(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角度指令(θref)とＡＣサーボモータ(7)の回転角(θ)とに基づき速度制御部(1)にてＡＣサーボモータ(7)への電圧指令(vref)を演算し、前記電圧指令(vref)に基づいて前記ＡＣサーボモータ(7)をＰＩ駆動制御する位置制御方法において、前記速度制御部(1)は、前記ＡＣサーボモータ(7)に接続された制御対象が静止状態から動き出そうとしたときに、スティックスリップが発生した際に電流指令ｉ(k)ref及び電圧指令ｖrefをリセットし、前記制御対象のクーロン摩擦トルク(Dfrc)を前記ＡＣサーボモータの極対数(p)及びモータ巻線の鎖交磁束数(Φfa)で除算して得る電流指令(i(k)ref)に基づいて前記電圧指令(vref)を演算し、前記ＡＣサーボモータを駆動制御することを特徴とする位置制御方法。
【請求項２】
前記制御対象が動き出したことは前記ＡＣサーボモータ(7)の角速度(ω)に基づいて検出され、前記制御対象のクーロン摩擦トルク(Dfrc)に基づく前記電流指令(i(k)ref)の演算は、ω(k-1)＝０からω(k)≠０となった場合にのみ行われることを特徴とする請求項１記載の位置制御方法。
【請求項３】
前記速度制御部(1)の電流制御部(2)内にｑ軸電流積分制御部(6)を備え、前記ｑ軸電流積分制御部(6)において、前記速度積分制御部(4)から出力される前記電流指令(i(k)ref)に前記ＡＣサーボモータ(7)のインピーダンス(Z)を乗算して得られる電圧指令(v(k)ref)を演算し、前記電圧指令(v(k)ref)に基づいて前記ＡＣサーボモータを駆動制御することを特徴とする請求項１または２のいずれか記載の位置制御方法。
【請求項４】
前記クーロン摩擦トルク(Dfrc)は、外乱オブザーバ(10)の検出値に基づいて予め演算された値であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の位置制御方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の制御方法を行う制御手段(1,2,4,6,7,10)を備え、前記制御手段(1,2,4,6,7,10)は前記ＡＣサーボモータ(7)を駆動することを特徴とする位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置制御方法及び位置制御装置に関し、特に、スティックスリップを抑制するようにするための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の制御方法に用いられていた装置としては図４で示される、例えば位置サーボ系制御装置の構成を挙げることができる。すなわち、位置サーボ系制御装置は、図４のように、速度制御部１と電流制御部２とをマイナーループとするものである。
速度制御部１の入力側に位置制御部３を設け、また、速度制御部１及び電流制御部２内に設けた速度積分制御部４、ｄ軸積分制御部５、ｑ軸積分制御部６及びＡＣサーボモータ７を備え、速度制御部１と電流制御部２をそれぞれ積分制御（ＰＩ制御）することによりロバストな位置サーボ系を構成している。
このような位置サーボ系制御装置では、ＡＣサーボモータ７への角度指令θrefとＡＣサーボモータ７の回転角θとに基づき速度制御部１にてＡＣサーボモータ７への電圧指令ｖrefを演算し、この電圧指令ｖrefに基づいてＡＣサーボモータ７をＰＩ駆動制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位置サーボ系制御装置は以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。すなわち、速度制御部１の内部に積分機能付きの速度積分制御部４があり、さらに速度制御部１の内部に積分機能付きの電流制御部２があるサーボ系制御装置において、ＡＣサーボモータ７を駆動して制御対象（図示せず）を駆動しようとする場合に、制御対象が目標位置で停止している間は、積分機能により静止摩擦トルクに相当する電流指令が速度積分制御部４に積分項として蓄積される。
このような制御は、位置偏差を生じさせることなく制御対象を目標位置に移動させるためには必要不可欠であるが、静止摩擦トルクの方が動摩擦トルクよりも明らかに大きいような状況において、僅かな位置増分指令等を送信すると、制御対象が静止状態から動き出したとたんに、制御対象にかかる摩擦トルクが静止摩擦トルクから動摩擦トルクに変化するため、位置増分指令が過剰な電流指令となり、制御対象が目標位置を行き過ぎてしまうスティックスリップ現象が生じていた。
【０００４】
特に、位置サーボ系において、零速制御時（静止時）や微少送り制御を行う場合には、スティックスリップ現象による振動が発生し、制御性能を悪化させる原因となっていた。それは、例えば、位置応答、速度応答がそれぞれ振動的になったり、また、回転中のモータが停止するとき、速度にアンダーシュートがあると静止摩擦力に阻まれ、モータは目標位置手前で停止してしまう。さらに、微小送り時では、最大静止摩擦力を超えるトルクが発生しないため、位置誤差が生じていた。
ここで速度制御部の補償器に積分器が含まれている場合には、これらの位置誤差が積分器に溜まっていき、最大静止摩擦力を超えると再び回転を始めることがあった。但し、物体が動き始めた瞬間、摩擦負荷は静止摩擦力から動摩擦力に切り替わり、駆動トルクに対して負荷トルクが急に小さくなる。このため速度が大きくなりすぎ、目標位置を通り過ぎてしまう。このような速度の行き過ぎによる繰り返しがスティックスリップの振動現象となっていた。
【０００５】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、スティックスリップの発生を抑制した位置制御性能の極めて高い位置制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の位置制御方法は、角度指令とＡＣサーボモータの回転角とに基づき速度制御部にてＡＣサーボモータ(7)への電圧指令を演算し、前記電圧指令に基づいて前記ＡＣサーボモータをＰＩ駆動制御する位置制御方法において、前記速度制御部は、前記ＡＣサーボモータに接続された制御対象が静止状態から動き出そうとしたときに、スティックスリップが発生した際に電流指令及び電圧指令をリセットし、前記制御対象のクーロン摩擦トルクを前記ＡＣサーボモータの極対数及びモータ巻線の鎖交磁束数で除算して得る電流指令に基づいて前記電圧指令を演算し、前記ＡＣサーボモータを駆動制御する構成であり、また、前記制御対象が動き出したことは前記ＡＣサーボモータの角速度に基づいて検出され、前記制御対象のクーロン摩擦トルクに基づく前記電流指令の演算は、ω(k-1)＝０からω(k)≠０となった場合にのみ行われる構成であり、また、前記速度制御部の電流制御部内にｑ軸電流積分制御部を備え、前記ｑ軸電流積分制御部において、前記速度積分制御部から出力される前記電流指令に前記ＡＣサーボモータのインピーダンスを乗算して得られる電圧指令を演算し、前記電圧指令に基づいて前記ＡＣサーボモータを駆動制御する構成であり、さらに、前記クーロン摩擦トルクは、外乱オブザーバの検出値に基づいて予め演算された値である。また、本発明の位置制御装置は、前記いずれか記載の制御方法を行う制御手段を備え、前記制御手段は前記ＡＣサーボモータを駆動する構成である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による位置制御方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。
なお、従来装置と同一または同等部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【０００８】
本発明による位置制御方法を実現するための制御装置は、図１に示すように、外乱オブザーバ１０およびクーロン摩擦同定アルゴリズム手段１１を備える。
サーボ系の外乱である摩擦トルクは、一般に動摩擦力と静止摩擦力に分けることができ、それぞれ図２のような特性を持つことが知られている。物体が動いている場合に生じる動摩擦トルクには、クーロン摩擦トルクＤfrcのような固定成分（オフセット成分）と、速度に比例して大きさが変化する粘性摩擦成分Ｄωがある。動摩擦力はこれらの摩擦力の和で表され、極低速や速度零付近では特性が非線形的に変化する。
一方、静止摩擦力は、物体が静止している場合において、一定の値となるわけではなく、クーロンの作用・反作用の法則にしたがって最大静止摩擦力（Ｓmaxと−Ｓmax）の間で値が変化する。
【０００９】
本発明では、図３に示すように、動摩擦力の摩擦トルクの特性をマクロ的にとらえ、極低速域での特性の非線形的な変化を無視して線形的に変化する特性としてとらえると共に、クーロン摩擦力と粘性摩擦係数が速度に対して対称となるモデル、即ち、角速度ωの正負で絶対値が等しく符号の反転した特性を用いる。
このような動摩擦トルクは式１で表すことができる。
【００１０】
【数１】
0003652202.tif 000002
【００１１】
ここに、Ｄは粘性摩擦係数、Ｄfrcはクーロン摩擦力、ωは物体の速度を示しており、クーロン摩擦力Ｄfrcはクーロン摩擦同定アルゴリズム手段１１において外乱オブザーバ１０の検出値および角速度ωに基づいて予め演算された値である。
静止摩擦力は、作用・反作用の法則から、物体に加わる力、即ちアクチュエータの発生トルクと外力の大きさとなり、式２で表すことができる。
【００１２】
【数２】
0003652202.tif 000003
【００１３】
但し、Ｓf＜｜Ｓfmax｜であり、ここに、ｐはモータの極対数、Φfaはモータ巻線の鎖交磁束数、Ｉqは電機子電流、ＴLは外力である。
【００１４】
そして、本発明の位置制御方法は、ＡＣサーボモータ７を駆動時にスティックスリップが発生した後に、図３のように、制御対象にかかる摩擦トルクを角速度ωと共に線形的に増大するように近似してモデル化した摩擦トルクを用いて制御を行うものである。スティックスリップが発生したことは、クーロン摩擦同定アルゴリズム手段１１に送信されるＡＣサーボモータ７の角速度ωが０でなくなることに基づいて検出することができる。
すなわち、制御対象を静止している状態から動かそうとし、制御対象が動き出してスティックスリップが発生したときに、速度積分制御部４の積分器定数と出力を式３に基づいて制御する。
【００１５】
式３は、クーロン摩擦トルクＤfrcをモータのトルク定数ＫＴで除算したものにクーロン摩擦補正係数αを乗ずることにより電流指令ｉ(k)refを得る式である。このようなαを乗じているのは、モータの駆動開始時に駆動トルクと摩擦トルクがつり合っていてはモータを駆動できないため、駆動開始時にαを１より大きくすることにより、電流指令ｉ(k)refを増大させて十分な駆動トルクを得るためである。従って、モータ駆動後は、クーロン摩擦補正係数αの値は１．０になる。
このような式３による制御は、ω(k)＝０からω(k+1)≠０に変化したときのｋ番目のサンプリング値である電流指令ｉ(k)refに対してのみ行われるものである。
【００１６】
【数３】
0003652202.tif 000004
【００１７】
また、電流制御部２内においても積分制御を行っている場合には、ＡＣサーボモータのトルク電流を補償するためのｑ軸積分制御部６の出力を式４に基づいて補正する。式４は、ＡＣサーボモータ７の内部インピーダンスＺ（Ｒ、Ｌ成分よりなる）に式３で求めた電流指令ｉ(k)refを乗算して電圧指令ｖ(k)refを得る式である。なお、式４による制御も式３による制御と同様に、ω(k)＝０からω(k+1)≠０に変化したときのｋ番目のサンプリング値である電圧指令ｖ(k)refに対してのみ行われるものである。
【００１８】
【数４】
0003652202.tif 000005
【００１９】
このように、本発明によれば、スティックスリップが発生したときに速度制御部１及び電流制御部２内の積分定数及び出力を図３に示す摩擦トルクに基づいて演算するので、即ち、スティックスリップが発生した際に電流指令ｉ(k)ref及び電圧指令ｖrefをリセットし、上述した式３及び式４に基づいてクーロン摩擦トルクＤfrcをＡＣサーボモータ７の極対数ｐ及びモータ巻線の鎖交磁束数Φfaで除算して得る電流指令ｉ(k)refに基づいて電圧指令ｖrefを演算することにより、ＡＣサーボモータ７を駆動制御するので、瞬時にスティックスリップの発生を抑制することができ、位置制御性能の非常に高い位置制御方法を提供することができる。
【００２０】
また、このような制御は、ｋ番目の電流指令(ｉ(k)ref)及び電圧指令(ｖ(k)ref)の演算は、ω(k-1)＝０からω(k)≠０となった場合にのみ行われ、電流指令(ｉ(k+1)ref)及び電圧指令(ｖ(k+1)ref)に対しては、通常のＰＩ制御が行われるため、より制御性能の高い位置制御方法を提供することができる。
なお、以上の説明においては、電流制御部２内のトルク電流に基づく演算を行うｑ軸積分制御部６において積分制御（ＰＩ制御）を行う場合について説明したが、積分制御ではない通常の制御（Ｐ制御）を行う場合においても、本発明は同様に実施できるものである。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の位置制御方法は、角度指令とＡＣサーボモータの回転角とに基づき速度制御部にてＡＣサーボモータ(7)への電圧指令を演算し、前記電圧指令に基づいて前記ＡＣサーボモータをＰＩ駆動制御する位置制御方法において、前記速度制御部は、前記ＡＣサーボモータに接続された制御対象が静止状態から動き出そうとしたときに、スティックスリップが発生した際に電流指令及び電圧指令をリセットし、前記制御対象のクーロン摩擦トルクを前記ＡＣサーボモータの極対数及びモータ巻線の鎖交磁束数で除算して得る電流指令に基づいて前記電圧指令を演算し、前記ＡＣサーボモータを駆動制御するので、制御対象が静止状態から動き出したときにスティックスリップが発生することのない位置制御性能の極めて高い位置制御方法を提供することができる。また、前記制御対象が動き出したことは前記ＡＣサーボモータの角速度に基づいて検出され、前記制御対象のクーロン摩擦トルクに基づく前記電流指令の演算は、ω(k-1)＝０からω(k)≠０となった場合にのみ行われるので、ｋ番目の電流指令(i(k)ref)による位置制御においてスティックスリップによる位置誤差を生じさせることなく、かつ、その前後では通常通りの制御を行うことにより、当該制御による弊害の発生することのない極めて制御性能の高い位置制御方法を提供することができる。また、前記速度制御部の電流制御部内にｑ軸電流積分制御部を備え、前記ｑ軸電流積分制御部において、前記速度積分制御部から出力される前記電流指令に前記ＡＣサーボモータのインピーダンスを乗算して得られる電圧指令を演算し、前記電圧指令に基づいて前記ＡＣサーボモータを駆動制御するので、ｑ軸電流制御がＰＩ制御される場合においても、スティックスリップの発生を確実に抑制した極めて制御性能の高い位置制御方法を提供することができる。さらに、前記クーロン摩擦トルクは、外乱オブザーバの検出値に基づいて予め演算された値であるので、制御性の高さを確保しつつ、より簡単に位置制御を行うことのできる位置制御方法を提供することができる。また、本発明の位置制御装置は、前記のいずれかの制御方法を行う制御手段を備え、前記制御手段は前記ＡＣサーボモータを駆動するので、制御対象が静止状態から動き出したときにスティックスリップが発生することのない位置制御性能の極めて高い位置制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による位置制御方法に使用する制御系を概略的に示す構成図である。
【図２】ＡＣサーボモータの角速度に対する摩擦トルクの特性を示す特性図である。
【図３】本発明において用いるモデル化した摩擦特性を示す特性図である。
【図４】従来の位置制御方法に使用する制御系を概略的に示す構成図である。
【符号の説明】
１  速度制御部
２  電流制御部
３  位置制御部
４  速度積分制御部
５  ｄ軸積分制御部
６  ｑ軸積分制御部
７  ＡＣサーボモータ
１０  外乱オブザーバ
１１  クーロン摩擦同定アルゴリズム手段
Ｄfrc  クーロン摩擦トルク
Ｄω  粘性摩擦成分
ＫＴ  トルク定数
Ｉq  電機子電流
ｉ(k)ref  電流指令
ｐ  モータの極対数
ＴL  外力
ｖ(k)ref  電圧指令
Ｚ  内部インピーダンス
Φfa  モータ巻線の鎖交磁束数
【図１】
0003652202.tif 000006
【図２】
0003652202.tif 000007
【図３】
0003652202.tif 000008
【図４】
0003652202.tif 000009