JP2010130778A - 電動機制御装置及びその象限突起補償調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１軸毎に調整できて、多軸の軌跡情報を解析する必要がなく、多軸用のサーボコントローラが不要で簡単に象限突起補償量を調整できる電動機制御装置及びその象限突起補償調整方法を提供する。
【解決手段】位置制御部１１と、速度制御部１２と、トルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、前記電動機位置の時間差分により前記電動機速度を生成する速度生成部１８と、を備えた電動機制御装置１において、１軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を出力する円弧指令作成部１５と、位置指令の方向反転後、移動量や時間に応じてトルク指令を補償する突起補償部１６と、補償トルク指令を増減して速度制御積分制御部の出力を、最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整する突起補償調整部１７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機制御装置及びその象限突起補償調整方法に関し、特に多軸軌跡制御の象限切替わり時に生ずる象限突起を、補償して軽減するものである。

従来の象限突起補償を行う電動機制御装置は、調整用プログラムによりサーボ制御系を駆動してサーボ情報の解析結果に基づいて、サーボパラメータを求め自動調整している（例えば、特許文献１参照）。
図１１は従来技術の電動機制御装置を説明するためのブロック図である。図１１において、１０１はサーボパラメータ自動調整装置、１０２はＮＣ装置（サーボコントローラ）、１０３はサーボモータ、１０４はサーボ制御系、１１１は調整用プログラム格納手段、１１３は解析手段、１１４はサーボパラメータの調整手段であり、調整用プログラム１１１によりサーボ制御系１０４を駆動して、サーボ情報の解析手段１１３により解析を行い解析結果に基づいて、サーボパラメータを求め自動調整する。
このように、従来の象限突起補償を行う電動機制御装置は、調整用プログラムによりサーボ制御系を駆動して、サーボ情報の解析手段により解析を行い解析結果に基づいて、サーボパラメータを求め自動調整するのである。
特開平８−２２１１３２号公報（第８頁、図１）

従来の象限突起補償を行う電動機制御装置は、多軸となっていて調整用プログラムによりサーボ制御系を駆動して多軸の軌跡情報を得て解析を行うので、時間がかかるという問題があった。また、軌跡情報を得て解析するのは多軸用のサーボコントローラが必要で、かつ処理が多いというような問題もあった。
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、１軸毎に調整できて、多軸の軌跡情報を解析する必要がなく、多軸用のサーボコントローラが不要で簡単に象限突起補償量を調整できる電動機制御装置及びその象限突起補償調整方法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、位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電動機電流の電流偏差に基づいて電圧指令を生成する電流制御部と、電圧指令に基づいて電動機に電圧を供給するパワー変換部と、電動機位置の時間差分により電動機速度を生成する速度生成部と、を備えた電動機制御装置において、１軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を出力する円弧指令作成部と、位置指令の方向反転後、移動量や時間に応じてトルク指令を補償する突起補償部と、補償トルク指令を増減して速度制御積分制御部の出力を、最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整する突起補償調整部と、を備えるものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電動機制御装置において、前記突起補償調整部は、補償トルク指令の補償タイミングを変化させて速度制御積分制御部の出力を、最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整するものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の電動機制御装置において、前記円弧指令作成部は、１軸分の指令反転前後部分の正方向と負方向の双方向の位置指令を、出力するものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載の電動機制御装置において、前記円弧指令作成部は、１軸分の指令反転前後部分の位置指令を一定加速で近似して出力するものである。
また、請求項５に記載の発明は、位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電動機電流の電流偏差に基づいて電圧指令を生成する電流制御部と、電圧指令に基づいて電動機に電圧を供給するパワー変換部と、電動機位置の時間差分により電動機速度を生成する速度生成部と、を備えた電動機制御装置の象限突起補償調整方法において、１軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を生成するステップと、位置指令の方向反転後、移動量や時間に応じて補償トルク指令を生成するステップと、補償トルク指令を増減して速度制御積分制御部の出力を最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整するステップと、を備えるものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５記載の電動機制御装置の象限突起補償調整方法において、前記補償トルク指令を増減して速度制御積分制御部の出力を最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整するステップは、補償トルク指令の補償タイミングを変化させて速度制御積分制御部の出力を、最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整するものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項５記載の電動機制御装置の象限突起補償調整方法において、前記１軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を生成するステップは、１軸分の指令反転前後部分の正方向と負方向の双方向の位置指令を生成するものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項５記載の電動機制御装置の象限突起補償調整方法において、前記１軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を生成するステップは、１軸分の指令反転前後部分の位置指令を一定加速で近似して生成するものである。

請求項１から３及び５から７記載の発明によると、１軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を出力し、補償トルク指令を増減して速度制御積分制御部の出力を、最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整するので、１軸毎に調整できて、多軸の軌跡情報を解析する必要がなく、多軸用のサーボコントローラが不要で簡単に象限突起補償量を調整できる。
また、請求項３、４、７、８に記載の発明によると、位置指令は正逆の移動指令なので、簡単に指令でき１軸毎に短時間で調整することができる。

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は本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１は電動機制御装置、２は電動機、３は位置検出器、１１は位置制御部、１２は速度制御部、１３は電流制御部、１４はパワー変換部、１５は円弧指令作成部、１６は突起補償部、１７は突起補償調整部、１８は速度生成部、１９はエンコーダ信号入出力部である。
位置制御部１１は位置指令と電動機位置の位置偏差に位置制御比例ゲインＫｐを乗じて速度指令を生成し、速度制御部１２は速度指令と電動機速度の速度偏差に速度制御比例ゲインを乗じて第１トルク指令を生成し、速度偏差の積分に速度制御積分時定数を乗じて第２トルク指令を生成し、第１トルク指令と第２トルク指令を加算してトルク指令を生成する。電流制御部１３はトルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電動機電流の電流偏差に基づいて電圧指令を生成する。パワー変換部１４は電圧指令をＰＷＭ信号に変換して電力変換器を駆動して電動機に電流指令どおりの電流を流す。位置検出器３は電動機２に結合され、電動機の位置を検出する。速度生成部１８は、電動機位置の時間差分をとって電動機速度を生成する。円弧指令生成部１５は突起補償調整時、１軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を生成する。突起補償部１６は位置指令の方向反転後、位置指令の移動量や時間に応じて補償トルク指令を生成する。突起補償調整部１７は補償トルク指令を増減或いは補償トルク指令のタイミングを変化させて、速度制御積分制御部の出力が小さくなるように調整する。
本発明の特徴的な部分は、円弧指令生成部１５と突起補償調整部１７を設けた点である。

次に突起補償例について説明する。図２は突起補償のタイミングと突起補償量の関係を示す図である。位置指令の方向反転時から第１段突起補償ゲインで決まる時定数で、第１段突起補償リミットオフセットの補償トルクが生成される。
次に第１段突起補償リミットオフセットから第２段突起補償ゲインで決まる時定数で、第２段突起補償リミットの補償トルクが生成される。このようにして位置指令の方向反転後、位置指令の移動量や時間に応じて補償トルク指令を生成する。突起補償の方法については、位置指令の方向反転後、位置指令の移動量や時間に応じて補償トルク指令を生成する方法であれば、これに限ったことでない。

次に位置制御部、速度制御部の動作の詳細について説明する。図３は本発明の電動機制御装置の制御ブロック図である。３１は位置制御部、３２は速度制御積分制御部、３３は速度制御比例制御部、３４はモータ、３５は積分である。位置制御部３１、速度制御部３２の動作は図１の説明で前述したとおりである。速度制御比例制御部３３は、速度指令と電動機速度の速度偏差に速度制御比例ゲインを乗じて第１トルク指令を生成する。速度制御積分制御部３２は、速度偏差を積分時定数で積分して第２トルク指令を生成する。そして第１トルク指令と第２トルク指令を加算してトルク指令を生成し、そのトルク指令に補償トルクを加算する。このトルク指令でモータ３４を制御する。

次に象限切替りである移動方向反転時の動作を図４を用いて説明する。図４は象限切替りである移動方向反転時の動作タイミング図である。なお、図４は負荷トルクの補償がない場合である。速度指令が負から正方向にある加速度で指令されると、負荷トルクの極性は電動機の移動方向によるので、電動機速度はトルク指令が反転するまで、つまり速度積分量が反転するまで図のように０付近となり、速度積分量が負荷トルクと一致すると電動機速度は速度指令に追従するようになる。このように移動方向反転時、速度積分量が遅れるので速度が０付近で速度指令に追従しないと、象限突起が発生する。ここで、位置指令の方向反転時つまり負荷トルクの反転時に、速度が速度指令に追従するように補償トルクを加算すると、速度制御積分制御部の出力の第２トルク指令はほとんど出力しなくてもすむようになる。そこで速度制御積分制御部の積分量の変化は小さくなる。このようにして位置指令の方向反転時に、補償トルクを増減或いは補償トルクのタイミングを変化させて、速度制御積分制御部の積分量の変化を小さくなるように調整すると、象限突起を抑えることができる。速度制御積分制御部の積分量の変化は０であれば良いが、主な要因として摩擦や加速度によるトルクがあるのと機械やモータの変動等もあり、完全に０にすることは困難なので所定値以下、例えば摩擦による負荷トルクの数分の１程度或いは最小値として調整する。

次に象限突起補償量の調整を行うための円弧指令について説明する。図５は円弧指令の例を示す図である。例としてｘ軸とｙ軸の２軸の円で開始点（０，０）から半径Ｒで反時計方向に移動するものとする。図６は図５に示す円のｘ軸についての円弧指令の生成を説明する図である。ｘ軸の指令は図６（ａ）のような指令となる。調整に使用するのは位置指令の方向反転前後なので、例えば図６（ｂ）のように反転前後０．１秒程度円弧指令で移動させれば良い。ここで、図６（ｂ）は図６（ａ）の丸で囲んだ部分（反転前後０．１秒程度）を拡大したものである。
例えば２０ｍｍのボールねじを送り速度 Ｆ１００００（１０ｍ／分）の円弧指令で移動させると、指令の反転前後０．１秒の速度は約１３１ｍｉｎ-1となる。 或いは図６（ｃ）のように反転前後０．１秒程度の速度を一定加速度で移動させても良い（模擬円弧移動の指令）。この場合、直線で円弧を模擬的に指令するので円弧指令に比べ簡単に指令を行うことができる。また前述した円弧移動の指令は反転前後が負方向のみであるが、図６（ｄ）のように正方向と負方向の双方向を移動して正方向の調整、負方向の調整を行っても同様である。このようにして象限突起補償量の調整を行うための円弧指令或いは模擬円弧指令を生成する。この円弧指令の生成は図１の円弧指令生成部１５で実行される。

図７は円弧指令生成部１５の処理の手順を示すフローチャートである。まずステップＳ１では外部よりあらかじめ設定されたボールねじピッチと円弧指令速度から１軸の円弧の最大速度を算出する。同時に円弧半径と円弧指令速度から円１周の時間を算出する。なお、ステップＳ１の代りに円弧最大速度と円１周の時間を外部から設定するように構成しても良い。ステップＳ２では円弧指令要求があると０ｍｉｎ^−１から開始速度までをある時間で加速指令を生成する。ここで開始速度は次式（１）となる。
円弧指令開始速度＝円弧最大速度×ｓｉｎθ１ （１）
ここでθ１は反転前後０．１秒程度円弧指令で移動させるとすると、θ１＝０．１／円１周の時間×３６０［ｄｅｇ］となる。ステップＳ３では開始速度から次式（２）にて円弧指令を生成する。
速度或いは差分位置指令＝円弧最大速度×ｓｉｎ(θ１−θｓ×ｎ) （２）
ここでｎ：０〜０．２／ｔｓ、ｔｓ：サンプリング時間［ｓ］、
θｓ：サンプリング時間毎の角度でｔｓ／円１周の時間×３６０［ｄｅｇ］
なお、ｎ＝０では速度或いは差分位置指令は円弧指令開始速度となり、終了時の
ｎ＝０．２／ｔｓでは速度或いは差分位置指令＝円弧最大速度×ｓｉｎ(−θ１) となり、
速度は円弧指令開始速度と同じで方向が反転した速度となる。
ステップＳ４では次式（３）により逆指令の円弧指令を生成する。
速度或いは差分位置指令＝円弧最大速度×ｓｉｎ(θｓ×ｍ−θ１) （３）
ここでｍ：０〜０．２／ｔｓ
ステップＳ５では円弧指令を繰り返すかどうかを判別し、繰り返す場合はステップＳ３に戻る。ステップＳ５の判別で終了する場合はステップＳ６に進み０ｍｉｎ^−１まで減速指令を生成する。

次に本発明の象限突起補償調整方法を説明する。図８は、本発明の象限突起補償調整方法の手順を示すフローチャートである。図において、ステップＳ１１、Ｓ１５、Ｓ２１は図１の円弧指令作成部１５で実行され、他のステップは図１の突起補償調整部１７で実行される。ステップＳ１１では低速の円弧指令で移動させる。指令速度は例えばＦ１０００（１０００ｍｍ／分）程度で、位置指令の方向反転前後を移動させる。ここでは負荷トルク、方向反転時のトルクを得るための移動であり、高速にすると加速トルクまで含まれてしまうため加速の小さい低速とする。
次にステップＳ１２では位置指令の方向反転時のトルク指令の差を検出する。これは方向反転時に必要なトルク、つまり最大トルクを得るためである。図９に移動方向反転時のトルク指令の差および負荷トルクを説明する図を示す。図９に示すような方向反転時のトルク指令の差を検出する。
ステップＳ１３では図９に示すように位置指令の方向反転前の負荷トルクを検出する。
ステップＳ１４では適当な突起補償の仮のゲイン、仮のリミット値を設定する。仮のゲインは位置制御ゲインや速度制御ゲインに応じて、適当なゲインを設定する。仮のリミット値はステップＳ１３で負荷トルクを検出しているので、負荷トルクからの推定値を設定する。例えばその負荷トルク値或いはその１．５倍等の値を設定する。リミット値は第１段リミットオフセットと第２段リミットの数値を、ある比率、例えば１対２等で設定する。そしてステップＳ１２で検出した方向反転時に必要なトルクをリミットクランプ値に設定する。
ステップＳ１５では高速の円弧指令で移動させる。ここではリミット値の調整を行うため、遅れと補償量が問題となるため高速で移動させる。指令速度は例えばＦ１００００（１０ｍ／分）程度で、位置指令の方向反転前後を移動させる。
ステップＳ１６では指令の反転からの速度制御積分量の変化分を検出する。速度制御積分量は速度制御積分制御部の出力である第２トルク指令の変化分を検出する。
ステップＳ１７では指令の反転からの速度制御積分量の変化分が最小であるか判断する。 具体的には、リミット値を変化させていき、速度制御積分量の変化分が最小値になっているかどうか判断する。図１０は突起補償でのリミット値と移動方向反転時速度制御の積分量の変化の関係を示す図である。例えばリミット値を増加させていくと、図１０のようにある数値までは速度制御積分量の変化分が小さくなり、ある数値を超えると速度制御積分量の変化分が大きくなるので、前後のリミット値よりその最小値になっているかを判断する。最小値の場合はステップＳ２０へ進み、そうでない場合はステップＳ１８へ進む。
ステップＳ１８ではリミット値を増加させて変更する。リミット値は第１段リミットオフセットと第２段リミットの数値を、ある比率、例えば１対２等で増加させて変更する。
ステップＳ１９ではリミット値を増加させて最大値になったかを判断する。リミット値が最大になった場合は、次のステップＳ２０へ進み、そうでない場合はステップＳ１５へ戻る。リミット値の最大値はリミットクランプ値より小さな値を、予め決めておく。
ステップＳ２０ではステップＳ１５からステップＳ１８までの一連のリミット値で、速度制御積分量の変化分が最小値のリミット値を選択して設定する。
ステップＳ２１では低速の円弧指令で移動させる。これはゲインの調整でタイミングを確認するためである。指令速度は例えばＦ１０００（１０００ｍｍ／分）程度で、位置指令の方向反転前後を移動させる。
ステップＳ２２では指令の反転からの速度制御積分量の変化分を検出する。速度制御積分量は速度制御積分制御部の出力である第２トルク指令の変化分を検出する。
ステップＳ２３では指令の反転からの速度制御積分量の変化分が最小値であるか判断する。ゲイン値を変化させていき、速度制御積分量の変化分が最小値になっているかどうか判断する。例えばゲイン値を減少させていくと、ある数値までは速度制御積分量の変化分が小さくなり、ある数値を超えると速度制御積分量の変化分が大きくなるので、前後のリミット値よりその最小値になっているかを判断する。
ステップＳ２４ではゲイン値を減少させて変更する。ゲイン値は第２段ゲインの数値を、ある比率で減少させて変更する。
ステップＳ２５ではゲイン値を減少させて最小値になったかを判断する。ゲイン値が最小になった場合は、次のステップＳ２６へ進み、そうでない場合はステップＳ２１へ戻り最小値を探すまで繰り返す。ゲイン値の最小値は０以外で、予め決めておく。
ステップＳ２６ではステップＳ２１からステップＳ２４までの一連のゲイン値で、速度制御積分量の変化分が最小値のゲイン値を選択して設定する。
このようにして円弧指令で移動させて、速度制御積分量の変化分が小さくなるように象限突起補償量の調整を行う。
また指令の反転からの速度制御積分量の変化分が最小値になるように調整したが、所定値以下になるように調整してもかまわない。

本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図 突起補償のタイミングと突起補償量の関係を示す図 本発明の電動機制御装置の制御ブロック図 象限切替りである移動方向反転時の動作タイミング図 円弧指令の例を示す図 ｘ軸についての円弧指令の生成を説明する図 円弧指令生成部の処理の手順を示すフローチャート 本発明の象限突起補償調整方法の手順を示すフローチャート 移動方向反転時のトルク指令の差および負荷トルクを説明する図 突起補償でのリミット値と移動方向反転時速度制御の積分量の変化の関係を示す図 従来技術の電動機制御装置を説明するためのブロック図

符号の説明

１ 電動機制御装置
２ 電動機
３ 位置検出器
１１ 位置制御部
１２ 速度制御部
１３ 電流制御部
１４ パワー変換部
１５ 円弧指令生成部
１６ 突起補償部
１７ 突起補償調整部
１８ 速度生成部
１９ エンコーダ信号入出力部
３１ 位置制御部
３２ 速度制御積分制御部
３３ 速度制御比例制御部
３４ モータ
３５ 積分

Claims (8)

1. 位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、
   速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、
   トルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電動機電流の電流偏差に基づいて電圧指令を生成する電流制御部と、
   電圧指令に基づいて電動機に電圧を供給するパワー変換部と、
   電動機位置の時間差分により電動機速度を生成する速度生成部と、を備えた電動機制御装置において、
   １軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を出力する円弧指令作成部と、
   位置指令の方向反転後、移動量や時間に応じてトルク指令を補償する突起補償部と、
   補償トルク指令を増減して速度制御積分制御部の出力を、最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整する突起補償調整部と、を備えることを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記突起補償調整部は、補償トルク指令の補償タイミングを変化させて速度制御積分制御部の出力を、最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
3. 前記円弧指令作成部は、１軸分の指令反転前後部分の正方向と負方向の双方向の位置指令を、出力することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
4. 前記円弧指令作成部は、１軸分の指令反転前後部分の位置指令を一定加速で近似して出力することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
5. 位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、
   速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、
   トルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電動機電流の電流偏差に基づいて電圧指令を生成する電流制御部と、
   電圧指令に基づいて電動機に電圧を供給するパワー変換部と、
   電動機位置の時間差分により電動機速度を生成する速度生成部と、を備えた電動機制御装置の象限突起補償調整方法において、
   １軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を生成するステップと、
   位置指令の方向反転後、移動量や時間に応じて補償トルク指令を生成するステップと、
   補償トルク指令を増減して速度制御積分制御部の出力を最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整するステップと、
   を備えることを特徴とする電動機制御装置の象限突起補償調整方法。
6. 前記補償トルク指令を増減して速度制御積分制御部の出力を最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整するステップは、補償トルク指令の補償タイミングを変化させて速度制御積分制御部の出力を、最小値或いは所定値以下に小さくなるように調整することを特徴とする請求項５記載の電動機制御装置の象限突起補償調整方法。
7. 前記１軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を生成するステップは、１軸分の指令反転前後部分の正方向と負方向の双方向の位置指令を生成することを特徴とする請求項５記載の電動機制御装置の象限突起補償調整方法。
8. 前記１軸分の円弧指令の指令反転前後部分の位置指令を生成するステップは、１軸分の指令反転前後部分の位置指令を一定加速で近似して生成することを特徴とする請求項５記載の電動機制御装置の象限突起補償調整方法。

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