JP2009237821A - 位置制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの負荷機械を複数の電動機で駆動する場合、簡単な調整で制御系の安定性を損なうことなく複数の電動機と各々に対応した負荷機械の位置のずれを抑制する。
【解決手段】第１から第ｎの駆動制御回路１０３、２０３は、それぞれ位置指令信号と位置信号とに基づいて第１のトルク指令信号を演算する第１の位置制御回路１０４、２０４と、第１から第ｎの位置検出器１０２、２０２の出力する位置信号に基づいて第２のトルク指令信号を演算する第２の位置制御回路１０５、２０５と、第１のトルク指令信号と第２のトルク指令信号とを加算した統合トルク指令信号に一致するよう電動機のトルクを制御するトルク制御回路１０６、２０６と、第１の位置制御回路と第２の位置制御回路の制御係数を演算し、変更するゲイン演算回路１０７、２０７とを備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、工作機械、射出成形機及びプレス機など負荷機械に対して、例えば送り軸を駆動制御する位置制御装置に関するものであり、特に複数の電動機で一つの可動部を駆動する位置制御装置に関するものである。

複数の電動機で一つの負荷機械（可動部）を駆動する場合、各々の電動機に作用する負荷機械の慣性負荷のアンバランスや各々の電動機あるいはそれぞれの電動機に対応した負荷機械に加わる外乱のアンバランスなどの影響により、複数の電動機あるいは各々の電動機に対応した負荷機械の位置にずれが生じる問題がある。この位置ずれが発生すると、負荷機械にひずみが生じ、負荷機械に無理な力が作用するため、負荷機械の寿命、特に摺動部の寿命に悪影響を及ぼす。また、このひずみにより電動機および負荷機械が振動するため、高精度な駆動制御が困難となる問題がある。

このような問題に対して、従来、各々の電動機あるいは各々の電動機に対応した負荷機械の位置ずれや振動による悪影響を除去し、高精度な駆動制御を実現する技術が提案されている。例えば、特許文献１では、一つの負荷機械を複数の電動機で駆動し、各々の電動機に対する制御補償器が一つの位置指令と各々の電動機の位置検出信号とに基づいて制御信号を生成し、同期補償器において複数の電動機の位置の平均を示す基準値と各々の電動機との偏差信号に基づいて演算される同期補償信号を制御補償器が出力する制御信号に加算し、各々の電動機が負荷機械を駆動する駆動信号を生成することで、複数の電動機の各々の同期を確保、すなわち位置ずれの抑制を行っている。

特開平７−２０００６２号公報（第７頁、第１図）

一般的に、電動機あるいは電動機が駆動する負荷機械の位置信号からトルク指令信号までの帰還ループのループゲインを大きくするほど高い制御性能を実現することが可能となるが、帰還ループのループゲインを大きくしすぎると制御系の安定性が低下し、制御系が振動的な応答を示すようになる。さらに帰還ループのループゲインを大きくすると発散してしまうことがある。そのため、帰還ループのループゲインは制御系が安定となる範囲で可能限り高い制御性能が得られるような適切な値に調整する必要がある。

特許文献１に開示された技術は、複数の電動機の各々の位置信号を位置指令信号に一致させるよう制御する制御補償器に対し、新たに同期補償器を追加することで、各々の電動機位置ずれを抑制している。しかし、電動機の位置からトルク指令信号までの帰還ループのループゲインは、位置制御部と同期補償器の帰還ループの合成となり、帰還ループの同期補償器を追加しない場合と比較して、追加した同期補償器の分だけ帰還ループのゲインが大きくなるため制御系の安定性が低下することになる。これを回避するためには、同期補償器のゲイン変更に応じて制御補償器のゲインを変更し、逆に制御補償器のゲイン変更に応じて同期補償器のゲインを変更する必要があり、制御系が安定な範囲で高い制御性能を実現する適切なゲインとなるよう調整するまでの作業が煩雑となり、長い調整時間要する問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて、制御系の安定性を低下させることなく、主位置制御回路と副位置制御回路のゲインを演算し、変更することを可能として、制御系の調整を容易なものとするとともに調整時間の短縮を可能とする位置制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の位置制御装置は、一つの位置指令信号により一つの負荷機械を駆動する第１から第ｎの電動機と、該第１から第ｎの電動機の各々に設けられ前記負荷機械の位置を検出して位置信号として出力する第１から第ｎの位置検出器と、前記第１から第ｎの電動機の各々に設けられ当該電動機を駆動制御する第１から第ｎの駆動制御回路とを備え、前記第１から第ｎの駆動制御回路は、それぞれ前記位置指令信号と前記位置信号とに基づいて主トルク指令信号を演算する主位置制御回路と、前記第１から第ｎの位置検出器の出力する位置信号に基づいて副トルク指令信号を演算する副位置制御回路と、前記主トルク指令信号と前記副トルク指令信号とを加算した統合トルク指令信号に一致するよう前記電動機のトルクを制御するトルク制御回路と、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて前記主位置制御回路と前記副位置制御回路の制御係数を演算し、変更する制御係数演算回路とを備えたことを特徴とする。

本発明の位置制御装置によれば、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて主位置制御回路と副位置制御回路の制御係数を演算し、変更する制御係数演算回路とを備えているので、制御系の安定性を低下させることなく、主位置制御回路と副位置制御回路の制御係数を演算し変更することを可能として、制御系の調整を容易なものとするとともに調整時間の短縮を可能とする。

以下に、本発明にかかる位置制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。実施の形態においては、主位置制御回路を第１の位置制御回路、副位置制御回路を第２の位置制御回路として説明する。また、これに伴い主トルク指令信号を第１のトルク指令信号、副トルク指令信号を第２のトルク指令信号として説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態による位置制御装置を示すブロック図である。図１において、本実施の形態では、説明を容易にするため一つの負荷機械１０の同一の可動部を二つの電動機１０１、２０１で駆動する構成としているが、一つの可動部を三つ以上の電動機で駆動する場合でも同様に適用することができる。本実施の形態は、同一の可動部として、摺動テーブルをスライドさせる二つのボールスクリュウ１０ａ、１０ｂを、二つの電動機１０１、２０１で駆動する場合の例である。位置検出器１０２、２０２は、電動機１０１、２０１あるいは電動機１０１、２０１の各々に対応した負荷機械の１０の位置の現在値を検出するものであり、本実施の形態は、電動機１０１、２０１の位置を検出する場合の例である。

最初に、図１で表される実施の形態の全体動作について説明する。第１の駆動制御回路１０３及び第２の駆動制御回路２０３は、一つの負荷機械１０を駆動する二つの電動機１０１、２０１の各々を駆動制御するものである。第１の駆動制御回路１０３の内部にある第１の位置制御回路（主位置制御回路）１０４は、負荷機械１０の目標位置を指示する位置指令信号Ｒと位置検出器１０２で検出される電動機１０１の現在位置を表す位置信号Ｐ_１とに基づいて第１のトルク指令信号（主トルク指令信号）Ｔ_Ｒ１１を演算する。第２の位置制御回路（副位置制御回路）１０５は、位置検出回路１０２、２０２で検出される電動機１０１、２０１の位置信号Ｐ_１、Ｐ_２に基づいて第２のトルク指令信号（副トルク指令信号）Ｔ_Ｒ１２を演算する。トルク制御回路１０６は、第１のトルク指令信号Ｔ_Ｒ１１に第２のトルク指令信号Ｔ_Ｒ１２を加算したトルク指令信号（統合トルク指令信号）Ｔ_Ｒ１に一致するよう電動機１０１のトルクを制御する。ゲイン演算回路（制御係数演算回路）１０７は、外部から入力されるパラメータ信号αに基づいて、第１の位置制御回路１０４と第２の位置制御回路１０５に制御係数と演算し、各々の制御係数を第１の位置制御回路１０４と第２の位置制御回路１０５に設定する。第２の駆動制御回路２０３の動作に関しては、第１の駆動制御１０３と同様の動作であるので説明を省略する。外部から入力されるパラメータ信号αは負荷機械１０を駆動するすべての駆動制御回路（駆動制御回路１０３および２０３）に共通したパラメータであり、駆動制御回路１０５においては位置信号Ｐ_１から主トルク指令信号Ｔ_Ｒ１１までの帰還ループのループゲインを電動機１０１に作用する等価負荷慣性Ｊ_１で割った主正規化帰還ループと、位置信号Ｐ_１から副トルク指令信号Ｔ_Ｒ１２までの帰還ループゲインを等価慣性負荷Ｊ_１で除算した副正規化帰還ループゲインを調整するパラメータである。また、駆動制御回路２０５においては位置信号Ｐ_２から主トルク指令信号Ｔ_Ｒ２１までの帰還ループのループゲインを電動機２０１に作用する等価負荷慣性Ｊ_２で割った主正規化帰還ループと、位置信号Ｐ_２から副トルク指令信号Ｔ_Ｒ２２までの帰還ループゲインを等価慣性負荷Ｊ_２で除算した副正規化帰還ループゲインを調整するパラメータである。

次に、実施の形態により得られる効果の原理について説明する。第１の位置制御回路１０４は、位置指令信号Ｒと位置検出器１０３で検出される位置信号Ｐ_１を入力とし、位置微分ゲインＫ_ｖ、位置比例ゲインＫ_ｐ、位置積分ゲインＫ_ｉを用いて次式で表されるＰＩＤ（比例・積分・微分）演算によって、位置指令信号Ｒと位置信号Ｐ_１との偏差が減少するよう第１のトルク指令信号Ｔ_Ｒ１１を演算する。

一つの負荷機械を複数の電動機で駆動する場合において、複数の電動機あるいは負荷機械に大きさ異なる外乱トルクが加わる場合、例えば、電動機１０１あるいは電動機１０１に対応した負荷機械のみに外乱トルクＴ_ｄ１が加わる場合を考える。この場合、電動機１０１の位置信号Ｐ_１は、外乱トルクの影響により、位置指令信号Ｒに対する遅れが大きくな、追従誤差が大きくなる。一方、外乱トルクが加わらない電動機１０２の位置信号Ｐ_２は、負荷機械１０が持つ物理的干渉によりＴ_ｄ１の影響を受けるが、ここではこの物理的干渉を無視すると、位置信号Ｐ_２は位置指令信号Ｒに対して遅れることなく追従する。そのため電動機１０１、１０２の位置信号Ｐ_１、Ｐ_２に位置ずれが生じることになる。

第２の位置制御回路１０５は、上記のような位置ずれを抑制するためのものであり、電動機１０１、電動機２０１の位置信号Ｐ_１およびＰ_２を入力とし、位置信号Ｐ_１とＰ_２の平均位置Ｐ_０と電動機１０１の位置信号Ｐ_１との差（Ｐ_０−Ｐ_１）に基づいて、位置ずれ微分ゲインＣ_ｖ、位置ずれ比例ゲインＣ_ｐ、位置ずれ積分ゲインＣ_ｉを用いて次式で表されるＰＩＤ演算によって、電動機１０１の位置信号Ｐ_１が平均位置Ｐ_０に近づくよう第２のトルク指令信号Ｔ_Ｒ１２を演算する。

（２）式で演算される第２のトルク指令信号Ｔ_Ｒ１２を、第１のトルク指令信号Ｔ_Ｒ１１に加算することで、外乱トルクなどにより生じた、一つの負荷機械１０を駆動する二つの電動機１０１、２０１の位置ずれを抑制することが可能となる。外乱トルクＴ_ｄ１が加わった場合を例にすると、外乱トルクＴ_ｄ１により電動機１０１の位置信号Ｐ_１は平均位置Ｐ_０に対して遅れるため、第２の位置制御回路１０５は位置信号Ｐ_１を進ませるように第２のトルク指令信号Ｔ_Ｒ１２を演算し、電動機２０１の位置信号Ｐ_２は平均位置Ｐ_０に対して進むため、第２の位置制御回路２０５は位置信号Ｐ_２を遅らせるように第２のトルク指令信号Ｔ_Ｒ２２を演算する。これにより、外乱トルクＴ_ｄ１により位置信号Ｐ_１、Ｐ_２に位置ずれが生じても、第２の位置制御回路１０５、２０５により位置信号Ｐ_１、Ｐ_２はそれぞれ平均位置Ｐ_０に近づくよう制御されるため位置ずれが抑制される。

次に、図２を用いて、帰還ループの伝達特性について述べる。図２は、一つの負荷機械１０を駆動する二つの電動機のうち、一つの電動機１０１、および電動機１０１を駆動制御する駆動回路１０３について抜き出したものであり、１１は図１における負荷機械１０の負荷慣性のうち電動機１０１に作用する負荷慣性であり、電動機１０１が等価的に駆動する等価負荷慣性を意味する。

図２において、電動機１０１の位置信号Ｐ_１からトルク指令信号Ｔ_Ｒ１までの帰還ループの伝達特性を、電動機１０１に作用する等価負荷慣性Ｊ_１で割った正規化帰還ループ伝達特性Ｇ_１（ｓ）は、位置信号Ｐ_１から第１のトルク指令信号Ｔ_Ｒ１１までの第１の帰還ループの伝達特性をＪ_１で割った第１の正規化帰還ループ伝達特性Ｇ_１１（ｓ）と、位置信号Ｐ_１から第２のトルク指令信号Ｔ_Ｒ１２までの第２の帰還ループの伝達特性をＪ_１で割った第２の正規化帰還ループ伝達特性Ｇ_１２（ｓ）との和で表される（Ｇ_１（ｓ）＝Ｇ_１１（ｓ）＋Ｇ_１２（ｓ））。

第２の位置制御回路を追加すると位置信号Ｐ_１、Ｐ_２の位置ずれを抑制することが可能となるが、（５）式が示すように、電動機１０１の位置信号Ｐ_１からトルク指令信号Ｔ_Ｒ１までの正規化帰還ループゲインはＷ_ｋ＋Ｗ_ｃとなり、第２の位置制御回路を追加した分だけ増加することになるため、制御系の安定性が低下する。そのため、駆動制御回路１０３に第２の位置制御回路を追加すると、位置指令Ｒに対する位置信号Ｐ_１の追従特性と、位置信号Ｐ_１とＰ_２の位置ずれ抑制効果を考慮して、さらに制御系が安定となるよう第１の位置制御回路と第２の制御回路のゲインを再度設定し直す必要がある。

そこで本実施の形態においては、外部から入力される一つのパラメータ信号αに基づいて、電動機１０１の位置信号Ｐ_１からトルク指令信号Ｔ_Ｒ１までの正規化帰還ループゲインが一定値となるよう第１の正規化帰還ループゲインＷ_ｋと、第２の正規化帰還ループゲインＷ_ｃの配分を変更し、各々の正規化帰還ループゲインに基づいて、位置制御回路１０４と第２の位置制御回路１０のＰＩＤゲインを演算、変更するようにしている。

次に、ゲイン演算回路１０７の動作について説明する。ゲイン演算回路１０７は、（７）式、（８）式に示すように、第１の正規化ゲインＷ_ｋを一定の値Ｗ_０と外部から入力されるパラメータ信号αとの積で表し、第２の正規化ゲインＷ_ｃを一定の値Ｗ_０とパラメータ信号αの１に対する補数との積で表し、外部から入力されるパラメータ信号αを変更することで、第１の正規化帰還ループゲインＷ_ｋと第２の正規化帰還ループゲインＷ_ｃとの和が一定の値Ｗ_０となるようＷ_ｋとＷ_ｃを演算する。

ここで、一定の値Ｗ_０は、第２の位置制御回路がない、すなわち外部から入力されるパラメータ信号αが０であるとき、制御系が安定な範囲で高性能を実現するために適切に設定された正規化帰還ループゲインとすれば、パラメータ信号αをどのような値に調整しても制御系の正規化帰還ループゲインはＷ_０で一定となるため、制御系の安定性は維持される。正規化帰還ループゲインは正である必要があるので、パラメータ信号αの調整範囲は０以上１未満の範囲となる。また、パラメータ信号αを大きくするほど、電動機１０１、２０１の位置信号Ｐ_１、Ｐ_２はそれらの平均値Ｐ_０に近づき、位置ずれを抑制する効果が強くなるが、その一方で、外乱トルクが加わった場合の位置指令信号Ｒに対する電動機１０１、２０１の位置信号Ｐ_１、Ｐ_２の平均値Ｐ_０の指令追従性は低下することになる。よって、パラメータ信号αは、０から０．５程度の範囲で調整すればよい。

上記の結果、ゲイン演算回路（制御係数演算回路）１０７、１０８の効果により、外部から入力されるパラメータ信号αを０としてときの正規化帰還ループのループゲインを基準として、パラメータ信号αを０から大きくするだけの簡単な調整で、制御系の安定性を損なうことなく、電動機１０１、２０１の位置信号のずれを抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態では、位置検出回路１０２、２０２は電動機１０１、２０１の位置を検出しているが、位置検出回路は電動機１０１、２０１が駆動する負荷機械１０の位置を検出するものであってもよい。

また、第１の位置制御回路に入力される位置信号が電動機の位置であり、第２の位置制御回路に入力される位置信号が電動機１０１、２０１が駆動する負荷機械１０の位置であるといったように、第１の位置制御回路と第２の位置制御回路に入力される位置信号が異なったものであってもよい。

以上のように、本実施の形態の位置制御装置によれば、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて第１の位置制御回路と第２の位置制御回路のゲイン（制御係数）を演算するとともに演算結果に変更するゲイン演算回路とを備えているので、第１の位置制御回路と第２の位置制御回路のゲインを演算し変更することを可能として、制御系の調整を容易なものとするとともに調整時間の短縮を可能とする。

また、本実施の形態の位置制御装置によれば、ゲイン演算回路は、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて、位置信号から第１の主トルク指令信号までの帰還ループのループゲインを駆動制御回路が駆動する電動機に作用する負荷機械の慣性負荷で除算した第１の正規化帰還ループゲインと、位置信号から第２のトルク指令信号までの帰還ループゲインを慣性負荷で除算した第２の正規化帰還ループゲインとの和が所定の一定値となるように第１の主位置制御回路と第２の副位置制御回路の制御係数を演算し、変更するので、制御系の安定性を低下させることなく、第１の位置制御回路と第２の位置制御回路のゲインを演算し変更することを可能とる。

さらにまた、本実施の形態の位置制御装置によれば、ゲイン演算回路は、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて、位置信号から第１のトルク指令信号までの帰還ループの第１の帰還ループ伝達特性と、位置信号から第２の副トルク指令信号までの帰還ループの第２の帰還ループ伝達特性との和が所定の一定値となるように第１の位置制御回路と第２の副位置制御回路の制御係数を演算し、変更するので、制御系をさらに安定性に保ちながら、第１の位置制御回路と第２の位置制御回路のゲインを演算し変更することを可能とする。

以上のように、本発明にかかる位置制御装置は、負荷機械である、工作機械、射出成形機及びプレス機などの、例えば送り軸などの可動部を複数の電動機で駆動する位置制御装置に最適なものである。

本発明の実施の形態による位置制御装置を示すブロック図である。 図１の第１の駆動制御回路に関する部分を抜き出して示すブロック図である。

符号の説明

１０ 負荷機械
１１ 第１の電動機に作用する等価負荷慣性
１０１ 第１の電動機
１０２ 第１の位置検出回路
１０３ 第１の駆動制御回路
１０４、２０４ 第１の位置制御回路（主位置制御回路）
１０５、２０５ 第２の位置制御回路（副位置制御回路）
１０６、２０６ トルク制御回路
１０７、２０７ ゲイン演算回路（制御係数演算回路）
２０１ 第２の電動機
２０２ 第２の位置検出回路
２０３ 第２の駆動制御回路

Claims (5)

1. 一つの位置指令信号により一つの負荷機械を駆動する第１から第ｎの電動機と、該第１から第ｎの電動機の各々に設けられ前記負荷機械の位置を検出し位置信号として出力する第１から第ｎの位置検出器と、前記第１から第ｎの電動機の各々に設けられ当該電動機を駆動制御する第１から第ｎの駆動制御回路とを備え、
   前記第１から第ｎの駆動制御回路は、それぞれ
   前記位置指令信号と前記位置信号とに基づいて主トルク指令信号を演算する主位置制御回路と、
   前記第１から第ｎの位置検出器の出力する位置信号に基づいて副トルク指令信号を演算する副位置制御回路と、
   前記主トルク指令信号と前記副トルク指令信号とを加算した統合トルク指令信号に一致するよう前記電動機のトルクを制御するトルク制御回路と、
   外部から入力されるパラメータ信号に基づいて前記主位置制御回路と前記副位置制御回路の制御係数を演算し、変更する制御係数演算回路と、
   を備えたことを特徴とする位置制御装置。
2. 前記制御係数演算回路は、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて、前記位置信号から前記主トルク指令信号までの帰還ループのループゲインを前記駆動制御回路が駆動する前記電動機に作用する前記負荷機械の慣性負荷で除算した主正規化帰還ループゲインと、前記位置信号から前記副トルク指令信号までの帰還ループゲインを前記慣性負荷で除算した副正規化帰還ループゲインとの和が所定の一定値となるよう前記主位置制御回路と前記副位置制御回路の制御係数を演算し、変更する
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置制御装置。
3. 前記制御係数演算回路は、前記所定の一定値を前記主位置制御回路のみで適切に調整したときの前記主正規化帰還ループゲインとし、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて前記主位置制御回路と前記副位置制御回路の制御係数を演算し、変更する
   ことを特徴とする請求項２に記載の位置制御装置。
4. 前記制御係数演算回路は、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて、前記位置信号から前記主トルク指令信号までの帰還ループの主帰還ループ伝達特性と、前記位置信号から前記副トルク指令信号までの帰還ループの副帰還ループ伝達特性との和が所定の一定値となるように前記主位置制御回路と前記副位置制御回路の制御係数を演算し、変更する
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置制御装置。
5. 前記制御係数演算回路は、前記所定の一定値を前記主位置制御回路のみで適切に調整したときの前記主正規化帰還ループ伝達特性とし、外部から入力されるパラメータ信号に基づいて前記主位置制御回路と前記副位置制御回路の制御係数を演算し、変更する
   ことを特徴とする請求項４に記載の位置制御装置。

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