JP2014116994A

JP2014116994A - モータ制御装置

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Publication number: JP2014116994A
Application number: JP2012266876A
Authority: JP
Inventors: Akito Kataoka; 章人片岡
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: JP5952725B2

Abstract

【課題】モータの駆動力をベルトを介して駆動対象物に伝達する際に、ベルトのすべりが発生する場合がある。この様な場合に、駆動対象物に位置検出器を取り付ける等のコストの増加を伴わずに、ベルトのすべりを検知することの可能な、モータ制御装置を提供する。
【解決手段】ベルト９のすべりが発生している場合、モータ８の速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃに到達した後に、その速度を速度指令値Ｖｃから逸脱させようとする力が、駆動対象物１０からモータ８に加わる。その際、トルク指令出力部２２は、この力に抗するトルク指令値Ｔｃを出力する。この現象を利用して、すべり判定部１４は、モータ８の速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃに到達した後の、モータ８に対するトルク指令値Ｔｃに基づいて、ベルト９のすべりを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ベルトを介して被駆動軸に駆動力を伝達するモータを制御する、モータ制御装置に関するものである。

従来から、サーボモータなどのモータの動作を制御する、モータ制御装置が知られている。図７に、従来のモータ制御装置１００の一例が示されている。モータ制御装置１００は、速度検出部１１３及びトルク指令出力部１１４を備える。

速度検出部１１３は、モータ１０８の速度を検出する。トルク指令出力部１１４は、速度検出部１１３による速度検出値Ｖｍと、速度指令演算器１０１から与えられた速度指令値Ｖｃとの差を縮めるように、モータ１０８に対するトルク指令値Ｔｃを出力する。トルク指令出力部１１４から出力されたトルク指令値Ｔｃは、インバータ１０７に送られる。インバータ１０７では、トルク指令値Ｔｃに従った電流をモータ１０８に供給することによって、モータ１０８の速度を制御する。トルク指令値Ｔｃを調整することで、モータ１０８の動作を制御することができる。モータ１０８の動作を制御することで、モータ１０８の駆動力を受ける駆動対象物１１０の動作を、間接的に制御することができる。

モータ１０８は、ベルト１０９を介して、駆動対象物１１０に駆動力を伝達する。例えば、モータ１０８の駆動軸１１５に設けられたプーリと、駆動対象物１１０の被駆動軸１１６に設けられたプーリに、ベルト１０９が取り付けられている。モータ１０８の回転動力は、駆動軸１１５からベルト１０９に伝達され、さらにベルト１０９から被駆動軸１１６に伝達される。

ここで、ベルト１０９の伸びなどによりテンションが低下したり、ベルト１０９そのものが劣化したり、負荷イナーシャが大きくなると、伝達トルクが摩擦力を上回って、ベルト−プーリ間にすべりが発生するようになる。これをベルト１０９のすべりという。なお、ベルト１０９のすべりとは、駆動軸１１５のプーリとベルト１０９との間に発生するすべりと、被駆動軸１１６のプーリとベルト１０９との間に発生するすべりの、両方を含んでいる。

ベルト１０９にすべりが発生すると、ベルト１０９の劣化に繋がるおそれがある。また、駆動対象物１１０の速度が指令通りの速度に到達できなくなり、その結果、駆動対象物１１０の加工精度が低下するおそれがある。さらに、過度のすべりが発生した場合には、駆動対象物１１０や駆動対象物１１０を加工するツールやワークの破損に至る可能性もある。

そこで、特許文献１では、モータ１０８に加えて、駆動対象物１１０にも速度検出部を取り付けている。モータ１０８及び駆動対象物１１０のそれぞれの位置や速度の検出値を比較することによって、ベルト１０９のすべりを検出している。

特開２００３−９４２８９号公報

ところで、駆動対象物に位置検出器を取り付けると、その分、システム全体のコストが増加する。そこで、本発明は、コストの増加を伴わずに、ベルトのすべりを検知することの可能な、モータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、ベルトを介して被駆動軸に駆動力を伝達するモータを制御する、モータ制御装置に関するものである。当該制御装置は、前記モータの速度を検出する速度検出部と、
前記モータの速度検出値と速度指令値とに基づいて、前記モータに対するトルク指令値を出力する、トルク指令出力部と、前記モータの速度検出値が前記速度指令値に到達したか否かを判定する、定速状態判定部と、前記モータの速度検出値が前記速度指令値に到達したと判定された後の、前記モータに対するトルク指令値に基づいて、前記ベルトのすべりを判定する、すべり判定部と、を備える。

また、上記発明において、前記ベルトのすべりが発生した際の速度変化率以上となるような速度指令値が前記トルク指令出力部に与えられたときに、加減速期間を延長することで前記速度変化率を緩和させて前記ベルトのすべりを抑制する、加減速期間変更部を備えることが好適である。

また、上記発明において、前記モータに対するトルク指令値が、前記ベルトのすべりが発生した際のトルクを下回るように、トルク指令値を制限して前記ベルトのすべりを抑制する、トルク指令値制限部を備えることが好適である。

本発明によれば、コストの増加を伴わずに、ベルトのすべりを検知することが可能となる。

本実施形態に係るモータ制御装置を例示する、ブロック図である。モータ速度、駆動対象物速度、及びトルク指令値の関係を示すタイムチャートである。本実施形態に係るモータ制御装置の別例を示す、ブロック図である。モータ速度、駆動対象物速度、及びトルク指令値の関係を示すタイムチャートである。本実施形態に係るモータ制御装置の別例を示す、ブロック図である。モータ速度、駆動対象物速度、及びトルク指令値の関係を示すタイムチャートである。従来のモータ制御装置を例示するブロック図である。

図１に、本実施形態に係るモータ制御装置２０を例示する。モータ制御装置２０の制御対象であるモータ８は、例えば、サーボモータから構成される。モータ８は、ベルト９を介して、駆動対象物１０に駆動力を伝達する。具体的には、モータ８の駆動軸１７に設けられたプーリと、駆動対象物１０の被駆動軸１８に設けられたプーリに、ベルト９が取り付けられている。モータ８の回転動力は、駆動軸１７からベルト９に伝達され、さらにベルト９から被駆動軸１８に伝達される。

モータ制御装置２０は、速度検出部２１、トルク指令出力部２２、定速状態判定部１３、及びすべり判定部１４を備える。

速度検出部２１は、モータ８の速度を検出する。速度検出部２１は、例えば、位置検出器１１及び微分器１２を備える。位置検出器１１は、モータ８に取り付けられるとともに、モータの位置検出値Ｐｍを出力する。微分器１２は、モータの位置検出値Ｐｍを微分するとともに、微分によって得られたモータの速度検出値Ｖｍを出力する。

トルク指令出力部２２は、速度指令演算器１から出力された速度指令値Ｖｃと、速度検出値Ｖｍとに基づいて、モータ８に対するトルク指令値Ｔｃを出力する。トルク指令出力部２２は、例えば、減算器２、速度偏差演算部３、及び加算器６を備える。

減算器２は、速度指令値Ｖｃと速度検出値Ｖｍとの偏差を算出して速度偏差演算部３に出力する。速度偏差演算部３は、速度偏差比例成分演算器４及び速度偏差積分成分演算器５を備える。速度偏差比例成分演算器４は、減算器２から出力された速度偏差と、予め定められた速度ループ比例ゲインＰｖとに基づいて、速度偏差比例成分を出力する。速度偏差積分成分演算器５は、減算器２から出力された速度偏差と、予め定められた速度ループ積分ゲインＩｖとに基づいて、速度偏差積分成分を出力する。加算器６は、速度偏差比例成分と速度偏差積分成分との和を算出するとともに、トルク指令値Ｔｃを出力する。

トルク指令出力部２２から出力されたトルク指令値Ｔｃは、インバータ７に送られる。インバータ７では、トルク指令値Ｔｃに従った電流をモータ８に供給することによって、ベルト９を介して駆動される駆動対象物１０の速度を制御する。

定速状態判定部１３は、モータ８の速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃに到達したか否かを判定する。例えば、モータ８に回転指令が与えられた場合は、加速終了後、モータ８の回転速度が速度指令値Ｖｃに到達したか否かを判定する。また、モータ８に停止指令（速度指令値Ｖｃ＝０）が与えられた場合は、減速終了後、モータ８の回転速度が０に到達したか否かを判定する。なお、以下では、モータ８の速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃに到達してから以降の状態を、「定速状態」と呼ぶ。なお、定速状態判定部１３は、常時速度検出値Ｖｍを監視してもよいし、間欠的に速度検出値Ｖｍを監視してもよい。定速状態判定部１３は、モータ８の動作状態が定速状態に到達したと判定した際には、その判定信号をすべり判定部１４に出力する。

すべり判定部１４は、定常状態と判定された後の、モータ８に対するトルク指令値Ｔｃに基づいて、ベルト９のすべりを判定する。なお、ベルト９のすべりとは、駆動軸１７のプーリとベルト９との間に発生するすべりと、被駆動軸１８のプーリとベルト９との間に発生するすべりの、両方を含むものとする。

ベルト９のすべりが発生している場合、モータ８の速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃに到達した後（定常状態）に、その速度を速度指令値Ｖｃから逸脱させようとする力が、駆動対象物１０からモータ８に加わる。その際、トルク指令出力部２２は、この力に抗するトルク指令値Ｔｃを出力する。この現象を利用して、すべり判定部１４は、モータ８の速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃに到達したと判定された後の、モータ８に対するトルク指令値Ｔｃに基づいて、ベルト９のすべりを判定する。

すべり判定部１４は、モータ８が定速状態に到達したことを示す判定信号を定速状態判定部１３から受信したときに、トルク指令値Ｔｃを監視するとともに、下記の説明に従って、ベルト９のすべりの発生有無を検出する。なお、すべり判定部１４は、すべりの度合いについて、予めしきい値等を準備してもよく、検出したすべりの度合いがしきい値を超えた場合には、過度のすべりが発生している旨、警告を発するようにしてもよい。

すべり判定部１４における、ベルト９のすべりの発生有無の検知方法について、図２を用いて説明する。図２には、モータ速度、駆動対象物速度、及びトルク指令値Ｔｃのタイムチャートが示されている。

Ａ図には、ベルト９のすべりが発生していない、つまり、モータ速度と駆動対象物速度が一致しているときのタイムチャートが例示されている。この図によると、モータ８の加速期間（ｔ０⇒ｔ１）には、モータ８の加速度に応じたトルク指令値Ｔｃ１が出力される。次に、モータ８が速度指令値Ｖｃ０に到達した場合（ｔ１⇒ｔ２）、トルク指令値Ｔｃは、モータ８の加速度に応じたトルクＴｃ１から、摺動抵抗分だけのトルクＴｃ２に減少する。次に、モータ８の減速期間（ｔ２⇒ｔ３）には、モータ８の減速度に応じたトルク指令値Ｔｃ３が出力される。次に、モータ８が停止した場合（ｔ３以降）、トルク指令値Ｔｃは０になる。

Ｂ図には、ベルト９のすべりが発生した、つまり、モータ速度と駆動対象物速度が一致していないときのタイムチャートが例示されている。この図によると、モータ８の加速期間（ｔ０⇒ｔ１）には、モータ８の加速度に応じたトルク指令値Ｔｃ１が出力される。その後、モータ８が速度指令値Ｖｃ０に到達した時点から、駆動対象物１０が速度指令値Ｖｃ０に到達する前（ｔ１⇒ｔ１’）までの期間は、ベルト９のすべりに起因して、駆動対象物１０から、モータ８に対して、モータ速度を低減させるような力が作用する。このとき、トルク指令出力部２２は、速度指令値Ｖｃ０を維持しようとして、トルク指令値Ｔｃ１を維持する。さらに、駆動対象物１０が速度指令値Ｖｃ０に到達した後（ｔ１’⇒ｔ２）に、トルク指令値Ｔｃは、摺動抵抗分だけのトルクＴｃ２に減少する。

次に、モータ８の減速期間（ｔ２⇒ｔ３）には、モータ８の減速度に応じたトルク指令値Ｔｃ３が出力される。その後、モータ８が停止した時点から、駆動対象物１０が停止する前（ｔ３⇒ｔ３’）までの期間は、ベルト９のすべりに起因して、駆動対象物１０から、モータ８に対して、モータ速度を増加させるような力が作用する。このとき、トルク指令出力部２２は、モータ８の停止を維持しようとして、トルク指令値Ｔｃ３を減少させずに維持する。さらに、駆動対象物１０が停止した後（ｔ３’以降）に、トルク指令値Ｔｃは０になる。

本実施形態では、モータ８が速度指令値Ｖｃ０に到達してから駆動対象物１０が速度指令値Ｖｃ０に到達するまでの期間（ｔ１⇒ｔ１’）、または、モータ８が停止してから駆動対象物１０が停止するまでの期間（ｔ３⇒ｔ３’）におけるトルク指令値Ｔｃに着目し、モータ８が速度指令値Ｖｃ０に到達した後にも関わらず、トルク指令値Ｔｃが変動しない場合は、ベルト９にすべりが発生しているものと判定する。例えば、回転指令において、加速終了後、モータ８の速度が速度指令値Ｖｃ０に到達したにもかかわらず、トルク指令値Ｔｃが、摺動抵抗分だけのトルク指令値Ｔｃ２に減少しない場合、または、停止指令において、減速終了後、モータ８の速度が０に到達したにもかかわらず、トルク指令値Ｔｃが０にならない場合には、ベルト９がすべっていると判定する。

なお、すべり判定部１４によってベルト９のすべりが検知された際に、この検知結果を以降のモータ制御に活用するようにしてもよい。図３には、図１で例示した構成に加えて、加減速期間変更部１５を備えた、モータ制御装置２０が例示されている。加減速期間変更部１５は、例えば、すべり判定部１４の後段に設けられている。

加減速期間変更部１５は、ベルト９のすべりが発生した際の速度変化率以上となるような速度指令値Ｖｃがトルク指令出力部２２に与えられたときに、加減速期間を延長することで速度変化率を緩和させて、ベルト９のすべりを抑制する。

加減速期間変更部１５による加減速期間の緩和制御について、図４を用いて説明する。図４では、図２と同様に、モータ速度、駆動対象物速度、及びトルク指令値Ｔｃのタイムチャートが示されている。

図４のＣ図では、加減速期間を変更する前の、ベルト９のすべりが発生したときのタイムチャートが示されている。すべり判定部１４は、モータ８の速度検出値Ｖｍと速度指令値Ｖｃとの差から、モータ８の速度増加率が、ベルト９のすべりが発生したときの速度増加率以上であることを検知したときに、当該検知結果を加減速期間変更部１５に出力する。または、ベルト９のすべりの発生を予告する予告信号を加減速期間変更部１５に出力する。

加減速期間変更部１５は、すべり判定部１４からの信号を受けて、Ｃ図のモータ速度波形において、予め定められた加減速期間、言い換えると、モータ８の加速度に応じたトルク指令値Ｔｃが継続する期間を、破線で示すように（ｔ０⇒ｔ１’またはｔ２⇒ｔ３’）延長する。加減速期間が延長された結果、トルク指令値Ｔｃは加減速期間変更前よりも低減され（Ｔｃ１⇒Ｔｃ４，Ｔｃ３⇒Ｔｃ５）、その結果、伝達トルクが摩擦力を下回って、ベルト９のすべりを抑制することが可能となる。つまり、Ｄ図に示す通り、モータ速度と駆動対象物速度が一致するようになる。

なお、図３、４の実施形態では、加減速期間を延長することで、トルク指令値Ｔｃを低減していたが、これに代えて、直接トルク指令値Ｔｃを制限するようにしてもよい。

図５では、図１で例示した構成に加えて、トルク指令値制限部１６を備えた、モータ制御装置２０が例示されている。トルク指令値制限部１６は、モータ８に与えられるトルク指令値Ｔｃが、ベルト９のすべりが発生した際のトルクを下回るように、トルク指令値Ｔｃを制限することで、ベルト９のすべりを抑制する。トルク指令値制限部１６は、例えば、トルク指令出力部２２とインバータ７との間に設けられる。

トルク指令値制限部１６によるトルク指令値Ｔｃの制限制御について、図６を用いて説明する。図６では、図２、４と同様に、モータ速度、駆動対象物速度、及びトルク指令値Ｔｃのタイムチャートが示されている。

図６のＥ図では、トルク指令値Ｔｃに制限を設ける前の、ベルト９のすべりが発生したときのタイムチャートが示されている。すべり判定部１４は、トルク指令出力部２２が算出したトルク指令値Ｔｃが、ベルト９のすべりが発生したときのトルク指令値Ｔｃ以上であることを検知したときに、当該検知結果をトルク指令値制限部１６に出力する。または、ベルト９のすべりの発生を予告する予告信号をトルク指令値制限部１６に出力する。

トルク指令値制限部１６は、すべり判定部１４からの信号を受けて、Ｅ図のトルク指令値波形において、破線で示すようなトルク指令値Ｔｃ４、及びＴｃ５となるように、トルク指令値Ｔｃを制限した上で、制限されたトルク指令値Ｔｃを、インバータ７へ入力する。その結果、伝達トルクが摩擦力を下回って、ベルト９のすべりを抑制することが可能となり、Ｆ図に示す通り、モータ速度と駆動対象物速度が一致するようになる。

なお、Ｅ図のトルク指令値Ｔｃの波形において、破線で示したトルク指令値Ｔｃ４及びＴｃ５は、例えば、ベルト９のすべりが発生する限界値を予め実験的に求めたものを固定値として使用しても良いし、オペレータがベルト９の状態（テンション・劣化等）や負荷イナーシャに応じて経験的に求めたものを任意の数値として可変しても良い。

以上説明したように、本実施形態に係るモータ制御装置２０によれば、工作機械やロボット等において、機械コストを上昇させることなく、モータ８の動力を主軸や円テーブル等の駆動対象物１０に伝達する際にベルト９のすべりを監視する。その結果、ベルト９の状態（テンション・劣化等）や負荷イナーシャに応じて最適な加減速期間を提供することが可能となるとともに、過度のすべりを検出したときには警告を発することによって、ベルト９のすべりに起因したツールやワークの破損を防止することができる。

なお、上述した実施形態では、被駆動軸１８を回転軸としたが、駆動対象物１０側にギアまたはボールネジ等を介することによって、本実施形態に係るモータ制御装置を、直線軸の被駆動軸１８に適用しても同様な機能が実現できる。

また、上記説明では、定速状態の判定を、加速終了後及び減速終了後の両方について行っていたが、特にその構成に限定するものではない。例えば、定速状態の判定を、加速終了後または減速終了後の一方のみに対して行ってもよい。

１，１０１速度指令演算器、２，１０２減算器、３，１０３速度偏差演算部、４，１０４速度偏差比例成分演算器、５，１０５速度偏差積分成分演算器、６，１０６加算器、７，１０７インバータ、８，１０８モータ、９，１０９ベルト、１０，１１０駆動対象物、１１，１１１位置検出器、１２，１１２微分器、１３定速状態判定部、１４すべり判定部、１５加減速期間変更部、１６トルク指令値制限部、１７，１１５駆動軸、１８，１１６被駆動軸、２０，１００モータ制御装置、２１，１１３速度検出部、２２，１１４トルク指令出力部。

Claims

ベルトを介して被駆動軸に駆動力を伝達するモータを制御する、モータ制御装置であって、
前記モータの速度を検出する速度検出部と、
前記モータの速度検出値と速度指令値とに基づいて、前記モータに対するトルク指令値を出力する、トルク指令出力部と、
前記モータの速度検出値が前記速度指令値に到達したか否かを判定する、定速状態判定部と、
前記モータの速度検出値が前記速度指令値に到達したと判定された後の、前記モータに対するトルク指令値に基づいて、前記ベルトのすべりを判定する、すべり判定部と、
を備えることを特徴とする、モータ制御装置。
請求項１記載の、モータ制御装置であって、
前記ベルトのすべりが発生した際の速度変化率以上となるような速度指令値が前記トルク指令出力部に与えられたときに、加減速期間を延長することで前記速度変化率を緩和させて前記ベルトのすべりを抑制する、加減速期間変更部を備えることを特徴とする、モータ制御装置。
請求項１記載の、モータ制御装置であって、
前記モータに対するトルク指令値が、前記ベルトのすべりが発生した際のトルクを下回るように、トルク指令値を制限して前記ベルトのすべりを抑制する、トルク指令値制限部を備えることを特徴とする、モータ制御装置。