JP3917094B2 - モータの制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械等に使用されるモータの移動方向反転時に発生するロストモーション及びスティックモーションを低減するモータの制御方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モータとボールねじを用いてＸＹテーブルを構成している工作機械で円弧切削を行う場合には、象限の切替わりで機械系の摩擦により、機械が一時的に停止するスティックモーションを生ずる。また、ボールねじのねじれによる位置ずれ（ロストモーション）を生ずる。ロストモーションやスティックモーションは、加工精度を低下させるため、できるだけ小さい方がよい。
【０００３】
従来のロストモーション補償方法として、位置指令の極性に応じ、位置指令に補償量を加算する手法が提案されている。また従来のスティックモーション補償方法としては、特開平７−１１０７１７号公報（特許文献１）に示すようなものがある。この方法では、外乱オブザーバを用いて摩擦トルクを推定し、位置指令の符号反転時に、速度積分器の値を（反転前の積分値−反転前の摩擦トルク×２）として、速度指令にオフセット量を与えるように構成されている。
【０００４】
また別の従来のスティックモーション補償方法としては、特開平５−８０８２４号公報（特許文献２）に示すようなものがある。この方法では、モータの反転時の加速度が大きい時は、速度積分器の初期値を（反転前のトルク指令−摩擦トルク×２）に設定し、反転時の加速度が小さい時は、速度積分器の初期値を摩擦トルクに設定する。なお、ここで用いる摩擦トルクは、低速運転時のトルク指令値を保存しておいて用いる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１１０７１７号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平５−８０８２４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年の工作機械は加工速度の向上を目指しており、高速時の補償効果の改善が望まれている。移動方向反転直後に必要なトルクは、加速トルク＋摩擦トルク≒反転前の加速トルク−反転前の摩擦トルク＝（反転前のトルク指令−反転前の摩擦トルク）−反転前の摩擦トルク＝反転前のトルク指令−反転前の摩擦トルク×２である。なお、ここでは、反転前後で、摩擦トルクの大きさは同じで、極性のみ反転するものと考える。また、反転前後での加速トルクは変わらず、切削トルクはこれらのトルクと比較して小さいものとしている。
【０００８】
特開平７−１１０７１７号公報に示される方法及び装置では、反転後に必要な加速トルクを、速度積分器の値と推定摩擦トルクとから算出している。速度制御器を比例積分（ＰＩ）制御で構成した場合、加速トルクはその比例項の値と積分項の値を加算した値から摩擦トルクを減算した値になり、積分項の値から摩擦トルクを減算しただけでは、本来の加速トルクとはならない。このため、必要とする補償量に過不足を生じてしまう恐れがある。また、積分器目標値を定めて、速度指令へオフセットとして与えるのは、制御が複雑で、ソフトウェア処理に時間がかかるという問題がある。
【０００９】
一方、特開平５−８０８２４号公報に示された装置では、摩擦トルクを補償とは別のタイミングの中低速運転時に計測した値を用いるため、実際に補償を行う時には、摩擦トルクが変わってしまっている可能性がある。
【００１０】
また、これら二例とも共通であるが、通常、スティックモーションとロストモーションは同時に発生するため、補償タイミングを合わせないと、補償量に過不足を生ずる。
【００１１】
本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、その目的は、ロストモーション及びスティックモーションを従来よりも小さくできるモータの制御方法及び装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータの制御方法は、制御対象であるモータの位置を検出する位置検出部と、モータの速度を算出する速度算出部と、位置検出部からフィードバックされたモータの位置と位置指令とが一致するように速度指令を出力して位置制御をする位置制御部と、比例積分制御により、速度算出部からフィードバックされた速度と速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う速度制御部と、トルク指令に基づいてトルク制御を行うトルク制御部とを有する制御装置を用いて、モータの回転方向を反転する際に発生するロストモーション及びスティックモーションを補償する。そこで本発明では、モータが受ける摩擦トルクを推定する。そして推定した摩擦トルクとトルク指令とに基づいてスティックモーションを補償するために必要な速度制御部内の積分器の補償用目標値を定める。またロストモーションを補償するために必要なロストモーション補償設定値を予め定めておく。更に、速度指令に基づいて回転方向の極性と回転方向を反転する反転タイミングとを判別する。その上で、回転方向の極性とロストモーション補償設定値との乗算値をロストモーション補償量として位置指令に加算し、反転タイミングにおいて積分器の値を補償用目標値に変更する。
【００１３】
本発明においては、予めロストモーション補償設定値を定めておき、回転方向の変化を極性（一方の回転方向を＋、他方の回転方向を−とする）の変化として捉えて、この極性をロストモーション補償設定値に乗算してロストモーション補償量を求めるため、回転方向の反転に応じて速やかにロストモーション補償量を変更することができる。また反転タイミングを検出したときに速度制御部内の積分器の値を補償用目標値に書き換えるので、ロストモーション補償と同時に適切なスティックモーション補償を実行できる。そのため本発明によれば、従来の方法と比べてロストモーションとスティックモーションを小さくできる。なお予め定めるロストモーション補償設定値は、適宜に定める。
【００１４】
補償用目標値は、（反転前のトルク指令−反転前に推定した摩擦トルク×２）の演算式により求めるのが好ましい。この演算式を用いると、スティックモーションをより高い精度で低減できる。
【００１５】
また極性の判別及び反転タイミングの判別をヒステリシスコンパレータを用いて行うと、エンコーダ分解能に起因する誤検出を防ぐことができる。
【００１６】
本発明の方法を実施する本発明のモータ制御装置は、モータが受ける摩擦トルクを推定する外乱オブザーバと、推定した摩擦トルクとトルク指令とに基づいてスティックモーションを補償するために必要な速度制御部内の積分器の補償用目標値を演算する補償用目標値演算手段と、ロストモーションを補償するために必要なロストモーション補償設定値を予め記憶しておくロストモーション補償設定値記憶手段と、速度指令に基づいて回転方向の極性と回転方向を反転する反転タイミングとを判別する判別手段と、回転方向の極性と前記ロストモーション補償設定値との乗算値をロストモーション補償量として演算するロストモーション補償量演算手段と、ロストモーション補償量を位置指令に加算するための加算ループと、反転タイミングにおいて前記積分器の値を前記補償用目標値に書き換える目標値書き換え手段とを備えている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の方法を実施する本発明のモータ制御装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明のモータ制御装置の構成の全体を示したものである。このシステムは、制御対象であるモータＭの位置を検出する位置検出部としてエンコーダＥを備えている。エンコーダＥの出力が、モータの出力軸の位置を示す位置フィードバックである。速度算出部１は、エンコーダＥの出力に基づいてモータの速度を算出するように構成されており、速度算出部１の出力が速度フィードバックとなっている。速度フィードバックが、モータＭの出力軸の速度を示している。位置制御部２は、位置検出部としてのエンコーダＥからフィードバックされたモータＭの位置と位置指令とが一致するように速度指令を出力して位置制御をするように構成されている。この実施の形態では、位置制御部２が、加減算手段３とゲインＫＰを乗算する乗算手段４とから構成されている。後述するように加減算手段３では、補償算出部５から出力されて加算ループを介して伝達されるロストモーション補償量を位置指令に加算する。
【００１８】
速度制御部６は、比例積分制御により、速度算出部１からフィードバックされた速度と速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う。本実施の形態の速度制御部６は、速度指令と速度との速度偏差を減算手段７で求め、この速度偏差に積分ゲイン（１／Ｔｖｉ）を乗算する乗算手段８と、乗算手段８の出力を積分する速度積分器９を含んで構成された積分制御系と、速度指令に比例した指令を出力する比例制御系とを含んでいる。そして速度制御部６は、積分制御系の出力と比例制御系の出力とを加算手段１０で加算したものに速度比例ゲインＫＶＰを乗じてトルク指令として出力する乗算手段１１を更に備えている。この実施の形態では、後述する補償算出部５からの指令により速度積分器９の値が変更される。トルク制御部１２はトルク指令に基づいてトルク制御を行う。
【００１９】
本実施の形態では、モータＭが受ける摩擦トルクを推定する外乱オブザーバ１３を用いる。外乱オブザーバ１３は、トルク指令と速度とに基づいて摩擦トルクを推定するように構成されている。外乱オブザーバ１３の詳細は、平成２年発行の「電学論」Ｄ１１０巻１１号第１１２６頁〜第１１３２頁に示された外乱トルク推定器と実質的に同じである。
【００２０】
図２は、補償算出部５の詳細な構成を示すブロック図である。補償算出部５は、補償用目標値演算手段１４と、ロストモーション補償設定値記憶手段１５と、ロストモーション補償量演算手段１６と、判別手段１７と、ローパスフィルタ１８と、目標値書き換え手段１９とを備えている。補償用目標値演算手段１４は、推定した摩擦トルクとトルク指令とに基づいてスティックモーションを補償するために必要な速度制御部内の速度積分器の補償用目標値を演算する。具体的に、補償用目標値演算手段１４は、外乱オブザーバ１３で推定した摩擦トルク推定値を２倍する乗算器１４Ａとトルク指令からの高周波成分を除去するローパスフィルタ１４Ｂと、乗算器１４Ａの出力をローパスフィルタ１４Ｂの出力から減算する減算器１４Ｃと、減算器１４Ｃの出力を速度ループゲイン（ＫＶＰ）で除算する除算器１４Ｄとから構成される。この構成により、補償用目標値演算手段１４は、補償用目標値を（反転前のトルク指令−反転前に推定した摩擦トルク×２）の演算式により求める。
【００２１】
ロストモーション補償設定値記憶手段１５には、ロストモーションを補償するために必要なロストモーション補償設定値を予め記憶してある。そしてロストモーション補償量演算手段１６は、判別手段１７で判別したモータの回転軸の回転方向の極性（例えば正回転方向を＋、逆回転方向を−とする）とロストモーション補償設定値との乗算値をロストモーション補償量として演算する。
【００２２】
判別手段１７は、ローパスフィルタ１８を通った速度指令に基づいてモータの回転方向の極性を判別する極性検出器１７Ａと、ローパスフィルタ１８を通った速度指令に基づいてモータの反転タイミングを判別して補償タイミングを決定する補償タイミング算出器１７Ｂとを備えて構成される。なお極性検出器１７Ａ及び補償タイミング算出器１７Ｂはそれぞれヒステリシスコンパレータによって構成することができる。具体的には、ヒステリシスコンパレータに速度指令を入力し、基準値と比較することにより極性の反転を検出するのと同時に反転タイミングを検出できる。
【００２３】
目標値書き換え手段１９は、判別手段１７により判別した反転タイミングにおいて速度積分器９の値を補償用目標値に書き換える。速度積分器９の値を書き換えることにより、スティックモーションが補償される。ロストモーション補償量は常時位置指令に加算されている。しかし回転方向の極性が反転した瞬間にロストモーション補償量の極性が反転することにより、結果として位置指令が増減し、ロストモーションが補償されることになる。本実施の形態では、回転方向の極性の判別と回転方向の反転タイミングの判別は同時に行われるので、ロストモーションとスティックモーションの補償を同時に実行することができる。
【００２４】
図３乃至図５は、この制御系において、移動方向即ちモータの回転方向の反転付近の微小変化分に着目し、１軸の時間的な変化をシミュレーションしたものである。図３は、ロストモーション補償、スティックモーション補償が無い場合を示しており、位置指令に対し、負荷位置には、大きなずれ（ロストモーション）が存在している。また、負荷位置がしばらくの時間停止するスティックモーションも見られる。図４は、本発明の方法により補償を行った場合の動作であり、位置指令に対する負荷位置のずれが無く、また、負荷位置の停止時間も非常に短くなっていることがわかる。
【００２５】
本実施の形態の方法及び装置によれば、簡単な構成で、円弧切削におけるロストモーション、スティックモーションを小さくすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、予めロストモーション補償設定値を定めておき、回転方向の変化を極性の変化として捉えて、この極性をロストモーション補償設定値に乗算してロストモーション補償量を求めるため、回転方向の反転に応じて速やかにロストモーション補償量を変更することができる上、反転タイミングを検出したときに速度制御部内の積分器の値を補償用目標値に書き換えるので、ロストモーション補償と同時に適切なスティックモーション補償を実行でき、従来の方法と比べてロストモーションとスティックモーションを小さくできる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータ制御装置の構成を全体を示したものである。
【図２】補償算出部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】ロストモーション補償、スティックモーション補償が無い場合の位置指令、負荷位置、速度指令、負荷速度，トルク指令をシミュレーションした波形図である。
【図４】本発明の実施の形態により補償を行った場合の位置指令、負荷位置、速度指令、負荷速度，トルク指令をシミュレーションした波形図である。
【符号の説明】
１ 速度算出部
２ 位置制御部
３ 加減算手段
４ 乗算手段
５ 補償算出部
６ 速度制御部
７ 減算手段
８ 乗算手段
９ 速度積分器
１０ 加算手段
１１ 乗算手段
１２ トルク制御部
１３ 外乱オブザーバ
１４ 補償用目標値演算手段
１５ ロストモーション補償設定値記憶手段
１６ ロストモーション補償量演算手段
１７ 判別手段
１８ ローパスフィルタ
１９ 目標値書き換え手段

Claims (7)

1. 制御対象であるモータの位置を検出する位置検出部と、
   前記モータの速度を算出する速度算出部と、
   前記位置検出部からフィードバックされた前記モータの位置と位置指令とが一致するように速度指令を出力して位置制御をする位置制御部と、
   比例積分制御により、前記速度算出部からフィードバックされた前記速度と前記速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う速度制御部と、
   前記トルク指令に基づいてトルク制御を行うトルク制御部とを有する制御装置を用いて、前記モータの回転方向を反転する際に発生するロストモーション及びスティックモーションを補償するモータの制御方法であって、
   前記モータが受ける摩擦トルクを推定し、
   推定した前記摩擦トルクと前記トルク指令とに基づいて前記スティックモーションを補償するために必要な前記速度制御部内の速度積分器の補償用目標値を定め、
   前記ロストモーションを補償するために必要なロストモーション補償設定値を予め定めておき、
   前記速度指令に基づいて前記回転方向の極性と前記回転方向を反転する反転タイミングとを判別し、
   前記回転方向の極性と前記ロストモーション補償設定値との乗算値をロストモーション補償量として前記位置指令に加算し、
   前記反転タイミングにおいて前記速度積分器の値を前記補償用目標値に変更することを特徴とするモータの制御方法。
2. 前記補償用目標値を（反転前のトルク指令−反転前に推定した摩擦トルク×２）の演算式により求めることを特徴とする請求項１に記載のモータの制御方法。
3. 前記極性の判別及び前記反転タイミングの判別をヒステリシスコンパレータを用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のモータの制御方法。
4. 制御対象であるモータの位置を検出する位置検出部と、
   前記モータの速度を算出する速度算出部と、
   前記位置検出部からフィードバックされた前記モータの位置と位置指令とが一致するように速度指令を出力して位置制御をする位置制御部と、
   比例積分制御により、前記速度算出部からフィードバックされた前記速度と前記速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う速度制御部と、
   前記トルク指令に基づいてトルク制御を行うトルク制御部とを有する制御装置を用いて、前記モータの回転方向を反転する際に発生するロストモーション及びスティックモーションを補償するモータの制御装置であって、
   前記モータが受ける摩擦トルクを推定する外乱オブザーバと、
   推定した前記摩擦トルクと前記トルク指令とに基づいて前記スティックモーションを補償するために必要な前記速度制御部内の速度積分器の補償用目標値を演算する補償用目標値演算手段と、
   前記ロストモーションを補償するために必要なロストモーション補償設定値を予め記憶しておくロストモーション補償設定値記憶手段と、
   前記速度指令に基づいて前記回転方向の極性と前記回転方向を反転する反転タイミングとを判別する判別手段と、
   前記回転方向の極性と前記ロストモーション補償設定値との乗算値をロストモーション補償量として演算するロストモーション補償量演算手段と、
   前記ロストモーション補償量を前記位置指令に加算するための加算ループと、
   前記反転タイミングにおいて前記速度積分器の値を前記補償用目標値に書き換える目標値書き換え手段とを有することを特徴とするモータの制御装置。
5. 前記外乱オブザーバは前記トルク指令と前記速度とに基づいて前記摩擦トルクを推定するように構成されている請求項４に記載のモータの制御装置。
6. 前記補償用目標値演算手段は、前記補償用目標値を（反転前のトルク指令−反転前に推定した摩擦トルク×２）の演算式により求めることを特徴とする請求項４に記載のモータの制御装置。
7. 前記判別手段はヒステリシスコンパレータにより構成されていることを特徴とする請求項４に記載のモータの制御装置。

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