JP7277265B2 - 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、移動指令に基づくトルク指令をモータに出力するトルク指令出力部と、モータにより駆動される機械装置で発生する振動と逆の位相の振動に対応する補償トルク指令を生成するトルク指令生成手段と、出力したトルク指令と生成した補償トルク指令とを加算する加算手段と、を備えた振動抑制装置が開示されている。
特許文献２には、機械構造物及び軸送り機構のうちの少なくとも一方に取付けた状態センサの出力信号に基づいて加速度を取得し、取得した加速度に予め定めた第１のゲインを乗じた加速度フィードバック信号を速度制御部から出力されるトルク指令から減算する、工作機械の送り軸の制御方法が開示されている。
特許文献３には、動作条件と残留振動の情報に基づいて、機械の残留振動の振幅値を位置決め実行前に予測し、予測結果に基づいて、機械の残留振動の抑制を考慮しない位置決め制御を行う第一のサーボ制御部と、機械の残留振動の抑制を考慮する第二のサーボ制御部と、を自動的に選択する位置決め制御装置が開示されている。
特許文献４には、サーボモータの駆動を制御する制御装置であって、被駆動体の加速度を検出する加速度検出手段を備え、加速度検出手段が検出する加速度検出値を使用して速度指令を補正することにより、電流制御処理周期よりも長い速度制御処理周期で補正処理を実行し、補正に要する処理時間を少なくした制御装置が開示されている。
特開２０１７－１３８８２１号公報 国際公開第２０１５／１３６６９６号 国際公開第２０１１／０３９９２９号 特開２００６－１５８０２６号公報
従来の振動抑制手法は、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抑制し易くなるため、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、制御対象の加速度を検出する加速度検出部と、検出した加速度に基づいて制御対象を駆動するモータの加速度を制御する加速度制御部と、を備え、加速度制御部はモータと制御対象との間で発生する振動成分を抽出する振動成分抽出フィルタを備え、振動成分抽出フィルタは制御対象の位置及び質量の少なくとも一方に応じてフィルタ特性周波数を変更し、
前記フィルタ特性周波数は、ねじり振動特性に基づき変更され、
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 0007277265000001
 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 0007277265000002
 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 0007277265000003
 モータ制御装置を提供する。
さらに、制御対象の加速度を検出する加速度検出部と、検出した前記加速度に基づいて前記制御対象を駆動するモータの加速度を制御する加速度制御部と、を備え、前記加速度制御部は前記モータと前記制御対象との間で発生する振動成分を抽出する振動成分抽出フィルタを備え、前記振動成分抽出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フィルタ特性周波数を変更し、
前記フィルタ特性周波数は、板バネ振動特性に基づき変更され、
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ｋ 2 、前記制御対象の質量Ｍ、及び前記制御対象の角周波数ω 2 に基づく次式によって記述されており、
Figure 0007277265000004
 前記バネ定数ｋ 2 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、ボールネジのヤング率Ｅに基づく次式によって記述されている、
Figure 0007277265000005
 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）に応じて振動成分抽出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モータ制御装置の構成図である。 他の実施形態における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。
図１は本実施形態におけるモータ制御装置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、モータ２の位置を検出する位置検出部１３と、生成した位置指令と検出したモータの位置とに基づいてモータ２を制御するサーボ制御部１２と、を備えている。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。位置検出部１３は、例えばエンコーダ、レゾルバ、ホールセンサ等のモータ直付けの回転変位センサを備えている。サーボ制御部１２は、モータ２の位置、速度、及びトルクのうちの少なくとも１つをフィードバック制御する。
本例のモータ制御装置１は、制御対象３の加速度を検出する加速度検出部１４と、検出した加速度に基づいてモータ２の加速度を制御する加速度制御部１１と、をさらに備えている。加速度検出部１４は、例えば圧電型、ピエゾ抵抗型、静電容量型の加速度センサを備えており、産業機械に取付けられる。加速度制御部１１は、微分器２０と、振動成分抽出フィルタ２１ａと、減算器２２と、加速度制御器２３と、加算器２４と、を備えている。加速度制御部１１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。
微分器２０は、位置指令部１０が生成した位置指令を二回微分して加速度指令を生成する。但し、微分器２０は、サーボ制御部１２が生成した速度指令を一回微分して加速度指令を生成してもよい。振動成分抽出フィルタ２１ａは、加速度検出部１４の後段に設けられた加速度フィードバックフィルタであり、加速度検出部１４が検出した加速度から振動成分を含む加速度を抽出する。減算器２２は、微分器２０が生成した加速度指令と振動成分抽出フィルタ２１ａが抽出した振動成分を含む加速度とを減算し、加速度偏差を生成する。加速度制御器２３は、この加速度偏差に基づいて比例制御（Ｐ）、積分制御（Ｉ）、及び微分制御（Ｄ）のうちの少なくとも一つの制御を行い、補正トルクを生成する。但し、加速度制御器２３は、補正トルクの代わりに、補正位置、補正速度等を生成し、サーボ制御部１２へ出力してもよい。加算器２４は、補正トルクとサーボ制御部１２が生成したトルク指令とを加算し、モータ２に出力する。但し、加算器２４は、補正位置と位置指令とを加算してもよいし、又は補正速度と速度指令とを加算してもよい。以上により、モータ制御装置１は制御対象３の振動を抑制したモータ制御を行う。
図２は他の実施形態におけるモータ制御装置１の構成を示している。本例の振動成分抽出フィルタ２１ｂは、加速度制御器２３の前段に設けられた加速度偏差フィルタであり、振動成分を含む加速度偏差を抽出する点で、前述の振動成分抽出フィルタ２１ａとは異なる。但し、振動成分抽出フィルタ２１ｂは、加速度制御器２３の後段に設けられた補正トルクフィルタでもよく、この場合、振動成分を含む補正トルクを抽出する。これにより、モータ制御装置１は制御対象３の振動を抑制したモータ制御を行う。
前述の振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂはいずれも、特定の周波数成分を通過させるフィルタ、例えばローパスフィルタ、バンドパスフィルタ等のうちの少なくとも１つを備えることが好ましい。振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂが複数のフィルタを備える場合、これらフィルタは直列配置でも並列配置でもよい。また、振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂにおけるフィルタ特性周波数ω0は、後述するように、制御対象３の振動周波数ω1、ω2に応じて変更される。フィルタ特性周波数ω0とは、例えばローパスフィルタにおけるカットオフ周波数、又はバンドパスフィルタにおける中心周波数もしくは上側カットオフ周波数及び下側カットオフ周波数等である。バンドパスフィルタは、半値幅を用いて特定の周波数帯を通過させてもよい。
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 0007277265000006
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Ｌ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 0007277265000007
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 0007277265000008
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 0007277265000009
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Ｌ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 0007277265000010
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。以上によれば、振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂにおけるフィルタ特性周波数ω0は、制御対象３の物理的な変化（即ち、制御対象３の位置Ｌ及び質量Ｍの少なくとも一方の変化）に基づいて変更することが好ましい。
図１及び図２を再び参照すると、制御対象３の位置Ｌは、破線矢印で示すように位置検出部１３で検出したモータ２の位置を振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂに入力してもよいし、又は位置指令部１０で生成した位置指令を振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂに入力してもよい。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、図１又は図２に示す振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂ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、振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂ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２から求め、求めた角周波数ω1に基づいてフィルタ特性周波数ω0を変更する。そして、振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂは、変更後のフィルタ特性周波数ω0に基づき、ねじり振動成分を含む加速度Ｆ（ａ）を抽出する。
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、図１又は図２に示す振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂを備えている。本例の振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂは、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ等を並列配置した少なくとも２つのフィルタ（以下、「ねじり振動特性フィルタ」、「板バネ振動特性フィルタ」と称する。）と、２つのフィルタで抽出した振動成分を含む加速度を加算する加算器と、を備えていることが好ましい。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。ねじり振動特性フィルタは、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２から求め、求めた角周波数ω1に基づいてフィルタ特性周波数ω0を変更する。そして、ねじり振動特性フィルタは、変更後のフィルタ特性周波数ω0に基づき、ねじり振動成分を含む加速度Ｆ1（ａ）を抽出する。
また、板バネ振動特性フィルタは、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５から求め、求めた角周波数ω2に基づいてフィルタ特性周波数ω0を変更する。そして、板バネ振動特性フィルタは、変更後のフィルタ特性周波数ω0に基づき、板バネ振動成分を含む加速度Ｆ2（ａ）を抽出する。加算器は、ねじり振動成分を含む加速度Ｆ1（ａ）と板バネ振動成分を含む加速度Ｆ2（ａ）とを加算する。これにより、振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂは、ねじり振動成分及び板バネ振動成分を含む加速度Ｆ（ａ）を抽出する。
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変化）に応じて振動成分抽出フィルタ２１ａ、２１ｂ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。
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 加速度制御部
１２ サーボ制御部
１３ 位置検出部
１４ 加速度検出部
２０ 微分器
２１ａ、２１ｂ 振動成分抽出フィルタ
２２ 減算器
２３ 加速度制御器
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. 制御対象の加速度を検出する加速度検出部と、
    検出した前記加速度に基づいて前記制御対象を駆動するモータの加速度を制御する加速度制御部と、
    を備え、
    前記加速度制御部は前記モータと前記制御対象との間で発生する振動成分を抽出する振動成分抽出フィルタを備え、
    前記振動成分抽出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フィルタ特性周波数を変更し、
    前記フィルタ特性周波数は、ねじり振動特性に基づき変更され、
    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 0007277265000011
     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 0007277265000012
     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 0007277265000013
     モータ制御装置。
  2. 制御対象の加速度を検出する加速度検出部と、
    検出した前記加速度に基づいて前記制御対象を駆動するモータの加速度を制御する加速度制御部と、
    を備え、
    前記加速度制御部は前記モータと前記制御対象との間で発生する振動成分を抽出する振動成分抽出フィルタを備え、
    前記振動成分抽出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フィルタ特性周波数を変更し、
    前記フィルタ特性周波数は、板バネ振動特性に基づき変更され、
    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ｋ 2 、前記制御対象の質量Ｍ、及び前記制御対象の角周波数ω 2 に基づく次式によって記述されており、
    Figure 0007277265000014
     前記バネ定数ｋ 2 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、ボールネジのヤング率Ｅに基づく次式によって記述されている、
    Figure 0007277265000015
     モータ制御装置。
  3. 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であるか、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または２に記載のモータ制御装置。
  4. 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から３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  5. 前記振動成分抽出フィルタはローパスフィルタ及びバンドパスフィルタの少なくとも一方であり、前記フィルタ特性周波数は、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数であるか、又は前記バンドパスフィルタの中心周波数もしくは上側カットオフ周波数及び下側カットオフ周波数である、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. 前記振動成分抽出フィルタは前記加速度検出部の後段に設けられたフィルタである、請求項１から５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  7. 前記加速度制御部は前記モータの加速度を制御する加速度制御器をさらに備え、前記振動成分抽出フィルタは前記加速度制御器の前段又は後段に設けられたフィルタである、請求項１から６のいずれか一項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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