KR0185720B1 - 서보모터의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

서보모터를 사용한 공작기계의 이송축의 방향반전시의 모터제어에 있어서, 외란 토오크를 추정하는 외란 토오크 추정수단을 설치하여 마찰 토오크를 추정한다(스텝 S2). 속도 루프 적분기의 값을 마찰토오크 분과 가속 토오크 분으로 분리하고(스텝 S3), 가속 토오크 분과, 마찰 토오크 분의 부호를 반전시킨 것에 의하여, 모터 번전시의 적분기 목표치를 구한다(스텝 S4). 그 적분 목표치에 달하도록 속도지령에 어떤 오프셋트량을 부여한 것을 백래시 가속량으로서(스텝 S9), 백래시 가속 보정을 실시한다. 마찰 토오크를 추정할 때에(토오크정수/이너셔)의 비를 자동적으로 추정하고, 이 비를 사용하여 마찰 토오크를 추정한다. 적정한 백래시 가속 보정이 가능하기 때문에 상한 돌기의 발생을 적게 한다.

Description

서보모터의 제어장치 및 제어방법

공작기계에 있어서 테이블등을 구동하는 서보모터의 구동방향을 반전시킬때 통상, 이송나사의 백래시나 마찰의 영향때문에 기계는 즉석에서 반전할 수 없다. 그때문에 공작기계에서 원호절삭 등을 실시하고 있을 때, 상한(象限)이 변하면 절삭원호면에 돌기가 생긴다. 예를 들면, X, Y 2축 평면상에서 공작물에 대해서 원호절삭을 실시하는 경우에, X축에 대해서는 플라스 방향으로 구동하고, Y축에 대해서는, 마이너스 방향으로 이동시켜가면, 그 이동중에 상한이 변화한다. 예를 들면, 이동이 X축을 횡단할때는, Y축에 대해서는 그대로 마이너스 방향으로 구동하고, X축에 대해서는 플러스 방향에서 마이너스 방향으로 구동을 절환한다. 이때, Y축에 대해서는 절환전과 동일한 속도에 의하여 절삭이 실시되지만, X축에 대해서는 위치 편차가 「0」이 되므로써 토오크 지령치가 적어지고 마찰에 의하여 서보모터는 즉시, 반전할 수 없게 된다. 또, 테이블을 이송하는 이송나사의 백래시에 의하여 테이블의 이동은 이동지령에 대해서 추종이 불가해지고 지연이 발생한다. 이들의 토오크 지령치의 감소나 백래시의 발생이라고 하는 원인에 의하여 절삭 원호면에 돌기가 생긴다.

이 절삭면에 있어서의 돌기의 발생을 방지하거나, 돌기양을 감소시키기 위하여 종래, 이동방향의 반전시에 위치 편차에 위치의 백래시 보정을 실시하는 동시에, 속도 지령에 적당한 값(가속량)을 가하여 서보모터의 반전 방향으로 가속을 실시하고 상한 돌기를 감소시키는 소위 백래시 가속 보정에 의한 모터제어 방식이 실시되고 있다.

이 백래시가속의 한 방식으로서, 제11도의 백래시 가속 보정에 의한 모터 제어 방식의 블록도에 표시되는 것이 있다(예를 들면, 일본특허공보 특개평 3-228106호 공보참조). 이 종래의 백래시 가속 보정에 의한 모터 제어방식에 있어서는, 방향 반전 직전의 속도 제어루프 적분기 (제11도중의 K1/S의 항)의 값을 구하고, 그 값의 부호를 반전한 것을 반전후의 목표로 하고, 방향 반전 이후의 설정시간내의 각 속도에서 루프처리에 있어서는, 상기 목표치에서 각 속도 제어 루프처리에 있어서의 적분기의 값을 감한 값에, 적당한 정수치를 곱한 것을 각 속도제어 루프처리에 있어서의 백래시 가속량으로서 백래시 가속보정을 실시하고 있다.

그러나, 상기의 종래의 모터의 제어 방식에 있어서는, 원호운동의 속도가 상승한 경우에는 충분한 백래시 가속 보정이 불가능하다고 하는 문제점이 있다.

이 이유를 제12도를 사용하여 설명한다. 속도제어 루프 적분기의 값은 마찰 토오크 분과 가속도 토오크 분과를 가한 것이 이상적이다. 이 마찰 토오크는, 제12c의 ft₁, (g)의 ft₂에 표시한 바와 같이, 모터 반전에 수반하여 그 부호가 반전한다. 한편, 가속도 토오크 분은 제12b의 a₁, (f)의 a₂에 표시되는 바와 같이, 속도사인액을 시간으로 미분한 코사인파가 되고, 모터 반전시에 그 절대치가 최대가 된다.

우선, 원호운동을 실시하는 모터회전 속도가 늦은 경우의 이상적인 적분기의 동작을 제12d도에 I₁(=a₁+ft₁)에 표시한다. 그런데, 상기의 종래의 모터의 제어 방식에 있어서는 모터 반전 직후의 적분치의 목표치를 반전 직전의 적분기의 값에 마이너스 1을 곱한 것으로 하고 있었기 때문에, 마찰 토오크 분 ft₁뿐만 아니라, 가속도 토오크 분 a₁까지도 반전되어, 모터 반전직후의 적분기의 종래의 목표치는 이상적인 목표치 (제12d도의 모터 반전시의 I₁의 값)에 대해서 가속도 토오크 분 a₁만큼 낮은 값으로 설정되어 버렸다.

더우기, 이와 같이 모터의 속도가 늦은 경우는, 제12도 b, c에서 나타낸 바와 같이 가속도 토오크 분 a₁는 그 절대치가 마찰토오크 분 ft₁의 절대치에 비해서 상당히 작기 때문에(무시할 수 값이므로), 모터 반전직후의 적분기의 종래의 목표치는 이곳에서 논하고 있는 이상치인 목표치와 비교하여 특히 큰차가 생기지 않기 때문에, 종래의 모터의 제어방식에 의한 백래시 가속 보정에 의해서도 각별한 문제가 생기지 않았다.

그러나, 모터 속도가 빠른 상태에서 모터가 반전되면, 가속도 토오크 분 a₂는 그 절대치가 마찰토오크 분 ft₂의 절대치에 비해서 무시될 수 없는 큰 값이 되고, 반전직후의 종래의 목표치는 이상적인 목표치, 즉, 제12h에 표시하는 I_*(=a₂+ft₂)와 비교하여 상당한 차가 생기고, 그 결과, 종래의 모터의 제어 방식에 의한 백래시 가속 보정에서는 목표치가 작게 설정되어 충분한 백래시 가속 보정이 불가능했다.

제13도에서는 원호운동에서의 모터 회전속도가 늦은 경우에, 가속도 성분이 무시될 수 있는 값으로 간주하고 상기 마찰토오크 분을 가속제어 루프 적분기의 반전 목표치가 되도록 설정하여, 백래시 가속제어를 실시하면, 백래시 가속제어를 실시하지 않는 경우에 비교해서, 실선으로 표시하는 바와 같이 반전의 지연을 감속시킬 수 있는 것을 설명하고 있다.

제14도에서는, 원호운동에서의 모터 회전속도가 빠른 경우에, 가속도 성분을 무시하여 마찰토오크 분만을 속도제어 루프 적분기의 반전목표치가 되도록 설정하여 백래시 가속 제어를 실시하면 이 반전목표치는 가속 토오크 분을 포함한 참의 반전 목표치와 비교하여 설정치가 낮아지기 때문에 가속 부족이 되고, 백래시 가속이 바르게 실시되지 않는 것을 설명하고 있다.

이상과 같이 전술한 종래의 모터의 제어 방식에 대해서는 원호운동의 속도가 상승한 경우에는, 충분한 백래시 가속 보정이 불가능해진다고 하는 문제점이 있다.

본 발명은 공작 기계 등의 테이블 등에서 이송축(feed축)을 구동하는 서보머터의 제어장치 및 제어방법, 특히, 이송중의 이동방향이 반전할때의 백래시 가속보정에 관한 것이다.

제1도는 본 발명의 실시예의 속도제어 루프 처리주기마다 실시하는 처리의 플로차트.

제2도는 제1도의 플로차트의 계속.

제3도는 본 발명의 위치 제어루프계의 블록도.

제4도는 본 발명의 모터의 제어방식을 실시하는 서보모터 제어계의 요부 블록도.

제5도는 본 발명의 모터의 제어방식을 실시하는 외란 토오크 추정기의 요부 블록도.

제6도는 본 발명의 적분기의 움직임을 나타내는 설명도.

제7도는 본 발명의 실시예의 효과를 나타내는 도면.

제8도는 본 발명의 실시예의 효과를 나타내는 도면.

제9도는 본 발명의 실시예의 효과를 나타내는 도면.

제10도는 본 발명의 실시예의 효과를 나타내는 도면.

제11도는 종래의 백래시 가속 보정에 의한 모터 제어방식의 블록도.

제12도는 원호운동의 모터의 움직임을 나타내는 설명도.

제13도는 속도가 늦은 경우의 적분기의 움직임을 나타내는 설명도.

제14도는 속도가 늦은 경우의 적분기의 움직임을 나타내는 설명도이다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

제3도는 속도제어루프, 전류제어루프를 포함하는 위치제어루프계의 블록도이고, 블록(1)의 Kp는 위치제어루프의 포지션 게인(positon gain)이고, 블록(2,3)은 속도제어루프의 적분항, 비례항이고, K1은 적분게인, K2는 비례게인 블록(4)는 서보모터, 블록(5)는 외란 토오크 추정기, 블록(6)는 서보모터의 속도를 적분하여 위치를 구하는 전달관수, 블록(7)은 백래시 가속량 계산부이다.

상기 위치제어 루프계에 있어서, 블록(5) 및 블록(7)은 본 발명에 의한 백래시 보정을 실시하는 부분을 구성하고 있고, 이 백래시 보정부분을 제외한 부분은 통상의 위치제어루프계와 동일하다. 그리고 이 위치제어 루프계는, 수치제어 장치에서 출력된 위치지령에서 서보모터(4)에 장착된 펄스코더 등에서의 위치 피드백 치를 감소시켜 위치 편차를 구하고, 이 위치편차에 포지션 게인 Kp를 곱하여 속도지령을 구한다.

또한, 이 속도지령과 펄스코더 등에서 검출되는 서보모터(4)의 실속도의 속도 피드백 치에서, 속도제어루프의 적분 비례제어를 실시하여 토오크 지령을 구하고, 전류제어 루프처리를 실시하여, 서보모터(4)를 구동한다.

한편, 백래시 보정을 실시하는 부분은 외란 토오크 추정기(5)와 백래시 가속량 체산부(7)에 의하여 구성된다. 이 외란 토오크 추정기(5)는 모터 반전직전의 마찰 토오크의 크기를 추정하여 백래시가 속량 계산부(7)에 입력하고, 이 백래시 가속량 계산부(7)는, 그 추정된 마찰 토오크를 사용하여 속도제어루프의 적분항(2)에서의 적분기의 값을 마찰 토오크 분과 가속 토오크 분으로 분리한다. 그리하여 모터 반전후의 적분기에서는 상기 가속 토오크 분과 부호를 반전한 마찰 토오크 분과의 합계를 적분기의 목표치로서 셋트한다.

종래의 본 발명의 백래시 제어의 상위는, 이하의 점에서 다르다. 종래의 백래시 제어가, 방향반전 직전의 속도제어루프 적분기의 값을 구하고 그 값의 부호를 반전한 것을 반전후의 적분기 출력의 목표치로 하고 방향 반전후의 설정기간내의 각 속도제어루프처리에 있어서, 상기 목표치에서 각 속도제어루프처리에 있어서의 백래시 가속량으로서, 백래시 가속보정을 실시하고 있는 데에 대해서, 본 발명의 백래시 제어에 있어서 외란 토오크 추정기(5)에 의하여 마찰 토오크를 구하고, 방향반전직전의 속도제어루프 적분기 중의 토오크에서 마찰 토오크를 구하고, 방향반전직전의 속도제어루프 적분기 중의 토오크에서 상기 외란 토오크 추정기(5)에 의하여 추정한 마찰 토오크를 제외하므로써, 가속분에 필요한 토오크를 구하고, 모터의 반전시에는 가속토오크 분은 반전하지 않고, 마찰 토오크 분만 반전하여 적분기 목표치를 설정하고, 그 적분기 목표치를 향하여 적분기가 신속히 이행하도록 속도 지령을 오프셋트한다. 이 적분기의 제어의 한 방식으로서 본 발명에 있어서는, 각 속도 제어 루프 처리마다 상기 적분기 목표치에서 각 속도 제어루프처리에 있어서의 적분기의 값을 감한 값으로, 적당한 정수치를 곱한 것을 각 속도제어루프처리에 있어서의 백래시 가속량으로 하고 있다.

제4도는 본 발명의 모터의 제어방식을 실시하는 서보모터제어계의 요부 블록도이고, (10)은 공작기계를 제어하는 제어장치이고, 이 제어장치에서 이동지령, 힘지령 각종 제어신호가 공유 메모리(11)를 통해서 디지탈 모터제어회로(12)에 출력된다. 디지탈 서보 제어회로(12)에 출력된다. 디지탈 서보 제어회로(12)는, 프로세서, ROM, RAM 등으로 구성되고, 위치, 속도, 힘 등의 모터제어 디지탈 적으로 실행하고, 트랜지스터 인버터로 구성되는 서보앰프(13)를 통해서 각축의 서보모터(14)를 제어하는 것이다. 또, (15)는 위치, 속도를 검출하는 위치속도 검출기이고, 서보모터의 모터축에 장착된 펄스코더 등으로 구성되고, 디지탈 서보 제어회로(12)에 위치 속도 피드팩 신호를 출력하고 있다. 또한 이들의 구성은, 종래부터 공지의 디지탈 서보회로의 구성과 동일하다.

또, 제5도는 본 발명의 제어방식을 실시하는 외란 토오크 추정기(외란 추정 옵저버(observer))의 요부 블록도이고, 일점쇄선 안에 있는 외란 토오크 추정기(5)는 서보모터가 외계에서 받는 힘으로서의 마찰 토오크 Td를 추정하는 외란 추정 옵저버이다. 모터로 지령되는 토오크 지령 Tc와 모터의 실속도 v에서 마찰 토오크 Td를 추정하고, 추정마찰 토오크 A를 얻는 것이다. 또한, 제5도 중에 있어서, (4,4')는 모터부이고, Kt는 모터의 토오크정수, J는 모터 및 기계 가동부의 이너셔이다. 또, S는 라플러스 연산자이다.

외란 토오크 추정기(5)의 항(52,53)의 K3, K4는 외란 토오크 추정기(외란 추정옵저버)(5)의 패러미터이고, 항(51)의 b는 실제로 서보모터에 출력하는 토오크지령 Tc에 곱하는 패러미터의 값이고, 모터의 토오크 정수 Kt를 이너셔 J로 나눈 값이다. (54)는 적분항이고, 항(51,52,53)의 출력을 모두 가산한 값을 적분하고, 모터의 추정속도 va를 구하는 항이다. 또, 항(55)는, 항(53)에서의 출력 X에 (1/b)를 곱한 추정마찰 토오크 A를 구하는 항이다.

이 제5도는 블록도를 b=Kt/J로 하여 해석하면,

*

(또한 va는 적분항 54의 출력이고 추정속도)

1 식에서

2 식에 3 식을 대입하여 정리하면

5 식에서

상기 6 식에서 항 53의 출력인 적분치 X는 다음의 7 식으로 표시된다.

7 식에 있어서 패러미터 K3, K4를 극이 안정하도록 선택하면 X=Td/J와 근사할 수 있다. 이 산출된 적분치 X에 패러미터 b의 역수 1/b(=J/Kt)를 곱하면, A=X×(1/b)=Td/Kt가 되고, 외란 토오크 Td를 전류지령에 대응하는 외란의 값으로 한 외란 토오크의 추정치 A를 구할 수 있다. 이 외란 토오크 추정기(5)의 출력인 추정마찰 토오크 A는 제3도의 백래시 가속량계산부(7)에 입력되고, 백래시 가속량이 구해진다.

이상과 같이, 외란 토오크 추정기(5)에 의하여 추정 외란 토오크(마찰토오크) A를 구할 때는, 토오크지령 Tc에 토오크정수 Kt와 이너셔 J의 비율 b로 이루는 패러미터 b에 곱하여(항 51), 모터의 추정가속도를 구하는 사항을 포함하고, 다시, 항(55)에서 토오크정수 Kt와 이너셔 J의 비율의 역수 1/b를 곱하여 외란 토오크(마찰 토오크)의 추정치 A를 구하는 것이기 때문에 외란 토오크의 추정치 A와 실제의 외란 토오크 Td와의 오차를 작게 하는 데에는, 상기 항(51) 및 항(55)에서의 계수는 실제의 토오크 정수 Kt와 이너셔 J의 비율(Kt/J) 및 (J/Kt)에 가까운 값이면 어느 정도 정확한 외란 토오크에 대응하는 추정치를 구할 수 있는 것을 의미한다.

그러나, 서보모터가 장착되는 기계에 따라서 이너셔 J가 변화하고, 상기 토오크 정수 Kt와 이너셔 J의 비율의 패러미터 b를 일률로 정할 수 없다. 그 때문에 기계마다 이 패러미터 b를 실험적으로 구해도 좋지만, 본 실시예에서는 이 패러미터의 비율 b를 자동적으로 추정하도록 하고 있다.

제5도에 있어서, 토오크 지령 Tc에 모터의 토오크 정수 Kt가 곱해진 값과, 외란 토오크 Td를 가산한 값을 적분하고, 그 적분치를 이너셔 J로 나눈 값이 모터의 속도 v가 된다. 그래서, 소정의 샘플링 주기 Ts마다의 i주기에 있어서의 토오크 지령을 Tc (i), 모터의 실속도를 v (i), 외란 토오크를 Td (i)로 하고, 샘플링 주기 Ts간에 외란 토오크 Td 및 토오크 지령 Tc는 변화가 없다고 하면, 모터의 속도 v (i)는 다음의 8 식으로 표시할 수 있다.

또, 하나 앞의 샘플링 주기에 있어서는 다음의 9 식이 성립한다.

8 식에서 9 식을 빼면,

또, 외란 토오크에 변화가 없다고 하고,

로 하면, 상기 10 식에서, 다음 11 식이 성립한다.

단, u(i-1)=Tc(i-1)-Tc(i-2)이다. 그래서 (Ts·Kt/J)=b^*(i-1)로로 하고, 상기 11 식을 다음 12 식과 같이 고쳐쓸 수 있다.

상기 12식에 있어서 b^*(i-1)=(Ts·Kt/J)는 (토오크 정수/이너셔)의 비율을 표시하고 있고, v^*(i)는, 상기 b^*(i-1)를 사용하여 추정된 모터의 추정속도를 의미한다.

샘플링 주기(i)에 있어서의 모터의 실속도 v (i)와 추정속도 v^*(i)와의 차인 추정오차 e (i)=v (i)-v^*(i)를 사용하여 샘플링주기 (i)에 있어서의 상기 추정되는 (토오크 정수/이너셔)의 비율(이하, 추정비율이라 함) b^*(i)를 추정한다. 이 경우에, 토오크 지령 Tc의 변화 u (i)(=Tc (i)-Tc (i-1))가 작은 때는, 상기 추정비율의 변화 (b^*(i)-b^*(i-1))을 거의 「0」에 가까운 작은 값으로 하고 토오크지령 Tc의 변화 u (i)가 커짐에 따라서 추정비율의 변화도 크게 되도록 하고 또한, 토오크 지령 Tc의 변화 u (i)가 어떤 설정치 이상의 크기가 되면 추정비율의 변화도 포화시키는 알고니즘으로 추정비율 b^*(i)를 추정한다. 본 실시예에서는 다음의 13 식에 의하여 추정한다.

상기 13 식에 있어서 β는 소속의 속도를 정하는 패러미터이다.

상기 13 식의 처리를 각 샘플링 주기마다 실시하면, 상기 추정미율 b^*(i)는 수속하고, 일정한 값이 된다.

이 수속한 일정한 값의 추정비율 b^*를 외란 토오크를 추정하는 외란 토오크를 추정하는 외란 토오크 추정기(5)에 있어서의 지령 토오크에서 모터의 추정가속도로 변환하는 패러미터 b로 하여 이용하면 정확한 외란 토오크의 추정치를 얻을 수 있다.

다음에 본 발명의 실시예의 동작을 제1도, 제2도에 표시하는 디지탈 서보(소프트웨어 서보)회로(12)의 프로세서가 속도제어루프처리 주기마다 실시하는 처리의 플로차트 및 제6도에 표시하는 적분기의 움직임을 설명하는 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 각 공정은 스텝 S의 부호에 따라서 설명한다.

스텝 S1 : 처음에, 플래그(1)의 값을 판정한다. 이 플래그(1)은 백래시 가속의 1회째의 주기인 것을 표시하는 플래그이고, 디지탈 서보 제어회로(12)의 프로세서(CPU)가 제어장치(10)에서 출력되는 분배지령의 부호 반전을 검출한 때 「1」로 셋트된다. 즉, 플래그는 백래시 가속 개시시에 1속도 제어루프 사이만 「1」로 세트되고, 백래시 가속이 행하여 지지 않는 때는 「0」으로 리셋트된다. 따라서, 이 스텝 S1의 판정에 있어서, 플래그(1)의 값이 「1」로 셋트되어 있는 경우에는, 이하의 스텝 S2∼스텝 S6의 공정에서 설명하는 백래시 가속개시에 있어서의 처리로 전진하고, 플래그(1)의 값이 「0」으로 셋트되어 있는 경우에는, 백래시 가속개시제가 아닌 경우의 처리(스텝 S8)로 전진한다.

또한, 백래시 가속개시 여부의 판단은, 예를 들면, 치치편차의 부호가 반전했는가의 여부를 판단하므로써 실시할 수 있다.

스텝 S2 : 외란 토오크 추정기에서, 즉, 후술하는 외란 토오크 추정기의 처리에 의하여 추정된 추정 외란 토오크를 추정마찰 토오크 A로서 기입한다.

이 추정마찰 토오크는, 제6도에 있어서, 음(-)측의 파선으로 표시되는 부분이고, (-A)의 값을 가지고 있다. 또한, 여기에서, A는 양의 값을 가지고 있는 것으로 한다.

스텝 S3 : 다음에 적분기 중의 토오크에서 가속토오크 데이터 S를 구한다. 원호절삭의 스피드의 상승에 따라서, 적분기 중의 토오크 성분인 가속 토오크와 마찰토오크내에서 가속토오크가 차지하는 비율이 커진다. 이 가속토오크 분을 가속토오크 데이터 S로 표시하면, 제12d도와 제12h도의 비교 및 제6도의 S로 표시되도록 속도가 늦은 경우에는 무시할 수 없는 양이 된다. 즉, 종래의 백래시 가속의 경우와 같이, 적분 중의 토오크 성분을 마찰 토오크만으로 가정하여, 그 반전 토오크 치를 백래시 가속의 반전목표치로 하면, 제6도의 일점 쇄선에 표시와 같은 적분기의 동작이 되고, 참의 반전 목표치와 비교하여 목표치가 낮게 설정되기 때문에 가속 부족이 된다. 그래서 이 공정에 있어서 속도루프 적분기 중의 토오크 성분을 가속 토오크 분과 마찰 토오크 분으로 분리하고, 현재의 속도 루프 적분기의 값에서 상기 스텝 S2의 공정에서 구한 마찰 토오크 분을 감산하므로서 가속토오크분을 구한다.

이 경우에, 현재의 속도루프 적분기의 값을 -B≥0)으로 표시하면, 가속토오크 데이터 S는 제6도에 표시하는 단계에서 다음의 식,

가속 토오크 데이터 S=현재의 적분기의 값 (-B)-추정마찰토오크 (-A)=-B+A ····(14)

로 표시된다.

스텝 S4 : 속도루프 적분기의 적분기 목표치 C를 가속 토오크 데이터 S와 추정마찰 토오크 A에서 구한다. 적분기 중의 토오크 성분 중, 모터 반전시에 있어서는, 가속 토오크 분에 대해서는 반전시킬 필요가 없고, 마찰 토오크 분만 반전시키면 되기 때문에, 적분시 목표치 C는 제6도의 참의 반전 목표치이고, 다음의 식에 의하여 구해진다.

적분기 목표치 C=가속 토오크 데이터 S+추정마찰 토오크 (-A)×(-1)

=S+A

=-B+2A ···· (15)

위의 15식은 적분기 목표치 C는, 현재의 적분기의 값(-B) 추정마찰 토오크 (-A)의 부호를 반적한 것 (A)를 2배한 것 (24)를 가산한 것임을 표시하고 있다.

스텝 S5, 스텝 S6 : 백래시 가속 보정시간에 대응하여 가속 카운터의 값을 설정하고, 각 값을 가속 카운터 BLCNT로 셋트하는 동시에 플래그(1)를 클리어한다.

스텝 S7 : 가속 카운터 BLCNT의 값을 판정하고, 양인 경우에는 스텝 S9으로 전진하여 백래시 가속보정을 실시하고, 0 또는 음인 경우에는 스텝 S8로 전진한다.

스텝 S8 : 가속 카운터 BLCNT의 값이 0 또는 음인 경우에는, 백래시 가속 보정을 실시하지 않기 때문에, 백래시 가속량을 「0」으로 하여 레지스터 등에 격납한다.

스텝 S9, 스텝 S10 : 가속카운터 BLCNT의 값이 양인 경우에는, 백래시 가속 보정을 실시하기 때문에, 상기 스텝 S4에서 구한 적산기 목표치 C에서 현재의 적산기의 값 B를 감산한 것에 정수 K를 곱하여, 이 주기의 백래시 가속량을 구하고 가속량을 레지스터 등에 격납하고, 가속 카운터 BLCNT에서 「1」을 감산한다(1주기 분을 감산한다).

스텝 S11 : 상기 스텝 S8 혹은 스텝 S9에 있어서 레지스터에 격납된 백래시 가속량을 위치 루푸처리에 의하여 구해진 속도지령에 가산하고, 속도루프에의 속도지령으로 한다.

스텝 S12, 스텝 S13, 위치·속도 검출기(15)에서 검출되는 실속도 v (i)를 받아 들이고, 이 실속도 v (i)와 상기 스텝 S11에서 구한 속도루프에의 속도지령에 의하여 속도루프처리(PI 제어 등)을 실행하고 토오크지령 Tc (i)를 구하고, 이 토오크 지령 Tc (i)를 전류 루프에 인도하고, 서보모터를 구동제어한다.

스텝 S14 : 레지스터에 기억하는 이 처리주기 i에서 1주기 전에 구해진 토오크 지령 Tc (i-1)에서 2주기 전의 토오크 지령 Tc (i-2)를 감하여 토오크지령 Tc의 변화치 u를 구한다.

스텝 S15 : 레지스터에 기술하는 1주기 전에 검출한 서보모터의 실속도 v (i-1)을 2배한 값에서 2주기 전에 검출한 실속도 v (i-2)를 감한 값에, 다시 레지스터에 기억하는 전주기에 있어서 구한 추정 비율 b^*(i-1)에 상기 스텝 S1에서 구한 토오크지령의 변화치 u를 곱한 값을 가산하여 속도추정치 v^*를 구한다. 즉, 상기 12식의 연산을 실시하므로써 속도 추정치 v^*를 구한다.

스텝 S16 : 스텝 S12에서 받아드린 서보모터의 실속도 v (i)에서 스텝 S15에서 구한 속도 추정치 v^*를 빼고 추정속도 오차 e (i)를 산출한다.

스텝 S17 : 추정속도 오차 e (i)와 레지스터에 기억하는 전주기에서 구해진 추정비율 b^*(i-1) 및 스텝 S14에서 구한 토오크지령 Tc의 변하치 u에서 상기 13식의 연상을 실시하여 추정비율b^*(i)를 구한다.

다음에, 이 추정비율 b^*에 이ㅡ거하여 외란 토오크 추정기(외란 추정옵저버)(5)의 처리를 개시한다.

스텝 S18 : 스텝 S12에서 판독한 실속도 v (i)에서 레지스터에 기억하는 전주기에서 추정한 추정속도 va (i-1)을 감한 값에 옵저버의 적분게인으로서의 패러미터 K4 및 속도루프 주기 T_S를 곱한 값을, 어큐뮬레이터에 기억하는 전주까지의 적분치 X (i-1)에 가산하고, 이 주기에 있어서의 옵저버의 적분치 X (i)를 구한다. 즉, 제5도에 있어서의 항 (53)의 처리를 실시하고 적분치 X를 구하는 것이다.

스텝 S19 : 레지스터에 기억하는 전주기의 토오크지령 Tc (i-1)에 스텝 S17에서 구한 추정비율 b^*를 곱한 값, 스텝 S18에서 구한 적분치 X (i), 또한 스텝 S12에서 기입한 이 주기의 실속도 v (i)에서 레지스터에 기억하는 전주기에서 구한 추정속도 va (i-1)을 뺀 값에 비례게인으로서의 패러미터 K3을 곱한 값을 가산하고, 이 가산치에 속도 루프주기 T_S를 곱한 값을 전 주기에서 구한 추정속도 va (i-1)에 가산하여, 이 주기의 추정속도 va (i)를 구한다. 즉, 제5도에 있어서의 항 (54)에 의하여 추정속도 va를 구하는 처리를 실행하는 것이다.

스텝 S20 : 스텝 S18에서 구한 적분치 X (i)를 스텝 S17에서 구한 추정비율 b^*로 나누고 외란 토오크 즉, 마찰토오크 A를 구하고, 레지스터에 기억하여 이 속도 루프 주기의 처리를 종료한다.

그 이후의 속도루프 처리의 주기에 있어서는, 스텝 S1의 그래프 (1)은 「0」이기 때문에 스텝 S2에서 스테베 S6의 1회째의 주기의 백래시 가속의 공정을 생략하여, 스텝 S7의 가속 카운터 BLCNT의 판정처리로 전진하고, 스텝 S5에 있어서 백래시 가속 보정시간에 대응하여 설정한 가속카운터 BLCNT의 값이 「0」이 될 때까지 스텝 S9∼스텝 S11의 공정에 의한 백래시 가속 보정을 실시하는 처리, 스텝 S12∼스텝 S13의 속도루프 처리, 스텝 S14∼스텝 S17의 추정비율 b^*를 구하는 거리, 스텝 S18∼스텝 S20의 공정의 마찰토오크를 구하는 처리를 실시한다.

백래시 가속 보정시간이 경과한 것을 스텝 S7의 가속 카운터 BLCNT가 「0」이 되므로써 판독되고, 백래시 가속량을 「0」으로 셋트하여 백래시 가속보정을 하지 않고(스텝 S8), 위치제어 루프 처리로 구한 속도지령에 따라서 통상의 속도 제어루프처리를 실시한다.

제7도∼제9도는 본 발명의 실시예의 효과를 나타내는 것이고, 제7도는 백래시 가속을 실시하지 않는 경우에, 제8도는 종래의 백래시 가속을 실시한 경우에, 제9도는 본 발명의 모터의 제어방식의 백래시 가속을 실시한 경우, 단, 제2도에 있어서의 스텝 S14∼S17의 처리를 실시하지 않고, 추정비율 b^*을 실험적으로 구한 값으로 실시했을 때의 효과예이다.

또한 각도에 있어서, 원호의 반지름은 40mm이고, 이상적인 절삭궤적으로부터의 어긋남의 양을 한눈금을 20㎛로 하여 확대 표시하고, 속도가 늦은 경우의 예로서 (a)에 절삭속도가 1000mm/분의 결과를, 속도가 빠를 경우의 예로서 (b)에 절삭속도가 6000mm/분의 결과를 표시하고 있다. 또한, 이 결과예에서는 Y축 축상에서 X축 방향으로 상한이 변할 때 돌기가 생기는 것을 표시하고 있다.

제7도에 표시하는 백래시 가속을 실시하지 않은 경우에, 저속에 있어서도 상한의 변화시에 돌기가 생기고, 고속에 있어서는 더욱 더 큰 돌기량이 발생되고 있다.

제8도에 표시하는 종래의 백래시 가속을 실시한 경우, 저속에 있어서는 백래시 가속보정에 의하여 상한의 변화시에서의 돌기량의 감소가 보이지만 고속에 있어서는 백래시 가속보정이 충분히 실시되지 않고, 상한의 변환시에 돌기가 생기고 있다.

이에 대해서, 제9도에 표시하는 본 발명이 백래시 가속을 실시한 경우, 저속과 동시에 고속에 있어서도 백래시 가속 보정이 실시되고, 상한의 변화시에서의 돌기의 발생을 억제할 수 있다.

제10도는 추정비율 b^*를 추정하고(스텝 S14∼스텝 S17), 이 추정한 추정비율 b^*에 의하여 외란 토오크 추정기의 처리(스텝 S18∼스텝 S20)의 처리를 실시한 때의 본원 발명의 효과를 보기 위하여 실시한 실험예의 결과를 표시하는 도면이다. 반지름 40mm의 원호를 속도 4000mm/분으로 가공한대의 것이고, 절삭 궤적에서의 어긋남의 양을 한눈금을 10㎛로 하여 확대 표시하고 있다.

(A)는 백래시 가속 보정을 실시하지 않은 경우, (B)는 백래시 가속 보정을 실시하지만, 추정비율 b^*의 추정을 실시하지 않고, 패러미터 b를 어떤 값으로 설정한 때의 결과를 표시한다. (d)는 추정비율 b^*를 추정한 때, 즉, 제1도, 제2도에 표시하는 본 발명의 실시예를 실시한 때의 결과를 표시하는 도면이다.

(A)에서는, 상한이 변할 때 상한 돌기가 생겨 있고, (B)에서는 백래시 가속 보정이 과잉으로 작용하고 있고, 상한이 변할 때, 돌기 대신에 오목부가 생겨 있다. 또, (C)의 경우에는 돌기 오목부의 발생이 억제되어 정도가 높은 가공이 얻어지고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 모터 반전 직후의 속도제어 루프 적분기의 목표치를 바르게 설정할 수 있고, 백래시 보정을 최적으로 실시할 수 있다. 그 때문에, 원호절삭 등에 있어서 상한 이 변할 때, 즉시 한쪽의 이송축만이 그 이동방향을 반전할 때 등에 있어서, 절삭 원호면에 발생하는 돌기를 최소한으로 억제할 수 있다.

[발명의 개시]

본 발명의 목적은 상기 종래의 서보모터의 제어 방식의 문제점을 해결하고, 모터 반전 직후의 가속제어 루프 적분기의 목표치를 바르게 설정할 수 있는 서보모터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 서보모터 제어장치는 서보모터가 받는 외란 토오크의 크기를 추정하는 외란 토오크 추정수단; 상기 외란 토오크 추정수단에 의하여 추정된 모터 반전직전의 외란 토오크의 부호를 반전시켜서 2배로 한 것을 서보모터 반전시의 속도제어 루프의 적분기의 값에 가산한 것을 그 적분기의 목표치로서의 설정하는 적분기의 목표 설정수단; 상기 목표치 설정수단으로 설정된 목표치에 적분기가 신속히 이해할 수 있도록 모터 반전후의 속도지령에 오프셋트량을 부여하는 속도지령 오프셋트 부여 수단으로 이루어진다.

바람직하게는, 속도지령 오프셋트 부여수단에 가해지는 오프셋트량은, 상기 적분기의 상기 설정된 목표치와 현재의 값과의 차에 일정한 계수를 곱셈한 값이다.

또, 바람직하게는, 상기 외란 토오크 추정수단은, 모터 모델의 패러미터인 「토오크 정수/이너셔(inertia)」의 비의 항을 포함하고, 이항의 값은 이것을 적응적으로 수정하는 수단에 의하여 처리주기 마다 수정된다.

또한, 본 발명의 서보모터 제어방법은, 서보모터를 사용한 공작기계 등의 이송축의 방향 반전시의 모터제어 방법에 있어서, 서보모터의 반전직전에 이 서보모터가 외계에서 받는 외란 토오크를 외란 토오크 추정수단에 의하여 추정하고, 속도 루프적분기의 값을 상기 추정한 외란 토오크란 토오크에 동등한 토오크 분과 나머지의 가속 토오크 분으로 분리하고, 모터 반전시에는, 상기 마찰 토오크 분의 부호를 반전시킨 것과, 상기 가속토오크 분과의 합계를 속도 루프 적분기에 반전 목표치로 설정하고, 그 반전목표치로 설정하고, 그 반전목표치로 향하여 적분기가 신속하게 이해하도록 속도지령에 있는 오프셋트량을 가하여 속도지령을 수정하도록 하고 있다.

바람직하게는, 상기 오프셋트량은 상기 속도루프 적분기에 설정된 반전목표치와 현재의 값과의 차이에 소정의 계수를 곱셈한 값이다.

또, 바람직하게는, 상기 오프셋트량을 속도지령에 추가하는 것과 사전에 설정된 횟수만을 실시하고, 그 이후는 상기 오프셋트량은 제로로한다.

또, 바람직하게는, 상기 외관토오크의 추정에는 모터의 토오크 정수와 이너셔의 비를 적응적으로 구하는 단계를 포함하는 것이고, 상세하기는, (a) 처리 주기의 1주기 전과 2주기 전의 토오크 지령의 변화량을 구하는 단계.

(b) 상기 (a)에서 구한 토오크 지령의 변화량과, 또한, 이 처리 주기의 1주기 전과 2주기 전의 모터의 실속도 및 1주기 전에 구한 모터의 토오크 정수와 이너셔와의 추정미율에서 모터의 추정속도를 구하는 단계.

(c) 모터의 실속도와 상기 추정속도와의 차인 추정 속도 오차를 구하는 단계.

(d) 현주기에 있어서의 토오크 정수와 이너셔와의 추정비율을, 현주기의 하나전 주기의 추정비율과의 차가 상기 (a)에서 구한 토오크 지령의 변화량이 작은 때에는 작고, 토오크 지령의 변화량이 소정치가 될 때까지는 이 토오크 지령의 변화량에 대략 비례한 값에, 또 상기 소정치 이상이 되면 포화시켜서 어떤 일정치가 되도록 상기 (a)에서 구한 토오크 지령의 변화량 및 (c)에서 구한 추정속도 오차에 의거하여 결정하고, 그리고 이 추정비율이 소속하는 값을 가지고, 토오크 정수와 이너셔의 비로 되는 단계를 이룬다.

더욱 바람직하게는 (d)의 토오크정수와 이너셔의 추정비율 b^*(i)를 구하기 위해서는, 상기 (a)에서 구하는 토오크지령의 변화량을 u, 상기 (c)에서 구하는 추정속도 오차를 e, 상기 (d)에서 이미 구한 전주기의 추정비율을 b^*(i-1), 또한 설정 패러미터치를 β로 하면,

로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, ① 외란 토오크 추정기(5)에 의하여 모터반전 직전의 마찰 토오크의 크기를 추정하여 그 추정한 마찰 토오크를 사용해서 속조제어 루프의 적분항(2)에서의 적분기의 값을 마찰 토오크와 가속 토오크 분으로 분리한다. ② 모터 반전시에는 적분기 중의 가속 토오크 분은 반전하기 않고, 마찰 토오크 분만 반전시켜서 적분기의 목표치를 설정한다. ③ 그리하여 적분기가 그 목표치로 향하여 신속히 이행하도록 속도지령에 있는 오프셋트량을 부가하므로, 원호절삭 등에 있어서 상한이 별할 때에, 즉시, 한쪽의 이송축만이 그 이동방향이 반전할 때 등에 있어서, 절삭 원호면에 발생하는 돌기를 최소한 억제할 수 있다.

Claims (9)

1. 서보모터가 받는 외란 토오크의 크기를 추정하는 외란 토오크 추정 수단.

   상기 외란 토오크 추정수단에 의하여 추정된 모터 반전 직전의 외란 토오크의 부호를 반전시켜서 2배로 한 것을 서보모터 반전시의 속도 제어 루프의 적분기의 치에 가산한 것을 그 적분기의 목표치로서 설정하는 적분기의 목표치 설정수단 및 상기 목표치 설정수단으로 설정된 목표치에 적분기가 신속히 이행할 수 있도록, 모터 반전후의 속도지령에 오프셋트량을 부여하는, 속도지령 오프셋트 부여수단으로 이루어지는 서보모터의 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 속도지령 오프셋트 부여수단에 가해지는 오프셋트량은, 상기 적분기이 상기 설정된 목표치와 현재치와의 차에 일정한 계수를 곱셈한 값으로 하는 서보모터의 제어장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 외란 토오크 추정수단은, 모터 모델의 패러미터인 「토오크 정수/이너셔」의 비의 항을 포함하고, 이항의 값은 그것을 적용적으로 수정하는 수단에 의하여 처리 주기마다 수정되는 서보모터의 제어장치.
4. 서보모터를 사용한 공작기계 등의 이송축의 방향 반전시의 모터 제어방법에 있어서, 서보모터의 반전직전에 이 서보모터가 외계로부터 받는 외란 토오크를 외란 토오크 추정수단에 의하여 추정하고, 속도루프 적분기의 값을 상기 추정한 외란 토오크와 동등한 마찰 토오크 분과 나머지 가속 토오크 분과로 분리하고, 모터 반전시에는, 상기 마찰 토오크 분의 부호를 반전시킨 것과 상기 가속 토오크 분과의 합계를 속도루프 적분기에 반전 목표치로서 설정하고, 그리고, 그 반전 목표치로 향하여 적분기가 신속히 이행하도록, 속도지령에 어떤 오프셋트량을 가하여 속도지령을 수정하는 서보모터의 제어방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 오프셋트량은 상기 속도 루프 적분기에 설정된 반전 목표치와 현재의 값과의 차에 소정의 계수를 곱셈한 값으로 하는 서보모터의 제어방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 오프셋트량을 속도지령에 추가하는 것은 사전에 설정된 회수만을 실시하고, 그 이후에는 상기 오프셋트량을 「0」으로 하는 서보모터의 제어방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 외란 토오크의 추정에는, 모터의 토오크 정수와 이너셔의 비를 적응적으로 구하는 단계를 포함하는 서보모터의 제어방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 모터의 토오크 정수와 이너셔의 비를 적응적으로 구하는 단계는, (a) 처리 주기의 1주기 전과 2주기 전의 토오크 지령의 변화량을 구하는 단계, (b) 상기 (a)에서 구한 토오크 지령의 변화량과, 이 처리주기의 1주기 전과 2주기 전의 모터의 실속도 및 1주기 전에 구한 모터의 토오크 정수와 이너셔와의 추정비율에서 모터의 추정속도를 구하는 단계, (c) 모터의 실속도와 상기 추정속도와의 차인 추정속도 오차를 구하는 단계, (d) 현주기에 있어서의 토오크 정수와 이너셔와의 추정비율을, 현주기의 하나전의 주기의 추정비율과의 차가 상기 (a)에서 구한 토오크 지령의 변화량이 적을 때에는 작고, 토오크 지령의 변화량이 소정치가 될 때까지는 이 토오크 지령의 변화량에 대략 비례한 값으로, 또 상기 소정치 이상이 되면, 포화되어 있는 일정치가 되도록 상기 (a)에서 구한 토오크 지령의 변화량 및 (c)에서 구한 추정속도 오차에 의거하여 결정하고, 그리고 이 추정비율이수 속하는 값을 가지고 토오크와 정수이너셔의 비로하는 단계로 이루어지는 서보모터의 제어방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 (d)의 토오크 정수와 이너셔의 추정비율 b^*(i)를 구하는 데에는, 상기 (a)에서 구하는 토오크 지령의 변화량을 u, 상기 (c)에서 구하는 추정속도 오차를 e, 상기 (d)에서 이미 구한 전주기의 추정비율을 b^*(i-1), 또, 설정패러미터치를 β로 하면,

   으로 하는 서보모터의 제어방법.