JP2011217530A

JP2011217530A - サーボ制御方法及びサーボ制御装置

Info

Publication number: JP2011217530A
Application number: JP2010084040A
Authority: JP
Inventors: Jun Fujita; 純藤田
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27
Also published as: CN102207738A; US20110241594A1; KR20110109998A; US8680804B2

Abstract

【課題】被駆動物の位置により伝達関数が変化し、位相が急激に遅れて不安定になることにより、ゲインを上げることが困難となる現象を防ぐことが可能なサーボ制御系を提供する。
【解決手段】本発明の１実施例に係る方法は、一つの被駆動物を複数のモータで駆動する送り駆動機構に適用されるサーボ制御方法であって、各モータの速度フィードバックを混合した信号を用いて前記被駆動物の速度制御を行い、前記速度制御により得られたトルク指令を全てのモータの駆動に使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は一つの移動物を複数のモータで駆動する送り駆動機構におけるサーボ制御方法及びサーボ制御装置に関する。

複数モータにより、被移動物の位置、速度及びトルクを制御する方法が知られている（特許文献１参照）。一つの移動物を複数のモータで駆動する送り駆動機構の例を図５に示す。これは、１つのボールねじ３４を両端のモータ２１、２２で駆動し、サドル３６をガイド３０、３１に沿って移動するものである。ボールねじ３４は支持ベアリング３３、３８により支持され、サドル３６にはナット３５が固定されている。

この送り駆動機構を制御する従来の制御系を示すブロック構成図を図６に示す。

この制御系は、モータは２つ設けられているが、位置及び速度制御系は１系統であり、モータ２１のエンコーダ２３による位置フィードバック及び速度フィードバックにより、位置及び速度制御を行う。

エンコーダ２３は、モータ２１の回転に応じて、電気角算出用位置信号を出力する。この位置信号は、１回転を例えば１／２^２０に分割し、モータ２１の回転子回転角を示す２進数値を出力する。エンコーダ２４も同様に、電気角算出用位置信号を出力する。モータ２１、２２は例えば同期モータが使用される。モータは同期モータに限らず、用途に応じて直流モータを使用できる。

位置フィードバック作成器２６は、位置制御周期当たりのエンコーダ２３からの出力の変化量を、エンコーダ１回転当たりのカウント数で割り、エンコーダ１回転当たりの機械（被駆動物）の移動量を掛けた値を積算して求めた機械位置フィードバックを作成する。

減算器１１は、図示しない主制御部から送信された位置指令から、機械位置フィードバックを減算し、位置誤差を出力する。乗算器１２は、この位置誤差に位置制御ゲインＫｐを乗算し、乗算結果を速度指令として出力する。

微分器１３は、エンコーダ２３から出力される位置信号を微分し、その微分結果を速度フィードバック信号として出力する。減算器１５は、速度指令値から速度フィードバック信号の値を減算し、減算結果を速度誤差として出力する。速度制御処理部１８は、速度誤差に対して例えば比例積分演算等の速度制御を行い、制御結果をトルク指令として出力する。なお、デジタルサンプリング方式の制御系の微分は、差分で代用する事ができる。

電流制御アンプ１９は、エンコーダからの位置信号を電気角に変換し、この電気角及びトルク指令に基づいてモータ駆動信号を発生しモータ２１を回転駆動する。制御アンプ２０も制御アンプ１９と同様に動作する。

特開平７−１１０７１４号公報

この様な送り駆動機構のトルクから速度に対する伝達関数、すなわち速度制御処理部１８の出力信号であるトルク指令に対する、微分器１３の出力である速度フィードバック信号の周波数特性を、シミュレーションにより求めた結果を図７に示す。

図７（Ａ）はサドル３６の位置がモータ２１に近い端であるときの伝達関数、図７（Ｂ）はサドル３６の位置が中央付近であるときの伝達関数、図７（Ｃ）はサドル３６の位置がモータ２２に近い端であるときの伝達関数を示す。図７からわかるように、伝達関数がサドル３６の位置により変化し、モータ２２に近い図７（Ｃ）の場合は、楕円２５で示したように、比較的低い周波数で位相が急激に遅れる部分が発生する。一般に、位相遅れが１８０°でゲインが０ｄＢ以上あると、動作が不安定となり制御が困難になる。従って、制御系の図７（Ｃ）の様な特性は、速度制御系のゲインを上げる妨げになり、ゲインを十分に上げることが困難になる問題が生じる。ゲインを十分に上げることができないということは、十分な応答速度が得られないことを意味する。

従って本発明の目的は、被駆動物の位置により伝達関数が変化し、位相が急激に遅れて不安定になることにより、ゲインを上げることが困難となる現象を防ぎ、安定してゲインを上げることが可能なサーボ制御系を提供することである。

本発明の１実施例によれば、一つの被駆動物を複数のモータで駆動する送り駆動機構に適用されるサーボ制御方法であって、それぞれのモータの速度フィードバック信号を混合した信号を用いて前記被駆動物の速度制御を行い、前記速度制御により得られたトルク指令を全てのモータの駆動に使用するサーボ制御方法が提供される。

被駆動物の位置により伝達関数が変化し、位相が急激に遅れて不安定になることにより、ゲインを上げることが困難となる現象を防ぎ、安定してゲインを上げることが可能なサーボ制御系が提供される。

本発明によるサーボ制御方法を適用する装置の第１実施例を示すブロック構成図である。２つの速度フィードバック信号を足して２で割る方式でトルクから速度フィードバックまでの伝達関数をシミュレーションした結果を示す。本発明の第２実施例に係る送り駆動機構の構造例を示す。図３の送り駆動機構に適用される本発明によるサーボ制御装置の第２実施例を示すブロック構成図である。一つの移動物を複数のモータで駆動する送り駆動機構の構造例を示す。図５の送り駆動機構を制御する従来の制御系を示すブロック構成図である。図６の制御系を用いた送り駆動機構のトルクから速度フィードバックまでの伝達関数を、シミュレーションにより求めた結果を示す。

以下、本発明に係るサーボ制御方法の実施例について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明によるサーボ制御方法を適用する装置の第１実施例を示すブロック構成図である。従来構成の図６と同一要素には同一の参照符号を付し、それら要素の詳細な説明は割愛する。本例のサーボ制御装置も、例えば図５のような送り駆動機構に適用することができる。

図１に示す第１実施例の構成は図６の構成に比べ、微分器１４及び速度フィードバック混合器１７が追加されている。微分器１４は、エンコーダ２４から出力される位置信号を微分し、微分結果として速度フィードバック２を出力する。微分器１３は、エンコーダ２３から出力される位置信号を微分し、微分結果として速度フィードバック１を出力する。速度フィードバック混合器１７は、速度フィードバック１と速度フィードバック２とを混合し、速度フィードバック信号を出力する。これ以降の動作は、図６と同様である。

従来方式では、速度制御に使用する速度フィードバック信号はモータ２１のエンコーダ２３から得られたもののみを使用していた。これに対し、本実施例では、モータ２１、モータ２２のエンコーダ２３、２４から得られた速度フィードバック１、２を速度フィードバック混合器１７にて混合し、速度フィードバック信号として使用する。

速度フィードバック混合器１７のフィードバック信号の混合方法としては、いくつか考えられるが、最も簡単な例では、２つの速度フィードバック１、２を足して２で割る単純な平均を用いる方法がある。

これ以外には、比率を変えて平均する、被駆動物の位置により比率を変化させることなども考えられる。例えば、サドルの位置がストローク（ガイド）の中央で速度フィードバックの混合比が１：１となり、モータ１側の端で１：０、モータ２側の端で０：１になるように混合比を連続的に変化させる。

図２に２つの速度フィードバック信号を足して２で割る方式でトルクから速度フィードバックまでの伝達関数をシミュレーションした結果を示す。図２（Ａ）、２（Ｂ）、２（Ｃ）のいずれの位置でも位相が急激に遅れることなく良好な特性になっている。尚、図１のような構成を採用して装置を実際に製作し、伝達関数を測定した結果も図２と同様な特性が得られている。

図３及び図４は本発明の第２実施例を示す。これは、１つの回転テーブルをウォームギアを用いて４つのモータで回転駆動する例である。

図３のように、回転テーブル４０の周辺にはモータ４３、ウォームギア４２、エンコーダ４４で構成される駆動部５０が４つ設けられ、回転テーブル４０の周囲には、ウォームギア４２と噛み合うねじ山が形成されている。図３のような構成は、回転テーブル４０の質量が大きく、１つの駆動部で駆動するのが困難な場合に適用される。

図４のように、エンコーダ４４ａ〜４４ｄの各出力（電気角算出用位置）は制御アンプ４１ａ〜４１ｄにそれぞれ供給されると共に、微分器４５ａ〜４５ｄにより微分され、微分結果は速度フィードバック混合器４６に供給される。またエンコーダ４４ａの出力は減算器１１に供給される。速度フィードバック混合器４６は、４つの微分器４５ａ〜４５ｄから供給される速度フィードバック信号の例えば平均値を減算器１５に提供する。これ以降の動作は、図１の実施例と同様である。

このように構成することで、トルク指令に対する速度フィードバックの伝達関数は、図２のように、いずれの位置でも位相が急激に遅れることの無い良好な特性が得られる。

以上説明したように、従来の方法では、負荷の状況により制御系の特性が不安定になり、ゲインを上げられない場合でも、本願発明の方法であれば、不安定にならずゲインをより上げる、すなわち応答速度を向上させることができる。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。

１１…減算器、１２…乗算器、１３、１４、４５ａ〜４５ｄ…微分器、１５…減算器、１８…速度制御処理部、１９…制御アンプ、２１、２２、４３ａ〜４３ｄ…モータ、２３、２４、４４ａ〜４４ｄ…エンコーダ、４２ａ〜４２ｄ…ウォームギア。

Claims

一つの被駆動物を複数のモータで駆動する送り駆動機構に適用されるサーボ制御方法であって、
各モータの速度フィードバックを混合した信号を用いて前記被駆動物の速度制御を行い、
前記速度制御により得られたトルク指令を全てのモータの駆動に使用することを特徴とするサーボ制御方法。
前記被駆動物は前記複数のモータにより直線的に駆動されることを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
前記被駆動物は前記複数のモータにより回転駆動されることを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
一つの被駆動物を第１及び第２モータで駆動する送り駆動機構に適用されるサーボ制御装置であって、
前記第１モータの電気角算出用の第１位置信号を微分して第１フィードバック信号を出力する第１微分手段と、
前記第２モータの電気角算出用の第２位置信号を微分して第２フィードバック信号を出力する第２微分手段と、
前記第１及び第２フィードバック信号を混合して第３フィードバック信号を出力する混合手段と、
前記第３フィードバック信号を用いて速度制御を行い、トルク指令を出力する速度制御手段と、
前記トルク指令を用いて前記第１及び第２モータを駆動する第１及び第２電流制御器と、
を具備することを特徴とするサーボ制御装置。
前記被駆動物は前記第１及び第２モータにより直線的に駆動されることを特徴とする請求項４記載のサーボ制御装置。
前記被駆動物は前記第１及び第２モータにより回転駆動されることを特徴とする請求項４記載のサーボ制御装置。