JP5388605B2 - モータ同期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、２以上のサーボモータなどを個別に駆動制御する２以上のモータ駆動制御装置間での前記サーボモータなどの位置および速度の同期制御を行うモータ同期制御装置に関する。

一般に、工作機械を駆動するのに使用されるサーボモータなどを駆動制御するモータ駆動制御装置を２軸以上並べて各軸のサーボモータなどの位置および速度を同期させて駆動する場合、制御対象の特性、モータの特性、検出器の特性、制御ゲイン、入力外乱などの違いにより同期誤差が発生することが知られている。

特に、同期制御を行う複数軸のうちいずれかの軸で制御入力飽和が発生すると、制御入力制限を受けた軸のみ追従遅れが大きくなり、同期誤差が大幅に劣化する。そのため、従来から性能劣化の防止策が提案されている（例えば、特許文献１）。

すなわち、特許文献１では、一方の軸の制御入力が制御入力制限を受けないように制御入力の補正を行うとともに、他の軸に対しても同様方法での制御入力の補正を行うことによりモータへの制御入力を直接補正するという方法で、同期精度の劣化を防止する技術が開示されている。

特開２００８−７２８５１号公報 国際公開第２００５／１２２３８５号パンフレット 特開平９−２４６３５９号公報

ところが、例えば、イナーシャの異なる軸に対して同期制御を行う場合、同期精度を保つためには、各軸の制御入力がイナーシャの比率に連動した比率となる必要がある。しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、制御入力が制御入力制限を受けるときに、制御入力をイナーシャの比率を考慮せず補正するために、制御入力がイナーシャの比率に連動した比率とならず、高精度な位置の同期を取ることができないという問題があった。

イナーシャが異なる場合に限らず、同期精度を保つためには、一般に制御対象や外乱（摩擦、重力等）の特性に応じて各軸の制御入力を決める必要があるが、一般的には、制御対象や外乱の特性（イナーシャ、粘性摩擦など）が不明である場合が多く、またそれらが時間変化する場合もある。したがって、制御入力を直接補正するような上記特許文献１に記載の技術での同期手法は現実的な手法とは言えない。

さらに、上記特許文献１に記載の技術は、両方の軸に対して制御入力の補正（制限）を行う手法であるために、位置指令に対する追従遅れが拡大し、ワインドアップ現象と呼ばれる制御性能劣化や制御系の不安定化を引き起こしてしまうという問題も有していた。

本発明は、上記を鑑みてなされたものであって、各軸の制御入力が制限を受けた場合であっても、高精度に各軸の同期を維持することを可能とするモータ同期制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し目的を達成するために、本発明にかかるモータ同期制御装置は、２軸以上のモータを個別に駆動制御する２以上のモータ駆動制御装置のそれぞれが生成する、各軸に共通の位置指令と自軸モータで検出された位置検出値との差分である自軸モータの位置偏差を補正する位置補正量を入力とし、前記２以上の位置補正量のうち最も応答の遅い位置補正量を同期後位置補正量として選択する整形量同期部を備え、前記２以上のモータ駆動制御装置のそれぞれは、自軸の前記位置偏差から前記同期後位置補正量を減算した修正位置偏差を用いて自軸モータへの制御入力を計算することを特徴とする。

本発明によれば、各軸で独立に算出される位置補正量を、同期制御を行う全ての軸のうち、最も応答の遅い軸に合わせるように選択するので、遅い軸が加減速中に切り替わる場合でも全ての軸が追従可能な指令を生成することが可能となる。したがって、モータへの制御入力に制限がある場合であっても、各モータ駆動制御装置にて算出される位置補正量を同期させることができ、各軸の同期を高精度に保つことが可能となるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態２によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態３によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の実施の形態４によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。 図５は、位置補正の時間変化の一例を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態５によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。 図７は、本発明の実施の形態６によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。 図８は、本発明の実施の形態７によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかるモータ同期制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態１および以降に示す各実施の形態では、理解を容易にするため、２軸間の同期制御を例に挙げて説明するが、その内容は、全て３軸以上でも適用できるものである。

図１において、本実施の形態１によるモータ同期制御装置１ａは、位置指令生成装置２が出力する位置指令ａに基づいて、第一軸と第二軸のサーボモータ（以降、単に「モータ」という）３ａ、３ｂを個別に駆動制御するモータ駆動制御装置間でのモータ３ａ，３ｂの位置および速度の同期制御を行う構成として、２軸に共通の整形量同期部４ａを備えている。

第一軸と第二軸のモータ駆動制御装置は、それぞれ同じ構成であり、位置補正量算出部５ａ，５ｂ、指令値整形部６ａ，６ｂ、制御入力計算部７ａ，７ｂ、および制御入力制限部８ａ，８ｂを備えている。モータ３ａ，３ｂには、それぞれ移動（回転）位置を検出する位置検出器９ａ，９ｂが取り付けられている。

まず、第一軸と第二軸のモータ駆動制御装置の構成と動作について説明する。制御入力制限部８ａ，８ｂは、それぞれ、モータ３ａ，３ｂなどのアクチュエータや機械系（例えば減速器の許容力）の特性に応じて設定された制御入力制限値に基づき、制御入力計算部７ａ，７ｂからの制御入力ｅ１，ｅ２に制限をかけるためのフィルタであり、制限をかけるときはクランプした値を出力する。

つまり、制御入力制限部８ａ，８ｂは、制御入力ｅ１，ｅ２が、所定の制御入力制限値を超える場合に、制御入力ｅ１，ｅ２を所定の制御入力制限値でクランプし、その所定の制御入力制限値でクランプした制限後制御入力ｆ１，ｆ２をモータ３への駆動信号として出力する。

その際、本実施の形態１では、制御入力制限部８ａ，８ｂは、それぞれ、制御入力計算部７ａ，７ｂからの制御入力ｅ１，ｅ２が制限を受けたことを判定する制御入力制限信号ｇ１，ｇ２を出力するようになっている。制御入力制限信号ｇ１，ｇ２は、位置補正量算出部５ａ，５ｂに入力される。

なお、制御入力制限値としては、モータ特性に応じて予め設定しておいた固定制限値とする場合でもよく、制御対象のフィードバック情報から逐次計算した値を制限値とする場合でもよい。また、予め複数用意した制御入力制限値をモータの加減速状態に応じて、選択する場合でもよい。さらに、モータ３ａ，３ｂの加速度が正の場合には、正の値の制御入力制限を用い、加速度が負の場合には、負の値の制御入力制限を用いる場合でもよい。

制御入力計算部７ａ，７ｂは、それぞれ、指令値整形部６ａ，６ｂが出力する修正位置偏差ｄ１，ｄ２に基づき、モータ３ａ，３ｂへの制御入力ｅ１，ｅ２を算出する。この制御入力計算部７ａ，７ｂは、従来、一般に用いられているフィードバック補償器（フィードバック制御器）で構成されている。具体的には、例えば、比例補償器（Ｐ補償器）や、比例積分補償器（ＰＩ補償器）で構成されている。

つまり、制御入力計算部７ａ，７ｂは、モータ３ａ，３ｂへの制御入力ｅ１，ｅ２を、位置偏差（修正位置偏差ｄ１，ｄ２）に対し、積分演算、微分演算、四則演算を施して計算する。したがって、制御入力ｅ１，ｅ２の計算方法は、特定されるものではなく、任意である。また、制御入力計算部７ａ，７ｂは、内部にマイナーループ（インナーループ）を有する制御系で構成されていてもよく、位置制御系の内側に速度制御系を入れ子にした制御系で構成されていてもよい。

指令値整形部６ａは、２つの減算器１１ａ，１２ａを備え、指令値整形部６ｂは、２つの減算器１１ｂ，１２ｂを備えている。減算器１１ａ，１１ｂは、それぞれ、位置指令生成装置２が出力する位置指令ａから位置検出器９ａ，９ｂが検出した位置検出値ｂ１，ｂ２を引き算して位置偏差ｃ１，ｃ２を出力する。減算器１２ａ，１２ｂは、それぞれ、減算器１１ａ，１１ｂが算出した位置偏差ｃ１，ｃ２から後述する整形量同期部４ａが出力する同期後位置補正量ｉを引き算して修正位置偏差ｄ１，ｄ２を出力する。

ここで、整形量同期部４ａが存在せず、各軸のモータ駆動制御装置が独立して動作する場合は、減算器１２ａ，１２ｂは、それぞれ、減算器１１ａ，１１ｂが算出した位置偏差ｃ１，ｃ２から後述する位置補正量算出部５ａ，５ｂが算出する位置補正量ｈ１，ｈ２を引き算して修正位置偏差ｄ１，ｄ２を出力する。本実施の形態では、指令値整形部６ａ，６ｂは、上記のように、位置指令ａと位置検出値ｂ１，ｂ２とに基づき位置偏差ｃ１，ｃ２を算出し、算出した位置偏差ｃ１，ｃ２に同期後位置補正量ｉを加味した修正位置偏差ｄ１，ｄ２を出力する。

なお、指令値整形部６ａ，６ｂの構成としては、図１では、位置指令ａと位置検出値ｂ１，ｂ２の差分である位置偏差ｃ１，ｃ２から、同期後位置補正量ｉを減算する形態（位置偏差を補正する形態）を示すが、位置指令ａから同期後位置補正量ｉを減算することで位置指令の補正を行い、さらにその補正位置指令から位置検出値ｂ１，ｂ２を減算することで修正位置偏差ｄ１，ｄ２を算出する形態（位置指令を補正する形態）でもよい。

位置補正量算出部５ａ，５ｂは、本実施の形態１では、従来技術による制御入力飽和対策により、位置指令ａまたは位置偏差ｃ１，ｃ２に対する補正量（位置補正量ｈ１，ｈ２）の算出を行う。以下に、従来技術である制御入力飽和対策の例を２つ示す（例えば、特許文献２，３）。

まず、特許文献２に記載の制御入力飽和対策では、制御入力制限信号ｇ１，ｇ２と、位置指令ａと位置検出値ｃ１，ｃ２との差分である位置偏差とに基づいて位置補正量ｈ１，ｈ２を出力する。この制御入力飽和対策は、次のようにして行われる。

ある時刻ｔにおける位置偏差をＤＲＰ（ｔ）とし、時刻ｔ＝τにおける位置偏差をＤＲＰ（τ）、時刻ｔ＝τ＋１における位置偏差をＤＲＰ（τ＋１）とする。このとき、制御入力制限部８ａ，８ｂにて、時刻ｔ＝τのモータへの制御入力（電流）が制御入力制限を受け、制御入力制限信号ｇ１，ｇ２を出力すると、指令値整形部６ａ，６ｂでは、ｔ＝τ＋１における位置偏差（位置指令と位置検出値との差分、実位置偏差）ＤＲＰ（τ＋１）が次の式（１）を満たすように位置偏差ｃ１，ｃ２の修正を行う。
ＤＲＰ’（τ＋１）＝ＤＲＰ（τ） …（１）

このとき、時刻ｔ＝τ＋１での位置偏差ＤＲＰ（τ＋１）からＤＲＰ’（τ＋１）に修正しており、位置偏差ｃ１，ｃ２を一定にするために差し引いた分の位置偏差（ＤＲＰ（τ＋１）―ＤＲＰ（τ））が位置補正量ｈ１，ｈ２に相当する。

また、特許文献３に記載の制御入力飽和対策は、図１に示す位置補正量算出部５ａ，５ｂの入力信号である位置偏差ｃ１，ｃ２と制御入力制限信号ｇ１，ｇ２とに代えて、制御入力ｅ１，ｅ２と制限後制御入力ｆ１，ｆ２とを入力信号とした形態に相当する。この制御入力飽和対策では、制御入力制限部８ａ，８ｂの入出力信号である電流指令量と実際のモータ電流値の差分を位置ループにネガティブフィードバック（負帰還）しており、電流指令量と実際のモータ電流値との差分が位置補正量ｈ１，ｈ２に相当する。

本実施の形態で用いる位置補正量算出部５ａ，５ｂとしては、上記２つの従来技術における位置補正量に対し、低域通過特性を有するフィルタを通して位置補正量ｈ１，ｈ２とする場合でもよい。また、上記２つの従来技術における位置補正量に対し、積分特性を有するフィルタを通して位置補正量ｈ１，ｈ２とする場合でもよい。さらに、上記２つの従来技術における位置補正量に対し、所定の値を定数倍した補正量を位置補正量ｈ１，ｈ２とする場合でもよい。

さて、整形量同期部４ａは、各軸の位置補正量算出部５ａ，５ｂにて算出される位置補正量ｈ１，ｈ２から、位置指令ａに対して最も応答の遅い軸（位置補正量ｈ１，ｈ２の絶対値が最も大きい軸）の位置補正量を選択し、それを各軸の位置補正量（同期後位置補正量ｉ）として各軸の指令値整形部６ａ，６ｂの減算器１２ａ，１２ｂに出力する。

ここで、整形量同期部４ａは、加速度が正の場合、最も補正量が大きい軸の位置補正量を選択し、加速度が負の場合、最も補正量が小さい軸の位置補正量を選択し、それを同期後位置補正量ｉとして出力する形態でもよい。

また、整形量同期部４ａは、制御入力ｅ１，ｅ２が正の場合、最も補正量が大きい軸の位置補正量を選択し、制御入力ｅ１，ｅ２が負の場合、最も補正量が小さい軸の位置補正量を選択し、それを同期後位置補正量ｉとして出力する形態でもよい。

さらに、整形量同期部４ａは、同期を行う全ての軸のうち最も遅れの大きい軸が予め解っている場合は、同期後位置補正量ｉを採用する軸を事前に決定しておく形態でもよい。そして、整形量同期部４ａは、各軸の制御態様に応じて、次の（Ａ）（Ｂ）の形態を採ることができる。

（Ａ）まず、各軸のモータ駆動制御装置が各軸を異なる回転数（位置、速度、回転速度）で駆動している場合は、各軸のモータ駆動制御装置において、共通の位置指令ａに各軸の回転比率を乗算し、整形量同期部４ａの入力段にて各軸の位置補正量ｈ１，ｈ２を各軸の回転比率で除算し、各軸の指令値整形部６ａ，６ｂの減算器１２ａ，１２ｂの入力段にて同期後位置補正量ｉに各軸の回転比率を乗算することで、同期比を考慮に入れた同期制御を行うことが可能となる。

なお、上記回転比率とは、第一軸のモータ３ａがＮ１回転する間に、第二軸のモータ３ｂをＮ２回転させて同期する場合、第一の回転比率を１とし、第二の回転比率をＮ１／Ｎ２とするものである。また、第一の回転比率をＮ２／Ｎ１とし、第二の回転比率を１とするものでもよい。

（Ｂ）また、各軸のモータ駆動制御装置が各軸を異なる移動方向（回転方向）で駆動している場合は、各軸のモータ駆動制御装置において、共通の位置指令ａに各軸の移動方向（回転方向）の符号を乗算し、整形量同期部４ａの入力段にて各軸の位置補正量ｈ１，ｈ２を各軸の移動方向（回転方向）の符号で除算し、各軸の指令値整形部６ａ，６ｂの減算器１２ａ，１２ｂの入力段にて同期後位置補正量ｉに各軸の移動方向（回転方向）の符号を乗算することで、各軸の移動方向（回転方向）を考慮に入れた同期制御を行うことが可能となる。なお、上記移動方向（回転方向）の符号は、正方向（時計回り）の移動（回転）の符号を正値（＋）とし、負方向（反時計周り）の移動（回転）の符号を負値（−）とするものである。

整形量同期部４ａは、３軸以上の軸の同期制御を行う場合についても、以上のように、全軸の位置補正量のうち最も応答の遅い軸の位置補正量（全軸位置補正量の最大値）を全ての軸における位置補正量（同期後位置補正量）とする方式を用いるので、全ての軸に対して同一の補正を行うことが可能となる。これによって、３軸以上の軸に対する同期制御を精度よく行うことが可能となる。

したがって、本実施の形態１によれば、各軸で独立に算出される位置補正量を、同期制御を行う全ての軸のうち、最も応答の遅い軸に合わせるように選択するので、遅い軸が加減速中に切り替わる場合でも全ての軸が追従可能な指令を生成することが可能となる。したがって、モータへの制御入力に制限がある場合であっても、各モータ駆動制御装置にて算出される位置補正量を同期させることができ、各軸の同期を高精度に保つことが可能となる。

また、位置および速度の同期を行う軸のいずれかの軸において制御入力の飽和が発生しても、同期精度の劣化（ワインドアップ現象やオーバーシュートなどの性能劣化）や不安定化を引き起こすことなく同期精度を保つことができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図２では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図２に示すように、本実施の形態２によるモータ同期制御装置１ｂは、図１（実施の形態１）に示した構成において、２軸に共通の整形量同期部４ａに代えて、各軸に整形量同期部１４ａ，１４ｂが設けられている。

第一軸の位置補正量算出部５ａにて算出された位置補正量ｈ１は、自軸の整形量同期部１４ａと第二軸の整形量同期部１４ｂとに入力される。同様に、第二軸の位置補正量算出部５ｂにて算出された位置補正量ｈ２は、自軸の整形量同期部１４ｂと第一軸の整形量同期部１４ａとに入力される。

整形量同期部１４ａ，１４ｂは、それぞれ、図１に示した２軸に共通の整形量同期部４ａと同様に、各軸の位置補正量ｈ１，ｈ２から、最も応答の遅い軸（最も補正量の大きい軸）の位置補正量を各軸独立に選択し、対応する指令値整形部６ａ，６ｂの減算器１２ａ，１２ｂに出力する。

このように各軸に整形量同期部を設ける構成でも、実施の形態１と同様に、全軸の位置補正量のうち最も応答の遅い軸の位置補正量（全軸位置補正量の最大値）を全ての軸における位置補正量（同期後位置補正量）とする方式となるので、全ての軸に対して同一の補正を行うことが可能となり、同期制御を精度よく行うことが可能となり、実施の形態１と同様の作用・効果が得られる。

加えて、本実施の形態２によれば、各軸に整形量同期部を設けることにより、各軸における処理構造が単純化されるため、同期制御を行う軸数が増えた場合に特に有効な形態となる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図３では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。

実施の形態１，２では、従来技術である制御入力飽和対策を行う場合の同期制御方式について説明した。本実施の形態３では、制御入力に制限が設けられる２以上のモータ駆動制御装置が、それぞれ、制御入力飽和を事前に予測し、予め位置指令または位置偏差を補正しておくことで、制御入力飽和を防止することを可能にする構成を有する場合に、実施の形態１，２と同様に、全ての軸で同一の位置補正量（同期後位置補正量）を使用することにより、全ての軸の位置および速度を同期させて駆動する同期制御方式について説明する。したがって、本実施の形態３と実施の形態１，２との異なる部分は、各軸のモータ駆動制御装置の構成である。

すなわち、図３に示すように、本実施の形態３によるモータ同期制御装置１ｃでは、図１（実施の形態１）に示した各軸のモータ駆動制御装置の構成において、符号を変えた制御入力制限部１６ａ，１６ｂおよび位置補正量算出部１８ａ，１８ｂが設けられ、参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂが追加して設けられている。

制御入力制限部１６ａ，１６ｂは、制御入力制限部８ａ，８ｂと同様に、制限値を超える制御入力ｅ１，ｅ２を制限値にクランプして制限後制御入力ｆ１，ｆ２を出力する。制御入力制限部１６ａ，１６ｂは、図１，図２に示す制御入力制限信号ｇ１，ｇ２も出力する機能を有してもよいが、本実施の形態３では使用しない。

次に、追加された参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂには、図３では、位置指令生成装置２が出力する位置指令ａと、参照制御入力ｋ１，ｋ２と、位置検出器９が出力する位置検出値ｂ１，ｂ２とが入力されるとしてあるが、後述するように、参照制御入力ｋ１，ｋ２は基本的に必要であるのに対し、位置指令ａと位置検出値ｂ１，ｂ２とは、制御入力計算部７ａ，７ｂでの計算方法（内部構造）によって、不要である場合と必要である場合とがある。

ここで、参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂに入力される参照制御入力ｋ１，ｋ２は、参照位置偏差ｍ１，ｍ２を計算するための設定値であり、制御入力制限部１６ａ，１６ｂで使用する制御入力制限値と同じ値でもよく、また、その制御入力制限値を定数倍した値でもよい。なお、参照制御入力ｋ１，ｋ２として用いる制御入力制限値は、予め複数用意した制御入力制限値をモータ３ａ，３ｂの加減速状態に応じて選択する場合の制御入力制限値でもよく、また、モータ３ａ，３ｂの回転方向に応じて使用する制御入力制限値の符号を切り替えて使用する場合の制御入力制限値でもよい。

参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂは、少なくとも上記したような所定の参照制御入力ｋ１，ｋ２に基づき、制御入力計算部７ａ，７ｂが算出した制御入力ｅ１，ｅ２に対する位置偏差（修正位置偏差ｄ１，ｄ２）の関係式を用いて、制御入力ｅ１，ｅ２が所定の参照制御入力ｋ１，ｋ２に一致するための位置偏差量である参照位置偏差ｍ１，ｍ２の算出を行う。

つまり、制御入力計算部７ａ，７ｂが入力信号（修正位置偏差ｄ１，ｄ２）から出力信号（制御入力ｅ１，ｅ２）を計算するのに対し、参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂは、参照制御入力（制御入力計算部７ａ，７ｂの出力信号）ｋ１，ｋ２から参照位置偏差（制御入力計算部７ａ，７ｂの入力信号）ｍ１，ｍ２の計算を行うものである。したがって、参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂは、制御入力計算部７ａ，７ｂが積分特性やインナーループ（マイナーループ）を有する場合には、積分特性の影響やマイナーループの影響を考慮した上で、参照制御入力ｋ１，ｋ２から参照位置偏差ｍ１，ｍ２の計算を行うことになる。

以下に、参照位置偏差算出の一例を３つ示す。
（Ａ）例えば、制御入力計算部７ａ，７ｂが比例補償器（Ｐ補償器）である場合は、参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂは、参照制御入力ｋ１，ｋ２のみを用いて参照位置偏差ｍ１，ｍ２の算出を行うことができる。この場合の制御入力計算部７ａ，７ｂの入出力関係は、制御入力Ｕ、比例ゲインＫＰ、位置偏差ＤＲＰを用いて次の式（２）となる。
Ｕ＝ＫＰ×ＤＲＰ …（２）

このとき、制御入力Ｕが参照制御入力ＴＬＭＴに一致するための位置偏差である参照位置偏差ＤＲＰ’は、後述するように制御入力計算部７ａ，７ｂの入力である修正位置偏差ｄ１，ｄ２に等しいので、制御入力計算部７ａ，７ｂの出力である制御入力Ｕを比例ゲインＫＰで除算することで、算出することが可能であり、次の式（３）となる。
ＤＲＰ’＝ＴＬＭＴ／ＫＰ …（３）

（Ｂ）また、制御入力計算部７ａ，７ｂが比例積分補償器（ＰＩ補償器）である場合は、参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂは、参照制御入力ｋ１，ｋ２と位置指令ａと位置検出値ｂ１，ｂ２とを用いて参照位置偏差ｍ１，ｍ２の算出を行う。この場合の制御入力計算部７ａ，７ｂ入出力関係は、制御入力Ｕ、比例ゲインＫＰ、位置偏差ＤＲＰ、積分ゲインＫＩ、位置偏差ＤＲＰの時間積分値（累積値）ＤＲＰ２を用いて次の式（４）となる。
Ｕ＝ＫＰ×ＤＲＰ＋ＫＩ×ＤＲＰ２ …（４）

このとき、制御入力Ｕが参照制御入力ＴＬＭＴに一致するための位置偏差ＤＲＰ’は、後述するように制御入力計算部７ａ，７ｂの入力である修正位置偏差ｄ１，ｄ２に等しいので、制御入力計算部７ａ，７ｂの出力である制御入力Ｕから、比例積分補償器における積分成分（位置偏差信号を積分し、積分ゲインを乗じた値）を差し引いて、計算することが可能であり、次の式（５）となる。
ＤＲＰ’＝（ＴＬＭＴ―ＫＰＩ×ＤＲＰ２）／ＫＰ …（５）
ここで、ＤＲＰ２は、位置指令ａと位置検出値ｃとの差分である位置偏差を時間積分（累積）することで計算可能となる値である。

（Ｃ）また、制御入力計算部７ａ，７ｂが、位置制御系と速度制御系とを有し、それぞれの補償器（制御器）が位置比例補償器（位置Ｐ補償器）と速度比例積分補償器（速度ＰＩ補償器）とで構成される場合は、参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂは、参照制御入力ｋ１，ｋ２と位置指令ａと位置検出値ｂ１，ｂ２とを用いて参照位置偏差ｍ１，ｍ２の算出を行う。この場合の制御入力計算部７ａ，７ｂの入出力関係は、制御入力Ｕ、速度比例ゲインＫＶ、比例ゲインＫＰ、位置偏差ＤＲＰ、速度検出値ＶＦＢ、速度積分ゲインＫＩ、速度偏差ＶＤＲＰの時間積分値（累積値）ＶＤＲＰ２を用いて、次の式（６）となる。
Ｕ＝ＫＶ×（ＫＰ×ＤＲＰ―ＶＦＢ）＋ＫＩ×ＶＤＲＰ２ …（６）

このとき、制御入力Ｕが参照制御入力ＴＬＭＴに一致するための位置偏差ＤＲＰ’は、後述するように制御入力計算部７ａ，７ｂの入力である修正位置偏差ｄ１，ｄ２と等しいので、制御入力計算部７ａ，７ｂの出力である制御入力Ｕから、速度制御器の積分成分と速度検出値とを考慮に入れ、次の式（７）で演算可能である。
ＤＲＰ’＝（（ＴＬＭＴ―ＫＩ×ＶＤＲＰ２）／ＫＶ＋ＶＦＢ）／ＫＰ …（７）

ここで、速度偏差ＶＤＲＰは、次の式（８）の関係式で表わすことができる。また、速度偏差累積値ＶＤＲＰ２は、式（８）の時間積分により算出することが可能である。そして、速度検出値ＶＦＢは、位置検出値ｂ１，ｂ２の時間微分により算出することが可能である。
ＶＤＲＰ＝（ＫＰ×ＤＲＰ―ＶＦＢ） …（８）

なお、参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂで必要となる情報（位置偏差累積値や速度検出値、速度偏差累積値など）は、参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂ内部の演算で生成する方法でもよく、制御入力計算部７ａ，７ｂの内部信号を用いる方法でもよい。

次に、位置補正量算出部１８ａ，１８ｂは、整形量同期部４ａが存在せず、各軸のモータ駆動制御装置が独立して動作しているとして、指令値整形部６ａ，６ｂの減算器１２ａ，１２ｂに与える位置補正量ｈ１，ｈ２を、指令値整形部６ａ，６ｂからの位置偏差ｃ１，ｃ２と、追加された参照位置偏差算出部１７ａ，１７ｂからの参照位置偏差ｍ１，ｍ２とに基づき算出する。以下に算出手順の一例を示す。

位置補正量算出部１８ａ，１８ｂは、位置偏差ｃ１，ｃ２を用いて制御入力ｅ１，ｅ２を計算し、併せて、参照位置偏差ｍ１，ｍ２と位置偏差ｃ１，ｃ２の各絶対値の大小比較を行う。位置補正量算出部１８ａ，１８ｂは、その比較の結果、参照位置偏差ｍ１，ｍ２の絶対値が位置偏差ｃ１，ｃ２の絶対値よりも小さい場合には、計算した制御入力ｅ１，ｅ２は制御入力制限を受けると判断し、一方、参照位置偏差ｍ１，ｍ２の絶対値が位置偏差ｃ１，ｃ２の絶対値よりも大きい場合には、計算した制御入力ｅ１，ｅ２は制御入力制限を受けないと判断する。そして、位置補正量算出部１８ａ，１８ｂは、その判断結果に応じて、位置偏差ｃ１，ｃ２を補正するための位置補正量ｈ１，ｈ２を次のように算出する。

すなわち、位置補正量算出部１８ａ，１８ｂは、参照位置偏差ｍ１，ｍ２の絶対値が位置偏差ｃ１，ｃ２の絶対値よりも小さい場合は、その計算した制御入力ｅ１，ｅ２が制御入力制限を受けるので、それによる制御入力飽和を回避するために、指令値整形部６ａ，６ｂの減算器１２ａ，１２ｂが出力する修正位置偏差ｄ１，ｄ２が参照位置偏差ｍ１，ｍ２に一致するように、位置偏差ｃ１，ｃ２と参照位置偏差ｍ１，ｍ２との差分を位置補正量ｈ１，ｈ２として算出する。つまり、位置補正量算出部１８ａ，１８ｂは、位置偏差ｃ１，ｃ２と参照位置偏差ｍ１，ｍ２とが一致するように、位置補正量ｈ１，ｈ２を算出する。

一方、位置補正量算出部１８ａ，１８ｂは、参照位置偏差ｍ１，ｍ２の絶対値が位置偏差ｃ１，ｃ２の絶対値よりも大きい場合には、その計算した制御入力ｅ１，ｅ２が制御入力制限を受けないので、指令値整形部６ａ，６ｂの減算器１２ａ，１２ｂが出力する修正位置偏差ｄ１，ｄ２が通常通り位置偏差ｃ１，ｃ２と一致するように、位置補正量ｈ１，ｈ２を値０にする。

整形量同期部４ａは、実施の形態１，２にて説明したように、各軸の位置補正量ｈ１，ｈ２から、最も応答の遅い軸（最も補正量の大きい軸）の位置補正量を選択し、対応する指令値整形部６ａ，６ｂの減算器１２ａ，１２ｂに出力する。

実施の形態３によれば、参照制御入力と制御入力計算部の構造とを用いた指令値整形（位置の補正）を行うので、制御入力が制限を受けるような位置指令がなされた場合においても、確実に飽和を回避しつつ、同期制御行う全ての軸が追従可能な指令を自動的に生成することができる。このため、制御入力が制限を受けるような位置指令がなされた場合においても、高精度な同期制御を行うことが可能となる。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図４では、図３（実施の形態３）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態４に関わる部分を中心に説明する。

本実施の形態４では、実施の形態３にて説明した、制御入力に制限が設けられる２以上のモータ駆動制御装置を、それぞれの制御入力計算部が制御系に位置制御系を有する場合に、モータの速度が速度指令に従うように位置および速度を同期させて動作させる場合について説明する。

本実施の形態４における位置指令生成装置２は、位置制御系に対して速度指令を出力する場合、指令速度Ｆと位置制御系の制御周期ＴＳとを用いて、単位制御周期当たりの位置指令増分値ＦＤＴを次の式（９）によって計算し、計算した位置指令増分値ＦＤＴの累積値を位置指令ａとして本実施の形態４によるモータ同期制御装置１ｄ内の各軸のモータ駆動制御装置へ出力する。
ＦＤＴ＝Ｆ×ＴＳ …（９）
なお、位置指令ａは、単位時間当たりの位置指令増分値ＦＤＴに少なくとも１回以上、所定の時定数を用いた移動平均処理を施したものでもよい。

さて、図４に示すように、本実施の形態４によるモータ同期制御装置１ｄでは、図３（実施の形態３）に示した構成において、符号を変えた整形量同期部４ｂが設けられ、各軸のモータ駆動制御装置に、位置補正量更新部２０ａ，２０ｂと、減算器２１ａ，２１ｂとが追加して設けられている。

減算器２１ａ，２１ｂは、指令値整形部６ａ，６ｂ内の減算器１１ａ，１１ｂにて算出された位置偏差ｃ１，ｃ２から整形量同期部４ｂが出力する同期後位置補正量ｉを引き算して補正後位置偏差ｎ１，ｎ２を出力する。補正後位置偏差ｎ１，ｎ２は、位置補正量算出部１８ａ，１８ｂの入力となる。つまり、位置補正量算出部１８ａ，１８ｂは、本実施の形態４では、位置偏差ｃ１，ｃ２から同期後位置補正量ｉを引き算した補正後位置偏差ｎ１，ｎ２を入力として位置補正量ｈ１，ｈ２を算出する。

位置補正量更新部２０ａ，２０ｂは、位置補正量ｈ１，ｈ２と同期後位置補正量ｉとを加算して更新後位置補正量ｐ１，ｐ２を算出する。なお、更新後位置補正量ｐ１，ｐ２の算出方法としては、モータ３ａ，３ｂの加速度が正の場合には、位置偏差ｃ１，ｃ２と修正位置偏差ｄ１，ｄ２との差分が正の場合のみ累積する場合でもよく、モータ３ａ，３ｂの加速度が負の場合には、位置偏差ｃ１，ｃ２と修正位置偏差ｄ１，ｄ２との差分が負の場合のみ累積する場合でもよい。

符号を変えた整形量同期部４ｂは、このような更新後位置補正量ｐ１，ｐ２を入力として同期後位置補正量ｉの算出を、整形量同期部４ａと同様の方法で行うことになる。図５は、位置補正量の時間変化の一例を示す図である。図５では、時刻毎に、第一軸と第二軸の位置補正量と、更新後位置補正量と、同期後位置補正量との各変化が示されている。図５に示すように、位置補正量ｈ１，ｈ２と更新後位置補正量ｐ１，ｐ２は、軸毎に異なる飽和値を示す場合、整形量同期部４ｂが算出する同期後位置補正量ｉでは、各軸で等しい飽和値となる。

ここで、位置偏差ｃ１，ｃ２から同期後位置補正量ｉを差し引いて補正後位置偏差ｐ１，ｐ２を求めるということは、同期制御を行う２軸のうち少なくとも１つの軸がモータ３ａ，３ｂの最大制御入力でも追従することができない移動分を各軸同タイミングで逐次放棄（無視）していることを示している。これは、現時点で位置偏差ｃ１，ｃ２が過大な状態であっても、過去に位置補正を行った位置補正量ｈ１，ｈ２が累積された分だけ、現時点での位置偏差ｃ１，ｃ２を小さく見積もっていること（つまり補正後の位置偏差を計算していること）と等価となる。これによって、現時点における位置指令増分と位置検出値の増分との関係により、位置補正量ｈ１，ｈ２を計算することが可能となる。

したがって、位置制御系を有する制御系に対して速度指令を行う場合、従来技術では、加速中（または減速中）に位置の補正を受けると、速度検出値が指令速度に到達した時点でも位置偏差ｃ１，ｃ２が過大状態のままになり、速度検出値がオーバーシュートしてしまい、ワインドアップ現象を招来するという問題があったが、本実施の形態４によれば、速度検出値が速度指令値に到達した時点で位置偏差ｃ１，ｃ２が過大となることを防ぐことができ、オーバーシュートやワインドアップ現象の発生を防止することが可能となる。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図６では、図４（実施の形態４）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態５に関わる部分を中心に説明する。

本実施の形態５では、図４（実施の形態４）にて説明した位置補正量の更新によって位置指令と位置検出値との間に生じたずれを解消する場合ついて説明する。

図６に示すように、本実施の形態５によるモータ同期制御装置１ｅは、図４（実施の形態４）に示した構成において、一回転内位置補正部２２が追加して設けられている。

一回転内位置補正部２２は、同期後位置補正量ｉを入力とし、一回転内位置補正後位置補正量ｒを出力する。位置補正量更新部２０ａ，２０ｂは、図４に示した同期後位置補正量ｉに代えて、一回転内位置補正後位置補正量ｒを入力として更新後位置補正量ｐ１，ｐ２を計算する。指令値整形部６ａ，６ｂ内の修正位置偏差ｄ１，ｄ２を算出する減算器１２ａ，１２ｂは、位置偏差ｃ１，ｃ２から減算する信号を、同期後位置補正量ｉに代えて一回転内位置補正後位置補正量ｒとしている。

一回転内位置補正部２２は、同期後位置補正量ｉについて次の（Ａ）〜（Ｂ）の処理を行って一回転内位置補正後位置補正量ｒを算出する。
（Ａ）一回転内位置補正部２２は、同期後位置補正量ｉの一回転内（一回転未満）の位置補正量を、正規化する、多回転分の更新後位置補正量を放棄（無視）する、多回転分の位置補正量を加減算する、などによって算出する。
（Ｂ）次に、一回転内位置補正部２２は、全ての軸の位置補正量ｈ１，ｈ２がゼロ（全ての軸で、補正後位置偏差ｎ１，ｎ２よりも参照位置偏差ｍ１，ｍ２の方の絶対値が小さい場合）で、正規化した位置補正量が０以外の場合は、補正後位置偏差ｎ１，ｎ２と参照位置偏差ｍ１，ｍ２との差分を上限として、正規化した位置補正量を一回転内位置補正後位置補正量ｒとして出力する。なお、一回転内位置補正後位置補正量ｎは、各軸共通の所定時定数により移動平均処理を施した値となるように算出する場合でもよい。
（Ｃ）また、一回転内位置補正部２２は、同期後位置補正量ｉから（１）にて算出した一回転内位置補正量を減算し、それを一回転内位置補正後位置補正量ｒとして出力する。

これによって、モータ３ａ，３ｂの位置検出値ｂ１，ｂ２と位置指令ａとの各一回転位置が一致するように補正できるので、図４（実施の形態４）にて説明した位置補正量の更新によって位置指令と位置検出値との間にずれが生じないようにすることができる。

このように、本実施の形態５によれば、制御入力が制限範囲を超過することなく、かつ同期制度を維持した状態で、位置指令と位置検出値の各一回転内位置を一致させることができるので、位置ずれすることなく位置決めすることが可能となる。これによって、例えば、同期状態の２軸に他の軸との位相を同期させて駆動ことが可能となる。

実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図７では、図６（実施の形態５）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態６に関わる部分を中心に説明する。

本実施の形態６では、実施の形態５と同様に、図４（実施の形態４）にて説明した位置補正量の更新によって位置指令と位置検出値との間に生じたずれを解消する場合ついて説明する。

図７に示すように、本実施の形態６によるモータ同期制御装置１ｆでは、図６（実施の形態５）に示した構成において、整形量同期部４ｂおよび一回転内位置補正部２２に代えて、整形量同期部２４ａ，２４ｂおよび一回転内位置補正部２５ａ，２５ｂが各軸のモータ駆動制御装置に追加されている。

減算器２１ａ，２１ｂは、位置偏差ｃ１，ｃ２から減算する信号を一回転内位置補正部２５ａ，２５ｂが出力する一回転内位置補正後位置補正量ｒ１，ｒ２として補正後位置偏差ｎ１，ｎ２を算出し、位置補正量算出部１８ａ，１８ｂに出力する。

位置補正量更新部２０ａ，２０ｂは、位置補正量算出部１８ａ，１８ｂが出力する位置補正量ｈ１，ｈ２と一回転内位置補正部２５ａ，２５ｂが出力する一回転内位置補正後位置補正量ｒ１，ｒ２とを入力として、更新後位置補正量ｐ１，ｐ２を算出する。

整形量同期部２４ａ，２４ｂは、それぞれ、位置補正量更新部２０ａ，２０ｂが算出した更新後位置補正量ｐ１，ｐ２を入力として同期後位置補正量ｊ１，ｊ２を算出する。

一回転内位置補正部２５ａ，２５ｂは、整形量同期部２４ａ，２４ｂから入力する同期後位置補正量ｊ１，ｊ２について図６（実施の形態５）にて説明した（Ａ）〜（Ｃ）の処理を行って一回転内位置補正後位置補正量ｒ１，ｒ２を算出する。

指令値整形部６ａ，６ｂ内の修正位置偏差ｄ１，ｄ２を算出する減算器１２ａ，１２ｂは、位置偏差ｃ１，ｃ２から減算する信号を、一回転内位置補正後位置補正量ｒに代えて一回転内位置補正後位置補正量ｒ１，ｒ２としている。

このように各軸に整形量同期部と一回転内位置補正部とを設ける構成でも、実施の形態５と同様に、制御入力が制限範囲を超過することなく、かつ同期制度を維持した状態で、位置指令と位置検出値の各一回転内位置を一致させることができるので、位置ずれすることなく位置決めすることが可能となり、例えば、同期状態の２軸に他の軸との位相を同期させて駆動ことが可能となる。

加えて、本実施の形態６によれば、各軸に整形量同期部と一回転内位置補正部とを設けることにより、各軸における処理構造が単純化されるため、同期制御を行う軸数が増えた場合に特に有効な形態となる。

実施の形態７．
本実施の形態７では、実施の形態１〜６において、同期する軸の間の通信経路で、通信遅れなどの無駄時間が存在する場合の補正方法について説明する。ここでは、説明の便宜から、図２（実施の形態２）に示したモータ同期制御装置１ｂを用いて、同期する軸の間の通信経路において、通信遅れなどの無駄時間が存在する場合の補正方法について説明する。

図８は、本発明の実施の形態７によるモータ同期制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図８では、図２（実施の形態２）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態７に関わる部分を中心に説明する。

図８に示す本実施の形態７によるモータ同期制御装置１ｇでは、図２（実施の形態２）に示した構成において、第一軸と第二軸のモータ駆動制御装置間の同期を取る通信経路である第一軸の位置補正量算出部５ａと第二軸の整形量同期部１４ｂとの間と、第二軸の位置補正量算出部５ｂと第一軸の整形量同期部１４ａとの間とに、それぞれ無駄時間が存在する場合に、それぞれの通信経路に無駄時間補正部２７ａ，２７ｂが設けられている。

無駄時間補正部２７ａ，２７ｂは、位置補正量ｈ１，ｈ２を入力として、無駄時間補正後位置補正量ｓ１，ｓ２を出力する。各軸の整形量同期部１４ａ，１４ｂは、各軸の位置補正量ｈ１，ｈ２に代えて、自軸の位置補正量と他軸の無駄時間補正後位置補正量とに基づき自軸の同期後位置補正量を算出する。すなわち、第一軸の整形量同期部１４ａは、第一軸の位置補正量ｈ１と第二軸の無駄時間補正後位置補正量ｓ２とに基づき第一軸の同期後位置補正量ｊ１を算出する。第二軸の整形量同期部１４ｂは、第一軸の無駄時間補正後位置補正量ｓ１と第二軸の位置補正量ｈ２とに基づき第二軸の同期後位置補正量ｊ２を算出する。

無駄時間補正部２７ａ，２７ｂは、それぞれ同様の動作を行う。すなわち、無駄時間補正部２７ａ，２７ｂは、次の式（１０）に示すように、位置補正量ＰＣに、位置補正量ＰＣの微分値（差分値）ＶＣと補正時間ＴＣとの乗算値を加算し、無駄時間補正後位置検出値ＰＣ’を出力する。
ＰＣ’＝ＰＣ＋ＶＣ×ＴＣ …（１０）

なお、位置補正量ＰＣが無駄時間ＴＤを含む信号の場合、補正時間ＴＣを無駄時間ＴＤとして式（１０）を計算することで無駄時間に対する補正を行うことができる。また、位置補正量ＰＣが離散値の場合、ＶＣは、位置補正量ＰＣの差分値であるので、次の式（１１）で計算することができる。
ＶＣ（ｔ）＝ＰＣ（ｔ）―ＰＣ（ｔ−１） …（１１）
なお、式（１１）において、ｔは制御系の補間周期を定数倍した時刻とする。

このように、本実施の形態７によれば、位置補正量が無駄時間分遅れた状態で、位置補正量の同期を取る場合でも、無駄時間の影響を小さくすることが可能となり、制御入力制限に対し正確な指令値整形が可能となる。

また、補正時間ＴＣを推定時間ＴＥとすることで、修正位置指令を予測することが可能となる。なお、本実施の形態７にて説明した無駄時間補正方法は、無駄時間が存在する経路を同期する軸の間に限定するものではなく、モータ駆動制御装置の内部信号や位置指令生成装置とモータ駆動制御装置との間に無駄時間を含む場合についても適用可能とするものである。

以上のように、本発明にかかるモータ同期制御装置は、各軸の制御入力が制限を受ける場合であっても、高精度に各軸の同期を維持することを可能にするモータ同期制御装置として有用である。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ モータ同期制御装置
２ 位置指令生成装置
３ａ，３ｂ モータ（サーボモータ）
４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ 整形量同期部
５ａ，５ｂ，１８ａ，１８ｂ 位置補正量算出部
６ａ，６ｂ 指令値整形部
７ａ，７ｂ 制御入力計算部
８ａ，８ｂ，１６ａ，１６ｂ 制御入力制限部
９ａ，９ｂ 位置検出器
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，２１ａ，２１ｂ 減算器
１７ａ，１７ｂ 参照位置偏差算出部
２０ａ，２０ｂ 位置補正量更新部
２２，２５ａ，２５ｂ 一回転内位置補正部
２７ａ，２７ｂ 無駄時間補正部

Claims (1)

1. ２軸以上のモータを個別に駆動する２以上のモータ駆動制御装置のそれぞれが生成する、各軸に共通の位置指令と自軸モータで検出された位置検出値との差分である自軸モータの位置偏差を用いてモータへの制御入力を計算するモータ制御装置において、
   前記２以上のモータ駆動制御装置のそれぞれは、
   前記制御入力に対する制限値又は前記制限値の定数倍の値である参照制御入力を少なくとも入力とし、制御入力計算部の出力から前記制御入力計算部の入力を得る関係式を用いて前記位置指令と前記位置検出値との差分である位置偏差との大小を比較するための値である参照位置偏差を算出する参照位置偏差算出部と、
   前記位置偏差の絶対値と前記参照位置偏差の絶対値とを比較し、前記参照位置偏差の絶対値が前記位置偏差の絶対値よりも小さい場合は、前記位置偏差と前記参照位置偏差との差分を算出して位置補正量を出力し、前記参照位置偏差の絶対値が前記位置偏差の絶対値よりも大きい場合は、前記位置補正量をゼロにして出力する位置補正量算出部と、
   を有し、
   前記モータ制御装置は、
   前記位置補正量を入力とし、前記２以上の位置補正量のうち最も応答の遅い軸の位置補正量を同期後位置補正量として選択する整形量同期部を備え、
   前記制御入力計算部は、自軸の前記位置偏差から前記同期後位置補正量を減算した修正位置偏差を入力信号として自軸モータへの制御入力を計算する、
   ことを特徴とするモータ同期制御装置。

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