JP2019075925A

JP2019075925A - 制御装置

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Publication number: JP2019075925A
Application number: JP2017201646A
Authority: JP
Inventors: 一憲飯島; Kazunori Iijima
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: CN109687771B; CN109687771A; US20190113904A1; JP6662835B2; DE102018217631A1; US10606234B2

Abstract

【課題】複数の電動機によって駆動される駆動機構を制御する制御装置において、プリロード（予圧トルク）を安定的かつ均等に印可できる構成を提供すること。【解決手段】制御装置１は、電動機１３，２３の出力のない状態から出力非零の状態に移行して予圧トルク重畳部３０が予圧トルクを与える場合は、複数の電動機１３，２３のうちの少なくとも１つの電動機２３が速度検出部１５で検出された速度検出値に基づく速度制御で駆動機構２と電動機１３，２３の間に接触部を形成し、接触部が形成された状態で予圧トルク重畳部３０による予圧トルクが付与される。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電動機で駆動される駆動機構の制御装置に関する。

従来、ロボットや工作機械等の駆動機構を複数の電動機を用いて駆動するタンデム機構を制御するための制御装置において、電動機を制御するトルク指令値に予圧トルク（プリロードトルク）を付加してバックラッシを抑制する技術が知られている。この種の技術を開示するものとして特許文献１〜３がある。

特許文献１には、１つの被駆動体を駆動する２台のモータと、位置偏差値を演算処理して速度指令値を出力する位置制御部と、速度指令値と速度検出器から帰還される速度フィードバック値とに基づいて積分要素と比例要素で処理してトルク指令値を出力する速度制御部と、トルク指令値に基づきモータの駆動電流を制御する電流制御部と、速度制御部の一方の積分要素の出力を他方の積分要素にコピーする速度積分器共通化手段と、２台のモータ間のバックラッシュを抑制するために、各々のトルク指令値にそれぞれプリロードトルク値を付加する補正部を備え、補正部は時定数回路を有し、プリロードトルク値を所定時定数に基づき徐々に付加する技術について記載されている。

特許文献２には、二つのモータで１つの被駆動体を駆動する際にモータの加減速時であってもモータの駆動軸に接続された伝達機構の機械要素と被駆動体との間のバックラッシを抑制することができるモータ制御装置として、メインモータの駆動軸に加えられる力の向きとサブモータの駆動軸に加えられる力の向きとが互いに逆になるようにトルク指令値に予め付加されるトルク値であるプリロードトルク値を、メインモータの加速度に応じて生成する第１のプリロードトルク値生成部と、メインモータの駆動軸に加えられる力の向きとサブモータの駆動軸に加えられる力の向きとが互いに逆になるようにトルク指令値に予め付加されるトルク値であるプリロードトルクを、サブモータの加速度に応じて生成する第２のプリロードトルク値生成部と、を備える技術について記載されている。

特許文献３には、１つの可動部を駆動するタンデム制御を行う電動機制御装置において、電動機毎に位置制御部と速度制御部と、電流制御部とを具備し、速度制御部で演算されたトルク指令と速度制御部で演算されたトルク指令の差とから調停トルクを算出するトルク調停値を演算するトルク調停制御部と、トルク指令に予圧トルクを加算する予圧制御部とを備え、予圧制御部は可動部の位置に応じて、バックラッシ抑制に必要な最小の予圧トルクを演算する技術が記載されている。

特開２０１０−１７２０５４号公報特開２０１４−１７８７５３号公報特開２０１４−２０７７７０号公報

トルク指令値に予圧トルクが付加されていても、初期状態で電動機と駆動機構の間に機構上必要な遊びによる隙間があれば予圧トルクが電気的に付与されていても機械的には機能しないことになる。特許文献１や特許文献２に記載される技術は、速度制御によってプリロードを付与する技術について記載されているが、一定のプリロードが付加されていて既にバックラッシが解消されている状態を前提としているため、初期状態で予圧トルクを適切に付与するという点で改善の余地があった。

また、特許文献３では位置制御によって予圧トルクを付与する点について記載されているが、位置制御では隙間が生じている状態で各電動機がそれぞれの位置に留まろうとするため、機構上の遊びの中で電動機と駆動機構の接触部（接触面）が形成されない場合があった。上述のように、接触部（接触面）が形成されなければ制御的に付与された予圧トルクは物理的に作用しないことになる。

本発明は、複数の電動機によって駆動される駆動機構を制御する制御装置において、プリロード（予圧トルク）を安定的かつ均等に印可できる構成を提供することを目的とする。

（１）本発明は、複数の電動機（例えば、後述の電動機１３，２３）で駆動される駆動機構（例えば、後述の駆動機構２）の制御装置（例えば、後述の制御装置１）であって、前記駆動機構を駆動するための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１０）と、前記電動機の位置を検出する位置検出部（例えば、後述の位置検出部１４，２４）と、前記位置指令作成部が作成する位置指令値と前記位置検出部が検出する位置検出値から求められる位置偏差値に基づいて速度指令値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１１，２１）と、前記位置検出部が検出する位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部（例えば、後述の速度検出部１５，２５）と、前記速度指令作成部が作成する速度指令値と前記速度検出部が検出する速度検出値から求められる速度偏差値からトルク指令値を作成するトルク指令作成部（例えば、後述のトルク指令作成部１２，２２）と、設定された予圧トルクを前記トルク指令値に重畳する予圧トルク重畳部（例えば、後述の予圧トルク重畳部３０）と、を複数の前記電動機に対応して具備し、前記電動機の出力のない状態から出力非零の状態に移行して前記予圧トルク重畳部が前記予圧トルクを与える場合は、複数の前記電動機のうちの少なくとも１つが前記速度検出部で検出された前記速度検出値に基づく速度制御で前記駆動機構と前記電動機の間に接触部を形成し、前記接触部が形成されて前記予圧トルクが付与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、前記電動機の出力のない状態から出力非零の状態に移行して前記予圧トルク重畳部が前記予圧トルクを与える場合は、複数の前記電動機のうちの少なくとも１つが前記位置検出部で検出された前記位置検出値に基づいて位置制御されるとともに、複数の前記電動機のうちの少なくとも１つが前記速度制御されて前記接触部が形成され、前記接触部が形成された状態で前記予圧トルク重畳部による前記予圧トルクが付与されてもよい。

（３）（１）又は（２）に記載の制御装置において、前記接触部が形成されて前記駆動機構側と前記電動機側の間隙が解消された状態で、前記速度制御されていた前記電動機を前記位置指令作成部が作成した位置指令値に基づく位置制御に切り替えて前記予圧トルクが付与されるように前記電動機を制御してもよい。

本発明によれば、複数の電動機によって駆動される駆動機構を制御する制御装置においてプリロードを安定的かつ均等に印可できる。

本発明の一実施形態に係る制御装置のタンデム制御を行うための構成を示す模式図である。本実施形態の制御装置の速度フィードバック時の信号の流れを示すブロック図である。本実施形態の制御装置の位置フィードバック時の信号の流れを示すブロック図である。比較例の位置フィードバックで駆動機構の制御が励磁前後で行われた場合を示す模式図である。本実施形態の速度フィードバックで駆動機構の制御が励磁前後で行われた場合の模式図である。本実施形態の制御装置による駆動機構の制御の切り替えの全体的な流れを示すフローチャートである。本実施形態の制御装置によるフィードバック制御の切り替え処理の具体的な例を示すフローチャートである。

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。

まず、本実施形態の制御装置１が用いられる装置構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置１のタンデム制御を行うための構成を示す模式図である。なお、図１を参照する装置構成は一例であり、制御装置１が適用される装置構成が図１に示す例に限定されるわけではない。

制御装置１は、複数（２台）の電動機１３，２３によって１つの駆動機構２を駆動するタンデム制御を行うためのものである。駆動機構２は、移動体１０１及び歯車等の機械部品１０２，１０３からなるロボットや工作機械等である。移動体１０１には、機械部品１０２を介して電動機１３から駆動力が伝達されるとともに、機械部品１０３を介して電動機２３の駆動力が伝達される。

本実施形態の制御装置１は、数値制御部３とモータ制御部４を含んで構成される。数値制御部３は、ＣＮＣ（ＣｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）であり、駆動機構２を動作させるための各種の処理を行う。モータ制御部４は、数値制御装置２０からの指令に基づいてアンプ５を介して電動機１３の電流制御を行うとともに、アンプ６を介して電動機２３の電流制御を行う。電動機１３，２３はサーボモータであり、モータ制御部４は電動機１３，２３のそれぞれから位置や速度を取得するためのフィードバック信号を受信する。

図２は、本実施形態の制御装置１の速度フィードバック時の信号の流れを示すブロック図である。図３は、本実施形態の制御装置１の位置フィードバック時の信号の流れを示すブロック図である。図２及び図３に示すように、制御装置１は、位置指令作成部１０と、位置検出部１４，２４と、速度検出部１５，２５と、速度指令作成部１１，２１と、トルク指令作成部１２，２２と、予圧トルク重畳部３０と、を含んで構成される。

位置指令作成部１０、位置検出部１４，２４、速度検出部１５，２５、速度指令作成部１１，２１、トルク指令作成部１２，２２及び予圧トルク重畳部３０は、数値制御部３、モータ制御部４及び電動機１３，２３等のハードウェアによって実現される。なお、制御装置１のこれらの各部の構成が、数値制御部３やモータ制御部４の何れかに限定されるわけではなく、数値制御部３とモータ制御部４が協働して各部の機能を果たしてもよいし、ネットワークを介して接続される外部装置によって各部の機能を果たしてもよい。

位置指令作成部１０は、駆動機構２の移動体１０１を所定の位置に移動させるための位置指令値を所定のプログラムに基づいて作成する。

位置検出部１４は電動機１３の位置（回転角度）を検出するものであり、位置検出部２４は電動機２３の位置（回転角度）を検出するものである。本実施形態の位置検出部１４，２４は、何れも電動機１３，２３のエンコーダによって構成される。

速度検出部１５は位置検出部１４が検出した位置検出値に基づいて電動機１３に対応する速度検出値を検出するものであり、速度検出部２５は位置検出部２４が検出した位置検出値に基づいて電動機２３に対応する速度検出値を検出する。

速度指令作成部１１は位置指令作成部１０から入力される位置指令値と位置検出部１４が検出した位置検出値に基づいて速度指令値を作成し、速度指令作成部２１は位置指令作成部１０から入力される位置指令値と位置検出部２４が検出した位置検出値に基づいて速度指令値を作成する。速度指令値は、比例要素を考慮したＰ制御によって作成される。なお、比例要素、積分要素及び微分要素を考慮したＰＩＤ制御等で速度指令値を作成してもよく、速度指令値の作成方法は、事情に応じて適宜の方法を選択することができる。

トルク指令作成部１２は、速度指令作成部１１によって作成された速度指令値と、速度検出部１５が検出した速度検出値と、に基づいて電動機１３のトルク指令値を作成する。トルク指令作成部２２は、速度指令作成部１１によって作成された速度指令値又は速度指令作成部２１によって作成された速度指令値と、速度検出部２５が検出した速度検出値と、に基づいて電動機２３のトルク指令値を作成する。トルク指令値は、比例要素、積分要素及び微分要素を考慮したＰＩＤ制御や比例要素や積分要素を考慮したＰＩ制御によって作成される。なお、内部モデル原理における定常偏差を零にする観点から少なくとも積分要素を含む制御によって作成されることが好ましい。

予圧トルク重畳部３０は、設定された予圧トルクをトルク指令値に付加する。予圧を付与するプリロード処理では、電動機１３はトルク指令作成部１２によって作成されたトルク指令値に予圧トルクを重畳したものに基づいて駆動制御され、電動機２３はトルク指令作成部２２によって作成されたトルク指令値に予圧トルクを重畳したものに基づいて駆動制御される。

電気的な制御で予圧トルクを付与している場合、初期動作において電動機１３，２３と駆動機構２で接触部（接触面）が形成されていない状態では予圧トルクが電気的には付加されていても物理的には作用していない状態となる。この状態について図４を参照して説明する。図４は、比較例の位置フィードバックで駆動機構２の制御が励磁前後で行われた場合を示す模式図である。図４に示すように、初期動作において、電動機１３，２３の機械部品１０２，１０３と駆動機構２の移動体１０１とで接触部が形成されていない状態で位置制御が行われた場合は、機械部品１０２，１０３のそれぞれが元の位置に留まろうとする。そのため、機械部品１０２，１０３と移動体１０１の間で隙間が形成された状態が維持され、接触部が形成できず制御的に付加されていても物理的に予圧トルクが付与されていないことになる。

図５は、本実施形態の速度フィードバックで駆動機構２の制御が励磁前後で行われた場合の模式図である。速度フィードバックでは、位置フィードバックに比べて厳密な位置制御ではないため、位置決めの際に惰走が生じる。そして、プリロード印加は、速度制御に対するステップ外乱に相当する。そこで、初期動作において、外乱応答で速度零となるまで速度制御を行うことにより、電動機１３，２３の機械部品１０２，１０３の両方と駆動機構２の移動体１０１で接触部を形成することができる。

本実施形態では、初期動作では図２に示す速度フィードバックで駆動機構２の制御を行って物理的にプリロードが掛かる状態にした後に図３に示す位置フィードバックの制御に移行する処理を行う。図６は、本実施形態の制御装置１による駆動機構２の制御の切り替えの全体的な流れを示すフローチャートである。

図６に示すように、電動機１３，２３の励磁直前・直後は速度制御で駆動機構２の制御を開始する（ステップＳ１０１）。電動機１３，２３にプリロード印加を行う（ステップＳ１０２）。次に、プリロード印加に対する過渡応答（〜１００ｍｓ）を検出する（ステップＳ１０３）。整定によって移動体１０１に接触部を形成する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０３，Ｓ１０４の処理により、電動機１３，２３における機械的な応答時間による遅延が考慮されて電動機１３，２３の機械部品１０２，１０３の両方と駆動機構２の移動体１０１の間で確実に接触部が形成されることになる(図５の紙面右側の状態)。電動機１３，２３両方の機械部品１０２，１０３と駆動機構２の移動体１０１が接触して接触部が形成された後、駆動機構２の制御を位置フィードバックに切り替える（ステップＳ１０５）。

図７は、本実施形態の制御装置１によるフィードバック制御の切り替え処理の具体的な例を示すフローチャートである。次に、図２及び図３を参照しつつ、フィードバック制御を切り替えるときの制御装置１の各構成の具体的な処理について説明する。

まず、電動機１３，２３に電圧が掛かっていないか否かを検出するため、出力零になっているか否かを監視し（ステップＳ２０１）、出力零から非零へ移行したか否かを判定する（ステップＳ２０２）。

ステップＳ２０２の判定で非零状態に移行した場合は、ステップＳ２０３に移行する。ステップＳ２０３では、第１の電動機１３を位置フィードバック制御し、それ以外の電動機２３には共通の速度指令値を受け渡して速度フィードバック制御を行う。即ち、制御装置１は、位置指令作成部１０の位置指令値と位置検出部１４の位置検出値に基づいて速度指令作成部１１が作成した速度指令値に基づいて第１の電動機１３及び第２の電動機２３を制御する（図２参照）。

ステップＳ２０３の処理の後、予圧トルク重畳部３０が予圧トルクを重畳し続け（ステップＳ２０４）、駆動機構２のバックラッシが解消して電動機１３，２３の位置偏差及び速度が零になったか否かを判定する（ステップＳ２０５）。駆動機構２のバックラッシが解消して電動機１３，２３の位置偏差及び速度が零になるまで予圧トルクを重畳し続ける。ステップＳ２０５の処理で駆動機構２のバックラッシが解消して電動機１３，２３の位置偏差及び速度が零になった場合は、ステップＳ２０６の処理に移行する。

ステップＳ２０６では、第１の電動機１３を位置フィードバック制御し、それ以外の電動機２３には共通の位置指令値を受け渡して位置フィードバック制御を行う。即ち、制御装置１は、速度制御から位置制御への切り替え後は、位置指令作成部１０が作成した共通の位置指令値に基づいて複数の電動機１３，２３を制御する（図３参照）。

なお、ステップＳ２０２で、非零状態に移行しなかった場合は、速度フィードバック制御を行うことなく、各電動機１３，２３とも位置フィードバック制御で予圧トルク重畳部３０が予圧トルクを重畳する処理を行う（ステップＳ２０７）。また、ステップＳ２０１の処理で電動機の出力零のままの場合はステップＳ２０２の処理に移行することなく、フローを終了する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
即ち、制御装置１は、駆動機構２を駆動するための位置指令値を作成する位置指令作成部１０と、電動機１３，２３の位置を検出する位置検出部１４，２４と、位置指令作成部１０が作成する位置指令値と位置検出部１４，２４が検出する位置検出値から求められる位置偏差値に基づいて速度指令値を作成する速度指令作成部１１，２１と、位置検出部１４，２４が検出する位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部１５，２５と、速度指令作成部１１，２１が作成する速度指令値と速度検出部１５，２５が検出する速度検出値から求められる速度偏差値からトルク指令値を作成するトルク指令作成部１２，２２と、設定された予圧トルクをトルク指令値に重畳する予圧トルク重畳部３０と、を各電動機１３，２３に対応して具備する。制御装置１は、電動機１３，２３の出力のない状態から出力非零の状態に移行して予圧トルク重畳部３０が予圧トルクを与える場合は、複数の電動機１３，２３のうちの少なくとも１つの電動機２３が速度検出部１５で検出された速度検出値に基づく速度制御で駆動機構２と電動機１３，２３の間に接触部を形成し、接触部が形成された状態で予圧トルク重畳部３０による予圧トルクが付与される。

これにより、電源投入時や非常停止後の起動時において電動機１３，２３（機械部品１０２，１０３）側と駆動機構２（移動体１０１）側の間に間隙が生じている場合であっても、速度制御で生じる惰走を利用して接触部を形成することができる。従って、本実施形態の構成によれば、起動時においても予圧トルクが制御上だけでなく物理的に確実に作用させることができる。

また、本実施形態の制御装置１は、電動機１３，２３の出力のない状態から出力非零の状態に移行して予圧トルク重畳部３０が予圧トルクを与える場合は、第１の電動機１３が位置検出部１４で検出された位置検出値に基づいて位置制御されるとともに、第２の電動機２３が速度制御されて接触部が形成され、接触部が形成された状態で予圧トルク重畳部３０による予圧トルクが付与される。

これにより、複数の電動機１３，２３のうちの１つを位置制御することで位置管理も行うことが容易となる。例えば、移動体１０１が送り軸のような工作機械において、初期動作において位置制御を行う電動機１３が１つあることにより、位置管理も容易に行うことができ、制御上有利な効果を奏する。

また、本実施形態の制御装置１は、接触部が形成されて駆動機構２側と電動機１３，２３側の間隙が解消された状態で、速度制御されていた電動機１３，２３を位置指令作成部１０が作成した位置指令値に基づく位置制御に切り替えて予圧トルクが付与されるように電動機１３，２３を制御する。

これにより、予圧トルクが物理的に確実に付与される状態で駆動機構２を精密な位置制御で駆動させることができる。

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。例えば、上記実施形態では、ステップＳ２０３では、電動機１３では位置制御を行うとともに電動機２３では速度制御を行う処理を行っているが、この処理に限定されるわけではない。ステップＳ２０３の処理で、電動機１３，２３の両方を速度検出部１５、２５の検出速度に基づいて速度制御するように変更してもよい。

１制御装置
２駆動機構
１１，２１速度指令作成部
１２，２２トルク指令作成部
１３，２３電動機
１４，２４位置検出部
１５，２５速度検出部
３０予圧トルク重畳部

Claims

複数の電動機で駆動される駆動機構の制御装置であって、
前記駆動機構を駆動するための位置指令値を作成する位置指令作成部と、
前記電動機の位置を検出する位置検出部と、
前記位置指令作成部が作成する位置指令値と前記位置検出部が検出する位置検出値から求められる位置偏差値に基づいて速度指令値を作成する速度指令作成部と、
前記位置検出部が検出する位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部と、
前記速度指令作成部が作成する速度指令値と前記速度検出部が検出する速度検出値から求められる速度偏差値からトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、
設定された予圧トルクを前記トルク指令値に重畳する予圧トルク重畳部と、
を複数の前記電動機に対応して具備し、
前記電動機の出力のない状態から出力非零の状態に移行して前記予圧トルク重畳部が前記予圧トルクを与える場合は、
複数の前記電動機のうちの少なくとも１つが前記速度検出部で検出された前記速度検出値に基づく速度制御で前記駆動機構と前記電動機の間に接触部を形成し、前記接触部が形成されて前記予圧トルクが付与される制御装置。
前記電動機の出力のない状態から出力非零の状態に移行して前記予圧トルク重畳部が前記予圧トルクを与える場合は、
複数の前記電動機のうちの少なくとも１つが前記位置検出部で検出された前記位置検出値に基づいて位置制御されるとともに、複数の前記電動機のうちの少なくとも１つが前記速度制御されて前記接触部が形成され、
前記接触部が形成された状態で前記予圧トルク重畳部による前記予圧トルクが付与される請求項１に記載の制御装置。
前記接触部が形成されて前記駆動機構側と前記電動機側の間隙が解消された状態で、前記速度制御されていた前記電動機を前記位置指令作成部が作成した位置指令値に基づく位置制御に切り替えて前記予圧トルクが付与されるように前記電動機を制御する請求項１又は２に記載の制御装置。