JPWO2011099175A1 - 電動射出成形機の可塑化制御装置および可塑化制御方法 - Google Patents

Abstract

電動射出成形機の可塑化工程でのスクリュ背圧制御で、高価で、煩雑な取付け作業、複雑な機械構造、更にはノイズ対策やゼロ点調整等の人手作業を必要とする圧力検出センサを使わずに、高精度で時間的に遅れの非常に小さいスクリュ背圧検知方法が望まれていた。電動射出成形機の可塑化機構の数式モデルを表現した状態方程式を利用して導出した離散演算式を内蔵し、入力信号としてスクリュ位置信号とモータ電流指令或いはモータ実電流及びスクリュ回転数を受取り、上記状態方程式表現の状態変数の１つであるスクリュ背圧の推定値を出力する高ゲイン観測器を採用する。高ゲイン観測器は、圧力検出センサを必要とせず、高精度で、時間的遅れの非常に小さいスクリュ背圧推定値を出力する。したがって、高ゲイン観測器の出力するスクリュ背圧推定値は、可塑化工程でのスクリュ背圧制御のフィードバック信号(スクリュ背圧検出値)として採用できる。

Description

本発明は、電動射出成形機の可塑化制御装置および可塑化制御方法に関するものである。

高精度な制御と優れた応答性を特長とするＡＣサーボモータは、モータに用いる永久磁石の性能向上とコストダウンの実現により大容量化が図られ、その結果、従来は油圧駆動であった中型射出成形機（型締力３５０ｔ以上）でもＡＣサーボモータを用いたＡＣサーボ駆動が適用されるようなった。

射出成形機には、スクリュ回転により樹脂ペレットを溶融する可塑化機構、スクリュの前進移動により溶融樹脂を金型に高速射出し、高圧で保持する射出・保圧機構、及び金型を開閉する型開閉機構がある。ＡＣサーボ駆動はこれらのどの機構にも適用できるが、ここでは、可塑化機構でのＡＣサーボ技術を説明するために、可塑化機構の模式図を図３に示す。

射出成形機には、地上に固定された図示しない射出成形機基盤上に、リニアガイドにより移動可能な図示しない移動装置台が設けられる。この移動装置台に図３に示す金型１以外の全部品が搭載される。この移動装置台を移動させることにより、射出シリンダ２の先端部を前記金型１に押し付けることができ、また、逆に前記金型１から前記射出シリンダ２の先端部を離すこともできる。図３は、スクリュ回転により樹脂ペレットを溶融する可塑化工程中の状態を示す。

前記移動装置台の上には、射出シリンダ２、射出用サーボモータ３、減速機４、ボールネジ５、軸受６及びホッパー１６が固設されている。また、前記ボールネジ５のナット７、可動部８、スクリュ９、減速機１０、可塑化用サーボモータ１１及び圧力センサ１２が一体構造となっている。この一体構造は、前記ボールネジ５の前記ナット７の移動により前後移動可能なように、前記可動部８がリニアガイド１３上に取り付けられている。

前記射出用サーボモータ３の回転運動は前記減速機４を介して倍力機構としての前記ボールネジ５に伝えられ、前記ボールネジ５の回転運動はボールネジ軸上の前記ナット７の直線運動に変換され、前記可動部８を介して前記スクリュ９の前後移動と前記スクリュ９による溶融樹脂への加圧が実現される。以降、可塑化工程での前記スクリュ９による溶融樹脂への加圧はスクリュ背圧と呼ぶ。前記スクリュ９の位置は射出用サーボモータ軸に設けられたモータエンコーダ１４で検出される。スクリュ背圧は、前記ボールネジ５の前記ナット７と前記可動部８との間に挟まれて設置される前記圧力センサ（例えば、ロードセル）１２により検出される。一方、可塑化工程で樹脂ペレットを溶融・混練するための前記スクリュ９の回転は、前記減速機１０を介して前記可塑化用サーボモータ１１で行われ、前記可塑化用サーボモータ１１にはモータエンコーダ１５が付いている。

図３を用いて射出成形のプロセスを説明すると、樹脂ペレットがホッパー１６から供給され、前記スクリュ９は前記可塑化用サーボモータ１１により回転し、溶融された樹脂は前記スクリュ９の先端側に押し出され、前記スクリュ９は発生するスクリュ背圧により後退する。このとき、スクリュ背圧は、前記射出用サーボモータ３の発生トルクで決まるスクリュ押圧力で調整される。成形に必要な量の溶融樹脂がスクリュ先端部に貯留されると、前記可塑化用サーボモータ１１の回転は停止し、スクリュ回転停止により可塑化工程は終了する。

次に前記射出用サーボモータ３の高速回転により前記スクリュ９が高速前進し、前記スクリュ９の先端に貯留された溶融樹脂を前記金型１内のキャビティ１７に高速充填し、一定時間圧力を掛けて射出工程を終了し、所定形状の成形品を得る。

良い成形品を得るには、可塑化工程で樹脂を均一に溶融することが必要である。しかし、可塑化工程で溶融樹脂がスクリュ先端部に貯留されるに伴い、前記スクリュ９は前記射出シリンダ２内を後退することになるので前記スクリュ９の有効長さが変化することになる。従って最初に溶融した樹脂と、最後に溶融した樹脂の溶融状態が異なるという不具合があった。この不具合を補う方法として、可塑化工程において前記スクリュ９が後退するのに応じてスクリュ背圧を予め設定したパターンで変化させて均一な溶融状態を得ようとする方法が提案されている。

特許文献１、特許文献２では、可塑化用モータは所定のスクリュ回転数を与え、射出用モータによるスクリュ後退速度制御によりスクリュ背圧設定値を実現している。

特許文献３、特許文献４では、射出用モータは一定或は所定のスクリュ後退速度パターンを実現し、可塑化用モータの回転数制御によりスクリュ背圧設定値を実現している。

特許文献５、特許文献６では、射出用モータの電流(トルク)制御或は電流(トルク)制限によりスクリュ背圧設定値を実現している。

特許文献７、特許文献８では、スクリュ背圧設定値を実現するのに必要なスクリュ移動量を射出用モータによる位置制御で行っている。

特許文献９、特許文献１０では、可塑化用モータは所定のスクリュ回転数を実現し、射出用モータは、スクリュ背圧の偏差量で補正されたスクリュ後退速度を実現してスクリュ背圧制御を行う。

特許文献１１では、可塑化用モータがスクリュ回転数制御、射出用モータがスクリュ背圧制御という第一の制御モードから、可塑化用モータがスクリュ背圧制御、射出用モータがスクリュ後退制御という第二のモードに切り換るという制御が行われる。

以上の特許文献１〜特許文献１１では、可塑化工程でスクリュ背圧制御は不可欠な技術課題であり、正確なスクリュ背圧制御を実現するためには圧力センサを必要としている。

特許文献１２では、圧力検出値の範囲が小さい可塑化用圧力センサ(０〜１５０気圧(１５．２MPa))と、圧力検出値の範囲が大きい射出・保圧用圧力センサ（１５０〜３０００気圧(１５．２〜３０４MPa)）の2種類の圧力センサを切換える発明である。検出範囲の異なる圧力センサを２種類使うことにより、可塑化工程でのスクリュ背圧の制御精度を改善している。

図４は、可塑化制御装置の内部構成例を説明するためのブロック図である。可塑化制御装置は、背圧制御器２０、射出用モータ制御器(サーボアンプ)３０、スクリュ回転数制御器４０、可塑化用モータ制御器５０(サーボアンプ)及び圧力センサ１２とで構成される。

前記背圧制御器２０について説明する。前記背圧制御器２０は一定時間間隔毎に制御演算を行い、制御指令を更新する。前記背圧制御器２０は、スクリュ背圧指令器２１、減算器２２、アナログ／デジタル(Ａ／Ｄ)変換器２３、圧力制御器２４及びデジタル／アナログ(Ｄ／Ａ)変換器２５から構成される。Ａ／Ｄ変換器２３には前記圧力センサ１２が接続される。

前記スクリュ背圧指令器２１は、時間シーケンスに従ったスクリュ背圧指令Ｐ^＊ _ｂを前記減算器２２に出力する。前記圧力センサ１２からの信号は前記Ａ／Ｄ変換器２３を介して実背圧信号Ｐ_ｂとして前記減算器２２に入力され、前記減算器２２は、偏差信号ΔＰ_ｂ＝Ｐ^＊ _ｂ―Ｐ_ｂを前記圧力制御器２４に出力する。前記圧力制御器２４は、ＰＩＤ制御演算により前記射出用サーボモータ３に対する電流指令ｉ^＊ _ｍを前記Ｄ／Ａ変換器２５に出力する。前記Ｄ／Ａ変換器２５はモータ電流指令ｉ^＊ _ｍを前記射出用モータ制御器３０に出力する。

前記射出用モータ制御器３０は、Ａ／Ｄ変換器３１とパルス幅変調制御(ＰＷＭ)回路３２から構成される。前記射出用モータ制御器３０には前記射出用サーボモータ３が接続され、前記射出用サーボモータ３には前記モータエンコーダ１４が取付けられている。前記Ａ／Ｄ変換器３１は、前記Ｄ／Ａ変換器２５からのモータ電流指令ｉ^＊ _ｍを前記ＰＷＭ回路３２に出力する。前記ＰＷＭ回路３２は、与えられたモータ電流指令ｉ^＊ _ｍに基づいて所定の３相電圧を前記射出用サーボモータ３に印加する。これにより前記射出用サーボモータ３はモータ電流ｉ^＊ _ｍで駆動され、スクリュ背圧Ｐ^＊ _ｂを実現するように、スクリュ先端に貯留された溶融樹脂にスクリュによる押圧力を加える。

前記スクリュ回転数制御器４０は、スクリュ回転数指令器４１からなる。前記スクリュ回転数指令器４１は、時間シーケンスに従ったスクリュ回転数指令Ｎ^＊ _ｓを前記可塑化用モータ制御器５０に出力する。

前記可塑化用モータ制御器５０は、減算器５１、微分回路５２、速度制御器５３及びＰＷＭ回路５４から構成される。前記スクリュ回転数制御器４０からのスクリュ回転数指令Ｎ^＊ _ｓは、前記減算器５１に入力される。前記可塑化用サーボモータ１１のモータエンコーダ１５のパルス信号は前記微分回路５２に入力され、前記微分回路５２は、スクリュの実回転数Ｎ_ｓを前記減算器５１に出力する。前記減算器５１は、偏差信号ΔＮ_ｓ＝Ｎ^＊ _ｓ―Ｎ_ｓを前記速度制御器５３に出力する。前記速度制御器５３は、ＰＩＤ制御演算により前記可塑化用サーボモータ１１に対する電流指令ｉ^＊を前記ＰＷＭ回路５４に出力する。前記ＰＷＭ回路５４は、与えられたモータ電流指令ｉ^＊に基づいて所定の３相電圧を前記可塑化用サーボモータ１１に印加する。これにより前記可塑化用サーボモータ１１はモータ電流ｉ^＊で駆動され、所定のスクリュ回転数Ｎ^＊ _ｓを実現する。

しかし、可塑化工程で圧力センサを使うことは、次のような理由で不利である。
（１） 高圧環境下で信頼性の高い圧力センサは高価になる。
（２） 射出シリンダ先端部への圧力センサ取付けは、特別な加工を施す必要があり、作業コストが無視できない。
（３） 射出用モータから射出スクリュに至る射出軸系に取り付けるロードセルは、組み込むための機械構造を複雑にし、更には射出軸系の機械剛性の低下を招く。
（４） 歪みゲージを検出部に使用するロードセルでは、微弱なアナログ信号に対するノイズ対策が必要になり、また信号アンプのゼロ点調整やスパン調整等にも人手による作業が必要になる(特許文献１３）。
（５） スクリュ背圧の制御精度向上のために計測範囲の異なる2種類の圧力センサを使用すると高価になる(特許文献１２）。

特開昭６１−３７４０９号公報 特開昭６１−２１７２２７号公報 特開昭６１−７２５１２号公報 特開２００５−３５１３２号公報 特開昭６１−２５８７２２公報 特開平３−５８８１８号公報 特開平２−１３０１１７号公報 特開平４−２４９１２９号公報 特開平２−１２００２０号公報 特開平７−９５１３号公報 特開２００２−３２１２６４号公報 特開２０００−３５１１３９号公報 特開２００３−２１１５１４号公報

H.K.Khalil, Nonlinear Systems, 14.5 High-Gain Observers,Prentice-Hall, (2002), pp.610-625 B.D.O. Anderson and J.B. Moore, Optimal Control, Linear Quadratic Methods, 7.2 DeterministicEstimator Design, Prentice-Hall, (1990), pp.168-178 A.M. Dabroom andH.K. Khalil, Discrete-time implementation of high-gain observers for numericaldifferentiation, Int. J. Control, Vol.72, No.17, (1999), pp.1523-1537 A.M. Dabroom andH.K. Khalil, Output Feedback Sampled-Data Control of Nonlinear Systems Using High-GainObservers, IEEE Trans. Automat. Contr., Vol.46, No.11, (2001), pp.1712-1725

圧力センサを使うことによる「背景技術」で述べた前記５つの不利(段落(００２４))を回避するために、圧力センサを使わずに電動射出成形機の可塑化制御装置に要求される機能、すなわち可塑化工程でスクリュ先端に貯留された溶融樹脂に適切なスクリュ背圧を印加する機能を達成できる可塑化制御装置(段落(００１８)〜(００２１)）を実現すること。

可塑化工程で溶融樹脂の均一性確保と計量精度の向上には、スクリュ背圧制御は有効な手段である。圧力センサを使わずに高精度なスクリュ背圧制御を実現するには、次の２つの必要条件を満たすスクリュ背圧検知手段が要求される。
(Ａ)高精度である
(Ｂ)時間的遅れが非常に小さい
この２つの必要条件を満たす圧力検知手段として、高ゲイン観測器(非特許文献１)の手法を採用する。計測できる変数を入力して、すべての状態変数を推定する高ゲイン観測器が、前記２つの必要条件(Ａ)、(Ｂ)を満たしていることを簡単な制御対象モデルを使って説明する。式(１)は制御対象モデルの状態方程式を示す。

ここで、ｘ_１、ｘ_２は状態変数、ｕは入力変数、ｙは出力変数である。φ(ｘ、ｕ)は変数ｘ、ｕからなる非線形関数である。例えば、ｘ_１は位置変数、ｘ_２は速度変数、ｕはモータ電流である。出力ｙ及び入力ｕは計測できるとし、状態ｘを推定する高ゲイン観測器は、式(２)で与えられる。

ここで、ｘ^_１、ｘ^_２は、状態変数ｘ_１、ｘ_２の推定値を表す。Ｈ_１、Ｈ_２は高ゲイン観測器のゲイン定数で一般に１より大きな定数が与えられる。関数φ_０は、高ゲイン観測器の演算に採用された関数φの公称（基準）関数を表す。式(２)の高ゲイン観測器を用いたときの推定値誤差ｘ^〜 _１、ｘ^〜 _２は、式(１)、式(２)より式(３)で与えられる。

ここで、δは、実際には得られない真の関数φと高ゲイン観測器で採用した公称の関数φ_０との差、すなわち制御対象のモデル誤差と考えられる。次に１より十分小さい正のパラメータεを導入して、Ｈ_１、Ｈ_２を式(５)で与える。

定数Ｈ_１、Ｈ_２には、式(５)から判るように大きなゲイン定数を採用することから高ゲイン観測器と呼ばれる。式(５)を使うと、式(３)は式(６)で表される。

推定値誤差ｘ^〜 _１、ｘ^〜 _２を式(７)で表される新変数η_１、η_２に置き換える。

式(７)より、式(６)は式(８)で表される。

ここで、パラメータεを十分小さくとれば、式(８)より推定値誤差η_１、η_２は制御対象のモデル誤差δから受ける影響を十分小さくできる。すなわち高ゲイン観測器を用いれば、状態変数にスクリュ背圧を含める制御対象モデルを採用することにより、圧力検知に要求される前記必要条件(Ａ)「高精度である」ことが満たされることが判る。

次にモデル誤差の影響を無視すると、式(８)は式(９)で表される。

行列Ａの共役複素数の固有値λ_１、λ_２の実数部Ｒｅ(λ_１)＝Ｒｅ(λ_２)が負になるようにＫ_１、Ｋ_２を決めると、式(９)より推定値誤差η_１、η_２はその初期値η_１０、η_２０に対して式(１１)で与えられる。

ｔは時間変数で、Ｃ_１(ｔ)〜Ｃ_４(ｔ)はＫ_１、Ｋ_２で決まる一定振幅、一定周波数成分を表す。Ｒｅ(λ_１)＜０で、パラメータεを１より十分小さくとれば、式(１１)より推定値誤差η_１(ｔ)、η_２(ｔ)は急速に０になることが判る。すなわち高ゲイン観測器を用いれば、圧力検知に要求される前記必要条件(Ｂ)「時間的遅れが非常に小さい」ことが満たされることが判る。

式(２)の高ゲイン観測器では、すべての状態変数ｘ_１、ｘ_２の推定値を得たが、状態変数ｘ_１は出力ｙとして計測できるので、状態変数ｘ_２だけを推定すればよい。このときの高ゲイン観測器は、式(１２)で与えられる。

ここで、Ｈは高ゲイン観測器のゲイン定数で、１より大きな定数が与えられる。式(１２)は右辺に出力ｙの時間微分を含むので、直接、演算式としては使えないが、式(１２)で与えられる高ゲイン観測器は、前記２つの必要条件(Ａ)、(Ｂ)(段落(００２８))を満たすことを示す。式(１)の３番目の式より、式(１３)が得られる。

式(１２)、式(１３)より式(１４)が得られる。

式(１)の２番目の式を使うと、式(１４)より式(１５)を得る。

次に１より十分小さい正のパラメータεを導入してＨを式(１７)で与える。

式(１７)を使うと、式(１５)は式(１８)で表される。

ここで、パラメータεを十分小さくとれば、式(１８)より推定値誤差ｘ^〜 _２は、制御対象のモデル誤差δから受ける影響を十分小さくできる。すなわち高ゲイン観測器を用いれば、状態変数にスクリュ背圧を含める制御対象モデルを採用することにより圧力検知に要求される前記必要条件(Ａ)「高精度である」ことが満たされることが判る。

次にモデル誤差δの影響を無視すると、式(１８)は式(１９)で表される。

式(１９)より推定値誤差ｘ^〜 _２は、式(２０)で表される。

ここで、ｘ^〜 _２０は推定値誤差ｘ^〜 _２の初期値である。式(２０)より、パラメータεを１より十分小さくとれば、推定値誤差ｘ^〜 _２(ｔ)は急速に０になることが判る。すなわち高ゲイン観測器を用いれば、圧力検知に要求される前記必要条件(Ｂ)「時間的遅れが非常に小さい」ことが満たされることが判る。式(１２)の高ゲイン観測器は、計測できる状態変数は推定せず、必要最小限の状態変数を推定するので式(２)の観測器より次数が低くなるので、低次元高ゲイン観測器と呼ばれる。

次に式(１２)の演算を出力ｙの時間微分を使わずに行う方法を示す。式(２１)で与えられる新変数ｗ^を導入する。

式(２１)を使うと、式(１２)は式(２２)で与えられる。

式(２２)よりｗ^を計算し、式(２３)より推定値ｘ^_２を求めることができる。

状態変数にスクリュ背圧を含めた電動射出成形機の制御対象モデルに対して、高ゲイン観測器を適用する手順は後述の「実施例１」、「実施例２」で詳述する。

状態変数にスクリュ背圧を含めた電動射出成形機の制御対象モデルに高ゲイン観測器を適用することにより、圧力センサを使用しないで、時間的遅れが非常に小さく、高精度なスクリュ背圧検知が可能となる。これにより、圧力センサを使用しないで、電動射出成形機の可塑化制御装置に要求される機能を実現でき、さらに「背景技術」で述べた５つの不利(段落(００２４))を回避することができる。

本発明に係る可塑化制御装置及び可塑化制御方法の全体構成を示す実施例１の説明図である。 本発明に係る可塑化制御装置及び可塑化制御方法の全体構成を示す実施例２の説明図である。 電動射出成形機の従来の可塑化機構の構成を示す模式図である。 従来の電動射出成形機の可塑化制御装置の全体構成を示す説明図である。 本発明に係る電動射出成形機の可塑化機構の構成を示す模式図である。 本発明に係る実施例１及び実施例２での可塑化工程シミュレーション条件の説明図である。 本発明に係る実施例１での高ゲイン観測器のスクリュ背圧推定シミュレーション結果の説明図である。 本発明に係る実施例１での高ゲイン観測器のスクリュ後退速度推定シミュレーション結果の説明図である。 本発明に係る実施例２での高ゲイン観測器のスクリュ背圧推定シミュレーション結果の説明図である。

以下、本発明の実施形態に係る電動射出成形機の可塑化制御装置を図面に基づいて説明する。

図５は、圧力センサを使用しない可塑化機構の模式図を示す。図５は、圧力センサを除いて図３と同じ符号を持つ部品から構成されるので、図５の説明は、「背景技術」で述べた図３の説明(段落(０００４)〜(０００８))に代える。

図１は、本発明の一実施形態に係る高ゲイン観測器によるスクリュ背圧検知を電動射出成形機の可塑化制御装置に適用した例で、可塑化制御装置の内部構成を説明するためのブロック図である。可塑化制御装置は、高ゲイン観測器２７を内蔵する背圧制御器６０、射出用モータ制御器(サーボアンプ)７０、スクリュ回転数制御器４０及び可塑化用モータ制御器(サーボアンプ)５０とから構成される。

前記背圧制御器６０について説明する。前記背圧制御器６０は一定時間間隔毎に制御演算を行い、制御指令を前記射出用モータ制御器７０に出力する。前記背圧制御器６０は、スクリュ背圧指令器２１、減算器２２、圧力制御器２４、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器２５、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２６及び高ゲイン観測器２７から構成される。

前記スクリュ背圧指令器２１は、時間シーケンスに従ったスクリュ背圧指令Ｐ^＊ _ｂを前記減算器２２に出力する。

前記高ゲイン観測器２７には、前記射出用モータ制御器７０内で検出された射出用モータ実電流ｉ_ｍが前記Ａ／Ｄ変換器２６を介して入力される。また前記射出用サーボモータ３の前記モータエンコーダ１４からのパルスを積算して得られる前記スクリュ９の位置信号ｘ_ｓが前記射出用モータ制御器７０より前記高ゲイン観測器２７に入力される。更に前記可塑化用モータ制御器５０よりスクリュ実回転数Ｎ_ｓが前記高ゲイン観測器２７に入力される。前記高ゲイン観測器２７は、入力信号ｉ_ｍ、ｘ_ｓ及びＮ_ｓを使って、可塑化機構の数式モデルを利用して導出した内蔵する離散演算式を実行して、スクリュ背圧推定値Ｐ＾_ｂ及び図示しないスクリュ後退速度推定値ｖ＾を出力する。

スクリュ背圧推定値Ｐ＾_ｂは、前記減算器２２に入力される。前記減算器２２は、前記スクリュ背圧指令Ｐ^＊ _ｂと前記スクリュ背圧推定値Ｐ＾_ｂとの制御偏差ΔＰ_ｂを式(２４)より算出する。

前記減算器２２は、算出した制御偏差ΔＰ_ｂを前記圧力制御器２４へ出力する。

前記圧力制御器２４は、制御偏差ΔＰ_ｂに対して比例積分微分(ＰＩＤ)制御演算を実行してモータ電流指令ｉ^＊ _ｍを算出する。モータ電流指令ｉ^＊ _ｍは前記Ｄ／Ａ変換器２５を介して前記射出用モータ制御器７０へ出力される。

次に前記射出用モータ制御器７０について説明する。前記射出用モータ制御器７０はＡ／Ｄ換器３１、パルス幅変調制御（ＰＷＭ）回路３２、射出用モータ実電流検出器３３及びパルスカウンタ３４から構成される。前記射出用モータ制御器７０には、前記射出用サーボモータ３が接続され、前記射出用サーボモータ３には前記モータエンコーダ１４が取り付けられている。

前記Ａ／Ｄ変換器３１は、前記背圧制御器６０からの前記射出用サーボモータ３のモータ電流指令ｉ^＊ _ｍを入力され、前記ＰＷＭ回路３２にｉ^＊ _ｍを出力する。

前記ＰＷＭ回路３２は、モータ電流指令ｉ^＊ _ｍに基づいて所定の３相電圧を前記射出用サーボモータ３に印加する。これにより前記射出用サーボモータ３はモータ電流指令ｉ^＊ _ｍで駆動される。前記射出用モータ実電流検出器３３は、モータ駆動電流ｉ_ｍを検出し、前記背圧制御器６０内の前記Ａ／Ｄ変換器２６に出力する。

前記パルスカウンタ３４は、前記射出用サーボモータ３の前記モータエンコーダ１４からのパルスを積算してスクリュ位置ｘ_ｓを検出し、前記背圧制御器６０内の前記高ゲイン観測器２７に出力する。

前記スクリュ回転数制御器４０と前記可塑化用モータ制御器５０は、その構成と機能を「背景技術」の段落(００２２)〜(００２３)で詳述したので、ここでは述べない。ただし、図１では、前記スクリュ９の回転数Ｎ_ｓが、前記可塑化用モータ制御器５０内の前記微分回路５２の出力として前記高ゲイン観測器２７に入力されている。

次に、射出用モータ実電流ｉ_ｍ，スクリュ位置ｘ_ｓ及びスクリュ回転数Ｎ_ｓを入力してスクリュ背圧推定値Ｐ^_ｂ及びスクリュ後退速度推定値ｖ^を出力する前記高ゲイン観測器２７の設計に必要になる可塑化機構の数式モデルを図５を使って説明する。図５の前記射出用サーボモータ３の運動方程式は式(２５)で与えられる。

ここで、Ｊ_Ｍはモータ本体慣性モーメント、Ｊ_Ｇ１はモータ側減速歯車慣性モーメント、ω_ｍはモータ角速度、Ｔ_Ｍはモータトルク、ｒ_１はモータ側減速歯車半径、Ｆは減速機伝達力及びｔは時間である。前記ボールネジ５の運動方程式は式(２６)で与えられる。

ここで、Ｊ_Ｓはボールネジ軸慣性モーメント、Ｊ_Ｇ２は負荷側減速歯車慣性モーメント、ω_sはボールネジ軸角速度、ｒ_２は負荷側減速歯車半径及びＴ_ａはボールネジ駆動トルクである。前記可動部８の運動方程式は式(２７)、式(２８)で与えられる。

ここで、Ｗは可動部重量、ｇは重力加速度、ｖはスクリュ(可動部)速度、ｘ_ｓはスクリュ位置(可塑化開始時ｘ_ｓ＝０)、Ｆ_ａはボールネジ軸力、F_Ｌはスクリュが樹脂から受ける負荷力、μは可動部―リニアガイド摩擦係数である。ボールネジ駆動トルクＴ_ａとボールネジ軸力Ｆ_ａの関係は式(２９)で与えられる。

ここで、ｌはボールネジリード及びηはボールネジ効率である。スクリュ速度ｖ、ボールネジ角速度ω_s及び射出用モータ角速度ω_ｍの関係は式(３０)で与えられる。

スクリュの受ける負荷力Ｆ_Ｌは式(３１)で与えられる。

ここで、Ａ_ｓはスクリュ断面積、Ｐ_ｂはスクリュ背圧、Ｃ_ｍｔは射出シリンダ粘性係数、αは速度べき乗数である。スクリュ背圧Ｐ_ｂの方程式は式(３２)、式(３３)で与えられる。

ここで、Ｖ_ｂはシリンダ貯留部容積、Ｖ_ｂ０はシリンダ貯留部容積初期値（可塑化開始時）、Ｑ_ｆはシリンダ貯留部へのスクリュからの溶融樹脂供給量及びβは樹脂体積弾性係数である。モータ特性は式(３４)で与えられる。

ここで、Ｋ_Ｔはモータトルク係数及びｉ_ｍは射出用サーボモータ電流である。式(２５)、式(２６)、式(３０)を使ってω_s、Ｆを消去すると、式(３５)を得る。

式(２７)、式(２９)、式(３０)、式(３５)を使って、Ｔ_ａ、Ｆ_ａを消去すると式(３６)を得る。

式(３６)は、モータ軸に換算したスクリュ直線運動の運動方程式を表し、式(３７)はモータ軸換算等価慣性モーメントを表す。式(２８)、式(３０)より式(３８)が得られる。

式(３１)、式(３４)、式(３６)より、スクリュ直線運動の運動方程式は式(３９)で与えられる。

次に式(３３)は、式(４０)で表される。

ここで、ｘ_０は可塑化開始時の貯留溶融樹脂の等価初期長さである。式(３０)と式(４０)を使うと、式(３２)は式(４１)で表される。

次に変数の無次元化を行う。式(３８)の変数を無次元化すると、式(４２)が得られる。

ここで、射出用サーボモータの正回転はスクリュの射出方向移動に対応させるので、可塑化時のスクリュ位置ｘ_ｓ及びスクリュ後退速度ｖは負となる。ｖ_ｍａｘ(＞0)は可塑化時のスクリュ最大後退速度で、ω_ｍａｘ(＞0)は、ｖ_ｍａｘに対応した射出用サーボモータ最大回転数である。ｘ_ｍａｘ(＞0)は可塑化時のスクリュ最大後退量である。

次に式(３９)の変数を無次元化すると、式(４３)が得られる。

ここで、ｉ_ｍａｘはモータ定格電流である。Ｐ_ｍａｘはスクリュ背圧最大値を表す。式(４３)では、次の関係式(４４)を使っている。

式(４３)は、式(４５)で表される。

ここで、Ｔ_Ｍｍａｘ＝Ｋ_Ｔｉ_ｍａｘでモータ定格トルクを表す。

次に式(４１)の変数を無次元化すると、式(４６)が得られる。

ここで、Ｑ_ｍａｘ＝Ａ_ｓｖ_ｆｍａｘで最大可塑化量を表す。ｖ_ｆｍａｘ(＞０)は、最大可塑化量Ｑ_ｍａｘでのスクリュ後退速度である。式(４６)は式(４７)に書き換えられる。

ここで、スクリュ可塑化樹脂量[Ｑ_ｆ／Ｑ_ｍａｘ]は一般的にスクリュ背圧[Ｐ_ｂ／Ｐ_ｍａｘ]とスクリュ回転数[Ｎ_ｓ／Ｎ_ｍａｘ]の関数である。Ｎ_ｍａｘはスクリュ最大回転数である。

以上前記高ゲイン観測器２７の設計に必要な可塑化機構の数式モデルは、式(４２)、式(４５)、式(４７)、式(４８)より、式(４９)、式(５０)、式(５１)として与えられる。

ここでは、可塑化樹脂量はスクリュ回転数に比例すると考えて、式(５２)が成立つとする。

次に式(５３)で定義される状態変数ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３を導入する。

式(５４)で定義される入力変数ｕ_１、ｕ_２を導入する。ｕ_１、ｕ_２は計測できるとする。前記高ゲイン観測器２７での計算では、射出用サーボモータ実電流ｉ_ｍはモータ電流指令ｉ^＊ _ｍに等しいと考えることもできる。ｉ^＊ _ｍとｉ_ｍの時間的遅れは非常に小さいからである。

計測できる状態変数としてｘ_１を選び、出力変数ｙを式(５５)で定義する。

式(４９)、式(５０)、式(５１)、式（５２）、式(５５)を状態方程式で表現すると、式(５６)、式(５７)となる。

χ(ｘ₂)、ψ(ｘ，ｕ_２)は非線形関数を表す。式(５６）、式(５７)を式(５８)のベクトルｘを使って、式(６０)、式(６１)で表現する。

新しい状態変数Ｘ_１、Ｘ_２を式(６２)で定める。

式(６０)、式(６１)は、式(６２)より式(６３)、式(６４)で表せる。

式(６３)は、式(６６)で表せる。

状態変数Ｘ_１＝ｘ_１は計測できるので、状態変数Ｘ_１は推定する必要がない。したがって、前記高ゲイン観測器２７は計測できるスクリュ位置ｘ_１，射出用サーボモータ実電流ｕ_１及びスクリュ回転数ｕ_２を入力して、状態変数推定値Ｘ^_２を出力する。その推定値Ｘ^_２は式(６７)で与えられる(非特許文献２)。Ｋは高ゲイン観測器２７のゲイン定数で一般的に１より大きな定数が与えられる。

φ_０(Ｘ^_２，ｙ，ｕ)は前記高ゲイン観測器２７で使われるφ(Ｘ，ｕ)の公称（基準）関数である。式(６７)を式(６８)のように書く。

新変数ｗ^を式(６９)で導入する。

式(６８)に式(６９)を使うと、推定値Ｘ^_２は式(７０)、式(７１)より得られる。

次に１より小さい正のパラメータεを導入して、ゲインＫを式(７２)で与える。

式(６５)と式(７２)を利用すると、式(７０)は式(７３)で表される。

ここで、χ_０(ｗ＾_１、ｙ)、ψ_０(ｗ＾、ｙ、ｕ_２)は前記高ゲイン観測器２７で使われるχ(Ｘ_２)、ψ(Ｘ、ｕ_２)の公称（基準）関数である。

式（７４）で表される新変数η^_１、η^_２を導入する。

式(７４)を利用して式(７３)を書き直すと、式(７５)が得られる。

式(７４)より、式(７６)が得られる。

式(７２)は式(７７)で表される。

式(７６)と式(７７)を使うと、式(７１)は式(７８)で表される。

以上より前記高ゲイン観測器２７での状態変数推定値ｘ^_２、ｘ^_３を得る。計算手順は式(７５)、式(７８)より、式(７９)、式(８０)で表される。
（１） 計算手順１

（２） 計算手順２

計算手順１でη^₁、η^₂を求め、計算手順２でｘ^₂、ｘ^₃を求める。

次に「課題を解決するための手段」で述べた前記高ゲイン観測器２７に要求される２つの必要条件
（Ａ）高精度である
（Ｂ）時間的遅れが非常に小さい
が満たされることを明らかにする。式(７９)で公称関数χ_０(η^_１、ｙ)、ψ_０(η^、ｙ、ｕ_２)ではなく、実際には得られない真の関数χ(η_１、ｙ)、ψ(η，ｙ、ｕ_２)を使用したときに得られる変数η_１、η_２は式(８１)で決まる。

推定値誤差η^〜 _１＝η_１―η^_１、η^〜 ₂ ＝η₂ ―η^₂は、式(７９)、式(８１)より式(８２)で得られる。

パラメータεは１より十分小さいことから、式(８２)より推定値誤差η^〜 _１、η^〜 ₂は制御対象のモデル誤差δ_１、δ_２から受ける影響を十分小さくできることが判る。すなわち前記高ゲイン観測器２７を用いれば、式(７９)、式(８０)より得られるスクリュ背圧推定値ｘ＾_３ 及び射出用サーボモータ回転速度（スクリュ後退速度）推定値ｘ^_２は前記必要条件(Ａ)「高精度である」ことが満たされる。

次にモデル誤差δ_１、δ_２の影響を無視すると、式(８２)は式(８３)で表される。

前記行列Ａ_０の共役複素数の固有値λ_１、λ_２の実数部Ｒｅ(λ_１)＝Ｒｅ(λ_２)が負になるようにＫ_０、すなわちＫ_１、Ｋ_２を決めると、式(８３)より推定値誤差η^〜 _１、η^〜 ₂は、その初期値η^〜 _１０、η^〜 _２０に対して式(８４)で与えられる。

ｔは時間変数で、Ｃ_１(ｔ)〜Ｃ_４(ｔ)は、行列Ａ_０の要素で決まる一定振幅、一定周波数の成分を表す。Ｒｅ(λ_１)＜０で、パラメータεが１より十分小さいことから、式(８４)より推定値誤差η^〜 _１、η^〜 ₂は急速に０になることが判る。すなわち前記高ゲイン観測器２７を用いれば、式(７９)、式(８０)より得られるスクリュ背圧推定値ｘ^_３及び射出用モータ回転速度（スクリュ後退速度）推定値ｘ^_２は前記必要条件(Ｂ)「時間的遅れが非常に小さい」ことが満たされる。

前記背圧制御器６０は一定時間間隔Δｔ毎に制御演算を行うので、前記高ゲイン観測器２７での演算式(７９)、(８０)を離散演算式に変換する（非特許文献３、非特許文献４）。

新たなパラメータαを導入して、演算周期Δｔを式(８５)で表す。

式(７９)に前進矩形近似を適用すると、時間微分を表すラプラス演算子ｓとｚ変換演算子ｚの間には式(８６)が成立つ。

式(７９)に式(８６)を適用すると、式(８７)が成立つ。

式(８７)を離散演算式で表現すると、式(８８)が得られる。

ここで、離散時間ｔ_ｋでの推定値η^_１(ｔ_ｋ)、η^_２(ｔ_ｋ)、ｘ^_２(ｔ_ｋ)、ｘ^_３(ｔ_ｋ)をη^_１(ｋ)、η^_２(ｋ)、ｘ^_２(ｋ)、ｘ^_３(ｋ)で表現している。ｙ(ｋ)、ｕ_１(ｋ)、ｕ_２(ｋ)についても、離散時間ｔ_ｋでの値を示す。χ₀(ｋ)は式(５８)より得られ、ψ₀(ｋ)は式(５６)の3番目の式から得られ、離散時間ｔ_ｋでの値を示す。式(８８)は式(９０)で表せる。

ここで、Ｉ_２は、２行２列の単位行列を表す。

式(８０)の離散演算式は式(９１)で与えられる。

前記高ゲイン観測器２７は、演算式(９０)、(９１)を一定時間間隔Δｔ毎に演算することによりスクリュ背圧推定値ｘ^_３(ｋ)及び射出用モータ回転速度(スクリュ後退速度)推定値ｘ^_２(ｋ)を得ることができる。式(９０)、(９１)で実現する前記高ゲイン観測器２７は、計測できる状態変数ｘ_１(ｋ)は推定せず、必要となる状態変数であるスクリュ背圧ｘ_３(ｋ)及び射出用モータ回転速度(スクリュ後退速度)ｘ_２(ｋ)を推定する低次元高ゲイン観測器である。

前記高ゲイン観測器２７からスクリュ後退速度推定値ｘ^_２(ｋ)が得られることから図１には示さないが、前記背圧制御器６０でスクリュ後退速度制御のフィードバック信号として使うことができる。

電動射出成形機を対象に前記高ゲイン観測器２７を使ったときのシミュレーション計算結果を示す。制御対象のモデル数値は次の通りである。
スクリュ最大後退量 ｘ_ｍａｘ＝２０．０ｃｍ
スクリュ最大後退速度 ｖ_ｍａｘ＝２．０ｃｍ／ｓｅｃ
スクリュ背圧最大値 Ｐ_ｍａｘ＝１９．６ＭＰａ
射出用モータ最大回転数 ω_ｍａｘ＝３１．６７ｒａｄ／ｓｅｃ（３０２．４ｒｐｍ）
制御対象のモデル定数を使って、式(５６)で使われる係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは式(９２)の値を用いた。

関数ｇ(Ｐ^_ｂ／Ｐ_ｍａｘ)は，スクリュ背圧の増加に対してスクリュ可塑化樹脂量が単調に減少する適切な関数形を用いた。式(７２)で与えられる前記高ゲイン観測器２７のゲインＫはＫ_１＝０．５５８，Ｋ_２＝−０．００３１６，ε＝０．０９として式(９３)で与えられる。演算周期Δｔ＝５ｍｓｅｃを採用した。

図６は、スクリュ背圧制御を行ったときのシミュレーション条件を示す。図６(ａ)は、スクリュ回転数指令器４１に与えられるスクリュ回転数指令N^＊ _ｓ＝N_ｓの時間シーケンスを示す。図６(ｂ)は、スクリュ背圧指令器２１に与えられるスクリュ背圧指令Ｐ^＊ _ｂの時間シーケンスを示す。

図７は、スクリュ背圧制御を行ったときのスクリュ背圧の時間応答を示す。図７(ａ)は、前記圧力センサ１２を使用した図４に示す可塑化制御装置でスクリュ背圧制御を行ったときのスクリュ背圧Ｐ_ｂの時間応答を示す。図６(ｂ)に示すスクリュ背圧指令Ｐ^＊ _ｂとスクリュ背圧の時間応答がよく一致していることが判る。

図７(ｂ)は、このときの前記高ゲイン観測器２７が出力したスクリュ背圧推定値Ｐ＾_ｂである。図７(ａ)のＰ_ｂと図７(ｂ)のＰ＾_ｂの時間応答が良く一致していることから、高ゲイン観測器２７は、スクリュ背圧を時間的に遅れることなく、高精度に推定できることが判る。

図７(ｃ)は、前記高ゲイン観測器２７を使用した図１に示す可塑化制御装置でスクリュ背圧制御を行ったときのスクリュ背圧Ｐ_ｂの時間応答を示す。前記圧力センサ１２を用いた図７(ａ)のスクリュ背圧Ｐ_ｂの時間応答と図７(ｃ)の時間応答Ｐ_ｂが良く一致していることから、前記圧力センサ１２を用いずに前記高ゲイン観測器２７を使うことにより、良好なスクリュ背圧制御が実現できることが判る。

図８(ａ)は、前記圧力センサ１２を使用した図４に示す可塑化制御装置でスクリュ背圧制御を行ったときの前記射出用サーボモータ３の回転速度(スクリュ後退速度)ω_ｍの時間応答を示す。図８(ｂ)は、このときの前記高ゲイン観測器２７が出力した射出用モータ回転速度(スクリュ後退速度)推定値ω＾_ｍの時間応答を示す。図８(ａ)のω_ｍと図８(ｂ)のω＾_ｍの時間応答が良く一致していることから、前記高ゲイン観測器２７は、射出用モータ回転速度を時間的に遅れることなく、高精度に推定できることが判る。

図２は、本発明の一実施形態に係る前記高ゲイン観測器によるスクリュ背圧検知を電動射出成形機の可塑化制御装置に適用した例で、可塑化制御装置の内部構成を説明するためのブロック図である。この可塑化制御装置は、高ゲイン観測器２８を内蔵する背圧制御器６１、射出用モータ制御器７１（サーボアンプ）、スクリュ回転数制御器４０及び可塑化用モータ制御器５０とから構成される。

前記背圧制御器６１について説明する。前記背圧制御器６１は一定時間間隔毎に制御演算を行い、制御指令を前記射出用モータ制御器７１に出力する。前記背圧制御器６１は、図１に示す「実施例１」と同じ符号をもつ部品と前記高ゲイン観測器２８とから構成される。「実施例１」と同じ符号を持つ部品の機能説明は「実施例１」での説明に代える(段落(００７８)〜(００８４））。

前記高ゲイン観測器２８には、前記射出用モータ制御器７１内で検出された射出用モータ実電流ｉ_ｍがＡ／Ｄ変換器２６を介して入力される。また前記射出用サーボモータ３の前記モータエンコーダ１４からのパルスを積算して得られる前記スクリュ９の位置信号ｘ_ｓが前記射出用モータ制御器７１より前記高ゲイン観測器２８に入力される。また前記射出用サーボモータ３の前記モータエンコーダ１４からのパルスを射出用モータ制御器７１内の微分回路３５に通すことにより、射出用モータ回転数ω_ｍが前記高ゲイン観測器２８に入力される。更に前記可塑化用モータ制御器５０よりスクリュ実回転数Ｎ_ｓが前記高ゲイン観測器２８に入力される。前記高ゲイン観測器２８は、入力信号ｉ_ｍ、ｘ_ｓ、ω_ｍ及びＮ_ｓを使って、可塑化機構の数式モデルを利用して導出した内蔵する離散演算式を実行して、スクリュ背圧推定値Ｐ＾_ｂ及び図示しないスクリュ後退速度推定値ｖ＾とスクリュ位置推定値ｘ＾_ｓを出力する。

次に前記射出用モータ制御器（サーボアンプ）７１について説明する。射出用モータ制御器７１は、図１に示す「実施例１」と同じ符号をもつ部品の機能説明は「実施例１」での説明に代える(段落(００８５)〜(００８８））。射出用モータ制御器７１には前記射出用サーボモータ３の前記モータエンコーダ１４からのパルスを入力して射出用モータの回転数ω_ｍを出力する微分回路３５がある。前記微分回路３５は、射出用モータ回転数ω_ｍを前記高ゲイン観測器２８に出力する。

次に前記高ゲイン観測器２８の設計に必要となる可塑化機構の数式モデルについて述べる。前記数式モデルを表す状態方程式表現は、「実施例１」と同じで、式(６０)と同じ式(９４)で与えられる。

状態変数ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３及び入力変数ｕは式(５３)、式(５４)で与えられる「実施例１」と同じである。

計測できる状態変数としてスクリュ位置ｘ_１及び射出用モータ回転数ｘ_２を選ぶので、出力変数ｙは式(９５)で定義される。

前記高ゲイン観測器２８は、計測できるｙ_１＝ｘ_１、ｙ_２＝ｘ_２、射出用モータ実電流ｕ_１及びスクリュ回転数ｕ_２を入力して、すべての状態変数の推定値ｘ^_１、ｘ^_２、ｘ^_３を出力する。その推定値ｘ^_１、ｘ^_２、ｘ^_３の演算式は式(９６)で与えられる(非特許文献２)。

χ_０(ｙ_２)、ψ_０(ｘ^_３、ｙ、ｕ_２)は前記高ゲイン観測器２８で使われるχ(ｙ_２)、ψ(ｘ_３、ｙ、ｕ_２)の公称（基準）関数である。Ｋは前記高ゲイン観測器２８のゲイン定数で、１より小さい正のパラメータεを導入して式(９７)で与えられる。

新しい推定値変数η^を式(９８)で導入する。

式(９６)を新変数η^で書き直すと、式(９９)、式(１００)を得る。

以上より、前記高ゲイン観測器２８での状態推定値ｘ^_１、ｘ^_２、ｘ^_３を得る手順は、式(９９)及び式(９８)より式(１０１)、式(１０２)で与えられる。
（１） 計算手順１

（２） 計算手順２

すなわち、計算手順１でη^を求め、計算手順２でｘ^を求める。

次に「課題を解決するための手段」で述べた前記高ゲイン観測器２８に要求される２つの必要条件
（Ａ）高精度である
（Ｂ）時間的遅れが非常に小さい
が満たされることを示す。式(９９)で公称関数χ₀(ｙ_２)、ψ_０(η^_３、ｙ、ｕ_２)ではなく、実際には得られない真の関数χ(ｙ_２)、ψ(η_３、ｙ、ｕ_２)を使用したときに得られる変数η_１、η_２、η_３は式(１０３)で決まる。

推定値誤差η^〜＝η−η^は、式(９９)、式(１０３)より、式(１０４)で得られる。

パラメータεは１より十分小さいことから、式(１０４)より推定値誤差η^〜は制御対象のモデル誤差δ_１ ,δ_２から受ける影響を十分小さくできることが判る。すなわち前記高ゲイン観測器２８を用いれば、式(１０１)、式(１０２)より得られるスクリュ背圧推定値ｘ^_３、射出用モータ回転数（スクリュ後退速度）推定値ｘ^_２及びスクリュ位置推定値ｘ^_１は前記必要条件(Ａ)「高精度である」ことが満たされる。

次にモデル誤差δ_１ ,δ_２の影響を無視すると、式(１０４)は式(１０５)で表される。

前記行列Ａ_０の共役複素数の固有値λ_１、λ_２の実数部Ｒｅ(λ_１)＝Ｒｅ(λ_１)が負になるように、実数固有値λ_３＜０になるように行列Ｋ_０を決めると、式(１０５)より推定値誤差η^〜 _１、η^〜 _２、η^〜 _３は、その初期値η^〜 _１０、η^〜 _２０、η^〜 _３０に対して式(１０６)で与えられる。

ｔは時間関数で、ｇ_ｉ(ｉ＝１〜６)関数は行列Ａ_０の要素及び誤差初期値η^〜 _１０、η^〜 _２０、η^〜 _３０で決まる有限の関数である。Ｒｅ(λ_１)＜０、λ_３＜０で、パラメータεが１より十分小さいことから、式(１０６)より推定値誤差η^〜 _１、η^〜 _２、η^〜 _３は急速に０になることが判る。すなわち前記高ゲイン観測器２８を用いれば、式(１０１)、式(１０２)より得られるスクリュ背圧推定値ｘ^_３、射出用モータ回転数（スクリュ後退速度）推定値ｘ^_２及びスクリュ位置推定値ｘ^_１は前記必要条件(Ｂ)「時間的遅れが非常に小さい」ことが満たされる。

前記背圧制御器６１は一定時間間隔Δｔ毎に制御演算を行うので、前記高ゲイン観測器２８での演算式(１０１)、(１０２)を離散演算式に変換する(非特許文献３、非特許文献４)。

演算周期Δｔを式(１０７)で表す。

式(１０１)に前進矩形近似を適用すると、ラプラス演算子ｓとｚ変換演算子ｚの間には式(１０８)が成立つ。

式(１０１)に式(１０８)を適用すると、式(１０９)が成立つ。

式(１０９)を離散演算式で表現すると、式(１１０)が得られる。

ここで、離散時間ｔ_ｋでの推定値η^(ｔ_ｋ)、ｘ^_２(ｔ_ｋ)、ｘ^_３(ｔ_ｋ)をη^(ｋ)、ｘ^_２(ｋ)、ｘ^_３(ｋ)で表現している。ｙ_１(ｋ)、ｙ_２(ｋ)、ｕ_１(ｋ)、ｕ_２(ｋ)についても離散時間ｔ_ｋでの値を示す。χ_０(ｋ)は式(５８)より得られ、ψ₀(ｋ)は式(５６)の3番目の式から得られ、離散時間ｔ_ｋでの値を示す。式(１１０)は式(１１２)で表せる。

ここで、Ｉ_３は３行３列の単位行列である。

式(１０２)の離散演算式は式(１１３)で与えられる。

電動射出成形機を対象に前記高ゲイン観測器２８を使ったときのシミュレーション計算結果を示す。制御対象のモデル数値は「実施例１」のそれと同じで、式(９４)で使われる係数ａ、ｂ、ｃ、ｄは式(９２)の「実施例１」のそれと同じである。

式(９７)で与えられる前記高ゲイン観測器２８のゲインＫは、ε＝０．２５として式(１１４)で与えられる。演算周期Δｔ＝５ｍｓｅｃとした。

スクリュ背圧制御を行ったときのシミュレーション条件は図６と同じである。

図９は、スクリュ背圧制御を行ったときのスクリュ背圧の時間応答を示す。図９(ａ)は、前記圧力センサ１２を使用した図４に示す可塑化制御装置でスクリュ背圧制御を行ったときのスクリュ背圧Ｐ_ｂの時間応答を示す。図６(ｂ)に示すスクリュ背圧指令P^＊ _ｂとスクリュ背圧の制御応答がよく一致していることが判る。

図９(ｂ)は、このときの前記高ゲイン観測器２８が出力したスクリュ背圧推定値Ｐ＾_ｂである。図９(ａ)のＰ_ｂと図９(ｂ)のＰ＾_ｂの時間応答が良く一致していることから、高ゲイン観測器２８は、スクリュ背圧を時間的に遅れることなく、高精度に推定できることが判る。

図９(ｃ)は、前記高ゲイン観測器２８を使用した図２に示す可塑化制御装置でスクリュ背圧制御を行ったときのスクリュ背圧Ｐ_ｂの時間応答を示す。前記圧力センサ１２を用いた図９(ａ)のスクリュ背圧Ｐ_ｂの時間応答と図９(ｃ)の時間応答Ｐ_ｂが良く一致していることから、前記圧力センサ１２を用いずに前記高ゲイン観測器２８を使うことにより、良好なスクリュ背圧制御が実現できることが判る。

図示はしないが、前記高ゲイン観測器２８によりスクリュ位置推定値ｘ^_１及び射出用モータ回転数推定値ｘ^_２も、スクリュ背圧推定値ｘ^_３と同様に非常に良好な結果が得られている。

「実施例１」及び「実施例２」での高ゲイン観測器は、スクリュ背圧推定値だけでなくスクリュ後退速度推定値も時間的な遅れなく高精度に出力できるので、前記圧力センサ１２及び前記微分回路３５を用いることなく、可塑化工程の制御系のフィードバック信号として利用できる。

電動射出成形機の可塑化制御装置及び可塑化制御方法において、圧力センサを使わずに、高ゲイン観測器が出力するスクリュ背圧推定値をスクリュ背圧検知信号として使うことにより、次の５つの不利を回避できる。
（１） 高圧環境下で信頼性の高い圧力センサは高価になる。
（２） 射出シリンダ先端部への圧力センサ取付けは、特別な加工を施す必要があり、作業コストが無視できない。
（３） 射出用モータから射出スクリュに至る射出軸系に取り付けるロードセルは、組み込むための機械構造を複雑にし、更には射出軸系の機械剛性の低下を招く。
（４） 歪みゲージを検出部に使用するロードセルでは、微弱なアナログ信号に対するノイズ対策が必要になり、また信号アンプのゼロ点調整やスパン調整等にも人手による作業が必要になる（特許文献１３）。
（５） スクリュ背圧の制御精度向上のために計測範囲の異なる２種類の圧力センサを使用すると高価になる(特許文献１２）

更に、高ゲイン観測器の出力するスクリュ背圧推定値及び射出用モータ回転数(スクリュ後退速度)推定値は、高精度であり、時間的遅れも非常に小さいので、スクリュ背圧やスクリュ後退速度の監視信号及び制御のフィードバック信号として使える。したがって、本発明による高ゲイン観測器による電動射出成形機の可塑化制御装置及び可塑化制御方法は、十分利用される価値を有すると考えられる。

１ 金型
２ 射出シリンダ
３ 射出用サーボモータ
４ 減速機
５ ボールネジ
６ 軸受
７ ナット
８ 可動部
９ スクリュ
１０ 減速機
１１ 可塑化用サーボモータ
１２ 圧力センサ
１３ リニアガイド
１４ モータエンコーダ
１５ モータエンコーダ
１６ ホッパー
１７ キャビティ
２０ 背圧制御器
２１ スクリュ背圧指令器
２２ 減算器
２３ アナログ／デジタル(Ａ／Ｄ)変換器
２４ 圧力制御器
２５ デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器
２６ アナログ／デジタル(Ａ／Ｄ)変換器
２７ 高ゲイン観測器
２８ 高ゲイン観測器
３０ 射出用モータ制御器(サーボアンプ)
３１ アナログ／デジタル(Ａ／Ｄ)変換器
３２ パルス幅変調制御（ＰＷＭ）回路
３３ 射出用モータ実電流検出器
３４ パルスカウンタ
３５ 微分回路
４０ スクリュ回転数制御器
４１ スクリュ回転数指令器
５０ 可塑化用モータ制御器(サーボアンプ)
５１ 減算器
５２ 微分回路
５３ 速度制御器
５４ パルス幅変調制御（ＰＷＭ）回路
６０ 背圧制御器
６１ 背圧制御器
７０ 射出用モータ制御器(サーボアンプ)
７１ 射出用モータ制御器(サーボアンプ)

ここで、Ａ_ｓはスクリュ断面積、Ｐ_ｂはスクリュ背圧、Ｃ_ｍｔは射出シリンダ粘性係数、γは速度べき乗数である。スクリュ背圧Ｐ_ｂの方程式は式(３２)、式(３３)で与えられる。

Claims (3)

1. 電動射出成形機の可塑化制御装置であって、可塑化用サーボモータの回転は減速機を介してスクリュを回転し樹脂ペレットを溶融し射出シリンダ先端部に溶融樹脂を貯留するスクリュ回転駆動系と、射出用サーボモータの回転は減速機を介してボールネジに伝えられ、前記ボールネジの回転はボールネジ軸上のナットの直線運動に変換され、前記ナットにより駆動される可動部を介してスクリュが前後進移動し、前記スクリュの前後進移動により前記射出シリンダ先端部に貯留された溶融樹脂への加圧(スクリュ背圧)を実現する射出駆動系とからなる可塑化機構において、前記射出用サーボモータの軸に設けたモータエンコーダで検出されるスクリュ位置信号と前記射出用サーボモータへの制御信号として印加されるモータ電流指令信号或いはモータ実電流信号及び前記可塑化用サーボモータの軸に設けたモータエンコーダで検出されるスクリュ回転数信号が入力されて、スクリュ背圧推定値を出力する高ゲイン観測器と、スクリュ背圧を指令するためのスクリュ背圧指令を出力するスクリュ背圧指令器と、前記スクリュ背圧指令と前記スクリュ背圧推定値とが入力されて、前記スクリュ背圧指令と前記スクリュ背圧推定値との差を出力する減算器と、前記減算器の出力を入力して、前記スクリュ背圧推定値が前記スクリュ背圧指令に追従するように前記射出用サーボモータ電流指令信号を算出する圧力制御器と、
   を具備することを特徴とする電動射出成形機の可塑化制御装置
2. 電動射出成形機の可塑化制御方法であって、可塑化用サーボモータの回転は減速機を介してスクリュを回転し樹脂ペレットを溶融し射出シリンダ先端部に溶融樹脂を貯留するスクリュ回転駆動系と、射出用サーボモータの回転は減速機を介してボールネジに伝えられ、前記ボールネジの回転はボールネジ軸上のナットの直線運動に変換され、前記ナットにより駆動される可動部を介してスクリュが前後進移動し、前記スクリュの前後進移動により前記射出シリンダ先端部に貯留された溶融樹脂への加圧(スクリュ背圧)を実現する射出駆動系とからなる可塑化機構の運動を表現する数式モデルとして下記(数９７)の状態方程式を利用して導出した下記(数９８)の離散式(１１８)および下記(数９９)の離散式(１２１)からなる離散演算式を実行する高ゲイン観測器が、前記射出用サーボモータの軸に設けたモータエンコーダで検出されるスクリュ位置信号と前記射出用サーボモータへの制御信号として印加されるモータ電流指令信号或いはモータ実電流信号及び可塑化用サーボモータの軸に設けたモータエンコーダで検出されるスクリュ回転数信号とを入力信号として、スクリュ背圧推定値ｘ^_３およびスクリュ後退速度推定値ｘ^_２を出力し、スクリュ背圧指令器が出力するスクリュ背圧指令と前記スクリュ背圧推定値とを減算器に入力し、前記減算器は、前記スクリュ背圧指令と前記スクリュ背圧推定値との差を算出して圧力制御器に入力し、前記圧力制御器は、前記スクリュ背圧推定値が前記スクリュ背圧指令に追従するように前記射出用サーボモータ電流指令信号を算出して前記射出用サーボモータに所定のモータトルクを発生させることにより所定のスクリュ背圧を実現する電動射出成形機の可塑化制御方法
   

   

   ここで、ｘ_１：スクリュ位置をスクリュ最大後退量で無次元化した状態変数、ｘ_２：スクリュ後退速度をスクリュ最大後退速度で無次元化した状態変数、ｘ_３：スクリュ背圧をスクリュ背圧最大値で無次元化した状態変数、ｕ_１：射出用サーボモータ電流指令或はモータ実電流をモータ定格電流で無次元化した入力変数、ｕ_２：スクリュ回転数をスクリュ最大回転数で無次元化した入力変数、ｙ：計測できる状態変数ｘ_１を表す出力変数、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｈ、ｐ、ｑ：可塑化機構のモデル定数、χ(ｘ_２)、ψ(ｘ、ｕ_２)：式(１１７)で表される非線形関数、ｆ(ｘ_３、ｕ_２)：最大可塑化量で無次元化された可塑化量の前記無次元変数ｘ_３（スクリュ背圧）、ｕ_２（スクリュ回転数）との関数関係
   

   

   ここで、ｋ：離散時間ｔ_ｋを表す離散変数（ｋ＝０、１、２、・・・）、η^_１（ｋ）、η^_２（ｋ）：状態変数ｘ_２、ｘ_３を推定するために導入した新状態変数η_１、η_２の離散時間ｔ_ｋでの推定値η^_１（ｔ_ｋ）、η^_２（ｔ_ｋ）、 ｙ（ｋ）、ｕ_１（ｋ）、ｕ_２（ｋ）：離散時間ｔ_ｋでの出力変数値ｙ（ｔ_ｋ）及び入力変数値ｕ_１（ｔ_ｋ）、ｕ_２（ｔ_ｋ）、 ｘ^_２（ｋ）、ｘ^_３（ｋ）：離散時間ｔ_ｋでの状態推定値ｘ^_２（ｔ_ｋ）、ｘ^_３（ｔ_ｋ）、 χ（ｋ）、ψ（ｋ）：離散時間ｔ_ｋでの非線形関数値χ（ｔ_ｋ）、ψ（ｔ_ｋ）、 Ｉ_２：２行２列の単位行列、Δｔ：高ゲイン観測器の演算周期、ε：高ゲイン観測器でのパラメータで、一般に1より十分小さい正数、K_１、Ｋ_２：高ゲイン観測器のゲインを決めるパラメータで、行列A_０の固有値の実数部が負になるように決める。
   

   

   ここで、ｘ^_２（ｋ）、ｘ^_３（ｋ）：離散時間ｔ_ｋでの状態変数ｘ_２、ｘ_３の状態推定値ｘ^_２（ｔ_ｋ）、ｘ^_３（ｔ_ｋ）
3. 電動射出成形機の可塑化制御方法であって、可塑化用サーボモータの回転は減速機を介してスクリュを回転し樹脂ペレットを溶融し射出シリンダ先端部に溶融樹脂を貯留するスクリュ回転駆動系と、射出用サーボモータの回転は減速機を介してボールネジに伝えられ、前記ボールネジの回転はボールネジ軸上のナットの直線運動に変換され、前記ナットにより駆動される可動部を介してスクリュが前後進移動し、前記スクリュの前後進移動により前記射出シリンダ先端部に貯留された溶融樹脂への加圧(スクリュ背圧)を実現する射出駆動系とからなる可塑化機構の運動を表現する数式モデルとして下記(数１００)の状態方程式を利用して導出した下記(数１０１)の離散式(１２５)および下記(数１０２)の離散式(１２８)からなる離散演算式を実行する高ゲイン観測器が、前記射出用サーボモータの軸に設けたモータエンコーダで検出されるスクリュ位置信号及びスクリュ後退速度信号（射出用サーボモータ回転速度）と前記射出用サーボモータへの制御信号として印加されるモータ電流指令信号或いはモータ実電流信号及び可塑化用サーボモータの軸に設けたモータエンコーダで検出されるスクリュ回転数信号とを入力信号として、スクリュ背圧推定値ｘ^_３、スクリュ後退速度推定値ｘ^_２及びスクリュ位置推定値ｘ＾_１を出力し、スクリュ背圧指令器が出力するスクリュ背圧指令と前記スクリュ背圧推定値とを減算器に入力し、前記減算器は、前記スクリュ背圧指令と前記スクリュ背圧推定値との差を算出して圧力制御器に入力し、前記圧力制御器は、前記スクリュ背圧推定値が前記スクリュ背圧指令に追従するように前記射出用サーボモータ電流指令信号を算出して前記射出用サーボモータに所定のモータトルクを発生させることにより所定のスクリュ背圧を実現する電動射出成形機の可塑化制御方法
   

   

   ここで、ｘ_１：スクリュ位置をスクリュ最大後退量で無次元化した状態変数、ｘ_２：スクリュ後退速度をスクリュ最大後退速度で無次元化した状態変数、ｘ_３：スクリュ背圧をスクリュ背圧最大値で無次元化した状態変数、ｕ_１：射出用サーボモータ電流指令或はモータ実電流をモータ定格電流で無次元化した入力変数、ｕ_２：スクリュ回転数をスクリュ最大回転数で無次元化した入力変数、ｙ_１、ｙ_２：計測できる状態変数ｘ_１及びｘ_２をそれぞれ表す出力変数、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｈ、ｐ、ｑ：可塑化機構のモデル定数、χ(ｘ_２)、ψ(ｘ、ｕ_２)：式(１２４)で表される非線形関数、ｆ(ｘ_３、ｕ_２)：最大可塑化量で無次元化された可塑化量の前記無次元変数ｘ_３（スクリュ背圧）、ｕ_２（スクリュ回転数）との関数関係
   

   

   ここで、ｋ：離散時間ｔ_ｋを表す離散変数（ｋ＝０、１、２、・・・）、η^_１（ｋ）、η^_２（ｋ）、η^_３（ｋ）：状態変数ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３を推定するために導入した新状態変数η_１、η_２、η_３の離散時間ｔ_ｋでの推定値η^_１（ｔ_ｋ）、η^_２（ｔ_ｋ）、η^_３（ｔ_ｋ）、 ｙ_１（ｋ）、ｙ_２（ｋ）、ｕ_１（ｋ）、ｕ_２（ｋ）：離散時間ｔ_ｋでの出力変数値ｙ_１（ｔ_ｋ）、ｙ_２（ｔ_ｋ）及び入力変数値ｕ_１（ｔ_ｋ）、ｕ_２（ｔ_ｋ）、 ｘ^_３（ｋ）：離散時間ｔ_ｋでの状態推定値ｘ^_３（ｔ_ｋ）、 χ（ｋ）、ψ（ｋ）：離散時間ｔ_ｋでの非線形関数値χ（ｔ_ｋ）、ψ（ｔ_ｋ）、 Ｉ_３：３行３列の単位行列、Δｔ：高ゲイン観測器の演算周期、ε：高ゲイン観測器でのパラメータで、一般に1より十分小さい正数、K_０：高ゲイン観測器のゲインを決める行列で、行列A_０の固有値の実数部が負になるように決める。
   

   

   ここで、ｘ^₁（ｋ）_、ｘ^_２（ｋ）、ｘ^_３（ｋ）：離散時間ｔ_ｋでの状態変数ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３の状態推定値ｘ^₁（ｔ_ｋ）_、ｘ^_２（ｔ_ｋ）、ｘ^_３（ｔ_ｋ）。

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