(57)【要約】【課題】ＣＰＵの演算能力が高くない場合にも、多軸での高速、高加速でのモータ駆動を可能として、高い制御性能と低コストを両立させる。【解決手段】１台のＣＰＵ４２で複数のモータ１０の制御演算を行なう多軸モータ制御システムにおいて、速度の立ち下がり以外の区間と立ち下がり区間を識別する速度区間識別手段（速度区間検出部４２Ｆ、位置指令演算部５０）と、電流指令補償分を設定する補償量設定手段（補償量演算部４２Ｇ、補償量記憶部４２Ｊ）と、速度の立ち下がり以外の区間では電流指令に電流指令補償分を加算し、速度の立ち下がり区間では電流指令に電流指令補償分を加算しない電流指令補償手段（スイッチ部４２Ｈ、可変ゲインアンプ４２Ｋ）と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１台のＣＰＵで複数のモータの制御演算を行なう多軸モータ制御システムにおいて、
速度の立ち下がり以外の区間と立ち下がり区間を識別する速度区間識別手段と、
ゲインの増加分に相当する電流指令補償分を設定する補償量設定手段と、
速度の立ち下がり以外の区間では電流指令に電流指令補償分を加算し、速度の立ち下がり区間では電流指令に電流指令補償分を加算しない電流指令補償手段と、
を備えたことを特徴とする多軸モータ制御システム。
【請求項２】
前記電流指令補償手段が、速度の立ち下がり区間で、速度の立ち下がり以外の区間でたまったゲインの増加分に相当する電流指令補償分を減算することを特徴とする請求項１に記載の多軸モータ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工業用ミシン、電子部品搭載装置、工作機械等に用いられる、多軸モータ制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工業用ミシンやチップマウンタ、工作機械などを始めとする種々の産業用装置を駆動するために、モータが利用されている。特に近年、効率向上や生産性向上のために、装置に用いられるモータの軸数が増加の傾向にある。
【０００３】
しかし、モータ軸数の増加に伴い、装置が大型化したり、コストが上昇することは好ましくない。その為、特許文献１に記載されているように、図１に例示する如く、モータ軸を駆動するコントローラやドライバ等の制御装置を、１台で複数のモータ軸が制御可能なようにまとめた多軸制御システムとすることで、サイズの小型化やコストダウンを図ることが一般的である。図において、１０はモータ、１２は、モータ毎に設けられたエンコーダ、２０は、パワー部２２とＩ／Ｆ２４を含むモータドライブ部、３０は通信線、４０は、ＣＰＵ４２とメモリ４４とＩ／Ｆ４６、４８を含む多軸コントローラである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２６２６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この多軸モータ制御システムでは、１台のＣＰＵ４２で複数（例えば１２軸）のモータ軸の制御演算を行なうこととなるが、ＣＰＵの演算性能が不充分であると、モータの制御ゲインを高く上げることができず、モータの特性が充分に得られないという事態が生じる。即ち、図２に示すような、電流ループ、速度ループの演算速度が充分に速くないと、制御ゲインを高く上げた時に発振が生じてしまう為、制御ゲインが低い値に制限されてしまい、周波数特性が抑えられる結果となってしまう。具体的には、制御対象を現在位置から目標位置へ移動するべく、図３に例示する如く、高速かつ高加減速でのＰＴＰ駆動を行なおうとする場合、目標の速度に達しなかったり、目標の加減速度が得られないという問題が生じる。
【０００６】
図２において、４２Ａは、位置指令とエンコーダ１２からの位置フィードバック信号の差を求める減算器、４２Ｂは、該減算器４２Ａの出力に応じて速度指令を計算する位置偏差制御演算部、４２Ｃは、前記エンコーダ１２の出力から速度を演算する速度演算部、４２Ｄは、前記位置偏差制御演算部４２Ｂで算出された速度指令と速度演算部４２Ｃで演算された速度フィードバック信号の差を求める減算器、４２Ｅは、該減算器４２Ｄの出力によりパワー部２２に与える電流指令を演算する速度偏差制御演算部である。
【０００７】
更に、モータが高速で回転する場合には、図４に例示するようなモータの逆起電圧が大きな問題となってくる。即ち、モータが回転する際に発生する逆起電圧により、モータに印加される電圧が減少してしまう。これは、モータ速度に応じて制御ゲインが目減りしていることと同様に見なすことができる。即ち、高速に向かう速度の立ち上がり時（図３の加速区間I）と高速で駆動する定速駆動時（図３の定速区間II）には制御ゲインが減少していき、高速から低速へと向かう速度の立ち下がり時（図３の減速区間III）には制御ゲインが増加していくこととなる。
【０００８】
モータをＰＴＰ動作で駆動する場合、加速区間Iと定速区間IIでは、ゲインの目減りにより、位置指令と実位置との偏差が大きく溜まってしまう。一方、減速区間IIIとなってゲインが高くなると、加速区間Iと定速区間IIの間に溜まった偏差を一気に収束させようとする為、急激にモータ電流が流れ、過電流エラーが発生するという問題が生じる。
【０００９】
これを解決するには制御ゲインを上げる必要があるが、前述のようにＣＰＵの演算速度により制御ゲインが制限されているので、演算性能の高いＣＰＵを使用する必要がある。しかし、一般に演算性能が上がるに伴ってＣＰＵの価格も上昇してしまう。
【００１０】
安いＣＰＵを使用して高い制御性能を得ることが理想であるが、従来の方式では高い制御性能と低コストの両立は困難であった。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するためのもので、高い制御性能と低コストを両立することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、１台のＣＰＵで複数のモータの制御演算を行なう多軸モータ制御システムにおいて、速度の立ち下がり以外の区間と立ち下がり区間を識別する速度区間識別手段と、
ゲインの増加分に相当する電流指令補償分を設定する補償量設定手段と、速度の立ち下がり以外の区間では電流指令に電流指令補償分を加算し、速度の立ち下がり区間では電流指令に電流指令補償分を加算しない電流指令補償手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１３】
ここで、前記電流指令補償手段が、速度の立ち下がり区間で、速度の立ち下がり以外の区間でたまったゲインの増加分に相当する電流指令補償分を減算することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、多軸モータの制御システムにおいて、速度の立ち下がり以外の区間（例えば加速区間Iと定速区間II）では、電流指令に、ゲインの目減り分に相当する電流指令補償分を加算する。一方、速度の立ち下がり区間（減速区間III）では、電流指令補償分の加算を実施しない、若しくは、電流指令から、速度の立ち下がり以外の区間でたまったゲインの増加分に相当する電流指令補償分の減算を行う。
【００１５】
これにより、立ち下がり以外の区間で実質的に高い制御ゲインを保つことができる為、指令通りの高速、高加減速での多軸制御が可能となる。又、立ち下がり以外の区間で大きな偏差が溜まらなくなる為、立ち下がり区間での電流エラーの発生を防ぐことができる。
【００１６】
従って、ＣＰＵの演算能力が高くない場合にも、多軸での高速、高加減速でのモータ駆動が可能となり、高い制御性能と低コストを両立させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
図５は本発明の第１実施形態であり、全体の構成を表わすブロック図である。図では説明の為、モータ１軸分のみを示している。
【００１９】
位置指令部（図示省略）から出力された位置指令信号に従って、モータ軸の位置決め制御が行なわれる。
【００２０】
具体的には、減算部４２Ａで、モータ端に取り付けたエンコーダ１２から出力される位置フィードバック値と位置指令値を比較して、位置偏差を演算する。この位置偏差を元に、位置偏差制御演算部４２Ｂにて速度指令値を演算する。更に、速度指令値と、エンコーダ１２の出力値から速度演算部４２Ｃにおいて演算した速度フィードバック値との偏差を減算器４２Ｄで計算し、この偏差を元に、速度偏差制御演算部４２Ｅにて電流指令値を演算する。演算した電流指令値はパワー部（例えばサーボアンプ）２２に出力され、モータ１０にモータ電流を与えて、軸を駆動する。
【００２１】
上記速度指令値、電流指令値の演算の際に、制御ゲインを乗算する。制御ゲインを高く上げることが制御性能に影響してくるが、負荷の剛性、ＣＰＵの演算能力、センサの分解能、データの通信速度等の影響を受ける為、制限を受ける。制御ゲインが低い場合には、高速、高加減速での駆動や、高速、高精度での位置決め整定等を行なうことは難しい。
【００２２】
例として、高速、高加減速での位置決め駆動を行なう場合を取り上げる。
【００２３】
モータが回転すると、逆起電圧Ｅｉが発生する。逆起電圧Ｅｉは図４に示した通り、モータの回転速度ωｒに比例し、次式で表わすことができる。
【００２４】
Ｅi ＝Ｋe ×ωr      …（１）
（Ｋe：逆起電圧定数）
【００２５】
これは、モータの回転数に比例して、モータへの印加電圧が逆起電圧の分だけ低くなってしまうことを意味する。即ち、電流指令に対して実電流が流れなくなってしまうわけであるから、制御ゲインから見た場合には、モータの速度が高くなるに連れて、制御ゲインが目減りして低くなると見なすことができる。
【００２６】
こうした状態でＰＴＰ駆動を行なうと、加速区間Iと定速区間IIでは制御ゲインの目減りが大きくなる為、電流指令に対して実電流が流れず、位置偏差が大きく溜まってしまう。一方、モータの駆動が減速区間IIIに移ると、速度が下がるにつれて制御ゲインの目減りが解消しゲインが高くなる為、溜まった偏差を収束しようとして急激に電流が流れる現象が生じる。
【００２７】
モータの制御システムは、保護の為に電流の最大値を設定して、設定以上の電流が流れると過電流エラーとしてモータを停止するという機能を一般的に有する。その為に減速区間IIIで過電流エラーが起き、モータが停止してしまうという問題が発生する。
【００２８】
この問題を解決するには、加速区間Iと定速区間IIで制御ゲインを高くしてやる必要がある。そこで本実施形態では、加速区間Iと定速区間IIで、電流の指令値にゲインの目減り分に相当する指令を加算する補償を行なう。
【００２９】
具体的には、速度区間検出部４２Ｆにて速度を監視して、加速区間Iと定速区間IIを検出する。速度が増加している区間は加速区間I、速度が一定の区間は定速区間II、速度が減少している区間は減速区間IIIと判定する。
【００３０】
加速区間Iと定速区間IIを検出すると、スイッチ部４２Ｈがオンとなり、補償量演算部４２Ｇにて演算した電流指令補償分ΔＩcmdを加速器４２Ｉで電流指令Ｉcmdに加算する。電流指令補償分ΔＩcmdは、モータ速度に比例し、
ΔＩcmd ＝Ｋcomp ×ωr      …（２）
（Ｋcomp：電流指令補償係数）
となる。
【００３１】
逆起電圧Ｅｉは、（１）式で表わされる。
【００３２】
又、
Ｖa −Ｅi ＝Ｌa（ｄｉa ／ｄｔ）＋Ｒa ×ｉa      …（３）
（Ｖa：モータ印加電圧、ｉa：モータ電流、Ｌa：モータインダクタンス、Ｒa：モータ抵抗）
であるから、逆起電圧Ｅiを補償する電流指令補償分ΔＩcmdは、（１）〜（３）式より、
ΔＩcmd ＝Ｋe ／（Ｌaｓ＋Ｒa ）×ωr            …（４）
とすることができる。
【００３３】
即ち、Ｋcomp ＝Ｋe ／（Ｌaｓ＋Ｒa ）として電流指令補償分を電流指令に加算してやれば、逆起電圧によるゲインの目減りを補償することが可能である。
【００３４】
高速度でのゲインの目減りが問題となるのは加速区間Iと定速区間IIである為、減速区間IIIではスイッチ部４２Ｈをオフとする。
【００３５】
上記の補償により、加速区間Iと定速区間IIで実質上高い制御ゲインを保つことができる為、指令通りの高速、高加減速での多軸制御が可能となる。又、加速区間Iと定速区間IIで大きな偏差が溜まらなくなる為、減速区間IIIでの電流エラーの発生を防ぐことができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、モータの回転方向が正方向の場合を例として取り上げたが、モータの回転方向が逆方向の場合には、各信号の出力方向等が逆となるように読み替えて行なえば良い。
【００３７】
前記実施形態では、速度区間検出部４２Ｆを設けて、区間I、II、IIIを検出していたが、図６に示す第２実施形態のように、位置指令演算部５０より直接、区間I、II、IIIの切り替え信号を出力し、電流指令補償分のオン／オフ切り替えを行なうことも可能である。又、短距離の移動では、定速区間IIが無くても良い。
【００３８】
又、前記実施形態では、減速区間IIIで電流指令補償分をオフとしたが、電流指令補償分ΔＩcmdを減算してやることも可能である。
【００３９】
又、前記実施形態では、電流指令補償係数としてＫcomp ＝Ｋe ／（Ｌaｓ＋Ｒa ）を用いたが、モータ毎に最適な調整を施した補償を行なう為、Ｋcompを任意の定数とすることも可能である。又、区間I、II、IIIで、それぞれ異なるＫcompを用いることも可能である。
【００４０】
又、前記実施形態では、電流指令補償分としてΔＩcmd ＝Ｋcomp ×ωrの式で表されるモータ速度に比例した１次関数を使用したが、図７に示す第３実施形態のように、事前に実測したデータを元にして決定した電流指令補償分を補充量記憶部４２Ｊに記憶したり設定しておき、より複雑な補正を行なうことも可能である。
【００４１】
又、前記実施形態では、スイッチ部４２Ｈを用いてオン／オフ切り替えを行なったが、図８に示す第４実施形態のように、スイッチ部の代わりに、ゲインを例えば０〜１倍に変えることができる可変ゲインアンプ４２Ｋを用いることも可能である。
【００４２】
又、前記実施形態に、図９に示す第５実施形態のように、外乱オブザーバ４２Ｌを設けることで、摩擦やパラメータ変動等の影響を受けないロバスト制御が可能となる。
【００４３】
又、各制御部での演算は、比例制御の他に、積分制御、微分制御等を適用することも可能である。
【００４４】
又、回転型モータだけではなく、リニアモータへの適用も可能である。
【００４５】
又、前記実施形態は、多軸コントローラ部とモータドライブ部を別ブロックとした構成であるが、一体化することも可能である。又、位置ループと速度ループだけを１つのＣＰＵで演算し、電流ループの演算は他のＣＰＵで行なうなどの構成も可能であり、必ずしも実施形態の構成にとらわれるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来の多軸モータ制御システムの構成例を示すブロック図
【図２】同じくモータ制御ループの一例を示す図
【図３】ＰＴＰ駆動におけるモータ速度の変化状態の例を示す図
【図４】モータ速度と逆起電圧の関係の例を示す図
【図５】本発明の第１実施形態を示すブロック図
【図６】同じく第２実施形態を示すブロック図
【図７】同じく第３実施形態を示すブロック図
【図８】同じく第４実施形態を示すブロック図
【図９】同じく第５実施形態を示すブロック図
【符号の説明】
【００４７】
１０…モータ
１２…エンコーダ
２０…モータドライブ部
２２…パワー部
４０…多軸コントローラ
４２…ＣＰＵ
４２Ｂ…位置偏差制御演算部
４２Ｃ…速度演算部
４２Ｅ…速度偏差制御演算部
４２Ｆ…速度区間検出部
４２Ｇ…補償量演算部
４２Ｈ…スイッチ部
４２Ｊ…補償量記憶部
４２Ｋ…可変ゲインアンプ
５０…位置指令演算部
【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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【図８】
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【図９】
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