JP2000175475A - 電磁気誘導機の機械的共振抑制装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】推移する周波数のうちの希望周波数帯域、特に
低域で機械的共振を抑制する。 【解決手段】電流制御部２が出力する電磁気力（Ｆ）に
誘導されて相対的に運動する運動部１の外乱を観察する
外乱オブザーバ６は、電流制御部２が出力する電磁気力
（Ｆ）を制御するために、電流制御部２へ入力される入
力側周波数Ｔ＊に対応する入力側対応周波数Ｆ１（ｓ）
と運動部１から出力される出力側周波数ｗに対応する出
力側対応周波数Ｆ２（ｓ）とに基づいて、共振抑制用周
波数Ｆ３（ｚ）を計算するための計算部を備えている。
計算部はそれぞれに設定された周波数帯域の出力側対応
周波数Ｆ２（ｓ）と入力側対応周波数Ｆ１（ｓ）を通過
させないバンドパスフィルタの機能を有し、共振抑制用
周波数Ｆ３（ｚ）は入力側周波数に合成されて電流制御
部２に入力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁気誘導機の機
械的共振抑制装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】モータのような電磁気的誘導機は、質量
ｍが露わに現れない物理量と質量ｍが露わに現れる物理
量との間で物理量の変換が行われる変換システムであ
る。質量を持つ物体に質量ｍが露わに現れない物理量が
作用する場合に外力が作用しない限り必ず生じる加速度
の存在のために、質量ｍが露わに現れない物理量と質量
ｍが露わに現れる物理量との間に、時間上の遅延が生じ
る。このような遅延により電気的物理量と力学的物理量
とを関係づける物理量が時間の関数になるモータのよう
な電磁気的誘導機には、共振という独特な問題が必ず発
生する。

【０００３】モータの機械的共振周波数は、その回転体
の回転数変動に対応して推移する。このように共振周波
数が推移する共振を抑制するためには、多数のノッチフ
ィルタが必要である。共振周波数が変動する電磁気的誘
導構造物の制振を多数のノッチフィルタに頼らずに行う
手段として、低域通過フィルタを持つ外乱オブザーバを
用いる技術が知られている。

【０００４】低域通過フィルタを用いるこのような外乱
オブザーバを用いる技術の問題点の所在を、具体例によ
り次に考える。モータはトルク指令を受けて、その指令
トルクに速やかに達するように、入力電流の制御が行わ
れる。負荷が変動する外乱に対応する入力トルクの増減
制御を行ってモータの共振を抑制しようとすると、この
ようなオブザーバは、停止時の機械的ブレーキを外力と
して感知し外乱が発生したと認知して、その結果、その
外力に抗する反力を誘導機の駆動側に与えてしまう。

【０００５】推移する周波数のうちの外乱依拠による希
望周波数帯域で共振を抑制することが望まれる。特に、
その共振抑制が低周波数域で行われることが好ましい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、推移
する周波数のうちの希望周波数帯域で機械的共振を抑制
することができるモータの機械的共振抑制装置又はその
共振抑制方法を提供することにある。本発明の他の課題
は、推移する周波数のうちの希望周波数帯域特に低周波
数帯域で共振を抑制することができるモータの機械的共
振抑制装置又はその共振抑制方法を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が請求項に対応して表現される次の記載中に現れ
る（）つきの数字は、請求項の記載事項が詳しく後述さ
れる実施の複数の形態のうちの少なくとも１つの形態の
部材、工程、動作に対応することを示すが、本発明の解
決手段がそれらの数字が示す実施の形態の部材、工程、
動作に限定して解釈されるためのものではなく、その対
応関係を明白にするためのものである。

【０００８】本発明による電磁気誘導機の機械的共振抑
制装置は、電流制御部（２）と、電流制御部（２）が出
力する電磁気力（Ｆ）に誘導されて相対的に運動する運
動部（１）と、外乱オブザーバ（６）とからなり、外乱
オブザーバ（６）は、電流制御部（２）が出力する電磁
気力（Ｆ）を制御するために、電流制御部（２）へ入力
される入力側周波数（Ｔ＊又は修正されたＴ＊）に対応
する入力側対応周波数（Ｆ１（ｓ）又はＧ１（ｚ））と
運動部（１）から出力される出力側周波数（ｗ又はノイ
ズが加わったｗ）に対応する出力側対応周波数（Ｆ２
（ｓ）又はＧ２（ｚ））とに基づいて、電流制御部
（２）に入力する共振抑制用周波数（Ｆ３（ｚ））を計
算するための計算部（オブザーバ６の一部）を備え、計
算部（オブザーバ６の一部）はそれぞれに設定された周
波数帯域の出力側対応周波数（Ｆ２（ｓ）又はＧ２
（ｚ））と入力側対応周波数（Ｆ１（ｓ）又はＧ１
（ｚ））を通過させないバンドパスフィルタの機能を有
し、共振抑制用周波数（Ｆ３（ｚ））は入力側周波数に
合成されて電流制御部（２）に入力される。

【０００９】そのバンドパスフィルタ機能により、共振
抑制用周波数（Ｆ３（ｚ））はその計算部を通過しない
ので、設定された周波数帯域では、その電流制御部は反
力を運動部に与えるような制御をしない。設定される周
波数帯域は低周波数帯域であることが好ましい。そのバ
ンドパスフィルタ機能は、中域通過フィルタとして機能
する。

【００１０】更に、リミッタ（１２，１２’，１２”）
が設けられることが好ましい。その共振抑制用周波数は
リミッタを通して電流制御部に入力されることが好まし
い。その入力側周波数と共振抑制用周波数は、入力側周
波数と共振抑制用周波数とが合成された後にリミッタに
通されることも好ましい。

【００１１】オブザーバが含むパラメータは可変である
ことは特に好ましい。計算部は可変パラメータを用いて
共振抑制用周波数を計算することになる。共振抑制用周
波数はリミッタを通して電流制御部に入力されることが
好ましい。この場合、リミッタの制限範囲は可変であ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明の電磁
気誘導機の機械的共振抑制装置による実施の形態は、電
磁気力を入力されそれに誘導されて相対的にに運動する
運動部１を備えている。運動部１であるモータは、回転
型又は線形型である。電流制御部２は、モータ１に対し
て制御電流を出力するための慣用の制御機構（図示せ
ず）を有している。

【００１３】モータ１は、固定側である１次側電気磁気
固定子（図示せず）と運動側である２次側電気磁気運動
子（図示せず）とを備えている。その１次側電気磁気固
定子とその２次側電気磁気運動子は、相対的に運動し、
特に、相対的に回転する。１次側は入力側であり、その
入力形態は電磁気力である。２次側は出力側であり、そ
の出力形態は電磁気的に誘導される物体の運動である。

【００１４】トルク指令信号ＴＱは、変換器３により電
流指令信号ｉｑに変換されて電流制御部２に入力され
る。モータ１の１次側で検出され電流制御部２に帰還す
る電気的ベクトル信号は、モータ１の回転速度の制御に
用いられる。モータ１の２次側電気磁気固定子の運動で
ある回転速度は、エンコーダ４により検出される。電気
信号としてエンコーダ４から出力されるその回転速度信
号ｖは、２次側電気磁気固定子の周期又は周波数ｗに対
応する。

【００１５】エンコーダ４とトルク指令信号ＴＱの指令
点５との間に、外乱オブザーバ６が介設されている。外
乱オブザーバ６は、第１オブザーバ７と第２オブザーバ
８から形成されている。第１オブザーバ７には、トルク
指令信号ＴＱ又はこれに対応する信号が入力される。エ
ンコーダ４と第２オブザーバ８との間には、速度推定器
９が介設されている。速度推定器９は、エンコーダ４が
出力する回転速度信号ｖの過去の速度列から次周期速度
を計算により求めることができる。その計算結果である
出力側推定周期ｗ＊が、第２オブザーバ８に入力され
る。

【００１６】第１オブザーバ７は、バンドパスフィルタ
の機能を有し、入力側周波数ＴＱを変数とする関数を計
算する第１関数計算器であり、その計算結果の値を入力
側対応周波数Ｆ１（ＴＱ）として出力する。第２オブザ
ーバ８は、バンドパスフィルタの機能を有し、出力側推
定周期ｗ＊を変数とする関数を計算する第２関数計算器
であり、その指令周波数Ｔ＊の計算結果の値を出力側対
応周波数Ｆ２（ｗ＊）として出力する。

【００１７】第１減算器１１は、共振抑制用周波数（Ｆ
２−Ｆ１）を計算する。第１減算器１１による減算後の
減算値である共振抑制用周波数Ｆ３（ｓ）（＝（Ｆ２−
Ｆ１））は、指令点５に入力される。指令点５は、第２
減算器であり、｛ＴＱ−（Ｆ２−Ｆ１）を計算する。そ
の減算後の減算値は、電流制御部２と第１オブザーバ７
に入力される。

【００１８】図２は、図１に示す外乱オブザーバ６の機
器構成に対応する外乱オブザーバ６の構成を示してい
る。モータ１は、プラント１’に置換されている。トル
ク指令信号ＴＱは、指令周波数Ｔ＊で表されている。指
令周波数Ｔ＊がプラント１’に入力され、その入力に誘
導されて等速運動又は加速運動する２次側の運動体（既
述の２次側電気磁気運動子に一致）の出力である周波数
ｗは、次式で表現することができる。

【００１９】

【数１】 ここで、ｓは、１／Ｔ＊又はこの周波数に対応する周波
数（変数）である。この同じｓを用いて、第１オブザー
バ７は、次式により入力側対応周波数Ｆ１（ｓ）を計算
する。

【数２】 入力側対応周波数Ｆ１（ｓ）は、既述の入力側対応周波
数Ｆ１（ＴＱ）に対応するが、第２減算器５の出力値
は、通常はＴＱに一致しないので、両者は通常は一致し
ない。ｆ２は、１とすることができる。

【００２０】同じｓを用いて、第２オブザーバ８は、次
式により入力側対応周波数Ｆ２（ｓ）を計算する。

【数３】 出力側対応周波数Ｆ２（ｓ）は、既述の出力側対応周波
数Ｆ２（ｗ＊）に対応する。ｆ２は、１とすることがで
きる。

【００２１】外乱オブザーバ６は、このように、電流制
御部２が出力する電磁気力を制御するために、電流制御
部２への入力側周波数に対応する入力側対応周波数Ｆ１
（ｓ）と運動部１から出力される出力側周波数に対応す
る出力側対応周波数Ｆ２（ｓ）とに基づいて、電流制御
部２に入力する共振抑制用周波数を計算するための計算
部である第１オブザーバ７と第２オブザーバ８とを備え
ていることになる。このような計算部は、設定された周
波数帯域の出力側対応周波数Ｆ１（ｓ）と設定された周
波数帯域の出力側対応周波数Ｆ２（ｓ）を通過させない
バンドパスフィルタの機能を持つことになっている。

【００２２】共振抑制用周波数Ｆ３（ｓ）には、推定外
乱用重みＷが掛けられる。その推定外乱用重みＷが掛け
られたＷＦ３（ｓ）は、安全用リミッタ１２を通されて
指令点５に送信される。（Ｔ＊−ＷＦ３（ｓ））が、第
１オブザーバ７とプラント１’の方に送信される。安全
用リミッタ１２は、正の上限値より大きい値と負の下限
値より小さい値をカットする安全機能を有している。

【００２３】第１外乱ｄ１と第２外乱ｄ２は、プラント
１’の前後で発生する。第２外乱ｄ２は、観測系のノイ
ズである。第１外乱ｄ１は、工作機械の主軸の負荷変
動、上り坂途中の重力成分変動のような各種負荷変動、
ブレーキである。外乱、摩擦が全くなければ、遅延を無
視すれば、Ｔ＊と式（１）の値とは一致しているはずで
あり、また、出力側対応周波数Ｆ２（ｓ）は入力側対応
周波数Ｆ１（ｓ）に式（１）の分母を掛けたものである
から、出力側対応周波数Ｆ２（ｓ）と入力側対応周波数
Ｆ１（ｓ）とは一致し、共振抑制用周波数Ｆ３（ｓ）は
零になるはずである。しかし、摩擦、外乱、測定系ノイ
ズが必ずあり、外乱による共振が起きた時には、零でな
い共振抑制用周波数Ｆ３（ｓ）がプラント１’にフィー
ドバックされて、外乱による機械的共振が解消される。

【００２４】図３は、第１オブザーバ７である２次バン
ドパスフィルタのボード線図である。図３（ａ）に示さ
れるように、カットオフ低周波帯域は２（ｒａｄ／ｓ）
に設定されたことになっており、カットオフ高周波帯域
は１０００（ｒａｄ／ｓ）に設定されたことになってい
る。図３（ａ），（ｂ）に示されるように、第１オブザ
ーバ７は、中域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）の
機能を有している。

【００２５】希望高域のカットオフ周波数をｆｈｃで表
し、希望低域のカットオフ周波数をｆｌｃで表すと、こ
のフィルタの設計は、式（２，３）中の周波数パラメー
タｆ０，ｆ１が次式で規定される。

【数４】

【００２６】以上の記述は、連続系ではリミッタ動作の
模擬が不可能であるから、連続系フィルタの離散実現が
行われる必要がある。フィルタを状態空間表現にせず
に、直接離散表現を次に示す式変形の手続により行う。
Ｆ（ｓ）は、次式によりＧ（ｓ）として一般形で表現さ
れうる。

【数５】 これには直達成分が含まれるので、変数ｚを導入して、
次の前進差分近似を用いる。

【数６】 このｓを式（５）に代入する。

【数７】

【００２７】更に、変形する（Ｔｓの二乗を分子分母に
かける）。

【数８】 計算器による計算を簡単にするために、項に分けて更に
整理する。

【数９】

【００２８】第１オブザーバ７の連続領域でのフィルタ
構成は、既述の通り、

【数１０】 であった。式（１０）と式（９）とを一致させた表現を
行うと、式（９）は次式に改められる。

【数１１】

【００２９】この離散表現を変形する（ｚの二乗で分子
分母を割る）。

【数１２】 これにゲインｋをかければ、

【数１３】

【００３０】他方、第２オブザーバ８の連続領域での構
成は、既述の通り、

【数１４】 式（１４）と式（９）とを一致させた表現を行うと、式
（１４）は次式に改められる。

【数１５】

【００３１】この離散表現を改める。

【数１６】 これにゲインｋをかければ、

【数１７】

【００３２】サンプルタイムの逆数の５分の１、１０分
の１程度の周波数であれば、位相の問題は無視できる。
外乱オブザーバ６であるトルクオブザーバは、機械的外
乱振動を除去するためのものであるから、その機能はト
ルクリップルの除去にあり、電源周波数の２倍を除去す
る。高速回転時にはトルクリップルの発生が少ないか
ら、低速回転時のトルクリップルの低減が主な機能であ
る。このようなトルクオブザーバは、速度帯域で実現す
る。速度の帯域であれば、サンプルタイムの問題は十分
に無視できる。

【００３３】次に、リミッタの導入を考慮した実施の形
態が図４，５に示される。リミッタ１２Ａ，１２Ｂを考
慮した２次系オブザーバの離散表現は、図４，５に示さ
れる構成が取られなければならない。図４，５は、式
（１２）と式（１６）の分子を計算する（分母は共通で
あるので計算する必要がない。）ための計算ロジックを
組み込んだ計算回路を示し、データ部には、次式で規定
されるパラメータの値が登録されている。

【数１８】

【００３４】計算結果を出力するリミッタ１２Ａ，１２
Ｂは同時に動作する必要があるので、図６に示す計算ロ
ジックが構成されることが好ましい。式（１２）と式
（１６）の分子の計算と、その計算結果の２つの値の減
算が同時に行われている。指令周波数Ｔ＊は、他の安全
用リミッタ１３を介してプラント１’と第１オブザーバ
７とに送信される。計算結果の共振抑制用周波数Ｆ３
（ｚ）は、単一の推定外乱用リミッタ１２’（図２のリ
ミッタ１２に対応）を通して指令点５に送信される。安
全用リミッタは、系全体のトルクリミッタを形成してい
る。

【００３５】図７は、リミッタ構成の他の実施の形態を
示している。指令周波数Ｔ＊から外乱オブザーバ８の計
算結果Ｆ３（ｚ）が引かれた値が、単一リミッタ１２”
を通されてプラント１’と第１オブザーバ７に入力され
ていく。このような構成にすれば、リミッタを単一にす
ることができる。図６の構成では、外乱オブザーバ６の
内部発振のみに制限を加えることができず、発振の持続
が起こる可能性がある。そのような持続を抑えるため
に、第１オブザーバ７に入力する信号に０〜１．５のゲ
インｋをかけるボリューム１４を設けることが好まし
い。図６の構成においても、そのようなボリュームを設
けることが好ましい。

【００３６】図８は、パラメータのセット｛βｙ０，β
ｙ１，βｙ２，βｕ１，βｕ２，ｆｄ１，ｆｄ２｝を同
時に発生させるためのバンドパスパラメータテーブル１
５を示している。回転速度（周波数）ｗは、１０００ｒ
ｐｍごとの８つの段階に区分されている。その区分ごと
に、８種類のパラメータのセット｛βｙ０，βｙ１，β
ｙ２，βｕ１，βｕ２，ｆｄ１，ｆｄ２｝ｎ（ｎは１〜
８）がバンドパスパラメータテーブル１５に与えられて
いる。

【００３７】この場合、フィルタ構成Ｆ１（ｓ），Ｆ２
（ｓ）の分母に現れるパラメータｆ０，ｆ１は、次式で
規定される。

【数１９】 ここでｗは目標値の周波数（ｒａｄ／ｓ）であり、Δｗ
はバンドパス周波数範囲（ｒａｄ／ｓ）を示し、１０程
度である。このような規定により、フィルタ構成を可変
構造化することができる。この可変構造により、バンド
パスフィルタであるオブザーバ６の周波数通過帯域を変
更することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明による電磁気誘導機の機械的共振
抑制装置は、反力を与えない機械的共振の抑制を可能に
する。また、その抑制範囲を可変化する。更には、安全
性が加味される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による電磁気誘導機の機械的共
振抑制装置の実施の形態を示す図である。

【図２】図２は、バンドパスフィルタの回路図である。

【図３】図３（ａ），（ｂ）は、周波数とゲイン、フェ
ーズのそれぞれの関係を示すグラフである。

【図４】図４は、リミッタを含む計算器の回路・ロジッ
ク図である。

【図５】図５は、リミッタを含む計算器の他の回路・ロ
ジック図である。

【図６】図６は、リミッタを含む計算器の更に他の回路
・ロジック図である。

【図７】図７は、リミッタを含む計算器の更に他の回路
・ロジック図である。

【図８】図８は、パラメータテーブルの概念回路図であ
る。

【符号の説明】

１…運動部（モータ） ２…電流制御部 ６…外乱オブザーバ １２，１２’，１２”…リミッタ Ｔ＊…入力側周波数 ｗ…出力側周波数 Ｆ１（ｓ），Ｇ１（ｚ）…入力側対応周波数 Ｆ２（ｓ），Ｇ２（ｚ）…出力側対応周波数 Ｆ３（ｚ）…共振抑制用周波数

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H004 GA40 GB20 HA14 HB14 JB22 KA54 LA01 LA13 MA14 5H550 BB05 EE05 GG05 JJ04 JJ26 LL22 5H570 BB06 EE04 GG01 JJ04 JJ26 LL02 9A001 BB02 HH34 KK15 KK29

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電流制御部と、 前記電流制御部が出力する電磁気力に誘導されて相対的
   に運動する運動部と、 外乱オブザーバとからなり、 前記外乱オブザーバは、 前記電流制御部が出力する前記電磁気力を制御するため
   に、前記電流制御部へ入力される入力側周波数に対応す
   る入力側対応周波数と前記運動部から出力される出力側
   周波数に対応する出力側対応周波数とに基づいて、前記
   電流制御部に入力する共振抑制用周波数を計算するため
   の計算部を備え、 前記計算部はそれぞれに設定された周波数帯域の前記出
   力側対応周波数と前記入力側対応周波数を通過させない
   バンドパスフィルタの機能を有し、 前記共振抑制用周波数は前記入力側周波数に合成されて
   前記電流制御部に入力される電磁気誘導機の機械的共振
   抑制装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 設定された前記周波数帯域は低周波数帯域であることを
   特徴とする電磁気誘導機の機械的共振抑制装置。
3. 【請求項３】請求項１において、 更に、リミッタとからなり、 前記共振抑制用周波数は前記リミッタを通して前記電流
   制御部に入力されることを特徴とする電磁気誘導機の機
   械的共振抑制装置。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記入力側周波数と前記共振抑制用周波数は、前記入力
   側周波数と前記共振抑制用周波数とが合成された後に前
   記リミッタに通される、 ことを特徴とする電磁気誘導機の機械的共振抑制装置。
5. 【請求項５】請求項１において、 前記オブザーバが含むパラメータは可変であり、 前記計算部は前記可変パラメータを用いて前記共振抑制
   用周波数を計算することを特徴とする電磁気誘導機の機
   械的共振抑制装置。
6. 【請求項６】請求項５において、 更に、リミッタとからなり、 前記共振抑制用周波数は前記リミッタを通して前記電流
   制御部に入力され、 前記リミッタの制限範囲は可変であることを特徴とする
   電磁気誘導機の機械的共振抑制装置。