(57)【要約】【課題】パラメータ設定に多くの工数を要することなく、外乱により発生する振動を抑制する効果を最大化できる外乱振動抑制制御器を得る。【解決手段】ローパスフィルタを内在し、目標電圧Ｖｒｅｆ及び検出電流信号Ｉａｃｔに基づいて推定外乱電圧Ｖｅｓｔを演算する外乱電圧推定オブザーバ６１と、推定外乱電圧Ｖｅｓｔの低周波成分をカットした信号Ｖｅｓｔ＿ＨＰを演算するハイパスフィルタ６２と、Ｖｅｓｔ＿ＨＰにゲインＫＷを乗じて目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗを演算する外乱電圧制御器（外乱制御器）６３とを設け、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数とハイパスフィルタ６２のカットオフ周波数の積の平方根が外乱周波数と一致するように、前記ローパスフィルタ及びハイパスフィルタ６２のカットオフ周波数を設定する。【選択図】図１
2010120453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローパスフィルタを内在し、制御対象への制御入力の実値及び制御対象の出力からモデルの逆特性で演算された制御対象への制御入力の推定値に基づいて制御対象に作用する外乱を推定する外乱オブザーバと、
前記外乱オブザーバにより推定された外乱推定値の低周波成分をカットするハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタの出力に所定のゲインを乗じて外乱補償量を演算する外乱制御器とを備え、
外乱周波数が、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数と前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数の範囲内になるように前記両カットオフ周波数を設定する
ことを特徴とする外乱振動抑制制御器。
【請求項２】
ローパスフィルタを内在し、制御対象への制御入力の実値及び制御対象の出力からモデルの逆特性で演算された制御対象への制御入力の推定値に基づいて制御対象に作用する外乱を推定する外乱オブザーバと、
前記外乱オブザーバにより推定された外乱推定値の低周波成分をカットするハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタの出力に所定のゲインを乗じて外乱補償量を演算する外乱制御器とを備え、
前記ローパスフィルタのカットオフ周波数と前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数の積の平方根が外乱周波数と一致するように、前記ローパスフィルタ及び前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数を設定する
ことを特徴とする外乱振動抑制制御器。
【請求項３】
制御対象の伝達関数の分母が一次特性である
ことを特徴とする請求項１又は２記載の外乱振動抑制制御器。
【請求項４】
制御対象が電動パワーステアリング装置の電流制御である
ことを特徴とする請求項１又は２記載の外乱振動抑制制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特定周波数の外乱により発生する振動を抑制する外乱振動抑制制御器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外乱により発生する振動を抑制する従来の制御装置は、制御対象に相当するモデルの逆特性で構成される制御入力推定器に検出された制御対象の出力を入力することにより制御対象への入力推定値を得るとともに、実際の制御対象への制御入力値と入力推定値の差を演算し、これにローパスフィルタを通したものを外乱推定値として推定する外乱オブザーバを有し、この外乱オブザーバによる外乱推定値をそのまま外乱補償量とし、フィードフォワードやフィードバックなど目標値追従のための主制御量に重畳させる構成となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記のローパスフィルタは、制御系の安定化のため必須である（例えば、非特許文献１参照）。また、外乱推定値にハイパスフィルタを用いて低周波のオフセットを除くために補償する例もある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３１０４１７号公報
【特許文献２】特開２００１−３１５６５７号公報
【非特許文献１】土手、原島著、「モーションコントロール」、コロナ社、１９９５年、ｐｐ．１００−１０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したような従来の制御装置では、制御対象に相当するモデルの逆特性で構成される制御入力推定器に検出された制御対象の出力を入力することにより制御対象への入力推定値を得るとともに、実際の制御対象への制御入力値と入力推定値の差を演算し、これにローパスフィルタを通したものを外乱推定値として推定する外乱オブザーバとするために、実際の外乱に対し位相のずれが生じてしまい、十分に外乱を抑制できない場合があるという問題点があった。
【０００６】
また、ハイパスフィルタを用いることにより位相関係は改善するが、低周波成分のオフセットを取り除くことを目的とし、外乱により発生する振動抑制を最適化するパラメータ設定手法は示されておらず、そのパラメータ設定に多くの工数を要するという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、パラメータ設定に多くの工数を要することなく、外乱により発生する振動を抑制する効果を最大化することができる外乱振動抑制制御器を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る外乱振動抑制制御器は、ローパスフィルタを内在し、制御対象への制御入力の実値及び制御対象の出力からモデルの逆特性で演算された制御対象への制御入力の推定値に基づいて制御対象に作用する外乱を推定する外乱オブザーバと、前記外乱オブザーバにより推定された外乱推定値の低周波成分をカットするハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタの出力に所定のゲインを乗じて外乱補償量を演算する外乱制御器とを設け、外乱周波数が、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数と前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数の範囲内になるように前記両カットオフ周波数を設定するものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る外乱振動抑制制御器は、パラメータ設定に多くの工数を要することなく、外乱により発生する振動を抑制する効果を最大化することができるという効果を奏する。すなわち、外乱振動抑制効果が最も高くなる制御パラメータ設定をマッチング工数をかけることなく極めて単純に実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る外乱振動抑制制御器について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１１】
この発明の実施の形態１に係る外乱振動抑制制御器は、例えば、トルクを制御する電動パワーステアリング装置などの制御装置（ＥＣＵ）のフィードバック系の電流制御へ適用するものである。
【００１２】
図１において、フィードバック制御器１０と、目標電圧加算器２０と、電圧駆動部３０と、モータ４０と、電流検出器５０と、外乱振動抑制制御器６０とが描かれている。なお、フィードバック制御器１０、目標電圧加算器２０、及び外乱振動抑制制御器６０は、ソフトウェアから構成され、電圧駆動部３０、モータ４０、及び電流検出器５０は、ハードウェアから構成される。
【００１３】
フィードバック制御器１０は、目標電流Ｉｒｅｆと検出電流信号Ｉａｃｔの誤差を演算する電流誤差演算器１１と、電流誤差演算器出力にゲインＫｐを乗ずる比例制御器１２と、電流誤差演算器出力を積分するとともにゲインＫＩを乗ずる積分制御器１３と、比例制御器出力及び積分制御器出力を加算して目標フィードバック電圧Ｖｒｅｆ＿ｆｂを演算するＰＩ加算器１４とから構成される。
【００１４】
モータ４０は、コイル４１と、電流Ｉｍに比例したトルクＴｍを発生させるトルク発生部４２とから構成される。
【００１５】
また、図１において、この発明の実施の形態１に係る外乱振動抑制制御器６０は、ローパスフィルタを内在し、推定外乱電圧Ｖｅｓｔを演算する外乱電圧推定オブザーバ（外乱オブザーバ）６１と、推定外乱電圧Ｖｅｓｔの低周波成分をカットした信号Ｖｅｓｔ＿ＨＰを演算するハイパスフィルタ６２と、Ｖｅｓｔ＿ＨＰにゲインＫＷを乗じて目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗを演算する外乱電圧制御器（外乱制御器）６３とが設けられている。
【００１６】
つぎに、この実施の形態１に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の動作を示すフローチャートである。
【００１７】
フィードバック制御器１０は、目標電流演算器（図示せず）により演算された目標電流Ｉｒｅｆと、モータ４０に流れる電流を電流検出器５０で検出した検出電流信号Ｉａｃｔに基づき、目標フィードバック電圧Ｖｒｅｆ＿ｆｂを演算する。
【００１８】
また、目標電圧加算器２０は、外乱振動抑制制御器６０で演算された目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗと、目標フィードバック電圧Ｖｒｅｆ＿ｆｂを加算した目標電圧Ｖｒｅｆを電圧駆動部３０に出力する。
【００１９】
電圧駆動部３０は、例えば高周波のＰＷＭ方式でバッテリ電圧をＯＮ−ＯＦＦすることにより、平均的に目標電圧Ｖｒｅｆに一致するよう駆動電圧Ｖｄｒを発生する。この駆動電圧Ｖｄｒは、モータ４０の端子に印加される。
【００２０】
このとき、例えばバッテリ電圧の変動などによる外乱電圧Ｖｗにより、端子間電圧Ｖｔは駆動電圧Ｖｄｒに対し変動する場合がある。また、モータ４０の端子間電圧Ｖｔに、モータ４０の回転速度に比例した逆起電圧Ｖｅを減じたコイル印加電圧Ｖｃに対してコイル４１のインピーダンス特性に応じて電流Ｉｍが定まるとともに、トルク発生部４２で電流Ｉｍに比例したトルクＴｍを発生させる。
【００２１】
外乱振動抑制制御器６０は、目標電圧Ｖｒｅｆ及び検出電流信号Ｉａｃｔを入力して目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗを出力する。
【００２２】
まず、ステップ１０１において、制御装置（ＥＣＵ）は、目標電流演算器（図示せず）から目標電流Ｉｒｅｆを読み込む（入力する）。
【００２３】
次に、ステップ１０２において、同様に、電流検出器５０から実電流Ｉａｃｔを読み込む（入力する）。
【００２４】
次に、ステップ１０３において、フィードバック制御器１０の電流誤差演算器１１で目標電流Ｉｒｅｆと実電流Ｉａｃｔの電流偏差△Ｉ＝Ｉｒｅｆ−Ｉａｃｔを演算する。
【００２５】
次に、ステップ１０４において、比例制御器１２で電流偏差△Ｉに比例ゲインＫＰを乗ずる。
【００２６】
また、ステップ１０５において、積分制御器１３で電流偏差△Ｉを積分演算しゲインＫＩを乗ずる。
【００２７】
次に、ステップ１０６において、フィードバック制御器１０のＰＩ加算器１４で比例制御器１２の出力と積分制御器１３の出力を加算して目標フィードバック電圧Ｖｒｅｆ＿ｆｂを演算する。
【００２８】
次に、ステップ１０７において、外乱振動抑制制御器６０の外乱電圧推定オブザーバ６１で実電流Ｉａｃｔと目標電圧Ｖｒｅｆとを入力して推定外乱電圧Ｖｅｓｔを演算する。
【００２９】
次に、ステップ１０８において、ハイパスフィルタ６２で推定外乱電圧Ｖｅｓｔの低周波成分をカットした信号Ｖｅｓｔ＿ＨＰを演算する。
【００３０】
次に、ステップ１０９において、外乱振動抑制制御器６０の外乱電圧制御器６３で信号Ｖｅｓｔ＿ＨＰにゲインＫＷを乗じて目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗを演算する。
【００３１】
次に、ステップ１１０において、目標電圧加算器２０で目標フィードバック電圧Ｖｒｅｆ＿ｆｂと目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗとを加算し目標電圧Ｖｒｅｆを演算する。
【００３２】
そして、ステップ１１１において、目標電圧加算器２０から目標電圧Ｖｒｅｆを電圧駆動部３０に出力する。
【００３３】
電圧駆動部３０は、例えば高周波のＰＷＭ方式でバッテリ電圧をＯＮ−ＯＦＦすることにより平均的に駆動電圧Ｖｄｒが目標電圧Ｖｒｅｆに一致するようモータ４０を駆動する。このとき、ローパスフィルタを内在する外乱電圧推定オブザーバ６１は、特許文献１、特許文献２や非特許文献１などに記載された公知のものを用いればよい。
【００３４】
続いて、外乱電圧推定オブザーバ６１に内在するローパスフィルタのカットオフ周波数ωＬＰＦと、ハイパスフィルタ６２のカットオフ周波数ωＨＰＦは、次のように設定する。
【００３５】
外乱振動抑制制御器６０は、外乱補償量である目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗを演算する際に、ローパスフィルタを通したものを外乱推定量である推定外乱電圧Ｖｅｓｔとして推定し、ハイパスフィルタ６２を通す。外乱周波数をωＷとしたときに、次の式（１）に示すように、ローパスフィルタとハイパスフィルタ６２のカットオフ周波数の積の平方根が外乱周波数ωＷと一致するように、両者のカットオフ周波数ωＬＰＦ、ωＨＰＦを設定する。
【００３６】
【数１】
2010120453.tif 000003
【００３７】
例えばＶｅｓｔ＿ＨＰに乗じるゲインＫＷを標準的な１に設定したとする。このとき、外乱ＤＷに対する出力Ｙの感度特性は、外乱振動抑制制御器６０による外乱補償量を印加しない場合の特性をＧＷ（ｓ）とした場合に、次の式（２）のようになる。なお、外乱ＤＷ及び出力Ｙは、この実施の形態１では、図１に示すように、それぞれ外乱電圧ＶＷ及び電流Ｉｍである。
【００３８】
【数２】
2010120453.tif 000004
【００３９】
周波数√（ωＬＰＦ・ωＨＰＦ）で、ゲインが次の式（３）となるノッチフィルタ特性となる。上述の設定とすることにより外乱に対する出力特性がノッチフィルタ特性を有し、そのノッチ周波数が外乱周波数と一致するので、外乱抑制効果が高くなる。
【００４０】
【数３】
2010120453.tif 000005
【００４１】
従って、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωＬＰＦ、ハイパスフィルタ６２のカットオフ周波数ωＨＰＦを式（１）の関係を満足するように設定しておくことにより、外乱ＤＷに対する出力Ｙの振幅が最も小さくなる。すなわち、外乱振動抑制効果が最も高くなる制御パラメータ設定を、マッチング工数をかけることなく極めて単純に実施できる。
【００４２】
制御対象の伝達関数の分母が一次特性であると、外乱電圧推定オブザーバ６１に内在するローパスフィルタが一次となるので制御系の構成が極めて容易になる。また、制御対象が電動パワーステアリング装置の電流制御であると、制御対象が一次特性であると同時に、外乱に対して自動車の運転者がトルク振動として感じる敏感な制御システムであるので適用効果が大きい。
【００４３】
また、ステップ１０９において、外乱電圧制御器６３で乗じるゲインＫＷは通常１に設定するが、上述のハイパスフィルタ６２とローパスフィルタのため、ゲインが最大６ｄＢ低下する場合があるのでその６ｄＢを補償すべくゲインを大きく設定しても良い。また、センサ信号にノイズが大きい場合などは、外乱電圧制御器６３で乗じるゲインＫＷは逆に１より小さく設定しても良い。
【００４４】
また、本実施の形態１では、ハイパスフィルタ６２を外乱電圧推定オブザーバ６１の出力段に配置したが、線形制御理論に従い、ハイパスフィルタ６２を外乱電圧推定オブザーバ６１の入力段に配置しなおし、目標電圧Ｖｒｅｆと検出電流信号Ｉａｃｔを各々ハイパスフィルタ６２で低周波成分をカットしても等価な特性となる。
【００４５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る外乱振動抑制制御器について図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の構成を示す図である。
【００４６】
この発明の実施の形態２に係る外乱振動抑制制御器は、例えば、トルクを制御する電動パワーステアリング装置などの制御装置（ＥＣＵ）のフィードフォワード系の電流制御へ適用するものである。
【００４７】
図３において、目標フィードフォワード制御器７０と、逆起電圧推定器８０と、目標電圧加算器２０と、電圧駆動部３０と、モータ４０と、電流検出器５０と、外乱振動抑制制御器６０とが描かれている。なお、目標フィードフォワード制御器７０、目標電圧加算器２０、及び外乱振動抑制制御器６０は、ソフトウェアから構成され、電圧駆動部３０、モータ４０、及び電流検出器５０は、ハードウェアから構成される。また、逆起電圧推定器８０は、ソフトウェアあるいはハードウェアから構成される。
【００４８】
つぎに、この実施の形態２に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の動作を示すフローチャートである。
【００４９】
上記の実施の形態１のように、目標電流Ｉｒｅｆとモータ４０に流れる電流を電流検出器５０で検出した検出電流信号Ｉａｃｔに基づきフィードバックして目標フィードバック電圧Ｖｒｅｆ＿ｆｂを演算するフィードバック制御器１０に代わり、この実施の形態２では、目標フィードフォワード制御器７０と、逆起電圧推定器８０を設けたものである。
【００５０】
この目標フィードフォワード制御器７０は、目標電流Ｉｒｅｆにコイル４１のインピーダンス特性の逆特性を演算するコイル逆インピーダンス補償器７１と、モータ４０の回転速度に比例した逆起電圧Ｖｅを補償する逆起電圧補償器７２と、コイル逆インピーダンス補償器７１の出力Ｖｒｅｆ＿ｉｎｖと逆起電圧補償器７２の出力Ｖｒｅｆ＿ｖｅの和Ｖｒｅｆ＿ｆｆを演算する目標フィードフォワード加算器７３とから構成される。
【００５１】
逆起電圧推定器８０は、モータ回転速度ωｍにモータ４０の逆起電圧定数を乗じて逆起電圧を推定して逆起電圧補償器７２へ出力する。
【００５２】
目標フィードフォワード制御器７０と逆起電圧推定器８０以外は、上記の実施の形態１と同様に、外乱振動抑制制御器６０で演算された目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗと、目標フィードフォワード制御器７０の出力Ｖｒｅｆ＿ｆｆの和である目標電圧Ｖｒｅｆを目標電圧加算器２０で演算するとともに、電圧駆動部３０へ出力し駆動電圧Ｖｄｒを発生させる。
【００５３】
電圧駆動部３０は、例えば高周波のＰＷＭ方式でバッテリ電圧をＯＮ−ＯＦＦすることにより平均的に駆動電圧Ｖｄｒが目標電圧Ｖｒｅｆに一致するよう駆動する。駆動電圧Ｖｄｒは、モータ４０の端子に印加される。
【００５４】
このとき、例えばバッテリ電圧変動などによる外乱電圧Ｖｗにより、端子間電圧Ｖｔは駆動電圧Ｖｄｒに対し変動する場合がある。また、モータ４０の端子間電圧Ｖｔにモータ４０の回転速度に比例した逆起電圧Ｖｅを減じたコイル印加電圧Ｖｃに対してコイル４１のインピーダンス特性に応じて電流Ｉｍが定まるとともにトルク発生部４２で電流Ｉｍに比例したトルクＴｍを発生させる。
【００５５】
外乱振動抑制制御器６０は、ローパスフィルタを内在し、推定外乱電圧Ｖｅｓｔを演算する外乱電圧推定オブザーバ（外乱オブザーバ）６１と、推定外乱電圧Ｖｅｓｔの低周波成分をカットした信号Ｖｅｓｔ＿ＨＰを演算するハイパスフィルタ６２と、Ｖｅｓｔ＿ＨＰにゲインＫＷを乗じて目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗを演算する外乱電圧制御器（外乱制御器）６３とから構成され、目標電圧Ｖｒｅｆ及び検出電流信号Ｉａｃｔを入力して目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗを出力する。
【００５６】
まず、ステップ２０１において、制御装置（ＥＣＵ）は、目標電流Ｉｒｅｆを読み込む。
【００５７】
次に、ステップ２０２において、同様に、実電流Ｉａｃｔを読み込む。
【００５８】
次に、ステップ２０３において、コイル逆インピーダンス補償器７１で目標電流Ｉｒｅｆに対し逆インピーダンス演算しＶｒｅｆ＿ｉｎｖを演算する。
【００５９】
次に、ステップ２０４において、逆起電圧推定器８０の出力を読み込む。
【００６０】
次に、ステップ２０５において、逆起電圧補償器７２で逆起電圧推定器出力からＶｒｅｆ＿ｖｅを演算する。
【００６１】
次に、ステップ２０６において、目標フィードフォワード加算器７３でＶｒｅｆ＿ｉｎｖとＶｒｅｆ＿ｖｅを加算しＶｒｅｆ＿ｆｆを演算する。
【００６２】
次に、ステップ２０７において、外乱電圧推定オブザーバ６１で実電流Ｉａｃｔと目標電圧Ｖｒｅｆとを入力し外乱電圧推定値Ｖｅｓｔを演算する。
【００６３】
次に、ステップ２０８において、ハイパスフィルタ６２でＶｅｓｔの低周波成分をカットした信号Ｖｅｓｔ＿ＨＰを演算する。
【００６４】
次に、ステップ２０９において、外乱電圧制御器６３でＶｅｓｔ＿ＨＰにゲインＫＷを乗じて目標外乱抑制電圧Ｖｒｅｆ＿ｗを演算する。
【００６５】
次に、ステップ２１０において、目標電圧加算器２０でＶｒｅｆ＿ｆｆとＶｒｅｆ＿ｗとを加算し目標電圧Ｖｒｅｆを演算する。
【００６６】
そして、ステップ２１１において、目標電圧加算器２０から目標電圧Ｖｒｅｆを電圧駆動部３０に出力する。
【００６７】
以降の外乱電圧推定オブザーバ６１の定数設定などは、上記の実施の形態１と全く同様であるので省略する。このように、目標値追従制御系が実施の形態１のようにフィードバックでなく、フィードフォワードの場合も同様に適用できるので、コイル４１のインピーダンス特性に相当する制御対象の特性や、逆起電圧Ｖｅに相当する低周波の外乱特性がわかっている場合には、より正確な制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る外乱振動抑制制御器を含む制御装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６９】
１０  フィードバック制御器、１１  電流誤差演算器、１２  比例制御器、１３  積分制御器、１４  ＰＩ加算器、２０  目標電圧加算器、３０  電圧駆動部、４０  モータ、４１  コイル、４２  トルク発生部、５０  電流検出器、６０  外乱振動抑制制御器、６１  外乱電圧推定オブザーバ、６２  ハイパスフィルタ、６３  外乱電圧制御器、７０  目標フィードフォワード制御器、７１  コイル逆インピーダンス補償器、７２  逆起電圧補償器、７３  目標フィードフォワード加算器、８０  逆起電圧推定器。
【図１】
2010120453.tif 000006
【図２】
2010120453.tif 000007
【図３】
2010120453.tif 000008
【図４】
2010120453.tif 000009