(57)【要約】【課題】PID制御を用いた回転体の機械共振制御において、フィルタによる位相遅れの影響を少なくし、検出トルクに重畳するノイズや高次の機械共振点、モータによるトルクリップルが微分器に入力して、過大な信号出力となること防ぐ。【解決手段】微分制御を不完全微分制御とした微分器にバターワースフィルタ回路を具備し、一次の機械共振点の周波数帯域を通すようにフィルタ値を設計する。【選択図】図１
2016019299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試体がトルク計を介してモータに接続して構成されている二次以上の機械共振点をもつ機械システムと、前記モータをトルク信号にて制御する電力変換器と、前記電力変換器に搭載され、任意のトルク指令から該トルク計のトルク出力を引いた信号を比例制御器と積分制御器と微分制御器に入力し、前記比例制御器と前記積分制御器と前記微分制御器の出力を加算した前記トルク信号を該電力変換器に出力する制御器と、前記制御器の該比例制御器と該積分制御器と該微分制御器のゲイン値は前記機械共振点での振動を抑制するよう適当に決められた共振抑制制御において、前記微分制御器に直列にバターワースフィルタを接続することを特徴とする共振抑制制御。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は共振抑制制御に関するもので、特に二次以上の機械共振点をもつ回転体の共振抑制制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータドライブシステムにおいてはモータと供試体が低剛性の軸で結合されると機械共振系となり、トルク振幅が過大となってトルク値の測定が正確にできなくなるばかりでなく、振動による機器の破損の恐れがある。
【０００３】
そのため従来の機械共振を抑える制御法の一つとして、機械共振系を低次元の近似モデルとして用いたＰＩＤ制御法が用いられている。
【０００４】
図５は供試体１の回転性能を測定するモータドライブシステムの一例を表した構成図である。図６は図５に示す構成図の電力変換器の制御器にある微分制御に一般的に使用される不完全微分のボード線図波形である。以下、図５及び図６を用いて、従来の機械共振系の制振制御方法を説明する。
【０００５】
供試体１の回転性能を測定するため、供試体１の出力軸にトルク計２を接続し、トルク計２の他端にモータ３を接続して、機械システム４を構成する。機械システム４は供試体１内にある低剛性部分の影響を受け、二次以上の機械共振点を持っているものとする。
【０００６】
電力変換器５は機械システム４のモータ３と電源６が接続され、その内部には制御器７が搭載されており、制御器７により機械システム４のモータ３が制御されている。
【０００７】
制御器７には任意のトルク指令値８とトルク計２からのトルクフィードバック値９が入力され、任意のトルク指令８からトルクフィードバック値９を引いたものをＰＩＤ制御１０に入力し、出力トルク指令１１を出力して、電力変換器５に対してモータ３を制御する信号を出力する。
【０００８】
ＰＩＤ制御１０は比例制御１０Ａと積分制御１０Ｂと微分制御１０Ｃで構成されており、ＰＩＤ制御１０の入力値が比例制御１０Ａ、積分制御１０Ｂ、微分制御１０Ｃそれぞれの入力値となり、ＰＩＤ制御１０の出力値は比例制御１０Ａの出力値と、積分制御１０Ｂの出力値と、微分制御１０Ｃの出力値との和となる。
【０００９】
ＰＩＤ制御１０の比例ゲインＫp、積分ゲインＫi、微分ゲインＫdは機械システム４を２慣性系として外乱特性、指令追従性を考慮して適当な値が演算される。
【００１０】
微分制御１０Ｃにおいては、トルク計２から検出するトルクフィードバック値９に重畳している高周波ノイズが微分によって過度に増幅拡大されてしまう問題がある。そのため微分制御の入力または出力に一次遅れフィルタを設置し、不完全微分１２として高周波帯域のゲインを制限している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】産業計測制御研究会資料  IIＣ-９９-３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
不完全微分１２のボード線図を図６に示す。一次遅れフィルタは一次遅れ回路であるため、トルクフィードバック値９を一次遅れフィルタに通すと位相が遅れる問題がある。一次遅れフィルタ時定数Ｔｄの逆数がカットオフ周波数になり、カットオフ周波数以降のゲインは微分ゲインKdと一次遅れフィルタ時定数Ｔdにより決まり、一定値（Ｋd／Ｔd）となる。周波数がカットオフ周波数以降でノイズによるパルスが入ってしまうとそのパルスが増大され、トルクハンチングを起こす原因となる。
【００１３】
また制御周期をもつデジタル制御では、制御周期と同等、もしくはそれ以上の高次の機械共振点や、供試体１およびモータ３のトルクリップルがある場合、不完全微分からの出力は理想微分の位相からほど遠くなり、これもまたトルクハンチングを起こす原因となる。トルクフィードバック値９に重畳するノイズにおいてはさらに高周波帯域のゲインを下げるために一次遅れフィルタを直列に２個、３個と接続する必要がある。そうすればさらに位相が遅れ、理想微分としての位相出力ではなくなるという問題があった。
【００１４】
本発明の目的は制御器７が応答できる範囲の所望の周波数帯はフィルタによる位相遅れを少なくして理想微分としての位相を出力させ、エネルギー変化的には小さい高周波帯域の機械共振に対しては微分出力のゲインを下げる共振抑制制御を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するため、本発明は、供試体がトルク計を介してモータに接続して構成されている二次以上の機械共振点をもつ機械システムと、前記モータをトルク信号にて制御する電力変換器と、前記電力変換器に搭載され、任意のトルク指令から該トルク計のトルク出力を引いた信号を比例制御器と積分制御器と微分制御器に入力し、前記比例制御器と前記積分制御器と前記微分制御器の出力を加算した前記トルク信号を該電力変換器に出力する制御器と、前記制御器の該比例制御器と該積分制御器と該微分制御器のゲイン値は前記機械共振点での振動を抑制するよう適当に決められた共振抑制制御において、前記微分制御器の微分器に直列にバターワースフィルタを接続することで、前記制御器が応答できる範囲においては機械共振を制振制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により所望の周波数帯は理想微分に近い位相を出力でき、かつ高周波では微分器の出力を小さくすることで、供試体を安定動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】請求項1の構成を示した図である。（実施例）
【図２】本発明が特に適用できる構成を示した図である。（実施例）
【図３】バターワースフィルタと一次遅れフィルタを直列に複数個接続したボード線図である。
【図４】本発明の微分制御のボード線図である。
【図５】従来の制振制御をもつドライブシステムの図である。
【図６】従来技術の不完全微分のボード線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１、図２、図３、図４に本発明の実施例を示し、この図に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、上記した従来技術と同一部分には、同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施例１のモータドライブシステムとその電力変換器を示したものである。従来技術と異なる点は不完全微分１２に直列にバターワースフィルタ１３が接続されていることである。
【００２０】
不完全微分１２は微分ゲインＫｄと一次遅れフィルタ時定数Ｔｄをもつ微分となっている。従来技術でも述べた通り、微分制御においては不完全微分が多く用いられる。
【００２１】
一方、バターワースフィルタは式1の関数をもつ伝達関数である。
【００２２】
[数１]
2016019299.tif 000003
【００２３】
ここで、ｓ：ラプラス演算子、an-1、an-2、…、a0：バターワース多項式によって決まる定数、ω0：カットオフ周波数（rad/sec）
【００２４】
バターワースフィルタは式１のｎによって次数が変わり、フィルタの特性も変わる。バターワースフィルタは一次遅れフィルタと比べ、カットオフ周波数を境にゲインが急峻に落ちる特徴がある。一次遅れフィルタ１段と、直列に２段、３段と接続したボード線図と二次のバターワースフィルタのボード線図を図３に示す。
【００２５】
応答できる範囲の所望の周波数帯まで、ゲインに関しては二次のバターワースフィルタは３段の一次遅れフィルタとほぼ同様な落ち方をしているが、位相に関しては３段の一次遅れフィルタに比べると、二次のバターワースフィルタは位相遅れが緩やかになっていることが分かる。
【００２６】
上記の結果によれば、不完全微分にバターワースフィルタを加えた特性においても微分出力の位相をより保てることとなる。また位相遅延に最大限平坦応答特性を有するベッセルフィルタの利用も同様な効果が期待できる。不完全微分に二次のバターワースフィルタを加えたボード線図を図４に示す。
【００２７】
一次の機械共振周波数が機械システムのパラメータにより求められるのであれば、共振周波数帯域でゲイン線図の山がくるように一次遅れフィルタ時定数Ｔｄとバターワースフィルタのカットオフ周波数を設計する。
【００２８】
供試体１は図２に示すように、エンジン１Ａとその出力軸に接続されたクラッチ１Ｂ、クラッチ１Ｂに接続されたドライブシャフト１Ｃで構成されたものが挙げられる。ドライブシャフト１Ｃが低剛性であるため機械共振系となる。エンジンは回転数により爆発変動の周波数が変化するため、ある回転数にて一次の機械共振を起こす。その共振周波数帯になるようカットオフ周波数を設計する。
【００２９】
二次以上の機械共振点は一次と比べ周波数が高く、エネルギー変動が小さくなるため特に微分制御による制振制御を行わない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
周波数が高い場合、機械共振が機械システムに与える影響は小さくなる。本発明は特定の機械共振点だけを制振することが可能で、容易にフィルタの設計が行えるため、産業上の利用の可能性は大いにある。
【符号の説明】
【００３１】
１      供試体
１Ａ    エンジン
１Ｂ    トルク計
１Ｃ    ドライブシャフト
２      トルク計
３      モータ
４      機械システム
５      電力変換器
６      電源
７      制御器
８      トルク指令値
９      トルクフィードバック値
１０    ＰＩＤ制御
１０Ａ  比例制御
１０Ｂ  積分制御
１０Ｃ  微分制御
１１    出力トルク指令
１２    不完全微分
１３    バターワースフィルタ
Ｋｐ    比例ゲイン
Ｋｉ    積分ゲイン
Ｋｄ    微分ゲイン
Ｔｄ    一次遅れフィルタ時定数
【図１】
2016019299.tif 000004
【図２】
2016019299.tif 000005
【図３】
2016019299.tif 000006
【図４】
2016019299.tif 000007
【図５】
2016019299.tif 000008
【図６】
2016019299.tif 000009