(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生産機械の動きをモデル化するモデル制御系と、
前記生産機械の動きを実際に制御するフィードバック制御系と、を有し、
前記フィードバック制御系は、
前記モデル制御系から出力される前記生産機械の制御対象のモデル位置と前記生産機械の制御対象の位置との偏差から速度指令を演算する位置制御器と、
前記モデル制御系から出力されるモデル位置を微分した速度指令と前記位置制御器が演算した速度指令と前記制御対象を駆動するモータの位置を微分した速度指令との偏差からトルク指令を出力する速度制御器と、
前記モデル制御系から出力される前記生産機械の制御対象を駆動するためのモデルトルク指令と前記速度制御器から出力されたトルク指令とを加算して前記モータのトルクを制御するトルク制御器と、を有し、
前記速度制御器と前記トルク制御器との間には、前記トルク指令に含まれる量子化リップルや高周波数成分を取り除くトルク指令ローパスフィルタを設け、
前記速度制御器は、積分制御器と比例制御器とを有し、前記モータが前記制御対象を動かしているときには前記比例制御器のみでトルク指令を出力し、前記モータが前記制御対象を停止させているときには前記積分制御器と比例制御器とでトルク指令を出力し、
前記モデル制御系は、
前記生産機械の前記可動部の動きをモデル化して前記可動部のモデル可動部位置を出力する可動部モデルと、
前記機台の動きをモデル化して前記機台のモデル機台位置を出力する機台モデルと、
前記位置制御器をモデル化してモデル速度指令を出力するモデル位置制御器と、
前記速度制御器をモデル化してモデルトルク指令を出力するモデル速度制御器と、
前記トルク指令ローパスフィルタをモデル化して、前記モデルトルク指令をローパスフィルタ処理して得たフィルタ処理モデルトルク指令を、前記可動部モデルと前記機台モデルとに与えるモデルトルク指令ローパスフィルタと、
前記モデル可動部位置と前記モデル機台位置とを加算して得たモデル位置情報をフィードバック系へのモデル位置として前記モデル位置制御器及び前記モデル速度制御器にそれぞれフィードバックする主フィードバック部と、
前記モデル機台位置に基づいて少なくとも前記モデル機台位置を含む第１のフィードバックを出力する第１のフィードバック部と、
前記フィルタ処理モデルトルク指令から第２のフィードバックを出力する第２のフィードバック部と、
前記第１のフィードバックと前記第２のフィードバックと前記モデルトルク指令との偏差を求め、前記偏差をモデルトルク指令として前記モデルトルク指令ローパスフィルタと前記トルク指令ローパスフィルタに出力する演算部とを備え、
前記モデル制御系に含まれる複数のパラメータは、前記モデル制御系の状態方程式の特性方程式が重根を持つように算出し、かつ前記モデル制御系における位置ループゲインをＫＰ、速度ループゲインをＫｖとし、イナーシャをＪ、第２のフィードバックゲインをＫＬＰとすると、Ｊ２＝Ｊ（１＋ＫＬＰ）となり、前記フィードバック制御系がオーバーシュートを起こすようにＫｖ＝２.５〜３.５Ｊ２・ＫＰとされ、
前記フィードバック系へのモデル位置指令を前記位置制御器に前記位置指令として与え、前記フィードバック系へのモデル位置指令に基づいて作成したフィードバック系へのモデル速度指令を前記速度制御器に入力される前記速度指令に加算することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記フィードバック制御系は、前記速度制御器が有する積分制御器を前記比例制御器に接続するタイミングを制御するタイミング調整部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記フィードバック制御系は、前記制御対象の位置を前記位置制御器にフィードバックするとともに微分した前記モータの位置を前記速度制御器にフィードバックするフルクローズフィードバック系であることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記フィードバック制御系の前記速度制御器と前記トルク制御器との間には、
前記生産機械の共振周波数成分を取り除くトルク指令ノッチフィルタを有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記第１のフィードバック部は、前記モデル機台位置に加えて前記機台のモデル機台速度及びモデル機台加速度を前記第１のフィードバックに含めることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記モデル位置制御器及び前記モデル速度制御器にそれぞれ設定されるゲインは、前記位置制御器及び前記速度制御器にそれぞれ設定されるゲインと同じであり、前記第１のフィードバック部に設定される第１のフィードバックゲインと、前記第２のフィードバック部に設定される第２のフィードバックゲインとは、前記機台の振動を抑制するように定められていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記モデル位置制御器及び前記モデル速度制御器にそれぞれ設定されるゲインは、前記位置制御器及び前記速度制御器にそれぞれ設定されるゲインよりも若干高めであり、前記第１のフィードバック部に設定される第１のフィードバックゲインと、前記第２のフィードバック部に設定される第２のフィードバックゲインとは、前記機台の振動を抑制するように定められていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御対象を高速かつ確実に位置決めできるモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリント基板穴あけ機などの生産機械では、プリント基板の穴あけ加工時間をできるだけ短縮して生産効率を向上することが求められる。プリント基板穴あけ機の生産効率はプリント基板の位置決め速度に依存する。したがって、プリント基板穴あけ機の生産効率を向上させるためには、プリント基板を高速かつ確実に位置決めさせなければならない。
【０００３】
一般的に、生産機械が理想的な剛体であって摩擦もなければ、理論的には制御理論を駆使した高速かつ確実な位置決めが可能である。しかし、実際の生産機械は理想的な剛体とは違って一部に剛性の低い部分が存在しまた制御対象には摩擦が存在する。
プリント基板穴あけ機も理想的な剛体ではなく摩擦も存在するため、プリント基板の穴あけ作業を高速で行なわせようとすると、プリント基板穴あけ機自体が振動しまた摩擦の存在によって位置決めの整定時間が理論値より長くなる。
【０００４】
生産機械の振動を抑えながら比較的高速で確実な位置決めを実現させる制御手法として、位置指令の入力部にノッチフィルタを挿入する制御手法がある。この制御手法は、ノッチフィルタに生産機械の振動周波数を設定しておくことによって生産機械の振動をキャンセルするが、ノッチフィルタの遅れにより位置決め整定時間が長くなる。
【０００５】
また、別の制御手法としては、下記の特許文献１に開示されているように、生産機械のモデルに対してモデル制御系を適用する制御手法がある。この制御手法は、生産機械のモデルに対してモデル追従制御を実施することによって生産機械の振動をキャンセルし、比較的高速でオーバーシュートのない確実な位置決めを実現させる。
【０００６】
生産機械のモデルに対してモデル制御系を適用する制御手法では、具体的には、下記のように、生産機械のモデルに対する状態方程式を立て、状態方程式の特性方程式が５重根を持つように各パラメータを設定する。
【０００７】
【数１】
0005528421.tif 000002
【０００８】
【数２】
0005528421.tif 000003
【０００９】
【数３】
0005528421.tif 000004
【００１０】
ただし、上記数式において、ＫＰは位置ループゲイン、ＫＶは速度ループゲイン、ＫＰＢは機台位置フィードバックゲイン、ＫＡＢは機台加速度フィードバックゲイン、ＫＶＢは機台速度フィードバックゲインをそれぞれ示す。また、上記数式において、Ｊは、生産機械のモデルにおけるモータイナーシャＪＭおよび負荷イナーシャＪＬの和を示す。また、Ｔはモデルトルク指令ローパスフィルタの時定数を示す。
【００１１】
そして、位置制御系及び速度制御系が安定するようにＫＶ＝４Ｊ２・ＫＰとし、Ｊ２・ＫＰの係数として４を用いる。このＫＶの値に基づいて生産機械のモデル制御系を構成する各要素の制御パラメータを設定すると、比較的高速でオーバーシュートのない確実な位置決めが実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４５４０７２７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、前述のノッチフィルタを挿入する制御手法では、ノッチフィルタを用いることで生じる制御遅れから位置決めの整定時間を要求に応える程までには短くできない。
【００１４】
また、モデル制御系を適用する制御手法では、オーバーシュートがなく振動を生じさせない位置決めが可能であるものの、位置決めの整定時間の更なる短縮化の要求に応える程までには短くできない。
【００１５】
本発明は、位置決めの整定時間をさらに短くしたいという要求に応えるためになされたものであり、制御対象を高速かつ確実に位置決めできるモータ制御装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するための本発明に係るモータ制御装置は、生産機械の動きをモデル化するモデル制御系と、生産機械の動きを実際に制御するフィードバック制御系と、を有する。フィードバック制御系は、位置制御器、速度制御器、トルク制御器、トルク指令ローパスフィルタを有する。
【００１７】
位置制御器は、モデル制御系から出力される生産機械の制御対象のモデル位置と生産機械の制御対象の位置との偏差から速度指令を演算する。速度制御器は、モデル制御系から出力されるモデル位置を微分した速度指令と位置制御器が演算した速度指令と制御対象を駆動するモータの位置を微分した速度指令との偏差からトルク指令を出力する。トルク制御器は、モデル制御系から出力される生産機械の制御対象を駆動するためのモデルトルク指令と速度制御器から出力されたトルク指令とを加算してモータのトルクを制御する。トルク指令ローパスフィルタは、速度制御器とトルク制御器との間に設けられ、トルク指令に含まれる量子化リップルや高周波数成分を取り除く。
【００１８】
速度制御器は、積分制御器と比例制御器とを有する。速度制御器は、モータが制御対象を動かしているときには比例制御器のみでトルク指令を出力し、モータが制御対象を動かしていないときには積分制御器と比例制御器とでトルク指令を出力する。
モデル制御系は、可動部モデル、機台モデル、モデル位置制御器、モデル速度制御器、モデルトルク指令ローパスフィルタ、主フィードバック部、第１のフィードバック部、第２のフィードバック部、演算部を有する。
可動部モデルは、生産機械の可動部の動きをモデル化して可動部のモデル可動部位置を出力する。機台モデルは、機台の動きをモデル化して機台のモデル機台位置を出力する。モデル位置制御器は、位置制御器をモデル化してモデル速度指令を出力する。モデル速度制御器は、速度制御器をモデル化してモデルトルク指令を出力する。モデルトルク指令ローパスフィルタは、トルク指令ローパスフィルタをモデル化して、モデルトルク指令をローパスフィルタ処理して得たフィルタ処理モデルトルク指令を、可動部モデルと機台モデルとに与える。主フィードバック部は、モデル可動部位置とモデル機台位置とを加算して得たモデル位置情報をフィードバック系へのモデル位置としてモデル位置制御器及びモデル速度制御器にそれぞれフィードバックする。第１のフィードバック部は、モデル機台位置に基づいて少なくともモデル機台位置を含む第１のフィードバックを出力する。第２のフィードバック部は、フィルタ処理モデルトルク指令から第２のフィードバックを出力する。演算部は、第１のフィードバックと第２のフィードバックとモデルトルク指令との偏差を求め、偏差をモデルトルク指令としてモデルトルク指令ローパスフィルタとトルク指令ローパスフィルタに出力する。
モデル制御系に含まれる複数のパラメータは、モデル制御系の状態方程式の特性方程式が重根を持つように算出し、かつ前記モデル制御系における位置ループゲインをＫＰ、速度ループゲインをＫｖとし、イナーシャをＪ、第２のフィードバックゲインをＫＬＰとすると、Ｊ２＝Ｊ（１＋ＫＬＰ）となり、フィードバック制御系がオーバーシュートを起こすようにＫｖ＝２.５〜３.５Ｊ２・ＫＰとされ、フィードバック系へのモデル位置指令を位置制御器に位置指令として与え、フィードバック系へのモデル位置指令に基づいて作成したフィードバック系へのモデル速度指令を速度制御器に入力される速度指令に加算する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るモータ制御装置によれば、制御対象を、振動させることなく高速かつ確実に位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係るモータ制御装置の適用対象となる生産機械の概略構成図である。
【図２】本実施形態に係るモータ制御装置の制御系のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本実施形態に係るモータ制御装置について説明する。図１は、本実施形態に係るモータ制御装置の適用対象となる生産機械の概略構成図である。
【００２２】
（生産機械の構成）
生産機械１００は、機台１１０、モータ１２０、ボールねじ１３０、テーブル１４０、レベリングボルト１５０Ａ、１５０Ｂを備える。
【００２３】
機台１１０はレベリングボルト１５０Ａ、１５０Ｂによってコンクリートなどの堅固な床１６０に固定される。機台１１０上にはテーブル１４０を駆動するモータ１２０とテーブル１４０を移動させるボールねじ１３０を設ける。
【００２４】
モータ１２０、ボールねじ１３０、テーブル１４０は可動部１８０を構成する。モータ１２０は固定具１２５によって機台１１０に固定される。ボールねじ１３０は両端を回転自在に支持する支持具１３５Ａ、１３５Ｂによって機台１１０に固定される。モータ１２０の回転軸とボールねじ１３０は継ぎ手１７０を介して連結する。ボールねじ１３０はモータ１２０の回転軸と同一の回転方向に回転しまた同一の回転速度で回転する。テーブル１４０の一部から突出する螺合部１４５はボールねじ１３０と螺合される。ボールねじ１３０が左右に回転するとテーブル１４０は図示左右方向に往復移動する。
【００２５】
加工を高速で行うにはテーブル１４０の位置決めの整定時間を短くする必要がある。しかし、テーブル１４０を高速で移動させて高速で位置決めすると、位置決め時に、テーブル１４０の慣性により機台１１０に慣性力がかかり、レベリングボルト１５０Ａ、１５０Ｂの剛性不足の影響で機台１１０が図示のように振動する。また、テーブル１４０の螺合部１４５の内周とボールねじ１３０の外周との間には摩擦があるため、摩擦の大きさに応じて位置決めの整定時間が長くなる。
【００２６】
本実施形態に係るモータ制御装置は機台１１０の振動を抑えながら制御対象となるテーブル１４０を高速かつ確実に位置決めする。次に、本実施形態に係るモータ制御装置の制御系の構成と動作を説明する。
【００２７】
（モータ制御装置の制御系の構成）
本実施形態に係るモータ制御装置の制御系は、図１の機台１１０が振動することを前提とした生産機械において、テーブル１４０の位置決め制御に若干のオーバーシュートを許容する一方、オーバーシュートによる振動が生じないようにし、さらにテーブル１４０とボールねじ１３０との摩擦を考慮して、高速かつ確実な位置決めができるように構成する。
【００２８】
図２は、本実施形態に係るモータ制御装置の制御系のブロック図である。
【００２９】
モータ制御装置の制御系２００は、モデル制御系３００とフィードバック制御系４００とを有する。モデル制御系３００には、テーブル１４０の理想的（高速かつ確実な）な位置決めを実現させるための制御パラメータが設定されている。フィードバック制御系４００は、モデル制御系３００の指令を用いて実機のテーブル１４０の動きを実際に制御し、テーブル１４０を高速かつ確実に位置決めさせる。
【００３０】
フィードバック制御系４００の制御パラメータは実機の生産機械に合わせて設定し、モデル制御系３００の制御パラメータはフィードバック制御系４００に設定したパラメータに合わせる。
【００３１】
［モータ制御装置の制御系の全体構成］
モデル制御系３００は、モデル位置制御器３１０、モデル速度制御器３２０、モデルトルク指令ローパスフィルタ３３０、可動部モデル３４０、機台モデル３５０を有する。また、状態フィードバックを行う第１フィードバック部３６０及び第２フィードバック部３７０、微分器３８０を有する。さらに、加え合わせ点を構成する演算部ＳＰ３１５、ＳＰ３２５、ＳＰ３３５、ＳＰ３４５、ＳＰ３５５を有する。
【００３２】
フィードバック制御系４００は、モータ１２０、センサ１２０Ｓ、テーブル１４０、センサ１４０Ｓ、位置制御器４１０、タイミング調整部４１５、比例制御器４２２、積分制御器４２４、トルク指令ローパスフィルタ４３０、トルク指令ノッチフィルタ４４５、トルク制御器４５５、微分器４８０を有する。比例制御器４２２、積分制御器４２４は速度制御器４２０を構成する。また、加え合わせ点を構成する演算部ＳＰ４１５、ＳＰ４２５、ＳＰ４３５、ＳＰ４４５を有する。
【００３３】
［モデル制御系の各部の動作］
モデル位置制御器３１０は、位置制御器４１０をモデル化したものでモデル速度指令を出力する。モデル位置制御器３１０のゲインは位置制御器４１０と同一である。モデル速度制御器３２０は、速度制御器４２０をモデル化したものでモデルトルク指令を出力する。モデル速度制御器３２０のゲインは速度制御器４２０と同一である。モデル制御系では外乱を考慮しないため、モデル位置制御器３１０とモデル速度制御器３２０は比例制御器で構成する。
【００３４】
モデルトルク指令ローパスフィルタ３３０は、トルク指令ローパスフィルタ４３０を一次ローパスフィルタでモデル化したものでローパスフィルタ処理を施したモデルトルク指令を出力する。モデルトルク指令ローパスフィルタ３３０のフィルタの値はトルク指令ローパスフィルタ４３０と同一である。
【００３５】
可動部モデル３４０は、モータ１２０を含む可動部１８０の動きをモデル化したものでモデル可動部位置を出力する。モデル可動部位置はテーブル１４０の位置である。モータ１２０とテーブル１４０との間にはボールねじ１３０が存在するが可動部モデル３４０ではこれらの剛性は非常に高いものとみなしている。機台モデル３５０は、機台１１０の動きをモデル化したものでモデル機台位置を出力する。モデル機台位置は振動する機台１１０の位置である。モデル可動部位置とモデル機台位置とを加算して求めるモデル位置は、テーブル１４０と機台１１０との相対位置である。可動部モデル３４０と機台モデル３５０のパラメータは実機の可動部１８０と機台１１０のパラメータと同一である。
【００３６】
第１フィードバック部３６０はモデル機台位置、モデル機台速度、モデル機台加速度を含む第１のフィードバックを出力する。第２フィードバック部３７０はローパスフィルタ処理をした後のモデルトルク指令にゲインを掛けて第２のフィードバックを出力する。第１のフィードバックと第２のフィードバックとを加算して状態フィードバック量が得られる。微分器３８０は主フィードバック量であるモデル位置を微分して速度指令を出力する。
【００３７】
演算部ＳＰ３１５、ＳＰ３２５、ＳＰ３３５、ＳＰ３４５、ＳＰ３５５は、それぞれの加算点に合流する指令を加算または減算する。なお、状態フィードバック量のゲインは、実機の可動部１８０と機台１１０のパラメータに基づいて設定する。モデル制御系３００の位置ゲインと速度ゲインのパラメータは、位置ゲインと速度ゲインの間に一定の関係を保っているのであれば、フィードバック制御系４００の値より若干大きめに設定しても良い。
【００３８】
このように、モデル制御系３００では、モデルトルク指令ローパスフィルタ３３０が出力するモデルトルク指令、機台モデル３５０が出力するモデル機台位置、モデル機台速度、モデル機台加速度を状態フィードバック量として状態フィードバックする。状態フィードバックすることで、機台１１０の振動を抑制しながら、テーブルを高速に位置決めする。
【００３９】
［フィードバック制御系の各部の動作］
センサ１４０Ｓはテーブル１４０の位置を検出する。モータ１２０は、図１に示した通りテーブル１４０を駆動するものである。センサ１２０Ｓはモータ１２０の回転位置を検出する。
【００４０】
位置制御器４１０は、モデル制御系３００から出力されるモデル位置とセンサ１４０Ｓで検出したテーブル１４０の位置との差分を入力して速度指令を出力する。
【００４１】
タイミング調整部４１５は、スイッチ４２６をＯＮ、ＯＦＦさせるタイミングを調整し、モータ１２０が停止するタイミングで積分制御器４２４を比例制御器４２２に接続する。タイミング調整部４１５による積分制御器４２４の挿入及び除外の切り替えのタイミングは、センサ１４０Ｓで検出されるテーブル１４０の位置などの位置偏差に基づいて微調整する。切り替えのタイミングは、テーブル１４０の位置決めが、若干のオーバーシュートを許容し、しかも高速で位置決めができ、かつ、振動が速やかに収束するタイミングである。このタイミングはトライアンドエラーを繰り返して最適なタイミングに設定する。
【００４２】
比例制御器４２２は、速度指令に一定のゲインを掛けてトルク指令を出力する。積分制御器４２４は、積分した速度指令を出力する。速度制御器４２０は、モータ１２０が回転しているときには比例制御器４２２のみによってトルク指令を出力し（比例制御）、モータ１２０が停止すると積分制御器４２４と比例制御器４２２によって生成されるトルク指令を出力する（比例積分制御）。速度制御器４２０のゲインは、高周波共振を起こさない範囲でできるだけ大きな値に設定する。
【００４３】
トルク指令ローパスフィルタ４３０は、センサ１１０Ｓ、１２０Ｓが検出した位置に含まれる量子化リップル（センサ１２０Ｓ、１４０Ｓにエンコーダを用いると発生する）や高周波数成分を取り除く。トルク指令ローパスフィルタ４３０は、できるだけ高い周波数のノイズを取り除くことができるようにフィルタを設定する。トルク指令ノッチフィルタ４４５は、ボールねじ１３０などの共振周波数成分を除いたトルク指令を出力してボールねじ１３０などの共振を抑制する。トルク指令ノッチフィルタ４４５は、ボールねじ１３０などの共振周波数でフィルタを設計する。トルク制御器４５５は、トルク指令ローパスフィルタ４３０、トルク指令ノッチフィルタ４４５によってノイズが除かれたトルク指令に基づいてモータ１２０のトルクを制御する。なお、トルク指令ローパスフィルタ４３０とトルク指令ノッチフィルタ４４５の並びは、図２とは異なり、トルク指令ノッチフィルタ４４５、トルク指令ローパスフィルタ４３０の順序でもよい。
【００４４】
微分器４８０はセンサ１２０によって検出されたモータ１２０の回転位置を微分して速度を出力する。演算部ＳＰ４１５、ＳＰ４２５、ＳＰ４３５、ＳＰ４４５は、それぞれの加算点に合流する指令を加算または減算する。
【００４５】
なお、フィードバック制御系４００の位置ループゲインは、若干のオーバーシュートを許容した上で、高速でしかも振動しないように、位置ゲインは速度ゲインの１／３に設定する。
【００４６】
（モータ制御装置の制御系の動作）
本実施形態に係るモータ制御装置の制御系は上記のように構成される。次に、本実施形態に係るモータ制御装置の制御系の全体の動作を図１に示した生産機械１００を例示して説明する。
【００４７】
モデル制御系３００の演算部ＳＰ３１５は、位置指令と生産機械１００のモデル位置（テーブル１４０の位置）との位置偏差を演算する。モデル位置制御器３１０はその位置偏差をＫＰ倍してモデル速度指令を出力する。演算部ＳＰ３２５は、モデル速度指令と微分器３８０がモデル位置を微分して演算した速度との速度偏差を演算する。モデル速度制御部３２０はその速度偏差をＫＶＰ倍してモデルトルク指令を出力する。演算部ＳＰ３３５は、モデルトルク指令と状態フィードバック量を減算する。
【００４８】
演算部ＳＰ３３５が入力する、状態フィードバックは次のようにして演算される。第１フィードバック部３６０は機台モデル３５０が出力するモデル機台位置にＫＰＢ＋ＫＶＢＳ＋ＫＡＢＳ２を乗じた結果を第１のフィードバックとして出力する。第２フィードバック部３７０はモデルトルク指令ローパスフィルタ３３０が出力するローパスフィルタ処理後のモデルトルク指令をＫＬＰ倍して第２のフィードバックとして出力する。演算部ＳＰ３５５は、第１のフィードバックと第２のフィードバックとを加算する。演算部ＳＰ３５５が加算した状態フィードバック量が状態フィードバックとなる。
【００４９】
演算部ＳＰ３３５が出力するトルク偏差は、モデルトルク指令ローパスフィルタ３３０によって高周波成分のノイズが取り除かれてモデルトルク指令となる。可動部モデル３４０はローパスフィルタ処理をした後のモデルトルク指令からテーブル１４０の位置を示すモデル可動部位置を出力する。同時に、機台モデル３５０はローパスフィルタ処理をした後のモデルトルク指令から機台１１０の位置を示すモデル機台位置を出力する。演算部ＳＰ３４５は、モデル可動部位置とモデル機台位置とを加算してモデル位置を出力する。
【００５０】
一方、フィードバック制御系４００の演算部ＳＰ４１５は、モデル制御系３００で得られるモデル位置とセンサ１１０Ｓで検出される機台１１０の現在の位置との位置偏差を演算する。位置制御器４１０はその位置偏差から速度指令を出力する。演算部ＳＰ４２５は、モデル制御系３００の微分器３８０がモデル位置を微分して演算した速度指令と、位置制御器４１０が出力した速度指令と、微分器４８０がセンサ１２０によって検出されたモータ１２０の回転位置を微分して演算した速度とを加減算して、これらの速度偏差を演算する。速度制御器４２０は速度偏差からトルク指令を出力する。
【００５１】
速度制御器４２０では、モータ１２０が回転しているときには、タイミング調整部４１５によってスイッチ４２６がＯＦＦされている。このため、演算部４３５は、モータ１２０が回転しているときには、位置制御器４１０が出力した速度指令をそのまま比例制御器４２２に与える。比例制御器４２２は速度指令に基づいてトルク指令を出力する。一方、モータ１２０が停止したときには、タイミング制御部４１５によって設定したタイミングでスイッチ４２６がＯＮされる。このため、演算部４３５は、位置制御器４１０が出力した速度指令と積分制御器４２４が積分演算した速度指令とを加算する。比例制御器４２２は加算された速度指令に基づいてトルク指令を出力する。
【００５２】
演算部ＳＰ４４５はモデル制御系３００の演算部ＳＰ３３５が出力するトルク指令と比例制御器４２２が出力するトルク指令を加算する。加算されたトルク指令はトルク指令ローパスフィルタ４３０で量子化リップルや高周波数成分が取り除かれ、さらにトルク指令ノッチフィルタ４４５で共振周波数成分が取り除かれる。トルク制御器４５５はノイズが取り除かれたトルク指令に基づいてモータ１２０のトルクを制御する。
【００５３】
本実施形態に係るモータ制御装置の制御系の動作は以上の通りである。本実施形態では、テーブル１４０の高速な位置決めを実現するために、制御パラメータとして独自の値を採用している。本実施形態に係るモデル制御系３００の状態方程式は下記の通りである。
【００５４】
【数４】
0005528421.tif 000005
【００５５】
【数５】
0005528421.tif 000006
【００５６】
【数６】
0005528421.tif 000007
【００５７】
上記の状態方程式の特性方程式が５重根を持つように各パラメータを設定する。
本実施形態では、位置制御系及び速度制御系に若干のオーバーシュートをさせ、テーブル１４０の位置決めを高速化するために、Ｋｖ＝３Ｊ２・ＫＰとし、Ｊ２・ＫＰの係数として３を用いる。ただし、イナーシャをＪとし、第２のフィードバックゲインをＫＬＰとした場合、上式よりＪ２＝Ｊ（１＋ＫＬＰ）であり、Ｋｖ＝３Ｊ２・ＫＰとすると、
【００５８】
【数７】
0005528421.tif 000008
【００５９】
となる。以上の各数値を、モデル制御系３００を構成する各要素に制御パラメータとして設定する。これらの制御パラメータの設定により、テーブル１４０の位置決めに若干のオーバーシュートを許容しつつも、オーバーシュートによる振動が生じることがなく高速の位置決めができる。さらに、テーブル１４０とボールねじ１３０との間に摩擦があってもテーブル１４０の位置決めを精度よく確実に実現できる。
【００６０】
状態方程式において、ＫＶ＝３Ｊ２・ＫＰとし、Ｊ２・ＫＰの係数として３を用いる理由は下記の通りである。
【００６１】
一般的に生産機械の制御では、制御対象の位置決めを、オーバーシュートさせることなく迅速に行わせるのが常である。したがって、従来の生産機械の制御では位置決めの整定時間を短縮することは非常に困難である。
【００６２】
ところが、最近では、さらなる生産効率の向上が強く求められている。特に、プリント基板穴あけ機では、穴あけ加工時間をさらに短縮するために、位置決めの制御のオーバーシュートを許容させてまでも位置決めの整定時間を短縮させたいという要望が出てきている。
【００６３】
従来の生産機械の制御では、オーバーシュートさせることは前提としていないため、モデル制御系の状態方程式において、ＫＶ＝４Ｊ２・ＫＰとし、Ｊ２・ＫＰの係数として４を用いる。本実施形態のように、状態方程式において、ＫＶ＝３Ｊ２・ＫＰとし、Ｊ２・ＫＰの係数として４以外の係数を用いることはほとんどない。
【００６４】
本実施形態では、オーバーシュートさせることが前提となっているので、Ｊ２・ＫＰの係数として４ではなく３を用いる。なお、本実施形態では、Ｊ２・ＫＰの係数として３を用いたが、許容できるオーバーシュート量に応じて４よりも小さい係数を用いても良い。たとえば、２.５〜３.５の間で適切な値を用いることができる。小さな値の係数に設定するとオーバーシュート量が増え、大きな値の係数に設定するとオーバーシュート量が減る。
【００６５】
また、本実施形態では、オーバーシュートを迅速に収束させるため、及び摩擦の影響を取り除くため、図２に示したように速度制御器４２０の構成に工夫を凝らしている。
【００６６】
速度制御器４２０は比例積分制御器で構成しているが、積分制御器４２４はモータ１２０の動作に合わせて挿入または除外できるようにしている。積分制御器４２４をモータ１２０の動作に合わせて挿入または除外するのは次のような理由からである。
【００６７】
生産機械の制御対象を駆動するときには必ず摩擦が生じる。このため、従来のフィードバック系の速度制御器は比例積分制御器を用いている。ところが、フィードバック系の速度制御器を比例積分制御器で構成すると、速度積分器にモータ１２０の回転中に摩擦を補償した若干の値が残ってしまい、位置決めの整定時間が伸びてしまう。また、フィードバック系の速度制御器を比例積分制御器で構成すると、オーバーシュートを許容した場合には、速度積分器により振動を速やかに収束させることができない。
【００６８】
したがって、モータ１２０が回転している間は積分制御器４２４を除外して速度制御器４２０を比例制御器とする。これにより、モータ１２０が回転している間は、速度指令に含まれる積分項の値が０になり、オーバーシュートを許容することによる影響を受けることがなくなる。また、モータ１２０が回転している間は、摩擦補償分の速度指令が積分項に溜まることがなくなり、位置決めの整定時間が伸びることがない。
【００６９】
また、従来の生産機械の制御では、通常、モータエンコーダを用いたセミクローズシステムを採用する。しかし、セミクローズシステムでは、モータの回転位置を制御しており、本実施形態のようにテーブル１４０の位置とモータ１２０の回転位置とで制御するものではないので、テーブル１４０の位置にはボールねじ１３０などの摩擦に起因する位置誤差が生じる。このためセミクローズシステムではテーブル１４０の高精度な位置決めを実現させることが難しい。したがって、本実施形態では、モータ１２０の回転位置とテーブル１４０の位置をフィードバックするフルクローズシステムとしている。
【００７０】
以上のように、本実施形態に係る生産機械の制御装置は、モデル制御系３００を、モデル機台の位置、速度、加速度、ローパスフィルタ処理後のモデルトルク指令をフィードバックする構成とする。そして、現代制御理論を適用して、モデル制御系３００の特性方程式の根が重根となるように連立方程式を解き、モデル制御系３００を構成する各要素の制御パラメータを設定する。ただし、モデル位置ゲインとモデル速度ゲインとの関係を、若干のオーバーシュートを許容した上で高速かつ確実に位置決めができるように設定する。フィードバック制御系４００を、振動がなく高速かつ確実に位置決めできるモデル制御系３００に追従できるように、フルクローズフィードバック制御系とした。フィードバック制御系４００の速度制御器４２０は、比例積分制御器で構成し、積分項がモータ１２０の停止時のみ有効になるようにした。
【００７１】
なお、モデル位置制御器３１０及びモデル速度制御器３２０にそれぞれ設定されるゲインは、位置制御器４１０及び速度制御器４２０にそれぞれ設定されるゲインと同じであっても良いし、位置制御器４１０及び速度制御器４２０にそれぞれ設定されるゲインよりも若干高めであっても良い。
【００７２】
以上の構成によって、機台１１０振動を検出するセンサを設けることなく、テーブル１４０を振動させることなく、高速かつ高精度に位置決めをさせることができる。
【符号の説明】
【００７３】
１００  生産機械、
１１０  機台、
１２０  モータ
１２０Ｓ  センサ
１３０  ボールねじ、
１４０  テーブル、
１４０Ｓ  センサ
１５０Ａ、１５０Ｂ  レベリングボルト、
１６０  床、
１８０  可動部、
２００  モータ制御装置の制御系、
３００  モデル制御系、
３１０  モデル位置制御器、
３２０  モデル速度制御器、
３３０  モデルトルク指令ローパスフィルタ、
３４０  可動部モデル、
３５０  機台モデル
３６０  第１フィードバック部、
３７０  第２フィードバック部、
３８０  微分器、
ＳＰ３１５−ＳＰ３５５  演算器、
４００  フィードバック制御系、
４１０  位置制御器、
４２０  速度制御器、
４２２  比例制御器、
４２４  積分制御器、
４３０  トルク指令ローパスフィルタ、
４４５  トルク指令ノッチフィルタ、
４５５  トルク制御器、
ＳＰ４１５−ＳＰ４４５  演算器。
【図１】
0005528421.tif 000009
【図２】
0005528421.tif 000010