JPH04113054A - ベルト伝動機構の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、駆動源の動作をベルトを介して負荷に伝達す
るベルト伝動機構の制御方法に関し、特に前記負荷側に
生しる振動を有効に抑制し得る制御方法に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕モータ
等の駆動源から適宜の負荷への伝動を、前者の出力端と
後者の入力端との間に巻装したベルトを介して行うベル
ト伝動機構は、駆動源と負荷との相対的な位置関係によ
って制限されることなく、簡略な構成にて伝動をなし得
ることから、種々の機械における伝動機構として広く採
用されている。

ところが、このようなベルト伝動機構において前記負荷
を所定の目標位置に到達せしめるべく駆動源を動作せし
めるに際し、−船釣に行われているように、前記駆動源
の現状の動作位置をフィードバック信号として利用し、
該駆動源へ動作指令を与える制御方法を採用した場合、
駆動源と負荷との間に介在する伝動ベルトの弾性挙動に
より負荷に大きい振動が発生し、該負荷が前記目標位置
に達してこの位置に整定するまでの間に多大の時間を要
するという難点があった。なお負荷におけるこの振動は
、駆動源の動作位置をフィードハ。

りする際のループゲインを低くすることにより抑制可能
であるが、この場合、前記目標位置での停止精度が悪化
し、負荷の正確な位置決めが困難となる問題がある。

更に、駆動源側ではなく負荷側にて現状の動作位置を検
出し、この結果を駆動源の動作指令にフィードバックす
る手法もあるが、対象となるヘルド伝動機構、及びこれ
に前置又は後置されたねし機構、歯車機構等の他の伝動
機構とにより負荷側が減速される場合、該負荷の動作位
置を検出する位置センサ及びこれの出力信号の処理系に
極めて高い分解能が要求され、システムコストの高騰を
招来する上、このようなセンサ及び処理系を用いたとし
ても負荷の停止後にベルトの弾性復帰に伴う振動の発生
が避けられない難点があった。

以上のことから従来においては、精密工作機械のテーブ
ル移動、多関節ロボットの関節駆動等、高速動作と高い
位置決め精度とが要求される各種自動化機器へのベルト
伝動機構の採用は困難であるとされており、ボールねし
機構、歯車機構等の弾性の影響が少ない伝動機構が専ら
採用されている。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、高速
動作下にて負荷側に発生する振動が有効に抑制され、高
い位置決め精度を実現でき、各種自動化機器へのベルト
伝動機構の採用を可能とするベルト伝動機構の制御方法
を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るベルト伝動機構の制御方法は、駆動源との
間に伝動ベルトを備えた負荷を所定の目標位置に到達せ
しめるべく、前記駆動源に動作指令を与えるベルト伝動
機構の制御方法において、前記動作指令に従っての動作
中に前記駆動源の動作位置を検出し、この検出結果と前
記動作指令とに基づいて、前記負荷の動作位置及び動作
速度、並びに前記駆動源の動作速度を推定し、これらの
推定結果と前記検出結果とにより前記負荷の躍動及び加
速度を算出して、これらの算出結果と前記負荷の動作速
度の推定結果とを前記動作指令に負帰還することを特徴
とする。

〔作用〕

本発明においては、駆動源の動作位置の検出結果と駆動
源への動作指令とからオブザーバにより負荷の動作位置
及び動作速度、並びに駆動源の動作速度を推定し、この
結果と駆動源の動作位置の検出結果とを用いて負荷の躍
動と加速度とを算出して、これら両者と負荷の動作速度
の推定結果とを駆動源への動作指令に負帰還することに
より、負荷側に適正量の電気的なダンピングが付加され
た状態を作り出し、該負荷に生じる振動を抑制する。こ
のとき前記負帰還におけるフィードバック定数は負荷側
各部の物性により一意に決定されるから、前記ダンピン
グ量の適正化は容易であり、前記振動の抑制は有効にな
され、また以上の過程において検出が必要なものは駆動
源の動作位置のみであり、この検出用センサ及び該セン
サの出力処理系に高い分解能が要求されることもない。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。第１図は、本発明に係るベルト伝動機構のセンサ方法
（以下本発明方法という）の実施状態の一例を示す模式
図である。

本図は、基台１上において案内レール１ａに沿って摺動
する負荷２を駆動源たるモータ３の回転により動作せし
める場合の実施例を示しておりこれは、例えば精密工作
機械におけるテーブル移動の用途等に採用採用される。

図示の如く、基台１の側面には負荷２の移動方向に沿っ
てボールねじ軸４が架設してあり、このボールねじ軸４
には、負荷２に突設されたボールナツト２ａが螺合せし
めである。一方、ボールねじ軸４の基端部にはベルト車
４ａが、また前記モータ３の出力軸にはベルト車３ａが
夫々嵌着されており、両ベルト車３ａ、４ａ間には伝動
ベルト５が巻装しである。以上の構成によりモータ３が
発生する駆動力は、ベルト車３ａ、４ａ及び伝動ベルト
５からなるベルト伝動機構を介してボールねじ軸４に伝
達され、これによりボールねじ軸４が軸心回りに回動し
、この回動力がボールねじ軸４及びこれに螺合するボー
ルナツト２ａからなるボールねし機構の動作により負荷
２の摺動方向の力に変換され、負荷２はこの力の作用に
より基台１上を案内レール１ａに沿って摺動することに
なる。

即ち第１図に示す伝動系は、駆動源であるモータ３と、
前記ボールねし機構を含む負荷２との間に、ベルト車３
ａ、４ａ及び伝動ベルト５からなるベルト伝動機構を備
えてなる。モータ３は、負荷２を所定の目標位置に到達
せしめるべく制御部６からの動作指令Ａに従って駆動さ
れるようになしてあり、該制御部６には、モータ３の回
転軸に装着され、例えばロータリエンコーダを用いてな
る回転角度検出器７から、該モータ３の現状の回転角度
θ１、即ち駆動源の現状の動作位置を示す信号が与えら
れている。

本発明方法に従って動作する制御部６は、外部から与え
られる目標値Ｕと前記回転角度θ１の検出値とを用い、
両者間の偏差を解消すべくモータ３に動作指令へを発す
ると共に、該モータ３の角速度θヨ、並びに該モータ３
にて駆動される負荷２の動作位置Ｘ、及び動作速度Ｘ、
を推定し、更にこれらの推定結果と前記θつとを用いて
負荷２の加速度Ｘ、及び躍動（加速度の時間微分値＞　
Ｘ。

を算出して、これらの算出結果及び負荷２の動作速度Ｘ
あの推定結果を前記動作指令Ａに負帰還することにより
、モータ３にて駆動される負荷２に電気的な適正量のダ
ンピングを付加せしめ、該負荷２の振動を抑制しつつモ
ータ３を駆動する動作をなす。

第２図は、第１図に示す伝動系のモデル図、第３図は同
じくブロック線図であり、図中１０は、モータ３及びベ
ルト車３ａを含むモータ部を、また２０は、ベルト車４
ａ、ボールねじ軸４及び負荷２等を含む負荷部を、更に
３０は、ベルト車３ａ、４ａ及び伝動ベルト５からなる
ベルト伝動機構をを夫々示している。

第１図の伝動系は、第２図に示す如く、慣性モーメント
Ｊ、及び粘性摩擦り、を有するモータ部１０と、慣性モ
ーメントＪ、及び粘性摩擦り、を有する負荷部２０とが
、Ｋなるばね定数を有する伝動ベルト５にて連結された
モデルとして表される。

制御部６からモータ３に与えられる駆動指令Ａは力の次
元を有しており、モータ３は、これの内部の摩擦抵抗力
と負荷部２０からの反力とに抗して動作指令Ａに従う駆
動力を発生すべく駆動され、該動作指令Ａから前記摩擦
抵抗及び前記反力を滅してなる駆動トルクを発生し、こ
の駆動トルクは、ベルト車３ａを含むモータ３のイナー
シャＪ。の逆数をゲインとして有する乗算器１１を経て
モータ部１０の角加速度θ、に具現化され、更に２つの
積分要素１２．１３を経て角速度θ１、回転角度θ１に
順次具現化されて、ベルト伝動機構３０に出力される。

なおこのとき、積分要素１２．１３間に現出する角速度
θ、は、前記粘性摩擦ＤＩをゲインとする乗算器１４を
経てモータ３の摩擦抵抗力に具現化され、モータ部１０
の入力端に負帰還される。また積分要素１３の後に現出
するモータ３の回転角度θ、は、前記回転角度検出器７
により検出されて制御部６に与えられる。

ベルト伝動機構３０は、これの減速比１／Ｎをゲインと
して有する乗算器３１及び伝動ベルト５のばね定数Ｋを
ゲインとして有する乗算器３２を備えてなり、モータ部
１０からの出力Ｂは、乗算器３１を経て負荷部２０の出
力と同次元に変換され、この結果と、負荷２の実際の動
作位置Ｘ８との偏差が弾性体である伝動ベルト５に作用
し、該伝動ベルト５のばね定数Ｋをゲインとして有する
前記乗算器３２を経て力の次元に変換され、この力が負
荷部２０に出力される。なお実際には、負荷２の摺動は
第１図に示す如く、ボールねじ軸４とボールナツト２ａ
とを備えベルト伝動機構３０に後置されたボールねじ機
構の動作を経て生じるから、前記乗算器３１のゲインで
ある減速比１／Ｎ中には、前記ボールねし機構における
減速比もまた含まれる。なおベルト伝動機構３０の出力
Ｃは、前記減速比１ハをゲインとして有する乗算器３３
を経て、負荷部２０からの反力としてモータ部１０の入
力端に負帰還され、前述の如く、モータ３内部の摩擦抵
抗力と共に前記動作指令Ａから減じられる。

負荷部２０においては、負荷２の動作に伴って生じる摩
擦抵抗力と外乱下とを、ベルト伝動機構３０からの入力
Ｃから滅じた力が負荷２の摺動力となる。この摺動力は
、負荷２のイナーシャＪ１の逆数をゲインとする乗算器
２１を経て負荷２の加速度Ｘ１に具現化され、次いで積
分要素１１を経て負荷２の動作速度Ｘ１に具現化され、
更に、積分要素２３を経て負荷２の動作位置Ｘ、が得ら
れる。なおこの動作位置Ｘ、は、ベルト伝動機構３０の
入力端に負帰還され、前述の如く伝動ベルト５の弾性変
形に供される。また積分要素２２．２３間に現出する動
作速度Ｘ１は、負荷部２０における粘性摩擦り。

をゲインとして有する乗算器２４を経て摩擦抵抗力に具
現化され、負荷部２０の入力端に負帰還され、前述の如
く、前記外乱下と共に負荷部２０への入力Ｃから減じら
れる。

さて制御部６は、まず、外部にて設定された目標値Ｕと
回転角度検出器７によるモータ３の回転角度θ、の検出
値との偏差を求めて乗算器６０に与え、所定の位置ゲイ
ンＫｐを乗し、次いで乗算器６０の出力とモータ３の角
速度θ。との偏差を求めて乗算器６１に与え、所定の速
度ゲインに７及びトルク定数ＫＬを乗じることにより、
前記目標値Ｕとの間に生じている偏差の解消に必要な基
本動作指令を得る一方、負荷２の振動抑制のための補正
値りを、補正値演算部６２において前記目標値Ｕと回転
角度θイの検出値とに基づいて算出しており、モータ部
１０への動作指令Ａは、前記補正値りを前記基本動作指
令に負帰還せしめることにより得られている。

本発明方法は、振動抑制のための前記補正値りの算出手
順に特徴を有しており、次にこの手順につき説明する。

第２図に示す如く負荷部２０は、弾性を有するベルト伝
動機構３０を介して駆動部１０に連結されたばね振動系
であり、該負荷部２０の出力である負荷２の動作位置Ｘ
１は次式により与えられる。

この式中の減衰項に着目すると、負荷２の振動を抑制す
るためには、負荷部２０におけるイナーシャＪ１の低減
又は粘性摩擦Ｄ１の増大が有効であることがわかる。と
ころが前者、即ちイナーシャＪ１の低減を実施する場合
、減衰項が発散項となり不安定な動作を招来する虞があ
り、振動抑制と共に安定した動作をなさしめるためには
、後者、即ち粘性摩擦り、を増大せしめるのが望ましい
。

本発明方法は、負荷部２０の機械的な粘性摩擦りつに電
気的なダンピングＤｘを付加せしめ、振動抑制のために
最適な粘性摩擦（Ｄ、＋Ｉ）ｘ）を得ようとするもので
ある。但しこのとき、前記（１）式のり、を（Ｄ、＋Ｄ
ｘ）にて置き換えた結果から明らかな如く、次式が満た
されない場合、応答の悪化を招来する。

４ＫＪｍ＞　　（Ｄ、十〇、）”　　　　・・・（２）
この式は、付加し得るダンピングＤＸの上限を与えるも
のであり、一方、振動の抑制のためには可及的に大なる
ダンピングＤｘの付加が切望されることから、最適なダ
ンピングＤＸは、次式により一意に決定される。

Ｄ−「「π−Ｄ１　　　　　　・・・（３）即ち、（３
）式にて決定されるダンピングＤＸを負荷部２０に付加
せしめた場合、応答性の悪化及び不安定な動作を招来す
ることなく、負荷２の動作中の振動を有効に抑制できる
。本発明方法は、このようなダンピングＤ、の付加を、
モータ部１０への動作指令の補正により以下に示す如く
実行する。

第３図に示す系全体から前記補正値演算部６２を除いた
部分の伝達関数は、制御部６へ与えられる目標値Ｕを入
力とし、負荷２の動作位置Ｘ、を出として次式にて表さ
れる。

Ｕ　　　　　　　　Ｎ ｒ、ｒ、、ｒ、ｓ’　＋　（ＪａＶ　＋　Ｄ、ＪｊＳ’
　＋　（、ｒ、ｐ　＋ｏ、ｖ　＋　ＪＪ）Ｓ”＋（Ｄ、
Ｐ＋ＫＶ）Ｓ＋（ＫＰ−Ｋ”／Ｎ”））　　　−（４１
但しこの式中のＶ、Ｐは、夫々次式にて表される定数で
ある。

Ｖ　＝　ａｍ　＋　ＫｖＫＬ　　　　　　・（５１Ｐ　
＝　ＫｖＫｔＫ、　＋　　−−−−（６）前述したダン
ピングＤＸを負荷部２０に付加することは、前記（４）
式中のり、を（Ｄｌｌ　＋Ｄｘ　）にて置き換えること
に相当する。この置き換えの結果からり、を含む項をま
とめて抜き出すことにより（７）式が得られ、この（７
）弐にて与えられる補正値りをトルク源たるモータ部１
０への動作指令に負帰還せしめた場合、前記ダンピング
Ｄ、の付加が実現される。

この式中、Ｎ、Ｋ及びＪｌｊ、並びにＶに含まれるＤｌ
の各値はいずれも、負荷２、モータ３及びベルト伝動機
構３０各部の物性を表す定数であり、また、■又はＰに
含まれるＫｖ、ＫＬ及びに、、は適宜に設定される定数
であって、更に付加すべきダンピングＤ、は、前述の如
く一意に決定されるから、（７）式による補正値りの算
出のためには、負荷２の動作速度Ｘ２、加速度Ｘ１及び
躍動Ｘ１が得られればよい。これらの内、動作速度Ｘ、
は、オブザーバの設計により、回転角度検出器７にて検
出されるモータ３の回転角度θ１の情報と前記目標値Ｕ
とに基づいて、負荷２の動作位置Ｘ３及びモータ３の角
速度θ８と共に推定でき、また加速度Ｘ、及び躍動Ｘ、
は、このように推定された補正値演算部６２は、前記目
標値Ｕとモータ３の回転角度θ、とから、負荷２の動作
位置Ｘ１及び動作速度Ｘ、、並びにモータ３の角速度θ
、を推定するオブザーバを内蔵し、これらの推定値を用
い（８）式及び（９）式により負荷２の加速度Ｘ、及び
躍動Ｘ、を演算する演算器６３を備えると共に、該演算
器６３から出力されるＸ、　、Ｘ、及びＸ、の夫々に、
（７）式における各別の係数ｐ、ｖ及びＪ、を乗算する
各別の乗算器６４，６５，６６、並びにこれらからの出
力の和にＮ／ＫＯ，を乗算する乗算器６７を備え、全体
として前記（７）式の演算が行われる構成となっている
。そしてこの演算により補正値演算部６２から出力され
る補正値りは、前述の如く、乗算器６１から出力される
基本動作指令に負帰還され、この結果として制御部６が
発する動作指令Ａに応じたモータ３の駆動により、負荷
２の振動は有効に抑制される。

第４図及び第５図は、所定の動作パターンに従う動作中
に負荷２に生じる加速度Ｘ１を実測した結果を示す図で
ある。第４図は本発明方法による場合を、また第５図は
従来法による場合、即ち振動抑制のための補正項りの負
帰還を行わない場合を夫々示しており、両図の比較によ
り本発明方法においては、ベルト伝動機構により駆動力
を伝達する際に発生する振動を極めて有効に抑制し得る
ことが明らかであり、所定の目標位置への位置決めに要
する時間の大幅な短縮化を図れることがわかる。なお第
４図に示す結果は、負荷部２０本来の粘性摩擦り、の４
倍のダンピングＤ、を付加し、従来法における場合の５
倍のダンピング量を与えた場合の結果であり、前記（３
）式によりダンピングＤｘの最適化を図った場合、第３
図に示すよりも更に優れた振動抑制効果が得られること
は勿論である。

なお本実施例においては、駆動源たるモータ３の回転に
より負荷２を摺動させる場合について説明したが、本発
明方法の適用範囲はこれに限るものではな（、駆動源と
負荷との間にベルト伝動機構を有するあらゆる伝動系に
おいて適用可能であることは言うまでもない。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明方法においては、駆動源の動作
位置の検出結果と該駆動源への動作指令とから、負荷の
動作位置及び動作速度と駆動源の動作速度とを推定し、
これらの推定結果と駆動源の動作位置の検出結果とを用
いて算出される負荷の躍動及び加速度、並びに前記推定
結果として得られる負荷の速度を前記動作指令に負帰還
することにより、ベルト伝動機構にて駆動源に連結され
た負荷に電気的なダンピングを付加した状態を作り出し
ており、この負帰還に際してのフィードバック定数の最
適化が容易に行え、ベルト伝動機構における振動の発生
を特殊なセンサを要することなく極めて有効に抑制でき
、所定の目標位置への位置決め時間を大幅に短縮できる
。従って本発明方法の採用により、精密工作機械のテー
ブル移動、多関節ロボットの関節駆動等、高速動作と高
い位置決め精度とが要求される各種自動化機器へのベル
ト伝動機構の採用が可能となる等、本発明は優れた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施態様の一例を示す模式図、第
２図は第１図に示す伝動系全体のモデル図、第３図は同
じく伝動系全体のブロック線図、第４図は本発明方法に
より制御された負荷に生しる加速度の実測結果を示すグ
ラフ、第５図は従来法により制御された負荷に生じる加
速度の実測結果を示すグラフである。 工・・・基台　　２・・・負荷節　　３・・・モータ４
・・・ボールねじ軸　　５・・・伝動ベルト６・・・制
御部　　７・・・回転角度検出器　　１０・−・モータ
部　　２０・・・負荷部　　３０・・・ベルト伝動機構
６２・・・補正値演算部 特　許　出願人　　株式会社椿本チエイン代理人　弁理
士　　河　　野　　登　　夫Ｓ 鍬 硬 °× は 鰍 硬 ：×

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、駆動源との間に伝動ベルトを備えた負荷を所定の目
   標位置に到達せしめるべく、前記駆動源に動作指令を与
   えるベルト伝動機構の制御方法において、 前記動作指令に従っての動作中に前記駆動 源の動作位置を検出し、この検出結果と前記動作指令と
   に基づいて、前記負荷の動作位置及び動作速度、並びに
   前記駆動源の動作速度を推定し、これらの推定結果と前
   記検出結果とにより前記負荷の躍動及び加速度を算出し
   て、これらの算出結果と前記負荷の動作速度の推定結果
   とを前記動作指令に負帰還することを特徴とするベルト
   伝動機構の制御方法。