JPH0412689A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電動機と負荷との間にいわゆる模り系が存在す
る場合の撮動抑制方式に係り、模り系の負荷側の制御に
おいて高速にしてロバストな安定化制御を行い得る電動
機制御装置に関するものである。

〔従来の技術〕

一般的な電動機速度制御系の例による第８図を参照して
説明する。

第８図は従来例のＰＩ制御系を有する安定化フィードパ
、り制御装置を示すもので、１は安定化装置、２は制御
対象である。ここに、Ｒ，Ｙは各々指令入力、状態量で
あり、したがって速度制御系例では、Ｒが速度指令、Ｙ
が速度検出出力である。ＫＴはトルク発生係数である。

かように、指令入力＆、状状景量偏差ｅを安定化装置ｌ
を通して制御対象２に印加することにより、速度制御系
を安定化している。その安定化装置１は一般にＰ（比例
）Ｉ（積分）制御装置として構成される。

かような第８図に示す例は駆動例と負荷側か剛性結合さ
れている場合であり、その間が損り系シャフトで結合さ
れている場合の例を第９図に示す。

８９図は模り系を含む制御対象に従来例のＰＩ制御系を
適用した場合を示すもので、―は指令入力、町　は速度
指令、―Ｍは電動側速度、０Ｌは負荷側速度、θは模り
、糀は捩りバネ係数、ＴＬは負荷外乱を示す。ここに、
１′はＰＩ制御装置、２′は駆動側モータ２１′、捩り
シャフト２２′および負荷２３′を主な構成部分とする
制御対象、３は加減速調整器、４はリミ、りを示してい
る。

すなわち、制御対象２′には駆動側と負荷側があり、そ
の間に模りシャフト２２′が存在する。

〔発明が解決しようとする課題〕

第９図に示すものにおいては、捩り系を含む制御対象を
従来のようにＰＩ制御で制御すると、安定性を上げるた
めに結果的には応答速さを遅くすることにより、振動防
止を図るのが通常である。

この応答早さは制御対象の僕り共蚕系を考直して決定す
る必要があり、その調整は極めて難しく、応答は遅く決
して高機能な制御方式とは言えない。

この例は第１０図の如くである。

ｊｆｌわちシミーレージ、ンデータの一例に示される如
く、捩りの先の負荷調速度−の応答に、駆動側の電動側
速度−を合して遅くすることにより安定化しているため
、負荷側速度−の負荷急変時の変動量は大きいものとな
ってしまう。なお、これをより高速応答に調整しようと
すると、撮動系となってしまい安定性が保てなくなるこ
と明白である。

一方、本出願人は平成１年６月２２日提出の特許出願Ｉ
−多機能制御装置」や平成２年１月３１日提出の特許出
願「速度制御装置」を提案しているところである。

かような提案のその主な点をブロック図として示すと、
第１１図〜第１３図の如くである。

第１１図、第１２図および第１３図において、５はフィ
ードフォワード補償部、６は等価外乱補償部であるＯ そして、これらの高機能制御手法を前述の捩り系に適用
すると、第１４図の如きものとなる。

第１４図は等価外乱補償機能を付加したものを示し、１
＃はＰＩ制御装置、４′、４“　４１１Ｆはリミッタ、
５′はフィードフォワード補償部、６′は等価外乱補償
部である。

しかしながら、第１４図のプロ、り１１１成の如くに単
に上記提案の高機能制御手法を捩り系に適用した場合、
捩りバネ係数Ｋｃがある箪以下、すなわち捩り大きいシ
ステムへの適用においては電動側速度−〇は安定するが
、負荷側速度−５は安定にならない・ これは、制御が電動側速度＃Ｍのみを対象にしているた
めであり、その先の捩りの先の動作を制御対象外として
いるに他ならない。この間の状況をシミーレーシヨンで
第１０図に類して示すと第１５図の如くである。

すなわち、図示の如くに制御対象とした電動側速度ガは
安定しているものの、制御対象外の負荷側速度・Ｌは振
動が持続している。

かくの如き問題点の改善を図ったものの一例を第１６図
に示す。

第１６図は模り系を含む制御対象に２組の等価外乱補償
を施した一例を示すもので、６″は等価外乱補償部であ
る。ここに、負荷側の等価外乱を推定する等価外乱補償
部６“をＦＣＡＮと称し、駆動側の等価外乱を推定する
等価外乱補償部６′をＭＯＡＮと称することにする。

第１６図においては、第１４図に示すものとの違いは、
Δ＃（＝ωツーωＬ）と九から入力されるＦＣＡＮ６“
が付加されてなる。このＦＣＡＮ６“もＭＣＡＮ６’と
同様な機能をもつものである。

すなわち、ＭＣＡＮ６’出力であるＴＤＩ３Ｍを駆動側
のトルク指令に帰還して構成する第１の等価外乱補償手
段とＦＯＡＮ６’出力のＴｏＩｓＬを同様に帰還して構
成する第２の等価外乱補償手段を組み込むことにより、
捩り系の先の負荷末端の安定性を向上せんとするもので
ある。

そして、ＦＣＡＮ６“のプロ、りにおいて、（１／Ｋｃ
）。

（Ｓ２）の項が含まれているが、Ｔｎｒｓｔ、は理論上
、（（Ｓ／Ｋｃ　）　Ｔｏｕｕ、　）出力をΔω側に加
算すればよいが、これは物理的に不可能なため、Ｓを乗
じてトルクの単位に変換してトルク指令に加算したもの
である。

なお、このように高機能な制御装置を実現する手法は、
平成元年電気学会全国大会、ｐＩ演論文１７０２ｒ外乱
オブザーバを用いたフレキシブルジヨイントの位置制御
と振動抑制制御」の発表の趣旨と同じ様な技術思想に基
づくものと言える。

しかるｌこ、かくの如き発表の趣旨は本質的に位置制御
系に効用可能なものではあるが、速度制御系適用の場合
には、捩り系の防振制御にはうまく通用しないことがシ
ミュレーション等の検討より明らかであるっ その理由は、第２の等優外乱補償が前述した如く駆動側
のトルク指令に戻されるため、電動側速度１１＃つに影
響を与えることにある。これは、負荷側の安定性向上の
みに作用させる必要はあるものの、物理的に第１の等価
外乱補償および駆動側の主速度制御系にも同時に影響し
、安定性を損うものとなってしまうことにある。

〔課題を解決するための手段と作用〕

本発明は上述したような点に鑑みなされたものである。

以下、本発明を図面に基づいて詳細説明する。

第１図は本発明の技術思想を容易にするため第１６図に
類して示したもので、６”はＦＣｋＮ、７は逆函数プロ
、り、８は非干渉ブロックである。

すなわち、第１図においては第１６図と同様、指＊ 今人カーは加減速調整器３を通してノイズ等を取り除い
た本来の速度指令町”となる。ＰＩ制御装置ｌ＃は速度
指令町　と駆動側モータ２１′の電動側速度６１Ｍとの
偏差ｅを増幅して主制御系を構成し、これは図示の如き
機能より安定化フィードバック制御装置の中核を形成し
ている。またフィードフォワード補償部５′およびＭＯ
ＡＮ６’は、これらの相互の有する機能については、前
述した如くに例えば先の本出願人の提案、特許出願「多
機能制御装置」に詳述されている通りである。さらに、
制御対象２′は捩り系の制御対象を２質点系で近似した
プロ、りとして示したものであり、一般にこの形で表現
できることは勿論である。

つぎ１こかかる構成を、さらに第２図〜＄５図を参照し
、塀りシャフト２２′より先の負荷側について、そのロ
バスト化する手法を説明する。

その基本プロ、りを示すと第２図の如くである。

ここに、ΔΦ′はｔｌｓ１図に示したΔ−と等価である
。

これはつぎの運動方程式で示される。

Ｋｃ：捩りバネ係数　　　ＴＬ：負荷外乱ＪＬ：負荷側
慣性　　　　ＤＬ：負荷側粘性係数８＝ラプラス演算子 ここで、各パラメータ定数の変動を考慮すると、つぎの
式（２１となる。

ただし、陶、　ＪＬ、　ＤＬはに、、　、ＪＬ、ＤＬの
夫々のノミナル値であり、Δに、　、　ΔＤＬはＫ。、
ＪＬ、ＤＬの夫々の変動分である。

さらにここで、負荷外乱とパラメータ変動分を全て含め
てＴＤＩ８Ｌと２くと、式（３）となり、これは第３図
の如く示される。

この式（３）で、ＴＤＩＩｔＬはパラメータのノミナル
値と実測値より簡単に算出できる。

これを、第４図に示す如くに帰還すると、フィルタは応
答の速いローパスフィルタにすることができるため、よ
って、 ＴｏｘｓＬ＃　ＴＤｔｇｔ。

となり、その結果のプロ、り図は第５図の如くになる。

よって、負荷外乱やパラメータ変動を取り除いた形に表
現できる〇 すなわち、式（３）のＴＤＩ８Ｌは負荷外乱やパラメー
タ変動等、全てを含めた等価外乱と見做すことができる
。したがって、第４図の如くフィルタを通したＴＤＩ８
Ｌは等価外乱オブザーバを構成し、これをΔ―′に帰還
することにより、前述の第２の等価外乱補償手段を施し
たものである。

しかしながら、第４図の如くに構成できれば捩りシャフ
トから先の負荷側は、負荷外乱や他のパラメ−・夕変動
を考慮しなくてよいロバストな形である第５図で冴現で
きるのであるが１、現実４ζ第４図１ζ示す構成は物理
的に不ｏＴ能である。

なぜなら、ΔＶ′は駆動側と負荷側の結合シャフトの捩
れ部分であり、ここζこ計算ブロックを帰還できない。

そして、′＃理的に帰還できるのは第１図に示した如く
、駆動側モータのトルク指令に相当するＴ＊のプロ、り
個所である。

第１図において、Δ−とは、物理的に負荷外乱等による
軸捩れを発生さすための駆動側および負荷費の速度差を
推定していることになる。

これを本来ならΔ０点にｆｌｌ／＃還したいところ、こ
こではＴ点に帰還する形をとり、そのため＊ （Ｔ”ｈ１迄の逆函数プロ、りが付加されてなる。ソシ
テ、（Ｔ−−ｖ）間ブロークは、前述した通りＭＣＡＮ
６’によりロバスト化されているため、この逆函数ブロ
ック７もロバスト性は保糺されたものとすることができ
る。

かくの如く第１の等価外乱補償および第２の等値外乱補
償を騰すＭＣＡＮ６’およびＦＣＡＮ６・・・は哩論上
何の量刑も含まないが、これのみでは振動抑制効果は少
ない。

なぜなら、逆函数ブロック７をＴ点に＊還させたため、
その影響がｏｐ　ｙ　Ｅ現れる。これが負荷側を制振す
る働きをすると同時に、ＭＣＡＮ６’と主速度制御系に
不必豐な外乱を与える。

そこで第１図において、ΔＭ情報をＭＣＡＮ６’と主速
度制御系への速度フィー　ドパツクの相方に非干渉化す
るための非干渉プロ、り８が付加されてなる。

この結果、逆函数ブロック７を通したＦＣＡＮ（５＃は
、捩り負荷例の振動抑制のみ寄与することかり能になり
、負荷側の安定性向上に大いに貢鉱できる。

この間の様子をシミ２、レーションによる波形で示すと
第６図の如くである。

第６図（，１１は非干渉ブＯ，り８が無い場合を示し、
第６図（Ｒ））は非干渉ブロック８の人の場合を示す。

よって、非干渉ブロックの作用効果が著しいことは明ら
かであるゆまな、第６図（Ｃ１は従来形ＰＩ副制御よる
応答の例を示すが、−見安定しているようであるが、負
荷側速Ｉｔ−の変動量が大きく、制御を遅くすることで
安定化させているため、アクティブな１ｌｌｌＪ御とは
いえない。

なお、第１図で−Ｌは負荷ａｉこセンサを付設して検出
した方がより有効であるが、それが不可の場合はオブザ
ーバ等で推定するようにしてもよい。

またＦ　ＣＡＮ　６”においてフィルタはローパスフィ
ルタでよく、次数は適宜選定すればよいことは言うまで
もない。さらにまた、本説明は速度制御系より行ったが
、他のシステム、例えば位を制御系等に適用されること
は明らかである。

〔実　施　例〕

第１図に示した主要ブロックに対する主要ハード構成の
一例を第７図に示す。

すなわち、指令設定器操作などより指令入力であるーを
変化さぜ、加減ｆＩＩ４整器を通してその出力の町　を
得る。本来の速度指令町　と状態量の一部である出力の
偏差ＣをＰ制御装置等からなる安定化ｍｉ償を兎し、そ
の出力がＴとなる。ＴはパワーＴグチユニ・−夕を通ず
ことにより、デインのに丁をかけて制御対象２′に加え
られる。

フィードフォワード補償ｌこおいては、ω１　を入力し
てその出力を安定化補償出力ζこ加算される。

一方、等価外乱補償において、Ｔと−１を人力としてｆ
ｆ１１１ｊｉ、結果を同じく安定化補償の出力に加算さ
れるものとする。

ここで、ＣＰＵは汎用ＣＰＵで実現できるが、より高速
応答を必要りする場合、ディジタルシグナルプロセ、ザ
（ＤＳＰ）を用いれば、２０（μＳ）程度のサンプリン
グで実現できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、捩り系負荷を有する機械
系の負荷側の高速、ロバス１〜安定化制御の実用におい
ては、駆動側、負荷側に夫々第１第２の等価外乱補償手
段を妃し、第２の補償手段が他の制御系に干渉しないた
めのブロックを付加したものであり、このことにより従
来のＰＩｉ１ｔｌＪ鐸に比べてよりアクティブな制御を
可能とし、負荷側の変動を少なく応答を速くできた。

その基本技術は先に記載の本出願人の特許出頭提案によ
り、また例えばＩＰｇＯＴＯＫＹＯ。

（１９９０−４月）の発表のＰ２Ｓ５．９・４項ｒＤＩ
ｓＴＵＲＢＵＮｃＥ　　０ＢＳＥＲＶＥＲ−ＢＡ８ＥＤ
ＲＯＢＵ８Ｔ　　ＡＮＤ　　ＦＡ８Ｔ　　５ＰＥＥＤＣ
ＯＮＴＲＯＬＬＥＲＦＯＲ（ＩＭ）ＤＲＩＶＦＳ８Ｙ８
ＴＢＭＪや、電気学会全国大会（平成２年度）講演論文
集の論文１５６４番（ＰＩ３−５２）　　ｒ現代制御理
論に基づく多機総形制御装置の試作」に記述されている
ように、等価外乱オブザーバによるキャンセレーション
技術に基づくものの、かような技術の高度化を図り、特
に２組の等価外乱補償手段の活用および互いの干渉を取
り除いた独特な手法を駆使することによって所望の効果
を発揮させた高信頼性、簡便な構成な装置を実現し、そ
の実用効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の技術思想の理解を容易にするため示し
たプロ、り図、第２図６第３図、第４図および第５図は
負荷側番こ第２の等価外乱補償を施した場合のロバスト
性を説明するためそれぞれ示したプロ、り図、第６図は
本発明による機能を説明するためシミュレーシ、ン応答
例を示す波形図、第７図は本発明による主要ハード構成
を示す図である。 また、第８図は従来例のＰＩ制御系の構成を示すブロッ
ク図、第９図および第１０図は捩り系を含む制御対象に
従来例のＰＩ制御系を適用した場合を示すプロ雫り図お
よびその応答を遅くして安定化させた応答例を示す波形
図、第１１図、第１２図および第１３図は本発明に係る
技術の主要構成を示すプロ、り図、第１の等価外乱補償
部の説明のため示したブロック図および第１の等価外乱
補償後の駆動側制御対象部分を示したプロ、り図、第１
４図および第１５図は捩り系を含む制御対象に第１の等
価外乱補償を施した場合を示すプロ、り図およびそのと
きの応答を説明するため示した波形図、第１６図は捩り
系を含む制御対象に第１．第２の等価外乱を施した場合
を示すプロ、り図である。 １′、１“・・・・・・ＰＩ制御製量、２．２′・・・
・・・制御対象、５．５′・・・・・・フィードフォワ
ード補償部、６゜６’　、　６”　、　６”・・・・・
・等価外乱補償部（ＭＯＡＮ、ＦＣＡＮ）、７・・・・
・・逆函数ブロック、８・・・・・・非干渉プロ、り。 鳥ｚ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　駆動側制御対象の指令入力と状態量との偏差を安定
   化増幅して該制御対象に印加入力するようにしたものに
   おいて、前記印加入力量と状態量から第１の等価外乱を
   算出し該印加入力量に加算するようにした第１の等価外
   乱補償手段と、前記駆動側制御対象と機械的に結合され
   た負荷側制御対象への印加入力量と状態量から第２の等
   価外乱を算出するとともに、その出力を前記駆動側制御
   対象の逆函数を通して該駆動側制御対象の入力側に帰還
   するようにした第２の等価外乱補償手段とを有し、該第
   ２の等価外乱補償が前記安定化フィードバック制御装置
   および第１の等価外乱補償手段に干渉しないように処置
   した非干渉手段を備えたことを特徴とする電動機制御装
   置。