KR101634474B1 - 모터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

지령값 생성 회로(7)는, 기계적 부하(3)를 제 1 위치에 정지한 상태로부터 피크 속도(V_p)까지 가속하고, 피크 속도(V_p)로부터 감속하여 제 2 위치에 정지시키도록, 또한, 기계적 부하(3)의 가속 및 감속을 행할 때의 가속도의 절대값이 소정의 상한 가속도(A_max) 이하이도록, 또한, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 소정 시간에 걸쳐 소정의 상한 가속도(A_max)를 유지하고, 그 후에 상한 가속도(A_max)로부터 점차 감소하도록, 기계적 부하(3)의 시간적인 가속도 변화를 나타내는 가속도 프로파일(A(t))을 결정한다. 지령값 생성 회로(7)는, 가속도 프로파일(A(t))에 따라, 기계적 부하(3)의 시간적인 속도 변화를 나타내는 속도 프로파일을 결정하고, 속도 프로파일에 따라 위치 지령값(24)을 생성한다.

Description

모터 제어 장치{MOTOR CONTROL DEVICE}

본 발명은, 서보 모터 등의 각종 모터의 동작을 제어하는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

최근의 에너지 절약 의식이 높아짐에 따라, 각종 산업용 기계에 있어서 서보 모터 등의 모터를 이용하여 위치 결정 제어를 행할 때, 소비 전력량을 가능한 한 작게 하고자 하는 요구가 있다.

이와 같이 위치 결정 제어시의 소비 전력을 저감하는 방법으로서, 특허 문헌 1∼7의 발명이 공개되어 있다.

특허 문헌 1은, 사용자의 용도에 따라 소비 전력을 감소하고, 또한, 온도 변화나 경시적 열화 등에 관계없이 위치 결정 제어를 효율적으로 행하는 것을 목적으로 하는 헤드 위치 결정 장치를 개시하고 있다. 속도 프로파일 기억부는, 미리 고속 시크(seek)에 대응하는 목표 속도 프로파일 A와, 시크 속도는 느리지만 소비 전력이 적은 목표 속도 프로파일 B를, 사용자에 의해 선택 가능하게 기억하고 있다. 헤드의 현재의 트랙 위치와 목표 위치를 감산기에서 비교함으로써, 위치 오차 신호를 얻을 수 있다. 목표 속도 설정부는, 이 위치 오차 신호와 속도 프로파일 기억부의 목표 속도 프로파일 A 또는 B에 근거하여 헤드의 목표 속도를 출력한다. 제어부는, 속도 오차 신호와 서보 제어 정수에 근거하여 헤드 구동용 모터의 구동 전류를 산출한다. 이 산출된 구동 전류가 모터 구동부에 입력된다. 구동 전류의 초기값이 구동 전류 초기값 기억부에 기억된다. 비교기는, 현재의 구동 전류와 초기값을 비교한다. 서보 제어 정수 조정부는, 비교기의 비교 결과에 근거하여 제어부의 서보 제어 정수를 조정한다. 목표 속도 프로파일 A 및 B의 형상은 모두 삼각형이며, 특히, 목표 속도 프로파일 B는, 시크 속도를 낮추는 대신에 시크 시간을 늘림으로써 소비 전력을 삭감하고 있다.

특허 문헌 2는, 로봇의 구동 시스템에 있어서의 전력 손실에 대해서 로봇의 동작 성능을 최적화하기 위한 방법을 얻는 것을 목적으로 하는 열 최적화 방법을 개시하고 있다. 특허 문헌 2의 방법에 의하면, 공업 로봇의 구동 시스템에 있어서의 전력 손실에 대해서 상기 로봇의 현재의 동작 경로의 동작 성능을 최적화하기 위한 방법으로서, 이 방법은, 시스템 중 적어도 1 부품에 대해서, 동작 경로의 전부 또는 일부에 있어서의 전력 손실을 계산하고, 계산된 전력 손실을 상기 부품에 있어서의 최대 허용 전력 손실과 비교하고, 상기 비교에 의존하여, 현재의 동작 경로에 있어서의 가속도 및 속도의 추이를 조절하는 과정을 가진다.

특허 문헌 3은, 이동량과 택트(tact)가 지정되었을 때, 구동 모터의 온도 상승을 최소화하는 지령 패턴을 생성하는 것을 목적으로 하는 지령 패턴 생성 방법을 개시하고 있다. 특허 문헌 3의 방법에 의하면, 이동량 θmax, 택트 tact, 속도 최대치 ωmax, 가속도 최대치 αmax의 4 파라미터 중, 적어도 속도 최대치 ωmax 혹은 가속도 최대치 αmax를 포함하는 2개의 파라미터를 결정함으로써, 이동량 θmax와 택트 tact를 특정하고, 시각 0 및 시각 tact에서 속도가 0으로 되고, 면적이 이동량 θmax인, 속도가 포물선 형상의 지령 패턴을 생성한다. 속도의 지령 패턴을 포물선 형상으로 함으로써, 구리 손실을 최소화하고 있다.

특허 문헌 4는, 공작 기계 전체의 소비 전력을 최적으로 억제하는 것을 목적으로 하는 공작 기계의 제어 장치를 개시하고 있다. 특허 문헌 4의 장치는, 전송축 구동용 모터의 소비 전력을 산출하는 제 1 소비 전력 산출 수단과, 일정 전력으로 동작하는 기기의 소비 전력을 산출하는 제 2 소비 전력 산출 수단과, 제 1 소비 전력 산출 수단에 의해 산출된 전력과 제 2 소비 전력 산출 수단에 의해 산출된 전력의 총합에 근거하여, 전송축 구동용 모터의 가속 시간 및 감속 시간 중 적어도 한쪽과 상대 관계를 갖는 시정수를 결정하고, 이 시정수에 근거하여 전송축 구동용 모터를 제어하는 모터 제어 수단을 구비한다. 시정수는, 전력의 총합이 최소로 되도록 결정된다.

특허 문헌 5는, 소요 에너지의 저감을 도모할 수 있는 궤도 생성 장치를 개시하고 있다. 특허 문헌 5의 궤도 생성 장치는, 점렬(a sequence of points) 간을 클로소이드(clothoid) 곡선에 의해 보간하여 궤도 생성을 행하고, 궤도 생성 장치는 클로소이드 곡선 생성 수단을 갖는 연산 처리 장치를 구비하며, 상기 클로소이드 곡선이 3회 연속 클로소이드 곡선으로 되고, 그에 의해 통과점에서의 접선 방향의 연속성 및 곡률의 연속성이 담보되는 것이다. 또한, 종단점이 직선과 접속되는 경우, 그 접선 방향은 직선 방향에 일치시킨다.

특허 문헌 6은, 동작 시간을 지연시키는 일 없이, PTP(point to point) 동작을 행할 때에 소비하는 에너지를 저감하는 것을 목적으로 하는 로봇의 제어 장치를 개시하고 있다. 특허 문헌 6의 장치는, 모선 공통의 다축 모터의 제어에 있어서, 복수축의 감속 동작이 겹치지 않도록, 각 축 지령의 동작 시동의 순간을 결정한다. 감속 동작이 겹침으로써 회생 에너지가 커져, 회생 저항에서 소비되어 버리는 것을 방지한다.

특허 문헌 7도 또한, 동작 시간을 지연시키는 일 없이, PTP 동작을 행할 때에 소비하는 에너지를 저감하는 것을 목적으로 하는 로봇의 제어 장치를 개시하고 있다. 특허 문헌 7의 장치에 의하면, 다축 모터의 제어에 있어서, 복수축의 동작 시간을 계산하고, 가장 긴 동작 시간에 맞추어, 짧은 시간의 동작 시간의 지령 시간을 늘려서, 소비 전력량을 삭감한다.

(선행 기술 문헌)

(특허 문헌)

특허 문헌 1 : 일본 특개평 제5－325446호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특표 제2004－522602호 공보

특허 문헌 3 : 일본 특개 제2007－241604호 공보

특허 문헌 4 : 일본 특개 제2010－250697호 공보

특허 문헌 5 : 일본 특개 제2011－145797호 공보

특허 문헌 6 : 일본 특개 제2012－192484호 공보

특허 문헌 7 : 일본 특개 제2012－192485호 공보

특허 문헌 1은, 속도 프로파일의 형상이 삼각형인 경우만을 개시하고, 따라서, 동작 조건에 따라 속도 프로파일을 변화시켜 충분한 에너지 절약화를 실현할 수 없다고 하는 문제점이 있다.

특허 문헌 2는, 위치 결정 제어시의 열이나 손실을 최소화하는 것을 개시하고 있지만, 일을 포함하는 전체의 에너지를 최소화하는 것에 대하여는 개시하고 있지 않다.

또한, 일반적으로, 모터나 기계적 부하를 구동할 때, 동작시에 허용되는 상한 가속도가 있다. 특허 문헌 3의 발명을 실시할 때, 부하의 이동 거리나 이동 시간에 따라서는, 이 상한 가속도를 넘어 동작시켜 버린다고 하는 문제가 있다.

특허 문헌 4의 발명에서는, 모터의 가속 시간 및 감속 시간 중 적어도 한쪽과 상대 관계를 갖는 시정수만이 최적화되지만, 모터 및 기계적 부하에 상한 가속도가 존재하는 경우에 대처할 수 없다.

특허 문헌 5의 발명도 또한, 모터 및 기계적 부하에 상한 가속도가 존재하는 경우에 대처할 수 없다.

특허 문헌 6은, 단축 모터의 위치 결정 제어시의 소비 전력량을 저감하는 것을 개시하고 있지 않다.

특허 문헌 7도 또한, 단축 모터의 위치 결정 제어시의 소비 전력량을 저감하는 것을 개시하고 있지 않다.

본 발명의 목적은, 이상의 문제점을 해결하여, 위치 결정 제어시의 소비 전력량을 저감하도록 모터의 동작을 제어하는 모터 제어 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 형태에 따른 모터 제어 장치에 의하면,
모터에 접속된 기계적 부하를 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동시키도록 상기 모터를 제어하는 모터 제어 장치에 있어서, 상기 모터 제어 장치는,

삭제

각 순간에 있어서의 상기 기계적 부하의 위치를 나타내고, 상기 기계적 부하의 동작의 참조 신호로 되는 위치 지령값을 생성하는 지령값 생성 회로와,

상기 위치 지령값에 따라 상기 기계적 부하를 이동시키도록 상기 모터를 제어하는 모터 구동 회로와,

회생 전력을 소비하는 회생 저항을 구비하며,

상기 지령값 생성 회로는,

상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치까지의 이동 거리 D와, 상기 위치 지령값의 2회 미분 계수에 대응하는 상기 기계적 부하의 가속도의 절대치의 상한을 나타내는 상한 가속도 A_max와, 상기 이동 거리 D 및 상기 상한 가속도 A_max에 근거하여 계산된 최단 이동 시간 T₀보다 긴 소정의 이동 시간 T가 주어졌을 때, 상기 기계적 부하의 가속을 개시하고 나서 소정의 등가속도 시간 T₃에 걸쳐 상기 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상기 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록, 상기 기계적 부하의 시간적인 가속도 변화를 나타내는 가속도 프로파일 A(t)를 결정하고, 상기 가속도 프로파일 A(t)를 2회 적분하여 상기 위치 지령값을 생성하고,

상기 지령값 생성 회로는, 상기 기계적 부하를 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치에 상기 이동 시간 T로 이동시키도록, 상기 등가속도 시간 T₃을 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 모터 제어 장치에 의하면, 위치 결정 제어시의 소비 전력량을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 모터 제어 장치를 포함하는 위치 결정 시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 도 1의 지령값 생성 회로(7)에 의해 실행되는 위치 지령값 생성 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 최단 이동 시간 T₀을 설명하기 위한 가속도 프로파일 및 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 1의 지령값 생성 회로(7)에 의해 생성되는 가속도 프로파일 및 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 5는 가속도 a에 대한 손실의 변화를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 위치 지령값 생성 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 7은 도 6의 스텝 S13에서 결정되는 가속도 프로파일 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 8은 도 6의 스텝 S15에서 결정되는 가속도 프로파일 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 9는 도 6의 위치 지령값 생성 처리의 효과를 설명하기 위한 도면이며, 최단 이동 시간 T₀에 대한 이동 시간 T의 비를 나타내는 파라미터 r에 대한 함수 f₁(r) 및 f₂(r)의 값의 변화를 나타내는 개략도이다.
도 10은 도 6의 위치 지령값 생성 처리의 효과를 설명하기 위한 도면이며, 최단 이동 시간 T₀에 대한 이동 시간 T의 비를 나타내는 파라미터 r에 대한 함수 g₁(r) 및 g₂(r)의 값의 변화를 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 위치 지령값 생성 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 12는 도 11의 스텝 S22에서 결정되는 가속도 프로파일 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태 3의 변형예에 따른 위치 지령값 생성 처리에서 사용되는 가속도 프로파일 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 효과를 설명하기 위한 제 1 가속도 프로파일 및 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 15는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 효과를 설명하기 위한 제 2 가속도 프로파일 및 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 위치 지령값 생성 처리에서 사용되는 가속도 프로파일 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.

(실시 형태 1)

도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 모터 제어 장치를 포함하는 위치 결정 시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 1의 위치 결정 시스템에 있어서, 모터 제어 장치는, 지령값 생성 회로(7), 모터 구동 회로(4), 및 회생 저항(6)을 포함하며, 모터(1)에 접속된 기계적 부하(3)를 초기 위치(제 1 위치)로부터 목표 위치(제 2 위치)로 이동시키도록 모터(1)를 제어한다. 도 1의 위치 결정 시스템은, 전원(5) 및 인코더(2)를 더 구비한다.

모터(1)는, 모터 구동 회로(4)로부터 공급되는 전류(22)에 의해 동작하고, 토크 또는 추진력 등의 구동력(21)을 기계적 부하(3)에 인가한다. 기계적 부하(3)로서, 예를 들면 볼 나사 기구가 상정되지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 인코더(2)는, 모터(1)의 회전축의 회전 위치(각도) 및 회전 속도 등의 모터 정보(23)를 검출하여 모터 구동 회로(4)에 전송한다. 모터 정보(23)에 포함되는 모터(1)의 회전축의 회전 위치 및 회전 속도는, 기계적 부하(3)의 위치 및 속도에 대응한다.

지령값 생성 회로(7)는, 각 순간에 있어서의 기계적 부하(3)의 소망 위치를 나타내는 위치 지령값(24)을 생성한다. 지령값 생성 회로(7)에는, 프로그래머블 로직 콘트롤러(Programmable Logic Controller: PLC)나 조작 패널 등의 상위 장치(도시하지 않음)로부터, 이동 거리 D, 이동 시간 T, 상한 가속도 A_max를 포함하는 지령값 생성 정보가 입력된다. 여기서, 이동 거리 D는, 기계적 부하(3)의 초기 위치로부터 목표 위치까지의 이동량을 나타낸다. 이동 시간 T는, 기계적 부하(3)가 초기 위치로부터 목표 위치까지 이동하는 데에 필요로 하는 시간을 나타낸다. 지령값 생성 정보로서 지령값 생성 회로(7)에 입력되는 이동 시간 T는, 그 임의의 소망하는 값이다. 상한 가속도 A_max는, 모터(1)에 의해 기계적 부하(3)에 인가하는 것이 가능한 가속도(예를 들면, 기계적 부하(3)의 구조적 제약에 의해 정해지는 가속도, 또는, 모터 제어 장치의 사용자에 의해 지정되는 가속도, 등)의 상한치를 나타낸다. 지령값 생성 회로(7)는, 이 입력된 지령값 생성 정보에 근거하여, 도 2를 참조하여 후술하는 위치 지령값 생성 처리를 실행함으로써, 위치 지령값(24)을 생성한다. 또한, 전술과 같이 기계적 부하(3)의 위치 및 속도에 대응하는 정보로서 모터(1)의 회전축의 회전 위치 및 회전 속도가 검출되므로, 실제로는, 위치 지령값(24)은 각 순간에 있어서의 모터(1)의 회전축의 소망 회전 위치를 나타낸다.

모터 구동 회로(4)는, 위치 지령값(24)에 따라 기계적 부하(3)를 이동시키도록 모터(1)를 제어한다. 모터(1)로서 서보 모터가 채용되고 있는 경우, 모터 구동 회로(4)는 서보 앰프이다. 모터 구동 회로(4)는, PWM 인버터 등의 전력 변환기를 구비하며, 전원(5)로부터 공급되는 전력(25)에 의해, 모터(1)에 공급하는 전류(22)를 생성한다. 모터 구동 회로(4)는, 인코더(2)에 의해 검출된 모터(1)의 회전축의 회전 위치(실제의 위치)를, 지령값 생성 회로(7)로부터 전송된 위치 지령값(24)(소망 위치)에 추종시키기 위한 피드백 제어계를 구비하며, 이에 의해, 모터(1)의 회전축의 회전 위치가 위치 지령값(24)에 추종하도록 모터(1)를 구동하는 전류(22)를 계산하여 생성하고, 생성한 전류(22)를 모터(1)에 공급한다.

전원(5)는, 예를 들면 3상 교류 전원 또는 단상 교류 전원이다.

회생 저항(6)은, 모터(1)가 회생 상태로 되었을 때에 회생 전력(26)을 소비한다.

지령값 생성 회로(7)에 의해 생성되는 위치 지령값(24)에 대해 더 설명한다. 지령값 생성 회로(7)는, 우선, 기계적 부하(3)의 시간적인 가속도 변화를 나타내는 가속도 프로파일 A(t)를 결정하고, 가속도 프로파일 A(t)에 따라, 기계적 부하(3)의 시간적인 속도 변화를 나타내는 속도 프로파일을 결정하고, 속도 프로파일에 따라 위치 지령값(24)을 생성한다. 여기서, 가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)를 초기 위치에 정지한 상태로부터 피크 속도 V_p까지 가속하고, 피크 속도 V_p로부터 감속하여 목표 위치에 정지시키도록, 또한, 기계적 부하(3)의 가속 및 감속을 행할 때의 가속도의 절대값이 상한 가속도 A_max 이하이도록, 또한, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 소정 시간에 걸쳐 소정의 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록 결정된다.

상세하게는, 지령값 생성 회로(7)는, 이동 거리 D 및 상한 가속도 A_max에 근거하는, 최단 이동 시간 T₀=2×√(D/A_max)보다 긴 소정의 이동 시간 T가 주어졌을 때, 기계적 부하(3)를 초기 위치로부터 목표 위치에 이동 시간 T로 이동시키도록 가속도 프로파일 A(t)를 결정한다. 최단 이동 시간 T₀은, 상세하게는, 기계적 부하(3)를 초기 위치에 정지한 상태로부터 소정의 피크 속도까지 상한 가속도 A_max로 가속하고, 피크 속도에 이른 순간에 기계적 부하(3)를 상한 가속도 A_max로 감속하여 목표 위치에 정지시킬 때까지의 시간이다. 지령값 생성 회로(7)는, 이동 거리 D 및 상한 가속도 A_max에 근거하여, 기계적 부하(3)를 초기 위치로부터 목표 위치로 이동시키는 데에 필요로 하는 최단 이동 시간 T₀=2×√(D/A_max)를 계산하여, 최단 이동 시간 T₀보다 긴 소정의 이동 시간 T를 결정해도 좋다. 지령값 생성 정보로서 지령값 생성 회로(7)에 입력된 이동 시간 T가 최단 이동 시간 T₀보다 길면, 그 이동 시간 T를 그대로 사용한다. 그렇지 않으면, 입력된 이동 시간 T 대신에, 최단 이동 시간 T₀보다 긴 소정의 이동 시간 T를 결정하여 사용한다.

속도 프로파일을 이동 시간 T에 걸쳐 적분한 면적이 이동 거리 D가 된다.

본 발명의 각 실시 형태에서는, 다양한 형상을 갖는 가속도 프로파일 A(t)(따라서, 다양한 형상을 갖는 속도 프로파일)를 제안한다. 본 발명의 각 실시 형태에서는, 이러한 가속도 프로파일 A(t)를 이용함으로써, 위치 결정 동작시의 소비 전력량을 저감할 수 있다. 여기서, 전력량이란, 단위 시간 당의 전력을 나타내는 것이 아니고, 위치 결정 동작중의 합계의 전력량(단위 시간 당의 전력을, 위치 결정 동작 시간 중, 적분 혹은 적산하여 얻을 수 있는 적산 전력량)을 나타낸다.

도 2는, 도 1의 지령값 생성 회로(7)에 의해 실행되는 위치 지령값 생성 처리를 나타내는 플로우차트이다. 본 실시 형태에 있어서, 가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)를 초기 위치에 정지한 상태로부터 피크 속도 V_p까지 제 1 가속도로 가속하는 가속 시간과, 기계적 부하(3)를 피크 속도 V_p로 이동시키는 등속 시간과, 기계적 부하(3)를 피크 속도 V_p로부터 제 2 가속도로 감속하여 목표 위치에 정지시키는 감속 시간으로 이루어진다. 제 1 및 제 2 가속도의 절대값은 상한 가속도 A_max이다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 사다리꼴 형상을 갖는 속도 프로파일을 생성하는 것을 특징으로 한다.

스텝 S1에 있어서, 이동 거리 D, 이동 시간 T, 및 상한 가속도 A_max가 지령값 생성 회로(7)에 입력된다. 스텝 S2에 있어서, 최단 이동 시간 T₀을 계산한다. 스텝 S3에 있어서, 이동 시간 T가 최단 이동 시간 T₀보다 긴지 여부를 결정하고, YES인 때에는 스텝 S5로 진행하고, NO인 때에는 스텝 S4에서 이동 시간 T를 증대시키고, 스텝 S3으로 복귀한다. 스텝 S4에서는, 예를 들면 이동 시간 T를 1할씩 증대시켜도 좋지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.

스텝 S5에 있어서, 가속 시간 및 감속 시간 T₁과, 등속 시간 T₂와, 피크 속도 V_p를 계산한다. 가속 시간 및 감속 시간의 길이 T₁과, 등속 시간의 길이 T₂는, 다음 식에 의해 주어진다.

또한, 피크 속도 V_p는, V_p=A_max·T₁에 의해 주어진다.

스텝 S5에서는 또한, 계산된 가속 시간 및 감속 시간 T₁과, 등속 시간 T₂와, 피크 속도 V_p에 의해, 가속도 프로파일 A(t)를 결정한다. 스텝 S6에 있어서, 가속도 프로파일 A(t)를 적분함으로써, 속도 프로파일을 결정한다. 스텝 S7에 있어서, 속도 프로파일을 적분함으로써, 위치 지령값(24)을 생성하여, 처리를 종료한다.

다음에, 본 실시 형태에 따른 모터 제어 장치의 효과에 대해 설명한다.

우선, 상한 가속도를 마련하여 위치 결정 제어를 행하는 이유에 대해 설명한다. 모터(1)에는, 모터(1)의 종류에 의존하여 통상 출력하는 것이 가능한 토크의 최대치가 존재한다. 기계적 부하(3)의 관성은 위치 결정 제어시에 일정하므로, 운동 방정식(관성×가속도=토크)의 관계로부터, 가속도와 토크에 비례 관계가 성립한다. 이것으로부터, 토크의 최대치가 존재하면, 위치 결정 제어시에 모터(1)에 의해 기계적 부하(3)에 인가하는 것이 가능한 가속도에 상한(상한 가속도)이 생긴다. 또한, 기계적 부하(3) 자체를 허용할 수 있는 가속도의 상한이 존재하는 경우가 있고, 이것도 또한, 위치 결정 제어시에 가속도의 상한을 일으키게 하는 요인이 된다. 가령, 이 상한 가속도를 넘어 기계적 부하(3)에 가속도를 인가하면, 모터(1)에 과대한 전류가 흐르거나, 기계적 부하(3)에 큰 충격이 가해지고, 최악의 경우, 모터(1), 모터 구동 회로(4), 및/또는, 기계적 부하(3)가 파손될 가능성이 있다. 이 때문에, 위치 지령값(24)을 생성할 때에, 상한 가속도를 고려할 필요가 있다.

상한 가속도를 고려하여, 기계적 부하(3)가 초기 위치로부터 목표 위치까지 이동하는 데에 필요로 하는 이동 시간 T를 최단으로 하기 위해서는, 이른바 최단 시간 제어(Bang-Bang 제어)로 불리는 제어를 행하는 것이 알려져 있다. 도 3은, 최단 이동 시간 T₀을 설명하기 위한 가속도 프로파일 및 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다. 도 3에 있어서, 최단 시간 제어를 행했을 때의 가속도 프로파일 및 속도 프로파일을 굵은 점선으로 나타낸다. 최단 시간 제어를 행했을 때의 이동 시간, 즉 최단 이동 시간 T₀은, 이동 거리 D 및 상한 가속도 A_max를 이용하여, T₀=2×√(D/A_max)로 나타내어진다. 이 때의 가속도 프로파일은, 시간 0으로부터 최단 이동 시간의 반의 시간 T₀/2까지 상한 가속도 A_max로 가속하고, 시간 T₀/2로부터 최단 이동 시간 T₀까지 상한 가속도 A_max로 감속하도록 결정된다. 따라서, 기계적 부하(3)는, 초기 위치에 정지한 상태로부터 소정의 피크 속도까지 상한 가속도 A_max로 가속되고, 피크 속도에 도달한 순간에 상한 가속도 A_max로 감속되어 목표 위치에 정지한다. 최단 시간 제어를 행했을 때의 속도 프로파일은 삼각형 형상으로 된다. 상한 가속도 A_max가 존재하는 경우, 최단 이동 시간 T₀보다 짧은 이동 시간에 기계적 부하(3)를 이동시키는 것은 불가능하다. 도 3의 굵은 점선으로 나타내는 가속도 프로파일 및 속도 프로파일로부터 생성한 위치 지령값(24)에 따라 기계적 부하(3)를 이동시킬 때에만, 상한 가속도 A_max를 넘는 일 없이, 이동 거리 D 및 이동 시간 T₀의 최단 시간 제어를 실현할 수 있다.

가령 최단 이동 시간 T₀ 이하의 이동 시간 T가 입력되었을 경우, 이동 시간 T를 최단 이동 시간 T₀보다 증대시켜, 이 증대된 이동 시간 T에 근거하여 가속도 프로파일 A(t) 및 속도 프로파일을 결정한다. 도 2의 위치 지령값 생성 처리에 있어서, 이동 시간 T가 최단 이동 시간 T₀ 이하일 때(스텝 S3이 NO)에 이동 시간 T를 증대시키는(스텝 S4) 것은, 위치 결정 제어시의 소비 전력량을 저감하는 것을 목적으로 하고 있다. 단, 본 실시 형태에서는, 도 3의 굵은 실선으로 나타낸 바와 같이 이동 시간 T를 최단 이동 시간 T₀보다 증대시킨 만큼에 따라 단지 가속도의 절대값을 감소시키는(즉, 최단 시간 제어와 마찬가지로 삼각형 형상의 속도 프로파일을 이용하는) 것은 아니고, 도 4에 나타내는 바와 같은 사다리꼴 형상의 속도 프로파일을 이용한다. 도 4는, 도 1의 지령값 생성 회로(7)에 의해 생성되는 가속도 프로파일 A(t) 및 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다. 가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)를 초기 위치에 정지한 상태로부터 피크 속도 V_p까지 가속도 a로 가속하는 가속 시간과, 기계적 부하(3)를 피크 속도 V_p로 이동시키는 등속 시간과, 기계적 부하(3)를 피크 속도 V_p로부터 가속도 a로 감속하여 목표 위치에 정지시키는 감속 시간으로 이루어진다. 가속 시간의 길이와 감속 시간의 길이는 서로 동일하다. 사다리꼴 형상의 속도 프로파일은, 이동 거리 D 및 이동 시간 T가 주어졌을 때, 가속 시간 및 감속 시간에 있어서의 가속도의 절대값을 나타내는 가속도 a를 파라미터로서 고유하게 결정된다. 이하, 도 4를 참조하여, 가속도 a의 바람직한 값에 대해 설명한다.

가속도 a를 파라미터로 하여, 가속 시간 및 감속 시간 T₁과, 등속 시간 T₂는, 다음 식으로 주어진다.

가속도 a의 절대값의 상한은 상한 가속도 A_max이지만, 하한은, 등속 시간 T₂가 0으로 될 때, 즉, 속도 프로파일이 삼각형 형상으로 될 때의 가속도이다. 이 가속도 a의 절대값의 하한 A_min는, 속도 프로파일을 이동 시간 T에 걸쳐 적분한 면적이 이동 거리 D로 된다고 하는 관계로부터, A_min=4_D/T²로 나타내어진다. 이 가속도 a의 절대값의 하한 A_min를 이용하여, 가속 시간 및 감속 시간 T₁을 다음 식으로 나타낼 수 있다.

또한, 가속도 a의 절대값의 하한 A_min를 이용하여, 속도 프로파일에 있어서의 피크 속도 V_p는, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

한편, 최단 시간 제어를 행했을 때의 최단 이동 시간 T₀과, 이동 거리 D와, 상한 가속도 A_max의 사이에는, A_max=4D/T₀ ²의 관계가 있으므로, 상한 가속도 A_max는, A_max=A_min·T²/T₀ ²로 나타내어진다. 따라서, 가속도 a를 취할 수 있는 범위는 다음 식으로 나타내어진다.

다음에, 모터(1)를 동작시킬 때의 소비 전력량에 대해 고찰한다. 모터(1)의 동작시에 전력을 소비하는 주요인은, 모터 출력(모터(1)가 행하는 일)과, 모터(1)의 코일 저항에서 소비되는 손실의 2개로 분류할 수 있고, 그 합계로 소비 전력량이 결정된다. 즉, 「위치 결정 제어에 필요로 하는 전력량」=모터 출력에 관한 전력량＋손실에 관한 전력량으로 간주할 수 있다.

단위 시간 당의 모터 출력 전력 W는, 모터 속도 v와 모터 토크 τ를 이용하여, W=v×τ로 나타내어진다. 또한, 도 4의 사다리꼴 형상의 속도 프로파일에 따라 위치 결정 제어를 행하고 있을 때의 모터(1)의 동작 상태는, 속도가 증가해 가는 「가속 동작 상태」, 속도가 일정 값을 계속 유지하는 「등속 동작 상태」, 및 속도가 감소해 가는 「감속 동작 상태」로 분류할 수 있다. 단, 이 분류는, 도 4와 같은 사다리꼴 형상의 속도 프로파일 뿐만이 아니라, 보다 일반의 가감 속도 패턴을 갖는 속도 프로파일이어도 마찬가지로 적용시킬 수 있다. 이하, 도 4의 사다리꼴 형상의 속도 프로파일에 따라 동작할 경우에, 동작 상태마다 모터 출력에 관한 전력량의 크기를 계산한다.

우선, 모터(1)가 가속 동작 상태에 있을 때, 즉, 도 4에서 시간 t가 0≤t≤T₁인 때, 정(正)방향의 가속도를 발생시키기 위해서, 모터(1)에는 정방향의 토크가 발생한다. 속도도 양이므로, 단위 시간 당의 모터 출력 전력 W의 부호도 양으로 된다. 모터(1)가 가속을 개시한 직후(시간 t=0)부터, 모터(1)가 가속 완료(시각 t=T₁)할 때까지의 모터 출력에 관한 전력량은, 이하와 같이 산출된다.

여기서, 2번째의 등호에서는, 기계적 부하(3) 및 모터(1)의 관성의 합계치를 J로 나타내고, 모터(1)의 운동 방정식인, J×dv/dt=τ의 관계, 즉, 토크 τ와 가속도 dv/dt가 비례 관계에 있는 것을 이용하고 있다. 3번째의 등호에서는, 곱의 함수의 미분 공식을 이용하고 있다. 5번째의 등호에서는, 가속 시간의 최초(t=0)에서는 속도 v가 0으로 되는 것(v(0)=0), 및, 가속 시간의 최후(t=T₁)에서는 속도 v가 V_p로 되는 것(v(T₁)=V_p)을 이용하고 있다. 최종적으로, 가속 동작 상태인 때의 모터 출력에 관한 전력량은, 1/2·J·V_p ²로 나타내어진다. 이것은, 기계적 부하(3) 및 모터(1)가 피크 속도 V_p에서 동작할 때의 운동 에너지와 동일하다.

또한, 모터(1)가 등속 동작 상태에 있을 때, 즉, 도 4에서 시간 t가 T₁＜t≤T₁＋T₂인 때에는, 가속도 a가 0으로 되므로, 발생하는 토크 τ도 거의 0으로 간주할 수 있다. 따라서, W=v×τ의 관계로부터, 모터 출력 전력 W도 거의 0으로 된다.

또한, 모터(1)가 감속 동작 상태에 있을 때, 즉, 도 4에서 시간 t가 T－T₁＜t≤T인 때에는, 속도 v를 감소시키기 위해서 음의 가속도를 발생시키지만, 이것에는 음의 토크를 발생시킬 필요가 있다. 그러나, 속도 v는 정방향이므로, 속도 v와 토크 τ가 상이한 부호로 되어, 단위 시간 당의 모터 출력 전력 W는 음의 값으로 된다. 모터 출력 전력 W가 음의 값으로 된다고 하는 것은, 회생 상태로 되어 있는(회생 전력이 발생하고 있는) 것을 의미하며, 모터(1)는 전력을 소비하지 않게 된다. 이 회생 전력은, 도 1의 회생 저항(6)에서 소비된다. 이것은, 다른 견해로 보면, 가속 동작 상태의 사이에 얻어진 운동 에너지가, 감속 동작 상태의 사이에 회생 저항(6)에 의해 소비되어, 열 에너지로서 버려지는 것을 의미하고 있다.

이상의 고찰로부터, 위치 결정 제어시의 모터 출력에 관한 전력량에 있어서는, 가속 동작 상태인 때의 모터 출력에 관한 전력량이 지배적이며, 이 전력량은, 기계적 부하(3) 및 모터(1)가 피크 속도 V_p로 동작할 때의 운동 에너지와 동일하다. 따라서, 이 전력량을 저감시키기 위해서는, 운동 에너지를 작게 하는, 즉, 피크 속도 V_p를 작게 할 필요가 있다.

위치 결정 제어중의 피크 속도 V_p와 가속도 a의 관계를 나타내는 식(6)을 가속도 a에 관해서 미분하면, 다음 식을 얻을 수 있다.

여기서, a＞0 및 a－A_min≥0인 것과, 산술 평균＞기하 평균의 관계를 이용하면, 식(9)의 분자에 대해, 다음 식이 성립된다.

따라서, 식(9)의 dV_p/da는 음이다. 따라서, 가속도 a가 클수록, 피크 속도 V_p는 작아진다. 특히, 피크 속도 V_p가 최소로 되는 것은, 가속도 a가 상한 가속도 A_max와 동일할 때이다. 운동 에너지는 속도의 제곱에 비례하므로, 모터 출력에 관한 전력량이 최소로 되는 것도, 가속도 a가 상한 가속도 A_max와 동일할 때이다.

다음에, 도 4의 사다리꼴 형상의 속도 프로파일에 따라 위치 결정 제어를 행할 때, 위치 결정 제어시에 필요로 하는 전력량 중, 모터(1)의 코일 저항에서 소비되는 손실의 크기를 계산한다. 모터(1)의 코일 저항을 R로 하여, 모터(1)에 흐르는 전류 I로 하면, 단위 시간 당의 손실 전력 L은, 다음 식으로 나타내어진다.

모터(1)의 토크 τ는, 모터(1)의 전류 I에 비례하여 발생한다. 즉, 그 비례 정수(토크 정수)를 K_T로 하면,τ=K_T·I의 관계가 있다. 이 관계를 운동 방정식에 대입하면, 다음 식의 관계가 성립한다.

따라서, 전류 I는, 가속도 a를 이용하여 이하와 같이 나타내어진다.

따라서, 모터(1)에 흐르는 전류 I는, 가속도 a에 비례한다고 말할 수 있다.

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모터 출력에 관한 전력량을 「가속 동작 상태」, 「등속 동작 상태」, 및 「감속 동작 상태」의 각각에 대해 계산했지만, 모터(1)에 발생하는 손실에 대해서도 마찬가지로, 이러한 동작 상태마다 계산한다. 모터(1)가 가속 동작 상태에 있을 때에는 가속도 a가 0은 아니기 때문에, 식(13)으로부터 전류 I도 0은 아니다. 따라서, 식(11)에 따라 손실 전력 L가 발생하여, 이 손실 전력 L분의 전력량을 소비한다. 모터(1)가 등속 동작 상태에 있을 때에는 가속도 a가 0이므로, 전류 I도 거의 0으로 간주할 수 있다. 따라서, 이 때, 손실 전력 L도 거의 0으로 간주할 수 있다. 또한, 모터(1)가 감속 동작 상태에 있을 때에는, 음의 토크가 발생함에 따라 전류 I가 발생한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 모터(1)가 감속 동작 상태에 있을 때에는 회생 전력이 발생하므로, 회생 전력이 감속 동작 상태인 때의 손실 전력 L을 보상한다. 또한, 남은 회생 전력은, 회생 저항(6)에서 소비되게 된다. 따라서, 감속 동작 상태에서는, 손실을 보상하기 위한 전력량은 거의 필요없다. 이상으로부터, 위치 결정 제어시의 손실에 관한 전력량에 있어서도, 가속 동작 상태인 때의 손실에 관한 전력량이 지배적이다. 따라서, 위치 결정 동작에 필요로 하는 전력량은, 가속 동작 상태시의 전력량이 지배적이라고 말할 수 있다. 가속도 a를 이용하여, 가속 동작 상태인 때의 손실에 관한 전력량 E(a), 즉, 손실 전력 L을 가속 시간(0≤t≤T₁)에 걸쳐 적분한 전력량은, 식(11) 및 (13)으로부터, 다음 식으로 나타내어진다.

가속도 a의 변화에 따라, 식(14)의 손실에 관한 전력량 E(a)가 어떻게 변화하는지를 조사한다. 여기서, 코일 저항 R, 관성 J, 및 토크 정수 K_T의 값은, 모터(1) 및 기계적 부하(3)가 정해지면 일정하다는 것에 주의한다.

도 5는, 가속도 a에 대한 손실의 변화를 나타내는 개략도이다. 도 5의 세로축은, 식(14)의 손실에 관한 전력량 E(a)를, R·(J/K_T)²·T/2·A_min ²로 제산한 값을 나타낸다. 도 5에 있어서, A_min≤a＜(9/8)·A_min에서는, 손실은 가속도 a가 증가함에 따라 단조 감소한다. 손실은, a=(9/8)·A_min에서 최소치로 되고, a=A_min인 때의 손실을 1로 하면, a=(9/8)·A_min에서 손실은 27/32로 된다. a＞(9/8)·A_min에서는, 손실은 가속도 a가 증가함에 따라 단조 증가한다. 또한, a=(√5＋1)/2·A_min에서는, a=A_min인 때의 손실과 동일한 값으로 된다.

이상을 근거로 하여, 도 4의 사다리꼴 형상의 속도 프로파일에 따라 위치 결정 제어를 행할 때, 위치 결정 제어에 필요로 하는 전력량이, 가속도 a 및 이동 시간 T에 따라, 어떠한 때에 최소로 되는지를 고찰한다.

전술한 바와 같이, 위치 결정 제어에 필요로 하는 전력량은, 모터 출력에 관한 전력량과 손실에 관한 전력량의 합이 되는 것에 주의한다. 우선, A_max≤(9/8)·A_min인 경우, 즉, A_max=A_min·T²/T₀ ²의 관계를 고려하여, T₀＜T≤3√2/4·T₀인 경우, 가속도 a를 상한 가속도 A_max로 설정하면, 위치 결정 제어에 필요로 하는 전력량이 최소로 된다. 왜냐하면, 전술과 같이, 가속도 a가 상한 가속도 A_max일 때 피크 속도 V_p가 최소로 되고, 운동 에너지도 최소로 되고, 따라서 모터 출력에 관한 전력량이 최소로 된다. 또한, 도 5로부터, a≤(9/8) A_min에서는, 손실은 가속도 a의 증가에 따라 단조 감소하므로, 손실에 관한 전력량도 최소로 된다. 따라서, 모터 출력에 관한 전력량과 손실에 관한 전력량의 합인 위치 결정 제어에 필요로 하는 전력량은 최소로 된다.

다음에, (9/8) A_min＜A_max≤(√5＋1)/2·A_min, 즉, 3√2/4·T₀＜T≤√((√5＋1)/2)·T₀인 때에도 또한, 상술인 경우와 마찬가지로, 가속도 a를 상한 가속도 A_max로 설정하면, 모터 출력에 관한 전력량이 최소로 된다. 가속도 a를 상한 가속도 A_max로 설정했을 때, 손실에 관한 전력량은 최소는 되지 않지만, 적어도 가속도 a를 그 하한 A_min로 설정했을 때, 즉, 삼각형 형상의 속도 프로파일에 따라 위치 결정 제어를 행할 때의 손실에 관한 전력량보다는 작아진다. 따라서, 가속도 a를 상한 가속도 A_max로 설정했을 때, 적어도, 위치 결정 제어에서 일반적인 삼각형 형상의 속도 프로파일을 이용했을 경우보다는, 위치 결정 제어에 필요로 하는 전력량을 작게 할 수 있다고 하는 효과가 있다.

도 2의 스텝 S5에서 계산되는 가속 시간 및 감속 시간 T1, 등속 시간 T2, 피크 속도 V_p는, 식(3), 식(4), 식(6)에 있어서, a=A_max를 대입했을 때의 값이다. 또한, 식(3), 식(4), 식(6)은, 계산하는 데에 반복 계산 등을 포함하지 않고, 대수 연산만을 포함하기 때문에, 위치 지령값(24)을 작은 계산 부하로 생성할 수 있다고 하는 효과가 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 모터 제어 장치에 의하면, 위치 결정 제어시의 소비 전력량을 저감할 수 있다.

(실시 형태 2)

실시 형태 1에서는, 소비 전력량을 저감하기 위해서, 사다리꼴 형상의 속도 프로파일에 따라 위치 결정 제어를 행했지만, 본 실시 형태에서는, 이것과는 상이한 속도 프로파일을 이용한다. 실시 형태 2에 따른 모터 제어 장치를 포함하는 위치 결정 시스템의 구성은, 실시 형태 1(도 1)과 동일하지만, 지령값 생성 회로(7)에 의해 실행되는 위치 지령값 생성 처리가, 실시 형태 1과는 상이하다.

도 6은, 본 발명의 실시 형태 2에 따른 위치 지령값 생성 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 6의 플로우차트에 있어서, 스텝 S1∼S4는, 실시 형태 1(도 2)과 동일하므로 설명을 생략한다. 스텝 S3이 YES인 때, 스텝 S11로 진행한다. 스텝 S11에 있어서, 이동 시간 T가 최단 이동 시간 T₀의 √(3/2)배보다 작은지 여부를 결정하고, YES인 때에는 스텝 S12로 진행하고, NO인 때에는 스텝 S14로 진행한다. 본 실시 형태에서는, 스텝 S11의 YES 또는 NO에 따라, 상이한 형상의 가속도 프로파일 A(t) 및 속도 프로파일을 생성한다.

스텝 S11이 YES인 때, 즉, 이동 시간 T가, T₀＜T＜√(3/2)×T₀을 만족할 때, 가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)를 양의 제 1 가속도로 가속하는 제 1 등가속도 시간과, 기계적 부하(3)에 인가하는 가속도를 제 1 가속도로부터 음의 제 2 가속도까지 시간의 일차 함수로서 연속적으로 저하시키는 가속도 저감 시간과, 기계적 부하(3)를 제 2 가속도로 감속하는 제 2 등가속도 시간으로 이루어진다. 제 1 및 제 2 가속도의 절대값은 상한 가속도 A_max이다. 스텝 S12∼S13에서는, 도 7에 나타내는 가속도 프로파일 A(t)를 생성한다.

스텝 S12에 있어서, 제 1 및 제 2 등가속도 시간 T₃을 다음 식에 의해 계산한다.

스텝 S13에 있어서, 등가속도 시간 T₃에 근거하여, 0≤t≤T에 걸쳐 변화하는 시간 t에 관해서 가속도 프로파일 A(t)를 다음 식과 같이 결정한다.

한편, 스텝 S11이 NO인 때, 즉, 이동 시간 T가, T≥√(3/2)×T₀을 만족할 때, 지령값 생성 회로(7)는, 상한 가속도 A_max보다 작은 소정의 피크 가속도 A_p를 결정하고, 그 다음에, 이 피크 가속도 A_p를 이용하여 가속도 프로파일 A(t)를 결정한다. 가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)를 제 1 위치에 정지한 상태로부터 피크 가속도 A_p로 가속하기 시작하여, 기계적 부하(3)에 인가하는 가속도를 A_p로부터 -A_p까지 시간의 일차 함수로서 연속적으로 저하시키고, 최종적으로 피크 가속도 Ap로 감속하여 제 2 위치에 정지시키도록 결정된다. 스텝 S14∼S15에서는, 도 8에 나타내는 가속도 프로파일 A(t)를 생성한다.

스텝 S14에 있어서, 피크 가속도 A_p를 다음 식에 의해 계산한다.

스텝 S15에 있어서, 피크 가속도 A_p에 근거하여, 0≤t≤T에 걸쳐 변화하는 시간 t에 관해서 가속도 프로파일 A(t)를 다음 식에 의해 결정한다.

도 6의 플로우차트에 있어서, 스텝 S6∼S7는, 실시 형태 1(도 2)과 실질적으로 동일하다. 스텝 S6에 있어서, 스텝 S13 또는 S15에서 결정된 가속도 프로파일 A(t)를 적분함으로써, 속도 프로파일을 결정한다. 스텝 S7에 있어서, 속도 프로파일을 적분함으로써, 위치 지령값(24)을 생성하여, 처리를 종료한다.

다음에, 본 실시 형태에 따른 모터 제어 장치의 효과에 대해 설명한다.

먼저, 식(16) 또는 식(18)에서 결정된 가속도 프로파일 A(t)에 있어서, 다음 식이 성립되는 것을 확인할 수 있다.

즉, 식(16) 또는 식(18)에서 결정된 가속도 프로파일 A(t)를 이용하면, 이동 거리 D를 이동 시간 T로 이동할 수 있다. 식(16)에 있어서의 등가속도 시간 T₃, 또는, 식(18)에 있어서의 피크 가속도 A_p는, 이동 거리 D를 이동 시간 T로 이동하도록 결정되어 있다.

다음에, 식(16) 또는 식(18)에서 결정된 가속도 프로파일 A(t)가 상한 가속도 A_max를 넘지 않는 것을 설명한다. 도 7은, 도 6의 스텝 S13에서 결정되는 가속도 프로파일 A(t)(식(16)) 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 가속도의 절대값은, 제 1 및 제 2 등가속도 시간에서만 상한 가속도 A_max로 되고, 가속도 저감 시간에서는 항상 상한 가속도 A_max 미만이다. 따라서, 명백하게는, 도 7의 가속도 프로파일 A(t)는 상한 가속도 A_max를 넘는 것은 없다. 도 8은, 도 6의 스텝 S15에서 결정되는 가속도 프로파일 A(t)(식(18)) 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 가속도의 절대값은, 시간 t=0 및 T인 때에만 피크 가속도 A_p로 된다. 피크 가속도 A_p는 다음 식을 만족한다.

여기서, 식(20)의 부등호는, 이동 시간 T가, T≥√(3/2)×T₀을 만족하는 것을 이용하고 있다. 따라서, 피크 가속도 A_p는 상한 가속도 A_max를 넘는 것은 없다. 여기서, 부등호가 성립하는 것은, 도 6의 스텝 S11이 NO인 것, 즉, T＞√(3/2)×T₀인 것을 이용하고 있다. 따라서, 도 6의 위치 지령값 생성 처리를 행할 때, 스텝 S11의 조건 분기에 의해 스텝 S12∼S13 혹은 스텝 S14∼S15 중 어느 쪽을 행해도, 상한 가속도 A_max를 넘지 않는 가속도 프로파일 A(t)를 생성할 수 있다.

다음에, 식(16) 또는 식(18)에서 결정된 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행하는 것에 의해 소비 전력량을 저감할 수 있는 것에 대하여 설명한다. 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 위치 결정 제어에 필요로 하는 전력량은, 모터 출력에 관한 전력량과 손실에 관한 전력량으로 이루어진다. 전술과 같이, 모터 출력에 관한 전력량은, 피크 속도로부터 정해지는 운동 에너지에 대략 동일하다. 또한, 손실에 관한 전력량은, 가속 시의 손실이 지배적이며, 가속 시에 흐르는 전류로부터 손실 전력을 계산할 수 있다.

우선, 식(16)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용했을 때의 피크 속도 V_p=V_p1을 산출한다. 피크 속도 V_p1은, 다음 식과 같이, 식(16)을, 양의 가속도를 부가하는 시간(시간 0으로부터 이동 시간의 절반 T/2까지)에 걸쳐 적분함으로써 얻어진다.

또한, 손실에 관한 전력량은, 식(11)의 손실 전력 L을, 가속도가 양인 시간(0≤t≤T/2)에 걸쳐 적분함으로써 구해진다. 이 때, 가속도와 전류가 대략 비례 관계에 있는 것을 이용하면, 식(16)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어할 때의 손실에 관한 전력량 E_L1은, 다음 식에 의해 나타내어진다.

다음에, 비교를 위해서, 위치 결정 제어에 있어서 일반적으로 사용되는 삼각형 형상의 속도 프로파일을 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때의 소비 전력량을 계산한다. 도 3의 실선으로 나타내는 속도 프로파일을 이용하여 위치 결정 제어를 행하여, 이동 거리 D를 이동 시간 T로 이동할 때의 모터 출력에 관한 전력량과, 손실에 관한 전력량을 이하와 같이 계산한다.

실시 형태 1에 있어서 도 4의 가속도 a=A_min일 때, 속도 프로파일이 삼각형 형상으로 된다. 이 때의 피크 속도 V_p2와, 손실에 관한 전력량 E_L2는, 다음 식에 의해 계산된다.

여기서, r=T/T₀으로 두면, 식(21)∼식(24)을 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

피크 속도 V_p1 및 V_p2의 대소와 손실에 관한 전력량 E_L1 및 E_L2의 대소를 비교하기 위해서, 파라미터 r=T/T₀에 관한 이하의 함수를 도입한다.

식(29)∼식(32)을 이용하면, 식(25)∼식(28)은 다음 식과 같이 나타내어진다.

식(16)의 가속도 프로파일 A(t)는, 도 6의 스텝 S11이 YES일 때 사용되므로, 파라미터 r=T/T₀은, 1＜r＜√(3/2)의 범위내에서 변화한다. 도 9는, 파라미터 r에 대한 함수 f₁(r) 및 f₂(r)의 값의 변화를 나타내는 개략도이다. 도 9에 있어서 실선이 함수 f₁(r)를 나타내고, 점선이 함수 f₂(r)를 나타낸다. 도 9에 의하면, 1＜r＜√(3/2)에서는 파라미터 r의 값에 관계없이, f₁(r)＜f₂(r)인 것을 알 수 있다. 이것은, 식(16)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때의 피크 속도 V_p1은, 삼각형 형상의 속도 프로파일을 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때의 피크 속도 V_p2보다 작아지고, 이 때문에, 모터 출력에 관한 전력량도, 삼각형 형상의 속도 프로파일을 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때보다, 식(16)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때의 쪽이 작아진다고 하는 것을 의미하고 있다.

도 10은, 파라미터 r에 대한 함수 g₁(r) 및 g₂(r)의 값의 변화를 나타내는 개략도이다. 도 10에 있어서, 실선이 함수 g₁(r)를 나타내고, 점선이 함수 g₂(r)를 나타낸다. 도 10에 의하면, 1＜r＜√(3/2)에서는 파라미터 r의 값에 관계없이, g₁(r)＜g₂(r)인 것을 알 수 있다. 이것은, 식(16)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때의 손실에 관한 전력량 E_L1은, 삼각형 형상의 속도 프로파일을 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때의 손실에 관한 전력량 E_L2보다 작아지는 것을 나타내고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 삼각형 형상의 속도 프로파일을 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때보다, 식(16)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때의 쪽이, 모터 출력에 관한 전력량과 손실에 관한 전력량이 모두 작아지므로, 총 전력량도 작아진다고 말할 수 있다.

또한, 식(18)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때 피크 속도 V_p3와, 그 때에 발생하는 손실에 관한 전력량 E_L3을 산출한다. 우선, 피크 속도 V_p3은, 다음 식과 같이, 식(18)을, 양의 가속도를 부가하는 시간(시간 0으로부터 이동 시간의 절반 T/2까지)에 걸쳐 적분함으로써 얻어진다.

또한, 식(18)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어할 때의 손실에 관한 전력량 E_L3은, 다음 식에 의해 나타내어진다.

명백하게는, V_p3＜V_p2, 또한, E_L3＜E_L2가 성립한다. 이것은, 삼각형 형상의 속도 프로파일을 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때보다, 식(18)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때의 쪽이, 모터 출력에 관한 전력량도, 손실에 관한 전력량도 작아지는 것을 나타내고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 도 6의 위치 지령값 생성 처리에 따라 위치 지령값을 생성함으로써, 피크 가속도를 상한 가속도 A_max 이하로 하면서, 또한, 위치 결정에 필요로 하는 전력량을 삭감한다고 하는 효과가 있다. 또한, 식(15)∼식(18)은, 계산하는 데에 반복 계산 등을 포함하지 않고, 대수 연산만을 포함하기 때문에, 위치 지령값(24)을 작은 계산 부하로 연산할 수 있다고 하는 효과가 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 모터 제어 장치에 의하면, 위치 결정 제어시의 소비 전력량을 저감할 수 있다.

(실시 형태 3)

실시 형태 1, 2에서는, 위치 결정 제어를 행할 때의 소비 전력량을 정량적으로 계산하여, 이것이 저감되는 것을 나타내는 것으로, 그 효과를 설명했다. 본 실시 형태에서는, 이것과는 상이한 방법으로 효과를 설명한다. 실시 형태 3에 따른 모터 제어 장치를 포함하는 위치 결정 시스템의 구성은, 실시 형태 1(도 1)과 동일하지만, 지령값 생성 회로(7)에 의해 실행되는 위치 지령값 생성 처리가, 실시 형태 1과는 상이하다.

도 11은, 본 발명의 실시 형태 3에 따른 위치 지령값 생성 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 11의 플로우차트에 있어서, 스텝 S1∼S4는, 실시 형태 1(도 2)과 동일하므로 설명을 생략한다. 스텝 S3이 YES인 때, 스텝 S21로 진행되어, 스텝 S21∼S22에 있어서 가속도 프로파일 A(t)를 결정한다. 가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)를 양의 제 1 가속도로 가속하는 제 1 등가속도 시간과, 기계적 부하(3)에 인가하는 가속도를 제 1 가속도로부터 음의 제 2 가속도까지 연속적으로 저하시키는 가속도 저감 시간과, 기계적 부하(3)를 제 2 가속도로 감속하는 제 2 등가속도 시간으로 이루어진다. 제 1 및 제 2 가속도의 절대값은 상한 가속도 A_max이다. 가속도 프로파일 A(t)는, 예를 들면, 도 12와 같이 생성된다.

스텝 S21에 있어서, 제 1 및 제 2 등가속도 시간 T₃을 다음 식에 의해 계산한다.

스텝 S22에 있어서, 등가속도 시간 T₃에 근거하여, 0≤t≤T에 걸쳐 변화하는 시간 t에 관해서 가속도 프로파일 A(t)를 다음 식과 같이 결정한다.

도 12는, 도 11의 스텝 S22에서 결정되는 가속도 프로파일 A(t) 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다.

가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 등가속도 시간 T₃에 걸쳐 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록 결정된다. 식(40)의 가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)를 초기 위치로부터 목표 위치에 이동 시간 T로 이동시키도록(즉, 식(19)이 성립하도록) 결정되고, 이 때, 식(39)의 등가속도 시간 T₃이 얻어진다.

여기에서는, 식(40)의 가속도 프로파일 A(t)를 예로서 들었지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 등가속도 시간 T₃에 걸쳐 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록 결정되는 가속도 프로파일이면, 어떠한 것이어도 좋다. 다른 예로서는, 실시 형태 2에서 설명한 도 7의 가속도 프로파일 A(t)(식(16)) 등을 들 수 있다.

도 13은, 본 발명의 실시 형태 3의 변형예에 따른 위치 지령값 생성 처리에서 사용되는 가속도 프로파일 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다. 가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 소정 시간에 걸쳐 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록 하는 형상이면, 이상으로 설명한 것과는 상이한 다른 형상이어도 좋다. 예를 들면, 가속도 저감 시간에 있어서의 가속도는, 도 12와 같이 연속적으로 저하하는 것에 한정되지 않고, 도 13과 같이 단계적으로 저하해도 좋다. 도 13의 가속도 프로파일 A(t)는 다음 식으로 나타내어진다.

식(41)의 가속도 프로파일 A(t)는, 기계적 부하(3)를 초기 위치로부터 목표 위치에 이동 시간 T로 이동시키도록, 즉 다음 식을 만족하도록 결정된다.

이 때, 등가속도 시간 T₄를 다음 식에 의해 얻을 수 있다.

식(41)의 가속도 프로파일 A(t)를 이용했을 때에도, 위치 결정 동작시의 소비 전력량을 저감할 수 있다.

다음에, 본 실시 형태에 따른 모터 제어 장치의 효과에 대해 설명한다.

도 14 및 도 15를 참조하여, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 소정 시간에 걸쳐 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하는 가속도 프로파일 A(t)를 이용함으로써, 위치 결정 제어에 필요로 하는 전력량을 저감시킬 수 있는 것을 설명한다. 도 14는, 본 발명의 실시 형태 3에 따른 효과를 설명하기 위한 제 1 가속도 프로파일 A(t) 및 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다. 도 15는, 본 발명의 실시 형태 3에 따른 효과를 설명하기 위한 제 2 가속도 프로파일 A(t) 및 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다. 도 14 및 도 15 중 어느 한 경우에 있어서도, 동일한 모터(1)를 이용하여 동일한 기계적 부하(3)를 이동 시간 T에 걸쳐 이동하는 것으로 한다. A₁＞A₂≥0으로 하여, 도 14의 가속도 프로파일 A(t)는 다음 식으로 나타내어지는 것으로 한다.

도 14의 가속도 프로파일 A(t)에서는, 속도가 작을 때에 큰 가속도를 발생하고, 속도가 클 때에 작은 가속도를 발생한다. 따라서, 가속도가 양인 시간(0≤t≤T/2) 중 전반(0≤t＜T/4)에 큰 가속도 A₁을 발생하고, 그 후반(T/4＜t＜T/2)에 작은 가속도 A₂를 발생한다. 가속도가 음인 시간(T/2＜t≤T)에서는, 그 전반(T/2＜t≤(3/4)T)에 작은 가속도 A₂를 발생하고, 그 후반((3/4)T＜t≤T)에 큰 가속도 A₁을 발생한다.

또한, 도 15의 가속도 프로파일 A(t)는 다음 식으로 나타내어지는 것으로 한다.

도 15의 가속도 프로파일 A(t)에서는, 속도가 작을 때에 작은 가속도를 발생하고, 속도가 클 때에 큰 가속도를 발생한다. 따라서, 가속도가 양인 시간(0≤t≤T/2) 중 전반(0≤t＜T/4)에 작은 가속도 A₂를 발생하고, 그 후반(T/4＜t＜T/2)에 큰 가속도 A₁을 발생한다. 가속도가 음인 시간(T/2＜t≤T)에서는, 그 전반(T/2＜t≤(3/4)T)에 큰 가속도 A₁을 발생하고, 그 후반((3/4)T＜t≤T)에 작은 가속도 A₂를 발생한다.

실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 손실에 관한 전력량에 있어서, 가속 동작시의 손실이 지배적이다. 전술과 같이 전류와 가속도는 비례 관계에 있으므로, 도 14 및 도 15의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때에 발생하는 손실에 관한 전력량은 모두, 기계적 부하(3) 및 모터(1)의 관성의 합계치 J와, 모터(1)의 토크 정수 K_T를 이용하여 다음 식으로 나타내어진다.

즉, 도 14 및 도 15의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때에, 각각 동일한 전력량의 손실이 발생한다.

다음에, 도 14 및 도 15의 가속도 프로파일 A(t)를 이용하여 위치 결정 제어를 행했을 때에 이동할 수 있는 거리를 생각한다. 도 14 및 도 15의 가속도 프로파일 A(t) 중 어느 하나를 이용했을 때에도, 가속도가 양인 시간의 최후(t=T/2)에 있어서, 피크 속도 V_p는, V_p=(A₁＋A₂)·T/4로 된다. 또한, 각각의 가속도 프로파일 A(t)에 따라 이동하는 이동 거리는, 속도 프로파일의 플롯과 시간축에 의해 둘러싸이는 면적에 상당하므로, 도 14 및 도 15에 의하면, 도 14의 가속도 프로파일 A(t)를 이용했을 때의 쪽이 보다 큰 거리를 이동하는 것을 알 수 있다. 이것은, 속도가 작을 때에 큰 가속도를 발생하는 것에 기인한다. 따라서, 손실에 관한 전력량이 동일할 때에, 보다 큰 이동 거리를 이동하기 위해서는, 도 14와 같이 속도가 작을 때에 큰 가속도를 발생하고, 속도가 클 때에 작은 가속도를 발생하는 가속도 프로파일 A(t)를 이용하는 쪽이 유리한 것을 나타내고 있다. 이것은, 동일한 이동 거리를 이동한다고 하는 관점에서 보면, 도 14의 가속도 프로파일 A(t)의 쪽이, 손실에 관한 전력량을 감소시키는데 있어서 유리한 것을 나타내고 있다.

또한, 동일한 이동 거리를 이동하는 데에, 속도가 작을 때에 큰 가속도를 발생하고, 속도가 클 때에 작은 가속도를 발생하는 경우, 피크 속도를 작게 하는 효과가 있다. 전술과 같이, 도 14 및 도 15의 예에 있어서, 가속도 A₁ 및 A₂의 값이 같고, 또한, 이동 시간 T가 동일한 경우, 도 14의 가속도 프로파일 A(t)를 이용했을 때의 쪽이, 이동 거리가 커진다. 도 14 및 도 15의 가속도 프로파일 A(t)를 각각 이용했을 때, 동일한 이동 거리 D를 동일한 이동 시간 T로 이동하기 위해서는, 도 14의 가속도 프로파일 A(t)에 있어서의 가속도(도 14의 가속도 A₁ 및 A₂)를 도 15의 가속도 프로파일 A(t)에 있어서의 가속도(도 15의 가속도 A₁ 및 A₂)보다 작게 할 필요가 있다. 도 14의 가속도 프로파일 A(t)에 있어서의 가속도를 작게 함으로써, 도 14의 피크 속도는, 도 15의 피크 속도보다 작아진다. 이에 의해, 위치 결정 제어시의 운동 에너지를 작게 할 수 있다. 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 운동 에너지는 모터 출력에 관한 전력량으로 간주할 수 있는 것으로, 모터 출력에 관한 전력량을 저감시킬 수 있다고 하는 효과가 있다.

도 14 및 도 15의 예에서는, 이동 시간 T를 4개의 구간으로 분할하여, 각각의 구간내에서 가속도가 일정 값인 속도 프로파일을 이용하여 설명했지만, 보다 많은 구간으로 분할해도 마찬가지의 논의가 성립한다. 즉, 가속도가 점차 증대하는 가속도 프로파일보다, 가속을 개시한 직후에 큰 가속도를 취하고, 그 후에 가속도를 점차 감소하는 가속도 프로파일 쪽이, 가속도가 양인 시간이 개시한 직후부터 가능한 한 큰 속도를 취할 수 있으므로, 위치 결정 제어를 행할 때의 손실을 감소시키고, 속도 프로파일의 피크 속도를 저하시킨다.

가속도에 상한 가속도의 제약이 있는 경우에는, 가속을 개시한 직후부터 잠깐 동안 상한 가속도를 발생하고, 그 후에 상한 가속도로부터 점차 감소하는 가속도를 발생하는 가속도 프로파일을 이용하여 위치 결정 제어를 행함으로써, 가속도를 상한 가속도 이하로 하면서 위치 결정 제어시에 발생하는 손실을 감소시키고, 또한, 피크 속도를 저하시킬 수 있다. 즉, 가속도를 상한 가속도 이하로 하면서, 위치 결정 제어에 필요로 하는 전력량을 저감하는 가속도 프로파일을 생성할 수 있다. 또한, 예를 들면, 식(39) 및 식(40), 또는 식(41) 및 식(43)에서 나타내어지는, 제 1 등가속도 시간, 가속도 저감 시간, 및 제 2 등가속도 시간으로 이루어지는 가속도 프로파일 A(t)는, 계산하는 데에 반복 계산 등을 포함하지 않고, 대수 연산만을 포함하기 때문에, 위치 지령값(24)을 작은 계산 부하로 연산할 수 있다고 하는 효과가 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 모터 제어 장치에 의하면, 위치 결정 제어시의 소비 전력량을 저감할 수 있다.

(실시 형태 4)

실시 형태 1∼3에서는, 가속도 프로파일의 형상이 가속 시와 감속 시에서 대칭인 경우(따라서, 속도 프로파일의 형상도 가속 시와 감속 시에서 대칭인 경우)에 대해 서술했지만, 본 발명의 실시 형태는 이것에 한정되는 것은 아니며, 가속도 프로파일의 형상이 가속 시와 감속 시에서 비대칭이어도 좋다. 본 실시 형태 4에서는, 이러한 가속도 프로파일을 이용하는 경우에 대해 설명한다.

도 16은, 본 발명의 실시 형태 4에 따른 위치 지령값 생성 처리에서 사용되는 가속도 프로파일 및 대응하는 속도 프로파일을 나타내는 개략도이다. 도 16의 가속도 프로파일 A(t)는 다음 식으로 나타내어진다.

식(47)의 가속도 프로파일 A(t)도 또한, 기계적 부하(3)를 초기 위치로부터 목표 위치에 이동 시간 T로 이동시키도록, 또한, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 소정 시간 T₃에 걸쳐 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록 결정된다. 특히, 식(47)의 가속도 프로파일 A(t)는, 가속 시와 감속 시에서 상이한 형상을 가진다.

식(47)의 시간 T₃은, 식(15)에 의해 산출되는 것으로 한다.

또한, 식(47)의 가속도 A₃ 및 시간 T₅는 이하와 같이 결정된다.

위치 결정 제어시에 충격이나 진동을 일으키지 않기 위해서는, 속도가 연속적으로 변화할 필요가 있다. 이 때문에는, 가속도 프로파일을 가속도가 양인 가속 시간에 걸쳐 적분한 값이, 가속도 프로파일을 가속도가 음인 감속 시간에 걸쳐 적분한 값의 절대값과 동일할 필요가 있다. 식(47)의 예에서는, 가속 시간 및 감속 시간이 서로 동일한 경우를 상정하고, 따라서, 가속 시간은 0≤t≤T/2이며, 감속 시간은 T/2＜t≤T인 것으로 한다. 즉, 식(47)에 대해 다음 식이 성립하는 것이 필요하다.

가속도 프로파일을 가속 시간에 걸쳐 적분한 값이, 피크 속도 V_p로 된다. 식(47)의 가속도 프로파일의 가속 시간에 대응하는 부분은, 실시 형태 2의 식(16)과 동일하므로, 식(48)의 좌변을 계산하면, 식(21)과 마찬가지로, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

또한, 식(48)의 우변을 계산하면, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

따라서, 식(48)이 성립하기 위해서는, 다음 식을 만족하도록 가속도 A₃ 및 시간 T₅를 선택할 필요가 있다.

또한, 전술의 실시 형태 1∼3에서 설명한 가속도 프로파일은, 가속 시와 감속 시의 형상이 대칭이므로, 속도도 자동적으로 연속이 된다.

식(47)의 가속도 프로파일을 이용하여, 기계적 부하(3)를 이동 거리 D에 걸쳐 이동 시간 T로 이동시킨다. 여기서, 전술과 같이, 식(47)의 가속도 프로파일의 가속 시간에 대응하는 부분은, 실시 형태 2에서 설명한 것과 동일하게 되므로, 가속 시간 중에 이동하는 거리는 D/2로 된다. 따라서, 식(47)의 가속도 프로파일을 이용했을 때에, 가속 시간 및 감속 시간에 이동하는 거리의 합계가 이동 거리 D로 되기 위해서는, 감속 시간으로 이동하는 거리가 D/2일 필요가 있다. 식(47)의 가속도 프로파일을 이용했을 때에, 감속 시간 중에 이동하는 거리는, 가속도 A₃ 및 시간 T₅를 이용하여 다음 식으로 나타내어진다.

따라서, 식(47)의 가속도 프로파일을 이용하여, 기계적 부하(3)를 이동 거리 D에 걸쳐 이동 시간 T로 이동시키기 위해서는, 다음 식을 만족하도록 가속도 A₃ 및 시간 T₅를 결정할 필요가 있다.

A₃ 및 T₅를 미지수로 하는 식(48) 및 식(53)의 연립 방정식을 푸는 것에 의해 가속도 A₃ 및 시간 T₅를 산출한다. 이 가속도 A₃ 및 시간 T₅를 이용하여 식(47)의 가속도 프로파일을 결정하고, 그 다음에, 가속도 프로파일 A(t)에 따라 속도 프로파일을 결정하고, 속도 프로파일에 따라 위치 지령값(24)을 생성한다.

다음에 본 실시 형태의 효과에 대해 설명한다.

실시 형태 3에서 서술한 바와 같이, 위치 결정 제어를 행할 때의 소비 전력량은, 모터 출력에 관한 전력량과 손실에 관한 전력량의 합계로 계산되고, 또한, 모터 출력에 관한 전력량과 손실에 관한 전력량 중 어느 것에 있어서도, 가속 동작시에 사용하는 전력량이 지배적이다. 식(47)의 가속도 프로파일과 같이, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 소정 시간 T₃에 걸쳐 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록 가속도 프로파일을 결정함으로써, 가속 동작시에 필요로 하는 전력량을 작게 할 수 있다.

또한, 기계적 부하(3)를 이동 거리 D에 걸쳐 이동 시간 T로 이동시키도록, 또한, 속도 프로파일이 이동 시간 T에 걸쳐 연속으로 되도록, 가속도 프로파일에 관한 파라미터(가속도 A₃ 및 시간 T₅)를 산출하고 있으므로, 이 가속도 프로파일을 이용하여 위치 결정 제어를 행함으로써, 소망하는 위치 결정 제어를 행하면서, 위치 결정 제어를 행할 때 충격이나 진동을 발생하지 않고, 또한, 위치 결정에 필요로 하는 전력량을 삭감할 수 있다고 하는 효과가 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 가속 시간(가속도가 양인 시간)과 감속 시간(가속도가 음인 시간)이 동일한 예에 대해 설명을 행했지만, 가속 시간과 감속 시간이 상이해도, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 소정 시간에 걸쳐 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록 가속도 프로파일을 결정한다면, 상기의 실시 형태와 마찬가지의 효과, 즉, 소망하는 위치 결정 제어를 행하면서, 동작시의 소비 전력량을 삭감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 도 16의 예에서는, 기계적 부하(3)의 가속을 개시하고 나서 소정 시간에 걸쳐 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상한 가속도 A_max로부터 연속적으로 감소하도록 하는 가속도 프로파일을 이용하는 경우에 대해 설명을 행했지만, 연속적으로 감소하는 것 대신에, 가속도가 단계적으로 감소하도록 하는 가속도 프로파일을 이용해도 좋다.

(산업상의 이용 가능성)

본 발명에 의하면, 위치 결정 제어에 사용하는 위치 지령값(또는 대응하는 가속도 프로파일 및 속도 프로파일)을 생성하는 기술에 관해서, 상한 가속도의 제한을 고려하여, 연산량을 줄이고, 위치 결정 제어시의 소비 전력량을 작게 할 수 있는 위치 지령값을 생성한다.

본 발명에 의하면, 소비 전력량을, 종래의 모터 제어 장치와 비교하여, 수치 최적해에 가까운 14∼25%에 걸쳐 삭감할 수 있고, 또한, 수치 최적해에서는 곤란한 실시간이고 또한 온라인의 실장이 가능한 근사해를 부여할 수 있다.

1 : 모터
2 : 인코더
3 : 기계적 부하
4 : 모터 구동 회로
5 : 전원
6 : 회생 저항
7 : 지령값 생성 회로

Claims (17)

1. 삭제
2. 모터에 접속된 기계적 부하를 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동시키도록 상기 모터를 제어하는 모터 제어 장치에 있어서, 상기 모터 제어 장치는,
   각 순간에 있어서의 상기 기계적 부하의 위치를 나타내고, 상기 기계적 부하의 동작의 참조 신호로 되는 위치 지령값을 생성하는 지령값 생성 회로와,
   상기 위치 지령값에 따라 상기 기계적 부하를 이동시키도록 상기 모터를 제어하는 모터 구동 회로와,
   회생 전력을 소비하는 회생 저항을 구비하며,
   상기 지령값 생성 회로는, 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치까지의 이동 거리 D와, 상기 위치 지령값의 2회 미분 계수에 대응하는 상기 기계적 부하의 가속도의 절대치의 상한을 나타내는 상한 가속도 A_max와, 상기 이동 거리 D 및 상기 상한 가속도 A_max에 근거하여 계산된 최단 이동 시간 T₀보다 긴 소정의 이동 시간 T가 주어졌을 때, 상기 기계적 부하의 가속을 개시하고 나서 소정의 등가속도 시간 T₃에 걸쳐 상기 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상기 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록, 상기 기계적 부하의 시간적인 가속도 변화를 나타내는 가속도 프로파일 A(t)를 결정하고, 상기 가속도 프로파일 A(t)를 2회 적분하여 상기 위치 지령값을 생성하고,
   상기 지령값 생성 회로는, 상기 기계적 부하를 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치에 상기 이동 시간 T로 이동시키도록, 상기 이동 시간 T 및 상기 최단 이동 시간 T_O에 근거하여 상기 등가속도 시간 T₃을 결정하고,
   상기 최단 이동 시간 T₀은, T₀=2×√(D/A_max)이며,
   상기 지령값 생성 회로는,
   상기 등가속도 시간 T₃을,
   [수학식 1]
   

   

   
   에 의해 결정하고,
   상기 가속도 프로파일 A(t)를, 0≤t≤T에 걸쳐 변화하는 시간 t에 관해서,
   [수학식 2]
   

   

   
   에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
3. 모터에 접속된 기계적 부하를 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동시키도록 상기 모터를 제어하는 모터 제어 장치에 있어서, 상기 모터 제어 장치는,
   각 순간에 있어서의 상기 기계적 부하의 위치를 나타내고, 상기 기계적 부하의 동작의 참조 신호로 되는 위치 지령값을 생성하는 지령값 생성 회로와,
   상기 위치 지령값에 따라 상기 기계적 부하를 이동시키도록 상기 모터를 제어하는 모터 구동 회로와,
   회생 전력을 소비하는 회생 저항을 구비하며,
   상기 지령값 생성 회로는, 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치까지의 이동 거리 D와, 상기 위치 지령값의 2회 미분 계수에 대응하는 상기 기계적 부하의 가속도의 절대치의 상한을 나타내는 상한 가속도 A_max와, 상기 이동 거리 D 및 상기 상한 가속도 A_max에 근거하여 계산된 최단 이동 시간 T₀보다 긴 소정의 이동 시간 T가 주어졌을 때, 상기 기계적 부하의 가속을 개시하고 나서 소정의 등가속도 시간 T₃에 걸쳐 상기 상한 가속도 A_max를 유지하고, 그 후에 상기 상한 가속도 A_max로부터 점차 감소하도록, 상기 기계적 부하의 시간적인 가속도 변화를 나타내는 가속도 프로파일 A(t)를 결정하고, 상기 가속도 프로파일 A(t)를 2회 적분하여 상기 위치 지령값을 생성하고,
   상기 지령값 생성 회로는, 상기 기계적 부하를 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치에 상기 이동 시간 T로 이동시키도록, 상기 이동 시간 T 및 상기 최단 이동 시간 T_O에 근거하여 상기 등가속도 시간 T₃을 결정하고,
   상기 최단 이동 시간 T₀은, T₀=2×√(D/A_max)이며,
   상기 지령값 생성 회로는,
   상기 등가속도 시간 T₃을,
   [수학식 3]
   

   

   
   에 의해 결정하고,
   상기 가속도 프로파일 A(t)를, 0≤t≤T에 걸쳐 변화하는 시간 t에 관해서,
   [수학식 4]
   

   

   
   에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
4. 모터에 접속된 기계적 부하를 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동시키도록 상기 모터를 제어하는 모터 제어 장치에 있어서, 상기 모터 제어 장치는,
   각 순간에 있어서의 상기 기계적 부하의 위치를 나타내고, 상기 기계적 부하의 동작의 참조 신호로 되는 위치 지령값을 생성하는 지령값 생성 회로와,
   상기 위치 지령값에 따라 상기 기계적 부하를 이동시키도록 상기 모터를 제어하는 모터 구동 회로와,
   회생 전력을 소비하는 회생 저항을 구비하며,
   상기 지령값 생성 회로는,
   상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치까지의 이동 거리 D와, 상기 위치 지령값의 2회 미분 계수에 대응하는 상기 기계적 부하의 가속도의 절대치의 상한을 나타내는 상한 가속도 A_max와, 상기 이동 거리 D 및 상기 상한 가속도 A_max에 근거하여 계산된 최단 이동 시간 T₀=2×√(D/A_max)보다 긴 소정의 이동 시간 T가 주어졌을 때, 상기 기계적 부하의 시간적인 가속도 변화를 나타내는 가속도 프로파일 A(t)를 결정하고, 상기 가속도 프로파일 A(t)를 2회 적분하여 상기 위치 지령값을 생성하고,
   상기 이동 시간 T가, T₀＜T＜√(3/2)×T₀을 만족할 때,
   소정의 등가속도 시간 T₃을,
   [수학식 5]
   

   

   
   에 의해 결정하고,
   상기 가속도 프로파일 A(t)를, 0≤t≤T에 걸쳐 변화하는 시간 t에 관해서,
   [수학식 6]
   

   

   
   에 의해 결정하고,
   상기 이동 시간 T가, T≥√(3/2)×T₀을 만족할 때, 상기 상한 가속도 A_max보다 작은 소정의 피크 가속도 A_p를, A_p=6D/T²에 의해 결정하고,
   상기 가속도 프로파일 A(t)를, 0≤t≤T에 걸쳐 변화하는 시간 t에 관해서,
   [수학식 7]
   

   

   
   에 의해 결정하는
   것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
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