JPH07337057A

JPH07337057A - 電動機制御系における機械共振検出装置及び制振制御装置

Info

Publication number: JPH07337057A
Application number: JP6127859A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Kako; 靖彦加来
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 1995-12-22
Anticipated expiration: 2018-01-07
Also published as: JP3360935B2

Abstract

(57)【要約】【目的】機械振動を高速で推定し、現場でのゲイン調
整やパラメータ設定を簡便にでき、機械共振信号を高精
度で取り出すことのできる電動機制御系における機械振
動検出装置及び制振制御装置を提供する。【構成】角速度検出器又は角度検出器を備えた電動機
のトルクを制御する電動機制御装置において、制御装置
のトルクモニタ信号を入力する等価剛体モデルと、比例
増幅を行う第１の補償手段と、積分演算を行う第２の補
償手段とからなり、トルクモニタ信号と第１の補償手段
の出力信号と第２の補償手段の出力信号とを加算して、
等価剛体モデルに入力し、電動機制御装置の速度モニタ
信号から等価剛体モデルの出力信号を差し引いた差信号
を第１の補償手段と第２の補償手段に入力し、差信号を
機械共振信号とし、第２の補償手段の出力信号を推定外
乱信号とする手段を備えた電動機制御系における機械共
振検出装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電動機が駆動する機構
の機械共振信号を検出する電動機制御系における機械振
動検出装置を備えた電動機制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボールネジ等の力の伝達機構を電動機で
駆動する機構制御系では、伝達機構の機械共振現象が、
制御系のループゲインの上限を決定し、制御性能を悪化
させる問題がある。例えば、電動機を取り付けたボール
ネジと可動台とからなる直動機構では、ボールネジの捩
じり振動等の機械共振を避けるため、前記電動機の制御
装置のループゲインを標準設定値（電動機単体の設定）
よりも下げざるを得ず、可動台の運動特性が劣化する問
題がある。可動台の速度が直接検出できる場合、前記速
度と電動機の角速度から前記機械共振信号を検出するこ
とができ、この信号により機械振動を減衰し、制御系の
ループゲインを高め得ることが知られている（「参照モ
デルを用いた低剛性な負荷機械を駆動する電動機制御系
の設計」、昭和６２年電気学会産業応用部門全国大会予
稿集、ｐ４５２）。多くの場合、可動台等に速度検出器
を取り付けることができないため速度が検出不可能とな
り、前記機械共振信号が検出できず、機械振動を制御す
ることができなかった。

【０００３】そこで、第１の従来技術として、共振現象
を考慮して機構と電動機の運動方程式をたて、この運動
方程式から導出した状態方程式に対して状態オブザーバ
を構成し、前記オブザーバが推定する状態量から前記機
械振動信号を出力する方法が知られている（例えば、
「二慣性共振系を持つ他励直流機の一速度制御法」、電
気学会論文誌Ｂ、ｐｐ１１１−１１８（昭和６１））。
また、第２の従来技術として、電流制御系シミュレータ
（１次遅れフィルタ）と慣性シミュレータ（積分）とか
らなるシミュレータ装置によって、前記機械共振信号を
検出する方法がある（「シミュレータ追従制御付速度制
御」、昭和６０年電気学会全国大会講演論文集、６０
４、ｐ７１４）。具体的には、図１６に示すように、電
動機制御装置の電流指令信号を入力した前記シミュレー
タ８０１の出力信号から電動機の角速度信号を差し引い
た差信号に、前記機械共振信号成分が含まれる。また、
第３の従来技術として、最小次元外乱トルクオブザーバ
を用いて、機械振動を減衰する方法がある（「外乱トル
クオブザーバに基づく多慣性系の振動抑制制御」、平成
５年電気学会全国大会講演論文集、６６６、ｐ６−７
３）。前記外乱トルクオブザーバにて、電動機のトルク
外乱を推定し、これをトルク制御装置（電流調節器を通
して駆動トルクを発生）にフィードバック（ゲインＫ
１）して、機械振動を抑制しようとする方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記第１の
従来技術では、状態オブザーバを設計するために、制御
対象として、電動機と機械共振要素（２次系）のモデル
が本質的に必要である。機械振動を推定するため、前記
モデルを高速度（共振周波数の３０倍程度）で計算する
必要があるが、振動周波数が高い場合、計算が追い付か
なくなるという問題点がある。例えば、モータの角度を
観測するエンコーダで生じる約１０００Ｈｚの共振で
は、計算周期は約３０μｓ（３０ｋＨｚ）となり、実現
が困難である。１つの機械共振要素（２次系）のモデル
は、１周波数の機械共振現象しか記述できないので、２
周波数以上の共振現象を伴っている場合は、状態オブザ
ーバの次数が非常に大きくなり、計算量が増大する。こ
のような場合、さらに実現が困難となる。ボールネジや
モータシャフトの捩じり共振現象と前記エンコーダの共
振現象、あるいは前記捩じり共振と伝達系のカップリン
グの共振現象等、実機では、複数の共振現象が生じるこ
とが多い。また、オブザーバの動作には、電動機以外
に、機械共振系のパラメータも設定する必要があるが、
機械要素の物理パラメータは機構の種類が変われば大幅
に変化するし、また、機構毎にすべて測定することも困
難である。このため、現場等において、オブザーバに必
要なパラメータをすべて設定することは実際には不可能
に近いという問題点もある。特に、オブザーバの次数が
増大するほどオブザーバの設定すべきパラメータ数が増
大し、さらに、オブザーバの調整が著しく困難となる。
生産現場では、ゲイン調整やパラメータ設定はできるだ
け簡便でなければならず、この点で、従来技術の問題点
は深刻である。

【０００５】また、第２の従来技術では、パラメータ変
動が直接、前記差信号に悪影響を及ぼす問題点がある。
例えば、機構の慣性モーメントが変動すると、前記慣性
シミュレータの積分ゲインが慣性モーメントに反比例す
るため、前記差信号出力において、低周波の速度信号成
分の除去が不十分となり、機械共振信号のみを取り出す
ことができなくなる（機械共振信号の品質が劣化す
る）。また、前記シミュレータでは、外乱等が存在しな
い理想状態のモデルであるから、伝達機構の摩擦力や負
荷からの反力等の外乱信号成分も前記差信号出力に直接
含まれる。このため、機械共振信号のみを取り出すこと
ができず、機械共振信号の品質が劣化するという問題が
ある。第３の従来技術では、電動機のトルク外乱の推定
信号に、機械共振信号と伝達気候の摩擦力等による外乱
信号が本質的に含まれる。本来、外乱信号は低周波成分
が主体であり、機械共振信号は高周波成分が主体である
ので、それぞれ最適な補償器の設計が異なることが普通
である。第３の従来技術では本質的に両者を分離できな
いため、外乱抑圧と機械共振抑圧とに関して最適な補償
器の設計が困難であるという大きな問題点がある。この
ことは、フィードバックゲイン調整が簡便でなくなり、
主たる制御系である速度制御系の広帯域化と機械振動抑
圧とを同時に追求することが容易でなくなるという問題
も生じる。

【０００６】本発明が解決すべき課題は、機械振動を高
速で推定し、現場でのゲイン調整やパラメータ設定を簡
便にでき、機械共振信号を高精度で取り出すことのでき
る電動機制御系における機械振動検出装置及び主たる制
御系の広帯域化と機械振動の制振とを同時に達成できる
制振制御装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の電動機制御系における機械振動検出装置
は、角速度検出器又は角度検出器を備えた電動機のトル
クを制御する電動機制御装置において、前記制御装置の
トルクモニタ信号を入力する等価剛体モデルと、比例増
幅を行う第１の補償手段と、積分演算を行う第２の補償
手段とからなり、前記トルクモニタ信号と前記第１の補
償手段の出力信号と第２の補償手段の出力信号とを加算
して、前記等価剛体モデルに入力し、前記電動機制御装
置の速度モニタ信号から前記等価剛体モデルの出力信号
を差し引いた差信号を前記第１の補償手段と前記第２の
補償手段に入力し、前記差信号を機械共振信号とし、前
記第２の補償手段の出力信号を推定外乱信号とする手段
を備えたことを特徴とする。

【０００８】また、本発明の電動機制御系における制振
制御装置は、角速度検出器又は角度検出器を備えた電動
機のトルクを制御する電動機制御装置において、前記制
御装置のトルクモニタ信号を入力する等価剛体モデル
と、比例増幅を行う第１の補償手段と、積分演算を行う
第２の補償手段と、積分演算又は１次遅れ演算を行う第
３の補償手段と、積分演算あるいは１次遅れ演算を行う
第４の補償手段と、加算増幅手段とからなり、前記トル
クモニタ信号と前記第１の補償手段の出力信号と第２の
補償手段の出力信号とを加算して、前記等価剛体モデル
に入力し、前記電動機制御装置の速度モニタ信号から前
記等価剛体モデルの出力信号を差し引いた差信号を前記
第１の補償手段と前記第２の補償手段に入力し、前記差
信号を前記第３の補償手段に入力し、前記第３の補償手
段の出力を前記第４の補償手段に入力し、前記第４の補
償手段の出力と前記電動機制御装置へのトルク指令信号
とを前記加算増幅手段に入力し、前記加算増幅手段の出
力信号を前記電動機制御装置のトルク指令入力端子に入
力する構成としたことを特徴とする。

【０００９】この制振制御装置において、電動機が角速
度を制御する制御系である場合には、前記第３の補償手
段の出力と前記電動機制御装置への速度指令信号とを前
記加算増幅手段に入力し、前記加算増幅手段の出力信号
を前記電動機制御装置の速度入力端子に入力する構成と
する。なお、本発明において、等価剛体モデルとは、入
出力関係が、角速度検出器を備えた電動機を含む機構系
のモデルから機械振動を生じる機械振動要素を取り除い
た残りである剛体系を意味する。

【００１０】

【作用】まず、本発明の原理を説明する。図１におい
て、破線で囲まれたブロック１０１内が機械共振現象を
伴った機構（電動機を含む）を、一点鎖線で囲まれたブ
ロック１０２が本発明による機械振動検出装置をそれぞ
れ示している。機構の一例として、図２に示す２慣性の
捩じり共振系を考える。図中の機械系の運動方程式は、

【数１】となる。ここで、 θ_m：モータ軸の角度 [rad] θ_L：負荷軸角度 [rad] δθ：等価線形バネの捩じれ角 [rad] Ｊ_m：モータ軸側の慣性モーメント [Kgm²] Ｊ_L：負荷軸側の慣性モーメント（モータ軸換算） [Kgm²] Ｋ：等価線形バネのバネ定数 [Nm/rad] Ｄ_m：モータ軸の粘性摩擦係数 [Nm/(rad/s)] Ｄ_L：負荷軸の粘性摩擦係数 [Nm/(rad/s)] Ｄ_T：等価線形バネ系の等価粘性摩擦係数 [Nm/(rad/s)] ｕ₁：モータ軸の発生トルク [Nm] である。ここで、状態変数を

【数２】観測出力（電動機の角速度）を

【数３】を得る。ただし、

【数４】である。

【００１１】電動機が発生するトルクから電動機の角速
度（観測出力）までの伝達関数は、

【数５】である。但し、特性方程式Ｐ(s) は、

【数６】である。（６）式は、電動機のパラメータと機械共振系
のパラメータが組み合わさっており、式を１次式と２次
式の積に因数分解することは、非常に困難であった。こ
のため、式の物理的意味が不明確であり、制御系全体に
対して状態オブザーバを構成せざるを得なかった。

【００１２】そこで本発明では、（６）式において、

【数７】とおく。但し、αはモータに対する負荷慣性モーメント
の比 α＝Ｊ_L／Ｊ_m (8) である。（７ａ）〜（７ｃ）を用いて（６）式を表現す
ると、Ｐ(s) ＝ｓ³((ω₀/Ｑ₀)＋Ｄ₀)ｓ²＋ω₀ ²ｓ＋ω₀ ²Ｄ₀ (9) となる。ここで、新たに

【数８】を考える。但し、（１０ｂ）式で、 ε＝（１／Ｑ₀）（Ｄ₀／ω₀） (11) とおいた。（９）式と（１０ｂ）式より、ε＝０のと
き、

【数９】であるから、

【数１０】はＰ(s) の近似式であり、εは近似誤差を表している。
（１１）式からわかるように、Ｑ₀が大きい程、近似誤
差εは小さくなる。例えば、Ｑ₀＞１０，ω₀＞１０Ｄ
₀のとき、ε＜０．０１となる。

【００１３】（７ａ）〜（７ｃ）式を仮定することによ
り、特性方程式Ｐ(s) を（１０ａ），（１０ｂ）式の

【数１１】で、

【数１２】と近似できる。ここで、（５）式において

【数１３】とおく、（１２）式と（１３ａ），（１３ｂ）式を
（５）式に用いると、伝達関数の近似式

【数１４】が導出できる。（１４ａ），（１４ｂ）式を用いること
により、２慣性共振系は図１の破線のブロック１０１内
に示す等価剛体系Ｇ₁(s)

【数１５】と機械共振系Ｇ₂(s)

【数１６】とに分離できる。もし、等価剛体系の速度が検出できれ
ば、観測出力から等価剛体系の検出速度を差し引いた差
信号により、機械振動成分のみが検出できる。

【００１４】等価剛体系の速度は仮想的な状態量であ
り、検出不可能である。そこで、状態オブザーバによっ
て、等価剛体系の速度が観測値であるため、公知の状態
オブザーバの設計理論を単純に適用するだけでは、オブ
ザーバが機械共振系Ｇ₂(s)を含まざるを得ず、本発明の
目的が達せられない。このため、本発明では、機械系が
等価剛体系と共振系とに分離できたことに着目し、等価
剛体系は物理的に低域通過特性となり、高周波である共
振成分には、ほとんど応答しないと考え、敢えて、電動
機の角速度（図１で共振系の出力）を観測出力と近似し
て、等価剛体オブザーバ（等価剛体系をモデルとする状
態オブザーバ）を構成する。

【００１５】即ち、図１において、等価剛体系の速度

【数１７】に関して微分方程式

【数１８】が成り立つ。（１６ｂ）式は、外乱のモデルである。
（１６ａ）〜（１６ｃ）式において、状態変数を

【数１９】とおくと、等価剛体系の状態方程式と出力方程式

【数２０】を得る。但し、

【数２１】である。

【００１６】ここで、（１９ａ），（１９ｃ）式のｃ₁
とＡ₁で構成する行列式

【数２２】は正則であるから、（１８ａ），（１８ｂ）式の制御系
は可観測であり、（１８ａ），（１８ｂ）式に関してオ
ブザーバ

【数２３】が構成可能である。（２１）式において、

【数２４】はオブザーバのゲインであり、（１９ａ），（１９ｃ）
式と（２２ａ）式より

【数２５】である。

【００１７】（２１）式と（２２ｂ）式より、

【数２６】を得る。ここで、ｋ₁＝ω_f／Ｑ_f (24a) ｋ₂＝ω_f ²／γ (24b) とおくと、（２３ａ），（２３ｂ）式は、

【数２７】となる。すなわち、電動機のトルクに比例する変量をｕ
(t) に入力し、電動機の角速度をｙ(t) に入力して、
（２５ａ），（２５ｂ）式を計算すると、

【数２８】が機械共振信号となり、

【数２９】が推定外乱信号となる。

【００１８】（２５ａ），（２５ｂ）式は図１の一点鎖
線のブロック１０２内のブロック線図で表現できるの
で、機械振動検出装置１０２は前記ブロック線図で構成
される。すなわち、本発明は図１に示すように、本質的
に、推定した等価剛体速度

【数３０】を出力する等価剛体モデル手段と、比例演算を行う第１
の補償手段と、積分演算を行う第２の補償手段とで構成
される。また、（１６ｃ）式に（７ｃ）式と（１３ａ）
式を用いると、

【数３１】を得る。（２６）式において、通常Ｄ_mＤ_T<<Ｊ_mＫ、Ｄ_L
Ｄ_T<<Ｊ_mＫ、Ｄ_mＤ_T<<Ｊ_mＫであるから、（２６）式は
（８）式を用いて、

【数３２】で近似できる。また、（７ａ）式でＤ_mＤ_T<<（１＋α）
Ｊ_mＫ、Ｄ_LＤ_T<<（１＋α）Ｊ_mＫ、Ｄ_mＤ_T<<（１＋α）
Ｊ_mＫであるから、Ｄ₀は

【数３３】で近似できる。図１あるいは（２５）式において、本発
明の機械振動検出装置では、状態オブザーバの帯域ω_f
とＱ_f、および電動機を含む機構のパラメータとしてγ
とＤ₀のパラメータを設定しなければならない。ω_fと
Ｑ_fは必要に応じて、自由に設定できるパラメータであ
る。（２７）式と（２８）式より、パラメータγとＤ₀
は容易に計算あるいは測定できる電動機と負荷（伝達機
構）の慣性モーメントと粘性摩擦係数とから計算でき
る。あるいは、機械共振系の共振周波数と反共振周波数
とを測定して、ガンマを計算することも容易である。す
なわち、本発明の機械振動検出装置では、容易にパラメ
ータの調整が行なえる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を説明する。図
３と図４により、本発明の第１実施例を説明する。図３
は図１の機械振動検出装置（一点鎖線内）のブロック図
を等価変換したものである。図中、積分要素３０１とゲ
イン３０２，３０３は等価剛体モデルであり、３０４は
反転増幅器、３０５は第１の補償手段（比例要素）、３
０６は第２の補償手段（積分要素）である。ゲイン３０
２は電動機と負荷機械の慣性モーメントの合計を意味す
る。ゲイン３０３は電動機と負荷の粘性摩擦であり、通
常無視できる。

【００２０】図４は、図３のブロック線図を演算増幅器
で実現したものである。図中、演算増幅回路４０１から
４０４で機械振動検出装置を構成している。積分演算回
路４０１が等価剛体モデルであり、図３の粘性摩擦が微
小なときなど、Ｄ₀を無視する場合、フィードバック抵
抗Ｒ₃は取り除く。電動機のトルクに比例する信号ｕ
(t) （例えば、電動機のトルク制御装置のトルクモニタ
信号あるいはトルク指令信号等）を積分演算回路４０１
に入力し、電動機の角速度を観測出力信号として演算増
幅回路４０２に入力すると、演算増幅回路４０２から機
械共振信号が出力でき、積分演算回路４０４から推定外
乱信号が出力できる。本実施例では、機械振動信号と推
定外乱信号を独立に出力できる利点がある。

【００２１】推定外乱信号を必要としない場合、図４の
比例演算回路４０３と積分演算回路４０４を一つにまと
めることができる。これを第２の実施例として、図５に
示す。図５では、比例積分演算回路５０３以外はすべて
図４の実施例と同一であり、機械振動検出装置としての
動作は図４と等価である。本実施例では、演算増幅回路
３個で機械振動検出装置が構成できる利点がある。

【００２２】電動機（ＡＣサーボモータ）とボールネジ
とテーブルとからなる直動機構に、第２の実施例（図
５）を適用して得た、機械共振信号の推定実験結果を図
６に示す。図６（ａ）は、前記電動機を駆動するパワー
アンプのトルク指令入力から前記電動機角速度（検出出
力）までの周波数特性をサーボアナライザで測定した結
果である。低周波から約１００Ｈｚまでは、ほぼ−６ｄ
Ｂ／ＯＣＴであり、等価剛体系の特性（図１の１０１参
照）が確認できる。１００Ｈｚ〜１ＫＨｚに、反共振周
波数１４５Ｈｚ、共振周波数３９５Ｈｚの機械共振特性
（図１の１０１参照）が確認できる。図６（ｂ）は、前
記トルク指令から機械共振信号（機械共振検出装置１０
２の出力）までの周波数特性をサーボアナライザで測定
した結果である。３９５Ｈｚの共振特性以外は、ほぼ２
０ｄＢ以下に低減されているので、機械共振検出装置１
０２が機械共振信号を検出できていることが確認でき
る。ゲイン調整等は以下のように行う。（１）機械振動検出装置の帯域（図３のω_f）を小さく
する。図４又は図５では、例えばＲ４を小さくする。図
１４ではＶＲ２を小さくする（又はゼロ）。（２）電動機のトルク制御装置あるいは速度制御装置等
によって電動機を駆動する。但し、前記制御装置は機械
振動を起こさない程度のゲインに調整しておく。（３）機械振動（共振）信号出力を観測する。図４又は
図５では演算増幅器４０２の出力である。（４）前記信号出力がほぼゼロとなるように電動機と負
荷機械の慣性モーメントを意味するパラメータ（図３の
γ）を調整する。図４又は図５ではＲ２を可変すればよ
い。図１４ではＶＲ１を可変する。（５）機械振動検出装置の帯域（図３のω_f）を設計値
とする。図４又は図５では、Ｒ４を、図１４ではＶＲ２
を設計値に戻す。

【００２３】図７と図８により、本発明の機械共振抑圧
制御装置に関する第３の実施例を説明する。図７は、ト
ルク制御装置に適用した本発明の制振制御装置のブロッ
ク図である。図中、電動機を含む機械系１０１と機械振
動検出装置１０２は、第１の実施例あるいは第２の実施
例と同様であるので説明を省略する。機械振動検出装置
１０２が推定した機械共振信号を積分要素あるいは一次
遅れ要素で構成する第３の補償手段７２０に入力する。
第３の補償手段７２０の出力を積分要素あるいは一次遅
れ要素で構成する第４の補償手段に入力し、出力を加算
増幅手段７１０に入力する。前記加算入力手段７１０は
制振フィードバックゲイン（Ｋｆ）手段７１２と反転／
非反転増幅手段７１１と加算手段（図では加算点で示
す）とからなる。前記加算手段は、第３および第４の補
償手段と反転／非反転増幅手段を通った機械共振信号と
上位の制御装置（例えば、速度制御用補償器）から出力
されるトルク指令信号を加算して、電動機のトルク制御
装置のトルク指令信号として出力する。前記電動機のト
ルク制御装置のトルク指令信号あるいは電動機のトルク
制御装置のトルクモニタ信号を電動機のトルクに比例す
る信号ｕ（ｔ）として、機械振動検出装置１０２に入力
する。

【００２４】前記第３および第４の補償手段と前記加算
増幅手段のブロック線図を演算増幅器で実現した例を図
８に示す。図中、第３および第４の補償手段は積分器で
構成している。演算増幅器等のＤＣオフセット電圧が悪
影響を与える場合は、コンデンサＣ１あるいはＣ２と並
列に抵抗を入れて不完全積分器を構成し、一次遅れ系と
すればよい。反転／非反転増幅手段７１１は開閉手段Ｋ
を閉じれば反転増幅となり、Ｋを開とすれば、非反転増
幅となる。ＶＲ１，ＶＲ２，ＶＲ３を用いて、制振フィ
ードバックゲインを調整する。ＶＲ２，ＶＲ３は機械共
振信号が適当な大きさとなるように、補助的に使用し、
制振フィードバックとしては主として、ＶＲ１を用い
る。電動機（ＡＣサーボモータ）とボールネジとテーブ
ルからなる直動機構に、第３の実施例（図７）を適用し
て得た、機械共振の制振実験結果を図９に示す。実験装
置（図示せず）では、速度指令信号と電動機角速度信号
とを入力し、トルク指令信号を出力する速度制御用補償
器（図示せず）を備えている。前記速度制御用補償器は
速度制御ゲインＫ_vの比例制御とした。

【００２５】図９は、速度指令から電動機角速度信号ま
での周波数特性の測定結果であり、（ａ）は、制振制御
を行わない場合（図８のＶＲ１→０／１０、Ｋ_f→
０）、（ｂ）は制振制御の場合（図８のＶＲ１→１０／
１０、Ｋ_f→１００％）である。ゲイン調整等は以下の
ように行う。（１）図８のＶＲ１→０／１０とし、直動機構のテーブ
ルを動かしながら速度制御系が発振ぎみになるまで速度
制御ゲインを上げる（図９（ａ））。（２）図８において、トルク指令に含まれる振動波形を
モニタＭ１にて、機械共振検出装置が出力する機械共振
信号をモニタＭ２にて同時に観測する。（３）モニタＭ１とモニタＭ２のそれぞれの振動波形の
振幅がほぼ、同等となるように、ＶＲ２（必要ならばＶ
Ｒ３も）を調整する。（４）モニタＭ１とモニタＭ２のそれぞれの振動波形の
位相が反転位相となるように加算増幅手段７１０の開閉
手段Ｋと、機械共振検出装置が備える等価剛体オブザー
バの帯域ω_fを調整する。例えば、図５のＲ４を可変し
て、ω_fを可変すればよい。（５）ＶＲ１を上げていくと、機械共振が消滅する。（６）機械共振が生じるまで速度ゲインＫ_Vを上げる。（７）ＶＲ１を上げ、機械共振を消滅する（必要なら
ば、ＶＲ２，ＶＲ３を用いる）。（８）前記（６）と（７）を繰り返し、速度ループゲイ
ンを上げる（図９（ｂ））。以上の調整により、機械共振（３９５Ｈｚ）を抑えなが
ら、速度制御系の周波数帯域を広げ得ることが確認でき
る（図９）。

【００２６】次に、図１０及び図１１により、本発明の
機械共振抑圧制御装置に関する第４の実施例を説明す
る。図１０は、速度制御装置に適用した本発明の制振制
御装置のブロック図である。図中、電動機を含む機構系
１０１と機械振動検出装置１０２は、第１の実施例ある
いは第２の実施例と同様であるので説明を省略する。機
械振動検出装置１０２が推定した機械共振信号を、積分
要素あるいは一次遅れ要素で構成する第３の補償手段７
２０に入力する。第３の補償手段７２０の出力を加算増
幅手段７１０に入力する。前記加算増幅手段７１０は制
振フィードバックゲイン（Ｋ_f）手段７１２と反転／非
反転増幅手段７１１と加算手段（図では加算点で示す）
とからなる。前記加算手段は、第３の補償手段７２０と
反転／非反転増幅手段７１１を通った機械共振信号と上
位の制御装置（例えば、位置制御用補償器）から出力さ
れる速度指令信号を加算して、電動機の速度制御装置の
速度指令信号として出力する。前記電動機の速度制御装
置のトルク指令信号あるいは電動機の速度制御装置のト
ルクモニタ信号を電動機のトルクに比例する信号ｕ
（ｔ）として、機械振動検出装置１０２に入力する。

【００２７】前記第３の補償手段７２０と前記加算増幅
手段７１０のブロック線図を演算増幅器で実現した例を
図１１に示す。図中、第３の補償手段７２０は積分器で
構成している。演算増幅器等のＤＣオフセット電圧が悪
影響を与える場合は、コンデンサＣ１と並列に抵抗を入
れて不完全積分器を構成し、一次遅れ系とすればよい。
反転／非反転増幅手段７１１は開閉手段Ｋを閉じれば反
転増幅となり、Ｋを開とすれば、非反転増幅となる。Ｖ
Ｒ１，ＶＲ２を用いて、制振フィードバックゲインを調
整する。ＶＲ２は機械共振信号が適当な大きさとなるよ
うに、補助的に使用し、制振フィードバックとしては主
として、ＶＲ１を用いる。

【００２８】電動機（ＡＣサーボモータ）とボールネジ
とテーブルとからなる直動機構に、第４の実施例（図１
０）を適用して得た、機械共振の制振実験結果を図１２
に示す。実験装置（図示せず）では、速度制御装置の速
度制御用補償器は速度制御ゲインＫ_vの比例制御とし
た。図１２は、速度指令から電動機角速度信号までの周
波数特性の測定結果であり、（ａ）は制振制御を行わな
い場合（図１１のＶＲ１→０／１０、Ｋ_f→０）、
（ｂ）は制振制御を行う場合（図１１のＶＲ１→１０／
１０、Ｋ_f→１００％）である。（ｃ）は制振制御を行
う場合（図１１のＶＲ１→１０／１０、Ｋ_f→１００
％）であり、速度ループゲインＫ_vを上げている。

【００２９】ゲイン調整等は以下のように行う。（１）図１１のＶＲ１→０／１０とし、直動機構のテー
ブルを動かしながら速度制御系が発振ぎみとなるまで速
度制御ゲインを上げる（図１２（ａ））。（２）図１１において、電動機の検出速度に含まれる振
動波形を電動機の速度制御装置の速度モニタにて、機械
共振検出装置が出力する機械共振信号をモニタＭ２にて
同時に観測する。（３）速度モニタとモニタＭ２のそれぞれの振動波形の
振幅がほぼ同等となるように、ＶＲ２を調整する。（４）速度モニタとモニタＭ２のそれぞれの振動波形の
位相が反転位相となるように加算増幅手段７１０の開閉
手段Ｋと、機械共振検出装置が備える等価剛体オブザー
バの帯域ω_fを調整する。例えば、図５のＲ４を可変し
て、ω_fを可変すればよい。（５）ＶＲ１を上げていくと、機械共振が消滅する（図
１２（ｂ））。（６）機械共振が生じるまで速度ゲインＫ_vを上げる。（７）ＶＲ１を上げて機械共振を消滅させる（必要なら
ばＶＲ２を用いる。（８）前記（６）と（７）を繰り返し、速度ループゲイ
ンを上げる（図１２（ｃ）。以上の調整により、機械共振（６６Ｈｚ）を抑えなが
ら、速度制御系の周波数帯域を広げ得ることが確認でき
る。図１２の実験結果によると、２５Ｈｚ→９０Ｈｚま
で速度制御系の周波数帯域が拡大できることが確認でき
る。

【００３０】図１３は本発明の第５実施例を示すもので
ある。本実施例の機械振動抑制装置６０１では、第１の
コネクタ６０２、第２のコネクタ６０３、加算手段６０
４、位相補償手段６０５を有している。第１のコネクタ
６０２は電動機制御装置６０６のコネクタ６０７と接続
し、電動機制御装置６０６のトルクモニタ信号を機械振
動検出手段６０８および第２のコネクタ６０３に伝達す
る。前記機械振動検出手段６０８は機械共振信号を位相
補償手段６０５に出力する。なお、機械振動検出手段６
０８は図１およびその説明において詳述しているのでこ
こでは省略する。位相補償手段６０５の出力信号は制振
ゲイン調整手段６０９で適切にゲイン調整された後で、
加算手段６０４に機械共振制動信号として入力される。
第２のコネクタ６０３は指令側コネクタ６１０と接続
し、前記トルクモニタ信号と速度モニタ信号を指令側コ
ネクタ６１０から出力する。指令側コネクタ６１０の速
度指令信号は、第２のコネクタ６０３を通って、加算手
段６０４に入力される。機械共振制動信号と速度指令信
号の和である加算手段６０４の出力信号は第１のコネク
タ６０２を通って電動機制御装置６０６の速度指令とな
る。機械振動検出手段の例を図１４に示す。同図におい
て、ＶＲ１は電動機と負荷の慣性モーメント調整用可変
抵抗器であり、ＶＲ２は振動波形の位相調整用の可変抵
抗器である。機械共振信号の検出原理については、前述
の通りである。

【００３１】位相補償手段６０５、制振ゲイン調整手段
６０９と加算手段６０４の実施例を図１５に示す。本例
では、加算手段６０４は反転加算増幅回路であり、位相
補償手段６０９は９０°位相を遅らせる積分回路であ
り、制振ゲイン調整手段は可変抵抗器で実現している。
以上のように、本第５実施例では、演算増幅器によっ
て、機械振動検出手段、位相補償手段、制振ゲイン調整
手段および加算手段を実現したが、マイクロプロセッサ
等を用いて実現することも可能である。この場合、機械
振動検出手段、位相補償手段、制振ゲイン調整手段およ
び加算手段をマイクロプロセッサ内のソフトウエアにて
実現し、アナログ量の速度信号の場合にはＡ／Ｄ変換器
とＤ／Ａ変換器を用いてマイクロプロセッサとインター
フェイスすればよい。なお、本実施例では速度指令型の
電動機制御装置の場合を説明したが、トルク指令入力型
の電動機制御装置に対しても、図１３の速度指令をトル
ク指令信号に変更するだけで全く同様に実施が可能であ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によって、機
械共振系を等価剛体系と共振系とに理論的に明確に分離
でき、このことから、等価剛体系は物理的に低域通過特
性となり、高周波である共振成分には、ほとんど応答し
ないという考えに基づいて、電動機の角速度（図１で共
振系の出力）を観測出力と近似することによって、等価
剛体系をモデルとする状態オブザーバである等価剛体オ
ブザーバが初めて構成でき、よって電動機の角速度信号
と電動機のトルクに比例する信号とから機械振動成分と
外乱成分とを独立に検出でき、外乱成分の混入による機
械共振信号の品質劣化が防止できる。

【００３３】また、本発明では、等価剛体オブザーバに
機械振動系のモデルを用いない。このため、たとえ２周
波数以上の共振減少を伴っていても、機械振動検出装置
の次数は常に等価剛体モデルの次数＋１であり、計算量
増大および設定すべきパラメータ数の増大という問題が
解決でき、測定が困難な機械共振系のパラメータが設定
不要という効果がある。また、等価剛体オブザーバに
は、前記第１の補償手段（比例）と前記第の補償手段
（積分）とからなるフィードバックループを備えている
ため、検出した機械振動信号成分にオブザーバのパラメ
ータ変動が影響しにくいという効果もある。

【００３４】また、第２の実施例で説明したように、本
発明の機械共振検出装置によって、高周波の機械振動
（３９５Ｈｚ）が検出できており（図６）、高速高精度
で機械振動が検出できる。さらに、第３および第４の実
施例で説明したように、ホッパーの制振装置は、高周波
の機械振動（３９５Ｈｚおよび６６０Ｈｚ）抑制と、速
度制御系も広帯域化（約３倍および３．６倍）が簡単な
調整により同時に行なえる効果がある。特に、ボールネ
ジを用いた機械系で６６０Ｈｚという高周波の機械振動
抑圧は、従来技術ではほとんど不可能と考えられてお
り、本発明の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するブロック図である。

【図２】共振機構の一例を説明する説明図である。

【図３】本発明の第１の実施例のブロック線図であ
る。

【図４】本発明の第１の実施例の回路図である。

【図５】本発明の第２の実施例の回路図である。

【図６】機械共振信号の推定実験結果を示すグラフで
ある。

【図７】本発明の第３の実施例のブロック線図であ
る。

【図８】本発明の第３の実施例の回路図である。

【図９】本発明の第３の実施例に関する実験結果を示
すグラフである。

【図１０】本発明の第４の実施例のブロック線図であ
る。

【図１１】本発明の第４の実施例の回路図である。

【図１２】本発明の第４の実施例に関する実験結果を
示すグラフである。

【図１３】本発明の第５の実施例のブロック図であ
る。

【図１４】本発明の第５実施例における機械振動検出
手段の一例を示す回路図である。

【図１５】本発明の第５実施例における加算手段と位
相補償手段の一例を示す回路図である。

【図１６】第２の従来例のブロック図である。

【符号の説明】

１０１電動機を含む機構系、１０２機械振動検出装
置、３０１積分要素、３０２，３０３等価剛体モデ
ル、３０４反転増幅器、３０５第１の補償手段（比
例要素）、３０６第２の補償手段（積分要素）、４０
１積分演算回路、４０２演算増幅回路、４０３比
例演算回路、４０４積分演算回路、５０３比例積分
演算回路、６０１機械振動抑制装置、６０２第１の
コネクタ、６０３第２のコネクタ、６０４加算手
段、６０５位相補償手段、６０６電動機制御装置、６
０７コネクタ、６０８機械振動検出手段、６０９
制振ゲイン調整手段、６１０指令側コネクタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】角速度検出器又は角度検出器を備えた電
動機のトルクを制御する電動機制御装置において、前記
制御装置のトルクモニタ信号を入力する等価剛体モデル
と、比例増幅を行う第１の補償手段と、積分演算を行う
第２の補償手段とからなり、前記トルクモニタ信号と前記第１の補償手段の出力信号
と第２の補償手段の出力信号とを加算して、前記等価剛
体モデルに入力し、前記電動機制御装置の速度モニタ信
号から前記等価剛体モデルの出力信号を差し引いた差信
号を前記第１の補償手段と前記第２の補償手段に入力
し、前記差信号を機械共振信号とし、前記第２の補償手
段の出力信号を推定外乱信号とする手段を備えたことを
特徴とする電動機制御系における機械共振検出装置。
【請求項２】角速度検出器又は角度検出器を備えた電
動機のトルクを制御する電動機制御装置において、前記
制御装置のトルクモニタ信号を入力する等価剛体モデル
と、比例増幅を行う第１の補償手段と、積分演算を行う
第２の補償手段と、積分演算又は１次遅れ演算を行う第
３の補償手段と、積分演算あるいは１次遅れ演算を行う
第４の補償手段と、加算増幅手段とからなり、前記トルクモニタ信号と前記第１の補償手段の出力信号
と第２の補償手段の出力信号とを加算して、前記等価剛
体モデルに入力し、前記電動機制御装置の速度モニタ信
号から前記等価剛体モデルの出力信号を差し引いた差信
号を前記第１の補償手段と前記第２の補償手段に入力
し、前記差信号を前記第３の補償手段に入力し、前記第
３の補償手段の出力を前記第４の補償手段に入力し、前
記第４の補償手段の出力と前記電動機制御装置へのトル
ク指令信号とを前記加算増幅手段に入力し、前記加算増
幅手段の出力信号を前記電動機制御装置のトルク指令入
力端子に入力する構成としたことを特徴とする電動機制
御系における制振制御装置。
【請求項３】角速度検出器又は角度検出器を備えた電
動機の角速度を制御する電動機制御装置において、前記
制御装置のトルクモニタ信号を入力する等価剛体モデル
と、比例増幅を行う第１の補償手段と、積分演算を行う
第２の補償手段と、積分演算又は１次遅れ演算を行う第
３の補償手段と、積分演算あるいは１次遅れ演算を行う
第４の補償手段と、加算増幅手段とからなり、前記トルクモニタ信号と前記第１の補償手段の出力信号
と第２の補償手段の出力信号とを加算して、前記等価剛
体モデルに入力し、前記電動機制御装置の速度モニタ信
号から前記等価剛体モデルの出力信号を差し引いた差信
号を前記第１の補償手段と前記第２の補償手段に入力
し、前記差信号を前記第３の補償手段に入力し、前記第
３の補償手段の出力と前記電動機制御装置への速度指令
信号とを前記加算増幅手段に入力し、前記加算増幅手段
の出力信号を前記電動機制御装置の速度入力端子に入力
する構成としたことを特徴とする電動機制御系における
制振制御装置。