KR20080002980A

KR20080002980A - 전동기 제어 장치

Info

Publication number: KR20080002980A
Application number: KR1020077026843A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 마루시타; 히데토시 이케다; 고키 마츠모토
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2008-01-04
Also published as: JP4879173B2; JPWO2006129612A1; TWI327260B; KR100923822B1; WO2006129612A1; DE112006001287T5; TW200710619A; DE112006001287B4; US20090058346A1; CN101180789A; US7868577B2; CN101180789B

Abstract

용이한 조정으로, 전동기 제어 장치의 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있도록, 속도 제어 회로(9a)는, 전동기(3)의 속도의 목표값인 속도 지령 신호 v_r과, 전동기(3)의 속도의 현재값인 속도 신호 v_m을 속도 보정 신호 v_c로 보정한 보정 속도 신호 v_mc를 입력으로 하여, 전동기(3)가 부하 기계(2)를 구동하는 토크 τ_m의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호 τ_r을 출력하고, 진동 억제 회로(11a)는, 부하 기계(2)의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호 a_l의 입력에 근거하여 속도 보정 신호 v_c를 출력하며, 진동 억제 회로(11a)의 전달 함수는, 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수가, 전동기(3)의 위치의 현재값을 나타내는 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수에, 소정의 이득의 비례 특성 및 적분 특성을 곱한 것으로 되도록 구성하였다.

Description

전동기 제어 장치{ELECTRIC MOTOR CONTROL DEVICE}

본 발명은 공작 기계에 있어서의 테이블이나 산업 로봇의 아암과 같은 부하 기계를 구동하는 전동기를 제어하는 전동기 제어 장치에 관한 것이다.

이러한 종류의 전동기 제어 장치로서는, 전동기의 속도 신호 또는 위치 신호를 기초로 생성되는 토크 지령 신호에 의해 전동기의 토크가 토크 지령 신호에 일치하도록 제어함으로써 토크 전달 기구를 거쳐서 전동기와 접합된 부하 기계를 구동하는 것이 알려져 있지만, 전동기와 부하 기계를 접합하는 토크 전달 기구의 낮은 강성에 의해, 외란 억제력 향상과 부하 기계의 진동을 동시에 실현하는 것이 곤란한 문제가 있었다.

그래서, 종래의 전통기 제어 장치는, 전동기의 속도 신호 및 위치 신호를 기초로 생성되는 토크 지령 신호로부터 부하 기계의 가속도 신호를 비례배한 신호를 감산하는 구성으로 하고, 부하 기계의 가속도 신호에 포함되는 부하 기계의 진동을 토크 지령 신호에 반영시킴으로써 부하 기계의 진동을 억제하도록 구성되어 있었다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).

또는, 부하 기계의 가속도 신호를 입력으로 하여, 위치 제어 회로가 출력하는 토크 지령 신호를 보정하는 진동 억제 회로를 부가하는 구성으로 하고, 전동기와 부하 기계와 위치 제어 회로와 진동 억제 회로를 상태 방정식의 모델로 표현하여, 위치 편차와 부하 기계의 가속도와 모터로 인가하는 조작 에너지를 고려한 항과 상태 방정식의 상태 변수를 포함한 평가 함수가 최소로 되도록 위치 제어 회로와 진동 억제 회로가 구비하는 이득을 결정함으로써, 부하 기계를 진동시키지 않고, 지령 추종성이 높아지도록 구성되어 있다(예컨대, 특허 문헌 2 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평성 제6-91482호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 평성 제5-303427호 공보

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

특허 문헌 1에 기재된 발명에서는, 속도 비례 이득 K_vp가 소정의 값으로 고정되어 있으면, 가속도 피드백 이득 K_a를 크게 함으로써 부하 기계의 진동을 억제하는 것이 가능하다. 그러나, 진동 억제에 적절한 K_a의 크기가 속도 비례 이득 K_vp에 따라서 상이하기 때문에, 외란 억제력을 향상시키기 위해서 속도 비례 이득 K_vp를 조정할 때마다 가속도 피드백 이득 K_a를 조정해 둘 필요가 있어, 조정 작업이 번잡해지는 문제가 있었다.

또한, 부하 기계의 진동을 억제하기 위해서는 가속도 피드백 이득 K_a를 크게 할 필요가 있지만, 부하 기계의 가속도 신호를 비례배한 신호를 속도 제어 회로가 출력하는 토크 지령 신호에 가산하는 구성으로 하고 있는 것에 의해, 진동 억제를 목적으로 한 가속도 피드백 이득 K_a의 효과와, 외란 억제를 목적으로 한 속도 적분 이득 K_vi 및 위치 비례 이득 K_p의 효과가 간섭을 일으켜서 진동적으로 되어, 충분한 진동 억제 효과와 외란 억제 효과를 동시에 얻을 수 없다고 하는 문제가 있었다.

또한, 특허 문헌 2에 기재된 발명에서는, 전동기와 부하 기계를 합친 기계 시스템에 관한 정확한 수식 모델이 필요하고, 그것을 위해서는 기계 시스템의 주파수 특성을 확인하는 등의 특별한 수단이 필요하게 되어, 장치 전체의 구성이 대규모로 되고 또한 복잡해진다고 하는 문제가 있었다.

또한, 위치 제어 회로와 진동 억제 회로의 이득을 결정하기 위해서는 평가 함수의 가중치를 설정할 필요가 있지만, 평가 함수의 가중치 이득과 얻어지는 결과와의 관계가 불명확하기 때문에, 만족스러운 결과를 얻기 위해서는 시행 착오적인 조정이 불가피하게 되어, 조정 작업이 번잡해지고, 또한, 위치 제어 회로와 진동 억제 회로의 이득을 결정하기 위해서는 리카티(Riccati) 방정식을 계산할 필요가 있기 때문에도 조정 작업이 번잡해지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 용이한 이득 조정에 의해, 외란 억제력의 향상과 부하 기계의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있는 전동기 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

위치 제어 수단은, 부하 기계를 구동하는 전동기의 위치의 목표값을 지정하는 위치 지령 신호, 및 전동기의 위치의 현재값을 나타내는 위치 신호를 입력으로 하여, 전동기의 속도의 목표값을 지정하는 속도 지령 신호를 출력하고, 속도 제어 수단은, 위치 제어 수단이 출력하는 속도 지령 신호, 및 전동기의 속도의 현재값을 나타내는 속도 신호에 그 속도 신호를 보정하는 속도 보정 신호를 가산한 보정 속도 신호를 입력으로 하여, 전동기가 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호를 출력하도록 전동기 제어 장치를 구성하고, 또한, 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호를 입력으로 하여 속도 보정 신호를 출력하는 진동 억제 수단은, 가속도 신호로부터 토크 지령 신호까지의 전달 함수가, 위치 신호로부터 토크 지령 신호까지의 전달 함수에, 소정의 이득의 비례 특성 및 적분 특성을 곱한 것으로 되도록 정해진 전달 함수를 가지도록 구성된 것이다.

발명의 효과

전동기 및 부하 기계로 이루어지는 기계 시스템에 관한 정보를 얻기 위한 계산이나 주파수 특성의 확인을 하는 등의 특별한 수단은 불필요하고, 전동기 및 부하 기계의 속도 제어에 있어서의 외란 억제를 위한 속도 비례 이득 및 속도 적분 이득의 조정과는 독립적으로, 부하 기계의 가속도 신호의 피드백 이득을 고정값으로 설정하면 부하 기계의 진동 억제를 실현할 수 있기 때문에, 용이한 이득 조정에 의해 전동기 및 부하 기계의 속도 제어에 있어서의 외란 억제력의 향상과, 부하 기계의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 실시예 1의 전동기 제어 장치를 나타내는 블럭도이다. 제어 대상(1)은 부하 기계(2)를 구동하는 전동기(3)를 포함하는 기계 시스템(4)과, 전동기(3)가 부하 기계(2)를 구동하는 토크 τ_m을 토크 지령 신호 τ_r에 일치하도록 제어하는 토크 제어 회로(5)로 이루어진다. 또한, 기계 시스템(4)은 부하 기계(2) 및 전동기(3) 외에, 전동기(3)의 위치의 현재값인 위치 신호 x_m을 검출하는 위치 검출 회로(6)와, 부하 기계(2)의 가속도의 현재값인 가속도 신호 a_l를 검출하는 가속도 검출 회로(7)로 이루어진다.

위치 제어 회로(8a)는 전동기(3)의 위치의 목표값인 위치 지령 신호 x_r와, 위치 신호 x_m을 입력으로 하여, 전동기(3)의 속도의 목표값인 속도 지령 신호 v_r를 출력한다.

속도 제어 회로(9a)는, 위치 제어 회로(8a)가 출력하는 속도 지령 신호 v_r 와, 속도 연산 회로(10)가 위치 신호 x_m으로부터 연산하여 출력하는 속도 신호 v_m에, 그 속도 신호 v_m을 보정하는 속도 보정 신호 v_c를 가산한 보정 속도 신호 v_mc를 입력으로 하여, 전동기(3)가 부하 기계(2)를 구동하는 토크 τ_m의 목표값인 토크 지령 신호 τ_r를 출력한다.

속도 보정 신호 v_c는 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l를 입력으로 하는 진동 억제 회로(11a)가 출력하지만, 이 진동 억제 회로(11a)의 전달 함수는, 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수가, 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수에, 소정의 이득의 비례 특성 및 적분 특성을 곱한 것으로 되도록 정해진다.

이 실시예 1의 원리를, 도 1의 구성과 비교해서 간단하게 되는, 위치 제어 회로(8b)에 위치 신호 x_m의 피드백을 입력하지 않는 도 2의 구성을 이용하여 설명한다. 도 2에서, 제어 대상(1)은 도 1과 동일하다.

위치 제어 회로(8b)는 위치 지령 신호 x_r를 입력으로 하여 속도 지령 신호 v_r를 출력한다.

속도 제어 회로(9b)는, 위치 제어 회로(8b)가 출력하는 속도 지령 신호 v_r와, 속도 연산 회로(10)가 위치 신호 x_m으로부터 연산하여 출력하는 속도 신호 v_m 에, 그 속도 신호 v_m을 보정하는 속도 보정 신호 v_c를 가산한 보정 속도 신호 v_mc를 입력으로 하여, 토크 지령 신호 τ_r를 출력한다.

그리고, 속도 보정 신호 v_c는, 진동 억제 회로(11b)에 있어서, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l을 비례배하여 생성된다.

또한, 도 2의 구성에서는, 위치 제어 회로(8b)는 반드시 전동기 제어 장치의 구성요소이라고는 한정되지 않고, 속도 지령 신호 v_r이 전동기 제어 장치의 외부로부터의 입력인 구성도 생각된다.

다음에, 이 실시예 1의 원리를 설명한다.

기계 시스템(4)이 기계 공진 특성을 갖고, 토크 지령 신호 τ_r로부터 전동기(3)의 속도 신호 v_m까지의 전달 함수가 기계 공진 특성을 하나만 갖는 2관성 시스템이라고 한다. 이때, 전동기(3)의 토크 τ_m으로부터 전동기(3)의 속도 신호 v_m까지의 전달 함수를 G_v(s), 전동기(3)의 토크 τ_m으로부터 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l까지의 전달 함수를 G_a(s)로 하면, G_v(s) 및 G_a(s)은 각각 이하와 같이 표현된다.

여기서, ω_z는 반공진 주파수, ω_p는 공진 주파수, J는 기계 시스템(4)의 총관성이며, 전동기(3)의 관성을 J_m, 부하 기계(2)의 관성을 J_l로 하면, 총관성 J는 J_m과 J_l과의 합으로서 표시된다. G_v(s)는 허수축 상에 1쌍의 복소 영점을 갖고, 이 복소 영점을 z'라고 하면, z'는 다음식으로 주어진다.

또한, 속도 제어 회로(9b)는 보정 속도 신호 v_mc로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 특성이 다음식으로 나타내는 PI 제어의 전달 특성으로 되도록 구성하는 것으로 한다.

여기서, k_v는 속도 비례 이득이며, ω_vi는 속도 적분 이득이다.

먼저, 진동 억제 회로(11b)에서 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l를 비례배하는 이득을 α로 하고, 이 이득 α를 0, 즉 전동기(3)의 속도 신호 v_m에 속도 보정 신호 v_c를 가산하지 않는 전동기 제어 장치를 생각한다. 토크 제어 회로(5)의 전달 특성을 이상적으로 1로 하고, 제어 대상(1)의 입력단에서 루프를 시작했을 때의 개루프 전달 함수를 L_v'(s)라고 하면, L_v'(s)은 제어 대상(1)의 입력단으로부터 전동기(3)의 위치 신호 x_m을 검출하는 위치 검출 회로(6), 속도 연산 회로(10) 및 속도 제어 회로(9b)를 경유하여 제어 대상(1)의 입력단으로 되돌아가는 루프의 전달 함 수가 되어, 다음식과 같이 표현된다.

(5)식으로부터, L_v'(s)가 갖는 영점은 실수 영점 -ω_vi와 허수축 상에 있는 1쌍의 복소 영점 ±jω_z로 되고, 속도 제어 회로(9b)가 인가하는 실수 영점 -ω_vi와 G_v(s)의 복소 영점 z'가 그대로 나타난다.

한편, α>0으로 했을 때를 생각하면, 제어 대상(1)의 입력단에서 루프를 열였을을 때의 개루프 전달 함수를 L_v(s)라고 하면, L_v(s)은 제어 대상(1)의 입력단으로부터 전동기(3), 위치 검출 회로(6), 속도 연산 회로(10) 및 속도 제어 회로(9b)를 경유해서 제어 대상(1)의 입력단으로 되돌아가는 루프의 전달 함수와, 제어 대상(1)의 입력단으로부터 부하 기계(2), 가속도 검출 회로(7), 진동 억제 회로(11b) 및 속도 제어 회로(9b)를 경유해서 제어 대상(1)의 입력단으로 되돌아가는 루프의 전달 함수와의 합으로 되어, 다음식과 같이 표현된다.

(6)식으로부터, L_v(s)는 실수 영점 -ω_vi와 이득 α에 의해서 변화되는 1쌍의 복소 영점을 갖는다. L_v(s)의 복소 영점을 z라고 하면, z는 다음식으로 주어진다.

또한, L_v(s)의 복소 영점 z의 감쇠 계수를 ζ_z로 하고, 복소 평면에 있어서 복소 영점 z가 실축과 이루는 각도를 ψ라고 하면, 복소 영점 z의 감쇠 계수 ζ_z는 다음식으로 주어진다.

일반적으로, 외란 억제 효과를 향상시키기 위해서는 개루프 전달 함수의 이득을 크게 할 필요가 있지만, 개루프 전달 함수의 이득을 충분히 크게 하면, 루프를 개방하지 않는 폐루프 전달 함수의 극(이하, 폐루프 극이라고 함)이 개루프 전달 함수의 영점으로 근접한 것이 알려져 있다. 따라서, 개루프 전달 함수의 이득을 크게 하면, 폐루프 극의 감쇠 계수는 (8)식의 개루프 전달 함수의 영점(이하, 개루프 영점이라고 함)의 감쇠 계수에 가깝다.

이 폐루프 극의 감쇠 계수는 폐루프 응답의 진동이 감쇠하는 비율을 나타내는 대표적인 지표로서, 폐루프 극의 감쇠 계수가 작아질수록 폐루프 응답의 진동은 크게 되고, 폐루프 극의 감쇠 계수가 커질수록 폐루프 응답의 진동은 빠르게 감쇠하게 된다.

이 실시예 1에 의하면, (8)식으로 나타낸 개루프 복소 영점의 감쇠 계수 ζ_z를 적절히 큰 값으로 설정해 놓으면, 외란 억제 효과를 향상시키기 위해서 개루프 전달 함수의 이득을 크게 하더라도, 폐루프 복소극의 감쇠 계수를 크게 하여 진동을 억제할 수 있다. 즉, 외란 억제와 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

상기 성질에 대해서 도 3 및 도 4를 이용하여 상세히 설명한다.

도 3은 속도 비례 이득 k_v를 변화시켰을 때의 폐루프 복소극의 근궤적을 나타내는 개략도이다. 여기서는, 설명을 쉽게 하기 위해서 ω_vi=0으로 하고, 또한, 복소 영점 z의 감쇠 계수가 ζ_z=0.5로 되도록 α=1/ω_z로 하고 있다.

도 3에서, α=0으로 했을 때의 폐루프 복소극의 근궤적을 점선으로 나타내고, α>0으로 했을 때의 폐루프 복소극의 근궤적을 실선으로 나타내며, 또한, 개루프 영점을 ○표로, 개루프 극을 ×표로 나타내고, 각 근궤적의 화살표는 속도 비례 이득 k_v를 크게 했을 때에 폐루프 극이 이동하는 방향을 표시하고 있다.

또한, 실수축 상의 폐루프 극은, 속도 이득이 0일 때 원점에 있고, 속도 비례 이득 k_v의 증대에 따라 -∞에 있는 개루프 영점에 수속한다. 이 궤적은 α=0과 α=1/ω_z 노이즈인 경우에 있어서도 동일한 궤적으로 된다(도시하지 않음).

그리고, 도 4는 속도 비례 이득 k_v를 크게 했을 때의 폐루프 복소극의 감쇠 계수의 변화를 나타내는 도면으로서, 가로축은 총관성 J로 정규화한 속도 비례 이득 k_v이며, 세로축은 폐루프 복소극의 감쇠 계수이다.

이득 α가 0일 때, 외란 억제력을 향상시키기 위해서 속도 비례 이득 k_v를 0으로부터 크게 하면, 폐루프 복소극은 허수축으로부터 멀어지는 방향으로 이동하여, 폐루프 복소극의 감쇠 계수는 소정의 k_v의 값에 있어서 최대로 된다.

속도 비례 이득 k_v를, 감쇠 계수가 최대로 되는 값으로부터 더욱 증대시키 면, 폐루프 복소극은 L_v'(s)가 허수축 상에 가지는 복소 영점 z'에 가깝고, 폐루프 복소극의 감쇠 계수는 0에 근접한다. 그에 따라 부하 기계(2)의 진동이 커지지만, 이 복소 영점 z'의 위치는 속도 비례 이득 k_v 및 속도 적분 이득 ω_vi를 조정하더라도 변경할 수 없기 때문에, 감쇠 계수를 크게 하여 부하 기계(2)의 진동을 억제하기 위해서는 속도 비례 이득 k_v를 작게 해야만 한다.

이상으로부터, 이득 α가 0인, 즉 전동기(3)의 속도 v_m에 속도 보정 신호 v_c를 가산하지 않는 경우에는 외란 억제력의 향상과 진동 억제를 동시에 실현하는 것은 불가능하다.

이에 반하여, 이득 α를 정으로 크게 하면 G_v(s)의 복소 영점 z'의 감쇠 계수를 크게 할 수 있다. 즉, L_v(s)의 복소 영점 z를 허수축에 있는 z'로부터 떨어진 위치로 이동시켜, L_v(s)의 복소 영점 z의 감쇠 계수 ζ_z를 크게 할 수 있다.

이때 외란 억제력을 향상시키기 위해서 속도 비례 이득 k_v를 증대시키면, 폐루프 복소극이 허수축으로부터 멀어지는 방향으로 이동하여, 폐루프 복소극의 감쇠 계수는 증대한다. 또한, k_v를 증대시키면, α=0일 때와 마찬가지로, 폐루프 복소극의 감쇠 계수가 감소하지만, 전술한 바와 같이 L_v(s)의 복소 영점 z의 감쇠 계수 ζ_z를 적절한 크기로 할 수 있기 때문에, 폐루프 복소극이 L_v(s)의 복소 영점 z에 가깝더라도, 폐루프 극의 감쇠 계수가 0이 될 일은 없어, 부하 기계(2)를 진동하지 않도록 조정할 수 있다.

즉, 외란 억제력의 향상과 부하 기계의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

도 1의 구성에 있어서도, 도 2의 구성에 대해서와 마찬가지로 진동 억제 회로(11a)를 구성할 수 있지만, 그 내용은 이하와 같다.

도 1에서, 위치 제어 회로(8a)는 위치 비례 이득 k_p의 전달 특성을, 속도 제어 회로(9a)는 도 2와 마찬가지로 (4)식으로 표현되는 PI 제어의 전달 특성을 가지도록 구성하기로 한다. 이때, 위치 검출 회로(6)로부터의 피드백 루프에 착안하면, 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 특성은 다음식으로 표현된다.

가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 특성이, 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 특성에, 이득 α의 비례 적분 특성을 곱한 것으로 되도록 구성하면, 도 2의 구성과 마찬가지로 개루프 복소 영점의 감쇠를 조정할 수 있기 때문에, 다음식으로 표현되는 바와 같은 전달 특성을 가지면 좋다.

한편, 속도 보정 신호 v_c로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 특성은 다음식으로 표현된다.

따라서, 진동 억제 회로(11a)를, 다음식으로 표현되는 바와 같은 비례 이득이 α이고 적분 이득이 k_p의 PI 제어의 전달 함수 C_a(s)를 가지도록 구성하면 된다.

다음에, 이 실시예 1에 있어서의 진동 억제 회로(11a) 및 진동 억제 회로(11b) 및 속도 제어 회로(9a) 및 속도 제어 회로(9b)의 조정에 대해서 설명한다.

이득 α를 정으로 크게 함으로써 감쇠 계수 ζ_z를 크게 할 수 있어, 감쇠 계수 ζ_z가 0.5 정도이면, 속도 비례 이득 k_v를 크게 했을 때에 충분한 진동 억제 효과를 얻을 수 있다. 또한, 감쇠 계수 ζ_z를 더 크게 하여 1 이상으로 하더라도 특별히 좋은 효과가 얻어지지 않는 한편, 수속이 시간이 늦어지는, 확고한 안정성이 나빠진다고 한 악영향이 증대한다. 따라서, 이득 α는 감쇠 계수가 ζ_z=0.5 정도로 되도록 조정하면 된다.

또한, 감쇠 계수 ζ_z는 속도 비례 이득 k_v 및 속도 적분 이득 ω_vi에는 의존하지 않는다. 따라서, 속도 비례 이득 k_v 및 속도 적분 이득 ω_vi의 조정과는 독립으로, 부하 기계(2)의 진동을 억제 가능한 범위에서 이득 α를 소정의 값으로 고정시켜 두면 된다. 예를 들면, ζ_z=0.5 정도로 되도록, α=1/ω_z 정도로 하면 부하 기계(2)의 진동을 충분히 억제할 수 있다.

또한, 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z를 사전에 알 수 있으면, 상기한 바와 같이 감쇠 계수 ζ_z가 최적의 값에 일치하도록 이득 α를 설정하는 것이 가능하지만, 반공진 주파수 ω_z가 불명확한 경우에도, 이득 α를 정으로 크게 하는 것만으로, 감쇠 계수 ζ_z를 크게 하여 진동 억제 효과를 얻을 수 있다.

따라서, 반공진 주파수 ω_z 등 기계 시스템(4)에 관한 정보를 획득하기 위해서 계산이나 주파수 특성을 확인하는 등의 특별한 수단은 불필요하며, α를 0으로부터 서서히 크게 하는 것만의 용이한 조정에 의해 부하 기계(2)의 진동을 억제할 수 있다.

또한, 감쇠 계수 ζ_z가 속도 비례 이득 k_v에 의존하지 않기 때문에, 이득 α와 속도 비례 이득 k_v와는 독립적으로 조정할 수 있어, 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 독립적으로 조정할 수 있다.

또한, 감쇠 계수 ζ_z는 속도 적분 이득 ω_vi에도 의존하지 않기 때문에, 이득 α와 속도 적분 이득 ω_vi도 독립적으로 조정할 수 있다. (6)식으로부터, 속도 적분 이득 ω_vi를 변화시키더라도 L_v(s)의 실수 영점 -ω_vi가 실수축 상을 이동할 뿐으로, 이득 α에 의해서 변화되는 복소 영점의 감쇠 계수 ζ_z에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.

실수 영점의 감쇠 계수는 1이기 때문에, 실수 영점 -ω_vi에 수속하는 폐루프 극의 영향으로 부하 기계(2)가 진동할 일은 없다. 이러한 종류의 전동기 제어 장 치에 있어서, 속도 적분 이득 ω_vi를 속도 비례 이득 k_v에 대하여 연동시켜, 속도 비례 이득 k_v의 증대에 따라 ω_vi도 커지도록 설정되는 경우가 많지만, 그러한 경우에 있어서도, 속도 비례 이득 k_v 및 속도 적분 이득 ω_vi에 관한 설정을 변경할 필요는 없고, 전동기(3)의 속도 신호 v_m에 속도 보정 신호 v_c를 가산하는, 이 실시예 1의 구성으로서, 상기한 바와 같이 이득 α를 조정하는 것만의 용이한 조정에 의해 외란 억제력의 향상과 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

또한, 위치 비례 이득 k_p에 대해서는 속도 비례 이득 k_v와 마찬가지로 취급할 수 있다.

또한, 이 실시예 1에서는, 진동 억제 회로(11a)에 있어서, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l를 비례배하여 속도 보정 신호 v_c를 생성하는 구성을 기재했지만, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l로부터 소정의 주파수 성분을 제거한 신호를 비례배하도록 구성해도 좋다.

예컨대, 진동 억제 회로(11a) 또는 진동 억제 회로(11b)에 소정의 주파수 이상의 성분을 제거하는 로우패스 필터를 추가함으로써, 기계 시스템(4)의 안정성에 악영향을 미칠 가능성이 있는, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l에 포함되는 고주파 노이즈를 제거할 수 있다. 로우패스 필터의 컷오프 주파수는 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 5배보다 크면 좋다.

또한, 진동 억제 회로(11a) 또는 진동 억제 회로(11b)에 소정의 주파수 이하의 성분을 제거하는 하이패스 필터를 추가함으로써, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l에 포함되는 오프셋에 기인한 정상 오차를 제거할 수 있다. 또한, 하이패스 필터의 컷오프 주파수는 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 1/10보다 작으면 좋다.

이 실시예 1은 이상과 같이 구성함으로써, 기계 시스템(4)에 관한 정보를 얻기 위한 계산이나 주파수 특성을 확인하는 등의 특별한 수단은 불필요하고, 위치 비례 이득 k_p, 속도 비례 이득 k_v 및 속도 적분 이득 ω_vi의 조정과는 독립적으로, 감쇠 계수 ζ_z가 1 이하의 적절한 값으로 되도록 이득 α를 고정값으로 설정하는 것만의 용이한 조정으로, 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

또한, 도 2의 구성과 같이, 위치 제어 회로(8b)에 위치 신호 x_m의 피드백 입력이 없을 때에는, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l를 비례배한 속도 보정 신호 v_c를 전동기(3)의 속도 신호 v_m에 가산한다고 하는 보다 간단한 구성으로 동등한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 속도 제어 회로(9a) 및 속도 제어 회로(9b)가 PI 제어의 전달 특성을 가지는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 다른 전달 특성을 가지는 경우에도, 예컨대 IP 제어의 전달 특성이면, 진동 억제 회로는 PID 제어에 ω_vi로 결정되는 필터를 추가한 구성으로 하면 좋다고 한 바와 같이, 마찬가지의 방법으로 진동 억제 회 로(11a) 또는 진동 억제 회로(11b)를 구성할 수 있다.

(실시예 2)

도 5는 본 발명의 실시예 2의 전동기 제어 장치를 나타낸 블럭도이다.

제어 대상(1)은 실시예 1과 동일한 것이다.

위치 제어 회로(8c)는 위치 지령 신호 x_r과, 위치 신호 x_m에 그 위치 신호 x_m을 보정하는 위치 보정 신호 x_c를 가산한 보정 위치 신호 x_mc를 입력으로 하여, 속도 지령 신호 v_r을 출력한다.

속도 제어 회로(9c)는, 위치 제어 회로(8c)가 출력하는 속도 지령 신호 v_r과, 10이 위치 신호 x_m으로부터 연산하여 출력하는 속도 신호 v_m을 입력으로 하여, 토크 지령 신호 τ_r을 출력한다.

위치 보정 신호 v_c는, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l를 입력으로 하는 진동 억제 회로(11c)가 출력하지만, 이 진동 억제 회로(11c)의 전달 함수는, 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수가, 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수에, 소정의 이득의 비례 특성 및 적분 특성을 곱한 것으로 되도록 정해진다.

이 실시예 2의 원리를, 도 5의 구성과 비교해서 간단하게 되는, 속도 제어 회로(9c)에 속도 신호 v_m의 피드백을 입력하지 않는 도 6의 구성을 이용하여 설명한다. 도 6에서, 제어 대상(1)은 도 5와 동일한 것이다.

이 도 6의 구성에서는, 위치 제어 회로(8d)가 속도 제어 회로를 거치지 않고서 직접 토크 지령 신호 τ_r을 출력하도록 구성되어, 위치 지령 신호 x_r과 보정 위치 신호 x_mc를 입력으로 하여, 토크 지령 신호 τ_r을 출력한다. 또한, 위치 보정 신호 x_c는 진동 억제 회로(11d)가 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l을 비례배한 신호를 적분해서 생성한다.

다음에, 이 실시예 2의 원리에 대해서 설명한다. 실시예 1과 마찬가지로, 기계 시스템(4)은 기계 공진 특성을 갖고, 토크 지령 신호 τ_r로부터 전동기(3)의 위치 신호 x_m까지의 전달 함수가 기계 공진 특성을 하나만 갖는 2관성 시스템인 것으로 한다. 이때, 전동기(3)의 토크 τ_m으로부터 전동기(3)의 위치 신호 v_m까지의 전달 함수를 G_p(s)로 하면, G_p(s)는 다음식과 같이 표현된다.

또한, 진동 억제 회로(11d)는 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l을 비례 적분하는 것으로 하여, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l로부터 위치 보정 신호 x_c까지의 전달 특성이 다음식으로 주어지는 것으로 한다.

여기서, α는 진동 억제 회로(11d)의 적분 이득이다.

또한, 위치 제어 회로(8d)에서의 전동기(3)의 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 특성이 다음식으로 나타내는 C_p(s)로 표현되는 PID 제어 장치인 것으로 한다.

여기서, K는 위치 미분 이득, K_p는 위치 비례 이득, K_i는 위치 적분 이득이다.

토크 제어 회로(5)의 전달 특성을 이상적으로 1로 하고, 제어 대상(1)의 입력단에서 루프를 열었을 때의 개루프 전달 함수를 L_p(s)로 하면, L_p(s)는 제어 대상(1)의 입력단으로부터 전동기(3), 위치 검출 회로(6) 및 위치 제어 회로(8d)를 경유해서 제어 대상(1)의 입력단으로 되돌아가는 루프의 전달 함수와, 제어 대상(1)의 입력단으로부터 부하 기계(2), 가속도 검출 회로(7), 진동 억제 회로(11d) 및 위치 제어 회로(8d)를 경유해서 제어 대상(1)의 입력단으로 되돌아가는 루프의 전달 함수와의 합으로 되어, 다음식과 같이 표현된다.

L_p(s)는, 위치 제어 회로(8d)에 의해서 인가되는 영점과, 진동 억제 회 로(11d)의 적분 이득 α에 의해서 변화되는 복소 영점을 갖는다. 적분 이득 α에 의해서 변화되는 복소 영점은 (7)식으로 나타내는 복소 영점 z와 동일하기 때문에, K, K_p 및 K_i의 조정과는 독립적으로, α를 정으로 크게 함으로써 감쇠 계수를 크게 할 수 있다.

또한, 위치 제어 회로(8d)에 의해서 주어지는 영점은, 위치 비례 이득 K_p 및 위치 적분 이득 K_i의 값에 따라서는 복소 영점으로 되는 경우도 있지만, 위치 비례 이득 K_p 및 위치 적분 이득 K_i를 조정함으로써 복소 영점의 감쇠 계수를 크게 할 수 있기 때문에, 위치 미분 이득 K를 크게 하더라도, 이 복소 영점에 수속하는 폐루프 극이 부하 기계(2)를 진동시킬 일은 없다. 따라서, 실시예 1과 마찬가지로 용이한 조정으로 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 사고 방식에 의해, 도 5의 구성에 있어서도, 도 6의 구성에 대해서와 마찬가지로 진동 억제 회로(11c)를 구성할 수 있다. 도 5에서, 위치 제어 회로(8c)가 이득 k_p의 P 제어의 전달 특성을, 속도 제어 회로(9c)가 PI 제어의 전달 특성을 가지는 경우, 다음식으로 표시되는 바와 같은 비례 이득이 α/k_p이고 적분 이득이 k_p의 PI 제어의 전달 특성을 가지도록 진동 억제 회로(11c)를 구성하면 좋다.

또한, 위치 제어 회로(9c)가 PI 제어가 아니라, IP 제어와 같은 다른 전달 특성을 가질 때에도, 마찬가지로 진동 억제 회로(11c)를 구성할 수 있다.

이 실시예 2에서는, 진동 억제 회로(11c)는 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l을 비례배 적분하여 위치 보정 신호 x_c를 생성하도록 구성했지만, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l로부터 소정의 주파수 성분을 제거한 신호를 비례배하도록 구성해도 좋다.

예컨대, 진동 억제 회로(11c) 또는 진동 억제 회로(11d)에 존재하는 소정의 주파수 이상의 성분을 제거하는 로우패스 필터를 추가함으로써, 기계 시스템(4)의 안정성에 악영향을 미칠 가능성이 있는, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l에 포함되는 고주파 노이즈를 제거할 수 있다. 로우패스 필터의 응답 주파수는 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 약 5배보다 크면 된다.

또한, 진동 억제 회로(11c) 또는 진동 억제 회로(11d)에서의 적분을, 적분에 하이패스 필터를 합친 특성을 갖는 유사 적분으로 해도 좋다. 이 하이패스 필터를 2차 이상의 특성으로 함으로써, 부하 기계(2)의 가속도 신호에 포함되는 오프셋에 기인한 정상 오차를 제거할 수 있다. 이 하이패스 필터의 차수는, 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 특성에 포함되는 적분 요소의 차수의 합계에 따라 결정하면 좋다. 또한, 하이패스 필터의 컷오프 주파수는 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 약 1/10보다 작으면 좋다.

이 실시예 2는 상기한 바와 같이 구성하고 있기 때문에, 진동 억제 회로(11c) 또는 진동 억제 회로(11d)의 적분 이득 α를 크게 함으로써, L_p(s)의 복소 영점의 위치를 허수축 상에 있는 G_p(s)의 복소 영점의 위치와는 상이한 위치로 하여, 감쇠 계수를 크게 할 수 있다. 따라서, 실시예 1과 마찬가지로 용이한 조정으로 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

또한, 도 6의 구성과 같이, 속도 제어 회로로의 속도 신호 v_m의 피드백 입력이 없을 때에는, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l를 비례 적분배한 위치 보정 신호 x_c를, 전동기(3)의 위치 신호 x_m에 가산한다고 하는 보다 간단한 구성으로 동등한 효과를 얻을 수 있다.

(실시예 3)

도 7은 본 발명의 실시예 3의 전동기 제어 장치를 나타낸 블럭도이다. 제어 대상(1)은 실시예 1과 동일하다.

위치 제어 회로(8e)는 위치 지령 신호 x_r과, 전동기(3)의 위치 신호 x_m에, 그 위치 신호 x_m을 보정하는 위치 보정 신호 x_c를 가산한 보정 위치 신호 x_mc를 입력으로 하여, 속도 지령 신호 v_r을 출력한다.

속도 제어 회로(9e)는, 위치 제어 회로(8e)가 출력하는 속도 지령 신호 v_r 과, 속도 연산 회로(10)가 위치 신호 x_m으로부터 연산하여 출력하는 속도 신호 v_m에, 그 속도 신호 v_m을 보정하는 속도 보정 신호 v_c를 가산한 보정 속도 신호 v_mc를 입력으로 하여, 토크 지령 신호 τ_r을 출력한다.

위치 보정 신호 x_c 및 속도 보정 신호 v_c는 진동 억제 회로(11e)가 출력하지만, 이 진동 억제 회로(11e)는 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l을 비례배하여 속도 보정 신호 v_c를 생성하는 이득 회로(12)와, 그 속도 보정 신호 v_c를 적분하여 위치 보정 신호 x_c를 생성하는 적분 회로(13)로 이루어진다.

다음에, 이 실시예 3의 원리에 대해서 설명한다. 기계 시스템(4)은 실시예 1과 동일하게 2관성 시스템이라고 한다. 또한, 진동 억제 회로(11e)의 내부에 있는 이득 회로(12)의 이득을 α로 하고, 위치 제어 회로(8e)에 있어서의 전동기(3)의 위치 신호 x_m으로부터 속도 지령 신호 v_r까지의 전달 특성이, 다음식으로 나타내는 비례 제어의 전달 특성으로 표시되는 것으로 한다.

여기서, k_p는 위치 비례 이득이다. 또한, 속도 제어 회로(9e)는 속도 지령 신호 v_r과 전동기(3)의 속도 신호 v_m과의 편차를, 다음식으로 나타내는 PI 연산하는 것으로 한다.

여기서, k_v는 속도 비례 이득이며, ω_vi는 속도곱 이득이다.

토크 제어 회로(5)의 전달 특성을 이상적으로 1로 한 경우의, 제어 대상(1)의 입력단에서 루프를 열었을 때의 개루프 전달 함수를 L_p(s)라고 하면, L_p(s)는 제어 대상(1)의 입력단으로부터 위치 검출 회로(6), 위치 제어 회로(8e) 및 속도 제어 회로(9e)를 경유해서 제어 대상(1)의 입력단으로 되돌아가는 루프의 전달 함수와, 제어 대상(1)의 입력단으로부터 위치 검출 회로(6), 속도 연산 회로(10) 및 속도 제어 회로(9e)를 경유해서 제어 대상(1)의 입력단으로 되돌아가는 루프의 전달 함수와, 제어 대상(1)의 입력단으로부터 가속도 검출 회로(7), 이득 회로(12), 적분 회로(13), 위치 제어 회로(8e) 및 속도 제어 회로(9e)를 경유해서 제어 대상(1)의 입력단으로 되돌아가는 루프의 전달 함수와, 제어 대상(1)의 입력단으로부터 가속도 검출 회로(7), 이득 회로(12) 및 속도 제어 회로(9e)를 경유해서 제어 대상(1)의 입력단으로 되돌아가는 루프의 전달 함수와의 합으로 되어, 다음식과 같이 표현된다.

L_p(s)는 실수 영점 -k_p 및 -ω_vi 및 진동 억제 회로(11e)의 적분 이득 α에 의해서 변화되는 복소 영점을 갖는다.

2개의 실수 영점의 감쇠 계수는 항상 1이기 때문에, 속도 비례 이득 k_v를 크게 했을 때, 이 실수 영점에 수속하는 폐루프 극이 부하 기계를 진동시킬 일은 없 다.

또한, 적분 이득 α에 의해서 변화되는 복소 영점은 (7)식으로 나타내는 복소 영점 z와 동일하고, 속도 비례 이득 k_v, 속도 적분 이득 ω_vi 및 위치 비례 이득 k_p의 조정에 관계없이, 적분 이득 α를 정으로 크게 함으로써 L_p(s)의 복소 영점 z의 위치를, 허수축 상에 있는 G_p(s)의 복소 영점 z'와는 상이한 위치로 함으로써, 감쇠 계수를 크게 할 수 있다.

따라서, 실시예 1과 마찬가지로 용이한 조정에 의해 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

또한, 속도 제어 회로(9e)가 PI 제어가 아니라 IP 제어와 같은 다른 전달 특성을 가질 때에도, 마찬가지로 진동 억제 회로(11e)를 구성할 수 있다.

또한, 이 실시예 3에서는, 속도 연산 회로(10)에 있어서, 위치 검출 회로(6)에 의해 검출되는 위치 신호 x_m으로부터, 전동기(3)의 속도 신호 v_m을 연산하는 구성으로 했지만, 전동기(3)의 속도의 검출값을 이용해도 좋다.

또한, 진동 억제 회로(11e)는 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l을 비례배하여 속도 보정 신호 v_c를 생성하고, 속도 보정 신호 v_c를 적분하여 위치 보정 신호 x_c를 생성하는 구성으로 했지만, 가속도 신호 a_l 대신에, 가속도 신호 a_l로부터 소정의 주파수 성분을 제거한 신호를 이용해도 좋다.

예컨대, 진동 억제 회로(11d)에 소정의 주파수 이상의 성분을 제거하는 로우 패스 필터를 추가함으로써, 기계 시스템(4)의 안정성에 악영향을 미칠 가능성이 있는, 가속도 신호 a_l에 포함되는 고주파 노이즈를 제거할 수 있다. 로우패스 필터의 응답 주파수는 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 5배보다 크면 좋다.

또한, 진동 억제 회로(11e)에 있어서의, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l로부터 속도 보정 신호 v_c까지의 전달 특성에, 소정의 주파수 이하의 성분을 제거하는 하이패스 필터를 추가하고, 또한 가속도 신호 a_l로부터 위치 보정 신호 x_c까지의 전달 특성에 포함되는 적분 대신에, 적분에 2차 이상의 특성으로 되는 하이패스 필터를 합친 특성을 갖는 유사 적분을 이용해도 좋다. 이 유사 적분에 포함되는 하이패스 필터의 차수는, 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 특성에 포함되는 적분 요소의 차수의 합계에 따라 결정하면 좋다. 진동 억제 회로(11e)를 상기 구성으로 함으로써, 가속도 신호 a_l에 포함되는 오프셋에 기인한 정상 오차를 제거할 수 있다.

가속도 신호 a_l로부터 속도 보정 신호 v_c까지의 전달 특성에 추가되는 하이패스 필터와, 가속도 신호 a_l로부터 위치 보정 신호 x_c까지의 전달 특성에 포함되는 적분 대신에 이용하는 유사 적분에 포함되는 하이패스 필터의 컷오프 주파수는, 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 1/10보다 작으면 좋다.

실시예 3은 상기한 바와 같이 구성하고 있기 때문에, 진동 억제 회로(11e)의 내부에 있는 이득 회로(12)의 이득 α를 크게 함으로써, L_p(s)의 복소 영점의 위치를 허수축 상에 있는 G_p(s)의 복소 영점과는 상이한 위치로 하여, 감쇠 계수를 크게 할 수 있다. 따라서, 실시예 1과 마찬가지로, 용이한 조정에 의해 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

(실시예 4)

도 8은 본 발명의 실시예 4의 전동기 제어 장치를 나타낸 도면이다.

제어 대상(1)은 실시예 1과 동일한 것이다.

한편, 실시예 1 내지 3에서는, 진동 억제 회로(11a~11e)는 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l을 입력으로 하여, 위치 신호 x_m을 보정하는 위치 보정 신호 x_c 또는 속도 신호 v_m을 보정하는 속도 보정 신호 v_c를 출력하도록 구성했지만, 이 실시예 4에서는, 진동 억제 회로(11f)는 동일하게 가속도 신호 a_l을 입력으로 하여, 속도 제어 회로(9f)가 출력하는 토크 지령 신호 τ_v를 보정하는 토크 보정 신호 τ_c를 출력하도록 구성한다.

위치 제어 회로(8f)는 위치 지령 신호 x_r을 입력으로 하여, 속도 지령 신호 v_r을 출력한다.

속도 제어 회로(9f)는, 위치 제어 회로(8f)가 출력하는 속도 지령 신호 v_r 과, 속도 연산 회로(10)가 전동기(3)의 위치 신호 x_m으로부터 연산하여 출력하는 속도 신호 v_m을 입력으로 하여, 토크 지령 신호 τ_r을 출력한다.

진동 억제 회로(11f)는, 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수가, 속도 신호 v_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수 전체에 이득을 곱한 것으로 되도록 구성한다. 그리고, 속도 제어 회로(9f)가 출력하는 토크 지령 신호 τ_v에, 진동 억제 회로(11f)가 출력하는 토크 보정 신호 τ_c를 가산하여, 토크 제어 회로(5)에 부여하는 보정 토크 지령 신호 τ_r을 얻는다.

이 실시예 4의 원리를 이하에 설명한다. 도 8에서, 기계 시스템(4)은 2관성 시스템이라고 하여, 토크 제어 회로(5)의 전달 특성을 이상적으로 1로 하고, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l로부터 보정 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수를 C_a(s)로 하고, 속도 제어 회로(9f)에 있어서의 속도 신호 v_m으로부터 보정 토크 지령 신호 τ_v까지 전달 특성이 (4)식으로 나타내는 C_v(s)이라고 하면, C_a(s)가 다음식으로 나타내는 전달 특성으로 되도록 진동 억제 회로(11f)를 구성하면 좋다.

여기서, α는 진동 억제 회로(11f)에 있어서 속도 신호 v_m으로부터 보정 토크 지령 신호 τ_v까지 전달 특성 C_v(s) 전체에 곱하는 이득이다.

이때, 제어 대상(1)의 입력단에서 루프를 열었을 때의 개루프 전달 함수는 (6)식과 완전히 동일하게 되어, 실시예 1과 마찬가지로 용이한 조정에 의해 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

또한, 실시예 1과 마찬가지로, 속도 제어 회로(9f)가 PI 제어가 아니라 IP 제어와 같은 다른 전달 특성을 가질 때에도, 마찬가지로 진동 억제 회로(11f)를 구성할 수 있다.

상기의 진동 억제 회로(11f)는 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l에 PI 연산을 실시함으로써 속도 보정 신호 v_c를 생성하는 것이지만, 가속도 신호 a_l로부터 소정의 주파수 성분을 제거한 신호를 이용해도 좋다.

예컨대, 진동 억제 회로(11f)에 소정의 주파수 이상의 성분을 제거하는 로우패스 필터를 추가함으로써, 기계 시스템(4)의 안정성에 악영향을 미칠 가능성이 있는, 가속도 신호 a_l에 포함되는 고주파 노이즈를 제거할 수 있다. 로우패스 필터의 컷오프 주파수는 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 5배보다 크면 좋다.

또한, 진동 억제 회로(11f)에 적분 특성이 포함되는 경우에는, 적분 특성에 하이패스 필터를 합친 특성을 갖는 유사 적분을 이용해도 좋다. 유사 적분을 이용함으로써, 가속도 신호 a_l에 포함되는 오프셋에 기인한 정상 오차를 제거할 수 있다. 상기 하이패스 필터의 컷오프 주파수는 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 1/10보다 작으면 좋다.

이 실시예 4와 같이, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수가, 속도 신호 v_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수 전체에 이득을 곱한 것으로 되도록 진동 억제 회로(11f)를 구성함으로써, 실시예 1과 마찬가지로 용이한 조정으로 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

또한, 상기 실시예 4에서 표시되는 전동기 제어 장치를 등가 변환할 수 있는 것은, 상기와 마찬가지의 효과를 나타낸다.

(실시예 5)

도 9는 실시예 4와 마찬가지로, 가속도 신호 a_l에 근거하여 토크 보정 신호 τ_c를 얻는 다른 실시예인, 실시예 5의 전동기 제어 장치를 나타낸 도면이다.

제어 대상(1)은 실시예 1과 동일한 것이다.

위치 제어 회로(8g)는 전동기(3)에 대한 위치 지령 신호 x_r과, 전동기(3)의 위치 신호 x_m을 입력으로 하여, 속도 제어 회로를 거치지 않고서 직접 토크 지령 신호 τ_p를 출력한다.

진동 억제 회로(11g)는, 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수가, 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수 전체에 이득 특성과 적분 특성을 곱한 것으로 되도록 구성한다. 그리고, 위치 제어 회로(8g)가 출력하는 토크 지령 신호 τ_p에, 진동 억제 회로(11g)가 출력하는 토크 보정 신호 τ_rc를 가산하여, 토크 제어 회로(5)에 부여하는 보정 토크 지령 신호 τ_r을 얻는다.

이하, 동작 원리를 설명한다. 도 9에서의 기계 시스템(4)은, 실시예 1과 마찬가지로, 2관성 시스템이라고 하고, 토크 제어 회로(5)의 전달 특성을 이상적으로 1이라고 한다. 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수를 C_a(s)로 하여, 위치 제어 회로(8g)에 있어서의 전동기(3)의 속도 신호 v_m으로부터 토크 지령 신호 τ_p까지 전달 특성이, 예를 들면, (15)식으로 나타내는 C_p(s)일 때, C_a(s)는 다음식으로 나타내는 전달 특성으로 되도록 진동 억제 회로(11g)를 구성한다.

여기서, α는 진동 억제 회로(11g)에 있어서 전동기(3)의 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_r까지 전달 특성 C_p(s) 전체에 곱하는 이득이다. 이때, 제어 대상(1)의 입력단에서 루프를 열었을 때의 개루프 전달 함수는 (16)식과 완전히 동일해지기 때문에, 실시예 1과 마찬가지로, 용이한 조정에 의해 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

상기의 진동 억제 회로(11g)는 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l에 PID 연산을 실시함으로써 토크 보정 신호 τ_c를 생성하는 구성이지만, 진동 억제 회로(11g)에 소정의 주파수 성분을 제거하는 필터를 추가해도 좋다.

있었지만

예컨대, 진동 억제 회로(11g)에 소정의 주파수 이상의 성분을 제거하는 로우패스 필터를 추가함으로써, 기계 시스템(4)의 안정성에 악영향을 미칠 가능성이 있는, 가속도 신호 a_l에 포함되는 고주파 노이즈를 제거할 수 있다. 로우패스 필터의 컷오프 주파수는 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 약 5배보다 크면 좋다.

또한, 진동 억제 회로(11g)에 있어서의 적분을, 적분에 하이패스 필터를 합친 특성을 갖는 유사 적분으로 해도 좋다. 또한, 이 하이패스 필터를 2차 이상의 특성으로 함으로써, 부하 기계(2)의 가속도 신호에 포함되는 오프셋에 기인한 정상 오차를 제거할 수 있다. 상기 하이패스 필터의 컷오프 주파수는 기계 시스템(4)의 반공진 주파수 ω_z의 약 1/10보다 작으면 좋다.

실시예 5와 같이, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수가, 전동기(3)의 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_p까지의 전달 함수 전체에 비례 적분 특성을 곱한 전달 함수가 되도록 진동 억제 회로(11g)를 구성함으로써, 실시예 1과 마찬가지로 용이한 조정에 의해 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있어, 실제의 장치에 맞춘 최적 의 전동기 제어 장치의 구성을 얻을 수 있다.

또한, 실시예 4 및 이 실시예 5에 각각 포함되는 전동기(3)의 위치 신호 x_m 및 속도 신호 x_m의 피드백을 더불어 가지는 도 10과 같은 구성에 있어서도 마찬가지로, 부하 기계(2)의 가속도 신호 a_l로부터 토크 지령 신호 τ_r까지의 전달 함수가, 전동기(3)의 위치 신호 x_m으로부터 토크 지령 신호 τ_v까지의 전달 함수 전체에 비례 적분 특성을 곱한 전달 함수가 되도록 진동 억제 회로(11h)를 구성함으로써, 실시예 1과 마찬가지로 용이한 조정에 의해 외란 억제력의 향상과 부하 기계(2)의 진동 억제를 동시에 실현할 수 있다.

또한, 이 실시예 5에서 표시되는 전동기 제어 장치를 등가 변환할 수 있는 것은 상기와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 각 실시예에 있어서, 전동기(3)의 위치의 현재값을 나타내는 위치 신호 x_m을 위치 검출 회로(6)에 의해 검출하고, 속도 신호 v_m은 속도 연산 회로(10)가 위치 신호 x_m으로부터 연산하여 출력하는 구성에 대해서 설명했지만, 반대로, 전동기(3)의 속도의 현재값을 나타내는 속도 신호 v_m을 속도 검출 회로에 의해 검출하고, 위치 신호 x_m은 속도 신호 v_m으로부터 연산하는 구성이더라도, 본 발명은 마찬가지의 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전동기 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도,

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 전동기 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도,

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 전동기 제어 장치에 있어서의 근궤적을 나타내는 도면,

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 전동기 제어 장치에 있어서의 속도 비례 이득과 폐루프 복소극의 감쇠 계수의 관계를 나타내는 도면,

도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 전동기 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도,

도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 전동기 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도,

도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 전동기 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도,

도 8은 본 발명의 실시예 4에 따른 전동기 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도,

도 9는 본 발명의 실시예 5에 따른 전동기 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도,

도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 전동기 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도.

부호의 설명

2 : 부하 기계

3 : 전동기

8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h : 위치 제어 수단인 위치 제어 회로

9a, 9b, 9c, 9e, 9f, 9h : 속도 제어 수단인 속도 제어 회로

11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h : 진동 억제 수단인 진동 억제 회로

12 : 이득부인 이득 회로

13 : 적분부인 적분 회로

Claims

부하 기계를 구동하는 전동기의 위치의 목표값을 지정하는 위치 지령 신호, 및 상기 전동기의 위치의 현재값을 나타내는 위치 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기의 속도의 목표값을 지정하는 속도 지령 신호를 출력하는 위치 제어 수단과,

상기 속도 지령 신호, 및 상기 전동기의 속도의 현재값을 나타내는 속도 신호에, 그 속도 신호를 보정하는 속도 보정 신호를 가산한 보정 속도 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기가 상기 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호를 출력하는 속도 제어 수단과,

상기 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호로부터 상기 토크 지령 신호까지의 전달 함수가, 상기 위치 신호로부터 상기 토크 지령 신호까지의 전달 함수에, 소정의 이득의 비례 특성 및 적분 특성을 곱한 것으로 되도록 정해진 전달 함수에 근거하여, 상기 가속도 신호 또는 상기 가속도 신호에 소정값 이상의 주파수 성분을 제거하는 로우패스 필터와 소정값 이하의 주파수 성분을 제거하는 하이패스 필터를 작용시킨 신호를 입력으로 하여 상기 속도 보정 신호를 출력하는 진동 억제 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
부하 기계를 구동하는 전동기의 속도의 목표값을 지정하는 속도 지령 신호, 및 상기 전동기의 속도의 현재값을 나타내는 속도 신호에, 그 속도 신호를 보정하 는 속도 보정 신호를 가산한 보정 속도 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기가 상기 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호를 출력하는 속도 제어 수단과,

상기 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호 또는 상기 가속도 신호에 소정값 이상의 주파수 성분을 제거하는 로우패스 필터와 소정값 이하의 주파수 성분을 제거하는 하이패스 필터를 작용시킨 신호를 비례배하여 상기 속도 보정 신호를 출력하는 진동 억제 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
부하 기계를 구동하는 전동기의 위치의 목표값을 지정하는 위치 지령 신호, 및 상기 부하 기계의 위치의 현재값을 나타내는 위치 신호에, 이 위치 신호를 보정하는 보정 위치 신호를 가산한 보정 위치 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기의 속도의 목표값을 지정하는 속도 지령 신호를 출력하는 위치 제어 수단과,

상기 속도 지령 신호, 및 상기 전동기의 속도의 현재값을 나타내는 속도 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기가 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호를 출력하는 속도 제어 수단과,

상기 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호를 입력으로 하여, 이 가속도 신호로부터 상기 토크 지령 신호까지의 전달 함수가, 상기 위치 신호로부터 상기 토크 지령 신호까지의 전달 함수에 소정의 이득의 비례 특성 및 적분 특성을 곱한 것으로 되도록 정해진 전달 함수에 근거하여, 상기 가속도 신호 또 는 상기 가속도 신호에 소정값 이상의 주파수 성분을 제거하는 로우패스 필터와 소정값 이하의 주파수 성분을 제거하는 하이패스 필터를 작용시킨 신호를 입력으로 하여 상기 보정 위치 신호를 출력하는 진동 억제 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
상기 부하 기계를 구동하는 전동기의 위치의 목표값을 지정하는 위치 지령 신호, 및 상기 전동기의 위치의 현재값을 나타내는 위치 신호에, 그 위치 신호를 보정하는 위치 보정 신호를 가산한 보정 위치 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기가 상기 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호를 출력하는 위치 제어 수단과,

상기 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호 또는 상기 가속도 신호에 소정값 이상의 주파수 성분을 제거하는 로우패스 필터와 소정값 이하의 주파수 성분을 제거하다 하이패스 필터를 작용시킨 신호의 비례값을 적분하여 상기 위치 보정 신호를 출력하는 진동 억제 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
부하 기계를 구동하는 전동기의 위치의 목표값을 지정하는 위치 지령 신호, 및 상기 전동기의 위치의 현재 위치를 나타내는 위치 신호에, 그 위치 신호를 보정하는 보정 위치 신호를 가산한 보정 위치 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기의 속도의 목표값을 지정하는 속도 지령 신호를 출력하는 위치 제어 수단과,

상기 속도 지령 신호, 및 상기 전동기의 속도의 현재값을 나타내는 속도 신호에, 그 속도 신호를 보정하는 속도 보정 신호를 가산한 보정 속도 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기가 상기 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호를 출력하는 속도 제어 수단과,

상기 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호 또는 상기 가속도 신호에 소정값 이상의 주파수 성분을 제거하는 로우패스 필터와 소정값 이하의 주파수 성분을 제거하는 하이패스 필터를 작용시킨 신호를 비례배하여 상기 속도 보정 신호를 조하는 이득부, 및 상기 속도 보정 신호를 적분하여 상기 위치 보정 신호를 출력하는 적분부로 이루어지는 진동 억제 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
전동기에 구동되는 부하 기계의 속도의 목표값을 지정하는 속도 지령 신호, 및 상기 전동기의 속도의 현재값을 나타내는 속도 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기가 상기 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호를 출력하는 속도 제어 수단과,

상기 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호 또는 상기 가속도 신호에 소정값 이상의 주파수 성분을 제거하는 로우패스 필터와 소정값 이하의 주파수 성분을 제거하는 하이패스 필터를 작용시킨 신호를 입력으로 하여, 상기 속도 신호로부터 상기 토크 지령 신호까지의 전달 함수에 소정의 이득을 곱한 전달 함수에 근거하여, 상기 토크 지령 신호를 보정하는 토크 지령 보정 신호를 출력하 는 진동 억제 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
전동기에 구동되는 부하 기계의 위치의 목표값을 지정하는 위치 지령 신호, 및 상기 전동기의 위치의 현재값을 나타내는 위치 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기가 상기 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호를 출력하는 위치 제어 수단과,

상기 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호 또는 상기 가속도 신호에 소정값 이상의 주파수 성분을 제거하는 로우패스 필터와 소정값 이하의 주파수 성분을 제거하는 하이패스 필터를 작용시킨 신호를 입력으로 하여, 상기 위치 신호로부터 상기 토크 지령 신호까지의 전달 함수에 소정의 이득을 갖는 비례 특성 및 적분 특성을 곱한 전달 함수에 근거하여, 상기 토크 지령 신호를 보정하는 토크 지령 보정 신호를 출력하는 진동 억제 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
전동기에 구동되는 부하 기계의 위치의 목표값을 지정하는 위치 지령 신호, 및 상기 전동기의 위치의 현재값을 나타내는 위치 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기의 속도의 목표값을 지정하는 속도 지령 신호를 출력하는 위치 제어 수단과,

상기 속도 지령 신호 및 상기 전동기의 속도의 현재값을 나타내는 속도 신호를 입력으로 하여, 상기 전동기가 상기 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지 정하는 토크 지령 신호를 출력하는 속도 제어 수단과,

상기 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호 또는 상기 가속도 신호에 소정값 이상의 주파수 성분을 제거하는 로우패스 필터와 소정값 이하의 주파수 성분을 제거하는 하이패스 필터를 작용시킨 신호를 입력으로 하여, 상기 위치 신호 및 상기 속도 신호로부터 상기 토크 지령 신호까지의 전달 함수에 소정의 이득을 갖는 비례 특성 및 적분 특성을 곱한 전달 함수에 근거하여, 상기 토크 지령 신호를 보정하는 토크 지령 보정 신호를 출력하는 진동 억제 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

진동 억제 수단에 포함되는 적분 특성은, 부하 기계의 가속도의 현재값을 나타내는 가속도 신호로부터, 전동기가 부하 기계를 구동하는 토크의 목표값을 지정하는 토크 지령 신호까지의 전달 특성에 포함되는 적분 요소의 차수의 합계에 따른 차수의 하이패스 필터 특성을 더불어 가지는 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.