JP5574762B2 - モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの制御装置に関し、特に工作機械などの高精度に位置を軌跡制御するのに適したモータの制御装置に関するものである。

工作機械などの加工用機械では、図５に示すように、レベリングボルトなどにより支持された機台の上にモータが固定されている。モータは、ボールねじを回転させてテーブルを駆動する。エンドミルなどを駆動する主軸は機台上に構成されている。そのため機台とテーブルとの間の相対位置精度が、加工精度となって現れる。モータの制御装置は、例えば図６の構成を有している。既存のモータの制御装置は、位置指令とモータの可動子の位置との偏差を位置制御器５に入力する。位置制御器５は、速度指令を出力する。また速度指令とモータＭの可動子の位置を検出するエンコーダ３の出力を微分器２で微分して得たと速度との偏差が、速度制御器４に入力される。速度制御器４はトルク指令を出力する。そしてトルク指令をトルク制御器６に通してモータを駆動し、モータのトルクを制御する。ボールねじの剛性が高い場合には、エンコーダで検出している可動子の位置はテーブルと機台との間の相対位置になる。そこでモータの制御装置は、この相対位置が位置指令に合うようにモータを制御する。

従来は、金属加工機械を用いた金属加工において、軌跡精度が必要な加工を行う場合には、位置指令の変化に対応するために、モータの速度を遅くして、機械の振動が問題にならないような速度で加工を行っている。しかし、近年はエネルギー消費の削減や製造コスト低減のため、より高速な加工が求められてきている。しかし、従来のモータ制御装置で高速加工を行うと、レベリングボルトの剛性により機台が揺れ、テーブルと機台間に振動を生じて、加工精度が低下するという問題があった。こういった振動を抑制する方法として、位置指令の入力部にノッチフィルタに代表されるＩＩＲ型のプレフィルタを挿入する方法や特許文献１に示すようなモデル追従制御を用いる方法がある。しかし、これらの方法では、線形位相特性にならないため、軌跡精度が得られないという問題があった。この線形位相特性を用いて振動を抑制する方法として特許文献２がある。特許文献２には、位置指令信号を補正するＦＩＲフィルタ部と、ＦＩＲフィルタ部により補正された位置指令信号から、駆動対象機械の特性に対応した所定の周波数成分を減衰して、位置、速度及びトルクの各フィードフォワード信号を演算する機械特性補償部と、機械特性補償部により演算された位置、速度及びトルクの各フィードフォワード信号に応じて駆動対象機械を駆動するフィードバック補償部とを備えたサーボ制御装置が示されている。そして、機械特性補償部は、位置指令信号から駆動対象機械の反共振周波数成分を減衰して、位置のフィードフォワード信号を演算する位置指令演算器と、位置指令信号を微分する微分器と、微分器による演算値から駆動対象機械の反共振周波数成分を減衰して、速度のフィードフォワード信号を演算する速度指令演算器と、微分器による演算値を微分すると共に駆動対象機械の総イナーシャを乗算する演算器と、演算器による演算値から駆動対象機械の共振周波数成分を減衰して、トルクのフィードフォワード信号を演算するトルク指令演算器とを備えている。しかし、特許文献２に記載の方法では、プレフィルタとして線形位相特性を持つＦＩＲフィルタを用いている。そのためフィルタの遅れにより、位置の制御特性が遅れ、高速に駆動した場合に精度が悪化するという問題があった。

別のテーブルと機台間の振動を抑制する方法として、機台振動を検出するセンサを設ける方法もある。しかし、センサ故障などがあるため信頼性が低下し、また、コストアップになるという問題があった。

一方、周期的外乱を抑制する方法として、非特許文献１のようにピークフィルタを用いる方法がある。非特許文献１に記載の方法では、モータの発生する周期的外乱を次式で示されるピークフィルタにより抑制している。

K_pk＝ｋω_pk／（s²＋ω_pk ²）

特開２０００−９２８８２号公報 特開２００４−２７２８８３号公報

第５１回自動制御連合講演会６２９「ピークフィルタによるＩＰＭモータの周期的速度変動抑制制御」

非特許文献１に記載された上記式で表されるピークフィルタは、ゲインｋを変えることによりその大きさを調整できる。しかしゲインｋを調整すると、フィルタの全周波数におけるゲインを変えることになり、ピーク部分のみの大きさを変えることはできなかった。また、ゲインが高い部分の幅を調整することもできなかった。図７は、このピークフィルタの周波数特性を示している。また、非特許文献１に記載の技術では、ピークフィルタを速度制御器に加法的に用いており、速度制御器を比例制御器で構成している。一方、工作機械などの位置決め用途に用いる速度制御器は、摩擦外乱などの抑制のため比例積分制御器で構成されている。そのため、積分ゲインが高い場合は、ピークフィルタの効果が低減してしまい、外乱を十分に抑制できないという問題があった。このため、非特許文献１に記載のピークフィルタを機台振動の抑制にそのまま適用しても機台の振動を十分に抑制することができなかった。

本発明の目的は、特別なセンサなどを用いずに、制御対象の振動を抑制して、制御対象を高速、高精度に制御できるモータ制御方法及び装置を提供することにある。

本発明のより具体的な目的は、特別なセンサなどを用いずに、テーブルと機台との間の振動を抑制し、工作機械などの位置の軌跡を高速、高精度に制御できるモータの制御方法及び装置を提供することにある。

本発明は、制御対象を駆動するモータの速度と速度指令により指令された指令速度との偏差を、速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与えてモータを制御するモータの制御方法を対象とする。制御対象には、例えば、機台上に設置されてモータにより駆動されるテーブル等が含まれる。またモータには、回転型モータのほかにリニアモータも含まれる。本発明においては、制御対象の反共振特性を無くすように構成されたピークフィルタにトルク指令を通してフィルタ処理した後、トルク指令をトルク制御器に与える。

本発明のモータの駆動装置は、機台に設置されて制御対象を駆動するモータの可動子の位置と位置指令との偏差を入力として速度指令を出力する位置制御器と、モータの速度と速度指令により指令された指令速度との偏差を入力としてトルク指令を出力する速度制御器と、トルク指令を入力としてモータのトルクを制御するトルク制御器とを備えている。そして本発明のモータの駆動装置及び方法では、速度制御器とトルク制御器との間に、トルク指令をフィルタ処理するピークフィルタを配置する。

ピークフィルタとしては、モータを設置している機台と制御対象との間で発生する機台振動中の反共振周波数成分を増幅し、反共振周波数成分の周波数で制御対象が反共振特性をもたない剛体システムのように振る舞うように定めた伝達関数を用いればよい。このようなピークフィルタを用いると、機台振動のある機械系を制御対象とし、例えば機台とテーブル間の相対位置を制御する場合に、機台とテーブル間の機台振動成分を抑制することができる。その結果、機台とテーブル間の振動を抑制できるため、より高速な加工が実現できる。その結果、機台の振動を検出するセンサがなくとも、工作機械などの位置の軌跡を高速、高精度に制御できる。

なお伝達関数としては下記の式を満たすものを用いるのが好ましい。

G_pk ＝（s² ＋ ｇ_d・2ζ_pkω_npk・s ＋ ω_npk ²）／（s² ＋ 2ζ_pkω_npk・s ＋ ω_npk ²）
但し式においては、ω_npkは固有周波数であり、ζ_pkは減衰係数であり、ｇ_dは分母分子の減衰係数の比である。この伝達関数では、固有周波数ω_npk でノッチの中心周波数を、減衰係数ζ_pk でノッチの幅を、分母分子の減衰係数の比ｇ_dでノッチの深さが調整できる。そしてｇ_d ＞１である。このような伝達関数を用いると、逆ノッチ特性（共振ピーク特性）の幅と高さを調整することができる。

本発明のモータの制御方法を実施するモータの制御装置の構成を示すブロック図である。 ピークフィルタの周波数特性を示す図である。 （Ａ）はピークフィルタを挿入しない場合の位置制御系の周波数応答特性を示す図であり、（Ｂ）はピークフィルタを挿入した場合の位置制御系の周波数応答特性を示す図である。 （Ａ）はピークフィルタを挿入しない場合の位置決め整定特性を示す図であり、（Ｂ）はピークフィルタを挿入した場合の位置決め整定特性を示す図である。 レベリングボルトなどにより支持された機台の上にモータが固定されている状態を示す図である。 従来のモータの制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 非特許文献１で採用しているピークフィルタの周波数特性を示す図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明のモータの制御方法を実施する本発明のモータの制御装置１の構成を示すブロック図である。本実施の形態のモータの制御装置１は、速度検出器２と、位置検出器を構成するエンコーダ３と、速度制御器４と、位置制御器５と、トルク制御器６と、ピークフィルタ７とを備えている。本実施の形態では、図５に示した、ボールねじによりテーブルを駆動する機械系を制御対象とする。したがってモータＭは、機台上に設置されている。速度検出器２は、エンコーダ３からの出力に基づいてモータＭの回転子の回転速度を検出して回転速度を出力する。位置検出器を構成するエンコーダ３は、モータＭの回転子の回転位置を検出する。本実施の形態では、エンコーダ３が速度検出器２の検出部（センサ部）として利用されている。位置偏差演算部ＳＢ１は、位置指令によって指令された位置とエンコーダ３が出力する回転位置との位置偏差を求める。位置指令は、図示しない上位コントローラから出力されている。位置制御器５は、位置偏差を入力として速度指令を出力する。速度偏差演算部ＳＢ２は、速度指令により指令された指令速度と速度検出器２が出力する回転速度との速度偏差を求める。速度制御器４は、速度偏差演算部ＳＢ２の出力を入力としてトルク指令を発生する。トルク制御器６は、ピークフィルタ７でフィルタ処理されたトルク指令を入力としてモータのトルクを制御する。

ピークフィルタ７は、モータＭを設置している機台と制御対象との間で発生する機台振動中の反共振周波数成分を増幅し，その周波数で制御対象があたかも反共振特性をもたない剛体システムのように振る舞うように定めた伝達関数を備えている。すなわちピークフィルタ７は制御対象の反共振特性をキャンセルする（無くす）ことができる伝達関数を有している。

ピークフィルタ７の伝達関数の設計について説明する。ピークフィルタ７は、次式に示すノッチフィルタ型の構造の伝達関数を持っている。

G_pk ＝（s² ＋ ｇ_d・2ζ_pkω_npk・s ＋ ω_npk ²）／（s² ＋ 2ζ_pkω_npk・s ＋ ω_npk ²）
但し式においては、ω_npkは固有周波数であり、ζ_pkは減衰係数であり、ｇ_dは分母分子の減衰係数の比である。この伝達関数では、固有周波数ω_npk でノッチの中心周波数を、減衰係数ζ_pk でノッチの幅を、分母分子の減衰係数の比ｇ_dでノッチの深さが調整できる。

ピークフィルタ７の各パラメータは次のようにして決めるのが好ましい。すなわち固有周波数ω_npkは、制御対象の反共振周波数に合わせる。減衰係数ζ_pkは、制御対象の反共振周波数の減衰特性に合わせる。比ｇ_dは、ノッチの深さが、制御対象の反共振周波数におけるゲインと制御対象を剛体モードのみと仮定した場合の反共振周波数におけるゲインとの差に等しくなるように決める。なおｇ_d ＞１とする。

機台振動がある機械系を制御対象として制御する場合に、ピークフィルタ７が無い場合の位置指令から位置までの周波数特性には、図３（Ａ）に示すように機台振動周波数において、位置指令に対するゲインが低下する反共振点とそれより高い周波数に共振点が現れる。このため、機台振動が生じる反共振周波数の振動が抑圧できない。また、共振点による振動も生じる。その結果、位置制御時に図４（Ａ）に示すように位置偏差に振動が現れる。これに対して本実施の形態では、ピークフィルタ７の周波数を機台振動周波数に合わせ、ピークフィルタ７のノッチの幅とノッチの深さを制御対象のゲインの低下を改善するように定めている。その結果、ピークフィルタ７により機台振動周波数成分が増幅され、機台振動周波数における反共振が改善されるとともに共振点が消える。その結果、機台振動周波数においても、位置指令に対して、位置制御が応答するようになる。これにより、位置偏差における機台振動周波数成分の振動が抑制され、テーブルと機台間の振動が抑制されることになる。

図２は、このピークフィルタ７の周波数特性を示している。この周波数特性では、中心周波数より低い周波数では位相が進み、中心周波数より高い周波数では位相が遅れる特性になっている。これにより、機台振動により低減するゲインを適切に抑制し、位相特性を改善し、機台振動を抑制して、高速な位置決めを実現することができる。

図３（Ｂ）は、ピークフィルタ７を挿入した場合の位置制御系の周波数応答特性を示している。図３（Ｂ）から判るように、反共振周波数におけるゲインの低下が低減されるとともに共振点が消えており、機台振動周波数における位相の遅れも改善している。図４（Ｂ）は、ピークフィルタを挿入した場合の位置決め整定特性を示しており、位置偏差の振動が抑制されていることがわかる。

以上のように、本実施の形態によれば、機台振動のある機械系に対して位置制御系を構成して機台とテーブル間の相対位置を制御するモータの制御装置において、速度制御器の出力にピークフィルタ７を挿入し、機台振動による反共振周波数成分を適切に増幅させることにより、機台とテーブル間の機台振動成分を抑制している。機台とテーブル間の振動が抑制されるため、より高速な加工が実現できる。これにより、本実施の形態のモータの制御装置によれば、機台の振動を検出するセンサがなくとも、工作機械などの位置の軌跡を高速、高精度に制御できる。

上記実施の形態では、機械系が機台の上に設置されたボールねじによって駆動されるテーブルであったが、その他の駆動機構を制御対象とする場合にも、本発明は当然にして適用できる。また、ピークフィルタは、速度制御器の前に入れてもよい。さらに、位置指令と位置偏差に基づき、位置制御器を通して直接トルク指令を与える制御系や、加速度指令と加速度フィードバックに基づき、加速度制御器を通してトルク指令を与える制御系に適用しても同様の効果が得られる。また、モータの位置でなく、テーブル位置などの負荷側の位置を検出するフルクローズド制御系にも本発明を適用できる。

本発明によれば、モータを設置している機台と制御対象との間で発生する機台振動中の反共振周波数成分を増幅し、該反共振周波数成分の周波数で制御対象が反共振特性をもたない剛体システムのようになるように伝達関数が定められたピークフィルタにトルク指令を通してトルク制御器に与えることにより、センサを用いることなく、振動発生ゲインとなるトルク指令中のピーク部分の大きさを小さくして、制御対象の振動を抑制することができる。

１ モータの制御装置
２ 速度検出器
３ エンコーダ
４ 速度制御器
５ 位置制御器
６ トルク制御器
７ ピークフィルタ

Claims (5)

1. 制御対象を駆動するモータの速度と速度指令により指令された指令速度との偏差を、速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与えて前記モータのトルクを制御するモータの制御方法であって、
   前記トルク指令を、前記モータを設置している機台と前記制御対象との間で発生する機台振動中の反共振周波数成分のみを増幅し、該反共振周波数成分の周波数で前記制御対象が反共振特性をもたない剛体システムのようになるように伝達関数が定められたピークフィルタに通して前記トルク制御器に与えることを特徴とするモータの制御方法。
2. 前記伝達関数が、
   G_pk ＝（s² ＋ ｇ_d・2ζ_pkω_npk・s ＋ ω_npk ²）／（s² ＋ 2ζ_pkω_npk・s ＋ ω_npk ²）
   で表され、但しω_npkは固有周波数であり、ζ_pkは減衰係数であり、ｇ_dは分母分子の減衰係数の比であり、ｇ_d ＞１であることを特徴とする請求項１に記載のモータの制御方法。
3. 機台に設置されて制御対象を駆動するモータの可動子の位置と位置指令との偏差を入力として速度指令を出力する位置制御器と、
   前記モータの速度と速度指令により指令された指令速度との偏差を入力としてトルク指令を出力する速度制御器と、
   前記トルク指令を入力としてモータのトルクを制御するトルク制御器とを備えてなるモータの制御装置であって、
   前記速度制御器と前記トルク制御器との間に、前記トルク指令をフィルタ処理するピークフィルタが配置されており、
   前記ピークフィルタは、前記モータを設置している機台と前記制御対象との間で発生する機台振動中の反共振周波数成分のみを増幅し、該反共振周波数成分の周波数で前記制御対象が反共振特性をもたない剛体システムのようになるように伝達関数が定められていることを特徴とするモータの制御装置。
4. 前記ピークフィルタは、前記モータを設置している機台と前記制御対象との間で発生する機台振動中の反共振周波数成分を増幅させることにより、前記機台振動を抑制するように伝達関数が定められていることを特徴とする請求項３に記載のモータの制御装置。
5. 前記伝達関数が、
   G_pk ＝（s² ＋ ｇ_d・2ζ_pkω_npk・s ＋ ω_npk ²）／（s² ＋ 2ζ_pkω_npk・s ＋ ω_npk ²）
   で表され、但しω_npkは固有周波数であり、ζ_pkは減衰係数であり、ｇ_dは分母分子の減衰係数の比であり、ｇ_d ＞１であることを特徴とする請求項４に記載のモータの制御装置。

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