JPH04304181A - 軸ねじり振動抑制制御装置 - Google Patents

軸ねじり振動抑制制御装置

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JPH04304181A
JPH04304181A JP3068125A JP6812591A JPH04304181A JP H04304181 A JPH04304181 A JP H04304181A JP 3068125 A JP3068125 A JP 3068125A JP 6812591 A JP6812591 A JP 6812591A JP H04304181 A JPH04304181 A JP H04304181A
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JP
Japan
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speed
observer
section
torque
output
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Application number
JP3068125A
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English (en)
Inventor
Tetsuo Yamada
哲夫 山田
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は電動機の速度制御に係
り、特に電動機と負荷とが弾性軸で結合されている2慣
性系のねじり振動抑制制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】エレベータや鉄鋼の圧延機,ロボットの
アームなどにおいて電動機と負荷が剛性の低い軸で結合
されていると、軸ねじり振動が発生し、速度制御系の応
答を速くすることができなくなるという問題がある。軸
ねじり振動は電動機と負荷との慣性モーメントの比によ
って影響を受け、特に負荷の慣性モーメントが電動機よ
り小さい場合はより振動的となる。従来より提案されて
いる軸トルク推定オブザーバによる方式は、電動機より
負荷の慣性モーメントが小さい場合には軸ねじり振動抑
制効果が小さいことが明らかになっている。(参考文献
、昭和60年電学全国大会論文集604と電学論D.1
10巻4号.平成2年)
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の問題を解決
するために、現代制御理論を用いた状態フィードバック
による補償方式が提案されているが、この方式も軸トル
クτSと負荷速度ωLを測定するのが困難な場合が多い
。 そのため、オブザーバが利用されている。このオブザー
バの構成も全ての状態量(電動機速度τM,軸トルクτ
S,外乱トルクτL,負荷速度ωL)をオブザーバによ
り推定し、状態フィードバックする方式から最低限の状
態量として軸トルクをオブザーバで推定する方式まであ
る。しかし、このオブザーバの構成が複雑になると、調
整箇所が多くなり、調整に時間を要する問題が新たに発
生する。
【0004】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、オブザーバの構成の簡素化を図って調整箇所を少
なくして調整に要する時間を短縮し、しかも負荷の慣性
モーメントが電動機の慣性モーメントより小さいときで
も軸ねじり振動抑制効果が得られる軸ねじり振動抑制制
御装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するために、電動機のトルク指令と電動機の速度と
が入力され、電動機の軸トルクを最小次元オブザーバま
たは完全次元オブザーバで推定して、出力に軸トルク推
定値を得る軸トルク推定オブザーバ部と、前記電動機の
トルク指令と電動機の速度を微分した値とを減算し、出
力に高速の軸トルク推定値を得る高速軸トルク推定部と
、この高速軸トルク推定部からの推定値と前記軸トルク
推定オブザーバ部からの推定値とを減算する減算部と、
速度指令と前記電動機の速度との偏差出力が供給される
第1の制御アンプと、この第1の制御アンプの出力と前
記減算部の出力との偏差出力が供給され、トルク指令に
フィードバック補償を行う第2の制御アンプと、この第
2の制御アンプの出力と前記軸トルク推定オブザーバ部
からの推定値出力とが供給され、両出力を加算して前記
電動機のトルク指令にフィードフォワード補償を行う加
算部と、この加算部から出力された電動機のトルク指令
が供給され、このトルク指令により電動機の速度を制御
する伝達関数部と備えたことを特徴とするものである。
【0006】
【作用】軸トルク推定オブザーバ部から得られた軸トル
ク推定値と、高速軸トルク推定部から得られた高速軸ト
ルク推定値とを減算し、この減算値を用いて電動機のト
ルク指令にフィードバック補償を行う。これとともに軸
トルク推定値を電動機のトルク指令に加算してフィード
フォワード補償を行う。
【0007】
【実施例】以下この発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1において、11は電動機の速度指令ωM※と
電動機の速度ωMとの偏差を得る偏差検出部で、この偏
差検出部11の出力はゲインKWCの第1の制御アンプ
12で増幅されて第1の減算部13のプラス入力端に供
給される。第1の減算部13のマイナス入力端には後述
する軸トルク誤差出力値が供給され、前記プラス入力端
に供給される第1の制御アンプ12の出力から軸トルク
誤差出力値が減算される。この減算値を第2の制御アン
プ14で増幅して電動機のトルク指令にフィードバック
補償を行う。
【0008】第2の制御アンプ14の出力は加算部15
の第1入力端に供給され、その第2入力端には後述の軸
トルク推定値τSが供給される。この加算部15は軸ト
ルク推定値τSをトルク指令に加算してフィードフォワ
ード補償を行う。加算部15の出力端に得られた電動機
のトルク指令τMは伝達関数部16で演算されて電動機
の速度ωMを得る。
【0009】17は軸トルク推定オブザーバ部で、この
オブザーバ部17は電動機のトルク指令τMがプラス入
力端に供給される偏差検出部18と、この偏差検出部1
8の出力が供給される一次遅れ要素19と、この遅れ要
素19の出力がプラス入力端に供給され、マイナス入力
端に電動機の速度ωMが供給される偏差検出部20と、
この偏差検出部20の出力が供給されるオブザーバゲイ
ン部21とから構成され、オブザーバゲイン部21の出
力は偏差検出部18のマイナス入力端に供給されるとと
もに前記加算部15に供給される。
【0010】22は高速軸トルク推定部で、この推定部
22は電動機の速度ωMが供給される微分部23と、こ
の微分部23の出力がマイナス入力端に、プラス入力端
に電動機のトルク指令τMが供給される偏差検出部24
とから構成される。この高速軸トルク推定部22から出
力される高速軸トルク推定値τS′は第2の減算部25
のプラス入力端に供給され、マイナス入力端には軸トル
ク推定値τSが供給され、第2の減算部25の出力端に
は軸トルク推定誤差出力値(τS′−τS)が得られる
。 この軸トルク推定誤差出力値は前記第1の減算部13に
供給される。
【0011】上記のように実施例を構成すると、軸トル
ク推定オブザーバ部17から出力される推定値τSをト
ルク指令に加算してフィードフォワード補償(トルク補
償)を行うと同時に、高速軸トルク推定部22の推定値
τS′と軸トルク推定オブザーバ部17の推定値τSと
の誤差出力値をトルク指令にフィードバックする。この
ような制御を行うことにより、軸ねじり振動を抑制する
制御ができる。
【0012】次に図1に示した実施例が得られる過程を
数式等を用いて詳細に述べる。まず、軸ねじり振動系(
2慣性系)の運動方程式を示す。図2に示す2慣性系の
モデルから次の運動方程式が得られる。
【0013】
【数1】
【0014】(3)式は次のように表すことができる。
【0015】
【数2】
【0016】上記式を用いてねじり振動系のブロック図
を描くと、図3のようになる。ここで、τMは電動機の
発生トルク、τSは軸トルク、τLは負荷トルク、ωM
,ωLは電動機及び負荷の角速度、θM,θLは電動機
の角変位、TM,TLは電動機の機械時定数(定格トル
ク⇒定格回転数)、TSは軸のばね時定数=1/Km,
Rmは軸の粘性係数である。
【0017】次に軸ねじり振動系の伝達関数について述
べる。粘性係数Rm(Rm=0とする)を無視したモデ
ルでの発生トルクτMから電動機速度(角速度)ωM,
負荷速度(角速度)ωLまでの伝達関数GMM(S)と
GML(S)を求める。τL=0としてτMからωMま
での伝達関数GMM(S)を求めると(5)式のように
なる。
【0018】
【数3】
【0019】また、τM=0としてτLからωMまでの
伝達関数GLM(S)は(6)式のようになる。
【0020】
【数4】
【0021】次にτL=0としてτMからωLまでの伝
達関数GML(S)を求めると、(7)式のようになる
【0022】
【数5】
【0023】さらに、τM=0としてτLからωLまで
の伝達関数GLL(S)は(8)式のようになる。
【0024】
【数6】
【0025】ここで、二次遅れ系の伝達関数Kωn2/
S2+2ζωn+ωn2の一般表現と比較すると、(9
)式となる。
【0026】
【数7】
【0027】つまり、粘性係数Rm=0と近似したこと
によりζ=0となり、永久振動系となる。また、その共
振周波数はωnとなる。伝達関数の分母
【0028】
【数8】
【0029】とする極を求めると(11)式のようにな
る。
【0030】
【数9】
【0031】(11)式から極が虚軸上に存在するため
、振動系である。
【0032】次に軸トルク推定オブザーバについて述べ
る。軸トルク推定誤差を検出するために、図1の実施例
で示したように軸トルク推定オブザーバ部17を用いる
。また、このオブザーバ部を利用して零速域の速度推定
を行う。
【0033】(イ)最小次元オブザーブトルク指令τM
から電動機速度ωMまでのブロック図は図4のようにな
る。ここでは軸トルクτSをステップ状の一定値と仮定
しているため、ベクトルτS=0と考える。図4から状
態方程式を求めると、(12)式のようになる。
【0034】
【数10】
【0035】(12)式は(13)式、(14)式のよ
うに表すことができる。
【0036】
【数11】
【0037】電動機速度ωMは測定可能なので、軸トル
クτSを最小次元オブザーバを用いて推定する。図5は
最小次元オブザーバの構成図である。
【0038】可観測なシステム
【0039】
【数12】
【0040】に対して最小次元オブザーバは次のように
表される。
【0041】
【数13】
【0042】ここで、ゴピナス氏の方法を用いて
【00
43】
【数14】
【0044】を求める。
【0045】以上より最小次元オブザーバは次のように
なる。
【0046】
【数15】
【0047】ここで、u=τM,y=ωMより、ベクト
ルωは次のようになる。
【0048】
【数16】
【0049】(15)式、(16)式より最小次元オブ
ザーバのブロック図を求めると、図6のようになる。
【0050】ここで、オブザーバの特性方程式
【005
1】
【数17】
【0052】より、固有値を求め、オブザーバの安定条
件を求める。
【0053】
【数18】
【0054】S=a/TMがオブザーバの固有値となり
、安定条件はa/TM<0となる。よって、d<0とい
う条件が求まり、極座標平面のより左半面(−αを大)
にすれば推定が速くなる。
【0055】(ロ)完全次元オブザーバ零速オブザーバ
としても利用するためには速度ωMも推定しなければな
らない。ここでは完全次元オブザーバにより速度ωMと
軸トルクτSを推定する。図7は完全次元オブザーバの
構成図である。この完全次元オブザーバは次のように表
される。
【0056】
【数19】
【0057】ここで、オブザーバのゲイン
【0058】
【数20】
【0059】となる。よって、完全次元オブザーバは次
式で表される。
【0060】
【数21】
【0061】(19)式より完全次元オブザーバのブロ
ック図を示すと、図8のようになる。ここで、オブザー
バの特性方程式より固有値を求めると次式のようになる
【0062】
【数22】
【0063】極座標の左半面に極をもつための条件は次
のようになる。
【0064】
【数23】
【0065】以上の条件を考慮し、また、予測値τS推
定をPIで行うように変形すると完全次元オブザーバは
図9のようになる。
【0066】次に軸トルク推定誤差補償は、軸トルク推
定オブザーバと高速軸トルク推定による誤差をフィード
バックすることにより行う。
【0067】(イ)高速軸トルク推定 (1)式より軸トルクτSは次の(20)式で求められ
る。
【0068】
【数24】
【0069】(20)式より軸トルクは図10のような
ブロック図となる。
【0070】(ロ)最小次元オブザーバによる軸トルク
推定 最小次元オブザーバによる軸トルク推定のブロック図を
変形すると、図11および図12のようになる。図12
のブロック図から最小次元オブザーバによる軸トルク推
定は一次遅れで推定している。その時定数はTM※/−
aとなり、オブザーバのゲインを大きくすると時定数は
小さくなる。つまり、推定速度が速くなる。
【0071】図13は図1に示した実施例を変形したブ
ロック図で、この図13により軸トルク推定誤差による
補償方式はIPD制御と等価になる。また、軸トルク推
定オブザーバによりPI要素(比例−積分要素)の機能
が現れるので、第1,第2の制御アンプ12,14は比
例要素でよいことになる。
【0072】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
次のような種々の効果が得られる。
【0073】(1)軸トルク推定オブザーバ部の構成を
簡素化でき、(2)高速軸トルク推定部の構成を簡素化
でき、(3)調整要素の設定方法が次のように簡単にな
る、(イ)軸トルク推定に用いるTM※は電動機機械時
定数TM(定格トルクで定格回転数まで加速する時間)
とほぼ同等に設定、(ロ)オブザーバゲインa′は推定
を速くするために大きく設定、(ハ)KPはダイピング
調整用となり、ほぼ0<KP<3.0程度、(ニ)KW
Cは応答を決定し、オブザーバで設定した機械時定数を
要求される速度応答が得られるように調整する。
【0074】(4)軸トルク推定トルク推定誤差出力を
フィードバックすることにより、負荷の慣性モーメント
が電動機の慣性モーメントより小さい場合でも軸ねじり
振動抑制効果がある。
【0075】(5)軸トルク推定オブザーバを完全次元
オブザーバで構成すれば速度推定ωMも可能となる。こ
のため、パルスエンコーダを用いて速度制御する場合、
極低速域でのパルス間隔が広くなり速度検出時間がかか
るような式での速度推定にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例を示すブロック図。
【図2】軸ねじり振動系のモデルを示す説明図。
【図3】軸ねじり振動系のブロック図。
【図4】トルク指令から電動機速度までのブロック図。
【図5】最小次元オブザーバの構成図。
【図6】最小次元オブザーバのブロック図。
【図7】完全次元オブザーバの構成図。
【図8】完全次元オブザーバのブロック図。
【図9】完全次元オブザーバを変形したブロック図。
【図10】高速軸トルク推定における軸トルクのブロッ
ク図。
【図11】最小次元オブザーバによる軸トルク推定のブ
ロック図。
【図12】最小次元オブザーバによる軸トルク推定を変
形したブロック図。
【図13】この発明の一実施例を変形して示すブロック
図。
【符号の説明】
11…偏差検出部、12…第1の制御アンプ、13…第
1の減算部、14…第2の制御アンプ、15…加算部、
16…伝達関数部、17…軸トルク推定オブザーバ部、
22…高速軸トルク推定部、25…第2の減算部。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  電動機のトルク指令と電動機の速度と
    が入力され、電動機の軸トルクを最小次元オブザーバま
    たは完全次元オブザーバで推定して、出力に軸トルク推
    定値を得る軸トルク推定オブザーバ部と、前記電動機の
    トルク指令と電動機の速度を微分した値とを減算し、出
    力に高速の軸トルク推定値を得る高速軸トルク推定部と
    、この高速軸トルク推定部からの推定値と前記軸トルク
    推定オブザーバ部からの推定値とを減算する減算部と、
    速度指令と前記電動機の速度との偏差出力が供給される
    第1の制御アンプと、この第1の制御アンプの出力と前
    記減算部の出力との偏差出力が供給され、トルク指令に
    フィードバック補償を行う第2の制御アンプと、この第
    2の制御アンプの出力と前記軸トルク推定オブザーバ部
    からの推定値出力とが供給され、両出力を加算して前記
    電動機のトルク指令にフィードフォワード補償を行う加
    算部と、この加算部から出力された電動機のトルク指令
    が供給され、このトルク指令により電動機の速度を制御
    する伝達関数部と備えたことを特徴とする軸ねじり振動
    抑制制御装置。
JP3068125A 1991-04-01 1991-04-01 軸ねじり振動抑制制御装置 Pending JPH04304181A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100430540B1 (ko) * 1996-06-07 2004-09-18 오티스 엘리베이터 컴파니 승강기속도제어회로
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