JP5707129B2 - モータ制御装置、モータ制御方法、及び制御プログラム - Google Patents
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Description
これに対して、位置指令値の出力が終了した時点で、比例制御ゲインの値を切り替えて、応答が振動的になることを防ぎつつ、整定時間を短くする技術が提案されている(特許文献1)。
図1は、第1実施形態におけるモータ制御装置1の構成を示す概略ブロック図である。
同図に示すように、モータ制御装置1は、パワーアンプ2を介して、搬送装置3に備えられているリニアモータ31に電流を流し、リニアモータ31を駆動する。
可動子315は、複数のコイルを有する電機子316と、搬送する物を載せる可動テーブル34と、位置検出器35とを有している。位置検出器35は、例えば、光学式、又は磁気式のリニアスケールなどを用いて可動テーブル34の位置を検出する。
各駆動用磁石314には、可動子315が有している電機子316と対向する面にN極かS極のいずれかの磁極が形成されている。複数の駆動用磁石314は、それぞれが隣接する駆動用磁石314と異なる磁極を電機子316に向けている。
スライドブロック332には、複数のボールを循環させるためのトラック状のボール循環経路が設けられている。軌道レール331に対して、スライドブロック332がスライドすると、複数のボールがこれらの間を転がり運動し、また複数のボールがボール循環経路を循環する。これにより、スライドブロック332の円滑な直線運動が可能になる。
案内装置33のスライドブロック332の上面には、可動子315の可動テーブル34が取り付けられている。可動テーブル34は、例えば、アルミニウムなどの非磁性素材からなり、搬送する物を載せる。可動テーブル34の下面には、電機子316が吊り下げられている。
モータ制御装置1は、上位の制御装置から入力される最終目標位置xpから位置指令値を生成する指令生成部11と、指令生成部11が生成した位置指令値、及び可動テーブル34の位置を示す位置信号に基づいて、リニアモータ31に流す電流値を示す電流指令値を生成する制御部12とを備えている。
モータ制御装置1は、指令生成部11が可動テーブル34を最終目標位置xpに移動させる際の位置指令値を生成し、制御部12が位置指令値に基づいてリニアモータ31を駆動して可動テーブル34を最終目標位置xpに移動させる。
指令生成部11は、加速度指令生成部111、速度指令算出部112、及び位置指令算出部113を有している。
加速度指令生成部111は、入力される最終目標位置xpと、可動テーブル34の位置とから可動テーブル34を移動させる距離を算出し、算出した距離と、リニアモータ31の推力定数などとを用いて、加速度指令値を時系列に示す加速度パターンを生成する。また加速度指令生成部111は、生成した加速度パターンに対して、可動テーブル34を減速させる期間を延ばす変更をし、変更した加速度パターンに基づいて加速度指令値を時系列に出力する。
ここで、減速期間を延ばす時間T3は、リニアモータ31の応答遅延に基づいて予め定められた値が用いられ、例えば、T3を応答遅延と同じ時間や、位置制御における比例制御ゲイン(後述する比例制御ゲインKp1)の逆数から算出される時間を設定する。
すなわち、加速度指令生成部111は、加速度を「0」に戻すタイミングを時間T3だけ遅らせる変更を加速度パターンに対して行う。
位置指令算出部113は、積分演算を用いて、速度指令算出部112が算出した速度指令値から位置指令値を算出し、位置指令値を時系列に制御部12に出力する。位置指令値算出b113が算出する位置指令は、加速度指令生成部111が減速期間を伸ばしたために、位置指令値の変化を示す曲線が、(c)に示すように、一般的なS字曲線とならず、時刻(2T1+T2)において最終目標位置xpとなる上に凸な曲線になる。
上述の構成により、指令生成部11は、加速度指令生成部111が加速度を「0」に戻すタイミングを時間T3だけ遅らせることにより、位置指令値を出力する期間を時間T3だけ延ばしていることになる。
速度算出部13は、搬送装置3に備えられている位置検出器35から入力される位置信号の単位時間あたりの変化量から、可動テーブル34の移動速度を算出し、算出した移動速度を示す速度信号を出力する。
具体的には、位置偏差判定部141は、偏差がしきい値Δx以上の場合、移動制御部15が出力する電流指令値を切替部142に選択させ、偏差がしきい値Δx未満の場合、整定制御部16が出力する電流指令値を切替部142に選択させる。
整定制御部16は、最終目標位置xpと、速度算出部13が出力する移動信号と、位置信号とに基づいて、電流指令値を算出し出力する。
以下、移動制御部15、及び整定制御部16のより詳細な構成に付いて説明する。
位置偏差算出部151は、位置指令値と、位置信号とから位置指令値が示す位置と、可動テーブル34の位置との位置偏差を算出する。速度指令算出部152は、位置偏差算出部151が算出する位置偏差に対して、第1比例制御ゲインである比例制御ゲインKp1を乗じて速度指令値を算出する。
速度偏差算出部153は、速度指令算出部152が算出する速度指令値と、速度信号が示す可動テーブル34の移動速度との速度偏差を算出する。
すなわち、電流指令算出部154は、比例制御ゲインKv1、及び積分制御ゲインKi1を用いたPI制御演算で速度偏差から電流指令値を算出し、算出した電流指令値を質量補正部155に出力する。
位置偏差算出部161は、最終目標位置xpと、位置信号と最終目標位置xpに対する可動テーブル34の位置との位置偏差を算出する。速度指令算出部162は、位置偏差算出部161が算出する位置偏差に対して、第2比例制御ゲインである比例制御ゲインKp2を乗じて速度指令値を算出する。
速度偏差算出部163は、速度指令算出部162が算出する速度指令値と、速度信号が示す可動テーブル34の移動速度との速度偏差を算出する。
すなわち、電流指令算出部164は、比例制御ゲインKv2、及び積分制御ゲインKi2を用いたPI制御演算で速度偏差から電流指令値を算出し、算出した電流指令値を質量補正部155に出力する。
推力制限部166は、質量補正部165が補正した電流指令値が、リニアモータ31の最大推力に対応する最大電流値を超えているか否かを判定し、超えている場合には電流指令値を最大電流値に制限して切替制御部14に出力する。
ここで、整定制御部16において用いられる比例制御ゲインKp2は、移動制御部15において用いられる比例制御ゲインKp1より大きい値が予め設定される。また、整定制御部16において用いられる比例制御ゲインKv2は、移動制御部15において用いられる比例制御ゲインKv1以上の値が予め設定される。また、積分制御ゲインKi2は、移動制御部15において用いられる積分制御ゲインKi1以上の値が予め設定される。
このようにして、モータ制御装置1は、可動テーブル34が最終目標位置xpの近傍に到達すると制御ゲインを大きい値に切り替える制御を行い、位置決め整定時間の短縮を行う。
なお、比例制御ゲインKp1及びKv1、Kp2及びKv2、積分制御ゲインKi1、Ki2の値は、シミュレーションの結果や、実機を用いた測定値などに基づいて定められる。
切替制御部14は、可動テーブル34の位置が最終目標位置xpの近傍になると、移動制御部15を用いたリニアモータ31の駆動制御から、整定制御部16を用いたリニアモータ31の駆動制御に切り替える構成にしている。すなわち、可動テーブル34の位置が最終目標位置xpの近傍になり、移動距離が100[μm]オーダー以下の距離になったときに、比例制御ゲイン及び積分制御ゲインの制御ゲインを切り替えることができる。
これにより、可動テーブル34が最終目標位置xpの近傍に位置するタイミングで、制御ゲイン(Kp1,Kv1,Ki1)より大きい値の制御ゲイン(Kp2,Kv2,Ki2)に切り替えて微動制御を行うことができ、位置決め整定時間を短縮することができる。
これにより、従来の制御方法で発生していた「位置指令=最終目標位置xp」かつ「速度指令=0」かつ「加速度指令=0」の状態における制御を排除し、「位置指令=最終目標位置xp」かつ「速度指令=0」かつ「加速度指令=±α」の状態で最終目標位置xpの近傍を通過させる指令を発生するため、可動テーブル34を最終目標位置xpの近傍(100[μm]のオーダー)に速やかに移動させることができる。なお、「加速度指令=±α」は、正方向の位置決めにおいて加速度指令を負の値にし、負方向の位置決めにおいて加速度指令を正の値にすることを表す。
その結果、位置偏差が小さくなるタイミングで、制御ゲインを切り替えることができ、整定制御部16において用いる制御ゲイン(Kp2、Kv2,Ki2)に対して大きな値を設定することができるので、位置決め整定時間を短縮することができる。
なお、本実施形態では、指令生成部11が出力する位置指令値を出力する期間を延ばしているが、可動テーブル34の位置が最終目標位置xpの近傍に近づいたとき、切替制御部14が整定制御部16を用いた制御に切り替えるので、可動テーブル34の位置が最終目標位置xpに対してオーバーシュートすることを防ぐことができる。
これに対して、図6(a)では、位置指令値の払出しの期間を延ばしているため、時刻0.3[s]以降においても、位置偏差及び速度偏差を用いた制御が引き続き行われるため、移動速度、及び位置偏差が「0」になるまでの時間(整定時間)が図6(b)より短縮されていることが分かる。
続いて、本発明に係る第2実施形態におけるモータ制御装置について説明する。
第2実施形態におけるモータ制御装置は、指令生成部の構成が第1実施形態におけるモータ制御装置1の指令生成部11(図3)と異なる変形例である。ここでは、第1実施形態と構成が異なる指令生成部について説明をし、他の構成についてはその説明を省略する。
加算部115は、位置指令算出部113が算出する位置指令値と、逆伝達関数補償部114が算出する補正値とを加算し、加算結果を位置指令値として制御部12に出力する。
図8(b)では、移動速度が速度指令値に遅れなく応答している。しかし、位置偏差は、位置指令値の払い出しが終了する時刻0.3[s]で一時的に「0」になるが、その後に遅い応答が発生するため、位置決め整定時間が図8(a)に比べ遅くなっている。
本実施形態のモータ制御装置を用いた場合、図9(a)に示されるように、速度指令に対して可動テーブル34の移動速度である実速度が遅れなく応答している。また、図9(c)に示されるように、位置偏差が時刻0.3[s]以降において短時間で収束し、整定している。
本実施形態のモータ制御装置を用いた場合では、300[mm]の駆動ストロークに対して±5[μm]の誤差を許容したとき、時刻0.3[s]で指令の払出しが完了してからの位置決め整定時間が3.7[ms]であった。一方、比較例のモータ制御装置を用いた場合では、位置決め整定時間が521.4[ms]であった。
このように、シミュレーション結果から、本実施形態のモータ制御装置を用いることにより、搬送装置3の移動制御における整定時間を大幅に短縮できることが分かる。
続いて、本発明に係る第3実施形態におけるモータ制御装置について説明する。
図11は、第3実施形態におけるモータ制御装置5の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、モータ制御装置5は、指令生成部11と、制御部52とを備えている。制御部52は、速度算出部13、切替制御部54、移動制御部15、整定制御部16、及び停止制御部57を有している。
すなわち、零速度検出部541は、可動テーブル34を減速させ始めた後に、可動テーブル34の移動速度vが「0」近傍まで減速されたとき(「|v|<Δv」を満たすとき)に、切替部543による切り替えを行わせる。ここで、しきい値Δvは、位置検出器35の分解能や、要求される整定時間などに基づいて、予め設定される値である。また、しきい値Δxは、シミュレーションや、実測値に基づいて設定される。
切替部543は、零速度検出部541及びタイマ部542の制御に基づいて、移動制御部15が出力する電流指令値、停止制御部57が出力する電流指令値、及び整定制御部16が出力する電流指令値のうちのいずれか1つを選択し、選択した電流指令値をパワーアンプ2に出力する。
図12は、本実施形態における停止制御部57の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、停止制御部57は、位置記憶部571、位置偏差算出部572、速度指令算出部573、速度偏差算出部574、電流指令算出部575、質量補正部576、及び推力制限部577を有している。
速度指令算出部573は、位置偏差算出部572が算出する位置偏差に対して、第3比例制御ゲインである比例制御ゲインKp3を乗じて速度指令値を算出する。速度偏差算出部574は、速度指令算出部573が算出する速度指令値と、速度信号が示す可動テーブル34の移動速度との速度偏差を算出する。
すなわち、電流指令算出部575は、比例制御ゲインKv3、及び積分制御ゲインKi3を用いたPI制御演算で速度偏差から電流指令値を算出し、算出した電流指令値を質量補正部576に出力する。
推力制限部577は、質量補正部576が補正した電流指令値が、リニアモータ31の最大推力に対応する最大電流値を超えているか否かを判定し、超えている場合には電流指令値を最大電流値に制限して切替制御部54に出力する。
ここで、停止制御部57において用いられる比例制御ゲインKp3には、移動制御部15において用いられる比例制御ゲインKp1より大きい値が予め設定される。また、停止制御部57において用いられる比例制御ゲインKv3には、移動制御部15において用いられる比例制御ゲインKv1の値以上の値が予め設定される。同様に、積分制御ゲインKi3には、移動制御部15において用いられる積分制御ゲインKi1の値以上の値が予め設定される。
また、停止制御部57において用いられる比例制御ゲインKp3及びKv3には、整定制御部16において用いられる比例制御ゲインKp2及びKv2の値以上の値を設定してもよい。なお、比例制御ゲインKp3及びKv3の値と、積分制御ゲインKi3の値とは、シミュレーションの結果や、実機を用いた測定値などに基づいて定められる。
ここで、モータ制御装置5は、移動速度が「0」近傍になると、切替制御部54が停止制御部57を選択し、停止制御部57において算出された電流指令値をパワーアンプ2に出力して、可動テーブル34を停止させる制御をする。その後に、切替制御部54が整定制御部16を選択し、整定制御部16において算出された電流指令をパワーアンプ2に出力して、可動テーブル34の位置を最終目標位置xpに整定させる。
すなわち、位置偏差と速度偏差とを用いたP−PI制御において、「(位置偏差)≒0」と「(速度)≒0」とは同時に起こることを意味している。切替制御部54は、位置に対して応答が速い速度を用いて、位置偏差が小さくなるタイミングで制御ゲインの切り替えを行うことができ、整定時間を更に短縮することができる。
また、切替制御部54において、移動制御部15を用いた制御から停止制御部57を用いた制御への切り替えを、第1実施形態と同様に位置偏差判定部141を用いて、可動テーブル34の位置が最終目標位置xpの近傍に位置するタイミングで行うようにしてもよい。
図13は、回転モータを制御する変形例の構成を示す概略図である。搬送装置7は、回転モータ71、ベース72、ベース72上に設置された案内レール731、案内レール731に取り付けられている転がり案内732、転がり案内732上に設けられている可動テーブル74、回転モータ71の回転軸とボールねじ75の一端とを接続する軸継手76、及び、ボールねじ75の他端を支持するようにベースに設置されているボールねじ受部77を備えている。
モータ制御装置1(5)は、回転モータ71に設けられているエンコーダから出力される回転軸の回転角を示す位置信号に基づいて、回転モータ71を駆動させて可動テーブル74を移動させ、その整定時間を短縮するようにしてもよい。
図14は、回転タイプの案内装置を備えた駆動装置のモータを制御する変形例の構成を示す概略図である。駆動装置8は、回転モータ81、回転モータ81の回転軸に取り付けられているギア82、ギア82と組み合わされたギア83、ギア83に回転軸が取り付けられている回転体84、及び、回転体84の回転運動を案内する転がり案内85を備えている。
モータ制御装置1(5)は、回転モータ81に設けられているエンコーダから出力される回転軸の回転角を示す位置信号に基づいて、回転モータ81を駆動させることにより、回転体85を回転させる際の整定時間を短縮するようにしてもよい。また、図14では、ギア82、83を介して回転モータ81の動力を回転体84に伝達する例を示したが、回転モータ81の動力を回転体84に直に伝達するように接続してもよい。
Claims (9)
- モータを用いて対象物を目標位置に移動させる際に用いる加速度指令値を時系列に示す加速度パターンを生成し、生成した加速度パターンに対して、前記モータの応答特性に応じて前記モータの駆動速度を減速する期間を延ばす変更をし、変更した加速度パターンから位置指令値を出力する指令生成部と、
前記指令生成部が出力する位置指令値と、前記対象物の位置との位置偏差に対する比例制御を用いて前記モータを駆動するとともに、前記対象物が目標位置の近傍に達したときに前記比例制御における比例制御ゲインを現在値より大きい値に変更する制御部と
を具備することを特徴とするモータ制御装置。 - 前記指令生成部は、
前記生成した加速度パターンに対して、前記モータの駆動速度を減速する期間を、前記モータの応答遅延より長い時間だけ延ばす変更をする
ことを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記制御部は、
前記対象物の位置を検出する位置検出部と、
前記指令生成部が算出した位置指令値、及び前記対象物の位置の差分と、第1比例制御ゲインとを用いて、前記モータに対する第1電流指令値を算出して前記モータを駆動する移動制御部と、
前記目標位置、及び前記対象物の位置の差分と、前記第1比例制御ゲインより大きい値を有する第2比例制御ゲインとを用いて、前記モータに対する第2電流指令値を算出して前記モータを駆動する整定制御部と、
前記移動制御部を用いて前記モータを駆動させ、前記位置検出部が検出した位置と、前記目標位置との差分が予め定めたしきい値より小さいとき、前記整定制御部を用いて前記モータを駆動させる制御切替部と、
を備える
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載のモータ制御装置。 - 前記移動制御部は、
前記指令生成部が生成した位置指令値と、前記対象物の位置との差分である第1位置偏差を算出する第1位置偏差算出部と、
前記第1位置偏差と、前記第1比例制御ゲインとを乗算して第1速度指令を算出する第1速度指令算出部と、
前記第1速度指令算出部が算出した第1速度指令と、前記対象物の移動速度との差分である第1速度偏差を算出する第1速度偏差算出部と、
前記第1速度偏差に対して比例制御及び積分制御を用いて第1電流指令を算出する第1電流指令算出部と
を有し、
前記整定制御部は、
前記目標位置と、前記対象物の位置との差分である第2位置偏差を算出する第2位置偏差算出部と、
前記第2位置偏差と、前記第2比例制御ゲインとを乗算して第2速度指令を算出する第2速度指令算出部と、
前記第2速度指令算出部が算出した第2速度指令と、前記移動速度との差分である第2速度偏差を算出する第2速度偏差算出部と、
前記第2速度偏差に対して比例制御及び積分制御を用いて第2電流指令を算出する第2電流指令算出部と
を有する
ことを特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。 - 前記制御部は、
前記対象物の位置を検出する位置検出部と、
前記対象物が移動する移動速度を検出する速度検出部と、
前記指令生成部が算出した位置指令値、及び前記対象物の位置の差分と、第1比例制御ゲインとを用いて、前記モータに対する第1電流指令値を算出して前記モータを駆動する移動制御部と、
前記目標位置、及び前記対象物の位置の差分と、前記第1比例制御ゲインより大きい値を有する第2比例制御ゲインとを用いて、前記モータに対する第2電流指令値を算出して前記モータを駆動する整定制御部と、
前記移動制御部を用いて前記モータを駆動させ、前記移動速度を減速させる期間において、前記移動速度が予め定めたしきい値より小さいとき、前記整定制御部を用いて前記モータを駆動させる制御切替部と、
を具備することを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載のモータ制御装置。 - 前記モータの駆動速度が前記しきい値より小さくなったときの前記対象物の位置、及び前記対象物の位置との差分と、前記第1比例制御ゲインより大きい値を有する第3比例制御ゲインとを用いて、前記モータに対する電流指令値を算出して前記モータを駆動する停止制御部
を更に備え、
前記制御切替部は、前記モータの駆動速度を減速する期間において、前記移動速度が予め定めたしきい値以下になると、前記停止制御部を用いて前記モータを駆動させ、更に、前記第1比例制御ゲインに応じた応答時間が経過した後に、前記整定制御部を用いて前記モータを駆動させる
ことを特徴とする請求項5に記載のモータ制御装置。 - 前記移動制御部は、
前記指令生成部が生成した位置指令値と、前記対象物の位置との差分である第1位置偏差を算出する第1位置偏差算出部と、
前記第1位置偏差と、前記第1比例制御ゲインとを乗算して第1速度指令を算出する第1速度指令算出部と、
前記第1速度指令算出部が算出した第1速度指令と、前記移動速度との差分である第1速度偏差を算出する第1速度偏差算出部と、
前記第1速度偏差に対して比例制御及び積分制御を用いて第1電流指令を算出する第1電流指令算出部と
を有し、
前記整定制御部は、
前記目標位置と、前記対象物の位置との差分である第2位置偏差を算出する第2位置偏差算出部と、
前記第2位置偏差と、前記第2比例制御ゲインとを乗算して第2速度指令を算出する第2速度指令算出部と、
前記第2速度指令算出部が算出した第2速度指令と、前記移動速度との差分である第2速度偏差を算出する第2速度偏差算出部と、
前記第2速度偏差に対して比例制御及び積分制御を用いて第2電流指令を算出する第2電流指令算出部と
を有し、
前記停止制御部は、
前記モータの駆動速度がゼロになったときの前記対象物の位置と、前記対象物の位置との差分である第3位置偏差を算出する第3位置偏差算出部と、
前記第3位置偏差と、前記第3比例制御ゲインとを乗算して第3速度指令を算出する第3速度指令算出部と、
前記第3速度指令算出部が算出した第3速度指令と、前記移動速度との差分である第3速度偏差を算出する第3速度偏差算出部と、
前記第3速度偏差に対して比例制御及び積分制御を用いて第3電流指令を算出する第3電流指令算出部と
を有する
ことを特徴とする請求項6に記載のモータ制御装置。 - モータを用いて対象物を目標位置に移動させる際に用いる加速度指令値を時系列に示す加速度パターンを生成し、生成した加速度パターンに対して、前記モータの応答特性に応じて前記モータの駆動速度を減速する期間を延ばす変更をし、変更した加速度パターンから位置指令値を出力する指令生成ステップと、
前記指令生成ステップにおいて出力される位置指令値と、前記対象物の位置との位置偏差に対する比例制御を用いて前記モータを駆動するとともに、前記対象物が目標位置の近傍に達したときに前記比例制御における比例制御ゲインを現在値より大きい値に変更する制御ステップと
を有することを特徴とするモータ制御方法。 - モータを用いて対象物を目標位置に移動させる際に用いる加速度指令値を時系列に示す加速度パターンを生成し、生成した加速度パターンに対して、前記モータの応答特性に応じて前記モータの駆動速度を減速する期間を延ばす変更をし、変更した加速度パターンから位置指令値を出力する指令生成ステップと、
前記指令生成ステップにおいて出力される位置指令値と、前記対象物の位置との位置偏差に対する比例制御を用いて前記モータを駆動するとともに、前記対象物が目標位置の近傍に達したときに前記比例制御における比例制御ゲインを現在値より大きい値に変更する制御ステップと
をコンピュータに実行させるためのモータ制御プログラム。
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