JP6211336B2 - サーボ制御システム - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、サーボ制御システムに関する。

サーボ制御システムにおいて、インバータは、直流電流をスイッチングしてモータへ交流電流を流し、それにより、モータを駆動させる機能を有する。このようなインバータは、電流のスイッチング時にノイズ（以下、スイッチングノイズともいう）が発生する。スイッチングノイズによる悪影響を時間的に拡散させるために、スイッチングの周波数を周期的に変化させる技術が知られている（特許文献１）。

特開平７−０９９７９５号公報

サーボ制御システムが多軸モータを制御する場合、複数のインバータがそれぞれに対応するモータへ供給する電流をスイッチングする。この場合、スイッチングの周波数を周期的に変化させても、複数のインバータにおいてスイッチングのタイミングが重畳する場合が生じる。スイッチングのタイミングが重畳すると、複数のインバータのスイッチングノイズが重畳し増幅されてしまう。スイッチングノイズは、サーボアンプ間の通信ラインにも影響を与えるため、スイッチングノイズが増幅されると、通信異常の原因となり得る。従って、サーボ制御システムが多軸モータを制御する場合には、スイッチングノイズの増幅を抑制することが必要となる。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、多軸モータを制御する場合であっても、スイッチングノイズの増幅を抑制することができるサーボ制御システムを提供することである。

本実施形態によるサーボ制御システムは、駆動機構を動作させる複数の駆動部と、複数の駆動部のそれぞれに対応して設けられ、互いに異なるキャリア周波数で駆動部への供給電流をスイッチングする複数のサーボ制御部とを備え、
複数の駆動部の数および複数のサーボ制御部の数がそれぞれＮであり、複数のサーボ制御部のキャリア周波数の可変範囲がＦｒであり、複数のサーボ制御部のキャリア周波数が一定周波数Δｆずつずれているとすると、
ＮがＦｒ／Δｆを超えていない場合、
Ｆｋ＝Ｆｒｅｆ＋（ｋ−１）×Δｆ （式１）
尚、ｋは、１〜Ｎであり、Ｆｋは、複数のサーボ制御部のうちｋ番目のサーボ制御部のキャリア周波数であり、Ｆｒｅｆは、複数のサーボ制御部に共通の基準キャリア周波数であり、
ＮがＦｒ／Δｆを超えている場合、
Ｆｋ＝Ｆｒｅｆ＋（ｋ−１）×Δｆ
尚、ｋは、１〜Ｆｒ／Δｆ
Ｆｋ＝Ｆｒｅｆ＋（ｋ−１−（Ｆｒ／Δｆ））×Δｆ
尚、ｋは、（（Ｆｒ／Δｆ）＋１〜Ｎ） （式２）
式１または式２が成り立つ。

前記複数のサーボ制御部は、ＰＷＭ制御方式で前記複数の駆動部を制御してもよい。

前記複数のサーボ制御部のキャリア周波数を生成するために用いられるクロックの周波数は、前記複数のサーボ制御部の全てにおいて等しくてよい。

本実施形態によるサーボ制御システム１、数値制御装置ＮＣおよび駆動機構ＤＭ１〜ＤＭ３の構成の一例を示すブロック図。 サーボアンプＡＭＰ１の構成の一例を示すブロック図。 軸番号とキャリア周波数との対応関係の一例を示す表。 複数のスイッチングノイズが同じタイミングで重畳した通信信号を示す図、および、互いにタイミングのずれた複数のスイッチングノイズが重畳した通信信号を示す図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、本実施形態によるサーボ制御システム１、数値制御装置ＮＣおよび駆動機構ＤＭ１〜ＤＭ３の構成の一例を示すブロック図である。

サーボ制御システム１は、サーボ制御部としてのサーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３と、駆動部としてのモータＭ１〜Ｍ３とを備えている。サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３は、モータＭ１〜Ｍ３のそれぞれに対応して設けられている。サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３は、数値制御装置ＮＣから位置指令を受け、その位置指令に従って速度指令や電流指令を生成し、その速度指令や電流指令に基づいてモータＭ１〜Ｍ３を駆動させる。サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３は、モータＭ１〜Ｍ３への供給電流をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によってスイッチングし、それにより、モータＭ１〜Ｍ３を駆動させる。モータＭ１〜Ｍ３は、それぞれサーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３から電力供給を受けて駆動機構ＤＭ１〜ＤＭ３を動作させる。尚、サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３、モータＭ１〜Ｍ３および駆動機構ＤＭ１〜ＤＭ３のそれぞれの個数は、３つに限定されず、２つであっても、あるいは、４つ以上であってもよい。

モータＭ１〜Ｍ３には、それぞれロータリエンコーダＲＥ１〜ＲＥ３が設けられている。ロータリエンコーダＲＥ１〜ＲＥ３は、それぞれモータＭ１〜Ｍ３の軸の回転を検出し、その位置の変移を測定する。ロータリエンコーダＲＥ１〜ＲＥ３は、モータＭ１〜Ｍ３の軸の位置変移をサーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３へフィードバックする。

駆動機構ＤＭ１〜ＤＭ３には、それぞれリニアエンコーダＬＥ１〜ＬＥ３が設けられている。リニアエンコーダＬＥ１〜ＬＥ３は、駆動機構ＤＭ１〜ＤＭ３の位置の変移を測定する。リニアエンコーダＬＥ１〜ＬＥ３は、駆動機構ＤＭ１〜ＤＭ３の位置変移をサーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３へフィードバックする。

サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３は、ロータリエンコーダＲＥ１〜ＲＥ３およびリニアエンコーダＬＥ１〜ＬＥ３からのフィードバックを受けて、駆動機構ＤＭ１〜ＤＭ３またはモータＭ１〜Ｍ３の位置を補正するために位置の測定値を補正した後に、速度指令を生成する。さらに、サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３は、その速度指令に基づいてモータＭ１〜Ｍ３を駆動させる。このように、サーボ制御システム１は、数値制御装置ＮＣから位置指令に従って駆動機構ＤＭ１〜ＤＭ３を所望の位置に移動させるように機能する。

さらに、サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３は、通信線ＣＬによって互いに通信可能に接続されている。

図２は、サーボアンプＡＭＰ１の構成の一例を示すブロック図である。尚、サーボアンプＡＭＰ２、ＡＭＰ３の構成は、サーボアンプＡＭＰ１の構成と同様でよいので、その詳細な説明は省略する。

サーボアンプＡＭＰ１は、インバータ２と、電源３と、バッファ４と、ＣＰＵ５と、発振器１１とを備えている。インバータ２は、電源３とモータＭ１と間に設けられており、電源３からの電力をスイッチングする。インバータ２は、ＣＰＵ５からバッファ４を介してパルス信号を受け、そのパルス信号（パルス幅）に従ってスイッチング動作を行う。即ち、インバータ２のスイッチングは、ＰＷＭ方式で制御される。

ＣＰＵ５は、制御部６と、シーケンサ８と、記憶部１０とを備えている。制御部６は、位置指令およびフィードバックされた測定値から電流指令をシーケンサ８に出力する。シーケンサ８は、記憶部１０に格納された所定のキャリア周波数に基づいてパルス信号を発生する。パルス信号は、インバータ２をスイッチング制御するためにインバータ２へ送られる。

記憶部１０は、軸番号およびキャリア周波数を格納する。軸番号は、サーボアンプＡＭＰ１に対応するモータＭ１に固有の番号であり、他のモータＭ２、Ｍ３と区別するために設定されている。ここで、キャリア周波数は、軸番号に応じて設定されている。軸番号とキャリア周波数との対応関係については後述する。

発振器１１は、サーボアンプＡＭＰ１のキャリア周波数のもととなるクロック信号を生成する。クロック信号の周波数は、複数のサーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３の全てにおいて等しい。

次に、本実施形態によるサーボ制御システム１の動作を説明する。

まず、数値制御装置ＮＣからの位置指令を受けて、制御部６は、位置指令に従って速度指令および電流指令を算出し、その電流指令をシーケンサ８に入力する。

シーケンサ８は、電流指令に応じたデューティ比で、インバータ２をスイッチングするように制御信号を出力する。このとき、シーケンサ８は、発振器１１のクロックに基づいて、記憶部１０に格納されたキャリア周波数を有するＰＷＭキャリアを発生する。シーケンサ８は、ＰＷＭキャリアに基づいてパルス信号を発生する。

そして、インバータ２は、このパルス信号に基づいてオン／オフスイッチングし、電源からの電力をモータＭ１へ供給する。

ここで、複数のサーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３が複数のモータＭ１〜Ｍ３を同じキャリア周波数で制御した場合、複数のサーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３のスイッチングノイズが重畳することがある。例えば、サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３のスイッチングノイズは、通信線ＣＬを伝搬する信号に重畳する場合がある。この場合、３つのサーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３のスイッチングノイズが重畳するため、そのスイッチングノイズは、非常に大きく増幅されてしまう。スイッチングノイズが大きいと、サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３は、通信線ＣＬを伝搬する信号を誤って検出する可能性が高まり、通信異常となる。

そこで、本実施形態によるサーボ制御システム１の複数のサーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３は、互いに異なるキャリア周波数でモータＭ１〜Ｍ３への供給電流をスイッチングするように構成される。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、軸番号とキャリア周波数との対応関係の一例を示す表である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照して、本実施形態によるキャリア周波数の設定について説明する。図３（Ａ）および図３（Ｂ）の表では、モータは、Ｍ１〜Ｍ１６の１６軸設けられており、それぞれのモータＭ１〜Ｍ１６に対するキャリア周波数Ｆｃ（ｋＨｚ）が表示されている。尚、これらの表は、予め設定されており、記憶部１０に格納されている。また、モータＭ１〜Ｍ１６に対応するサーボアンプは、それぞれＡＭＰ１〜ＡＭＰ１６とする。

図３（Ａ）に示す表では、クロック周波数に基づいて生成された基準キャリア周波数Ｆｒｅｆが５ｋＨｚである。クロック周波数は、全ての軸（モータＭ１〜Ｍ１６、サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ１６）に対して共通であり、従って、基準キャリア周波数Ｆｒｅｆも全ての軸に対して等しく共通である。キャリア周波数Ｆｃの可変範囲（レンジ）Ｆｒは、５．０ｋＨｚ〜６．０ｋＨｚである。キャリア周波数Ｆｃの可変幅Δｆは、０．１ｋＨｚである。即ち、モータＭ１〜Ｍ１６のキャリア周波数Ｆｃは、可変範囲Ｆｒの間で可変幅Δｆずつずれるように設定されている。例えば、図３（Ａ）では、モータＭ１〜Ｍ１０のキャリア周波数Ｆｃは、５．０ｋＨｚ、５．１ｋＨｚ、５．２ｋＨｚ・・・５．９ｋＨｚ、並びに、モータＭ１１〜Ｍ１６のキャリア周波数Ｆｃは、５．０ｋＨｚ、５．１ｋＨｚ、５．２ｋＨｚ・・・５．５ｋＨｚと設定されている。

このようにキャリア周波数Ｆｃを設定することによって、モータＭ１〜Ｍ１０のキャリア周波数Ｆｃは、可変幅Δｆ（０．１ｋＨｚ）ずつずれているので、モータＭ１〜Ｍ１０のスイッチングノイズは重畳しない。また、モータＭ１１〜Ｍ１６のキャリア周波数Ｆｃも、可変幅Δｆ（０．１ｋＨｚ）ずつずれているので、モータＭ１１〜Ｍ１６のスイッチングノイズは重畳しない。

尚、モータＭ１〜Ｍ６のキャリア周波数は、モータＭ１１〜Ｍ１６のキャリア周波数とそれぞれ等しいので、モータＭ１〜Ｍ６のスイッチングノイズは、モータＭ１１〜Ｍ１６のスイッチングノイズとそれぞれ重畳する可能性がある。しかし、多数の軸（Ｍ１〜Ｍ１６およびＡＭＰ１〜ＡＭＰ１６）のキャリア周波数を限られた可変範囲Ｆｒ内において割り振るためには、２つ軸のスイッチングノイズが重複することを許容せざるを得ない場合もある。２つのスイッチングノイズの重複であれば、互いに及ぼし合う影響(増幅率)は小さく、サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ１６間の通信異常は発生しない。

さらに、モータＭ１〜Ｍ１６がＭ１〜Ｍ１６の順番に配列されている場合、キャリア周波数の等しいモータＭ１とモータＭ１１との間には、９個のモータＭ２〜Ｍ１０が配置されている。従って、モータＭ１とモータＭ１１とのスイッチングノイズは、互いに及ぼし合う影響（増幅率）が小さいと言える。モータＭ２とＭ１２との関係、モータＭ３とＭ１３との関係、モータＭ４とＭ１４との関係、モータＭ５とＭ１５との関係、モータＭ６とＭ１６との関係は、モータＭ１とモータＭ１１との関係と同様である。

図３（Ｂ）に示す表では、クロック周波数に基づいて生成された基準キャリア周波数Ｆｒｅｆが１０ｋＨｚである。クロック周波数は、全ての軸（モータＭ１〜Ｍ１６、サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ１６）に対して共通であり、従って、基準キャリア周波数Ｆｒｅｆも全ての軸に対して等しく共通である。キャリア周波数Ｆｃの可変範囲（レンジ）Ｆｒは、９．０ｋＨｚ〜１０．０ｋＨｚである。キャリア周波数Ｆｃの可変幅Δｆは、０．１ｋＨｚである。即ち、モータＭ１〜Ｍ１６のキャリア周波数Ｆｃは、可変範囲Ｆｒの間で可変幅Δｆずつずれるように設定されている。例えば、図３（Ｂ）では、モータＭ１〜Ｍ１０のキャリア周波数Ｆｃは、９．０ｋＨｚ、９．１ｋＨｚ、９．２ｋＨｚ・・・９．９ｋＨｚ、並びに、モータＭ１１〜Ｍ１６のキャリア周波数Ｆｃは、９．０ｋＨｚ、９．１ｋＨｚ、９．２ｋＨｚ・・・９．５ｋＨｚと設定されている。

このようにキャリア周波数Ｆｃを設定することによって、モータＭ１〜Ｍ１０のキャリア周波数Ｆｃは、可変幅Δｆ（０．１ｋＨｚ）ずつずれているので、モータＭ１〜Ｍ１０のスイッチングノイズは重畳しない。また、モータＭ１１〜Ｍ１６のキャリア周波数Ｆｃも、可変幅Δｆ（０．１ｋＨｚ）ずつずれているので、モータＭ１１〜Ｍ１６のスイッチングノイズは重畳しない。

尚、図３（Ｂ）に示す例においても、モータＭ１〜Ｍ６のスイッチングノイズは、モータＭ１１〜Ｍ１６のスイッチングノイズとそれぞれ重畳する可能性がある。しかし、上述の通り、２つのスイッチングノイズの重複であれば、サーボアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ１６間の通信異常は発生せず、かつ、軸の配置から互いに与える影響を抑制することができる。

本実施形態は以下のように一般化することができる。

軸数（モータの数、サーボアンプの数）がＮ（Ｎは自然数）であり、キャリア周波数の可変範囲がＦｒ（Ｆｒｅｆ〜Ｆｒｅｆ＋Ｆｒ）であり、サーボアンプのキャリア周波数がそれぞれ一定周波数Δｆずつずれているものとする。

ＮがＦｒ／Δｆを超えていない場合、モータＭ_１〜Ｍ_Ｎの各キャリア周波数Ｆ_１〜Ｆ_Ｎは、それぞれＦｒｅｆ、Ｆｒｅｆ＋Δｆ、Ｆｒｅｆ＋２×Δｆ・・・Ｆｒｅｆ＋（Ｎ−１）×Δｆとすればよい。即ち、式１が成り立つ。
Ｆｋ（ｋ＝１〜Ｎ）＝Ｆｒｅｆ＋（ｋ−１）×Δｆ （式１）
尚、である。

ＮがＦｒ／Δｆを超えている場合、モータＭ_１〜Ｍ_Ｎの各キャリア周波数Ｆ_１〜Ｆ_Ｎは、それぞれＦｒｅｆ、Ｆｒｅｆ＋Δｆ、Ｆｒｅｆ＋２×Δｆ・・・Ｆｒｅｆ＋Ｆｒ−（Ｆｒ／Δｆ）、Ｆｒｅｆ、Ｆｒｅｆ＋Δｆ、Ｆｒｅｆ＋２×Δｆ・・・とすればよい。即ち、式２が成り立つ。
Ｆｋ（ｋ＝１〜Ｆｒ／Δｆ）＝Ｆｒｅｆ＋（ｋ−１）×Δｆ
Ｆｋ（ｋ＝（Ｆｒ／Δｆ）＋１〜Ｎ）＝Ｆｒｅｆ＋（ｋ−１−（Ｆｒ／Δｆ））×Δｆ （式２）

Ｎが２×Ｆｒ／Δｆを超えている場合、モータＭ_１〜Ｍ_Ｎの各キャリア周波数Ｆ_１〜Ｆ_Ｎは、それぞれＦｒｅｆ、Ｆｒｅｆ＋Δｆ、Ｆｒｅｆ＋２×Δｆ・・・Ｆｒｅｆ＋Ｆｒ−（Ｆｒ／Δｆ）、Ｆｒｅｆ、Ｆｒｅｆ＋Δｆ、Ｆｒｅｆ＋２×Δｆ・・・Ｆｒｅｆ＋Ｆｒ−（Ｆｒ／Δｆ）、Ｆｒｅｆ、Ｆｒｅｆ＋Δｆ、Ｆｒｅｆ＋２×Δｆ・・・とすればよい。

このように各軸のキャリア周波数Ｆ_１〜Ｆ_Ｎを設定することによって、複数のスイッチングノイズが重複することを可及的に抑制することができる。尚、キャリア周波数が高いとサーボアンプにおける発熱が大きくなる。従って、キャリア周波数として、可変範囲Ｆｒの上限値付近の周波数を用いることはできだけ避けることが好ましい。

以上のように本実施形態によるサーボ制御システム１の複数のサーボアンプは、互いに異なるキャリア周波数で複数のモータへの供給電流をスイッチングする。これにより、複数のサーボアンプのスイッチングノイズのタイミングが互いにずれ、複数のスイッチングノイズが互いに重畳することを可及的に抑制することができる。即ち、サーボ制御システム１は、多軸モータを制御する場合であっても、スイッチングノイズの増幅を抑制することができる。その結果、通信線ＣＬを伝搬する信号等に重畳するスイッチングノイズが低減し、正確な通信を確保することができる。

例えば、図４（Ａ）は、複数のスイッチングノイズが同じタイミングで重畳した通信信号を示す図である。図４（Ｂ）は、互いにタイミングのずれた複数のスイッチングノイズが重畳した通信信号を示す図である。図４（Ａ）では、複数のスイッチングノイズによってノイズが増幅されている。このため、通信信号に大きなノイズが発生している。従って、通信信号が誤って検出されるおそれが高い。これに対し、図４（Ｂ）では、本実施形態によるサーボ制御システム１のように複数の軸のインバータ２のスイッチングのタイミングが互いにずれている。このため、スイッチングノイズが分散され、スイッチングノイズは増幅されない。従って、通信信号に重畳するスイッチングノイズが小さく、通信信号は比較的正確に伝達され得る。

１…サーボ制御システム、ＮＣ…数値制御装置、ＤＭ１〜ＤＭ３…駆動機構、ＡＭＰ１〜ＡＭＰ３…サーボアンプ、Ｍ１〜Ｍ３…モータ、ＲＥ１〜ＲＥ３…ロータリエンコーダ、ＬＥ１〜ＬＥ３…リニアエンコーダ、２…インバータ、３…電源、４…バッファ、５…ＣＰＵ、１１…発振器

Claims (3)

1. 駆動機構を動作させる複数の駆動部と、
   前記複数の駆動部のそれぞれに対応して設けられ、互いに異なるキャリア周波数で前記駆動部への供給電流をスイッチングする複数のサーボ制御部とを備え、
   前記複数の駆動部の数および前記複数のサーボ制御部の数がそれぞれＮであり、前記複数のサーボ制御部のキャリア周波数の可変範囲がＦｒであり、前記複数のサーボ制御部のキャリア周波数が一定周波数Δｆずつずれているとすると、
   ＮがＦｒ／Δｆを超えていない場合、
   Ｆｋ＝Ｆｒｅｆ＋（ｋ−１）×Δｆ （式１）
   尚、ｋは、１〜Ｎであり、Ｆｋは、前記複数のサーボ制御部のうちｋ番目のサーボ制御部のキャリア周波数であり、Ｆｒｅｆは、前記複数のサーボ制御部に共通の基準キャリア周波数であり、
   ＮがＦｒ／Δｆを超えている場合、
   Ｆｋ＝Ｆｒｅｆ＋（ｋ−１）×Δｆ
   尚、ｋは、１〜Ｆｒ／Δｆ
   Ｆｋ＝Ｆｒｅｆ＋（ｋ−１−（Ｆｒ／Δｆ））×Δｆ
   尚、ｋは、（（Ｆｒ／Δｆ）＋１〜Ｎ） （式２）
   式１または式２が成り立つ、サーボ制御システム。
2. 前記複数のサーボ制御部は、ＰＷＭ制御方式で前記複数の駆動部を制御することを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御システム。
3. 前記複数のサーボ制御部のキャリア周波数を生成するために用いられるクロックの周波数は、前記複数のサーボ制御部の全てにおいて等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーボ制御システム。

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