KR101455480B1

KR101455480B1 - 서보 제어 장치

Info

Publication number: KR101455480B1
Application number: KR1020127010051A
Authority: KR
Inventors: 히로히사 구라모토
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2014-10-27
Also published as: CN102577096B; JP2011135677A; TW201144966A; JP5422368B2; WO2011077789A1; KR20120054658A; US20120249041A1; CN102577096A

Abstract

제어부(100)는, 서보 모터(40)를 피드백 제어하여, 부하인 테이블(02)을 서보 제어한다. 역특성 모델(300)은, 기계계의 동적 오차를 보상하는 속도 보상 신호(V₃₀₀)를 구하여, 피드포워드 보상 제어를 한다. 강성 변화 보상부(400)는, 볼 스크류(30)의 나사부(31)의 축 방향에 따른 강성이 변화하면, 이 강성 변화에 따라, 역특성 모델(300)의 보상 제어용 전달 함수에 포함되어 있는 나사부의 축 방향에 따른 강성치를 변화시킨다. 이것에 의해, 이송 기구의 볼 스크류(30)가, 경년 변화나 온도 변화로 인해 신축되어, 축 방향에 따른 강성이 변화하더라도, 이러한 강성 변화를 보상하여, 테이블(02)의 위치를 정확하게 서보 제어한다.

Description

서보 제어 장치{SERVO CONTROL APPARATUS}

본 발명은 서보 제어 장치에 관한 것으로, 이송 기구의 볼 스크류가 경년(經年) 변화나 온도 변화에 따라 신축하여 볼 스크류의 강성(剛性)이 변화하더라도, 부하(負荷)의 위치를 정확하게 서보 제어할 수 있도록 연구한 것이다.

산업 기계 중에는, 서보 제어 장치에 의해 부하의 위치·속도를 서보 제어하는 것이 있다. 이러한 산업 기계에서는, 서보 모터의 회전 운동을 볼 스크류에 의해 직선 운동으로 변환하여, 부하를 직선 이동시키고 있다.

<공작 기계의 구성>

이러한 산업 기계의 대표예로서 공작 기계가 있다.

공작 기계의 일례를, 도 2를 기초로 설명한다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 베드(01) 상에 테이블(02)이 배치되어 있고, 테이블(02)은 베드(01) 상에서 X방향을 따라 이동 가능하게 마련되어 있다.

문 형태의 칼럼(03)에는, 크로스 레일(04)이 승강 자유롭게(Z방향을 따라 이동 자유롭게) 배치되어 있다. 크로스 레일(04)에는, 램(06)을 구비한 새들(05)이, Y방향을 따라 이동 가능하게 마련되어 있다.

부하인 테이블(02)의 X방향 이동은 이송 기구에 의해 행해지도록 되어 있다. 또한, 부하인 새들(05)의 Y방향 이동도, 크로스 레일(04)에 설치한 다른 이송 기구에 의해 행해지게 되어 있다. 이 경우, 테이블(02)이나 새들(05)의 위치 및 이동 속도는 고정밀도로 제어하는 것이 요구되고 있다.

여기서, 도 3을 참조하여, 테이블(02)을 구동하는 이송 기구(10)와, 그 주위의 장치 구성을 설명한다.

이송 기구(10)는, 기어 등으로 구성되는 감속기(20)와, 볼 스크류(30)를 주요 부재로서 구성되어 있다. 또, 도 3에 있어서, 감속기(20)는 간략화하여 도시되어 있다.

볼 스크류(30)의 나사부(31)는, 그 기단(基端)측(도 3에서는 좌단측)이 회전 지지 브래킷(32a)에 의해 회전 자유롭게 지지되어 있고, 그 선단측(도 3에서는 우단측)이 회전 지지 브래킷(32b)에 의해 회전 자유롭게 지지되어 있다. 회전 지지 브래킷(32a, 32b)은 각각 베어링과 브래킷으로 구성되어 있고, 베드(01) 상에 이격되어 배치되어 있다. 이 중, 회전 지지 브래킷(32b)은, 나사부(31)를 기단측(도 3에서는 우측)으로 끌어들여 나사부(31)에 대해 인장력을 인가하도록 배치되어 있다.

볼 스크류(30)의 너트부(33)는 나사부(31)와 스크류됨과 아울러, 테이블(02)에 연결되어 있다.

서보 모터(40)의 회전 운동은 이송 기구(10)의 볼 스크류(30)에 의해 직선 운동으로 변환된다.

즉, 서보 모터(40)가 회전하면, 이 회전력은 감속기(20)를 거쳐서 나사부(31)에 전달되어 나사부(31)가 회전한다. 나사부(31)가 회전하면 너트부(33)가 나사부(31)를 따라 직선 이동하고, 이 너트부(33)의 직선 이동에 따라 테이블(02)이 직선 이동한다.

이 때, 서보 모터(40)의 회전 위치는 서보 모터(40)에 배치한 펄스 인코더(41)에 의해 검출되고 있다. 펄스 인코더(41)는 서보 모터(40)의 회전자가 미리 결정한 회전 각도 회전할 때마다 펄스 신호를 출력한다. 이 때문에, 펄스 인코더(41)로부터 출력되는 신호(펄스 신호)는 서보 모터(40)의 회전자의 회전 위치를 나타내는 모터 위치 신호 θ_M으로 됨과 아울러, 서보 모터(40)의 회전 속도를 나타내는 모터 속도 신호 ω_M으로 된다.

테이블(02)의 직선 이동 위치는 리니어 스케일 등의 위치 검출기(34)에 의해 검출되고 있다. 위치 검출기(34)는 테이블(부하)(02)의 위치를 나타내는 부하 위치 신호 θ_L을 출력한다.

<피드백 제어의 설명>

도 3에 나타내는 기구에서, 테이블(02)의 위치 제어를 하기 위해서는, 고전(古典) 제어 이론인 피드백 제어가 일반적으로 사용되고 있다.

이 피드백 제어의 수법을 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 제어부(100)는 감산기(101)와, 승산기(102)와, 감산기(103)와, 비례 적분 연산기(104)를 갖고 있다.

감산기(101)는 위치 지령 신호 θ와 부하 위치 신호 θL의 차(差)인 위치 편차 신호 Δθ를 출력한다. 승산기(102)는 위치 편차 신호 Δθ에 위치 루프 이득 K_P를 승산하여 속도 편차 신호 ΔV를 출력한다. 감산기(103)는 속도 편차 신호 ΔV와 모터 속도 신호 ω_M의 차(差)인 속도 지령 신호 V를 출력한다.

비례 적분 연산기(104)는 속도 지령 신호 V를 비례 적분 연산하여 토크 지령 신호 τ를 출력한다.

즉, 비례 적분 연산기(104)에서는, 속도 루프 이득 K_v와 적분 완화 시간 T_v를 이용하여, τ=V×{K_v(1＋(1/T_vs))}라는 연산을 행해서 토크 지령 신호 τ를 구하고 있다. 또, s는 라플라스 연산자이다(또, 이후의 설명에서도 「s」는 라플라스 연산자를 나타냄).

전류 제어부(110)는 토크 지령 신호 τ에 따른 전류값으로 되어 있는 전류를 서보 모터(40)에 공급한다. 이것에 의해, 서보 모터(40)가 회전 구동한다.

이 경우, 도시는 생략하지만, 토크 지령 신호 τ에 따른 전류값으로 되도록, 전류의 피드백 제어를 행하고 있다.

이와 같이, 테이블(02)을 구동하는 서보 모터(40)를 제어하는 제어부(100)는, 위치 루프를 메인 루프로 하고, 속도 루프와 전류 루프를 마이너 루프로 한 3중의 루프에 의해서 피드백 제어를 하고 있다.

도 4는 테이블(02)을 X방향을 따라 구동하는 이송 기구(10)의 제어계이지만, 새들(05)을 Y방향을 따라 구동하는 이송 기구의 구성 및 그 제어계도 동일한 구성으로 되어 있다.

그런데, 도 4에 나타내는 피드백 제어에서는, 위치 지령 신호 θ에서 지령하는 위치에 대해, 실제의 테이블(부하)(02)의 위치는 늦게 추종된다.

<피드포워드 제어의 설명>

피드백 제어에서 발생하는 제어 지연을 보상하는 수단으로서, 피드백 제어에 피드포워드 제어를 넣는 것이 행해지고 있다.

도 5는 도 4에 나타내는 피드백 제어 회로에 피드포워드 제어부(150) 및 가산기(151, 152)를 내장한 것이다.

피드포워드 제어부(150)에서는, 위치 지령 신호 θ에 대해 미분을 행함과 아울러 위치 제어 루프 지연 보상 계수 α를 승산하여 위치 지연 보상 신호 C₁을 구한다. 또, 위치 지연 보상 신호 C₁에 대해 미분을 행함과 아울러 속도 제어 루프 지연 보상 계수 β를 승산하여 속도 지연 보상 신호 C₂를 구한다.

그리고, 가산기(151)에 의해, 속도 편차 신호 ΔV에 위치 지연 보상 신호 C₁을 가산하고, 또, 가산기(152)에 의해, 토크 지령 신호 τ에 속도 지연 보상 신호 C₂를 가산하는 것에 의해, 피드포워드 제어를 하고 있다.

이와 같이 위치 지연 보상 신호 C₁을 가산하여 위치 지연을 보상하고, 속도 지연 보상 신호 C₂를 가산하여 속도 지연을 보상하는 것에 의해, 피드백 제어에서 발생하는 위치 지연 및 속도 지연을 거의 완전하게 보상할 수 있다.

그러나, 피드백 제어에 피드포워드 제어를 가한 제어를 했다고 하더라도, 제어 대상인 기계 요소의 휨이나 뒤틀림 등의 동적인 변형에 의한 지연이나 진동을 보상할 수는 없다.

보다 구체적으로 설명하면, 이송 기구(10)는, 감속기(20)와 볼 스크류(30)로 구성되어 있고, 볼 스크류(30)의 강성은 유한하기 때문에, 축 이동 등의 운동시에는 볼 스크류(30)에서 뒤틀림이나 휨이 발생하고, 이것이 가공 정밀도를 악화시키는 원인으로 되어 있다.

<제어 대상의 근사 모델 및 역특성 모델을 사용한 제어의 설명>

그래서, 제어 대상의 근사 모델을 구함과 아울러, 이 근사 모델의 역극성 모델(보상 회로)을 구하고, 제어 회로에 역특성 모델(보상 회로)을 내장하는 것에 의해, 제어 대상인 기계 요소의 휨이나 뒤틀림 등의 동적인 변형에 의한 지연이나 진동을 보상하는 기술이 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 1~3 참조).

이러한 역특성 모델(보상 회로)을 제어부에 내장한 제어 수법의 일례(특허문헌 3에 나타내는 기술)를 도 6을 참조하여 설명한다. 또, 도 6에서는, 도 4와 동일 기능을 담당하는 부분에는 동일 부호를 부여하고 있다.

도 6에 나타내는 예에서는, 기계계의 특성을, 서보 모터(40)와, 부하인 테이블(02)을 질점(質點)으로 한, 2질점계의 기계계의 모델로서 특정하고 있다.

그리고, 이 기계계를, 제어부(100)에 의해 서보 제어(피드백 제어)하는 것을 기본 제어로 하면서, 역특성 모델(300)에 의해 피드포워드 보상 제어를 하는 것이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 서보 모터(40)의 특성을 모델화하여 전달 함수로 나타내면, 블록(40-1)과 블록(40-2)으로 나타내어진다. 또, J_M은 모터 관성을 나타내고, D_M은 모터 점성을 나타낸다.

블록(40-1)으로부터는 모터 속도 신호 ω_M이 출력되고, 블록(40-2)으로부터는 모터 위치 신호 θ_M이 출력된다.

또한, 부하인 테이블(02)의 특성을 모델화하여 전달 함수로 나타내면, 블록(02-1)과 블록(02-2)과 블록(02-3)으로 나타내어진다.

또, J_L은 부하(테이블)의 관성을 나타내고, D_L은 부하(테이블)의 점성을 나타내고, C_L은 이송 기구(10)의 볼 스크류(30)(나사부(31), 지지 브래킷(32a, 32b), 너트부(33))의 축 방향에 따른 스프링 점성을 나타내고, K_L은 이송 기구(10)의 볼 스크류(30)(나사부(31), 지지 브래킷(32a, 32b), 너트부(33))의 축 방향에 따른 스프링 강성을 나타낸다.

감산기(201)는 모터 위치 신호 θ_M과 부하 위치 신호 θ_L의 편차(θ_M-θ_L)를 구한다. 블록(02-1)은, 편차(θ_M-θ_L)가 입력되면, 반력 토크 신호 τ_L을 출력한다.

반력 토크 신호 τ_L이 블록(02-2)에 입력되면, 블록(02-3)으로부터 부하 위치 신호 θ_L이 출력된다.

감산기(202)는 토크 지령 신호 τ와 반력 토크 신호 τ_L의 편차(τ-τ_L)를 구한다. 이 편차(τ-τ_L)가 블록(40-1)에 입력된다.

제어부(100)는 감산기(101)와, 승산기(102)와, 감산기(103a)와, 비례 적분 연산기(104)를 갖고 있다.

감산기(101)는 위치 지령 신호 θ와 부하 위치 신호 θ_L의 차(差)인 위치 편차 신호 Δθ를 출력한다. 승산기(102)는 위치 편차 신호 Δθ에 위치 루프 이득 K_P를 승산하여 속도 편차 신호 ΔV를 출력한다.

감산기(103a)는, 속도 편차 신호 ΔV에, 역특성 모델(300)로부터 출력되는 속도 보상 신호 V₃₀₀을 더한 값으로부터 모터 속도 신호 ω_M를 감산한 속도 지령 신호 V를 출력한다.

속도 보상 신호 V₃₀₀의 상세한 것에 대해서는 후술하지만, 이 속도 보상 신호 V₃₀₀을 추가(보상)하는 것에 의해, 서보 모터(40)나 이송 기구(10)나 테이블(부하)(02)에 발생하는 「왜곡」이나 「휨」이나 「점성」이라는 오차 요인을 보상하여, 정확하게 테이블(02)의 위치 제어(서보 제어)를 할 수 있다.

서보 모터(40)는 전류 제어기(도 6에서는 도시 생략)로부터 토크 지령 신호 τ에 따른 전류가 공급되어 회전 구동된다. 이 경우, 도시는 생략하지만, 토크 지령 신호 τ에 따른 전류값으로 되도록, 전류의 피드백 제어를 행하고 있다.

이와 같이 제어부(100)는 위치 루프를 메인 루프로 하고, 속도 루프와 전류 루프를 마이너 루프로 한 3중의 루프에 의해서 피드백 제어를 하고 있다.

역특성 모델(300)은, 1차 미분항 연산부(301)와, 2차 미분항 연산부(302)와, 3차 미분항 연산부(303)와, 4차 미분항 연산부(304)와, 5차 미분항 연산부(305)와, 가산부(310)와, 비례 적분 역전달 함수부(311)를 갖고 있다.

즉, 역특성 모델(300)에는, 각 미분항 연산부(301~305)와, 가산부(310)와, 비례 적분 역전달 함수부(311)에 각각 설정한 연산식에 의해, 오차 요인을 보상하는 보상 제어용 전달 함수가 설정되어 있다.

각 미분항 연산부(301~305)와 가산부(310)에는, 서보 모터(40)에서의 동적인 오차 원인, 이송 기구(10)에서의 동적인 오차 요인, 및 부하인 테이블(02)에서의 동적인 오차 요인을 보상하고, 부하 위치 신호 θ_L에서 나타내는 위치가 위치 지령 신호 θ에서 나타내는 위치와 일치하도록 보상 제어하는 보상 제어용 전달 함수가 설정되어 있다.

이 보상 제어용 전달 함수는 서보 모터(40), 이송 기구(10) 및 테이블(부하)(02)로 이루어지는 기계계의 전달 함수의 역전달 함수이다. 또, 이 역전달 함수는 연산 요소를 일부 생략한 함수로 하고 있다.

구체적으로는, 1차~5차의 각 미분항 연산부(301~305)는, 연산항 a1s, a2s², a3s³, a4s⁴, a5s⁵를 갖고 있으며, 위치 지령 신호 θ에 대해, 각 연산항을 승산한 연산 신호를 출력한다. 또, s는 라플라스 연산자(미분 연산자)이다.

이 경우, 계수 a1~a5의 값은 다음과 같이 설정하고 있다.

단, K_V는 속도 루프 이득,

K_L은 볼 스크류(30)의 축 방향에 따른 스프링 강성,

T_V는 적분 완화 시간,

D_M은 서보 모터(40)의 점성,

D_L는 부하(테이블(02))의 점성,

J_M은 서보 모터(40)의 관성,

J_L는 부하(테이블(02))의 관성이다.

비례 적분 역전달 함수부(311)는 비례 적분 연산부(104)의 전달 함수인 K_V(1＋(1/Tvs))의 역전달 함수인 {Tv/K_V(Tvs＋1)}×s 중, {Tv/K_V(Tvs＋1)}를 전달 함수로서 갖고 있다. 그리고, 미분 연산자 s는 각 계수 a1~a5에 각각 할당되어 있다.

또, 비례 적분 역전달 함수부(311)에 설정한 전달 함수{Tv/K_V(Tvs＋1)}는 제어계의 특성에 의해서 결정되는 고정값(일정값)이다.

상술한 바와 같은 역특성 모델(300)을 사용하여 제어 보상을 하면, 서보 모터(40)에서의 동적인 오차 원인, 이송 기구(10)에서의 동적인 오차 요인, 및 부하인 테이블(02)에서의 동적인 오차 요인을 보상하여, 테이블(02)의 위치 제어를 정확하게 행할 수 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 제3351990호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 제3739749호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2009-201169호 공보

그런데, 도 6에 나타내는 종래 기술(특허문헌 3)이나, 특허문헌 2의 기술에서는, 이송계의 물리 정수를 일정하게 하여 역특성 모델(보상 회로)에 의해 보상을 하고 있고, 특허문헌 1에서는 기계 위치(예컨대 테이블의 위치)에 의해 미리 계측해 둔 이송계의 강성값을 사용해서 보상을 행하는 것이었다.

이 때문에, 특허문헌 1~3의 기술에서는, 이송계인 이송 기구(10)의 볼 스크류(30)(나사부(31), 지지 브래킷(32a, 32b), 너트부(33))가 경년 변화나 온도 변화로 인해 신축되고, 볼 스크류(30)의 강성 변화가 발생한 경우에는, 정밀도가 좋은 보상을 할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

즉, 경년 변화나 온도 변화에 따라 나사부(31)의 신장 상태가 변화하면, 볼 스크류(30)의 축 방향에 따른 스프링 강성 K_L은 도 7(a), 도 7(b), 도 7(c)에 나타내는 바와 같이 변화한다.

또, 도 7(a), 도 7(b), 도 7(c)에 있어서, 가로축은 부하 위치(테이블(02), 너트부(33)의 위치)를 나타내고 있고, 가로축의 좌측이 회전 지지 브래킷(32a)측, 가로축의 우측이 회전 지지 브래킷(32b)측이며, 세로축은 스프링 강성 K_L을 나타내고 있다.

도 7(a)는 나사부(31)가 지지 브래킷(32a)에 의해 확실히 끌려가고 있고, 나사부(31)가 지지 브래킷(32a)과 지지 브래킷(32b)에 의해 견고하게 지지(양단이 고정 지지)되어 있을 때에 있어서의, 부하 위치에 따른 스프링 강성 K_L을 나타낸다.

도 7(b)는 나사부(31)가 온도 변화 등에 의해 축 방향으로 약간 신장하고, 나사부(31)는, 지지 브래킷(32a)으로는 견고하게 지지(일단이 고정 지지)되지만, 지지 브래킷(32b)으로의 지지가 느슨해질 때(타단이 반고정 지지일 때)에 있어서의, 부하 위치에 따른 스프링 강성 K_L을 나타낸다.

도 7(c)는 나사부(31)가 온도 변화 등에 의해 축 방향으로 크게 신장하고, 나사부(31)는, 지지 브래킷(32a)으로는 견고하게 지지(일단이 고정 지지)되지만, 지지 브래킷(32b)으로의 지지가 완전하게 느슨해질 때(타단이 자유(프리)일 때)에 있어서의, 부하 위치에 따른 스프링 강성 K_L을 나타낸다.

특허문헌 1~3의 기술에서는, 도 7(a), 도 7(b), 도 7(c)에 나타내는, 나사부(31)가 신축하여 나사부(31)의 지지 상태가 변화하는 것에 기인해서 스프링 강성 K_L이 변화되는 것을 고려하고 있지 않기 때문에, 정밀도가 좋은 보상을 할 수 없다.

본 발명은, 상기 종래 기술을 감안하여, 이송 기구의 볼 스크류가 경년 변화나 온도 변화로 인해 신축하여 볼 스크류의 축 방향에 따른 강성이 변화되더라도, 이러한 강성 변화를 보상하여, 부하의 위치를 정확하게 서보 제어할 수 있는 서보 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하는 본 발명의 구성은, 서보 모터의 회전 운동을, 볼 스크류를 포함하는 이송 기구에 의해 직선 운동으로 변환하고, 변환한 직선 운동에 의해 부하를 직선 이동시키는 산업 기계를 제어하는 서보 제어 장치에 있어서, 상기 서보 모터, 상기 이송 기구 및 상기 부하로 이루어지는 기계계의 전달 함수의 역전달 함수인 보상용 전달 함수가 설정되어 있고, 상기 부하의 지령 위치를 나타내는 위치 지령 신호(θ)를 상기 보상용 전달 함수에 입력하면, 상기 기계계의 동적인 오차 요인을 보상하는 보상 신호(V₃₀₀)를 출력하는 역특성 모델과, 상기 위치 지령 신호(θ)와 상기 부하의 위치를 나타내는 부하 위치 신호(θ_L)의 편차인 위치 편차 신호(Δθ)를 영으로 함과 아울러, 상기 위치 편차 신호(Δθ)에 비례한 속도 편차 신호(ΔV)와 상기 서보 모터의 속도를 나타내는 모터 속도 신호(ω_M)의 편차를 영으로 하도록 피드백 제어하고, 또 상기 보상 신호(V₃₀₀)에 의해 피드포워드 보상 제어를 하여, 상기 서보 모터에 공급하는 전류를 제어하는 제어부와, 상기 볼 스크류의 나사부의 신축량(st)을 산출하는 볼 스크류 신축량 산출부와, 산출된 나사부의 신축량(st)으로부터 상기 볼 스크류의 축 방향에 따른 스프링 강성(K_L)의 값을 산출하는 스프링 강성 산출부와, 산출된 스프링 강성(K_L)의 값을 상기 보상용 전달 함수의 연산식에 포함되어 있는 스프링 강성(K_L)의 값으로서 설정하는 스프링 강성 설정부로 구성되는 강성 변화 보상부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 구성은, 상기 강성 변화 보상부의 볼 스크류 신축량 산출부는, 상기 부하 위치 신호(θ_L)와, 상기 서보 모터의 회전 위치를 나타내는 모터 위치 신호(θ_M)를 기초로, 나사부의 신축량(st)을 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 구성은, 상기 강성 변화 보상부의 볼 스크류 신축량 산출부는, 나사부의 온도와 나사부의 신축량의 관계를 나타내는 관계 특성에, 상기 볼 스크류의 나사부의 온도를 적용하는 것에 의해, 나사부의 신축량(st)을 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 구성은, 상기 강성 변화 보상부의 볼 스크류 신축량 산출부는, 상기 볼 스크류의 나사부의 변위를 기초로, 나사부의 신축량(st)을 산출하는 것을 특징으로 하는 서보 제어 장치.

또한, 본 발명의 구성은, 상기 강성 변화 보상부의 스프링 강성 산출부는, 나사부의 신축량(st)에 따라, 부하 위치와 스프링 강성(K_L)의 관계를 나타내는 복수의 관계 특성을 갖고 있고, 상기 복수의 관계 특성 중으로부터, 상기 볼 스크류 신축량 산출부에 의해 산출한 나사부의 신축량(st)에 따른 관계 특성을 선택하고, 이 선택한 관계 특성에 대해, 상기 부하 위치 신호(θ_L)에서 나타내는 부하 위치를 적용하는 것에 의해 스프링 강성(K_L)을 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 구성은, 상기 강성 변화 보상부의 스프링 강성 산출부는, 나사부의 신축량(st)에 따라, 스프링 강성(K_L)을 구하는 복수의 연산식을 갖고 있고, 상기 복수의 연산식 중으로부터, 상기 볼 스크류 신축량 산출부에 의해 산출한 나사부의 신축량(st)에 따른 연산식을 선택하고, 이 선택한 연산식을 이용하여 스프링 강성(K_L)을 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 서보 모터의 회전 운동을, 볼 스크류를 포함하는 이송 기구에 의해 직선 운동으로 변환하고, 변환한 직선 운동에 의해 부하를 직선 이동시키는 산업 기계를 제어하는 서보 제어 장치에 있어서, 이송 기구의 볼 스크류가 경년 변화나 온도 변화로 인해 신축하여 볼 스크류의 축 방향에 따른 강성이 변화되더라도, 이러한 강성 변화를 보상하여, 부하의 위치를 정확하게 서보 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서보 제어 장치를 나타내는 구성도.
도 2는 공작 기계의 일례를 나타내는 사시도.
도 3은 이송 기구를 나타내는 구성도.
도 4는 피드백 제어 회로를 나타내는 구성도.
도 5는 피드포워드 제어 회로를 내장한 회로를 나타내는 구성도.
도 6은 역특성 모델을 내장한 회로를 나타내는 구성도.
도 7(a)는 나사부의 신축량이 작은 경우의, 부하 위치와 볼 스크류의 스프링 강성의 관계를 나타내는 특성도.
도 7(b)는 나사부의 신축량이 중간인 경우의, 부하 위치와 볼 스크류의 스프링 강성의 관계를 나타내는 특성도.
도 7(c)는 나사부의 신축량이 큰 경우의, 부하 위치와 볼 스크류의 스프링 강성의 관계를 나타내는 특성도.

이하, 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 실시예에 근거하여 상세하게 설명한다.

또, 종래 기술과 동일 기능을 담당하는 부분에는 동일 부호를 부여하고, 동일 부분의 설명은 간략하게 한다.

(실시예)

<실시예의 전체 구성의 설명>

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서보 제어 장치를 나타낸다.

본 실시예는 본 발명을, 공작 기계의 테이블(02)을 구동하는 이송 기구(10)에 적용한 것이다. 즉, 서보 모터(40)가 회전하면, 이 회전력은 감속기(20)를 거쳐서 볼 스크류(30)의 나사부(31)에 전해져 나사부(31)가 회전한다. 회전 지지 브래킷(32a, 32b)에 의해 지지를 받은 나사부(31)가 회전하면, 너트부(33)가 나사부(31)를 따라 직선 이동하고, 이 너트부(33)의 직선 이동에 따라 테이블(02)이 직선 이동한다.

또, 회전 지지 브래킷(32a)는 나사부(31)를 기단측(도 1에서는 좌측)에 끌어들여 나사부(31)에 대해 인장력을 인가하도록 배치되어 있다.

이 때, 서보 모터(40)의 회전 위치는 서보 모터(40)에 배치한 펄스 인코더(41)로부터 출력되는 신호(펄스 신호)인 모터 위치 신호 θ_M를 기초로 검출할 수 있다.

테이블(02)의 직선 이동 위치는 리니어 스케일 등의 위치 검출기(34)로부터 출력되는 부하 위치 신호 θ_L를 기초로 검출할 수 있다.

제어 수단으로서는, 피드백 제어를 하는 제어부(100)와, 피드포워드 보상 제어를 하는 역특성 모델(300)과, 역특성 모델의 계수값을 설정·변화시키는 강성 변화 보상부(400)를 가지고 있다.

<제어부의 설명>

제어부(100)는, 도 6에 나타내는 제어부(100)와 동일 구성이며, 동일한 제어 동작을 한다. 즉, 제어부(100)의 감산기(101)는 위치 지령 신호 θ와 부하 위치 신호 θ_L의 차(差)인 위치 편차 신호 Δθ를 출력한다. 승산기(102)는 위치 편차 신호 Δθ에 위치 루프 이득 K_P를 승산하여 속도 편차 신호 ΔV를 출력한다.

감산기(103a)는 속도 편차 신호 ΔV에, 역특성 모델(300)로부터 출력되는 속도 보상 신호 V₃₀₀를 더한 값으로부터, 모터 속도 신호 ω_M를 감산한 속도 지령 신호 V를 출력한다.

비례 적분 연산기(104)는, 속도 지령 신호 V를 비례 적분 연산하여 토크 지령 신호 τ를 출력한다.

전류 제어기(110)는 토크 지령 신호 τ에 따른 전류를 서보 모터(40)에 공급한다.

<역특성 모델의 설명>

역특성 모델(300)의 기본적인 구성·동작은 도 6에 나타내는 역특성 모델(300)과 동일하다.

이 역특성 모델(300)은 1차 미분항 연산부(301)와, 2차 미분항 연산부(302)와, 3차 미분항 연산부(303)와, 4차 미분항 연산부(304)와, 5차 미분항 연산부(305)와, 가산부(310)와, 비례 적분 역전달 함수부(311)를 가지고 있다.

이 경우, 계수 a1~a5의 값은 다음과 같이 설정하고 있다.

단,

K_V는 속도 루프 이득,

K_L은 볼 스크류(30)의 축 방향에 따른 스프링 강성,

T_V는 적분 완화 시간,

D_M은 서보 모터(40)의 점성,

D_L은 부하(테이블(02))의 점성,

J_M은 서보 모터(40)의 관성,

J_L는 부하(테이블(02))의 관성이다.

비례 적분 역전달 함수부(311)는, 비례 적분 연산부(104)의 전달 함수인 K_V(1＋(1/Tvs))의 역전달 함수인 {Tv/K_V(Tvs＋1)}×s 중, {Tv/K_V(Tvs＋1)}를 전달 함수로서 가지고 있다. 그리고, 미분 연산자 s는 각 계수 a1~a5에 각각 할당되어 있다.

또, 계수 a2~a5에 포함되어 있는 볼 스크류(30)의 축 방향에 따른 스프링 강성 K_L의 값은, 볼 스크류(30)의 나사부(31)의 신축에 따라, 강성 변화 보상부(400)에 의해 산출되어 설정된다.

이와 같이, 스프링 강성 K_L의 값을 볼 스크류(30)의 나사부(31)의 신축에 따라 변화시키는 것이 본 실시예의 특징적인 기술이다.

<강성 변화 보상부의 설명>

강성 변화 보상부(400)는 볼 스크류 신축량 산출부(401)와, 스프링 강성 산출부(402)와, 스프링 강성 설정부(403)으로 구성되어 있다.

볼 스크류 신축량 산출부(401)는 볼 스크류(30)의 나사부(31)의 신축량 st를 산출하는 것이다.

구체적으로는, 부하 위치 신호 θ_L과, 모터 위치 신호 θ_M을 부하 위치 신호로 변환한 위치 변환 신호의 편차를 구하고, 이 편차를 기초로 나사부(31)의 신축량 st를 구한다.

또, 나사부(31)의 신축량 st를 구하는 수법으로서는, 다음과 같은 2개의 다른 수법을 채용할 수도 있다.

제 1 다른 수법에서는, 나사부(31)에 온도 검출 센서를 마련해 둔다. 그리고, 볼 스크류 신축량 산출부(401)에, 나사부(31)의 온도와 나사부(31)의 신축량의 관계를 나타내는 관계 특성을 미리 설정해 두고, 온도 검출 센서에 의해 검출한 검출 온도를 관계 특성에 적용하는 것에 의해, 나사부(31)의 신축량 st를 구한다.

제 2 다른 수법에서는, 나사부(31)에 변위 검출 센서를 마련해 둔다. 그리고, 볼 스크류 신축량 산출부(401)는 변위 검출 센서에 의해 검출한 변위량으로부터 나사부(31)의 신축량 st를 구한다.

스프링 강성 산출부(402)는, 볼 스크류(30)의 나사부(31)의 신축량 st와, 부하인 테이블(02)의 위치를 나타내는 부하 위치 신호 θ_L을 이용하여, 볼 스크류(30)의 축 방향에 따른 스프링 강성 K_L을 산출한다.

구체적으로는, 스프링 강성 산출부(402)에, 나사부(31)의 신축량 st의 값(대소치)에 따라, 부하 위치와 스프링 강성 K_L의 관계를 나타내는, 도 7(a), (b), (c)에 나타내는 복수의 관계 특성을 미리 설정하고 있다.

도 7(a)는 나사부(31)의 신축량 st가 작을 때에 있어서의, 부하 위치에 따른 스프링 강성 K_L을 나타낸다. 즉, 나사부(31)가 지지 브래킷(32b)에 의해 확실히 끌려가고 있으며, 나사부(31)가 지지 브래킷(32a)과 지지 브래킷(32b)에 의해 견고하게 지지(양단이 고정 지지)되어 있을 때에 있어서의, 부하 위치에 따른 스프링 강성 K_L을 나타낸다.

도 7(b)는 나사부(31)의 신축량 st가 중간 정도일 때에 있어서의, 부하 위치에 따른 스프링 강성 K_L을 나타낸다. 즉, 나사부(31)가 온도 변화 등에 의해 축 방향으로 약간 성장되어, 나사부(31)는, 지지 브래킷(32a)에서는 견고하게 지지(일단이 고정 지지)되지만, 지지 브래킷(32b)에서의 지지가 느슨해질 때(타단이 반고정 지지일 때)에 있어서의, 부하 위치에 따른 스프링 강성 K_L을 나타낸다.

도 7(c)는 나사부(31)의 신축량 st가 클 때에 있어서의, 부하 위치에 따른 스프링 강성 K_L을 나타낸다. 즉, 나사부(31)가 온도 변화 등에 의해 축 방향으로 크게 신장되어, 나사부(31)는, 지지 브래킷(32a)에서는 견고하게 지지(일단이 고정 지지)되지만, 지지 브래킷(32b)에서의 지지가 완전하게 느슨해질 때(타단이 자유(프리)일 때)에 있어서의, 부하 위치에 따른 스프링 강성 K_L을 나타낸다.

또, 스프링 강성 산출부(402)는 볼 스크류 신축량 산출부(401)에서 산출한 신축량 st를 그 값(대소치)에 따라 「소」, 「중」, 「대」로 분류한다. 이 분류는 미리 설정한 임계값과 비교하는 것에 의해 행한다.

신축량 st의 값이 「소」인 경우에는, 도 7(a)에 나타내는 관계 특성을 선택하고, 이 선택한 관계 특성에, 부하 위치 신호 θ_L이 나타내는 부하 위치를 적용하는 것에 의해, 스프링 강성 K_L을 구한다.

신축량 st의 값이 「중」인 경우에는, 도 7(b)에 나타내는 관계 특성을 선택하고, 이 선택한 관계 특성에, 부하 위치 신호 θ_L이 나타내는 부하 위치를 적용하는 것에 의해, 스프링 강성 K_L을 구한다.

신축량 st의 값이 「대」인 경우에는, 도 7(c)에 나타내는 관계 특성을 선택하고, 이 선택한 관계 특성에, 부하 위치 신호 θ_L이 나타내는 부하 위치를 적용하는 것에 의해, 스프링 강성 K_L을 구한다.

이와 같이, 나사부(31)의 신축량 st의 값(소, 중, 대)에 따라, 사용하는 관계 특성을 다르게 하는 것에 의해, 나사부(31)가 경년 변화나 온도 변화에 의해 신축하더라도, 그 때의 신축 상태에 따른 정확한 스프링 강성 K_L을 구할 수 있다.

또, 나사부(31)의 신축 상태에 따른 정확한 스프링 강성 K_L을 구하는 수법으로서는, 복수의 스프링 강성 연산식을 미리 설정하고 있는, 다음과 같은 다른 수법을 채용할 수도 있다.

나사부(31)의 신축 상태에 따른 정확한 스프링 강성 K_L을 구하는 다른 수법에서는, 우선, 볼 스크류 신축량 산출부(401)에서 산출한 신축량 st를 그 값(대소치)에 따라 「소」, 「중」, 「대」로 분류한다. 이 분류는 미리 설정한 임계값과 비교하는 것에 의해 행한다.

그리고, 나사부(31)의 신축량 st의 값(소, 중, 대)에 따라, 다음에 나타내는 연산을 행하여, 신축 상태에 따른 정확한 스프링 강성 K_L을 구한다.

단,

A는 나사부(31)의 단면적[㎡],

dr은 나사부(31)의 나사 곡경[m],

E는 나사부(31)의 종탄성 계수[N/㎡],

X는 하중 작용점 거리[m], 즉, 도 1에 나타내는 바와 같이 지지 브래킷(32a)과 너트부(33) 사이의 거리,

L은 이음간 거리[m], 즉, 도 1에 나타내는 바와 같이 지지 브래킷(32a, 32b)간의 거리,

k는 계수(0.0~1.0)이며, 신축량 st의 값에 따라 변화시키는 것이다.

나사부(31)의 신축량 st가 「소」인 경우에는, 미리 설정한 다음 식에 의한 연산을 하고, 스프링 강성 K_L[N/m]를 구한다.

나사부(31)의 신축량 st가 「중」인 경우에는, 미리 설정한 다음 식에 의한 연산을 하고, 스프링 강성 K_L[N/m]를 구한다.

나사부(31)의 신축량 st가 「대」인 경우에는, 미리 설정한 다음 식에 의한 연산을 하고, 스프링 강성 K_L[N/m]를 구한다.

역특성 모델(300)의 2차~5차의 각 미분항 연산부(302~305)에는, 연산항 a2s², a3s³, a4s⁴, a5s⁵가 설정되어 있으며, 그 계수 a2~a5를 구하는 연산식에는, 상술한 바와 같이 스프링 강성 K_L이 포함되어 있다.

그래서, 스프링 강성 설정부(403)는, 스프링 강성 산출부(402)에서 산출한 스프링 강성 K_L의 값을, 계수 a2~a5를 구하는 연산식에 포함되어 있는 스프링 강성 K_L의 값으로서 설정한다.

이 때문에, 볼 스크류(30)의 나사부(31)가 경년 변화나 온도 변화 등에 의해 신축되어, 볼 스크류(30)의 축 방향에 따른 스프링 강성 K_L의 값이 변화되더라도, 그 변화한 스프링 강성 K_L의 값을 이용하여 각 미분항 연산부(302~305)에서의 연산이 행해진다.

이 결과, 역특성 모델(300)에 의해 연산한 속도 보상 신호 V₃₀₀은, 나사부(31)가 경년 변화나 온도 변화 등에 의해 신축되어 있었다고 하더라도, 최적인 값으로 된다.

이와 같이, 나사부(31)가 경년 변화나 온도 변화 등에 의해 신축되어 있었다고 하더라도, 속도 보상 신호 V₃₀₀이 최적인 값으로 되어, 서보 모터(40)에서의 동적인 오차 원인, 이송 기구(10)에서의 동적인 오차 요인, 및 부하인 테이블(02)에서의 동적인 오차 요인을 보상해서, 부하 위치 신호 θ_L에서 나타내는 위치가 위치 지령 신호 θ에서 나타내는 위치와 정밀도 좋게 일치하도록 보상 제어할 수 있다.

또, 역특성 모델(300)의 연산식은, 기계계(모터나 테이블이나 이송 기구)를, 어떠한 기계계 모델로서 특정할지, 또는 연산식을 어느 정도까지 간략화할지에 의해서 변화되어 오지만, 그 경우이더라도, 역특성 모델(300)의 연산식에 포함되는 스프링 강성 K_L의 값을, 스프링 강성 산출부(402)에서 산출한 스프링 강성 K_L의 값으로 설정한다.

이와 같이 하는 것에 의해, 나사부(31)가 경년 변화나 온도 변화 등에 의해 신축되어 있었다고 해도, 속도 보상 신호 V₃₀₀이 최적인 값으로 되어, 서보 모터(40)에서의 동적인 오차 원인, 이송 기구(10)에서의 동적인 오차 요인, 및 부하인 테이블(02)에서의 동적인 오차 요인을 보상하고, 부하 위치 신호 θ_L에서 나타내는 위치가 위치 지령 신호 θ에서 나타내는 위치와 정밀도 좋게 일치하도록 보상 제어할 수 있다.

(산업상의 이용 가능성)

본 발명은, 공작 기계뿐만 아니라, 서보 모터의 회전 운동을 볼 스크류에 의해 직선 운동으로 변환하여 부하를 직선 이동시키는 각종의 산업 기계에 적용할 수 있다.

01: 베드
02: 테이블
03: 칼럼
04: 크로스 레일
05: 새들
06: 램
10: 이송 기구
20: 감속기
30: 볼 스크류
31: 나사부
32a, 32b: 회전 지지 브래킷
33: 너트부
34: 위치 검출기
40: 서보 모터
41: 펄스 인코더
100: 제어부
110: 전류 제어부
300: 역특성 모델
400: 강성 변화 보상부
401: 볼 스크류 신축량 산출부
402: 스프링 강성 산출부
403: 스프링 강성 설정부

Claims

서보 모터의 회전 운동을, 볼 스크류를 포함한 이송 기구에 의해 직선 운동으로 변환하고, 변환한 직선 운동에 의해 부하(負荷)를 직선 이동시키는 산업 기계를 제어하는 서보 제어 장치에 있어서,
상기 서보 모터, 상기 이송 기구 및 상기 부하로 이루어지는 기계계의 전달 함수의 역(逆)전달 함수인 보상용 전달 함수가 설정되어 있고, 상기 부하의 지령 위치를 나타내는 위치 지령 신호(θ)를 상기 보상용 전달 함수에 입력하면, 상기 기계계의 동적인 오차 요인을 보상하는 보상 신호(V₃₀₀)를 출력하는 역특성 모델과,
상기 위치 지령 신호(θ)와 상기 부하의 위치를 나타내는 부하 위치 신호(θ_L)의 편차인 위치 편차 신호(Δθ)를 영으로 함과 아울러, 상기 위치 편차 신호(Δθ)에 비례한 속도 편차 신호(ΔV)와 상기 서보 모터의 속도를 나타내는 모터 속도 신호(ω_M)의 편차를 영으로 하도록 피드백 제어하고, 또 상기 보상 신호(V₃₀₀)에 의해 피드포워드 보상 제어를 행하여, 상기 서보 모터에 공급하는 전류를 제어하는 제어부와,
상기 볼 스크류의 나사부의 신축량(st)을 산출하는 볼 스크류 신축량 산출부와, 산출된 나사부의 신축량(st)과 미리 설정한 임계값을 비교하는 것에 의해, 산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값을 대소값에 따라 분류하고, 그 분류마다 서로 다른 규칙에 근거해서 상기 볼 스크류의 축 방향에 따른 스프링 강성(剛性)(K_L)의 값을 산출하는 스프링 강성 산출부와, 산출된 스프링 강성(K_L)의 값을 상기 보상용 전달 함수의 연산식에 포함되어 있는 스프링 강성(K_L)의 값으로서 설정하는 스프링 강성 설정부로 구성되는 강성 변화 보상부
를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 서보 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 강성 변화 보상부의 볼 스크류 신축량 산출부는, 상기 부하 위치 신호(θ_L)와, 상기 서보 모터의 회전 위치를 나타내는 모터 위치 신호(θ_M)를 기초로, 나사부의 신축량(st)을 산출하는 것
을 특징으로 하는 서보 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 강성 변화 보상부의 볼 스크류 신축량 산출부는, 나사부의 온도와 나사부의 신축량의 관계를 나타내는 관계 특성에, 상기 볼 스크류의 나사부의 온도를 적용하는 것에 의해, 나사부의 신축량(st)을 산출하는 것
을 특징으로 하는 서보 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 강성 변화 보상부의 볼 스크류 신축량 산출부는, 상기 볼 스크류의 나사부의 변위를 기초로, 나사부의 신축량(st)을 산출하는 것
을 특징으로 하는 서보 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 강성 변화 보상부의 스프링 강성 산출부에는,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 소인 경우에 있어서, 부하 위치와 스프링 강성(K_L)의 관계를 나타내는 제 1 관계 특성과, 산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 중인 경우에 있어서, 부하 위치와 스프링 강성(K_L)의 관계를 나타내는 제 2 관계 특성과, 산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 대인 경우에 있어서, 부하 위치와 스프링 강성(K_L)의 관계를 나타내는 제 3 관계 특성이 미리 설정되어 있고,
상기 스프링 강성 산출부는,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)과 미리 설정된 임계값을 비교하는 것에 의해, 산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 소인지 또는 중인지 또는 대인지를 분류하고,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 소인 경우에는, 상기 제 1 관계 특성에 대해서, 상기 부하 위치 신호(θ_L)로 나타내는 부하 위치를 적용하는 것에 의해 스프링 강성(K_L)을 산출하고,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 중인 경우에는, 상기 제 2 관계 특성에 대해서, 상기 부하 위치 신호(θ_L)로 나타내는 부하 위치를 적용하는 것에 의해 스프링 강성(K_L)을 산출하고,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 대인 경우에는, 상기 제 3 관계 특성에 대해서, 상기 부하 위치 신호(θ_L)로 나타내는 부하 위치를 적용하는 것에 의해 스프링 강성(K_L)을 산출하는
것을 특징으로 하는 서보 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 강성 변화 보상부의 스프링 강성 산출부에는,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 소인 경우에 있어서, 스프링 강성(K_L)을 구하는 하기의 제 1 연산식(1)과, 산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 중인 경우에 있어서, 스프링 강성(K_L)을 구하는 하기의 제 2 연산식(2)과, 산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 대인 경우에 있어서, 스프링 강성(K_L)을 구하는 하기의 제 3 연산식(3)이 미리 설정되어 있고,
상기 스프링 강성 산출부는,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)과 미리 설정된 임계값을 비교하는 것에 의해, 산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 소인지 또는 중인지 또는 대인지를 분류하고,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 소인 경우에는, 하기의 제 1 연산식(1)에 의해 스프링 강성(K_L)을 산출하고,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 중인 경우에는, 하기의 제 2 연산식(2)에 의해 스프링 강성(K_L)을 산출하며,
산출된 상기 나사부의 신축량(st)의 값이 대인 경우에는, 하기의 제 3 연산식(3)에 의해 스프링 강성(K_L)을 산출하는
것을 특징으로 하는 서보 제어 장치.

…제 1 연산식(1)

…제 2 연산식(2)

…제 3 연산식(3)
(단,
A는 상기 볼 스크류의 나사부의 단면적[㎡],
dr은 상기 나사부의 나사 곡경[m],
E는 상기 나사부의 종탄성 계수[N/㎡],
X는 하중 작용점 거리[m], 즉, 부하 위치 신호(θ_L)로 나타내는 거리,
L은 이음간 거리[m], 즉, 상기 나사부를 지지하는 두 개의 지지 브래킷간의거리,
k는 계수이며, 신축량 st의 값에 따라 변화시키는 것임)