JP7277260B2 - 振動を抑制するモータ制御装置及び産業機械 - Google Patents

振動を抑制するモータ制御装置及び産業機械 Download PDF

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Description

本発明は、モータ制御装置及び産業機械に関し、特に振動を抑制するモータ制御装置及び産業機械に関する。
低周波の振動、例えば１００Ｈｚ以下の周波数帯で振動を発生する工作機械を用いてワークを加工すると、振動に応じた縞目がワークに生じることが以前から問題視されてきた。斯かる低周波振動を抑制する技術としては、次の文献が公知である。
特許文献１には、モータの位置及び速度をフィードバック制御するセミクローズド制御系のモータ制御装置において、制御対象の固有振動数を検出し、検出した固有振動数の成分を除去する帯域阻止フィルタを備えたモータ制御装置が開示されている。
特許文献２には、機械の位置をフィードバック制御するフルクローズド制御系のモータ制御装置において、位置制御部がモータから機械までの伝達特性の逆特性を近似するフィルタを備えたモータ制御装置が開示されている。
特許文献３には、モータの速度をフィードバック制御するセミクローズド制御系のモータ制御装置において、速度制御部がモータから機械までの伝達特性の逆特性を近似するフィルタを備えたモータ制御装置が開示されている。
特開２００９－１５４４８号公報 特開２０１６－１６３３９７号公報 特開２０１９－９９５８号公報
機械の固有振動数を検出することによって特定の振動成分のみを除去する手法は、振動特性の変化に対する振動抑制機能の変更が遅くなり易く、また、狙った振動成分以外の成分も除去し易くなるため、モータ制御が不安定になることがある。
そこで、振動特性の変化に対して振動抑制機能をより早くより正確に適応させる技術が求められている。
本開示の一態様は、制御対象の位置指令を生成する位置指令部と、制御対象の位置又は制御対象を駆動するモータの位置を検出する位置検出部と、生成した位置指令と検出した制御対象の位置又はモータの位置とに基づいてモータの位置を制御する位置制御部と、を備え、位置指令部及び位置制御部の少なくとも一方がモータと制御対象との間で発生する振動特性の逆特性を近似する振動抑制フィルタを備え、振動抑制フィルタは前記制御対象の位置及び質量の少なくとも一方に応じて振動抑制周波数を変更しており、
前記振動抑制周波数は、ねじり振動特性及び板バネ振動特性の少なくとも一方に基づき変更されており、
前記ねじり振動特性は、前記制御対象の位置に応じて変化するバネ定数ｋ 1 、前記制御対象のイナーシャＪ L 、及び前記制御対象の角周波数ω 1 に基づく次式によって記述されており、
Figure 0007277260000001
 前記バネ定数ｋ 1 は、前記制御対象の位置と等価なボールネジの長さＬ、ボールネジの直径ｄ、ボールネジの横弾性係数Ｇに基づく次式によって記述されており、
Figure 0007277260000002
 前記イナーシャＪ L は、前記制御対象の質量Ｍ、前記ボールネジのピッチｐに基づく次式によって記述されている、
Figure 0007277260000003
 モータ制御装置を提供する。
本開示の他の態様は、モータと、モータによって駆動される自軸と、自軸によって移動可能な制御対象と、前述のモータ制御装置と、を備える産業機械を提供する。
本開示の別の態様は、モータと、モータによって駆動される自軸と、モータとは異なるモータによって駆動される他軸と、自軸及び他軸の少なくとも一方によって移動可能な制御対象と、前述のモータ制御装置と、を備える産業機械を提供する。
本開示の一態様によれば、制御対象の物理的な変化（即ち、制御対象の位置及び質量の少なくとも一方の変化）に応じて振動抑制フィルタを変更するため、振動特性の変化に対して振動抑制機能をより早くより正確に適応させることができる。
一実施形態におけるセミクローズド制御系のモータ制御装置の構成図である。 一実施形態におけるフルクローズド制御系のモータ制御装置の構成図である。 ボールねじのねじり振動特性を示す説明図である。 ボールねじのねじり振動特性を示す説明図である。 ボールねじの板バネ振動特性を示す説明図である。 モータによって駆動される自軸を備えた産業機械の構成図である。 モータとは異なるモータによって駆動される他軸も備えた産業機械の構成図である。
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。なお、本書では、「フィードフォワード」を「ＦＦ」と称し、「フィードバック」を「ＦＢ」と称する。
図１はセミクローズド制御系のモータ制御装置１の構成を示している。モータ制御装置１は、制御対象３の位置指令を生成する位置指令部１０と、生成した位置指令と検出したモータ２の位置とに基づいてモータ２の位置を制御する位置制御部１１と、モータ直付けの位置検出部１３と、を備えている。位置検出部１３は、例えばエンコーダ、レゾルバ、ホールセンサ等の回転変位センサを備える。制御対象３は、例えば工作機械、搬送機械といった産業機械のテーブル、主軸ヘッド、コンベア等を含む。
モータ制御装置１は速度制御及びトルク制御を行うサーボ制御部１２をさらに備えていてもよい。但し、位置制御部１１がサーボ制御部１２の機能を兼ね備えていてもよい。後者の場合、位置制御部１１がトルク指令をモータ２に直接出力することになる。また、位置指令部１０、位置制御部１１、及びサーボ制御部１２は、ＣＰＵ（central processing unit）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等のプロセッサを備えていてもよい。位置制御部１１は、振動抑制フィルタ２０ａと、位置ＦＦ制御器２１と、減算器２２と、位置ＦＢ制御器２３と、加算器２４と、を備えている。
振動抑制フィルタ２０ａは、モータ２と制御対象３との間で発生する振動特性の逆特性を近似するフィルタを備えている。モータ制御装置１はセミクローズド制御系であるため、振動抑制フィルタ２０ａは位置ＦＢループの外側（即ち、モータ２と制御対象３との間）で発生する振動特性を補償する。このため、振動抑制フィルタ２０ａは、位置ＦＢループの外側に設けられた、位置指令を補正する位置指令フィルタでよい。また、振動抑制フィルタ２０ａは、位置制御部１１に設けられるのではなく、位置指令部１０に設けられてもよい。
位置ＦＦ制御器２１は、位置指令を微分して第１速度指令を生成する。減算器２２は、位置指令と検出したモータの位置とを減算して位置偏差を生成する。位置ＦＢ制御器２３は、位置偏差に位置ＦＢゲインを乗算して第２速度指令を生成する。加算器２４は、第１速度指令と第２速度指令とを加算してモータ速度指令を生成する。
図２はフルクローズド制御系のモータ制御装置１の構成を示している。モータ制御装置１は、産業機械に取付けた位置検出部１３を備えている点で、前述のものとは異なる。位置検出部１３は、例えばひずみゲージ、レーザ変位センサ等の直線変位センサを備える。位置制御部１１は、位置指令部１０で生成した位置指令と検出した制御対象３の位置とに基づいてモータ２の位置を制御する。
モータ制御装置１はフルクローズド制御系であるため、振動抑制フィルタ２０ｂは位置ＦＢループの内側（特にモータ２と制御対象３との間）で発生する振動特性を補償する。このため、振動抑制フィルタ２０ｂは位置ＦＢループの内側に設けられた位置ＦＢフィルタでよい。振動抑制フィルタ２０ｂは、位置ＦＢ制御器２３の後段に設けられた、第２速度指令を補正する第２速度指令フィルタでよいが、加算器２４の直後に設けられた、モータ速度指令を補正するモータ速度指令フィルタでもよい。さらに、振動抑制フィルタ２０ｂは、位置ＦＢ制御器２３の前段に設けられた、位置偏差を補正する位置偏差フィルタでもよい。
振動抑制フィルタ２０ｂに加えて又はその代わりに、位置制御部１１は位置ＦＢループの外側に振動抑制フィルタ２０ｃを備えてもよい。振動抑制フィルタ２０ｃは、位置ＦＢループの外側に設けられた位置ＦＦフィルタでよい。振動抑制フィルタ２０ｃは、位置ＦＦ制御器２１の後段に設けられた、第１速度指令を補正する第１速度指令フィルタでよいが、位置ＦＦ制御器２１の前段に設けられた、位置指令を補正する位置指令フィルタでもよい。位置ＦＢループの外側に振動抑制フィルタ２０ｃを設けることにより、第１速度指令のうち振動を発生させる周波数成分を低減し、制御対象を振動なく移動させることができる。
前述の振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃは、次式に示すように、モータ２と制御対象３との間で発生する振動特性（式１）の逆特性（式２）を近似するフィルタＦ（ｓ）を備えている。これら式において、ω0は反共振周波数（即ち、振動抑制周波数）であり、ζは振動減衰係数であり、ｓはラプラス演算子である。
Figure 0007277260000004
Figure 0007277260000005
式２に示す振動抑制フィルタＦ（ｓ）では、分子多項式が重要であり、分母多項式は適当なローパスフィルタでもよい。ローパスフィルタとしては、１次ローパスフィルタ、２次ローパスフィルタ等を挙げることができる。１次ローパスフィルタは理想形であり、例えば次式のように記述できる。次式において、ωadjは特定の反共振周波数に対して調整可能なパラメータである。
Figure 0007277260000006
２次ローパスフィルタは実装形であり、例えば次式のように記述できる。２次ローパスフィルタは狙った振動成分のみを抑制するのに適している。
Figure 0007277260000007
これら振動抑制フィルタＦ（ｓ）における反共振周波数ω0（即ち、振動抑制周波数）は、制御対象３の物理的な変化（即ち、位置及び質量の少なくとも一方の変化）に応じて変化する。従って、本例の振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃでは、後述するように制御対象３の位置及び質量の少なくとも一方に応じて振動抑制周波数を変更することを特徴としている。
一般的に産業機械は、軸、歯車、ベルト、チェーン、カム、リンク等の動力伝達要素を介して制御対象３に動力を伝達する。従って、制御対象３の振動周波数は、動力伝達要素のねじり振動特性、板バネ振動特性、これら組み合せ等によって記述できる。
ねじり振動特性の一例として、ボールねじ３１のねじり振動特性を図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。この例では、テーブルである制御対象３がボールねじ３１上を移動し、ボールねじ３１が支持要素３２によって片持ちで支持され、ボールねじ３１がねじり振動Ｖ1を生じる場合を想定している。ボールねじ３１が、長さＬ、直径ｄ、及び横弾性係数Ｇを有し、その質量を無視できるとき、ボールねじ３１のバネ定数ｋ1は次式で記述される。
Figure 0007277260000008
この式から分かるように、バネ定数ｋ1は、制御対象３の位置と等価なボールねじの長さＬによって変化する。図３Ｂに示すように制御対象３の位置が変化し、バネ定数ｋ1が変化すると、制御対象３の角周波数ω1（即ち、振動周波数）も次式のように変化する。次式において、ＪLは制御対象３のイナーシャである。
Figure 0007277260000009
この式によれば、制御対象３の角周波数ω1は、制御対象３の質量Ｍと等価なイナーシャＪLに応じて変化することも分かる。制御対象３が、質量Ｍを有し、ピッチｐ［ｍ］のボールねじ３１で駆動される場合、制御対象３のイナーシャＪLは、次式によって制御対象３の質量Ｍに変換できる。
Figure 0007277260000010
また、板バネ振動特性の一例として、ボールねじ３１の板バネ振動特性について図４を参照して説明する。この例では、制御対象３がボールねじ３１の先端にあり、ボールねじ３１が支持要素３２によって片持ちで支持され、ボールねじ３１が板バネ振動Ｖ2を生じる場合を想定している。ボールねじ３１が、長さＬ、直径ｄ、及びヤング率Ｅを有し、その質量を無視できるとき、ボールねじ３１のバネ定数ｋ2は次式で記述される。
Figure 0007277260000011
この式から分かるように、バネ定数ｋ2は、制御対象３の位置と等価なボールねじ３１の長さＬによって変化する。制御対象３の位置が変化し、バネ定数ｋ2が変化すると、制御対象３の角周波数ω2（即ち、振動周波数）も次式のように変化する。次式において、Ｍは制御対象３の質量である。
Figure 0007277260000012
この式によれば、制御対象３の角周波数ω2は、制御対象３の質量Ｍに応じて変化することも分かる。
図１及び図２を再び参照すると、制御対象３の位置（即ち、ボールねじ長さＬ）は、破線矢印で示すように位置検出部１３から振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃへ入力してもよいし、又は位置指令部１０から振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃへ入力してもよい。他方、制御対象３の質量Ｍは、オペレータがモータ制御装置１に予め入力してもよいし、又はモータ２を微小に動作（例えば振動）させ、制御対象３もしくはモータ２のトルク及び加速度の関係から推定してもよい。
図５はモータ２によって駆動される自軸３１を備えた産業機械３０を示している。産業機械３０は、モータ２と、モータ２によって駆動される自軸３１と、自軸３１によって移動可能な制御対象３と、モータ２を制御するモータ制御装置１と、を備えている。モータ２は例えばサーボモータであり、自軸３１は例えばＸ軸方向を規定するＸ軸ボールねじであり、制御対象３は例えばテーブルである。自軸３１は、支持要素３２によって片持ちで支持されているが、両持ちで支持されてもよい。
モータ制御装置１は、フルクローズ制御系又はセミクローズド制御系に応じて、図１又は図２に示す振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃを備えている。自軸３１はねじり振動Ｖ1を生じ、ねじり振動特性はＸ軸方向における制御対象３の位置Ｌｘに応じて変化する。従って、振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃは、自軸３１における制御対象３の位置Ｌｘに基づいてねじり振動Ｖ1の角周波数ω1を式６から求め、求めた角周波数ω1に基づいてねじり振動特性の逆特性を近似するＦ（ｓ）の振動抑制周波数ω0を変更する。そして、振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃは変更後のＦ（ｓ）を出力する。
図６はモータ２とは異なるモータ４によって駆動される他軸３３も備えた産業機械３０を示している。産業機械３０は、モータ２と、自軸３１と、他軸３３と、自軸３１及び他軸３３の少なくとも一方によって移動可能な制御対象３と、モータ２及びモータ４を制御するモータ制御装置１と、を備えている。自軸３１は例えばＹ軸方向を規定するＹ軸ボールねじであり、他軸３３は例えばＺ軸方向を規定するＺ軸ボールねじであり、制御対象３は例えば主軸ヘッドである。自軸３１は、支持要素３２によって片手持ちで支持されているが、両持ちで支持されてもよく、他軸３３は片持ちで支持されている。
モータ制御装置１は、フルクローズ制御系又はセミクローズド制御系に応じて、図１又は図２に示す振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃを備えている。自軸３１はねじり振動Ｖ1を生じ、ねじり振動特性はＹ軸方向における制御対象３の位置Ｌｙに応じて変化する。他軸３３は板バネ振動Ｖ2を生じ、板バネ振動特性はＺ軸方向における制御対象３の位置Ｌｚに応じて変化する。振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃは、自軸３１における制御対象３の位置Ｌｙに応じてねじり振動Ｖ1の角周波数ω1を式６から求め、求めた角周波数ω1に基づいてねじり振動特性の逆特性を近似するＦ1（ｓ）の振動抑制周波数ω0を変更する。また、振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃは、他軸３３における制御対象３の位置Ｌｚに応じて板バネ振動Ｖ2の角周波数ω2を式９から求め、求めた角周波数ω2に基づいて板バネ振動特性の逆特性を近似するＦ2（ｓ）の振動抑制周波数ω0を変更する。そして、振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃは変更後のＦ1（ｓ）×Ｆ2（ｓ）を出力する。
前述した実施形態によれば、制御対象３の物理的な変化（即ち、制御対象の位置及び質量の少なくとも一方の変化）に応じて振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃを変更するため、振動特性の変化に対して振動抑制フィルタ２０ａ－２０ｃをより早くより正確に適応させることができる。
また、前述したプロセッサによって実行されるプログラムは、コンピュータ読取り可能な非一時的記録媒体、例えばＣＤ－ＲＯＭ等に記録して提供してもよい。
本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。
１ モータ制御装置
２ モータ
３ 制御対象
４ モータ
１０ 位置指令部
１１ 位置制御部
１２ サーボ制御部
１３ 位置検出部
２０ａ－２０ｃ 振動抑制フィルタ
２１ 位置ＦＦ制御器
２２ 減算器
２３ 位置ＦＢ制御器
２４ 加算器
３０ 産業機械
３１ ボールねじ（自軸）
３２ 支持要素
３３ 他軸
Ｖ1 ねじり振動
Ｖ2 板バネ振動
Ｌ ボールねじの長さ（制御対象の位置）
ｄ ボールねじの直径
Ｌｘ Ｘ軸ボールねじの長さ（制御対象の位置）
Ｌｙ Ｙ軸ボールねじの長さ（制御対象の位置）
Ｌｚ Ｚ軸ボールねじの長さ（制御対象の位置）

Claims (9)

  1. 制御対象の位置指令を生成する位置指令部と、
    前記制御対象の位置又は前記制御対象を駆動するモータの位置を検出する位置検出部と、
    生成した前記位置指令と検出した前記制御対象の位置又は前記モータの位置とに基づいて前記モータの位置を制御する位置制御部と、
    を備え、
    前記位置指令部及び前記位置制御部の少なくとも一方が前記モータと前記制御対象との間で発生する振動特性の逆特性を近似する振動抑制フィルタを備え、
    前記振動抑制フィルタは前記制御対象の位置及び質量の少なくとも一方に応じて振動抑制周波数を変更しており、
    前記振動抑制周波数は、ねじり振動特性及び板バネ振動特性の少なくとも一方に基づき変更されており、
    前記ねじり振動特性は、前記制御対象の位置に応じて変化するバネ定数ｋ 1 、前記制御対象のイナーシャＪ L 、及び前記制御対象の角周波数ω 1 に基づく次式によって記述されており、
    Figure 0007277260000013
     前記バネ定数ｋ 1 は、前記制御対象の位置と等価なボールネジの長さＬ、ボールネジの直径ｄ、ボールネジの横弾性係数Ｇに基づく次式によって記述されており、
    Figure 0007277260000014
     前記イナーシャＪ L は、前記制御対象の質量Ｍ、前記ボールネジのピッチｐに基づく次式によって記述されている、
    Figure 0007277260000015
     モータ制御装置。
  2. 前記制御対象の位置は、前記モータによって駆動される自軸における前記制御対象の位置、又は前記モータとは異なるモータによって駆動される他軸における前記制御対象の位置である、請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 前記制御対象の重量は、オペレータが予め入力するか、又は前記制御対象もしくは前記モータのトルク及び加速度の関係に基づき推定される、請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
  4. 前記板バネ振動特性は、前記制御対象の位置に応じて変化するバネ定数ｋ2、前記制御対象の質量Ｍ、及び前記制御対象の角周波数ω2に基づく次式によって記述される、請求項１に記載のモータ制御装置。
    Figure 0007277260000016
  5. 前記モータ制御装置はセミクローズド制御系であり、前記振動抑制フィルタは位置フィードバックループの外側に設けられた位置指令フィルタである、請求項１から４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  6. 前記モータ制御装置はフルクローズド制御系であり、前記振動抑制フィルタが位置フィードバックループの内側に設けられた位置フィードバックフィルタである、請求項１から４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  7. 前記モータ制御装置はフルクローズド制御系であり、前記振動抑制フィルタが位置フィードバックループの外側に設けられた位置フィードフォワードフィルタである、請求項６に記載のモータ制御装置。
  8. モータと、
    前記モータによって駆動される自軸と、
    前記自軸によって移動可能な制御対象と、
    請求項１から７のいずれか一項に記載のモータ制御装置と、
    を備える産業機械。
  9. モータと、
    前記モータによって駆動される自軸と、
    前記モータとは異なるモータによって駆動される他軸と、
    前記自軸及び前記他軸の少なくとも一方によって移動可能な制御対象と、
    請求項１から７のいずれか一項に記載のモータ制御装置と、
    を備える産業機械。
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