JP6604157B2 - Resonance suppression controller in multi-inertia resonance system - Google Patents

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Description

本発明は、多慣性共振系のシステムに対して無駄時間の影響を考慮して共振抑制制御を行う多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置に関する。   The present invention relates to a resonance suppression control apparatus in a multi-inertia resonance system that performs resonance suppression control in consideration of the effect of dead time on a multi-inertia resonance system.

圧延システムに端を発する軸ねじれ系の振動抑制と外乱抑圧制御は、ビルや橋梁などの大型構造物、ロボットの柔軟関節やアーム、宇宙構造物などのモーションコントロールにおいて重要な課題となっている。このような背景のもとで、柔軟機構を有するシステムの振動制御の問題に対して数多くの研究開発が行われており、状態フィードバックやH∞制御、共振比制御、遅い外乱オブザーバによる制御など様々な手法が提案されている。   Shaft torsional vibration suppression and disturbance suppression control originating in rolling systems are important issues in motion control of large structures such as buildings and bridges, flexible joints and arms of robots, and space structures. Against this background, a lot of research and development has been carried out on the problem of vibration control of systems with flexible mechanisms, such as state feedback, H∞ control, resonance ratio control, control by slow disturbance observer, etc. Have been proposed.

一方で、インバータの遅れやセンサによる検出遅れがシステムに存在する場合、制御系の性能が著しく悪化することが知られている。   On the other hand, it is known that when the delay of the inverter or the detection delay by the sensor exists in the system, the performance of the control system is significantly deteriorated.

尚、多慣性共振系のシステムに対して共振抑制制御を実施することは、例えば特許文献1、2に記載されている。   For example, Patent Documents 1 and 2 describe that resonance suppression control is performed on a multi-inertia resonance system.

特許4766039号公報Japanese Patent No. 4766039 特開2012−68200号公報JP 2012-68200 A

しかしながら特許文献1は、上述の無駄時間による悪影響を制御系設計で考慮していないため、無駄時間による位相遅れがフィードバックループに存在すると制御が不安定となる問題がある。   However, since Patent Document 1 does not consider the adverse effects due to the above-described dead time in the control system design, there is a problem that the control becomes unstable if a phase delay due to the dead time exists in the feedback loop.

また、特許文献2は、無駄時間を考慮して制御系を設計しているが、無駄時間が極めて大きなシステム(例えば共振周波数付近で位相遅れが90度以上となるような場合)で、実際に適用すると制御が不安定となる問題が発生する。特に高周波帯域に共振点を持つシステムでは、このような問題が顕著となる。   In Patent Document 2, the control system is designed in consideration of the dead time. However, in the system where the dead time is extremely large (for example, when the phase delay is 90 degrees or more near the resonance frequency), When applied, the problem of unstable control occurs. Such a problem becomes remarkable particularly in a system having a resonance point in a high frequency band.

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、共振抑制効果を高めた多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置を提供することにある。   The present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide a resonance suppression control apparatus in a multi-inertia resonance system with enhanced resonance suppression effect.

上記課題を解決するための請求項1に記載の多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置は、モータと負荷を結合軸を介して結合した機械系構成と、前記モータの回転数、トルクを制御するインバータと、前記結合軸に設けられたトルク検出器により検出したトルクおよびモータの回転速度を速度検出器により検出した回転速度に基づいて、軸ねじれ共振を抑制するモータトルク指令を前記インバータに与えるコントローラと、を備えた多慣性共振システムにおいて、
前記機械系構成は、少なくともモータ慣性モデルおよび負荷慣性モデルを有した多慣性系機械モデルとして表現し、
前記モータ慣性モデルは、モータトルクT m からモータトルク外乱T mdis を減算し、その減算結果から軸ねじれトルクT reac を減算した値に、1/(J m ・s)(J m はモータ慣性モーメント、sはラプラス演算子)の伝達関数項を通してモータ回転速度ω m とし、該モータ回転速度ω m に1/sの伝達関数項を通してモータ回転位相角θ m とする伝達特性を有し、
前記負荷慣性モデルは、前記軸ねじれトルクT reac から負荷トルクT l を減算した値に、1/(J l ・s 2 )(J l は負荷慣性モーメント)の伝達関数項を通して負荷回転位相角θ l とし、前記モータ回転位相角θ m から前記負荷回転位相角θ l を減算した値に、K f (K f は軸ねじれ剛性(ばね係数)[Nm/rad])の伝達関数項を通して軸ねじれトルクT reac とする伝達特性を有しており、
前記コントローラは、
前記軸ねじれトルクT reac をフィードバックしたものに無駄時間要素が加算された軸ねじれトルク検出値T det を、設定した軸トルクフィードバックゲインK r に通して新たな軸ねじれトルク検出値とし、
設定したトルク指令から前記新たな軸ねじれトルク検出値を減算したトルク指令値と、前記モータ回転速度ω m に無駄時間要素が加算された回転速度検出値ω det とから、外乱オブザーバによってモータの外乱トルクを推定し外乱トルク推定値T^ dis を求め、
前記設定したトルク指令に前記外乱トルク推定値T^ dis を加算した値から、前記新たな軸ねじれトルク検出値を減算して位相補償前トルク指令値とし、
前記位相補償前トルク指令値を、伝達関数GPHC
A resonance suppression control apparatus in a multi-inertia resonance system according to claim 1 for solving the above-described problem controls a mechanical system configuration in which a motor and a load are coupled via a coupling shaft, and the rotational speed and torque of the motor. A controller that gives to the inverter a motor torque command that suppresses shaft torsional resonance based on the torque detected by the torque detector provided on the coupling shaft and the rotation speed detected by the speed detector. In a multi-inertia resonance system comprising:
The mechanical system configuration is expressed as a multi-inertia machine model having at least a motor inertia model and a load inertia model,
The motor inertia model is obtained by subtracting the motor torque disturbance T mdis from the motor torque T m and subtracting the shaft torsion torque T reac from the subtraction result to 1 / (J m · s) (J m is the motor inertia moment , S is a motor rotation speed ω m through a transfer function term of a Laplace operator) , and the motor rotation speed ω m has a transfer characteristic of a motor rotation phase angle θ m through a 1 / s transfer function term .
The load inertia model is obtained by subtracting the load torque T l from the shaft torsional torque T reac and the load rotation phase angle θ through a transfer function term of 1 / (J l · s 2 ) (J l is the load inertia moment). The torsion of the shaft through the transfer function term of K f (K f is the torsional rigidity of the shaft (spring coefficient) [Nm / rad]) is obtained by subtracting the load rotation phase angle θ l from the motor rotation phase angle θ m. It has a transmission characteristic of torque T reac
The controller is
The shaft torsion torque detection value T det obtained by adding the dead time element to the feedback of the shaft torsion torque T reac is passed through the set shaft torque feedback gain K r as a new shaft torsion torque detection value,
From the torque command value obtained by subtracting the new shaft torsion torque detection value from the set torque command and the rotation speed detection value ω det obtained by adding a dead time element to the motor rotation speed ω m , the disturbance disturbance causes a motor disturbance. Estimate the torque and obtain the estimated disturbance torque T ^ dis
Subtracting the new shaft torsion torque detection value from the value obtained by adding the disturbance torque estimated value T dis to the set torque command to obtain a pre-phase compensation torque command value,
The torque command value before phase compensation is expressed by the transfer function G PHC

Figure 0006604157
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(ただし、αは位相補償パラメータ、ωPhcは位相補償フィルタカットオフ周波数、sはラプラス演算子)
で表される位相補償器に通して位相補償後トルク指令値を求め、
前記位相補償後トルク指令値をモータトルク指令としてインバータに与えることを特徴としている。
(Where α is the phase compensation parameter, ω Phc is the phase compensation filter cutoff frequency, and s is the Laplace operator)
To obtain a torque command value after phase compensation through a phase compensator represented by
The phase-compensated torque command value is given to the inverter as a motor torque command.

上記構成において、コントローラは共振抑制制御を行うが、その際、トルク指令を位相補償器に通すことで、インバータに与えるモータトルク指令値を位相補償後のトルク指令としたので、フィードバックループに含まれる無駄時間等の遅れの影響が補償され、システムの安定性が向上する。   In the above configuration, the controller performs the resonance suppression control. At that time, the torque command is passed through the phase compensator, so that the motor torque command value given to the inverter is the torque command after phase compensation. The effect of delay such as dead time is compensated, and the stability of the system is improved.

また、軸ねじれトルク検出値を軸トルクフィードバックゲインKrを介してフィードバックすることで共振周波数成分が抑制され、また外乱オブザーバを用いているため外乱抑制効果が得られ、外乱に対してロバストな制御系を構築することができる。 In addition, the resonance frequency component is suppressed by feeding back the detected value of the shaft torsion torque via the shaft torque feedback gain K r, and the disturbance observer is used so that a disturbance suppression effect can be obtained and the control is robust against the disturbance. A system can be constructed.

また、請求項2に記載の多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置は、モータと負荷を結合軸を介して結合した機械系構成と、前記モータの回転数、トルクを制御するインバータと、前記結合軸に設けられたトルク検出器により検出したトルクおよびモータの回転速度を速度検出器により検出した回転速度に基づいて、軸ねじれ共振を抑制するモータトルク指令を前記インバータに与えるコントローラと、を備えた多慣性共振システムにおいて、
前記機械系構成は、少なくともモータ慣性モデルおよび負荷慣性モデルを有した多慣性系機械モデルとして表現し、
前記モータ慣性モデルは、モータトルクT m からモータトルク外乱T mdis を減算し、その減算結果から軸ねじれトルクT reac を減算した値に、1/(J m ・s)(J m はモータ慣性モーメント、sはラプラス演算子)の伝達関数項を通してモータ回転速度ω m とし、該モータ回転速度ω m に1/sの伝達関数項を通してモータ回転位相角θ m とする伝達特性を有し、
前記負荷慣性モデルは、前記軸ねじれトルクT reac から負荷トルクT l を減算した値に、1/(J l ・s 2 )(J l は負荷慣性モーメント)の伝達関数項を通して負荷回転位相角θ l とし、前記モータ回転位相角θ m から前記負荷回転位相角θ l を減算した値に、K f (K f は軸ねじれ剛性(ばね係数)[Nm/rad])の伝達関数項を通して軸ねじれトルクT reac とする伝達特性を有しており、
前記コントローラは、
前記軸ねじれトルクT reac をフィードバックしたものに無駄時間要素が加算された軸ねじれトルク検出値T det を、設定した軸トルクフィードバックゲインk r に通して新たな軸ねじれトルク検出値とし、前記新たな軸ねじれトルク検出値を、伝達関数GPHC
According to a second aspect of the present invention, there is provided a resonance suppression control apparatus for a multi-inertia resonance system comprising: a mechanical system configuration in which a motor and a load are coupled via a coupling shaft; an inverter for controlling the rotation speed and torque of the motor; A controller that provides the inverter with a motor torque command that suppresses shaft torsional resonance based on the torque detected by the torque detector provided on the shaft and the rotation speed detected by the speed detector. In a multi-inertia resonance system,
The mechanical system configuration is expressed as a multi-inertia machine model having at least a motor inertia model and a load inertia model,
The motor inertia model is obtained by subtracting the motor torque disturbance T mdis from the motor torque T m and subtracting the shaft torsion torque T reac from the subtraction result to 1 / (J m · s) (J m is the motor inertia moment , S is a motor rotation speed ω m through a transfer function term of a Laplace operator) , and the motor rotation speed ω m has a transfer characteristic of a motor rotation phase angle θ m through a 1 / s transfer function term .
The load inertia model is obtained by subtracting the load torque T l from the shaft torsional torque T reac and the load rotation phase angle θ through a transfer function term of 1 / (J l · s 2 ) (J l is the load inertia moment). The torsion of the shaft through the transfer function term of K f (K f is the torsional rigidity of the shaft (spring coefficient) [Nm / rad]) is obtained by subtracting the load rotation phase angle θ l from the motor rotation phase angle θ m. It has a transmission characteristic of torque T reac
The controller is
The torsional torque detection value T det to dead time element is added to that feedback the shaft torsional torque T REAC, as a new torsional torque detection value through a shaft torque feedback gain k r set, the new The shaft torsion torque detection value is expressed by the transfer function G PHC

Figure 0006604157
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(ただし、αは位相補償パラメータ、ωPhcは位相補償フィルタカットオフ周波数、sはラプラス演算子)
で表される第1の位相補償器に通して位相補償後軸ねじれトルク検出値を求め、
設定したトルク指令から前記位相補償後軸ねじれトルク検出値を減算したトルク指令値と、前記モータ回転速度ω m に無駄時間要素が加算された回転速度検出値ω det とから、外乱オブザーバによってモータの外乱トルクを推定し外乱トルク推定値T^ dis を求め、前記外乱トルク推定値T^ dis を、前記第1の位相補償器と同一に構成した第2の位相補償器に通して位相補償後外乱トルク推定値を求め、
前記設定したトルク指令に前記位相補償後外乱トルク推定値を加算した値から、前記位相補償後軸ねじれトルク検出値を減算して前記モータトルク指令を求めることを特徴としている。
(Where α is the phase compensation parameter, ω Phc is the phase compensation filter cutoff frequency, and s is the Laplace operator)
Through a first phase compensator represented by
From the torque command value obtained by subtracting the phase-compensated shaft torsion torque detection value from the set torque command and the rotation speed detection value ω det obtained by adding a dead time element to the motor rotation speed ω m , the disturbance observer observes the motor. Disturbance torque is estimated, disturbance torque estimated value T ^ dis is obtained, and the disturbance torque estimated value T ^ dis is passed through a second phase compensator having the same configuration as that of the first phase compensator. Find the torque estimate,
The motor torque command is obtained by subtracting the phase torsion torque detection value after phase compensation from a value obtained by adding the post-phase compensation disturbance torque estimated value to the set torque command.

上記構成において、コントローラは、共振抑制制御を行うが、その際、軸ねじれトルクのフィードバック分のみを位相補償器に通しているため、軸ねじれトルクのフィードバック分のみに位相補償効果が寄与し、トルク指令とは独立して共振抑制制御を調整することができる。   In the above configuration, the controller performs resonance suppression control. At this time, only the feedback of the shaft torsion torque is passed through the phase compensator, and therefore the phase compensation effect contributes only to the feedback of the shaft torsion torque, and the torque The resonance suppression control can be adjusted independently of the command.

また、軸ねじれトルク検出値のフィードバック分を第1の位相補償器に通し、外乱オブザーバの出力を第2の位相補償器に通しているので、より高い共振抑制および外乱抑制効果が期待できる。 In addition, since the feedback amount of the detected shaft torsion torque is passed through the first phase compensator and the output of the disturbance observer is passed through the second phase compensator, higher resonance suppression and disturbance suppression effects can be expected.

また、請求項3に記載の多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置は、請求項1又は2において、前記位相補償器は、伝達関数GPHCが、 Further, the resonance suppression control apparatus in the multi-inertia resonance system according to claim 3 is the resonance compensator according to claim 1 or 2 , wherein the phase compensator has a transfer function GPHC ,

Figure 0006604157
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(ただしωbは1次遅れカットオフ周波数、ωhは1次進みカットオフ周波数、sはラプラス演算子、pは任意の分数次数)
と表される、分数次数を用いた位相補償器で構成されていることを特徴としている。
(Where ω b is the primary delay cutoff frequency, ω h is the primary advance cutoff frequency, s is the Laplace operator, and p is any fractional order)
It is characterized by comprising a phase compensator using a fractional order expressed as follows.

上記構成によれば、位相補償器は分数次数を用いているので、位相補償量(位相補償の幅)がきめ細かく設定されて共振抑制効果が高められる。   According to the above configuration, since the phase compensator uses a fractional order, the phase compensation amount (phase compensation width) is finely set, and the resonance suppression effect is enhanced.

また、請求項4に記載の多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置は、請求項1から3のいずれか1項において、前記位相補償器の伝達関数GPHCを、 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a resonance suppression control apparatus for a multi-inertia resonance system according to any one of the first to third aspects, wherein the transfer function G PHC of the phase compensator is

Figure 0006604157
Figure 0006604157

Figure 0006604157
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(ただしωbは1次遅れカットオフ周波数、ωhは1次進みカットオフ周波数、sはラプラス演算子、pは任意の分数次数、ωPhCは位相補償フィルタカットオフ周波数、αは位相補償パラメータ)
と定義し、
前記位相補償パラメータαの設定を変更して位相補償量を調整することを特徴としている。
(Where ω b is the primary delay cutoff frequency, ω h is the primary advance cutoff frequency, s is the Laplace operator, p is any fractional order, ω PhC is the phase compensation filter cutoff frequency, and α is the phase compensation parameter. )
And define
The phase compensation amount is adjusted by changing the setting of the phase compensation parameter α.

上記構成によれば、位相補償パラメータαを、例えばシミュレーションや実際のシステムの無駄時間等で動作を確認し、それに応じて適切な値に設定することにより、共振抑制効果がより高められ、システムの安定性がさらに向上する。   According to the above configuration, by confirming the operation of the phase compensation parameter α by, for example, a simulation or an actual system dead time, and setting the phase compensation parameter α to an appropriate value accordingly, the resonance suppression effect can be further enhanced. Stability is further improved.

また、請求項5に記載の多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置は、請求項4において、前記ωbとωhを、ωb<ωhに設定することで位相遅れ補償器として機能させ、ωb>ωhに設定することで位相進み補償器として機能させることを特徴としている。 Further, the resonance suppression control apparatus in the multi-inertia resonance system according to claim 5 causes the ω b and ω h in claim 4 to function as a phase lag compensator by setting ω bh , It is characterized by functioning as a phase advance compensator by setting ω b > ω h .

上記構成によれば、位相遅れ補償器、位相進み補償器のいずれかに機能させて、共振抑制効果を高めることができる。   According to the above configuration, the resonance suppression effect can be enhanced by functioning either the phase lag compensator or the phase lead compensator.

(1)請求項1〜5に記載の発明によれば、フィードバックループに含まれる無駄時間等の遅れの影響が補償され、システムの安定性が向上する。また、軸ねじれトルク検出値を軸トルクフィードバックゲインKrを介してフィードバックすることで共振周波数成分が抑制され、また外乱オブザーバを用いているため外乱抑制効果が得られ、外乱に対してロバストな制御系を構築することができる。
(2)請求項2に記載の発明によれば、軸ねじれトルクのフィードバック分のみを位相補償器に通しているため、軸ねじれトルクのフィードバック分のみに位相補償効果が寄与し、トルク指令とは独立して共振抑制制御を調整することができる。また、軸ねじれトルク検出値のフィードバック分を第1の位相補償器に通し、外乱オブザーバの出力を第2の位相補償器に通しているので、より高い共振抑制および外乱抑制効果が期待できる。
(3)請求項3に記載の発明によれば、位相補償器は分数次数を用いているので、位相補償量(位相補償の幅)がきめ細かく設定されて共振抑制効果が高められる。
(4)請求項4に記載の発明によれば、位相補償量を調整することができ、位相補償パラメータを適切な値に設定することにより、共振抑制効果がより高められ、システムの安定性がさらに向上する。
(5)請求項5に記載の発明によれば、位相遅れ補償器、位相進み補償器のいずれかに機能させて、共振抑制効果を高めることができる。
(1) According to the invention described in claims 1 to 5, the influence of the delay of the dead time and the like contained in the feedback loop is compensated, the stability of the system is improved. In addition, the resonance frequency component is suppressed by feeding back the detected value of the shaft torsion torque via the shaft torque feedback gain K r, and the disturbance observer is used so that a disturbance suppression effect can be obtained and the control is robust against the disturbance. A system can be constructed.
(2) According to the invention described in claim 2 , since only the feedback of the shaft torsion torque is passed through the phase compensator, the phase compensation effect contributes only to the feedback of the shaft torsion torque. The resonance suppression control can be adjusted independently. In addition, since the feedback amount of the detected shaft torsion torque is passed through the first phase compensator and the output of the disturbance observer is passed through the second phase compensator, higher resonance suppression and disturbance suppression effects can be expected.
(3) According to the invention described in claim 3 , since the phase compensator uses a fractional order, the amount of phase compensation (the width of phase compensation) is set finely and the resonance suppression effect is enhanced.
(4) According to the invention described in claim 4 , the phase compensation amount can be adjusted, and by setting the phase compensation parameter to an appropriate value, the resonance suppression effect can be further enhanced, and the stability of the system can be improved. Further improve.
(5) According to the fifth aspect of the present invention, the resonance suppression effect can be enhanced by functioning either the phase lag compensator or the phase lead compensator.

本発明が適用される多慣性共振システムの一例を示す構成図。The block diagram which shows an example of the multi inertia resonance system to which this invention is applied. 本発明の実施例1の構成図。The block diagram of Example 1 of this invention. 共振抑制無しの場合の共振抑制効果を表し、(a)は軸トルクの波形図、(b)は回転数の波形図。The resonance suppression effect in the case of no resonance suppression is represented, (a) is a waveform diagram of shaft torque, and (b) is a waveform diagram of rotation speed. 本発明の実施例1による共振抑制制御を実施した場合の共振抑制効果を表し、(a)は軸トルクの波形図、(b)は回転数の波形図。The resonance suppression effect at the time of implementing the resonance suppression control by Example 1 of this invention is represented, (a) is a waveform diagram of an axial torque, (b) is a waveform diagram of rotation speed. 本発明の実施例2の構成図。The block diagram of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2の外乱オブザーバの構成図。The block diagram of the disturbance observer of Example 2 of this invention. 位相補償器無しで一般的な外乱オブザーバを用いた外乱抑制および共振抑制を行った場合の共振抑制効果を表し、(a)は軸トルクの波形図、(b)は回転数の波形図。The resonance suppression effect at the time of performing disturbance suppression and resonance suppression using a general disturbance observer without a phase compensator is shown, (a) is a waveform diagram of shaft torque, and (b) is a waveform diagram of rotation speed. 本発明の実施例2のように位相補償器有りで外乱抑制および共振抑制を行った場合の共振抑制効果を表し、(a)は軸トルクの波形図、(b)は回転数の波形図。The resonance suppression effect at the time of performing disturbance suppression and resonance suppression with a phase compensator like Example 2 of this invention is represented, (a) is a waveform diagram of an axial torque, (b) is a waveform diagram of rotation speed. 本発明の実施例3の説明における位相補償器のゲイン線図。The gain diagram of the phase compensator in description of Example 3 of this invention. 本発明の実施例3において、0.5次の位相遅れ補償器を1次の折れ線近似で再現した際のゲイン線図。In Example 3 of this invention, the gain diagram at the time of reproducing the 0.5th order phase delay compensator by the 1st order broken line approximation. 本発明の実施例3において、1.5次の位相遅れ補償器を1次の折れ線近似で再現した際のゲイン線図。In Example 3 of this invention, the gain diagram at the time of reproducing the 1.5th-order phase delay compensator by the 1st-order broken line approximation. 本発明の実施例3において、1.5次の位相遅れ補償器を2次の折れ線近似で再現した際のゲイン線図。In Example 3 of this invention, the gain diagram at the time of reproducing the 1.5th order phase delay compensator by the 2nd order broken line approximation. 位相補償器に分数次数を設定しない場合の共振抑制効果を表し、(a)は軸トルクの波形図、(b)は回転数の波形図。The resonance suppression effect when no fractional order is set in the phase compensator is shown, (a) is a waveform diagram of shaft torque, and (b) is a waveform diagram of rotation speed. 本発明の実施例3のように位相補償器に分数次数を設定した場合の共振抑制効果を表し、(a)は軸トルクの波形図、(b)は回転数の波形図。The resonance suppression effect at the time of setting a fractional order to a phase compensator like Example 3 of this invention is represented, (a) is a waveform diagram of shaft torque, (b) is a waveform diagram of rotation speed. 本発明の実施例5の構成図。The block diagram of Example 5 of this invention. 本発明の実施例6の構成図。The block diagram of Example 6 of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本発明は多慣性の共振システム全般を対象とするが、本実施形態では、図1に示すモータ駆動装置のような回転機械系の軸ねじれ共振システムを代表例として説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments. The present invention is intended for all multi-inertia resonance systems. In the present embodiment, a shaft torsion resonance system of a rotating machine system such as the motor drive device shown in FIG. 1 will be described as a representative example.

図1において、モータ1と負荷2の間は軸3(結合軸)で結合され、軸ねじれ共振が発生する。そこで軸3に軸トルク検出器4を設置して軸トルクを検出する。また速度検出器5を用いてモータ1の回転速度を検出する。   In FIG. 1, the motor 1 and the load 2 are coupled by a shaft 3 (coupled shaft), and shaft torsional resonance occurs. Therefore, the shaft torque is detected by installing a shaft torque detector 4 on the shaft 3. Further, the rotational speed of the motor 1 is detected using the speed detector 5.

コントローラ6は、軸トルク検出器4で検出された軸ねじれトルク検出値Tdet、速度検出器5で検出された回転速度検出値ωdet等を用いて軸ねじれ共振を抑制する共振抑制制御を実現し、インバータ7にトルク指令T*(モータトルク指令)を与える。 The controller 6 realizes resonance suppression control that suppresses shaft torsional resonance using the shaft torsion torque detection value T det detected by the shaft torque detector 4, the rotational speed detection value ω det detected by the speed detector 5, and the like. Then, a torque command T * (motor torque command) is given to the inverter 7.

インバータ7は、トルク指令T*に基づいて、モータ1を所望の回転数・トルクで制御する。 The inverter 7 controls the motor 1 with a desired rotation speed and torque based on the torque command T * .

以下、コントローラ6内で実施される共振抑制制御を詳細に説明する。   Hereinafter, the resonance suppression control performed in the controller 6 will be described in detail.

図2は本実施例1の構成を示している。図2において、10は、図1のモータ1、負荷2、軸3の機械系構成を、モータ慣性モデルおよび負荷慣性モデルの2慣性で表現した2慣性系機械モデルである。   FIG. 2 shows the configuration of the first embodiment. In FIG. 2, reference numeral 10 denotes a two-inertia machine model in which the mechanical system configuration of the motor 1, the load 2 and the shaft 3 in FIG. 1 is expressed by two inertias of a motor inertia model and a load inertia model.

2慣性系機械モデル10内のモータ慣性モデルは、モータトルクTm(後述するインバータ遅れによる無駄時間要素27の出力)からモータトルク外乱Tmdisを減算器11によって減算し、その減算結果から減算器12によって軸ねじれトルクTreac(軸3で発生するトルク(軸ねじれ反力に相当))を減算した値に、1/(Jm・s)(Jmはモータ慣性モーメント、sはラプラス演算子)の伝達関数項13を通してモータ回転速度ωmとし、該モータ回転速度ωmに1/sの伝達関数項14を通してモータ回転位相角θmとする伝達特性を有している。 The motor inertia model in the two-inertia machine model 10 is obtained by subtracting a motor torque disturbance T mdis from a motor torque T m (output of a dead time element 27 due to an inverter delay described later) by a subtractor 11 and subtracting from the subtraction result. 12 to the value obtained by subtracting the shaft torsion torque T reac (torque generated by shaft 3 (corresponding to the shaft torsion reaction force)) to 1 / (J m · s) (J m is the motor inertia moment, s is the Laplace operator ), The motor rotation speed ω m , and the motor rotation speed ω m through the 1 / s transfer function term 14 and the motor rotation phase angle θ m .

2慣性系機械モデル10内の負荷慣性モデルは、前記軸ねじれトルクTreacから減算器15によって負荷トルクTlを減算した値に、1/(Jl・s2)(Jlは負荷慣性モーメント)の伝達関数項16を通して負荷回転位相角θlとし、前記モータ回転位相角θmから減算器17によって前記負荷回転位相角θlを減算した値に、Kf(Kfは軸ねじれ剛性(ばね係数)[Nm/rad])の伝達関数項18を通して軸ねじれトルクTreacとする伝達特性を有している。 The load inertia model in the two-inertia machine model 10 is obtained by subtracting the load torque T l from the shaft torsion torque T reac by the subtractor 15 to 1 / (J l · s 2 ) (J l is the load inertia moment. through the transfer function section 16) of the load rotational phase angle theta l, the motor from the rotational phase angle theta m to a value obtained by subtracting the load rotational phase angle theta l by the subtracter 17, K f (K f is the axial torsional stiffness ( It has a transmission characteristic of a shaft torsion torque T reac through the transfer function term 18 of the spring coefficient) [Nm / rad]).

本実施例では、軸トルク検出器4のトルク検出の無駄時間を考慮してトルク検出による無駄時間要素24とし、インバータ遅れによる無駄時間を考慮して無駄時間27としている。前記フィードバックした軸ねじれトルクTreacにトルク検出遅れによる無駄時間要素24を加算して軸ねじれトルク検出値Tdetとしている。 In this embodiment, the dead time element 24 by torque detection is considered in consideration of the dead time of the torque detection of the shaft torque detector 4, and the dead time 27 is taken in consideration of the dead time due to the inverter delay. A shaft torsion torque detection value T det is obtained by adding a dead time element 24 due to a torque detection delay to the fed back shaft torsion torque T reac .

そして、コントローラ6において、軸ねじれトルク検出値Tdetをハイパスフィルタ31(高域通過フィルタ)に通して、トルクの直流成分には影響を与えずに共振周波数成分を抑制する。ハイパスフィルタ31の伝達関数GHPFは例えば下記(1)式のとおりである。 In the controller 6, the shaft torsion torque detection value T det is passed through the high-pass filter 31 (high-pass filter) to suppress the resonance frequency component without affecting the DC component of the torque. The transfer function G HPF of the high-pass filter 31 is, for example, as shown in the following equation (1).

Figure 0006604157
Figure 0006604157

ただし、s:ラプラス演算子、ωhpf:ハイパスフィルタカットオフ周波数。 Where s: Laplace operator, ω hpf : high-pass filter cutoff frequency.

設定したトルク指令Tcmdから、ハイパスフィルタ31の出力(共振周波数成分が抑制された新たな軸ねじれトルク検出値)が、減算器32において減算される。 The subtracter 32 subtracts the output of the high-pass filter 31 (a new shaft torsion torque detection value in which the resonance frequency component is suppressed) from the set torque command T cmd .

減算器32の出力(位相補償前トルク指令値)を伝達関数GPHCの位相補償器33に通して、モータトルク指令T*(補償トルクを含む)が得られる。このモータトルク指令T*にインバータ遅れによる無駄時間要素27を加算してモータトルクTmとしている。 The output of the subtractor 32 (torque command value before phase compensation) is passed through the phase compensator 33 of the transfer function GPHC to obtain a motor torque command T * (including compensation torque). A motor time Tm is obtained by adding a dead time element 27 due to an inverter delay to the motor torque command T * .

このように、インバータ7に与えるモータトルク指令(T*)に位相補償器33を導入することで、フィードバックループに含まれる無駄時間等の遅れの影響を補償し、システムの安定性を向上させている。 In this way, by introducing the phase compensator 33 to the motor torque command (T * ) given to the inverter 7, the influence of delay such as dead time included in the feedback loop is compensated, and the stability of the system is improved. Yes.

前記位相補償器33の一般的な伝達関数GPHCは例えば下記(2)式のとおりである。 A general transfer function G PHC of the phase compensator 33 is, for example, as shown in the following equation (2).

Figure 0006604157
Figure 0006604157

ただし、α;位相補償パラメータ、ωphc:位相補償フィルタカットオフ周波数。 Where α: phase compensation parameter, ω phc : phase compensation filter cutoff frequency.

単に軸トルク検出値の共振周波数成分をフィードバックして打ち消す方式では、インバータ7やセンサ(軸トルク検出器4)等の無駄時間や伝達特性による位相遅れの影響を受けて共振抑制制御が不安定となる、あるいは抑制効果が低減する。   In the method in which the resonance frequency component of the detected shaft torque value is simply fed back and canceled, the resonance suppression control becomes unstable due to the dead time of the inverter 7 and the sensor (shaft torque detector 4) and the phase delay due to the transfer characteristics. Or the suppression effect is reduced.

そこで、本実施例ではフィードバックループに含まれる無駄時間や伝達特性を考慮して位相補償パラメータαを適宜調整する。これにより、制御の安定性や抑制効果を向上させることができる。   Therefore, in the present embodiment, the phase compensation parameter α is appropriately adjusted in consideration of dead time and transfer characteristics included in the feedback loop. Thereby, the stability of control and the suppression effect can be improved.

尚、位相補償パラメータαは、α>1のとき位相進み補償器、α<1のとき位相遅れ補償器として機能し、シミュレーションや実際のシステムの無駄時間等で動作を確認して適切なパラメータを決定する。位相補償パラメータは1つであるため、システムの無駄時間や位相遅れに応じて非常に簡単に調整できる。   The phase compensation parameter α functions as a phase advance compensator when α> 1, and as a phase delay compensator when α <1, and confirms the operation by simulation or dead time of an actual system and sets an appropriate parameter. decide. Since there is only one phase compensation parameter, it can be adjusted very easily according to the dead time and phase delay of the system.

ここで、位相補償器を用いない共振抑制無しの場合と、(2)式の伝達関数を有した一般的な位相補償器を用いて共振抑制を行った場合とで、共振抑制効果を検証した一例を図3、図4に示す。図3、図4は、回転数を上昇させているときの軸トルク波形(a)および回転数の波形(b)を各々示している。   Here, the resonance suppression effect was verified in the case of no resonance suppression without using a phase compensator and in the case of resonance suppression using a general phase compensator having the transfer function of equation (2). An example is shown in FIGS. 3 and 4 show the shaft torque waveform (a) and the rotation speed waveform (b) when the rotation speed is increased, respectively.

共振抑制無しの図3の場合、トルクリプル等の外乱が共振周波数と一致したときに、トルクが大きく共振している。一方、共振抑制制御を実施した図4の場合、軸トルクの共振を比較的抑制できていることが分かる。   In the case of FIG. 3 without resonance suppression, the torque resonates greatly when disturbance such as torque ripple coincides with the resonance frequency. On the other hand, in the case of FIG. 4 in which the resonance suppression control is performed, it can be seen that the resonance of the shaft torque can be relatively suppressed.

図5は本実施例2の構成を示しており、図2と同一部分は同一符号をもって示している。   FIG. 5 shows the configuration of the second embodiment, and the same parts as those in FIG.

本実施例2では、図2のハイパスフィルタ31に代えて、軸ねじれトルク検出値Tdetを、軸トルクフィードバックゲインKrが設定されたゲイン設定器34を介して新たな軸ねじれトルク検出値としてフィードバックし(加減算器35のマイナス入力とする)、共振周波数成分を抑制する(Krは任意に設定できる)。 In the second embodiment, instead of the high-pass filter 31 of FIG. 2, the shaft torsion torque detection value T det is used as a new shaft torsion torque detection value via the gain setting unit 34 in which the shaft torque feedback gain K r is set. feedback (a negative input of the adder-subtracter 35), suppressing the resonance frequency component (K r can be arbitrarily set).

また、モータには慣性変動・トルクリプル・摩擦等により生じるモータトルク外乱Tmdisが存在するため、これら外乱を除去・低減する外乱オブザーバ36を併設し、ロバストな制御系を構成する。 Further, since a motor torque disturbance T mdis generated by inertia fluctuation, torque ripple, friction, etc. exists in the motor, a disturbance observer 36 for removing and reducing these disturbances is also provided to constitute a robust control system.

すなわち、2慣性系機械モデル10内のモータ回転速度ωmに速度検出遅れによる無駄時間要素25を加算して回転速度検出値ωdetとし、この回転速度検出値ωdetと位相補償前トルク指令値Tcmd’(加減算器35の出力)から、外乱オブザーバ36によってモータの外乱トルクを推定して外乱トルク推定値T^disを求める。そして加減算器35において、トルク指令Tcmdに外乱トルク推定値T^disを加算した値から、ゲイン設定器34の出力(新たな軸ねじれトルク検出値)を減算して位相補償前トルク指令値Tcmd’とする。 That is, a dead time element 25 due to speed detection delay is added to the motor rotation speed ω m in the two-inertia machine model 10 to obtain a rotation speed detection value ω det, and this rotation speed detection value ω det and the torque command value before phase compensation From T cmd ′ (the output of the adder / subtractor 35), the disturbance observer 36 estimates the disturbance torque of the motor to obtain the estimated disturbance torque T ^ dis . Then, the adder / subtracter 35 subtracts the output (new shaft torsion torque detection value) of the gain setting device 34 from the value obtained by adding the disturbance torque estimated value T dis to the torque command Tcmd, and the torque command value T before phase compensation. cmd '.

上記によって外乱抑制と共振抑制を構成できるが、フィードバックループにはインバータやセンサの遅れ・無駄時間が存在し、そのまま適用すると抑制効果や制御安定性を損ねる。したがって、実施例1の図2と同様にインバータ7に与えるモータトルク指令値(Tcmd’)に位相補償器33を導入し、システムの安定性と抑制効果を向上させる。 Although the disturbance suppression and the resonance suppression can be configured as described above, there are delays and dead times of the inverter and sensor in the feedback loop, and if applied as they are, the suppression effect and control stability are impaired. Therefore, the phase compensator 33 is introduced into the motor torque command value (T cmd ′) given to the inverter 7 as in FIG. 2 of the first embodiment, thereby improving the stability and suppression effect of the system.

外乱オブザーバ36の構成例を図6に示す。外乱トルクTdisは、次の(3)式のように表すことができる。負荷トルクに作用する外乱トルクは軸ねじれトルクTreacに含まれる。 A configuration example of the disturbance observer 36 is shown in FIG. The disturbance torque T dis can be expressed as the following equation (3). The disturbance torque that acts on the load torque is included in the shaft torsion torque T reac .

Figure 0006604157
Figure 0006604157

ただし、s:ラプラス演算子、Jmn:モータ慣性モーメントノミナル値、Ginv:インバータ伝達特性、Jm:モータ慣性モーメント、Ginvn:インバータ伝達特性ノミナル値、Tfric:クーロン摩擦トルク、Dm:粘性摩擦係数。 However, it s: Laplace operator, J mn: motor inertia nominal value, G inv: inverter transfer characteristic, J m: motor inertia, G INVn: inverter transfer characteristic nominal value, T Fric: Coulomb friction torque, D m: Coefficient of viscous friction.

モータトルク指令値T*(Tcmd’)とモータ回転速度ωdetが検出可能であるとき、外乱トルク推定値T^disは(4)式のように1次のローパスフィルタ(カットオフ周波数ωobs[rad/s])を介して推定できる。そのときの制御ブロックは図6のとおりである。 When the motor torque command value T * (T cmd ′) and the motor rotation speed ω det can be detected, the disturbance torque estimation value T ^ dis is a first-order low-pass filter (cut-off frequency ω obs ) as shown in equation (4). [rad / s]). The control block at that time is as shown in FIG.

Figure 0006604157
Figure 0006604157

ただし、図5のTmdisは、
mdis=Tfric+Dmωm+Fm(Fmは慣性変動やインバータ特性誤差・トルクリプル等による外乱)とする。
However, T mdis in FIG.
T mdis = T fric + D m ω m + F m (F m is disturbance due to inertia variation, inverter characteristic error, torque ripple, etc.).

図6において、位相補償前トルク指令値Tcmd’(図5の加減算器35の出力)をインバータ伝達特性ノミナル値Ginvnの伝達関数項41に通した値と、回転速度検出値ωdet(図5の速度検出遅れによる無駄時間要素25の出力)をωobs・Jmnの伝達関数項42に通した値とは加算器43において加算される。 In FIG. 6, the value obtained by passing the torque command value T cmd ′ before phase compensation (the output of the adder / subtractor 35 in FIG. 5) through the transfer function term 41 of the inverter transfer characteristic nominal value G invn and the detected rotational speed value ω det ( 5 is added to the value obtained by passing the output of the dead time element 25 due to the speed detection delay of 5 to the transfer function term 42 of ω obs · J mn .

加算器43の出力をωobs/(s+ωobs)の伝達関数項44に通した値から、伝達関数項42の出力を、減算器45で減算して外乱トルク推定値T^disを出力する。 From the value obtained by passing the output of the adder 43 through the transfer function term 44 of ω obs / (s + ω obs ), the output of the transfer function term 42 is subtracted by the subtractor 45 to output a disturbance torque estimated value T dis .

この外乱トルク推定値T^disを図5のようにフィードバックすることにより、外乱に対してロバストな制御系を構築することができる。 By feeding back the estimated disturbance torque T ^ dis as shown in FIG. 5, a control system that is robust against the disturbance can be constructed.

本実施例2における位相補償器33は、前記(2)式を伝達関数とする位相補償器を採用するものであり、その動作は実施例1と同様となる。   The phase compensator 33 according to the second embodiment employs a phase compensator having the above equation (2) as a transfer function, and the operation thereof is the same as that of the first embodiment.

単に軸トルクフィードバックによる共振抑制と外乱オブザーバによる外乱抑制のみでは、インバータ7やセンサ(軸トルク検出器4)等の無駄時間や伝達特性による位相遅れの影響を受けて共振抑制制御が不安定となる、あるいは抑制効果が低減することがある。   Resonance suppression control becomes unstable due to the dead time of the inverter 7 and sensor (shaft torque detector 4) and the phase delay due to transmission characteristics only by resonance suppression by shaft torque feedback and disturbance suppression by a disturbance observer. Or, the suppression effect may be reduced.

そこで、本実施例ではフィードバックループに含まれる無駄時間や伝達特性を考慮して位相補償パラメータαを適宜調整する。これにより、制御の安定性や抑制効果を向上させることができる。   Therefore, in the present embodiment, the phase compensation parameter α is appropriately adjusted in consideration of dead time and transfer characteristics included in the feedback loop. Thereby, the stability of control and the suppression effect can be improved.

尚、位相補償パラメータαは、α>1のとき位相進み補償器、α<1のとき位相遅れ補償器として機能し、シミュレーションや実際のシステムの無駄時間等で動作を確認して適切なパラメータを決定する。位相補償パラメータは1つであるため、システムの無駄時間や位相遅れに応じて非常に簡単に調整できる。   The phase compensation parameter α functions as a phase advance compensator when α> 1, and as a phase delay compensator when α <1, and confirms the operation by simulation or dead time of an actual system and sets an appropriate parameter. decide. Since there is only one phase compensation parameter, it can be adjusted very easily according to the dead time and phase delay of the system.

ここで、位相補償器無しで単に一般的な外乱オブザーバを用いた外乱抑制および共振抑制を行った場合と、本実施例2(図5)のように位相補償器有りで外乱抑制および共振抑制を行った場合とで、共振抑制効果を検証した一例を図7、図8に示す。図7、図8は、回転数を上昇させているときの軸トルク波形(a)および回転数の波形(b)を各々示している。   Here, when the disturbance suppression and the resonance suppression are simply performed using a general disturbance observer without the phase compensator, the disturbance suppression and the resonance suppression are performed with the phase compensator as in the second embodiment (FIG. 5). An example of verifying the resonance suppression effect in the case where it is performed is shown in FIGS. 7 and 8 show the shaft torque waveform (a) and the rotation speed waveform (b) when the rotation speed is increased.

位相補償器無しで一般的な外乱オブザーバのみで抑制した図7の場合は、共振をある程度抑制できている。一方、本実施例2の位相補償器を用いた共振抑制制御を実施した図8の場合、軸トルクの共振をより効果的に抑制できていることが分かる。   In the case of FIG. 7 which is suppressed by only a general disturbance observer without a phase compensator, the resonance can be suppressed to some extent. On the other hand, in the case of FIG. 8 in which the resonance suppression control using the phase compensator of the second embodiment is performed, it can be seen that the resonance of the shaft torque can be suppressed more effectively.

実施例1、実施例2において、一般的な(2)式の位相補償器を用いると簡単に共振抑制制御を安定化できるが、より抑制効果を高めるには、きめ細やかな位相調整が必要となる。そこで、本実施例では分数次数を適用した位相補償器を導入する。位相遅れ補償器は、下記(5)式のように1次の遅れ要素と進み要素の積としても表現できる。この場合のゲイン線図の例を図9に示す。   In the first and second embodiments, the resonance suppression control can be easily stabilized by using the general phase compensator of the formula (2). However, in order to increase the suppression effect, fine phase adjustment is required. Become. Therefore, in this embodiment, a phase compensator to which a fractional order is applied is introduced. The phase lag compensator can also be expressed as a product of a first-order lag element and a lead element as shown in the following equation (5). An example of a gain diagram in this case is shown in FIG.

Figure 0006604157
Figure 0006604157

ただし、ωb:1次遅れカットオフ周波数、ωh:1次進みカットオフ周波数。 Where ω b : first-order lag cutoff frequency, ω h : first-order advance cutoff frequency.

本実施例では、(5)式に分数次数を与えた(6)式を伝達関数とする位相遅れ補償器を採用する。   In the present embodiment, a phase lag compensator having a transfer function of Equation (6) in which a fractional order is given to Equation (5) is employed.

Figure 0006604157
Figure 0006604157

ただし、p:任意の分数次数。   Where p: any fractional order.

この(6)式に示す分数次数の位相補償器は、そのままではプログラム実装が困難なため、(7)式に示す折れ線近似式を用いる。   Since the fractional-order phase compensator shown in equation (6) is difficult to implement as it is, the broken line approximation equation shown in equation (7) is used.

Figure 0006604157
Figure 0006604157

(7)式中のωi、ωi’は(8)、(9)式である。 Ω i and ω i ′ in the equation (7) are the equations (8) and (9).

Figure 0006604157
Figure 0006604157

Figure 0006604157
Figure 0006604157

ただし、N:近似式の次数。   Where N is the order of the approximate expression.

図10に0.5次の位相遅れ補償器を1次の折れ線近似で再現した際のゲイン線図を示す。図10より、−10dB/decでの近似が実現できていることが確認できる。また、図11に1.5次の位相遅れ補償器を1次の折れ線近似で再現した際のゲイン線図を示す。この場合は、−30dB/decでの近似が実現できていることが確認できる。   FIG. 10 shows a gain diagram when a 0.5th-order phase lag compensator is reproduced by first-order broken line approximation. From FIG. 10, it can be confirmed that approximation at −10 dB / dec is realized. FIG. 11 shows a gain diagram when a 1.5th-order phase delay compensator is reproduced by first-order broken line approximation. In this case, it can be confirmed that approximation at −30 dB / dec is realized.

また、図12に1.5次の位相遅れ補償器を2次の折れ線近似で再現した際のゲイン線図を示す。1次の場合よりも精度良く近似できていることが確認できる。   FIG. 12 shows a gain diagram when a 1.5th-order phase delay compensator is reproduced by second-order broken line approximation. It can be confirmed that the approximation can be made with higher accuracy than in the first-order case.

尚、これら図10〜図12において、「real」は分数次数の周波数特性((6)式の特性)を、「app.」は分数次数を折れ線近似した場合の周波数特性((7)式右辺の特性)を各々表している。   10 to 12, “real” represents the frequency characteristic of the fractional order (characteristic of the expression (6)), and “app.” Represents the frequency characteristic when the fractional order is approximated by a broken line (right side of the expression (7)). Of each).

以上のように任意の分数次数pをきめ細かく調整することで、位相補償器による制御の安定化のみでなく共振抑制の効果を高めることができる。   As described above, by finely adjusting the arbitrary fractional order p, not only the control by the phase compensator but also the effect of suppressing the resonance can be enhanced.

尚、(2)式の位相補償器を分数次数にする場合、(6)式と照らし合わせることで、以下のようにωb、ωhを設定できる。 When the phase compensator of equation (2) is a fractional order, ω b and ω h can be set as follows by comparing with equation (6).

Figure 0006604157
Figure 0006604157

Figure 0006604157
Figure 0006604157

ここで、位相補償器に分数次数を設定しない場合と、分数次数(p=1.2)を設定した場合とで、共振抑制効果を検証した一例を図13、図14に示す。図13、図14は、回転数を上昇させているときの軸トルク波形(a)および回転数の波形(b)を各々示している。   Here, FIGS. 13 and 14 show examples in which the resonance suppression effect is verified when the fractional order is not set in the phase compensator and when the fractional order (p = 1.2) is set. FIGS. 13 and 14 respectively show the shaft torque waveform (a) and the rotation speed waveform (b) when the rotation speed is increased.

分数次数p=1.2を設定した図14の場合、分数次数を設定しない図13の場合に比べて軸トルクの波形の共振ピーク値が下っており、抑制効果が高いことが分かる。   In the case of FIG. 14 in which the fractional order p = 1.2 is set, the resonance peak value of the waveform of the axial torque is lower than in the case of FIG. 13 in which the fractional order is not set, and it can be seen that the suppression effect is high.

実施例3では、位相補償器33において、位相遅れ補償の場合の分数次数を定義したが、本実施例4では位相進み補償器に対して分数次数を適用する。その際、(6)式の定義において、ωb>ωhと定義(設定)することで位相進み補償器として機能させることができる。実装用の式は、(7)式〜(9)式をそのまま流用できる。 In the third embodiment, the fractional order in the case of phase lag compensation is defined in the phase compensator 33. However, in the fourth embodiment, the fractional order is applied to the phase advance compensator. At that time, in the definition of equation (6), it is possible to function as a phase advance compensator by defining (setting) ω b > ω h . As the mounting equations, the equations (7) to (9) can be used as they are.

本実施例によれば、位相遅れ補償のみでなく、位相進み補償器も同様に分数次数として共振抑制効果を高めることができる。実際の適用にあたっては、共振抑制フィードバックループに含まれる無駄時間の影響度に依存しており、位相遅れ/進み補償のどちらを適用するか任意に選択すれば良い。   According to the present embodiment, not only the phase delay compensation but also the phase lead compensator can similarly increase the resonance suppression effect as a fractional order. In actual application, it depends on the degree of influence of dead time included in the resonance suppression feedback loop, and it may be arbitrarily selected which phase lag / lead compensation is applied.

実施例1(図2)、実施例2(図5)では、トルク指令Tcmdから新たな軸ねじれトルク検出値を減算した後に位相補償器33を挿入していたが、本実施例5ではこれに代えて図15に示すように位相補償器33を、軸トルクフィードバックループのハイパスフィルタ31の後に挿入し、その出力を減算器32に入力するように構成した。 In the first embodiment (FIG. 2) and the second embodiment (FIG. 5), the phase compensator 33 is inserted after the new shaft torsion torque detection value is subtracted from the torque command Tcmd. Instead, as shown in FIG. 15, the phase compensator 33 is inserted after the high-pass filter 31 of the shaft torque feedback loop, and the output thereof is input to the subtractor 32.

図15において図2と同一部分は同一符号をもって示しており、同一部分の動作は図2と同様である。   15, the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the operations of the same parts are the same as those in FIG.

実施例1、2ではトルク指令値Tcmdに対して位相補償器33の伝達特性が影響するが、本実施例5では共振抑制するための軸トルクフィードバックのみに位相補償の効果が寄与するので、トルク指令値と共振抑制制御の調整を独立に制御できる。 In the first and second embodiments, the transfer characteristic of the phase compensator 33 affects the torque command value Tcmd , but in the fifth embodiment, the effect of the phase compensation contributes only to the shaft torque feedback for suppressing the resonance. Adjustment of the torque command value and resonance suppression control can be controlled independently.

また、図15の構成においても、実施例3、4で述べた位相補償器33の分数次数をきめ細かく調整することによって、共振抑制効果が高められる。   Also in the configuration of FIG. 15, the resonance suppression effect can be enhanced by finely adjusting the fractional order of the phase compensator 33 described in the third and fourth embodiments.

本実施例6では、図5の位相補償器33の挿入位置を、図16のように外乱オブザーバの出力部と軸トルクフィードバック部とに変更し、それぞれの位相補償器33a,33bの位相補償パラメータを無駄時間等の位相遅れに応じて調整する。   In the sixth embodiment, the insertion position of the phase compensator 33 in FIG. 5 is changed to the output part of the disturbance observer and the shaft torque feedback part as shown in FIG. 16, and the phase compensation parameters of the respective phase compensators 33a and 33b are changed. Is adjusted according to the phase delay such as dead time.

図16において図5と異なる点は、位相補償器33を削除し、ゲイン設定器34の出力を分数次数型の位相補償器33aに通してその出力を加減算器35に減算分として入力し、外乱オブザーバ36の出力を分数次数型の位相補償器33bに通してその出力を加減算器35に加算分として入力した点にあり、その他の部分は図5と同一に構成されている。   16 differs from FIG. 5 in that the phase compensator 33 is deleted, the output of the gain setter 34 is passed through the fractional-order type phase compensator 33a, and the output is input to the adder / subtractor 35 as a subtraction, and disturbance The output of the observer 36 is passed through the fractional order type phase compensator 33b, and the output is input as an addition to the adder / subtractor 35. The other parts are the same as in FIG.

本実施例6によれば、トルク検出遅れと速度検出遅れに対する位相補償器を分割し、それぞれに最適な位相補償パラメータを調整することができるため、より高い共振抑制および外乱抑制効果が期待できる。   According to the sixth embodiment, the phase compensator for the torque detection delay and the speed detection delay can be divided and the optimum phase compensation parameter can be adjusted for each, so that higher resonance suppression and disturbance suppression effects can be expected.

また、トルク指令値Tcmd’に対しては位相補償が入らず、共振抑制するための軸トルクフィードバックおよび外乱オブザーバの出力(外乱トルク推定値T^dis)に対してのみに位相補償の効果が寄与するので、トルク指令値と、共振抑制および外乱抑制の調整を独立に制御できる。 In addition, no phase compensation is applied to the torque command value T cmd ′, and the effect of the phase compensation is effective only for the output of the shaft torque feedback and disturbance observer (disturbance torque estimated value T ^ dis ) for suppressing the resonance. Since this contributes, adjustment of the torque command value and resonance suppression and disturbance suppression can be controlled independently.

尚、本発明は、2慣性の共振システムに限らず3慣性などの多慣性共振システムに適用することができ、この場合も前記と同様の効果が得られる。   The present invention can be applied not only to a two-inertia resonance system but also to a multi-inertia resonance system such as a three-inertia system. In this case, the same effect as described above can be obtained.

1…モータ
2…負荷
3…軸
4…軸トルク検出器
5…速度検出器
6…コントローラ
7…インバータ
10…2慣性系機械モデル
11,12,15,17,32,45…減算器
13,14,16,18,41,42,44…伝達関数項
24,25,27…無駄時間要素
31…ハイパスフィルタ
33,33a,33b…位相補償器
34…ゲイン設定器
35…加減算器
36…外乱オブザーバ
43…加算器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Motor 2 ... Load 3 ... Shaft 4 ... Shaft torque detector 5 ... Speed detector 6 ... Controller 7 ... Inverter 10 ... 2 Inertial machine model 11, 12, 15, 17, 32, 45 ... Subtractor 13, 14 , 16, 18, 41, 42, 44 ... transfer function terms 24, 25, 27 ... dead time element 31 ... high-pass filter 33, 33a, 33b ... phase compensator 34 ... gain setter 35 ... adder / subtractor 36 ... disturbance observer 43 ... Adder

Claims (5)

モータと負荷を結合軸を介して結合した機械系構成と、前記モータの回転数、トルクを制御するインバータと、前記結合軸に設けられたトルク検出器により検出したトルクおよびモータの回転速度を速度検出器により検出した回転速度に基づいて、軸ねじれ共振を抑制するモータトルク指令を前記インバータに与えるコントローラと、を備えた多慣性共振システムにおいて、
前記機械系構成は、少なくともモータ慣性モデルおよび負荷慣性モデルを有した多慣性系機械モデルとして表現し、
前記モータ慣性モデルは、モータトルクTmからモータトルク外乱Tmdisを減算し、その減算結果から軸ねじれトルクTreacを減算した値に、1/(Jm・s)(Jmはモータ慣性モーメント、sはラプラス演算子)の伝達関数項を通してモータ回転速度ωmとし、該モータ回転速度ωmに1/sの伝達関数項を通してモータ回転位相角θmとする伝達特性を有し、
前記負荷慣性モデルは、前記軸ねじれトルクTreacから負荷トルクTlを減算した値に、1/(Jl・s2)(Jlは負荷慣性モーメント)の伝達関数項を通して負荷回転位相角θlとし、前記モータ回転位相角θmから前記負荷回転位相角θlを減算した値に、Kf(Kfは軸ねじれ剛性(ばね係数)[Nm/rad])の伝達関数項を通して軸ねじれトルクTreacとする伝達特性を有しており、
前記コントローラは、
前記軸ねじれトルクT reac をフィードバックしたものに無駄時間要素が加算された軸ねじれトルク検出値T det 、設定した軸トルクフィードバックゲインKrに通して新たな軸ねじれトルク検出値とし、
設定したトルク指令から前記新たな軸ねじれトルク検出値を減算したトルク指令値と、前記モータ回転速度ω m に無駄時間要素が加算された回転速度検出値ω det とから、外乱オブザーバによってモータの外乱トルクを推定し外乱トルク推定値T^ dis を求め、
前記設定したトルク指令に前記外乱トルク推定値T^ dis を加算した値から、前記新たな軸ねじれトルク検出値を減算して位相補償前トルク指令値とし、
前記位相補償前トルク指令値を、伝達関数GPHC
Figure 0006604157
(ただし、αは位相補償パラメータ、ωPhcは位相補償フィルタカットオフ周波数、sはラプラス演算子)
で表される位相補償器に通して位相補償後トルク指令値を求め、
前記位相補償後トルク指令値をモータトルク指令としてインバータに与えることを特徴とする多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置。
A mechanical system configuration in which a motor and a load are coupled via a coupling shaft, an inverter that controls the rotational speed and torque of the motor, and a torque detected by a torque detector provided on the coupling shaft and a rotational speed of the motor In a multi-inertia resonance system comprising: a controller that provides a motor torque command for suppressing shaft torsional resonance to the inverter based on the rotational speed detected by the detector;
The mechanical system configuration is expressed as a multi-inertia machine model having at least a motor inertia model and a load inertia model,
The motor inertia model is obtained by subtracting the motor torque disturbance T mdis from the motor torque T m and subtracting the shaft torsion torque T reac from the subtraction result to 1 / (J m · s) (J m is the motor inertia moment , S is a motor rotation speed ω m through a transfer function term of a Laplace operator), and the motor rotation speed ω m has a transfer characteristic of a motor rotation phase angle θ m through a 1 / s transfer function term.
The load inertia model is obtained by subtracting the load torque T l from the shaft torsional torque T reac and the load rotation phase angle θ through a transfer function term of 1 / (J l · s 2 ) (J l is the load inertia moment). The torsion of the shaft through the transfer function term of K f (K f is the torsional rigidity of the shaft (spring coefficient) [Nm / rad]) is obtained by subtracting the load rotation phase angle θ l from the motor rotation phase angle θ m. It has a transmission characteristic of torque T reac
The controller is
The shaft torsion torque detection value T det obtained by adding the dead time element to the feedback of the shaft torsion torque T reac is passed through the set shaft torque feedback gain K r as a new shaft torsion torque detection value,
From the torque command value obtained by subtracting the new shaft torsion torque detection value from the set torque command and the rotation speed detection value ω det obtained by adding a dead time element to the motor rotation speed ω m , the disturbance disturbance causes a motor disturbance. Estimate the torque and obtain the estimated disturbance torque T ^ dis
Subtracting the new shaft torsion torque detection value from the value obtained by adding the disturbance torque estimated value T ^ dis to the set torque command to obtain a pre-phase compensation torque command value,
The torque command value before phase compensation is determined by the transfer function G PHC
Figure 0006604157
(Where α is the phase compensation parameter, ω Phc is the phase compensation filter cutoff frequency, and s is the Laplace operator)
To obtain a torque command value after phase compensation through a phase compensator represented by
A resonance suppression control apparatus in a multi-inertia resonance system, wherein the phase-compensated torque command value is given to an inverter as a motor torque command.
モータと負荷を結合軸を介して結合した機械系構成と、前記モータの回転数、トルクを制御するインバータと、前記結合軸に設けられたトルク検出器により検出したトルクおよびモータの回転速度を速度検出器により検出した回転速度に基づいて、軸ねじれ共振を抑制するモータトルク指令を前記インバータに与えるコントローラと、を備えた多慣性共振システムにおいて、
前記機械系構成は、少なくともモータ慣性モデルおよび負荷慣性モデルを有した多慣性系機械モデルとして表現し、
前記モータ慣性モデルは、モータトルクTmからモータトルク外乱Tmdisを減算し、その減算結果から軸ねじれトルクTreacを減算した値に、1/(Jm・s)(Jmはモータ慣性モーメント、sはラプラス演算子)の伝達関数項を通してモータ回転速度ωmとし、該モータ回転速度ωmに1/sの伝達関数項を通してモータ回転位相角θmとする伝達特性を有し、
前記負荷慣性モデルは、前記軸ねじれトルクTreacから負荷トルクTlを減算した値に、1/(Jl・s2)(Jlは負荷慣性モーメント)の伝達関数項を通して負荷回転位相角θlとし、前記モータ回転位相角θmから前記負荷回転位相角θlを減算した値に、Kf(Kfは軸ねじれ剛性(ばね係数)[Nm/rad])の伝達関数項を通して軸ねじれトルクTreacとする伝達特性を有しており、
前記コントローラは、
前記軸ねじれトルクT reac をフィードバックしたものに無駄時間要素が加算された軸ねじれトルク検出値T det 、設定した軸トルクフィードバックゲインkrに通して新たな軸ねじれトルク検出値とし、前記新たな軸ねじれトルク検出値を、伝達関数G PHC
Figure 0006604157
(ただし、αは位相補償パラメータ、ωPhcは位相補償フィルタカットオフ周波数、sはラプラス演算子)
で表される第1の位相補償器に通して位相補償後軸ねじれトルク検出値を求め、
設定したトルク指令から前記位相補償後軸ねじれトルク検出値を減算したトルク指令値と、前記モータ回転速度ω m に無駄時間要素が加算された回転速度検出値ω det とから、外乱オブザーバによってモータの外乱トルクを推定し外乱トルク推定値T^disを求め、前記外乱トルク推定値T^disを、前記第1の位相補償器と同一に構成した第2の位相補償器に通して位相補償後外乱トルク推定値を求め、
前記設定したトルク指令に前記位相補償後外乱トルク推定値を加算した値から、前記位相補償後軸ねじれトルク検出値を減算して前記モータトルク指令を求めることを特徴とする多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置。
A mechanical system configuration in which a motor and a load are coupled via a coupling shaft, an inverter that controls the rotational speed and torque of the motor, and a torque detected by a torque detector provided on the coupling shaft and a rotational speed of the motor A multi-inertia resonance system comprising: a controller that provides a motor torque command for suppressing shaft torsional resonance to the inverter based on the rotational speed detected by the detector;
The mechanical system configuration is expressed as a multi-inertia machine model having at least a motor inertia model and a load inertia model,
The motor inertia model is obtained by subtracting the motor torque disturbance T mdis from the motor torque T m and subtracting the shaft torsion torque T reac from the subtraction result to 1 / (J m · s) (J m is the motor inertia moment , S is a motor rotation speed ω m through a transfer function term of a Laplace operator), and the motor rotation speed ω m has a transfer characteristic of a motor rotation phase angle θ m through a 1 / s transfer function term.
The load inertia model is obtained by subtracting the load torque T l from the shaft torsional torque T reac and the load rotation phase angle θ through a transfer function term of 1 / (J l · s 2 ) (J l is the load inertia moment). The torsion of the shaft through the transfer function term of K f (K f is the torsional rigidity of the shaft (spring coefficient) [Nm / rad]) is obtained by subtracting the load rotation phase angle θ l from the motor rotation phase angle θ m. It has a transmission characteristic of torque T reac
The controller is
The torsional torque detection value T det to dead time element is added to that feedback the shaft torsional torque T REAC, as a new torsional torque detection value through a shaft torque feedback gain k r set, the new the torsional torque detection value, the transfer function G PHC
Figure 0006604157
(Where α is the phase compensation parameter, ω Phc is the phase compensation filter cutoff frequency, and s is the Laplace operator)
Through the first phase compensator represented by
From the torque command value obtained by subtracting the phase-compensated shaft torsion torque detection value from the set torque command and the rotation speed detection value ω det obtained by adding a dead time element to the motor rotation speed ω m , the disturbance observer observes the motor. Disturbance torque is estimated, disturbance torque estimated value T ^ dis is obtained, and the disturbance torque estimated value T ^ dis is passed through a second phase compensator having the same configuration as that of the first phase compensator. Find the torque estimate,
Resonance in a multi-inertia resonance system, wherein the motor torque command is obtained by subtracting the phase-compensated shaft torsion torque detection value from a value obtained by adding the post-phase compensation disturbance torque estimated value to the set torque command. Suppression control device.
前記位相補償器は、伝達関数GPHCが、
Figure 0006604157
(ただしωbは1次遅れカットオフ周波数、ωhは1次進みカットオフ周波数、sはラプラス演算子、pは任意の分数次数)
と表される、分数次数を用いた位相補償器で構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置。
The phase compensator has a transfer function G PHC
Figure 0006604157
(Where ω b is the primary delay cutoff frequency, ω h is the primary advance cutoff frequency, s is the Laplace operator, and p is any fractional order)
The resonance suppression control apparatus in a multi-inertia resonance system according to claim 1, wherein the resonance suppression control apparatus is a phase compensator using a fractional order expressed as follows.
前記位相補償器の伝達関数GPHCを、
Figure 0006604157
Figure 0006604157
(ただしωbは1次遅れカットオフ周波数、ωhは1次進みカットオフ周波数、sはラプラス演算子、pは任意の分数次数、ωPhCは位相補償フィルタカットオフ周波数、αは位相補償パラメータ)
と定義し、
前記位相補償パラメータαの設定を変更して位相補償量を調整することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置。
The transfer function G PHC of the phase compensator is
Figure 0006604157
Figure 0006604157
(Where ω b is the primary delay cutoff frequency, ω h is the primary advance cutoff frequency, s is the Laplace operator, p is any fractional order, ω PhC is the phase compensation filter cutoff frequency, and α is the phase compensation parameter. )
And define
Multi inertia resonance suppression control in the resonance system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that by changing the settings of the phase compensation parameter α for adjusting the amount of phase compensation.
前記ωbとωhを、ωb<ωhに設定することで位相遅れ補償器として機能させ、ωb>ωhに設定することで位相進み補償器として機能させることを特徴とする請求項4に記載の多慣性共振システムにおける共振抑制制御装置。 Claims the omega b and omega h, <to function as a phase lag compensator by setting the ω h, ω b> ω b, characterized in that to function as a phase lead compensator by setting the omega h 5. A resonance suppression control apparatus in the multi-inertia resonance system according to 4 .
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