記第１の例と第２の例を比較する。

上記第１の例は電動機械に生じる振動を、検出速度にもとづいて振動周波数にノッチ周波数が追従するよう工夫されたノッチフィルタによってトルク指令から除去している。他方、上記第２の例は電動機械に生じる振動成分を、検出速度からバンドパスフィルタと微分器と演算器によって推定し、加算手段によりトルク指令に加算している。つまり第１の例と第２の例は相反する動作をしている。

上記第１の例は電動機械の共振による振動を抑制しようとしており、上記第２の例で述べられているような減速機のトルクリップルに起因する振動を想定していない。したがって、上記第１の例を減速機付電動機械に適用しようとすると、トルクリップルに起因する振動周波数成分がノッチ中心周波数の修正の妨げとなる。

以上の説明で理解できるように、電動機械の回転体を回転制御（速度あるいは位置制御）する場合、回転体の固有振動数を推定して適応ノッチフィルタに使いたいが、減速機付電動機械のように、電動機械の構成によっては回転体の検出出力にリップル成分がのってしまうためにノッチ中心周波数の修正の妨げとなる。

本発明の課題は、適応ノッチフィルタ手段を用いて、駆動源として電動機を含む電動機械の制御を行うに際し、検出出力にリップル成分が含まれていてもその影響を受けることなく適応ノッチフィルタ手段のノッチ中心周波数修正をより高精度に行うことのできる制御装置を提供することにある。

本発明による電動機械の制御装置の態様においては、前記電動機械の駆動源の速度又は位置を制御する速度又は位置制御手段と前記駆動源との間に適応ノッチフィルタ手段が挿入され、該適応ノッチフィルタ手段は、前記電動機械に設置された検出手段の出力からリップル成分を除去した信号を生成し、生成した信号に基づいてノッチ中心周波数推定動作を行なう。

上記の態様による制御装置においては、前記速度又は位置制御手段は、速度又は位置指令と前記検出手段の出力との偏差を受けてこれを０にするためのトルク指令を出力する。この場合、前記適応ノッチフィルタ手段は、前記トルク指令から共振成分を除去して新たなトルク指令を出力する第１のノッチフィルタと、前記検出手段の出力から前記リップル成分を除去した信号を生成する第２のノッチフィルタと、前記ノッチフィルタの出力信号を受け、あらかじめ定められた低域側、高域側の周波数のうち、少なくとも低域側の周波数成分をカットオフする機能を有するフィルタと、前記フィルタの出力を受けて、前記ノッチ中心周波数を推定し前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数の調整、更新を行なう第３のノッチフィルタと、を含む。

上記の態様による制御装置においては、前記電動機械は、前記駆動源としての電動機と負荷とを減速機を介して連結したものであり、前記検出手段は、前記電動機又は負荷の位置、速度、加速度、前記電動機から前記減速機を介して前記負荷に伝達される伝達トルクのいずれかを検出するものを用いることができる。

本発明によれば、適応ノッチフィルタ手段の中心周波数推定動作に際し、電動機械内部で発生する固有振動成分（例えばトルクリップル成分）の影響を受けることの無いようにして、適応ノッチフィルタ手段の中心周波数推定動作の精度を高めることができる。適応ノッチフィルタ手段の中心周波数推定動作の精度が高まると、適応ノッチフィルタ手段による電動機械の振動低減効果を高めることができる。

本発明を減速機付電動機械に適用した実施形態による速度制御装置の構成例を示したブロック図である。 サイクロ（登録商標）減速機内部で発生する加振力による負荷偏差の振動について説明するために、速度指令毎の負荷偏差の振幅スペクトルを縦軸方向にならべて描いた図である。 本発明が適用される減速機付電動機械における減速機の例としてサイクロ（登録商標）減速機についてその概略を説明するための図である。 本発明が適用される減速機付電動機械における減速機の例としてＲＶ減速機についてその概略を説明するための図である。 本発明が適用される減速機付電動機械における減速機の例としてハーモニックドライブ（登録商標）についてその概略を説明するための図である。 電動機が負荷を駆動する電動機械に適用される、速度制御装置の第１の従来例を示したブロック図である。 減速機を介して電動機が負荷を駆動する減速機付電動機械に適用される、速度制御装置の第２の従来例を示したブロック図である。

図１を参照して本発明による制御装置の実施形態の構成及び動作について説明する。

図１は、減速機１０を介して電動機１が負荷２を駆動する減速機付電動機械の速度制御装置の構成例を示す。図示しない速度指令生成手段（あるいは位置制御手段）が出力した速度指令ω_ｒ*と速度検出手段３で検出した電動機１の検出速度ω_ｍの差を減算手段１２により算出して速度制御手段４に入力する。速度制御手段４は電動機１の速度が速度指令ω_ｒ*に一致するようなトルク指令τ_１*を出力する。第１のノッチフィルタ５はノッチ中心周波数が電動機械の共振周波数（あるいは電動機械の固有振動成分）に設定されており、トルク指令τ_１*から電動機械の固有振動成分を除去することによって電動機械の共振がトルク制御手段６によって励起されることを回避する。

速度検出手段３は、電動機１に設けられた位置検出器（図示せず）の検出した位置情報を微分するか、あるいは電動機１の速度を直接検出することによって電動機１の検出速度ω_ｍを出力する。本実施形態のような減速機付電動機械の場合、検出速度ω_ｍには減速機１０の内部で生じたトルクリップルによる振動成分（以下、速度リップルと呼ぶことがある）が含まれる。このトルクリップルによる振動成分は、電動機械内部の固有振動成分あるいは電動機械内部で生じる、回転速度に比例した周波数の振動成分であると言える。

第２のノッチフィルタ１１は、検出速度ω_ｍから速度リップルの周波数成分を除去する。速度リップルの周波数は減速機１０の出力側速度ω_ｏ＝ω_ｍ/Ｒ（Ｒは減速比）に比例する。このために第２のノッチフィルタ１１は電動機１の速度指令（角速度指令）ω_ｒ*（ｒａｄ／ｓｅｃ）に応じてノッチ中心周波数（角周波数）ω_ｎ（ｒａｄ／ｓｅｃ）を以下のように設定する。

（Ａ）減速機１０として図３に示すようなサイクロ（登録商標）減速機、あるいは図４に示すようなＲＶ減速機を用いる場合、
ω_ｎ＝［ω_ｒ*／Ｒ］×［ｎＣ／（ｎＰ−ｎＣ）］ （２）
から
ω_ｎ＝［ω_ｒ*／Ｒ］×［ｎＰ／（ｎＰ−ｎＣ）］ （３）
の間に設定する。

（Ｂ）減速機１０として図５に示すようなハーモニックドライブ（登録商標）を用いる場合、
ω_ｎ＝［ω_ｒ*／Ｒ］×［ｎＨＣ／２］ （４）
から
ω_ｎ＝［ω_ｒ*／Ｒ］×［ｎＨＰ／２］ （５）
の間に設定する。

上記式（２）〜（５）において、Ｒは減速比であり、ｎＣはサイクロ（登録商標）減速機においては曲線板（図３の３１）の歯数、ＲＶ減速機においてはＲＶギヤ（図４の４１）の歯数である。ｎＰはサイクロ（登録商標）においては外ピン（図３の３２）の本数、ＲＶ減速機においてはピン（図４の４２）の本数である。また、ｎＨＣはハーモニックドライブ（登録商標）におけるフレクスプライン（図５の５１）の歯数、ｎＨＰはサーキュラスプライン（図５の５２）の歯数である。図３において、３３は偏心体、３４は内ピンであり、ｅは偏心量を示す。図４において、４３はケース、４４はシャフト、４５はクランク軸である。

上記式（２）〜（５）において、速度指令ω_ｒ*のかわりに電動機の検出速度ω_ｍ（ｒａｄ／ｓｅｃ）を用いても良いし、ω_ｒ*／Ｒのかわりに負荷の検出速度ω_Ｌ＝ω_ｏ（ｒａｄ／ｓｅｃ）を用いても良い。

式（２）及び（３）はサイクロ（登録商標）減速機を一定回転数で駆動させたときの指令位置と負荷位置の差（以下、負荷偏差と呼ぶ）の振幅スペクトルから実験的に検証した式である。

図２は速度指令毎の負荷偏差の振幅スペクトルを縦軸方向にならべて描いたものである。各速度指令における振幅スペクトルに２つずつ存在する基本波の周波数のうち低い方の周波数は式（２）、高い方の周波数は式（３）によってそれぞれ表すことができている。

ＲＶ減速機の出力段はサイクロ（登録商標）減速機と同じ内接式遊星歯車機構を用いているため、サイクロ（登録商標）減速機と同じく式（２）及び式（３）を適用することが可能である。

ハーモニックドライブ（登録商標）もまた内接式遊星歯車機構を用いているが、内歯車と遊星歯車の歯数差は常に２であるから式（２）から式（４）、式（３）から式（５）を導出し、これを適用することが可能である。

図１に戻って、フィルタ７はバンドパスフィルタあるいはハイパスフィルタとする。フィルタ７は、第２のノッチフィルタ１１から出力された信号ｘからノッチ中心周波数としてふさわしくない低周波数成分と高周波数成分を除去して信号ｙを出力する。ノッチ中心周波数としてふさわしくない低周波数成分の上限は速度指令ω_ｒ*に追従させたい電動機速度の周波数の上限であり、これは通常、速度制御ループ帯域として定められている。したがってフィルタ７の低域側のカットオフ周波数ω_ｃＬは速度制御ループ帯域とすればよい。またノッチ中心周波数としてふさわしくない高周波数成分の下限は、すべてのノッチフィルタをアナログ回路で実装する場合は素子の周波数特性を考慮して決められ、ディジタルフィルタで実装する場合はナイキスト周波数近傍での周波数特性のひずみを考慮して決められるので、これをフィルタ７の高域側のカットオフ周波数ω_ｃＨとすればよい。ただし、高域側の阻止は必須ではないので不要であればフィルタ７をカットオフ周波数ω_ｃＬで規定されるハイパスフィルタとしてもよい。

第３のノッチフィルタ８は適応ノッチフィルタになっており、連続時間において下記の数２による式（６）で表されるノッチフィルタを離散化した下記の数３による式（７）の係数a_０及びa_１をノッチ中心周波数が入力ｙのピーク周波数に追従するように逐次更新する。係数の修正方法については、非特許文献１に記載されているので、ここでは説明を省略する。

式（６）、（７）において、ω_ｎはノッチ中心周波数（角周波数）（ｒａｄ／ｓｅｃ）、ζはノッチ幅を決めるパラメータである。ノッチ中心周波数におけるゲインは−∞ｄＢである。さらにＴ_ｓ（ｓｅｃ）をサンプリング時間とすると係数ａ_１及びａ_２はそれぞれ、以下の数４による式（８）、（９）で表される。

なお、上記説明において、図１中、一点鎖線で示した第１、第２、第３のノッチフィルタ５、８、１１とフィルタ７を含む構成は、まとめてパラメータ可変の適応ノッチフィルタ手段として定義付けることができ、この適応ノッチフィルタ手段は、減速機付き電動機械の共振周波数を推定する機能を持つ。

また、上記説明において、第２のノッチフィルタ１１で除去する成分はリップル成分であり、電動機械内部の固有振動成分あるいは電動機械内部で生じる、回転速度に比例した周波数の振動成分であると言い換えることができる。一方、第３のノッチフィルタ８で推定し、第１のノッチフィルタ５で除去する成分は共振成分であり、電動機械の固有振動成分あるいは電動機械の共振周波数であると言い換えることができる。

上記説明ではトルクリップルの基本波を対象としたが、第２のノッチフィルタ１１を直列に複数接続して検出速度ω_ｍから図２にある２倍波あるいはそれ以上の高調波を除去してもよい。

更に、第２のノッチフィルタ１１のノッチ中心周波数は第１のノッチフィルタ５の現在のノッチ中心周波数に最も近くなるように、式（２）−（５）のいずれかで得られるノッチ中心周波数ω_ｎに２以上の整数を乗じて決定しても良い。

また、図１は、速度制御装置の構成を示すが、検出速度ω_ｍに代えて検出位置を用い、速度指令ω_ｒ*に代えて位置指令を用いることで位置制御装置として構成しても良いことは言うまでも無い。

［実施形態の効果］
以上のように、減速機付電動機械に適応ノッチフィルタを使用する場合において、電動機の速度指令（電動機の検出速度でも負荷の検出速度でもよい）に中心周波数が比例するノッチフィルタを備えることで、適応ノッチフィルタの中心周波数推定動作が減速機内部で発生するトルクリップルの影響を受けることの無いようにして、適応ノッチフィルタの中心周波数推定動作の精度を高める。

適応ノッチフィルタの中心周波数推定動作の精度が高まると、適応ノッチフィルタによる電動機械の振動低減効果が高まる。

前述した従来技術の第１の例は、ノッチフィルタの除去すべき周波数が機械系の共振周波数であると規定した上で、負荷変動による共振周波数の変化にノッチフィルタの中心周波数が追従する適応ノッチフィルタを備えた電動機の制御装置である。

前述した従来技術の第２の例は、ハーモニックドライブ（登録商標）を主要な対象としてトルクリップルに起因する電動機械の振動成分をバンドパスフィルタで検出し、これに演算器で適当なゲインを掛けることでトルク指令の補正を行う減速機付電動機の制御装置である。

本発明の上記実施形態は、上記第２の例とは逆に、減速機のトルクリップルに起因する電動機械の振動成分をノッチフィルタで除去することで適応ノッチフィルタのノッチ中心周波数修正動作が減速機のトルクリップルの影響を受けないようにすることができる。

本発明による制御装置は、ＮＣ工作機械や産業用ロボットに適している。

サイクロ（登録商標）減速機、ＲＶ減速機、ハーモニックドライブ（登録商標）は減速機出力側の速度に遊星歯車の歯数（サイクロ（登録商標）減速機であれば曲線板の歯数、ハーモニックドライブ（登録商標）であればフレクスプラインの歯数）あるいは内歯車の歯数（サイクロ（登録商標）減速機であれば外ピン数、ハーモニックドライブ（登録商標）であればサーキュラスプラインの歯数）を乗じた周波数が減速機内で生じる振動の基本波であることが知られている。

他の減速機においても速度と歯数を掛けることでその減速機で生じる振動の基本波が得られる例は多いと考えられる。例えばピニオンギヤの回転速度とピニオンギヤの歯数を掛ければピニオンラック機構で生じる振動の基本波となる。

本発明による制御装置は直動機構にも適用可能である。

上記実施形態の説明では回転体による電動機械を対象としたが、アクチュエータあるいは負荷のいずれか一方あるいは両方が直動であっても減速機を介して駆動力の伝達が行われている限り、本発明を適用することが可能である。

本発明による制御装置は更に、ピニオンラックやボールねじ機構にも適用可能である。

更に、ピニオンラック機構においてはピニオンギヤの回転数に比例して、ラックの噛合いによる加振力が生じる。ボールねじ機構であってもボールねじの回転数に比例して加振力が発生する。したがって第３のノッチフィルタの中心周波数をこれらの機構の回転数に比例した周波数に設定することにより、実施形態で説明したのと同様の効果が得られる。

１、１０１ 電動機
２、１０２ 負荷
３、１０３ 速度検出手段
４、１０４ 速度制御手段
５ 第１のノッチフィルタ
６、１０６ トルク制御手段
７ フィルタ
８ 第２のノッチフィルタ
１１ 第３のノッチフィルタ

Claims (4)

1. 電動機械の制御装置において、
   前記電動機械の駆動源の速度又は位置を制御する速度又は位置制御手段と前記駆動源との間に適応ノッチフィルタ手段が挿入され、
   該適応ノッチフィルタ手段は、前記電動機械の速度指令に中心周波数が比例するノッチフィルタを備えることにより、前記電動機械に設置された検出手段の出力からリップル成分を除去した信号を生成し、生成した信号に基づいてノッチ中心周波数推定動作を行なうことを特徴とする電動機械の制御装置。
2. 前記速度又は位置制御手段は、速度又は位置指令と前記検出手段の出力との偏差を受けてこれを０にするためのトルク指令を出力し、
   前記適応ノッチフィルタ手段は、
   前記トルク指令から共振成分を除去して新たなトルク指令を出力する第１のノッチフィルタと、
   前記検出手段の出力から前記リップル成分を除去した信号を生成する、前記ノッチフィルタとしての第２のノッチフィルタと、
   前記第２のノッチフィルタの出力信号を受け、あらかじめ定められた低域側、高域側の周波数のうち、少なくとも低域側の周波数成分をカットオフする機能を有するフィルタと、
   前記フィルタの出力を受けて、前記ノッチ中心周波数を推定し前記第１のノッチフィルタのフィルタ係数の調整、更新を行なう第３のノッチフィルタと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の電動機械の制御装置。
3. 前記電動機械は、前記駆動源としての電動機と負荷とを減速機を介して連結したものであり、前記検出手段は、前記電動機又は負荷の位置、速度、加速度、前記電動機から前記減速機を介して前記負荷に伝達される伝達トルクのいずれかを検出することを特徴とする請求項１に記載の電動機械の制御装置。
4. 前記電動機械の速度指令に代えて、前記電動機械の検出速度又は負荷の検出速度を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機械の制御装置。

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