JP4003741B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

従来、半導体製造装置やロボット、各種工作機械などのＦＡシステム装置には高精度の位置決めが要求されることから一般的にサーボモータとサーボアンプがよく利用されている。このサーボモータにはモータの回転情報を検出するためのエンコーダやレゾルバがロータに接続されており、一回転あたり１００００以上の分解能を持っている。サーボアンプは上位コントローラ、例えばシーケンサ等からの指令に従いサーボモータを駆動し、上位コントローラからの指令に対し、エンコーダやレゾルバからフィードバックされる位置情報が一致するようにサーボモータを制御する動作を行う。上位コントローラからの指令はパルスによる指令が一般的であり、５００ｋｐｐｓや最近では装置の高速化のため１Ｍｐｐｓを超えるパルスでモータを駆動するケースが増えてきている。このように高速化が進む一方、ＦＡシステム装置は小型化と低コスト化からマシン剛性は低下して制御域内に共振周波数が存在し、これが高速化を阻害する原因となっている。

この改善策として、応答性は低下するがゲインを小さくする方法があり、ゲインを小さくすることによって共振によるピークを下げることはできるが周波数応答は低くなるため、マシンタクトタイムは長くなってしまうという欠点がある。また、周波数応答を下げずに振動を抑制する手法としてトルク指令にノッチフィルタを挿入する方法がある。ノッチフィルタは例えば図５に示すような周波数特性を持つものであり、ノッチフィルタのゲインが減衰する周波数と共振周波数を合致させることで共振のピークを抑えることができる（例えば、特許文献１参照。）。しかし、ロボットアームなどの多関節ロボットでは２慣性系の特性を有しており、図６に示すような周波数特性を持つため、負荷側では反共振周波数にあるゲインピークの影響で振動が大きくなり、前述のノッチフィルタではこの振動を抑制することは難しい。そこで、近年では積極的に位置指令から振動成分を取り除く手法として制振制御による振動を抑制する手法がある。これはノッチフィルタと同様な周波数特性である制振フィルタを位置指令に挿入することで、反共振周波数によるゲインピークを抑えるという手法である（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１−２３０１０９号公報 特開平１０−５６７９０号公報

解決しようとする問題点は、ロボットのアームの伸縮や、搬送機で物の搭載／未搭載で反共振周波数は変化するため、制振周波数を設定しても一方では振動が低減するが、他方では振動が発生して整定時間が長くなり、トータルのマシンタクトタイム短縮の効果は小さくなってしまうことである。

上記課題を解決するために本発明は、位置指令を出力する指令出力装置と、指令出力装置からの指令から振動成分を除去した指令を作成する制振フィルタと、制振フィルタからの指令にモータを追従させる制御手段と、制御手段からの指令を受けモータを駆動する電力変換手段からなり、指令出力装置からの指令からモータを回転させる方向を検出する指令方向検出手段と、指令方向から第一の制振フィルタと第二の制振フィルタを切替えるフィルタ切替え手段とを具備している。

または、位置指令を出力する指令出力装置と、指令出力装置からの指令から振動成分を除去した指令を作成する制振フィルタと、制振フィルタからの指令にモータを追従させる制御手段と、制御手段からの指令を受けモータを駆動する電力変換手段からなり、モータの回転方向を検出する回転方向検出手段と、モータの回転方向から第一の制振フィルタと第二の制振フィルタを切替えるフィルタ切替え手段とを具備している。

本発明のモータ制御装置によれば、ロボットのアームの伸縮や、搬送機で物の搭載／未搭載で生じる反共振周波数の変化を検知して、制振周波数を自動的に変更するため剛性の低いマシンに対しても振動を抑制することが可能となり、整定時間を短くすることができる。

位置指令を出力する指令出力装置と、指令出力装置からの指令から振動成分を除去した指令を作成する制振フィルタと、制振フィルタからの指令にモータを追従させる制御手段と、制御手段からの指令を受けモータを駆動する電力変換手段からなり、指令出力装置からの指令からモータを回転させる方向を検出する指令方向検出手段と、指令方向から第一の制振フィルタと第二の制振フィルタを切替えるフィルタ切替え手段とを具備している。

本発明によるモータ制御装置について、図１、図２を用いて説明する。

図１に本発明の実施例１におけるモータ制御システムブロック図を示す。１は指令出力装置、２はモータ制御装置、７はモータ、８はエンコーダ、１０はロボットアームなど２慣性系の特性を持つ負荷を示している。

指令出力装置１はシーケンサなどのサーボアンプに接続する上位コントローラを示しており、一般的にはＰＵＬＳとＳＩＧＮの２信号を出力する。指令出力方法はＰＵＬＳとＳＩＧＮが９０度位相差を持ったパルスを与える方法、ＣＣＷ方向に回すときはＰＵＬＳ側にパルスを与え、ＣＷ方向に回すときはＳＩＧＮ側にパルスを与える方法、ＰＵＬＳにパルスを与え、ＣＣＷとＣＷをＳＩＧＮの符号で切替える方法がよく用いられている。ここで与えるパルス数がモータを回転させる量であり、エンコーダの１回転あたりの分解能とソフトによる分周逓倍処理によって１パルスでモータを動かす量を決めている。図２に示したパルス指令の図はＰＵＬＳにパルスを与えたときはＣＣＷ方向の指令、ＳＩＧＮにパルスを与えたときはＣＷ方向の指令となる場合の例を示している。

モータ制御装置２は指令出力装置１からの指令に基づきモータ７を駆動し、エンコーダ８からの信号をフィードバック信号として検出して、指令値とフィードバック信号が一致するようにモータ７を制御する働きをする。

エンコーダ８はモータ７のロータ位置や回転速度、回転位置などの情報をモータ制御装置にフィードバックする働きをする。

例えば、モータ制御装置２で指令パルスの分解能とエンコーダの分解能を同じとし、エンコーダ１回転あたりの分解能を１００００とすると、指令出力装置１から１００００パルスの指令パルスをモータ制御装置２に入力するとモータ７は１回転駆動する。

２慣性系負荷１０は例えばロボットアームなどの負荷であり、図６のような共振点と反共振点に周波数特性のピーク点があり、負荷側はモータ側の反共振周波数のピークにより振動を誘起される。

次にモータ制御装置２の詳細について説明する。

モータ制御装置２は、制振フィルタ３、フィルタ切替手段９、制御手段５、電力変換手段６、指令方向検出手段４で構成されている。

制御手段５は一般的に位置制御と速度制御であり、位置制御はＰ制御（比例制御）、速度制御はＰＩ制御（比例・積分制御）で構成することが多い。位置制御では指令出力装置１から与えられるパルス数で決定する位置指令とエンコーダ８からのフィードバック信号で得られるロータ位置との差に位置比例ゲインを掛けたものを速度指令として出力する。速度制御では位置制御から出力された速度指令とエンコーダからのフィードバック信号から検出できるロータの回転速度が等しくなるようにＰＩ制御を行い、トルク指令値を出力する。

電力変換手段６はＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどで構成され、制御手段５から出力されたトルク指令値に基づきモータの巻線に電圧を印加する。３相モータの場合は６つのＩＧＢＴで構成することが多い。

制振フィルタ３はノッチフィルタと同様に図５に示すようにある周波数帯（制振周波数）でゲインが下がる周波数特性をもつフィルタであり、第一の制振フィルタ３ａと第二の制振フィルタ３ｂの２つのフィルタを設定できる構成となっている。指令出力装置１から出力されたパルス指令２１を第一の制振フィルタ３ａあるいは第二の制振フィルタ３ｂを通り、第一のパルス指令２３ａあるいは第二のパルス指令２３ｂを出力する。

指令方向検出手段４は指令出力装置１からのパルス指令２１がモータ７をＣＣＷ／ＣＷのいずれの方向に駆動する指令なのかを検出して指令方向２２ａを出力する。

ここで、フィルタ切替手段９は指令方向２２ａの信号によってパルス指令を切替える働きをし、例えばＣＣＷ方向の指令の場合は第一のパルス指令２３ａを、ＣＷ方向の指令の場合は第二のパルス指令２３ｂを選択し、制御手段５へパルス指令を与える。図２は指令方向２２ａにより制振フィルタ３を切替えている状態を示している。制振フィルタ３を通過したパルス指令はそれぞれ第一の制振フィルタ２３ａや第二の制振フィルタ２３ｂで設定した周波数成分を除去しているため、ＦＡシステム装置の反共振周波数と制振フィルタの設定周波数を合わせることで、振動を低減することができる。

以上のような構成とすることで、ＦＡシステム装置の反共振周波数の変化に自動的に対応することができる。例えば、物を輸送するロボットでは、物を搭載している場合はＣＣＷ方向、搭載していない場合はＣＷ方向といったように決まった動きをすることが多い。このような場合に指令方向によって制振フィルタを自動的に切替える構成とすることで、振動を低減することができる。

また、制振フィルタを２つ設定できるようにしているが、２つ以上設定できるようにしてもよい。この場合は、外部からの切替え信号と指令方向２２ａを組み合わせることで選択することができる。

図３、図４を用いて本発明の実施例２について説明する。

実施例１と異なるのは制振フィルタ３の切替え方法であり、これについて説明する。

エンコーダ８で出力された信号を基に、回転方向検出手段１１によりモータ７の回転方向が検出される。検出されたモータ回転方向２２ｂによって第一のパルス指令２３ａか第二のパルス指令２３ｂかを切替える。図４はモータ回転方向２２ｂにより制振フィルタ３を切替えている状態を示している。

以上のような構成とすることで、ＦＡシステム装置の反共振周波数の変化に自動的に対応することができる。例えば、物を輸送するロボットでは、物を搭載している場合はＣＣＷ方向、搭載していない場合はＣＷ方向といったように決まった動きをすることが多い。このような場合にモータ回転方向によって制振フィルタを自動的に切替える構成とすることで、振動を低減することができる。

また、制振フィルタを２つ設定できるようにしているが、２つ以上設定できるようにしてもよい。この場合は、外部からの切替え信号とモータ回転方向２２ｂを組み合わせることで選択することができる。

本発明のモータ制御装置によれば、ロボットのアームの伸縮や、搬送機で物の搭載／未搭載で生じる反共振周波数の変化を検知して、制振周波数を自動的に変更するため剛性の低いマシンに対しても振動を抑制することが可能となり、整定時間を短くしたい場合などに有用である。

本発明の実施例１におけるモータ制御システムブロック図 本発明の実施例１における動作シーケンスを示す図 本発明の実施例２におけるモータ制御システムブロック図 本発明の実施例２における動作シーケンスを示す図 従来技術におけるノッチフィルタの周波数特性を示すグラフ 従来技術における２慣性系システムの周波数特性を示すグラフ

符号の説明

１ 指令出力装置
２ モータ制御装置
３ 制振フィルタ
３ａ 第一の制振フィルタ
３ｂ 第二の制振フィルタ
４ 指令方向検出手段
５ 制御手段
６ 電力変換手段
７ モータ
８ エンコーダ
９ フィルタ切替え手段
１０ ２慣性系負荷
１１ 回転方向検出手段
２１ パルス指令
２２ａ 指令方向
２２ｂ モータ回転方向
２３ａ 第一のパルス指令
２３ｂ 第二のパルス指令

Claims (6)

1. 位置指令を出力する指令出力装置と、指令出力装置からの指令から振動成分を除去した指令を作成する制振フィルタと、制振フィルタからの指令にモータを追従させる制御手段と、制御手段からの指令を受けモータを駆動する電力変換手段からなり、指令出力装置からの指令からモータを回転させる方向を検出する指令方向検出手段と、指令方向から第一の制振フィルタと第二の制振フィルタを切替えるフィルタ切替え手段とを具備したことを特徴とするモータ制御装置。
2. 位置指令を出力する指令出力装置と、指令出力装置からの指令から振動成分を除去した指令を作成する制振フィルタと、制振フィルタからの指令にモータを追従させる制御手段と、制御手段からの指令を受けモータを駆動する電力変換手段からなり、モータの回転方向を検出する回転方向検出手段と、モータの回転方向から第一の制振フィルタと第二の制振フィルタを切替えるフィルタ切替え手段とを具備したことを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１と請求項２に記載のモータ制御装置を用いた半導体製造装置。
4. 請求項１と請求項２に記載のモータ制御装置を用いたロボット。
5. 請求項１と請求項２に記載のモータ制御装置を用いた工作機械。
6. 請求項１と請求項２に記載のモータ制御装置を用いた搬送装置。