KR101807787B1

KR101807787B1 - 모터 제어 장치

Info

Publication number: KR101807787B1
Application number: KR1020130097129A
Authority: KR
Inventors: 유지 이데
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2017-12-11
Also published as: JP2014042380A; TWI575863B; CN103633916A; KR20140024809A; JP5411331B1; CN103633916B; TW201409924A

Abstract

외란 억압 성능과 위치 결정 정정 성능을 동시에 향상시킨다.
위상 앞섬기(125)는, 모터(110)로부터의 속도 피드백의 고주파 영역의 위상 지연을 보상하기 위해 속도 피드백의 위상을 앞서게 한다. 시정수 부가기(130)는, 모터의 속도 지령과 위상을 앞서게 한 속도 피드백과의 차이에, 외란의 영향을 억제시키기 위한 시정수를 곱한다. 적분기(140)는, 시정수 부가기에서 시정수가 곱해진 후의 지령을 적분한다. 속도 비례 게인기(150)는, 속도 지령과 속도 피드백과의 차이와 적분기에서 적분된 후의 지령을 가산하고, 가산한 후의 지령에 속도 비례 게인을 곱해 모터의 토크 지령을 출력한다. 토크 제어부(160)는, 토크 지령을 입력하여 모터(110)의 코일에 공급하는 전력을 제어한다.

Description

모터 제어 장치{Motor control apparatus}

본 발명은, 외란 억압 성능과 위치 결정 정정(整定; setting) 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 공작 기계는, 워크를 고정밀도로 가공할 수 있도록 하기 위해 고성능의 모터 제어 장치를 이용한다. 워크의 가공에는 항상 가공 품질과 생산성 향상이 요구되므로 모터 제어 장치의 속도 제어계에도 제어 성능의 향상, 특히 외란 억압 성능과 위치 결정 정정 성능의 향상이 요구된다.

기계계에는 마찰 등의 외란이 존재한다. 외란은 공작 기계를 구동하는 모터가 지령대로 동작하는 것을 저해한다. 예를 들어 공작 기계의 위치 결정 제어시에는 기계계 마찰의 영향으로 위치마다 위치 결정 정정 시간이 달라진다.

특히 고도의 제어 성능이 요구되는 가공, 예를 들어 원호 절삭에서는, 상한(象限, quadrant)의 전환시에 기계계의 마찰이 영향을 주어 워크에 상한 돌기라고 불리는 돌기를 생성시키는 경우가 있다. 워크에 상한 돌기가 생기면 가공 품질은 현저히 저하된다.

일반적으로 외란의 영향을 억제하기 위해서는 외란 옵저버를 이용하여 외란 억압 제어를 행하는 수법, 속도 적분 시정수를 최대한 짧게 설정하는 수법을 채용한다.

외란 옵저버를 이용할 경우에는, 옵저버부의 관성(inertia)이 기계계의 관성과 일치하지 않으면 외란을 정확하게 추정할 수 없다. 또 속도를 미분하여 처리하기 때문에 인코더의 양자화 오차 등의 영향을 받아 추정 외란이 진동적으로 되기 쉽다. 진동을 억제하기 위해서는 필터를 삽입하면 되는데, 필터를 삽입하면 외란 추정의 응답 성능이 저하되어 본래 필요한 주파수 영역에서의 외란 억압 특성을 얻을 수 없다.

속도 적분 시정수를 최대한 짧게 설정하는 수법에서는, 공작 기계의 기계 강성에 기인한 공진의 영향으로 속도 제어계의 안정성을 확보하지 못해 발진되거나 오버슈트(overshoot)를 일으킨다.

이러한 문제를 해소하기 위해 하기 특허문헌 1에 기재되어 있는 발명에서는, 상한이 전환되는 미소 시간만큼 속도 적분 시정수의 값을 작게 설정하였다. 미소 시간 경과 후에는 속도 적분 시정수를 원래의 값으로 되돌리기 때문에 발진의 발생을 억제할 수 있다.

특허문헌 1: 일본특개평7-5926호 공보

그러나 근년에는 원호 절삭 뿐 아니라 워크를 복잡한 형상으로 가공하는 경우가 많아지고 있다. 또한 그 가공시에는 높은 가공 정밀도가 요구된다.

가공이 원호 절삭으로 정해지면, 특허문헌 1에 개시되어 있는 것처럼 상한의 전환시에만 속도 적분 시정수를 단시간에 변경할 수 있다. 그러나 워크를 복잡한 형상으로 가공할 때에는 상한의 전환을 검출하기 어렵다. 따라서 필요할 때에만 속도 적분 시정수를 변경할 수 없게 된다.

또 특허문헌 1에 개시되어 있는 발명을 응용한 경우에, 상한의 전환 부분에서 모터를 정지시키는 것도 상정할 수 있다. 이 경우, 속도 적분 시정수가 단시간인 채로 되기 때문에 속도 제어계의 안정성을 확보할 수 없어 발진을 일으키고 가공 정밀도가 저하되어 공작 기계의 수명에도 악영향을 미친다.

또 공작 기계는, 워크의 가공과 가공 사이에는 워크의 가공 공구를 소정의 장소로 이동시켜야 한다. 가공 시간을 단축하여 생산성을 향상시키기 위해서는 위치 결정을 고속화시킬 것이 요구된다.

속도 적분 시정수는, 짧으면 짧을수록 외란의 영향을 받기 힘들기 때문에 마찰이 있는 기계계에서는 상기와 같이 속도 적분 시정수를 짧게 함으로써 위치 결정 정정 시간을 짧게 할 수 있다. 그러나 속도 적분 시정수를 짧게 하면 상기와 같이 기계계의 공진 영향에 의해서 안정성이 확보할 수 없다. 또한 통상의 적분 제어의 구성에서는, 속도 지령에 대한 속도의 지연에 의해 속도 적분기에 값이 누적되어 위치 결정 정정시에 이 값이 0이 될 때까지 시간이 걸린다. 따라서 위치 결정 정정 시간을 짧게 할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은, 이상과 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로서, 외란 억압 성능과 위치 결정 정정 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 모터 제어 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 관한 모터 제어 장치는, 모터로 구동하는 공작 기계의 동작을 제어하는 것으로서, 위상 앞섬(phase lead)기, 시정수 부가기, 속도 적분기, 속도 비례 게인(gain)기를 구비한다.

위상 앞섬기는, 제어계의 응답 지연을 보상하기 위해 속도 피드백의 위상을 앞서게 한다. 시정수 부가기는, 모터의 속도 지령과 위상을 앞서게 한 속도 피드백과의 차이에 외란의 영향을 억제시키기 위한 시정수를 곱한다. 속도 적분기는, 시정수 부가기에서 시정수가 곱해진 후의 지령을 적분한다. 속도 비례 게인기는, 속도 지령과 속도 피드백과의 차이와 속도 적분기에서 적분된 후의 지령을 가산하고, 가산한 후의 지령에 속도 비례 게인을 곱해 모터의 토크 지령을 출력한다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 관한 모터 제어 장치에 의하면, 위상 앞섬기에 의한 위상 앞섬 보상을, 시정수 부가기와 속도 적분기로 구성되는 적분항의 피드백에만 적용하고 있다. 따라서 시정수 부가기에 설정하는 시정수의 시간을 짧게 할 수 있어 속도 제어계의 외란 억압 성능이 향상되고, 복잡한 형상의 워크를 가공할 경우에도 높은 가공 정밀도를 실현할 수 있다. 또 기계계의 마찰에 의한 위치 결정 정정 시간의 들쭉날쭉함을 억제할 수 있어 위치 결정 정정 시간을 줄일 수 있다. 또 속도 적분기의 누적량을 거의 0으로 할 수 있기 때문에 위치 결정 조정 시간이 단축된다.

도 1은, 실시형태 1에 관한 모터 제어 장치의 속도 제어계의 구성도이다.
도 2는, 도 1의 속도 제어계의 동작 설명에 제공하는 도면이다.
도 3은, 도 1의 속도 제어계에 대해 위상 앞섬기의 삽입 위치에 의한 특성 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 도 1의 속도 제어계에서 적분 시정수의 차이에 의한 특성 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 실시형태 2에 관한 모터 제어 장치의 구성도이다.
도 6은, 도 5의 모터 제어 장치에서 위상 앞섬기의 삽입 위치에 의한 특성 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 도 5의 모터 제어 장치에서 위상 앞섬기의 삽입 위치에 의한 특성 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 실시형태 3에 관한 모터 제어 장치의 속도 제어계의 구성도이다.

본 발명에 관한 모터 제어 장치는, 위상 앞섬 보상을 적분항의 피드백에만 적용함으로써 속도 적분 시정수를 보다 짧은 시간에 설정할 수 있도록 한다. 또 기계계의 마찰에 의한 위치 결정 정정 시간의 들쭉날쭉함을 억제하여 위치 결정 정정 성능을 향상하도록 한다.

본 발명에 관한 모터 제어 장치는, 기계계의 마찰 등 외란의 영향을 억제하여 워크를 복잡한 형상으로 가공할 때에도 높은 가공 정밀도를 실현할 수 있다. 또 공작 기계로 위치 결정을 할 때에도 기계계의 마찰의 영향을 줄일 수 있기 때문에 위치마다 위치 결정 정정 시간이 들쭉날쭉하지 않다.

이하, 본 발명에 관한 모터 제어 장치의 실시형태를 ［실시형태 1］ 내지 실시형태 3］으로 나누어 설명하기로 한다.

［실시형태 1］

〔모터 제어 장치의 구성〕

도 1은, 실시형태 1에 관한 모터 제어 장치의 속도 제어계의 구성도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 실시형태 1에 관한 모터 제어 장치(100)는, 위상 앞섬기(125), 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140), 속도 비례 게인기(150), 토크 제어부(160)를 가진다.

위상 앞섬기(125)는, 속도 산출기(120)가 산출한 속도 피드백의 위상을 설정되어 있는 만큼 앞서게 한다. 예를 들어, 속도 제어계의 지연에 상당하는 시간만큼 속도 피드백의 위상을 앞서게 한다. 위상 앞섬기(125)의 전달 함수는 (1＋ST2)/(1＋ST1)로 하는 것이 바람직하다. 단, 이 경우의 T1와 T2의 대소 관계는, T1＜T2이다.

아울러 속도 산출기(120)는, 인코더(115)에서 검출한 모터(110)의 회전 위치로부터 속도 피드백을 산출한다.

속도 적분 시정수 부가기(130)는, 가산점(114)에서 모터(110)의 속도 지령으로부터 위상 앞섬기(125)에 의해 위상이 앞선 속도 피드백을 감산한 결과 얻어진 지령에 「1/설정한 속도 적분 시정수」의 값을 곱한다.

적분기(140)는, 속도 적분 시정수 부가기(130)에 의해 「1/설정한 속도 적분 시정수」를 곱한 결과 얻어진 지령을 적분한다.

속도 비례 게인기(150)는, 가산점(112)에서 속도 지령으로부터 속도 피드백을 감산한 결과 얻어진 지령과, 적분기(140)에 의해 적분한 결과 얻어진 지령을 가산점(116)에서 가산한 결과 얻어진 지령에, 설정한 속도 비례 게인을 곱하여 모터(110)의 토크 지령을 출력한다.

토크 제어부(160)는, 토크 지령을 입력하여 모터(110)의 코일에 공급하는 전력을 제어한다.

〔모터 제어 장치의 동작〕

속도 산출기(120)에서 산출되는 속도 피드백은 위상 앞섬기(125)에 출력된다. 위상 앞섬기(125)는 입력한 속도 피드백의 위상을 일정 각도 앞서게 한다. 이로써 속도 피드백의 위상 지연을 보상한다.

한편, 속도 피드백은 가산점(112)에 출력된다. 가산점(112)에서는, 속도 지령으로부터 속도 피드백이 감산된다. 따라서 가산점(112)으로부터는, 모터(110)의 목표 회전 속도와 모터(110)의 현재 회전 속도와의 차이가 출력된다.

속도 지령은 가산점(114)에 출력된다. 가산점(114)에서는, 속도 지령으로부터 위상 앞섬기(120)에 의해 위상이 앞선 속도 피드백이 감산된다. 따라서 가산점(114)으로부터는, 모터(110)의 목표 회전 속도와 고주파 영역의 위상 지연을 보상하기 위해 위상이 앞선 모터(110)의 현재 회전 속도와의 차이가 출력된다.

가산점(114)으로부터 출력된 지령은, 속도 적분 시정수 부가기(130)에 의해 「1/설정한 속도 적분 시정수」의 값이 곱해지고 그 결과 얻어진 지령은 적분기(140)에서 더 적분된다.

적분 후의 지령은 가산점(116)에 출력된다. 가산점(116)에서는, 적분 후의 지령과 가산점(112)으로부터 출력된 지령이 가산된다. 가산점(116)에서 가산된 지령은 속도 비례 게인기(150)에 의해, 설정한 속도 비례 게인의 값이 곱해진다. 그 결과는 속도 비례 게인기(150)로부터 토크 지령으로서 출력된다.

모터(110)는, 속도 비례 게인기(150)로부터 출력되는 토크 지령에 기초하여 토크 제어부(160)에 의해 모터(110)의 토크가 제어되어 모터(110)를 회전시킨다. 따라서 모터(110)는 속도 지령 그대로의 회전 속도로 회전한다.

도 2는, 도 1의 속도 제어계의 동작 설명에 제공하는 도면이다. 상세하게는, 적분 시정수의 대소 차이에 의한, 모터(110)의 속도 지령에서부터 모터(110)의 회전 속도에 이르기까지의 속도 제어계의 주파수 특성 차이를 도시한 그래프이다.

속도 적분 시정수 부가기(130)에 설정하는 속도 적분 시정수의 시간이 길면 그래프에 도시한 바와 같이 속도 응답의 게인에 험프(hump)는 생기지 않는다. 그런데 속도 적분 시정수 부가기(130)에 설정하는 속도 적분 시정수의 시간이 짧으면 그래프에 도시한 바와 같이 100-300Hz부근에서 험프가 생긴다(적분 시정수를 짧게 한 경우와 적분 시정수가 긴 경우의 비교).

도 3은, 도 1의 속도 제어계에서 위상 앞섬기(125)의 삽입 위치에 의한 특성 변화를 설명하기 위한 도면이다. 상세하게는, 위상 앞섬기의 삽입 위치 차이에 의한, 모터(110)의 속도 지령에서부터 모터(110)의 회전 속도에 이르기까지의 속도 제어계의 주파수 특성 차이를 도시한 그래프이다.

위상 앞섬을 적분항의 지령과 피드백 모두에 삽입한 경우에는, 위상 앞섬기(125)의 컷오프 주파수보다 높은 주파수에서, 도 3의 그래프에 도시한 바와 같이 속도 응답의 게인이 증대된다. 게인이 증대되는 주파수대에 기계 공진 요소가 있으면 기계 공진을 여기시킨다. 또 험프를 충분히 억제할 수 없게 된다. 그런데 실시형태 1의 모터 제어 장치(100)와 같이 위상 앞섬을 적분항의 피드백에만 삽입한 경우에는, 위상 앞섬기(125)의 컷오프 주파수보다 높은 주파수에서도 속도 응답의 게인은 증대되지 않는다. 따라서 공진을 일으키지 않아 험프도 억제할 수 있다.

도 4는, 도 1의 속도 제어계에서 적분 시정수의 차이에 의한 특성 변화를 설명하기 위한 도면이다. 상세하게는, 적분 시정수의 대소 차이에 의한, 외란에서부터 모터(110)의 회전 속도에 이르기까지의 속도 제어계의 주파수 특성 차이를 도시한 그래프이다.

속도 적분 시정수 부가기(130)에 설정하는 속도 적분 시정수의 시간이 길면, 외란이 발생한 경우, 그래프에 도시한 바와 같이 100Hz이하의 주파수 영역에서 외란에 대한 게인이 높다. 따라서 외란의 영향을 받기 쉽다. 반면 실시형태 1의 모터 제어 장치(100)와 같이, 속도 적분 시정수 부가기(130)에 설정하는 속도 적분 시정수의 시간이 짧으면, 그래프에 도시한 바와 같이 100Hz이하의 주파수 영역에서 외란에 대한 게인이 낮아진다. 따라서 외란의 영향을 받을 수 없어 외란의 영향을 대폭 억제할 수 있는 특성이 된다(적분 시정수가 긴 경우와 적분 시정수를 짧게 하여 본 발명을 적용한 경우와의 비교).

실시형태 1에서는, 속도 피드백에 위상 앞섬을 적용하고 위상 앞섬 보상을 적분항의 피드백에만 적용한다. 따라서 실시형태 1에 관한 모터 제어 장치(100)는, 도 3에 도시한 바와 같이 위상 앞섬기(125)의 컷오프 주파수보다 높은 주파수에서도 속도 응답의 게인은 증대되지 않고 공진을 일으키지 않아 험프를 억제할 수 있다. 또 실시형태 1에 관한 모터 제어 장치(100)는, 도 4에 도시한 바와 같이 적분 시정수를 짧게 할 수 있기 때문에 외란의 영향을 억제할 수 있다.

따라서 실시형태 1에 관한 모터 제어 장치(100)에 의하면, 적분 시정수 부가기(130)에 설정하는 시정수의 시간을 짧게 할 수 있어 속도 제어계의 외란 억압 성능이 향상되고, 복잡한 형상의 워크를 가공하는 경우에도 높은 가공 정밀도를 실현할 수 있다. 또 기계계의 마찰에 의한 위치 결정 정정 시간의 들쭉날쭉함을 억제할 수 있어 위치 결정 정정 시간을 짧게 할 수 있다.

아울러 속도 비례 게인기를 적분계와 비례계 개별적으로 마련하는 구성으로 해도 좋다.

［실시형태 2］

〔모터 제어 장치의 구성〕

도 5는, 실시형태 2에 관한 모터 제어 장치의 구성도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 실시형태 2에 관한 모터 제어 장치(200)는, 위치 비례 게인기(220), 속도 산출기(230), 속도 제어부(240), 토크 제어부(250)를 가진다.

위치 비례 게인기(220)는, 가산점(212)에서 위치 지령으로부터 인코더(215)가 출력한 위치 피드백을 감산한 결과 얻어지는 위치 편차에 비례 게인(KP)을 곱해 속도 지령을 출력한다.

속도 산출기(230)는, 인코더(215)가 출력한 위치 피드백을 입력하여 속도 피드백을 산출한다.

속도 제어부(240)는, 도 1에 도시한 모터 제어 장치(100)의 속도 제어계(위상 앞섬기(125), 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140), 속도 비례 게인기(150))와 동일한 구성을 가진다. 아울러 실시형태 2의 경우, 위상 앞섬기(125)에는, 속도 제어계의 지연에 상당하는 시간의 앞섬을 부여한다. 속도 제어부(240)는, 가산점(214)에서 속도 지령으로부터 속도 피드백을 감산한 결과 얻어진 지령을 입력하여 토크 지령을 출력한다.

토크 제어부(250)는, 토크 지령을 입력하여 모터(210)의 코일에 공급하는 전력을 제어한다. 모터(210)는, 토크 제어부(250)에서 출력되는 전압에 기초하여 모터(210)를 회전시킨다. 토크 제어부(250)에서 출력되는 전압은 위치 편차에 기초하여 작성되는 것이므로 모터(210)는 위치 지령(목표 위치)과 일치하는 위치에서 정지한다.

〔모터 제어 장치의 동작〕

도 6 및 도 7은, 도 5의 모터 제어 장치(200)에서 위상 앞섬기의 삽입 위치에 의한 특성 변화를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로는 도 6은, 속도 적분기(도 1의 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140))의 지령과 피드백 모두에 위상 앞섬기(125)를 삽입한 경우의 위치 결정 정정 특성의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 또 도 7은, 속도 적분기(도 1의 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140))의 피드백에만 위상 앞섬기(125)를 삽입한 경우의 위치 결정 정정 특성의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

우선, 속도 적분기(도 1의 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140))의 지령과 피드백 모두에 위상 앞섬기(125)를 삽입한 경우에 대해 설명하기로 한다.

도 6에 도시한 바와 같이 위치 지령(차분치)은 시간의 경과에 따라 증가하고 그 후 일정한 크기가 되고 그 후 시간의 경과에 따라 감소하는 사다리꼴 지령이다. 가산점(212)에서는, 위치 지령으로부터 위치 피드백이 감산되어 위치 편차가 출력된다. 위치 편차는 목표 위치(위치 지령)와 현재 위치(위치 피드백)와의 차이므로, 현재 위치가 목표 위치에 일치하지 않으면 0이 되지 않으며, 위치 편차는 도 6에 도시한다.

위치 비례 게인기(220)는 도 6에 도시한 속도 지령을 출력한다. 속도 지령은 위치 지령과 같이 사다리꼴이 된다. 또 속도 산출기(230)로부터 출력되는 속도 피드백도 속도 지령과 같이 사다리꼴이 된다.

한편 속도 적분기(도 1의 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140))의 출력은, 속도 지령이 증가 및 감소할 때에 도 6에 도시한 크기의 신호가 출력된다. 이것은, 속도 적분기에 누적량이 생기기 때문이다. 따라서 위치 편차의 수렴에 시간이 걸려 임포지션(imposition)이 될 때까지의 시간이 길어진다.

이상과 같이, 속도 적분기(도 1의 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140))의 지령과 피드백 모두에 위상 앞섬기(125)를 삽입한 경우에는, 속도 적분기에 누적량이 존재하고 이것을 토출할 때까지 시간이 걸려 속도 제어부(240)의 응답 지연이 생긴다. 따라서 이 응답 지연에 의해 위치 결정 정정 시간이 길어진다.

다음으로 속도 적분기(도 1의 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140))의 피드백에만 위상 앞섬기(125)를 삽입한 경우에 대해 설명하기로 한다. 이것은, 속도 제어부(240)가 도 1의 속도 제어계를 구비하는 경우이다.

도 7에서, 위치 지령(차분치)은 도 6과 동일하다. 가산점(212)에서는, 위치 지령으로부터 위치 피드백이 감산되어 위치 편차가 출력된다. 위치 편차는 목표 위치(위치 지령)와 현재 위치(위치 피드백)와의 차이므로, 현재 위치가 목표 위치에 일치하지 않으면 0이 되지 않고, 위치 편차는 도 7에 도시한다.

위치 비례 게인기(220)는, 도 7에 도시한 속도 지령을 출력한다. 속도 지령은, 위치 지령과 같이 사다리꼴이 된다. 또 속도 산출기(230)로부터 출력되는 속도 피드백도 속도 지령과 같이 사다리꼴이 된다. 속도 지령과 속도 피드백은 도 6과 동일하다.

한편, 속도 적분기(도 1의 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140))의 출력은, 속도 지령이 증가 및 감소할 때에 도 7에 도시한 거의 0의 신호가 출력된다. 이것은, 위상 앞섬기(125)를 속도 적분기의 피드백에만 삽입했기 때문이다. 위상 앞섬기(125)를 속도 적분기의 피드백에만 삽입함으로써 속도 제어계의 지연에 상당하는 시간만큼 빨리 속도 피드백이 입력되므로 속도 적분기에는 누적량이 생기지 않기 때문이다. 이로써 위치 편차의 수렴은 빨라 임포지션이 되는 시간도 짧아진다.

이상과 같이, 속도 적분기(도 1의 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140))의 피드백에만 위상 앞섬기(125)를 삽입한 경우에는, 속도 적분기의 누적량이 거의 0이 되기 때문에 속도 적분기의 누적량을 토출하는 시간이 거의 0이 되어 위치 결정 정정 성능이 향상된다.

실시형태 2에서는, 실시형태 1에 관한 속도 제어계를 그대로 이용하여 위치 제어를 행하는 모터 제어 장치(200)를 구성하였다. 따라서 실시형태 2에 관한 모터 제어 장치에 의하면, 위상 앞섬기(125)의 컷오프 주파수보다 높은 주파수에서도 속도 응답의 게인은 증대되지 않고 공진을 일으키지 않아 험프를 억제할 수 있다. 실시형태 2에 관한 모터 제어 장치(200)는, 적분 시정수를 짧게 하여 외란의 영향을 억제할 수 있다. 실시형태 2에 관한 모터 제어 장치(200)는 기계계의 마찰에 의한 위치 결정 정정 시간의 들쭉날쭉함을 억제하여 위치 결정 정정 성능이 향상된다. 또, 속도 적분기의 누적량을 거의 0으로 할 수 있기 때문에 위치 결정 정정 시간이 단축된다.

［실시형태 3］

〔모터 제어 장치의 구성〕

도 8은, 실시형태 3에 관한 모터 제어 장치의 속도 제어계의 구성도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 실시형태 3에 관한 모터 제어 장치(300)는, 위상 앞섬기(325), 속도 적분 보상 로우패스(low pass) 필터(330), 속도 적분 시정수 부가기(340), 적분기(350), 속도 비례 게인기(360), 토크 제어부(370)를 가진다.

실시형태 3에 관한 모터 제어 장치(300)는, 실시형태 1에 관한 모터 제어 장치(100)에 대해 속도 적분 보상 로우패스 필터(330)를 갖는 것이 다를 뿐 그 외의 구성은 동일하다. 실시형태 2에 관한 모터 제어 장치(200)의 속도 제어부(240)에 실시형태 3에 관한 모터 제어 장치(330)의 속도 제어계를 적용할 수도 있다.

또 위상 앞섬기(325), 속도 적분 시정수 부가기(340), 적분기(350), 속도 비례 게인기(360), 토크 제어부(370) 각각의 기능은, 실시형태 1의 위상 앞섬기(125), 속도 적분 시정수 부가기(130), 적분기(140), 속도 비례 게인기(150), 토크 제어부(160) 각각의 기능과 동일하다.

속도 적분 보상 로우패스 필터(330)는, 속도 지령에 대한 추종성을 개선하기 위해 삽입한다. 구체적으로는, 속도 제어계의 지연에 상당하는 시간의 앞섬을 위상 앞섬으로서 설정할 수 없는 경우에 그 부족분을 설정하기 위해 마련한다. 속도 적분 보상 로우패스 필터(330)를 삽입함으로써, 속도 적분 시정수 부가기(340)의 속도 적분 지령과 위상 앞섬 후의 속도 피드백이 거의 동시에 일어나 속도 지령 변화시의 적분기(350)의 누적량을 줄인다.

〔모터 제어 장치의 동작〕

인코더(315)가 검출하는 모터(310)의 현재 회전 위치로부터 속도 산출기(320)가 산출하는 속도 피드백은 위상 앞섬기(325)에 출력된다. 이 경우의 속도 피드백에는 인코더(315)의 검출 오차가 포함되어 있다. 위상 앞섬기(325)는 입력한 속도 피드백의 위상을 일정 각도 앞서게 한다.

한편 속도 피드백은 가산점(312)에 출력되고 가산점(312)에서는 속도 지령으로부터 속도 피드백이 감산된다. 가산점(312)으로부터는, 모터(310)의 목표 속도와 모터(310)의 현재 속도와의 차이가 출력된다.

속도 지령은 속도 적분 보상 로우패스 필터(330)에 출력되어, 속도 적분 보상 로우패스 필터(330)에서 속도 제어계의 지연에 상당하는 시간 중 위상 앞섬기에서 위상을 앞서게 하지 못한 만큼 속도 지령이 지연된다. 위상 앞섬기는, 고주파 영역의 게인을 증대시키기 때문에 속도 제어계의 응답이 낮은 경우에는 충분한 위상 앞섬을 설정할 수 없는 경우가 있다. 시간이 지연된 후의 속도 지령은 가산점(314)에 출력된다. 가산점(314)에서는 시간이 지연된 후의 속도 지령으로부터 위상 앞섬기(325)에 의해 위상이 앞선 속도 피드백이 감산된다. 가산점(314)으로부터는, 시간이 지연된 모터(310)의 목표 속도와 위상 지연을 보상하기 위해 위상이 앞선 모터(310)의 속도와의 차이가 출력된다.

가산점(314)으로부터 출력된 지령은, 속도 적분 시정수 부가기(340)에 의해 「1/설정한 속도 적분 시정수」의 값이 곱해지고 그 결과 얻어진 지령은 적분기(350)에서 더 적분된다.

적분 후의 지령은 가산점(316)에 출력된다. 가산점(316)에서는 적분 후의 지령과 가산점(312)으로부터 출력된 지령이 가산된다. 가산점(316)에서 가산된 지령은 속도 비례 게인기(360)에 의해, 설정한 속도 비례 게인의 값이 곱해진다. 그 결과는 속도 비례 게인기(360)로부터 토크 지령으로서 출력된다.

모터(310)는, 속도 비례 게인기(360)로부터 출력되는 토크 지령에 기초하여 토크 제어부를 통해 모터(310)를 회전시킨다. 모터(310)의 회전 속도는 속도 지령의 회전 속도와 일치한다. 따라서 모터(310)는, 속도 지령 그대로의 회전 속도로 회전한다.

실시형태 3에 관한 모터 제어 장치(300)에서는, 속도 적분 보상 로우패스 필터(330)를 속도 지령계에만 삽입하고, 속도 피드백에 위상 앞섬기를 삽입하고, 위상 앞섬기에서 앞서게 하지 못한 위상을 속도 적분 보상 로우패스 필터에서 지연시킨다. 속도 지령 변화시의 적분기(350)의 누적량을 줄일 수 있어 속도 지령에 대한 추종성을 향상시킬 수 있다. 따라서 속도 제어계의 외란 억압 성능과 위치 결정 정정 성능이 향상된다.

실시형태 3에서도, 실시형태 1과 마찬가지로 속도 피드백에 위상 앞섬을 적용하여 위상 앞섬 보상을 적분항의 피드백에만 적용한다. 따라서 실시형태 3에 관한 모터 제어 장치(300)는, 도 3에 도시한 바와 같이 위상 앞섬기(325)의 컷오프 주파수보다 높은 주파수에서도 속도 응답의 게인은 증대되지 않고 공진을 일으키지 않아 험프를 억제할 수 있다. 또 실시형태 3에 관한 모터 제어 장치(300)는, 도 4에 도시한 바와 같이 적분 시정수를 짧게 하여 외란의 영향을 억제할 수 있다. 또한 속도 적분 보상 로우패스 필터(330)를 마련하였기 때문에 위상 앞섬기(325)만으로는 속도 제어계의 지연에 상당하는 시간을 설정할 수 없을 때에도 부족분을 속도 적분 보상 로우패스 필터(330)의 설정으로 보상할 수 있다.

따라서 실시형태 3에 관한 모터 제어 장치(300)에 의하면, 실시형태 1과 마찬가지로 적분 시정수 부가기(340)에 설정하는 시정수의 시간을 짧게 할 수 있어 속도 제어계의 외란 억압 성능이 향상되고, 복잡한 형상의 워크를 가공할 경우에도 높은 가공 정밀도를 실현할 수 있다. 또 기계계의 마찰에 의한 위치 결정 정정 시간의 들쭉날쭉함을 억제할 수 있어 위치 결정 정정 시간을 짧게 할 수 있다. 또, 속도 적분기의 누적량을 거의 0으로 할 수 있기 때문에 위치 결정 정정 시간이 단축된다.

이상과 같이, 실시형태 1-3에 관한 모터 제어 장치에 의하면, 속도 적분 시정수를 상한의 전환뿐 아니라 정상적으로 짧게 함으로써 기계계의 마찰 등 외란의 영향을 억제하여 복잡한 형상의 가공을 행한 경우에도 높은 가공 정밀도를 실현할 수 있다. 또 공작 기계에서의 위치 결정이 마찰의 영향을 받지 않아 정정 시간의 들쭉날쭉함을 억제할 수 있어 위치 결정 정정 성능이 향상된다. 또 속도 적분기의 누적량을 거의 0으로 할 수 있기 때문에 위치 결정 정정 시간이 단축된다.

100, 200, 300 모터 제어 장치,
110, 210, 310 모터,
115, 215, 315 인코더,
120, 230, 320 속도 산출기,
125, 325 위상 앞섬기,
130, 340 속도 적분 시정수 부가기,
140, 350 적분기,
150, 360 속도 비례 게인기,
220 위치 비례 게인기,
240 속도 제어부,
160, 250, 370 토크 제어부,
330 속도 적분 보상 로우패스 필터.

Claims

모터 제어 장치로서,
모터로부터의 속도 피드백의 위상을 앞서게 하는 위상 앞섬기;
상기 모터의 속도 지령과 위상을 앞서게 한 속도 피드백과의 차이에 시정수를 곱하는 시정수 부가기;
상기 시정수 부가기에서 시정수가 곱해진 후의 지령을 적분하는 속도 적분기; 및
상기 속도 지령과 상기 속도 피드백과의 차이와, 상기 속도 적분기에서 적분된 후의 지령을 가산하고, 가산한 후의 지령에 속도 비례 게인을 곱해 상기 모터의 토크 지령을 출력하는 속도 비례 게인기;
를 갖는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
모터 제어 장치로서,
모터로부터의 속도 피드백의 위상을 앞서게 하는 위상 앞섬기;
상기 모터의 속도 지령에 대한 추종성을 개선하기 위해 상기 속도 지령을 지연시키는 속도 적분 보상 로우패스 필터;
상기 속도 적분 보상 로우패스 필터를 통과한 후의 속도 지령과 위상을 앞서게 한 속도 피드백과의 차이에 시정수를 곱하는 시정수 부가기;
상기 시정수 부가기에서 시정수가 곱해진 후의 지령을 적분하는 속도 적분기; 및
상기 속도 지령과 상기 속도 피드백과의 차이와 상기 속도 적분기에서 적분된 후의 지령을 가산하고, 가산한 후의 지령에 속도 비례 게인을 곱해 상기 모터의 토크 지령을 출력하는 속도 비례 게인기;
를 갖는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 속도 적분 보상 로우패스 필터는,
상기 모터 제어 장치의 속도 제어계의 지연에 상당하는 시간의 앞섬을 상기 위상 앞섬기에서 설정할 수 없는 경우에, 상기 속도 지령을 지연시킴으로써 그 부족분을 보충하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모터의 위치 지령과 상기 모터의 회전 위치를 검출하는 인코더로부터의 위치 피드백과의 차이에 비례 게인을 곱해 속도 지령을 출력하는 위치 비례 게인기; 및
상기 속도 비례 게인기가 출력하는 토크 지령으로부터 상기 모터의 코일에 공급하는 전력을 제어하는 토크 제어부;
를 더 갖는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
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