JP3608096B2 - 位置制御のバックラッシュ抑制制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械加工機やその他部品加工機等の位置制御に適用される高精度位置決め応用機械に関し、特に停止時のバックラッシュュによる位置偏差を軽減する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この位置制御は図3に示すようになっている。図3において、1はコントローラ、2はサーボドライバ、3はサーボモータ、4はパルスゼネレータ、5はギア機構、6は負荷、11は位置指令、12は前記位置指令を出力する位置指令パターン発生回路、13は微分回路、14フィードフォワードゲイン、15はフィードフォワード速度指令、16は位置制御ゲイン、17は位置フィードバック、18はカウンタ、19はDA変換器である。
この例では、位置指令発生パターン回路12が発生する位置指令11を、位置制御ループによって位置制御を行う。サーボドライバ2の速度制御ゲインや、位置制御ゲイン16、フィードフォワードゲイン14をカットアンドトライで調整して、停止精度のみならず時々刻々の位置偏差が最小になるようにして、整定時間を短くしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来技術では、機械の剛性、共振の問題等より速度制御ゲイン、位置制御のフィードゲイン14、位置制御ゲイン16を高くすることには限界がある。
仮に前記ゲインを最適に調整できてパルスゼネレータ4と位置指令11との偏差が目標値範囲にはいって電気的には停止精度仕様を満足しているが、、ギア機構5のバックラッシュュが大きければ機械側が許容範囲精度内にはいらず、停止精度仕様を満足しないという問題があった。
そこで、本発明は、加減速中の追従誤差に影響を与えず、かつ停止時はバックラッシュを補償することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明による位置制御のバックラッシュ抑制制御方法は、決められた整定時間内に目標位置に到達するように、予め定義された位置パターンを設定した位置指令パターン発生回路が出力する位置指令に従って、位置を制御する第1のサーボモータの位置制御方法において、
第1のサーボモータが駆動する負荷を、第1のサーボモータとは機械的に独立に駆動するサーボモータであって、トルク指令に従って駆動される第2のサーボモータと、
第1、第2それぞれのサーボモータの軸に設けられた第1、第2のパルスゼネレータの他に、前記負荷に取り付けられた第3のパルスゼネレータとを設け、
前記負荷の回転角度θを第3のパルスゼネレータの信号により検出し、トルク指令パターン発生回路により回転角度θの関数として第2のサーボモータの前記トルク指令を発生させ、
加減速中は、第2のサーボモータ系のメカ機構の追加に起因する負荷への影響をなくすように、このメカ機構が前記位置指令パターンに追随動作できるに必要な補償トルク指令を与え、
停止時には、前記負荷が常にギアに接するように第2のサーボモータを制御して、前記位置指令に対する機械減速機の停止時におけるバックラッシュュの影響を補償するものである。
【0005】
【実施例】
すなわち、本発明は前記従来の位置制御系において、負荷軸を駆動する第2のサーボモータと、前記負荷軸の回転角度を時々刻々検出可能な第3のパルスゼネレータとを取り付け、コントローラにより前記負荷軸の回転角度θを算出して、停止時には、第2のサーボモータをトルク制御する指令Tref2を前記回転角度θの関数として発生させて、常にギアに負荷が接する様に制御し、かつ加減速中すなわち第1のサーボモータの位置制御系に対しては、新たに追加された第2のサーボモータの機械系は負荷となるため、加減速中に、この影響をなくすように、この機械機構が前記位置パターンに対して動作できる分のトルク指令を追加したモータのトルク指令とする。
したがって、本発明により、追加したサーボモータで駆動する負荷の位置に応じて最適なトルク制御を行うことができるので、ギア機構のバックラッシュュの位置制御結果に与える影響を軽減することができる。
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図1は本発明の実施例を示す制御ブロック図である。
図3と異なり、図1では、第2のサーボモータが追加されている。すなわち、図3のサーボモータ(以下第1のサーボモータという)が駆動する負荷を、機械的に並列に第2のサーボモータでも駆動するようになっている。
以下、図1の構成の詳細を説明する。第1のサーボモータのドライバ、コントローラの内部構成は図3と同一であるので、説明は省略し、第2のサーボモータのドライバ、コントローラの内部構成について述べる。26は負荷6に連結されたギア機構で(以下第2のギア機構といい、ギア機構5は第1のギア機構という)、27は第2のサーボモータ駆動用のサーボドライバ、28は第2のサーボモータ、29は第2のサーボモータの位置検出用のパルスゼネレータ(以下第2のパルスゼネレータとし、第1のサーボモータの位置検出用のパルスゼネレータは以下第1のパルスゼネレータという)、30は負荷6の回転角度を検出するためのパルスゼネレータ(以下第3のパルスゼネレータという)である。
また、24はトルク指令パターン発生回路、32はトルク指令Tref2をサーボドライバ27に出力するDA変換器、35は負荷軸に設置した第3のパルスゼネレータの検出パルスを読み取るカウンタ、33はこのカウンタの信号に基づいて負荷軸回転角を演算する負荷軸回転角算出回路、34は負荷軸の回転角度θで、前記トルク指令パターン発生回路24は、この負荷軸の回転角度θの関数として第2のサーボモータに与えるトルク指令Tref25を出力する。
ここで図1の作用を説明する。図1において、上半分の回路すなわち、第1のサーボモータの位置制御関連ループは従来の位置決め制御回路と同じであるので説明は省略し、本発明で追加される回路について説明する。
負荷軸に設置したパルスゼネレータ30が発生するパルスをカウンタ35で読み込み、負荷軸回転角算出回路33により負荷軸の回転角θ34を算出して、そのθをトルク指令パターン発生回路24の入力信号とし、負荷軸回転角に応じたトルク指令Tref25をトルク指令パターン発生回路24によって発生させ、DA変換器32にを経由してサーボドライバ27に出力する。サーボドライバ27は、与えられたトルク指令Tref2に基づいて第2のサーボモータのトルク制御を行う。
このシステムでは、目標位置に負荷軸が到達する直前、つまり実際の位置が目標位置決め範囲に入る前までは、追加した第2のギア機構、第2のサーボモータは、第1のサーボモータによる従来の位置制御系にとっては負荷外乱となる。この外乱は、従来の位置制御系が動作すべき位置指令に追従するように、追加した第2のギア機構、第2のサーボモータによる外乱トルク分を発生させることによって、その外乱分は打ち消すことができる。この補償は、負荷軸から常に回される(回生)状態になるため、そのエネルギは抵抗で消費させるか、電源側に返す電源回生回路を追加することで対処できる。
すなわち、各メカ機構のGD2、モータのGD2、負荷側の位置パターンによって上記到達する直前までのトルク指令パターンは求めることができる。また負荷軸が目標位置近辺に接近してからは、ギアが常に片側のギアに接するようなトルクを発生させれば良いため、負荷軸の回転角毎に必要なトルク指令を発生させるパターンを作成する。このトルク指令も各メカ機構のGD2、モータのGD2、片側ギアに接するために必要な移動距離、時間から容易に算出できる。
この方法で求めたトルク指令パターン発生回路24により、負荷軸の回転角θとトルク指令Tref25の関数を作成してトルク制御を行うことにより、移動開始から目標位置到達直前までは従来の位置制御ループに対して影響を与えず、かつ停止時はバックラッシュによる影響を軽減するように制御することが可能になる。
図2(A)、図2(B)は従来のトルク制御を説明する図であり、図2(C)は本発明のトルク指令パターン発生回路の原理を示すブロック図である。図2(A)において、横軸は負荷軸の回転角度θ、縦軸は第1のサーボモータの回転速度指令と速度フィードバック信号の変化を表している。速度フィードバック信号の斜線部分が位置を表している。図2(B)において、横軸は負荷軸の回転角度θ、縦軸は第1のサーボモータのトルク指令で、トルク指令1は第2のサーボモータ系のメカが付加されていない状態における値である。
図2(C)は図1のトルク指令パターン発生回路の出力信号を負荷軸の回転角度θに応じて変化する様子を示している。トルク指令2、トルク指令3は第1のサーボ系の位置制御系に影響を与えないように、追加した第2のサーボ系のモータ、ギア等のGD2分を第1のサーボ系の位置制御パターンに合わせて加速、減速するために必要な分のトルク値である。また、トルク指令4はバックラッシュを抑制するために負荷をギアに押しつけるために必要なトルクを示している。
【0006】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、位置制御において、新たにバックラッシュ抑制用のサーボモータを追加して、負荷軸の回転角度によるトルク制御を行うことによって、機械の高精度化をはかっても、さけられなかったバックラッシュによる位置偏差を容易に補正することができる。また追加するモータは、自分自身のGD2 、ギアのGD2 分を位置制御パターンに合わせて駆動するだけのトルク、および負荷をバックラッシュ分(一般的に3分/360度程度)だけ移動させるのに必要なトルクを発生できればよいため、小容量のサーボモータを適用できるため、経済的であるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示すブロック図
【図2】従来制御と本発明の差異を説明するための図
【図3】従来技術の図
【符号の説明】
1 コントローラ
2、27 サーボドラバ
3、29 サーボモータ
4、28、30 パルスゼネレータ
5 ギア機構▲1▼
6 負荷
11 位置指令
12 位置指令パターン発生回路
13 微分回路
14 フィードフォワードゲイン
15 フィードフォワード速度指令
16 位置制御ゲイン
17 位置フィードバック
18、35 カウンタ
19、32 DA変換器
20 Nref(速度指令)
24 トルク指令発生パターン回路
25 Tref(トルク指令)
26 追加ギア機構▲2▼
31 Tref2(トルク指令2)
33 負荷軸回転角算出回路
34 θ
36 位置フィードバック
37 偏差モニタ▲1▼
38 偏差モニタ▲2▼
Claims (1)
- 決められた整定時間内に目標位置に到達するように、予め定義された位置パターンを設定した位置指令パターン発生回路が出力する位置指令に従って、位置を制御する第1のサーボモータの位置制御方法において、
第1のサーボモータが駆動する負荷を、第1のサーボモータとは機械的に独立に駆動するサーボモータであって、トルク指令に従って駆動される第2のサーボモータと、
第1、第2それぞれのサーボモータの軸に設けられた第1、第2のパルスゼネレータの他に、前記負荷に取り付けられた第3のパルスゼネレータとを設け、
前記負荷の回転角度θを第3のパルスゼネレータの信号により検出し、トルク指令パターン発生回路により回転角度θの関数として第2のサーボモータの前記トルク指令を発生させ、
加減速中は、第2のサーボモータ系のメカ機構の追加に起因する負荷への影響をなくすように、このメカ機構が前記位置指令パターンに追随動作できるに必要な補償トルク指令を与え、
停止時には、前記負荷が常にギアに接するように第2のサーボモータを制御して、前記位置指令に対する機械減速機の停止時におけるバックラッシュの影響を補償することを特徴とする位置制御のバックラッシュ抑制制御方法。
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