(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部と、該可動部を支持する非可動部を有する機械の可動部を伝達機構を介して駆動する電動機を制御する電動機制御装置であって、
前記電動機の回転数を検出する回転検出器と、
動作指令信号が与えられると、該動作指令信号に対応する動作信号を前記電動機に送り、前記電動機を制御するサーボ装置と、
周波数分析時に折り返し誤差が発生せず、測定周波数範囲外の不要な高周波成分を含まない前記動作指令信号を作成する指令発生手段と、
前記動作指令信号を前記サーボ装置に出力し、前記動作指令信号と前記回転検出器からの回転検出器信号を周波数分析し、分析結果を出力する分析装置を有する電動機制御装置。
【請求項２】
可動部と、該可動部を支持する非可動部を有する機械の可動部を伝達機構を介して駆動する電動機を制御する電動機制御装置であって、
前記電動機の回転数を検出する回転検出器と、
動作指令信号が与えられると、該動作指令信号に対応する動作信号を前記電動機に送り、前記電動機を制御するサーボ装置と、
前記電動機の正転側と逆転側の動作指令信号を作成する指令発生手段と、
前記動作指令信号を前記サーボ装置に出力し、前記動作指令信号と前記回転検出器からの回転検出信号を周波数分析し、正転側と逆転側の動作による分析結果を平均化処理する分析装置を有する電動機制御装置。
【請求項３】
可動部と、該可動部を支持する非可動部を有する機械の可動部を伝達機構を介して駆動する電動機を制御する電動機制御装置であって、
前記電動機の回転数を検出する回転検出器と、
動作指令信号が与えられると、該動作指令信号に対応する動作信号を前記電動機に送り、前記電動機を制御するサーボ装置と、
低周波数成分の振幅が小さく、高周波数成分の振幅が大きい前記動作指令信号を作成する指令発生手段と、
前記動作指令信号を前記サーボ装置に出力し、前記動作指令信号と前記回転検出器の回転検出信号を周波数分析する分析装置を有する電動機制御装置。
【請求項４】
前記分析装置の分析結果および／または前記サーボ装置の設定内容を表示する表示装置をさらに有する、請求項１から３のいずれか１項記載の電動機制御装置。
【請求項５】
前記分析装置の分析結果、前記サーボ装置の設定内容、前記表示装置の表示内容のうち少なくとも１つを記憶する記憶装置をさらに有する、請求項４記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記分析装置の分析指令および／または前記サーボ装置のサーボ操作指令を入力する入力装置をさらに有する、請求項１から５のいずれか１項記載の電動機制御装置。
【請求項１２】
速度指令を入力し、電動機速度が速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御器と、該トルク指令を入力し、電動機を駆動する電流制御器と、電動機電流、電動機速度、および機械負荷速度を検出する検出器とを備える電動機制御装置において、
速度制御におけるセミクローズの場合に積分−比例制御と比例−積分制御を連続的に切り替えるパラメータα（０≦α≦１）を備え、
電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し、ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動抑制器と、
前記速度制御器のパラメータと前記振動抑制器のパラメータを、積分−比例制御と比例−積分制御の切り替えが有ってもαが連続的に切り替えることで、同時に調整する調整手段とを有することを特徴とする電動機制御装置。
【請求項１３】
前記機械負荷速度が実測できない場合、オブザーバにより前記機械負荷速度を推測する手段をさらに備える、請求項１２記載の電動機制御装置。
【請求項１４】
前記振動抑制器は、前記ねじれ角速度を積分しねじれ角を算出する手段と、前記ねじれ角にねじれ角ゲインＫｓを乗算する手段と、前記ねじれ角と前記ねじれ角ゲインＫｓの乗算値に前記ねじれ角速度を加算しねじれ角速度ゲインＫｓｄを乗算して振動抑制信号を決定する手段と、前記振動抑制信号をトルク指令に加える手段とを含み、前記速度制御器のパラメータと振動抑制器のパラメータを同時に調整する前記調整手段は、前記速度制御器内の速度ループゲインＫｖ、速度ループ積分時定数Ｔｉと前記ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄを次式
0003818371.tif 000056
ただし、ζは減衰係数（ζ＞０）、
ωは速度制御の目標応答周波数、
Ｊ１は２慣性系における電動機側の慣性モーメント、
Ｊ２は機械負荷の慣性モーメント、
Ｋはねじれ剛性値
により調整する、請求項１２に記載の電動機制御装置。
【請求項１５】
前記速度制御器内のパラメータαに連動させて、減衰係数ζを変えることにより、整定時間を短縮する、請求項１４記載の電動機制御装置。
【請求項１６】
位置指令を入力し、電動機位置が該位置指令に一致するように速度指令を前記速度制御器に出力する位置制御器をさらに備え、前記位置制御器内の位置ループゲインＫｐを次式
0003818371.tif 000057
ただし、βは実数（β＞０）
のように前記速度制御器の目標応答周波数ωの関数とする、請求項１２から１５のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
【請求項１７】
速度指令を入力し、機械負荷速度が前記速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御器と、トルク指令を入力し電動機を駆動する電流制御器と、電動機電流、電動機速度、および機械負荷速度を検出する検出器とを備える電動機制御装置において、
速度制御におけるフルクローズの場合に積分−比例制御と比例−積分制御を連続的に切り替えるパラメータα（０≦α≦１）を備え、
電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し、前記ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動抑制器と、
前記速度制御器のパラメータと前記振動抑制器のパラメータを、積分−比例制御と比例−積分制御の切り替えがあってもαの値を連続的に切り替えることで、同時に調整する調整手段とを備えることを特徴とする電動機制御装置。
【請求項１８】
前記機械負荷速度が実測できない場合、オブザーバにより前記機械負荷速度を推測する手段を備える、請求項１７記載の電動機制御装置。
【請求項１９】
前記振動抑制器は、前記ねじれ角速度を積分してねじれ角を算出する手段と、前記ねじれ角とねじれ角ゲインＫｓを乗算する手段と、前記ねじれ角と前記ねじれ角ゲインＫｓの乗算値に前記ねじれ角速度を加算した値にねじれ角速度ゲインＫｓｄを乗算して振動抑制信号を決定する手段と、前記振動抑制信号を前記トルク指令に加える手段とを含み、前記速度制御器のパラメータと前記振動抑制器のパラメータを同時に調整する前記調整手段は、前記速度制御器内の速度ループゲインＫｖ、速度ループ積分時定数Ｔｉ、前記ねじれ角ゲインＫｓ、前記ねじれ角速度ゲインＫｓｄを次式
0003818371.tif 000058
0003818371.tif 000059
ただし、ζは減衰係数（ζ＞０）、
ωは速度制御の目標応答周波数、
Ｊ１は２慣性系における電動機側の慣性モーメント、
Ｊ２は機械負荷の慣性モーメント、
Ｋはねじれ剛性値
として調整する、請求項１７または１８に記載の電動機制御装置。
【請求項２０】
前記速度制御器内のパラメータαの値に連動させて、減衰係数ζを変えることにより、整定時間を短縮させる、請求項１９記載の電動機制御装置。
【請求項２１】
位置指令を入力し、機械負荷位置が前記位置指令に一致するように、速度指令を前記速度制御器に出力する位置制御器をさらに備え、前記位置制御器内の位置ループゲインＫｐを次式
0003818371.tif 000060
ただし、βは実数（β＞０）
のように前記速度制御器の目標応答周波数ωの関数とする、請求項１７から２０のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
【請求項２４】
請求項１から６、１２から２１のいずれか１項に記載の電動機制御装置の制御方法であって、
動作指令信号を作成し、前記サーボ装置に出力し、前記動作指令信号と前記回転検出器の検出信号から周波数特性を演算するステップと、
前記周波数特性から共振周波数と反共振周波数を求めるステップと、
前記共振周波数と反共振周波数から制御パラメータを決定し、前記電動機制御装置を調整するステップを有する、電動機制御装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、可動部と、該可動部を支持する非可動部を有する機械の可動部を伝達機構を介して駆動する電動機を制御する電動機制御方法および装置に関する。
背景技術
図１は電動機制御装置の第１の従来例のブロック図である。
この第１の従来例では、可動部７および非可動部８を有する機械の機械的な振動特性を把握することなく入力項目であるサーボ操作指令１５を決定し、動作指令信号９をサーボ装置３へ送り、動作指令信号９を動作信号１２として電動機５に送り、伝達機構６を介して可動部７を動作させ、サーボ機能を十分発揮できない場合には、試行錯誤的にサーボ操作指令１５を変えていた。
第１の従来例では、最適なサーボ操作指令を決めるためには莫大な時間を要する。
図２は電動機制御装置の第２の従来例のブロック図である。
この従来例は、第１の従来例に分析装置３１’と入力装置３２と出力装置３４を付加し、分析装置３１’で作成した動作指令信号９をアナログ信号でサーボ装置３へ送り、動作指令信号９を動作信号１２として電動機５に送り、伝達機構６を介して可動部７を動作させる。回転検出器４は回転検出器信号１０をサーボ装置３を経由して分析装置３１’に送る。分析装置３１’は動作指令信号９と回転検出器信号１０を高速フーリエ演算し、周波数特性を算出し、分析結果３５を求め、分析結果３５に応じてサーボ操作指令１５を決めていた。
第２の従来例では、図３に示すように、分析装置３１’にて作成した動作指令信号９には最大測定周波数ｆｑを超えて最大ｆｒｍａｘまでの周波数成分をもつため、図３および図４に示すように、回転検出器信号１０および分析結果３５には、デジタル・サンプリング時に測定周波数範囲外の成分が混入する折り返し誤差が発生し、正確な周波数特性を求めることができない。
以下、この第２の従来例の問題点を詳細に説明する。
図３に示すように、分析装置３１’で作成する動作指令信号９は、最大ｆｒｍａｘまでであり、最大測定周波数成分ｆｑを超える高い成分周波数まで含まれている。図３に示すような周波数の動作指令信号９を使用すると、最大測定周波数ｆｑ以上かつ動作指令信号９の最大周波数成分ｆｒｍａｘ以下に機械共振ｆ４，ｆ５が存在する場合、動作指令信号９が測定周波数範囲外の機械共振ｆ４，ｆ５を励起してしまい、機械共振ｆ４，ｆ５の成分が回転検出器信号１０に含まれる。機械共振ｆ４，ｆ５は最大測定周波数ｆｑ以上であるため、このままデジタル・サンプリングすると見かけ上ｆ４’，ｆ５’として観察される折り返し誤差が発生する。分析結果３５には図中の実線の成分に破線の成分が加算されるため、正しい周波数特性の評価を行うことができない。最大測定周波数ｆｑ以上の信号をデジタル・サンプリングすると、高周波数である真の波形を誤って低周波数の観察波形と認識する、折り返し誤差が発生する。ここでサンプリング間隔Δｔと最大測定周波数ｆｑとの関係はサンプリング定理という公知の事実であり、式（１）で示される。この結果、図５のように実際には存在しない成分を含んだ周波数特性を出力してしまう。
0003818371.tif 000002
また、従来の電動機制御装置の周波数特性を測定するには、ＦＦＴアナライザ等の高価な計測器を用意する必要がある。
ところが、電動機を動作させると、可動部が移動する。負荷機械の可動部はその位置により特性が変化し、共振周波数や反共振周波数がずれ、周波数特性の測定精度が低下する。さらに、平均化等を実行するために、測定するデータ量を増やすには、長時間のデータを収集するか、もしくは、複数回の動作と測定を実行する必要があるが、図７のように可動部の移動量が増大し、測定精度がさらに低下するという問題があった。つまり、測定により電動機位置が開始位置から大きくずれ、このため、可動部が移動し、負荷機械の特性が変化するため、図６のようにピークが割れるなど、周波数特性の測定精度が低下するという問題があった。
図８は電動機制御装置の第３の従来例のブロック図である。この電動機制御装置は第２の従来例の電動機制御装置において分析装置３１’、入力装置３２、出力装置３４の代りにＦＦＴアナライザ４１と信号発生器４２を備えたものである。
この従来例では、機械の特性を考慮した電動機制御を実現するためには、ＦＦＴアナライザ４１と信号発生器４２を備えている。信号発生器４２が作成した動作指令信号４３をサーボ装置３へ送り、制御信号１２として電動機５に送り、伝達機構６を介して可動部７を動作させる。回転検出器４は回転検出信号１０をサーボ装置３を経由してＦＦＴアナライザ４１に与える。ＦＦＴアナライザ４１では信号発生器４２から動作指令信号４３を、サーボ装置３から回転検出信号４４を受け取り、高速フーリエ演算し、周波数特性を算出する。この算出結果から、作業者が反共振周波数や共振周波数を読み取り、この結果に応じて作業者がサーボ操作指令１５を決めていた。さらに、作業者がサーボ操作指令１５をサーボ装置３に手動で入力する必要があり、莫大な手間と時間を要して電動機制御装置を調整していた。
従来、２慣性系に近似される柔軟な構造を持つ機械制御のチューニングには様々な方法がある。例えば、特開平１０−２７５００３は、２慣性系の制御に際して、状態観測器を通じて機械負荷速度および外乱トルクを推定し、該推定された機械負荷情報により振動発生を抑制させ得る２慣性共振系の振動抑制装置であり、良好な結果を得ている。
しかしながら、この従来技術は、状態観測器のパラメータ調整とＰＩ（比例−積分）制御器のパラメータ調整は個別に行われており、調整に当たっては試行錯誤による多大な時間が必要な場合があるという問題があった。
発明の開示
本発明の目的は、外部に特別な計測装置をおき、専門知識を持った作業者や専門知識を持った分析者による調査分析を必要とせずに、制御対象に合った電動機制御を行うことが可能な電動機制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、正しい周波数特性の分析結果を算出し、容易、かつ安価に適切な電動機制御を行う電動機制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、機械系の周波数特性を精度良く測定できる、電動機制御装置の制御方法を提供することにある。
本発明のさらに他の発明の目的は，速度制御系に関して、その振動抑制を実現し、パラメータ調整についても従来技術より容易で、理論的に一つのパラメータで振動抑制器のパラメータとＩ−Ｐ制御器のパラメータの同時調整を実現できる電動機制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の発明の目的は、メカ特性が２慣性系である速度制御系と位置制御系に関して、Ｉ−Ｐ制御（積分−比例制御）とＰＩ制御の両方に対応し、振動抑制器と速度制御器と位置制御器のパラメータの同時調整を実現できる電動機制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の発明の目的は、メカ特性が２慣性系に近似される、機械負荷速度を制御する速度制御系および機械負荷位置を制御する位置制御系に関して、Ｉ−Ｐ制御とＰＩ制御の両方に対応した、振動抑制器と速度制御器および制御パラメータの同時調整を実現できる電動機制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、電動機制御装置の調整を安価、かつ容易に行うことができる、電動機制御装置の制御方法を提供することにある。
本発明の第１の態様では、サーボ装置から電動機に送られる動作信号と等価な動作信号と、電動機の回転速度信号、機械の可動部の位置信号、機械の加速度、速度、ひずみ等のセンサ信号のいずれかを周波数分析し、分析結果を考慮して新たな電動機制御を行う。
これにより、専門知識を持った作業者や分析者を必要とせずに制御対象に合った電動機制御を行うことができる。
本発明の第２の態様では、分析装置にて周波数分析時に折り返し誤差が発生しないように、測定周波数範囲外の不要な高周波数成分を含まない動作指令信号を作成し、動作指令信号と回転検出器信号を周波数分析する。
分析装置で作成された動作指令信号は最大測定周波数以下の成分のため、最大測定周波数以上の機械共振を励起せず、したがって回転検出器信号には最大測定周波以上成分が含まれず、折り返し誤差が発生しないので、反共振点と共振点を正しく観察でき、正しい分析結果を得る。このため、電動機制御装置の評価が可能になり、新たなサーボ操作指令を設定し、最適な電動機制御を行うことが可能になる。
本発明の第３の態様では、演算装置からサーボ装置に出力される動作指令信号を電動機の正転側と逆転側で対称に実行する。
これによって電動機の動作による可動部の移動量を相殺でき、可動部の位置による周波数特性測定時の誤差要因を取り除くことができ、前記周波数特性を精度良く測定することができる。
この場合、動作指令信号のうち低周波数成分の振幅を小さく、高周波数成分の振幅を大きくすることにより、電動機の動作による可動部の移動量を低減でき、周波数特性をさらに精度良く測定することができる。
本発明の第４の態様では、動作指令信号と回転検出器信号から演算装置にて周波数特性を演算し、周波数特性の形状から共振周波数と反共振周波数を自動的に算出し、この演算結果にもとづき電動機制御装置を自動的に調整する。
安価な演算装置を使用し、簡単な入力情報を与えるだけで、容易にすばやく適切な電動機制御の調整が自動的に行える。
本発明の第５の態様では、速度指令を入力し、電動機速度が速度指令に一致するようにＩ−Ｐ制御を構成し、トルク指令を決定する速度制御器と、トルク指令を入力し電動機を駆動する電流制御器と、電動機電流および電動機速度を検出する検出器とを備える電動機制御装置が、電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し、ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動抑制器と、速度制御器のパラメータと振動抑制器のパラメータを同時に調節する手段を備えている。
速度制御系に関して、速度ループゲインＫｖ、積分時定数１／Ｔｉ、ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄの１つのパラメータ値が理論的に得られるので、振動抑制器とＩ−Ｐ制御器のパラメータの同時調整が可能になり、２慣性系において安定を保ったまま目標応答を上げ下げ、機械系の振動を励振することなく、電動機を高応答に速度制御できる。
本発明の第６の態様では、速度指令を入力し、電動機速度が速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御器と、トルク指令を入力し電動機を駆動する電流制御器と、電動機電流、電動機速度および機械負荷速度をそれぞれ検出する検出器を備える電動機制御装置が、Ｉ−Ｐ制御とＰＩ制御を連続的に切り替えるパラメータα（０≦α≦１）を備え、電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し、ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動制御器と、速度制御器のパラメータと振動抑制器のパラメータを同時に調節する手段を備えている。
速度制御系と位置制御系に関して、Ｉ−Ｐ制御とＰＩ制御の両方に対応し、速度ループゲインＫｖ、積分時定数１／Ｔｉ、ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄ、位置ループゲインＫｐ、のパラメータ値が容易に得られるので、振動制御器と速度制御器と位置制御器のパラメータの同時調整が可能になり、目標応答を変えたい場合は目標応答周波数ωを変えることで安定性を保ったまま調節できる。また、パラメータαに連動して減衰係数ζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
本発明の第７の態様では、速度指令を入力し、機械負荷速度が前記速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御器と、トルク指令を入力し、電動機を駆動する電流制御器と、電動機電流、電動機速度および機械負荷速度を検出する検出器を備える電動機制御装置が、Ｉ−Ｐ制御とＰＩ制御を連続的に切り替えるパラメータα（０≦α≦１）と、電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し前記ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動抑制器と、前記速度制御器のパラメータと前記振動抑制器のパラメータを同時に調節する手段とを備えている。
機械負荷速度を制御する速度制御系と機械負荷位置を制御する位置制御系に関して、Ｉ−Ｐ制御とＰＩ制御の両方に対応した、速度ループゲインＫｖ、積分時定数１／Ｔｉ、ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄ、位置ループゲインＫｐのパラメータ値が容易に得られるので、振動抑制器、速度制御器、位置制御器のパラメータを同時に調整可能になり、目標応答を変えたい場合は目標応答周波数ωを変えることで安定性を保ったまま調節できる。また、パラメータαに連動させて減衰係数ζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
発明を実施するための最良の形態
図９は本発明の第１の実施形態の電動機制御装置を示すブロック図である。
電動機５は、可動部７および可動部７を支持する非可動部８を有する機械の可動部７を伝達機構６を介して駆動する。回転検出器４は電動機５の回転速度を検出する。サーボ装置３はトルク指令９に基づき入力トルク信号１２により電動機５を制御する。記憶装置２は入力トルク信号９と等価な入力トルク信号１１と回転検出器４からの回転速度信号１０を記憶する。分析装置１は、分析指令１３により入力トルク信号１１と回転速度信号１０を周波数分析し、分析結果１４をサーボ操作指令１５としてサーボ装置３へ出力する。ここで、サーボ操作指令１５とは、サーボ装置３のパラメータを変える、分析結果１４をサーボ装置３のパラメータとして与える指令を言う。
次に、本実施形態の動作を説明する。
ランダム波信号、低速掃引正弦波信号、高速掃引正弦波信号、ステップ波信号あるいはインパクトトルク信号などのトルク信号９が動作指令信号としてサーボ装置３に与えられると、サーボ装置３は電動機５にトルク信号９に対応する動作信号（入力トルク信号）１２を送る。電動機５は動作し、伝達機構６を介して可動部７が動作し振動を発生する。回転検出器４は電動機５の回転速度を検出し、記憶装置２に回転速度信号１０を送る。サーボ装置３は入力トルク信号１２と等価な入力トルク信号１１を記憶装置２に送る。記憶装置２は、入力トルク信号１１と回転速度信号１０を記憶する。分析装置１は記憶装置２に記憶されている入力トルク信号１１と回転速度信号１０をＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅ変換）による周波数分析する。
周波数分析では入力トルク信号１１と回転速度信号１０を任意に設定した時間で区切り、周波数分析したあと平均化演算を行う。任意に設定した時間で区切った入力トルク信号１１を周波数分析した周波数分析結果Ｓｘと任意に設定した時間で区切った回転速度信号１０を周波数分析した周波数分析結果Ｓｙを求める。入力トルク信号１１の周波数分析結果Ｓｘと周波数分析結果Ｓｘの複素共役Ｓｘ＊を掛けたうえ、平均化する。回転速度信号１０の周波数分析結果Ｓｙと入力トルク信号１１の周波数分析結果Ｓｘの複素共役Ｓｘ＊を掛けたうえ、平均化する。それぞれの結果を式（２）に従って、演算を行い周波数応答関数Ｈｙｘを求める。
0003818371.tif 000003
周波数分析には、ＦＦＴのほかブラックマン−ターキー法、自己回帰法、移動平均法、自己回帰移動平均法やウェーブレット変換を用いてもよい。回転速度信号１０のかわりに、回転速度信号１０を変換し、可動部７の位置に換算した信号を用いてもよい。また、前記式（２）のかわりに、式（３）など、式（２）と数学的な等価な式を用いてもよい。
0003818371.tif 000004
周波数応答関数Ｈｙｘの振幅が谷、および山で示される周波数は、機械の固有振動数であり、分析装置１は、分析指令１３を受け、機械の振動特性である固有振動数を容易に検出でき、分析結果１４を出力する。分析結果１４を考慮してサーボ装置３にサーボ操作指令１５を与えることにより、新たな電動機制御を行う。上記の例では、振動を発生させるために、電動機５を用いたが、外部の加振装置を取り付けて振動を発生させ、入力トルク信号１２のかわりに外部加振信号を用いてもよい。
図１０は本発明の第２の実施形態の電動機制御装置を示すブロック図である。
本実施形態では、第１の実施形態の可動部７に位置検出器１６が設けられ、可動部位置信号１７が記憶装置２に記憶される。
次に、本実施形態の動作について説明する。
ランダム波信号、低速掃引正弦波信号、高速掃引正弦波信号、あるいはインパクトトルク信号などの指令信号９をサーボ装置３に送る。サーボ装置３は電動機５に動作指令信号（トルク信号）９に対応する動作信号（入力トルク信号）１２を送る。電動機５は動作し伝達機構６を介して可動部７が動作し、振動を発生させる。位置検出器１６は可動部７の位置を検出し、記憶装置２に可動部位置信号１７を送る。サーボ装置３は入力トルク信号１２と等価な入力トルク信号１１を記憶装置２に送る。記憶装置２は、入力トルク信号１１と可動部位置信号１７を記憶する。分析装置１は入力トルク信号１１と可動部位置信号１７をＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅ変換）により周波数分析する。
周波数分析では入力トルク信号１１と可動部位置信号１７を任意に設定した時間で区切り、周波数分析したあと平均化演算を行う。任意に設定した時間で区切った入力トルク信号１１を周波数分析した周波数分析結果Ｓｘと任意に設定した時間で区切った可動部位置信号１７を周波数分析した周波数分析結果Ｓｙを求める。入力トルク信号１１の周波数分析結果Ｓｘと周波数分析結果Ｓｘの複素共役Ｓｘ＊を掛けたうえ、平均化する。可動部位置信号１７の周波数分析結果Ｓｙと入力トルク信号１１の周波数分析結果Ｓｘの複素共役Ｓｘ＊を掛けたうえ、平均化する。それぞれの結果を前記式（１）に従って、演算を行い周波数応答関数Ｈｙｘを求める。
周波数分析には、ＦＦＴのほかブラックマン−ターキー法、自己回帰法、移動平均法、自己回帰移動平均法やウェーブレット変換を用いてもよい。また、前記式（２）のかわりに、式（３）など、式（２）と数学的に等価な式を用いてもよい。周波数応答関数Ｈｙｘの振幅が谷、および山で示される周波数は、機械の固有振動数であり、分析装置１は、分析指令１３を受け、機械の振動特性である固有振動数を容易に検出でき、分析結果１４を出力する。分析結果１４を考慮してサーボ装置３にサーボ操作指令１５を与えることにより、新たな電動機制御を行う。上記の例では、振動を発生させるために、電動機５を用いたが、外部の加振装置を取り付けて振動を発生させ、入力トルク信号１２のかわりに外部加振信号を用いてもよい。
図１１は本発明の第３の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
本実施形態では、第１の実施形態の可動部７に計測センサ１８が設けられ、センサ信号１９が記憶装置２に記憶される。
次に、本実施形態の動作を説明する。
ランダム波信号、低速掃引正弦波信号、高速掃引正弦波信号、あるいはインパクトトルク信号などの動作指令信号９をサーボ装置３に送る。サーボ装置３は電動機５に動作指令信号（トルク信号）９に対応する動作信号（入力トルク信号）１２を送る。電動機５が動作し伝達機構６を介して可動部７が動作する。計測センサ１８は可動部７の振動を検出し、記憶装置２に可動部７のセンサ信号１９を送る。計測センサ１８を、非可動部８、伝達機構６に設置してもよい。計測センサ１８には加速度計、速度計、変位計、ひずみ計等を用いる。センサ信号１９はそれに応じて加速度、速度、変位、ひずみ等となる。
サーボ装置３は入力トルク信号１２と等価な入力トルク信号１１を記憶装置２に送る。記憶装置２は、入力トルク信号１１とセンサ信号１９を記憶する。分析装置１は入力トルク信号１１とセンサ信号１９をＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅ変換）により周波数分析する。
周波数分析では入力トルク信号１１とセンサ信号１９を任意に設定した時間で区切り、周波数分析したあと平均化演算を行う。任意に設定した時間で区切った入力トルク信号１１を周波数分析した周波数分析結果Ｓｘと任意に設定した時間で区切ったセンサ信号１９を周波数分析して周波数分析結果Ｓｙを求める。入力トルク信号１１の周波数分析結果Ｓｘと周波数分析結果Ｓｘの複素共役Ｓｘ＊を掛けたうえ、平均化する。センサ信号１９の周波数分析結果Ｓｙと入力トルク信号１１の周波数分析結果Ｓｘの複素共役Ｓｘ＊を掛けたうえ、平均化する。それぞれの結果を式（２）に従って、演算を行い周波数応答関数Ｈｙｘを求める。
周波数分析には、ＦＦＴのほかブラックマン−ターキー法、自己回帰法、移動平均法、自己回帰移動平均法やウェーブレット変換を用いてもよい。
式（２）のかわりに、式（３）など、式（２）と数学的に等価な式を用いてもよい。周波数応答関数Ｈｙｘの振幅が山で示される周波数は、機械の固有振動数であり、分析装置１は、分析指令１３を受け、機械の振動特性である固有振動数を容易に検出でき、分析結果１４を出力する。計測センサ１８を複数個有する場合には、周波数応答関数Ｈｙｘが複数個存在し、複数の周波数応答関数Ｈｙｘから振動モードを演算する。分析装置１は分析結果１４として振動モードを出力することもできる。
分析結果１４を考慮してサーボ装置３にサーボ操作指令１５を与えることにより、新たな電動機制御を行う。上記の例では、振動を発生させるために、電動機５を用いたが、外部の加振装置を取り付けて振動を発生させ、入力トルク信号１１のかわりに外部加振信号を用いてもよい。
図１２は本発明の第４の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
本実施形態は第１の実施形態に入力装置２０と表示装置２１と記憶装置２２を備えたものである。
表示装置２１は分析装置１の分析結果１４を表示する機能をもつ。表示装置２１はさらに動作指令信号（トルク信号）９、回転速度信号１０、入力トルク信号１１、入力トルク信号１２、分析指令１３、サーボ操作指令１５、記憶内容２３、入力内容２４を表示してもよい。また、サーボ装置３の設定内容２５を表示してもよい。記憶装置２２は分析装置１の分析結果１４を記憶する機能を持つ。記憶装置２２はさらにトルク信号９、回転速度信号１０、入力トルク信号１１、入力トルク信号１２、分析指令１３、サーボ操作指令１５、入力内容２４を記憶してもよい。また、サーボ装置３の設定内容２５を記憶してもよい。入力装置２０は入力内容２４を受け、分析指令１３として分析装置１に与える入力機能を持つ。入力装置２０はさらにトルク信号９、サーボ操作指令１５を入力してもよい。また、記憶装置２２への入力装置としてもよい。
その他の動作は第１の実施形態と同じである。なお、第２、第３の実施形態に入力装置２０と表示装置２１と記憶装置２２を備えてもよい。
図１３は本発明の第５の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
本実施形態は第４の実施形態において、分析装置１から出力された分析結果１４を指令信号９としてサーボ装置３に与えるとともに、サーボ操作指令１５としてサーボ装置３に与えるようにしたものである。
本例は、サーボ操作指令１５を、分析結果１４によって変えながら、電動機５を動作させ機械を加振する例と、周波数領域で一定レベルの加振力もしくは加振トルクを電動機５に与えて機械を加振する例であるが、計測条件を任意に設定して、分析装置１、サーボ装置３、および記憶装置２２の入力と出力を設定してもよく、動作指令信号９、回転速度信号１０、入力トルク信号１１、制御信号１２、分析指令１３、分析結果１４、記憶内容２３のうちいずれかを、動作指令信号９、分析指令１３、分析結果１４、記憶内容２３のうちいずれかに与えて使用してもよい。
なお、第２、第３の実施形態についても本実施形態と同様の構成とすることができる。
図１４は本発明の第６の実施形態の電動機制御装置を示す図である。
本実施形態は第１の実施形態の分析装置１と計測装置２の代りに分析装置３１、入力装置３２、出力装置３４を備えたものである。
次に、本実施形態の動作について説明する。
操作命令を入力装置３２から分析装置３１に与えると、分析装置３１は最大測定周波数以下の成分のみの動作指令信号９を作成する。動作指令信号９はランダム波信号、低速掃引正弦波信号、高速掃引正弦波信号などがあるが、測定周波数範囲外の成分を含まず、周波数分析すると最大測定周波数以下の成分のみをもつ。低速掃引正弦波信号および高速掃引正弦波信号は最大測定周波数以下まで掃引して作成し、ランダム波信号は、例えば「スペクトル解析」日野幹雄著（１９７７）に掲載の公知の方法によって、最大測定周波数以下の成分のみのランダム波信号を作成し、動作指令信号９とする。動作指令信号９はサーボ装置３を経由して動作指令信号９と等価な動作信号１２となり、電動機５に送られる。電動機５は動作し、伝達機構６を介して可動部７が動作し振動を発生する。回転検出器４は電動機５の回転と振動を検出し、回転速度信号１０がサーボ装置３を経由して分析装置３１に転送される。
分析装置３１では動作指令信号９と回転検出器信号１１を第１の実施形態と同様にしてＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅ変換）により周波数分析する。分析装置３１は、分析結果３５を出力装置３４に出力する。
電動機制御装置の周波数特性である分析結果３５から、新たにサーボ装置３にサーボ操作指令１５を与えることにより、最適な電動機制御を行う。
上記の例では、動作信号１２を動作指令信号９と等価なものとして使用したが、動作信号１２を動作指令信号９と回転検出器信号１１の成分を含む信号として使用してもよい。
上記の例では周波数分析には、ＦＦＴを用いたが、ほかにデジタル・フーリエ変換、ブラックマン−ターキー法、自己回帰法、移動平均法、自己回帰移動平均法やウェーブレット変換を用いてもよい。
上記の例では周波数分析に、回転検出器信号１１を用いたが回転検出器信号１１のかわりに、回転検出器信号１１を微分、積分もしくは係数を掛けるなど、回転検出器信号１１を変換した信号を用いてもよい。また、回転検出器信号１１のかわりに、可動部７の動作を示す信号測定装置から得た位置信号、速度信号や加速度信号を用いてもよい。
上記の例では動作指令信号９と回転検出器信号１１を設定した時間で区切り、周波数分析し、区切った回数ｎで平均化したが、動作指令信号９と回転検出器信号１１をそのまま周波数分析し、動作指令信号９による動作を複数回実行し、実行回数ｎにより平均化を行ってもよい。
上記の例では分析結果３５を出力装置３４で出力したが、出力装置３４は分析装置３１に付随する記憶装置と置き換えてもよく、あるいは、分析結果３５を記憶装置や接続装置を介して別の出力装置から出力してもよい。
上記の例では、分析結果３５を得るために、電動機５を用いたが、電動機制御装置の外部に加振装置を取り付けてもよい。
図１５は本実施形態における動作指令信号９の周波数分析結果を示すグラフである。分析装置３１で作成した動作指令信号９の周波数分析結果は、最大ｆｒｍａｘまでの最大測定周波数ｆｑ以下の成分しかもっていない。
図１６は本実施形態における分析結果を示す図である。分析装置３１で作成された動作指令信号９は最大測定周波数ｆｑ以下の成分のため、最大測定周波数ｆｑ以上の機械共振ｆ４，ｆ５を励起しないため、回転検出器信号１１にはｆ４，ｆ５成分が含まれず、折り返し誤差が発生しないので、反共振点ｆ０と共振点ｆ１，ｆ２，ｆ３を正しく観察でき、正しい分析結果を得る。このため、電動機制御装置の評価が可能になり、新たなサーボ操作指令を設定し、最適な電動機制御を行うことが可能になる。
図１７は本発明の第７の実施形態の電動機制御装置を示す図である。
演算装置３６は動作指令信号３７を作成し、サーボ装置３を継由して動作指令信号３７と等価な制御信号１２を電動機５に送る。これにより電動機５が動作し、伝達機構６を介して可動部７が動作し、非可動部８を含めた負荷機械が振動を発生する。回転検出器４は電動機５の回転と振動を検出し、回転検出器信号１０がサーボ装置３を継由して演算装置３６に転送される。演算装置３６は動作指令信号３７と回転検出器信号３８を周波数分析し、周波数特性３９を求める。
本実施形態の電動機制御装置では、図２０に示すように、正転を開始とする動作指令信号３７と逆転を開始とする動作指令信号３７の繰り返し動作により周波数特性を測定する。あるいは、図２１に示すように、正転開始と逆転開始の信号を含む連続した動作指令信号３７により周波数特性を測定する。
図２２は本実施形態の周波数特性測定時の電動機位置を示した例である。上記の動作指令信号３７により電動機を動作させ、周波数特性を測定するため、電動機位置がずれ、可動部７が移動するが、逆側に電動機位置が移動し、可動部７が元の位置に戻る。このため、動作回数が増えたり、長時間動作しても、図１８に示すように、最終的な可動部７の位置が変わらず精度良く周波数特性を測定することが可能になる。
なお、本実施形態では、動作指令信号３７を、正転から開始し逆転としたが、逆転から開始し正転としてもよい。また、動作指令信号３７を図２１（ａ）では最初に正転を低周波数から開始し高周波数まで掃引し、逆転を高周波数から低周波数まで掃引する信号としたが、図２１（ｂ）のように、動作指令信号３７を最初に正転を低周波数から開始し高周波数まで正弦波を掃引し、逆転を低周波数から高周波数まで掃引する信号としてもよく、動作指令信号３７は移動量が相殺される信号を用いれば、図２０や図２１に示した組み合わせ以外でもよい。
本実施形態の変形例では、動作指令信号３７を、図２３に示すように、低周波数成分を小さく、高周波数成分を大きな動作指令信号３７とする。
図１９は本変形例における電動機制御装置の周波数特性を示すゲイン曲線を示している。
本例では、図２３に示す周波数成分が均一な振幅の掃引正弦波を微分し、さらに、振幅の平均値が元の掃引正弦波と同じになるようにスケーリングしたものを動作指令信号３７としている。この動作指令信号３７は、図２４に示すように電動機位置が大きく減少し、可動部７の移動量が少ないため、精度良く周波数特性を測定することができる。
なお、図２５（ａ）では、動作指令信号３７の最低周波数Ｆｍｉｎから最高周波数Ｆｍａｘまで周波数分析結果のゲインが一定となる。本変形例の動作指令信号３７は、図２５（ｂ）のようにゲインが一定ではないが、緩やかに連続した曲線のため、測定した周波数特性は図１９のようになる。形状が図１８とは多少異なるが、反共振周波数と共振周波数は全く同じ結果が得られ、周波数特性を測定する目的を果たすことができる。
本変形例で示した掃引正弦波は、振幅の平均値が元の掃引正弦波と同じになるようにスケーリングしたが、任意の振幅を基準にスケーリングしてもよい。
また、本変形例の電動機制御装置では、可動部７の移動量を低減したが、少量の移動量があるため、図１７の前述した電動機制御方法を組み合わせてもよい。
さらに、本実施形態では、動作指令信号３７に掃引正弦波を用いたが、ランダム波など他の信号を用いてもよい。
図２６は本発明の第８の実施形態の電動機制御装置を示す図である。
本実施形態の電動機制御装置に入力装置４０と出力装置４２を付加して構成されている。
次に、本実施形態の電動機制御装置の動作を図２７のフローチャートにより説明する。
まず、ステップ５１として演算装置３６において動作指令信号３７を作成し、サーボ装置３を経由して動作指令信号３７と等価な制御信号１２を電動機５に送り、電動機５を動作させ、伝達機構６を介して可動部７が動作し振動を発生させる。回転検出器４は電動機５の回転と振動を検出し、回転検出器信号９がサーボ装置３を経由して演算装置３６に転送され、演算装置３６では動作指令信号３７と回転検出器信号３８を周波数分析し、周波数応答関数を求める。
次のステップ５２として、周波数応答関数の振幅の形状が上向きのピークやや下向きのピークで示されるため、複素スペクトル内挿法や平滑化微分法など、例えば「科学計測のための波形データ処理」南茂夫著ＣＱ出版（１９８６）に掲載の公知のピーク検出方法などによって演算装置３６が、共振周波数と反共振周波数を求め、所望の応答周波数を入力装置４０に入力情報４１として入力し、演算装置３６がサーボ操作指令１５を演算する。
次のステップ５３として、演算装置３６にて算出したサーボ操作指令１５がサーボ装置３に自動的に与えられ、最適な電動機制御を行い、調整を完了する。
本実施形態では、動作指令信号３７と回転検出器信号３８を周波数分析して周波数応答関数を求めたが、回転検出器４のかわりに可動部７の位置検出器など、他のセンサを用いてもよい。
また、本実施形態では、演算装置３６にて決定したサーボ操作指令１５をすぐにサーボ装置３に与えたが、サーボ操作指令１５をいったん演算装置３６から出力装置４２に出力しておき、のちにサーボ操作指令１５を、入力装置４０から入力情報４１として演算装置３６に入力し、サーボ操作指令１５を与えてもよい。
さらに、本実施形態の構成からなり、伝達機構６と可動部７と非可動部８が同一性能をもつ別の機械に接続されたサーボ装置３に演算装置３６にて決定したサーボ操作指令１５を与えてもよい。
また、図２７に示したステップの途中経過をいったん出力装置４２に出力し、のちに入力装置４０に再入力し、続きのステップを継続してもよい。
さらに、出力装置４２を記憶装置に置き換え、記憶した結果をのちに、演算装置３６に与え続きのステップを継続してもよい。
図２９は本発明の第９の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
図２９において、速度制御器５１は速度指令Ｖｒｅｆと電動機５４の出力である電動機速度Ｖｆｂと振動抑制器５３の出力である振動抑制信号Ｔｃを入力し、速度指令Ｖｒｅｆと電動機速度Ｖｆｂが一致するように積分−比例制御（Ｉ−Ｐ制御）を構成して、トルク指令τｒを電流制御器５２へ出力する。電流制御器５２はトルク指令τｒを入力し、電動機５４を駆動する。機械負荷５５は電動機５４にトルク伝達用の連結軸を介して結合されている。振動抑制器５３は電動機速度Ｖｆｂと機械負荷速度の偏差であるねじれ角速度を入力し、振動抑制信号Ｔｃを出力する。
次に、本発明の電動機速度制御器５１と振動抑制器５３と電動機５４と機械負荷５５について図３０を用いて詳細に述べる。速度制御器５１内の減算器６２は速度指令Ｖｒｅｆから電動機速度Ｖｆｂを減算して速度偏差を求め、積分器６３は速度偏差を時定数Ｔｉで積分する。減算器６４は積分器６３の出力から電動機速度Ｖｆｂを減算し、乗算器６５は減算器６４の出力に速度ループゲインＫｖを乗算する。
振動抑制器５３内の積分器６７はねじれ角速度ｘａを積分してねじれ角を求め、乗算器６８はねじれ角にねじれ角ゲインＫｓを乗算する。加算器６９は乗算器６８の出力とねじれ角速度ｘａを加算し、乗算器７０は加算器６９の出力にねじれ角速度ゲインＫｓｄを乗算して振動抑制信号Ｔｃを求める。また、減算器６６は乗算器６５の出力から乗算器７０の出力を減算する。乗算器７１は減算器６６の出力に電動機側の慣性モーメントＪ１を乗算し、トルク指令τｒを決定する。図中の１７は２慣性系振動モデルでよく知られており、Ｊ１は電動機側の慣性モーメントで、Ｊ２は機械負荷の慣性モーメント、Ｋは機械負荷のねじれ剛性値、ｘａはねじれ角速度である。また、１／ｓは積分を表す。
次に、図３０の２慣性系において、速度制御器５１の時定数Ｔｉ、速度ループゲインＫｖ、振動抑制器５３のねじれ角速度ゲインＫｓｄ、ねじれ角ゲインＫｓのチューニング方法を説明する。
但し、反共振周波数と共振周波数、および、電動機側と機械負荷の慣性モーメントＪ１、Ｊ２は既知とする。ここでＩ−Ｐ制御系の速度ループゲインＫｖ、時定数Ｔｉ、振動抑制系のねじれ角ゲインＫｓおよびねじれ角速度ゲインＫｓｄをそれぞれ、
0003818371.tif 000005
0003818371.tif 000006
とおく。
速度指令Ｖｒｅｆとねじれ角速度ｘａが与えられた時のＩ−Ｐ制御器＋振動抑制器の出力を次式とする。
0003818371.tif 000007
ただし、ｓはラプラス演算子、１／ｓは積分を表す。
図３０の制御対象のブロック図より、式（６）、式（７）となる。
0003818371.tif 000008
ただし、ｓ２は２階微分を表す。
ここで、ａ、ｂをそれぞれ式（８）とおく。
0003818371.tif 000009
そこで、ａ、ｂを使って式（６）と式（７）を書きかえると、式（９）と式（１０）となる。
0003818371.tif 000010
0003818371.tif 000011
式（１０）に式（５）を代入すると式（１１）が得られる。
0003818371.tif 000012
Ｖｆｂ＝ｘａ＋ｘｂ、なので、式（１１）は式（１２）となる。
0003818371.tif 000013
式（１０）を書き換えると、式（１３）となる。
0003818371.tif 000014
式（１２）に式（１３）を代入して展開すると、式（１４）となる。
0003818371.tif 000015
移項してまとめると、式（１５）となる。
0003818371.tif 000016
式（１５）より、特性方程式を求めると、式（１６）となる。
0003818371.tif 000017
Ｆ（ｓ）が４次式であるので、安定条件を満たすために４重根ｓ＝−ω、及びω＞０である特性方程式を考える。ここでωは目標応答周波数とする。
0003818371.tif 000018
ここで、ξ１＝ξ２＝２、とすると、特性方程式（１８）が導き出される。
0003818371.tif 000019
式（１６）で示す方程式は、式（１９）となる。
0003818371.tif 000020
そこで、式（１６）と式（１９）との各項（ｓ０項、ｓ１項、ｓ２項、ｓ３項）の係数比較をすると、式（２０）のようにそれぞれ求められる。
0003818371.tif 000021
Ｉ−Ｐ制御器５１と振動抑制器５３の各ゲインは式（４’）より式（１）となる。
次に、本発明によるチューニング後の速度制御系のシミュレーション結果を示す。機械負荷及び電動機の各パラメータは、反共振周波数ＷＬを５０［Ｈｚ］、共振周波数ＷＨを７０［Ｈｚ］として、電動機側慣性モーメントＪ１を０．５１０２［Ｋｇｍ２］、機械負荷慣性モーメントＪ２を０．４８９８［Ｋｇｍ２］、機械負荷のねじれ剛性値Ｋを４．８３４１ｅ＋４［Ｋｇｍ２／ｓ２］にした。ここで目標応答周波数ωを６０［Ｈｚ］と設定し、時定数Ｔｉ、速度ループゲインＫｖ、ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄを式（１８）に基づいてチューニングした。
チューニング後の各ゲインはＫｖ＝２１７１．５［ｒａｄ／ｓ］、Ｋｓｄ＝−６６３．５、Ｋｓ＝−６８５．２、Ｔｉ＝１０．６［ｍｓ］となった。図３１、図３２はステップ指令入力時の応答を表している。４０は速度指令、４１は電動機速度である。図３１はチューニング後に振動抑制器を動作させなかった場合の応答波形で、図３２は振動抑制器を動作させた場合の応答波形である。図３は振動が起きているが、図３２はオーバーシュートもなく、２慣性系による振動もない理想的な応答をしている。
この結果より、２慣性系で振動抑制を行い、かつ、Ｉ−Ｐ制御器のパラメータ（時定数Ｔｉ、速度ループゲインＫｖ）と振動抑制器のパラメータ（ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄ）を自動設定できることが確認できた。
このように、本実施形態によれば、目標応答を変えたい場合は、目標応答周波数ωのみ変えれば、自動的に振動抑制を行いながら、速度ループの調整も可能で、従来のように試行錯誤して振動抑制器と速度制御器の調整を行わなくてよくなる。
図３３は、本発明の第１０の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
図３３において、位置制御器５６は位置指令と電動機５４の位置を入力し、速度指令を速度制御器５１に出力する。
速度制御器５１は速度指令と電動機５４の速度と、振動抑制器５３の出力である振動抑制信号Ｔｃを入力し、速度指令と電動機速度が一致するように速度制御を行い、トルク指令τｒを電流制御器５２へ出力する。電流制御器５２はトルク指令τｒを入力し、電動機５４を駆動する。機械負荷５５は電動機５４にトルク伝達用の連結軸を介して結合されている。振動抑制器５３は電動機５４の速度と機械負荷速度の偏差を入力し、振動抑制信号Ｔｃを出力する。なお、機械負荷速度を検出できない場合は、外乱オブザーバ等を用いて推定すればよい。
次に、速度制御器５１と振動抑制器５３と電動機５４と機械負荷５５の動作について、図３４を用いて詳細に述べる。
速度制御器５１内の減算器６２は速度指令Ｖｒｅｆから電動機速度Ｖｆｂを減算して速度偏差を求め、積分器６３は速度偏差を時定数Ｔｉで積分する。乗算器７４は速度指令に係数α（０≦α≦１）を乗算する。ここで、α＝０の場合はＩ−Ｐ制御になり、α＝１の場合はＰＩ制御になる。このようにαを０から１に連続的に切り替えることにより、速度制御系をＩ−Ｐ制御からＰＩ制御に連続的に変えることができる。減算器６４は乗算器７４の出力値と積分器６３の出力値を加算し、電動機速度Ｖｆｂを減算し、乗算器６５は減算器６４の出力に速度ループゲインＫｖを乗算する。
振動抑制器５３内の積分器６７はねじれ角速度ｘａを積分してねじれ角を求め、乗算器６８はねじれ角にねじれ角ゲインＫｓを乗算する。
加算器６９は乗算器６８の出力とねじれ角速度ｘａを加算し、乗算器７０は加算器６９の出力にねじれ角速度ゲインＫｓｄを乗算して振動抑制信号Ｔｃを求める。
また、減算器６６は乗算器６５の出力から乗算器７０の出力を減算する。
乗算器７１は減算器６６の出力に電動機側の慣性モーメントＪ１を乗算し、トルク指令τｒを決定する。ここでは、振動抑制器５３の入力はねじれ角速度を積分器６７で積分して、ねじれ角を求めるが、電動機位置と負荷位置が判る場合は、ねじれ角を入力として振動抑制器を構成してもよい。
図中の１７は２慣性系振動モデルでよく知られており、Ｊ１は電動機側の慣性モーメント、Ｊ２は機械負荷の慣性モーメント、Ｋは機械負荷のねじれ剛性値、ｘａは電動機速度と機械負荷速度の偏差から求めるねじれ角速度である。また、１／ｓは積分を表す。
次に、図３４の２慣性系において、速度制御器５１の速度ループ積分時定数Ｔｉ、速度ループゲインＫｖ、振動抑制器５３のねじれ角速度ゲインＫｓｄ、ねじれ角ゲインＫｓのチューニング方法を説明する。ただし、反共振周波数と共振周波数、および、電動機側と機械負荷の慣性モーメントＪ１、Ｊ２は既知とする。ここで第１実施の形態と同様、速度ループゲインＫｖ、速度ループ積分時定数Ｔｉ、振動抑制系のねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄをそれぞれ、
0003818371.tif 000022
とおく。
速度指令Ｖｒｅｆとねじれ角速度ｘａが与えられた時の速度制御器＋振動抑制器の出力を式（２１）とする。
0003818371.tif 000023
但し、ｓはラプラス演算子、１／ｓは積分を表す。
図３４の制御対象のブロック図より、式（２２）および式（２３）となる。
0003818371.tif 000024
但し、Ｖ１は機械負荷速度、
ｘａはねじれ角速度、
ｓ２は２階微分を表す。
ここで、ａ、ｂを式（２４）のようにおき、
0003818371.tif 000025
ａ、ｂを使って式（２２）と式（２３）を式（２５）と式（２６）のように書きかえる。
0003818371.tif 000026
式（２６）に式（２１）を代入すると、式（２７）が得られる。
0003818371.tif 000027
Ｖｆｂ＝ｘａ＋ＶＩ、から、式（２７）は式（２８）に変えられる。
0003818371.tif 000028
式（２５）より、式（２９）となる。
0003818371.tif 000029
式（２８）に式（２９）を代入して展開すると、式（３０）となる。
0003818371.tif 000030
式（３０）を移項してまとめると、式（３１）となる。
0003818371.tif 000031
式（３１）より、速度指令から電動機速度までの伝達関数の特性方程式を求めると、式（３２）となる。
0003818371.tif 000032
Ｆ（ｓ）が４次式であるので、安定条件を満たすために４重根ｓ＝−ω、及びω＞０である特性方程式を考える。但し、ωは目標応答周波数、ζ１、ζ２は減衰定数である。
0003818371.tif 000033
ここでζ１＝ζ２＝ζ、とすると、式（３４）という特性方程式が得られる。
0003818371.tif 000034
よって、式（３２）で示す方程式は、式（３５）となる。
0003818371.tif 000035
そこで、式（３２）と式（３４）との各項（ｓ０項、ｓ１項、ｓ２項、ｓ３項）の係数比較をすると、式（３６）のようにそれぞれ求められる。
0003818371.tif 000036
したがって、速度制御器５１と振動抑制器５３の各ゲインは式（２０’）より、式（３７）となる。
0003818371.tif 000037
ただし、ζは減衰係数（ζ＞０）、
ωは速度制御の目標応答周波数、
Ｊ１は２慣性系におけるモータ側の慣性モーメント、
Ｊ２は機械負荷の慣性モーメント、
Ｋはねじれ剛性値
次に、位置制御を行う場合を説明する。
位置制御器５６は位置指令を入力とし、速度指令を速度制御器５１に出力する。
位置制御５６内の減算器７２は位置指令Ｐｒｅｆから電動機位置Ｐｆｂを減算して位置偏差を求め、乗算器７３は位置偏差に位置ループゲインＫｐを乗算する。速度制御器５１のパラメータは、式（３８）
0003818371.tif 000038
ただし、ζは減衰係数（ζ＞０）、
ωは速度制御の目標応答周波数、
Ｊ１は２慣性系におけるモータ側の慣性モーメント、
Ｊ２は機械負荷の慣性モーメント、
Ｋはねじれ剛性値
で決定した数値を利用し、
位置制御器５６内の位置ループゲインＫｐは速度制御器１１の目標応答周波数ωの関数とし、式（３９）とする。
0003818371.tif 000039
ただし、βは自然数である。
次に、第１０の実施形態によるチューニング後の速度制御系、位置制御系のシミュレーション結果を示す。
機械負荷及び電動機の各パラメータは、反共振周波数ＷＬを５０［Ｈｚ］、共振周波数ＷＨを７０［Ｈｚ］として、電動機側慣性モーメントＪ１を０．５１０２［Ｋｇｍ２］、機械負荷慣性モーメントＪ２を０．４８９８［Ｋｇｍ２］、機械負荷のねじれ剛性値Ｋを、４．８３４１ｅ＋４［Ｋｇｍ２／ｓ２］とする。
ここで目標応答周波数ωを６０［Ｈｚ］と設定し、速度ループ積分時定数Ｔｉ、速度ループゲインＫｖ、ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄを式（３６）に基づいてチューニングする。
チューニング後の各ゲインはＫｖ＝２１７１．５［ｒａｄ／ｓ］、Ｋｓｄ＝−６６３．５、Ｋｓ＝−６８５．２、Ｔｉ＝１０．６［ｍｓ］となった。位置制御器１６の位置ループゲインＫｐはω／４とした。
また、ζ＝０．５、１、１．５において、図３５、図３６は速度制御時のステップ応答を表している。図３７、図３８は位置制御時のステップ応答である。図３５、図３７は速度制御器をＩ−Ｐ制御（α＝０）、図３６、図３８は速度制御器をＰＩ制御（α＝１）としている。２慣性系の振動は全ての場合で抑制されているが、ζで比較すると、図３５はζ＝１の応答４２がζ＝０．５、１．５の場合の応答４１、４３より整定時間が短い。図３６はζ＝１．５の応答４３がζ＝０．５、１の場合の応答４１、４２より整定時間が短い。図３７はζ＝０．５の応答４５がζ＝１、１．５の場合の応答４６、４７より整定時間が短い。図３８はζ＝０．５の応答４５がζ＝１、１．５の場合の応答４６、４７より整定時間が短い。
この結果より、２慣性系で振動抑制を行い、速度制御器のパラメータ（速度ループ積分時定数Ｔｉ、速度ループゲインＫｖ）と振動抑制器のパラメータ（ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄ）を自動設定でき、速度制御系、位置制御系でＰＩ制御、Ｉ−Ｐ制御に適用できた。また、パラメータαに連動させて、ζを変えることにより、整定時間を短縮できる効果がある。
このように、第１０の実施形態によれば、目標応答を変えたい場合、目標応答周波数ωを変えれば、自動的に振動抑制を行いながら、速度制御器及び位置制御器の調整も行えるので、試行錯誤して振動抑制器と速度制御器と位置制御器の調整を行わなくてよい。更に、速度制御器の構成をαを用いてＩ−Ｐ制御からＰＩ制御へと変える場合、αの値に連動させて、ζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
図３９は本発明の第１１の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
図３９において、位置制御器１６は機械負荷位置Ｐｆｂと位置指令Ｐｒｅｆを入力し、機械負荷位置Ｐｆｂと位置指令Ｐｒｅｆが一致するように速度指令Ｖｒｅｆを速度制御器５１に出力する。
速度制御器５１は速度指令Ｖｒｅｆと機械負荷速度Ｖｆｂと振動抑制信号Ｔｃを入力し、速度指令Ｖｒｅｆと機械負荷速度Ｖｆｂが一致するように速度制御を行うとともに、トルク指令τｒを電流制御器５２へ出力する。電流制御器５２はトルク指令τｒを入力し、電流指令を出力して電動機５４を駆動する。電動機５４は機械負荷５５にトルク伝達用の連結軸を介して結合されている。振動抑制器５３は電動機５４の速度と機械負荷速度Ｖｆｂの偏差であるねじれ角速度ｘａを入力し、振動抑制信号Ｔｃを出力する。
なお、機械負荷速度を検出できない場合は、外乱オブザーバ等を用いて推定すればよい。
次に、速度制御器５１と振動抑制器５３と電動機５４と機械負荷５５について、図４０を用いて詳細に述べる。
速度制御器５１内の減算器６２は速度指令Ｖｒｅｆから機械負荷速度Ｖｆｂを減算して速度偏差を求め、積分器６３は速度偏差を時定数Ｔｉで積分する。係数３４は第１０の実施形態と同様に、ＰＩ制御、Ｉ−Ｐ制御を任意に振り分けるパラメータで、速度指令Ｖｒｅｆを乗算する。減算器６４は乗算値と積分器６３の出力値を加算し、機械負荷速度Ｖｆｂを減算し、乗算器６５は減算器６４の出力に速度ループゲインＫｖを乗算する。
振動抑制器５３内の積分器６７は電動機速度Ｖｍと機械負荷速度Ｖｆｂの差分により求められるねじれ角速度ｘａを積分してねじれ角を求め、乗算器６８はねじれ角にねじれ角ゲインＫｓを乗算する。加算器６９は乗算器６８の出力とねじれ角速度ｘａを加算し、乗算器７０は加算器６９の出力にねじれ角速度ゲインＫｓｄを乗算して振動抑制信号Ｔｃを求める。また、減算器６６は乗算器６５の出力から乗算器７０の出力を減算する。乗算器７１は減算器６６の出力に電動機側の慣性モーメントＪ１を乗算し、トルク指令τｒを決定する。ここでは、ねじれ角速度ｘａを積分器６７で積分してねじれ角を求めるが、電動機位置と負荷位置が判る場合は、ねじれ角を振動抑制器５３の入力として振動抑制器を構成してもよい。
図中の５７は２慣性系振動モデルで、Ｊ１は電動機側の慣性モーメント、Ｊ２は機械負荷の慣性モーメント、Ｋは機械負荷のねじれ剛性値、ｘａは電動機速度と機械負荷速度の偏差から求められるねじれ角速度である。また、１／ｓは積分を表す。
なお、以下の計算式では、第１０の実施形態はセミクローズ方式、本実施形態はフルクローズ方式の例として、各々フィードバック信号が、第１０の実施形態では電動機速度Ｖｆｂ、電動機位置Ｐｆｂを用い、本実施形態でも機械負荷速度Ｖｆｂ、機械負荷位置Ｐｆｂ、と同一記号を用いているが、実際の計算式では厳密には数値が異なるが、一般式では最終結果に反映されないので同一記号で説明している。
次に、時定数Ｔｉ、速度ループゲインＫｖ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄ、ねじれ角ゲインＫｓのチューニング方法を説明する。但し、反共振周波数と共振周波数、および、電動機側と機械負荷の慣性モーメントＪ１、Ｊ２は既知とする。
ここでＩ−Ｐ制御系の速度ループゲインＫｖ、時定数Ｔｉ、振動抑制系のねじれ角ゲインＫｓおよびねじれ角速度ゲインＫｓｄをそれぞれ式（４０）とおく。
0003818371.tif 000040
速度指令Ｖｒｅｆとねじれ角速度ｘａが与えられた時の乗算器７１の出力を、式（４１とする。
0003818371.tif 000041
ただし、ｓはラプラス演算子、１／ｓは積分を表す。
図４０の制御対象のブロック図より、式（４２）、式（４３）となる。
0003818371.tif 000042
ただし、Ｖｆｂは機械負荷速度、
ｘａはねじれ角速度、
ｓ２は２階微分を表す。
ここで、ａ、ｂを式（４４）とおく。
0003818371.tif 000043
ａ、ｂを使って式（４２）と式（４３）を書きかえると、式（４５）と式（４６）となる。
0003818371.tif 000044
0003818371.tif 000045
式（４６）に式（４１）を代入すると、式（４７）が得られる。
0003818371.tif 000046
式（４５）より、式（４７）が得られるから、
0003818371.tif 000047
式（４７）に式（４８）を代入して展開すると、式（４９）となる。
0003818371.tif 000048
式（４９）を移項してＶｒｅｆ、Ｖｆｂについてまとめると、式（５０）となる。
0003818371.tif 000049
式（５０）より、速度指令Ｖｒｅｆから機械負荷速度Ｖｆｂまでの伝達関数を求めると、式（５１）となり、
0003818371.tif 000050
更に、この系の特性方程式Ｆ（ｓ）は、式（５２）となる。
0003818371.tif 000051
Ｆ（ｓ）が４次式であるので、安定条件を満たすために、４重根ｓ＝−ω及びω＞０である特性方程式（５３）を考える。ただし、ωは目標応答周波数、ζ１、ζ２は減衰定数である。
0003818371.tif 000052
ここでζ１＝ζ２＝ζ、とすると、特性方程式（５４）が得られる。
0003818371.tif 000053
式（５４）と式（５２）との各項（ｓ０項、ｓ１項、ｓ２項、ｓ３項）の係数比較をすると、式（５５）のようにそれぞれ求められる。
0003818371.tif 000054
速度制御器５１と振動抑制器５３の各ゲインは、式（４０）より、式（５６）となる。
0003818371.tif 000055
ただし、ζは減衰係数（ζ＞０）、
ωは速度制御の目標応答周波数、
Ｊ１は２慣性系におけるモータ側の慣性モーメント、
Ｊ２は機械負荷の慣性モーメント、
Ｋはねじれ剛性値
次に位置制御を行う場合を説明する。位置制御器５６内の減算器７２は位置指令Ｐｒｅｆから機械負荷位置Ｐｆｂを減算して位置偏差を求め、乗算器７３は位置偏差に位置ループゲインＫｐを乗算し、速度指令として速度制御器５１に出力する。
次に、本発明によるチューニング後の速度制御系、位置制御系のシミュレーション結果を示す。機械負荷及び電動機の各パラメータは、反共振周波数ＷＬを５０［Ｈｚ］、共振周波数ＷＨを７０［Ｈｚ］として、電動機側慣性モーメントＪ１を０．５１０２［Ｋｇｍ２］、機械負荷慣性モーメントＪ２を０．４８９８［Ｋｇｍ２］、機械負荷のねじれ剛性値Ｋを４．８３４１ｅ＋４［Ｋｇｍ２／ｓ２］とする。
ここで目標応答周波数ωを６０［Ｈｚ］と設定し、時定数Ｔｉ、速度ループゲインＫｖ、ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄを（５４）式に基づいてチューニングする。位置制御器５６の位置ループゲインＫｐ＝２πω／８［ｒａｄ／ｓ］とした。ζ＝１のときのチューニング後の各ゲインは、Ｋｖ＝２１７１．５［ｒａｄ／ｓ］、Ｋｓｄ＝−１５８０、Ｋｓ＝−４３４．６、Ｔｉ＝１０．６［ｍｓ］となった。
図４１、図４２はζ＝０．５、１、１．５における速度制御時のステップ応答を表している。図４３、図４４はζ＝０．５、１、１．５における位置制御時のステップ応答である。図４１、図４３は速度制御器をＩ−Ｐ制御（α＝０）、図４２、図４４は速度制御器をＰＩ制御（α＝１）としている。２慣性系の振動は全ての場合で抑制されているが、速度制御の場合、Ｉ−Ｐ制御、ＰＩ制御ともにζ＝１の応答５０が最も整定時間が短い。また、位置制御の場合、Ｉ−Ｐ制御ではζ＝０．５の場合の応答５３が最も整定時間が短いのに対し、ＰＩ制御では、ζ＝１．５の場合の応答５５が最も整定時間が短い。この結果より、２慣性系で振動抑制を行い、速度制御器のパラメータ（速度ループ積分時定数Ｔｉ、速度ループゲインＫｖ）と振動抑制器のパラメータ（ねじれ角ゲインＫｓ、ねじれ角速度ゲインＫｓｄ）を自動設定でき、速度制御系、位置制御系でＰＩ制御、Ｉ−Ｐ制御に適用できた。また、速度制御器内のパラメータαの値に連動させて、ζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
このように本実施形態によれば、目標応答を変えたい場合、目標応答周波数ωを変えれば、振動抑制を行いながら速度制御器及び位置制御器の調整も行えるので、試行錯誤して振動抑制器と速度制御器と位置制御器の調整を行わなくてよい。更に、αを用いて速度制御器の構成をＩ−Ｐ制御からＰＩ制御へと変える場合、αの値に連動させてζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
図１は第１の従来例の電動機制御装置のブロック図；
図２は第２の従来例の電動機制御装置のブロック図；
図３は第２の従来例の動作指令信号の周波数分析結果を示すグラフ；
図４は第２の従来例の分析結果を示すグラフ；
図５は第２の従来例における折り返し誤差発生の原理図；
図６は従来の電動機制御装置の周波数特性を示すボード線図；
図７は従来の電動機制御装置の周波数特性測定時の電動機位置を示す図；
図８は第３の従来例の電動機制御装置のブロック図；
図９は本発明の第１の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図１０は本発明の第２の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図１１は本発明の第３の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図１２は本発明の第４の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図１３は本発明の第５の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図１４は本発明の第６の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図１５は第６の実施形態の動作指令信号の周波数分析結果を示すグラフ；
図１６は第６の実施形態の分析結果を示すグラフ；
図１７は本発明の第７の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図１８は第７の実施形態の電動機制御装置の周波数特性を示すボード線図；
図１９は第７の実施形態の変形例の電動機制御装置の周波数特性を示すゲイン曲線図；
図２０は第７の実施形態における動作指令信号の第１の例を示す図；
図２１は第７の実施形態における動作指令信号の第２の例を示す図；
図２２は第７の実施形態の周波数特性測定時の電動機位置を示す図；
図２３は第７の実施形態の変形例における動作指令信号を示す図；
図２４は第７の実施形態の変形例における周波数特性測定時の電動機位置を示す図；
図２５は第７の実施形態の変形例における動作指令信号の周波数分析結果を示す図である；
図２６は本発明の第８の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図２７は第８の実施形態の動作を示すフローチャート；
図２８は第８の実施形態の周波数特性を示す図である；
図２９は本発明の第９の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図３０は図２９に示す電動機制御装置の２慣性系チューニングのブロック図；
図３１は図２９に示す電動機制御装置でステップ入力に対して振動抑制器が非動作中の場合の応答波形を示す図；
図３２は図２９に示す電動機制御装置でステップ入力に対して振動抑制器が動作中の場合の応答波形を示す図；
図３３は本発明の第１０の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図３４は図３３に示す電動機制御装置の２慣性系チューニングのブロック図；
図３５は図３３に示す電動機制御装置の速度制御系（Ｉ−Ｐ制御）で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図；
図３６は図３３に示す電動機制御装置の速度制御系（ＰＩ制御）で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図；
図３７は図３３に示す電動機制御装置の位置制御系（Ｉ−Ｐ制御）で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図；
図３８は図３３に示す電動機制御装置の位置制御系（ＰＩ制御）で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図；
図３９は本発明の第１１の実施形態の電動機制御装置のブロック図；
図４０は図３９に示す電動機制御装置の２慣性系チューニングのブロック図；
図４１は図３９に示す電動機制御装置の速度制御系（Ｉ−Ｐ制御）で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図；
図４２は図３９に示す電動機制御装置の速度制御系（ＰＩ制御）で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図；
図４３は図３９に示す電動機制御装置の位置制御系（Ｉ−Ｐ制御）で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図；
図４４は図３９に示す電動機制御装置の位置制御系（ＰＩ制御）で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図である。
【図１】
0003818371.tif 000061
【図２】
0003818371.tif 000062
【図３】
0003818371.tif 000063
【図４】
0003818371.tif 000064
【図５】
0003818371.tif 000065
【図６】
0003818371.tif 000066
【図７】
0003818371.tif 000067
【図８】
0003818371.tif 000068
【図９】
0003818371.tif 000069
【図１０】
0003818371.tif 000070
【図１１】
0003818371.tif 000071
【図１２】
0003818371.tif 000072
【図１３】
0003818371.tif 000073
【図１４】
0003818371.tif 000074
【図１５】
0003818371.tif 000075
【図１６】
0003818371.tif 000076
【図１７】
0003818371.tif 000077
【図１８】
0003818371.tif 000078
【図１９】
0003818371.tif 000079
【図２０】
0003818371.tif 000080
【図２１】
0003818371.tif 000081
【図２２】
0003818371.tif 000082
【図２３】
0003818371.tif 000083
【図２４】
0003818371.tif 000084
【図２５】
0003818371.tif 000085
【図２６】
0003818371.tif 000086
【図２７】
0003818371.tif 000087
【図２８】
0003818371.tif 000088
【図２９】
0003818371.tif 000089
【図３０】
0003818371.tif 000090
【図３１】
0003818371.tif 000091
【図３２】
0003818371.tif 000092
【図３３】
0003818371.tif 000093
【図３４】
0003818371.tif 000094
【図３５】
0003818371.tif 000095
【図３６】
0003818371.tif 000096
【図３７】
0003818371.tif 000097
【図３８】
0003818371.tif 000098
【図３９】
0003818371.tif 000099
【図４０】
0003818371.tif 000100
【図４１】
0003818371.tif 000101
【図４２】
0003818371.tif 000102
【図４３】
0003818371.tif 000103
【図４４】
0003818371.tif 000104