JP4760912B2

JP4760912B2 - サーボ制御装置

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Publication number: JP4760912B2
Application number: JP2008537494A
Authority: JP
Inventors: 学濱口; 友宏宮崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: KR101033766B1; KR20090029295A; US20100171458A1; DE112007002118T5; WO2008041598A1; JPWO2008041598A1; CN101523313A; TW200832885A

Description

この発明は、工作機械やその他の産業用機械などの送り軸を駆動制御するサーボ制御装置に係り、特に１つの可動部材を複数のモータが駆動するサーボ制御装置に関するものである。

１つの可動部材を複数台のモータで駆動する場合の従来のサーボ制御装置は図３のように構成されている。図３において、１１、２１はモータで１つの可動部材１を駆動する。１２、２２はモータ１１、２１の位置を検出する位置検出手段、１３、２３はモータ１１、２１の速度を検出する速度検出手段、１４、２１は図示しない上位コントローラから与えられる位置指令を入力し、位置検出手段１２、２２で検出される位置が位置指令に追従するように制御する位置制御手段であり、速度指令を出力する。１５、２５は位置制御手段１４、２４から出力される速度指令を入力し、速度検出手段１３、２３で検出される速度が速度指令に追従するように電流指令を出力する速度制御手段、１６、２６は速度制御手段１５、２５が出力する電流指令に従ってモータ電流を制御する電流制御手段である。

位置制御手段１４、２４では、図４にブロック図を示すような比例制御が行われる。図４において、５０は位置指令から位置検出手段１２、２２で検出されるモータ位置を引いて位置偏差を出力する比較器、５１は比較器５０の出力である位置偏差に定数Ｋｐを乗じて速度指令出力する位置ゲイン要素である。位置制御手段１４、２４はこのように、位置偏差に定数ゲインＫｐを乗じて速度指令として出力する。

速度制御手段１５、２５では比例制御と積分制御が行われる。図５は速度制御手段１５、２５の詳細を示すブロック図である。図５において、５２は速度指令から速度検出器１３、２３で検出されるモータ速度を減じた値である速度偏差を出力する比較器、５３は速度偏差に定数Ｋｖを乗じて出力する速度ゲイン要素、５４は速度偏差を積分する積分器、５５は積分器５４の積分値に定数Ｋｉを乗じる積分ゲイン要素、５６は速度ゲイン要素５３の出力と積分ゲイン要素５５の出力を加算して電流指令として出力する加算器である。

速度制御手段１５、２５で比例制御と積分制御を行うのは、モータに一定の外力が作用する場合でも、位置検出手段１２、２２で検出されるモータ位置が位置指令に偏差なく追従するためには積分器が必要となるからである。モータに外力が作用する場合、この外力が位置偏差を生じる原因となる。外力によって位置偏差が生じた場合、位置制御手段１４、２４は、この位置偏差に対応する速度指令を出力する。この速度指令が速度制御手段１５、２５に入力され、積分器５４で積分される。これによって、積分器５４の積分値が増加し、速度制御手段１５、２５から出力される電流指令も増加する。位置偏差が零になるまで積分値が増加し、電流指令も増加するので、最終的にモータは作用する外力に対抗するトルクを発生して、位置偏差が解消するのである。

ここでは、位置制御手段１４、２４を比例制御、速度制御手段１５、２５を比例制御と積分制御とする例を示したが、位置制御手段１４、２４を比例制御と積分制御とする場合もある。この場合も同様に、位置偏差が位置制御手段１４、２４の積分器で積分され、それに伴って電流指令が増加するので、モータに一定外力が作用する場合でも位置偏差が無くなる。このように、位置制御手段と速度制御手段の少なくとも一方に積分器を含むように制御系を構成すれば、公知の内部モデル原理により、モータに一定の外力が作用する場合でも位置偏差を無くすことが出来る。

従来のサーボ制御装置は以上のように構成され、２台のモータ１１、２１に同じ位置指令を与えて、その位置指令に追従するように各モータを制御することにより、１つの可動部材１を駆動するようになっている。

ここで、従来のサーボ制御装置の問題点を明らかにするため、位置検出手段１２、２２に相異なる検出誤差がある場合を考える。上記のように、各モータは上位コントローラから与えられる位置指令に追従して動作し、同じ位置に位置決めされる。ところが、位置検出器に検出誤差があると、位置検出器で検出されるモータ位置と指令位置が一致していても、実際のモータ位置には、ズレが生じることになる。２台のモータ１１と１２は可動部材１によって機械的に接続されているので、２台のモータ間に位置ズレがあると各モータには同じ位置に引き戻そうとする外力が作用する。ところが、前記のように速度制御手段１５、２５の積分器５４の作用により、各モータはそれぞれに作用する外力に対抗する大きなトルクを出して位置偏差を無くそうとするのである。

このように、従来のサーボ制御装置では、位置検出器に検出誤差があると、各モータは位置偏差を無くすため過大なトルクを発生するので、これがモータの発熱や過負荷の原因になると言う問題があった。さらに、各モータが出すトルクによって、可動部材１を含む機械系に歪が生じ、機械系がストレスを受けると言う問題があった。

このような問題点を解消し、各モータが発生する過大トルクを抑制する技術としては、各モータのトルク指令を比較し、トルク指令の差が小さくなるように、一方、又は両方のモータの位置偏差を補正する同期補正処理部を設けるものがある。すなわち、同期補正処理部を新たに設けることによって位置偏差を補正し、トルク指令の差を小さくするものであり、これによって、各モータが発生する過大トルクを抑制することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２８８１６４号公報

上記のように、従来のサーボ制御装置では、各モータの位置検出器に検出誤差があると、各モータが過大なトルクを発生すると言う問題があった。

また、特許文献１に開示されている技術では、各モータが発生する過大トルクは抑制できるものの、同期補正処理部を新たに設ける必要があるため演算量が増加し、従来よりも処理能力の高い制御装置を用いる必要があると言う問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、少ない演算量で、各モータが発生する過大トルクを抑制できるサーボ制御装置を得ることを目的としている。

この発明に係るサーボ制御装置は、１つの可動部材を１つの主モータと少なくとも１つの従モータとの複数のモータで駆動するサーボ制御装置であって、前記主モータを駆動制御する主モータ制御手段と、前記少なくとも１つの従モータをそれぞれ駆動制御する少なくとも１つの従モータ制御手段とを備え、前記主モータ制御手段は、前記主モータの位置を検出する主モータ位置検出手段と、前記主モータの速度を検出する主モータ速度検出手段と、与えられた位置指令を入力し、前記主モータ位置検出手段で検出される主モータの位置が前記位置指令に追従するように前記主モータの電流指令を出力する主モータ位置制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令を入力し、前記主モータの電流を制御する主モータ電流制御手段と、を備え、前記従モータ制御手段は、前記従モータの位置を検出する従モータ位置検出手段と、前記従モータの速度を検出する従モータ速度検出手段と、前記主モータ位置検出手段で検出された主モータの位置を位置指令として入力し、前記従モータ位置検出手段で検出される従モータの位置が前記主モータの位置に追従するように前記従モータの速度指令を出力する従モータ位置制御手段と、前記従モータ位置制御手段が出力する速度指令と前記主モータ速度検出手段で検出される前記主モータの速度との加算値を新たな速度指令として入力し、前記従モータ速度検出手段によって検出される前記従モータの速度が前記新たな速度指令に追従するように、前記従モータの電流指令を出力する従モータ速度制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令と前記従モータ速度制御手段が出力する電流指令との加算値を新たな電流指令として入力し、前記従モータの電流を制御する従モータ電流制御手段と、を備え、前記従モータ位置制御手段、及び前記従モータ速度制御手段は、積分特性を持たないようにしたものである。

また、この発明に係るサーボ制御装置は、上記において、前記従モータ位置制御手段、及び前記従モータ速度制御手段が比例制御、又は比例制御と不完全積分制御で構成される
ようにしたものである。

また、この発明に係るサーボ制御装置は、１つの可動部材を１つの主モータと少なくとも１つの従モータからなる複数のモータで駆動するサーボ制御装置であって、前記主モータを駆動制御する主モータ制御手段と、前記少なくとも１つの従モータを駆動制御する少なくとも１つの従モータ制御手段とを備え、前記主モータ制御手段は、前記主モータの位置を検出する主モータ位置検出手段と、前記主モータの速度を検出する主モータ速度検出手段と、与えられた位置指令を入力し、前記主モータ位置検出手段で検出される前記主モータの位置が前記位置指令に追従するように前記主モータの電流指令を出力する主モータ位置制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令を入力し、前記主モータの電流を制御する主モータ電流制御手段を備え、前記従モータ制御手段は、前記従モータの速度を検出する従モータ速度検出手段と、前記主モータ速度検出手段で検出される前記主モータの速度を速度指令として入力し、前記従モータ速度検出手段によって検出される前記従モータの速度が前記主モータの速度に追従するように、前記従モータの電流指令を出力する従モータ速度制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令と前記従モータ速度制御手段が出力する電流指令との加算値を新たな電流指令として入力し、前記従モータの電流を制御する従モータ電流制御手段を備え、前記従モータ速度制御手段は、積分特性を持たないようにしたものである。

また、この発明に係るサーボ制御装置は、１つの可動部材を１つの主モータと少なくとも１つの従モータからなる複数のモータで駆動するサーボ制御装置であって、前記主モータを駆動制御する主モータ制御手段と、前記少なくとも１つの従モータを駆動制御する少なくとも１つの従モータ制御手段とを備え、前記主モータ制御手段は、前記主モータの位置を検出する主モータ位置検出手段と、前記主モータの速度を検出する主モータ速度検出手段と、与えられた位置指令を入力し、前記主モータ位置検出手段で検出される前記主モータの位置が前記位置指令に追従するように前記主モータの電流指令を出力する主モータ位置制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令を入力し、前記主モータの電流を制御する主モータ電流制御手段を備え、前記従モータ制御手段は、前記従モータの速度を検出する従モータ速度検出手段と、前記主モータ速度検出手段で検出される前記主モータの速度を速度指令として入力し、前記従モータ速度検出手段によって検出される前記従モータの速度が前記主モータの速度に追従するように、前記従モータの電流指令を出力する従モータ速度制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令と前記従モータ速度制御手段が出力する電流指令との加算値を新たな電流指令として入力し、前記従モータの電流を制御する従モータ電流制御手段を備え、前記従モータ速度制御手段は、比例制御、又は比例制御と不完全積分制御で構成されるようにしたものである。

この発明によれば、前記従モータ位置制御手段、及び前記従モータ速度制御手段が積分特性を持たないように構成したので、各モータの位置検出器に検出誤差があっても、少ない演算量で各モータの過大トルクを抑制できる効果がある。

また、この発明によれば、前記従モータ位置制御手段と前記従モータ速度制御手段を比例制御、又は比例制御と不完全積分制御の両制御としたので、各モータの位置検出器に検出誤差があっても、少ない演算量で各モータの過大トルクを抑制できる効果がある。

また、この発明によれば、前記従モータ制御手段の位置制御ループを無くし、速度ループで制御するようにし、前記従モータ速度制御手段が積分特性を持たないようにしたので、各モータの位置検出器に検出誤差があっても、少ない演算量で各モータの過大トルク抑制できる効果がある。

さらに、この発明によれば、前記従モータ制御手段の位置制御ループを無くし、速度ループで制御するようにし、前記従モータ速度制御手段を比例制御、又は比例制御と不完全積分制御の両制御で構成したので、各モータの位置検出器に検出誤差があっても、少ない演算量で各モータの過大トルクを抑制できる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るサーボ制御装置のブロック図を示すものである。図１において、３１は主モータ、４１は従モータ、１は可動部材で主モータ３１と従モータ４１で駆動される。３０は主モータ３１を駆動制御する主モータ制御手段、４０は従モータ４１を駆動制御する従モータ制御手段である。

主モータ制御手段３０は、主モータ位置検出手段３２、主モータ速度検出手段３３、位置制御手段３４、速度制御手段３５、及び主モータ電流制御手段３６で構成され、位置制御手段３４と速度制御手段３５とで主モータ位置制御手段を構成する。位置制御手段３４は、図示しない上位コントローラから与えられた位置指令を入力し、主モータ位置検出手段３２で検出される主モータ３１の位置が前記位置指令に追従するように速度指令を出力する。主モータ位置制御手段３４では図４に示す比例制御が行われる。また、速度制御手段３５は、位置制御手段３４から出力される速度指令を入力し、速度検出手段３３で検出される速度が速度指令に追従するように電流指令を出力する。主モータ速度制御手段３５は図５のような比例と積分制御である。さらに、主モータ電流制御手段３６は、速度制御手段３５が出力する電流指令を入力し、主モータ３１の電流を制御する。主モータ制御手段３０はこのように構成され、上位コントローラから与えられる位置指令に追従するように主モータ３１を駆動制御する。

また、従モータ制御手段４０は、従モータ位置検出手段４２、従モータ速度検出手段４３、従モータ位置制御手段４４、従モータ速度制御手段４５、及び従モータ電流制御手段４６で構成される。ここで、従モータ位置制御手段４４は、主モータ位置検出手段３２で検出された主モータ３１の位置を位置指令として入力し、従モータ位置検出手段４２で検出される従モータ４１の位置が主モータ３１の位置に追従するように制御し、従モータ４１の速度指令を出力する。ただし、従モータ位置制御手段４４では図４に示す比例制御が行われ、積分特性は持たない。従モータ速度制御手段４５は、従モータ位置制御手段４４が出力する速度指令と主モータ速度検出手段３３で検出される主モータ３１の速度との加算値を新たな速度指令として入力し、従モータ速度検出手段４３によって検出された従モータ４１の速度が前記新たな速度指令に追従するように、従モータ４１の電流指令を出力する。従モータ速度制御手段４５も図４のような比例制御であり、積分特性を持たない。さらに、従モータ電流制御手段４６は、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令と従モータ速度制御手段４５が出力する電流指令との加算値を新たな電流指令として入力し、従モータ４１の電流を制御する。

従モータ制御手段４０はこのように構成され、主モータ３１の位置、速度、及び電流指令に基づいて従モータ４１を制御することにより、従モータ４１は主モータ３１の動きに追従して動作する。

以上のように、主モータ３１は上位コントローラから与えられる位置指令に追従して動作し、従モータ４１は主モータ３１の動きに追従して動作することにより、２台のモータで１つの可動部材１が駆動される。

次に、主モータ位置検出手段３２、及び従モータ位置検出手段４２に検出誤差がある場合の動作について説明する。主モータ速度制御手段３５は比例制御と積分制御であり、積分器を含んでいるので、位置指令との位置偏差がゼロになるように制御される。一方、従モータ制御手段４０では、従モータ位置制御手段４４と従モータ速度制御手段４５のいずれも積分特性を持たない制御となっている。このため、従来のサーボ制御装置のように位置偏差がゼロになるまで電流指令が増加することが無くなり、従モータ４１に過大トルクが発生するのが抑制される。主モータ３１に作用する外力は従モータ４１が発生するトルクの反作用であるから、従モータ４１が発生するトルクが小さければ主モータ３１に作用する外力も小さくなり、結果的に主モータ３１においても過大なトルクの発生が抑制されることになる。

このように、本実施の形態１によれば、従モータ位置制御手段４４と従モータ速度制御手段４５との両方が積分特性を持たないように構成しているので、各モータが発生する過大トルクを抑制することができる。さらに、本実施の形態１では、特許文献１のように同期補正処理部を新たに設ける必要がないため、少ない演算量で過大トルクの発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態では従モータ位置制御手段４４と従モータ速度制御手段４５を比例制御としたが、これらが共に積分特性を持たないようにすれば同様の効果が得られるので、比例と不完全積分制御としてもよい。従モータ速度制御手段４５を比例と不完全積分としたときのブロックを図６に示す。これは、図５の比例制御と積分制御に係数５７と減算器５８を追加した形となっている。このように積分器５４の出力を係数５７を介して積分器５４の入力にフィードバックすることにより不完全積分となり、従モータ速度制御手段４５の入出力特性は純粋な積分特性を持たないようになる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係るサーボ制御装置のブロック図を示すものである。図１と同一部分には同一の符号を付して、説明を省略する。図２は、実施の形態１を示す図１から従モータ制御手段４０の位置制御ループを取り除いて構成している。これに伴って、主モータ速度検出手段３３で検出される主モータ３１の速度を、従モータ速度制御手段４５に速度指令として入力している。

従来のサーボ制御装置では、位置偏差が無くなるまで電流指令が増加し、これによって各モータが過大なトルクを発生していた。一方、本実施の形態２に係わるサーボ制御装置では、従モータ制御手段４０には位置制御ループが無いので、位置偏差が無くなるまで電流指令が増加するようなことが無く、従モータ４１における過大なトルクの発生が抑制される。主モータ３１に作用する外力は、従モータ４１が発生するトルクの反作用であるから、従モータ４１が発生するトルクが小さければ、主モータ３１に作用する外力も小さくなり、結果的に主モータ３１においても過大なトルクの発生が抑制されることになる。

このように、本実施の形態２によれば、従モータ制御手段４０が位置制御ループを持たないように構成しているので、各モータが発生する過大トルクを抑制することができる。さらに、本実施の形態２では、特許文献１のように同期補正処理部を新たに設ける必要がなく、さらに、従モータ制御装置４０の位置制御ループを取り除いているため、少ない演算量で過大トルクの発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態２では、従モータ制御手段４０から位置制御ループを取り除くことによって過大トルクの発生を抑制しているので、従モータ速度制御手段４５が比例制御と積分制御であっても、過大トルクの発生が抑制される。

さらに、従モータ速度制御手段４０が積分特性を持たないように、比例制御あるいは比例制御と不完全積分制御で構成すれば、実施の形態１で示したような積分特性を持たないことによるトルク抑制効果がさらに追加されることになり、より大きなトルク抑制効果が得られる。

また、実施の形態１、及び実施の形態２では、従モータが１台の場合を示したが、従モータが２台以上であっても同様に構成でき、同様の効果が得られる。

この発明に係るサーボ制御装置は、工作機械やその他の産業用機械の送り軸などにおいて、ひとつの可動部材を複数のモータで駆動制御ためのサーボ制御装置として用いられるのに適している。

この発明の実施の形態１を示すサーボ制御装置のブロック図である。この発明の実施の形態２を示すサーボ制御装置のブロック図である。従来のサーボ制御装置のブロック図である。比例制御のブロック図である。比例と積分制御のブロック図である。比例と不完全積分制御のブロック図である。

符号の説明

１可動部材
１２、２２位置検出手段
１３、２３速度検出手段
１４、２４位置制御手段
１５、２５速度制御手段
１６、２６電流制御手段
３０主モータ制御手段
３１主モータ
３２主モータ位置検出手段
３３主モータ速度検出手段
３４位置制御手段
３５速度制御手段
３６主モータ電流制御手段
４０従モータ制御手段
４１従モータ
４２従モータ位置検出手段
４３従モータ速度検出手段
４４従モータ位置制御手段
４５従モータ速度制御手段
４６従モータ電流制御手段

Claims

１つの可動部材を１つの主モータと少なくとも１つの従モータとの複数のモータで駆動するサーボ制御装置であって、
前記主モータを駆動制御する主モータ制御手段と、前記少なくとも１つの従モータをそれぞれ駆動制御する少なくとも１つの従モータ制御手段とを備え、
前記主モータ制御手段は、前記主モータの位置を検出する主モータ位置検出手段と、前記主モータの速度を検出する主モータ速度検出手段と、与えられた位置指令を入力し、前記主モータ位置検出手段で検出される主モータの位置が前記位置指令に追従するように前記主モータの電流指令を出力する主モータ位置制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令を入力し、前記主モータの電流を制御する主モータ電流制御手段と、を備え、
前記従モータ制御手段は、前記従モータの位置を検出する従モータ位置検出手段と、前記従モータの速度を検出する従モータ速度検出手段と、前記主モータ位置検出手段で検出された主モータの位置を位置指令として入力し、前記従モータ位置検出手段で検出される従モータの位置が前記主モータの位置に追従するように前記従モータの速度指令を出力する従モータ位置制御手段と、前記従モータ位置制御手段が出力する速度指令と前記主モータ速度検出手段で検出される前記主モータの速度との加算値を新たな速度指令として入力し、前記従モータ速度検出手段によって検出される前記従モータの速度が前記新たな速度指令に追従するように、前記従モータの電流指令を出力する従モータ速度制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令と前記従モータ速度制御手段が出力する電流指令との加算値を新たな電流指令として入力し、前記従モータの電流を制御する従モータ電流制御手段と、を備え、前記従モータ位置制御手段、及び前記従モータ速度制御手段は、積分特性を持たないことを特徴とするサーボ制御装置。
前記従モータ位置制御手段、及び前記従モータ速度制御手段は、比例制御、又は比例制御と不完全積分制御で構成されることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
１つの可動部材を１つの主モータと少なくとも１つの従モータからなる複数のモータで駆動するサーボ制御装置であって、
前記主モータを駆動制御する主モータ制御手段と、前記少なくとも１つの従モータを駆動制御する少なくとも１つの従モータ制御手段とを備え、
前記主モータ制御手段は、前記主モータの位置を検出する主モータ位置検出手段と、前記主モータの速度を検出する主モータ速度検出手段と、与えられた位置指令を入力し、前記主モータ位置検出手段で検出される前記主モータの位置が前記位置指令に追従するように前記主モータの電流指令を出力する主モータ位置制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令を入力し、前記主モータの電流を制御する主モータ電流制御手段を備え、
前記従モータ制御手段は、前記従モータの速度を検出する従モータ速度検出手段と、前記主モータ速度検出手段で検出される前記主モータの速度を速度指令として入力し、前記従モータ速度検出手段によって検出される前記従モータの速度が前記主モータの速度に追従するように、前記従モータの電流指令を出力する従モータ速度制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令と前記従モータ速度制御手段が出力する電流指令との加算値を新たな電流指令として入力し、前記従モータの電流を制御する従モータ電流制御手段を備え、
前記従モータ速度制御手段は、積分特性を持たないことを特徴とするサーボ制御装置。
１つの可動部材を１つの主モータと少なくとも１つの従モータからなる複数のモータで駆動するサーボ制御装置であって、
前記主モータを駆動制御する主モータ制御手段と、前記少なくとも１つの従モータを駆動制御する少なくとも１つの従モータ制御手段とを備え、
前記主モータ制御手段は、前記主モータの位置を検出する主モータ位置検出手段と、前記主モータの速度を検出する主モータ速度検出手段と、与えられた位置指令を入力し、前記主モータ位置検出手段で検出される前記主モータの位置が前記位置指令に追従するように前記主モータの電流指令を出力する主モータ位置制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令を入力し、前記主モータの電流を制御する主モータ電流制御手段を備え、
前記従モータ制御手段は、前記従モータの速度を検出する従モータ速度検出手段と、前記主モータ速度検出手段で検出される前記主モータの速度を速度指令として入力し、前記従モータ速度検出手段によって検出される前記従モータの速度が前記主モータの速度に追従するように、前記従モータの電流指令を出力する従モータ速度制御手段と、前記主モータ位置制御手段が出力する電流指令と前記従モータ速度制御手段が出力する電流指令との加算値を新たな電流指令として入力し、前記従モータの電流を制御する従モータ電流制御手段を備え、
前記従モータ速度制御手段は、比例制御、又は比例制御と不完全積分制御で構成されることを特徴とするサーボ制御装置。