JP2010045912A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通電開始時における軸の落下を防止する機能を有するモータ制御装置を提供する。
【解決手段】モータ制御装置は、モータ４の速度を制御するＰＩ制御部１と、ブレーキ信号に基づいて軸の落下を防止するブレーキ装置８と、ブレーキ装置８に入力されるブレーキ信号を検出するとともに、検出されたブレーキ信号の状態に基づいて、ＰＩ制御部１により算出されたトルク指令値Ｔ＊を記憶する記憶部７とを備える。記憶部７は、ブレーキ信号がオフからオンに変化した場合、トルク指令値Ｔ＊を記憶し、ブレーキ信号がオンからオフに変化した場合、記憶したトルク指令値Ｔ＊をＰＩ制御部１の積分成分に設定する。これにより、通電開始時における軸の落下を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置に係り、特に通電開始時における軸の落下を防止する機能を有するモータ制御装置に関するものである。

一般的に、縦型マシニングセンタのＺ軸や横型マシニングセンタのＹ軸等は重力軸と称される。重力軸は、これを駆動するモータへの通電が遮断された時、落下してしまう。このため、機械的なブレーキ等を設けることにより、重力軸の落下を防止している。しかし、重力軸の落下を防止するためには、機械的なブレーキ等を設けるだけでなく、モータへの通電信号のオン／オフとブレーキ信号のオン／オフのタイミングを制御する必要がある。

重力軸のモータへの通電の開始時および遮断時におけるブレーキ信号のオン／オフとモータへの通電信号のオン／オフのタイミングを図４に示す。この図において、クランプしている状態からモータへの通電を開始する時、Ｔ４１は通電信号をオンするタイミング、Ｔ４２はブレーキ信号をオフするタイミングを示す。また、モータへの通電を遮断する時、Ｔ４３はブレーキ信号をオンするタイミング、Ｔ４４は通電信号をオフするタイミングを示す。この図からもわかるように、まず重力軸のブレーキをオンさせる信号を出力し、ブレーキが動作してモータ等をクランプした後にモータへの通電を遮断して、重力軸の落下を防止している。

同様に、ブレーキが動作してモータ等をクランプしている状態から通電が開始された時も重力軸は落下する。そのため、まずモータへの通電を開始させて、その後、重力軸のブレーキをオフさせる信号を出力し、重力軸の落下を防止している。通常、ブレーキが動作して重力軸がクランプ状態になるまでには、時間を要するため、（Ｔ４４−Ｔ４３）の時間分、通電信号をオフするタイミングを遅らせる必要がある。

また、重力軸の場合、水平軸と異なり、重力分を保持するためのトルクが必要となる。そのため、モータへの通電を開始した際、モータの出力トルクが重力分を保持するためのトルク（以下では、保持トルクと記述する。）と同等以上になるまで重力軸は落下し続けることになる。そのため、保持トルク分をトルク指令値に加算して補償する方式がある。ここで、図５に保持トルク分を補償する方式を適用したモータ制御装置のブロック図の一例を示す。この図において図示されていない上位制御装置（位置制御など）により算出された速度指令Ｖ＊に基づき、モータ５４を駆動制御する。以下で制御の流れを説明する。

エンコーダ５５は、モータ５４のロータの位置を検出する。変換部５６は、エンコーダ５５により検出された位置検出値から速度帰還Ｖを算出する。速度制御部５１は、速度帰還Ｖと、上位制御装置から入力される速度指令Ｖ＊とから、ＰＩ制御等の演算を行ない、トルク指令を算出する。演算器は、そのトルク指令に、保持トルク補償部５７から入力される保持トルク分を加算してトルク指令値Ｔ＊を算出する。次に、電流制御部５２は、トルク指令Ｔ＊と、モータ５４に供給される電流の電流帰還Ｉとから、インバータ駆動指令を算出する。インバータ回路５３では、インバータ駆動指令に基づき、モータ５４を駆動制御する。

下記特許文献１においては、モータ軸を機械的に保持する制動装置が保持を解除した場合、予め設定されたトルク補正値を加算したトルク指令値によりモータを制御する制御装置が記載されている。この制御装置によれば、モータ軸の制動が解除されると、トルク指令値にトルク補正値が加算されることにより、ワークが必要以上に落下して設定位置より飛び出してしまう飛び出し量を抑制することができる。

特開２００７−２８２４３５号公報

従来技術として説明したブレーキ信号のオン／オフとモータへの通電信号のオン／オフとのタイミングを制御する方式においては、通電開始時におけるモータの出力トルクが保持トルクと比較して小さいため、重力軸は落下を開始する。重力軸が落下し始めると、モータの出力トルクは変化する。その変化量は、図５の速度制御部５１として示されるような速度制御にて用いられるＰＩ制御の演算での積分成分により決定される。よって、モータの出力トルクは急激に変化することはなく、必ずある時定数で変化することになる。その結果、モータの出力トルクと保持トルクとが釣り合った時には、重力軸は相当量落下しているため、この落下量を引き戻すようにトルクを急激に発生させてしまい、図６に示すように振動的になってしまうという問題があった。

また、従来技術として説明した保持トルク分を補償する方式においては、保持トルク分は一定であることを前提としている。まず、通常の重力軸に適用した場合について考えてみる。ここで、重力軸の構成の一例を図７に示す。この図において、重力軸は、重力方向に取り付けられたボールネジ７３と、ボールネジ７３に沿って移動可能な主軸ヘッド７４と、主軸ヘッド７４を駆動制御するモータ７１と、主軸ヘッド７４が落下しないように設けたブレーキ装置７２とにより構成されている。主軸ヘッド７４が上下に移動した場合、位置により保持トルクは変化することはない。そのため、保持トルク分（一定値）を補償する方式にて適切な補償を行なうことができる。

しかし、工作機械の５軸加工機のトラニオンユニット上に積載されている回転テーブルの回転軸の場合、位置により保持トルクが変化する。そのため、モータの通電開始時に一定値の保持トルク分を補償する方式においては、位置によって補償トルクが過補償になったり、未補償になってしまう。ここで、図８に補償トルクが未補償となった場合におけるモータ出力トルクの変化を示す。例えば、時間Ｔ８１における未補償トルク分はΔＴｏであるので、軸は落下する。逆に、過補償の場合、保持トルクよりモータ出力トルクが大きくなるため、軸は一瞬上昇する。すなわち、補償トルクが適切に設定されていないと、モータ通電開始時における重力軸却の挙動が不安定となってしまうという問題があった。

また、回転テーブル上にワークを積載した場合、位置だけでなく、ワークの重量や形状や積載位置により、保持トルクが変化する。この場合においても、モータ通電開始時における重力軸の挙動が不安定となる問題がある。

本発明の目的は、モータへの通電時において、重力軸の挙動を安定させ、重力軸の落下を防止することができるモータ制御装置を提供することである。

本発明は、重力の影響を受ける軸を駆動するモータを駆動制御するモータ制御装置において、前記モータの速度を制御するＰＩ制御部と、ブレーキ信号に基づいて前記軸の落下を防止するブレーキ装置と、前記ブレーキ装置に入力される前記ブレーキ信号を検出するとともに、検出された前記ブレーキ信号の状態に基づいて、前記ＰＩ制御部により算出されたトルク指令値を記憶する記憶部と、を備え、前記記憶部は、前記ブレーキ信号がオフからオンに変化した場合、前記トルク指令値を記憶し、前記ブレーキ信号がオンからオフに変化した場合、記憶した前記トルク指令値を前記ＰＩ制御部の積分成分に設定することを特徴とする。

本発明のモータ制御装置によれば、モータへの通電時における軸の挙動を安定させることができ、位置などにより保持トルクが変化した場合であっても、モータへの通電開始時における軸の落下を防止することができる。

以下、本発明に係るモータ制御装置の実施形態について、図に従って説明する。図１は、この発明にかかる軸の落下防止機能を有するモータ制御装置における制御ブロックを示す図である。本実施形態においては、モータ４に軸（図示せず）が機械的に接続されている場合について説明する。

エンコーダ５は、モータ４のロータの位置を検出する。変換部６は、エンコーダ５により検出された位置検出値から速度帰還Ｖを算出する。ＰＩ制御部１は、速度帰還Ｖと、上位制御装置（図示せず）から入力される速度指令Ｖ＊とから、ＰＩ制御等の演算を行ない、トルク指令Ｔ＊を算出する。電流制御部２は、トルク指令Ｔ＊と、モータ４に供給される電流の電流帰還Ｉとから、インバータ駆動指令を算出する。インバータ回路３では、インバータ駆動指令に基づき、モータ４を駆動制御する。

ブレーキ装置８は、ブレーキ信号に基づいて軸の落下を防止する。具体的には、ブレーキ装置８は、ブレーキ信号がオフからオンに変化すると、モータ４をクランプして軸の落下を防止する。一方、ブレーキ装置８は、ブレーキ信号がオンからオフに変化すると、モータ４のクランプ状態を解除する。従来技術で述べたように、ブレーキ装置８は、モータ４への通電遮断時にはクランプ状態となるよう動作し、通電開始時にはクランプ状態を解除するように動作する。このため、ブレーキ装置８に入力されるブレーキ信号のオン／オフとモータ４に入力される通電信号のオン／オフとのタイミングは適切に制御される。

本発明に係るモータ制御装置は、記憶部７を有することを特徴とする。記憶部７は、ブレーキ装置８に入力されるブレーキ信号を検出するとともに、検出されたブレーキ信号の状態に基づいて、ＰＩ制御部１により算出されたトルク指令値Ｔ＊を記憶する。具体的には、記憶部７は、ブレーキ装置８に入力されるブレーキ信号がオフからオンに変化する時に、ＰＩ制御部１により算出されたトルク指令Ｔ＊を記憶する。また、記憶部７は、ブレーキ装置８に入力されるブレーキ信号がオンからオフに変化した場合、記憶したトルク指令値Ｔ＊を前記ＰＩ制御部に出力する。

この図の説明において記憶部７は、ＰＩ制御部１を含む同じ制御装置側で処理を行なうように記載したが、上位制御装置側にて処理を行なうこともできる。通常、上位制御装置側は、通電開始指令を含めた指令を行なっている。このため、上位制御装置側は、記憶部７が記憶したトルク指令値Ｔ＊をＰＩ制御部１に出力するようにＰＩ制御部１を含む制御装置側に通知することができる。

記憶部７で記憶されたトルク指令値Ｔ＊が軸の保持トルク分に相当する値となることについて以下に説明する。一例として重力軸が通電状態で停止している状態を挙げ、この状態の制御について説明する。この状態においては、通電状態であるため、ブレーキ装置８はモータ４のクランプ状態を解除している。この状態からブレーキ装置８を動作させるためには、ブレーキ信号をオフからオンに変化させる必要がある。この場合、重力軸の落下を防止するために、モータ４への通電状態はしばらくの間継続されることになる。すなわち、ブレーキ信号がオフからオンに変化した時、モータ４への通電状態は継続していることになる。よって、記憶部７はブレーキ信号をオフからオンに変化する時に、トルク指令値Ｔ＊を記憶するため、その値は軸の保持トルク分に相当する値となる。

次に、図２により、ＰＩ制御部１について説明する。図２はこの発明にかかる軸の落下防止機能を有するモータ制御装置における制御ブロックのＰＩ制御部１の詳細を示す図である。

比例成分演算部２１と積分成分演算部２２は、速度誤差ΔＶを入力として演算を行ない、それぞれの演算部２１及び２２により算出された値を加算して、トルク指令値Ｔ＊を算出する。記憶部２３は、ブレーキ信号がオフからオンに変化する時に、トルク指令Ｔ＊を記憶し、ブレーキ信号がオンからオフに変化する時に、記憶したトルク指令Ｔ＊を積分成分演算部２２に出力する。この場合、積分成分演算部２２は、記憶部２３から出力された値を通電開始時における積分成分の初期値とする。ここで、ＰＩ制御部１に関して、構成や処理内容を簡潔に記述したが、積分成分のリミット処理や減衰処理等を行なうＰＩ制御とすることもできる。

さらに、図３にて本発明にかかるモータ制御装置による通電開始時における軸の位置とトルクの挙動を説明する。この図で示されているように、通電開始のタイミングにより軸の保持トルクに相当するトルクを出力することができるため、軸の位置変化はないことがわかる。すなわち、軸の落下防止をすることができる。この図は、通電開始時の軸のある特定の位置における位置とトルクを示しているが、他の位置の場合でも、保持トルク分に相当する値は変化するが、位置変化のない同様の挙動となる。

ここで、軸の位置により、保持トルクが大きく変化する場合において、モータ制御に及ぼす影響について以下で考察する。この場合、通電開始後、軸を移動させ、位置が変化すると、保持トルクと記憶したトルク指令値との間に差が生じる。この差分を補うのはＰＩ制御部の出力であり、速度誤差がほぼゼロであれば、積分成分となる。この積分成分は、軸を保持するためには必要であるが、モータ制御に影響を与える可能性がある。すなわち、軸の状態に対して適切な積分成分となっていない。しかし、記憶したトルク指令値を積分成分に設定することで、位置の変化に応じて、積分成分も変化する。この場合において、積分成分は、制御上適切な値となり、応答性がよく、安定したモータ制御を行なうことができる。

本発明にかかる軸の落下防止機能を有するモータ制御装置における制御ブロックを示す図である。 本発明にかかる軸の落下防止機能を有するモータ制御装置における制御ブロックのＰＩ制御部の詳細を示す図である。 本発明にかかるモータ制御装置における通電開始時の軸の位置とトルクの挙動を示す図である。 重力軸のモータへの通電開始時および遮断時におけるブレーキ信号のオン／オフとモータへの通電信号のオン／オフのタイミング示す図である。 従来の保持トルク分を補償する方式によるモータ制御装置における制御ブロックを示すブロック図である。 重力軸のモータへの通電開始時における位置およびトルクの挙動の一例を示す図である。 重力軸の構成の一例を示す図である。 従来の保持トルク分を補償する方式によるモータ制御装置におけるトルクの挙動の一例を示す図である。

符号の説明

１ ＰＩ制御部、２，５２ 電流制御部、３，５３ インバータ回路、４，５４，７１ モータ、５，５５ エンコーダ、６，５６ 変換部、７，２３ 記憶部、８，７２ ブレーキ装置、２１ 比例成分演算部、２２ 積分成分演算部、５１ 速度制御部、７３ ボールネジ、７４ 主軸ヘッド。

Claims (1)

1. 重力の影響を受ける軸を駆動するモータを駆動制御するモータ制御装置において、
   前記モータの速度を制御するＰＩ制御部と、
   ブレーキ信号に基づいて前記軸の落下を防止するブレーキ装置と、
   前記ブレーキ装置に入力される前記ブレーキ信号を検出するとともに、検出された前記ブレーキ信号の状態に基づいて、前記ＰＩ制御部により算出されたトルク指令値を記憶する記憶部と、
   を備え、
   前記記憶部は、前記ブレーキ信号がオフからオンに変化した場合、前記トルク指令値を記憶し、前記ブレーキ信号がオンからオフに変化した場合、記憶した前記トルク指令値を前記ＰＩ制御部の積分成分に設定する、
   ことを特徴とするモータ制御装置。

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