JP3628199B2

JP3628199B2 - サーボモータの制御装置

Info

Publication number: JP3628199B2
Application number: JP01409599A
Authority: JP
Inventors: 平輔岩下; 肇置田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2019-01-22
Also published as: US6310457B1; EP1022629A1; EP1022629B1; DE60014981D1; DE60014981T2; JP2000214912A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械、ワイヤ放電加工機、産業用ロボット等の各種産業機械の駆動源として用いられるサーボモータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来から実施されているサーボモータの制御ブロック図である。数値制御装置等の制御装置からの指令に基づいて位置・速度ループ処理周期毎に与えられる移動指令ＭＣＭＤをエラーカウンタ３０に加算し、サーボモータ３３に内蔵する位置・速度検出器３４（若しくは、機械に取付けられた位置・速度検出器）からの位置・速度ループ処理周期毎の位置フィードバック量をエラーカウンタ３０から減じて該エラーカウンタ３０で位置偏差を求める。この位置偏差に位置ループゲインＫｐを乗じて位置・速度ループ処理周期毎の速度指令ｖｃを求め、該速度指令ｖｃから上記位置・速度検出器３４からフィードバックされる速度フィードバック量を減じて速度偏差を求め該速度偏差に基づいて速度補償器３２で比例積分処理を行なってトルク指令（電流指令）Ｔｃを求め、さらには電流ループ処理を行なってサーボモータ３３を駆動し、機械３５の可動部を駆動する。
【０００３】
上記速度補償器３２は積分補償項と比例補償項からなり、それぞれ速度ループ積分ゲイン、速度ループ比例ゲインを有している。そして、上述したサーボモータの制御は、ディジタルプロセッサを使用したソフトウエアサーボによって実行されることが一般的である。
【０００４】
ところで、上述した速度補償器３２の速度ループの積分ゲイン、比例ゲインは、パラメータで設定されるが、この設定値は、サーボ系の安定性を見ながら決定されている。
【０００５】
制御性能を向上させるには、速度ループ制御のゲイン、さらには電流ループ制御のゲインを高くとる必要があるが、早送り等でトルク指令が飽和するような状態、即ち、加減速時定数が短く加減速限界まで使用するような状態で駆動すると、速度ループが不安定となる傾向がある。そこで、従来は、このような状態でも、安定に制御できるように、最悪の条件を想定して速度ループゲインや電流ループゲインの設定値を決定していた。その結果、ゲインを高くとることができないから、当然制御性能は低下することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、速度ループが不安定になりやすい状況で速度ループゲイン等を決定しているから、トルク指令が飽和しないような十分に余力のある領域であり、速度ループゲイン等を高くとることができるような場合でも、低いゲインで制御されることになる。これにより、制御性能を悪くする結果となっている。とくに、工作機械において、サーボモータの駆動で切削を行なう場合には、切削精度は速度ループゲインによって左右されるので、速度ループゲインを十分に高くできないので、切削精度を高くできないという問題がある。このように、従来の制御装置においては、サーボモータ制御における制御性能の向上と、制御量が飽和するような領域での安定した制御を得ることは相反するもので、両立することができなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、制御性能の向上を図り、かつ制御量が飽和するような領域でも安定した制御を得ることができるサーボモータの制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、切削送り動作モード等の軌跡制御モードか非軌跡制御モードかを判別する判別手段と、軌跡制御モード用の高いゲイン値と非軌跡制御モード用の低いゲイン値の速度ループゲイン及び電流ループゲインを記憶する記憶手段と、上記判別手段で判別されたモードに対応し、軌跡制御モードでは高いゲイン値に、非軌跡制御モードでは低いゲイン値に速度ループゲイン、電流ループゲインを切換えるゲイン切換え手段とをサーボモータの制御装置に設けることによって、サーボモータ制御における制御性能の向上と、制御量が飽和するような領域での安定した制御を得るようにした。
【０００９】
また、電流ループ制御切換え手段を設け、上記判別手段が位置決めモードと判別したときには、電流ループ制御をＩ−Ｐ制御に切換え、軌跡制御モードと判別したときには、電流ループ制御をＰＩ制御に切換えるようにすることで、制御性能の向上と安定した制御を共に得ることができるようにした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明を適用するサーボモータ制御装置の要部ブロック図である。この構成は従来のディジタルサーボ制御を行なう装置と同一の構成であるので、概略的に示している。
【００１１】
図３において、１０はコンピュータを内蔵した数値制御装置（ＣＮＣ）等の機械を制御する制御装置であり、該制御装置１０から出力される移動指令は共有ＲＡＭ１１を介してサーボモータの制御装置を構成するディジタルサーボ回路１２に入力される。該ディジタルサーボ回路１２は、プロセッサ（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されており、制御装置１０からの移動指令とサーボモータ１４に内蔵された位置・速度検出器（図３ではセミクローズの例を示しているが、フルクローズループで制御を行なう場合には、機械可動部の位置・速度を直接検出する位置・速度検出器を用いる）からの位置フィードバック信号Ｐｆ、速度フィードバック信号ｖｆ、さらには、モータ駆動電流を検出する電流検出器からの電流フィードバック信号に基づいて、図６に示す位置ループ制御、速度ループ制御さらには電流ループ制御を行ない、トランジスタインバータ等のサーボアンプ１３を用いてサーボモータ１４を駆動制御するものである。
【００１２】
本発明においては、ディジタルサーボ回路１２のプロセッサが上記速度ループ制御、電流ループ制御の処理を行なう際に、早送り動作モード等の位置決めモードか、切削送り動作モード等の軌跡制御モードかを判断して各モードに応じた速度ループゲイン、電流ループゲイン切換えて制御するものである。即ち、非軌跡制御モードの早送り動作等の位置決めモードでは、トルク指令が飽和するようなモータの加減速限界まで使用する場合があることから、速度ループゲイン、さらには電流ループゲインを高くすると制御ループが不安定となることがある。そのため、早送り等の位置決めモードに対しては、低めの速度ループゲイン，電流ループゲインを用い、切削送り動作等の軌跡制御モードの場合には、制御性能を向上させ加工精度等を向上させるために、高めの速度ループゲイン，電流ループゲインを用いる。
【００１３】
そこで、予め、早送り動作等の非軌跡制御モード用の相対的に低い速度ループゲイン、電流ループゲインと、切削送り等の軌跡制御モード動作用の相対的に高い速度ループゲイン、電流ループゲインを制御装置１０内の不揮発性メモリにパラメータ設定し、電源投入時の初期設定段階で共有メモリ１１を介してディジタルサーボ回路１２のＲＡＭ内に記憶しておくものである。
また、本実施形態では、位置決めモード動作時には、電流ループをＩ−Ｐ制御で行ない、軌跡制御モード動作時にはＰＩ制御を用いる。
【００１４】
図４は、電流ループ制御をＩ−Ｐ制御する時のブロック線図である。また、図５は、ＰＩ制御の電流ループのブロック線図である。本実施形態では、後述するようにｄ−ｑ変換を用いて電流を制御するようにしており、電流検出器で検出した３相のモータ駆動電流からｄ−ｑ変換してｄ相、ｑ相の電流Ｉｄ，Ｉｑを求め、このｄ相、ｑ相電流Ｉｄ，Ｉｑをフィードバック電流とし、速度ループ制御によって求められたトルク指令（電流指令）Ｔｃをｑ相の電流指令とし、ｄ相の電流指令は「０」とする。そして、それぞれ電流ループ処理を行ないｄ相、ｑ相の電圧指令Ｖｑ，Ｖｄを求め、この２つの電圧指令Ｖｑ，Ｖｄから３相の電圧指令に変換ししてサーボモータを駆動するようにしている。
【００１５】
図４に示すＩ−Ｐ制御においては、速度ループ制御によって求められたトルク指令（電流指令）Ｔｃをｑ相の電流指令とし、該ｑ相電流指令Ｔｃからｑ相フィードバック電流Ｉｑを減じて電流偏差を求め、該電流偏差を積分して積分ゲインＧＩを乗じ（２０，２１）、この値から上記ｑ相フィードバック電流Ｉｑに比例ゲインＧｐを乗じた値を減じ、Ｑ相電圧指令Ｖｑを求める。また、ｄ相に対しても同様な処理が行われるものである。即ちｄ相の電流指令は「０」とし、この電流指令とｄ相フィードバック電流Ｉｄによって、ｑ相と同じ積分、比例制御を行なってｄ相電圧指令Ｖｄを求める。そして。図４では省略しているが、２つの電圧指令Ｖｑ，Ｖｄから３相の各相の電圧指令を求め、サーボアンプ１３でＰＷＭ制御等を行なって各相の電流を制御しサーボモータを駆動制御するものである。
【００１６】
また、図５に示すＰＩ制御では速度ループで求めたトルク指令Ｔｃをｑ相の電流指令とし、ｄ相の電流指令を「０」とし、ｑ相、ｄ相のフィードバック電流Ｉｑ，Ｉｄより、それぞれ電流偏差を求め、該電流偏差を積分して積分ゲインＧＩを乗じる積分処理２０，２１を行ない、さらに電流偏差に比例ゲインＧｐを乗じて比例処理を行ない、積分処理及び比例処理によって得られた値を加算してｑ相、ｄ相の電圧指令Ｖｑ，Ｖｄを求め、さらに、３相の電圧指令を求めサーボアンプ１３でＰＷＭ制御等を行なって各相の電流を制御しサーボモータを駆動制御する。
【００１７】
上述したＰＩ制御は、Ｉ−Ｐ制御に比較して応答性に優れるが、オーバシュート等の問題があり、位置決めモード時の早送り動作のように大電流が必要な時に電流ループをＰＩ制御で制御すると安定性の点で問題がある。そのため、本実施形態では、位置決めモード時には、Ｉ−Ｐ制御により電流ループを制御し、切削送り等の軌跡制御モード動作時には応答性を重視してＰＩ制御を行なうようにしたものである。
【００１８】
図１は、本実施例におけるディジタルサーボ回路１２のプロセッサが速度ループ処理周期毎実施する処理のフローチャートである。
まず、位置・速度検出器１５から出力される該速度ループ処理周期における速度フィードバック量ｖｆを読取り（ステップＳ１）、軌跡制御モード動作中か否か判断し（ステップＳ２）、早送り動作、またはジョグ送りや手動パルス発生器による送り等の位置決めモード等の非軌跡制御モード動作中であれば、ＲＡＭに記憶する位置決めモード用（非軌跡制御モード用）の速度ループの積分ゲインＫＩＬ、比例ゲインＫｐＬを読みだし、速度ループの積分ゲインＫＩ、比例ゲインＫｐをこの読み出した値に設定する（ステップＳ３，Ｓ４）。
【００１９】
そして、積分器としてのレジスタＡに位置ループ制御処理で得られた速度指令ｖｃからステップＳ１で読み取った速度フィードバック量ｖｆを減じて得られる速度偏差を加算する積分処理を行なう（ステップＳ５）。次に、上記レジスタＡに記憶する積分値にステップＳ３で設定された積分ゲインＫＩを乗じた値に、上記速度偏差（ｖｃ −ｖｆ）にステップＳ４で設定された比例ゲインＫｐを乗じた値を加算し、トルク指令（電流指令）Ｔｃを求めて出力し（ステップＳ６）、当該周期の速度ループ処理を終了する。
【００２０】
一方、ステップＳ２で切削送り等の軌跡制御モード動作中と判断された時には、軌跡制御モード動作用の速度ループの積分ゲインＫＩｈ、比例ゲインＫｐｈを読みだし、速度ループの積分ゲインＫＩ、比例ゲインＫｐをそれぞれこの読み出した値に設定する（ステップＳ７，Ｓ８）。そして前述した、ステップＳ５，６の比例、積分処理を行なって、トルク指令を求め出力する。
【００２１】
以上のようにして、軌跡制御モード動作ではない（早送り等の非軌跡制御モード）時には、低めに設定されている積分ゲイン、比例ゲインで、速度ループの比例、積分動作が行なわれ、軌跡制御モード動作の時には、高めの積分ゲイン、比例ゲインで、速度ループ制御が行われることになる。
【００２２】
図２は、本実施形態における電流ループ制御処理のフローチャートで、電流ループ処理周期毎にこの処理をディジタルサーボ回路１２のプセッサが実行する。
まず、ｄ−ｑ変換されたｄ相、ｑ相のフィードバック電流値Ｉｄ，Ｉｑを読み（ステップＴ１）、次に軌跡制御モード動作中か否か判断し（ステップＴ２）、軌跡制御モードの動作中でなければ、非軌跡制御モードの位置決めモードに対応した電流ループの積分ゲインＧＩＬ、比例ゲインＧｐＬをＲＡＭから読み取り、それぞれ電流ループの積分ゲインＧＩ、比例ゲインＧｐとして設定する（ステップＴ３，Ｔ４）。
【００２３】
次にｑ相の積分器を構成するレジスタＡｑに速度ループ処理で求めたトルク指令Ｔｃからｑ相のフィードバック電流値Ｉｑを減じた電流偏差を加算し、ｑ相の積分処理を実行すると共に、ｄ相の積分器を構成するレジスタＡｄからｄ相フィードバック電流値Ｉｄを減じてｄ相の積分処理を行なう（ステップＴ５）。なお、ｄ相は電流指令が「０」である。
【００２４】
ｑ相のレジスタＡｑに記憶する積分値にステップＴ３で設定した積分ゲインＧＩを乗じた値から、ｑ相フィードバック電流値ＩｑにステップＴ４で設定した比例ゲインＧｐを乗じ値を減算してｑ相の電圧指令Ｖｑを求める。同様に、ｄ相のレジスタＡｄに記憶する積分値に積分ゲインＧＩを乗じた値から、ｄ相フィードバック電流値Ｉｄに比例ゲインＧｐを乗じ値を減算してｄ相の電圧指令Ｖｄを求める（ステップＴ６）。このように、軌跡制御モードない時は非軌跡制御モード用として設定されている電流ループの低めの積分ゲイン、比例ゲインに基づいてＩ−Ｐ制御によって電圧指令Ｖｑ，Ｖｄを求めるものである。
【００２５】
この求めたｑ相、ｄ相の電圧指令Ｖｑ，Ｖｄを出力し（ステップＴ７）、この電圧指令Ｖｑ，Ｖｄより、従来と同様に３相の各相電圧指令を求めサーボモータを駆動することになる。
【００２６】
一方、ステップＴ２で、軌跡制御モード中であると判断された場合には、ＲＡＭに記憶する軌跡制御モード用の電流ループの積分ゲインＧＩｈ、比例ゲインＧｐｈをそれぞれ電流ループの積分ゲインＧＩ、比例ゲインＧｐとして設定する（ステップＴ８，Ｔ９）。そして、ｑ相の積分器を構成するレジスタＡｑに速度ループ処理で求めたトルク指令Ｔｃからｑ相のフィードバック電流値Ｉｑを減じた電流偏差を加算し、ｑ相の積分処理を実行すると共に、ｄ相の積分器を構成するレジスタＡｄからｄ相フィードバック電流値Ｉｄを減じてｄ相の積分処理を行なう（ステップＴ１０）。さらに、ｑ相のレジスタＡｑに記憶する積分値にステップＴ８で設定した積分ゲインＧＩを乗じた値にステップＴ９で設定した比例ゲインＧｐに上記電流偏差（Ｔｃ −Ｉｑ）を乗じた値を加算し、ｑ相の電圧指令Ｖｑを求める。また、ｄ相のレジスタＡｄに記憶する積分値にステップＴ８で設定した積分ゲインＧＩを乗じた値から、ステップＴ９で設定した比例ゲインＧｐにｄ相のフィードバック電流値Ｉｄを乗じた値を減じてｄ相の電圧指令Ｖｄを求める（ステップＴ１１）。即ち、軌跡制御モード用として設定されている電流ループの高めの積分ゲイン、比例ゲインに基づいてＰＩ制御を行なって、電圧指令Ｖｑ，Ｖｄを求める。この電圧指令Ｖｑ，Ｖｄを当該周期の指令として出力し当該周期の処理を終了する。なお、前述したように、この電圧指令Ｖｑ，Ｖｄは３相の各相電圧指令に変換されて、サーボアンプによってＰＷＭ制御等を行ない、サーボモータを駆動制御することになる。
【００２７】
図７は本発明の効果を見るために行なった実験結果を示す図である。半径１０ｍｍ、速度５０００ｍｍ／ｎｉｎで円弧切削を行なって、そのときの切削精度を見たもので、図７（ａ）は、位置決めモードである早送り動作での安定性のみを考慮し、速度ループ，電流ループのゲインの切換えを行なわずに、低めのゲインで加工を行なった時の切削結果である。また、図７（ｂ）は、上述した実施形態により切削送りに対応する軌跡制御モードと早送りに対応する位置決めモードでゲインを切換えて、切削送り動作（軌跡制御モード）のゲインて速度ループ、電流ループ制御を行なって加工した時の切削結果である。この図７（ａ）、（ｂ）を比較して分るように、ゲインを切換えて加工を実施した図７（ｂ）に示す加工の方が切削精度が大幅に改善されていることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、軌跡制御モード動作時と非軌跡制御モード動作（位置決めモード動作）時で、速度ループゲイン、さらには電流ループゲインを切換えるので、位置決めモード動作中に制御が不安定になることを防止でき、かつ、軌跡制御モード時の制御性能を向上させ指令経路追従精度（切削精度）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における速度ループ処理のフローチャートである。
【図２】同実施形態における電流ループ処理のフローチャートである。
【図３】同実施形態におけるサーボモータ制御装置の要部ブロック図である。
【図４】電流ループ制御をＩ−Ｐ制御で行なう時のブロック線図である。
【図５】電流ループ制御をＰＩ制御で行なう時のブロック線図である。
【図６】一般的なサーボモータの制御ブロック図である。
【図７】従来例と本発明を用いた円弧切削の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
１０制御装置（ＣＮＣ）
１１共有メモリ
１２ディジタルサーボ回路
１３サーボアンプ
１４サーボモータ
１５位置・速度検出器

Claims

サーボモータを駆動制御する制御装置であって、軌跡制御モードか非軌跡制御モードかを判別する判別手段と、軌跡制御モード用の高いゲイン値と非軌跡制御モード用の低いゲイン値の速度ループゲイン及び電流ループゲインを記憶する記憶手段と、上記判別手段で判別されたモードに対応し、軌跡制御モードでは高いゲイン値に、非軌跡制御モードでは低いゲイン値に速度ループゲイン、電流ループゲインを切換えるゲイン切換え手段とを備え、切換えたゲインで速度ループ制御、電流ループ制御を行なうことを特徴とするサーボモータの制御装置。
電流ループ制御切換え手段を備え、該電流ループ制御切換え手段は、上記判別手段が非軌跡制御モードと判別したときには、電流ループ制御をＩ−Ｐ制御に切換え、軌跡制御モードと判別したときには、電流ループ制御をＰＩ制御に切換える請求項１記載のサーボモータの制御装置。