JP4238273B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、制御装置に関し、特に、電動機およびこの電動機により駆動される機械を含む制御対象の固有振動を抑えながら該制御対象を制御する制御装置に関する。

従来、電動機を有する工作機械において、電動機の制御装置が用いられている。特に、電動機であるサーボモータを用いて、フィードバック制御を行う制御装置は、位置、速度、電流などの指令値と現実の値との差を、常にゼロになるように制御するので、機械位置またはモータ回転数等が正確に制御されるため、一般のＣＮＣ工作機械などで広く採用されている。

一方、サーボモータおよびこのサーボモータによりにより駆動される機械を含む制御対象は、弾性、摩擦、質量などを有する物理的な力学系であり、その剛性または減衰特性が低い場合などには、制御対象が固有振動数において共振し、大きな振幅を有する振動を生じる場合がある。

サーボモータにより駆動される機械には、例えば、エンドエフェクタや、ハンドなどのエンドエフェクタにより把持されるワークピースが含まれる。
そして、共振による振動が生ずると、工作機械の加工精度が低下したり、または、把持されているワークピースがハンドから外れたりする問題を引き起こすおそれがある。

また、制御対象の固有振動数は、常に一定であるとは限らずに、以下の理由などにより変化する場合がある。
この理由として、まず、機械位置に依存して固有振動数が変化する場合がある。一例を挙げると、工作機械の直線移動軸において、駆動元であるサーボモータがボールネジを介して、駆動対象を駆動する場合、該駆動対象が、駆動元に近いところにある場合と、駆動元から遠いところにある場合とでは、ボールネジのバネ定数が変化して、固有振動数が変化する。

また、機械の個体差により固有振動数が変化する場合がある。一例を挙げると、量産される工作機械は、その組み立て精度や、駆動対象の質量などの機械仕様により、同種の工作機械であっても、個体差があり、そのため固有振動数が異なる。

また、機械の経年劣化により固有振動数が変化する場合がある。一例を挙げると、摺動部の摩耗や、接続部のがたつきの増加などに起因して、固有振動数が変化する。
また、把持するワークピースの剛性に依存して固有振動数が変化する場合がある。

そして、固有振動を低減する制御装置が提案されている。例えば、特許文献１または特許文献２には、制御信号から、固有振動数の成分をフィルタで除去することにより、共振による振動を低減する制御装置が提案されている。

特許文献１および特許文献２に記載の制御装置は、制御対象の固有振動数を常時検出し、検出された固有振動数に応じてフィルタが除去する振動数を変更し、制御対象が共振することを防止する。

特開平７−２６１８５３号公報 特開２００１−２９３６３８号公報

しかしながら、特許文献１または特許文献２に記載の制御装置のように、制御対象の位置などを常時検出し、該制御対象の固有振動数を検出するだけでは、以下の理由などにより、制御対象の動作に影響与える固有振動数を正確に検出できない場合がある。
この理由は、まず、モータコギング、切削加工中の切削反力など、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を検出して、その振動数を固有振動数と誤って判断する場合があるからである。

また、制御対象が複数の固有振動数を有する場合には、まず制御帯域に最も近い振動数を有する固有振動を除去することが好ましいが、制御帯域の振動数からは離れているが、最も振幅が大きい振動を、フィルタで除去すべき固有振動数として検出する場合があるからである。

また、制御対象の状態によっては、固有振動数による共振が発生していないため、検出しようとしても、制御対象の固有振動数を検出することができない場合もあるからである。

さらに、制御対象の固有振動を低減する処理において、制御対象を不安定にする場合がある。
一例としては、正確な固有振動数を検出できずに、誤った固有振動数を検出して、フィルタの設定を変更した場合には、制御対象が不安定になる場合がある。
他の例としては、正確な固有振動数を検出した場合でも、その固有振動数が、制御帯域に近い場合には、フィルタが、制御帯域の信号を一部除去して、制御対象が不安定になる場合がある。

さらにまた、制御装置には、装置に実装される記憶容量が制限されており、且つ、制御処理にかける時間が制限された条件で、制御対象を安定して制御することが求められている。

これらは、制御装置が制御対象の固有振動数を正確に検出した上で、さらに解決されるべき課題である。

上述したように、電動機などを含む制御対象を制御する制御装置に対しては、固有振動数による共振を低減するために、さらなる改善が期待されている。

従って、本発明は、電動機により駆動される制御対象の固有振動数を正確に検出して、該制御対象の固有振動を低減する制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る制御装置は、電動機を制御する制御信号を出力する制御手段を有し、上記電動機および該電動機により駆動される機械を含む制御対象の固有振動を抑えながら該制御対象を制御し、上記制御信号に含まれる振動数を解析する振動数解析手段と、該振動数解析手段の実行または停止を制御する解析制御手段と、上記振動数解析手段の解析結果から上記制御対象の固有振動数を検出する検出手段と、上記制御信号が入力され、該制御信号から上記固有振動数の成分を除去した制御信号を上記電動機に出力する帯域阻止フィルタと、上記検出手段が検出した上記固有振動数に基づいて、除去する振動数を上記帯域阻止フィルタに設定するフィルタ特性設定手段と、を有することとした。

また、本発明において、上記制御信号が速度指令またはトルク指令であり、上記解析制御手段が、上記速度指令または上記トルク指令の値に基づいて、上記振動数解析手段の制御を行うことが好ましい。

また、本発明において、上記制御手段および上記解析制御手段を制御する上位制御装置を有しており、上記上位制御装置が、上記解析制御手段に実行指令を出力した時に、該解析制御手段は、上記振動数解析手段に振動数解析を実行させることが好ましい。

また、本発明において、上記制御信号に上記固有振動数の成分を加える固有振動発生手段を有することが好ましい。

また、本発明において、上記検出手段は、上記解析結果における所定の振動数の範囲から、上記固有振動数を検出することが好ましい。

また、本発明において、上記検出手段は、上記解析結果から、振動数の成分の大きさが所定のしきい値以上である振動数を上記固有振動数として検出し、該固有振動数に基づいて、上記所定のしきい値を変化させることが好ましい。

また、本発明において、上記制御信号の大きさを制限する制御信号制限手段を有しており、上記制御信号制限手段は、上記フィルタ特性設定手段が上記帯域阻止フィルタの除去する上記振動数を設定した後の所定の間、上記制御信号の大きさを制限することが好ましい。

また、本発明において、上記フィルタ特性設定手段は、上記検出手段が検出した固有振動数に基づいて、上記帯域阻止フィルタの減衰量を変化させることが好ましい。

また、本発明において、上記フィルタ特性設定手段は、上記検出手段が検出した固有振動数に基づいて、上記帯域阻止フィルタが除去する振動数の帯域幅を変化させることが好ましい。

また、本発明において、上記振動数解析手段は、上記制御信号を所定の間隔でサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた上記制御信号を記憶する記憶手段と、記憶した上記制御信号を離散フーリエ変換して振動数成分を演算する演算手段とを有しており、上記サンプリング手段がサンプリングする上記所定の間隔を変更するサンプリング間隔変更手段を有していることが好ましい。

上述した本発明の制御装置によれば、電動機により駆動される制御対象の固有振動数を正確に検出して、該制御対象の固有振動を低減できる。

以下、本発明の制御装置をその好ましい一実施形態に基づいて、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施態様の制御装置１０（以下、本装置１０ともいう）は、工作機械１の制御装置であり、図１に示すように、上位制御装置３０からの制御信号である位置指令Ｐを受け、サーボアンプ２０を介して、電動機であるサーボモータ２１を制御し、被駆動部である負荷２２を駆動してその動作を制御する。

本装置１０は、図１に示すように、サーボモータ２１を制御する制御信号を出力する制御手段を有し、サーボモータ２１および該サーボモータ２１により駆動される機械を含む制御対象の固有振動を抑えながら該制御対象を制御する。
また、本装置１０は、制御信号であるトルク指令に含まれる振動数の成分を解析する振動数解析手段１２と、該振動数解析手段１２の実行または停止を制御する解析制御手段１３と、該振動数解析手段１２の解析結果から制御対象の固有振動数を検出する検出手段１４と、制御信号であるトルク指令Ｊが入力され、該トルク指令Ｊから固有振動数の成分を除去したトルク指令Ｊを、電流制御手段１１ｃおよびサーボアンプ２０を介して、サーボモータ２１に出力する帯域阻止フィルタ１５と、検出手段１４が検出した固有振動数に基づいて、除去する振動数を帯域阻止フィルタ１５に設定するフィルタ特性設定手段１６と、を有している。

本装置１０の振動数解析手段１２は、１秒間あたりの振動数の成分を、トルク指令から振動数解析する。１秒間あたりの振動数は、周波数であり、以下単に振動数ともいう。

本装置１０の制御対象には、サーボモータ２１およびサーボモータ２１により駆動される負荷２２が含まれる。負荷２２としては、例えば、サーボモータ２１により駆動されるエンドエフェクタ、または、エンドエフェクタであるハンドにより把持されるワークピースが挙げられる。また、サーボモータ２１の主軸の位置および速度は、位置および速度検出手段２３により検出される。位置および速度検出手段２３は、検出した位置および速度を本装置１０にフィードバックする。

本装置１０は、その制御手段を制御する上位制御装置３０を有している。上位制御装置３０は、本装置１０の制御手段に対して、位置指令Ｐを出力する。この上位制御装置３０としては、例えば、ＣＮＣ制御装置などの公知の制御装置を用いることができる。

上位制御装置３０が出力する位置指令Ｐは、アナログ信号であってもよいが、デジタル信号である場合には、本装置１０をデジタル回路で構成することができる。具体的には、本装置１０のハードウェアは、ＣＰＵなどの演算装置、半導体メモリ、磁気記録装置または光学記録装置などの記憶装置、入力装置、出力装置および入出力インタフェースを用いて構成することができる。

さらに、本装置１０について以下に説明する。

本装置１０は、制御手段として、図１に示すように、位置制御手段１１ａ、速度制御手段１１ｂおよび加速度制御手段としての電流制御手段１１ｃを有している。

位置制御手段１１ａには、図１に示すように、上位制御装置３０から出力された位置指令Ｐと、位置および速度検出手段２３からフィードバックされたサーボモータ２１の現実の位置検出値Ｐｆｂとが入力される。位置制御手段１１ａは、位置指令Ｐから位置検出値Ｐｆｂを減じた位置偏差Ｐ−Ｐｆｂを減少させるような速度指令Ｖを速度制御手段１１ｂに出力する。
この位置制御の方法としては、例えば、比例制御を用いることができる。

ここで、制御対象において固有振動が生じている場合には、固有振動の振幅を含む位置検出値Ｐｆｂの情報が、位置偏差Ｐ−Ｐｆｂにも含まれているので、速度指令Ｖには、固有振動数の成分が含まれる。

また、制御対象において、モータコギングまたは切削加工中の切削反力などによる振動が生じている場合には、これらの振幅を含む位置検出値Ｐｆｂの情報が、位置偏差Ｐ−Ｐｆｂにも含まれるので、速度指令Ｖには、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動の成分も含まれることになる。

速度制御手段１１ｂには、図１に示すように、位置制御手段１１ａから出力された速度指令Ｖと、位置および速度検出手段２３からフィードバックされたサーボモータ２１の現実の速度検出値Ｖｆｂとが入力される。速度制御手段１１ｂは、速度指令Ｖから速度検出値Ｖｆｂを減じた速度偏差Ｖ−Ｖｆｂを減少させるような電流指令であるトルク指令Ｊを、帯域阻止フィルタ１５を介して、電流制御手段１１ｃに出力する。
この速度制御の方法としては、例えば、比例積分制御を用いることができる。

電流制御手段１１ｃには、図１に示すように、帯域阻止フィルタ１５を介して速度制御手段１１ｂから出力されたトルク指令Ｊと、サーボアンプ２０からフィードバックされた現実の電流検出値Ｊｆｂとが入力される。電流制御手段１１ｃは、トルク指令Ｊから現実の電流検出値Ｊｆｂを減じた電流偏差Ｊ−Ｊｆｂを減少させるような電圧指令Ｄを、サーボアンプ２０に出力する。

帯域阻止フィルタ１５は、速度制御手段１１ｂから出力されたトルク指令Ｊが入力される。帯域阻止フィルタ１５は、制御対象の固有振動数を中心振動数として所定の帯域幅にある振動数の成分を、入力したトルク指令Ｊから減衰させる。そして、帯域阻止フィルタ１５は、固有振動数の成分を低減させたトルク指令Ｊを、電流制御手段１１ｃに出力する。

帯域阻止フィルタ１５は、制御対象の固有振動数以外のトルク指令Ｊの伝達関数のゲインの通過をなるべく阻止しないことが好ましい。このトルク指令Ｊの伝達関数のゲインの振動数帯域を、以下、制御帯域ともいう。

帯域阻止フィルタ１５のフィルタ特性は、中心振動数、減衰量および帯域幅などのフィルタ係数により定めることができる。帯域阻止フィルタ１５のフィルタ係数は、フィルタ特性設定手段１６により設定または変更される。

サーボアンプ２０は、電圧指令Ｄを入力して、サーボモータ２１に制御する電力を供給する。また、サーボアンプ２０は、サーボモータ２１を駆動する現実の電流検出値Ｊｆｂを検出して、該電流検出値Ｊｆｂを電流制御手段１１ｃにフィードバックする。

サーボモータ２１は、サーボアンプ２０から供給された電力により制御されて、負荷２２を駆動する。サーボモータ２１における主軸の現実の位置および速度は、位置および速度検出手段２３により検出される。
位置および速度検出手段２３は、検出した位置検出値Ｐｆｂを位置制御手段１１ａにフィードバックすると共に、検出した速度検出値Ｖｆｂを速度制御手段１１ｂにフィードバックする。

サーボモータ２１およびこのサーボモータ２１によりにより駆動される負荷２２を含む制御対象は、弾性、摩擦、質量などを有する物理的な力学系であり、その剛性または減衰特性が低い場合などには、固有振動数において共振し、大きな振幅を有する振動を生じる。

そして、工作機械１の制御対象は、複数の固有振動数を有する場合がある。制御対象が、複数の固有振動数を有する場合には、制御帯域に最も近い振動数を有する固有振動が、制御対象の制御精度または応答性に対して、一般に最も大きく影響する。

また、制御対象の固有振動数は、常に一定であるとは限らずに、変化する場合がある。変化する理由としては、機械位置に依存して固有振動数が変化する場合、機械の経年劣化により固有振動数が変化する場合、把持するワークピースの剛性に依存して固有振動数が変化する場合などが挙げられる。

本装置１０は、工作機械１の制御対象が有する固有振動を低減するために、上記帯域阻止フィルタ１５を備えている。制御対象の固有振動数は、解析制御手段１３、振動数解析手段１２および検出手段１４が協働して検出される。そして、検出された固有振動数に基づいて、フィルタ特性設定手段１６が、帯域阻止フィルタ１５のフィルタ特性を変更する。
さらに、これらの手段の説明を以下に行う。

まず、解析制御手段１３の説明を以下に行う。
解析制御手段１３には、図１に示すように、位置制御手段１１ａが出力した速度指令Ｖが分岐して入力される。ここで、上述したように、制御信号である速度指令Ｖには、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動の成分も含まれる場合がある。例えば、サーボモータ２１の主軸の速度が特定の速度範囲にある場合に、例えば速度Ｖ１とＶ２との間にある場合に、モータコギングが生じるとする。この場合、速度指令Ｖが、Ｖ１とＶ２との間の値にあると、サーボモータ２１がモータコギングを発生して、このモータコギングに起因する振動数を、検出手段１４が、固有振動数として検出する可能性がある。

そこで、本装置１０では、検出手段１４が、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動を固有振動として検出することを防止するために、解析制御手段１３が、速度指令Ｖの値に基づいて、振動数解析手段１２の制御を行うこととした。

具体的には、サーボモータ２１の主軸の速度が、速度Ｖ１とＶ２との間で、モータコギングが生じることが判明している場合には、解析制御手段１３は、速度指令ＶがＶ１とＶ２との間では、振動数解析を停止するように振動数解析手段１２を制御する。すなわち、解析制御手段１３は、速度指令Ｖが、Ｖ１以下か、または、Ｖ２以上の場合にだけ、振動数解析を実行するように振動数解析手段１２を制御する。

同様に、エンドミルによる切削加工に起因する大きな振幅を有する振動などの他、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動が既知である場合には、この振動が生じる特定の速度指令の範囲では、解析制御手段１３が、振動数解析を停止するように振動数解析手段１２を制御する。

次に、振動数解析手段１２について以下に説明する。
振動数解析手段１２は、図示しないが、トルク指令Ｊを所定の間隔でサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされたトルク指令Ｊのサンプル値を記憶する記憶手段と、記憶したトルク指令Ｊのサンプル値を離散フーリエ変換して振動数の成分を演算する演算手段とを有している。

振動数解析手段１２は、解析制御手段１３から振動数解析を実行するように制御されている時にのみ、入力したトルク指令Ｊの振動数解析を行って、トルク指令Ｊに含まれる振動数の成分を求める。

振動数解析手段１２の上記サンプリング手段には、図１に示すように、速度制御手段１１ｂが出力したトルク指令Ｊが分岐して入力される。入力したトルク指令Ｊは、上記サンプリング手段によって、所定の間隔でサンプリングされて、トルク指令Ｊのサンプル値が上記記憶手段に記憶される。上記演算手段は、上記記憶手段に記憶されたトルク指令Ｊのサンプル値を離散フーリエ変換して、振動数の成分を求める。振動数解析手段１２は、解析結果である振動数の成分を検出手段１４に出力する。

振動数解析手段１２が離散フーリエ変換する振動数の範囲、および、この離散フーリエ変換に用いるサンプル値の数は、それぞれ、所定の値に定められている。

次に、検出手段１４について以下に説明する。
検出手段１４には、図１に示すように、振動数解析手段１２から出力された振動数の解析結果が入力される。検出手段１４は、この解析結果から、振動数の成分の大きさが所定のしきい値以上である振動数を、固有振動数として検出する。上記所定のしきい値以上の値を有する振動数の成分が、ピーク形状を有している場合には、そのピークの極大値が、固有振動数として検出される。

この固有振動数が複数ある場合には、検出手段１４は、制御帯域に最も近い振動数を有する固有振動数を選択する。そして、検出手段１４は、検出または選択した固有振動数を、フィルタ特性設定手段１６に出力する。

次に、フィルタ特性設定手段１６について以下に説明する。
フィルタ特性設定手段１６には、検出手段１４から検出された固有振動数が入力される。フィルタ特性設定手段１６は、帯域阻止フィルタ１５が除去する振動数の成分の中心振動数を、入力した固有振動数に一致させるように変更する。また、フィルタ特性設定手段１６は、帯域阻止フィルタ１５における他のフィルタ係数である帯域幅または減衰量を、中心振動数と共に変更してもよい。

上述した本装置１０の動作について以下に説明する。
本装置１０は、上位制御装置３０から位置指令Ｐを入力して、サーボモータ２１をフィードバック制御する。解析制御手段１３は、検出手段１４が、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する既知の振動を固有振動として検出しないように、入力された速度指令Ｖの値に基づいて、振動数解析手段１２に振動解析を実行させるかまたは停止させるかを制御する。そして、検出手段１４が新たな固有振動数を検出または選択した場合には、フィルタ特性設定手段１６が帯域阻止フィルタ１５のフィルタ係数を変更する。

そして、フィルタ係数が変更された帯域阻止フィルタ１５は、トルク指令Ｊから固有振動数の成分を除去したトルク指令を、電流制御手段１１ｃおよびサーボアンプ２０を介して、サーボモータ２１に出力するので、サーボモータ２１および該サーボモータ２１により駆動される機械を含む制御対象の固有振動が防止される。その結果、制御対象が安定に制御される。

上述した本実施態様の制御装置１０によれば、サーボモータ２１により駆動される制御対象の固有振動数を正確に検出して、該制御対象の固有振動を低減できる。具体的には、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する既知の振動を固有振動として検出しないように、解析制御手段１３が振動数解析手段１２を制御するので、検出手段１４が、固有振動数を誤って検出することを防止できる。

次に、本発明の他の実施形態の制御装置を、図２〜図８を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図２〜図８において、図１と同じ構成要素に同じ符号を付してある。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の制御装置１０（以下、本装置１０ともいう）は、図２に示すように、解析制御手段１３を制御する上位制御装置３０を有しており、該上位制御装置３０が、解析制御手段１３に実行指令を出力した時に、該解析制御手段１３は、振動数解析手段１２に振動数解析を実行させる。本装置１０の上位制御装置３０は、上述した第１実施形態と同様に、位置制御手段１１ａに位置指令Ｐを出力すると共に、解析制御手段１３も制御する。

以下、本装置１０についてさらに説明する。
解析制御手段１３は、上述した第１実施形態と同様に、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動が既知の場合には、この振動を固有振動として検出しないように、振動数解析手段１２を制御する。しかし、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動が、既知でない場合には、検出手段１４が固有振動数を誤って検出する可能性がある。

一方、上位制御装置３０は、本装置１０の制御手段よりも上位の位置にあるので、制御対象の状態をより把握している。例えば、エンドエミルによる切削加工中である場合、または、エンドエフェクタにワークピースを装着中である場合など、検出手段１４が固有振動数を誤って検出する可能性がある制御対象の状態を、上位制御装置３０は把握できる。上位制御装置３０が、例えば、ＣＮＣ制御装置であれば、このような制御対象の状態をプログラムなどに基づいて判断することができる。

そこで、本装置１０では、上位制御装置３０が、解析制御手段１３を制御することとした。具体的には、上位制御装置３０が、解析制御手段１３に実行指令を出力した時に、該解析制御手段１３は、振動数解析手段１２に振動数解析を実行させる。

例えば、上位制御装置３０は、負荷２２を早送りしている場合にのみ、解析制御手段１３に実行指令を出力するように、解析制御手段１３を制御できる。また、切削加工中にエンドミルなどが回転している場合には、この回転に起因した振動数を検出手段１４が固有振動数として検出する可能性があるので、上位制御装置３０は、解析制御手段１３に停止指令を出力して、振動数解析手段１２の振動数解析を停止させるように、解析制御手段１３を制御できる。

ここで、負荷２２を早送りしている場合など、上位制御装置３０が、解析制御手段１３に実行指令を出力している場合でも、既知の振動が生じる特定の速度指令Ｖの範囲では、解析制御手段１３は、この速度指令の値に基づいて、振動数解析手段１２に振動数解析を停止するように制御する。
すなわち、解析制御手段１３は、上位制御装置３０から実行指令を入力しており、且つ、入力した速度指令Ｖが、既知の振動を生じさせない範囲にある場合のみに、振動数解析手段１２に振動数解析を実行させる。

また、制御対象の状態によっては、制御信号に含まれる固有振動数の成分が少ないかまたは含まれない場合がある。このような状態では、検出手段１４は、固有振動数を正しく検出することができないおそれがある。

そこで、本装置１０は、図２に示すように、制御信号であるトルク指令Ｊに、制御対象の固有振動数の成分を加える固有振動発生手段１７を有している。固有振動発生手段１７は、固有振動数の成分を有する信号Ｔｖを発生して、図２に示すように、加算手段１７ａに出力する。加算手段１７ａは、入力した信号Ｔｖおよびトルク指令Ｊを加算して、帯域阻止フィルタ１５に出力する。
そして、固有振動数の成分を含む制御信号がサーボモータ２１に入力すると、制御対象に固有振動を発生させることができるので、検出手段１４は、正しい固有振動数を検出することができる。

さらに説明すると、制御対象は、複数の固有振動数を有する場合があり、またこの固有振動数が変化する場合もあるので、上記固有振動発生手段１７は、信号Ｔｖの振動数を所定の範囲で変化させながら出力する。この信号Ｔｖとしては、例えばスエプトサインを用いることができる。また、上記所定の範囲の振動数としては、１００Ｈｚから１０００Ｈｚの範囲を用いることができる。

この固有振動発生手段１７は、振動数解析手段１２と同様に、解析制御手段１３により、速度指令Ｖの値か上位制御装置３０の指令に基づいて、その実行または停止が制御される。
その他の構成は、上述した第１実施形態と同様である。

上述した本装置１０によれば、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動が既知でない場合にも、制御対象の固有振動数を正確に検出して、該制御対象の固有振動を低減できる。
また、制御信号に含まれる固有振動数の成分が少ないかまたは含まれない状態であっても、制御対象の固有振動数を正確に検出することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態の制御装置１０（以下、本装置１０ともいう）において、検出手段１４は、振動数解析手段１２の解析結果における所定の振動数の範囲から、制御対象の固有振動数を検出する。

本装置１０を、図３を参照して以下に説明する。図３に、振動数解析手段１２の解析結果の一例を示す。図３には、ピークＰＦ１、ピークＰＦ２、ピークＰＦ３が存在しており、それぞれの振動数の成分の大きさが、検出手段１４が固有振動数として判断するしきい値Ｔｈ以上である。しきい値Ｔｈは、図３に示す例では、振動数に対して一定の値を有している。
ここで、ピークＰＦ１およびピークＰＦ２は、制御対象の固有振動数であり、ピークＰＦ３は、サーボモータ２１のモータコギングに起因することが既知であるとする。

ピークＰＦ２は、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動に起因することが既知であるので、ピークＰＦ２に対応する固有振動数は、検出手段１４が、固有振動数を検出する振動数の範囲から除外することが、検出手段１４が検出処理を効率的に行う上で好ましい。

そこで、本装置１０では、検出手段１４は、ピークＰＦ２に対応する固有振動数を含む検出除外振動数帯域ＥＢを除いた振動数の範囲から、制御対象の固有振動数を検出することとした。

また、図３に示す例では、制御対象が、２つの固有振動数を有している。この場合、制御精度および応答性の観点から、制御帯域に近い振動数を有するピークＰＦ１に対応する固有振動を、ピークＰＦ３に対応する固有振動よりも優先的に低減することが好ましい。

そこで、本装置１０では、制御帯域から離れた振動数領域に存在する固有振動は、制御対象への影響が少ないので、検出手段１４が、制御帯域よりも高い振動数領域である検出除外振動数帯域ＥＢを除いた振動数の範囲から、制御対象の固有振動数を検出することとした。その結果、検出除外振動数帯域ＥＢに含まれるピークＰＦ３に対応する固有振動を、検出手段１４は検出しない。

従って、図３に示す例では、本装置１０の検出手段１４は、制御帯域ＣＢに近い振動数を有するピークＰＦ１に対応する固有振動のみを検出する。
その他の構成は、上述した第１実施形態と同様である。

上述した本装置１０によれば、制御対象の動作に影響を与える固有振動数を効率よく検出することができる。また、制御帯域に近い振動数を有する固有振動を防止すると共に、制御対象の制御精度および応答性を確保できる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態の制御装置１０（以下、本装置１０ともいう）において、検出手段１４は、振動数解析手段１２の解析結果から、振動数の成分の大きさがしきい値Ｔｈ以上である振動数を、固有振動数として検出し、図４に示すように、該固有振動数に基づいて、このしきい値Ｔｈを変化させる。

本装置１０を、図４を参照して以下に説明する。図４には、振動数解析手段１２の解析結果の一例を示す。図４には、ピークＰＦ１、ピークＰＦ２、ピークＰＦ３が存在している。ここで、ピークＰＦ１およびピークＰＦ２は、制御対象の固有振動数であり、ピークＰＦ３は、サーボモータ２１のモータコギングに起因することが既知であるとする。

ピークＰＦ２は、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動に起因することが既知であるので、ピークＰＦ２に対応する固有振動数は、検出手段１４が、固有振動数を検出する振動数の範囲から除外することが、検出手段１４が検出処理を効率的に行う上で好ましい。

そこで、本装置１０の検出手段１４は、しきい値Ｔｈを、振動数と共に増加するように変化させて、ピークＰＦ２に対応する固有振動数において、ピークＰＦ２の振動数の成分の大きさよりも、しきい値Ｔｈを大きくすることとした。

また、図４に示す例では、制御対象が、２つの固有振動数を有している。この場合、制御精度および応答性の観点から、制御帯域に近い振動数を有するピークＰＦ１に対応する固有振動を、ピークＰＦ３に対応する固有振動よりも優先的に低減することが好ましい。

そこで、本装置１０では、制御帯域から離れた振動数領域に存在する固有振動は、制御対象への影響が少ないので、本装置１０の検出手段１４は、制御帯域におけるしいき値Ｔｈよりも、制御帯域よりも高い振動数領域におけるしきい値Ｔｈが大きくなるように、しきい値Ｔｈを、振動数が増加すると共に増加するように変化させることとした。

従って、図４に示す例では、本装置１０の検出手段１４は、制御帯域ＣＢに近い振動数を有するピークＰＦ１に対応する固有振動のみを検出する。
その他の構成は、上述した第１実施形態と同様である。

上述した本装置１０によれば、上述した第３実施形態と同様の効果が得られる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態の制御装置１０（以下、本装置１０ともいう）は、図５に示すように、制御信号であるトルク指令Ｊの大きさを制限して減衰する制御信号制限手段１８を有しており、制御信号制限手段１８は、フィルタ特性設定手段１６が、帯域阻止フィルタ１５の除去する振動数を設定した後の所定の間、トルク指令Ｊの大きさを制限して減衰させる。

本装置１０は、上述した第１実施形態と同様に、解析制御手段１３により制御される振動数解析手段１２が、トルク指令Ｊを解析し、検出手段１４が固有振動数を求め、その結果に応じて、フィルタ特性設定手段１６が帯域阻止フィルタ１５のフィルタ特性を変化させることを繰り返して行う。この結果、制御対象の固有振動数の変化に適応できるので、制御対象が安定するように制御できる。

しかし、工作機械１以外の外乱の影響などによって、検出手段１４が、制御対象の固有振動以外の大きな振幅を有する振動を、固有振動数と誤って検出する場合がある。この場合には、固有振動数の成分を含む制御信号がサーボモータ２１に出力され続けるので、制御対象が不安定に変化する可能性がある。制御対象の不安定さが増大すると、サーボモータ２１または負荷２２が損傷するおそれもある。

そこで、本装置１０では、フィルタ特性設定手段１６が帯域阻止フィルタ１５の除去する振動数を設定した後の所定の間は、誤った固有振動数を検出した場合に備えて、トルク指令Ｊの大きさを制限して減衰させることとした。もし、検出手段１４が、誤った固有振動数を検出していても、トルク指令Ｊの大きさを小さくすることにより、固有振動数による共振を低減させることが可能となり、制御対象が急激に不安定になることを防止できる。

制御信号制限手段１８がトルク指令を制限する割合としては、例えば、１０％から９０％の範囲で、制御信号を低減することが好ましい。具体的に低減する割合は、実際の制御対象の状態にあわせて、適宜設定することが好ましい。
また、制御信号制限手段１８が、トルク指令Ｊの大きさを制限して減衰させる上記所定の間も、同様に、実際の制御対象の状態にあわせて、適宜設定することが好ましい。

制御信号制限手段１８は、解析制御手段１３により制御される。また、制御信号制限手段１８は、フィルタ特性設定手段１６により、制御されてもよい。

上述した本装置１０によれば、検出手段１４が誤った固有振動数を検出した場合でも、制御対象が急激に不安定になることを防止して、制御対象が損傷することを防止できる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態の制御装置１０（以下、本装置１０ともいう）において、フィルタ特性設定手段１６は、検出手段１４が検出した固有振動数に基づいて、帯域阻止フィルタ１５の減衰量を変化させる。

例えば、第３実施形態の説明で用いた図３において、帯域阻止フィルタ１５が、ピークＰＦ１に対応する固有振動を低減したとする。帯域阻止フィルタ１５は、その固有振動数を中心として、所定の帯域幅にある振動数の成分を減衰するので、ピークＰＦ１のように、制御帯域ＣＢに近い振動数領域に固有振動数が存在する場合、帯域阻止フィルタ１５の帯域幅によっては、制御帯域のゲインを減衰する場合がある。

このように、固有振動数の位置、帯域阻止フィルタ１５の減衰量または帯域幅によっては、帯域阻止フィルタ１５が、制御帯域のゲインを減衰する場合がある。
制御帯域のゲインが、帯域阻止フィルタ１５によって、減衰させられると、制御精度および応答性が低下して、制御対象が不安定に変化するおそれがある。

そこで、本装置１０では、図６に示すように、検出手段１４が検出した固有振動数の増加と共に、帯域阻止フィルタ１５の減衰量が増加するように、該減衰量を変化させることとした。すなわち、帯域阻止フィルタ１５の減衰量は、制御帯域ＣＢに近い、低い振動数領域では小さく、一方、制御帯域から離れた、高い振動数領域では大きくなる。
その他の構成は、上述した第１実施形態と同様である。

上述した本装置１０によれば、固有振動数が制御帯域ＣＢに近い場合には、帯域阻止フィルタ１５の減衰量を小さくして、固有振動数の成分を低減する共に、制御帯域のゲインを低減し過ぎないようにして、制御対象の安定性を確保できる。一方、制御帯域から離れた振動数領域にある固有振動については、帯域阻止フィルタ１５の減衰量を大きく設定して、固有振動を確実に低減できる。

（第７実施形態）
本発明の第７実施形態の制御装置１０（以下、本装置１０ともいう）において、フィルタ特性設定手段１６は、検出手段１４が検出した固有振動数に基づいて、帯域阻止フィルタ１５が除去する振動数の帯域幅を変化させる。

例えば、第３実施形態の説明で用いた図３において、帯域阻止フィルタ１５が、ピークＰＦ１に対応する固有振動を低減したとする。帯域阻止フィルタ１５は、その固有振動数を中心として、所定の帯域幅にある振動数の成分を減衰するので、ピークＰＦ１のように、制御帯域ＣＢに近い振動数領域に固有振動数が存在する場合、帯域阻止フィルタ１５の帯域幅によっては、制御帯域のゲインを減衰する場合がある。

このように、固有振動数の位置、帯域阻止フィルタ１５の減衰量または帯域幅によっては、帯域阻止フィルタ１５が、制御帯域のゲインを減衰する場合がある。
制御帯域のゲインが、帯域阻止フィルタ１５によって、減衰させられると、制御精度および応答性が低下して、制御対象が不安定に変化するおそれがある。

そこで、本装置１０では、図７に示すように、検出手段１４が検出した固有振動数の増加と共に、帯域阻止フィルタ１５の帯域幅が増加するように、該帯域幅を変化させることとした。すなわち、帯域阻止フィルタ１５の帯域幅は、制御帯域ＣＢに近い、低い振動数領域では狭く、一方、制御帯域から離れた、高い振動数領域では広くなる。
その他の構成は、上述した第１実施形態と同様である。

上述した本装置１０によれば、固有振動数が制御帯域ＣＢに近い場合には、帯域阻止フィルタ１５の帯域幅を狭くして、固有振動数の成分を低減する共に、制御帯域のゲインを低減し過ぎないようにするので、制御対象の安定性を確保できる。一方、制御帯域から離れた振動数領域にある固有振動については、帯域阻止フィルタ１５の帯域幅を広く設定して、固有振動を確実に低減できる。

（第８実施形態）
本発明の第８実施形態の制御装置１０（以下、本装置１０ともいう）は、図８に示すように、振動数解析手段１２のサンプリング手段１２ａがサンプル値をサンプリングする所定の間隔を変更する、サンプリング間隔変更手段１９を有している。このサンプリング間隔変更手段１９は、上位制御装置３０により制御される。もしくは、サンプリング間隔変更手段１９は、予め決められた手順に従って変更される。

振動数解析手段１２は、トルク指令Ｊを振動数解析して、所定の範囲の振動数の成分を求める。この解析対象となる振動数の範囲は、制御帯域に近い低い振動数から、制御帯域から離れた高い振動数までが解析対象となるので、かなり広い範囲となる。

また、検出手段１４が、固有振動数を検出する振動数の分解能は、正確な固有振動数を求める観点から、高いことが好ましい。そして、振動数の分解能を高くするには、サンプリング手段１２ａがトルク指令Ｊをサンプリングする間隔を短くする必要がある。サンプリング手段１２ａがサンプリングする間隔を常に短くした場合には、サンプル値の数が増加するので、振動数解析手段１２の上記記憶手段に必要な記憶容量が増加する。また、振動数解析手段１２の上記演算手段が、離散フーリエ変換を行うのに要する演算時間も増加する。
一方、コスト上の制約から、一般に上記記憶手段の記憶容量には制限が設けられる。また、制御の応答性の観点から、制御のための演算時間は短いことが好ましい。

そこで、本装置１０では、少ない記憶容量を効率的に用いて固有振動数を精度よく検出するために、サンプリング手段１２ａがサンプル値をサンプリングする間隔を可変とした。そして、固有振動数を求める手順としては、まず、サンプリング手段１２ａがサンプリングする間隔を大きくして、サンプル値をサンプリングした後、広い振動数の範囲から高くない精度で固有振動数を求める。次に、サンプリング手段１２ａがサンプリングする間隔を小さくして、サンプル値をサンプリングした後、高くない精度で求めた固有振動数を含む狭い振動数の範囲から、高い精度で固有振動数を検出して、正確な固有振動数を求めることとした。

上述した本装置１０によれば、広い振動数の範囲から高くない精度で固有振動数を求める場合におけるサンプル値の数と、高くない精度で求めた固有振動数を含む狭い振動数の範囲から、高い精度で固有振動数を求める場合におけるサンプル値の数とを、同じ程度にすることが可能となるので、少ない記憶容量を効率的に用いて、正確な固有振動数を求めることができる。また、高い分解能で、固有振動数が存在しない振動数範囲では振動数解析を行わないので、上記演算手段が、離散フーリエ変換を行うのに要する処理時間を低減できる。

本発明の制御装置は、上述した実施形態に制限されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
例えば、上述した各実施形態では、解析制御手段１３が、速度指令の値に基づいて、振動数解析手段１２の制御を行っていたが、解析制御手段１３が、制御信号としての加速度指令（トルク指令）の値に基づいて、振動数解析手段１２の制御を行ってもよい。

また、上述した各実施形態では、帯域阻止フィルタ１５が、速度制御手段１１ｂと電流制御手段１１ｃとの間に配置されていたが、帯域阻止フィルタ１５は、電流制御手段１１ｃとサーボアンプ２０との間に配置されていてもよい。

また、帯域阻止フィルタ１５は、速度検出値Ｖｆｂのフィードバック、または、電流検出値Ｊｆｂのフィードバックに配置してもよい。この場合には、帯域阻止フィルタ１５により固有振動数を除去された速度検出値Ｖｆｂまたは電流検出値Ｊｆｂを用いて作成された制御信号が、サーボモータ２１に入力される。

また、上述した各実施形態では、解析制御手段１３が、位置制御手段１１ａから出力される速度指令に基づいて、振動数解析手段１２を制御していたが、解析制御手段１３は、速度検出値Ｖｆｂまたは電流検出値Ｊｆｂの値に基づいて、振動数解析手段１２を制御してもよい。

また、上述した第２実施形態では、解析制御手段１３は、上位制御装置３０による制御と、速度指令Ｖの値とに基づいて、振動数解析手段１２を制御していたが、解析制御手段１３は、上位制御装置３０による制御のみに基づいて、振動数解析手段１２を制御してもよい。

上述した一の実施形態のみが有する部分は、他の実施形態とすべて適宜相互に利用できる。

図１は、本発明の第１実施形態の制御装置を示すブロック図である。 図２は、本発明の第２実施形態の制御装置を示すブロック図である。 図３は、本発明の第３実施形態の制御装置における検出手段を説明する図である。 図４は、本発明の第４実施形態の制御装置における検出手段を説明する図である。 図５は、本発明の第５実施形態の制御装置を示すブロック図である。 図６は、本発明の第６実施形態の制御装置におけるフィルタ特性設定手段を説明する図である。 図７は、本発明の第７実施形態の制御装置におけるフィルタ特性設定手段を説明する図である。 図８は、本発明の第８実施形態の制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

１ 工作機械
１０ 制御装置
１１ａ 位置制御手段
１１ｂ 速度制御手段
１１ｃ 電流制御手段
１２ 振動数解析手段
１２ａ サンプリング手段
１３ 解析制御手段
１４ 検出手段
１５ 帯域阻止フィルタ
１６ フィルタ特性設定手段
１７ 固有振動発生手段
１７ａ 加算手段
１８ 制御信号制限手段
１９ サンプリング間隔変更手段
２０ サーボアンプ
２１ サーボモータ
２２ 負荷
２３ 位置および速度検出手段
３０ 上位制御装置

Claims (9)

1. 電動機を制御する制御信号を出力する制御手段を有し、前記電動機および該電動機により駆動される機械を含む制御対象の固有振動を抑えながら該制御対象を制御する制御装置において、
   前記制御信号に含まれる振動数を解析する振動数解析手段と、
   前記振動数解析手段の実行または停止を制御する解析制御手段と、
   前記振動数解析手段の解析結果から前記制御対象の固有振動数を検出する検出手段と、
   前記制御信号が入力され、該制御信号から前記固有振動数の成分を除去した制御信号を前記電動機に出力する帯域阻止フィルタと、
   前記検出手段が検出した前記固有振動数に基づいて、除去する振動数を前記帯域阻止フィルタに設定するフィルタ特性設定手段と、
   前記制御手段および前記解析制御手段を制御する上位制御装置と、
   を有しており、
   前記上位制御装置が、前記解析制御手段に実行指令を出力した時に、該解析制御手段は、前記振動数解析手段に振動数解析を実行させることを特徴とする制御装置。
2. 前記制御信号が速度指令またはトルク指令であり、
   前記解析制御手段が、前記速度指令または前記トルク指令の値に基づいて、前記振動数解析手段の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御信号に前記固有振動数の成分を加える固有振動発生手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記検出手段は、前記解析結果における所定の振動数の範囲から、前記固有振動数を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。
5. 前記検出手段は、前記解析結果から、振動数の成分の大きさが所定のしきい値以上である振動数を前記固有振動数として検出し、該固有振動数に基づいて、前記所定のしきい値を変化させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 前記制御信号の大きさを制限する制御信号制限手段を有しており、
   前記制御信号制限手段は、前記フィルタ特性設定手段が前記帯域阻止フィルタの除去する前記振動数を設定した後の所定の間、前記制御信号の大きさを制限することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
7. 前記フィルタ特性設定手段は、前記検出手段が検出した固有振動数に基づいて、前記帯域阻止フィルタの減衰量を変化させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の制御装置。
8. 前記フィルタ特性設定手段は、前記検出手段が検出した固有振動数に基づいて、前記帯域阻止フィルタが除去する振動数の帯域幅を変化させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置。
9. 前記振動数解析手段は、前記制御信号を所定の間隔でサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた前記制御信号を記憶する記憶手段と、記憶した前記制御信号を離散フーリエ変換して振動数成分を演算する演算手段とを有しており、
   前記サンプリング手段がサンプリングする前記所定の間隔を変更するサンプリング間隔変更手段を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の制御装置。

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