JP4323542B2 - 学習制御機能を備えた電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電動機を使用して被駆動体を駆動させるための、学習制御機能を備えた制御装置に関する。

工作機械や産業機械等の機械において、細径のピンや薄板等の低剛性の被駆動体すなわちワークを１つの電動機で駆動する場合、ワークの重心と大きく異なる位置に力を作用させて駆動すると、ワークに捻れや撓みが生じ、安定した駆動が困難になる場合がある。このような場合、１つの被駆動体の異なる位置を２つの電動機で駆動することにより、被駆動体の捻れや撓みを抑制し、安定な制御を実現することができる。例えば、低剛性のワークを片持ち駆動で回転させて加工を行う場合、加減速トルクや加工負荷によりワークの捻れが発生し、高精度な回転制御が困難となる場合がある。このような場合は、ワークを両持ちで駆動することにより、ワークの捻れの発生を抑制し、高精度な回転制御を行うことができる。

しかしながら、機械の構成やワークの種類によっては、それぞれの電動機に加わる負荷がアンバランスになる場合がある。例えば、ワークを両持ちで駆動しているときに、一方の電動機に加わる負荷が他方の電動機に加わる負荷よりも大きくなった場合は、負荷の大きい方の電動機の応答性が低下して加減速に遅れが生じ、ワークに捻れや振動等の悪影響を及ぼす。ここで、それぞれの電動機の応答性を同等にするために、各電動機のポジションゲインを同じにするだけではなく、ワークに応じて速度ゲインの調整を行う必要があるが、一般にワークは多種多様であるため、この調整は非常に多くの工数が必要となる。

また、１つのワークを駆動する複数の電動機の種類が互いに異なる場合も考えられる。このような場合、それぞれの電動機の応答性に差が生じ、高精度な制御が困難となることがある。

一般に、往復動作等の所定の周期で繰り返される動作の指令に基づいて高精度に電動機を制御すべき場合に、学習制御を適用することは非常に効果的である。例えば特許文献１には、１つの被駆動体を複数の電動機で駆動する場合に、１つの電動機の制御において学習制御を適用し、そこで得られた補正量を全ての電動機の制御に利用する制御方法が開示されている。

また特許文献２には、２つの駆動軸のそれぞれの駆動源を同期制御するサーボ制御装置において、同期誤差に基づいて一方の駆動源の位置偏差を補正するためのデータを算出する技術が開示されている。

特開平１１−３０５８３９号公報 特開２００７−４２０６８号公報

特許文献１に記載の制御方法では、ワークの剛性が高い場合には高精度な制御が可能である。しかしワークが低剛性である場合は、ワークに捻れや撓みが生じやすいことから、１つの電動機の学習制御で得られた補正量を他の電動機の制御に適用しても、高精度な制御ができるとは限らない。また電動機間に負荷のアンバランスがある場合には、特許文献１に記載されるような学習制御を適用しても、それぞれの電動機で応答性が異なるため、高精度な制御は困難である。

また特許文献２に記載の技術はマスタ側とスレーブ側との同期誤差を小さくすることに主眼を置いたものであり、上述のような両電動機の応答性の差に基づく問題の解決を図るものではない。

そこで本発明は、所定の周期で繰り返される指令に基づいて電動機を制御する場合に、複数の電動機を使用して１つの被駆動体を高精度に駆動させることができる制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定周期で繰り返される指令に基づいて１つの被駆動体を２つの電動機を用いて駆動するための電動機の制御装置であって、各々の電動機の位置偏差を計算する位置偏差計算部と、前記位置偏差計算部が計算した位置偏差の各々がそれぞれ最小となるように、位置偏差補正量を計算する学習制御器と、前記学習制御器が計算した位置偏差補正量に基づいて、各々の電動機の位置偏差を補正する位置偏差補正部と、を有し、前記学習制御器は各電動機に独立して設けられ、前記学習制御器の各々は、同一の遮断帯域を持つローパスフィルタと、所定周期で繰り返される指令と同じ時間周期の位置偏差を格納できるメモリと、各電動機の特性に応じて、それぞれ独立の位相進みを行う位相進み補償器と、を有することを特徴とする、電動機の制御装置を提供する。ここでローパスフィルタの遮断帯域は、学習制御の応答性を定めるパラメータに相当する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電動機の制御装置において、前記学習制御器の各々が出力する位置偏差補正量の差分が所定の範囲内にあるか否かを監視する補正差監視部と、前記差分が所定の範囲を超えた場合、各々の学習制御器の出力をクランプするクランプ部と、をさらに有することを特徴とする、電動機の制御装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電動機の制御装置において、前記学習制御器の各々が出力する位置偏差補正量の差分を最小にするように、いずれか一方の電動機の速度ゲインを自動調整するゲイン調整器をさらに有することを特徴とする、電動機の制御装置を提供する。

本発明に係る電動機の制御装置によれば、１つの被駆動体を２つの電動機で駆動する場合に、電動機間に負荷のアンバランス等があっても、応答性を決めるパラメータを同一に設定した学習制御器を各電動機に独立に設けることにより、各電動機の応答性を同等にすることができる。従って被駆動体が低剛性のものであっても大きな捻れや撓みを生じさせることなく、高精度な制御を行うことができる。

また本発明によれば、学習制御器の好適な具体的構成が提供される。

本発明に係る電動機の制御装置に補正差監視部及びクランプ部をさらに設けることにより、学習過程において被駆動体に大きな負荷が加わる虞がある場合に、その負荷を低減することができる。

本発明に係る電動機の制御装置にゲイン調整器をさらに設けることにより、学習制御の収束性を改善することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御装置２のブロック図である。制御装置２の構成は、本発明の特徴部分である第１及び第２学習制御器４及び６を除き従来の装置構成と略同一でよい。制御装置２は、一例としてクランクピン８を第１及び第２電動機（モータ）１０及び１２によって回転駆動するためのものであり、所定周期で繰り返される指令に基づいて両電動機を制御するものである。

第１電動機１０に関して、図示しない数値制御装置から出力された位置指令（移動指令）が制御装置１に入力されると、第１ポジションゲイン１４によって速度指令が出力され、第１速度制御部１６によって速度指令からトルク指令が出力され、第１電流制御部１８によってトルク指令から電圧指令が出力され、第１アンプ２０によって第１電動機１０が回転駆動される。また第１電動機１０には第１位置検出器２２が取り付けられており、この検出値は位置フィードバックに使用される。速度制御及び電流制御についても、それぞれ速度フィードバック及び電流フィードバックが行われる。

第２電動機１２に関しても同様に、位置指令（移動指令）が制御装置１に入力されると、第２ポジションゲイン２４によって速度指令が出力され、第２速度制御部２６によって速度指令からトルク指令が出力され、第２電流制御部２８によってトルク指令から電圧指令が出力され、第２アンプ３０によって第２電動機１２が回転駆動される。また第２電動機１２には第２位置検出器３２が取り付けられており、この検出値は位置フィードバックに使用される。速度制御及び電流制御についても、それぞれ速度フィードバック及び電流フィードバックが行われる。

制御装置２は、第１電動機１０の位置偏差を計算する第１位置偏差計算部３４と、計算された位置偏差を用いて第１電動機の位置偏差が最小となるように位置偏差補正量を計算する第１学習制御器４と、計算された位置偏差補正量を用いて第１電動機の位置偏差を補正する位置偏差補正部３６とを有する。同様に、制御装置２は、第２電動機１２の位置偏差を計算する第２位置偏差計算部３８と、計算された位置偏差を用いて第２電動機の位置偏差が最小となるように位置偏差補正量を計算する第２学習制御器６と、計算された位置偏差補正量を用いて第２電動機の位置偏差を補正する位置偏差補正部４０とを有する。第１学習制御器４と第２学習制御器６とは互いに独立であり、それぞれの電動機の位置偏差を最小にすべく作用するが、学習制御の応答性を定めるパラメータは同じものが設定される。

一般に学習制御は、予め設定された応答性を、繰り返し学習することで実現することができる。そこで、１つのワークを２つの電動機を使用して駆動する場合、それぞれの電動機の制御に独立に学習制御器を設け、各学習制御器において学習制御の応答性を決めるパラメータの設定を同じに設定することにより、両電動機間の負荷のアンバランスに関係なく、それぞれの電動機が同等の応答性を得ることができる。例えば、クランクピンを両持ちで駆動する場合、一方の電動機側に加わる負荷が、他方の電動機のそれよりも大きい場合であっても、本発明によれば、所定周期で学習を繰り返す事により、それぞれの電動機の応答性を、最終的には予め設定された応答性にすることができる。

この結果、両電動機の応答性を同等にするために、それぞれの電動機の速度ゲインを調整することが不要となり、またワークの種類が変わっても、再び学習を繰り返すことで、それぞれの電動機が同等の応答性を得ることができ、捻れの発生等を抑制して高い回転制御を実現することができる。

図２は、各学習制御器の好適な具体的構成例を示すブロック図である。第１及び第２学習制御器４及び６は、ローパスフィルタ４２と、所定周期で繰り返される指令と同じ時間周期の位置偏差を格納できるメモリ４４と、各電動機の特性に応じて、それぞれ独立の位相進みを行う位相進み補償器４６とを有する。ローパスフィルタ４２の遮断帯域は学習制御の応答性を定めるものであり、第１及び第２学習制御器のローパスフィルタの遮断帯域は互いに等しい。

上述の第１の実施形態に係る制御装置を用いた学習制御の過程においては、一方の電動機側に加わる負荷が、他方の電動機のそれよりも大きく異なるアンバランスな状態のときは、第１及び第２電動機のトルクの干渉が発生し、所定の位置偏差に収束させるまでの時間が長くかかる場合もあり得る。この理由は、偏差の収束過程においてそれぞれの電動機の応答性が異なるためである。すると、クランクピンに捻れ方向の大きな力が比較的長時間加わることになる。また、各電動機の応答性が異なる場合に各電動機に独立に学習制御器を設けて学習制御を行う場合、学習の過程において、その収束のパターンが電動機間で異なるために異なる大きさの補正量が出力され、結果的にワークに捻れ方向の力が加わる場合もある。また、電動機の制御パラメータの設定ミス等によっても同様の応答性の差が発生する場合もある。このような場合には偏差が発散することもあるので、ワークへのダメージを低減することも必要である。これを避けるための第２の実施形態を図３を用いて以下に説明する。

図３に示す第２の実施形態に係る制御装置２Ａが第１の実施形態と異なる点は、学習の過程において第１及び第２学習制御器４及び６が計算した位置偏差補正量の差分を計算し、その差分を監視する補正差監視部４８と、その差分が所定値を超えた場合に各学習制御器が出力する位置偏差補正量をクランプする第１及び第２クランプ部５０及び５２とを有することである。他の部分は第１の実施形態と同様でよいので説明は省略する。

補正差監視部４８並びに第１及び第２クランプ部５０及び５２の具体的作用を以下に説明する。第１学習制御器４が計算した第１電動機（マスタ側）１０の補正をＭ１、第２学習制御器６が計算した第２電動機（スレーブ側）１２の補正をＭ２、補正量の差分を監視するレベルをＳａ、第１及び第２電動機の補正のクランプレベルをそれぞれＬ１及びＬ２とする。このとき、｜Ｍ１−Ｍ２｜＞Ｓａである場合は、Ｍ１＝Ｌ１、Ｍ２＝Ｌ２にそれぞれクランプする（但し、Ｍ１、Ｍ２が負の場合は、Ｍ１＝−Ｌ１、Ｍ２＝−Ｌ２）。このような制御により、学習制御の収束過程においてワークにかかる捻れ等を生じさせる不都合な負荷を緩和することができる。なお補正量をクランプした場合は、殆どの場合、不都合な負荷の実質的解消までには第１の実施形態よりもやや余計に時間がかかることになるが、最終的には解消に向かって収束する。

上述の電動機間のトルク干渉を抑制するためには、それぞれの電動機の応答性が等しくなるように速度ゲインを調整して、偏差の収束性を改善することが１つの方法である。しかしながらワークに応じた速度ゲインの調整は実際の加工現場では一般に困難である。それぞれの電動機の応答性が異なる場合、これに学習制御器を適用すると、最終的には、各学習制御器に予め設定された応答性になるように学習制御器が補正量を出力する。それぞれの学習制御器でこの設定を同じにすれば、それぞれの電動機は同じ応答を結果的に得ることができる。しかしながら、学習の過程において、それぞれの電動機の応答性が異なることから、干渉が発生し、収束に時間がかかる場合があり得る。

例えば、第２電動機の応答性が第１電動機に対して低い場合は、加速時に第２電動機が遅れることになる。ここで学習制御を適用すると、遅れを解消するように補正量が出力される。この補正量は、第２電動機の方が第１電動機より大きくなる。これを第１電動機と同程度の補正となるように第２電動機の速度ゲインを調整すれば、次のワークからの学習制御を適用した場合の収束速度が改善する。

そこで次に説明する第３の実施形態に係る制御装置２Ｂは、学習制御を利用して十分に偏差が収束した後に、それぞれの学習制御器が出力する補正量の差分が小さくなるように、どちらか一方の電動機の速度ゲインを自動調整するゲイン調整器５４を有する。他の構成は第１の実施形態と同様でよいので説明は省略する。

ゲイン調整器５４は、第１及び第２学習制御器から出力される位置偏差補正量Ｍ１及びＭ２の差分を計算して、この差分が小さくなるように、好ましくは最小となるように第１又は第２電動機（図示例では第２電動機）の速度ゲインを自動調整する。Ｃ２の速度ゲインのうち積分ゲインをｋ１、比例ゲインをｋ２とした場合の、ｋ１（ｎ）、ｋ２（ｎ）を求める計算式の具体例を以下に示す。但し、ｎは今回のサンプリング周期における計算結果を意味し、ｎ−１は前回のサンプリング周期の結果を意味する。αは経験的又は実験的に定められる係数である。また、補正差は加減速時に大きくなり、一方速度ゲインの計算は加速度の極性に依存するので、この例では位置指令の２階微分Ｄｒが使用される。
ｋ１（ｎ）＝ｋ１（ｎ−１）−α×Ｄｒ（ｎ）×（Ｍ１（ｎ）−Ｍ２（ｎ））
ｋ２（ｎ）＝ｋ２（ｎ−１）−α×Ｄｒ（ｎ）×（Ｍ１（ｎ）−Ｍ２（ｎ））

以上の処理により、各電動機の速度ゲインが同等となり、ワークを駆動する場合の学習制御の収束速度を高めることができる。

また図示していないが、第２の実施形態に含まれる補正差監視部及びクランプ部と、第３の実施形態に含まれるゲイン調整器との双方を含む形態も実施可能である。

図５〜図８は、本発明を適用可能な機械構成の具体例を概略図示する。図５は、上述のクランクピン８を両持ちして第１及び第２電動機１０及び１２で回転駆動し、グラインダ５６によってクランクピンを研削する第１の例を示す。グラインダ５６はリニアモータ５８によってクランクピン８に接離可能に構成される。両電動機の応答性に差があるとクランクピン８に応力がかかるが、本発明によれば両電動機の応答性を同等にすることができる。

図６に示す第２の機械構成例は、比較的大型の部材又は装置６０を、ギヤ６２が取り付けられたシャフト６４を介して上下動させる場合に、装置６０の重量が大きいために２つの電動機６６及び６８でギヤ６２を回転させるものである。両電動機の応答性に差があるとギヤ６２に応力がかかるが、本発明によれば両電動機の応答性を同等にすることができる。

図７に示す第３の機械構成例は、横方向（図７では左右方向）に長い比較的大型の部材又は装置７０がその装置７０の横方向に移動可能な電動機７２等の重量物を支持している場合に、シャフト７４を備えた電動機７６及びシャフト７８を備えた電動機８０を用いて装置７０の水平バランスを保とうとするものである。図示例では重量物７２が装置の左側に位置しているので、この場合は左側の電動機７６の方が右側の電動機８０より大きな負荷がかかることになる。本発明によれば、負荷にアンバランスがある場合であっても各電動機が同等の応答性となる制御を行うことができる。

図８に示す第４の機械構成例は、テーブル８２の両端を２つのリニアモータ８４及び８６によって支持し、テーブル８２を左右方向に移動可能な構成を実現するものである。このような構成では、両リニアモータの応答性に大きな差があるとテーブル８２に大きな応力がかかる虞があるが、本発明によれば両リニアモータの応答性を同等にしてテーブルにかかる負荷を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る制御装置のブロック図である。 図１の学習制御器の具体的構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る制御装置のブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る制御装置のブロック図である。 本発明を適用可能な第１の機械構成例を示す概略図である。 本発明を適用可能な第２の機械構成例を示す概略図である。 本発明を適用可能な第３の機械構成例を示す概略図である。 本発明を適用可能な第４の機械構成例を示す概略図である。

符号の説明

２、２Ａ、２Ｂ 制御装置
４、６ 学習制御器
１０、１２ 電動機
１４、２４ ポジションゲイン
１６、２６ 速度制御部
１８、２８ 電流制御部
２０、３０ アンプ
２２、３２ 位置検出器
３０、３２ 位置検出器
３４、３８ 位置偏差計算部
３６、４０ 位置偏差補正部
４２ ローパスフィルタ
４４ メモリ
４６ 位相進み補償器
４８ 補正差監視部
５０、５２ クランプ部
５４ ゲイン調整器

Claims (3)

1. 所定周期で繰り返される指令に基づいて１つの被駆動体を２つの電動機を用いて駆動するための電動機の制御装置であって、
   各々の電動機の位置偏差を計算する位置偏差計算部と、
   前記位置偏差計算部が計算した位置偏差の各々がそれぞれ最小となるように、位置偏差補正量を計算する学習制御器と、
   前記学習制御器が計算した位置偏差補正量に基づいて、各々の電動機の位置偏差を補正する位置偏差補正部と、を有し、
   前記学習制御器は各電動機に独立して設けられ、前記学習制御器の各々は、
   同一の遮断帯域を持つローパスフィルタと、
   所定周期で繰り返される指令と同じ時間周期の位置偏差を格納できるメモリと、
   各電動機の特性に応じて、それぞれ独立の位相進みを行う位相進み補償器と、
   を有することを特徴とする、電動機の制御装置。
2. 前記学習制御器の各々が出力する位置偏差補正量の差分が所定の範囲内にあるか否かを監視する補正差監視部と、
   前記差分が所定の範囲を超えた場合、各々の学習制御器の出力をクランプするクランプ部と、
   をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の電動機の制御装置。
3. 前記学習制御器の各々が出力する位置偏差補正量の差分を最小にするように、いずれか一方の電動機の速度ゲインを自動調整するゲイン調整器をさらに有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電動機の制御装置。

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