WO1982004506A1 - Control system for a motor driven machine - Google Patents

Description

明 細 書'

電 動 機 械 の 制 御 方 ^

〔 技術分野 〕

本発明は、 電動機械における機能を高性能化する ため の制御方式に関する も のである。

電動機械では個 々 の要因によ る ト ル ク リ ッ プル と機械 振動系と の間で共振現象が起 り、 振動となる。 一般産業 用の電動機械では、 ある程度の振動は実用上さして問題 にはならないが、 刃物や工具を高い精度で動かす必要の ある高精度な電動機械では、 運転に伴 う 振動は、 その精 度に関係するため、 有害な振動を可及的に少 く する こ と が要求される。 .

〔 背景技術 〕

電動機械における振動発生源と して 皇々 のものがある が、 影響の大きな もの と しては、 例えば第 1 図に示すよ う に駆動モー タ 1 と負荷 2 と の間に介在する滅速機 ³ が ある。

こ こ でい う 镔速檨とはギヤ、 ベ ル ト 、 チェー ン 、 ワ イ ャ、 ボ一 ル スク リ ユ ー等を使った滅速機やハ ― モ 二 ッ ク ド ラ イ ブ コ ン ボ ネ ン ト （ 歯車減速機の一種 ） な どである _c 之等の滅速檨では、 構造上の原因 よ り 、 駆動モー タ 1 の回転数の整数倍、 あるいは整数分の 1 のパ ラ メ ー タ 変動を生じ、 こ のパ ラ メ ー タ変動が強制力 となって機械 系を強制振動させる。

OMPI ― そのため、 駆動モー タ 1 を如何に正確に一定速度で回 転させて も、 負荷 2 に伝達される ト ル ク には リ ッ ブルが 生じ、 刃物や工具を滑らかに、 且つ高精度に動かすこ と が出来なかった。

更に、 こ の減速機 3 のパ ラ メ ー タ変動によ る ト ル ク リ ッ ブルが、 周期的な強制力 となって、 減速機 3 と負荷 2 とで檮成される機械振動系と共振現象を起し、 機械性能 上あるいは使用上重大な問題となっていた。

第 2 図は第 1 図に示した電動機械の等価電気回路を示 すも ので、 前記滅速檨 3 は、 理想 ト ラ ンス と ス プ リ ン グ 近似される。

なお図中 Τはモー タ 1 の発生 ト ル ク 、 J_Mは モ 一 タ イ ナ — シャ、 ^VMはモ ー タ速度、 N は滅速機 3 の減速比、 Kは 減速機 3 の等価パネ定数、 J は負荷イ ナ — シャ、 Vは負 荷速度である。

涙速機部の剛性が機械系全体中、 最も低いこ とが普通 であるので、 こ の等価電気回路ではそのパネ定数を K と して表わし、 泡の部分のパネ定数は∞と見傲している。

滅速機部のパ ラ メ ー タ変動に よ り生ずる ト ルク リ ッ ブ ルは、 第 2 図の (A)又は（B)に示す位置に加法的に加わ り、 この ト ル ク リ ッ プルが、 接楨振動系の固有振動数 n

と等しい周波数成分を有する と、 共握が起る こ と になる

O PI k こ こ

で表わされる。

従来、 こ の共振現象を防止する ために、 負荷側にダ ン パを入れた り 、 共捱を起す回転数での使用を禁止する こ となどが行なわれているが、 前者の方法は機構的な変更 を必要と し、 ま た後者の方法は使用条件に制約があるの で不便であった。

そこで、 本発明は驟動モー タその もので、 ダ ンパ作用 を行なわせる方法を新.し く 提案し ょ う とする ものである 〔 発.明の開示 〕 . .

即ち本発明は、 有害な持続振動を発生する靡動モ ー タ によって駆動される電動機械において、 振動の加速度検 出装置に よ り 振動部位の振動の加速度に比例する電気信 号を検出し、 こ の電気信号を位相調整回路 と ゲイ ン調整 回路 と に よ ^振動を減衰させる に適切な位相の補正信号 に変換し、 それを壓動モー タ の制御装置に与えて振動を 減衰させる よ う にしたものである。

そし て本発明は、

i ) 機構的な変更を必要と しない。

ii ) 付加する装置は加速度検出装置と簡単な電気回路 だけで、 全て信号回路 （ パ ワ ー 回路ではない ） であ る

ΟΚίΡΙ V ,'ΠΌ とい う 特長があ り 、 容易且つ安価に実現でき、 実用上、 電動機械の制御方式と して優れたものである。

〔 図面の簡単な説明 〕

第 1 図は電動機械のブ ロ ッ ク図、 第 2 図はその等価電 気回路図、 第 3 図は本発明実施例のブ ロ ッ ク図、 第 4 図 は振動加速変換回路の電気回路図、 第 5 図は補正信号の 位相特性図、 第 6 図は動作説明図、 第 7 図は本発明の原 理説明図である。

願動モー タ 2 …負荷

3 - 減速機 4 …速度指令器

5 · 減算器 6 …速度制御装置

7 · 振動検出器 8 …搌動加速度の変換回路 9 · 位相調整回路 1 0 … ゲイ ン調整回路

〔 望ま しい実施例 〕

¾下、 本発明の実施例を図面に基づき説明すれば次の 通 り である。

第 3 図は本発明実施例のブロ ッ ク図で、 1 は駆動モ ー タ、 該モー タは減速指令器 4 によ る速度指令信号 Vr に従って、 減算器 5 及び速度制御装置 6 を介して駆動さ れる。 2 は負荷、 3 は減遠機である。

本実施例の装置が従来の 御方式と異る点は、 負荷 2 の振動を検出する振動検出春 ⁷ と、 その出力信号から振 動の加速度を検出する振動 速度の変換回路 8 と、 その 出力信号の位稆を調整する位相調整回路 9 と、 ゲイ ン調 整回路 1 0 と前記減算器 5 を設け、 振動部位の振動の加 速度に比例する電気信号を振動の加速度検出装置 1 1 、 即ち振動検出器 7 と振動加速度の変換回路 8 とで検出し 位相調整回路 9 と ゲイ ン調整回路 1 0 で、 前記振動部位 の振動を減衰させる に適切な位相の補正信号 （ 後述 ） に 変換し て、 それを減算器 ⁵ に与える よ う にした点であ る 前記振動検出器 7 は、 負荷 ² の振動速度 X 又は変位 X の何れかを電気的に検出する ものであればよい。

振動加速度の変換回路 8 は、入力信号を振動の加速度 X に比例する電気信号に変換する も ので、 前記振動検出器 7 が振動の速度 X を検出する も のであれば、 第 ⁴ 図（a)に 示すよ う な、 演算増巾器と抵抗及びコ ^デンサで構成さ れる微分回路が用いられる。 ま た振動検出器 ⁷ と して変 位 Xを検出する も のを使用する場合は、 第 ⁴ 図（b)に示す よ う な 2 段の微分回路が用いられる。

なお振動検出器 7 が、振動の加速度 X を検出する ものな らば、振動加速度の変換回路 8 は不要である。

位相調整回路 ⁹ は、,駆動モー タ 1 の位相特性を補償する ための も のである。 ·

そし てこ 位相調整回路 9 によって、 出力信号の位相 特性 を、 加速度変換回路 8 の出力 と負荷振動の加速 度 ' x' と の位相差 e M、 駆動モー タ の速度制御装置 ⁶ で駆 動される駆動モー タ の位相特性が、 とする と き、

ώ ( ω) = θ ( ω) + φ ( ω ) (3)

Ο ΡΙ となる よ う に調整する ものである。

これは振動を減衰するために、 翦動モー タ 1 の制御装 置に与える補正信号を、 負荷振動の加速度 X とは逆位相 にする こ とである。

之等の位相関係を図示する と、 第 5 図に示す通 り であ る

なお、 振動検出器 7 と して、 加速度計を使用し、 しか も共振周波数での翳動モー タ 1 の位相遅れと、 前記加速 度計によ る検出信号の位相遅れが共にない場合には、 前 述のよ う に振動の加速度変換回路 8 と共に,こ の位相調整 回路は不要となる

また、 この位相調 回路 9 によ る位相調整は、 実際上 は振動が問題となる周波数範囲 （ つま り 共振周波数の付 近 ） だけ正確な ものであればよい

ゲイ ン調整回路 1 0 は、 振動を滅衰させるための補正 信号の大き さを決定する も ので、 演算増巾器、 抵抗分圧 回路、 可変抵抗器などが使われる

次にその作用、 効果について説明する。

第 6 図 (a)は、 従来方式の電動機核の共捱周波数での制 御系の応答を示すもので、 駆動モ タ 1 の速度指令を、 減速機 3 のノ ラ メ — タ変動によ り 生ずる振動が檨楨振動 系の固有振動数と—致する よ う な一定値（ する と、 共振 が起り 、 負荷 ² は大きな振動を発生し、 翦動モー タ 1 の 速度は、 負荷 ² からの影響を受けて少し変動する。

V iFO 、 第 6 図（b)は、 第 3 図に示す構成に よ り 、 駆動モー タ 1 に振動を減衰させる ための補正信号を、 速度指令に積極 的に加えた場合の共振周波数での系の応答を示すもので ある。 この場合.、 補正信号と しては、 モ ー タ の速度の交 流分と逆位相になる よ う に、 位相調整された負荷の振動 の加速度 X が、 加えられている。

こ の時の負荷の振動は、 第 8 図の（a) -衂図 と（b) - 図 を比較すれば明らかなよ う に、 大巾に小さ く なる。

事実上は、 負荷の振動を 0 にする こ とができ る。

その調整はゲイ ン調整回路 1 0 ( 手動 ） に よって行な う 。 ゲ イ ンを上げて行 く に従って振動は小さ く なつて行 く が、 大き く し過ぎる と乱調となる。 従ってその調整は、 乱調しない最大のグイ ンを選択する よ う にする ものであ o

では次に、 本発明の原'理的な説明をする。

負荷 2 を減速機 3 を介し て、 驅動モー タ 1 で駆動する 電動機械の等価回路が、 第 ⁷ 図（A)のよ う になる こ とは先 に述べた （ 第 2 図参照 ） 。 こ の第 7 図（A)の回路を微分方程式で表わすと、 次式と なる。

V M dv

K - V ) d t = J (4)

N d t と こ ろで、 駆動モー タ 1 を静止、 つま り v_M = o と し た 場合の 2 次側 （ 負荷側 ） の等価回路は、 第 7 図（B)の よ う になる。 ' この回路は減衰のない振動系であ り、 その佞達関数は 第 7 図（C)のよ う になる。 但し である

. このよ う な滅衰一 N oのない振 ft系は _t何らかの原因で一旦 振動が発生する と、 o何時までも振動を持続する。

なお、 一般の振動系のと伝達関数は ωη² て

(5)

S² ÷ 2^ς ω _nS + _n2

る

但し、 ω_ηは系の固有振動数、 は減衰係数 で示され、 滅衰項を持っている

今、 第 7 図（B)において、 = 0 ) の代 り

N （ に

0 d

( 負荷の加速度を定数倍したもの ） なる量を

N .dt 第 7 図（D)の よ う に等価回路上で挿入する。

この場合の振動系の微分方程式は次式で表わされる。 dv dv

K V ) dt = J (6)

N dt dt

従って、 この式の伝達関数は第 7 図このよ う になる。 こ の伝達関数と ）式で示した^達関数の対応関係から

WL (7)

2 J

となる。 このこ とは第 7 図（D)に示した 2 次側 （ 負荷側 ）

C d v

等価回路において なる信号を印加する こ と に よ

N d t り 前記 f なる減衰項が発生する こ とを意味し

2 K J

て ^、る dv

これは、 一 C なる信号を第 6 図（I)における 1 次側 d

( 駆動モー タ側 ） に印加する こ と と等価である dv d V

即ち、 負荷側の —— を検出して、 - C なる補正信 d d t 号を速度制御ルー プに加える こ と によ り、 振動を減衰さ せるこ とができる こ と を意味する。

これを等価回路で考える と、 第 7 図（F)の よ う にすれば 負荷側の振動は減衰する こ と になる。 以上が本発明の基 本原理である。

〔 産業上の利用可能性 〕

と ころが、 現実には振動系に位相遅れが存在するので 前述のよ う に、 単に負荷側の振動の加速度 （ を速

d I

度制御ル― ブに加えるだけでは,振動を减衰させる こ とは できず、 こ の位相遅れを補償する必要がある。

従って有害な振動を抑制するためには、駆動モー タ 1 の 出力軸における驟動 モ — タ の速度の交流分 対して、逆位

OM?I 相になる よ う に補正信号を加える必要がある。

と ころが、 実際には羅動モー タの速度制御系と加速度 検出装置にも位相遅れがあるので、 更にそれをも補償す る よ う にする必要がある。 位相調整回路 9 はこれらの位 相遅れを補償する ものである。

振動の検出方法と して 振動の変位 X を検出する方法 と、振動の速度 を検出する方法と、 振動の加速度 X を検 出する方法の 3 つがある。

振動を抑制するには前述のよ う に振動の加速度成分を 制御上、 帰還させる必要があるので、 振動の変位 X 又は 速度 ^: を検出する方法を探る場合は、 それらの検出値を 2 回又は 1 回、 微分回路を通.して振動の加速度信号に変 換する必要がある。 前記実施例における振動加速度の変 換回路 8 が、 その変換回路である。

以上、 電動機械の有害な振動を抑制するため、 補正信 号を速度制御系に加える ものに関違して説明したが、 位 置制御系 （ 通常のサー ボ系 ） 電動機械でも、 位栢制御系 中の速度制御系に同じ こ とを適用すれば,同じ効果が得ら れ

電動機械の負荷に発生する振動には、 種々 の周波数成 分の ものがあるが、 顕著な周波数成分を抑制するだけで 充分目的を達成し得る場合は、 顕著な周波数成分だけを、 選択的に検出する振動検出器を用いるか、 広带域の振動 検出器に上記周波数成分だけを選択的に通逼する 口 ー パ

WIPO ス又はノ、 イ ノ、。 ス の ノ ン ド - ノ、。 ス · フ ィ ル タを付カロした も のを用 、る。

また、 電動機械は外乱を受けた り、 ある使用条件と な つた時、 負荷の振動が顕著になる場合がある。 従って、 多用途の電動機械においては、 選択ス ィ ッ チを介在させ て、 必要に応じて補正信号を加える よ う に構成する こ と は、 実用上有効な方法である。

v/ipo

Claims

請 求 の 範 囲

(1) 駆動モー タ によって駆動される有害な持続振動を発 生する電動機械において、 振動の加速度検出装置によ り、 振動部位の振動の加速度に比例する電気信号を検 出し、 この電気信号を位相調整回路と ゲイ ン調整回路 とに よ り、 振動を減衰させる に適切な位相の補正信号 に変換し、 それを駆動モ ー タ の制御装置に加える こ と を特徵とする電動機械の制御方式。

(2) 補正信号を駆動モー タの速度制御調整器に与える こ とを特徵とする特許請求の範囲第 1 項記載の電動機械 の制御方式。

(3) 補正信号を位置制御調整器に与える こ とを特徵.とす る特許請求の範囲第 1 項記載の電動機械の制御方式。

(4) 特定周波数の振動の加速度に比例した電気信号を送 出する加速度検出装置を使用する こ とを特徵とする特 許請求の範囲第 1 項記載の電動機械の制御方式。

(5) 補正信号を選択ス ィ ッ チを介して与える よ う にした こ と を特徵とする特許請求の範囲第 1 項記載の電動機 械の制御方式。