JPH03263208A - サーボモータ制御装置 - Google Patents

サーボモータ制御装置

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JPH03263208A
JPH03263208A JP2063598A JP6359890A JPH03263208A JP H03263208 A JPH03263208 A JP H03263208A JP 2063598 A JP2063598 A JP 2063598A JP 6359890 A JP6359890 A JP 6359890A JP H03263208 A JPH03263208 A JP H03263208A
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coordinate axes
servo motor
gain
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Yoshihiro Niimi
新見　嘉浩
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Brother Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、複数のサーボモータの駆動を制御して機械座
標系の任意の位置に移動体を移動させるサーボモータ制
御装置に関する。
［従来の技術］ 従来より、複数のサーボモータを駆動制御して、加工工
具やテーブルなどの移動体をＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の夫々の
方向へ駆動することで、機械系座標の任意の位置へ移動
体を移動させる工作機械が知られている。
この種の工作機械では、移動体を目標軌跡に沿って正確
に移動させるために、目標軌跡について所定の補間を行
うことにより座標軸の夫々について最小時間単位毎の目
標位置を設定する補間部と、移動体の目標位置と現在位
置との偏差に基づき各座標？ｊ！ｌｌ同一の位置制御ゲ
インでサーボモータの回転速度を夫々制御し、て移動体
を岡標位置へ移動させる各座標軸の位置制御部とを備え
たサーボモータ制御装置を設けている。１ ［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記装置には、補間部から各座標軸の位置制御
部へ時分割で目標位置を伝達することに伴って起こるタ
イムラグや各位置制御部夫々の固有の応答遅れがあり、
位置制御ゲインを各軸同一（＝設定すると、移動体を目
標位置に正確に移動させることができないＪ−いった問
題がある。
そこで、本発明は目標軌跡に沿って正確に移動体を移動
させることができるサーボモータ制御装置を提供するこ
とを目的と］７てなされた。
［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨とするところ（戴 複数のサーボモータの駆動１制御して機械座標系の任意
の位置に移動体を移動させるサーボモータ制御装置であ
って、機械座標系をなす座標軸の夫々について、移動体
の現在位置を検出する位置検出手段と、外部からの移動
指令に基づき所定の補間を行って、座標軸の夫々につい
て、目標位置を設定する補間手段と、座標軸の夫々につ
いて位置検出手段により検出された移動体の現在位置と
補間手段によって設定された目標位置との偏差に基づき
、座標軸の夫々について設定された所定の制御ゲインで
各サーボモータの回転量を制御する回転量制御手段と、
回転量制御手段による座標軸夫々の制御の応答遅れに基
づいて、座標軸の夫々二ついて設定された各制御ゲイン
を変更する制御ゲイン変更手段とを備えたことを特徴と
するサーボモータ制御装置にある。
［作用］ 以上の本発明の構成（二よれＩ！。
外部から移動が指令されると、補間手段がその移動指令
Ｉ：基づき所定の補間を行って、座標軸の夫々について
、目標位置を設定する。すると、回転量制御手段が、そ
の目標位置と位置検出手段により検出された座標軸の夫
々についての移動体の現在位置との偏差に基づき、座標
軸の夫々について設定された所定の制御ゲインで各サー
ボモータの回転量を制御する。その際、回転量制御手段
による座標軸夫々の制御に応答遅れがあると、その応答
遅れに基づいて、制御ゲイン変更手段が、座標軸の夫々
について設定された各制御ゲインを変更する。そして、
変更された制御ゲインで、回転量制御手段が各サーボモ
ータの回転量を制御する。
つまり、応答遅れのない座標軸については所定の制御ゲ
インそのままで、応答遅れのある座標軸については制御
ゲインを変更することで、夫々のサーボモータの回転量
を制御し移動体を目標位置へ移動させる。
［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。
まず、第１図は本発明を適用したサーボモータ制御装置
の構成図である。
サーボモータ制御装置１は、工作機械（図示路）の一部
を構成し、３個のサーボモータＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを駆動
制御して、加工工具（図示路）を×軸・Ｙ軸・Ｚ軸から
なる機械座標系の任意の位置へ移動させるものである。
工作機械において（ｉ　各サーボモータＭｘ−Ｍｚの回
転によって各座標軸方向へ加工工具が移動し、サーボモ
ータＭｘ−Ｍ２の回転量と各座標軸での加工工具の移動
量が対応するように、機械的伝達機構（図示路）が構成
されている。
図に示すように、サーボモータ制御装置１は、上位指令
装置（図示Ｗ＆）から指令された移動軌跡に沿って加工
工具を移動させるための目標位置を各座標について算出
する補間部３と、補間部３の算出結果に基づいてパルス
列信号を各座標軸に出力する分配部５と、各座標軸毎に
設けられ、分配部５からのパルス列信号と帰還パルス（
後述する）とに基づいてサーボモータＭ×〜Ｍｚの回転
速度を制御する回転速度制御部７ｘ、７ｙ、７ｚと、回
転速度制御部７ｘ〜７ｚ夫々の位置ループゲインを設定
するゲイン設定部９と、回転速度制御部７Ｘ〜７ｚの回
転速度制御に基づいて回転速度指令を出力する速度指令
部１１と、速度指令部］１の速度指令とサーボモータＭ
ｘ−Ｍｚの実回転速度とに基づいてサーボモータＭｘ−
Ｍｚを駆動制御する駆動部１３ｘ、１３ｙ、１３ｚを主
要部として構成されている。
尚、本実施例では、回転速度制御部７×〜７ｚ、速度指
令部１１及び駆動部１３×〜１３ｚが回転量制御手段に
相当し、ゲイン設定部９が制御ゲイン変更手段に相当す
る。
補間部３は、周知のＣＰＵ３ａ、ＲＯＭ３ｂ、ＲＡＭ３
ｃ、バックアップＲＡＭ３ｄ及び入出力ポート３ｅを中
心に論理演算回路として構成さ札上位指令装置から、加
工工具を直線或は円弧運動させるための移動指令が入力
されると、その指令された移動の軌跡に応じて、直線補
間或は円弧補間のためのデータを求める演算処理を実行
して、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の夫々について所定の最小時間
単位毎の目標位置と移動量を算出する。更に、移動軌跡
に沿って加工工具を移動させる過程で、サーボモータＭ
’ｘ−Ｍｚを所定の加減速時定数でスローアップ・スロ
ーダウン運転するために、予めＲＯＭ３ｂに格納された
速度データテーブルから各軸の速度データを求める処理
を実行する。そして、算出した目標位置データ及び速度
データを分配部５へ出力する。
又補間部３は、起動時に、初期化のための処理の一環と
して、各座標軸の応答遅れ時間のデータ（後述する）を
、ゲイン設定部９へ出力する。
応答遅れ時間のデータは、予め、工作機械のデータ入力
装置（図示路）から入力されおり、バックアップＲＡＭ
３０ｄの所定領域に記憶されている。
尚、直線補間或は円弧補間のための演算処理や速度デー
タを求める処理は周知であるので、詳細は省略する。
分配部５は、クロックパルス発生器、カウンタ、ゲート
（いずれも図示路）などからなるパルス分配器５ｘ、５
ｙ、５ｚで構成さ札補間部３から目標位置データ及び速
度データが入力されると、それらデータに応じた数のパ
ルス（以下、分配パルスという）Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚを、
回転速度制御部７ｘ〜７ｚへ夫々出力する。
回転速度制御部７×〜７ｚは、分配部５から入力された
分配パルスＰｘ−Ｐｚに基づいて、サーボモータＭ×〜
Ｍｚの回転速度を制御するもので、速度指令部１１及び
駆動部１３ｘ〜１３ｚと共に、目標位置に加工工具を定
位させるようにサーボモータＭ×〜Ｍｚを制御する閉ル
ープの制御系を形成している。
即ち、回転速度制御部７ｘ〜７ｚでは、比較器２０ｘ、
２０ｙ、２０ｚが、サーボモータＭｘ〜Ｍｚに取り付け
られたシャフトエンコーダＥから入力された回転角検出
パルス（以下、帰還パルスという）ＰｘＦＢ、ＰｙＦＢ
、ＰｚＦＢと分配パルスＰ×〜Ｐｚとの偏差を検出して
偏差分のパルスを積分器２２ｘ、２２Ｙ、２２ｚに出力
する。積分器２２ｘ〜２２ｚでは、その偏差分パルスを
、これまでの累積骨に加えることで、溜りパルスεＸ、
εｙ、ε２を算出して乗算器２４×、２４Ｙ、２４ｚへ
出力する。乗算器２４ｘ〜２４　ｚ　Ｉ＆　溜りパルス
εＸ〜ε２に、ゲイン設定部９から入力されたゲインデ
ータ（後述する）に基づいて設定した位置ループゲイン
Ｋｐｘ、　　Ｋｐｙ、　　Ｋｐｚを乗することで、サー
ボモータＭ×〜Ｍｚの回転速度を決定し、回転指令信号
（ディジタル信号）として速度指令部１１へ出力する。
尚、本実施例ではシャフトエンコーダＥが位置検出手段
に相当する。
ゲイン設定部９は、論理素子やカウンタなどで構成され
たアドレスインターフェイス３０及びデータＲＯＭ３２
からなり、データＲＯＭ３２の所定領域には、位置指令
に対する各座標軸間の制御系の応答の遅れ時間（例えば
、後述のマルチプレクサ４０の時分割のシーケンスに伴
う遅れ時間）に応じて予め設定された位置ループゲイン
のデータ群が、各座標軸毎に、テーブルとして記憶され
ている。補間部３から、各座標軸の遅れ時間のデータが
入力されると、アドレスインターフェイス３０は、上記
テーブルの所定アドレスを指定してそこに格納されてい
る遅れ時間に対応する位置ループゲインのデータをデー
タＲＯＭ３２から乗算器２４×〜２４ｚへ出力する。遅
れ時間がない座標軸については、所定の基本制御ゲイン
ＫｐＯのデ−夕を出力する。
速度指令部１１１よマルチプレクサ４０と、Ｄ／Ａコン
バータ（以下、Ｄ／ＡＣという）４２と、各座標軸毎に
設けられたサンプルホールド回路（以下、Ｓ／Ｈ回路と
いう）４４ｘ、４４ｙ、４４２とから構成さね回転速度
制御部７ｘ〜７ｚから入力された回転指令信号を、サー
ボモータＭｘ〜Ｍｚの回転速度の指令信号に変換して駆
動部１３ｘ〜１３ｚへ出力する。
即ち、速度指令部１］においては、マルチプレクサ４０
が、予め定められた時分割のシーケンスで（例えＥ　　
Δｔの間隔、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の順で）、回転速度制御
部７ｘ〜７ｚの一つとＤ／ＡＣ３４とを接続すると共に
当該座標軸のＳ／Ｈ回路３４ｘ〜３４ｚにラッチ指令を
出力する。すると、Ｄ／ＡＣ３４が回転指令信号（ディ
ジタル）を電圧信号（アナログ）に変換し速度指令とし
て出力する。そして、当該Ｓ／口回路３４ｘ〜３４２が
、電圧信号をそのまま保持して速度指令信号として当該
座標軸の駆動部１３ｘ〜１３ｚへ出力する。従って、位
置指令に対して速度指令信号が、Ｙ軸についてはΔｔだ
け遅れてＺ軸については２×Δｔだけ遅れて、駆動部１
３Ｙ、１３ｚへ夫々出力されるので、Ｙ軸の制御系には
Δｔの時間遅れが、Ｚ軸の制御系には２×Δｔの時間遅
れが、夫々起こる。
駆動部１３ｘ〜１３ｚは、周知のパルス幅変調回路（Ｐ
ＷＭ回路）や通電回路で構成され、サーボモータＭｘ＝
Ｍｙに取り付けられたタコジェネレータＴＧにより検出
されたサーボモータＭ×〜Ｍｙの実回転速度と速度指令
との偏差に応じて通電電流を増減制御することで、回転
速度を指令速度に制御する。尚、駆動部１３×〜１３ｙ
はサーボモータの駆動部として周知であるので、詳細は
省略する。
次に、サーボモータ制御装置１の動作について説明する
。
速度Ｆ［ｍｍ／ｍｉｎ］　（パルス換算速度ｆ　［ｐｕ
ｌｓｅ／ｓｅｅ］）にて、×軸−Ｙ軸平面上に傾きθの
直線軌跡Ｌ１ｍ沿って加工工具を移動させる指令が、上
位指令装置から補間部３に入力されると、補間部３は、
直線補間を行って所定の最小時間単位毎に、到達すべき
目標位置と移動量を、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の夫々について
算出し、その算出結果に基づいて分配部５がパルス列信
号を各座標軸の回転速度制御部７×〜７ｚへ出力する。
回転速度制御部７ｘ〜７ｚは、溜りパルスεＸ〜ε２に
位置ループゲインＫｐｘ−Ｋｐｚを乗することで、サー
ボモータＭｘ〜Ｍｚの回転速度を決定する。
ここで、第２図（Ａ）に示すように、時刻ｔでの直線軌
跡り上の目標位置をＡ点とすると、Ｙ軸の制御系に時間
遅れがない場合に（よ時刻ｔでのＸ軸・Ｙ軸の溜りパル
スεＸ・Ｅｙは、夫々次式で表される。尚、Ｚ軸のサー
ボモータＭｚは停止している。
εｘ＝　ｆ　Ｘｃｏｓθ／　Ｋ　ｐＯ［ｐｕ　Ｉ　ｓｅ
］εｙ＝ｆＸｓｉｎθ／　Ｋ　ｐＯ［ｐｕｌｓｅｌイ旦
し、　Ｋｐｘ＝Ｋｐｙ＝　ＫｐＯ つまり、加工工具は直線軌跡り上の点Ｂに位置して、Ａ
点と８点との距離１ｆｔ、　　ｌ＝ｆ／ＫｐＯ［ｐｕｌ
ｓｅｌとなる。このとき、回転速度制御部７ｘ及び７ｙ
で決定されるサーボモータＭｘ及びＭｙの回転速度は、
Ｋ　ｐｘＸ　ｅ　ｘ＝　ｆ　Ｘ　ｃｏｓθ［ｐｕｌｓｅ
／ｓｅｃ］及びＫｐｙＸ　ｔ：　ｙ＝　ｆ　Ｘ５ｉｎθ
［ｐｕｌｓｅ／５ｅｃｌであるので、サーボモータＭｘ
及びＭｙは速度指令部１１の回転速度指令に基づいて回
転して加工工具を目標位置へ移動させる。
しかし、上述したように、Ｙ軸の制御系には時間遅れΔ
ｔがあるため、実際の加工工具の位置は、Ｙ軸に関して
Δｙ　（＝ｆＸｓｉｎθ×Δｔ）だけ遅れた０点であり
、直線軌跡りから外れて位置誤差を生じる。そこで、本
実施例では、Ｙ軸の回転速度制御部７ｙの位置ループゲ
インを、時間遅れΔｔに応じて設定して、サーボモータ
Ｍｙの回転速度を増速しＹ軸方向の移動量を増やすこと
で位置誤差を補正する。
即ち、設定された位置ループゲインをＫｐｙ、時刻ｔで
の溜りパルスをＥｙとすると、直線軌跡り上に加工工具
が位置するためには、 Ｅ　ｙ＝　Ｅｙ　−ｆ　Ｘ５ｉｎθＸΔｔ。
（ｆＸｓｉｎθ／　Ｋｐｙ）＝（ｆ　Ｘ５ｉｎθ×Δｔ
ｍ）ｆＸｓｉｎθ×Δｔ よって、 Ｋ　ｐｙ＝　１　／　（（１／Ｋ　ｐＯ）−Δｔ）−・
・（１）という条件が必要である。従って、第２図（Ｂ
）に示すようｌ、（１）式に基づいて位置ループゲイン
Ｋｐｙを設定すれば回転速度制御部７ｙにおける溜りパ
ルスは一＃ｙとなり、加工工具を位置を目標軌跡り上の
８点に移動させることができる。
又、Ｙ軸平面上の傾きθの直線軌跡Ｌｌ：沿って移動す
るように指令された場合にｌｉ　　Ｚ軸についての時間
遅れは２×Δｔであるので、上述の場合と同様にして、 Ｋ　ｐｚ＝　１　／　（（１／Ｋ　ｐＯ）−２ＸΔｔ）
−（２）という条件が必要であるので、　（２）式に基
づいて位置ループゲインＫｐｚを設定する。
本実施例で（よ　このようにして予め求められた位置ル
ープゲインＫｐｘ−Ｋｐｚが、ゲイン設定部９のデータ
ＲＯＭ３２に格納されており、時間遅れΔｔ、２×Δｔ
に応じて位置ループゲインＫｐｘ（：　Ｋ　ｐｏ）、Ｋ
ｐｙ、　　Ｋｐｚが設定されるので、各座標軸の回転速
度制御部７ｙ〜７ｚにおける溜りパルスεＸ〜εｚ　ｌ
＆時間遅れのない場合と同じとなる。つまり、速度指令
部１１から駆動部１３ｙ、１３ｚへ速度指令信号が出力
されるのがΔｔ、２×Δｔだけ遅れる分、回転速度制御
部７ｙ、７ｚにおいて位置ループゲインが増大補正され
て回転速度が増速される。そして、速度指令部１］で速
度指令に変換さね、駆動部１４×、１４ｙが、その速度
指令と実速度との偏差に応じてサーボモータＭｘ、Ｍｙ
の通電電流を制御する。
このようにしてサーボモータＭｘ−Ｍｚの回転速度が制
御され加工工具は直線軌跡Ｌｌ：沿って移動する。
上記したように、本実施例では応答遅れのないＸ軸につ
いては位置ループゲインを基本ゲインＫｐＯに設定し、
応答遅れのあるＹ軸又はＺ軸については応答遅れΔを又
は２×Δｔに応じて位置ループゲインを設定して（Ｋｐ
ｙ、　　Ｋｐｚ）、サーボモータＭ×〜Ｍｚの回転速度
を制御するので、加工工具の各座標位置を目標位置へ制
御することができ、指令された移動軌跡しに沿って正確
に加工工具を移動させることができる。
ここで、本実施例では回転速度制御部７ｘ〜７２を閉ル
ープの制御系として構成したが、このほかにフィードフ
ォーワードの制御系として構成してもよい。即ち、第３
図に示すように、回転速度制御部７ｘ〜７ｚにおいて、
乗算器２４×〜２４２の出力（溜りパルスεＸ〜ε２に
位置ループゲインＫｐｘ−Ｋｐｚを乗じたもの）に、所
定のフィードフォワード率αから決定されるフィードフ
ォワード量を加える加算器２６ｘ、２６ｙ、２６ｚを増
設して、フィードフォワードの位置制御系として構成し
てもよい。
この場合に（よ　フィードフォワード量が加算された分
、溜りパルスＥｙは減るので、加工工具を目標位置に移
動させるために（よ ＥＹ＝（ｆＸｓｉｎθ／Ｋｐｙ）Ｘ（１−ｃｒ）εｙ＝
（ｆＸｓｉｎθ／ＫｐＯ）Ｘ（１−ａ＞Ｅ　Ｖ”　ｅ　
ｙ　−ｆ　Ｘ５ｉｎθ×Δｔよって、 （ｆＸｓｉｎθ／Ｋｐｙ）Ｘ（１−ａ＞＝（ｆＸｓｉｎ
θ／ＫｐＯ）Ｘ（１−ｃｒ）−ｆＸｓｉｎθ×Δを 上式を整理すると、 １　／Ｋ　ｐＶ＝　１　／Ｋ　ｐＯ−Δｔ／（１−α）
・・・（３）同様にして Ｋ　ｐｚ　＝　１　／　（（１／Ｋ　ｐＯ）　−２ＸΔ
ｔ／（１−α））・・・（４） という条件が必要となる。
従って、　（３）式、　（４）式に基づいて位置ループ
ゲインＫｐｙ、Ｋｐｚｔ設定すれば、フィードバック制
御の場合と同様に、回転速度制御部７ｙ、７ｚにおける
溜りパルスはεｙ、ε２となるので、加工工具を目標軌
跡に沿って移動させることができる。
このように本発明はフィードバック制御の場合にもフィ
ードフォワード制御の場合にも適用できるので、広範な
サーボモータの位置制御において精度の向上に寄与でき
る。
尚、本実施例では直線補間を例に説明したが、円弧補間
の場合でも同様にして、各座標の応答遅れに応じて位置
ループゲインを変更して設定することで、加工工具を指
令された移動軌跡に沿って移動させることができる。
更に、上記実施例では、各座標軸の位置制御系の応答遅
れΔｔ、２×Δｔが、予めデータ入力装置から入力され
ていたが、この他に補間部３からの補間データの出力タ
イミングとＳ／口回路４４Ｘ〜４４ｚからの速度指令の
出力タイミングとのタイムラグ任検出し、そのタイムラ
グに応じて位置ループゲインを設定するように構成して
もよい。
この場合には、より精密で正確な位置制御が可能となる
。
又、本実施例では、サーボモータで加工工具を移動させ
るように構成したが、このほかにワークテーブルや加工
ヘッドを移動させるように構成してもよいし、工作機械
に限らず、複数のサーボモタを制御して機械座標系の任
意の位置に移動体を移動させる装置の何れにも本発明は
適用できる。
［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、応答遅れのない座
標軸については所定の制御ゲインそのままで、応答遅れ
のある座標軸については制御ゲインを変更することで、
それぞれのサーボモータの回転量を制御するので、座標
細末々の目標位置に正確に移動体の位置を制御して移動
体を移動指令に沿って移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は実施例のサーボモータ制御装置の構成図、第２
図（Ａ）は時間遅れによる位置誤差の説明図、第２図（
Ｂ）は位置誤差の補正の説明図、第３図はフィードフォ
ワードによる位置制御を行う実施例の構成図である。 １・・・サーボモータ制御装置　３・・・補間部５・・
・分配部７Ｘ、７’＋’、７Ｚ・・・回転速度制御部９
・・・ゲイン設定部　　　　　１］・−・速度指令部１
３Ｘ、１３Ｙ、１３２・・−駆動部 Ｅ・・・シャフトエンコーダ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 複数のサーボモータの駆動を制御して機械座標系の任意
    の位置に移動体を移動させるサーボモータ制御装置であ
    つて、 機械座標系をなす座標軸の夫々について、上記移動体の
    現在位置を検出する位置検出手段と、外部からの移動指
    令に基づき所定の補間を行つて、上記座標軸の夫々につ
    いて、目標位置を設定する補間手段と、 上記座標軸の夫々について上記位置検出手段により検出
    された移動体の現在位置と上記補間手段によつて設定さ
    れた目標位置との偏差に基づき、上記座標軸の夫々につ
    いて設定された所定の制御ゲインで上記各サーボモータ
    の回転量を制御する回転量制御手段と、 上記回転量制御手段による上記座標軸夫々の制御の応答
    遅れに基づいて、上記座標軸の夫々について設定された
    各制御ゲインを変更する制御ゲイン変更手段と、 を備えたことを特徴とするサーボモータ制御装置。
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