KR101343257B1 - 모터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

오버슈트의 발생을 억제할 수 있음과 아울러, 기계 부하로부터 대상물에 작용하는 역학적 물리량의 물리량 지령치에 대한 추종성을 향상시킬 수 있는 모터 제어 장치를 제공한다. 모터(2)의 구동은, 모터 제어 장치 본체(10)에 의해서 제어된다. 모터 제어 장치 본체(10)는, 압력 지령 신호 생성부(11), 압력 제어부(12), 속도 제어부(13) 및 전류 제어부(14)를 갖고 있다. 압력 지령 신호 생성부(11)는, 압력 지령치를 미분한 값이 가압 대상물의 탄성 상수 K, 및 모터 최대 속도 V_max의 곱 이하로 되도록 압력 지령치를 생성한다. 압력 제어부(12)는, 압력 제어 연산을 실행하고, 압력 지령치와 실제 압력치의 편차에 따른 모터 속도 지령치를 산출하여, 그 모터 속도 지령치의 신호인 모터 속도 지령 신호(12a)를 생성한다.

Description

모터 제어 장치{MOTOR CONTROL APPARATUS}

본 발명은, 대상물에 기계 부하를 가압하기 위한 모터의 구동을 제어하는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

사출 성형기나 프레스 성형기 등의 각종 성형기나, 본딩 기계 등의 가공 장치(가공 기계)에서는, 전동 기구(기계 구동부)가 모터에 의해서 구동되고, 가압 대상물에 압력을 가한다. 또한, 이러한 가공 장치에서는, 일반적으로, 가압 대상물인 성형 재료 등이나 워크피스(workpiece)에 기계 부하가 가압되었을 때의 압력치인 실제 압력치가 검출되고, 이 검출된 실제 압력치와 압력 지령치에 기초하여 압력 제어가 행하여진다. 이러한 압력 제어에 의해서, 실제 압력치가 압력 지령치에 추종하도록 모터의 전류 지령치가 산출된다.

이러한 압력 제어에서는, 압력 지령치의 신호인 압력 지령 신호로서, 목표로 하는 압력치를 최종치로 하는 스텝 형상의 신호가 사용되는 것이 많다. 그러나, 스텝 형상의 압력 지령 신호를 인가하여 제어를 행하는 것에 의해, 실제 압력치가 목표치를 넘어 버리는 현상인 오버슈트(overshoot)가 발생한다. 이러한 오버슈트가 발생함으로써, 성형기나 본딩 기계에 있어서의 압력 제어에 있어서는, 목표 압력의 값보다도 과대한 실제 압력치가 생기기 때문에, 성형품이나 가공품의 품질에 악영향을 미치게 한다.

이에 대하여, 예컨대, 특허 문헌 1에 나타내는 바와 같은 종래 장치에서는, 압력 지령 신호로서, 대략 직선적인 비율로 상승시켜, 목표로 하는 목표 압력에 도달하는 신호가 사용된다.

(선행 기술 문헌)

(특허 문헌)

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 제2006-255743호 공보

특허 문헌 1에 나타내는 바와 같은 종래 장치에서는, 압력 지령치를 구체적으로 어느 정도의 비율로 대략 직선적으로 상승시켜도 좋은지, 즉, 직선의 경사를 구체적으로 정하는 지표가 없다. 이 때문에, 경사가 비교적 작은 경우에는, 오버슈트는 발생하지 않게 되지만, 경사가 작은 것은 그만큼 목표로 하는 압력에 도달하는 것이 늦는다는 것을 의미한다. 이에 의해서, 기계 동작 시간이 연장되는 등의 불편함이 생긴다. 한편, 직선의 경사가 비교적 큰 경우에는, 스텝 형상의 압력 지령 신호를 인가한 경우와 마찬가지로 오버슈트가 발생한다고 하는 문제가 있다.

한편, 이러한 문제는, 압력 제어 뿐만 아니라, 힘 제어에서도 마찬가지로 발생한다.

본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 오버슈트의 발생을 억제할 수 있음과 아울러, 기계 부하로부터 대상물에 작용하는 역학적 물리량의 물리량 지령치에 대한 추종성을 향상시킬 수 있는 모터 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 모터 제어 장치는, 모터를 갖고, 힘 및 압력 중 어느 하나인 역학적 물리량을 대상물에 인가하기 위한 기계 부하에 접속되고, 상기 모터의 동력에 의해서, 상기 기계 부하를 변위시켜 상기 대상물에 가압하는 것에 의해, 상기 대상물에 상기 역학적 물리량을 인가하는 전동 기구에 설치되는 것으로서, 상기 기계 부하로부터 상기 대상물에 작용하는 상기 역학적 물리량의 값을 물리량 취득치로서 취득하고, 상기 물리량 취득치를 미리 설정된 물리량 목표치로 하기 위한 물리량 지령치를 생성하며, 상기 물리량 취득치와 상기 물리량 지령치를 이용하여 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어 장치 본체를 구비하며, 상기 모터 제어 장치 본체는, 상기 대상물의 탄성 상수, 및 상기 모터의 최대 속도의 정보를 미리 기억하고, 상기 물리량 지령치를 미분한 값이, 상기 대상물의 탄성 상수, 및 상기 모터의 최대 속도의 곱 이하로 되도록 상기 물리량 지령치를 생성하는 것이다.

본 발명의 모터 제어 장치에 의하면, 모터 제어 장치 본체가, 물리량 지령치를 미분한 값이 대상물의 탄성 상수, 및 모터의 최대 속도의 곱 이하로 되도록 물리량 지령치를 생성하기 때문에, 물리량 지령치의 변화의 경사가 모터의 최대 속도에 대응한 값으로 되므로, 오버슈트의 발생을 억제할 수 있음과 아울러, 기계 부하로부터 대상물에 작용하는 역학적 물리량의 물리량 지령치에 대한 추종성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 모터 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 압력 지령 신호 생성부의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 도 1의 압력 지령 신호 생성부에 의해서 산출되는 압력 지령치의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 2에 의한 모터 제어 장치의 일부를 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 4의 압력 지령 신호 생성부의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 압력 지령치의 미분치의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 압력 지령치의 미분치의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 3에 의한 모터 제어 장치의 일부를 나타내는 블록도이다.
도 9는 도 8의 압력 지령 신호 생성부의 동작을 나타내는 흐름도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

(실시 형태 1)

도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 의한 모터 제어 장치를 나타내는 블록도이다.

도 1에 있어서, 가공 장치(1)는, 회전식의 모터(가압용 모터)(2) 및 인코더(3)를 포함하는 전동 기구(4)와, 기계 부하(가압 부재)(5)와, 압력 검출기(6)를 갖고 있다.

인코더(3)는, 모터(2)의 회전 속도에 따른 실제 모터 속도 신호를 생성하는 속도 검출 수단이다. 전동 기구(4)는, 회전 운동을 병진 운동으로 변환하는 피드 스크류 기구이며, 스크류(4a)와, 볼 스크류 너트(4b)를 갖고 있다. 스크류(4a)는, 모터(2)에 의해서, 그 주위방향으로 회전된다. 볼 스크류 너트(4b)는, 스크류(4a)의 회전에 따라, 스크류(4a)의 축방향으로 변위한다.

기계 부하(5)는, 볼 스크류 너트(4b)에 부착되어 있다. 기계 부하(5)의 선단부는, 가압 대상물(대상물)(7)과 대향하고 있다. 또한, 기계 부하(5)는, 볼 스크류 너트(4b)와 함께, 스크류(4a)의 축방향으로 변위한다. 가압 대상물(7)은, 기계 부하(5)에 의해서 가압된다. 압력 검출기(6)는, 기계 부하(5)에 부착되어 있다. 또한, 압력 검출기(6)는, 예컨대, 로드 셀이나 각종 힘 센서 등이다. 또한, 압력 검출기(6)는, 기계 부하(5)의 가압 대상물(7)로의 가압 시의 압력(역학적 물리량)에 따른 실제 압력 신호(6a)를 생성한다.

모터(2)의 구동은, 모터 제어 장치 본체(10)에 의해서 제어된다. 모터 제어 장치 본체(10)는, 압력 지령 신호 생성부(11), 압력 제어부(12), 속도 제어부(13) 및 전류 제어부(14)를 갖고 있다. 압력 지령 신호 생성부(11)는, 가압 대상물에 인가하는 압력의 지령치인 압력 지령치(물리량 지령치)의 신호, 즉, 압력 지령 신호(11a)를 생성한다.

압력 제어부(12)는, 압력 지령 신호 생성부(11)로부터의 압력 지령 신호(11a)의 압력 지령치와, 압력 검출기(6)로부터의 실제 압력 신호(6a)의 실제 압력치(물리량 취득치)의 편차(차분)의 신호(11b)를 수취한다. 또한, 압력 제어부(12)는, 압력 제어 연산을 실행하고, 압력 지령치와 실제 압력치의 편차에 따른 모터 속도 지령치를 산출하며, 그 모터 속도 지령치의 신호인 모터 속도 지령 신호(12a)를 생성한다. 이 압력 제어부(12)에 의한 압력 제어 연산의 일례로서는, 압력 지령치와 실제 압력치의 편차에, 비례 이득 파라미터로 정의되는 비례 상수를 곱하여, 속도 지령치를 출력하는 비례 제어를 들 수 있다.

속도 제어부(13)는, 압력 제어부(12)로부터의 모터 속도 지령 신호(12a)의 모터 속도 지령치와, 인코더(3)로부터의 실제 모터 속도 신호(3a)의 모터 실제 속도의 편차(차분)의 신호(12b)를 수취한다. 또한, 속도 제어부(13)는, 속도 제어 연산을 실행하여, 모터 속도 지령치와 모터 실제 속도의 편차에 따른 모터 전류 지령치를 산출하고, 그 모터 전류 지령치의 신호인 모터 전류 지령 신호(13a)를 생성한다. 이 속도 제어부(13)에 의한 속도 제어 연산의 일례로서는, 비례 이득 파라미터 및 적분 이득 파라미터의 2개의 파라미터에 근거하는 비례 + 적분 제어 등을 들 수 있다.

전류 제어부(14)는, 속도 제어부(13)로부터의 모터 전류 지령 신호(13a)를 수취한다. 또한, 전류 제어부(14)는, 모터 전류 지령 신호(13a)의 모터 전류 지령치에 기초하여, 모터(2)에 전력(14a)를 공급한다.

여기서, 모터 제어 장치 본체(10)는, 연산 처리부(CPU), 기억부(ROM 및 RAM 등) 및 신호 입출력부를 가진 컴퓨터(도시하지 않음)에 의해 구성할 수 있다. 모터 제어 장치 본체(10)의 컴퓨터의 기억부에는, 압력 지령 신호 생성부(11), 압력 제어부(12), 속도 제어부(13) 및 전류 제어부(14)의 기능을 실현하기 위한 프로그램이 저장되어 있다.

다음에, 압력 지령 신호 생성부(11)의 연산 처리에 대하여, 보다 구체적으로 설명한다. 도 2는, 도 1의 압력 지령 신호 생성부(11)의 동작을 나타내는 흐름도이다. 도 2에 있어서, 스텝 S11에서는, 압력 지령 신호 생성부(11)는, 가압하고자 하는 압력인 목표 압력 P1(물리량 목표치), 현재 유지하고 있는 압력인 현재 압력 P0, 모터 최대 속도 V_max, 및 가압 대상물(7)의 탄성 상수 K를 취득한다.

여기서, 목표 압력 P1, 모터 최대 속도 V_max 및 탄성 상수 K에 대해서는, 미리 압력 지령 신호 생성부(11)에 등록된 값을 이용할 수 있다. 또한, 현재 압력 P0에 대해서는, 압력 지령 신호 생성부(11)가 압력 검출기(6)의 실제 압력 신호(6a)로부터 취득한 실제 압력치(즉, 압력 검출기(6)를 거쳐서 취득한 실제 압력치)를 이용할 수 있거나 또는 압력 지령 신호 생성부(11)가 추정하여 취득한 실제 압력치를 이용할 수도 있다.

계속해서, 스텝 S12에서는, 압력 지령 신호 생성부(11)는, 가압 천이 시간 τ을, 다음 연산식을 이용하여 산출한다.

그리고, 스텝 S13에서는, 압력 지령 신호 생성부(11)는, 압력 지령치 P*(t)를, 다음 식(1)을 이용하여 산출한다.

여기서, t는, 시간을 나타내는 파라미터이며, t=0인 시점은, 압력 지령치 P*(t)의 현재 압력 P0으로부터 목표 압력 P1로의 변경의 개시 시점이다.

도 3은 도 1의 압력 지령 신호 생성부(11)에 의해서 산출되는 압력 지령치 P*(t)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3에 있어서, t=0인 시점에서 압력 지령치 P*(t)의 현재 압력 P0으로부터 목표 압력 P1로 향한 변화가 개시되어, t=τ인 시점에서, 압력 지령치 P*(t)가 목표 압력 P1에 도달한다. 여기서, t=τ를 식(1)에 대입하면, t=τ에 있어서의 압력 지령치 P*(t)가, 목표 압력 P1과 일치하는 것이 확인된다.

다음에, 실시 형태 1의 효과, 특히, 압력 지령 신호 생성부(11)에 의해서 산출되는 압력 지령치에 의한 효과에 대하여 설명한다. 일반적으로, 기계 부하(5)가 가압 대상물(7)에 접촉하고 있을 때에, 기계 부하(5)의 이동량이 커질수록(도 1에서는, 기계 부하(5)가 오른쪽 방향으로 이동할수록), 큰 압력이 발생한다. 이 특성을 나타내기 위한 값이 가압 대상물(7)의 탄성 상수 K이다.

이 탄성 상수 K는, 모터 위치(회전 각도)에 대하여, 압력이 얼마만큼 발생하는지를 나타내는 비례 상수를 나타내고 있다. 가압 대상물(7)의 탄성 상수 K가 선형의 특성을 나타내는 경우에는, 모터 위치를 X로 하고, 압력을 P로 했을 때에, 상수 B를 이용하여, 다음 식(2)의 관계가 성립한다.

여기서, 가압 대상물(7)에 발생시키는 압력을 변화시키기 위한 제어를 행한다는 것은, 기계 부하(5), 및 그것을 구동하는 모터(2)의 동작에 주목하면, 기계 부하(5)의 위치 또는 모터 위치가, 임의의 위치로부터 별도의 임의의 위치로 이동하는 것에 상당한다.

종래의 압력 제어계의 구성에서는, 스텝적인 변화를 하는 압력 지령 신호(11a)를 인가하고 있지만, 이러한 스텝적인 변화를 하는 압력 지령 신호(11a)를 이용한 경우에는, 모터 위치도 스텝적인 동작을 하지 않으면, 실제 압력치의 변화가 압력 지령치의 변화에 충분히 추종할 수 없게 된다.

또한, 모터 위치가 스텝 형상으로 변화되기 위해서는, 모터 위치를 미분하여 이루어지는 신호인 실제 모터 속도 신호(3a), 및 속도 제어부(13)의 참조 신호로 되는 속도 지령 신호(12a)가, 그 크기가 무한대이고 또한 임펄스적인 형상을 취해야 한다.

이에 의해, 스텝적인 변화를 하는 압력 지령 신호(11a)를 인가하면, 실제 압력치가 압력 지령치에 추종하고자 하기 때문에, 압력 제어부(12)는, 모터 위치가 스텝 형상의 변화를 하도록 하는 속도 지령 신호, 즉, 속도 지령 신호가 크기 무한대의 임펄스적인 형상의 속도 지령 신호(12a)를 생성한다.

또한, 압력 제어계의 구성이, 압력 제어의 마이너 루프(minor loop)가 속도 제어인 구성(도 1과 같이 압력 제어부(12)가, 속도 지령 신호(12a)를 생성함)에 한하지 않고, 압력 지령치가 스텝적으로 변화되어, 실제 압력치가 그 압력 지령치에 추종하도록 하는 제어를 행하고자 하면, 모터 속도는 크기 무한대로 임펄스 형상의 움직임을 하려고 한다. 일반적으로, 모터(2)에는 통상 출력할 수 있는 최대 속도인 모터 최대 속도가 존재하기 때문에, 그 모터 최대 속도보다도 큰 속도 지령치를 인가하는 것은 모터 제어의 관점에서 바람직하지 않다.

가령, 모터 최대 속도보다도 큰 속도 지령치를 인가하여 제어를 행하는 경우에는, 실제 모터 속도에 오버슈트나 진동이 발생하고, 그 결과, 가압 대상물에 가해지는 압력에도 오버슈트나 진동이라고 하는 바람직하지 않은 현상이 발생한다. 또한, 압력 지령 신호(11a)가 스텝적이 아니라, 어느 정도 경사를 갖게 하여 인가하는 경우에도, 그 경사가 비교적 큰 경우에는, 모터 최대 속도를 초과하도록 하는 속도 지령치의 속도 지령 신호(12a)를 인가하여 버리게 된다.

이에 대하여, 실시 형태 1에서는, 도 2에 나타내는 바와 같은 처리에 근거하는 압력 지령치를 적용한 경우, 압력 지령치가 변화되는 시간 영역 0≤t≤τ에 있어서, 압력 지령치 P*(t)를, 가압 대상물(7)의 탄성 상수 K로 나누어, 미분한 값을 계산하면, V_max로 된다. 환언하면, 압력 지령치를 미분한 값이, 탄성 상수와 모터 최대 속도의 곱이 된다. 압력 제어부(12)의 참조 신호로 되는 압력 지령 신호(11a)의 압력 지령치를 탄성 상수 K로 나눈 값은, 식(2)으로부터, 압력 제어를 행하고 있을 때의 모터 위치를 나타내는 값으로 된다. 또한, 이 값을 미분하는 것은, 압력 제어를 행하고 있을 때의 모터 속도를 나타내는 값에 상당한다.

이로부터, 실시 형태 1에서는, 현재의 압력으로부터 목표로 하는 압력으로 변화시키는 압력 제어를 행하고 있는 동안, 모터(2)의 속도가 모터 최대 속도 이하로 되고, 스텝적인 압력 지령 신호나, 경사가 비교적 큰 압력 지령 신호를 인가했을 때에 발생하는 오버슈트나, 진동이라고 하는 바람직하지 않은 현상의 발생을 방지할 수 있어, 안정한 압력이나 힘의 제어를 실현할 수 있다.

이상과 같이, 실시 형태 1에서는, 모터 제어 장치 본체(10)의 압력 지령 신호 생성부(11)가, 압력 지령치를 미분한 값이 가압 대상물의 탄성 상수 K, 및 모터 최대 속도 V_max의 곱 이하로 되도록 압력 지령치를 생성한다. 이 구성에 의해, 압력 지령치의 변화의 경사가 모터 최대 속도 V_max에 대응한 경사로 되므로, 오버슈트의 발생을 억제할 수 있음과 아울러, 실제 압력치의 지령 압력치에 대한 추종성을 향상시킬 수 있다.

또한, 실시 형태 1에서는, 압력 지령치를 변화시킬 때의 압력 지령치의 변화의 경사에 정량적인 지침을 인가할 수 있어, 압력 지령치의 변화의 경사를 보다 적절히 설정할 수 있다.

여기서, 실시 형태 1의 도 2의 흐름도의 스텝 S1에 있어서, 모터 최대 속도 V_max를 이용하여 압력 지령치 P*(t)를 산출했다. 그러나, 이 예에 한정하는 것이 아니며, 모터 최대 속도 V_max 대신에, 모터 최대 속도 V_max 미만의 임의의 값 Vn을 사용할 수도 있다. 이 경우, 압력 지령치를 가압 대상물의 탄성 상수 K로 나누어, 미분한 값은, 값 Vn 이하로 되어, 실시 형태 1과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

단, 실시 형태 1과 같이, 모터 최대 속도 V_max를 이용하여 압력 지령치 P*(t)를 산출하는 방식에서는, 현재 압력 P0으로부터 목표 압력 P1로 변화시키는 압력 제어를 행하고 있는 동안에, 모터(2)가 출력할 수 있는 범위에서 최대의 속도로 모터(2)를 동작시켜 압력 제어를 행하고 있는 것에 상당하여, 신속하게 목표 압력 P1에 도달하는 압력 제어를 실현할 수 있다고 하는 효과가 있다.

(실시 형태 2)

실시 형태 1에서는, 모터(2)의 최대 속도에 주목한 구성에 대하여 설명했다. 이에 대하여, 실시 형태 2에서는, 모터(2)의 최대 속도에 부가하여, 모터(2)의 최대 토크에 주목한 구성에 대하여 설명한다.

일반적으로, 모터(2)에는, 출력할 수 있는 최대 속도 뿐만이 아니라, 출력할 수 있는 최대 토크가 존재하고 있다. 압력 제어 중에, 모터(2)가 출력할 수 있는 최대 토크보다도 큰 토크를 출력하고자 하면, 가압 대상물(7)에 인가되는 압력에 오버슈트나 진동이라고 하는 바람직하지 않은 현상이 발생한다. 예컨대, 압력 지령 신호(11a)로서 스텝적으로 목표 압력을 인가한 경우에는, 이러한 현상이 발생하여 버린다.

이에 대하여, 실시 형태 2에서는, 이러한 현상의 발생을 방지하기 위해서, 압력 제어 중에, 모터 속도를 모터 최대 속도 이하로 하는 것 뿐만 아니라, 모터 토크를 모터 최대 토크 이하로 하는 것이 가능해지는 압력 지령치를 산출하는 구성에 대하여 설명한다.

실시 형태 2의 구성은, 압력 지령 신호 생성부(21) 이외에는, 실시 형태 1과 마찬가지이다. 도 4는, 본 발명의 실시 형태 2에 의한 모터 제어 장치의 일부를 나타내는 블록도이다. 도 4에 있어서, 실시 형태 2의 압력 지령 신호 생성부(21)는, 가압 대상물의 탄성 상수 K, 목표 압력 P1, 및 모터 최대 속도 V_max의 정보에 부가하여, 모터 최대 토크 T_max, 및 기계 총관성 J의 정보를 미리 기억하고 있다. 압력 지령 신호 생성부(21)는, 이들의 정보와, 현재 압력 P0에 기초하여, 압력 지령치를 산출하고, 그 신호인 압력 지령 신호(21a)를 생성한다.

또한, 현재 압력 P0에 대해서는, 실시 형태 1과 마찬가지로, 압력 지령 신호 생성부(21)가 압력 검출기(6)의 실제 압력 신호(6a)로부터 취득한 실제 압력치를 이용할 수 있거나, 또는 압력 지령 신호 생성부(21)가 실제 압력을 추정하여 취득한 값을 이용하는 것도 가능하다.

여기서, 기계 총관성 J는, 모터(2)가 구동했을 때에 움직이는 부분의 관성이며, 도 1에서는, 모터(2)의 관성, 전동 기구(4)의 관성, 기계 부하(5)의 관성, 및 압력 검출기(6)의 관성을 합계한 관성에 상당한다.

다음에, 압력 지령 신호 생성부(21)의 연산 처리에 대하여, 구체적으로 설명한다. 도 5는, 도 4의 압력 지령 신호 생성부(21)의 동작을 나타내는 흐름도이다. 도 5에 있어서, 스텝 S21에서는, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 압력 지령 생성 정보로서, 목표 압력 P1, 현재 압력 P0, 모터 최대 속도 V_max, 모터 최대 토크 T_max, 기계 총관성 J, 및 가압 대상물(7)의 탄성 상수 K를 취득한다.

스텝 S22에서는, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 상수 A=T_max/J를 산출한다. 여기서, 상수 A는, 모터(2)가 관성 J의 기계에 대하여 모터 최대 토크로 구동했을 때에 출력할 수 있는 가속도에 상당하는 상수이다.

계속해서, 스텝 S23에서는, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 현재 압력 P0, 목표 압력 P1, 가압 대상물(7)의 탄성 상수 K, 및 모터 최대 속도 V_max에 기초하여, 다음 식(3)이 성립하는지 여부를 확인한다.

여기서, 식(3)에 있어서의「V_max^2」는 V_max의 자승을 나타내는 것이다.

이 때에, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 식(3)이 성립한 것을 확인한 경우에는, 스텝 S24, S25의 처리를 순차적으로 실행한다. 한편, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 식(3)이 성립하지 않고 있는 것을 확인한 경우에는, 스텝 S26, S27의 처리를 순차적으로 실행한다.

그리고, 스텝 S24에서는, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 상수τ0을, 다음 식(4)을 이용하여 산출한다.

여기서, 이하에서는, P1>P0인 경우에 대하여 설명을 한다.

스텝 S25에서는, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 상수τ0과 파라미터 t와 다음 식(5)을 이용하여, 압력 지령치 P*(t)를 산출한다.

또한, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 스텝 S23에 있어서, 식(3)이 성립하지 않고 있는 것을 확인한 경우에는, 스텝 S26에 의해, 다음 식(6)을 이용하여, 상수τ0, τ1을 산출한다.

그리고, 스텝 S27에서는, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 파라미터 t와 다음 식(7)을 이용하여 압력 지령치 P*(t)를 산출한다.

또한, 여기서는, P1>P0인 경우에 대하여 설명을 했지만, P0<P1인 경우에는, 식(5) 및 식(7)에 있어서의 압력 지령치 P*(t)를 나타내는 식에 있어서, P0, P1의 항 이외의 부호를 반전시키는 것에 의해, 마찬가지로 실현할 수 있다.

다음에, 실시 형태 2에 의한 압력 지령치 P*(t)를 이용하는 것에 의해, 압력 제어를 행하고 있는 동안에, 모터(2)의 속도가 모터 최대 속도 V_max를 넘지 않는 것에 대해 설명한다.

압력 지령치 P*(t)를 탄성 상수 K로 나누어, 미분한 값을 산출하면, 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 이 값은, 실제 압력치가 압력 지령치에 대하여 추종하고 있는 경우의 속도 지령치에 상당하며, 스텝 S25인 경우, 다음 식(8)과 같이 된다.

여기서, 0≤t≤τ0에 있어서의 At는, t=τ0인 때에 최대치를 취하므로, 다음 관계로 된다.

이 식의 2번째의 부등식은, 스텝 S23의 조건이 성립하는 것에 의한 것이다.

이와 마찬가지로, τ0≤t≤2τ0인 경우에 있어서의 A(2τ0-t)는, t=τ0인 때에 최대치를 취하므로, 다음 관계로 된다.

이로부터, 어느 쪽의 경우에도, 모터의 최대 속도인 V_max를 넘지 않는 것을 알 수 있다. 이와 마찬가지로, 스텝 S27인 경우에 압력 지령치 P*(t)를 산출한 경우에도, 압력 지령치 P*(t)를 K로 나누어, 미분한 값은, 다음 식(9)과 같이 된다.

이에 의해, 식(9)의 최대치가 V_max 이하인 것을 알 수 있다. 이상으로부터, 스텝 S25, S27 중 어느 쪽의 경우를 취해도, 현재 압력 P0으로부터 목표 압력 P1로 압력을 변화시키는 압력 제어 중에, 모터 속도가 모터 최대 속도 V_max 이하로 되는 것을 알 수 있다.

다음에, 실시 형태 2에 의한 압력 지령치 P*(t)를 이용하는 것에 의해, 압력 제어를 행하고 있는 동안에, 모터(2)의 토크가 모터 최대 토크 T_max를 넘지 않는 것에 대해 설명한다. 스텝 S25에 있어서 압력 지령치 P*(t)를 생성하는 경우에 있어서, 압력 지령치 P*(t)를 2회 미분한 값을, 탄성 상수 K로 나누어, 기계 총관성 J를 곱한 값은, 다음 식(10)과 같이 된다.

또한, 스텝 S27에 있어서 압력 지령치 P*(t)를 생성하는 경우에 있어서, 압력 지령치 P*(t)를 2회 미분한 값을, 탄성 상수 K로 나누어, 기계 총관성 J를 곱한 값은, 다음 식(11)과 같이 된다.

이와 같이, 스텝 S25, S27 중 어느 쪽의 경우에도, 연산 결과는 최대 A·J로 된다. 여기서, 상수 A는, A=T_max/J이기 때문에, A·J=T_max이며, 압력 지령치를 2회 미분한 값을, 탄성 상수 K로 나누어, 기계 총관성 J를 곱한 값이 모터 최대 토크 T_max 이하로 되는 것을 알 수 있다.

다음에, 실시 형태 2의 효과에 대하여 설명한다. 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 압력 지령 신호(21a)를 스텝 형상으로 인가한 경우에는, 모터 속도가 임펄스 형상의 움직임을 하지 않으면, 이에 추종하는 압력은 실현되지 않는다. 또한, 한번 더 미분한 모터 가속도도, 크기 무한대의 임펄스 형상으로 된다. 여기서, 모터 가속도에 기계 총관성 J를 곱한 값이 모터(2)의 토크에 상당하기 때문에, 임펄스적인 압력 지령 신호(21a)에 추종하도록 하여, 크기 무한대의 토크가 필요하게 된다.

또한, 압력 지령 신호(21a)를 스텝 형상이 아니라, 경사 형태의 압력 지령 신호(21a)를 생성하더라도, 압력 지령치의 1회 미분치는, 임의의 크기 이하로 되지만, 2회 미분치에 대해서는 임의의 값 이하로 된다고 하는 보증이 없다. 이 때문에, 모터 최대 토크 T_max 이상의 토크를 발생시켜 모터(2)를 구동하고자 하는 경우가 있기 때문에, 토크에 오버슈트나 진동이 발생하고, 그 결과, 가압 대상물(7)에 인가되는 압력에도 오버슈트나 진동이라고 하는 바람직하지 않은 현상이 발생할 가능성이 있다.

또한, 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 압력 지령치 P*(t)를 미분하여 탄성 상수 K로 나눈 값은, 압력 지령치에 완전하게 추종한 경우의 모터 속도에 상당한다. 따라서, 압력 지령치 P*(t)를 2회 미분하여 탄성 상수 K로 나눈 값은, 압력 지령치에 완전하게 추종한 경우의 모터(2)의 가속도에 상당한다. 또한, 압력 지령치 P*(t)를 2회 미분하여 탄성 상수 K로 나눈 값에 기계 총관성 J를 곱한 값은, 현재 압력 P0으로부터 목표 압력 P1로의 압력 제어에 있어서의 모터(2)의 가감속 동작에 요하는 토크에 상당한다.

이와 같이, 실시 형태 2에서는, 압력 지령치 P*(t)의 2회 미분치를 탄성 상수 K로 나누어, 기계 총관성 J를 곱한 값이 모터 최대 토크 T_max 이하로 되도록, 압력 지령치 P*(t)를 산출한다. 이 구성에 의해, 압력 제어 중인 모터 토크가 모터 최대 토크 T_max 이하로 되어, 압력 지령 신호(21a)를 스텝 형상으로 인가한 경우와 같은 상기 바람직하지 않은 현상을 방지할 수 있다고 하는 효과가 있다.

여기서, 도 5의 흐름도에 따라서 생성한 압력 지령치 P*(t)의 미분치의 변화 패턴(미분 신호의 개략적인 형상)을, 식(8)에 기초하여 도시한 것이 도 6이다. 이 도 6에 나타낸 바와 같이, 미분치의 변화의 경사는, A·K이며, 전체의 변화 패턴의 삼각 형상(이등변 삼각 형상)으로 되어 있다.

전술한 바와 같이, 압력 지령치 P*(t)의 미분치를 탄성 상수 K로 나눈 값은, 압력 제어 중의 모터 속도에 상당한다. 즉, 압력 지령치의 미분치의 전체의 변화 패턴이 삼각 형상으로 된다고 하는 것은, 모터(2)로부터 보면, 도 5의 스텝 S21에서 취득된 모터 최대 토크 T_max 이하의 토크에서 직선적으로 가속하고, 직선적으로 감속하는 Bang-Bang 제어의 상태에서, 가능한 한 빠르게 압력을 상승 또는 하강시키려면 모터(2)를 동작시키는 것을 의미한다.

이와 마찬가지로, 도 5의 흐름도에 따라서 생성한 압력 지령치 P*(t)의 미분치의 변화 패턴(미분 신호의 개략적인 형상)을, 식(9)에 기초하여 도시한 것이 도 7이다. 이 도 7에 나타낸 바와 같이, 미분치의 전체의 변화 패턴이 사다리꼴 형상으로 되어 있다. 압력 지령치 P*(t)의 미분치의 변화 패턴이 사다리꼴 형상으로 된다는 것은, 모터(2)로부터 보면, 도 5의 스텝 S21에서 취득된 모터 최대 토크 T_max 이하의 토크에서 직선적으로 가속하고, 가속이 종료하면, 모터 최대 속도 V_max 이하의 속도를 유지하고, 최후에 모터 최대 토크 T_max 이하의 토크에서 직선적으로 감속하는 동작을 시키는 것을 의미한다.

이 경우에도, 역시 Bang-Bang 제어의 상태에서, 압력을 상승 또는 하강시키고자 하면 모터를 동작시킨다. 즉, 압력의 오버슈트나 진동이라고 하는 바람직하지 않은 현상의 요인이 되는 압력 제어 중에 모터 속도가 모터 최대 속도를 초과하거나, 또는, 모터 토크가 모터 최대 토크를 넘는 현상을 방지하면서, 모터(2)의 성능을 최대한 사용하여 가압 대상물(7)에 부가하는 압력을 가능한 한 빠르게 상승 또는 하강시키는 제어를 행하는 것이 가능해진다.

또한, 실시 형태 2에서는, 도 5의 스텝 S21에 있어서, 모터 최대 토크 T_max를 이용하여 일련의 처리를 행했다. 그러나, 이 예에 한정하는 것이 아니며, 모터 최대 토크 T_max 대신에 모터 최대 토크보다 작은 임의의 값 Tn을 사용할 수도 있다. 이 때, T_max 대신에 Tn을 사용하면, T_max를 사용했을 때와 마찬가지로, 압력 지령치를 2회 미분하고, 탄성 상수 K로 나누어, 기계 총관성 J가 Tn 이하로 되는 것이 도시되며, 압력 제어 중인 모터 토크가 Tn 이하로 된다.

또한, 도 5의 흐름도에 따르지 않고, 압력 지령치를 2회 미분하고, 탄성 상수 K로 나누어, 기계 총관성 J를 곱한 값이, 모터 최대 토크 이하로 되면, 압력 제어 중인 모터 토크를, 모터 최대 토크 이하로 할 수 있다.

(실시 형태 3)

압력 제어에 있어서, 가압 대상물(7)에 인가하는 압력을 변경하지 않고, 가압 대상물에 일정한 압력을 단지 유지하더라도, 유지를 위해 모터(2)에 토크를 발생시킬 필요가 있다. 구체적으로, 가압 대상물(7)에 압력·힘을 인가하면, 작용·반작용의 원리에 의해, 기계 부하(5)에도 방향이 반대이며, 동일한 크기의 압력·힘이 인가된다. 반작용으로서 발생하는 압력·힘에 대항하기 위해서, 모터(2)에 반작용분의 압력·힘에 상당하는 토크를 발생시켜, 가압 대상물(7)에 인가하는 압력을 유지할 필요가 있다. 특히, 제어하는 압력·힘이 비교적 큰 경우에는, 이 유지 토크를 고려하여 제어를 행할 필요가 있다. 실시 형태 3에서는, 이 유지 토크를 고려한 구성에 대하여 설명한다.

먼저, 유지 토크를 구하는 방법에 대하여 설명한다. 도 1과 같이, 피드 스크류 기구를 모터에 직접 결합하는 것에 의해 회전 운동을 병진 운동으로 변환하는 경우, 힘 P을 유지하기 위한 유지 토크 Tp는, 피드 스크류 기구(볼 스크류)의 리드(lead)를 L로 했을 때, Tp=P×L/(2π)로 산출 가능해진다. 이것은, 모터(2)에 토크 T가 발생했을 때에, 볼 나사 너트에서 발생하는 힘 F를 계산할 때에 사용하는 계산식 P=2π/L×T로부터 얻어지는 식이다.

또한, 모터와 피드 스크류 기구를 직접 결합으로 하지 않고, 감속기나 타이밍 벨트 등의 변속 기구를 거쳐서 변속하고 나서, 피드 스크류 기구와 모터를 결합하는 경우, 유지 토크 Tp는, 변속비(기어비)를 N으로 했을 때에(모터 속도가 변속 기구를 거치는 것에 의해 N배로 변환됨), Tp=N×P×L/(2π)로 산출 가능해진다.

다음에, 실시 형태 3의 구성에 대하여 설명한다. 실시 형태 3의 구성은, 압력 지령 신호 생성부(31) 이외에는, 실시 형태 1과 마찬가지이다. 도 8은, 본 발명의 실시 형태 3에 의한 모터 제어 장치의 일부를 나타내는 블록도이다. 도 8에 있어서, 압력 지령 신호 생성부(31)는, 가압 대상물의 탄성 상수 K, 목표 압력 P1, 모터 최대 속도 V_max, 모터 최대 토크 T_max, 및 기계 총관성 J의 정보에 부가하여, 가압 대상물(7)에 부가하는 압력을 유지하기 위한 유지 토크 T1의 정보를 미리 기억하고 있다. 또한, 압력 지령 신호 생성부(21)는, 이들의 정보와, 압력 검출기(6)로부터의 실제 압력 신호(6a)로부터 취득, 또는 추정에 의해 취득한 현재 압력 P0에 기초하여, 압력 지령치를 산출하고, 그 신호인 압력 지령 신호(31a)를 생성한다.

다음에, 압력 지령 신호 생성부(31)의 연산 처리에 대하여, 구체적으로 설명한다. 도 9는, 도 8의 압력 지령 신호 생성부(31)의 동작을 나타내는 흐름도이다. 또한, 도 9의 스텝 S31, S32 이외의 처리(스텝 S23 내지 S27)는, 실시 형태 2와 마찬가지이고, 여기서는, 실시 형태 2와의 차이를 중심으로 설명한다.

도 9에 있어서, 스텝 S31에서는, 압력 지령 신호 생성부(31)는, 압력 지령 생성 정보로서, 목표 압력 P1, 현재 압력 P0, 모터 최대 속도 V_max, 모터 최대 토크 T_max, 기계 총관성 J, 및 유지 토크 T1을 취득한다.

여기서, 유지 토크 T1의 일례로서는, 전동 기구(4)로서의 피드 스크류 기구의 리드를 L로 한 경우에, P1>P0인 때에는, T1=P1×L/(2π)이며, P0>P1인 때에는, T1=P0×L/(2π)로 산출하는, 즉, 현재 압력 P0 및 목표 압력 P1 중, 큰 압력으로부터 계산되는 유지 토크를 산출하는 것 등을 들 수 있다.

계속해서, 스텝 S32에서는, 압력 지령 신호 생성부(31)는, 상수 A=(T_max-T1)/J를 산출한다. 상수 A는, 최대 토크로부터 유지 토크를 당겨서 얻어지는 토크로 기계 부하를 구동했을 때의 모터(2)의 최대 가속도를 나타내고 있다. 이 후의 처리에 대해서는, 실시 형태 2와 마찬가지이다.

다음에, 실시 형태 3의 효과에 대하여 설명한다. 먼저, 도 9의 스텝 S23 이후는, 실시 형태 2와 동일하기 때문에, 실시 형태 2에서 획득된 효과, 즉, 압력 제어 중에 모터 속도가 모터 최대 속도 이하로 된다고 하는 효과가, 실시 형태 3에서도 얻어진다

또한, 실시 형태 3에서는, 도 9의 스텝 S32의 처리가, 실시 형태 2의 도 5의 스텝 S22의 처리에 있어서의 최대 토크 이하의 토크 Tn으로서, T_max-T1을 사용한 처리에 상당하고 있다. 이 때문에, 실시 형태 3에서도, 현재 압력 P0으로부터 목표 압력 P1로의 압력 제어의 모터(2)의 가감속 동작에 요하는 토크는 Tn 이하로 된다. 현재 압력 P0, 또는 목표 압력 P1을 유지하기 위한 유지 토크 T1가 무시할 수 없을 정도로 큰 경우에는, 모터(2)의 가감속 동작에 요하는 토크 Tn과, 유지 토크 T1의 합(즉, 이하의 연산식)이, 모터 최대 토크 T_max를 넘지 않는다.

이 때문에, 모터 최대 토크 T_max보다도 큰 토크 지령을 인가함으로써 발생하는 압력의 오버슈트나 진동 등의 바람직하지 않은 현상을 방지할 수 있다.

또한, 실시 형태 1 내지 3에서는, 압력 제어에 관한 구성에 대하여 설명했지만, 실시 형태 1 내지 3의 압력 제어를, 그대로 힘 제어로 변경하는 것도 가능하다. 즉, 역학적 물리량으로서 힘을 이용하는 것도 가능하다.

또한, 실시 형태 1 내지 3에서는, 회전형 모터를 사용하여, 회전 운동을 병진 운동으로 변환함으로써, 기계 부하를 가압 대상물에 가압을 행하는 압력 제어의 예에 대하여 설명을 했다. 그러나, 회전형 모터 대신에 선형 모터를 사용한 경우에도, 본 발명을 적용할 수 있다. 이 경우, 실시 형태 2, 3에 있어서는, 모터(2),전동 기구(4) 및 기계 부하(5)의 총질량으로 기계 총관성을 치환하고, 모터 최대 추진력으로 모터 최대 토크를 치환하는 것에 의해, 실시 형태 2, 3과 마찬가지의 처리를 적용할 수 있다. 또한, 실시 형태 3에 있어서는, 피드 스크류 기구를 사용하지 않고, 선형 모터를 사용하여 기계 부하를 구동함으로써, 압력 제어를 행하는 경우에는, 발생한 힘(추진력)이 그대로 유지 추진력으로 된다.

또한, 실시 형태 1 내지 3에서는, 압력 검출기(6)를 이용했지만, 이 압력 검출기(6)를 생략할 수도 있다. 이 경우, 모터의 전류나 속도 정보로부터 압력을 추정하고, 이 추정치에 기초하여, 압력을 제어할 수도 있다.

또한, 실시 형태 1의 도 1에서는, 압력 제어의 마이너 루프가 속도 제어 루프(압력 제어부(12)의 출력이 모터 속도 지령)인 구성예를 도시했다. 그러나, 마이너 루프로서 위치 제어 루프 또는 전류 제어 루프를 이용하거나, 현대 제어론에 근거하는 제어계 설계 방법을 이용하거나, 피드 포워드 제어를 병용한 제어계의 구성을 이용할 수도 있다.

Claims (4)

1. 모터를 갖고, 힘 및 압력 중 어느 하나인 역학적 물리량을 대상물에 인가하기 위한 기계 부하에 접속되고, 상기 모터의 동력에 의해서, 상기 기계 부하를 변위시켜 상기 대상물에 가압하는 것에 의해, 상기 대상물에 상기 역학적 물리량을 인가하는 전동 기구에 설치되는 모터 제어 장치로서,
   상기 기계 부하로부터 상기 대상물에 작용하는 상기 역학적 물리량의 값을 물리량 취득치로서 취득하고, 상기 물리량 취득치를 미리 설정된 물리량 목표치로 하기 위한 물리량 지령치를 생성하며, 상기 물리량 취득치와 상기 물리량 지령치를 이용하여 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어 장치 본체를 구비하며,
   상기 모터 제어 장치 본체는,
   상기 대상물의 탄성 상수, 및 상기 모터의 최대 속도의 정보를 미리 기억하고,
   상기 물리량 지령치를 미분한 값이, 상기 대상물의 탄성 상수, 및 상기 모터의 최대 속도의 곱 이하로 되도록 상기 물리량 지령치를 생성하는
   것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
2. 모터를 갖고, 힘 및 압력 중 어느 하나인 역학적 물리량을 대상물에 인가하기 위한 기계 부하에 접속되고, 상기 모터의 동력에 의해서, 상기 기계 부하를 변위시켜 상기 대상물에 가압하는 것에 의해, 상기 대상물에 상기 역학적 물리량을 인가하는 전동 기구에 설치되는 모터 제어 장치로서,
   상기 기계 부하로부터 상기 대상물에 작용하는 상기 역학적 물리량의 값을 물리량 취득치로서 취득하고, 상기 물리량 취득치를 미리 설정된 물리량 목표치로 하기 위한 물리량 지령치를 생성하며, 상기 물리량 취득치와 상기 물리량 지령치를 이용하여 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어 장치 본체를 구비하며,
   상기 모터 제어 장치 본체는,
   상기 대상물의 탄성 상수의 정보와, 상기 모터의 최대 속도의 정보와, 상기 모터의 최대 토크 및 최대 추진력 중 어느 한쪽의 정보와, 상기 전동 기구의 기구 총관성 및 기구 총질량 중 어느 한쪽의 정보를 미리 기억하고,
   상기 물리량 지령치를 2회 미분한 값을, 상기 대상물의 탄성 상수로 나누어, 상기 기구 총관성 또는 상기 기구 총질량을 곱하여 얻어지는 값이, 상기 최대 토크 또는 상기 모터 최대 추진력 이하로 되도록, 상기 물리량 지령치를 생성하는
   것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
3. 모터를 갖고, 힘 및 압력 중 어느 하나인 역학적 물리량을 대상물에 인가하기 위한 기계 부하에 접속되고, 상기 모터의 동력에 의해서, 상기 기계 부하를 변위시켜 상기 대상물에 가압하는 것에 의해, 상기 대상물에 상기 역학적 물리량을 인가하는 전동 기구에 설치되는 모터 제어 장치로서,
   상기 기계 부하로부터 상기 대상물에 작용하는 상기 역학적 물리량의 값을 물리량 취득치로서 취득하고, 상기 물리량 취득치를 미리 설정된 물리량 목표치로 하기 위한 물리량 지령치를 생성하고, 상기 물리량 취득치와 상기 물리량 지령치를 이용하여 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어 장치 본체를 구비하며,
   상기 모터 제어 장치 본체는,
   상기 대상물의 탄성 상수의 정보와, 상기 모터의 최대 속도의 정보와, 상기 모터의 최대 토크 및 최대 추진력 중 어느 한쪽의 정보와, 상기 전동 기구의 기구 총관성 및 기구 총질량 중 어느 한쪽의 정보와, 상기 기계 부하로부터 상기 대상물에 작용하는 상기 역학적 물리량을 일정하게 유지하기 위한 상기 모터의 유지 토크 및 유지 추진력 중 어느 한쪽의 정보를 미리 기억하고,
   상기 물리량 지령치를 2회 미분한 값을, 상기 대상물의 탄성 상수로 나누어, 상기 기구 총관성 또는 상기 기구 총질량을 곱하여 얻어지는 값이, 상기 최대 토크와 상기 유지 토크의 차이 이하, 또는 상기 최대 추진력과 상기 유지 추진력의 차이 이하로 되도록, 상기 물리량 지령치를 생성하는
   것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 모터 제어 장치 본체는, 상기 물리량 지령치를 미분한 값의 변화 패턴이, 삼각 형상 또는 사다리꼴 형상으로 되도록, 상기 물리량 지령치를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.

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