JP2018033205A - モータ制御装置、モータ制御方法及びモータ制御用プログラム - Google Patents

モータ制御装置、モータ制御方法及びモータ制御用プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】速度制御ループのゲインが変更された場合に合わせて適正な補正トルクを求める。【解決手段】速度指令を生成する速度指令部と、モータのモータ速度を検出する第一速度検出器と、被駆動部の速度を検出する第二速度検出器と、速度指令とモータ速度からトルク指令を計算する速度制御器と、モータ速度と被駆動部の速度との偏差に補正ゲインと補正フィルタを乗じて補正トルク指令を計算する補正トルク計算部と、トルク指令と補正トルク指令とを加算した値に基づいてモータのトルクを制御するトルク制御部と、モータ制御装置の動作状況に応じて速度制御器のゲインを変更し、速度制御器のゲインの変更に合わせて、補正ゲインと前記補正フィルタとの少なくとも一方を変更する設定変更部と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、モータ制御装置、モータ制御方法及びモータ制御用プログラムに関し、特に弾性変形要素を介して被駆動部と結合されたモータを制御するモータ制御装置、モータ制御方法及びモータ制御用プログラムに関する。
工作機械や産業機械等において、モータと機械とはボールネジ等の送り軸で結合する構成をとる場合、送り軸の剛性が弱いためにバネ結合の状態となっている。このバネ結合のために機械の可動部の速度とモータの速度とが一致せずにサーボ制御帯域下の低周波共振が生ずる場合がある。この低周波共振を抑制するために、特許文献１では、機械の可動部の速度を求め、この速度と、モータの回転速度を検出する速度検出器からの実速度との差に比例する値によってトルク指令値を補正する方法を記載している。
特開平３−１１０６０７号公報
工作機械の自動運転による加工動作では、切削と、送り速度が切削よりも早い早送り（位置決め）とが行われるが、切削と早送りとではモータ制御装置に求められる制御性が大きく異なる。加工品質に影響する切削は、早送りに比べ、外乱抑圧性能が求められ、速度制御器のハイゲイン化が行われることがある。
本発明は、切削と早送りのように、モータ制御装置の動作状況が変化し、それに伴って速度制御器のゲインが変更された場合に合わせて適正な補正トルクを求めることができるモータ制御装置、モータ制御方法及びモータ制御用プログラムを提供することを目的とする。
（１） 本発明に係るモータ制御装置は、機械の被駆動部と弾性変形要素を介して結合されたモータのモータ制御装置において、
速度指令を生成する速度指令部と、
前記モータのモータ速度を検出する第一速度検出器と、
前記被駆動部の速度を検出する第二速度検出器と、
前記速度指令と前記モータ速度からトルク指令を計算する速度制御器と、
前記モータ速度と前記被駆動部の速度との偏差に補正ゲインと補正フィルタを乗じて補正トルク指令を計算する補正トルク計算部と、
前記トルク指令と前記補正トルク指令とを加算した値に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御部と、
前記モータ制御装置の動作状況に応じて前記速度制御器のゲインを変更し、前記速度制御器のゲインの変更に合わせて、前記補正ゲインと前記補正フィルタとの少なくとも一方を変更する設定変更部と、
を有するモータ制御装置である。
（２） 本発明に係るモータ制御方法は、機械の被駆動部と弾性変形要素を介して結合されたモータのモータ制御装置のモータ制御方法において、
速度指令を生成し、
前記速度指令と前記被駆動部の速度との差に基づいて速度制御器によってトルク指令を計算し、
前記モータのモータ速度と、前記被駆動部の速度との偏差に補正ゲインと補正フィルタを乗じて補正トルク指令を計算し、
前記トルク指令と前記補正トルク指令とを加算した値に基づいて前記モータのトルクを制御し、
前記モータ制御装置の動作状況に応じて前記速度制御器のゲインを変更し、前記速度制御器のゲインの変更に合わせて、前記補正ゲインと前記補正フィルタとの少なくとも一方を変更する、
モータ制御方法である。
（３） 本発明に係るモータ制御用プログラムは、機械の被駆動部と弾性変形要素を介して結合されたモータのモータ制御装置としてのコンピュータに、
速度指令を生成する処理と、
前記速度指令と前記被駆動部の速度との差に基づいて速度制御器によってトルク指令を計算する処理と、
前記モータのモータ速度と、前記被駆動部の速度との偏差に補正ゲインと補正フィルタを乗じて補正トルク指令を計算する処理と、
前記トルク指令と前記補正トルク指令とを加算した値に基づいて前記モータのトルクを制御する処理と、
前記モータ制御装置の動作状況に応じて前記速度制御器のゲインを変更し、前記速度制御器のゲインの変更に合わせて、前記補正ゲインと前記補正フィルタとの少なくとも一方を変更する処理と、
を実行させるモータ制御用プログラムである。
本発明によれば、モータ制御装置の動作状況が変化し、それに伴って速度制御器のゲインが変更された場合に合わせて適正な補正トルクを求めることができる
前提技術となるモータ制御装置の構成を説明するためのブロック図である。 本発明のモータ制御装置の一実施形態の構成を説明するためのブロック図である。 ＰＩ制御器の一構成例を示すブロック図である。 モータの速度制御系のブロック図である。 本発明のモータ制御方法の一実施形態を説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
本発明の実施形態の説明に先だって、前提となる技術について説明する。
図１は前提技術となるモータ制御装置の構成を説明するためのブロック図である。
図１において、速度指令部１０から出力される速度指令は速度制御器２０に入力され、速度制御器２０は、入力された速度指令と、入力されたモータ５０のモータ速度（モータの回転の速度）とを用いてトルク指令を生成してトルク制御部３０に出力する。トルク制御部３０はトルク指令と補正トルク計算部８０からの補正トルク指令との加算値に基づいてモータ５０の回転を制御する。モータ５０の回転速度はパルスコーダ等の速度検出器４０により検出されて速度制御器２０に出力される。モータ５０はボールネジ等の送り軸で機械の被駆動部６０に結合されており、ボールネジ等の送り軸でモータ５０の回転運動が被駆動部６０の直線運動に変換される。被駆動部６０の速度（被駆動部速度）は速度検出器７０で検出され、被駆動部６０の速度と、速度検出器４０により検出される速度との差がねじれ速度として補正トルク計算部８０に入力される。補正トルク計算部８０はこの差に基づいて補正トルクを計算する。
既に説明したように、工作機械の自動運転による加工動作では、切削と、送り速度が切削よりも早い早送り（位置決め）とが行われ、切削と早送りとではモータ制御装置に求められる制御性が大きく異なる。加工品質に影響する切削は、早送りに比べ、外乱抑圧性能が求められ、速度制御器のハイゲイン化が行われる。
本発明のモータ制御装置及びモータ制御方法の実施形態は、切削と早送りのようなモータ制御装置の動作状況に応じて、速度制御器のゲインと補正トルク計算部の設定を変更するものである。
以下、図２〜図５を用いて本発明の実施形態について説明する。
図２は本発明のモータ制御装置の一実施形態の構成を説明するためのブロック図である。図１に示したモータ制御装置と同一構成部材については同一符号を付して説明を省略する。本実施形態のモータ制御装置が適用される機械は、レーザー加工機、放電加工機、切削加工機等の工作機械、ロボット等の産業機械等である。
図２においては、図１に示した速度制御器２０として、速度指令部１０からの速度指令と、速度検出器４０からのモータ速度との差を求める減算器２０１、及び減算器２０１からの速度偏差が入力される、比例ゲインKp、積分ゲインKiの比例・積分（PI）制御(Kp＋Ki/s)のフィードバック制御器（以下、ＰＩ制御器という）２０２を備えている。また図２においては、図１に示した補正トルク計算部８０として補正フィルタ８０１、及び補正ゲイン８０２を備えている。補正フィルタ８０１は、1次ローパスフィルタなどで構成することができる。バンドパスフィルタや高次のローパスフィルタなどを追加あるいは代替も可能である。補正フィルタを設ける目的は、振動抑制を意図する周波数の振動を抽出し、高周波の共振成分による不安定化を避けることにある。
図２に示すモータ制御装置は、さらに、ＰＩ制御器２０２のゲインを変更し、その変更に合わせて、補正トルク計算部８０の補正ゲイン８０２のゲイン、補正フィルタ８０２の少なくとも一方を変更する設定変更部９０を備えている。ＰＩ制御器２０２の代わりに、比例（P）制御器、又は比例・積分・微分（PID）制御器を用いても良い。
図３はＰＩ制御器の一構成例を示すブロック図である。図３に示すように、ＰＩ制御器２０２は減算器２０１からの速度偏差がそれぞれ入力される、比例ゲイン２００１、積分ゲイン２００２を有し、さらに積分ゲイン２００２と接続される積分器２００３、及び比例ゲイン２００１の出力と積分器２００３の出力とを加算する加算器２００４を備えている。積分ゲイン２００２と積分器２００３との配置順は逆でもよい。
今、ＰＩ制御器２０２のゲインうち、比例ゲインがAp倍、積分ゲインがAi倍されることを考える。
ゲイン変更前のＰＩ制御器２０２のゲインＣ1(s)は、以下の数式１（以下、数１として示す）で表される。
Figure 2018033205
 ゲイン変更後のＰＩ制御器２０２のゲインＣ2(s)は、以下の数式２（以下、数２として示す）で表される。
Figure 2018033205
 ＰＩ制御器２０２の伝達特性は、数式３（以下、数３として示す）で示すＦ(s)倍されることになる。
Figure 2018033205
図１及び図２に示す補正トルクは、モータの速度制御系にとってはトルク端外乱とみなせる。図４はモータの速度制御系のブロック図である。
図４において、速度指令ｒと制御量（出力）となるモータ速度ｙとの差が、ゲインＣの制御器に入力され、トルク指令に対応する制御入力ｕに補正トルクに対応する外乱ｄが加えられて制御対象Ｐとなるモータに入力される。制御対象Ｐからはモータ速度ｙが出力される。
補正トルクに対応する外乱ｄがモータ速度yに与える影響は、
Figure 2018033205
 で示される。
ここで、Ｐは制御対象（Plant）を表す。図４は一般化した制御ブロック図であるが、図１から図３で記載した速度制御系との関連で言及すれば、Ｐはモータ５０、ボールネジ６０、被駆動部７０を含んだ機械の、モータトルクからモータ速度までの伝達特性を表す。Ｐはラプラス演算子sの関数P(s)であるが、引数を略記している。
数４は以下のように導かれる。
図４のブロック図では、
Figure 2018033205
 が成り立つ。数展開して、
Figure 2018033205
 となり、移項して
Figure 2018033205
 となる。さらに、数７に(1+PC)-1（0でない式）を掛けて、
Figure 2018033205
 となる。指令rから出力yまでの伝達特性と、外乱dから出力yまでの伝達特性は線形であって、各々独立に議論することが可能なので、一般に外乱特性を議論する場合、数８でr=0と置いて、数４の形で外乱dが出力yに与える影響を論じることができる。
図２のモータ制御装置に対応させると、補正トルク計算部８０の補正ゲイン及び補正フィルタを速度制御器２０２のゲインC1(s)にあわせて調整した場合、速度制御器２０２のゲインC2(s)に変更されることで、ｙ／ｄは、
Figure 2018033205
 に変更される。
よって、ｙ／ｄは、数式６（数６として示す）で示す倍率に変更されることになる。
Figure 2018033205
もともと、補正トルクはサーボ制御帯域下の振動抑制を意図したものであったため、１＜＜ＰＣが成り立つので、上記数式６は１／Ｆ(S)となる。
よって、速度制御器のゲインをC1(s)からC2(s)に変更することで、補正トルクは、1/F(s)倍されることになる。
この理由により、
（１） 速度制御ゲインの低い早送り時にあわせて補正ゲインを調整すると、速度制御ゲインの高い切削時に補正トルクが不足し、十分な振動抑制能力が発揮できない。
（２） 速度制御ゲインの高い切削時にあわせて補正ゲインを調整すると、速度制御ゲインの低い早送り時に補正トルクが過大となり、制御系が不安定化する。
といった問題が発生し得る。
そこで、本実施形態では図２に示すように、設定変更部９０が、切削と早送りのようなモータ制御装置の動作状況を示す信号に応じてＰＩ制御器２０２のゲインを変更し、その変更に合わせて、補正トルク計算部８０の補正ゲイン８０２のゲイン、補正フィルタ８０２の少なくとも一方を変更する。設定変更部９０は、速度指令部１０から速度指令に基づいて切削と早送りのようなモータ制御装置の動作状況を判断して、補正トルク計算部８０の補正ゲイン８０２のゲイン、補正フィルタ８０２の少なくとも一方を変更してもよい。
補正ゲイン８０２のゲインを変更する場合の一例として、ＰＩ制御器２０２の伝達特性をF(s)倍したとき、補正トルク計算部８０の補正フィルタ８０１をF(s)倍する。F(s)倍するのは、補正トルク計算部80全体の伝達特性がF(s)倍されればよく、これを実現するため、ここでは補正フィルタをF(s)倍しているが、補正ゲイン８０２をF(s)倍してもよい。補正フィルタをF(s)倍する場合、例えば、もともとの補正フィルタがG(s)で表現される場合には、設定変更部により補正フィルタ801がG(s)*F(s)の伝達関数となる。
また、補正トルクはもともと低周波振動を抑制するためのねじれ速度から計算されるものであった。よって、その波形は正弦波状であり、振動周波数成分のみが重要である。そこで、補正トルク計算部８０の補正ゲイン８０２を、ＰＩ制御器２０２のゲイン変更倍率F(s)のうち、振動角周波数ωに相当する値|F(jω)|倍することで、同等の振動抑制能力を確保しうる。この場合、補正フィルタの追加による計算量の増加を気にする必要はなくなる。
また、切削と早送りにおけるＰＩ制御器２０２の補正ゲイン８０２のゲイン変更は簡素でも良い。例えば、比例ゲイン、積分ゲインの両方が定数A倍されるとき、補正トルク計算部８０の補正ゲイン８０２のゲイン倍率も定数A倍となり、補正フィルタ８０１の倍率F(s)の計算をする必要がなくなる。
ここまでは、切削と早送りの両者で振動抑制能力を最大にする構成について説明してきた。ところで、切削面に影響を与えない早送り時においては、振動抑制能力はさほど重要ではない。そこで、速度制御ゲインの低い早送り時に限っては、補正トルクをOFFすることも考えられる。早送り時の振動抑制をOFFし、補正ゲインを低減する（好ましくは補正ゲインを０とする）ことで、サーボ調整の簡単化に繋げられる。
図５は本発明のモータ制御方法の一実施形態を説明するためのフローチャートである。図５に示すように、ステップＳ１０１で速度指令部が速度指令を生成し、ステップ１０２でモータ制御装置の動作状況に応じて速度制御器のゲインの設定及び補正トルク計算部の設定を変更する。例えば、切削と早送りのような速度指令の速度の違いに基づいて速度制御器のゲインの設定、及び補正トルク計算部の補正ゲインと補正フィルタとの少なくとも一方の設定を変更する。次に、ステップＳ１０３で速度検出部がモータの速度を検出し、ステップ１０４で速度制御器が速度指令とモータ速度とに基づいてトルク指令を生成する。そして、ステップＳ１０５でトルク制御部がトルク指令と補正トルク指令とを加算し、その加算値に基づいてモータを制御する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、モータ制御装置はその機能の全部又は一部をハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。ハードウェアで構成する場合、モータ制御装置の一部又は全部を、例えば、ＬＳＩ(Large Scale Integrated circuit)、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ゲートアレイ、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)等の集積回路（ＩＣ）で構成することができる。
ソフトウェアによって実現する場合、モータ制御装置の一部又は全部を、ＣＰＵとプログラムを記憶したハードディスク、ＲＯＭ等の記憶部とを含むコンピュータで構成して、図２のブロック図及び図５のフローチャートに沿ったプログラムに従い、演算に必要な情報をＲＡＭ等の第２の記憶部に記憶し、処理を実行することでサーボモータ制御装置の一部又は全部の動作をプログラムで実行ことができる。プログラムは、プログラムが記録されたＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の外部記憶媒体からハードディスク等の記憶部に読み込むことができる。
１０ 速度指令部
２０ 速度制御部
３０ トルク制御部
４０ 速度検出器
５０ モータ
６０ 機械の被駆動部
７０ 速度検出器
８０ 補正トルク計算部
９０ 設定変更部
２０１ 減算器
２０２ ＰＩ制御器
８０１ 補正フィルタ
８０２ 補正ゲイン

Claims (13)

  1. 機械の被駆動部と弾性変形要素を介して結合されたモータのモータ制御装置において、
    速度指令を生成する速度指令部と、
    前記モータのモータ速度を検出する第一速度検出器と、
    前記被駆動部の速度を検出する第二速度検出器と、
    前記速度指令と前記モータ速度からトルク指令を計算する速度制御器と、
    前記モータ速度と前記被駆動部の速度との偏差に補正ゲインと補正フィルタを乗じて補正トルク指令を計算する補正トルク計算部と、
    前記トルク指令と前記補正トルク指令とを加算した値に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御部と、
    前記モータ制御装置の動作状況に応じて前記速度制御器のゲインを変更し、前記速度制御器のゲインの変更に合わせて、前記補正ゲインと前記補正フィルタとの少なくとも一方を変更する設定変更部と、
    を有するモータ制御装置。
  2. 前記設定変更部は、前記モータ制御装置の動作状況に応じて行う前記速度制御器のゲインの変更により前記速度制御器の伝達特性をF(s)倍し、前記補正トルク計算部の前記補正フィルタをF(s)倍することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 前記速度制御器は、前記モータ制御装置の動作状況に応じて行うゲインの変更により伝達特性がF(s)倍され、
    前記補正トルク計算部は、あらかじめ指定された角周波数ωにより、補正ゲインを|F(jω)|倍すること
    を特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
  4. 前記速度制御器の伝達特性の変化F(s)が定数Aであること
    を特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
  5. 前記補正トルク計算部は、前記モータ制御装置の動作状況に応じて前記速度制御器のゲインを小さく変更させたときに、前記補正ゲインを低減すること
    を特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
  6. 前記モータ制御装置の動作状況は、前記被駆動部の切削と早送りのいずれかである請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
  7. 機械の被駆動部と弾性変形要素を介して結合されたモータのモータ制御装置のモータ制御方法において、
    速度指令を生成し、
    前記速度指令と前記被駆動部の速度との差に基づいて速度制御器によってトルク指令を計算し、
    前記モータのモータ速度と、前記被駆動部の速度との偏差に補正ゲインと補正フィルタを乗じて補正トルク指令を計算し、
    前記トルク指令と前記補正トルク指令とを加算した値に基づいて前記モータのトルクを制御し、
    前記モータ制御装置の動作状況に応じて前記速度制御器のゲインを変更し、前記速度制御器のゲインの変更に合わせて、前記補正ゲインと前記補正フィルタとの少なくとも一方を変更する、
    モータ制御方法。
  8. 前記モータ制御装置の動作状況に応じて行う前記速度制御器のゲインの変更により前記速度制御器の伝達特性をF(s)倍し、前記補正フィルタをF(s)倍することを特徴とする請求項７に記載のモータ制御方法。
  9. 前記速度制御器は、前記モータ制御装置の動作状況に応じて行うゲインの変更により伝達特性がF(s)倍され、
    前記補正ゲインは、あらかじめ指定された角周波数ωにより|F(jω)|倍されること
    を特徴とする請求項７に記載のモータ制御方法。
  10. 前記速度制御器の伝達特性の変化F(s)が定数Aであること
    を特徴とする請求項９に記載のモータ制御方法。
  11. 前記モータ制御装置の動作状況に応じて前記速度制御器のゲインを小さく変更させたときに、前記補正ゲインを低減すること
    を特徴とする請求項７に記載のモータ制御方法。
  12. 前記モータ制御装置の動作状況は、前記被駆動部の切削と早送りのいずれかである請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載のモータ制御方法。
  13. 機械の被駆動部と弾性変形要素を介して結合されたモータのモータ制御装置としてのコンピュータに、
    速度指令を生成する処理と、
    前記速度指令と前記被駆動部の速度との差に基づいて速度制御器によってトルク指令を計算する処理と、
    前記モータのモータ速度と、前記被駆動部の速度との偏差に補正ゲインと補正フィルタを乗じて補正トルク指令を計算する処理と、
    前記トルク指令と前記補正トルク指令とを加算した値に基づいて前記モータのトルクを制御する処理と、
    前記モータ制御装置の動作状況に応じて前記速度制御器のゲインを変更し、前記速度制御器のゲインの変更に合わせて、前記補正ゲインと前記補正フィルタとの少なくとも一方を変更する処理と、
    を実行させるモータ制御用プログラム。
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