JP2014007790A - モータ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】速度制御系から位置制御系への切り換えをモータが出力可能な加速度に応じて容易に最短にすることができるモータ駆動制御装置を得ること。
【解決手段】モータを駆動制御するモータ駆動制御装置において、位置指令Ｘと位置検出値Ｂとの差分である位置偏差ＤＲＰに基づいてモータ３への制御入力Ｕを算出する制御入力計算部１３と、位置検出値Ｂと制御入力Ｕとに基づいてモータ３の最大加速度を算出するとともに、最大加速度と位置検出値Ｂとに基づいて減速停止するまでに必要な減速所要距離を算出し、減速所要距離と位置偏差ＤＲＰとの比率に基づいて制御入力の所望値である参照制御入力を計算する参照制御入力計算部１２と、制御入力Ｕが参照制御入力に一致するよう位置偏差ＤＲＰを修正する位置偏差整形部１１と、を備え、修正位置偏差Ｃに基づいて制御入力Ｕが算出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械を駆動するモータを駆動制御するモータ駆動制御装置に関する。

一般に、回転軸制御には、モータを一定速回転させる際に用いられる速度制御と、回転軸角度（位相）を所定の角度に一致させる際に用いられる位置制御（位置決め制御）とがある。

工作機械用の主軸モータを制御する際には、要求された動作に応じて制御系（速度制御と位置制御）を切り換えながら回転軸制御が行なわれている。このため、速度制御から位置制御に切り換える際には、指令された角度（位相）とモータの角度（位相）を一致させた後に速度０まで減速させる減速パターンを生成する必要があった。

例えば、特許文献１に開示されている技術では、速度制御から位置制御に切り換える際の速度を予め規定している。そして、規定しておいた速度に到達する直前の加速度を用いて切り換え後の位置指令を生成し、さらに減速停止までの速度パターンを生成している。

特許４０９９５０３号公報

しかしながら、上記従来技術では、規定しておいた速度に到達する直前の加速度が必ずしもモータが出力できる最大の加速度ではないので、指定された位相まで減速停止するのに要する時間が最短にはならないという問題があった。

また、工作機械用の主軸モータなどでは、弱め界磁制御などを行なうために、出力可能な加速度を小さくし、これにより高速回転を実現している。このため、高速域から減速する場合には、加速度が一定となる低い速度まで減速した後に、速度制御系から位置制御系への切り換えを行う必要がある。この結果、減速停止までの時間が長くなってしまうという問題があった。

また、速度制御系から位置制御系への切り換え速度が適切に設定されていないと、減速停止までの時間が無駄に長くなる。このため、前記切り換え速度をモータ特性に応じて事前に設定しておく必要があり、設定が煩雑であるといった問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータ出力特性が速度に応じて変化する場合であっても、速度制御系から位置制御系への切り換えをモータが出力可能な加速度に応じて容易に最短にすることができるモータ駆動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、本発明は、位置指令に基づいてモータを駆動制御するモータ駆動制御装置において、前記位置指令と前記モータから検出された位置検出値との差分である位置偏差に基づいて前記モータへの制御入力を算出するとともに、算出した制御入力を前記モータ側へ送る制御入力計算部と、前記位置検出値と前記モータ側へ送られる制御入力とに基づいて、前記モータが出力可能な最大加速度を算出するとともに、前記最大加速度と前記位置検出値とに基づいて前記最大加速度で減速停止するまでに最低限必要な距離である減速所要距離を算出し、前記減速所要距離と前記位置偏差との比率に基づいて前記制御入力の所望値である参照制御入力を計算する参照制御入力計算部と、前記制御入力が前記参照制御入力に一致するよう前記位置偏差を修正する位置偏差整形部と、を備え、前記制御入力計算部は、修正された位置偏差に基づいて前記制御入力を算出することを特徴とする。

本発明によれば、モータが出力可能な加速度に応じて容易に移動時間を最短にすることが可能で、かつ、速度制御系から位置制御系への切り換えを容易に行うことができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、参照制御入力の実施の形態１に係る計算処理手順を示すフローチャートである。 図３は、参照制御入力の実施の形態２に係る計算処理手順を示すフローチャートである。 図４は、モータが速度に応じて異なる加速度特性を示す場合の速度と加速度特性の関係を説明するための図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るモータ駆動制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これら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１．
まず、実施の形態１に係るモータ駆動制御装置の制御処理全体について説明し、その後、モータ駆動制御装置の各要素の構成と動作を説明する。図１は、実施の形態１に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。モータ駆動制御装置１は、工作機械（図示せず）を駆動する主軸モータ（以下、モータ３という）を駆動制御する装置である。

モータ駆動制御装置１は、モータ３に接続されており、モータ３には駆動位置を検出する位置検出器４が取り付けられている。また、モータ駆動制御装置１は、位置検出器４および位置指令生成装置２に接続されている。モータ駆動制御装置１は、位置指令生成装置２が出力する位置指令Ｘに基づいて、モータ３を制御入力制限の範囲内で駆動制御する。

位置指令Ｘは、モータ３が備える各軸のサーボモータを所定位置に移動させるための指令であり、位置指令生成装置２で生成されてモータ駆動制御装置１に出力される。位置検出値Ｂは、モータ３が備える各軸のサーボモータの位置であり、位置検出器４によって検出されてモータ駆動制御装置１に出力される。

位置偏差ＤＲＰは、位置指令Ｘと位置検出値Ｂの差である。修正位置偏差Ｃは、モータ３への制御入力（モータ３を駆動制御するための駆動信号値）が過大な値（範囲）にならないよう位置偏差ＤＲＰを修正したものである。モータ駆動制御装置１は、位置偏差ＤＲＰの修正が不要な場合、位置偏差ＤＲＰを修正位置偏差Ｃとする。

制御入力Ｕは、モータ３を制御するための制御信号である。また、制限後制御入力Ｄは、制御入力Ｕを所定の制御入力制限値以下に制限したものであり、モータ３を制御するための制御信号として用いられる。また、参照制御入力ＴＬＭＴは、修正位置偏差Ｃを計算するための設定値である。

モータ駆動制御装置１は、位置指令生成装置２から出力される位置指令Ｘと、位置検出器４からの出力信号である位置検出値Ｂに基づいて、修正位置偏差Ｃを算出する。また、モータ駆動制御装置１は、修正位置偏差Ｃを用いて制御入力Ｕを計算し、制御入力Ｕを用いて制限後制御入力Ｄを計算する。

モータ駆動制御装置１は、位置偏差整形部１１と、参照制御入力計算部１２と、制御入力計算部１３と、制御入力制限部１４とを備えている。モータ駆動制御装置１は、位置指令Ｘと位置検出値Ｂの差である位置偏差ＤＲＰを算出し、算出した位置偏差ＤＲＰを位置偏差整形部１１に送る。位置偏差整形部１１には、位置指令Ｘと、参照制御入力ＴＬＭＴと、位置検出値Ｂとが入力される。

なお、位置偏差整形部１１は、基本的に参照制御入力ＴＬＭＴを必要とするのに対し、位置指令Ｘと位置検出値Ｂは、制御入力計算部１３での計算方法（内部構造）によって不要である場合と必要である場合とがある。

位置偏差整形部１１は、少なくとも参照制御入力ＴＬＭＴに基づいて、制御入力計算部１３が算出した制御入力Ｕと位置偏差（修正位置偏差）ＤＲＰとの関係式を用いて、制御入力Ｕが所定の参照制御入力ＴＬＭＴに一致するための位置偏差量（修正位置偏差Ｃ）を算出する。位置偏差整形部１１は、算出した修正位置偏差Ｃを制御入力計算部１３に出力する。

制御入力計算部１３は、位置偏差整形部１１の逆モデルを有しており、修正位置偏差Ｃに基づいて、モータ３への制御入力Ｕを算出する。制御入力計算部１３は、一般的なフィードバック補償器（フィードバック制御器）で構成されている。制御入力計算部１３は、例えば、比例補償器（Ｐ補償器）や、比例積分補償器（ＰＩ補償器）で構成されている。このように、制御入力計算部１３は、モータ３への制御入力Ｕを、位置偏差（修正位置偏差Ｃ）に対し、積分演算、微分演算、四則演算を施して計算する。

したがって、制御入力Ｕの計算方法は、特定されるものではなく、任意である。また、制御入力計算部１３は、内部にマイナーループ（インナーループ）を有する制御系で構成されていてもよく、位置制御系の内側に速度制御系を入れ子にした制御系で構成されていてもよい。制御入力計算部１３は、算出した制御入力Ｕを制御入力制限部１４に送る。

制御入力制限部１４は、予め設定されている制御入力制限値に基づいて、制御入力計算部１３からの制御入力Ｕに制限をかけるフィルタである。制御入力制限値は、モータ３などのアクチュエータや機械系の特性（例えば、減速器の許容力）に応じて予め制御入力制限部１４内に設定しておく。

制御入力制限部１４は、制御入力Ｕが、所定の制御入力制限値を超える場合に、制御入力Ｕを所定の制御入力制限値でクランプし、クランプした制限後制御入力Ｄを、モータ３への駆動信号として出力する。例えば、制御入力制限値をＴＬＭＴ０とした場合、ＴＬＭＴ０以上の制御入力Ｕは、制限後制御入力Ｄ＝ＴＬＭＴ０としてモータ３へ出力されることになる。制御入力制限部１４は、算出した制限後制御入力Ｄをモータ３および参照制御入力計算部１２に送る。

なお、制御入力制限値は、モータ３の特性に応じて予め設定しておいた固定値としてもよいし、制御対象のフィードバック情報から逐次計算した値としてもよい。また、予め複数の制御入力制限値を準備しておき、制御入力制限部１４がモータ３の加減速状態に応じて、複数の制御入力制限値の中から何れかを選択してもよい。さらに、制御入力制限部１４は、モータ３の加速度が正の場合には、正の値の制御入力制限値を用い、加速度が負の場合には、負の値の制御入力制限値を用いてもよい。

参照制御入力計算部１２は、位置検出値Ｂと、制御入力制限部１４の出力信号である制限後制御入力Ｄと、位置偏差ＤＲＰとに基づいて参照制御入力ＴＬＭＴの算出を行う。参照制御入力計算部１２は、算出した参照制御入力ＴＬＭＴを位置偏差整形部１１に送る。

このように、制御入力計算部１３が修正位置偏差Ｃから制御入力Ｕを計算するのに対し、位置偏差整形部１１は、制御入力の所望値である参照制御入力ＴＬＭＴ（制御入力計算部１３の出力信号）から修正位置偏差Ｃ（制御入力計算部１３の入力信号）の計算を行う。したがって、位置偏差整形部１１は、制御入力計算部１３が積分特性やインナーループ（マイナーループ）を有する場合には、積分特性の影響やマイナーループの影響を考慮したうえで、参照制御入力ＴＬＭＴから修正位置偏差Ｃの計算を行うことになる。

つぎに、修正位置偏差Ｃの算出処理例について説明する。以下に示す処理ｐ１〜処理ｐ３は、修正位置偏差Ｃの算出処理例である。
（処理ｐ１）
例えば、制御入力計算部１３が比例補償器（Ｐ補償器）である場合、位置偏差整形部１１は、参照制御入力ＴＬＭＴを用いて修正位置偏差Ｃの算出を行うことができる。この場合の制御入力計算部１３の入出力関係は、制御入力Ｕ、比例ゲインＫＰ、位置偏差ＤＲＰを用いて以下の式（１）となる。
Ｕ＝ＫＰ×ＤＲＰ・・・（１）

このとき、制御入力Ｕが参照制御入力ＴＬＭＴとなるような位置偏差ＤＲＰ’は、制御入力計算部１３の出力である制御入力Ｕと比例ゲインＫＰを用いて計算でき、以下の式（２）となる。
ＤＲＰ’＝ＴＬＭＴ／ＫＰ・・・（２）

（処理ｐ２）
また、制御入力計算部１３が比例積分補償器（ＰＩ補償器）である場合、位置偏差整形部１１は、参照制御入力ＴＬＭＴと位置指令Ｘと位置検出値Ｂとを用いて修正位置偏差Ｃの算出を行う。この場合の制御入力計算部１３の入出力関係は、制御入力Ｕ、比例ゲインＫＰ、位置偏差ＤＲＰ、積分ゲインＫＩ、位置偏差ＤＲＰの時間積分値（累積値）ＤＲＰ２を用いて以下の式（３）となる。
Ｕ＝ＫＰ×ＤＲＰ＋ＫＩ×ＤＲＰ２・・・（３）

このとき、制御入力Ｕが参照制御入力ＴＬＭＴ＝ＴＬＭＴに一致するための位置偏差ＤＲＰ’は、後述するように制御入力計算部１３の入力である修正位置偏差Ｃに等しいので、制御入力計算部１３の出力である制御入力Ｕから、比例積分補償器における積分成分（位置偏差信号を積分し、積分ゲインを乗じた値）を差し引いて計算することができ、以下の式（４）となる。
ＤＲＰ’＝（ＴＬＭＴ―ＫＩ×ＤＲＰ２）／ＫＰ・・・（４）
ここで、ＤＲＰ２は、位置指令Ｘと位置検出値Ｂとの差（位置偏差ＤＲＰ）を時間積分（累積）することで計算された値である。

（処理ｐ３）
また、制御入力計算部１３が、位置制御系と速度制御系とを有し、それぞれの補償器（制御器）が位置比例補償器（位置Ｐ補償器）と速度比例積分補償器（速度ＰＩ補償器）とで構成される場合、位置偏差整形部１１は、参照制御入力ＴＬＭＴと位置指令Ｘと位置検出値Ｂとを用いて修正位置偏差Ｃの算出を行う。この場合の制御入力計算部１３の入出力関係は、制御入力Ｕ、速度比例ゲインＫＶ、比例ゲインＫＰ、位置偏差ＤＲＰ、速度検出値ＶＦＢ、速度積分ゲインＫＩ、速度偏差ＶＤＲＰの時間積分値（累積値）ＶＤＲＰ２を用いて、以下の式（５）となる。
Ｕ＝ＫＶ×（ＫＰ×ＤＲＰ―ＶＦＢ）＋ＫＩ×ＶＤＲＰ２・・・（５）

このとき、制御入力Ｕが参照制御入力ＴＬＭＴに一致するための位置偏差ＤＲＰ’は、制御入力計算部１３の出力である制御入力Ｕから、速度制御器の積分成分と速度検出値を考慮に入れ、以下の式（６）で演算できる。
ＤＲＰ’＝（（ＴＬＭＴ―ＫＩ×ＶＤＲＰ２）／ＫＶ＋ＶＦＢ）／ＫＰ・・・（６）

ここで、速度偏差ＶＤＲＰは、以下の式（７）の関係式で表すことができる。また、速度偏差累積値ＶＤＲＰ２は、式（７）の時間積分により算出することが可能である。そして、速度検出値ＶＦＢは、位置検出値の時間微分により算出することが可能である。
ＶＤＲＰ＝（ＫＰ×ＤＲＰ―ＶＦＢ）・・・（７）

なお、位置偏差整形部１１で必要となる情報（位置偏差累積値、速度検出値ＶＦＢ、速度偏差累積値ＶＤＲＰ２など）は、位置偏差整形部１１内部の演算で生成してもよいし、制御入力計算部１３の内部信号を用いてもよい。

図２は、参照制御入力の実施の形態１に係る計算処理手順を示すフローチャートである。位置指令生成装置２がモータ駆動制御装置１に位置指令Ｘを出力することにより、モータ３は動作を開始する。モータ３が動作を開始すると、位置検出器４は、モータ３の位置を検出し、検出結果を位置検出値Ｂとしてモータ駆動制御装置１に出力する。

参照制御入力計算部１２は、位置検出器４の出力である位置検出値Ｂを２階微分（差分）することにより計算した加速度（ＦＢ加速度）と、モータ３への制御入力Ｕ（制限後制御入力Ｄ）と、に基づいて、モータ３が出力可能な最大加速度を計算する（ステップＳＴ１０）。モータ３が出力可能な最大加速度は、制御入力制限値に対する制御入力Ｕの比率（百分率）を用いて計算することができる。例えば、モータ３への制御入力制限値が定格電流の１２０％であり、ある時点における制御入力Ｕがモータ３の定格電流の１００％である場合について考える。このとき、加速度をＡとすると、最大加速度ＡＭＡＸは、以下の式（８）を用いて、計算することができる。
ＡＭＡＸ＝Ａ×１２０／１００＝１．２×Ａ・・・（８）

参照制御入力計算部１２は、最大加速度ＡＭＡＸを計算した後、最大加速度ＡＭＡＸとこの時の速度Ｖの値とを用いて、速度Ｖから速度０に減速停止するまでに必要な距離（サーボモータの移動距離）を減速所要距離ＬＤＣＣとして計算する（ステップＳＴ２０）。具体的には、参照制御入力計算部１２は、速度Ｖから速度０まで加速度ＡＭＡＸで減速する場合、以下の式（９）を用いて減速所要距離ＬＤＣＣの計算を行う。
ＬＤＣＣ＝Ｖ×Ｖ／（２×ＡＭＡＸ）・・・（９）

この後、参照制御入力計算部１２は、計算した減速所要距離ＬＤＣＣと、制御入力計算部１３への入力信号である位置偏差ＤＲＰとを比較し、比較結果に基づいて、位置偏差ＤＲＰの更新が必要か否かを判定する（ステップＳＴ３０）。具体的には、参照制御入力計算部１２は、位置偏差ＤＲＰが減速所要距離ＬＤＣＣよりも小さい場合、または１回転分の移動量ＲＯＴが以下の式（１０）の関係を満たす場合に、位置偏差ＤＲＰの更新が必要であると判断する。一方、参照制御入力計算部１２は、位置偏差ＤＲＰが減速所要距離ＬＤＣＣ以上である場合、かつ１回転分の移動量ＲＯＴが以下の式（１０）の関係を満たさない場合に、位置偏差ＤＲＰの更新は不要であると判断する。
ＤＲＰ＞ＬＤＣＣ＋ＲＯＴ・・・（１０）

換言すると、参照制御入力計算部１２は、ＬＤＣＣ≦ＤＲＰ≦ＬＤＣＣ＋ＲＯＴの場合に、位置偏差ＤＲＰの更新は不要であると判断し、これ以外の場合に位置偏差ＤＲＰの更新が必要であると判断する。

参照制御入力計算部１２は、位置偏差ＤＲＰの更新が必要であると判断すると（ステップＳＴ３０、Ｙｅｓ）、位置偏差ＤＲＰが減速所要距離ＬＤＣＣよりも小さいか否かを判断する。位置偏差ＤＲＰが減速所要距離ＬＤＣＣよりも小さい場合、参照制御入力計算部１２は、位置偏差ＤＲＰが減速所要距離ＬＤＣＣ以上となるまで、位置偏差ＤＲＰに１回転分ずつ移動量ＲＯＴを加算する。

具体的には、参照制御入力計算部１２は、以下の式（１１）を満たすＮを算出する。
ＬＤＣＣ＜ＤＲＰ＋Ｎ×ＲＯＴ＜ＬＤＣＣ＋ＲＯＴ・・・（１１）
そして、参照制御入力計算部１２は、位置偏差ＤＲＰを新たな位置偏差ＤＲＰ”（ＤＲＰ”＝ＤＲＰ＋Ｎ×ＲＯＴ）に更新し、減速停止位置までの距離（減速所要距離ＬＤＣＣ）を更新する（ステップＳＴ４０）。

また、１回転分の移動量ＲＯＴが式（１０）の関係を満たす場合、参照制御入力計算部１２は、式（１１）の関係を満たすまで、位置偏差ＤＲＰから１回転分の移動量ＲＯＴを順番に減算する。これにより、参照制御入力計算部１２は、Ｎを算出し、位置偏差ＤＲＰを新たな位置偏差ＤＲＰ”（ＤＲＰ”＝ＤＲＰ−Ｎ×ＲＯＴ）に更新する。そして、減速停止位置までの距離を更新する。

一方、参照制御入力計算部１２は、位置偏差ＤＲＰの更新は不要であると判断すると（ステップＳＴ３０、Ｎｏ）、参照制御入力計算部１２は、ＤＲＰ”＝ＤＲＰとする（ステップＳ５０）。

式（９）は、最大加速度ＡＭＡＸと減速所要距離ＬＤＣＣとの関係が反比例関係となっている。このため、減速に最低減必要な距離である減速所要距離ＬＤＣＣ、更新された減速停止位置までの距離（位置偏差ＤＲＰ”）を用いて、定位置停止制御時の減速度（加速度）ＡＲＥＦを以下の式（１２）とすることができれば、式（９）と式（１２）を用いて、式（１３）を得ることができる。
ＡＲＥＦ＝（ＬＤＣＣ／ＤＲＰ”）×ＡＭＡＸ・・・（１２）
ＤＲＰ”＝Ｖ×Ｖ／（２×ＡＲＥＦ）・・・（１３）

したがって、加速度ＡＲＥＦの大きさを変更するだけで、速度Ｖから加速度ＡＲＥＦで減速停止するまでに必要な距離（減速所要距離ＬＤＣＣ）と、ステップＳＴ４０またはステップＳＴ５０で更新されたＤＲＰ”とを一致させることが可能となる。

このため、参照制御入力計算部１２は、ステップＳＴ２０で計算した減速所要距離ＬＤＣＣと、ステップＳＴ４０またはステップＳＴ５０で更新された位置偏差ＤＲＰ”とを用いて、参照制御入力ＴＬＭＴを計算する（ステップＳＴ６０）。

具体的には、参照制御入力計算部１２は、更新された位置偏差ＤＲＰ”と、減速所要距離ＬＤＣＣと、制御入力制限部１４に設定されている制御入力制限値ＴＬＭＴ０を用いて、以下の式（１４）により、参照制御入力計算部１２の出力信号である参照制御入力ＴＬＭＴ＝ＴＬＭＴを計算する。
ＴＬＭＴ＝（ＬＤＣＣ／ＤＲＰ”）×ＴＬＭＴ０・・・（１４）
これにより、モータ３が出力可能な最大加速度ＡＭＡＸに応じて自動的に移動時間を最短にすることが可能となる。

以上のように動作する参照制御入力計算部１２と位置偏差整形部１１との協働により、所定の速度Ｖから速度０に減速するまでに一定の加速度ＡＲＥＦで減速し、かつ、速度０になると同時に位置偏差ＤＲＰが０となるような減速パターンを生成することができる。このため、モータ３のモータ出力特性が速度に応じて変化する場合であっても、モータ３が出力可能な加速度Ａに応じて、最短時間での減速が実現できるようになる。また、速度制御系から位置制御系への切り換え速度を予め設定する必要がなくなる。

なお、モータ駆動制御装置１は、制御入力制限部１４を有していなくてもよい。この場合、制御入力計算部１３が計算した制御入力Ｕが、モータ３および参照制御入力計算部１２に送られる。

このように、モータ駆動制御装置１では、制御入力計算部１３が、位置偏差ＤＲＰまたは修正位置偏差Ｃに基づいてモータ３への制御入力Ｕを算出し、モータ３側（制御入力計算部１３）へ送る。そして、参照制御入力計算部１２が、位置検出値Ｂとモータ３側へ送られる制御入力Ｕ（制限後制御入力Ｄ）とに基づいて、モータ３が出力可能な最大加速度ＡＭＡＸを算出するとともに、最大加速度ＡＭＡＸと位置検出値Ｂとに基づいて最大加速度ＡＭＡＸで減速停止するまでに最低限必要な距離である減速所要距離ＬＤＣＣを算出する。さらに、参照制御入力計算部１２が、減速所要距離ＬＤＣＣと修正位置偏差Ｃとの比率に基づいて制御入力の所望値である参照制御入力を計算する。そして、位置偏差整形部１１が、制御入力Ｕが参照制御入力に一致するよう位置偏差ＤＲＰを修正して修正位置偏差Ｃを算出する。さらに、制御入力計算部１３は、修正位置偏差Ｃに基づいて制御入力Ｕを算出する。

モータ駆動制御装置１では、位置偏差整形部１１による処理、制御入力計算部１３による処理、制御入力制限部１４による処理、参照制御入力計算部１２による処理が、繰り返されてモータ３が駆動制御される。

このように実施の形態１によれば、位置偏差ＤＲＰと減速に必要な距離（減速所要距離ＬＤＣＣ）から減速パターンを生成するので、制御入力制限の範囲内で最短時間の減速パターンを生成することが可能となる。これにより、最短時間での減速が可能となる。

また、モータ３の加速度に基づいて最大加速度ＡＭＡＸを計算するので、モータ３への制御入力Ｕが最大値でない場合（検出した加速度が最大値でない場合）であっても、最大加速度を用いた減速停止までの減速パターン生成が可能となる。このため、減速時間の無駄をなくすことができる。また、自動的に速度パターンを生成することができるので、制御系切り換え速度の設定など段取りに要する時間をなくすことができる。

したがって、モータ出力特性が速度に応じて変化する場合であっても、速度制御系から位置制御系への切り換えをモータ３が出力可能な最大加速度ＡＭＡＸに応じて容易に最短にすることができる。

実施の形態２．
つぎに、図３および図４を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、モータ３が出力可能な最大加速度ＡＭＡＸが速度の上昇に応じて小さくなる場合の減速パターンを生成する。

図３は、参照制御入力の実施の形態２に係る計算処理手順を示すフローチャートである。ここでは、モータ駆動制御装置１の参照制御入力計算部１２による参照制御入力の計算処理について説明する。なお、図３では、図２（実施の形態１）に示したステップと同一ないしは同等である処理には同一の符号を付している。ここでは、実施の形態２の特徴部分を中心に説明する。

本実施の形態では、制御対象となるモータ３が速度に応じて異なる加速度特性を示すように制御される場合のモータ３に対して参照制御入力を計算する場合の処理例について説明する。

図４は、モータが速度に応じて異なる加速度特性を示す場合の速度と加速度特性の関係を説明するための図である。図４では、横軸を速度（回転数）とし、縦軸を加速度（トルク）としている。

モータ３が速度に応じて異なる加速度特性を示す場合、例えば、図４に示すように、所定の回転数（ベース回転速度ＮＢ）までは、速度に関係なく、一定トルク（加速度）を出力可能である。そして、ベース回転速度（ベース回転数）ＮＢ以上の速度では、出力が一定（トルク（加速度）が反比例状に変化）になるようモータ３が制御される。このモータ３における加速度特性（トルク特性）は、弱め界磁制御により実現される特性であり、ベース回転速度ＮＢ以上の速度では、出力が一定になるよう制御されている。

モータ３が図４に示す加速度特性を示す場合において、モータ３が動作を開始すると、位置検出器４は、モータ３の位置を検出し、検出結果を位置検出値Ｂとしてモータ駆動制御装置１に出力する。

このとき、参照制御入力計算部１２は、ベース回転速度ＮＢと速度Ｖを比較し、Ｖ＜ＮＢであるか否かを判定する（ステップＳＴ１）。速度Ｖがベース回転速度ＮＢ未満の場合（ステップＳＴ１、Ｙｅｓ）、参照制御入力計算部１２は、実施の形態１の図２で説明したステップＳＴ１０〜ＳＴ６０と同様の処理を行なう。

一方、速度Ｖがベース回転速度ＮＢ以上である場合（ステップＳＴ１、Ｎｏ）、参照制御入力計算部１２は、出力一定領域における最大加速度を計算する（ステップＳＴ２）。ここで、出力一定領域では、速度Ｖ、トルクＴとすると出力一定領域における出力ＰＮＢは、以下の式（１５）の関係を満たす。
Ｔ＝ＰＮＢ／Ｖ・・・（１５）

ここで、イナーシャＪを用いると、加速度ＡＭＡＸは、以下の式（１６）で示される。
ＡＭＡＸ＝ＰＮＢ／（Ｊ×Ｖ）・・・（１６）
この関係を用いると、ベース回転速度ＮＢ以下における最大加速度ＡＭＡＸは、出力一定領域における速度Ｖと、速度Ｖにおける最大加速度ＡＭＡＸ２とを用いて、以下の式（１７）で算出できる。
ＡＭＡＸ＝（ＡＭＡＸ２×Ｖ）／ＮＢ・・・（１７）

なお、最大加速度ＡＭＡＸ２は、図２（実施の形態１）におけるステップＳＴ１０での処理と同様に、出力一定領域での加速度と、モータ３への制御入力制限値に対する制御入力Ｕの比率（百分率）を用いて計算することができる。

これより、ベース回転速度ＮＢ以上の回転速度からも、加速度、速度、ベース回転速度ＮＢから、ベース回転速度ＮＢ以下でモータ３が出力できる最大加速度ＡＭＡＸを計算することができる。例えば、出力一定領域における速度Ｖにおいて制限後制御入力Ｄが制御入力制限値の８０％であり、加速度Ａである場合、以下の式（１８）を用いて、速度Ｖにおける最大加速度ＡＭＡＸ２を計算することができる。
ＡＭＡＸ２＝Ａ／０．８＝１．２５Ａ・・・（１８）
これにより、ベース回転速度ＮＢ以下での最大加速度ＡＭＡＸを計算することが可能となる。

参照制御入力計算部１２は、出力一定領域における最大加速度ＡＭＡＸを計算した後、ベース回転速度ＮＢ以上の回転速度から減速停止するまでに必要な距離（サーボモータの移動距離）を計算する（ステップＳＴ３）。ここで、ベース回転速度ＮＢの回転速度から減速停止までの移動距離の計算方法について説明する。

ベース回転速度ＮＢ以上の回転速度では、速度と加速度は、式（１６）の関係となる。この場合において、時刻Ｔにおける速度Ｖから時刻Ｔ１における速度Ｖ１まで加速度ＡＭＡＸで減速すると、減速速度の時間関数は以下の式（１９）で表すことができる。
Ｖ１＝√（２×（ＰＮＢ／Ｊ）×（Ｔ１−Ｔ）＋Ｖ＾２）・・・（１９）

ここで、式（１９）を時間微分すると、時刻ＴからＴ１までの加速度をＡ１として、以下の式（２０）の関係が得られる。
Ａ１＝（ＰＮＢ／Ｊ）／√（２×（ＰＮＢ／Ｊ）×（Ｔ１−Ｔ）＋Ｖ＾２）・・・（２０）

この式（２０）により、式（１９）の速度関数は、式（１６）の関係を満足する関数であることが分かる。このため、ベース回転速度ＮＢ以上の速度Ｖから速度０まで減速するのに必要な移動距離（減速所要距離ＬＤＣＣ２）は、数式（１９）を速度Ｖからベース回転速度ＮＢまで減速時間で時間積分した距離と、数式（９）から計算されるベース回転速度ＮＢから速度０まで減速するのに必要な距離との和で計算される。具体的には、減速所要距離ＬＤＣＣ２は、以下の式（２１）を用いて計算される。
ＬＤＣＣ２＝（２×Ｖ＾３＋ＮＢ＾３）／（６×ＡＭＡＸ×ＮＢ）・・・（２１）

この後、実施の形態１のステップＳＴ３０〜ＳＴ６０の処理が行われる。本実施の形態では、実施の形態１における減速所要距離ＬＤＣＣを、実施の形態２で計算した減速所要距離ＬＤＣＣ２に置き換えて、実施の形態１と同様の処理（ステップＳＴ３０〜ステップＳＴ６０）の処理が行なわれる。

なお、式（２１）も実施の形態１と同様に、最大加速度ＡＭＡＸの値とＬＤＣＣ２の値の関係が反比例関係となっている。このため、減速に最低減必要な減速所要距離ＬＤＣＣ２、減速停止位置までの距離（位置偏差ＤＲＰ”）から、定位置停止位置制御時の減速度ＡＲＥＦ２を以下の式（２２）とすることができれば、加速度の大きさを変更するだけで、減速に要する距離を所望の値に一致させることが可能となる。
ＡＲＥＦ２＝（ＬＤＣＣ２／ＤＲＰ”）ＡＭＡＸ・・・（２２）

このように本実施の形態の参照制御入力計算部１２は、モータ３の加速度特性に応じて予め設定しておいたベース回転速度ＮＢ（ベース回転数）よりも低い回転数でモータ３を回転させる際には、最大加速度ＡＭＡＸおよび位置検出値Ｂに基づいて減速所要距離ＬＤＣＣ算出する。一方、ベース回転速度ＮＢよりも高い回転速度でモータ３を回転させる際には、最大加速度ＡＭＡＸと位置検出値Ｂとベース回転速度ＮＢとに基づいて、ベース回転速度ＮＢ以下での最大加速度ＡＭＡＸを算出する。

このように実施の形態２によれば、モータ３が出力可能な最大加速度ＡＭＡＸが速度の上昇に応じて小さくなる場合であっても、減速所要距離を計算することが可能となる。このため、減速停止すると同時に位置指令Ｘと位置検出値Ｂの差である位置偏差ＤＰＲが０となるような減速パターンを容易に生成することが可能となる。したがって、出力一定領域からの減速の場合でも、最大加速度を用いた減速パターンを容易に生成することが可能となる。

以上のように、本発明に係るモータ駆動制御装置は、工作機械を駆動するモータの駆動制御に適している。

１ モータ駆動制御装置
２ 位置指令生成装置
３ モータ
４ 位置検出器
１１ 位置偏差整形部
１２ 参照制御入力計算部
１３ 制御入力計算部
１４ 制御入力制限部

Claims (3)

1. 位置指令に基づいてモータを駆動制御するモータ駆動制御装置において、
   前記位置指令と前記モータから検出された位置検出値との差分である位置偏差に基づいて前記モータへの制御入力を算出するとともに、算出した制御入力を前記モータ側へ送る制御入力計算部と、
   前記位置検出値と前記モータ側へ送られる制御入力とに基づいて、前記モータが出力可能な最大加速度を算出するとともに、前記最大加速度と前記位置検出値とに基づいて前記最大加速度で減速停止するまでに最低限必要な距離である減速所要距離を算出し、前記減速所要距離と前記位置偏差との比率に基づいて前記制御入力の所望値である参照制御入力を計算する参照制御入力計算部と、
   前記制御入力が前記参照制御入力に一致するよう前記位置偏差を修正する位置偏差整形部と、
   を備え、
   前記制御入力計算部は、修正された位置偏差に基づいて前記制御入力を算出することを特徴とするモータ駆動制御装置。
2. 前記制御入力計算部が算出した制御入力を、所定の制御入力制限値以下に制限して前記モータおよび前記参照制御入力計算部に出力する制御入力制限部をさらに備え、
   前記参照制御入力計算部は、制限後の制御入力に基づいて、前記最大加速度を算出することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
3. 前記参照制御入力計算部は、
   前記モータの加速度特性に応じて予め設定しておいたベース回転数よりも低い回転数で前記モータを回転させる際には、前記最大加速度および前記位置検出値に基づいて前記減速所要距離を算出し、
   前記ベース回転数よりも高い回転数で前記モータを回転させる際には、前記最大加速度と前記位置検出値と前記ベース回転数とに基づいて、前記ベース回転数以下での最大加速度を算出することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動制御装置。

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