JP2006340454A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ひとつの可動部材を複数のモータで駆動する場合、位置指令に対する追従特性を損なうことなく、モータ間の位置ずれを抑制できること。
【解決手段】ひとつの可動部材を複数のモータ１１，２１で駆動するモータ制御装置であって、複数のモータ１１，２１をそれぞれ駆動制御する複数の駆動制御手段１０，２０と、複数の駆動制御手段１０，２０のそれぞれに対して補正係数を出力する係数演算手段３１とを備え、駆動制御手段１０，２０は、複数のモータ１１，２１に与えられる同一の位置指令に各モータが追従するようにトルク指令を生成して出力する位置制御手段１３，２３と、トルク指令に補正係数を乗じて補正トルク指令を出力するトルク指令補正手段１５，２５と、該補正トルク指令に基づいてモータを駆動するトルク制御手段１４，２４とを備る。
【選択図】 図１

Description

この発明は、工作機械や射出成形機、プレス機械などの送り軸を駆動制御するモータ制御装置に係り、特にひとつの可動部材を複数のモータで駆動するモータ制御装置に関するものである。

ひとつの可動部材を複数のモータで駆動する場合、各モータに作用する負荷のアンバランスや外乱などの影響によって、各モータの位置にずれが生じることがある。各モータ間に位置ずれが生じると、それによって機械に歪みが生じ、機械に無理な力が作用するため、機械の寿命、特に摺動部の寿命に悪影響を与える。また、この歪みによって振動が生じるなどの問題がある。

このような問題に対して、各モータ間の位置ずれや振動の影響を除去して高速・高精度の駆動制御を実現する技術が、たとえば、特許文献１に開示されている。図４は特許文献１に開示されているモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図４において、１０１はひとつの可動部材であるテーブル、１１１、１２１はテーブル１０１を駆動するモータであり、２台のモータ１１１、１２１でテーブル１０１を駆動する。１１２、１２２は位置検出器であり、それぞれモータ１１１、１２１の位置を検出する。

１１３はモータ１１１の位置を制御する位置制御手段であり、図示しない上位コントローラから与えられる位置指令と位置検出器１１２で検出されたモータ１１１の検出位置との差である位置偏差を入力して、該位置偏差が減少するようにトルク指令を生成して出力する。１１４はモータ１１１のトルクを制御するトルク制御手段であり、入力されるトルク指令に基づいてモータ１１１を駆動する。同様に、１２３はモータ１２１の位置制御手段であり、上位コントローラから与えられる位置指令と位置検出器１２２で検出されたモータ１２１の検出位置との差である位置偏差を入力して、該位置偏差が減少するようにトルク指令を生成して出力する。１２４はモータ１２１のトルクを制御するトルク制御手段であり、入力されるトルク指令に基づいてモータ１２１を駆動する。位置制御手段１１３、１２３には、上位コントローラから同一の位置指令が与えられ、モータ１１１、１２１は同一の動きをするように制御される。

軸ずれ補償部１３０は、位置制御手段１１３、１２３が出力するトルク指令の差に基づいて軸ずれ補償トルクを出力する。軸ずれ補償部１３０が出力した軸ずれ補償トルクは位置制御手段１１３、１２３が出力するトルク指令に加算あるいは減算されて、トルク制御手段１１４、１２４に入力される。

従来のモータ制御装置は以上のように構成され、各モータ間に位置ずれが生じた場合は、軸ずれ補償部１３０が位置ずれを解消するように各モータのトルク指令を補正するので、各モータ間の位置ずれを抑制することができる。

特開２００４−３１０２６１号公報（第４頁、第１図）

上記のように従来のモータ制御装置では、軸ずれ補償部１３０を新たに追加することによって各モータ間の位置ずれを抑制している。この場合の位置制御ループのゲインは元の位置制御手段のゲインと新たに追加した軸ずれ補償部のゲインを合成したものとなり、位置制御手段だけの場合よりもゲインが大きくなる。

一般に、位置制御ループのゲインを大きくするほど性能のよい制御が得られるが、ゲインを大きくし過ぎると制御系の安定性が劣化し、制御系が不安定になって発振してしまうことがある。そのため、位置制御ループのゲインは、制御系が不安定にならない範囲で、かつ、できるだけ性能のよい応答が得られるように適切な値に設定される。上記従来のモータ制御装置では、軸ずれ補償部を追加した後のゲインが適切な値になるようにする必要があり、そのためには、軸ずれ補償部を追加することによってゲインが増加する分だけ位置制御手段のゲインを小さくしておかなければならない。ところが、位置制御手段のゲインを小さくすると、位置指令に対する追従特性が悪くなり、位置指令に対して高速・高精度に追従できなくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位置指令に対する追従特性を損なうことなく、モータ間の位置ずれを抑制できるモータ制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ひとつの可動部材を複数のモータで駆動するモータ制御装置であって、前記複数のモータをそれぞれ駆動制御する複数の駆動制御手段と、前記複数の駆動制御手段のそれぞれに対して補正係数を出力する係数演算手段とを備え、前記駆動制御手段は、前記複数のモータに与えられる同一の位置指令に各モータが追従するようにトルク指令を生成して出力する位置制御手段と、前記トルク指令に前記補正係数を乗じて補正トルク指令を出力するトルク指令補正手段と、該補正トルク指令に基づいてモータを駆動するトルク制御手段とを備え、前記係数演算手段は、前記位置指令に対する追従遅れの大きいモータを駆動制御する駆動制御手段には大きな補正係数を出力し、前記位置指令に対する追従遅れの小さなモータを駆動する駆動制御手段には小さい補正係数を出力することを特徴とする。

この発明によれば、位置指令に対する追従遅れが大きいモータに対しては、トルク指令に大きな補正係数を乗じてトルク指令を補正するので、大きなトルクでモータを駆動することになり、追従遅れが減少する方向に作用する。一方、位置指令に対する追従遅れが小さいモータに対しては、トルク指令に小さい補正係数を乗ずるのでモータの駆動トルクが小さくなり、追従遅れが増加する方向に作用する。つまり、追従遅れが大きいモータでは追従遅れが減少し、追従遅れが小さいモータでは追従遅れが増加するので、結果的に各モータの追従遅れがほぼ同じ大きさとなり、モータ間の位置ずれが減少すると言う効果がある。

以下に、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１はこの発明の実施の形態に係るモータ制御装置のブロック図である。図１はひとつの可動部材であるテーブル１を２台のモータ１１、２１で駆動する場合の構成例である。

図１において、位置検出器１２、２２は、それぞれモータ１１、２１の位置を検出する。モータ１１を駆動制御する駆動制御手段１０は、位置制御手段１３、トルク指令補正手段１５およびトルク制御手段１４を備えている。位置制御手段１３は、図示しない上位コントローラから与えられる位置指令と位置検出器１２で検出されたモータ１１の検出位置との差である位置偏差を入力して、該位置偏差が減少するようにトルク指令を生成して出力する。トルク指令補正手段１５は、後述の係数制限手段１６から出力される補正係数Ｋ１と位置制御手段１３が出力するトルク指令を乗じて補正トルク指令を出力する。トルク制御手段１４は、トルク指令補正手段１５から入力される補正トルク指令に基づいてモータ１１のトルクを駆動制御する。

モータ２１を駆動制御する駆動制御手段２０は、位置制御手段２３、トルク指令補正手段２５およびトルク制御手段２４を備えている。位置制御手段２３は、図示しない上位コントローラから位置制御手段１３与えられるのと同一の位置指令と位置検出器２２で検出されたモータ２１の検出位置との差である位置偏差を入力して、該位置偏差が減少するようにトルク指令を生成して出力する。トルク指令補正手段２５は、後述の係数制限手段２６から出力される補正係数Ｋ２と位置制御手段２３が出力するトルク指令を乗じて補正トルク指令を出力する。トルク制御手段２４は、トルク指令補正手段２５から入力される補正トルク指令に基づいてモータ２１のトルクを駆動制御する。

係数演算手段３１は、駆動制御手段１０および２０に対して出力する補正係数Ｋ１、Ｋ２を演算するものであり、モータ１１の位置指令に対する位置偏差δ１、およびモータ２１の位置指令に対する位置偏差δ２を入力し、位置偏差が大きいモータに対しては大きい係数を出力し、位置偏差が小さいモータに対しては小さい係数を出力する。係数制限手段１６，２６は係数演算手段３１が出力する補正係数Ｋ１、Ｋ２の値を予め設定された下限値と上限値の間に制限し、制限された補正係数Ｋ１、Ｋ２をトルク指令補正手段１５、２５に出力する。

ひとつのテーブル１を２台のモータで駆動する場合、テーブルの重心位置がその中央ではなく、片寄った位置にあると、それぞれのモータに作用する慣性負荷にアンバランスが生じる。たとえば、図１に示すように、テーブル１の重心位置がモータ１１に近い位置にあったとすると、モータ１１に作用する慣性負荷はモータ２１に作用する慣性負荷よりも大きくなる。このような状態でテーブル１を駆動すると、モータ１１とモータ２１の位置にずれが生じてしまう。モータ１１はテーブル１の重心に近く慣性負荷が大きいので位置指令に対する追従遅れが大きくなり、逆にモータ２１はテーブル１の重心から遠く慣性負荷が小さいので位置指令に対する追従遅れが小さくなるためである。

そこで、実施の形態では、それぞれのモータの追従遅れを大きさに応じて、トルク指令に補正係数を乗じて補正することにより、各モータ間の位置ずれを抑制するように構成している。テーブル１の重心位置に近く負荷慣性の大きいモータ１１では、追従遅れが大きくなり、位置指令とモータの検出位置との差である位置偏差が大きくなるので、係数演算手段３１はモータ１１に対して大きい補正係数Ｋ１を出力する。トルク指令補正手段１５は係数演算手段３１が出力した補正係数を係数制限手段１６を介して受け取り、位置制御手段１３が出力するトルク指令に大きな補正係数Ｋ１を乗じてトルク指令を補正する。これにより、補正後のトルク指令は大きな値となり、モータ１１は大きなトルク指令で駆動されるので、位置偏差が減少するように作用する。

一方、テーブル１の重心位置から遠く負荷慣性が小さいモータ２１では、追従遅れが小さく、位置指令とモータの検出位置との差である位置偏差が小さいので、係数演算手段３１はモータ２１に対しては小さい補正係数Ｋ２を出力する。トルク指令補正手段２５は係数演算手段３１が出力した補正係数Ｋ２を係数制限手段２６を介して受け取り、位置制御手段２３が出力するトルク指令に小さい補正係数Ｋ２を乗じてトルク指令を補正する。これにより、補正後のトルク指令は小さい値となり、モータ２１を駆動するトルクが小さくなるので、位置偏差が増加するように作用する。

これにより、位置偏差の大きかったモータ１１の位置偏差が小さくなり、位置偏差の小さかったモータ１１の位置偏差が大きくなるので、その結果として、モータ１１の位置偏差とモータ２１の位置偏差がほぼ同じ値となり、それぞれのモータ間の位置ずれが解消されることになる。

図２は係数演算手段３１の入出力関係の例を示したグラフである。横軸は係数演算手段３１に入力される各モータの位置偏差の絶対値、縦軸は係数演算手段３１の出力である補正係数の値である。δ１はモータ１１の位置偏差、δ２はモータ２１の位置偏差、Ｋ１はモータ１１を駆動制御する駆動制御手段１０に出力される補正係数、Ｋ２はモータ２１を駆動制御する駆動制御手段２０に出力される補正係数である。また、δｃは各モータの位置偏差の最大値と最小値の平均値である。図２のグラフでは、δｃを基準として、位置偏差がδｃより大きいモータに対しては１より大きい補正係数が出力され、位置偏差がδｃより小さいモータに対しては１より小さい補正係数が出力される。かつ、位置偏差が大きいほど補正係数の値が大きくなり、位置偏差が小さいほど補正係数の値が小さくなる。

図２はひとつの可動部材を２台のモータで駆動する場合の例であるが、モータの数が２台以上の場合も同様である。図３は４台のモータを用いる場合の例を示したものである。この場合も、δｃを各モータの位置偏差の最大値と最小値の平均値とし、位置偏差がδｃより大きいモータに対しては１より大きい補正係数が出力され、位置偏差がδｃより小さいモータに対しては１より小さい補正係数が出力される。また、位置偏差が大きいほど補正係数の値が大きくなり、位置偏差が小さいほど補正係数の値が小さくなる。

次に係数制限手段１６、２６の作用を説明する。係数制限手段１６、２６は、係数演算手段３１が出力する補正係数の値が所定の上限値と下限値の間に入るように制限するものである。トルク指令補正手段１５、２５は位置制御手段１３、２３が出力するトルク指令に該係数を乗じて補正トルク指令を出力するが、これは、位置制御ループのゲインを変えていることに相当する。位置制御ループのゲインの大きさには適正な範囲があり、ゲインが大きすぎると制御系が不安定になり発振し、逆に小さすぎてもオーバーシュートや振動が出やすくなることがある。係数制限手段１６、２６によってトルク指令を補正する補正係数の大きさを制限することにより、トルク指令補正手段１５，２５を追加しても、位置制御ループのゲインが適正な範囲を逸脱しないようにすることができる。これにより、位置制御ループのゲインを常に適正な範囲に収めることができ、安定でオーバーシュートや振動のない応答を得ることができる。

係数制限手段１６、２６における補正係数の下限値と上限値は、位置制御手段１３，２３のゲイン調整を行った後、位置制御系が不安定になったり、振動的になったりしないように定めればよい。したがって、位置制御手段１３，２３のゲインを小さくする必要がないので、位置指令に対する追従特性が悪くなることがなく、高速・高精度の追従特性を維持したまま、モータ間の位置ずれを減少させることができる。

なお、上記の実施の形態では、係数演算手段３１は各モータの位置偏差を入力し、これに基づいて各モータの補正係数を演算して出力する例を示したが、係数演算手段３１への入力は位置偏差に限らず、モータの追従遅れと相関を持つ他の情報を用いることもできる。たとえば、位置偏差の代わりに、各モータの位置制御手段が出力するトルク指令を係数演算手段３１への入力としてもよい。位置制御手段は、位置偏差が減少するようにトルク指令を生成し、位置偏差が大きい時は大きなトルク指令を出力して位置偏差を速やかに減少させようとする。このため、位置偏差の大きさとトルク指令の大きさには相関関係があり、位置偏差の代わりに位置制御手段が出力するトルク指令を用いても同じ効果が得られる。この場合の係数演算手段の動作は図２と変わる所はなく、係数演算手段への入力が各モータの位置偏差の代わりにトルク指令となるだけである。

また、上記実施の形態では、テーブルを２台のモータで駆動する例を示したが、モータの数が３台以上の場合でも同様に構成することができ、同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかるモータ制御装置は、工作機械や射出成形機、プレス機械などの送り軸において、ひとつの可動部材を複数のモータで駆動する場合のモータ制御装置として用いられるのに適している。

この発明の実施の形態を示すモータ制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態における、係数演算手段の入出力関係を示す図である。 ひとつの可動部材を４台のモータで駆動する場合の係数演算手段の入出力関係を示す図である。 従来のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ テーブル
１０，２０ 駆動制御手段
１１，２１ モータ
１２，２２ 位置検出器
１３，２３ 位置制御手段
１４，２４ トルク制御手段
１５，２５ トルク指令補正手段
１６，２６ 係数制限手段
３１ 係数演算手段

Claims (4)

1. ひとつの可動部材を複数のモータで駆動するモータ制御装置であって、
   前記複数のモータをそれぞれ駆動制御する複数の駆動制御手段と、
   前記複数の駆動制御手段のそれぞれに対して補正係数を出力する係数演算手段とを備え、
   前記駆動制御手段は、前記複数のモータに与えられる同一の位置指令に各モータが追従するようにトルク指令を生成して出力する位置制御手段と、
   前記トルク指令に前記補正係数を乗じて補正トルク指令を出力するトルク指令補正手段と、
   該補正トルク指令に基づいてモータを駆動するトルク制御手段とを備え、
   前記係数演算手段は、前記位置指令に対する追従遅れの大きいモータを駆動制御する駆動制御手段には大きな補正係数を出力し、前記位置指令に対する追従遅れの小さなモータを駆動する駆動制御手段には小さい補正係数を出力することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記係数演算手段が出力する前記補正係数を入力して該補正係数の値を予め設定された下限値と上限値の範囲内となるように制限して出力する係数制限手段をさらに備え、
   前記トルク指令補正手段は、前記係数制限手段にて制限された補正係数を前記トルク指令に乗じて補正トルク指令を出力し、
   前記係数制限手段における前記下限値と上限値は、前記トルク指令補正手段で乗ぜられる補正係数の値が該下限値と上限値の範囲内であれば制御系が不安定にならないような値に設定されることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記係数演算手段は、前記位置指令と前記各モータの検出位置との差である位置偏差に基づいて前記各モータの追従遅れの大きさを判定し、前記位置偏差が大きい駆動制御手段には大きな補正係数を出力し、前記位置偏差が小さい駆動制御手段には小さい補正係数を出力することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記係数演算手段は、前記位置制御手段が出力するトルク指令の大きさに基づいて各モータの追従遅れの大きさを判定し、前記トルク指令が大きい駆動制御手段には大きな補正係数を出力し、前記トルク指令が小さい駆動制御手段には小さい補正係数を出力することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。

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