JP5192571B2 - 一つの被駆動体を二つの電動機で駆動させる制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械等においてワークや工具のような一つの被駆動体を二つの電動機で駆動させる制御装置に関する。

工作機械等において、電動機の被駆動体が大型であるために一つの電動機では加減速ができない場合や、電動機と被駆動体との間のバックラッシュが大きいために被駆動体を安定した状態で移動させることができない場合には、一つの被駆動体を二つの電動機で駆動するタンデム制御が行われている。

このようなタンデム制御では、二つの電動機間の結合剛性が高い場合、二つの電動機間の僅かな同期誤差により二つの電動機間の機動力が互いに干渉し、振動が生じることがある。このような振動を抑制するために、二つの電動機の速度値差に基づいて振動を抑制する一つのプロセッサ（例えば、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ））を有する制御装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特許第３４９２５８３号公報

しかしながら、一つのプロセッサの処理能力には限界がある。例えば、二つの電動機が、一つのロータ及び一つの速度検出器に対して複数のステータ巻線を有する回転型サーボモータである場合や、二つの電動機が、一つの磁石板及び一つの速度検出器に対して複数のスライダーを有する二つのリニアサーボモータである場合には、一つの電動機に対して電流制御等を含む複数のモータ駆動部の処理が必要なため、一つのプロセッサで二つの電動機を制御することができない。したがって、二つの電動機のタンデム制御で生じうる振動を抑制するために、二つのプロセッサで二つの電動機を制御しなければならない場合がある。

本発明の目的は、二つの電動機間の機動力が互いに干渉することによって生じうる振動を抑制するために、二つのプロセッサで二つの電動機を制御することができる制御装置を提供することである。

本発明による制御装置は、一つの被駆動体を第１の電動機及び第２の電動機で駆動させる制御装置であって、前記第１の電動機を制御する第１のプロセッサと、前記第２の電動機を制御する第２のプロセッサと、を備え、前記第１のプロセッサは、前記第１の電動機の速度値を取得する第１の速度値取得部と、前記第１の電動機の速度値を前記第２のプロセッサに送信するとともに前記第２の電動機の速度値を前記第２のプロセッサから受信する第１の送受信部と、前記第１の速度値取得部が取得した前記第１の電動機の速度値と前記第１の送受信部が受信した前記第２の電動機の速度値との速度値差を計算する第１の速度値差計算部と、前記第１の電動機と前記第２の電動機との間の機動力が互いに干渉することによって生じる振動を抑制するために、前記第１の電動機へのトルク指令に対する補正量を、前記第１の速度値取得部が取得した前記第１の電動機の速度値と前記第１の送受信部が受信した前記第２の電動機の速度値との速度値差に基づいて計算する第１の補正量計算部と、を有し、前記第２のプロセッサは、前記第２の電動機の速度値を取得する第２の速度値取得部と、前記第２の電動機の速度値を前記第１のプロセッサに送信するとともに前記第１の電動機の速度値を前記第１のプロセッサから受信する第２の送受信部と、前記第２の送受信部が受信した前記第１の電動機の速度値と前記第２の速度値取得部が取得した前記第２の電動機の速度値との速度値差を計算する第２の速度値差計算部と、前記第１の電動機と前記第２の電動機との間の機動力が互いに干渉することによって生じる振動を抑制するために、前記第２の電動機へのトルク指令に対する補正量を、前記第２の送受信部が受信した前記第１の電動機の速度値と前記第２の速度値取得部が取得した前記第２の電動機の速度値差に基づいて計算する第２の補正量計算部と、を有する。

好適には、前記第１の補正計算部及び前記第２の補正計算部はそれぞれ、前記速度値差の位相を進める位相補償部と、前記位相を進めた速度値差からねじれ補正量を計算するねじれ補正量計算部又は前記位相を進めた速度値差から摩擦補正を計算する摩擦補正量計算部と、を有する。

好適には、前記第１の電動機及び前記第２の電動機はそれぞれ、一つのロータと一つの速度検出器に対して複数のステータ巻線を有する回転型サーボモータである。

好適には、前記第１の電動機及び前記第２の電動機はそれぞれ、一つの磁石板と一つの速度検出器に対して複数のスライダーを有するリニアサーボモータである。

本発明によれば、第１の電動機の速度と第２の電動機の速度との差に基づいて振動を抑制するために、二つのプロセッサがいずれも第１の電動機の速度と第２の電動機の速度の両方を取得することができる。したがって、二つの電動機間の機動力が互いに干渉することによって生じうる振動を抑制するために二つのプロセッサで二つの電動機を制御することができる。

本発明による制御装置によって二つの回転型サーボモータを駆動するシステムのブロック図である。 図１の制御装置の一方のプロセッサを詳細に示すブロック図である。 図１の制御装置の他方のプロセッサを詳細に示すブロック図である。 図１の制御装置の動作のフローチャートである。 本発明による制御装置によって二つのリニアサーボモータを駆動するシステムのブロック図である。

本発明による制御装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、図面中、同一構成要素には同一符号を付す。
図１は、本発明による制御装置によって二つの回転型サーボモータを駆動するシステムのブロック図である。図１において、制御装置１は、制御装置１に接続されたＣＮＣ（数値制御装置）等の上位制御装置２からの作業工程に応じた指令信号に基づいて、回転型サーボモータ３ａ，３ｂの位置、速度、トルク等をそれぞれ制御する。制御装置１の制御により、回転型サーボモータ３ａ，３ｂに接続された被駆動体としてのテーブル４がボールねじ５ａ，５ｂに沿ってスライドするようになる。

制御装置１が回転型サーボモータ３ａ，３ｂの位置、速度、トルク等をそれぞれ制御するために、回転型サーボモータ３ａ，３ｂの速度（回転速度）を検出し、検出した速度を制御装置１に供給する速度検出器６ａ，６ｂをそれぞれ設ける。検出器６ａ，６ｂを、例えば、回転型サーボモータ３ａ，３ｂの速度に比例したパルスを生成するエンコーダとする。

回転型サーボモータ３ａは、一つのロータ（図示せず）と一つの速度検出器６ａに対して複数（この場合、２個）のステータ巻線３１ａ，３２ａを有し、ボールねじ５ａに連結した回転型サーボモータ３ａの駆動軸（図示せず）が、マスタ軸としての役割を果たす。一方、回転型サーボモータ３ｂは、一つのロータ（図示せず）と一つの速度検出器６ｂに対して複数（この場合、２個）のステータ巻線３１ｂ，３２ｂを有し、ボールねじ５ｂに連結した回転型サーボモータ３ｂの駆動軸（図示せず）が、スレーブ軸としての役割を果たす。

制御装置１は、プロセッサとしてのＤＳＰ１１ａ，１１ｂと、アンプ１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂと、を有する。ＤＳＰ１１ａは、モータ駆動部４０ａ，５０ａと、制振制御部６０ａと、を有する。同様に、ＤＳＰ１１ｂは、モータ駆動部４０ｂ，５０ｂと、制振制御部６０ｂと、を有する。

図２は、図１の制御装置の一方のプロセッサを詳細に示すブロック図である。図２において、モータ駆動部４０ａは、位置制御部４１ａと、速度制御部４２ａと、加算器４３ａと、電流制御部４４ａと、を有する。位置制御部４１ａは、設定された位置ゲインに基づいて、モータ駆動部５０ａと同期を取りながら上位制御装置２から入力される位置指令信号と、速度検出器６ａからの速度のフィードバック信号を積分することによって生成される位置のフィードバック信号とに応じた動作を行う。速度制御部４２ｂは、設定された速度ゲインに基づいて、位置制御部４１ａからの速度指令信号と、速度検出器６ａからの速度のフィードバック信号とに応じた動作を行う。

加算器４３ａは、一方の入力部に入力される速度制御部４２ａからのトルク指令信号と、他方の入力部に入力される後述する補正量信号とを加算し、加算器４３ａの出力信号を電流制御部４４ａに供給する。電流制御部４４ａは、加算器４３ａの出力信号と、アンプ１２ａからの電流のフィードバック信号とに応じた動作を行う。アンプ１２ａは、アンプ１２ａに入力される電流制御部４４ａの出力信号に応じて、回転サーボモータ３ａへの供給電力を制御する。

同様に、モータ駆動部５０ａは、位置制御部５１ａと、速度制御部５２ａと、加算器５３ａと、電流制御部５４ａと、を有する。位置制御部５１ａは、設定された位置ゲインに基づいて、モータ駆動部４０ａと同期を取りながら上位制御装置２から入力される位置指令信号と、速度検出器６ａからの速度のフィードバック信号を積分することによって生成される位置のフィードバック信号とに応じた動作を行う。速度制御部５２ａは、設定された速度ゲインに基づいて、位置制御部５１ａからの速度指令信号と、速度検出器６ａからの速度のフィードバック信号とに応じた動作を行う。

加算器５３ａは、一方の入力部に入力される速度制御部５２ａからのトルク指令信号と、他方の入力部に入力される後述する補正量信号とを加算し、加算器５３ａの出力信号を電流制御部５４ａに供給する。電流制御部５４ａは、加算器５３ａの出力信号と、アンプ１３ａからの電流のフィードバック信号とに応じた動作を行う。アンプ１３ａは、アンプ１３ａに入力される電流制御部５４ａの出力信号に応じて、回転サーボモータ３ａへの供給電力を制御する。

制振制御部６０ａは、回転型サーボモータ３ａと回転型サーボモータ３ｂとの間の機動力が互いに干渉することによって生じる振動を抑制する。このために、制振制御部６０ａは、速度値取得部６１ａと、送受信部６２ａと、メモリ６３ａと、速度値計算部６４ａと、補正量計算部６５ａと、を有する。

速度値取得部６１ａは、速度検出器６ａからの速度フィードバックの信号を回転型サーボモータ３ａの速度値として所定のサンプリング周期Ｔ（例えば、Ｔ＝１ミリ秒）で取得し、回転型サーボモータ３ａの速度フィードバック値としてメモリ６３ａに記憶させる。

送受信部６２ａは、メモリ６３ａに記憶された回転型サーボモータ３ａの速度値をＤＳＰ１１ｂに送信するとともに、速度値取得部６１ａが回転型サーボモータ３ａの速度値を取得するのと同様な方法でＤＳＰ１１ｂが取得した回転型サーボモータ３ｂの速度値を、ＤＳＰ１１ｂから受信する。なお、ＤＳＰ１１ａとＤＳＰ１１ｂとの間の通信は、上位制御装置２の制御に基づいて、ＤＳＰ１１ａとＤＳＰ１１ｂとの間に介在するＩＩＣバスのような通信経路７（図１）を用いて行われる。

速度値差計算部６４ａは、回転型サーボモータ３ａの速度値及び回転型サーボモータ３ｂの速度値をメモリ６３ａから読み出し、回転型サーボモータ３ａの速度値と回転型サーボモータ３ｂの速度値との間の速度値差を計算する。

補正量計算部６５ａは、回転型サーボモータ３ａと回転型サーボモータ３ｂとの間の機動力が互いに干渉することによって生じる振動を抑制するために、回転型サーボモータ３ａへのトルク指令に対する補正量を計算する。このために、補正量計算部６５ａは、位相補償部６６ａと、ねじれ補正部６７ａと、摩擦補正部６８ａと、を有する。

位相補償部６６ａは、速度値差計算部６４ａが出力する速度値差信号の位相を進める機能を有する。ねじれ補正部６７ａは、位相補償部６６ａによって位相が進められた速度差信号からねじれ補正量信号を生成する。摩擦補正部６８ａは、位相補償部６６ａによって位相が進めた速度差信号から摩擦補正量信号を生成する。加算器６９ａは、一方の入力部に入力されるねじれ補正部６７ａからのねじれ補正量信号と、他方の入力部に入力される摩擦補正部６８ａからの摩擦補正量信号とを加算し、ねじれ補正量信号と摩擦補正量信号との和に相当する補正量信号を加算器４３ａの他方の入力部及び加算器５３ａの他方の入力部に供給する。したがって、電流制御部４４ａには、速度制御部４２ａからのトルク指令信号に加算器６９ａからの補正量信号を加算した信号が入力され、電流制御部５４ａには、速度制御部５２ａからのトルク指令信号に加算器６９ａからの補正量信号を加算した信号が入力される。

位相補償部６６ａは、図１に示すシステムの遅れを補償することによって制振効果を向上させることができる。また、ねじれ補正部６７ａは、ねじれ補正（ばね補正）を行うことによって、回転型サーボモータ３ａと回転型サーボモータ３ｂとの間の機動力が互いに干渉することによって生じる振動を抑制することができる。さらに、摩擦補正部６８ａは、摩擦補正を行うことによって、回転型サーボモータ３ａと回転型サーボモータ３ｂとの間の機動力が互いに干渉することによって生じる振動を抑制することができる。

図３は、図１の制御装置の他方のプロセッサを詳細に示すブロック図である。図３において、モータ駆動部４０ｂは、図２の位置制御部４１ａ、速度制御部４２ａ及び電流制御部４４ａと同様な機能をそれぞれ有する位置制御部４１ｂ、速度制御部４２ｂ及び電流制御部４４ｂを有し、図２の加算器４３ａの代わりに減算器４３ｂを有する。

同様に、モータ駆動部５０ｂは、図２の位置制御部５１ａ、速度制御部５２ａ及び電流制御部５４ａと同様な機能をそれぞれ有する位置制御部５１ｂ、速度制御部５２ｂ及び電流制御部５４ｂを有し、図２の加算器５３ａの代わりに減算器５３ｂを有する。

制振制御部６０ｂは、図２の速度値取得部６１ａ、送受信部６２ａ、メモリ６３ａ、速度値計算部６４ａ及び補正量計算部６５ａと同様な機能をそれぞれ有する速度値取得部６１ｂ、送受信部６２ｂ、メモリ６３ｂ、速度値計算部６４ｂ及び補正量計算部６５ｂを有する。

モータ駆動部４０ｂが図２の加算器４３ａの代わりに減算器４３ｂを有し、モータ駆動部５０ｂが図２の加算器５３ａの代わりに減算器５３ｂを有するので、電流制御部４４ｂには、速度制御部４２ｂからのトルク指令信号から加算器６９ａからの補正量信号を減算した信号が入力され、電流制御部５４ａには、速度制御部５２ａからのトルク指令信号から加算器６９ａからの補正量信号を減算した信号が入力される。

図４は、図１の制御装置の動作のフローチャートである。このフローチャートは、上位制御装置２からのテーブル４を駆動する旨の指令信号をＤＳＰ１１ａ及びＤＳＰ１１ｂが受信した後に所定回数実行される。

先ず、ステップＳ１−１において、速度値取得部６１ａは、回転型サーボモータ３ａの速度値を取得し、ステップＳ２−１において、速度値取得部６１ｂは、回転型サーボモータ３ｂの速度値を取得する。

次に、ステップＳ２−１において、送受信部６２ａは、回転型サーボモータ３ａの速度値をＤＳＰ１１ｂに送信し、ステップＳ２−２において、送受信部６２ｂは、回転型サーボモータ３ｂの速度値をＤＳＰ１１ａに送信する。

次に、ステップＳ３−１において、送受信部６２ａは、回転型サーボモータ３ｂの速度値をＤＳＰ１１ｂから受信し、ステップＳ３−２において、送受信部６２ａは、回転型サーボモータ３ａの速度値をＤＳＰ１１ａから受信する。

次に、ステップＳ４−１において、速度差値計算部６４ａは、回転型サーボモータ３ａの速度値と回転型サーボモータ３ｂの速度値との間の速度値差を計算し、ステップＳ４−２において、速度差値計算部６４ｂは、回転型サーボモータ３ａの速度値と回転型サーボモータ３ｂの速度値との間の速度値差を計算する。

次に、ステップＳ５−１において、位相補償部６６ａは、速度値差計算部６４ａが出力する速度値差信号の位相補償量を計算し、ステップＳ５−２において、位相補償部６６ｂは、速度値差計算部６４ｂが出力する速度値差信号の位相補償量を計算する。

次に、ステップＳ６−１において、ねじれ補正部６７ａは、位相補償部６６ａによって位相補償された速度差信号からねじれ補正量を計算し、ステップＳ６−２において、ねじれ補正部６７ｂは、位相補償部６６ｂによって位相補償された速度差信号からねじれ補正量を計算する。

次に、ステップＳ７−１において、摩擦補正部６８ａは、位相補償部６６ａによって位相補償された速度差信号から摩擦補正量を計算し、ステップＳ７−２において、摩擦補正部６８ｂは、位相補償部６６ｂによって位相補償された速度差信号から摩擦補正量を計算する。

次に、ステップＳ８−１において、加算器４３ａは、速度制御部４２ａからのトルク指令に補正量（この場合、ねじれ補正量と摩擦補正量との和）を加算し、加算器５３ａは、速度制御部５２ａからのトルク指令に補正量を加算し、ＤＳＰ１１ａ側の処理を終了する。また、ステップＳ８−２において、減算器４３ｂは、速度制御部４２ｂからのトルク指令から補正量を減算し、減算器５３ｂは、速度制御部５２ｂからのトルク指令から補正量を減算し、ＤＳＰ１１ｂ側の処理を終了する。

本実施の形態によれば、回転型サーボモータ３ａの速度値と回転型サーボモータ３ｂの速度値との間の速度差値に基づいて振動を抑制するために、二つのＤＳＰ１１ａ及びＤＳＰ１１ｂがいずれも回転型サーボモータ３ａの速度値と回転型サーボモータ３ｂの速度値の両方を取得することができる。したがって、回転型サーボモータ３ａと回転型サーボモータ３ｂとの間の機動力が互いに干渉することによって生じうる振動を抑制するために、二つのＤＳＰ１１ａ及びＤＳＰ１１ｂで二つの回転型サーボモータ３ａ及び回転型サーボモータ３ｂを制御することができる。

図５は、本発明による制御装置によって二つのリニアサーボモータを駆動するシステムのブロック図である。図５において、制御装置１は、制御装置１に接続されたＣＮＣ（数値制御装置）等の上位制御装置２からの作業工程に応じた指令信号に基づいて、リニアサーボモータ１３ａ，１３ｂの位置、速度、トルク等をそれぞれ制御する。制御装置１の制御により、リニアサーボモータ１３ａ，１３ｂに接続された被駆動体としてのテーブル１４が磁石板１５ａ，１５ｂに沿ってスライドするようになる。

リニアサーボモータ１３ａは、一つの磁石板１５ａと一つの速度検出器６ａに対して複数（この場合、２個）のスライダー３３ａ，３４ａを有する。一方、リニアサーボモータ１３ｂは、一つの磁石板１５ｂと一つの速度検出器６ｂに対して複数（この場合、２個）のスライダー３３ｂ，３４ｂを有する。

本実施の形態によれば、制御装置１が上述したように制振制御を行うことによって、リニアサーボモータ１３ａとリニアサーボモータ１３ｂとの間の機動力が互いに干渉することによって生じうる振動を抑制するために、二つのＤＳＰ１１ａ及びＤＳＰ１１ｂで二つのリニアサーボモータ３ａ及びリニアサーボモータ３ｂを制御することができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、上記実施の形態において、本発明による制御装置によって二つの回転型サーボモータ又は二つのリニアサーボモータを制御する場合について説明したが、二つの振動型サーボモータ等も本発明による制御装置によって制御することができる。

また、被駆動体として、アーム、それらに着脱されるワーク等を用いることもできる。さらに、上記実施の形態では、ねじれ補正と摩擦補正の両方を行う場合について説明したが、ねじれ補正と摩擦補正のうちのいずれか一方のみを行ってもよい。

１ 制御装置
２ 上位制御装置
３ａ，３ｂ 回転型サーボモータ
４，１４ テーブル
５ａ，５ｂ ボールねじ
６ａ，６ｂ 速度検出器
７ 通信経路
１１ａ，１１ｂ ＤＳＰ
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ アンプ
１３ａ，１３ｂ リニアサーボモータ
１５ａ，１５ｂ 磁石板
３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ ステータ巻線
３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ スライダー
４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂ モータ駆動部
６０ａ，６０ｂ 制振制御部
４１ａ，４１ｂ，５１ａ，５１ｂ 位置制御部
４２ａ，４２ｂ，５２ａ，５２ｂ 速度制御部
４３ａ，５３ａ，６９ａ，６９ｂ 加算器
４３ｂ，５３ｂ 減算器
４４ａ，４４ｂ，５４ａ，５４ｂ 電流制御部
６１ａ，６１ｂ 速度値取得部
６２ａ，６２ｂ 送受信部
６３ａ，６３ｂ メモリ
６４ａ，６４ｂ 速度値差計算部
６５ａ，６５ｂ 補正量計算部
６６ａ，６６ｂ 位相補償部
６７ａ，６７ｂ ねじれ補正部
６８ａ，６８ｂ 摩擦補正部

Claims (4)

1. 一つの被駆動体を第１の電動機及び第２の電動機で駆動させる制御装置であって、
   前記第１の電動機を制御する第１のプロセッサと、
   前記第２の電動機を制御する第２のプロセッサと、
   を備え、
   前記第１のプロセッサは、
   前記第１の電動機の速度値を取得する第１の速度値取得部と、
   前記第１の電動機の速度値を前記第２のプロセッサに送信するとともに前記第２の電動機の速度値を前記第２のプロセッサから受信する第１の送受信部と、
   前記第１の速度値取得部が取得した前記第１の電動機の速度値と前記第１の送受信部が受信した前記第２の電動機の速度値との速度値差を計算する第１の速度値差計算部と、
   前記第１の電動機と前記第２の電動機との間の機動力が互いに干渉することによって生じる振動を抑制するために、前記第１の電動機へのトルク指令に対する補正量を、前記第１の速度値取得部が取得した前記第１の電動機の速度値と前記第１の送受信部が受信した前記第２の電動機の速度値との速度値差に基づいて計算する第１の補正量計算部と、を有し、
   前記第２のプロセッサは、
   前記第２の電動機の速度値を取得する第２の速度値取得部と、
   前記第２の電動機の速度値を前記第１のプロセッサに送信するとともに前記第１の電動機の速度値を前記第１のプロセッサから受信する第２の送受信部と、
   前記第２の送受信部が受信した前記第１の電動機の速度値と前記第２の速度値取得部が取得した前記第２の電動機の速度値との速度値差を計算する第２の速度値差計算部と、
   前記第１の電動機と前記第２の電動機との間の機動力が互いに干渉することによって生じる振動を抑制するために、前記第２の電動機へのトルク指令に対する補正量を、前記第２の送受信部が受信した前記第１の電動機の速度値と前記第２の速度値取得部が取得した前記第２の電動機の速度値差に基づいて計算する第２の補正量計算部と、を有する制御装置。
2. 前記第１の補正計算部及び前記第２の補正計算部はそれぞれ、
   前記速度値差の位相を進める位相補償部と、
   前記位相を進めた速度値差からねじれ補正量を計算するねじれ補正量計算部又は前記位相を進めた速度値差から摩擦補正を計算する摩擦補正量計算部と、
   を有する請求項１に記載の制御装置。
3. 前記第１の電動機及び前記第２の電動機はそれぞれ、一つのロータと一つの速度検出器に対して複数のステータ巻線を有する回転型サーボモータである請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記第１の電動機及び前記第２の電動機はそれぞれ、一つの磁石板と一つの速度検出器に対して複数のスライダーを有するリニアサーボモータである請求項１又は２に記載の制御装置。

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