JP6392726B2 - バックラッシを補正するモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータにより駆動される可動部と、該可動部により駆動される被駆動部との間のバックラッシを補正するモータ制御装置に関する。

工作機械、産業機械における送り軸および産業用ロボットのアーム等の軸（機械可動部）には、サーボモータが連結されている。サーボモータの回転はボールネジなどによりテーブルなどの直線運動に変換されたり、サーボモータの伝導速度が減速機により減速されたりしている。

これらボールネジまたは減速機において或る位置への正方向における停止位置と、負方向における停止位置との間に差が存在する場合がある。一般に、このような差はバックラッシと呼ばれており、位置精度を低下させる原因になっている。

図３Ａ〜図３Ｃは、バックラッシを説明するための図である。図３Ａには、図示しないモータにより移動する可動部ＷＡと、可動部ＷＡによって駆動される被駆動部ＷＢとが示されている。可動部ＷＡはその両端に突出部Ａ１、Ａ２を有しており、被駆動部ＷＢはその中央に突起部Ｂを有している。従って、例えば可動部ＷＡが右方向に移動すると、可動部ＷＡの一方の突出部Ａ１の内方端が被駆動部ＷＢの突起部Ｂの一端に係合する。これにより、可動部ＷＡおよび被駆動部ＷＢが一体的に右方向に移動するようになる。

また、モータが反転すると、可動部ＷＡの速度も反転して可動部ＷＡが右方向から左方向に移動するようになる（図３Ｂ）。そして、図３Ｃに示されるように、可動部ＷＡの他方の突出部Ａ２の内方端が被駆動部ＷＢの突起部Ｂの他端に係合すると、可動部ＷＡおよび被駆動部ＷＢが一体的に左方向に移動するようになる。

このように反転時には可動部ＷＡが被駆動部ＷＢに係合する前に、バックラッシと呼ばれる所定の移動量だけ移動する必要がある。図３Ａおよび図３Ｃには長さＬのバックラッシが示されており、バックラッシは位置精度を低下させる原因になりうる。

このため、バックラッシについての補正量を作成し、反転時にこの補正量をモータの位置指令に加算することが行われている。特許文献１においては、可動部および被駆動部の間の現在の位置偏差と、可動部が被駆動部に係合したときにおける可動部および被駆動部の間の位置偏差とに基づいてバックラッシについての補正量を計算している。

特開２０１４−０５４００１号公報

しかしながら、前述したように可動部ＷＡが反転する際には、被駆動部ＷＢの速度が反転するのに要する時間が、加工されるべきワークなどに応じて異なる場合がある。特に、ワークが円弧状経路に沿って加工される場合には、円弧状経路の半径および円弧状経路に沿った移動速度によっても、速度が反転するのに要する時間は変化する。

従来技術、例えば特許文献１では速度が反転するのに要する時間を考慮せずにバックラッシ補正量を計算している。このため、従来技術では、ワーク、特にワークの加工経路によっては適切なバックラッシ補正量が得られない事態が生じうる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、速度が反転するのに要する時間が考慮されたバックラッシについての補正量を計算することのできるモータ制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、モータにより駆動される可動部と、該可動部により駆動される被駆動部との間のバックラッシを補正するモータ制御装置において、前記可動部の位置指令を周期的に作成する位置指令作成部と、前記可動部の位置を検出する第一位置検出部と、前記被駆動部の位置を検出する第二位置検出部と、前記第一位置検出部により検出された第一位置検出値と前記第二位置検出部により検出された第二位置検出値との間の偏差を計算する偏差計算部と、前記可動部が前記被駆動部に係合したときに前記偏差計算部が計算した前記偏差を初期偏差として保持する保持部と、前記位置指令に基づいて加速度指令を計算する加速度計算部と、前記加速度計算部により計算された前記加速度指令に基づいて補正ゲインを計算する補正ゲイン計算部と、前記保持部により保持された前記初期偏差と前記偏差計算部により計算された前記偏差との間の偏差に前記補正ゲイン計算部により計算された補正ゲインを乗算して、前記バックラッシを補正するバックラッシ補正量を計算する補正量計算部と、前記バックラッシ補正量が前記位置指令と前記第一位置検出値との間の第一位置偏差に加算された値と、前記位置指令と前記第二位置検出値との間の第二位置偏差と、に基づいて前記可動部の速度指令を作成する速度指令作成部（２４）と、を具備する、モータ制御装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記補正ゲイン計算部は、前記加速度指令の１／２乗に比例するよう前記補正ゲインを計算する。
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記補正量計算部は、前記加速度指令に応じて定まる前記バックラッシ補正量の上限値を設定する。

加速度指令と反転に要する時間との間には所定の関係があり、１番目の発明においては、補正ゲインが加速度指令に基づいて計算されるようにしている。従って、速度が反転するのに要する時間を考慮して、適切なバックラッシ補正量が計算される。それゆえ、ワークが円弧状経路に沿って加工される場合であっても、適切なバックラッシ補正量を計算することができる。
２番目の発明においては、簡単な構成で、さらに適切なバックラッシ補正量を計算できる。
３番目の発明においては、上限値は例えばバックラッシ長に相当する。この場合には、バックラッシ補正量はバックラッシ長以上に大きくなることはない。バックラッシ補正量をバックラッシ長以下の値に制限することにより、異常に大きいバックラッシ補正量が計算されるのを防止できる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれら目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明解になるであろう。

本発明に基づくモータ制御装置の機能ブロック図である。 本発明のモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。 バックラッシを説明するための第一の図である。 バックラッシを説明するための第二の図である。 バックラッシを説明するための第三の図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明の第一の実施形態に基づくモータ制御装置の機能ブロック図である。図１に示されるように、突出部Ａ１、Ａ２を備えた可動部ＷＡがネジを介してモータＭの出力軸に取付けられている。そして、突起部Ｂを備えた被駆動部ＷＢが可動部ＷＡに係合可能に配置されている。

図３Ａを参照して説明したように可動部ＷＡおよび被駆動部ＷＢの間には、長さＬのバックラッシが存在している。バックラッシは、三次元測定器などで可動部ＷＡの移動距離を測定し、これをモータＭの移動量と比較してその差を測定することにより求められる。あるいは、円弧状経路に沿って移動する際に象限が切替わるときに生じる、いわゆる象限突起を測定することにより、バックラッシを求めてもよい。

図１に示されるように、可動部ＷＡの位置を検出する第一位置検出部１１、例えばエンコーダがモータＭに取付けられている。この第一位置検出部１１は公知の手法により可動部ＷＡの速度を検出することもできる。さらに、被駆動部ＷＢの位置を検出する第二位置検出部１２、例えばスケールが被駆動部ＷＢに隣接して配置されている。

モータ制御装置１０は、可動部ＷＡの位置指令値ＣＰを周期的に作成する位置指令作成部２０と、可動部ＷＡの速度指令を作成する速度指令作成部２４と、モータＭのトルク指令を作成するトルク指令作成部３６とを主に含んでいる。なお、加速度指令作成部２６は位置指令作成部２０の位置指令値ＣＰから直接的に加速度指令を作成する。

さらに、モータ制御装置１０は、第一位置検出部１１により検出された第一位置検出値ＤＰ１と第二位置検出部１２により検出された第二位置検出部ＤＰ２との間の偏差ΔＰを計算する偏差計算部３１を含んでいる。また、モータ制御装置１０は、可動部ＷＡを任意の初期位置から第一駆動方向および該第一駆動方向とは反対の第二駆動方向に移動させたときに可動部ＷＡが被駆動部ＷＢに係合したか否かを判定する判定部３２を含んでいる。

さらに、モータ制御装置１０は、判定部３２によって可動部ＷＡが被駆動部ＷＢに係合したことが判定されたときに偏差計算部３１が計算した偏差ΔＰを第一駆動方向または第二駆動方向に関連づけて初期偏差ΔＰ０として保持する保持部３３を含んでいる。なお、保持部３３は、速度などの他の要素も保持できるものとする。さらに、モータ制御装置１０は、バックラッシを解消するためのバックラッシ補正量を計算する補正量計算部３４を含んでいる。さらに、モータ制御装置１０は、加速度計算部２６により計算された加速度指令に基づいて補正ゲインを計算する補正ゲイン計算部３５を含んでいる。

図２は本発明のモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。図２に示される内容は所定の制御周期毎に繰返し行われるものとする。以下、図１および図２を参照して本発明のモータ制御装置の動作を説明する。

はじめに、図２のステップＳ１１において位置指令作成部２０が位置指令値ＣＰを作成する。次いで、ステップＳ１２、Ｓ１３おいて第一位置検出部１１および第二位置検出部１２が可動部ＷＡの第一位置検出値ＤＰ１および被駆動部ＷＢの第二位置検出部ＤＰ２をそれぞれ検出する。

図１に示されるように、位置指令作成部２０により作成された位置指令値ＣＰから、第一位置検出部１１により検出された第一位置検出値ＤＰ１が減算器２１にて減算され、第一位置偏差ΔＰ１が作成される。なお、図１から分かるように、第一位置検出値ＤＰ１には変換係数３０が乗算されるものとする。

さらに、第二位置検出部１２により検出された第二位置検出値ＤＰ２が減算器２７にて位置指令値ＣＰから減算されて第二位置偏差ΔＰ２が作成される。減算器２８において第二位置偏差ΔＰ２から第一位置偏差ΔＰ１が減算されて、ローパスフィルタ２９を通じて加算器２３に入力される。ここで、ローパスフィルタ２９を用いる理由は、位置偏差の変化が大きいときは第一位置検出部からの位置検出値で位置を制御することで安定的に可動部を動かし、位置偏差の変化が小さいときは第二位置検出部からの位置検出値で位置を制御することで、被可動部の位置の精度を高めるためである。

加算器２３により加算された第一位置偏差ΔＰ１および第二位置偏差ΔＰ２は速度指令作成部２４に入力されて、速度指令値ＣＶが作成される。さらに、第一位置検出部１１により検出された第一位置検出値を速度演算器３７に入力することで演算された速度検出値ＤＶが、減算器２５において速度指令値ＣＶから減算されて、速度偏差ΔＶが計算される。次いで、トルク指令作成部３６が速度偏差ΔＶに基づいてトルク指令値を作成して、モータＭに入力する。

図１から分かるように、本発明においては、第二位置偏差ΔＰ２から第一位置偏差ΔＰ１を減算した値が偏差計算部３１に入力される。この値においては、位置指令値ＣＰが実質的に排除されている。従って、偏差計算部３１は第一位置検出値ＤＰ１と第二位置検出値ＤＰ２との間の偏差ΔＰを容易に計算できる（ステップＳ１４）。あるいは、第一位置偏差ΔＰ１および第二位置偏差ΔＰ２を偏差計算部３１に直接的に入力し、偏差ΔＰを作成してもよい。

その後、ステップＳ１５に示されるように、判定部３２が可動部ＷＡと被駆動部ＷＢとが係合したか否かを判定する。判定部３２の動作は公知であるので詳細な説明を省略する。判定部３２の動作は例えば特開２０１４−０５４００１号公報に記載されている。

可動部ＷＡと被駆動部ＷＢとが係合したと判定された場合には、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６においては、保持部３３は可動部ＷＡが被駆動部ＷＢに係合したときに偏差計算部３１が計算した偏差を初期偏差として保持する。なお、可動部ＷＡと被駆動部ＷＢとが係合したと判定されなかった場合には、ステップＳ１６の処理を飛ばす。

次いで、ステップＳ１７においては、加速度指令作成部２６が、位置指令値ＣＰに基づいて加速度指令を作成する。そして、加速度指令は補正ゲイン計算部３５に入力される。なお、加速度指令に所定の係数を乗算した後で補正ゲイン計算部３５に入力してもよい。

次いで、ステップＳ１８においては、補正ゲイン計算部３５が加速度指令に基づいて補正ゲインを算出する。ここで、被駆動部ＷＢの速度が反転するのに要する時間は一般的に短いので、速度が反転するのに要する時間内においては可動部ＷＡの加速度は一定であるとみなすことができる。

従って、被駆動部ＷＢが速度が反転するのに要する時間ｔにおいて加速度ａで移動していたときの距離ｘは以下の式（１）により表される。

そして、この距離ｘが図３Ａに示されるバックラッシの長さＬであるとすれば、速度が反転するのに要する時間ｔは以下の式（２）により表される。

つまり、速度が反転するのに要する時間ｔは、加速度の１／２乗に反比例する。従って、ステップＳ１８においては、補正ゲイン計算部３５は、以下の式（３）に表されるように加速度の１／２乗に比例する補正ゲインＫを計算する。
Ｋ ∝ √ａ （３）

次いで、ステップＳ１９においては、補正量計算部３４がバックラッシを補正するバックラッシ補正量を算出する。具体的には、偏差計算部３１により現在の偏差を計算し、現在の偏差と保持部３３に保持された初期偏差との間の偏差をさらに計算する。次いで、補正ゲイン計算部３５により計算された補正ゲインをこの偏差に乗算して、バックラッシ補正量を算出する。
具体的にはバックラッシ補正量は以下の式（４）により表される。
（バックラッシ補正量）＝（（初期偏差）−（現在の偏差））×Ｋ （４）

そして、ステップＳ２０において、バックラッシ補正量が考慮されるようにする。ここで、図１を参照すると、補正量計算部３４により作成されたバックラッシ補正量は加算器２２において第一位置偏差ΔＰ１に加算される。そして、加算された値は加算器２３を通じて速度指令作成部２４に供給されて速度指令値ＣＶが作成され、最終的にトルク指令作成部３６においてトルク指令値が作成される。これにより、モータＭが制御される（ステップＳ２１）。

このように、本発明においては、補正ゲインが加速度指令に基づいて計算される。加速度指令と反転に要する時間との間には式（２）で示される関係があるので、本発明においては、速度が反転するのに要する時間を考慮して、適切なバックラッシ補正量を計算できる。

ここで、ワークが円弧状経路に沿って加工される場合には、円弧状経路の半径および円弧状経路に沿った移動速度などによって、速度が反転するのに要する時間は変化する。本発明においては、速度が反転するのに要する時間を考慮しているので、ワークが円弧状経路に沿って加工される場合であっても、適切なバックラッシ補正量を計算できるのが分かるであろう。なお、ワークを円弧状経路に沿って加工する場合には、ワークまたは工具を二つ以上のモータＭで移動させる必要がある。従って、この場合には、各モータに対して位置指令ＣＰが作成され、各モータ毎に補正ゲインおよびバックラッシ補正量が計算されるものとする。

また、補正量計算部３４が作成するバックラッシ補正量は、バックラッシの長さＬよりも大きくなることはない。従って、仮に補正量計算部３４がバックラッシの長さＬよりも大きいバックラッシ補正量を作成した場合には、補正量計算部３４は作成されたバックラッシ補正量をバックラッシの長さＬ以下の値に制限するのが好ましい。これにより、異常に大きいバックラッシ補正量が算出されるのを防止することができる。

典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、前述した変更および種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

１０ モータ制御装置
１１ 第一位置検出部
１２ 第二位置検出部
２０ 位置指令作成部
２１ 減算器
２２ 加算器
２３ 加算器
２４ 速度指令作成部
２６ 加速度指令作成部
２７ 減算器
２８ 減算器
２９ ローパスフィルタ
３０ 変換係数
３１ 偏差計算部
３２ 判定部
３３ 保持部
３４ 補正量計算部
３５ 補正ゲイン計算部
３６ トルク指令作成部
３７ 速度演算器
Ｍ モータ
ＷＡ 可動部
ＷＢ 被駆動部

Claims (3)

1. モータ（Ｍ）により駆動される可動部（ＷＡ）と、該可動部により駆動される被駆動部（ＷＢ）との間のバックラッシを補正するモータ制御装置（１０）において、
   前記可動部の位置指令を周期的に作成する位置指令作成部（２０）と、
   前記可動部の位置を検出する第一位置検出部（１１）と、
   前記被駆動部の位置を検出する第二位置検出部（１２）と、
   前記第一位置検出部により検出された第一位置検出値と前記第二位置検出部により検出された第二位置検出値との間の偏差を計算する偏差計算部（３１）と、
   前記可動部が前記被駆動部に係合したときに前記偏差計算部が計算した前記偏差を初期偏差として保持する保持部（３３）と、
   前記位置指令に基づいて加速度指令を計算する加速度計算部（２６）と、
   前記加速度計算部により計算された前記加速度指令に基づいて補正ゲインを計算する補正ゲイン計算部（３５）と、
   前記保持部により保持された前記初期偏差と前記偏差計算部により計算された前記偏差との間の偏差に前記補正ゲイン計算部により計算された補正ゲインを乗算して、前記バックラッシを補正するバックラッシ補正量を計算する補正量計算部（３４）と、
   前記バックラッシ補正量が前記位置指令と前記第一位置検出値との間の第一位置偏差に加算された値と、前記位置指令と前記第二位置検出値との間の第二位置偏差と、に基づいて前記可動部の速度指令を作成する速度指令作成部（２４）と、を具備する、モータ制御装置。
2. 前記補正ゲイン計算部は、前記加速度指令の１／２乗に比例するよう前記補正ゲインを計算する、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記補正量計算部は、前記加速度指令に応じて定まる前記バックラッシ補正量の上限値を設定する請求項１に記載のモータ制御装置。

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