JP2010123018A - サーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械等に適用するサーボ制御装置において、送り機構や機械要素で発生する捩れや撓みに起因する遅れや振動を抑制する。
【解決手段】制御回路２０，３０と電流制御部３とサーボモータ１と送り機構１０とテーブル２を含むサーボ制御系Ｉの周波数特性を測定する。しかも、テーブル２の移動範囲を多数に区分した各区間に対応して周波数特性を測定する。この周波数特性と逆特性となっている逆周波数特性を、各区間毎に求める。そして、実作業時には、テーブル２が位置している区間に対応した逆周波数特性をディジタルフィルタ１２１に設定する。そうすると、ディジタルフィルタ１２１とサーボ制御系Ｉを合わせた伝達関数が１となり、送り機構や機械要素で発生する捩れや撓みに起因する遅れや振動を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明はサーボ制御装置に関し、工作機械等において、モータの回転運動を送り機構により直線運動に変換して移動体（テーブルやサドル）を直線移動させる場合に、送り機構や機械構造で発生する「捩れ」や「撓み」等に起因する遅れや振動を効果的に抑制することができるように工夫したものである。

工作機械では、サーボモータの回転運動を、送り機構により直線運動に変換して、移動体（テーブルやサドル）を直線移動させている。

ここで図５を参照して、工作機械に使用されている送り機構１０を説明する。
図５に示すようにサーボモータ１の回転運動を、直線運動に変換して、テーブル２を直線移動させるために、送り機構１０が用いられている。

送り機構１０では、サーボモータ１の回転力が、ギヤ１１を介してボールねじ軸１２に伝達される。ボールねじ軸１２は、支持部１３ａ，１３ｂによりベッド１４上で回転自在に支持されている。テーブル２にはボールねじナット１５が固定されており、ボールねじナット１５がボールねじ軸１２に螺合している。
したがって、サーボモータ１が回転駆動してボールねじ軸１２が回転されると、ボールねじナット１５及びこれに固定されているテーブル２が直線移動する。なお、ボールねじ軸１２とボールねじナット１５を合わせて、ボールねじ送り機構１６が構成されている。

サーボモータ１は、電流制御部３から指令電流指令Ｉｃに応じた電流が供給されて回転駆動する。またサーボモータ１には、パルスエンコーダ４が取り付けられており、パルスエンコーダ４は、サーボモータ１の回転速度を示すモータ速度信号ω_Mを出力する。
一方、位置検出器５は、テーブル２の位置を示す移動体位置信号θ_Lを出力する。
モータ速度信号ω_M及び移動体位置信号θ_Lは、次に述べるように、テーブル２を位置制御するのに使用される。

テーブル２を位置制御するには、古典制御理論を基にしたフィードバック制御が一般的に使用されており、更に、遅れ補償をするためにフィードフォワード制御が追加される。

ここで、テーブル２をフィードバック制御するフィードバック制御回路２０を備えたサーボ制御装置を、図６を参照して説明する。
図６に示すように、フィードバック制御回路２０は、減算器２１と、乗算器２２と、減算器２３と、比例積分演算器２４を有している。

減算器２１は、テーブル２の目標移動位置を示す指令位置信号θと、移動体位置信号θ_Lとの差である偏差位置信号Δθを出力する。
乗算器２２は、偏差位置信号Δθに位置ループゲインＫｐを乗算して偏差速度信号ΔＶを出力する。
減算器２３は、偏差速度信号ΔＶとモータ速度信号ω_Mとの偏差である指令速度信号Ｖを出力する。

比例積分演算器２４は、指令速度信号Ｖを比例積分演算して指令電流指令Ｉｃを出力する。即ち、比例積分演算器２４は、速度ループ比例ゲインＫ_Vと速度ループ積分ゲインＫ_Viを用いて、Ｉｃ＝Ｖ×（Ｋ_V＋Ｋ_Vi／ｓ）という演算をして、指令電流指令Ｉｃを求めている。なお、ｓはラプラス演算子である（なお以降の説明においても「ｓ」はラプラス演算子を示す）。

サーボモータ１は、電流制御部３から電流制御信号Ｉに応じた電流が供給されて回転駆動する。

結局、移動体位置信号θ_Lをフィードバックして位置フィードバック制御を行うと共に、モータ速度信号ω_Mをフィードバックして速度フィードバック制御を行っている。

ところでフィードバック制御回路２０を用いてフィードバック制御をしていても、指令位置信号θが示す指令位置に対して、テーブル２の実際の位置（機械位置）は遅れて追従する。

このような遅れを補償するため、図７に示すように、フィードフォワード制御回路３０を追加することが行われている。

フィードフォワード制御回路３０は、微分器３１と、乗算器３２と、微分器３３と、乗算器３４と、加算器３５，３６を有している。
そして、指令位置信号θを微分して位置制御ループ遅れ補償係数αを掛けた位置フィードフォワード信号Ｘを、加算器３５により偏差速度信号ΔＶに加算している。更に、位置フィードフォワード信号Ｘを微分して速度制御ループ遅れ補償係数βを掛けた速度フィードフォワード信号Ｙを、加算器３６により指令電流指令Ｉｃに加算している。

このようにフィードフォワード制御回路３０を用いてフィードフォワード制御を付加することにより、サーボモータ１の位置制御系及び速度制御系の遅れをほぼ完全に補償することができる。

しかし、フィードバック制御にフィードフォワード制御を付加したとしても、送り機構１０やテーブル２の撓みや捩れ等の動的な変形による遅れや振動は補償することができない。
例えば、ボールねじ送り機構１６（ボールねじ軸１２及びボールねじナット１５）の剛性は有限であるため、軸移動などの運動時にはボールねじ送り機構１６において捩れや撓みが発生し、これが加工精度の悪化の原因となっていた。

そこで、モータや、ボールねじ送り機構や、移動体（テーブル等）を理論的にモデルにより近似し、そのモデルの逆特性となっている伝達関数（逆伝達関数）を備えた補償回路を備えてフィードフォワード補償する手法が提案されている（特許文献１，２参照）。

図８はサーボモータ１とテーブル２をモデル化した制御回路であり、図９はサーボモータ１と、ボールねじ送り機構１６（ボールねじ軸１２及びボールねじナット１５）と、テーブル２をモデル化した制御回路である。

図８，図９に示すように、サーボモータ１の特性をモデル化して伝達関数で示すと、ブロック１−１とブロック１−２で示される。なお、Ｊ_Mはモータイナーシャを示し、Ｄ_Mはモータ粘性を示す。
ブロック１−１からはモータ速度信号ω_Mが出力され、ブロック１−２からはモータ位置信号θ_Mが出力される。

また移動体であるテーブル２の特性をモデル化して伝達関数で示すと、ブロック２−１とブロック２−２とブロック２−３とで示される。なお、Ｊ_Lは移動体（テーブル）のイナーシャを示し、Ｄ_Lは移動体（テーブル）の粘性を示し、Ｃ_Lは移動体（テーブル）のばね粘性を示し、Ｋ_Lは移動体（テーブル）のばね剛性を示す。
ブロック２−３からは移動体位置信号θ_Lが出力される。

更に、図９に示すように、ボールねじ送り機構１６の特性をモデル化して伝達関数で示すと、ブロック１６−１とブロック１６−２とブロック１６−３とで示される。なお、Ｊ_Bはボールねじ送り機構のイナーシャを示し、Ｄ_Bはボールねじ送り機構の粘性を示し、Ｃ_Bはボールねじ送り機構のばね粘性を示し、Ｋ_Bはボールねじ送り部のばね剛性を示す。
ブロック１６−３からは送り機構位置信号θ_Bが出力される。

このようにして、サーボモータ１やテーブル２やボールねじ送り機構１６をモデル化して伝達関数を求める。更に、この伝達関数の逆特性となっている伝達関数（逆伝達関数）特性を備えた補償回路を作製し、この補償回路を加えることで、送り機構１０やテーブル２の撓みや捩れ等の動的な変形による遅れや振動を補償することが提案されている。

特許第３３５１９９０号公報 特許第３７３９７４９号公報

しかし、サーボモータ１やテーブル２やボールねじ送り機構１６の特性を完全に近似したモデルを形成することは困難であり、また仮に完全に近似できたとしても、そのモデルにおける各部位の物理定数（イナーシャ、剛性、摩擦係数（粘性係数）、減衰係数など）を適正に把握することは困難であった。このため、逆伝達関数を備えた補償回路を付加したとしても、送り機構や機械構造において発生する捩れや撓み等の機械変形により発生する遅れを完全に補償することは難しいのが現状であった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、制御対象である送り系や機械系をモデル化して伝達関数を求め、その逆伝達関数特性を有する補償回路を付加するのではなく、制御回路から移動体（テーブルや、テーブル等の移動体に備えられ工具も含む）に至る周波数特性、即ち、制御回路，電流制御部，サーボモータ，送り機構及び移動体を含むサーボ制御系全体の周波数特性を把握して、サーボ制御装置全体として遅れを補償することができるようにした、サーボ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
サーボモータと、
前記サーボモータによる回転運動を直線運動に変換する送り機構と、
前記送り機構の直線運動により直線移動する移動体と、
位置フィードバック制御と速度フィードバック制御を少なくとも行い、指令位置信号で示す目標移動位置に前記移動体を移動させるための指令電流指令を出力する制御回路と、
前記指令電流指令に応じた電流を前記サーボモータに供給して前記サーボモータを回転駆動する電流制御部と、
を有するサーボ制御装置において、
前記制御回路よりも前段に配置されると共に逆周波数特性が設定されるようになっており、設定された前記逆周波数特性により前記指令位置信号を補償してから前記制御回路に送るディジタルフィルタと、
前記移動体の直線移動範囲を複数の区間に区分し、各区間毎に各区間に対応した逆周波数特性が記憶されており、前記移動体の位置を示す位置信号が入力されると、その位置信号で示す位置が含まれる区間に対応して記憶した逆周波数特性を、前記ディジタルフィルタに設定する逆周波数特性記憶・設定装置とを有し、
前記逆周波数特性の演算は、前記移動体を各区間に位置させた状態において、前記制御回路にsin波スイープ加振信号を入力したときに、前記移動体の位置を示す位置信号であるsin波スイープ加振出力信号を検出し、前記sin波スイープ加振信号と前記sin波スイープ加振出力信号を基に、前記制御回路から前記移動体に至る周波数特性を演算し、演算した周波数特性からその逆特性となっている逆周波数特性を各区間毎に求めていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記移動体の位置を示す位置信号とは、前記移動体の位置を検出する位置検出器から出力される移動体位置信号であること、
または、前記移動体の位置を示す位置信号とは、前記移動体に備えられたセンサから出力される位置信号であること、
または、前記移動体の位置を示す位置信号とは、前記移動体に取り付けた工具に備えたセンサから出力される位置信号であることを特徴とする。

本発明によれば、制御回路から移動体に至る系の周波数特性と逆の特性となっている逆周波数特性を有するディジタルフィルタを、制御回路よりも前段に配置した。このため、全体としての伝達関数が１となり、送り機構や機械要素で発生する捩れや撓みに起因する遅れや振動を抑制することができ、正確なサーボ制御を行うことができる。
したがって、工作機械のサーボ制御装置に本発明を適用すると、加工精度の向上を図ることができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

本発明の実施例１に係る工作機械のサーボ制御装置を、図１及び図２を参照して説明する。

まず最初に図１を参照して、サーボ制御系Ｉの周波数特性を測定・演算して、その周波数特性の逆周波数特性を求める手法を先に説明する。
サーボ制御系Ｉとは、制御回路（フィードバック制御回路２０ａ及びフィードフォワード制御回路３０），電流制御部３，サーボモータ１，送り機構１０及び移動体（テーブル２等）を含む構成系統をいう。
このようにサーボ制御系Ｉの周波数特性を測定・演算して、その逆周波数特性を求める工程は、工作機械で実作業をする前の段階で行う。

なお図１に示すフィードバック制御回路２０ａは、図６及び図７に示すフィードバック制御回路２０と略同じ構成となっている。
異なる部分は、フィードバック制御回路２０では、パルスエンコーダ４から出力されたモータ速度信号ω_Mを用いて速度フィードバック制御をしているが、フィードバック制御回路２０ａでは、モータ１のモータ位置信号θ_Mを微分器２５で微分して得たモータ速度信号ω_Mを用いて速度フィードバック制御をしている点である。
フィードバック制御回路２０ａの他の部分の構成は、フィードバック制御回路２０と同じであり、更に、サーボ制御系Ｉの他の部分は図６，図７に示すものと同じであるので、図６，図７に示すものと同一機能を果たす部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。

周波数特性測定装置１００は、sin波スイープ加振信号源１０１からsin波スイープ加振信号Ｓ１を出力し、このsin波スイープ加振信号Ｓ１を、加算器１１０を介して、サーボ制御系Ｉのフィードバック制御回路２０ａ及びフィードフォワード制御回路３０に入力する。
なおsin波スイープ加振信号Ｓ１は、波形がsin波であり、その周波数が低周波数から高周波数にまで時間の経過と共に漸増する信号である。

このようにしてsin波スイープ加振信号Ｓ１をサーボ制御系Ｉに入力すると、位置検出器５から出力される移動体位置信号θ_Lが変動し、この変動した移動体位置信号θ_Lをsin波スイープ加振出力信号Ｓ２とする。
このsin波スイープ加振出力信号Ｓ２は、sin波スイープ加振出力信号入力部１０２を介して周波数特性測定装置１００に取り込まれる。

サーボ制御系Ｉの周波数特性を演算する周波数特性演算部１０３は、サーボ制御系Ｉに入力したsin波スイープ加振信号Ｓ１と、サーボ制御系Ｉから出力されたsin波スイープ加振出力信号Ｓ２を基に、サーボ制御系Ｉ（即ち、制御回路２０ａ，３０から移動体（テーブル２）に至る系統）の周波数特性である周波数ゲイン特性と周波数位相特性を演算する。

この場合、移動体であるテーブル２の直線移動範囲を複数の区間に区分し、指令位置信号θにより、テーブル２の位置を各区間内に位置させる。
そして、テーブル２を各区間内に位置させた各状態において、sin波スイープ加振信号Ｓ１をサーボ制御系Ｉに入力して、その時にサーボ制御系Ｉから出力されたsin波スイープ加振出力信号Ｓ２を取り込み、各区間毎に対応したサーボ制御系Ｉの周波数特性を演算する。

周波数特性記憶部１０４は、演算されたサーボ制御系Ｉの周波数特性を、各区間毎に対応させて記憶する。

逆周波数特性演算・記憶部１０５は、各区間毎に対応したサーボ制御系Ｉの周波数特性から、それぞれ逆周波数特性を演算する。即ち、各区間毎に対応した逆周波数特性を演算する。更にこのようにして演算した逆周波数特性を各区間毎に対応して記憶する。
なお、逆周波数特性の周波数ゲイン特性と周波数位相特性は、元の周波数特性の周波数ゲイン特性と周波数位相特性の逆の特性になっている。

次に図２を参照して実施例１に係る工作機械のサーボ制御装置を説明する。
実施例１では、サーボ制御系Ｉと周波数特性測定装置１００の他に、逆周波数特性記憶・設定装置１２０とディジタルフィルタ１２１が備えられている。
なお図２の状態は、工作機械により実作業をしている状態であり、このときには、周波数特性測定装置１００による周波数特性測定は行わない。

逆周波数特性記憶・設定装置１２０には、周波数特性測定装置１００の逆周波数特性演算・記憶部１０５に既に記憶されている「各区間毎に対応したサーボ制御系Ｉの逆周波数特性」が伝送されて、この「各区間毎に対応したサーボ制御系Ｉの逆周波数特性」が記憶される。
更に、逆周波数特性記憶・設定装置１２０には、移動体位置信号θ_Lが入力される。

逆周波数特性記憶・設定装置１２０は、入力された移動体位置信号θ_Lを基に、移動体であるテーブル２の直線移動範囲を複数に区分した区間のうちの、どの区間にテーブル２が位置しているかを判定する。
そして判定した区間に対応するサーボ制御系Ｉの逆周波数特性を、ディジタルフィルタ１２１に設定する。

ディジタルフィルタ１２１は、サーボ制御系Ｉの制御回路２０ａ，３０よりも前段に配置されており、指令位置信号θを、設定された逆周波数特性により補償してから、サーボ制御系Ｉに送っている。つまり、指令位置信号θを逆周波数特性となっているフィルタによりフィルタリングしてから、サーボ制御系Ｉに送っている。
なお、ディジタルフィルタ１２１に、逆周波数特性記憶・設定装置１２０から、新たな逆周波数特性が設定されると、以前に設定されていた逆周波数特性は消去され、最新の逆周波数特性が設定されるようになっている。

したがって、テーブル２が移動していったときには、テーブル２が位置する区間に対応した逆周波数特性が、ディジタルフィルタ１２１に次々と設定されていく。

ディジタルフィルタ１２１とサーボ制御系Ｉとを連結した系統を、補償サーボ制御系IIとすると、補償サーボ制御系IIの伝達関数は１となる。
これは、ディジタルフィルタ１２１には、サーボ制御系Ｉの周波数特性に対して逆特性となっている逆周波数特性（テーブル２が位置する区間に対応する逆周波数特性）が設定されているからであり、サーボ制御系Ｉの周波数特性とディジタルフィルタ１２１の逆周波数特性とが直列的に連結した補償サーボ制御系の伝達関数が１となるのである。

このように補償サーボ制御系IIの伝達関数が１となるため、指令位置信号θに対する制御対象（テーブル２）の遅れは０となる。
この結果、送り機構１０やテーブル２で発生する捩れや撓み等に起因する遅れや振動を効果的に抑制することができる。

このように本実施例では、制御対象をモデル化により近似するのではなく、周波数特性によりその応答性を捉え、その逆周波数特性を有するディジタルフィルタ１２１をサーボ制御系Ｉの前段に挿入することにより、制御対象において発生する機械要素の撓みや捩れに起因する遅れや振動をより正確に抑制することが可能となる。
しかも、逆周波数特性は簡単かつ正確に求めることができるので、本実施例を実機に対して確実・容易に適用することができる。

次に本発明の実施例２に係るサーボ制御装置を図３を参照して説明する。
実施例２のフィードバック制御回路２０ｂは、セミクローズド制御になっている。即ち、位置フィードバック制御をするためにフィードバックする信号として、移動体位置信号θ_Lではなくモータ位置信号θ_Mを採用している。

また、加速度センサや変位センサなどのセンサ４０を、テーブル２の端部に設置し、このセンサ４０から出力される位置信号θｓを、移動体（テーブル２）の位置を示す位置信号として用いている。
なお、センサ４０として加速度センサなどを用いる場合には、移動体（テーブル２）の位置を正確に検出できないこともあるため、この場合には逆周波数特性記憶・設定装置１２０には移動体（テーブル２）の位置を判定するための信号としてモータ位置信号θ_Mが入力される。
他の部分の構成は、図１に示す実施例１と同様である。

実施例２も実施例１と同様に、逆周波数特性を有するディジタルフィルタ１２１をサーボ制御系Ｉの前段に挿入することにより、制御対象において発生する機械要素の撓みや捩れに起因する遅れや振動をより正確に抑制することが可能となる。
また実施例２では、機械（テーブル）の端部に機械位置を検出する位置検出器が無いセミクローズドループでも、本願発明を適用することができる。

次に本発明の実施例３に係るサーボ制御装置を図４を参照して説明する。
実施例３では、移動体に備えた工具４１に、加速度センサや変位センサなどのセンサ４２を設置し、このセンサ４２から出力される位置信号θｓ₁を、移動体（テーブル２）の位置を示す位置信号として用いている。
なお、実施例３においてもセンサ４０として加速度センサなどを用いる場合には、移動体（テーブル２）の位置を正確に検出できないこともあるため、この場合には逆周波数特性記憶・設定装置１２０には移動体（テーブル２）の位置を判定するための信号として移動体位置信号θ_Lが入力される。
他の部分の構成は、図１に示す実施例１と同様である。

実施例３も実施例１と同様に、逆周波数特性を有するディジタルフィルタ１２１をサーボ制御系Ｉの前段に挿入することにより、制御対象において発生する機械要素の撓みや捩れに起因する遅れや振動をより正確に抑制することが可能となる。
また実施例３では、工具４１もサーボ制御系Ｉに含め、サーボ制御系Ｉの周波数特性は制御回路２０，３０から工具４１に至る特性としているため、移動に伴う工具４１の変位や振動も抑制することができる。

本発明のサーボ制御装置は、工作機械に適用されるサーボ制御装置のみならず、移動体（負荷）の位置をサーボ制御する各種のサーボ制御装置に適用することができる。

サーボ制御系及び周波数特性測定装置を示すブロック構成図。 本発明の実施例１に係るサーボ制御装置を示すブロック構成図。 本発明の実施例２に係るサーボ制御装置を示すブロック構成図。 本発明の実施例３に係るサーボ制御装置を示すブロック構成図。 送り機構を示す構成図。 従来のサーボ制御装置を示すブロック構成図。 従来のサーボ制御装置を示すブロック構成図。 制御対象をモデル化して表した従来のサーボ制御装置を示すブロック構成図。 制御対象をモデル化して表した従来のサーボ制御装置を示すブロック構成図。

符号の説明

１ サーボモータ
２ テーブル
３ 電流制御部
４ パルスエンコーダ
５ 位置検出器
１０ 送り機構
２０ フィードバック制御回路
３０ フィードフォワード制御回路
４０，４２ センサ
４１ 工具
１００ 周波数特性測定装置
１２０ 逆周波数特性記憶・設定装置
１２１ ディジタルフィルタ

Claims (4)

1. サーボモータと、
   前記サーボモータによる回転運動を直線運動に変換する送り機構と、
   前記送り機構の直線運動により直線移動する移動体と、
   位置フィードバック制御と速度フィードバック制御を少なくとも行い、指令位置信号で示す目標移動位置に前記移動体を移動させるための指令電流指令を出力する制御回路と、
   前記指令電流指令に応じた電流を前記サーボモータに供給して前記サーボモータを回転駆動する電流制御部と、
   を有するサーボ制御装置において、
   前記制御回路よりも前段に配置されると共に逆周波数特性が設定されるようになっており、設定された前記逆周波数特性により前記指令位置信号を補償してから前記制御回路に送るディジタルフィルタと、
   前記移動体の直線移動範囲を複数の区間に区分し、各区間毎に各区間に対応した逆周波数特性が記憶されており、前記移動体の位置を示す位置信号が入力されると、その位置信号で示す位置が含まれる区間に対応して記憶した逆周波数特性を、前記ディジタルフィルタに設定する逆周波数特性記憶・設定装置とを有し、
   前記逆周波数特性の演算は、前記移動体を各区間に位置させた状態において、前記制御回路にsin波スイープ加振信号を入力したときに、前記移動体の位置を示す位置信号であるsin波スイープ加振出力信号を検出し、前記sin波スイープ加振信号と前記sin波スイープ加振出力信号を基に、前記制御回路から前記移動体に至る周波数特性を演算し、演算した周波数特性からその逆特性となっている逆周波数特性を各区間毎に求めていることを特徴とするサーボ制御装置。
2. 請求項１のサーボ制御装置において、
   前記移動体の位置を示す位置信号とは、前記移動体の位置を検出する位置検出器から出力される移動体位置信号であることを特徴とするサーボ制御装置。
3. 請求項１のサーボ制御装置において、
   前記移動体の位置を示す位置信号とは、前記移動体に備えられたセンサから出力される位置信号であることを特徴とするサーボ制御装置
4. 請求項１のサーボ制御装置において、
   前記移動体の位置を示す位置信号とは、前記移動体に取り付けた工具に備えたセンサから出力される位置信号であることを特徴とするサーボ制御装置

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