JP4922954B2

JP4922954B2 - 位置制御装置

Info

Publication number: JP4922954B2
Application number: JP2008012677A
Authority: JP
Inventors: 章人片岡
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: JP2009175946A

Description

本発明は、位置指令と検出位置との位置偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令を算出する位置制御と、速度指令と検出速度との差分値である速度偏差を求めた後に当該速度偏差と速度ループ比例ゲインとの乗算値および当該速度偏差と速度ループ積分ゲインとの乗算値を加算してトルク指令を算出する速度制御と、を行なってサーボモータを制御することで該サーボモータによりボールネジを介して駆動される制御対象の位置を制御する位置制御装置に関する。

図５は、従来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。位置指令演算器１からの位置指令Ｐｃとモータ１０に取り付けられたモータ位置検出器１３からのモータ位置検出値Ｐｍとの偏差（Ｐｃ−Ｐｍ）を減算器２が算出し、位置偏差演算器３が前記位置偏差に位置ループゲインＫｐを乗じて速度指令Ｖｃを出力する。一方、モータ１０に取り付けられたモータ位置検出器１３からのモータ位置検出値Ｐｍを微分器１５が微分し、モータ速度検出値Ｖｍを出力する。速度指令Ｖｃとモータ速度検出値Ｖｍとの偏差（Ｖｃ−Ｖｍ）を減算器４が算出し、速度偏差演算部５へ出力する。速度偏差演算部５において、速度偏差比例成分演算器６が前記速度偏差と速度ループ比例ゲインＰｖとに基づいて速度偏差比例成分を出力する。同時に、速度偏差積分成分演算器７が前記速度偏差と速度ループ積分ゲインＩｖとに基づいて速度偏差積分成分を出力する。前記速度偏差比例成分と前記速度偏差積分成分との和を加算器８が算出し、トルク指令値Ｔｃを出力する。インバータ９は、トルク指令値Ｔｃに従った電流をサーボモータ１０に供給することによって、ボールネジ１１を介して駆動される制御対象１２の位置を制御する。

大型のマシニングセンタ等では、一般的にサーボモータと制御対象との間の機械的な剛性が低く、制御対象が振動しやすいため、ゲインを大きくすることができない。その結果として、制御対象の移動の追従誤差が発生し、加工精度が低下するという問題がある。

機械的な剛性が低いことに起因した追従誤差を補正する技術として、次のような技術が知られている。まず、位置指令の加速度にボールネジ駆動系の剛性の逆数および負荷側慣性モーメントを乗じて撓み補償量を算出する。続いて、撓み補償量を微分して撓み速度補償量を算出する。さらに、この撓み速度補償量を微分して、撓みトルク補償量を算出する。そして、算出された撓み補償量、撓み速度補償量、撓みトルク補償量を、それぞれ、位置指令値、速度指令値、トルク指令値に加算することによって、ボールネジ駆動系の撓み補償を行なう方法が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

また、他の技術として、次のような技術も知られている。まず、位置指令の速度に比例したオフセット量と位置指令の加速度に比例したオフセット量とを加算した速度オフセット量を算出する。次に、この速度オフセット量を微分してトルクオフセット量を算出する。そして、得られた速度オフセット量およびトルクオフセット量を、それぞれ、速度指令値、トルク指令値に加算することによって、機械的な剛性が低いことに起因した追従誤差を補正する（例えば、下記特許文献２参照）。

特許第３３５１９９０号公報特許第３７３９７４９号公報

上述した従来技術によって、位置指令の速度、または、位置指令の加速度が一定となる領域においては、バネ結合された理想的なモデルとして扱うことができるため、機械的な剛性が低いことに起因した追従誤差を補正することが可能となった。しかし、位置指令の加速度が変化する領域においては、摺動面上の潤滑油等の過渡的な状態変化や、サーボモータへトルク指令値に従った電流の供給を開始してから実際にサーボモータがトルクを発生してボールネジを回転させるまでの時間的な遅れ等により、バネ結合された理想的なモデルとして扱うことができない。このため、実際の追従誤差量が、バネ結合された理想的なモデルから算出される遅れ量と一致せず、加工精度が上げられないという課題があった。

本発明の目的は、バネ結合された理想的なモデルとして扱うことができないような、位置指令の加速度が変化する領域においても、機械的な剛性が低いことに起因した追従誤差を補正することによって、加工精度をあげることにある。

本発明の位置制御装置は、位置指令と検出位置との位置偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令を算出する位置制御と、速度指令と検出速度との差分値である速度偏差を求めた後に当該速度偏差と速度ループ比例ゲインとの乗算値および当該速度偏差と速度ループ積分ゲインとの乗算値を加算してトルク指令を算出する速度制御と、を行なってサーボモータを制御することで該サーボモータによりボールネジを介して駆動される制御対象の位置を制御する位置制御装置において、位置指令の値変化の加加速度を算出する手段と、該加加速度の大きさに応じて、位置ループゲイン、速度ループ比例ゲイン、および、速度ループ積分ゲインの少なくとも一つを可変するゲイン演算部と、を備えることを特徴とする。

本発明により、バネ結合された理想的なモデルとして扱うことができないような、位置指令の加速度が変化する領域においても、機械的な剛性が低いことに起因した追従誤差を補正することによって、加工精度をあげることができる。

図１は、本発明の位置制御装置の一例を示すブロック図である。なお、図５に示した従来例と同一要素には同一番号を付してあり、その説明は省略する。位置指令演算器１からの位置指令Ｐｃを微分器１６が微分し、位置指令の値変化速度を算出する。これを微分器１７が微分し、位置指令の値変化の加速度を出力し、これを微分器１８が微分し、位置指令の値変化の加加速度Ｊｃを出力する。ゲイン演算部１９は、位置指令の加加速度Ｊｃの大きさに応じて、位置ループゲインＫｐ、速度ループ比例ゲインＰｖ、および、速度ループ積分ゲインＩｖの少なくとも一つを可変する。そして、可変調整された位置ループゲインＫｐ、速度ループ比例ゲインＰｖ、および、速度ループ積分ゲインＩｖは、それぞれ、位置偏差演算器３、速度偏差比例成分演算器６、速度偏差積分成分演算器７へと出力される。

以下では、ゲイン演算部１９にて位置ループゲインＫｐ、または、速度ループ比例ゲインＰｖ、または、速度ループ積分ゲインＩｖを可変する一例を示した図２を参照しながら、本発明の主要構成部分について説明する。位置指令の加加速度Ｊｃは、絶対値化器２０にて絶対値化（｜Ｊｃ｜）される。絶対値化された加加速度｜Ｊｃ｜は、位置ループゲイン算出係数２１（αＫ）、速度ループ比例ゲイン算出係数２２（αＰ）、および、速度ループ積分ゲイン算出係数２３（αＩ）が、それぞれ、個別に乗じられる。

位置ループゲイン算出係数２１（αＫ）と加加速度の絶対値｜Ｊｃ｜との乗算値（αＫ・｜Ｊｃ｜）は、位置ループゲイン算出器２４に出力される。位置ループゲイン算出器２４は、位置ループゲイン初期値Ｋｐ０を用いて、
Ｋｐ＝Ｋｐ０（１＋αＫ・｜Ｊｃ｜）
で算出される位置ループゲインＫｐを出力する。これに伴い、位置指令の加加速度が大きいほど図１の位置偏差演算器３にて算出される速度指令Ｖｃも大きくなるため、結果的にトルク指令値が大きくなって、位置誤差を補正することができる。

また、速度ループ比例ゲイン算出係数２２（αＰ）と加加速度の絶対値｜Ｊｃ｜との乗算値（αＰ・｜Ｊｃ｜）は、速度ループ比例ゲイン算出器２５に出力される。速度ループ比例ゲイン算出器２５は、速度ループ比例ゲイン初期値Ｐｖ０を用いて、
Ｐｖ＝Ｐｖ０（１＋αＰ・｜Ｊｃ｜）
で算出される速度ループ比例ゲインＰｖを出力する。これに伴い、位置指令の加加速度が大きいほど図１の速度偏差比例成分演算器６にて算出される速度偏差比例成分も大きくなるため、結果的にトルク指令値が大きくなって、位置誤差を補正することができる。

また、速度ループ積分ゲイン算出係数２３（αＩ）と加加速度の絶対値｜Ｊｃ｜との乗算値（αＩ・｜Ｊｃ｜）は、速度ループ積分ゲイン算出器２６に出力される。速度ループ積分ゲイン算出器２６では、速度ループ積分ゲイン初期値Ｉｖ０を用いて、
Ｉｖ＝Ｉｖ０（１＋αＩ・｜Ｊｃ｜）
で算出される速度ループ積分ゲインＩｖを出力する。これに伴い、位置指令の加加速度が大きいほど図１の速度偏差積分成分演算器７にて算出される速度偏差積分成分も大きくなるため、結果的にトルク指令値が大きくなって、位置誤差を補正することができる。

なお、位置ループゲインＫｐ、速度ループ比例ゲインＰｖ、速度ループ積分ゲインＩｖの三つ全てを大きくすると、サーボモータ、もしくは、制御対象の振動を誘発する可能性がある。そのため、任意のゲインのみ選択して可変するようにしてもよい。例えば、速度ループ比例ゲインＰｖは可変調整せず、位置ループゲインＫｐおよび速度ループ積分ゲインＩｖのみを加加速度に応じて可変調整するようにしてもよい。

以下では、ゲイン演算部１９にて位置ループゲインＫｐ、または、速度ループ比例ゲインＰｖ、または、速度ループ積分ゲインを可変する別の例を示した図３を参照しながら、本発明の主要構成部分について説明する。位置指令の加加速度Ｊｃは、絶対値化器２０にて絶対値化（｜Ｊｃ｜）された後、それぞれ位置ループゲイン演算器２７、速度ループ比例ゲイン演算器２８、速度ループ積分ゲイン演算器２９へ出力する。位置ループゲイン演算器２７では、予め決められた位置指令の加加速度の絶対値と位置ループゲインとの相関関係を用いて、随時位置指令の加加速度の絶対値｜Ｊｃ｜に応じた位置ループゲインＫｐを出力する。これに伴い、位置指令の加加速度が大きいほど図１の位置偏差演算器３にて算出される速度指令Ｖｃも大きくなるため、結果的にトルク指令値が大きくなって、位置誤差を補正することができる。また、速度ループ比例ゲイン演算器２８では、予め決められた位置指令の加加速度の絶対値と速度ループ比例ゲインとの関係を用いて、随時位置指令の加加速度の絶対値｜Ｊｃ｜に応じた速度ループ比例ゲインＰｖを出力する。これに伴い、位置指令の加加速度が大きいほど図１の速度偏差比例成分演算器６にて算出される速度偏差比例成分も大きくなるため、結果的にトルク指令値が大きくなって、位置誤差を補正することができる。また、速度ループ積分ゲイン演算器２９では、予め決められた位置指令の加加速度の絶対値と速度ループ積分ゲインとの関係を用いて、随時位置指令の加加速度の絶対値｜Ｊｃ｜に応じた速度ループ積分ゲインＩｖを出力する。これに伴い、位置指令の加加速度が大きいほど図１の速度偏差積分成分演算器７にて算出される速度偏差積分成分も大きくなるため、結果的にトルク指令値が大きくなって、位置誤差を補正することができる。なお、位置ループゲインＫｐ、速度ループ比例ゲインＰｖ、速度ループ積分ゲインＩｖを全て大きくすると、サーボモータ、もしくは、制御対象の振動を誘発する可能性があるため、任意のゲインのみ選択して可変することも可能である。

また、図１では、位置指令演算器１からの位置指令Ｐｃとモータ１０に取り付けられたモータ位置検出器１３からのモータ位置検出値Ｐｍとの偏差を減算器２が算出し、位置偏差演算器３が前記位置偏差に位置ループゲインＫｐを乗じて速度指令Ｖｃを出力するセミクローズド・ループ制御での説明を行なった。しかし、図４に示す通り、位置指令演算器１からの位置指令Ｐｃと制御対象１２の位置を直接出力するリニアスケール１４からの制御対象位置Ｐｌとの偏差を減算器２が算出し、位置偏差演算器３が前記位置偏差に位置ループゲインＫｐを乗じて速度指令Ｖｃを出力するフルクローズド・ループ制御に適用しても良い。

以上説明した様に、本発明では、バネ結合された理想的なモデルとして扱うことができないような、位置指令の加速度が変化する領域においても、機械的な剛性が低いことに起因した追従誤差を補正することによって、加工精度をあげることができる位置制御装置を提供できる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。本発明のゲイン演算部の実施形態を示すブロック図である。本発明のゲイン演算部の他の実施形態を示すブロック図である。本発明の他の実施形態を示すブロック図である。従来技術を示すブロック図である。

符号の説明

１位置指令演算器、２，４減算器、３位置偏差演算器、５速度偏差演算部、６速度偏差比例成分演算器、７速度偏差積分成分演算器、８加算器、９インバータ、１０サーボモータ、１１ボールネジ、１２制御対象、１３モータ位置検出器、１４リニアスケール（制御対象位置検出器）、１５，１６，１７，１８微分器、１９ゲイン演算部、２０絶対値化器、２１位置ループゲイン算出係数、２２速度ループ比例ゲイン算出係数、２３速度ループ積分ゲイン算出係数、２４位置ループゲイン算出器、２５速度ループ比例ゲイン算出器、２６速度ループ積分ゲイン算出器、２７位置ループゲイン演算器、２８速度ループ比例ゲイン演算器、２９速度ループ積分ゲイン演算器。

Claims

位置指令と検出位置との位置偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令を算出する位置制御と、速度指令と検出速度との差分値である速度偏差を求めた後に当該速度偏差と速度ループ比例ゲインとの乗算値および当該速度偏差と速度ループ積分ゲインとの乗算値を加算してトルク指令を算出する速度制御と、を行なってサーボモータを制御することで該サーボモータによりボールネジを介して駆動される制御対象の位置を制御する位置制御装置において、
位置指令の値変化の加加速度を算出する手段と、
該加加速度の大きさに応じて、位置ループゲイン、速度ループ比例ゲイン、および、速度ループ積分ゲインの少なくとも一つを可変するゲイン演算部と、
を備えることを特徴とする位置制御装置。
請求項１に記載の位置制御装置であって、
前記ゲイン演算部は、加加速度の値が大きいほど、位置ループゲイン、速度ループ比例ゲイン、および、速度ループ積分ゲインが大きくなるように、これらを可変することを特徴とする位置制御装置。