JP7065452B2 - 電動機制御装置、及び電動機制御方法 - Google Patents

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）。

特開２００４－２７４９７６号公報

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。

図１は、実施の形態１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。 図２は、ノッチフィルタの周波数特性の一例を示す図である。 図３は、実施の形態１におけるノッチ制御部の構成の一例を示すブロック図である。 図４は、実施の形態１におけるフィードバック制御部の構成の一例を示す図である。 図５は、実施の形態１における速度指令に対する電動機速度の周波数特性の一例を示す図である。 図６は、実施の形態２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。

（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。

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。

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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