JP6474460B2

JP6474460B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP6474460B2
Application number: JP2017121341A
Authority: JP
Inventors: 勉中邨; 聡史猪飼
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2019-02-27
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: US10303152B2; DE102018209284B4; JP2019009858A; CN109104131B; CN109104131A; US20180373221A1; DE102018209284A1

Description

本発明は、サーボモータの制御を行うモータ制御装置に関する。

例えば工作機械において、サーボモータを制御して送り軸を駆動するモータ制御装置が知られている。
このような工作機械において、サーボモータと機械とがボールネジ等の送り軸で結合される場合、送り軸の剛性が弱いためにサーボモータと機械とがバネ結合の状態となる。このバネ結合のために、機械の送り軸にサーボ制御帯域下の低周波共振（振動）が発生することがある。

この低周波共振（振動）を抑制する方法として、位置指令を補正する方法や、サーボ位置制御ループにフィルタを用いる方法などが検討されてきた。
特許文献１及び２には、位置指令に基づく位置制御を行うことにより工作機械の送り軸を駆動するモータ制御装置において、サーボ位置制御ループにフィルタを用いたモータ駆動装置が開示されている。

特許６０１７５９５号公報特許６０４６１８２号公報

工作機械の主軸（駆動部）を駆動するモータ制御装置や、産業機械の油圧ポンプやベルトコンベア（駆動部）などを駆動するモータ制御装置では、位置指令に基づく位置制御を行わず、速度指令に基づく速度制御を行うことがある。また、工作機械の送り軸（駆動部）の制御においても、一台のモータの位置制御と速度制御とを別個のモータ制御装置で行うことがある。このような速度制御を行うモータ制御装置はそれ単体でも、機械の駆動部の低周波振動を抑制することが要望されている。

なお、特許文献１及び２には、位置制御を行うモータ制御装置において振動抑制を行う手法が開示されているものの、速度制御を行うモータ制御装置において振動抑制を行う手法については開示されていない。

本発明は、速度指令に基づく速度制御を行うモータ制御装置において、機械の駆動部の振動を抑制するモータ制御装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るモータ制御装置（例えば、後述のモータ制御装置１）は、機械（例えば、後述の機械６０（ボールねじ７０含む））を駆動するサーボモータ（例えば、後述のサーボモータ５０）を制御するモータ制御装置において、前記機械の速度を指令する速度指令部（例えば、後述の速度指令部１０）と、前記サーボモータの速度を検出する速度検出部（例えば、後述のエンコーダ４０）と、前記速度指令部が指令した速度指令と前記速度検出部が検出したモータ速度とに基づいてトルク指令を作成し、前記サーボモータの速度を制御する速度制御部（例えば、後述の速度制御部２０）とを備え、前記速度制御部は、前記サーボモータから前記機械までの伝達特性の逆特性を近似するフィルタ（例えば、後述のフィルタ３１，３２）を含み、前記フィルタは、調整パラメータである周波数ω、振動ダンピング係数ζ、カットオフ周波数ω_ａｄｊに基づく下式（１）の伝達特性Ｆ（ｓ）を有し、前記周波数ωは、前記機械の反共振周波数ω_０以上、前記機械の共振周波数ω_ｐ未満に調整される。

（２）（１）に記載のモータ制御装置において、前記速度制御部は、前記速度指令に基づいて第１トルク指令を作成するフィードフォワード制御部（例えば、後述のＦＦ制御部２１）と、前記速度指令と前記モータ速度との差分に基づいて第２トルク指令を作成するフィードバック制御部（例えば、後述のＦＢ制御部２３）と、前記第１トルク指令と前記第２トルク指令とを加算して前記トルク指令を作成する加算部（例えば、後述の加算器２６）とを備えてもよく、前記フィードフォワード制御部と前記フィードバック制御部とは、それぞれ独立に伝達特性Ｆ（ｓ）を設定可能な前記フィルタを含んでもよい。

（３）（２）に記載のモータ制御装置において、前記フィードフォワード制御部は、前記トルク指令から前記機械の速度までの伝達特性の逆特性を近似する前記フィルタを含んでもよく、前記フィードバック制御部は、前記モータ速度から前記機械の速度までの伝達特性の逆特性を近似する前記フィルタを含んでもよい。

（４）（２）又は（３）に記載のモータ制御装置において、前記フィードフォワード制御部のフィルタの伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ωは、前記フィードバック制御部のフィルタの伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ω以上の範囲で調整可能であってもよい。

本発明によれば、速度指令に基づく速度制御を行うモータ制御装置において、機械の駆動部の振動を抑制するモータ制御装置を提供することができる。

本実施形態に係るモータ制御装置の構成の概略図である。本実施形態に係るモータ制御装置の構成を詳細に示す図である。モータから機械までを二慣性系のモデルで示す図である。図３に示す二慣性系のブロック図である。本実施形態に係るモータ制御装置の一部を伝達特性で示す模式図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本実施形態に係るモータ制御装置の構成の概略図であり、図２は、本実施形態に係るモータ制御装置の構成を詳細に示す図である。図１及び図２に示すモータ制御装置１は、加工プログラムに従う速度指令値と実モータ速度値（速度フィードバック値）とに基づいて、サーボモータ５０の速度を制御する。
サーボモータ５０は、機械６０のボールねじ７０に連結されている。サーボモータ５０は、ボールねじ（駆動部）７０を回転駆動することにより、機械６０を駆動する。
モータ制御装置１は、速度指令部１０と、速度制御部２０と、エンコーダ（速度検出部）４０とを備える。

速度指令部１０は、図示しない上位制御装置や外部入力装置等から入力されるプログラムや命令に従って、サーボモータ５０の速度指令値（すなわち、機械６０の速度指令値）を作成する。

エンコーダ４０は、サーボモータ５０に設けられ、サーボモータ５０の回転速度を検出する。検出されたモータ速度は速度フィードバックとして利用される。

速度制御部２０は、速度指令部１０で作成された速度指令値とエンコーダ４０で検出されたモータ速度値とに基づいて、トルク指令値を生成する。速度制御部２０は、フィードフォワード制御部（以下、ＦＦ制御部という。）２１と、フィードバック制御部（以下、ＦＢ制御部という。）２３と、加算器２６とを備える。

ＦＦ制御部２１は、速度指令部１０で作成された速度指令値に基づいて第１トルク指令値を作成する。ＦＦ制御部２１は、ＦＦ制御器２２とフィルタ３１とを含む。

ＦＦ制御器２２は、速度指令部１０で作成されフィルタ３１を通過した速度指令値を微分して、第１トルク指令値を作成する。

フィルタ３１は、ＦＦ制御器２２の前段に設けられる。フィルタ３１は、調整パラメータである周波数ω、振動ダンピング係数ζ、カットオフ周波数ω_ａｄｊに基づく下式（１）の伝達特性Ｆ（ｓ）を有する。

周波数ωは、機械６０（ボールねじ７０）の反共振周波数ω_０以上、共振周波数ω_ｐ未満の範囲で調整され、好ましくは、共振周波数ω_ｐ近傍に設定される。
これより、フィルタ３１の伝達特性Ｆ（ｓ）は、後述するように、サーボモータ５０から機械６０（ボールねじ７０）までの二慣性系モデルに基づく伝達特性の逆特性、より具体的には、トルク指令から機械速度までの伝達特性の逆特性を近似する。

ＦＢ制御部２３は、速度指令部１０で作成された速度指令値とエンコーダ４０で検出されたモータ速度値との差分に基づいて第２トルク指令値を作成する。ＦＢ制御部２３は、減算器２４と、比例・積分制御器（以下、ＰＩ制御器という。）２５と、フィルタ３２とを含む。

減算器２４は、速度指令部１０で作成されフィルタ３２を通過した速度指令値と、エンコーダ４０で検出されたモータ速度値との差分を求める。ＰＩ制御器２５は、減算器２４で求められた差分にＰＩ制御を施して、第２トルク指令値を作成する。

フィルタ３２は、減算器２４の前段に設けられる。フィルタ３２は、フィルタ３１と同様に、上式（１）の伝達特性Ｆ（ｓ）を有する。
周波数ωは、機械６０（ボールねじ７０）の反共振周波数ω_０以上、共振周波数ω_ｐ未満の範囲で調整され、好ましくは、反共振周波数ω_０近傍に設定される。
これより、フィルタ３２の伝達特性Ｆ（ｓ）は、後述するように、サーボモータ５０から機械６０（ボールねじ７０）までの二慣性系モデルに基づく伝達特性の逆特性、より具体的には、モータ速度から機械速度までの伝達特性の逆特性を近似する。

なお、ＦＦ制御部２１のフィルタ３１とＦＢ制御部２３のフィルタ３２とは、それぞれ独立に伝達特性Ｆ（ｓ）を設定可能である。また、ＦＦ制御部２１のフィルタ３１の伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ωは、ＦＢ制御部２３のフィルタ３２の伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ω以上の範囲で調整可能である。

加算器２６は、ＦＦ制御部２１からの第１トルク指令値とＦＢ制御部２３からの第２トルク指令値とを加算してトルク指令値を作成する。

ここで、機械６０のボールねじ７０の剛性が弱いと、サーボモータ５０と機械６０とがバネ結合の状態となる。このバネ結合のために、機械６０のボールねじ７０にサーボ制御帯域下の低周波共振（振動）が発生することがある。

機械６０のボールねじ７０の低周波共振（振動）を抑制するため、本実施形態のモータ制御装置１は、サーボモータ５０から機械６０（ボールねじ７０）までの伝達特性の逆特性を近似する上式（１）の伝達特性Ｆ（ｓ）を有するフィルタ３１，３２を含むことを特徴とする。
以下、フィルタ３１及びフィルタ３２の伝達特性Ｆ（ｓ）の求め方について説明する。

図３は、サーボモータ５０から機械６０（ボールねじ７０）までの二慣性系モデルを示す図であり、図４は、図３に示す二慣性系モデルのブロック図である。
図３に示す二慣性系のモデルでは、サーボモータ５０と機械６０とは質点であり、ボールねじ７０に相当するバネ７０Ａ及びダンパ７０Ｂで連結されている。なお、図３では、摩擦を無視することとする。
ここで、サーボモータ５０の質量及び機械６０の質量をそれぞれＪ_ｍ、Ｊ_Ｌ、バネ７０Ａのバネ定数をＫ、ダンパ７０Ｂのダンパ定数をＣ、サーボモータ５０の駆動トルク（トルク指令）をｕ、バネ７０Ａとダンパ７０Ｂの合成力をＴ、モータ速度をＶ_ｍ、機械速度をＶ_Ｌとすると、Ｖ_ｍ，Ｖ_Ｌの運動方程式、及び、バネ７０Ａとダンパ７０Ｂの合成力Ｔは、次式のように表される。

これより、図３に示すモデルは図４に示すブロック図で表される。
上記のＶ_ｍ，Ｖ_Ｌの運動方程式、及び、バネ７０Ａとダンパ７０Ｂの合成力Ｔの式を変形すれば、トルク（トルク指令）ｕからモータ速度Ｖ_ｍまでの伝達特性、及び、トルク（トルク指令）ｕから機械速度Ｖ_Ｌまでの伝達特性は、それぞれ次式のように求められる。
トルク→モータ速度（伝達特性）：

トルク→機械速度（伝達特性）：

上式（２）及び（３）には、２次の標準系に変換した形を同時に示している。ω_ｐ及びζ’は、二慣性系モデルでサーボモータ５０を固定した際の共振周波数及びその振動ダンピング係数であり、ω_０及びζは、反共振周波数及びその振動ダンピング係数である。これらの反共振周波数ω_０、共振周波数ω_ｐは、次式のように表される。

上式（２）及び（３）より、モータ速度Ｖ_ｍから機械速度Ｖ_Ｌまでの伝達特性は、次式のように表される。
モータ速度→機械速度（伝達特性）：

図５は、本実施形態に係るモータ制御装置の一部を伝達特性で示す図である。図５では、図２に示すサーボモータ５０から機械６０（ボールねじ７０）までを、上記したトルク（トルク指令）ｕからモータ速度Ｖ_ｍまでの伝達特性、トルク（トルク指令）ｕから機械速度Ｖ_Ｌまでの伝達特性、及び、モータ速度Ｖ_ｍから機械速度Ｖ_Ｌまでの伝達特性で示している。

ここで、速度指令部１０が指令する速度指令を、機械速度に対する指令として考える。これは、速度指令から機械速度までの間、すなわち機械６０（ボールねじ７０）よりも前段における振動の有無に関わらず、機械６０（ボールねじ７０）において振動を抑制するという考え方である。

速度指令を機械速度に対する指令として考えるためには、速度指令から機械速度までの伝達特性が１に近づくようにすればよい。速度指令から機械速度までの伝達特性を１にするためには、ＦＦ制御部２１のフィルタ３１が、トルク（トルク指令）ｕから機械速度Ｖ_Ｌまでの伝達特性の逆特性、すなわち機械速度Ｖ_Ｌからトルク（トルク指令）ｕまでの伝達特性を有し、ＦＢ制御部２３の減算器２４の前段のフィルタ３２が、モータ速度Ｖ_ｍから機械速度Ｖ_Ｌまでの伝達特性の逆特性、すなわち機械速度Ｖ_Ｌからモータ速度Ｖ_ｍまでの伝達特性を有すればよい。

機械速度Ｖ_Ｌからトルク（トルク指令）ｕまでの伝達特性、及び、機械速度Ｖ_Ｌからモータ速度Ｖ_ｍまでの伝達特性は、上式（３）及び（６）から次式のように表される。
機械速度→トルク（伝達特性）：

機械速度→モータ速度（伝達特性）：

上式（７）及び（８）によれば、
（１）分母多項式は共通であり、
（２）分子多項式において、周波数ω_ｐ，ω_０及び振動ダンピング係数ζ，ζ’のパラメータが異なるが、形は同じであり、
（３）分子多項式は、共振周波数ω_ｐ又は反共振周波数ω_０の２次の伝達特性を含んでいる、
ことが分かる。
これより、以下では、ＦＦ制御部２１のフィルタ３１の伝達特性（上式（７））と、ＦＢ制御部２３のフィルタ３２の伝達特性（上式（８））との共通化を検討する。

上式（７）及び（８）の２次伝達特性の零点と極は、次式のように求められる。
機械速度→トルク（伝達特性）の零点：

機械速度→モータ速度（伝達特性）の零点：

極（共通）：

これより、零点と極の複素平面原点からの距離は、次式のように求められる。
機械速度→トルク（伝達特性）の零点：

機械速度→モータ速度（伝達特性）の零点：

極（共通）：

ここで、一般的な工作機械として、負荷イナーシャ比Ｊ_Ｌ／Ｊ_ｍが略１程度、振動ダンピング係数ζが０．１程度を想定すれば、上式（４）及び（５）より、共振周波数ω_Ｐは反共振周波数ω_０の√２倍程度である。また、上式（９）より、極の複素平面原点からの距離は、零点の複素平面原点からの距離に比べて５倍〜７．０７倍（５√２倍）ほど離れており、伝達特性において零点が支配的であることが分かる。

これより、フィルタ３１，３２に共通の伝達特性Ｆ（ｓ）として、支配的な零点を含む下式（１）の伝達特性を近似する。

上式（１）において、分母多項式は、カットオフ周波数ω_ａｄｊの一般的な２次フィルタの形式とした。分子多項式は、上式（７）及び（８）の分子多項式より、調整パラメータである周波数ω、振動ダンピング係数ζに基づく形式とした。

上式（１）において、調整パラメータである周波数ωは、機械６０（ボールねじ７０）の反共振周波数ω_０以上、共振周波数ω_ｐ未満の範囲で調整される。
例えば、ＦＦ制御部２１のフィルタ３１の伝達特性Ｆ（ｓ）では、上式（７）より、周波数ωは共振周波数ω_ｐ近傍に設定されることが好ましく、ＦＢ制御部２３のフィルタ３２の伝達特性Ｆ（ｓ）では、上式（８）より、周波数ωは反共振周波数ω_０に設定されることが好ましい。
なお、上述したように、一般的な工作機械として、共振周波数ω_Ｐは反共振周波数ω_０の√２倍程度であるので、ＦＦ制御部２１のフィルタ３１の伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ωは、ＦＢ制御部２３のフィルタ３２の伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ω以上の範囲で調整される。

以上説明したように、本実施形態のモータ制御装置１によれば、速度指令に基づく速度制御を行うモータ制御装置において、速度制御部２０は、サーボモータ５０から機械６０（ボールねじ７０）までの伝達特性の逆特性を近似するフィルタ３１，３２を含み、フィルタ３１，３２は、調整パラメータである周波数ω、振動ダンピング係数ζ、カットオフ周波数ω_ａｄｊに基づく上式（１）の伝達特性Ｆ（ｓ）を有し、周波数ωは、機械６０（ボールねじ７０）の反共振周波数ω_０以上、共振周波数ω_ｐ未満に調整される。
これより、速度指令から機械速度までの伝達特性を１に近づけることができ、速度指令を機械速度に対する指令として考えることができる。そのため、機械６０のボールねじ（駆動部）７０における振動を抑制することができる。

ところで、上式（７）及び（８）によれば、速度制御部２０におけるＦＦ制御部２１のフィルタ３１で必要な特性（トルク（トルク指令）から機械速度までの伝達特性の逆特性）と、ＦＢ制御部２３のフィルタ３２で必要な特性（モータ速度から機械速度までの伝達特性の逆特性）とは異なる。
本実施形態のモータ制御装置１によれば、ＦＦ制御部２１とＦＢ制御部２３とは、それぞれ独立に伝達特性Ｆ（ｓ）を設定可能なフィルタ３１，３２を含むので、フィルタ３１，３２を共通化しつつ、機械６０のボールねじ７０の振動をより抑制することができる。

具体的には、ＦＦ制御部２１のフィルタ３１の伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ωを共振周波数ω_ｐ近傍に設定し、ＦＢ制御部２３のフィルタ３２の伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ωを反共振周波数ω_０近傍に設定する。これより、ＦＦ制御部２１は、トルクから機械速度までの伝達特性の逆特性を近似するフィルタ３１を含み、ＦＢ制御部２３は、モータ速度から機械速度までの伝達特性の逆特性を近似するフィルタ３２を含む。
これより、速度指令から機械速度までの伝達特性をより１に近づけることができ、速度指令をより機械速度に対する指令として考えることができる。そのため、機械６０のボールねじ（駆動部）７０における振動をより抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、上述した実施形態では、速度指令に基づく速度制御を行うモータ駆動装置を例示した。しかし、本発明の特徴はこれに限定されず、位置指令に基づく位置制御と速度指令に基づく速度制御とを別個のモータ駆動装置で行う形態における速度制御用のモータ駆動装置にも適用可能である。

また、上述した実施形態では、機械のボールねじ（駆動部）を速度制御するモータ制御装置を例示した。しかし、本発明の特徴はこれに限定されず、機械の送り軸（駆動部）を速度制御するモータ制御装置や、産業機械の油圧ポンプやベルトコンベア（駆動部）などを速度制御するモータ制御装置等に適用可能である。

１モータ制御装置
１０速度指令部
２０速度制御部
２１ＦＦ制御部
２２ＦＦ制御器
２３ＦＢ制御部
２４減算器
２５ＰＩ制御器
２６加算器（加算部）
３１，３２フィルタ
４０エンコーダ（速度検出部）
５０サーボモータ
６０機械
７０ボールねじ（駆動軸）
７０Ａバネ
７０Ｂダンパ

Claims

機械を駆動するサーボモータを制御するモータ制御装置において、
前記機械の速度を指令する速度指令部と、
前記サーボモータの速度を検出する速度検出部と、
前記速度指令部が指令した速度指令と前記速度検出部が検出したモータ速度とに基づいてトルク指令を作成し、前記サーボモータの速度を制御する速度制御部と、
を備え、
前記速度制御部は、前記サーボモータから前記機械までの伝達特性の逆特性を近似するフィルタを含み、
前記フィルタは、調整パラメータである周波数ω、振動ダンピング係数ζ、カットオフ周波数ω_ａｄｊに基づく下式（１）の伝達特性Ｆ（ｓ）を有し、
前記周波数ωは、前記機械の反共振周波数ω_０以上、前記機械の共振周波数ω_ｐ未満に調整される、
モータ制御装置。
前記速度制御部は、
前記速度指令に基づいて第１トルク指令を作成するフィードフォワード制御部と、
前記速度指令と前記モータ速度との差分に基づいて第２トルク指令を作成するフィードバック制御部と、
前記第１トルク指令と前記第２トルク指令とを加算して前記トルク指令を作成する加算部と、
を備え、
前記フィードフォワード制御部と前記フィードバック制御部とは、それぞれ独立に伝達特性Ｆ（ｓ）を設定可能な前記フィルタを含む、
請求項１に記載のモータ制御装置。
前記フィードフォワード制御部は、前記トルク指令から前記機械の速度までの伝達特性の逆特性を近似する前記フィルタを含み、
前記フィードバック制御部は、前記モータ速度から前記機械の速度までの伝達特性の逆特性を近似する前記フィルタを含む、
請求項２に記載のモータ制御装置。
前記フィードフォワード制御部のフィルタの伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ωは、前記フィードバック制御部のフィルタの伝達特性Ｆ（ｓ）における周波数ω以上の範囲で調整可能である、
請求項２又は３に記載のモータ制御装置。