JP2006109674A - サーボモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＩＤ制御のゲインを高くしてオーバーシュートの発生を抑制しながらも、高ゲインにすることで発生する振動を抑制するサーボモータ制御装置を提供する。
【解決手段】モータ１２の駆動軸が所定回転位置に到達したと判定されると、停止時調整回路２５は、ＰＩＤ補償器１４の演算で用いる積分値を駆動軸の回転に伴って撓みを生じるシール部材の撓み力に応じた所定値で一定とする。この場合、停止時調整回路２５は、その判定から所定時間経過後の積分値で保持させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＰＩＤ制御を用いたサーボモータ制御装置に関するものである。

この種のサーボモータ制御装置は、制御対象であるモータの目標回転量と実回転量との偏差に基づいて比例演算、積分演算及び微分演算を行ってモータ制御値を算出し、目標回転量に対して実回転量が一致するようにフィードバック制御を行っている（例えば特許文献１参照）。

ところで、制御対象となるモータには、駆動軸（出力軸）とモータハウジングとの間に弾性材料よりなるシール部材が介在され、該シール部材にてモータ内部に異物が入り込むことを防止する構造をなすものがある。このシール部材は、モータ回転時に例えば駆動軸との間で滑るようになっており、この際、該駆動軸の回転に伴って撓み変形する。

そして、このようなモータの駆動軸を所定回転位置まで回転させて一時停止し、所定時間経過後に再び回転させるように作動させる場合、その一時停止時において、撓み変形したシール部材が原形復帰する際に駆動軸を逆回転させ、これが目標値との偏差を拡大させる。制御装置は、その偏差を小さくしようとシール部材が撓む方向へのモータ制御値を増加させ、偏差が小さくなったところで再び該制御値を減少させるというように、シール部材の撓み力にモータの発生トルクがつり合おうと該制御値を変動させ、駆動軸の回転位置の維持を図っている。

しかしながら、このようなモータ制御値の変動は駆動軸の微小な回転動作を引き起こし、これがモータの振動となって、場合によっては一時停止期間中その振動が継続する。特に、制御ゲイン（制御感度）を高く設定している場合では、モータ制御値の変動が速やかになることで、モータの振動も大きくなる。因みに、図４は、高ゲインとした場合におけるモータ回転速度の変動を示している。同図４によれば、目標位置到達後の一時停止期間中におけるモータ回転速度の変動は振動であり、その振幅は大きい。

一方、モータの振動を減少させるためにゲインを低く設定すると、モータ制御値の変動が緩やかになるため、一時停止期間中のモータの振動を低減できる。因みに、図５は、低ゲインとした場合におけるモータ回転速度の変動を示している。同図５の場合、目標位置到達後の一時停止期間中に発生する振動の振幅は高ゲインの場合よりも小さくなるが、目標位置到達直前にオーバーシュートが生じて位置決めに時間を要し、却って問題となる。

そこで、目標位置到達前を高ゲインとし、その目標位置到達時に高ゲインから低ゲインに切り換えるようにすれば、目標位置到達直前のオーバーシュートの発生を抑制しながら、目標位置到達後のモータの振動を小さくすることができる。しかしながら、ゲインを切り換えた瞬間のモータ発生トルクの急激な変動で駆動軸が動いてしまうことがあって、好ましい対処方法ではなかった。
特開２００３−１７４７８５号公報

本発明は、ＰＩＤ制御のゲインを高くしてオーバーシュートの発生を抑制しながらも、高ゲインにすることで発生する振動を抑制することができるサーボモータ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて効果等を示しつつ説明する。なお以下では、理解を容易にするため、発明の実施の形態において対応する構成を括弧書き等で適宜示すが、この括弧書き等で示した具体的構成に限定されるものではない。

手段１．駆動軸（駆動軸３２）の回転に伴って撓みを生じる弾性部材（シール部材３５）を有するサーボモータ（ダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）１２）を制御対象とするものであり、ＰＩＤ制御を用い目標回転量と実回転量との偏差に応じたモータ制御値を演算し、該制御値に応じて前記サーボモータの駆動軸に所定の動作を行わせると共に、該駆動軸が目標回転量回転し所定回転位置に到達すると一時停止制御を行うＰＩＤ制御手段（ＰＩＤ補償器１４）を備えたサーボモータ制御装置であって、
前記駆動軸が前記目標回転量回転し所定回転位置に到達したか否かを判定する判定手段（ＰＩＤ補償器１４）と、
前記駆動軸が所定回転位置に到達したと判定されると、該判定に基づいて前記ＰＩＤ制御手段にて用いる積分値を前記弾性部材の撓み力に応じた所定値で一定とする停止時調整手段（停止時調整回路２５）と、
を備えたことを特徴とするサーボモータ制御装置。

手段１によれば、判定手段にて駆動軸が所定回転位置に到達したと判定されると、停止時調整手段により、ＰＩＤ制御手段の演算で用いる積分値が駆動軸の回転に伴って撓みを生じる弾性部材の撓み力に応じた所定値で一定とされる。すなわち、駆動軸が目標位置到達して一時停止する際、駆動軸の回転位置の維持を図るべく（偏差をゼロとすべく）、弾性部材の撓み力とモータの発生トルクとがつり合おうと、ＰＩＤ制御手段で算出されるモータ制御値が変動する。特に、制御ゲインを高く設定すると、モータ制御値の変動が速やかになり、モータに大きな振動が生じ易い状況となる。また一時停止時においては、偏差がゼロに極めて近い状況にあることから、モータ制御値は特に積分値に大きく支配されている。つまり、積分値の変動が振動を発生させる要因となっている。

そのため、目標回転位置に到達した判定がなされると、一時停止時におけるモータの振動の要因となっている積分値の変動が弾性部材の撓み力に応じた所定値で一定とされるので、この時のモータの発生トルクを弾性部材の撓み力とほぼつり合った状態で維持させることが可能となる。これにより、駆動軸の微小な回転動作の発生が抑えられ、モータの振動を小さく抑えることができる。

因みに、前記弾性部材には、駆動軸とモータハウジングとの間に介在され、その間の隙間からモータ内部への異物の入り込みを防止するシール部材等がある。

手段２．前記停止時調整手段は、前記駆動軸が所定回転位置に到達したと判定されると、該判定に基づいて前記ＰＩＤ制御手段における積分演算を停止させ、停止時点の積分値を保持させることを特徴とする手段１に記載のサーボモータ制御装置。

手段２によれば、目標回転位置に到達した判定がなされると、該判定に基づいてＰＩＤ制御手段における積分演算が停止され、停止時点の積分値が保持される。つまり、一時停止時に用いる積分値はその時々の弾性部材の撓み力に応じた値を用いるので、モータの発生トルクと弾性部材の撓み力とのつり合いをとることがより確実となり、モータの振動をより確実に抑制することができる。また、一時停止時の演算負荷も低減できる。

手段３．前記駆動軸が所定回転位置に到達したと判定されてから所定時間（所定時間ｔ１）を計時するタイマ（タイマ２６）を備え、
前記停止時調整手段は、前記所定時間経過後に、前記ＰＩＤ制御手段にて用いる積分値を前記弾性部材の撓み力に応じた所定値で一定とすることを特徴とする手段２に記載のサーボモータ制御装置。

手段３によれば、目標回転位置に到達した判定がなされた直後では、モータの発生トルク、すなわち積分値の変動がまだまだ大きいため、該判定から所定時間を経過させることで、これを排除し、弾性部材の撓み力と釣り合うようなトルクが発生する積分値をより確実に設定することが可能となる。

手段４．前記サーボモータは、前記駆動軸により負荷機器をダイレクトに駆動するダイレクトドライブモータであることを特徴とする手段１〜３のいずれかに記載のサーボモータ制御装置。

手段４によれば、このようなダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）にも好適に振動を抑制することができる。また、ＤＤモータは、負荷機器をダイレクトに駆動するものであるので、モータで発生した振動が負荷機器に伝わり易い。そのため、このようなＤＤモータに適用する意義は大きい。

以下、本発明をＤＤモータ（ダイレクトドライブモータ）に用いられるモータ制御装置に具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。

図１に示すように、モータ制御装置１１は、ＤＤモータ１２の動作を制御するＰＩＤ制御手段及び判定手段としてのＰＩＤ補償器１４を備えている。このＰＩＤ補償器１４の入力側には、目標回転量算出回路１５が加算器１６を介して接続されている。目標回転量算出回路１５は、ＤＤモータ１２の目標回転量を算出し、その算出信号は加算器１６に出力される。本実施形態でいう目標回転量とは、ＤＤモータ１２の回転目標とする目標回転角を指す。それ以外に、目標回転数や目標回転速度、またこれらを組み合わせたもの等を含む。ＰＩＤ補償器１４の出力側には、フィルタ回路１７及びドライバー１８を介してＤＤモータ１２が接続されている。

ここで、本実施の形態のＤＤモータ１２は、図２に示すように構成されている。すなわち、図２（ａ）に示すように、ＤＤモータ１２は、内部に収容空間を有する略円筒状のモータハウジング３１を有しており、該ハウジング３１内に各種モータ構成部品が収容されている。モータハウジング３１は、軸方向一端が径方向内側に延出される端面部３１ａを有し、該端面部３１ａの中心には、駆動軸（出力軸）３２を挿通させるための円形状の軸挿通孔３１ｂが形成されている。

また、図２（ｂ）に示すように、駆動軸３２は、モータハウジング３１内の支持部材３３に対して軸受３４等により回転可能に支持されている。駆動軸３２における軸挿通孔３１ｂと対向する部分には円盤状のフランジ部３２ａが形成されており、該フランジ部３２ａの外周部３２ｂと軸挿通孔３１ｂとの間にはリング状のシール部材３５が装着されている。シール部材３５は、弾性材料で含油されて構成されるものであり、フランジ部３２ａの外周部３２ｂと軸挿通孔３１ｂとの間の隙間を閉塞して、モータ１２内部に異物が入り込むことを防止する。因みに、シール部材３５は、ＤＤモータ１２の回転時に駆動軸３２との間で滑るようになっている。そして、このＤＤモータ１２の駆動軸３２は、図示しない負荷機器に対しダイレクトに駆動連結されている。

ＤＤモータ１２には、実回転量検出エンコーダ１９が内蔵されている。なお、図１に示すブロック図では、説明の都合上、実回転量検出エンコーダ１９とＤＤモータ１２とを別々に描いてある。実回転量検出エンコーダ１９は、ＤＤモータ１２が実際に回転している実回転量を検出し、その検出信号は前記加算器１６に出力される。本実施形態でいう実回転量とは、ＤＤモータ１２が実際に回転しているときの実回転角を指す。それ以外に、実回転数や実回転速度、またこれらを組み合わせたもの等を含む。そして、実回転量検出エンコーダ１９によって検出される実回転量と、前記目標回転量算出回路１５によって算出されるＤＤモータ１２の目標回転量との偏差が、加算器１６によって算出され、その算出信号がＰＩＤ補償器１４に出力される。

ＰＩＤ補償器１４は、ＲＯＭ２１及びＲＡＭ２２を備えている。ＲＯＭ２１には、モータ制御装置１１の動作に必要な各種のＰＩＤ制御プログラムが記憶されている。本実施の形態では、この制御プログラムに従ったＤＤモータ１２の動作は、駆動軸３２が所定回転量（目標回転量）回転させて所定回転位置（目標回転位置）で一時停止し、所定時間経過後に次に設定された所定回転量回転する。つまり、ＤＤモータ１２（駆動軸３２）は、回転動作、一時停止、再び回転動作を繰り返して動作するようになっている。また、ＲＡＭ２２は、ＰＩＤ制御プログラムの実行に伴って得られたデータ、例えば比例演算結果、積分演算結果、微分演算結果等を一時的に記憶する。

また、ＰＩＤ補償器１４は、目標回転量と実回転量との偏差に応じてＰＩＤ制御によりモータ制御値を算出する。より詳しく言えば、ＰＩＤ補償器１４は、ＤＤモータ１２の目標回転量と実回転量との偏差を、比例演算、積分演算、微分演算することによりモータ制御値を算出する。本実施の形態のＰＩＤ制御は、オーバーシュートが生じないように制御ゲイン（制御感度）が高く設定されている。そして、ＰＩＤ補償器１４は、フィルタ回路１７を介してモータ制御値をドライバー１８に出力し、該ドライバ１８は、そのモータ制御値に基づいた制御電流を出力してＤＤモータ１２に所定の動作を行わせる。

また、ＰＩＤ補償器１４は、前記実回転量検出エンコーダ１９からの検出結果に基づいて、ＤＤモータ１２の駆動軸３２が目標回転量回転して目標回転位置に到達したか否かを判定している。ＰＩＤ補償器１４は、駆動軸３２が目標回転位置に到達したと判定すると、タイマ２６にて所定時間ｔ１が計時される。そして、所定時間ｔ１が経過すると、停止時調整手段としての停止時調整回路２５がＰＩＤ補償器１４の積分演算を停止し、停止時点の積分値を保持させるようになっている（図３参照）。

ここで、ＤＤモータ１２には、上記したようにシール部材３５が備えられており、該シール部材３５は、駆動軸３２の回転に伴って撓み変形する。そして、駆動軸３２が目標位置到達して一時停止する際、駆動軸３２の回転位置の維持を図るべく（偏差をゼロとすべく）、シール部材３５の撓み力とＤＤモータ１２の発生トルクとがつり合おうと、モータ制御値が変動する。特に、本実施の形態のようにゲインを高く設定すると、モータ制御値の変動が速やかになり、大きな振動が生じ易い状況にある。また一時停止時においては、偏差がゼロに極めて近い状況にあることから、モータ制御値は特に積分値に大きく支配されている。つまり、積分値の変動が振動を発生させる要因となっている。

そのため、目標回転位置に到達した判定がなされると、停止時調整回路２５は、所定時間ｔ１経過後にＰＩＤ補償器１４の積分演算を停止させ、ＰＩＤ補償器１４は停止時点の積分値を保持させる。従って、一時停止時におけるＤＤモータ１２の振動の要因となっている積分値が一定になることから、この時のＤＤモータ１２の発生トルクがシール部材３５の撓み力とほぼつり合った状態で維持される。なおこの場合、外部からのノイズは、比例演算及び微分演算で対応可能である。これにより、駆動軸３２の微小な回転動作の発生が抑えられ、ＤＤモータ１２の振動が小さく抑えられるようになっている。

因みに、今回制御対象のＤＤモータ１２において、その発生トルクとシール部材３５の撓み力との釣り合いが好適となる時間を予め実験により測定しており、その測定結果から前記所定時間ｔ１が設定されている。例えば本実施の形態では、駆動軸３２が目標回転位置に到達すると、該駆動軸３２の速度変動の周期（振動の周期）が次第に長くなり、その周期が所定周期よりも長くなる時間を予め実験により測定し、その測定結果から所定時間ｔ１が設定される。つまり、上記判定直後から所定時間ｔ１においては、ＤＤモータ１２の発生トルク、すなわち積分値の変動がまだまだ大きいため、これを排除すべく、積分値を保持しないようにしている。

図３は、本実施の形態におけるモータ回転速度の変動を示している。目標位置到達後の一時停止期間中におけるモータ回転速度の変動は、ＤＤモータ１２の振動を表す。同図３によれば、目標位置に到達してから所定時間ｔ１経過後において、積分演算が停止され、停止時点の積分値が一定に保持される。これに伴って、ＤＤモータ１２の振動が極めて小さく抑えられている。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

本実施の形態では、駆動軸３２が所定回転位置に到達したと判定すると、停止時調整回路２５は、ＰＩＤ補償器１４の演算で用いる積分値を駆動軸３２の回転に伴って撓みを生じるシール部材３５の撓み力に応じた所定値で一定とする。この場合、停止時調整回路２５は、その判定から所定時間ｔ１経過後の積分値で保持させる。つまり、目標回転位置に到達した判定がなされると、一時停止時におけるＤＤモータ１２の振動（高ゲインでは特に振幅大）の要因となっている積分値の変動がシール部材３５の撓み力に応じた所定値で一定とされるので、この時のモータの発生トルクを弾性部材の撓み力とほぼつり合った状態で維持される。これにより、駆動軸３２の微小な回転動作の発生が抑えられ、ＤＤモータ１２の振動を小さく抑えることができる。

特にＤＤモータ１２は、負荷機器をダイレクトに駆動するものであるので、ＤＤモータ１２で発生した振動が負荷機器に伝わり易い。そのため、このようなＤＤモータ１２に適用する意義は大きい。

また本実施の形態では、目標回転位置に到達した判定がなされると、停止時調整回路２５は、その判定から所定時間ｔ１経過後の積分値で保持させる。つまり、一時停止時に用いる積分値はその時々のシール部材３５の撓み力に応じた値を用いるので、ＤＤモータ１２の発生トルクとシール部材３５の撓み力とのつり合いをとることがより確実となり、ＤＤモータ１２の振動をより確実に抑制することができる。また、一時停止時の演算負荷も低減できる。

また、停止時調整回路２５は、その判定から所定時間ｔ１経過後の積分値で保持させるようにしている。これは、目標回転位置に到達した判定がなされた直後では、ＤＤモータ１２の発生トルク、すなわち積分値の変動がまだまだ大きいため、該判定から所定時間ｔ１を経過させることで、これを排除し、シール部材３５の撓み力と釣り合うようなトルクが発生する積分値をより確実に設定することができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、目標回転位置に到達した判定がなされると、所定時間ｔ１経過後に積分演算を停止させ、停止時点の積分値を保持するようにしたが、予め設定した所定値を用いても良い。

上記実施の形態では、所定時間ｔ１を予め設定していたが、所定時間ｔ１を適時調整可能としてもよい。また、所定時間ｔ１をＤＤモータ１２の動作等に応じてその時々で可変としても良い。また、この所定時間ｔ１が特に必要なければ、目標回転位置に到達した判定がなされた直後に積分値を一定とするようにしてもよい。

上記実施の形態では、シール部材３５を有するモータ１２に実施したが、駆動軸３２の回転に伴って撓みを生じるその他の弾性部材を用いたモータに実施しても良い。また、弾性部材等、剛性の低いジョイントを介して負荷装置を駆動するモータや、負荷装置内において剛性の低い部材を有する駆動機構を駆動するモータにおいても、ジョイントや駆動機構の剛性の低い部材が駆動軸３２の回転に伴って撓みを生じるため、このようなモータに実施しても良い。

上記実施の形態では、負荷機器をダイレクトに駆動するＤＤモータ１２に実施したが、負荷機器との間に減速機構や駆動伝達機構等を介在させたサーボモータに実施しても良い。

一実施の形態のサーボモータ制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 （ａ）はモータの斜視図であり、（ｂ）はシール部材の装着部分の断面図である。 本形態のモータ回転速度及び積分値の変動を示す波形図である。 高ゲインとした従来制御実施時のモータ回転速度の変動を示す波形図である。 低ゲインとした従来制御実施時のモータ回転速度の変動を示す波形図である。

符号の説明

１２…ダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）、１４…ＰＩＤ補償器（ＰＩＤ制御手段、判定手段）、２５…停止時調整回路（停止時調整手段）、２６…タイマ２６、３１…モータハウジング、３２…駆動軸、３５…シール部材（弾性部材）、ｔ１…所定時間。

Claims (4)

1. 駆動軸の回転に伴って撓みを生じる弾性部材を有するサーボモータを制御対象とするものであり、ＰＩＤ制御を用い目標回転量と実回転量との偏差に応じたモータ制御値を演算し、該制御値に応じて前記サーボモータの駆動軸に所定の動作を行わせると共に、該駆動軸が目標回転量回転し所定回転位置に到達すると一時停止制御を行うＰＩＤ制御手段を備えたサーボモータ制御装置であって、
   前記駆動軸が前記目標回転量回転し所定回転位置に到達したか否かを判定する判定手段と、
   前記駆動軸が所定回転位置に到達したと判定されると、該判定に基づいて前記ＰＩＤ制御手段にて用いる積分値を前記弾性部材の撓み力に応じた所定値で一定とする停止時調整手段と、
   を備えたことを特徴とするサーボモータ制御装置。
2. 前記停止時調整手段は、前記駆動軸が所定回転位置に到達したと判定されると、該判定に基づいて前記ＰＩＤ制御手段における積分演算を停止させ、停止時点の積分値を保持させることを特徴とする請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
3. 前記駆動軸が所定回転位置に到達したと判定されてから所定時間を計時するタイマを備え、
   前記停止時調整手段は、前記所定時間経過後に、前記ＰＩＤ制御手段にて用いる積分値を前記弾性部材の撓み力に応じた所定値で一定とすることを特徴とする請求項２に記載のサーボモータ制御装置。
4. 前記サーボモータは、前記駆動軸により負荷機器をダイレクトに駆動するダイレクトドライブモータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のサーボモータ制御装置。

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