JP4665678B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーボモータを使用した圧力制御を実現するモータ駆動装置に関する。

近年、油圧・空圧アクチュエータに対し高応答化や高精度化が可能な、サーボモータを圧力制御を行う機器へ適用する事例が増えている。一般には半導体製造装置の検査工程におけるプローバなど、比較的小容量だが高精度な制御が求められる分野で使用されることが多いが、サーボモータの小型化や低価格化が進むにつれ、さらに適用分野は拡大していくものと予想される。

この圧力制御を実現するモータ駆動装置は、ワークを加圧対象近辺まで移動させ加圧を行うための位置制御と、加圧力を一定に保つため圧力センサによるフィードバックを用いた圧力制御の２つの制御器を備え、それらを切り替えて安定した加圧動作を行う場合が多い。

例えば特許文献１では、位置制御で加圧を行い、圧力センサで測定した加圧力が目標加圧力に達した時点、あるいはモータ位置が加圧加工直前の位置に達した時点で、圧力制御に切り替える方式が提案されている。
特開２００１−７１１９６号公報

モータ駆動装置のトルク指令から、加圧力を測定した圧力センサ値までの間には、通常さまざまな非線形要素が存在し、加圧力が小さい場合にその影響が顕著に現れる。

特に圧力制御時は、加圧対象の特性がフィードバックループ内に直接入るため、位置制御時と比べてこの非線形領域で不安定化しやすい。したがって、トルク指令から圧力センサ値の間に存在する非線形要素の影響が強い低加圧状態で、位置制御から圧力制御への切り替えると、圧力制御の応答性が悪化したり、安定性の悪化による振動状態を引き起こす場合があった。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、位置制御から圧力制御への切り替え時に安定した圧力制御ができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、位置制御による加圧中にトルク指令と圧力センサ値の比を計算し、その比が一定値で安定した時点で圧力制御に切り替えるシーケンス制御器を備えたモータ駆動装置である。

本発明のモータ駆動装置によれば、位置制御器を用いた加圧時に、トルク指令と圧力センサ値の比を計算し、この比が一定値で安定した時点で、圧力制御器に制御を切り替えることで、両者が比例関係にあることを確認したうえで圧力制御に切り替えるため、常に線形領域で安定した状態の圧力制御が可能となる。

また、トルク指令と圧力センサ値の比の代わりに、トルク指令から加圧開始時の値を引いた結果と圧力センサ値から加圧開始時の値を引いた結果の比を用いることで、摺動摩擦
などによるトルク指令のオフセットや、圧力センサ値のオフセットの影響を打ち消すことができ、線形領域移行判定をより早く行うことができる。

さらに、比と比較する一定値に、機構上で決まる圧力センサ値からトルク指令への換算係数を用いることで、比が本来あるべきでない値で安定する異常なケースを避けることができ、線形領域移行判定をより正確に行うことができる。

さらに、比が一定値で安定する時点より前に、圧力センサ値が圧力指令に到達したときは、圧力制御器に制御を切り替えるかわりに、その時点のモータ位置を保持する位置制御を維持することで、精度は劣るがより安定な位置制御で加圧することができる。

モータとモータ位置を検出するエンコーダを用いて、モータ位置を位置指令に追従させる第１のトルク指令を計算する位置制御器と、モータにより駆動されるワークが加圧対象に加える圧力を検知する圧力センサを用いて、その出力である圧力センサ値を圧力指令に追従させる第２のトルク指令を計算する圧力制御器を備えたモータ駆動装置において、シーケンス制御器は、位置制御器を用いた加圧時に、トルク指令から加圧開始時の値を引いた結果と圧力センサ値から加圧開始時の値を引いた結果の比を計算し、圧力センサ値が圧力指令に達する前にこの比が機構上で決まる圧力センサ値からトルク指令への換算係数近辺で安定した場合には、圧力制御器に制御を切り替え、圧力センサ値が圧力指令に達するのが早かった場合には、その時点のモータ位置を保持する位置制御を維持する。

図１において、モータ駆動装置１はシーケンス制御器１１、位置制御器１２、圧力制御器１３、トルク指令切替器１４、電流制御器１５を備えている。以下、その動作について説明する。

シーケンス制御器１１は、上位コントローラ７からの起動信号７１により加圧動作を開始し、切替信号１１１、位置指令１１２、圧力指令１１３を制御する。このシーケンス制御の詳細については後述する。

位置制御器１２では、モータ２とモータ位置３１を検出するエンコーダ３を用いて、モータ位置３１をシーケンス制御器１１からの位置指令１１２に追従させるため、第１のトルク指令１２１を計算してトルク指令切替器１４に入力する。

圧力制御器１３では、モータ２により駆動されるワーク４が、加圧対象６に加える圧力を検知する圧力センサ５を用いて、その出力である圧力センサ値５１をシーケンス制御器１１からの圧力指令１１３に追従させるため、第２のトルク指令１３１を計算してトルク指令切替器１４に入力する。

トルク指令切替器１４では、シーケンス制御器１１からの切替信号１１１により、トルク指令として第１のトルク指令１２１または第２のトルク指令１３１のどちらかを選択し、トルク指令１４１を電流制御器１５に出力する。

電流制御器１５は、トルク指令１４１どおりのトルクを出力するように、モータ２への印加電圧１５１を出力する。

次に、これらを制御するシーケンス制御器１１の詳細について図を参照しながら説明する。シーケンス制御器１１は、図２に示すように待機状態１１Ａ、加圧状態１１Ｂ、保圧状態１１Ｃ、復帰状態１４Ｄの４状態を持ち、それぞれ次状態への移行条件と出力処理が
異なり、各フローチャートを用いて説明する。

まず、待機状態１１Ａでは、図３に示すように切替信号７１を位置制御側に保ち、位置指令１１２を停止状態とする。その結果、位置制御器１２の作用によりモータ２のモータ位置３１は静止状態に維持される。上位コントローラ７からの起動信号７１のＯＮを検出した時点で、シーケンス制御器の状態遷移が起き、加圧状態１１Ｂへ移行する。

加圧状態１１Ｂでは、図４に示すように切替信号７１を位置制御側に保ったまま、位置指令１１２を加圧方向に移動させる。その結果位置制御器１２の作用により、モータ２とそれに結合されたワーク４が、加圧対象６を加圧する方向に移動し、接触とともに圧力センサ値５１は増加する。その反力はモータ２にも伝わりモータ位置３１と位置指令１１２の偏差を生むため、それを補正するよう第１のトルク指令１２１およびトルク指令１４１も増加する。これら圧力センサ値５１とトルク指令１４１の比を、加圧状態１１Ｂでは毎回計算し、この比が安定した時点で保圧状態１１Ｃへと移行する。

この加圧状態における圧力センサ値とトルク指令の変化を図７に、両者の比を計算した結果を図８に示しており、圧力センサ値が増加するとともに、トルク指令との比が一定値に漸近しており、線形領域へ移行する様子が分かる。前回の比に対する変化量がある一定値以下である場合など、簡単な判定でこの比が安定したかどうかは判断できる。

保圧状態１１Ｃでは、図５に示すように切替信号７１を圧力制御側に保ち、圧力指令１１３を所望の加圧値に設定する。その結果、圧力制御器１３の作用により、圧力センサ値５１は指令どおりの値に制御される。このとき、トルク指令１４１と圧力センサ値５１が線形領域にあるため、圧力制御を安定に行うことができる。上位コントローラ７からの起動信号７１のＯＦＦを検出するまでこの保圧状態は続き、その後復帰状態１１Ｄに移行する。

復帰状態１１Ｄでは、図６に示すように切替信号７１を位置制御側に戻し、位置指令１１２を加圧開始位置まで移動させる。その結果、位置制御器１２の作用によりモータ２のモータ位置３１は加圧開始位置まで移動する。移動完了後、シーケンス制御器１１は待機状態１１Ａに戻り、再び起動信号７１がＯＮするまでその位置で待機する。

実施例２は、図７の加圧開始時における圧力センサの圧力値とトルク指令との差を補正して、より早い時点で安定な圧力制御を可能にするものである。

すなわち、図７を見てわかるとおり、加圧開始時には圧力センサ値は０近辺だが、トルク指令は０でない場合が多い。これはモータやワークに必ず摩擦力が働くため、加圧対象への加圧力に加え、摩擦力を打ち消す力を加える必要があるためである。

また、圧力センサは感圧素子の微小出力をチャージアンプなどで増幅する構成が多いが、温度などによる出力オフセットの変化があり、これらは圧力センサ値とトルク指令の線形領域の判定に対し、無視出来ない誤差となる。

そこで、図９に示すように加圧開始時点のトルク指令と圧力値を基準とし、そこからの変化量を計算すると、両者の比の変化は図１０のようになり、より早い時点で線形領域への移行を確認することができる。

この処理を実現するためのシーケンス制御部１１の変更は、図１１のように待機状態１１Ａから加圧状態１１Ｂの移行時にトルク指令１４１と圧力センサ値５１の値を記憶する
処理と、図１２のように加圧状態１１Ｂで比を計算する時点で記憶した値を各々引くことで実現できる。

通常、圧力センサ値からトルク指令への換算係数は機構上から計算できる。例えば、ワークをリードＬ［ｍｍ］のボールねじによる回転−直動変換機構で構成した場合、トルク指令１４１をＴ［Ｎ・ｍ］、圧力センサ値５１をＰ［Ｎ］とすると、Ｐ／Ｔ＝２π／（Ｌ×０．００１）となる。

トルク指令と圧力センサ値が正しく線形領域に移行した場合には、比はこの計算値近辺で安定するため、この計算値より外れた比で安定した場合に、圧力制御へ誤切替することがなくなる。

この処理を実現するためのシーケンス制御部１１の変更は、図１３のように加圧状態１１Ｂにてトルク指令１４１と圧力センサ値５１の比を計算したあと、上記機構上の設計値との差が一定値以内であることを判定するだけでよい。

以上の実施例では、圧力指令が圧力制御切替時点の圧力センサ値より高いものとしているが、これが逆の場合は圧力制御器１３の作用でトルク指令１４１と圧力センサ値５１の非線形領域に逆戻りする可能性がある。

これを避けるためには、図１４で示したようにシーケンス制御器１１に保持状態１１Ｅを追加し、図１５の加圧状態１１Ｂの処理で、圧力センサ値５１が圧力指令値１１３に達した場合に、保持状態１１Ｅに移行する分岐を追加することで対応できる。保持状態１１Ｅでは図１６のように、起動信号７１がＯＦＦするまで現在位置を位置制御状態のまま保持するため、非線形領域で圧力制御に切り替わることを避けることができる。

以上、本発明のモータ駆動装置は、トルク指令から圧力センサ値までの特性の非線形領域を避けて、確実に線形領域に移行した時点で圧力制御に自動的に切替することができるため、加圧力に関わりなく常に安定な制御を行う必要のある用途に有用である。

本発明のモータ駆動装置における主要部のブロック図 本発明におけるシーケンス制御器の状態遷移図 実施例１におけるシーケンス制御器の待機状態のフローチャート 実施例１におけるシーケンス制御器の加圧状態のフローチャート 実施例１におけるシーケンス制御器の保圧状態のフローチャート 実施例１におけるシーケンス制御器の復帰状態のフローチャート 加圧状態におけるトルク指令と圧力センサ値の関係図 加圧状態におけるトルク指令と圧力センサ値の比の関係図 トルク指令と圧力センサ値の加圧開始時の値を引いた場合の関係図 トルク指令と圧力センサ値の加圧開始時の値を引いた場合の比の関係図 実施例２におけるシーケンス制御器の待機状態のフローチャート 実施例２におけるシーケンス制御器の加圧状態のフローチャート 実施例３におけるシーケンス制御器の加圧状態のフローチャート 実施例４におけるシーケンス制御器の状態遷移図 実施例４におけるシーケンス制御器の加圧状態のフローチャート 実施例４におけるシーケンス制御器の保持状態のフローチャート

符号の説明

１ モータ駆動装置
１１ シーケンス制御器
１１１ 切替信号
１１２ 位置指令
１１３ 圧力指令
１１Ａ 待機状態
１１Ｂ 加圧状態
１１Ｃ 保圧状態
１１Ｄ 復帰状態
１１Ｅ 保持状態
１２ 位置制御器
１２１ 第１のトルク指令
１３ 圧力制御器
１３１ 第２のトルク指令
１４ トルク指令切替器
１４１ トルク指令
１５ 電流制御器
１５１ 印加電圧
２ モータ
３ エンコーダ
３１ モータ位置
４ ワーク
５ 圧力センサ
５１ 圧力センサ値
６ 加圧対象
７ 上位コントローラ
７１ 起動信号

Claims (4)

1. モータとモータ位置を検出するエンコーダを用いて、モータ位置を位置指令に追従させる第１のトルク指令を計算する位置制御器と、モータにより駆動されるワークが加圧対象に加える圧力を検知する圧力センサを用いて、その出力である圧力センサ値を圧力指令に追従させる第２のトルク指令値を計算する圧力制御器を備えたモータ駆動装置において、位置制御器を用いた加圧時に、所定の時間間隔毎にトルク指令値と圧力センサ値の比を毎回計算し、この比を毎回サンプリングして、この比と前回サンプリング時の比に対する変化量が所定値以下であり、この所定値以下の状態が、所定のサンプリング回数続くことにより安定と判断した時点で、圧力制御器に制御を切り替えるシーケンス制御器を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
2. トルク指令値と圧力センサ値の比の代わりに、トルク指令値から加圧開始時の値を引いた結果と圧力センサ値から加圧開始時の値を引いた結果の比を用いる請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 比と比較する一定値に、機構上で決まる圧力センサ値からトルク指令値への換算係数を用いる請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 比が一定値で安定する時点より前に、圧力センサ値が圧力指令に到達したときは、圧力制御器に制御を切り替えるかわりに、その時点のモータ位置を保持する位置制御を維持する請求項１に記載のモータ駆動装置。