KR20210099514A - 모터 제어 방법, 모터 구동 장치, 산업용 로봇의 제어 방법 및 산업용 로봇 - Google Patents

모터 제어 방법, 모터 구동 장치, 산업용 로봇의 제어 방법 및 산업용 로봇 Download PDF

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Abstract

모터 감속을 위한 제어 방식 전환 후에 있어서의 모터의 탈조나 진동의 발생을 억제한다.
오픈 루프 제어에 있어서, 로터리 인코더에 의한 위치 검출값에 기초하는 검출 위치 피드백 제어에 의해 모터를 구동하는 구성에 있어서의 위치 명령값에 응답한 후의 모터의 회전 위치 및 모터에 공급되는 전류를 시뮬레이션하는 스텝을 실행하고, 시뮬레이션에 의해 얻어진 위치 시뮬레이션값에 기초하여 전기각을 산출하고, 산출 결과에 기초하여 실제의 모터에 전류를 공급한다.

Description

모터 제어 방법, 모터 구동 장치, 산업용 로봇의 제어 방법 및 산업용 로봇{MOTOR CONTROL METHOD, MOTOR DRIVE DEVICE, INDUSTRIAL ROBOT CONTROL METHOD, AND INDUSTRIAL ROBOT}
본 발명은, 모터 제어 방법, 모터 구동 장치, 산업용 로봇의 제어 방법 및 산업용 로봇에 관한 것이다.
종래, 모터를 오픈 루프 제어에 의해 구동하는 모터 제어 방법이 알려져 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에 기재된 모터 제어 방법에서는, 모터를 강제 전류(전류 인입법)에 의한 오픈 루프 제어로 기동한다. 그 후, 모터의 각속도를 소정값까지 상승시켜 모터 내에서 충분한 유기 전압이 얻어지게 된 단계에서, 모터의 회전 위치를 모터에 흐르는 전류의 검출값에 기초하여 추정하는 센서리스 벡터 제어에 의해 모터의 회전을 제어한다. 특허문헌 1에 의하면, 이러한 모터 제어 방법에 있어서는, 안정된 모터 제어를 실현할 수 있게 된다.
일본 특허 공개 제2019-187233호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된 모터 제어 방법에 있어서, 모터를 정지시키기 위해, 센서리스 벡터 제어에 의해 모터의 각속도를 소정값까지 저하시킨 후, 모터의 제어 방식을 센서리스 벡터 제어로부터 오픈 루프 제어로 전환한 것으로 한다. 이때, 모터에 흐르게 하는 DQ축 전류 벡터의 방향을, Q축 방향으로부터 D축의 정방향으로 순시에 전환하면, 모터를 구동원으로 하는 구동 대상 기계를 운동시키기 위한 토크가 얻어지지 않게 되어, 모터의 탈조나 큰 진동을 발생시켜 버린다.
또한, 모터의 제어 방식을 센서리스 벡터 제어로부터 오픈 루프 제어로 전환할 때에 발생하는 과제에 대하여 설명했지만, 다음과 같은 구성에 있어서도, 동일한 과제가 발생할 수 있다. 즉, 제어 방식을, 인코더 등에 의한 모터의 회전 위치의 검출값을 피드백하는 피드백 제어로부터, 오픈 루프 제어로 전환하는 구성이다.
본 발명은, 이상의 배경을 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적으로 하는 점은, 다음과 같은 모터 제어 방법, 모터 구동 장치, 산업용 로봇의 제어 방법 및 산업용 로봇을 제공하는 것이다. 즉, 모터 감속을 위한 제어 방식 전환 후에 있어서의 모터의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있는 모터 제어 방식 등이다.
본원의 제1 발명은, 모터를 전류 인입법에 의한 오픈 루프 제어에 의해 구동하는 모터 제어 방법에 있어서, 신호 발신 수단으로부터 발신되는 회전 위치 명령 신호와, 모터에 탑재된 회전 위치 검출기로부터 발신되는 회전 위치 신호에 기초하는 피드백 제어에 의해 모터를 구동하는 구성에 있어서의 상기 회전 위치 명령 신호에 응답한 후의 모터의 회전 위치 및 모터에 흐르게 되는 전류를 시뮬레이션하는 스텝과, 시뮬레이션에 의해 얻어진 회전 위치 시뮬레이션값에 따른 전기각을 산출하는 스텝과, 상기 전기각에 기초하여 상기 모터에 전압을 인가하는 스텝을 구비하고, 상기 회전 위치 및 상기 전류를 시뮬레이션하는 스텝에서, 상기 회전 위치 시뮬레이션값을 상기 회전 위치 명령 신호에 추종시키도록 가상적으로 제어하는 위치 가상 제어 스텝과, 상기 전류를 시뮬레이션하는 전류 시뮬레이션 스텝을 실행하고, 상기 위치 가상 제어 스텝에서, 상기 회전 위치 명령 신호와, 상기 전류 시뮬레이션 스텝에서 얻어진 전류 시뮬레이션값에 기초하여 모터에 대한 전압 명령값을 산출하고, 상기 전류 시뮬레이션 스텝에서, 모터 및 부하 기계를 포함하는 기계계 및 전기계의 모델에 상기 전압 명령값을 입력하고, 상기 모델로부터 상기 회전 위치 시뮬레이션값 및 상기 전류 시뮬레이션값을 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법이다.
본원의 제2 발명은, 모터를 전류 인입법에 의한 오픈 루프 제어에 의해 구동하는 모터 제어 방법에 있어서, 신호 발신 수단으로부터 발신되는 회전 위치 명령 신호와, 모터에 탑재된 회전 위치 검출기로부터 발신되는 회전 위치 신호에 기초하는 피드백 제어에 의해 모터를 구동하는 구성에 있어서의 상기 회전 위치 명령 신호에 응답한 후의 모터의 회전 위치를 시뮬레이션하는 스텝과, 시뮬레이션에 의해 얻어진 회전 위치 시뮬레이션값에 따른 전기각을 산출하는 스텝과, 상기 전기각에 기초하여 상기 모터에 전류를 공급하는 스텝을 구비하고, 상기 회전 위치를 시뮬레이션하는 스텝에서, 상기 회전 위치 시뮬레이션값을 상기 회전 위치 명령 신호에 추종시키도록 가상적으로 제어하는 위치 가상 제어 스텝과, 상기 회전 위치 시뮬레이션값을 얻는 시뮬레이션값 취득 스텝을 실행하고, 상기 위치 가상 제어 스텝에서, 상기 회전 위치 명령 신호에 기초하여, 필요한 토크를 모터에 발생시키기 위한 토크 명령값을 산출하고, 상기 시뮬레이션값 취득 스텝에서, 모터 및 부하 기기를 포함하는 기계계의 모델에 상기 토크 명령값을 입력하고, 상기 모델로부터 상기 회전 위치 시뮬레이션값을 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법이다.
본원의 제3 발명은, 모터를 전류 인입법에 의한 오픈 루프 제어에 의해 구동하는 모터 제어 방법에 있어서, 신호 발신 수단으로부터 발신되는 회전 위치 명령 신호를, 위치 제어 응답 전달 함수에 의해, 상기 회전 위치 명령 신호에 응답한 후의 모터의 회전 위치로 변환하는 스텝과, 상기 회전 위치에 따른 전기각을 산출하는 스텝과, 상기 전기각에 기초하여 상기 모터에 전압을 인가하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법이다.
본원의 제4 발명은, 모터의 구동을 제어하는 모터 구동 장치이며, 제1 발명, 제2 발명, 또는 제3 발명의 모터 제어 방법에 의해 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치이다.
본원의 제5 발명은, 복수의 모터의 구동을 개별로 제어하여 산업용 로봇의 암의 위치를 변화시키는 산업용 로봇의 제어 방법이며, 복수의 모터에 있어서의 각각의 구동을, 제1 발명, 제2 발명, 또는 제3 발명의 모터 제어 방법에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 제어 방법이다.
본원의 제6 발명은, 복수의 모터의 구동을 개별로 제어하여 암의 위치를 변화시키는 산업용 로봇이며, 복수의 모터에 있어서의 각각의 구동을, 제4 발명의 모터 구동 장치에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇이다.
이들 발명에 의하면, 모터 감속을 위한 제어 방식 전환 후에 있어서의 모터의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다는 우수한 효과가 있다.
도 1은 실시 형태에 관한 산업용 로봇을 도시하는 사시도.
도 2는 동 산업용 로봇을 도시하는 평면도.
도 3은 동 산업용 로봇에 탑재된 모터 구동 장치의 제어 구성을, 모터 등과 함께 도시하는 블록선도이다.
도 4는 동 모터 구동 장치의 제어 모드 선택부에 의해 실행되는 모드값 선택 처리의 처리 플로를 도시하는 흐름도이다.
도 5는 제1 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부를 도시하는 블록선도이다.
도 6은 위치 명령값과, 위치 명령값에 응답한 제어에 의한 수부의 실제의 회전 위치 및 속도의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 7은 제2 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부를 도시하는 블록선도이다.
도 8은 제3 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부를 도시하는 블록선도이다.
도 9는 제4 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부를 도시하는 블록선도이다.
도 10은 제5 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부를 도시하는 블록선도이다.
도 11은 제6 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부를 도시하는 블록선도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 관한 모터 제어 방법을 사용하는 모터 구동 장치 및 산업용 로봇의 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 도면에 있어서는, 각 구성을 알기 쉽게 하기 위해, 실제의 구조, 그리고 각 구조에 있어서의 축척 및 수 등을 상이하게 하는 경우가 있다.
먼저, 실시 형태에 관한 산업용 로봇의 기본적인 구성에 대하여 설명한다. 도 1은, 실시 형태에 관한 산업용 로봇(1)을 도시하는 사시도이다. 도 2는, 산업용 로봇(1)을 도시하는 평면도이다. 산업용 로봇(1)은, 유리 기판을 반송하기 위한 로봇이고, 암(2), 가대(3) 및 승강부(4)를 구비한다. 승강부(4)는, 가대(3)에 유지되고, 도시하지 않은 승강 모터의 구동에 의해 상하 방향(도 1의 화살표 방향)으로 승강한다. 암(2)은, 유리 기판을 적재하는 수부(2A), 전완부(2B) 및 상완부(2C)를 구비하고, 승강부(4)에 의해 유지된다.
상완부(2C)에 있어서의 승강부(4)와의 접속부인 견관절(2D)은, 제1 모터(22A)의 구동에 의해 수평 방향을 따라 회동하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 제1 모터(22A)의 회전 구동력이 제1 벨트(2E)를 통해 견관절(2D)로 전달됨으로써, 견관절(2D)이 수평 방향으로 회동한다. 또한, 상완부(2C)와 전완부(2B)의 접속부인 팔꿈치 관절(2F)은, 제2 모터(22B)의 구동에 의해 수평 방향을 따라 회동하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 제2 모터(22B)의 회전 구동력이 제2 벨트(2G)를 통해 팔꿈치 관절(2F)로 전달됨으로써, 팔꿈치 관절(2F)이 수평 방향으로 회동한다. 또한, 전완부(2B)와 수부(2A)의 접속부인 손목 관절은, 제2 모터(22B)의 구동력을 벨트를 통해 받음으로써, 수평 방향을 따라 회동하는 것이 가능하다.
산업용 로봇(1)에 있어서, 수부(2A)를 도 2의 일점쇄선으로 나타나는 궤도를 따라 화살표 방향으로 똑바로 이동시키기 위해서는, 견관절(2D)과 팔꿈치 관절(2F)의 각도를 1대 2의 비율로 하여 양 관절을 회전시킬 필요가 있다. 그것을 위해서는, 제1 모터(22A)와 제2 모터(22B)를 서로 다른 구동량으로 구동할 필요가 있다. 제1 모터(22A), 제2 모터(22B)의 각각의 회전 위치를 제어하지 않고 양 모터를 정지시킨 경우, 양 모터의 구동량의 밸런스를 무너뜨려 수부(2A)를 일점쇄선으로 나타나는 궤도로부터 빗나간 위치에서 정지시켜 버린다.
이어서, 실시 형태에 관한 모터 제어 방법을 사용하는 모터 구동 장치에 대하여 설명한다.
도 3은, 실시 형태에 관한 산업용 로봇(1)에 탑재된 모터 구동 장치(20)의 제어 구성을, 모터(22) 등과 함께 도시하는 블록선도이다. 또한, 산업용 로봇(1)은, 도 3에 도시되는 모터 구동 장치(20)로서, 암(2)의 견관절(2D)을 회동시키기 위한 모터 구동 장치(20), 암(2)의 팔꿈치 관절(2F) 및 손목 관절을 회동시키기 위한 모터 구동 장치(20) 및 승강부(4)를 승강시키기 위한 모터 구동 장치(20)의 3개를 구비한다.
3개의 모터 구동 장치(20)의 각각은, 모터(22)의 구동의 제어 방식으로서, 검출 위치 피드백 제어, 센서리스 벡터 제어 및 오픈 루프 제어의 3개를 전환하여 실행할 수 있다.
산업용 로봇(1)은, 3개의 모터 구동 장치(20)로 명령을 보내는 상위 컨트롤러(100)를 구비한다. 상위 컨트롤러(100)는, 기억 매체에 기억시키고 있는 제어 프로그램에 기초하여, 3개의 모터 구동 장치(20)의 각각에 대하여 위치 명령값(위치 명령 신호)을 송신한다. 3개의 모터 구동 장치(20)의 각각은, 상위 컨트롤러(100)로부터 보내져 오는 위치 명령값에 대응하는 회전 위치까지 모터(22)의 로터를 회전시키는 제어를 실행한다. 이 제어에 의해, 산업용 로봇(1)의 암(2)이 전술한 제어 프로그램에 기초한 동작을 행한다.
3개의 모터 구동 장치(20)의 구성은 서로 마찬가지이다. 따라서, 이하, 3개의 모터 구동 장치(20) 중, 1개만에 대하여, 구성을 상세하게 설명한다.
모터 구동 장치(20)는, 제어 모드 선택부(21), 위치 속도 제어부(23), 벡터 제어 DQ축 전류 명령 생성부(24), 제1 셀렉터(25), 전류 제어부(26), DQ 역변환부(27), PWM 제어부(28) 및 인버터(29)를 구비한다. 모터 구동 장치(20)에 의해 구동되는 모터(22)는, 상술한 제1 모터(22A), 제2 모터(22B), 또는 제3 모터이다. 모터 구동 장치(20)는, 전류 검출부(31), 제2 셀렉터(32), 벡터 제어 전기각 생성부(33), 제3 셀렉터(34), 위치 추정부(35) 및 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)를 구비한다. 또한, 모터 구동 장치(20)는, 오픈 루프 제어 DQ축 전류 명령 생성부(37), 인코더 통신 이상 판정부(38) 및 DQ 변환부(39)를 구비한다. 모터 유닛은, 모터(22) 및 로터리 인코더(30)를 구비한다.
상위 컨트롤러(100)로부터 출력되는 위치 명령값은, 모터 구동 장치(20)의 위치 속도 제어부(23) 및 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)에 입력된다.
산업용 로봇(1)의 암(2)에 있어서의 선회 동작(견관절(2D)의 회동), 관절 굽힘 신장 동작(견관절(2D), 팔꿈치 관절(2F) 및 손목 관절의 회동), 또는 승강 동작의 구동원인 모터(22)는, 삼상(U상, V상, W상) 교류의 PM(Permanent Magnet) 모터로 이루어진다. 모터(22)에 탑재된 회전 위치 검출기로서의 로터리 인코더(30)는, 주지의 기술에 의해 모터(22)의 로터의 회전 위치를 검출하고, 검출 결과의 정보를 위치 검출값(회전 위치 신호)으로서 출력한다. 출력된 위치 검출값은, 인코더 통신 이상 판정부(38), 제어 모드 선택부(21)에 입력된다. 또한, 위치 검출값은, 제2 셀렉터(32)를 통해 위치 속도 제어부(23)에도 입력된다.
또한, 이하, 모터(22)의 로터의 회전을, 모터(22)의 회전이라고 표현하는 경우가 있다.
인코더 통신 이상 판정부(38)는, 로터리 인코더(30)로부터 보내져 오는 위치 검출값에 대하여 이상의 유무를 검출하고, 이상을 검출한 경우에는 이상 발생 신호를 제어 모드 선택부(21) 및 상위 컨트롤러(100)로 송신한다. 인코더 통신 이상 판정부(38)에 의해 위치 검출값의 이상을 검출하는 방법의 일례로서, 위치 검출값의 시간 변화량이 소정의 역치를 초과한 경우(혹은 역치 이상인 경우)에, 이상으로서 검출하는 방법을 들 수 있다. 단, 이 방법에 한정되는 것은 아니다. 또한, 위치 검출값의 이상을 검출하는 방법으로서, 로터리 인코더(30)의 이상을 위치 검출값의 이상으로서 검출하는 방법을 채용해도 된다.
제어 모드 선택부(21)는, 로터리 인코더(30)로부터 보내져 오는 위치 검출값의 단위 시간당에 있어서의 변화량에 기초하여 모터(22)의 각속도를 산출하고, 산출 결과와, 위치 검출값의 이상의 유무에 기초하여 제어 모드값을 선택하여 출력한다.
도 4는, 제어 모드 선택부(21)에 의해 실행되는 모드값 선택 처리의 처리 플로를 도시하는 흐름도이다. 모드값 선택 처리에서는, 먼저, 인코더 통신 이상 판정부(38)로부터 필요에 따라 발신되는 이상 발생 신호에 대하여, 수신했는지 여부가 판정된다(S(스텝) 1). 그리고, 이상 발생 신호가 수신되지 않는 경우에는(S1에서 N), 제어 모드값으로서 「0」이 선택되고 제어 모드 선택부(21)로부터 출력된다(S2). 그 후, 처리 플로가 S1로 복귀된다.
한편, 이상 발생 신호가 수신된 경우에는(S1에서 Y), 이어서, 모터(22)의 각속도에 대하여, 소정값 이상인지 여부(혹은 소정값을 초과하는지 여부)가 판정된다(S3). 그리고, 각속도가 소정값 이상인 경우에는(S3에서 Y), 제어 모드값으로서 「1」이 선택되고 제어 모드 선택부(21)로부터 출력된다(S4). 한편, 소정값 이상이 아닌 경우(혹은 소정값을 초과하지 않는 경우)에는(S3에서 N), 제어 모드값으로서 「2」가 선택되고 제어 모드 선택부(21)로부터 출력된다.
이상과 같이 하여, 제어 모드값 선택 처리에서는, 위치 검출값의 이상이 발생하고 있지 않은 경우에는 제어 모드값으로서 「0」이 선택된다. 또한, 위치 검출값의 이상이 발생하고 또한 각속도가 소정값 이상인 경우에는 제어 모드값으로서 「1」이 선택되고, 위치 검출값의 이상이 발생하고 또한 각속도가 소정값 이상이 아닌 경우에는 제어 모드값으로서 「2」가 선택된다.
또한, 전술한 소정값은, 예를 들어 모터(22)의 정격 각속도의 10〔％〕이다.
상위 컨트롤러(100)는, 모터 구동 장치(20)로부터 이상 발생 신호가 보내져 오면, 3개의 모터 구동 장치(20)로 송신하는 위치 명령값을, 암(2)을 소정의 궤도 상에서 이동시키면서 암(2) 및 모터(22)를 감속 정지시키는 패턴으로 변화시킨다. 이로써, 암(2)은, 소정의 궤도 상에서 정지한다.
도 3에 있어서, 제어 모드 선택부(21)로부터 출력되는 제어 모드값은, 제1 셀렉터(25), 제2 셀렉터(32) 및 제3 셀렉터(34)(이하, 이것들을 통합하여 3개의 셀렉터(25, 32, 34)라고도 한다)의 각각에 입력된다. 3개의 셀렉터(25, 32, 34)의 각각은, 0번 입력 단자, 1번 입력 단자 및 2번 입력 단자를 구비하고, 제어 모드 선택부(21)로부터 보내져 오는 제어 모드값에 기초하여, 출력 신호를 전환한다. 구체적으로는, 3개의 셀렉터(25, 32, 34)의 각각은, 제어 모드값이 「0」인 경우에는 0번 입력 단자에 입력되는 신호를 출력하고, 「1」인 경우에는 1번 입력 단자에 입력되는 신호를 출력하고, 「2」인 경우에는 2번 입력 단자에 입력되는 신호를 출력한다.
이러한 구성의 3개의 셀렉터(25, 32, 34)의 각각으로부터는, 다음과 같은 신호가 출력된다. 즉, 위치 검출값의 이상이 발생하고 있지 않은 경우(제어 모드값＝0)에는, 모터(22)를, 위치 검출값에 의해 나타나는 위치로부터, 위치 명령값에 의해 나타나는 위치까지 회전시키는 검출 위치 피드백 제어를 실행하기 위한 신호가 출력된다. 또한, 위치 검출값의 이상이 발생하고, 또한 모터(22)의 각속도가 소정값 이상(혹은 소정값을 초과한다)인 경우(제어 모드값＝1)에는, 후술하는 센서리스 벡터 제어에 의해 모터(22)를 구동하기 위한 신호가 출력된다. 또한, 위치 검출값의 이상이 발생하고, 또한 모터(22)의 각속도가 소정값 미만(혹은 소정값 이하)인 경우(제어 모드값＝2)에는, 후술하는 오픈 루프 제어에 의해 모터(22)를 구동하기 위한 신호가 출력된다.
상술한 3개의 제어 방식 중, 먼저, 검출 위치 피드백 제어에 대하여 설명한다.
로터리 인코더(30)로부터 출력되는 위치 검출값의 이상이 없는 경우에는, 모터 구동 장치(20)가 검출 위치 피드백 제어에 의해 모터(22)를 구동한다. 구체적으로는, 위치 검출값의 이상이 없는 경우에는, 제2 셀렉터(32)로부터 위치 검출값이 출력되고, 위치 피드백값으로서 위치 속도 제어부(23) 및 벡터 제어 전기각 생성부(33)에 입력된다. 위치 속도 제어부(23)는, 모터(22)를 위치 피드백값에 의해 나타나는 위치로부터 위치 명령값에 의해 나타나는 위치까지 회전시키는 데 필요한 토크값을 산출하여 벡터 제어 DQ축 전류 명령 생성부(24)에 출력한다. 또한, 벡터 제어 전기각 생성부(33)는, 위치 피드백값에 기초하여 전기각을 생성한다. 이 전기각은, 제3 셀렉터(34)를 통해 DQ 변환부(39)에 입력된다.
벡터 제어 DQ축 전류 명령 생성부(24)는, 입력된 토크값과 동일한 토크를 발생시키는 데 필요한 D축 전류 및 Q축 전류를 모터(22) 내에서 발생시키기 위한 D축 전류 명령값 및 Q축 전류 명령값(이하, 이것들을 DQ축 전류 명령값이라고도 한다)을 생성한다. D축 전류는, 모터(22)에 흐르는 전류 중 영구 자석의 자속에 평행한 성분이다. 또한, Q축 전류는, 모터(22)에 흐르는 전류 중 영구 자석의 자속에 직교하는 성분이다.
벡터 제어 DQ축 전류 명령 생성부(24)로부터 출력되는 DQ축 전류 명령값은, 제1 셀렉터(25)의 0번 입력 단자 및 1번 입력 단자에 입력된다. 검출 위치 피드백 제어가 실행되는 경우(제어 모드값＝0) 및 센서리스 벡터 제어가 실행되는 경우(제어 모드값＝1)에는, 벡터 제어 DQ축 전류 명령 생성부(24)에 의해 생성된 DQ축 전류 명령값이 제1 셀렉터(25)로부터 출력된다. 이 DQ축 전류 명령값은, 전류 제어부(26)에 입력된다.
DQ 변환부(39)는, 제3 셀렉터(34)로부터 보내져 오는 전기각에 기초하여 D축 전류 피드백값 및 Q축 전류 피드백값(이하, DQ축 전류 피드백값이라고도 한다)을 생성하여 전류 제어부(26)에 출력한다. 또한, 후술하는 센서리스 벡터 제어 시에 있어서는, DQ 변환부(39)가, 제3 셀렉터(34)로부터 보내져 오는 전기각과, 전류 검출부(31)로부터 보내져 오는 3상 전류 검출값에 기초하여 DQ축 전류 피드백값을 생성한다.
전류 제어부(26)는, 제1 셀렉터(25)로부터 보내져 오는 DQ축 전류 명령값과, DQ 변환부(39)로부터 보내져 오는 DQ축 전류 피드백값에 기초하여, DQ축 전압 명령값을 생성하여 DQ 역변환부(27)에 출력한다.
DQ 역변환부(27)는, 제3 셀렉터(34)로부터 보내져 오는 전기각과, 전류 제어부(26)로부터 보내져 오는 DQ축 전압 명령값에 기초하여, 요구되는 D축 전류 및 Q축 전류를 모터(22) 내에 발생시키기 위한 U상 전압 명령값, V상 전압 명령값 및 W상 전압 명령값(이하, 삼상 전압 명령값이라고도 한다)을 생성하여 출력한다. DQ 역변환부(27)로부터 출력되는 삼상 전압 명령값은, PWM 제어부(28)에 입력된다. PWM 제어부(28)는, U상 전압 명령값, V상 전압 명령값, W상 전압 명령값에 의해 나타나는 U상 전압, V상 전압, W상 전압을 인버터(29)로부터 출력시키기 위한 PWM 신호로 이루어지는 U상 게이트 신호, V상 게이트 신호, W상 게이트 신호를 출력한다. 인버터(29)는, U상 게이트 신호, V상 게이트 신호, W상 게이트 신호에 기초하는 U상 전압, V상 전압, W상 전압을 모터(22)에 공급하여, 모터(22)를 회전시킨다.
전류 검출부(31)는, 인버터(29)로부터 모터(22)로 흐르는 U상 전류, V상 전류 및 W상 전류(이하, 이것들을 3상 전류라고도 한다)를 검출하고, 검출 결과를 U상 전류 검출값, V상 전류 검출값, W상 전류 검출값(이하, 3상 전류 검출값이라고도 한다)으로서 출력한다. 또한, 삼상의 전류값을 검출하는 것 대신에, 삼상 중, 2상의 전류값만을 검출하고, 나머지 1상의 전류값에 대해서는, 2상의 전류값 검출 결과에 기초하여 산출해도 된다.
로터리 인코더(30)로부터 출력되는 위치 검출값의 이상이 없는 경우에는, 이상과 같은 검출 위치 피드백 제어에 의해 모터(22)가 구동된다.
이어서, 센서리스 벡터 제어에 대하여 설명한다. 센서리스 벡터 제어가 실행되는 경우, 즉, 위치 검출값의 이상이 있고, 또한 이상 발생 직전의 모터(22)의 각속도가 소정값 이상인(혹은 소정값을 초과하는) 경우(제어 모드값＝1)에는, 이하와 같이 하여 모터(22)가 구동된다. 즉, 전류 검출부(31)로부터 출력되는 3상 전류 검출값은, DQ 변환부(39)에 입력된다. DQ 변환부(39)는, 3상 전류 검출값과, 제3 셀렉터(34)로부터 보내져 오는 전기각에 기초하여, DQ축 전류 피드백값을 생성하여 출력한다. 출력된 DQ축 전류 피드백값은, 전류 제어부(26) 및 위치 추정부(35)에 입력된다.
전류 제어부(26)는, 제1 셀렉터(25)로부터 보내져 오는 DQ축 전류 명령값과, DQ 변환부로부터 보내져 오는 DQ축 전류 피드백값에 기초하여, DQ축 전압 명령값을 생성하여 출력한다. 위치 추정부(35)는, 전류 제어부(26)로부터 보내져 오는 DQ축 전압 명령값과, DQ 변환부(39)로부터 보내져 오는 DQ축 전류 피드백값에 기초하여, 모터(22)의 회전 위치를 추정한다.
위치 추정부(35)는, DQ 변환부(39)로부터 보내져 오는 DQ축 전류 피드백값과, 전류 제어부(26)로부터 보내져 오는 DQ축 전압 명령값에 기초하여, 위치 추정값과, 전기각 추정값을 구한다. 그리고, 위치 추정부(35)는, 위치 추정값을 제2 셀렉터(32)의 1번 입력 단자에 출력하고, 또한 전기각 추정값을 제3 셀렉터의 1번 입력 단자에 출력한다.
위치 추정부(35)로부터 출력되는 위치 추정값은, 제2 셀렉터(32)를 통해, 위치 피드백값으로서 위치 속도 제어부(23)에 입력된다. 위치 속도 제어부(23)는, 위치 피드백값으로서 위치 추정값을 사용하는 점 외에는 검출 위치 피드백 제어와 마찬가지로 하여 토크 명령값을 출력한다. 이 토크 명령값에 기초하는 U상 게이트 신호, V상 게이트 신호, W상 게이트 신호로서 인버터(29)에 입력될 때까지의 처리는, 검출 위치 피드백 제어와 마찬가지이다. 즉, 센서리스 벡터 제어에서는, 위치 검출값 대신에, 모터(22) 내에서 발생하는 유기 전압에 기초하는 위치 추정값을 위치 피드백값으로서 위치 속도 제어부(23)에 피드백하는 점 외에는, 검출 위치 피드백 제어와 동일한 처리가 행해진다.
또한, 모터 구동 장치(20)는, 센서리스 벡터 제어에 있어서, 검출 위치 피드백 제어에 비해 위치 속도 제어의 제어 루프 게인을 저하시킨다. 제어 루프 게인을 저하시키는 방법의 일례로서, 상위 컨트롤러(100)의 명령에 의해 제어 루프 게인을 저하시키는 방법을 들 수 있다. 암(2)의 궤도를 고정밀도로 유지하기 위해서는, 위치 검출값의 이상이 발생한 모터 구동 장치(20)뿐만 아니라, 다른 모터 구동 장치(20)의 위치 속도 제어의 제어 루프 게인도 저하시키는 것이 바람직하다. 상위 컨트롤러(100)의 명령에 의하면, 모든 모터 구동 장치(20)에 있어서의 위치 속도 제어의 제어 루프 게인을 적절하게 저하시키는 것이 가능하다.
모터 구동 장치(20)의 위치 속도 제어의 제어 루프 게인을 저하시키는 다른 일례로서, 위치 검출값의 이상을 일으킨 모터 구동 장치(20)의 처리에 의해, 그 모터 구동 장치(20)의 위치 속도 제어의 제어 루프 게인만 저하시키는 방법을 들 수 있다. 이 방법의 처리의 일례로서는, P-PI 제어에 의해 위치와 속도를 제어하는 구성에 있어서, 속도 루프 게인, 위치 루프 게인 및 속도 루프 적분 게인의 각각을 저하시키는 방법을 들 수 있다. 또한, 다른 일례로서, 예를 들어 일본 특허 공개 제2002-229604호 공보에 기재한 바와 같은 RPP 제어에 의해 위치와 속도를 제어하는 구성에 있어서, ω2 게인, ω1 게인, ωq 게인을 저하시키는 방법을 들 수 있다. 또한, 또 다른 일례로서, RPP 제어에 의해 위치와 속도를 제어하는 구성에 있어서, 이너셔 노미널 설정값을 저하시키는 방법을 들 수 있다. 이너셔 노미널 설정값을 저하시킴으로써, ω2 게인, ω1 게인을 근사적으로 저하시키는 것이 가능하다. 이 방법에 의하면, 제어 루프 게인을 저하시키기 위한 전용 프로그램을 구축하지 않고, 제어 루프 게인을 적절하게 저하시킬 수 있다.
이어서, 오픈 루프 제어에 대하여 설명한다. 오픈 루프 제어가 실행되는 경우, 즉, 위치 검출값의 이상이 있고, 또한 모터(22)의 각속도가 소정값 미만인(혹은 소정값 이하인) 경우(제어 모드값＝2)에는, 이하와 같이 하여 모터(22)가 구동된다. 즉, 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)는, 상위 컨트롤러(100)로부터 보내져 오는 위치 명령값에 기초하여 모터(22)의 자극을 끌어당기는 회전 위치(이하, 강제 동기 위치 명령값이라고 한다)를 산출하여 오픈 루프 제어 DQ축 전류 명령 생성부(37)에 출력한다. 또한, 위치 명령값에 기초하여 전기각을 산출하여 제3 셀렉터(34)에 출력한다.
실시 형태에 관한 모터 구동 장치는, 이하에 설명하는 제1 예 내지 제6 예의 오픈 루프 제어 중, 어느 오픈 루프 제어를 실행한다.
도 5는, 제1 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)를 도시하는 블록선도이다. 이 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)는, 제어기(36a)와, 전기계·기계계의 모델(36b)과, 전기각 산출부(36c)를 구비한다.
제어기(36a)는, 위치 속도 제어부(36a1), 벡터 제어 DQ축 전류 명령 생성부(36a2), 전류 제어부(36a3), DQ 역변환부(36a4), PWM 제어부(36a5) 및 DQ 변환부(36a6)를 구비한다. 도 5에 도시되는 위치 속도 제어부(36a1)는, 도 3에 도시되는 위치 속도 제어부(23)와 동일한 처리를 실행한다. 도 5에 도시되는 벡터 제어 DQ축 전류 명령 생성부(36a2)는, 도 3에 도시되는 벡터 제어 DQ축 전류 명령 생성부(24)와 동일한 처리를 실행한다. 도 5에 도시되는 전류 제어부(36a3)는, 도 3에 도시되는 전류 제어부(26)와 동일한 처리를 실행한다. 도 5에 도시되는 DQ 역변환부(36a4)는, 도 3에 도시되는 DQ 역변환부(27)와 동일한 처리를 실행한다. 도 5에 도시되는 PWM 제어부(36a5)는, 도 3에 도시되는 PWM 제어부(28)와 동일한 처리를 실행한다. 도 5에 도시되는 DQ 변환부(36a6)는, 도 3에 도시되는 DQ 변환부(39)와 동일한 처리를 실행한다.
전기계·기계계의 모델(36b)은, 인버터(36b1)의 모델, 모터(36b2)의 모델 및 모터에 대한 부하 기계(36b5)의 모델을 구비한다. 이들 모델은, U상, V상, W상의 각각에 대하여 게이트 신호가 변화 전의 값으로부터 변화 후의 값으로 변화된 경우에, 모터(22)의 회전 위치와, 모터(22)에 흐르는 전류값에 대하여 어떻게 변화되는지를 시뮬레이션하는 알고리즘을 구비한다. 시뮬레이션에 의해 얻어진 위치 시뮬레이션값은, 로터리 인코더(36b4)의 모델로부터 출력되고, 제어기(36a)의 위치 속도 제어부(36a1)와, 전기각 산출부(36c)와, 도 3에 있어서의 오픈 루프 제어 DQ축 전류 명령 생성부(37)에 입력된다.
도 5에 있어서의 전기각 산출부(36c)는, 위치 시뮬레이션값에 기초하여 모터(22)의 전기각을 산출하고, 결과를 도 3에 있어서의 DQ 역변환부(27) 및 DQ 변환부(39)에 출력한다.
위치 검출값의 이상 발생 시에 있어서, 제어 방식을 검출 위치 피드백 제어, 혹은 센서리스 벡터 제어로부터, 제1 예의 오픈 루프 제어로 전환한 후에는, 위치 검출값을 행하는 경우와 동일한 거동으로 모터를 동작시키는 것이 가능하다. 따라서, 제1 예의 오픈 루프 제어에 의하면, 전환 후의 모터의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 모터(22)의 전기각을 위치 명령값에 근접시키는 방법으로서, 오픈 루프 제어로 전환되기 직전의 위치 편차를 초기값으로 하고, 위치 편차를 서서히 제로에 수렴시키는 1차 지연 필터를 사용하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법에서는, 위치 명령값과는 무관하게 위치 편차를 감소시키는 점에서, 수부(2A)를 원하는 궤도를 따라 이동시킬 수 없다.
도 6은, 위치 명령값과, 위치 명령값에 응답한 제어에 의한 수부(2A)의 실제의 회전 위치 및 속도의 관계를 도시하는 그래프이다. 회전 위치와 시간의 관계를 도시하는 그래프에 착안하면, 위치 명령값의 변화에 대하여 실제의 위치의 변화가 지연되어 있다. 이것은, 명령에 응답하는 실제의 위치의 변화에 시간을 필요로 하기 때문이다. 검출 위치 피드백 제어나 센서리스 벡터 제어에서는, 산업용 로봇(1)의 각 관절의 모터의 위치 명령값에 대하여 실제의 회전 위치를 균일하게 지연되도록 위치 제어 게인을 설정함으로써, 수부(2A)의 궤도 정밀도를 확보한다. 한편, 오픈 루프 제어에 있어서, 상술한 1차 지연 필터에 의해 특정한 축만 위치 편차를 제로에 수렴시키는 방법을 사용하면, 도시한 바와 같이, 실제의 회전 위치의 변화가, 검출 위치 피드백 제어 시와는 다르다. 이로써, 각 축의 위치의 위치 명령값에 대한 지연의 쪽에 차가 발생하여, 수부(2A)의 위치가 목표의 궤도로부터 벗어나 버린다. 이에 비해, 제1 예의 오픈 루프 제어와 같이 시뮬레이션값을 사용하는 방법에서는, 도시한 바와 같이, 위치 명령값의 변화에 대하여 실제의 회전 위치를, 검출 위치 피드백 제어를 실행했을 때와 동일하도록 변화시킬 수 있다(수부(2A)를 목표의 궤도를 따라 이동시킬 수 있다).
도 7은, 제2 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)를 도시하는 블록선도이다. 이 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)는, 제어기(36a)와, 기계계의 모델(36b)과, 전기각 산출부(36c)를 구비한다.
제어기(36a)는, 위치 속도 제어부를 구비한다. 위치 속도 제어부는, 상위 컨트롤러(100)로부터 보내져 오는 위치 명령값과, 기계계의 모델(36b)로부터 보내져 오는 위치 시뮬레이션값에 기초하여 토크 명령값을 생성한다. 기계계의 모델(36b)은, 모터가 발하는 토크와, 위치 속도 제어부로부터 보내져 오는 토크 명령값이 일치한다는 가정에 기초하여, 토크에 응답한 후의 모터(22A)의 회전 위치를 시뮬레이션한 결과를, 위치 시뮬레이션값으로서 출력한다. 위치 시뮬레이션값은, 전기각 산출부(36c)에 출력된다. 또한, 위치 시뮬레이션값은, 강제 동기 위치 명령값으로서, 도 3에 도시되는 오픈 루프 제어 DQ축 전류 명령 생성부(37)에 출력된다. 도 7에 도시되는 전기각 산출부(36c)는, 위치 시뮬레이션값에 기초하여 전기각을 산출하고, 결과를 도 3에 도시되는 DQ 역변환부(27) 및 DQ 변환부(39)에 출력한다.
제2 예의 오픈 루프 제어에서는, 도 7과 도 5의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 예의 오픈 루프 제어에 비해, 간단한 처리에 의해 제어 방식의 전환 후에 있어서의 모터의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다.
도 8은, 제3 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)를 도시하는 블록선도이다. 이 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)는, 연산부(36d)와, 파라미터 산출부(36e)와, 전기각 산출부(36c)를 구비한다.
연산부(36d)는, 상위 컨트롤러(100)로부터 보내져 오는 위치 명령값을, 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)에 의해, 가상적으로 검출 위치 피드백 제어를 실행한 경우에 있어서의 위치 검출값에 응답한 후의 모터(22)의 회전 위치로 변환한다.
위치 제어 응답 전달 함수 G(s)의 기본식은, 다음 식으로 나타난다.
[수 1]
Figure pat00001
제3 예의 오픈 루프 제어에 사용되는 연산부(36d)는, 상술한 기본식의 우변을 개변한 다음 식에 의해 위치 명령값을 위치 변환값으로 변환한다.
[수 2]
Figure pat00002
변환에 의해 얻어진 위치 변환값은, 강제 동기 위치 명령값으로서 도 3에 도시되는 오픈 루프 제어 DQ축 전류 명령 생성부(37)에 출력된다. 또한, 위치 변환값은, 도 8에 도시되는 파라미터 산출부(36e) 및 전기각 산출부(36c)에도 출력된다. 전기각 산출부(36c)는, 연산부(36d)로부터 보내져 오는 위치 변환값에 기초하여 모터(22)의 전기각을 산출하고, 결과를 도 3에 도시되는 DQ 역변환부(27) 및 DQ 변환부(39)에 출력한다.
제3 예의 오픈 루프 제어에서는, 위치 명령값에 대하여, 실제의 제어에 있어서 어떤 지연으로 어떤 회전 위치에 반영되는지를 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)에 의해 위치 변환값으로서 구한다. 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)로서는, 상술한 기본식을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 제3 예의 오픈 루프 제어에서는, ff1, ff2, ω1 및 ω2 중, ω2만을 포함하는 단순한 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용함으로써, 고속이고 고가인 연산 장치(예를 들어, CPU)를 사용하지 않고, 모터(22)의 위치 변환값을 고속으로 구하는 것이 가능하다. 단순한 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)라도, 다음과 같은 양태에 있어서의 모터 제어라면, 모터(22)의 위치 변환값을 적절한 값으로 구하는 것이 가능하다. 즉, ff1이 1에 가까운 값을 취하고, 또한 ff2가 0에 가까운 값을 취하는 양태이다.
전술한 양태라면, 모터(22)의 제어 방식을, 검출 위치 피드백 제어, 혹은 센서리스 벡터 제어로부터, 제3 예의 오픈 루프 제어로 전환한 후에 있어서, 위치 피드백 제어를 행하는 경우와 동일한 거동으로 모터를 동작시키는 것이 가능하다. 이 때문에, 제3 예의 오픈 루프 제어에 의하면, 제어 방식을 오픈 루프 제어로 전환한 후의 모터(22)의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 제3 예의 오픈 루프 제어에 의하면, 위치 변환값을 저렴한 연산 장치에 의해 적절하게 구할 수 있다.
위치 제어 응답 전달 함수 G(s)에 의해 위치 변환값을 구하는 구성에 있어서, ω1, ω2를 제어 대상의 상태에 의하지 않는 일정한 값으로 한 것으로 한다. 그러면, 제어 방식을 오픈 루프 제어로 전환한 때에, 제어 대상의 관성 모멘트의 변동에 의한 ω1이나 ω2의 값의 부적합에 의해 모터(22)의 위치나 속도에 교란을 발생시키는 경우가 있다.
그래서, 도 8에 도시되는 파라미터 산출부(36e)는, 오픈 루프 제어 개시 시에, 직전의 위치 편차와 속도 추정값에 기초하여, 적절한 값의 ω2를 구하고, 결과를 연산부(36d)에 출력한다. 위치 편차는, 위치 피드백값의 위치 명령값에 대한 편차이다. 속도 추정값은, 오픈 루프 제어 개시 직전에 검출 위치 피드백 제어가 실행되어 있는 경우에는, 위치 검출값에 기초하여 추정되는 속도이다. 또한, 오픈 루프 제어 개시 직전에 센서리스 벡터 제어가 실행되어 있는 경우에는, 전류 검출값에 기초하여 추정되는 속도이다. 연산부(36d)는, 기억 매체에 기억되어 있는 ω2의 값을, 파라미터 산출부(36e)로부터 보내져 오는 값으로 수시로 갱신한다.
이러한 구성에 의하면, 제어 방식을 제3 예의 오픈 루프 제어로 전환한 때의 ω2의 값의 부적합에 의한 모터(22)의 회전 위치나 속도의 교란을 억제할 수 있다.
도 9는, 제4 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)를 도시하는 블록선도이다. 이 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)는, 다음 식에 의해 나타나는 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용하는 점 외는, 도 8에 도시되는 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)와 동일한 구성으로 되어 있다.
[수 3]
Figure pat00003
제4 예의 오픈 루프 제어에서는, ff1, ff2, ω1 및 ω2 중, ff2 및 ω2만을 포함한다는 단순한 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용함으로써, 고속이고 고가인 연산 장치를 사용하지 않고, 위치 변환값을 고속으로 구하는 것이 가능하다. ff1이 1에 가까운 값을 취하는 양태의 모터 제어라면, 적절한 값의 위치 변환값을 구하는 것이 가능하다. 이 때문에, 제4 예의 오픈 루프 제어에 의하면, 제어 방식을 오픈 루프 제어로 전환한 후의 모터(22)의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 제4 예의 오픈 루프 제어에 의하면, 위치 변환값을 저렴한 연산 장치에 의해 적절하게 구할 수 있다.
도 10은, 제5 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)를 도시하는 블록선도이다. 이 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)는, 다음 식에 의해 나타나는 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용하는 점 및 파라미터 산출부(36e)에 의해 ω1 및 ω2를 구하는 점 외는, 도 8에 도시되는 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)와 동일한 구성으로 되어 있다.
[수 4]
Figure pat00004
제5 예의 오픈 루프 제어에서는, ff1, ff2, ω1 및 ω2 중, ff1, ω1 및 ω2만을 포함하는 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용하여, 위치 변환값을 고속으로 구하는 것이 가능하다. 전술한 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)라도, ff2가 0에 가까운 값을 취하는 양태에서의 모터 제어라면, 적절한 값의 위치 변환값으로 구하는 것이 가능하다. 제어 방식을 오픈 루프 제어로 전환한 후의 모터(22)의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다.
도 11은, 제6 예의 오픈 루프 제어를 실행하기 위한 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)를 도시하는 블록선도이다. 이 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)는, 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)로서 상술한 기본식을 사용하는 점 및 파라미터 산출부(36e)에 의해 ω1 및 ω2를 구하는 점 외는, 도 8에 도시되는 오픈 루프 제어 전기각 생성부(36)와 동일한 구성으로 되어 있다.
제6 예의 오픈 루프 제어에서는, ff1, ff2, ω1 및 ω2 모두를 포함하는 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용하여, 위치 변환값을 구한다. 이러한 구성에 의하면, ff1, ff2, ω1 및 ω2 모두를 포함하지 않는 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용하는 구성에 비해, 적절한 값의 위치 변환값을 고정밀도로 구할 수 있다.
<산업용 로봇(1)의 작용 효과>
<구성 1>
(1) 이상의 구성의 산업용 로봇(1)에 있어서, 구성 1의 모터 제어 방법은, 상위 컨트롤러(100)(신호 발신 수단)로부터 발신되는 위치 명령값(회전 위치 명령 신호)과, 모터(22)에 탑재된 로터리 인코더(30)(회전 위치 검출기)로부터 발신되는 위치 검출값(회전 위치 신호)에 기초하는 검출 위치 피드백 제어에 의해 모터(22)를 구동하는 구성에 있어서의 위치 검출값에 응답한 후의 모터(22)의 회전 위치 및 모터에 공급되는 전류를 시뮬레이션하는 스텝(도 5의 36b)을 구비한다. 또한, 구성 1은, 시뮬레이션에 의해 얻어진 위치 시뮬레이션값(회전 위치 시뮬레이션값)에 따른 전기각을 산출하는 스텝(도 5의 36c)을 구비한다. 또한, 구성 1은, 상기 전기각에 기초하여 모터(22)에 전류를 공급하는 스텝(도 5의 전기각)을 구비한다. 회전 위치 및 전류를 시뮬레이션하는 스텝에서는, 위치 시뮬레이션값을 위치 명령값에 추종시키도록 가상적으로 제어하는 위치 가상 제어 스텝(도 5의 36a)과, 전류를 시뮬레이션하는 전류 시뮬레이션 스텝(도 5의 36b3)을 실행한다. 위치 가상 제어 스텝에서는, 위치 명령값과, 전류 시뮬레이션 스텝에서 얻어진 3상 전류 시뮬레이션값에 기초하여 모터(36b2)에 대한 전압 명령값을 산출한다(도 5의 36a1 내지 4). 전류 시뮬레이션 스텝에서는, 모터(36b2) 및 부하 기계(36b5)를 포함하는 전기계·기계계의 모델(36b)에 전압 명령값을 입력하고, 전기계·기계계의 모델(36b)로부터 위치 시뮬레이션값 및 3상 전류 시뮬레이션값을 출력한다.
<구성 1의 작용 효과>
구성 1에 있어서는, 검출 위치 피드백 제어를 행한다고 가정한 경우에, 위치 명령값에 의해 모터(22)의 회전 위치를 어떻게 변화시키는지를 시뮬레이션한다. 그리고, 시뮬레이션에 의해 얻어진 위치 시뮬레이션값에 상당하는 전기각을 산출하고, 산출 결과에 기초하는 오픈 루프 제어에 의해 모터(22)의 회전 위치를 제어한다. 이러한 구성에 있어서, 모터(22)의 제어 방식을, 검출 위치 피드백 제어, 혹은 센서리스 벡터 제어로부터, 오픈 루프 제어로 전환한 것으로 한다. 그러면, 전환 후에 있어서, 검출 위치 피드백 제어를 행하는 경우와 동일한 거동으로 모터(22)를 동작시키는 것이 가능하므로, 전환 후의 모터(22)의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다.
<구성 2>
구성 2의 모터 제어 방법은, 상위 컨트롤러(100)로부터 발신되는 위치 명령값과, 모터(22)에 탑재된 로터리 인코더(30)로부터 발신되는 위치 검출값에 기초하는 검출 위치 피드백 제어에 의해 모터(22)를 구동하는 구성에 있어서의 위치 명령값에 응답한 후의 모터(22)의 회전 위치를 시뮬레이션하는 스텝(도 7의 36)을 구비한다. 또한, 구성 2는, 시뮬레이션에 의해 얻어진 위치 시뮬레이션값(회전 위치 시뮬레이션값)에 따른 전기각을 산출하는 스텝(도 7의 36c)과, 상기 전기각에 기초하여 모터(22)에 전류를 공급하는 스텝(도 7의 전기각)을 구비한다. 회전 위치를 시뮬레이션하는 스텝에서는, 위치 시뮬레이션값을 위치 명령값에 추종시키도록 가상적으로 제어하는 위치 가상 제어 스텝(도 7의 36a)과, 위치 시뮬레이션값을 얻는 시뮬레이션값 취득 스텝을 실행한다. 위치 가상 제어 스텝(도 7의 36a)에서, 위치 명령값에 기초하여, 필요한 토크를 모터(22)에 발생시키기 위한 토크 명령값을 산출한다. 시뮬레이션값 취득 스텝에서, 모터 및 부하 기기를 포함하는 전기계·기계계의 모델(36b)에 상기 토크 명령값을 입력하고, 전기계·기계계의 모델(36b)로부터 위치 시뮬레이션값을 출력한다.
<구성 2의 작용 효과>
구성 2에 의하면, 구성 1보다도 간단한 처리에 의해, 모터(22)의 제어 방식을 오픈 루프 제어로 전환한 후에 있어서의 모터(22)의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다.
<구성 3>
구성 3의 모터 제어 방법은, 상위 컨트롤러(100)로부터 발신되는 위치 명령값을, 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)에 의해, 위치 검출값에 응답한 후의 모터(22)의 회전 위치로 변환하는 스텝과, 상기 회전 위치에 따른 전기각을 산출하는 스텝과, 상기 전기각에 기초하여 모터(22)에 전류를 공급하는 스텝을 구비한다.
<구성 3의 작용 효과>
구성 3에 있어서는, 검출 위치 피드백 제어를 행한다고 가정한 경우에, 위치 명령값에 의해 모터(22)의 회전 위치를 어떻게 변화시키는지를, 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)에 의해 구한다. 그리고, 얻어진 회전 위치에 상당하는 전기각을 산출하고, 산출 결과에 기초하는 오픈 루프 제어에 의해 모터(22)의 회전 위치를 제어한다. 이러한 구성 3에 있어서, 모터(22)의 제어 방식을, 검출 위치 피드백 제어, 혹은 센서리스 벡터 제어로부터, 오픈 루프 제어로 전환한 것으로 한다. 그러면, 전환 후에 있어서, 검출 위치 피드백 제어를 행하는 경우와 동일한 거동으로 모터(22)를 동작시키는 것이 가능하므로, 전환 후의 모터(22)의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다.
<구성 4>
구성 4의 모터 제어 방법에 있어서는, 구성 3에 있어서의 위치 제어 응답 전달 함수(Gs)로서, 상술한 수 2에 의해 나타나는 식을 사용한다.
<구성 4의 작용 효과>
구성 4에 있어서는, ff1, ff2, ω1 및 ω2 중, ω2만을 포함하는 단순한 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용함으로써, 고속이고 고가인 연산 장치(예를 들어, CPU)를 사용하지 않고, 모터(22)의 위치 변환값을 고속으로 구하는 것이 가능하다. 전술한 바와 같은 단순한 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)라도, 다음과 같은 양태에 있어서의 모터 제어라면, 적절한 값의 위치 변환값을 구하는 것이 가능하다. 즉, ff1이 1에 가까운 값을 취하고, 또한 ff2가 0에 가까운 값을 취하는 양태이다. 따라서, 구성 4에 의하면, 전술한 양태에 있어서의 위치 변환값을, 저렴한 연산 장치에 의해 적절한 값으로 구할 수 있다.
<구성 5>
구성 5의 모터 제어 방법에 있어서는, 구성 3에 있어서의 위치 제어 응답 전달 함수(Gs)로서, 상술한 수 3에 의해 나타나는 식을 사용한다.
<구성 5의 작용 효과>
구성 5에 있어서는, ff1, ff2, ω1 및 ω2 중, ff2 및 ω2만을 포함한다는 단순한 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용함으로써, 고속이고 고가인 연산 장치를 사용하지 않고, 위치 변환값을 고속으로 구하는 것이 가능하다. ff1이 1에 가까운 값을 취하는 양태의 모터 제어라면, 적절한 값의 위치 변환값을 구하는 것이 가능하다. 따라서, 구성 5에 의하면, 전술한 양태에 있어서의 위치 변환값을, 저렴한 연산 장치에 의해 적절한 값으로 구할 수 있다.
<구성 6>
구성 6의 모터 제어 방법에 있어서는, 구성 3에 있어서의 위치 제어 응답 전달 함수(Gs)로서, 상술한 수 4에 의해 나타나는 식을 사용한다.
<구성 6의 작용 효과>
구성 6에 있어서는, ff1, ff2, ω1 및 ω2 중, ff1, ω1 및 ω2만을 포함하는 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용하여, 위치 변환값을 구하는 것이 가능하다. 전술한 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)라도, ff2가 0에 가까운 값을 취하는 양태에서의 모터 제어라면, 위치 변환값을 적절한 값으로 구할 수 있다.
<구성 7>
구성 7의 모터 제어 방법에 있어서는, 구성 3에 있어서의 위치 제어 응답 전달 함수(Gs)로서, 상술한 기본식을 사용한다.
<구성 7의 작용 효과>
구성 7에 있어서는, ff1, ff2, ω1 및 ω2 모두를 포함하는 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용하여, 위치 변환값을 구한다. 구성 7에 의하면, ff1, ff2, ω1 및 ω2 모두를 포함하지 않는 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)를 사용하는 경우에 비해, 적절한 값의 위치 변환값을 고정밀도로 구할 수 있다.
<구성 8, 9>
구성 8의 모터 제어 방법은, 구성 1 내지 3의 어느 것을 구비한다. 구성 9의 모터 제어 방법은, 구성 4 내지 7의 어느 것을 구비한다. 구성 8, 9의 모터 제어 방법은, 모터(22)의 회전 위치를 검출하는 로터리 인코더(30)로부터 발신되는 위치 검출값의 이상의 유무를 검출하는 스텝(도 3의 38)을 구비한다. 또한, 구성 8, 9의 모터 제어 방법은, 위치 검출값의 이상이 검출되지 않는 경우에, 위치 명령값과 위치 검출값에 기초하는 검출 위치 피드백 제어에 의해 모터(22)를 구동하는 스텝을 구비한다. 또한, 구성 8, 9의 모터 제어 방법에서는, 위치 검출값의 이상이 검출된 경우에, 소정의 고속 각속도 영역에서는, 모터(22)에 발생하는 유기 전압에 기초하여 추정한 모터(22)의 위치 추정값(회전 위치 추정값)에 기초하는 센서리스 벡터 제어에 의해 모터(22)를 구동한다. 한편, 고속 회전 영역보다도 낮은 저속 회전 영역에서는, 오픈 루프 제어에 의해 모터(22)를 구동한다.
<구성 8, 9의 작용 효과>
구성 8에 의하면, 위치 검출값의 이상이 발생한 경우에, 검출 위치 피드백하는 피드백 제어를 행하는 경우와 동일한 거동에 의해, 모터(22)의 구동을 정지시킬 수 있다.
<구성 10>
구성 10의 모터 제어 방법은, 구성 9의 구성을 구비한다. 구성 10의 모터 제어 방법에 있어서, 검출 위치 피드백 제어 또는 센서리스 벡터 제어로부터, 오픈 루프 제어로 전환된 직후의 ω2가, 전환 직전의 검출 피드백 제어에 있어서의 위치 명령값과 위치 검출값에 기초하거나, 또는 전환 직전의 센서리스 벡터 제어에 있어서의 위치 명령값과 위치 추정값(회전 위치 추정값)에 기초하여 산출된다.
<구성 10의 작용 효과>
구성 10에 있어서는, 검출 위치 피드백 제어, 또는 센서리스 벡터 제어로부터 오픈 루프 제어로 전환하기 직전에, 위치 명령값과 위치 검출값(또는 위치 추정값)의 편차와, 위치 검출값(또는 위치 추정값)에 기초하여 추정한 속도에 기초하여 산출 ω2를 산출한다. 그리고, 산출 결과를, 전환 직후의 위치 제어 응답 전달 함수 G(s)에 있어서의 ω2로서 사용한다. 이러한 구성에 의하면, 전환 직후에 있어서의 모터의 위치나 속도의 급격한 변동의 발생을 억제할 수 있다.
<구성 11>
구성 11의 모터 구동 장치(20)는, 구성 1 내지 10의 어느 모터 제어 방법에 의해 모터(22)의 구동을 제어한다.
<구성 11의 작용 효과>
구성 11에 의하면, 구성 1 내지 10의 어느 모터 제어 방법을 사용함으로써, 제어 방식을, 검출 위치 피드백 제어, 또는 센서리스 벡터 제어로부터, 오픈 루프 제어로 전환한 때의 모터의 탈조나 진동의 발생을 억제할 수 있다.
<구성 12>
구성 12의 산업용 로봇(1)의 제어 방법은, 복수의 모터(22A, 22B)의 구동을 개별로 제어하여 산업용 로봇(1)의 암(2)의 위치를 변화시키고, 복수의 모터(22A, 22B)에 있어서의 각각의 구동을, 구성 1 내지 9의 어느 모터 제어 방법에 의해 제어한다.
<구성 13>
구성 13의 산업용 로봇(1)은, 복수의 모터(22A, 22B)의 구동을 개별로 제어하여 암(2)의 위치를 변화시키고, 복수의 모터(22A, 22B)에 있어서의 각각의 구동을, 구성 10의 모터 구동 장치(20)에 의해 제어한다.
<구성 12, 13의 작용 효과>
구성 12, 13에 있어서는, 암(2)의 구동원이 되는 복수의 모터(22A, 22B) 중, 위치 검출값의 이상이 발생한 모터의 회전 동작을 센서리스 벡터 제어 또는 오픈 루프 제어에 의해 적절하게 제어하면서, 다른 모터의 회전 동작을 검출 위치 피드백 제어에 의해 제어하여, 모든 모터(22)의 회전을 적절하게 정지시킨다. 이러한 구성에 의하면, 어느 하나의 모터(22)에 있어서 위치 검출값의 이상이 발생한 때에, 모든 모터(22)를 즉시 강제 정지시키는 것에 의한 암(2)의 부적절한 동작의 발생을 회피할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은, 실시 형태에 한정되지 않고, 그 요지의 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다. 실시 형태는, 발명의 범위 및 요지에 포함되는 동시에, 특허 청구범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.
1: 산업용 로봇
2: 암
20: 모터 구동 장치
21: 제어 모드 선택부
22: 모터
23: 위치 속도 제어부
24: 벡터 제어 DQ축 전류 명령 생성부
25: 제1 셀렉터
26: 전류 제어부
27: DQ 역변환부
28; PWM 제어부
29: 인버터
30: 로터리 인코더(회전 위치 검출기)
31: 전류 검출부
32: 제2 셀렉터
33: 벡터 제어 전기각 생성부
34: 제3 셀렉터
35: 위치 추정부
36: 오픈 루프 제어 전기각 생성부
37: 오픈 루프 제어 DQ축 전류 명령 생성부
38: 인코더 통신 이상 판정부
39: DQ 변환부
100: 상위 컨트롤러

Claims (13)

  1. 모터를 전류 인입법에 의한 오픈 루프 제어에 의해 구동하는 모터 제어 방법에 있어서,
    신호 발신 수단으로부터 발신되는 회전 위치 명령 신호와, 모터에 탑재된 회전 위치 검출기로부터 발신되는 회전 위치 신호에 기초하는 피드백 제어에 의해 모터를 구동하는 구성에 있어서의 상기 회전 위치 명령 신호에 응답한 후의 모터의 회전 위치 및 모터에 흐르게 되는 전류를 시뮬레이션하는 스텝과, 시뮬레이션에 의해 얻어진 회전 위치 시뮬레이션값에 따른 전기각을 산출하는 스텝과, 상기 전기각에 기초하여 상기 모터에 전압을 인가하는 스텝을 구비하고,
    상기 회전 위치 및 상기 전류를 시뮬레이션하는 스텝에서, 상기 회전 위치 시뮬레이션값을 상기 회전 위치 명령 신호에 추종시키도록 가상적으로 제어하는 위치 가상 제어 스텝과, 상기 전류를 시뮬레이션하는 전류 시뮬레이션 스텝을 실행하고,
    상기 위치 가상 제어 스텝에서, 상기 회전 위치 명령 신호와, 상기 전류 시뮬레이션 스텝에서 얻어진 전류 시뮬레이션값에 기초하여 모터에 대한 전압 명령값을 산출하고,
    상기 전류 시뮬레이션 스텝에서, 모터 및 부하 기계를 포함하는 기계계 및 전기계의 모델에 상기 전압 명령값을 입력하고, 상기 모델로부터 상기 회전 위치 시뮬레이션값 및 상기 전류 시뮬레이션값을 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  2. 모터를 전류 인입법에 의한 오픈 루프 제어에 의해 구동하는 모터 제어 방법에 있어서,
    신호 발신 수단으로부터 발신되는 회전 위치 명령 신호와, 모터에 탑재된 회전 위치 검출기로부터 발신되는 회전 위치 신호에 기초하는 피드백 제어에 의해 모터를 구동하는 구성에 있어서의 상기 회전 위치 명령 신호에 응답한 후의 모터의 회전 위치를 시뮬레이션하는 스텝과, 시뮬레이션에 의해 얻어진 회전 위치 시뮬레이션값에 따른 전기각을 산출하는 스텝과, 상기 전기각에 기초하여 상기 모터에 전류를 공급하는 스텝을 구비하고,
    상기 회전 위치를 시뮬레이션하는 스텝에서, 상기 회전 위치 시뮬레이션값을 상기 회전 위치 명령 신호에 추종시키도록 가상적으로 제어하는 위치 가상 제어 스텝과, 상기 회전 위치 시뮬레이션값을 얻는 시뮬레이션값 취득 스텝을 실행하고,
    상기 위치 가상 제어 스텝에서, 상기 회전 위치 명령 신호에 기초하여, 필요한 토크를 모터에 발생시키기 위한 토크 명령값을 산출하고,
    상기 시뮬레이션값 취득 스텝에서, 모터 및 부하 기기를 포함하는 기계계의 모델에 상기 토크 명령값을 입력하고, 상기 모델로부터 상기 회전 위치 시뮬레이션값을 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  3. 모터를 전류 인입법에 의한 오픈 루프 제어에 의해 구동하는 모터 제어 방법에 있어서,
    신호 발신 수단으로부터 발신되는 회전 위치 명령 신호를, 위치 제어 응답 전달 함수에 의해, 상기 회전 위치 명령 신호에 응답한 후의 모터의 회전 위치로 변환하는 스텝과, 상기 회전 위치에 따른 전기각을 산출하는 스텝과, 상기 전기각에 기초하여 상기 모터에 전압을 인가하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 위치 제어 응답 전달 함수가, 다음 식
    Figure pat00005

    에 있어서의 우변을 개변한 다음 식
    Figure pat00006

    인 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 위치 제어 응답 전달 함수가, 다음 식
    Figure pat00007

    에 있어서의 우변을 개변한 다음 식
    Figure pat00008

    인 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 위치 제어 응답 전달 함수가, 다음 식
    Figure pat00009

    에 있어서의 우변을 개변한 다음 식
    Figure pat00010

    인 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 위치 제어 응답 전달 함수가, 다음 식
    Figure pat00011

    인 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 모터의 회전 위치를 검출하는 회전 위치 검출기로부터 발신되는 회전 위치 신호의 이상의 유무를 검출하는 스텝과,
    상기 회전 위치 신호의 이상이 검출되지 않는 경우에, 신호 발신 수단으로부터 발신되는 회전 위치 명령 신호와, 상기 회전 위치 신호에 기초하는 피드백 제어에 의해 상기 모터를 구동하는 스텝과,
    상기 회전 위치 신호의 이상이 검출된 경우에, 소정의 고속 각속도 영역에서는, 상기 모터에 발생하는 유기 전압에 기초하여 추정한 상기 모터의 회전 위치 추정값에 기초하는 센서리스 벡터 제어에 의해 상기 모터를 구동하는 한편, 상기 고속 회전 영역보다도 낮은 저속 회전 영역에서는, 오픈 루프 제어에 의해 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  9. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 모터의 회전 위치를 검출하는 회전 위치 검출기로부터 발신되는 회전 위치 신호의 이상의 유무를 검출하는 스텝과,
    상기 회전 위치 신호의 이상이 검출되지 않는 경우에, 신호 발신 수단으로부터 발신되는 회전 위치 명령 신호와, 상기 회전 위치 신호에 기초하는 피드백 제어에 의해 상기 모터를 구동하는 스텝과,
    상기 회전 위치 신호의 이상이 검출된 경우에, 소정의 고속 각속도 영역에서는, 상기 모터에 발생하는 유기 전압에 기초하여 추정한 상기 모터의 회전 위치 추정값에 기초하는 센서리스 벡터 제어에 의해 상기 모터를 구동하는 한편, 상기 고속 회전 영역보다도 낮은 저속 회전 영역에서는, 오픈 루프 제어에 의해 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 피드백 제어 또는 상기 센서리스 벡터 제어로부터, 상기 오픈 루프 제어로 전환된 직후의 ω2가, 전환 직전의 상기 피드백 제어에 있어서의 상기 회전 위치 명령 신호와 상기 회전 위치 신호에 기초하여, 또는 전환 직전의 상기 센서리스 벡터 제어에 있어서의 상기 회전 위치 명령 신호와 상기 회전 위치 추정값에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
  11. 모터의 구동을 제어하는 모터 구동 장치이며,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 모터 제어 방법에 의해 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  12. 복수의 모터의 구동을 개별로 제어하여 산업용 로봇의 암의 위치를 변화시키는 산업용 로봇의 제어 방법이며,
    복수의 모터에 있어서의 각각의 구동을, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 모터 제어 방법에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 제어 방법.
  13. 복수의 모터의 구동을 개별로 제어하여 암의 위치를 변화시키는 산업용 로봇이며,
    복수의 모터에 있어서의 각각의 구동을, 제11항에 기재된 모터 구동 장치에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇.
KR1020210007883A 2020-02-04 2021-01-20 모터 제어 방법, 모터 구동 장치, 산업용 로봇의 제어 방법 및 산업용 로봇 KR102567832B1 (ko)

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