慣性系の制御方法および装置
【課題】運転指令に対する負荷機械の応答性を低下させることなく該負荷機械の振動を抑制すること。
【解決手段】動力発生機（３７）と、この動力発生機（３７）にトルク伝達要素（３９）を介して結合された負荷機械（３８）とを有する慣性系が制御対象である。負荷機械（３８）の加速度を指令する加速度指令情報（４１）に所定のゲインを乗じて制振制御操作量（４３）を設定する。位置指令（４２）に制振制御操作量（４３）を加えて制振制御指令（４４）を形成し、この制振制御指令（４４）によって慣性系を制御する。
【解決手段】動力発生機（３７）と、この動力発生機（３７）にトルク伝達要素（３９）を介して結合された負荷機械（３８）とを有する慣性系が制御対象である。負荷機械（３８）の加速度を指令する加速度指令情報（４１）に所定のゲインを乗じて制振制御操作量（４３）を設定する。位置指令（４２）に制振制御操作量（４３）を加えて制振制御指令（４４）を形成し、この制振制御指令（４４）によって慣性系を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性系を制御する方法および装置に関し、とくには、該慣性系の振動を抑制するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
共に慣性体である動力発生機と負荷機械とを軟性を有するトルク伝達要素を介して連結した機構は、いわゆる２慣性系を構成している。この２慣性系は、動力発生機が急激な加速および減速をする場合に、該動力発生機の位置および速度と負荷機械のそれとにずれを生じる。したがって、一般的なサーボ制御装置によって２慣性系を制御した場合、システムの安定性が低下して、負荷機械に振動が発生する。
【０００３】
すなわち、上記一般的なサーボ制御装置では、回転検出器が回転動力発生機側に設けられていることから、上記トルク伝達要素の剛性が負荷機械を剛体と見なせなくなるほど低い場合、このトルク伝達要素のねじれによって該負荷機械の動作が遅れることになる。このため、位置指令に対して動力発生機を追従動作させることはできても、負荷機械を追従動作させることが困難になって、負荷機械に振動が発生する。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１は、運転指令から振動成分を取り除くことによって２慣性系の振動を抑制する制振手法を提案している。この制振手法は、ノッチフィルタと同様な周波数特性をもつ制振フィルタで運転指令をフィルタリング処理することによって、反共振周波数によるゲインピークを抑えるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−５６７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の制御装置は、上記制振フィルタの応答性に起因して、負荷機械の動作が緩慢になるおそれ、つまり、運転指令に対する負荷機械の応答遅れを生じさせるおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、運転指令に対する負荷機械の応答性を低下させることなく該負荷機械の振動を抑制することができる慣性系の制御方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、動力発生機、負荷機械およびこれらを結合するトルク伝達要素を有する慣性系を制御する慣性系の制御方法を提供する。上記の目的を達成するため、この制御方法は、同相の位置指令および加速度指令を発生するステップと、前記加速度指令に所定のゲインを乗じることによって制振制御操作量を設定するステップと、前記位置指令に前記制振制御操作量を加えることによって制御指令を形成するステップと、を含む。
【０００９】
前記同相の位置指令および加速度指令を発生するステップは、入力される位置指令に基づいて前記加速度指令を推定し、この推定した加速度指令に基づいて該加速度指令と同相の前記位置指令を推定するステップを含むことができる。上記入力される位置指令は、例えば、パルス列で構成される。
【００１０】
本発明では、より良好な制振作用を得るために、前記同相の位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分を、等しい周波数特性を有する第１および第２のフィルタ要素を用いてそれぞれ抑制するステップをさらに含むことができる。
前記したように、入力される位置指令から同相の位置指令および加速度指令を推定する場合においては、前記入力される位置指令に含まれる加加速度成分をフィルタ要素によって抑制することによって、結果的に、推定される位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分を抑制することができる。
【００１１】
前記加速度指令に乗じるゲインは、前記慣性系の反共振周波数に基づいて、あるいは、前記トルク伝達要素の剛性係数および前記負荷機械の慣性値に基づいて設定することが可能である。
【００１２】
本発明は、動力発生機、負荷機械およびこれらを結合するトルク伝達要素を有する慣性系を制御する慣性系の制御装置も提供する。上記の目的を達成するため、この制御装置は、同相の位置指令および加速度指令を発生する指令発生手段と、前記加速度指令に所定のゲインを乗じることによって制振制御操作量を設定する操作量設定手段と、前記位置指令に前記制振制御操作量を加えて制御指令を形成する制御指令形成手段と、前記制御指令に基づいて前記動力発生機を駆動する駆動手段と、を備える。
【００１３】
前記指令発生手段は、例えば、入力される位置指令に基づいて前記加速度指令を推定し、この推定した加速度指令に基づいて該加速度指令と同相の前記位置指令を推定するように構成される。この場合、上記入力される位置指令として、例えばパルス列からなる位置指令が使用される。
前記指令発生手段は、前記同相の位置指令および加速度指令を内部で直接生成するように構成することも可能である。この場合、上記入力される位置指令が不要になるので、装置構成が簡素化される。
【００１４】
本発明では、より良好な制振作用を得るため、前記同相の位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分をそれぞれ抑制する第１および第２のフィルタ要素をさらに備えることができる。この第１および第２のフィルタ要素には、等しい周波数特性持つものが使用される。
入力される位置指令から同相の位置指令および加速度指令を推定する前記の指令発生手段を適用する場合においては、前記入力される位置指令に含まれる加加速度成分を除去するフィルタ要素を設けることによって、結果的に、推定される位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分を抑制することができる。
【００１５】
前記操作量設定手段において、前記加速度指令に乗じるゲインは、前記慣性系の反共振周波数に基づいて、あるいは、前記トルク伝達要素の剛性係数および前記負荷機械の慣性値に基づいて設定することが可能である。前記操作量設定手段は、前記ゲインを手動調整する手段を備えることができる。
本発明は、上記の制御装置を使用した産業用機械も提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、加速度指令に所定のゲインを乗じた制振制御操作量が設定され、この制振制御操作量がフィードフォワード制御量として位置指令に加えられる。したがって、負荷機械が動き出すのに必要なトルクをトルク伝達要素に発生させて、該負荷機械を高速応答させることができるとともに、この負荷機械の振動を抑制することができる。
また、前記ゲインを慣性系の反共振周波数という１つの定数からなるパラメータに基づいて設定することができるので、パラメータ調整に時間を要することがなく、かつ、制振を実現するための構成要素も簡素化される。しかも、上記制振制御操作量はフィードフォワード制御量として使用されるので、制御系の応答周波数に悪影響を与えることがなく、また、制御系に発散等を発生させることもない。それゆえ、汎用ユーザにとって、難しい知識やテクニックを習得することなく効果的な制振制御を実現することができる。
さらに、本発明は、回転／直動機構を含む慣性系および電動／非電動型の動力発生機を含む慣性系に適用することができるので、剛性の低いトルク伝達要素を持つ諸機械の制振制御に幅広く利用することができる。加えて、オープンループの制御系とクローズループの制御系のいずれにも適用することができるという利点も有する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】２慣性系のモデルを示す概念図である。
【図２】２慣性系の一般的な制御モデルを示すブロック線図である。
【図３】本発明の制振原理に従った２慣性系の制御モデルを示すブロック線図である。
【図４】図２示した制御モデルにおけるシミュレーション結果を例示したグラフである。
【図５】図３示した制御モデルにおけるシミュレーション結果を例示したグラフである。
【図６】図５における動力発生機の位置変化の立ち上がり部分を詳細に示す拡大図である。
【図７】本発明に係る制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図８】指令発生部の構成例を示すブロック線図である。
【図９】理論的に求めた負荷機械の加速度の変化特性と、推定された該負荷機械の加速度の変化特性とを示すグラフである。
【図１０】制振制御操作量を用いたフィードフォワード制御を実行しない場合の動力発生機の運転終了時以後における負荷機械の速度の挙動を例示したグラフである。
【図１１】制振制御操作量を用いたフィードフォワード制御を実行した場合の動力発生機の運転終了時以後における負荷機械の速度の挙動を例示したグラフである。
【図１２】本発明に係る制御装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図１３】図７の制御装置に加振力抑制部を付加した本発明に係る制御装置の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１４】図１２の制御装置に加振力抑制部を付加した本発明に係る制御装置の第４の実施形態を示すブロック図である。
【図１５】オープンループ構成の本発明に係る制御装置を例示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
回転動力発生機の出力をトルク伝達要素を介して慣性系の負荷に伝達する機構は、いわゆる２慣性系を構成している。図１にトルク伝達要素１と負荷要素２の関係を示すように、２慣性系では、軟性をもつトルク伝達要素１をバネとしてモデル化することができる。以下の説明から明らかなように、本発明は上記バネの運動を応用して負荷要素２を制振するものである。
【００１９】
図１の上図は、負荷要素２にトルクが作用していない状態を示している。トルク伝達要素１を介して負荷要素２にトルクが作用すると、下図に示すようにトルク伝達要素１が弾性変形し、その結果、トルク伝達要素１と負荷要素２との間に位置偏差△θが発生する。このとき、トルク伝達要素１に発生するトルクＴ１は、
以下の運動方程式によって与えられる。
【数１】
ここで、Ｋはトルク伝達要素１の剛性係数（もしくはバネ定数）である。
【００２０】
一方、負荷要素２が動き出すために必要なトルクＴ２は、該負荷要素２の加速度をαとすると、以下の運動方程式によって与えられる。
【数２】
ここで、ＪＲは負荷要素２の慣性値である。
負荷要素２を動かすための条件は、
【数３】
である。したがって、負荷要素２を動かすのに必要なトルクＴ１を発生させるための位置偏差△θは、（１）、（２）式より以下のように表される。
【数４】
【００２１】
本発明では、後述するように、位置指令に上記位置偏差△θに相当する操作量加えた制御指令によって慣性系を制御する。したがって、負荷要素を上記位置指令に追従させる上で必要なトルクが過不足なく負荷要素に与えられて、該負荷要素の振動が抑制されることになる。本発明は、以上のような物理的根拠によって成り立つものである。
【００２２】
図２は、２慣性系の一般的な制御モデルを示すブロック線図である。このモデルは、剛性係数がＫ２のトルク伝達要素１１１と、慣性値がＪＲ２の負荷機械１１２と、２回積分器１１３とを備えている。なお、図２において、θＬ２は位置指令を、θＲ２は負荷機械１１２の位置を、ｓはラプラス演算子をそれぞれ示している。
このモデルにおける伝達関数は、以下のように表される。
【数５】
【００２３】
この（５）式から位置指令θＬ２と負荷機械１１２の位置θＲ２の関係を示す以下の（６）式が導かれる。
【数６】
（６）式の右辺第１項に含まれる下記２回微分項は、負荷機械１１２の加速度を意味している。したがって、（４）式に示す位置偏差△θと（６）式の右辺第１項は等価であることがわかる。
【数７】
つまり、（６）式は、負荷機械１１２の位置θＲ２が位置指令θＬ２に対して（４）式で示す位置偏差△θだけ遅れることを示している。それ故、位置指令θＬ２に（４）式で示す△θを加えることによって、すなわち、回転動力発生機を位置指令θＬ２のみの場合よりも△θだけ早く動かすことによって、負荷機械１１２の位置θＲ２を位置指令θＬ２に追従させることが可能になる。
【００２４】
図３は、上記原理に従った２慣性系の制御モデルを示すブロック線図である。このブロック線図において、トルク伝達要素１１と、負荷機械１２および２回積分器１３は、それぞれ図２に示すトルク伝達要素１１１と、負荷機械１１２および２回積分器１１３に対応するものである。ただし、このブロック線図では、トルク伝達要素１１の剛性係数がＫ１、負荷機械１２の慣性値がＪＲ１、位置指令がθＬ１、負荷機械１２の位置がθＲ１として示されている。
【００２５】
この制御モデルにおける制振制御ゲイン１４は、制振制御操作量１５を発生させるためのゲインであり、下式（８）に示す関係式を用いて設定される。
【数８】
この制振制御ゲイン１４は（４）式の右辺に示す（ＪＲ／Ｋ）に対応し、また、加速度指令２０は同式に示す加速度αに対応している。したがって、制振制御操作量１５は、（４）式に示す位置偏差△θに対応するものとなる。
この制振制御操作量１５は、フィードフォワード情報として位置指令θＬ１に加算される。したがって、図３の制御モデルによれば、位置指令θＬ１に対する負荷機械１２の位置θＲ１の遅れ（△θ）を抑制して、位置指令θＬ１に対する負荷機械１２の追従性を向上することができる。そして、この追従性の向上は、結果的に、負荷機械１２を制振することになる。
【００２６】
ところで、図１に示したような２慣性系では、反共振周波数が発生する。この反共振周波数ωＲは、下記（９）式に示すように、トルク伝達要素の剛性係数Ｋおよび負荷機械の慣性値ＪＲによって決定される。
【数９】
図３に示す制御モデルの場合、（９）式の右辺は、（８）式で表される制振制御ゲイン１４の平方根の逆数に相当する。したがって、上記制振制御ゲイン１４は、反共振周波数ωＲを用いて以下のように表される。
【数１０】
上記（１０）式は、本発明に係る制振制御が反共振周波数ωＲという単一のパラメータを用いてが実現できることを示している。
【００２７】
以上のように、図３に示す制御モデルによる制振制御は、上記制振制御操作量１５を操作量の一部として用いることによって負荷機械１２の動作遅れを抑制するものであるので、つまり、フィルタ手段を用いて運転指令をなまらせるという一般的な制振制御手法とは全く異なるものであるので、位置指令θＬ１に対して負荷機械１２を素早く応答動作させることが可能となる。
【００２８】
図４および図５は、それぞれ図２および図３に示した制御モデルを用いて実施したシミュレーションの結果を例示したものである。この図４、図５において、実線ａは位置指令θＬの変化を、一点鎖線ｂは位置指令θＬの変化に対する動力発生機の位置変化を、点線ｃは位置指令θＬの変化に対する負荷機械の位置θＲの変化をそれぞれ示す。図６は、図５における動力発生機の位置変化の立ち上がり部分を詳細に示す拡大図である。なお、図４〜図６においては、動力発生機および負荷機械の動作の把握を容易にするために、この動力発生機および負荷機械についての実際のシミュレーション結果にそれぞれ適当なオフセットが加えられている。
【００２９】
このシミュレーションにおける運転条件は、以下に示すとおりである。
【表１】
【００３０】
上記表に例示した運転条件の場合、制振制御を行うために必要な制振制御操作量１５（図３参照）は、
【数１１】
となる。
図２に示す制御モデルでは、制振制御が実行されないので、図４から明らかなように、負荷機械１１２の位置θＲ２が位置指令θＬ２に対して遅れることになる。このため、負荷機械１１２には、上記遅れに起因する共振が励起されて振動が発生している。
一方、図３に示すモデルでは、上記制振制御操作量１５を用いた制振制御が実行されるので、第５図に示すように、負荷機械１２の位置θＲ１が位置指令θＬ１に追従することになる。したがって、負荷機械１２が振動せず、また、位置指令θＬ１に対する負荷機械１２の位置θＲ１の遅れも発生しない。図６は、動力発生機１１の位置に計算通りの制振制御操作量が加えられていることを示している。
【００３１】
図７は、上記した制振制御を実現するための本発明に係る制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。この制御装置は、指令出力部３０、指令発生部３１、ゲイン部３２、加算器３３、制御部３４、動力変換部３５および回転検出器３６を備えている。制御対象である動力発生機３７および負荷機械３８は、トルク伝達要素３９を介して結合され、２慣性系を構成している。
【００３２】
この制御装置において、指令出力部３０は、上記各要素３１〜３５を含む制御ユニット５０とは切り離されて設けられており、例えば、パルス列からなる位置指令４０を出力する。
上記パルス列からなる位置指令４０は、加速度の成分を含んでいる。そこで、指令発生部３１は、入力される位置指令４０の周波数変化に基づいて加速度指令４１を推定する。一方、指令発生部３１は、上記推定した加速度指令４１から位置指令４２を推定する。上記推定加速度指令４１および推定位置指令４２は、いずれもパルス列からなる位置指令４０を基に形成されたものであるので、互いの位相が一致している。なお、上記推定加速度指令４１は図３に示す加速度指令２０に対応し、また、上記推定位置指令４２は図３に示す位置指令θＬ１に対応している。
【００３３】
図８は、上記指令発生部３１の構成例を示すブロック線図である。ここに例示した指令発生部３１は、４次のローパスフィルタを用いた構成を有する。しかし、同様の機能が得られるのであれば、図示の構成に限定されず、また、採用するフィルタの次数の選定も自由である。なお、この指令発生部３１は、速度指令４５も推定するように構成されている。この推定速度指令４５は、必要に応じて、例えば速度フィードフォワード制御を実行する場合の情報として前記制御部３４に与えられる。
【００３４】
図９には、理論的に求めた加速度指令が実線ａで、また、図８に示す指令発生部３１から出力される推定加速度指令４１が点線ｂでそれぞれ例示されている。この図９から明らかなように、推定加速度指令４１は理論的に求めた加速度とほぼ一致している。これは、本発明における制振制御に必要な加速度情報として上記指令発生部３１で推定される加速度情報（推定加速度指令４１）が十分使用し得るものであることを示している。
【００３５】
図７に示すゲイン部３２は、指令発生部３１から出力される推定加速度指令４１に所定のゲイン、すなわち、前記（８）式もしくは（１０）式で与えられる制振制御ゲインを乗じて、図３に示す制振制御操作量１５に対応する制振制御操作量４３を形成する処理を実行する。
指令発生部３１から出力される推定位置指令４２は、前記加算器３３の一方の入力に加えられ、また、ゲイン部３２から出力される制振制御操作量４３は、該加算器３３の他方の入力にフィードフォワード制御情報として加えられる。そこで、加算器３３は、上記推定位置指令４２に制振制御操作量４３を加えて制振制御指令４４を形成し、この制振制御指令４４を制御部３４に出力する。
【００３６】
制御部３４は、例えば動力発生機３７が電動機の場合、一般的に、位置制御と速度制御の双方を実行する。すなわち、制御部３４は、制振制御指令４４と回転検出器３６で検出される動力発生機（電動機）３７の位置とを比較し、両者の位置偏差に対応する速度指令を形成する。そして、この速度指令と回転検出器３６の出力に基づいて算出した動力発生機３７の速度とを比較し、両者の速度偏差に対応したトルク指令を動力変換部３５に出力する。
なお、制御部３４では、上記位置偏差に対してＰ（Proportional）処理が施され、また、上記速度偏差に対してＰＩ（Proportional Integral）処理が施される。
【００３７】
前記動力変換部３５は、動力発生機３７が電動機の場合、ソフトウェア要素とハードウェア要素とで構成することができる。ソフトウェア要素は、制御部３４から出力されるトルク指令にＰＷＭ（パルス幅変調）、ＰＡＭ（パルス振幅変調）などの変調処理を施して、このトルク指令に対応する変調信号を生成し、一方、ハードウェア要素は、上記変調信号を用いてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などのスイッチ素子をスイッチング動作させて、動力発生機３７に印加する電圧を調整する。
【００３８】
上記のように構成された本発明に係る制御装置によれば、ゲイン部３２から出力される制振制御操作量４３がフィードフォワード情報として推定位置指令４２に加えられることから、この制振制御操作量４３による制振制御が実行される。この結果、推定位置指令４２に対して負荷機械３８が速やかに応答動作して、該負荷機械３８の振動が効果的に抑制される。
【００３９】
ところで、ゲイン部３２における制振制御用のゲインは、（１０）式で示したように、動力発生機３７、負荷機械３８およびトルク伝達要素３９を含む２慣性系が有する反共振周波数ωＲの逆数の２乗で規定されるので、定数として扱えるパラメータである。したがって、上記ゲインは、適用する２慣性系の反共振周波数ωＲに基づいて設定することができる。この場合、上記ゲインを決定する（１０）式の演算をゲイン部３２に実行させても良い。
また、（８）式か明らかなように、上記ゲインはトルク伝達要素３９の剛性係数Ｋ１と負荷機械３８の慣性値ＪＲ１によって規定されるので、この剛性係数Ｋ１と慣性値ＪＲ１から決定することも可能である。この場合、上記ゲインを決定する（８）式の演算をゲイン部３２に実行させても良い。
【００４０】
さらに、可変抵抗器などのゲイン調整手段を上記ゲイン部３２等に設け、負荷機械３８の振動状態を見ながらこのゲイン調整手段を操作することによって上記ゲインを最適値に設定することも可能である。
なお、上記ゲインは、例えば、学習機能を利用して自動設定することも可能である。この場合、適宜な学習則を用いて負荷機械３８の振動を最小にする上記ゲインが設定される。
【００４１】
上記制振制御操作量４３を用いたフィードフォワード制御（制振制御）を実行しない場合には、動力発生機３７の運転終了時以後、負荷機械３８の速度が図１０に例示するような挙動を示す。すなわち、負荷機械３８が動力発生機３７の運転終了時以後においても振動を伴いながら動作する。
これに対して、上記制振制御を実行した場合には、１１図に示すように、動力発生機３７の運転終了時以後、負荷機械３８がほとんど振動することなく速やかに停止する。
【００４２】
なお、上記第１の実施形態および後述する図１３、図１５に示す実施形態では、指令出力部３０からパルス列からなる位置指令４０を出力させるようにしているが、この指令出力部３０からアナログ信号からなる位置指令４０を出力させることも可能である。この場合、指令発生部３１では、このアナログ位置指令４０から同相の加速度指令４１および位置指令４２を推定する演算が実行される。
【００４３】
図１２に本発明に係る制御装置の第２の実施形態を示す。この第２の実施形態に係る制御装置は、同相の加速度指令４１'および位置指令４２'を直接発生する指令発生部３１'を備えている。この指令発生部３１'は、例えば、内蔵する記憶手段に同相の加速度指令４１'および位置指令４２'を格納し、この加速度指令４１'および位置指令４２'を逐次読み出して出力するように構成される。
【００４４】
本実施形態の制御装置によれば、制御ユニット５０内の指令発生部３１'が上記のような機能を有するので、図７に示す指令出力部３０を必要としない。したがって、構成の簡単化を図れ、かつ、第１の実施形態において必要であった指令出力部３０と制御ユニット５０間のワイヤリングも不要になる。
【００４５】
ところで、負荷機械３８の振動を効果的に抑制するには、前記（８）、（９）式の関係に基づいて規定される前記制振制御ゲインをできるだけ正確に設定することが望ましい。
なぜなら、加速度の切り替わり時点では、慣性系が急峻に動作することから、設定した制振制御ゲインの精度が低い場合、かえって加振力を増幅させて、負荷機械３８にさらに大きな振動を発生させるおそれがあるからである。このような大きな振動が発生すると、騒音が発生するとともに、負荷機械３８への負担も大きくなる。
【００４６】
図１３は、以上の事項を考慮して構成された本発明に係る制御装置の第３の実施形態を示している。本実施形態に係る制御装置は、図７に示す制御装置における指令出力部３０と指令発生部３１との間に加振力抑制部４６を設けた構成を有する。
加振力抑制部４６は、ローパスフィルタ、ノッチフィルタ等のフィルタ要素によって構成されている。したがって、加振力抑制部４６は、指令出力部３０から出力されるパルス列からなる位置指令４０の急峻な変化成分（加加速度成分）を抑制するように作用する。
【００４７】
前述したように、ゲイン部３２において使用される制振制御ゲインの精度が低い場合には、加速度の切り替わり時点で加振力が増幅されて、負荷機械３８に大きな振動を発生させるおそれがある。しかし、上記加振力抑制部４６は、上記のように、加速度の急峻な変化を抑制する作用をなすので、制振制御ゲインの精度が低い場合でも、それに起因した加振力の増大が防止される。
なお、加振力抑制部４６のみの作用によって制振制御を実行した場合には、制御対象である慣性系の動作が緩慢になるため、該慣性系の位置決めに時間を要することになる。
【００４８】
かくして、制振制御操作量４３による制振制御と加振力抑制部４６による制振制御の双方が実行される本実施形態に係る制御装置によれば、各制振制御の欠点が補完されて、より高い振動抑制効果を得ることができる。また、運転条件に起因して動力発生機３７が指令に追従できないような場合でも、慣性系の振動を抑制して騒音や負荷機械３８への負担を減少することができる。
なお、本実施形態では、指令出力部３０から出力される位置指令４０をフィルタリング処理する加振力抑制部４６を設けているが、これに代えて、加速度指令４１をフィルタリング処理する第１の加振力抑制部と位置指令４２をフィルタリング処理する第２の加振力抑制部とを設けるようにしても良い。この場合、上記第１、第２の加振力抑制部として同じ周波数特性をもつものが使用される。
【００４９】
図１４は、図１２に示す制御装置に加振力抑制部４７および４８を付加した本発明に係る制御装置の第４の実施形態を示している。加振力抑制部４７は、指令発生部３１'の加速度指令出力端とゲイン部３２との間に設けられ、また、加振力抑制部４８は指令発生部３１'の位置指令出力端と加算器３３との間に設けられている。
加振力抑制部４７、４８は、図１３に示した加振力抑制部４６と同様に、ローパスフィルタ、ノッチフィルタ等のフィルタ要素によって構成されている。したがって、加振力抑制部４７および４８は、指令発生部３１'からそれぞれ出力される加速度指令４１'および位置指令４２'の急峻な変化成分（加加速度成分）を抑制するように作用する。
【００５０】
本実施形態に係る制御装置は、前記慣性系を速やかに位置決めするという上記制振制御操作量に基づく作用と、加速度の切り替わり時点で慣性系が急峻に動作するという現象を抑制するという上記加振力抑制部４７および４８に基づく作用とを併せ持つので、前記第３の実施形態に係る制御装置と同様に、負荷機械３８の振動を抑制する効果が高い。
【００５１】
ところで、図７、図１２、図１３および図１４に示した実施形態では、回転検出機３６の出力を、フィードバック情報として制御部３４に加えている。しかし、本発明を実施する上で、フィードバック情報は不可欠なものではない。すなわち、例えば、図７に示したクローズド構成の制御装置から回転検出器３６を除去した図１５に示すオープンループ構成の制御装置でも、クローズド構成の制御装置の制振効果と同等の制振効果を得ることができる。
【００５２】
本発明に係る制御装置は、動力発生機と該動力発生機に強固に接続されているスライダ、シリンダ、回転テーブルなどの被駆動機械要素とを含む慣性系の制御にも有効に適用することができる。すなわち、本発明に係る制御装置は、動力発生機、動力伝達要素および負荷機械を含む慣性系を備えたさまざまな機械装置（ロボット、工作機械、搬送機械および半導体製造装置等）に適用することができる。
また、上記慣性系に含まれる動力発生機は、電動回転機や電動直動機に限定さない。すなわち、本発明は、動力発生機が油圧ポンプ、内燃機関などの非電動型の動力発生機である場合でも、支障なく適用可能である。
【００５３】
なお、図７に示す制御装置は、指令発生部３１、ゲイン部３２、加算器３３、制御部３４および動力変換部３５を制御ユニット５０として一体化しているが、指令発生部３１、ゲイン部３２および加算器３３を指令発生ユニットとして一体化し、制御部３４、動力変換部３５を制御・駆動ユニットとして一体化しても良い。
同様に、図１２に示す制御装置は、指令発生部３１'、ゲイン部３２および加算器３３を指令発生ユニットとして一体化し、制御部３４、動力変換部３５を制御・駆動ユニットとして一体化することができる。なお、図１３〜１５に記載の制御装置も、上記に準じたユニット化が可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１、１１、１１１ トルク伝達要素
２ 負荷
１２、１１２ 負荷機械
１３、１１３ ２回積分器
１４ 制振制御ゲイン
１５ 制振制御操作量
３０ 指令出力部
３１、３１' 指令発生部
３２ ゲイン部
３３ 加算器
３４ 制御部
３５ 動力変換部
３６ 回転検出器
３７ 動力発生機
３８ 負荷機械
３９ トルク伝達要素
４０ パルス列入力
４１、４１' 加速度指令
４２、４２' 位置指令
４３ 制振制御操作量
４４ 制御指令
４５ 速度指令
４６、４７、４８ 加振力抑制部
５０ 制御ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性系を制御する方法および装置に関し、とくには、該慣性系の振動を抑制するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
共に慣性体である動力発生機と負荷機械とを軟性を有するトルク伝達要素を介して連結した機構は、いわゆる２慣性系を構成している。この２慣性系は、動力発生機が急激な加速および減速をする場合に、該動力発生機の位置および速度と負荷機械のそれとにずれを生じる。したがって、一般的なサーボ制御装置によって２慣性系を制御した場合、システムの安定性が低下して、負荷機械に振動が発生する。
【０００３】
すなわち、上記一般的なサーボ制御装置では、回転検出器が回転動力発生機側に設けられていることから、上記トルク伝達要素の剛性が負荷機械を剛体と見なせなくなるほど低い場合、このトルク伝達要素のねじれによって該負荷機械の動作が遅れることになる。このため、位置指令に対して動力発生機を追従動作させることはできても、負荷機械を追従動作させることが困難になって、負荷機械に振動が発生する。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１は、運転指令から振動成分を取り除くことによって２慣性系の振動を抑制する制振手法を提案している。この制振手法は、ノッチフィルタと同様な周波数特性をもつ制振フィルタで運転指令をフィルタリング処理することによって、反共振周波数によるゲインピークを抑えるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−５６７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の制御装置は、上記制振フィルタの応答性に起因して、負荷機械の動作が緩慢になるおそれ、つまり、運転指令に対する負荷機械の応答遅れを生じさせるおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、運転指令に対する負荷機械の応答性を低下させることなく該負荷機械の振動を抑制することができる慣性系の制御方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、動力発生機、負荷機械およびこれらを結合するトルク伝達要素を有する慣性系を制御する慣性系の制御方法を提供する。上記の目的を達成するため、この制御方法は、同相の位置指令および加速度指令を発生するステップと、前記加速度指令に所定のゲインを乗じることによって制振制御操作量を設定するステップと、前記位置指令に前記制振制御操作量を加えることによって制御指令を形成するステップと、を含む。
【０００９】
前記同相の位置指令および加速度指令を発生するステップは、入力される位置指令に基づいて前記加速度指令を推定し、この推定した加速度指令に基づいて該加速度指令と同相の前記位置指令を推定するステップを含むことができる。上記入力される位置指令は、例えば、パルス列で構成される。
【００１０】
本発明では、より良好な制振作用を得るために、前記同相の位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分を、等しい周波数特性を有する第１および第２のフィルタ要素を用いてそれぞれ抑制するステップをさらに含むことができる。
前記したように、入力される位置指令から同相の位置指令および加速度指令を推定する場合においては、前記入力される位置指令に含まれる加加速度成分をフィルタ要素によって抑制することによって、結果的に、推定される位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分を抑制することができる。
【００１１】
前記加速度指令に乗じるゲインは、前記慣性系の反共振周波数に基づいて、あるいは、前記トルク伝達要素の剛性係数および前記負荷機械の慣性値に基づいて設定することが可能である。
【００１２】
本発明は、動力発生機、負荷機械およびこれらを結合するトルク伝達要素を有する慣性系を制御する慣性系の制御装置も提供する。上記の目的を達成するため、この制御装置は、同相の位置指令および加速度指令を発生する指令発生手段と、前記加速度指令に所定のゲインを乗じることによって制振制御操作量を設定する操作量設定手段と、前記位置指令に前記制振制御操作量を加えて制御指令を形成する制御指令形成手段と、前記制御指令に基づいて前記動力発生機を駆動する駆動手段と、を備える。
【００１３】
前記指令発生手段は、例えば、入力される位置指令に基づいて前記加速度指令を推定し、この推定した加速度指令に基づいて該加速度指令と同相の前記位置指令を推定するように構成される。この場合、上記入力される位置指令として、例えばパルス列からなる位置指令が使用される。
前記指令発生手段は、前記同相の位置指令および加速度指令を内部で直接生成するように構成することも可能である。この場合、上記入力される位置指令が不要になるので、装置構成が簡素化される。
【００１４】
本発明では、より良好な制振作用を得るため、前記同相の位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分をそれぞれ抑制する第１および第２のフィルタ要素をさらに備えることができる。この第１および第２のフィルタ要素には、等しい周波数特性持つものが使用される。
入力される位置指令から同相の位置指令および加速度指令を推定する前記の指令発生手段を適用する場合においては、前記入力される位置指令に含まれる加加速度成分を除去するフィルタ要素を設けることによって、結果的に、推定される位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分を抑制することができる。
【００１５】
前記操作量設定手段において、前記加速度指令に乗じるゲインは、前記慣性系の反共振周波数に基づいて、あるいは、前記トルク伝達要素の剛性係数および前記負荷機械の慣性値に基づいて設定することが可能である。前記操作量設定手段は、前記ゲインを手動調整する手段を備えることができる。
本発明は、上記の制御装置を使用した産業用機械も提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、加速度指令に所定のゲインを乗じた制振制御操作量が設定され、この制振制御操作量がフィードフォワード制御量として位置指令に加えられる。したがって、負荷機械が動き出すのに必要なトルクをトルク伝達要素に発生させて、該負荷機械を高速応答させることができるとともに、この負荷機械の振動を抑制することができる。
また、前記ゲインを慣性系の反共振周波数という１つの定数からなるパラメータに基づいて設定することができるので、パラメータ調整に時間を要することがなく、かつ、制振を実現するための構成要素も簡素化される。しかも、上記制振制御操作量はフィードフォワード制御量として使用されるので、制御系の応答周波数に悪影響を与えることがなく、また、制御系に発散等を発生させることもない。それゆえ、汎用ユーザにとって、難しい知識やテクニックを習得することなく効果的な制振制御を実現することができる。
さらに、本発明は、回転／直動機構を含む慣性系および電動／非電動型の動力発生機を含む慣性系に適用することができるので、剛性の低いトルク伝達要素を持つ諸機械の制振制御に幅広く利用することができる。加えて、オープンループの制御系とクローズループの制御系のいずれにも適用することができるという利点も有する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】２慣性系のモデルを示す概念図である。
【図２】２慣性系の一般的な制御モデルを示すブロック線図である。
【図３】本発明の制振原理に従った２慣性系の制御モデルを示すブロック線図である。
【図４】図２示した制御モデルにおけるシミュレーション結果を例示したグラフである。
【図５】図３示した制御モデルにおけるシミュレーション結果を例示したグラフである。
【図６】図５における動力発生機の位置変化の立ち上がり部分を詳細に示す拡大図である。
【図７】本発明に係る制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図８】指令発生部の構成例を示すブロック線図である。
【図９】理論的に求めた負荷機械の加速度の変化特性と、推定された該負荷機械の加速度の変化特性とを示すグラフである。
【図１０】制振制御操作量を用いたフィードフォワード制御を実行しない場合の動力発生機の運転終了時以後における負荷機械の速度の挙動を例示したグラフである。
【図１１】制振制御操作量を用いたフィードフォワード制御を実行した場合の動力発生機の運転終了時以後における負荷機械の速度の挙動を例示したグラフである。
【図１２】本発明に係る制御装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図１３】図７の制御装置に加振力抑制部を付加した本発明に係る制御装置の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１４】図１２の制御装置に加振力抑制部を付加した本発明に係る制御装置の第４の実施形態を示すブロック図である。
【図１５】オープンループ構成の本発明に係る制御装置を例示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
回転動力発生機の出力をトルク伝達要素を介して慣性系の負荷に伝達する機構は、いわゆる２慣性系を構成している。図１にトルク伝達要素１と負荷要素２の関係を示すように、２慣性系では、軟性をもつトルク伝達要素１をバネとしてモデル化することができる。以下の説明から明らかなように、本発明は上記バネの運動を応用して負荷要素２を制振するものである。
【００１９】
図１の上図は、負荷要素２にトルクが作用していない状態を示している。トルク伝達要素１を介して負荷要素２にトルクが作用すると、下図に示すようにトルク伝達要素１が弾性変形し、その結果、トルク伝達要素１と負荷要素２との間に位置偏差△θが発生する。このとき、トルク伝達要素１に発生するトルクＴ１は、
以下の運動方程式によって与えられる。
【数１】
ここで、Ｋはトルク伝達要素１の剛性係数（もしくはバネ定数）である。
【００２０】
一方、負荷要素２が動き出すために必要なトルクＴ２は、該負荷要素２の加速度をαとすると、以下の運動方程式によって与えられる。
【数２】
ここで、ＪＲは負荷要素２の慣性値である。
負荷要素２を動かすための条件は、
【数３】
である。したがって、負荷要素２を動かすのに必要なトルクＴ１を発生させるための位置偏差△θは、（１）、（２）式より以下のように表される。
【数４】
【００２１】
本発明では、後述するように、位置指令に上記位置偏差△θに相当する操作量加えた制御指令によって慣性系を制御する。したがって、負荷要素を上記位置指令に追従させる上で必要なトルクが過不足なく負荷要素に与えられて、該負荷要素の振動が抑制されることになる。本発明は、以上のような物理的根拠によって成り立つものである。
【００２２】
図２は、２慣性系の一般的な制御モデルを示すブロック線図である。このモデルは、剛性係数がＫ２のトルク伝達要素１１１と、慣性値がＪＲ２の負荷機械１１２と、２回積分器１１３とを備えている。なお、図２において、θＬ２は位置指令を、θＲ２は負荷機械１１２の位置を、ｓはラプラス演算子をそれぞれ示している。
このモデルにおける伝達関数は、以下のように表される。
【数５】
【００２３】
この（５）式から位置指令θＬ２と負荷機械１１２の位置θＲ２の関係を示す以下の（６）式が導かれる。
【数６】
（６）式の右辺第１項に含まれる下記２回微分項は、負荷機械１１２の加速度を意味している。したがって、（４）式に示す位置偏差△θと（６）式の右辺第１項は等価であることがわかる。
【数７】
つまり、（６）式は、負荷機械１１２の位置θＲ２が位置指令θＬ２に対して（４）式で示す位置偏差△θだけ遅れることを示している。それ故、位置指令θＬ２に（４）式で示す△θを加えることによって、すなわち、回転動力発生機を位置指令θＬ２のみの場合よりも△θだけ早く動かすことによって、負荷機械１１２の位置θＲ２を位置指令θＬ２に追従させることが可能になる。
【００２４】
図３は、上記原理に従った２慣性系の制御モデルを示すブロック線図である。このブロック線図において、トルク伝達要素１１と、負荷機械１２および２回積分器１３は、それぞれ図２に示すトルク伝達要素１１１と、負荷機械１１２および２回積分器１１３に対応するものである。ただし、このブロック線図では、トルク伝達要素１１の剛性係数がＫ１、負荷機械１２の慣性値がＪＲ１、位置指令がθＬ１、負荷機械１２の位置がθＲ１として示されている。
【００２５】
この制御モデルにおける制振制御ゲイン１４は、制振制御操作量１５を発生させるためのゲインであり、下式（８）に示す関係式を用いて設定される。
【数８】
この制振制御ゲイン１４は（４）式の右辺に示す（ＪＲ／Ｋ）に対応し、また、加速度指令２０は同式に示す加速度αに対応している。したがって、制振制御操作量１５は、（４）式に示す位置偏差△θに対応するものとなる。
この制振制御操作量１５は、フィードフォワード情報として位置指令θＬ１に加算される。したがって、図３の制御モデルによれば、位置指令θＬ１に対する負荷機械１２の位置θＲ１の遅れ（△θ）を抑制して、位置指令θＬ１に対する負荷機械１２の追従性を向上することができる。そして、この追従性の向上は、結果的に、負荷機械１２を制振することになる。
【００２６】
ところで、図１に示したような２慣性系では、反共振周波数が発生する。この反共振周波数ωＲは、下記（９）式に示すように、トルク伝達要素の剛性係数Ｋおよび負荷機械の慣性値ＪＲによって決定される。
【数９】
図３に示す制御モデルの場合、（９）式の右辺は、（８）式で表される制振制御ゲイン１４の平方根の逆数に相当する。したがって、上記制振制御ゲイン１４は、反共振周波数ωＲを用いて以下のように表される。
【数１０】
上記（１０）式は、本発明に係る制振制御が反共振周波数ωＲという単一のパラメータを用いてが実現できることを示している。
【００２７】
以上のように、図３に示す制御モデルによる制振制御は、上記制振制御操作量１５を操作量の一部として用いることによって負荷機械１２の動作遅れを抑制するものであるので、つまり、フィルタ手段を用いて運転指令をなまらせるという一般的な制振制御手法とは全く異なるものであるので、位置指令θＬ１に対して負荷機械１２を素早く応答動作させることが可能となる。
【００２８】
図４および図５は、それぞれ図２および図３に示した制御モデルを用いて実施したシミュレーションの結果を例示したものである。この図４、図５において、実線ａは位置指令θＬの変化を、一点鎖線ｂは位置指令θＬの変化に対する動力発生機の位置変化を、点線ｃは位置指令θＬの変化に対する負荷機械の位置θＲの変化をそれぞれ示す。図６は、図５における動力発生機の位置変化の立ち上がり部分を詳細に示す拡大図である。なお、図４〜図６においては、動力発生機および負荷機械の動作の把握を容易にするために、この動力発生機および負荷機械についての実際のシミュレーション結果にそれぞれ適当なオフセットが加えられている。
【００２９】
このシミュレーションにおける運転条件は、以下に示すとおりである。
【表１】
【００３０】
上記表に例示した運転条件の場合、制振制御を行うために必要な制振制御操作量１５（図３参照）は、
【数１１】
となる。
図２に示す制御モデルでは、制振制御が実行されないので、図４から明らかなように、負荷機械１１２の位置θＲ２が位置指令θＬ２に対して遅れることになる。このため、負荷機械１１２には、上記遅れに起因する共振が励起されて振動が発生している。
一方、図３に示すモデルでは、上記制振制御操作量１５を用いた制振制御が実行されるので、第５図に示すように、負荷機械１２の位置θＲ１が位置指令θＬ１に追従することになる。したがって、負荷機械１２が振動せず、また、位置指令θＬ１に対する負荷機械１２の位置θＲ１の遅れも発生しない。図６は、動力発生機１１の位置に計算通りの制振制御操作量が加えられていることを示している。
【００３１】
図７は、上記した制振制御を実現するための本発明に係る制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。この制御装置は、指令出力部３０、指令発生部３１、ゲイン部３２、加算器３３、制御部３４、動力変換部３５および回転検出器３６を備えている。制御対象である動力発生機３７および負荷機械３８は、トルク伝達要素３９を介して結合され、２慣性系を構成している。
【００３２】
この制御装置において、指令出力部３０は、上記各要素３１〜３５を含む制御ユニット５０とは切り離されて設けられており、例えば、パルス列からなる位置指令４０を出力する。
上記パルス列からなる位置指令４０は、加速度の成分を含んでいる。そこで、指令発生部３１は、入力される位置指令４０の周波数変化に基づいて加速度指令４１を推定する。一方、指令発生部３１は、上記推定した加速度指令４１から位置指令４２を推定する。上記推定加速度指令４１および推定位置指令４２は、いずれもパルス列からなる位置指令４０を基に形成されたものであるので、互いの位相が一致している。なお、上記推定加速度指令４１は図３に示す加速度指令２０に対応し、また、上記推定位置指令４２は図３に示す位置指令θＬ１に対応している。
【００３３】
図８は、上記指令発生部３１の構成例を示すブロック線図である。ここに例示した指令発生部３１は、４次のローパスフィルタを用いた構成を有する。しかし、同様の機能が得られるのであれば、図示の構成に限定されず、また、採用するフィルタの次数の選定も自由である。なお、この指令発生部３１は、速度指令４５も推定するように構成されている。この推定速度指令４５は、必要に応じて、例えば速度フィードフォワード制御を実行する場合の情報として前記制御部３４に与えられる。
【００３４】
図９には、理論的に求めた加速度指令が実線ａで、また、図８に示す指令発生部３１から出力される推定加速度指令４１が点線ｂでそれぞれ例示されている。この図９から明らかなように、推定加速度指令４１は理論的に求めた加速度とほぼ一致している。これは、本発明における制振制御に必要な加速度情報として上記指令発生部３１で推定される加速度情報（推定加速度指令４１）が十分使用し得るものであることを示している。
【００３５】
図７に示すゲイン部３２は、指令発生部３１から出力される推定加速度指令４１に所定のゲイン、すなわち、前記（８）式もしくは（１０）式で与えられる制振制御ゲインを乗じて、図３に示す制振制御操作量１５に対応する制振制御操作量４３を形成する処理を実行する。
指令発生部３１から出力される推定位置指令４２は、前記加算器３３の一方の入力に加えられ、また、ゲイン部３２から出力される制振制御操作量４３は、該加算器３３の他方の入力にフィードフォワード制御情報として加えられる。そこで、加算器３３は、上記推定位置指令４２に制振制御操作量４３を加えて制振制御指令４４を形成し、この制振制御指令４４を制御部３４に出力する。
【００３６】
制御部３４は、例えば動力発生機３７が電動機の場合、一般的に、位置制御と速度制御の双方を実行する。すなわち、制御部３４は、制振制御指令４４と回転検出器３６で検出される動力発生機（電動機）３７の位置とを比較し、両者の位置偏差に対応する速度指令を形成する。そして、この速度指令と回転検出器３６の出力に基づいて算出した動力発生機３７の速度とを比較し、両者の速度偏差に対応したトルク指令を動力変換部３５に出力する。
なお、制御部３４では、上記位置偏差に対してＰ（Proportional）処理が施され、また、上記速度偏差に対してＰＩ（Proportional Integral）処理が施される。
【００３７】
前記動力変換部３５は、動力発生機３７が電動機の場合、ソフトウェア要素とハードウェア要素とで構成することができる。ソフトウェア要素は、制御部３４から出力されるトルク指令にＰＷＭ（パルス幅変調）、ＰＡＭ（パルス振幅変調）などの変調処理を施して、このトルク指令に対応する変調信号を生成し、一方、ハードウェア要素は、上記変調信号を用いてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などのスイッチ素子をスイッチング動作させて、動力発生機３７に印加する電圧を調整する。
【００３８】
上記のように構成された本発明に係る制御装置によれば、ゲイン部３２から出力される制振制御操作量４３がフィードフォワード情報として推定位置指令４２に加えられることから、この制振制御操作量４３による制振制御が実行される。この結果、推定位置指令４２に対して負荷機械３８が速やかに応答動作して、該負荷機械３８の振動が効果的に抑制される。
【００３９】
ところで、ゲイン部３２における制振制御用のゲインは、（１０）式で示したように、動力発生機３７、負荷機械３８およびトルク伝達要素３９を含む２慣性系が有する反共振周波数ωＲの逆数の２乗で規定されるので、定数として扱えるパラメータである。したがって、上記ゲインは、適用する２慣性系の反共振周波数ωＲに基づいて設定することができる。この場合、上記ゲインを決定する（１０）式の演算をゲイン部３２に実行させても良い。
また、（８）式か明らかなように、上記ゲインはトルク伝達要素３９の剛性係数Ｋ１と負荷機械３８の慣性値ＪＲ１によって規定されるので、この剛性係数Ｋ１と慣性値ＪＲ１から決定することも可能である。この場合、上記ゲインを決定する（８）式の演算をゲイン部３２に実行させても良い。
【００４０】
さらに、可変抵抗器などのゲイン調整手段を上記ゲイン部３２等に設け、負荷機械３８の振動状態を見ながらこのゲイン調整手段を操作することによって上記ゲインを最適値に設定することも可能である。
なお、上記ゲインは、例えば、学習機能を利用して自動設定することも可能である。この場合、適宜な学習則を用いて負荷機械３８の振動を最小にする上記ゲインが設定される。
【００４１】
上記制振制御操作量４３を用いたフィードフォワード制御（制振制御）を実行しない場合には、動力発生機３７の運転終了時以後、負荷機械３８の速度が図１０に例示するような挙動を示す。すなわち、負荷機械３８が動力発生機３７の運転終了時以後においても振動を伴いながら動作する。
これに対して、上記制振制御を実行した場合には、１１図に示すように、動力発生機３７の運転終了時以後、負荷機械３８がほとんど振動することなく速やかに停止する。
【００４２】
なお、上記第１の実施形態および後述する図１３、図１５に示す実施形態では、指令出力部３０からパルス列からなる位置指令４０を出力させるようにしているが、この指令出力部３０からアナログ信号からなる位置指令４０を出力させることも可能である。この場合、指令発生部３１では、このアナログ位置指令４０から同相の加速度指令４１および位置指令４２を推定する演算が実行される。
【００４３】
図１２に本発明に係る制御装置の第２の実施形態を示す。この第２の実施形態に係る制御装置は、同相の加速度指令４１'および位置指令４２'を直接発生する指令発生部３１'を備えている。この指令発生部３１'は、例えば、内蔵する記憶手段に同相の加速度指令４１'および位置指令４２'を格納し、この加速度指令４１'および位置指令４２'を逐次読み出して出力するように構成される。
【００４４】
本実施形態の制御装置によれば、制御ユニット５０内の指令発生部３１'が上記のような機能を有するので、図７に示す指令出力部３０を必要としない。したがって、構成の簡単化を図れ、かつ、第１の実施形態において必要であった指令出力部３０と制御ユニット５０間のワイヤリングも不要になる。
【００４５】
ところで、負荷機械３８の振動を効果的に抑制するには、前記（８）、（９）式の関係に基づいて規定される前記制振制御ゲインをできるだけ正確に設定することが望ましい。
なぜなら、加速度の切り替わり時点では、慣性系が急峻に動作することから、設定した制振制御ゲインの精度が低い場合、かえって加振力を増幅させて、負荷機械３８にさらに大きな振動を発生させるおそれがあるからである。このような大きな振動が発生すると、騒音が発生するとともに、負荷機械３８への負担も大きくなる。
【００４６】
図１３は、以上の事項を考慮して構成された本発明に係る制御装置の第３の実施形態を示している。本実施形態に係る制御装置は、図７に示す制御装置における指令出力部３０と指令発生部３１との間に加振力抑制部４６を設けた構成を有する。
加振力抑制部４６は、ローパスフィルタ、ノッチフィルタ等のフィルタ要素によって構成されている。したがって、加振力抑制部４６は、指令出力部３０から出力されるパルス列からなる位置指令４０の急峻な変化成分（加加速度成分）を抑制するように作用する。
【００４７】
前述したように、ゲイン部３２において使用される制振制御ゲインの精度が低い場合には、加速度の切り替わり時点で加振力が増幅されて、負荷機械３８に大きな振動を発生させるおそれがある。しかし、上記加振力抑制部４６は、上記のように、加速度の急峻な変化を抑制する作用をなすので、制振制御ゲインの精度が低い場合でも、それに起因した加振力の増大が防止される。
なお、加振力抑制部４６のみの作用によって制振制御を実行した場合には、制御対象である慣性系の動作が緩慢になるため、該慣性系の位置決めに時間を要することになる。
【００４８】
かくして、制振制御操作量４３による制振制御と加振力抑制部４６による制振制御の双方が実行される本実施形態に係る制御装置によれば、各制振制御の欠点が補完されて、より高い振動抑制効果を得ることができる。また、運転条件に起因して動力発生機３７が指令に追従できないような場合でも、慣性系の振動を抑制して騒音や負荷機械３８への負担を減少することができる。
なお、本実施形態では、指令出力部３０から出力される位置指令４０をフィルタリング処理する加振力抑制部４６を設けているが、これに代えて、加速度指令４１をフィルタリング処理する第１の加振力抑制部と位置指令４２をフィルタリング処理する第２の加振力抑制部とを設けるようにしても良い。この場合、上記第１、第２の加振力抑制部として同じ周波数特性をもつものが使用される。
【００４９】
図１４は、図１２に示す制御装置に加振力抑制部４７および４８を付加した本発明に係る制御装置の第４の実施形態を示している。加振力抑制部４７は、指令発生部３１'の加速度指令出力端とゲイン部３２との間に設けられ、また、加振力抑制部４８は指令発生部３１'の位置指令出力端と加算器３３との間に設けられている。
加振力抑制部４７、４８は、図１３に示した加振力抑制部４６と同様に、ローパスフィルタ、ノッチフィルタ等のフィルタ要素によって構成されている。したがって、加振力抑制部４７および４８は、指令発生部３１'からそれぞれ出力される加速度指令４１'および位置指令４２'の急峻な変化成分（加加速度成分）を抑制するように作用する。
【００５０】
本実施形態に係る制御装置は、前記慣性系を速やかに位置決めするという上記制振制御操作量に基づく作用と、加速度の切り替わり時点で慣性系が急峻に動作するという現象を抑制するという上記加振力抑制部４７および４８に基づく作用とを併せ持つので、前記第３の実施形態に係る制御装置と同様に、負荷機械３８の振動を抑制する効果が高い。
【００５１】
ところで、図７、図１２、図１３および図１４に示した実施形態では、回転検出機３６の出力を、フィードバック情報として制御部３４に加えている。しかし、本発明を実施する上で、フィードバック情報は不可欠なものではない。すなわち、例えば、図７に示したクローズド構成の制御装置から回転検出器３６を除去した図１５に示すオープンループ構成の制御装置でも、クローズド構成の制御装置の制振効果と同等の制振効果を得ることができる。
【００５２】
本発明に係る制御装置は、動力発生機と該動力発生機に強固に接続されているスライダ、シリンダ、回転テーブルなどの被駆動機械要素とを含む慣性系の制御にも有効に適用することができる。すなわち、本発明に係る制御装置は、動力発生機、動力伝達要素および負荷機械を含む慣性系を備えたさまざまな機械装置（ロボット、工作機械、搬送機械および半導体製造装置等）に適用することができる。
また、上記慣性系に含まれる動力発生機は、電動回転機や電動直動機に限定さない。すなわち、本発明は、動力発生機が油圧ポンプ、内燃機関などの非電動型の動力発生機である場合でも、支障なく適用可能である。
【００５３】
なお、図７に示す制御装置は、指令発生部３１、ゲイン部３２、加算器３３、制御部３４および動力変換部３５を制御ユニット５０として一体化しているが、指令発生部３１、ゲイン部３２および加算器３３を指令発生ユニットとして一体化し、制御部３４、動力変換部３５を制御・駆動ユニットとして一体化しても良い。
同様に、図１２に示す制御装置は、指令発生部３１'、ゲイン部３２および加算器３３を指令発生ユニットとして一体化し、制御部３４、動力変換部３５を制御・駆動ユニットとして一体化することができる。なお、図１３〜１５に記載の制御装置も、上記に準じたユニット化が可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１、１１、１１１ トルク伝達要素
２ 負荷
１２、１１２ 負荷機械
１３、１１３ ２回積分器
１４ 制振制御ゲイン
１５ 制振制御操作量
３０ 指令出力部
３１、３１' 指令発生部
３２ ゲイン部
３３ 加算器
３４ 制御部
３５ 動力変換部
３６ 回転検出器
３７ 動力発生機
３８ 負荷機械
３９ トルク伝達要素
４０ パルス列入力
４１、４１' 加速度指令
４２、４２' 位置指令
４３ 制振制御操作量
４４ 制御指令
４５ 速度指令
４６、４７、４８ 加振力抑制部
５０ 制御ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力発生機、負荷機械およびこれらを結合するトルク伝達要素を有する慣性系を制御する慣性系の制御方法であって、
同相の位置指令および加速度指令を発生するステップと、
前記加速度指令に所定のゲインを乗じることによって制振制御操作量を設定するステップと、
前記位置指令に前記制振制御操作量を加えることによって制御指令を形成するステップと、
を含むことを特徴とする慣性系の制御方法。
【請求項２】
前記同相の位置指令および加速度指令を発生するステップは、入力される位置指令に基づいて前記加速度指令を推定し、この推定した加速度指令に基づいて該加速度指令と同相の前記位置指令を推定するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の慣性系の制御方法。
【請求項３】
前記入力される位置指令がパルス列からなることを特徴とする請求項２に記載の慣性系の制御方法。
【請求項４】
前記同相の位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分を、等しい周波数特性を有する第１および第２のフィルタ要素を用いてそれぞれ抑制するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の慣性系の制御方法。
【請求項５】
前記入力される位置指令に含まれる加加速度成分をフィルタ要素によって抑制するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２または３に記載の慣性系の制御方法。
【請求項６】
前記ゲインは、前記慣性系の反共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の慣性系の制御方法。
【請求項７】
前記ゲインは、前記トルク伝達要素の剛性係数および前記負荷機械の慣性値に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の慣性系の制御方法。
【請求項８】
動力発生機、負荷機械およびこれらを結合するトルク伝達要素を有する慣性系を制御する慣性系の制御装置であって、
同相の位置指令および加速度指令を発生する指令発生手段と、
前記加速度指令に所定のゲインを乗じることによって制振制御操作量を設定する操作量設定手段と、
前記位置指令に前記制振制御操作量を加えて制御指令を形成する制御指令形成手段と、
前記制御指令に基づいて前記動力発生機を駆動する駆動手段と、
を備えることを特徴とする慣性系の制御装置。
【請求項９】
前記指令発生手段は、入力される位置指令に基づいて前記加速度指令を推定し、この推定した加速度指令に基づいて該加速度指令と同相の前記位置指令を推定するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１０】
前記入力される位置指令がパルス列からなることを特徴とする請求項９に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１１】
前記指令発生手段は、前記同相の位置指令および加速度指令を内部で直接生成するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１２】
前記同相の位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分をそれぞれ抑制する第１および第２のフィルタ要素をさらに備え、この第１および第２のフィルタ要素は等しい周波数特性を有することを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の慣性系の制御装置。
【請求項１３】
前記入力される位置指令に含まれる加加速度成分を抑制するフィルタ要素をさらに備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１４】
前記ゲインは、前記慣性系の反共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１５】
前記ゲインは、前記トルク伝達要素の剛性係数および前記負荷機械の慣性値に基づいて設定されることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１６】
前記操作量設定手段は、前記ゲインを手動調整する手段を備えることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１７】
請求項８〜１６のいずれかに記載の制御装置を使用したことを特徴とする産業用機械。
【請求項１】
動力発生機、負荷機械およびこれらを結合するトルク伝達要素を有する慣性系を制御する慣性系の制御方法であって、
同相の位置指令および加速度指令を発生するステップと、
前記加速度指令に所定のゲインを乗じることによって制振制御操作量を設定するステップと、
前記位置指令に前記制振制御操作量を加えることによって制御指令を形成するステップと、
を含むことを特徴とする慣性系の制御方法。
【請求項２】
前記同相の位置指令および加速度指令を発生するステップは、入力される位置指令に基づいて前記加速度指令を推定し、この推定した加速度指令に基づいて該加速度指令と同相の前記位置指令を推定するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の慣性系の制御方法。
【請求項３】
前記入力される位置指令がパルス列からなることを特徴とする請求項２に記載の慣性系の制御方法。
【請求項４】
前記同相の位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分を、等しい周波数特性を有する第１および第２のフィルタ要素を用いてそれぞれ抑制するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の慣性系の制御方法。
【請求項５】
前記入力される位置指令に含まれる加加速度成分をフィルタ要素によって抑制するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２または３に記載の慣性系の制御方法。
【請求項６】
前記ゲインは、前記慣性系の反共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の慣性系の制御方法。
【請求項７】
前記ゲインは、前記トルク伝達要素の剛性係数および前記負荷機械の慣性値に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の慣性系の制御方法。
【請求項８】
動力発生機、負荷機械およびこれらを結合するトルク伝達要素を有する慣性系を制御する慣性系の制御装置であって、
同相の位置指令および加速度指令を発生する指令発生手段と、
前記加速度指令に所定のゲインを乗じることによって制振制御操作量を設定する操作量設定手段と、
前記位置指令に前記制振制御操作量を加えて制御指令を形成する制御指令形成手段と、
前記制御指令に基づいて前記動力発生機を駆動する駆動手段と、
を備えることを特徴とする慣性系の制御装置。
【請求項９】
前記指令発生手段は、入力される位置指令に基づいて前記加速度指令を推定し、この推定した加速度指令に基づいて該加速度指令と同相の前記位置指令を推定するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１０】
前記入力される位置指令がパルス列からなることを特徴とする請求項９に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１１】
前記指令発生手段は、前記同相の位置指令および加速度指令を内部で直接生成するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１２】
前記同相の位置指令および加速度指令に含まれる加加速度成分をそれぞれ抑制する第１および第２のフィルタ要素をさらに備え、この第１および第２のフィルタ要素は等しい周波数特性を有することを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の慣性系の制御装置。
【請求項１３】
前記入力される位置指令に含まれる加加速度成分を抑制するフィルタ要素をさらに備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１４】
前記ゲインは、前記慣性系の反共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１５】
前記ゲインは、前記トルク伝達要素の剛性係数および前記負荷機械の慣性値に基づいて設定されることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１６】
前記操作量設定手段は、前記ゲインを手動調整する手段を備えることを特徴とする請求項８に記載の慣性系の制御装置。
【請求項１７】
請求項８〜１６のいずれかに記載の制御装置を使用したことを特徴とする産業用機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−８８２９０（Ｐ２０１０−８８２９０Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９５３４４（Ｐ２００９−１９５３４４）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（０００１０３７９２）オリエンタルモーター株式会社 (150)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（０００１０３７９２）オリエンタルモーター株式会社 (150)
【Ｆターム（参考）】
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