JPH11332272A - Dual inertia resonance system torque control method - Google Patents

Dual inertia resonance system torque control method

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JPH11332272A
JPH11332272A JP10152201A JP15220198A JPH11332272A JP H11332272 A JPH11332272 A JP H11332272A JP 10152201 A JP10152201 A JP 10152201A JP 15220198 A JP15220198 A JP 15220198A JP H11332272 A JPH11332272 A JP H11332272A
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JP
Japan
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torque
shaft
control
pid
command
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JP10152201A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaru Go
優 呉
Atsushi Fujikawa
淳 藤川
Hirokazu Kobayashi
弘和 小林
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Toyo Electric Manufacturing Ltd
Original Assignee
Toyo Electric Manufacturing Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress a shaft twisting vibration and to simultaneously improve command followability of a dual inertia resonance torque control by using a PID-P control for applying a feedback proportional compensation of a shaft torque or the like detected by a torque motor at an output of a PID controller. SOLUTION: A PID-P torque control system is constituted by feeding back a shaft torque detected by a torque meter for a torque command, calculating deviation, amplifying the deviation by a PID controller, amplifying the torque according to the gain of a feedback proportional compensator, obtaining the deviation of the output of the compensator from an output of the PID controller, and using the deviation as a motor torque command. The method has good command followability of the shaft torque even near a resonance frequency simultaneously by suppressing a shaft twisting vibration by obtaining gains of the PID-P control as a function of a machine constant of the dual inertial resonance system, further setting a proportional item of a transfer function of the feedback to zero, thereby minimizing the gains of the PID-P control.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機と負荷が低
剛性弾性軸で結合される2慣性共振系トルク制御方法に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a torque control method for a two-inertia resonance system in which a motor and a load are connected by a low-rigidity elastic shaft.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、産業プラントや産業用ロボット
などにおけるモータドライブシステムにおいては、電動
機と負荷が低剛性の弾性軸で結合されていると共振系と
なり、軸ねじれ振動が発生し問題となることがある。そ
の概要を図3〜図5により説明する。図3は2慣性共振
系を示し、1は電動機、2は負荷、3は弾性軸である。
このように弾性軸3で結合されている場合、この機械系
には、軸ねじれ振動モードが存在し、2慣性共振系とな
る。図3の2慣性共振系をブロック線図で示すと、図4
になる。ただし、Tmはモータトルク指令、Tcは軸ト
ルク、TLは負荷側の外乱トルク、ωmは電動機速度、
ωLは負荷速度、θcは軸ねじれ角、Kcは軸のバネ定
数、Dcは軸の粘性係数、Jmは電動機慣性、JLは負
荷慣性である。図4において開ループ系のトルク伝達特
性として、モータトルク指令Tmから軸トルクTcまで
の伝達関数G(s)は数1に示す(1)式で与えられ
る。
2. Description of the Related Art In general, in a motor drive system in an industrial plant or an industrial robot, if a motor and a load are connected by a low-rigidity elastic shaft, a resonance system is formed, which causes a problem of torsional vibration. There is. The outline will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows a two-mass resonance system, wherein 1 is an electric motor, 2 is a load, and 3 is an elastic shaft.
When the mechanical system is coupled with the elastic shaft 3 as described above, the mechanical system has a torsional vibration mode, and becomes a two-inertial resonance system. FIG. 4 is a block diagram showing the two inertial resonance system of FIG.
become. Where Tm is the motor torque command, Tc is the shaft torque, TL is the disturbance torque on the load side, ωm is the motor speed,
ωL is the load speed, θc is the torsion angle of the shaft, Kc is the spring constant of the shaft, Dc is the viscosity coefficient of the shaft, Jm is the motor inertia, and JL is the load inertia. In FIG. 4, as a torque transmission characteristic of the open loop system, a transfer function G (s) from the motor torque command Tm to the shaft torque Tc is given by the following equation (1).

【0003】[0003]

【数1】 (Equation 1)

【0004】ただし、sはラプラス演算子、ωoとζo
は2慣性共振系の固有共振周波数とダンピング係数で、
それぞれ数2に示す(2)式及び(3)式で表される。
Where s is the Laplace operator, ωo and ζo
Is the natural resonance frequency and damping coefficient of the two inertial resonance system,
They are expressed by the equations (2) and (3) shown in Equation 2, respectively.

【0005】[0005]

【数2】 (Equation 2)

【0006】2慣性共振系トルク制御において、軸トル
クTcをトルク指令T*に速やかに且つ振動なく追従さ
せるために、前記トルク指令T*から前記軸トルクTc
までの伝達関数Φ(s)を図5の(a)の実線(イ)の
ような望ましい周波数応答ゲイン特性を持たせる必要が
ある。即ち、0周波数から共振周波数ωoの近辺までの
周波数帯域で、ゲイン特性は常に定数の0dBに近い値
を持たなければならない。また、図5の(b)に同図の
(a)のゲイン特性に対応する位相特性を示している。
In the two-inertia resonance system torque control, in order to make the shaft torque Tc follow the torque command T * quickly and without vibration, the shaft torque Tc is calculated from the torque command T *.
The transfer function Φ (s) must have a desirable frequency response gain characteristic as shown by the solid line (a) in FIG. That is, in the frequency band from the frequency 0 to the vicinity of the resonance frequency ωo, the gain characteristic must always have a value close to the constant 0 dB. FIG. 5B shows a phase characteristic corresponding to the gain characteristic shown in FIG.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】一般に軸の粘性係数D
cは非常に小さい値であり、(3)式から分かるよう
に、ダンピング係数ζoが小さいので、開ループ系周波
数応答のゲイン特性|G(jω)|は図5の(a)の点
線(ロ)のようになり、共振周波数ωoの近辺で、ゲイ
ン特性に高いピークが生じ、周波数ωoの軸ねじれ共振
が発生しやすくなり、同図の実線(イ)のような望まし
い応答特性を得ることができない。 このような2慣性
共振系のトルク制御には、従来はPID(比例- 積分-
微分)制御が用いられていたが、近年の現代制御理論の
発展に伴い、制御系の周波数応答の整形に関する理論と
したH∞制御やPIDと併用した制御が広く研究されて
いる。また、2慣性共振系のトルク制御にPID制御を
適用する場合、軸ねじれ振動の抑制が容易にできるが、
軸トルクのトルク指令を追従する応答の速応性を上げる
ために、PID制御器の各ゲインの値を大きく設定する
必要がある。しかるに、制御器のゲインをあまり大きく
設定すると、リミターなどハード上の制限から実機への
適用は難しい。
In general, the viscosity coefficient D of a shaft
c is a very small value, and as can be seen from equation (3), since the damping coefficient ζo is small, the gain characteristic | G (jω) | of the open-loop frequency response is represented by a dotted line (b) in FIG. ), A high peak occurs in the gain characteristic near the resonance frequency ωo, and the axial torsional resonance at the frequency ωo is likely to occur. As a result, it is possible to obtain a desirable response characteristic as shown by the solid line (a) in FIG. Can not. Conventionally, PID (proportional-integral-
Differential) control has been used, but with the development of modern control theory in recent years, H と し た control, which is a theory relating to shaping of the frequency response of a control system, and control in combination with PID have been widely studied. Further, when the PID control is applied to the torque control of the two inertial resonance system, the torsional vibration of the shaft can be easily suppressed.
In order to increase the responsiveness of the response to follow the torque command of the shaft torque, it is necessary to set each gain value of the PID controller large. However, if the gain of the controller is set too large, it is difficult to apply to a real machine due to hardware limitations such as a limiter.

【0008】一方、H∞制御理論を用いると、指令追従
性やロバスト安定性のよい制御器を設計できるが、一般
にH∞制御器の次元が高くなるので、高速、高機能のC
PUが必要となり、コスト、ソフト面から実機への適用
も難しい。本発明は前述のような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであって、軸ねじれ振動の抑制と軸ト
ルクの指令追従性の改善を目的として、ゲインの大きい
制御器、または高速、高機能のCPUを使用した制御器
を用いることなく、請求項1において、ゲインが最小化
された制御器を使用するだけで、軸ねじれ振動のない、
且つ、固有共振周波数ωoの近辺でも軸トルクの指令追
従性のよい2慣性共振系トルク制御を提供し、また、軸
トルクTcの検出のできない場合、請求項2において、
外乱オブザーバによる推定軸トルクTceを利用する2
慣性共振系トルク制御を提供するものである。
On the other hand, when the H∞ control theory is used, a controller having good command followability and robust stability can be designed. However, since the dimension of the H∞ controller generally increases, a high-speed, high-performance C
A PU is required, and it is difficult to apply to a real machine from the viewpoint of cost and software. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art, and aims at suppressing shaft torsional vibration and improving command followability of shaft torque. In Claim 1, there is no shaft torsional vibration without using a controller using a functional CPU and using only a controller with a minimized gain.
In addition, the present invention provides a two-inertia resonance system torque control with good command followability of the shaft torque even in the vicinity of the natural resonance frequency ωo, and when the shaft torque Tc cannot be detected,
Using the estimated shaft torque Tce by the disturbance observer 2
It provides inertial resonance system torque control.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本願の発明は、上記の目
的を達成するために、請求項1において、トルク指令T
*とトルクメータにより検出した軸トルクTcとの偏差
( Tを入力とするPID制御器Gpid(s)と、軸ト
ルクのフィードバック比例補償部(Kf)を備え、PI
D制御器の出力とフィードバック比例補償部の出力との
偏差をモータトルク指令Tmとして軸トルクTcを制御
する手段をとる2慣性共振系トルク制御方法であり、ま
た、請求項2において、トルクメータが具備していない
システムの場合、請求項1記述のトルクメータによる検
出する軸トルクTcが使用できないので、電動機側に付
けられた外乱オブザーバを設け、軸トルクの推定値Tce
を算出してこれを補償手段とする2慣性共振系トルク制
御方法である。
According to the present invention, in order to achieve the above object, the torque command T
* And deviation from shaft torque Tc detected by torque meter
(PID controller Gpid (s) having T as input, and feedback proportional compensation section (Kf) for shaft torque.
A two-inertial-resonance-system torque control method using a means for controlling a shaft torque Tc using a deviation between an output of a D controller and an output of a feedback proportional compensator as a motor torque command Tm. In the case of a system that does not have this, the shaft torque Tc detected by the torque meter described in claim 1 cannot be used. Therefore, a disturbance observer attached to the motor side is provided, and the estimated value Tce of the shaft torque is set.
This is a two-inertial-resonant-system torque control method using the above as a compensation means.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明は、前述の軸ねじれ振動を
抑制する目的と、軸トルクを指令トルクに速く追従させ
る目的を達成するために、振動の原因である周波数応答
のゲイン特性にあるピークを抑える同時に固有共振周波
数の近辺でも軸トルクの指令追従性のよい補償器を設け
ることにより課題を解決するものである。以下でこれら
の手段の詳細を図によって説明する。図1は本発明請求
項1を説明するためのブロック線図であり、図1におい
て、トルク指令T*から軸トルクTcまでの閉ループ系
伝達関数Φ(s)の周波数応答のゲイン特性に高いピー
クが出ないようにするために、トルクメータを具備して
いるシステムの場合、図1に示す如くトルク制御部2と
して、トルク指令T*とトルクメータにより検出した軸
トルクTcの偏差( Tを入力とするPID制御器Gpi
d(s)を設け、かつ、軸トルクTcを入力とするフィ
ードバック比例補償部3(Kf)を設け、前記PID制
御器の出力と前記フィードバック比例補償部3の出力と
の偏差を求め、その出力をモータトルク指令Tmとする
ことで、2慣性共振系トルク制御系を構成している。P
ID制御器Gpid(s)の伝達関数表現は下記数3に
示す(4)式のように表すことができる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention provides a gain characteristic of a frequency response which is a cause of vibration in order to achieve the above-mentioned object of suppressing the shaft torsional vibration and the purpose of causing the shaft torque to quickly follow the command torque. An object of the present invention is to solve the problem by providing a compensator that suppresses the peak and has good command followability of the shaft torque even near the natural resonance frequency. The details of these means will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram for explaining claim 1 of the present invention. In FIG. 1, the gain characteristic of the frequency response of the closed loop system transfer function Φ (s) from the torque command T * to the shaft torque Tc has a high peak. In the case of a system having a torque meter in order to prevent the occurrence of the torque error, as shown in FIG. 1, the torque control unit 2 inputs the deviation (T) between the torque command T * and the shaft torque Tc detected by the torque meter. PID controller Gpi
d (s) and a feedback proportional compensator 3 (Kf) that receives the shaft torque Tc as input, obtains a deviation between the output of the PID controller and the output of the feedback proportional compensator 3, and outputs the deviation. Is a motor torque command Tm, thereby forming a two-inertial resonance system torque control system. P
The transfer function expression of the ID controller Gpid (s) can be expressed as the following equation (4).

【0011】[0011]

【数3】 (Equation 3)

【0012】ここに、Kp、Ki及びKdはそれぞれP
ID制御器の比例ゲイン、積分ゲインと微分ゲインであ
り、sはラプラス演算子である。前記のPID制御器の
各ゲインKp、Ki及びKdの決定は、一例として係数
図法に基づく真鍋多項式により行うことができる。係数
図法および真鍋多項式の詳細な解説は、真鍋氏の「古典
制御、最適制御、H∞制御の統一的解釈」(平成3年1
0月計測と制御学会誌30−10)や真鍋氏の「係数図
法による2慣性共振系制御器の設計」(平成10年1月
電気学会産業応用部門誌118−D−1)に掲載され、
公知となっている。ここで、係数図法の概要を簡略に説
明する。
Here, Kp, Ki and Kd are each P
The proportional gain, the integral gain, and the differential gain of the ID controller, and s is a Laplace operator. The determination of each of the gains Kp, Ki, and Kd of the PID controller can be performed by, for example, a Manabe polynomial based on a coefficient diagram. For a detailed explanation of the coefficient projection and the Manabe polynomial, see Manabe's "Unified Interpretation of Classical Control, Optimal Control, and H∞ Control" (1991
Journal of the Society of Measurement and Control in October 30-10) and Mr. Manabe's "Design of a Two-Inertia Resonant System Controller Using the Coefficient Diagram" (January 1998, 118-D-1).
It is known. Here, the outline of the coefficient projection will be briefly described.

【0013】係数図法は多項式環上での代数的設計法の
一種であり、係数図を用いながら、その形の適切さを尺
度として、特性多項式と制御器を同時に設計することを
特徴とする。係数図法で用いている各種の数学的関係を
列挙すると次のようになる。n次の閉ループ系に対し
て、その特性多項式Δ(s)が数4に示す(5)式のよ
うに与えられたとする。
The coefficient diagram method is a kind of algebraic design method on a polynomial ring, and is characterized in that a characteristic polynomial and a controller are simultaneously designed using a coefficient diagram with the appropriateness of the form as a measure. The various mathematical relationships used in the CDM are listed below. It is assumed that a characteristic polynomial Δ (s) is given to an n-order closed-loop system as shown in Expression (5) shown in Expression 4.

【0014】[0014]

【数4】 (Equation 4)

【0015】また、制御系の安定度および応答速度を示
す安定度指標γiと等価時定数τは数5に示す(6)式
と(7)式のように定義されている。
The stability index γi indicating the stability and response speed of the control system and the equivalent time constant τ are defined as shown in equations (6) and (7).

【0016】[0016]

【数5】 (Equation 5)

【0017】係数図法においては、真鍋氏により推奨さ
れた標準形は、数6に示す(8)式のようになり、真鍋
多項式と呼ばれる。
In the coefficient map method, the standard form recommended by Manabe is represented by the following equation (8), which is called a Manabe polynomial.

【0018】[0018]

【数6】 (Equation 6)

【0019】以下、前述した係数図法に基づく真鍋多項
式により2慣性共振系トルク制御の制御器のゲインを決
定する方法を具体的に説明する。軸の粘性係数Dcの値
が非常に小さいので、無視してDc=0(ζo=0)と
すると、図1に示すトルク制御系に対して、トルク指令
T*から軸トルクTcまでの閉ループ系の伝達関数Φ
(s)は、数7に示す(9)式で与えられる。
Hereinafter, a method for determining the gain of the controller of the two-inertial-resonant-system torque control using the Manabe polynomial based on the above-described coefficient diagram will be specifically described. Since the value of the viscosity coefficient Dc of the shaft is very small, ignoring and setting Dc = 0 (ζo = 0), the closed loop system from the torque command T * to the shaft torque Tc with respect to the torque control system shown in FIG. Transfer function Φ
(S) is given by Expression (9) shown in Expression 7.

【0020】[0020]

【数7】 (Equation 7)

【0021】ここで、閉ループ系の特性多項式Δ(s)
は数8に示す(10)式となる。
Here, the characteristic polynomial Δ (s) of the closed loop system
Is given by Expression (10) shown in Expression 8.

【0022】[0022]

【数8】 (Equation 8)

【0023】まず、PID制御のみによる2慣性共振系
のトルク制御系を設計する。即ち、Kf=0としてお
く。このとき、真鍋多項式になる条件は数9に示す(1
1)式となる。
First, a torque control system of a two inertial resonance system based on only the PID control is designed. That is, Kf = 0 is set. At this time, the condition for the Manabe polynomial is shown in Equation 9 (1
1)

【0024】[0024]

【数9】 (Equation 9)

【0025】ただし、τは等価時定数であり、γ1、γ
2は安定度指標である。(11)式の解として、PID
制御器の各ゲインKp、Ki及びKdは、2慣性共振系
の機械定数と等価時定数τとの関数として数10に示す
(12)式で決められる。
Where τ is an equivalent time constant, γ1, γ
2 is a stability index. As a solution of equation (11), PID
Each of the gains Kp, Ki and Kd of the controller is determined by the equation (12) shown in Expression 10 as a function of the mechanical constant of the two inertial resonance system and the equivalent time constant τ.

【0026】[0026]

【数10】 (Equation 10)

【0027】通常、比例ゲインKp≧0のため、(1
2)式により等価時定数τを、下記数11に示す(1
3)式と表現できる。
Normally, since the proportional gain Kp ≧ 0, (1
The equivalent time constant τ is expressed by the following equation 11 by the equation (2) (1
3) It can be expressed as an equation.

【0028】[0028]

【数11】 [Equation 11]

【0029】(12)式から分かるように等価時定数τ
をあまり小さくすると、PID制御器の各ゲインKp、
Ki及びKdは大きくなる。従って、ゲインの大きいP
ID制御器にならないように、等価時定数τを5/(√
2ωo)に近い値とすればよい。特に、τ=5/(√2
ωo)と設定すると、PID制御器の各ゲインKp、K
i及びKdは最小化され、下記数12に示す(14)式
のように2慣性共振系の機械定数のみで求められる。
As can be seen from equation (12), the equivalent time constant τ
Is too small, the gains Kp,
Ki and Kd increase. Therefore, P with a large gain
The equivalent time constant τ is set to 5 / (√
2ωo). In particular, τ = 5 / (√2
ωo), each gain Kp, K of the PID controller
i and Kd are minimized, and can be obtained only from the mechanical constants of the two inertial resonance system as shown in the following equation (14).

【0030】[0030]

【数12】 (Equation 12)

【0031】比例ゲインKpが0となるので、PID制
御器をID制御器に簡略できる。上記で設計したID制
御器のみによる2慣性共振系トルク制御では、図5の
(a)の破線(ハ)で示すように、トルク指令T*から
軸トルクTcまでの周波数応答のゲイン特性に高いピー
クが生じないので、軸ねじれ振動を抑制できるが、ゲイ
ン特性は、ω=ωo/√5の周波数で0dBより大幅に
低減され、同図の実線(イ)の望ましい周波数ゲイン特
性と大きいな差が生じるので、軸トルクの指令追従性が
よくない。ω=ωo/√5の周波数でのゲイン特性の低
減原因は、数13に示す(1 5)式で表す閉ループ系伝
達関数の周波数応答Φ(jω)から解明できる。
Since the proportional gain Kp becomes 0, the PID controller can be simplified as an ID controller. In the two-inertial-resonant-system torque control using only the ID controller designed as described above, as shown by the broken line (c) in FIG. 5A, the gain characteristic of the frequency response from the torque command T * to the shaft torque Tc is high. Since there is no peak, the axial torsional vibration can be suppressed, but the gain characteristic is greatly reduced from 0 dB at the frequency of ω = ωo / √5, which is a large difference from the desired frequency gain characteristic of the solid line (a) in FIG. , The command followability of the shaft torque is not good. The cause of the decrease in the gain characteristic at the frequency of ω = ωo / √5 can be clarified from the frequency response Φ (jω) of the transfer function of the closed loop system represented by the expression (15) shown in Expression 13.

【0032】[0032]

【数13】 (Equation 13)

【0033】ここに、ωは周波数、Rm(ω)とIm
(ω)はそれぞれ分子多項式M(ω)の実数部と虚数
部、Rn(ω)とIn(ω)はそれぞれ分母多項式N
(ω)の実数部と虚数部である。τ=5/(√2ωo)
とするID制御の場合(即ち、Kp=Kf=0)、(1
4)式を(9)式に代入し、そして、ラプラス演算子s
の代わりに演算子jωとおくと、(15)式の分子、分
母多項式の周波数応答を、それぞれ下記数14に示す
(16)式と(17)式で表すことができる。
Where ω is the frequency, Rm (ω) and Im
(Ω) is the real and imaginary parts of the numerator polynomial M (ω), respectively, and Rn (ω) and In (ω) are the denominator polynomial N
The real part and the imaginary part of (ω). τ = 5 / (√2ωo)
(That is, Kp = Kf = 0), (1
4) Substituting equation (9) into equation (9), and Laplace operator s
If the operator is replaced by jω, the frequency response of the numerator and the denominator polynomial of the equation (15) can be expressed by the following equations (16) and (17), respectively.

【0034】[0034]

【数14】 [Equation 14]

【0035】前記(15)式〜(17)式から、分子と
分母は同じ実数部(Rm(ω)=Rn(ω))を持ち、
また、分子の虚数部はIm(ω)=Oとなるので、閉ル
ープ系の周波数応答のゲイン特性は|Φ(jω)|≦1
となり、特に、図5の(a)に示す破線(ハ)のように
共振周波数ωoのところで、Φ(jωo)=1(=od
B)となるので、ID制御のみにより軸ねじれ振動の抑
制ができることが分かる。しかし、ω=ωo/√5の周
波数で、Φ(jωo/√5)=0となるので、この周波
数近辺で軸トルクの指令追従性が悪くなる。また、τを
5/(√2ωo)に近い値とするPID制御の場合で
も、軸トルクの指令追従性も悪くなる。
From equations (15) to (17), the numerator and denominator have the same real part (Rm (ω) = Rn (ω)),
Further, since the imaginary part of the numerator is Im (ω) = O, the gain characteristic of the frequency response of the closed loop system is | Φ (jω) | ≦ 1
In particular, Φ (jωo) = 1 (= od) at the resonance frequency ωo as indicated by a broken line (c) shown in FIG.
B), it can be seen that the torsional vibration can be suppressed only by the ID control. However, at the frequency of ω = ωo / √5, Φ (jωo / √5) = 0, so that the command followability of the shaft torque becomes worse around this frequency. Further, even in the case of the PID control in which τ is a value close to 5 / (√2ωo), the command followability of the shaft torque is deteriorated.

【0036】周波数の近辺でのゲイン特性の低減を補正
するために、図1の如くPID制御器の出力に、ゲイン
のKfにより増幅した軸トルクをフィードバックする。
即ち、Kf≠0として比例補償を加え、PID−P制御
を構成する。真鍋多項式によりPID−P制御の各ゲイ
ンを求めると、KiとKdは(12)式と同じとなる
が、KpとKfは数15に示す(18)式で求められ
る。
In order to correct the reduction of the gain characteristic near the frequency, the shaft torque amplified by the gain Kf is fed back to the output of the PID controller as shown in FIG.
That is, PID-P control is configured by adding proportional compensation as Kf ≠ 0. When the respective gains of the PID-P control are obtained by the Manabe polynomial, Ki and Kd are the same as in the expression (12), but Kp and Kf are obtained by the expression (18) shown in Expression 15.

【0037】[0037]

【数15】 (Equation 15)

【0038】制御器のゲインを最小化するために、前記
ID制御と同じ等価時定数τ=5/(√2ωo)を設定
すると、上記(18)式から、PID−P制御にKp+
Kf=0とすればよい。このとき、PID−P制御によ
る閉ループ系の周波数応答Φ(jω)には、分母多項式
N(ω)は(17)式と同じとなるが、Kp=−Kf≠
0のため、分子多項式M(ω)は(16)式と異なり、
下記数16に示す(19)式で表される。
When the same equivalent time constant τ = 5 / (√2ωo) as that of the ID control is set to minimize the gain of the controller, from the above equation (18), Kp + is added to the PID-P control.
It is sufficient to set Kf = 0. At this time, in the frequency response Φ (jω) of the closed loop system by the PID-P control, the denominator polynomial N (ω) is the same as the equation (17), but Kp = −Kf ≠.
Because of 0, the numerator polynomial M (ω) differs from equation (16),
This is expressed by the following equation (19).

【0039】[0039]

【数16】 (Equation 16)

【0040】Kp+Kf=0の条件で、PIDー P制御
はID制御と同じ閉ループ系の特性多項式を持つが、ゲ
インKp(=−Kf)の値を適当に設定することによ
り、ID制御によるω=ωo/√5の周波数でのゲイン
特性の低減問題を解決することができる。ここで、Φ
(jωo/√5)=1とするようにKpの値を決めばよ
い。(19)式と(17)式から分かるように、Rm
(ω)=Rn(ω)となるので、Φ(jωo/√5)=
1とするために、Im(ωo/√5)=Inωo/√
5)とするようにKpの値を決めばよい。このことか
ら、KpとKfは数17に示す(20)式のように2慣
性共振系の機械定数の関数として決められる。
Under the condition of Kp + Kf = 0, the PID-P control has the same closed-loop characteristic polynomial as the ID control. However, by appropriately setting the value of the gain Kp (= −Kf), ω = The problem of reduction of the gain characteristic at the frequency of ωo / √5 can be solved. Where Φ
The value of Kp may be determined so that (jωo / √5) = 1. As can be seen from equations (19) and (17), Rm
Since (ω) = Rn (ω), Φ (jωo / √5) =
In order to set it to 1, Im (ωo / √5) = Inωo / √
The value of Kp may be determined so as to satisfy 5). From this, Kp and Kf are determined as functions of the mechanical constants of the two-inertial-resonant system as shown in equation (20) shown in equation (17).

【0041】[0041]

【数17】 [Equation 17]

【0042】前記(14)式で決まったKi、Kdおよ
び上記(20)式で決まったKp、Kf(=−Kp)を
図1の2慣性共振系のトルク制御に適用すると、閉ルー
プ系の周波数応答特性Φ(jω)は図5の(a)の実線
(ウ)のようになる。ゲイン特性曲線の0dBと交差す
る周波数は|Φ(jω)|=1より下記数18に示す
(21)式のように求められる。
When Ki and Kd determined by the above equation (14) and Kp and Kf (= −Kp) determined by the above equation (20) are applied to the torque control of the two inertial resonance system shown in FIG. The response characteristic Φ (jω) is as shown by the solid line (C) in FIG. The frequency that intersects 0 dB in the gain characteristic curve is obtained from | Φ (jω) | = 1 as shown in Expression (21) shown in the following Expression 18.

【0043】[0043]

【数18】 (Equation 18)

【0044】ここで、値の一番大きい周波数ω3を交差
周波数ωcgと呼ぶ。0〜ωcgの周波数帯域にゲイン
特性曲線|Φ(jω)|の値を最小、最大にする周波数
ωaとωbは、d|Φ(jω)|/dω=0より下記数
19に示す(22)式のように計算できる。
Here, the frequency ω3 having the largest value is called the crossover frequency ωcg. The frequencies ωa and ωb at which the value of the gain characteristic curve | Φ (jω) | is minimized and maximized in the frequency band of 0 to ωcg are shown in the following Expression 19 from d | Φ (jω) | / dω = 0 (22) It can be calculated like an equation.

【0045】[0045]

【数19】 [Equation 19]

【0046】上記(22)式の周波数に対応するの最小
値と最大値は数20に示す(23)式のように求められ
る。
The minimum value and the maximum value corresponding to the frequency in the above equation (22) are obtained as in equation (23) shown in equation (20).

【0047】[0047]

【数20】 (Equation 20)

【0048】上記(23)式から、0〜ωcgの周波数
帯域にゲイン特性曲線は|Φ(jω)|は1(0dB)
に近い値を取り、望ましい周波数応答ゲイン特性に近い
ので、軸ねじれ振動を抑制する同時にID制御のみによ
るゲイン特性の低減問題が解決され、軸トルクの指令追
従性がよく改善されることが分かる。
From the above equation (23), the gain characteristic curve in the frequency band of 0 to ωcg is | Φ (jω) | is 1 (0 dB).
Since the value is close to the desired frequency response gain characteristic, the problem of reducing the gain characteristic by only the ID control while suppressing the shaft torsional vibration is solved, and the command followability of the shaft torque is improved.

【0049】上述の2慣性共振系トルク制御は、トルク
メータを具備して軸トルクTcが検出できるとした本発
明の請求項1のものであるが、実際に、トルクメータを
具備していないシステムのような軸トルクTcの検出で
きない場合が多い。そこで、以下、トルクメータにより
検出した軸トルクTcの代わりに、電動機側に付けられ
た外乱オブザーバを設け、軸トルクの推定値Tceを算
出してこれを補償手段とする本発明の請求項2の方法に
ついて説明をする。
The above-described two-inertia resonance-system torque control is according to claim 1 of the present invention in which a torque meter is provided so that the shaft torque Tc can be detected. However, a system without a torque meter is actually provided. In many cases, the shaft torque Tc cannot be detected. Therefore, hereinafter, a disturbance observer attached to the motor side is provided instead of the shaft torque Tc detected by the torque meter, and an estimated value Tce of the shaft torque is calculated and used as a compensation means. The method will be described.

【0050】トルクメータを具備していないシステムの
ような軸トルクTcが検出できない場合では、図2に示
すように、本願発明の2慣性共振系トルク制御に、トル
クメータにより検出した軸トルクTcの代わりに、電動
機側に付けられた外乱オブザーバにより推定した軸トル
クTceを適用できる。外乱オブザーバは図2の外乱オ
ブザーバ部4に示すようにモータトルク指令Tmと電動
機速度ωmの情報を活用して、電動機の外乱とした軸ト
ルクの推定値Tceを算出することにより構成される。
図2に示す如くトルク制御部2として、トルク指令T*
と電動機側に付けられた外乱オブザーバ4により推定し
た軸トルクTceとの偏差(ΔTを入力とするPID制
御器Gpid(s)を設け、かつ、前記推定軸トルクT
ceを入力とするフィードバック比例補償部3(Kf)
を設け、前記PID制御器の出力と前記フィードバック
比例補償部の出力との偏差を求め、該偏差を前記2慣性
共振系モータトルク指令Tmとすることで、軸トルクを
制御することによって、2慣性共振系トルク制御系を構
成している。
In the case where the shaft torque Tc cannot be detected as in a system without a torque meter, as shown in FIG. 2, the torque control of the shaft torque Tc detected by the torque meter is performed in the two inertial resonance system torque control of the present invention. Instead, the shaft torque Tce estimated by a disturbance observer attached to the motor can be applied. The disturbance observer is configured by calculating an estimated value Tce of a shaft torque as a disturbance of the electric motor by using information of the motor torque command Tm and the electric motor speed ωm, as shown in the disturbance observer unit 4 in FIG.
As shown in FIG. 2, a torque command T *
(A PID controller Gpid (s) having ΔT as an input and a deviation from the shaft torque Tce estimated by the disturbance observer 4 attached to the motor side, and the estimated shaft torque T
Feedback proportional compensator 3 (Kf) with ce as input
And calculating the deviation between the output of the PID controller and the output of the feedback proportional compensator, and using the deviation as the two-inertial-resonant-system motor torque command Tm to control the shaft torque. A resonance system torque control system is configured.

【0051】軸トルクを速やか正確に推定するために、
外乱オブザーバのフィルタ時定数Tfを十分速くしなけ
ればならない。Tf≒0の場合、推定軸トルクTceは
実軸トルクTcとほぼ同じであるので、図2のトルク制
御系のPID−P制御器の各ゲインの決まりには、Ki
とKdを(14)式により、Kp(=−Kf)を(2
0)式により2慣性共振系の機械定数の関数として決定
することができる。
In order to quickly and accurately estimate the shaft torque,
The filter time constant Tf of the disturbance observer must be sufficiently fast. When Tf ≒ 0, the estimated shaft torque Tce is almost the same as the actual shaft torque Tc. Therefore, the determination of each gain of the PID-P controller of the torque control system in FIG.
Kp (= −Kf) is calculated as (2)
It can be determined as a function of the mechanical constant of the two inertial resonance system by the equation (0).

【0052】図6に推定軸トルクTceを適用したPI
D−P制御による閉ループ系の周波数応答特性を示して
いる。外乱オブザーバのフィルタ時定数TfをTf=1
msとTf=10msとした周波数応答はそれぞれ図6
に示す実線(ニ)と破線(ヘ)のようになり、時定数の
遅い外乱オブザーバ(Tf=10ms)を適用すると、
推定軸トルクTceが実軸トルクTcを速やか正確に再
現できないため、周波数応答のゲイン特性(ヘ)に高い
ピークが生じてしまう。ただし、同図の点線(ホ)は2
慣性共振系の開ループ系周波数応答特性G(jω)であ
る。
FIG. 6 shows a PI to which the estimated shaft torque Tce is applied.
3 shows a frequency response characteristic of a closed loop system by the DP control. Set the filter time constant Tf of the disturbance observer to Tf = 1.
ms and Tf = 10 ms are shown in FIG.
As shown by the solid line (d) and the dashed line (f) shown in FIG. 5, when a disturbance observer (Tf = 10 ms) having a slow time constant is applied,
Since the estimated shaft torque Tce cannot quickly and accurately reproduce the actual shaft torque Tc, a high peak occurs in the gain characteristic (f) of the frequency response. However, the dotted line (e) in FIG.
It is an open-loop system frequency response characteristic G (jω) of an inertial resonance system.

【0053】以上のまとめとして、本発明の2慣性共振
系トルク制御方法は、トルクメータを具備しているシス
テムのような軸トルクの検出できる場合に、トルク制御
系は図1に示すようにPID−P制御で構成され、ま
ず、係数図法に基づく真鍋多項式により(14)式でP
ID−P制御の積分ゲインKiと微分ゲインKdを2慣
性共振系の機械定数の関数として求め、周波数ω=ωo
/√5の近辺に閉ループ系周波数応答特性の低減を補正
するために、PIDー P制御の比例ゲインKpおよび軸
トルクTcのフィードバック比例補償ゲインKfを(2
0)式により2慣性共振系の機械定数の関数として求め
る手段をとる。トルクメータを具備していないシステム
のような軸トルクの検出できない場合に、トルク制御系
を図2に示すように構成し、時定数の速い外乱オブザー
バにより軸トルクを推定し、PID−P制御の各ゲイン
は同じく(14)式と(20)式により2慣性共振系の
機械定数の関数として求められる手段をとることであ
る。
In summary, according to the torque control method of the two inertial resonance system of the present invention, when the shaft torque can be detected as in a system having a torque meter, the torque control system is controlled by the PID as shown in FIG. -P control. First, P is calculated by the equation (14) using a Manabe polynomial based on a coefficient diagram.
The integral gain Ki and the differential gain Kd of the ID-P control are obtained as a function of the mechanical constant of the two inertial resonance system, and the frequency ω = ωo
In order to correct the reduction of the closed-loop frequency response characteristic around / √5, the proportional gain Kp of the PID-P control and the feedback proportional compensation gain Kf of the shaft torque Tc are set to (2
Means for obtaining as a function of the mechanical constant of the two inertial resonance system by the equation (0) is used. When a shaft torque cannot be detected as in a system without a torque meter, a torque control system is configured as shown in FIG. 2, the shaft torque is estimated by a disturbance observer having a fast time constant, and PID-P control is performed. Each of the gains takes a means which is obtained as a function of the mechanical constant of the two-inertial-resonant-system by the equations (14) and (20).

【0054】以下、数値例を挙げて、本発明の実施の具
体形態をさらに説明する。数値例とした2慣性共振系の
機械定数は、電動機慣性、負荷慣性、軸バネ定数を下記
数21に示す(24)式の値としたときのPID−P制
御の各ゲインKp、Ki、Kd及びKfの決定例につい
て説明する。
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be further described with reference to numerical examples. The mechanical constants of the two-inertia resonance system as numerical examples are the respective gains Kp, Ki, and Kd of the PID-P control when the motor inertia, load inertia, and shaft spring constant are set to the values of Expression (24) shown in Equation 21 below. And an example of determining Kf will be described.

【0055】[0055]

【数21】 (Equation 21)

【0056】前記機械定数を持つ2慣性共振系は、
(2)式と(3)式より、ωo=77.3〔rad/s
ec〕の共振周波数とζo=0.038(軸の粘性係数
Dc=0.3〔Nmsec/rad〕としたとき)のダ
ンピング係数を持つ。ダンピング係数ζoが小さいの
で、その開ループ系の周波数応答特性(TmからTcま
でのトルク伝達特性)は、図5に示す点線(ロ)のよう
に、ゲイン特性が共振周波数ωoのところにピークが生
じる。また、軸トルクTcのステップ状なモータトルク
指令Tm(4Nm)及び外乱トルクTL(4Nm)に対
する時間応答は図7と図8に示す点線(チ)、(ト)の
如く軸のねじれ振動が発生する。
The two inertial resonance system having the above mechanical constant is
From equations (2) and (3), ωo = 77.3 [rad / s
ec] and a damping coefficient of ζo = 0.038 (when the viscosity coefficient Dc of the shaft is set to 0.3 [Nmsec / rad]). Since the damping coefficient ζo is small, the frequency response characteristic (torque transmission characteristic from Tm to Tc) of the open-loop system has a peak at the resonance frequency ωo as shown by the dotted line (b) in FIG. Occurs. The time response of the shaft torque Tc to the step-like motor torque command Tm (4Nm) and the disturbance torque TL (4Nm) is such that the torsional vibration of the shaft is generated as shown by the dotted lines (h) and (g) shown in FIGS. I do.

【0057】上記の2慣性共振系トルク制御に、等価時
定数τをτ=5/(√2ωo)とするID制御器を適用
すると、ID制御器の各ゲインは、前記の(14)式よ
りKi=33.23、Kd=0.028となる。このI
D制御器のみを2慣性共振系トルク制御に適用すると、
トルク指令T*から軸トルクTcまでの閉ループ系周波
数応答特性は、図5に示す破線(ハ)のようになる。ゲ
イン特性にはピークが生じないが、ω=ωo/√5の周
波数でゲイン特性が0dBより大幅に低減され、軸トル
クの指令追従性がよくない。また、軸トルクTcのステ
ップ状なトルク指令T*及び外乱トルクTLに対する時
間応答は図7(トルクメータにより検出した軸トルクT
cを利用する場合)と図8(時定数Tf=1msの外乱
オブザーバにより推定した軸トルクTceを利用する場
合)に示す破線(リ)、(ヌ)の如く軸のねじれ振動が
発生しないが、立ち上がりの応答が遅い。
When an ID controller having an equivalent time constant τ of τ = 5 / (√2ωo) is applied to the above-described two-inertial-resonant-system torque control, each gain of the ID controller is obtained from the above equation (14). Ki = 33.23 and Kd = 0.028. This I
When only the D controller is applied to the two inertial resonance system torque control,
The closed loop frequency response characteristic from the torque command T * to the shaft torque Tc is as shown by a broken line (C) in FIG. Although there is no peak in the gain characteristic, the gain characteristic is significantly reduced from 0 dB at the frequency of ω = ωo / √5, and the command followability of the shaft torque is not good. The time response of the shaft torque Tc to the step-like torque command T * and the disturbance torque TL is shown in FIG. 7 (the shaft torque Tc detected by the torque meter).
c) and FIG. 8 (when using the shaft torque Tce estimated by a disturbance observer with a time constant Tf = 1 ms), the torsional vibration of the shaft does not occur as shown by broken lines (i) and (nu). Slow response at rising.

【0058】上記のID制御のみによる閉ループ系周波
数応答特性におけるω=ωo/√5の周波数の近辺での
ゲイン特性の低減を補正するために、トルク制御系に本
発明のPID−P制御を適用し、トルクメータにより検
出した軸トルクTc(または、外乱オブザーバにより推
定した軸トルクTce)をゲインKfにより増幅し、こ
のフィードバック比例補償部Kfの出力とPID制御器
の出力との偏差を2慣性共振系のモータトルク指令Tm
とする。前記の(20)式により計算すれば、比例ゲイ
ンKpとフィードバック比例補償ゲインKfの値はそれ
ぞれKp=1.22とKf=−Kp=−1.22とな
る。
The PID-P control of the present invention is applied to the torque control system in order to correct the reduction of the gain characteristic near the frequency of ω = ωo / √5 in the frequency response characteristic of the closed loop system only by the ID control described above. Then, the shaft torque Tc detected by the torque meter (or the shaft torque Tce estimated by the disturbance observer) is amplified by the gain Kf, and the difference between the output of the feedback proportional compensator Kf and the output of the PID controller is calculated by two inertial resonances. Motor torque command Tm
And Calculating according to the above equation (20), the values of the proportional gain Kp and the feedback proportional compensation gain Kf are Kp = 1.22 and Kf = −Kp = −1.22, respectively.

【0059】本発明のPID−P制御を前記の2慣性共
振系トルク制御に適用すると、トルク指令T*から軸ト
ルクTcまでの閉ループ系周波数応答特性は、図5(ト
ルクメータにより検出した軸トルクTcを利用する場
合)と図6(時定数Tf=1msの外乱オブザーバによ
り推定した軸トルクTceを利用する場合)に示す実線
(ウ)、(ニ)のようになり、ゲイン特性に最大値|Φ
(jωb)|=1.3(=2.29dB)の低いピーク
が生じるが、最小値は|Φ(jωa)|=0/91(=
−0.82dB)となるため、軸ねじれ振動を抑制する
同時に0〜ωcgの周波数帯域にゲインの低減問題がほ
ぼ解決され、ID制御のみによるトルク制御より軸トル
クの指令追従性がよくなることが分かる。また、軸トル
クTcのステップ状なトルク指令T*及び外乱トルクT
Lに対する時間応答は図7(トルクメータにより検出し
た軸トルクTcを利用する場合)と図8(時定数Tf=
1msの外乱オブザーバにより推定された軸トルクTc
eを利用する場合)に示す実線(キ)、(ク)の如く軸
のねじれ振動のないかつ収束の速い応答となり、軸トル
クの指令追従性のよい2慣性共振系トルク制御ができる
ことが分かる。
When the PID-P control of the present invention is applied to the two-inertia resonance system torque control, the closed loop system frequency response characteristic from the torque command T * to the shaft torque Tc is shown in FIG. 5 (shaft torque detected by a torque meter). Tc) and FIG. 6 (when the shaft torque Tce estimated by a disturbance observer with a time constant Tf = 1 ms) is shown by solid lines (c) and (d), and the gain characteristic has a maximum value | Φ
(Jωb) | = 1.3 (= 2.29 dB), but the minimum value is | Φ (jωa) | = 0/91 (=
−0.82 dB), the problem of reducing the gain in the frequency band of 0 to ωcg is substantially solved while suppressing the torsional vibration of the shaft, and it is understood that the command followability of the shaft torque is better than the torque control by the ID control alone. . Further, a step-like torque command T * of the shaft torque Tc and a disturbance torque T
The time response to L is shown in FIG. 7 (when the shaft torque Tc detected by the torque meter is used) and FIG. 8 (time constant Tf =
Shaft torque Tc estimated by disturbance observer of 1 ms
As shown by solid lines (g) and (g) shown in (e), there is no torsional vibration of the shaft and the response is fast convergence, and it can be seen that the two inertial resonance system torque control with good command followability of the shaft torque can be performed.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、2
慣性共振系トルク制御系を、従来のPID制御器の出力
に軸トルクのフィードバック比例補償を加えるPID−
P制御で構成し、PID−P制御の各ゲインを2慣性共
振系の機械定数の関数として求め、さらに(Kp+K
f)を零とすることで制御ゲイン(Kp、Ki、Kd、
Kf)を最小化することによって、軸ねじれ振動のない
かつ軸トルクの指令追従性のよい2慣性共振系のトルク
制御を提供できる。
As described above, according to the present invention, 2
An inertial resonance torque control system is provided by using a PID- which adds feedback proportional compensation of shaft torque to the output of a conventional PID controller.
P control, each gain of PID-P control is obtained as a function of the mechanical constant of the two inertial resonance system, and (Kp + K
By setting f) to zero, the control gains (Kp, Ki, Kd,
By minimizing Kf), it is possible to provide torque control of a two inertial resonance system without shaft torsional vibration and with good command followability of shaft torque.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明請求項1を説明するためのブロック線図
である(トルクメータにより検出した軸トルクTcを使
う場合)。
FIG. 1 is a block diagram for explaining claim 1 of the present invention (when a shaft torque Tc detected by a torque meter is used).

【図2】本発明請求項2を説明するためのブロック線図
である(外乱オブザーバにより推定した軸トルクTce
を使う場合)。
FIG. 2 is a block diagram for explaining claim 2 of the present invention (the shaft torque Tce estimated by a disturbance observer);
If you use).

【図3】2慣性共振系を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a two inertial resonance system.

【図4】2慣性共振系のブロック線図である。FIG. 4 is a block diagram of a two inertial resonance system.

【図5】本発明請求項1の効果を説明するための周波数
応答特性を示す図である(トルクメータにより検出した
軸トルクTcを使う場合)。
FIG. 5 is a diagram showing a frequency response characteristic for explaining the effect of claim 1 of the present invention (when using a shaft torque Tc detected by a torque meter).

【図6】本発明請求項2の効果を説明するための周波数
応答特性を示す図である(外乱オブザーバにより推定し
た軸トルクTceを使う場合)。
FIG. 6 is a diagram showing a frequency response characteristic for explaining the effect of the second aspect of the present invention (when the shaft torque Tce estimated by a disturbance observer is used).

【図7】本発明請求項1の時間応答を示す図である(ト
ルクメータにより検出した軸トルクTcを使う場合)。
FIG. 7 is a diagram showing a time response according to claim 1 of the present invention (when a shaft torque Tc detected by a torque meter is used).

【図8】本発明請求項2の時間応答を示す図である(外
乱オブザーバにより推定した軸トルクTceを使う場
合)。
FIG. 8 is a diagram showing a time response according to claim 2 of the present invention (when using a shaft torque Tce estimated by a disturbance observer).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 弾性軸を有する2慣性共振系 2 PID制御器を適用したトルク制御器 3 軸トルクのフィードバック比例補償部 4 外乱オブザーバ部 Jm 電動機慣性 Jmn 電動機慣性のノミナル値 JL 負荷慣性 Kc 軸のバネ定数 Dc 軸の粘性係数 T* トルク指令 Tm モータトルク指令 Tc 軸トルク Tce 軸トルクの推定値 TL 負荷側の外乱トルク ΔT トルク指令と軸トルク(または軸トルクの推定
値)との偏差値 ωm 電動機速度 ωL 負荷速度 θc 軸ねじれ角 Gpid(s) PID制御器 Kp PID制御器の比例ゲイン Ki PID制御器の積分ゲイン Kd PID制御器の微分ゲイン Kf 軸トルクのフィードバック比例補償ゲイン Tf 外乱オブザーバのフィルタの時定数 ωo 2慣性共振系の固有共振周波数 ζo 2慣性共振系のダンピング係数 ωcg ゲイン交差周波数 τ 等価時定数 γi 安定度指標
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 2 inertial resonance system which has an elastic axis 2 Torque controller which applied PID controller 3 Feedback proportional compensation part of axis torque 4 Disturbance observer part Jm Motor inertia Jmn Nominal value of motor inertia JL Load inertia Kc Spring constant of axis Dc axis Coefficient of viscosity T * Torque command Tm Motor torque command Tc Shaft torque Tce Estimated value of shaft torque TL Disturbance torque on load side ΔT Deviation between torque command and shaft torque (or estimated value of shaft torque) ωm Motor speed ωL Load speed θc axis torsion angle Gpid (s) PID controller Kp Proportional gain of PID controller Ki Integral gain of PID controller Kd Differential gain of PID controller Kf Feedback proportional compensation gain of axis torque Tf Time constant of filter of disturbance observer ωo 2 Natural resonance frequency of inertial resonance system ζo Packaging coefficient ωcg gain crossover frequency τ equivalent time constant γi stability index

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【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成10年7月10日[Submission date] July 10, 1998

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0009[Correction target item name] 0009

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本願の発明は、上記の目
的を達成するために、請求項1において、トルク指令T
*とトルクメータにより検出した軸トルクTcとの偏差
( ΔTを入力とするPID制御器Gpid(s)と、軸
トルクのフィードバック比例補償部(Kf)を備え、P
ID制御器の出力とフィードバック比例補償部の出力と
の偏差をモータトルク指令Tmとして軸トルクTcを制
御する手段をとる2慣性共振系トルク制御方法であり、
また、請求項2において、トルクメータが具備していな
いシステムの場合、請求項1記述のトルクメータによる
検出する軸トルクTcが使用できないので、電動機側に
付けられた外乱オブザーバを設け、軸トルクの推定値T
ceを算出してこれを補償手段とする2慣性共振系トル
ク制御方法である。
According to the present invention, in order to achieve the above object, the torque command T
* And deviation from shaft torque Tc detected by torque meter
(PID controller Gpid (s) having ΔT as input, and feedback proportional compensation section (Kf) for shaft torque.
A two-inertial-resonant-system torque control method using a means for controlling a shaft torque Tc with a deviation between an output of an ID controller and an output of a feedback proportional compensator as a motor torque command Tm,
Further, in the case of the system in which the torque meter is not provided in claim 2, since the shaft torque Tc detected by the torque meter described in claim 1 cannot be used, a disturbance observer attached to the electric motor is provided, and Estimated value T
This is a two-inertial-resonance-system torque control method that calculates ce and uses it as compensation means.

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0010[Correction target item name] 0010

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明は、前述の軸ねじれ振動を
抑制する目的と、軸トルクを指令トルクに速く追従させ
る目的を達成するために、振動の原因である周波数応答
のゲイン特性にあるピークを抑える同時に固有共振周波
数の近辺でも軸トルクの指令追従性のよい補償器を設け
ることにより課題を解決するものである。以下でこれら
の手段の詳細を図によって説明する。図1は本発明請求
項1を説明するためのブロック線図であり、図1におい
て、トルク指令T*から軸トルクTcまでの閉ループ系
伝達関数Φ(s)の周波数応答のゲイン特性に高いピー
クが出ないようにするために、トルクメータを具備して
いるシステムの場合、図1に示す如くトルク制御部2と
して、トルク指令T*とトルクメータにより検出した軸
トルクTcの偏差( ΔTを入力とするPID制御器Gp
id(s)を設け、かつ、軸トルクTcを入力とするフ
ィードバック比例補償部3(Kf)を設け、前記PID
制御器の出力と前記フィードバック比例補償部3の出力
との偏差を求め、その出力をモータトルク指令Tmとす
ることで、2慣性共振系トルク制御系を構成している。
PID制御器Gpid(s)の伝達関数表現は下記数3
に示す(4)式のように表すことができる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention provides a gain characteristic of a frequency response which is a cause of vibration in order to achieve the above-mentioned object of suppressing the shaft torsional vibration and the purpose of causing the shaft torque to quickly follow the command torque. An object of the present invention is to solve the problem by providing a compensator that suppresses the peak and has good command followability of the shaft torque even near the natural resonance frequency. The details of these means will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram for explaining claim 1 of the present invention. In FIG. 1, the gain characteristic of the frequency response of the closed loop system transfer function Φ (s) from the torque command T * to the shaft torque Tc has a high peak. In the case of a system equipped with a torque meter in order to prevent the occurrence of torque, as shown in FIG. 1, the torque control unit 2 inputs the deviation (ΔT) between the torque command T * and the shaft torque Tc detected by the torque meter. PID controller Gp
id (s), and a feedback proportional compensator 3 (Kf) that receives the shaft torque Tc as input.
A deviation between the output of the controller and the output of the feedback proportional compensator 3 is obtained, and the output is used as a motor torque command Tm to constitute a two-inertial resonance torque control system.
The transfer function expression of the PID controller Gpid (s) is given by
Can be expressed as shown in equation (4).

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0035[Correction target item name] 0035

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0035】前記(15)式〜(17)式から、分子と
分母は同じ実数部(Rm(ω)=Rn(ω))を持ち、
また、分子の虚数部はIm(ω)=Oとなるので、閉ル
ープ系の周波数応答のゲイン特性は|Φ(jω)|≦1
となり、特に、図5の(a)に示す破線(ハ)のように
共振周波数ωoのところで、Φ(jωo)=1(=0d
B)となるので、ID制御のみにより軸ねじれ振動の抑
制ができることが分かる。しかし、ω=ωo/√5の周
波数で、Φ(jωo/√5)=0となるので、この周波
数近辺で軸トルクの指令追従性が悪くなる。また、τを
5/(√2ωo)に近い値とするPID制御の場合で
も、軸トルクの指令追従性も悪くなる。
From equations (15) to (17), the numerator and denominator have the same real part (Rm (ω) = Rn (ω)),
Further, since the imaginary part of the numerator is Im (ω) = O, the gain characteristic of the frequency response of the closed loop system is | Φ (jω) | ≦ 1
In particular, Φ (jωo) = 1 (= 0d) at the resonance frequency ωo as indicated by a broken line (c) shown in FIG.
B), it can be seen that the torsional vibration can be suppressed only by the ID control. However, at the frequency of ω = ωo / √5, Φ (jωo / √5) = 0, so that the command followability of the shaft torque becomes worse around this frequency. Further, even in the case of the PID control in which τ is a value close to 5 / (√2ωo), the command followability of the shaft torque is deteriorated.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0040[Correction target item name] 0040

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0040】Kp+Kf=0の条件で、PIDー P制御
はID制御と同じ閉ループ系の特性多項式を持つが、ゲ
インKp(=−Kf)の値を適当に設定することによ
り、ID制御によるω=ωo/√5の周波数でのゲイン
特性の低減問題を解決することができる。ここで、Φ
(jωo/√5)=1とするようにKpの値を決めばよ
い。(19)式と(17)式から分かるように、Rm
(ω)=Rn(ω)となるので、Φ(jωo/√5)=
1とするために、Im(ωo/√5)=In(ωo/√
5)とするようにKpの値を決めばよい。このことか
ら、KpとKfは数17に示す(20)式のように2慣
性共振系の機械定数の関数として決められる。
Under the condition of Kp + Kf = 0, the PID-P control has the same closed-loop characteristic polynomial as the ID control. However, by appropriately setting the value of the gain Kp (= −Kf), ω = The problem of reduction of the gain characteristic at the frequency of ωo / √5 can be solved. Where Φ
The value of Kp may be determined so that (jωo / √5) = 1. As can be seen from equations (19) and (17), Rm
Since (ω) = Rn (ω), Φ (jωo / √5) =
In order to set it to 1, Im (ωo / √5) = In (ωo / √
The value of Kp may be determined so as to satisfy 5). From this, Kp and Kf are determined as functions of the mechanical constants of the two-inertial-resonant system as shown in equation (20) shown in equation (17).

【手続補正5】[Procedure amendment 5]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0059[Correction target item name] 0059

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0059】本発明のPID−P制御を前記の2慣性共
振系トルク制御に適用すると、トルク指令T*から軸ト
ルクTcまでの閉ループ系周波数応答特性は、図5(ト
ルクメータにより検出した軸トルクTcを利用する場
合)と図6(時定数Tf=1msの外乱オブザーバによ
り推定した軸トルクTceを利用する場合)に示す実線
(ウ)、(ニ)のようになり、ゲイン特性に最大値|Φ
(jωb)|=1.3(=2.29dB)の低いピーク
が生じるが、最小値は|Φ(jωa)|=0.91(=
−0.82dB)となるため、軸ねじれ振動を抑制する
同時に0〜ωcgの周波数帯域にゲインの低減問題がほ
ぼ解決され、ID制御のみによるトルク制御より軸トル
クの指令追従性がよくなることが分かる。また、軸トル
クTcのステップ状なトルク指令T*及び外乱トルクT
Lに対する時間応答は図7(トルクメータにより検出し
た軸トルクTcを利用する場合)と図8(時定数Tf=
1msの外乱オブザーバにより推定された軸トルクTc
eを利用する場合)に示す実線(キ)、(ク)の如く軸
のねじれ振動のないかつ収束の速い応答となり、軸トル
クの指令追従性のよい2慣性共振系トルク制御ができる
ことが分かる。
When the PID-P control of the present invention is applied to the two-inertia resonance system torque control, the closed loop system frequency response characteristic from the torque command T * to the shaft torque Tc is shown in FIG. 5 (shaft torque detected by a torque meter). Tc) and FIG. 6 (when the shaft torque Tce estimated by a disturbance observer with a time constant Tf = 1 ms) is shown by solid lines (c) and (d), and the gain characteristic has a maximum value | Φ
(Jωb) | = 1.3 (= 2.29 dB), but the minimum value is | Φ (jωa) | = 0.91 (=
−0.82 dB), the problem of reducing the gain in the frequency band of 0 to ωcg is substantially solved while suppressing the torsional vibration of the shaft, and it is understood that the command followability of the shaft torque is better than the torque control by the ID control alone. . Further, a step-like torque command T * of the shaft torque Tc and a disturbance torque T
The time response to L is shown in FIG. 7 (when the shaft torque Tc detected by the torque meter is used) and FIG. 8 (time constant Tf =
Shaft torque Tc estimated by disturbance observer of 1 ms
As shown by solid lines (g) and (g) shown in (e), there is no torsional vibration of the shaft and the response is fast convergence, and it can be seen that the two inertial resonance system torque control with good command followability of the shaft torque can be performed.

【手続補正6】[Procedure amendment 6]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図2[Correction target item name] Figure 2

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図2】 FIG. 2

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G05D 17/02 G05D 17/02 H02P 7/00 H02P 7/00 G ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI G05D 17/02 G05D 17/02 H02P 7/00 H02P 7/00 G

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 弾性軸を介して、電動機から負荷へ駆動
トルクを伝達する2慣性共振系トルク制御において、ト
ルク指令T*とトルクメータにより検出した軸トルクT
cとの偏差ΔTを入力とするPID制御器Gpid
(s)を設け、かつ、前記軸トルクTcを入力とするフ
ィードバック比例補償部(Kf)を設け、前記PID制
御器の出力と前記フィードバック比例補償部の出力との
偏差を求め、該偏差を前記2慣性共振系モータトルク指
令Tmとするトルク制御系を構成し、前記PID制御器
の各ゲイン(Kp、Ki、Kd)および前記フィードバ
ック比例補償部のゲイン(Kf)を、前記2慣性共振系
の機械定数の関数として求めると共に、前記軸トルクT
cから前記モータトルク指令Tmまでのフィードバック
伝達関数の比例項(Kp+Kf)を零とすることで制御
器のゲイン(Kp、Ki、Kd、Kf)を最小化するこ
とを特徴とする2慣性共振系トルク制御方法。
In a two-inertial resonance torque control for transmitting a drive torque from an electric motor to a load via an elastic shaft, a torque command T * and a shaft torque T detected by a torque meter are provided.
PID controller Gpid which receives deviation ΔT from c as input
(S) and a feedback proportional compensator (Kf) that receives the shaft torque Tc as an input, obtains a deviation between the output of the PID controller and the output of the feedback proportional compensator, and calculates the deviation as A two-inertia resonance system constitutes a torque control system with a motor torque command Tm, and the respective gains (Kp, Ki, Kd) of the PID controller and the gain (Kf) of the feedback proportional compensator are changed by the two-inertial resonance system. As a function of the mechanical constant, the shaft torque T
A two inertial resonance system characterized by minimizing the controller gain (Kp, Ki, Kd, Kf) by setting the proportional term (Kp + Kf) of the feedback transfer function from c to the motor torque command Tm to zero. Torque control method.
【請求項2】 モータトルク指令Tmと電動機速度ωm
を入力とする外乱オブザーバを設け、前記外乱オブザー
バで推定軸トルクTceを算出し、軸トルクTcの代わ
りとすることを特徴とする請求項1記載の2慣性共振系
トルク制御方法。
2. The motor torque command Tm and the motor speed ωm
The torque control method according to claim 1, wherein a disturbance observer is provided as an input, and an estimated shaft torque Tce is calculated by the disturbance observer, and is used instead of the shaft torque Tc.
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