JP2007244140A - 出力トルク補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転時に出力トルクが減少せず、位置決め動作を短縮できる出力トルク補正方法を提供する。
【解決手段】サーボモータの回転速度によって変化する機械損を予め測定するステップ１と、ステップ１の測定値を近似式にて当てはめて回転速度における補正トルクの補正係数を求めるステップ２と、求めた補正係数の妥当性を確認し決定するステップ３と、決定した補正係数に基づき速度変化に応じて補正トルクに演算するステップ４と、前記補正トルクをトルク指令値に加算して閉ループ制御するステップ５とを備え、サーボモータを機械に組み込んで使用する際に、回転速度に応じて変化する補正トルクをリアルタイムに適用する。
【選択図】図１

Description

本発明はサーボモータの回転速度変化における機械的な補正トルクの補正に関する。

モータの出力トルクを制御する場合は、モータ内のコイルに流れる電流のレベルを制御する。この場合コイルに流す電流は、制御回路で電圧スイッチングしてＯＮ−ＯＦＦを繰り返すことで電流量をコントローする。

このため、コイルに流れる電流を電流検出器で検出してフィードバック制御し、予め定めた基準電流値と検出した電流値と比較して、基準電流値＞実電流値の時には電流を増加に、基準電流値≦実電流値の時には電流を減少に制御してトルクを制御する（例えば、特許文献１参照）。

図７に示すように、指令速度３２でモータを回転させた場合、軸受けの機械損や風損などの機械的な損失が発生するため、実際には理想トルク３４に比べて補正トルクだけ少ない出力トルク３３となり、加速時においては実速度３１の加速が高速回転領域になると鈍化して指令速度３２に追従できなくなり、目標速度到達に遅れが発生し、減速時においては高速回転領域で理想トルク３４に対して出力トルク３３が低くなるため、減速に遅れが発生してしまい、指令速度３２に対して追従できず、位置決め動作時間が長くなり、問題があった。

一方、モータの回転スピードが速くなった場合に、制御回路の演算周期の遅れによりモータ内にある回転子の位置と、制御回路で演算する位置データとのずれが大きくなり、トルク出力が下がる現象では、回転速度により制御演算周期分の実際の位置と演算でする位置データのずれを予め予測し、演算することで回転速度が上がることによるトルクの出力低下を防止している（例えば、特許文献２参照）。
特開平８―１７２７９３号公報 特開２０００―２８７４８８号公報

解決しようとする問題点は、モータ回転の指令速度に対する実速度の遅れであり、サーボ特性は、回転速度が変化してもトルク指令に追従して出力トルクは一定でなければならないが、軸受けの機械損や風損により、回転速度が上がると損失分だけトルクが落ち、結果として、位置決め動作が遅れる点である。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、高速回転時に出力トルクが減少せず、位置決め動作を短縮できる出力トルク補正方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、サーボモータの回転速度によって変化する機械損を予め測定するステップ１と、ステップ１の測定値を近似式にて当てはめて回転速度における補正トルクの補正係数を求めるステップ２と、求めた補正係数の妥当性を確認し決定するステップ３と、決定した補正係数に基づき速度変化に応じて補正トルクに演算するステップ４と、前記補正トルクをトルク指令値に加算して閉ループ制御するステップ５とを備え、サーボモータを機械に組み込んで使用する際に、回転速度に応じて変化する補正トルクをリアルタイムに適用する。

本発明の出力トルク補正方法によれば、回転速度により変化するサーボモータ内部の風損と機械損をリアルタイムに補正して適用できる。特に高速領域におけるサーボモータのトルク指令を補正して、位置決め動作時間を短縮することができる。

このように、高速領域においても速度指令に対して遅延することなく追従させることが可能となる。

サーボモータの回転速度によって変化する機械損を予め測定するステップ１と、ステップ１の測定値を近似式にて当てはめて回転速度における補正トルクの補正係数を求めるステップ２と、求めた補正係数の妥当性を確認し決定するステップ３と、決定した補正係数に基づき速度変化に応じて補正トルクに演算するステップ４と、前記補正トルクをトルク指令値に加算して閉ループ制御するステップ５とを備え、サーボモータを機械に組み込んで使用する際に、回転速度に応じて変化する補正トルクをリアルタイムに適用する。

図１はトルク補正係数決定方法のフローチャート、図２はトルク補正演算アルゴリズムのフローチャート、図３はサーボモータの構成図、図４はサーボアンプのブロック構成である。

以下、図１および図２のフローチャートに沿って、図３および図４の構成図を併用しながら説明する。

最初に、サーボモータ１が回転する際に発生する損失トルクについて述べる。損失トルクは、回転子３の回転によりサーボモータ１内部の空気との摩擦により熱としてエネルギーを消費してしまう風損と、回転子３のシャフト２を回転自在に支承するベアリング４の内輪、外輪、玉、グリスが摩擦することにより熱としてエネルギーを消費してしまう機械損とからなり、回転速度および摩擦係数に比例する。

従来のサーボシステムは、サーボモータ１内のエンコーダ５からの位置情報のフィードをサーボアンプ１１が受け取り、位置情報より演算で得られる回転速度１５に関わらずトルク指令１６に追従して出力トルク２２を制御する。このため、トルク指令１６をＣＰＵ１３で計算し、ＰＷＭの３相信号に変換して出力し、ＩＧＢＴ１９のスイッチングにより電流をサーボモータ１に供給する。

電流量１４とトルク指令１６による閉ループ制御では電流量は制御できるが、上述したサーボモータ１の損失トルクは考慮されておらず、出力軸であるシャフト２のトルクを測定すると、トルク指令＞出力トルクとなる。この差分が損失トルクであり、すなわち補正トルクに相当する。

本発明は、この損失トルクを考慮したトルク指令によって出力トルクとの整合性を向上させ、位置決め動作時間の短縮を図るものである。

ステップ１では、サーボモータ１の機械的な損失特性を予め確認するために、サーボモータ１をテストベンチに設置し、サーボモータ1のシャフト２にトルク計測装置を取り付け、サーボアンプ１１から一定の電流量を印加した状態で、定格回転速度１５におけるシャフト２から出力されるトルクを計測する（図５参照）。

この結果、トルク指令２１と出力トルク２２の差分から定格回転速度１５における補正トルク２３が得られる。

ステップ２では、ステップ１で計測した結果を基にして、定格回転速度１５と補正トルク２３の相関よりトルク補正演算１７の係数を決定する。

補正演算１７では、サーボモータ１内の風損やベアリングによる機械損は、回転速度に比例するため相関を１次式で近似させると、Ｔ＝ａ・Ｖ＋ｂ（Ｔ＝補正トルク、Ｖ＝回転速度）となる。この補正係数ａおよび補正係数ｂをパラメータとして、サーボアンプ１１に記憶させる。

ステップ３では、ステップ２で決定した補正係数ａおよび補正係数ｂに妥当性があるかを検証する。ステップ１と同様にサーボモータ１をテストベンチに設置し、サーボモータ１のシャフト２にトルク計測装置を取り付け、サーボアンプ１１はステップ２で決定した補正係数を用いて演算された補正トルクを加算した電流をサーボモータ１に印加し、回転速度を変化させて回転速度毎にシャフト２の出力トルクを計測する。

ステップ３における出力トルク２５が整合する場合はステップ２で決定した補正係数に妥当性があるとして、サーボモータ１の出荷パラメータに反映させる。整合性がない場合は、ステップ２に戻り補正係数の設定を再度実施する。

このステップ１からステップ３は、補正トルクを決定するためのデータ準備のステップで、ステップ４とステップ５に入る前に実施する。

このあと、サーボモータ１とサーボアンプ１１は、制御対象となる機械に組み込まれ、以後は機械の動作における回転速度変化に応じて、サーボモータ１の出力トルク２５に反映させる。

ステップ４では、機械に組み込んだサーボモータ１を動作させ、エンコーダ５からサーボアンプ１１にフィードバックされる位置情報よりサーボモータ１の回転速度１５が演算される。これをｖ１と定義する。サーボアンプ１１は、ステップ２で記憶しておいた１次式のトルク補正演算１７の近似式であるＴ＝ａ・Ｖ＋ｂに、現在の回転速度ｖ１をＶに代入し、現在の補正トルクｔ１＝ａ・ｖ１＋ｂにて演算する。

ステップ５では、図１のトルク指令１６に現在の補正トルクｔ１を加算した指令トルク２４を用いて、サーボモータ１に印加する電流量をコントロールするため、出力トルク２５をトルク指令１６に一致させることができる。

サーボモータ１の回転速度１５は都度変化するので、回転続行している間はステップ４に戻り回転速度ｖ２を演算し、ｖ２を近似式に代入して補正トルクｔ２＝ａ・ｖ２＋ｂを演算し、サーボモータ１の出力トルクを回転速度に応じて都度補正する。

このように、サーボモータ１の回転が続行している間は、リアルタイムに回転速度ｖｎを計測し、補正トルクｔｎ＝ａ・ｖｎ＋ｂの演算を行い、補正トルクｔｎを適用した出力トルク２５でモータ駆動を続行する。

この結果、図７のように理想のトルク出力３４に対し、トルク出力３３が不足することがなくなり、指令速度に対し高速領域においても動作遅れすることなく追従することが可能となる。

本発明の出力トルク補正方法は、サーボモータの閉ループ制御に最適であり、高速回転領域で頻繁に速度変動させて使用する用途などに有効である。

補正係数を設定するためのフローチャート 補正係数をモータ制御に反映させるためのフローチャート サーボモータの要部構成図 サーボアンプのブロック構成図 補正係数を用いない場合のスピード−トルク特性図 補正係数を用いた場合のスピード−トルク特性図 従来の位置決め動作の速度とトルクの説明図

符号の説明

１ サーボモータ
２ シャフト
３ 回転子
４ ベアリング
５ エンコーダ
１１ サーボアンプ
１２ 電流センサー
１３ ＣＰＵ
１４ 電流量
１５ 回転速度
１６ トルク指令
１７ トルク補正演算
１８ 電流制御
１９ ＩＧＢＴ
２１ 指令トルク
２２ 出力トルク
２３ 損失トルク（補正トルク）
２４ 損失を考慮した指令トルク
２５ 補正後の出力トルク

Claims (1)

1. サーボモータの回転速度によって変化する機械損を予め測定するステップ１と、ステップ１の測定値を近似式にて当てはめて回転速度における補正トルクの補正係数を求めるステップ２と、求めた補正係数の妥当性を確認し決定するステップ３と、決定した補正係数に基づき速度変化に応じて補正トルクに演算するステップ４と、前記補正トルクをトルク指令値に加算して閉ループ制御するステップ５とを備え、サーボモータを機械に組み込んで使用する際に、回転速度に応じて変化する補正トルクをリアルタイムに適用することを特徴とする出力トルク補正方法。