JP2011205842A - 駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータで駆動する可動部が非線形系を持つ装置に対してセミクローズドループ制御とフルクローズドループ制御を滑らかに切換えて機械端の位置を高精度に制御する駆動制御装置を得る。
【解決手段】サーボアンプ（駆動制御装置）３は、モータ４の回転位置を検出するモータ端センサ２を含み、モータ４をセミクローズドループ制御するセミクローズドループ制御手段と、非線形の経路を移動する移動体９の位置を検出する機械端センサ８を含み、移動体９の位置に基づいてモータ４をフルクローズドループ制御するフルクローズドループ制御手段と、セミクローズド速度指令とフルクローズド速度指令のいずれかに切り換える切換スイッチ３０と、切換スイッチ３０の後段に設けられ速度指令を所定の大きさ以下に制限して制御切り換え時の速度指令の変動を吸収する速度リミッタ３１とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非線形要素を有する移動体を駆動するモータを制御して、移動体を位置決めする駆動装置であり、特に移動中にセミクローズド（以下セミクロ）制御とフルクローズド（以下フルクロ）制御を切換えて制御する駆動制御装置に関するものである。

従来、モータ回転力をベルトやボールネジなどの伝達手段にて伝達することにより装置を駆動するとともに、その機械端の位置決めを行う制御において、セミクロ制御とフルクロ制御の切換えを行う場合、目標位置近傍で、位置制御系にて生成した速度指令値に所定値を掛け合わせたものを速度制御系の速度指令値とするか、その速度指令値がモータの実速度以下になった場合に速度制御系から位置制御系に制御方式を切換えるものが提案されている。この制御方法においては、指令応答時間からみた応答性に変化が生じないように動作する（例えば、特許文献１参照）。

また、機械端の最終目標位置を高精度に制御する手段として、高い位置決め精度が必要な領域にのみ機械端センサを配置して、最終目標位置近傍でセミクロ制御とフルクロ制御を切換える制御方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−１１００４号公報 特開平１１−２７２３３５号公報

セミクロ制御の特徴は、モータ位置検出器（以下エンコーダ）からのモータ位置フィードバック信号より現在のモータ位置と回転速度を検出することができ、モータ位置フィードバック信号に対して、モータを直接制御することができるため制御性がよく、比較的高いゲインを設定しても安定しやすい反面、機械端の位置決め精度は機械精度に依存する。例えばモータにボールネジを接続し、ボールネジ上のテーブルを位置決めするようなシステム構成においては、機械端の位置決め精度は、ボールネジとテーブルのバックラッシ等機械的ガタに依存するところが大きい。このようなことから、セミクロ制御は、機械端位置を高精度に制御することが難しいという短所を持っている。

一方、フルクロ制御の特徴は、スケール等の機械端センサにて機械端位置を直接検出し制御することによって、高精度の位置決め制御を行うことができるが、機械が持つバックラッシュ等の非線形要素により制御ゲインを大きくすることができず、セミクロ制御に比べ、応答性が劣るという短所がある。

上記のようなセミクロ制御とフルクロ制御の特徴を利用するために、従来前述した制御切換え方法が提案されている。しかしながら、駆動制御装置をリンク機構のような非線形機構に用いる場合には、モータ速度と機械端速度に比例関係が無いため、セミクロ制御でのフィードバック信号（以下ｆｂ信号）と、フルクロ制御でのｆｂ信号とに連続性が無く、切り換える際に速度が変化して機械的なショックが発生する。よって、非線形機構にて、セミクロ制御とフルクロ制御の切換えを機械的なショックなく実現するためには、例えばモータ停止後に制御切換えをしなければならないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、リンク機構等の非線形機構に対する機械端位置制御の高応答化や高精度化、セミクロ制御からフルクロ制御への切換え時の機械的ショックの低減を図ることができる駆動制御装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の駆動制御装置は、非線形機構を有する移動体に対して移動体を駆動するモータを制御して移動体を位置決めする駆動制御装置であり、モータの回転位置を検出するモータ端センサを含み、モータの回転位置に基づいて生成されたセミクロ速度指令によりモータをセミクロ制御するセミクロ制御手段と、移動体の位置を検出する機械端センサを含み、移動体の位置に基づいて生成されたフルクロ速度指令によりモータをフルクロ制御するフルクロ制御手段と、セミクロ速度指令とフルクロ速度指令のいずれか一方を選択してセミクロ制御とフルクロ制御とを切り換える切換スイッチと、切換スイッチの後段に設けられ、速度指令を所定の大きさ以下に制限することにより、セミクロ制御とフルクロ制御との間の制御切り換え時の速度指令の変動を吸収する速度リミッタとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、切換スイッチの後段に設けられ、速度指令を所定の大きさ以下に制限することにより、セミクロ制御とフルクロ制御との間の制御切り換え時の速度指令の変動を吸収する速度リミッタを備えており、この速度リミッタが有効な状態で、セミクロ制御からフルクロ制御へ制御切換えを行う。そのため、セミクロ制御からフルクロ制御切換え時に、セミクロ制御で発生する、セミクロ指令位置とセミクロ位置ｆｂ信号との偏差（モータ端位置偏差）と、フルクロ制御で発生するフルクロ指令位置とフルクロ位置ｆｂ信号との偏差（機械端位置偏差）の大小にかかわらず、速度リミッタにより速度変動が抑制されるため、セミクロ制御からフルクロ制御への連続的な切換えが可能となり、装置の動作時間短縮が図れるという効果を奏する。

図１は、本発明の非線形な移動体としてリンク機構を位置決め制御する駆動制御装置の一実施の形態の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示すリンク機構を簡略化し説明する図である。 図３は、図２に示すリンク機構の、モータ回転量とナットの移動量、リンク移動量の変化を説明する図である。 図４は、図２に示すリンク機構の、ナット位置におけるナットの移動速度とリンク移動速度を説明する図である。 図５は、セミクロ制御、フルクロ制御の速度指令値と機械端位置の相関関係図であり、従来方式を説明する図である。 図６は、セミクロ制御、フルクロ制御の速度指令値と機械端位置の相関関係図であり本実施の形態の切換え方法を説明する図である。 図７は、本実施の形態の効果を説明する図である。

以下に、本発明にかかるリンク機構を持つ装置のセミクロ制御とフルクロ制御を切替えて機械端を制御する駆動制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、本発明の駆動制御装置の一実施の形態の構成を示すブロック図であり、非線形な移動体としてリンク機構を位置決め制御する駆動制御装置を示すものである。図１において、モータ４は、リンク機構７を駆動するアクチュエータである。本実施の形態では、モータ４として永久磁石式サーボモータを用いている。

モータ４は、タイミングプーリからベルト５を介してボールネジ６に回転力を伝達するようにされており、ボールネジ６上のナットを介してリンク機構７が接続され、ボールネジ６が回転することにより、ナットが図１の左右に移動し、リンク機構７の機械端である移動体９を移動させる。この機械端としての移動体９の位置が位置決め制御する対象となる。

モータ４は、サーボアンプ（駆動制御装置）３により駆動される。サーボアンプ３は、上位コントローラ５０より出力されるモータ端位置指令（１６）ｃｓと機械端位置指令（１９）ｃｆに基づいてモータ４を駆動する。

モータ４には、モータ４の速度や位置を検出するモータ端センサ２が取り付けられている。モータ端センサ２は、モータ端速度ｆｂ信号やモータ端位置ｆｂ信号をサーボアンプ３に入力する。本実施の形態では、モータ端センサ２は一例として、モータ端位置ｆｂ信号ｒｓを生成している。

機械端センサ８は、移動体９の移動経路に沿って取り付けられたセンサであり、具体的には移動体９の位置を検出する非接触型または接触型のリニアスケールである。機械端センサ８は、リンク機構７における機械端（移動体９）の観測に基づいて得られる機械端の位置情報であり、フルクロ制御にて使用する機械端位置ｆｂ信号ｒｆを生成する。なお、本実施の形態では、機械端位置ｆｂ信号ｒｆが確立されたことを識別する機械端センサ有効信号２１を機械端センサ８に備えているが、機械端センサ有効信号２１は、機械端位置ｆｂ信号ｒｆの状態より生成可能である。

サーボアンプ３は、セミクローズドループ制御手段と、フルクローズドループ制御手段とから成る。セミクローズドループ制御手段は、位置偏差演算部（第１の位置偏差算出部）３５と、位置ゲイン（ＰＧ）２７、セミクロ／フルクロ切換えスイッチ３０、速度リミッタ３１、速度偏差演算部３７、速度ゲイン（ＶＧ）３３、電流制御部３４、及びモータ端センサ２を含んで制御ループを形成している。一方、フルクローズドループ制御手段は、位置偏差演算部（第２の位置偏差算出部）３６、位置ゲイン（ＰＧ）２７、定数ゲイン（Ｋ）２８、セミクロ／フルクロ切換えスイッチ３０、速度リミッタ３１、速度偏差演算部３７、速度ゲイン（ＶＧ）３３、電流制御部３４、及び機械端センサ８を含んで制御ループを形成している。

位置偏差算出部３５は、位置検出器において得られたモータ端位置ｆｂ信号ｒｓをモータ端位置指令値（最終目標位置）１６ｃｓから減算し、セミクロ位置偏差（第１の位置偏差）Ｅｓを算出する。また、位置偏差算出部３６は、機械端検出器８より得られた機械端位置ｆｂ信号ｒｆを機械端位置指令値（最終目標位置）１９ｃｆから減算し、フルクロ位置偏差（第２の位置偏差）Ｅｆを算出する。

この時使用されるモータ端位置指令値ｃｓと機械端位置指令値ｃｆは上位コントローラ５０にて生成される。この処理は式（１）、（２）で表される。

Ｅｓ ＝ ｃｓ − ｒｓ ・・・（１）
Ｅｆ ＝ ｃｆ − ｒｆ ・・・（２）

機械端位置指令１９は、フルクロ制御時において、入力される指令値であり、セミクロ制御時には本実施の形態では０が設定されるが０に限定される必要はない。

位置偏差算出部３５につづく、位置ゲイン（ＰＧ）２７は、セミクロ側の位置偏差Ｅｓとフルクロ側の位置偏差Ｅｆに乗算されるゲインである。また、フルクロ側偏差Ｅｆにおいては、位置ゲイン（ＰＧ）２７と直列に定数ゲイン（Ｋ）２８を乗算している。この定数Ｋは、機械端位置情報をモータ位置情報単位系に換算するために使用する。本実施の形態では、位置ゲインとして簡略化しているが、位置ゲインＰＧの場所には、位置制御器として、任意の制御器が使用できる。

セミクロ側位置偏差Ｅｓと位置ゲインＰＧの乗算の結果、モータ速度指令値が生成される。セミクロ制御側速度指令値（セミクローズド速度指令）をｖｃｓ、フルクロ側速度指令値（フルクローズド速度指令）をｖｃｆとする。この処理は式（３）、（４）で表される。

ｖｃｓ ＝ Ｅｓ×ＰＧ ・・・（３）
ｖｃｆ ＝ Ｅｆ×ＰＧ×Ｋ ・・・（４）

セミクロ制御側速度指令値ｖｃｓとフルクロ側制御指令値ｖｃｆのどちらの速度指令値を使用するかは、セミクロ／フルクロ切換えスイッチ３０によって決定される。このスイッチは、上位コントローラ５０からのセミクロ／フルクロ切換え指令１４によってセミクロ側をオンとするか、フルクロ側をオンとするかを決定する。

ここで、上位コントローラ５０は、機械端センサ８から直接入力される機械端センサ有効信号２１の状態を、セミクロ／フルクロ切換え指令１４の条件に適用することも可能である。この場合には、前述の機械端位置指令１９は、セミクロ制御中においても、上位コントローラ５０より指令値が入力される。

次に、上述したセミクロ／フルクロ切換えスイッチ３０によって選択されたモータ端速度指令値ｖｃｓまたは機械端速度指令ｖｃｆは、速度リミッタ３１において所定の大きさ以下となるように制限される。

速度リミッタ３１により、上位コントローラ５０より設定される速度リミッタ設定値（１５）ｖｌｉｍを超える値であれば速度リミッタ設定値ｖｌｉｍとなり、速度リミッタ設定値ｖｌｉｍ以下であれば、そのまま処理なく出力される。この出力信号を速度指令値ｖｃｍｄとする。速度指令値ｖｃｍｄの選択方法は、式（５）、（６）、（７）、（８）で表される。この例においてはセミクロ速度指令ｖｃｓを使用するが、フルクロ制御時においては、セミクロ速度指令ｖｃｓをフルクロ速度指令ｖｃｆとすればよい。

ｉｆ ｖｌｉｍ ≦ ｖｃｓ ・・・（５）
ｖｃｍｄ ＝ ｖｌｉｍ ・・・（６）
ｉｆ ｖｌｉｍ ＞ ｖｃｓ ・・・（７）
ｖｃｍｄ ＝ ｖｃｓ ・・・（８）

この速度リミッタ設定値１５ｖｌｉｍは、上位コントローラ５０内で設定される固定値あるいは変数であり、設定値の生成方法は限定されない。速度偏差演算部３７により、選択された速度指令値ｖｃｍｄとモータ端位置ｆｂ信号ｒｓを微分して生成されたモータ端速度ｆｂ信号ｖｆｂ信号との差が速度偏差信号ｖｅとして算出される。電流制御部３４は、この速度偏差信号ｖｅに速度ゲイン（ＶＧ）３３が乗じられた電流指令信号Ｔｃに基づいて電流ｉをモータ４に流す。

さて、図２は、図１のリンク機構を持つ装置６０を簡略化した図である。説明を簡素化するためにリンク機構の上下が自由に可動する図とした。図２では、第１のリンク１００、第２のリンク１０１がナット１０２の横移動により伸び縮みする。第１のリンク１００、第２のリンク１０１の長さをＬ、ナットの位置Ｍにより変化するリンク角度をθとすると、リンク移動量は次の式（９）で表される。

リンク移動量 ＝ ２×Ｌ×（１−ｓｉｎ（ａｃｏｓ（Ｍ／Ｌ））） ・・・（９）
ここでａｃｏｓは、ｃｏｓの逆関数である。

図３は、図２のリンク機構におけるモータ回転量とナット１０２の移動量、リンク移動量の変化を示したものである。ナット移動量は、モータ回転量と比例関係にあるのに対して、リンク移動量は機構として非線形要素を含むために実線のような特性となる。この関係は、機構によって決定される。

図４は、図２のリンク機構における、ナット位置Ｍでのナット１０２の移動速度とリンク移動速度を示したものである。図４よりナット移動速度が一定であっても、リンク移動速度はリンク角度θ＝９０°近傍（ナット位置０ｍｍ側）では移動速度が遅く、リンク角度θが小さくなるに従い（ナット位置１５０ｍｍ側）移動速度が速くなる。すなわちモータ移動量の変化に対するリンク移動量の変化がナット位置Ｍにより大きく異なるため、サーボアンプ内での制御量がナット位置Ｍにより大きく変化する。

本発明ではこのような非線形性に対応するため、セミクロ制御とフルクロ制御の切換えスイッチ３０の後段に速度リミッタ３１を設けるように構成している。速度リミッタにより式（３）と式（４）の演算結果の如何に関わらず速度リミッタ出力が等しくなるため、機械的な振動を発生することなく移動の広い範囲でセミクロ制御からフルクロ制御への制御切換えが行える。このことを図５、図６の速度指令値と機械端位置の相関図より説明する。

まず図５を用いて従来方式の問題点を説明する。図５において、機械稼動範囲４０をセミクロ制御のみにて制御した場合の、モータ端速度指令値ｖｃｍｄは破線４３となる。破線４４は、機械稼動範囲４０をフルクロ制御のみで制御した場合のモータ端速度指令である。

このモータ速度指令値ｖｃｍｄの違いによってたとえば、位置４５にてセミクロ制御とフルクロ制御を切換えた場合には、実線のように速度指令値ｖｃｍｄが急変するため機械振動を発生する。このため、従来は機械振動を抑制するために、位置４２のようにセミクロ速度指令とフルクロ速度指令が一致する点でセミクロ制御とフルクロ制御を切換えるか、あるいはモータを停止させた後にセミクロ制御からフルクロ制御への切換えを行う必要があった。前者の場合には、最終目標位置から位置４２までの機械端センサが必要であり、長い計測範囲を持つ機械端センサを用いる必要があった。また、後者の場合には制御切換えのためにモータを一旦停止させるので、位置決め時間が長くなっていた。

次に図６において、図１にあるセミクロ制御とフルクロ制御切換えスイッチ後に設置された速度リミッタ１５の効果、すなわち本発明の効果を具体的に示す。例えば、速度リミッタの設定値が図６中の点４６の値に設定されている場合には、速度指令ｖｃｍｄは実線のように推移する。図５と同様に制御切換え点４５で図１のセミクロ／フルクロ切換えスイッチ３０をセミクロ制御からフルクロ制御へ切り替えても切換え前後の速度指令ｖｃｍｄは速度リミッタ値４６で一定となるため、機械端の速度に変動は無く滑らかにセミクロ制御とフルクロ制御を切換えることができる。

図６では速度リミッタ値ｖｌｉｍが固定値の場合の例を示したが、可変としてもよい。図７は速度リミッタ値をあらかじめ設定された固定値と、セミクロ速度指令の大きい方となるようにした場合の例である。図７のように、速度リミッタ値４６は位置４７まではセミクロ制御指令４３となり、それ以降は固定値４６となるので、移動時間を短縮できかつ位置４２から最終目標位置までの機械端センサ長を必要とせず、位置決め精度を必要とする最小の機械端センサを選択することが可能となる。

このように構成される本実施の形態によれば、制御方式として、単にセミクロ制御とフルクロ制御とを二者択一的に切換えるのではなく、両方の制御の長所を生かした位置決め制御を、非線形機構を持つ装置において実施することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、非線形要素を持つ機構の機械端制御を、セミクロ制御とフルクロ制御を切替えて実施する場合に、セミクロ位置偏差Ｅｓとフルクロ位置偏差Ｅｆが等しくない場合においても、速度リミッタが両者のギャップを吸収するために、モータを停止することなく、連続的にセミクロ制御とフルクロ制御の切換えが可能となる。また、速度リミッタの設定値を可変とすることにより位置決め時間の短縮が可能になる。

また、セミクロ制御とフルクロ制御が速度リミッタ３１の設定により、自由に切り替えが出来るため、位置決め精度が必要な部分のみ機械端センサを設置することが可能となり、機械設計の自由度の向上や、機械端センサの低コスト化が可能となる。

以上のように、本発明にかかる駆動制御装置は、リンク機構を持つ装置をセミクロ制御とフルクロ制御との間で切り換えて制御する駆動制御装置で、特に機械端の高精度制御を求められる装置に有用であり、例えばプレス機械、射出成形機、工作機械等の非線形要素を持つ機構を駆動する駆動制御装置に適している。

２ モータ端センサ
３ サーボアンプ（駆動制御装置）
４ モータ
５ ベルト
６ ボールネジ
７ リンク機構
８ 機械端センサ
９ 移動体
１４ セミクロ／フルクロ切換え指令
１５ 速度フィルタ設定値
１６ モータ端位置指令
１９ 機械端位置指令
２１ 機械端センサ有効信号
２７ 位置ゲイン
２８ 定数ゲイン
３０ セミクロ／フルクロ切換えスイッチ
３１ 速度リミッタ
３３ 速度ゲイン
３４ 電流制御部
３５ 位置偏差演算部（第１の位置偏差算出部）
３６ 位置偏差演算部（第２の位置偏差算出部）
３７ 速度偏差演算部
４０ 機械端稼動範囲
４２ セミクロ制御／フルクロ制御切換え可能な点
４３ セミクロ制御モータ端速度指令値
４４ フルクロ制御モータ端速度指令値
４５ セミクロ制御／フルクロ制御切換え点
４６ 速度リミッタ設定値の点
４７ 速度リミッタ可変地点
５０ 上位コントローラ
５５ 速度制御部
１００ 第１のリンク
１０１ 第２のリンク
１０２ ナット

Claims (3)

1. 非線形機構を有する移動体を駆動するモータを制御して、移動体を位置決めする駆動装置であり、
   前記モータの回転位置を検出するモータ端センサを含み、前記モータの回転位置に基づいて生成されたセミクローズド速度指令により前記モータをセミクローズドループ制御するセミクローズドループ制御手段と、
   前記移動体の位置を検出する機械端センサを含み、前記移動体の位置に基づいて生成されたフルクローズド速度指令により前記モータをフルクローズドループ制御するフルクローズドループ制御手段と、
   前記セミクローズド速度指令と前記フルクローズド速度指令のいずれか一方を選択してセミクローズドループ制御とフルクローズドループ制御とを切り換える切換スイッチと、 前記切換スイッチの後段に設けられ、速度指令を所定の大きさ以下に制限することにより、セミクローズドループ制御とフルクローズドループ制御との間の制御切り換え時の速度指令の変動を吸収する速度リミッタと、
   を備えたことを特徴とする駆動制御装置。
2. 非線形機構を有する移動体を駆動するモータを制御して、移動体を位置決めする駆動装置であり、
   速度指令に基づいて前記モータの速度を制御する速度制御部と、
   前記モータの回転位置を検出しモータ端位置フィードバック信号を出力するモータ端センサと、
   前記モータ端位置フィードバック信号とモータ端位置指令値との差である第１の位置偏差を算出する第１の位置偏差算出部と、
   前記速度制御部、前記モータ端センサ、及び第１の位置偏差算出部を含み、前記第１の位置偏差に基づいて生成されたセミクローズド速度指令により前記モータをセミクローズドループ制御するセミクローズドループ制御手段と、
   前記移動体の位置を検出し機械端位置フィードバック信号を出力する機械端センサと、 前記機械端位置フィードバック信号と機械端位置指令値との差である第２の位置偏差を算出する第２の位置偏差算出部と、
   前記速度制御部、前記機械端センサ、及び第２の位置偏差算出部を含み、前記第２の位置偏差に基づいて生成されたフルクローズド速度指令により前記モータをフルクローズドループ制御するフルクローズドループ制御手段と、
   前記セミクローズド速度指令と前記フルクローズド速度指令のいずれか一方を前記速度制御部に出力して、セミクローズドループ制御とフルクローズドループ制御とを切り換える切換スイッチと、
   前記切換スイッチと前記速度制御部との間に設けられ、前記速度制御部に出力される前記速度指令を所定の大きさ以下に制限することにより、セミクローズドループ制御とフルクローズドループ制御との間の制御切り換え時の速度指令の変動を吸収する速度リミッタと、
   を備えたことを特徴とする駆動制御装置。
3. 前記非線形の経路を移動する移動体が、リンク構造を含むものである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の駆動制御装置。

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