(57)【要約】【課題】摩擦力又は摩擦トルクを高精度で推定することができる摩擦補償方法及び摩擦補償器、並びに、これを用いたモータ制御装置を提供する。【解決手段】実位置推定部２１が位置指令信号に対応する移動体の実位置を推定して実位置信号を生成し、微分器２２がその実位置信号を微分して速度信号を求めると、積分器２４がこの速度信号を積分することによって移動体が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成し、絶対値算出部２５がその絶対値を求める。摩擦特性推定部２６は摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求め、乗算器２７がこの変位に対する変化率に速度信号をで乗算して時間に対する変化率を求めると、積分器２８がこの時間に対する変化率を積分して摩擦力又は摩擦トルクを推定する。【選択図】図５
2008210273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータによって送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように前記モータの速度指令信号を生成し、前記モータの速度検出信号と前記速度指令信号とが一致するようにトルク指令信号を生成し、前記トルク指令信号に基づいて前記モータのトルクを制御するに当たり、前記モータの回転方向を反転させる際に発生する摩擦力又は摩擦トルクを補償する摩擦補償信号を生成して前記トルク指令信号の補正値とする摩擦補償方法において、
前記移動体が送り運動される制御系のモデルを用いて、前記位置指令信号に対応する前記移動体の実位置を推定して実位置信号を生成するステップと、
前記実位置信号を微分して速度信号とし、前記速度信号を積分して実位置信号を復元するとともに、前記速度信号の符号が反転するときに積分値をゼロにリセットして前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成し、その絶対値を求めるステップと、
前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いて、絶対値で表された前記変位信号の関数として摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求め、前記変位に対する変化率に前記速度信号を乗算して摩擦力又は摩擦トルクの時間に対する変化率を算出し、前記時間に対する変化率を積分することによって摩擦力又は摩擦トルクを推定するステップと、
前記トルク制御器に入力されるトルク指令信号から実際に出力されるモータのトルクまでの特性をモデル化し、そのモデルの伝達関数の逆関数を前記推定された摩擦力又は摩擦トルクに乗算して前記摩擦補償信号を生成するステップとを、
備えたことを特徴とする摩擦補償方法。
【請求項２】
前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルは、
速度と加速度に影響されない振幅及び周期で前記移動体を正弦波往復運動させたときの前記移動体の変位とモータトルクとの関係に基づいて、摩擦力又は摩擦トルクを前記移動体の変位の関数として表した近似式である請求項１に記載の摩擦補償方法。
【請求項３】
摩擦力又は前記摩擦トルクをｆ、
前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位をｘ′、
前記移動体の微小変位領域における前記移動体の変位に対する摩擦力又は摩擦トルクの傾きをａ、
前記移動体の変位が十分に大きいときの摩擦力又は摩擦トルクをｆc、
符号関数をsgnとして、
前記近似式は、
ｆ＝ｆc（２tanh（ａｘ′）−１）sgn（ｘ′）
であり、摩擦力又は摩擦トルクの前記変位に対する変化率ｄｆe／ｄeを次式
ｄｆe／ｄe＝２ａｆc｛１−tanh２（ａｘ′）｝
に従って求めることを特徴とする請求項２に記載の摩擦補償方法。
【請求項４】
モータによって送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように前記モータの速度指令信号を生成し、前記モータの速度検出信号と前記速度指令信号とが一致するようにトルク指令信号を生成し、前記トルク指令信号に基づいて前記モータのトルクを制御するに当たり、前記モータの回転方向を反転させる際に発生する摩擦力又は摩擦トルクを補償する摩擦補償信号を生成して前記トルク指令信号の補正値とする摩擦補償器において、
前記移動体が送り運動される制御系のモデルを用いて、前記位置指令信号に対応する前記移動体の実位置を推定して実位置信号を生成する手段と、
前記実位置信号を微分して速度信号とし、前記速度信号を積分して実位置信号を復元するとともに、前記速度信号の符号が反転するときに積分値をゼロにリセットして前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成し、その絶対値を求める手段と、
前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いて、絶対値で表された前記変位信号の関数として摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求め、前記変位に対する変化率に前記速度信号を乗算して摩擦力又は摩擦トルクの時間に対する変化率を算出し、前記時間に対する変化率を積分することによって摩擦力又は摩擦トルクを推定する手段と、
前記トルク制御器に入力されるトルク指令信号から実際に出力されるモータのトルクまでの特性をモデル化し、そのモデルの伝達関数の逆関数を前記推定された摩擦力又は摩擦トルクに乗算して前記摩擦補償信号を生成する手段とを、
備えたことを特徴とする摩擦補償器。
【請求項５】
モータによって送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように前記モータの速度指令信号を生成する位置制御器と、前記モータの速度検出信号と前記速度指令信号とが一致するようにトルク指令信号を生成する速度制御器と、前記モータの回転方向を反転させる際に発生する摩擦力を補償する摩擦補償信号を生成する摩擦補償器と、前記トルク指令信号と前記摩擦補償信号とを加算した値に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御器とを備えたモータ制御装置において、
前記摩擦補償器は、
前記移動体が送り運動される制御系のモデルを用いて、前記位置指令信号に対応する前記移動体の実位置を推定して実位置信号を生成する手段と、
前記実位置信号を微分して速度信号とし、前記速度信号を積分して実位置信号を復元するとともに、前記速度信号の符号が反転するときに積分値をゼロにリセットして前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成し、その絶対値を求める手段と、
前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いて、絶対値で表された前記変位信号の関数として摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求め、前記変位に対する変化率に前記速度信号を乗算して摩擦力又は摩擦トルクの時間に対する変化率を算出し、前記時間に対する変化率を積分することによって摩擦力又は摩擦トルクを推定する手段と、
前記トルク制御器に入力されるトルク指令信号から実際に出力されるモータのトルクまでの特性をモデル化し、そのモデルの伝達関数の逆関数を前記推定された摩擦力又は摩擦トルクに乗算して前記摩擦補償信号を生成する手段とを、
含んでいることを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械のテーブルなどの送り軸を駆動するモータの制御に係り、特に、テーブルに取り付けられた被加工物を加工する際に、送り軸の駆動方向を反転するときの摩擦力又は摩擦トルクを補償する摩擦補償方法、摩擦補償器及びモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械で２軸円弧補間運動をさせるモータの制御では、まず、モータによって送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するようにモータの速度指令信号を生成し、次に、モータの速度検出信号と速度指令信号とが一致するようにトルク指令信号を生成し、このトルク指令信号に基づいてモータのトルクを制御する方式が一般に採られている。
【０００３】
このようなモータの制御では、モータの回転方向を反転させるとき、通常、機械は即座に反転することができない。これは、送り駆動機構の摩擦の影響のためで、円弧切削を行っているときに象限が変わると、実際の運動の軌跡が指令軌跡よりも外側に出てしまい軌跡に膨らみを生じる。この現象は象限突起と呼ばれており、輪郭加工精度低下の一因となっている。
【０００４】
このような現象が起こるのは、運動方向が反転すると摩擦力又は摩擦トルクの分だけトルク指令を反転させる必要があるが、トルク指令信号を生成する速度ループの応答性による遅れがあるため、送り軸が一時停止するためであると考えられている。ここで、摩擦力と摩擦トルクとは送り駆動機構の構成によって決まる係数を乗算することによって一義的に変換できるので、以下の説明では摩擦力と摩擦トルクとを同様な意味で用いることとする。
【０００５】
上述した象限突起を減じるために、下記の特許文献１には、速度と摩擦力との関係を数式で表現し、あらかじめそのパラメータを決定しておくとともに、エンコーダにより測定された位置情報を常に監視して運動方向が反転する地点を検出し、この運動方向の反転が検出された場合には、異常応答の期間中あらかじめ設定されたパラメータに従う補償値を速度指令に加算することによって、摩擦力による影響をうち消す方法が開示されている。
【０００６】
また、下記の特許文献２には、運動方向が反転した地点からある移動量ａに達するまでは位置制御器から出力される速度指令に運動方向を反転する直前の速度制御系の積分器の出力を目標値とした補償値を、移動量ｂ（＞ａ）から移動量ｃ（＞ｂ）までは反転時の加速度により決まる補償値を印加する方法が開示されている。
【０００７】
また、下記の特許文献３には、位置制御器からの出力である速度指令からモータの回転方向を判定し、さらに速度又は加速度に対する不感帯を持たせて補償値を出力し、この補償値を速度制御器からの出力であるトルク指令に加算することによって、運動方向反転時における摩擦力の影響を補償する方法が開示されている。
【０００８】
また、下記の非特許文献１には、ボールねじの回転方向が反転する際に速度制御系の積分要素の符号を反転させ、モータの電機子電流を反転させることによって、運動方向反転時のトルクの急激な変化による影響を補正する方法が開示されている。
【０００９】
また、下記の非特許文献２には、運動開始時又は運動方向反転時において、負荷が動き出すまで電流指令にある一定の補正値を加え、動き出したことを検出したら補正値をゼロにする方法が開示されている。
【００１０】
また、下記の非特許文献３には、円運動時に摩擦力の影響によって生じる象限突起の大きさを解析的に計算する方法を開発し、計算された突起量に基づいてサーボ系の位置指令を修正することによって補正を行う方法が開示されている。
【特許文献１】特開昭６３−２５０７１５号公報
【特許文献２】特開平７−１３６３１号公報
【特許文献３】特開平１１−１４３５４８号公報
【非特許文献１】垣野義昭、井原之敏、中津善夫、篠原章翁：ＮＣ工作機械の運動精度に関する研究（第６報）、円弧補間送り時のスティックモーションの生成機構とその補正、精密工学会誌、Vol.56,No.4（1990）pp.139〜144
【非特許文献２】是田規之、沖友啓成、津村憲治、竹内克佳、江川庸夫：バンバン制御による工作機械送りの高精度化に関する研究、精密工学会誌、Vol.60,No.3（1994）pp.427〜431
【非特許文献３】長島一男、勝木雅英、河上邦治：ＮＣ工作機械の象限切替え突起量の理論解析と入力適応系による補正、日本機械学会論文集（Ｃ編）、Vol.66,No.648（2000）pp.407〜413
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述した特許文献１、２、３及び非特許文献２に開示された方法では、運動の速度や加速度に合わせて各パラメータを調整し、メモリに記憶させておく必要があり、これらのパラメータの調整は経験と勘によって行われるため、補正を効果的に働かせるためには、調整に膨大な時間を費やさなければならないという問題があった。
【００１２】
また、上述した特許文献２及び非特許文献２に開示された方法では、運動方向を反転する直前における速度制御系の積分器の出力を摩擦力として補償を行っているが、運動方向を反転する直前には加速度が最大となり、これによって慣性力も最大になっているので、高加速度運動時にはこれらの文献に開示された方法を適用することができないという問題があった。
【００１３】
また、上述した非特許文献３に開示された方法では、サーボ系の動特性が無視できるものとして運動誤差の解析をしているため、速度や加速度が大きく、動特性が無視できない場合には、正確な突起量を計算することができなくなるという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、運動方向を反転する前後の速度や加速度に影響されることなく、摩擦力又は摩擦トルクを高精度で推定することができるとともに、パラメータの調整に要する時間を大幅に短縮することができる摩擦補償方法及び摩擦補償器を提供することにある。
本発明の他の目的は、工作機械で２軸円弧補間運動をさせる場合の運動精度を大幅に改善することができるモータ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、本発明は、モータによって送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように前記モータの速度指令信号を生成し、前記モータの速度検出信号と前記速度指令信号とが一致するようにトルク指令信号を生成し、前記トルク指令信号に基づいて前記モータのトルクを制御するに当たり、前記モータの回転方向を反転させる際に発生する摩擦力又は摩擦トルクを補償する摩擦補償信号を生成して前記トルク指令信号の補正値とする摩擦補償方法において、
前記移動体が送り運動される制御系のモデルを用いて、前記位置指令信号に対応する前記移動体の実位置を推定して実位置信号を生成するステップと、
前記実位置信号を微分して速度信号とし、前記速度信号を積分して実位置信号を復元するとともに、前記速度信号の符号が反転するときに積分値をゼロにリセットして前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成し、その絶対値を求めるステップと、
前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いて、絶対値で表された前記変位信号の関数として摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求め、前記変位に対する変化率に前記速度信号を乗算して摩擦力又は摩擦トルクの時間に対する変化率を算出し、前記時間に対する変化率を積分することによって摩擦力又は摩擦トルクを推定するステップと、
前記トルク制御器に入力されるトルク指令信号から実際に出力されるモータのトルクまでの特性をモデル化し、そのモデルの伝達関数の逆関数を前記推定された摩擦力又は摩擦トルクに乗算して前記摩擦補償信号を生成するステップとを、
備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、モータによって送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように前記モータの速度指令信号を生成し、前記モータの速度検出信号と前記速度指令信号とが一致するようにトルク指令信号を生成し、前記トルク指令信号に基づいて前記モータのトルクを制御するに当たり、前記モータの回転方向を反転させる際に発生する摩擦力又は摩擦トルクを補償する摩擦補償信号を生成して前記トルク指令信号の補正値とする摩擦補償器において、
前記移動体が送り運動される制御系のモデルを用いて、前記位置指令信号に対応する前記移動体の実位置を推定して実位置信号を生成する手段と、
前記実位置信号を微分して速度信号とし、前記速度信号を積分して実位置信号を復元するとともに、前記速度信号の符号が反転するときに積分値をゼロにリセットして前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成し、その絶対値を求める手段と、
前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いて、絶対値で表された前記変位信号の関数として摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求め、前記変位に対する変化率に前記速度信号を乗算して摩擦力又は摩擦トルクの時間に対する変化率を算出し、前記時間に対する変化率を積分することによって摩擦力又は摩擦トルクを推定する手段と、
前記トルク制御器に入力されるトルク指令信号から実際に出力されるモータのトルクまでの特性をモデル化し、そのモデルの伝達関数の逆関数を前記推定された摩擦力又は摩擦トルクに乗算して前記摩擦補償信号を生成する手段とを、
備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、モータによって送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように前記モータの速度指令信号を生成する位置制御器と、前記モータの速度検出信号と前記速度指令信号とが一致するようにトルク指令信号を生成する速度制御器と、前記モータの回転方向を反転させる際に発生する摩擦力を補償する摩擦補償信号を生成する摩擦補償器と、前記トルク指令信号と前記摩擦補償信号とを加算した値に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御器とを備えたモータ制御装置において、
前記摩擦補償器は、
前記移動体が送り運動される制御系のモデルを用いて、前記位置指令信号に対応する前記移動体の実位置を推定して実位置信号を生成する手段と、
前記実位置信号を微分して速度信号とし、前記速度信号を積分して実位置信号を復元するとともに、前記速度信号の符号が反転するときに積分値をゼロにリセットして前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成し、その絶対値を求める手段と、
前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いて、絶対値で表された前記変位信号の関数として摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求め、前記変位に対する変化率に前記速度信号を乗算して摩擦力又は摩擦トルクの時間に対する変化率を算出し、前記時間に対する変化率を積分することによって摩擦力又は摩擦トルクを推定する手段と、
前記トルク制御器に入力されるトルク指令信号から実際に出力されるモータのトルクまでの特性をモデル化し、そのモデルの伝達関数の逆関数を前記推定された摩擦力又は摩擦トルクに乗算して前記摩擦補償信号を生成する手段とを、
含んでいることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る摩擦補償方法及び摩擦補償器によれば、移動体の実位置信号を微分して速度信号を求め、この速度信号を積分することによって移動体が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成してその絶対値を求め、変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いて摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求め、この変位に対する変化率に速度信号を乗算して時間に対する変化率を求め、この時間に対する変化率を積分して摩擦力又は摩擦トルクを推定しているので、運動方向を反転する前後の速度や加速度に影響されることなく、摩擦力又は摩擦トルクを高精度で推定することができる。
【００１９】
また、本発明に係る摩擦補償方法及び摩擦補償器によれば、移動体の実位置を推定するモデル、変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデル、及びトルク指令信号からモータのトルクまでのモデルの各パラメータは既知のものが多く、実質的に調整が必要なパラメータは少ないため、従来のものと比較してパラメータの調整に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００２０】
また、本発明に係るモータ制御装置によれば、上述したように、摩擦力又は摩擦トルクを高精度で推定することができる摩擦補償器を構成要素としているため、工作機械で２軸円弧補間運動をさせる場合の運動精度を大幅に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る摩擦補償器及びこれを含むモータ制御装置の一実施の形態の概略構成を示すブロック図である。図１において、モータ１によって送り運動される移動体としてのテーブル２は図示省略の直動案内機構によって移動可能に支持され、モータ１の回転運動が、ボールねじ３及びナット４を含む動力伝達機構を介して、テーブル２の直進運動に変換される。そこで、モータ１を制御することによってテーブル２の位置、速度及び加速度を制御することができる。
【００２２】
モータ１を制御するために、テーブル２にはその位置を検出するリニアエンコーダ（図示せず）が取り付けられ、モータ１にはその速度を検出するタコジェネレータ又はロータリーエンコーダ（図示せず）が取り付けられている。そして、位置制御器１１は上位コントローラから加えられた位置指令信号と、リニアエンコーダにより検出されたテーブル２の位置検出信号とが一致するようにモータ１の速度指令信号を生成して速度制御器１２に加える。速度制御器１２は位置制御器１１から加えられた速度指令信号と、タコジェネレータ又はロータリーエンコーダにより検出されたモータ１の速度検出信号とが一致するようにトルク指令信号を生成して加算器１４に加える。摩擦補償器１３は上位コントローラから加えられた位置指令信号に基づき、モータ１の回転方向を反転させる際に発生する摩擦力を補償する摩擦補償信号を生成して加算器１４に加える。加算器１４は速度制御器１２から加えられたトルク指令信号と、摩擦補償器１３から加えられた摩擦補償信号とを加算して摩擦補償されたトルク指令信号をトルク制御器としてのサーボアンプ１５に加える。サーボアンプ１５は摩擦補償されたトルク指令信号にできる限り忠実なトルクを発生するようにモータ１の電機子電流を制御する。
【００２３】
図１に示したモータ制御装置を構成する各構成要素のうち、位置制御器１１、速度制御器１２及びサーボアンプ１５の構成及び動作については一般に広く知られているのでそれらの説明を省略し、本願発明に直接関連する摩擦補償器１３の構成及び動作について、その原理を説明した後で詳細に説明することとする。
【００２４】
図１に示したテーブル２の駆動機構における摩擦力は、テーブル２の運動方向が反転するとき、すなわちボールねじ３の回転方向が反転するときに急激に変化する。この変化に制御系の応答が対応できず、例えば直交する２つの軸を使って上述したように円弧補間運動を行って円弧切削を行うときに象限突起が発生する。摩擦補償器１３は、テーブル２の運動方向反転時における摩擦力の影響を補正するためのものである。
【００２５】
そこで、発明者はボールねじと直動転がり案内を用いた送り駆動系において、摩擦力が速度と加速度に影響されないと考えられる振幅５０μｍ（マイクロメートル）、周期４ｓ（秒）でテーブルを正弦波往復運動させ、その場合のモータトルクの時間的変化を測定したところ、モータトルクはモータ軸換算での非線形摩擦トルクとほぼ等しくなっていることが分かった。図２（ａ）はモータトルクに対応する摩擦トルクの時間的変化を示した図であり、この測定結果に基づいて横軸をテーブル変位、縦軸を摩擦トルクとしてプロットすると、図２（ｂ）に示すような、変位と摩擦トルクの関係を示す線図が得られた。この図２（ｂ）から明らかなように、変位が１０μｍ以下の領域では変位と摩擦トルクは、ほぼ比例しており、変位が１０μｍ〜４０μｍの領域での摩擦トルクは、ほぼ一定となる。また、帰り（復時）の運動でも同じ特性を示し、往復運動に応じて摩擦トルクはヒステリシスループを描く。
【００２６】
速度と加速度の影響を受ける実際の運動では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すような摩擦トルクの変化に対して制御系が対応できず、運動誤差が発生してしまう。逆に、モータトルクを摩擦トルクの変化に完全に追従させれば、摩擦に起因する運動誤差を生じないサーボ系を実現することができる。
【００２７】
本実施の形態は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すような摩擦特性を、下記（１）式によって運動方向の反転位置からの変位の関数としてモデル化する。
ｆ＝ｆc（２tanh（ａｘ′）−１）sgn（ｘ′）            …（１）
ただし、
ｆ  ：摩擦トルク［Nm］
ｘ′：移動体が運動方向を反転する位置からの変位
ａ  ：移動体の微小変位領域における移動体の変位に対する摩擦力又は摩擦トルクの傾き
ｆc：移動体の変位が十分に大きいときの摩擦トルク［Nm］
sgn：符号関数（ｘ′＞０のとき＋１、ｘ′＝０のとき０、ｘ′＜のとき−１）
である。そして、上記（１）式を使って正弦波往復運動時の摩擦トルクｆを計算して得られた往復運動時の摩擦トルクの変化を図３（ａ）に、変位と摩擦トルクの関係を図３（ｂ）にそれぞれ示す。この図３（ａ）及び図３（ｂ）から明らかなように、上記（１）式によって、実際の摩擦トルクの変化を推定できることが分かる。
【００２８】
このように、上記（１）式によって、運動方向反転時の摩擦トルクの変化を事前に推定し、サーボ系のトルク指令信号を補正するための補正値とすれば、摩擦による影響を補償できると考えられる。しかしながら、サーボアンプ１５及びモータ１のそれぞれの内部に存在する遅れ要素により、トルク指令信号を上記（１）式で補正して得られる摩擦補償されたトルク指令信号をサーボアンプ１５に加えたとしても、モータ１から実際に出力されるトルクは違ったものになってしまう。一般に、サーボアンプ１５とモータ１の遅れ要素は、図４のブロック線図で示すように、トルク指令フィルタ１６と、電流ループ１７とでモデル化される。図４中のＴrはサーボアンプ１５に加えられるトルク指令信号であり、Ｔmは実際に発生されるモータトルク［Nm］であり、Ｔfはトルク指令フィルタの時定数［s］、Ｔiは電流ループの時定数［s］、ｓはラプラス演算子である。
【００２９】
また、実際に測定された位置信号から上記（１）式によって摩擦トルクを計算すると、測定結果に含まれるノイズや量子化の影響による誤差が発生する。また、上位コントローラから加えられた位置指令信号から摩擦トルクを計算すると実際の位置は位置指令信号よりも遅れているため、トルク指令信号を補正するタイミングが合わなくなる。このほか、上記（１）式には符号関数sgnが含まれているため、実際の機械に適用すると、チャタリングが発生するという問題もある。
【００３０】
図５は上記の問題を解決する摩擦補償器１３の詳細な構成を、関連する信号波形と併せて示したブロック図である。図５において、実位置推定部２１は上位コントローラから加えられる位置指令信号を入力し、テーブル２が送り運動されるサーボ制御系のモデルを用いて、位置指令信号に対応するテーブル２の実位置を推定して実位置信号を生成するものである。この実位置推定部２１には実位置信号を微分して速度信号として出力する微分器２２が接続され、この微分器２２には速度信号の符号が反転することを検出してリセット信号を出力する符号反転検出部２３と、速度信号を積分して実位置信号を復元するとともに、符号反転検出部２３からリセット信号が出力されるごとに、積分値をゼロにリセットしてテーブル２が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成する積分器２４とが接続されており、さらに、積分器２４にはその出力の絶対値を求める絶対値算出部２５が接続されている。
【００３１】
絶対値算出部２５には、テーブル２が運動方向を反転する位置からの変位と摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いて、絶対値で表された変位信号の関数として摩擦トルクの変位（位置）に対する変化率を求める摩擦特性推定部２６が接続されている。この摩擦特性推定部２６から出力される変位に対する変化率と、微分器２２から出力される速度信号とを乗算して摩擦トルクの時間に対する変化率を算出する乗算器２７が設けられている。この乗算器２７の出力端には、摩擦トルクの時間に対する変化率を積分することによって摩擦トルクを推定する積分器２８が設けられている。また、積分器２８にはサーボアンプ１５に入力されるトルク指令信号から実際に出力されるモータ１のトルクまでの特性をモデル化し、そのモデルの伝達関数の逆関数を推定された摩擦トルクに乗算して摩擦補償信号を生成する応答遅れ補償部２９が接続されている。
【００３２】
図６は応答遅れ補償部２９の詳細な構成を示すブロック線図であり、係数ブロック３１と、微分ブロック３２と、加算器３３と、微分ブロック３４と、加算器３５とで構成されている。図６中、ｆe（ｔ）は推定された摩擦トルク［Nm］であり、Ｔfは前述したトルク指令フィルタの時定数［s］、Ｔiは前述した電流ループの時定数［s］、ｓは前述したラプラス演算子である。また、Ｔrgはトルク指令信号からトルクへの変換定数である。
【００３３】
上記のように構成された摩擦補償器１３の動作について以下に説明する。まず、図示省略の上位コントローラから位置指令信号ｒが加えられると、実位置推定部２１は下記（２）式に従ってテーブル２の実位置を推定して実位置信号ｘe（ｔ）を生成する。
ｘe（ｔ）＝｛１／（Ｔcｓ＋１）｝ｒ          …（２）
ただし、
Ｔc：サーボ系全体の遅れ時定数
ｓ ：ラプラス演算子
である。
【００３４】
実位置推定部２１で生成された実位置信号ｘe（ｔ）は微分器２２で微分されて速度信号ｄｘe／ｄｔとして出力され、符号反転検出部２３、積分器２４及び乗算器２７に加えられる。符号反転検出部２３は速度信号ｄｘe／ｄｔの符号が反転することを検出してリセット信号を出力する。積分器２４は速度信号ｄｘe／ｄｔを積分することによって再び位置信号を出力するが、符号反転検出部２３からリセット信号が加えられるごとにリセットされるため、運動方向を反転する位置からの変位信号±ｘ′として出力する。絶対値算出部２５は変位信号±ｘ′の絶対値を求め変位信号ｘ′を出力する。摩擦特性推定部２６は変位信号ｘ′の関数として変位に対する摩擦トルクの変化率、すなわち摩擦特性を下記の（３）式で演算する。（３）式は上記の（１）式を変位信号ｘeで１階微分したものである。
ｄｆe／ｄｘe＝２ａｆc｛１−tanh2（ａｘe）｝        （３）
【００３５】
（３）式で得られた変位に対する摩擦トルクの変化率ｄｆe／ｄｘeと、微分器２２から出力された速度信号ｄｘe／ｄｔとを乗算すれば、摩擦トルクの推定値の微分値となる。そこで、乗算器２７は下記の（４）式の演算を行う。
ｄｆe／ｄｔ＝（ｄｆe／ｄｘe）・（ｄｘe／ｄｔ）        （４）
【００３６】
次に、積分器２８は摩擦トルクの推定値の微分値ｄｆe／ｄｔを積分して摩擦トルクの推定値ｆe（ｔ）を算出する。応答遅れ補償部２９は摩擦トルクの推定値ｆe（ｔ）に対して応答遅れ補償を行って摩擦補償信号を生成する。サーボアンプ１５及びモータ１の遅れ要素が図４のようにモデル化される場合、応答遅れ補償部２９は図６のブロック線図に示すように構成される。すなわち、トルク指令信号から実際に出力されるモータのトルクまでの特性を示す伝達関数の逆関数を推定された摩擦トルクｆe（ｔ）に乗算して摩擦補償信号を生成する。図６中、Ｔfはトルク指令フィルタの時定数［s］、Ｔiは電流ループの時定数［s］、ｓはラプラス演算子であり、Ｔrgはトルク指令信号から摩擦トルクへの変換定数である。
【００３７】
次に、上述したモータ位置制御装置の効果を確認するため、本発明を適用せずに円弧補間運動を行った場合と、本発明を適用して円弧補間運動を行った場合とを比較することとする。図７は円弧補間運動を行わせるモータ制御装置の概略構成を示す斜視図であり、ＸＹテーブル４１をＸ方向及びＹ方向に駆動するサーボモータ４２が、それぞれＸ軸サーボアンプ４３及びＹ軸サーボ増幅器４４を介して、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略記する）５０に接続されている。また、ＸＹテーブル４１のＸ方向の位置及びＹ方向の位置をそれぞれ検出するために２台のリニアエンコーダ４５が設けられている。ＰＣ５０はＤＳＰ（Digital signal Processor）機能を有し、図１に示した位置制御器１１、速度制御器１２、摩擦補償器１３の各機能を持たせている。
【００３８】
初めに、従来のモータ制御装置（例えば、部分的モデルマッチング法（北森俊行：制御対象の部分的知識に基づく制御系の設計法、計測自動制御学会論文集、第１５巻、第４号、（１９７９）、ｐｐ５４９〜５５５）を用いる具体的な設計法（井出裕、佐藤隆太、堤正臣：部分的モデルマッチング法による送り駆動系の制御系設計法、２００５年度精密工学会春期大会学術講演会講演論文集、（２００５）、ｐｐ１１３３〜１１３４）によって各サーボゲインを調整するもの）を用いて円弧補間運動を行った場合の誤差を調べた結果を図８に示す。図８は理想的な円弧軌跡と実際の軌跡との誤差を１０００倍に拡大して表示している。このうち、図８（ａ）は送り速度を３m/min、半径を２５mmとした場合の円弧軌跡であり、図８（ｂ）は送り速度を６m/min、半径を２５mmとした場合の円弧軌跡であり、図８（ｃ）は送り速度を３m/min、半径を１０mmとした場合の円弧軌跡である。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した結果のすべてにおいて、０°、９０°、１８０°、２７０°付近で突起状の軌跡誤差、すなわち象限突起が生じている。このうち、０°及び１８０°ではＸ軸の運動方向が反転しており、９０°及び２７０°ではＹ軸の運動方向が反転している。各反転位置付近における突起状の軌跡誤差は、運動方向反転時の摩擦力の変化に対するサーボ系の応答が円弧軌跡上に現れたものである。
【００３９】
次に、本発明に係る摩擦補償器を適用して円弧補間運動を行った場合の誤差を調べた結果を図９に示す。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に結果が示された場合と同一の速度及び半径で円弧補間運動を行った結果である。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した結果のすべてにおいて、０°、９０°、１８０°、２７０°付近における突起状の軌跡誤差がなくなっており、運動精度が大幅に改善されていることが分かる。
【００４０】
なお、本発明に係る摩擦補償器では、サーボ系の遅れ時定数Ｔc、モータ軸換算の摩擦トルクｆc、摩擦トルクの立ち上がり係数ａ、トルク指令フィルタの時定数Ｔf、電流ループの時定数Ｔi及びトルク指令からトルクへの変換定数Ｔrgの６個のパラメータを１度設定すれば、円弧運動の半径や送り速度が変化してもパラメータを再調整する必要はない。また、摩擦に関するパラメータ、すなわち、モータ軸換算の摩擦トルクｆc及び摩擦トルクの立ち上がり係数ａ以外のパラメータは既知である場合が多いので、実質的に調整が必要なパラメータはｆcとａの２つだけである。したがって、従来の摩擦補償器と比較してパラメータの調整に要する時間を大幅に短縮することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る摩擦補償器によれば、摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求め、この変位に対する変化率に速度信号を乗算して時間に対する変化率を求め、この時間に対する変化率を積分して摩擦力又は摩擦トルクを推定しているので、運動方向を反転する前後の速度や加速度に影響されることなく、摩擦力又は摩擦トルクを高精度で推定することができるため、この摩擦補償器を要素としてモータ制御装置を構成すれば、数値制御工作機械、３次元測定機、半導体製造関連装置及びロボットの運動精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る摩擦補償器及びこれを含むモータ制御装置の一実施の形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】送り駆動系によりテーブルを正弦波往復運動させたときの摩擦トルクの時間的な変化、及び変位とトルクの関係を示す線図である。
【図３】テーブルが運動方向を反転する位置からの変位と摩擦トルクの関係を表す近似式を用いて計算して得られた摩擦トルクの時間的な変化、及び変位とトルクの関係を示す線図である。
【図４】サーボアンプとモータの遅れ要素を示すブロック線図である。
【図５】本発明に係る摩擦補償器の一実施の形態の詳細な構成を、関連する信号波形と併せて示したブロック図である。
【図６】本発明に係る摩擦補償器の一実施の形態を構成する応答遅れ補償部の詳細な構成を示すブロック線図である。
【図７】円弧補間運動を行わせるモータ制御装置の概略構成を示す斜視図である。
【図８】従来の摩擦補償器を用いて円弧補間運動を行った場合の理想的な円弧軌跡と実際の軌跡との誤差を示した図である。
【図９】本発明に係る摩擦補償器を用いて円弧補間運動を行った場合の理想的な円弧軌跡と実際の軌跡との誤差を示した図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  モータ
２  テーブル
３  ボールねじ
４  ナット
１１  位置制御器
１２  速度制御器
１３  摩擦補償器
１４  加算器
１５  サーボアンプ
１６  トルク指令フィルタ
１７  電流ループ
２１  実位置推定部
２２  微分器
２３  符号反転検出部
２４、２８  積分器
２５  絶対値算出部
２６  摩擦特性推定部
２７  乗算器
２９  応答遅れ補償部
【図１】
2008210273.tif 000003
【図２】
2008210273.tif 000004
【図３】
2008210273.tif 000005
【図４】
2008210273.tif 000006
【図５】
2008210273.tif 000007
【図６】
2008210273.tif 000008
【図７】
2008210273.tif 000009
【図８】
2008210273.tif 000010
【図９】
2008210273.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月4日(2007.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
摩擦力又は前記摩擦トルクをｆ、
前記移動体が運動方向を反転する位置からの変位をｘ′、
前記移動体の微小変位領域における前記移動体の変位に対する摩擦力又は摩擦トルクの傾きをａ、
前記移動体の変位が十分に大きいときの摩擦力又は摩擦トルクをｆc、
符号関数をsgnとして、
前記近似式は、
ｆ＝ｆc（２tanh（ａｘ′）−１）sgn（ｄｘ′／ｄｔ）
であり、摩擦力又は摩擦トルクの前記変位に対する変化率ｄｆe／ｄｘeを次式
ｄｆe／ｄｘe＝２ａｆc｛１−tanh2（ａｘ′）｝
に従って求めることを特徴とする請求項２に記載の摩擦補償方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本実施の形態は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すような摩擦特性を、下記（１）式によって運動方向の反転位置からの変位の関数としてモデル化する。
ｆ＝ｆc（２tanh（ａｘ′）−１）sgn（ｄｘ′／ｄｔ）            …（１）
ただし、
ｆ  ：摩擦トルク［Nm］
ｘ′：移動体が運動方向を反転する位置からの変位
ａ  ：移動体の微小変位領域における移動体の変位に対する摩擦力又は摩擦トルクの傾き
ｆc：移動体の変位が十分に大きいときの摩擦トルク［Nm］
sgn：符号関数（ｄｘ′／ｄｔ＞０のとき＋１、ｄｘ′／ｄｔ＝０のとき０、ｄｘ′／ｄｔ＜のとき−１）
である。そして、上記（１）式を使って正弦波往復運動時の摩擦トルクｆを計算して得られた往復運動時の摩擦トルクの変化を図３（ａ）に、変位と摩擦トルクの関係を図３（ｂ）にそれぞれ示す。この図３（ａ）及び図３（ｂ）から明らかなように、上記（１）式によって、実際の摩擦トルクの変化を推定できることが分かる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
実位置推定部２１で生成された実位置信号ｘe（ｔ）は微分器２２で微分されて速度信号ｄｘe／ｄｔとして出力され、符号反転検出部２３、積分器２４及び乗算器２７に加えられる。符号反転検出部２３は速度信号ｄｘe／ｄｔの符号が反転することを検出してリセット信号を出力する。積分器２４は速度信号ｄｘe／ｄｔを積分することによって再び位置信号を出力するが、符号反転検出部２３からリセット信号が加えられるごとにリセットされるため、運動方向を反転する位置からの変位信号±ｘ′として出力する。絶対値算出部２５は変位信号±ｘ′の絶対値を求め変位信号ｘ′を出力する。摩擦特性推定部２６は変位信号ｘ′の関数として変位に対する摩擦トルクの変化率、すなわち摩擦特性を下記の（３）式で演算する。（３）式は上記の（１）式を変位信号ｘeで１階微分したものである。
ｄｆe／ｄｘe＝２ａｆc｛１−tanh2（ａｘ′）｝        （３）