JP5530500B2 - 主軸駆動用モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、主軸駆動用モータの制御装置に関し、特に所定の変速比を有する速度調整機構を介して主軸を駆動するモータの速度を制御する制御装置に関する。

工作機械の分野においては、工作機械の主軸を駆動するモータに速度センサを有していない、いわゆる速度センサレスの誘導モータ等のモータが用いられている。このモータの制御においては、モータに流れる電流（実電流）に基づいて、ソフトウエアを用いてモータの速度を計算することにより推定している。モータを制御する制御装置は、推定した速度に基づいて、モータの速度の制御を行っている（例えば、特許文献１）。一般的には、そのようなモータは、速度制御だけが必要とされる用途に利用されている。

上記のようにモータに流れる実電流から推定した速度に基づいてモータの制御を行う従来の制御装置の構成を図７に示す。従来の制御装置１００は、第１加算器２と、速度制御部３と、電流制御部４と、パワー増幅器５と、電流検出部６と、速度推定部７０とを備えており、工作機械２０を制御する。

第１加算器２は、速度指令値と速度推定部７０が出力した推定速度とを加算して出力し、この出力結果に基づいて速度制御部３は、電流指令値を出力する。電流制御部４は、電流指令値に基づいてパワー増幅器５を制御し、パワー増幅器５は、工作機械２０のモータ２１を駆動するための電流を供給する配線２２に電流を出力する。パワー増幅器５が出力した電流は、電流検出部６によって検出され、電流制御部４にフィードバックされるとともに、速度推定部７０に出力される。速度推定部７０は、電流検出部６が検出した電流に基づいてモータの推定速度を算出し、第１加算器２に出力する。

工作機械２０は、センサレス誘導モータ等のモータ２１と、モータ回転軸２３と、速度調整機構２４と、主軸回転軸２７と、主軸２５とを備えている。モータ２１は、制御部１００のパワー増幅器５から配線２２を介して供給される電流によりモータ回転軸２３を回転させる。モータ回転軸２３を回転させる動力は、ベルト等の速度調整機構２４を介して主軸回転軸２７に伝達され、主軸２５が回転する。このように従来の制御装置は、モータの速度を供給する電流から推定しているので、モータに速度検出用のセンサを用いる必要がなく、センサ設置のためのコストを抑制している。しかしながら、上記構成により主軸の位置の制御を行う場合には、モータに流れる電流から推定した推定速度を積分して主軸の位置をフィードバック制御することが考えられるが、推定のタイミングが遅れる推定遅れや、速度推定値に推定誤差が含まれる場合があるため、高精度が要求される工作機械の主軸の位置制御等の用途には使用することができなかった。

上記のような速度センサレス誘導モータを、工作機械の旋盤の主軸のように、位置制御が必要とされる用途に適用する場合、主軸に付けられた回転位置を検出するためのセンサを利用して、その帰還パルスをモータの速度フィードバックに代用する場合がある。図８に、このような形態を備えた従来の制御装置の構成を示す。従来の制御装置１００は、図７に示した従来の制御装置に加えて、第２加算器１１と、位置制御部１とを備えている。位置制御部１は、位置指令値に従って、モータ２１の速度を制御するための速度指令値を速度制御部３に出力する。

工作機械２０は、さらに、主軸回転軸２７に設置された主軸回転体２８を備えており、主軸回転体２８は主軸回転軸２７の回転に合わせて回転する。主軸回転体２８の近傍にはセンサ２９が設置されており、主軸回転体２８の位置を検出し、制御装置１００の第２加算器１１に出力することにより、主軸の位置のフィードバック制御を行っている。また、このセンサ２９のフィードバックデータをモータの推定速度に加味することにより、単にモータの電流値からモータの速度を推定する場合に比べて、モータの速度を制御するループを安定化させることができる。

また、上記のように、主軸回転体の近傍に設けられたセンサからの位置情報を利用する場合には、モータの速度（モータ速度）の制御を行う際のループゲイン（速度ループゲイン）を高く設定することが可能となり、さらには、主軸の位置（主軸位置）の制御を行う際のループゲイン（位置ループゲイン）も高く設定することが可能となる。ここで、ループゲインとは、フィードバック制御における感度であり、ループゲインを高くすると誤差を抑制することができ、ループゲインを低くすると動作を滑らかにすることができる。

特開２００２−５１５９４号公報

ここで、主軸回転体の近傍に設けられたセンサの検出結果を利用してモータを制御する場合、モータの動力を主軸に伝達するために設けられた速度調整機構においてスリップが発生する場合がある。主軸にかかる負荷が小さい場合は、ほとんどスリップは発生しないため、センサ２９からの主軸速度検出結果を制御装置にフィードバックさせてモータ速度を制御することが可能である。しかしながら、主軸にかかる負荷が大きい場合は、モータと主軸との間にスリップが発生する場合があり、そのような場合に、主軸回転体の近傍に設置したセンサが検出した主軸速度検出結果をモータ速度のフィードバック制御に利用すると、モータ速度の制御が不安定になるという問題が生じていた。

本発明の制御装置は、所定の変速比を有する速度調整機構を介して主軸を駆動するモータの速度を制御する制御装置であって、位置指令値に従って主軸位置を制御するための速度指令値を出力する位置制御部と、速度指令値に従ってモータ速度を制御するための電流指令値を出力する速度制御部と、電流指令値に従ってモータが駆動された場合にモータに流れる電流を検出する電流検出部と、電流に基づいてモータの第１速度を推定する第１速度推定部と、主軸の近傍に設けられたセンサにより検出される主軸位置に基づいて算出される主軸速度及び変速比に基づいてモータの第２速度を推定する第２速度推定部と、モータ負荷の値を算出する負荷演算部と、を有し、速度制御部は、モータ負荷の値が所定の値以上の場合は、第１速度を用いて電流指令値を算出し、モータ負荷の値が所定の値未満の場合は、第２速度を用いて電流指令値を算出する、ことを特徴とする。

本発明の他の実施態様による制御装置において、速度制御部は、モータ負荷の値が所定の値以上の場合は、第１速度ループゲインを用いて電流指令値を算出し、モータ負荷の値が所定の値未満の場合は、第１速度ループゲインより高い第２速度ループゲインを用いて電流指令値を算出するようにしてもよい。

本発明のさらに他の実施態様による制御装置において、位置指令値に従って主軸位置を制御するための速度指令値を速度制御部に出力する位置制御部をさらに設け、位置制御部は、モータ負荷の値が所定の値以上の場合は、第１位置ループゲインを用いて速度指令値を算出し、モータ負荷の値が所定の値未満の場合は、第１位置ループゲインより高い第２位置ループゲインを用いて速度指令値を算出するようにしてもよい。

本発明の制御装置において、負荷演算部は、電流指令値に基づいてモータ負荷の値を決定することが好ましい。

本発明の制御装置によれば、主軸にかかる負荷の大きさに応じて、モータの電流から算出した速度推定値と、主軸の速度から算出した速度推定値とを切り換えて、モータ速度の制御を行うようにしているので、主軸にかかる負荷の大きさに係らず、モータ速度の制御を高精度に行うことができる。

さらに、本発明の他の実施態様による制御装置によれば、主軸にかかる負荷の大きさに応じて、速度制御のための速度ループゲインの大きさを変えるようにしているので、主軸にかかる負荷の大きさに係らず、モータ速度の制御を高精度に行うことができる。

また、本発明のさらに他の実施態様による制御装置によれば、主軸にかかる負荷の大きさに応じて、位置制御のための位置ループゲインの大きさを変えるようにしているので、主軸にかかる負荷の大きさに係らず、主軸位置の制御を高精度に行うことができる。

本発明の実施例１に係る制御装置の構成図である。 本発明の実施例１に係る制御装置によるモータ速度の制御方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る制御装置の構成図である。 本発明の実施例２に係る制御装置によるモータ速度の制御方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例３に係る制御装置の構成図である。 本発明の実施例３に係る制御装置によるモータ速度の制御方法の手順を示すフローチャートである。 従来のモータ速度の制御装置の構成図である。 従来のモータ速度の制御装置の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る制御装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

まず、本発明の実施例１に係る制御装置について説明する。図１に本発明の実施例１に係る制御装置の構成図を示す。制御装置１０１は、位置制御部１と、第１加算器２と、速度制御部３と、電流制御部４と、パワー増幅器５と、電流検出部６と、第１速度推定部７と、第２速度推定部８と、主軸速度演算部９と、第２加算器１１と、負荷演算部１２と、切替制御部１３と、第１スイッチＳＷ₁とを有している。工作機械２０の構成は図７に示した従来の構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。

位置制御部１は、位置指令値に従って主軸位置を制御するための速度指令値を速度制御部３に出力する。速度制御部３は、位置制御部１が位置指令値に従って算出し、出力した速度指令値に従ってモータ速度を制御するための電流指令値を算出し、これを電流制御部４に出力する。

電流制御部４は、速度制御部３からの電流指令値に従ってパワー増幅器５を制御し、パワー増幅器５は、工作機械２０のモータ２１を駆動するための電流を供給する配線２２に電流を出力する。電流検出部６は、電流指令値に従ってパワー増幅器５から供給された電流によりモータ２１が駆動された場合にモータ２１に流れる電流を検出する。電流検出部６により検出された電流は、電流制御部４にフィードバックされるとともに、第１速度推定部７に出力される。

第１速度推定部７は、電流検出部６が検出した電流に基づいてモータ２１の第１速度を推定する。第２速度推定部８は、主軸２５の近傍に設けられたセンサ２９により検出される主軸位置に基づいて主軸速度演算部９により算出される主軸速度及びモータ２１と主軸２５との間に設けられた速度調整機構２４の変速比に基づいてモータ２１の第２速度を推定する。

負荷演算部１２は、モータ負荷の値を算出する。モータ負荷の値は、速度制御部３が出力する電流指令値に基づいて決定されることが好ましい。

第１スイッチＳＷ₁は、切替制御部１３からの選択信号に基づいて、第１速度推定部７と第２速度推定部８とを切り換えて、第１加算器２に出力される推定速度を切り換える。切替制御部１３は、負荷演算部１２が算出したモータ負荷の値に応じて第１スイッチＳＷ₁を切り換える選択信号を出力している。即ち、負荷演算部１２が算出したモータ負荷の値が所定の値以上の場合は、速度制御部３が、第１速度を用いて電流指令値を算出するように、第１スイッチＳＷ₁において第１速度推定部７が選択されるように選択信号を出力する。一方、モータ負荷の値が所定の値未満の場合は、速度制御部３が、第２速度を用いて電流指令値を算出するように、第１スイッチＳＷ₁において第２速度推定部８が選択されるように選択信号を出力する。

次に、本発明の実施例１に係る制御装置を用いた制御方法について図２に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、制御装置１０１に加工開始の命令を与える。次に、ステップＳ１０２において、加工が終了したか否かを判断する。加工が終了している場合は、ステップＳ１０６に進んで制御を終了する。

加工が終了していない場合は、ステップＳ１０３において、モータ負荷の値が所定の値以上か否かを判断する。モータ負荷の大きさは、速度制御部３が電流制御部４に対して出力する電流指令値によって決定することができる。

モータ負荷の値が所定の値以上の場合には、ステップＳ１０４において、速度制御部３が、第１速度を用いて電流指令値を算出するように、切替制御部１３が第１スイッチＳＷ₁を第１速度推定部７側に切り換えるための選択信号を出力する。一方、モータ負荷の値が所定の値未満の場合は、ステップＳ１０５において、速度制御部３が、第２速度を用いて電流指令値を算出するように、切替制御部１３が第１スイッチＳＷ₁を第２速度推定部８側に切り換えるための選択信号を出力する。その後、ステップＳ１０２に戻って、以上のステップＳ１０２〜Ｓ１０５を繰り返す。

以上のように、本発明の実施例１に係る制御装置によれば、主軸にかかる負荷の大きさに応じて、モータの電流から算出した速度推定値（第１速度）と、主軸の速度から算出した速度推定値（第２速度）とを切り換えて、モータ速度の制御を行うようにしているので、主軸にかかる負荷の大きさに関わらず、モータ速度の制御を高精度に行うことができる。

次に、本発明の実施例２に係る制御装置について説明する。図３に本発明の実施例２に係る制御装置の構成図を示す。実施例２に係る制御装置１０２が、実施例１に係る制御装置１０１と異なっている点は、第１速度ループゲイン記憶部３１と、第２速度ループゲイン記憶部３２と、第２スイッチＳＷ₂とをさらに設けている点である。制御装置１０２の他の構成及び工作機械２０の構成は、実施例１に係る制御装置１０１及び工作機械２０と同様であるので、詳細な説明は省略する。

第１速度ループゲイン記憶部３１は、速度制御部３が電流指令値の算出のために用いる速度ループゲインとして、第１速度ループゲインの値を記憶している。一方、第２速度ループゲイン記憶部３２は、速度制御部３が電流指令値の算出のために用いる速度ループゲインとして、第２速度ループゲインの値を記憶しており、第２速度ループゲインの大きさは、第１速度ループゲインより高い点を特徴としている。

第２スイッチＳＷ₂は、切替制御部１３からの選択信号に基づいて、第１速度ループゲイン記憶部３１と第２速度ループゲイン記憶部３２とを切り換えて、速度制御部３に与えられる速度ループゲインを切り換える。切替制御部１３は、負荷演算部１２が算出したモータ負荷の値に応じて第２スイッチＳＷ₂を切り換える選択信号を出力している。即ち、負荷演算部１２が算出したモータ負荷の値が所定の値以上の場合は、速度制御部３が、第１速度ループゲインを用いて電流指令値を算出するように、第２スイッチＳＷ₂において第１速度ループゲイン記憶部３１が選択されるように選択信号を出力する。一方、モータ負荷の値が所定の値未満の場合は、速度制御部３が、第２速度ループゲインを用いて電流指令値を算出するように、第２スイッチＳＷ₂において第２速度ループゲイン記憶部３２が選択されるように選択信号を出力する。

次に、本発明の実施例２に係る制御装置を用いた制御方法について図４に示したフローチャートを用いて説明する。実施例２に係る制御装置を用いた制御方法が、実施例１に係る制御装置を用いた制御方法と異なる点は、モータ負荷の大きさに応じて、速度制御部に与えられる速度ループゲインの大きさを変えている点である。実施例１に係る制御装置の制御方法における図２に示したステップＳ１０１〜Ｓ１０６に対応するステップＳ２０１〜Ｓ２０４、Ｓ２０６、Ｓ２０８は、実施例１に係る制御装置の制御方法と同様であるので、詳細な説明は省略する。

ステップＳ２０３において、モータ負荷の値が所定の値以上の場合には、ステップＳ２０４において、実施例１と同様に第１速度を選択し、ステップＳ２０５において、速度制御部３が、第１速度ループゲインを用いて電流指令値を算出するように、切替制御部１３が第２スイッチＳＷ₂を第１速度ループゲイン記憶部３１側に切り換えるための選択信号を出力する。一方、モータ負荷の値が所定の値未満の場合は、ステップＳ２０６において、実施例１と同様に第２速度を選択し、ステップＳ２０７において、速度制御部３が、第２速度ループゲインを用いて電流指令値を算出するように、切替制御部１３が第２スイッチＳＷ₂を第２速度ループゲイン記憶部３２側に切り換えるための選択信号を出力する。その後、ステップＳ２０２に戻って、ステップＳ２０２〜Ｓ２０７を繰り返す。

以上のように、本発明の実施例２に係る制御装置によれば、主軸にかかる負荷の大きさに応じて、速度制御のための速度ループゲインの大きさを変えるようにしているので、主軸にかかる負荷の大きさに係らず、モータ速度の制御を高精度に行うことができる。

次に、本発明の実施例３に係る制御装置について説明する。図５に本発明の実施例３に係る制御装置の構成図を示す。実施例３に係る制御装置１０３が、実施例２に係る制御装置１０２と異なっている点は、第１位置ループゲイン記憶部４１と、第２位置ループゲイン記憶部４２と、第３スイッチＳＷ₃とをさらに設けている点である。制御装置の他の構成及び工作機械２０の構成は、実施例２に係る制御装置及び工作機械と同様であるので、詳細な説明は省略する。

第１位置ループゲイン記憶部４１は、位置制御部１が速度指令値の算出のために用いる位置ループゲインとして、第１位置ループゲインの値を記憶している。一方、第２位置ループゲイン記憶部４２は、位置制御部１が速度指令値の算出のために用いる位置ループゲインとして、第２位置ループゲインの値を記憶しており、第２位置ループゲインの大きさは、第１位置ループゲインより高い点を特徴としている。

第３スイッチＳＷ₃は、切替制御部１３からの選択信号に基づいて、第１位置ループゲイン記憶部４１と第２位置ループゲイン記憶部４２とを切り換えて、位置制御部１に与えられる位置ループゲインを切り換える。切替制御部１３は、負荷演算部１２が算出したモータ負荷の値に応じて第３スイッチＳＷ₃を切り換える選択信号を出力している。即ち、負荷演算部１２が算出したモータ負荷の値が所定の値以上の場合は、位置制御部１が、第１位置ループゲインを用いて速度指令値を算出するように、第３スイッチＳＷ₃において第１位置ループゲイン部４１が選択されるように選択信号を出力する。一方、モータ負荷の値が所定の値未満の場合は、位置制御部１が、第２位置ループゲインを用いて速度指令値を算出するように、第３スイッチＳＷ₃において第２位置ループゲイン記憶部４２が選択されるように選択信号を出力する。

次に、本発明の実施例３に係る制御装置を用いた制御方法について図６に示したフローチャートを用いて説明する。実施例３に係る制御装置を用いた制御方法が、実施例２に係る制御装置を用いた制御方法と異なる点は、モータ負荷の大きさに応じて、位置制御部に与えられる位置ループゲインの大きさを変えている点である。実施例２に係る制御装置の制御方法における図４に示したステップＳ２０１〜Ｓ２０８に対応するステップＳ３０１〜Ｓ３０５、Ｓ３０７、Ｓ３０８、Ｓ３１０は、実施例２に係る制御装置の制御方法と同様であるので、詳細な説明は省略する。

ステップＳ３０３において、モータ負荷の値が所定の値以上の場合には、ステップＳ３０４において、実施例１と同様に第１速度を選択し、ステップＳ３０５において、実施例２と同様に第１速度ループゲインを選択する。次に、ステップＳ３０６において、位置制御部１が、第１位置ループゲインを用いて速度指令値を算出するように、切替制御部１３が第３スイッチＳＷ₃を第１位置ループゲイン記憶部４１側に切り換えるための選択信号を出力する。一方、モータ負荷の値が所定の値未満の場合は、ステップＳ３０７において、実施例１と同様に第２速度を選択し、ステップＳ３０８において、実施例２と同様に第２速度ループゲインを選択する。次に、ステップＳ３０９において、位置制御部１が、第２位置ループゲインを用いて電流指令値を算出するように、切替制御部１３が第３スイッチＳＷ₃を第２位置ループゲイン記憶部４２側に切り換えるための選択信号を出力する。その後、ステップＳ３０２に戻って、ステップＳ３０２〜Ｓ３０９を繰り返す。

以上のように、本発明の実施例３に係る制御装置によれば、主軸にかかる負荷の大きさに応じて、位置制御のための位置ループゲインの大きさを変えるようにしているので、主軸にかかる負荷の大きさに係らず、主軸位置の制御を高精度に行うことができる。

１ 位置制御部
２ 第１加算器
３ 速度制御部
４ 電流制御部
５ パワー増幅器
６ 電流検出部
７ 第１速度推定部
８ 第２速度推定部
９ 主軸速度演算部
１１ 第２加算器
１２ 負荷演算部
１３ 切替制御部
１０１〜１０３ 制御装置

Claims (2)

1. 所定の変速比を有する速度調整機構を介して主軸を駆動するモータの速度を制御する制御装置であって、
   位置指令値に従って主軸位置を制御するための速度指令値を出力する位置制御部と、
   前記速度指令値に従ってモータ速度を制御するための電流指令値を出力する速度制御部と、
   前記電流指令値に従ってモータが駆動された場合にモータに流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電流に基づいてモータの第１速度を推定する第１速度推定部と、
   主軸の近傍に設けられたセンサにより検出される主軸位置に基づいて算出される主軸速度及び前記変速比に基づいてモータの第２速度を推定する第２速度推定部と、
   モータ負荷の値を算出する負荷演算部と、を有し、
   前記速度制御部は、前記モータ負荷の値がモータと主軸との間にスリップが発生する値以上の場合は、前記第１速度を用いて前記電流指令値を算出し、前記モータ負荷の値が前記モータと主軸との間にスリップが発生する値未満の場合は、前記第２速度を用いて前記電流指令値を算出し、
   前記速度制御部が前記電流指令値の算出のために用いるループゲインとして、第１速度ループゲインと、前記第１速度ループゲインより高い第２速度ループゲインと、を記憶した記憶部をさらに有し、
   前記速度制御部は、前記モータ負荷の値が前記モータと主軸との間にスリップが発生する値以上の場合は、前記第１速度ループゲインを用いて前記電流指令値を算出し、前記モータ負荷の値が前記モータと主軸との間にスリップが発生する値未満の場合は、前記第２速度ループゲインを用いて前記電流指令値を算出する、
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記負荷演算部は、前記電流指令値に基づいて前記モータ負荷の値を決定する、請求項１に記載の制御装置。

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