JP2009159774A - モータ制御装置とその制御方法とその適用機械システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で複数の振動を抑制することができるモータ制御装置とその制御方法とその適用機械システムを提供する。
【解決手段】位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部（１）と、速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部（２）と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部（３）と、を備え、１〜Ｍ次の振動モードをもつＮ個のリンクからなる機械を駆動するモータ制御装置において、Ｎ個のリンクの先端または振動節部に取り付けられたＮ個の加速度センサの加速度信号に係数を乗じて第１補正信号を生成するＮ個の係数部（６）と、第１補正信号を位相補正して第２補正信号を生成するＮ個の位相補正部（７）と、第２補正信号を速度指令から減算し新たな速度指令を生成する加減算部（５）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、共振特性を有する機械を駆動するモータ制御装置とその制御方法をその適用機械システムに関する。

従来の加速度フィードバックによる振動抑制制御は、単一の周波数で機械が振動していることを前提として制御を構築している（例えば、特許文献１参照）。
例えば、図３のような一軸スライダの可動テーブルから横方向に片持ち構造のアームをのばす機構がある。片持ちアームの先端に直接上向き（または下向き）にグリッパ等のエンドエフェクタを取り付けてワークを把持し搬送する機械では、片持ちアームの剛性が低くなるため、主として単一周波数の振動が発生する。
エンドエフェクタ付近でアームの移動方向に加速度ピックアップを取り付けて、アームの振動を検出し、電動機制御装置の速度指令に前記振動加速度の信号をフィードバックすることで、アームの振動を低減できることが古くから知られている。例えば、複数の機械間でワークを搬送する場合、取り付けスペースを削減する目的で前記一軸スライダを高所（機械の上方で、例えば天井付近）に設置する場合がある。この場合は、図４のように水平の片持ちアーム１に、さらに鉛直方向に片持ちアーム２を取り付けて、その下端にエンドエフェクタを取り付けることになる。この場合、一軸スライダの取り付け位置が高いため、片持ちアーム２がアーム１よりも極端に長くなることが多い。アーム１が短く剛性が高い場合は、アーム２の振動のみとなるので、アーム２の下端に加速度センサを取り付け、移動方向の振動を検出して、前述の電動機制御系の速度指令にフィードバックする従来技術が適用できる。

しかしながら、実際は、コストダウン要求によりアーム１の剛性が低くなることが多く、また、アーム１は短くできないことが多い。このため、アーム１の固有振動を無視できなくなる。例えば、アーム２の固有振動数は3〜5Hzと非常に低く、アーム１も10〜15Hzと低いが、アーム２よりも高い。従って、アームをゆっくり動かせば、アーム１の振動の問題はでない。しかし、図４のような機械には、安価であると同時に高タクトタイムが求められる。この場合、機械剛性はそのままで動作のみ高速化することが多く、アーム１の振動抑制も行う必要がある。
特開平１０−１０００８５

従来の加速度フィードバックによる振動抑制方法では、単一の周波数で機械が振動していることを前提として、最大振幅が発生している箇所にセンサを取り付け、センサからの信号を制御ループにフィードバックして振動を抑制するという手順をとっているので、複数の振動が発生した場合には、加速度センサが複数の振動成分を検出するので、想定していなかった振動は抑制できないという問題があった。場合によっては想定していなかった周波数で制御ループがかえって発振するという問題もあった。
また、発生した周波数によっては、位相が逆になる場合もある。この場合、振動に対して、各々逆向きのフィードバックを行わないと、どちらかの振動に対してはポジティブフィードバックとなるため、振動が大きくなってしまう。すなわち、位相が逆の振動が複数発生した場合、1箇所だけの加速度検出では、振動を抑制することができない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で複数の振動を抑制することができるモータ制御装置とその制御方法とその適用機械システムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１記載の発明は、位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、１〜Ｍ次の振動モードをもつＮ個のリンクからなる機械を駆動するモータ制御装置において、前記Ｎ個のリンクの先端または振動節部に取り付けられたＮ個の加速度センサの加速度信号に係数を乗じて第１補正信号を生成するＮ個の係数部と、前記第１補正信号を位相補正して第２補正信号を生成するＮ個の位相補正部と、前記第２補正信号を前記速度指令から減算し新たな速度指令を生成する加減算部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記Ｍは１であることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記Ｎは２であることを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、直列に接続され１〜Ｍ次の振動モードをもつＮ個のリンクを駆動するモータ制御装置の制御方法において、前記Ｎ個のリンクの先端または振動節部に取り付けられたＮ個の加速度センサの加速度信号に係数を乗じて第１補正信号を生成するステップと、前記第１補正信号を位相補正して第２補正信号を生成するステップと、前記第２補正信号を前記速度指令から減算し新たな速度指令を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項４記載のモータ制御装置の制御方法において、前記Ｍは１であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４記載のモータ制御装置の制御方法において、前記Ｎは２であることを特徴とするものである。

請求項７記載の発明は、位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備えるモータ制御装置と、前記モータ制御装置に駆動されるモータと、前記モータに駆動され直列に接続され１〜Ｍ次の振動モードをもつＮ個のリンクと、からなる機械システムにおいて、前記Ｎ個のリンクの先端または振動節部に取り付けられたＮ個の加速度センサと、を備え、前記モータ制御装置は、前記加速度信号に係数を乗じて第１補正信号を生成するＮ個の係数部と、前記第１補正信号の位相を補正して第２補正信号を生成する位相補正部と、前記第１補正信号を前記速度指令に加算し新たな速度指令を生成する加算部と、を備えることを特徴とするものである。

請求項１乃至３に記載の発明によると、Ｎ個直列に接続された１〜Ｍ次の振動モードを持つリンクのすべての振動を抑制するモータ制御装置を提供することができる。
請求項４乃至６に記載の発明によると、Ｎ個直列に接続された１〜Ｍ次の振動モードを持つリンクのすべての振動を抑制するモータ制御装置の制御方法を提供することができる。
請求項７に記載の発明によると、直列に接続された１〜Ｍ次の振動モードを持つリンクのすべての振動を抑制する機械システムを提供できる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の機械システムとモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１は位置制御部、２は速度制御部、３はモータ駆動部、４はモータ速度生成部、５は加減算部、６は係数部、７は位相補正部、８はモータ、９は位置検出器、１０は機械、１１は加速度センサ、５０はモータ制御装置である。
次に動作について説明する。位置制御部１は位置指令とモータ位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成し、速度制御部２は速度指令とモータ速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成し、モータ駆動部３はトルク指令に基づいてモータ８を駆動し、モータ８は機械１０を駆動する。位置検出器９はモータ８に結合されモータ位置を生成する。モータ速度生成部４はモータ位置の時間差分を演算しモータ速度を生成する。機械１０は２個のリンクで構成され、リンクはアームをジョイント接続して構成される。加速度センサ１１は２個のアームの先端または振動部に取り付られ２個のアーム先端の加速度信号を生成する。係数部６は２個の加速度信号に係数を乗算し２個の第１補正信号を生成する。位相補正部７は、２個の第１補正信号の位相を補正し２個の第２補正信号を生成する。加減算部５は２個の第２補正信号を速度指令から減算する。

図２は２個の弾性アームで構成されたリンクをボールねじで駆動する機械の例である。
この機械のシミュレーションによる動作波形を図５〜図７に示す。動作指令の加減速度を変えて動作させると、図２の第１弾性アーム２４の先端で発生する振動は、図５の実線の波形と破線の波形となる。図中の実線は高加減速度で動作させた場合の波形であり、破線は低加減速度で動作させた場合の波形である。図６の実線は、図５の低加減速度で動作させた場合と同条件で第１弾性アーム２４の先端にのみ第１加速度センサ２６を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をした場合の波形である（従来技術）。一方、図６の破線は、図５の低加減速度で動作させた場合と同条件で第１加速度センサ２６に加えて第２弾性アーム２５の先端に第２加速度センサ２７を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をした場合の波形である（本発明）。また、図７の実線は、図５の高加減速度で動作させた場合と同条件で第１弾性アーム２４先端にのみ加速度センサ２６を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をした場合の波形である（従来技術）。一方、図７の破線は、図中の低加減速度で動作させた場合と同条件で第１加速度センサに加えて第２弾性アーム２５の先端に第２加速度センサ２７を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をした場合の波形である（本発明）。

従来技術ではエンドエフェクタ４０を、低加減速度で動作させる場合には、図５の破線のように低周波数の振動のみが発生する。従って、低周波数の振動を抑制すると図６の実線／破線ともエンドエフェクタ４０は振動することなく動作する（本発明）。しかし、高タクトタイム化するために、動作指令を高加減速度とすると、低周波数の振動が発生する。低周波数の振動に対して加速度フィードバックによる振動抑制を行うと、図７の実線のように高周波数の振動が発生する。また、図示しないが、低周波数の振動を抑制するために加速度信号に乗算する係数を大きくした場合でも、高周波数の振動を誘起することがある。従来の手法では、動作指令の加減速度を下げるしかない。
一方、本発明は高周波数の振動が発生した箇所（図２の第２弾性アーム２５）先端に加速度センサ２７を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をすることにより、図７の破線のように高周波数の振動も抑制することができる。そのため、従来技術と比較して高加減速度の動作指令でもエンドエフェクタ４０が振動することなく動作させることができるため、高タクトタイム化を実現することができる。

図５のシミュレーションによる動作波形より、元々エンドエフェクタ４０の振動が収束するまで1秒以上かかっていた。低い指令加減速度に対しては、第１弾性アームだけでも加速度フィードバックを行うとエンドエフェクタ４０の振動は９００ｍｓ程度で目標値の１％以内に収束する（図６）。さらに、第２弾性アームに加速度フィードバックを行うと、高い指令加減速度に対して、第１弾性アームの加速度フィードバックのみの約９００ｍｓに対して、４５０ｍｓと１／２の時間で目標値の１％以内に収束している。
また、第１弾性アームと第２弾性アームに発生する振動の周波数によっては、位相が逆になる場合もある。この場合、第１弾性アームと第２弾性アームの振動に対して、各々逆向きの補正を行わないと、どちらかの振動に対してはポジティブフィードバックとなるため、振動が大きくなってしまう。すなわち、位相が逆の振動が複数発生した場合、1箇所だけの加速度検出では、振動を抑制することができない。
一方、本発明のように複数の加速度センサを用いて、ポジティブフィードバックにならないように複数の加速度信号の位相を補正して発生した振動をすべて抑制することができる。

図８は弾性体となり得るリンクは１箇所だが、振動モードとして１次と２次が問題になる機械の例である。動作指令の加減速度を変えて動作させると、図８の弾性アーム３３で発生する振動は、図９中の実線の波形と破線の波形となる（シミュレーションによる動作波形）。各加速度センサの出力に係数をかけて速度制御部にフィードバックした場合のシミュレーションによる動作波形を図９〜図１１に示す。図の実線は高加減速度で動作させた場合の波形であり、破線は低加減速度で動作させた場合の波形である。
図１０の実線は、図９の低加減速度で動作させた場合と同条件で弾性アーム３３の先端にのみ第１加速度センサ３５を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をした場合の波形である（従来技術）。一方、図１０の破線は、図９の低加減速度で動作させた場合と同条件で第１加速度センサに加えて弾性アーム３３の中程（２次モードの腹）に第２加速度センサ３６を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をした場合の波形である（本発明）。また、図１１の実線は、図９の高加減速度で動作させた場合と同条件で弾性アーム３３の先端にのみ第１加速度センサ３５を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をした場合の波形である（従来技術）。一方、図１１の破線は、図９の低加減速度で動作させた場合と同条件で第１加速度センサに加えて弾性アーム３３の中程（２次モードの腹）に第２加速度センサ３６を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をした場合の波形である（本発明）。

図８のエンドエフェクタ４０を、低加減速度で動作させる場合には、図９の破線のように低周波数（約６Ｈｚ）の振動のみが発生する。従って、低周波数の振動を抑制すると図１０の実線／破線ともエンドエフェクタは振動することなく動作する。しかし、高タクトタイム化するために、動作指令を高加減速度とすると、低周波数の振動が大きくなる。低周波数の振動に対して加速度フィードバックによる振動抑制を行うと、図１１の実線のように高周波数の振動（約１２Ｈｚ）が発生する。また、図示しないが、低周波数の振動を抑制するために加速度補正を大きくした場合でも、高周波数の振動を誘起することがある。従来の手法では、動作指令の加減速度を下げるしかない。
一方、本発明では高周波数の振動が発生した箇所（図８中の弾性アーム１５中程（２次モードの腹））に第２加速度センサ３６を取付け、加速度信号に係数を乗算し位相補正をすることにより、図１１の破線のように高周波数（約１２Ｈｚ）の振動も抑制することができる。そのため、従来の手法と比較して高加減速度の動作指令でもエンドエフェクタ４０が振動することなく動作させることができるため、高タクトタイム化を実現することができる。
例えば、図９のシミュレーションによる動作波形より、元々エンドエフェクタ４０の振動が収束するまで１秒以上かかっていた。低い指令加減速度に対しては、図８の第１加速度センサだけによるだけでも加速度フィードバックを行うとエンドエフェクタ４０の振動は９００ｍｓ程度で目標値の１％以内に収束する（図１０）。さらに、図８の第１加速度センサに加えて第２の加速度センサによる加速度フィードバックも行うと、高い指令加減速度に対して、第１の加速度センサによる加速度フィードバックのみの９００ｍｓに対して、４００ｍｓと１／２の時間で目標値の１％以内に収束している。
また、弾性アームに発生する振動モードによっては、位相が逆になる場合もある。この場合、各振動モードに対して、各々逆向きのフィードバックを行わないと、どちらかの振動に対してはポジティブフィードバックとなるため、振動が大きくなってしまう。すなわち、位相が逆の振動が複数発生した場合、1箇所だけの加速度検出では、振動を抑制することができない。一方、本発明のように複数の加速度センサを用いて、ポジティブフィードバックにならないように複数の加速度信号の位相を補正して発生した振動をすべて抑制することができる。

図１２は本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャートである。図１２において、ステップＳＴ１では２個のリンクの先端に取り付けられた２個の加速度センサの加速度信号に係数を乗じて第１補正信号を生成し、ステップＳＴ２では第１補正信号を位相補正して第２補正信号を生成し、ステップＳＴ３では第２補正信号を速度指令から減算し新たな速度指令を生成する。

図１中の機械１０をＮ個のリンクに拡張し、各リンクはアームをジョイント接続して構成される。図１３において加速度センサ１１もＮ個のアームの先端または振動部に取り付けられ、Ｎ個のアーム先端の加速度信号を生成する。位相補正部７は、Ｎ個の第１補正信号の位相を補正しＮ個の第２位相補正信号を生成する。加減算部５はＮ個の第２補正信号を速度指令から減算する。
第Ｎリンクと第Ｎ−１リンク間の動作はＮ＝２の場合と同等なので、実施例１より演繹的にＮ個の周波数全ての振動を抑制することができる。

図８中の弾性アーム３３で発生する振動モードがＮ次まで存在する場合、各振動モードの腹にＮ個の加速度センサを取り付け、図１３に示すように各加速度信号に係数を乗算し、位相補正をすることにより、実施例２より演繹的にＮ個の周波数全ての振動を抑制することができる。
図１４は本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャートである。図１４において、ステップＳＴ１ではＮ個のリンクの先端に取り付けられたＮ個の加速度センサの加速度信号に係数を乗じて第１補正信号を生成し、ステップＳＴ２では第１補正信号を位相補正して第２補正信号を生成し、ステップＳＴ３では第２補正信号を速度指令から減算し新たな速度指令を生成する。

本発明は片持ち梁の構造をもつ機械に適用ができる。クレーンのワイヤー部分も長さによって複数次の振動モードが発生する。ワイヤーに一定間隔に加速度センサを取り付けておけば、実施例２と同じモデルと考えることが可能であるため、クレーンの振動抑制という用途にも適用できる。

本発明の機械システムとモータ制御装置の構成を示すブロック図 本発明の第１の機械構成を示す概略図 従来例の機械モデルを説明する図 本発明の第１の機械モデルを説明する図 本発明を適用しない場合の第１の機械構成のエンドエフェクタの位置を示す図 本発明を実施して低い指令加減速度で動作させた場合の第１の機械構成のエンドエフェクタの位置を示す図 本発明を実施して高い指令加減速度で動作させた場合の第１の機械構成のエンドエフェクタの位置を示す図 本発明の第２の機械構成を示す概略図 本発明を実施しない場合の第２の機械構成のエンドエフェクタの位置を示す図 本発明を実施して低い指令加減速度で動作させた場合の第２の機械構成のエンドエフェクタの位置を示す図 本発明を実施して高い指令加減速度で動作させた場合の第２の機械構成のエンドエフェクタの位置を示す図 本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャート 本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図 本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャート

符号の説明

１ 位置制御部
２ 速度制御部
３ モータ駆動部
４ モータ速度生成部
５ 加減算部
６ 係数部
７ 位相補正部
８ モータ
９ 位置検出器
１０ 機械
１１ 加速度センサ
２２ 機械駆動要素
２３ 可動テーブル
２４ 第１弾性アーム
２５ 第２弾性アーム
２６ 第１加速度センサ
２７ 第２過速度センサ
４０ エンドエフェクタ
５０ モータ制御装置

Claims (7)

1. 位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、１〜Ｍ次の振動モードをもつＮ個のリンクからなる機械を駆動するモータ制御装置において、
   前記Ｎ個のリンクの先端または振動節部に取り付けられたＮ個の加速度センサの加速度信号に係数を乗じて第１補正信号を生成するＮ個の係数部と、
   前記第１補正信号を位相補正して第２補正信号を生成するＮ個の位相補正部と、
   前記第２補正信号を前記速度指令から減算し新たな速度指令を生成する加減算部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記Ｍは１であることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記Ｎは２であることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
4. 位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、直列に接続され１〜Ｍ次の振動モードをもつＮ個のリンクを駆動するモータ制御装置の制御方法において、
   前記Ｎ個のリンクの先端または振動節部に取り付けられたＮ個の加速度センサの加速度信号に係数を乗じて第１補正信号を生成するステップと、
   前記第１補正信号を位相補正して第２補正信号を生成するステップと、
   前記第２補正信号を前記速度指令から減算し新たな速度指令を生成するステップと、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置の制御方法。
5. 前記Ｍは１であることを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置の制御方法。
6. 前記Ｎは２であることを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置の制御方法。
7. 位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備えるモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置に駆動されるモータと、
   前記モータに駆動され直列に接続され１〜Ｍ次の振動モードをもつＮ個のリンクと、
   からなる機械システムにおいて、
   前記Ｎ個のリンクの先端または振動節部に取り付けられたＮ個の加速度センサと、を備え、
   前記モータ制御装置は、前記加速度信号にゲインを乗じて第１補正信号を生成するＮ個の係数部と、前記第１補正信号の位相を補正して第２補正信号を生成する位相補正部と、前記第１補正信号を前記速度指令に加算し新たな速度指令を生成する加算部と、
   を備えることを特徴とする機械システム。

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