JP2005135061A

JP2005135061A - モータ制御装置

Info

Publication number: JP2005135061A
Application number: JP2003368508A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Takamatsu; 祥治高松; Masaru Nakano; 中野　　勝
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】高速アプローチ移動制御とギャップ一定制御が可能なモータ制御装置を提供する。
【解決手段】アプローチ移動時は通常の位置制御を使用し、アプローチ完了後はギャップ一定の倣い制御に切替え、最適ゲイン制御を行うことで、特別な倣い移動指令や、倣いアプローチ移動指令を省くことができ、位置制御部の高応答特性を活かしたオーバシュートのない倣いアプローチ動作や倣い動作ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工ヘッドと加工面とのギャップを自動的に一定に保つモータ制御装置に関する。

従来技術として、例えば特許文献１があり、特許文献１には第１の従来技術、第２の従来技術が開示されている。

第１の従来技術を図６により説明する。図６において、１１は位置制御部、１２は速度制御部、１３は電流制御部、１４は電力変換部、１５はギャップ基準値格納部、２はモータ、３は位置検出器、４はギャップセンサである。また２２は倣い動作時の移動指令生成部、１９は送り動作時の移動指令生成部である。
送り動作時は、位置制御部１１は送り動作時移動指令生成部１９の出力の移動指令と位置検出器３の位置との位置偏差を制御処理して速度指令とする。速度制御部は速度指令と速度の速度偏差を制御処理して電流指令とする。電流制御部は電流指令と電流の差を制御処理して電力変換部の入力となる。電力変換部は電流出力部の出力を入力とし、電力増幅してモータ２を駆動する。位置検出器３はモータ２に結合されており、実際の位置を位置制御部に入力する。
倣い制御時は、倣い動作移動指令生成部２２はギャップ基準値格納部の出力であるギャップ指令とギャップセンサ４の出力の実際のギャップの差をとり制御処理をして位置制御部の位置指令とする。位置制御部は倣い動作時移動指令生成部の出力を入力として制御処理をして速度指令とする。速度制御部、電流制御部、電力変換部の動作は送り動作時と同様である。

第２の従来技術を図７により説明する。図７は、図６に対して倣いアプローチ動作移動指令生成部が付加されている点が異なる。送り動作時は第１の従来技術と同様である。
倣い動作時は、倣いアプローチ動作移動指令生成部２３で、ギャップセンサ４のギャップ情報を距離情報としてとらえ、加工ヘッドをギャップ基準位置まで加減速動作させるための移動指令を生成し、倣いアプローチ動作時に位置制御部１１へ移動指令を与えている。

このように、従来の倣い動作の機能を持つモータ制御装置は、倣い動作移動指令生成部を備え、ギャップセンサからのギャップ情報を取り込み、ギャップ基準値に対するギャップ情報のずれ量に倣いゲインを乗じて倣い動作のための移動指令を生成し、倣い動作時に位置制御部へ与えることにより、加工ヘッドと加工面との距離が一定に保たれた倣い動作を実現していた。また、倣いアプローチ動作移動指令生成部を備え、加工ヘッドをギャップ基準位置まで加減速動作させる倣いアプローチ動作のための移動指令を生成し、これを倣いアプローチ動作時に位置制御部与えることにより、第１従来技術よりも加工ヘッドがギャップ基準位置まで到達する時間を短縮する利点があった。

特開平９−３０８９７９号公報

しかしながら、従来の倣い動作の機能を持つモータ制御装置は、倣い動作または倣いアプローチ動作のための移動指令生成部を必要とし、通常の送り動作のための移動指令生成部だけでは倣い動作ができないという問題があった。また、加工面の送り速度が速い動作や加工面の凹凸具合によっては、移動指令周期よりも短い周囲で加工ヘッドと加工面のギャップが変化する場合があり、周期の短いギャップの変化に応答した倣い動作はできないという問題があった。この問題は、特に移動指令をモータ制御装置に通信で与える場合に顕著になる。一般に、移動指令を通信で位置制御部へ与える場合は、移動指令周期は位置制御周期よりも長くなると同時に、移動指令にも通信による遅れが生じ、位置制御部の高応答特性を犠牲にしてしまい、オーバシュートが生じることになる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、倣い動作や倣いアプローチ動作のための移動指令を必要とせず、位置制御部の高応答特性を活かしたオーバシュートのない倣い動作や倣いアプローチ動作ができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明は、外部システムの位置指令と実際位置との位置偏差を位置制御処理をして第１速度指令を出力する位置制御部と、第１速度指令と実際速度の速度偏差を速度制御処理をして電流指令を出力する速度制御部と、電流指令と実際の電流との電流偏差を電流制御処理をして電圧指令を出力する電流制御部と、電圧指令を電力増幅する電力変換部とをもつモータ制御装置において、加工ヘッドと加工面のギャップ基準値を格納するギャップ基準値格納部と、ギャップ基準値と外部のギャップセンサからのギャップ情報のギャップ偏差を倣い制御処理をして第２速度指令を出力する倣い制御部と、外部システムの倣い動作指令に基づき、速度制御部への入力を第１速度指令から第２速度指令に切替える切替器とで構成されるので倣い動作や、倣いアプローチ動作のための移動指令を必要とせず、位置制御部の高応答特性を活かしたオーバシュートのない倣い動作や倣いアプローチ動作ができる。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、外部システムからのギャップ基準値変更指令を受けて、ギャップ基準値格納部のギャップ基準値を変更する手段を備えているので、倣い動作や、倣いアプローチ動作のための移動指令を必要とせず、位置制御部の高応答特性を活かしたオーバシュートのない倣い動作や倣いアプローチ動作ができる。
請求項３記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、倣い制御部の倣い制御処理はＰＩＤ制御で構成するので、倣い動作や、倣いアプローチ動作のための移動指令を必要とせず、位置制御部の高応答特性を活かしたオーバシュートのない倣い動作や倣いアプローチ動作ができる。
請求項４記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、倣い制御部の倣い制御処理のＰＩＤ制御の比例ゲインはギャップ偏差が小さい場合は低ゲインで、大きくなるに従い高ゲインになる折れ線で近似した可変ゲインであるので、倣い動作や、倣いアプローチ動作のための移動指令を必要とせず、位置制御部の高応答特性を活かしたオーバシュートのない倣い動作や倣いアプローチ動作ができる。

本発明のモータ制御装置によれば、倣い動作や、倣いアプローチ動作のための移動指令を必要とせず、位置制御部の高応答特性を活かしたオーバシュートのない倣い動作や倣いアプローチ動作ができる。

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

図１は、本発明のモータ制御装置の構成と動作を示す図である。図１において、１は倣い動作の機能を持つモータ制御装置である。１１は位置制御部、１２は速度制御部、１３は電流制御部、１４は電力変換部である。また、２はモータ、３はモータに結合された位置検出器、４は加工ヘッドと加工面のギャップを検出するギャップセンサである。３１は速度演算部、１６は倣い制御部、１５はギャップ基準値格納部である。また、１７は切替器、１９は外部システムの送り動作移動指令生成部、２０は倣い動作指令発生部である。切替器１７は位置制御部１１、倣い制御部１６、倣い動作指令発生部２０と速度制御部１２に接続されている。

次に動作について説明する。通常の送り動作時は、倣い動作指令発生部１９の倣い動作指令が無効であるので、切替器１７は送り動作側を選択しており、送り動作移動指令生成部１９の移動指令である位置指令が位置制御部１１へ入力される。位置制御部１１は位置指令と位置検出器３の実際位置の差を演算し、位置制御処理をして第１速度指令を速度制御部１２へ出力する。速度制御部１２は第１速度指令と速度演算部の出力である実際速度の差をＰＩＤ処理などの速度制御処理をして電流指令を電流制御部１３へ出力する。電流制御部１３は電流指令と実際電流の差をＰＩＤ処理などの電流制御処理をして電圧指令を電力変換部１４へ出力する。電力変換部１４は電圧指令を入力し、電圧増幅するとともに電力増幅してモータを駆動する。モータ２は電力変換部１４の出力で駆動されると、負荷と慣性に応じて回転する。位置検出器３はモータ２に結合されとおり、モータの回転位置を検出し、実際位置を位置制御部１１へ出力する。また、速度演算部３１は実際位置を時間差分処理をして実際速度に変換し、速度制御部１２へ出力する。電流検出器はモータ電流を検出して実際電流を電流制御部１３へ出力する。このように、フィードバック制御が動作し、実際位置は位置指令に対して追従し、加工ヘッドは移動指令に追従する。

倣い動作指令発生部２０が倣い動作指令を有効にすると、切替器１７は倣い制御部１６の出力を選択し、位置制御部１１の出力は切り離される。倣い制御部１６はギャップ基準値格納部１５の出力のギャップ基準位置とギャップセンサ４の実際ギャップとの差をＰＩＤ処理などの倣い制御処理をして第２速度指令を速度制御部１２へ出力する。速度制御部１２は速度指令として第２速度指令を入力とする以外は送り動作時と同様の動作をしてフィードバック制御が動作し、実際ギャップはギャップ基準位置に追従し、加工ヘッドは加工面の凹凸による時間的に速い変動に対しても忠実にギャップを一定にするように動作する。

本発明が特許文献１と異なる部分は、倣い動作または倣いアプローチ動作のための移動指令生成部を備えていない部分と、倣い制御部１６と切替器１７とを備えている部分であり、位置制御部１１と、倣い制御部１６と、切替器１７とを備え、外部にある倣い動作指令発生部２０からの倣い動作指令にしたがって、位置制御部１１の出力と倣い制御部１６の出力とを切替る構成にしているため、倣い動作指令が有効と判断された場合に、位置制御部１１とは独立した制御手法も可能な倣い制御部１６によって、加工ヘッドと加工面との距離を制御できる。

図２は第１実施例の倣い制御部１６の具体的な構成図である。図２において１５はギャップ基準値格納部、１６は倣い制御部、１７は切替器、４はギャップセンサである。また、倣い制御部１６のブロックのなかの１１１は比較器、１１２は可変ゲイン器である。動作は、比較器１１１でギャップ基準値格納部１５のギャップ基準値とギャップセンサ４のギャップ情報とを比較し、そのギャップ偏差量を可変ゲイン器１１２へ入力し、可変ゲイン器１１２の出力を切替器１７に出力する。可変ゲイン器を設けることによりオーバシュートをなくすことができる。
図３は可変ゲイン器１１２の入出力特性を示す図である。図３において、横軸が可変ゲイン器１１２への入力であり、比較器１１１のずれ量である。縦軸が可変ゲイン器１１２の出力であり、速度指令である。図３に示すように、入力の増加に対して出力の増加の割合が一定ではなく、異なった割合で増加する特性をしている。このような特性の可変ゲイン器は、入力をｕ、出力をｙとしたとき、｜ｕ｜＜＝ｕ１の場合は傾きをａ１、ｕ１＜｜ｕ｜＜＝ｕ２の場合は傾きをａ２、｜ｕ｜＞ｕ２の場合は傾きをａ３とすると、入出力関係はそれぞれ式（１）、式（２）、式（３）で表すことができる。また、これらの式中の±の符号はｕが正のときは＋、ｕが負の時は−を選ぶ。

｜ｕ｜＜＝ｕ１の場合
ｙ＝ａ１×ｕ・・・（１）
ｕ１＜｜ｕ｜＜＝ｕ２の場合
ｙ＝ａ２×ｕ±（ａ１−ａ２）×ｕ１・・・（２）
｜ｕ｜＞ｕ２の場合
ｙ＝ａ３×ｕ±（ａ１−ａ２）×ｕ１±（ａ２−ａ３）×ｕ２・・・（３）

このように、比較器１１１のずれ量に対して、速度指令を可変にできるので、加工ヘッドと加工面との距離に対して、加工ヘッドの動作速度を可変にすることができる。例えば、加工ヘッドが加工面から離れている場合には加工ヘッドの動作速度を高めることにより、加工面近傍へ到達する時間を短縮することができ、加工ヘッドが加工面近傍に近づくと、加工ヘッドの動作速度を低めることにより、オーバーシュートのないギャップ基準位置への動作が可能となる。

また、図４は第１実施例の倣い制御部の具体的な例を示す構成図である。図に示すように、比較器１１１とＰＩＤ補償器１１３とで構成し、比較器１１１のギャップ偏差量をＰＩＤ補償器１１３へ入力し、ＰＩＤ補償処理をして切替器１７へ出力している。ＰＩＤ補償器１１３のＤ補償器は倣い制御系のダンピング効果を保つ上では重要であり、Ｐ補償器はオーバシュートを防ぐために可変ゲインにすることもでき、Ｉ補償器のゲインは零であってもよい。

このように、比較器１１１のギャップ偏差量に対してＰＩＤ補償処理を行い、しかもＰ補償器は可変ゲインとすることも可能なため、ダンピング効果の高い、かつオーバシュートのない安定した倣い制御系を構成でき、加工ヘッドの動作速度も可変にすることもできる。

図５は第２実施例のモータ制御装置の構成を示す図である。図５の第２実施例が第１実施例の図１と異なる点はギャップ基準値変更部１８を備えている点である。ギャップ基準値変更部１８を備えたことで、外部にあるギャップ基準値変更指令生成部２１からのギャップ基準値変更指令に対して、ギャップ基準値格納部１５のギャップ基準値を変更することができる。ギャップ基準値変更指令は、例えば、ギャップ基準値そのものにすることもできるし、デフォルトのギャップ基準値に対する割合にすることもできる。さらに、ギャップ基準値変更部１８を備えたことにより、用途に合わせたギャップ基準値を容易に設定することができる。

本発明は、通常の送り制御と、加工ヘッドと加工面とのギャップを一定にする倣い制御を切替えて行うものであり、例えばレーザ加工機や放電加工機などへの適用には有効である。

本発明の第１実施例のモータ制御装置の構成と動作を示す図第１実施例の倣い制御部の第１例の構成図第１実施例の倣い制御部の第１例の可変ゲイン器の入出力特性図第１実施例の倣い制御部の第２例の構成図第２実施例のモータ制御装置の構成図第１従来例の倣い動作の機能を持つモータ制御装置の構成図第２従来例の倣い動作の機能を持つモータ制御装置の構成図

符号の説明

１倣い動作の機能を持つモータ制御装置
２モータ
３位置検出器
４ギャップセンサ
１１位置制御部
１２速度制御部
１３電流制御部
１４電力変換部
１５ギャップ基準値格納部
１６倣い制御部
１７切替器
１８ギャップ基準値変更部
１９送り動作移動指令生成部
２０倣い動作指令発生部
２１ギャップ基準値変更指令生成部
２２倣い動作移動指令生成部
２３倣いアプローチ動作移動指令生成部
１１１比較器
１１２可変ゲイン器
１１３ＰＩＤ補償器

Claims

外部システムの位置指令と実際位置との位置偏差を位置制御処理をして第１速度指令を速度制御部へ出力する位置制御部と、前記第１速度指令と実際速度の速度偏差を速度制御処理をして電流指令を電流制御部へ出力する前記速度制御部と、前記電流指令と実際の電流との電流偏差を電流制御処理をして電圧指令を電力変換部へ出力する前記電流制御部と、前記電圧指令を電力増幅する前記電力変換部とをもつモータ制御装置において、
加工ヘッドと加工面のギャップ基準値を格納するギャップ基準値格納部と、前記ギャップ基準値と外部のギャップセンサからのギャップ情報のギャップ偏差を倣い制御処理をして第２速度指令を出力する倣い制御部と、前記外部システムの倣い動作指令に基づき、前記速度制御部への入力を前記第１速度指令から前記第2速度指令に切替える切替器とで構成されることを特徴としたモータ制御装置。
外部システムからのギャップ基準値変更指令を受けて、前記ギャップ基準値格納部のギャップ基準値を変更するギャップ基準値変更手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記倣い制御部の倣い制御処理はＰＩＤ制御であることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記倣い制御部の倣い制御処理のＰＩＤ制御の比例補償器は前記ギャップ偏差が小さい場合は低ゲインで、大きくなるに従い高ゲインになる折れ線で近似した可変ゲインであることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。