JP2007115000A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体移動系の高精度で比較的単純な数式モデルに基づいて、物体上の所望点（例えば加工点）の動作（速度、振動等）を高精度に制御できるようにする。
【解決手段】制御装置１０は、物体１２を移動させる電動機１４を制御するものであって、物体の加速度を検出する加速度検出部１６と、電動機の運転情報を取得する運転情報取得部１８と、加速度検出部が検出した物体の加速度情報Ｄ１と運転情報取得部が取得した電動機の運転情報Ｄ２とに基づいて、物体の移動系Ｓの数式モデルＭを決定するシステム同定部２０と、システム同定部が決定した数式モデルを用いて、電動機の運転を制御する制御部２２とを備える。システム同定部は、電動機の運転情報を操作入力とし、物体の加速度情報を観測出力として、移動系の高精度で比較的単純な数式モデルを決定でき、制御部は、そのような数式モデルを用いて、物体上の所望点の動作を適確に推定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の制御装置に関する。

工作機械等の加工機において、加工対象物（本願でワークと称する）を移動させながら加工を行なう場合には、機構部の振動等を考慮した上で、ワークの被加工部位（本願で加工点と称する）の動作を適確に制御することが、高精度加工を実現するために要求される。このような加工点の動作制御に関しては、従来、ワークを移動させる駆動源としての電動機の出力の位置や速度、或いはワークを支持するテーブル等の支持部材の位置や速度を、専用の検出器により検出するとともに、電動機から加工点までのワーク移動系の数式モデル（ばね要素等を含む）を作成して、検出値と数式モデルとに基づき、加工点の動作（速度、振動等）を推定する手法が行なわれている。

上記した従来の加工点動作制御においては、ワーク移動系の状態を観測する検出器が、電動機やワーク支持部材に関連して、事実上の制御対象である加工点から離れた位置に設置されている。したがって、数式モデルを作成する際に、検出器と加工点との間の介在物の動作情報（速度、振動等）を、何らかの手段により取得する必要がある。この種の動作情報取得手段としては、電動機とワークとの間に存在する機構部の、設計データを用いた構造解析が知られている。この場合、構造解析の結果から、理論式により数式モデルを作成することができる。また他の動作情報取得手段として、電動機とワークとの間に存在する機構部を殴打して振動解析を行なうハンマリングも知られている。この場合、電動機やワーク支持部材の速度検出値における振動を解析することにより、機構部の共振周波数を測定でき、この共振周波数に基づいて数式モデルを作成することができる。

なお、関連技術として、特許文献１は、電動機の制御装置において、電動機搭載設備の数学モデルを用いることにより、電動機の高精度の位置決め制御を実現する構成を開示する。この構成によれば、複数の振動モードを有する設備に対しても、条件に応じた適切なゲイン設定を行なって、制御特性を改善することができる。

特開２００２−１６３００６号公報

前述した従来の加工点動作制御において、検出器と加工点との間の介在物の動作情報を取得する手段として、電動機とワークとの間の機構部の構造解析を行なう場合は、数式モデルを理論式から導き出すことになるから、作成した数式モデルと現実のワーク移動系との間の誤差が大きくなり易い。このような誤差を低減しようとすると、数式モデルが複雑化する傾向があり、実用水準の制御応答性を確保するためには、制御装置に極めて高度な演算能力が求められることになる。

他方、介在物の動作情報取得手段として、電動機とワークとの間の機構部に対しハンマリングを行なう場合は、動作情報として機構部の共振周波数だけが得られるので、数式モデルを精度良く作成することは困難である。なお、前述した特許文献１に開示される電動機制御は、数式モデルを用いてワーク上の加工点の動作制御を行なう際の、検出器と加工点との間の介在物に起因するモデル化誤差の問題を解決するものではない。

ワーク移動系の数式モデルの精度を向上させるためには、ワーク移動系の状態を観測する検出器を、事実上の制御対象であるワーク上の加工点に可及的に接近させて設置することが有効である。しかし、テーブル等のワーク支持部材の位置や速度を検出するリニアスケール、ロータリースケール等の従来の検出器は、一般に、設置時の機械構造的制約が多く、加工点の近くに設置することが困難であった。

本発明の目的は、物体を移動させる駆動源としての電動機の制御装置において、物体移動系の高精度で比較的単純な数式モデルに基づいて、物体上の所望点（例えば加工点）の動作（速度、振動等）を推定でき、以って、高度な演算能力を要することなく実用水準の制御応答性を確保して、物体上の所望点の高精度の動作制御を実現できる制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、物体を移動させる電動機の制御装置であって、物体の加速度を検出する加速度検出部と、電動機の運転情報を取得する運転情報取得部と、加速度検出部が検出した物体の加速度情報と運転情報取得部が取得した電動機の運転情報とに基づいて、物体の移動系の数式モデルを決定するシステム同定部と、システム同定部が決定した数式モデルを用いて、電動機の運転を制御する制御部と、を具備することを特徴とする制御装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の制御装置において、運転情報取得部が取得する運転情報は、電動機の電流情報を含む制御装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の制御装置において、電流情報は、電動機に指令される電流指令値である制御装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の制御装置において、電流情報は、電動機で検出される電流検出値である制御装置を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の制御装置において、運転情報取得部が取得する運転情報は、電動機の速度情報を含む制御装置を提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の制御装置において、速度情報は、電動機に指令される速度指令値である制御装置を提供する。

請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の制御装置において、速度情報は、電動機で検出される速度検出値である制御装置を提供する。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御装置において、数式モデルは、伝達関数及びＡＲＸモデルのうちいずれかを用いて作成される制御装置を提供する。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の制御装置において、数式モデルが、二慣性系モデルに近似される制御装置を提供する。

請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の制御装置において、物体が、加工機によって加工されるワークであり、加速度検出部は、ワークの加工点に近接する領域の加速度を検出する制御装置を提供する。

請求項１に記載の発明によれば、物体の移動系の観測出力として、制御対象である物体の加速度情報を採用するので、物体と電動機との間の介在物（例えば工作機械の機構部）の動作情報（速度、振動等）を、加速度情報から間接的に取得できる。そして、システム同定部は、移動系の操作入力である電動機の運転情報と、観測出力である加速度情報とに基づき、移動系の高精度で比較的単純な数式モデルを決定でき、制御部は、そのような数式モデルを用いて、物体上の所望点（例えば加工点）の動作（速度、振動等）を適確に推定した上で、電動機の運転を制御できる。したがって、高度な演算能力を要することなく実用水準の制御応答性を確保しながら、物体と電動機との間の介在物の振動等を考慮に入れて、物体上の所望点に対する高精度の動作制御を実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、電動機の電流と加速度とが比例関係を有すると近似することにより、電動機加速度（操作入力）から物体加速度（観測出力）までの物体移動系の数式モデルを決定することができる。

請求項３に記載の発明によれば、外乱を含まない電流情報に基づいて数式モデルを決定できる。

請求項４に記載の発明によれば、電流フィードバックを省略した数式モデルを決定できる。

請求項５に記載の発明によれば、電動機速度又は電動機電流（操作入力）から物体加速度（観測出力）までの物体移動系の数式モデルを決定することができる。

請求項６に記載の発明によれば、外乱を含まない速度情報に基づいて数式モデルを決定できる。

請求項７に記載の発明によれば、速度フィードバックを省略した数式モデルを決定できる。

請求項８に記載の発明によれば、制御上の扱いが容易な数式モデルを作成できる。

請求項９に記載の発明によれば、数式モデルの次数を下げることができるので、高度な演算能力が不要になる。

請求項１０に記載の発明によれば、加工機によるワークの高精度加工を実現することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
図面を参照すると、図１は、本発明に係る電動機の制御装置１０の基本構成を機能ブロック図で示す。制御装置１０は、物体１２を移動させる駆動源としての電動機１４を制御するものであって、物体１２の加速度を検出する加速度検出部１６と、電動機１４の運転情報を取得する運転情報取得部１８と、加速度検出部１６が検出した物体１２の加速度情報Ｄ１と運転情報取得部１８が取得した電動機１４の運転情報Ｄ２とに基づいて、物体１２の移動系Ｓの数式モデルＭを決定するシステム同定部２０と、システム同定部２０が決定した数式モデルＭを用いて、電動機１４の運転を制御する制御部２２とを備えて構成される。

上記構成を有する制御装置１０では、物体１２の移動系Ｓの観測出力として、制御対象である物体１２の加速度情報Ｄ１を採用するので、物体１２と電動機１４との間の介在物（例えば工作機械の機構部）の動作情報（速度、振動等）を、加速度情報Ｄ１から間接的に取得することができる。そして、システム同定部２０は、移動系Ｓの操作入力である電動機１４の運転情報Ｄ２と、観測出力である加速度情報Ｄ１とに基づき、移動系Ｓの高精度で比較的単純な数式モデルＭを決定することができ、制御部２２は、そのような数式モデルＭを用いて、物体１２上の所望点（例えば加工点）の動作（速度、振動等）を適確に推定した上で、電動機１４の運転を制御することができる。したがって制御装置１０によれば、高度な演算能力を要することなく実用水準の制御応答性を確保しながら、物体１２と電動機１４との間の介在物の振動等を考慮に入れて、物体１２上の所望点に対する高精度の動作制御を実現することができる。

ここで、加速度検出部１６は、ひずみゲージ型、サーボ型、圧電素子型等の、公知の加速度センサの構成を有することができる。いずれの加速度センサも、ワークテーブル等の物体支持部材の位置や速度を検出するリニアスケール、ロータリースケール等の検出器に比べて、設置時の機械構造的制約が少ないので、事実上の制御対象である物体１２上の所望点（例えば加工点）に可及的に接近させて設置できる。そして、そのように設置した加速度検出部１６が検出した加速度情報Ｄ１を、システム同定に用いることにより、物体１２上の所望点（例えば加工点）に可及的に接近した部位と電動機１４との間で、物体移動系Ｓをモデル化した数式モデルＭを作成することができる。このような数式モデルＭは、事実上の制御対象である物体１２上の所望点の近傍部位における実測データに基づいて作成したものであるから、現実の物体移動系Ｓに対する誤差が極めて小さくなり、しかも、理論式に基づいた数式モデルよりも有意に簡略化されたものとなる。

図２は、本発明に係る制御装置１０を適用した物体移動系Ｓの１つの具体例を示す。図示の例では、物体１２は、加工機（図示せず）によって加工されるワーク１２であり、加速度検出部１６を構成する加速度センサ１６は、ワーク１２の加工点Ｐに近接する領域に設置されて、その領域の加速度を検出する。電動機１４は、その出力軸に連結された送りねじ機構２４を介して、ワーク１２を担持するテーブル２６を直線的に往復移動させる。運転情報取得部１８は、電動機１４に設置される電流検出回路やエンコーダ等の検出器１８から構成される。

システム同定部２０は、加速度センサ１６が検出したワーク１２の加速度情報Ｄ１と検出器１８が検出した電動機１４の運転情報Ｄ２とに基づいて、ワーク１２の移動系Ｓの数式モデルＭを決定し、制御部２２は、その数式モデルＭを用いて電動機１４の運転を制御する。それにより、制御装置１０は、送りねじ機構２４、テーブル２６及びワーク１２の振動等を考慮に入れて、ワーク１２の加工点Ｐの動作を適確に制御することができ、以って、加工機による高精度加工を実現することができる。

上記した基本構成を有する制御装置１０において、運転情報取得部１８が取得する運転情報Ｄ２は、電動機１４の電流情報を含むことができる。この場合、システム同定部２０は、電動機１４の加速度を物体移動系Ｓの操作入力とし、加速度検出部１６が検出した物体１２の加速度を物体移動系Ｓの観測出力として、以下のように数式モデルＭを決定することができる。

まず、電動機１４において、電流∝トルク（∝は比例関係を表す）と近似すると、トルク∝力（＝トルク×距離）∝加速度（＝力／質量）であるから、電流∝加速度と近似できる。すなわち、電動機１４において、電流＝ｋ×加速度となるので、電流及び加速度の測定値からｋを求めることができる。

次に、電動機１４に対し、任意の加速度（＝電流×１／ｋ）を様々な周波数で入力し、それぞれに対応する物体１２の加速度を、加速度検出部１６で検出する。そこで、加速度の入力から出力への変化量（＝物体加速度／電動機加速度）と、加速度の位相差（すなわち電動機加速度（操作入力）の周期に対する物体加速度（観測出力）の位相のずれ量）とを算出することにより、『電動機加速度−物体加速度』に関する周波数特性（周波数に対するゲイン及び位相遅れの関係）を得ることができる。そして、得られた周波数特性を表わす伝達関数を求めることにより、電動機加速度から物体加速度までの数式モデルＭを決定することができる。

なお、上記構成において、運転情報取得部１８が取得する電動機１４の電流情報は、電動機１４に指令される電流指令値であってもよいし、電動機１４で検出される電流検出値であってもよい。

運転情報取得部１８が取得する運転情報Ｄ２は、電動機１４の速度情報を含むこともできる。この場合、システム同定部２０は、電動機１４の速度を１階微分して電動機加速度を算出し、この電動機加速度に対し上記した演算を行なうことにより、電動機速度（操作入力）から物体加速度（観測出力）までの数式モデルＭを決定することができる。

また、運転情報取得部１８が取得する運転情報Ｄ２は、電動機１４の電流情報と速度情報との双方を含むこともできる。この場合、システム同定部２０は、電流∝加速度と近似する前述した手法に代えて、電流情報及び速度情報を用いて電動機電流から電動機速度までの数式モデルを決定し、これに上記した電動機速度から物体加速度までの数式モデルを付加することで、電動機電流（操作入力）から物体加速度（観測出力）までの数式モデルＭを決定することができる。

なお、上記構成において、運転情報取得部１８が取得する電動機１４の速度情報は、電動機１４に指令される速度指令値であってもよいし、電動機１４で検出される速度検出値であってもよい。

上記構成を有する制御装置１０において、システム同定部２０が決定する数式モデルＭは、伝達関数及びＡＲＸモデル（autoregressive model with exogenous input）のうちの、いずれかを用いて作成することができる。この場合、数式モデルＭを、二慣性系モデルに近似することが有利である。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、物体を移動させる駆動源としての電動機の制御装置において、物体移動系の高精度で比較的単純な数式モデルに基づいて、物体上の所望点（例えば加工点）の動作（速度、振動等）を推定でき、以って、高度な演算能力を要することなく実用水準の制御応答性を確保して、物体上の所望点の高精度の動作制御を実現できる制御装置が提供される。本発明に係る制御装置は、工作機械等の加工機においてワークを移動させる駆動源としての電動機の制御装置として好適に適用できるが、それに限らず、物体移動系の観測出力を検出する検出器を物体の所望点に設置できない状況下で、機構部の振動等を考慮に入れて当該所望点を適確に制御することが要求される用途において、前述した格別の作用効果を奏するものである。

本発明に係る電動機制御装置の基本構成を示す機能ブロック図である。 図１の制御装置を適用した物体移動系の１つの具体例を模式図的に示す図である。

符号の説明

１０ 制御装置
１２ 物体
１４ 電動機
１６ 加速度検出部
１８ 運転情報取得部
２０ システム同定部
２２ 制御部

Claims (10)

1. 物体を移動させる電動機の制御装置であって、
   物体の加速度を検出する加速度検出部と、
   電動機の運転情報を取得する運転情報取得部と、
   前記加速度検出部が検出した前記物体の加速度情報と前記運転情報取得部が取得した前記電動機の運転情報とに基づいて、前記物体の移動系の数式モデルを決定するシステム同定部と、
   前記システム同定部が決定した前記数式モデルを用いて、前記電動機の運転を制御する制御部と、
   を具備することを特徴とする制御装置。
2. 前記運転情報取得部が取得する前記運転情報は、前記電動機の電流情報を含む、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記電流情報は、前記電動機に指令される電流指令値である、請求項２に記載の制御装置。
4. 前記電流情報は、前記電動機で検出される電流検出値である、請求項２に記載の制御装置。
5. 前記運転情報取得部が取得する前記運転情報は、前記電動機の速度情報を含む、請求項１又は２に記載の制御装置。
6. 前記速度情報は、前記電動機に指令される速度指令値である、請求項５に記載の制御装置。
7. 前記速度情報は、前記電動機で検出される速度検出値である、請求項５に記載の制御装置。
8. 前記数式モデルは、伝達関数及びＡＲＸモデルのうちいずれかを用いて作成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御装置。
9. 前記数式モデルが、二慣性系モデルに近似される、請求項８に記載の制御装置。
10. 前記物体が、加工機によって加工されるワークであり、前記加速度検出部は、該ワークの加工点に近接する領域の加速度を検出する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の制御装置。

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