KR101597084B1 - 모터 구동 장치 - Google Patents

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KR101597084B1
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겐이치 스즈키
마사루 니시조노
히로시 후지와라
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파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 모터 구동 장치(30)는, 동작 패턴 생성부(1)와, 위치 속도 제어부(23)와, 부하 특성 보상부(24)와, 부하 특성 측정부(7)를 구비한다. 동작 패턴 생성부(1)는, 동작 패턴마다, 모터 속도 또는 모터 위치를 변화시키는 가속도의 절대치를 증가시킨다. 부하 특성 측정부(7)는, 토크 지령 지표가, 토크 제한치 이하인 경우, 부하 특성을 측정하여, 부하 특성 보상부(24)의 설정을 행한다. 또, 부하 특성 측정부(7)는, 토크 지령 지표가, 토크 제한치보다 큰 경우, 부하 특성 보상부(24)를 설정하지 않고, 부하 특성의 측정을 종료한다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVE DEVICE}
본 발명은, 서보 모터를 제어하는 모터 구동 장치에 관한 것이며, 특히, 부하 측정의 추정에 관한 것이다.
근년, 내장형 마이크로컴퓨터(Microcomputer)가 고성능화되고 있다. 또, 종래의 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)에 대해 맞춤 가능한 요소를 조합한 집적 회로가 발전하고 있다. 내장 마이크로컴퓨터에는, RISC 마이크로컴퓨터(Reduced Instruction Set Computer-Microcomputer)나 DSP(Digital Signal Processor) 등이 있다. 집적 회로에는, FPGA(Field Programmable Gate Array)나 SoC(System-on-a-Chip) 등이 있다.
현재, 이들 내장형 마이크로컴퓨터나 집적 회로를 이용함으로써, 모터 구동 장치는, 서보 모터를 외부로부터의 지령에 의거해 구동할 때에 있어서, 기본 기능에 추가해, 다양하게 자동 조정하는 기능을 갖고 있다. 기본 기능이란, 서보 모터를 구동 제어하는 위치, 속도, 전류 제어 등을 말한다.
도 4는, 종래의 모터 구동 장치의 블럭도이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 모터 구동 장치(402)는, 모터(4)를 구동 제어하는 기본 기능을 갖는다. 도면 중, 기본 성능은, 단일선으로 둘러싸인 블록을 이용해, 각 블록이 실선으로 접속된, 다음의 흐름에 의해, 실현된다.
상위 장치(401)는, 모터 구동 장치(402)에 외부 위치 지령을 송신한다. 상위 장치(401)로부터 송신된 외부 위치 지령은, 모터 구동 장치(402)의 지령 선택부(21)에 의해서 수신된다. 지령 선택부(21)는, 후술하는 시운전 기능(211)으로부터 송신되는 내부 위치 지령과, 상위 장치(401)로부터 송신된 외부 위치 지령 중 어느 한쪽을 선택한다. 지령 선택부(21)는, 지령 선택부(21)에서 선택된, 내부 위치 지령과 외부 위치 지령 중 어느 한쪽을, 선택 후 위치 지령으로서 지령 응답 설정부(22)에 송신한다.
지령 응답 설정부(22)에서는, 스무딩 처리, 즉 평준화 처리가 행해진다. 또한, 지령 응답 설정부(22)에서는, 내부 위치 지령 또는 외부 위치 지령 중 어느 하나를 입력으로 하는 필터 연산 처리가 행해진다. 지령 응답 설정부(22)는, 필터 연산 처리가 행해진 후, 필터 연산 처리한 결과로서의 지령을 위치 속도 제어부(23)에 송신한다.
위치 속도 제어부(23)는, 지령 응답 설정부(22)로부터 송신된 지령과, 인코더(5)로부터 송신된 모터 위치 정보를 이용하여, 피드백 제어 연산을 행한다. 피드백 제어 연산은, PID 제어(Proportional Integral Derivative Controller)로 대표된다. 위치 속도 제어부(23)에서 피드백 제어 연산이 행해진 후, 위치 속도 제어부(23)는, 위치 편차가 0이 되는 토크 지령을 송신한다.
부하 특성 보상부(24)는, 위치 속도 제어부(23)로부터 송신된 토크 지령에 대해, 총 관성에 따른 스케일링 처리를 행한다. 총 관성이란, 모터(4) 및 부하(6) 등에 의한 관성을 말한다. 부하 특성 보상부(24)는, 스케일링 처리를 행함으로써, 부하 관성의 차이를 흡수한다.
또, 부하 특성 보상부(24)는, 인코더(5)로부터 송신된 모터 위치 정보로부터, 모터(4) 및 부하(6)의 마찰 토크를 추정한다. 부하 특성 보상부(24)는, 추정한 마찰 토크를 미리 가산함으로써, 보상 후의 토크 지령을 생성한다. 부하 특성 보상부(24)는, 생성된 보상 후의 토크 지령을 공진 억제부(25)에 송신한다.
모터(4)와 부하(6)의 공진 특성에 의해, 진동이 일어나는 경우가 있다. 일어난 진동이 여기되지 않도록, 공진 억제부(25)는, 보상 후의 토크 지령으로부터 특정의 주파수 성분을 제거하는, 노치 필터 처리, 혹은, 로우 패스 필터 처리를 행한다. 공진 억제부(25)는, 노치 필터 처리, 혹은, 로우 패스 필터 처리를 행한 결과를, 최종의 토크 지령으로서 모터(4)에 송신한다.
다음에, 도 4에 나타내는 바와 같이, 모터 구동 장치(402)는, 자동 조정 기능을 갖는다. 도면 중, 자동 조정 기능은, 이중선으로 둘러싸인 블록을 이용하여, 각 블록이 파선으로 접속된, 다음의 흐름에 의해, 실현된다.
예를 들면, 특허 문헌 1에 나타나는 바와 같이, 시운전 기능(211)은, 모터 구동 장치(402)의 내부에서, 왕복 운전 패턴을 생성한다. 왕복 운전 패턴은, 어떤 기울기의 가감 속도를 갖는, 일정량의 삼각파이다. 왕복 운전 패턴은, 양음을 갖는다.
일반적으로, 시운전 기능(211)은, 외부로부터의 파라미터가 설정됨으로써, 모터 구동 장치(402)가 내장하는 NC 연산 처리에 의해서 지령 패턴이 실시간으로 자동으로 계산된다. 외부로부터의 파라미터란, 이동량, 최고 속도, 가속 시간, 감속 시간, 정지 시간 등을 말한다. 시운전 기능(211)은, 일정 주기마다 내부 위치 지령을 생성하는 기능이다.
또한, 시운전 기능(211)으로부터 지령 선택부(21)에 내부 위치 지령을 송신할 때, 시운전 기능(211)은, 지령 선택부(21)가 내부 위치 지령을 선택하는 부가 정보를 송신할 수도 있다. 이와 같이, 부가 정보를 송신하면, 시운전 기능(211)으로부터 지령 선택부(21)의 동작을 지정할 수 있다.
예를 들면, 특허 문헌 2에 나타나는 바와 같이, 지령 응답 설정 기능(221)은, 위치 지령의 응답성을 결정하는 지령 전치 필터의 차단 주파수를 결정한다. 지령 응답 설정 기능(221)은, 모터 구동 장치(402)의 외부로부터 강성치와 같은 1개의 지표가 부여된다. 지령 응답 설정 기능(221)은, 부여된 강성치와, 모터 구동 장치(402)에 내장되는 테이블로부터, 지령 전치 필터의 차단 주파수를 결정한다.
일반적으로, 지령 응답 설정 기능(221)은, 다음의 형태로 나타내는, 1개, 혹은, 복수의 지령 응답 지표를 수신함으로써, 지령 응답 설정부(22)의 1개, 또는, 복수의 파라미터를 자동 설정한다. 즉, 지령 응답 지표가 수신되는 형태는, 1차 지연이나 2차 지연의 필터 시정수나, 감쇠비로, 보다 미세한 주파수 특성을 지시하는 것이 있다. 혹은, 지령 응답 지표가 수신되는 형태는, 상승 시간이나 지연 시간, 오버슈트량 등의 시간 응답의 과도 특성을 지시하는 것이 있다. 지령 응답 설정 기능(221)은, 지령 응답 설정부(22)에 대한 송신이나 수신의 관계가, 지령 응답 지표와 가능한 한 일치하도록, 지령 응답 설정부(22)의 1개, 또는, 복수의 파라미터를 자동 설정한다.
예를 들면, 특허 문헌 3에 나타나는 바와 같이, 강성 설정 기능(231)은, 서보 강성을 대표하는 1파라미터를 지표로 하고 있다. 강성 설정 기능(231)은, 서보 강성을 대표하는 1파라미터에 일정한 비율을 곱해, 속도 비례 게인이나 속도 적분 게인, 위치 비례 게인을 연동하여 설정한다. 또, 앞서 나타낸 특허 문헌 2와 같이, 강성치에 대응한 테이블로부터, 위치 속도 제어부(23)의 게인 설정을 결정해도 된다.
일반적으로, 강성 설정 기능(231)은, 1개, 혹은, 복수의 강성 지표를 수신하고, 위치 속도 제어부(23)의 외란 응답이 강성 지표에 가능한 한 일치하도록, 위치 속도 제어부(23)의 1개, 또는, 복수의 파라미터를 자동 설정한다.
예를 들면, 특허 문헌 4에 나타나는 바와 같이, 부하 특성 측정 기능(241)은, 모터(4)에 송신되는 토크 지령, 및, 인코더(5)로부터 송신되는 모터 위치 정보와, 그 고차 차분인 속도·가속도로부터, 최소 제곱 추정을 이용하여, 마찰 특성을 자동으로 추정한다. 마찰 특성이란, 모터(4) 및 부하(6) 등에 의한 관성을 합한 총 관성이나, 항상 일정하게 작용하는 편하중 토크, 동작 방향에 의존하는 동마찰 토크, 동작 속도에 비례하는 점성 마찰 토크 등을 말한다.
또, 부하 특성 측정 기능(241)은, 추정된 결과를 부하 특성 보상부(24)에 대해, 실시간으로 반영시킨다. 따라서, 어떠한 부하(6)가 접속되어도, 부하 특성 보상부(24)는, 지령 응답 지표나 강성 지표에서 지정된 동일한 응답성을 얻을 수 있어, 적응 로버스트성을 갖게 할 수 있다.
예를 들면, 특허 문헌 5에 나타나는 바와 같이, 적응 필터 기능(251)은, 재귀형의 노치 필터를 이용한 적응 알고리즘에 의해, 모터 속도로부터 추출한 고주파 성분을 가능한 한 0에 접근시키도록, 공진 억제부(25)의 파라미터를 자동 조정한다. 또, 적응 필터 기능(251)은, 다음의 배리에이션을 갖는다. 즉, 배리에이션의 하나는, 토크 지령으로부터 진동 성분을 추출한다. 다른 배리에이션은, 모델 응답과의 차로부터 진동 성분을 추출한다. 혹은, 다른 배리에이션은, 적응 필터를 복수 갖는다. 또 다른 배리에이션은, 노치 주파수만이 아니라, 폭이나 깊이, Q치를 자동 조정한다고 하는 것 등이 있다.
일반적으로, 적응 필터 기능(251)은, 어떠한 방법으로, 모터(4)와 부하(6)의 공진 특성에 기인하는 진동 성분을 추출한다. 적응 필터 기능(251)은, 규범 입력과의 차를 최소로 하는 적응 알고리즘에 의해, 공진 억제부(25)의 필터 파라미터를 자동 조정한다.
예를 들면, 특허 문헌 6에 나타나는 바와 같이, 발진 검지 기능(26)은, 인코더(5)로부터 송신된 모터 위치 정보로부터 변동분을 추출한다. 발진 검지 기능(26)은, 추출된 변동분과, 역치의 비교, 계속 시간의 판정 등에 의해, 모터(4) 및 부하(6)의 발진 상태를 검출한다.
발진 검지 기능(26)이 발진을 검지한 경우, 발진 검지 기능(26)은, 상술한 강성 설정 기능(231)에 발진 검지 정보를 전달한다. 이와 같이 하여, 발진 검지 기능(26)은, 피드백 루프의 주파수 대역폭이 좁아지는 강성치를 선택하여, 발진을 자동적으로 억제한다.
예를 들면, 특허 문헌 7에 나타나는 바와 같이, 평가 지표 측정 기능(27)은, 입출력 데이터를 주기적으로 측정하여 기억한다. 평가 지표 측정 기능(27)은, 평가 지표에 대응한 입출력 데이터로부터, 평가치를 산출, 표시, 축적하는 기능이다. 입출력 데이터란, 지령 선택부(21)의 위치 지령 출력, 인코더(5)의 모터 위치 출력, 부하 특성 보상부(24)의 토크 지령 출력 등을 말한다. 평가 지표란, 정정(整定) 시간이나 오버슈트, 토크 변동 등을 말한다. 본 기능의 중요한 측면은, 모두 실시간으로 취득할 수 있는 방대한 모터 제어 정보로부터, 보다 의미가 있는 소수의 평가 지표에 데이터 압축하는 것이다.
일본국 특허 공개 평 5-346359호 공보 일본국 특허 공개 2007-336792호 공보 일본국 특허 공개 평 6-319284호 공보 일본국 특허 공개 2005-168166호 공보 일본국 특허 공개 2004-274976호 공보 국제 공개 제2008/087893호 국제 공개 제2009/096169호
본 발명이 대상으로 하는 모터 구동 장치는, 모터를 구동한다. 모터 구동 장치는, 동작 패턴 생성부와, 위치 속도 제어부와, 부하 특성 보상부와, 부하 특성 측정부를 구비한다.
동작 패턴 생성부는, 모터에 대한, 적어도 모터 속도 또는 모터 위치 중 어느 하나를 지시하는 동작 패턴을 생성한다. 동작 패턴 생성부는, 적어도 1 이상의 동작 패턴을 포함하는 동작 지령을 생성한다. 또, 동작 패턴 생성부는, 생성한 동작 지령을 송신한다.
위치 속도 제어부는, 동작 지령과, 인코더로부터 송신된 모터 위치 정보를 수신한다. 위치 속도 제어부는, 적어도 모터 위치 또는 모터 속도 중 어느 하나의 편차를 0으로 하는 토크 지령을 생성한다. 또, 위치 속도 제어부는, 생성한 토크 지령을 송신한다.
부하 특성 보상부는, 토크 지령과, 모터 위치 정보와, 부하 특성 추정치를 수신한다. 부하 특성 보상부는, 토크 지령에 대해, 총 관성에 따른 스케일링 처리를 행한다. 부하 특성 보상부는, 스케일링 처리 후의 토크 지령에 대해 부하의 마찰 토크 추정치를 가산하고, 모터를 구동하는 보상 후 토크 지령을 생성한다.
부하 특성 측정부는, 토크 지령 지표와 토크 제한치를 생성한다. 부하 특성 측정부는, 보상 후 토크 지령과, 모터 위치 정보를 수신한다. 부하 특성 측정부는, 부하의 부하 특성을 측정하여, 부하 특성 보상부의 설정을 행한다.
특히, 동작 패턴 생성부는, 동작 패턴마다, 모터 속도 또는 모터 위치를 변화시키는 가속도의 절대치를 증가시킨다.
부하 특성 측정부는, 토크 지령 지표가, 토크 제한치 이하인 경우, 부하 특성을 측정하여, 부하 특성 보상부의 설정을 행한다. 또, 부하 특성 측정부는, 토크 지령 지표가, 토크 제한치보다 큰 경우, 부하 특성 보상부를 설정하지 않고, 부하 특성의 측정을 종료한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 모터 구동 장치의 블럭도이다.
도 2는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 동작 패턴 생성부의 블럭도이다.
도 3은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 부하 특성 측정부의 블럭도이다.
도 4는, 종래의 모터 구동 장치의 블럭도이다.
본 발명의 실시형태에 있어서의 모터 구동 장치는, 후술하는 구성에 의해, 서보 조정에 대해서, 상세한 지식이나 충분한 경험을 갖지 않는 작업자라도, 부하 특성의 측정을 행할 때, 최적의 동작 패턴을 생성할 수 있다.
즉, 종래의 모터 구동 장치는, 다음과 같은 개선해야 할 점을 갖고 있었다. 즉, 종래의 모터 구동 장치는, 각종의 자동 조정 기능이 개별적으로 최적화된다. 따라서, 종래의 모터 구동 장치는, 서보 조정, 특히, 부하 특성의 측정에 대해서, 최적인 것이라고는 할 수 없다.
예를 들면, 도 4에 나타내는, 시운전 기능(211)은, 서보 조정 이외의 목적으로도 사용된다. 구체적으로는, 시운전 기능(211)은, 모터 구동 장치가 내장된 기기를 조립할 때의 원점 복귀나, 동작 확인시의 에이징이나, 보수 작업에 있어서의 대피 동작 등에도 사용된다.
따라서, 시운전 기능(211)은, 이동량이나 속도, 가속도 등에 대해서, 사양이나 설정을 변경할 수 있도록 되어 있다.
그러나, 서보 조정에 관한 다양한 설정의 변경을 행하는 경우, 작업자에게는, 서보 조정과 각종의 자동 조정 기능에 관한 지식이 필요하게 된다.
부하 특성 측정 기능(241)은, 부하 특성 보상부(24)가 관련된 부하 특성을, 자동으로 조정하는, 편리한 기능이다. 부하 특성에는, 총 관성이나, 마찰 보상 등이 있다. 그러나, 부하 특성 측정 기능(241)은, 부하 특성이 가파르게 변화하는 용도에는 적합하지 않다.
각 파라미터를 추측하는 방법으로서, 최소 제곱 추정이 있다. 그러나, 다음의 장치에 대해, 최소 제곱 추정을 상시, 적용하는 것은 적절하다고는 할 수 없다. 즉, 다음의 장치란, 다관절 로봇이나, 픽＆플레이스계의 장치나, 캠 구동으로 주기적으로 총 관성이 변동하는 장치 등이다. 픽＆플레이스계의 장치는, 다이렉트 드라이브화 등에 의해, 부하 변동의 영향이 크다.
다른 각 파라미터를 추측하는 방법으로서 마찰 보상이 있다. 그러나, 마찰 보상은, 모터(4)가 기기에 내장되어 있는 경우, 유효하지 않다. 예를 들면, 다관절 로봇과 같이, 모터(4)가 기기에 내장되어 있는 경우, 모터(4) 단체(單體)에 발생하는 중력 방향은 변화한다. 따라서, 모터(4) 단체에 대해서, 편하중 토크를 추정해도, 다관절 로봇의 마찰 보상이라는 관점에서는, 유효하지 않다.
또, 마찰 보상의 전제가 되는, 최소 제곱법에 의거하는 부하 특성의 추정은, 모터(4)의 동작 패턴이나, 비선형 특성에 의한 오차의 영향을 받는다. 따라서, 최적의 추정치를 얻으려면, 시스템 분류에 관한 지식과 경험이 필요했다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서, 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 이하의 실시형태는, 본 발명을 구체화한 일례이며, 본 발명의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다.
(실시형태)
도 1은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 모터 구동 장치의 블럭도이다. 도 2는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 동작 패턴 생성부의 블럭도이다. 도 3은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 부하 특성 측정부의 블럭도이다.
또한, 도 4에 나타낸, 종래의 모터 구동 장치(402)와 동일한 구성 요소에는, 동일한 부호를 부여해, 설명을 원용한다.
본 발명의 실시형태에 있어서의 모터 구동 장치(30)는, 모터(4)를 구동한다. 모터 구동 장치(30)는, 동작 패턴 생성부(1)와, 위치 속도 제어부(23)와, 부하 특성 보상부(24)와, 부하 특성 측정부(7)를 구비한다.
동작 패턴 생성부(1)는, 모터(4)에 대한, 적어도 모터 속도 또는 모터 위치 중 어느 하나를 지시하는 동작 패턴을 생성한다. 동작 패턴 생성부(1)는, 적어도 1 이상의 동작 패턴을 포함하는 동작 지령(101)을 생성한다. 또, 동작 패턴 생성부(1)는, 생성한 동작 지령(101)을 송신한다.
위치 속도 제어부(23)는, 동작 지령(101)과, 인코더(5)로부터 송신된 모터 위치 정보(104)를 수신한다. 위치 속도 제어부(23)는, 적어도 모터 위치 또는 모터 속도 중 어느 하나의 편차를 0으로 하는 토크 지령(102)을 생성한다. 또, 위치 속도 제어부(23)는, 생성한 토크 지령(102)을 송신한다.
부하 특성 보상부(24)는, 위치 속도 제어부(23)로부터 송신된 토크 지령(102)에 대해, 총 관성에 따른 스케일링 처리를 행한다. 총 관성이란, 모터(4) 및 부하(6) 등에 의한 관성을 말한다. 부하 특성 보상부(24)는, 스케일링 처리를 행함으로써, 부하 관성의 차이를 흡수한다. 부하 특성 보상부(24)는, 스케일링 처리 후의 토크 지령에 대해, 부하(6)의 마찰 토크 추정치를 가산하여, 모터(4)를 구동하는 보상 후 토크 지령(103)을 생성한다.
부하 특성 측정부(7)는, 토크 지령 지표(122)와 토크 제한치(121)를 생성한다. 부하 특성 측정부(7)는, 보상 후 토크 지령(103)과, 모터 위치 정보(104)를 수신한다. 부하 특성 측정부(7)는, 부하(6)의 부하 특성을 측정하여, 부하 특성 보상부(24)의 설정을 행한다.
특히, 동작 패턴 생성부(1)는, 동작 패턴마다, 모터 속도 또는 모터 위치를 변화시키는 가속도의 절대치를 증가시킨다.
부하 특성 측정부(7)는, 토크 지령 지표(122)가, 토크 제한치(121) 이하인 경우, 부하 특성을 측정하여, 부하 특성 보상부(24)의 설정을 행한다. 또, 부하 특성 측정부(7)는, 토크 지령 지표(122)가, 토크 제한치(121)보다 큰 경우, 부하 특성 보상부(24)를 설정하지 않고, 부하 특성의 측정을 종료한다.
또, 본 실시형태에 있어서의 모터 구동 장치(30)가, 특히 현저한 작용 효과를 발휘하는 구체적인 예를 이하에 나타낸다.
즉, 모터 구동 장치(30)에 있어서, 위치 속도 제어부(23)가 위치 제어를 행하는 경우, 동작 지령(101)은, 미분하면 삼각파 형상이 되는 위치 지령이 된다. 또, 위치 속도 제어부(23)가 속도 제어를 행하는 경우, 동작 지령(101)은, 삼각파 형상의 속도 지령이 된다.
따라서, 모터 구동 장치(30)는, 지정한 이동량에 대해, 소요 시간을 최소로 한 동작 패턴을 자동 생성할 수 있다.
또, 모터 구동 장치(30)에 있어서, 또한, 동작 패턴 생성부(1)는, 속도 제한치(113)를 갖는다. 속도 지령을 나타내는 최대치가 속도 제한치(113)보다 큰 경우, 동작 패턴 생성부(1)는, 가속도와 속도 제한치(113)를 이용하여, 동작 패턴을 생성한다.
따라서, 모터 구동 장치(30)는, 지정된 최고 속도에 의해서 제한된 동작 패턴을 자동 생성할 수 있다. 모터 구동 장치(30)는, 동작 패턴의 이동량을 저감할 수 있다.
혹은, 모터 구동 장치(30)에 있어서, 또한, 동작 패턴 생성부(1)는, 속도 제한치(113)를 갖는다. 속도 지령을 나타내는 최대치가 속도 제한치(113)보다 큰 경우, 동작 패턴 생성부(1)는, 동작 패턴을 생성하지 않는다. 부하 특성 측정부(7)는, 부하 특성의 측정을 종료한다.
따라서, 모터 구동 장치(30)는, 지정된 최고 속도에 의해서 제한된 동작 패턴을 자동 생성할 수 있다.
또, 모터 구동 장치(30)에 있어서, 또한, 동작 패턴은, 가감속 시간을 포함한다. 가감속 시간이, 부하 특성을 측정할 수 있는 측정 시간의 하한치보다 짧은 경우, 동작 패턴 생성부(1)는, 동작 패턴을 생성하지 않는다. 부하 특성 측정부(7)는, 부하 특성의 측정을 종료한다.
따라서, 모터 구동 장치(30)는, 불필요한 동작 지령을 생성하지 않기 때문에, 부하 측정에 필요로 하는 시간을 저감할 수 있다.
또, 모터 구동 장치(30)는, 또한, 동작 패턴은, 토크 지령(102)를 포함한다. 토크 지령 지표(122)는, 동작 패턴이 포함하는 토크 지령(102)의 절대치의 최대치이다.
혹은, 모터 구동 장치(30)는, 또한, 동작 패턴은, 토크 지령(102)를 포함한다. 토크 지령 지표(122)는, 동작 패턴이 포함하는 가속 구간에 있어서의 토크 지령(102)의 실효치와, 동작 패턴이 포함하는 감속 구간에 있어서의 토크 지령(102)의 실효치 중, 큰 쪽이다.
혹은, 모터 구동 장치(30)는, 토크 지령 지표(122)는, 후술하는 (1)식으로 산출된다. 여기서, a는, 동작 패턴의 가속도로 한다. ω는, 동작 패턴에 있어서 크기가 최대가 되는 속도로 한다. J는, 부하 특성 추정치(105)인 총 관성으로 한다. R은, 점성 마찰 계수로 한다. Td는, 동마찰과 편하중의 합성치로 한다. 이 때, (1)식은, 다음과 같이 된다.
토크 지령 지표=J×a+R×ω+Td…(1)
따라서, 모터 구동 장치(30)는, 작업자의 요망에 따른 토크 지령 지표(122)를 얻을 수 있다.
도면과 함께, 더욱 상세하게 설명한다.
도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 동작 패턴 생성부(1)는, 동작 지령(101)을 생성한다. 동작 패턴 생성부(1)는, 생성한 동작 지령(101)을 위치 속도 제어부(23)에 송신한다. 동작 패턴 생성부(1)는, 동작 지령(101)의 생성에 맞춰, 유효를 나타내는 부하 특성 측정 개시 신호(106)를 부하 특성 측정부(7)에 송신한다.
또한, 동작 패턴 생성부(1)는, 다음의 경우, 무효를 나타내는 부하 특성 측정 개시 신호(106)를 부하 특성 측정부(7)에 송신한다. 즉, 하나는, 동작 패턴 생성부(1)가, 동작 지령(101)의 생성을 종료하는 경우이다. 또 다른 하나는, 동작 패턴 생성부(1)가, 부하 특성 측정부(7)로부터 송신된 부하 특성 측정 종료 신호(107)를 수신한 경우이다.
위치 속도 제어부(23)는, 동작 지령(101)과 함께, 구동 대상인 모터(4)에 접속된 인코더(5)로부터 모터 위치 정보(104)를 수신한다. 위치 속도 제어부(23)는, PID 제어로 대표되는 피드백 연산을 행한다. 위치 속도 제어부(23)는, 피드백 연산의 결과로서 토크 지령(102)을, 부하 특성 보상부(24)에 송신한다.
부하 특성 보상부(24)는, 토크 지령(102)과 함께, 부하 특성 측정부(7)로부터 송신된 부하 특성 추정치(105)와 인코더(5)로부터 송신된 모터 위치 정보(104)를 수신한다. 부하 특성 보상부(24)는, 보상 후 토크 지령(103)을 송신한다.
부하 특성 추정치(105)에는, 모터(4) 및 부하(6)의 총 관성이 포함된다. 부하 특성 보상부(24)는, 토크 지령(102)에 대해, 총 관성에 따른 스케일링 처리를 행한다. 토크 지령(102)은, 스케일링 처리를 행함으로써, 다양한 부하(6)에 따라서 상이한 모터 등가 관성의 차이를 흡수한다.
또, 부하 특성 추정치(105)에는, 모터(4) 및 부하(6)에 존재하는 편하중 토크, 동마찰 토크, 점성 마찰 토크 등의 마찰 토크가 포함된다. 이들 마찰 토크는, 모터(4)의 구동에 있어서, 즉응성의 개선이나, 동작 방향이나 속도에 따른 응답차를 저감한다.
도 1, 도 3에 나타내는 바와 같이, 부하 특성 측정부(7)는, 보상 후 토크 지령(103)과 함께, 모터 위치 정보(104)와 부하 특성 측정 개시 신호(106)를 수신한다.
수신한 부하 특성 측정 개시 신호(106)가 유효인 경우, 부하 특성 측정부(7)는, 보상 후 토크 지령(103) 및 모터 위치 정보(104)에 의거해, 총 관성이나 마찰 토크를 자동 추정한다. 총 관성이나 마찰 토크는, 예를 들면, 최소 제곱 추정을 이용하여, 산출할 수 있다. 총 관성은, 모터(4) 및 부하(6)의 관성을 합한 것이다.
부하 특성 측정 개시 신호(106)가 무효인 경우, 부하 특성 측정부(7)는, 자동 추정을 행하지 않는다.
모터(4)에는, 전류 제어나 파워 회로를 통해, 전압이나 전류가 공급된다. 부하 특성 보상부(24)로부터 송신된 보상 후 토크 지령(103)에 따라서, 모터(4)에 공급되는 전압이나 전류가 조정된다. 따라서, 보상 후 토크 지령(103)에 따라, 모터(4)의 출력 토크는 변화한다. 그 결과, 모터(4)에 접속된 부하(6)가 동작한다.
다음에, 도 2를 이용하여, 동작 패턴 생성부(1)에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 동작 패턴 생성부(1)는, 가속도 설정부(11)와, 이동량 설정부(12)와, 속도 제한치 설정부(13)와, 위치·속도 지령 생성부(14)를 구비한다.
가속도 설정부(11)는, 가속도 설정치(111)를 생성한다. 가속도 설정부(11)는, 생성된 가속도 설정치(111)를 위치·속도 지령 생성부(14)에 송신한다. 가속도 설정치(111)의 초기치는, 부하 특성 측정부(7)에서 부하 특성의 측정이 가능한 가속도의 하한치로 한다. 가속도 설정치(111)에 따라서, 위치·속도 지령 생성부(14)에서 생성되는 동작 지령(101)의 1사이클마다, 가속도가, 서서히 증가한다.
가속도 설정부(11)가, 가속도를 증가시키는 방법은, 다음과 같은 것이 있다. 즉, 금회의 가속도는, 전회의 가속도에 대해, 일정한 가속도가 가산된 것으로 하는 방법이 있다. 또, 금회의 가속도는, 전회의 가속도의 배의 값으로 하는 방법 등이 있다.
그 밖에, 가속도와 필요 토크의 관계를, 대략 알고 있는 경우 등도 상정된다. 이와 같은 경우에 대응하기 위해서, 가속도의 초기치를 작업자가 설정할 수 있도록 해도 된다.
이동량 설정부(12)는, 이동량 설정치(112)를 생성한다. 이동량 설정부(12)는, 생성된 이동량 설정치(112)를 위치·속도 지령 생성부(14)에 송신한다. 또한, 이동량 설정치(112)로서, 모터의 1회전이나 모터의 2회전이라는 규정치를 설정하는 방법이 있다. 혹은, 모터가 내장되는 기기에 대해서, 가동 범위의 제약 등에 따라, 작업자가, 이동량 설정치(112)를 설정하는 방법도 있다. 어느 방법이더라도, 이동량 설정치(112)로서, 이동량이나 부하 특성의 측정에 필요로 하는 시간 등을 고려하여, 설정되는 것이 바람직하다.
속도 제한치 설정부(13)는, 속도 제한치(113)를 생성한다. 속도 제한치 설정부(13)는, 생성된 속도 제한치(113)를 위치·속도 지령 생성부(14)에 송신한다.
또한, 속도 제한치(113)로서, 모터의 최고 속도, 모터의 정격 속도, 모터가 내장되는 기기에서 허용되는 속도, 이들 속도에 대해, 어떤 계수를 곱해 마진을 취한 속도 등을 설정하는 방법이 있다. 혹은, 실제로 사용되는 조건에 맞춰, 작업자가, 이동량 설정치(113)를 설정하는 등의 방법이 있다.
위치·속도 지령 생성부(14)는, 수신한, 가속도 설정치(111)와, 이동량 설정치(112)와, 속도 제한치(113)에 의거해, 동작 지령(101)을 생성한다. 위치·속도 지령 생성부(14)는, 생성한 동작 지령(101)을 위치 속도 제어부(23)에 송신한다.
위치 속도 제어부(23)가 위치 제어를 행하는 경우, 동작 지령(101)은, 위치 지령이 된다. 위치 속도 제어부(23)가 속도 제어를 행하는 경우, 동작 지령(101)은, 속도 지령이 된다.
동작 지령(101)은, 속도 지령의 형상을 삼각파로 하면, 가속도와 이동량으로부터 일의적으로 결정된다. 삼각파는, 일정한 가속도로 가속해, 어떤 속도에 도달하면 동일한 크기의 가속도로 감속한다는 것이다.
속도 지령의 형상을 삼각파로 함으로써, 위치·속도 지령 생성부(14)는, 지정한 이동량에 대해 소요 시간을 최소로 한, 동작 지령(101)을 생성할 수 있다. 또, 위치·속도 지령 생성부(14)는, 어떤 삼각파와, 속도의 부호를 반전한 삼각파를 조합하여, 왕복 동작을 행하는, 1개의 동작 패턴을 생성한다. 1개의 동작 패턴이, 왕복 동작을 행하게 되므로, 부하 특성의 추정 전체에 대해서, 이동량을 저감할 수 있다.
또, 1개의 동작 패턴을 복수개 조합하여, 1사이클이 되는 동작 지령(101)을 생성한다. 이러한 동작 지령(101)을 생성하면, 부하 특성 측정부(7)에 있어서의 부하 특성의 추정 정밀도가 향상된다. 동작 지령(101)에 있어서의 최고 속도가 속도 제한치(113)를 웃도는 경우, 위치·속도 지령 생성부(14)는, 가속도 설정치(111)와 속도 제한치(113)에 의거해, 동작 지령(101)을 다시 생성한다.
또한, 위치·속도 지령 생성부(14)는, 동작 지령(101)을 출력하지 않고, 무효를 나타내는 부하 특성 측정 개시 신호(106)를 부하 특성 측정부(7)에 송신하고, 부하 특성의 측정을 종료해도 된다. 또, 동작 지령(101)에 있어서의 최고 속도가 속도 제한치(113)를 웃돌지 않는 경우, 동작 지령(101)의 출력 개시에 맞춰, 위치·속도 지령 생성부(14)는, 유효를 나타내는 부하 특성 측정 개시 신호(106)를 부하 특성 측정부(7)에 송신한다.
부하 특성 측정부(7)로부터 위치·속도 지령 생성부(14)에 부하 특성 측정 종료 신호(107)가 송신된 경우, 위치·속도 지령 생성부(14)로부터 부하 특성 측정부(7)에 무효를 나타내는 부하 특성 측정 개시 신호(106)가 송신된다. 부하 특성 측정부(7)는, 부하 특성의 측정을 종료한다.
또, 동작 패턴의 가감속 시간이 부하 특성을 측정할 수 있는 측정 시간의 하한치보다 짧은 경우, 위치·속도 지령 생성부(14)는, 동작 지령(101)을 송신하지 않는다. 또, 위치·속도 지령 생성부(14)는, 무효를 나타내는 부하 특성 측정 개시 신호(106)를 부하 특성 측정부(7)에 송신한다. 부하 특성 측정부(7)는, 부하 특성의 측정을 종료한다.
다음에, 도 3을 이용하여, 부하 특성 측정부(7)에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 부하 특성 측정부(7)는, 부하 특성 추정부(321)와, 토크 제한치 설정부(322)와, 토크 지령 지표 작성부(323)를 구비한다.
토크 제한치 설정부(322)는, 토크 제한치(121)를 생성한다. 토크 제한치 설정부(322)는, 생성된 토크 제한치(121)를 부하 특성 추정부(321)에 송신한다. 또한, 토크 제한치(121)는, 모터의 최대 토크, 모터의 정격 토크, 이들 토크에 대해서, 어떤 계수를 곱해 마진을 취한 값을 토크로 하는 방법, 혹은, 실제로 사용되는 조건에 맞춰, 작업자가 토크를 설정하는 방법 등이 있다.
또한, 부하 특성의 측정을 행할 때, 관성비 등의 부하 특성이 불명하기 때문에, 서보의 응답성을 결정하는 위치·속도 루프의 제어 게인이, 낮게 설정되어 있는 것이 많다.
따라서, 부하 특성의 측정 후, 동일한 동작 지령 패턴을 이용하여, 제어 게인의 조정을 행할 때, 다음의 것이 상정된다. 즉, 서보의 응답을 고응답의 설정으로 하면, 가감속 중의 토크 지령이 커지는 것이 상정된다. 이 때문에, 토크 제한치(121)는, 모터의 최대 토크, 모터의 정격 토크, 혹은 실제로 사용되는 조건에서의 토크에 대해, 어느 정도 마진을 갖게 해두는 것이 바람직하다.
토크 지령 지표 작성부(323)는, 부하 특성 보상부(24)로부터 송신된 보상 후 토크 지령(103)을 수신한다. 토크 지령 지표 작성부(323)는, 토크 지령 지표(122)를 생성한다. 토크 지령 지표 작성부(323)는, 생성한 토크 지령 지표(122)를 부하 특성 추정부(321)에 송신한다.
토크 지령 지표(122)는, 다음의 방법에 의해 얻을 수 있다. 우선, 제1의 방법은, 1개의 동작 패턴 중에 있는, 토크 지령의 절대치에 주목한다. 이 토크 지령의 절대치 중, 최대치를 토크 지령 지표(122)로 한다는 것이다.
제2의 방법은, 1개의 동작 패턴 중에 있는, 가속 구간에 있어서의 토크 지령의 실효치와, 감속 구간에 있어서의 토크 지령의 실효치에 주목한다. 가속 구간에 있어서의 토크 지령의 실효치와, 감속 구간에 있어서의 토크 지령의 실효치를 비교해, 큰 쪽을 토크 지령 지표(122)로 한다는 것이다.
제3의 방법은, 부하 특성 추정치와 가속도를 이용하여, 상술한 (1)식에 의해, 산출하는 방법 등이 있다.
부하 특성 추정부(321)는, 동작 패턴 생성부(1)로부터 송신된 부하 특성 측정 개시 신호(106)를 수신한다. 부하 특성 추정부(321)는, 유효를 나타내는 부하 특성 측정 개시 신호(106)를 수신한 경우, 부하 특성의 추정을 행한다. 부하 특성의 추정은, 보상 후 토크 지령(103) 및 모터 위치 정보(104)로부터, 예를 들면, 최소 제곱 추정을 이용하여, 모터 및 부하를 합한 총 관성이나, 마찰 토크를 자동 추정하여 행한다. 마찰 토크에는, 편하중 토크, 동마찰 토크, 점성 마찰 토크 등이 있다.
토크 지령 지표(122)가 토크 제한치(121) 이하인 경우, 부하 특성 추정부(321)는, 자동 추정한 결과로, 부하 특성 추정치(105)를 갱신한다. 부하 특성 추정부(321)는, 갱신한 부하 특성 추정치(105)를 부하 특성 보상부(24)에 송신한다.
토크 지령 지표(122)가 토크 제한치(121)보다 큰 경우, 부하 특성 추정부(321)는, 부하 특성 추정치(105)를 갱신하지 않는다. 부하 특성 추정부(321)는, 부하 특성 측정 종료 신호(107)를 동작 패턴 생성부(1)에 송신한다.
또, 부하 특성 추정치(105)의 초기치를, 대략 알고 있는 경우 등도 상정된다. 이러한 경우에 대응하기 위해서, 부하 특성 추정치(105)의 초기치는, 작업자가 설정할 수 있도록 해도 된다. 또한, 부하 특성 추정치(105)의 초기치를 모르는 경우, 모터의 관성을 총 관성으로서, 마찰 토크는 0으로 해두는 것이 바람직하다.
위치 속도 제어부가 송신하는 토크 지령을, 가능한 한 큰 토크 지령, 또는, 실제로 사용되는 조건에 가까운 토크 지령으로 한다. 그 결과, 가속도는, 가능한 한 큰 가속도, 또는, 실제로 사용되는 조건에 가까운 가속도가 되어, 부하 특성의 측정 정밀도가 향상된다.
또한, 부하 특성을 측정할 때의 모터(4) 및 부하(6)의 발진을 방지하기 위해서, 부하 특성의 측정을 행하기 전에, 서보의 응답성을 결정하는 위치·속도 루프의 제어 게인을, 저응답이 되도록 설정해 두는 것이 바람직하다.
또, 모터와 부하의 공진 특성에 기인하는 진동 성분을 추출해, 규범 입력과의 차를 최소로 하는 적응 알고리즘이 있다. 이 적응 알고리즘을 이용하여, 모터 구동 장치가 공진을 억제하는 노치 필터를 자동 조정하는 적응 필터 기능을 구비하고 있는 경우, 적응 필터 기능을 유효로 하여, 부하 특성의 측정을 행해도 된다.
또, 발진 검지 기능이 인코더(5)로부터 송신된 모터 위치 정보(104)로부터 변동분을 추출한다. 추출된 변동분과 역치를 비교해, 계속 시간을 판정하는 것 등에 의해, 발진 검지 기능이 모터 및 부하의 발진 상태를 검출한다. 발진 검지 기능이 발진을 검지한 경우, 서보의 응답성을 결정하는 위치·속도 루프의 제어 게인을, 자동적으로 저응답의 설정으로 하여 발신을 자동적으로 억제한다. 모터 구동 장치가 이러한 발진 검지 기능을 구비하고 있는 경우, 발진 검지 기능을 유효로 하여 부하 특성 측정을 행해도 된다.
이상의 설명으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 있어서의 모터 구동 장치에 의하면, 고가속도, 또한, 고토크로의 부하 특성의 측정이 자동으로 행해진다. 따라서, 서보 조정에 대해서, 상세한 지식을 가지지 않는 작업자라도, 적절한 조정 결과를 얻을 수 있다.
또, 토크 제한치를 적절히 설정해, 실제의 사용 조건에 가까운 동작 패턴이 자동으로 생성되므로, 적절한 조정 결과를 얻을 수 있다.
본 발명의 모터 구동 장치는, 서보 조정에 대해서, 상세한 지식을 갖지 않는 작업자라도, 적절한 조정 결과를 얻을 수 있다.
1: 동작 패턴 생성부 4: 모터
5: 인코더 6: 부하
7: 부하 특성 측정부 11: 가속도 설정부
12: 이동량 설정부 13: 속도 제한치 설정부
14: 위치·속도 지령 생성부 23: 위치 속도 제어부
24: 부하 특성 보상부 30, 402: 모터 구동 장치
101: 동작 지령 102: 토크 지령
103: 보상 후 토크 지령 104: 모터 위치 정보
105: 부하 특성 추정치 106: 부하 특성 측정 개시 신호
107: 부하 특성 측정 종료 신호 111: 가속도 설정치
112: 이동량 설정치 113: 속도 제한치
121: 토크 제한치 122: 토크 지령 지표
321: 부하 특성 추정부 322: 토크 제한치 설정부
323: 토크 지령 지표 작성부 401: 상위 장치

Claims (8)

  1. 모터를 구동하는 모터 구동 장치로서,
    상기 모터에 대한, 적어도 모터 속도 또는 모터 위치 중 어느 하나를 지시하는 동작 패턴과, 적어도 1 이상의 상기 동작 패턴을 포함하는 동작 지령을 생성하고, 생성한 상기 동작 지령을 송신하는 동작 패턴 생성부와,
    상기 동작 지령과, 인코더로부터 송신된 모터 위치 정보를 수신하고, 적어도 상기 모터 위치 또는 상기 모터 속도 중 어느 하나의 편차를 0으로 하는 토크 지령을 생성하고, 생성한 상기 토크 지령을 송신하는 위치 속도 제어부와,
    상기 토크 지령과, 상기 모터 위치 정보와, 부하 특성 추정치를 수신하고, 상기 토크 지령에 대해 상기 모터와 상기 모터에 가해진 부하의 총 관성에 따른 스케일링 처리를 행한 후, 상기 부하의 마찰 토크 추정치를 가산하여, 상기 모터를 구동하는 보상 후 토크 지령을 생성하는 부하 특성 보상부와,
    토크 지령 지표는 상기 동작 패턴에 있어서의 상기 토크 지령의 값이며, 토크 제한치는 상기 모터의 사양 또는 상기 모터의 사용 조건을 고려한 토크 제한치이며, 상기 토크 지령 지표와 상기 토크 제한치를 생성함과 더불어, 상기 보상 후 토크 지령과, 상기 모터 위치 정보를 수신하고, 상기 부하의 부하 특성을 측정하여, 상기 부하 특성 보상부의 설정을 행하는 부하 특성 측정부를 구비하고,
    상기 동작 패턴 생성부는, 상기 동작 패턴마다, 상기 모터 속도 또는 상기 모터 위치를 변화시키는 가속도의 절대치를 증가시키고,
    상기 부하 특성 측정부는, 상기 토크 지령 지표가, 상기 토크 제한치 이하인 경우, 상기 부하 특성을 측정하여, 상기 부하 특성 보상부의 설정을 행하고, 상기 토크 지령 지표가, 상기 토크 제한치보다 큰 경우, 상기 부하 특성 보상부를 설정하지 않고, 상기 부하 특성의 측정을 종료하는, 모터 구동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 속도 제어부가 위치 제어를 행하는 경우, 상기 동작 지령은, 미분하면 삼각파 형상이 되는 위치 지령이 되고, 상기 위치 속도 제어부가 속도 제어를 행하는 경우, 상기 동작 지령은, 삼각파 형상의 속도 지령이 되는, 모터 구동 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    또한, 상기 동작 패턴 생성부는, 속도 제한치를 갖고,
    상기 속도 지령을 나타내는 최대치가 상기 속도 제한치보다 큰 경우, 상기 동작 패턴 생성부는, 상기 가속도와 상기 속도 제한치를 이용하여, 상기 동작 패턴을 생성하는, 모터 구동 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    또한, 상기 동작 패턴 생성부는, 속도 제한치를 갖고,
    상기 속도 지령을 나타내는 최대치가 상기 속도 제한치보다 큰 경우, 상기 동작 패턴 생성부는, 상기 동작 패턴을 생성하지 않고,
    상기 부하 특성 측정부는, 상기 부하 특성의 측정을 종료하는, 모터 구동 장치.
  5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    또한, 상기 동작 패턴은, 가감속 시간을 포함하고, 상기 가감속 시간이, 상기 부하 특성을 측정할 수 있는 측정 시간의 하한치보다 짧은 경우,
    상기 동작 패턴 생성부는, 상기 동작 패턴을 생성하지 않고,
    상기 부하 특성 측정부는, 상기 부하 특성의 측정을 종료하는, 모터 구동 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    또한, 상기 동작 패턴은, 상기 토크 지령을 포함하고,
    상기 토크 지령 지표는, 상기 동작 패턴이 포함하는 상기 토크 지령의 절대치의 최대치인, 모터 구동 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    또한, 상기 동작 패턴은, 상기 토크 지령을 포함하고,
    상기 토크 지령 지표는, 상기 동작 패턴이 포함하는 가속 구간에 있어서의 상기 토크 지령의 실효치와, 상기 동작 패턴이 포함하는 감속 구간에 있어서의 상기 토크 지령의 실효치 중 큰 쪽인, 모터 구동 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 토크 지령 지표는, 상기 동작 패턴의 가속도를 a, 상기 동작 패턴에 있어서 크기가 최대가 되는 속도를 ω, 상기 부하 특성 추정치인 관성을 J, 점성 마찰 계수를 R, 동마찰과 편하중의 합성치를 Td로 했을 때,
    토크 지령 지표=J×a+R×ω+Td
    로 산출되는, 모터 구동 장치.
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