JP6841643B2 - モーター制御装置、ミシン及び電子部品実装装置 - Google Patents

モーター制御装置、ミシン及び電子部品実装装置 Download PDF

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Description

本発明は、二軸のモーターの同期制御を行うモーター制御装置、ミシン及び電子部品実装装置に関する。
二軸のモーターの駆動を同期して行い、関連する二つの機構の動作を同期的に実行させたいという要請は機械制御の分野において従来から多く存在している。
例えば、電子部品搭載装置に用いられる従来のガントリ型XY位置決め装置は、ヘッドのY軸方向への移動に左右1対の平行に配置されたY軸駆動部を持ち、その上に設置されたX軸駆動部でヘッドのX軸方向への移動を行なう構成を採っている。
そして、X軸駆動部と、二つのY軸駆動部は、それぞれ、回転型モーター+タイミングベルト(チェーン)又はボールねじ等により構成され、各軸駆動部のモーターは、指令発生部より各モーター制御部に受けた指令に基づき、モーター制御をして位置決めが行なわれる。
上述のようなガントリ型XY型位置決め装置では、左右1対のY軸駆動部のモーターは、両軸が同期して移動することが必要である。
しかしながら、二つのY軸駆動部は、X軸駆動部を介してヘッドを搬送するので、ヘッドのX軸方向の移動により重心が移動して、二つのY軸駆動部のモーターが受ける負荷のバランスが変化することが原因となり、左右のY軸駆動部で偏差が発生してしまい、位置決め精度や位置決め時間に悪影響を与えるという問題点を生じていた。
このような二つのモーターに個別に生じる負荷の変動に対応すべく、二つのモーターを和動軸と差動軸とに分解して仮想的に一つのモーターとしてとして制御する仮想モードと、各モーターを個別に制御する実体モードを備える制御系を構成し、各モーターの実体モードに個別に外乱トルクを推定する外乱オブザーバーを設けている(例えば、特許文献1の図20参照)。
これにより、二つのモーターに個別に生じる外乱の影響を抑制しつつ、二つのモーターの偏差の低減を図っていた。
特許5084232号公報
上記従来のモーター制御装置では、外乱に対する応答性を向上させるためには、外乱オブザーバーのゲインを高くする必要がある。
一方、外乱オブザーバーのゲインを高くすると、共振周波数が低い駆動系では、振動が発生しやすくなるという欠点がある。
そして、二つのモーターを制御する上記従来のモーター制御装置では、二つのモーターのそれぞれの外乱オブザーバーのゲインの差が大きくなると、外乱が生じたときに偏差が大きくなってしまうことから、片方のモーターの外乱オブザーバーのゲインのみを低くすることができず、両方のゲインを低くしなければならないので、外乱に対する影響を十分に抑えることができないという問題があった。
本発明は、二つのモーターを制御し、振動の発生を抑えつつ、外乱の影響を低減することが可能なモーター制御装置、ミシン及び電子部品実装装置を提供することをその目的とする。
請求項1記載の発明は、モーター制御装置において、
同期的に駆動する二つのモーターに対して、2次アダマール行列に基づいて和動モードと差動モードに分解する仮想モード制御を行なうモーター制御装置において、
実空間において、前記二つのモーターの内の一方のモーターへの入力のみに対して外乱を抑えるための補償値を出力する第一の外乱オブザーバーを設け
仮想空間において、前記差動モードの指令値に対して外乱を抑えるための補償値を出力する第二の外乱オブザーバーを設け、前記和動モードの指令値に対する外乱オブザーバーは設けないことを特徴とする。
請求項2記載の発明は、ミシンにおいて、
請求項1記載のモーター制御装置と、
同期的に駆動する二つのモーターとを備え、
前記モーター制御装置が前記二つのモーターに対して、2次アダマール行列に基づいて和動モードと差動モードに分解する前記仮想モード制御を行なうことを特徴とする。
請求項3記載の発明は、電子部品実装装置において、
請求項1記載のモーター制御装置と、
同期的に駆動する二つのモーターとを備え、
前記モーター制御装置が前記二つのモーターに対して、2次アダマール行列に基づいて和動モードと差動モードに分解する前記仮想モード制御を行なうことを特徴とする。
本発明は、二つのモーターの内の一方のモーターへの入力に対して外乱を抑えるための補償値を出力する第一の外乱オブザーバーと、差動モードの指令値に対して外乱を抑えるための補償値を出力する第二の外乱オブザーバーとを備えている。
このため、一方のモーターと他方のモーターとに対して同期制御を行う場合、二軸の偏差が0となるように、差動モード位置指令には0が入力されるので、第二の外乱オブザーバーに入力される値は全体的に小さくなる。このため、第二の外乱オブザーバーのオブザーバーゲインの値を従来よりも大きく設定しても、他方のモーター側での振動の発生を抑制することができる。
このため、一方のモーターを他方のモーターよりも共振周波数の高い振動系とした場合に、第一の外乱オブザーバーのオブザーバーゲインを第二の外乱オブザーバーのオブザーバーゲインに合わせて小さくする必要がなく、それぞれのゲインの値をより大きく設定することが可能となる。
これにより、モーター制御装置は、一方のモーターと他方のモーターのそれぞれの駆動系について振動を抑えつつも、外乱の影響を収束し、ロバスト性の向上を図ることが可能となる。
モーター制御装置を搭載したミシンの概略図である。 モーター制御装置のブロック線図である。 第二の外乱オブザーバーのブロック線図である。 第一の外乱オブザーバーのブロック線図である。 本発明に係るモーター制御装置により同期制御を行った場合の上軸と下軸との間に生じる偏差を示す線図である。 比較例のモーター制御装置により同期制御を行った場合の上軸と下軸との間に生じる偏差を示す線図である。 モーター制御装置を搭載した電子部品実装装置の概略図である。
[発明の実施形態の概略]
発明の実施形態としてモーター制御装置10を搭載したミシン100を例示する。
このミシン100は、図1に示すように、下端部で縫い針101を保持した針棒102を上下動させるクランク機構からなる針棒上下動機構103と、針棒上下動機構103に動力を付与する上軸104と、上軸104の回転駆動を行う上モーター105と、下降した縫い針101から上糸を捕捉する剣先を備えた釜106と、釜106に回転力を付与する下軸107と、下軸107と釜106との間に設けられた伝達機構108と、下軸107の回転駆動を行う下モーター109とを備えており、モーター制御装置10は上モーター105及び下モーター109の同期駆動制御を行っている。
下軸107と釜106との間に設けられた伝達機構108は、歯車による増速機構であり、上軸104の二倍の回転を釜106に伝達する。
釜106は、上述のように、針棒102の上下の往復動作に対して二倍速で回転し、下降した縫い針101に対して正確なタイミングで剣先がその横を通過しないと、上糸を捕捉することができない。
そして、上軸104と下軸107とは、いずれも水平且つ平行に配置されており、これらは、同期回転が行われる。
これらにより、上モーター105と下モーター109とは、同期的に回転し、より偏差が小さくなる様に回転駆動を行うことが要求される。
しかしながら、上モーター105は、縫い針101を突き通す際にトルク変動を生じ、さらに、被縫製物の厚さや硬さ、材質等によっても変動の幅が異なってくるので、外乱の影響が下モーター109よりも大きくなる傾向にある。
従って、モーター制御装置10は、外乱によるトルク変動の影響を抑えつつ、上モーター105と下モーター109の偏差がより小さくなるように同期制御を行う必要がある。
[モーター及びロータリーエンコーダー]
ミシン100は、その全体構成を制御するための図示しない主制御装置を備え、モーター制御装置10は主制御部から入力される位置指令に従って上モーター105と下モーター109とを同期的に制御する。
また、上モーター105と下モーター109とには、それぞれ、その出力軸に軸角度を検出するロータリーエンコーダー110,111が装備されており、検出した軸角度がモーター制御装置10に入力される。
図2はモーター制御装置10を含むミシン100の上モーター105と下モーター109の制御系のブロック線図である。
図2において、符号105と109は、それぞれ上モーター105と下モーター109における信号の流れを示している。
即ち、符号Ktは各モーター105,109のトルク定数であり、Jmはモーターイナーシャ、Jlは負荷イナーシャ(針棒上下動機構103や伝達機構108等)を示す。
また、τdismは外乱トルク、τreacは上軸104又は下軸107から受ける捻れ反力によるトルクであり、τdisはこれらの合計となる負荷トルクである。
なお、添え字“1”は上モーター105に関するパラメータであることを示し、添え字“2”は下モーター109に関するパラメータであることを示す。以下に説明する各種のパラメータについて同様である。
各モーター105,109の出力軸に設けられたロータリーエンコーダー110,111は、モーターの軸角度である位置応答値θmと角速度である速度応答値θ m(=dθm/dt)を検出し、モーター制御装置10に入力する。
また、各ロータリーエンコーダー110,111の下流側(図2における右側)はモーター負荷を示している。即ち、符号Kfは上軸104又は下軸107の軸捻れによるバネ定数を示している。
また、τdislは外乱トルク、θlは上軸104又は下軸107の下流側の端部の軸位置(軸角度)を示している。
[モーター制御装置]
モーター制御装置10による制御系は、図2に示すように、上モーター105と下モーター109の二軸に対する個別の指令値を取り扱う実空間Sと、上モーター105と下モーター109の二軸に対する総和となる和動モード位置指令と二軸の差となる差動モード位置指令とにより二軸を仮想和動軸及び仮想差動軸として扱う仮想空間Vとから構成される。
モーター制御装置10は、仮想空間Vにおいて、上モーター105と下モーター109の二軸を仮想的な和動軸と差動軸に分解して制御系を構成する。例えば2次アダマール行列を用いて、次式(1)のように、二軸を仮想和動軸、仮想差動軸にモード変換する。
Figure 0006841643
上記αは、対になる任意のパラメータを表わしている。
図2における和動モード位置指令θcom cmdと差動モード位置指令θdif cmdはミシン100の主制御装置からモーター制御装置10に入力される。
なお、添え字“com”は和動モードを、添え字“dif”は差動モードを表わしている。以下に説明する各種のパラメータについて同様である。
和動モード側では、和動モード速度指令θ・com cmdを次式(2)により取得し、和動モード加速度参照値θ・・com refを次式(3)により取得する。
Figure 0006841643
また、差動モード側では、差動モード速度指令θ・dif cmdを次式(4)により取得し、差動モード加速度指令θ・・dif cmdを次式(5)により取得し、差動モード加速度参照値θ・・dif refを次式(6)により取得する。
Figure 0006841643
このモーター制御装置10では、実空間Sの上モーター105に対する入力電流Irefに対して外乱を抑えるための補償値を加える第一の外乱オブザーバー11と、仮想空間Vの差動モード側において差動モード加速度指令θ・・dif cmdに対して外乱を抑えるための補償値を加える第二の外乱オブザーバー12とを備えることを特徴としている。
上式(6)におけるθ^・・ disは、上記第二の外乱オブザーバー12が出力する補償値としての推定加速度補償値である。
なお、添え字の“^”は推定値を示す。以下、他のパラメータについても同様である。
第二の外乱オブザーバー12のブロック線図を図3に示す。
上記第二の外乱オブザーバー12には、差動モード加速度参照値θ・・dif refと上モーター105の速度応答値θ m1と下モーター109の速度応答値θ m2の速度偏差θ・dif mとが入力され、推定加速度補償値θ^・・ disが出力され、差動モード加速度参照値θ・・dif refに加算される。
上記第二の外乱オブザーバー12は、次式(7)により推定加速度補償値θ^・・ disを取得する。なお、式(7)の符号G2はオブザーバーゲインである。
第二の外乱オブザーバー12により求められた推定加速度補償値θ^・・ disは差動モード加速度指令θ・・dif cmdに加算される。
Figure 0006841643
なお、2軸並列駆動においては、双方の同期駆動を行うために、差動モード位置指令θdif cmd=0が入力される。
そして、仮想軸(仮想空間V)で設計した加速度参照値θ・・com ref及びθ・・dif refは、2次アダマール行列の逆行列を用いることにより、次式(8)に示す如く、実空間Sにおける上モーター105及び下モーター109へ入力する加速度参照値θ・・ref m1及びθ・・ref m2に変換することが可能である。
Figure 0006841643
上モーター105の加速度参照値θ・・ref m1はJm1n/Kt1nが乗じられ、さらに、前述した第一の外乱オブザーバー11からの出力に基づく電流補償値が加算されて、入力電流Iref 1として上モーター105に入力される。
なお、Jm1nは上モーター105のイナーシャのノミナル値であり、Kt1nは上モーター105のトルク定数である。
なお、添え字の“n”はノミナル値を示す。以下、他のパラメータについても同様である。
第一の外乱オブザーバー11のブロック線図を図4に示す。
上記第一の外乱オブザーバー11には、入力電流Iref 1とロータリーエンコーダー110による上モーター105の速度応答値θ m1とが入力され、外乱トルクの推定値τ^disが出力される。
上モーター105は、入力電流Iref 1と負荷トルクτdis1との間で次式(9)の関係が成立し、これを負荷トルクτdis1について解くと式(10)となる。
これに対して、第一の外乱オブザーバー11は、次式(11)により負荷トルクの推定値τ^dis1を取得する。なお、式(11)の符号G1はオブザーバーゲインである。
Figure 0006841643
第一の外乱オブザーバー11により求められた負荷トルクの推定値τ^dis1は上モーター105のトルク定数のノミナル値Kt1nで除算されて電流補償値が求められ、上モーター105への入力電流Iref 1に加算される。
また、下モーター109の加速度参照値θ・・ref m2はJm2n/Kt2nが乗じられ、入力電流Iref2として下モーター109に入力される。
なお、Jm2nは下モーター109のイナーシャのノミナル値であり、Kt2nは下モーター109のトルク定数である。
[発明の実施形態における技術的効果]
上記モーター制御装置10では、上モーター105への入力に対して外乱を抑えるための補償値としての負荷トルクの推定値τ^dis1を出力する第一の外乱オブザーバー11と、差動モードの指令値である加速度参照値θ・・dif refに対して外乱を抑えるための補償値としての推定加速度補償値θ^・・ disを出力する第二の外乱オブザーバー12とを備え、上モーター105よりも共振周波数が低い駆動系である下モーター109への入力に対しては外乱オブザーバーを設けない構成としている。
上モーター105と下モーター109とに対して同期制御を行う場合、二軸の偏差が0となるように、差動モード位置指令θdif cmdには0が入力されるので、第二の外乱オブザーバー12に入力される値は全体的に小さくなる。このため、第二の外乱オブザーバー12のオブザーバーゲインG2の値を従来よりも大きく設定しても、下モーター109側での振動の発生を抑制することができる。
このため、第一の外乱オブザーバー11のオブザーバーゲインG1を第二の外乱オブザーバー12のオブザーバーゲインG2に合わせて小さくする必要がなく、それぞれのゲインの値をより大きく設定することが可能となる。
これにより、モーター制御装置10は、上モーター105と下モーター109のそれぞれの駆動系について振動を抑えつつも、外乱の影響を収束し、ロバスト性の向上を図ることが可能となる。
[モーター制御装置の比較試験]
上記本発明に係るモーター制御装置10と比較例であるモーター制御装置とをそれぞれ使用してミシン100の上モーター105及び下モーター109の同期制御を行った場合に、上モーター105と下モーター109との間に生じる偏差を求めて比較した。
ミシン100は、各モーターの回転数を1000[rpm]とし、縫いピッチを4[mm]として、ビニールレザーに対して縫製を行った。
比較例であるモーター制御装置は、上モーター105への入力に対して外乱を抑えるための補償値を出力する第一の外乱オブザーバー11と、下モーター109の入力に対して外乱を抑えるための補償値を出力する第一の外乱オブザーバー11と同一構成の外乱オブザーバーとを備え、差動モードの指令値に対して外乱を抑えるための補償値を出力する第二の外乱オブザーバー12は備えていない。
従って、共振周波数が低い下モーター109の駆動系において振動が発生してしまうので、第二の外乱オブザーバーのオブザーバーゲインG2は0[rad/s]に設定した。
また、第一の外乱オブザーバー11のオブザーバーゲインG1は100[rad/s]に設定した。
これに対して、本発明に係るモーター制御装置10では、第一の外乱オブザーバー11のオブザーバーゲインG1は100[rad/s]、第二の外乱オブザーバー12のオブザーバーゲインG2は50[rad/s]に設定した。
図5は本発明に係るモーター制御装置10、図6は比較例により同期制御を行った場合の上軸104と下軸107との間に生じる偏差を示す線図である。縦軸は偏差を示し、横軸は時間を示す。
また、図5及び図6における着色部は、外乱が大きくなる針刺し区間を示している。
これらにより、本発明に係るモーター制御装置10では、第二の外乱オブザーバー12のオブザーバーゲインG2を比較例よりも高く設定した場合でも振動が発生せず、また、これにより、動作全体において生じる偏差を-3.42〜+2.43°(偏差幅5.85°)とし、針刺し時の偏差を+0.95〜+1.65°(偏差幅0.70°)とすることができる。
これに対して、比較例では、動作全体において生じる偏差を-3.25〜+3.77°(偏差幅7.02°)とし、針刺し時の偏差を+0.94〜+3.06°(偏差幅2.12°)となった。
これらから分かるように、本発明に係るモーター制御装置10は、動作全体に渡って偏差を低減することができ、特に、外乱の影響が大きくなる場合により効果的に偏差を低減することが可能である。
[電子部品実装装置への適用]
図7は電子部品実装装置200の斜視図である。図7において、水平面において互いに直交する二方向をそれぞれX軸方向とY軸方向とし、これらに直交する鉛直方向をZ軸方向というものとする。
電子部品実装装置200は、図示のように、各構成部材がその上面に載置される基台220と、基板PをX軸方向に沿って前工程から後工程に搬送する基板搬送手段230と、電子部品を供給する電子部品供給装置210と、複数の電子部品供給装置210が備えられる収納部240と、電子部品供給装置210により供給される電子部品を基板Pに搭載する搭載ヘッド260と、搭載ヘッド260をX、Y軸の各方向に移動するヘッド移動手段270と、電子部品の実装動作の制御を行う図示しない主制御装置とを有している。
基板搬送手段230は、図示しない搬送ベルトを備えており、その搬送ベルトにより基板PをX軸方向に沿って前工程側から後工程側へ搬送する。
また、基板搬送手段230は、搭載ヘッド260により電子部品を基板Pへ実装するため、所定の部品実装位置において基板Pの搬送を停止し、基板Pを支持することも行う。
フィーダ収納部240は、基台220上に設けられている。フィーダ収納部240は、電子部品供給装置210がその長手方向を基板Pの搬送方向と直交し、複数の電子部品供給装置210が並列するように着脱自在に備えられるようになっている(図7では電子部品供給装置210を一つのみ図示)。
搭載ヘッド260は、X軸ガイド部材273に備えられており、バキュームエアにより電子部品を吸着する吸着ノズルを有している。この吸着ノズルは、吸着保持する電子部品の大きさや形状に応じて交換できるように、着脱可能に備えられている。
ヘッド移動手段270は、搭載ヘッド260をX軸方向に移動するX軸移動手段271と、搭載ヘッド260をY軸方向に移動するY軸移動手段274と、により構成されている。
X軸移動手段271は、X軸方向に沿った状態でY軸移動手段274に支持された梁状のX軸ガイド部材272と、ベルト機構を介してX軸ガイド部材273に沿って搭載ヘッド260を搬送するX軸モーター273とを備えている。
Y軸移動手段274は、X軸ガイド部材272の一端部と他端部とをそれぞれ個別に支持する、Y軸方向に沿った梁状の第一及び第二のY軸ガイド部材275,276と、ベルト機構を介して第一のY軸ガイド部材275に沿ってX軸ガイド部材272を搬送する第一のY軸モーター277と、ベルト機構を介して第二のY軸ガイド部材276に沿ってX軸ガイド部材272を搬送する第二のY軸モーター278とを備えている。
上記構成の電子部品実装装置200では、X軸モーター273と第一及び第二のY軸モーター277,278のそれぞれの出力軸にロータリーエンコーダーが併設され、それぞれの軸角度を検出しつつ制御することにより、搭載ヘッド260をX軸方向及びY軸方向に沿って任意に位置決めすることができる。
従って、主制御装置は、X軸モーター273と第一及び第二のY軸モーター277,278を制御して、各電子部品供給装置210の電子部品受け取り位置と基板Pの実装目的位置とに搭載ヘッド260の吸着ノズルを自在に位置決めし、電子部品に実装動作を行っている。
そして、第一のY軸モーター277と第二のY軸モーター278は、X軸ガイド部材272の一端部と他端部とを搬送することから、これらの間での偏差が大きくなると、X軸ガイド部材272はX軸方向に対する平行度が確保できなくなり、電子部品の位置決め精度が低下を生じる。
一方で、搭載ヘッド260の移動によるX軸ガイド部材272の重心位置の変動や外乱の影響により、第一のY軸モーター277と第二のY軸モーター278との間で偏差が生じる場合がある。
そこで、電子部品実装装置200の主制御装置が、前述したミシン100のモーター制御装置10と同一のモーター制御装置を備え、第一のY軸モーター277及び第二のY軸モーター278に対して、前述した上モーター105及び下モーター109に対する同期制御と同じ同期制御を行う構成としている。
これにより、第一のY軸モーター277及び第二のY軸モーター278に対して同期制御を行う場合、二軸の偏差が0となるように制御しつつも、第一のY軸モーター277及び第二のY軸モーター278のそれぞれの駆動系について振動の発生を低減し、外乱の影響を収束し、ロバスト性の向上を図ることが可能となる。
従って、電子部品実装装置200は、精度良く電子部品の実装動作を行うことが可能となる。
[その他]
なお、上記モーター制御装置10では、速度制御としてP制御を行っているが、PI制御、PD制御、PID制御を行う構成としても良い。
また、本実施形態では、モーター制御装置10をミシン100や電子部品実装装置200に適用した場合を例示したが、二つのモーターを同期制御させる要請があるあらゆる機械、装置に適用することが可能である。
また、回転型モーターに限らず、リニアモーターの同期制御にも適用可能である。
10 モーター制御装置
11 第一の外乱オブザーバー
12 第二の外乱オブザーバー
100 ミシン
104 上軸
105 上モーター
107 下軸
109 下モーター
110,111 ロータリーエンコーダー
200 電子部品実装装置
277 第一のY軸モーター
278 第二のY軸モーター
G1,G2 オブザーバーゲイン
S 実空間
V 仮想空間
θ^・・ dis 推定加速度補償値
θ・・com ref 和動モード加速度参照値
θ・・dif cmd 差動モード加速度指令
θ・・dif ref 差動モード加速度参照値
θ・・ref m1 加速度参照値
θ・・ref m2 加速度参照値
θ・com cmd 和動モード速度指令
θ・dif cmd 差動モード速度指令
θ・dif m 速度偏差
θ m 速度応答値
θ m1 速度応答値
θ m2 速度応答値
θcom cmd 和動モード位置指令
θdif cmd 差動モード位置指令
θm 位置応答値
τ^dis 推定値
τ^dis1 推定値
τdis1 負荷トルク

Claims (3)

  1. 同期的に駆動する二つのモーターに対して、2次アダマール行列に基づいて和動モードと差動モードに分解する仮想モード制御を行なうモーター制御装置において、
    実空間において、前記二つのモーターの内の一方のモーターへの入力のみに対して外乱を抑えるための補償値を出力する第一の外乱オブザーバーと、
    仮想空間において、前記差動モードの指令値に対して外乱を抑えるための補償値を出力する第二の外乱オブザーバーを備え、前記和動モードの指令値に対する外乱オブザーバーは備えていないことを特徴とするモーター制御装置。
  2. 請求項1記載のモーター制御装置と、
    同期的に駆動する二つのモーターとを備え、
    前記モーター制御装置が前記二つのモーターに対して、2次アダマール行列に基づいて和動モードと差動モードに分解する前記仮想モード制御を行なうことを特徴とするミシン。
  3. 請求項1記載のモーター制御装置と、
    同期的に駆動する二つのモーターとを備え、
    前記モーター制御装置が前記二つのモーターに対して、2次アダマール行列に基づいて和動モードと差動モードに分解する前記仮想モード制御を行なうことを特徴とする電子部品実装装置。
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