(57)【要約】【課題】機械装置のパラメータを用いずに、共振による振動を抑制する。【解決手段】本発明に係る制御装置１０は、捻じれトルクＴｓを検出する検出部１１と、モータの出力トルクＴMと捻じれトルクＴSとの偏差に対応するモータ回転速度ωMと摩擦係数ＤM＾とに基づき、摩擦トルクＴMDを演算する摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄと、モータ回転速度ωMと慣性係数ＪM＾とに基づき、慣性トルクＴMJを演算する慣性トルクシミュレータ部１２Ｊと、トルク指令ＴMrefと摩擦トルクＴMDと慣性トルクＴMJとを加算してモータの出力トルクＴMとして出力する加算器１５と、トルク指令ＴMrefと捻じれトルクＴｓとの偏差が小さくなるように摩擦係数ＤM＾を調整する摩擦係数修正部１７Ｄと、トルク指令ＴMrefと捻じれトルクＴSとの偏差が小さくなるように慣性係数ＪM＾を調整する慣性係数修正部１７Ｊと、を備える。【選択図】図１
2020058216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
捻じれ要素により連結された機械装置を駆動するモータを制御する制御装置であって、
前記モータと前記機械装置との間の捻じれトルクを検出する検出部と、
前記モータの出力トルクと前記捻じれトルクとの偏差に対応するモータ回転速度と、前記モータの摩擦係数とに基づき、前記モータによる摩擦トルクを演算する摩擦トルクシミュレータ部と、
前記モータ回転速度と、前記モータの慣性係数とに基づき、前記モータによる慣性トルクを演算する慣性トルクシミュレータ部と、
前記モータに対するトルク指令と、前記摩擦トルクと、前記慣性トルクとを加算して前記モータの出力トルクとして出力する加算器と、
前記トルク指令と前記捻じれトルクとの偏差が小さくなるように前記摩擦係数を調整する摩擦係数修正部と、
前記トルク指令と前記捻じれトルクとの偏差が小さくなるように前記慣性係数を調整する慣性係数修正部と、を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置において、
前記摩擦係数修正部および前記慣性係数修正部は、前記摩擦係数と前記慣性係数とを重み付けして制御することを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の制御装置において、
繰り返し学習しながら前記摩擦トルクの位相調整を行う第１の位相調整部と、
繰り返し学習しながら前記慣性トルクの位相調整を行う第２の位相調整部と、をさらに備えることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置において、
前記モータ回転速度に対するフィルタ処理により前記モータ回転速度の振動成分を抽出するフィルタをさらに備え、
前記摩擦トルクシミュレータ部は、前記モータ回転速度の振動成分と、前記モータの摩擦係数とに基づき、前記モータによる摩擦トルクを演算することを特徴とする制御装置。
【請求項５】
捻じれ要素により連結されたモータに負荷を与える負荷発生装置の制御装置であって、
前記モータと前記負荷発生装置との間の捻じれトルクを検出する検出部と、
前記捻じれトルクと前記負荷発生装置の負荷トルクとの偏差に対応する負荷発生装置回転速度と、前記負荷発生装置の摩擦係数とに基づき、前記負荷発生装置による摩擦トルクを演算する摩擦トルクシミュレータ部と、
前記負荷発生装置回転速度と、前記負荷発生装置の慣性係数とに基づき、前記負荷発生装置による慣性トルクを演算する慣性トルクシミュレータ部と、
前記負荷発生装置に対するトルク指令と、前記摩擦トルクと、前記慣性トルクとを加算して前記負荷発生装置の負荷トルクとして出力する加算器と、
前記負荷発生装置に対するトルク指令と前記捻じれトルクとの偏差が小さくなるように前記摩擦係数を調整する摩擦係数修正部と、
前記トルク指令と前記捻じれトルクとの偏差が小さくなるように前記慣性係数を調整する慣性係数修正部と、を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の制御装置において、
前記摩擦係数修正部および前記慣性係数修正部は、前記摩擦係数と前記慣性係数とを重み付けして制御することを特徴とする制御装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の制御装置において、
繰り返し学習しながら前記摩擦トルクの位相調整を行う第３の位相調整部と、
繰り返し学習しながら前記慣性トルクの位相調整を行う第４の位相調整部と、をさらに備えることを特徴とする制御装置。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか一項に記載の制御装置において、
前記負荷発生装置回転速度に対するフィルタ処理により前記負荷発生装置回転速度の振動成分を抽出するフィルタをさらに備え、
前記摩擦トルクシミュレータ部は、前記負荷発生装置回転速度の振動成分と、前記負荷発生装置の摩擦係数とに基づき、前記負荷発生装置による摩擦トルクを演算することを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータまたは負荷発生装置を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、機械装置をモータにより駆動する系において、モータと機械装置との間の共振による振動が問題となることがある。そこで、このような振動を抑制するための技術が検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、機械装置の負荷側に印加された外乱トルクを外乱オブザーバを用いて推定し、推定した外乱トルクを補償して所望の制御を行う技術が記載されている。また、特許文献２には、モータ速度と、モータの推定速度との差からトルクの補償値を演算することで、機械共振系から生じる振動を測定し、振動を抑制する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２２８４８４号公報
【特許文献２】特開２００１−１５７４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されている技術では、機械装置の速度および慣性値が事前に与えられている必要がある。また、特許文献２に記載されている技術では、機械装置の慣性値が事前に与えられている必要がある。このように、特許文献１，２に記載されている技術では、モータと捻じれ要素により連結された装置（機械装置）の慣性値などのパラメータが必要となる。そのため、特許文献１，２に記載されている技術では、パラメータを取得するためのオブサーバを機械装置ごとに設けたり、オフラインでパラメータを測定したりする必要が生じるという問題がある。なお、ダイナモメータのような負荷発生装置とモータとが捻じれ要素により連結され、ダイナモメータを制御対象として、ダイナモメータにより負荷をモータに与えて、モータの動力を吸収する系においても、同様の問題が生じる。
【０００６】
上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、制御対象の装置と捻じれ要素により連結された装置のパラメータを用いることなく、捻じれ要素により連結された装置間の共振による振動を抑制することができる制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置は、捻じれ要素により連結された機械装置を駆動するモータを制御する制御装置であって、前記モータと前記機械装置との間の捻じれトルクを検出する検出部と、前記モータの出力トルクと前記捻じれトルクとの偏差に対応するモータ回転速度と、前記モータの摩擦係数とに基づき、前記モータによる摩擦トルクを演算する摩擦トルクシミュレータ部と、前記モータ回転速度と、前記モータの慣性係数とに基づき、前記モータによる慣性トルクを演算する慣性トルクシミュレータ部と、前記モータに対するトルク指令と、前記摩擦トルクと、前記慣性トルクとを加算して前記モータの出力トルクとして出力する加算器と、前記トルク指令と前記捻じれトルクとの偏差が小さくなるように前記摩擦係数を調整する摩擦係数修正部と、前記トルク指令と前記捻じれトルクとの偏差が小さくなるように前記慣性係数を調整する慣性係数修正部と、を備える。
【０００８】
また、本発明に係る制御装置において、前記摩擦係数修正部および前記慣性係数修正部は、前記摩擦係数と前記慣性係数とを重み付けして制御することが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る制御装置において、繰り返し学習しながら前記摩擦トルクの位相調整を行う第１の位相調整部と、繰り返し学習しながら前記慣性トルクの位相調整を行う第２の位相調整部と、をさらに備えることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る制御装置において、前記モータ回転速度に対するフィルタ処理により前記モータ回転速度の振動成分を抽出するフィルタをさらに備え、前記摩擦トルクシミュレータ部は、前記モータ回転速度の振動成分と、前記モータの摩擦係数とに基づき、前記モータによる摩擦トルクを演算することが好ましい。
【００１１】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置は、捻じれ要素により連結されたモータに負荷を与える負荷発生装置の制御装置であって、前記モータと前記負荷発生装置との間の捻じれトルクを検出する検出部と、前記捻じれトルクと前記負荷発生装置の負荷トルクとの偏差に対応する負荷発生装置回転速度と、前記負荷発生装置の摩擦係数とに基づき、前記負荷発生装置による摩擦トルクを演算する摩擦トルクシミュレータ部と、前記負荷発生装置回転速度と、前記負荷発生装置の慣性係数とに基づき、前記負荷発生装置による慣性トルクを演算する慣性トルクシミュレータ部と、前記負荷発生装置に対するトルク指令と、前記摩擦トルクと、前記慣性トルクとを加算して前記負荷発生装置の負荷トルクとして出力する加算器と、前記負荷発生装置に対するトルク指令と前記捻じれトルクとの偏差が小さくなるように前記摩擦係数を調整する摩擦係数修正部と、前記トルク指令と前記捻じれトルクとの偏差が小さくなるように前記慣性係数を調整する慣性係数修正部と、を備える。
【００１２】
また、本発明に係る制御装置において、前記摩擦係数修正部および前記慣性係数修正部は、前記摩擦係数と前記慣性係数とを重み付けして制御することが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る制御装置において、繰り返し学習しながら前記摩擦トルクの位相調整を行う第３の位相調整部と、繰り返し学習しながら前記慣性トルクの位相調整を行う第４の位相調整部と、をさらに備えることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る制御装置において、前記負荷発生装置回転速度に対するフィルタ処理により前記負荷発生装置回転速度の振動成分を抽出するフィルタをさらに備え、前記摩擦トルクシミュレータ部は、前記負荷発生装置回転速度の振動成分と、前記負荷発生装置の摩擦係数とに基づき、前記負荷発生装置による摩擦トルクを演算することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る制御装置によれば、制御対象の装置と捻じれ要素により連結された装置のパラメータを用いることなく、捻じれ要素により連結された装置間の共振による振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る制御装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る制御装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る制御装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る制御装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御装置１０の構成例を示す図である。本実施形態に係る制御装置１０は、モータと機械装置とが連結部などの捻じれ要素により結合され、捻じれ要素を介してモータにより機械装置が駆動される系において、モータを制御対象とするものである。具体的には、本実施形態に係る制御装置１０は、モータと機械装置との間の共振による振動を抑制するようにモータを制御するものである。機械装置は、例えば、自動車のエンジンで発生したエネルギーを駆動輪に伝達するトランスミッションなどの駆動伝達系（供試体）である。エンジン駆動方式は、付帯設備が多くなり、手間がかかるため、昨今では、エンジンの代わりにモータを用いて供試体の駆動軸に駆動トルクをかけるモータ駆動方式が用いられている。本実施形態に係る制御装置１０は、例えば、このような供試体の駆動軸に駆動トルクをかけるモータを制御するものである。
【００１９】
上述したようなモータと機械装置とが連結部などの捻じれ要素により結合された系は、図１に示す２慣性系モデル２０に近似することができる。まず、この２慣性系モデル２０について説明する。２慣性系モデル２０は、モータ慣性・摩擦２１と、機械装置慣性・摩擦２２と、捻じれ要素２３とを含む。
【００２０】
モータ慣性・摩擦２１は、モータの機械的要素（慣性および摩擦）を示す。モータ慣性・摩擦２１の伝達関数は、１／（ＪMｓ＋ＤM）で表される。ＪMはモータ慣性・摩擦２１の慣性モーメントであり、ＤMはモータ慣性・摩擦２１の粘性摩擦であり、ｓはラプラス演算子である。モータ慣性・摩擦２１は、減算器２４により演算される、モータの出力トルクＴMと捻じれトルクＴSとの偏差が入力され、モータ回転速度ωMを出力する。すなわち、モータ慣性・摩擦２１は、モータの出力トルクＴMと、捻じれトルクＴSとの偏差が入力され、その偏差に対応するモータ回転速度ωMを出力する。モータの出力トルクＴMは、電磁気的要素であり、後述する制御装置１０から出力される。
【００２１】
機械装置慣性・摩擦２２は、機械装置の機械的要素（慣性および摩擦）を示す。機械装置慣性・摩擦２２の伝達関数は、１／（ＪLｓ＋ＤL）で表される。ＪLは機械装置慣性・摩擦２２の慣性モーメントであり、ＤLは機械装置慣性・摩擦２２の粘性摩擦である。機械装置慣性・摩擦２２は、減算器２５により演算される、捻じれトルクＴSと、機械装置側の負荷トルクである機械装置側負荷トルクＴLとの偏差が入力され、機械装置回転速度ωLを出力する。すなわち、機械装置慣性・摩擦２２は、捻じれトルクＴSと機械装置側負荷トルクＴLとの偏差が入力され、その偏差に対応する機械装置回転速度ωLを出力する。
【００２２】
捻じれ要素２３の伝達関数は、ＫS／ｓで表される。ＫSはばね定数である。捻じれ要素２３は、減算器２６により演算される、モータ回転速度ωMと機械装置回転速度ωLとの偏差が入力され、捻じれトルクＴSとして出力する。すなわち、捻じれ要素２３は、モータ回転速度ωMと機械装置回転速度ωLとの偏差が入力され、その偏差を捻じれトルクＴSに変換して出力する。
【００２３】
図１に示す２慣性系モデル２０において、モータの出力トルクＴMからモータ回転速度ωMまでの伝達関数は、以下の式（１）で表される。なお、粘性摩擦ＤL，ＤM≠０とする。
【００２４】
【数１】
2020058216.tif 000003
【００２５】
ωnは共振周波数であり、以下の式（２）で表される。共振周波数ωnは、式（１）の分母多項式が０となる周波数である。ωarは、反共振周波数であり、以下の式（３）で表される。反共振周波数ωarは、式（１）の分子多項式が０となる周波数である。ζnは共振周波数ωnにおける減衰係数であり、以下の式（４）で表される。ζarは反共振周波数ωarにおける減衰係数であり、以下の式（５）で表される。αは定数であり、以下の式（６）で表される。
【００２６】
【数２】
2020058216.tif 000004
【００２７】
また、図１に示す２慣性系モデル２０において、モータの出力トルクＴMから捻じれトルクＴSまでの伝達関数は、以下の式（７）で表される。
【００２８】
【数３】
2020058216.tif 000005
【００２９】
式（７）において、共振周波数ωnにおける減衰係数ζnは式（４）と同じである。
【００３０】
式（２）より、モータ慣性・摩擦２１の慣性モーメントＪMを制御することで、共振周波数ωnを制御できることが分かる。また、式（４）より、モータ慣性・摩擦２１の粘性摩擦ＤMおよび慣性モーメントＪMを制御することで、共振周波数ωnにおける減衰係数ζnを制御することができる、すなわち、共振周波数ωnにおける捻じれトルクＴSを制御できることが分かる。
【００３１】
次に、本実施形態に係る制御装置１０の構成について説明する。
【００３２】
図１に示す制御装置１０は、検出部１１と、摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄと、慣性トルクシミュレータ部１２Ｊと、位相調整部１３Ｄと、位相調整部１３Ｊと、加算器１４，１５と、減算器１６と、摩擦係数修正部１７Ｄと、慣性係数修正部１７Ｊとを備える。
【００３３】
検出部１１は、モータと機械装置との間に設けられ、捻じれトルクＴSを検出する。検出部１１としては、例えば、トルク計を用いることができる。また、検出部１１としては、加速度計を用い、加速度計により検出された加速度から捻じれトルクＴSを検出してもよい。
【００３４】
摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄは、モータ慣性・摩擦２１による電気摩擦として摩擦トルクＴMDを演算する。具体的には、摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄは、以下の式（８）に基づき、摩擦トルクＴMDを演算する。
【００３５】
【数４】
2020058216.tif 000006
【００３６】
式（８）において、ＤM＾はモータ慣性・摩擦２１の摩擦係数であり、後述する摩擦係数修正部１７Ｄにより調整される。なお、ａ＾は、ａの上に＾が付された記号を表すものとする。
【００３７】
慣性トルクシミュレータ部１２Ｊは、モータ慣性・摩擦２１による電気慣性として慣性トルクＴMJを演算する。具体的には、慣性トルクシミュレータ部１２Ｊは、以下の式（９）に基づき、慣性トルクＴMJを演算する。
【００３８】
【数５】
2020058216.tif 000007
【００３９】
式（９）において、ＪM＾はモータ慣性・摩擦２１の慣性係数であり、後述する慣性係数修正部１７Ｊにより調整される。
【００４０】
第１の位相調整部としての位相調整部１３Ｄは、摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄにより演算された摩擦トルクＴMDの位相調整を行う。具体的には、位相調整部１３Ｄは、摩擦トルクＴMDの位相遅れを補償する。ここで、位相調整部１３Ｄは、繰り返し学習しながら、摩擦トルクＴMDの位相遅れを補償する。繰り返し学習とは、任意の目標出力に対し、複数回の試行を繰り返すことにより、目標値への追従が可能な制御である。
【００４１】
第２の位相調整部としての位相調整部１３Ｊは、慣性トルクシミュレータ部１２Ｊにより演算された慣性トルクＴMJの位相調整を行う。具体的には、位相調整部１３Ｊは、慣性トルクＴMJの位相遅れを補償する。ここで、位相調整部１３Ｊは、繰り返し学習しながら、慣性トルクＴMJの位相遅れを補償する。
【００４２】
加算器１４は、位相調整部１３Ｄによる位相調整済みの摩擦トルクＴMDと、位相調整部１３Ｊによる位相調整済みの慣性トルクＴMJとを加算する。なお、位相調整部１３Ｄおよび位相調整部１３Ｊは、必須の構成ではない。したがって、加算器１４は、摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄにより演算された摩擦トルクＴMDと、慣性トルクシミュレータ部１２Ｊにより演算された慣性トルクＴMJとを加算してもよい。
【００４３】
加算器１５は、モータに対するトルク指令ＴMrefと、加算器１４による加算値とを加算し、モータの出力トルクＴMとして出力する。すなわち、加算器１５は、トルク指令ＴMrefと、摩擦トルクＴMDと、慣性トルクＴMJとを加算して、モータの出力トルクＴMとして出力する。
【００４４】
減算器１６は、トルク指令ＴMrefと、検出部１１により検出された捻じれトルクＴSとの偏差を演算する。
【００４５】
摩擦係数修正部１７Ｄは、減算器１６により演算された偏差が小さくなるように、摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄによる摩擦トルクＴMDの演算に用いられる摩擦係数ＤM＾を調整する。
【００４６】
慣性係数修正部１７Ｊは、減算器１６により演算された偏差が小さくなるように、慣性トルクシミュレータ部１２Ｊによる慣性トルクＴMJの演算に用いられる慣性係数ＪM＾を調整する。
【００４７】
モータと機械装置との間の共振による振動分の影響は、以下の式（１０）のように、捻じれトルクＴｓとトルク指令ＴMrefとの偏差に現れることになる。上述したように、モータ慣性・摩擦２１の慣性モーメントＪMを制御することで、共振周波数ωnを制御することができる。また、モータ慣性・摩擦２１の粘性摩擦ＤMおよび慣性モーメントＪMを制御することで、共振周波数ωnにおける減衰係数ζn、すなわち、共振周波数ωnにおける捻じれトルクＴSを制御することができる。したがって、トルク指令ＴMrefに加算される摩擦トルクＴMDおよび慣性トルクＴMJの演算に用いられる摩擦係数ＤM＾および慣性係数ＪM＾を、トルク指令ＴMrefと捻じれトルクＴSとの偏差に基づいて調整することで、摩擦トルクＴMDおよび慣性トルクＴMJにより、モータと機械装置との間の共振による振動を補償することができる。そのため、機械装置のパラメータを用いることなく、モータと機械装置との間の共振による振動を抑制することができる。
【００４８】
【数６】
2020058216.tif 000008
【００４９】
なお、摩擦係数修正部１７Ｄおよび慣性係数修正部１７Ｊは、摩擦係数ＤM＾と慣性係数ＪM＾とを重み付けして制御してもよい。すなわち、摩擦係数修正部１７Ｄおよび慣性係数修正部１７Ｊは、摩擦係数ＤM＾および慣性係数ＪM＾の一方による振動の抑制の寄与を、摩擦係数ＤM＾および慣性係数ＪM＾の他方による振動の抑制の寄与よりも大きくしてもよい。例えば、摩擦係数修正部１７Ｄおよび慣性係数修正部１７Ｊは、式（２）に基づき、慣性係数ＪM＾だけを調整して共振周波数ωnを制御した上で、減衰係数ζnも調整して、振動の抑制を図ってもよい。
【００５０】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る制御装置１０ａの構成例を示す図である。図２において、図１と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００５１】
図２に示す制御装置１０ａは、図１に示す制御装置１０と比較して、フィルタ１８を追加した点と、摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄを摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄａに変更した点とが異なる。
【００５２】
フィルタ１８は、モータ回転速度ωMに対するフィルタ処理によりモータ回転速度ωMの振動成分を抽出する。具体的には、フィルタ１８は、モータ回転速度ωMの振動周波数に対して十分遅い時定数のローパスフィルタ処理をモータ回転速度ωMに対して行うことで、モータ回転速度ωMの平均値ωMaveを求める。そして、フィルタ１８は、モータ回転速度ωMの平均値ωMaveと、モータ回転速度ωMとの差分を算出することで、モータ回転速度ωMの振動成分を抽出する。フィルタ１８は、抽出したモータ回転速度ωMの振動成分を摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄａに出力する。
【００５３】
摩擦トルクシミュレータ部１２Ｄａは、モータ回転速度ωMの振動成分と、モータの摩擦係数ＤM＾とに基づき、モータによる摩擦トルクＴMDを演算する。
【００５４】
モータ回転速度ωMにオフセットが存在する場合、摩擦トルクＴMDにもオフセットが生じ、共振による振動の抑制を十分に行えないことがある。そこで本実施形態のように、モータ回転速度ωMの振動成分を抽出して摩擦トルクＴMDを演算することで、モータ回転速度ωMにオフセットが存在する場合にも、共振による振動の抑制を行うことができる。
【００５５】
（第３の実施形態）
第１の実施形態および第２の実施形態においては、モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、モータにより機械装置を駆動する系において、モータの摩擦トルクＴMDおよび慣性トルクＴMJにより、モータと機械装置との間の共振による振動を補償する例を用いて説明したが、本発明が適用されるのはこの例に限られない。本発明は、ダイナモメータのような負荷発生装置とモータとが捻じれ要素により連結され、負荷発生装置により負荷をモータに与えて、モータの動力を吸収する系における振動の抑制にも適用可能である。以下では、負荷発生装置とモータとが捻じれ要素により連結された系に本発明を適用した場合について説明する。
【００５６】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る制御装置３０の構成例を示す図である。本実施形態に係る制御装置３０は、ダイナモメータのような負荷発生装置とモータとが連結部などの捻じれ要素により結合され、捻じれ要素を介して負荷発生装置によりモータに負荷を与える系において、負荷発生装置とモータとの間の共振による振動を抑制するように負荷発生装置を制御するものである。
【００５７】
モータと負荷発生装置とが捻じれ要素により結合された系は、図３に示す２慣性系モデル４０に近似することができる。まず、この２慣性系モデル４０について説明する。２慣性系モデル４０は、モータ慣性・摩擦４１と、負荷発生装置慣性・摩擦４２と、捻じれ要素４３とを含む。
【００５８】
モータ慣性・摩擦４１は、モータの機械的要素（慣性および摩擦）を示す。モータ慣性・摩擦４１の伝達関数は、１／（ＪMｓ＋ＤM）で表される。モータ慣性・摩擦４１は、減算器４４により演算される、モータの出力トルクＴMと捻じれトルクＴｓとの偏差が入力され、モータ回転速度ωMを出力する。すなわち、モータ慣性・摩擦４１は、モータの出力トルクＴMと、捻じれトルクＴｓとの偏差が入力され、その偏差に対応するモータ回転速度ωMを出力する。
【００５９】
負荷発生装置慣性・摩擦４２は、負荷発生装置の機械的要素（慣性および摩擦）を示す。負荷発生装置慣性・摩擦４２の伝達関数は、１／（ＪGｓ＋ＤG）で表される。ＪGは負荷発生装置慣性・摩擦４２の慣性モーメントであり、ＤGは負荷発生装置慣性・摩擦４２の粘性摩擦である。負荷発生装置慣性・摩擦４２は、減算器４５により演算される、捻じれトルクＴｓと、負荷発生装置の負荷トルクＴGとの偏差が入力され、負荷発生装置回転速度ωGを出力する。すなわち、負荷発生装置慣性・摩擦４２は、捻じれトルクＴｓと負荷発生装置の負荷トルクＴGとの偏差が入力され、その偏差に対応する負荷発生装置回転速度ωGを出力する。
【００６０】
捻じれ要素４３の伝達関数は、ＫS／ｓで表される。捻じれ要素４３は、減算器４６により演算される、モータ回転速度ωMと負荷発生装置回転速度ωGとの偏差が入力され、捻じれトルクＴSとして出力する。すなわち、捻じれ要素４３は、モータ回転速度ωMと負荷発生装置回転速度ωGとの偏差が入力され、その偏差を捻じれトルクＴSに変換して出力する。
【００６１】
図３に示す２慣性系モデル４０において、モータの出力トルクＴMからモータ回転速度ωMまでの伝達関数は、以下の式（１１）で表される。なお、粘性摩擦ＤG，ＤM≠０とする。
【００６２】
【数７】
2020058216.tif 000009
【００６３】
ωnは共振周波数であり、以下の式（１２）で表される。共振周波数ωnは、式（１１）の分母多項式が０となる周波数である。ωarは、反共振周波数であり、以下の式（１３）で表される。反共振周波数ωarは、式（１１）の分子多項式が０となる周波数である。ζnは共振周波数ωnにおける減衰係数であり、以下の式（１４）で表される。ζarは反共振周波数ωarにおける減衰係数であり、以下の式（１５）で表される。αは定数であり、以下の式（１６）で表される。
【００６４】
【数８】
2020058216.tif 000010
【００６５】
式（１２）より、負荷発生装置慣性・摩擦４２の慣性モーメントＪGを制御することで、共振周波数ωnを制御できることが分かる。また、式（１４）より、負荷発生装置慣性・摩擦４２の粘性摩擦ＤGおよび慣性モーメントＪGを制御することで、共振周波数ωnにおける減衰係数ζnを制御することができる、すなわち、共振周波数ωnにおける捻じれトルクＴSを制御できることが分かる。
【００６６】
次に、本実施形態に係る制御装置３０の構成について説明する。
【００６７】
図３に示す制御装置３０は、検出部３１と、摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄと、慣性トルクシミュレータ部３２Ｊと、位相調整部３３Ｄと、位相調整部３３Ｊと、加算器３４，３５と、減算器３６と、摩擦係数修正部３７Ｄと、慣性係数修正部３７Ｊとを備える。
【００６８】
検出部３１は、モータと負荷発生装置との間に設けられ、捻じれトルクＴSを検出する。検出部３１としては、例えば、トルク計を用いることができる。また、検出部３１としては、加速度計を用い、加速度計により検出された加速度から捻じれトルクＴSを検出してもよい。
【００６９】
摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄは、負荷発生装置慣性・摩擦４２による電気摩擦として摩擦トルクＴGDを演算する。具体的には、摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄは、以下の式（１７）に基づき、摩擦トルクＴGDを演算する。
【００７０】
【数９】
2020058216.tif 000011
【００７１】
式（１７）において、ＤG＾は負荷発生装置慣性・摩擦４２の摩擦係数であり、後述する摩擦係数修正部３７Ｄにより調整される。
【００７２】
慣性トルクシミュレータ部３２Ｊは、負荷発生装置慣性・摩擦４２による電気慣性として慣性トルクＴGJを演算する。具体的には、慣性トルクシミュレータ部３２Ｊは、以下の式（１８）に基づき、慣性トルクＴGJを演算する。
【００７３】
【数１０】
2020058216.tif 000012
【００７４】
式（１８）において、ＪG＾は負荷発生装置慣性・摩擦４２の慣性係数であり、後述する慣性係数修正部３７Ｊにより調整される。
【００７５】
第３の位相調整部としての位相調整部３３Ｄは、摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄにより演算された摩擦トルクＴGDの位相調整を行う。具体的には、位相調整部３３Ｄは、摩擦トルクＴGDの位相遅れを補償する。ここで、位相調整部３３Ｄは、繰り返し学習しながら、摩擦トルクＴGDの位相遅れを補償する。
【００７６】
第４の位相調整部としての位相調整部３３Ｊは、慣性トルクシミュレータ部３２Ｊにより演算された慣性トルクＴGJの位相調整を行う。具体的には、位相調整部３３Ｊは、慣性トルクＴGJの位相遅れを補償する。ここで、位相調整部３３Ｊは、繰り返し学習しながら、慣性トルクＴGJの位相遅れを補償する。
【００７７】
加算器３４は、位相調整部３３Ｄによる位相調整済みの摩擦トルクＴGDと、位相調整部３３Ｊによる位相調整済みの慣性トルクＴGJとを加算する。なお、位相調整部３３Ｄおよび位相調整部３３Ｊは、必須の構成ではない。したがって、加算器３４は、摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄにより演算された摩擦トルクＴGDと、慣性トルクシミュレータ部３２Ｊにより演算された慣性トルクＴGJとを加算してもよい。
【００７８】
加算器３５は、負荷発生装置に対する負荷トルク指令モータＴGrefと、加算器３４による加算値とを加算し、負荷発生装置の負荷トルクＴGとして出力する。すなわち、加算器３５は、トルク指令ＴGrefと、摩擦トルクＴGDと、慣性トルクＴGJとを加算して、負荷発生装置の負荷トルクＴGとして出力する。
【００７９】
減算器３６は、トルク指令ＴGrefと、検出部３１により検出された捻じれトルクＴSとの偏差を演算する。
【００８０】
摩擦係数修正部３７Ｄは、減算器３６により演算された偏差が小さくなるように、摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄによる摩擦トルクＴGDの演算に用いられる摩擦係数ＤG＾を調整する。
【００８１】
慣性係数修正部３７Ｊは、減算器３６により演算された偏差が小さくなるように、慣性トルクシミュレータ部３２Ｊによる慣性トルクＴGJの演算に用いられる慣性係数ＪG＾を調整する。
【００８２】
モータと負荷発生装置との間の共振による振動分の影響は、捻じれトルクＴｓとトルク指令ＴGrefとの偏差に現れる。上述したように、負荷発生装置慣性・摩擦４２の慣性モーメントＪGを制御することで、共振周波数ωnを制御することができる。また、負荷発生装置慣性・摩擦４２の粘性摩擦ＤGおよび慣性モーメントＪGを制御することで、共振周波数ωnにおける減衰係数ζn、すなわち、共振周波数ωnにおける捻じれトルクＴSを制御することができる。したがって、トルク指令ＴGrefに加算される摩擦トルクＴGDおよび慣性トルクＴGJの演算に用いられる摩擦係数ＤG＾および慣性係数ＪG＾を、トルク指令ＴGrefと捻じれトルクＴSとの偏差に基づいて調整することで、摩擦トルクＴGDおよび慣性トルクＴGJにより、モータと負荷発生装置との間の共振による振動を補償することができる。そのため、モータのパラメータを用いることなく、モータと負荷発生装置との間の共振による振動を抑制することができる。
【００８３】
なお、摩擦係数修正部３７Ｄおよび慣性係数修正部３７Ｊは、摩擦係数ＤG＾と慣性係数ＪG＾とを重み付けして制御してもよい。すなわち、摩擦係数修正部３７Ｄおよび慣性係数修正部３７Ｊは、摩擦係数ＤG＾および慣性係数ＪG＾の一方による振動の抑制の寄与を、摩擦係数ＤG＾および慣性係数ＪG＾の他方による振動の抑制の寄与よりも大きくしてもよい。例えば、摩擦係数修正部３７Ｄおよび慣性係数修正部３７Ｊは、式（１２）に基づき、慣性係数ＪG＾だけを調整して共振周波数ωnを制御した上で、減衰係数ζnも調整して、振動の抑制を図ってもよい。
【００８４】
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る制御装置３０ａの構成例を示す図である。図４において、図３と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００８５】
図４に示す制御装置３０ａは、図３に示す制御装置３０と比較して、フィルタ３８を追加した点と、摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄを摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄａに変更した点とが異なる。
【００８６】
フィルタ３８は、負荷発生装置回転速度ωGに対するフィルタ処理により負荷発生装置回転速度ωGの振動成分を抽出する。具体的には、フィルタ３８は、負荷発生装置回転速度ωGの振動周波数に対して十分遅い時定数のローパスフィルタ処理を負荷発生装置回転速度ωGに対して行うことで、負荷発生装置回転速度ωGの平均値ωGaveを求める。そして、フィルタ３８は、負荷発生装置回転速度ωGの平均値ωGaveと、負荷発生装置回転速度ωGとの差分を算出することで、負荷発生装置回転速度ωGの振動成分を抽出する。フィルタ３８は、抽出した負荷発生装置回転速度ωGの振動成分を摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄａに出力する。
【００８７】
摩擦トルクシミュレータ部３２Ｄａは、負荷発生装置回転速度ωGの振動成分と、負荷発生装置の摩擦係数ＤG＾とに基づき、負荷発生装置による摩擦トルクＴGDを演算する。
【００８８】
負荷発生装置回転速度ωGにオフセットが存在する場合、摩擦トルクＴGDにもオフセットが生じ、共振による振動の抑制を十分に行えないことがある。そこで本実施形態のように、負荷発生装置回転速度ωGの振動成分を抽出して摩擦トルクＴGDを演算することで、モータ回転速度ωGにオフセットが存在する場合にも、共振による振動の抑制を行うことができる。
【００８９】
なお、上述した第１および第２の実施形態においては、モータに対するトルク指令ＴMrefと捻じれトルクＴSとの偏差が摩擦係数修正部１７Ｄおよび慣性係数修正部１７Ｊに入力され、上述した第３および第４の実施形態においては、負荷発生装置に対するトルク指令ＴGrefと捻じれトルクＴSとの偏差が摩擦係数修正部３７Ｄおよび慣性係数修正部３７Ｊに入力される例を用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではない。
【００９０】
例えば、第１および第２の実施形態において、検出部１１の検出結果を微分して得られる捻じれトルクＴｓの振動成分を摩擦係数修正部１７Ｄおよび慣性係数修正部１７Ｊに入力してもよい。この場合、摩擦係数修正部１７Ｄは、入力された捻じれトルクＴｓの振動成分が小さくなるように、摩擦係数ＤM＾を調整する。また、慣性係数修正部１７Ｊは、入力された捻じれトルクＴｓの振動成分が小さくなるように、慣性係数ＪM＾を調整する。
【００９１】
また、第３および第４の実施形態において、検出部３１の検出結果を微分して得られる捻じれトルクＴｓの振動成分を摩擦係数修正部３７Ｄおよび慣性係数修正部３７Ｊに入力してもよい。この場合、摩擦係数修正部３７Ｄは、入力された捻じれトルクＴｓの振動成分が小さくなるように、摩擦係数ＤG＾を調整する。また、慣性係数修正部３７Ｊは、入力された捻じれトルクＴｓの振動成分が小さくなるように、慣性係数ＪG＾を調整する。
【００９２】
また、例えば、第１および第２の実施形態において、検出部１１の検出結果を微分して得られる捻じれトルクＴｓの振動成分の実効値、平均値またはピークといった捻じれトルクＴｓの振動成分の大きさを示す値が、摩擦係数修正部１７Ｄおよび慣性係数修正部１７Ｊに入力されてもよい。この場合、摩擦係数修正部１７Ｄは、入力された値が小さくなるように、摩擦係数ＤM＾を調整する。また、慣性係数修正部１７Ｊは、入力された値が小さくなるように、慣性係数ＪM＾を調整する。
【００９３】
また、第３および第４の実施形態において、検出部３１の検出結果を微分して得られる捻じれトルクＴｓの振動成分の実効値、平均値またはピークといった捻じれトルクＴｓの振動成分の大きさを示す値が、摩擦係数修正部３７Ｄおよび慣性係数修正部３７Ｊに入力されてもよい。この場合、摩擦係数修正部３７Ｄは、入力された値が小さくなるように、摩擦係数ＤG＾を調整する。また、慣性係数修正部３７Ｊは、入力された値が小さくなるように、慣性係数ＪG＾を調整する。
【００９４】
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１０，１０ａ，３０，３０ａ    制御装置
１１，３１    検出部
１２Ｄ，３２Ｄ    摩擦トルクシミュレータ部
１２Ｊ，３２Ｊ    慣性トルクシミュレータ部
１３Ｄ    位相調整部（第１の位相調整部）
１３Ｊ    位相調整部（第２の位相調整部）
３３Ｄ    位相調整部（第３の位相調整部）
３３Ｊ    位相調整部（第４の位相調整部）
１４，１５，３４，３５    加算器
１６，２４，２５，２６，３６，４４，４５，４６    減算器
１７Ｄ，３７Ｄ    摩擦係数修正部
１７Ｊ，３７Ｊ    慣性係数修正部
１８，３８    フィルタ
２０，４０    ２慣性系モデル
２１，４１    モータ慣性・摩擦
２２    機械装置慣性・摩擦
２３，４３    捻じれ要素
４２    負荷発生装置慣性・摩擦
【図１】
2020058216.tif 000013
【図２】
2020058216.tif 000014
【図３】
2020058216.tif 000015
【図４】
2020058216.tif 000016