JP2007336705A - モータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】伝動機構を介してモータによって駆動される被駆動体に発生した振動を確実に低減させることを可能にする。
【解決手段】モータ制御装置10は、伝動機構104を介してモータ102によって駆動される被駆動体106の加速度を検出して、検出された被駆動体106の加速度に基づいて補正指令を求め、求められた補正指令によってモータ102に対する動作指令を補正した後、補正された動作指令に基づいてモータ102の動作を制御する。このとき、位相調整手段26によって、伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動に対する補正指令を表す補正指令信号の位相を調整可能に変更した後に、動作指令を表す動作指令信号に補正指令信号を合成するようにした。
【選択図】図2

Description

本発明は、伝動機構を介してモータによって駆動される被駆動体に発生する振動を低減させるように制御するモータ制御装置に関する。
ボールねじ機構などの伝動機構を介してモータによって被駆動体を駆動する装置では、伝動機構の固有振動などに起因して被駆動体に望まない振動が発生することがある。このような伝動機構の固有振動などに起因した被駆動体の振動は、被駆動体の動作を不安定にさせるので制御上好ましくない。
そこで、伝動機構の固有振動に起因した被駆動体の振動を低減させるために、例えば特許文献1に記載されているように、被駆動体に加速度センサを取り付け、加速度センサによって検出された被駆動体の加速度(加速度フィードバック)にゲインを掛けて補正指令を求め、所望される被駆動体の動作に基づいて定められたモータに対する動作指令に補正指令をそのまま加算又は減算することにより動作指令を補正し、補正された動作指令に基づいてモータを制御することが一般的であった。
特開平6−91482号公報
上記のように伝動機構を介してモータによって被駆動体を駆動する装置では、動作指令に基づくモータの動作すなわち駆動力は、伝動機構を介して被駆動体に伝達されるため、モータが動作指令を受けてからその動作指令に応じた動作が被駆動体に反映されるまでには、遅れ時間が生じる。ところが、従来の装置では、このような伝動機構による遅れ時間を考慮することなく、補正指令をそのまま動作指令に加算又は減算していた。このため、補正指令を表す補正指令信号と動作指令を表す動作指令信号とを合成することにより補正された動作指令信号に基づいてモータを制御しても、伝動機構の固有振動に起因して発生した被駆動体の振動を十分に低減させることができないことがあった。
よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解決して、モータによって伝動機構を介して駆動される被駆動体に発生した振動を確実に低減させることを可能にすることにある。
上記目的に鑑み、本発明は、伝動機構を介してモータによって駆動される被駆動体の加速度を検出して、検出された被駆動体の加速度に基づいて補正指令を求め、求められた補正指令によってモータに対する動作指令を補正した後、補正された動作指令に基づいてモータの動作を制御し、前記被駆動体に発生する振動を低減させるモータ制御装置であって、前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動に対する前記補正指令を表す補正指令信号の位相を調整可能に変更した後に、前記動作指令を表す動作指令信号に前記補正指令信号を合成する位相調整手段を備えるモータ制御装置を提供する。
前記位相調整手段において、前記補正指令信号の位相は、前記補正指令信号に基づいて前記モータから前記伝動機構を介して前記被駆動体に伝達された振動が前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動を相殺させるように調整されることが好ましい。前記位相調整手段において、前記補正指令信号の位相は、前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動と、前記補正指令信号に基づいて前記モータから前記伝動機構を介して前記被駆動体に伝達された振動との位相のずれが180°となるように、調整されることがさらに好ましい。
前記位相調整手段は、前記補正指令信号を前記動作指令信号に加えるタイミングを変更することにより、前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動に対する前記補正指令信号の位相を変更することができる。例えば、前記位相調整手段は、前記補正指令信号を予め設定された時間だけ保持できるバッファ記憶装置とすることができる。
また、前記位相調整手段は、入力される信号に対して出力される信号の位相を変化させることにより、前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動に対する前記補正指令信号の位相を変更することができる。例えば、前記位相調整手段は、PIDフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタである。
前記位相調整手段は、バッファ記憶装置、PIDフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ及びそれらの組み合わせの何れかとすることができる。
また、前記位相調整手段は、過去の補正指令信号に基づいて、予め定められた時間経過後の補正指令信号を予測する予測器としてもよい。
本発明のモータ制御装置は位相調整手段を備え、位相調整手段によって、伝動機構の固有振動に起因して発生した被駆動体の振動に対する補正指令信号の位相を調整可能に変更することができるようになっている。したがって、被駆動体の加速度から補正指令信号を作成するのに要する時間やモータから伝動機構を介して被駆動体に振動が伝達されるまでの遅れ時間があっても、それらの遅れ時間によって生じる補正指令信号(合成後の動作指令信号のうちの補正指令信号成分)に基づいてモータによって発生させる被駆動体の振動の位相と伝動機構の固有振動に起因して発生した被駆動体の振動の位相とのずれを解消させるように、伝動機構の固有振動に起因して発生した被駆動体の振動に対する補正指令信号の位相を調整することによって、伝動機構の固有振動に起因して発生した被駆動体の振動を確実に低減させることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
最初に、図1を参照して、本発明による制御装置10を用いた駆動機構100の全体構成を説明する。このような駆動機構100は、工作機械のテーブルの駆動のためなど様々な分野において用いられる。駆動機構100は、モータ102と、伝動機構104を介してモータ102によって駆動されるテーブルなどの被駆動体106と、被駆動体106の速度を検出する速度検出器108と、被駆動体に取り付けられ被駆動体の加速度を検出する加速度検出器110とを備え、その動作は、速度検出器108によって検出された被駆動体106の速度と加速度検出器110によって検出された被駆動体106の加速度とに基づいて、モータ制御装置10によって制御される。モータ102としては例えばサーボモータなどを使用することができる。また、伝動機構としては例えばボールねじ機構などを使用することができる。
被駆動体106の速度と被駆動体106を駆動するモータ102の回転速度は比例することから、図1に示されているように、速度検出器108として、モータ102に取り付けられたエンコーダなどを使用し、被駆動体106の速度に代えて、モータ102の回転速度を検出することが一般的である。しかしながら、被駆動体106に速度検出器を取り付けて被駆動体106の速度を検出してもよく、被駆動体106に位置検出器を取り付けてその出力を微分することにより被駆動体106の速度を検出してもよい。
次に、図2から図4を参照して、本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置10の全体構成を説明する。図2は本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置の機能ブロック図、図3は図2のモータ制御装置の速度制御処理部の構成の一例を示す機能ブロック図、図4は図2のモータ制御装置の補正指令作成部の構成の一例を示す機能ブロック図である。
モータ制御装置10は、所望される速度で被駆動体106が移動するようにモータ102を制御する。ここでは、図1に示されているように、被駆動体106の速度に代えて、被駆動体106の速度と相関するモータ102の回転速度を検出し、検出されたモータ102の回転速度に基づいて、モータ102をフィードバック制御する場合を説明する。モータ制御装置10は、速度検出器108によって検出されたモータ102の速度をモータ速度検出部12を通して取得すると共に、加速度検出器110によって検出された被駆動体106の加速度を被駆動体加速度検出部14を通して取得する。
モータ制御装置10は、さらに、速度指令作成部16と、速度制御処理部18と、電流制御処理部20と、動作指令補正処理部22を備える。
速度指令作成部16は、プログラムなどによって指示された被駆動体106の速度に応じてモータ102に対する速度指令Vcを作成する。速度指令Vcは、プログラムなどによって指示された被駆動体106の移動速度に対応するモータ102の回転速度を指示する。
速度制御処理部18は、速度フィードバック制御を行う部分であり、速度指令作成部16によって作成された速度指令Vcと速度検出器108によって検出されてモータ速度検出部12を通してフィードバックされたモータ102の回転速度(速度フィードバック)Vfbとの差分すなわち速度偏差Verrを演算し、演算により求められた速度偏差Verrから以下の式(1)に基づいて、動作指令としてトルク指令Tcを作成する。
Figure 2007336705
ここで、tは時間である。また、Kpvはトルク指令作成用比例制御器係数、Kivはトルク指令作成用積分器係数であり、予め実験等により定められる定数である。
速度制御処理部18は、例えば、図3に示されているように、速度偏差Verrを増幅する比例ゲイン項32と、速度偏差Verrを積分する積分項34と、積分項34の出力を増幅する積分ゲイン項36とによって構成され得る。
動作指令補正処理部22は、伝動機構104の固有振動に起因して発生する被駆動体106の振動を低減させ、被駆動体106の挙動の安定化及び高精度の速度制御を実現するために設けられたものである。動作指令補正処理部22は、速度制御処理部18によって動作指令として作成されたトルク指令Tcを補正するための補正指令を作成する補正指令作成部24を含む。補正指令作成部24は、図4に示されているように、加速度ゲイン項38によって構成されており、加速度検出器110によって検出され被駆動体加速度検出部14を通して取得された被駆動体106の加速度(加速度フィードバック)Afbから以下の式(2)に基づいて、補正指令としてトルク補正指令Tpを作成する。
Tp=Ks×Afb …(2)
動作指令補正処理部22は、このようにして求めたトルク補正指令(補正指令)Tpの集合によって構成されるトルク補正指令信号を速度制御処理部18から出力されるトルク指令(動作指令)Tcの集合によって構成される動作指令信号に合成することによって動作指令信号の補正を行う。
加速度検出器110によって検出される被駆動体106の加速度の周期は被駆動体106に発生する振動の周期と一致するので、検出された被駆動体106の加速度に加速度ゲインKsをかけることにより求められるトルク補正指令からなるトルク補正指令信号の振動周期と被駆動体106の振動周期も概ね一致する。したがって、トルク補正指令信号で補正された動作指令信号のうちのトルク補正指令信号成分によって被駆動体106に生じさせる振動で、伝動機構104の固有振動に起因して被駆動体106に発生した振動を相殺するためには、トルク補正指令信号成分によって被駆動体106に生じさせる振動と伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動との位相のずれが180°になっていればよい。
一方、トルク補正指令信号成分による振動が被駆動体106の挙動に反映されるには、トルク補正指令信号成分によって生じた振動がモータ102から伝動機構104を介して被駆動体106に伝達される必要があり、遅れ時間を伴う。また、被駆動体106の加速度からトルク補正指令を作成するまでにもある程度の遅れ時間が存在する。このため、これらの遅れ時間に応じて、被駆動体106の振動に対するトルク補正指令信号の位相を調整しなければ、トルク補正指令信号成分によって被駆動体106に生じさせる振動によって、伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動を確実に相殺することはできない。
そこで、本発明のモータ制御装置10は、伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動に対するトルク補正指令信号の位相を調整可能に変更するための位相調整部26をさらに備える。位相調整部26は、図5に示されているように、トルク補正指令信号成分による被駆動体106の振動の位相が伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動の位相とのずれが180°になるように、伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動に対するトルク補正指令信号の位相を調整した後に、トルク補正指令信号をトルク指令信号(動作指令信号)に合成することによってトルク指令信号を補正する。トルク補正指令信号によるトルク指令信号(動作指令信号)の補正、すなわちトルク補正指令信号とトルク指令信号(動作指令信号)の合成は、トルク補正指令信号中の各トルク補正指令の値とトルク指令信号(動作指令信号)中の各トルク指令(動作指令)の値との加算によって行われる。
電流制御処理部20は、速度制御処理部18によって作成されたトルク指令Tcとトルク補正指令Tpとを加算することによって補正動作指令として求められた補正トルク指令Tc´から、次式(3)に基づいて、電流指令Ccを求める。
Cc=Kt×Tc´ …(3)
ここで、Ktは、モータ102のトルク定数である。
速度指令作成部16、速度制御処理部18、電流制御処理部20、動作指令補正処理部22は、それぞれの機能を果たすことができるプロセッサや、ROM又はRAMのようなメモリに記憶されているプログラム、回路等によって実現される。
このようにして本発明のモータ制御装置10によって求められた電流指令Ccは、モータドライバ28に送られる。モータドライバ28は、電流指令Ccに基づいて、アンプ30を通してモータ102に所定の電流を供給し、モータ102を駆動する。そして、モータ102によって、伝動機構104を介して被駆動体106が駆動される。
上記実施形態では、動作指令補正処理部22によって速度制御処理部18によって作成されたトルク指令Tcが補正されているが、図6に示されているように、動作指令補正処理部22´によって電流制御処理部20によって動作指令として作成された電流指令Ccが補正されてもよい。図6に示されている本発明のモータ制御装置10の第2の実施形態では、第1の実施形態と同じ部分が同じ参照番号によって示されている。
第2の実施形態の電流制御処理部20は、図1の電流制御処理部20と同じ構成を有しているが、速度制御処理部18によって作成されたトルク指令Tcを補正なしにそのまま受け取る点において、第1の実施形態と異なっている。また、第2の実施形態の補正指令作成部24´は、加速度ゲイン項によって構成されている点では補正指令作成部24と類似であるが、被駆動体106の加速度(加速度フィードバック)Afbから補正指令として電流補正指令Cpを作成する点において異なっている。
一方、位相調整部26は、第1の実施形態のものと同じ構成を有し、電流補正指令信号成分による被駆動体106の振動の位相と伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動の位相との間のずれが180°になるように、伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動に対する電流制御処理部20によって作成された電流補正指令信号の位相を調整可能に変更した後に、電流補正指令信号を電流動作指令信号(動作指令信号)に合成することによって、電流指令信号を補正する。電流補正指令信号と電流指令信号(動作指令信号)の合成は、電流補正指令信号中の各電流補正指令の値と電流指令信号(動作指令信号)中の各電流指令(動作指令)の値との加算によって行われる。
次に、図7から図11を参照して、位相調整部26の幾つかの実施形態を説明する。
図7は、位相調整部26の第1の実施形態を示す機能ブロック図である。本実施形態の位相調整部26は、位相を遅らせる遅れ要素として機能するPIDフィルタを含む。本実施形態の位相調整部26は、図7(a)のようにPIDフィルタのみによって構成されてもよく、図7(b)又は図7(c)のようにPIDフィルタとその前後に配置された後述するバッファ記憶装置やローパスフィルタのような他の位相調整手段とを組み合わせて構成されてもよい。PIDフィルタは例えば以下の式(4)によって表される。
Figure 2007336705
ここで、x(t)は入力信号、y(t)は出力信号、Kpは位相調整用比例制御器係数、Kiは位相調整用積分器係数、Kdは位相調整用微分器係数である。
位相の調整は、位相調整用比例制御器係数Kp、位相調整用積分器係数Ki及び位相調整用微分器係数Kdを変更することによって行われ、位相調整用比例制御器係数Kp、位相調整用積分器係数Ki及び位相調整用微分器係数Kdの最適な値は、伝動機構104の固有振動に起因して発生した振動が最も抑制されるように、予め実験等により定められる。
図8は、位相調整部26の第2の実施形態を示す機能ブロック図である。本実施形態の位相調整部26は、入力された補正指令信号を順次記憶し、予め定められた時間だけ保持した後に出力するバッファ記憶装置を含む。入力された動作指令信号がバッファ記憶装置によって予め定められた時間だけ保持された後に出力されることにより、補正指令信号が動作指令信号に合成されるタイミングが変更される。その結果として、被駆動体106の振動に対する補正指令信号の位相が変化する。本実施形態の位相調整部26は、図8(a)のようにバッファ記憶装置のみによって構成されてもよく、図8(b)又は図8(c)のようにバッファ記憶装置とその前後に配置されたPIDフィルタや後述するローパスフィルタのような他の位相調整手段とを組み合わせて構成されてもよい。
位相の調整は、バッファ記憶装置に補正指令信号を保持する時間を変更することによって行われる。適した信号保持時間は、伝動機構104の固有振動に起因して発生した振動が最も抑制されるように、予め実験等により定められる。
図9は、位相調整部26の第3の実施形態を示す機能ブロック図である。本実施形態の位相調整部26は、位相を遅らせる遅れ要素として機能するローパスフィルタを含む。本実施形態の位相調整部26は、図9(a)のようにローパスフィルタのみによって構成されてもよく、図9(b)又は図9(c)のようにローパスフィルタとその前後に配置されたPIDフィルタやバッファ記憶装置のような他の位相調整手段とを組み合わせて構成されてもよい。ローパスフィルタは例えば以下の式(5)によって表される。
Figure 2007336705
ここで、x(t)は入力信号、y(t)は出力信号、τは位相調整用係数である。
位相の調整は、位相調整用係数τを変更することによって行われ、位相調整用係数τの最適な値は、伝動機構104の固有振動に起因して発生した振動が最も抑制されるように、予め実験等により定められる。
図10(a)は、位相調整部26の第4の実施形態を示す機能ブロック図である。本実施形態の位相調整部26は、過去の補正指令の値に基づいて現時点から予め定められた時間経過後の補正指令の値を予測する機能を果たす予測器によって構成される。図10(b)は、予測器の予測手法の一つの例を説明するための説明図である。時刻Tにおける補正指令をRc(n)と表すとき、予測器は、所定時間ta前の時刻Tn-1(=Tn−ta)を予め記憶しておき、時刻Tn-1における補正指令Rc(n−1)と現在時刻Tnにおける補正指令Rc(n)とから補正指令Rcの変化率を算出し、時刻Tnから時刻Tn+1(=Tn+ta)までの間の補正指令Rcの変化率が時刻Tn-1から時刻Tnまでの間の補正指令Rcの変化率と等しいと仮定して、以下の式(6)に基づいて時刻Tn+1における補正指令Rc(n+1)を予測する。
Rc(n+1)=Rc(n)+(Rc(n)−Rc(n−1)) …(6)
こうして予測された補正指令Rc(n+1)を補正指令として出力することにより、結果として、伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動に対する補正指令の位相を進めることができる。
位相の調整は、予め定められた時間taを変更することによって行われ、時間taの最適な値は、伝動機構104の固有振動に起因して発生した振動が最も抑制されるように、予め実験等により定められる。
図11は、位相調整部26の第5の実施形態を示す機能ブロック図である。本実施形態の位相調整部26は、位相を進ませる位相進み要素として機能するハイパスフィルタを含む。ハイパスフィルタは例えば以下の式(7)によって表される。
Figure 2007336705
ここで、x(t)は入力信号、y(t)は出力信号、τは位相調整用係数である。
位相の調整は、位相調整用係数τを変更することによって行われ、位相調整用係数τの最適な値は、伝動機構104の固有振動に起因して発生した振動が最も抑制されるように、予め実験等により定められる。
モータ102の動作が伝動機構104を通して被駆動体106に伝達するまでに要する遅れ時間や被駆動体106の加速度から補正指令を求めるまでに要する時間は、その装置に固有の値であり、動作中には殆ど変化しない。したがって、以上で説明したような構成の位相調整部26における位相遅れ量又は位相進み量を実験等により予め調整しておけば、動作指令信号のうちの補正指令信号成分に従ってモータ104が発生させた振動は、伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動の位相と常に180°ずれた状態で被駆動体106に伝達するようになり、伝動機構104の固有振動に起因して発生した被駆動体106の振動が効果的に低減させられる。
以上、図示された実施形態に基づいて、本発明のモータ制御装置10を説明したが、本発明のモータ制御装置10は、これら実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、被駆動体106の速度に代えて、モータ102の速度を検出し、検出されたモータ102の速度に基づいて、モータ102をフィードバック制御している。しかしながら、被駆動体106の速度を検出し、検出された被駆動体106の速度に基づいて、モータ102を制御してもよい。この場合には、当業者であれば分かるように、所望される被駆動体106の速度と検出された被駆動体106の速度とに基づいてモータに対する速度指令を作成すればよい。
本発明によるモータ制御装置を用いた駆動機構の全体構成図である。 本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置の機能ブロック図である。 図2のモータ制御装置の速度制御処理部の構成の一例を示す機能ブロック図である。 図2のモータ制御装置の補正指令作成部の構成の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の原理を説明する図である。 本発明の第2の実施形態によるモータ制御装置の機能ブロック図である。 本発明のモータ制御装置の位相調整部の第1の実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明のモータ制御装置の位相調整部の第2の実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明のモータ制御装置の位相調整部の第3の実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明のモータ制御装置の位相調整部の第4の実施形態を示す機能ブロック図及び予測手法の説明図である。 本発明のモータ制御装置の位相調整部の第5の実施形態を示す機能ブロック図である。
符号の説明
10 モータ制御装置
12 モータ速度検出部
14 被駆動体加速度検出部
22 動作指令補正処理部
24 補正指令作成部
26 位相調整部
102 モータ
104 伝動機構
106 被駆動体
110 加速度検出器

Claims (11)

  1. 伝動機構を介してモータによって駆動される被駆動体の加速度を検出して、検出された被駆動体の加速度に基づいて補正指令を求め、求められた補正指令によってモータに対する動作指令を補正した後、補正された動作指令に基づいてモータの動作を制御し、前記被駆動体に発生する振動を低減させるモータ制御装置であって、
    前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動に対する前記補正指令を表す補正指令信号の位相を調整可能に変更した後に、前記動作指令を表す動作指令信号に前記補正指令信号を合成する位相調整手段を備えることを特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記位相調整手段において、前記補正指令信号の位相は、前記補正指令信号に基づいて前記モータから前記伝動機構を介して前記被駆動体に伝達された振動が前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動を相殺させるように調整される、請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 前記位相調整手段において、前記補正指令信号の位相は、前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動と、前記補正指令信号に基づいて前記モータから前記伝動機構を介して前記被駆動体に伝達された振動との位相のずれが180°となるように、調整される、請求項2に記載のモータ制御装置。
  4. 前記位相調整手段は、前記補正指令信号を前記動作指令信号に加えるタイミングを変更することにより、前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動に対する前記補正指令信号の位相を変更する、請求項1に記載のモータ制御装置。
  5. 前記位相調整手段は、前記補正指令信号を予め設定された時間だけ保持できるバッファ記憶装置である、請求項4に記載のモータ制御装置。
  6. 前記位相調整手段は、入力される信号に対して出力される信号の位相を変化させることにより、前記伝動機構の固有振動に起因して発生した前記被駆動体の振動に対する前記補正指令信号の位相を変更する、請求項1に記載のモータ制御装置。
  7. 前記位相調整手段は、PIDフィルタである、請求項6に記載のモータ制御装置。
  8. 前記位相調整手段は、ローパスフィルタである、請求項6に記載のモータ制御装置。
  9. 前記位相調整手段は、ハイパスフィルタである、請求項6に記載のモータ制御装置。
  10. 前記位相調整手段は、バッファ記憶装置、PIDフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ及びそれらの組み合わせの何れかである、請求項1に記載のモータ制御装置。
  11. 前記位相調整手段は、過去の補正指令信号に基づいて、予め定められた時間経過後の補正指令信号を予測する予測器である、請求項1に記載のモータ制御装置。
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