JP4565312B2

JP4565312B2 - サーボ制御装置と非常停止方法

Info

Publication number: JP4565312B2
Application number: JP2003412919A
Authority: JP
Inventors: 一男佐藤
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: JP2005176493A

Description

本発明は機械的に複数軸の多軸機械を制御するモータ駆動装置の非常停止方法に関する。

従来の機械的に結合された２軸を有する多軸機械を制御するモータ駆動装置の非常停止方法としては、特許文献１がある。
また、コントローラと多軸サーボ制御装置間の接続に伝送手段を用いた例として特許文献２がある。
従来例の非常停止方法について図６、図７を用いて説明する。図６は工作機械の同期駆動装置であるクランクピン研削装置の構成を示したものである。図６において左側の機械ブロックは左側チャック駆動装置、右側の機械ブロックは右側チャック駆動装置である。３６Ｒ、３６Ｌは主軸モータ、３８Ｒ、３８Ｌは歯車、４０Ｒ、４０Ｌはエンコーダ、４２Ｒ、４２Ｌは電磁ブレーキ、４８Ｒ、４８Ｌはサーボアンプ、５４はＣＮＣ装置、５６はＰＬＣ装置、５８Ｒ、５８Ｌはダイナミックブレーキ機構である。工作物を固定した両側２つの油圧チャック２２Ｒ、２２Ｌを２台の主軸モータ３６Ｒ、３６Ｌの同期駆動することで実現している。従って同期がずれると２つの油圧チャック間にねじれが発生し、工作物に応力がかかり、場合によっては破損することもある。このため従来例では停電や故障などの非常時においても同期ずれを少なくなるように、工夫がされている。つまり、動作異常が発生すると、まず２つの主軸モータ３６Ｒ、３６Ｌをタイマで決められた一定時間ダイナミックブレーキ５８Ｒ、５８Ｌを動作させて減速し、その後、電磁ブレーキ４２Ｒ、４２Ｌを動作させて停止させる。
また、図９の従来例は、コンピュータとモータのモーション制御を行う複数のサーボコントローラとの間でシリアル通信を行うサーボ制御の構成を示したものである。図９で１０１はパソコン、１０２はパソコンの拡張ボードで高速シリアル通信インタフェース、１０３から１０５はサーボコントローラである。コンピュータ１０１とサーボコントローラ１０３から１０４を第１伝送１０６と第２伝送１０７の２本の伝送手段で接続する構成としている。つまり、第１伝送１０６はコンピュータ１０１からサーボコントローラ１０３〜１０５へ、第２伝送１０７はサーボコントローラ１０３〜１０５からコンピュータへ情報を伝送する。この従来例はサーボコントローラ１０３〜１０５で発生したアラーム情報を第２伝送１０７を通してアラーム情報や位置情報をコンピュータ１０１のメモリに書き込み、コンピュータ１０１はアラーム情報に応じた処理をして第１伝送１０６を介して各サーボコントローラ１０３〜１０５へ指令やアラームを発生したサーボコントローラの位置情報を伝送する。サーボコントローラ１０３〜１０５はコンピュータ１０１の指令に従って処理をする。

特開平１１−３００５６５号公報特開平１０−３２６１０７号公報

しかしながら、特許文献１の従来例である工作機械の同期駆動装置の非常停止方法は、構成するハードウエアの、主軸モータ、負荷などのばらつきによりずれが生じることはさけられず、これ以上２軸の同期精度をあげることができないという問題があった。
また、特許文献２の従来例では、アラーム発生時に第２伝送で位置情報をコンピュータに返し、コンピュータで処理をした後に、第１伝送を介してサーボコントローラに指令やアラーム発生サーボコントローラの位置情報を各サーボコントローラに伝送するので、時間遅れが発生し、非常停止をする場合には追従動作に遅れが発生するという問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、コントローラと駆動装置間を第１伝送手段、駆動装置間は第２伝送手段で接続し、異常を発生した駆動装置は異常情報をコントローラと異常を発生していない駆動装置に伝送した後、所定の停止方法によってモータを停止させ、異常を発生していない駆動装置は異常情報に基づき異常を発生した駆動装置の位置情報を基に所定の方法で停止させる。このように本発明は、負荷などのばらつきが生じても軸間の同期精度を高め、機械のストレスを減少できるモータ駆動装置の非常停止方法と提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明は、次のように構成したのである。

請求項１に記載の発明は、機械的に結合された２軸を有する多軸の機械を駆動する多軸駆動装置で、前記２軸のうち１軸を駆動する第１モータと第１駆動装置と、前記２軸のうち他の１軸を駆動する第２モータと第２駆動装置と、前記２軸以外の第３モータから第ｎモータと、第３駆動装置から第ｎ駆動装置と、第１伝送手段を介して第１サンプリング時間ごとに前記第１駆動装置から前記第ｎ駆動装置までを制御するコントローラからなるサーボ制御装置の前記第１駆動装置または前記第２駆動装置の何れかに異常を発生した場合の非常停止方法において、前記各駆動装置に位置を制御する位置制御部と、速度を制御する速度制御部を備え、前記各駆動装置間に第２伝送手段を備え、前記駆動装置は前記第２伝送手段を介して、前記コントローラを介さずに、互いの位置、速度、トルク、異常状態の状態情報を第２サンプリング時間ごとに伝送し、異常発生を検知した異常発生駆動装置は前記状態情報を前記コントローラと異常を発生していない他の駆動装置に伝送し、前記異常発生駆動装置は異常発生側のモータを正常に駆動できる場合は予め決められた減速曲線に沿って減速し、正常に駆動できない場合はモータを電気的に切り離し、モータ端子を抵抗で短絡するダイナミックブレーキの制動手段を使用して停止させ、前記異常を発生していない駆動装置は、前記異常発生駆動装置の状態情報の位置情報に追従して動作することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のサーボ制御装置の非常停止方法において、前記異常を発生していない駆動装置の減速方法は前記異常発生駆動装置の状態情報の速度情報をフィードフォワードとして使用することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、機械的に結合された２軸を有する多軸の機械を駆動する多軸駆動装置で、前記２軸のうち１軸を駆動する第１モータと第１駆動装置と、前記２軸のうち他の１軸を駆動する第２モータと第２駆動装置と、前記２軸以外の第３モータから第ｎモータと、第３駆動装置から第ｎ駆動装置と、第１伝送手段を介して第１サンプリング時間ごとに前記第１駆動装置から前記第ｎ駆動装置までを制御するコントローラからなるサーボ制御装置において、前記各駆動装置に位置を制御する位置制御部と、速度を制御する速度制御部を備え、前記各駆動装置間に第２伝送手段を備え、前記駆動装置は前記第２伝送手段を介して、前記コントローラを介さずに、互いの位置、速度、トルク、異常状態の状態情報を第２サンプリング時間ごとに伝送し、異常発生を検知した異常発生駆動装置は前記状態情報を前記コントローラと異常を発生していない他の駆動装置に伝送し、前記異常発生駆動装置は異常発生側のモータを正常に駆動できる場合は予め決められた減速曲線に沿って減速し、正常に駆動できない場合はモータを電気的に切り離し、モータ端子を抵抗で短絡するダイナミックブレーキの制動手段を使用して停止させ、前記異常を発生していない駆動装置は、前記異常発生駆動装置の状態情報の位置情報に追従して動作することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３記載のサーボ制御装置において、前記異常を発生していない駆動装置の減速方法は前記異常発生駆動装置の状態情報の速度情報をフィードフォワードとして使用することを特徴とするものである。

本発明によれば、機械的に結合された２軸を有する多軸の機械と、２軸のうち１軸を駆動する第１モータと第１駆動装置と、２軸のうち他の１軸を駆動する第２モータと第２駆動装置と、２軸以外の第３から第ｎモータと、第３から第ｎ駆動装置と、第１伝送手段を介して第１サンプリング周期ごとに第１駆動装置から第ｎ駆動装置までを制御するコントローラと、駆動装置はコントローラを介さずに直接、互いの位置・速度・アラーム状態などの状態情報を第２サンプリング周期で伝送する第２伝送手段とからなるサーボ制御装置の第１駆動装置または第２駆動装置のいずれかに異常を発生した場合において、異常を発生した駆動装置は状態情報をコントローラと異常を発生していない他の駆動装置に伝送し、異常を発生した駆動装置はモータを所定の減速方法で停止させ、異常を発生していない駆動装置は異常を発生した駆動装置の状態情報をもとに所定の方法で停止するので、軸間の同期精度を高めることができ、機械のストレスを減少できる。

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

図１は実施例１の構成を示したものである。図１において１はコントローラ、２〜５はそれぞれ、第１駆動装置、第２駆動装置、第３駆動装置、第ｎ駆動装置、６〜９はそれぞれ、第１モータ、第２モータ、第３モータ、第ｎモータ、１０〜１３はそれぞれ、第１位置検出器、第２位置検出器、第３位置検出器、第ｎ位置検出器、１４〜１７は機械可動部のスライダでそれぞれ、第１スライダ、第２スライダ、第３スライダ、第ｎスライダである。ここで第１スライダと第２スライダは締結部１８で機械的に結合されている。第１モータと第２モータの２台のモータを同期制御をして１軸を駆動する、いわゆるツインドライブである。また、１９はコントローラと各駆動装置を接続する第１伝送手段、２０は各駆動装置を接続する第２伝送手段である。

次に動作について説明する。コントローラ１はプログラムされたとおりサンプリング周期ごとに各軸の位置指令データを演算し、第１伝送手段１９を介して各駆動装置２〜５に位置指令データを伝送する。各駆動装置２〜５は第１伝送手段１９を通して各駆動装置内のメモリ等に書かれた位置指令データを読み込み、あらかじめ物理的に決められた同じ時刻に各軸一斉に位置指令データを有効にしてモータを駆動する。図３は実施例１の機械的に結合された２軸の制御ブロック図である。図３において、２１は第１位置制御部、２２は第１速度制御部、２３は第１トルク制御部、２４は第１速度変換部、２５は第２位置制御部、２６は第２速度制御部、２７は第２トルク制御部、２８は第２速度変換部である。各駆動装置は位置指令１９を読み取ると位置指令１９を位置検出器で検出した実際位置とともに位置制御部へ入力する。位置制御部２１、２５は位置指令から実際位置を引き算して位置偏差をもとめＰＩ又はＰＩＤ演算等の位置制御処理を行って速度制御部へ速度指令を出力する。速度制御部は速度指令と実際速度の差をとって速度偏差をもとめ、速度偏差をＰＩ又はＰＩＤ演算等の制御処理を行ってトルク指令をトルク制御部へ出力する。トルク制御部はトルク指令を電流指令に変換し、電流指令と実際電流との差をとって電流偏差をもとめ、電流偏差をＰＩＤ処理などの制御処理を行い電圧指令とし、電圧指令を図示しない電力変換部を介して電力増幅してモータを駆動する。さらに、各駆動装置は位置、速度、トルク、アラームなどの状態情報をリアルタイムでモニタし、モニタした情報を第１伝送手段１９を通してコントローラへ伝送する。さらに、各駆動装置は第２伝送手段２０を通して、伝送周期のなかの各駆動装置個別に割りあてられた時間に他の駆動装置へ伝送する。また第２伝送手段２０の第２サンプリングと第１伝送手段１９の第１サンプリングは時間的に同期して動作させることにより、精度を上げることができる。
駆動装置に異常が発生すると異常情報はコントローラと各駆動装置に伝送され、各駆動装置は所定の動作で停止する。異常情報には、異常の内容を識別した異常信号コードを含んでおり、コントローラや異常を発生していない他の軸は、異常信号コードを読むことで異常内容を判別できる。駆動装置の異常には、モータ駆動を維持できる異常とモータ駆動を維持できない異常がある。過電流異常や過電圧異常などは、駆動装置内の部品が故障した場合やこのままモータ駆動を維持すると部品故障にいたるような異常であり、あらかじめ決められた異常検出レベルを超えると電力変換装置のパワー素子の駆動を即遮断し、異常発生信号を出力する。それに対し、過負荷警報やバッテリ電圧低下警報などの異常はモータ駆動を維持してもすぐ故障には至らないので、異常発生信号を出力するだけでパワー素子の駆動を遮断することはなくモータを正常に駆動できる。異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できる場合は、最も精度よく停止できるように、コントローラの異常停止位置指令に基づき全軸により停止する。異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できない場合はモータを電気的に切り離し、ユーザパラメータで設定された方法で停止する。例えばモータ端子を抵抗で短絡して制動トルクを得るダイナミックブレーキを使用することで惰走距離を最小にできる。異常を発生していない駆動装置は異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できる場合は、コントローラの異常停止位置指令に基づき停止し、異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できない場合は、異常発生駆動装置の状態情報の位置情報に基づいてスレーブ動作として追従動作をする。但し、異常発生駆動装置の状態情報の位置情報に基づいて追従動作をするのは、第１駆動装置と第２駆動装置だけである。図３は正常な状態のブロック図であるが、異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できる場合にも適用でき、コントローラの位置指令どおりに停止する。このときのタイムチャートを図５に示す。

図４は異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できない場合のブロック図を示したものである。異常を発生していない駆動装置が異常発生駆動装置の状態情報のなかの位置情報に基づいて追従動作をする。図４においてSW１は第１駆動装置の位置指令をコントローラか第２駆動装置の実際位置かを切替え、SW２は第２駆動装置の位置指令をコントローラか第１駆動装置の実際位置かを切替え、SW3は第１駆動装置の速度指令に第２駆動装置の実際速度を加えるかどうかを切替え、SW４は第２駆動装置の速度指令に第１駆動装置の実際速度を加えるかどうかを切替える。実際速度を他の駆動装置の速度指令として加えるフィードフォワード制御は追従精度を向上させる。
通常の場合、異常発生駆動装置はコントローラの位置指令データどおりには動作できなくなる確率が高く、電源ラインから主回路を開放し、ダイナミックブレーキをかけて停止する。このとき、異常を発生していない駆動装置を急速に減速停止をするとダイナミックブレーキのほうが減速停止よりも制動トルクが弱いので軸間に同期誤差を発生する。同期誤差の発生を抑えるために、異常を発生していない駆動装置を異常発生駆動装置の位置情報に追従して動作させ、同期誤差を少なくする。図４において正常な状態ではSW１とSW２はコントローラの位置指令を選択するので第１駆動装置と第２駆動装置はコントローラからの指令に従って同期動作を行う。ここで、例えば第１駆動装置に異常が発生すると第１駆動装置はコントローラの指令には関係なく第１モータにダイナミックブレーキをかけて停止させる。同時にSW２によりコントローラの位置指令を切り離し、第１駆動装置の実際位置を接続して、位置指令とする。さらに、SW４は閉じられ、第１駆動装置の実際速度を速度指令として加え速度フィードフォワード制御を行う。結果として、第２モータは第１モータの動作に追従して動作することになる。図６は第２駆動装置が第１駆動装置の追従動作をしているときのタイムチャートを示している。逆に第２駆動装置に異常が発生した場合も同様に第１駆動装置は第２駆動装置の動作に追従して動作する。上述の停止動作指令は上位のコントローラ１を介すことなく第１駆動装置と第２駆動装置との間で直接に伝送される。このため、上位コントローラが介在する場合に比べ高速に同期した減速停止動作ができる。

図２は実施例３の構成を示したものである。図２においてコントローラ１からの指令は第１伝送手段を通して第１駆動装置、第３駆動装置に伝送され、第２駆動装置は第１駆動装置からの指令を第２伝送手段を通して伝送される。
駆動装置に異常が発生すると異常情報は第１伝送手段と第２伝送手段を通してコントローラと各駆動装置に伝送され、各駆動装置は所定の動作で停止する。この時、異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できる場合は、コントローラの異常停止位置指令に基づき全軸停止する。但し、第２駆動装置は第１駆動装置からの指令で停止する。異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できない場合はモータを電気的に切り離し、モータ端子を抵抗で短絡して制動トルクを得るダイナミックブレーキにより停止する。異常を発生していない駆動装置は異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できる場合はコントローラの異常停止位置指令に基づき停止し、異常発生駆動装置がモータを正常に駆動できない場合は、異常発生駆動装置の状態情報の位置情報に基づいて追従動作をする。ここで異常発生駆動装置の状態情報の位置情報に基づいて追従動作をするのは、第１駆動装置と第２駆動装置だけである。つまり、第1駆動装置に異常が発生した場合は、第２駆動装置は第１モータの動作に追従して動作し、第２駆動装置に異常動作が発生した場合は第１駆動装置は第２モータの動作に追従して動作する。図６は正常駆動装置が異常発生駆動装置に追従して動作するときのタイムチャートである。
本実施例では２軸のスライダが機械的に結合されている例を述べたが、3軸以上の場合でも同様である。

本発明は、１台のモータでは駆動できない大形の機械やテーブル重心を駆動するために駆動軸を両側２軸以上に振り分けた精密機械など産業界の要求にこたえるためになされたものである。特に、２軸のうち１軸が異常を発生した場合、機械にストレスを加えないように、２軸の位置を同期させて停止する非常停止に関するものである。本発明は回転モータの例で記述したがリニアモータの駆動も同様である。

本発明の第１実施例を示す構成ブロック図本発明の第３実施例を示す構成ブロック図本発明の第１実施例を示す正常時の制御ブロック図本発明の第２実施例の異常発生時の制御ブロック図本発明のモータを正常に駆動できる場合のタイムチャート本発明のモータを正常に駆動できない場合のタイムチャート従来技術の構成図従来技術のタイムチャート従来技術の構成図

符号の説明

１コントローラ
２〜５第１〜第ｎ駆動装置
６〜９第１〜第ｎモータ
１０〜１３第１〜第ｎ位置検出器
１４〜１７第１〜第ｎスライダ
１８締結部
１９第１伝送手段
２０第２伝送手段
２１第１位置制御部
２２第１速度制御部
２３第１トルク制御部
２４第１速度変換部
２５第２位置制御部
２６第２速度制御部
２７第２トルク制御部
２８第２速度変換部

Claims

機械的に結合された２軸を有する多軸の機械を駆動する多軸駆動装置で、前記２軸のうち１軸を駆動する第１モータと第１駆動装置と、前記２軸のうち他の１軸を駆動する第２モータと第２駆動装置と、前記２軸以外の第３モータから第ｎモータと、第３駆動装置から第ｎ駆動装置と、第１伝送手段を介して第１サンプリング時間ごとに前記第１駆動装置から前記第ｎ駆動装置までを制御するコントローラからなるサーボ制御装置の前記第１駆動装置または前記第２駆動装置の何れかに異常を発生した場合の非常停止方法において、
前記各駆動装置に位置を制御する位置制御部と、速度を制御する速度制御部を備え、
前記各駆動装置間に第２伝送手段を備え、
前記駆動装置は前記第２伝送手段を介して、前記コントローラを介さずに、互いの位置、速度、トルク、異常状態の状態情報を第２サンプリング時間ごとに伝送し、
異常発生を検知した異常発生駆動装置は前記状態情報を前記コントローラと異常を発生していない他の駆動装置に伝送し、
前記異常発生駆動装置は異常発生側のモータを正常に駆動できる場合は予め決められた減速曲線に沿って減速し、正常に駆動できない場合はモータを電気的に切り離し、モータ端子を抵抗で短絡するダイナミックブレーキの制動手段を使用して停止させ、前記異常を発生していない駆動装置は、前記異常発生駆動装置の状態情報の位置情報に追従して動作することを特徴とするサーボ制御装置の非常停止方法。
前記異常を発生していない駆動装置の減速方法は前記異常発生駆動装置の状態情報の速度情報をフィードフォワードとして使用することを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置の非常停止方法。
機械的に結合された２軸を有する多軸の機械を駆動する多軸駆動装置で、前記２軸のうち１軸を駆動する第１モータと第１駆動装置と、前記２軸のうち他の１軸を駆動する第２モータと第２駆動装置と、前記２軸以外の第３モータから第ｎモータと、第３駆動装置から第ｎ駆動装置と、第１伝送手段を介して第１サンプリング時間ごとに前記第１駆動装置から前記第ｎ駆動装置までを制御するコントローラからなるサーボ制御装置において、
前記各駆動装置に位置を制御する位置制御部と、速度を制御する速度制御部を備え、
前記各駆動装置間に第２伝送手段を備え、
前記駆動装置は前記第２伝送手段を介して、前記コントローラを介さずに、互いの位置、速度、トルク、異常状態の状態情報を第２サンプリング時間ごとに伝送し、
異常発生を検知した異常発生駆動装置は前記状態情報を前記コントローラと異常を発生していない他の駆動装置に伝送し、
前記異常発生駆動装置は異常発生側のモータを正常に駆動できる場合は予め決められた減速曲線に沿って減速し、正常に駆動できない場合はモータを電気的に切り離し、モータ端子を抵抗で短絡するダイナミックブレーキの制動手段を使用して停止させ、前記異常を発生していない駆動装置は、前記異常発生駆動装置の状態情報の位置情報に追従して動作することを特徴とするサーボ制御装置。
前記異常を発生していない駆動装置の減速方法は前記異常発生駆動装置の状態情報の速度情報をフィードフォワードとして使用することを特徴とする請求項３記載のサーボ制御装置。