JPH04135217A - ディジタルサーボ制御装置 - Google Patents

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、機械系駆動中の追従遅れによって生じる動的
バックラッシを補正することができるディジタルサーボ
制御装置に関する。

【従来技術】

従来、歯車を噛み合わせたときの歯面間の隙間や歯車の
回転方向が反転するときに生じる機械系のガタを補うた
めのバックラッシ補正として、指令の移動方向逆転時、
その機械系ガタに相当する量を指令値に加算して補正し
ている。

【発明が解決しようとする課題】

ところで、機械系の移動方向を高速で逆転させた場合の
バックラッシには、従来の機械系のガタによる静的バッ
クラッシの他にサーボ系の追従遅れによって生じる動的
バックラッシがある。この動的バックラッシは、指令さ
れた位置の目標値が反転しても暫くの間、その目標値と
送り軸の現実の位置との間に、位置偏差が残り、その位
置偏差によりモータを同じ方向に回転させるための速度
制御が継続されるために生じる。この動的ノくツクラッ
シは工作物の仕上げ形状を変形させる原因となっている
。 本発明は、上記のｉｉａを解決するために成されたもの
であり、その目的とするところは、サーボ系の追従遅れ
によって生じる動的ノイツクラツシを補正し、工作物の
加工形状の精度を向上させることである。

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するための発明の構成は、位置フィード
バックループ、速度フィートノくツクＪレープ、電流フ
ィードバックループを有し、指令値及び帰還値をディジ
タル量で与えたディジタルサーボ制御装置において、指
令された目標位置の時間変動から指令速度を算出する速
度演算手段と、前記指令された目標位置と位置の現在位
置とから位置偏差を算出する偏差演算手段と、前記速度
演算手段により算出された指令速度の符号の反転と前記
偏差演算手段により算出された位置偏差の大きさとに応
じて機械系駆動中の追従遅れである動的バックラッシ補
正の要・不要を判定する補正判定手段と、前記補正判定
手段により動的バックラッシ補正が必要と判定されたと
きには前記位置偏差に応じた補正量で前記速度フィード
バックループの速度偏差を補正するバックラッシ補正手
段とを備えたことを特徴とする。

【作用】

速度演算手段により指令された目標位置の時間変動から
指令速度が算出される。 又、偏差演算手段により指令された目標位置と位置の現
在位置とから位置偏差が算出される。この位置偏差に応
じて速度制御が行われる。 又、補正判定手段により上記速度演算手段にて算出され
た指令速度の符号の反転と上記偏差演算手段にて算出さ
れた位置偏差の大きさとに応じて機械系駆動中の追従遅
れである動的バックラッシ補正の要・不要が判定される
。即ち、指令された目標位置の移動方向が反転し、位置
偏差が所定量よりも大きい場合に、動的バックラッシの
補正が必要であると判定される。 バックラッシ補正手段により上記補正判定手段により動
的バックラッシ補正が必要と判定されたときには位置偏
差に応じた大きさの補正量で速度フィードバックループ
の速度偏差が補正される。 即ち、位置の移動方向の反転時に、速度偏差を一時的に
減少、零又は反対方向の速度偏差とすることにより、サ
ーボモータに反対方向の加速度を一時的に与え、現実の
送り軸の位置の反転の応答性を向上させることができる
。

【実施例】

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。 第１図は本発明に係るディジタルサーボ制御装置の構成
を示したブロックダイヤグラムである。 ディジタルサーボ制御装置１０は主として、ＣＰＵＩＩ
、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、ディジタルシグナルプロセ
ッサ（以下「ＤＳＰ」という）１４、共通ＲＡＭＩ　７
．Ａ／Ｄ変換器１５ａ、１５ｂ及び現在値カウンタ１６
から構成されている。 ＣＰＵＩＩにはインタフェース１９を介してキーボード
２１及びＣＲＴ表示装置２２が接続されている。 ＤＳＰ１４の出力はインバータ２５に入力され、そのイ
ンバータ２５はＤＳＰ１４の出力信号に応じてサーボモ
ータ３１を駆動する。サーボモータ３１には同期モータ
が用いられ、インバータ２５のＰＷＭ電圧制御によりサ
ーボモータ３１の負荷電流が制御され、その結果、出力
トルクが制御される。 サーボモータ３１のＵ相及びＶ相の負荷電流はＣＴ３２
ａ、３２ｂにより検出され、増幅器１８ａ、１８ｂによ
り増幅される。その増幅器１８ａ１８ｂの出力は、Ａ／
Ｄ変換器１５ａ、１５ｂに入力され、所定の周期でサン
プリングされ、ディジタル値に変換される。そのサンプ
リングされた値は、瞬時負荷電流のフィードバック値と
して、ＤＳＰ１４に入力する。 又、サーボモータ３１にはパルスエンコーダ３３が接続
され、その現在位置が検出される。パルスエンコーダ３
３の出力は波形成形・方向判別回路３４を介して現在値
カウンタ１６に接続されている。 波形成形・方向判別回路３４を介して現在値カウンタ１
６に入力されるパルスエンコーダ３３からの出力信号は
現在値カウンタ１６の値を加減させる。ＤＳＰ１４によ
り、現在値カウンタ１６の値は現在位置フィードバック
値として読み込まれ１．ＤＳＰ１４により、ＣＰＵＩＩ
から出力された目標値と比較され位置偏差が算出される
。そして、ＤＳＰ１４により、その位置偏差に基づいて
速度目標値が算出される。 又、ＤＳＰ１４に入力された現在位置フィードバック値
は微分され、速度フィードバック値が算出される。Ｄ−
’Ｓ’Ｐ　１４により、位置偏差に応じて決定される速
度目標値と速度フィードバック値とが比較され速度偏差
が算出され、その速度偏差に基づいて電流目標値が算出
される。 ＤＳＰ１４により、この電流目標値は、増幅器１８ａ、
１８ｂ及びＡ／Ｄ変換器１５ａ、１５ｂを介してＣＴ３
２ａ、３２ｂにて検出された負荷電流の電流フィードバ
ック値と比較され、電流偏差が算出される。その時の瞬
時電流偏差と瞬時電流偏差の累積値と電流目標値とに基
づいて、即ち、比例積分演算により、その時の瞬時電流
指令値が演算される。その瞬時電流指令値は高周波数の
三角波と比較され、インバータ２５の各相のトランジス
タのオンオフを制御する電圧制御ＰＷＭ信号が生成され
る。その電圧制御ＰＷＭ信号は、インハ′−夕２５に出
力され、そのインバータ２５の各相のトランジスタがそ
れぞれ部上される。このインバータ２５のスイッチング
により、各相の負荷電流は電流目標値に制御されること
になる。 尚、サーボモータ３１の位置決めは、ＣＰＵ１１により
、現在値カウンタ１６の出力値が位置の目標値に等しく
なったと判定された時に完了される。 又、Ａ／Ｄ変換器１５ａ、１５ｂによってサンプリング
されたＵ相、■相の負荷電流値は、ＤＳＰ１４によりｄ
ｑ変換される。 本実施例のディジタルサーボ制御装置は、上述したよう
に、位置、速度及び電流の３つのフィードバックループ
により構成されている。より下位のフィードバックルー
プ程、より高い応答性が要求され、例えば、最下位の電
流フィードバックループは１００μｓ、速度フィードバ
ックループはその数倍、位置フィードバックループは更
にその数倍の時間間隔で同期をとってデータのサンプリ
ングが実行され、それぞれのフィードバックループの処
理が実行される。 次に、本実−施例装置の作動について説明する。 第２図のプログラムは、ＤＳＰ１４によって、所定の最
小周期毎に繰り返し実行される。 ステップ１００では、現実行サイクルが位置偏差演算タ
イミングか否かが判定され、位置偏差演算タンミングで
あればステップ１０２に移行し、共通ＲＡＭからＣＰＵ
Ｉ　１により指令された目標位置Ｐｏが入力される。 次に、速度演算手段を達成するステップ１０４において
、今回入力の目標位置と前回入力の目標位置とその間の
経過時間とから今回の指令速度Ｖ。 が演算される。 次に、偏差演算手段を達成するステップ１０６に移行し
、現在値カウンタ１６に保持された位置の現在値Ｐａが
読み込まれ、目標値に対する位置偏差ΔＰが次式にて演
算される。 △Ｐ＝Ｐｏ−Ｐａ 次に、補正判定手段を達成するステップ１０８に移行し
、バックラッシ補正条件が成立するか否かが判定される
。即ち、ステップ１０４で算出された指令速度Ｖｏの符
号が反転し、ステップ１０６で算出された位置偏差△Ｐ
の絶対値の大きさが所定の閾値Ｐｔ以上か否かが判定さ
れる。指令速度Ｖ。 の符号の反転は指令された移動方向の反転を意味する。 又、位置偏差△Ｐは追従遅れの量を示している。補正条
件が成立する場合には、ステップ１０８の判定はＹＥＳ
となり、ステップ１１０に移行するステップ１１０では
バックラッシ補正量Ｂが、位置偏差ΔＰに比例した値、
即ち、次式により演算される。 Ｂ＝ｋ・ΔＰ　　　　　　　　（ｋ：比例定数）尚、上
述のステップ１０Ｂで、バックラッシ補正条件が成立し
なければ、ステップ１１２に移行し、バックラッシ補正
量Ｂが零とされる。 そして、ステップ１１４に移行し、ＤＳＰ１４での管理
上の現在位置が次式にて補正される。 Ｐａ＝Ｐａ十Ｂ 即ち、管理上の現在位置は真の現在位置に対して、バッ
クラッシ補正量だけ指令された位置の方向に推移される
。 次に、バックラッシ補正手段を達成するステップ１１６
に移行し、上述のステップ１１４にて演算された補正後
の管理上の現在位置Ｐａの目標位置Ｐ。 に対する位置偏差が演算される。 次に、ステップ１１８において、位置偏差に応じて速度
目標値が演算される。ここで、ステップ１１４において
、現在位置のバックラッシ補正があれば、速度目標値に
対してもバックラッシ補正が行われたことになる。この
位置のフィードバック制御は、第４図の信号Ｓ１で示し
たタイミングで実行される。 次に、ステップ１２０において、現実行サイクルが速度
偏差演算タイミングか否かが判定される。 速度偏差演算タンミングであればステップ１２２に移行
し、現在値カウンタ１６に保持された位置の現在値（電
気角）θ（ｎ）が読み込まれる。 次に、ステップ１２４において、前回の速度偏差演算タ
イミング時に読み込まれた位置の現在値（電気角）θ（
ｒ＋４）と、速度制御周期りとから現速度制御期間にお
ける速度の現在値Ｖ（ｎ）が次式によって演算される。 ｖ（ｎ）＝（θ（ｎ）−〇（ｎ−１））〆Ｄ（１）又、
ステップ１１８で設定された速度目標値に対する偏差、
即ち、速度偏差が演算される。 ここで、ステップ１１８における速度目標値にバックラ
ッシ補正があれば速度偏差にもバックラッシ補正が行わ
れたことになる。即ち、サーボモータ３１には反転力が
作用し逆転しようとしてブレーキがかかることになる。 そして、次のステップ１２６において、その速度偏差に
応じて、ｄ軸成分とｑＭ成分の電流目標値が演算される
。この速度フィードバック制御は、第４図の信号Ｓ２で
示したタイミングで実行される次に、ステップ１２８に
おいて、現実行サイクルが電流偏差演算タイミングか否
かが判定される。 電流偏差演算タイミングであれば、ステップ１３０に移
行する。 ステップ１３０以下は電流フィードバック制御であり、
この制御は、第４図の信号ｓ３に示したタイミングで実
行される。 ステップ１３０では、電流制御期間の先頭から測定した
次のステップ１３２での電流検出時刻Δｔ、と、電流制
御期間の先頭から測定した負荷電流の制御時刻Δｔ２を
用いて、その時刻に対応した電気角である電流検出時電
気角θ１と制御時電気角θ２が補間演算される。 θ　、；θ　（ｎ）千Δｖ（ｎ）・　Δｔ　＋　　　　
　　　　　　　　　　　　（２）θ２；θ　（ｎ）十Δ
Ｖ（ｎ）・　△ｔ２　　　　　　　　　　　　−（３）
この時刻Δ１＋、　　Δｔ、と電気角θ１．θ２とは第
４図に示したように対応している。 次にステップ１３２に移行して、Ｕ相、■相の瞬時負荷
電流の現在値Ｔｕ、ＩｖがＡ／Ｄ変換器１５ａ１５ｂか
ら読み込まれる。 次に、ステップ１３４において、その電流の現在値１ｕ
、　Ｉｖはｄｑ変換されて、ｄ軸成分１ｄとｑ軸成分ｌ
ｑとが次式によって演算される。 Ｉｄ＝（り　（ｌｕ−ｓｉｎ（θ　、＋２ｙｒ　／３）
−１ｖ−ｓｉｎθ　＋）　　　　　　（４）Ｉｑ−ｆｆ
　（Ｉｕ−ｃｏｓ　（θ１＋２π／３）−１ｖ−ｃｏｓ
θ＋）　　　−（５）尚、ｄｑ座標系は、良く知られた
ように、ｄ軸は励磁磁場と同相にとられ、ｑ軸は励磁磁
場と電気角で９０”の位相差にとられた座標系である。 ｄ軸成分は無効成分をｑ軸成分は有効成分を表す。 次に、ステップ１３６において、ステップ１２６で設定
されたｄ軸成分とｑ軸成分の電流目標値を基準として、
比例積分演算により、現時点でのｄ軸成分とｑ軸成分の
電流指令値１ｄ”、　Ｉｑ”が演算される。 次に、ステップ１３８において、次式により、電流指令
値１ｄ”、　Ｉｑ”を逆ｄｑ変換して、各相電流指令値
１ｕ’、　Ｉｖ”、　Ｉｗ”が演算される。 ｌｑ’−５ｉｎ（θ２＋２π／３））　　　　−４７）
尚、ＩＣは、Ｉｗ”＝−（Ｉｕ”＋Ｉげ）によって演算
される。 次に、ステップ１４０．１４２において、各相電流指令
値１ｕ”、　Ｉｖ”、　Ｉｗ”と高周波数の三角波との
レベル関係を利用して、即ち、平均電圧法を用いて、１
つの制御周期内における一連のＰＷＭ信号が生成される
。 一連のＰＷＭ信号は、第５図に示したように、各相の電
圧印加状態を示した電圧ベクトルで表すことができる。 回転磁界ベクトルは、この電圧ベクトルの積分として表
される。 従って、第６図に示したように、各電圧ベクトル×継続
時間の和によって回転磁界ベクトルの先端の軌跡が描か
れる。回転磁界を角度２π／ｎ毎に円周上の点に最短経
路で位置決めするためには１制御周期毎に、第５図に示
した隣接する２つの電圧ベクトルと零ベクトルｖ０との
３つのベクトルでインバータ２５が制御される必要があ
る。この３つの電圧ベクトルの組合せと回転磁界の位相
とは一意的に対応する。回転磁界の位相と電圧ベクトル
の組合せの対応表（零ベクトルＶ。は必ず組合せの１要
素となるので、２つの電圧ベクトルの組だけで良い）が
、第７図に示したように、予めＲＯＭ１２に記憶されて
いる。 ステップ１４０では、制御時電気角θ２（回転磁界の位
相）から、ＲＯＭ１２にあける上記のテーブルを検索し
てその時の電圧ベクトルの組合せを求める。 ステップ１４２では、各電圧ベクトルの継続時間ｊｌ＋
　ｊｚ＋　ｔ３が演算される。 例えば、その電圧ベクトルの組合せが、第８図に示した
ように、Ｖ６＝（１，１，０）、　Ｖ、＝（１，０，Ｏ
）、　Ｖ、＝（００，０）となったとして、各電圧ベク
トルの継続時間ｔｌ＋　ｔ２＋　ｉ３が演算される。そ
の演算方法は、本実施例では、良く知られた平均電圧法
が用いられている。 即ち、各相電流指令値１ｕ”、　Ｉｖ”、　Ｉｂｒ’の
うち、絶対値の大きい２つを大きい順にＩ　＋”＋　１
２′とするとき、継続時間ｔｌ＋　ｊ２＋　ｔ、は次式
で求められる。 ｔ＋＝　　２１２’＋Ｉ＋。　−Ｔ　／　Ｖ　ｄｃ　　
　　　　　−（８）ｔｔ＝　　Ｉ＋”−１？　・Ｔ　／
　Ｖ　ｄｃ　　　　　　　−（９）ｔｓ＝　Ｔ　−（ｔ
　＋＋ｔｚ）　　　　　　　　　　　　　−Ｏｎ但し、
Ｔは周期、Ｖｄｃは印加直流電圧である。 次に、ステ・ンブ１４４において、１組の電圧ベクトル
によるＰＷＭ信号が、継続時間ｔ、、ｔ２．ｔｓだけ出
力される。例えば、第８図に示したように、ｖ６（１，
１，０）、　Ｖ　、＝（１，０，０）、　Ｖ、＝（０，
０，０）の順に、継続時間ｊ＋、　ｔｚ、　ｊｓだけ出
力される。又、換言すれば、Ｕ相は１．＋１．だけ電圧
が印加され、Ｖ相はｔｌだけ電圧が印加され、Ｗ相には
その制御期間、電圧は印加されない。 このようにして、１つの実行サイクルの処理が完了する
。この実行サイクルは、最小の制御周期で実行されてお
り、その整数倍ｎ、で電流フィードバックループが制御
され、その整数倍ｎ、で速度フィードバックループが制
御され、その整数倍ｎ、で位置フィードバックループが
制御されるように、ステップ１００．１２０．１２８で
判定の基準となる回数が設定されている。但し、ｎ＋＜
ｎｚ≦ｎ、である。 上記のサイクルが繰り返し実行されることで、第４図に
示したタイミングで、位置、速度、電流のフィードバッ
ク制御が行われる。 但し、第４図に示したタイミングはＣＰＵ１１によるプ
ログラム実行時からの計時によって検出される。 このように、位置の方向転換時に、結果的に速度偏差が
反対方向に補正されるので、サーボモータ３１には反対
方向の回転力が発生し、これがブレーキ又は反対方向の
加速度として作用する。この結果、位置の追従遅れに起
因するバックラッシが補正されることになる。 次に、本発明によるバックラッシ補正の意味について説
明する。 第３図（ａ）のように移動方向が切り換えられるような
目標位置Ｐｏが与えられると、バックラッシ補正がない
場合には、サーボモータ３１の現実の回転角、即ち、現
在位置Ｐａに図示するように追従遅れを生じる。特に、
目標位置Ｐａの方向転換が行われた後に、サーボモータ
３１は追従偏差に比例した回転速度（第３図（ｂ）参照
）で同一方向に回転を継続する。これが、サーボモータ
３１の惰性回転となり、指令された目標位置Ｐｏの方向
が反転しているにも拘わらず、現在位置Ｐａが目標位置
Ｐｏに対して大きく遅れることになる。 それに対して、第３図（Ｃ）に示したように、ＤＳＰ１
４で監視される管理上のサーボモータ３１の現在位置Ｐ
ａが目標位置の反転時に、同一方向にその時の位置偏差
に比例した量だけ補正される。 この結果、速度目標位置が、第３図（ｄ）に示したよう
に、現在の回転方向と反対方向に補正されたのと等価に
なる。 更に、速度偏差、即ち、速度目標値と速度現在値との差
も現在の回転方向と反対方向に位置偏差に比例した値だ
け補正されたのと等価になる。 以上のことからも明らかなように、上記実施例では、管
理上の現在位置Ｐａを補正しているが、結果的に速度偏
差が補正されれば良い。従って、上記補正の他、管理上
の位置の目標値、速度の目標値、速度の現在値を補正し
ても同様に速度偏差を補正したことになる。

【発明の効果】

本発明は、指令速度の符号の反転と位置偏差の大きさと
に応じて動的バックラッシ補正の要・不要を判定し、バ
ソクラソシ補正が必要な場合には速度フィードバックル
ープの速度偏差を位置偏差に応じた補正量で補正するよ
うにしたものである従って、送りの方向転換時に、速度
偏差が減少方向に補正されるので、追従遅れによる動的
バックラッシが補正され、工作物の仕上げ形状が良くな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的な一実施例に係るディジタルサ
ーボ制御装置の構成を示したブロックダイヤグラム。第
２図は同実施例装置で使用されているＤＳＰによる処理
手順を示したフローチャート。第３図は同じ＜ＤＳＰに
よる位置、速度及び補正が行われた場合の位置のタイミ
ングを示したタイミングチャート。第４図は同じ＜ＤＳ
Ｐによる位置、速度、電流フィードバック制御のタイミ
ングを示したタイミングチャート。第５図はＰＷＭ信号
に対応した電圧ベクトルを示したベクトル図。第６図は
電圧ベクトルと回転磁界との関係を示したベクトール図
。第７図は回転磁界の位相と電圧ベクトルとの組の対応
関係を示した説明図。第８図はＰＷＭ信号を示したタイ
ミングチャートである。 ａ、１５ｂ−Ａ／Ｄ変換器 現在値カウンタ インバータ　３１　サーボモータ ａ、３２　ｂ　　　カレントトランスフォーマ（ＣＴ）
パルスエンコーダ 特許出願人　　豊田工機株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 位置フィードバックループ、速度フィードバックループ
   、電流フィードバックループを有し、指令値及び帰還値
   をディジタル量で与えたディジタルサーボ制御装置にお
   いて、 指令された目標位置の時間変動から指令速度を算出する
   速度演算手段と、 前記指令された目標位置と位置の現在位置とから位置偏
   差を算出する偏差演算手段と、 前記速度演算手段により算出された指令速度の符号の反
   転と前記偏差演算手段により算出された位置偏差の大き
   さとに応じて機械系駆動中の追従遅れである動的バック
   ラッシ補正の要・不要を判定する補正判定手段と、 前記補正判定手段により動的バックラッシ補正が必要と
   判定されたときには前記位置偏差に応じた補正量で前記
   速度フィードバックループの速度偏差を補正するバック
   ラッシ補正手段と を備えたことを特徴とするディジタルサーボ制御装置。