(57)【要約】【課題】状態量指令値に影響されずに機械共振を自動的に抑制すること。【解決手段】電動機１によって駆動される負荷４の速度を速度指令値に追従させる際に、速度制御手段６の出力信号の機械共振周波数成分を通過させるＨＰＦ９と、所定周波数以下の周波数を含む基準信号を出力する基準信号発生器１０と、この出力基準信号を手段６の出力信号に加算する加算器１１と、この加算出力信号を入力とし、且つフィルタ係数を変化させることにより入出力特性を変更可能な仮想フィルタ１２と、この出力信号が前記基準信号に近づくように仮想フィルタ１２のフィルタ係数を修正する仮想フィルタ設定部１４とを備えて電動機の制御装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機及び該電動機によって駆動される負荷の状態量を検出する状態量検出手段と、該状態量検出手段の出力を状態量指令値に追従させる状態量制御手段と、フィルタ係数を変化させることにより入出力特性を変更可能な実フィルタと、該実フィルタのフィルタ係数を設定するフィルタ係数設定手段とを有する電動機の制御装置において、
前記フィルタ係数設定手段は、前記状態量制御手段の出力信号の機械共振周波数成分を通過させる振動検出手段と、所定周波数以下の周波数を含む基準信号を出力する基準信号発生手段と、この手段が出力する基準信号を前記振動検出手段の出力信号に加算する加算手段と、この手段の出力信号を入力とし、且つフィルタ係数を変化させることにより入出力特性を変更可能な仮想フィルタと、この仮想フィルタの出力信号が前記基準信号に近づくように当該仮想フィルタのフィルタ係数を修正する仮想フィルタ設定手段と
を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項２】
前記フィルタ係数設定手段は、前記仮想フィルタ設定手段で設定された当該仮想フィルタの入出力特性が、前記実フィルタの入出力特性となるように実フィルタのフィルタ係数を設定する実フィルタ設定手段
を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記状態量検出手段は、電動機及び電動機によって駆動される負荷の何れかの速度を検出し、前記状態量指令値は外部から入力される速度指令値であり、当該状態量制御手段の出力信号はトルク指令値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機の制御装置。
【請求項４】
前記実フィルタは、ノッチフィルタであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電動機の制御装置。
【請求項５】
前記実フィルタは無限インパルス応答フィルタで、前記仮想フィルタは有限長インパルス応答フィルタであることを特徴とする請求項４記載の電動機の制御装置。
【請求項６】
前記実フィルタ設定手段は、前記仮想フィルタのノッチ中心周波数と、ノッチ減衰量と、ノッチ幅とから前記実フィルタのフィルタ係数を決定することを特徴とする請求項４又は５に記載の電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御対象の駆動時に発生する機械共振を抑制可能な電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電動機の制御装置による機械共振抑制方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。これを図７を参照して説明する。
図７において、１０１は電動機（Ｍ）、１０２は電動機１０１の速度ωrを検出する速度検出器、１０３は連結体、１０４は連結体１０３を介して電動機１０１により駆動される負荷（Ｌ）、１０５は速度指令値ωr*と速度検出器１０２によって検出された電動機１０１の速度検出値ωrとを比較して、その偏差値（ωr*−ωr）を出力する減算手段、１０６は偏差値（ωr*−ωr）を演算増幅してトルク指令値τ1*として出力する演算増幅手段、１０９はトルク指令値τ1*にフィルタ処理を施し、新たなトルク指令値τ2*を出力し、フィルタ係数ｆの入力によりこのフィルタ係数ｆに応じた周波数成分の通過を制限可能とする実フィルタ、１０８は新たなトルク指令値τ2*に基づいて電動機１０１のトルクを制御するトルク制御手段である。
【０００３】
また、１１０はフィルタ係数ｆを設定して実フィルタ１０９へ出力するフィルタ係数設定手段であり、１１２は速度検出値αを入力し、この速度検出値の速度検出値ωrに重畳している機械系の共振周波数成分ｄを通過させるハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、１１３は所定の周波数以下の周波数成分を含む基準信号ｒを出力する基準信号発生手段、１１５は基準信号発生手段１１３が出力する基準信号ｒとハイパスフィルタ１１２を通過した機械系の共振周波数成分ｄとを加算する加算手段、１１６は加算手段１１５の出力信号ｘと基準信号ｒとを入力して、周波数成分ｄの通過を制限するフィルタ係数ｆを演算して実フィルタ１０９へ出力する適応フィルタである。
【０００４】
次に動作について説明する。速度検出器１０２が出力する電動機１０１の回転速度を示す速度検出値ωrが減算手段１０５に入力されることにより、電動機の速度制御装置に負帰還され、演算増幅手段１０６は減算手段１０５からの偏差値（ωr*−ωr）の入力により、この値が零になるように演算増幅を行ってトルク指令値τ1*に出力する。このトルク指令値τ1*はノッチフィルタ（実フィルタ）１０９を介してトルク制御手段１０８に入力され、このトルク制御手段１０８の出力信号により電動機１０１は速度指令値ωr*に追従するように速度制御される。
【０００５】
ここで、フィルタ係数設定手段１１０におけるハイパスフィルタ１１２は、遮断周波数が速度制御の帯域幅ｆｂに設定され、速度検出値ωrが入力され、この速度検出値ωrに重畳する機械共振周波数成分ｄを出力する。また、基準信号発生手段１１３は、速度制御の帯域幅ｆｂと同一の周波数成分を含む基準信号ｒを発生し、加算器１１５はハイパスフィルタ１１２の出力ｄと基準信号ｒとを加算して信号ｘを出力する。
【０００６】
図８は、適応フィルタ１１６のブロック図を示したものであり、フィルタ部分１１７は信号ｘを入力してフィルタリング処理を行い、フィルタ係数調整手段１１９はフィルタ部分１１７の出力ｙを目標信号である基準信号ｒに最も近づけるために、減算手段１１８が出力する基準信号ｒとその出力ｙとの偏差ｅが減少するようにフィルタ部分１１７のフィルタ係数を調整する。
【０００７】
即ち、適応フィルタ１１６は、入力信号が与えられるとそれに応じて最も目的に沿う形の信号を発生するように自己の特性を変え、また入力信号の性質が変わると、それに追従して特性を変えるフィルタである。また、適応フィルタ１１６は入力ｘに対してその出力ｙが目標信号である基準信号ｒに最も近づくように自己フィルタ係数を逐次調整する。
入力信号ｘは、基準信号ｒと機械共振による振動成分ｄとを含んだものであるので、適応フィルタ１１６は自己のフィルタ特性を基準信号ｒの持つ周波数帯域の成分は通過させ、機械共振による振動成分ｄの持つ周波数成分は抑制する。即ち、中心周波数ｆｃが機械共振周波数ｆｐに一致したノッチフィルタになるようにフィルタ係数を調整するようになっている。
【０００８】
実フィルタ１０９は、そのフィルタ係数が適応フィルタ１１６からの入力によりこの適応フィルタ１１６と同じに設定されるので、ノッチフィルタの特性を持つことになる。このように、実フィルタ１０９は、演算増幅手段１０６の出力τ1*に含まれる機械共振による振動の加振源となる機械共振周波数成分を抑制する特性になるように自動調整され、速度検出値ωrに含まれる電動機１０１と負荷１０４との機械共振に起因する周波数成分が変化しても、その変化に追従して減少させることになり、機械系の共振を自動的に抑制するというものが知られている。
【特許文献１】特許２５０４３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記特許文献１においては、フィルタ係数設定手段１１０が、機械共振による振動成分ｄを検出するために、ハイパスフィルタ１１２に速度検出値ωrを通過させる必要がある。この場合、速度指令値ωr*を高加減速で変化させると、速度検出値ωrも高加減速で変化するため、ハイパスフィルタ１１２を速度検出値ωrの高い周波数成分が通過してしまい、適応フィルタ１１６が理想的なフィルタ係数ｆへ収束する妨げとなる。
【００１０】
図９に振動成分ｄとフィルタ係数の時間変化の一例を示す。これは４００Ｈｚに共振周波数を持つ２慣性系の負荷を接続した場合に、加減速時間１０ｍｓ、最大速度１０００ｒ／ｍｉｎの三角波状の速度指令を０．２ｓ毎に繰り返し入力した結果である。共振による振動は０．４ｓ時点で抑制されているが、速度指令が入力されるたびにフィルタ係数が変化している。
【００１１】
図１０に１．０ｓ時点の適応フィルタの周波数特性を示す。４００Ｈｚの中心周波数を持つノッチ特性のほかに、およそ４０Ｈｚに遮断周波数を持つハイパスフィルタの特性を示している。このように、通過させるべき周波数成分までも遮断してしまい、応答性を損なう恐れがある。
また、ハイパスフィルタ１１２の遮断周波数を速度制御系の帯域幅ｆｂに対して高く設定することで、速度検出値ωrの高周波成分を遮断できるが、機械共振周波数が速度指令系の帯域ｆｂ近傍に存在する場合は、ハイパスフィルタ１１２が振動成分ｄを遮断してしまい、適応フィルタ１１６が理想的なフィルタ係数ｆへ収束する妨げとなる。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、状態量指令値に影響されずに機械共振を自動的に抑制することができる電動機の制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１による電動機の制御装置は、電動機及び該電動機によって駆動される負荷の状態量を検出する状態量検出手段と、該状態量検出手段の出力を状態量指令値に追従させる状態量制御手段と、フィルタ係数を変化させることにより入出力特性を変更可能な実フィルタと、該実フィルタのフィルタ係数を設定するフィルタ係数設定手段とを有する電動機の制御装置において、前記フィルタ係数設定手段は、前記状態量制御手段の出力信号の機械共振周波数成分を通過させる振動検出手段と、所定周波数以下の周波数を含む基準信号を出力する基準信号発生手段と、この手段が出力する基準信号を前記振動検出手段の出力信号に加算する加算手段と、この手段の出力信号を入力とし、且つフィルタ係数を変化させることにより入出力特性を変更可能な仮想フィルタと、この仮想フィルタの出力信号が前記基準信号に近づくように当該仮想フィルタのフィルタ係数を修正する仮想フィルタ設定手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項２による電動機の制御装置は、請求項１において、前記フィルタ係数設定手段は、前記仮想フィルタ設定手段で設定された当該仮想フィルタの入出力特性が、前記実フィルタの入出力特性となるように実フィルタのフィルタ係数を設定する実フィルタ設定手段を更に備えたことを特徴とする。
これらの構成によれば、状態量指令値に影響されずに機械共振を自動的に抑制することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項３による電動機の制御装置は、請求項１又は２において、前記状態量検出手段は、電動機及び電動機によって駆動される負荷の何れかの速度を検出し、前記状態量指令値は外部から入力される速度指令値であり、当該状態量制御手段の出力信号はトルク指令値であることを特徴とする。
この構成によれば、電動機又は電動機によって駆動される負荷の速度を検出し、この速度検出値が外部からの入力される速度指令に追従するように電動機を速度制御することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項４による電動機の制御装置は、請求項１から３の何れか１項において、前記実フィルタは、ノッチフィルタであることを特徴とする。
この構成によれば、ノッチフィルタのパラメータを調節することにより、効果的に機械共振を検出して、共振を自動的に抑制することができる。
また、本発明の請求項５による電動機の制御装置は、請求項４において、前記実フィルタは無限インパルス応答フィルタで、前記仮想フィルタは有限長インパルス応答フィルタであることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、安定な有限インパルス応答フィルタの周波数特性に基づき無限インパルス応答フィルタの係数を調整することにより、実フィルタの安定性を向上させることができる。
また、本発明の請求項６による電動機の制御装置は、請求項４又は５において、前記実フィルタ設定手段は、前記仮想フィルタのノッチ中心周波数と、ノッチ減衰量と、ノッチ幅とから前記実フィルタのフィルタ係数を決定することを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、仮想フィルタの調整パラメータとしてノッチ中心周波数とノッチ減衰量とノッチ幅とを設定するので、適切なノッチフィルタを設定することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明の電動機の制御装置によれば、状態量指令値に影響されずに機械共振を自動的に抑制することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
図１に示す電動機の制御装置は、１は電動機（Ｍ）、２は電動機１の速度ωrを検出する速度検出器、３は連結体、４は連結体３を介して電動機１により駆動される負荷（Ｌ）、５は速度指令値ωr*と速度検出器２によって検出された電動機１の速度検出値ωrとを比較して、その偏差値（ωr*−ωr）を出力する減算器、６は偏差値（ωr*−ωr）を演算増幅してトルク指令値τ1*として出力する速度制御部、７はトルク指令値τ1*にフィルタ処理を施し、新たなトルク指令値τ2*を出力し、フィルタ係数Ｆの入力によりこのフィルタ係数Ｆに応じた周波数成分の通過を制限可能とする実フィルタ、８は新たなトルク指令値τ2*に基づいて電動機１のトルクを制御するトルク制御部である。
【００２１】
また、実フィルタ７のフィルタ係数Ｆを設定するフィルタ系設定部２０を備える。このフィルタ係数設定部２０は、速度制御部６から出力されたトルク指令値τ1*を入力とし、機械共振周波数成分ｄを通過させるハイパスフィルタ９と、所定の周波数以下の周波数成分を含む基準信号ｒを出力する基準信号発生器１０と、基準信号発生器１０が出力する基準信号ｒとハイパスフィルタ９を通過した機械共振周波数成分ｄとを加算する加算器１１と、加算器１１の出力信号ｘを入力してフィルタ係数ｆの入力によりこのフィルタ係数ｆに応じた周波数成分の通過を制限可能とする仮想フィルタ１２と、基準信号ｒから仮想フィルタ１２の出力信号とを比較してその偏差値ｅを出力する減算器１３と、減算器１３の出力信号である偏差値ｅを入力とし、機械振動成分ｄの通過を制御する仮想フィルタ１２のフィルタ係数ｆを設定する仮想フィルタ設定部１４とから構成されている。
【００２２】
速度信号制御部６は例えば比例・積分制御などの制御器であり、速度指令値ωr*と速度検出値ωrとの偏差値（ωr*−ωr）を零に制御するためのトルク指令値τ1*を出力する。トルク指令値τ1*は、実フィルタ７を通され、新たなトルク指令値τ2*としてトルク制御部８に出力される。そして、トルク制御部８の出力によって、電動機１は速度制御されるように構成されている。
【００２３】
また、実フィルタ７及び仮想フィルタ１２は有限インパルス応答フィルタで次式（１）で表す。
【００２４】
【数１】
2007202348.tif 000003
【００２５】
ここで、ｑk（ｋ＝０、１、…、２０）は有限インパルス応答フィルタの係数である。
仮想フィルタ設定部１４は、例えばＬＭＳ(Least Mean Square)法などの適応アルゴリズムを用いることができる。
実フィルタ７の特性は次のように設定される。
【００２６】
まず、ハイパスフィルタ９がトルク指令値τ1*の共振振動成分ｄを検出し、この共振振動成分ｄに基準信号ｒを加算器１１により重畳し仮想フィルタ１２に入力する。減算器１３は基準信号ｒから仮想フィルタ１２によりフィルタリングされた信号ｙを減じて偏差値ｅを出力する。
仮想フィルタ設定部１４では適応アルゴリズムＬＭＳ法に基づいて、偏差値ｅが最小になるように、つまり仮想フィルタ１２の出力ｙが基準信号ｒに最も近づくように仮想フィルタ１２の係数ｆを決定する。これにより、仮想フィルタ１２は基準信号ｒに含まれる周波数成分を通過させ、機械共振成分ｄを抑制する入出力特性となる。そして、実フィルタ７のフィルタ係数は、仮想フィルタ設定部１４で調節された仮想フィルタ１２のフィルタ係数と同じ値に設定される。
【００２７】
これによって、実フィルタ７はトルク指令値τ1*に含まれる機械共振成分ｄを抑制する特性となるように自動調整される。
図２に、振動成分ｄとフィルタ係数ｆの時間変化の一例を示す。これは４００Ｈｚに共振周波数を持つ２慣性系の負荷を接続した場合に、加減速時間１０ｍｓ、最大速度１０００ｒ／ｍｉｎの三角波状の速度指令を０．２ｓ毎に繰り返して入力した結果である。この結果からわかるように、共振による振動は０．４ｓ時点で抑制され、０．２ｓ毎の速度指令に対するトルクの変化もほとんど検出されていない。このため、振動抑制後のフィルタ係数は安定している。
【００２８】
図３に実フィルタ７及び仮想フィルタ１２の周波数特性を示す。両フィルタ７，１２の周波数特性は４００Ｈｚの中心周波数を持つノッチ特性を示し、他の周波数帯域はほとんど遮断していない。
従って、第１の実施の形態による電動機の制御装置によれば、機械共振に起因する周波数成分が変化した場合であってもその変化に追随して共振を抑制することができ、また速度指令値（状態量指令値）に影響されずにフィルタ係数を理想的な値に収束させることができる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態に係る電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。但し、第２の実施の形態の電動機の制御装置において、第１の実施の形態に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては説明を適時省略する。
第２の実施の形態の電動機の制御装置が、第１の実施の形態と異なる点は、ノッチフィルタ設定部１５が設けられ、実フィルタ７がノッチフィルタ１６に置換されていることである。
【００３０】
次に、ノッチフィルタ設定部１５及びノッチフィルタ１６の動作とその原理を説明する。ノッチフィルタ設定部１５では、仮想フィルタ設定部１４で設定された仮想フィルタ１２の入出力特性がノッチフィルタ１６の入出力特性となるようにノッチフィルタ１６のフィルタ係数Ｆを設定する。
【００３１】
また、ノッチフィルタ１６は無限インパルス応答フィルタであって次式（２）、（３）、（４）で表され、入出力特性を決定するパラメータは、ノッチ中心周波数とノッチ減衰量、ノッチ幅とする。
【００３２】
【数２】
2007202348.tif 000004
ここで、
【００３３】
【数３】
2007202348.tif 000005
であり、更に
【００３４】
【数４】
2007202348.tif 000006
ωnはノッチ中心周波数、Ｋnはノッチ減衰量、ｄnはノッチ幅、Ｔsはサンプル周期である。
【００３５】
仮想フィルタ１２の係数ｆはノッチフィルタ設定部１５に入力され、当該ノッチフィルタ設定部１５において仮想フィルタ１２の周波数特性（係数ｆ）からノッチ中心周波数、ノッチ減衰量、ノッチ幅を演算することによって、ノッチフィルタ１６のフィルタ係数Ｆを出力する。
【００３６】
これによって、ノッチフィルタ１６が、トルク指令値τ1*に含まれる機械共振成分ｄを抑制する特性となるように自動調整される。
図５に振動成分ｄとフィルタ係数ｆの時間変化の一例を示す。これは４００Ｈｚに共振周波数を持つ２慣性系の負荷を接続した場合に、加減速時間１０ｍｓ、最大速度１０００ｒ／ｍｉｎの三角波状の速度指令を０．２ｓ毎に繰り返し入力した結果である。この結果からわかるように、共振による振動は０．４ｓ時点で抑制され、０．２ｓ毎の速度指令に対するトルクの変化もほとんど検出されていない。このため、振動抑制後のフィルタ係数は安定している。
【００３７】
図６にノッチフィルタ１６及び仮想フィルタ１２の周波数特性を示す。両フィルタ１６，１２の周波数特性は４００Ｈｚの中心周波数を持つノッチ特性を示し、他の周波数帯域はほとんど遮断していない。更に、仮想フィルタ１２の周波数特性より、ノッチ中心周波数、ノッチ減衰量、ノッチ幅を算出し、ノッチフィルタ１６を構成することで機械共振周波数だけを抑制するノッチフィルタ１６が構成される。
【００３８】
従って、第２の実施の形態の電動機の制御装置では、機械共振に起因する周波数成分が変化した場合であってもその変化に追随して共振を抑制することができ、また速度指令値（状態量指令値）に影響されずにフィルタ係数を理想的な値に収束させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態の電動機の制御装置の制御による振動成分とフィルタ係数の時間変化の一例図である。
【図３】第１の実施の形態の電動機の制御装置における機械共振周波数を制限する実フィルタ及び仮想フィルタの伝達関数を示すボード線図の一例図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】第２の実施の形態の電動機の制御装置の制御による振動成分とフィルタ係数の時間変化の一例図である。
【図６】第２の実施の形態の電動機の制御装置における機械共振周波数を制限するノッチフィルタ及び仮想フィルタの伝達関数を示すボード線図の一例図である。
【図７】従来の電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】従来の電動機の制御装置における適応フィルタの構成を示すブロック図である。
【図９】従来の電動機の制御装置における振動成分とフィルタ係数の時間変化の一例図である。
【図１０】従来の電動機の制御装置における適応後の実フィルタの伝達関数を示すボード線図の一例図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  電動機
２  速度検出器
３  連結体
４  負荷
５  減算器
６  速度制御部
７  実フィルタ
８  トルク制御部
９  ハイパスフィルタ
１０  基準信号発生器
１１  加算器
１２  仮想フィルタ
１３  減算器
１４  仮想フィルタ設定部
１５  ノッチフィルタ設定部
１６  ノッチフィルタ
２０  フィルタ係数設定部
【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】
2007202348.tif 000013
【図８】
2007202348.tif 000014
【図９】
2007202348.tif 000015
【図１０】
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