JP2009060744A - モータ制御装置と制御定数調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多軸サーボシステムにおいて、加減速動作時においても、所望の軸の応答を規範モデル部と同等にすることができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】速度指令とモータ速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部（１０２）とトルク指令に基づいてモータを駆動する電流制御部（１０３）とを備えた複数のモータ制御部（１０）と、外部装置と内部の入出力処理を行なう入出力処理部（１３）と、を備えたモータ制御装置において、速度指令とモデル速度のモデル速度偏差からモデルトルク指令を生成する速度制御モデル部と前記電流制御部の応答を模擬する電流制御モデル部とモデル速度を生成する積分器とを備える規範モデル部（１１）と、モデルトルク指令の絶対値の積分値とモータ制御部から選んだ少なくとも一つのトルク指令の絶対値の積分値から速度制御部の制御定数を調整する制御定数調整部（１２）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、多軸サーボシステムの制御定数を調整するモータ制御装置と制御定数調整方法に関する。

従来の多軸サーボシステムの制御定数を調整するモータ制御装置には、例えば特許文献１には第１の従来技術が開示されている。

特許文献１に開示された従来技術を、図４を用いて説明する。図４において、１Ｘ、１ＹはＸ軸、Ｙ軸に設けられた位置制御器、２Ｘ、２Ｙはパルスカウンタ、３Ｘ、３ＹはＤ／Ａ変換器、４Ｘ、４Ｙはサーボアンプ、５ＸはＸ軸駆動モータ、５ＹはＹ軸駆動モータ、６Ｘ、６Ｙはタコジェネレータ、７Ｘ、７Ｙはエンコーダであり、これらは、２軸構成の一般的なサーボモータ制御装置である。８ＲはＸ軸とＹ軸の現在位置と指令値をもとに円弧半径偏差を算出する円弧半径偏差算出装置、９Ｒは円弧半径偏差算出装置８Ｒで算出した円弧半径偏差をもとに、その正弦波成分の半振幅値を求める半振幅値算出装置、１０Ｒは半振幅値算出装置９Ｒで求めた半振幅値をもとにして位置ループゲイン比を求め、この位置ループゲイン比から新たなＹ軸の位置ループゲインを算出し、Ｙ軸の位置制御器１Ｙの位置ループゲインを更新する位置ループゲイン算出装置である。

次に、動作について説明する。まず、上記の構成において、サーボ機構により定速度円弧軌跡を発生させる。その円弧半径偏差算出装置８Ｒでは、Ｘ軸、Ｙ軸の現在位置ｘ、ｙの信号を受けて応答軌跡の円弧半径ｒを求め、指令軌跡の円弧半径ｒ_０との偏差として円弧半径偏差（ｒ_０−ｒ）を算出する。続いて、半振幅値算出装置９Ｒは、定常状態での円弧半径偏差（ｒ_０−ｒ）をもとにして、その正弦波成分の半振幅値Ｅ_１Ｒを求める。これは、例えば、円弧半径偏差の最大値及び最小値を求め、（最大値−最小値）／２で容易に求めることができる。算出した半振幅値Ｅ_１Ｒは、位置ループゲイン算出装置１０Ｒに送られ、半振幅値Ｅ_１Ｒ、指令円弧半径ｒ_０及び指令位置と応答位置の中心角偏差Δθより、Ｘ軸とＹ軸の位置ループゲインの比Ｋ_ｙ／Ｋ_ｘを１＋２Ｅ_１Ｒ／（ｒ_０（Δθ））に基づき求め、この比Ｋ_ｙ／Ｋ_ｘで位置制御器１Ｙから送られるＹ軸の比例制御ゲインＫ_ｙ１を除算して、新たなＹ軸の比例制御ゲインＫ_ｙ１を算出し、Ｙ軸の位置制御器１Ｙの比例制御ゲインを更新する。
この処理によれば、Ｙ軸の位置制御器１Ｙの比例制御ゲインをＸ軸の位置制御器１Ｘの比例制御ゲインと等しくすることができる。
以上のように、従来の多軸サーボシステムの制御定数を調整するモータ制御装置は、円弧軌跡発生時の位置データに基づき、各駆動軸の位置ループゲインが等しくなるように調整しているのである。
特開昭６３−３０８６０５号公報（第３−５頁、図３）

しかしながら、従来技術においては、各駆動軸の位置制御系のゲイン調整のみで速度制御系のゲイン調整については述べられていない。各駆動軸の位置制御系のゲインのみを同等にする場合、定速動作中の各駆動軸の応答は同等となるが、加減速動作時の応答は同等にならない場合があるという問題があった。加減速動作時の応答を同等にするには、速度制御系のゲインも同等にする必要があった。また、現在主流のマイクロコンピュータを使用したデジタルサーボシステムでは、位置制御系のゲイン調整は、各駆動軸がパラメータとして持つ位置制御系のゲインを同じ値に設定するだけでよく、調整は不要であるが、速度制御系のゲインは、モータに連結された負荷の慣性モーメントの大きさによっても変化するため、負荷を含めた上での調整が必要となる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、加減速動作時においても、所望の軸の速度応答を規範モデル部の速度応答と同等にできるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、速度指令とモータ速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と前記トルク指令に基づいてモータを駆動する電流制御部とを備えた複数のモータ制御部と、外部装置と内部の入出力処理を行なう入出力処理部と、を備えたモータ制御装置において、前記速度指令とモデル速度のモデル速度偏差からモデルトルク指令を生成する速度制御モデル部と前記電流制御部の応答を模擬する電流制御モデル部とモデル速度を生成する積分器とを備える規範モデル部と、前記モデルトルク指令の絶対値の積分値と前記モータ制御部から選んだ少なくとも一つのトルク指令の絶対値の積分値から前記速度制御部の制御定数を調整する制御定数調整部と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記制御定数調整部は、モデル速度偏差の絶対値の積分値と前記モータ制御部から選んだ少なくとも一つの速度偏差の絶対値の積分値から前記速度制御部の制御定数を調整することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載のモータ制御装置において、複数の規範モデル部を備え、複数の速度制御部を異なる速度応答の組に調整することを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記制御定数は、速度ループゲインであり、前記規範モデル部の速度ループゲインをＫｖｘ、モデルトルク指令絶対値の積分値を｜ＳＴｒｘ｜、ｎ番目の速度制御部のループゲインをＫｖｎ、トルク指令絶対値の積分値を｜ＳＴｒｎ｜としたとき、速度制御ループゲインＫｖｎは（１）式で表されることを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項２記載のモータ制御において、前記制御定数は、速度ループゲインであり、前記規範モデル部の速度ループゲインをＫｖｘ、モデル速度偏差絶対値の積分値を｜ＳＶｅｘ｜、ｎ番目の速度制御部のループゲインをＫｖｎ、速度偏差絶対値の積分値を｜ＳＶｅｎ｜としたとき、速度制御ループゲインＫｖｎは（２）式で表されることを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、速度指令とモータ速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と前記トルク指令に基づいてモータを駆動する電流制御部とを備えた複数のモータ制御部と、外部装置と内部の入出力処理を行なう入出力処理部と、を備えたモータ制御装置の制御定数調整方法において、前記速度指令とモデル速度のモデル速度偏差からモデルトルク指令を生成するステップと、前記モデルトルク指令を前記電流制御部の応答にフィルタリングするステップと、フィルタリングされたモデルトルク指令を積分しモデル速度を生成するステップと、前記モデルトルク指令の絶対値の積分値と前記モータ制御部から選んだ少なくとも一つのトルク指令の絶対値の積分値から前記速度制御部の制御定数を調整するステップと、を備えたことを特徴とするモータ制御装置の制御定数調整方法。
請求項７の発明は、請求項６記載のモータ制御装置の制御定数調整方法において、請求項６の各ステップの代わりに、前記速度指令とモデル速度のモデル速度偏差からモデルトルク指令を生成するステップと、前記モデルトルク指令を前記電流制御部の応答にフィルタリングするステップと、フィルタリングされたモデルトルク指令を積分しモデル速度を生成するステップと、前記モデル速度偏差の絶対値の積分値と前記モータ制御部から選んだ少なくとも一つの速度偏差の絶対値の積分値から前記速度制御部の制御定数を調整するステップと、を備えたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、モータ制御部の速度制御系の規範モデル部を持ち、規範モデル部のモデルトルク指令の絶対値の積分値と一つ以上の速度制御部のトルク指令の絶対値の積分値を比較して一つ以上の速度制御部の制御定数を調整しているため、一つ以上の速度制御部の速度応答を規範モデル部の速度応答と同等にすることができる。
請求項２に記載の発明によると、モータ制御部の速度制御系の規範モデル部を持ち、規範モデル部の速度偏差の絶対値の積分値と一つ以上の速度制御部の速度偏差の絶対値の積分値を比較して一つ以上の速度制御部の制御定数を調整しているため、一定トルク外乱がある場合でも一つ以上の速度制御部の速度応答を規範モデル部の速度応答と同等にすることができる。
請求項３に記載の発明によると、異なる速度応答の規範モデル部を複数備えているため、複数のモータ制御部において、速度制御部を異なる速度応答の組に調整することができる。
請求項４および５に記載の発明によると、制御定数調整部において速度ループゲインを調整しているので、加減速動作時においても、所望の軸の応答を同等にできるモータ制御装置を提供できる。
請求項６および７に記載の発明によると、速度制御部の制御定数を調整しているので，加減速動作時においても、所望の軸の応答を同等にできるモータ制御装置の制御定数調整方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のモータ制御装置の構成を示す図である。図において、１はモータ制御装置であり、２は図には示していない位置検出器を含むモータであり、負荷３が連結されている。４はモータ制御装置へ指令を与える外部装置である。モータ制御装置１は、複数のモータ制御部１０を持ち、複数のモータ２と負荷３を制御する多軸サーボシステムである。また、これらの他に、モータ制御部１０の速度制御系の規範モデルとするための規範モデル１１と、モータ制御部１０の中の速度制御部の制御定数を調整する調整部１２と、外部装置４とのデータの入出力やモータ制御装置１内のデータの入出力を処理する入出力処理部１３とで構成されている。また、モータ制御部１０は、位置制御部１０１、速度制御部１０２、電流制御部１０３で構成され、モータ２の位置、速度、電流を制御している。

本発明が特許文献１と異なる部分は、円弧半径偏差算出装置や半振幅値算出装置や位置ループゲイン算出装置を持たない点と、規範モデル部を持ち、調整部の内容が異なるという点である。

次に、動作について説明する。まず、速度制御系の応答を同等にする全ての軸に対して、外部装置４からモータ制御装置１へ同じ速度パターンの移動指令を入力する。移動指令は位置指令でも速度指令でも良いが、モータの定格トルクを発生する程度の加減速のある速度パターンとする。入出力処理部１３はその移動指令を各モータ制御部１０へ入力し、複数のモータ２を動作させる。例えば、移動指令が位置指令の場合は各位置制御部１０１へ指令を入力し、移動指令が速度指令の場合は各速度制御部１０２へ指令を入力する。なお、移動指令が位置指令の場合は、速度制御系の応答を同等にする全てのモータ制御部１０の位置制御部１０１のゲインを同じ値に設定しておく。これによって、各位置制御部１０１から各速度制御部１０２へ入力される速度指令は全て同じ指令とすることができる。次に、各速度制御部１０２へ入力された速度指令の内のどれか一つを入出力処理部１３を介して規範モデル部１１へ入力する。なお、モータ制御装置１の中で使用されるデータは、内部メモリに割り付けられており、入出力処理部１３によっていかなるデータも取り扱うことができる。

次に、規範モデル部１１へ速度指令が入力された後の動作を図２を用いて説明する。なお、図２では、簡単のためデータの入出力を処理する入出力処理部１３は省略している。図２において、１０はｎ番目のモータ制御部であり、このｎ番目のモータ制御部１０の速度指令が規範モデル部１１へ入力された場合で説明する。規範モデル１１は、速度制御モデル部１１１、電流制御モデル部１１２、積分器１１３で構成され、速度指令を入力としてモータ速度を模擬したモデル速度を出力するブロックである。速度制御モデル部１１１は、入力された速度指令にモデル速度が一致するように制御し、その応答を決める速度ループゲインをＫｖｘに設定している。電流制御モデル部１１２は、全軸同じ応答に設定されている電流制御部１０３と同等の応答になるように設定している。積分器１１３は，電流制御モデル部１１２の応答にフィルタリングされたモデルトルク指令を積分し、モデル速度を生成する。調整部１２は、ｎ番目のモータ制御部１０のトルク指令Ｔｒｎからその絶対値の積分値｜ＳＴｒｎ｜を計算し、また、規範モデル部１１のモデルトルク指令Ｔｒｘからその絶対値の積分値｜ＳＴｒｘ｜を計算し、そして、これら積分値｜ＳＴｒｎ｜及び｜ＳＴｒｘ｜と速度制御モデル部１１１の速度ループゲインＫｖｘから、ｎ番目のモータ制御部１０の速度制御部１０２の速度ループゲインＫｖｎを（１）式で算出するブロックである。なお、積分値｜ＳＴｒｎ｜及び｜ＳＴｒｘ｜の積分時間は、Ｋｖｎが安定する時間に決めれば良い。算出されたＫｖｎは入出力処理部１３によって更新される。

このように、モータ制御部とモデル規範部の、トルク指令の絶対値の積分値を計算し、（１）式を用いることにより、モータ制御部の速度ループゲインを算出している。そして、複数のモータ制御部においては、速度制御系の応答を同等にする軸数分のトルク指令の絶対値の積分値を計算し、それぞれの積分値に対して（１）式を用いることにより、軸数分のモータ制御部の速度ループゲインを算出することができる。

本発明の第２実施例の調整部を図３示して説明する。図３に示すように、図２の第１実施例と異なる点は、調整部２２へ入力される信号が、トルク指令Ｔｒｎ及びモデルトルク指令Ｔｒｘから、ｎ番目のモータ制御部１０から出力される速度偏差Ｖｅｎ及び規範モデル部１１から出力されるモデル速度偏差Ｖｅｘに変更された点である。その結果、調整部２２で速度ループゲインを算出するために計算する２つの積分値も、速度偏差Ｖｅｎとモデル速度偏差Ｖｅｘのそれぞれの絶対値の積分値｜ＳＶｅｎ｜及び｜ＳＶｅｘ｜に変更され、ｎ番目のモータ制御部１０の速度ループゲインを算出する計算式は、（２）式に変更される。その他は第１実施例と同じである。
なお、ｎ番目のモータ制御部１０と規範モデル部１１では、それぞれ速度偏差とモデル速度偏差を生成する処理が追加されているが、これらは、説明を分かりやすくするために追加したものであり、図２では示されていないが、それぞれ速度制御部１０２と速度制御モデル部１１１の中で生成されている。また、トルク指令ではなく速度偏差を用いる利点としては、トルク指令に含まれる一定トルク外乱に対する補償値が速度偏差には含まれないために、トルク外乱の影響を低減できる点がある。

本発明の第３実施例を説明する。第３の実施例では、図２、図３における規範モデル部について、異なる応答の規範モデル部を複数持つことにより、例えば、規範モデル部Ａは複数のモータ制御部群Ａの速度制御部を調整するために使用し、規範モデル部Ｂは別の複数のモータ制御部群Ｂの速度制御部を調整するために使用する、というようにすれば、複数のモータ制御部において、速度制御部を異なる速度応答の組に調整することができる。

図５は本発明の制御定数調整方法を示すフローチャートである。ステップＳＴ１で速度指令とモデル速度のモデル速度偏差からモデルトルク指令を生成し、ステップＳＴ２でモデルトルク指令を電流制御部の応答にフィルタリングし、ステップＳＴ３でフィルタリングされたモデルトルク指令を積分しモデル速度を生成し、ステップＳＴ４でモデルトルク指令の絶対値の積分値とモータ制御部から選んだ少なくとも一つのトルク指令の絶対値の積分値から前記速度制御部の制御定数を調整する。

以上のように、本モータ制御装置によれば、所望の軸のモータ制御部の速度制御系の速度ループゲインを同等に調整することができるため、加減速動作時においても、所望の軸の応答を同等にすることができるのである。

本発明のモータ制御装置は、多軸サーボシステムの速度制御系の制御定数を調整できるので、ＮＣ等の多軸サーボシステムにおいて産業上幅広く利用可能である。例えば、工作機械などへの適用には有効である。

本発明の第１実施例のモータ制御装置の構成を示す図 本発明の第１実施例の動作を示す図 本発明の第２実施例の調整部の動作を示す図 従来例のモータ制御装置の構成と動作を示す図 本発明のモータ制御装置の制御定数調整方法を示すフローチャート

符号の説明

１ モータ制御装置
２ モータ
３ 負荷
４ 外部装置
１０ モータ制御部
１１ 規範モデル部
１２ 調整部
１３ 入出力処理部
１０ 位置制御部
１０２ 速度制御部
１０３ 電流制御部
１１１ 速度制御モデル部
１１２ 電流制御モデル部
１１３ 積分器
１Ｘ、１Ｙ 位置制御器
２Ｘ、２Ｙ モータ
３Ｘ、３Ｙ Ｄ／Ａ変換器
４Ｘ、４Ｙ サーボアンプ
５Ｘ、５Ｙ モータ
６Ｘ、６Ｙ タコジェネレータ
７Ｘ、７Ｙ エンコーダ
８Ｒ 径偏差算出装置
９Ｒ 半振幅値算出装置
１０Ｒ 位置ループゲイン算出装置

Claims (7)

1. 速度指令とモータ速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と前記トルク指令に基づいてモータを駆動する電流制御部とを備えた複数のモータ制御部と、外部装置と内部の入出力処理を行なう入出力処理部と、を備えたモータ制御装置において、
   前記速度指令とモデル速度のモデル速度偏差からモデルトルク指令を生成する速度制御モデル部と前記電流制御部の応答を模擬する電流制御モデル部とモデル速度を生成する積分器とを備える規範モデル部と、
   前記モデルトルク指令の絶対値の積分値と前記モータ制御部から選んだ少なくとも一つのトルク指令の絶対値の積分値から前記速度制御部の制御定数を調整する制御定数調整部と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御定数調整部は、前記モデル速度偏差の絶対値の積分値と前記モータ制御部から選んだ少なくとも一つの速度偏差の絶対値の積分値から前記速度制御部の制御定数を調整することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 複数の規範モデル部を備え、複数の速度制御部を異なる速度応答の組に調整することを特徴とする請求項１又は２記載のモータ制御装置。
4. 前記制御定数は、速度ループゲインであり、前記規範モデル部の速度ループゲインをＫｖｘ、モデルトルク指令絶対値の積分値を｜ＳＴｒｘ｜、ｎ番目の速度制御部のループゲインをＫｖｎ、トルク指令絶対値の積分値を｜ＳＴｒｎ｜としたとき、速度制御ループゲインＫｖｎは（１）式で表されることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
   
5. 前記制御定数は、速度ループゲインであり、前記規範モデル部の速度ループゲインをＫｖｘ、モデル速度偏差絶対値の積分値を｜ＳＶｅｘ｜、ｎ番目の速度制御部のループゲインをＫｖｎ、速度偏差絶対値の積分値を｜ＳＶｅｎ｜としたとき、速度制御ループゲインＫｖｎは（２）式で表されることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
   
6. 速度指令とモータ速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と前記トルク指令に基づいてモータを駆動する電流制御部とを備えた複数のモータ制御部と、外部装置と内部の入出力処理を行なう入出力処理部と、を備えたモータ制御装置の制御定数調整方法において、
   前記速度指令とモデル速度のモデル速度偏差からモデルトルク指令を生成するステップと、
   前記モデルトルク指令を前記電流制御部の応答にフィルタリングするステップと、
   フィルタリングされたモデルトルク指令を積分しモデル速度を生成するステップと、
   前記モデルトルク指令の絶対値の積分値と前記モータ制御部から選んだ少なくとも一つのトルク指令の絶対値の積分値から前記速度制御部の制御定数を調整するステップと、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置の制御定数調整方法。
7. 請求項６の各ステップの代わりに、
   前記速度指令とモデル速度のモデル速度偏差からモデルトルク指令を生成するステップと、
   前記モデルトルク指令を前記電流制御部の応答にフィルタリングするステップと、
   フィルタリングされたモデルトルク指令を積分しモデル速度を生成するステップと、
   前記モデル速度偏差の絶対値の積分値と前記モータ制御部から選んだ少なくとも一つの速度偏差の絶対値の積分値から前記速度制御部の制御定数を調整するステップと、
   を備えたことを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置の制御定数調整方法。