JP7065452B2 - 電動機制御装置、及び電動機制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は電動機や電動機で駆動される機械負荷に対し、その速度や位置などの駆動動作を制御する電動機制御装置に関し、特に、駆動時などに発生する機械共振を抑制する機能を備えた電動機制御装置に関する。
従来、機械共振による振動を抑制することができる電動機制御装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら従来の電動機制御装置では、機械共振周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なってしまい、フィードバック制御系の不安定化によって発振してしまうことがある。
そこで、本発明は、係る問題に鑑みてなされたものであり、従来よりも、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防止し得る電動機制御装置、及び電動機制御方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る電動機制御装置は、電動機または負荷の状態量をフィードバック制御する、フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置であって、前記フィードバック制御系内に配置され、フィルタ係数が変更可能なノッチフィルタと、前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、前記ノッチフィルタの中心周波数であるノッチ周波数を変更するノッチ制御部と、前記制御帯域と前記ノッチ周波数とに応じて、前記フィードバック制御系を安定化させるように、前記制御帯域と前記ノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する制御係数設定部とを備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る電動機制御方法は、フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置が行う、電動機または負荷の状態量をフィードバック制御する電動機制御方法であって、前記フィードバック制御系内に配置され、フィルタ係数が変更可能なノッチフィルタの中心周波数であるノッチ周波数を、前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように変更するノッチ制御ステップと、前記制御帯域と前記ノッチ周波数とに応じて、前記フィードバック制御系を安定化させるように、前記制御帯域と前記ノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する制御係数設定ステップとを含むことを特徴とする。
上記電動機制御装置、及び電動機制御方法によると、従来よりも、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防止し得る。
(本発明の一態様を得るに至った経緯)
一般に電動機制御装置は、動作指令に対して電動機動作を一致させるフィードバック制御系を内部に構成している。電動機と機械負荷の間で機械共振を有する場合、機械共振振動の発生を防ぐために、電動機制御装置のフィードバック制御系内に、特定の周波数成分を減衰させるノッチフィルタを備える手法が知られている。機械共振周波数とノッチフィルタで減衰する周波数であるノッチ周波数とが一致していれば、機械共振振動成分がノッチフィルタで減衰され、機械共振振動を抑制することができる。しかし、機械設備の長時間運転によって機械共振周波数が変化すると、ノッチ周波数と機械共振周波数との間にずれが生じることになり、機械共振振動を抑制できなくなる。機械共振周波数が大きく変化しても機械共振振動を抑制するには、ノッチ周波数を機械共振周波数と常に一致させる必要がある。
一般に電動機制御装置は、動作指令に対して電動機動作を一致させるフィードバック制御系を内部に構成している。電動機と機械負荷の間で機械共振を有する場合、機械共振振動の発生を防ぐために、電動機制御装置のフィードバック制御系内に、特定の周波数成分を減衰させるノッチフィルタを備える手法が知られている。機械共振周波数とノッチフィルタで減衰する周波数であるノッチ周波数とが一致していれば、機械共振振動成分がノッチフィルタで減衰され、機械共振振動を抑制することができる。しかし、機械設備の長時間運転によって機械共振周波数が変化すると、ノッチ周波数と機械共振周波数との間にずれが生じることになり、機械共振振動を抑制できなくなる。機械共振周波数が大きく変化しても機械共振振動を抑制するには、ノッチ周波数を機械共振周波数と常に一致させる必要がある。
従来、この種の電動機制御装置として、特許文献1に記載されている技術がある。この技術は、電動機の動作中に機械共振振動が生じた場合に、電動機の速度情報から機械共振振動成分を抽出し、抽出した振動成分の振幅が減少するようにノッチ周波数を逐次変更することで、ノッチ周波数と機械共振周波数が常に一致するように自動的に調整している。
発明者は、上記従来の電動機制御装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。
機械共振振動を抑制するために使用するノッチフィルタは、ノッチ周波数以下の周波数帯域で位相を遅らせる効果がある。ノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なると、ノッチフィルタがフィードバック制御系を不安定にすることで発振に至ってしまう。よって、ノッチフィルタを使用する場合、ノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重ならないように、ノッチ周波数に対してフィードバック制御系の制御帯域を低くする必要がある。しかしながら、従来の電動機制御装置では、ノッチ周波数を機械共振周波数と常に一致させることだけを考慮していたため、機械設備の長時間運転による機構部材の劣化等によって機械共振周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下した場合、ノッチ周波数もフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下し、フィードバック制御系の不安定化による発振に伴って動作異常が生じ得る。動作異常が生じると、機械設備を復旧させるために、劣化した機構部材を交換することになるが、定期的な設備保全の機会と異なるために交換部材の手配や交換作業等に時間を要し、設備の再稼動までに多大な時間を要してしまう。このため、機械設備では発振などの動作異常の未然防止が望まれている。
発明者は、上記問題に鑑みて、本発明の一態様に係る電動機制御装置、及び電動機制御方法を得るに至った。
本発明の一態様に係る電動機制御装置は、電動機または負荷の状態量をフィードバック制御する、フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置であって、前記フィードバック制御系内に配置され、フィルタ係数が変更可能なノッチフィルタと、前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、前記ノッチフィルタの中心周波数であるノッチ周波数を変更するノッチ制御部と、前記制御帯域と前記ノッチ周波数とに応じて、前記フィードバック制御系を安定化させるように、前記制御帯域と前記ノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する制御係数設定部とを備えることを特徴とする。
上記電動機制御装置は、フィードバック制御系が安定化するように、制御帯域とノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する。
従って、この電動機制御装置によると、従来よりも、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防止し得る。
例えば、前記制御係数設定部は、前記ノッチ周波数が所定の基準値よりも低下した場合に限って、前記フィードバック制御系を安定化させるように前記制御帯域と前記ノッチ周波数とのうちの少なくとも一方の変更を行うとしても良い。
これにより、所定の基準値をフィードバック制御系の制御帯域より十分高い周波数値としておくことで、制御帯域とノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも一方の変更を、機械共振の周波数が制御帯域と重なる程度まで低下する場合に限定することができるようになる。
例えば、前記ノッチ制御部は、予め定められたノッチ周波数の範囲内に限って、前記ノッチ周波数の変更を行うとしても良い。
これにより、ノッチ周波数が、好ましくない周波数帯域となってしまうことを未然に防ぐことができるようになる。
例えば、前記予め定められたノッチ周波数の範囲は、前記ノッチ周波数が、前記フィードバック制御系の制御帯域と重なることがないように定められているとしても良い。
これにより、ノッチ周波数の変更に起因する、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防止することができるようになる。
例えば、電動機または負荷の状態量をフィードバック制御する、フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置であって、前記フィードバック制御系内に直列に配置され、フィルタ係数が変更可能な第1ノッチフィルタ及び第2ノッチフィルタと、前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、前記第1ノッチフィルタの中心周波数である第1ノッチ周波数を変更する第1ノッチ制御部と、前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、前記第2ノッチフィルタの中心周波数である第2ノッチ周波数を変更する第2ノッチ制御部と、前記制御帯域と前記第1ノッチ周波数と前記第2ノッチ周波数とに応じて、前記フィードバック制御系を安定化させるように、前記制御帯域と前記第1ノッチフィルタのフィルタ係数と前記第2ノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する制御係数設定部とを備えるとしても良い。
これにより、機械共振の周波数が2つある場合であっても、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防止することができるようになる。
また、本発明の一態様に係る電動機制御方法は、フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置が行う、電動機または負荷の状態量をフィードバック制御する電動機制御方法であって、前記フィードバック制御系内に配置され、フィルタ係数が変更可能なノッチフィルタの中心周波数であるノッチ周波数を、前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように変更するノッチ制御ステップと、前記制御帯域と前記ノッチ周波数とに応じて、前記フィードバック制御系を安定化させるように、前記制御帯域と前記ノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する制御係数設定ステップとを含むことを特徴とする。
上記電動機制御方法は、フィードバック制御系が安定化するように、制御帯域とノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する。
従って、この電動機制御方法によると、従来よりも、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防止し得る。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なCD-ROMなどの記録媒体で実現されても良く、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたは記録媒体の任意な組み合わせで実現されても良い。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。
(実施の形態1)
図1は、第1の実施の形態における電動機制御装置の構成の一例を示すブロック図である。この電動機制御装置300は、電動機100の状態量をフィードバック制御する、フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置である。
図1は、第1の実施の形態における電動機制御装置の構成の一例を示すブロック図である。この電動機制御装置300は、電動機100の状態量をフィードバック制御する、フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置である。
図1に示される通り、電動機制御装置300は、電動機100と速度検出器200とに接続され、駆動対象となる機械負荷102や電動機100の所望動作を示す速度指令Vsが入力される。電動機100には、接合部101を介して機械設備の駆動部である機械負荷102が繋がれている。また、速度検出器200は、電動機100の回転速度を検出し、電動機速度Vmとして電動機制御装置300に出力する。
電動機制御装置300は、内部にフィードバック制御部301、ノッチフィルタ302、トルク制御部303、ノッチ制御部304、そして制御係数設定部305を有している。
フィードバック制御部301は、電動機速度Vmと速度指令Vsとが入力され、両者の差を0にするようなトルク指令τM1を出力する。例えば、速度指令Vsと電動機速度Vmとの差分値を算出し、算出した差分値に対して比例積分した値に、フィードバック制御系の制御帯域を示す変更可能な制御係数を乗じて、トルク指令τM1として出力する。
ノッチフィルタ302は、フィードバック制御系内に配置され、フィルタ係数が変更可能なフィルタである。すなわち、このノッチフィルタ302は、入力信号に対して特定の周波数を中心とした周波数の信号成分に対し、減衰を与えて出力するフィルタであり、減衰を与える中心周波数をノッチ周波数と呼ぶ。入力信号としてトルク指令τM1が入力され、トルク指令τM1からノッチ周波数を中心とした周波数の信号成分に対して減衰を与え、新たなトルク指令τM2として出力する。
そしてトルク制御部303は、電動機のトルクがトルク指令τM2と一致するように、例えば電動機100に流れる電流等を制御する。
このようにして、電動機制御装置300は、速度指令Vsと電動機速度Vmとが一致するように、内部でフィードバック制御系を構成している。
また、電動機制御装置300は、電動機速度に振動が表れた場合に、ノッチフィルタ302のノッチ周波数を自動的に振動周波数と一致するように逐次変更するノッチ制御部304と、ノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域まで低下した場合に、フィードバック制御系が常に安定となるようにフィードバック制御部301の制御係数を自動的に変更する制御係数設定部305とを内部に有している。
ノッチ制御部304は、電動機100に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、ノッチフィルタ302の中心周波数であるノッチ周波数を変更する。すなわち、このノッチ制御部304は、電動機速度Vmが入力され、電動機速度Vmに機械共振振動が表れた場合に、振動の振幅が減少するようにノッチフィルタ302のノッチ周波数を自動的に逐次変更する。これによって、ノッチフィルタ302のノッチ周波数は常に機械共振周波数と一致するように変更され、機械共振振動を抑制することができる。
制御係数設定部305は、制御帯域とノッチ周波数とに応じて、フィードバック制御系を安定化させるように、制御帯域を変更する。より具体的には、制御係数設定部305は、ノッチ制御部304によって機械共振周波数と一致するように制御されたノッチ周波数ωnと、フィードバック制御部301の制御係数の現在の設定値を示す制御係数信号Snが入力される。制御係数設定部305は、入力された情報をもとに、ノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なることでフィードバック制御系が不安定化しているか否かを判定し、不安定化していると判定した場合、フィードバック制御系の制御帯域を下げることを示す制御係数設定信号Cnをフィードバック制御部301へ出力する。フィードバック制御部301は、入力された制御係数設定信号Cnに応じて、フィードバック制御系の制御帯域を下げるように、内部の制御係数を変更する。これによって、ノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下する場合に、フィードバック制御系が安定化されるように、フィードバック制御系の制御係数を変更することで、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防ぐことができる。
次に、電動機制御装置300のフィードバック制御系内に配置され、フィルタ係数が変更可能なノッチフィルタ302について、その詳細を説明する。ノッチフィルタ302は、例えば次の(式1)で示す伝達関数Gn1(s)をもつ2次の再帰型ノッチフィルタである。
(式1)において、ωn1はノッチフィルタ302のノッチ周波数係数、ζn1は減衰を与える周波数帯域の幅を示す減衰係数、dn1は減衰を与える度合いを示すノッチ深さ係数である。ノッチ深さ係数dn1は、0≦dn1≦1であり、dn1=1の場合、ノッチフィルタ302のノッチ周波数ωn1におけるゲイン特性は0[dB]となり、dn1=0の場合、ノッチフィルタ302のノッチ周波数ωn1におけるゲイン特性は-∞[dB]となる。
ノッチフィルタ302の特性を示す例として、dn1=0の場合の伝達関数Gn1(s)の周波数特性を図2に示す。図2から分かるように、ノッチフィルタ302は、ノッチ周波数ωn1の成分を減衰させる特性を持ち、そのゲイン特性は-∞である。入力信号に振動成分が含まれる場合、入力信号の振動周波数とノッチ周波数ωn1とが異なると入力信号の振幅を減衰させず、一致すると振幅を減衰させる。
ノッチフィルタ302のノッチ周波数ωn1は変更可能であり、機械共振振動が生じた際は、ノッチ制御部304によってノッチ周波数ωn1が機械共振周波数と一致するように変更されることで、トルク指令τM1から機械共振周波数成分を減衰させ、機械共振振動を抑制することができる。
図3は、ノッチ制御部304の構成の一例を示す図である。ノッチ制御部304は、振動抽出フィルタ3041、検出用ノッチフィルタ3042、ノッチ周波数変更部3043を備えている。ノッチ制御部304は、機械共振振動が生じた際に、振動の振幅が減少するようにノッチフィルタ302のノッチ周波数ωn1を逐次変更することで、ノッチ周波数ωn1を機械共振周波数と一致するように変更する。
振動抽出フィルタ3041は入力信号から所定の周波数帯域の成分を抽出して出力するフィルタであり、電動機速度Vmから機械共振振動成分を抽出して振動成分Vb1として出力する。振動抽出フィルタ3041は、このように振動成分を抽出できれば良いため、所定の周波数以上の信号成分を通過させるハイパスフィルタであっても良く、所定の周波数帯域内の信号成分を通過させるバンドパスフィルタであっても良い。
振動抽出フィルタ3041から出力された振動成分Vb1は、検出用ノッチフィルタ3042とノッチ周波数変更部3043に入力される。
検出用ノッチフィルタ3042は、振動成分Vb1に対して中心周波数であるノッチ周波数を中心とした周波数成分を減衰させ、新たな振動成分Vb2として出力する。
本実施の形態では、検出用ノッチフィルタ3042の特性として、減衰を与える周波数帯域の幅は所定の値が予め与えられ、ノッチ周波数におけるゲイン特性は-∞[dB]とする。例えば、次の(式2)で示す伝達関数Gn2(s)をもつ2次の再帰型ノッチフィルタとする。
ここで、ωn2は検出用ノッチフィルタ3042のノッチ周波数に対応するノッチ周波数係数であり、ζn2は減衰係数である。検出用ノッチフィルタ3042の周波数特性は、ノッチフィルタ302でdn1=0とした場合と同様であり、図2に示した特性と同様の特性を有している。つまり、ノッチ周波数ωn2の成分を減衰させる特性をもつ。
ノッチ周波数変更部3043は、振動成分Vb1と、振動成分Vb1の検出用ノッチフィルタ3042を通過後の出力である振動成分Vb2が入力される。そして電動機速度Vmに含まれる振動の周波数と一致するノッチ周波数ωnを生成する。ノッチ周波数ωnは、ノッチフィルタ302および検出用ノッチフィルタ3042に供給され、それぞれのノッチ周波数であるωn1およびωn2がωnに変更される。
ここで、検出用ノッチフィルタ3042において、入力である振動成分Vb1に含まれる振動成分の周波数と、ノッチ周波数ωn2とが大きく異なる場合は、振動成分Vb1の振幅は減衰されない。一方、一致する場合は、その振幅が減衰される。このため、振動成分Vb2の振幅は、振動成分Vb1の振動周波数がノッチ周波数ωn2からずれるに従って大きくなる。すなわち、振動成分Vb2の振幅は、振動成分Vb1の振動周波数とノッチ周波数ωn2とのずれの程度を示すと言える。
ノッチ周波数変更部3043は、振動成分Vb1と振動成分Vb2の振幅に基づき、振動成分Vb2の振幅が所定値以下あるいは0となるまでノッチ周波数ωnを逐次変更し、検出用ノッチフィルタ3042のノッチ中心周波数ωn2を制御する。このようなノッチフィルタの制御は、検出用ノッチフィルタ3042と、例えば特許文献1に記載された方向フィルタやノッチフィルタ係数修正手段とを組み合わせることで実現できる。
このようにして、ノッチ周波数ωnが振動成分Vb1に含まれる振動成分の周波数と一致するように制御される。そして検出用ノッチフィルタ3042のノッチ周波数ωn2およびノッチフィルタ302のノッチ周波数ωn1は、共にノッチ周波数ωnと一致するように変更される。つまり、ノッチ周波数ωn1とωn2は、振動成分Vb1に含まれる振動成分の周波数となるように制御される。
以上のように、ノッチ制御部304は、電動機速度Vmに機械共振振動成分が含まれた場合に、ノッチフィルタ302のノッチ周波数ωn1を機械共振振動成分の周波数と一致するように自動的に逐次変更するので、本実施の形態の電動機制御装置では、機械共振は常に自動的に抑制される。
ここで、ノッチフィルタ302の周波数特性の一例を示す図2にもう一度着目すると、ノッチフィルタ302のゲイン特性は、上述の通り、ノッチ周波数ωn1の成分を減衰させる特性があることを示しているが、一方で、ノッチフィルタ302の位相特性は-90°から90°の値となる。ノッチ周波数以下では負の値となり、入力信号の位相を遅らせる効果がある。ノッチフィルタ302は、電動機制御装置300によるフィードバック制御系の内部に配置されており、ノッチ周波数以下では、その位相遅延効果によってフィードバック制御系の位相を遅らせてしまう。このため、ノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる場合、ノッチフィルタ302自身がフィードバック制御系を不安定にしてしまい、動作が振動的になる場合や、発振に至る場合がある。ノッチフィルタ302を使用しつつフィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防ぐには、ノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重ならないように、ノッチ周波数に対してフィードバック制御系の制御帯域を低くする必要がある。
しかしながら、ノッチ制御部304によって、ノッチフィルタ302のノッチ周波数は機械共振周波数と常に一致するように自動調整されるため、機械共振周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下した場合、ノッチ周波数もフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下してしまう。
制御係数設定部305は、フィードバック制御部301の現在の制御係数を示す制御係数信号Snと、ノッチ制御部304によって機械共振周波数と一致するように自動調整されたノッチ周波数ωnが入力される。そして、入力された情報をもとに、ノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なることで、フィードバック制御系が不安定となっているか否かを判定する。フィードバック制御系が不安定と判定した場合は、フィードバック制御系の制御帯域を下げるように、フィードバック制御部301の制御係数を変更する旨を示す信号である制御係数設定信号Cnをフィードバック制御部301へ出力する。フィードバック制御部301は、入力された制御係数設定信号Cnに応じて、フィードバック制御系の制御帯域を下げるように、内部の制御係数を変更する。これによって、ノッチ周波数がフィードバック制御帯域と重なる程度まで低下する場合でも、フィードバック制御系が安定化されるように、フィードバック制御系の制御係数が変更され、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防ぐことができる。
制御係数設定部305によるフィードバック制御部301の制御パラメータの変更方法を説明するため、まずフィードバック制御部301の構成について、その詳細を説明する。
図4にフィードバック制御部301の構成の一例を示す。フィードバック制御部301は、内部に減算器3011、比例制御器3012、積分器3013、積分制御器3014、加算器3015、制御係数更新部3016を有している。減算器3011は、速度指令Vsと電動機速度Vmとが入力され、速度指令Vsから電動機速度Vmを減算し、速度偏差Verrとして出力する。比例制御器3012は、速度偏差Verrに重み係数である速度比例ゲインを乗じて比例制御出力τvpを出力する。また、速度偏差Verrは、積分器3013にも入力され、その積分値である速度偏差積分値Vserrが出力される。積分制御器3014は、速度偏差積分値Vserrが入力され、重み係数である速度積分ゲインを乗じて積分制御出力τviを出力する。そして加算器3015は、比例制御出力τvpと積分制御出力τviが入力され、両者の加算値をトルク指令τM1として出力する。制御係数更新部3016は、制御係数設定部305から入力される制御係数設定信号Cnに応じて、フィードバック制御部301が利用する制御係数を更新する。このようにフィードバック制御部301は、速度指令Vsと電動機速度Vmが一致するように、内部に比例積分制御系を有している。そして速度比例ゲインと速度積分ゲインの値によって、電動機制御装置300内部で構成されるフィードバック制御系の制御帯域が決まる。つまり、速度比例ゲインと速度積分ゲインとは、フィードバック制御系の制御帯域に関わる制御係数である。フィードバック制御部301の制御係数更新部3016は、制御係数設定部305でフィードバック制御系の制御帯域を判別できるように、現在の制御係数を制御係数信号Snとして、制御係数設定部305へ出力する。
制御係数設定部305は、制御係数信号Snとノッチ周波数ωnとが入力され、入力された情報をもとに、電動機制御装置300内部で構成されるフィードバック制御系が安定か否かを判定する。そしてフィードバック制御系が不安定と判定した場合は、フィードバック制御系が安定と判定できる程度までフィードバック制御系の制御帯域を下げるように、フィードバック制御部301の制御係数を変更することを示す制御係数設定信号Cnを出力する。
次に制御係数設定部305によるフィードバック制御部301の制御係数の変更法の詳細を述べる。まず、フィードバック制御系の制御帯域の詳細を説明する。
図5は、ノッチフィルタ302を使用しない場合の、速度指令に対する電動機速度の周波数特性の一例を示している。上段はゲイン特性、下段は位相特性をそれぞれ示している。図5のゲイン特性図に着目すると、図内w1の周波数値では0dBの値を示している。これは速度指令の変化が周波数w1の場合はフィードバック制御部301によって電動機速度の大きさは速度指令の大きさと一致するように制御されることを示している。一方で、図内w2の周波数値では、-10dBの値を示している。これは速度指令の変化が周波数w2の場合は電動機速度の大きさは速度指令の大きさの-10dB≒0.32倍となり、電動機速度の大きさが速度指令の大きさと一致しなくなることを示している。つまり、フィードバック制御系のゲイン特性図上で、0dBに近い値を示す帯域では、フィードバック制御部301によって電動機速度が速度指令と一致するように動作制御され、この帯域がフィードバック制御系の制御帯域となる。
一般的にフィードバック制御系の制御帯域を示す指標として、入力に対する出力の周波数特性のゲイン特性が-3dB≒0.71倍となる最小の周波数値(図5内でwcに相当)が用いられており、この周波数値をフィードバック制御系の遮断周波数と呼ぶ。制御係数設定部305は、入力された制御係数信号Snからフィードバック制御系の遮断周波数を算出し、算出した遮断周波数とノッチ周波数の値より、フィードバック制御系が不安定となっているかを判定する。
制御係数設定部305には、予めノッチ周波数に対するフィードバック制御系の遮断周波数の比率の上限値を設定しておく。制御係数設定部305は、ノッチ周波数に対するフィードバック制御系の遮断周波数の比率が所定値以下であればフィードバック制御系は安定と判定する。そして、機械共振周波数の低下によってノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下し、ノッチ周波数に対するフィードバック制御系の遮断周波数の比率が上限値を超えた場合、フィードバック制御系が不安定と判定し、ノッチ周波数に対するフィードバック制御系の遮断周波数の比率が予め設定した上限値以下となるような、制御係数を算出する。制御係数設定部305は、フィードバック制御部301の制御係数を算出した値に変更することを示す制御係数設定信号Cnを出力する。そして、フィードバック制御部301において、その制御係数が入力された制御係数設定信号Cnの示す値へ変更される。
このようにして、フィードバック制御部301の制御係数は、ノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下した場合でも、制御係数設定部305によって、フィードバック制御系が安定と判定される値に変更されるので、電動機制御装置300内部で構成されるフィードバック制御系は常に安定となり、フィードバック制御系の不安定化による発振が生じることはない。
以上のように、本実施の形態の電動機制御装置300は、機械共振周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下する場合に、フィードバック制御系の制御帯域を下げることで、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防ぐことができる。
また、本実施の形態では、制御係数設定部305は、制御帯域とノッチ周波数とに応じて、フィードバック制御系を安定化させるように、制御帯域を変更する構成として説明したが、制御係数設定部305は、制御帯域とノッチ周波数とに応じて、フィードバック制御系を安定化させるように、制御帯域とノッチフィルタ302のフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する構成としても良い。例えば、ノッチ周波数とフィードバック制御系の制御帯域の比率が所定値以上となった場合に、制御帯域を低くすると共に、ノッチフィルタ302のフィルタ係数のひとつであるノッチ深さ係数を大きくするように変更する構成としても良い。このような構成を取ることで、機械共振周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下した場合に、ノッチフィルタ302による位相の遅れ度合いを低減し、フィードバック制御系の制御帯域を大きく低下させることなく、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防ぐことができる。
また、本実施の形態では、フィードバック制御部301の内部を比例積分制御器とする構成であるとして説明したが、ノッチフィルタ302を低周波域の機械共振振動を抑えるために用いると共に、速度検出器200の分解能粗さ等に起因する高調波ノイズや高周波域の機械共振振動を抑えるためのローパスフィルタを比例積分制御器の後段に直列に接続する構成としても良い。そしてローパスフィルタの遮断周波数帯域も、制御係数設定部305の出力する制御係数設定信号に応じて変更可能とする構成としても良い。具体的には、フィードバック制御系の制御帯域を下げると共に、ローパスフィルタの遮断周波数帯域を上げる構成としても良い。ローパスフィルタは、ノッチフィルタと同様に、遮断周波数以下の位相を遅らせる効果がある。よってローパスフィルタの遮断周波数を上げるほど、フィードバック制御系の位相遅れが小さくなり、フィードバック制御系は安定化する。フィードバック制御系の制御帯域を下げると共にローパスフィルタの遮断周波数帯域を上げる構成を取ることで、高周波域の機械共振振動の抑制度合いを保持しながら、フィードバック制御系の制御帯域を大きく低下させることなく、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防ぐことができる。
また、本実施の形態では、フィードバック制御系内に配置されたノッチフィルタ302のノッチ周波数が常に電動機速度に含まれる振動の周波数となるように制御される構成としたが、フィードバック制御系内に配置されたノッチフィルタ302のノッチ周波数のみ上下限値で制限し、フィードバック制御系の制御帯域とフィードバック制御系内に配置されたノッチフィルタ302のノッチ周波数が重なることを未然に防止する構成としても良い。すなわち、ノッチ制御部304は、予め定められたノッチ周波数の範囲内に限って、ノッチフィルタ302のノッチ周波数の変更を行う構成としても良い。
本実施の形態では振動の有無を、電動機速度Vmが入力されたローパスフィルタもしくはバンドパスフィルタで構成される振動抽出フィルタ3041の出力から判断する構成としたが、例えば機械負荷102に一時的な外乱が印加されると、この外乱に反応してノッチ制御部304がノッチ周波数を変更し、ノッチフィルタ302のノッチ周波数が機械共振周波数とは大きく異なる値に一時的に変化してしまう場合がある。ノッチ周波数が一時的に変化してしまうと、制御係数設定部305の作用で、フィードバック制御部301の制御帯域が下がり、電動機または機械負荷の動作が所望動作から極端に変化してしまう。このような構成を取ることで、機械負荷に一時的な外乱が印加された場合でも、ノッチ周波数とフィードバック制御系の制御帯域の不適切な低下による電動機または機械負荷の動作の所望動作からの極端な変化を未然に防ぐことができる。
また、本実施の形態では、速度検出器200は電動機速度を検出する構成としたが、速度検出器200が機械負荷102の速度を検出し、フィードバック制御部301へ出力する構成としても良い。
このような構成を取ることで、電動機制御装置300は、速度指令Vsと機械負荷の速度が一致するように電動機の動作を制御するので、速度指令と機械負荷速度の差異が、より小さくなる。
(実施の形態2)
図6は、実施の形態2による電動機制御装置の構成の一例を示す図である。図6において、上述した実施の形態1の構成を示す図1と同じ機能・動作をするものについては、その動作説明は省略する。この電動機制御装置500では、図1に示した構成に対し、ノッチフィルタとノッチ制御部が、それぞれ1個から2個に増えている。
図6は、実施の形態2による電動機制御装置の構成の一例を示す図である。図6において、上述した実施の形態1の構成を示す図1と同じ機能・動作をするものについては、その動作説明は省略する。この電動機制御装置500では、図1に示した構成に対し、ノッチフィルタとノッチ制御部が、それぞれ1個から2個に増えている。
電動機制御装置500は、機械共振が2個存在する場合でも、2個の機械共振による振動を共に低減できるように、フィードバック制御部301の後段に、ノッチ周波数ωn1aの第1ノッチフィルタ502aと、ノッチ周波数ωn1bの第2ノッチフィルタ502bが直列に接続されている。
第1ノッチフィルタ502aと第2ノッチフィルタ502bとは、実施の形態1におけるノッチフィルタ302と同様である。
ノッチ周波数ωn1aとノッチ周波数ωn1bとは、2つの機械共振周波数のいずれかに対応するように、それぞれ異なる値が設定される。そして各ノッチフィルタのノッチ周波数を変更するために、第1ノッチフィルタ502aに対応した第1ノッチ制御部504aと、第2ノッチフィルタ502bに対応した第2ノッチ制御部504bとを個別に備えている。
第1ノッチ制御部504aと第2ノッチ制御部504bとは、実施の形態1におけるノッチ制御部304と同様である。より具体的には、第1ノッチ制御部504aは、電動機100に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、第1ノッチフィルタ502aの中心周波数である第1ノッチ周波数を変更する。そして、第2ノッチ制御部504bは、電動機100に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、第2ノッチフィルタ502bの中心周波数である第2ノッチ周波数を変更する。すなわち、第1ノッチ制御部504aと第2ノッチ制御部504bとは、2つの機械共振周波数がそれぞれ変化した場合に、それぞれの機械共振周波数の変化に応じて生じた振動に対し、対応するノッチフィルタのノッチ周波数を発生した振動成分の周波数と一致するように変更すると共に、変更後のノッチ周波数をそれぞれωnaおよびωnbとして、制御係数設定部505に出力する。
2つのノッチフィルタに、それぞれ異なる機械共振周波数の変化を検知させるには、例えば、各ノッチ制御部の内部にある振動抽出フィルタの通過帯域を、2つの異なる機械共振周波数を中心に、それぞれ重ならない帯域とすれば良い。これによって、2つのノッチ制御部は、それぞれ他方の機械共振周波数の変化の影響を受けることなく、対応する機械共振周波数の変化で生じた振動の周波数と対応するノッチフィルタのノッチ周波数が一致するように制御することができる。
制御係数設定部505は、フィードバック制御系の制御帯域と第1ノッチ周波数と第2ノッチ周波数とに応じて、フィードバック制御系を安定化させるように、制御帯域と第1ノッチフィルタ502aのフィルタ係数と第2ノッチフィルタ502bのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する。より具体的には、制御係数設定部305は、フィードバック制御部301の制御係数を示す制御係数信号Snと、2つのノッチ周波数ωnaおよびωnbが入力され、入力された情報をもとに、電動機制御装置500内部で構成されるフィードバック制御系が不安定か否かを判定する。そしてフィードバック制御系が不安定と判定した場合は、フィードバック制御系が安定と判定できる程度までフィードバック制御系の制御帯域を下げるように、フィードバック制御部301の制御係数を変更する旨を示す信号である制御係数設定信号Cnを出力する。
次に制御係数設定部505によるフィードバック制御部301の制御係数の変更法の詳細を述べる。予め制御係数設定部505に対して、ノッチ周波数に対する、フィードバック制御系の制御帯域を示す遮断周波数の比率の上限値を設定しておく。制御係数設定部505は、制御係数信号Snからフィードバック制御系の制御帯域を示す遮断周波数を算出し、ノッチ周波数ωnaおよびωnbのうち、より小さなノッチ周波数に対するフィードバック制御系の遮断周波数の比率が共に設定した上限値以下であればフィードバック制御系は安定と判定する。そして、ノッチ周波数ωnaおよびωnbのうち、より小さなノッチ周波数に対するフィードバック制御系の遮断周波数の比率が上限値を超えた場合、フィードバック制御系が不安定と判定し、より小さなノッチ周波数に対するフィードバック制御系の遮断周波数の比率が予め設定した上限値以下となるような制御係数を算出する。制御係数設定部505は、フィードバック制御部301の制御係数を算出した値に変更することを示す制御係数設定信号Cnを出力する。そして、フィードバック制御部301において、制御係数が入力された制御係数設定信号Cnの示す値へ変更される。
このようにして、フィードバック制御部301の制御係数は、2つのノッチフィルタのうち、より小さなノッチ周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下した場合に、制御係数設定部505によって、フィードバック制御系が安定と判定される値に変更されるので、電動機制御装置500内部で構成されるフィードバック制御系は常に安定となり、フィードバック制御系の不安定化による発振が生じることはない。
制御係数設定部505が、このようにフィードバック制御部301の制御係数を変更する構成を取ることで、機械共振が2個存在する場合でも、少なくともいずれか一方の機械共振周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下する場合に、2つのノッチフィルタのうち、フィードバック制御系の位相特性をより低下させるノッチフィルタのノッチ周波数をもとに、フィードバック制御系の制御帯域を下げることで、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防ぐことができる。
以上のように、本実施の形態の電動機制御装置500は、機械共振が2個存在する場合でも、少なくともいずれか一方の機械共振周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下する場合に、フィードバック制御系の制御帯域を下げることで、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防ぐことができる。
また、本実施の形態では、ノッチフィルタとノッチ制御部が2個ある構成としたが、3個以上あっても良い。この場合、各ノッチフィルタとノッチ制御部は、本実施の形態と同様の働きをすれば良い。このような構成をとることで、機械共振が3個以上存在する場合でも、各機械共振周波数の変化に対し、少なくともひとつの機械共振周波数がフィードバック制御系の制御帯域と重なる程度まで低下した場合に、フィードバック制御系の制御帯域を下げることで、フィードバック制御系の不安定化による発振を未然に防ぐことができる。
また、本実施の形態1および2では、電動機制御装置は、電動機速度が速度指令に追従するようにフィードバック制御するフィードバック制御部を有する構成としたが、フィードバック制御部に加え、速度指令をもとに電動機速度が速度指令と一致するようなトルク指令を算出するフィードフォワード制御部を有する構成であっても良い。
また、本実施の形態1および2では、電動機制御装置は、電動機速度を制御する構成としたが、電動機位置を制御する構成であっても良い。
本発明は、機械共振周波数が変化する機械設備を駆動する電動機の制御装置に広く利用可能である。
100 電動機
200 速度検出器
300、500 電動機制御装置
301 フィードバック制御部
302 ノッチフィルタ
303 トルク制御部
304 ノッチ制御部
305、505 制御係数設定部
502a 第1ノッチフィルタ
502b 第2ノッチフィルタ
504a 第1ノッチ制御部
504b 第2ノッチ制御部
3011 減算器
3012 比例制御器
3013 積分器
3014 積分制御器
3015 加算器
3016 制御係数更新部
3041 振動抽出フィルタ
3042 検出用ノッチフィルタ
3043 ノッチ周波数変更部
200 速度検出器
300、500 電動機制御装置
301 フィードバック制御部
302 ノッチフィルタ
303 トルク制御部
304 ノッチ制御部
305、505 制御係数設定部
502a 第1ノッチフィルタ
502b 第2ノッチフィルタ
504a 第1ノッチ制御部
504b 第2ノッチ制御部
3011 減算器
3012 比例制御器
3013 積分器
3014 積分制御器
3015 加算器
3016 制御係数更新部
3041 振動抽出フィルタ
3042 検出用ノッチフィルタ
3043 ノッチ周波数変更部
Claims (6)
- 電動機または負荷の状態量をフィードバック制御する、フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置であって、
前記フィードバック制御系内に配置され、フィルタ係数が変更可能なノッチフィルタと、
前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、前記ノッチフィルタの中心周波数であるノッチ周波数を変更するノッチ制御部と、
前記制御帯域と前記ノッチ周波数とに応じて、前記フィードバック制御系を安定化させるように、前記制御帯域と前記ノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する制御係数設定部とを備える
電動機制御装置。 - 前記制御係数設定部は、前記ノッチ周波数が所定の基準値よりも低下した場合に限って、前記フィードバック制御系を安定化させるように前記制御帯域と前記ノッチ周波数とのうちの少なくとも一方の変更を行う
請求項1に記載の電動機制御装置。 - 前記ノッチ制御部は、予め定められたノッチ周波数の範囲内に限って、前記ノッチ周波数の変更を行う
請求項1または2に記載の電動機制御装置。 - 前記予め定められたノッチ周波数の範囲は、前記ノッチ周波数が、前記フィードバック制御系の制御帯域と重なることがないように定められている
請求項3に記載の電動機制御装置。 - 電動機または負荷の状態量をフィードバック制御する、フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置であって、
前記フィードバック制御系内に直列に配置され、フィルタ係数が変更可能な第1ノッチフィルタ及び第2ノッチフィルタと、
前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、前記第1ノッチフィルタの中心周波数である第1ノッチ周波数を変更する第1ノッチ制御部と、
前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように、前記第2ノッチフィルタの中心周波数である第2ノッチ周波数を変更する第2ノッチ制御部と、
前記制御帯域と前記第1ノッチ周波数と前記第2ノッチ周波数とに応じて、前記フィードバック制御系を安定化させるように、前記制御帯域と前記第1ノッチフィルタのフィルタ係数と前記第2ノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する制御係数設定部とを備える
電動機制御装置。 - フィードバック制御系の制御帯域が変更可能な電動機制御装置が行う、電動機または負荷の状態量をフィードバック制御する電動機制御方法であって、
前記フィードバック制御系内に配置され、フィルタ係数が変更可能なノッチフィルタの中心周波数であるノッチ周波数を、前記電動機に係る機械共振に起因する振動成分が除去されるように変更するノッチ制御ステップと、
前記制御帯域と前記ノッチ周波数とに応じて、前記フィードバック制御系を安定化させるように、前記制御帯域と前記ノッチフィルタのフィルタ係数とのうちの少なくとも1つを変更する制御係数設定ステップとを含む
電動機制御方法。
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2018
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