JP2019004584A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イナーシャに基づいて設定される加減速時定数を適正な範囲に収めることにより、過大な加速度で被駆動体が移動する事態を確実に防止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のフィードバック情報（トルク、電流）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、イナーシャ推定部２２により推定された推定イナーシャから電動機１０の加減速時定数を計算する計算部３１と、少なくとも１つの既知の実イナーシャと推定イナーシャの差分であるイナーシャ差分と、実イナーシャに対応する実加減速時定数と推定イナーシャに基づいて算出される加減速時定数の差分である時定数差分と、を記憶する記憶部３２と、記憶部３２で記憶されたイナーシャ差分及び時定数差分を用いて計算部３１で算出された加減速時定数を補正する補正部３３と、を備える。【選択図】図４

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加速度で電動機が動作することも考えられる。従来技術には、イナーシャの推定に誤差が生じた場合に加速度を適正な範囲に設定するという点で改善の余地があった。

本発明は、イナーシャに基づいて設定される加減速時定数を適正な範囲に収めることにより、過大な加速度で被駆動体が移動する事態を確実に防止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、前記電動機のフィードバック情報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、前記イナーシャ推定部により推定された推定イナーシャから前記電動機の加減速時定数を計算する計算部（例えば、後述の計算部３１）と、少なくとも１つの既知の実イナーシャと前記推定イナーシャの差分であるイナーシャ差分と、前記実イナーシャに対応する実加減速時定数と前記推定イナーシャに基づいて算出される加減速時定数の差分である時定数差分と、を記憶する記憶部（例えば、後述の記憶部３２）と、前記記憶部で記憶された前記イナーシャ差分及び前記時定数差分を用いて前記計算部で算出された加減速時定数を補正する補正部（例えば、後述の補正部３３）と、を備える制御装置に関する。

（２） （１）に記載の制御装置において、複数のイナーシャ差分及び時定数差分に対して多項式フィッティングを行って取得した係数を用いて加減速時定数を補正してもよい。

（３） （１）又は（２）に記載の制御装置において、前記補正部は前記記憶部に記憶された差分から、加減速時定数の最大値、最小値又はその両方を設定してもよい。

本発明の電動機の制御装置によれば、イナーシャに基づいて設定される加減速時定数を適正な範囲に収めることにより、過大な加速度で被駆動体が移動する事態を確実に防止できる。

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。 イナーシャと加減速時定数の関係を示すグラフである。 本実施形態の推定イナーシャを補正するための補正量を予め取得する処理のフローである。 本実施形態の補正量を用いて補正してイナーシャ及び加減速時定数を確定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（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）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、イナーシャ推定部２２と、計算部３１と、記憶部３２と、補正部３３と、を含むように構成される。

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、生産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。

計算部３１は、イナーシャ推定部２２によって推定された推定イナーシャに基づいて加減速時定数を算出する。

記憶部３２は、加減速時定数を補正するための補正量が記憶される。補正部３３は、記憶部３２に記憶された補正量に基づいて加減速時定数を補正し、補正時定数（加減速時定数）を算出する。

補正量の決定の方法について説明する。図３は、イナーシャと加減速時定数の関係を示すグラフである。図３のグラフでは、横軸が加減速時定数ａとなっており、縦軸がイナーシャＪとなっている。加工条件及び電動機１０の能力等によって決まる出すべきトルクに基づいてイナーシャＪに対応する加減速時定数ａが設定され、この加減速時定数ａによって定まる加速度でワークＷが移動することになる。

イナーシャ推定部２２によって推定された推定イナーシャ（推定値）と実際のイナーシャ（実際の値）の間にズレが生じている場合、推定イナーシャに基づいて設定される加減速時定数ａにもズレが生じることになる。既知のイナーシャＪ_０に対応する実加減速時定数をａ_０とすると、Ｊ_０’＝Ｊ_０±ΔＪのように推定イナーシャＪ_０’がΔＪの偏差を持つ場合、推定イナーシャＪ_０’から算出される加減速時定数は、ａ_０’＝ａ_０＋Δａとなる。従って、加減速時定数ａについてもΔａの偏差が生じることになり、図３の場合では加減速時定数が過大に設定されることになる。

そこで、本実施形態では、既知の実イナーシャＪ_０とイナーシャ推定部２２によって推定した推定イナーシャＪ_０’の関係に基づいて推定イナーシャを修正するための補正量を予め取得し、補正量に基づいて推定イナーシャを修正する処理を行う。

補正量の取得方法について説明する。図４は、本実施形態の推定イナーシャを補正するための補正量を予め取得する処理のフローである。図４に示すフローは、工作機械１による加工前に予め行われる処理である。まず、イナーシャ推定部２２が既知のイナーシャに対してイナーシャ推定を行う（ステップＳ１０１）。例えば、実イナーシャＪ_０となるように電動機１０が所定の動作で駆動制御され、このときの電動機１０のトルク、電流のフィードバックに基づいてイナーシャ推定部２２が推定イナーシャＪ_０’を推定する。

実イナーシャＪ_０と推定イナーシャＪ_０’の偏差を計測する（ステップＳ１０２）。既知の実イナーシャＪ_０と推定イナーシャＪ_０’の差分に基づいて偏差ΔＪが算出される。ステップＳ１０１及びステップＳ１０２の処理は少なくとも１回は行われる。なお、補正量をより正確に算出する観点からは、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２の処理を複数回行われることが好ましい。

計測した偏差から補正量を計算して記憶部３２に記憶する（ステップＳ１０３）。実イナーシャＪ_０と推定イナーシャＪ_０’の差分であるイナーシャ差分と、実加減速時定数とイナーシャ推定部２２によって推定された加減速時定数の差分である時定数差分と、に基づいて多項式の係数を決定する。図３に示す例のように一次式で近似する場合、傾きｋが算出され、未知のイナーシャＪ_ｘに対する補正量が−ｋΔＪとして記憶部３４に記憶される。イナーシャ差分及び時定数差分を複数取得し、これらのデータの集まりに対して多項式をフィッティングする場合においても同様である。なお、二次以上の高次式や三角関数を用いて補正量を算出することもできる。

また、本実施形態のステップＳ１０３の処理では、加減速時定数の最大値及び最小値が設定される。加減速時定数の最大値及び最小値は、偏差ΔＪ及びΔａ等に基づいて設定することができる。加減速時定数の最大値は、加速度が許容できない危険な領域に至る事態を防止するためのものであり、最小値は加速度が生産性が許容できないほど低下する領域に至る事態を防止するものである。なお、最大値又は最小値の何れかだけを設定する処理としてもよい。

次に、決定した補正量に基づいて確定されるイナーシャ及び加減速時定数について説明する。図５は、本実施形態の補正量を用いて補正してイナーシャ及び加減速時定数を確定する処理のフローである。まず、電動機１０の動作時のトルク、電流のフィードバック情報に基づいてイナーシャ推定部２２が未知のイナーシャＪｘに対してイナーシャを推定する（Ｓ２０１）。次に、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３の処理により決定された補正量に基づいて推定イナーシャ及び加減速時定数（時定数）が補正される（ステップＳ２０２）。補正した推定イナーシャ及び補正した加減速時定数（補正後の時定数）を確定する（ステップＳ２０３）。

本実施形態では、ステップＳ２０３の処理で加減速時定数が最大値及び最小値の範囲内にあるか否かも判定される。例えば、加減速時定数が最大値を超えた場合は設定される最大値を加減速時定数に設定し、最小値を下回った場合は設定される最小値を加減速時定数に設定することもできる。

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（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のフィードバック情報（トルク、電流）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、イナーシャ推定部２２により推定された推定イナーシャから電動機１０の加減速時定数を計算する計算部３１と、少なくとも１つの既知の実イナーシャと推定イナーシャの差分であるイナーシャ差分と、実イナーシャに対応する実加減速時定数と推定イナーシャに基づいて算出される加減速時定数の差分である時定数差分と、を記憶する記憶部３２と、記憶部３２で記憶されたイナーシャ差分及び時定数差分を用いて計算部３１で算出された加減速時定数を補正する補正部３３と、を備える。

これにより、偏差ΔＪに基づいて算出された補正量により、加速度が過大にならない範囲に加減速時定数を正確に設定することができる。同一の工作機械１において予め推定誤差を考慮しておくことで、繰り返し調整をしなくても加減速時定数を適切に取得できるのである。

また、本実施形態では、制御装置２は、複数のイナーシャ差分及び時定数差分に対して多項式フィッティングを行って取得した係数を用いて加減速時定数を補正する。

これにより、複数のデータに基づいてより正確に補正量を算出することができるので、イナーシャ及び加減速時定数の設定をより精度良く行うことができる。

また、本実施形態では、補正部３３は記憶部３４に記憶された差分から、加減速時定数の最大値、最小値又はその両方を設定する。

これにより、加速度が危険な領域になる場合や加速度が低下し過ぎて効率が低下する事態の発生を確実に防止することができる。

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
２２ イナーシャ推定部
３１ 計算部
３２ 記憶部
３３ 補正部

Claims (3)

1. 被駆動体を駆動する電動機の制御装置であって、
   前記電動機のフィードバック情報に基づいてイナーシャを推定するイナーシャ推定部と、
   前記イナーシャ推定部により推定された推定イナーシャから前記電動機の加減速時定数を計算する計算部と、
   少なくとも１つの既知の実イナーシャと前記推定イナーシャの差分であるイナーシャ差分と、前記実イナーシャに対応する実加減速時定数と前記推定イナーシャに基づいて算出される加減速時定数の差分である時定数差分と、を記憶する記憶部と、
   前記記憶部で記憶された前記イナーシャ差分及び前記時定数差分を用いて前記計算部で算出された加減速時定数を補正する補正部と、
   を備える制御装置。
2. 複数のイナーシャ差分及び時定数差分に対して多項式フィッティングを行って取得した係数を用いて加減速時定数を補正する請求項１に記載の制御装置。
3. 前記補正部は前記記憶部に記憶された差分から、加減速時定数の最大値、最小値又はその両方を設定する請求項１又は２に記載の制御装置。

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