JP2003079180A - モータ制御装置 - Google Patents

モータ制御装置

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JP2003079180A JP2001263209A JP2001263209A JP2003079180A JP 2003079180 A JP2003079180 A JP 2003079180A JP 2001263209 A JP2001263209 A JP 2001263209A JP 2001263209 A JP2001263209 A JP 2001263209A JP 2003079180 A JP2003079180 A JP 2003079180A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定したタンデム制御によるモータ制御を行
なうことができるモータ制御装置を提供する。 【解決手段】 マスタ軸モータと少なくとも一つのスレ
ーブ軸モータとを用いて、一つの軸を駆動するタンデム
方式のモータ制御装置であって、モータ毎に位置制御部
1M,1Sと速度制御部2M,2Sと電流制御部3M,
3Sとを具備し、さらにスレーブ軸にはマスタ軸のトル
ク指令値Tm*とスレーブ軸のトルク指令値Ts*とか
ら調停トルク指令値Ta*を算出するトルク調停部5を
備え、トルク調停部5にて算出されるトルク調停値Ta
*をスレーブ軸のトルク指令値Ts*に加算する。

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、モータ制御装
置、特に可動部の同一移動軸上での動作を複数のモータ
で駆動制御するタンデム制御を行なうモータ制御装置に
関するものである。 【0002】 【従来の技術】工作機械等において、移動させようとす
る可動部が大きく、一つのモータだけで駆動することが
出来ない場合や、可動部を制御する上で無視できない大
きさのバックラッシュが可動部とモータ間にある場合に
おいて、二つのモータに対して同一の移動についての指
令を行ない、可動部の同一移動軸上での動作を二つのモ
ータで駆動制御するタンデム制御が行なわれている。タ
ンデム制御で可動部の位置を制御するときの可動部及び
モータの配置の例を図5(a),(b)に示す。図5
(a)では、2つのモータ54,55が可動部33に対
して同方向にあり、2つのモータが同じ方向に回転する
ことで、ボールネジ34,35を介して可動部33を移
動する。また、図5(b)では、2つのモータ54,5
5が可動部33を挟んで反対方向にあり、モータが互い
に逆方向に回転することで、ボールネジ34,35を介
して可動部33を移動する。 【0003】図5(a),(b)のように配置される2
つのモータでタンデム制御を行う、従来技術のモータ制
御装置の制御ブロック図を図6及び図7に示す。 【0004】まず、図6の制御ブロック図について説明
する。マスタ軸側では、位置指令とマスタ軸モータ54
に接続されているエンコーダ56からの位置フィードバ
ックに基づき位置制御部51Mにて速度指令値を算出
し、その速度指令値とエンコーダ56からの速度フィー
ドバックに基づき速度制御部52Mにて電流指令値を算
出する。さらに、この電流指令値とマスタ軸モータに備
えられた電流検出器59Mからの電流フィードバックに
基づき電流制御部53Mにてマスタ軸電流指令を算出
し、このマスタ軸電流指令によりマスタ軸モータ54を
制御する。また、スレーブ軸側でも同様に、マスタ軸と
同一の位置指令とスレーブ軸モータ55に接続されてい
るエンコーダ57からの位置フィードバックに基づき位
置制御部51Sにて速度指令値を算出し、その速度指令
値とエンコーダ57からの速度フィードバックに基づき
速度制御部52Sにて電流指令値を算出する。さらに、
この電流指令値とスレーブ軸モータに備えられた電流検
出器59Sからの電流フィードバックに基づき電流制御
部53Sにてスレーブ軸電流指令を算出し、このスレー
ブ軸電流指令によりスレーブ軸モータ55を制御する。
各位置制御部51M,51Sに与えられる位置指令は同
期がとられており、また位置制御部51M,51S、速
度制御部52M,52S、電流制御部53M,53Sに
ついても同期を取って処理を行っているので、電流制御
部53M,53Sからマスタ軸モータ54及びスレーブ
軸モータ55に同じタイミングで電流指令が与えられ
る。 【0005】次に、図7に示される従来技術のタンデム
制御を行うモータ制御装置の制御ブロック図について説
明する。図7のモータ制御装置68では、まず、位置指
令P*と位置帰還Pとの差である位置誤差ΔPに位置ル
ープゲインKvを掛けて速度指令V*を算出し、この速
度指令V*と速度帰還Vとの差である速度誤差ΔVに対
して、速度制御部62でPI制御等の制御を行ない、ト
ルク指令値T*を算出する。そして、トルク指令値T*
にプリロードトルクTp1を加算し、加算されたトルク
指令値T1*と電流帰還Imfbに基づいて電流制御部
63がマスタ軸電流指令を演算する。また同様に、トル
ク指令値T*にプリロードトルクTp2を加算して得ら
れたトルク指令値T2*と電流帰還Isfbに基づいて
電流制御部64がスレーブ軸電流指令を演算する。図7
において図示されていない二つのモータ(マスタ軸モー
タ54とスレーブ軸モータ55)は、それぞれ電流制御
部63,64で算出されたマスタ軸電流指令、スレーブ
軸電流指令により駆動制御される。 【0006】図7に示される制御ブロックでは、トルク
指令値T*にプリロードトルクTp1,Tp2を付加し
ているが、これはバックラッシュの影響を低減するため
である。プリロードトルクTp1,Tp2は二つのモー
タの回転方向が同じ場合は逆符号のトルクであり、回転
方向が逆方向の場合は同符号のトルクである。そのた
め、速度制御部62により算出されたトルク指令値T*
に一定のオフセットを付加し、マスタ軸モータ54とス
レーブ軸モータ55とを互いにバックラッシュの反対方
向に張り合わせることができる。このトルクを付加する
ことにより、機械機構上バックラッシュがある場合でも
バックラッシュからの影響を低減することが可能とな
る。 【0007】図7に示すモータ制御装置68では、速度
帰還平均器65を備えている。マスタ軸側に大きなトル
クが必要となると、トルク指令値T*が大きくなり、マ
スタ軸側だけでなくスレーブ軸側にも大きなトルク指令
値T*が与えられる。トルク指令値T*が大きいとプリ
ロードトルクTp1,Tp2が与えるオフセットでは反
対方向に張り合わせることができず、マスタ軸モータ5
4とスレーブ軸モータ55が可動部33に対して互いに
反対方向に力を与える状態から、スレーブ軸側のボール
ネジ35の係合部でバックラッシュ内での動作が発生
し、2つのモータが同じ方向に力を与える状態となる。
このとき、スレーブ軸モータ55の速度制御を行ってい
ないと、バックラッシュが大きい場合、高速で衝突する
ことになり可動部33の制御の安定性が悪化してしまう
が、速度帰還平均器65でマスタ軸モータ54の速度帰
還Vmfbとスレーブ軸モータ55の速度帰還Vsfb
とからその平均値を算出することにより、スレーブ軸の
速度を抑制し衝突を防止している。 【0008】また、反転器66はマスタ軸モータ54と
スレーブ軸モータ55の回転方向に応じて、符号反転さ
せるために用いられ、図5(a)に示されるようにマス
タ軸モータとスレーブ軸モータの回転方向が同じ場合に
は符号を変化させないように設定し、図5(b)に示さ
れるように回転方向が異なる場合には符号を反転させる
ように設定する。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】図6のタンデム方式の
制御を同期制御で行なった場合の問題点を以下に説明す
る。上述したように、図6に示されるモータ制御装置5
8では、マスタ軸モータ54、スレーブ軸モータ55に
それぞれ位置制御部51M,51S、速度制御部52
M,52S、電流制御部53M,53Sが備えられ、独
立に位置制御を行なっているため、マスタ軸モータ5
4、スレーブ軸モータ55にそれぞれボールネジ34,
35を接続し、可動部33を駆動する場合には、ボール
ネジ34,35のピッチ誤差によりマスタ軸側のエンコ
ーダ56で検出される位置とスレーブ軸側のエンコーダ
57で検出される位置との間に位置誤差が発生すること
になる。その結果、機械剛性が高い場合には、軸間でモ
ータ54,55が与える駆動力の干渉が発生し、安定し
た制御を行なうことが出来なくなり問題となる。一例を
挙げ説明すると、マスタ軸モータ54が位置指令の位置
で停止しても、スレーブ軸モータ55の位置がボールネ
ジ34,35のピッチ誤差に起因する位置誤差がある
と、この誤差を修正するように移動しようとして可動部
33に駆動力を与える。それに対してマスタ軸モータ5
4は可動部33の位置が移動しないように反対方向に駆
動力を与える。さらにスレーブ軸モータ55とマスタ軸
モータ54が互いの所望の位置に移動するように駆動力
を与えあい駆動力が大きくなってしまい、モータ54,
55に流される電流が大きくなってしまうという問題が
あった。 【0010】また、図7に示されるモータ制御装置68
では、速度帰還平均器65が速度平均を算出してフィー
ドバックすることにより、衝突を防止しているものの、
単に速度帰還Vmfb,Vsfbを平均するのみである
ので、マスタ軸側で大きなトルクが必要なときに、スレ
ーブ軸側の可動部33との係合部でのバックラッシュ内
での動作が抑えられず、衝突が発生してしまう場合があ
り、制御の安定性が悪化する問題があった。 【0011】この発明は、上記問題点を解決するために
なされたものであり、タンデム方式の制御にて、マスタ
軸−スレーブ軸間で駆動力の干渉が発生せず、また、バ
ックラッシュ動作により制御の不安定が生じず、安定し
た制御を行うことができるタンデム制御のモータ制御装
置を提供することを目的とする。 【0012】 【課題を解決するための手段】本発明のモータ制御装置
は、マスタ軸モータとスレーブ軸モータとを用いて、一
つの可動部を駆動するタンデム制御を行うモータ制御装
置であって、前記モータ毎に、可動部の位置を制御する
ための共通の位置指令に基づき、対応するモータの速度
指令を演算する位置制御部と、前記位置制御部で演算さ
れた速度指令に基づき、対応するモータのトルク指令を
演算する速度制御部と、前記速度制御部で演算されたト
ルク指令に基づき、対応するモータの電流指令を演算す
る電流制御部とをそれぞれ備えるモータ制御装置におい
て、マスタ軸モータに対応する速度制御部で演算された
トルク指令と、スレーブ軸モータに対応する速度制御部
で演算されたトルク指令の差に対してローパスフィルタ
処理を行い、スレーブ軸のトルク指令を補正するための
トルク調停値を演算するトルク調停部を備え、スレーブ
軸のトルク指令を補正することを特徴とするものであ
る。 【0013】本発明のモータ制御装置では、トルク調停
部を備えることで、位置誤差によるモータ同士の駆動力
の干渉が発生することを防止でき、また、マスタ軸のト
ルク指令値が急に大きく変化した場合でも、スレーブ軸
のトルク指令値に影響を与えることを防止でき、安定し
たタンデム方式の制御を行うことができる。 【0014】 【発明の実施の形態】まず、図1から図3により、本発
明のタンデム制御を行うモータ制御装置の第一の実施形
態について説明する。図1はタンデム制御されるモータ
及び可動部の構成を示す説明図である。図2はこの第一
の実施形態にかかるモータ制御装置18の制御回路を示
すブロック図である。図3はトルク調停部5の詳細を示
すブロック図である。 【0015】まず、本実施形態の構成を図1を参照して
説明する。図1に示される可動部33は、マスタ軸モー
タ31とスレーブ軸モータ32の二つのモータにより、
それぞれのモータに接続されたボールネジ34,35を
介して、駆動し制御される。ボールネジ34,35の他
端は、固定部36に軸支される。このとき、マスタ軸モ
ータ31では、エンコーダ37からの検出値に基づき、
位置帰還Pmと速度帰還Vmとを算出し、図2に示され
るモータ制御装置18の制御回路にフィードバックす
る。スレーブ軸モータ32でも同様に、エンコーダ38
からの位置検出値に基づき、位置帰還Psと速度帰還V
sとを算出し、図2で示されるモータ制御装置18の制
御回路にフィードバックする。制御回路ではこのフィー
ドバックされた情報を入力し、マスタ軸モータ31、ス
レーブ軸モータ32を制御する指令を算出する。図1で
はエンコーダ37,38を用いてモータの回転軸の位置
を検出しているが、可動部33に位置検出を行なう検出
器を備え、この位置器からの情報をモータ制御装置18
にフィードバックしてタンデム制御することも可能であ
る。 【0016】次に、第一の実施形態のモータ制御装置内
で、位置指令からマスタ軸電流指令、スレーブ軸電流指
令が演算される処理を図2を参照して説明する。マスタ
軸側では、位置指令P*と位置帰還Pmとから位置制御
部1Mで速度指令値Vm*を算出し、この算出された速
度指令値Vm*と速度帰還Vmとから速度制御部2Mで
トルク指令値Tm*を算出する。電流制御部3Mは、こ
のトルク指令値Tm*と、マスタ軸モータ31に与えら
れる電流を測定して得られた電流帰還Imとからマスタ
軸電流指令を算出し、マスタ軸モータ31を駆動制御す
る。一方、スレーブ軸側では、マスタ軸側と同一の位置
指令値P*と位置帰還Psとから位置制御部1Sで速度
指令値Vs*を算出し、この算出された速度指令値Vs
*と速度帰還Vsとから速度制御部2Sでトルク指令値
Ts*を算出する。このトルク指令値Ts*は加算器6
に送られるのと同時にトルク調停部5に送られる。ま
た、速度制御部2で算出されたトルク指令値Tm*は、
反転器4を通してトルク調停部5に渡される。これらの
トルク指令値Tm*、Ts*に基づいて、トルク調停部
5でトルク調停値Ta*が演算される。この演算された
トルク調停値Ta*を、加算器6でトルク指令値Ts*
に加算し、トルク指令値Ts*を補正して、補正された
トルク指令値Ts1*を算出する。この補正されたトル
ク指令値Ts1*と、スレーブ軸モータ32に流される
電流を測定して得られた電流帰還Isとからスレーブ軸
電流指令を算出し、スレーブ軸モータ32を駆動制御す
る。この場合、トルク指令値Tm*は、マスタ軸からス
レーブ軸へのデータ転送のために時間遅れが発生する
が、マスタ軸とスレーブ軸に同一の指令を行なっている
ため、スレーブ軸のフィードフォワード分については時
間遅れがなくなっている。尚、反転器4はマスタ軸モー
タとスレーブ軸モータの回転方向に応じて、符号を反転
させるために用いられており、回転方向が同一の場合に
は符号反転を行なわず、回転方向が異なる場合には符号
反転を行なう。 【0017】上述した本実施形態のモータ制御装置18
において特徴的なことは、マスタ軸のトルク指令値Tm
*とスレーブ軸トルク指令値Ts*を入力して、トルク
調停値Ta*を演算するトルク調停部5を備えたことで
ある。トルク調停部5で行われる処理について図3を参
照して詳しく説明する。図3はトルク調停部5の処理ブ
ロック図である。トルク調停部5では、マスタ軸側のト
ルク指令値Tm*とスレーブ軸側のトルク指令値Ts*
を入力する。ここで、モータ制御装置は同期制御で制御
されるため、トルク指令値Tm*、Ts*はトルク調停
部に一定周期で送られてくる。その一定周期のn番目の
マスタ軸のトルク指令値をTm*(n)、スレーブ軸の
トルク指令値Ts*(n)とする。トルク調停部5で
は、マスタ軸トルク指令値Tm*(n)とスレーブ軸ト
ルク指令値Ts*(n)を入力し、マスタ軸のトルク指
令値Tm*(n)とスレーブ軸のトルク指令値Ts*
(n)の差(Tm*(n)−Ts*(n))から前回の
調停トルク指令値Ta*(n−1)を減算した値に対し
て定数K(K≦1)を掛け、前回のトルク調停値Ta*
(n−1)を加算することにより、今回のトルク調停値
Ta*(n)を算出する。これらの処理は、マスタ軸の
トルク指令値Tm*とスレーブ軸のトルク指令値Ts*
との差、トルク調停値をそれぞれTd(n),Ta*
(n)とすれば、次の式1で表される。 【0018】 Ta*(n)=K*(Td(n)−Ta*(n−1))+Ta*(n−1) ・・・式1 ここで、初期値Ta*(0)=0である。 【0019】式1で算出されたトルク調停値Ta*が、
加算器6でスレーブ軸のトルク指令値Ts*に加算さ
れ、補正されたトルク指令値Ts1*が演算される。 【0020】 Ts1*=Ts1*(n)=Ta*(n)+Ts*(n) =K*(Td(n)−Ta*(n−1))+Ta*(n−1) +Ts*(n) =K*((Tm*(n)−Ts*(n))−Ta(n−1)) +Ta(n−1)+Ts*(n) ・・・式2 上の式1、式2から、スレーブ軸の補正されたトルク指
令値Ts1*について次のことが理解できる。トルク調
停値Ta*(n)はスレーブ軸のトルク指令値Ts*
(n)をマスタ軸のトルク指令値Tm*(n)と同じ値
に近づくように補正するのであるが、トルク指令値の差
Td(n)から前回のトルク調停値Ta(n−1)を引
き、さらにその値に定数Kを掛けた値が前回のトルク調
停値Ta(n−1)からの増加分であるので、トルク調
停値Ta*(n)はマスタ軸のトルク指令値Tm*
(n)が急に大きく変化しても、その変化を緩和して、
スレーブ軸のトルク指令値を徐々にマスタ軸のトルク指
令値の値に補正する。言い換えると、マスタ軸のトルク
指令値Tm*(n)とスレーブ軸のトルク指令値Ts*
(n)との差Td(n)に対して、ある時定数によるロ
ーパスフィルタ処理を行い、低周波成分を抽出して、ス
レーブ軸のトルク指令値Ts*(n)を補正する。した
がって、トルク調停部を備えることで、位置誤差による
モータ同士の駆動力の干渉が発生することを防止でき、
また、マスタ軸のトルク指令値が急に大きく変化した場
合でも、スレーブ軸のトルク指令値に影響を与えること
を防止でき、安定した制御が可能となる。 【0021】次に、同一のシャフト44を二つのモータ
42,43で駆動する場合に、本発明のモータ制御装置
18を適用した第二の実施形態について説明する。図4
は、第二の実施形態のモータの概略構造を示す説明図で
ある。図4のようにモータユニット45は、マスタ軸モ
ータ42とスレーブ軸モータ43とで共有のシャフト4
4を駆動させ、このシャフト44には検出器41が接続
された構成をしている。このモータユニット45は、モ
ータの出力が足りない時などに、同じ出力のモータを2
個使用することで、所望の出力を得るためのものであ
る。第二の実施形態でも、図2に示される第一の実施形
態と同じモータ制御装置18が用いられる。ここで、シ
ャフト44の回転位置の制御を行なうために、マスタ軸
では、シャフト44に接続されている検出器41からの
検出値に基づき、位置帰還Pmと速度帰還Vmとを算出
し、図2で示される制御回路によりマスタ軸モータ42
を制御する指令を算出する。スレーブ軸でも同様に、検
出器41からの検出値に基づき、位置帰還Psと速度帰
還Vsとを算出し、図1で示される制御回路により、ス
レーブ軸モータ43を制御する指令を算出する。 【0022】尚、以上に説明した第一、第二の実施形態
では、位置指令P*をモータ制御装置18に入力し、シ
ャフト44の回転位置の制御を行なう位置制御について
述べたが、回転数指令をモータ制御装置18に入力す
る、モータ45の回転数制御についても本発明を適用で
きる。 【0023】 【発明の効果】以上説明したように、本発明のモータ制
御装置では、トルク調停部を備えることで、位置誤差に
よるモータ同士の駆動力の干渉が発生することを防止で
き、また、マスタ軸のトルク指令値が急に大きく変化し
た場合でも、スレーブ軸のトルク指令値に影響を与える
ことを防止でき、安定したタンデム方式の制御を行うこ
とができる。さらに、スレーブ軸にはマスタ軸と同一の
指令を行なっているため、スレーブ軸のフィードフォワ
ード分については、時間遅れがなくなり、安定したタン
デム方式の制御を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】 本発明の第一の実施形態にかかるタンデム制
御されるモータの概略構造を示す説明図である。 【図2】 第一の実施形態にかかるモータ制御装置の制
御回路を示すブロック図である。 【図3】 第一の実施形態にかかるモータ制御装置のト
ルク調停部の詳細を示すブロック図である。 【図4】 本発明の第二の実施形態にかかるタンデム制
御されるモータの概略構造を示す説明図である。 【図5】 タンデム制御されるモータの配置を示す説明
図である。 【図6】 従来のタンデム方式の制御を同期制御で行な
うための制御ブロックの詳細を示すブロック図である。 【図7】 従来の二つのモータによるタンデム制御を行
なうための制御ブロックの詳細を示すブロック図であ
る。 【符号の説明】 1M,1S 位置制御部、2M,2S,52M,52
S,62 速度制御部、3M,3S,53M,53S,
63,64 電流制御部、4,66 反転器、5 トル
ク調停部、6 加算器、18 モータ制御装置、21
定数乗算部、22 前回値記憶部、23,24 減算
器、25 加算器、31,42,54 マスタ軸モー
タ、32,43,55 スレーブ軸モータ、33 可動
部、34,35 ボールネジ、36 固定部、37,3
8,56,57 エンコーダ、41検出器、44 シャ
フト、45 モータユニット、51M,51S 位置制
御部、59M,59S 電流検出器、58,68 モー
タ制御装置、61 位置ループゲイン、65 速度帰還
平均器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 マスタ軸モータとスレーブ軸モータとを
    用いて、一つの可動部を駆動するタンデム制御を行うモ
    ータ制御装置であって、 前記モータ毎に、可動部の位置を制御するための共通の
    位置指令に基づき、対応するモータの速度指令を演算す
    る位置制御部と、前記位置制御部で演算された速度指令
    に基づき、対応するモータのトルク指令を演算する速度
    制御部と、前記速度制御部で演算されたトルク指令に基
    づき、対応するモータの電流指令を演算する電流制御部
    とをそれぞれ備えるモータ制御装置において、 マスタ軸モータに対応する速度制御部で演算されたトル
    ク指令と、スレーブ軸モータに対応する速度制御部で演
    算されたトルク指令の差に対してローパスフィルタ処理
    を行い、スレーブ軸のトルク指令を補正するためのトル
    ク調停値を演算するトルク調停部を備え、スレーブ軸の
    トルク指令を補正することを特徴とするモータ制御装
    置。
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