JP2005304155A5 - - Google Patents

Description

モータ制御装置

本発明は，機械を駆動するモータ制御装置であり、特に移動方向反転時の象限突起を補償するモータ制御装置に関する。

従来の象限突起を補償する制御装置として，移動方向の反転を検出し，速度制御ループの積分制御ゲインを所定量増加する手法がある。（例えば，特許文献１参照）。
図４は，従来の技術におけるサーボ制御装置の制御ブロック図である。図４において，１１は位置制御器で、上位コントローラ等から指令された位置指令と、モータに取り付けられた位置検出器の位置フィードバック信号とを制御処理をして速度指令を生成する。１２は速度制御器で速度指令と速度フィードバック信号を入力して制御処理をしトルク指令を生成する。２１は速度変換器で位置フィードバック信号をサンプリング時間ごとに差分処理をして速度フィードバック信号を生成する。１３は速度制御積分器で速度指令と速度フィードバックの偏差を積分する。４１は第１速度制御積分ゲイン、４２は第２速度制御積分ゲインである。１５は速度制御比例ゲインである。１６は電流制御部でトルク指令からモータの駆動電流を制御する電流制御部，１７はモータ，１８は位置検出器，１９は補償切替器で移動方向反転時の速度制御積分ゲインを切替える。
次に補償切替器の内部ブロックを図５を用いて説明する。図５において，２２は位置制御推定器で位置制御遅れを推定する遅れ推定器２３で構成される。２５は移動方向反転判別器で，位置制御推定器２２の出力から移動方向が反転したかどうかを判別する。５１は終了トルク比較器で，トルク指令を監視して，トルク指令が予め設定した補償を終了するトルクに達したか否かを判別する。２７は補償判別器で、移動方向切替判別器２５の判別結果と終了トルク比較器５１の判定結果を基に，補償のオン・オフを制御する。
遅れ推定器２３は，位置指令に対し，位置制御の遅れを推定する。前記位置制御の遅れとは，主に位置ループゲインＫｐの逆数として与えられる遅れである。
次に，移動方向反転判別器２５は，位置制御推定器２２の出力が正またはゼロから負，あるいは負またはゼロから正に切替ったことを判別し，判別結果を補償判別器２７に通知する。補償判別器２７は，移動方向切替判別結果と終了トルク比較５１の比較結果に従って，補償のオン・オフを判定し，補償をオンすると判定された区間，速度制御積分ゲインを第２速度制御積分ゲイン４２に切替える。
第１速度制御積分ゲイン＜第２速度制御積分ゲインに設定することによって，補償オンの区間の速度ループゲインを増加させ，速やかに移動方向の反転を行い，位置誤差を低減する。
また，特許文献２では，加工条件（例えば形状誤差補償等の機能の有無や加工速度）毎に象限突起補償量を記憶し，加工条件によって，象限突起補償量を切替える。
特開平０７−００５９２６号公報（第１図） 特開平０８−９９２５３号公報（Ｐ２-３）

しかしながら，特許文献１のサーボ制御方式では，速度ループ積分ゲインを一定量だけ増加するのみのため，移動速度に応じた象限突起補償ができなかった。すなわち，例えば，円弧軌跡の象限突起量は，円弧軌跡の接線方向速度によって異なるが粘性摩擦等の速度に影響される摩擦力等を十分に補償できず，前記接線方向速度が高い条件で，積分ゲインの増加量の調整を行うと，前記接線方向速度が低い条件下では，補償が効かず，象限突起量が低減できない。また，前記移動方向切替前後の移動速度が低い条件で積分ゲインの増加量の調整を行うと，前記移動方向切替前後の移動速度が高い条件下で過補償となってしまうという問題があった。
また，特許文献２のサーボ制御方式においては，加工条件毎に象限突起補償量を記憶し，加工条件によって象限突起補償量を切替えるが，工作機械の場合，前記接線方向速度は，任意の速度が設定可能であり，加工条件（接線方向速度）毎の象限突起補償量を記憶するのは記憶媒体の容量が大きくなるほか，突起量調整も各加工条件で行なう必要があり，多くの時間と労力を費やす。
さらに，特許文献１のサーボ制御方式では，補償の終了判別をトルク指令で行っていたため，温度や，経年変化等で摩擦力が変化し，出力トルクが変化した場合に，補償終了のタイミングが異なってしまい，補償の効果に影響していた。また，位置制御推定器が，位置ループゲインの遅れのみで構成されていたため，速度フィードフォワードを使用したシステムに対しては，実際の位置フィードバックと位置制御推定器の出力に誤差を生じていた。そのため，象限突起補償開始のタイミングが遅くなり，補償の効果に影響していた。
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，送り速度や温度や経年変化に影響されない象限突起補償終了判別を行なうことができ，フィードフォワードを使用したシステムに対して補償開始のタイミングの精度を改善したモータ制御装置を提供する。

請求項１記載の本発明は，位置制御器と、積分制御手段を有した速度制御器と、位置指令の移動方向の反転を検出する移動方向反転検出手段と，移動方向反転検出手段にて移動方向を検出してからの移動量を計測する移動方向反転後移動量測定手段と，移動方向反転検出手段にて移動方向反転を検出してからの時間を計測する移動方向反転後時間測定手段を備えたモータ制御装置において，移動方向反転検出手段にて移動方向反転を検出した後，移動方向反転後移動量測定手段にて計測された移動量が所定値に達するまで速度制御器の積分制御ゲインを移動方向切替後時間測定手段にて測定された時間の関数で増加させるようにしたものである。
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、トルク指令と速度フィードバックを用いて、外乱トルクを推定する外乱トルク推定器を備え，移動方向反転検出手段にて移動方向反転を検出した後，移動方向反転後移動量測定手段にて計測された移動量が所定値に達するまで速度制御器の積分制御ゲインを移動方向反転後時間測定手段にて測定された時間の関数で増加させると共に外乱トルク推定器の出力に係数を乗じた補償トルクをトルク指令から減算するようにしたものである。
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載のモータ制御装置において、位置指令に対し，位置制御器の比例ゲインと速度フィードフォワードを考慮して位置フィードバックを予測し，移動方向の反転を検出するようにしたものである。
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、前記関数は、次式であることを特徴とするものである。
Ｋｉ（ｔ）＝（Ｋｉｓ−２・Ｋ１・Ｋｉｅ）・ｔ ^２ ＋２・（Ｋ１・Ｋｉｓ）・ｔ＋Ｋｉｓ
ここで、Ｋｉ（ｔ）は象限突起補償時速度制御積分ゲイン、Ｋｉｓは象限突起補償開始時速度制御積分ゲイン、Ｋｉｅは象限突起補償終了時速度制御積分ゲイン、ｔは０〜象限突起補償終了時間を１とした場合の正規化時間である。

本発明によれば、送り速度や温度や経年変化に影響されない象限突起補償終了判別を行なうことができ，フィードフォワードを使用したシステムに対して補償開始のタイミングの精度を改善したモータ制御装置を提供する。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は，本発明の実施例のブロック図である。図において，１１は上位コントローラ等から指令された位置指令とモータに取り付けられた検出器からの位置フィードバック信号を用いて速度指令を作成する位置制御器，１２は速度指令に対し速度フィードバック信号を用いてトルク指令を作成する速度制御器，１３は速度指令と速度フィードバックの偏差を積算する積分器，１４は前記積分器１３の出力に乗算する速度ループ積分ゲイン，１５は前記積分器１３に積分ゲイン１４を乗算した結果と速度フィードバックの偏差に対し乗算する速度ループ比例ゲイン，１６はトルク指令に対し実際にモータを駆動する電流を制御する電流制御部，１７はサーボ制御装置によって制御されるモータ，１８はモータ１７や機械に取り付けられた位置検出器，１９は移動方向切替時の象限突起補償のために積分ゲイン１４の変更を制御する補償切替器、２１は位置フィードバック信号から速度フィードバック信号に変換する速度変換器である。
また，図２および図９は，補償切替部１９の内部ブロック図である。図２と図９において前記補償切替部１９は同一のため，以下では図２について説明する。図２において，２２は位置制御の遅れを推定する遅れ推定器２３とフィードフォワードゲイン２４からなる位置制御推定器，２５は位置制御推定器２２の出力から移動方向が切替ったか否かを判別する移動方向切替判別器，２６は前記移動方向切替判別器で移動方向の切替を検出した後の移動距離測定を行うカウンタ，２７は移動方向切替判別器２５の判別結果と移動量カウンタ２６の値を基に補償のオン・オフを制御する補償判別器である。
位置制御推定器２４において，遅れ推定器２３は位置指令に対し位置制御の遅れを推定する。前記位置制御の遅れは，主に位置ループゲインＫｐの逆数として与えられる遅れである。さらに，位置制御器１１内の速度フィードフォワードゲインと同じゲインを有するフィードフォワード部からなり位置指令に対する位置フィードバックを推定する。
次に，移動方向切替判別器２５は位置制御推定器２２の出力が正またはゼロから負，あるいは負またはゼロから正に切替ったことを判別し，判別結果を補償判別器２７に通知する。補償判別器２７は，移動方向切替判別結果で移動方向が切替った場合に象限突起補償を開始し，移動量カウンタ２６が所定値以上になった場合に象限突起補償を終了する。
象限突起補償オンと判定された区間は，速度ループ積分ゲイン１４を時間関数で増加させる。

速度ループ積分ゲイン１４の増加方法について図３を用いて説明する。
図３において，補償終了移動量を一定とした場合，移動速度が高速の場合は移動方向切替からの移動距離の増加が速いため，Ａ点にて補償終了移動量の直線と交差し，補償が終了する。このときの補償時間はａとなる。
一方，移動速度が低速の場合，移動方向切替からの移動距離の増加が遅いため，Ｂ点まで補償終了移動量の直線と交差しない。補償時間はｂとなり，速度が低速になるほど補償時間が長くなる。
そこで速度ループ積分ゲインを補償時間の関数で増加させることによって，高速では速度ループ積分ゲインが比較的小さく，低速では速度ループ積分ゲインを大きくすることができる。そのため，速度に応じた象限突起補償が可能となる。速度ループ積分ゲインの増加例を図６に示す。図６において，速度ループ積分ゲインは数式（１）に従って変化する。数式（１）は時間についての２次関数である。

Ｋｉ（ｔ）＝（Ｋｉｓ−２・Ｋ１・Ｋｉｅ）・ｔ^２＋２・（Ｋ１・Ｋｉｓ）・ｔ＋Ｋｉｓ
・・・（１）
Ｋｉ（ｔ）：象限突起補償時速度制御積分ゲイン
Ｋｉｓ ：象限突起補償開始時速度制御積分ゲイン
Ｋｉｅ：象限突起補償終了時速度制御積分ゲイン
ｔ：正規化時間（０〜象限突起補償終了時間→０〜１に正規化）
図６において，補償開始時点で速度ループ積分時定数を象限突起補償開始時積分ゲイン(Ｋｉｓ)に切替える。補償開始時に速度ループ積分ゲインにオフセットを与えることによって，接線方向速度が高い領域において，補償効果が高くなる。
また，突起補償調整ゲインＫ１は，補償区間途中の速度ループ積分ゲインを調整する効果がある。これは，接線方向速度が中速度から低速度領域において，補償効果を調整する。なお，前記突起補償調整ゲインＫ１を大きくあるいは小さくすることによって，補償区間の途中で象限突起補償終了時積分ゲインあるいは前記象限突起補償開始時積分ゲインを超えてしまう場合は，前記象限突起補償終了時積分ゲインあるいは前記象限突起補償開始時積分ゲインにてクランプする。

次に図７を用いて，本発明の実施例２について説明する。
図７は，図１に外乱補償器２０を付加している。補償切替器１９によって象限突起補償開始と判別された場合，外乱補償器の出力に係数を乗じた補償トルクを速度制御器１２にて作成されたトルク指令から減算する。
図８を用いてトルク指令，推定外乱トルクおよび補償トルクについて説明する。
図８（ｂ）は，移動方向切替え前後において象限突起補償を行なわない場合の駆動トルクを示す。移動方向切替え後，摩擦トルクなどの影響を受け，トルクの方向が切替るまでに理想の駆動トルク図８（ａ）に比べて時間がかかる。また，このときの推定外乱トルクを図８（ｃ）に示す。外乱トルクは主に摩擦によるトルクである。
ここで，図８(ｂ）と図８(ｃ）の差は，摩擦などが無い場合にモータを駆動するために必要なトルクである。
そして移動方向切替え時を基準として象限突起補償区間の推定外乱トルクを補償トルクとしてトルク指令を補償することで，図８(ａ）に近づけることができる。
図９は実施例２のモータ制御装置に請求項３の補償切替部を適用した例である。

本発明は、送り速度や温度や経年変化に影響されない象限突起補償終了判別を行ない，フィードフォワードを使用したシステムに対して補償開始のタイミングの精度を改善したので、ロボットや一般産業機械などの軌跡制御にも利用可能である。

本発明のサーボ制御装置の構成を示すブロック図 本発明の実施例１のサーボ制御装置に対して補償切替部を適用する構成を示すブロック図 本発明の速度ループ積分ゲインの変化を示す概念図 従来の方法を適用したサーボ制御装置の構成を示すブロック図 従来の方法の補償切替部の構成を示すブロック図 本発明の速度制御器の積分ゲインの変化の実施例 本発明の実施例２のサーボ制御装置の構成を示すブロック図 本発明の実施例２の補償トルクを説明するための概念図 本発明の実施例２のサーボ制御装置に対して実施例３の補償切替部を適用する構成を示すブロック図

符号の説明

１１ 位置制御器
１２ 速度制御器
１３ 積分器
１４ 速度制御器の積分ゲイン
１５ 速度制御器の比例ゲイン
１６ 電流制御部
１７ モータ
１８ 位置検出器
１９ 補償切替器
２０ 外乱推定器
２１ 速度変換器
２２ 位置制御推定器
２３ 遅れ推定器
２４ フィードフォワードゲイン
２５ 移動方向切替判別器
２６ 移動量カウンタ
２７ 補償判別器
４１ 第１の速度ループ積分ゲイン
４２ 第２の速度ループ積分ゲイン
５１ 終了トルク比較器

Claims (4)

1. 位置制御器と、積分制御手段を有した速度制御器と、位置指令の移動方向の反転を検出する移動方向反転検出手段と，前記移動方向反転検出手段にて移動方向反転を検出してからの移動量を計測する移動方向反転後移動量測定手段と，前記移動方向反転検出手段にて移動方向反転を検出してからの時間を計測する移動方向反転後時間測定手段を備えたモータ制御装置において，
   前記移動方向反転検出手段にて移動方向反転を検出した後，前記移動方向反転後移動量測定手段にて計測された移動量が所定値に達するまで前記速度制御器の積分制御ゲインを前記移動方向反転後時間測定手段にて測定された時間の関数で増加させることを特徴とするモータ制御装置。
2. トルク指令と速度フィードバックを用いて、外乱トルクを推定する外乱トルク推定器を備え，
   前記移動方向反転検出手段にて移動方向反転を検出した後，前記移動方向反転後移動量測定手段にて計測された移動量が所定値に達するまで前記速度制御器の積分制御ゲインを前記移動方向反転後時間測定手段にて測定された時間の関数で増加させると共に前記外乱トルク推定器の出力に係数を乗じた補償トルクをトルク指令から減算することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 位置指令に対し，位置制御の比例ゲインと速度フィードフォワードを考慮して位置フィードバックを予測し，移動方向の反転を検出する請求項１または２記載のモータ制御装置。
4. 前記関数は、次式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。
   Ｋｉ（ｔ）＝（Ｋｉｓ−２・Ｋ１・Ｋｉｅ）・ｔ ^２ ＋２・（Ｋ１・Ｋｉｓ）・ｔ＋Ｋｉｓ
   ここで、Ｋｉ（ｔ）は象限突起補償時速度制御積分ゲイン、Ｋｉｓは象限突起補償開始時速度制御積分ゲイン、Ｋｉｅは象限突起補償終了時速度制御積分ゲイン、ｔは０〜象限突起補償終了時間を１とした場合の正規化時間である。