JP2007272720A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重力軸の位置を制御しつつ電動機の回転軸を迅速に停止させる。
【解決手段】電動機制御装置(10)が、電動機(20)により駆動される機械可動部(24)の位置を検出する第一位置検出手段(31)と、電動機の回転軸(21)の位置を検出する第二位置検出手段(32)と、電動機の回転軸を通常動作させる通常動作時移動指令(Mc)を出力する通常動作時移動指令出力手段(12)と、電動機の回転軸を停止させる停止時移動指令(Mc0)を出力する停止時移動指令出力手段(13)とを具備する。電動機制御装置は、通常時には、通常動作時移動指令を出力すると共に第一位置検出手段によって検出される機械可動部の位置に基づいてフィードバック制御しており、第一位置検出手段に異常が生じた場合には、停止時移動指令を出力するように切換えると共に第二位置検出手段によって検出される電動機の回転軸の位置に基づいてフィードバック制御するよう切換えて、電動機を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械、産業機械における送り軸および産業用ロボットのアーム等の軸に連結されたサーボモータ等の電動機を制御する電動機制御装置に関する。

工作機械、産業機械における送り軸および産業用ロボットのアーム等の軸（機械可動部）には、サーボモータ等の電動機が連結されている。このような電動機によって機械可動部の位置を制御する際には、位置検出器に検出された機械可動部または電動機の回転軸の位置に基づいてフィードバック制御を行っている。機械可動部を駆動する電動機の位置を制御して機械可動部の位置をフィードバック制御するセミクローズドループ制御においては、ロータリエンコーダ等の位置検出器によって電動機の位置を検出している。また、リニアスケール等の位置検出器によって機械可動部の位置を検出し、位置をフィードバック制御するフルクローズドループ制御も採用されている。

このような電動機が非常停止または停電などによって制御状態から非制御状態になったときには、通常はダイナミックブレーキを用いて電動機の回転軸を停止させている。しかしながら、ダイナミックブレーキの減速トルクは電磁ブレーキの減速トルクよりも大きいものの、それほど大きいわけではないので、電動機の回転軸が停止するのに比較的長い時間が必要とされる。また、回転軸に例えば重力が作用している場合、つまり軸が重力軸である場合には、電動機が非制御状態になると、重力軸は落下することになる。

特許文献１においては、電動機が制御状態から非制御状態になったときには、ブレーキ装置のバックラッシ量以上の所定量だけ重力軸を上昇させる指示を与えるようにし、重力軸の落下を防止している。ところが、特許文献１においては、重力軸を位置制御するようにしているので、位置制御で用いられる位置検出器に異常が生じた場合には、重力軸を上昇させることはできない。これに対し、特許文献２においては、フルクローズド側の位置検出器に異常が生じた場合に、機械可動部の制御を位置制御から速度制御に切換えて機械可動部を停止させるようにしている。このため、特許文献２においては、位置検出器に異常が生じた場合であっても機械可動部を制御することはできる。
特許第３６１６７５９号明細書 特開平１０−２７７８８７号公報

しかしながら、特許文献２においては、機械可動部の制御を速度制御に切換えてしまっているので、機械可動部に対してそれ以上の位置制御を行うことはできない。このため、特許文献２においては、位置検出器に異常が生じた場合には、重力軸の位置を維持または上昇させる制御を行うことはできない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、重力軸の位置を制御しつつ電動機を迅速に停止させることのできる電動機制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、電動機により駆動される機械可動部の位置を検出する第一の位置検出手段と、前記電動機の回転軸の位置を検出する第二の位置検出手段と、前記電動機の前記回転軸を通常動作させる通常動作時移動指令を出力する通常動作時移動指令出力手段と、前記電動機の前記回転軸を停止させる停止時移動指令を出力する停止時移動指令出力手段とを具備し、通常時には、前記通常動作時移動指令出力手段からの通常動作時移動指令を出力すると共に、前記第一の位置検出手段によって検出される前記機械可動部の位置に基づいてフィードバック制御しており、前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合には、前記停止時移動指令出力手段からの前記停止時移動指令を出力するように切換えると共に前記第二の位置検出手段によって検出される前記電動機の回転軸の位置に基づいてフィードバック制御するよう切換え、それにより、前記電動機を停止させるようにした電動機制御装置が提供される。

すなわち１番目の発明においては、位置フィードバックを機械可動部の位置から電動機の回転軸の位置に切換えて、つまりフルクローズド側からセミクローズド側に切換えて位置制御を行っている。つまり、１番目の発明においては、切換後においても位置制御を行うようにしているので、重力軸の位置を制御することができる。さらに、位置制御により回転軸を停止させるようにしているので、ダイナミックブレーキを用いる場合と比較して、電動機を迅速に停止させることができる。停止時移動指令は例えば零でありうる。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合に、前記通常動作時移動指令出力手段または前記停止時移動指令出力手段からの移動指令と前記機械可動部または前記電動機の回転軸の位置との間の偏差に基づいて作成される位置偏差の初期値を零にするようにした。
すなわち２番目の発明においては、フルクローズド側からセミクローズド側への切換動作を行ったときの電動機の回転軸の位置において、当該回転軸を停止させられる。

３番目の発明によれば、１番目の発明において、前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合に、前記通常動作時移動指令出力手段または前記停止時移動指令出力手段からの移動指令と前記機械可動部または前記電動機の回転軸の位置との間の偏差に基づいて作成される位置偏差の初期値は、前記第一の位置検出手段に異常が生じたときから前記電動機が停止するまでに移動した前記電動機の回転軸を戻すように選択される。
すなわち３番目の発明においては、フルクローズド側からセミクローズド側への切換動作を行ったときの電動機の回転軸の位置よりも時間的に前の位置まで回転軸を移動させ、軸が重力により落下するのを防ぐ。

４番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、前記電動機の回転軸の速度を検出する速度検出手段を具備し、前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合に、前記通常動作時移動指令出力手段または前記停止時移動指令出力手段からの移動指令と前記機械可動部または前記電動機の回転軸の位置との間の偏差に基づいて作成される位置偏差の初期値は、前記切換動作を行うときの前記速度検出手段により検出された前記電動機の回転軸の速度に基づいて算出される。
すなわち４番目の発明においては、フルクローズド側からセミクローズド側への切換動作の前後における電動機の回転軸の速度が不連続になるのを回避できる。その結果、速度変化に段差が生じて、電動機制御装置、電動機および機械可動部に衝撃が発生するのを防止できる。

５番目の発明によれば、１番目の発明において、前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合における前記停止時移動指令出力手段からの前記停止時移動指令は、零とは異なる値である。
すなわち５番目の発明においては、停止時移動指令が零である場合に発生しうるオーバーシュートを回避することが可能である。

６番目の発明によれば、１番目の発明において、前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合における前記停止時移動指令出力手段からの前記停止時移動指令は、前記第一の位置検出手段に異常が生じたときからの経過時間に応じて一次関数的に減少する。
すなわち６番目の発明においては、回転軸が等加速度で運動するようになるので、回転軸を円滑かつ迅速に停止させられる。なお、停止時移動指令が、前記経過時間に応じて二次関数的または指数関数的に減少するようにしてもよい。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく電動機制御装置の機能ブロック図である。電動機であるサーボモータ２０の回転軸２１は連結部２２を介してボールネジ機構の送りネジ軸２５に接続されている。ボールネジ機構のナット２６は機械可動部２４に連結されている。このため、機械可動部２４はボールネジ機構の動作に応じて送りネジ軸２５に沿って前進／後退運動する。

本発明の電動機制御装置１０はデジタルコンピュータから構成されており、図示されるように機械可動部２４に隣接して配置された第一位置検出器３１、例えばリニアスケールを含んでいる。第一位置検出器３１は、機械可動部２４におけるナット２６の位置情報、つまりフルクローズド側位置情報を検出し、これをフィードバックする。なお、第一位置検出器３１により検出される位置情報は厳密にはナット２６の単位時間当たりの移動量Ｍｄ１である。ナット２６の単位時間当たりの移動量Ｍｄ１は機械可動部２４の単位時間当たりの移動量を表す。

また、電動機制御装置１０は、サーボモータ２０に取付けられた第二位置検出器３２、例えばロータリエンコーダも含んでいる。第二位置検出器３２は、サーボモータ２０の回転軸２１の位置情報、つまりセミクローズド側位置情報を検出して変換係数を乗じた上でフィードバックする。なお、第二位置検出器３２により検出される位置情報は厳密には回転軸２１の単位時間当たりの移動量Ｍｄ２である。

さらに、電動機制御装置１０は第一位置検出器３１により検出された機械可動部２４の移動量Ｍｄ１と第二位置検出器３２により検出された回転軸２１の移動量Ｍｄ２とを切換える第一スイッチ４１を備えている。図示されるように、第一スイッチ４１は通常は機械可動部２４の移動量Ｍｄ１を伝達するように接点１ａ側に切換えられている。

また、電動機制御装置１０は第一位置検出器３１に異常が生じたことを検出する異常検出部１１を備えている。具体的には、異常検出部１１は、第一位置検出器３１が位置検出不能になったとき等に発する異常信号を受信して、第一位置検出器３１に異常が発生したことを検知する。

さらに、電動機制御装置１０は通常動作するときのサーボモータ２０の移動指令Ｍｃを出力する通常動作時移動指令出力部１２と、サーボモータ２０を停止させるときのサーボモータ２０の停止時移動指令Ｍｃ０を出力する停止時移動指令出力部１３とを含んでいる。停止時移動指令Ｍｃ０は例えば零であってもよい。

また、図１には、サーボモータ２０の回転軸２１の速度を検出する速度検出器３３が設けられている。なお、回転軸２１の速度は、第二位置検出器３２により得られた単位時間当たりの移動量に基づいて算出するようにしてもよい。

図示されるように、電動機制御装置１０の第一スイッチ４１が第一位置検出器３１からの移動量Ｍｄ１と第二位置検出器３２から得られて変換係数が乗算された移動量Ｍｄ２とを切換えられるようになっている。第一スイッチ４１は通常は第一位置検出器３１からの移動量Ｍｄ１が出力されるように接点１ａ側に切換えられている。

さらに、図示されるように、電動機制御装置１０の第二スイッチ４２が通常動作時移動指令出力部１２からの移動指令Ｍｃと停止時移動指令出力部１３からの停止時移動指令Ｍｃ０とを切換えられるようになっている。第二スイッチ４２は通常は通常動作時移動指令出力部１２からの移動指令Ｍｃが出力されるように接点２ａ側に切換えられている。

通常動作時には、偏差算出部１９において、通常動作時移動指令出力部１２からの移動指令Ｍｃからフルクローズド側の位置情報、つまり移動量Ｍｄ１が減算され、偏差ΔＭ（＝Ｍｃ−Ｍｄ１）として算出される。偏差ΔＭは積算回路１４において順次積算され、位置偏差Ｍとして算出される。位置偏差Ｍは公知の手法でポジションゲイン１５が乗じられた状態で速度制御器１６に伝達され、次いで速度制御器１６において速度指令が作成される。その後、速度指令は電流制御器１７に伝達され、電流制御器１７において電流指令が作成される。電流指令はアンプ１８によって増幅された後で、サーボモータ２０に伝達され、回転軸２１が速度指令に応じて回転するようになる。

図２は本発明に基づく電動機制御装置の概略フローチャートを示す図である。以下、図１および図２を参照しつつ、第一位置検出器３１に異常が生じたときの電動機制御装置１０の動作について説明する。

図２に示されるフローチャートのステップ１０１において、電動機制御装置１０の異常検出部１１によって、機械可動部２４用の第一位置検出器３１の異常が検出される。すなわち、異常検出部１１が、第一位置検出器３１が位置検出不能になったとき等に発する異常信号を受信して、第一位置検出器３１の異常を検出する。

次いで、ステップ１０２において、電動機制御装置１０の異常検出部１１は第一スイッチ４１を接点１ａ側から接点１ｂ側に切換える。これにより、第二位置検出器３２からのセミクローズド側位置情報、つまり移動量Ｍｄ２が出力されるようになる。従って、この場合には、偏差算出部１９においては偏差ΔＭがΔＭ（＝Ｍｃ−Ｍｄ２）として一時的に算出されることになる。

ステップ１０３に示されるように、第一スイッチ４１の切換作業と同時に、異常検出部１１は第二スイッチ４２を接点２ａ側から接点２ｂ側に切換える。これにより、停止時移動指令出力部１３からの停止時移動指令Ｍｃ０が出力されるようになる。これにより、偏差算出部１９における偏差ΔＭはΔＭ（＝Ｍｃ０−Ｍｄ２）として算出される。

つまり、本発明においては第一位置検出器３１に異常が生じた場合に位置制御から速度制御に切換えるのではなく、フルクローズド側の位置情報Ｍｄ１からセミクローズド側の位置情報Ｍｄ２に切換えることによって、位置制御を引続き行うようにしている。このため、本発明においては、第一位置検出器３１の異常発生後においても、回転軸２１を位置制御することができる。従って、本発明においては、異常発生後においても位置制御を行うことにより、重力軸の落下を防止できる。

さらに、本発明においては、第一位置検出器３１の異常発生時に位置制御を継続して行いつつ、停止時移動指令出力部１３から停止時移動指令Ｍｃ０を出力するようにしている。停止時移動指令Ｍｃ０は例えば零であり、このような場合には、ダイナミックブレーキを用いる場合と比較して、サーボモータ２０の回転軸２１を迅速に停止させられる。

ところで、第一位置検出器３１に異常が生じた場合には、第一スイッチ４１および第二スイッチ４２による切換動作を行った後における位置偏差Ｍを零により初期化するようにしてもよい。このような操作により、サーボモータ２０の回転軸２１は、切換動作を行ったときの位置に停止させられる。

なお、偏差ΔＭは、第一スイッチ４１の切換動作前の偏差ΔＭ（＝Ｍｃ−Ｍｄ１）と、第一スイッチ４１および第二スイッチ４２の両方の切換動作後の偏差ΔＭ（＝Ｍｃ０−Ｍｄ２）とを含むものとする。

本発明の他の実施形態においては、第一スイッチ４１および第二スイッチ４２による切換動作を行った後における位置偏差Ｍを、零とは異なる所定の値により初期化してもよい。この所定の値は、第一位置検出器３１に異常が生じたときからサーボモータ２０の回転軸２１が停止するまでに移動した回転軸２１を第一位置検出器３１に異常が生じたときの位置まで戻すのに十分な値である。この所定の値は実験等により予め求められていて、電動機制御装置１０の記憶部（図示しない）に予め記憶されているものとする。

このような所定の値を設定することは、回転軸２１が重力の作用を受ける重力軸である場合に特に有利である。すなわち、このような場合には、所定の値は、第一位置検出器３１の異常発生から回転軸２１の停止までに落下した分だけ回転軸２１を引上げるように選択される。これにより、重力軸が落下するのを防止できることが分かるであろう。

また、本発明のさらに他の実施形態においては、第一スイッチ４１および第二スイッチ４２による切換動作を行った後における位置偏差Ｍは、サーボモータ２０の回転軸２１の速度、特に第一スイッチ４１および第二スイッチ４２の切換動作時における回転軸２１の速度Ｖ１に基づいて算出される。言い換えれば、速度Ｖ１は第一位置検出器３１の異常発生時における回転軸２１の速度である。回転軸２１の速度Ｖ１は速度検出器３３により検出するか、または第二位置検出器３２の検出結果から算出される。

本発明のさらに他の実施形態においては、速度検出器３３または第二位置検出器３２から得られた回転軸２１の速度Ｖ１に所定の係数ｋを乗算した値ｋ・Ｖ１によって位置偏差Ｍを初期化する。係数ｋは操作者が選択する所定の値である。すなわち、第一スイッチ４１および第二スイッチ４２による切換動作時における回転軸２１の速度Ｖ１に基づいて位置偏差Ｍを初期化するようにしているので、切換操作の前後における回転軸２１の速度が大幅に変化するのを避けられる。従って、本発明においては、第一スイッチ４１および第二スイッチ４２による切換動作の前後において電動機制御装置、電動機および機械可動部に衝撃が発生するのを防止できる。

前述した実施形態においては停止時移動指令出力部１３から出力される停止時移動指令Ｍｃ０を零にする場合があるが、このような場合には切換操作の後に回転軸２１のオーバーシュートが発生する可能性がある。オーバーシュートを回避するために、さらに別の実施形態においては、停止時移動指令出力部１３から出力される停止時移動指令Ｍｃ０を零とは異なる他の値にしている。この他の値は、第一位置検出器３１の異常発生時における回転軸２１の速度Ｖ１を用いて以下のように算出される。

本実施形態においては、速度Ｖ１に所定の係数ｋを乗算することにより、停止時移動指令Ｍｃ０（＝ｋ・Ｖ１）を作成している。この係数ｋは前述した実施形態における係数ｋと同じであってもよい。次いで、操作者が回転軸２１を停止させる際の所定の加速度ａに基づいて、異常発生後の回転軸２１の速度Ｖを式（１）のように定める。
Ｖ＝Ｖ１−ａ・ｔ 式（１）
なお、式（１）において文字ｔは時間を示す。所定の加速度ａはサーボモータ２０の最大トルクとイナーシャから定まる最大加速度ａｍａｘよりも小さい値であり、回転軸２１を停止させるのに適した値として選択される。

式（１）を用いることにより停止時移動指令Ｍｃ０は式（２）により表される。
Ｍｃ０＝ｋ・（Ｖ１−ａ・ｔ） 式（２）
図３は切換操作後の経過時間と移動指令との関係を示す図であり、式（２）をグラフ化したものである。図３において横軸は時間を示しており、縦軸は停止時移動指令Ｍｃ０を示す。

図３における時刻ｔ０において第一位置検出器３１に異常が発生したとすると、回転軸２１は実線Ｘ１で示されるように等加速度運動して時刻ｋ・ｖ１／ａにおいて停止する。本実施形態においては、回転軸２１を所定の加速度ａで等加速度運動させるようにしているので、回転軸２１は円滑かつ迅速に停止する。また、時刻ｔ０における停止時移動指令Ｍｃ０は零ではないので、回転軸２１のオーバーシュートが生じることも防止できる。操作者が回転軸２１のさらに迅速な停止を望む場合にはより大きい加速度ａを選択すれば足り、衝撃をさらに抑えることを望む場合にはより小さい加速度ａを選択すれば足りる。なお、図３において破線Ｘ２で示されるように、停止時移動指令Ｍｃ０が時間に応じて二次関数的または指数関数的に減少するようすることも、本発明の範囲に含まれる。

本発明に基づく電動機制御装置の機能ブロック図である。 本発明に基づく電動機制御装置の概略フローチャートを示す図である。 切換操作後の経過時間と移動指令との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 電動機制御装置
１１ 異常検出部
１２ 通常動作時移動指令出力部
１３ 停止時移動指令出力部
１９ 偏差算出部
２０ サーボモータ
２１ 回転軸
２４ 機械可動部
３１ 第一位置検出器
３２ 第二位置検出器
３３ 速度検出器
４１ 第一スイッチ
４２ 第二スイッチ
Ｍ 位置偏差
Ｍｃ 通常時移動指令
Ｍｃ０ 停止時移動指令
Ｍｄ１ 位置情報
Ｍｄ２ 位置情報
ΔＭ 偏差

Claims (6)

1. 電動機により駆動される機械可動部の位置を検出する第一の位置検出手段と、
   前記電動機の回転軸の位置を検出する第二の位置検出手段と、
   前記電動機の前記回転軸を通常動作させる通常動作時移動指令を出力する通常動作時移動指令出力手段と、
   前記電動機の前記回転軸を停止させる停止時移動指令を出力する停止時移動指令出力手段とを具備し、
   通常時には、前記通常動作時移動指令出力手段からの通常動作時移動指令を出力すると共に前記第一の位置検出手段によって検出される前記機械可動部の位置に基づいてフィードバック制御しており、
   前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合には、前記停止時移動指令出力手段からの前記停止時移動指令を出力するように切換えると共に前記第二の位置検出手段によって検出される前記電動機の回転軸の位置に基づいてフィードバック制御するよう切換え、それにより、前記電動機を停止させるようにした電動機制御装置。
2. 前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合に、前記通常動作時移動指令出力手段または前記停止時移動指令出力手段からの移動指令と前記機械可動部または前記電動機の回転軸の位置との間の偏差に基づいて作成される位置偏差の初期値を零にするようにした請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合に、前記通常動作時移動指令出力手段または前記停止時移動指令出力手段からの移動指令と前記機械可動部または前記電動機の回転軸の位置との間の偏差に基づいて作成される位置偏差の初期値は、前記第一の位置検出手段に異常が生じたときから前記電動機が停止するまでに移動した前記電動機の回転軸を戻すように選択される請求項１に記載の電動機制御装置。
4. さらに、前記電動機の回転軸の速度を検出する速度検出手段を具備し、
   前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合に、前記通常動作時移動指令出力手段または前記停止時移動指令出力手段からの移動指令と前記機械可動部または前記電動機の回転軸の位置との間の偏差に基づいて作成される位置偏差の初期値は、前記切換動作を行うときの前記速度検出手段により検出された前記電動機の回転軸の速度に基づいて算出される請求項１に記載の電動機制御装置。
5. 前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合における前記停止時移動指令出力手段からの前記停止時移動指令は、零とは異なる値である請求項１に記載の電動機制御装置。
6. 前記第一の位置検出手段に異常が生じた場合における前記停止時移動指令出力手段からの前記停止時移動指令は、前記第一の位置検出手段に異常が生じたときからの経過時間に応じて一次関数的に減少する請求項１に記載の電動機制御装置。

Images