(57)【要約】      （修正有）【課題】周期外乱オブザーバを用いてトルクリプルを抑制する場合、ゲイン部の調整は動作状態を監視しながらシーケンスにより決定しているため、調整パラメータが多く補正の達成可否については調整・設計者の技能に依存する。【解決手段】周期外乱オブザーバＰＤＯにモデル補正手段３０（３０ａ）を設ける。モデル補正手段は周期外乱オブザーバの出力値とプラントの検出値による時間差分を用いて同定モデル誤差を算出し、周期外乱オブザーバに入力して補正した同定モデルＰ´nを演算する。また、周期外乱オブザーバにスイッチ手段及び学習用のメモリー機能を設け、スイッチ手段のオン・オフによりプラントの回転周波数ｎωに対応した同定モデルＰ´nをメモリー機能に記憶し、周期外乱オブザーバは、メモリー機能に記憶された同定モデルを用いて最終的な周期外乱推定値ｄ´nとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期外乱を発生するプラントの出力を周期外乱オブザーバに入力して周期外乱推定値を算出し、算出された周期外乱推定値ｄ^nと制御指令ｒnとの差分に基づいてプラントを制御するものにおいて、
前記周期外乱オブザーバにモデル補正手段を設け、モデル補正手段で、周期外乱オブザーバの出力値と前記プラントの検出値ｙnによる時間差分を用いて補正された同定モデル誤差Ｐrefn（又はＰ^^n）を演算し、
補正された同定モデル誤差を周期外乱オブザーバにフィードバックして同定モデルＰ´n（＝Ｐmemn・ＬＰＦ（ｐrefn）を求め（ただし、ＬＰＦは複素ベクトルの実部／虚部の係数にフィルタリングを施し、出力はフィルタリング後の実部／虚部による複素ベクトルを出力する関数）、
前記周期外乱オブザーバにスイッチ手段及び学習用のメモリー機能を設け、スイッチ手段のオン・オフにより前記プラントの回転周波数ｎωに対応した前記同定モデルＰ´nをメモリー機能に記憶し、このメモリー機能からメモリー値Ｐmemn
を周期外乱オブザーバを介して周期外乱推定値ｄ^nとして出力するよう構成したことを特徴とした周期外乱自動抑制装置。
【請求項２】
モデル補正手段内に補間手段を設け、同定モデルを対象周波数周辺にまで補間することを特徴とした請求項１記載の周期外乱自動抑制装置。
【請求項３】
前記モデル補正手段は、前記プラントでの時刻ｔのｎ次出力をｙntとし、同定モデルＰ^nのプラントの推定出力をｙ^nとしたとき、時間差ｔ1，ｔ2時の同定モデル誤差Ｐ^^nは次式で求めることを特徴とした請求項１又は２記載の周期外乱自動抑制装置。
Ｐn＝−（ｙn.t2−ｙn.t1）／（ｄ^n.t2−ｄ^n.t1）
（＝Ｐ^^n）          
ただし、Ｐnはプラント、各値は複素数
【請求項４】
前記モデル補正手段は、前記プラントの時刻ｔのｎ次出力をｙntとし、周期外乱推定値ｄ^n、同定モデルＰ^nのプラントの推定出力をｙ^nとしたとき、時間差ｔ1，ｔ2時の同定モデル誤差Ｐrefn・Ｐ^nは次式で求めることを特徴とした請求項１又は２記載の周期外乱自動抑制装置。
Ｐn＝−（ｙn.t2−ｙn.t1）／（ｙ^n.t2−ｙ^n.t1）・Ｐ^n
＝Ｐrefn・Ｐ^n 
ただし、Ｐnはプラント、各値は複素数
【請求項５】
前記モデル補正手段を有する周期外乱オブザーバを複数並列に接続し、周期外乱推定値を複数得るよう構成したことを特徴とした請求項１乃至４に記載された何れか１項である周期外乱自動抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばモータ等の回転電気機械などのような、回転電気機械のトルクリプルを自動的に抑制する周期外乱自動抑制装置に係わり、特に周期外乱オブザーバの同定モデルを抑制制御中に随時補正するようにした周期外乱自動抑制装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周期外乱の発生抑制制御としては、受変電設備での電力系統制御、ロボットによる位置決め制御、ダイナモメータシステムの軸トルク共振抑制、モータ筐体の振動抑制（電気自動車、エレベータなどの乗り心地に関連するもの）等が存在し、これら各製品での周期外乱を高精度に抑制することが要望されている。
【０００３】
例えば、モータは原理的にトルクリプルを発生し、振動、騒音、乗り心地への悪影響、電気・機械共振等の種々の問題を引き起こす。特に、埋込磁石形のＰＭモータは、コギングトルクリプルとリラクタンストルクリプルが複合的に発生する。その対策として、トルクリプルを抑制する制御方式として周期外乱オブザーバ補償法が提案されている。
【０００４】
図１０は、特許文献１及び非特許文献によって公知となっている周期外乱オブザーバのn次トルクリプル周波数成分に関する制御ブロック図を示したものである。
１はトルクリプル補償値演算部で、正弦波／余弦波の制御指令ｒn(通常は０)と周期外乱オブザーバ３による推定値dTA^n, dTB^nとの差分にそれぞれ正弦波／余弦波値を乗算してそれを加算することでトルクリプル補償指令Tc*nを生成し制御対象２に出力される。制御対象２では、周期性の外乱（以下周期外乱dTnという）が発生することがある。例えば、制御対象がモータであればコギングトルなどによる回転数に同期した外乱であるトルクリプルがこれに相当し、振動や騒音の要因となる。
【０００５】
周期外乱オブザーバ３は周期外乱dTnを抑制するもので、周波数成分毎に複素ベクトルで表現したシステム同定モデルを外乱オブザーバの逆システムモデルを用いることで、制御対象とする周波数の外乱を直接的に推定して補償する。
これにより比較的単純な制御構成でありながら、対照とした周波数に対しては次数に関係なく高い抑制効果が得られる。
【０００６】
システムの同定モデルＰ^nの取得に関して、制御に先立って制御対象のプラントＰn（＝ＰAn+jＰBn）に対して予めシステム同定を行い、１次元複素ベクトルの形で（１）式として表現する。
Ｐ^n＝Ｐ^An+jＰ^Bn                …（１）
ただし、添字のnはn次成分、変数は何れもＸn＝ＸAn＋jＸBnと表現される複素ベクトルである。
【０００７】
例えば、１〜１０００Ｈｚまでのシステム同定結果を１Ｈｚ毎に複素ベクトルで表現した場合、１０００個の１次元複素ベクトルの要素からなるテーブルでシステムを表現できる。または、同定結果を数式化してシステムを表現することも可能である。何れの手法も、特定の周波数成分については簡素な１次元複素ベクトルでシステムモデルの表現は可能となる。
なお、システム同定モデルに限らず文中記載のＰ^n，ｒn，dTn，dT^n，Ｔnも
Ｘn＝ＸAn＋jＸBnと表現される複素ベクトルである。
【０００８】
モータのトルクリプルは回転位相θ［ｒａｄ］に準じて周期的に発生する外乱であることから、周期外乱オブザーバ３の制御としてはトルク脈動周波数成分抽出手段を用いて任意次数ｎ（電気的回転周波数の整数倍）の余弦係数TAn，正弦係数TBnに変換する。周波数成分の厳密な計測手段にはフーリエ変換などがあるが、図１０では簡易性を重視し、プラント出力に対してフーリエ変換を簡易化した低域通過フィルタＧF(s)を通すことで、周期外乱dTnの抑制対象とする周波数成分を抽出する。これに上記抽出したシステム同定モデルの逆数Ｐ^n-1で表現される逆システムを乗算し、低域通過フィルタＧF(s)を通した制御指令値との差分から周期外乱dTnを推定し、周期外乱推定値dT^n（＝dT^An +jdT^Bn）としてトルクリプル補償値演算部１に出力して制御指令ｒnから差っ引いて周期外乱dTnを抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１０／０２４１９５Ａ１
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】複素ベクトル表現を用いた周期外乱オブザーバに基づくＰＭモータのトルクリプル抑制性漁法、電気学会論文誌Ｄ、Vol.132, No.1.Ｐ.84-93(2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
周期外乱オブザーバに基づく制御においては、制御の根幹を成し制御性能を左右するものはシステムの同定モデルＰ^nの真値に対する精度である。周期外乱の抑制性能向上のためには、より精度の高いシステム同定が求められる。しかしながら、同定モデルの高精度な取得は難しく、経年変化などによるプラントの長期的な変動や、突発的なシステム変動による短期的な変動についても考慮する必要がある。同定モデルの誤差は抑制完了までの収束時間の増大や、最悪の場合では抑制制御自身が外乱となり、制御を不安定にする可能性もある。このため、同定モデル誤差に対するロバスト性の向上が求められている。
【００１２】
従来、ゲイン部の調整は動作状態を監視しながらシーケンスにより決定しているが、その場合、調整パラメータが多く補正の達成可否については調整・設計者の技能に依存している。また、シーケンス想定外の部分についてのモデル補正は不可能となっている。
【００１３】
本発明が目的とするとこは、調整パラメータを減少させ、調整・設計者の技能に依存することのない周期外乱自動抑制装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の請求項１は、周期外乱を発生するプラントの出力を周期外乱オブザーバに入力して周期外乱推定値を算出し、算出された周期外乱推定値ｄ^nと制御指令ｒnとの差分に基づいてプラントを制御するものにおいて、
前記周期外乱オブザーバにモデル補正手段を設け、モデル補正手段で、周期外乱オブザーバの出力値と前記プラントの検出値ｙnによる時間差分を用いて補正された同定モデル誤差Ｐrefn（又はＰ^^n）を演算し、
補正された同定モデル誤差を周期外乱オブザーバにフィードバックして同定モデルＰ´n（＝Ｐnmem・ＬＰＦ（Ｐrefn）を求め（ただし、ＬＰＦは複素ベクトルの実部／虚部の係数にフィルタリングを施しフィルタリング後の実部／虚部による複素ベクトルを出力する関数）、
前記周期外乱オブザーバにスイッチ手段及び学習用のメモリー機能を設け、スイッチ手段のオン・オフにより前記プラントの回転周波数ｎωに対応した前記同定モデルＰ´nをメモリー機能に記憶し、このメモリー機能からメモリー値Ｐmemn
を周期外乱オブザーバを介して周期外乱推定値ｄ^nとして出力するよう構成たことを特徴としたものである。
【００１５】
本発明の請求項２は、モデル補正手段内に補間手段を設け、同定モデルを対象周波数周辺にまで補間することを特徴としたものである。
【００１６】
本発明の請求項３は、前記モデル補正手段は、前記プラントでの時刻ｔのｎ次出力をｙntとし、同定モデルＰ^nのプラントの推定出力をｙ^nとしたとき、時間差ｔ1，ｔ2時の同定モデル誤差Ｐ^^nは次式で求めることを特徴としたものである。
Ｐn＝−（ｙn.t2−ｙn.t1）／（ｄ^n.t2−ｄ^n.t1）
（＝Ｐ^^n）          
ただし、Ｐnはプラント、各値は複素数
本発明の請求項４は、前記モデル補正手段は、前記プラントの時刻ｔのｎ次出力をｙntとし、周期外乱推定値ｄ^n、同定モデルＰ^nのプラントの推定出力をｙ^nとしたとき、時間差ｔ1，ｔ2時の同定モデル誤差Ｐrefn・Ｐ^nは次式で求めることを特徴としたものである。
Ｐn＝−（ｙn.t2−ｙn.t1）／（ｙ^n.t2−ｙ^n.t1）・Ｐ^n
＝Ｐrefn・Ｐ^n 
ただし、Ｐnはプラント、各値は複素数
本発明の請求項５は、前記モデル補正手段を有する周期外乱オブザーバを複数並列に接続し、周期外乱推定値を複数得るよう構成したことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
以上のとおり、本発明によれば、調整パラメータを減少させ、調整・設計者の技能に依存することのなく、高精度の周期外乱の抑制制御が可能となるものである。また、周期外乱の抑制制御に同定モデル補正量の学習のためにメモリー機能を設けて同定モデルを保存し、保存された同定モデルを周期外乱オブザーバを介して出力することにより、より高精度の周期外乱の抑制制御が可能になると共に、再度同じ周波数若しくはその近辺の周波数であれば、補正動作の不要若しくは補正時間の短縮が可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の周期外乱オブザーバ制御ブロック図。
【図２】誤学習防止処理フロー図。
【図３】基本的な周期外乱オブザーバ制御ブロック図。
【図４】周期外乱オブザーバ制御ブロック図。
【図５】他の実施形態を示す周期外乱オブザーバ制御ブロック図。
【図６】本発明の他の実施形態を示す周期外乱オブザーバ制御ブロック図。
【図７】補間処理説明図。
【図８】補間処理説明図。
【図９】補間処理説明図。
【図１０】周期外乱オブザーバ全体の制御ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、周期外乱を発生する制御対象の出力を周期外乱オブザーバに入力して周期外乱推定値を算出し、算出された周期外乱推定値と制御指令との差分に基づいて制御対象を制御するものにおいて、周期外乱オブザーバにモデル補正手段を設け、このモデル補正手段で、周期外乱オブザーバの出力値と前記制御対象の検出値の時間差分を用いて算出された同定モデル誤差によってシステムモデルを補正するもので、以下図に基づいて詳述する。
【００２０】
図３は、本発明の周期外乱オブザーバによる制御構成を示したものである。図３における記号は次の通りである。
Ｐn：プラント（制御対象）、ｄ^n：周期外乱推定値、
ｙn：制御対象出力（図１０のTAn， TBnに相当）、
ｒn：n次制御指令、ｄn：ｎ次外乱値、
ｄ^n.t：時刻ｔのｎ次補償指令（図１０のｄTA^n， dTB^nに相当）、
Ｐ^n：同定モデル、ｙ^n：ｄ^n.を外乱としたときの同定モデルＰ^nのプラントの推定出力、
ＰＤＯ：周期外乱オブザーバ、ｙn.t：時刻ｔのｎ次出力、s領域の値であるものは添字のカンマ後にて時刻ｔであることを表す。
【００２１】
時刻ｔ1の各状態式を式（２），（３）に表す。なお、指令値はｔ＝ｔ0〜ｔnで一定とし、ｒn＝０［ｎ＞０］の周期性を持たない定常値であるものとする。また、各値は複素数であるものとする。
（ｄn−ｄ^n.t1）×Ｐn＝ｙn.t1      ……                （２）
ｄ^n.t1×Ｐ^n＝ｙ^n.t1            ……                （３）
同様に時刻ｔ2の各状態式を式（４），（５）に表す。
（ｄn−ｄ^n.t2）×Ｐn＝ｙn.t2      ……                （４）
ｄ^n.t2×Ｐ^n＝ｙ^n.t2            ……                （５）
（２）〜（５）式から、時刻間の差分を求め（６），（７）式とする。
ここで、外乱ｄnおよびプラントＰnは時刻によらず一定と仮定し、時間差分をとれば外乱の定常項を除外できる。また、時刻ｔ1,ｔ2の取得時間差については、数［ms］を目標値とする。仮に、動作中にプラント変動・外乱変動が発生したとしても、時刻ｔ1,ｔ2の時間差に対してこの変動周期は非常に長いと想定し、上記仮定は有効と考える。
−（ｄ^n.t2−ｄ^n.t1）×Ｐn＝ｙn.t2−ｙn.t1      ……    （６）
（ｄ^n.t2−ｄ^n.t1）×Ｐ^n＝ｙ^n.t2−ｙ^n.t1      ……  （７）
（６）式から（８）式を求め、（８）式に（７）式を代入して（９）式を得る。
ここで、差分結果より推定したシステムモデルをＰ^^n、同定モデルとの誤差分をＰrefnとおく。
Ｐn＝−（ｙn.t2−ｙn.t1）／（ｄ^n.t2−ｄ^n.t1）  
（＝Ｐ^^n）                                    ……    （８）
Ｐn＝−（ｙn.t2−ｙn.t1）／（ｙ^n.t2−ｙ^n.t1）・Ｐ^n
＝  Ｐrefn・Ｐ^n                            ……    （９）
以上から時刻ｔ1,ｔ2における状態の差分を用いることで、システムモデルの推定が可能となる。これを同定モデルＰ^nにフィードバックして補正し、最終的には高精度な外乱推定値ｄ^nを得ることが可能となる。
【００２２】
図４がモデル補正手段を備えた周期外乱オブザーバの制御ブロック図を示したもので、モデル補正手段３０が（９）式による補正演算を行う。すなわち、モデル補正手段３０は、同定モデルＰ^nによるｎ次のプラント出力補償値ｙ^nとプラント出力ｙnを入力して（９）式に相当する演算を行う。（９）式の演算については微分演算となることからノイズが含まれる。このため、モデル補正手段３０の出力は、低域通過フィルタ３１を通すことでノイズ分を除去する。その他の動作については、図１０と同様の基本的な動作を行う。
【００２３】
したがって、周期外乱オブザーバＰＤＯは、補正された同定モデル誤差による位相誤差およびゲイン誤差に対する補正指令値を出力して同定モデルをトルクリプル抑制制御中に随時補正することができるため、調整パラメータを減少させ、調整・設計者の技能に依存することのなく、より高精度の周期外乱の抑制が可能となるものである。
【００２４】
図４では、（９）式に相当する演算手段を有するモデル補正手段３０によって周期外乱オブザーバＰＤＯの内部モデルを補正している。図５では、モデル補正手段３０ａによって（８）式の差分結果から推定したシステムモデルＰ^^nを用いた演算を行うものである。Ｐ^^nを用いると同定モデルＰ^nが全く不明であっても外乱抑制が可能となる。この場合、常にモデル補正機能を有効とし、内部モデルには（８）式によって得られるモデル補正手段３０ａによるシステムモデル
Ｐ^^nを用いて制御を行う。
【００２５】
したがって、図５においても図４と同様な効果を奏すると共に、時刻ｔ1,ｔ2の時間差分の検出値によりシステムモデルの推定が可能のため事前にシステム同定が出来ない場合などに特に有効になるものである。図４，５では、ある周波数において周期外乱オブザーバＰＤＯのシステムの同定モデルを適応的に補正する手段について示した。
【００２６】
図１で示す本発明は、さらにメモリー機能を付加し、図４，５で示すモデル補正手段３０（３０ａ）による補正値を、低域通過フィルタＬＰＦを通して周期外乱オブザーバＰＤＯにフィードバックして補正の最終値を算出し、プラントの回転周波数ｎωに応じてメモリー機能に記憶するものである。
【００２７】
図１において、ＳＷはスイッチ手段、３２はメモリー機能で、このメモリー機能３２には後述の最終的な同定モデルＰ´nがプラントの回転周波数ｎωに対応した状態で記憶されている。他は図４又は図５と同様に構成される。
周期外乱オブザーバＰＤＯは、モデル補正手段３０（又は３０ａ）により補正された同定モデル誤差Ｐrefn（又はＰ^^n）とメモリー機能に記憶された同定モデルＰmemnを用いて（１０）式の演算を行って最終的な同定モデルＰ´nを算出し、
周期外乱オブザーバＰＤＯはこれを最終的な周期外乱推定値ｄ^nとして出力する。
Ｐ´n＝Ｐmemn・ＬＰＦ（Ｐrefn）          ……        （１０）
ここで、Ｐmemnの初期値はＰ^nとし、また、ＬＰＦは複素ベクトルの実部／虚部の係数にフィルタリングを施し、出力はフィルタリング後の実部／虚部による複素ベクトルであるものとする。
【００２８】
スイッチ手段ＳＷは、周期外乱オブザーバＰＤＯにより算出された同定モデルＰ´nをメモリー機能３２に記憶するタイミングでオン・オフする。記憶タイミングは、最終的な同定モデルＰ´nの演算処理が行われて十分に周期外乱が抑制された時点とし、抑制制御の完了と同時に新しい同定モデルＰ´nを得る。同定モデルＰ´nは、モデル誤差が存在する状態から一定時間有効となり、モデル補正と周期外乱抑制が十分に収束した状態でスイッチ手段ＳＷをオンしてその時の同定モデルＰ´nをメモリー機能３２に保存し、メモリー値Ｐmemnを更新する。メモリー保存が終了したらスイッチ手段ＳＷをオフにする。
【００２９】
なお、メモリー機能３２に記憶する場合、プラントが動作する全範囲か、若しくは一定の範囲で動作点を繰り返して実施するが、その際、誤学習する虞が生じる。図２は誤学習を防ぐための処理シーケンスで、ステップＳ１で動作点を移動させ、ステップＳ２で動作が完了したらステップＳ３でスイッチ手段ＳＷをオンして抑制制御する。ステップＳ４で抑制制御が完了したらメモリー機能３２に同定モデルＰ´nを保存（Ｓ５）し、ステップＳ６でスイッチ手段ＳＷをオフして抑制制御を終了し、全動作点が完了した時点で終了する。
【００３０】
図１で示すように学習機能を付加した場合、その学習点が１ポイント周波数の場合とある特定の周波数の範囲間での補間が考えられる。図７〜９は補間処理の説明図を示したものである。
【００３１】
初期状態での同定モデルＰ^nとして、図７のようなＰA（ＰB）に関する周波数応答グラフを所有するとする。図１において同定モデル誤差を学習した結果の同定モデルの例を図８に示す。周期外乱抑制制御においては、ある特定の周波数ａ点、若しくはモデル変動に伴うｂ点にのみ実施するため、モデル誤差が学習可能なポイントもある特定の周波数のみとなる。このため、学習した周波数から僅かでも移行すると学習した結果を適用することはできない。制御対象がモータ等の可変速用途である場合、微小な速度（周波数）変動でも再学習が要求されることになる。
【００３２】
上記対策のためにモデル補正手段内に補間手段を設ける。補間手段による補間は周知な任意の方法で行われ、例えば、図９で示すように学習点ａまたはｂ点と補間対象とする周波数まで直線で結び、線形近似するなどの手法で実施する。これにより、ある特定の周波数での学習結果を周波数領域にまで影響させることで周波数変動に際しても抑制制御の安定性や学習に必要な時間短縮が図れる。
【００３３】
図６は、図１で示す装置の制御系を抑制する各次数に対して並列・同時に構築したものである。すなわち、モデル誤差補正付きの周期外乱オブザーバＰＤＯをＮ個設け、推定すべきｎ次の周期外乱成分に対して同定モデル誤差を推定し、その推定誤差によってシステム同定モデルを補正した結果の周期外乱推定値ｄ^n−1〜ｄ^n−Nをトルクリプル補償値演算部１（図１０の）に出力する。
【符号の説明】
【００３４】
１…  トルクリプル補償値演算部
２（Ｐn）…  制御対象（プラント）
３（ＰＤＯ）…  周期外乱オブザーバ
３０…  モデル補正手段
３１…  低域通過フィルタ
３２…  メモリー機能
ｄ^n…  周期外乱推定値（システム同定モデル）
Ｐ^n…  同定モデル
ｙn…制御対象出力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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