JP2019004583A

JP2019004583A - 電動機の制御装置

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Publication number: JP2019004583A
Application number: JP2017116582A
Authority: JP
Inventors: 一憲飯島; Kazunori Iijima
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: CN109088570B; US10948899B2; CN109088570A; US20180364683A1; DE102018209092A1; JP6469171B2

Abstract

【課題】加減速時定数を適切な範囲にあるか否かを判定し、加工能率の向上と制御安定性の確保の両立を実現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Ｗを駆動する電動機１０の制御装置２であって、電動機１０の加減速を指定する加減速時定数を記憶する加減速時定数記憶部４１と、加減速時定数に基づいて位置指令値を作成する位置指令作成部４２と、電動機１０の回転位置を検出する位置検出部１２と、位置指令値と位置検出部１２によって検出される位置検出値に基づいて電動機１０の速度指令を作成する速度指令作成部４３と、位置指令値からローパスフィルタ１７を通じて理想応答を計算する理想応答計算部４４と、理想応答と位置検出部が検出する実応答を比較する応答比較部４５と、を備える。応答比較部４５は、理想応答と実応答が合致しないと判定された場合に加減速時定数記憶部４１に記憶される加減速時定数を変更する。【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。例えば、特許文献１では、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しているが、追従性はあくまで制御性能の問題であって、動作形状を決定する指令軌跡をそのように変更することは望ましくない。時定数を変更することは指令形状を変更することであって、真に確からしい物理的動作を見つけようとするものではない。また、特許文献２では、負荷構造に加速度センサのような検出手段を別途設ける必要がある。特許文献３及び特許文献４においても、要求する加速度が適正であるかどうかの判定が行われていない。

本発明は、加減速時定数を適切な範囲にあるか否かを判定し、加工能率の向上と制御安定性の確保の両立を実現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、電動機の加減速を指定する加減速時定数を記憶する加減速時定数記憶部（例えば、後述の加減速時定数記憶部４１）と、前記加減速時定数に基づいて位置指令値を作成する位置指令作成部（例えば、後述の位置指令作成部４２）と、前記電動機の回転位置を検出する位置検出部（例えば、後述の位置検出部１２）と、前記位置指令値と前記位置検出部によって検出される位置検出値に基づいて前記電動機の速度指令を作成する速度指令作成部（例えば、後述の速度指令作成部４３）と、前記位置指令値からローパスフィルタ（例えば、後述のローパスフィルタ１７）を通じて理想応答を計算する理想応答計算部（例えば、後述の理想応答計算部４４）と、前記理想応答と位置検出部が検出する実応答を比較する応答比較部（例えば、後述の応答比較部４５）と、を備え、前記応答比較部は、前記理想応答と前記実応答が合致しないと判定された場合に前記加減速時定数記憶部に記憶される加減速時定数を変更する制御装置に関する。

（２）（１）に記載の制御装置において、前記応答比較部は、イナーシャを推定し、その推定結果に基づいて加減速時定数を変更してもよい。

（３）（１）又は（２）に記載の制御装置において、前記応答比較部は、応答の時系列信号の誤差、その絶対値、又はその二乗値を算出したものの積分値を計算し、その値やそれらの組み合わせによって得られる評価値によって応答比較を行ってもよい。

（４）（３）に記載の制御装置において、前記応答比較部は、前記評価値に対して設定される閾値を超えた場合に比較結果が不一致と判定してもよい。

本発明の電動機の制御装置によれば、加減速時定数を適切な範囲にあるか否かを判定し、加工能率の向上と制御安定性の確保の両立を実現できる。

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。指令（時定数つき）と理想応答の関係を示す説明図である。指令と実応答の関係を示す説明図である。比較例としての従来の積分処理の流れを示す模式図である。本実施形態の積分処理の流れを示す模式図である。本実施形態の制御装置による応答比較によって加減速時定数を調整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。

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、加減速時定数記憶部４１と、位置指令作成部４２と、速度指令作成部４３と、理想応答計算部４４と、応答比較部４５と、位置検出部１２と、を含むように構成される。

加減速時定数記憶部４１は、電動機１０の加減速に伴う加減速時定数を指定する。加減速時定数記憶部４１には、後述する推定イナーシャに基づいて確定した加減速時定数が記憶され、適宜のタイミングで更新される。位置指令作成部４２は、加減速時定数に基づいて位置指令値を作成する。速度指令作成部４３は、位置指令作成部４２が作成した位置指令値と位置検出部１２が検出する位置検出値に基づいて電動機１０の速度指令を作成する。

理想応答計算部４４は、位置指令値からローパスフィルタ１７を通じて理想応答を計算する（図４Ｂ参照）。次に、理想応答と実応答の関係について説明する。図３Ａは、指令（時定数つき）と理想応答の関係を示す説明図である。サーボ制御の理想的な応答は、1次遅れとしての振舞いであり、ローパスフィルタで記述できる。即ち、位置指令に制御系の遅れをローパスフィルタで含めたものが理想応答である。一方で、上流の指令生成における加減速時定数によるフィルタは移動平均フィルタであるため、「理想応答の波形（ローパスフィルタの出力）」と「加減速による指令の波形（移動平均フィルタの出力）」は定常状態において同一であっても、過渡状態においては異なる。

図３Ｂは、指令と実応答の関係を示す説明図である。図３Ｂに示すように、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、従来技術（例えば、特許文献１）では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している。しかしながら、追従性はあくまで制御性能の問題であって、加減速時定数を変更することは指令形状を変更することになり、動作形状を決定する指令軌跡をそのように変更することは望ましくない。

そこで、本実施形態では、理想応答値と検出値との差を用いて、イナーシャ基準で求めた加速度（加減速時定数）の適正を判断する。加減速時定数はイナーシャ値によって決定されるため元々適正なものであるべきで、その場合には移動平均フィルタではなくローパスフィルタ１７としての理想応答に厳密に一致されなければならない。その意味で、この「理想応答値と検出値との差」の二乗和の時間積分はゼロになるべきであり、指定された指令形状に対して真に確からしい物理的動作に一致することが示されるのである。

次に、本実施形態の積分処理と従来の積分処理との違いについて説明する。図４Ａは、比較例としての従来の積分処理の流れを示す模式図である。図４Ａに示すように、従来技術（例えば、特許文献２）では、「電動機と負荷構造との間の加速度差」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のものがある。電動機１０のエンコーダ（角度検出値）及び負荷構造１５の加速度センサ１６の検出値を用いて加速度差を求めるという構成である。この構成では加速度センサ１６を設ける必要がある、

図４Ｂは、本実施形態の積分処理の流れを示す模式図である。図４Ｂに示すように、本実施形態では、ローパスフィルタ１７によって理想応答が取得される。「理想応答値と検出値との差」の二乗和の時間積分を求めることで、指定された指令形状に対して真に確からしい物理的動作に一致するかどうかを一定の時間的期間に対して調べるという観点で、加速度の適正を判定するのである。そのため、制御系における機械構造のモデル化誤差に伴う多少のオーバシュートも許容することができる。一体の構造と見なせる場合における限界加速度を、負荷構造１５のイナーシャ推定値に基づいて求めるという手法であり、負荷構造１５に加速度センサ１６を必要としない点でも従来技術とは異なる形態である。

以上説明したように、本実施形態の理想応答計算部４４は、ローパスフィルタ１７を通じて理想応答を取得する。応答比較部４５は、このように取得された理想応答と実応答を比較する。なお、実応答は、位置検出部１２の位置検出値に基づいて取得される。

本実施形態の応答比較部４５は、評価値に基づいて理想応答と実応答が一致するか否かを判定する。評価値は、応答の時系列信号の誤差、その絶対値、又はその二乗値を算出したものの積分値を計算し、その値やそれらの組み合わせによって得られる。評価値には所定の閾値が設定されており、評価値が閾値から外れるか否かが判定基準となる。

また、本実施形態の応答比較部４５は、工作機械１の機構及びワークＷの荷重やイナーシャ（慣性モーメント）を推定する手段としてイナーシャ推定部２２を有しており、イナーシャ推定部２２で推定したイナーシャに基づいて加減速時定数の調整を行う（図２参照）。

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。

図５は、本実施形態の制御装置２による応答比較によって加減速時定数を調整する処理のフローである。まず、応答比較部４５によって評価関数値が閾値をこえたか否かが判定される（ステップＳ１０１）。評価関数値が閾値内の場合はステップＳ１０２の位置指令値を作成する処理に移行する。

ステップＳ１０２では、位置指令作成部４２は、加減速時定数記憶部４１で指定される加減速時定数（時定数）の移動平均フィルタによって位置指令値を作成する（ステップＳ１０２）とともに、位置検出部１２が電動機１０の位置を検出する（ステップＳ１０３）。次に、速度指令作成部４３は位置指令値と位置検出値に基づいて速度指令を作成する（ステップＳ１０４）。

応答比較部４５は、イナーシャ推定部２２によってイナーシャを取得する（ステップＳ１０５）。また、理想応答計算部４４は、加減速時定数記憶部４１で指定される加減速時定数のローパスフィルタ１７によって理想応答値を計算する（ステップＳ１０６）。

応答比較部４５は、理想応答値と位置検出値から評価関数を計算し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０１の応答比較判定に戻る。評価関数値が閾値から外れるまでステップＳ１０１〜ステップＳ１０７の処理が繰り返されることになる。

ステップＳ１０１の応答比較判定で、評価関数値が閾値を超えた場合はステップＳ１０８の加減速時定数を変更する処理に移行する。ステップＳ１０８では、加減速時定数記憶部４１が、応答比較部４５の推定した推定イナーシャに基づいて加減速時定数が変更される。

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Ｗを駆動する電動機１０の制御装置２であって、電動機１０の加減速を指定する加減速時定数を記憶する加減速時定数記憶部４１と、加減速時定数に基づいて位置指令値を作成する位置指令作成部４２と、電動機１０の回転位置を検出する位置検出部１２と、位置指令値と位置検出部１２によって検出される位置検出値に基づいて電動機１０の速度指令を作成する速度指令作成部４３と、位置指令値からローパスフィルタ１７を通じて理想応答を計算する理想応答計算部４４と、理想応答と位置検出部が検出する実応答を比較する応答比較部４５と、を備え、応答比較部４５は、理想応答と実応答が合致しないと判定された場合に加減速時定数記憶部４１に記憶される加減速時定数を変更する。

これにより、積載荷重に基づいて決定した加減速時定数が適正であるかどうかを判定して、その時定数のキャリブレーションが行われるので、加工能率の向上と制御安定性の確保の両立を実現できる。また、イナーシャを測定する仕組みを設けることで、制御系の中で加速度を適正に見積もることができ、真に確からしい物理動作との一致を目指すことができ、加速度（加減速時定数）を高精度に検証することができる。

また、本実施形態では、応答比較部４５は、イナーシャを推定し、その推定結果に基づいて加減速時定数を変更する。これにより、加減速時定数にイナーシャを反映することができる。

また、本実施形態では、応答比較部４５は、応答の時系列信号の誤差、その絶対値、又はその二乗値を算出したものの積分値を計算し、その値やそれらの組み合わせによって得られる評価値によって応答比較を行う。これにより、評価値を用いて応答比較の判定処理を精度良く行うことができる。

また、本実施形態では、応答比較部４５は、評価値に対して設定される閾値を超えた場合に比較結果が不一致と判定する。これにより、判定基準に所定の幅ができるので、応答比較の判定精度を維持しつつ無用に不一致と判定される事態の発生を防止できる。

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
１７ローパスフィルタ
２２イナーシャ推定部
４１加減速時定数記憶部
４２位置指令作成部
４３速度指令作成部
４４理想応答計算部
４５応答比較部

Claims

被駆動体を駆動する電動機の制御装置であって、
電動機の加減速を指定する加減速時定数を記憶する加減速時定数記憶部と、
前記加減速時定数に基づいて位置指令値を作成する位置指令作成部と、
前記電動機の回転位置を検出する位置検出部と、
前記位置指令値と前記位置検出部によって検出される位置検出値に基づいて前記電動機の速度指令を作成する速度指令作成部と、
前記位置指令値からローパスフィルタを通じて理想応答を計算する理想応答計算部と、
前記理想応答と位置検出部が検出する実応答を比較する応答比較部と
を備え、
前記応答比較部は、前記理想応答と前記実応答が合致しないと判定された場合に前記加減速時定数記憶部に記憶される加減速時定数を変更する制御装置。
前記応答比較部は、イナーシャを推定し、その推定結果に基づいて加減速時定数を変更する請求項１に記載の制御装置。
前記応答比較部は、応答の時系列信号の誤差、その絶対値、又はその二乗値を算出したものの積分値を計算し、その値やそれらの組み合わせによって得られる評価値によって応答比較を行う請求項１又は２に記載の制御装置。
前記応答比較部は、前記評価値に対して設定される閾値を超えた場合に比較結果が不一致と判定する請求項３に記載の制御装置。