JP2001178165A - サーボモータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】速度追従から力追従への自動切換を安定して行
うサーボモータの制御装置を簡便に実現する。 【解決手段】電動モータ１と、その駆動電流を帰還制御
する電流制御手段１２と、この電流制御手段１２を介し
て電動モータ１の速度を速度指令Ｖｃに追従させる速度
制御手段１１と、電動モータ１にて駆動される作動部２
に生じた力Ｆｆを検出する力検出部４と、電流制御手段
１２を介して電動モータ１の出力を力指令Ｆｃに追従さ
せる力制御手段２４とを具えたサーボモータの制御装置
において、力指令Ｆｃと力検出部４の出力Ｆｆとの差Δ
Ｆを演算する第１差演算手段２４ａと、速度指令Ｖｃと
電動モータ１の速度Ｖｆの差ΔＶを演算する第２差演算
手段１１ａと、それらの差ΔＦ，ΔＶを比較してその大
小に応じて選択的に速度制御手段１１と力制御手段２４
との何れか一方を電流制御手段１２に結合させる選択切
換手段２２＋２３とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電流制御をマイ
ナーループとし速度制御および力制御をその外のフィー
ドバックループとしたサーボモータの制御装置に関し、
詳しくは、モータの速度を速度指令に追従させる速度追
従系と、作動部に生じる力を力指令に追従させる力追従
系とを具えていて、それらを自動的に使い分けるサーボ
モータの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２にブロック図を示すとともに図３に
信号波形も示したサーボモータの制御装置は、速度追従
系１０と力追従系２０との双方を具備したものである。
これは、電動モータ１に速度追従系１０を組み合わせて
速度追従を行うサーボモータの制御装置と、電動モータ
１に力追従系２０を組み合わせて力追従を行うサーボモ
ータの制御装置とを具えたものとなっている。プレス
や，射出成形機，ダイキャストマシーン等における一部
の電動モータ駆動部では、電動モータ１にて作動部２が
駆動されたときにその力が作動限３への到達等にて急増
したのを受けて電動モータ１の制御を速度追従から力追
従へ自動切換すると好都合な場合があり、そのために、
作動部２における最終的な作用力を検出する力検出部４
を作動部２に付設するとともに、その出力である力Ｆｆ
に基づいて速度追従系１０と力追従系２０との何れか一
方だけを有効にするようになっている。

【０００３】速度追従系１０は、受けた速度指令Ｖｃに
電動モータ１の回転速度を追従させるために、電流制御
手段１２による電流制御をマイナーループとし速度制御
手段１１による速度制御をその外のフィードバックルー
プとして多重の帰還制御を行う一般的なものである。す
なわち、速度制御手段１１は電動モータ１の速度Ｖｆを
速度指令Ｖｃに近づけて一致させるような電流指令を生
成し、電流制御手段１２はその電流指令に電動モータ１
の駆動電流を一致させるような制御信号を生成して駆動
部１３に送出するようになっている。また、それに応じ
て駆動部１３が駆動電流を電動モータ１に供給し、その
駆動電流を電流検出部１４が検出して電流制御手段１２
へ帰還させるようになっている。さらに、電動モータ１
又はその出力軸に速度検出部１５が設けられていて、電
動モータ１の回転速度を検出して速度制御手段１１へ帰
還させるようになっている。なお、制御手法にもよる
が、速度検出部１５等にて検出した速度や磁極位置など
駆動電流以外の検出量も、電流制御手段１２に送られて
二次的・補助的に用いられることもある。

【０００４】力追従系２０は、受けた力指令Ｆｃに作動
部２の作用力を追従させるために、電流制御手段１２に
よる電流制御をマイナーループとし力制御手段２４によ
る力制御をその外のフィードバックループとして多重の
帰還制御を行う一般的なものである。すなわち、力制御
手段２４は電動モータ１の力Ｆｆを力指令Ｆｃに近づけ
て一致させるような電流指令を生成し、電流制御手段１
２へ送り込むようになっている。また、速度追従から力
追従への自動切換を行うために、力指令Ｆｃから所定の
一定値αを減じる差演算手段２１と、その差（Ｆｃ−
α）と力Ｆｆとを比較してその大小に応じた選択を行う
選択手段２２と、その選択に従い差（Ｆｃ−α）が力Ｆ
ｆより大きいときには速度制御手段１１からの電流指令
を出力するように切り替わるとともに差（Ｆｃ−α）が
力Ｆｆより小さいときには力制御手段２４からの電流指
令を出力するように切り替わって選択出力Ｓを生成する
切換手段２３をも具えている。そして、電流制御手段１
２に対する電流指令の選択切換を具体化するために、切
換手段２３が速度制御手段１１，力制御手段２４と電流
制御手段１２との間に挿入され、電流制御手段１２が選
択出力Ｓを入力するようになっている。

【０００５】このようなサーボモータの制御装置は、速
度指令Ｖｃと力指令Ｆｃとを与えられて追従制御を行う
が、定速送り後に定圧制御や定トルク制御を行うような
場合、速度指令Ｖｃはその定速送りに対応した一定値で
与えられ、力指令Ｆｃは定圧制御等に対応した一定値で
与えられる。また、可変速送りや、可変の力制御も行う
場合には、速度指令Ｖｃや力指令Ｆｃも適宜変化する。
いずれにしても、差演算手段２１のゲインＢや，力検出
部４の出力ゲイン，力指令Ｆｃのレベル等のうちの適宜
なものを調整して、差（Ｂ×（Ｆｃ−α））が力Ｆｆよ
り小さく而も速度Ｖｆより大きいところに来るようにな
っている。なお、簡明化のためにゲインＢは“１”とし
て図示や説明を行うので、その条件は、力指令Ｆｃが速
度指令Ｖｃより大きく且つそれらの差より所定値αが小
さい、というものになる。

【０００６】そして、例えば定速送り後に定圧制御する
場合（図３参照）、力Ｆｆが差（Ｆｃ−α）より小さい
間は、選択出力Ｓとして速度制御手段１１からの電流指
令が選択されているので、速度追従系１０が有効とな
り、速度Ｖｆを速度指令Ｖｃに追従させる速度制御が行
われる。その後、作動部２が作動限３に達して、その作
動が制約され、その反作用として力Ｆｆが急に増加し
て、力Ｆｆが差（Ｆｃ−α）を上回ると、切換手段２３
が切り替わって、選択出力Ｓとして電流指令でなく力指
令Ｆｃが選択されるので、速度追従系１０に代わって力
追従系２０と電流制御手段１２以降だけが有効となり、
電動モータ１の出力トルクを力指令Ｆｃに追従させる力
制御が行われる。なお、力制御から速度制御へ戻すに
は、図示しない別の制御指令等にて切換手段２３を強制
的に速度指令Ｖｃ側へ切り替えさせるとともに、速度指
令Ｖｃを正の値から負の値へ変更する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のサーボモータの制御装置では、所定値αが小
さいと速度制御から力制御への切換タイミングが遅くな
って作動部２での作用力に不所望なオーバーシュートが
発現してしまう一方、所定値αが大きいと作動部２にお
ける作用力のちょっとした変動によっても不所望に切り
替わって誤作動してしまう。このため、作動部２の経時
変化等を考慮すると、所定値αの決定は難しく、力指令
Ｆｃを変化させるような場合までも考慮すると、その決
定は極めて困難である。そこで、かかる所定値αの要ら
ない選択切換手法が望まれる。

【０００８】そこで、速度制御から力制御への選択切換
を行うに際し所定値αを不要としてその選択切換が常に
安定してなされるようにすることが重要な課題となる。
この発明は、このような課題を解決するためになされた
ものであり、速度追従から力追従への自動切換を安定し
て行うサーボモータの制御装置を簡便に実現することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】［第１解決手段］このよ
うな課題を解決するために発明された第１解決手段のサ
ーボモータの制御装置は（、出願当初の請求項１に記載
の如く）、電動モータと、その駆動電流を帰還制御する
電流制御手段と、この電流制御手段を介して前記電動モ
ータの速度を速度指令に追従させる速度制御手段と、前
記電動モータにて駆動される作動部に生じた力を検出す
る力検出部と、前記電流制御手段を介して前記力検出部
の出力を力指令に追従させる力制御手段とを具えたサー
ボモータの制御装置において、（前記力制御手段の一部
として又は別個に設けられ）前記力指令と前記力検出部
の出力との差を演算する第１差演算手段と、（前記速度
制御手段の一部として又は別個に設けられ）前記速度指
令と前記電動モータの速度の差を演算する第２差演算手
段と、それらの差を比較してその大小に応じて選択的に
前記速度制御手段と前記力制御手段との何れか一方（の
出力）を前記電流制御手段（の入力）に結合させる選択
切換手段とを備えたものである。

【００１０】このような第１解決手段のサーボモータの
制御装置にあっては、電流制御手段と速度制御手段とに
よって速度追従系が構成され、電流制御手段と速度制御
手段とによって力追従系が構成され、何れか一方の追従
系だけが選択切換手段によって選択され有効になるが、
従来と異なり力指令と力検出部の出力と速度指令と電動
モータの速度とに基づいて選択切換がなされるようにな
ったので、所定値αの如き定数は最早不要である。これ
により、確定困難な所定値が無くても速度制御から力制
御への選択切換が行われることとなる。したがって、こ
の発明によれば、速度追従から力追従への自動切換を安
定して行うサーボモータの制御装置を簡便に実現するこ
とができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】このような解決手段で達成された
本発明のサーボモータの制御装置について、これを実施
するための具体的な形態を、図面を引用して説明する。
図１は、その回路構成等を示すブロック図である。な
お、図示等に際し従来と同様の構成要素には同一の符号
を付して示したので、重複する再度の説明は割愛し、以
下、従来例との相違点を中心に説明する。

【００１２】このサーボモータの制御装置は、図２に示
した従来のものと同様に速度追従系１０と力追従系２０
とを具えたものであり、その速度追従系１０は概ね従来
同様である。もっとも、図示に際しては、速度制御手段
１１を前段の第２差演算手段１１ａと残りの速度制御部
１１ｂとに分けて示した。第２差演算手段１１ａは、速
度指令Ｖｃから速度Ｖｆを減じて差ΔＶを演算するもの
であり、速度制御部１１ｂは差ΔＶに対し制御状態安定
等のため必要であれば適宜の増幅や積分等の処理を行う
ものである。

【００１３】力追従系２０も速度追従系１０同様、図示
に際しては、力制御手段２４を前段の第１差演算手段２
４ａと残りの力制御部２４ｂとに分けて示した。第１差
演算手段２４ａは、力指令Ｆｃから力Ｆｆを減じて差Δ
Ｆを演算するものであり、選択手段２２は、その差ΔＦ
と上記の差ΔＶとを入力してそれらの比較を行うように
なっており、切換手段２３は、力制御部２４ｂの出力と
速度制御部１１ｂの出力とを入力して何れか一方を選択
出力Ｓとして電流制御手段１２へ送るようになってい
る。力制御部２４ｂは、差ΔＦに対し制御状態安定等の
ため必要であれば適宜の増幅や積分等の処理を行うもの
である。

【００１４】すなわち、このサーボモータの制御装置
は、電動モータ１と、その駆動電流を帰還制御する電流
制御手段１２と、この電流制御手段１２を介して電動モ
ータ１の回転速度を速度指令Ｖｃに追従させる速度制御
手段１１と、電動モータ１にて駆動される作動部２に生
じた力を検出する力検出部４と、電流制御手段１２を介
して力検出部４の出力Ｆｆを力指令Ｆｃに追従させる力
制御手段２４と、力制御手段２４の一部として設けられ
力指令Ｆｃと力検出部４の出力Ｆｆとの差ΔＦを演算す
る第１差演算手段２４ａと、速度制御手段１１の一部と
して設けられ速度指令Ｖｃと電動モータ１の速度Ｖｆの
差ΔＶを演算する第２差演算手段１１ａと、選択手段２
２及び切換手段２３からなる選択切換手段とを備えてい
る。そして、選択手段２２によって差ΔＦと差ΔＶとの
大小比較がなされるとともに、その比較結果に応じて切
り替わる切換手段２３によって選択的に差ΔＦに基づく
力制御部２４ｂと差ΔＶに基づく速度制御部１１ｂとの
何れか一方が電流制御手段１２と結合するようになって
いる。

【００１５】ここで、各構成要素について詳述すると、
電動モータ１には、ブラシレスＤＣサーボモータでは永
久磁石同期モータ等が用いられ、誘導モータではかご形
誘導モータが多用される。作動部２には、ボールネジ等
の回転直進運動変換機構とラムシリンダ等の加圧機構と
の組み合わせや、減速ギヤ等を介在させて連結された揺
動機構などが用いられ、さらに、それに伴い、力検出部
４には、力Ｆｆとして圧力を検出する場合にはプレッシ
ャーゲージ（圧力計）等が採用され、力Ｆｆとしてトル
クを検出する場合にはトルク計などが採用されることと
なる。作動限３は、シリンダエンドであったり、金型へ
の充填材の充満であったりする。

【００１６】また、速度制御手段１１や電流制御手段１
２には、ＰＩＤ制御やベクトル制御さらにはそれにｄ−
ｑ変換も組み合わせた制御手法などが適宜採用され、そ
の手法は適宜のハードウェアやソフトウェアを用いた一
般的な設計技術にて具体化される。駆動部１３には、大
パワーを効率良く出せて制御性も良い３相電圧形ＰＷＭ
インバータ等が好まれ、電流検出部１４には、応答性に
優れ精度も良いホール素子等が多用され、速度検出部１
５には、光の断続に基づくエンコーダなど各種の速度セ
ンサが用いられる。

【００１７】さらに、第１差演算手段２４ａや第２差演
算手段１１ａは、オペーショナルアンプ等を用いて減算
と増幅とを纏めて行うようにしても良く、減算回路にア
ッテネータを後続させて多段階の演算を行うようにして
も良く、それらのゲインを“１”にする場合は減算回路
だけで済ませられる。選択手段２２は、コンパレータだ
けでも足り、切換手段２３には、アナログスイッチ等が
用いられる。なお、これらの手段２２〜２４も、上述し
た制御手段１１，１２同様、個別のハードウェアでの具
体化に限らず、個別の又は共用のマイクロプロセッサ等
を利用したソフトウェアによっても具体化される。

【００１８】このようなサーボモータの制御装置につい
て、その使用態様及び動作を説明する。

【００１９】ここでも、簡明化のために、第１差演算手
段２４ａ等のゲインは“１”であるものとして説明す
る。また、作動部２が先ず前進して作動限３に達して停
止する場合を具体例とし、さらに定速送り後に可変圧制
御を行うことも想定し、これに対応して、速度指令Ｖｃ
がスタート時から前進および停止まで正の一定値で与え
られ、力指令Ｆｃは、概ね速度指令Ｖｃより大きな正の
一致値で与えられるが、停止時には一時的にそれより小
さな値に変化するものとする。

【００２０】そうすると、作動限３に達するまでは作動
部２がスムースに前進して力Ｆｆが大きくならない一方
で速度Ｖｆが速度指令Ｖｃに追従することから、差ΔＦ
が差ΔＶより大きい状態が維持されるので、力追従系２
０によって選択出力Ｓには速度制御部１１ｂの出力が採
択されるため、速度追従系１０の速度制御によって速度
Ｖｆが速度指令Ｖｃに追従させられる状態が維持され
る。こうして、作動部２が作動限３に達するまでは一定
速度で前進する。

【００２１】そして、作動部２が作動限３に達すると強
い反力等を生じてその進行が止められるとともに力Ｆｆ
が急激に増加する一方で速度Ｖｆが速度指令Ｖｃに追従
できなくなる。これに伴い、差ΔＦは急減し、差ΔＶは
急増して、差ΔＦが差ΔＶを下回るようになる。する
と、切換手段２３が切り替わって選択出力Ｓには力制御
部２５の出力が採択され、そのため、制御目標が速度指
令Ｖｃから力指令Ｆｃに切り替わって力追従系２０によ
る力制御が行われる。こうして、作動部２が作動限３に
達した後、力Ｆｆは速やかに力指令Ｆｃに一致する。

【００２２】それから、一時的にあるいは段階的に力指
令Ｆｃがステップダウンすると、差ΔＦは一瞬だけ負に
なるが、これによって差ΔＦと差ΔＶとの大小が反転す
ることは無いので、選択手段２２によって確実に力制御
の選択状態が維持される。そして、差ΔＦが速やかにゼ
ロに戻され、力Ｆｆは力指令Ｆｃを的確に追従する。こ
うして、力指令Ｆｃが変化した場合であっても安定して
力制御が行われる。こうして、所定値αが無くても確実
に選択切換等がなされ、速度追従から力追従への自動切
換が安定して行われる。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の第１解決手段のサーボモータの制御装置にあっては、
確定困難な所定値が無くても速度制御から力制御への選
択切換が行われるようにしたことにより、速度追従から
力追従への自動切換を安定して行うサーボモータの制御
装置を実現することができたという有利な効果が有る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のサーボモータの制御装置の一実施形
態について、その回路構成等を示すブロック図である。

【図２】 従来のサーボモータの制御装置についてのブ
ロック図である。

【図３】 その信号波形を示すタイムチャートであ
る。

【符号の説明】

１ 電動モータ（永久磁石同期モータ、かご形誘導モー
タ） ２ 作動部（アクチュエータ、ボールネジ、進退機構、
ギヤ、揺動機構） ３ 作動限（ストッパー、当接物、加圧対象物、反力発
生物） ４ 力検出部（作用力検出、反力検出、圧力計、トルク
計、ロードセル） １０ 速度追従系（カスケード構成の速度制御系） １１ 速度制御手段（モータ速度帰還制御部、速度
制御ループ） １１ａ 第２差演算手段（差動アンプ、演算増幅
器、減算手段） １１ｂ 速度制御部（電流指令生成手段） １２ 電流制御手段（電流帰還制御部、マイナール
ープ） １３ 駆動部（電流出力部、ＰＷＭインバータ、パ
ワートランジスタ段） １４ 電流検出部（ホールＣＴ、ホール素子、絶縁
アンプ） １５ 速度検出部（タコジェネレータ、レゾルバ、
エンコーダ） ２０ 力追従系（力制御系） ２１ 差演算手段（オペアンプ、差動アンプ、演算
増幅器、減算手段） ２２ 選択手段（コンパレータ、比較判定部、選択
切換手段） ２３ 切換手段（切換スイッチ、セレクタ、選択切
換手段） ２４ 力制御手段（モータ力帰還制御部、力制御ル
ープ） ２４ａ 第１差演算手段（差動アンプ、演算増幅
器、減算手段） ２４ｂ 力制御部（電流指令生成手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大場 正男 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社トキメック内 (72)発明者 武内 宇彦 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社トキメック内 Ｆターム(参考） 5H004 GA03 GA16 GB15 HA08 HA10 HB08 HB10 HB14 KA66 KA69 KB02 KB04 KB06 KC56 LB06 LB09 5H550 AA18 BB10 DD03 DD08 EE03 FF03 GG03 GG05 GG08 HB16 JJ03 LL08 LL22 LL32 LL60 PP02

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電動モータと、その駆動電流を帰還制御す
   る電流制御手段と、この電流制御手段を介して前記電動
   モータの速度を速度指令に追従させる速度制御手段と、
   前記電動モータにて駆動される作動部に生じた力を検出
   する力検出部と、前記電流制御手段を介して前記力検出
   部の出力を力指令に追従させる力制御手段とを具えたサ
   ーボモータの制御装置において、前記力指令と前記力検
   出部の出力との差を演算する第１差演算手段と、前記速
   度指令と前記電動モータの速度の差を演算する第２差演
   算手段と、それらの差を比較してその大小に応じて選択
   的に前記速度制御手段と前記力制御手段との何れか一方
   を前記電流制御手段に結合させる選択切換手段とを備え
   たことを特徴とするサーボモータの制御装置。