JP7132024B2

JP7132024B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP7132024B2
Application number: JP2018150739A
Authority: JP
Inventors: 毅田中; 勇治内田
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2038-08-09
Also published as: JP2020027366A

Description

本発明は、モータで機械を制御する制御装置に関する。

工作機械における、サーボモータで駆動される被駆動体の制御には、位置フィードバック制御や速度フィードバック制御が用いられており、被駆動体の位置と速度が位置指令と速度指令に追従するように制御している。

工作機械における、サーボモータで駆動される被駆動体と、工具などが取り付けられる機械先端点の動作は基本的に一致する。そのため、サーボモータに取り付けられたエンコーダにより検出されるモータ位置、速度が指令値と一致するように制御することで、機械先端点が指令に追従した動作を実現できる。

しかし、モータと機械先端点の間の機械剛性が低い場合や、高加速度による加工動作の場合などにおいては、モータには見られない共振周波数における機械共振が、機械先端点のみで発生するといった、モータと機械先端点の動作が一致しないことがある。

上記課題を解決するため、下記特許文献１記載の制御システムでは、機械先端点の加速度信号を加速度センサにより検出し、積分処理してフィードバックする加速度フィードバック制御が用いられている。しかし、この技術では、加速度センサにより検出される機械先端点加速度信号を積分処理する際に、信号に含まれるＤＣオフセット量を積算してしまうことから演算結果に誤差が生じてしまう。

また、下記特許文献２記載の制御システムでは、加工動作に先立ち、正弦波指令値を制御対象に入力することで、制御対象の周波数特性を取得し、その逆特性を伝達関数表現したフィルタに指令値を入力することで、工具等の機械先端点の軌跡制御の指令信号を生成している。しかし、この技術は、加工動作の前に、正弦波指令値を制御対象に入力して、制御対象の周波数特性を取得する必要がある、経年変化などの制御対象の特性変動に対応できないという課題もある。

さらに、下記特許文献３記載の制御システムでは、実機を伝達関数でモデル化し、実際の出力とモデルの出力を比較して、モデルのパラメータを最小二乗法により同定して、同定したパラメータと伝達関数モデルを用いたフィードフォワード制御により、位置決め精度の向上を図っている。しかし、この技術では、モデル次数により同定するパラメータ数が決まる。そのため、モデル次数が高いと、パラメータ数が増え、処理演算量も増加するが、実機とよく一致したモデルが得られる。一方、モデル次数が低いと、パラメータ数は減り、処理演算量も減少するが、モデルと実機が一致せず、加工精度の向上が見込めない。そのため、モデル次数を決める際には、処理演算量と加工精度のトレードオフを考慮する必要があるため、モデル次数決定が容易でないという課題がある。

特許第５６４８８７０号特開２０１０－１８６４６１号公報特開２００３－２７２３２８号公報

本発明は、機械の制御に用いる機械モデルの最適化と演算処理量低減とを両立させる新たな手法を開発することを目的とする。

本発明のモータ制御装置は、位置指令に応じてモータを駆動させて機械の制御対象部位を制御する制御部と、前記制御対象部位の加速度を検出する加速度検出部と、前記位置指令が与えられた場合における前記制御対象部位までの伝達関数で表現した機械モデルと、前記加速度検出部で検出される前記制御対象部位の加速度を周波数分析する制御対象周波数解析部と、前記位置指令が与えられた場合に前記機械モデルにより得られる前記制御対象部位の加速度を周波数分析する機械モデル周波数解析部と、前記２つの周波数解析部による周波数解析結果に基づいて、前記機械モデルのパラメータを更新して最適化し、さらに、前記機械モデルのパラメータの更新に対応して前記制御部のパラメータを更新するパラメータ更新部と、を備え、前記制御部は、前記機械モデルのパラメータに基づいて前記制御対象部位を制御しており、前記制御対象周波数解析部は、前記制御対象部位の加速度を入力し、ＦＦＴ演算を行ってパワースペクトルを算出し、算出されたパワースペクトルからピーク周波数とピーク周波数における振幅を抽出し、前記機械モデル周波数解析部は、前記機械モデルによる前記制御対象部位の加速度を入力し、ＦＦＴ演算を行ってパワースペクトルを算出し、算出されたパワースペクトルからピーク周波数とピーク周波数における振幅を抽出し、前記パラメータ更新部は、前記２つの周波数解析部から得られたピーク周波数及びピーク周波数における振幅を比較して、前記機械モデルと前記制御対象部位の共振周波数の誤差及び振幅のゲインの誤差が小さくなるように、前記機械モデル及び前記制御部のパラメータを更新する、ことを特徴とする。

本発明によれば、機械モデルの最適化を少ない演算量で実施することができ、機械の制御の高精度化と迅速な制御とを両立させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態の位置決め装置の制御装置ブロック図である。本発明の第１の実施形態における制御装置の詳細ブロック図である。本発明の第１の実施形態における機械モデル最適化手順のフローチャート図である。本発明の第２の実施形態の位置決め装置の制御装置ブロック図である。

以下に、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施形態の位置決め装置の制御装置のブロック図を図１に示した。図１に示すように、本実施形態では、被加工物と加工する工具などが取り付けられる機械先端点６に加速度検出部７と、モータ４に位置検出部５を設置し、位置検出部５により検出される位置信号に基づいて、機械先端点６である工具先などのずれを補正し、指令に追従させる制御をするものである。

図１のモータ制御装置の制御対象８において、被駆動体を駆動するモータ４には、モータ回転数から被駆動体の移動量を検出する位置検出部５が取り付けられており、機械先端点６には、機械先端点６の加速度を検出する加速度検出部７が取り付けられている。位置検出部５にはエンコーダ、加速度検出部７には、加速度センサがそれぞれ用いられる。

図１のモータ制御装置は、位置制御部１と速度制御部２を含む制御部を備え、モータの位置、速度を制御することで、モータ４と機械先端点６の制御を行う制御装置である。また、制御入力τから機械先端点加速度α_Ｌまでを伝達関数で表現する機械モデル９を備え、加速度検出部７により検出される機械先端点加速度α_ＬをＦＦＴ演算し、パワースペクトルを算出し、ピーク周波数と振幅を抽出する制御対象周波数解析部１０と、機械モデル９に位置指令Ｐｒを入力することで生成される機械モデル出力ｙ_ｍをＦＦＴ演算し、パワースペクトルを算出し、ピーク周波数と振幅を抽出する機械モデル周波数解析部１１と、制御対象周波数解析部１０と機械モデル周波数解析部１１により抽出されるピーク周波数と振幅から変化率を算出し、機械モデル９の共振周波数とゲインを条件に応じて更新し、機械モデル及び制御部に反映させるパラメータ更新部１６とを備えている。

一般的に用いられるモータ位置決め装置は、モータと負荷を弾性軸で結合した２慣性系として扱うことができる。そこで、図１中の制御対象８は、図２に示すブロック図で表現できる。図２において、Jは慣性モーメント、θは回転角度、τは制御入力、Ｋ_ｓはばね係数、Ｋ_ｔはトルク定数、Ｄは粘性係数、添字Ｍはモータ、Ｌは負荷（機械先端点）を示す。

図１の本発明の第１の実施形態のモータ制御装置において、第１加減算部１２は、位置指令Ｐｒから、位置検出部５により検出されるモータ位置θ_Ｍを減算して偏差を算出する。この偏差に位置制御部１の伝達関数Ｃｐ（ｓ）を乗算して速度指令Ｖｒを算出し、第２加減算部１３に出力する。

第２加減算部１３は、位置制御部１から入力された速度指令Ｖｒから、位置検出部５より検出されるモータ位置θ_Ｍを速度計算部３の微分器にて微分処理することで得られるモータ速度ω_Ｍを減算して偏差を算出する。この偏差に速度制御部２の伝達関数Ｃｖ（ｓ）を乗算して制御入力τを算出し、制御対象８に出力する。

本発明の第１の実施形態において、図２の制御対象８の詳細ブロック図より、制御入力τから機械先端点位置θ_Ｌまでの伝達関数は式（１）、制御入力τからモータ位置θ_Ｍまでの伝達関数は式（２）、モータ位置θ_Ｍから機械先端点位置θ_Ｌまでの伝達関数は式（３）で表現できる。

ここで、２慣性系の慣性比をＲ、反共振角周波数をω_ａ、共振角周波数をω_ｂとすると、それぞれ次式で表現できる。

式（１）、式（２）をＲ、ω_ａ、ω_ｂを用いて表現すると式（７）、式（８）になる。

制御対象８の共振角周波数ω_ｂは共振周波数ｆ_ｂを用いて、ω_ｂ＝２π・ｆ_ｂと表現することができるため、反共振角周波数ω_ａは式（９）で表現できる。

本発明の第１の実施形態において、機械モデル９は、制御入力τから機械先端点加速度α_Ｌまでの伝達関数Ｇ_ｆ（ｓ）は、式（７）より式（１０）で定義できる。

式（１０）の機械モデル９の各パラメータの初期値はあらかじめ設定しておくものとする。なお、今回は制御入力τから機械先端点加速度α_Ｌまでの機械モデル９を、２慣性系をベースにした式（１０）で定義しているが、３慣性系以上の多慣性系をベースにした機械モデルで定義してもよい。

次に、式（１０）で定義した機械モデル９の最適化手法を示す。機械モデルパラメータの最適化手順のフローチャートを図３に示す。機械先端点６に取り付けた加速度検出部７から検出される機械先端点加速度α_Ｌを、制御対象周波数解析部１０に入力することでＦＦＴ演算して、機械先端点加速度α_Ｌのパワースペクトルを算出する。算出したパワースペクトルから、振幅が最大となる周波数（ピーク周波数）ｆ_ｐとその時の振幅Ａ_ｐを抽出する。同様に、式（１０）で定義される機械モデル９に位置指令Ｐｒを入力して生成される機械モデル出力ｙ_ｍを、機械モデル周波数解析部１１に入力することでＦＦＴ演算して、機械モデル出力ｙ_ｍのパワースペクトルを算出する。算出したパワースペクトルから、ピーク周波数ｆ_ｍとその時の振幅Ａ_ｍを抽出する。

パラメータ更新部１６にて、第１除算部１４では、機械先端点加速度α_Ｌから抽出されるピーク周波数ｆ_ｐを機械モデル出力ｙ_ｍから抽出されるピーク周波数ｆ_ｍで除算し、共振周波数変化率Δｆ_ｐｍを算出する。共振周波数変化率Δｆ_ｐｍが設定した基準値ｆ_ｓより変化率が大きい場合、式（１１）、式（１２）に示すように機械モデル９の共振角周波数ω_ｂ、反共振角周波数ω_ａを更新する。共振周波数変化率Δｆ_ｐｍが基準値ｆ_ｓより小さい場合、機械モデル９に反映させない。

ここで、ω_ａ’、ω_ｂ’、ｆ_ｂ’はそれぞれパラメータ更新後の反共振角周波数、共振角周波数、共振周波数である。

第２除算部１５では、機械先端点加速度α_Ｌから抽出されるピーク振幅Ａ_ｐを機械モデル出力ｙ_ｍから抽出されるピーク振幅Ａ_ｍで除算し、振幅変化率ΔＡ_ｐｍを算出する。振幅変化率ΔＡ_ｐｍが設定した基準値Ａ_ｓより変化率が大きい場合、式（１３）に示すように機械モデル９に反映させる。振幅変化率ΔＡ_ｐｍが基準値Ａ_ｓより小さい場合、機械モデル９に反映させない。

共振周波数変化率Δｆ_ｐｍと振幅変化率ΔＡ_ｐｍが基準値ｆ_ｓ、Ａ_ｓ以下になるまで最適化手順を繰り返す。

さらに、パラメータ更新部１６では、機械モデル９のパラメータ更新に対応して、制御部（位置制御部１、速度制御部２）のパラメータの更新を行う。これにより、最適化された機械モデル９に対応した制御が行われることになる。

本発明の第１の実施形態の位置決め装置では、機械先端点加速度α_Ｌと機械モデル出力ｙ_ｍを周波数解析し、制御対象８と機械モデル９の共振周波数とゲインの誤差が小さくなるように機械モデル９のパラメータを更新していくことで、機械モデル９の共振周波数とゲインを最適化することができる。なお、第１の実施形態では、機械モデル９を、図２に示したように制御入力τから機械先端点までの伝達関数で表現した。しかし、機械モデルは、位置指令に応じた機械先端点の振る舞いが表現されていればよく、例えば位置指令Ｐｒから機械先端点までを伝達関数を用いて表現するようにしてもよい。

続いて、本発明の第２の実施形態の位置決め装置の制御装置のブロック図を図４に示す。本発明の第１の実施形態との違いは、フィードフォワード制御部にある。すなわち、図１の位置決め装置において、新たにフィードフォワード制御部を制御部に追加し、フィードフォワード制御を行っている。図４において、第１の実施形態と同様の方法で、制御対象８と機械モデル９の共振周波数とゲインの誤差が小さくなるように、機械モデル９の共振周波数とゲインの最適化を行う。最適化した機械モデル９を基に設計されるフィードフォワード制御部１８、１９、２０を用いたフィードフォワード制御を行う。

図４の位置決め制御系における、位置指令Ｐｒから機械先端点位置θ_Ｌまでの伝達関数を式（１４）に示す。

式（１４）において、Ｇ_ｆ１（ｓ）は第１フィードフォワード制御部１８、Ｇ_ｆ２（ｓ）は第２フィードフォワード制御部１９、Ｇ_ｆ３（ｓ）は第３フィードフォワード制御部２０の伝達関数、Ｇ_Ｍ（ｓ）は制御入力τからモータ位置θ_Ｍ、Ｇ_Ｌ（ｓ）はモータ位置θ_Ｍから機械先端点位置θ_Ｌ、Ｇ_ＭＬ（ｓ）は制御入力τから機械先端点位置θ_Ｌまでの伝達関数を表す。

式（１４）において、３つのフィードフォワード制御部の伝達関数を次式のように設計すると、位置指令Ｐｒから機械先端点位置θ_Ｌまでの伝達特性が１となり、位置指令Ｐｒと機械先端点位置θ_Ｌが一致する制御が可能となる。

式（１５）、式（１６）、式（１７）は、制御対象８を２慣性系として扱う時の伝達関数である式（３）、式（７）を使用し、式中の共振周波数とゲインは最適化した値を用いることで、精度の高いフィードフォワード制御を行うことができる。

本発明の第２の実施形態の位置決め装置では最適化したパラメータを適用したフィードフォワード制御器を用いたフィードフォワード制御を行うことで、位置指令と機械先端点位置を追従させる制御を行うことができる。

本発明の第１及び第２の実施形態において、加速度センサにより機械先端点の加速度を検出し、ＦＦＴ演算することで、機械モデルの共振周波数とゲインを最適化することができ、最適化されたパラメータを用いて機械先端点を指令通りに動作させることが可能となる。特に、最適化されたパラメータを用いたフィードフォワード制御を行うことで、機械先端点の制御精度を向上させることが期待できる。これらの実施形態では、経年変化や個体ばらつき等により、制御対象の特性が変化した場合でも、機械モデルのパラメータを最適化し、それを反映させたフィードフォワード制御によるロバストな位置決め制御が実現できる。

以上の説明においては、伝達関数は、実施形態に限定されるものではなく、例えば減衰定数などの他のパラメータを用いる伝達関数によって機械モデルを構築し、そのパラメータの最適化を行うことも可能である。

また、上記説明では、被加工物の加工を行う工作機械の機械先端点の制御を例に挙げて説明を行った。しかし、本発明は、モータ制御を行う機械全般に適用可能である。例えば、モータの位置そのものや、モータによって動く他の部位を制御対象として、制御を行うことができる。

１位置制御部、２速度制御部、３速度計算部（微分器）、４モータ、５位置検出部、６機械先端点、７加速度検出部、８制御対象、９機械モデル、１０制御対象周波数解析部、１１機械モデル周波数解析部、１２第１加減算部、１３第２加減算部、１４第１除算部、１５第２除算部、１６パラメータ更新部、１７第３加減算部、１８第１フィードフォワード制御部、１９第２フィードフォワード制御部、２０第３フィードフォワード制御部。

Claims

位置指令に応じてモータを駆動させて機械の制御対象部位を制御する制御部と、
前記制御対象部位の加速度を検出する加速度検出部と、
前記位置指令が与えられた場合における前記制御対象部位までの伝達関数で表現した機械モデルと、
前記加速度検出部で検出される前記制御対象部位の加速度を周波数分析する制御対象周波数解析部と、
前記位置指令が与えられた場合に前記機械モデルにより得られる前記制御対象部位の加速度を周波数分析する機械モデル周波数解析部と、
前記２つの周波数解析部による周波数解析結果に基づいて、前記機械モデルのパラメータを更新して最適化し、さらに、前記機械モデルのパラメータの更新に対応して前記制御部のパラメータを更新するパラメータ更新部と、
を備え、
前記制御部は、前記機械モデルのパラメータに基づいて前記制御対象部位を制御しており、
前記制御対象周波数解析部は、前記制御対象部位の加速度を入力し、ＦＦＴ演算を行ってパワースペクトルを算出し、算出されたパワースペクトルからピーク周波数とピーク周波数における振幅を抽出し、
前記機械モデル周波数解析部は、前記機械モデルによる前記制御対象部位の加速度を入力し、ＦＦＴ演算を行ってパワースペクトルを算出し、算出されたパワースペクトルからピーク周波数とピーク周波数における振幅を抽出し、
前記パラメータ更新部は、前記２つの周波数解析部から得られたピーク周波数及びピーク周波数における振幅を比較して、前記機械モデルと前記制御対象部位の共振周波数の誤差及び振幅のゲインの誤差が小さくなるように、前記機械モデル及び前記制御部のパラメータを更新する、ことを特徴とするモータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記制御部は、前記機械モデルのパラメータに基づいてフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部を含み、
前記パラメータ更新部は、前記フィードフォワード制御部のパラメータを更新する、ことを特徴とするモータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記制御部が制御する前記制御対象部位は、前記機械の先端であり、
前記加速度検出部は、前記機械の前記先端の加速度を検出する、ことを特徴とするモータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記機械モデルにおける前記伝達関数は、制御対象を２慣性系として扱うことで表現されている、ことを特徴とするモータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記パラメータ更新部は、前記２つの周波数解析部により抽出される前記機械の加速度と前記機械モデルによる加速度について、ピーク周波数の変化率とピーク周波数における振幅の変化率を算出し、算出されたピーク周波数の変化率があらかじめ設定された第１基準値より大きい場合と、算出された振幅の変化率があらかじめ設定された第２基準値より大きい場合に、前記機械モデル及び前記制御部のパラメータを更新する、ことを特徴とするモータ制御装置。