KR20210151962A - 모터 제어 장치, 및 그 자동 조정 방법 - Google Patents

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Abstract

기계의 공진 특성을 억제하는 제어 수단을 자동 조정하기 위한, 진동 성분의 주파수의 추정값을, 진동 성분의 진폭의 대소에의 의존성 없이, 안정적·고신뢰로, 연산 오버플로의 우려 없이, 추정한다. 모터 제어계의 응답에 중첩하는 진동 성분의 주파수를 기초로, 상기 모터 제어계에 포함되는 제어기를 적응적으로 조정하는 자동 조정 장치를 구비하는 모터 제어 장치로서, 상기 자동 조정 장치는, 상기 모터 제어계의 응답을 입력으로 하고, 상기 모터 제어계의 응답으로부터 진동 성분을 추출하는 진동 추출부와, 상기 진동 추출부에서 추출된 진동 성분을 입력으로 하는 노치 필터부와, 상기 노치 필터부에서 산출되는 상기 노치 필터부의 내부 상태량을 입력으로 하는 부호화부와, 상기 노치 필터부에서 산출되는 상기 노치 필터부의 출력을 입력으로 하는 리미터부와, 상기 부호화부의 출력 및 상기 리미터부의 출력을 입력으로 하는 적응 갱신부와, 상기 적응 갱신부의 출력을 입력으로 하는 단위 변환부로 이루어지고, 상기 부호화부는, 상기 내부 상태량의 부호의 정보만을 추출해서 출력하고, 상기 리미터부는, 상기 노치 필터부의 출력의 진폭을 제한한 정보를 산출해서 출력하고, 상기 적응 갱신부는, 상기 부호화부의 출력과 상기 리미터부의 출력을 곱한 것에 의거하여, 상기 노치 필터부의 필터 파라미터인 노치 주파수의 추정값을 축차로 갱신해서 출력하고, 상기 노치 필터부는, 상기 적응 갱신부가 축차로 산출·출력한 상기 추정값을 상기 노치 주파수로서 축차로 채용하고, 상기 단위 변환부는, 상기 적응 갱신부가 축차로 산출한 상기 추정값의 단위를 헤르츠로 변환하여 이것을 추정값으로서 출력하고, 상기 자동 조정 장치는 상기 추정값을 이용해서, 상기 모터 제어계에 포함되는 상기 제어기를 적응적으로 조정한다.

Description

모터 제어 장치, 및 그 자동 조정 방법
본 발명은, 모터 제어 장치, 및 모터 제어 장치의 자동 조정 방법에 관한 것이다.
제어 대상의 기계를 제어하는 모터 제어계에 있어서, 기계의 공진 특성이 원인으로 모터 단부(端部)나 기계 단부가 진동적으로 되어, 원하는 응답 특성을 실현할 수 없는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 제어기 후단에 노치 필터를 이용하거나, 혹은 제어 지령을 가공하는 등의 대책이 유효하지만, 이것에는 기계의 공진 특성을 파악할 필요가 있다.
FA 분야에서는, 모터 제어계의 도입 시나 제어 대상 기계의 메인터넌스 후 등에 모터 제어계의 조정이 필요해지지만, 이 조정 시간을 짧게 하여, 생산성을 향상시키려는 니즈가 있다. 또한, 조정에 따른 인적 비용을 최소화하는 것도 니즈의 하나이다. 이와 같은 배경 때문에 최근 FA 분야에서는, 모터 제어계의 단시간의, 혹은 리얼타임의 자동 조정 기술이 요구되고 있다.
기계의 공진 특성이 원인으로 원하는 응답 특성이 얻어지지 않는 경우, 이것을 억제하는 역할을 담당하는 제어 수단(노치 필터 등)을 단시간에 자동 조정하기 위해서는, 기계의 공진 특성을 단시간에 또한 자동으로 파악·동정(同定)할 필요가 있다.
기계의 공진 특성의 하나인 공진 주파수를 단시간 또한 자동으로 파악하는 기술로서, 특허문헌 1이 제안되어 있다. 또한, 주성분이 정현파 신호로 이루어지는 신호로부터, 정현파 신호의 주파수를 축차(逐次)로 추정하는 수단으로서, 비특허문헌 1이 제안되어 있다.
특허문헌 1의 기술을, 도 14에 나타낸다. 특허문헌 1에서는, 부하(110)에 접속한 전동기(109)를 속도 제어 수단(101) 및 토크 제어 수단(103)으로 제어하는 제어계에 있어서, 속도 제어 수단(101)의 후단에 제1 노치 필터(102)를 마련하고, 제1 노치 필터(102)의 노치 주파수를 자동 조정함으로써 속도 검출 수단(108)으로 검출되는 모터 단부의 속도 응답(모터 회전 속도)의 진동을 억제하는 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 1의 노치 주파수의 자동 조정의 방법은, 모터의 회전 속도로부터 진동 성분을 하이 패스 필터(104)로 추출한다. 그리고, 진동 성분을 제1 노치 필터와는 별도로 준비한 제2 노치 필터(106)를 이용해서 처리한 신호와, 진동 성분을 방향 필터(105)에 의해서 처리한 신호를, 노치 필터 계수 수정 수단(107)에 의해서 곱셈하고, 곱셈 결과에 의거하여 진동 성분의 주파수를 축차로 갱신·추정하고, 이것을 노치 주파수로서, 제1 노치 필터(102)에 적용하는 것이다. 도 14에 기재된 진동 성분의 주파수를 추정하는 Y로부터 W까지의 처리는, 적응 노치 필터의 일 형태인 것으로 해석할 수 있다.
비특허문헌 1에서는, 연산이 간소한 이산 IIR(Infinite Impulse Response)형의 적응 노치 필터의 알고리즘이 제안되어 있다.
일본국 특개2004-274976호 공보
Adaptive IIR Filtering In Signal Processing and Control, MARCEL DEKKER,INC., 1995, PP.554-599.
그러나 특허문헌 1에서는, 진동 성분의 주파수를 축차로 갱신·추정할 때에, 제2 노치 필터(106)와 방향 필터(105)의 연산이 각각 필요하여 연산 비용면에서 우수하지 않다는 과제가 있다. 또한, 축차 갱신할 때에, 갱신량(각 회의 갱신의 양)이 진동 성분의 진폭의 대소에 의존하여, 축차 갱신으로 얻어지는 진동 성분의 주파수의 추정값이 안정적으로 수속(收束)되지 않는 경우나, 수속에 시간이 걸리는 것과 같은 과제가 있다. 또한, 축차 갱신으로 얻어지는 진동 성분의 추정값이, 안정적으로 수속되지 않아 추정값으로서 신뢰도가 낮은 상황이어도 진동 성분의 추정값을 노치 주파수로서 제1 노치 필터에 적용해 버려서, 진동 억제의 효과를 발휘할 수 없을 우려가 있다.
비특허문헌 1의 알고리즘에서는, 고정 소수점 연산을 행하는 염가의 연산 장치에 의해서 정규화 처리를 실현하는 경우, 특히 노치 주파수가 저역이면 일수록, 정규화 처리에 있어서 연산 오버플로가 발생할 우려가 있어, 축차 갱신을 올바르게 행할 수 없게 된다(축차 갱신 처리가 파탄됨)는 과제가 있다.
본 발명은 이와 같은 과제를 감안해서 이루어진 것이며, 기계의 공진 특성을 억제하는 제어 수단을 자동 조정하기 위하여 필요해지는, 진동 성분의 주파수의 추정값을, 고정 소수점 연산을 행하는 염가의 연산 장치여도, 진동 성분의 진폭의 대소에의 의존성 없이, 안정적·고신뢰로, 연산 오버플로의 우려 없이, 축차 갱신·추정이 가능한 모터 제어 장치, 및 그 자동 조정 방법의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 「모터 제어 장치」의 일례를 들면,
모터 제어계의 응답에 중첩하는 진동 성분의 주파수를 기초로, 상기 모터 제어계에 포함되는 제어기를 적응적으로 조정하는 자동 조정 장치를 구비하는 모터 제어 장치로서, 상기 자동 조정 장치는, 상기 모터 제어계의 응답을 입력으로 하고, 상기 모터 제어계의 응답으로부터 진동 성분을 추출하는 진동 추출부와, 상기 진동 추출부에서 추출된 진동 성분을 입력으로 하는 노치 필터부와, 상기 노치 필터부에서 산출되는 상기 노치 필터부의 내부 상태량을 입력으로 하는 부호화부와, 상기 노치 필터부에서 산출되는 상기 노치 필터부의 출력을 입력으로 하는 리미터부와, 상기 부호화부의 출력 및 상기 리미터부의 출력을 입력으로 하는 적응 갱신부와, 상기 적응 갱신부의 출력을 입력으로 하는 단위 변환부로 이루어지고, 상기 부호화부는, 상기 내부 상태량의 부호의 정보만을 추출해서 출력하고, 상기 리미터부는, 상기 노치 필터부의 출력의 진폭을 제한한 정보를 산출해서 출력하고, 상기 적응 갱신부는, 상기 부호화부의 출력과 상기 리미터부의 출력을 곱한 것에 의거하여, 상기 노치 필터부의 필터 파라미터인 노치 주파수의 추정값을 축차로 갱신해서 출력하고, 상기 노치 필터부는, 상기 적응 갱신부가 축차로 산출·출력한 상기 추정값을 상기 노치 주파수로서 축차로 채용하고, 상기 단위 변환부는, 상기 적응 갱신부가 축차로 산출한 상기 추정값의 단위를 헤르츠로 변환하여 이것을 추정값으로서 출력하고, 상기 자동 조정 장치는 상기 추정값을 이용해서, 상기 모터 제어계에 포함되는 상기 제어기를 적응적으로 조정하는 것이다.
본 발명에 따르면, 노치 필터부가 산출하는 노치 필터부의 내부 상태량을 부호화부에서 처리하고, 노치 필터부의 출력을 리미터부에서 처리함으로써, 정규화 처리를 불요하게 하고, 또한 수속 판정부를 채용함으로써, 연산 오버플로를 회피하면서, 고신뢰의 진동 성분의 주파수의 축차 갱신·추정이 가능하게 되어, 단시간에 제어기를 자동 조정할 수 있다.
도 1은 실시예 1의 모터 제어 장치의 기본 구성을 나타내는 도면.
도 2는 FB 제어기의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 자동 조정 장치의 일례를 나타내는 도면.
도 4는 적응 노치 필터의 일례를 나타내는 도면.
도 5는 도 4의 적응 노치 필터의 주파수 특성을 나타내는 도면.
도 6은 Xz/Ez의 주파수 특성을 나타내는 도면.
도 7은 Xz의 주파수 특성을 나타내는 도면.
도 8은 수속 판정부를 나타내는 도면.
도 9는 실시예 1의 갱신의 모습을 나타내는 도면.
도 10은 도 9의 확대도.
도 11은 실시예 1의 모터 제어 장치의 자동 조정의 동작 플로도.
도 12는 실시예 2의 모터 제어 장치의 기본 구성을 나타내는 도면.
도 13은 실시예 3의 모터 제어 장치의 일례를 나타내는 도면.
도 14는 특허문헌 1에 기재된 전동기의 제어 장치를 나타내는 도면.
이하, 본 발명을 적용한 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.
또, 각 도면에 있어서, 공통의 기능을 갖는 구성 요소에는 동일한 번호를 부여하고, 그 반복의 설명을 생략한다. 또한, 이후 「피드백」은 「FB」로, 「노치 필터」를 「NF」로, 「로우 패스 필터」를 「LPF」로, 「하이 패스 필터」를 「HPF」로, 「밴드 패스 필터」를 「BPF」로 약기하는 경우가 있다.
(실시예 1)
도 1은, 본 발명의 실시예 1의 자동 조정 장치(12)를 일반적인 모터의 FB 제어계에 적용한 구성을 나타낸 것이다.
FB 제어기(2)의 조작량 c가 모터(3)에 부여되고, 모터(3)의 출력 y에 의해 제어 대상 기계(4)는 구동·제어된다. 또 간단화를 위하여, 도 1에서는 전류 제어계의 기재를 생략하고 있다.
출력 y는 모터 회전수[rpm]이고, 이것을 센서(예를 들면 엔코더)를 이용해서 계측하고, FB 제어기(2)는 출력 y의 계측값과 회전수 지령 r에 의거하여 조작량 c를 산출하고, 모터(3)에 출력한다.
도 1의 FB 제어계에 있어서, FB 제어기(2)는, 출력 y가 진동적으로 된 경우(즉 모터 단부가 진동적으로 된 경우), 출력 y의 진동 성분의 주파수를 파악함으로써 출력 y의 진동 성분을 억제하는 수단, 혹은 출력 y가 진동적으로 된 경우, 출력 y의 진동 성분의 주파수를 파악함으로써 제어 대상 기계(4)의 출력 m의 진동 성분을 억제하는 수단을 갖는다.
자동 조정 장치(12)는, 출력 y의 진동 성분의 주파수를 파악·추정하고, 진동 성분의 주파수의 추정값에 의거하여, FB 제어기(2)가 갖는 출력 y의 진동 성분을 억제하는 수단, 혹은 FB 제어기(2)가 갖는 제어 대상 기계(4)의 출력 m의 진동 성분을 억제하는 수단을 자동으로 조정하는 것이다.
출력 y의 진동 성분을 억제하는 수단을 구비하는 FB 제어기(2)의 일례로서는, FB 제어 루프 내에 노치 필터(이후, 이것을 「실제 노치 필터」라 함)를 내포하는, 도 2에 나타내는 바와 같은 FB 제어기(21)이다.
도 2에 있어서, FB 제어기(21)는, 제어 대상이 공진 특성을 갖고, 모터 단부가 공진 특성에 기인해서 진동하는 경우에, 이 진동을 억제한다. 구체적으로는, 실제 노치 필터(23)의 노치 주파수를 제어 대상의 공진 주파수와 일치하도록 설정함으로써, 실제 노치 필터(23)의 영점이, 공진 특성의 공진극을 상쇄하여, FB 제어기(21)는 진동을 억제한다.
이 예에 있어서, FB 제어기(21)는 진동의 억제를 위하여 제어 대상의 공진 주파수를 정확히 파악할 필요가 있다.
본 발명의 자동 조정 장치(12)는, 모터 단부의 진동 성분의 주파수를 추정함으로써, 도 2에 나타내는 바와 같은 FB 제어기(21)(구체적으로는, 실제 노치 필터(23))를 자동으로 조정할 수 있어, 모터 단부의 진동을 억제한다.
자동 조정 장치(12)의 실현 수단으로서, 도 3의 자동 조정 장치(31)를 생각할 수 있다. 자동 조정 장치(31)는, 구체적으로는, HPF(32)와 적응 노치 필터(ANF : Adaptive Notch Filter)(33)로 이루어지고, 출력 y에 대해서 HPF(32)를 적용함으로써 진동 성분 yd를 추출하고, yd에 대해서 ANF(33)를 적용하여, ANF(33)의 산출하는 노치 주파수의 추정값 a(단 단위는 [Hz])를 자동 조정 장치(31)의 출력으로 하는 것이다.
ANF(33)의 일례로서, 비특허문헌 1에 기재된 것과 동등한 능력을 갖는, 간소한 처리로 실현 가능한 이산 IIR형의 ANF를, 도 4 및 이하에 나타낸다.
이 예에서는, ANF(41)는, 식(1)에 나타내는 Lattice Form의 이산 IIR(Infinite Impulse Response)형 노치 필터(42)와, 식(2), (3)에 의한 적응 조정부(43)로 이루어지고, ANF(41)는 진동 성분 yd(t)를 입력으로 하고, 진동 성분 yd(t)의 주파수의 시각 t에서의 추정값 aL(t)을 출력한다. 식(4)의 단위 변환부(10)는 추정값 aL(t)의 단위를 [Hz]로 변환하는 것만의 처리이며, ANF(41)의 aL(t)의 추정 성능에 직접 관여하는 것은 아니다.
<이산 IIR형 노치 필터(42)>
[수학식 1]
Figure pct00001
<적응 조정부(43)>
[수학식 2]
Figure pct00002
[수학식 3]
Figure pct00003
<단위 변환부(10)>
[수학식 4]
Figure pct00004
여기에서, 식(1)은 [x(t-2) x(t-1)]을 전치한 것을 상태 벡터로 하는 상태 공간 표현이고, x(t)는 이산 IIR형 노치 필터(42)가 산출하는 내부 상태량, e(t)는 이산 IIR형 노치 필터(42)가 산출하는 출력이다. 또, μ, λ, r, Ts, 및 σx 2(t)는 각각 갱신 스텝 조정 계수, 망각 계수, 식(1)의 노치 폭, 샘플 주기, 및 x의 분산의 시각 t에 있어서의 추정값이며, 모두 양의 값이다.
진동 성분의 주파수의 추정은, 식(2)의 aL(t)의 축차 갱신에 의해서 이루어지고, 시각 t에서의 aL(t)의 갱신량은 식(2)의 우변 제2항에서 부여된다. 식(2)의 우변 제2항은 식(1)의 이산 IIR형 NF(42)의 내부 상태량 x(t-1)과 이산 IIR형 NF(42)의 출력 e(t)의 곱을 기초로 구성되고, aL(t)의 갱신량의 양음은 e(t)·x(t-1)로 결정된다. ANF(41)에서는, 추정값의 축차 갱신에 식(1)의 이산 IIR형 NF(42)의 연산으로 얻어지는 내부 상태량 x(t-1)을 이용하여, 특허문헌 1의 방향 필터(105)에 상당하는 필터를 별도 마련할 필요가 없는 만큼, x(t-1)의 산출에 관련된 연산 비용을 저감할 수 있다.
식(3)은, 식(2)에 의한 aL(t)의 축차 갱신을, 안정적·원활하게 함과 함께, 입력인 진동 성분 yd(t)의 진폭의 대소의, 갱신량(식(2)의 우변 제2항)에의 의존성을 배제하는, 정규화 처리를 행하기 위한 것이다. 식(3)에서 얻어진 σx 2(t)로 e(t)·x(t-1)을 나눔으로써, 정규화 처리가 이루어진다.
갱신량의 양음이 e(t)·x(t-1)로 결정되는 것, 및 식(3)이 정규화 처리로서 유효하게 기능하는 것을 이하에 상세히 설명한다.
도 5에, 이산 IIR형 노치 필터에 있어서의, yd(t)로부터 e(t)까지의 전달 특성 Ez, 및 yd(t)로부터 x(t-1)까지의 전달 특성 Xz의 주파수 특성(Bode 선도)을 나타낸다. 또 동(同) 도면 중, 실선이 Ez, 파선이 Xz를 나타내고, a는 식(1) 중의 aL의 단위를 [Hz]로 변환한 것이고, 도 5에 있어서는 a=1000[Hz]이다.
이제, 진동 성분 yd(t)는 다음 식과 같이 정현파와 잡음의 합으로 표현되는 것으로 한다.
[수학식 5]
Figure pct00005
단, A, fd는 각각 정현파의 진폭, 주파수[Hz]이고, v(t)는 간단하게 하기 위하여, 평균 0, 분산 σv2(단 A>>σv2)의 백색 잡음으로 한다.
도 5의 위상 특성에 주목하면, Ez와 Xz의 위상 특성은, 주파수 a[Hz]보다 작은 영역에서는 완전히 동등하고, 주파수 a보다 큰 경우는, Ez의 위상 특성은 Xz의 위상 특성을 180[deg] 나아가게 한 특성과 동등하게 되어 있는 것을 알 수 있다.
이제, 간단하게 하기 위하여 v(t)=0으로 간주하고, yd(t)의 정현파의 주파수 fd에 대하여, (i) fd<a, 및 (ii) fd>a의 경우에 대하여 생각한다.
ANF(41)의 목적은, a를 fd에 일치시키는 것, 즉 진동 성분의 주파수 fd를 추정하는 것이다. 이것을 이루기 위해서는, (i)의 관계에 있는 경우는, a를 감소시키고, (ii)의 관계에 있는 경우는 a를 증가시킬 수 있으면 된다. 이와 같은 a의 갱신의 증감(양음)은, e(t)·x(t-1)에 의거하여 결정할 수 있다. 구체적으로는, 도 5에 나타내는 Ez와 Xz의 관계에 의하면 (i)의 경우는, yd(t)에 대한 e(t)와 x(t-1)은 동상(同相)으로 되기 때문에, e(t)·x(t-1)은 항상 양으로 되고, (ii)의 경우는, yd(t)에 대한 e(t)와 x(t-1)은 역위상으로 되기 때문에, e(t)·x(t-1)은 항상 음으로 되는 것을 알 수 있다. e(t)·x(t-1)의 이와 같은 특징을 a의 갱신의 증감(양음)의 결정에 이용한 것이 식(2)이다.
또한 e(t)와 x(t-1)의 관계는, 다음 식으로 표현할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pct00006
또, αx는, 진동 성분의 주파수가 fd[Hz]이며 또한 식(1)의 노치 주파수가 a[Hz]일 때의, 전달 특성 Xz/Ez의 게인에 상당하는 상수이다. 도 6에, 전달 특성 Xz/Ez의 주파수 특성을 나타낸다.
αx는 fd와 a의 관계가 변화함으로써 변동하고, 진동 성분 yd(t)의 진폭 A, e(t)의 진폭, 및 x(t-1)의 진폭에는 무관계인 점에 주의한다. 또한, ANF(41)의 축차 갱신에 관련된 fd 혹은 a의 변동의 주파수가 높을수록, αx의 변동의 주파수가 높아지는 경향이 있는 것에 주의한다.
식(6)을 식(3)에 대입해서 정리하면 다음 식을 얻는다.
[수학식 7]
Figure pct00007
단, z는 z 변환에 있어서의 z 연산자이다.
또한, 식(6) 및 식(7)을 식(2)에 대입하여 정리하면, 식(2)의 우변 제2항의 갱신량은, 다음 식으로 쓸 수 있다.
[수학식 8]
Figure pct00008
식(8)은, 갱신량은 yd(t), e(t) 및 x(t-1)의 진폭의 대소에 비의존하고, αx에 의거하여 정해지는 것을 나타내고 있다. 또한, LPF(λ)는, 컷오프 주파수가 fc[Hz]의 이산형 1차 지연계의 로우 패스 필터이다. 예를 들면, λ=0.99, Ts=100[μs]의 경우, LPF(λ)의 컷오프 주파수는 fc≒16[Hz]으로 된다. ANF(41)의 축차 갱신에 있어서, 예를 들면 잡음 v의 영향 등으로, 가령 αx의 변동의 주파수가 높은 것으로 되었다고 해도, LPF(λ)가 αx의 변동의 고주파 성분을 제거하기 때문에, 식(8)의 갱신량의 변동은 고주파 성분이 제거된 것으로 되어, 식(2)에 나타내는 축차 갱신에 의한 aL의 변화는 원활한 것으로 된다.
도 6에 나타내는 전달 특성 Xz/Ez의 주파수 특성에 의하면, fc가 a에 가까울수록, αx는 큰 값으로 되기 때문에, 식(8)에 나타내는 갱신량은 fc가 a에 가까울수록 미소해지고, a의 참값(眞値) fd에의 수속이 안정적인 것으로 된다.
상기로부터, 식(1)∼(3)에 나타내는 ANF(41)는, 식(2)에 나타내는 aL의 축차 갱신이, 식(3)에 의해 진동 성분의 진폭에 비의존하고, 안정적이며 또한 원활한 것으로 된다는 이점을 갖는 것을 알 수 있다.
그러나, 고정 소수점 연산을 행하는 연산 장치에 식(1)∼(3)의 ANF(41)를 실장하는 경우, 특히 식(3)의 연산으로 연산 오버플로가 발생하여, 식(2)의 aL의 축차 갱신이 파탄되어 버릴 우려가 있다. 이것은 추정 대상인 진동 성분 yd의 주파수가 낮을수록, 현저해진다.
이 이유를 이하에 설명한다.
식(1)에 나타내는 노치 필터의 Xz의, aL을 변화시켰을 때의 주파수 특성을 나타낸 것이 도 7이다. Xz는, aL이 저역으로 되면 될수록, aL 주변, 및 aL 이하의 주파수 대역에서 게인이 저대(著大)화하는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 즉, aL이 낮을수록, aL의 갱신에 필요한 x(t-1)은 저대화하는 경향으로 된다. 따라서 고정 소수점 연산에 이용하는 비트수가 충분하지 않은 경우는, x(t-1)의 산출 시에 연산 오버플로가 발생할 우려가 있다.
이와 같은 연산 오버플로를 회피하기 위하여, 입력인 yd(t)에 대해서, 사전에 상수 게인을 곱하여, yd(t)의 진폭을 작게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이와 같은 방법으로는 고정 소수점 연산에 있어서 yd(t)가 애초에 갖고 있던 양자화에 수반하는 분해능을 잃는 것으로 이어져서(거친 양자화로 진동 파형이 매끄럽지 않게 되는 등), 본질적인 과제 해결에 이를 수 없다.
x(t-1)이 연산 오버플로의 우려가 있다는 것은, x(t)도 연산 오버플로의 우려가 있다는 것이다.
식(3)의 σx 2의 산출에서는, σx 2의 갱신을 위하여 x(t)의 제곱이 필요하고, 또한 이것을 축차로 가산할 필요가 있다. 따라서, 식(3)의 연산에 있어서는, 연산 오버플로의 발생의 우려가 매우 높아지고, 이것이 원인으로 식(1)∼(3)의 ANF(41)의 축차 갱신은 파탄될 우려가 매우 높아진다는 문제를 갖고 있다.
또, 식(2)에 있어서, 특히 저역에서 저대화하는 경향이 있는 x(t-1)은 마찬가지로 저대화하는 경향이 있는 σx 2로 나누어져서, 갱신량이 저대화하지 않는 점에 주의한다. 이것은 식(1)∼(3)의 ANF(41)가 식(3)에 의거하는 정규화 처리를 포함하기 때문이다.
aL은 식(1)의 ANF의 노치 주파수를 의미하지만, 마찬가지로 노치 주파수를 의미하는 단위가 [Hz]로 부여되는 a와는 식(4)의 관계로 부여되어 있다.
즉, a는 aL의 코사인 함수에 의한 비선형 사상(寫像)이고, 그 치역(値域)은 [-1, 1]이다. 노치 주파수 aL이 낮은 경우, 코사인 함수의 비선형성 때문에 a는 -1에 가까운 값으로 되고, aL의 단위 헤르츠당의 변화량은 저역일수록 미소해진다. 이것은, 식(2)를 이용해서 진동 성분 yd의 주파수를 추정하는 경우는, 진동 성분 yd가 저주파이면 일수록, 단위 헤르츠당의 갱신량(우변 제2항)은 미소해야만 하는 것을 의미하고 있다. 식(1)∼(3)의 ANF(41)는 정규화 처리를 포함하고, 그 갱신량은 진동 성분 yd의 진폭 A에 비의존으로 되어 있기는 하지만, 식(8)에 나타내는 바와 같이 αx에 의존하여, 식(8)의 갱신량이 미소해지기 위해서는, 갱신 스텝 조정 계수 μ는 작은 값을 선택할 필요가 있다.
식(1)∼(3)의 ANF(41)가 갖는, 전술과 같은 오버플로 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 도 1에 나타내는 자동 조정 장치(12)를 제안한다.
자동 조정 장치(12)에 있어서의 aL의 갱신은, 다음 식에 의거하는 것이다.
[수학식 9]
Figure pct00009
또, μp는 자동 조정 장치(12)에 있어서의 갱신 스텝 조정 계수이고, sign(·)은 부호 함수, L(·)은 다음 식에 나타내는 바와 같은, 리미터 함수이다.
[수학식 10]
Figure pct00010
단, Up, Ud는 각각 리미터 상한, 및 리미터 하한이다. 또, 이후 간단하게 하기 위하여, Ud=Up를 가정한다.
식(9)에서는, sign(e(t)·x(t-1))로 aL의 갱신 방향의 정보를 얻고, L(|e(t)|)로 e(t)의 진폭에 의거하여 갱신량의 게인을 얻고 있다.
식(9)에서는 식(3)의 σx 2의 산출을 필요로 하지 않으므로, 식(9)는 σx 2에 의한 연산 오버플로 발생의 문제를 회피할 수 있다. 따라서, 식(9)는 x(t-1)의 산출에 있어서의 연산 오버플로만 회피할 수 있으면, aL의 축차 갱신에 관해서 연산 오버플로의 문제를 해결 가능하다. x(t-1)의 연산 오버플로의 발생을 회피하기 위해서는, 하나는 고정 소수점 연산에 이용하는 비트수를 증량하는 것이다.
식(9)에 있어서, σx 2가 포함되지 않는 이유는, sign(e(t)·x(t-1))로 함으로써, e(t)와 x(t-1)의 진폭의 정보를 잘라 버리고 있기 때문이다. σx 2에 의한 정규화 처리는, aL의 갱신량을, 진동 성분의 진폭의 대소에 대해서 비의존으로 하지만, sign(e(t)·x(t-1))에 있어서도 마찬가지로, aL의 갱신량을, 진동 성분의 진폭의 대소에 대해서 비의존으로 할 수 있다.
σx 2에 의한 정규화 처리의 우위한 점의 하나는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 참값 fd 주변에서 αx가 커지고, 갱신량이 미소해져서 축차 갱신에 의한 수속성이 안정화되는 것이었다. 이 우위성을 의사적으로 얻기 위해서, 식(9)에서는 L(|e(t)|)를 채용하고 있다.
도 5의 Ez의 주파수 특성이 나타내는 바와 같이, 노치 주파수 a[Hz]가 진동 성분 yd의 주파수로부터 먼 경우는, e(t)의 진폭은 진동 성분 yd의 그것과 거의 동등하지만, 노치 주파수 a[Hz]가 진동 성분 yd의 주파수에 가까운 경우는, e(t)의 진폭은 작아지는 성질이 있다. 즉, e(t)의 진폭은, 참값 fd 주변에서 작아지는 성질 때문에, 정규화 처리에 있어서의 αx와 유사한 작용을 하는 것을 기대할 수 있다.
또한, L(|e(t)|)는, 진동 성분의 진폭의 대소에의 의존성을 경감하여, μp의 설계를 용이하게 한다. 진동 성분 yd의 진폭이 허여되는 상한은 애플리케이션에 따라서 서로 다르지만, 예를 들면 모터 제어에 있어서 yd의 단위는 [rpm]이고, 가령 그 상한을 100[rpm]으로 하면, aL이 취할 수 있는 레인지는 [-1, 1]이며, 또한 저역에서는 갱신량은 세밀해야만 한다는 제약 때문에, 만약 식(9)에 있어서 리미터 함수 L(|e(t)|)를 이용하지 않고 단순히 |e(t)|로 하면, e(t)가 취할 수 있는 상한값(이 예에서는 100[rpm])에 맞춰서 μp를 작게 설정해야만 한다. 이 경우, 갱신의 속도가 희생되어 버린다. 만약 수속을 빠르게 하기 위해서 μp를 크게 설정하면, |e(t)|가 큰 경우에 aL의 축차 갱신이 진동적으로 되어 버려서, 추정을 제대로 할 수 없다.
이와 같은 μp의 설정에 관한 트레이드오프의 문제를 식(9)에서는 리미터 함수 L(·)을 이용함으로써 해결하고 있다. 즉, |e(t)|에 L(·)을 마련함으로써, |e(t)|의 대소가 제약되고, 리미터 상·하한 Up, Ud에 맞춰서 μp를 설계할 수 있어, 갱신의 속도를 유지하면서, |e(t)|가 큰 경우에 발생할 우려가 있는 축차 갱신이 진동적으로 되는 문제를 해결할 수 있다.
식(9)에 있어서, 갱신량을 의미하는 우변 제2항은, 이하와 같이 변형할 수 있다.
[수학식 11]
Figure pct00011
따라서, 도 1에 나타내는 자동 조정 장치(12)는, 다음의 식(12)∼(14)로 부여되는, 간소한 것으로 된다.
<적응 갱신부(7)>
[수학식 12]
Figure pct00012
<부호화부(8)>
[수학식 13]
Figure pct00013
<리미터부(9)>
[수학식 14]
Figure pct00014
또, 노치 필터부(6), 및 단위 변환부(10)는 식(1) 및 식(4)의 처리를 행하는 것으로 하고, 진동 추출부(5)는 예를 들면 HPF로 하면 된다. 또한, 진동 추출부(5)는 센서 잡음의 제거도 동시에 목표로 해서, BPF로 해도 된다.
본 발명에서는 리미터부는 가장 간소한 식(14)로 하고 있지만, 식(14)에 나타내는 것 이외에도, e(t)의 진폭, 및 부호의 정보를 추출하는 다른 수단이어도 된다.
본 실시예의 자동 조정 장치(12)의, 식(9)(등가로, 식(12)∼(14))의 유효성을 도 9, 도 10에 나타낸다. 도 9, 10은, (a) 식(1)∼(3)의 경우, (b) 식(9)의 경우, 및 (c) 식 (1)∼(3)에 있어서 정규화 처리를 제외한 경우(즉, 항상 σx 2=1로 함)의, 축차 갱신에 의한 a[Hz]의 수속 상황이다. 진동 성분 yd는 잡음 v=0으로 하고, 진폭 A를 3.5 및 5.0으로 한 경우에 대한 a[Hz]의 수속 상황이다. 또, 참값 fd는 800[Hz]으로 했다.
도 9의 (f)는 이용한 2종의 진동 성분 yd, 도 9의 (a), 도 9의 (b), 및 도 9의 (c)는, 각각 (a) 식(1)∼(3)의 경우, (b) 식(9)의 경우, 및 (c) 식(1)∼(3)에 있어서 정규화 처리를 제외한 경우의 a[Hz]의 수속 상황이다. (a), (b)에서는, 진동 성분 yd의 진폭에 의존성 없이 수속 속도를 대략 일정하게 유지하고 있는 것을 파악할 수 있다. (b)가 이와 같은 결과를 얻을 수 있는 이유는, μp·L(|e(t)|)로 속도를 유지하고, L(|e(t)|)·sign(e(t)·x(t-1))로 함으로써 진동 성분의 진폭에의 의존성을 배제했기 때문이다.
도 10은, 도 9를 확대한 것이다. 도 10의 (i), 및 (ii)는 각각, 진폭 A=3.5의 경우의 (a)∼(c)의 결과, 및 진폭 A=5.0의 경우의 (a)∼(c)의 결과이다. 도 10으로부터, (a)는 정규화 처리의 효과 때문에 a는 원활하게 수속되지만, (c)는 정규화 처리를 포함하지 않기 때문에 수속 시에 진동적으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, (b)는 L(|e(t)|)가 정규화 처리의 αx에 유사한 작용을 하기 때문에, 수속 시의 진동 현상이 경감되어 있는 것을 알 수 있다.
σx 2에 의한 정규화 처리의 우위한 점의 하나는, LPF(λ)를 포함하고, 축차 갱신이 원활하여, 수속이 안정적으로 되는 것이었다.
식(9)는, LPF(λ)를 포함하지 않으며, LPF(λ)가 초래하는 우위성을 갖지 않는다. 따라서, 예를 들면 잡음 v(t)의 영향 등으로, 축차 갱신에 의한 aL은 원활하게 되지 않아, 수속이 안정적이지 않을 우려가 있다. 이와 같은 현상은, 진동 성분 yd가 식(5)에 나타내는(단 v(t)=0) 바와 같은, 단일의 정현파로 부여되지 않은 경우에 발생하는 경향이 있다.
또한, ANF 전반적으로 말할 수 있는 것이지만, 축차 갱신에 의해 추정값 aL이 참값 fd에 점근(漸近)하여 수속되고, 추정 완료에 이르렀는지의 여부를 판별하는 수단이 필요하다.
이와 같은 과제에 대해서 본 발명에서는, 수속 판정부(11)를 마련한다.
수속 판정부(11)는 다양한 실현 방법을 생각할 수 있지만, 간소한 구성의 일례를 도 8, 및 이하에 나타낸다.
<수속 판정부(11)>
차분 과정을 다음 식에 의해서 정의한다.
[수학식 15]
Figure pct00015
수속 판정 펄스 산출부(81)는, 식(15)에 의거하여, 수속 판정 펄스 Pls(k)를 이하의 로직으로 산출한다.
(i) 차분 과정 ε(t)가 지정 시간 Te 이내에 차분 문턱값 Tε을 한번도 초과하지 않으며, 또한, 지정 시간 Te 내의 a(t)의 최초의 값과 최후의 값의 차(기울기)의 절대값이 기울기 문턱값 Tεd 이내일 때, 수속되었다고 판단하고, 그 타이밍을 t=k, 수속 판정 펄스 Pls(k)를 1로 설정한다.
(ii) 차분 과정 ε(t)가 지정 시간 Te 이내에 차분 문턱값 Tε을 한번이라도 초과하거나, 혹은 수속 판정 펄스 발생 후, 지정 시간 Ted를 경과할 때까지는 수속 판정 펄스 Pls(t)는 0으로 한다.
최종적으로, 수속 판정부(11)는, 도 8에 나타내는 바와 같이, a(t)에 대해서, 수속 판정 펄스 Pls(k)=1로 된 타이밍 t=k일 때 a(t)의 신뢰할 수 있는 추정값이 얻어졌다고 판단하고, 추정값 계열 a(k)를 출력한다. 따라서, 수속 판정 펄스가 발생하지 않은 경우는 a(k)는 출력되지 않고, 자동 조정 장치(12)는 FB 제어기(2)의 조정을 행하지 않는다.
간소한 기울기 연산 방법, 및 기울기 문턱값을 마련함으로써, 항상 a(t)가 동 부호로 미소하게 계속 변화하는 경우(즉 수속에 이르는 도중 과정의 경우)를 수속 판정하지 않도록 하고 있다. 또한, 지정 시간 Te에서의 a(t)의 변화(기울기)를 수속 판정의 평가에 이용하기 위하여, a(t)가 원활하게 변화하지 않고, 다소 진동적이어도, 지정 시간 Te에서의 a(t)의 변화(기울기)가 작으면, 수속 판정을 내릴 수 있는 고안이 포함된다.
이것에 의해, 식(9)가 LPF(λ)를 포함하지 않고, 축차 갱신에 의한 aL이 원활하게 되지 않는 경우여도, 자동 조정 장치(12)는 적절한 타이밍에 고신뢰의 추정값 a(k)를 출력할 수 있고, 수속 판정부(11)는 식(9)가 LPF(λ)를 포함하지 않는 단점에 대한 리커버리의 역할을 하고 있다.
또한, 수속 판정부(11)는 이하와 같은 우위성을 갖는다.
만약 진동 성분 yd가 단일의 정현파이면, aL이 진동 성분의 주파수 fd에 수속된 경우는 e(t)=0으로 되기 때문에, aL이 진동 성분의 주파수 fd에 점근·수속되었는지의 여부는 노치 필터부(6)의 출력 e(t)의 진폭의 대소를 가지고 판단 가능하다.
그러나, 진동 성분 yd가 식(5)에 나타낸 바와 같은 잡음 v(t)를 포함하고, 분산 σx 2가 큰 경우, 가령 a=fd였다고 해도, e(t)의 진폭은 현저하게 남아, e(t)의 진폭의 대소를 가지고 수속 완료를 판단하는 것이 용이하지 않다.
또한, 정현파가 복수 중첩한 진동 파형을 취급하는 경우, 가령 a=fd여도, 다른 정현파 성분이 e(t)에 출력되고, 역시 e(t)의 진폭은 현저하게 남아, 이 경우도 e(t)의 진폭의 대소를 가지고 수속 완료를 판단하는 것이 용이하지 않다.
정현파의 중첩의 수는 제어 대상 기계(4)의 특성에 의존하며, 제어 대상 기계(4)의 특성을 사전에 조사하지 않는 한은 정현파의 중첩의 수는 미지이다. 이것을 근거로 해도, e(t)에 의거하는 수속 완료의 판정은 바람직한 어프로치라고 할 수 없다.
한편, 수속 판정부(11)는, 진동 성분 yd가 잡음을 포함하고, 또한 복수의 정현파 성분이 중첩한 경우에도, 노치 필터부(6)의 aL이 수속된 경우는, 올바르게 그것을 판정할 수 있는 점에서 우수하며, 도 1과 같은 제어 대상 기계(4)를 FB 제어기(2)에서 드라이브하는 모터 제어계의 자동 조정 장치(12)에 있어서는 우위한 수단이라고 할 수 있다.
또한, 실제의 진동 파형은 진폭이 일정한 이상적인 정현파가 아니라, 진동 파형은 근사적인 정현파이며, 진폭에 관해서는 감쇠가 있다. 이와 같은 파형에 대해서, 식(1)∼(3)의 ANF, 혹은 본 실시예의 자동 조정 장치(12)(식(9)를 수반함)를 적용했을 때, 축차 갱신에 있어서의 aL의 수속은 도 9, 도 10에 나타내는 바와 같은 안정적인 것으로 된다는 보증은 없다. 이와 같은 실용 케이스에 있어서, 수속 판정부(11)가 유용하여, 축차 갱신에 있어서의 aL의 수속이 약간 진동적이거나, 혹은 간혹 진동적이어도, 수속 판정부(11)는 일정 기간 수속된 타이밍의 a를, 신뢰할 수 있는 추정값으로서 추출할 수 있다. 이 관점에서도, 수속 판정부(11)를 구비하는 자동 조정 장치(12)는, 도 1과 같은 제어 대상 기계(4)를 FB 제어기(2)에서 드라이브하는 모터 제어계의 자동 조정 장치(12)에 있어서는 우위한 수단이라고 할 수 있다.
노치 필터부(6), 적응 갱신부(7), 부호화부(8), 리미터부(9), 수속 판정부(11) 등으로 구성되는 자동 조정 장치(12)는, CPU가 소정의 프로그램을 메모리 상에 로드하고, 또한, CPU가 메모리 상에 로드한 소정의 프로그램을 실행함에 의해 실현할 수 있다.
도 11에, 실시예 1의 자동 조정 장치의 자동 조정의 동작 플로를 나타낸다.
S101에서, 진동 추출부(5)에 의해, 모터 제어계의 응답으로부터 진동 성분을 추출한다.
S102에서, 노치 필터부(6)에 진동 성분을 입력하고, 노치 필터부(6)의 내부 상태량 x 및 출력 e를 산출한다.
S103에서, 부호화부(8)에 의해, 내부 상태량 x의 부호의 정보만을 추출하여 출력한다.
S104에서, 리미터부(9)에 의해, 출력 e의 진폭을 제한한 정보를 산출하여 출력한다.
S105에서, 적응 갱신부(7)에 의해, 부호화부(8)의 출력과 리미터부(9)의 출력을 곱한 것에 의거하여, 노치 필터부(6)의 필터 파라미터인 노치 주파수의 추정값을 축차로 갱신하여 출력한다. 노치 필터부(6)는, 노치 주파수의 추정값을 노치 주파수로서 축차로 채용한다. 그리고, S102∼S105를 반복한다.
S106에서, 단위 변환부(10)에 의해, 적응 갱신부(7)가 축차로 출력한 추정값의 단위를 헤르츠로 변환하고, 이것을 추정값 a로서 출력한다.
S107에서, 수속 판정부(11)에 의해, 헤르츠로 변환된 추정값 a를 기초로, 추정값 a가 수속되었는지를 판단하고, 수속되었다고 판단한 시점에 있어서의 수속 추정값을 출력한다.
S108에서, 자동 조정 장치(12)가, 수속 추정값을 이용해서 모터 제어계에 포함되는 제어기(2)를 적응적으로 조정한다.
상기 기재의 본 실시예의 기술에 의하면, 기계의 공진 특성을 억제하는 제어기를 자동 조정하기 위하여 필요해지는, 진동 성분의 주파수의 추정값을, 고정 소수점 연산을 행하는 염가의 연산 장치여도, 진동 성분의 진폭의 대소에의 의존성 없이, 안정적·고신뢰로, 연산 오버플로의 우려 없이, 축차 갱신·추정이 가능한 모터 제어 장치, 및 그 자동 조정 방법의 제공이 가능해진다.
또, 노치 필터부(6)는, 식(1) 기재의 Lattice Form의 것 이외에도 다음 식에 나타내는 Direct Form의 것이어도 된다.
[수학식 16]
Figure pct00016
단, aD, rD는 각각 식(16)의 노치 필터의 노치 주파수, 및 노치 폭이고, 적응 갱신부(7)로부터 aL을, aD=2×aL로서 채용하는 것이다.
또, 자동 조정 장치(12)는 진동 추출부(5)의 후단에, 진동 성분 yd로부터 진동의 유무를 검출하고, 진동을 있음으로 판단한 경우만 자동 조정 장치(12)를 구동시키는 구조를 갖는 진동 검출부를 구비하고 있어도 된다.
또한, 자동 조정 장치(12)의 입력은, 출력 y로 하는 것 이외에도, 제어 대상 기계(4)의 출력 m으로 해도 된다.
또한, 자동 조정 장치의 입력은, 모터의 회전수 정보 이외에도, 모터의 회전 위치 정보여도 된다. 또한, 부하로서 접속되는 기계 장치의 회전수 정보, 병진 속도 정보, 회전 위치 정보, 또는 병진 위치 정보여도 된다.
(실시예 2)
도 12는, 실시예 2의 자동 조정 장치(91)를 일반적인 모터의 FB 제어계에 적용한 구성을 나타낸 것이다.
자동 조정 장치(91)는, 실시예 1에서 나타낸 자동 조정 장치(12)에 대해서, 갱신량 조정부(92)가 추가되고, 적응 갱신부(7)가 적응 갱신부(93)로 변경된 구성이다.
실시예 1에서는, aL의 갱신을 식(9)에 의거하며, 또한 수속 판정부(11)를 수반함으로써, σx 2에 의한 오버플로를 회피하면서, σx 2가 초래하는 정규화 처리의 우위성을 다른 형태로 재현했다.
그러나, 도 6에 나타내는 αx의 성질이 초래하는 aL의 수속 속도나 안정성에 관한 우위성, LPF(λ)가 초래하는 aL의 축차 갱신에 있어서의 변동의 원활함에 관해서, 개선의 여지가 있다.
본 실시예에 있어서의 자동 조정 장치(91)는, 이들의 점을 개선하는 것을 목적으로 하여, 자동 조정 장치(12)에 대해서 갱신량 조정부(92)가 추가되고, 적응 조정부(7)가 이하와 같이 변경된 것이다.
<적응 갱신부(93)>
[수학식 17]
Figure pct00017
구체적으로는, μp가 μp(t)로 변경된 것뿐이다.
갱신량 조정부(92)는, e(t) 및 x(t-1)에 의거해, 갱신 스텝 조정 계수 μp(t)를 축차로 산출하는 것이다. 구체적으로는 갱신량 조정부(92)는 μp(t)가 이하와 같이 되도록, μp(t)의 산출을 행한다.
<갱신량 조정부(92)>
[수학식 18]
Figure pct00018
μp(t)=μM을 갱신 스텝의 표준적인 값으로 설정하고, ES 및 μS를 미소하게 설정함으로써, 참값 fd 주변에서의 갱신량을 μs에 의해 미소화할 수 있다. 이것에 의해, 참값 주변에서의 aL의 수속의 안정성이 높아지고, aL의 축차 갱신이 원활하게 되었기 때문에, 수속 판정부(11)에서 수속 판정을 내리기 쉬워진다. 또한, 참값 fd로부터 a가 떨어져 있는 경우, μp(t)=μL>μM으로 하고, 갱신량을 증가시킴으로써, aL의 수속을 빠르게 할 수 있다. 결과적으로, 갱신량 조정부(92), 및 적응 갱신부(93)를 이용함으로써, 본 실시예의 자동 조정 장치(91)는 aL의 수속의 속도를 빠르게 하고, 참값 주변에서의 aL의 수속의 안정성을 높이는 것이 가능해진다는, 도 6에 나타내는 정규화 처리의 우위성과 유사한 우위성을 얻을 수 있다.
따라서, 본 실시예의 기술에 의하면, 기계의 공진 특성을 억제하는 제어기를 자동 조정하기 위하여 필요해지는, 진동 성분의 주파수의 추정값을, 고정 소수점 연산을 행하는 염가의 연산 장치여도, 진동 성분의 진폭의 대소에의 의존성 없이, 보다 안정적·고신뢰로, 연산 오버플로의 우려 없이, 축차 갱신·추정이 가능한 모터 제어 장치, 및 그 자동 조정 방법의 제공이 가능해진다.
또, 식(18)의 갱신량 조정부(92)에서는, μp(t)를 μS, μM, μL의 3값의 변수로 했지만, 예를 들면 μL을 제외한 2값으로 실현해도 된다. 또한, μM을 더 분할해서 3값 이상으로 해도 된다. 어느 경우에도, 갱신량 조정부(92)는 e(t)와 x(t-1)에 의거해, |a-fd|의 상황에 따라서 μp(t)를 산출할 수 있는 것이다.
(실시예 3)
실시예 3에 따른 모터 제어 장치는, AC 서보모터의 캐스케이드 FB 제어계에 있어서의 속도 제어계에의 적용을 상정한 것이다.
도 13에, 도 1에 나타낸 자동 조정 장치(12)를 AC 서보모터의 캐스케이드 FB 제어계에 적용한 모터 제어 장치를 나타낸다. 단, 속도 제어기(132)는 모터 속도(모터 회전수)의 진동을 억제하는 수단을 포함하고, 자동 조정 장치(143)는 속도 제어기(132)를 조정하도록 속도 제어계에 적용되어 있다. 또, 이 경우의 속도 제어기(132)의 구성은 도 2에 나타내는 것으로 한다.
자동 조정 장치(143)는 엔코더(139)의 출력으로부터 위치·속도 산출부(141)에서 산출된 모터 속도(모터 회전수)를 입력으로서 취급한다.
모터의 전기 회로 부분을 전류 제어기(133)가 제어하고, 이 제어 주기가 속도 제어기(132)보다 빠른 전제에 있어서는, 전류 제어계는 근사적으로 1(속도 제어기의 조작량이 모터의 기계 부분(로터)에 직접 전달됨)로 간주된다. 따라서, 자동 조정 장치(143)의 출력을 입력하는 속도 제어기(132)의 제어 대상은, 모터의 기계 부분(로터)과 모터 로터에 결합된 기계(142)이고, 이것이 도 1에 있어서의 FB 제어기의 제어 대상에 상당한다.
기계(142)의 관성수는 1로 하고, 기계(142)와 모터 로터가 탄성 결합되어 있다고 간주되는 경우는, 제어 대상은 기계(142)와 모터 로터가 스프링·댐퍼로 결합된 2관성계로 간주할 수 있으며, 제어 대상은 1세트의 공진·반공진 특성을 포함하는 주파수 특성을 갖는 것으로 된다.
또한, 기계(142)의 관성수가 2이고 각 관성은 스프링·댐퍼로 결합되고, 그 한쪽이 모터 로터에 대해서 탄성 결합되어 있다고 간주되는 경우는, 제어 대상은 각 관성이 스프링·댐퍼로 결합된 3관성계로 간주할 수 있으며, 2세트의 공진·반공진 특성을 포함하는 주파수 특성을 갖는 것으로 된다.
실시예 1에서 나타낸 자동 조정 장치(12)는, 제어 대상의 기계(142)의 관성수에 상관없이 적용하는 것이 가능하다. 제어 대상의 기계(142)의 관성수가 원인으로 위치·속도 산출부(141)에서 검출되는 모터 회전 속도에 중첩하는 진동 성분이 복수로 되는 경우도 생각할 수 있고, 복수 중첩하는 경우는 자동 조정 장치(12)의 추정 정밀도는 양호하지 않아지는 경우도 상정된다. 그러나, 제어 대상의 기계(142)의 관성수가 많은 경우에도, 반드시 모든 관성이 진동 발생에 기여한다고는 한정할 수 없으며, 또한 각 관성에 기인하는 진동이 동시에 발생하여 진동 성분이 항상 중첩한다고도 한정할 수 없고, 개별적으로 발생하는 경우도 상정된다. 이와 같은 경우는, 자동 조정 장치(143)에서 진동 성분의 충분한 추정을 행할 수 있다고 기대할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 있어서도, AC 서보모터의 캐스케이드 FB 제어계에 있어서의 속도 제어계에 대해서도, 기계의 공진 특성을 억제하는 제어기를 갖는 속도 제어기(132)를 자동 조정하기 위하여 필요해지는 진동 성분의 주파수의 추정값을, 고정 소수점 연산을 행하는 염가의 연산 장치여도, 진동 성분의 진폭의 대소에의 의존성 없이, 안정적·고신뢰로, 연산 오버플로의 우려 없이, 축차 갱신·추정이 가능하고, 자동 조정 장치(143)를 구비한 모터 제어 장치를 제공하는 것이 가능하다.
2 : FB 제어기 3 : 모터
4 : 제어 대상 기계 5 : 진동 추출부
6 : 노치 필터부 7 : 적응 갱신부
8 : 부호화부 9 : 리미터부
10 : 단위 변환부 11 : 수속 판정부
12 : 자동 조정 장치 21 : FB 제어기
22 : 제어부 23 : 실제 노치 필터
31 : 자동 조정 장치 32 : 하이 패스 필터
33 : 적응 노치 필터 41 : 적응 노치 필터
42 : 이산 IIR형 노치 필터 43 : 적응 조정부
81 : 수속 판정 펄스 산출부 91 : 자동 조정 장치
92 : 갱신량 조정부 93 : 적응 갱신부
132 : 속도 제어기 133 : 전류 제어기
135 : PWM 136 : 인버터
137 : AC 서보모터 138 : 전류 검출 센서
139 : 엔코더 141 : 위치·속도 산출부
142 : 제어 대상의 기계 143 : 자동 조정 장치

Claims (14)

  1. 모터 제어계의 응답에 중첩하는 진동 성분의 주파수를 기초로, 상기 모터 제어계에 포함되는 제어기를 적응적으로 조정하는 자동 조정 장치를 구비하는 모터 제어 장치로서,
    상기 자동 조정 장치는, 상기 모터 제어계의 응답을 입력으로 하고,
    상기 모터 제어계의 응답으로부터 진동 성분을 추출하는 진동 추출부와,
    상기 진동 추출부에서 추출된 진동 성분을 입력으로 하는 노치 필터부와,
    상기 노치 필터부에서 산출되는 상기 노치 필터부의 내부 상태량을 입력으로 하는 부호화부와,
    상기 노치 필터부에서 산출되는 상기 노치 필터부의 출력을 입력으로 하는 리미터부와,
    상기 부호화부의 출력 및 상기 리미터부의 출력을 입력으로 하는 적응 갱신부와,
    상기 적응 갱신부의 출력을 입력으로 하는 단위 변환부로 이루어지고,
    상기 부호화부는, 상기 내부 상태량의 부호의 정보만을 추출해서 출력하고,
    상기 리미터부는, 상기 노치 필터부의 출력의 진폭을 제한한 정보를 산출해서 출력하고,
    상기 적응 갱신부는, 상기 부호화부의 출력과 상기 리미터부의 출력을 곱한 것에 의거하여, 상기 노치 필터부의 필터 파라미터인 노치 주파수의 추정값을 축차(逐次)로 갱신해서 출력하고,
    상기 노치 필터부는, 상기 적응 갱신부가 축차로 산출·출력한 상기 추정값을 상기 노치 주파수로서 축차로 채용하고,
    상기 단위 변환부는, 상기 적응 갱신부가 축차로 산출한 상기 추정값의 단위를 헤르츠로 변환하여 이것을 추정값으로서 출력하고,
    상기 자동 조정 장치는 상기 추정값을 이용해서, 상기 모터 제어계에 포함되는 상기 제어기를 적응적으로 조정하는 모터 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자동 조정 장치는, 상기 단위 변환부의 출력을 입력으로 하는 수속(收束) 판정부를 갖고,
    상기 수속 판정부는, 상기 헤르츠로 변환된 상기 추정값을 기초로, 상기 추정값이 일정하게 수속되었는지의 여부를 판단하고, 수속되었다고 판단한 시점에 있어서의 상기 헤르츠로 변화된 수속 추정값을 출력하고,
    상기 자동 조정 장치는 상기 수속 추정값을 이용해서, 상기 모터 제어계에 포함되는 상기 제어기를 적응적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는, 피드백 제어기의 후단에 진동을 억제하기 위한 노치 필터 A를 갖고,
    상기 자동 조정 장치는 상기 수속 추정값을 이용해서, 상기 노치 필터 A를 적응적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자동 조정 장치는, 상기 내부 상태량과 상기 출력을 입력으로 하는 갱신량 조정부를 구비하고,
    상기 갱신량 조정부는, 상기 적응 갱신부가 상기 노치 주파수의 추정값을 축차로 갱신할 때의, 갱신 폭에 관한 계수를 축차로 갱신하는 것으로서,
    상기 노치 주파수의 추정값이 상기 진동 성분의 주파수에 가까운 경우는, 상기 갱신 폭에 관한 계수를 작게 하고,
    상기 노치 주파수의 추정값이 상기 진동 성분의 주파수로부터 먼 경우는 상기 갱신 폭에 관한 계수를 크게 하고,
    이것에 의해 상기 적응 갱신부가 상기 노치 주파수의 추정값을 축차로 갱신할 때의 갱신 폭을 조정 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 수속 판정부는, 상기 헤르츠로 변환된 상기 추정값의 전회(前回)값과 금회(今回)값의 차의 절대값을 차분 과정으로서 산출하고,
    상기 차분 과정이 소정 시간 이내에 차분 문턱값을 한번도 초과하지 않으며, 또한 상기 소정 시간의 상기 추정값의 최초의 값과 최후의 값의 차(기울기)의 절대값이 기울기 문턱값 이내일 때, 상기 추정값은 수속되었다고 판단하고, 그 타이밍에 상기 수속 추정값을 출력·갱신하고,
    상기 차분 과정이 상기 소정 시간 이내에 상기 차분 문턱값을 한번이라도 초과하거나, 혹은 상기 추정값을 출력·갱신 후, 소정 시간을 경과할 때까지는 상기 수속 추정값을 갱신하지 않는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리미터부는,
    상기 노치 필터부의 출력이 소정의 상한값 이하이며, 또한 소정의 하한값 이상인 경우는, 상기 노치 필터부의 출력을 출력하고,
    상기 노치 필터부의 출력이 상기 소정의 상한값보다 큰 경우는, 상기 소정의 상한값을 출력하고,
    상기 노치 필터부의 출력이 하한값보다 작은 경우는, 상기 소정의 하한값을 출력하고,
    상기 부호화부는,
    상기 노치 필터부의 내부 상태량이 양의 값인 경우는 1을 출력하고,
    상기 노치 필터부의 내부 상태량이 음의 값인 경우는 -1을 출력하고,
    상기 노치 필터부의 내부 상태량이 0인 경우는 0을 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 노치 필터부는, 차수가 2차인 이산 IIR형 필터인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자동 조정 장치의 입력은, 모터 제어 장치가 제어하는 모터의 회전수 정보, 혹은 회전 위치 정보인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자동 조정 장치의 입력은, 모터 제어 장치가 제어하는 모터에, 부하로서 접속되는 기계 장치의 회전수 정보, 혹은 병진 속도 정보, 혹은 회전 위치 정보, 혹은 병진 위치 정보인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    모터 제어 장치는, AC 서보모터의 캐스케이드·피드백 제어계인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  11. 모터 제어계의 응답에 중첩하는 진동 성분의 주파수를 기초로, 상기 모터 제어계에 포함되는 제어기를 적응적으로 조정하는 모터 제어 장치의 자동 조정 방법으로서,
    진동 추출부에 의해, 모터 제어계의 응답으로부터 진동 성분을 추출하는 스텝과,
    노치 필터부에 상기 진동 성분을 입력하고, 상기 노치 필터부의 내부 상태량 및 출력을 산출하는 스텝과,
    부호화부에 의해, 상기 내부 상태량의 부호의 정보만을 추출하여 출력하는 스텝과,
    리미터부에 의해, 상기 출력의 진폭을 제한한 정보를 산출하여 출력하는 스텝과,
    적응 갱신부에 의해, 상기 부호화부의 출력과 상기 리미터부의 출력을 곱한 것에 의거하여, 상기 노치 필터부의 필터 파라미터인 노치 주파수의 추정값을 축차로 갱신하여 출력하는 스텝과,
    상기 노치 필터부가, 상기 노치 주파수의 추정값을 노치 주파수로서 축차로 채용하는 스텝과,
    단위 변환부에 의해, 상기 적응 갱신부가 축차로 출력한 상기 추정값의 단위를 헤르츠로 변환하고, 이것을 추정값으로서 출력하는 스텝과,
    상기 자동 조정 장치가, 상기 추정값을 이용해서 상기 모터 제어계에 포함되는 상기 제어기를 적응적으로 조정하는 스텝
    을 구비하는 모터 제어계의 자동 조정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    수속 판정부에 의해, 상기 헤르츠로 변환된 상기 추정값을 기초로, 상기 추정값이 수속되었는지를 판단하고, 수속되었다고 판단한 시점에 있어서의 수속 추정값을 출력하는 스텝을 구비하고,
    상기 자동 조정 장치가 상기 수속 추정값을 이용해서, 상기 실제 노치 필터를 적응적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치의 자동 조정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어기는, 피드백 제어부의 후단에 진동을 억제하기 위한 노치 필터 A를 갖고,
    상기 자동 조정 장치가 상기 수속 추정값을 이용해서, 상기 노치 필터 A를 적응적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치의 자동 조정 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    갱신량 조정부가,
    노치 주파수의 추정값이 진동 성분의 주파수에 가까운 경우는, 갱신 폭에 관한 계수를 작게 하고,
    노치 주파수의 추정값이 진동 성분의 주파수로부터 먼 경우는 갱신 폭에 관한 계수를 크게 하고,
    이것에 의해 적응 갱신부가 상기 노치 주파수의 추정값을 축차로 갱신할 때의 갱신 폭을 조정 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치의 자동 조정 방법.
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