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JP6856469B2 - サーボモータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、被駆動体を駆動するサーボモータを制御するサーボモータ制御装置に関する。
例えば工作機械において、工具を駆動する主軸用モータを含む主軸ユニットを、送り機構を用いて移動させることがある。このような送り機構（被駆動体）を駆動するサーボモータを制御するサーボモータ制御装置が知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。
特開２００２−１７８２３７号公報 特開平０６−１５５２１７号公報 国際公開第２０１６／１３５９５８号
上述した工作機械において、送り機構（被駆動体）の位置（すなわち、主軸ユニットの位置）によって、重力や回転により送り機構の駆動軸に作用する負荷（荷重）が変動することがある。例えば、駆動軸に作用する負荷が増加すると、送り機構が目標位置に到達する時間が遅くなる。すなわち、サーボモータ制御装置の応答性が低下する。
本発明は、被駆動体の駆動軸に作用する負荷の変動に起因する応答性の低下を抑制するサーボモータ制御装置を提供することを目的とする。
（１） 本発明に係るサーボモータ制御装置（例えば、後述のサーボモータ制御装置１）は、サーボモータ（例えば、後述のサーボモータ４００）と、前記サーボモータにより駆動される被駆動体であって、前記被駆動体の位置によって駆動軸（例えば、後述の傾斜軸Ｘ）に作用する負荷が変動する前記被駆動体（例えば、後述のチルト機構５００）と、前記被駆動体の位置を検出する位置検出部（例えば、後述のエンコーダ３００）と、前記被駆動体の速度を検出する速度検出部（例えば、後述のエンコーダ３００）と、前記サーボモータを制御するモータ制御部（例えば、後述のモータ制御部１００）とを備え、前記モータ制御部は、前記被駆動体の位置指令と前記位置検出部で検出された位置フィードバックとの位置偏差に基づいて速度指令を作成する位置制御部（例えば、後述の位置制御部２０）と、前記位置制御部で作成された速度指令と前記速度検出部で検出された速度フィードバックとの速度偏差に速度ゲインを乗算し、及び／又はトルクオフセットを加算してトルク指令を作成する速度制御部（例えば、後述の速度制御部３０）と、前記被駆動体の位置に応じて、前記速度ゲインと前記トルクオフセットとのうちの少なくとも一方を変更する変更部（例えば、後述の変更部６０）とを有する。
（２） （１）に記載のサーボモータ制御装置において、前記変更部は、前記被駆動体の位置として、前記位置検出部で検出された位置フィードバックを用いてもよい。
（３） （１）に記載のサーボモータ制御装置において、前記変更部は、前記被駆動体の位置として、前記被駆動体の位置指令を用いてもよい。
（４） （１）から（３）のいずれかに記載のサーボモータ制御装置において、前記被駆動体は、前記サーボモータにより回転駆動され、前記変更部は、前記被駆動体の位置として、前記被駆動体の回転角度を用いてもよい。
（５） （１）から（４）のいずれかに記載のサーボモータ制御装置において、前記被駆動体は、工作機械における工具を駆動する主軸用モータを含む主軸ユニット（例えば、後述の主軸ユニット５１０）を含んでいてもよい。
本発明によれば、被駆動体の駆動軸に作用する負荷の変動に起因する応答性の低下を抑制するサーボモータ制御装置を提供することができる。
本実施形態に係るサーボモータ制御装置の構成を示す図である。 図１に示すモータ制御部の構成を示す図である。 記憶部に記憶された関数（データテーブル）の一例を示す図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係るサーボモータ制御装置の構成を示す図である。図１に示すサーボモータ制御装置１は、モータ制御部１００と、電流検出器２００と、エンコーダ（位置検出部、速度検出部）３００と、サーボモータ４００と、チルト機構５００とを備える。
モータ制御部１００は、工作機械における主軸ユニット５１０を含むチルト機構（被駆動体）５００を駆動するサーボモータ４００を制御する。モータ制御部１００の詳細は後述する。
電流検出器２００は、例えばカレントトランスである。電流検出器２００は、サーボモータ４００の駆動電流を検出する。検出された電流は電流フィードバック（電流ＦＢ）として利用される。
エンコーダ３００は、サーボモータ４００に設けられ、サーボモータ４００の回転位置を検出する。サーボモータ４００の回転位置はチルト機構５００の位置に対応するので、エンコーダ３００は、チルト機構５００の位置（機械座標、換言すれば傾斜角度（回転角度））を検出することとなる。検出された位置は位置フィードバック（位置ＦＢ）として利用される。
また、エンコーダ３００は、サーボモータ４００の回転速度を検出する。サーボモータ４００の回転速度はチルト機構５００の速度に対応するので、エンコーダ３００は、チルト機構５００の速度を検出することとなる。検出された速度は速度フィードバック（速度ＦＢ）として利用される。
チルト機構５００は、サーボモータ４００により回転駆動され、工作機械における工具を駆動する主軸用モータを含む主軸ユニット５１０を傾斜させる。チルト機構５００は、例えば、工作機械における主軸ユニット５１０が取り付けられた基材５０１と、一端側で基材５０１を支持し、他端側に傾斜軸（回転軸）Ｘを有するアーム５０２とから構成される。このように、チルト機構５００は、傾斜軸Ｘに対して非対称な構成を有する。
次に、図２を参照して、モータ制御部１００について説明する。図２は、図１に示すモータ制御部１００の構成を示す図である。モータ制御部１００は、位置指令部１０と、位置制御部２０と、速度制御部３０と、電流制御部４０と、記憶部５０と、変更部６０とを備える。
位置指令部１０は、図示しない上位制御装置や外部入力装置等から入力されるプログラムや命令に従って、サーボモータ４００の位置指令、すなわちチルト機構５００の位置指令を作成する。
位置制御部２０は、位置指令部１０で作成された位置指令とエンコーダ３００で検出された位置ＦＢとに基づいて速度指令を作成する。位置制御部２０は、減算器２１と位置制御器２２とを備える。
減算器２１は、位置指令部１０で作成された位置指令とエンコーダ３００で検出された位置ＦＢとの位置偏差を求める。位置制御器２２は、減算器２１で求められた位置偏差にポジションゲインを乗算して速度指令を作成する。
速度制御部３０は、位置制御部２０で作成された速度指令と、エンコーダ３００で検出された速度ＦＢと、変更部６０からの速度ゲイン及びトルクオフセットとに基づいてトルク指令を作成する。速度制御部３０は、減算器３１と、速度制御器３２と、加算器３３とを備える。
減算器３１は、位置制御部２０で作成された速度指令とエンコーダ３００で検出された速度ＦＢとの速度偏差を求める。速度制御器３２は、減算器３１で求められた速度偏差に、変更部６０からの速度ゲインを乗算する。加算器３３は、速度制御器３２で乗算された乗算値に、変更部６０からのトルクオフセットを加算してトルク指令を作成する。
なお、速度制御部３０は、加算器３３を備えず、速度指令と、速度ＦＢと、速度ゲインとに基づいてトルク指令を作成してもよい。
電流制御部４０は、速度制御部３０で作成されたトルク指令と電流検出器２００で検出された電流ＦＢとに基づいてサーボモータ４００の駆動電流を作成する。電流制御部４０は、減算器４１と電流制御器４２とを備える。
減算器４１は、速度制御部３０で作成されたトルク指令と電流検出器２００で検出された電流ＦＢとのトルク偏差を作成する。電流制御器４２は、減算器４１で求められたトルク偏差にトルクゲインを乗算して駆動電流を作成する。作成された駆動電流は、サーボモータ４００に供給される。
記憶部５０は、所定の速度ゲイン（固定値）、及び、所定のトルクオフセット（固定値）を記憶する。また、記憶部５０は、所定の速度ゲインを変更するためのオーバライドを記憶する。
具体的には、記憶部５０は、図３に示すように、位置ＦＢ（チルト機構５００の位置）を入力とし、入力した位置ＦＢに応じた速度ゲインのオーバライドを出力とする関数を記憶する。具体的には、記憶部５０は、関数として、位置ＦＢと速度ゲインのオーバライドとが関連付けされたデータテーブルを記憶する。図３では、位置ＦＢが示すチルト機構５００の位置が垂直方向の位置（０）から離れるほど、速度ゲインのオーバライドが略比例的に大きくなるように設定される。
記憶部５０は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリである。
変更部６０は、エンコーダ３００で検出された位置ＦＢ（チルト機構５００の位置）に応じて速度ゲインを変更し、変更した速度ゲインと所定のトルクオフセットとを速度制御部３０に供給する。
具体的には、変更部６０は、記憶部５０に記憶された関数から、位置ＦＢに応じた速度ゲインのオーバライドを導出する。具体的には、変更部６０は、データテーブルを参照して、位置ＦＢに応じて速度ゲインのオーバライドを決定する。そして、変更部６０は、導出したオーバライドを、記憶部５０に記憶された所定の速度ゲイン（固定値）に乗算することにより、速度ゲインを変更する。
また、変更部６０は、記憶部５０に記憶された所定のトルクオフセット（固定値）をトルクオフセットとして設定する。
モータ制御部１００は、例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の演算プロセッサで構成される。モータ制御部１００の各種機能（位置指令部１０、位置制御部２０、速度制御部３０、電流制御部４０、変更部６０）は、例えば記憶部５０に格納された所定のソフトウェア（プログラム）を実行することで実現される。モータ制御部１００の各種機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。
ここで、チルト機構５００の位置（すなわち、主軸ユニットの位置）によって、主軸ユニット５１０の重力や回転によりチルト機構５００の傾斜軸Ｘに作用する負荷（荷重（モーメント））が変動する。例えば、傾斜軸Ｘに作用する負荷が増加すると、駆動力が不足して、チルト機構５００が目標位置に到達する時間が遅くなる。すなわち、サーボモータ制御装置１の応答性が低下する。
この点に関し、速度ゲインを大きい値に設定し、応答性を高めることが考えられる。しかし、速度ゲインを常時大きくしてしまうと、負荷が軽いときに発振（振動）してしまう。すなわち、サーボモータ制御装置１の安定性が低下する。
そこで、本実施形態のサーボモータ制御装置１では、変更部６０が、チルト機構（被駆動体）５００の位置に応じて速度ゲインを変更する。これにより、傾斜軸Ｘに作用する負荷が増加するときに、速度ゲインを増加させ、駆動電流を増加させて駆動力を増加させることができる。そのため、チルト機構５００が目標位置に到達する時間の遅れを抑制することができる。すなわち、チルト機構５００の傾斜軸Ｘに作用する負荷の変動に起因する応答性の低下を抑制することができる。
更に、傾斜軸Ｘに作用する負荷が減少するときには、速度ゲインを減少させ、発振（振動）を抑制することができる。これにより、チルト機構５００の傾斜軸Ｘに作用する負荷の変動に起因する応答性の低下を抑制することと、安定性の低下を抑制することとの両立を図ることができる。
（第１実施形態の第１変形例）
第１実施形態では、変更部６０は、エンコーダ３００で検出された位置ＦＢ（チルト機構５００の位置）に応じて速度ゲインを変更したが、位置ＦＢに代えて、位置指令部１０で作成された位置指令（チルト機構５００の位置）に応じて速度ゲインを変更してもよい。
この場合、記憶部５０は、図３に示すように、位置指令（チルト機構５００の位置）を入力とし、入力した位置指令に応じた速度ゲインのオーバライドを出力とする関数を記憶する。具体的には、記憶部５０は、関数として、位置指令と速度ゲインのオーバライドとが関連付けされたデータテーブルを記憶する。図３では、位置指令が示すチルト機構５００の位置が垂直方向の位置（０）から離れるほど、速度ゲインのオーバライドが略比例的に大きくなるように設定される。
変更部６０は、記憶部５０に記憶された関数から、位置指令に応じた速度ゲインのオーバライドを導出する。具体的には、変更部６０は、データテーブルを参照して、位置指令に応じて速度ゲインのオーバライドを決定する。そして、変更部６０は、導出したオーバライドを、記憶部５０に記憶された所定の速度ゲイン（固定値）に乗算することにより、速度ゲインを変更する。
（第１実施形態の第２変形例）
第１実施形態では、記憶部５０は、所定の速度ゲイン（固定値）と、所定の速度ゲインを変更するためのオーバライドとを記憶したが、複数の速度ゲイン（変動値）を記憶してもよい。
具体的には、記憶部５０は、図３に示すように、位置ＦＢ又は位置指令を入力とし、入力した位置ＦＢ又は位置指令に応じた速度ゲインを出力とする関数を記憶する。具体的には、記憶部５０は、関数として、位置ＦＢ又は位置指令と速度ゲインとが関連付けされたデータテーブルを記憶する。図３では、位置ＦＢ又は位置指令が示すチルト機構５００の位置が垂直方向の位置（０）から離れるほど、速度ゲインが略比例的に大きくなるように設定される。
変更部６０は、記憶部５０に記憶された関数から、速度ＦＢ又は位置指令に応じた速度ゲインを導出する。具体的には、変更部６０は、データテーブルを参照して、速度ＦＢ又は位置指令に応じて速度ゲインを決定する。
（第２実施形態）
第１実施形態では、速度ゲインを変更した。第２実施形態では、速度ゲインに代えてトルクオフセットを変更する。
第２実施形態に係るサーボモータ制御装置１の構成は、図１及び図２に示す第１実施形態のサーボモータ制御装置１の構成と同一である。なお、第２実施形態に係るサーボモータ制御装置１では、変更部６０の機能、及び、記憶部５０に記憶する関数（テーブル）が第１実施形態のサーボモータ制御装置１と異なる。
記憶部５０は、所定の速度ゲインを変更するためのオーバライドに代えて、所定のトルクオフセットを変更するためのオーバライドを記憶する。
具体的には、記憶部５０は、図３に示すように、位置ＦＢ（チルト機構５００の位置）を入力とし、入力した位置ＦＢに応じたトルクオフセットのオーバライドを出力とする関数を記憶する。具体的には、記憶部５０は、関数として、位置ＦＢとトルクオフセットのオーバライドとが関連付けされたデータテーブルを記憶する。図３では、位置ＦＢが示すチルト機構５００の位置が垂直方向の位置（０）から離れるほど、トルクオフセットのオーバライドが略比例的に大きくなるように設定される。
変更部６０は、エンコーダ３００で検出された位置ＦＢ（チルト機構５００の位置）に応じてトルクオフセットを変更し、変更したトルクオフセットと所定の速度ゲインとを速度制御部３０に供給する。
具体的には、変更部６０は、記憶部５０に記憶された関数から、位置ＦＢに応じたトルクオフセットのオーバライドを導出する。具体的には、変更部６０は、データテーブルを参照して、位置ＦＢに応じてトルクオフセットのオーバライドを決定する。そして、変更部６０は、導出したオーバライドを、記憶部５０に記憶された所定のトルクオフセット（固定値）に乗算することにより、トルクオフセットを変更する。
また、変更部６０は、記憶部５０に記憶された所定の速度ゲイン（固定値）を速度ゲインとして設定する。
ここで、例えば、傾斜軸Ｘに作用する負荷が増加したときに、出力トルクを増加しようとすると、速度制御部３０における積分器を出力トルクの増加分まで増加させるための時間が長くなる。すなわち、サーボモータ制御装置１の応答性が低下する。
そこで、本実施形態のサーボモータ制御装置１では、変更部６０が、チルト機構（被駆動体）５００の位置に応じてトルクオフセットを変更する。これにより、傾斜軸Ｘに作用する負荷が増加するときに、トルクオフセットを増加させ、速度制御部３０における積分器がトルクオフセット分のトルクを出すために必要な量まで増加するのを抑制することができる。すなわち、チルト機構５００の傾斜軸Ｘに作用する負荷の変動に起因する応答性の低下を抑制することができる。
（第２実施形態の第１変形例）
第２実施形態では、変更部６０は、エンコーダ３００で検出された位置ＦＢ（チルト機構５００の位置）に応じてトルクオフセットを変更したが、位置ＦＢに代えて、位置指令部１０で作成された位置指令（チルト機構５００の位置）に応じて速度ゲインを変更してもよい。
この場合、記憶部５０は、図３に示すように、位置指令（チルト機構５００の位置）を入力とし、入力した位置指令に応じたトルクオフセットのオーバライドを出力とする関数を記憶する。具体的には、記憶部５０は、関数として、位置指令とトルクオフセットのオーバライドとが関連付けされたデータテーブルを記憶する。図３では、位置指令が示すチルト機構５００の位置が垂直方向の位置（０）から離れるほど、トルクオフセットのオーバライドが略比例的に大きくなるように設定される。
変更部６０は、記憶部５０に記憶された関数から、位置指令に応じたトルクオフセットのオーバライドを導出する。具体的には、変更部６０は、データテーブルを参照して、位置指令に応じてトルクオフセットのオーバライドを決定する。そして、変更部６０は、導出したオーバライドを、記憶部５０に記憶された所定のトルクオフセット（固定値）に乗算することにより、トルクオフセットを変更する。
（第２実施形態の第２変形例）
第２実施形態では、記憶部５０は、所定のトルクオフセット（固定値）と、所定のトルクオフセットを変更するためのオーバライドとを記憶したが、複数のトルクオフセット（変動値）を記憶してもよい。
具体的には、記憶部５０は、図３に示すように、位置ＦＢ又は位置指令を入力とし、入力した位置ＦＢ又は位置指令に応じたトルクオフセットを出力とする関数を記憶する。具体的には、記憶部５０は、関数として、位置ＦＢ又は位置指令とトルクオフセットとが関連付けされたデータテーブルを記憶する。図３では、位置ＦＢ又は位置指令が示すチルト機構５００の位置が垂直方向の位置（０）から離れるほど、トルクオフセットが略比例的に大きくなるように設定される。
変更部６０は、記憶部５０に記憶された関数から、速度ＦＢ又は位置指令に応じたトルクオフセットを導出する。具体的には、変更部６０は、データテーブルを参照して、速度ＦＢ又は位置指令に応じてトルクオフセットを決定する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態は、適宜変更されてもよいし、組み合わされて実施されてもよい。例えば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせ、位置ＦＢ又は位置指令に応じて、速度ゲイン及びトルクオフセットの両方を変更してもよい。
また、上述した実施形態では、工作機械における主軸ユニットを傾斜（回転）させるチルト機構（回転機構）を駆動制御するサーボモータ制御装置を例示した。しかし、本発明の特徴はこれに限定されず、被駆動体の位置によって駆動軸に作用する負荷（荷重（モーメント））が変動する種々の被駆動体を駆動制御するサーボモータ制御装置に適用可能である。例えば、本発明の特徴は、工作機械における主軸ユニットをスライドさせるスライド機構にも適用可能である。また、産業機械等における被駆動体を駆動制御するサーボモータ制御装置に適用可能である。
１ サーボモータ制御装置
１０ 位置指令部
２０ 位置制御部
２１ 減算器
２２ 位置制御器
３０ 速度制御部
３１ 減算器
３２ 速度制御器
３３ 加算器
４０ 電流制御部
４１ 減算器
４２ 電流制御器
５０ 記憶部
６０ 変更部
１００ モータ制御部
２００ 電流検出器（電流検出部）
３００ エンコーダ（位置検出部、速度検出部）
４００ サーボモータ
５００ チルト機構（被駆動体）
５１０ 主軸ユニット
５０１ 基材
５０２ アーム

Claims (4)

  1. サーボモータと、
    工作機械における工具を駆動する主軸用モータを含む主軸ユニットを含み、前記サーボモータにより回転駆動される被駆動体であって、回転軸に対して非対称な構成を有し、前記回転軸の周りに回転又は傾斜することにより、前記被駆動体の位置によって前記回転軸に作用する負荷が変動する前記被駆動体と、
    前記被駆動体の位置を検出する位置検出部と、
    前記被駆動体の速度を検出する速度検出部と、
    前記サーボモータを制御するモータ制御部と、
    を備え、
    前記モータ制御部は、
    前記被駆動体の位置指令と前記位置検出部で検出された位置フィードバックとの位置偏差に基づいて速度指令を作成する位置制御部と、
    前記位置制御部で作成された速度指令と前記速度検出部で検出された速度フィードバックとの速度偏差に速度ゲインを乗算し、及びトルクオフセットを加算してトルク指令を作成する速度制御部と、
    前記被駆動体の位置に応じて、前記速度ゲイン及び前記トルクオフセットを変更する変更部と、
    を有する、サーボモータ制御装置。
  2. 前記変更部は、前記被駆動体の位置として、前記位置検出部で検出された位置フィードバックを用いる、請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
  3. 前記変更部は、前記被駆動体の位置として、前記被駆動体の位置指令を用いる、請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
  4. 前記変更部は、前記被駆動体の位置として、前記被駆動体の回転角度を用いる、請求項１〜３の何れか１項に記載のサーボモータ制御装置。
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