JP5711560B2

JP5711560B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP5711560B2
Application number: JP2011025690A
Authority: JP
Inventors: 安藤　徹; 徹安藤; 智寿亀山
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: JP2012165610A

Description

本発明は、モータ制御装置に係り、特に同一軸を複数のモータで駆動するタンデム制御を行なうモータ制御装置に関するものである。

工作機械等において、移動させようとする可動部が大きく、その移動軸を一つのモータだけで駆動することが出来ない場合において、二つのモータに対して同一の指令を行ない、可動部（同一軸）を二つのモータで駆動するタンデム制御が行なわれている。

図３は従来の二つのモータによるタンデム制御を行なうための制御ブロックを示す図である。この図において、この図において図示されていない二つのモータ（マスタ軸モータとスレーブ軸モータ）は、それぞれ電流制御部３３Ｍ、３３Ｓで算出されたマスタ軸電流指令、スレーブ軸電流指令により駆動制御される。

まず、マスタ軸およびスレーブ軸での動作について記述する。マスタ軸では、位置指令値Ｐ＊と位置帰還Ｐｍとから位置制御部３１Ｍで速度指令値Ｖｍ＊を算出し、この算出された速度指令値Ｖｍ＊と速度帰還Ｖｍとから速度制御部３２ＭでＰＩ制御等の演算を行ない、トルク指令値Ｔｍ＊を算出する。電流制御部３３Ｍは、このトルク指令値Ｔｍ＊と電流帰還Ｉｍとからマスタ軸電流指令を算出し、マスタ軸モータを駆動制御する。また、速度制御部３２Ｍで算出されたトルク指令値Ｔｍ＊は、反転器３４を通してトルク調停部３５に渡される。ここで、反転器３４はマスタ軸モータとスレーブ軸モータの回転方向に応じて、符号を反転させるために用いられており、回転方向が同一の場合には符号反転を行なわず、回転方向が異なる場合には符号反転を行なう。次に、スレーブ軸では、マスタ軸と同一の位置指令値Ｐ＊と位置帰還Ｐｓとから位置制御部３１Ｓで速度指令値Ｖｓ＊を算出し、この算出された速度指令値Ｖｓ＊と速度帰還Ｖｓとから速度制御部３２ＳでＰＩ制御等の演算を行ない、トルク指令値Ｔｓ＊を算出する。このトルク指令値Ｔｓ＊とマスタ軸からのトルク指令値Ｔｍ＊とからトルク調停部３５にて調停トルク指令値Ｔｓ１＊を算出する。この調停トルク指令値Ｔｓ１＊と電流帰還Ｉｓとからスレーブ軸電流指令を算出し、スレーブ軸モータを駆動制御する。

次に、図４にてトルク調停部３５での処理について詳しく説明する。トルク調停部３５では、マスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊とスレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊との差に対してフィルタ処理を行ない、調停トルク指令値Ｔｓ１＊を算出する。すなわち、トルク指令値の差（Ｔｍ＊−Ｔｓ＊）から前回のトルク調停値Ｔａ＊を引いた値に対して係数４１を掛け、前回のトルク調停値Ｔａ＊を加算することにより、今回のトルク調停値Ｔａ＊を算出する。これらの処理は、マスタ軸のトルク指令値とスレーブ軸のトルク指令値との差およびトルク調停値をそれぞれＴｄ（ｎ）およびＴａ＊（ｎ）とすれば、

Ｔａ＊（ｎ）＝Ｋ＊（Ｔｄ（ｎ）−Ｔａ＊（ｎ−１））＋Ｔａ＊（ｎ−１）・・・式１
で表される。ただし、Ｔａ＊（ｎ−１）は前回のトルク調停値を示す。この式１からスレーブ軸の調停トルク指令値Ｔｓ１＊は、
Ｔｓ１＊＝Ｔｓ１＊（ｎ）＝Ｔａ＊（ｎ）＋Ｔｓ＊（ｎ）
＝Ｋ＊（Ｔｄ（ｎ）−Ｔａ＊（ｎ−１））＋Ｔａ＊（ｎ−１）＋Ｔｓ＊（ｎ）
＝Ｋ＊（（Ｔｍ＊（ｎ）−Ｔｓ＊（ｎ））−Ｔａ＊（ｎ−１））＋Ｔａ＊（ｎ−１）＋Ｔｓ＊（ｎ）・・・式２
となる。ここで、トルク調停値Ｔａ＊（ｎ）はスレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊（ｎ）をマスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊（ｎ）と同じ値に近づくように補正する。そして、トルク指令値の差Ｔｄ（ｎ）から前回のトルク調停値Ｔａ＊（ｎ−１）を引き、さらにその値に定数Ｋを掛けた値が前回のトルク調停値Ｔａ＊（ｎ−１）からの増加分であるので、トルク調停値Ｔａ＊（ｎ）はマスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊（ｎ）が急に大きく変化しても、その変化を緩和して、スレーブ軸のトルク指令値を徐々にマスタ軸のトルク指令値の値に補正する。言い換えると、マスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊（ｎ）とスレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊（ｎ）との差Ｔｄ（ｎ）に対して、ある時定数によるローパスフィルタ処理を行い、低周波成分を抽出して、スレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊（ｎ）を補正する。したがって、トルク調停部を備えることで、位置誤差によるモータ同士の駆動力の干渉が発生することを防止でき、また、マスタ軸のトルク指令値が急に大きく変化した場合でも、スレーブ軸のトルク指令値に影響を与えることを防止でき、安定した制御が可能となる。

つまり、スレーブ軸の調停トルク指令値Ｔｓ１＊は、定常状態では低周波成分であるマスタ軸トルク指令値Ｔｍ＊を使用することになる。また、過渡状態では高周波成分であるスレーブ軸トルク指令値Ｔｓ＊を使用することになる。すなわち、定常状態ではマスタ軸とスレーブ軸で同一のトルク指令値となり、マスタ軸モータとスレーブ軸モータとの干渉が発生しなくなり、安定した制御が可能となる。

特許第３９５４８１８号明細書特許第３５３７４１６号明細書

従来の二つのモータによるタンデム制御では、位置制御および速度制御および電流制御をマスタ軸とスレーブ軸それぞれにて行なっている。そのため、加減速などの軸動作を行なうと、異なった検出器からの位置帰還（Ｐｍ、Ｐｓ）や速度帰還（Ｖｍ、Ｖｓ）に違いが生じるため、マスタ軸とスレーブ軸にて算出されるトルク指令値（Ｔｍ＊、Ｔｓ＊）にも違いが生じる。この場合、マスタ軸モータとスレーブ軸モータとの干渉が発生することになるが、トルク調停部３５により、定常状態ではマスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊とスレーブ軸の調停トルク指令値Ｔｓ１＊は同一の値となり、安定した制御が可能となる。

しかし、定常状態の場合、マスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊とスレーブ軸の調停トルク指令値Ｔｓ１＊は同一の値となるが、スレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊とは異なる値となっている。この時、スレーブ軸の速度制御部３２Ｓの積分成分は、スレーブ軸の調停トルク指令値Ｔｓ１＊に対し、同一の値となっていない場合があり、また適切な値となっていない。停止時にスレーブ軸の速度制御部３２Ｓの積分成分にスレーブ軸の微小な速度偏差分により、大きな積分成分が演算される。このため、停止後の反転動作等の過渡状態において、適切な積分成分に達するまでに時間遅れが発生し、スレーブ軸の速度制御の応答性が悪化する課題があった。

また、積分成分の出力を同一にする方式も提案されているが、加減速等の動作中において、マスタ軸とスレーブ軸が全く同一動作をするわけではないため、同一の積分成分を使用することで過渡時の速度制御性が低下する。本来、マスタ軸とスレーブ軸で積分成分は異なるものであるが、同一の値を使用することで、偏差分を比例成分のみで制御することになる。よって、どちらか一方の軸に、または両方の軸に微小な偏差が発生することになる。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、マスタ軸モータと少なくとも一つのスレーブ軸モータとを用いて、一つの軸を駆動するタンデム方式のモータ制御装置であって、前記モータ毎に位置制御部と速度制御部と電流制御部とを具備し、さらにスレーブ軸にはマスタ軸のトルク指令値と前記スレーブ軸のトルク指令値とから前記スレーブ軸の調停トルク指令値を算出するトルク調停部と、前記スレーブ軸には上位制御装置からの指令の反転を検出する指令反転検出部と、を備え、前記指令反転検出部は、前記上位制御装置からの指令の反転を検出した場合、指令反転直前の前記調停トルク指令値を前記スレーブ軸の速度制御部の積分成分に設定する。または、前記スレーブ軸の前記調停トルク指令値に応じて、前記スレーブ軸の前記速度制御部の積分成分のリミット値を可変する。

本発明の技術により、マスタ軸モータと少なくとも一つのスレーブ軸モータとを用いて、一つの軸を駆動するタンデム方式のモータ制御装置において、マスタ軸とスレーブ軸にて算出されるトルク指令値に違いが生じ、マスタ軸モータとスレーブ軸モータとの干渉が発生する場合に、スレーブ軸のトルク指令値をトルク調停することで安定した制御が可能となる。また、加減速等の動作において、マスタ軸とスレーブ軸で同一の積分成分を使用することで過渡時の速度制御性が低下する場合でもマスタ軸とスレーブ軸にて算出されたトルク指令値を使用することで、それぞれの軸に対して最適な制御を行なうことできる。さらに、軸反転時において、指令反転直前の調停トルク指令値をスレーブ軸の速度制御部の積分成分に設定すること、または、スレーブ軸の調停トルク指令値に応じて、スレーブ軸の速度制御部の積分成分のリミット値を可変することにより、応答性がよく、安定したモータ制御を行なうことができる。すなわち、停止時等の定常状態だけでなく、加減速や軸反転時等の過渡状態において、タンデム方式の軸の制御性や応答性を向上させることができる。

本発明の実施形態であるモータの制御装置における制御回路を示すブロック図である。本発明の実施形態であるモータの制御装置における指令反転検出部の処理の詳細を示すブロック図である。従来の二つのモータによるタンデム制御を行なうための制御ブロックの詳細を示すブロック図である。従来の二つのモータによるタンデム制御を行なうためのトルク調停部の詳細を示すブロック図である。本発明にかかるモータの制御装置におけるスレーブ軸の速度制御部の積分成分演算部の詳細を示すブロック図である。

図１、図２により、本発明をタンデム制御によるモータ制御装置に適用した第一の実施形態について説明する。図１はこの発明の実施形態であるモータ制御装置の制御回路を示すブロック図である。図２は指令反転検出部および速度制御部のＰＩ制御部の詳細を示すブロック図である。

図１により、本発明をモータ制御装置に適用した第１の実施形態について説明する。図１は第一実施形態のモータ制御装置における制御ブロックを示す図である。

マスタ軸では、位置指令Ｐ＊と位置帰還Ｐｍとから位置制御部１Ｍで速度指令値Ｖｍ＊を算出し、この算出された速度指令値Ｖｍ＊と速度帰還Ｖｍとから速度制御部２ＭでＰＩ制御等の演算を行ない、トルク指令値Ｔｍ＊を算出する。電流制御部３Ｍは、このトルク指令値Ｔｍ＊と電流帰還Ｉｍとからマスタ軸電流指令を算出し、マスタ軸モータを駆動制御する。また、速度制御部２Ｍで算出されたトルク指令値Ｔｍ＊は、反転器４を通してトルク調停部５に渡される。ここで、反転器４はマスタ軸モータとスレーブ軸モータの回転方向に応じて、符号を反転させるために用いられており、回転方向が同一の場合には符号反転を行なわず、回転方向が異なる場合には符号反転を行なう。次に、スレーブ軸では、マスタ軸と同一の位置指令値Ｐ＊と位置帰還Ｐｓとから位置制御部１Ｓで速度指令値Ｖｓ＊を算出し、この算出された速度指令値Ｖｓ＊と速度帰還Ｖｓとから速度制御部２ＳでＰＩ制御等の演算を行ない、トルク指令値Ｔｓ＊を算出する。このトルク指令値Ｔｓ＊とマスタ軸からのトルク指令値Ｔｍ＊とからトルク調停部５にて調停トルク指令値Ｔｓ１＊を算出する。このトルク指令値Ｔｓ１＊と電流帰還Ｉｓとからスレーブ軸電流指令を算出し、スレーブ軸モータを駆動制御する。また、トルク調停部５での処理については、トルク調停部３５と同一の処理を行っている。

次に、図２にて指令反転検出部２３および速度制御部のＰＩ制御部について詳しく説明する。比例成分演算部２１と積分成分演算部２２は、速度誤差ΔＶを入力として演算を行ない、それぞれの演算部にて算出された値を加算して、スレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ＊を算出する。指令反転検出部２３は、位置指令Ｐ＊の反転を検出した時に、直前のスレーブ軸のトルク指令値Ｔｓ１＊を積分成分演算部２２に出力する。この場合、積分成分演算部２２は、指令反転検出部２３から出力された値を積分成分とする。ここで、ＰＩ制御部に関して、構成や処理内容を簡潔に記述したが、積分成分のリミット処理や減衰処理等を行なうＰＩ制御とすることもできる。

定常状態では低周波成分であるマスタ軸トルク指令値Ｔｍ＊を使用することになる。また、過渡状態では高周波成分であるスレーブ軸トルク指令値Ｔｓ＊を使用することになる。すなわち、定常状態ではマスタ軸とスレーブ軸で同一のトルク指令値となり、マスタ軸モータとスレーブ軸モータとの干渉が発生しなくなり、安定した制御が可能となる。

図５により、本発明をモータ制御装置に適用した第２の実施形態について説明する。図５はこの発明にかかるモータ制御装置におけるスレーブ軸の速度制御部の積分成分演算部の詳細を示す図である。

図５にて、スレーブ軸の速度制御部の積分成分演算部について詳しく説明する。速度誤差ΔＶと係数５１の積と、前回の積分成分５２を加算して算出された積分成分は、リミット処理部５３にてリミット処理が行われる。また、リミット処理部５３のリミット値は、調停トルク指令値Ｔｓ１＊と係数５４の積に応じて可変することができる。ここで、係数５４は、マスタ軸とスレーブ軸の制御特性の差により、１．０〜１．３程度の値にて可変するものとする。

ここで、スレーブ軸の速度制御部の積分成分がモータ制御に及ぼす影響について以下で考察する。トルク調停部５により、定常状態では低周波成分であるマスタ軸トルク指令値Ｔｍ＊を使用することなり、マスタ軸のトルク指令値Ｔｍ＊とスレーブ軸の調停トルク指令値Ｔｓ１＊は同一の値となり、安定した制御が可能となる。しかし、軸反転時などの過渡状態では、高周波成分であるスレーブ軸トルク指令値Ｔｓ＊を使用することになる。スレーブ軸トルク指令値Ｔｓ＊はＰＩ制御部の出力であり、速度誤差がほぼゼロであれば、積分成分により決定される。よって、この積分成分が適切な値でない場合、モータ制御に影響を与える可能性がある。軸反転時は、速度誤差がほぼゼロであるため、指令反転直前のトルク指令値は、積分成分とほぼ同一の値と考えることができる。すなわち、指令反転直前のトルク指令値を積分成分に設定することで、積分成分は、制御上適切な値となり、応答性がよく、安定したモータ制御を行なうことができる。

１Ｍ，１Ｓ，３１Ｍ，３１Ｓ位置制御部、２Ｍ，２Ｓ，３２Ｍ，３２Ｓ速度制御部、３Ｍ，３Ｓ，３３Ｍ，３３Ｓ電流制御部、４，３４反転器、５，３５トルク調停部、２３指令反転検出部、２１比例成分演算部、２２積分成分演算部、４１，５１，５４定数、４２，５２前回値、５３リミット処理部。

Claims

マスタ軸モータと少なくとも一つのスレーブ軸モータとを用いて、一つの可動部を駆動するタンデム方式のモータ制御装置であって、
前記モータ毎に、可動部の位置を制御するための共通の位置指令に基づき対応するモータの速度指令を演算する位置制御部と、前記位置制御部で演算された速度指令に基づき対応するモータのトルク指令を演算する速度制御部と、トルク指令に基づき対応するモータの電流指令を演算する電流制御部と、をそれぞれ備え、
さらに、マスタ軸モータに対応する速度制御部で演算されたトルク指令と、スレーブ軸モータに対応する速度制御部で演算されたトルク指令と、の差に基づいて、スレーブ軸のトルク指令をマスタ軸のトルク指令に補正した調停トルク指令値を演算するトルク調停部と、
上位制御装置からの指令の反転を検出し、当該反転を検出した場合に指令反転直前の前記スレーブ軸の前記調停トルク指令値を前記スレーブ軸の前記速度制御部の積分成分に設定する指令反転検出部と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置であって、
前記スレーブ軸の前記調停トルク指令値に応じて、前記スレーブ軸の前記速度制御部の積分成分のリミット値を可変するリミット処理部を備えることを特徴とするモータ制御装置。