KR20030020272A

KR20030020272A - 전동기 제어 장치

Info

Publication number: KR20030020272A
Application number: KR1020027014063A
Authority: KR
Inventors: 코미야타케히코; 이데코조; 오구로류이치; 이노키케이세이; 이즈미테츠로; 츠루타카즈히로; 우메다노부히로; 카쿠소키
Original assignee: 가부시키가이샤 야스가와덴끼
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2003-03-08
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: US6822415B1; EP1283593A4; DE60139468D1; EP1283593B1; WO2001082462A1; CN1432210A; JP3818371B2; EP1283593A1; KR100728492B1; CN1237697C

Abstract

기계의 가동부를 전달기구을 통해 구동하는 전동기를 제어하는 전동기 제어 장치가 제공된다. 토크지령이 동작 지령 신호(9)로서 서보 장치(3)에 줄 수 있으면, 서보 장치(3)는 전동기(5)에 동작 지령 신호(9)에 대응하는 입력 토크 신호(12)를 보내고, 전동기 (5)를 동작시킨다. 하면, 가동부(7)이 동작하고, 진동을 발생한다. 서보 장치(3)은 입력 토크 신호(12)와 등가인 입력 토크 신호(11)을 출력하고, 회전 속도 신호(10)과 함께 기억 장치(2)에 기억된다. 분석 장치(1)은 입력 토크 신호(11)과 회전 속도 신호(10)을 FFT로부터 주파수 분석하고, 분석 결과(14)를 출력한다.

Description

전동기 제어 장치 {Electric motor control device}

도 1은 전동기 제어 장치의 제1 종래예의 블록도이다.

이 제1 종래예에서는, 가동부(7) 및 비가동부(8)를 갖는 기계의 기계적인 진동 특성을 파악하지 않고 입력 항목인 서보 조작 지령(15)을 결정하고, 동작 지령 신호(9)를 서보 장치(3)에 보내고, 동작 지령 신호(9)를 동작 신호(12)로서 전동기(5)에 보내고, 전달 기구(6)를 통해 가동부(7)를 동작시키고, 서보 기능을 충분히 발휘할 수 없는 경우에는 시행 착오적으로 서보 조작 지령(15)을 변경하였다.

제1 종래예에서는, 최적의 서보 조작 지령을 결정하기 위해서는 막대한 시간을 필요로 한다.

도 2는 전동기 제어 장치의 제2 종래예의 블록도이다.

이 종래예는, 제1 종래예에 분석 장치(31')와 입력 장치(32)와 출력 장치(34)를 부가하고, 분석 장치(31')에서 작성한 동작 지령 신호(9)를 아날로그신호로 서보 장치(3)에 보내고, 동작 지령 신호(9)를 동작 신호(12)로서 전동기(5)에 보내고, 전달 기구(6)를 통해 가동부(7)를 동작시킨다. 회전 검출기(4)는 회전 검출기 신호(10)를 서보 장치(3)를 경유하여 분석 장치(31')로 보낸다. 분석 장치(31')는 동작 지령 신호(9)와 회전 검출기 신호(10)를 고속 푸리에(fourier) 연산하고, 주파수 특성을 산출하고, 분석 결과(35)를 구하고, 분석 결과(35)에 따라 서보 조작 지령(15)을 결정하였다.

제2 종래예에서는, 도 3에 도시한 바와 같이 분석 장치(31')에서 작성한 동작 지령 신호(9)에는 최대 측정 주파수(fq)를 넘어 최대(frmax)까지의 주파수 성분을 갖기 때문에, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 회전 검출기 신호(10) 및 분석 결과(35)에는 디지털 샘플링시에 측정 주파수 범위외의 성분이 혼입되는 에일리어싱 오차(aliasing error)가 발생하여 정확한 주파수 특성을 구할 수 없다.

이하, 이 제2 종래예의 문제점을 상세하게 설명한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 분석 장치(31')에서 작성하는 동작 지령 신호(9)는 최대(frmax)까지이고, 최대 측정 주파수 성분(fq)을 넘는 높은 성분 주파수까지 포함되어 있다. 도 3에 도시한 바와 같은 주파수의 동작 지령 신호(9)를 사용하면, 최대 측정 주파수(fq) 이상 또한 동작 지령 신호(9)의 최대 주파수 성분(frmax) 이하에 기계 공진(f4, f5)이 존재하는 경우, 동작 지령 신호(9)가 측정 주파수 범위외의 기계 공진(f4, f5)을 여기하여 버려 기계 공진(f4, f5)의 성분이 회전 검출기 신호(10)에 포함된다. 기계 공진(f4, f5)은 최대 측정 주파수(fq) 이상이기 때문에, 이대로 디지털 샘플링하면 외관상 f4',f5'로서 관찰되는 에일리어싱 오차가 발생한다. 분석 결과(35)에는 도면중의 실선의 성분에 파선의 성분이 가산되기 때문에, 정확한 주파수 특성을 평가할 수 없다. 최대 측정 주파수(fq) 이상의 신호를 디지털 샘플링하면, 고주파수인 진정한 파형을 잘못하여 저주파수의 관찰 파형으로 인식하는 에일리어싱 오차가 발생한다. 여기서 샘플링 간격(Δt)과 최대 측정 주파수(fq)의 관계는 샘플링 정리라는 공지의 사실로서, 식(1)로 표시된다.

그 결과, 도 5와 같이 실제로는 존재하지 않는 성분을 포함한 주파수 특성을 출력해 버린다.

또한, 종래의 전동기 제어 장치의 주파수 특성을 측정하기 위해서는, FFT 애널라이저 등의 고가의 계측기를 준비할 필요가 있다.

그런데, 전동기를 동작시키면 가동부가 이동한다. 부하 기계의 가동부는 그 위치에 따라 특성이 변화하여 공진 주파수나 반공진 주파수가 어긋나고, 주파수 특성의 측정 정밀도가 저하된다. 그리고, 평균화 등을 실행하기 위해 측정하는 데이터량을 증가시키기 위해서는, 장시간의 데이터를 수집하거나 또는 복수회의 동작과 측정을 실행할 필요가 있으나, 도 7과 같이 가동부의 이동량이 증대하여 측정 정밀도가 더욱 저하된다는 문제가 있었다. 즉, 측정에 의해 전동기 위치가 개시 위치에서 크게 어긋나고, 따라서 가동부가 이동하여 부하 기계의 특성이 변화하기 때문에, 도 6과 같이 피크가 분산되는 등 주파수 특성의 측정 정밀도가 저하된다는 문제가 있었다.

도 8은 전동기 제어 장치의 제3 종래예의 블록도이다. 이 전동기 제어 장치는 제2 종래예의 전동기 제어 장치에 있어서 분석 장치(31'), 입력 장치(32), 출력 장치(34) 대신에 FFT 애널라이저(41)와 신호 발생기(42)를 구비한 것이다.

이 종래예에서는, 기계의 특성을 고려한 전동기 제어를 실현하기 위해 FFT 애널라이저(41)와 신호 발생기(42)를 구비하고 있다. 신호 발생기(42)가 작성한 동작 지령 신호(43)를 서보 장치(3)에 보내고, 제어 신호(12)로서 전동기(5)에 보내고, 전달 기구(6)를 통해 가동부(7)를 동작시킨다. 회로 검출기(4)는 회전 검출기 신호(10)를 서보 장치(3)를 경유하여 FFT 애널라이저(41)에 부여한다. FFT 애널라이저(41)에서는 신호 발생기(42)로부터 동작 지령 신호(43)를, 서보 장치(3)로부터 회전 검출 신호(44)를 받고, 고속 푸리에 연산하여 주파수 특성을 산출한다. 이 산출 결과로부터 작업자가 반공진 주파수나 공진 주파수를 판독하고, 그 결과에 따라 작업자가 서보 조작 지령(15)을 결정하였다. 그리고, 작업자가 서보 조작 지령(15)을 서보 장치(3)에 수동으로 입력할 필요가 있어 막대한 노동력과 시간을 들여 전동기 제어 장치를 조정하고 있다.

종래, 2관성계에 근사한 유연한 구조를 갖는 기계 제어의 튜닝에는 여러 가지 방법이 있다. 예컨대, 일본 특개평10-275003호는, 2관성계 제어시에 상태 관측기를 통해 기계 부하 속도 및 외란 토크를 추정하고, 이 추정된 기계 부하 정보에 의해 진동 발생을 억제시킬 수 있는 2관성 공진계의 진동 억제 장치로서 양호한 결과를 얻고 있다.

그러나, 이 종래 기술은 상태 관측기의 파라미터 조정과 PI(비례-적분) 제어기의 파라미터 조정은 개별적으로 실행되고 있고, 조정시에 있어서는 시행 착오로 인한 다대한 시간이 필요한 경우가 있다는 문제가 있었다.

< 발명의 개시 >

본 발명의 목적은, 외부에 특별한 계측 장치를 두고, 전문 지식을 가진 작업자나 전문 지식을 가진 분석자에 의한 조사 분석을 필요로 하지 않고, 제어 대상에 맞는 전동기 제어를 실행이 가능한 전동기 제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 정확한 주파수 특성의 분석 결과를 산출하고, 용이하면서 저렴하게 적절한 전동기 제어를 실행하는 전동기 제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기계계의 주파수 특성을 정밀도 좋게 측정할 수 있는 전동기 제어 장치의 제어 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 속도 제어계에 관해, 그 진동 억제를 실현하고, 파라미터 조정에 대해서도 종래 기술보다 용이하고, 이론적으로 1개의 파라미터로 진동 억제기의 파라미터와 I-P 제어기의 파라미터의 동시 조정을 실현할 수 있는 전동기 제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 메커니즘 특성이 2관성계인 속도 제어계와 위치 제어계에 관해, I-P 제어(적분-비례 제어)와 PI 제어의 양측에 대응하고, 진동 억제기와 속도 제어기와 위치 제어기의 파라미터의 동시 조정을 실현할 수 있는 전동기 제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 메커니즘 특성이 2관성계에 근사한 기계 부하 속도를 제어하는 속도 제어계 및 기계 부하 위치를 제어하는 위치 제어계에 관해, I-P 제어와 PI 제어의 양측에 대응한 진동 억제기와 속도 제어기 및 제어 파라미터의 동시 조정을 실현할 수 있는 전동기 제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 전동기 제어 장치의 조정을 저렴하면서 쉽게 실행할 수 있는 전동기 제어 장치의 제어 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제1 태양에서는, 서보 장치에서 전동기에 보내지는 동작 신호와 등가인 동작 신호와, 전동기의 회전 속도 신호, 기계의 가동부의 위치 신호, 기계의 가속도, 속도, 변형 등의 센서 신호 중 어느 하나를 주파수 분석하고, 분석 결과를 고려하여 새로운 전동기 제어를 행한다.

그럼으로써, 전문 지식을 가진 작업자나 분석자를 필요로 하지 않고 제어 대상에 맞는 전동기 제어를 행할 수 있다.

본 발명의 제2 태양에서는, 분석 장치에서 주파수 분석시에 에일리어싱 오차가 발생하지 않도록, 측정 주파수 범위외의 불필요한 주파수 성분을 포함하지 않는 동작 지령 신호를 작성하고, 동작 지령 신호와 회전 검출기 신호를 주파수 분석한다.

분석 장치에서 작성된 동작 지령 신호는 최대 측정 주파수 이하의 성분이기 때문에, 최대 측정 주파수 이상의 기계 공진을 여기하지 않고, 따라서 회전 검출기 신호에는 최대 측정 주파수 이상 성분이 포함되지 않고, 에일리어싱 오차가 발생하지 않기 때문에, 반공진점과 동진점을 정확하게 관찰할 수 있으므로 정확한 분석결과를 얻는다. 따라서, 전동기 제어 장치의 평가가 가능해지고, 새로운 서보 조작 지령을 설정하여 최적의 전동기 제어를 행할 수 있게 된다.

본 발명의 제3 태양에서는, 연산 장치에서 서보 장치로 출력되는 동작 지령 신호를 전동기의 정회전측과 역회전측에서 대칭으로 실행한다.

그럼으로써 전동기의 동작에 의한 가동부의 이동량을 상쇄할 수 있고, 가동부의 위치에 의한 주파수 특성 측정시의 오차 요인을 제거할 수 있으므로 상기 주파수 특성을 정밀도 좋게 측정할 수 있다.

이 경우, 동작 지령 신호 중 저주파수 성분의 진폭을 작게, 고주파수 성분의 진폭을 크게 함으로써, 전동기의 동작에 의한 가동부의 이동량을 저감할 수 있으므로 주파수 특성을 더욱 정밀도 좋게 측정할 수 있다.

본 발명의 제4 태양에서는, 동작 지령 신호와 회전 검출 신호로부터 연산 장치에서 주파수 특성을 연산하고, 주파수 특성의 형상으로부터 공진 주파수와 반공진 주파수를 자동적으로 산출하고, 이 연산 결과에 기초하여 전동기 제어 장치를 자동적으로 조정한다.

저렴한 연산 장치를 사용하여 간단한 입력 정보를 부여하는 것만으로, 쉽고 신속하게 적절한 전동기 제어의 조정을 자동적으로 행할 수 있다.

본 발명의 제5 태양에서는, 속도 지령을 입력하고, 전동기 속도가 속도 지령과 일치하도록 I-P 제어를 구성하고, 토크 지령을 결정하는 속도 제어기와, 토크 지령을 입력하여 전동기를 구동하는 전류 제어기와, 전동기 전류 및 전동기 속도를 검출하는 검출기를 구비하는 전동기 제어 장치가, 전동기 속도와 기계 부하 속도로부터 비틀림각 속도를 산출하고, 비틀림각 속도를 사용하여 진동을 억제하는 진동 억제기와, 속도 제어기의 파라미터와 진동 억제기의 파라미터를 동시에 조절하는 수단을 구비하고 있다.

속도 제어계에 관해 속도 루프 게인(loop gain) (Kv), 적분 시정수(1/Ti), 비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd) 중 1개의 파라미터 값이 이론적으로 얻어지기 때문에, 진동 억제기와 I-P 제어기의 파라미터의 동시 조정이 가능해지고, 2관성계에 있어서 안정을 유지한 상태에서 목표 응답을 올렸다 내렸다 하여 기계계의 진동을 여진하는 일 없이 전동기를 고응답으로 속도 제어할 수 있다.

본 발명의 제6 태양에서는, 속도 지령을 입력하고, 전동기 속도가 속도 지령과 일치하도록 토크 지령을 결정하는 속도 제어기와, 토크 지령을 입력하여 전동기를 구동하는 전류 제어기와, 전동기 전류, 전동기 속도 및 기계 부하 속도를 각각 검출하는 검출기를 구비하는 전동기 제어 장치가, I-P 제어와 PI 제어를 연속적으로 전환하는 파라미터(α)를 구비하고, 전동기 속도와 기계 부하 속도로부터 비틀림각 속도를 산출하고, 비틀림각 속도를 사용하여 진동을 억제하는 진동 억제기와, 속도 제어기의 파라미터와 진동 억제기의 파라미터를 동시에 조절하는 수단을 구비하고 있다.

속도 제어계와 위치 제어계에 관해, I-P 제어와 PI 제어의 양측에 대응하고, 속도 루프 게인(Kv), 적분 시정수(1/Ti), 비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd), 위치 루프 게인(Kp)의 파라미터 값을 쉽게 얻을 수 있기 때문에, 진동제어기와 속도 제어기와 위치 제어기의 파라미터의 동시 조정이 가능해지고, 목표 응답을 변경하고자 하는 경우에는 목표 응답 주파수(ω)를 변경함으로써 안정성을 유지한 상태에서 조절할 수 있다. 또한, 파라미터(α)에 연동하여 감쇄 계수(ζ)를 변경함으로써 조정 시간을 단축할 수 있다.

본 발명의 제7 태양에서는, 속도 지령을 입력하고, 기계 부하 속도가 상기 속도 지령과 일치하도록 토크 지령을 결정하는 속도 제어기와, 토크 지령을 입력하여 전동기를 구동하는 전류 제어기와, 전동기 전류, 전동기 속도 및 기계 부하 속도를 검출하는 검출기를 구비하는 전동기 제어 장치가, I-P 제어와 PI 제어를 연속적으로 전환하는 파라미터(α)와, 전동기 속도와 기계 부하 속도로부터 비틀림각 속도를 산출하고 상기 비틀림각 속도를 사용하여 진동을 억제하는 진동 억제기와, 상기 속도 제어기의 파라미터와 상기 진동 억제기의 파라미터를 동시에 조절하는 수단을 구비하고 있다.

기계 부하 속도를 제어하는 속도 제어계와 기계 부하 위치를 제어하는 위치 제어계에 관해, I-P 제어와 PI 제어의 양측에 대응한, 속도 루프 게인(Kv), 적분 시정수(1/Ti), 비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd), 위치 루프 게인(Kp)의 파라미터 값을 쉽게 얻을 수 있기 때문에, 진동 억제기, 속도 제어기, 위치 제어기의 파라미터의 동시에 조정할 수 있게 되고, 목표 응답을 변경하고자 하는 경우에는 목표 응답 주파수(ω)를 변경함으로써 안정성을 유지한 상태에서 조절할 수 있다. 또한, 파라미터(α)에 연동시켜 감쇄 계수(ζ)를 변경함으로써 조정 시간을단축할 수 있다.

본 발명은 가동부와, 이 가동부를 지지하는 비가동부를 갖는 기계의 가동부를 전달 기구를 통해 구동하는 전동기를 제어하는 전동기 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 제1 종래예의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 2는 제2 종래예의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 3은 제2 종래예의 동작 지령 신호의 주파수 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 제2 종래예의 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 제2 종래예에 있어서의 에일리어싱 오차 발생의 원리도이다.

도 6은 종래의 전동기 제어 장치의 주파수 특성을 나타낸 보드선도이다.

도 7은 종래의 전동기 제어 장치의 주파수 특성 측정시의 전동기 위치를 나타낸 도면이다.

도 8은 제3 종래예의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 9는 본 발명의 제1 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 10은 본 발명의 제2 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 11은 본 발명의 제3 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 12는 본 발명의 제4 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 13은 본 발명의 제5 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 14는 본 발명의 제6 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 15는 제6 실시 형태의 동작 지령 신호의 주파수 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 16은 제6 실시 형태의 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 17은 본 발명의 제7 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 18은 제7 실시 형태의 전동기 제어 장치의 주파수 특성을 나타낸 보드선도이다.

도 19는 제7 실시 형태의 변형예의 전동기 제어 장치의 주파수 특성을 나타낸 게인 곡선도이다.

도 20은 제7 실시 형태에 있어서의 동작 지령 신호의 제1 예를 나타낸 도면이다.

도 21은 제7 실시 형태에 있어서의 동작 지령 신호의 제2 예를 나타낸 도면이다.

도 22는 제7 실시 형태의 주파수 특성 측정시의 전동기 위치를 나타낸 도면이다.

도 23은 제7 실시 형태의 변형예에 있어서의 동작 지령 신호를 나타낸 도면이다.

도 24는 제7 실시 형태의 변형예에 있어서의 주파수 특성 측정시의 전동기 위치를 나타낸 도면이다.

도 25는 제7 실시 형태의 변형예에 있어서의 동작 지령 신호의 주파수 분석 결과를 나타낸 도면이다.

도 26은 본 발명의 제8 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 27은 제8 실시 형태의 동작을 나타낸 플로차트이다.

도 28은 제8 실시 형태의 주파수 특성을 나타낸 도면이다.

도 29는 본 발명의 제9 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 30은 도 29에 도시한 전동기 제어 장치의 2관성계 튜닝의 블록도이다.

도 31은 도 29에 도시한 전동기 제어 장치에서 스텝 입력에 대해 진동 억제기가 비동작중인 경우의 응답 파형을 나타낸 도면이다.

도 32는 도 29에 도시한 전동기 제어 장치에서 스텝 입력에 대해 진동 억제기가 동작중인 경우의 응답 파형을 나타낸 도면이다.

도 33은 본 발명의 제10 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 34는 도 33에 도시한 전동기 제어 장치의 2관성계 튜닝의 블록도이다.

도 35는 도 33에 도시한 전동기 제어 장치의 속도 제어계(I-P 제어)에서 진동 억제기가 동작중인 응답 파형을 나타낸 도면이다.

도 36은 도 33에 도시한 전동기 제어 장치의 속도 제어계(PI 제어)에서 진동 억제기가 동작중인 응답 파형을 나타낸 도면이다.

도 37은 도 33에 도시한 전동기 제어 장치의 위치 제어계(I-P 제어)에서 진동 억제기가 동작중인 응답 파형을 나타낸 도면이다.

도 38은 도 33에 도시한 전동기 제어 장치의 위치 제어계(PI 제어)에서 진동 억제기가 동작중인 응답 파형을 나타낸 도면이다.

도 39는 본 발명의 제11 실시 형태의 전동기 제어 장치의 블록도이다.

도 40은 도 39에 도시한 전동기 제어 장치의 2관성계 튜닝의 블록도이다.

도 41은 도 39에 도시한 전동기 제어 장치의 속도 제어계(I-P 제어)에서 진동 억제기가 동작중인 응답 파형을 나타낸 도면이다.

도 42는 도 39에 도시한 전동기 제어 장치의 속도 제어계(PI 제어)에서 진동 억제기가 동작중인 응답 파형을 나타낸 도면이다.

도 43은 도 39에 도시한 전동기 제어 장치의 위치 제어계(I-P 제어)에서 진동 억제기가 동작중인 응답 파형을 나타낸 도면이다.

도 44는 도 39에 도시한 전동기 제어 장치의 위치 제어계(PI 제어)에서 진동 억제기가 동작중인 응답 파형을 나타낸 도면이다.

< 발명을 실시하기 위한 최량의 형태 >

도 9는 본 발명의 제1 실시 형태의 전동기 제어 장치를 도시한 블록도이다.

전동기(5)는, 가동부(7) 및 가동부(7)를 지지하는 비가동부(8)를 갖는 기계의 가동부(7)를 전달 기구(6)를 통해 구동한다. 회전 검출기(4)는 전동기(5)의 회전 속도를 검출한다. 서보 장치(3)는 토크 지령(9)에 기초하여 입력 토크 신호(12)에 의해 전동기(5)를 제어한다. 기억 장치(2)는 입력 토크 신호(9)와 등가인 입력 토크 신호(11)와 회전 검출기(4)로부터의 회전 속도 신호(10)를 기억한다. 분석 장치(1)는, 분석 지령(13)에 의해 입력 토크 신호(11)와 회전 속도 신호(10)를 주파수 분석하고, 분석 결과(14)를 서보 조작 지령(15)으로서 서보 장치(3)로 출력한다. 여기서, 서보 조작 지령(15)이란 서보 장치(3)의 파라미터를 변경하는 분석 결과(14)를 서보 장치(3)의 파라미터로서 부여하는 지령을 말한다.

이어서, 본 실시 형태의 동작을 설명한다.

랜덤파 신호, 저속 소인(掃引) 정현파 신호, 고속 소인 정현파 신호, 스텝파신호 또는 임팩트 토크 신호 등의 토크 신호(9)가 동작 지령 신호로서 서보 장치(3)에 부여되면, 서보 장치(3)는 전동기(5)에 토크 신호(9)에 대응하는 동작 신호(입력 토크 신호;12)를 보낸다. 전동기(5)는 동작하고, 전달 기구(6)를 통해 가동부(7)가 동작하여 진동을 발생한다. 회전 검출기(4)는 전동기(5)의 회전 속도를 검출하고, 기억 장치(2)에 회전 속도 신호(10)를 보낸다. 서보 장치(3)는 입력 토크 신호(12)와 등가인 입력 토크 신호(11)를 기억 장치(2)에 보낸다. 기억 장치(2)는 입력 토크 신호(11)와 회선 속도 신호(10)를 기억한다. 분석 장치(1)는 기억 장치(2)에 기억되어 있는 입력 토크 신호(11)와 회전 속도 신호(10)를 FFT(Fast Fourie 변환)에 의한 주파수 분석한다.

주파수 분석에서는 입력 토크 신호(11)와 회전 속도 신호(10)를 임의로 설정한 시간으로 나누고, 주파수 분석한 후에 평균화 연산을 행한다. 임의로 설정한 시간으로 나눈 입력 토크 신호(11)를 주파수 분석한 주파수 분석 결과(Sx)와 임의로 설정한 시간으로 나눈 회전 속도 신호(10)를 주파수 분석한 주파수 분석 결과(Sy)를 구한다. 입력 토크 신호(11)의 주파수 분석 결과(Sx)와 주파수 분석 결과(Sx)의 복소 공액(Sx*)을 곱한 후에 평균화한다. 회전 속도 신호(10)의 주파수 분석 결과(Sy)와 입력 토크 신호(11)의 주파수 분석 결과(Sx)의 복소 공액(Sx*)을 곱한 후에 평균화한다. 각각의 결과를 식(2)에 따라 연산을 행하여 주파수 응답 함수(Hyx)를 구한다.

주파수 분석에는 FFT 외에 블랙맨-터키법, 자기 회귀법, 이동 평균법, 자기 회귀 이동 평균법이나 웨이블렛 변환을 사용해도 된다. 회전 속도 신호(10) 대신에 회전 속도 신호(10)를 변환하여 가동부(7)의 위치로 환산한 신호를 사용해도 된다. 또한, 상기 식(2)대신에 식(3) 등, 식(2)와 수학적인 등가의 식을 사용해도 된다.

주파수 응답 함수(Hyx)의 진폭이 골 및 산으로 나타나는 주파수는, 기계의 고유 진동수로서, 분석 장치(1)는 분석 결과(13)를 받아 기계의 진동 특성인 고유 진동수를 쉽게 검출할 수 있고, 분석 결과(14)를 출력한다. 분석 결과(14)를 고려하여 서보 장치(3)에 서보 조작 지령(15)을 부여함으로써, 새로운 전동기 제어를 행한다. 상기한 예에서는 진동을 발생시키기 위해 전동기(5)를 사용하였으나, 외부의 가진(加振) 장치를 장착하여 진동을 발생시키고, 입력 토크 신호(12) 대신에 외부 가진 신호를 사용해도 된다.

도 10은 본 발명의 제2 실시 형태의 전동기 제어 장치를 도시한 블록도이다.

본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태의 가동부(7)에 위치 검출기(16)가 설치되고, 가동부 위치 신호(17)가 기억 장치(2)에 기억된다.

이어서, 본 실시 형태의 동작에 대해 설명한다.

램덤파 신호, 저속 소인 정현파 신호, 고속 소인 정현파 신호 또는 임팩트 토크 신호 등의 지령 신호(9)를 서보 장치(3)로 보낸다. 서보 장치(3)는전동기(5)에 동작 지령 신호(토크 신호;9)에 대응하는 동작 신호(입력 토크 신호;12)를 보낸다. 전동기(5)는 동작하여 전달 기구(6)를 통해 가동부(7)가 동작하여 진동을 발생시킨다. 위치 검출기(16)는 가동부(7)의 위치를 검출하여 기억 장치(2)에 가동부 위치 신호(17)를 보낸다. 서보 장치(3)는 입력 토크 신호(12)와 등가인 입력 토크 신호(11)를 기억 장치(2)에 보낸다. 기억 장치(2)는 입력 토크 신호(11)와 가동부 위치 신호(17)를 기억한다. 분석 장치(1)는 입력 토크 신호(11)와 가동부 위치 신호(17)를 FFT(Fast Fourie 변환)에 의해 주파수 분석한다.

주파수 분석에서는 입력 토크 신호(11)와 가동부 위치 신호(17)를 임의로 설정한 시간으로 나누고, 주파수 분석한 후에 평균화 연산을 행한다. 임의로 설정한 시간으로 나눈 입력 토크 신호(11)를 주파수 분석한 주파수 분석 결과(Sx)와 임의로 설정한 시간으로 나눈 가동부 위치 신호(17)를 주파수 분석한 주파수 분석 결과(Sy)를 구한다. 입력 토크 신호(11)의 주파수 분석 결과(Sx)와 주파수 분석 결과(Sx)의 복소 공액(Sx*)을 곱한 후에 평균화한다. 가동부 위치 신호(17)의 주파수 분석 결과(Sy)와 입력 토크 신호(11)의 주파수 분석 결과(Sx)의 복소 공액(Sx*)을 곱한 후에 평균화한다. 각각의 결과를 상기 식(1)에 따라 연산을 행하여 주파수 응답 함수(Hyx)를 구한다.

주파수 분석에는 FFT 외에 블랙맨-터키법, 자기 회귀법, 이동 평균법, 자기 회귀 이동 평균법이나 웨이블렛 변환을 사용해도 된다. 또한, 상기 식(2) 대신에 식(3) 등, 식(2)와 수학적으로 등가의 식을 사용해도 된다. 주파수 응답함수(Hyx)의 진폭이 골 및 산으로 나타나는 주파수는, 기계의 고유 진동수로서, 분석 장치(1)는 분석 지령(13)을 받아 기계의 진동 특성인 고유 진동수를 쉽게 검출할 수 있고, 분석 결과(14)를 출력한다. 분석 결과(14)를 고려하여 서보 장치(3)에 서보 조작 지령(15)을 부여함으로써, 새로운 전동기 제어를 행한다. 상기한 예에서는 진동을 발생시키기 위해 전동기(5)를 사용하였으나, 외부의 가진 장치를 장착하여 진동을 발생시키고, 입력 토크 신호(12) 대신에 외부 가진 신호를 사용해도 된다.

본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태의 가동부(7)에 계측 센서(18)가 설치되고, 센서 신호(19)가 기억 장치(2)에 기억된다.

이어서, 본 실시 형태의 동작에 대해 설명한다.

램덤파 신호, 저속 소인 정현파 신호, 고속 소인 정현파 신호 또는 임팩트 토크 신호 등의 동작 지령 신호(9)를 서보 장치(3)에 보낸다. 서보 장치(3)는 전동기(5)에 동작 지령 신호(토크 신호;9)에 대응하는 동작 신호(입력 토크 신호;12)를 보낸다. 전동기(5)가 동작하여 전달 기구(6)를 통해 가동부(7)가 동작한다. 계측 센서(18)는 가동부(7)의 진동을 검출하고, 기억 장치(2)에 가동부(7)의 센서 신호(19)를 보낸다. 계측 센서(18)를 비가동부(8), 전달 기구(6)에 설치해도 된다. 계측 센서(18)에는 가속도계, 속도계, 변위계, 변형계 등을 사용한다. 센서 신호(19)는 그에 대응하여 가속도, 속도, 변위, 변형 등이 된다.

서보 장치(3)는 입력 토크 신호(12)와 등가인 입력 토크 신호(11)를 기억 장치(2)에 보낸다. 기억 장치(2)는 입력 토크 신호(11)와 센서 신호(19)를 기억한다. 분석 장치(1)는 입력 토크 신호(11)와 센서 신호(19)를 FFT(Fast Fourie 변환)에 의해 주파수 분석한다.

주파수 분석에서는 입력 토크 신호(11)와 센서 신호(19)를 임의로 설정한 시간으로 나누고, 주파수 분석한 후에 평균화 연산을 행한다. 임의로 설정한 시간으로 나눈 입력 토크 신호(11)를 주파수 분석하여 주파수 분석 결과(Sx)와 임의로 설정한 시간으로 나눈 센서 신호(19)를 주파수 분석한 주파수 분석 결과(Sy)를 구한다. 입력 토크 신호(11)의 주파수 분석 결과(Sx)와 주파수 분석 결과(Sx)의 복소 공액(Sx*)을 곱한 후에 평균화한다. 센서 신호(19)의 주파수 분석 결과(Sy)와 입력 토크 신호(11)의 주파수 분석 결과(Sx)의 복소 공액(Sx*)을 곱한 후에 평균화한다. 각각의 결과를 상기 식(2)에 따라 연산을 행하여 주파수 응답 함수(Hyx)를 구한다.

주파수 분석에는 FFT 외에 블랙맨-터키법, 자기 회귀법, 이동 평균법, 자기 회귀 이동 평균법이나 웨이블렛 변환을 사용해도 된다.

식(2) 대신에 식(3) 등, 식(2)와 수학적으로 등가인 식을 사용해도 된다. 주파수 응답 함수(Hyx)의 진폭이 산으로 나타나는 주파수는, 기계의 고유 진동수이고, 분석 장치(1)는 분석 결과(13)를 받아 기계의 진동 특성인 고유 진동수를 쉽게 검출할 수 있고, 분석 결과(14)를 출력한다. 계측 센서(18)를 복수개 갖는 경우에는, 주파수 응답 함수(Hyx)가 복수개 존재하고, 복수의 주파수 응답 함수(Hyx)로부터 진동 모드를 연산한다. 분석 장치(1)는 분석 결과(14)로서 진동 모드를 출력할수도 있다.

분석 결과(14)를 고려하여 서보 장치(3)에 서보 조작 지령(15)을 부여함으로써, 새로운 전동기 제어를 행한다. 상기한 예에서는, 진동을 발생시키기 위해 전동기(5)를 사용하였으나, 외부의 가진 장치를 장착하여 진동을 발생시키고, 입력 토크 신호(11) 대신에 외부 가진 신호를 사용해도 된다.

본 실시 형태는 제1 실시 형태에 입력 장치(20)와 표시 장치(21)와 기억 장치(22)를 구비한 것이다.

표시 장치(21)는 분석 장치(1)의 분석 결과(14)를 표시하는 기능을 갖는다. 표시 장치(21)는 추가로 동작 지령 신호(토크 신호;9), 회전 속도 신호(10), 입력 토크 신호(11), 입력 토크 신호(12), 분석 지령(13), 서보 조작 지령(15), 기억 내용(23), 기억 내용(24)를 표시해도 된다. 또한, 서보 장치(3)의 설정 내용(25)을 표시해도 된다. 기억 장치(22)는 분석 장치(1)의 분석 결과(14)를 기억하는 기능을 갖는다. 기억 장치(22)는 추가로 토크 신호(9), 회전 속도 신호(10), 입력 토크 신호(11), 입력 토크 신호(12), 분석 지령(13), 서보 조작 지령(15), 입력 내용(24)를 기억해도 된다. 또한, 서보 장치(3)의 설정 내용(25)을 기억해도 된다. 입력 장치(20)는 입력 내용(24)을 받아 분석 지령(13)으로서 분석 장치(1)에 부여하는 입력 기능을 갖는다. 입력 장치(20)는 추가로 토크 신호(9), 서보 조작 지령(15)를 입력해도 된다. 또한, 기억 장치(22)로의 입력 장치로 해도 된다.

그 외의 동작은 제1 실시 형태와 동일하다. 그리고, 제2, 제3 실시 형태에입력 장치(20)와 표시 장치(21)와 기억 장치(22)를 구비해도 된다.

본 실시 형태는 제4 실시 형태에 있어서, 분석 장치(1)에서 출력된 분석 결과(14)를 지령 신호(9)로서 서보 장치(3)에 부여함과 동시에 서보 조작 지령(15)으로서 서보 장치(3)에 부여하도록 한 것이다.

본 예는, 서보 조작 지령(15)을 분석 결과(14)에 따라 변경하면서 전동기(5)를 동작시켜 기계를 가진하는 예와, 주파수 영역에서 일정 레벨의 가진력 또는 가진 토크를 전동기(5)에 부여하여 기계를 가진하는 예인데, 계측 조건을 임의로 설정하여 분석 장치(1), 서보 장치(3) 및 기억 장치(22)의 입력과 출력을 설정해도 되고, 동작 지령 신호(9), 회전 속도 신호(10), 입력 토크 신호(11), 제어 신호(12), 분석 지령(13), 분석 결과(14), 기억 내용(23) 중 어느 하나를 동작 지령 신호(9), 분석 지령(13), 분석 결과(14), 기억 내용(23) 중 어느 하나에 부여하여 사용해도 된다.

그리고, 제2, 제3 실시 형태에 대해서도 본 실시 형태와 동일한 구성으로 할 수 있다.

도 14는 본 발명의 제6 실시 형태의 전동기 제어 장치를 도시한 도면이다.

본 실시 형태는 제1 실시 형태의 분석 장치(1)와 계측 장치(2) 대신에 분석 장치(31), 입력 장치(32), 출력 장치(34)를 구비한 것이다.

이어서, 본 실시 형태의 동작에 대해 설명한다.

조작 명령을 입력 장치(32)로부터 분석 장치(31)에 부여하면, 분석 장치(31)는 최대 측정 주파수 이하의 성분만의 동작 지령 신호(9)를 작성한다. 동작 지령 신호(9)는 랜덤파 신호, 저속 소인 정현파 신호, 고속 소인 정현파 신호 등이 있는데, 측정 주파수 범위외의 성분을 포함하지 않고, 주파수 분석하면 최대 측정 주파수 이하의 성분만을 갖는다. 저속 소인 정현파 신호 및 고속 소인 정현파 신호는 최대 측정 주파수 이하까지 소인하여 작성하고, 랜덤파 신호는 예컨대 「스펙트르 해석」 히노 미키오 저(1977)에 게재된 공지의 방법에 의해 최대 측정 주파수 이하의 성분만의 랜덤파 신호를 작성하고, 동작 지령 신호(9)로 한다. 동작 지령 신호(9)는 서보 장치(3)를 경유하여 동작 지령 신호(9)와 등가인 동작 신호(12)로 되어 전동기(5)에 보내진다. 전동기(5)는 동작하고, 전달 기구(6)를 통해 가동부(7)가 동작하여 진동을 발생한다. 회전 검출기(4)는 전동기(5)의 회전과 진동을 검출하고, 회전 속도 신호(10)가 서보 장치(3)를 경유하여 분석 장치(31)에 전송된다.

분석 장치(31)에서는 동작 지령 신호(9)와 회전 검출기 신호(11)를 제1 실시 형태와 동일한 방법으로 FFT(Fast Fourie 변환)에 의해 주파수 분석한다. 분석 장치(31)는 분석 결과(35)를 출력 장치(34)에 출력한다.

전동기 제어 장치의 주파수 특성인 분석 결과(35)로부터 새로 서보 장치(3)에 서보 조작 지령(15)을 부여함으로써 최적의 전동기 제어를 행한다.

상기한 예에서는, 동작 신호(12)를 동작 지령 신호(9)와 등가인 것으로서 사용하였으나, 동작 신호(12)와 동작 지령 신호(9)와 회전 검출기 신호(11)의 성분을 포함하는 신호로서 사용해도 된다.

상기한 예에서는 주파수 분석에는 FFT를 사용하였으나, 그 외에 디지털 푸리에 변환, 블랙맨-터키법, 자기 회귀법, 이동 평균법, 자기 회귀 이동 평균법이나 웨이블렛 변환을 사용해도 된다.

상기한 예에서는 주파수 분석에 회전 검출기 신호(11)를 사용하였으나, 회전 검출기 신호(11) 대신에 회전 검출기 신호(11)를 미분, 적분 또는 계수를 곱하는 등, 회전 검출기 신호(11)를 변환한 신호를 사용해도 된다. 또한, 회전 검출기 신호(11) 대신에 가동부(7)의 동작을 나타내는 신호 측정 장치로부터 얻은 위치 신호, 속도 신호나 가속도 신호를 사용해도 된다.

상기한 예에서는 동작 지령 신호(9)와 회전 검출기 신호(11)를 설정한 시간으로 나누고, 주파수 분석하여 나눈 회수(n)로 평균화하였으나, 동작 지령 신호(9)와 회전 검출기 신호(11)를 그대로 주파수 분석하고, 동작 지령 신호(9)에 의한 동작을 복수회 실행하고, 실행 횟수(n)에 의해 평균화를 행해도 된다.

상기한 예에서는 분석 결과(35)를 출력 장치(34)로 출력하였으나, 출력 장치(34)는 분석 장치(31)에 부수되는 기억 장치와 바꿔도 되며 또는 분석 결과(35)를 기억 장치나 접속 장치를 통해 별도의 출력 장치로부터 출력해도 된다.

상기한 예에서는 분석 결과(35)를 얻기 위해 전동기(5)를 사용하였으나, 전동기 제어 장치의 외부에 가진 장치를 장착해도 된다.

도 15는 본 실시 형태에 있어서의 동작 지령 신호(9)의 주파수 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 분석 장치(31)에서 작성한 동작 지령 신호(9)의 주파수 분석 결과는, 최대 frmax까지의 최대 측정 주파수(fq) 이하의 성분 밖에 갖고 있지 않다.

도 16은 본 실시 형태에 있어서의 분석 결과를 나타낸 도면이다. 분석 장치(31)에서 작성된 동작 지령 신호(9)는 최대 측정 주파수(fq) 이하의 성분이기 때문에, 최대 측정 주파수(fq) 이상의 기계 공진(f4, f5)을 여기하지 않으므로, 회전 검출기 신호(11)에는 f4, f5 성분이 포함되지 않고 에일리어싱 오차가 발생하지 않기 때문에, 반공진점(f0)과 공진점(f1, f2, f3)을 정확하게 관찰할 수 있고, 정확한 분석 결과를 얻는다. 따라서, 전동기 제어 장치의 평가가 가능해지고, 새로운 서보 조작 지령을 설정하여 최적의 전동기 제어를 행할 수 있게 된다.

도 17은 본 발명의 제7 실시 형태의 전동기 제어 장치를 도시한 도면이다.

연산 장치(36)는 동작 지령 신호(37)를 작성하고, 서보 장치(3)를 경유하여 동작 지령 신호(37)와 등가인 제어 신호(12)를 전동기(5)로 보낸다. 그럼으로써 전동기(5)가 동작하고, 전달 기구(6)를 통해 가동부(7)가 동작하고, 비가동부(8)를 포함한 부하 기계가 진동을 발생한다. 회전 검출기(4)는 전동기(5)의 회전과 진동을 검출하여 회전 검출기 신호(10)가 서보 장치(3)를 경유하여 연산 장치(36)에 전송된다. 연산 장치(36)는 동작 지령 신호(37)와 회전 검출기 신호(38)를 주파수 분석하고, 주파수 특성(39)을 구한다.

본 실시 형태의 전동기 제어 장치에서는, 도 20에 도시한 바와 같이 정회전을 개시로 하는 동작 지령 신호(37)와 역회전을 개시로 하는 동작 지령 신호(37)의 반복 동작에 의해 주파수 특성을 측정한다. 또는 도 21에 도시한 바와 같이 정회전 개시와 역회전 개시의 신호를 포함하는 연속한 동작 지령 신호(37)에 의해 주파수 특성을 측정한다.

도 22는 본 실시 형태의 주파수 특성 측정시의 전동기 위치를 도시한 예이다. 상기 동작 지령 신호(37)에 의해 전동기를 동작시켜 주파수 특성을 측정하기 때문에, 전동기 위치가 어긋나서 가동부(7)가 이동하되, 반대측으로 전동기 위치가 이동하고, 가동부(7)가 원래 위치로 돌아온다. 따라서, 동작 회수가 증가하거나 장시간 동작해도 도 18에 나타낸 바와 같이 최종적인 가동부(7)의 위치가 변하지 않고 정밀도 좋게 주파수 특성을 측정할 수 있게 된다.

그리고, 본 실시 형태에서는 동작 지령 신호(37)를 정회전에서 개시하여 역회전으로 하였으나, 역회전에서 개시하여 정회전으로 해도 된다. 또한, 동작 지령 신호(37)를 도 21a에서는 최초로 정회전을 저주파수에서 개시하여 고주파수까지 소인하고, 역회전을 고주파수에서 저주파수까지 소인하는 신호로 하였으나, 도 21b와 같이 동작 지령 신호(37)를 최초로 정회전을 저주파수에서 개시하여 고주파수까지 정현파를 소인하고, 역회전을 저파수에서 고주파수까지 소인하는 신호로 해도 되며, 동작 지령 신호(37)는 이동량이 상쇄되는 신호를 사용하면, 도 20이나 도 21에 나타낸 조합 이외여도 된다.

본 실시 형태의 변형예에서는, 동작 지령 신호(37)를 도 23에 도시한 바와 같이 저주파수 성분이 작고 고주파수 성분이 큰 동작 지령 신호(37)로 한다.

도 19는 본 변형예에 있어서의 전동기 제어 장치의 주파수 특성을 나타낸 게인 곡선을 나타내고 있다.

본 예에서는, 도 23에 도시한 주파수 성분이 균일한 진폭의 소인 정현파를미분하고, 또한 진폭의 평균값이 원래의 소인 정현파와 동일해지도록 스케일링한 것을 동작 지령 신호(37)로 하고 있다. 이 동작 지령 신호(37)는 도 24에 도시한 바와 같이 전동기 위치가 크게 감소하여 가동부(7)의 이동량이 적기 때문에 정밀도 좋게 주파수 특성을 측정할 수 있다.

그리고, 도 25a에서는 동작 지령 신호(37)의 최저 주파수(Fmin)에서 최고 주파수(Fmax)까지 주파수 분석 결과의 게인이 일정해진다. 본 변형예의 동작 지령 신호(37)는, 도 25b와 같이 게인이 일정하지는 않지만, 완만하게 연속한 곡선이기 때문에, 측정한 주파수 특성은 도 19와 같이 된다. 형상이 도 18과는 다소 다르지만, 반공진 주파수와 공진 주파수는 완전히 동일한 효과를 얻을 수 있고, 주파수 특성을 측정하는 목적을 달성할 수 있다.

본 변형예에서 나타낸 소인 정현파는, 진폭의 평균치가 원래의 소인 정현파와 동일해지도록 스케일링하였으나, 임의의 진폭을 기준으로 스케일링해도 된다.

또한 본 변형예의 전동기 제어 장치에서는, 가동부(7)의 이동량을 저감하였으나, 소량의 이동량이 있기 때문에, 도 17의 상술한 전동기 제어 방법을 조합해도 된다.

그리고, 본 실시 형태에서는 동작 지령 신호(37)에 소인 정현파를 사용하였으나, 랜덤파 등 다른 신호를 사용해도 된다.

도 26은 본 발명의 제8 실시 형태의 전동기 제어 장치를 도시한 도면이다.

본 실시 형태의 전동기 제어 장치에 입력 장치(40)와 출력 장치(42)를 부가하여 구성되어 있다.

이어서, 본 실시 형태의 전동기 제어 장치의 동작을 도 27의 플로차트에 의해 설명한다.

우선, 단계 51로서 연산 장치(36)에 있어서 동작 지령 신호(37)로 작성하고, 서보 장치(3)를 경유하여 동작 지령 신호(37)와 등가인 제어 신호(12)를 전동기(5)에 보내고, 전동기(5)를 동작시키고, 전달 기구(6)를 통해 가동부(7)가 동작하여 진동을 발생시킨다. 회전 검출기(4)는 전동기(5)의 회전과 진동을 검출하고, 회전 검출기 신호(9)가 서보 장치(3)를 경유하여 연산 장치(36)에 전송되고, 연산 장치(36)에서는 동작 지령 신호(37)와 회전 검출기 신호(38)를 주파수 분석하여 주파수 응답 함수를 구한다.

다음의 단계 52로서, 주파수 응답 함수의 진폭의 형상이 상향 피크나 하향 피크로 나타나기 때문에, 복소 스펙트르 내삽법이나 평활화 미분법 등, 예컨대 「과학 계측을 위한 파형 데이터 처리」 미나미 시게오 저 CQ 출판(1986)에 게재된 공지의 피크 검출 방법 등에 의해 연산 장치(36)가 공진 주파수와 반공진 주파수를 구하고, 원하는 응답 주파수를 입력 장치(40)에 입력 정보(41)로서 입력하고, 연산 장치(36)가 서보 조작 지령(15)을 연산한다.

다음의 단계 53으로서, 연산 장치(36)에서 산출한 서보 조작 지령(15)이 서보 장치(3)에 자동적으로 부여되고, 최적의 전동기 제어를 행하여 조정을 완료한다.

본 실시 형태에서는, 동작 지령 신호(37)와 회전 검출기 신호(38)를 주파수 분석하여 주파수 응답 함수를 구했으나, 회전 검출기(4) 대신에 가동부(7)의 위치검출기 등 다른 센서를 사용해도 된다.

또한, 본 실시 형태에서는 연산 장치(36)에서 결정한 서보 조작 지령(15)을 바로 서보 장치(3)에 부여하였으나, 서보 조작 지령(15)을 일단 연산 장치(36)에서 출력 장치(42)에 출력해 두고, 나중에 서보 조작 지령(15)을 입력 장치(40)에서 입력 정보(41)로서 연산 장치(36)에 입력하고, 서보 조작 지령(15)를 부여해도 된다.

그리고, 본 실시 형태의 구성으로 이루어지고, 전달 기구(6)와 가동부(7)와 비가동부(8)가 동일 성능을 갖는 별도의 기계에 접속된 서보 장치(3)에 연산 장치(36)에서 결정한 서보 조작 지령(15)을 부여해도 된다.

또한, 도 27에 도시한 단계의 도중 경과를 일단 출력 장치(42)에 출력하고, 나중에 입력 장치(40)에 재입력하고, 이어지는 단계를 계속해도 된다.

그리고, 출력 장치(42)를 기억 장치로 바꾸고, 기억한 결과를 나중에 연산 장치(36)에 부여하여 이어지는 단계를 계속해도 된다.

도 29에 있어서, 속도 제어기(51)는 속도 지령(Vref)과 전동기(54)의 출력인 전동기 속도(Vfb)와 진동 억제기(53)의 출력인 진동 억제 신호(Tc)를 입력하고, 속도 지령(Vref)과 전동기 속도(Vfb)가 일치하도록 적분-비례 제어(I-P 제어)를 구성하여 토크 지령(τr)을 전류 제어기(52)에 출력한다. 전류 제어기(52)는 토크 지령(τr)을 입력하여 전동기(54)를 구동한다. 기계 부하(55)는 전동기(54)에 토크 전달용 연결축을 통해 결합되어 있다. 진동 억제기(53)는 전동기 속도(Vfb)와 기계 부하 속도의 편차인 비틀림각 속도를 입력하고, 진동 억제 신호(Tc)를 출력한다.

이어서, 본 발명의 전동기 속도 제어기(51)와 진동 억제기(53)와 전동기(54)와 기계 부하(55)에 대해 도 30을 사용하여 상세하게 설명한다. 속도 제어기(51)내의 감산기(62)는 속도 지령(Vref)에서 전동기 속도(Vfb)를 감산하여 속도 편차를 구하고, 적분기(63)는 속도 편차를 시정수(時定數)(Ti)로 적분한다. 감산기(64)는 적분기(63)의 출력에서 전동기 속도(Vfb)를 감산하고, 승산기(65)는 감산기(64)의 출력에 속도 루프 게인(Kv)을 승산한다.

진동 억제기(53)내의 적분기(67)는 비틀림각 속도(xa)를 적분하여 비틀림각을 구하고, 승산기(68)는 비틀림각에 비틀림각 게인(Ks)을 승산한다. 가산기(69)는 승산기(68)의 출력과 비틀림각 속도(xa)를 가산하고, 승산기(70)는 가산기(69)의 출력에 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 승산하여 진동 억제 신호(Tc)를 구한다. 또한, 감산기(66)는 승산기(65)의 출력에서 승산기(70)의 출력을 감산한다. 승산기(71)는 감산기(66)의 출력에 전동기측의 관성 모멘트(J1)를 승산하여 토크 지령(τr)을 결정한다. 도면중의 17은 2관성계 진동 모델로 잘 알려져 있고, J1은 전동기측의 관성 모멘트이고, J2는 기계 부하의 관성 모멘트, K는 기계 부하의 비틀림 강성치, xa는 비틀림각 속도이다. 또한, 1/s는 적분을 나타낸다.

이어서, 도 30의 2관성계에 있어서 속도 제어기(51)의 시정수(Ti), 속도 루프 게인(Kv), 진동 억제기(53)의 비틀림각 속도 게인(Ksd), 비틀림각 게인(Ks)의 튜닝 방법을 설명한다.

단, 반공진 주파수와 공진 주파수 및 전동기측과 기계 부하의 관성모멘트(J1, J2)는 이미 알고 있는 것으로 한다. 여기서, I-P 제어계의 속도 루프 게인(Kv), 시정수(Ti), 진동 억제계의 비틀림각 게인(Ks) 및 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 각각

(4)

라고 한다.

속도 지령(Vref)과 비틀림각 속도(xa)가 부여되었을 때의 I-P 제어기+진동 억제기의 출력을 다음 식(5)로 한다.

단, s는 라플라스 연산자, 1/s은 적분을 나타낸다.

도 30의 제어 대상의 블록도로부터 식(6), 식(7)로 된다.

단, s2는 2계미분을 나타낸다.

여기서, a, b를 각각 식(8)이라 한다.

여기서, a, b를 사용하여 식(6)과 식(7)을 다시 쓰면, 식(9)와 식(10)이 된다.

식(10)에 식(5)를 대입하면 다음의 식(11)을 얻을 수 있다.

Vfb=xa+xb이므로 식(11)은 식(12)가 된다.

식(10)을 다시 쓰면, 식(13)이 된다.

식(12)에 식(13)을 대입하여 전개하면, 식(14)가 된다.

이항하여 정리하면, 식(15)가 된다.

식(15)로부터 특성 방정식을 구하면 식(16)이 된다.

F(s)가 4차식이므로 안정 조건을 만족하기 위해,

4 중근(重根) s=-ω 및 ω＞0인 특성 방정식을 생각할 수 있다. 여기서, ω는 목표 응답 주파수라 한다.

여기서, ξ1=ξ2=2라 하면, 특성 방정식 식(18)을 이끌어낼 수 있다.

식(16)으로 나타낸 방정식은 식(19)가 된다.

따라서, 식(16)과 식(19)의 각 항(s0항, s1항, s2항, s3항)의 계수 비교를하면, 식(20)과 같이 각각 구할 수 있다.

I-P 제어기(51)와 진동 억제기(53)의 각 게인은 식(4')로부터 식(1)이 된다.

이어서, 본 발명에 의한 튜닝후의 속도 제어계의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 기계 부하 및 전동기의 각 파라미터는, 반공진 주파수(WL)를 50[㎐], 공진 주파수(WH)를 70[㎐]로 하고, 전동기측 관성 모멘트(J1)를 0.5102[Kgm2], 기계 부하 관성 모멘트(J2)를 0.4898[Kgm2], 기계 부하의 비틀림 강성치(K)를 4.8341e+4[Kgm2/s2]로 하였다. 여기서, 목표 응답 주파수(ω)를 60[㎐]로 설정하고, 시정수(Ti), 속도 루프 게인(Kv), 비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 식(18)에 기초하여 튜닝하였다.

튜닝후의 각 게인은 Kv=2171.5[rad/s], Ksd=-663.5, Ks=-685.2, Ti=10.6[ms]가 되었다. 도 31, 도 32는 단계 지령 입력시의 응답을 나타낸다. 40은 속도 지령, 41은 전동기 속도이다. 도 31은 튜닝후에 진동 억제기를 동작시키지 않은 경우의 응답 파형이고, 도 32는 진동 억제기를 동작시킨 경우의 응답 파형이다. 도 3은 진동이 일어났지만, 도 32는 오버 슈트도 없고, 2관성계에 의한 진동도 없는 이상적인 응답을 하고 있다.

이 결과로부터 2관성계에서 진동 억제를 실행하고, 또한 I-P 제어기의 파라미터(시정수(Ti), 속도 루프 게인(Kv))와 진동 억제기의 파라미터(비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd))를 자동 설정할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이와 같이 본 실시 형태에 의하면, 목표 응답을 변경하고자 하는 경우에는 목표 응답 주파수(ω)만 변경하면, 자동적으로 진동 억제를 행하면서 속도 루프의 조정도 가능하고, 종래와 같이 시행 착오를 거쳐 진동 억제기와 속도 제어기의 조정을 실행하지 않아도 되게 된다.

도 33에 있어서, 위치 제어기(56)는 위치 지령과 전동기(54)의 위치를 입력하고, 속도 지령을 속도 제어기(51)에 출력한다.

속도 제어기(51)는 속도 지령과 전동기(54)의 속도와 진동 억제기(53)의 출력인 진동 억제 신호(Tc)를 입력하고, 속도 지령과 전동기 속도가 일치하도록 속도 제어를 행하고, 토크 지령(τr)을 전류 제어기(52)에 출력한다. 전류 제어기(52)는 토크 지령(τr)을 입력하여 전동기(54)를 구동한다. 기계 부하(55)는 전동기(54)에 토크 전달용 연결축을 통해 결합되어 있다. 진동 억제기(53)는 전동기(54)의 속도와 기계 부하 속도의 편차를 입력하고, 진동 억제 신호(Tc)를 출력한다. 그리고, 기계 부하 속도를 검출할 수 없는 경우에는, 외란 옵서버 등을 사용하여 추정하면 된다.

이어서, 속도 제어기(51)와 진동 억제기(53)와 전동기(54)와 기계 부하(55)의 동작에 대해 도 34를 사용하여 상세하게 설명한다.

속도 제어기(51)내의 감산기(62)는 속도 지령(Vref)에서 전동기 속도(Vfb)를감산하여 속도 편차를 구하고, 적분기(63)는 속도 편차를 시정수(Ti)로 적분한다. 승산기(74)는 속도 지령에 계수(α)를 승산한다. 여기서, α=0인 경우에는 I-P 제어가 되고, α=1인 경우에는 PI 제어로 된다. 이와 같이 α를 0에서 1로 연속적으로 전환함으로써, 속도 제어계를 I-P 제어에서 PI 제어로 연속적으로 변경할 수 있다. 감산기(62)는 승산기(74)의 출력치와 적분기(63)의 출력치를 가산하고, 전동기 속도(Vfb)를 감산하고, 승산기(65)는 감산기(64)의 출력에 속도 루프 게인(Kv)을 승산한다.

진동 제어기(53)내의 적분기(67)는 비틀림각 속도(xa)를 적분하여 비틀림각을 구하고, 승산기(68)는 비틀림각에 비틀림각 게인(Ks)을 승산한다.

가산기(69)는 승산기(68)의 출력과 비틀림각 속도(xa)를 가산하고, 승산기(70)는 가산기(69)의 출력에 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 승산하여 진동 억제 신호(Tc)를 구한다.

또한, 감산기(66)는 승산기(65)의 출력에서 승산기(70)의 출력을 감산한다.

승산기(71)는 감산기(66)의 출력에 전동기측 관성 모멘트(J1)를 승산하고, 토크 지령(τr)을 결정한다. 여기서 진동 제어기(53)의 입력은 비틀림각 속도를 적분기(67)로 적분하여 비틀림각을 구하는데, 전동기 위치와 부하 위치를 알 수 있는 경우에는 비틀림각을 입력으로 하여 진동 억제기를 구성해도 된다.

도면중의 17은 2관성계 진동 모델로 잘 알려져 있고, J1은 전동기측 관성 모멘트, J2는 기계 부하의 관성 모멘트, K는 기계 부하의 비틀림 강성치, xa는 전동기 속도와 기계 부하 속도의 편차로부터 구하는 비틀림각 속도이다. 또한, 1/s는 적분을 나타낸다.

이어서, 도 34의 2관성계에 있어서, 속도 제어기(51)의 속도 루프 적분 시정수(Ti), 속도 루프 게인(Kv), 진동 제어기(53)의 비틀림각 속도 게인(Ksd), 비틀림각 게인(Ks)의 튜닝 방법을 설명한다. 단, 반공진 주파수와 공진 주파수 및 전동기측과 기계부하의 관성 모멘트(J1, J2)는 이미 알고 있는 것으로 한다. 여기서는 제1 실시 형태와 마찬가지로 속도 루프 게인(Kv), 속도 루프 적분 시정수(Ti), 진동 억제계의 비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 각각

Kv=K2,

1/Ti=K1/K2

Ksd=K4,

Ks=K3/K4 (20')

라고 한다.

속도 지령(Vref)과 비틀림각 속도(xa)가 부여되었을 때의 속도 제어기+진동 억제기의 출력을 식(21)로 한다.

단, s는 라플라스 연산자, 1/s은 적분을 나타낸다.

도 34의 제어 대상의 블록도로부터 식(22) 및 식(23)으로 된다.

단, V1은 기계 부하 속도, xa는 비틀림각 속도, s2는 2계미분을 나타낸다.

여기서, a, b를 각각 식(24)와 같이 하고,

a, b를 사용하여 식(22)와 식(23)을 식(25)와 식(26)과 같이 다시 쓸 수 있다.

식(26)에 식(21)을 대입하면 식(27)을 얻을 수 있다.

Vfb=xa+VI로부터 식(27)은 식(28)로 바뀐다.

식(25)로부터 식(29)가 된다.

식(28)에 식(29)를 대입하여 전개하면, 식(30)이 된다.

식(30)을 이항하여 정리하면, 식(31)이 된다.

식(31)로부터 속도 지령에서 전동기 속도까지의 전달 함수의 특성 방정식을 구하면, (식)32가 된다.

F(s)가 4차식이므로 안정 조건을 만족하기 위해,

4 중근s=-ω 및 ω＞0인 특성 방정식을 생각할 수 있다. 여기서, ω는 목표 응답 주파수, ζ1, ζ2는 감쇄 상수로 한다.

여기서, ζ1=ζ2=ζ라 하면, 식(34)라는 특성 방정식을 얻을 수 있다.

따라서, 식(32)으로 나타내는 방정식은 식(35)가 된다.

따라서, 식(32)와 식(34)의 각 항(s0항, s1항, s2항, s3항)의 계수 비교를 하면, 식(36)과 같이 각각 구할 수 있다.

따라서, 속도 제어기(51)와 진동 억제기(53)의 각 게인은 식(20')로부터 식 (37)이 된다.

단, ζ는 감쇄 계수(ζ＞0), ω는 속도 제어의 목표 응답 주파수, J1은 2관성계에 있어서의 모터측 관성 모멘트, J2는 기계 부하의 관성 모멘트, K는 비틀림강성치

이어서, 위치 제어를 행하는 경우를 설명한다.

위치 제어기(56)는 위치 지령을 입력으로 하고, 속도 지령을 속도 제어기(51)에 출력한다.

위치 제어(56)내의 감산기(72)는 위치 지령(Pref)으로부터 전동기 위치(Pfb)를 감산하여 위치 편차를 구하고, 승산기(73)는 위치 편차에 위치 루프 게인(Kp)을 승산한다. 속도 제어기(51)의 파라미터는 식(38)

단, ζ는 감쇄 계수(ζ＞0), ω는 속도 제어의 목표 응답 주파수, J1은 2관성계에 있어서의 모터측 관성 모멘트, J2는 기계 부하의 관성 모멘트, K는 비틀림 강성치로 결정한 수치를 이용하고,

위치 제어기(56)내의 위치 루프 게인(Kp)은 속도 제어기(11)의 목표 응답 주파수(ω)의 함수로 하고, 식(39)로 한다.

단, β는 자연수이다.

이어서, 제10 실시 형태에 의한 튜닝후의 속도 제어계, 위치 제어계의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

기계 부하 및 전동기의 각 파라미터는, 반공진 주파수(WL)를 50[㎐], 공진 주파수(WH)를 70[㎐]로 하고, 전동기측 관성 모멘트(J1)를 0.5102[Kgm2], 기계 부하 관성 모멘트(J2)를 0.4898[Kgm2], 기계 부하의 비틀림 강성치(K)를 4.8341e+4[Kgm2/s2]로 한다.

여기서, 목표 응답 주파수(ω)를 60[㎐]로 설정하고, 속도 루프 적분 시정수(Ti), 속도 루프 게인(Kv), 비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 식(36)에 기초하여 튜닝한다.

튜닝후의 각 게인은 Kv=2171.5[rad/s], Ksd=-663.5, Ks=-685.2, Ti=10.6[ms]가 되었다. 위치 제어기(16)의 위치 루프 게인(Kp)는 ω/4로 하였다.

또한 ζ=0.5, 1, 1.5에 있어서, 도 35, 도 36은 속도 제어시의 단계 응답을 나타내고 있다. 도 37, 도 38은 위치 제어시의 단계 응답이다. 도 35, 도 37은 속도 제어기를 I-P 제어(α=0), 도 36, 도 38은 속도 제어기를 PI 제어(α=1)로 하였다. 2관성계의 진동은 모든 경우에서 억제되어 있으나, ζ로 비교하면, 도 35는 ζ=1의 응답(42)이 ζ=0.5, 1.5인 경우의 응답(41, 43)보다 정정(整定) 시간이 짧다. 도 36은 ζ=1.5의 응답(43)이 ζ=0.5, 1인 경우의 응답(41, 42)보다 정정 시간이 짧다. 도 37은 ζ=0.5의 응답(45)이 ζ=1, 1.5인 경우의 응답(46, 47)보다 정정 시간이 짧다. 도 38은 ζ=0.5의 응답(45)이 ζ=1, 1.5인 경우의 응답(46, 47)보다 정정 시간이 짧다.

이 결과로부터 2관성계에서 진동 억제를 행하고, 속도 제어기의 파라미터(속도 루프 적분 시정수(Ti), 속도 루프 게인(Kv))와 진동 억제기의 파라미터(비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd))를 자동 설정할 수 있고, 속도 제어계, 위치 제어계에서 PI 제어, I-P 제어에 적용할 수 있었다. 또한, 파라미터(α)에 연동시켜 ζ를 변경함으로써, 정정 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

이와 같이 제10 실시 형태에 의하면, 목표 응답을 변경하고자 하는 경우, 목표 응답 주파수(ω)를 변경하면, 자동적으로 진동 억제를 행하면서 속도 제어기 및 위치 제어기의 조정도 행할 수 있으므로, 시행 착오를 거쳐 진동 억제기와 속도 제어기와 위치 제어기의 조정을 행하지 않아도 된다. 또한, 속도 제어기의 구성을 α를 사용하여 I-P 제어에서 PI 제어로 변경하는 경우, α의 값에 연동시켜 ζ를 변경함으로써 정정 시간을 단축할 수 있다.

도 39에 있어서, 위치 제어기(16)는 기계 부하 위치(Pfb)와 위치 지령(Pref)을 입력하고, 기계 부하 위치(Pfb)와 위치 지령(Pref)이 일치하도록 속도 지령(Vref)을 속도 제어기(51)에 출력한다.

속도 제어기(51)는 속도 지령(Vref)과 기계 부하 속도(Vfb)와 진동 억제 신호(Tc)를 입력하고, 속도 지령(Vref)과 기계 부하 속도(Vfb)가 일치하도록 속도 제어를 실행함과 동시에 토크 지령(τr)을 전류 제어기(52)에 출력한다. 전류 제어기(52)는 토크 지령(τr)을 입력하고, 전류 지령을 출력하여 전동기(54)를 구동한다. 전동기(54)는 기계 부하(55)에 토크 전달용 연결축을 통해 결합되어 있다. 진동 억제기(53)는 전동기(54)의 속도와 기계 부하 속도(Vfb)의 편차인 비틀림각속도(xa)를 입력하고, 진동 억제 신호(Tc)를 출력한다.

그리고, 기계 부하 속도를 검출할 수 없는 경우에는, 외란 옵서버 등을 사용하여 추정하면 된다.

이어서, 속도 제어기(51)와 진동 억제기(53)와 전동기(54)와 기계 부하(55)에 대해 도 40을 사용하여 상세하게 설명한다.

속도 제어기(51)내의 감산기(62)는 속도 지령(Vref)에서 기계 부하 속도(Vfb)를 감산하여 속도 편차를 구하고, 적분기(63)는 속도 편차를 시정수(Ti)로 적분한다. 계수(34)는 제10 실시 형태와 마찬가지로 PI 제어, I-P 제어를 임의로 할당하는 파라미터이고, 속도 지령(Vref)을 승산한다. 감산기(64)는 승산치와 적분기(63)의 출력치를 가산하고, 기계 부하 속도(Vfb)를 감산하고, 승산기(65)는 감산기(64)의 출력에 속도 루프 게인(Kv)을 승산한다.

진동 억제기(53)내의 적분기(67)는 전동기 속도(Vm)와 기계 부하 속도(Vfb)의 차분(差分)에 의해 구해진 비틀림각 속도(xa)를 적분하여 비틀림각을 구하고, 승산기(68)는 비틀림각에 비틀림각 게인(Ks)을 승산한다. 가산기(69)는 승산기(68)의 출력과 비틀림각 속도(xa)를 가산하고, 승산기(70)는 가산기(69)의 출력에 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 승산하여 진동 억제 신호(Tc)를 구한다. 또한, 감산기(66)는 승산기(65)의 출력에서 승산기(70)의 출력을 감산한다. 승산기(71)는 감산기(66)의 출력에 전동기측 관성 모멘트(J1)를 승산하고, 토크 지령(τr)을 결정한다. 여기서는 비틀림각 속도(xa)를 적분기(67)로 적분하여 비틀림각을 구하는데, 전동기 위치와 부하 위치를 알 수 있는 경우에는, 비틀림각을 진동제어기(53)의 입력으로 하여 진동 억제기를 구성해도 된다.

도면중의 57은 2관성계 진동 모델로서, J1은 전동기측 관성 모멘트, J2는 기계 부하의 관성 모멘트, K는 기계 부하의 비틀림 강성치, xa는 전동기 속도와 기계 부하 속도의 편차로부터 구해지는 비틀림각 속도이다. 또한, 1/s은 적분을 나타낸다.

그리고 이하의 계산식에서는, 제10 실시형태는 세미 클로스 방식, 본 실시 형태는 풀 클로스 방식의 예로서, 각각 피드 백 신호가 제10 실시 형태에서는 전동기 속도(Vfb), 전동기 위치(Pfb)를 사용하고, 본 실시 형태에서도 기계 부하 속도(Vfb), 기계 부하 위치(Pfb)와 동일 기호를 사용하고 있으나, 실제 계산식에서는 엄밀하게는 수치가 다르지만, 일반식에서는 최종 결과에 반영되지 않기 때문에 동일 기호로 설명하고 있다.

이어서, 시정수(Ti), 속도 루프 게인(Kv), 비틀림각 속도 게인(Ksd), 비틀림각 게인(Ks)의 튜닝 방법을 설명한다. 단, 반공진 주파수와 공진 주파수 및 전동기측과 기계 부하의 관성 모멘트(J1, J2)는 이미 알고 있는 것으로 한다.

여기서, I-P 제어계의 속도 루프 게인(Kv), 시정수(Ti), 진동 억제계의 비틀림각 게인(Ks) 및 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 각각 식(40)으로 한다.

속도 지령(Vref)과 비틀림각 속도(xa)가 부여되었을 때의 승산기(71)의 출력을 식(41)로 한다.

단, s는 라플라스 연산자, 1/s은 적분을 나타낸다.

도 40의 제어 대상의 블록도로부터 식(42), 식(43)으로 된다.

단, Vfb는 기계 부하 속도, xa는 비틀림각 속도, s2는 2계미분을 나타낸다.

여기서, a, b를 각각 식(44)로 한다.

a, b를 사용하여 식(42)과 식(43)을 다시 쓰면, 식(45)와 식(46)이 된다.

식(46)에 식(41)을 대입하면 식(47)을 얻을 수 있다.

식(45)로부터 식(47)을 얻을 수 있기 때문에,

식(47)에 식(48)을 대입하여 전개하면, 식(49)가 된다.

식(49)을 이항하여 Vref, Vfb에 대해 정리하면, 식(50)이 된다.

식(50)으로부터 속도 지령(Vref)에서 기계 부하 속도(Vfb)까지의 전달 함수를 구하면, 식(51)로 되고,

그리고, 이 계의 특성 방정식 F(s)는 식(52)가 된다.

F(s)가 4차식이기 때문에, 안정 조건을 만족시키기 위해

4 중근s=-ω 및 ω＞0인 특성 방정식(53)을 생각할 수 있다. 단, ω는 목표 응답 주파수, ζ1, ζ2는 감쇄 상수이다.

여기서, ζ1=ζ2=ζ라 하면, 특정방정식(54)를 얻을 수 있다.

식(54)와 식(52)의 각 항(s0항, s1항, s2항, s3항)의 계수 비교를 하면, 식(55)와 같이 각각 구할 수 있다.

속도 제어기(51)와 진동 억제기(53)의 각 게인은 식(40)으로부터 식(56)이 된다.

단, ζ는 감쇄 계수(ζ＞0), ω는 속도 제어의 목표 응답 주파수, J1은 2관성계에 있어서의 모터측 관성 모멘트, J2는 기계 부하의 관성 모멘트, K는 비틀림 강성치

이어서, 위치 제어를 행하는 경우를 설명한다. 위치 제어기(56)내의 감산기(72)는 위치 지령(Pref)에서 기계 부하 위치(Pfb)를 감산하여 위치 편차를 구하고, 승산기(73)는 위치 편차에 위치 루프 게인(Kp)을 승산하여 속도 지령으로서 속도 제어기(51)에 출력한다.

이어서, 본 발명에 의한 튜닝후의 속도 제어계, 위치 제어계의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 기계 부하 및 전동기의 각 파라미터는, 반공진 주파수(WL)를 50[㎐], 공진 주파수(WH)를 70[㎐]로 하고, 전동기측 관성 모멘트(J1)를 0.5102[Kgm2], 기계 부하 관성 모멘트(J2)를 0.4898[Kgm2], 기계 부하의 비틀림 강성치(K)를 4.8341e+4[Kgm2/s2]로 한다.

여기서, 목표 응답 주파수(ω)를 60[㎐]로 설정하고, 시정수(Ti), 속도 루프 게인(Kv), 비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 식(54)에 기초하여 튜닝한다. 위치 제어기(56)의 위치 루프 게인(Kp)=2πω/8[rad/s]로 하였다. ζ=1일 때의 튜닝후의 각 게인은, Kv=2171.5[rad/s], Ksd=-1580, Ks=-434.6, Ti=10.6[ms]로 되었다.

도 41, 도 42는 ζ=0.5, 1, 1.5에 있어서의 속도 제어시의 단계 응답을 나타내고 있다. 도 43, 도 44는 ζ=0.5, 1, 1.5에 있어서의 위치 제어시의 단계 응답이다. 도 41, 도 43은 속도 제어기를 I-P 제어(α=0), 도 42, 도 44는 속도 제어기를 PI 제어(α=1)로 하였다. 2관성계의 진동은 모든 경우에서 억제되어 있으나, 속도 제어의 경우, I-P 제어, PI 제어 모두 ζ=1의 응답(50)이 가장 정정 시간이 짧다. 또한 위치 제어의 경우, I-P 제어에서는 ζ=0.5인 경우의 응답(53)이 가장 정정 시간이 짧음에 대하여, PI 제어에서는 ζ=1.5인 경우의 응답(55)이 가장 정정 시간이 짧다. 이 결과로부터 2관성계에서 진동 억제를 행하고, 속도 제어기의 파라미터(속도 루프 적분 시정수(Ti), 속도 루프 게인(Kv))와 진동 억제기의 파라미터(비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd))를 자동 설정할 수 있고, 속도 제어계, 위치 제어계에서 PI 제어, I-P 제어에 적용할 수 있었다. 또한, 속도 제어기내의 파라미터(α)의 값에 연동시켜 ζ를 변경함으로써, 정정 시간을 단축할 수 있다.

이와 같이 본 실시 형태에 의하면, 목표 응답을 변경하고자 하는 경우, 목표 응답 주파수(ω)를 변경하면, 진동 억제를 행하면서 속도 제어기 및 위치 제어기의 조정도 행할 수 있으므로, 시행 착오를 거쳐 진동 억제기와 속도 제어기와 위치 제어기의 조정을 행하지 않아도 되게 된다. 또한, α를 사용하여 속도 제어기의 구성을 I-P 제어에서 PI 제어로 변경하는 경우, α의 값에 연동시켜 ζ를 변경함으로써 정정 시간을 단축할 수 있다.

Claims

가동부와, 이 가동부를 지지하는 비가동부를 갖는 기계의 가동부를 전달 기구를 통해 구동하는 전동기를 제어하는 전동기 제어 장치로서,

상기 전동기의 회전수를 검출하는 회전 검출기와,

동작 지령 신호가 부여되면, 이 동작 지령 신호에 대응하는 동작 신호를 상기 전동기에 보내고, 상기 전동기를 제어하는 서보 장치와,

상기 회전 검출기로부터의 회전 속도 신호와 상기 서보 장치로부터의 상기 동작 신호와 등가인 동작 신호를 주파수 분석하고, 분석 결과를 출력하는 분석 장치를 갖는 전동기 제어 장치.
가동부와, 이 가동부를 지지하는 비가동부를 갖는 기계의 가동부를 전달 기구를 통해 구동하는 전동기를 제어하는 전동기 제어 장치로서,

상기 가동부의 위치를 검출하는 위치 검출기와,

동작 지령 신호가 부여되면, 이 동작 지령 신호에 대응하는 동작 신호를 상기 전동기에 보내고, 상기 전동기를 제어하는 서보 장치와,

상기 위치 검출기로부터의 가동부 위치 신호와 상기 서보 장치로부터의 상기 동작 신호와 등가인 동작 신호를 주파수 분석하고, 분석 결과를 출력하는 분석 장치를 갖는 전동기 동작 장치.
가동부와, 이 가동부를 지지하는 비가동부를 갖는 기계의 가동부를 전달 기구를 통해 구동하는 전동기를 제어하는 전동기 제어 장치로서,

상기 가동부, 상기 비가동부, 상기 전달기상에 설치된 1개 또는 복수의 계측 센서와,

동작 지령 신호가 부여되면, 이 동작 지령 신호에 대응하는 동작 신호를 상기 전동기에 보내고, 상기 전동기를 제어하는 서보 장치와,

상기 계측 센서로부터의 센서 신호와 상기 서보 장치로부터의 상기 동작 신호와 등가인 동작 신호를 주파수 분석하고, 분석 결과를 출력하는 분석 장치를 갖는 전동기 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 장치의 분석 결과 및/또는 상기 서보 장치의 설정 내용을 표시하는 표시 장치를 추가로 갖는 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 분석 장치의 분석 결과, 상기 서보 장치의 설정 내용, 상기 표시 장치의 표시 내용 중 적어도 1개를 기억하는 기억 장치를 추가로 갖는 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 장치의 분석 지령 및/또는 상기 서보 장치의 서보 조작 지령을 입력하는 입력 장치를 추가로 갖는 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 장치는 상기 분석 결과를 서보 조작 지령으로서 상기 서보 장치에 부여하는 장치.
가동부와, 이 가동부를 지지하는 비가동부를 갖는 기계의 가동부를 전달 기구를 통해 구동하는 전동기를 제어하는 전동기 제어 장치로서,

상기 전동기의 회전수를 검출하는 회전 검출기와,

동작 지령 신호가 부여되면, 이 동작 지령 신호에 대응하는 동작 신호를 상기 전동기에 보내고, 상기 전동기를 제어하는 서보 장치와,

주파수 분석시에 에일리어싱 오차가 발생하지 않고, 측정 주파수 범위외의 불필요한 고주파 성분을 포함하지 않는 동작 지령 신호를 작성하고, 상기 서보 장치에 출력하고, 상기 동작 지령 신호와 상기 회전 검출기로부터의 회전 검출기 신호를 주파수 분석하고, 분석 결과를 출력하는 분석 장치를 갖는 전동기 제어 장치.
속도 지령을 입력하고, 전동기 속도가 이 속도 지령과 일치하도록 적분-비례 제어를 구성하고, 토크 지령을 결정하는 속도 제어기와, 토크 지령을 입력하여 전동기를 구동하는 전류 제어기와, 전동기 전류 및 전동기 속도를 각각 검출하는 검출기를 갖는 전동기 제어 장치에 있어서,

전동기 속도와 기계 부하 속도로부터 비틀림각 속도를 산출하고, 이 비틀림 각 속도를 사용하여 진동을 억제하는 진동 억제기와, 상기 속도 제어기의 파라미터와 상기 진동 억제기의 파라미터를 동시에 조절하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 진동 억제기는, 상기 비틀림각 속도를 적분하여 비틀림각을 산출하는 수단과, 상기 비틀림각과 비틀림각 게인(Ks)를 승산하는 수단과, 상기 비틀림각과 비틀림각 게인(Ks)의 승산치와 비틀림각 속도를 가산하고, 비틀림각 속도 게인(Ksd)를 승산하여 진동 억제 신호를 결정하는 수단과, 상기 진동 억제 신호를 토크 지령에 더하는 수단을 포함하고,

상기 속도 제어기의 파라미터와 상기 진동 억제기의 파라미터를 동시에 조절하는 수단은, 상기 속도 제어기내의 속도 루프 게인(Kv)과, 속도 루프 적분 시정수(Ti)와, 상기 비틀림각 게인(Ks)과, 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 다음 식

단, ω는 목표 응답 주파수,

J1은 2관성계에 있어서의 모터측 관성 모멘트,

J2는 기계 부하의 관성 모멘트,

K는 비틀림 강성치

에 의해 조정하는 장치.
제 9 항 또는 제 10항에 있어서, 상기 기계 부하 속도를 2관성계 모델로 작성한 시뮬레이션으로 구하는 장치.
속도 지령을 입력하고, 전동기 속도가 속도 지령과 일치하도록 토크 지령을 결정하는 속도 결정기와, 이 토크 지령을 입력하여 전동기를 구동하는 전류 제어기와, 전동기 전류, 전동기 속도 및 기계 부하 속도를 검출하는 검출기를 구비하는 전동기 제어 장치에 있어서,

적분-비례 제어와 비례-적분 제어를 연속적으로 전환하는 파라미터(α)를 구비하고, 전동기 속도와 기계 부하 속도로부터 비틀림각 속도를 산출하고, 비틀림각 속도를 사용하여 진동을 억제하는 진동 억제기와, 상기 속도 제어기의 파라미터와 상기 진동 억제기의 파라미터를 동시에 조절하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 기계 부하 속도를 실측할 수 없는 경우, 옵서버에 의해 상기 기계 부하 속도를 추측하는 수단을 추가로 구비하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 진동 억제기는, 상기 비틀림각 속도를 적분하여 비틀림각을 산출하는 수단과, 상기 비틀림각에 비틀림각 게인(Ks)를 승산하는 수단과, 상기 비틀림각과 상기 비틀림각 게인(Ks)의 승산치에 상기 비틀림각 속도를 가산하고, 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 승산하여 진동 억제 신호를 결정하는 수단과, 상기 진동 억제 신호를 토크 지령에 더하는 수단을 포함하고, 상기 속도 제어기의 파라미터와 진동 억제기의 파라미터를 동시에 조절하는 수단은, 상기 속도 제어기내의 속도 루프 게인(Kv), 속도 루프 적분 시정수(Ti)와 상기 비틀림각 게인(Ks), 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 다음 식

단, ζ는 감쇄 계수(ζ＞0),

ω는 속도 제어의 목표 응답 주파수,

J1은 2관성계에 있어서의 모터측 관성 모멘트,

J2는 기계 부하의 관성 모멘트,

K는 비틀림 강성치

에 의해 조정하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 속도 제어기내의 파라미터(α)에 연동시켜 감쇄 계수(ζ)를 변경함으로써 조정 시간을 단축하는 장치.
제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 위치 지령을 입력하고, 전동기 위치가 이 위치 지령과 일치하도록 속도 지령을 상기 속도 제어기에 출력하는 위치 제어기를 추가로 구비하고, 상기 위치 제어기내의 위치 루프 게인(Kp)을 다음 식

단, β는 실수(實數)(β＞0)

과 같이 상기 속도 제어기의 목표 응답 주파수(ω)의 함수로 하는 장치.
속도 지령을 입력하고, 기계 부하 속도가 상기 속도 지령과 일치하도록 토크 지령을 결정하는 속도 제어기와, 토크 지령을 입력하여 전동기를 구동하는 전류 제어기와, 전동기 전류, 전동기 속도 및 기계 부하 속도를 검출하는 검출기를 구비하는 전동기 제어 장치에 있어서,

적분-비례 제어와 비례-적분 제어를 연속적으로 전환하는 파라미터(α)와, 전동기 속도와 기계 부하 속도로부터 비틀림각 속도를 산출하고 상기 비틀림각 속도를 사용하여 진동을 억제하는 진동 억제기와, 상기 속도 제어기의 파라미터와 상기 진동 억제기의 파라미터를 동시에 조절하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 제어 장치.
제 17 항에 있어서, 상기 기계 부하 속도를 실측할 수 없는 경우, 옵서버에의해 상기 기계 부하 속도를 추측하는 수단을 구비하는 장치.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 진동 억제기는, 상기 비틀림각 속도를 적분하여 비틀림각을 산출하는 수단과, 상기 비틀림각과 비틀림각 게인(Ks)을 승산하는 수단과, 상기 비틀림각과 상기 비틀림각 게인(Ks)의 승산치에 상기 비틀림각 속도를 가산한 값에 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 승산하여 진동 억제 신호를 결정하는 수단과, 상기 진동 억제 신호를 상기 토크 지령에 더하는 수단을 포함하고, 상기 속도 제어기의 파라미터와 상기 진동 억제기의 파라미터를 동시에 조절하는 수단은, 상기 속도 제어기내의 속도 루프 게인(Kv), 속도 루프 적분 시정수(Ti), 상기 비틀림각 게인(Ks), 상기 비틀림각 속도 게인(Ksd)을 다음 식

단, ζ는 감쇄 계수(ζ＞0),

ω는 속도 제어의 목표 응답 주파수,

J1은 2관성계에 있어서의 전동기측 관성 모멘트,

J2는 기계 부하의 관성 모멘트,

K는 비틀림 강성치

으로서 조절하는 장치.
제 19 항에 있어서, 상기 속도 제어기내의 파라미터(α)의 값에 연동시켜 감쇄 계수(ζ)를 변경함으로써 조정 시간을 단축시키는 장치.
제 17 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 위치 지령을 입력하고, 기계 부하 위치가 상기 위치 지령과 일치하도록 속도 지령을 상기 속도 제어기에 출력하는 위치 제어기를 추가로 구비하고, 상기 위치 제어기내의 위치 루프 게인(Kp)을 다음 식

단, β는 실수(β＞0)

과 같이 상기 속도 제어기의 목표 응답 주파수(ω)의 함수로 하는 장치.
가동부와, 이 가동부를 지지하는 비가동부를 갖는 기계의 가동부를 전달 기구를 통해 구동하는 전동기를 제어하는 전동기 제어 장치로서, 상기 전동기의 회전수를 검출하는 회전 검출기와, 상기 전동기를 제어하는 서보 기능을 구비한 서보 장치를 갖는 전동기 제어 장치의 제어 방법으로서,

전동기의 정회전측과 역회전측의 동작 지령 신호를 작성하여 상기 서보 장치에 출력하고, 상기 동작 지령 신호와 상기 회전 검출기의 검출 신호로부터 주파수 특성을 연산하는 전동기 제어 장치의 제어 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 동작 지령 신호의 저주파수 성분의 진폭을 작게, 고주파수 성분의 진폭을 크게 하는 방법.
가동부와, 이 가동부를 지지하는 비가동부를 갖는 기계의 가동부를 전달 기구를 통해 구동하는 전동기를 제어하는 전동기 제어 장치로서, 상기 전동기의 회전수를 검출하는 회전 검출기와, 상기 전동기를 제어하는 서보 기능을 구비한 서보 장치를 갖는 전동기 제어 장치의 제어 방법으로서,

동작 지령 신호를 작성하여 상기 서보 장치에 출력하고, 상기 동작 지령 신호와 상기 회전 검출기의 검출 신호로부터 주파수 특성을 연산하는 단계와,

상기 주파수 특성으로부터 공진 주파수와 반공진 주파수를 구하는 단계와,

상기 공진 주파수와 반공진 주파수로부터 제어 파라미터를 결정하고, 상기 전동기 제어 장치를 조정하는 단계를 갖는 전동기 제어 장치의 제어 방법.