JP3954818B2

JP3954818B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP3954818B2
Application number: JP2001263209A
Authority: JP
Inventors: 徹安藤
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2003079180A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータ制御装置、特に可動部の同一移動軸上での動作を複数のモータで駆動制御するタンデム制御を行なうモータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械等において、移動させようとする可動部が大きく、一つのモータだけで駆動することが出来ない場合や、可動部を制御する上で無視できない大きさのバックラッシュが可動部とモータ間にある場合において、二つのモータに対して同一の移動についての指令を行ない、可動部の同一移動軸上での動作を二つのモータで駆動制御するタンデム制御が行なわれている。タンデム制御で可動部の位置を制御するときの可動部及びモータの配置の例を図５（ａ），（ｂ）に示す。図５（ａ）では、２つのモータ５４，５５が可動部３３に対して同方向にあり、２つのモータが同じ方向に回転することで、ボールネジ３４，３５を介して可動部３３を移動する。また、図５（ｂ）では、２つのモータ５４，５５が可動部３３を挟んで反対方向にあり、モータが互いに逆方向に回転することで、ボールネジ３４，３５を介して可動部３３を移動する。
【０００３】
図５（ａ），（ｂ）のように配置される２つのモータでタンデム制御を行う、従来技術のモータ制御装置の制御ブロック図を図６及び図７に示す。
【０００４】
まず、図６の制御ブロック図について説明する。マスタ軸側では、位置指令とマスタ軸モータ５４に接続されているエンコーダ５６からの位置フィードバックに基づき位置制御部５１Ｍにて速度指令値を算出し、その速度指令値とエンコーダ５６からの速度フィードバックに基づき速度制御部５２Ｍにて電流指令値を算出する。さらに、この電流指令値とマスタ軸モータに備えられた電流検出器５９Ｍからの電流フィードバックに基づき電流制御部５３Ｍにてマスタ軸電流指令を算出し、このマスタ軸電流指令によりマスタ軸モータ５４を制御する。また、スレーブ軸側でも同様に、マスタ軸と同一の位置指令とスレーブ軸モータ５５に接続されているエンコーダ５７からの位置フィードバックに基づき位置制御部５１Ｓにて速度指令値を算出し、その速度指令値とエンコーダ５７からの速度フィードバックに基づき速度制御部５２Ｓにて電流指令値を算出する。さらに、この電流指令値とスレーブ軸モータに備えられた電流検出器５９Ｓからの電流フィードバックに基づき電流制御部５３Ｓにてスレーブ軸電流指令を算出し、このスレーブ軸電流指令によりスレーブ軸モータ５５を制御する。各位置制御部５１Ｍ，５１Ｓに与えられる位置指令は同期がとられており、また位置制御部５１Ｍ，５１Ｓ、速度制御部５２Ｍ，５２Ｓ、電流制御部５３Ｍ，５３Ｓについても同期を取って処理を行っているので、電流制御部５３Ｍ，５３Ｓからマスタ軸モータ５４及びスレーブ軸モータ５５に同じタイミングで電流指令が与えられる。
【０００５】
次に、図７に示される従来技術のタンデム制御を行うモータ制御装置の制御ブロック図について説明する。図７のモータ制御装置６８では、まず、位置指令Ｐ＊と位置帰還Ｐとの差である位置誤差ΔＰに位置ループゲインＫｖを掛けて速度指令Ｖ＊を算出し、この速度指令Ｖ＊と速度帰還Ｖとの差である速度誤差ΔＶに対して、速度制御部６２でＰＩ制御等の制御を行ない、トルク指令値Ｔ＊を算出する。そして、トルク指令値Ｔ＊にプリロードトルクＴｐ１を加算し、加算されたトルク指令値Ｔ１＊と電流帰還Ｉｍｆｂに基づいて電流制御部６３がマスタ軸電流指令を演算する。また同様に、トルク指令値Ｔ＊にプリロードトルクＴｐ２を加算して得られたトルク指令値Ｔ２＊と電流帰還Ｉｓｆｂに基づいて電流制御部６４がスレーブ軸電流指令を演算する。図７において図示されていない二つのモータ（マスタ軸モータ５４とスレーブ軸モータ５５）は、それぞれ電流制御部６３，６４で算出されたマスタ軸電流指令、スレーブ軸電流指令により駆動制御される。
【０００６】
図７に示される制御ブロックでは、トルク指令値Ｔ＊にプリロードトルクＴｐ１，Ｔｐ２を付加しているが、これはバックラッシュの影響を低減するためである。プリロードトルクＴｐ１，Ｔｐ２は二つのモータの回転方向が同じ場合は逆符号のトルクであり、回転方向が逆方向の場合は同符号のトルクである。そのため、速度制御部６２により算出されたトルク指令値Ｔ＊に一定のオフセットを付加し、マスタ軸モータ５４とスレーブ軸モータ５５とを互いにバックラッシュの反対方向に張り合わせることができる。このトルクを付加することにより、機械機構上バックラッシュがある場合でもバックラッシュからの影響を低減することが可能となる。
【０００７】
図７に示すモータ制御装置６８では、速度帰還平均器６５を備えている。マスタ軸側に大きなトルクが必要となると、トルク指令値Ｔ＊が大きくなり、マスタ軸側だけでなくスレーブ軸側にも大きなトルク指令値Ｔ＊が与えられる。トルク指令値Ｔ＊が大きいとプリロードトルクＴｐ１，Ｔｐ２が与えるオフセットでは反対方向に張り合わせることができず、マスタ軸モータ５４とスレーブ軸モータ５５が可動部３３に対して互いに反対方向に力を与える状態から、スレーブ軸側のボールネジ３５の係合部でバックラッシュ内での動作が発生し、２つのモータが同じ方向に力を与える状態となる。このとき、スレーブ軸モータ５５の速度制御を行っていないと、バックラッシュが大きい場合、高速で衝突することになり可動部３３の制御の安定性が悪化してしまうが、速度帰還平均器６５でマスタ軸モータ５４の速度帰還Ｖｍｆｂとスレーブ軸モータ５５の速度帰還Ｖｓｆｂとからその平均値を算出することにより、スレーブ軸の速度を抑制し衝突を防止している。
【０００８】
また、反転器６６はマスタ軸モータ５４とスレーブ軸モータ５５の回転方向に応じて、符号反転させるために用いられ、図５（ａ）に示されるようにマスタ軸モータとスレーブ軸モータの回転方向が同じ場合には符号を変化させないように設定し、図５（ｂ）に示されるように回転方向が異なる場合には符号を反転させるように設定する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図６のタンデム方式の制御を同期制御で行なった場合の問題点を以下に説明する。上述したように、図６に示されるモータ制御装置５８では、マスタ軸モータ５４、スレーブ軸モータ５５にそれぞれ位置制御部５１Ｍ，５１Ｓ、速度制御部５２Ｍ，５２Ｓ、電流制御部５３Ｍ，５３Ｓが備えられ、独立に位置制御を行なっているため、マスタ軸モータ５４、スレーブ軸モータ５５にそれぞれボールネジ３４，３５を接続し、可動部３３を駆動する場合には、ボールネジ３４，３５のピッチ誤差によりマスタ軸側のエンコーダ５６で検出される位置とスレーブ軸側のエンコーダ５７で検出される位置との間に位置誤差が発生することになる。その結果、機械剛性が高い場合には、軸間でモータ５４，５５が与える駆動力の干渉が発生し、安定した制御を行なうことが出来なくなり問題となる。一例を挙げ説明すると、マスタ軸モータ５４が位置指令の位置で停止しても、スレーブ軸モータ５５の位置がボールネジ３４，３５のピッチ誤差に起因する位置誤差があると、この誤差を修正するように移動しようとして可動部３３に駆動力を与える。それに対してマスタ軸モータ５４は可動部３３の位置が移動しないように反対方向に駆動力を与える。さらにスレーブ軸モータ５５とマスタ軸モータ５４が互いの所望の位置に移動するように駆動力を与えあい駆動力が大きくなってしまい、モータ５４，５５に流される電流が大きくなってしまうという問題があった。
【００１０】
また、図７に示されるモータ制御装置６８では、速度帰還平均器６５が速度平均を算出してフィードバックすることにより、衝突を防止しているものの、単に速度帰還Ｖｍｆｂ，Ｖｓｆｂを平均するのみであるので、マスタ軸側で大きなトルクが必要なときに、スレーブ軸側の可動部３３との係合部でのバックラッシュ内での動作が抑えられず、衝突が発生してしまう場合があり、制御の安定性が悪化する問題があった。
【００１１】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、タンデム方式の制御にて、マスタ軸−スレーブ軸間で駆動力の干渉が発生せず、また、バックラッシュ動作により制御の不安定が生じず、安定した制御を行うことができるタンデム制御のモータ制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータ制御装置は、マスタ軸モータとスレーブ軸モータとを用いて、一つの可動部を駆動するタンデム制御を行うモータ制御装置であって、前記モータ毎に、可動部の位置を制御するための共通の位置指令に基づき、対応するモータの速度指令を演算する位置制御部と、前記位置制御部で演算された速度指令に基づき、対応するモータのトルク指令を演算する速度制御部と、前記速度制御部で演算されたトルク指令に基づき、対応するモータの電流指令を演算する電流制御部とをそれぞれ備えるモータ制御装置において、マスタ軸モータに対応する速度制御部で演算されたトルク指令と、スレーブ軸モータに対応する速度制御部で演算されたトルク指令と、の差に対してその急な変化を緩和するようローパスフィルタ処理を行うことにより、スレーブ軸のトルク指令を徐々にマスタ軸のトルク指令に補正するためのトルク調停値を演算するトルク調停部を備え、トルク調停値をスレーブ軸のトルク指令のみに加算することによりスレーブ軸のトルク指令を徐々にマスタ軸のトルク指令に補正することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明のモータ制御装置では、トルク調停部を備えることで、位置誤差によるモータ同士の駆動力の干渉が発生することを防止でき、また、マスタ軸のトルク指令値が急に大きく変化した場合でも、スレーブ軸のトルク指令値に影響を与えることを防止でき、安定したタンデム方式の制御を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、図１から図３により、本発明のタンデム制御を行うモータ制御装置の第一の実施形態について説明する。図１はタンデム制御されるモータ及び可動部の構成を示す説明図である。図２はこの第一の実施形態にかかるモータ制御装置１８の制御回路を示すブロック図である。図３はトルク調停部５の詳細を示すブロック図である。
【００１５】
まず、本実施形態の構成を図１を参照して説明する。図１に示される可動部３３は、マスタ軸モータ３１とスレーブ軸モータ３２の二つのモータにより、それぞれのモータに接続されたボールネジ３４，３５を介して、駆動し制御される。ボールネジ３４，３５の他端は、固定部３６に軸支される。このとき、マスタ軸モータ３１では、エンコーダ３７からの検出値に基づき、位置帰還Ｐｍと速度帰還Ｖｍとを算出し、図２に示されるモータ制御装置１８の制御回路にフィードバックする。スレーブ軸モータ３２でも同様に、エンコーダ３８からの位置検出値に基づき、位置帰還Ｐｓと速度帰還Ｖｓとを算出し、図２で示されるモータ制御装置１８の制御回路にフィードバックする。制御回路ではこのフィードバックされた情報を入力し、マスタ軸モータ３１、スレーブ軸モータ３２を制御する指令を算出する。図１ではエンコーダ３７，３８を用いてモータの回転軸の位置を検出しているが、可動部３３に位置検出を行なう検出器を備え、この位置器からの情報をモータ制御装置１８にフィードバックしてタンデム制御することも可能である。
【００１６】
次に、第一の実施形態のモータ制御装置内で、位置指令からマスタ軸電流指令、スレーブ軸電流指令が演算される処理を図２を参照して説明する。マスタ軸側では、位置指令Ｐ＊と位置帰還Ｐｍとから位置制御部１Ｍで速度指令値Ｖｍ＊を算出し、この算出された速度指令値Ｖｍ＊と速度帰還Ｖｍとから速度制御部２Ｍでトルク指令値Ｔｍ＊を算出する。電流制御部３Ｍは、このトルク指令値Ｔｍ＊と、マスタ軸モータ３１に与えられる電流を測定して得られた電流帰還Ｉｍとからマスタ軸電流指令を算出し、マスタ軸モータ３１を駆動制御する。一方、スレーブ軸側では、マスタ軸側と同一の位置指令値Ｐ＊と位置帰還Ｐｓとから位置制御部１Ｓで速度指令値Ｖｓ＊を算出し、この算出された速度指令値Ｖｓ＊と速度帰還Ｖｓとから速度制御部２Ｓでトルク指令値Ｔｓ＊を算出する。このトルク指令値Ｔｓ＊は加算器６に送られるのと同時にトルク調停部５に送られる。また、速度制御部２で算出されたトルク指令値Ｔｍ＊は、反転器４を通してトルク調停部５に渡される。これらのトルク指令値Ｔｍ＊、Ｔｓ＊に基づいて、トルク調停部５でトルク調停値Ｔａ＊が演算される。この演算されたトルク調停値Ｔａ＊を、加算器６でトルク指令値Ｔｓ＊に加算し、トルク指令値Ｔｓ＊を補正して、補正されたトルク指令値Ｔｓ１＊を算出する。この補正されたトルク指令値Ｔｓ１＊と、スレーブ軸モータ３２に流される電流を測定して得られた電流帰還Ｉｓとからスレーブ軸電流指令を算出し、スレーブ軸モータ３２を駆動制御する。この場合、トルク指令値Ｔｍ＊は、マスタ軸からスレーブ軸へのデータ転送のために時間遅れが発生するが、マスタ軸とスレーブ軸に同一の指令を行なっているため、スレーブ軸のフィードフォワード分については時間遅れがなくなっている。尚、反転器４はマスタ軸モータとスレーブ軸モータの回転方向に応じて、符号を反転させるために用いられており、回転方向が同一の場合には符号反転を行なわず、回転方向が異なる場合には符号反転を行なう。
【００１７】
上述した本実施形態のモータ制御装置１８において特徴的なことは、マスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊とスレーブ軸トルク指令値Ｔｓ＊を入力して、トルク調停値Ｔａ＊を演算するトルク調停部５を備えたことである。トルク調停部５で行われる処理について図３を参照して詳しく説明する。図３はトルク調停部５の処理ブロック図である。トルク調停部５では、マスタ軸側のトルク指令値Ｔｍ＊とスレーブ軸側のトルク指令値Ｔｓ＊を入力する。ここで、モータ制御装置は同期制御で制御されるため、トルク指令値Ｔｍ＊、Ｔｓ＊はトルク調停部に一定周期で送られてくる。その一定周期のｎ番目のマスタ軸のトルク指令値をＴｍ＊（ｎ）、スレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊（ｎ）とする。トルク調停部５では、マスタ軸トルク指令値Ｔｍ＊（ｎ）とスレーブ軸トルク指令値Ｔｓ＊（ｎ）を入力し、マスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊（ｎ）とスレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊（ｎ）の差（Ｔｍ＊（ｎ）−Ｔｓ＊（ｎ））から前回の調停トルク指令値Ｔａ＊（ｎ−１）を減算した値に対して定数Ｋ（Ｋ≦１）を掛け、前回のトルク調停値Ｔａ＊（ｎ−１）を加算することにより、今回のトルク調停値Ｔａ＊（ｎ）を算出する。これらの処理は、マスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊とスレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊との差、トルク調停値をそれぞれＴｄ（ｎ），Ｔａ＊（ｎ）とすれば、次の式１で表される。
【００１８】
Ｔａ＊（ｎ）＝Ｋ＊（Ｔｄ（ｎ）−Ｔａ＊（ｎ−１））＋Ｔａ＊（ｎ−１）・・・式１
ここで、初期値Ｔａ＊（０）＝０である。
【００１９】
式１で算出されたトルク調停値Ｔａ＊が、加算器６でスレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊に加算され、補正されたトルク指令値Ｔｓ１＊が演算される。
【００２０】

上の式１、式２から、スレーブ軸の補正されたトルク指令値Ｔｓ１＊について次のことが理解できる。トルク調停値Ｔａ＊（ｎ）はスレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊（ｎ）をマスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊（ｎ）と同じ値に近づくように補正するのであるが、トルク指令値の差Ｔｄ（ｎ）から前回のトルク調停値Ｔａ（ｎ−１）を引き、さらにその値に定数Ｋを掛けた値が前回のトルク調停値Ｔａ（ｎ−１）からの増加分であるので、トルク調停値Ｔａ＊（ｎ）はマスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊（ｎ）が急に大きく変化しても、その変化を緩和して、スレーブ軸のトルク指令値を徐々にマスタ軸のトルク指令値の値に補正する。言い換えると、マスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊（ｎ）とスレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊（ｎ）との差Ｔｄ（ｎ）に対して、ある時定数によるローパスフィルタ処理を行い、低周波成分を抽出して、スレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊（ｎ）を補正する。したがって、トルク調停部を備えることで、位置誤差によるモータ同士の駆動力の干渉が発生することを防止でき、また、マスタ軸のトルク指令値が急に大きく変化した場合でも、スレーブ軸のトルク指令値に影響を与えることを防止でき、安定した制御が可能となる。
【００２１】
次に、同一のシャフト４４を二つのモータ４２，４３で駆動する場合に、本発明のモータ制御装置１８を適用した第二の実施形態について説明する。図４は、第二の実施形態のモータの概略構造を示す説明図である。図４のようにモータユニット４５は、マスタ軸モータ４２とスレーブ軸モータ４３とで共有のシャフト４４を駆動させ、このシャフト４４には検出器４１が接続された構成をしている。このモータユニット４５は、モータの出力が足りない時などに、同じ出力のモータを２個使用することで、所望の出力を得るためのものである。第二の実施形態でも、図２に示される第一の実施形態と同じモータ制御装置１８が用いられる。ここで、シャフト４４の回転位置の制御を行なうために、マスタ軸では、シャフト４４に接続されている検出器４１からの検出値に基づき、位置帰還Ｐｍと速度帰還Ｖｍとを算出し、図２で示される制御回路によりマスタ軸モータ４２を制御する指令を算出する。スレーブ軸でも同様に、検出器４１からの検出値に基づき、位置帰還Ｐｓと速度帰還Ｖｓとを算出し、図１で示される制御回路により、スレーブ軸モータ４３を制御する指令を算出する。
【００２２】
尚、以上に説明した第一、第二の実施形態では、位置指令Ｐ＊をモータ制御装置１８に入力し、シャフト４４の回転位置の制御を行なう位置制御について述べたが、回転数指令をモータ制御装置１８に入力する、モータ４５の回転数制御についても本発明を適用できる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のモータ制御装置では、トルク調停部を備えることで、位置誤差によるモータ同士の駆動力の干渉が発生することを防止でき、また、マスタ軸のトルク指令値が急に大きく変化した場合でも、スレーブ軸のトルク指令値に影響を与えることを防止でき、安定したタンデム方式の制御を行うことができる。さらに、スレーブ軸にはマスタ軸と同一の指令を行なっているため、スレーブ軸のフィードフォワード分については、時間遅れがなくなり、安定したタンデム方式の制御を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態にかかるタンデム制御されるモータの概略構造を示す説明図である。
【図２】第一の実施形態にかかるモータ制御装置の制御回路を示すブロック図である。
【図３】第一の実施形態にかかるモータ制御装置のトルク調停部の詳細を示すブロック図である。
【図４】本発明の第二の実施形態にかかるタンデム制御されるモータの概略構造を示す説明図である。
【図５】タンデム制御されるモータの配置を示す説明図である。
【図６】従来のタンデム方式の制御を同期制御で行なうための制御ブロックの詳細を示すブロック図である。
【図７】従来の二つのモータによるタンデム制御を行なうための制御ブロックの詳細を示すブロック図である。
【符号の説明】
１Ｍ，１Ｓ位置制御部、２Ｍ，２Ｓ，５２Ｍ，５２Ｓ，６２速度制御部、３Ｍ，３Ｓ，５３Ｍ，５３Ｓ，６３，６４電流制御部、４，６６反転器、５トルク調停部、６加算器、１８モータ制御装置、２１定数乗算部、２２前回値記憶部、２３，２４減算器、２５加算器、３１，４２，５４マスタ軸モータ、３２，４３，５５スレーブ軸モータ、３３可動部、３４，３５ボールネジ、３６固定部、３７，３８，５６，５７エンコーダ、４１検出器、４４シャフト、４５モータユニット、５１Ｍ，５１Ｓ位置制御部、５９Ｍ，５９Ｓ電流検出器、５８，６８モータ制御装置、６１位置ループゲイン、６５速度帰還平均器。

Claims

マスタ軸モータとスレーブ軸モータとを用いて、一つの可動部を駆動するタンデム制御を行うモータ制御装置であって、前記モータ毎に、可動部の位置を制御するための共通の位置指令に基づき、対応するモータの速度指令を演算する位置制御部と、前記位置制御部で演算された速度指令に基づき、対応するモータのトルク指令を演算する速度制御部と、前記速度制御部で演算されたトルク指令に基づき、対応するモータの電流指令を演算する電流制御部とをそれぞれ備えるモータ制御装置において、
マスタ軸モータに対応する速度制御部で演算されたトルク指令と、スレーブ軸モータに対応する速度制御部で演算されたトルク指令と、の差に対してその急な変化を緩和するようローパスフィルタ処理を行うことにより、スレーブ軸のトルク指令を徐々にマスタ軸のトルク指令に補正するためのトルク調停値を演算するトルク調停部を備え、
トルク調停値をスレーブ軸のトルク指令のみに加算することによりスレーブ軸のトルク指令を徐々にマスタ軸のトルク指令に補正することを特徴とするモータ制御装置。