KR19990037701A

KR19990037701A - 기계진동검출장치 및 제진제어장치

Info

Publication number: KR19990037701A
Application number: KR1019980701180A
Authority: KR
Inventors: 히로시 나카무라; 야스히코 카쿠; 쇼지 타카마츠
Original assignee: 하시모토 신이치; 가부시기가이샤 야스가와덴키
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1996-08-13
Publication date: 1999-05-25
Also published as: KR100425819B1; JP3189865B2; DE69634513D1; US5990645A; CN1198854A; WO1997007590A1; EP0845854B1; EP0845854A1; CN1071065C; DE69634513T2; EP0845854A4; JPH0956183A

Abstract

조정이 용이하고 기계진동을 정밀하게 구할 수 있는 기계진동 검출장치 및 기계진동의 제진을 달성할 수 있는 제진제어장치를 제공하고,

모터의 토오크를 제어하는 모터제어장치에 있어서, 등가강체 모델(103)과 비례연산수단(104)과, 하이패스 필터(105)로 이루어져 토오크신호와 상기 비례연산수단의 출력을 가산하여 상기 등가강체모델에 입력하고, 상기 모터제어장치의 속도신호에서 상기 등가강체 모델의 출력을 뺀 차신호를 상기 비례연산수단과 하이패스 필터에 입력하고, 상기 하이패스 필터의 출력을 기계진동신호로 하는 수단을 구비한다.

Description

기계진동검출장치 및 제진제어장치

모터제어계에서 기계진동 검출장치 및 제진제어장치로서는 본 출원인이 일본국 특원평 6-127859호에서 제안한 장치가 있다. 이 종래기술에서는 모터를 포함하는 기구계를 등가강체계(等價剛體系)와 기계진동계로 분리하고, 등가강체계의 모델에 기초한 옵서버에 의해 기계진동을 고속으로 추정하고, 제진제어를 행했다.

그러나 종래기술에서는 등가강체계의 각속도와 스텝형상 토오크외란을 형태변수로서 2차의 옵서버를 구성하고 있고 기계진동 검출장치를 구현하는 데 등가강체 모델과 비례연산수단외에 적분연산수단이 필요했었다. 옵서버의 파라메터도 2개를 설정할 필요가 있으며 또한 그 설정치에 의해 기계진동신호의 위상이 크게 변화되기 때문에 파라메터조정이 어렵다는 문제가 있었다.

본 발명은 모터가 구동하는 기구의 진동을 검출하는 기계진동 검출장치를 구비한 모터제어장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예를 도시하는 도면.

도 2는 공진기구의 일예를 설명하는 설명도.

도 3은 본 발명의 제 2실시예를 도시하는 도면.

도 4는 본 발명의 제 3실시예를 도시하는 도면.

그래서 본 발명은 조정이 용이하고 기계진동을 고정밀하게 구할 수 있는 기계진동 검출장치 및 기계진동의 제진을 달성할 수 있는 제진제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 출원의 제 1의 발명은 모터의 토오크를 제어하는 모터제어장치에 있어서,

등가강체모델과,

비례연산수단과,

하이패스 필터와,

상기 모터제어장치의 토오크신호와 상기 비례연산수단의 출력을 가산하여 상기 등가강체 모델에 입력하고 또한 상기 모터제어장치의 속도신호에서 상기 등가강체 모델의 출력을 뺀 차(差)신호를 상기 비례연산수단과 상기 하이패스 필터에 입력하여 상기 하이패스 필터의 출력을 기계진동신호로 하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 출원의 제 2의 발명은 모터의 토오크를 제어하는 모터제어장치에 있어서,

등가강체 모델과,

비례연산수단과,

하이패스 필터와,

위상조정기와,

진폭조정기와,

상기 모터제어장치의 토오크신호와 상기 비례연산수단의 출력을 가산하여 상기 등가강체 모델에 입력하고 또한 상기 모터제어장치의 속도신호에서 상기 등가강체 모델의 출력을 뺀 차신호를 상기 비례연산수단과 상기 하이패스 필터에 입력하여 상기 하이패스 필터의 출력을 상기 위상조정기에 입력하며 상기 위상조정기의 출력을 상기 진폭 조정기에 입력하고, 상기 모터제어장치로의 토오크지령에 상기 진폭조정기의 출력을 더한 신호를 새로운 토오크지령으로 하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 출원의 제 3의 발명은 모터의 각속도를 제어하는 모터제어장치에 있어서,

등가강체 모델과,

비례연산수단과,

하이패스 필터와,

위상조정기와,

진폭조정기와,

상기 모터제어장치의 토오크신호와 상기 비례연산수단의 출력을 가산하여 상기 등가강체 모델에 입력하고, 상기 모터제어장치의 속도신호에서 상기 등가강체 모델의 출력을 뺀 차신호를 상기 비례연산수단과 상기 하이패스 필터에 입력하고, 상기 하이패스 필터의 출력을 상기 위상조정기에 입력하며 상기 위상조정기의 출력을 상기 진폭조정기에 입력하고, 상기 모터제어장치로의 속도지령에 상기 진폭조정기의 출력을 더한 신호를 새로운 속도지령으로 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 수단에 의해 1차의 등가강체 옵서버가 구성되기 때문에 적분수단이 하나 적은 만큼 계(系)를 안정되게 하는 파라메터의 영역이 넓어진다. 또한 옵서버의 설정파라메터도 하나이고 그 파라메터의 기계진동신호의 위상에 대한 감도도 낮기 때문에 파라메터 조정이 쉬워지게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 설정파라메터의 수가 적고 그 설정영역이 넓은 등가강체 옵서버가 구성되므로 조정이 쉽고 기계진동을 정밀하게 구할 수 있는 기계진동 검출장치 및 기계진동의 제진(制振)을 달성할 수 있는 제진제어장치가 실현된다는 효과가 있다.

다음 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.

본 발명의 기계진동검출장치에 관한 제 1실시예를 도 1에 도시하여 설명한다. 도면중 블록 102는 등가강체 모델(103)과 비례연산수단(104)과 하이패스 필터(105)로 이루어지는 기계진동 검출장치로서 모터의 토오크신호(τ)와 모터속도신호(여기서는 모터각 속도(vm)를 사용한다)를 입력하여 기계진동신호를 출력한다. 블록101은 기계공진계를 가지는 기구(모터를 포함)를 도시하고 있다.

다음 기계진동신호의 검출원리를 설명한다. 기구계(101)의 전달함수는 일본국 특원평 6-127859에서 제안한 근사법을 사용하면 등가강체계 G₁(s)

(1)

과 기계공진계 G₂(s)

로 분리할 수 있다. 여기서 γ은 등가강체계의 관성모멘트의 역수, D_o/γ는 등가강체계의 점성마찰계수이다. 또 ω_r과 ω_a는 기계공진계의 공진주파수와 반(反)공진주파수이다.

우선 본 발명의 원리를 설명한다. 도 1에서 파선으로 둘러싸인 블록 101안이 기계공진현상을 동반한 기구(전동기를 포함함)를 일점쇄선으로 둘러싼 블록 102가 본 발명에 의한 기계진동 검출장치를 각각 나타내고 있다. 기구의 일예로서 도 2에 도시하는 2관성의 비틀림 공진계를 생각한다. 도면중 기계계의 운동방정식은

이 된다.

여기서

θ_m: 모터축의 각도 〔rad〕

θ_L: 부하축 각도 〔rad〕

δθ: 등가선형 스프링의 비틀림각 〔rad〕

J_m: 모터축쪽의 관성모멘트 〔Kgm²〕

J_L: 부하축쪽의 관성모멘트(모터축 환산) 〔Kgm²〕

K: 등가선형 스프링의 스프링정수 〔Nm/rad〕

D_m: 모터축의 점성마찰계수 〔Nm/(rad/s)〕

D_L: 부하축의 점성마찰계수 〔Nm/(rad/s)〕

D_T: 등가선형 스프링계의 등가점성마찰계수 〔Nm/(rad/s)〕

u₁: 모터축의 발생토오크 〔Nm〕

이다. 여기서 상태변수를

관측출력(전동기의 각(角)속도)을

y(t)(t) = X₃(t) = 〔0010〕x (t) (4 b)

로 하면 (1a),(1b)식에 의해 상태방정식

를 얻는다. 단

이다.

전동기가 발생하는 토오크에서 전동기의 각속도(관측출력)까지의 전달함수는

이다. 단 특성방정식 P(s)는

이다. (8)식은 전동기의 파라메터와 기계공진계의 파라메터가 조합되어 식을 1차식과 2차식의 적(積)으로 인수분해하는 것은 매우 곤란했었다. 이 때문에 식의 물리적 의미가 불명확하여 제어계 전체에 대해 상태옵서버를 구성해야 했었다.

그래서 본 발명에서는 (8)식에 있어서,

로 둔다. 단 α는 모터에 대한 부하관성모멘트의 비

α = J_L/J_m( 10 )

이다. (9a)∼(9c)를 이용하여 (8)식을 표현하면

P(s)= s³((ωr/Qr)+D_o)s²+ ωr²s + ωr²D_o( 11 )

이 된다. 여기서 새로

을 생각할 수 있다. 단(12b)식에서 ε = (1/Q_r)(D_o/ω_r)

으로 두었다. (11)식과 (12)식에 의해

ε = 0일 때 P(s) =이므로는 P(s)의 근사식이고, ε는 근사오차를 나타내고 있다. (13)식에서도 알 수 있는 바와 같이 Q_r이 큰 만큼 근사오차(ε)는 작아진다. 예를들어 Q_r>10, ω_r> 10D_o일 때 ε<0.01이 된다.

(9a)∼(9c)식을 가정하는 것에 의해 특성방정식 P(s)을 (12a)(12b)식의(s)에서

로 근사할 수 있다. 여기서(7)식에 있어서,

로 두고, (14)식과 (15a)(15b)식을 (7)식에 이용하면 전달함수의 근사식

이 나올 수 있게 된다. (16a)(16b)식을 이용하는 것에 의해 2관성 공진계는 도 1의 파선의 블록 101안에 도시하는 등가강체계 G₁(s)

와 기계공진계 G₂(s)

로 분리할 수 있다. 혹 등가강체계의 속도를 검출할 수 있으면 관측출력에서 등가강체계의 검출속도를 뺀 차신호에 의해 기계진동성분만을 검출할 수 있다.

그래서 등가강체계를 모델로 하는 상태 옵서버를 구성한다. 상태(x)로서는 등가강체계의 각속도(v)만을 생각하고 모터의 토오크(τ)를 제어입력(u)으로 하면 그 미분방정식

에 의해 등가강체계의 상태방정식과 출력방정식은

이 된다. 단

이다.

위의 식에 의해 다음식의 옵서버를 구성할 수 있다.

(19)식과 (20)식에 의해 등가강체계의 각속도 추정치는 다음식에서 부여된다.

여기서 출력(y)을 v대신에 모터각속도(vm)에서 부여하면 (21)식은 도 1의 블록 102안의 블록선도에서 표현할 수 있다.

구해야 하는 기계진동신호는 모터의 각속도와 등가강체계의 각속도 추정치와의 차신호(e),

에 의해 얻을 수 있지만 (20)식의 옵서버에서는 토오크외란(d)을 고려하고 있지 않기 때문에 스텝형상의 토오크외란(d)이 있으면 차신호(e)에 추정오차가 남아버린다. 그래서 차신호(e)를 하이패스 필터(105)를 거쳐 토오크외란에 의한 추정오차를 뺀 신호를 기계진동신호로 한다. 이상에 의해 기계진동 검출장치(102)내의 구성에 의해 기계진동신호를 얻을 수 있다.

본 발명의 제진제어장치에 관한 제 2의 실시예를 도 3에 도시하여 설명한다. 동 도면은 본 발명을 모터의 토오크제어장치에 적용한 것이다. 도면중 모터를 포함하는 기구계(101)와 기계진동 검출장치(102)는 제 1실시예와 동일하다. 부호 106은 토오크지령을 입력하고, 모터가 발생하는 토오크를 출력하는 모터구동장치로서 파워앰프 등으로 구성된다. 기계진동 검출장치(102)에 입력하는 모터의 토오크신호(τ)로서는 발생토오크 모니터신호 또는 토오크 지령신호를 이용한다. 기계진동 검출장치(102)가 추정한 기계진동신호를 위상조정기(107)에 입력한다. 위상조정기(107)의 출력을 진폭조정기(108)에 입력하고, 그 출력(w)을 토오크지령에 더한 신호를 새로운 토오크지령으로서 모터의 토오크제어장치에 출력한다.

위상조정기(107) 및 진폭조정기(108)는 모터와 기계공진계를 포함한 제어계의 진동을 억제하도록 기계진동 검출장치(102)의 출력인 기계진동신호의 위상 및 진폭을 조정하는 것이다. 기계진동 검출장치(102)가 출력하는 기계진동신호의 위상은 모터각속도(vm)의 진동 위상보다도 빠르고 그 빠른정도는 상기 비례연산수단(104)의 게인(k)에 의해 조정되므로 위상조정기(107)는 로패스 필터 등의 위상지연요소로 실현된다. 진폭조정기(108)는 상기 위상조정기(107)의 출력신호의 게인을 배로 증가하는 증폭기 또는 연산기로 구현된다.

본 발명의 제진제어장치에 관한 제 3실시예를 도 4에 설명한다. 동 도면은 본 발명을 모터의 속도제어장치에 적용한 것이다. 도면중 모터를 포함하는 기구계(101)와 기계진동 검출장치(102)는 제 1실시예와 마찬가지로서 모터구동장치(106), 위상조정기(107) 및 진폭조정기(108)는 제 2실시예와 동일한 작용을 한다. 단 진폭조정기(108)의 출력(w)은 속도지령에 가산되고 가산된 신호는 새로운 속도지령로서 모터의 속도제어장치로 출력된다. 부호 109는 속도지령과 속도피드백과의 차신호를 입력하고 토오크지령을 출력하는 속도제어용 보상기이다.

이상 제 1, 제 2, 제 3실시예에 있어서 토오크외란(d)의 검출치 또는 추정치를 얻을 수 있는 경우에는 토오크지령에 토오크외란(d)을 더한 값을 토오크신호로서 기계진동검출장치(102)에 입력해도 좋다. 이 경우는 하이패스 필터(105)는 필요없게 된다. 예를들어 제 3실시예에서 속도제어용 보상기(109)안에서 비례적분제어에 의해 토오크지령을 결정할 경우에는 적분연산치의 프러스,마이너스를 반전한 것을 상기 토오크외란 추정치로서 이용하면 된다.

본 발명은 모터에서 구동되는 각종 산업기계 예를들어 공작기계 로봇, 반도체 제조장치, 금속가공기, 그외 일반산업용기계 및 사무용 기계에 적용된다.

Claims

모터의 토오크를 제어하는 모터제어장치에 있어서,

등가강체 모델과,

비례연산수단과,

하이패스 필터와,

상기 모터제어장치의 토오크신호와 상기 비례연산수단의 출력을 가산하여 상기 등가강체 모델에 입력하고 또한 상기 모터제어장치의 속도신호에서 상기 등가강체 모델의 출력을 뺀 차신호(差信號)를 상기 비례연산수단과 상기 하이패스 필터에 입력하여 상기 하이패스 필터의 출력을 기계진동신호로 하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 기계진동 검출장치.
모터의 토오크를 제어하는 모터제어장치에 있어서,

등가강체 모델과,

비례연산수단과,

하이패스 필터와,

위상조정기와,

진폭조정기와,

상기 모터제어장치의 토오크신호와 상기 비례연산수단의 출력을 가산하여 상기 등가강체 모델에 입력하고 또한 상기 모터제어장치의 속도신호에서 상기 등가강체 모델의 출력을 뺀 차신호를 상기 비례연산수단과 상기 하이패스 필터에 입력하고, 상기 하이패스 필터의 출력을 상기 위상조정기에 입력하며 상기 위상조정기의 출력을 상기 진폭조정기에 입력하고, 상기 모터제어장치로의 토오크지령에 상기 진폭조정기의 출력을 더한 신호를 새로운 토오크지령으로 하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 제진제어장치.
모터의 각속도를 제어하는 모터제어장치에 있어서,

등가강체 모델과,

비례연산수단과,

하이패스 필터와,

위상조정기와,

진폭조정기와,

상기 모터제어장치의 토오크신호와 상기 비례연산수단의 출력을 가산하여 상기 등가강체 모델에 입력하고, 상기 모터제어장치의 속도신호에서 상기 등가강체 모델의 출력을 뺀 차신호를 상기 비례연산수단과 상기 하이패스 필터에 입력하고, 상기 하이패스 필터의 출력을 상기 위상조정기에 입력하며, 상기 위상조정기의 출력을 상기 진폭조정기에 입력하고, 상기 모터제어장치로의 속도지령에 상기 진폭조정기의 출력을 더한 신호를 새로운 속도지령으로 하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 제진제어장치.
토오크외란신호를 검출 또는 추정에 의해 구하는 수단과, 상기 토오크신호에 상기 토오크외란신호를 더한 신호를 새로운 토오크신호로 하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 3기재의 기계진동 검출장치 및 제진장치.
비례적분제어 등의 적분연산을 포함하는 연산에 의해 토오크지령을 결정하는 수단을 구비하고, 이 적분연산치의 프러스,마이너스를 반전한 것을 상기 토오크외란신호로 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 청구항 4기재의 기계진동 검출장치 및 제진장치.