JP2009268218A - Multi-shaft motor control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は工業用ミシン、電子部品搭載装置、工作機械等に用いられる、多軸モータ制御システムに関するものである。 The present invention relates to a multi-axis motor control system used for industrial sewing machines, electronic component mounting apparatuses, machine tools, and the like.
工業用ミシンやチップマウンタ、工作機械などを始めとする種々の産業用装置を駆動するために、モータが利用されている。特に近年、効率向上や生産性向上のために、装置に用いられるモータの軸数が増加の傾向にある。 Motors are used to drive various industrial devices such as industrial sewing machines, chip mounters and machine tools. In particular, in recent years, the number of motor shafts used in the apparatus has been increasing for the purpose of improving efficiency and productivity.
しかし、モータ軸数の増加に伴い、装置が大型化したり、コストが上昇することは好ましくない。その為、特許文献1に記載されているように、図1に例示する如く、モータ軸を駆動するコントローラやドライバ等の制御装置を、1台で複数のモータ軸が制御可能なようにまとめた多軸制御システムとすることで、サイズの小型化やコストダウンを図ることが一般的である。図において、10はモータ、12は、モータ毎に設けられたエンコーダ、20は、パワー部22とI/F24を含むモータドライブ部、30は通信線、40は、CPU42とメモリ44とI/F46、48を含む多軸コントローラである。
However, as the number of motor shafts increases, it is not preferable that the apparatus becomes larger or the cost increases. Therefore, as described in
この多軸モータ制御システムでは、1台のCPU42で複数(例えば12軸)のモータ軸の制御演算を行なうこととなるが、CPUの演算性能が不充分であると、モータの制御ゲインを高く上げることができず、モータの特性が充分に得られないという事態が生じる。即ち、図2に示すような、電流ループ、速度ループの演算速度が充分に速くないと、制御ゲインを高く上げた時に発振が生じてしまう為、制御ゲインが低い値に制限されてしまい、周波数特性が抑えられる結果となってしまう。具体的には、制御対象を現在位置から目標位置へ移動するべく、図3に例示する如く、高速かつ高加減速でのPTP駆動を行なおうとする場合、目標の速度に達しなかったり、目標の加減速度が得られないという問題が生じる。
In this multi-axis motor control system, a
図2において、42Aは、位置指令とエンコーダ12からの位置フィードバック信号の差を求める減算器、42Bは、該減算器42Aの出力に応じて速度指令を計算する位置偏差制御演算部、42Cは、前記エンコーダ12の出力から速度を演算する速度演算部、42Dは、前記位置偏差制御演算部42Bで算出された速度指令と速度演算部42Cで演算された速度フィードバック信号の差を求める減算器、42Eは、該減算器42Dの出力によりパワー部22に与える電流指令を演算する速度偏差制御演算部である。
In FIG. 2, 42A is a subtractor that calculates the difference between the position command and the position feedback signal from the encoder 12, 42B is a position deviation control calculation unit that calculates a speed command according to the output of the
更に、モータが高速で回転する場合には、図4に例示するようなモータの逆起電圧が大きな問題となってくる。即ち、モータが回転する際に発生する逆起電圧により、モータに印加される電圧が減少してしまう。これは、モータ速度に応じて制御ゲインが目減りしていることと同様に見なすことができる。即ち、高速に向かう速度の立ち上がり時(図3の加速区間I)と高速で駆動する定速駆動時(図3の定速区間II)には制御ゲインが減少していき、高速から低速へと向かう速度の立ち下がり時(図3の減速区間III)には制御ゲインが増加していくこととなる。 Furthermore, when the motor rotates at a high speed, the back electromotive voltage of the motor illustrated in FIG. 4 becomes a serious problem. That is, the voltage applied to the motor decreases due to the counter electromotive voltage generated when the motor rotates. This can be regarded in the same manner as the control gain decreasing according to the motor speed. That is, the control gain decreases at the time of rising speed toward the high speed (acceleration section I in FIG. 3) and at the constant speed driving at high speed (constant speed section II in FIG. 3). The control gain increases at the fall of the traveling speed (deceleration section III in FIG. 3).
モータをPTP動作で駆動する場合、加速区間Iと定速区間IIでは、ゲインの目減りにより、位置指令と実位置との偏差が大きく溜まってしまう。一方、減速区間IIIとなってゲインが高くなると、加速区間Iと定速区間IIの間に溜まった偏差を一気に収束させようとする為、急激にモータ電流が流れ、過電流エラーが発生するという問題が生じる。 When the motor is driven by the PTP operation, the deviation between the position command and the actual position is largely accumulated in the acceleration section I and the constant speed section II due to the decrease in gain. On the other hand, when the gain is increased in the deceleration zone III, the motor current flows suddenly and an overcurrent error occurs because the deviation accumulated between the acceleration zone I and the constant speed zone II is converged at once. Problems arise.
これを解決するには制御ゲインを上げる必要があるが、前述のようにCPUの演算速度により制御ゲインが制限されているので、演算性能の高いCPUを使用する必要がある。しかし、一般に演算性能が上がるに伴ってCPUの価格も上昇してしまう。 In order to solve this, it is necessary to increase the control gain. However, since the control gain is limited by the calculation speed of the CPU as described above, it is necessary to use a CPU having high calculation performance. However, in general, the CPU price increases as the computing performance increases.
安いCPUを使用して高い制御性能を得ることが理想であるが、従来の方式では高い制御性能と低コストの両立は困難であった。 Although it is ideal to obtain high control performance using a cheap CPU, it has been difficult to achieve both high control performance and low cost in the conventional method.
本発明は、前記従来の課題を解決するためのもので、高い制御性能と低コストを両立することを課題とする。 The present invention is for solving the above-described conventional problems, and an object thereof is to achieve both high control performance and low cost.
本発明は、1台のCPUで複数のモータの制御演算を行なう多軸モータ制御システムにおいて、速度の立ち下がり以外の区間と立ち下がり区間を識別する速度区間識別手段と、
ゲインの増加分に相当する電流指令補償分を設定する補償量設定手段と、速度の立ち下がり以外の区間では電流指令に電流指令補償分を加算し、速度の立ち下がり区間では電流指令に電流指令補償分を加算しない電流指令補償手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
The present invention relates to a multi-axis motor control system in which a single CPU performs a control calculation of a plurality of motors, a speed section identifying means for identifying a section other than a speed falling and a falling section;
Compensation amount setting means for setting the current command compensation corresponding to the gain increase, and the current command compensation is added to the current command in the sections other than the speed falling, and the current command is used in the current command in the speed falling section. The above-mentioned problem is solved by providing a current command compensation means that does not add compensation.
ここで、前記電流指令補償手段が、速度の立ち下がり区間で、速度の立ち下がり以外の区間でたまったゲインの増加分に相当する電流指令補償分を減算することができる。 Here, the current command compensation means can subtract a current command compensation amount corresponding to an increase in gain accumulated in a section other than the speed fall in the speed fall section.
本発明では、多軸モータの制御システムにおいて、速度の立ち下がり以外の区間(例えば加速区間Iと定速区間II)では、電流指令に、ゲインの目減り分に相当する電流指令補償分を加算する。一方、速度の立ち下がり区間(減速区間III)では、電流指令補償分の加算を実施しない、若しくは、電流指令から、速度の立ち下がり以外の区間でたまったゲインの増加分に相当する電流指令補償分の減算を行う。 In the present invention, in a control system for a multi-axis motor, in a section other than the speed fall (for example, acceleration section I and constant speed section II), a current command compensation equivalent to the gain reduction is added to the current command. . On the other hand, in the speed fall section (deceleration section III), the current command compensation is not added, or the current command compensation corresponding to the gain increase accumulated in the sections other than the speed fall from the current command Subtract minutes.
これにより、立ち下がり以外の区間で実質的に高い制御ゲインを保つことができる為、指令通りの高速、高加減速での多軸制御が可能となる。又、立ち下がり以外の区間で大きな偏差が溜まらなくなる為、立ち下がり区間での電流エラーの発生を防ぐことができる。 As a result, since a substantially high control gain can be maintained in a section other than the falling, multi-axis control can be performed at high speed and high acceleration / deceleration as instructed. In addition, since a large deviation does not accumulate in a section other than the falling edge, it is possible to prevent a current error from occurring in the falling section.
従って、CPUの演算能力が高くない場合にも、多軸での高速、高加減速でのモータ駆動が可能となり、高い制御性能と低コストを両立させることが可能となる。 Accordingly, even when the CPU's computing power is not high, it is possible to drive the motor with multiple axes at high speed and high acceleration / deceleration, and it is possible to achieve both high control performance and low cost.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図5は本発明の第1実施形態であり、全体の構成を表わすブロック図である。図では説明の為、モータ1軸分のみを示している。 FIG. 5 is a block diagram showing the overall configuration of the first embodiment of the present invention. In the figure, only one motor axis is shown for explanation.
位置指令部(図示省略)から出力された位置指令信号に従って、モータ軸の位置決め制御が行なわれる。 Positioning control of the motor shaft is performed according to a position command signal output from a position command unit (not shown).
具体的には、減算部42Aで、モータ端に取り付けたエンコーダ12から出力される位置フィードバック値と位置指令値を比較して、位置偏差を演算する。この位置偏差を元に、位置偏差制御演算部42Bにて速度指令値を演算する。更に、速度指令値と、エンコーダ12の出力値から速度演算部42Cにおいて演算した速度フィードバック値との偏差を減算器42Dで計算し、この偏差を元に、速度偏差制御演算部42Eにて電流指令値を演算する。演算した電流指令値はパワー部(例えばサーボアンプ)22に出力され、モータ10にモータ電流を与えて、軸を駆動する。
Specifically, the subtraction unit 42A compares the position feedback value output from the encoder 12 attached to the motor end with the position command value, and calculates the position deviation. Based on this position deviation, a speed command value is calculated by the position deviation control calculation unit 42B. Further, a deviation between the speed command value and the speed feedback value calculated by the
上記速度指令値、電流指令値の演算の際に、制御ゲインを乗算する。制御ゲインを高く上げることが制御性能に影響してくるが、負荷の剛性、CPUの演算能力、センサの分解能、データの通信速度等の影響を受ける為、制限を受ける。制御ゲインが低い場合には、高速、高加減速での駆動や、高速、高精度での位置決め整定等を行なうことは難しい。 When calculating the speed command value and the current command value, the control gain is multiplied. Increasing the control gain high affects the control performance, but is limited because it is affected by the rigidity of the load, CPU computing power, sensor resolution, data communication speed, and the like. When the control gain is low, it is difficult to perform driving at high speed and high acceleration / deceleration and positioning and setting at high speed and high accuracy.
例として、高速、高加減速での位置決め駆動を行なう場合を取り上げる。 As an example, the case of positioning driving at high speed and high acceleration / deceleration is taken up.
モータが回転すると、逆起電圧Eiが発生する。逆起電圧Eiは図4に示した通り、モータの回転速度ωrに比例し、次式で表わすことができる。 When the motor rotates, a counter electromotive voltage Ei is generated. As the counter electromotive voltage Ei is shown in FIG. 4, in proportion to the rotation speed omega r of the motor can be expressed by the following equation.
Ei =Ke ×ωr …(1)
(Ke:逆起電圧定数)
E i = K e × ω r (1)
(K e : Back electromotive force constant)
これは、モータの回転数に比例して、モータへの印加電圧が逆起電圧の分だけ低くなってしまうことを意味する。即ち、電流指令に対して実電流が流れなくなってしまうわけであるから、制御ゲインから見た場合には、モータの速度が高くなるに連れて、制御ゲインが目減りして低くなると見なすことができる。 This means that the voltage applied to the motor becomes lower by the counter electromotive voltage in proportion to the rotational speed of the motor. In other words, since the actual current does not flow in response to the current command, when viewed from the control gain, it can be considered that the control gain decreases and decreases as the motor speed increases. .
こうした状態でPTP駆動を行なうと、加速区間Iと定速区間IIでは制御ゲインの目減りが大きくなる為、電流指令に対して実電流が流れず、位置偏差が大きく溜まってしまう。一方、モータの駆動が減速区間IIIに移ると、速度が下がるにつれて制御ゲインの目減りが解消しゲインが高くなる為、溜まった偏差を収束しようとして急激に電流が流れる現象が生じる。 When PTP driving is performed in such a state, the decrease in the control gain increases in the acceleration section I and the constant speed section II, so that the actual current does not flow with respect to the current command, and the position deviation is largely accumulated. On the other hand, when the drive of the motor is shifted to the deceleration zone III, the decrease in control gain is eliminated and the gain is increased as the speed is reduced, so that a phenomenon occurs in which a current flows suddenly to converge the accumulated deviation.
モータの制御システムは、保護の為に電流の最大値を設定して、設定以上の電流が流れると過電流エラーとしてモータを停止するという機能を一般的に有する。その為に減速区間IIIで過電流エラーが起き、モータが停止してしまうという問題が発生する。 A motor control system generally has a function of setting a maximum current value for protection and stopping the motor as an overcurrent error when a current exceeding the set value flows. As a result, an overcurrent error occurs in the deceleration zone III, causing a problem that the motor stops.
この問題を解決するには、加速区間Iと定速区間IIで制御ゲインを高くしてやる必要がある。そこで本実施形態では、加速区間Iと定速区間IIで、電流の指令値にゲインの目減り分に相当する指令を加算する補償を行なう。 In order to solve this problem, it is necessary to increase the control gain in the acceleration section I and the constant speed section II. Therefore, in the present embodiment, compensation is performed by adding a command corresponding to the gain reduction to the current command value in the acceleration section I and the constant speed section II.
具体的には、速度区間検出部42Fにて速度を監視して、加速区間Iと定速区間IIを検出する。速度が増加している区間は加速区間I、速度が一定の区間は定速区間II、速度が減少している区間は減速区間IIIと判定する。
Specifically, the
加速区間Iと定速区間IIを検出すると、スイッチ部42Hがオンとなり、補償量演算部42Gにて演算した電流指令補償分ΔIcmdを加速器42Iで電流指令Icmdに加算する。電流指令補償分ΔIcmdは、モータ速度に比例し、
ΔIcmd =Kcomp ×ωr …(2)
(Kcomp:電流指令補償係数)
となる。
When the acceleration section I and the constant speed section II are detected, the
ΔI cmd = K comp × ω r (2)
(K comp : current command compensation coefficient)
It becomes.
逆起電圧Eiは、(1)式で表わされる。 The counter electromotive voltage Ei is expressed by the equation (1).
又、
Va −Ei =La(dia /dt)+Ra ×ia …(3)
(Va:モータ印加電圧、ia:モータ電流、La:モータインダクタンス、Ra:モータ抵抗)
であるから、逆起電圧Eiを補償する電流指令補償分ΔIcmdは、(1)〜(3)式より、
ΔIcmd =Ke /(Las+Ra )×ωr …(4)
とすることができる。
or,
V a -E i = L a ( di a / dt) + R a × i a ... (3)
(V a : Motor applied voltage, i a : Motor current, L a : Motor inductance, R a : Motor resistance)
Therefore, the current command compensation amount ΔI cmd for compensating the counter electromotive voltage E i is obtained from the equations (1) to (3):
ΔI cmd = K e / (L a s + R a) × ω r ... (4)
It can be.
即ち、Kcomp =Ke /(Las+Ra )として電流指令補償分を電流指令に加算してやれば、逆起電圧によるゲインの目減りを補償することが可能である。 In other words, you do it by adding the current command compensation amount to the current command as K comp = K e / (L a s + R a), it is possible to compensate for eroded gain by the counter electromotive voltage.
高速度でのゲインの目減りが問題となるのは加速区間Iと定速区間IIである為、減速区間IIIではスイッチ部42Hをオフとする。
Since the decrease in gain at high speed becomes a problem in the acceleration section I and the constant speed section II, the
上記の補償により、加速区間Iと定速区間IIで実質上高い制御ゲインを保つことができる為、指令通りの高速、高加減速での多軸制御が可能となる。又、加速区間Iと定速区間IIで大きな偏差が溜まらなくなる為、減速区間IIIでの電流エラーの発生を防ぐことができる。 By the above compensation, since a substantially high control gain can be maintained in the acceleration section I and the constant speed section II, multi-axis control with high speed and high acceleration / deceleration as commanded becomes possible. Further, since a large deviation does not accumulate between the acceleration section I and the constant speed section II, it is possible to prevent a current error from occurring in the deceleration section III.
なお、本実施形態では、モータの回転方向が正方向の場合を例として取り上げたが、モータの回転方向が逆方向の場合には、各信号の出力方向等が逆となるように読み替えて行なえば良い。 In this embodiment, the case where the rotation direction of the motor is the forward direction is taken as an example. However, when the rotation direction of the motor is the reverse direction, it can be read as the output direction of each signal is reversed. It ’s fine.
前記実施形態では、速度区間検出部42Fを設けて、区間I、II、IIIを検出していたが、図6に示す第2実施形態のように、位置指令演算部50より直接、区間I、II、IIIの切り替え信号を出力し、電流指令補償分のオン/オフ切り替えを行なうことも可能である。又、短距離の移動では、定速区間IIが無くても良い。
In the embodiment, the speed
又、前記実施形態では、減速区間IIIで電流指令補償分をオフとしたが、電流指令補償分ΔIcmdを減算してやることも可能である。 Further, in the embodiment has been turned off the current command compensation amount in the deceleration zone III, it is also possible to'll subtracting the current command compensation amount [Delta] I cmd.
又、前記実施形態では、電流指令補償係数としてKcomp =Ke /(Las+Ra )を用いたが、モータ毎に最適な調整を施した補償を行なう為、Kcompを任意の定数とすることも可能である。又、区間I、II、IIIで、それぞれ異なるKcompを用いることも可能である。 Further, in the above embodiment uses the K comp = K e / (L a s + R a) as a current command compensation coefficient, for performing the compensation which has been subjected to optimum adjustment for each motor, and any constant K comp It is also possible to do. It is also possible to use different K comps in the sections I, II and III.
又、前記実施形態では、電流指令補償分としてΔIcmd =Kcomp ×ωrの式で表されるモータ速度に比例した1次関数を使用したが、図7に示す第3実施形態のように、事前に実測したデータを元にして決定した電流指令補償分を補充量記憶部42Jに記憶したり設定しておき、より複雑な補正を行なうことも可能である。
In the above embodiment, a linear function proportional to the motor speed represented by the equation ΔI cmd = K comp × ω r is used as the current command compensation, but as in the third embodiment shown in FIG. It is also possible to store or set the current command compensation determined based on the data measured in advance in the replenishment
又、前記実施形態では、スイッチ部42Hを用いてオン/オフ切り替えを行なったが、図8に示す第4実施形態のように、スイッチ部の代わりに、ゲインを例えば0〜1倍に変えることができる可変ゲインアンプ42Kを用いることも可能である。
In the above embodiment, the
又、前記実施形態に、図9に示す第5実施形態のように、外乱オブザーバ42Lを設けることで、摩擦やパラメータ変動等の影響を受けないロバスト制御が可能となる。 In addition, as in the fifth embodiment shown in FIG. 9, the disturbance observer 42L is provided in the embodiment, so that robust control that is not affected by friction, parameter fluctuations, or the like can be performed.
又、各制御部での演算は、比例制御の他に、積分制御、微分制御等を適用することも可能である。 In addition, the calculation in each control unit can apply integral control, differential control, etc. in addition to proportional control.
又、回転型モータだけではなく、リニアモータへの適用も可能である。 Further, not only a rotary motor but also a linear motor can be applied.
又、前記実施形態は、多軸コントローラ部とモータドライブ部を別ブロックとした構成であるが、一体化することも可能である。又、位置ループと速度ループだけを1つのCPUで演算し、電流ループの演算は他のCPUで行なうなどの構成も可能であり、必ずしも実施形態の構成にとらわれるものではない。 Moreover, although the said embodiment is a structure which made the multi-axis controller part and the motor drive part a separate block, it is also possible to integrate. Also, it is possible to employ a configuration in which only the position loop and the velocity loop are calculated by one CPU and the current loop is calculated by another CPU, and the configuration of the embodiment is not necessarily limited.
10…モータ
12…エンコーダ
20…モータドライブ部
22…パワー部
40…多軸コントローラ
42…CPU
42B…位置偏差制御演算部
42C…速度演算部
42E…速度偏差制御演算部
42F…速度区間検出部
42G…補償量演算部
42H…スイッチ部
42J…補償量記憶部
42K…可変ゲインアンプ
50…位置指令演算部
DESCRIPTION OF
42B ... Position deviation
Claims (2)
速度の立ち下がり以外の区間と立ち下がり区間を識別する速度区間識別手段と、
ゲインの増加分に相当する電流指令補償分を設定する補償量設定手段と、
速度の立ち下がり以外の区間では電流指令に電流指令補償分を加算し、速度の立ち下がり区間では電流指令に電流指令補償分を加算しない電流指令補償手段と、
を備えたことを特徴とする多軸モータ制御システム。 In a multi-axis motor control system in which a single CPU performs a control operation of a plurality of motors,
Speed section identifying means for identifying a section other than the speed falling and a falling section;
Compensation amount setting means for setting a current command compensation amount corresponding to an increase in gain;
Current command compensation means for adding the current command compensation to the current command in a section other than the speed falling, and not adding the current command compensation to the current command in the speed falling section;
A multi-axis motor control system comprising:
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