JP5096019B2 - サーボモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械等に備えられたサーボモータの動作を制御するためのサーボモータ制御装置（以下、単に制御装置と称す）に関するものである。

サーボモータを回転駆動して、ボールねじ等の送り軸に連結されたテーブル等をスライド可能に備えてなる一般的な工作機械においては、サーボモータを正逆回転させながら位置決めを行うため、送り軸等の弾性変形部にロストモーションと呼ばれるような弾性変形誤差が生じる。そのため、制御装置には、当該誤差を補正するための補正部が備えられている。ここで、従来の制御装置（たとえば、特許文献１）について、図６及び７にもとづき説明する。図６は、工作機械を示した説明図であり、図７は、従来の制御装置６１のブロック構成図である。
工作機械は、ベッド７１上に一対のブラケット７２、７２を固定し、ブラケット７２、７２間にボールねじ７３を架設してなるものである。そして、ボールねじ７３に螺合しているナット７４にはテーブル７５が取り付けられており、サーボモータ７６によりボールねじ７３を回転させることにより、テーブル７５が左右方向へスライドするようになっている。尚、ボールねじ７３は、図示しない軸受を介してブラケット７２に軸支されている。

一方、制御装置６１は、サーボモータ７６の回転駆動を制御するものであって、入力されるＮＣ位置指令とサーボモータ７６に設けられた位置検出器６２からの位置フィードバック信号との偏差が０となるような位置ループと、位置フィードバック信号を微分して得られる速度フィードバック信号をもちいた速度ループとを組んでおり、当該２つのループにもとづいてサーボモータ７６のトルク指令値を制御する。また、制御装置６１には、サーボモータ７６の回転方向の正逆を検出するための正逆検出部６３が備えられているとともに、該正逆検出部６３においてサーボモータ７６の反転が検出された場合に、トルク指令値を補正するためのトルク補正部６４が備えられている。

上述したような制御装置６１においては、予めテスト運転を行い、反転時におけるトルク指令値の最大値（図８（ａ）中のＴｊＡ）と最小値（図８（ａ）中のＴｊＢ）との差（ΔＴ）を２で割った値を補正基準トルクとして送り速度等に対応付けてテーブルに記憶させておき、実加工にあたっては、正逆検出部６３にてサーボモータ７６の反転が検出されると、その際の送り速度等から対応する補正基準トルクを読み出してトルク指令値を補正するといった制御を行う。尚、図８（ａ）は、テスト運転時におけるトルク指令信号の変化を示した図である。

特開平１０−６３３２５号公報

上述したような制御装置では、図８（ａ）に示すごとく、反転した後で最終的に収束するトルク指令値にもとづき補正するものであり、図８（ｂ）に示すように、反転に伴いステップ状にトルクが変化するものとして弾性変形誤差を推定し補正を実施する。しかしながら、現実には、反転後にトルクがステップ状に反転することはなく、徐々に反転方向のトルクが増加して最終的なトルク値に収束することになる。したがって、従来の制御装置では、サーボモータが反転してからトルク値が所定の値に収束するまでの間に推定誤差が生じ、ひいては位置決め精度の低下につながる。
また、サーボモータを反転させるような場合には、ボールねじ等の弾性変形部には働かないトルク（たとえばボールねじの軸受部における回転抵抗等）も存在するため、そのような弾性変形部には働かないトルク等をも考慮に入れて弾性変形誤差を推定する方が望ましい。

そこで、本発明は、より正確に弾性変形誤差を推定し、位置決め精度の更なる向上を図ることができる制御装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、サーボモータのトルク指令値に基づいて前記サーボモータに弾性体を介して連結された移動体の位置を補正するサーボモータ制御装置であって、前記サーボモータの回転方向を検知するための回転方向検知部と、前記サーボモータの回転角度を演算するための回転角度演算部と、前記弾性体の弾性変形に寄与しない前記サーボモータ側の回転抵抗を演算するための回転抵抗演算部と、前記弾性体の弾性変形誤差量を演算するための弾性変形誤差量演算部とを備え、前記回転方向検知部において前記サーボモータの反転を検知すると、前記回転抵抗演算部により、反転してからの前記サーボモータの回転角度にもとづいて回転抵抗を演算し、算出された回転抵抗とサーボモータのトルク指令値とをもとに前記弾性変形誤差量演算部において弾性変形誤差量を算出し、前記移動体の位置を補正することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、回転抵抗演算部が、最終的に収束する回転抵抗Ｔ _ＡＭＰ と、回転抵抗が０となる反転してからの回転角度δθ _０ と、前記回転角度演算部において算出される反転してからの前記サーボモータの回転角度δθとを用いた下式１により回転抵抗Ｔ _ＢＲＧ を演算することを特徴とする。
尚、式中におけるＴ_Ａｍｐは最終的に収束する回転抵抗（定数）であり、δθ_０は回転抵抗が０となる反転してからの回転角度（定数）を示す。また、δθは、回転角度演算部において算出される回転角度である。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、サーボモータの回転方向を符号で表す回転方向演算部と、反転時における回転抵抗を記憶する反転時回転抵抗記憶部とを備え、回転方向検知部において前記サーボモータの反転を検知すると、その際の回転抵抗を一旦前記反転時回転抵抗記憶部に記憶するとともに、反転してからの前記サーボモータの回転角度、前記サーボモータの回転方向、及び前記反転時回転抵抗記憶部に記憶されている回転抵抗にもとづき、回転抵抗演算部にて回転抵抗を演算することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、回転抵抗演算部が、前記回転方向演算部において算出される関数であるｓｉｇｎ（θ’）と、最終的に収束する回転抵抗Ｔ _ＡＭＰ と、回転抵抗が０となる反転してからの回転角度δθ _０ と、前記回転角度演算部において算出される反転してからの前記サーボモータの回転角度δθと、前記反転時回転抵抗記憶部に記憶されている回転抵抗Ｔ _{ｒｅｖｅｒｓｅ} とを用いた下式２により回転抵抗Ｔ _ＢＲＧ を演算することを特徴とする。
尚、式中におけるｓｉｇｎ（θ’）とは、回転方向演算部において算出される関数であり、Ｔ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}は反転時回転抵抗記憶部に記憶されている回転抵抗である。

本発明によれば、ボールねじ等の弾性変形部には働かないトルク（サーボモータ側の回転抵抗）をも考慮に入れて弾性変形誤差量を算出するようにしているため、弾性変形誤差量を従来より正確に推定することができ、移動体の位置決め精度を向上することができる。
また、サーボモータが反転した際、反転してからのサーボモータの回転角度にもとづいて回転抵抗を演算するため、サーボモータが反転した際に回転抵抗がステップ状に反転するとしてトルク補正を行う従来の制御装置と比較して、より正確に弾性変形誤差量δを算出することができ、位置決め精度の更なる向上を図ることができる。
さらに、請求項３及び４に記載の発明によれば、サーボモータが反転した際、反転してからのサーボモータの回転角度、サーボモータの回転方向、及び反転時回転抵抗記憶部に記憶されている回転抵抗とにもとづいて回転抵抗を演算するため、サーボモータが一旦反転した後、すぐに反転するような場合等に、さらに正確な弾性変形誤差量δを推定することができ、位置決め精度の一層の向上を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態となる制御装置について、図面をもとに説明する。

図１は、本発明に係る制御装置が備えられた工作機械を示した説明図である。
工作機械のベッド１上には、一対のブラケット２、２が立設されており、該ブラケット２、２には、弾性変形部としてのボールねじ（弾性体）３が図示しない軸受等を介して軸支されている。また、ボールねじ３に螺合されたナット４を介してテーブル（移動体）５が取り付けられており、サーボモータ６を回転駆動することにより、テーブル５を図１中における左右方向へスライド可能としている。

図２は、上記工作機械におけるサーボモータ６の回転駆動を制御する制御装置のブロック構成図である。
制御装置では、図示しないＮＣ装置から入力されるＮＣ位置指令と、サーボモータ６に設けられた位置検出器１２からの位置フィードバック信号との偏差が０となるような位置ループが組まれている。また、微分器１３により位置フィードバック信号を微分して得られる速度フィードバック信号と、位置制御部１４からの出力信号とを速度制御部１５にて比較するとした速度ループが、位置ループの内側に組まれている。尚、速度制御部１５からの出力は、トルク／電流変換部１６においてトルク指令に変換され、電流制御部１７を介し、サーボモータ６へ出力される。

一方、制御装置には、トルク／電流変換部１６から出力されるトルク指令のフィードバック信号、及び位置検出器１２からの位置フィードバック信号をもとにして弾性変形誤差量δを推定するトルクループが組まれており、弾性変形誤差量演算部（以下、演算部と称す）２１にて、ボールねじ３の弾性変形誤差量δを算出するようになっている。尚、３１は位置検出器１２からのフィードバック信号をもとに反転してからの回転角度δθを演算する反転距離演算部（回転角度演算部）、３２は位置検出器１２からのフィードバック信号をもとに回転方向ｓｉｇｎ（θ’）を演算する回転方向演算部、３３は反転時における回転抵抗Ｔ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}を記憶するための反転時回転抵抗記憶部、３４はサーボモータ６の反転を検知するための回転方向検知部である。また、３５は軸受等における回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇ（又はＴ_ＲＲ）を演算するための回転抵抗演算部、３６はＮＣ位置指令をもとにモータやボールねじなどのテーブル以外の物体を加速させるために必要な加減速トルクＴ_ＡＣＣを演算するための回転体加減速トルク演算部である。
そして、上述の如き制御装置では、各ループによりフィードバックされる信号をもとにして、トルク指令を補正して弾性体にかかる力を正確に推定し位置制御部１４へ入力する位置指令値を補正しながらサーボモータ６の回転駆動を制御する。

ここで、弾性変形誤差量δを算出するトルクループについて以下詳述する。
まず、弾性変形誤差量δを算出（推定）するにあたり、図１に示す工作機械を、図３に示すようなモデルで考える。尚、図３に示すモデルにおいては、サーボモータ６における位置、イナーシャ、軸受の摩擦力等を直線軸で表している。
弾性変形部（ボールねじ３）に係る力Ｆに係り、ボールねじ３を軸支するＴＡＣ軸受やモータ軸受などの摩擦力Ｆ_Ｂｒｇ、すなわち弾性変形に寄与しない回転抵抗を考慮に入れることで、下に示す力の釣り合いの式（１）を得ることができる。

また、弾性変形誤差量をδとすると、Ｆ＝Ｋ_ＢＳ・δ（Ｋ_ＢＳはボールねじ３の弾性係数）であるため、弾性変形誤差量δを次式（２）で表すことができる。

さらに、上式（１）における各パラメータは、ボールねじ３のピッチＰを用いることで次式（３）〜（５）に示すように回転系へ変換することができる。

したがって、上式（３）〜（５）を式（２）に代入することで、最終的に弾性変形誤差量δを下式（６）で表すことができる。

上式（６）から明らかなように、弾性変形誤差量δを推定するにあたっては、サーボモータ６側における回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇ（Ｆ_Ｂｒｇ）を求める必要がある。そして、特にサーボモータ６が反転した際のＴ_Ｂｒｇに関し、発明者による実験の結果、回転の反転と同時に回転抵抗の符号が反転するわけではなく、反転してからの回転角度δθに応じて、図４に示すような曲線をたどり一定の回転抵抗（Ｔ_Ａｍｐ）へ収束することを得た。当該曲線は、次式（７）または（８）にて表すことができる。したがって、回転抵抗演算部３５では、式（７）、（８）をもとに回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇを算出する。尚、式（７）、（８）におけるδθ_０は、回転抵抗が０となる反転してからの回転角度である。

ところで、回転抵抗が略一定値に収束した状態からの反転は、上式（７）、（８）にて算出可能であるが、回転抵抗が一定値に収束するまでの間に再びサーボモータ６が反転するような場合（すなわち、一旦反転した後すぐに再び反転するような場合）、回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇは、たとえば図５に示すような曲線をたどるため、次式（９）を用いて演算することで回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇをより正確に推定することができる。

上式（９）におけるＴ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}は、反転時における回転抵抗であり、回転方向検知部３４により反転が検出されると、反転時回転抵抗記憶部３３に反転時の回転抵抗Ｔ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}が記憶され、式（９）による回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇの算出に用いられる。さらに、ｓｉｇｎ（θ’）は回転方向をプラスマイナスの符号のみで表す関数であり、回転方向演算部３２にて演算される。なお、接触シール等のように回転方向のみに依存する（つまり、回転距離依存性のない）回転抵抗が存在する場合には、予め回転抵抗演算部３５にパラメータとして記憶しておき、次式（１１）にて回転抵抗Ｔ_ＲＲを演算することができる。

上述の如くして、回転抵抗演算部３５において回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇ又はＴ_ＲＲが演算され、演算部２１へ入力される。また、上式（６）を用いて弾性変形誤差量δを算出するにあたり必要となるＩ_{ｍｏｔｏｒ}・θ’’_{ｍｏｔｏｒ}は、ＮＣ位置指令にもとづき回転体加減速トルク演算部３６にて演算され、演算部２１へ入力される。尚、加減速トルクＴ_ＡＣＣ＝Ｉ_{ｍｏｔｏｒ}・θ’’_{ｍｏｔｏｒ}とする。また、回転抵抗を算出するにあたり、式（７）、（８）又は式（９）のどちらを用いるかについては、加工前に加工形態に応じて予め設定してもよいし、回転角度δθが所定値以下の場合には式（９）を選択するように構成してもよい。
そして、演算部２１において、入力された回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇ又はＴ_ＲＲ、加減速トルクＴ_ＡＣＣ、及びトルク指令値Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}にもとづいて弾性変形誤差量δが算出され、位置制御部１４へフィードバックされることにより、弾性変形にもとづく位置誤差を考慮に入れたトルク指令がサーボモータ６へ出力される。

以上のような補正を実行する制御装置によれば、ボールねじ３等の弾性変形部には働かないトルク（サーボモータ６側の回転抵抗）をも考慮に入れて弾性変形誤差量δを算出するようにしているため、弾性変形誤差量δを従来より正確に推定することができ、テーブル５等の位置決め精度を向上することができる。

また、図４に示した曲線にもとづく式（７）又は（８）により、サーボモータ側の回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇを算出しているため、サーボモータ６が反転した際に回転抵抗がステップ状に反転するとしてトルク補正を行う従来の制御装置と比較して、より正確に弾性変形誤差量δを算出することができ、位置決め精度の更なる向上を図ることができる。
さらに、サーボモータ６が一旦反転した後、すぐに反転するような場合には、式（９）（又は式（１１））により回転抵抗Ｔ_Ｂｒｇ（又はＴ_ＲＲ）を算出することで、さらに正確な弾性変形誤差量δを推定することができ、位置決め精度の一層の向上を図ることができる。

なお、本発明の制御装置に係る構成は、上記実施形態に記載のボールねじを使用した送り軸を有する工作機械にのみ適用されるものではなく、ダイレクトドライブ式の回転軸を弾性変形部として有する工作機械等に対しても適用することができる。

図１は、本発明に係る制御装置が備えられた工作機械を示した説明図である。 工作機械におけるサーボモータ６の回転駆動を制御する制御装置のブロック構成図である。 図１に示す工作機械をモデル化した説明図である。 回転抵抗の変化を示したグラフ図である。 回転抵抗の変化を示したグラフ図である。 従来の工作機械を示した説明図である。 従来の制御装置のブロック構成図である。 従来の回転抵抗の変化を示したグラフ図である。

符号の説明

３・・ボールねじ、６・・サーボモータ、１２・・位置検出器、１３・・微分器、１４・・位置制御部、１５・・速度制御部、１６・・トルク／電流変換部、２１・・弾性変形誤差量演算部、３１・・反転距離演算部、３２・・回転方向演算部、３３・・反転時回転抵抗記憶部、３４・・回転方向検知部、３５・・回転抵抗演算部、３６・・回転体加減速トルク演算部。

Claims (4)

1. サーボモータのトルク指令値に基づいて前記サーボモータに弾性体を介して連結された移動体の位置を補正するサーボモータ制御装置であって、
   前記サーボモータの回転方向を検知するための回転方向検知部と、前記サーボモータの回転角度を演算するための回転角度演算部と、前記弾性体の弾性変形に寄与しない前記サーボモータ側の回転抵抗を演算するための回転抵抗演算部と、前記弾性体の弾性変形誤差量を演算するための弾性変形誤差量演算部とを備え、
   前記回転方向検知部において前記サーボモータの反転を検知すると、前記回転抵抗演算部により、反転してからの前記サーボモータの回転角度にもとづいて回転抵抗を演算し、算出された回転抵抗とサーボモータのトルク指令値とをもとに前記弾性変形誤差量演算部において弾性変形誤差量を算出し、前記移動体の位置を補正することを特徴とするサーボモータ制御装置。
2. 回転抵抗演算部が、最終的に収束する回転抵抗Ｔ _ＡＭＰ と、回転抵抗が０となる反転してからの回転角度δθ _０ と、前記回転角度演算部において算出される反転してからの前記サーボモータの回転角度δθとを用いた下式１により回転抵抗Ｔ _ＢＲＧ を演算することを特徴とする請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
   

   
3. サーボモータの回転方向を符号で表す回転方向演算部と、反転時における回転抵抗を記憶する反転時回転抵抗記憶部とを備え、
   回転方向検知部において前記サーボモータの反転を検知すると、その際の回転抵抗を一旦前記反転時回転抵抗記憶部に記憶するとともに、反転してからの前記サーボモータの回転角度、前記サーボモータの回転方向、及び前記反転時回転抵抗記憶部に記憶されている回転抵抗にもとづき、回転抵抗演算部にて回転抵抗を演算することを特徴とする請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
4. 回転抵抗演算部が、前記回転方向演算部において算出される関数であるｓｉｇｎ（θ’）と、最終的に収束する回転抵抗Ｔ _ＡＭＰ と、回転抵抗が０となる反転してからの回転角度δθ _０ と、前記回転角度演算部において算出される反転してからの前記サーボモータの回転角度δθと、前記反転時回転抵抗記憶部に記憶されている回転抵抗Ｔ _{ｒｅｖｅｒｓｅ} とを用いた下式２により回転抵抗Ｔ _ＢＲＧ を演算することを特徴とする請求項３に記載のサーボモータ制御装置。
   

   

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