特開 2022-135160 制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022135160

(43)【公開日】2022-09-15

(54)【発明の名称】制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 4/00 20060101AFI20220908BHJP

【ＦＩ】

H02P4/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021034785

(22)【出願日】2021-03-04

(71)【出願人】

【識別番号】000003115

【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304021288

【氏名又は名称】国立大学法人長岡技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100161148

【弁理士】

【氏名又は名称】福尾 誠

(72)【発明者】

【氏名】北条 善久

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 敏昌

【テーマコード（参考）】

5H501

【Ｆターム（参考）】

5H501AA20

5H501BB05

5H501DD01

5H501JJ03

5H501JJ04

5H501JJ25

5H501LL47

(57)【要約】

【課題】２慣性系システムの共振周波数においても振動トルクと捻じれトルクを一致させる。
【解決手段】本発明に係る制御装置１０は、振動周波数ωを検出する振動周波数検出器１１と、振動周波数ωと、２慣性系システムのモータ慣性・摩擦部２１および機械装置慣性・摩擦部２２の慣性モーメントと粘性摩擦と、捻じれ要素２３部のばね定数と摩擦から、振動トルクτ_Ｌと捻じれトルクτ_Ｓの大きさを一致させる電気慣性値を演算する電気慣性値演算器１２と、電気慣性値演算器１２で演算された電気慣性値と、モータの出力トルクτ_Ｍと捻じれトルクτ_Ｓとの偏差に対応するモータ回転速度ω_Ｍと、を基に電気慣性制御を行う電気慣性制御器１３と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

捻じれ要素により連結された機械装置を駆動するモータを制御する制御装置であって、
振動トルクの振動周波数を検出する振動周波数検出器と、
前記振動周波数と、前記モータおよび前記機械装置の慣性モーメントと粘性摩擦と、前記捻じれ要素のばね定数と摩擦から、前記振動トルクと捻じれトルクの大きさを一致させる電気慣性値を演算する電気慣性値演算器と、
前記電気慣性値演算器で演算された前記電気慣性値と、前記モータの出力トルクおよび前記捻じれトルクの偏差に対応する前記モータの回転速度と、を基に電気慣性制御を行う電気慣性制御器と、
を備えることを特徴とする制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、機械装置をモータにより駆動する系において、モータと機械装置との間の共振による振動を抑制する制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、機械装置をモータにより駆動する系において、モータと機械装置との間の共振による振動が問題となることがある。そこで、このような振動を抑制するための技術が検討されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、捻じれトルクτ_Ｓを検出する検出部と、モータの出力トルクτ_Ｍと捻じれトルクτ_Ｓとの偏差に対応するモータ回転速度ω_Ｍと摩擦係数Ｄ_Ｍ＾とに基づき、摩擦トルクＴ_ＭＤを演算する摩擦トルクシミュレータ部と、モータ回転速度ω_Ｍと慣性係数Ｊ_Ｍ＾とに基づき、慣性トルクτ_ＭＪを演算する慣性トルクシミュレータ部と、トルク指令τ_Ｍ ^ｒｅｆと摩擦トルクτ_ＭＤと慣性トルクτ_ＭＪとを加算してモータの出力トルクτ_Ｍとして出力する加算器を具備し、トルク指令τ_Ｍ ^ｒｅｆと捻じれトルクτ_Ｓとの偏差が小さくなるように摩擦係数Ｄ_Ｍ＾および慣性係数Ｊ_Ｍ＾を調整する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－５８２１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されている技術では、トルク指令τ_Ｍ ^ｒｅｆと捻じれトルクτ_Ｓとの偏差が小さくなるように摩擦係数Ｄ_Ｍ＾および慣性係数Ｊ_Ｍ＾を調整するために、トルク計などを用いて捻じれトルクτ_Ｓを検出する。その場合、検出器の応答の遅れ時間が振動を抑制する制御に影響を与える。そのため、繰り返し学習などの手法により、遅れ時間を補償するための位相調整が行われている。繰り返し学習などを用いることにより、振動周波数が変化する過渡状態に対して振動を抑制する制御の性能が損なわれる問題がある。

【0006】

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、機械装置をモータにより駆動する系において、モータおよび機械装置の慣性モーメントと粘性摩擦と、捻じれ要素のばね定数と摩擦のみのパラメータを用いて、捻じれ要素により連結された装置間の共振による振動の増幅を抑制することができる制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置は、捻じれ要素により連結された機械装置を駆動するモータを制御する制御装置であって、振動トルクの振動周波数を検出する振動周波数検出器と、前記振動周波数と、前記モータおよび前記機械装置の慣性モーメントと粘性摩擦と、前記捻じれ要素のばね定数と摩擦から、前記振動トルクと捻じれトルクの大きさを一致させる電気慣性値を演算する電気慣性値演算器と、前記電気慣性値演算器で演算された前記電気慣性値と、前記モータの出力トルクおよび前記捻じれトルクの偏差に対応する前記モータの回転速度と、を基に電気慣性制御を行う電気慣性制御器と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る制御装置によれば、モータと機械装置とが捻じれ要素により連結され、機械装置をモータにより駆動する系において、振動周波数が変化していく過程においても逐次電気慣性値を演算することで、モータと機械装置との間の共振による振動を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る制御装置の構成例を示す図である。

【図2】本発明の実験に用いたパラメータを示す図である。

【図3】本発明を用いなかった場合の実験結果を示す図である。

【図4】本発明を用いた場合の実験結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

【0011】

図１は、本発明の実施形態に係る制御装置１０の構成例を示す図である。本実施形態に係る制御装置１０は、モータと機械装置とが連結部などの捻じれ要素により結合され、捻じれ要素を介してモータにより機械装置が駆動される系において、モータを制御対象とするものである。具体的には、本実施形態に係る制御装置１０は、モータと機械装置との間の共振による振動を抑制するようにモータを制御するものである。機械装置は、例えば、自動車のエンジンで発生したエネルギーを駆動輪に伝達するトランスミッションなどの駆動伝達系（供試体）である。

【0012】

上述したようなモータと機械装置とが連結部などの捻じれ要素により結合された系は、図１に示す２慣性系システム２０に近似することができる。まず、この２慣性系システム２０について説明する。２慣性系システム２０は、モータ慣性・摩擦部２１と、機械装置慣性・摩擦部２２と、捻じれ要素部２３と、を含む。

【0013】

モータ慣性・摩擦部２１は、モータの機械的要素（慣性および摩擦）を示す。モータ慣性・摩擦部２１の伝達関数は、１／（Ｊ_Ｍｓ＋Ｄ_Ｍ）で表される。Ｊ_Ｍはモータ慣性・摩擦部２１の慣性モーメントであり、Ｄ_Ｍはモータ慣性・摩擦部２１の粘性摩擦であり、ｓはラプラス演算子である。モータ慣性・摩擦部２１は、モータの出力トルクτ_Ｍと捻じれトルクτ_Ｓとの偏差が入力され、その偏差に対応するモータ回転速度ω_Ｍを出力する。モータの出力トルクτ_Ｍは、電磁気的要素であり、図示していないトルク制御器や速度制御器から出力される。

【0014】

機械装置慣性・摩擦部２２は、機械装置の機械的要素（慣性および摩擦）を示す。機械装置慣性・摩擦部２２の伝達関数は、１／（Ｊ_Ｌｓ＋Ｄ_Ｌ）で表される。Ｊ_Ｌは機械装置慣性・摩擦部２２の慣性モーメントであり、Ｄ_Ｌは機械装置慣性・摩擦部２２の粘性摩擦である。機械装置慣性・摩擦部２２は、捻じれトルクτ_Ｓと、機械装置側の負荷トルクである機械装置側負荷トルクτ_Ｌとの偏差が入力され、その偏差に対応する機械装置回転速度ω_Ｌを出力する。

【0015】

捻じれ要素部２３の伝達関数は、（Ｋ_Ｓ／ｓ＋Ｄ_Ｓ）で表される。Ｋ_Ｓはばね定数で、Ｄｓは摩擦である。捻じれ要素部２３は、モータ回転速度ω_Ｍと機械装置回転速度ω_Ｌとの偏差が入力され、捻じれトルクτ_Ｓとして出力する。

【0016】

また、図１に示す２慣性系システム２０において、機械装置側負荷トルクτ_Ｌから捻じれトルクτ_Ｓまでの伝達関数は、以下の式（１）で表される。

【0017】

【数1】

【0018】

式（１）において、機械装置側負荷トルクτ_Ｌの振動周波数ωにおけるゲイン特性は式（２）で表され、２慣性系システム２０のモータおよび機械装置の慣性モーメントと粘性摩擦と、捻じれ要素のばね定数と摩擦のみのパラメータで決定される。

【0019】

【数2】

【0020】

次に、本実施形態に係る制御装置１０の構成について説明する。

【0021】

図１に示す制御装置１０は、振動周波数検出器１１と、電気慣性値演算器１２と、電気慣性制御器１３と、を備える。

【0022】

振動周波数検出器１１は、機械装置側負荷トルクτ_Ｌに含まれる振動トルクの振動周波数ωを検出する。振動周波数検出器１１の入力は、捻じれトルクτ_Sをトルク計や加速度計を用いて検出してもよいし、モータ回転速度ω_Ｍや機械装置回転速度ω_Ｌの振動成分から検出してもよい。

【0023】

電気慣性制御器１３は、モータ回転速度ω_Ｍと、電気慣性値演算器１２で演算される電気慣性値Ｊ_ａを入力として、電気慣性トルクτ_ＭＪを出力する。

【0024】

図１の２慣性系システム２０に電気慣性制御器１３を付加した場合の、機械装置側負荷トルクτ_Ｌから捻じれトルクτ_Ｓまでの伝達関数は、式（３）で表される。

【0025】

【数3】

【0026】

式（１）では、モータ側の慣性モーメントはＪ_Ｍであり、式（３）ではＪ_Ｍ＋Ｊ_ａに変換される。それゆえ、式（２）に示す振動周波数ωにおいて、機械装置側負荷トルクτ_Ｌのから捻じれトルクτ_Ｓまでのゲイン特性は式（４）に変換される。

【0027】

【数4】

【0028】

機械装置側負荷トルクτ_Ｌの振幅を捻じれトルクτ_Ｓの振幅と一致させるために、式（４）が１に等しくなるように電気慣性値Ｊ_ａについて導出すると式（５）となる。

【0029】

【数5】

【0030】

電気慣性値演算器１２は、振動周波数検出器１１で検出した振動周波数ωを入力し、式（５）により機械装置側負荷トルクτ_Ｌと捻じれトルクτ_Ｓを一致させる電気慣性値Ｊ_ａを演算して、電気慣性制御器１３に出力する。

【0031】

これにより、２慣性系システム２０の持つ共振周波数を有する振動トルクが機械装置側負荷トルクτ_Ｌとして入力された場合においても、ゲイン増幅せずにゲインを１に維持することができる。

【0032】

本発明の効果を図２、図３、図４を用いて説明する。図２は実験に用いたモータ慣性・摩擦部２１、機械装置慣性・摩擦部２２、捻じれ要素部２３の各パラメータを示している。機械装置側負荷トルクτ_Ｌの振動トルクの振幅は、±１Ｎｍを入力している。

【0033】

図３は、電気慣性値演算器１２および電気慣性制御器１３を用いない場合の、機械装置側負荷トルクτ_Ｌの振動周波数ωに対する捻じれトルクτ_Ｓの振幅および位相を示している。

【0034】

共振周波数ω_ｎに近づくほど捻じれトルクτ_Ｓの振幅は大きくなり、共振周波数ω_ｎにおいては機械装置側負荷トルクτ_Ｌの入力に対して２．５倍以上の振幅となっている。

【0035】

また、共振周波数ω_ｎに近づくほど捻じれトルクτ_Ｓの位相遅れが大きくなり、共振周波数ω_ｎを超過した領域では位相が反転している。

【0036】

図４は、電気慣性値演算器１２および電気慣性制御器１３を用いた場合の、機械装置側負荷トルクτ_Ｌの振動周波数ωに対する捻じれトルクτ_Ｓの振幅および位相を示している。

【0037】

共振周波数ω_ｎ付近においても、機械装置側負荷トルクτ_Ｌの振幅と捻じれトルクτ_Ｓの振幅は、一致している。

【0038】

また、共振周波数ω_ｎ付近においても、機械装置側負荷トルクτ_Ｌに対する捻じれトルクτ_Ｓの位相遅れは抑制されている。

【0039】

この場合において、電気慣性値Ｊ_ａは図４に示すように正の値から負の値へと変化しており、振動周波数ωに対して共振現象が発生しないように演算されている。

【0040】

上述により、電気慣性値演算器１２および電気慣性制御器１３を用いることで、２慣性系システム２０の持つ共振周波数付近においても機械装置側負荷トルクτ_Ｌと捻じれトルクτ_Ｓの振幅および位相を一致させることが出来る。

【0041】

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。

【符号の説明】

【0042】

１０ 制御装置
１１ 振動周波数検出器
１２ 電気慣性値演算器
１３ 電気慣性制御器
２０ ２慣性系システム
２１ モータ慣性・摩擦部
２２ 機械装置慣性・摩擦部
２３ 捻じれ要素部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】