JP2019193408A - Vibration suppression device and linear motor control device - Google Patents

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Abstract

To provide a vibration suppression device and a linear motor control device capable of reliably suppressing a mechanical vibration generated by the operation of an actuator including a linear motor, over the wide frequency range.SOLUTION: The vibration suppression device is provided that suppresses the vibration of a machine body 30 generated by the operation of a main drive actuator 31 and a balancing actuator 32 each including linear motors by controlling the linear motor of the balancing actuator 32. A vibration suppression control section 10 included in the vibration suppression device comprises vibration component suppression controllers 16, 16, ..., 16of each order each of which extracts a fundamental wave component and a harmonic wave component of linear motor drive frequency from a vibration detected signal of the machine body 30 or a gas-force characteristic curve 12, and generates an auxiliary command for cancelling a periodic disturbance on the basis of these components. A signal obtained by adding a main command (command signal 2) and the auxiliary command by adding means 17 is input to a power amplifier 20 to drive the linear motor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、例えば、リニアモータによりピストンを往復運動させて気体を圧縮するリニアコンプレッサにおいて、ピストンの往復運動に伴うガス力により発生する機械的振動を低減するための振動抑制装置、及び、この振動抑制装置を備えたリニアモータ制御装置に関するものである。   The present invention relates to, for example, a linear compressor that compresses gas by reciprocating a piston with a linear motor, and a vibration suppressing device for reducing mechanical vibration generated by gas force accompanying the reciprocating motion of the piston, and the vibration. The present invention relates to a linear motor control device including a suppression device.

図５は、冷凍機を構成するリニアコンプレッサの駆動システムであり、特許文献１に記載されているものである。
図５において、１０１は直流電源、１０２は半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなる単相インバータ、１０３はリニアコンプレッサ、１０４Ａ，１０４Ｂはリニアモータ、１０５Ａ，１０５Ｂはピストン、１０６はシリンダ、１０７はピストン１０５Ａ，１０５Ｂ同士の衝突を防止するための位置情報を得る位置センサである。
この従来技術では、単相インバータ１０２によりリニアモータ１０４Ａ，１０４Ｂの駆動コイルに交流電圧を供給し、ピストン１０５Ａ，１０５Ｂを互いに逆方向に往復動させることにより、シリンダ１０６内部のガスを所定周期で圧縮、膨張させて膨張機に供給している。 FIG. 5 shows a drive system for a linear compressor constituting the refrigerator, which is described in Patent Document 1.
5, 101 denotes a DC power source, 102 is a single-phase inverter composed of a semiconductor switching element Q 1 to Q 4, 103 is a linear compressor, 104A, 104B is a linear motor, 105A, 105B are a piston, 106 is a cylinder, 107 is a piston This is a position sensor that obtains position information for preventing a collision between 105A and 105B.
In this prior art, an AC voltage is supplied to the drive coils of the linear motors 104A and 104B by the single-phase inverter 102, and the pistons 105A and 105B are reciprocated in opposite directions to compress the gas inside the cylinder 106 at a predetermined cycle. Inflated and supplied to the expander.

一般に、リニアコンプレッサでは、ピストンの往復運動によりガスの吸込み、圧縮、吐出が繰り返し行われてガス力（ガス圧力）が周期的に変化する。このガス力の変化がコンプレッサのハウジング等を振動させて騒音や故障の原因となるため、この機械的振動を抑制することが重要な課題となっている。   Generally, in a linear compressor, gas suction (compression) and discharge are repeatedly performed by a reciprocating motion of a piston, and a gas force (gas pressure) is periodically changed. Since this change in gas force vibrates the housing of the compressor and causes noise and failure, it is important to suppress this mechanical vibration.

上記のような背景から、特許文献２，３に示すように、冷凍機等の機械的振動を抑制するための従来技術が公知となっている。
図６は、特許文献２に記載されたスターリング冷凍機の制御システムを示している。
図６において、２００は基本周波数振動制御部、２０１は振幅／位相調整部、２０２ａ，２０２ｂは減算器、２０３ａ，２０３ｂは位置サーボ補償器、３００はスターリング冷凍機、３０１はコンプレッサ、３０２ａ，３０２ｂはリニアモータ、３０３ａ，３０３ｂはピストン、３１０はヘリウム流路、３２１はエキスパンダ、３２２ａ，３２２ｂはリニアモータ、３２３はピストン、３２４はバランス部、３２５は蓄冷機である。ここで、基本周波数振動制御部２００には、コンプレッサ３０１のピストン３０３ａ，３０３ｂにそれぞれ対応したリニアモータ３０２ａ，３０２ｂのストローク指令（位置指令）Ｓａ，Ｓｂが入力されている。 From the above background, as shown in Patent Documents 2 and 3, conventional techniques for suppressing mechanical vibration of a refrigerator or the like are known.
FIG. 6 shows a control system of the Stirling refrigerator described in Patent Document 2.
In FIG. 6, 200 is a fundamental frequency vibration control unit, 201 is an amplitude / phase adjustment unit, 202a and 202b are subtractors, 203a and 203b are position servo compensators, 300 is a Stirling refrigerator, 301 is a compressor, and 302a and 302b are A linear motor, 303a and 303b are pistons, 310 is a helium flow path, 321 is an expander, 322a and 322b are linear motors, 323 is a piston, 324 is a balance unit, and 325 is a regenerator. Here, stroke commands (position commands) Sa and Sb of linear motors 302 a and 302 b corresponding to the pistons 303 a and 303 b of the compressor 301 are input to the fundamental frequency vibration control unit 200.

この従来技術では、ピストン３０３ａ，３０３ｂの位置検出値Ｐａ，Ｐｂを基本周波数振動制御部２００にフィードバックし、ストローク指令Ｓａ，Ｓｂとの偏差をなくすように位置サーボ補償器２０３ａ，２０３ｂを動作させてリニアモータ３０２ａ，３０２ｂの駆動指令Ｍａ，Ｍｂを生成する。これにより、ピストン３０３ａ，３０３ｂの位置をリアルタイムで調整してコンプレッサ３０１の機械的振動を低減可能としている。   In this prior art, the position detection values Pa and Pb of the pistons 303a and 303b are fed back to the fundamental frequency vibration control unit 200, and the position servo compensators 203a and 203b are operated so as to eliminate the deviation from the stroke commands Sa and Sb. Drive commands Ma and Mb for the linear motors 302a and 302b are generated. Thereby, the position of piston 303a, 303b can be adjusted in real time, and the mechanical vibration of the compressor 301 can be reduced.

また、図７は、特許文献３に記載された振動抑制システムの構成図である。
この従来技術は、電力制御回路４０８により駆動される本体機械４１０の機械的振動を、本体機械４１０に取り付けられたアクティブ振動バランサ４１１内のモータ４１２を駆動して抑制するものである。 FIG. 7 is a configuration diagram of the vibration suppression system described in Patent Document 3.
In this conventional technique, mechanical vibration of the main machine 410 driven by the power control circuit 408 is suppressed by driving a motor 412 in an active vibration balancer 411 attached to the main machine 410.

図７において、ディジタルプロセッサ４００は、コマンド入力部４０１、制御アルゴリズム４０２、Ｄ／Ａ変換部４０３を備え、Ｄ／Ａ変換部４０３から出力される指令により電力制御回路４０８を介して本体機械４１０が駆動される。
一方、本体機械４１０とアクティブ振動バランサ４１１との結合体の振動が振動センサ４１３により検出され、その検出信号はディジタルプロセッサ４００内のＡ／Ｄ変換部４０５を介して適応平衡化信号発生器４０４ａ，４０４ｂ，…，４０４ｎに入力されている。適応平衡化信号発生器４０４ａ，４０４ｂ，…，４０４ｎは、Ａ／Ｄ変換部４０５の出力信号に基づき、所定の適応フィルタアルゴリズムに従って本体機械４１０の動作周波数の基本波成分ω及び高調波成分２ω，…，ｎωを持つ適応平衡化信号を生成する。これらの適応平衡化信号は加算器４０６により合成され、Ｄ／Ａ変換部４０７を介してモータ制御部４０９に入力される。このモータ制御部４０９によってアクティブ振動バランサ４１１のモータ４１２を駆動することで、本体機械４１０の動作周波数の基本波成分ω及び高調波成分２ω，…，ｎωの振動を打ち消すことができる。 In FIG. 7, the digital processor 400 includes a command input unit 401, a control algorithm 402, and a D / A conversion unit 403, and the main machine 410 receives the command output from the D / A conversion unit 403 via the power control circuit 408. Driven.
On the other hand, the vibration of the combined body of the main machine 410 and the active vibration balancer 411 is detected by the vibration sensor 413, and the detection signal is sent to the adaptive balancing signal generator 404 a, via the A / D converter 405 in the digital processor 400. 404b,..., 404n. The adaptive balancing signal generators 404a, 404b,..., 404n are based on the output signal of the A / D conversion unit 405 and based on a predetermined adaptive filter algorithm, the fundamental frequency component ω and the harmonic component 2ω, ..., an adaptive balanced signal with nω is generated. These adaptive balancing signals are combined by the adder 406 and input to the motor control unit 409 via the D / A conversion unit 407. By driving the motor 412 of the active vibration balancer 411 by the motor control unit 409, it is possible to cancel the vibrations of the fundamental wave component ω and the harmonic components 2ω,.

特許第４０９６６６５号公報（［００１６］〜［００１９］、図１等）Japanese Patent No. 4096665 ([0016] to [0019], FIG. 1 etc.) 米国特許第５５３５５９３号明細書（ ＦＩＧ．２ａ等）US Pat. No. 5,535,593 (FIG. 2a etc.) 特表２０１５−５３０６３８号公報（［００１９］〜［００３０］、図１等）JP-T-2015-530638 ([0019] to [0030], FIG. 1 etc.)

特許文献２の従来技術によれば、各ピストン３０３ａ，３０３ｂの位置や行程を独立に閉ループ制御することで振動の基本波成分を抑制することは可能であるが、高調波成分の抑制は不可能である。
また、特許文献３の従来技術では、理論的に基本波成分から複数次の高調波成分まで対応できる反面、適応平衡化信号発生器４０４ａ，４０４ｂ，…，４０４ｎにおける適応フィルタアルゴリズムの安定性やディジタルプロセッサ４００の処理能力等の問題により、機械的振動を低コストにて確実に抑制することが困難であった。 According to the prior art of Patent Document 2, it is possible to suppress the fundamental component of vibration by independently controlling the positions and strokes of the pistons 303a and 303b, but it is impossible to suppress the harmonic component. It is.
The prior art of Patent Document 3 can theoretically deal with fundamental wave components to a plurality of harmonic components, but the stability of the adaptive filter algorithm in the adaptive balanced signal generators 404a, 404b,. Due to problems such as the processing capability of the processor 400, it has been difficult to reliably suppress mechanical vibration at a low cost.

そこで、本発明の解決課題は、リニアモータを含むアクチュエータの動作に伴って発生する機械的振動を広い周波数領域にわたり確実に抑制可能とした振動抑制装置、及び、この振動抑制装置を備えたリニアモータ制御装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, a problem to be solved by the present invention is to provide a vibration suppression device capable of reliably suppressing mechanical vibration generated in accordance with the operation of an actuator including a linear motor over a wide frequency range, and a linear motor including the vibration suppression device. It is to provide a control device.

上記課題を解決するため、請求項１に係る振動抑制装置は、リニアモータを含むアクチュエータの動作によって発生する機械本体の振動を、前記リニアモータを制御することにより抑制する振動抑制装置において、
前記機械本体の振動に関する信号から抽出された前記リニアモータの駆動周波数の基本波成分及び高調波成分に基づいて周期外乱を推定する外乱推定手段と、
前記周期外乱を周期外乱指令にフィードバックして前記周期外乱を打ち消すための補正指令を生成する周期外乱抑制演算手段と、
前記リニアモータを駆動するための主指令と前記補正指令とを加算する加算手段と、
前記加算手段の出力に従って前記リニアモータを駆動する手段と、
を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the vibration suppressing device according to claim 1 is a vibration suppressing device that suppresses vibration of a machine main body generated by operation of an actuator including a linear motor by controlling the linear motor.
Disturbance estimation means for estimating periodic disturbance based on fundamental wave components and harmonic components of the driving frequency of the linear motor extracted from a signal relating to vibration of the machine body;
Periodic disturbance suppression calculating means for generating a correction command for canceling the periodic disturbance by feeding back the periodic disturbance to the periodic disturbance command;
An adding means for adding the main command for driving the linear motor and the correction command;
Means for driving the linear motor according to the output of the adding means;
It is provided with.

請求項２に係る振動抑制装置は、請求項１に記載した振動抑制装置において、前記機械本体がリニアコンプレッサであり、前記リニアコンプレッサが、前記アクチュエータとして第１，第２のアクチュエータを備えると共に、前記第１，第２のアクチュエータが、前記リニアモータと当該リニアモータにより駆動されて互いに逆方向に往復運動するピストンとをそれぞれ備え、前記機械本体の振動に関する信号は、前記第１，第２のアクチュエータ内の前記ピストンの往復運動に伴うガス力の変化に起因して前記リニアコンプレッサのハウジングに発生する振動に関する信号であることを特徴とする。   The vibration suppression device according to claim 2 is the vibration suppression device according to claim 1, wherein the machine body is a linear compressor, and the linear compressor includes first and second actuators as the actuator, Each of the first and second actuators includes the linear motor and a piston that is driven by the linear motor and reciprocates in opposite directions, and signals related to vibrations of the machine body are the first and second actuators. It is a signal regarding the vibration which generate | occur | produces in the housing of the said linear compressor resulting from the change of the gas force accompanying the reciprocating motion of the said piston in the inside.

請求項３に係る振動抑制装置は、請求項２に記載した振動抑制装置において、前記第１のアクチュエータを構成するリニアモータを前記主指令に従って駆動し、前記第２のアクチュエータを構成するリニアモータを前記加算手段の出力に従って駆動することを特徴とする。   A vibration suppression apparatus according to a third aspect is the vibration suppression apparatus according to the second aspect, wherein the linear motor that constitutes the first actuator is driven in accordance with the main command, and the linear motor that constitutes the second actuator is The driving is performed according to the output of the adding means.

請求項４に係る振動抑制装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載した振動抑制装置において、前記外乱推定手段は、周期外乱オブザーバを用いて前記機械本体の振動に関する信号から前記周期外乱を推定し、前記周囲外乱抑制演算手段は、前記周期外乱オブザーバにより推定した前記周期外乱を打ち消すための前記補正指令を演算することを特徴とする。   A vibration suppression apparatus according to a fourth aspect is the vibration suppression apparatus according to any one of the first to third aspects, wherein the disturbance estimation means uses a periodic disturbance observer to calculate the period from the signal related to the vibration of the machine body. The disturbance is estimated, and the ambient disturbance suppression calculating means calculates the correction command for canceling the periodic disturbance estimated by the periodic disturbance observer.

請求項５に係る振動抑制装置は、請求項４に記載した振動抑制装置において、前記主指令及び前記補正指令が電流指令または電圧指令であることを特徴とする。   A vibration suppression apparatus according to a fifth aspect is the vibration suppression apparatus according to the fourth aspect, wherein the main command and the correction command are a current command or a voltage command.

請求項６に係るリニアモータ制御装置は、請求項１〜５の何れか１項に記載した振動抑制装置における前記加算手段の出力を用いて、前記リニアモータに交流電力を供給する電力変換器を制御することを特徴とする。   A linear motor control device according to claim 6 is a power converter that supplies AC power to the linear motor by using the output of the adding means in the vibration suppression device according to any one of claims 1 to 5. It is characterized by controlling.

本発明によれば、機械本体の振動検出信号から駆動周波数の基本波成分及び高調波成分を外乱として抽出し、これらの成分が０になるように演算した補正指令を主指令に加算してアクチュエータを制御することにより、機械本体の振動を広い周波数領域にわたって確実に抑制することができる。   According to the present invention, the fundamental wave component and the harmonic component of the drive frequency are extracted as disturbances from the vibration detection signal of the machine body, and the correction command calculated so that these components become 0 is added to the main command to By controlling the above, it is possible to reliably suppress the vibration of the machine body over a wide frequency range.

本発明の実施形態の概略的な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the schematic structure of embodiment of this invention. リニアコンプレッサにおけるピストン位置とガス力との関係を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the relationship between the piston position in a linear compressor, and gas force. 本発明の実施例において、電流指令を用いてリニアコンプレッサを駆動する場合の振動抑制装置のブロック図である。In the Example of this invention, it is a block diagram of the vibration suppression apparatus in the case of driving a linear compressor using an electric current command. 本発明の実施例における周期外乱オブザーバ及び周期外乱抑制演算部等の構成図である。It is a block diagram, such as a periodic disturbance observer and a periodic disturbance suppression calculating part, in the Example of this invention. 特許文献１に記載されたリニアコンプレッサの駆動システムを示す構成図である。1 is a configuration diagram showing a drive system for a linear compressor described in Patent Document 1. FIG. 特許文献２に記載されたスターリング冷凍機の制御システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the control system of the Stirling refrigerator described in patent document 2. 特許文献３に記載されたスターリング機械の制御システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the control system of the Stirling machine described in patent document 3.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本実施形態に係る振動抑制装置の概略的な構成を示すブロック図である。この振動抑制装置は、例えば、スターリング冷凍機を構成するリニアコンプレッサにおいて、アクチュエータを構成する一対のピストンの往復運動によって発生する振動を抑制するために使用される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a vibration suppressing device according to the present embodiment. This vibration suppression device is used, for example, in a linear compressor constituting a Stirling refrigerator to suppress vibrations generated by reciprocating motion of a pair of pistons constituting an actuator.

図１において、ディジタルプロセッサ等からなる振動抑制制御部１０は振動センサ１１またはガス力特徴カーブ１２とを備えている。
振動センサ１１は、リニアコンプレッサの機械本体３０のハウジングの振動を検出するものであり、その振動検出信号が選択器１３の端子ａに入力される。
振動抑制制御部１０が振動センサ１１を有しない場合には、メモリ内のガス力特徴カーブ１２に基づくデータが選択器１３の端子ｂに入力される。機械本体３０内のピストンの往復運動によりシリンダ内のガス力が周期的に変化し、これに起因して機械的振動が発生するが、その基本波成分及び各次高調波成分は予め測定可能であるため、これらのデータを前記ガス力特徴カーブ１２としてメモリに予め記憶しておくことができる。 In FIG. 1, a vibration suppression control unit 10 including a digital processor or the like includes a vibration sensor 11 or a gas force characteristic curve 12.
The vibration sensor 11 detects vibration of the housing of the machine body 30 of the linear compressor, and the vibration detection signal is input to the terminal a of the selector 13.
When the vibration suppression control unit 10 does not have the vibration sensor 11, data based on the gas force characteristic curve 12 in the memory is input to the terminal b of the selector 13. The gas force in the cylinder periodically changes due to the reciprocating motion of the piston in the machine body 30 and mechanical vibrations are generated due to this, but the fundamental wave component and each harmonic component can be measured in advance. Therefore, these data can be stored in advance in the memory as the gas force characteristic curve 12.

選択器１３は、端子ａまたは端子ｂの入力を選択し、端子ｃを介して、１次成分（基本波成分）フィルタ１４１，２次成分フィルタ１４２，……，ｎ次成分フィルタ１４ｎに出力する。
各フィルタ１４１〜１４ｎにより抽出された各次成分（外乱として抽出または推定された成分）は減算手段１５１，１５２，……，１５ｎに入力されて「０」（目標値）との偏差が演算され、これらの偏差は１次振動成分抑制制御器１６１，２次振動成分抑制制御器１６２，……，ｎ次振動成分抑制制御器１６ｎにそれぞれ入力される。
各抑制制御器１６１，１６２，……，１６ｎは、それぞれに入力された偏差が０となるように演算を行って補正指令を生成し、これらの補正指令を、スイッチＳ１，Ｓ２，……，Ｓｎを介して加算手段１７に入力することにより、主指令としての指令信号２に加算する。 The selector 13 selects the input of the terminal a or the terminal b, and the first order component (fundamental wave component) filter 14 1 , the second order component filter 14 2 ,..., The nth order component filter 14 n through the terminal c. Output to.
Respective subcomponents (components extracted or estimated as disturbances) extracted by the filters 14 1 to 14 n are input to the subtracting means 15 1 , 15 2 ,..., 15 n to be “0” (target value). Are calculated, and these deviations are input to the primary vibration component suppression controller 16 1 , the secondary vibration component suppression controller 16 2 ,..., And the nth vibration component suppression controller 16 n , respectively.
Each of the suppression controllers 16 1 , 16 2 ,..., 16 n performs a calculation so that the deviation input to each of them becomes 0, generates a correction command, and these correction commands are sent to the switches S 1 , S 2, ..., by inputting to the adder unit 17 via the S n, is added to the command signal 2 as the main command.

指令信号１，２は、機械本体３０に設けられた主駆動アクチュエータ３１及び平衡用アクチュエータ３２に対する駆動周波数や電流指令または電圧指令を情報として含み、指令信号１と、指令信号２（主指令）に前記補正指令を加算した信号とが電力増幅器２０に入力される。電力増幅器２０は、主駆動アクチュエータ３１及び平衡用アクチュエータ３２にそれぞれ電力を供給する。
ここで、主駆動アクチュエータ３１は、例えば図６のコンプレッサ３０１のようにリニアモータ３０２ａ及びピストン３０３ａにより構成され、平衡用アクチュエータ３２は、同じくリニアモータ３０２ｂ及びピストン３０３ｂにより構成されている。
なお、図１に示す如く、１台の電力増幅器２０により主駆動アクチュエータ３１及び平衡用アクチュエータ３２を駆動しても良いし、各アクチュエータ３１，３２を個別の電力増幅器によってそれぞれ駆動しても良い。 The command signals 1 and 2 include, as information, a drive frequency, a current command, or a voltage command for the main drive actuator 31 and the balancing actuator 32 provided in the machine body 30, and the command signal 1 and the command signal 2 (main command). A signal obtained by adding the correction command is input to the power amplifier 20. The power amplifier 20 supplies power to the main drive actuator 31 and the balancing actuator 32, respectively.
Here, the main drive actuator 31 is configured by a linear motor 302a and a piston 303a as in the compressor 301 of FIG. 6, for example, and the balancing actuator 32 is similarly configured by a linear motor 302b and a piston 303b.
As shown in FIG. 1, the main drive actuator 31 and the balancing actuator 32 may be driven by one power amplifier 20, or the actuators 31 and 32 may be driven by individual power amplifiers.

次に、この実施形態を具体化した実施例を図２〜図４を参照しつつ説明する。
機械本体３０が冷凍機のリニアコンプレッサである場合、一対のピストンが往復運動することによりハウジングに発生する機械的振動は、主に、（１）対向配置されたピストンが発生する慣性力は等しくないこと、（２）ピストンの往復運動により周期的なガス力が外乱として作用すること、が原因となっている。
このうち、（１）については、個々のピストンを電流制御して推力を制御すれば、慣性力の相違を完全に相殺することができる。また、（２）のガス力については、図２に示すように、ピストン位置に応じて周期的に変化することが知られている。これらの点は、Huiming Zou, “Experimental investigation and performance analysis of a dual-cylinder opposed linear compressor” ，Journal of Mechanical Science and Technology, August, 2011年（Ｆｉｇ．Ａ．１）にも開示されている。 Next, an example in which this embodiment is embodied will be described with reference to FIGS.
When the machine body 30 is a linear compressor of a refrigerator, mechanical vibrations generated in the housing due to the reciprocating motion of the pair of pistons are mainly (1) the inertial forces generated by the opposed pistons are not equal. (2) The periodic gas force acts as a disturbance due to the reciprocating motion of the piston.
Among these, regarding (1), if the thrust is controlled by controlling the current of each piston, the difference in inertial force can be completely offset. Further, it is known that the gas force (2) periodically changes according to the piston position as shown in FIG. These points are also disclosed in Huiming Zou, “Experimental investigation and performance analysis of a dual-cylinder opposed linear compressor”, Journal of Mechanical Science and Technology, August, 2011 (FIG. A.1).

図２に示す周期的なガス力をフーリエ級数展開すると、数式１となる。

Figure 2019193408
ここで、周期的なガス力Ｆｆｇａｓの直流成分は、０［Ｎ］である。また、数式１において、ａｎ，ｂｎはガス力のフーリエ係数を示す。 When the periodic gas force shown in FIG.
Figure 2019193408
 Here, the DC component of the periodic gas force F fgas is 0 [N]. In Equation 1, a n and b n represent Fourier coefficients of gas force.

そこで、各ピストンを所定方向に移動させる主指令に、その移動を抑制する所定周波数の外乱（ガス力）を打ち消すような補正指令を加えれば、外乱に対抗する力を発生させて振動を抑制することができる。なお、振動抑制装置を構成するに当たっては、便宜的に、外乱は一方のピストンの駆動系（図１の平衡用アクチュエータ３２に相当）のみに作用し、他方のピストンの駆動系（同じく主駆動アクチュエータ３１に相当）には作用しないものと仮定する。   Therefore, if a correction command that cancels a disturbance (gas force) of a predetermined frequency that suppresses the movement is added to the main command that moves each piston in a predetermined direction, a force that counters the disturbance is generated to suppress vibration. be able to. In constructing the vibration suppressing device, for the sake of convenience, the disturbance acts only on the drive system of one piston (corresponding to the balancing actuator 32 in FIG. 1), and the drive system of the other piston (also the main drive actuator). 31).

図３は、振動抑制制御部１０Ａ（図１の振動抑制制御部１０に相当）に主指令として正弦波電流指令を与えてリニアコンプレッサ３０Ａ（図１の機械本体３０に相当）を駆動する場合の振動抑制装置のブロック図である。
この図３及び後述の図４では、主指令及び補正指令に電流指令を用いているが、電圧指令を用いても良い。また、図３では振動センサ１１により機械的振動を検出しているが、図１に示したように、振動センサ１１による振動検出信号に代えてガス力特徴カーブ１２を用いても良い。 FIG. 3 shows a case where a linear compressor 30A (corresponding to the machine main body 30 in FIG. 1) is driven by giving a sine wave current command as a main command to the vibration suppression controller 10A (corresponding to the vibration suppression controller 10 in FIG. 1). It is a block diagram of a vibration suppression device.
In FIG. 3 and FIG. 4 described later, the current command is used for the main command and the correction command, but a voltage command may be used. In FIG. 3, mechanical vibration is detected by the vibration sensor 11, but as shown in FIG. 1, a gas force characteristic curve 12 may be used instead of the vibration detection signal by the vibration sensor 11.

リニアコンプレッサ３０Ａは、省エネタイプのリニアモータである２つのボイスコイルモータ３１ａ，３２ａと、各モータ３１ａ，３２ａによりそれぞれ駆動されるピストン（機械系）３１ｃ，３２ｃと、加算手段３１ｂ，３２ｂとを備えている。一対のピストン３１ｃ，３２ｃは対向配置されており、互いに逆方向に往復運動してシリンダ（図示せず）の内部空間のガスを圧縮する。   The linear compressor 30A includes two voice coil motors 31a and 32a, which are energy-saving linear motors, pistons (mechanical systems) 31c and 32c driven by the motors 31a and 32a, and addition means 31b and 32b, respectively. ing. The pair of pistons 31c and 32c are arranged to face each other and reciprocate in opposite directions to compress gas in an internal space of a cylinder (not shown).

上記構成において、ボイスコイルモータ３１ａ、加算手段３１ｂ、ピストン３１ｃは図１の主駆動アクチュエータ３１を構成し、ボイスコイルモータ３２ａ、加算手段３２ｂ、ピストン３２ｃは同じく平衡用アクチュエータ３２を構成している。前述したように、外乱としてのガス力は一方の加算手段３２ｂに入力され、平衡用アクチュエータ３２のみに作用するものとして説明を続ける。   In the above configuration, the voice coil motor 31a, the adding means 31b, and the piston 31c constitute the main drive actuator 31 of FIG. 1, and the voice coil motor 32a, the adding means 32b, and the piston 32c similarly constitute the balancing actuator 32. As described above, the gas force as a disturbance is input to one of the adding means 32b, and the description will be continued assuming that it acts only on the balancing actuator 32.

リニアコンプレッサ３０Ａのハウジングの機械的振動は、振動センサ１１により検出され、振動検出信号（加速度Ａｄｅｔ）が出力される。この加速度Ａｄｅｔは振動抑制制御部１０Ａ内の周期外乱オブザーバ５０に入力されて周期外乱が推定される。
周期外乱オブザーバ５０は、加速度Ａｄｅｔに含まれる平衡用アクチュエータ３２（ボイスコイルモータ３２ａ）の駆動周波数の基本波成分及び高調波成分を抽出する周波数成分抽出部５１と、これらの周波数成分から外乱を推定する逆システム５２とを備えている。 The mechanical vibration of the housing of the linear compressor 30A is detected by the vibration sensor 11, and a vibration detection signal (acceleration A det ) is output. This acceleration A det is input to the periodic disturbance observer 50 in the vibration suppression control unit 10A to estimate the periodic disturbance.
The periodic disturbance observer 50 extracts a fundamental component and a harmonic component of the drive frequency of the balancing actuator 32 (voice coil motor 32a) included in the acceleration A det , and a disturbance from these frequency components. And an inverse system 52 for estimation.

逆システム５２は、後述する電流制御器７４、ＰＷＭインバータ２２、ボイスコイルモータ３２ａ、ピストン３２ｃ等からなる実システムの伝達関数Ｐ２ｎ（ｓ）に対して、Ｐ２ｎ（ｓ）・Ｐ２ｎ −１（ｓ）＝１を満たす伝達関数Ｐ２ｎ −１（ｓ）のシステムである。この逆システム５２は、電流フィードバック制御系を含めて設計され、抑制しようとする振動の周波数成分に応じた伝達特性を有する。 The inverse system 52 has P 2n (s) · P 2n −1 with respect to a transfer function P 2n (s) of an actual system including a current controller 74, a PWM inverter 22, a voice coil motor 32a, a piston 32c, and the like, which will be described later. It is a system of transfer function P 2n −1 (s) that satisfies (s) = 1. The inverse system 52 is designed including a current feedback control system and has a transfer characteristic corresponding to the frequency component of the vibration to be suppressed.

周期外乱オブザーバ５０により推定した外乱は、周期外乱抑制演算部６０に入力され、減算手段６１，６３及びフィルタ６２を介して周期外乱電流指令（通常は０）にフィードバックすることにより、補正指令（補正電流指令）が生成される。なお、前述の周波数成分抽出部５１により抽出した値を周期外乱電流指令に追従させるために、周波数成分抽出部５１にはフィルタ６２と同様の特性を持つフィルタが用いられる。   The disturbance estimated by the periodic disturbance observer 50 is input to the periodic disturbance suppression calculation unit 60 and fed back to the periodic disturbance current command (usually 0) via the subtracting means 61 and 63 and the filter 62, thereby correcting the correction command (correction). Current command) is generated. Note that a filter having the same characteristics as the filter 62 is used for the frequency component extraction unit 51 in order to cause the value extracted by the frequency component extraction unit 51 to follow the periodic disturbance current command.

周期外乱抑制演算部６０から出力された補正電流指令は、加算手段１５により正弦波電流指令（主指令）と加算され、電力増幅器２０Ａ内の減算手段７３を介して電流制御器７４に入力される。また、正弦波電流指令は、減算手段７１を介して電流制御器７２に入力される。
電流制御器７２，７４は、ボイスコイルモータ３１ａ，３２ａの電流が各電流指令に追従するように制御指令をそれぞれ生成してＰＷＭインバータ２１，２２に出力し、これらのＰＷＭインバータ２１，２２がボイスコイルモータ３１ａ，３２ａをそれぞれ駆動してピストン３１ｃ，３２ｃの往復運動を制御する。 The correction current command output from the periodic disturbance suppression calculation unit 60 is added to the sine wave current command (main command) by the adding unit 15 and input to the current controller 74 via the subtracting unit 73 in the power amplifier 20A. . The sine wave current command is input to the current controller 72 via the subtracting means 71.
The current controllers 72 and 74 generate control commands so that the currents of the voice coil motors 31a and 32a follow the current commands, and output the control commands to the PWM inverters 21 and 22. The PWM inverters 21 and 22 The coil motors 31a and 32a are driven to control the reciprocating motion of the pistons 31c and 32c.

次に、図４は、図３における周期外乱オブザーバ５０及び周期外乱抑制演算部６０等の構成図であり、例えば特許第５９２９８６３号にも記載されている。
図４において、コンプレッサ駆動システム８０は主駆動システム８１と平衡用システム８２とからなる。主駆動システム８１は、図３の電流制御器７２、ＰＷＭインバータ２１、ボイスコイルモータ３１ａ、加算手段３１ｂ、ピストン３１ｃ等を含むブロックであり、平衡用システム８２は、図３の電流制御器７４、ＰＷＭインバータ２２、ボイスコイルモータ３２ａ、加算手段３２ｂ、ピストン３２ｃ等を含むブロックである。なお、図４においては、図３の振動センサ１１の図示を省略してある。 Next, FIG. 4 is a configuration diagram of the periodic disturbance observer 50 and the periodic disturbance suppression calculation unit 60 in FIG. 3, and is also described in, for example, Japanese Patent No. 5929863.
In FIG. 4, the compressor drive system 80 includes a main drive system 81 and a balancing system 82. The main drive system 81 is a block including the current controller 72 of FIG. 3, the PWM inverter 21, the voice coil motor 31a, the adding means 31b, the piston 31c, and the like, and the balancing system 82 is the current controller 74 of FIG. The block includes a PWM inverter 22, a voice coil motor 32a, an adding means 32b, a piston 32c, and the like. In FIG. 4, the illustration of the vibration sensor 11 of FIG. 3 is omitted.

図４の周波数成分抽出部５１では、数式２の演算を行うことにより、コンプレッサ駆動システム８０の振動センサが検出した加速度Ａｄｅｔからｎ次（ｎは自然数）周波数成分の実部Ａａｎ及び虚部Ａｂｎを抽出する。

Figure 2019193408
In the frequency component extraction unit 51 of FIG. 4, the real part A an and the imaginary part of the nth-order (n is a natural number) frequency component from the acceleration A det detected by the vibration sensor of the compressor drive system 80 by performing the calculation of Equation 2. A bn is extracted.
Figure 2019193408

数式２を演算するため、図４に示すように、加速度Ａｄｅｔを２倍し、駆動周波数の基本波成分及び高調波成分の余弦ｃｏｓ（ｎωｔ）、正弦ｓｉｎ（ｎωｔ）との乗算結果をローパスフィルタＧＦ（ｓ）に通すことにより、加速度Ａｄｅｔのｎ次周波数成分の実部Ａａｎ、虚部Ａｂｎが抽出される。ここで、Ａ，ωは正弦波電流指令の振幅，周波数にそれぞれ相当する。
Ａａｎ，Ａｂｎに含まれる振動成分は数式２に「＊」を付した部分であり、これらの振動成分はローパスフィルタＧＦ（ｓ）によって遮断される。なお、数式２の右辺において、ａａｎ，ａｂｎは振幅、ａ０は定数である。 In order to calculate Formula 2, as shown in FIG. 4, the acceleration A det is doubled, and the multiplication result of the cosine cos (nωt) and sine sin (nωt) of the fundamental component and the harmonic component of the drive frequency is low-passed. By passing through the filter G F (s), the real part A an and the imaginary part A bn of the n-th order frequency component of the acceleration A det are extracted. Here, A and ω correspond to the amplitude and frequency of the sine wave current command, respectively.
The vibration components included in A an and A bn are the parts where “*” is added to Equation 2, and these vibration components are blocked by the low-pass filter G F (s). In the right side of Equation 2, a an and a bn are amplitudes, and a 0 is a constant.

また、図４における実システム８３は、前述したように、ボイスコイルモータ３２ａ、ピストン３２ｃ、振動センサ等からなる平衡用システム８２を有し、入力される電流指令から振動（加速度Ａｄｅｔ）出力までのシステム全体の周波数伝達特性を有する。なお、ピストン３２ｃの位置からリニアコンプレッサ３０Ａのハウジングまでの伝達特性は同定試験によって得ることができる。 Further, as described above, the actual system 83 in FIG. 4 includes the balancing system 82 including the voice coil motor 32a, the piston 32c, the vibration sensor, and the like, and from the input current command to the vibration (acceleration A det ) output. The overall system has a frequency transfer characteristic. The transfer characteristic from the position of the piston 32c to the housing of the linear compressor 30A can be obtained by an identification test.

実システム８３の伝達関数をＰ２ｎ（ｓ）とすると、周波数成分抽出部５１の出力に伝達関数Ｐ２ｎ −１（ｓ）の逆モデルを乗算し、分離手段９１を介して入力電流推定値ｉｎ ＃の実部（実部推定値）Ｉａｎ ＃及び虚部（虚部推定値）Ｉｂｎ ＃を演算する。これらの推定値Ｉａｎ ＃，Ｉｂｎ ＃にはガス力による周期外乱成分が含まれているため、ローパスフィルタＧＦ（ｓ）を通した実部電流指令Ｉａｎ ＊，虚部電流指令Ｉｂｎ ＊をそれぞれ差し引くことにより、周期外乱電流推定値の実部ｄＩａｎ ＃及び虚部ｄＩｂｎ ＃を得ることができる。 Assuming that the transfer function of the real system 83 is P 2n (s), the output of the frequency component extraction unit 51 is multiplied by the inverse model of the transfer function P 2n −1 (s), and the estimated input current i is obtained via the separating unit 91. The real part (real part estimated value) I an # and the imaginary part (imaginary part estimated value) I bn # of n # are calculated. Since these estimated values I an # and I bn # include a periodic disturbance component due to gas force, the real part current command I an * and the imaginary part current command I bn passed through the low-pass filter G F (s). By subtracting * , the real part dI an # and the imaginary part dI bn # of the periodic disturbance current estimated value can be obtained.

上述した周期外乱電流推定値の実部ｄＩａｎ ＃，虚部ｄＩｂｎ ＃を周期外乱電流指令の実部ｄＩａｎ ＊（＝０），虚部ｄＩｂｎ ＊（＝０）にそれぞれフィードバックすることで、周期外乱を抑制するための実部電流指令Ｉａｎ ＊，虚部電流指令Ｉｂｎ ＊を得る。
これらの実部電流指令Ｉａｎ ＊，虚部電流指令Ｉｂｎ ＊にｃｏｓ（ｎωｔ），ｓｉｎ（ｎωｔ）を乗算して合成することにより、ｎ次の補正電流指令ｉｃｎ ＊を生成する。この補正電流指令ｉｃｎ ＊を実システム８３に与え、外乱成分ｉｎｅｑ２及び正弦波電流指令（主指令）Ａｓｉｎ（ωｔ）に加算した結果を電流指令としてボイスコイルモータ３２ａを駆動することにより、ピストン３２ｃの往復運動に伴って変化するガス力に起因した機械的振動を抑制することができる。 By feeding back the real part dI an # and the imaginary part dI bn # of the periodic disturbance current estimated value described above to the real part dI an * (= 0) and the imaginary part dI bn * (= 0) of the periodic disturbance current command, respectively. The real part current command I an * and the imaginary part current command I bn * for suppressing the periodic disturbance are obtained.
By multiplying these real part current command I an * and imaginary part current command I bn * by cos (nωt) and sin (nωt), an n-th order correction current command i cn * is generated. By applying this correction current command i cn * to the actual system 83 and adding the disturbance component i neq2 and the sine wave current command (main command) Asin (ωt) as a current command, the voice coil motor 32a is driven, The mechanical vibration caused by the gas force changing with the reciprocating motion of 32c can be suppressed.

なお、図３，図４はあくまで本発明の一実施例であり、例えば、周期外乱オブザーバ５０の代わりに、バンドパスフィルタ等、機械的振動の基本波成分及び各次数の高調波成分を抽出可能なフィルタを用いても良い。   3 and 4 are only one embodiment of the present invention. For example, instead of the periodic disturbance observer 50, a fundamental component of mechanical vibration such as a bandpass filter and harmonic components of each order can be extracted. A simple filter may be used.

本発明は、リニアコンプレッサに限らず、リニアモータを有するアクチュエータを備えた各種の機械本体の振動抑制装置として利用可能である。   The present invention is not limited to a linear compressor, and can be used as a vibration suppressing device for various machine bodies including an actuator having a linear motor.

１０，１０Ａ：振動抑制制御部
１１：振動センサ
１２：ガス力特徴カーブ
１３：選択器
１４１：１次成分フィルタ
１４２：２次成分フィルタ
１４ｎ：ｎ次成分フィルタ
１５１〜１５ｎ：減算手段
１６１：１次振動成分抑制制御器
１６２：２次振動成分抑制制御器
１６ｎ：ｎ次振動成分抑制制御器
１７：加算手段
２０，２０Ａ：電力増幅器
２１，２２：ＰＷＭインバータ
３０Ａ：リニアコンプレッサ
３０：機械本体
３１：主駆動アクチュエータ
３２：平衡用アクチュエータ
３１ａ，３２ａ：ボイスコイルモータ
３１ｂ，３２ｂ：加算手段
３１ｃ，３２ｃ：ピストン
５０：周期外乱オブザーバ
５１：周波数成分抽出部
５２：逆システム
６１，６３，７１，７３：減算手段
６２：フィルタ
７２，７４：電流制御器
８０：コンプレッサ駆動システム
８１：主駆動システム
８２：平衡用システム
８３：実システム
９１：分離手段
Ｓ１〜Ｓｎ：スイッチ 10, 10A: Vibration suppression control unit 11: Vibration sensor 12: Gas force characteristic curve 13: Selector 14 1 : 1st order component filter 14 2 : 2nd order component filter 14 n : nth order component filter 15 1 to 15 n : Subtraction Means 16 1 : Primary vibration component suppression controller 16 2 : Secondary vibration component suppression controller 16 n : Nth order vibration component suppression controller 17: Addition means 20, 20A: Power amplifier 21, 22: PWM inverter 30A: Linear Compressor 30: Machine body 31: Main drive actuator 32: Balance actuator 31a, 32a: Voice coil motor 31b, 32b: Addition means 31c, 32c: Piston 50: Periodic disturbance observer 51: Frequency component extraction unit 52: Inverse system 61 63, 71, 73: Subtraction means 62: Filter 72, 74: Current controller 80 : Compressor drive system 81: main drive system 82: the balancing system 83: Real System 91: separating means S 1 to S n: switch

Claims (6)

リニアモータを含むアクチュエータの動作によって発生する機械本体の振動を、前記リニアモータを制御することにより抑制する振動抑制装置において、
前記機械本体の振動に関する信号から抽出された前記リニアモータの駆動周波数の基本波成分及び高調波成分に基づいて周期外乱を推定する外乱推定手段と、
前記周期外乱を周期外乱指令にフィードバックして前記周期外乱を打ち消すための補正指令を生成する周期外乱抑制演算手段と、
前記リニアモータを駆動するための主指令と前記補正指令とを加算する加算手段と、
前記加算手段の出力に従って前記リニアモータを駆動する手段と、
を備えたことを特徴とする振動抑制装置。 In the vibration suppressing device that suppresses vibration of the machine body generated by the operation of the actuator including the linear motor by controlling the linear motor.
Disturbance estimation means for estimating periodic disturbance based on fundamental wave components and harmonic components of the driving frequency of the linear motor extracted from a signal relating to vibration of the machine body;
A periodic disturbance suppression calculating means for generating a correction command for canceling the periodic disturbance by feeding back the periodic disturbance to the periodic disturbance command;
An adding means for adding the main command for driving the linear motor and the correction command;
Means for driving the linear motor according to the output of the adding means;
A vibration suppressing device comprising: 請求項１に記載した振動抑制装置において、
前記機械本体がリニアコンプレッサであり、
前記リニアコンプレッサが、
前記アクチュエータとして第１，第２のアクチュエータを備えると共に、
前記第１，第２のアクチュエータが、前記リニアモータと当該リニアモータにより駆動されて互いに逆方向に往復運動するピストンとをそれぞれ備え、
前記機械本体の振動に関する信号は、前記第１，第２のアクチュエータ内の前記ピストンの往復運動に伴うガス力の変化に起因して前記リニアコンプレッサのハウジングに発生する振動に関する信号であることを特徴とする振動抑制装置。 The vibration suppressing device according to claim 1,
The machine body is a linear compressor;
The linear compressor is
The actuator includes first and second actuators,
The first and second actuators each include the linear motor and a piston driven by the linear motor and reciprocating in opposite directions;
The signal related to the vibration of the machine body is a signal related to the vibration generated in the housing of the linear compressor due to a change in gas force accompanying the reciprocating motion of the piston in the first and second actuators. Vibration suppression device. 請求項２に記載した振動抑制装置において、
前記第１のアクチュエータを構成するリニアモータを前記主指令に従って駆動し、前記第２のアクチュエータを構成するリニアモータを前記加算手段の出力に従って駆動することを特徴とする振動抑制装置。 In the vibration suppression device according to claim 2,
A vibration suppressing apparatus, wherein a linear motor constituting the first actuator is driven according to the main command, and a linear motor constituting the second actuator is driven according to an output of the adding means. 請求項１〜３の何れか１項に記載した振動抑制装置において、
前記外乱推定手段は、周期外乱オブザーバを用いて前記機械本体の振動に関する信号から前記周期外乱を推定し、
前記周囲外乱抑制演算手段は、前記周期外乱オブザーバにより推定した前記周期外乱を打ち消すための前記補正指令を演算することを特徴とする振動抑制装置。 In the vibration suppression device according to any one of claims 1 to 3,
The disturbance estimation means estimates the periodic disturbance from a signal related to vibration of the machine body using a periodic disturbance observer,
The vibration suppression apparatus according to claim 1, wherein the ambient disturbance suppression calculating means calculates the correction command for canceling the periodic disturbance estimated by the periodic disturbance observer. 請求項４に記載した振動抑制装置において、
前記主指令及び前記補正指令が電流指令または電圧指令であることを特徴とする振動抑制装置。 In the vibration suppression device according to claim 4,
The vibration suppression apparatus, wherein the main command and the correction command are a current command or a voltage command. 請求項１〜５の何れか１項に記載した振動抑制装置における前記加算手段の出力を用いて、前記リニアモータに交流電力を供給する電力変換器を制御することを特徴とするリニアモータ制御装置。   A linear motor control device that controls a power converter that supplies AC power to the linear motor by using the output of the adding means in the vibration suppressing device according to any one of claims 1 to 5. .
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