JP5457901B2

JP5457901B2 - 位置制御装置

Info

Publication number: JP5457901B2
Application number: JP2010070635A
Authority: JP
Inventors: 勇治川津; 智寿亀山
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: DE102011014566A1; DE102011014566B4; US20110238221A1; CN102201772B; JP2011204010A; ITRM20110139A1; US8452425B2; CN102201772A

Description

本発明は、工作機械等における送り軸（テーブル）の位置制御装置に関する。

工作機械の可動部にリニアスケールを取り付けたフルクローズ制御系において、極低速域で可動部を送った際に、摩擦や弾性変化に起因してスティックスリップが発生する。スティックスリップの影響を小さくするために、速度ループと位置ループの各ゲインを高く設定し、オーバーシュートを小さくする試みがなされている。

図５に従来の位置制御装置におけるフルクローズ制御のブロック図を示す。モータ１８には、第一位置検出器１７が取り付けられている。微分器１２は、この第一位置検出器１７によって検出された位置検出値Ｙｍを微分し、モータ１８の速度検出値Ｖｍを出力する。

上位装置から入力された位置指令Ｒｃは、微分器８および減算器１に入力される。微分器８は、位置指令Ｒｃを微分し、速度フィードフォワード指令Ｖｒとして出力する。この位置指令Ｒｃは、微分器１０により微分された後、トルクフィードフォワード係数Ｋａが乗算され、トルクフィードフォワード指令Ｔｆｆとして出力される。

モータにより駆動される回転テーブル１９（送り軸）には、第二位置検出器２１が取り付けられている。この第二位置検出器２１で検出された位置検出値Ｙｌは、減算器１および微分器１１に入力される。減算器１は、位置指令Ｒｃから、第二位置検出器２１で検出された位置検出値Ｙｌを減算し、位置偏差Ｅｐを出力する。加算器２は、この位置偏差Ｅｐに位置ループゲインＫｐを乗算して得られた出力と、速度フィードフォワード指令Ｖｒと、を加算して、速度指令Ｖｃを出力する。減算器３は、この速度指令Ｖｃから、モータ１８の速度検出値Ｖｍを減算し、モータ速度偏差Ｅｍを出力する。

微分器１１は、第二位置検出器２１で検出された位置検出値Ｙｌを微分し、回転テーブル１９の速度検出値Ｖｌを出力する。減算器４は、速度フィードフォワード指令Ｖｒから、この回転テーブル１９の速度指令値Ｖｌを減算し、実速度偏差Ｅｌを出力する。

加算器５は、実速度偏差Ｅｌに比例ゲインＰｌを乗算して得られる出力と、モータ速度偏差Ｅｍに比例ゲインＰｍを乗算して得られる出力と、モータ速度偏差Ｅｍを積分補償器９に入力して得られる出力と、を加算しトルクフィードバック指令Ｔｆｂを出力する。

加算器６は、トルクフィードフォワード指令Ｔｆｆとトルクフィードバック指令Ｔｆｂとを加算し、トルク指令Ｔｃを出力する。図５中の符号１５は、トルク指令をフィルタリングする各種のフィルタ部と電流制御部を示す。

特開２００５−８５０７４号公報

摺動面がすべり案内の送り軸やブレーキをかけた状態で回転させる主軸では、極低速域で動作させると摩擦や弾性変化に起因するスティックスリップが発生し、加工精度が劣化するという問題がある。図５に示した従来技術においては、制御対象がボールネジやベルトの撓みを含むロストモーションの存在する大きな機械であっても、回転テーブルの速度ｖｌを速度ループにフィードバックすることで、高い位置ループゲインを設定することが可能となり追従性が飛躍的に向上した。しかし、静摩擦が動摩擦に対して大きいと、極低速域では静止とオーバーシュートを繰り返す、スティックスリップが発生する。

スティックスリップは、積分ゲインを大きく設定するか、または、積分時定数を短くし、静摩擦トルクから動摩擦トルクへの切換応答速度を早めることで抑制できる場合がある。しかし、積分ゲインを大きく設定したり、積分時定数を短くすると、大きな速度指令がされる場合等、加速度が大きくなる動作においては、ロストモーションの影響が大きくなり機械振動が発生する。

本発明は、上記課題に対してなされたものであり、モータに結合された第一位置検出器の出力と、前記モータにより駆動される送り軸に結合された第二位置検出器の出力と、に基づいて前記送り軸の位置を制御する位置制御装置において、位置指令と前記第二位置検出器の出力との差から速度フィードバック指令を出力する位置演算器と、前記位置指令を微分し、速度フィードフォワード指令を出力する位置指令微分器と、前記速度フィードフォワード指令と前記第二位置検出器の出力から得られる送り軸の実速度との差である実速度偏差を出力する第一減算器と、前記実速度偏差を比例演算する第一比例演算器と、前記実速度偏差を積分する第一積分補償器と、前記速度フィードフォワード指令と前記速度フィードバック指令を加算し、速度指令を出力する第一加算器と、前記速度指令と前記第一位置検出器の出力から得られるモータ速度との差であるモータ速度偏差を出力する第二減算器と、前記モータ速度偏差を比例演算する第二比例演算器と、前記モータ速度偏差を積分する第二積分補償器と、前記第一比例演算器の出力と前記第二比例演算器の出力と前記第一積分補償器の出力と前記第二積分補償器の出力を加算し、トルクフィードバック指令を出力する第二加算器と、を備え、前記第一、第二積分補償器は、前記速度フィードフォワード指令又は前記速度指令に応じて極低速域において第一積分補償器の積分ゲインが第二積分補償器の積分ゲインに対して大きな値をとるように可変可能な係数可変器を備えたことを特徴とする。

本発明による位置制御装置によれば、ロストモーションの影響が小さい極低速域において積分ゲインＫｌを大きく設定することで静摩擦トルクから動摩擦トルクへの切換応答速度を早め、スティックスリップを抑制することができる。

本発明の実施形態である位置制御装置の制御ブロック図である。積分補償器を示すブロック図である。制御対象側の速度ループ積分補償器の係数のパターン図である。モータ側の速度ループ積分補償器の係数のパターン図である。従来の位置制御装置の制御ブロック図である。

本発明の実施形態である位置制御装置について説明する。なお、以下の図面において従来例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。本実施形態の位置制御装置の制御ブロック図を図１に示す。

モータ１８には、第一位置検出器１７が取り付けられている。微分器１２は、この第一位置検出器１７によって検出された位置検出値Ｙｍを微分し、モータ１８の速度検出値Ｖｍを出力する。

上位装置から入力された位置指令Ｒｃは、微分器８および減算器１に入力される。微分器８は、位置指令微分器として機能するもので、位置指令Ｒｃを微分し、速度フィードフォワード指令Ｖｒとして出力する。この位置指令Ｒｃは、微分器１０により微分された後、トルクフィードフォワード係数Ｋａが乗算され、トルクフィードフォワード指令Ｔｆｆとして出力される。

モータにより駆動される回転テーブル１９（送り軸）には、第二位置検出器２１が取り付けられている。この第二位置検出器２１で検出された位置検出値Ｙｌは、減算器１および微分器１１に入力される。減算器１は、位置指令Ｒｃから、第二位置検出器２１で検出された位置検出値Ｙｌを減算し、位置偏差Ｅｐを出力する。演算器７は、この位置偏差Ｅｐに位置ループゲインＫｐを乗算して速度フィードバック指令を出力する位置演算器として機能する。加算器２（第一加算器）は、この位置偏差Ｅｐに位置ループゲインＫｐを乗算して得られた出力（速度フィードバック指令）と、速度フィードフォワード指令Ｖｒと、を加算して、速度指令Ｖｃを出力する。減算器３（第二減算器）は、この速度指令Ｖｃから、モータ１８の速度検出値Ｖｍを減算し、モータ速度偏差Ｅｍを出力する。

微分器１１は、第二位置検出器２１で検出された位置検出値Ｙｌを微分し、回転テーブル１９の速度検出値Ｖｌを出力する。減算器４（第一減算器）は、速度フィードフォワード指令Ｖｒから、この回転テーブル１９の速度指令値Ｖｌを減算し、実速度偏差Ｅｌを出力する。

演算器１４（第一比例演算器）は、実速度偏差Ｅｌに比例ゲインＰｌを乗算する比例演算を実行する。積分補償器２５（第一積分補償器）は、実速度偏差Ｅｌを積分し、実速度偏差の積分成分Ｔｌを出力する。演算器１３（第二比例演算器）は、モータ速度偏差Ｅｍに比例ゲインＰｍを乗算する比例演算を実行する。積分補償器９（第二積分補償器）は、モータ速度偏差Ｅｍを積分し、モータ速度偏差Ｅｍの積分成分Ｔｍを出力する。

加算器５および加算器２４は、トルクフィードバック指令Ｔｆｂを出力する第二加算器として機能する。すなわち、加算器２４は、実速度偏差Ｅｌに比例ゲインＰｌを乗算して得られる演算器１４からの出力と、積分補償器２５からの出力である実速度偏差の積分成分Ｔｌと、を加算する。加算器５は、この加算器２４からの出力と、積分補償器９から出力されるモータ速度偏差の積分成分Ｔｍ、および、モータ速度偏差Ｅｍに比例ゲインＰｍを乗算して得られる演算器１３からの出力を加算し、トルクフィードバック指令Ｔｆｂとして出力する。加算器６は、このトルクフィードバック指令Ｔｆｂとトルクフィードフォワード指令Ｔｆｆとを加算し、トルク指令Ｔｃとして出力する。

次に、積分補償器９および積分補償器２５について図２を参照して説明する。図２は、積分補償器９および積分補償器２５の詳細ブロック図である。図２において、積分演算器９１は、モータ速度偏差Ｅｍの積分値を出力する積分器である。このモータ速度偏差Ｅｍの積分値に、符号９２で示される係数βと符号９３で示される積分ゲインＫｍが乗算され、モータ速度偏差の積分成分Ｔｍとして出力される。

積分演算器２５１は、実速度偏差Ｅｌの積分値を出力する積分器である。この実速度偏差Ｅｌの積分値に、符号２５２で示される係数αと符号２５３で示される積分ゲインＫｌが乗算され、実速度偏差の積分成分Ｔｌとして出力される。

ここで、係数αおよび係数βは、速度フィードフォワード指令Ｖｒまたは速度指令Ｖｃの値に応じて０から１の間で可変される値である。係数αは、速度フィードフォワード指令Ｖｒまたは速度指令Ｖｃが小さいときに１に近い値αｍａｘをとり大きいときには０に近い値αｍｉｎをとる。係数αの可変パターンの一例を図３に示す。図３に示すように、０＜ａ１＜ａ２とした場合、係数αは、Ｖｒ（またはＶｃ）＜ａ１のときに最大値αｍａｘとなる。また、ａ１≦Ｖｒ（またはＶｃ）≦ａ２のとき、係数αは、最大値αｍａｘから最小値αｍｉｎまで徐々に（比例的に）減少していく。そして、ａ２＜Ｖｒ（またはＶｃ）では、係数αは、最小値αｍｉｎとなる。換言すれば、積分補償器２５は、速度フィードフォワード指令Ｖｃ又は速度指令Ｖｒが小さいほど係数が大きくなるように係数を可変する係数可変器を有しているといえる。

同様に、係数βは、速度フィードフォワード指令Ｖｒまたは速度指令Ｖｃが大きいときに１に近い値βｍａｘをとり、小さいときには０に近い値βｍｉｎをとる。係数βの可変パターンの一例を図４に示す。図４に示すように、０＜ｂ１＜ｂ２とした場合、係数βは、Ｖｒ（またはＶｃ）＜ｂ１のときに最小値βｍｉｎとなる。また、ｂ１≦Ｖｒ（またはＶｃ）≦ｂ２のとき、係数βは、最小値βｍｉｎから最大値βｍａｘまで徐々に（比例的に）増加していく。そして、ｂ２＜Ｖｒ（またはＶｃ）では、係数βは、最大値βｍａｘとなる。換言すれば、積分補償器９は、速度フィードフォワード指令Ｖｃ又は速度指令Ｖｒが大きいほど係数が大きくなるように係数を可変する係数可変器を有しているといえる。なお、係数αおよび係数βを、速度フィードフォワード指令Ｖｒまたは速度指令Ｖｃいずれに応じて可変させるかは、スイッチ２６を切り替えることで選択できるようになっている。

ここで、図５に図示するような従来技術では、回転テーブルの速度Ｖｌを速度ループにフィードバックすることで、高い位置ループゲインＫｐを設定することが可能となり定常偏差を大幅に小さくすることが可能になった。しかし、静摩擦が動摩擦に対して大きいと、極低速域において静止とオーバーシュートを繰り返す、スティックスリップが発生する。このスティックスリップは、積分ゲインを大きく設定するか、または、積分時定数を短くし、静摩擦トルクから動摩擦トルクへの切換応答速度を早めることで抑制できる場合がある。しかし、大きな速度指令がされる場合など、加速度が大きくなる動作においては、ロストモーションの影響が大きくなり、機械振動が発生する問題がある。本実施形態では、実速度偏差Ｅｌの積分補償器２５を設け、実速度偏差Ｅｌを直接小さくできるようにした。そして、速度フィードフォワード指令Ｖｒまたは速度指令Ｖｃが小さい極低速域において、係数α及び係数βを図３及び図４のように可変させることで、ロストモーションの影響が小さい状態に限って積分ゲインＫｌを大きく設定することで静摩擦トルクから動摩擦トルクへの切換応答速度を早め、極低速域において発生するスティックスリップを抑制できるようにした。

積分補償器２５は、位置偏差Ｅｐを含む速度指令がフィードバックされないため、位置偏差Ｅｐにかかわらず実速度偏差Ｅｌを小さくするように作用する。積分補償器９は、位置偏差Ｅｐを含む速度指令がフィードバックされるため、位置偏差Ｅｐに応じてモータ速度偏差Ｅｍを小さくするように作用する。極低速域において、積分ゲインＫｌは積分ゲインＫｍに対して十分大きな値をとり、位置偏差Ｅｐよりも実速度偏差Ｅｌを優先して小さくするよう作用するため、位置のオーバーシュートが抑制される。ここで、従来技術において、高い位置ループゲインＫｐを設定できるようになったため、速度指令が小さな極低速域においては積分ゲインＫｍを小さく設定しても位置偏差Ｅｐをほとんど発生させることもない。

１，３，４減算器、２，５，６，２４加算器、７，１３，１４演算器、８，１０，１１，１２微分器、９モータ側速度ループ積分補償器、１５各種フィルタ部，電流制御部、１７第一位置検出器、１８モータ、１９テーブル、２０ブレーキパッド、２１第二位置検出器、２２減速器、２３ベルト、２５回転テーブル側速度ループ積分補償器、２６速度フィードフォワード指令と速度指令の選択用スイッチ、９１モータ側の積分演算器、９２モータ側の積分ゲイン用係数可変器、９３モータ側の積分ゲイン、２５１回転テーブル側の積分演算器、２５２回転テーブル側の積分ゲイン用係数可変器、２５３回転テーブル側の積分ゲイン。

Claims

モータに結合された第一位置検出器の出力と、前記モータにより駆動される送り軸に結合された第二位置検出器の出力と、に基づいて前記送り軸の位置を制御する位置制御装置において、
位置指令と前記第二位置検出器の出力との差から速度フィードバック指令を出力する位置演算器と、
前記位置指令を微分し、速度フィードフォワード指令を出力する位置指令微分器と、
前記速度フィードフォワード指令と前記第二位置検出器の出力から得られる送り軸の実速度との差である実速度偏差を出力する第一減算器と、
前記実速度偏差を比例演算する第一比例演算器と、
前記実速度偏差を積分する第一積分補償器と、
前記速度フィードフォワード指令と前記速度フィードバック指令を加算し、速度指令を出力する第一加算器と、
前記速度指令と前記第一位置検出器の出力から得られるモータ速度との差であるモータ速度偏差を出力する第二減算器と、
前記モータ速度偏差を比例演算する第二比例演算器と、
前記モータ速度偏差を積分する第二積分補償器と、
前記第一比例演算器の出力と前記第二比例演算器の出力と前記第一積分補償器の出力と前記第二積分補償器の出力を加算し、トルクフィードバック指令を出力する第二加算器と、を備え、
前記第一、第二積分補償器は、前記速度フィードフォワード指令又は前記速度指令に応じて極低速域において第一積分補償器の積分ゲインが第二積分補償器の積分ゲインに対して大きな値をとるように可変可能な係数可変器を備えたことを特徴とする位置制御装置。
請求項１に記載の位置制御装置であって、
前記第一積分補償器の係数可変器は、前記速度フィードフォワード指令又は前記速度指令が小さいほど係数が大きくなるように係数を可変し、
前記第二積分補償器の係数可変器は、前記速度フィードフォワード指令又は前記速度指令が大きいほど係数が大きくなるように係数を可変する、
ことを特徴とする位置制御装置。