KR101799544B1

KR101799544B1 - 모터 제어 장치

Info

Publication number: KR101799544B1
Application number: KR1020120139049A
Authority: KR
Inventors: 유지 이데; 마사카즈 사카이
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2017-11-20
Also published as: KR20130064695A; JP2013121287A; TWI565217B; TW201334395A; CN103167737B; CN103167737A; JP5528421B2

Abstract

제어 대상을 고속으로 확실하게 위치결정 한다.
본 발명에 따른 모터 제어장치는 생산 기계의 움직임을 모델화하는 모델 제어계(300)와 생산 기계의 움직임을 실제로 제어하는 피드백 제어계(400)를 포함한다. 위치 제어기(410)는 모델 제어계(300)로부터 출력되는 생산 기계의 제어 대상의 모델 위치와 생산 기계의 제어 대상의 위치의 편차로부터 속도 지령을 연산한다. 속도 제어기(420)는 모델 제어계(300)로부터 출력되는 모델 위치를 미분한 속도 지령과 위치 제어기(410)가 연산한 속도 지령과 제어 대상을 구동하는 모터(120)의 위치를 미분한 속도 지령의 편차로부터 토크 지령을 출력한다. 토크 제어기(455)는 모델 제어계(300)로부터 출력되며 생산 기계의 제어 대상을 구동하기 위한 모델 토크 지령과 속도 제어기(420)로부터 출력된 토크 지령을 가산하여 모터(120)의 토크를 제어한다. 속도 제어기(420)는 적분 제어기(424)와 비례 제어기(422)를 포함한다. 속도 제어기(420)는 모터(120)가 제어 대상을 구동하고 있을 때는 비례 제어기(422)만으로 토크 지령을 출력하고, 모터(120)가 제어 대상을 구동하고 있지 않을 때에는 적분 제어기(424)와 비례 제어기(422)로 토크 지령을 출력한다.

Description

모터 제어 장치{Motor Control Device}

본 발명은 빠르고 확실하게 제어 대상을 위치결정(位置決定) 할 수 있는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

프린트 기판 드릴 기계 등의 생산 기계에서는 프린트 기판의 구멍 내기 가공 시간을 가능한 단축하여 생산 효율을 향상하는 것이 요구된다. 프린트 기판 드릴의 생산 효율은 프린트 기판의 위치결정 속도에 의존한다. 따라서, 프린트 기판 드릴의 생산 효율을 향상시키기 위해서는 프린트 기판을 빠르고 확실하게 위치결정 하지 않으면 안 된다.

일반적으로, 생산 기계가 이상적인 강체(剛體)이며 마찰도 없으면 이론적으로는 제어 이론을 구사(驅使)한 빠르고 확실한 위치결정이 가능하다. 그러나 실제의 생산 기계는 이상적인 강체와는 달리 일부에 강성(剛性)이 낮은 부분이 존재하고 또 제어 대상에는 마찰이 존재한다. 프린트 기판 드릴도 이상적인 강체는 아니고 마찰도 존재하기 때문에, 프린트 기판의 구멍 내기 작업을 고속으로 하고자 할 경우에, 프린트 기판 드릴 자체가 진동하고 또한 마찰이 존재하여 위치결정의 정정(整定) 시간이 이론치보다 길어진다.

생산 기계의 진동을 억제하면서 비교적 빠르고 확실한 위치결정을 실현하는 제어 수법으로서, 위치(位置) 지령(指令)(command)의 입력부에 노치필터를 삽입하는 제어 수법이 있다. 이 제어 수법은 노치필터에 생산 기계의 진동 주파수를 설정해 두는 것에 의해 생산 기계의 진동을 없애지만, 노치필터의 지연에 의해 위치결정 정정(整定) 시간이 길어진다.

또, 다른 제어 수법으로서는 아래와 같은 특허문헌 1에 개시되어 있듯이 생산 기계의 모델에 대해서 모델 제어계를 적용하는 제어 수법이 있다. 이 제어 수법은 생산 기계의 모델에 대해서 모델 추종 제어를 함으로써 생산 기계의 진동을 없애며, 비교적 고속으로 오버 슛(over shoot)이 없는 확실한 위치결정을 실현한다.

생산 기계의 모델에 대해서 모델 제어계를 적용하는 제어 수법에서는 구체적으로는 아래와 같이 생산 기계의 모델에 대한 상태방정식을 세워 상태방정식의 특성 방정식이 5중근을 가지도록 각 파라미터를 설정한다.

[수학식 1]

[수학시 2]

[수학식 3]

다만, 상기 수식에서 K_P는 위치 루프 이득, K_V는 속도 루프 이득, K_PB는 기판 위치 피드백 이득, K_AB는 기판 가속도 피드백 이득, K_VB는 기판 속도 피드백 이득을 각각 가리킨다. 또, 상기 수식에서, J는 생산 기계의 모델에 있어서의 모터 관성 J_M 및 부하 관성 J_L의 합을 나타낸다. 또, T는 모델 토크 지령 로우패스필터의 시정수를 나타낸다.

그리고 위치 제어계 및 속도 제어계가 안정되도록 K_V=4J₂·K_P로 하고, J₂·K_P의 계수로서 4를 이용한다. 이 K_V의 값에 근거하여 생산 기계의 모델 제어계를 구성하는 각 요소의 제어 파라미터를 설정하면 비교적 고속으로 오버 슛이 없는 확실한 위치결정을 실현할 수 있다.

특허문헌1: 특허 제4540727호 명세서

그러나 전술의 노치필터를 삽입하는 제어 수법에서는 노치필터를 이용하는 것으로 인해 생기는 제어 지연으로부터 위치결정의 정정(整定) 시간을 요구에 부응할 정도까지는 짧게 할 수 없다.

또, 모델 제어계를 적용하는 제어 수법에서는 오버 슛이 없고 진동을 일으키지 않는 위치결정이 가능한 것의 위치결정의 정정(整定) 시간을 더욱 짧게 하는 요구에 부응할 정도까지는 짧게 할 수 없다.

본 발명은 위치결정의 정정(整定) 시간을 한층 더 짧게 하고자 하는 요구에 부응하기 위해 이루어진 것으로, 제어 대상을 빠르고 확실하게 위치결정 할 수 있는 모터 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터 제어장치는 생산 기계의 움직임을 모델화하는 모델 제어계와 생산 기계의 움직임을 실제로 제어하는 피드백 제어계를 포함한다. 피드백 제어계는 위치 제어기, 속도 제어기, 토크 제어기를 포함할 수 있다.

위치 제어기는 모델 제어계로부터 출력되는 생산 기계의 제어 대상의 모델 위치와 생산 기계의 제어 대상의 위치의 편차로부터 속도 지령을 연산한다. 속도 제어기는 모델 제어계로부터 출력되는 모델 위치를 미분한 속도 지령과 위치 제어기가 연산한 속도 지령과 제어 대상을 구동하는 모터의 위치를 미분한 속도 지령의 편차로부터 토크 지령을 출력한다. 토크 제어기는 모델 제어계로부터 출력되는 생산 기계의 제어 대상을 구동하기 위한 모델 토크 지령과 속도 제어기로부터 출력된 토크 지령을 가산해 모터의 토크를 제어한다.

속도 제어기는 적분 제어기와 비례 제어기를 가진다. 속도 제어기는 모터가 제어 대상을 움직이고 있을 때는 비례 제어기만으로 토크 지령을 출력하고, 모터가 제어 대상을 움직이지 않을 때에는 적분 제어기와 비례 제어기로 토크 지령을 출력한다.

본 발명에 따른 모터 제어장치에 의하면, 제어 대상을 진동시키지 않고 빠르고 확실하게 위치결정 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모터 제어장치의 적용 대상이 되는 생산 기계의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모터 제어장치의 제어계의 블럭도이다.

이하에 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모터 제어장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모터 제어장치의 적용 대상이 되는 생산 기계의 개략 구성도이다.

(생산 기계의 구성)

생산 기계(100)는 기판(110), 모터(120), 볼나사(ball thread)(130), 테이블(140), 레벨링 볼트(levelling bolt)(150A, 150B)를 구비한다.

기판(110)은 레벨링 볼트(150A, 150B)에 의해 콘크리트 등의 견고한 바닥(160)에 고정된다. 기판(110)상에는 테이블(140)을 구동하는 모터(120)와 테이블(140)을 이동시키는 볼나사(130)가 마련된다.

모터(120), 볼나사(130), 테이블(140)은 가동부(180)를 구성한다. 모터(120)는 고정구(固定具)(125)에 의해 기판(110)에 고정된다. 볼나사(130)는 양단이 회전자재(回轉自在) 하도록 지지하는 지지구(支持具)(135A, 135B)에 의해 기판(110)에 고정된다. 모터(120)의 회전축과 볼나사(130)는 이음새(170)를 개입시켜 연결된다. 볼나사(130)는 모터(120)의 회전축과 동일한 회전 방향으로 회전하며 또한 동일한 회전 속도로 회전한다. 테이블(140)의 일부로부터 돌출하는 나합부(螺合部)(145)는 볼나사(130)와 나합된다. 볼나사(130)가 좌우로 회전하면, 테이블(140)은 도시된 바와 같이 좌우 방향으로 왕복 이동한다.

가공을 고속으로 실시하려면 테이블(140)의 위치결정의 정정(整定) 시간을 짧게 할 필요가 있다. 그러나 테이블(140)을 고속으로 이동시키고 고속으로 위치결정 하면, 위치결정시에 테이블(140)의 관성에 의해 기판(110)에 관성력이 걸리고, 레벨링 볼트(150A, 150B)의 강성 부족으로 기판(110)이 도시한 바와 같이 진동한다. 또, 테이블(140)의 나합부(145)의 내주와 볼나사(130)의 외주의 사이에는 마찰이 있기 때문에, 마찰의 크기에 응하여 위치결정의 정정(整定) 시간이 길어진다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 모터 제어장치는 기판(110)의 진동을 억제하면서 제어 대상이 되는 테이블(140)을 고속이며 확실하게 위치결정한다. 이제 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모터 제어장치의 제어계의 구성과 동작을 설명한다.

(모터 제어장치의 제어계의 구성)

본 발명의 일 실시 형태에 따른 모터 제어장치의 제어계는 도 1의 기판(110)이 진동하는 것을 전제로 한 생산 기계에 대하여, 테이블(140)의 위치결정 제어에 약간의 오버 슛을 허용하는 한편, 오버 슛에 의한 진동이 생기지 않도록 하며 더욱이 테이블(140)과 볼나사(130)의 마찰을 고려하여, 고속이며 확실한 위치결정이 가능하도록 구성한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어장치의 제어계의 블럭도이다.

모터 제어장치의 제어계(200)는 모델 제어계(300)와 피드백 제어계(400)를 포함한다. 모델 제어계(300)에는 테이블(140)의 이상적인(고속이고 확실한) 위치결정을 구현하기 위한 제어 파라미터가 설정되어 있다. 피드백 제어계(400)는 모델 제어계(300)의 지령을 이용하여 실제 기계의 테이블(140)의 움직임을 실제로 제어해, 테이블(140)을 고속이며 확실하게 위치결정시킨다.

피드백 제어계(400)의 제어 파라미터는 실제의 생산 기계에 맞추어 설정하며, 모델 제어계(300)의 제어 파라미터는 피드백 제어계(400)로 설정한 파라미터에 맞춘다.

［모터 제어장치의 제어계의 전체 구성］

모델 제어계(300)는 모델 위치 제어기(310), 모델 속도 제어기(320), 모델 토크 지령 로우패스필터(330), 가동부 모델(340), 기판 모델(350)을 포함한다. 또한, 상태 피드백을 하는 제1 피드백부(360) 및 제2 피드백부(370), 미분기(380)를 포함한다. 게다가 가산점(summing point)을 구성하는 다수의 연산부(SP315, SP325, SP335, SP345, SP355)를 포함한다.

피드백 제어계(400)는 모터(120), 센서(120S), 테이블(140), 센서(140S), 위치 제어기(410), 타이밍 조정부(415), 비례 제어기(422), 적분 제어기(424), 토크 지령 로우패스필터(430), 토크 지령 노치필터(445), 토크 제어기(455), 미분기(480)를 포함한다. 비례 제어기(422), 적분 제어기(424)는 속도 제어기(420)를 구성한다. 또, 가산점을 구성하는 다수의 연산부(SP415, SP425, SP435, SP445)를 포함한다.

［모델 제어계의 각 부의 동작］

모델 위치 제어기(310)는 위치 제어기(410)를 모델화한 것으로 모델 속도 지령을 출력한다. 모델 위치 제어기(310)의 이득은 위치 제어기(410)와 동일하다. 모델 속도 제어기(320)는 속도 제어기(420)를 모델화한 것으로 모델 토크 지령을 출력한다. 모델 속도 제어기(320)의 이득은 속도 제어기(420)와 동일하다. 모델 제어계에서는 간섭을 고려하지 않기 때문에, 모델 위치 제어기(310)와 모델 속도 제어기(320)는 비례 제어기로 구성한다.

모델 토크 지령 로우패스필터(330)는 토크 지령 로우패스필터(430)를 1차 로우패스필터로 모델화한 것으로 로우패스필터처리를 가한 모델 토크 지령을 출력한다. 모델 토크 지령 로우패스필터(330)의 필터의 값은 토크 지령 로우패스필터(430)와 동일하다.

가동부 모델(340)은 모터(120)를 포함한 가동부(180)의 움직임을 모델화한 것으로 모델 가동부 위치를 출력한다. 모델 가동부 위치는 테이블(140)의 위치이다. 모터(120)와 테이블(140)의 사이에는 볼나사(130)가 존재하지만 가동부 모델(340)에서는 이들의 강성은 매우 높은 것으로 간주하고 있다. 기판 모델(350)은 기판(110)의 움직임을 모델화한 것으로 모델 기판 위치를 출력한다. 모델 기판 위치는 진동하는 기판(110)의 위치이다. 모델 가동부 위치와 모델 기판 위치를 가산하여 구하는 모델 위치는 테이블(140)과 기판(110)의 상대 위치이다. 가동부 모델(340)과 기판 모델(350)의 파라미터는 실제 기계의 가동부(180)와 기판(110)의 파라미터와 동일하다.

제1 피드백부(360)는 모델 기판 위치, 모델 기판 속도, 모델 기판 가속도를 포함한 제1의 피드백을 출력한다. 제2 피드백부(370)는 로우패스필터 처리를 한 후의 모델 토크 지령에 이득을 걸어 제2의 피드백을 출력한다. 제1의 피드백과 제2의 피드백을 가산하여 상태 피드백량이 얻어진다. 미분기(380)는 주 피드백량인 모델 위치를 미분하여 속도 지령을 출력한다.

연산부들(SP315, SP325, SP335, SP345, SP355)은 각각의 가산점에 합류하는 지령을 가산 또는 감산한다. 게다가 상태 피드백량의 이득은 실제 기계의 가동부(180)와 기판(110)의 파라미터에 근거해 설정한다. 모델 제어계(300)의 위치 이득과 속도 이득의 파라미터는 위치 이득과 속도 이득의 사이에 일정한 관계를 유지하고 있다면, 피드백 제어계(400)의 값보다 약간 크게 설정될 수 있다.

이와 같이, 모델 제어계(300)에서는, 모델 토크 지령 로우패스필터(330)가 출력하는 모델 토크 지령, 기판 모델(350)이 출력하는 모델 기판 위치, 모델 기판 속도, 모델 기판 가속도를 상태 피드백량으로서 상태 피드백한다. 상태 피드백하는 것으로 기판(110)의 진동을 억제하면서, 테이블을 고속으로 위치결정 한다.

［피드백 제어계의 각 부의 동작］

센서(140S)는 테이블(140)의 위치를 검출한다. 모터(120)는 도 1에 도시된 테이블(140)을 구동한다. 센서(120S)는 모터(120)의 회전 위치를 검출한다.

위치 제어기(410)는 모델 제어계(300)로부터 출력되는 모델 위치와 센서(140S)에서 검출한 테이블(140)의 위치와의 차분을 입력으로 하여 속도 지령을 출력한다.

타이밍 조정부(415)는 스위치(426)를 온(on), 오프(off) 시키는 타이밍을 조정하며, 모터(120)가 정지하는 타이밍에 적분 제어기(424)를 비례 제어기(422)에 접속한다. 타이밍 조정부(415)에 의한 적분 제어기(424)의 삽입 및 제외의 변환 타이밍은 센서(140S)에서 검출되는 테이블(140)의 위치 등의 위치 편차에 근거하여 미세조정한다. 변환의 타이밍은 테이블(140)의 위치결정이 약간의 오버 슈트를 허용하며, 게다가 고속으로 위치결정이 가능하며, 진동이 신속하게 수렴하는 타이밍이다. 이 타이밍은 시행착오를 반복하여 최적인 타이밍으로 설정한다.

비례 제어기(422)는 속도 지령에 일정한 이득을 걸어 토크 지령을 출력한다. 적분 제어기(424)는 적분한 속도 지령을 출력한다. 속도 제어기(420)는 모터(120)가 회전하고 있을 때는 비례 제어기(422)에 의해서만 토크 지령을 출력하며(비례 제어), 모터(120)가 정지하면 적분 제어기(424)와 비례 제어기(422)에 의해 생성되는 토크 지령을 출력한다(비례 적분 제어). 속도 제어기(420)의 이득은 고주파 공진을 일으키지 않는 범위에서 가능한 큰 값으로 설정한다.

토크 지령 로우패스필터(430)는 센서들(110S, 120S)이 검출한 위치에 포함되는 양자화 리플(센서(120S, 140S)에 인코더를 이용하면 발생한다)이나 고주파수 성분을 없앤다. 토크 지령 로우패스필터(430)는 가능한 높은 주파수의 노이즈를 없앨 수 있도록 필터를 설정한다. 토크 지령 노치필터(445)는 볼나사(130) 등의 공진 주파수 성분을 제외한 토크 지령을 출력하고 볼나사(130) 등의 공진을 억제한다. 토크 지령 노치필터(445)는 볼나사(130) 등의 공진 주파수로 필터를 설계한다. 토크 제어기(455)는 토크 지령 로우패스필터(430), 토크 지령 노치필터(445)에 의해 노이즈가 제외된 토크 지령에 근거해 모터(120)의 토크를 제어한다. 게다가 토크 지령 로우패스필터(430)와 토크 지령 노치필터(445)의 순서는 도 2와는 다르게, 토크 지령 노치필터(445), 토크 지령 로우패스필터(430)의 순서로 될 수 있다.

미분기(480)는 센서(120)에 의해 검출된 모터(120)의 회전 위치를 미분하여 속도를 출력한다. 연산부들(SP415, SP425, SP435, SP445)은 각각의 가산점에 합류하는 지령을 가산 또는 감산한다.

게다가 피드백 제어계(400)의 위치 루프 이득은 약간의 오버 슛을 허용하여 고속이어도 진동하지 않도록 위치 이득은 속도 이득의 1/3으로 설정된다.

(모터 제어장치의 제어계의 동작)

본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어장치의 제어계는 상기와 같이 구성된다. 다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어장치의 제어계의 전체의 동작을 도 1에 도시된 생산 기계(100)를 예로 들어 설명을 한다.

모델 제어계(300)의 연산부(SP315)는 위치 지령과 생산 기계(100)의 모델 위치(테이블(140)의 위치)와의 위치 편차를 연산한다. 모델 위치 제어기(310)는 그 위치 편차를 K_P 배하여 모델 속도 지령을 출력한다. 연산부(SP325)는 모델 속도 지령과 미분기(380)가 모델 위치를 미분하여 연산한 속도와의 속도 편차를 연산한다. 모델 속도 제어부(320)는 그 속도 편차를 K_VP 배하여 모델 토크 지령을 출력한다. 연산부(SP335)는 모델 토크 지령과 상태 피드백량을 감산한다.

연산부(SP335)가 입력하는 상태 피드백은 다음과 같이 하여 연산 된다. 제1피드백부(360)는 기판 모델(350)이 출력하는 모델 기판 위치에 K_PB＋K_VBS＋K_ABS²를 곱한 결과를 제1의 피드백으로서 출력한다. 제2 피드백부(370)는 모델 토크 지령 로우패스필터(330)가 출력하는 로우패스필터처리 후의 모델 토크 지령을 K_LP 배하여 제2의 피드백으로서 출력한다. 연산부(SP355)는 제1의 피드백과 제2의 피드백을 가산한다. 연산부(SP355)가 가산한 상태 피드백량이 상태 피드백이 된다.

연산부(SP335)가 출력하는 토크 편차는 모델 토크 지령 로우패스필터(330)에 의해 고주파 성분의 노이즈가 제거되어 모델 토크 지령이 된다. 가동부 모델(340)은 로우패스필터처리를 한 후의 모델 토크 지령으로부터 테이블(140)의 위치를 나타내는 모델 가동부 위치를 출력한다. 동시에, 기판 모델(350)은 로우패스필터처리를 한 후의 모델 토크 지령으로부터 기판(110)의 위치를 나타내는 모델 기판 위치를 출력한다. 연산부(SP345)는 모델 가동부 위치와 모델 기판 위치를 가산하여 모델 위치를 출력한다.

한편, 피드백 제어계(400)의 연산부(SP415)는 모델 제어계(300)로 얻어진 모델 위치와 센서(110S)로 검출되는 기판(110)의 현재의 위치와의 위치 편차를 연산한다. 위치 제어기(410)는 그 위치 편차로부터 속도 지령을 출력한다. 연산부(SP425)는 모델 제어계(300)의 미분기(380)가 모델 위치를 미분하여 연산한 속도 지령과 위치 제어기(410)가 출력한 속도 지령과 미분기(480)가 센서(120)에 의해 검출된 모터(120)의 회전 위치를 미분하여 연산한 속도를 가감하여, 이러한 속도 편차를 연산한다. 속도 제어기(420)는 속도 편차로부터 토크 지령을 출력한다.

속도 제어기(420)에서는 모터(120)가 회전하고 있을 때에는 타이밍 조정부(415)에 의해 스위치(426)가 오프 된다. 이 때문에, 연산부(435)는 모터(120)가 회전하고 있을 때에는 위치 제어기(410)가 출력한 속도 지령을 그대로 비례 제어기(422)에게 준다. 비례 제어기(422)는 속도 지령에 근거해 토크 지령을 출력한다. 한편, 모터(120)가 정지했을 때에는 타이밍 제어부(415)에 의해 설정한 타이밍에서 스위치(426)가 온 된다. 이 때문에, 연산부(435)는 위치 제어기(410)가 출력한 속도 지령과 적분 제어기(424)가 적분 연산한 속도 지령을 가산한다. 비례 제어기(422)는 가산된 속도 지령에 근거해 토크 지령을 출력한다.

연산부(SP445)는 모델 제어계(300)의 연산부(SP335)가 출력하는 토크 지령과 비례 제어기(422)가 출력하는 토크 지령을 가산한다. 가산된 토크 지령은 토크 지령 로우패스필터(430)에서 양자화 리플이나 고주파수성분이 제거되며, 또한 토크 지령 노치필터(445)에서 공진 주파수 성분이 제거된다. 토크 제어기(455)는 노이즈가 제거된 토크 지령에 근거해 모터(120)의 토크를 제어한다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 모터 제어장치의 제어계의 동작은 이상과 같다. 본 발명의 일 실시 형태에서는 고속으로 테이블(140)의 위치결정을 실현하기 위해서 제어 파라미터로서 독자적인 값을 채용하고 있다. 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모델 제어계(300)의 상태 방정식은 아래와 같다.

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 6]

상기의 상태 방정식의 특성 방정식이 5중근을 가지도록 각 파라미터를 설정한다. 본 발명의 일 실시 형태에서는 위치 제어계 및 속도 제어계에 약간의 오버 슛을 시키고, 테이블(140)의 위치결정을 고속화하기 위해서, KV=3J₂·K_P로 하고, J₂·K_P의 계수로서 3을 이용한다. K_V=3J₂·K_P 로 하면,

[수학식 7]

가 된다.

이상의 각 수치를 모델 제어계(300)를 구성하는 각 요소에 제어 파라미터로서 설정한다. 이러한 제어 파라미터의 설정에 의해 테이블(140)의 위치결정에 약간의 오버 슛을 허용하면서도, 오버 슛에 의한 진동이 생기지 않고 고속의 위치결정이 가능하다. 게다가 테이블(140)과 볼나사(130)와의 사이에 마찰이 있어도 테이블(140)의 위치결정을 정밀하고 확실히 실현할 수 있다.

상태방정식에 있어서, K_V=3J₂·K_P로 하고, J₂·K_P의 계수로서 3을 이용하는 이유는 아래와 같다.

일반적으로 생산 기계의 제어에서는 제어 대상의 위치결정을 오버 슛시키지 않고 신속하게 실시하게 하는 것이 일반적이다. 따라서, 종래의 생산 기계의 제어에서는 위치결정의 정정(整定) 시간을 단축하는 것이 매우 곤란하다.

그러나 최근에는, 새로운 생산 효율의 향상이 강하게 요구되고 있다. 특히, 프린트 기판 드릴에서는 구멍 내기 가공 시간을 한층 더 단축하기 위해서 위치결정의 제어의 오버 슛을 허용시켜서까지도 위치결정의 정정(整定) 시간을 단축하고자 한다.

종래의 생산 기계의 제어에서는 오버 슛시키는 것은 전제로 하고 있지 않기 때문에, 모델 제어계의 상태방정식에 있어서, K_V=4J₂·K_P로 하며, J₂·K_P의 계수로서 4를 이용한다. 본 발명의 일 실시 형태와 같이 상태방정식에서, K_V=3J₂·K_P로 해, J₂·K_P의 계수로서 4 이외의 계수를 이용하는 것은 없다.

본 발명의 일 실시 형태에서는 오버 슛시키는 것이 전제가 되고 있으므로, J₂·K_P의 계수로서 4가 아니고 3을 이용한다. 게다가 본 실시 형태에서는 J₂·K_P의 계수로서 3을 이용했지만, 허용할 수 있는 오버 슛 량에 응하여 4보다 작은 계수를 이용해도 좋다. 예를 들면, 2.5 ~ 3.5의 사이에 적절한 값을 이용할 수 있다. 작은 값의 계수로 설정하면 오버 슛 량이 증가하고 큰 값의 계수로 설정하면 오버 슛 량이 줄어든다.

또, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 오버 슛을 신속히 수렴시키고 마찰의 영향을 없애기 위해, 도 2에 나타낸 것처럼 속도 제어기(420)의 구성에 집중하고 있다.

속도 제어기(420)는 비례 적분 제어기로 구성되어 있지만, 적분 제어기(424)는 모터(120)의 동작에 맞추어 삽입 또는 제외할 수 있도록 하고 있다. 적분 제어기(424)를 모터(120)의 동작에 맞추어 삽입 또는 제외하는 것은 다음과 같은 이유 때문이다.

생산 기계의 제어 대상을 구동할 경우에는 반드시 마찰이 생긴다. 이 때문에, 종래의 피드백계의 속도 제어기는 비례 적분 제어기를 이용하고 있다. 그런데 피드백계의 속도 제어기를 비례 적분 제어기로 구성하면 속도 적분기에 모터(120)의 회전중에 마찰을 보상한 약간의 값이 남아 위치결정의 정정(整定) 시간이 연장된다. 또, 피드백계의 속도 제어기를 비례 적분 제어기로 구성하면, 오버 슛을 허용했을 경우에는 속도 적분기에 의해 진동을 신속하게 수렴시킬 수 없다.

따라서, 모터(120)가 회전하고 있는 동안은 적분 제어기(424)를 제외하고 속도 제어기(420)를 비례 제어기로 한다. 이것에 의해, 모터(120)가 회전하고 있는 동안은 속도 지령에 포함되는 적분항의 값이 0이 되며, 오버 슛을 허용하는 것에 의한 영향을 받지 않게 된다. 또한, 모터(120)가 회전하고 있는 동안은 마찰 보상 분의 속도 지령이 적분항에 쌓이지 않게 되어 위치결정의 정정(整定) 시간이 연장되지 않는다.

또, 종래의 생산 기계의 제어에서는 통상적으로 모터 인코더를 이용한 세미 클로우즈(semi-close) 시스템을 채용한다. 그러나 세미 클로우즈 시스템에서는 모터의 회전 위치를 제어하고 있으며, 본 발명의 일 실시 형태와 같이 테이블(140)의 위치와 모터(120)의 회전 위치로 제어하는 것이 아니기 때문에, 테이블(140)의 위치에는 볼나사(130) 등의 마찰에 기인하는 위치 오차가 생긴다. 이 때문에 세미 클로즈 시스템에서는 테이블(140)의 고정밀의 위치결정을 실현하기 어렵다.

따라서, 본 발명의 일 실시 형태에서는 모터(120)의 회전 위치와 테이블(140)의 위치를 피드백하는 풀 클로우즈(full-close) 시스템으로 하고 있다.

이상과 같이, 본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 생산 기계의 제어장치는 모델 제어계(300)를 모델 기판의 위치, 속도, 가속도, 로우패스필터처리 후의 모델 토크 지령을 피드백하는 구성으로 한다. 또, 모델 위치 이득과 모델 속도 이득의 관계를 약간의 오버 슛을 허용 한 다음 고속이며 확실한 위치결정이 생기도록 설정한다. 그리고 현대 제어 이론을 적용해, 모델 제어계(300)의 특성 방정식의 근이 중근이 되도록 모델 제어계(300)를 구성하는 각 요소의 제어 파라미터를 설정한다. 피드백 제어계(400)를 진동이 없는 고속이며 확실한 위치결정 할 수 있는 모델 제어계(300)에 추종할 수 있도록 풀 클로우즈 피드백 제어계로 했다. 피드백 제어계(400)의 속도 제어기(420)는 비례 적분 제어기로 구성하며, 적분항이 모터(120)의 정지 시에만 유효하게 되도록 했다.

게다가 모델 위치 제어기(310) 및 모델 속도 제어기(320)에 각각 설정되는 이득은 위치 제어기(410) 및 속도 제어기(420)에 각각 설정되는 이득과 같아도 좋고, 위치 제어기(410) 및 속도 제어기(420)에 각각 설정되는 이득보다 약간 높아도 좋다.

이상의 구성에 의해, 기판(110) 진동을 검출하는 센서를 마련하지 않고 테이블(140)을 진동시키는 일 없이 고속이며 고정밀도로 위치결정을 시킬 수 있다.

100　생산 기계
110　기판
120　모터
120S　센서
130　볼나사
140　테이블
140S　센서
150A, 150B　레벨링 볼트
160　바닥
180　가동부
200　모터 제어장치의 제어계
300　모델 제어계
310　모델 위치 제어기
320　모델 속도 제어기
330　모델 토크 지령 로우패스필터
340　가동부 모델
350　기판 모델
360　제1 피드백부
370　제2 피드백부
380　미분기
SP315 ~ SP355　연산기
400　피드백 제어계
410　위치 제어기
420　속도 제어기
422　비례 제어기
424　적분 제어기
430　토크 지령 로우패스필터
445　토크 지령 노치필터
455　토크 제어기
SP415 ~ SP445　연산기

Claims

생산 기계의 움직임을 모델화하는 모델 제어계; 그리고,
상기 생산 기계의 움직임을 실제로 제어하는 피드백 제어계를 포함하는 모터 제어 장치로,
상기 피드백 제어계는:
상기 모델 제어계로부터 출력되는 상기 생산 기계의 제어 대상의 모델 위치와 상기 생산 기계의 제어 대상의 위치의 편차로부터 속도 지령을 연산하는 위치 제어기;
상기 모델 제어계로부터 출력되는 모델 위치를 미분한 속도 지령과 상기 위치 제어기가 연산한 속도 지령과 상기 제어 대상을 구동하는 모터의 위치를 미분한 속도 지령의 편차로부터 토크 지령을 출력하는 속도 제어기; 그리고,
상기 모델 제어계로부터 출력되는 상기 생산 기계의 제어 대상을 구동하기 위한 모델 토크 지령과 상기 속도 제어기로부터 출력된 토크 지령을 가산하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어기를 포함하며,
상기 속도 제어기는 적분 제어기와 비례 제어기를 포함하고, 상기 모터가 상기 제어 대상을 움직이고 있을 때에는 상기 비례 제어기만으로 토크 지령을 출력하고, 상기 모터가 상기 제어대상을 정지시키고 있을 때는 상기 적분 제어기와 상기 비례 제어기에서 토크 지령을 출력하고,
상기 모델 제어계는:
상기 위치 제어기를 모델화하여 모델 속도 지령을 출력하는 모델 위치 제어기; 및
상기 속도 제어기를 모델화하여 모델 토크 지령을 출력하는 모델 속도 제어기를 포함하며,
상기 모델 제어계에 포함되는 복수의 파라미터는 상기 모델 제어계의 상태방정식의 특성 방정식이 중근을 가지며, 상기 모델 제어계에 있어서의 위치 루프 이득을 K_P, 속도 루프 이득을 K_V로 했을 경우, 상기 피드백 제어계가 오버 슛를 일으키도록 K_V= 2.5 ~ 3.5J₂·K_P 로 되어 있으며, J₂는 관성으로부터 산출된 값인 모터 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 피드백 제어계는 상기 속도 제어기가 구비하는 적분 제어기를 상기 비례 제어기에 접속하는 타이밍을 제어하는 타이밍 조정부를 더 포함하는 모터 제어장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 피드백 제어계는 상기 제어 대상의 위치를 상기 위치 제어기에 피드백함과 동시에 미분한 상기 모터의 위치를 상기 속도 제어기에 피드백하는 풀 클로우즈 피드백계인 것을 특징으로 하는 모터 제어장치
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 피드백 제어계의 상기 속도 제어기와 상기 토크 제어기의 사이에
상기 토크 지령에 포함되는 양자화 리플이나 고주파수성분을 없애는 토크 지령 로우패스필터; 그리고,
상기 생산 기계의 공진 주파수 성분을 없애는 토크 지령 노치필터를 더 포함하는 모터 제어장치.
제 4 항에 있어서,
상기 모델 제어계는:
상기 생산 기계의 가동부의 움직임을 모델화하여 상기 가동부의 모델 가동부 위치를 출력하는 가동부 모델;
상기 생산 기계의 기판의 움직임을 모델화하여 상기 기판의 모델 기판 위치를 출력하는 기판 모델;
상기 토크 지령 로우패스필터를 모델화하여 상기 모델 토크 지령을 로우패스필터 처리하여 얻어진 필터 처리 모델 토크 지령을 상기 가동부 모델과 상기 기판 모델에 주는 모델 토크 지령 로우패스필터;
상기 모델 가동부 위치와 상기 모델 기판 위치를 가산하여 얻은 모델 위치 정보를 피드백계로의 모델 위치로써 상기 모델 위치 제어기 및 상기 모델 속도 제어기에 각각 피드백하는 주피드백부;
상기 모델 기판 위치에 근거하여 적어도 상기 모델 기판 위치를 포함한 제1 피드백을 출력하는 제1 피드백부;
상기 필터 처리 모델 토크 지령으로부터 제2 피드백을 출력하는 제2 피드백부; 그리고,
상기 제1 피드백과 상기 제2 피드백과 상기 모델 토크 지령과의 편차를 구하여 상기 편차를 모델 토크 지령으로서 상기 모델 토크 지령 로우패스필터와 상기 토크 지령 로우패스필터에 출력하는 연산부를 포함하며,
상기 피드백계로의 모델 위치 지령을 상기 위치 제어기에 상기 위치 지령으로서 주고,
상기 피드백계로의 모델 위치 지령에 근거하여 작성한 피드백계로의 모델 속도 지령을 상기 속도 제어기에 입력되는 상기 속도 지령에 가산하며,
상기 제2 피드백부에 설정되는 제2 피드백 이득을 K_LP라 하고, 관성이 J일 때, 상기 K_V= 2.5 ~ 3.5J₂·K_P에서의 J₂는 J₂=J(1+K_LP)로 결정되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 피드백부는 상기 모델 기판 위치에 더해 상기 기판의 모델 기판속도 및 모델 기판 가속도를 상기 제1 피드백에 포함하는 모터 제어장치.
제 5 항에 있어서,
상기 모델 위치 제어기 및 상기 모델 속도 제어기에 각각 설정되는 이득은 상기 위치 제어기 및 상기 속도 제어기에 각각 설정되는 이득과 동일하며, 상기 제1 피드백부에 설정되는 제1 피드백 이득과 상기 제2 피드백부에 설정되는 제2 피드백 이득은 상기 기판의 진동을 억제하도록 정해지는 모터 제어장치.
제 5 항에 있어서,
상기 모델 위치 제어기 및 상기 모델 속도 제어기에 각각 설정되는 이득은 상기 위치 제어기 및 상기 속도 제어기에 각각 설정되는 이득보다 약간 높고, 상기 제1 피드백부에 설정되는 제1 피드백 이득과 상기 제2 피드백부에 설정되는 제2 피드백 이득은 상기 기판의 진동을 억제하도록 정해지는 모터 제어장치.
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