WO1997007590A1

WO1997007590A1 - Dispositif pour detecter des vibrations mecaniques et commande de l'amortissement des vibrations

Info

Publication number: WO1997007590A1
Application number: PCT/JP1996/002289
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Nakamura; Shouji Takamatsu; Yasuhiko Kaku
Original assignee: Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1996-08-13
Publication date: 1997-02-27
Also published as: KR100425819B1; JP3189865B2; DE69634513D1; US5990645A; CN1198854A; EP0845854B1; EP0845854A1; CN1071065C; KR19990037701A; DE69634513T2; EP0845854A4; JPH0956183A

Description

明細害

t技術分野；）

本発明は、モータが ggfjする機構のを検出する^ W動検出装置を備えたモータ制御装置に関する C

〔背景技術:！

モータ制御系における検出装置および制振制御装.置としては、本出願人力特願平 6— 1 2 7 8 5 9で提案した装置がある。この従来技術では、モ一夕を含霍系を籠剛体系と機械繊系とに分離し、剛体系のモデルに基づ I、たォブザ—ノ、'により難攝を髙速でし、制振制御を行って t、た。

ところ力 ¾ ^術では、剛体系の角速度とステップ状トルク外乱とを状態魏として 2次のオブザーバを構成しており、舰纖検出装置を実現するのに、剛体モデルと比例演算手段のほ力、に積分演算手！ ¾ ^必要であった。ォブザーバのパラメータも 2つ ¾ ^するがあり、し力、も、その!^値によって機械¾1/信号の位相が大きく変化するため、バラメータ調 <難しいという問題があった 0

〔発明の開示〕

そこで本発明は、調整か容易で、かつ、機械振動を髙楕で取り出すことのできる嫌振動検出装笸、および、動の制振を誠できる制振制御装置を提 t ることを目的とする。

上記問題点を解決するため、本願の第 1の発明は、モータのトルクを制御するモータ制御装置において、

»剛体モデルと、

比例演算手段と、

ハイパスフィル夕と、

前記モータ制御装置のトルク佶号と前記比例演算手段の出力とを加算して、前記剛体モデルに入力するとともに、前記モ一夕制御装置の速度信号から前記 ^ffl 体モデルの出力を差し引、た差信号を前記比例鶴手段と前記ノ、ィパスフィルタに入力して前 § 、ィパスフィルタの出力を信」 I·とする手段と、を備えたことをとするものである。

本願の第 2の発明は、モータのトルクを制御するモータ制御装置において、剛体モデルと、

比例演算手段と、

ハイパスフィルタと、

位相調整器と、

振幅調整器と、

前記モ一タ制御装置のトルク信号と前記比例演算手段の出力とを加算して、前記^ iffi剛体モデルにするとともに、前記モータ制御装置の ¾®信"^、ら前記剛体モデルの出力を差し引し、た差信号を前記比例演算手. と前記ハイノスフィルタに入力し、前シ、ィパスフィルタの出力を前記位相賙腔器に入力し、前記位相調鶴の出力を前記振幅調麟に入力し、前記モータ制:卸装置へのトルク指令に前記振幅 I ^器の出力を加えた信号を新たなトルク指令とする手段と、を備えたことを特徴とするものである。

本願の第 3の発明は、モータの角速度を制御するモータ制:卸装置において、剛体モデルと、

比例演算手段と、

ハイパスフィルタと、

位相調鶴と、

振幅離器と、

前記モータ制御装置のトルク信号と前記比例演算手段の出力とを加算して、前記^ ffi剛体モデルに入力し、前記モータ制御装置の速度信号から前記等価剛体モデルの出力を差し弓 11ヽた差信号を前記比例演箕手段と前ヽィパスフィルタに入力し、前記ハイノ、 ⁸スフィルタの出力を前記位相調鶴にし、前記位相調整器の出力を前 iSS幅調整器に入力し、前記モータ制御装置への：度指令に前記振 Φ; 赚器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする手段と、

を備えたことを特徵とするものである。

上記手段により、 1次の等価剛体オブザーバが構成されるため、積分手！ ¾6、' 1 つ少な!/汾、系を安定とするパラメータの領域が広がる。さらに、オブザーバの S ラメ一タも 1つであり、かつ、そのパラメ一タの腿纖信号の位相に対する感度も低いため、パラメータ調整が容易に行えるようになる。

ΰϋ^ίベたように本発明によれば、 is¾パラメータの数が少なくその is¾領域が広い «剛体オブザーバが構成されるため、調整が容易で、かつ、麵振動を高精度で取り出すことのできる腿翻検出装置、および、機械振動の制振を違成できる制振制御装置が難されるという効果がある。

〔図面の簡単な説明〕

図 1は本発明の第 1の実施例を示す図である。図 2は共振機構の一例を説明する説明図である。図 3は本発明の第 2の実施例を示す図である。図 4は本発明の第 3の実施例を示す図である。

〔発明を実施するための最良の形態〕

以下、本発明の具体的例を説明する。

本発明の機械振動検出装置に関する第 1の実施例を図 1に示して説明する。図中プロック 102は、剛体モデル 103と、比例演箕手段 104と、ハイノ、⁰ スフィルタ 105とからなる機械検出装置であり、モータのトルク信号てとモータ速度信号（ここではモ一夕角速度 vmを使用する）をし、 ^ S¾信号を出力する。ブロック 101は„ 系を持つ,（モータを含む）を示している。

以下、機械 iilj信号の検出驟を説明する。機構系 101の fit関数は、特願平 6— 127859で提案した近似法を用いると、等価剛体系 (s)

7

(s) = (1) s +D₀

と ^系 G₂ (s) ω_Γ ² s^z + s + ω_:

G₂ (s) = (2)

とに分雔できる。ここで、 7は^ fffi剛体系の慣性モーメントの «C、 Do ノ 7は ^fffi剛体系の粘性摩擦係数である。また、 ω_Ρ と ω₃ は„ 系の周波数と反周である。

まず、本発明の原理を説明する。図 1において、 TOで匪まれたブロック 10 1内力現象を伴った機構（«I機を含む）を、一点鎮線で Eまれたプロック 102が本発明による觀振動検出装置をそれぞれ示している。機構の一例として、図 2に示す 2慣性の捩じり «系を考える。図中 C系の運動方程式は、

Jn θ_η +Κ (θ_η 一 0_L ) + (D_ffl +D_T ) θ_η一 D_T θι =u₅ (3 a)

J_L e +K (0, B_L ) + (DL +D_T ) 6_L 一 D_T e_L =0 (3 b) となる。

-で、

モータ軸の角度 [r a dj

負荷軸角度 [r ad]

6 Θ 線形パネの捩じれ角 [r a d]

モータ軸側の惙性モーメン卜 CKgm² ]

J_L 負荷軸側の慣性モーメント（モータ軸麟） [ gm⁸ ] K »線形パネのバネ趙 [Nm/rad]

モータ軸の粘性摩擦係数 [Nm/(rad/s)]

D_L 負荷軸の粘性摩擦係数 [Nm/Crad/s)] D_T ¾敏形ノ、'ネ系の粘性摩数 [Nm/(rad/s)]

Ul モータ軸の癸生トルク [Nm]

である。ここで、状態を

X (t) (4 a)

観測出力（電動機の角速度）を y Ct) - （t) =x₃C t) = [0010] x ( t) (4 b) とすると（l a) , (lb)式より'忱方程式 x (t) =Ax( t) +bu(t) (5 a) y (t) = c x( t) C5b) を得る。ただし、

c= [0010] (5) である。

rni^が発生するトルクから誦の角（観測出力）までの関数は、

G (s) =C (s I - A) '^lb

D_L +D_T K

s^z + s +

J_L J_L

=G_S (s) (7)

P (s)

である。但し、特性方程式 P (s)は、

K K D_n D_T D Di D_m D- K CD_m + D_L)

4 -) s +

J_L

(8) である。（8)式は、纖機のパラメータと機械^^のパラメータが組み合わさっており、式を 1次式と 2次式の積に因数分解することは、非常に困難であつた。このため、式の物理的意味が不明確であり、制御系全体に対して状態ォブザーバを構成せざるを得なかった。

そこで本桑明では、（8)式において、

D_m +D_L 1

(9 a)

CI +σ) J D_M D_T +D_L D_T +D_M D:

+

(l + α) J_n K

とおく。但し、 aはモータに ¾ る負荷慣性モーメントの比'

な- JL / Jffi (1 0) である。（9 a)〜（9 c) を用いて（8)式を表現すると、

P (s) = s³ ( (Wr /Qr ) +D₀ ) s² +ω_Γ ^ζ s + _r ⁸D (1 1) となる。ここで、新たに

P (s) = (s +D。）（s² + s +ω_Γ ²) CI 2 a)

s³+ ( + D₀ ) s^e+ (1 + ε) ω_Γ ²3+ω D。 (1 2 b)

を考える。但し（1 2 b)式で、 £= (1/Q_r ) (Do /<ύ_τ )

とおいた。（1 1)式と（1 2 b)式より、

£ = 0のとき、 P (s) = P (s)であるから、 P (s) は P (s) の近似式であり、 eは近似差を衷している。（13)式からもわかるように、が大きい程、近似誤差 εは小さくなる。例えば、 Q_r >10, io_r >1 ODo のとき、 ε < 0. 01となる。

(9 a) 〜（9 c)式を仮定することにより、特性方程式 P (s)を（12 a

) , (12 b)式の P (s)で、

D_M D_T D_L

P (s) = s³+ ( ) s² +

J _L

と近似できる。ここで（7)式において

とおく、（14)式と（15 a)，（15b)式を（7)式に用いると、ィ¾1閲数の近似式

ω»

1 1 s² + s + ω»²

〜 Q

G (s) =— = (16 a) ω_τ

J _m S +Do s ² -! s +

Qr

が導出できる。（16 a) , (16 b)式を用いることにより、 2 性共振系は図 1ののプロック 101内に示す等価剛体系 G, ( s )

と系 G₂ (s) ω. s +ω«^ζ

G₂ (s) = (17 b) s² + s +ω,

Q，

とに分離できる。もし、剛体系の速度が検出できれば、親測出力から^ ffi剛体系の検出速度を差し引いた差信号より、機動のみが検出できる。そこで、等価剛体系をモデルとする状態オブザーバを構成する。 i ¾lxとしては^ i 剛体系の角速度 Vのみを考え、モータのトルクてを制御入力 uとすると、その微分方程式

V (t) =一 D。 V (t) +ァ r (t) (18) より、等価剛体系の状態方程式と出力方程式は

X (t) =a X Ct) +b u ( t ) (19 a) y ( t ) c x (19b) となる。ただし、

x (t) =v (t) 、 u (t) =て（t)、 a: Do > b =ァ、 c = 1

(19 c) である。

より、次式のォブザーメ需成できる。 x (t) (a-k c) x (t) +k y ( t) +bu (t) (20)

(19)式と（20)式より、 ^iffi剛体系の角速度? ^値 vは次式で与えられる-

V (t) =-D₀ v (t) + k (y (t) -v (t) ) + r r (t) (21) g

ここで、出力 yを、 vの代わりにモータ角速度 v mで与えると、（2 1 )式は図 1のブロック 1 0 2内のブロック線図で表現できる。

求めるべき^ 信号は、モータの角速度と等価剛体系の角速度推定値との差信号 e、 e ( t ) = v m ( t ) - V ( t ) ( 2 2 ) によって得られるが、（2 0 )式のオブザーバではトルク外乱 dを考慮していないため、ステップ状のトルク外乱 dがあると、差信号 eに推 ¾|¾差が残ってしまう。そこで、差倌号 eをハイパスフィルタ 1 0 5に通し、トルク外乱による推定誤差を除いた信号を信号とする。以上より、 ^«動検出装置 1 0 2内の構成によって、機械繊借号カ^られる。

本発明の制振制御装笸に関する第 2の実施例を図 3に示して説明する。同図は、本発明をモータのトルク制御装置に適用したものである。 II中、モータを含む系 1 0 1と出装置 1 0 2は、第 1の^ ½例と司樣である。 1 0 6 は、トルク指令を入力し、モータが発生するトルクを出力するモータ駆動装置であり、パワーアンプ等で構成される。機 ¾S¾検出装置 1 0 2へ入力するモータのトルク倌号てとしては、発生トルクモニタ信号あるいはトルク指令 i号を用いる。動検出装置 1 0 2が ¾ ^した^ 信号を位相調 i l 0 7に入力する。調整器 1 0 7の出力を振幅調整器 1 0 8に ΛΛし.. その出力 wをトルク指令に加えた信号を新たなトルク指令としてモータのトルク制御装儼へ出力する。

位相調整器 1 0 7および振幅調整器 1 0 8は、モータと櫬戒^ ^を含んだ制御系の «Jを抑制するように、観検出装置 1 0 2の出力である観鐘信号の位相および振幅を調整するものである。観振動検出装儼 1 0 2の出力する信号の位相は、モータ角速度 v mの振動の位相より進んでおり、その進み具合は前記比例演算手段 1 0 4のゲイン kによつて調整されるため、位相調整器 1 0 7は口一パスフィルタなどの位相遅れ要素で実現さ riる。振幅調整器 1 0 8は、前記目調整器 1 0 7の出力信号をゲイン倍する增幅器あるいは演算器で実現される。

本癸明の制振制御装置に関する第 3の実施例を図 4に示して説明する。同図は、本発明をモータの速度制御装置に適用したものである。図中、モータを含む機構系 1 0 1と ¾!»動検出装置 1 0 2は、第 1の錢例と同様であり、モータ駆動装置 1 0 6、位相調難 1 0 7および振幅調整器 1 0 8は第 2の実施例と同様の働きをする。ただし、振幅調整器 1 0 8の出力 wは速度指令に加算され、加算された信号は新たな速度指令としてモータの速度制御装置へ出力される。 1 0 9 は、速度指令と速度フィードバックとの差信号を入力し、トルク指令を出力する制御用補償器である。

以 1、第 2、第 3の例において、トルク外乱 dの換出値あるいは m¾ "<得られる場合には、トルク指令にトルク外乱 dを加えた値をトルク信号として検出装置 1 0 2に入力しても良い。この場合はハイパスフィル夕 1 0 5は不要となる。例えば、第 3の実施例における速度制御用補倌器 1 0 9内で、比例稜分制御によりトルク指令をする場合には、積分演算値の正負を反転したものを前記トルク外乱値として用 L、れば良し、。

C産^ ±の利用可能性 3

本発明は、モータで i»される各業 «¾ 、例えば工作錢械、ロボット、半 ^製造装、金属加工機、その他" IS産業用機械、及び事務用機械に適用される。

Claims

請求の範囲

1 . モータのトルクを制御するモータ制御装において、

剛体モデルと、

比例演算手段と、

ハイパスフィルタと、

前記モータ制御装置のトルク信号と前記比例演算手段の出力とを加算して、前記 ^ ffi剛体モデルに入力するとともに、前記モータ制御装置の速度信号から前記娜剛体モデゾレの出力を差し弓 11、た差信号を前記比例演算手と前記ぐスフィルタに入力して前記ハイパスフィゾレタの出力を機械繊信号とする手段と、を備えたことを特徴とする,振動検出装置。

2. モータのトルクを制御するモータ制御装置において、

«剛体モデルと、

比例鄉手段と、

ハイパスフィルタと、

位相調整器と、

振幅調整器と、

前記モータ制御装置のトルク慣号と前記比例演算手段の出力とを加算して、前記^ ffi剛体モデルに入力するとともに、前記モータ制御装置の速度信^、ら読剛体モデルの出力を差し引、た差信号を前記比例演算手段と前記、ィパスフイルクに入力し、前言シ、ィパスフィルタの出力を前記位相調整器に入力し、前記位相調整器の出力を前記振幅調整器に入力し、前記モータ制 ί卸装へのトルク指令に前記搌幅調整器の出力を加えた信号を新たなトルク指令とする手段と、を備えたことを特徴とする制振制御装置。

3. モータの角速度を制御するモータ制御装置におレ、て、

剛体モデルと、

比例演算手段と、

ハイパスフィルタと、

位相調整器と、

振幅調整器と、前記モータ制御装置のトルク信号と前記比例離手段の出力とを加算して、前記^ 剛体モデルに入力し、前記モータ制御装置の速度信号から前記 «剛体モデルの出力を差し弓 11、た差信号を前記比例演算手段と前、ィパスフィルタに入力し、前記ハイパスフィルタの出力を前記位相調整器に λ¾し、前記位相調整器の出力を前記振幅調整器に入力し、前記モータ制御装置への速度指令に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする手段と、

を備えたことを徴とする制振制御装置。

4. トルク外乱信号を検出あるいはによって求める手段と、前記トルク信号に前記トルク外乱信号を加えた信号を新たなトルク信号とする手段を備えたことを ^とする請求項 1乃至 3記載の, 検出装置および制捱装置。

5. 比例積分制御等の種分演算を含む演算によりトルク指令をする手段を備え、この種分演算値の正負を反転したものを前記トルク外舌 U言号とする手段を備えたことを ¾とする請^ 4記載の機動検出装置および制 ¾置。