JP6333495B1 - サーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

サーボ制御装置（１００）は、被駆動体に駆動伝達機構を介して接続されたモータ（６）を制御するサーボ制御装置（１００）であって、位置指令（２００）および誤差補正量（２０６）に基づいて、被駆動体の位置である機械端位置（２０３）が位置指令（２００）に追従するようにモータ（６）に対するトルク指令（２０１）を算出して出力するサーボ制御部（１）と、位置指令（２００）に基づいて機械端位置（２０３）の移動方向の向きを検出する移動方向検出部（２）と、機械端位置（２０３）とモータ（６）の位置であるモータ端位置（２０２）とからねじれ量（２０５）を算出して出力するねじれ量演算部（３）と、移動方向が反転したときのねじれ量（２０５）と、被駆動体および駆動伝達機構の機械特性とを用いて誤差補正量（２０６）を算出する補正量演算部（４）と、を備える。

Description

本発明は、サーボモータを駆動するサーボ制御装置に関する。

工作機械のサーボ制御装置では、工作物を固定するテーブルまたは工具といった被駆動体の位置が指令に追従するようにアクチュエータの駆動制御を行う。駆動するアクチュエータには、回転モータまたはリニアモータなどがある。工作機械において、工作物に対する工具位置を指令された経路である指令軌跡に正確に追従するように駆動する制御は、軌跡制御または輪郭運動制御と呼ばれ、数値制御装置およびそれに付属するサーボ制御装置によって精密に実行される。制御対象である機械装置は複数の軸を有し、各軸を構成するサーボモータはそれぞれのサーボ制御装置によって駆動される。

機械系に存在する摩擦、バックラッシおよびロストモーションは、サーボ制御装置における軌跡制御の外乱要因となり、追従誤差を生じさせる。典型的な例としては、円弧軌跡を指令した場合に、円弧の象限切り替え位置において送り軸に沿った被駆動体の移動方向が反転する際に生じる追従誤差がある。この誤差を半径方向に誤差量を拡大して表示すると、軌跡の外側の突起状の誤差となることから象限突起と呼ばれる。象限突起のような軌跡の追従誤差が発生すると、加工表面に筋または傷が発生することになり、好ましくない。

従来のサーボ制御装置では、象限突起を抑制するために、送り軸に沿った被駆動体の移動方向が反転した場合に、バックラッシ、弾性変形および静摩擦の各要因を補償するためにあらかじめ設定された補正量を速度指令に加える、といったことが行われている（特許文献１参照）。

特許第２６０６７７３号公報

しかしながら、摩擦および弾性変形は、指令速度または指令軌跡といった制御条件により変化するため、特許文献１に開示されている方法では指令速度または指令軌跡といった制御条件が変わるたびに補正量を設定する必要がある。また、摩擦は、気温といった環境要因によっても変化するため、環境要因が変化するたびに補正量を設定し直す必要がある。そのため、様々な制御条件が組み合わされた指令軌跡に対して高精度な補正を行うためには、制御条件および加工する際の環境要因に対して補正量を調整し直す必要があり、多くの手間を要するという問題があった。

また、補正量および補正時間は機械の構成により異なり、同じ構成の機械であっても個体差があるため、機械毎に補正量の調整を行う必要があり、手間がかかるという問題もあった。さらに、回転モータおよびボールねじのような駆動伝達機構を用いて被駆動体位置を制御するサーボ制御装置をフルクローズドループで制御する場合は、被駆動体近傍に取り付けた位置検出器で測定した位置と、機械系を駆動する回転モータに取り付けられた回転角検出器で測定した回転角から算出される被駆動体の位置との偏差が移動方向の反転時の追従誤差に大きな影響を及ぼす。そのため、指令軌跡によっては十分な補正の効果が得られ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って、被駆動体の移動方向が反転する場合において機械端位置の指令軌跡に対する追従誤差を抑制することが可能なサーボ制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被駆動体に駆動伝達機構を介して接続されたモータを制御するサーボ制御装置であって、位置指令および誤差補正量に基づいて、被駆動体の位置である機械端位置が位置指令に追従するようにモータに対するトルク指令を算出して出力するサーボ制御部と、位置指令に基づいて機械端位置の移動方向の向きを検出する移動方向検出部と、を備えることを特徴とする。本発明は、機械端位置とモータの位置であるモータ端位置とからねじれ量を算出して出力するねじれ量演算部と、移動方向が反転したときのねじれ量と、被駆動体および駆動伝達機構の機械特性とを用いて誤差補正量を算出する補正量演算部と、をさらに備えることを特徴とする。

本発明にかかるサーボ制御装置は、被駆動体の移動方向が反転する場合において機械端位置の指令軌跡に対する追従誤差を抑制することが可能になるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる数値制御装置の構成を示す図 実施の形態１にかかるモータおよび機械系の構成を示す図 実施の形態１にかかるサーボ制御部の構成を示す図 実施の形態１にかかる移動方向検出部の構成を示す図 実施の形態１にかかるねじれ量演算部の構成を示す図 実施の形態１にかかる補正量演算部の構成を示す図 実施の形態１にかかるモータおよび機械系を２慣性系でモデル化した図 実施の形態１にかかるモータおよび機械系を２慣性系でモデル化した図 実施の形態１にかかるモータおよび機械系の２慣性系モデルをブロック線図で示した図 サーボ制御装置に円弧状の位置指令を与えた場合の機械端位置の軌跡を示す図 サーボ制御装置に円弧状の位置指令を与えた場合の機械端位置の軌跡を示す図 本発明の実施の形態２にかかる数値制御装置の構成を示す図 実施の形態２にかかる移動方向検出部の構成を示す図 実施の形態２にかかる補正量演算部の構成を示す図 本発明の実施の形態３にかかる数値制御装置の構成を示す図 実施の形態３にかかるサーボ制御部の構成を示す図 実施の形態１から４にかかる数値制御装置の機能をコンピュータで実現する場合のハードウェア構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるサーボ制御装置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１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる数値制御装置１０１の構成を示す図である。数値制御装置１０１は、位置指令２００を生成する位置指令生成部５と、位置指令２００に基づいてトルク指令２０１を出力するサーボ制御装置１００と、を備える。サーボ制御装置１００は、モータ６および機械系７に接続されており、モータ６にトルク指令２０１を与えることにより、制御対象である機械系７を駆動する。数値制御装置１０１の制御対象である機械装置が複数の軸を有する場合、サーボ制御装置１００、モータ６および機械系７は各軸に設けられるが、図１では１つの軸についてのみ記載する。

サーボ制御装置１００は、トルク指令２０１を出力するサーボ制御部１と、移動方向信号２０４を出力する移動方向検出部２と、ねじれ量２０５を出力するねじれ量演算部３と、誤差補正量２０６を出力する補正量演算部４と、を備えている。

図２は、実施の形態１にかかるモータ６および機械系７の構成を示す図である。モータ６は、サーボモータ６１およびモータ端位置検出器６２を備える。モータ端位置検出器６２の具体例は、ロータリエンコーダである。モータ端位置検出器６２は、サーボモータ６１に取り付けられており、サーボモータ６１の回転角度であるモータ端位置２０２を検出する。

機械系７は、サーボモータ６１の動力を伝達するカップリング７０と、サーボモータ６１により回転駆動されるボールねじ７１と、ボールねじ７１の回転を直線運動に変換するボールねじナット７２と、ボールねじナット７２に固定されている被駆動体であるテーブル７３と、を備える。ボールねじ７１は、カップリング７０を介してサーボモータ６１に接続されている。ボールねじナット７２はボールねじ７１に嵌合されており、テーブル７３およびボールねじナット７２は一体となって駆動される。カップリング７０、ボールねじ７１およびボールねじナット７２は、モータ６からテーブル７３への駆動伝達機構を構成している。したがって、機械系７は、被駆動体および駆動伝達機構で構成される。

数値制御装置１０１を有する工作機械は、機械端位置検出器７４およびスケール７５を有するリニアエンコーダをさらに備える。スケール７５の具体例は、格子状の目盛りを有するガラス面である。機械端位置検出器７４は、スケール７５を読み取って信号にして出力する。機械端位置検出器７４が出力した信号は、被駆動体であるテーブル７３の位置である機械端位置２０３に変換されてサーボ制御装置１００に出力される。

モータ端位置検出器６２により検出された回転角度の検出単位が度であるとすると、モータ端位置２０２にサーボモータ６１の１回転あたりのテーブル移動量であるボールねじリードを乗じて、３６０度で除することにより回転角度をテーブル７３の移動方向の長さに換算することができる。ここで、移動方向とは、サーボ制御装置１００が担当する軸に沿った方向であり、移動方向の向きは正負のいずれかを取り得る。以下の説明では、モータ端位置２０２としてテーブル７３の移動方向に換算した値を用いることとする。

位置指令生成部５は、加工プログラムに基づいて位置指令２００を生成することにより、機械端位置２０３を数値制御する。加工プログラムは、ワークを加工するための工具および機械系７の動かし方について、Ｇコードといった命令により一連のフォーマットで記載されたプログラムである。加工プログラムにはワークに対する工具および機械系７の移動距離および移動速度が定められている。位置指令生成部５は、加工プログラムに基づいて各軸の位置指令２００を算出して、各軸のサーボ制御装置に出力する。

サーボ制御装置１００は、位置指令生成部５で生成された位置指令２００を受け取るとともに、モータ端位置検出器６２により検出されたモータ端位置２０２および機械端位置検出器７４が出力した信号から得られた機械端位置２０３を取得する。サーボ制御装置１００は、モータ端位置２０２および機械端位置２０３を位置フィードバックとして用いて、機械端位置２０３が位置指令２００に追従するようにトルク指令２０１を生成して、モータ６に出力する。

図３は、実施の形態１にかかるサーボ制御部１の構成を示す図である。サーボ制御部１は、位置制御部１１、速度制御部１２、微分演算部１３、減算器１４，１６および加算器１５を備える。

減算器１４は、位置指令２００と機械端位置２０３との差である位置偏差を求めて、位置制御部１１に出力する。位置制御部１１は、位置偏差に対して比例制御といった位置制御処理を実行して、速度指令を算出して出力する。加算器１５は、速度指令と後述する補正量演算部４で算出された誤差補正量２０６とを加算して出力する。微分演算部１３は、モータ端位置２０２を微分し、モータ端位置２０２の微分値であるモータ端速度を出力する。減算器１６は、加算器１５の出力とモータ端速度との差である速度偏差を求めて、速度制御部１２に出力する。速度制御部１２は、速度偏差に対して比例積分制御といった予め定められた速度制御処理を実行して、機械端位置２０３を位置指令２００に追従させるトルク指令２０１を算出して出力する。

図４は、実施の形態１にかかる移動方向検出部２の構成を示す図である。移動方向検出部２は、位置制御模擬部２１、積分演算部２２、符号演算部２３および減算器２４を備えている。移動方向検出部２は、位置指令２００に基づいて機械端位置２０３の応答を模擬し、テーブル７３の移動方向の向きを示す移動方向信号２０４を出力する。

減算器２４は、位置指令２００と積分演算部２２の出力であるモデル位置との差を求めて、位置制御模擬部２１に出力する。位置制御模擬部２１は、サーボ制御部１の位置制御部１１を模擬する。位置制御模擬部２１は、減算器２４から入力された位置指令２００とモデル位置との差に対して、位置制御部１１と同じ位置制御処理を実行して、得られた速度指令をモデル速度として出力する。位置制御模擬部２１が出力するモデル速度は、テーブル７３の速度の計算値に相当する。積分演算部２２は、モデル速度を積分することにより機械端位置２０３の計算値を求めて、モデル位置として出力する。符号演算部２３は、モデル速度に基づいてテーブル７３の移動方向の向きが正負のいずれであるかを検出し、当該移動方向の向きに応じて正または負の符号をとり絶対値が“１”のステップ状の信号である移動方向信号２０４を出力する。これにより、テーブル７３の移動方向が反転するタイミングを正確に検出することができる。なお、符号演算部２３は、モデル速度が０となる場合には前回と同じ移動方向信号２０４を出力し、初期状態では移動方向信号２０４として“０”を出力する。

図５は、実施の形態１にかかるねじれ量演算部３の構成を示す図である。ねじれ量演算部３は、微分演算部３１，３２、単位変換部３３および減算器３４，３５を備えている。ねじれ量演算部３は、モータ端位置２０２および機械端位置２０３を入力として、摩擦に起因するねじれ量２０５を計算周期毎に算出し出力する。ねじれ量２０５は、モータ端位置２０２と機械端位置２０３との偏差に基づいた量であるが、この偏差には摩擦力に起因する成分と慣性力に起因する成分とが含まれる。慣性力に起因する成分は、機械系７の弾性変形による成分である。ねじれ量演算部３では、摩擦に起因する偏差としてねじれ量２０５を演算するために、慣性力に起因する偏差を求めて、モータ端位置２０２と機械端位置２０３との偏差から取り除く。

直列に接続された微分演算部３１，３２によりモータ端位置２０２が２階微分されてモータ６のモータ端加速度ａｍが算出され、単位変換部３３に出力される。単位変換部３３は、入力されたモータ６のモータ端加速度ａｍに予め定めた係数を乗ずることにより、慣性力に起因する偏差を算出して出力する。係数については後述する。減算器３４は、モータ端位置２０２と機械端位置２０３との偏差を求めて減算器３５に出力する。減算器３５は、入力された全体の偏差から単位変換部３３が出力する慣性力に起因する成分の偏差を減算することにより、摩擦に起因する成分の偏差であるねじれ量２０５を算出して出力する。これにより摩擦に起因するねじれ量２０５を高精度に算出可能となる。

図６は、実施の形態１にかかる補正量演算部４の構成を示す図である。補正量演算部４は、補正ゲイン演算部４１および機械特性フィルタ４２を備えている。補正量演算部４は、ねじれ量演算部３から出力されたねじれ量２０５および移動方向検出部２から出力された移動方向信号２０４を入力として、誤差補正量２０６を出力する。

補正ゲイン演算部４１は、移動方向信号２０４に基づいて、テーブル７３の移動方向の向きが変化したときに移動方向が反転したと判断することができる。補正ゲイン演算部４１は、テーブル７３の移動方向が反転した場合、すなわち移動方向信号２０４が“＋１”から“−１”に変化した場合または“−１”から“＋１”に変化した場合に、そのときのねじれ量２０５に基づいて補正ゲインを算出する。補正ゲインの算出方法の具体例は、ねじれ量２０５に補正倍率を乗じて補正ゲインを算出する。そして、テーブル７３の移動方向が反転した場合以外は、補正ゲインを０とする。そして、補正ゲイン演算部４１は、補正ゲインの大きさを振幅とするインパルス信号を機械特性フィルタ４２に出力する。したがって、補正ゲイン演算部４１は、テーブル７３の移動方向が反転した場合に補正ゲインの大きさを振幅とするインパルス信号を機械特性フィルタ４２に出力する。機械特性フィルタ４２は、補正ゲイン演算部４１の出力に対して機械特性を表す伝達関数型のフィルタでフィルタリングを行い、制御対象であるテーブル７３の移動方向が反転してからの経過時間に応じた誤差補正量２０６を算出して出力する。機械特性フィルタ４２の設定については後述する。

次に、実施の形態１にかかるサーボ制御装置１００における補正の原理について説明する。図７および図８は、実施の形態１にかかるモータ６および機械系７を２慣性系でモデル化した図である。図７および図８において、Ｋは機械系７の弾性要素のバネ定数であり、Ｃは機械系７のダンピング要素の粘性摩擦係数であり、Ｊｍはモータ６のイナーシャであり、Ｊｌは機械系７のイナーシャであり、ＦＭはモータ６に作用する摩擦力であり、ＦＬは機械系７に作用する摩擦力である。図７および図８において、Ｊｍの位置はモータ端位置２０２を模しており、Ｊｌの位置は機械端位置２０３を模している。ＪｍおよびＪｌが弾性要素を介して離れているのは、モータ６と機械系７との間に生じる摩擦力に起因する弾性変形によりモータ端位置２０２と機械端位置２０３との間に偏差が生じることを表現している。

図７および図８において、紙面左右方向がモータ端位置２０２および機械端位置２０３の移動方向を示しており、いずれも、モータ端位置２０２の動きに機械端位置２０３の動きが追従する様子を示している。図７は、モータ端位置２０２および機械端位置２０３が移動方向の＋方向に移動している場合を示し、図８は、モータ端位置２０２および機械端位置２０３が移動方向の−方向に移動している場合を示している。図７では、Ｊｌに＋方向に働く弾性要素による力と摩擦力ＦＬとが釣り合っている。一方、図８では、Ｊｌに−方向に働く弾性要素による力と摩擦力ＦＬとが釣り合っている。テーブル７３の移動方向の向きが反転すると、モータ端位置２０２と機械端位置２０３との位置関係が反転するので、図７から図８へまたは図８から図７へと、ＪｍとＪｌとの位置関係も入れ替わる。その結果、Ｊｌに働く弾性要素による力の向きが反転して、摩擦力ＦＬの作用方向も反転する。

図９は、実施の形態１にかかるモータ６および機械系７の２慣性系モデルをブロック線図で示した図である。Ｔｍはトルク指令２０１に従ってサーボモータ６１が出力するトルクであり、ｘｌは機械端位置２０３を示す変数であり、ｘｍはモータ端位置２０２を示す変数であり、ｓは微分を表すラプラス演算子である。ｘｍ、ｘｌおよびＦＬをラプラス変換したものをそれぞれ、Ｘ_Ｍ、Ｘ_ＬおよびＦ_Ｌとすると、モータ端位置２０２と機械端位置２０３との偏差をラプラス変換した値は、以下の数式（１）で表わされる。

ここで、Ａ_Ｍは、微分演算部３２が出力したモータ端加速度ａｍをラプラス変換したものである。モータ端加速度ａｍはモータ端位置２０２を２階微分した値である。また、ω_ｎは機械系７の共振周波数であり、ζは機械系７の減衰係数である。

数式（１）の最終行の右辺の括弧内の第１項は摩擦力に起因する項であり、括弧内の第２項は慣性力に起因する項である。テーブル７３の移動方向が反転する場合に、摩擦力の作用方向の反転に伴って、第１項の摩擦力に起因する偏差であるねじれ量の符号が反転する。テーブル７３の移動方向を反転させる時にはモータ端位置２０２を急峻にステップ状に移動させて移動方向を反転させる必要があるが、フィードバック制御のみではモータ端位置２０２の移動に遅れが生じる。その結果として機械端位置２０３の移動方向の反転が遅れて、位置指令２００に対する機械端位置２０３の追従誤差が生じる。モータ端位置２０２の移動方向の向きが反転してからの経過時間に応じた機械端位置２０３の追従誤差Ｅｔは、反転時の摩擦力の変化量が２ＦＬなので、以下の数式（２）で表わされる。

実施の形態１にかかるサーボ制御装置１００においては、数式（２）で示される追従誤差Ｅｔを補償することにより追従誤差を抑制する。数式（１）の最終行の右辺の括弧内の第２項は慣性力に起因する偏差である。したがって、ねじれ量演算部３において偏差全体から上記第２項の慣性力に起因する偏差を上述したように除去する。数式（１）から、単位変換部３３で乗算する係数は、機械系７の共振周波数の２乗の逆数１／ω_ｎ ^２とすればよい。共振周波数ω_ｎは周波数応答特性を調べることにより同定することができる。

以上により、ねじれ量演算部３より出力されるねじれ量２０５は摩擦力に起因する偏差となり、ＦＬ／Ｋに相当する値となる。また、補正ゲイン演算部４１では、ねじれ量２０５を２倍して補正ゲインを算出する。

また、機械端位置２０３における追従誤差Ｅｔは、機械系７の機械特性を示すバネ定数Ｋおよび粘性摩擦係数Ｃに依存する。そのため、機械系７の機械特性を考慮した補正が必要となる。数式（２）によれば、機械特性フィルタ４２を、以下の数式（３）で示される伝達関数型フィルタＧｆ（ｓ）として設定すればよい。数式（３）のＧｆ（ｓ）は、図７および図８で示した２慣性モデルにおける機械系７に作用する摩擦力Ｆ_Ｌからねじれ量までの伝達特性にＫを乗じた伝達関数である。

図１０および図１１は、サーボ制御装置に円弧状の位置指令を与えた場合の機械端位置の軌跡を示す図である。図１０および図１１においては共に、直交するＸ軸およびＹ軸の２軸に対して時計まわりの円弧状の位置指令が与えられている。円弧状の位置指令を実現するためには、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに対して、１つずつ実施の形態１にかかるサーボ制御装置１００、モータ６および機械系７を備える必要がある。

図１０は、機械端位置２０３の追従誤差Ｅｔに対する補正を実施しないで、位置指令に対するフィードバック制御を実行した場合の機械端位置の軌跡を示している。図１０の破線は指令軌跡を示し、実線は機械端位置の軌跡を示している。Ｙ軸に沿った移動方向が反転する位置における軌跡誤差を拡大して表示しており、大きな突起が生じている。これが追従遅れにより生じる象限突起である。

図１１は、実施の形態１にかかるサーボ制御装置１００よる補正を実行した場合の効果を示す図である。図１１でも、図１０と同様に破線は指令軌跡を示し、実線は機械端位置の軌跡を示しているが、Ｙ軸に沿った移動方向が反転する位置において補正により象限突起が抑制されているので、破線と実線とが重なっている。

以上説明したように、実施の形態１にかかるサーボ制御装置１００によれば、常時ねじれ量２０５を求めておき、移動方向が反転した時のねじれ量２０５を用いて誤差補正量２０６を算出するので、移動方向の反転時の摩擦力によって生じる機械端位置２０３の追従誤差Ｅｔを精度よく補正することができ、指令速度または指令軌跡といった制御条件および気温といった環境要因に対してロバストな補正を行うことが可能になるという効果を奏する。

さらに、実施の形態１にかかるサーボ制御装置１００によれば、機械系７の機械特性を伝達関数型フィルタで表した機械特性フィルタ４２を用いて誤差補正量２０６を計算することにより、機械系７の機械特性に応じた補正を行うことができ、テーブル７３の移動方向の反転時における機械端位置２０３の追従誤差Ｅｔを精度よく補正することができるという効果を奏する。

実施の形態２．
図１２は、本発明の実施の形態２にかかる数値制御装置３０１の構成を示す図である。数値制御装置３０１は、位置指令２００を生成する位置指令生成部５と、位置指令２００に基づいてトルク指令２０１を出力するサーボ制御装置３００と、を備える。図１２において、実施の形態１にかかる図１と同様の構成要素には実施の形態１と同一の名称および符号を付して、説明を省略する。以下では、数値制御装置３０１が実施の形態１にかかる数値制御装置１０１と異なる点を主として説明する。

図１３は、実施の形態２にかかる移動方向検出部３２０の構成を示す図である。移動方向検出部３２０は、位置制御模擬部２１、積分演算部２２、符号演算部２３および減算器２４に加え、微分演算部３２４を備える。移動方向検出部３２０は、位置指令２００に基づいて機械端位置２０３の応答を模擬し、機械系７の移動方向の向きを示す移動方向信号２０４を出力するのに加えて、モデル加速度２０７を出力する。

微分演算部３２４は、位置制御模擬部２１から出力されたモデル速度を微分することにより機械端位置２０３の加速度の計算値であるモデル加速度２０７を算出する。移動方向検出部３２０は、移動方向信号２０４と共にモデル加速度２０７を補正量演算部３４０に出力する。

図１４は、実施の形態２にかかる補正量演算部３４０の構成を示す図である。補正量演算部３４０は、補正ゲイン演算部３４１、機械特性フィルタ４２および補正倍率テーブル３４３を備える。補正倍率テーブル３４３は、基準となるモデル加速度である基準モデル加速度ａ０，ａ１，…，ａｎに対応する補正倍率Ｔ０，Ｔ１，…，Ｔｎを示すテーブルである。そして、補正量演算部３４０が受け取ったモデル加速度２０７に補正倍率テーブル３４３において対応した補正倍率が補正ゲイン演算部３４１に入力される。機械系７の機械特性によっては、反転時のテーブル７３の加速度により必要な補正量が変化するためこのように補正倍率をモデル加速度２０７に依存して変化させる。補正ゲイン演算部３４１では、実施の形態１と同様に移動方向信号２０４が変化した場合にねじれ量２０５と補正倍率とを乗算して補正ゲインを算出する。

以上のように、実施の形態２においては、反転時におけるサーボ制御装置３００の状態量であるモデル加速度２０７に基づいて、補正倍率を決定している。補正倍率を依存させる状態量には、機械系７の構造または特性によってはモデル加速度２０７ではなく、サーボ制御装置３００の他の状態量を用いてもよい。他の状態量の具体例としては、何らかのモデルを用いて位置指令２００から算出した加速度以外の、位置または速度にかかる計算値でもよい。また、状態量として、反転時におけるモータ端位置２０２または機械端位置２０３といった実測値である位置フィードバック値、位置フィードバック値の微分値である速度フィードバック値の履歴を用いてもよい。速度フィードバック値の履歴の具体例は、反転前の一定時間内における速度フィードバック値の最高速度である。さらに、状態量として、モータ６または機械系７の温度または気温を用いてもよい。また、補正倍率は、以上説明した状態量の２つ以上に依存させてもかまわない。

以上のように、実施の形態２にかかるサーボ制御装置３００によれば、補正倍率をサーボ制御装置３００の状態量に応じて変更することにより、制御条件毎に機械系７の機械特性に基づいた補正が可能となる効果を奏する。さらに、環境要因変化などに対してロバストな補正が可能である。

実施の形態３．
図１５は、本発明の実施の形態３にかかる数値制御装置４０１の構成を示す図である。数値制御装置４０１は、位置指令２００を生成する位置指令生成部５と、位置指令２００に基づいてトルク指令２０１を出力するサーボ制御装置４００と、を備える。図１５において、実施の形態１にかかる図１と同様の構成要素には実施の形態１と同一の名称および符号を付して、説明を省略する。以下では、数値制御装置４０１が実施の形態１にかかる数値制御装置１０１と異なる点を主として説明する。

サーボ制御装置４００は、サーボ制御装置１００の構成要素に加えて加振指令生成部８および機械モデル同定部９をさらに備えている。加振指令生成部８は、機械モデルを同定する際に、加振指令２０８をサーボ制御部４１０に出力する。ここで、機械モデルとは機械系７の機械特性に依存した伝達関数であり、モータ端位置２０２から機械端位置２０３までの伝達関数である。

図１６は、実施の形態３にかかるサーボ制御部４１０の構成を示す図である。減算器４３，４５および加算器４４は、それぞれ図３の減算器１４，１６および加算器１５と同様な演算を実行する。図１６にはさらに加算器４６が設けられており、加振指令２０８は加算器４６に入力されてトルク指令２０１として出力され、モータ６を駆動して機械系７を加振する。この加振が行われる際は、位置指令２００および誤差補正量２０６の入力は共に０にしてある。加振指令２０８は、サーボ制御部４１０に入力されるのであれば、図１６と異なり、位置制御部１１に位置指令２００として入力してもよいし、速度制御部１２に速度指令として入力してもよい。これらの場合も、同様の加振効果が得られる。

機械モデル同定部９は、加振指令２０８によりモータ６を駆動して機械系７を加振した場合のモータ端位置２０２および機械端位置２０３の実測値を用いて、モータ端位置２０２から機械端位置２０３までの伝達関数Ｇｍ（ｓ）を同定する。モータ６および機械系７が図７および図８のような２慣性系でモデル化される場合、伝達関数Ｇｍ（ｓ）は以下の数式（４）で表される。

機械モデル同定部９は、測定されたモータ端位置２０２および機械端位置２０３の実測値に基づいて、最小二乗法、スペクトル解析法または部分空間法といった手法を用いて、数式（４）の伝達関数Ｇｍ（ｓ）を同定することができる。同定された伝達関数Ｇｍ（ｓ）から算出されるＪｌ、Ｃ、Ｋを用いて、数式（３）で与えられる伝達関数型フィルタＧｆ（ｓ）を決定する。機械モデル同定部９は、このようにして得られた伝達関数型フィルタＧｆ（ｓ）を補正量演算部４に機械特性フィルタ２０９として出力する。補正量演算部４は、機械特性フィルタ４２に、機械特性フィルタ２０９として受け取った伝達関数型フィルタＧｆ（ｓ）を用い、これに基づいて誤差補正量２０６を算出して出力する。誤差補正量２０６を用いることにより、サーボ制御部４１０は、機械系７の機械特性に適したロバストな補正を行うことができる。

以上に説明したように、実施の形態３にかかるサーボ制御装置４００は、加振指令生成部８および機械モデル同定部９をさらに備えることにより、新たなセンサを追加するといったこと無しに、機械系７の機械特性を表す伝達関数を自動的に同定することができるという効果を奏する。

実施の形態４．
実施の形態４にかかる数値制御装置４０１およびサーボ制御部４１０の構成は実施の形態３と同じく図１５および図１６で示した構成である。

実施の形態４にかかるサーボ制御装置４００の加振指令生成部８は、モータ６および機械系７を移動させながら加振を行う。そのため、加振指令２０８は、移動成分と加振成分とを加算した信号となる。移動成分は一定速度で一方向に移動する指令とする。そして、速度一定に達しているタイミングで加振成分としてランダム加振信号を付加した加振指令２０８を使用する。なお、移動成分は往復運動といった他の指令でもよく、加振成分は正弦波の振動数を段階的に変更するサインスイープ信号でもよい。

実施の形態３と同様に、機械モデル同定部９は、加振指令２０８で加振した場合のモータ端位置２０２および機械端位置２０３の実測値を用いて、モータ端位置２０２から機械端位置２０３までの伝達関数Ｇｍ（ｓ）を同定する。ただし、実施の形態４においては、加振指令２０８には移動成分と加振成分が含まれているので、機械モデル同定部９では、モータ端位置２０２および機械端位置２０３の実測値から移動成分を除去して、加振成分に対するモータ端位置２０２および機械端位置２０３の実測値から伝達関数Ｇｍ（ｓ）を同定する。移動成分の除去の方法の具体例は、事前に移動成分のみの加振指令２０８を与えた場合のモータ端位置２０２および機械端位置２０３の実測値を測定しておき、測定したモータ端位置２０２および機械端位置２０３の実測値を、加振成分を加えた加振指令２０８を与えた場合のモータ端位置２０２および機械端位置２０３の実測値から減算することによって行う。移動成分が除去されたモータ端位置２０２および機械端位置２０３の実測値から、数式（４）で表される伝達関数Ｇｍ（ｓ）を同定する方法および数式（３）で与えられる伝達関数型フィルタＧｆ（ｓ）を決定する方法は、実施の形態３と同じである。

以上説明したように、実施の形態４にかかるサーボ制御装置４００では、移動成分および加振成分を含む加振指令２０８により加振することにより、機械モデル同定部９で摩擦力の影響を除去した同定が可能となる。機械系７を停止させた状態で加振を行った場合、摩擦力の大きい機械系７では、摩擦の影響により機械端位置２０３における加振振幅が小さくなり、伝達関数型フィルタＧｆ（ｓ）を精度よく測定できない場合があるが、実施の形態４にかかるサーボ制御装置４００によれば、加振指令２０８が移動成分を含んでいるので、機械系７の機械特性を表す伝達関数型フィルタＧｆ（ｓ）をより精度よく同定できるという効果が得られる。

図１７は、実施の形態１から４にかかる数値制御装置の機能をコンピュータで実現する場合のハードウェア構成を示す図である。数値制御装置１０１，３０１，４０１の機能をコンピュータで実現する場合、数値制御装置１０１，３０１，４０１の機能は、図１７に示すようにＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５１、メモリ５２、インタフェース５３および専用回路５４により実現される。数値制御装置１０１，３０１，４０１の機能の一部は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ５２に格納される。ＣＰＵ５１は、メモリ５２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、数値制御装置１０１，３０１，４０１は、各部の機能がコンピュータにより実行されるときに、数値制御装置１０１，３０１，４０１の動作を実施するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ５２を備える。また、これらのプログラムは、数値制御装置１０１，３０１，４０１の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ５２とは、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）といった不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）が該当する。

ＣＰＵ５１は、メモリ５２に格納されたプログラムを読み出して実行することによって、位置指令生成部５、補正量演算部４，３４０、ねじれ量演算部３および移動方向検出部２，３２０の機能を実現する。インタフェース５３は、モータ端位置２０２および機械端位置２０３を受信するための機能を有している。専用回路５４の具体例は、サーボ制御部１，４１０のインバータ回路である。このように数値制御装置１０１，３０１，４０１は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，４１０ サーボ制御部、２，３２０ 移動方向検出部、３ ねじれ量演算部、４，３４０ 補正量演算部、５ 位置指令生成部、６ モータ、７ 機械系、８ 加振指令生成部、９ 機械モデル同定部、１１ 位置制御部、１２ 速度制御部、１３，３１，３２，３２４ 微分演算部、２１ 位置制御模擬部、２２ 積分演算部、２３ 符号演算部、３３ 単位変換部、４１，３４１ 補正ゲイン演算部、４２，２０９ 機械特性フィルタ、５１ ＣＰＵ、５２ メモリ、５３ インタフェース、５４ 専用回路、６１ サーボモータ、６２ モータ端位置検出器、７０ カップリング、７１ ボールねじ、７２ ボールねじナット、７３ テーブル、７４ 機械端位置検出器、７５ スケール、１００，３００，４００ サーボ制御装置、１０１，３０１，４０１ 数値制御装置、２００ 位置指令、２０１ トルク指令、２０２ モータ端位置、２０３ 機械端位置、２０４ 移動方向信号、２０５ ねじれ量、２０６ 誤差補正量、２０７ モデル加速度、２０８ 加振指令、３４３ 補正倍率テーブル。

Claims (7)

1. 被駆動体に駆動伝達機構を介して接続されたモータを制御するサーボ制御装置であって、
   位置指令および誤差補正量に基づいて、前記被駆動体の位置である機械端位置が前記位置指令に追従するように前記モータに対するトルク指令を算出して出力するサーボ制御部と、
   前記位置指令に基づいて前記機械端位置の移動方向の向きを検出する移動方向検出部と、
   前記機械端位置と前記モータの位置であるモータ端位置とからねじれ量を算出して出力するねじれ量演算部と、
   前記移動方向が反転したときの前記ねじれ量と、前記被駆動体および前記駆動伝達機構の機械特性とを用いて前記誤差補正量を算出する補正量演算部と、
   を備え、
   前記補正量演算部は、前記ねじれ量に補正倍率を乗じて得た補正ゲインの大きさを振幅とするインパルス信号を前記機械特性に基づいてフィルタリングすることにより前記誤差補正量を算出する
   ことを特徴とするサーボ制御装置。
2. 前記補正倍率を、前記位置指令から算出した値、前記機械端位置、前記モータ端位置、前記モータの温度、前記被駆動体の温度、前記駆動伝達機構の温度および気温の少なくとも１つに依存して変化させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
3. 被駆動体に駆動伝達機構を介して接続されたモータを制御するサーボ制御装置であって、
   位置指令および誤差補正量に基づいて、前記被駆動体の位置である機械端位置が前記位置指令に追従するように前記モータに対するトルク指令を算出して出力するサーボ制御部と、
   前記位置指令に基づいて前記機械端位置の移動方向の向きを検出する移動方向検出部と、
   前記機械端位置と前記モータの位置であるモータ端位置とからねじれ量を算出して出力するねじれ量演算部と、
   前記移動方向が反転したときの前記ねじれ量と、前記被駆動体および前記駆動伝達機構の機械特性とを用いて前記誤差補正量を算出する補正量演算部と、
   前記サーボ制御部に入力する加振信号を生成する加振信号生成部と、
   前記サーボ制御部に前記加振信号が入力されたときの前記モータ端位置および前記機械端位置の実測値とから、前記モータ端位置から前記機械端位置までの伝達関数を同定する機械モデル同定部と、
   を備えることを特徴とするサーボ制御装置。
4. 前記加振信号は、移動成分と加振成分とを加算した信号である
   ことを特徴とする請求項３に記載のサーボ制御装置。
5. 前記ねじれ量演算部は、前記機械端位置と前記モータ端位置との偏差から偏差に含まれる慣性力による成分を除去して前記ねじれ量を算出する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のサーボ制御装置。
6. 前記機械特性は、前記被駆動体および前記駆動伝達機構に作用する摩擦力から前記ねじれ量までの伝達特性である
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のサーボ制御装置。
7. 前記移動方向検出部は、前記サーボ制御部を模擬することにより前記被駆動体の速度の計算値を求め、前記計算値に基づいて前記移動方向の向きを検出する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のサーボ制御装置。

Images