JP2016093031A - モータトルクで制限される指令を生成するモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各運転状態においてモータに発生するトルクを許容トルクに近づけることができるモータ制御装置を実現する。
【解決手段】モータ制御装置１は、モータ回転数を検出する検出部１１と、検出部１１が検出したモータ回転数のときの許容トルクと、移動体３の移動方向とは逆方向に発生する第１のトルクオフセットと、移動体３の移動方向に関わらず一方向に発生する第２のトルクオフセットと、モータ２のロータ慣性モーメントと、負荷慣性モーメントと、モータ２の回転運動におけるモータ回転角度を移動体３における直動運動時の移動距離に変換するための変換係数とを記憶する記憶部１２と、許容トルクと、第１のトルクオフセットと、第２のトルクオフセットと、ロータ慣性モーメントと、負荷慣性モーメントと、変換係数とを用いて、移動体３の移動方向ごとかつ加速運転および減速運転ごとにモータ２の加速度指令を計算する加速度計算部１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体を直動運動させるための駆動源として当該移動体に接続されたモータを制御するモータ制御装置に関する。

モータに移動体を接続して移動体を移動させる機構では、モータ制御装置にてモータのロータに対する位置指令または速度指令を生成してモータを制御し、モータに取り付けたエンコーダから得られたモータのロータ位置やロータ速度の情報がモータ制御装置にフィードバックされるサーボ制御ループが構成される。このような機構として、例えば、モータとボールねじをカップリングで結合し、ボールねじのナットには移動体であるテーブルが取り付けられたものがある。

上述のようなサーボ制御ループにおいては、ステップ状の速度指令を与えると、指令開始時点における加速度が無限大となってしまい、モータが出力可能な最大トルクである許容トルクを超えてしまう。また、急激な加減速は、移動体に対して大きな衝撃を与え、位置決め精度が悪化する原因となる。このため、実際の指令では加減速処理によって加速度を制限している。代表的な加減速処理として、例えば移動平均型加減速（直線加減速）や、２段移動平均型加減速（Ｓ字加減速もしくはベル型加減速とも称する）などがある（例えば、非特許文献１参照。）。

例えば、移動平均型加減速処理では、入力される速度指令ｆ_in（τ）に対して、式１に示す演算処理が実行される。式１において、移動平均時間（１次加減速時間）をτ₁とし、移動平均型加減速処理後の速度指令をｆ_out（τ）とする。

しかしながら、式１に基づく移動平均型加減速処理では、加速度指令に対して加速度応答が十分に早く追従する場合、加速度応答がステップ状に発生してしまい、モータに接続された移動体に与える衝撃が大きくなる。これを回避するためには、２段移動平均型加減速が用いられるのが多い。２段移動平均型加減速処理では、入力される速度指令ｆ_in（τ）に対して、式２に示す演算処理が実行される。式２において、１段移動平均時間（１次加減速時間）をτ₁とし、２段移動平均時間（２次加減速時間）をτ₂とし、２段移動平均型加減速処理後の速度指令をｆ_out（τ）とする。なお、τ₁＞τ₂の関係が成り立つものとする。

ここで、式２に基づく２段移動平均型加減速処理のシミュレーション波形として図５〜図１１を例示する。本シミュレーションでは、モータとボールねじをカップリングで結合し、ボールねじのナットには移動体であるテーブルが取り付けられたモデルを用いている。移動体であるテーブルの減速距離Ｄを０．４[ｍ]とし、テーブルの最高速度Ｖ_Lを１．３３[ｍ／ｓｅｃ]（＝４０００[ｒｐｍ]÷６０[ｓｅｃ／ｍｉｎ]×０．０２[ｍ／ｒｅｖ]）として、テーブルを上昇方向（すなわち重力に逆らう方向）に移動させる場合を考える。以下、減速距離Ｄとは、現在位置から減速を開始したときの減速距離を意味し、よって、現在位置に減速距離Ｄを加えた位置が、移動体の減速後の位置になる。通常、時々刻々、減速距離Ｄおよび減速距離Ｄと現在位置との合計（すなわち移動体の減速後の位置）を計算し続け、算出された移動体の減速後の位置が目標位置に達したときに減速を開始する。また、モータの最高回転数Ｎ_Lを４０００[ｒｐｍ]とし、ボールねじのリードを０．０２０[ｍ／ｒｅｖ]とし、モータの回転運動におけるモータ回転角度を移動体における直動運動時の移動距離に変換するための回転直線変換係数Ｒを０．００３１８[ｍ／ｒａｄ]（＝０．０２÷２π）とする。２段移動平均型加減速処理の１段移動平均時間τ₁を１６０[ｍｓｅｃ]、２段移動平均時間τ₂を８０[ｍｓｅｃ]とする。モータのロータ慣性モーメントＪ_mを０．００１７９[ｋｇｍ²]とする。また、テーブル、ボールねじ、カップリングの慣性モーメントの合計として表される移動体の慣性モーメントＪ_mを０．００５３７[ｋｇｍ²]とする。モータによって直動運動する移動体が有する摩擦トルクを２［Ｎｍ］とする。また、移動体の受ける重力を保持するトルク（以下、「重力保持トルク」と称する）を４［Ｎｍ］とする。

図５は、２段移動平均型加減速処理を実行する前の速度指令を示す図である。なお、図５においては、速度指令ｆ_in（τ）をモータ回転数で表している。テーブルが最高速度Ｖ_L（すなわちモータが最高回転数Ｎ_Lで回転している）で移動している状態から減速距離Ｄ＝０．４［ｍ］）の位置に停止させるステップ状の速度指令ｆ_in（τ）を与えると、２段移動平均型加減速処理を実行しない場合は、式３で示すように停止するまでに３００［ｍｓｅｃ］の時間を要する。

一方、図６は、図５に示す速度指令に対して２段移動平均型加減速処理が実行された場合の速度指令を示す図である。なお、図６においては、速度指令ｆ_out（τ）をモータ回転数で表している。図５に示す速度指令ｆ_in（τ）に対して２段移動平均型加減速処理を実行すると、図６に示すような速度指令ｆ_out（τ）が得られる。図７は図６に示す２段移動平均型加減速処理後の速度指令が与えられた場合の移動体の加速度を示す図であり、図８は図７に示す移動体の加速度についての加加速度を示す図である。また、図９は、図６に示す２段移動平均型加減速処理後の速度指令が与えられた場合の移動体の位置を示す図である。図９に示すように、減速距離Ｄ＝０．４［ｍ］）の位置に停止させるために５４０［ｍｓｅｃ］を要しており、２段移動平均型加減速処理を実行しない場合（図５）の３００［ｍｓｅｃ］に比べて位置決め時間は長くなっている。

また、図１０は、図６に示す２段移動平均型加減速処理後の速度指令が与えられた場合の発生トルクを示す図である。図１１は、図６に示す２段移動平均型加減速処理後の速度指令が与えられた場合の回転数とトルクとの関係を示す図である。図１１において、モータが出力可能な最大トルクである許容トルクを破線で示し、実線は２段移動平均型加減速処理後の速度指令が与えられた場合の発生トルクを実線で示す。図１１に示すように、加速終了側のトルクが許容トルク内に収まるようにかつ加速終了側のトルクが許容トルクにできるだけ近くなるように、１段移動平均時間τ₁および２段移動平均時間τ₂が設定される。また、加速開始側の発生トルクと加速終了側の発生トルクが対称形であり、またここでは図示しないが速度−加速度グラフについても加速開始時と加速終了時で対称形になり、モータの許容トルクはモータ回転数が高い時に大きく低下するので、加速開始側の発生トルクはモータの許容トルクに対して余裕がある。また、上述のように１段移動平均時間τ₁および２段移動平均時間τ₂は加速終了側の発生トルクがモータの許容トルクに収まるように設定されるため、減速中に発生するトルクは許容トルクよりも十分に小さい値となる。

このように、式２に基づく２段移動平均型加減速処理は、式１に基づく移動平均型加減速処理において生じ得たモータに接続された移動体に与える衝撃を回避できる利点があるものの、モータの高速域の加減速性能に制限されてしまうので、モータの低速域では性能に見合った十分な加速を行うことができない。つまり、低速域では加速性能のかなり大きな部分が生かされず、その分、位置決めやその前後の加減速に余計な時間がかかってしまう欠点がある。

これに対し、軸の移動方向（モータ回転方向）と加速ならびに減速ごとの４通りのトルク波形に対して、（速度、加速度）の点列で構成される加速度パターンをモータの出力トルクに合わせて設定する加減速制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法によれば、モータ速度と加速度との関係を、加速開始側のトルクと加速終了側のトルクで対称形にせずに設定することで、加速開始側の発生トルクが許容トルクに近くなるようにすることができ、低速域の加速性能を効率よく利用することができる。

ここで、上述したモータとボールねじをカップリングで結合し、ボールねじのナットには移動体であるテーブルが取り付けられたモデルに、特許文献１に記載された発明を適用した場合のシミュレーション波形について図１２〜図１６を参照して説明する。シミュレーションで用いたパラメータは、図５〜図１１を参照して説明したシミュレーションのものと同様とする。図１２は、特許文献１（特許第３６８１９７２号公報）に記載された発明において、シミュレーションに用いた速度と加速度との関係を示す図であって、（Ａ）は加速時、（Ｂ）は減速時を示す。また、図１３は、図１２に示す速度と加速度との関係をグラフ化した図である。本シミュレーションでは、モータにより移動体をプラス方向に移動させたときの加速時および減速時の速度と加速度との関係を図１２および図１３に示すように設定し、その間の速度は直線補完している。

図１２および図１３に示すように設定された加速度Ａ（ｔ）で加速したときの速度Ｖ（ｔ）は式４のように表される。式４において計算周期をΔｔとする。

移動体の最高速度Ｖ_cとする。モータ制御装置１においては、最高速度Ｖ_cから減速するのに要する減速距離Ｄを計算し、目標の停止位置から減速距離Ｄだけ離れた位置に移動体が達したとき、図１２および図１３に示すように設定された加速度Ａ（ｔ）で減速し、速度Ｖ（ｔ）＝０になったところで停止する。

図１４は、図１２および図１３に示す速度と加速度との関係を維持しながら移動体を移動させたときの発生トルクを示す図である。また、図１５は、図１２および図１３に示す速度と加速度との関係を維持しながら移動体を移動させたときの移動体の位置を示す図である。図１５に示すように、減速距離Ｄ＝０．４［ｍ］）の位置に停止させるために４３０［ｍｓｅｃ］を要しており、２段移動平均型加減速処理を実行した場合（図９）の５４０［ｍｓｅｃ］に比べて位置決め時間は短くなっている。図１６は、図１２および図１３に示す速度と加速度との関係を維持しながら移動体を移動させたときの回転数とトルクとの関係を示す図である。図１６に示すように、加速終了側のトルクをモータの許容トルクと移動体（機械）に許容される加加速度（ジャーク）とに合わせて傾きを２段階に変えることができ、また、加速開始側のトルクについては、許容加加速度に合わせた傾きとすることができ、モータの出力可能トルクに対して十分にトルクを出力することができる。また、加速中のトルクと減速中のトルクは、許容加加速度により開離する最初と最後を除いて、曲線を一致させることができ、モータの出力可能トルクに対して十分にトルクを出力することができる。

特許第３６８１９７２号公報

松原厚、「精密位置決め・送り軸系設計のための制御工学」、森北出版社、ｐｐ９８〜１０２、２００８年

移動平均型加減速処理によれば、加速度指令に対して加速度応答が十分に早く追従する場合、加速度応答がステップ状に発生してしまい、モータに接続された移動体に与える衝撃が大きくなる問題がある。

また、２段移動平均型加減速によれば、低速域では加速性能が生かされず、位置決めやその前後の加減速に余計な時間がかかってしまう問題がある。

また、特許文献１に記載された発明によれば、モータ速度と加速度との関係を、加速開始側のトルクと加速終了側のトルクで対称形にせずに設定することで、加速開始側の発生トルクが許容トルクに近くなるようにすることができ、低速域の加速性能を効率よく利用することができる利点がある。しかしながら、モータの許容トルクが高速域に減ることも考慮して、加減速度パターンを１動作当たり１２点以上（＝３点以上×４通り）設定しなければならないため、設定作業が煩雑であるという問題がある。例えば移動体が摩擦力と重力を受ける軸である場合など、モータ制御装置が適用される機械の仕様によっては、その設定作業はより一層煩雑になる。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、少ないパラメータ調整で、各運転状態においてモータに発生するトルクを許容トルクに近づけることができる、モータ性能を効率よく利用することができるモータ制御装置を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、移動体を直動運動させるための駆動源として当該移動体に接続されたモータを制御するモータ制御装置は、モータ回転数を検出する検出部と、検出部が検出したモータ回転数のときにモータが出力可能な最大トルクである許容トルクと、移動体の移動方向とは逆方向に発生するトルクである第１のトルクオフセットと、移動体の移動方向に関わらず一方向に発生するトルクである第２のトルクオフセットと、モータのロータ慣性モーメントと、負荷慣性モーメントと、モータの回転運動におけるモータ回転角度を移動体における直動運動時の移動距離に変換するための変換係数とを記憶する記憶部と、許容トルクと、第１のトルクオフセットと、第２のトルクオフセットと、ロータ慣性モーメントと、負荷慣性モーメントと、変換係数とを用いて、移動体の移動方向ごとかつモータのロータの加速運転および減速運転ごとに、モータの加速度指令を計算する加速度計算部と、を備える。

ここで、加速度計算部は、時刻ｔにおけるモータ回転数をＮ（ｔ）、許容トルクをＴ_ML（Ｎ（ｔ））、第１のトルクオフセットをＴ₁、第２のトルクオフセットをＴ₂、ロータ慣性モーメントをＪ_m、負荷慣性モーメントをＪ_L、変換係数をＲとしたとき、
第１の方向に加速移動中の移動体の加速度指令Ａ₁（ｔ）を、

に基づいて計算し、
第１の方向に減速移動中の移動体の加速度指令Ａ₁（ｔ）を、

に基づいて計算し、
第１の方向とは反対方向である第２の方向に加速移動中の移動体の加速度指令Ａ₁（ｔ）を、

に基づいて計算し、
第２の方向に減速移動中の移動体の加速度指令Ａ₁（ｔ）を、

に基づいて計算するようにしてもよい。

第１のトルクオフセットは、モータによって直動運動する移動体が有する摩擦トルクであり、第２のトルクオフセットは移動体の受ける重力を保持するトルクである重力保持トルクであってもよい。

また、モータによって移動体を直動運動させたときに得られるトルク波形に基づいて、第１のトルクオフセット、第２のトルクオフセット、および負荷慣性モーメントが設定されるようにしてもよい。

また、許容トルクは、移動体の加速用および移動体の減速用それぞれについて設定されるようにしてもよい。

本発明によれば、各運転状態においてモータに発生するトルクを許容トルクに近づけることができる、モータ性能を効率よく利用することができるモータ制御装置を実現することができる。本発明によれば、許容トルク、ロータ慣性モーメント、第１のトルクオフセット（摩擦トルク）、第２のトルクオフセット（重力保持トルク）、負荷慣性モーメントを設定することにより、各運転状態においてモータに発生するトルクを許容トルクに容易に近づけることができるので、モータ性能を効率よく利用することができる。

本発明の実施例によるモータ制御装置を示すブロック図である。 本発明の実施例によるモータ制御装置において、シミュレーションに用いた許容トルクを示す図である。 図２に示すモータ回転数と許容トルクとの関係をグラフ化した図である。 本発明の実施例によるモータ制御装置についてシミュレーションにて得られた速度と加速度との関係をグラフ化した図である。 ２段移動平均型加減速処理を実行する前の速度指令を示す図である。 図５に示す速度指令に対して２段移動平均型加減速処理が実行された場合の速度指令を示す図である。 図６に示す２段移動平均型加減速処理後の速度指令が与えられた場合の移動体の加速度を示す図である。 図７に示す移動体の加速度についての加加速度を示す図である。 図６に示す２段移動平均型加減速処理後の速度指令が与えられた場合の移動体の位置を示す図である。 図６に示す２段移動平均型加減速処理後の速度指令が与えられた場合の発生トルクを示す図である。 図６に示す２段移動平均型加減速処理後の速度指令が与えられた場合の回転数とトルクとの関係を示す図である。 特許文献１（特許第３６８１９７２号公報）に記載された発明において、シミュレーションに用いた速度と加速度との関係を示す図であって、（Ａ）は加速時、（Ｂ）は減速時を示す。 図１２に示す速度と加速度との関係をグラフ化した図である。 図１２および図１３に示す速度と加速度との関係を維持しながら移動体を移動させたときの発生トルクを示す図である。 図１２および図１３に示す速度と加速度との関係を維持しながら移動体を移動させたときの移動体の位置を示す図である。 図１２および図１３に示す速度と加速度との関係を維持しながら移動体を移動させたときの回転数とトルクとの関係を示す図である。

図１は、本発明の実施例によるモータ制御装置を示すブロック図である。ここでは、一例として、モータ２とボールねじをカップリングで結合し、ボールねじのナットには移動体３であるテーブルが取り付けられた場合について説明する。また、本実施例では、テーブルである移動体３は垂直方向に直動運動するものとし、このため垂直方向に直動運動する移動体３に対しては常に一方向（すなわｔ下方向）に重力が作用する。また、移動体２の直動運動の際には、移動体２の移動方向とは逆方向に摩擦力が発生する機械的構造を有しているものとする。また、本実施例では、移動体３の移動方向として、重力に逆らう方向を第１の方向（プラス方向）とし、第１の方向と反対の方向を第２の方向（マイナス方向）と定義する。

本発明の実施例によるモータ制御装置１は、従来一般的な同様、速度指令部２１およびサーボ制御部２２を備える。なお、ここでは説明を簡明にするために、サーボ制御部２２を、内部にスイッチング素子を有し、直流リンク側から供給される直流電力をスイッチング制御信号に基づきスイッチング素子をスイッチング動作させて、モータ２を駆動するための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換する逆変換器（図示せず）と、スイッチング制御信号を生成するスイッチング制御部（図示せず）とを含めたものとして記載している。これら逆変換器およびスイッチング制御部は本発明を限定するものではなく、例えば、スイッチング制御信号はＰＷＭ制御信号とし、逆変換器は、スイッチング素子を三相フルブリッジ構成したＰＷＭインバータとして構成すればよい。このスイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ＯＦＦ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがある。

本発明の実施例によるモータ制御装置１は、モータ回転数を検出する検出部１１と、加速度指令計算に必要な各種パラメータおよび計算式を記憶する記憶部１２と、モータ２の加速度指令を計算する加速度計算部１３とを備える。

検出部１１は、モータ２のロータ近傍に設置されたロータリエンコーダからの信号に基づいて、モータ２のロータの回転数（モータ回転数）を検出する。モータ回転数は時刻ｔを独立変数とする関数Ｎ（ｔ）で表され、０以上の値をとる。

記憶部１２には、検出部１１が検出したモータ回転数Ｎ（ｔ）のときにモータ２が出力可能な最大トルクである許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））と、移動体３の移動方向とは逆方向に発生するトルクである第１のトルクオフセットＴ₁と、移動体３の移動方向に関わらず一方向に発生するトルクである第２のトルクオフセットＴ₂と、モータ２のロータ慣性モーメントＪ_mと、負荷慣性モーメントＪ_Lと、モータ２の回転運動におけるモータ回転角度を移動体における直動運動時の移動距離に変換するための変換係数Ｒとを記憶する。許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））、第１のトルクオフセットＴ₁および第２のトルクオフセットＴ₂は正の値とする。

記憶部１２に記憶される各パラメータのうち、許容トルクは、モータ回転数Ｎ（ｔ）を独立変数とする関数として表され、モータ制御装置１が駆動するモータ２に固有のものであってモータ２の仕様書などに予め規定されているのが一般的である。同様に、ロータ慣性モーメントＪ_mについても、モータ制御装置１が駆動するモータ２に固有のものであってモータ２の仕様書などに予め規定されているのが一般的である。本実施例では、許容トルクおよびロータ慣性モーメントＪ_mを記憶部１２に予め記憶しておく。

一方、記憶部１２に記憶される第１のトルクオフセットＴ₁は、移動体３の移動方向とは逆方向に発生するトルクであり、本実施例では、モータ２によって直動運動する移動体３が有する摩擦トルクである。また、記憶部１２に記憶される第２のトルクオフセットＴ₂は、移動体３の受ける重力を保持する重力保持トルクである。また、記憶部１２に記憶される負荷慣性モーメントＪ_Lは、モータ２によって直動運動する移動体３の種類によって規定されるものである。これら第１のトルクオフセットＴ₁、第２のトルクオフセットＴ₂、負荷慣性モーメントＪ_Lは、モータ２に連結される移動体３の種類や動作状況などによって異なるので、移動体３が連結されたモータ２をモータ制御装置１によって実際に駆動してトルク波形を測定し、このトルク波形に基づいて設定し、記憶部１２に記憶しておけばよい。

加速度計算部１３は、許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））と、第１のトルクオフセット（摩擦トルク）Ｔ₁と、第２のトルクオフセット（重力保持トルク）Ｔ₂と、ロータ慣性モーメントＪ_mと、負荷慣性モーメントＪ_Lと、変換係数Ｒとを用いて、移動体３の移動方向ごとかつモータ２のロータの加速運転および減速運転ごとに、式９〜式１２のうちの何れかに従ってモータ２の加速度指令を計算する。なお、許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））は正の値としたので、加速度指令計算に用いられる許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））は、移動体３が加速用と減速用とで使い分けられる。すなわち、移動体３が加速移動する場合は、加速度指令Ａ₁（ｔ）の符号と許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の符号が一致し、移動体３が減速移動する場合は、加速度指令Ａ₁（ｔ）の符号は許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の符号と逆向きに設定される。

加速度計算部１３により計算された加速度指令Ａ₁（ｔ）は、速度指令部２１へ入力される。速度指令部２１は、加速度指令Ａ１（ｔ）積分して速度指令を作成する。また必要に応じて、さらに速度指令を積分して位置指令を生成してもよい。

続いて、加速度計算部１３による加速度計算処理の詳細について説明する。

移動体３が第１の方向（すなわち重力に逆らう方向）に加速移動する場合は、加速度指令Ａ₁（ｔ）の符号と許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の符号が一致し、かつ、許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の向きに対して第１のトルクオフセット（摩擦トルク）Ｔ₁および第２のトルクオフセット（重力保持トルク）Ｔ₂の向きが逆向きになるので、加速度計算部１３は、第１の方向に加速移動中の移動体３の加速度指令Ａ₁（ｔ）を、式９に基づいて計算する。

移動体３が第１の方向（すなわち重力に逆らう方向）に減速移動する場合は、加速度指令Ａ₁（ｔ）の符号は許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の符号と逆になり、かつ、許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の向きに対して第１のトルクオフセット（摩擦トルク）Ｔ₁および第２のトルクオフセット（重力保持トルク）Ｔ₂の向きが逆向きになるので、加速度計算部１３は、第１の方向に減速移動中の移動体の速度Ａ₁（ｔ）を、式１０に基づいて計算する。

移動体３が第１の方向とは反対方向である第２の方向（すなわち重力が働く方向）に加速移動する場合は、加速度指令Ａ₁（ｔ）の符号と許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の符号が一致し、かつ、許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の向きに対して、第１のトルクオフセット（摩擦トルク）Ｔ₁は逆向きになる一方、第２のトルクオフセット（重力保持トルク）Ｔ₂の向きが同じ向きになるので、加速度計算部１３は、第１の方向とは反対方向である第２の方向に加速移動中の移動体３の加速度指令Ａ₁（ｔ）を、式１１に基づいて計算する。

移動体３が第１の方向とは反対方向である第２の方向（すなわち重力が働く方向）に減速移動する場合は、加速度指令Ａ₁（ｔ）の符号は許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の符号と逆向きになり、かつ、許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の向きに対して、第１のトルクオフセット（摩擦トルク）Ｔ₁は逆向きになる一方、第２のトルクオフセット（重力保持トルク）Ｔ₂の向きが同じ向きになるので、加速度計算部１３は、第１の方向とは反対方向である第２の方向に減速移動中の移動体３の加速度指令Ａ₁（ｔ）を、式１２に基づいて計算する。

次に、本発明の実施例によるモータ制御装置のシミュレーション波形について図２〜図４を参照して説明する。本シミュレーションでは、ロータ慣性モーメントＪ_mを０．００１７９［ｋｇｍ²］とする。図２は、本発明の実施例によるモータ制御装置において、シミュレーションに用いた許容トルクを示す図である。これらロータ慣性モーメントＪ_mおよび許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））については、記憶部１２に予め記憶しておく。また、図３は、図２に示すモータ回転数と許容トルクとの関係をグラフ化した図である。図３の実線は図２に示す許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））を示し、点線はモータの出力可能トルクを示す。

また、負荷慣性モーメントＪ_Lを０．００５３７［ｋｇｍ²］とし、第１のトルクオフセット（摩擦トルク）Ｔ₁を２［Ｎｍ］とし、第２のトルクオフセット（重力保持トルク）Ｔ₂を４［Ｎｍ］とし、回転直線変換係数Ｒを０．００３１８［ｍ／ｒａｄ］（＝０．０２÷２π）とする。これらパラメータについては、記憶部１２に記憶しておく。以上説明した以外のパラメータについては、図１２〜図１６を参照して説明したシミュレーションのものと同様とする。

図４は、本発明の実施例によるモータ制御装置についてシミュレーションにて得られた速度と加速度との関係をグラフ化した図である。加速度計算部１３により式９〜式１２に従って加速度を計算し、えられた加速度をさらに積分することで、図４に示すような速度と加速度との関係が得られる。なお、加速度指令と加速度応答とは基本的には一致するので、ここでは説明を簡明なものとするために単に「加速度」として記載している。図４に示す本発明の実施例における速度と加速度との関係と、図１３に示す特許文献１（特許第３６８１９７２号公報）に記載された発明における速度と加速度との関係とを比較すると、本発明により、特許文献１（特許第３６８１９７２号公報）に記載された発明と同等の速度−加速度特性が得られていることが分かる。上述したように、許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））およびロータ慣性モーメントＪ_mは、モータ制御装置１が駆動するモータ２に固有のものであってモータ２の仕様書などに予め規定されているのが一般的である。また、第１のトルクオフセット（摩擦トルク）Ｔ₁、第２のトルクオフセット（重力保持トルク）Ｔ₂、負荷慣性モーメントＪ_Lは、モータ２に連結される移動体３の種類や動作状況などによって異なるので、移動体３が連結されたモータ２をモータ制御装置１によって実際に駆動してトルク波形を測定し、このトルク波形に基づいて設定する。このようなパラメータ設定をするだけで、特許文献１（特許第３６８１９７２号公報）に記載された発明と同等の速度−加速度特性を得ることができる。

なお、上述の実施例では、テーブルである移動体３は垂直方向に直動運動するものとし、このため垂直方向に直動運動する移動体３に対しては常に一方向（すなわｔ下方向）に重力が作用するので、第１のトルクオフセットＴ₁を、モータ２によって直動運動する移動体が有する摩擦トルクとし、第２のトルクオフセットＴ₂を移動体３の受ける重力を保持するトルクである重力保持トルクとした。この変形例として、移動体３を水平方向に直動運動させ、かつこの場合に移動体３に常に水平方向のうちの一方向に力が作用する場合であっても、適用可能である。この変形例の場合、第２のトルクオフセットＴ₂を当該水平方向のうちの一方向に向かう力に起因するトルクに設定すればよい。

なお、上述した加速度計算部１３および速度指令部２１は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１内の演算処理装置はこのソフトウェアプログラムに従って動作することで上述の各部の機能が実現される。また、既存のモータ制御装置にこれら手段に係るソフトウェアプログラムを当該モータ制御装置内の演算処理装置に追加的にインストールすることで本発明を適用することも可能である。

１ モータ制御装置
２ モータ
３ 移動体
１１ 検出部
１２ 記憶部
１３ 加速度計算部
２１ 速度指令部
２２ サーボ制御部

図１は、本発明の実施例によるモータ制御装置を示すブロック図である。ここでは、一例として、モータ２とボールねじをカップリングで結合し、ボールねじのナットには移動体３であるテーブルが取り付けられた場合について説明する。また、本実施例では、テーブルである移動体３は垂直方向に直動運動するものとし、このため垂直方向に直動運動する移動体３に対しては常に一方向（すなわｔ下方向）に重力が作用する。また、移動体３の直動運動の際には、移動体３の移動方向とは逆方向に摩擦力が発生する機械的構造を有しているものとする。また、本実施例では、移動体３の移動方向として、重力に逆らう方向を第１の方向（プラス方向）とし、第１の方向と反対の方向を第２の方向（マイナス方向）と定義する。

本発明の実施例によるモータ制御装置１は、従来一般的なモータ制御装置と同様、速度指令部２１およびサーボ制御部２２を備える。なお、ここでは説明を簡明にするために、サーボ制御部２２を、内部にスイッチング素子を有し、直流リンク側から供給される直流電力をスイッチング制御信号に基づきスイッチング素子をスイッチング動作させて、モータ２を駆動するための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換する逆変換器（図示せず）と、スイッチング制御信号を生成するスイッチング制御部（図示せず）とを含めたものとして記載している。これら逆変換器およびスイッチング制御部は本発明を限定するものではなく、例えば、スイッチング制御信号はＰＷＭ制御信号とし、逆変換器は、スイッチング素子を三相フルブリッジ構成したＰＷＭインバータとして構成すればよい。このスイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ＯＦＦ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがある。

移動体３が第１の方向（すなわち重力に逆らう方向）に減速移動する場合は、加速度指令Ａ₁（ｔ）の符号は許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の符号と逆になり、かつ、許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））の向きに対して第１のトルクオフセット（摩擦トルク）Ｔ₁および第２のトルクオフセット（重力保持トルク）Ｔ₂の向きが逆向きになるので、加速度計算部１３は、第１の方向に減速移動中の移動体の加速度指令Ａ₁（ｔ）を、式１０に基づいて計算する。

次に、本発明の実施例によるモータ制御装置のシミュレーション波形について図２〜図４を参照して説明する。本シミュレーションでは、ロータ慣性モーメントＪ_mを０．００１７９［ｋｇｍ²］とする。図２は、本発明の実施例によるモータ制御装置において、シミュレーションに用いた許容トルクを示す図である。これらロータ慣性モーメントＪ_mおよび許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））については、記憶部１２に予め記憶しておく。また、図３は、図２に示すモータ回転数と許容トルクとの関係をグラフ化した図である。図３の点線は図２に示す許容トルクＴ_ML（Ｎ（ｔ））を示し、実線はモータの出力可能トルクを示す。

Claims (5)

1. 移動体を直動運動させるための駆動源として当該移動体に接続されたモータを制御するモータ制御装置であって、
   モータ回転数を検出する検出部と、
   前記検出部が検出したモータ回転数のときにモータが出力可能な最大トルクである許容トルクと、移動体の移動方向とは逆方向に発生するトルクである第１のトルクオフセットと、移動体の移動方向に関わらず一方向に発生するトルクである第２のトルクオフセットと、モータのロータ慣性モーメントと、負荷慣性モーメントと、モータの回転運動におけるモータ回転角度を移動体における直動運動時の移動距離に変換するための変換係数とを記憶する記憶部と、
   前記許容トルクと、前記第１のトルクオフセットと、前記第２のトルクオフセットと、前記ロータ慣性モーメントと、前記負荷慣性モーメントと、前記変換係数とを用いて、移動体の移動方向ごとかつモータのロータの加速運転および減速運転ごとに、モータの加速度指令を計算する加速度計算部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記加速度計算部は、時刻ｔにおける前記モータ回転数をＮ（ｔ）、前記許容トルクをＴ_ML（Ｎ（ｔ））、前記第１のトルクオフセットをＴ₁、前記第２のトルクオフセットをＴ₂、前記ロータ慣性モーメントをＪ_m、前記負荷慣性モーメントをＪ_L、前記変換係数をＲとしたとき、
   第１の方向に加速移動中の移動体の前記加速度指令Ａ₁（ｔ）を、
   

   

   に基づいて計算し、
   前記第１の方向に減速移動中の移動体の前記加速度指令Ａ₁（ｔ）を、
   

   

   に基づいて計算し、
   前記第１の方向とは反対方向である第２の方向に加速移動中の移動体の前記加速度指令Ａ₁（ｔ）を、
   

   

   に基づいて計算し、
   前記第２の方向に減速移動中の移動体の前記加速度指令Ａ₁（ｔ）を、
   

   

   に基づいて計算する請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記第１のトルクオフセットは、モータによって直動運動する移動体が有する摩擦トルクであり、前記第２のトルクオフセットは移動体の受ける重力を保持するトルクである重力保持トルクである請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. モータによって移動体を直動運動させたときに得られるトルク波形に基づいて、前記第１のトルクオフセット、前記第２のトルクオフセット、および前記負荷慣性モーメントが設定される請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
5. 前記許容トルクは、移動体の加速用および移動体の減速用それぞれについて設定される請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。

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