WO2022049896A1

WO2022049896A1 - モータ制御装置

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Publication number: WO2022049896A1
Application number: PCT/JP2021/025870
Authority: WO
Inventors: 満松原; 裕理高野; 雄介上井; 輝朋近藤; 哲男梁田; 和明戸張
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2022-03-10
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: EP4212968A4; TW202211613A; TWI793692B; CN116194849A; JP7390267B2; JP2022044396A; EP4212968A1; CN116194849B

Abstract

モータ制御装置は、複数の機械共振起因でモータ制御系の応答に重畳する複数の振動を、モータの回転速度応答もしくは回転位置応答から抽出する振動抽出フィルタと、振動抽出フィルタから得られる複数の振動の各々の周波数を逐次に１つ１つ推定し、周波数の推定結果を周波数推定値系列として出力する逐次周波数推定部と、モータに取り付けられた機械の端部に生ずる振動を抑制するようにモータ制御系に入力される指令を加工する制振制御部と、制振制御部を周波数推定値系列に基づいて調整する制振制御設計部とを備える。

Description

モータ制御装置

　本発明は、モータ制御の技術に関する。

　近年、ＦＡ分野ではモータ制御系を最適調整し、タクトタイムを短縮することによる生産性の向上が望まれている。制御対象の機械を制御する目的のセミクローズド構成のモータ制御系において、モータに取り付けられた機械の剛性が低い場合一般に、機械の共振・反共振特性が原因で機械の端部(以降、機械端と称する)が数Ｈｚ～１００Ｈｚの低周波数で振動し、位置決めに時間がかかりタクトタイムを短縮できないという課題がある。このような場合、一般に制振制御が用いられる。

　制振制御はモータ制御系の調整要素の一つであり、これを人の介在なく短時間かつ最適に自動調整する技術は、タクトタイムを短縮し生産性向上に寄与するものである。制振制御の自動調整を行う手段として、特許文献１が提案されている。

　特許文献１では、モータ制御系において、モータの応答から複数の機械共振起因の振動が観測され、機械端に振動が発生する場合の、制振制御の自動調整技術が示されている。

　具体的には、モータの応答から観測された、重畳した複数の振動から単一振動を抽出する推定用信号演算部と、抽出された単一振動に基づき振動特性（周波数等）を同定する共振特性推定演算部と、複数の機械共振起因で発生する機械端の振動を抑制するフィードフォワード制御部と、同定された振動特性に基づき制振制御部であるフィードフォワード制御部を調整する制振制御設定部と、を備えており、推定用信号演算部は所定の駆動パターンで機械が駆動されている際に発生・観測された複数の振動から、所定の順序で単一振動を抽出し、抽出された単一振動の振動特性を共振特性推定演算部で同定し、制振制御設定部が同定された振動特性に基づきフィードフォワード制御部を調整し、複数の振動の個々のすべてに対して同定が完了するまで、所定の駆動パターンでの反復調整を実施することで、制振制御の自動調整を成すものである。

ＷＯ２０１２／０５６８６８号公報

　特許文献１では、所定の駆動パターンで、複数の振動を励起し、複数の振動の全ての振動特性に対して同定が完了するまで、制振制御設定部から制振制御部であるフィードフォワード制御部に対して、所定の駆動パターンでの反復調整が必要なため、調整に時間を要する恐れがあるという課題があった。

　本発明の目的は、モータの応答から機械共振に起因した振動が観測され、機械端に振動が発生する場合に、短時間・リアルタイムに制振制御部を調整し、機械端の振動を抑制するモータ制御装置を提供することにある。

　本発明の好ましい一例としては、複数の機械共振起因でモータ制御系の応答に重畳する複数の振動を、モータの回転速度応答もしくは回転位置応答から抽出する振動抽出フィルタと、前記振動抽出フィルタから得られる前記複数の振動の各々の周波数を逐次に１つ１つ推定し、周波数の推定結果を周波数推定値系列として出力する逐次周波数推定部と、前記モータに取り付けられた機械の端部に生ずる振動を抑制するように前記モータ制御系に入力される指令を加工する制振制御部と、前記制振制御部を前記周波数推定値系列に基づいて調整する制振制御設計部とを備えるモータ制御装置である。

　本発明によれば、短時間・リアルタイムに制振制御部を調整し、機械端の振動を自動で抑制できる。

モータのＦＢ制御系に適用した実施例１を示した図である。ノッチフィルタの周波数特性を示した図である。逐次周波数推定部を示した図である。逐次周波数推定部における周波数推定値系列の算出を示す図である。制振制御設計部の処理を示す図である。モータ位置ＦＢ制御系に対する実施例１の適用を示す図である。モータ速度ＦＢ制御系に対する実施例１の適用を示す図である。

　以下、実施例について図面を参照しながら説明する。なお各図において、共通な機能を有する構成要素には同一の番号を付与し、その説明を省略する。また、以降「フィードバック」は「ＦＢ」と、「ノッチフィルタ」を「ＮＦ」と、「ローパスフィルタ」を「ＬＰＦ」と、「ハイパスフィルタ」を「ＨＰＦ」と、「バンドパスフィルタ」を「ＢＰＦ」と略記する場合がある。

　図１は、実施例１の自動調整部２を、一般的なセミクローズド構成のモータＦＢ制御系に適用した際の構成を示した図である。自動調整部２を含まない一般的なモータのＦＢ制御系では、ＦＢ制御器１３の操作量がモータ１４に与えられ、指令ｒ（ｔ）とモータ１４の出力ｙ（ｔ）との偏差がゼロになるように制御対象機械１５は制御される。

　具体的には、出力ｙ（ｔ）はモータ回転位置であり、モータ回転位置を、センサ（例えばエンコーダ）を用いて計測し、回転位置指令ｒ（ｔ）との偏差を加減算器１６で算出し、ＦＢ制御器１３は位置偏差としてこれを処理する。なおモータ１４の前段にはモータ１４を駆動するための装置（インバータ等）やモータ１４の速度、及び電流を制御する制御器が設けられるが、図１ではこれらを略記している。

　図１のＦＢ制御系において、モータの回転軸に取り付けられた機械の剛性が低い場合には一般には、機械の共振・反共振特性が原因で機械の端部(以降、機械端と称する)が数Ｈｚ～１００Ｈｚの低周波数で振動し、位置決めに時間がかかる場合がある。

　このような場合、機械端の振動を抑制し位置決め時間を短縮する目的で、制振制御部５が利用される。制振制御部５は、モータに取り付けられた機械端の振動を抑止するように、モータ制御系に入力される回転位置指令ｒ（ｔ）を加工する。

　本実施例では、制振制御部５はノッチフィルタ（以降、これを実ノッチフィルタと称す）であるとし、実ノッチフィルタの周波数特性を図２に示す。実ノッチフィルタのノッチ周波数を機械端の振動の周波数に一致させることで、回転位置指令ｒ（ｔ）から機械端の振動を励起する周波数成分を除去でき、制振制御部５は回転位置指令ｒ（ｔ）の加工により機械端の振動を励起しない回転位置指令ｒｓ（ｔ）を生成できる。

　機械端の応答には、機械の複数の共振・反共振特性が原因で、周波数が異なる複数の振動が重畳する場合がある。なお各振動は各共振・反共振特性により、振動の振幅や減衰時間が異なるのが一般的である。

　機械端の応答に複数の振動が重畳する場合、各振動に対して実ノッチフィルタを各々適用することで機械端の振動を抑制できる。周波数がｆ１～ｆＮのＮ個の振動が機械端に重畳する場合、ノッチ周波数ｆｋ（ｋ＝１・・・Ｎ）の実ノッチフィルタを直列にＮ段適用すればよい。但し、実ノッチフィルタを多段化すると回転位置指令ｒ（ｔ）の遅れが大きくなり、結果的に位置決め時間の短縮につながらない場合がある。

　この場合、位置決め時間の短縮を目的に、制振制御部５は実ノッチフィルタではなく制御対象モデルに基づく他の制振制御手段を採用してもよい。なお他の制振制御手段を採用する場合であっても、少なからず機械端の振動の周波数は既知である必要がある。

　自動調整部２は制御対象機械１５に関する事前情報なしに、自動で制振制御部５を調整するものであり、逐次周波数推定部３と制振制御設計部４と、制振制御部５と、振動抽出フィルタ６とから構成される。

　なお本実施例では、自動調整部２は、数Ｈｚ～１００Ｈｚの低周波数の機械端の振動を抑制することを目的とし、１００［Ｈｚ］以上の機械端の振動は抑制対象外とする。

　振動抽出フィルタ６は、複数の機械共振起因でモータ制御系の応答に重畳する複数の振動を、モータの回転速度応答もしくは回転位置応答から抽出する。図１では、回転位置応答ｙ（ｔ）の定常応答成分を除去し、機械端の振動に関連する振動成分のみを抽出し、ｙｄ（ｔ）として出力する役割を担う。

　本実施例において振動抽出フィルタ６は所定の周波数帯域ｆＬ～ｆＨのみ信号を通過させるバンドパスフィルタとする。なおこれをハイパスフィルタとローパスフィルタの組み合わせとしてもよい。

　機械端の応答に複数の振動が重畳する場合、回転位置応答ｙ（ｔ）にも複数の振動が重畳する。振動抽出フィルタ６は複数の振動を抽出できるよう、周波数帯域ｆＬ～ｆＨが十分広く設計されているものとする。結果、複数の振動はｙｄ（ｔ）として観測される。

　逐次周波数推定部３は、振動抽出フィルタ６から得られる複数の振動ｙｄ（ｔ）の各周波数を、逐次に１つ１つ推定し、周波数の推定結果を１次元点列データである周波数推定値系列ｆ（ｋ）として出力する。

　本実施例では、説明の簡単のため、ｙｄ（ｔ）は周波数がｆ１、振動の振幅最大値がＭ１、振動の持続時間がＴ１なる振動ｙｄ１（ｔ）と、周波数がｆ２、振動の振幅最大値がＭ２、振動の持続時間がＴ２なる振動ｙｄ２（ｔ）との２種の振動が重畳して観測されるものとする（但し、ｆ１＜ｆ２≦１００［Ｈｚ］）。

　逐次周波数推定部３は、図３に示すように、所定の周波数成分のみを除去する振動除去部としてのノッチフィルタ３１と、振動波形から振動の周波数を逐次に推定し推定値を周波数推定値信号として逐次に出力する適応推定部としての適応ノッチフィルタ３４と、振動検出部３２と、周波数推定値信号が収束したか否かを判定し収束したと判定した際の周波数推定値信号の周波数推定値を周波数推定値系列として出力する収束判定部３３とから構成されるとする。

　ノッチフィルタ３１は、図２に示すような周波数特性を有し、ノッチフィルタ３１のノッチ周波数Ｎｆ［Ｈｚ］は、収束判定部３３が出力する周波数推定値系列ｆ（ｋ）［Ｈｚ］に基づいて除去する周波数成分を変化させられるものとする。

　ノッチフィルタ３１は、複数の振動ｙｄ（ｔ）からノッチ周波数Ｎｆ［Ｈｚ］の周波数成分のみを除去し、複数の振動ｙｄ（ｔ）からノッチ周波数Ｎｆの周波数成分が除去された信号を残振動として、ｙｒ（ｔ）を出力する。

　自動調整部２の調整開始の初期状態において、ノッチフィルタ３１のノッチ周波数Ｎｆ［Ｈｚ］は、制振制御部が担う機械端の制振帯域の上限としての１００［Ｈｚ］より十分大きい値に設定され、これにより周波数ｆ１、及びｆ２の振動はいずれもノッチフィルタ３１で除去されることなく、残振動ｙｒ（ｔ）に出力される。

　自動調整部２の調整開始以降、収束判定部３３が出力する周波数推定値系列ｆ（ｋ）（ｋ＝１・・・）のｋが更新される毎に、ノッチフィルタ３１のノッチ周波数Ｎｆ［Ｈｚ］は、Ｎｆ＝ｆ（ｋ）として更新される。自動調整部２の調整完了後はノッチ周波数Ｎｆ［Ｈｚ］は、１００［Ｈｚ］より十分大きい値に設定され、初期状態に戻る。

　振動検出部３２は、残振動ｙｒ（ｔ）に所定の振幅以上、かつ所定の時間以上、持続する振動が観測される場合に、振動検出有と判断し、それ以外は振動検出無と判断する。

　適応ノッチフィルタ３４と収束判定部３３は、振動検出部３２が振動検出有と判断した場合にのみ動作する。

　もしｙｄ（ｔ）の２種の振動のうち、一方の振幅が０（例えばＭ２＝０）で、ノッチフィルタ３１のノッチ周波数Ｎｆ［Ｈｚ］がｆ１であった場合、残振動ｙｒ（ｔ）からは理想的には振動が観測されず、振動検出部３２は振動検出無と判断する。この場合、適応ノッチフィルタ３４と収束判定部３３の動作は開始されない。

　適応ノッチフィルタ３４は、残振動ｙｒ（ｔ）の主たる振動の周波数を逐次に推定する。ノッチフィルタと適応アルゴリズムとを有する適応ノッチフィルタ３４は演算コストに優れる以下の（数１）と（数２）を用いる。

　□ノッチフィルタ

　□適応アルゴリズム

但し、ａ（ｔ）はノッチ周波数(但し単位は［Ｈｚ］ではない)、ｒＬはノッチ幅、μは更新量を調整する更新ゲインであり、Ｌ（Ｙ）はＹに対するリミッタ処理、ｓｇｎは符号関数、ｘ（ｔ）はノッチフィルタ状態、ｅ（ｔ）はノッチフィルタ出力を示す。

　適応ノッチフィルタ３４は、（数１）に示すノッチフィルタを内包しており、（数２）の適応アルゴリズムは、（数１）のノッチフィルタのノッチ周波数ａ（ｔ）を適応調整するものである。

　具体的には、入力である残振動ｙｒ（ｔ）の主たる振動を（数１）のノッチフィルタが除去するように（数２）の適応アルゴリズムが反復動作し、（数１）のノッチフィルタにより残振動ｙｒ（ｔ）の主たる振動の除去が完了した際のａ（ｔ）が、主たる振動の周波数となる。

　したがって、適応ノッチフィルタ３４は残振動ｙｒ（ｔ）に対する逐次の周波数推定手段であるといえ、ａ（ｔ）は残振動ｙｒ（ｔ）に対する周波数推定値信号である。

　なお、ａ（ｔ）は周波数［Ｈｚ］に対して非線形な特性を有し、特にａ（ｔ）が１００［Ｈｚ］以下の低域となる場合は、強い非線形性を示す。具体的には、単位周波数変化量の絶対値［Ｈｚ］当たりのａ（ｔ）の変化量絶対値は、周波数が低域な程、小さくなる傾向にある。したがって、低域の推定を行う際更新ゲインμが一定では、更新ゲインが大きすぎて、（数２）の適応アルゴリズムが振動的になり収束に至れない問題が生ずる。

　そこで本実施例ではこの問題に対して、更新ゲインをμ（ａ（ｔ））とし、周波数推定値信号に応じて変更されるものとする。一例として、μ（ａ（ｔ））を以下の（数３）に示す。

但し、ａ１は設計周波数であり、μａは基本更新ゲインである。

　設計周波数ａ１において適切な更新ゲインをμａとした際、（数３）のμ（ａ（ｔ））によれば、周波数ａ（ｔ）＜ａ１において、更新ゲインがμａと同等の大きさとみなされる。これにより、周波数ａ（ｔ）＜ａ１において、（数２）の適応アルゴリズムが振動的になり収束に至れない問題を解消できる。

　なお、演算コスト削減のために（数３）をＭＡＰのように、μとａ（ｔ）のデータを表形式にして保持するように実装してもよい。また、μ（ａ（ｔ））は（数３）に類似の効果を持つ別の関数としてもよい。

　適応ノッチフィルタ３４のａ（ｔ）が収束すれば、（数１）のノッチフィルタが残振動ｙｒ（ｔ）の主たる振動の除去を完了したと見なせ、残振動ｙｒ（ｔ）の主たる振動の周波数を推定完了と判断できる。

　周波数推定値信号ａ（ｔ）が収束したか否かを判定する手段が収束判定部３３である。収束判定部３３は、周波数推定値信号ａ（ｔ）を受けて、ａ（ｔ）が収束したか否かを判断する。但し、前述のように周波数推定値信号ａ（ｔ）は周波数［Ｈｚ］に対して非線形な特性となるため、ａ（ｔ）を基に収束したか否かを判断するのは容易ではない。

　収束判定部３３は、ａ（ｔ）を周波数［Ｈｚ］の単位に変換する変換手段を有し、これによりａ（ｔ）はｆ（ｔ）［Ｈｚ］に変換される。したがって収束判定部３３は、ｆ（ｔ）［Ｈｚ］を基にａ（ｔ）が収束したか否かを判断する。

　具体的には、所定の時間内のｆ（ｔ）の変動幅が、所定の値［Ｈｚ］以下になった場合、ａ（ｔ）は収束したと判定し、このときのｆ（ｔ）をｋ番目（ｋ＝１・・・）の値としてｆ（ｋ）として保持し、逐次に収束判定を継続する。収束したと判定される毎にｋはカウントＵＰされ、ｆ（ｋ）として保持され、この結果、収束判定部３３はｆ（ｋ）（ｋ＝１・・・）を、周波数推定値系列として出力する。

　自動調整部２の調整開始から終了までの所定の時間に、逐次周波数推定部３は実行され、所定の時間分の周波数推定値系列ｆ（ｋ）（ｋ＝１・・・）を逐次周波数推定部３から得ることができる。

　逐次周波数推定部３における、周波数推定値系列ｆ（ｋ）の算出の様子を図４に示す。図４において、各振動ｙｄ１（ｔ）、及びｙｄ２（ｔ）の各々の周波数はｆ１＝１０［Ｈｚ］及びｆ２＝２０［Ｈｚ］とし、両振動が重畳した振動ｙｄ（ｔ）に対して、自動調整部２の調整時間の間に、逐次周波数推定部３が動作した場合のｆ（ｔ）を破線で、ｆ（ｔ）に対して収束判定が成された周波数推定値系列ｆ（ｋ）を実線で示している。

　また図４において、ノッチフィルタ３１の出力であるｙｒ（ｔ）をｙｒ（ｔ）＝ｙｄ１ｒ（ｔ）＋ｙｄ２ｒ（ｔ）として、各々のｙｄ１ｒ（ｔ）及びｙｄ２ｒ（ｔ）を示している。

　収束判定ｋ＝１、２で振動ｙｄ（ｔ）の主たる振動成分である振動ｙｄ１（ｔ）の周波数ｆ１が適応ノッチフィルタ３４にて推定され、ｆ（１）、ｆ（２）がノッチフィルタ３１に適用される。このためｋ＝１、２では、ｙｄ１ｒ（ｔ）は振幅が小さくなり、振動ｙｄ（ｔ）の主たる振動成分はｙｄ２（ｔ）になる。

　これにより、ｋ＝３、４で振動ｙｄ２（ｔ）の周波数ｆ２が適応ノッチフィルタ３４にて推定され、ｆ（３）、ｆ（４）がノッチフィルタ３１に適用され、振動ｙｄ（ｔ）の主たる振動成分はｙｄ１（ｔ）となる。

　適応ノッチフィルタ３４はｙｄ１（ｔ）の周波数を推定しｆ（５）を得るが、ｋ＝５以降、振動ｙｄ（ｔ）は減衰しきって振動未発生状態となるので、振動検出部３２は振動検出無と判断し、適応ノッチフィルタ３４、及び収束判定部３３の動作を停止する。

　このように本実施例の逐次周波数推定部３は、１つ以上の減衰する振動が重畳してｙｄ（ｔ）して観測される場合であっても、主たる振動の周波数を優先的に、交番しながら高速に推定できる点が特徴である。

　振動の振幅、周波数、減衰（持続）時間、振動の重畳数が未知の場合、例えば逐次最小２乗同定法のような一般的な同定手段では必ずしも、各振動の周波数を精度よく推定できない。例えば２種の振動ｙｄ１及びｙｄ２が重畳するｙｄ（ｔ）であって、かつ減衰時間がＴ１＜Ｔ２であるような場合、０～Ｔ１では２振動系であるが、Ｔ１～Ｔ２では１振動系であり、振動系の次数が、未知な減衰（持続）時間Ｔ１及びＴ２で変化する、時変形の同定問題になるためである。

　これに対し、逐次周波数推定部３は、減衰（持続）時間、振動の重畳数が未知であっても、適切かつ高速に振動の周波数を推定できる利点がある。

　制振制御設計部４は、制振制御部５を周波数推定値系列に基づいて調整する。本実施例において制振制御設計部４は、教師無しクラスタリングを行うものとする。

　具体的には、自動調整部２の所定の調整時間に得られた、周波数推定値系列ｆ（ｋ）（ｋ＝１・・・）を点群データと見なし、これに対してk-means法等の教師無しクラスタリングを実施し、これにより得られたクラスタ数を振動の重畳数Ｎとし、各クラスタの平均値を各振動の周波数の推定値ｆｋ（ｋ＝１・・・Ｎ）とする。なお各クラスタの重心距離が所定値以下の場合は、それらクラスタは併合されるものとする。

　制振制御設計部４は振動の重畳数Ｎ、及び各振動の周波数の推定値ｆｋ（ｋ＝１・・・Ｎ）といった出力Ｆを制振制御部５に送り、制振制御部５はノッチ周波数をｆｋとする実ノッチフィルタをＮ段直列に設けることで、自動調整部２の処理は完了となる。

　図４に示すｆ（ｋ）に対する制振制御設計部４の処理を示したのが図５である。クラスタ１はｆ（１）、ｆ（２）、およびｆ（５）から、クラスタ２はｆ（３）及びｆ（４）から構成され、クラスタが２つゆえ振動の重畳数Ｎは２、各振動の周波数は各クラスタの平均値（ｆ（１）＋ｆ（２）＋ｆ（５））／３、及び（ｆ（３）＋ｆ（４））／２となる。

　なお、自動調整開始直後のｆ（１）は、ノッチフィルタ３１が無効の状態、振動の重畳が顕著のため、周波数の推定値としては精度が低くなる傾向にある。このため、クラスタリング前に周波数推定値系列ｆ（ｋ）（ｋ＝１・・・）の前半部分を間引く処理を加えてもよい。

　制振制御設計部４は、前述の教師無しクラスタリングの採用以外にも、振動の重畳数Ｎが１～２の場合は、下記のアルゴリズムの採用が考えられる。下記はk-means法と比較して処理コストに優れる点が特徴である。

　Ｓ１：点群データの平均値Ｍａを算出し、Ｍａに対する大小で２つのクラスタ
Ｃ１、Ｃ２を生成
　Ｓ２：Ｃ１の平均値Ｍｃ１、Ｃ２の平均値Ｍｃ２を算出し、
Ｔｅ＝｜Ｍｃ１－Ｍｃ２｜を算出する。

　Ｓ３：Ｔｅが所定の値以上の場合、振動の重畳数はＮ＝２、各振動の周波数の推定値はｆ１＝Ｍｃ１、ｆ２＝Ｍｃ２とする。Ｔｅが所定の値より小さい場合は、振動の重畳数はＮ＝１、振動の周波数の推定値はｆ１＝Ｍａとする。

　自動調整部２の所定の調整時間は、制御対象機械１５の１回の動作でｙｄ（ｔ）に振動が観測され、周波数推定値系列ｆ（ｋ）が得られるならば、制御対象機械１５の１回の動作にかかる時間のみであってもよい。

　また周波数推定値系列ｆ（ｋ）（ｋ＝１・・・）を多く取得し振動の周波数の推定精度を高めたい場合は、制御対象機械１５の複数回の動作に必要な時間を自動調整部２の所定の調整時間に設定してもよい。

　本実施例によれば、１つ以上の制御対象機械の共振・反共振特性に起因した振動がモータ制御系の応答から観測され、機械端に振動が発生する場合に、特に前記機械共振の数を事前に把握する必要ない。

　特許文献１では、制振制御設定部から制振制御部であるフィードフォワード制御部が複数の共振特性の反復調整をすることになる。本実施例によれば、制振制御部の調整を開始する初期状態において制振制御部５は、モータ制御系に入力される指令を加工せず、制振制御設計部４が周波数推定値系列に基づいて制振制御部５の調整を完了した後に、制振制御部５はモータ制御系に入力される指令の加工を開始する。本実施例では短時間・リアルタイムに制振制御部５を調整し、機械端の振動を抑制可能なモータ制御の自動調整方法及び、自動調整部２を備えた、モータ制御装置を提供することが可能である。

　なお本実施例では、自動調整部２はモータ回転位置ｙ（ｔ）を入力としたが、振動成分の抽出のしやすさの観点から、自動調整部２の入力をモータ回転位置偏差や、ＦＢ制御器１３の出力、モータ回転速度の偏差、速度ＦＢ制御器の出力、もしくはモータ回転速度の応答等を用いてもよい。

　また制振制御設計部４で生成されたクラスタの分散の大小に基づき、実ノッチフィルタの幅を可変にしてもよい。クラスタの分散が大の場合は、周波数推定値の精度が期待しづらいことが考えられるため、実ノッチフィルタの幅を大きめに設定し、広く周波数成分を除去することが有効な場合があるためである。

　またノッチフィルタ３１は、直列に複数段並べた構成とし、各ノッチ周波数に適宜周波数推定値系列ｆ（ｋ）を適用してもよい。これにより、多数の振動の重畳がｙｄ（ｔ）から観測される場合でも、周波数の推定精度が期待できるものとなる。但しこの場合、ｆ（ｋ）をどのノッチフィルタに適用するかをマネジメントする処理が別途必要となる点に注意する。

　また自動調整部２は、ＦＢ制御器１３のゲインを調整する機能を有していてもよい。制振制御部５が自動調整部２により調整され、これが有効になると、機械端の振動が抑制され、より高いＦＢ制御ゲインであっても、振動の発生無く機械端を制御・位置決めできるようになるためである。

　図１の自動調整部２、加減算器１６、ＦＢ制御器１３を含むモータ制御装置は、図示は省略したがＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する。振動抽出フィルタ６、逐次周波数推定部３、制振制御設計部４、制振制御部５の各処理部を含む自動調整部２、加減算器１６、ＦＢ制御器１３は、ＣＰＵがプログラムを読み出してプログラムを実行することで、各処理部の処理が実行される。ＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）やＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）等のハードウェアで、各処理部の全部もしくは一部を構成することもできる。

　本実施例によれば、セミクローズド構成のモータＦＢ制御系において、機械端に振動が発生する場合に、特に機械共振の数を事前に把握する必要なく、短時間・リアルタイムに制振制御部を調整し、機械端の振動を抑制可能である。

　実施例２は、実施例１をモータ制御装置に適用した例である。実施例１と同じ事項は説明を省略する。図６に示すように、図１に示した自動調整部２を自動調整器６２２としてＡＣサーボモータのセミクローズド位置ＦＢ制御系へ適用した実施例である。図６において自動調整器６２２を含まない場合は一般に知られる、セミクローズド位置ＦＢ制御系である。

　ＡＣサーボモータのセミクローズド位置ＦＢ制御系は、図６に示されるように、加減算器６１２、加減算器６１４、位置制御器６１、速度制御器６２、電流制御器６３、d-q座標系から３相座標系へ座標変換する第１の座標変換器６４、３相座標系からd-q座標系へ座標変換する第２の座標変換器６１０、３相電圧指令を入力してＰＷＭパルスを出力するＰＷＭ出力器６５、スイッチング素子を有するインバータ（電力変換器）６６、電流検出器６８、位置・速度算出部６１１、自動調整器６２２、モータの回転数を計測するエンコーダ６９、モータ６７、モータに駆動される機械６１３を備える。

　エンコーダ６９の出力からモータの回転位置・速度を算出する位置・速度算出部６１１で算出されたモータ回転位置もしくはモータ回転速度６１６を、自動調整器６２２は入力する。

　機械６１３の端部（機械端）の振動を励起しないように、自動調整器６２２の制振制御部５は回転位置指令６１５を加工し、加工後回転位置指令６１７を出力し、自動調整器６２２は、制振制御部５をモータ回転位置６１６に基づき適切に自動調整する役割を担う。

　自動調整器６２２から出力された加工後回転位置指令６１７と位置・速度算出部６１１からのモータ回転位置６１６とを加減算器６１４が入力し、加工後回転位置指令６１７とモータ回転位置６１６との差分を位置制御器６１が位置指令として入力する。

　位置制御器６１は、速度指令６１８を出力し、加減算器６１２が速度指令６１８とモータ回転速度６１９の差分を速度制御器６２に出力ずる。

　位置制御器６１は加工後回転位置指令６１７を指令とし、マイナーループ系の速度・電流制御系、及び積分要素を制御対象として位置ＦＢ制御を実施する。

　機械６１３の慣性数は１とし、機械６１３とモータのロータが弾性結合されているとみなされる場合は、制御対象機械は機械６１３とモータのロータがバネ・ダンパで結合された２慣性系とみなすことができ、制御対象機械は１組の共振・反共振特性を含む周波数特性を有するものとなる。

　また、機械６１３の慣性数が２で、双方が弾性結合されまたどちらか一方がモータのロータに対して弾性結合されているとみなされる場合、もしくは機械６１３も２つの慣性がモータのロータに対して各々弾性結合されているとみなされる場合には制御対象機械は３慣性系とみなすことができ、２組の共振・反共振特性を含む周波数特性を有するものとなる。このような系の例としては、例えば慣性体が移動する２慣性のサーボモータ機構が剛性の低い架台の上に設置されている場合等である。

　実施例１で示したように、自動調整器６２２は機械の共振・反共振特性の事前調査の必要なく、機械端が振動しモータ制御系の応答に複数の振動が重畳して観測される場合であっても、短時間・リアルタイムに制振制御部５を適切に自動調整し、機械端の振動の抑制が可能である。したがって、本実施例においても自動調整器６２２は実施例１と同様に短時間・リアルタイムに制振制御部５を適切に自動調整し、機械端の振動を抑制することが可能である。

　本実施例によれば、図６に示すようなＡＣサーボモータのセミクローズド位置ＦＢ制御系において、１つ以上の制御対象機械の共振・反共振特性に起因した振動がモータ制御系の応答から観測され、機械端に振動が発生する場合であっても、自動調整器６２２を設けることで、特に前記機械共振の数を事前に把握する必要ない。さらに、本実施例によれば、短時間・リアルタイムに制振制御部５を適切に自動調整し、機械端の振動を抑制することが可能である。

　なお自動調整器６２２は、図７に示すように、ＡＣサーボモータのセミクローズド速度ＦＢ制御系へ適用することも可能である。図７では、図６の位置制御器６１は除かれている。速度ＦＢ制御系であっても、１つ以上の制御対象機械の共振・反共振特性に起因した振動は速度応答７１６から観測でき、機械端の振動は発生しうるためである。

　図７において、機械６１３の端部（機械端）の振動を励起しないように、自動調整器６２２の制振制御部５は速度指令７１５を加工し、加工された速度指令７１７を出力する。加工された速度指令７１７と、位置・速度算出部６１１からのモータ回転速度７１６の差分を加減算器６１２が速度制御器６２に出力ずる。

　自動調整器６２２は速度応答７１６を用いても実施例１で示したように制振制御部５を自動調整可能である。これにより図７に示すようなＡＣサーボモータのセミクローズド速度ＦＢ制御系であっても自動調整器６２２を設けることで、特に前記機械共振の数を事前に把握する必要ない。

　さらに、図７のＡＣサーボモータのセミクローズド速度ＦＢ制御系であっても短時間・リアルタイムに制振制御部５を適切に自動調整し、機械端の振動を抑制することが可能である。

　本実施例によれば、ＡＣサーボモータのセミクローズド位置ＦＢ制御系もしくはＡＣサーボモータのセミクローズド速度ＦＢ制御系において、機械端に振動が発生する場合に、特に機械共振の数を事前に把握する必要なく、短時間・リアルタイムに制振制御部を調整し、機械端の振動を抑制可能である。

　なお上記の実施例は、モータ制御装置以外にも、例えば半導体検査装置、電気自動車の主モータ制御装置、電動パワーステアリングなどへの適用が可能である。

２…自動調整部、３…逐次周波数推定部、４…制振制御設計部、５…制振制御部、６…振動抽出フィルタ、１３…ＦＢ制御器、１４…モータ、１５…制御対象機械、３１…ノッチフィルタ、３２…振動検出部、３３…収束判定部、３４…適応ノッチフィルタ

Claims

複数の機械共振起因でモータ制御系の応答に重畳する複数の振動を、モータの回転速度応答もしくは回転位置応答から抽出する振動抽出フィルタと、
前記振動抽出フィルタから得られる前記複数の振動の各々の周波数を逐次に１つ１つ推定し、周波数の推定結果を周波数推定値系列として出力する逐次周波数推定部と、
前記モータに取り付けられた機械の端部に生ずる振動を抑制するように前記モータ制御系に入力される指令を加工する制振制御部と、
前記制振制御部を前記周波数推定値系列に基づいて調整する制振制御設計部とを備えるモータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記逐次周波数推定部は、
所定の周波数成分のみを除去する振動除去部と、
振動波形から振動の周波数を逐次に推定する適応推定部と、
収束判定部と、
振動検出部とを備え、
前記振動除去部は、
前記複数の振動を処理し、前記複数の振動から所定の周波数成分が除去された信号を残振動信号として出力し、
前記適応推定部は、
前記残振動信号の主たる１つの振動の周波数を逐次に推定し、その推定値を周波数推定値信号として逐次に出力し、
前記収束判定部は、
前記周波数推定値信号が収束したか否かを判定し、
収束したと判定した際の前記周波数推定値信号の周波数推定値を前記周波数推定値系列として出力し、
前記振動除去部は、
前記周波数推定値系列に基づき、除去する前記所定の周波数成分を変化させ、
前記振動検出部は、前記残振動信号において振動が持続的に発生しているか否かを判断し、
振動発生を検出した場合に、前記適応推定部及び前記収束判定部を動作させるモータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記制振制御設計部は、
前記周波数推定値系列の、所定の時間分を点群データとして取り扱い、
前記点群データを教師無しのクラスタリングで複数のクラスタに分割し、
分割された前記クラスタの数を、前記複数の振動の、振動の重畳数とし、
各クラスタに属する点群データから前記複数の振動の、各々の振動の周波数を推定して振動周波数推定値とし、
前記重畳数と前記振動周波数推定値に基づいて、前記制振制御部を調整するモータ制御装置。
請求項２に記載のモータ制御装置において、
前記振動除去部は、
ノッチフィルタであり、
前記適応推定部は、
適応ノッチフィルタであり、
前記収束判定部は、
前記適応ノッチフィルタが逐次推定する前記複数の振動の主たる１つの振動の周波数を前記周波数推定値信号として逐次に受けとり、前記周波数推定値系列を出力し、
前記ノッチフィルタは、
出力される前記周波数推定値系列に基づき、前記ノッチフィルタのノッチ周波数を変化させるモータ制御装置。
請求項４に記載のモータ制御装置において、
前記制振制御部の調整を開始する初期状態において、
前記ノッチフィルタのノッチ周波数は、前記制振制御部が担う前記機械の端部の制振帯域の上限以上とするモータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記制振制御部の調整を開始する初期状態においては、
前記制振制御部は、
前記モータ制御系に入力される指令を加工せず、
前記制振制御設計部が前記周波数推定値系列に基づいて前記制振制御部の調整を完了した後に、前記制振制御部は前記モータ制御系に入力される指令の加工を開始するモータ制御装置。
請求項３に記載のモータ制御装置において、
前記点群データの平均値を基に、前記点群データを２つのクラスタに分割し、各クラスタの平均値を算出し、
算出された前記平均値の差の絶対値が所定の値以上の場合、振動の重畳数を２、そうでないない場合は１とし、
前記振動の重畳数が２の場合、各クラスタの平均値を前記振動周波数推定値とし、前記振動の重畳数が１の場合、前記点群データの平均値を前記振動周波数推定値とするモータ制御装置。
請求項４に記載のモータ制御装置において、
前記適応ノッチフィルタは、
逐次に周波数を推定する際、周波数の逐次更新における更新ゲインを、現時点の周波数推定値に基づいて、可変にするモータ制御装置。
複数の機械共振起因でモータ制御系の応答に重畳する複数の振動を、モータの回転速度応答もしくは回転位置応答から抽出し、
抽出した前記複数の振動の各々の周波数を逐次に１つ１つ推定し、周波数の推定結果を周波数推定値系列として出力し、
前記周波数推定値系列に基づいて調整することで、前記モータに取り付けられた機械の端部に生ずる振動を抑制するように前記モータ制御系に入力される指令を加工するモータ制御の自動調整方法。
請求項９に記載のモータ制御の自動調整方法において、
初期状態においては、
前記モータ制御系に入力される前記指令を加工せず、
前記周波数推定値系列に基づいて前記指令の調整を完了した後に、前記モータ制御系に入力される前記指令の加工を開始するモータ制御の自動調整方法。
請求項９に記載のモータ制御の自動調整方法において、
前記複数の振動の各々の周波数の逐次１つ１つの推定は、
ノッチフィルタと、適応ノッチフィルタと、前記適応ノッチフィルタの収束の判定との組み合わせで実行されるモータ制御の自動調整方法。