JP5919070B2

JP5919070B2 - 位置制御装置

Info

Publication number: JP5919070B2
Application number: JP2012087103A
Authority: JP
Inventors: 知宏柴田
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: JP2013219884A

Description

本発明は、複数のモータで１軸を同期駆動する位置制御装置に関する。

工作機械の送り軸や主軸を複数のモータで１軸を同期駆動する位置制御装置において、制御対象を高精度で動作させ、かつ、機械振動を抑えるために各種の試みがなされている。制御系のゲインを大きく設定することにより、高精度で動作させることができるが、機械振動が発生しやすくなる。機械振動を抑えるためには、トルク指令にフィルタを付加し、制御対象の共振周波数に相当する指令成分を低減することで、加振力が除去できる。その結果、機械振動を抑えた制御対象の制御が可能となる。しかし、旋盤の対向した主軸等においては、ワーク毎にねじれ剛性が異なり、加工形状によっては、加工に伴いワークのねじれ剛性が変化することにより、制御対象の共振周波数が変化し、前記フィルタ定数と共振周波数がずれ、機械振動が発生してしまう課題がある。

図３に機械振動を抑えるための従来技術の制御ブロック図を示す。図３中のマスター側制御系２０ｍとスレーブ側制御系２０ｓは同一要素であるため、それぞれの構成要素の記号末尾に記号ｍとｓを付し、スレーブ側制御系２０ｓの構成説明は省略する。位置指令演算器１は、同期した位置指令Ｐｃｍ、Ｐｃｓをそれぞれの位置制御系へ出力する。前記位置指令Ｐｃｍとモータ１１ｍに取り付けられた位置検出器１０ｍの位置検出値Ｐｍｍの偏差を減算器２ｍにより求め、位置偏差Ｐｄｉｆｍを出力する。位置偏差比例演算器３ｍは、前記位置偏差と位置ループゲインＫｐを乗算し、速度指令Ｖｃｍを出力する。微分器１３ｍは、位置検出値Ｐｍｍを微分しモータの速度検出値Ｖｍｍを出力する。前記速度指令Ｖｃｍとモータの速度検出値Ｖｍｍの偏差を減算器４ｍにより求め、速度偏差として出力する。該速度偏差と速度ループ比例ゲインＰｖと速度ループ積分ゲインＩｖに基づき速度偏差比例演算器５ｍと速度偏差積分演算器６ｍがそれぞれ速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を出力し、加算器７ｍが速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を加算しトルク指令Ｔｃｍを出力する。ノッチフィルタ８ｍは、前記トルク指令Ｔｃｍからノッチ周波数ωＮを中心とする周波数成分を低減する。図３中の記号９ｍ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。

主軸１２ｍと主軸１２ｓで結合されたワーク１４が共振周波数ωｒで振動すると、前記トルク指令Ｔｃｍに共振周波数ωｒが現れる。ＦＦＴ演算器１７は、前記トルク指令Ｔｃｍを入力とし、公知のＦＦＴ処理により前記トルク指令Ｔｃｍに含まれる周波数成分のうち最もパワースペクトルの大きい周波数を共振周波数ωｒとして出力する。ノッチフィルタ部８ｍ，９ｍはノッチ周波数ωＮを共振周波数ωｒに一致させることにより、前記トルク指令Ｔｃｍおよびトルク指令Ｔｃｓに含まれる共振周波数成分が低減されるため、結果、加振力が低減され、制御対象の機械振動を抑えることができる。

図３に示した従来技術において、ＦＦＴ演算器１７で共振周波数成分を求めるためには、一定の時間、トルク指令Ｔｃｍをサンプリングする必要があるため、機械振動が発生する前に、制御対象の共振周波数を設定することはできない。機械振動がワーク加工中に発生した場合は、ワークが損傷を受けることもあった。

本発明の位置制御装置は、位置指令値に基づき複数のモータで１軸を同期して制御する位置制御装置であって、各モータごとに、前記位置指令値と位置検出器で検出された対応するモータの位置検出値とに基づいて、速度指令値を算出する位置制御器と、前記速度指令値と前記位置検出器から算出される速度検出値とに基づいて、トルク指令値を算出する速度制御器と、前記トルク指令値からノッチ周波数を中心とする周波数成分を低減するノッチフィルタと、を設け、さらに、前記複数のモータのうち一つのモータの前記位置指令値に誤差を発生させる位置指令誤差発生器と、前記位置指令の誤差と、前記位置指令の誤差を発生させたモータおよび前記位置指令の誤差を発生させていないモータそれぞれのトルク指令値の誤差と、に基づいて、前記ノッチフィルタのノッチ周波数を決定する共振周波数演算器と、を備えたことを特徴とする。

なお、モータが二つの場合には、二つのモータの位置指令の誤差をΔＰｃ、トルク指令の誤差をΔＴｃ、各モータが駆動する軸のイナーシャをＪｍ，Ｊｓとした場合、前記ノッチ周波数ωＮは、

の式に基づいて算出されることが望ましい。

本発明の位置制御装置によれば、共振周波数演算器は機械振動が発生する前にノッチ周波数を中心とする周波数成分を低減するノッチフィルタのノッチ周波数を可変させる。その結果、トルク指令に含まれる共振周波数成分が低減され、加振力が小さくなり、振動を抑えることができる。

本発明の実施例である位置制御装置の構成を示すブロック図である。共振周波数演算器の構成を示すブロック図である。従来技術を示すブロック図である。

本発明の実施例である位置制御装置について説明する。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。位置制御装置の制御ブロック図を図１に示す。位置指令演算器１は、位置指令Ｐｃｍを位置指令誤差発生器１５に出力する。位置指令誤差発生器１５は、ノッチ周波数ωＮの更新を行わない切削動作中などにおいては、位置指令演算器１から出力された位置指令Ｐｃｍを、位置指令Ｐｃｍ，Ｐｃｓとして、マスター側位置制御系２０ｍおよびスレーブ側位置制御系２０ｓに出力する。

ノッチ周波数ωＮの更新を行うタイミング、具体的には、切削に関係のない早送り時等のタイミング時、位置指令誤差発生器１５は、スレーブ側位置制御系２０ｓに誤差を含んだ位置指令を出力する。具体的には、位置指令誤差発生器１５は、マスター側位置制御系２０ｍには位置指令演算器１から出力された位置指令Ｐｃｍを、スレーブ側位置制御系２０ｓには前記位置指令Ｐｃｍに対して位置指令誤差ΔＰｃ分オフセットさせた式１の位置指令Ｐｃｓを出力する。なお、位置指令誤差ΔＰｃは、経験的に予め設定される値である。
Ｐｃｓ＝Ｐｃｍ−ΔＰｃ・・・（式１）

共振周波数演算器１６は、マスター側制御系２０ｍで演算されるマスター側位置制御系トルク指令値Ｔｃｍとスレーブ側制御系２０ｓで演算されるスレーブ側位置制御系トルク指令値Ｔｃｓと前記位置誤差ΔＰｃより、主軸１２ｍと主軸１２ｓで結合されたワーク１４の共振周波数ωｒを演算し、マスター側ノッチフィルタ部とスレーブ側ノッチフィルタ部のノッチ周波数ωＮを共振周波数ωｒへ変更する。

具体的に、共振周波数演算器１６の構成の一例を図２に示す。減算器１６１は、前記マスター側位置制御系トルク指令値Ｔｃｍおよび前記スレーブ側制御系トルク指令値Ｔｃｓから、トルク指令誤差ΔＴｃを演算する。旋盤の対向した主軸が、前記トルク指令誤差ΔＴｃを前記位置指令誤差ΔＰｃで除算した値である剛性のバネで、マスター軸イナーシャＪｍとスレーブ側イナーシャＪｓが結合されたと仮定し、２慣性系でモデリングすれば系の共振周波数ωｒは、下記式２で示される。共振周波数演算器１６は、式２に基づいて共振周波数ωｒを演算し、マスター側ノッチフィルタとスレーブ側ノッチフィルタのノッチ周波数ωＮを共振周波数ωｒへ変更する。前記演算およびノッチ周波数ωＮの変更は、ワークや前記マスター軸イナーシャＪｍ、スレーブ側イナーシャＪｓが変わるたびに実施する。なお、ワークは、加工に伴い、形状が変化、ひいては、共振周波数ωｒが変化していく。したがって、同じワークを加工している途中でも（ワークの交換はされていなくても）、早送り実行時などの非切削動作時に、ノッチ周波数ωＮの更新を行うことが望ましい。

ノッチ周波数ωＮをワークごとに異なる共振周波数ωｒへ変更することで、前記マスター側トルク指令Ｔｃｍおよびスレーブ側トルク指令Ｔｃｓに含まれる共振周波数成分が低減されるため、結果、加振力が低減され、制御対象の機械振動を抑えることができる。実際には、ワークごとに異なる共振周波数の真値ωｒ’と前記共振周波数演算器１６により設定されるノッチ周波数ωＮが完全一致していなくても、前記ノッチフィルタ部はノッチ周波数近傍のゲインも低減させるため、共振周波数の変化による振動を抑制することができる。

１位置指令演算器、２ｍ，２ｓ減算器、３ｍ，３ｓ位置偏差比例演算器、４ｍ，４ｓ減算器、５ｍ，５ｓ速度ループ比例ゲイン、６ｍ，６ｓ速度ループ積分ゲイン、７ｍ，７ｓ加算器、８ｍ，８ｓノッチフィルタ部、９ｍ，９ｓ各種フィルタ部，電流制御部、１０ｍ，１０ｓモータ位置検出器、１１ｍ，１１ｓモータ、１２ｍ，１２ｓ制御対象、１３ｍ，１３ｓ微分器、１４ワーク、１５位置指令誤差発生器、１６共振周波数演算器、１６１減算器、１６２除算器、１６３定数、１６４乗算器、１６５平方根演算器、１７ＦＦＴ演算器、２０ｍマスター側位置制御系、２０ｓスレーブ側位置制御系。

Claims

位置指令値に基づき複数のモータで１軸を同期して制御する位置制御装置であって、
各モータごとに、
前記位置指令値と位置検出器で検出された対応するモータの位置検出値とに基づいて、速度指令値を算出する位置制御器と、
前記速度指令値と前記位置検出器から算出される速度検出値とに基づいて、トルク指令値を算出する速度制御器と、
前記トルク指令値からノッチ周波数を中心とする周波数成分を低減するノッチフィルタと、
を設け、さらに、
前記複数のモータのうち一つのモータの前記位置指令値に誤差を発生させる位置指令誤差発生器と、
前記位置指令の誤差と、前記位置指令の誤差を発生させたモータおよび前記位置指令の誤差を発生させていないモータそれぞれのトルク指令値の誤差と、に基づいて、前記ノッチフィルタのノッチ周波数を決定する共振周波数演算器と、
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、
前記モータは、二つであり、当該二つのモータの位置指令の誤差をΔＰｃ、トルク指令の誤差をΔＴｃ、各モータが駆動する軸のイナーシャをＪｍ，Ｊｓとした場合、
前記ノッチ周波数ωＮは、

の式に基づいて算出されることを特徴とする位置制御装置。