(57)【要約】【課題】  簡単な機構でボールねじの予圧をオンラインで調整でき、高精度かつ高速応答のサーボ制御装置とその制御方法を提供する。  【解決手段】  サーボ制御装置において、静止状態から動き始める瞬間の移動開始タイミングを判断する移動開始タイミング判断部（１０１）と、移動時の無負荷電流を第１電流、ボールねじの予圧に相当する電流を第２電流として記憶する予圧電流記憶部（１０２）と、移動方向と電流指令方向と第１電流と第２電流から予圧電流指令を生成する予圧電流指令部（１０３）と、前記予圧電流指令を前記電流指令に加算する加算器（１０４）と、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令とモータ速度に基づいて電流指令を生成する速度制御器と、前記電流指令とモータ電流に基づいてモータを駆動する電流アンプとを備えるサーボ制御装置において、
静止状態から動き始める瞬間の移動開始タイミングを判断する移動開始タイミング判断部と、
移動時の無負荷電流を第１電流、ボールねじの予圧に相当する電流を第２電流として記憶する予圧電流記憶部と、
移動方向と電流指令方向と第１電流と第２電流から予圧電流指令を生成する予圧電流指令部と、
前記予圧電流指令を前記電流指令に加算する加算器と、
を備えることを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項２】
前記第２電流はボールねじの予圧をＦＰＬ、前記モータの誘起電圧定数をＫａ、ボールねじピッチをｐとするとＦＰＬ／（２πＫａ／ｐ）であることを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
【請求項３】
前記移動開始判断部は、速度指令の符号が変化する瞬間を移動開始タイミングとすることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
【請求項４】
前記予圧電流記憶部は、電流指令が正のときの予圧電流を第１予圧電流、負のときの予圧電流を第２予圧電流として記憶し、
前記予圧電流指令部は、電流指令方向が正で移動方向が正のときは第１予圧電流を第２電流を加算し、移動方向が負のときは第１予圧電流から第２電流を減算し、電流指令方向が負で移動方向が負のときは第２予圧電流と第２電流を加算して符号を反転させ、移動方向が正のときは第２予圧電流から第２電流を減算して符号を反転して予圧電流指令とすることを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
【請求項５】
前記予圧電流記憶部は、可動部の位置範囲に応じて予圧電流を複数記憶することを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
【請求項６】
位置指令とモータ位置から前記速度指令を生成することを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
【請求項７】
速度指令とモータ速度に基づいて電流指令を生成する速度制御器と、前記電流指令とモータ電流に基づいてモータを駆動する電流アンプとを備えるサーボ制御装置であって、静止状態から動き始める瞬間の移動開始タイミングを判断する移動開始タイミング判断部と、
移動時の無負荷電流を第１電流、ボールねじの予圧に相当する電流を第２電流として記憶する予圧電流記憶部と、移動方向と電流指令方向と第１電流と第２電流から予圧電流指令を生成する予圧電流指令部と、前記予圧電流指令を前記電流指令に加算する加算器と、を備えるサーボ制御装置の制御方法において、
モータが停止しているかどうか判断するステップと、
移動開始タイミングであるかどうか判断するステップと、
移動方向を判断するステップと、
予圧電流指令を生成し、電流指令に加算するステップと
を備えることを特徴とするサーボ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、モータとボールねじとで駆動されるサーボ制御装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のサーボ制御装置は、速度制御器出力の電流指令値Ｉｒのみを電流アンプに与え，モータに電流Ｉｍを流して駆動力Ｆを発生している。
特許文献１に開示されているように、多くの場合，ボールねじの予圧は機械的に固定値を設定したり、可変に設定している。
特許文献２に開示されている従来技術は，負荷の大小に応じて予圧を変化させる負荷対応予圧ころがり軸受けを採用している。
特許文献３に開示されている従来技術は，２つのナット間の距離を変更し予圧を変化させる装置を採用している。
特許文献４に開示されている従来技術は，ボールねじナットの予圧変更装置を採用しており，サーボモータによりウォームギアを介してナットを回転して予圧を変化させ，早送り開始時に低予圧に，早送り停止前には高予圧に切り替え，位置決め時には所定の予圧に戻している。
このように特許文献１乃至３は、ボールねじの予圧を変えることを主眼としているが，予圧を与える方法はいずれも機械的方法である。
特許文献４は、ボールねじのナットの予圧変更をサーボモータにより行い，位置決め制御の段階に応じて予圧を変化させているが、予圧変更を行うサーボモータは専用的に備えられたものである。
図５において、１は速度指令発生器，２は減算器，３は速度制御器，４は電流アンプ，５はモータ，６は電流指令から駆動力までのボールねじの静特性で決定される定数，７はボールねじの動特性，８は速度センサであり、Ｖｒは速度指令，  Ｖｍは速度計測値，Ｖｅは速度偏差，Ｉｒは速度制御器の出力電流指令値，Ｉｍはモータ電流，（２πＫａ  ／ｐ）はモータ電流指令から駆動力Ｆへのゲインである。ただしｐはボールねじのピッチで、ボールねじの回転から直線への変換係数は静特性としている。Ｆは駆動力，Ｖは可動部の速度である。  
従来のモータとボールねじを用いたサーボ制御装置では、ボールねじの予圧をダブルナット方式やオーバーサイズボール方式など機械的に行っていた。
【特許文献１】特開２００３−３３２８７３号公報
【特許文献２】特開２０００−２２１９号公報
【特許文献３】特開平５−３９８３５号公報
【特許文献４】実開平０５−０６１５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のモータとボールねじを用いたサーボ制御装置は、ボールねじに加える予圧を機械的手段で与えていたので，予圧をオンライン的に変化させることができず，予圧を加えることで生ずる摩擦力の大きさだけ駆動力が低減される，また摩擦によるエネルギーロスが大きくなり，その結果温度上昇が大きくなり機構の変形が大きくなるという問題があった。
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、簡単な機構でボールねじの予圧をオンラインで調整でき、高精度かつ高速応答のサーボ制御装置とそ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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、速度指令とモータ速度に基づいて電流指令を生成する速度制御器と、前記電流指令とモータ電流に基づいてモータを駆動する電流アンプとを備えるサーボ制御装置において、静止状態から動き始める瞬間の移動開始タイミングを判断する移動開始タイミング判断部と、移動時の無負荷電流を第１電流、ボールねじの予圧に相当する電流を第２電流として記憶する予圧電流記憶部と、移動方向と電流指令方向と第１電流と第２電流から予圧電流指令を生成する予圧電流指令部と、前記予圧電流指令を前記電流指令を加算する加算器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のサーボ制御装置において、前記第２電流はボールねじの予圧をＦＰＬ、前記モータの誘起電圧定数をＫａ、ボールねじピッチをｐとするとＦＰＬ／（２πＫａ／ｐ）であることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のサーボ制御装置において、前記移動開始判断部は、速度指令の符号が変化する瞬間を移動開始タイミングとすることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載のサーボ制御装置において、前記予圧電流記憶部は、電流指令が正のときの予圧電流を第１予圧電流、負のときの予圧電流を第２予圧電流として記憶し、前記予圧電流指令部は、電流指令方向が正で移動方向が正のときは第１予圧電流を第２電流を加算し、移動方向が負のときは第１予圧電流から第２電流を減算し、電流指令方向が負で移動方向が負のときは第２予圧電流と第２電流を加算して符号を反転させ、移動方向が正のときは第２予圧電流から第２電流を減算して符号を反転して予圧電流指令とすることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１記載のサーボ制御装置において、前記予圧電流記憶部は、可動部の位置範囲に応じて予圧電流を複数記憶することを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載のサーボ制御装置において、位置指令とモータ位置から前記速度指令を生成することを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、速度指令とモータ速度に基づいて電流指令を生成する速度制御器と、前記電流指令とモータ電流に基づいてモータを駆動する電流アンプとを備えるサーボ制御装置であって、静止状態から動き始める瞬間の移動開始タイミングを判断する移動開始タイミング判断部と、移動時の無負荷電流を第１電流、ボールねじの予圧に相当する電流を第２電流として記憶する予圧電流記憶部と、移動方向と電流指令方向と第１電流と第２電流から予圧電流指令を生成する予圧電流指令部と、前記予圧電流指令を前記電流指令に加算する加算器と、を備えるサーボ制御装置の制御方法において、モータが停止しているかどうか判断するステップと、移動開始タイミングであるかどうか判断するステップと、移動方向を判断するステップと、予圧電流指令を生成し、電流指令に加算するステップと、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によると、簡単な機構でボールねじの予圧をオンラインで調整でき、高精度かつ高速応答のサーボ制御装置とその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明のサーボ制御装置とその制御方法の具体的実施例について、図１に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明のサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図において１は速度指令発生器、２は減算器、３は速度制御器、４は電流アンプ、５はモータ、６は電流指令から駆動力までのボールねじの静特性で決定される定数、７はボールねじの動特性、８は回転角速度センサであり、Ｖｒは速度指令、Ｖｍは速度計測値、Ｖｅは速度偏差、Ｉｒは速度制御器の出力電流指令値、Ｉｍはモータ電流、（２πＫａ／ｐ）はモータ電流指令から駆動力Ｆへのゲインである。ただしｐはボールねじのピッチであり、ボールねじの回転から直線への変換係数は静特性としている。Ｆは駆動力、Ｖは可動部の速度である。さらに１０１は移動開始タイミング判断部、１０２は予圧電流記憶部、１０３は予圧電流指令部である。移動タイミング判断部１０１は速度指令Ｖｒ、速度計測値Ｖｍ、速度偏差Ｖｅ、位置ｘなどから、静止状態から動きはじめる移動タイミングの瞬間を判断する。予圧電流記憶部１０２は、あらかじめ測定しておいた予圧に相当する予圧電流をトルク発生方向が正の場合は第１予圧電流、トルク発生方向が負の場合は第２予圧電流として記憶する。予圧電流指令部１０３は、トルク発生方向が正で移動方向が正の場合は第１予圧電流と無負荷電流Ｉｃの第１電流とを加算し、移動方向が負の場合は第１予圧電流から第１電流を減算し、トルク発生方向が負で移動方向が負の場合は第２予圧電流と第１電流を加算して符号を反転し、移動方向が負の場合は第２電流から第１電流を減算して符号を反転して予圧電流指令ＩＰＬとする。図１に示す速度制御系ではあらかじめ定めた予圧と速度制御に必要な駆動力との合計がモータから発生される。予圧はボールねじの動特性の応答の速さと減衰度とを決定する。可動部の速度は閉ループ制御系で制御され、精密で高速応答の速度制御を実現することができる。
【０００８】
図３は実験とその結果である。サーボ制御装置を、ボールねじに予圧を与えるためモータに一定の電流を加えた状態にしておき、モータの電流値をステップ状に変化させたときにボールねじが発生する駆動力を、高い剛性を有する力センサにより精密に計測した。この結果、駆動力の応答は二次の振動特性で近似できることが明らかになった。ここで，ｆｃは固有周波数Ｈｚ、ζは減衰定数である。固有周波数を高く，減衰定数を臨界制動ζ＝１にすることが要求される。これらのパラメータがボールねじの機構に加える予圧に依存することが明らかになった。
図４は予圧と駆動力の固有周波数との関係をグラフで表したものである。横軸は予圧  Ｆ（Ｎ）、縦軸は固有周波数（Ｈｚ）である。固有周波数は予圧に対して二次曲線で近似され、予圧が増加すると固有周波数が増大する。
図５は予圧と減衰定数の関係を示したものである。線形的に増大することが明らかになった。    
【０００９】
図２はサーボ制御装置で予圧を設定し速度制御をする処理を示すフローチャートである。この図を用いて本発明の方法を順を追って説明する。
はじめにステップ１でサーボ制御装置が停止しているかどうかを判断する。たとえば位置の変動があらかじめ定めるサンプリング周期の間±１パルス以内であると停止していると判断する。±１パルス以上変化しているときには停止していないと判断する。次にステップ２では，速度指令がたとえばゼロであれば動き始めと判断し、動き始めの場合はステップ３で動作の方向を判断する。この瞬間の速度制御の電流出力をＩｃ０とし、正方向であれば式（１）に示す予圧電流を指令し，負方向であれば式（２）の予圧電流を指令する。
ステップ５では動作終了かどうかを判断しトップに戻る。
ＩＰＬ＝ＦＰＬ／（２πＫａ／ｐ）−Ｉｃ０          （１）
ＩＰＬ＝−ＦＰＬ／（２πＫａ／ｐ）−Ｉｃ０        （２）
このように、停止か動き始めかを判断し動作方向を判断して予圧電流を設定するので、適切な予圧が設定され、応答が速く、減衰度の大きい動作をすることができ、高い位置制御精度が可能となる。
【実施例２】
【００１０】
実施例２のブロック線図を図７に示す。予圧設定の機能以外は図６の従来のサーボ制御装置と同じ構成である。実施例２では速度偏差Ｖｅの符号を判定し、符号が反転したかどうかを判断する。符号が反転したときのみ予圧設定を行い、新たな予圧指令電流ＩＰＬを生成する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のサーボ制御装置の構成を示すブロック線図
【図２】本発明の制御方法を示すフローチャート
【図３】ボールねじ駆動されるサーボ制御装置のステップ応答を近似する二次遅れ系
【図４】ボールねじの予圧と駆動力のステップ応答の固有周波数との関係のグラフ
【図５】ボールねじの予圧と駆動力のステップ応答の定常値との関係のグラフ
【図６】従来のサーボ制御装置の構成を示すブロック線図
【図７】本発明の実施例２を示すブロック線図
【符号の説明】
【００１２】
１  速度指令発生器
２  減算器
３  速度制御器
４  電流アンプ
５  モータ
６  電流指令から駆動力までのボールねじの静特性で決定される定数
７  ボールねじの動特性
８  回転角速度センサ
１０１  移動開始タイミング判断部
１０２  予圧電流記憶部
１０３  予圧電流指令部
１０４  加算器
１０５  符号判定部
【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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