JP2015130745A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動機器の発熱を抑制しつつ位置決め制御を実現するモータ制御装置を得ること。【解決手段】移動すべき移動量に応じて、モータ１が追従すべき参照信号となる指令パターンを生成する指令生成部１０と、この指令パターンに追従するようにモータ１に電流を供給し、かつ、発生した回生電力を消費させる回生制御を行うアンプ部７と、を備え、機械負荷が接続されたモータ１を駆動するモータ制御装置６であって、指令生成部１０は、この指令パターンにおける、指令パターンの速度の絶対値が減少していく時間区間の一部または全部の減速度と、この機械負荷によりモータ１に発生する摩擦トルク及び機械負荷のイナーシャまたはこの機械負荷によりモータ１に発生する摩擦力及び機械負荷の質量から決まる減速度と、を一致させるように、指令パターンを生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

搬送装置、半導体製造装置などの産業機械ではモータ駆動を利用した位置決め制御が多用されている。位置決め制御では、サーボアンプに代表されるモータ駆動機器から駆動力を発生させるための電流がモータに供給される。この電流はモータに駆動力を発生させるが、同時に電流が供給されることで、モータ駆動機器に熱が発生する。

例えば、特許文献１には、モータを用いて位置決め制御を行う際には、速度指令パターンを放物線状にすることによって、モータの銅損（モータに流れる電流の２乗積分で発生する損失）に起因して発生する熱を最小化する位置決め制御用の指令値を生成する技術が開示されている。

特開２００７−２４１６０４号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、モータの発熱を減少させることはできても、モータ駆動機器に発生する熱に関しては考慮されておらず、例えば、制御盤などの密閉されたスペースに設置されると、モータ駆動機器の発熱により周囲の温度が上昇する。そのため、サーボアンプに使用され、または、サーボアンプと同じ制御盤内に設置されている電子部品の寿命が短くなる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、主にモータ駆動機器の発熱を抑制しつつ位置決め制御を実現するモータ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、移動すべき移動量に応じて、前記モータが追従すべき参照信号となる指令パターンを生成する指令生成部と、前記指令パターンに追従するように前記モータに電流を供給し、かつ、発生した回生電力を消費させる回生制御を行うアンプ部と、を備え、機械負荷が接続されたモータを駆動するモータ制御装置であって、前記指令生成部は、前記指令パターンにおける、前記指令パターンの速度の絶対値が減少していく時間区間の一部または全部の減速度と、前記機械負荷により前記モータに発生する摩擦トルク及び機械負荷のイナーシャまたは前記機械負荷により前記モータに発生する摩擦力及び機械負荷の質量から決まる減速度と、を一致させるように、前記指令パターンを生成することを特徴とするモータ制御装置である。

本発明によれば、モータ駆動機器の発熱を抑制しつつ位置決め制御を実現するモータ制御装置を得る、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるモータ制御装置の構成と周辺部の構成を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかるモータ制御装置の指令生成部の処理を詳細に説明するフローチャートを示す図である。 図３は、従来の位置決め制御用指令値の速度、加速度及び電流の時間変化を示す図である。 図４は、実施の形態１にて生成される位置決め制御用指令値の速度、加速度及び電流の時間変化を示す図である。 図５は、実施の形態２にかかるモータ制御装置の指令生成部の処理を詳細に説明するフローチャートを示す図である。 図６は、実施の形態２における指令パターン（速度パターン、加速度パターン、モータの電流）を示す図である。 図７は、実施の形態２における指令パターン（速度パターン、加速度パターン、モータの電流）を示す図である。 図８は、実施の形態３にかかるモータ制御装置の指令生成部の処理を詳細に説明するフローチャートを示す図である。 図９は、実施の形態３における指令パターン（速度パターン、加速度パターン、モータの電流）を示す図である。 図１０は、実施の形態３における指令パターン（速度パターン、加速度パターン、モータの電流）を示す図である。

以下に、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、こ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．
図１は、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態１の構成と周辺部の構成を示す図である。図１に示すモータ制御装置は、ボールネジ機構で駆動される。図１には、モータ１、エンコーダ２、ボールネジ３、位置決めヘッド４、カップリング５、モータ制御装置６及び商用交流電源２１が示されている。モータ制御装置６は、アンプ部７（例えば、サーボアンプ）及び指令生成部１０を備え、アンプ部７は、サーボ制御部１２、コンバータ部２２、平滑コンデンサ２３、回生抵抗２４、回生トランジスタ２５及びインバータ部２６を備える。

モータ１は、インバータ部２６からの電流１４によって駆動され、位置決め制御の駆動源となる。モータ１に接続されたエンコーダ２は、モータ１の位置及び速度を検出し、検出情報１３（モータ位置及び速度情報）を出力する。ボールネジ３は、カップリング５によってモータ１に接続されている。モータ１の回転運動はボールネジ３によって並進運動に変換され、ボールネジ３に固定されたヘッド４の運動が制御される。

図１に示す例では、ボールネジ３、ヘッド４及びカップリング５で機械負荷を構成している。なお、図１には、ボールネジ３を利用して機械負荷を位置決め制御する例を示しているが、本発明はこれに限定されず、タイミングベルトやラックアンドピニオンなどの他の機構を用いてもよいし、これらを複数個組み合わせて機械負荷の位置決め制御が実現されていてもよい。

商用交流電源２１は、モータ制御装置６に交流電力を供給する。商用交流電源２１が接続されたコンバータ部２２は、商用交流電源２１から供給される交流電力を整流する。コンバータ部２２は、例えば、ダイオードスタックにより実現される。整流された電力は、平滑コンデンサ２３により平滑化された直流電源となり、これにより母線電圧が供給されることになる。回生トランジスタ２５は、母線電圧が過度に上昇するとオンし、回生電力を回生抵抗２４で消費させ、母線電圧を低下させる。インバータ部２６は、パルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行い、後述する電圧指令１５をもとにしてモータ１に電流１４を供給する。

指令生成部１０は、位置決め制御用の位置指令値１１を生成し、サーボ制御部１２に出力する。サーボ制御部１２は、エンコーダ２が出力する検出情報１３が、位置指令値１１に追従するように電圧指令１５を出力する。サーボ制御部１２では、例えば、エンコーダ２から出力される検出情報１３（位置信号）に指令パターン（参照信号）が追従するようにフィードバック制御が行われて、電圧指令１５が出力されることが例として挙げられる。また、フィードバック制御だけでなくフィードフォワード制御が併用されて、電圧指令が出力されてもよい。

図２は、指令生成部１０の処理を詳細に説明するフローチャートを示す図である。まず、指令生成部１０に、位置決めの移動量Ｄ、機械負荷の摩擦情報（摩擦トルク）、モータ動作に伴い可動する部材に対応したイナーシャ値Ｊ、加速動作時の加速度Ａ及び最大速度Ｖ_ｍａｘが入力される（ステップＳ１）。図１では、モータ動作に伴い可動する部材に対応したイナーシャ値Ｊは、モータの回転軸のイナーシャと、機械負荷（ヘッド、ボールネジ、カップリング）がモータ回転に伴い動作する部材のイナーシャとの合計値である。摩擦情報とは、モータの回転に伴いモータの回転方向に逆向きに作用するトルクの情報であり、図１では、具体的な摩擦の発生要因として、ボールネジの摩擦を例示することができる。

本実施の形態では、機械負荷の摩擦は、機械負荷の運動を阻害する方向に作用し、常に一定値ｃであるとする。また、最大速度Ｖ_ｍａｘは、モータまたは機械負荷が越えてはならない速度を表しており、例えば、モータの最高速度から決定される。加速動作時の加速度Ａは、加速動作時の加速度を指定する情報である。位置決め指令値の減速度、すなわち、減速動作時における加速度の絶対値Ａ_ｄは、下記の式（１）により算出される（ステップＳ２）。

ステップＳ１，Ｓ２で得られた情報から、仮のピーク速度Ｖ_ｐが下記の式（２）により算出される（ステップＳ３）。

次に、仮のピーク速度Ｖ_ｐと最大速度Ｖ_ｍａｘを比較する（ステップＳ４）。ステップＳ４における比較の結果、仮のピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘ以下である場合（ステップＳ４でＹｅｓに分岐）には、加速時間ｔ_１と減速時間ｔ_２が下記の式（３），（４）により算出される（ステップＳ５）。

次に、ステップＳ５で算出された加速時間ｔ_１と減速時間ｔ_２を用いて下記の式（５）により速度パターンｖ（ｔ）を算出する（ステップＳ６）。

ここで、ｔは時間を表すパラメータであり、ｔ＝０で指令が開始される。上記の式（５）の速度パターンｖ（ｔ）では、加速時間中（０≦ｔ≦ｔ_１）には一定の加速度Ａで速度が増加し、指令開始から時間ｔ_１後において速度がピーク速度Ｖ_ｐ（＝Ａ・ｔ_１）に達すると、一定の減速度Ａ_ｄで時間ｔ_２だけ減速動作を行い、減速停止する。

一方で、ステップＳ４における比較の結果、仮のピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘよりも大きい場合（ステップＳ４でＮｏに分岐）には、加速時間ｔ_１、減速時間ｔ_２及び一定速時間ｔ_３が下記の式（６），（７），（８）によりそれぞれ算出される（ステップＳ７）。

さらに、ステップＳ７で算出された加速時間ｔ_１、減速時間ｔ_２を用いて下記の式（９）により速度パターンｖ（ｔ）を算出する（ステップＳ８）。

上記の式（９）の速度パターンｖ（ｔ）では、加速時間中（０≦ｔ≦ｔ_１）には一定の加速度Ａで速度が増加し、指令開始から時間ｔ_１後において速度が最大速度Ｖ_ｍａｘ（＝Ａ・ｔ_１）に達すると、時間ｔ_３だけ一定速度Ｖ_ｍａｘを維持し、その後一定の減速度Ａ_ｄで時間ｔ_２だけ減速動作を行い、減速停止する。

その後、ステップＳ６またはステップＳ８で算出した速度パターンｖ（ｔ）を以下の式（１０）によって積分することで、時間ｔにおける位置指令値ｐ（ｔ）を算出し（ステップＳ９）、処理を終了する。

この位置指令値ｐ（ｔ）に追従するようにモータを位置決め制御することで、モータの速度は、式（５）または式（９）の速度パターンｖ（ｔ）に表されるプロファイルをとりながら位置決めされる。

式（５）または式（９）について、指令が開始される時間から指令が終了する時間まで速度パターンｖ（ｔ）を積分すると、所定の移動量Ｄに一致する。実際に、式（５）の速度パターンｖ（ｔ）を時間０から指令の払出が完了する時間ｔ_１＋ｔ_２まで積分すると、下記の式（１１）となる。

一方で、式（９）の速度パターンｖ（ｔ）を時間０から指令の払出が完了する時間ｔ_１＋ｔ_２＋ｔ_３まで積分すると、下記の式（１２）となる。

よって式（５）または式（９）の速度パターンｖ（ｔ）を用いることで、所定の移動量Ｄを移動する位置決め制御を実現することができる。式（５）と式（９）の使い分けは、次のように行う。すなわち、式（５）で速度パターンｖ（ｔ）を算出したときのピーク速度Ｖ_ｐを算出し、そのピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘを超えない場合には式（５）の速度パターンを用いる。ピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘを超える場合には、速度が最大速度Ｖ_ｍａｘに到達した時点から最大速度Ｖ_ｍａｘを維持し、その後、減速動作を行う式（９）の速度パターンを用いる。このように場合分けを行うことで、速度パターンｖ（ｔ）は最大速度Ｖ_ｍａｘの制約を超えることがない。

次に、図２のフローチャートに従って生成される指令パターンを位置決め制御に用いたときの、モータ駆動機器の発熱に及ぼす影響について説明する。運動方程式は、下記の式（１３）で表される。

ここで、θはモータ位置を表し、θ’はモータ位置θの時間に関する一階微分（つまりモータの速度）を表し、θ’’はモータ位置θの時間に関する二階微分（つまりモータの加速度）を表す。Ｋ_ｔは、モータのトルク定数を表し、Ｉはモータの電流を表し、Ｋ_ｔ・Ｉはモータに発生するトルクを表す。ｃは機械負荷の摩擦（摩擦トルク）を表す。この摩擦は、上記したように、モータによって駆動される機械負荷の進行を阻害する方向に作用する。位置決め動作時に発生する電流Ｉは、下記の式（１４）で表される。

モータを用いて機械負荷の位置決め制御を行うと、モータは加速動作時（すなわち、θ’’＞０）には、機械負荷のイナーシャを加速させるための電流Ｊ・θ’’／Ｋ_ｔの他に、機械負荷の摩擦に打ち勝つための電流（ｃ／Ｋ_ｔ）を余分に発生させる必要がある。また、機械負荷の摩擦に打ち勝つための電流は、モータが一定の速度（θ’’＝０のとき）を維持するときにも、必要となる。逆に、モータは減速動作時（θ’’＜０）には、機械負荷の摩擦のため、機械負荷のイナーシャを減速させるためのトルクよりも絶対値が小さいトルクで減速停止する。式（１）のように、指令値の減速度を機械負荷の摩擦により算出すると、減速動作時の電流は下記の式（１５）で表され、減速動作には電流が発生しないことになる。

図３は、従来の位置決め制御用指令値の速度、加速度及び電流の時間変化を示す図である。図３（Ａ）には速度の時間変化を、図３（Ｂ）には加速度の時間変化を、図３（Ｃ）には電流の時間変化を示している。図３では、本実施の形態にて説明した算出方法を適用せず、従来の位置決め制御時に使用されることの多い加速時と減速時の加速度が同一である。

図４は、本実施の形態にて生成される位置決め制御用指令値の速度、加速度及び電流の時間変化を示す図である。図４（Ａ）には速度の時間変化を、図４（Ｂ）には加速度の時間変化を、図４（Ｃ）には電流の時間変化を示している。

従来の位置決め制御では、図３（Ｃ）に示されるように減速動作時（時間ｔ_２）に電流が流れているが、本実施の形態の位置決め制御では、図２に示すフローチャートに従って指令値が算出されているため、図４（Ｃ）に示されるように減速動作時の電流は０になる。

モータに電流を流すとモータには駆動力が発生するのであるが、図３（Ｃ）に示されるように、加速動作時と減速動作時に特に大きな電流が発生する。一般に、モータが加速動作または一定速動作している時には、モータ駆動機器からモータにエネルギーが供給されて、駆動力が発生する。逆に、減速動作している時には、機械負荷またはモータの運動エネルギーによりモータが発電する回生状態になり、回生電力を発生し、母線電圧が上昇する。母線電圧が過度に上昇すると、モータ駆動機器は回生制御動作を行う。すなわち、回生トランジスタ２５をオンさせ、回生電力を回生抵抗２４で消費させるのであるが、回生抵抗２４に電流が流れるとモータ駆動機器が発熱する。回生電力は、モータ出力が負になった量に相当し、モータ出力は、モータ速度とトルクの積で算出される。トルクは電流に比例して発生するので、モータ出力はモータ速度と電流との積に比例して決まる。

本実施の形態にて説明したように、位置決め制御用の指令値を生成することで、図４に示すように、減速動作時における電流を０にすることができる。これにより、減速動作時には回生電力が発生しない。回生電力が発生しなければ母線電圧も上昇せず、回生抵抗トランジスタがオンせず、回生抵抗が通電状態にならないため、モータ駆動機器における発熱を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、減速動作時の減速度を摩擦から決定することにより、モータ駆動機器の発熱を抑制し、加速動作時の加速度の波形が矩形である場合について説明したが、これに限定されない。本発明においては、減速動作時の減速度を摩擦から決定すればよく、加速度の波形は矩形に限定されるものではない。本実施の形態では、加速動作時の加速度の波形が矩形でない場合について説明する。なお、実施の形態１にて既出のパラメータ等はその説明を省略し、実施の形態１の説明を援用する。

本実施の形態にかかるモータ制御装置の構成と周辺部の構成は図１と同様であるが、指令生成部１０の処理が異なる。

図５は、指令生成部１０の処理を詳細に説明するフローチャートを示す図である。まず、指令生成部１０に、位置決めの移動量Ｄ、機械負荷の摩擦情報、モータ動作に伴い可動する部材に対応したイナーシャ値Ｊ、加速動作時のピーク加速度Ａ_ｐ及び最大速度Ｖ_ｍａｘが入力される（ステップＳ１１）。加速動作時のピーク加速度Ａ_ｐは、加速開始時にとる加速度のピーク値である。位置決め指令値の減速度、すなわち、減速動作時における加速度の絶対値Ａ_ｄは、実施の形態１の式（１）により算出される（ステップＳ１２）。そして、ステップＳ１１，Ｓ１２で得られた情報から、仮のピーク速度Ｖ_ｐが下記の式（１６）により算出される（ステップＳ１３）。

次に、仮のピーク速度Ｖ_ｐと最大速度Ｖ_ｍａｘを比較する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４における比較の結果、仮のピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘ以下である場合（ステップＳ１４でＹｅｓに分岐）には、加速時間ｔ_１と減速時間ｔ_２が下記の式（１７），（１８）により算出される（ステップＳ１５）。

次に、ステップＳ１５で算出された加速時間ｔ_１と減速時間ｔ_２を用いて速度パターンｖ（ｔ）を下記の式（１９）により算出する（ステップＳ１６）。

図６は、本実施の形態においてステップＳ１４でＹｅｓに分岐したときの指令パターン（速度パターン、加速度パターン、モータの電流）を示す図である。ｔ＝０における指令開始時には、ピーク加速度Ａ_ｐであり、加速時間中（０≦ｔ≦ｔ_１）には加速度が減少していく。指令開始から時間ｔ_１経過時において速度がピーク速度Ｖ_ｐに達すると、一定の減速度Ａ_ｄで時間ｔ_２だけ減速動作を行い、減速停止する。

一方で、ステップＳ１４における比較の結果、仮のピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘよりも大きい場合（ステップＳ１４でＮｏに分岐）には、加速時間ｔ_１、減速時間ｔ_２及び一定速時間ｔ_３が下記の式（２０），（２１），（２２）によりそれぞれ算出される（ステップＳ１７）。

さらに、ステップＳ１７で算出された加速時間ｔ_１、減速時間ｔ_２を用いて下記の式（２３）により速度パターンｖ（ｔ）を算出する（ステップＳ１８）。

図７は、本実施の形態においてステップＳ１４でＮｏに分岐したときの指令パターン（速度パターン、加速度パターン、モータの電流）を示す図である。ｔ＝０における指令開始時には、ピーク加速度Ａ_ｐであり、加速時間中（０≦ｔ≦ｔ_１)には加速度が減少していく。指令開始から時間ｔ_１経過時において加速度が０に達すると、速度は最大速度Ｖ_ｍａｘとなる。その後、時間ｔ_３だけ一定の最大速度Ｖ_ｍａｘを維持し、その後一定の減速度Ａ_ｄで時間ｔ_２だけ減速動作を行い、減速停止する。

その後、ステップＳ１６またはステップＳ１８で算出した速度パターンｖ（ｔ）を実施の形態１の式（１０）によって積分することで、時間ｔにおける位置指令値ｐ（ｔ）を算出し（ステップＳ１９）、処理を終了する。実施の形態１と同様に、この位置指令値ｐ（ｔ）に追従するようにモータを位置決め制御することで、モータの速度は、式（１９）または式（２３）の速度パターンｖ（ｔ）に表されるプロファイルをとりながら位置決めされる。

式（１９）または式（２３）を用いて指令が開始される時間から指令が終了する時間まで速度パターンｖ（ｔ）を積分すると、所定の移動量Ｄに一致する。式（１９）の速度パターンｖ（ｔ）を時間０から指令の払出が完了する時間ｔ_１＋ｔ_２まで積分すると、下記の式（２４）となる。これは、指令が終了するまでの移動量である。

一方で、式（２３）の速度パターンｖ（ｔ）を時間０から指令の払出が完了する時間ｔ_１＋ｔ_２＋ｔ_３まで積分すると、下記の式（２５）となる。

よって式（１９）または式（２３）の速度パターンｖ（ｔ）を用いることで、所定の移動量Ｄを移動する位置決め制御を実現することができる。式（１９）と式（２３）の使い分けは、次のように行う。すなわち、式（１９）で速度パターンｖ（ｔ）を算出したときのピーク速度Ｖ_ｐを算出し、そのピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘを超えない場合には式（１９）の速度パターンを用いる。ピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘを超える場合には、速度が最大速度Ｖ_ｍａｘに到達した時点から最大速度Ｖ_ｍａｘを維持し、その後、減速動作を行う式（２３）を用いる。このように場合分けを行うことで、速度パターンｖ（ｔ）は最大速度Ｖ_ｍａｘの制約下にあることになる。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、減速動作における減速度を摩擦から決定したため、減速動作時に位置決め動作時の電流を０にすることができる。

また、図６（Ｃ）または図７（Ｃ）に示されるように、本実施の形態の指令パターンを用いて位置決め動作を行うと、減速動作における電流を０にすることができる。これにより、回生電力が発生せず、モータ駆動機器における発熱を抑制することができる。さらには、加速動作初期には大きな加速度で、加速動作終期には小さい加速度で動作を行うことで、均一な加速度で動作した場合よりも加速動作時の実行負荷率も小さくなり、モータの発熱も抑制することができる。

実施の形態３．
実施の形態１，２では、移動量のみによって位置決め動作を制御する場合について説明したが、位置決め動作は移動量のみならず、所望の時間に位置決めが完了するように位置決め時間が設定されることも多い。また、モータの最大トルクや機械負荷の許容加速度などにより、位置決め動作を行う際に、加速度が指定された最大加速度以下（または速度が指定された最大速度以下）となるように指令パターンを生成しなければならない場合も多い。本実施の形態では、移動量のみならず位置決め時間及び最大加速度、最大速度を考慮して、モータ駆動機器の発熱を抑制することができる位置決め制御用指令値を生成する場合について説明する。なお、実施の形態１，２にて既出のパラメータ等はその説明を省略し、実施の形態１，２の説明を援用する。

本実施の形態にかかるモータ制御装置の構成と周辺部の構成は図１と同様であるが、指令生成部１０の処理が異なる。

図８は、本実施の形態における指令生成部１０の処理を詳細に説明するフローチャートを示す図である。まず、指令生成部１０に、位置決めの移動量Ｄ、機械負荷の摩擦情報、モータ動作に伴い可動する部材に対応したイナーシャ値Ｊ、加速動作時のピーク加速度Ａ_ｐ、最大速度Ｖ_ｍａｘ、最大加速度Ａ_ｍａｘ及び位置決め時間Ｔが入力される（ステップＳ２１）。位置決め時間Ｔは、常時最大加速度を用いてＢａｎｇ−Ｂａｎｇ制御したときにかかる位置決め時間を２√（Ｄ／Ａ_ｍａｘ）とすると、Ｔ＞２√（Ｄ／Ａ_ｍａｘ）であり、位置決め時間Ｔは物理的な限界を使用して動作できる最短時間よりも長いものとする。また、機械負荷の摩擦は、モータが発生するトルクなどに比べると比較的小さいため、最大加速度Ａ_ｍａｘは、後述する摩擦から決まる減速度Ａ_ｄよりも大きいものとする。位置決め指令値の減速度、すなわち、減速動作時における加速度の絶対値Ａ_ｄは、実施の形態１の式（１）により算出される（ステップＳ２２）。そして、ステップＳ２１，Ｓ２２で得られた情報から、仮のピーク速度Ｖ_ｐが下記の式（２６）により算出される（ステップＳ２３）。

次に、仮のピーク速度Ｖ_ｐと最大速度Ｖ_ｍａｘを比較する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４における比較の結果、仮のピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘ以下である場合（ステップＳ２４でＹｅｓに分岐）には、加速時間ｔ_１と第１の減速時間ｔ_２及び第２の減速時間ｔ_４が下記の式（２７），（２８），（２９）により算出される（ステップＳ２５）。

次に、ステップＳ２５で算出された加速時間ｔ_１、第１の減速時間ｔ_２及び第２の減速時間ｔ_４を用いて速度パターンｖ（ｔ）を下記の式（３０）により算出する（ステップＳ２６）。

図９は、本実施の形態においてステップＳ２４でＹｅｓに分岐したときの指令パターン（速度パターン、加速度パターン、モータの電流）を示す図である。加速動作は、最大加速度Ａ_ｍａｘで時間ｔ_１だけ行い（０≦ｔ≦ｔ_１)、時間ｔ_１において速度がピーク速度Ｖ_ｐに達すると、減速動作を行う。減速動作は、まず、一定の減速度Ａ_ｄで時間ｔ_２だけ行い（ｔ_１＜ｔ≦ｔ_１＋ｔ_２)、その後、減速度Ａ_ｍａｘで速度０になるまで減速動作を行い（ｔ_１＋ｔ_２＜ｔ≦Ｔ)、減速停止する。

一方で、ステップＳ２４における比較の結果、仮のピーク速度Ｖ_ｐが最大速度Ｖ_ｍａｘよりも大きい場合（ステップＳ２４でＮｏに分岐）には、加速時間ｔ_１、第２の減速時間ｔ_４、第１の減速時間ｔ_２及び一定速時間ｔ_３が下記の式（３１），（３２），（３３），（３４）によりそれぞれ算出される（ステップＳ２７）。

さらに、ステップＳ２７で算出された加速時間ｔ_１、第１の減速時間ｔ_２、第２の減速時間ｔ_４及び一定速時間ｔ_３を用いて下記の式（３５）により速度パターンｖ（ｔ）を算出する（ステップＳ２８）。

図１０は、本実施の形態においてステップＳ２４でＮｏに分岐したときの指令パターン（速度パターン、加速度パターン、モータの電流）を示す図である。加速動作は、最大加速度Ａ_ｍａｘで時間ｔ_１だけ行い（０≦ｔ≦ｔ_１)、時間ｔ_１において速度が最大速度Ｖ_ｍａｘに達した後、時間ｔ_３だけ一定の最大速度Ｖ_ｍａｘを維持し（ｔ_１＜ｔ≦ｔ_１＋ｔ_３)、その後減速動作を行う。減速動作は、まず一定の減速度Ａ_ｄで時間ｔ_２だけ行い（ｔ_１＋ｔ_３＜ｔ≦ｔ_１＋ｔ_２＋ｔ_３)、その後、最大減速度Ａ_ｍａｘで速度０になるまで行い、減速停止する。最大減速度Ａ_ｍａｘで速度０になるまで行う減速動作の時間を時間ｔ_４とする（ｔ_１＋ｔ_２＋ｔ_３＜ｔ≦Ｔ)。

その後、ステップＳ２６またはステップＳ２８で算出した速度パターンｖ（ｔ）を実施の形態１の式（１０）によって積分することで、時間ｔにおける位置指令値ｐ（ｔ）を算出し（ステップＳ２９）、処理を終了する。実施の形態１と同様に、この位置指令値ｐ（ｔ）に追従するようにモータを位置決め制御することで、モータの速度は、式（３０）または式（３５）の速度パターンｖ（ｔ）に表されるプロファイルをとりながら位置決めされる。

本実施の形態の速度パターンｖ（ｔ）は、減速動作を行うに際して、減速初期は、機械摩擦トルクのみで減速するように位置決め制御用の減速度（一定の減速度Ａ_ｄ）を決定して減速し、その後、異なる減速度（最大減速度Ａ_ｍａｘ）で指令の払出時間が、指定された位置決め時間Ｔとなるように減速する点が、実施の形態１，２とは異なる。

式（３０）または式（３５）を用いて指令が開始される時間から指令が終了する時間まで速度パターンｖ（ｔ）を積分すると所定の移動量Ｄに一致し、位置決め動作は所定の位置決め時間Ｔで終了する。

式（２７），（２８），（２９）は、式（３０）の速度パターンｖ（ｔ）のパラメータとなる加速時間ｔ_１、第１の減速時間ｔ_２及び第２の減速時間ｔ_４を表す式であり、加速時間ｔ_１、第１の減速時間ｔ_２及び第２の減速時間ｔ_４は、以下の３つの関係式が成立するように決定される。すなわち、これらは、下記の式（３６），（３７），（３８）を未知数ｔ_１，ｔ_２，ｔ_４についての三元連立方程式としたときの解である。

式（３６）は、加速時間ｔ_１、第１の減速時間ｔ_２及び第２の減速時間ｔ_４の和が、位置決め時間Ｔであることを表す。式（３７）は、第１の減速時間ｔ_２における減速度が一定の減速度Ａ_ｄであることを表す。式（３８）では、左辺第１項が加速時間ｔ_１における移動量を表し、左辺第２項が第１の減速時間ｔ_２における移動量を表し、左辺第３項が第２の減速時間ｔ_４における移動量を表す。そして、加速時間ｔ_１における移動量と、第１の減速時間ｔ_２における移動量と、第２の減速時間ｔ_４における移動量と、の和が所定の移動量Ｄに等しい。

以上説明したように、式（３０）で算出される速度パターンによれば、所定の位置決め時間Ｔで指令が終了し、所定の移動量Ｄを移動する位置決め動作を行うことができる。同様に式（３５）で算出される速度パターンについては、式（３１），（３２），（３３），（３４）は、パラメータとなる加速時間ｔ_１、第２の減速時間ｔ_４、第１の減速時間ｔ_２及び一定速時間ｔ_３を表す式であり、これらに以下の４つの関係式が成立するように決定される。

式（３９）は、加速時間ｔ_１においては、加速度Ａ_ｍａｘで速度Ｖ_ｍａｘまで加速することを表す。式（４０）は、加速時間ｔ_１、第１の減速時間ｔ_２、一定速時間ｔ_３及び第２の減速時間ｔ_４の和が、位置決め時間Ｔであることを表す。式（４１）は、第１の減速時間ｔ_２における減速度が一定の減速度Ａ_ｄであることを表す。式（４２）は、式（３５）で表される指令値の移動量が所定の移動量Ｄに等しいことを表す。

式（３５）で算出される速度パターンについても、速度パターンのパラメータであるｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４を上記の式（３９），（４０），（４１），（４２）から算出しているので、所定の位置決め時間Ｔで終了し、所定の移動量Ｄを移動する位置決め動作を行うことができる。

実施の形態１，２で説明したように、減速度を摩擦により決まる一定の減速度Ａ_ｄとすると、減速度Ａ_ｄとした時間では回生電力を０にすることができる。しかしながら、減速動作時の減速度を常に一定の減速度Ａ_ｄとすると、所定の位置決め時間Ｔまでに位置決めが完了せず、不都合が生じることがある。一方で、回生電力はモータのトルクと速度の積で表せるので、一般に、減速度が同一であれば速度が大きいときに減速を行うと回生電力が大きくなり、逆に、速度が小さいときに減速を行うと回生電力が小さくなる。

そこで、モータ駆動機器の発熱の要因となる回生電力を抑制するために、本実施の形態では、回生電力が大きくなる状態、すなわち減速開始直後の速度が大きい状態における減速度を摩擦トルクで決定される減速度Ａ_ｄとし、回生電力が小さくなりやすい状態、すなわち減速動作終了前の速度が小さい状態における減速度を減速度Ａ_ｄよりも大きい減速度（最大減速度Ａ_ｍａｘ）とする。このように指令パターンを構成することで、回生電力が大きくなる減速初期で発熱の要因となる回生電力を抑制しつつ、停止間際に大きな減速度、すなわち、俊敏な動きで停止動作をすることになるので、指定された位置決め時間Ｔに指令の払出を完了することができる。例えば、図９，１０において、速度の大きい第１の減速時間ｔ_２においては、電流は０であり、速度の小さい第２の減速時間ｔ_４においては、電流が生じている。

本実施の形態にて説明した構成とすることで、所定の位置決め時間Ｔに位置決めを完了しつつ、発熱の要因となる回生電力の発生を大きく抑制することができる。つまり、本実施の形態は、位置決め時間に制約がある場合に有効である。

なお、本実施の形態では、加速動作時の加速度の波形が矩形の場合について説明したが、減速動作の初期の減速度を摩擦により決定される減速度Ａ_ｄとし、後の減速度をそれよりも大きくするのであれば、実施の形態２と同様に加速度の波形が徐々に小さくなってもよい。または、加速時の速度パターンが、Ｓ字となるように変化させて加速させる方式（Ｓ字加減速の加速）であってもよく、加速方法は特定の方法に限定されるものではない。また、本実施の形態では、減速動作を２段階（すなわち、図１０の第１の減速時間ｔ_２の区間と第２の減速時間ｔ_４の区間）である場合を例に説明したが、減速動作を３段階以上に分けて実施して、最初の減速時間の減速度を摩擦により決定される減速度Ａ_ｄとして、残りの減速時間を減速度Ａ_ｄよりも大きい減速度にしても同様の効果が得られる。

なお、実施の形態１〜３の説明において、摩擦としては、機械負荷の進行速度に依存しない一定値のクーロン摩擦を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、粘性摩擦のように機械負荷の進行速度に依存する摩擦から位置決め制御用指令値の減速度を決めてもよい。

なお、実施の形態１〜３の説明において、モータとしては、回転型モータを用いて機械負荷を位置決め制御する場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、リニアモータを用いてもよい。リニアモータを用いる場合には、リニアモータ並進動作に伴う可動部分の質量がモータ回転に伴うイナーシャに対応し、摩擦力は摩擦トルクに対応すればよい。

以上、実施の形態１〜３において説明したモータ制御装置は、モータ駆動機器の発熱を小さくすることができる。

以上のように、本発明にかかるモータ制御装置は、発熱を抑制すべき環境下にて動作するモータ駆動機器に有用である。

１ モータ、２ エンコーダ、３ ボールネジ、４ ヘッド、５ カップリング、６ モータ制御装置、７ アンプ部、１０ 指令生成部、１１ 位置指令値、１２ サーボ制御部、１３ 検出情報、１４ 電流、１５ 電圧指令、２１ 商用交流電源、２２ コンバータ部、２３ 平滑コンデンサ、２４ 回生抵抗、２５ 回生トランジスタ、２６ インバータ部。

Claims (6)

1. 移動すべき移動量に応じて、前記モータが追従すべき参照信号となる指令パターンを生成する指令生成部と、前記指令パターンに追従するように前記モータに電流を供給し、かつ、発生した回生電力を消費させる回生制御を行うアンプ部と、を備え、機械負荷が接続されたモータを駆動するモータ制御装置であって、
   前記指令生成部は、前記指令パターンにおける、前記指令パターンの速度の絶対値が減少していく時間区間の一部または全部の減速度と、前記機械負荷により前記モータに発生する摩擦トルク及び機械負荷のイナーシャまたは前記機械負荷により前記モータに発生する摩擦力及び機械負荷の質量から決まる減速度と、を一致させるように、前記指令パターンを生成することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記指令生成部が、
   前記機械負荷により前記モータに発生する摩擦トルク及び機械負荷のイナーシャまたは前記機械負荷により前記モータに発生する摩擦力及び機械負荷の質量から、減速動作時におけるモータ電流が０になるように減速度を算出して前記指令パターンを生成することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記指令パターンの速度の絶対値が減少していく減速時間が少なくとも減速初期と減速後期の２つの時間から構成され、
   前記指令生成部が、
   前記減速初期には、前記機械負荷により前記モータに発生する摩擦トルク及び前記機械負荷のイナーシャ、または、前記機械負荷により前記モータに発生する摩擦力及び前記機械負荷の質量から決まる減速度により減速動作を行い、
   前記減速後期の減速度が、前記減速初期の前記減速度よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記指令生成部において、指令が開始されてから終了するまでの時間が予め決められた位置決め時間となることを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記指令生成部が、前記指令パターンの加速度及び減速度がモータの前記最大加速度以下になるように指令値を生成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
6. 前記指令生成部が、前記指令パターンの速度が前記モータの最大速度以下になるように指令値を生成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。

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