JP4228361B2

JP4228361B2 - 電動アクチュエータの制御方法

Info

Publication number: JP4228361B2
Application number: JP2002372977A
Authority: JP
Inventors: 勝久遠藤; 隆藤田; 和啓飯田
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: JP2004208373A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの駆動力により、駆動力伝達手段を介して移動手段を移動させる電動アクチュエータの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ワーク等を搬送する手段として、電動アクチュエータが広く用いられている。
【０００３】
図５に示すように、この種の電動アクチュエータ１は、モータ２の回転駆動作用下に、駆動力伝達手段３（例えば、ボールねじ軸、タイミングベルト等）を介して、図示しないガイド部（例えば、リニアガイドレール、ガイドブロック等）に沿って移動手段であるスライダ４を変位させることにより、スライダ４に載置されたワーク等を所定位置に搬送するものである。
【０００４】
このスライダ４を変位させるために、すなわち、スライダ４の移動を制御するために、制御部５では、位置情報検出器であるエンコーダ６によるスライダ４の位置情報や、電動アクチュエータ１が搭載される装置等を統合して制御する図示しない上位の制御手段からの情報等に基づいてモータ２に駆動信号を出力している。なお、図５中、参照符号７は制御部５を動作させ、且つモータ２を駆動させるための電力を供給する電源を示す。また、制御部５は、電動アクチュエータ１内における制御、比較、判断、演算、記憶および計時等の機能を有し、これらを統合して処理するための図示しないＣＰＵ（central processing unit）を含む。
【０００５】
ところで、前記スライダ４が移動する際の速度および加速度は、モータ２に固有の速度−加速度特性に基づいて選定される。すなわち、図６に示すモータ２の速度−加速度特性（特性曲線）において、モータ２の性能を最大限に利用するために、各速度に対して加速度が最大になる値が選定される。そして、前記選定された値に基づいて制御部５からモータ２に駆動信号が出力され、スライダ４が移動する際の速度および加速度が制御される。
【０００６】
例えば、スライダ４をある一端から他端まで移動させる際（ここでは、２０００［ｍｍ］の直線距離を移動させる場合を例とする。）、図６に示す速度−加速度特性において、設定値Ａ｛速度５００［ｍｍ／ｓ（ミリメートル／秒）］、加速度０．５［Ｇ］（４９００［ｍｍ／ｓ²］）｝が選定された場合には、スライダ４は図７に示すように台形制御され、移動時間は約４．１［ｓ］となる。また、図６に示す速度−加速度特性において、設定値Ｂ｛速度１０００［ｍｍ／ｓ］、加速度０．３［Ｇ］（２９４０［ｍｍ／ｓ²］）｝が選定された場合には、スライダ４は図８に示すように台形制御され、移動時間は約２．３［ｓ］となる。さらに、図６に示す速度−加速度特性において、設定値Ｃ｛速度１７００［ｍｍ／ｓ］、加速度０．１５［Ｇ］（１４７０［ｍｍ／ｓ²］）｝が選定された場合には、スライダ４は図９に示すように三角制御され、移動時間は約２．３［ｓ］となる。これらの設定値Ａ、Ｂ、Ｃの中、設定値ＢおよびＣが選定された場合、スライダ４の移動時間がほぼ最短となる。
【０００７】
なお、この種の電動アクチュエータ１等に用いられるモータ２の中、ステッピングモータを用いた一例として、ステッピングモータの制御装置および制御方法が提案されている。この場合、前記制御装置は、制御回路、駆動回路、オブザーバ回路、電流検出回路、ステッピングモータ、エンコーダおよび目標司令部を備え、これらの中、オブザーバ回路によってステッピングモータの動作を細かく監視することができるとしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２５２９９４号公報（段落［００１９］、［００５７］、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した電動アクチュエータ１において、スライダ４の移動時間をさらに短縮しようとすると、モータ２よりも速度−加速度特性のよいモータ、すなわち、各速度に対する加速度の設定値が高いモータを使用する必要がある。その結果、前記モータがコストアップするとともに大型化し、従って、電動アクチュエータ１の製造コストも増大し、且つ大型化するという問題がある。
【００１０】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、電動アクチュエータを大型化させることなく、且つ廉価な構成により移動手段の移動時間を短縮させることを可能とする電動アクチュエータの制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モータの駆動力により駆動力伝達手段を介して移動手段を移動する電動アクチュエータの制御方法であって、前記モータに固有の速度−加速度特性から複数の速度に対する加速度が選定され、前記移動手段が移動する際の速度を、前記選定された加速度に基づいて変化させることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、モータに固有の速度−加速度特性から複数の速度に対する加速度の値を選定し、選定されたこれらの値に基づいて、モータの速度を変化させながら移動手段の加速動作および減速動作を行うようにしている。その結果、モータの速度の変化に対応して、該モータの各速度に対する加速度を効率的に利用することが可能となるので、モータの駆動による移動手段の移動時間を可及的に短縮することができる。
【００１３】
また、前記モータよりも速度−加速度特性のよいモータ、すなわち、高価で且つ大型のモータを使用する必要がないので、電動アクチュエータの製造コストが増大すること、且つ大型化することを回避させることができる。
【００１４】
この場合、前記モータには、安価なステッピングモータを用いることでよりコストが低減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る電動アクチュエータの制御方法について、それを実施するための電動アクチュエータとの関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。なお、前記従来技術で示した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する場合がある。
【００１６】
図１および図２において、参照符号２０は、本実施の形態に係る電動アクチュエータを示す。
【００１７】
この電動アクチュエータ２０は、ワーク等を移動または搬送するための移動手段であるスライダ４と、駆動軸２４を含むモータ２と、駆動軸２４に嵌入された第１ギア部２８ａを介してモータ２の駆動力をスライダ４に伝達する駆動力伝達手段であるタイミングベルト３０と、スライダ４の始点と終点の相対的停止位置を調節するストッパボルト３２をそれぞれ含むストッパ３４ａおよび３４ｂと、スライダ４の移動の制御を含み電動アクチュエータ２０を統合して制御する制御部３６とから構成される。なお、図２において、参照符号７は制御部３６を動作させ且つモータ２を駆動させるための電力を供給する電源を示す。
【００１８】
スライダ４は、ワーク等を載置するためのテーブル４０と、タイミングベルト３０を挟持するためのベルト保持部４２と、ストッパ３４ａおよび３４ｂにそれぞれ当接してテーブル４０の端面の摩耗を回避させるための端面プレート４４ａおよび４４ｂとを有する。さらに、スライダ４は、該スライダ４の移動方向（図１中に示す矢印Ｘ方向および矢印Ｙ方向）に沿って配置されるメインフレーム４６およびサブフレーム４８と、メインフレーム４６およびサブフレーム４８の両端部に固着されるエンドブロック５０ａおよび５０ｂとにより形成される構造体の内側に取り付けられたガイドレール５２によって摺動自在に支持される。
【００１９】
モータ２は、エンドブロック５０ａに固着されて、且つエンドブロック５０ａから外方に延在するブラケット５４上に取り付けられ、筐体５６により囲繞される。なお、筐体５６は、例えば、図示しないボルト等により、ブラケット５４に着脱自在に取り付けられる。
【００２０】
タイミングベルト３０は、モータ２の駆動軸２４に嵌入された第１ギア部２８ａと、エンドブロック５０ｂ内において軸２５により回転自在に支持される第２ギア部２８ｂとの間に懸架される。このタイミングベルト３０の一部分が、スライダ４のベルト保持部４２により挟持され、前記タイミングベルト３０とスライダ４とが一体的に変位するように設けられる。
【００２１】
制御部３６は、例えば、図示しないボルト等により、筐体５６に着脱自在に取り付けられる。あるいは、ブラケット５４に着脱自在に取り付けるようにしてもよい。
【００２２】
この制御部３６は、図６に示すモータ２の速度−加速度特性（特性曲線）から所望の速度に対する加速度の設定値Ａ、Ｂ、Ｃを選定する加速度選定部６０と、加速度選定部６０から出力される加速度指令（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１）を積分して速度指令（Ａ２、Ｂ２、Ｃ２）を算出する第１積分器６２と、前記速度指令（Ａ２、Ｂ２、Ｃ２）を積分して位置指令を算出する第２積分器６４と、前記速度指令（Ａ２、Ｂ２、Ｃ２）と前記位置指令とに基づきモータ２に駆動信号を出力する位置・速度制御部６６と、電動アクチュエータ２０内における制御、比較、判断、演算、記憶および計時等の機能を有し、これらを統合して処理するための図示しないＣＰＵ（central processing unit）とを備える（図２参照）。
【００２３】
加速度選定部６０は、公知のキー入力手段、あるいは、公知のボリューム等からなる速度調節器および加速度調節器により構成される。また、第１および第２積分器６２、６４は、前記ＣＰＵの演算機能に含まれる。
【００２４】
位置・速度制御部６６は、電源７から供給される電力を前記速度指令と前記位置指令とに基づいて、モータ２を駆動するための駆動信号に変換する駆動回路を含む。
【００２５】
なお、本実施の形態では、モータ２は、ステッピングモータを用いることがコスト的に安価となり望ましい。また、モータ２は、スライダ４の位置情報を検出するための位置情報検出器であるエンコーダ６を含んでいる。前記速度指令に対する応答性や前記位置指令に対する位置精度の正確さを向上できるためである。
【００２６】
このように構成される電動アクチュエータ２０の動作について、本発明に係る電動アクチュエータの制御方法との関連において以下に説明する。
【００２７】
先ず、図６に示すモータ２の速度−加速度特性に基づき、所望の速度に対する加速度の設定値Ａ、Ｂ、Ｃが入力される。すなわち、図２に示す加速度選定部６０には、設定値Ａ｛速度５００［ｍｍ／ｓ］、加速度０．５［Ｇ］（４９００［ｍｍ／ｓ²］）｝、設定値Ｂ｛速度１０００［ｍｍ／ｓ］、加速度０．３［Ｇ］（２９４０［ｍｍ／ｓ²］）｝および設定値Ｃ｛速度１７００［ｍｍ／ｓ］、加速度０．１５［Ｇ］（１４７０［ｍｍ／ｓ²］）｝がそれぞれ選定され、予め入力されている。
【００２８】
次いで、制御部３６において、図３に示すフローチャートに従いモータ２に出力する駆動信号が制御され、モータ２が駆動されるとともに、スライダ４が移動する。
【００２９】
ステップＳ１では、設定値Ａの加速度（０．５［Ｇ］）に基づいて出力される加速度指令Ａ１から第１積分器６２により算出された速度指令Ａ２が、設定値Ａの速度（５００［ｍｍ／ｓ］）より小さいか否かが加速度選定部６０により判定される。この速度指令Ａ２が設定値Ａの速度より小さいと判定されたとき｛ステップＳ１のＹＥＳ（肯定）｝、ステップＳ２に進み、設定値Ａの加速度指令Ａ１が引き続き出力される。すなわち、モータ２の速度（回転速度）が設定値Ａの速度に達していないために、引き続き設定値Ａの加速度に基づきモータ２の加速動作が行われ、スライダ４が加速移動される。
【００３０】
一方、ステップＳ１において、第１積分器６２により算出された速度指令Ａ２が設定値Ａの速度に達したと加速度選定部６０により判定されたとき｛ステップＳ１のＮＯ（否定）｝、ステップＳ３に進む。
【００３１】
ステップＳ３では、設定値Ｂの加速度（０．３［Ｇ］）に基づいて出力される加速度指令Ｂ１から第１積分器６２により算出された速度指令Ｂ２が、設定値Ｂの速度（１０００［ｍｍ／ｓ］）より小さいか否かが加速度選定部６０により判定される。この速度指令Ｂ２が設定値Ｂの速度より小さいと判定されたとき（ステップＳ３のＹＥＳ）、ステップＳ４に進み、設定値Ｂの加速度指令Ｂ１が引き続き出力される。すなわち、モータ２の速度が設定値Ｂの速度に達していないために、引き続き設定値Ｂの加速度に基づきモータ２の加速動作が行われ、スライダ４が加速移動される。
【００３２】
一方、ステップＳ３において、第１積分器６２により算出された速度指令Ｂ２が設定値Ｂの速度に達したと判定されたとき（ステップＳ３のＮＯ）、ステップＳ５に進む。
【００３３】
ステップＳ５では、設定値Ｃの加速度（０．１５［Ｇ］）に基づいて出力される加速度指令Ｃ１から第１積分器６２により算出された速度指令Ｃ２が、設定値Ｃの速度（１７００［ｍｍ／ｓ］）より小さいか否かが加速度選定部６０により判定される。この速度指令Ｃ２が設定値Ｃの速度より小さいと判定されたとき（ステップＳ５のＹＥＳ）、ステップＳ６に進み、設定値Ｃの加速度指令Ｃ１が引き続き出力される。すなわち、モータ２の速度が設定値Ｃの速度に達していないために、引き続き設定値Ｃの加速度に基づきモータ２の加速動作が行われ、スライダ４が加速移動される。
【００３４】
一方、ステップＳ５において、第１積分器６２により算出された速度指令Ｃ２が設定値Ｃの速度に達したと判定されたとき（ステップＳ５のＮＯ）、モータ２の一連の加速動作が完了し、モータ２は設定値Ｃの速度に基づき定速動作され、スライダ４も定速移動される。
【００３５】
ここで、前述したモータ２の一連の加速動作について、図４に示す移動時間と速度との関係に基づいて説明する。
【００３６】
先ず、時点ｔ０においてモータ２が始動され、モータ２は設定値Ａの加速度に基づいて加速動作される。時点ｔ１、すなわち、モータ２の速度が設定値Ａの速度（５００［ｍｍ／ｓ］）に達した時点で設定値Ｂの加速度に変更され、モータ２は設定値Ｂの加速度に基づく加速動作に移行する。
【００３７】
次いで、時点ｔ２、すなわち、モータ２の速度が設定値Ｂの速度（１０００［ｍｍ／ｓ］）に達した時点で設定値Ｃの加速度に変更され、モータ２は設定値Ｃの加速度に基づく加速動作に移行する。時点ｔ３、すなわち、モータ２の速度が設定値Ｃの速度（１７００［ｍｍ／ｓ］）に達した時点で一連の加速動作が完了され、モータ２は設定値Ｃの速度に基づく定速動作に移行する。なお、時点ｔ３〜ｔ４間のモータ２の定速動作における移動時間は、制御部３６において使用者により任意に設定することが可能である。
【００３８】
一方、図４に示す時点ｔ４〜ｔ７間において、モータ２を減速動作させる場合、基本的には、前述した一連の加速動作とは逆に各ステップＳ１〜Ｓ６が進められる。すなわち、時点ｔ４において、モータ２は、設定値Ｃの速度に基づく定速動作から設定値Ｃの負の加速度（図４中では、−Ｃと示す。）に基づく減速動作に移行する。時点ｔ５、すなわち、モータ２の速度が設定値Ｂの速度（１０００［ｍｍ／ｓ］）に減速された時点で設定値Ｂの負の加速度（図４中では、−Ｂと示す。）に変更され、モータ２は設定値Ｂの負の加速度に基づく減速動作に移行する。
【００３９】
次いで、時点ｔ６、すなわち、モータ２の速度が設定値Ａの速度（５００［ｍｍ／ｓ］）に減速された時点で設定値Ａの負の加速度（図４中では、−Ａと示す。）に変更され、モータ２は設定値Ａの負の加速度に基づく減速動作に移行する。そして、モータ２の速度が０になる時点ｔ７、すなわち、モータ２の駆動によりスライダ４が移動されて目標地点に到達する時点において、モータ２の一連の減速動作が完了する。
【００４０】
このように、前記従来技術における単一の設定値Ａ、ＢまたはＣによるモータ２の台形制御または三角制御では、スライダ４の移動時間が最短でも約２．３［ｓ］を要していたのに対し、本実施の形態では、図４に示すように、設定値Ａ、ＢおよびＣに基づく複数の加速度を段階的に変更して制御するようにした結果、スライダ４の移動時間を約１．８［ｓ］にまで短縮することができる。
【００４１】
なお、前述したモータ２の加速動作、定速動作および減速動作の間、制御部３６は、実際には、前記各指令にエンコーダ６によるフィードバック情報を加え、前記各速度、各加速度およびスライダ４の移動位置を監視しながら制御している。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態に係る電動アクチュエータ１の制御方法によれば、モータ２に固有の速度−加速度特性から所望の速度に対する加速度を設定値Ａ、Ｂ、Ｃとして選定し、これらの設定値Ａ、Ｂ、Ｃに基づいて、モータ２の速度を変化させながらスライダ４の加速動作および減速動作を行うようにしている。その結果、モータ２の速度の変化に対応して、該モータ２の各速度に対する加速度を効率的に利用することが可能となるので、モータ２の駆動によるスライダ４の移動時間を可及的に短縮することができる。なお、設定値Ａ、Ｂ、Ｃを細分化すればする程モータ２の速度−加速度特性に漸近し、一致した場合には最大限（最大効率）での駆動が可能となる。
【００４３】
また、モータ２よりも速度−加速度特性のよいモータ、すなわち、高価で且つ大型のモータを使用する必要がないので、電動アクチュエータ２０の製造コストが増大すること、且つ大型化することを回避させることができる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、モータ２の速度に対する加速度として設定値Ａ、Ｂ、Ｃの３つを選定した場合を例示したが、これに限定されるものではなく、モータ２の速度−加速度特性、スライダ４に要求される移動速度および加速度、あるいは電動アクチュエータ２０が搭載される装置等の状況に応じて、種々の選定が可能であることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００４６】
すなわち、モータの速度に対する加速度の特性を効率的に利用することが可能となるので、モータの駆動による移動手段の移動時間を可及的に短縮することができる。
【００４７】
また、高価で且つ大型のモータを使用する必要がないので、電動アクチュエータの製造コストが増大すること、且つ大型化することを回避させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る電動アクチュエータの斜視図である。
【図２】前記電動アクチュエータの制御ブロック図である。
【図３】前記制御部における制御方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記電動アクチュエータにおけるモータおよびスライダの移動時間と速度との関係を示す説明図である。
【図５】従来技術に係る電動アクチュエータの制御ブロック図である。
【図６】従来技術に係る電動アクチュエータにおけるモータの速度−加速度特性を示す説明図である。
【図７】前記従来技術に係る電動アクチュエータにおいて、設定値Ａによるモータおよびスライダの移動時間と速度との関係を示す説明図である。
【図８】前記従来技術に係る電動アクチュエータにおいて、設定値Ｂによるモータおよびスライダの移動時間と速度との関係を示す説明図である。
【図９】前記従来技術に係る電動アクチュエータにおいて、設定値Ｃによるモータおよびスライダの移動時間と速度との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
２…モータ４…スライダ
６…エンコーダ７…電源
２０…電動アクチュエータ３０…タイミングベルト
３６…制御部６０…加速度選定部
６２、６４…積分器６６…位置・速度制御部
Ａ、Ｂ、Ｃ…設定値Ａ１、Ｂ１、Ｃ１…加速度指令
Ａ２、Ｂ２、Ｃ２…速度指令ｔ０〜ｔ７…時点

Claims

メインフレームと、
前記メインフレームに固着されるガイドレールと、
前記ガイドレールに沿って移動動作するスライダと、
前記スライダの移動動作を行なうためのステッピングモータと、
前記移動動作を制御する制御部と、を備え、
前記ステッピングモータに固有の速度−加速度特性から複数の速度を選定し、前記選定された速度毎にそれぞれ加速度を求め、
前記スライダに前記速度毎において選定された加速度で移動動作させることを特徴とする電動アクチュエータの制御方法。