(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多慣性軸捩れ系にバックラッシュを含む伝達系を有するシステムの制御方法において、
電動機慣性（Ｊｍ）にバックラッシュ部慣性（Ｊｇ）を加算した等価慣性
（ＪＮｍｇ）を求め、トルク指令（Ｔ＊）と該等価慣性（ＪＮｍｇ）より推定速度（ωＮｇ）を算出し、電動機速度（ωｍ）と該推定速度（ωＮｇ）の偏差を積分して線形要素に与えるとともに、該線形要素出力に等価バネ定数（Ｋ２  ）を乗算のうえバックラッシュ推定トルク（Ｔ１  ）を演算し、該バックラッシュ推定トルク（Ｔ１  ）を前記トルク指令（Ｔ＊）が得られる前段にフィードバック補償するバックラッシュ等価補償手法を、
用いるようにしたことを特徴とするバックラッシュ振動抑制方法。
【請求項２】
電動機部入力側のトルク指令（Ｔ＊）および電動機部出力側の電動機速度（ωｍ）間に、等価外乱オブザーバによる外乱補償手法を用いた補償系を具備するようにした請求項１記載のバックラッシュ振動抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラント設備用ドライブ装置のような軸捩りと変速機構やカップリングに付随するバックラッシュを有するシステムの制御方法に係り、特にバックラッシュ現象の抑制を図るバックラッシュ振動抑制方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多慣性軸捩れ系にバックラッシュを含む伝達系を有するシステムの制御における振動の抑制は、ドライブ装置の性能向上による生産上の向上，製品品質の向上等の目標達成には、必須の技術である。
特に、磨耗や機構の劣化より生ずるバックラッシュ現象がドライブ装置自体の破壊の原因となることは知られており、バックラッシュ問題は実用上重要な課題である。
システムでのバックラッシュ対策としては、バックラッシュの機構を改善してバックラッシュを発生させなくする方法と、バックラッシュを含む系を制御で抑制する方法とに、大別される。
そのバックラッシュの機構による例としては、バックラッシュのあるギャを複数としてその間にバネ機構を設けたり、電磁作用によりバックラッシュを抑制したりしている。
【０００３】
また、制御による方法の例としては、特開平４−１０９８９０号公報「ノンバックラッシュ制御の速度制御装置」が提案されている。
これは、バックラッシュ機構のある前と後段に設けた駆動系の各々の速度を検出し、各駆動系を、バックラッシュが介在する捩れ剛性を相殺するように制御することにより、ノンバックラッシュが図られたものである。
さらに、後述する如き平成６年電気学会シンポジュウムにてバックラッシュ対策について検討されているものの、実用例は未だ少ない。
さらには、従来の古典制御においても課題であったバックラッシュの点では、最近の軸捩れ振動抑制上、あまりうまくいってないのが現状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
軸捩れ振動抑制問題については、平成６年電気学会産業応用部門全国大会のシンポジュウムにて、「軸ねじれ系の最新制御技術」のテーマより、さまざまな制御法が提案されている。
例えば、ＰＩ制御，速度微分フィードバック，モデル追従制御，外乱オブザーバ，状態フィードバック，Ｈ∞制御とμシンセシス等がある。
しかしながら、これらの制御は設計法が難解，現場の調整が難しい，制御器の次数が高い，バックラッシュに弱いなどの点、が指摘されている。
これらの制御法の中には、バックラッシュの影響が考慮されているものもあるが、バックラッシュを積極的に抑制する方策は見当らない。
その要因として、バックラッシュ現象を評価するモデルが明らかでない点，衝突現象をも含む特異な非線形特性であって従来の線形補償アルゴリズムが取り扱い難い点、などがある。
【０００５】
バックラッシュの制御モデルとして、軸捩れ角とトルクの関係から、不感帯要素がよく使われる。
この不感帯要素での振動解析に記述関数が使われているが、これは、線形要素の周波数伝達関数の概念の非線形要素に拡張したものである。
その記述関数は出力信号の基本波成分だけを問題にしており、非線形要素の一種の線形近似としている。
不感帯の記述関数および記述関数曲線から線形化して、軸捩れ振動解析やバックラッシュの物理的挙動を、解析することは容易でない。
また、後述するバックラッシュ現象の過程における三つの状態を、この不感帯要素では無視されており、正弦波入力の基本波である最小次数のみの近似を考えているために、現実とはそぐわない。
【０００６】
しかして本発明の目的とするところは、バックラッシュのあるとき軸捩れ角がバックラッシュ幅以内であれば非線形となって軸トルクが伝達されずに、軸捩れ角がバックラッシュ幅に至ったとき、衝突という現象発生によりインパルス的に軸トルクが伝達される現象に着眼するとともに、システム全体における軸捩れシステムを一時遅れシステムの組合せとして、線形近似要素に特化させたバックラッシュ等価補償方法を用いるようにしたバックラッシュ振動抑制方法を、提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述したような点に鑑みなされたものであって、つぎの如くに構成したものである。すなわち、
第１に、多慣性軸捩れ系にバックラッシュを含む伝達系を有するシステムの制御方法において、
電動機慣性（Ｊｍ）にバックラッシュ部慣性（Ｊｇ）を加算した等価慣性
（ＪＮｍｇ）を求め、トルク指令（Ｔ＊）と等価慣性（ＪＮｍｇ）より推定速度（ωＮｇ）を算出し、電動機速度（ωｍ）と推定速度（ωＮｇ）の偏差を積分して線形要素に与えるとともに、線形要素出力に等価バネ定数（Ｋ２  ）を乗算のうえバックラッシュ推定トルク（Ｔ１  ）を演算し、バックラッシュ推定トルク
（Ｔ１  ）をトルク指令（Ｔ＊）が得られる前段にフィードバック補償するバックラッシュ等価補償手法を、
用いるようにしたものである。
第２に、電動機部入力側のトルク指令（Ｔ＊）および電動機部出力側の電動機速度（ωｍ）間に、等価外乱オブザーバによる外乱補償手法を用いた補償系を具備するようにしたものである。
第３に、前述の線形要素に代えて飽和要素となしたものである。
【０００８】
これを、さらに説明する。
さて、通常の軸捩れ振動系の振動抑制制御に比べ、バックラッシュを含む系においては、動力の伝達に軸捩り現象と絡み合って複雑な挙動をする。
これは、バックラッシュが存在するとつぎのように分けられる。
（イ）  電動機側とドライブ側が接触していない（力の伝達がない状態）。
（ロ）  ドライブ側と負荷側の接触時に発生する衝突の状態であって、このときの軸トルクはインパルス状でその繰り返し頻度は機械系の共振周波数に比べて非常に高い周波数となり、リミットサイクルとなる。
（ハ）  接触状態で力の伝達は行われ、非線形性のない安定なトルク伝達が可能な状態。
【０００９】
このようなバックラッシュ現象を表現する非線形要素として、前述したように、図１（ａ）の如き不感帯要素が使われていた。ただし、δは軸捩れ角Δθに対するバックラッシュ幅である。
ところで、バックラッシュが存在すると電動機側とドライブ側が非接触時に力の伝達はなされないが、ここで、僅な力が伝達されると仮定のうえ、図１（ｂ）の如き線形要素とする。
また、実システムにおいては後述の図２に示されるように不感帯要素の後段にバネ定数Ｋ１  があり、そこで、前述の線形要素の後段に、バネ定数Ｋ１  に対して
数十分の一の大きさの等価バネ定数（Ｋ２  ）が、設けられている。
【００１０】
まず、バックラッシュが存在しなく電動機側とギャが一体として回転していると考えると、電動機慣性Ｊｍとバックラッシュ部慣性Ｊｇより、全慣性量はつぎの如くである。
ただし、ＪＮｍｇは等価慣性である。
ＪＮｍｇ＝Ｊｍ＋Ｊｇ
【００１１】
ここで、求められた等価慣性ＪＮｍｇと、電動機のトルク指令Ｔ＊の入力とから、ギャの速度ωＮｇを推定する。
さらに、電動機速度ωｍと推定速度ωＮｇとの差の積分より、推定捩れ角ΔθＮを求める。これを図１（ｂ）の如き線形要素に与え、等価バネ定数Ｋ２  を掛けて推定トルク（Ｔ１  ）を得る。
この推定トルク（Ｔ１  ）を、例えばＰＩ制御器出力段に、フィードバックしている。
かようにして、微小の推定トルクのフィードバックが与えられるため、実システムにおいては衝突時のインパルストルクを軽減して振動を抑制することができる。
これを、さらに図面を参照して、詳細説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２は本発明が適用された一例を示すものであって、１は三慣性捩れ軸系実システム例のシステム、２はバックラッシュ等価補償部である。
ここで、システム１はＰＩ制御系を有する一例であって、電動機部，バックラッシュ部および負荷部を有して構成され、また、そのバックラッシュは不感帯要素としている。
なお各部の慣性定数を、電動機慣性Ｊｍ、ギャ，カップリング等のバックラッシュ部慣性Ｊｇ，負荷部慣性ＪＬとする。
【００１３】
バックラッシュを含む三慣性捩れ軸系システムを速度制御する場合、速度指令ω＊と電動機速度ωｍとの偏差を、ＰＩ速度制御器を通してトルク指令Ｔ＊が得られる。
このトルク指令Ｔ＊を電動機に与えることにより、電動機速度ωｍとなる。
その電動機速度ωｍとバックラッシュ部速度ωｇとの偏差積分値がバックラッシュ捩れ角Δθとなり、バックラッシュ（不感帯要素）のバネ定数Ｋ１倍されて、バックラッシュ部捩りトルクＴθが軸を介して電動機入力側にフィードバックされる。
負荷部も同様に、バックラッシュ部速度ωｇと負荷部速度ωＬの偏差積分値が捩り軸の捩り角となり、捩りバネ定数Ｋ３倍されて捩り軸トルクとしてバックラッシュ部の入力側にフィードバックされる。ＴＬは負荷部への外乱である。
【００１４】
さてシステム１を制御するに当たり、図２においては、入力がトルク指令Ｔ＊および電動機速度ωｍのみのバックラッシュ等価補償部２が設けられてなる。
バックラッシュ等価補償部２において、２１は推定速度演算部、２２は比較部、２３は積分部、２４は線形要素部、２５は等価バネ定数部である。
すなわち、バックラッシュ等価補償部２においては、電動機慣性Ｊｍにバックラッシュ部慣性Ｊｇを加算して等価慣性ＪＮｍｇが求められ、推定速度演算部２１にて、トルク指令Ｔ＊と等価慣性ＪＮｍｇより、推定速度ωＮｇを算出する。
さらに、比較部２２にて電動機速度ωｍと推定速度ωＮｇとの比較より偏差を得て、積分部２３にてその偏差の積分値を得る。
積分部２３出力が線形要素部２４に与えられ、線形要素部２４出力を等価バネ定数部２５を通して推定トルクＴ１  を得る。
この推定トルクＴ１  が、ＰＩ速度制御器の後段に、フィードバックされてなる。
【００１５】
ここでは、等価慣性ＪＮｍｇをシステム１のバックラッシュがなく剛結合された場合の慣性和とし、このときの速度を、（Ｔ＊／ＪＮｍｇ・ｓ）で求めて推定していることになる。
バックラッシュを有するシステム１の電動機速度ωｍと推定速度ωＮｇとの偏差積分は、バックラッシュの有無のバックラッシュ部捩り角の差にほぼ相当し、この推定捩り角ΔθＮの値を線形モデルを通し、その出力にバックラッシュ部の等価バ定数Ｋ２  を掛けることにより、バックラッシュの推定トルクＴ１  が得られる。
ここで、バネ定数関係においては｛（Ｋ２  ／Ｋ１  ≪１）｝とし、実システムではバックラッシュによりトルク伝達がなされていない区間にあっても、微小のト
ルクフィードバックが連続してあるものとしている。
【００１６】
さらに、バックラッシュ本来の非線形特性を、図１（ｃ）の如く不感帯と線形が合成されたバックラッシュ等価要素として、電動機の外乱トルクと考える。
すなわち、バックラッシュ捩り部捩りトルクＴθは、不感帯出力，推定トルクＴ１  は推定出力とし、（Ｔθ＋Ｔ１  ）が外乱トルクとすることにより、バックラッシュ起因するインパルストルクによる振動を、抑制する働きをさせる。
かようにして、バックラッシュ等価補償部を従来の多慣性軸捩れ制振制御と組合せ用い、バックラッシュに対する補償制御における今迄の不具合を解消し得るものであって、
バックラッシュがないとしたときの等価慣性を得、かつバックラッシュの線形要素を駆使し、バックラッシュ等価近似要素出力を電動機の外乱入力として、バックラッシュの非線形特性は連続線形化された扱いが可能になり、極めて制御し易いものとすることができる。
【００１７】
つぎに、従来のバックラッシュを考慮していない多慣性捩れ制振制御系に、バックラッシュ等価補償部を付加することで、バックラッシュに起因する振動を改善できる具体例を、挙げる。
ＰＩ制御方式に用いた場合の一例は図２の如くであって、これは、前述した通りである。
さらに、外乱オブザーバ制御方式に実施した例を、図３および図４に示す。
【００１８】
図３において、３は等価外乱オブザーバ補償部である。
すなわち、図３においては、システム１およびバックラッシュ等価補償部２からなる構成は図２と同じであり、図２構成にさらに等価外乱オブザーバ補償部３が付加されてなるものである。
さて、本出願人は、先に特開平３−２５５０５  号公報「多機能制御装置」記載の技術を提案している。
これに等価外乱オブザーバが記述されているところであって、その基本技術思想の理解を容易にするため、ここでは要点のみを図４に示す。
つまり、トルク指令Ｔ＊と検出速度ωの情報を活用して等価外乱を算出し、これを、トルク指令Ｔ＊に加算する如くに構成される。
ただし、Ｔθは電動機外乱、Ｋｔはトルク発生係数、Ｎは各値のノミナル値である。
【００１９】
なお、図２および図３におけるバックラッシュ等価補償部２にて線形要素２４を図１（ｂ）の如き線形要素としたが、かような線形要素に代えて、バックラッシュ捩り角がある程度大きな値となるときに飽和特性を有する如き飽和要素としてもよい。これは、図５（ａ）の如く示される。
また、このときのバックラッシュによる捩り角と発生トルクの関係は、非線形と飽和特性から、図５（ｂ）の如く示されることは明らかである。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、バックラッシュが存在する捩れ軸システムの制振制御の際に、不感帯のような非線形となって制御する上で使いづらい弊害が解消され、線形特性を付加することによりバックラッシュの影響を軽減し、かつ制振効果を向上してバックラッシュに強い制御系を構成した格別なバックラッシュ振動抑制方法を、提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の理解を容易にするための不感帯要素，線形要素，合成等価要素を示す図である。
【図２】図２は本発明によるＰＩ制御系適用の一例を示す系統ブロック図である。
【図３】図３は本発明による外乱オブザーバ制御方式に組合せ適用された他の一例を示す系統ブロック図である。
【図４】図４は図３の等価オブザーバ補償部を示す要部系統ブロック図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は本発明における飽和特性を有する別な例の飽和要素，合成等価要素を示す図である。
【符号の説明】
１        システム
２        バックラッシュ等価補償部
３        等価外乱オブザーバ補償部
Δθ        軸捩れ角
δ        バックラッシュ幅
ω＊      速度指令
Ｔ＊      トルク指令
ωｍ      電動機速度
ωｇ      バックラッシュ部速度
ωＬ      負荷部速度
ωＮｇ    推定速度
ΔθＮ    推定捩り角
Ｋ２      等価バネ定数
Ｔ１      推定トルク
【図１】
0003580632.tif 000002
【図２】
0003580632.tif 000003
【図３】
0003580632.tif 000004
【図４】
0003580632.tif 000005
【図５】
0003580632.tif 000006