JP3694573B2 - プレス機械におけるモータトルク制御方法及びプレス機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレス機械に関し、特にモータの出力トルクによってプレスを行なうプレス機械及びそのプレスを制御するモータトルク制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの出力トルクを制御することによってプレス力を制御してプレスを行なうプレス機械は公知である。この従来のプレス力制御は、モータの出力トルクにトルクリミットをかけて、すなわちモータの出力トルクを制限して、必要とするプレス力を得るようにしている。
【０００３】
この場合、モータのトルクリミット値は、モータの発生トルクとプレス力の静力学的な関係及び目標とするプレス力から求めている。例えば、図８に示すような単純化したプレス機械を考えと、摩擦の影響を無視するとすれば、モータの発生するトルクＴとプレス力ｆp は静的には次の１式ような関係になる。
ｆp ＝ａＴ …（１）
なお、ａは回転力を直線力に変換する係数である。
【０００４】
そこで、目標とするプレス力をＦとすると、トルクリミット値ＴL を次の２式のように設定し、モータ出力トルクを制限すれば、所望のプレス力Ｆが得られることになる。
ＴL ＝Ｆ／ａ …（２）
以上のようにして従来は、目標プレス力Ｆに対応するトルクリミット値ＴL を上記２式から求め、モータの出力トルクをこの求めたトルクリミット値ＴL で制限してモータを駆動することによって必要プレス力を得るようにしている。
【０００５】
図９は、モータとしてサーボモータを使用し該サーボモータの出力トルクを制限してプレスを行なう従来のプレス機械のサーボモータの制御ブロック図である。指令される速度指令Ｖc とサーボモータ５の回転位置・速度を検出する位置・速度検出器６からフィードバックされてくる速度フィードバック値ｖf により速度制御手段１で比例、積分等の速度ループ制御を行ないトルク指令Ｔc を求める。そして、上記２式によって求められたトルクリミット値ＴL が設定されているトルクリミット手段２でトルク制限を行なって制限されたトルク指令Ｔc´を求め、さらに、該トルク指令Ｔc´によって電流制御手段３で電流制御を行なってアンプ４を介してサーボモータ５を駆動する。
【０００６】
プレス負荷がかかっていないときには、サーボモータには大きな負荷がかからず、サーボモータ５は指令速度Ｖc に追従し、指令速度Ｖc と速度フィードバック値ｖf とには大きな速度偏差はなく、速度制御手段１から出力されるトルク指令Ｔc は小さな値であり、トルクリミット手段２でそのトルク指令値Ｔc が制限されることなく出力される。すなわち、Ｔc ＝Ｔc´である。
【０００７】
金型がワークに当たりプレス負荷がかかると、速度偏差が増大して速度制御手段１から出力されるトルク指令Ｔc は増大し、トルクリミット値ＴL 以上となる。しかし、トルクリミット手段２によって制限されるから、電流制御手段３に出力されるトルク指令Ｔc´は、トルクリミット値ＴL となる。これにより、サーボモータの出力はトルクリミット値ＴL となり、ａ・ＴL ＝Ｆの目標とするプレス力Ｆが得られるというものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、プレス時の騒音を少なくする等のために、減速しながらプレスする場合がある。また、逆に加速しながらプレスを行なう場合もある。このような場合には、上述した従来のモータ制御方法では、必要とするプレス力と実際のプレス力が異なる。モータの加速度をα、モータの駆動によって移動する移動物の総質量をＭとし、摩擦を無視すると、プレス力ｆp （＝プレス反力）とモータ出力トルクＴの関係は次の３式となる。
【０００９】
ａＴ−ｆp ＝Ｍα
よって
ｆp ＝ａＴ−Ｍα …（３）
上述したように目標とするプレス力Ｆを得るためにモータの出力トルクＴを、この目標プレス力Ｆに対応するトルクリミット値ＴL （＝Ｆ／ａ）にすると、上記３式より
ｆp ＝ａＴL −Ｍα＝Ｆ−Ｍα …（４）
となり、減速中であれば、加速度αは負であるから、発生プレス力ｆp は目標プレス力Ｆよりも大きいものとなり、金型を破損させる可能性がある。また、加速中であれば加速度αは正となり、プレス力ｆp は目標プレス力Ｆよりも小さなものとなり、加速、減速に必要な力Ｍαによって必要とするプレス力が得られなくなる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、加速もしくは減速中においても必要とするプレス力を得ることができるプレス機械及びプレス機械のモータトルク制御方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、速度をフィードバック制御するモータ制御回路内に設けられたトルクリミット手段によりトルク指令を制限し、モータの出力トルクを制限することによってプレス力を与えるプレス機械におけるモータトルク制御方法において、モータの速度を検出する速度検出器からの検出速度もしくは指令速度から加速度を求めトルクリミット補正量を算出するトルクリミット補正量算出手段を設け、目標プレス力に対応するトルクリミット値に上記トルクリミット補正量算出手段で求められたトルクリミット補正量を加算して上記トルクリミット手段のトルクリミット値とし、該補正したトルクリミット値によってトルク指令値を制限しモータを駆動することによって加速もしくは減速しながら目標プレス力をワークに与えるようにした。
【００１２】
または、トルク指令値と速度検出器で検出される実速度から加速度トルクを推定するオブザーバを設け、目標プレス力に対応するトルクリミット値に上記オブザーバで推定された加速度トルクを加算して上記トルクリミット手段のトルクリミット値とするようにした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態におけるモータ制御方法のブロック図である。この図１と、図９に示す従来のモータ制御方法のブロック図の相違する点は、トルクリミット補正量計算手段７が付加され、トルクリミット手段２には、静的に計算されたトルクリミット、即ち、目標プレス力Ｆに対応するトルクのトルクリミット値ＴL に、上記トルクリミット補正量計算手段７で求められたトルクリミット補正量ΔＴL が加算されたトルクリミット値ＴL´が入力されている点である。このトルクリミット補正量ΔＴL によって加速又は減速に必要なトルクを補正し、設定プレス力Ｆを得るようにモータを制御するものである。
【００１４】
静的トルクリミットＴL にトルクリミット補正量ΔＴL を加算したトルクリミット値ＴL´でトルク指令Ｔc を制限し、該制限されたトルク指令Ｔc´＝ＴL´＝ＴL ＋ΔＴL でサーボモータを駆動すれば、プレス力ｆp は上記３式より次の５式となる。
【００１５】
ｆp ＝ａ（ＴL ＋ΔＴL ）−Ｍα …（５）
目標プレス力Ｆに対応するトルクリミット値である静的トルクリミット値ＴL は目標プレス力Ｆと回転力を直線力に変換する係数ａによって求められるものであり、上記１式より、ＴL ＝Ｆ／ａである。よって、上記５式は次の６式に変形される。
【００１６】

上記６式で示されるプレス力ｆp が目標プレス力Ｆにとなるには、ａ・ΔＴL ＝Ｍαであればよい。すなわち、トルクリミット補正量計算手段７で、トルクリミット補正量ΔＴL として、加速もしくは減速に必要なトルク（Ｍα／ａ）の値を求めればよいことになる。Ｍの値は移動物総質量であるから既知であり、ａは回転力を直線力に変換する係数であるから、この値も実験等によって求められ既知の定数である。その結果、変化する加速度αを検出し、加減速に必要なトルクとしてトルクリミット補正量ΔＴL ＝Ｍα／ａを求めればよい。この加速度αは、速度指令Ｖc に対してモータの追従がよいとすれば、速度指令Ｖc を微分することによって求めることができる。又は、位置・速度検出器６からフィードバックされる速度フィードバック値を微分することによっても求められる。さらには、オブザーバを使用することによって、トルクリミット手段２から出力されるトルク指令Ｔc´と速度フィードバック値ｖf から加速度を推定することもできる。
【００１７】
図１では、トルクリミット補正量計算手段７に、速度指令Ｖc 、速度フィードバック値ｖf 、トルクリミット手段２の出力であるトルク指令値Ｔc´の３つの入力があるが、上述したように、速度指令Ｖc のみ、または速度フィードバック値ｖf のみ、さらには、速度フィードバック値Ｖf とトルク指令値Ｔc´の入力だけでよいものである。単に、３つの入力の内いずれかを使用するとして３つの入力を記載しているにすぎない。
【００１８】
図２〜図４はトルクリミット補正量計算手段７の詳細ブロック図である。図２は、速度フィードバック値Ｖf よりトルクリミット補正量ΔＴL を求めるブロック図である。速度フィードバック値Ｖf をローパスフイルタ１０によって疑似微分して得られた加速度αに乗算器１１で係数（Ｍ／ａ）を乗じてトルクリミット補正量ΔＴL （＝Ｍα／ａ）を求めている。
【００１９】
また、図３は指令速度Ｖc によってトルクリミット補正量ΔＴL を求めるブロック図であり、図２と相違する点は速度フィードバック値Ｖf が指令速度Ｖc になった点のみであり、他は同一である。
図４は、オブザーバを使用して、速度フィードバック値Ｖf とトルク指令Ｔc´から加速度トルクを推定し、該加速度トルクをトルクリミット補正量ΔＴL として使用するようにしている。
【００２０】
トルク指令Ｔc´に乗算器１２で移動物総質量Ｍの逆数（ａ／Ｍ）を乗じてモータトルクの加速度を求め、さらに、後述する処理によって速度フィードバック値Ｖf と推定速度との差より推定外乱加速度Ｘを加算して推定加速度を求め、該推定加速度に乗算器１５で（Ｍ／ａ）を乗じて（なお、ａは回転力を直線力に変換する係数）、トルクリミット補正量（推定加速度トルク）ΔＴL を求める。
【００２１】
上記推定外乱加速度Ｘは次のようにして求める。
推定加速度を積分器１３で積分し推定速度を求め、該推定速度を速度フィードバック値Ｖf から減じて速度差を求め、該速度差に対して比例積分処理手段１４で比例積分し推定外乱加速度Ｘを求めている。
【００２２】
図５は、本実施形態におけるプレス機械の制御部のブロック図である。符号２０は数値制御装置等のホストコンピュータであり、該ホストコンピュータ２０から動作プログラムに基づいて移動指令等が共有メモリ２１を介してサーボモータを制御するデジタルサーボ回路であるモータ制御回路２２に出力される。このモータ制御回路２２は、従来のデジタルサーボ回路と同様に、プロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ、位置・速度検出器６からフィードバックされる位置、速度のフィードバック量、さらに、アンプ４を介してモータの駆動電流のフィードバック量を入力するインターフェース等で構成され、位置、速度、電流のループ制御を行ない、アンプ４を介してサーボモータ５を駆動制御するものである。位置・速度検出器６はサーボモータ５のロータ軸に取り付けられサーボモータの回転位置、及び速度を検出しモータ制御回路２２にフィードバックするものである。この制御部の構成及び動作は従来から公知のものであるが、本発明においては、上記モータ制御回路２２による位置、速度、電流のループ制御において、速度ループ制御によって出力されるトルク指令に対してトルクリミットをかけるトルクリミット値を算出し、該求めたトルクリミット値によってトルク指令を制限して電流ループに出力する点が従来と異なる点である。
【００２３】
図６は、モータ制御回路２２のプロセッサが速度ループ処理周期毎に実行する処理のフローチャートである。特に、図２に示す速度フィードバック値Ｖf によってトルクリミット補正量を求めてトルクリミット処理を行なって電流ループへのトルク指令Ｔc´を求める処理を主に記載したフローチャートである。なお、目標プレス力に対応する静的トルクリミット値ＴL は、目標プレス力Ｆと回転力を直線力に変換する係数ａから第２式によって算出し（ＴL ＝Ｆ／ａ）、モータ制御回路２２に設定しておく。また、加速度からトルクリミット補正量を求めるための図２，図３における乗算器１１における係数（Ｍ／ａ）も移動物総質量Ｍと上記係数ａから求め設定しておく。
【００２４】
まず、当該周期ｎの速度フィードバック値ｖf(n)を読み取り（ステップＳ１）、該速度フィードバック値ｖf(n)からレジスタに記憶する前周期の速度フィードバック値ｖf(n-1)を減じて速度差α0 を求める（ステップＳ２）。続いて、次の周期で利用するためにレジスタにステップＳ１で読み込んだ当該周期の速度フィードバック値ｖf(n)を前周期の速度フィードバック値ｖf(n-1)として格納する（ステップＳ３）。ステップＳ２で求めた速度差α0 とレジスタに記憶する前周期における加速度α(n-1) より次の７式のローパスフイルタ処理を行なって加速度α(n) を求める（ステップＳ４）。
【００２５】
α(n) ＝ｋ・α0 ＋（１−ｋ）・α(n-1) …（７）
なお、上記７式において
ｋ＝ｅｘｐ（−２π・ｆc ・ｔs ）
であり、ｆc はフィルタのカットオフ周波数、ｔs はサンプリングタイムでこの速度ループ処理の周期である。なお、ｋ＝０とすれば、フィルタなしの状態となる。
【００２６】
こうして求めた加速度α(n) を次の周期において前周期の加速度α(n-1) として利用するためにレジスタに格納する（ステップＳ５）。
次に、予め設定されている静的トルクリミット値ＴL （＝Ｆ／ａ）に、上記ステップＳ４で求めた加速度α(n) に設定値（Ｍ／ａ）を乗じた値、すなわち、トルクリミット補正量ΔＴL （＝Ｍα(n) ／ａ）を加算してトルクリミット値ＴL´（＝ＴL ＋Ｍ・α(n) ／ａ）を求める（ステップＳ６）。又、位置ループ処理によって求められた速度指令Ｖc と速度のフィードバック値Ｖf によって従来と同様に速度ループ処理を行なってトルク指令Ｔc を求める（ステップＳ７）。
【００２７】
求められたトルク指令Ｔc とステップＳ６で求めたトルクリミット値ＴL´を比較し、トルク指令Ｔc の方が小さければ、そのままがトルク指令Ｔc を電流ループへのトルク指令Ｔc´として電流ループへ引き渡す。また、トルク指令Ｔc の方がトルクリミット値ＴL´より大きい時には電流ループへのトルク指令Ｔc´は、トルクリミット値ＴL´とし、トルク指令を制限して電流ループに引き渡し該速度ループの処理を終了する（ステップＳ８，Ｓ９）。
【００２８】
以上のようにして、速度フィードバック値Ｖf から加速度を求め、該加速度から加速、減速に必要な力を求め、この力の影響を除去して常に設定目標プレス力Ｆが得られるようにトルクリミット値を補正するようにしたから、金型がワークに当たって、加速中にプレスを行なっても又は減速中にプレスを行なっても、設定目標プレス力Ｆでワークをプレス加工することができる。
【００２９】
なお、図３に示す速度指令Ｖc から加速度を求めて、トルクリミット値を補正する方法を採用したときのサーボ制御回路のプロセッサの処理は、上記図６におけるステップＳ１で読み込むデータが指令速度Ｖｃになる点が相違するのみであるので、このときの説明は省略する。
図７は図４で示すオブザーバの処理によって加速度トルクを推定し、この推定加速度トルクをトルクリミット補正値ΔＴL として、静的トルクリミット値ＴL を補正してトルクリミット値ＴL´を求めてモータを制御する処理のフローチャートである。この処理も速度ループ処理周期毎に実行される。
【００３０】
まず、移動物総質量Ｍ、該移動物総質量Ｍを回転力を直線力に変換する係数ａ、目標プレス力Ｆに対応する静的トルクリミット値ＴL （＝Ｆ／ａ）、推定外乱加速度Ｘを求めるときの積分ゲインｋ１、比例ゲインｋ２をサーボ制御回路２２のメモリに設定しておく。
そこで、速度フィードバック値Ｖf を読み込んだ後（ステップＴ１）、レジスタに記憶する前周期でのトルク指令値Ｔc´（トルクリミットを行なった後の電流ループへ指令するトルク指令値）と推定外乱加速度Ｘを読み取り、トルク指令値Ｔc´に係数ａを乗じ移動物総質量Ｍで除した値に推定外乱加速度Ｘを加算して推定加速度αを求める（ステップＴ２）。
【００３１】
次にアキュムレータＡ１に推定加速度αを加算し推定速度を求める。すなわち図４における積分器１３の処理を行なう（ステップＴ３）。ステップＴ１で読み込んだ速度フィードバック値Ｖf から上記アキュムレータＡ１の値である推定速度を減じて速度差Δｖを求め、該速度差ΔｖをアクュムレータＡ２に加算する（ステップＴ４）。そして、上記速度差Δｖ（＝Ｖf −Ａ１）に比例ゲインｋ１を乗じた値とアキュムレータＡ２の値に積分ゲインｋ２を乗じた値を加算して推定外乱加速度Ｘを求めレジスタに記憶する（ステップＴ５）。すなわちこのステップＴ５の処理は図４における比例積分処理手段１４の処理に対応する。
【００３２】
次に、予め設定されている静的トルクリミット値ＴL に、上記ステップＴ２で求めた加速度αに設定値（Ｍ／ａ）を乗じた値を加算してトルクリミット値ＴL´（＝ＴL ＋Ｍ・α／ａ）を求める（ステップＴ６）。また、位置ループ処理によって求められた速度指令Ｖc と速度のフィードバック値Ｖf によって従来と同様に速度ループ処理を行なってトルク指令Ｔc を求める（ステップＴ７）。該トルク指令Ｔc とステップＴ６で求めたトルクリミット値ＴL´を比較し、トルク指令Ｔc の方が小さければ、そのままがトルク指令Ｔc を電流ループへのトルク指令Ｔc´とし、トルク指令Ｔc の方が大きいときはトルクリミット値ＴL´をトルク指令Ｔc´としてレジスタに記憶すると共に電流ループ処理へ引き渡す（ステップＴ８〜Ｔ１０）。以後上記処理を速度ループ処理周期毎繰り返し実行する。
これにより、トルク指令に加速、減速に必要なトルク分の指令が補正され、目標プレス力得られるように制御される。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、加速、減速にようするトルクで目標プレス力に対応するトルクリミット値を補正し、トルク指令を制限するトルクリミット値としたから、加速中でも、減速中でも常に目標プレス力をワークに与えることができる。その結果、ワークに対して過度にプレス力が与え金型を破損させたり、プレス力が不足するような現象は生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるモータ制御方法のブロック図である。
【図２】同一実施形態におけるトルクリミット補正量計算手段の一例である。
【図３】同一実施形態におけるトルクリミット補正量計算手段の他の例である。
【図４】同一実施形態におけるオブザーバによるトルクリミット補正量計算手段の例である。
【図５】同一実施形態を実行するプレス機械の制御部のブロック図である。
【図６】同一実施形態におけるトルクリミット処理を行なって電流ループへのトルク指令を求める処理を中心にした速度ループ処理周期毎の処理のフローチャートである。
【図７】オブザーバ処理によりトルクリミット値を補正して電流ループへのトルク指令を求める処理を中心にした速度ループ処理周期毎の処理のフローチャートである。
【図８】プレス機械の概略図である。
【図９】従来のプレス機械のモータ制御方法のブロック図である。
【符号の説明】
１ 速度制御手段
２ トルクリミット手段
３ 電流制御手段
４ アンプ
５ サーボモータ
６ 位置・速度検出器
７ トルクリミット補正量計算手段

Claims (2)

1. 速度をフィードバック制御するモータ制御回路内にトルク指令を制限するトルクリミット手段を備え、該トルクリミット手段によってトルク指令を制限することによってモータの出力トルクを制限してプレス力を与えるプレス機械において、モータの速度を検出する速度検出器からの検出速度もしくは指令速度から加速度を求めトルクリミット補正量を算出するトルクリミット補正量算出手段を設け、目標プレス力に対応するトルクリミット値に上記トルクリミット補正量算出手段で求められたトルクリミット補正量を加算して上記トルクリミット手段のトルクリミット値とするプレス機械。
2. 速度をフィードバック制御するモータ制御回路内にトルク指令を制限するトルクリミット手段を備え、該トルクリミット手段によってトルク指令を制限することによってモータの出力トルクを制限してプレス力を与えるプレス機械において、トルク指令値と速度検出器で検出される実速度から加速度トルクを推定するオブザーバを設け、目標プレス力に対応するトルクリミット値に上記オブザーバで推定された加速度トルクを加算して上記トルクリミット手段のトルクリミット値とするプレス機械。

Images