JP2006215626A

JP2006215626A - 位置制御装置

Info

Publication number: JP2006215626A
Application number: JP2005025067A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Shibata; 知宏柴田
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】サーボモータによりボールネジを介して駆動される制御対象の位置を制御する位置制御装置において、外乱トルクによりサーボモータと負荷位置間に発生するたわみ量により、発生する制御誤差を低減する。
【解決手段】制御対象の系をモデル化した外乱オブザーバ１２を設ける。外乱オブザーバは、モデルを用いて、モータが発生するトルクの指令値と、実際のモータの位置に基づき算出された制御対象に作用したトルクとの差に基づき外乱トルクを推定する。この外乱トルクによる制御対象系のたわみ量を補償するようにたわみ補償量を決定し、これを位置指令に加算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動力伝達系を介してサーボモータにより駆動される負荷部の位置を制御対象とした位置制御装置に関する。

図６は、従来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。上位制御装置１より入力された位置指令Ｘｃと、負荷部位置センサ１８より検出される負荷位置Ｘｌとの位置偏差（Ｘｃ−Ｘｌ）を減算器２が減算し出力する。増幅器４は、前記位置偏差を入力として、速度指令Ｖｃを出力する。微分器９は、モータ位置センサ１６より検出されるモータ位置Ｘｍを微分し、モータ速度Ｖｍを出力する。減算器５が前記速度指令Ｖｃから前記モータ速度Ｖｍを減算し、速度偏差（Ｖｃ−Ｖｍ）を算出する。速度制御部６は、前記速度偏差を入力とし、トルク指令τｃを出力する。インバータ部７は、トルク指令値τｃに基づき、サーボモータ１７の電流を制御する。前記サーボモータ１７は、カップリング２１により連結されたボールネジ１９を介して負荷部２０を駆動する。その結果、前記負荷部位置センサ１８により検出される負荷部２０の負荷位置Ｘｌを位置指令Ｘｃと一致するように制御する。

上述の位置制御装置において、外乱トルクτｄが負荷部２０に発生した場合、サーボモータ１７と負荷部２０の間に発生するたわみ量Ｘｔが、負荷位置Ｘｌと位置指令Ｘｃとの偏差となり、位置偏差が発生することになる。前記たわみ量Ｘｔが、ボールネジ駆動系のねじり剛性Ｋの逆数を比例定数とした、外乱トルクτｄに比例すると仮定すると、前記たわみ量Ｘｔは、
Ｘｔ＝τｄ／Ｋ（式１）
で表すことができる。前記位置偏差（Ｘｃ−Ｘｌ）は、最終的には位置制御装置によりゼロとなる。

しかしながら、この応答性は位置ループゲインＫｖにより決定し、該位置ループゲインＫｖはボールネジ駆動系の剛性等により制限されてしまうため、一般的にあまり高く設定できない。従って、上述の従来の位置制御装置においては、外乱トルクτｄによりサーボモータ位置Ｘｍと負荷位置Ｘｌにたわみ量Ｘｔが発生し、その結果、負荷位置Ｘｌを高精度に制御することが困難であった。

特開平１０−３２６１１４号公報

特許文献の従来技術において、加減速時に発生するモータ位置と負荷位置の位置偏差となる動的なたわみ量を制御して、負荷位置Ｘｌを高精度に制御することが可能となった。しかし、外乱トルク等の要因によりたわみ量が発生する場合において、円弧動作のように負荷位置が反転する際には、外乱トルクの符号が変化し、その変化も急峻である。そのため、たわみの発生量、変化量とも大きく、負荷位置を高精度に制御することができなかった。

本発明の目的は、外乱トルクが作用する場合に、負荷位置Ｘｌを位置指令値Ｘｃに従って高精度に制御することにある。

本発明に係る位置制御装置は、制御対象をモデル化した外乱オブザーバを有し、この外乱オブザーバは、負荷部の位置と、負荷部に作用するトルクの指令値に基づき、制御対象に作用した外乱トルクを推定する。この外乱トルクに対して生じる系のたわみを補償するたわみ補償量を算出し、これを考慮して制御指令を算出する。

図１は、本発明の実施の形態である位置制御装置の概略構成を示すブロック図である。図１は前述した従来例の図６に対応させており、同一部分については同一名称及び番号を付してあり説明を省略する。本発明による位置制御装置は、たわみ補償量演算部１０と外乱オブザーバ１２と負荷加速度演算部１１を具備している。前記たわみ補償量演算部１０は外乱オブザーバ１２より出力する外乱トルクτｄと負荷加速度演算部１１より出力する動作加速度Ａを入力とし、ボールネジ系総合ねじり剛性Ｋに基づいて機械に発生するたわみ量を演算して、補償量であるたわみ補償量Ｘｔを出力する。このたわみ補償量Ｘｔを位置指令Ｘｃと負荷位置Ｘｌの位置偏差に加算する。その結果、負荷位置Ｘｌは、外乱トルクτｄにより発生するたわみ量の影響を受けず、高精度に制御することが可能となる。

この実施形態の位置制御装置においては、負荷部２０に設けられた負荷部位置センサ１８が負荷位置算出手段として機能し、サーボモータに設けられたモータ位置検出器１６がモータ位置検出手段として機能する。また、減算器２、加算器３および増幅器４が速度指令算出手段として機能し、さらに減算器５および速度制御器６がトルク指令算出手段として機能する。

以下では、図１の前記たわみ補償量演算部１０について説明する。前記たわみ補償量演算部１０は、外乱トルクτｄが入力され、あらかじめ測定されたボールネジ系総合ねじり剛性Ｋより、たわみ量Ｘｔを前記（式１）に基づき演算し、たわみ補償量Ｘｔを出力する。ここで、外乱トルクτｄは、外乱オブザーバ１２により、制御対象からの出力であるモータ速度Ｖｍと、制御対象への入力であるトルク指令τｃから、
τｄ‘＝（τｃ−ｓＪＶｍ）（式２）
にローパスフィルタをかけた公知のオブザーバ理論に基づき推定される。

また、ボールネジ系のねじり剛性Ｋは、ある加速トルクを与えた際のトルク指令値τｃ［Ｎｍ］と、たわみ量である、モータ位置と負荷位置Ｘｌの差ΔＸより、
Ｋ＝τｃ／ΔＸ［Ｎｍ／ｒａｄ］（式３）
より簡単に求めることができる。

図３は、上述のたわみ補償量演算部１０の内容を図示したものである。入力である外乱トルクτｄとたわみ補償量Ｘｔは、ボールネジ系総合ねじり剛性の逆数１／Ｋを比例定数として図のような関係となっている。

前記たわみ補償量演算部１０の出力である前記たわみ補償量Ｘｔを、位置指令Ｘｃと負荷位置Ｘｌの位置偏差に加算することで、高精度に負荷位置を制御することが可能となるが、低加速度領域等において、外乱トルクとたわみ量の関係が非線形となる場合があり、高精度な負荷位置の制御ができない場合がある。そこで、図４は、そのような場合においても高精度に負荷位置を制御するため、非線形性を補償するたわみ補償量演算部１０の一例を示す。この場合、前記たわみ補償量演算部１０は、図中グラフの△印のように、入力であるトルクに対するたわみ量をあらかじめ測定し、そのデータテーブルを内部に持つ。そして、外乱トルクτｄが入力されると、そのデータテーブルより、図中の実線のように、直線補間などしてたわみ補償量Ｘｔを出力する。その結果、たわみ量がトルクに対して非線形な場合においても負荷位置を高精度に制御することが可能となる。

図５は、さらなる高精度な負荷位置の制御を達成するため、負荷部移動加速度Ａと外乱トルクτｄを入力として、たわみ補償量Ｘｔを出力するたわみ補償量演算部１０の一例を示す。あらかじめ、様々な速度や加速度で制御対象を動作させ、その時の移動加速度Ａ、トルクτｄ及びたわみ量Ｘｔを測定する。そして、図中グラフの△印のように、それぞれの関係をデータテーブル化し、前記たわみ補償量演算部１０の内部に持つ。そして、前記たわみ補償量演算部１０は、外乱トルクτｄと負荷部移動加速度Ａが入力されると、そのデータテーブルより、図中の実線のように、直線補間などしてたわみ補償量Ｘｔを出力する。その結果、様々な加速度で動作させた場合にも、最適なたわみ補償量Ｘｔが出力され、より高精度に負荷位置を制御することが可能となる。

図７に円弧象限反転時における本発明の適用例を示す。図は、上から位置指令Ｘｃ、負荷位置Ｘｌ、外乱トルクτｄ、たわみ補償量Ｘｔ、位置指令Ｘｃと負荷位置Ｘｌの差である位置誤差ΔＸを示しており、横軸は時間経過を示す。

図７（ａ）は従来の位置制御装置における特性である。位置指令Ｘｃが反転した直後に外乱トルクτｄが急峻に変化し、同様にたわみ量が発生する。そのため、前述のように、位置指令に対し負荷位置Ｘｌが遅れ、位置誤差ΔＸが大きく発生する。それに対し、本発明における特性を図７（ｂ）に示す。位置指令Ｘｃが反転した直後に外乱トルクτｄが急峻に変化するが、本発明の前記たわみ補償量演算部１０より、たわみ補償量Ｘｔが出力され、位置指令Ｘｃと負荷位置Ｘｌの位置偏差に加算される。その結果、負荷位置Ｘｌは、たわみ量による遅れが最小限に抑えられ、図中の位置誤差ΔＸは従来の制御方式に対し小さくなり、高精度に制御できる。

図２は、他の実施形態の位置制御装置の概略構成を示すブロック図である。この実施形態においては、図１の実施形態と比較して負荷部の位置検出器がなく、その代わりにサーボモータ位置Ｘｍの位置を位置フィードバック値として代用し制御対象を動作させるセミクローズド位置制御装置の一例である。たわみ補償量演算部１０は、外乱トルクτｄが入力され、たわみ補償量Ｘｔを出力する。そのたわみ補償量Ｘｔを位置指令Ｘｃとサーボモータ位置Ｘｍの偏差に加算することで、サーボモータ位置Ｘｍがたわみ量Ｘｔ分だけ進み、その結果、負荷位置Ｘｌが位置指令Ｘｃに対し高精度に制御される。

以上の実施形態によれば、これらの手法によって、サーボモータによりボールネジを介して駆動される位置制御装置において、外乱トルクτｄに基づき、たわみ補償量を演算し出力するたわみ補償量演算手段を備えることで、特に円弧象限反転時などに発生する外乱トルクによる機械系のたわみ量を補償し、負荷位置を高精度に位置制御することが可能となる。

本発明の位置制御装置の一実施形態を示すブロック図である。本発明の位置制御装置の一実施形態を示すブロック図である。本発明の位置制御装置内のたわみ補償量演算部分の一例を示す図である。本発明の位置制御装置内のたわみ補償量演算部分の一例を示す図である。本発明の位置制御装置内のたわみ補償量演算部分の一例を示す図である。従来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。本発明の効果の一例を示す図である。

符号の説明

１上位制御装置、２減算器、３加算器、４増幅器、５減算器、６速度制御部、７インバータ部、８制御対象、９微分器、１０たわみ補償量演算部、１１負荷加速度演算部、１２外乱オブザーバ、１３ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１４減算器、１５微分器、１６モータ位置センサ、１７モータ、１８負荷部位置センサ、１９ボールネジ、２０負荷部。

Claims

駆動力伝達系を介してサーボモータに駆動される負荷部の位置を制御する位置制御装置において、
負荷部の位置を検出する負荷位置算出手段と、
サーボモータのモータ位置を検出するモータ位置算出手段と、
位置指令と負荷部の位置との差および外乱トルクに応じて生じた制御対象の系のたわみを補償するたわみ補償量に基づき速度指令を算出する速度指令算出手段と、
速度指令とモータ位置に基づきトルク指令を算出するトルク指令算出手段と、
制御対象の系をモデル化したオブザーバであって、トルク指令と、モータ位置より得られるサーボモータの速度に基づき外乱トルクを推定する外乱オブザーバと、
外乱トルクに基づき前記たわみ補償量を演算するたわみ補償量演算手段と、
を備える位置制御装置。
請求項１に記載の位置制御装置であって、負荷位置算出手段は、負荷部の位置を検出する負荷部に取り付けられた負荷位置検出器である、位置制御装置。
請求項１に記載の位置制御装置であって、負荷位置算出手段は、負荷部の位置をモータ位置に基づき算出するものである、位置制御装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の位置制御装置であって、
たわみ補償量演算手段は、前記たわみ補償量（Ｘｔ）を、予め測定された駆動力伝達系のねじり剛性（Ｋ）と外乱トルク（τｄ）より
Ｘｔ＝τｄ／Ｋ
によって出力する、
位置制御装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の位置制御装置であって、
たわみ補償量演算手段は、
モータ位置と負荷位置の差であるたわみ量と、外乱トルクとの関係を示すデータテーブルを、このたわみ補償量演算部の内部に持ち、
このデータテーブルに基づいて、外乱トルクを入力として、たわみ補償量を演算する、
位置制御装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の位置制御装置であって、
負荷位置に基づき負荷部の加速度を出力する負荷加速度演算手段を備え、
たわみ補償量演算手段は、
外乱トルクと前記負荷部の加速度とモータ位置と負荷位置の差であるたわみ量との関係を示すデータテーブルを、このたわみ補償量演算部の内部に持ち、
このデータテーブルに基づいて、外乱トルクと負荷加速度を入力として、たわみ補償量を演算する、
位置制御装置。