JP2019003646A

JP2019003646A - 電動機の制御装置

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Publication number: JP2019003646A
Application number: JP2018113500A
Authority: JP
Inventors: 一憲飯島; Kazunori Iijima; 勇作於保; Yusaku Obo
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: JP6592143B2; DE102018209094B4; DE102018209094A1; CN109085802B; US10627807B2; US20180364684A1; CN109085802A

Abstract

【課題】加工対象の被駆動体に対してイナーシャを精度良く推定できる電動機の制御装置を提供すること。【解決手段】ワーク（被駆動体）Ｗを駆動する電動機１０の制御装置２は、電動機１０の移動指令を生成する指令生成部２１と、電動機１０のフィードバック情報（トルク、電流）を取得し、予め設定される推定式に基づいてイナーシャを推定するイナーシャ推定部２２と、指令生成部２１の移動指令に基づいた加工により変化したイナーシャの変化分を計算する差分計算部２３と、イナーシャ推定部２２によって推定したワークＷの加工前後の推定結果の差分と差分計算部２３によるイナーシャの変化分を比較する比較部２４と、を備える。比較部２４による比較結果に基づいて推定結果の差分が差分計算部２３の計算結果に合うようにイナーシャ推定部２２の推定式が修正される。【選択図】図５

Description

本発明は、被駆動体を駆動する電動機の制御装置に関する。

従来、電動機を制御して被駆動体を動作させる制御装置に関する技術を開示するものとして特許文献１〜４がある。

特許文献１には、経年変化に伴いサーボパラメータ最適値が変わった場合、指令とフィードバックの差分が許容値未満になるまでパラメータを徐々に変える技術が記載されている。特許文献１では、実応答で振動が発生してしまうような場合や制御の追従性能が低い場合に加速度を段階的に下げていき、位置偏差が許容範囲になるまで時定数を長くする処理が行われている。

特許文献２には、加速度検出手段により加速度を検出し、当該加速度がある閾値を超えた場合にゲインを補正する方法が記載されている。特許文献２では、電動機と負荷構造の間の加速度差の瞬時値、平均値、二乗平均値が既定値よりも大きいか小さいかという考え方であり、電動機の角度検出値及び負荷構造の加速度検出値を用いて加速度差を求める処理が行われている。

特許文献３には、モータ制御装置の制御パラメータ設定装置及び設定方法において、ゲインテーブルを記憶し、機械剛性に応じて最適なゲインを読み出す技術が記載されている。特許文献３は、サーボ系のＰＩコントローラのゲイン値を変える技術に関するものであり、負荷イナーシャが大きい場合にはゲインを増大させ、小さい場合にはゲインを減少させるゲインスケジューリングの一手法を開示するものである。

特許文献４には、イナーシャを推定する方法として、サンプリングデータ記憶部に記憶された、正弦波状指令の複数周期にわたる電流値と加速度値から得た電流代表値と加速度代表値、及び電動機のトルク定数からイナーシャを計算する技術が記載されている。

特開２０１１−１３４１６９号公報特開２００７−１４１１８９号公報特開２００５−００６４１８号公報特開２０１０−１４８１７８号公報

ところで、電動機によって動かされる被駆動体（ワーク）の動作は、工作機械の最大積載荷重に基づいて調整された加減速時定数により決まる。工作機械のワークを移動させるための機構や加工対象のワークの荷重等によって異なるが、効率性の観点から出力トルクの許容範囲内では加速時間はできるだけ短いことが好ましい。一方で、あまりに短い加速時間（加減速時定数）で動作させた場合、電動機による位置制御の不安定化（振動発生）にもつながるおそれがある。

従来技術にも、加減速を調整する方法が記載されているものの、イナーシャに基づいて加減速時定数が設定される場合、加工時のモータに生じる摩擦やワークの芯ずれ等による影響を排除することが難しく、推定したイナーシャと実際のイナーシャの間にズレが生じるおそれがある。イナーシャの推定結果のズレの生じ方によっては過大なトルクで電動機が動作することも考えられる。実際の状況に応じてイナーシャをより高精度に推定するという点で改善の余地があった。

本発明は、加工対象の被駆動体に対してイナーシャを精度良く推定できる電動機の制御装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、被駆動体（例えば、後述のワークＷ）を駆動する電動機（例えば、後述の電動機１０）の制御装置（例えば、後述の制御装置２）であって、前記電動機の移動指令を生成する指令生成部（例えば、後述の指令生成部２１）と、前記電動機のフィードバック情報を取得し、予め設定される推定式に基づいてイナーシャを推定するイナーシャ推定部（例えば、後述のイナーシャ推定部２２）と、前記指令生成部の前記移動指令に基づいた加工により変化したイナーシャの変化分を計算する差分計算部（例えば、後述の差分計算部２３）と、前記イナーシャ推定部によって推定した前記被駆動体の加工前後の推定結果の差分と前記差分計算部によるイナーシャの変化分を比較する比較部（例えば、後述の比較部２４）と、を備え、前記比較部による比較結果に基づいて前記推定結果の差分が前記差分計算部の計算結果に合うように前記イナーシャ推定部の推定式が修正される制御装置に関する。

（２）（１）に記載の制御装置において、前記差分計算部は、加工に伴って減少した前記被駆動体の体積を前記指令生成部から取得し、前記被駆動体の体積と前記被駆動体に設定される密度に基づいてイナーシャの変化分を計算してもよい。

（３）（１）又は（２）に記載の制御装置において、前記イナーシャ推定部は、前記加工により変化した重量と前記被駆動体の重心位置を示す重心位置情報に基づいて実効荷重を取得し、前記実効荷重に基づいてイナーシャの変化分を計算してもよい。

（４）（１）から（３）の何れかに記載の制御装置において、前記指令生成部は、修正された前記推定式の推定結果に基づいて前記電動機の加減速時定数を調整してもよい。

本発明の電動機の制御装置によれば、加工対象の被駆動体に対してイナーシャを精度良く推定できる。

本発明の一実施形態に係る制御装置が適用される工作機械を模式的に示す図である。本実施形態の制御装置のサーボ制御に関する構成を示すブロック図である。推定イナーシャ（推定値）と実際のイナーシャのズレを説明する説明図である。加工前のワークの様子を示す模式図である。加工後のワークの様子を示す模式図である。本実形態の制御装置によって行われるイナーシャの推定を校正する処理のフローである。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置が適用される工作機械１を模式的に示す図である。まず、工作機械１の構成例について説明する。図１に示す工作機械１は、ワーク（被駆動体）Ｗを所定の形状に削り出す切削加工を行う加工装置である。

本実施形態の工作機械１は、数値制御装置２０及びサーボ制御装置３０からなる制御装置２と、制御装置２によって制御される電動機１０と、電動機１０の駆動力によりワークＷを移動させる送り軸（伝達機構）１１と、を含んで構成される。

数値制御装置２０は、ＣＮＣ（ＣｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）であり、工作機械１を制御する各種の処理を行う。サーボ制御装置３０は、数値制御装置２０からの指令に基づいて電動機１０の駆動制御を行う。

電動機１０は、送り軸１１に駆動力を付与するサーボモータである。送り軸１１が駆動されることにより、被駆動体であるワークＷが所定の位置に移動する。電動機１０には、エンコーダ等の位置検出部１２が取り付けられており、位置検出部１２の検出信号がフィードバック制御等の各種処理に用いられる。

次に、イナーシャの推定を行う構成について説明する。図２は、本実施形態の制御装置２のサーボ制御に関する構成を示すブロック図である。なお、図２に示される各部は、数値制御装置２０又はサーボ制御装置３０によって実現される構成であるが、特に配置場所が限定されるわけではない。数値制御装置２０、サーボ制御装置３０又は数値制御装置２０及びサーボ制御装置３０以外の外部装置でその機能を果たすように構成することもできる。

図２に示すように、制御装置２は、指令生成部２１と、イナーシャ推定部２２と、差分計算部２３と、比較部２４と、を含むように構成される。

指令生成部２１は、ワークＷを移動させるための移動指令を生成する。電動機１０は、指令生成部２１からの移動指令に基づいて駆動し、送り軸１１を回転させることでワークＷの位置を移動させる。

指令生成部２１には、加工条件における加減速指令の時定数や速度ゲインが設定される。加減速指令の時定数や速度ゲインは、想定されるイナーシャに基づいて設定される。

イナーシャ推定部２２は、所定の動作中に取得した電動機１０のフィードバック信号（フィードバック情報）に基づいて工作機械１に設置されたワークＷのイナーシャを推定する。電動機１０のフィードバック信号は、トルク、電流、速度等に関するものである。例えば、電動機１０の位置検出部１２からの速度のフィードバック信号やサーボ制御装置３０のアンプ（図示省略）からの電流のフィードバック信号に基づいてイナーシャが算出される。

イナーシャ推定部２２は、予め設定される推定式に基づいてイナーシャを算出する。イナーシャの推定式は、例えば、以下の式（１）を用いることができる。イナーシャ推定部２２は、電流Ｉ、角加速度ω、外乱Ｔｆ等の変数をフィードバックとして取得し、イナーシャを推定する。電流のフィードバック信号は、位置検出部１２の位相情報を用いて算出した有効電流として取得できる。角加速度ωは、角速度の微分等により求めることができる。なお、イナーシャの推定方法は、この方式に限らず適宜変更することができる。
Ｊｗ＝（ｋｔ・Ｉ−Ｔｆ）／ω・・・（１）
Ｊｗ：イナーシャ
ｋｔ：トルク定数
Ｉ：電流
Ｔｆ：外乱（摩擦等）
ω：角加速度

推定されたイナーシャ（以下、推定イナーシャ）に基づいて加減速の時定数を最適に調整する処理が行われる。電動機１０で発生すべき出力トルクは、工作機械１のワークＷを移動させるための機構や加工対象のワークＷ等の荷重によって異なるが、出力トルクの許容範囲内では加速時間はできるだけ短いことが好ましい。一方で、あまりに短い加速時間（加減速時定数）で動作させた場合、電動機による位置制御の不安定化（振動発生）にもつながるおそれがある。例えば、電動機１０の能力及びワークＷのイナーシャに対して、加減速の時定数が適切な値よりも短く設定されている場合は、電動機１０の能力の制約により、指令された加減速を行うことができず、指令トルクに対して出力トルクが飽和して正常な制御ができなくなるおそれがある。逆に、加減速の時定数が適正な値よりも長く設定されている場合、必要以上に加減速が緩やかに行われることになり、効率性の低下につながる。そこで、推定イナーシャに基づいて最適な加減速時定数に調整される。

加減速時定数の最適化処理は、例えば、イナーシャに対する最適時定数を予め理論的又は実験的に求めておき、推定されたイナーシャに基づいて最適時定数を設定する。最適時定数は所定の値から選択する方法でもよいし、逐次算出する方法でもよく、適宜の方式を採用できる。

差分計算部２３及び比較部２４は、イナーシャ推定部２２の推定式の校正を行う。ワークＷの設定位置からの芯ズレや摩擦等の影響により推定イナーシャが実際のイナーシャから外れる場合がある。

図３は、推定イナーシャ（推定値）と実際のイナーシャのズレを説明する説明図であり、実際のイナーシャをＪとして横軸で示し、イナーシャ推定部２２によって推定される推定イナーシャをＪ^〜として縦軸で示している。なお、明細書におけるＪ^〜は、Ｊの上に「〜（チルダ）」が配置された文字の代替表記である（図３の縦軸参照）。

図３では、実際のイナーシャＪにおいて、ワークＷ加工前のイナーシャをＪ_１とし、ワークＷ加工後のイナーシャをＪ_２とする。また、推定イナーシャＪ^〜において、ワークＷ加工前のイナーシャをＪ^〜 _１とし、ワークＷ加工後のイナーシャをＪ^〜 _２とする。

推定式が正しく設定されている場合、Ｊ^〜 _１−Ｊ^〜 _２＝Ｊ_１−Ｊ_２となるべきである。しかし、図３に示すように、推定値である推定イナーシャＪ^〜と実際のイナーシャＪの間には、Ｊ^〜 _１＝ａ×Ｊ_１＋ｂ，Ｊ^〜 _２＝ａ×Ｊ_２＋ｂのようなズレが生じる。そのため、次式のような関係になってしまう。
Ｊ^〜 _１−Ｊ^〜 _２＝ａ（Ｊ_１−Ｊ_２）・・・（２）

次に、イナーシャの推定式を適切なものに校正する処理について説明する。図４は、加工前後のワークの様子を示す説明図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、ワークＷは、切削加工により所定の形状に削り出されるため、加工前後でワークＷの重量が変化することになる。イナーシャの変化分はワークＷの重量変化と捉えることができる。

本実施形態では、数値制御装置２０の有する情報に基づいて実際のイナーシャ減少分を算出する。数値制御装置２０は、目標とする形状の情報や工具長補正や主軸負荷の掛かる時間等の加工情報を有しており、加工によって生じた体積減少分Ｖ（図４Ｂ参照）を計算により算出することができる。例えば、加工具の長さや太さが体積減少に与える影響や、主軸負荷を参照することによって加工作業における切削工具がワークＷに接触していない時間等を考慮して体積減少分Ｖを算出する。算出された体積減少分ＶにワークＷに予め設定される密度を掛けることにより、減少重量（変化重量）を取得することができる。

更に、本実施形態では、実効質量を考慮して密度が計算される。一般的に、剛体の慣性モーメントは、剛体の質量に比例し、剛体が軸から遠くに分布しているほど大きくなるため、所定の基準位置（例えば、送り軸１１の芯）からワークＷの重心位置までの高さ（距離）が高いほど、仮想的に重いものをセットしている状態と考えることができる。そこで、所定の基準軸（回転軸）からワークＷの重心位置までの距離に応じて換算処理を行ったものを実効荷重とする。換算処理には、慣性の関係式Ｉ＝ｍｒ^２（ｍ：質量，ｒ：回転基準位置からの距離）を利用することができる。例えば、重心位置が高い場合には密度を高く補正する処理を行って実効荷重を算出し、この実効荷重に基づいてイナーシャ変化分ΔＪを算出する。ワークＷの重心位置は数値制御装置２０に入力された座標から求められる。

図５は、本実形態の制御装置によって行われるイナーシャの推定を校正する処理のフローである。制御装置２は、ワークＷに所定の動作をさせるように電動機１０を駆動して取得したモータトルク（電動機１０のトルク）・電流のフィードバックに基づいて加工前のワークＷの推定イナーシャＪ^〜 _１を取得する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１の後、ワークＷを所定の形状に削り出す加工を行う（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０２のワークＷの加工後に、差分計算部２３が指令生成部２１の情報から、加工により減少するワークＷの重量を計算する（ステップＳ１０３）。本実施形態では、ワークＷの重量は、実効的な荷重として切削加工によって削り取ったワークＷの体積、加工対象のワークＷに設定される密度、ワークＷの重心位置等に基づいて減少分のイナーシャΔＪが算出される。

そして、ステップＳ１０１と同様の方法で、モータトルク（電動機１０のトルク）・電流のフィードバックを取得し、加工後のワークＷの推定イナーシャＪ^〜 _２を取得する（ステップＳ１０４）。次に、イナーシャ推定部２２が加工前の推定イナーシャＪ^〜 _１と加工後のイナーシャＪ^〜 _２から加工前後のイナーシャ変化として推定イナーシャΔＪ^〜を求める（ステップＳ１０５）。

比較部２４は、イナーシャ推定部２２の推定結果である推定イナーシャΔＪ^〜と、差分計算部２３の計算結果であるイナーシャΔＪと、を比較する（ステップＳ１０６）。そして、比較部２４は、推定イナーシャΔＪ^〜がイナーシャΔＪに合致するようにイナーシャ推定部２２の推定式を校正する。

なお、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６の処理は、ワークＷが設置されている状態で行われるが、そのタイミングが特に限定されるわけではない。例えば、加工作業の所定の段階になったところで校正を行ってもよいし、場合によっては常時ワークＷの移動を監視し、ワークＷの移動にともなって常時校正を行う処理としてもよい。

上記実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
ワーク（被駆動体）Ｗを駆動する電動機１０の制御装置２は、電動機１０の移動指令を生成する指令生成部２１と、電動機１０のフィードバック情報（トルク、電流）を取得し、予め設定される推定式に基づいてイナーシャを推定するイナーシャ推定部２２と、指令生成部２１の移動指令に基づいた加工により変化したイナーシャの変化分を計算する差分計算部２３と、イナーシャ推定部２２によって推定したワークＷの加工前後の推定結果の差分と差分計算部２３によるイナーシャの変化分を比較する比較部２４と、を備える。比較部２４による比較結果に基づいて推定結果の差分が差分計算部２３の計算結果に合うようにイナーシャ推定部２２の推定式が修正される。
なお、差分計算部２３の計算結果に合うようにとは、厳密に一致する場合だけでなく、近づくように修正される場合も含まれる。

これにより、加工前後のイナーシャ推定結果の差が実際の加工による重量変化となることを利用するので、ワーク重量が未知であっても推定式の校正を高精度に行うことができる。実際の状況を反映して正確なイナーシャを推定できるので、イナーシャを利用した各種制御も正確かつ効率的に行うことができる。

また、本実施形態の制御装置２は、差分計算部２３が、加工に伴って減少したワークＷの体積Ｖ（図４Ｂ参照）を指令生成部２１から取得し、ワークＷの体積ＶとワークＷに予め設定される密度に基づいてイナーシャの変化分を計算する。

これにより、ワークＷの重量を測定しなくてもイナーシャ変化分を算出できる。

また、本実施形態の制御装置２は、イナーシャ推定部２２が加工により変化した重量とワークＷの重心位置を示す重心位置情報（距離ｒ^２）に基づいて実効荷重を取得し、当該実効荷重に基づいてイナーシャの変化分を計算する。

これにより、イナーシャに影響するワークＷの重心位置が反映されるので、イナーシャをより一層高精度に推定できる。

また、本実施形態の制御装置２は、指令生成部２１が、修正された推定式の推定結果に基づいて電動機１０の加減速時定数を調整する。

これにより、最大積載量より軽いワークＷの重量に応じて推定されたイナーシャに基づいて加減速時定数が調整されるので、ワークＷをより効率的かつ精度良く移動させて加工精度を向上させることができる。安全性の観点から加減速時定数が工作機械１の最大積載重量に設定される従来の工作機械１の場合に比べ、効率性及び加工精度の観点から有利な効果を奏するのである。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

Ｗワーク
２制御装置
１０電動機
２１指令生成部
２２イナーシャ推定部
２３差分計算部
２４比較部

Claims

被駆動体を駆動する電動機の制御装置であって、
前記電動機の移動指令を生成する指令生成部と、
前記電動機のフィードバック情報を取得し、予め設定される推定式に基づいてイナーシャを推定するイナーシャ推定部と、
前記指令生成部の前記移動指令に基づいた加工により変化したイナーシャの変化分を計算する差分計算部と、
前記イナーシャ推定部によって推定した前記被駆動体の加工前後の推定結果の差分と前記差分計算部によるイナーシャの変化分を比較する比較部と、
を備え、
前記比較部による比較結果に基づいて前記推定結果の差分が前記差分計算部の計算結果に合うように前記イナーシャ推定部の推定式が修正される制御装置。
前記差分計算部は、
加工に伴って減少した前記被駆動体の体積を前記指令生成部から取得し、前記被駆動体の体積と前記被駆動体に設定される密度に基づいてイナーシャの変化分を計算する請求項１に記載の制御装置。
前記イナーシャ推定部は、
前記加工により変化した重量と前記被駆動体の重心位置を示す重心位置情報に基づいて実効荷重を取得し、前記実効荷重に基づいてイナーシャの変化分を計算する請求項１又は２に記載の制御装置。
前記指令生成部は、修正された前記推定式の推定結果に基づいて前記電動機の加減速時定数を調整する請求項１から３の何れかに記載の制御装置。