JPH06106456A - 送り制御装置 - Google Patents

送り制御装置

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JPH06106456A
JPH06106456A JP28093092A JP28093092A JPH06106456A JP H06106456 A JPH06106456 A JP H06106456A JP 28093092 A JP28093092 A JP 28093092A JP 28093092 A JP28093092 A JP 28093092A JP H06106456 A JPH06106456 A JP H06106456A
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JP
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slider
current
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speed
control device
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Application number
JP28093092A
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English (en)
Inventor
Tetsuo Shibukawa
哲郎 渋川
Hirohide Suzuki
博英 鈴木
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Toyoda Koki KK
Original Assignee
Toyoda Koki KK
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 第2送り制御装置110には、速度指令0が
入力され、中空サーボモータ60により生ずるスライダ
5の速度を零に保つ。ボールねじ3の弾性によりスライ
ダ5に振動が発生すると、加速度センサ7がスライダ5
の加速度を検出し、バンドパスフィルタBPFが検出さ
れた加速度のスライダ5の固有振動成分を抽出する。第
2送り制御装置110の該速度指令0に基づく電流目標
値に抽出された固有振動成分をフィードバックさせ、こ
の固有振動を打ち消すように中空サーボモータ60を微
小角度回転させる。 【効果】 スライダの加速時にボールねじの振動により
発生するスライダの振動を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は送り制御装置に関し、特
に研削盤の様に1軸の送り機構の制御系に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種の装置は、サーボモータに
電流検出器、速度検出器、位置検出器を取り付け、三重
のフィードバックループを組んでいた。サーボモータに
より送りねじが回転駆動され、これにより送りナットが
送られ、送りナットに固定された砥石台等のスライダが
位置決めされるものであった。送りねじにはボールねじ
が多く用いられていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の装置はサーボモータの角加速度が急激に変化する際
に、スライダ(砥石台)に振動が生じることがあるとい
う問題点があった。この振動はスライダが摩擦の小さい
リニアウエイ等の案内で支持されている場合に特に顕著
であった。この原因はサーボモータとスライダ間のボー
ルねじの弾性により、スライダ(砥石台)が振動するこ
とによる。ボールねじ単独の減衰定数は大きくないの
で、この振動(固有振動)はすぐには減衰しなかった。
本発明は上記の問題点を解決するためなされたものであ
り、その目的とするところは、加減速時のスライダの振
動を抑制することができる送り制御装置を提供すること
にある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明では、第1サーボモータと、その第1サーボ
モータにより回転駆動される送りねじと、その送りねじ
に螺合する送りナットと、スライダに固定され前記送り
ナットを回転駆動する第2サーボモータと、前記スライ
ダの位置を検出する位置検出手段、スライダの送り速度
を検出する第1速度検出手段及び前記サーボモータの電
流を検出する第1電流検出手段を備え、位置フィードバ
ック、速度フィードバック、電流フィードバックの三重
のフィードバックループを有する第1サーボモータを制
御する第1の送り制御装置と、前記第2サーボモータに
よるスライダの送り速度を検出する第2速度検出手段
と、該第2サーボモータの電流を検出する第2電流検出
手段とを備え、前記第2サーボモータを該第2サーボモ
ータによるスライダの速度を零に保つよう制御する第2
の送り制御装置と、スライダの加速度を検出する加速度
検出センサと、加速度センサの出力から送りネジの弾性
による固有振動成分だけ抽出するバンドパスフィルタ
と、バンドパスフィルタの出力を第2の送り制御装置の
電流指令から差し引く加速度フィードバックループとを
備えることを特徴とする送り制御装置が提供される。
【0005】
【作用】上記のように構成された送り制御装置では、第
2送り制御装置が、第2サーボモータを該第2サーボモ
ータによるスライダの速度を零に保つよう、即ちスライ
ダとナットが相対的に回転しないように制御する。送り
ねじ(ボールねじ)の弾性によりスライダに振動が発生
すると、加速度センサが加速度を検出し、バンドパスフ
ィルタが検出された加速度中のスライダの固有振動成分
を抽出する。第2送り制御装置の電流指令に固有振動成
分をフィードバックさせ、この固有振動を打ち消すよう
に第2サーボモータを微小角度回転させて、スライダ固
有の振動を抑制する。
【0006】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照し説明す
る。図1は本発明に係る送り制御装置のサーボ構成を示
すブロックダイヤグラムである。サーボモータ1にはイ
ンクリメンタル型のロータリエンコーダ2が直結されて
いる。サーボモータ1の出力軸にはボールねじ3が連結
され、ボールねじ3には図示しないナットが螺合され、
このナットを中空サーボモータ60が駆動可能に保持し
ている。そして、中空サーボモータ60には砥石台(ス
ライダ)5が固定され、この砥石台5には砥石車6が回
転可能に搭載されている。また、砥石台5には加速度セ
ンサ7が固定され、中空サーボモータ60にはロータリ
エンコーダ102が直結されている。
【0007】この中空サーボモータ60について図4を
参照して更に詳細に説明する。ボールねじ3にはナット
4が螺合している。このナット4に焼きばめによりロー
タ61が取り付けられ、ステータ62がこれと対向する
位置に中空サーボモータハウジング60bに取り付けら
れ、該ロータ61とステータ62とが動力線64を介し
第2送り制御装置110(図1)より加えられた電力に
より図の左右方向に中空サーボモータハウジング60b
を駆動し、中空サーボモータハウジング60bの端部の
フランジ60aに取り付けられたスライダフランジ5a
を介して、スライダ5をボールねじ3に沿って移動させ
る。また、中空サーボモータハウジング60bの他端に
は、ロータリエンコーダ102が取り付けられ、中空サ
ーボモータ60の回転、即ちスライダ5の速度を検出し
て信号線63を介して第2の送り制御装置110へ出力
するようになっている。
【0008】本実施例の送り制御装置は、サーボモータ
1の位置及び速度を制御する第1送り制御装置10と、
中空サーボモータ60の速度を制御する第2送り制御装
置110とを有する。先ず、第1送り制御装置10にお
いては、位置指令70から現在位置カウンタΣの出力た
る位置フィードバック値が減算され、位置ループゲイン
Kp で増幅されて速度指令となる。速度指令からはロー
タリエンコーダ2からの速度フィードバック値が減算さ
れ、速度ループ比例ゲインKvpで増幅され、速度ループ
積分ゲインKviで積分されて電流指令となる。電流指令
から電流フィードバック値が減算された後、電流ループ
ゲインKi で増幅されてサーボモータ1が駆動される。
【0009】第2送り制御装置110においては、中空
サーボモータ60によるスライダ5の速度を0に保つた
め入力80から速度指令値0が入力され、これからロー
タリエンコーダ102からの速度フィードバック値が減
算され、速度ループ比例ゲインK'vp で増幅され、速度
ループ積分ゲインK'vi で積分されて電流指令となる。
他方、スライダ5の加速度が加速度センサ7により検出
され、これから、バンドパスフィルタBPFによりボー
ルねじ3の弾性による振動成分(固有振動成分)が抽出
され、これが加速度フィードバックゲインKa で増幅さ
れ加速度フィードバック値として用いられる。電流指令
から、この加速度フィードバック値が減算され、さら
に、電流フィードバック値が減算された後、電流ループ
ゲインK'iで増幅されて中空サーボモータ60が駆動さ
れる。
【0010】図2は上記のサーボ構成を実現する送り制
御装置のハード構成を示すブロック図である。サーボモ
ータ1の位置及び速度を制御するディジタルサーボ制御
装置(第1送り制御装置)10は主として、CPU1
1、ROM12、RAM13、ディジタルシグナルプロ
セッサ14(以下DSP14という)、共通RAM1
7、A/D変換器15a、15b及び現在値カウンタ1
6から構成されている。CPU11にはインタフェース
19を介してキーボード21及びCRT表示装置22が
接続されている。 DSP14の出力はインバータ25
に入力され、そのインバータ25はDSP14の出力信
号に応じてサーボモータ1を駆動する。サーボモータ1
には同期モータが用いられ、インバータ25のPWM電
圧制御によりサーボモータ1の負荷電流が制御され、そ
の結果、出力トルクが制御される。
【0011】サーボモータ1のU相及びV相の負荷電流
は変流器(CT)32a、32bにより検出され、増幅
器18a、18bにより増幅される。その増幅器18
a、18bの出力は、A/D変換器15a、15bに入
力され、所定の周期でサンプリングされ、ディジタル値
に変換される。そのサンプリングされた値は、負荷電流
のフィードバック値として、DSP14に入力される。
また、サーボモータ1にはロータリエンコーダ2が接続
され、その現在位置が検出される。ロータリエンコーダ
2の出力は波形整形・方向判別回路34を介して現在値
カウンタ16に接続されている。
【0012】波形整形・方向判別回路34を介して現在
位置カウンタ16に入力されるロータリエンコーダ2の
出力信号は現在位置カウンタ16の値を加減させる。D
SP14により、現在位置カウンタ16の値は現在位置
フィードバック値として読み込まれ、CPU11から出
力された目標値と比較され位置偏差が算出される。そし
て、DSP14により、その位置偏差に基づいて速度指
令値が算出される。
【0013】また、DSP14に入力された現在位置フ
ィードバック値は微分され、速度フィードバック値が算
出される。DSP14により、位置偏差に応じて決定さ
れる速度指令値と速度フィードバック値とが比較され速
度偏差が算出され、その速度偏差に基づいて電流指令値
が算出される。この電流指令値と前述の電流フィードバ
ック値とが比較されて電流偏差が演算され、この電流偏
差に基づいて電圧指令値が演算される。この電圧指令値
を基に、インバータ25の各相のトランジスタのオンオ
フを制御する電圧制御PWM信号が生成される。その電
圧制御PWM信号は、インバータ25に出力され、その
インバータ25の各相のトランジスタがそれぞれ駆動さ
れる。このインバータ25のスイッチングにより、各相
の負荷電流が電流目標値に制御されることになる。
【0014】尚、サーボモータ1の位置決めは、CPU
11により、現在位置カウンタ16の出力値が位置の目
標値に等しくなったと判定された時に完了される。ま
た、A/D変換器15a、15bによってサンプリング
されたU相、V相の負荷電流値は、DSP14によりd
q変換される。
【0015】次に、中空サーボモータ60の速度を制御
するディジタルサーボ制御装置(第2送り制御装置)1
10を説明する。ディジタルサーボ制御装置110は主
として、CPU111、ROM112、RAM113、
ディジタルシグナルプロセッサ114(以下DSP11
4という)、A/D変換器115a、115b、115
c及び現在値カウンタ116から構成されている。DS
P114の出力はインバータ125に入力され、そのイ
ンバータ125はDSP114の出力信号に応じて中空
サーボモータ60を駆動する。中空サーボモータ60に
は図4を参照して説明した形状の同期モータが用いら
れ、インバータ125のPWM電圧制御により中空サー
ボモータ60の負荷電流が制御され、その結果、出力ト
ルクが制御される。
【0016】中空サーボモータ60のU相及びV相の負
荷電流は変流器(CT)132a、132bにより検出
され、増幅器118a、118bにより増幅される。そ
の増幅器118a、118bの出力は、A/D変換器1
15a、115bに入力され、所定の周期でサンプリン
グされ、ディジタル値に変換される。そのサンプリング
された値は、負荷電流のフィードバック値として、DS
P114に入力される。また、中空サーボモータ60に
はロータリエンコーダ102が接続され、その出力は現
在位置カウンタ116に接続されている。さらに、砥石
台5に固定された加速度センサ7の出力は、バンドパス
フィルタ152によりボールねじ3の弾性による振動成
分(固有振動成分)だけ抽出され、A/D変換器115
cに入力され、所定の周期でサンプリングされ、ディジ
タル値に変換される。そのサンプリングされた値は、D
SP114に入力され、加速度フィードバックゲインK
aを乗じた値が加速度フィードバック値として演算され
る。
【0017】ロータリエンコーダ102の出力信号は現
在位置カウンタ116の値を加減させる。DSP114
により、現在位置カウンタ116の値は現在速度フィー
ドバック値を算出するために読み込まれ、CPU111
から出力された速度指令0の値と比較され速度偏差が算
出される。そして、DSP114により、その速度偏差
に基づいて電流目標値が算出される。
【0018】そして、DSP114により、電流目標値
と加速度フィードバック値及び電流フィードバック値と
が比較され、電流偏差が算出される。その電流偏差に基
づいて電流指令値が演算され、電流指令値は高周波の三
角波と比較され、インバータ125の各相のトランジス
タのオンオフを制御する電圧制御PWM信号が生成され
る。その電圧制御PWM信号は、インバータ125に出
力され、そのインバータ125の各相のトランジスタが
それぞれ駆動される。このインバータ125のスイッチ
ングにより、各相の負荷電流が電流目標値に制御される
ことになる。また、A/D変換器115a、115bに
よってサンプリングされたU相、V相の負荷電流値は、
DSP114によりdq変換される。
【0019】以上説明したように、第2送り制御装置
(デジタルサーボモータ制御装置110)には、速度指
令0が入力され、第2サーボモータにより生ずるスライ
ダ5の速度は0に保たれる。他方、ボールねじ3の弾性
によりスライダ5に振動が発生すると、加速度センサ7
がスライダ5の加速度を検出し、バンドパスフィルタ1
52が検出された加速度中のスライダの固有振動成分を
抽出する。サーボモータでは電流とトルク及び角加速度
は比例するので、電流と角加速度は同種の信号と見做せ
る。そこで、第2送り制御装置の該速度指令0に基づく
電流目標値に該抽出された固有振動成分をフィードバッ
クさせ、この固有振動を打ち消すように中空サーボモー
タ60を微小角度回転させることによりスライダ固有の
振動を抑制する。
【0020】このように第2送り制御装置(デジタルサ
ーボモータ制御装置110)には、中空サーボモータ6
0によるスライダの速度が生じないように常時0の速度
指令が与えられる。このため、第1送り制御装置(デジ
タルサーボモータ制御装置10)の指令によりサーボモ
ータ1が回転されスライダ5に慣性が生じても、これに
よりナット4と中空サーボモータ60が回転することは
ない。
【0021】本実施例の送り制御装置110は、上述し
たように、速度、電流の2つのフィードバックループに
加えて、加速度のフィードバックループが付加されてい
る。より下位のフィードバックループには、より高い応
答性が要求され、例えば、最下位の電流フィードバック
ループ及び加速度フィードバックループは100μS毎
に、速度フィードバックループはその数倍の時間間隔で
同期を取ってデータのサンプリングが実行され、それぞ
れのフィードバックループの処理が実行される。
【0022】上記の構成に基づき作動について説明す
る。図3は、DSP114によって、所定の最小周期毎
に繰り返し実行される処理を示すフローチャートであ
る。まず処理が開始されると、ステップ300で、現実
行サイクルが速度偏差演算タイミングか否かが判定され
る。現実行サイクルが第p速度制御周期における速度偏
差演算タイミングであれば、次のステップ302で、現
在位置カウンタ116に保持された位置の現在値(電気
角)θ(p)が読み込まれる。次に、ステップ304に
おいて、前回第p−1速度制御周期における速度偏差演
算タイミング時に読み込まれた位置の現在値(電気角)
θ(p−1)と、速度制御周期Dとから、現速度制御期
間における電気角速度の現在値ω(p)が次式によって
演算される。 ω(p)=〔θ(p)−θ(p−1)〕/D …(1) そして、速度指令値0からの偏差、即ち、速度偏差が演
算される。
【0023】次のステップ306では、その速度偏差に
応じて、d軸成分とq軸成分の電流目標値Idc(p),Iqc
(p) が演算される。次にステップ308において、前回
の速度制御周期において検出された角速度ω(p−1)
と、今回の速度制御周期において検出された角速度ω
(p)とを用いて、今回の電気角加速度A(p)が次式
により演算される。 A(p)=〔ω(p)−ω(p−1)〕/D …(2)
【0024】次に、ステップ310に移行して、現実行
サイクルが第n電流制御周期における電流偏差演算タイ
ミングであるか否かが判定される。尚、nは1つの速度
制御周期において、1、2、…と変化する値であり、電
流検出及び電流制御の時刻に関連している。電流偏差演
算タイミングであれば、ステップ312へ移行する。ス
テップ312以下では電流及び加速度フィードバック制
御が実行される。
【0025】ステップ312では、第p速度制御周期に
おける第n電流制御周期の電流検出時の電気角θ(n)
が次式により演算される。 θ(n)=θ(p)+ω(p)nT …(3) 但し、Tは電流制御周期である。また、電流検出時刻に
おける電気角速度ω(n)が次式により補完演算され
る。 ω(n)=ω(p)+A(p)nT …(4)
【0026】次にステップ314では、u相、v相の瞬
時負荷電流の現在値Iu(n),Iv(n)がA/D変換器11
5a、115bから読み込まれる。なお、w相の瞬時負
荷電流の現在値Iw(n)は、Iw(n)=−〔Iu(n)+Iv
(n)〕により演算される。ステップ316においては、
砥石台5の加速度Asp(n)がA/D変換器115c
から読み込まれる。
【0027】次に、ステップ318において、電流の現
在値Iu(n),Iv(n),Iw(n)はdq変換されて、電流検
出時刻におけるd軸成分Id(n)とq軸成分Iq(n)とが次
式により演算される。
【数5】
【0028】なお、dq座標系は、ベクトル制御で良く
知られているように、d軸は励磁磁場と同相にとられ、
q軸は励磁磁場と電気角で90°の位相差にとられた座
標系である。d軸成分は無効成分を、q軸成分は有効成
分を表す。
【0029】次に、ステップ320において、電流目標
値Idc(p),Iqc(p) 電流値Id(n),Iq(n)、砥石加速度
Asp(n) 加速度フィードバックゲインKa、電流ループ
ゲインKiから電圧指令値Vd(n), Vq(n)を次式により
算出する。 Vd(n)=Ki〔Idc(p) −Id(n)〕 …(6) Vq(n)=Ki〔Iqc(p) −Iq(n)−Ka・Asp(n) 〕…(7)
【0030】次に、ステップ322において、次式によ
り電圧指令Vd(n)、Vq(n)を逆dq変換して、電圧制御
時刻(n)における各相電圧指令値Vu(n)、Vv(n)、V
w(n)が演算される。
【数8】
【0031】次に、ステップ324では、各相電圧指令
値Vu(n)、Vv(n)、Vw(n)と高周波数の三角波とのレベ
ル関係を利用して、即ち、平均電圧法を用いて、各相の
PWM信号のオン時間が演算される。そして、ステップ
326において、DSP114に内在された各タイマに
そのオン時間を設定することで、その設定された時間だ
け高レベルとなる各相のPWM信号がインバータ125
に出力される。なお、明示していないが、各相のPWM
信号を生成する時、同相の2つのトランジスタが同時に
オンしないようにデッドタイム処理が施されている。
【0032】このようにして、1つの実行サイクルの処
理が完了する。この実行サイクルは最小の制御周期で実
行されており、その整数倍で電流フィードバックループ
及び加速度フィードバックループが制御され、更にその
整数倍で速度フィードバックループが制御されるよう
に、ステップ300、310で判定の基準となる回数が
設定されている。上記のサイクルが繰り返し実行される
ことで、速度、電流及び加速度のフィードバック制御が
行われる。
【0033】尚、本発明の実施例においては、ボールね
じを駆動する第1送り制御装置について特定の例を挙げ
て詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、他の方式の一軸の送り制御装置に本実施例の第
2送り制御装置を適用することにより、本発明を構成す
ることも勿論可能である。また、上述した実施例におい
ては、第2送り制御装置は、スライダの速度を0に制御
するように構成されたが、この代わりに、第2送り制御
装置がスライダの位置を制御するように構成し、位置指
令を0とすることで、ボールねじとスライダとの相対位
置を保つこともできる。更に、本実施例ではバンドパス
フィルタの出力を第2送り制御装置の電流指令から差し
引くフィードバックを行ったが、この代わりに、バンド
パスフィルタの出力を電流指令に加えることにより振動
を抑制することも可能である。
【0034】本実施例では、スライダの振動を打ち消す
ために送りナット側に新たに中空サーボモータを設け、
これを新たに設けたサーボ機構により制御した。この振
動を打ち消す方法として、送りねじを回転させるサーボ
モータ側に振動を打ち消す機構を付加することも考え得
るが、この場合は送りねじが制御対象に含まれることに
なる。本実施例は、この方法に対して、送りねじの慣性
重量だけ制御対象が軽い利点がある。
【0035】
【発明の効果】本発明は、上記の構成を有し、第2送り
制御装置が、第2サーボモータを該第2サーボモータに
より生ずるスライダの速度を零に保つよう制御する。送
りねじ(ボールねじ)の弾性によりスライダに振動が発
生すると、加速度センサが加速度を検出し、バンドパス
フィルタが検出された加速度のスライダの固有振動成分
を抽出する。第2送り制御装置の電流指令値に固有振動
成分をフィードバックさせ、この固有振動を打ち消すよ
う第2サーボモータを微小角度回転させることによりス
ライダ固有の振動を抑制できるという優れた効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例のサーボ構成を示すブロックダイヤグ
ラム
【図2】 実施例のハード構成を示すブロック図
【図3】 処理手順を示すフローチャート
【図4】 実施例の中空サーボモータ60の縦断面図
【符号の説明】
1 サーボモータ 2 ロータリエンコーダ 3 送りねじ(ボールねじ) 4 送りナット 5 砥石台(スライダ) 7 加速度センサ 10 ディジタルサーボ制御装置 11 CPU 14 DSP(ディジタルシグナルプロセッサ) 60 中空サーボモータ 102 ロータリエンコーダ 110 ディジタルサーボ制御装置 111 CPU 114 DSP(ディジタルシグナルプロセッサ) 152 バンドパスフィルタ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1サーボモータと、 その第1サーボモータにより回転駆動される送りねじ
    と、 その送りねじに螺合する送りナットと、 スライダに固定され前記送りナットを回転駆動する第2
    サーボモータと、 前記スライダの位置を検出する位置検出手段、スライダ
    の送り速度を検出する第1速度検出手段及び前記サーボ
    モータの電流を検出する第1電流検出手段を備え、位置
    フィードバック、速度フィードバック、電流フィードバ
    ックの三重のフィードバックループを有する第1サーボ
    モータを制御する第1の送り制御装置と、 前記第2サーボモータによるスライダの送り速度を検出
    する第2速度検出手段と、該第2サーボモータの電流を
    検出する第2電流検出手段とを備え、前記第2サーボモ
    ータを該第2サーボモータによるスライダの送り速度を
    零に保つように制御する第2の送り制御装置と、 スライダの加速度を検出する加速度検出センサと、 加速度センサの出力から送りネジの弾性による固有振動
    成分だけ抽出するバンドパスフィルタと、 バンドパスフィルタの出力を第2の送り制御装置の電流
    指令から差し引く加速度フィードバックループとを備え
    ることを特徴とする送り制御装置。
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