(57)【要約】【課題】速度、位置制御の応答を高くするとともに外乱力に対する補償を大きくすることができる速度制御装置および位置制御装置の制御方法を提供する。【解決手段】サーボモータと、コントローラと、制御対象２である負荷機械とを備えた回転速度制御装置の制御方法において、負荷慣性ＪLをサーボモータ慣性ＪMの２倍以上とし、回転速度制御ゲイン２を（１＋ＪL／ＪM）倍増大することにより、負荷慣性の結合により低下したループゲインを補償する。この回転速度ゲイン２の増大によって、閉ループの応答は変化がないが、外乱力の抑制効果は回転速度制御ゲイン分、すなわち（１＋ＪL／ＪM）大きくなり、制御精度が従来に比べて、５０％以上、向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷機械を駆動するサーボモータと、コントローラとを備えた回転速度制御装置の制御方法において、
負荷慣性をサーボモータ慣性の２倍以上とし、
回転速度制御ゲインを（１＋負荷慣性／サーボモータ慣性）倍増大することにより、
負荷慣性の結合により低下したループゲインを補償する
ことを特徴とする回転速度制御装置の制御方法。
【請求項２】
負荷機械を駆動するサーボモータと、コントローラとを備えた回転角制御装置の制御方法において、
回転角制御ループに、請求項１記載の速度制御方法を適用し、前記負荷機械の回転角度を制御することを特徴とする回転角制御装置の制御方法。
【請求項３】
サーボモータと、コントローラと、前記サーボモータに結合されたボールねじと、そのボールねじにより駆動される負荷機械とを備えた直線速度制御装置の制御方法において、
前記サーボモータの速度制御に請求項１記載の回転速度制御方法を適用し、前記負荷機械の直線速度を制御することを特徴とする直線速度制御装置の制御方法。
【請求項４】
サーボモータと、コントローラと、前記サーボモータに結合されたボールねじと、そのボールねじにより駆動される負荷機械とを備えた直線位置制御装置の制御方法において、
直線位置制御ループのマイナーループに、請求項３記載の制御方法を適用し、前記負荷機械の直線位置を制御することを特徴とする直線位置制御装置の制御方法。
【請求項５】
負荷機械を駆動するサーボモータと、コントローラとを備えた直線速度制御装置の制御方法において、
リニア負荷質量をサーボモータ可動部質量の２倍以上とし、
直線速度制御ゲインを（１＋リニアモータ可動部質量／負荷質量）倍増大することにより、
負荷質量の結合により低下したループゲインを補償する
ことを特徴とする直線速度制御装置の制御方法。
【請求項６】
負荷機械を駆動するリニアサーボモータと、コントローラとを備えた直線位置制御装置の制御方法において、
直線位置制御ループに、請求項５記載の制御方法を適用し、前記負荷機械の直線位置を制御することを特徴とする直線位置制御装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷機械を駆動する回転速度制御装置、回転角制御装置、直線速度制御装置、および直線位置制御装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボモータ等のオートチューニングの方法として、指令値に対する誤差を瞬時に検出しその誤差の大きさに見合うだけの補正信号を与えて忠実度を保とうとするリアルタイム型のオートチューニング方法が一般的であるが、急激な外乱に対する制御が不安定であったり、特にデジタル制御においてはＣＰＵへの負担が大きく、システムとして複雑化する傾向にあった。また加減速信号を与えて負荷イナーシャを推定しゲインパラメータを設定するイニシャル型のオートチューニングも一般化されてはいるが、理論的な考察に乏しいためか、完全なものは商品化されていなかった。そのため、多くのゲインパラメータを勘と経験に頼るめんどうなマニュアル調整で設定するのが一般的であった。
【０００３】
本願出願人は、負帰還方式による機械系の動作制御において、指令に対する動作の忠実度や安定度を決めるためのゲインパラメータの調整を簡便かつ確実に行うために、
Ａ＝負荷質量比＝（モータ側換算の負荷質量値）／（リニアモータ単体での可動部質量値）、
Ｂ＝負荷慣性モーメント比＝（モータ軸換算の負荷慣性値）／（モータのロータ慣性値）
とするとき、総合ゲインの値を
（無負荷時の値：０ｄＢとする）＋１０ｌｏｇ｛１＋（ＡまたはＢ）｝［ｄＢ］、
つまりゲインを｛１＋（ＡまたはＢ）｝の平方根倍することを先に提案した（特許文献１参照）。
また、サーボモータから負荷機械へのエネルギー伝達効率を最大にするための条件としては、モータ慣性と負荷慣性との比を１：１とすることが最適であるとされてきた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０９４０３号公報（第１−３頁、図１）
【非特許文献１】株式会社安川電機製作所編「メカトロニクスのためのサーボ技術入門」日刊工業新聞社出版、１９８５年１０月３０日、ｐ．１４−１５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１において提案した方法では、従来の回転速度制御方法では、制御ゲインを無負荷時の｛１＋（ＡまたはＢ）｝の平方根倍するという手順をとっているので、制御ゲインが低すぎるという問題があった。
また、非特許文献１において説明されているような、モータ慣性と負荷慣性を１：１とするような場合は制御ゲインが低すぎて外乱力に対する補償が大きくないという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、速度、位置制御の応答を高くするとともに外乱力に対する補償を大きくすることができる速度制御装置および位置制御装置の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の第１の構成は、負荷機械を駆動するサーボモータと、コントローラとを備えた回転速度制御装置の制御方法において、負荷慣性をサーボモータ慣性の２倍以上とし、回転速度制御ゲインを（１＋負荷慣性／サーボモータ慣性）倍増大することにより、負荷慣性の結合により低下したループゲインを補償することを特徴とする。
【０００７】
従来の制御方法では、サーボ系の慣性比（サーボモータ慣性と負荷慣性）は、エネルギー伝達効率を最大にする観点から１：１が最適であるとされてきた（非特許文献１）。しかし、サーボ系の基本機能は数値情報から位置（速度）への変換器と考えるべきで、このとき最適慣性比は従来とは異なる条件となる。サーボ系の制御精度はゲイン（速度ループ）が大きいほど高くなる。制御対象が剛体と仮定できる場合、モータ慣性ＪM、負荷慣性ＪLは、速度制御系のループゲインに関して１／（ＪM＋ＪL）となる。慣性の増大はループゲインを小さくすることになる。そこで、速度比例ゲインを（ＪM＋ＪL）倍するとループゲインは変わらない。この比例ゲインの増大によって、閉ループの応答は変化がないが、外乱力の抑制効果は回転速度制御ゲイン分、すなわち（１＋負荷慣性／サーボモータ慣性）大きくなり、制御精度が向上する。そこで、従来最適値とされていた負荷慣性／サーボモータ慣性＝１に対し、外乱力の抑制効果を５０％以上向上させるために、負荷慣性／サーボモータ慣性≧２とする。
【０００８】
本発明の第２の構成は、負荷機械を駆動するサーボモータと、コントローラとを備えた回転角制御装置の制御方法において、回転角制御ループに、第１の構成の速度制御方法を適用し、前記負荷機械の回転角度を制御することを特徴とする。このように、回転角制御ループに、第１の構成の速度制御装置をマイナーループとして用いることで、回転角速度制御の応答が改善され、その結果、回転角制御の応答を改善することができる。
【０００９】
本発明の第３の構成は、サーボモータと、コントローラと、前記サーボモータに結合されたボールねじと、そのボールねじにより駆動される負荷機械とを備えた直線速度制御装置の制御方法において、前記サーボモータの速度制御に第１の構成の回転速度制御方法を適用し、前記負荷機械の直線速度を制御することを特徴とする。このように、サーボモータにボールねじを結合した速度制御装置において、直線速度制御ループに第１の構成の速度制御装置の制御方法を適用することにより、直線速度制御応答を改善することができる。
【００１０】
本発明の第４の構成は、サーボモータと、コントローラと、前記サーボモータに結合されたボールねじと、そのボールねじにより駆動される負荷機械とを備えた直線位置制御装置の制御方法において、直線位置制御ループのマイナーループに、第３の構成の制御方法を適用し、前記負荷機械の直線位置を制御することを特徴とする。このように、サーボモータにボールねじを結合し、直線位置制御ループに第３の構成の速度制御装置をマイナーループとして用いることにより、直線速度制御の応答が改善され、その結果、直線位置制御の応答を改善することができる。
【００１１】
本発明の第５の構成は、負荷機械を駆動するサーボモータと、コントローラとを備えた直線速度制御装置の制御方法において、リニア負荷質量をサーボモータ可動部質量の２倍以上とし、直線速度制御ゲインを（１＋リニアモータ可動部質量／負荷質量）倍増大することにより、負荷質量の結合により低下したループゲインを補償することを特徴とする。このように、リニア負荷質量をサーボモータ可動部質量の２倍以上とすることで、負荷質量の結合により低下したループゲインを補償することにより、直線速度制御の応答を改善することができる。
【００１２】
本発明の第６の構成は、負荷機械を駆動するリニアサーボモータと、コントローラとを備えた直線位置制御装置の制御方法において、直線位置制御ループに、第５の構成の制御方法を適用し、前記負荷機械の直線位置を制御することを特徴とする。このように、リニアモータを用いた直線位置制御ループに、第５の構成の速度制御装置を用いることで、直線速度制御の応答が改善され、その結果、直線位置制御の応答を改善することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の構成によると、回転速度制御性能を向上することができ、外乱力に対する補償を大きくすることができる。
本発明の第２の構成によると、位置制御性能を向上することができ、外乱力に対する補償を大きくすることができる。
本発明の第３の構成によると、直線速度制御の応答を改善することができ、外乱力に対する補償を大きくすることができる。
本発明の第４の構成によると、直線速度制御の応答が改善され、その結果、直線位置制御の応答を改善することができ、外乱力に対する補償を大きくすることができる。
本発明の第５の構成によると、負荷質量の結合により低下したループゲインを補償することにより、直線速度制御の応答を改善することができ、外乱力に対する補償を大きくすることができる。
本発明の第６の構成によると、直線速度制御の応答が改善され、その結果、直線位置制御の応答を改善することができ、外乱力に対する補償を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図１２を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る回転速度制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１は制御対象、２は回転角速度制御ゲイン、３は減算器、４は減算器、Ｖrは回転角速度指令、Ｖは回転角速度、ＴMはサーボモータ発生トルク、Ｔは駆動トルク、Ｔdは外乱トルクを示している。
図１に示されているように、制御対象１の伝達関数は、（サーボモータ慣性ＪM＋負荷慣性ＪL）分の１を積分したものとなっている。また回転速度制御ゲイン２の伝達関数は、サーボモータ単体のゲインをＫVとするとき、ＫVに（１＋負荷慣性ＪL／サーボモータ慣性ＪM）を乗じたものとなっている。そしてＪL／ＪM＞０であるから、回転速度制御ゲインはＫVより必ず大きくなり、しかも負荷慣性ＪLがサーボモータ慣性ＪMより大きくなるほど回転速度制御ゲインはＫVより大きくなり、トルク外乱Ｔdに起因する回転速度制御誤差を低減することができる。
【００１６】
図２は負荷を考慮しない場合のサーボモータ単体の回転速度制御装置の構成を示すブロック線図である。制御対象５はサーボモータ慣性ＪM分の１を積分したものとなっており、回転速度制御ゲイン６はＫVとなっている。図２の回転速度制御装置のループゲインはＫV／ＪMである。図１の回転速度制御装置のループゲインもＫV／ＪMとなり、ループゲインは負荷を考慮しない場合の回転速度制御装置と同じである。
【００１７】
図３は本発明の効果を実証する実験装置である。ＤＣサーボモータ２１をデジタルコントローラ２２で回転速度制御するもので、ＤＣアンプ２３を介してＤＣサーボモータ２１が駆動され、タコゼネレータの回転速度信号がフィードバックされる。負荷慣性として、ＤＣサーボモータ２１の負荷側シャフトに円盤を剛体結合する。
図４は回転速度制御の応答を４種類の負荷慣性に対して計測したものである。横軸は回転速度指令で、縦軸はＤＣモータ回転速度である。負荷慣性がＤＣサーボモータ慣性のゼロ倍（ａ），１倍（ｂ），３倍（ｃ），７倍（ｄ）の４つの条件で実験を行った。ＤＣサーボモータの軸受けに存在するクーロン摩擦によって、回転速度応答が不感帯となる誤差を生じている。（ａ）の、ＤＣサーボモータ単体の場合が最も誤差が大きく、負荷慣性が大きくなるほど応答誤差が小さくなっていることが分かる。（ｂ）の１倍というのは、従来、最適値とされていた（非特許文献１）もので、これに対して外乱力の抑制効果を５０％以上向上させるために、負荷慣性／サーボモータ慣性≧２とすることが好ましい。モータと負荷との結合が剛体と考えてよい場合にはいくらでも大きな回転速度制御ゲインを設定できるが、現実には何らかの振動特性が現れるため、および、負荷を結合したときの最大加速度がモータ単体のときの１／（１＋ＪL／ＪM）に減少するため、慣性比が４倍から９倍程度が実用的である。
【００１８】
図５はＤＣサーボモータ単体のときの時間応答を示す図で、（ａ）は回転速度指令、（ｂ）は応答回転速度である。同図から、応答回転速度（ｂ）は、大きな不感帯を示し、振幅が小さくなっていることがわかる。
図６は負荷慣性ＪLがＤＣサーボモータ慣性ＪMの７倍の場合で、回転速度制御ゲインが８倍になり、応答回転速度（ｂ）は、不感帯、および振幅の減少も小さくなっていることがわかる。これにより、本発明の効果が実証された。
【００１９】
このように、負荷慣性をサーボモータ慣性よりも２倍以上大きくし、回転角速度制御ゲインを（１＋サーボモータ慣性／負荷慣性）と設定する手順をとるので、回転角速度制御ゲインが従来の最適値といわれていた慣性比の場合よりも５０％以上大きくなり、回転角制御性能を向上することができる。
【実施例２】
【００２０】
本発明の実施例２を、図７を参照して説明する。本実施例は、回転角指令θｒに対してサーボモータの回転角θを制御するものであり、ブロック１０は実施例１における図１の伝達関数で表される速度制御装置を示している。１１は回転角比例ゲイン、１２は回転速度から回転角度への積分器（実際には存在しないが、物理現象として示している）である。このように、回転角制御ループに、実施例１の速度制御装置をマイナーループとして用いることで、回転角速度制御の応答が改善され、その結果、回転角制御の応答を改善することができる。
【実施例３】
【００２１】
本発明の実施例３を、図８および図９を参照して説明する。本実施例は、サーボモータにボールねじを結合し、そのボールねじにより負荷機械の速度ＶLが速度指令Ｖｒになるように駆動する直線速度制御装置である。図８において、５は制御対象、６は回転速度制御ゲイン、７は回転運動をピッチｐのボールねじにより直線運動に変換する回転／直線変換ブロック、８はボールねじに結合される可動部の質量ＭLを係数とする微分器、９は直線運動を回転運動に換算する直線／回転変換ブロックを示している。図９は、図８に示した制御系の等価ブロック線図を示しており、図１のブロック線図と同じ形になることが分かる。なお、図９において、ＪL＝（ｐ／２π）2ＭLとしている。
このように、サーボモータにボールねじを結合した速度制御装置において、直線速度制御ループに実施例１の速度制御装置の制御方法を適用することにより、直線速度制御応答を改善することができる。
【実施例４】
【００２２】
本発明の実施例４を、図１０に基づいて説明する。本実施例は、直線位置指令Ｘｒに対してサーボモータに結合されたボールねじの直線位置Ｘを制御するものであり、ブロック１３は実施例３における図８の伝達関数で表される速度制御装置を示している。１４は直線位置比例ゲイン、１５は直線速度から直線位置への積分器（実際には存在しないが、物理現象として示している）である。
このように、サーボモータにボールねじを結合し、直線位置制御ループに実施例３の速度制御装置をマイナーループとして用いることにより、直線速度制御の応答が改善され、その結果、直線位置制御の応答を改善することができる。
【実施例５】
【００２３】
本発明の実施例５を、図１１に基づいて説明する。本実施例は、サーボモータと、コントローラと、負荷機械とを備えた直線速度制御装置において、リニア負荷質量をサーボモータ可動部質量の２倍以上とし、直線速度制御ゲインを（１＋リニアモータ可動部質量／負荷質量）倍増大することにより、負荷質量の結合により低下したループゲインを補償するようにしたものである。
図１１において、１６は制御対象、１７は直線速度制御ゲイン、３は減算器、４は減算器、Ｖrは直線速度指令、Ｖは直線速度、ＭMはリニアモータ可動子質量、ＭLは可動テーブル等の負荷質量、Ｔdは外乱を示している。
【００２４】
図１１に示されているように、制御対象１６の伝達関数は、（リニアモータ可動子質量ＭM＋負荷質量ＭL）分の１を積分したものとなっている。また直線速度制御ゲイン１７の伝達関数は、リニアモータ単体のゲインをＫVとするとき、ＫVに（１＋負荷質量ＭL／リニアモータ可動子質量ＭM）を乗じたものとなっている。そしてＭL／ＭM＞０であるから、直線速度制御ゲインはＫVより必ず大きくなり、しかも負荷質量ＭLがリニアモータ可動子質量ＭMより大きくなるほど直線速度制御ゲインはＫVより大きくなり、外乱Ｔdに起因する直線速度制御誤差を低減することができる。
回転速度制御を対象とした実施例１と同様に、負荷質量／リニアモータ可動子質量≧２とすると、外乱力の抑制効果を５０％以上向上させることができる。
このように、リニアモータを用いた直線速度制御において、リニア負荷質量をサーボモータ可動部質量の２倍以上とすることで、負荷質量の結合により低下したループゲインを補償すること直線速度制御の応答を改善することができる。
【実施例６】
【００２５】
本発明の実施例６を、図１２を用いて説明する。本実施例は、直線位置指令Ｘｒに対してリニアモータの直線位置Ｘを制御するものであり、ブロック１８は実施例５における図１１の伝達関数で表される速度制御装置を示している。１４は直線位置比例ゲイン、１５は直線速度から直線位置への積分器（実際には存在しないが、物理現象として示している）である。
このように、リニアモータを用いた直線位置制御ループに、実施例５の速度制御装置を用いることで、直線速度制御の応答が改善され、その結果、直線位置制御の応答を改善することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、制御量として、回転角速度、回転角、ボールねじを結合した場合の直線速度または直線位置、リニアモータによる直線速度または直線位置とする全ての制御系において回転速度制御性能が向上でき、産業用ロボットや工作機械の速度制御や位置制御という用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１に係る回転角速度制御装置の構成を示すブロック線図である。
【図２】サーボモータ単体の回転角速度制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１の効果を検証するために用いたシステムの構成図である。
【図４】回転速度制御の応答を４種類の負荷慣性に対して計測したときの実験結果を示す図である。
【図５】ＤＣサーボモータ単体の場合における回転角速度の時間応答を示す図である。
【図６】負荷慣性をＤＣサーボモータ慣性の７倍にしたときの回転角速度の時間応答を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係る回転角制御装置の構成を示すブロック線図である。
【図８】本発明の実施例３に係る直線速度制御装置の構成を示すブロック線図である。
【図９】図８に示した制御系の等価ブロック線図である。
【図１０】本発明の実施例４に係る直線位置制御装置の構成を示すブロック線図である。
【図１１】本発明の実施例５に係るリニアモータの直線速度制御装置の構成を示すブロック線図である。
【図１２】本発明の実施例６に係るリニアモータの直線位置制御装置の構成を示すブロック線図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  制御対象
２  回転角速度制御ゲイン
３，４  減算器
５  制御対象
６  回転速度制御ゲイン
７  回転／直線変換ブロック
８  微分器
９  直線／回転変換ブロック
１０  図１の伝達関数で表される速度制御装置
１１  回転角比例ゲイン
１２  積分器
１３  図８の伝達関数で表される速度制御装置
１４  直線位置比例ゲイン
１５  積分器
１６  制御対象
１７  直線速度制御ゲイン
１８  図１１の伝達関数で表される速度制御装置
２１  ＤＣサーボモータ
２２  デジタルコントローラ
２３  ＤＣアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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