JP4893075B2

JP4893075B2 - 同期制御システム

Info

Publication number: JP4893075B2
Application number: JP2006109453A
Authority: JP
Inventors: 浩二原; 寛治渡邉; 賢一関岡
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-04-12
Also published as: JP2007282460A

Description

本発明は、機械的に締結された複数軸構成の機構系に設置された複数のモータを同期運転するものであって、位置決めの短縮と電源回生による省電力化、システム構成の小形化を図ることができる同期制御システムに関する。

従来の機械的に締結された複数軸の機械系に設置された複数のモータを同期運転する場合の停止方法として特許文献１（第１の従来例）がある。また、従来の機械的に締結された複数軸の機械系に設置された複数のモータを同期運転する場合の回生処理方法として特許文献２（第２の従来例）がある。

図３は、第１の従来例の制御構成を示す制御ブロック図である。図において、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。なお、各構成の符号は、特許文献１のものを使用して説明している。

第１の従来例の停止方法の動作を説明する。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。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。

一方、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、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。また、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。

このように、第１の従来例では、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させるのである。

図４は、第２の従来例の構成を示す構成ブロック図である。図において、１、２、３はモータ制御装置、４、５、６はモータ、７、８、９はエンコーダ、１０は各モータ制御装置を制御するコントローラ、１１は３相電源である。１２は整流器、１３はインバータ、１４はコントロール基板である。１５は回生トランジスタ、１６は回生抵抗、１７は平滑コンデンサ、１８は突入電流防止回路、１９はＤＢ（ダイナミックブレーキ回路）、２０は電流検出回路である。また、２１はＣＰＵ＋ＡＳＩＣ、２２はスイッチ、２３はプルアップ抵抗、２４は反転論理、２５はＡＮＤ論理である。なお、各構成の符号は、特許文献２のものを使用して説明している。

第２の従来例の回生処理方法の動作を説明する。モータが高速回転速度から減速したり、下げ荷負荷などのようにモータの回転方向とモータのトルクの方向の極性が異なる場合はモータは発電動作となり、発電力の一部は摩擦負荷やモータの電気的損失（ジュール損）で消費されるが発電力が大きい場合はインバータに電力を回生する。回生動作時はバックモードの電流が平滑コンデンサを充電し、平滑コンデンサの電圧は上昇する。回生処理回路は平滑コンデンサの電圧が構成部品の耐圧を超えないように平滑コンデンサの直流電圧を監視し、上限電圧である第１電圧に達したら回生トランジスタをオンにして回生抵抗を平滑コンデンサと並列に挿入し平滑コンデンサの電荷を放電さる。放電により、直流電圧が下がり、下限電圧に到達したら回生トランジスタをオフして放電を停止する。放電を停止しても、まだモータの発電力が大きい場合は直流電圧は再び上昇する。これ以後、発電力がなくなるまで同じ動作を繰り返す。

ここで、多軸で使用する場合、互いの外部端子Ｐ、Ｎを接続するとともに、回生オン信号を示す外部端子Ｒを接続する。多軸のうち１軸でも回生トランジスタがオンになれば、回生オン信号は互いにワイヤードＯＲで接続されているので、他の軸の回生トランジスタもオンになり、全ての回生トランジスタは同じ動作をする。

このように、第２の従来例では、構成が簡単で、多軸に接続した場合、１軸の回生処理回路に負担が集中するということも避けて回生処理するのである。
特開２００５−１７６４９３号公報（第４頁、図３）特開２００５−１７６４９３号公報（第４−５頁、図１）

第１の従来例では、正常運転時及び異常発生時で、かつ、異常発生駆動装置がモータ駆動を維持できる場合に、コントローラからの停止位置指令に従って停止させるが、機械的に締結された機械を複数軸構成のモータで減速停止させる、回転型モータでは負荷のイナーシャ、リニアモータの場合には負荷質量が大きい場合、減速停止時に回生エネルギーが増大するため、回生抵抗容量の増加、もしくは位置決め時の停止距離の増長が問題となる。

また、第２の従来例では、前述の減速停止時に回生エネルギーが増大する場合、個々の駆動装置に搭載している回生処理回路が、回生抵抗容量の増加あるいはトランジスタ容量の増加に伴い、大型化するという問題点があった。また、更に、個々の駆動装置の大型化に伴う同期システム全体の大型化、コストアップとなるという問題点もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、位置決めの短縮と電源回生による省電力化、システム構成の小形化を図ることができる同期制御システムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本発明の代表的な構成は、位置指令を出力する上位装置と、前記位置指令に基づいて複数軸結合機械に締結された複数のモータを駆動する複数の駆動装置と、を備え、前記複数の駆動装置のいずれか１つをマスタ、前記マスタ以外の駆動装置をスレーブとして前記複数のモータを同期運転する同期制御システムにおいて、加速度指令に基づいて補償トルク指令を生成する補償トルク演算部と、前記マスタのトルク指令に前記補償トルク指令を加算して減速トルク指令を生成する減速トルク演算部と、前記補償トルク指令あるいは前記減速トルク指令のいずれかを、前記マスタの速度指令あるいは速度フィードバック信号に基づいて選択する切替部と、を有した前記上位装置と、前記複数の駆動装置の直流電源入力に、共通に接続する電源回生用コンバータと、を備え、前記同期運転における減速停止の場合、前記切替部が前記減速トルク指令を選択し、前記複数の駆動装置が前記減速トルク指令を自己のトルク指令にそれぞれ加算すると共に、前記電源回生用コンバータが電源回生動作をするものである。

本発明の代表的な構成によれば、簡単に減速トルクを増加することができ、位置決めを短時間に行うことができ、停止距離も短くすることができる。また、回生エネルギーを抵抗器により放熱する等のエネルギーの無駄をせず、省エネ効果によりランニングコストの低減を図ることができる。また、コンバータの共通化ができ、システムの小形化、イニシャルコストの低減を図ることができる。
更に、適用用途により必要に応じてトルク指令に加算する補償するトルクフィードフォワード指令を切換えることができる。また、機構系におけるマスタを容易に設定変更することができ、様々な機構系に対応することができ、汎用性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の同期制御システムの制御構成を示す制御ブロック図である。図において、１００はコントローラ、１１０は位置指令生成部、１２０は加速度変換部、１３０は補償トルク演算部、１４０は減速トルク演算部、１５０は切替スイッチ（ＳＷ）、２００は第１駆動装置、２１０は第１指令演算部、２２０は第１速度指令演算部、２３０は第１トルク指令演算部、２４０は第１速度変換部、３００は第２駆動装置、３１０は第２指令演算部、３２０は第２速度指令演算部、３３０は第２トルク指令演算部、３４０は第２速度変換部である。

また、図２は、本発明の同期制御システムの構成を示す構成ブロック図である。図において、１００は同期した位置指令を駆動装置に渡すコントローラ、２００及び３００はモータを駆動する各軸の駆動装置、４００はリニアモータの可動子、５００はリニアモータの固定子、６００は位置検出部、７００は駆動装置の共通ＤＣラインに接続された電源回生用ＤＣコンバータであり、リニアモータ可動子は互いに機械的に締結されている。なお、リニアモータが回転型モータに代わっても良く、また、位置検出部６００はリニアエンコーダ、エンコーダ等の位置検出ができるものであれば良く、これらの変更は、本発明の本質部分に関わるものでない。

本発明が特許文献１と異なる部分は、加速度指令に基づいて補償トルク指令を生成する補償トルク演算部と、前記補償トルク指令とトルク指令に基づいて減速トルク指令を生成する減速トルク演算部と、前記補償トルク指令あるいは前記減速トルク指令のいずれかを選択する切替部と、を有した上位装置を備え、第１モータ４１０および第２モータ４２０の減速停止の場合、第１駆動装置２００の速度指令に基づいた切替信号により、切替ＳＷ１５０が減速トルク指令を選択するように切替えられ、減速トルク指令は第１駆動装置２００および第２駆動装置３００に対し、トルクフィードフォワード指令として働くようにした部分である。

また、本発明が特許文献２と異なる部分は、加速度指令に基づいて補償トルク指令を生成する補償トルク演算部と、前記補償トルク指令とトルク指令に基づいて減速トルク指令を生成する減速トルク演算部と、前記補償トルク指令あるいは前記減速トルク指令のいずれかを選択する切替部と、を有した上位装置と、複数の駆動装置の直流電源入力に、共通に接続する電源回生用コンバータと、を備え、第１モータ４１０および第２モータ４２０の減速停止の場合、切替ＳＷ１５０が減速トルク指令を選択するように切替えられると同時に、制御信号により電源回生用コンバータ７００を電源回生として働くように制御して、第１モータ４１０および第２モータ４２０の回生エネルギーを電源に戻す処理をするようにした部分である。

以下、本発明の同期制御システムの動作について説明する。
位置指令生成部１１０は、位置指令を生成して第１駆動装置２００および第２駆動装置３００に出力する、と同時に、加速度変換部１２０にもその位置指令を出力する。また、加速度変換部１２０は、例えば、位置指令を２階微分して加速度指令を算出し、補償トルク部１３０に出力する。また、補償トルク演算部１３０は、機構系の可動部と可動部に搭載される負荷との合算された質量と加速度指令とを乗算して補償トルク指令を出力する。また、減速トルク演算部１４０は、補償トルク指令とトルク指令を入力して減速トルク指令を出力する。すなわち、トルク指令に補償トルク指令を加算して減速を増す指令を生成するのである。

第１駆動装置２００は、位置検出部６１０により位置フィードバックを検出し、コントローラ１００より渡される位置指令との差分を偏差として位置指令演算部２１０にて速度指令を算出する。算出された速度指令に対し、位置検出部６１０により検出した位置フィードバックを速度変換部２４０により速度フィードバックに変換し、速度指令と速度フィードバックの差分を求め、速度指令演算部２２０にてトルク指令を算出する。トルク指令演算部２３０は、トルク指令に補償トルクまたは減速トルクをフィードフォワードとして加算したトルク指令を電流値に変換し、第１モータ４１０を駆動する。第２駆動装置３００も第１駆動装置２００と同様に制御し、第２モータ４２０を駆動する。

ここで、切替ＳＷ１５０は、前述の補償トルク指令あるいは減速トルク指令のいずれかを選択し、そのいずれかを第１駆動装置２００および第２駆動装置３００へのトルクフィードフォワード指令として与える。切替ＳＷ１５０の切替は、第１駆動装置２００あるいは第２駆動装置３００の速度指令に基づいた切替信号で実施される。例えば、第１駆動装置２００あるいは第２駆動装置３００のいずれかを同期運転におけるマスタとし、他方をスレーブとした場合、マスタ側の速度指令に基づいた切替信号で切替ＳＷ１５０を切替えるようにする。また、減速トルク演算部１４０の入力とするトルク指令もマスタ側のトルク指令を用いるようにする。なお、速度指令の代わりに速度フィードバックを用いてもよい。

実施例１では、第１駆動装置２００をマスタ、第２駆動装置３００をスレーブとして説明する。
第１モータ４１０および第２モータ４２０の加速または一定速運転の場合、第１駆動装置２００の速度指令に基づいた切替信号により、切替ＳＷ１５０が補償トルク指令を選択するように切替えられ、補償トルク指令は第１駆動装置２００および第２駆動装置３００に対し、トルクフィードフォワード指令として働く。
一方、第１モータ４１０および第２モータ４２０の減速停止の場合、第１駆動装置２００の速度指令に基づいた切替信号により、切替ＳＷ１５０が減速トルク指令を選択するように切替えられ、減速トルク指令は第１駆動装置２００および第２駆動装置３００に対し、トルクフィードフォワード指令として働き、停止時間および停止距離の短縮を図ることができる。

また、第１モータ４１０および第２モータ４２０の減速停止の場合、切替ＳＷ１５０が減速トルク指令を選択するように切替えられると同時に、制御信号により電源回生用コンバータ７００を電源回生として働くように制御して、第１モータ４１０および第２モータ４２０の回生エネルギーを電源に戻す処理をする。これにより、回生エネルギーを抵抗器により放熱する等のエネルギーの無駄をせず、省エネ効果によりランニングコストの低減を図ることができるのである。なお、第１モータ４１０および第２モータ４２０の加速または一定速運転の場合、電源回生用コンバータ７００は交流から直流へのコンバータとして働くように制御する。

なお、実施例１は、２軸のリニアモータにて締結されている機構を同期運転する例を示したが、３軸以上の駆動装置で、機械的に締結された３軸以上の機構系に設置された３軸以上のリニアモータを同期運転する場合も同様に制御する。この場合、複数の駆動装置のいずれかをマスタ、それ以外をスレーブとすることで、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

更に、複数の駆動装置で、機械的に締結された複数軸の機構系に空気軸受を備える場合、リニアガイドや回転型でのボールネジ機構に比べ摩擦がはるかに小さいため、減速時の制動トルクが増大し、回生エネルギーが増大する。この場合も本発明によれば、電源回生用コンバータ７００で電源回生を行うことができるため、回生抵抗の増大や停止距離の増長をすることなく短距離にて減速停止させることができる。

また、近年では超高精度化が進みナノ単位の位置情報を検出可能なリニアスケールも製品化されているが、このような超精密な位置制御を行う場合、単相または三相ＡＣ電源の電源周波数の影響で電源周波数の２倍の周期で微小な停止時振動が起き、無視できなくなっている。この場合も本発明によれば、ＤＣラインに電源回生用コンバータを接続して駆動装置はＤＣ電源で駆動しているため単相または三相ＡＣ電源周波数の停止時振動への影響を小さくすることができる。

本発明の同期制御システムの制御構成を示す制御ブロック図である。本発明の同期制御システムの構成を示す構成ブロック図である。第１の従来例の制御構成を示す制御ブロック図である。第２の従来例の構成を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１００コントローラ
２００第１駆動装置
３００第２駆動装置
４００リニアモータ可動子
５００リニアモータ固定子
６００位置検出部
７００電源回生用コンバータ
１１０位置指令演算部
１２０加速度変換部
１３０補償トルク演算部
１４０減速トルク演算部
１５０切替ＳＷ
２１０第１位置演算部
２２０第１速度演算部
２３０第１トルク演算部
２４０第１速度変換部
３１０第２位置演算部
３２０第２速度演算部
３３０第２トルク演算部
３４０第２速度変換部
４１０第１モータ
４２０第２モータ
６１０第１位置検出部
６２０第２位置検出部

Claims

位置指令を出力する上位装置と、前記位置指令に基づいて複数軸結合機械に締結された複数のモータを駆動する複数の駆動装置と、を備え、前記複数の駆動装置のいずれか１つをマスタ、前記マスタ以外の駆動装置をスレーブとして前記複数のモータを同期運転する同期制御システムにおいて、
加速度指令に基づいて補償トルク指令を生成する補償トルク演算部と、前記マスタのトルク指令に前記補償トルク指令を加算して減速トルク指令を生成する減速トルク演算部と、前記補償トルク指令あるいは前記減速トルク指令のいずれかを、前記マスタの速度指令あるいは速度フィードバック信号に基づいて選択する切替部と、を有した前記上位装置と、
前記複数の駆動装置の直流電源入力に、共通に接続する電源回生用コンバータと、を備え、
前記同期運転における減速停止の場合、前記切替部が前記減速トルク指令を選択し、前記複数の駆動装置が前記減速トルク指令を自己のトルク指令にそれぞれ加算すると共に、前記電源回生用コンバータが電源回生動作をすることを特徴とする同期制御システム。