(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械に連結された電動機と、該電動機を駆動する電力変換器と、位置指令値に対する前記機械の位置検出値の偏差に応じて速度指令値を得る位置制御器と、前記速度指令値に対する前記電動機の速度検出値の偏差に応じてトルク電流指令値を得る速度制御器と、前記トルク電流指令値に従って前記電力変換器の出力電流を制御する電流制御器を備えたサーボ制御装置において、
前記電動機の位置検出値と前記機械の位置検出値の偏差の一階微分値に一階微分ゲインを表わす定数を乗じた結果と、該偏差の二階微分値に二階微分ゲインを表わす定数を乗じた結果との加算結果に応じてトルク電流補正値を演算する位置偏差微分手段を設け、
トルク電流補正値により前記トルク電流指令値が修正されるように構成したことを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項２】
機械に連結された電動機と、該電動機を駆動する電力変換器と、位置指令値に対する前記電動機の位置検出値の偏差に応じて速度指令値を得る位置制御器と、前記速度指令値に対する前記電動機の速度検出値の偏差に応じてトルク電流指令値を得る速度制御器と、前記トルク電流指令値に従って前記電力変換器の出力電流を制御する電流制御器を備えたサーボ制御装置において、
前記電動機の位置検出値と前記機械の位置検出値の偏差の一階微分値に一階微分ゲインを表わす定数を乗じた結果と、該偏差の二階微分値に二階微分ゲインを表わす定数を乗じた結果との加算結果に応じてトルク電流補正値を演算する位置偏差微分手段を設け、
トルク電流補正値により前記トルク電流指令値が修正されるように構成したことを特徴とするサーボ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置制御用のサーボ制御装置に係り、特に、負荷の駆動に連結軸を用いる方式のシステムに好適なサーボ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ制御装置における電動機の位置制御には、電動機の軸に直結させた位置検出器(以下、電動機位置検出器と記す)の検出値をフイードバック信号として制御演算を行うセミ・クローズド・ループ方式が一般的である。
【０００３】
しかし、この方式は、安定した制御が容易に得られるという利点があるが、電動機と機械(負荷)を連結している駆動力伝達系(例えば減速機など)の精度や熱膨張による誤差などが、そのまま位置決め誤差として現れてしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、高い加工精度をもった精密工作機械など、特に位置決め精度が要求される場合には、例えば被加工物取付台など機械の最終的な位置制御対象となる部分にリニアスケールなどの位置検出器(以下、機械位置検出器と記す)を直接取付け、その検出値をフイードバック信号とするフル・クローズド・ループ方式が従来から用いられている。
【０００５】
ここで、この種の技術に関連するものとしては、例えば以下の公報による開示を挙げることができる。
特開平０９−１８２４７８号
特開平０９−２５８８３０号
特開平１０−１４８１８４号
特開平１１−３２４９１１号
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、次の問題があった。
すなわち、駆動力伝達系には剛性があり、このため振動の発生が不可避であるが、ここで振動が発生した場合、機械の最終的な位置制御対象となる部分からの検出値にも振動が含まれ、この結果、従来技術では位置制御系が発振して不安定になってしまう。
【０００６】
従って、従来技術では、位置制御ゲインを落として使用する必要があり、この結果、高速での位置決め運転の実現が困難であるという問題が生じてしまうのである。
本発明の目的は、機械位置検出器の適用による不安定状態の発生を抑え、高精度で高速の位置決め運転が得られるようにしたサーボ制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、機械に連結された電動機と、該電動機を駆動する電力変換器と、位置指令値に対する前記機械の位置検出値の偏差に応じて速度指令値を得る位置制御器と、前記速度指令値に対する前記電動機の速度検出値の偏差に応じてトルク電流指令値を得る速度制御器と、前記トルク電流指令値に従って前記電力変換器の出力電流を制御する電流制御器を備えたサーボ制御装置において、前記電動機の位置検出値と前記機械の位置検出値の偏差の一階微分値に一階微分ゲインを表わす定数を乗じた結果と、該偏差の二階微分値に二階微分ゲインを表わす定数を乗じた結果との加算結果に応じてトルク電流補正値を演算する位置偏差微分手段を設け、トルク電流補正値により前記トルク電流指令値を修正するようにして達成される。
【０００８】
同じく上記目的は、機械に連結された電動機と、該電動機を駆動する電力変換器と、位置指令値に対する前記電動機の位置検出値の偏差に応じて速度指令値を得る位置制御器と、前記速度指令値に対する前記電動機の速度検出値の偏差に応じてトルク電流指令値を得る速度制御器と、前記トルク電流指令値に従って前記電力変換器の出力電流を制御する電流制御器を備えたサーボ制御装置において、前記電動機の位置検出値と前記機械の位置検出値の偏差の一階微分値に一階微分ゲインを表わす定数を乗じた結果と、該偏差の二階微分値に二階微分ゲインを表わす定数を乗じた結果との加算結果に応じてトルク電流補正値を演算する位置偏差微分手段を設け、トルク電流補正値により前記トルク電流指令値を修正するようにしても達成される。
【００１０】
従って、本発明の特徴は、電動機に直接取付けられた位置検出器の検出値と、機械に直接取付けられた位置検出器の検出値の偏差を用いて、トルク電流指令値を修正することにより、位置制御系を高安定化することにあるといえる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるサーボ制御装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態で、図において、１は電動機で、負荷となる機械を駆動するサーボモータとして働く。
２は電動機位置検出器で、電動機１の軸に取付けられ、モータ回転位置θM を検出する働きをする。
３はサーボ制御の対象となる機械で、これは、ボールネジなどの駆動力伝達系を介して電動機１に連結された、例えば工作機械である。
【００１２】
４は機械位置検出器で、機械３の電動機１による最終的な位置制御対象となる部分に取付けられ、機械回転位置θL を検出する働きをする。このとき最終的な位置制御対象となる部分とは、上記した工作機械の場合、例えば被加工物取付台(Ｘ−Ｙテーブル)となり、従って、この場合、位置検出器４はリニアエンコーダ形式となる。
【００１３】
５は減算器で、外部から与えられる位置指令θ* と機械回転位置θL を比較して、これらの偏差を出力する働きをする。
【００１４】
６は位置制御器で、減算器５の出力である位置指令θ* と機械回転位置θL の偏差を入力し、速度指令Ｎ* を出力する働きをする。
７は速度演算器で、電動機回転位置θM から電動機１の回転速度Ｎを演算する働きをする。
８も減算器で、速度指令Ｎ* と回転速度Ｎを比較して、これらの偏差を出力する働きをする。
【００１５】
９は速度制御器で、減算器８から速度指令Ｎ* と回転速度Ｎの偏差を入力し、トルク電流指令Ｉq* を出力する働きをする。
１０は位置偏差微分器で、電動機回転位置θM と機械回転位置θL の偏差を微分演算し、トルク電流補正信号ΔＩq* を演算する働きをする。
【００１６】
１１も減算器で、トルク電流指令Ｉq* とトルク電流補正信号ΔＩq* を比較して、新たなトルク電流指令Ｉq*´を出力する働きをする。
１２は電流検出器で、電動機１の電流値、すなわちトルク電流値Ｉq を検出する働きをする。
１３も減算器で、新たなトルク電流指令Ｉq*´とトルク電流値Ｉq の偏差を出力する働きをする。
【００１７】
そして、この減算器１３の出力が電流制御器１４に入力され、ここで、新たなトルク電流指令Ｉq*´とトルク電流値Ｉq の偏差に対応した電圧指令Ｖ* が生成され、電力変換器１５に供給されるようになり、この結果、電動機１が外部から与えられる位置指令θ* に応じて回転し、機械３の最終的な位置制御対象となる部分の位置決めが得られることになる。
【００１８】
次に、この実施形態の動作について説明すると、この実施形態は、図１の構成から明らかなように、機械位置検出器４から出力される機械回転位置θL をフイードバック信号としたフル・クローズド・ループ方式のサーボ装置を構成しており、従って、電動機１と機械３の間の駆動力伝達系(トルク伝達機構)をバネ系と見做した場合、その系のブロック図は図２に示すようになる。
【００１９】
このブロック図において、τM は電動機１が発生するトルク、ＪM は電動機１のイナーシヤ、ＣF は粘性定数、ＫF はバネ定数、ＪL は機械３の被駆動部分のイナーシヤであり、電動機回転位置θM と機械回転位置θL は既に説明した通りである。
【００２０】
そうすると、この系特有の共振周波数ｆa[Ｈz]と反共振周波数ｆz[Ｈz]は、次の(1)式と(2)式で表わせる。
【００２１】
【数１】
0004171192.tif 000002
【数２】
0004171192.tif 000003
次に、機械回転位置θL をフイードバック信号としたフル・クローズド・ループ方式を用いた場合の動作例を図３に示す。
ここで、この図３の動作例は、本発明の特徴である構成、すなわち図１の実施形態における位置偏差微分器１０による効果を見るため、そこに設定すべき微分ゲインＫd (後述)を、ことさら０に設定して位置決め動作運転を行った場合の特性で、この場合は共振周波数ｆa＝４５［Ｈz］、反共振周波数ｆz＝３５［Ｈz］であり、運転に際して、機械３の回転位置θL が振動(振動周波数３５［Ｈz］)して不安定になっていることが判る。
【００２２】
そこで、この場合の振動現象を解析するため、位置指令θ* から機械回転位置θL までの閉ループ伝達関数θL／θ*・(ｓ)を求めると、次の(3)式の通りになる。なお、ｓはラプラス演算子である。
【００２３】
【数３】
0004171192.tif 000004
次に、この(3)式で表される閉ループ伝達関数θL／θ*・(ｓ)による閉ループ周波数特性(ゲイン・位相特性)を示すと、図４の通りになり、これを見ると、反共振周波数３５［Ｈz］付近において、位相特性が−１８０度となるところでゲイン特性が０［ｄＢ］(＝１)以上になっていて、位相余裕が無い(適正値：４０〜６０度)ことから、反共振周波数３５［Ｈz］付近で不安定振動の発生が懸念され、このことは、図３の特性と良く対応していることが判る。
【００２４】
しかしながら、図１の実施形態の場合、位置偏差微分器１０の微分ゲインＫd を所定値に設定することより上記した不安定振動が抑制できる。そこで、以下、この点について説明する。
【００２５】
まず始めに位置偏差微分器１０について説明すると、これは、図５に示すように構成されていて、ここに入力された電動機回転位置θM と機械回転位置θL は、まず減算器１０ａに供給され、これらの偏差(θM−θL)が取られる。そして、この偏差か微分器１０ｂに入力され、ここで微分演算され定数Ｋd(上記した微分ゲイン)が乗算されることにより、トルク電流補正信号ΔＩq* が出力されるようになっている。
【００２６】
次に、この結果、図１の実施形態により得られる不安定振動の抑制について説明する。
まず、位置偏差微分器１０の微分ゲインＫd を所定値に設定した上で、位置指令θ* から機械回転位置θL までの閉ループ伝達関数θL／θ*・(ｓ)を求めると、今度は次の(4)式の通りになる。
なお、この(4)式では、上記の(3)式と区別するため、分母と分子の各項にｎを付加してある(例えば、al5→aln5、bl5→bln5)。
【００２７】
【数４】
0004171192.tif 000005
そこで、この(4)式を、上述の(3)式と比較してみると、位置偏差微分器１０に所定値の微分ゲインＫdを設定したことにより、(3)式の分母の中のal4 の項だけが変化し、(4)式の分母の項aln4 では、式内に４角の枠で囲って示した部分Ｘが追加された形になっていることが判る。
【００２８】
ここで、この微分ゲインＫdとして所定値を設定することにより付加されるようになった部分Ｘ＝｛ＪLＫd／ＫF(ＪM＋ＪL)｝について見ると、これは、(4)式から明らかなように、粘性摩擦係数に関する値ＣF／ＫFを等価的に大きくし、見かけ上、機械系の振動に対する減衰率を振動が減少する方向に変化させていることが判る。
【００２９】
そこで、この(4)式の伝達関数θL／θ*・(ｓ)による閉ループ周波数特性(ゲイン・位相特性)を示すと、図６の通りになり、これを、微分ゲインが０(Ｋd＝０)に設定してあった図４の特性と比較すると、反共振周波数３５【Ｈｚ】付近のゲイン特性が０【ｄＢ】（＝１）以下で、位相特性も改善されていることから、伝達関数θL／θ*・(ｓ)が充分に安定になっていることが判る。
【００３０】
図７は、この状態で位置決め運転を行なったときの動作例で、図示のように、この場合は機械の回転位置特性θＬから振動が消えていて、安定した位置決め運転が得られていることが判り、従って、位置偏差微分器１０を設けたことによる不安定振動の抑制効果が絶大であることが判る。
【００３１】
次に、位置偏差微分器の他の実施形態について、図８により説明する。
この図８に示した位置偏差微分器１０Ａの場合も、そこに入力された電動機回転位置θM と機械回転位置θL は、まず減算器１０ａに供給され、これらの偏差(θM−θL)が取られる。そして、この偏差か微分器１０ｃに入力され、ここで微分演算された後、定数Ｋd1 と定数Ｋd2 が乗算されることにより、トルク電流補正信号△Ｉq* が出力されるようになっているものである。
そして、この図８に示す位置偏差微分器１０Ａを用いても、図５の位置偏差微分器１０と同様な振動抑制を得ることができる。
【００３２】
ところで、図１で説明した実施形態は、機械位置検出器４から出力される機械回転位置θL をフイードバック信号とした、いわゆるフル・クローズド・ループ方式のサーボ装置に関するものであるが、本発明は、図１の実施形態と同様な構成のもとで、セミ・クローズド・ループ方式のサーボ装置として実施することもできる。
【００３３】
図９は、このセミ・クローズド・ループ方式による本発明の一実施形態で、この図９の実施形態が、図１の実施形態と異なっている点は、減算器５にフィードバックされている信号が電動機位置検出器２から出力される電動機回転位置θM になっている点だけであり、その他の構成は、機械位置検出器４と位置偏差微分器１０を備えている点も含めて、図１の実施形態と同じであり、安定した位置決め運転が得られる点も同じである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、機械剛性の低い機械の駆動に適用した場合でも機械振動が発生する虞れがなく、従って、機械位置検出器の適用による利点を充分に活かすことができ、サーボモータによる高精度で高速の位置決め運転を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるサーボ制御装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における駆動力伝達系のブロック線図である。
【図３】本発明の一実施形態において微分ゲインを０にした場合の位置決め運転動作例を示す特性図である。
【図４】本発明の一実施形態において微分ゲインを０にした場合の位置指令から機械位置までの閉ループ周波数特性図である。
【図５】本発明の一実施形態における位置偏差微分器の一例を示すブロック構成図である。
【図６】本発明の一実施形態において微分ゲインを所定値にした場合の位置指令から機械位置までの閉ループ周波数特性図である。
【図７】本発明の一実施形態において微分ゲインを所定値にした場合の位置指令から機械位置までの閉ループ周波数特性図である。
【図８】本発明の一実施形態における位置偏差微分器の他の一例を示すブロック構成図である。
【図９】本発明の他の一実施形態を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
１  電動機(サーボモータ)
２  電動機の位置検出器(電動機位置検出器)
３  機械
４  機械の位置検出器(機械位置検出器)
５、８、１１、１３  減算器
６  位置制御器
７  速度演算器
９  速度制御器
１０  位置偏差微分器
１２  電流検出器
１４  電流制御器
１５  電力変換器
【図１】
0004171192.tif 000006
【図２】
0004171192.tif 000007
【図３】
0004171192.tif 000008
【図４】
0004171192.tif 000009
【図５】
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【図６】
0004171192.tif 000011
【図７】
0004171192.tif 000012
【図８】
0004171192.tif 000013
【図９】
0004171192.tif 000014