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技術 モータ制御装置

出願人 山洋電気株式会社
発明者 井出勇治酒井将和
出願日 2011年12月8日 (8年11ヶ月経過) 出願番号 2011-268996
公開日 2013年6月17日 (7年5ヶ月経過) 公開番号 2013-121287
状態 特許登録済
技術分野 電動機の制御一般 位置、方向の制御
主要キーワード 通りテーブル 主フィードバック 速度積分器 モデル機 レベリングボルト 一次ローパスフィルタ 高周波共振 位置フィードバックゲイン
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2013年6月17日)のものです。
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課題

制御対象高速かつ確実に位置決めする。

解決手段

位置制御器410は、モデル制御系300から出力される生産機械の制御対象のモデル位置と制御対象の位置との偏差から速度指令演算する。速度制御器420は、モデル制御系300から出力されるモデル位置を微分した速度指令と位置制御器410が演算した速度指令と制御対象を駆動するモータ120の位置を微分した速度指令との偏差からトルク指令を出力する。トルク制御器455は、モデル制御系300から出力される生産機械の制御対象を駆動するためのモデルトルク指令と速度制御器420から出力されたトルク指令とを加算してモータ120のトルクを制御する。速度制御器420は、モータ120が制御対象を駆動しているときには比例制御器422のみでトルク指令を出力し、モータ120が制御対象を駆動していないときには積分制御器424と比例制御器422とでトルク指令を出力する。

概要

背景

プリント基板穴あけ機などの生産機械では、プリント基板穴あけ加工時間をできるだけ短縮して生産効率を向上することが求められる。プリント基板穴あけ機の生産効率はプリント基板の位置決め速度に依存する。したがって、プリント基板穴あけ機の生産効率を向上させるためには、プリント基板を高速かつ確実に位置決めさせなければならない。

一般的に、生産機械が理想的な剛体であって摩擦もなければ、理論的には制御理論を駆使した高速かつ確実な位置決めが可能である。しかし、実際の生産機械は理想的な剛体とは違って一部に剛性の低い部分が存在しまた制御対象には摩擦が存在する。
プリント基板穴あけ機も理想的な剛体ではなく摩擦も存在するため、プリント基板の穴あけ作業を高速で行なわせようとすると、プリント基板穴あけ機自体が振動しまた摩擦の存在によって位置決めの整定時間理論値より長くなる。

生産機械の振動を抑えながら比較的高速で確実な位置決めを実現させる制御手法として、位置指令の入力部にノッチフィルタを挿入する制御手法がある。この制御手法は、ノッチフィルタに生産機械の振動周波数を設定しておくことによって生産機械の振動をキャンセルするが、ノッチフィルタの遅れにより位置決め整定時間が長くなる。

また、別の制御手法としては、下記の特許文献1に開示されているように、生産機械のモデルに対してモデル制御系を適用する制御手法がある。この制御手法は、生産機械のモデルに対してモデル追従制御を実施することによって生産機械の振動をキャンセルし、比較的高速でオーバーシュートのない確実な位置決めを実現させる。

生産機械のモデルに対してモデル制御系を適用する制御手法では、具体的には、下記のように、生産機械のモデルに対する状態方程式を立て、状態方程式の特性方程式が5重根を持つように各パラメータを設定する。

ただし、上記数式において、KPは位置ループゲイン、KVは速度ループゲイン、KPBは機台位置フィードバックゲイン、KABは機台加速度フィードバックゲイン、KVBは機台速度フィードバックゲインをそれぞれ示す。また、上記数式において、Jは、生産機械のモデルにおけるモータイナーシャJMおよび負荷イナーシャJLの和を示す。また、Tはモデルトルク指令ローパスフィルタ時定数を示す。

そして、位置制御系及び速度制御系が安定するようにKV=4J2・KPとし、J2・KPの係数として4を用いる。このKVの値に基づいて生産機械のモデル制御系を構成する各要素の制御パラメータを設定すると、比較的高速でオーバーシュートのない確実な位置決めが実現できる。

概要

制御対象を高速かつ確実に位置決めする。位置制御器410は、モデル制御系300から出力される生産機械の制御対象のモデル位置と制御対象の位置との偏差から速度指令演算する。速度制御器420は、モデル制御系300から出力されるモデル位置を微分した速度指令と位置制御器410が演算した速度指令と制御対象を駆動するモータ120の位置を微分した速度指令との偏差からトルク指令を出力する。トルク制御器455は、モデル制御系300から出力される生産機械の制御対象を駆動するためのモデルトルク指令と速度制御器420から出力されたトルク指令とを加算してモータ120のトルクを制御する。速度制御器420は、モータ120が制御対象を駆動しているときには比例制御器422のみでトルク指令を出力し、モータ120が制御対象を駆動していないときには積分制御器424と比例制御器422とでトルク指令を出力する。

目的

本発明は、位置決めの整定時間をさらに短くしたいという要求に応えるためになされたものであり、制御対象を高速かつ確実に位置決めできるモータ制御装置の提供を目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

生産機械動きモデル化するモデル制御系と、前記生産機械の動きを実際に制御するフィードバック制御系と、を有し、前記フィードバック制御系は、前記モデル制御系から出力される前記生産機械の制御対象モデル位置と前記生産機械の制御対象の位置との偏差から速度指令演算する位置制御器と、前記モデル制御系から出力されるモデル位置を微分した速度指令と前記位置制御器が演算した速度指令と前記制御対象を駆動するモータの位置を微分した速度指令との偏差からトルク指令を出力する速度制御器と、前記モデル制御系から出力される前記生産機械の制御対象を駆動するためのモデルトルク指令と前記速度制御器から出力されたトルク指令とを加算して前記モータのトルクを制御するトルク制御器と、を有し、前記速度制御器は、積分制御器比例制御器とを有し、前記モータが前記制御対象を動かしているときには前記比例制御器のみでトルク指令を出力し、前記モータが前記制御対象を停止させているときには前記積分制御器と比例制御器とでトルク指令を出力することを特徴とするモータ制御装置

請求項2

前記フィードバック制御系は、前記速度制御器が有する積分制御器を前記比例制御器に接続するタイミングを制御するタイミング調整部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。

請求項3

前記フィードバック制御系は、前記制御対象の位置を前記位置制御器にフィードバックするとともに微分した前記モータの位置を前記速度制御器にフィードバックするフルクローズフィードバック系であることを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。

請求項4

前記フィードバック制御系の前記速度制御器と前記トルク制御器との間には、前記トルク指令に含まれる量子化リップル高周波数成分を取り除くトルク指令ローパスフィルタと、前記生産機械の共振周波数成分を取り除くトルク指令ノッチフィルタと、を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のモータ制御装置。

請求項5

前記モデル制御系は、前記生産機械の前記可動部の動きをモデル化して前記可動部のモデル可動部位置を出力する可動部モデルと、前記機台の動きをモデル化して前記機台のモデル機台位置を出力する機台モデルと、前記位置制御器をモデル化してモデル速度指令を出力するモデル位置制御器と、前記速度制御器をモデル化してモデルトルク指令を出力するモデル速度制御器と、前記トルク指令ローパスフィルタをモデル化して、前記モデルトルク指令をローパスフィルタ処理して得たフィルタ処理モデルトルク指令を、前記可動部モデルと前記機台モデルとに与えるモデルトルク指令ローパスフィルタと、前記モデル可動部位置と前記モデル機台位置とを加算して得たモデル位置情報をフィードバック系へのモデル位置として前記モデル位置制御器及び前記モデル速度制御器にそれぞれフィードバックする主フィードバック部と、前記モデル機台位置に基づいて少なくとも前記モデル機台位置を含む第1のフィードバックを出力する第1のフィードバック部と、前記フィルタ処理モデルトルク指令から第2のフィードバックを出力する第2のフィードバック部と、前記第1のフィードバックと前記第2のフィードバックと前記モデルトルク指令との偏差を求め、前記偏差をモデルトルク指令として前記モデルトルク指令ローパスフィルタと前記トルク指令ローパスフィルタに出力する演算部とを備え、前記フィードバック系へのモデル位置指令を前記位置制御器に前記位置指令として与え、前記フィードバック系へのモデル位置指令に基づいて作成したフィードバック系へのモデル速度指令を前記速度制御器に入力される前記速度指令に加算することを特徴とする請求項4に記載のモータ制御装置。

請求項6

前記第1のフィードバック部は、前記モデル機台位置に加えて前記機台のモデル機台速度及びモデル機台加速度を前記第1のフィードバックに含めることを特徴とする請求項5に記載のモータ制御装置。

請求項7

前記モデル位置制御器及び前記モデル速度制御器にそれぞれ設定されるゲインは、前記位置制御器及び前記速度制御器にそれぞれ設定されるゲインと同じであり、前記第1のフィードバック部に設定される第1のフィードバックゲインと、前記第2のフィードバック部に設定される第2のフィードバックゲインとは、前記機台の振動を抑制するように定められていることを特徴とする請求項5または6に記載のモータ制御装置。

請求項8

前記モデル位置制御器及び前記モデル速度制御器にそれぞれ設定されるゲインは、前記位置制御器及び前記速度制御器にそれぞれ設定されるゲインよりも若干高めであり、前記第1のフィードバック部に設定される第1のフィードバックゲインと、前記第2のフィードバック部に設定される第2のフィードバックゲインとは、前記機台の振動を抑制するように定められていることを特徴とする請求項5または6に記載のモータ制御装置。

請求項9

前記モデル制御系に含まれる複数のパラメータは、前記モデル制御系の状態方程式特性方程式重根を持ち、かつ前記モデル制御系における位置ループゲインをKP、速度ループゲインをKV、イナーシャをJとした場合、前記フィードバック制御系がオーバーシュートを起こすようにKV=2.5〜3.5J2・KPとされていることを特徴とする請求項5から8のいずれかに記載のモータ制御装置。

技術分野

0001

本発明は、制御対象高速かつ確実に位置決めできるモータ制御装置に関する。

背景技術

0002

プリント基板穴あけ機などの生産機械では、プリント基板穴あけ加工時間をできるだけ短縮して生産効率を向上することが求められる。プリント基板穴あけ機の生産効率はプリント基板の位置決め速度に依存する。したがって、プリント基板穴あけ機の生産効率を向上させるためには、プリント基板を高速かつ確実に位置決めさせなければならない。

0003

一般的に、生産機械が理想的な剛体であって摩擦もなければ、理論的には制御理論を駆使した高速かつ確実な位置決めが可能である。しかし、実際の生産機械は理想的な剛体とは違って一部に剛性の低い部分が存在しまた制御対象には摩擦が存在する。
プリント基板穴あけ機も理想的な剛体ではなく摩擦も存在するため、プリント基板の穴あけ作業を高速で行なわせようとすると、プリント基板穴あけ機自体が振動しまた摩擦の存在によって位置決めの整定時間理論値より長くなる。

0004

生産機械の振動を抑えながら比較的高速で確実な位置決めを実現させる制御手法として、位置指令の入力部にノッチフィルタを挿入する制御手法がある。この制御手法は、ノッチフィルタに生産機械の振動周波数を設定しておくことによって生産機械の振動をキャンセルするが、ノッチフィルタの遅れにより位置決め整定時間が長くなる。

0005

また、別の制御手法としては、下記の特許文献1に開示されているように、生産機械のモデルに対してモデル制御系を適用する制御手法がある。この制御手法は、生産機械のモデルに対してモデル追従制御を実施することによって生産機械の振動をキャンセルし、比較的高速でオーバーシュートのない確実な位置決めを実現させる。

0006

生産機械のモデルに対してモデル制御系を適用する制御手法では、具体的には、下記のように、生産機械のモデルに対する状態方程式を立て、状態方程式の特性方程式が5重根を持つように各パラメータを設定する。

0007

0008

0009

0010

ただし、上記数式において、KPは位置ループゲイン、KVは速度ループゲイン、KPBは機台位置フィードバックゲイン、KABは機台加速度フィードバックゲイン、KVBは機台速度フィードバックゲインをそれぞれ示す。また、上記数式において、Jは、生産機械のモデルにおけるモータイナーシャJMおよび負荷イナーシャJLの和を示す。また、Tはモデルトルク指令ローパスフィルタ時定数を示す。

0011

そして、位置制御系及び速度制御系が安定するようにKV=4J2・KPとし、J2・KPの係数として4を用いる。このKVの値に基づいて生産機械のモデル制御系を構成する各要素の制御パラメータを設定すると、比較的高速でオーバーシュートのない確実な位置決めが実現できる。

先行技術

0012

特許第4540727号明細書

発明が解決しようとする課題

0013

しかし、前述のノッチフィルタを挿入する制御手法では、ノッチフィルタを用いることで生じる制御遅れから位置決めの整定時間を要求に応える程までには短くできない。

0014

また、モデル制御系を適用する制御手法では、オーバーシュートがなく振動を生じさせない位置決めが可能であるものの、位置決めの整定時間の更なる短縮化の要求に応える程までには短くできない。

0015

本発明は、位置決めの整定時間をさらに短くしたいという要求に応えるためになされたものであり、制御対象を高速かつ確実に位置決めできるモータ制御装置の提供を目的とする。

課題を解決するための手段

0016

上記目的を達成するための本発明に係るモータ制御装置は、生産機械の動きモデル化するモデル制御系と、生産機械の動きを実際に制御するフィードバック制御系と、を有する。フィードバック制御系は、位置制御器速度制御器トルク制御器を有する。

0017

位置制御器は、モデル制御系から出力される生産機械の制御対象のモデル位置と生産機械の制御対象の位置との偏差から速度指令演算する。速度制御器は、モデル制御系から出力されるモデル位置を微分した速度指令と位置制御器が演算した速度指令と制御対象を駆動するモータの位置を微分した速度指令との偏差からトルク指令を出力する。トルク制御器は、モデル制御系から出力される生産機械の制御対象を駆動するためのモデルトルク指令と速度制御器から出力されたトルク指令とを加算してモータのトルクを制御する。

0018

速度制御器は、積分制御器比例制御器とを有する。速度制御器は、モータが制御対象を動かしているときには比例制御器のみでトルク指令を出力し、モータが制御対象を動かしていないときには積分制御器と比例制御器とでトルク指令を出力する。

発明の効果

0019

本発明に係るモータ制御装置によれば、制御対象を、振動させることなく高速かつ確実に位置決めすることができる。

図面の簡単な説明

0020

本実施形態に係るモータ制御装置の適用対象となる生産機械の概略構成図である。
本実施形態に係るモータ制御装置の制御系ブロック図である。

実施例

0021

以下に、本実施形態に係るモータ制御装置について説明する。図1は、本実施形態に係るモータ制御装置の適用対象となる生産機械の概略構成図である。

0022

(生産機械の構成)
生産機械100は、機台110、モータ120、ボールねじ130、テーブル140、レベリングボルト150A、150Bを備える。

0023

機台110はレベリングボルト150A、150Bによってコンクリートなどの堅固な床160に固定される。機台110上にはテーブル140を駆動するモータ120とテーブル140を移動させるボールねじ130を設ける。

0024

モータ120、ボールねじ130、テーブル140は可動部180を構成する。モータ120は固定具125によって機台110に固定される。ボールねじ130は両端を回転自在に支持する支持具135A、135Bによって機台110に固定される。モータ120の回転軸とボールねじ130は継ぎ手170を介して連結する。ボールねじ130はモータ120の回転軸と同一の回転方向に回転しまた同一の回転速度で回転する。テーブル140の一部から突出する螺合部145はボールねじ130と螺合される。ボールねじ130が左右に回転するとテーブル140は図示左右方向に往復移動する。

0025

加工を高速で行うにはテーブル140の位置決めの整定時間を短くする必要がある。しかし、テーブル140を高速で移動させて高速で位置決めすると、位置決め時に、テーブル140の慣性により機台110に慣性力がかかり、レベリングボルト150A、150Bの剛性不足の影響で機台110が図示のように振動する。また、テーブル140の螺合部145の内周とボールねじ130の外周との間には摩擦があるため、摩擦の大きさに応じて位置決めの整定時間が長くなる。

0026

本実施形態に係るモータ制御装置は機台110の振動を抑えながら制御対象となるテーブル140を高速かつ確実に位置決めする。次に、本実施形態に係るモータ制御装置の制御系の構成と動作を説明する。

0027

(モータ制御装置の制御系の構成)
本実施形態に係るモータ制御装置の制御系は、図1の機台110が振動することを前提とした生産機械において、テーブル140の位置決め制御に若干のオーバーシュートを許容する一方、オーバーシュートによる振動が生じないようにし、さらにテーブル140とボールねじ130との摩擦を考慮して、高速かつ確実な位置決めができるように構成する。

0028

図2は、本実施形態に係るモータ制御装置の制御系のブロック図である。

0029

モータ制御装置の制御系200は、モデル制御系300とフィードバック制御系400とを有する。モデル制御系300には、テーブル140の理想的(高速かつ確実な)な位置決めを実現させるための制御パラメータが設定されている。フィードバック制御系400は、モデル制御系300の指令を用いて実機のテーブル140の動きを実際に制御し、テーブル140を高速かつ確実に位置決めさせる。

0030

フィードバック制御系400の制御パラメータは実機の生産機械に合わせて設定し、モデル制御系300の制御パラメータはフィードバック制御系400に設定したパラメータに合わせる。

0031

[モータ制御装置の制御系の全体構成]
モデル制御系300は、モデル位置制御器310、モデル速度制御器320、モデルトルク指令ローパスフィルタ330、可動部モデル340、機台モデル350を有する。また、状態フィードバックを行う第1フィードバック部360及び第2フィードバック部370、微分器380を有する。さらに、加え合わせ点を構成する演算部SP315、SP325、SP335、SP345、SP355を有する。

0032

フィードバック制御系400は、モータ120、センサ120S、テーブル140、センサ140S、位置制御器410、タイミング調整部415、比例制御器422、積分制御器424、トルク指令ローパスフィルタ430、トルク指令ノッチフィルタ445、トルク制御器455、微分器480を有する。比例制御器422、積分制御器424は速度制御器420を構成する。また、加え合わせ点を構成する演算部SP415、SP425、SP435、SP445を有する。

0033

[モデル制御系の各部の動作]
モデル位置制御器310は、位置制御器410をモデル化したものでモデル速度指令を出力する。モデル位置制御器310のゲインは位置制御器410と同一である。モデル速度制御器320は、速度制御器420をモデル化したものでモデルトルク指令を出力する。モデル速度制御器320のゲインは速度制御器420と同一である。モデル制御系では外乱を考慮しないため、モデル位置制御器310とモデル速度制御器320は比例制御器で構成する。

0034

モデルトルク指令ローパスフィルタ330は、トルク指令ローパスフィルタ430を一次ローパスフィルタでモデル化したものでローパスフィルタ処理を施したモデルトルク指令を出力する。モデルトルク指令ローパスフィルタ330のフィルタの値はトルク指令ローパスフィルタ430と同一である。

0035

可動部モデル340は、モータ120を含む可動部180の動きをモデル化したものでモデル可動部位置を出力する。モデル可動部位置はテーブル140の位置である。モータ120とテーブル140との間にはボールねじ130が存在するが可動部モデル340ではこれらの剛性は非常に高いものとみなしている。機台モデル350は、機台110の動きをモデル化したものでモデル機台位置を出力する。モデル機台位置は振動する機台110の位置である。モデル可動部位置とモデル機台位置とを加算して求めるモデル位置は、テーブル140と機台110との相対位置である。可動部モデル340と機台モデル350のパラメータは実機の可動部180と機台110のパラメータと同一である。

0036

第1フィードバック部360はモデル機台位置、モデル機台速度、モデル機台加速度を含む第1のフィードバックを出力する。第2フィードバック部370はローパスフィルタ処理をした後のモデルトルク指令にゲインを掛けて第2のフィードバックを出力する。第1のフィードバックと第2のフィードバックとを加算して状態フィードバック量が得られる。微分器380は主フィードバック量であるモデル位置を微分して速度指令を出力する。

0037

演算部SP315、SP325、SP335、SP345、SP355は、それぞれの加算点合流する指令を加算または減算する。なお、状態フィードバック量のゲインは、実機の可動部180と機台110のパラメータに基づいて設定する。モデル制御系300の位置ゲイン速度ゲインのパラメータは、位置ゲインと速度ゲインの間に一定の関係を保っているのであれば、フィードバック制御系400の値より若干大きめに設定しても良い。

0038

このように、モデル制御系300では、モデルトルク指令ローパスフィルタ330が出力するモデルトルク指令、機台モデル350が出力するモデル機台位置、モデル機台速度、モデル機台加速度を状態フィードバック量として状態フィードバックする。状態フィードバックすることで、機台110の振動を抑制しながら、テーブルを高速に位置決めする。

0039

[フィードバック制御系の各部の動作]
センサ140Sはテーブル140の位置を検出する。モータ120は、図1に示した通りテーブル140を駆動するものである。センサ120Sはモータ120の回転位置を検出する。

0040

位置制御器410は、モデル制御系300から出力されるモデル位置とセンサ140Sで検出したテーブル140の位置との差分を入力して速度指令を出力する。

0041

タイミング調整部415は、スイッチ426をON、OFFさせるタイミングを調整し、モータ120が停止するタイミングで積分制御器424を比例制御器422に接続する。タイミング調整部415による積分制御器424の挿入及び除外の切り替えのタイミングは、センサ140Sで検出されるテーブル140の位置などの位置偏差に基づいて微調整する。切り替えのタイミングは、テーブル140の位置決めが、若干のオーバーシュートを許容し、しかも高速で位置決めができ、かつ、振動が速やかに収束するタイミングである。このタイミングはトライアンドエラーを繰り返して最適なタイミングに設定する。

0042

比例制御器422は、速度指令に一定のゲインを掛けてトルク指令を出力する。積分制御器424は、積分した速度指令を出力する。速度制御器420は、モータ120が回転しているときには比例制御器422のみによってトルク指令を出力し(比例制御)、モータ120が停止すると積分制御器424と比例制御器422によって生成されるトルク指令を出力する(比例積分制御)。速度制御器420のゲインは、高周波共振を起こさない範囲でできるだけ大きな値に設定する。

0043

トルク指令ローパスフィルタ430は、センサ110S、120Sが検出した位置に含まれる量子化リップル(センサ120S、140Sにエンコーダを用いると発生する)や高周波数成分を取り除く。トルク指令ローパスフィルタ430は、できるだけ高い周波数ノイズを取り除くことができるようにフィルタを設定する。トルク指令ノッチフィルタ445は、ボールねじ130などの共振周波数成分を除いたトルク指令を出力してボールねじ130などの共振を抑制する。トルク指令ノッチフィルタ445は、ボールねじ130などの共振周波数でフィルタを設計する。トルク制御器455は、トルク指令ローパスフィルタ430、トルク指令ノッチフィルタ445によってノイズが除かれたトルク指令に基づいてモータ120のトルクを制御する。なお、トルク指令ローパスフィルタ430とトルク指令ノッチフィルタ445の並びは、図2とは異なり、トルク指令ノッチフィルタ445、トルク指令ローパスフィルタ430の順序でもよい。

0044

微分器480はセンサ120によって検出されたモータ120の回転位置を微分して速度を出力する。演算部SP415、SP425、SP435、SP445は、それぞれの加算点に合流する指令を加算または減算する。

0045

なお、フィードバック制御系400の位置ループゲインは、若干のオーバーシュートを許容した上で、高速でしかも振動しないように、位置ゲインは速度ゲインの1/3に設定する。

0046

(モータ制御装置の制御系の動作)
本実施形態に係るモータ制御装置の制御系は上記のように構成される。次に、本実施形態に係るモータ制御装置の制御系の全体の動作を図1に示した生産機械100を例示して説明する。

0047

モデル制御系300の演算部SP315は、位置指令と生産機械100のモデル位置(テーブル140の位置)との位置偏差を演算する。モデル位置制御器310はその位置偏差をKp倍してモデル速度指令を出力する。演算部SP325は、モデル速度指令と微分器380がモデル位置を微分して演算した速度との速度偏差を演算する。モデル速度制御部320はその速度偏差をKvp倍してモデルトルク指令を出力する。演算部SP335は、モデルトルク指令と状態フィードバック量を減算する。

0048

演算部SP335が入力する、状態フィードバックは次のようにして演算される。第1フィードバック部360は機台モデル350が出力するモデル機台位置にKPB+KVBS+KABS2を乗じた結果を第1のフィードバックとして出力する。第2フィードバック部370はモデルトルク指令ローパスフィルタ330が出力するローパスフィルタ処理後のモデルトルク指令をKLP倍して第2のフィードバックとして出力する。演算部SP355は、第1のフィードバックと第2のフィードバックとを加算する。演算部SP355が加算した状態フィードバック量が状態フィードバックとなる。

0049

演算部SP335が出力するトルク偏差は、モデルトルク指令ローパスフィルタ330によって高周波成分のノイズが取り除かれてモデルトルク指令となる。可動部モデル340はローパスフィルタ処理をした後のモデルトルク指令からテーブル140の位置を示すモデル可動部位置を出力する。同時に、機台モデル350はローパスフィルタ処理をした後のモデルトルク指令から機台110の位置を示すモデル機台位置を出力する。演算部SP345は、モデル可動部位置とモデル機台位置とを加算してモデル位置を出力する。

0050

一方、フィードバック制御系400の演算部SP415は、モデル制御系300で得られるモデル位置とセンサ110Sで検出される機台110の現在の位置との位置偏差を演算する。位置制御器410はその位置偏差から速度指令を出力する。演算部SP425は、モデル制御系300の微分器380がモデル位置を微分して演算した速度指令と、位置制御器410が出力した速度指令と、微分器480がセンサ120によって検出されたモータ120の回転位置を微分して演算した速度とを加減算して、これらの速度偏差を演算する。速度制御器420は速度偏差からトルク指令を出力する。

0051

速度制御器420では、モータ120が回転しているときには、タイミング調整部415によってスイッチ426がOFFされている。このため、演算部435は、モータ120が回転しているときには、位置制御器410が出力した速度指令をそのまま比例制御器422に与える。比例制御器422は速度指令に基づいてトルク指令を出力する。一方、モータ120が停止したときには、タイミング制御部415によって設定したタイミングでスイッチ426がONされる。このため、演算部435は、位置制御器410が出力した速度指令と積分制御器424が積分演算した速度指令とを加算する。比例制御器422は加算された速度指令に基づいてトルク指令を出力する。

0052

演算部SP445はモデル制御系300の演算部SP335が出力するトルク指令と比例制御器422が出力するトルク指令を加算する。加算されたトルク指令はトルク指令ローパスフィルタ430で量子化リップルや高周波数成分が取り除かれ、さらにトルク指令ノッチフィルタ445で共振周波数成分が取り除かれる。トルク制御器455はノイズが取り除かれたトルク指令に基づいてモータ120のトルクを制御する。

0053

本実施形態に係るモータ制御装置の制御系の動作は以上の通りである。本実施形態では、テーブル140の高速な位置決めを実現するために、制御パラメータとして独自の値を採用している。本実施形態に係るモデル制御系300の状態方程式は下記の通りである。

0054

0055

0056

0057

上記の状態方程式の特性方程式が5重根を持つように各パラメータを設定する。
本実施形態では、位置制御系及び速度制御系に若干のオーバーシュートをさせ、テーブル140の位置決めを高速化するために、KV=3J2・KPとし、J2・KPの係数として3を用いる。KV=3J2・KPとすると、

0058

0059

となる。以上の各数値を、モデル制御系300を構成する各要素に制御パラメータとして設定する。これらの制御パラメータの設定により、テーブル140の位置決めに若干のオーバーシュートを許容しつつも、オーバーシュートによる振動が生じることがなく高速の位置決めができる。さらに、テーブル140とボールねじ130との間に摩擦があってもテーブル140の位置決めを精度よく確実に実現できる。

0060

状態方程式において、KV=3J2・KPとし、J2・KPの係数として3を用いる理由は下記の通りである。

0061

一般的に生産機械の制御では、制御対象の位置決めを、オーバーシュートさせることなく迅速に行わせるのが常である。したがって、従来の生産機械の制御では位置決めの整定時間を短縮することは非常に困難である。

0062

ところが、最近では、さらなる生産効率の向上が強く求められている。特に、プリント基板穴あけ機では、穴あけ加工時間をさらに短縮するために、位置決めの制御のオーバーシュートを許容させてまでも位置決めの整定時間を短縮させたいという要望が出てきている。

0063

従来の生産機械の制御では、オーバーシュートさせることは前提としていないため、モデル制御系の状態方程式において、KV=4J2・KPとし、J2・KPの係数として4を用いる。本実施形態のように、状態方程式において、KV=3J2・KPとし、J2・KPの係数として4以外の係数を用いることはほとんどない。

0064

本実施形態では、オーバーシュートさせることが前提となっているので、J2・KPの係数として4ではなく3を用いる。なお、本実施形態では、J2・KPの係数として3を用いたが、許容できるオーバーシュート量に応じて4よりも小さい係数を用いても良い。たとえば、2.5〜3.5の間で適切な値を用いることができる。小さな値の係数に設定するとオーバーシュート量が増え、大きな値の係数に設定するとオーバーシュート量が減る。

0065

また、本実施形態では、オーバーシュートを迅速に収束させるため、及び摩擦の影響を取り除くため、図2に示したように速度制御器420の構成に工夫を凝らしている。

0066

速度制御器420は比例積分制御器で構成しているが、積分制御器424はモータ120の動作に合わせて挿入または除外できるようにしている。積分制御器424をモータ120の動作に合わせて挿入または除外するのは次のような理由からである。

0067

生産機械の制御対象を駆動するときには必ず摩擦が生じる。このため、従来のフィードバック系の速度制御器は比例積分制御器を用いている。ところが、フィードバック系の速度制御器を比例積分制御器で構成すると、速度積分器にモータ120の回転中に摩擦を補償した若干の値が残ってしまい、位置決めの整定時間が伸びてしまう。また、フィードバック系の速度制御器を比例積分制御器で構成すると、オーバーシュートを許容した場合には、速度積分器により振動を速やかに収束させることができない。

0068

したがって、モータ120が回転している間は積分制御器424を除外して速度制御器420を比例制御器とする。これにより、モータ120が回転している間は、速度指令に含まれる積分項の値が0になり、オーバーシュートを許容することによる影響を受けることがなくなる。また、モータ120が回転している間は、摩擦補償分の速度指令が積分項に溜まることがなくなり、位置決めの整定時間が伸びることがない。

0069

また、従来の生産機械の制御では、通常、モータエンコーダを用いたセミクローズステムを採用する。しかし、セミクローズシステムでは、モータの回転位置を制御しており、本実施形態のようにテーブル140の位置とモータ120の回転位置とで制御するものではないので、テーブル140の位置にはボールねじ130などの摩擦に起因する位置誤差が生じる。このためセミクローズシステムではテーブル140の高精度な位置決めを実現させることが難しい。したがって、本実施形態では、モータ120の回転位置とテーブル140の位置をフィードバックするフルクローズシステムとしている。

0070

以上のように、本実施形態に係る生産機械の制御装置は、モデル制御系300を、モデル機台の位置、速度、加速度、ローパスフィルタ処理後のモデルトルク指令をフィードバックする構成とする。また、モデル位置ゲインとモデル速度ゲインとの関係を、若干のオーバーシュートを許容した上で高速かつ確実に位置決めができるように設定する。そして、現代制御理論を適用して、モデル制御系300の特性方程式の根が重根となるように、モデル制御系300を構成する各要素の制御パラメータを設定する。フィードバック制御系400を、振動がなく高速かつ確実に位置決めできるモデル制御系300に追従できるように、フルクローズフィードバック制御系とした。フィードバック制御系400の速度制御器420は、比例積分制御器で構成し、積分項がモータ120の停止時のみ有効になるようにした。

0071

なお、モデル位置制御器310及びモデル速度制御器320にそれぞれ設定されるゲインは、位置制御器410及び速度制御器420にそれぞれ設定されるゲインと同じであっても良いし、位置制御器410及び速度制御器420にそれぞれ設定されるゲインよりも若干高めであっても良い。

0072

以上の構成によって、機台110振動を検出するセンサを設けることなく、テーブル140を振動させることなく、高速かつ高精度に位置決めをさせることができる。

0073

100生産機械、
110機台、
120モータ
120Sセンサ
130ボールねじ、
140 テーブル、
140S センサ
150A、150Bレベリングボルト、
160 床、
180可動部、
200モータ制御装置の制御系、
300モデル制御系、
310モデル位置制御器、
320モデル速度制御器、
330モデルトルク指令ローパスフィルタ、
340 可動部モデル、
350 機台モデル
360 第1フィードバック部、
370 第2フィードバック部、
380微分器、
SP315−SP355演算器
400フィードバック制御系、
410位置制御器、
420速度制御器、
422比例制御器、
424積分制御器、
430トルク指令ローパスフィルタ、
445トルク指令ノッチフィルタ、
455トルク制御器、
SP415−SP445 演算器。

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