JP7732935B2 - モータ制御装置、モータ制御方法、モータ制御プログラム - Google Patents

Description

本発明はモータ制御装置等に関する。

特許文献１には、回転動力を発生させるモータの速度およびトルクを補償するモータ制御装置が開示されている。

特開平９－１６１３５７号公報

急な加減速の際等、モータの動作を短時間で精密に制御する必要がある場合、処理周期が長いモータ制御装置では速度およびトルクの補償が間に合わない恐れがある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、モータの速度およびトルクを高速に制御できるモータ制御装置等を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のモータ制御装置は、回転動力を発生させるモータの基準速度指令を生成する基準速度指令生成部を備える制御部と、基準速度指令に対する速度補正量を生成する速度補正量生成部と、当該速度補正量によって補正された基準速度指令および測定されたモータの速度を減算して速度偏差を算出する速度減算器と、当該速度偏差をモータの基準トルク指令に変換する速度偏差変換部と、当該基準トルク指令に対するトルク補正量を生成するトルク補正量生成部と、当該トルク補正量によって補正された基準トルク指令および測定されたモータのトルクを減算してトルク偏差を算出するトルク減算器と、当該トルク偏差をモータに対する印加電力に変換するトルク偏差変換部と、を備え、処理周期が制御部における処理周期より短い駆動部と、を備える。

この態様では、制御部より処理周期が短い駆動部において速度補正量およびトルク補正量が生成されるため、モータの速度およびトルクを高速に制御できる。

本発明の別の態様は、モータ制御方法である。この方法は、制御部において実行される、回転動力を発生させるモータの基準速度指令を生成する基準速度指令生成ステップと、処理周期が制御部における処理周期より短い駆動部において実行される、基準速度指令に対する速度補正量を生成する速度補正量生成ステップと、当該速度補正量によって補正された基準速度指令および測定されたモータの速度を減算して速度偏差を算出する速度減算ステップと、当該速度偏差をモータの基準トルク指令に変換する速度偏差変換ステップと、当該基準トルク指令に対するトルク補正量を生成するトルク補正量生成ステップと、当該トルク補正量によって補正された基準トルク指令および測定されたモータのトルクを減算してトルク偏差を算出するトルク減算ステップと、当該トルク偏差をモータに対する印加電力に変換するトルク偏差変換ステップと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや、これらの表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラム等に変換したものも、本発明に包含される。

本発明によれば、モータの速度およびトルクを高速に制御できる。

搬送制御装置の構成を模式的に示す。 モータ制御装置の機能ブロック図である。 基準速度指令に対する速度補正量の具体例を示す。 基準速度指令に対する速度補正量の具体例を示す。 基準トルク指令に対するトルク補正量の具体例を示す。 トルク補正量生成部の変形例を示す。

以下では、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下では実施形態ともいう）について詳細に説明する。説明および／または図面においては、同一または同等の構成要素、部材、処理等に同一の符号を付して重複する説明を省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明の簡易化のために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施形態に記載される全ての特徴やそれらの組合せは、必ずしも本発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、被搬送物３を搬送する搬送装置２の搬送動作を制御する搬送制御装置１の構成を模式的に示す。被搬送物３としては、紐やワイヤ等の線状のものや、紙、布、フィルム、箔、ゴム等の面状のものが例示される。本実施形態では、面状の基材を被搬送物３として搬送方向（図１における左右方向）に搬送するロール・ツー・ロール（Roll-to-Roll）方式の搬送装置２について説明する。搬送装置２は、搬送される被搬送物に対して任意の処理を施す装置、例えば、被搬送物にコーティングを施すコータまたは塗布装置、被搬送物に印刷を施す印刷機、被搬送物に張力を印加して延伸する延伸装置、被搬送物としての段ボール等を搬送しながら箱状に組み立てる製函機等の一部でもよい。

搬送装置２は、搬送ローラ群２０と、ダンサ２４を備える。搬送ローラ群２０は、被搬送物３を搬送する複数の搬送部としての複数の搬送ローラを備える。図１の例における搬送ローラ群２０は、被搬送物３の搬送方向に沿って直列に配置される３個の搬送ローラ対を備える。複数の搬送ローラは、搬送方向において隣接している。各搬送ローラ対は、後述する各駆動部１１Ａ～１１Ｃによって回転駆動される駆動ローラ２１１～２１３と、当該駆動ローラ２１１～２１３との間で被搬送物３を挟み込んで当該駆動ローラ２１１～２１３と連動して回転する従動ローラ２２１～２２３を備える。３個の搬送ローラ対２１１／２２１～２１３／２２３と、それぞれに対応して搬送制御装置１に設けられる３個の駆動部１１Ａ～１１Ｃは、互いに同様に構成できる。そこで、以下では第１搬送ローラ対２１１／２２１、第１駆動部１１Ａについて説明し、他の搬送ローラ対２１２／２２２、２１３／２２３、他の駆動部１１Ｂ、１１Ｃについての重複する説明は省略する。なお、搬送ローラ群２０に設けられる搬送ローラ対の数は任意（１以上の任意の整数）でよい。

駆動ローラ２１１および従動ローラ２２１は、被搬送物３を搬送する搬送部の一態様としての搬送ローラであり、搬送方向（図１における左右方向）に直交する方向（図１の紙面に垂直な方向）の回転軸の周りに回転可能である。駆動ローラ２１１に併設されるモータ（図１では不図示）は、駆動部１１Ａ～１１Ｃと共に本実施形態のモータ制御装置１０を構成する後述の制御部１２によって生成される基準回転速度指令に基づいて駆動部１１Ａによって回転駆動される。図１における被搬送物３の搬送方向が右向きである場合、駆動ローラ２１１は駆動部１１Ａによって時計回り方向に回転駆動され、従動ローラ２２１は駆動ローラ２１１と連動して反時計回り方向に回転する。搬送ローラ群２０を構成する各駆動ローラ２１１～２１３を搬送制御装置１の各駆動部１１Ａ～１１Ｃによって個別に回転駆動することで、被搬送物３の各部の速度や張力をきめ細かく制御できるため、搬送装置２による被搬送物３の搬送動作や、当該搬送装置２が設けられる各種の装置による処理を最適化できる。

ダンサ２４は、搬送ローラ群２０の搬送方向における上流（図１における左側）と下流（図１における右側）に、当該搬送ローラ群２０を搬送方向の両側から挟み込むように設けられる。図示の二つのダンサ２４は互いに同様に構成できるため、左側のダンサ２４について説明する。

ダンサ２４は、被搬送物３に搬送方向における張力を付加する。ダンサ２４は、被搬送物３の搬送経路（図１において被搬送物３が延在する左右方向の経路）上に設けられる一対のローラ２４１、２４２と、当該一対のローラ２４１、２４２の間において被搬送物３の搬送経路から逸れた位置に設けられるダンサローラ２４３を備える。なお、ダンサローラはダンサロールとも呼ばれる。

ダンサローラ２４３は、被搬送物３の搬送経路に垂直な方向（図１における上下方向）において上端２４３Ａと下端２４３Ｂの間を移動可能に設けられる。推力付加部としてのエアシリンダ２４４は、ダンサローラ２４３を被搬送物３の搬送経路から離れる方向（図１における下方）に付勢または加圧する推力を生成する。この推力は、ピストンロッドまたはコネクティングロッドを介してダンサローラ２４３に接続されたエアシリンダ２４４の空気圧に基づく。エアシリンダ２４４の空気圧は、電気によって空気圧を制御する電空レギュレータ等によって構成される推力制御部１７によって生成される。電空レギュレータ（推力制御部１７）には略一定の電圧が印加されることが一般的であり、エアシリンダ２４４の空気圧すなわちダンサローラ２４３の推力は略一定に制御される。なお、エアシリンダ２４４に代えて他の原理に基づいてダンサローラ２４３に推力を付加する推力付加部（例えば、電気に基づいてダンサローラ２４３に推力を付加するリニアモータ等）を設けてもよい。

エアシリンダ２４４からの推力によって下方に付勢または加圧されたダンサローラ２４３は、被搬送物３を搬送経路から離れる方向に引っ張ることで当該被搬送物３に張力を付加する。この時、ダンサローラ２４３は、エアシリンダ２４４から受ける下向きの推力と、被搬送物３から受ける上向きの張力が釣り合った位置で静止する。前述のように、一般的にはダンサローラ２４３がエアシリンダ２４４から受ける下向きの推力は略一定に維持または制御されるため、ダンサローラ２４３の上下方向の位置は被搬送物３の張力を表す。

推力の方向（図１における上下方向）におけるダンサローラ２４３の位置は、位置検出部２４５または位置センサによって電気信号として検出され、搬送制御装置１の減算器１４に提供される。これに加えて減算器１４には、搬送制御装置１の位置指令生成部１３で生成された推力の方向におけるダンサローラ２４３の位置指令が入力される。前述の通り、ダンサローラ２４３の位置は被搬送物３の張力に略相当するため、位置指令生成部１３が生成するダンサローラ２４３の位置指令は被搬送物３の張力指令に略相当する。搬送制御装置１の速度制御部１５は、減算器１４から提供されるダンサローラ２４３の位置または被搬送物３の張力の偏差を小さくするための速度指令を生成する。この速度指令は、被搬送物３の搬送速度に対する指令であり、具体的には以下で説明する駆動ローラ２５１の回転速度に対する指令である。

搬送制御装置１の駆動部１６は、速度制御部１５から提供される速度指令に応じて、ダンサ２４の直後に併設される駆動ローラ２５１を回転駆動する。駆動ローラ２５１は、被搬送物３の搬送方向に直交する回転軸の周りに回転可能な搬送ローラである。駆動ローラ２５１が図１における時計回り方向に回転駆動されると、従動ローラ２５２が駆動ローラ２５１と連動して反時計回り方向に回転する。なお、ダンサ２４の直前にも、駆動ローラ２５１と同様の駆動ローラ２３１および従動ローラ２５２と同様の従動ローラ２３２が設けられる。駆動ローラ２３１は例えば一定の回転速度で不図示の駆動部によって回転駆動される。これに対して、駆動ローラ２５１の回転速度は位置および／または張力の偏差に応じて適応的に制御される。このように、駆動ローラ２５１および従動ローラ２５２は間に挟み込まれた被搬送物３を搬送しながら、位置指令生成部１３で生成されたダンサローラ２４３の位置指令すなわち被搬送物３の張力指令に応じた所望の張力を被搬送物３に付加する。図１の例では、搬送ローラ群２０の搬送方向における直前と直後に二つのダンサ２４が設けられているため、搬送ローラ群２０の入口部分（図１における左端）と出口部分（図１における右端）における被搬送物３の張力を所望の値に制御できる。

前述のように搬送装置２はコータ、印刷機、延伸装置、製函機等の各種の装置に設けられうるが、各種の処理の最適化のために被搬送物３を急激に加減速する必要が生じうる。このようにモータの動作を短時間で精密に制御する必要がある場合、処理周期が長い従来のモータ制御装置では速度およびトルクの補償が間に合わない恐れがある。以下で説明する本実施形態のモータ制御装置１０によれば、モータの速度およびトルクを高速に制御できる。図１に示されるように、搬送制御装置１の一部を構成するモータ制御装置１０は、駆動部１１Ａ～１１Ｃ（以下では総称して駆動部１１ともいう）と制御部１２によって構成される。

図２は、モータ制御装置１０の機能ブロック図である。モータ制御装置１０の制御部１２は、基準速度指令生成部１２１を備える。モータ制御装置１０の駆動部１１は、速度補正量生成部１１１と、速度補正量加算器１１２と、回転位置微分器１１３と、速度減算器１１４と、速度偏差変換部１１５と、トルク補正量生成部１１６と、トルク補正量加算器１１７と、トルク減算器１１８と、トルク偏差変換部１１９を備える。これらの機能ブロックは、コンピュータの中央演算処理装置、メモリ、入力装置、出力装置、コンピュータに接続される周辺機器等のハードウェア資源と、それらを用いて実行されるソフトウェアの協働により実現される。コンピュータの種類や設置場所は問わず、上記の各機能ブロックは、単一のコンピュータのハードウェア資源で実現してもよいし、複数のコンピュータに分散したハードウェア資源を組み合わせて実現してもよい。

基準速度指令生成部１２１は、各駆動ローラ２１１～２１３を回転駆動するための回転動力を発生させるモータ４の基準速度指令を生成する。以下で詳細に説明するように、制御部１２より後段またはモータ４側に設けられる駆動部１１は、基準速度指令生成部１２１から提供される基準速度指令に対して、速度補正量による速度補正または速度補償と、トルク補正量によるトルク補正またはトルク補償を施した上で、モータ４に対する三相交流等の印加電力を生成する。

駆動部１１における処理周期は制御部１２における処理周期より短いため、駆動部１１における速度補正およびトルク補正を制御部１２より高速に実行できる。具体的には、駆動部１１における処理周期は例えば数百マイクロ秒程度であり、制御部１２における処理周期は例えば数ミリ秒程度であり、前者が後者の約１０分の１以下になっている。このように駆動部１１において高速に速度補正量およびトルク補正量を生成することで、搬送装置２が各種の処理の最適化のために必要とする被搬送物３の急激な加減速も確実に実行できる。

駆動部１１の速度補正量生成部１１１は、制御部１２の基準速度指令生成部１２１が生成した基準速度指令に対する速度補正量を生成する。速度補正量の具体例については後述する。速度補正量加算器１１２は、制御部１２の基準速度指令生成部１２１が生成した基準速度指令に対して、速度補正量生成部１１１が生成した速度補正量を加算する。回転位置微分器１１３は、PG（Position Generator）と呼ばれる回転位置測定器４１によって測定されたモータ４の回転位置を微分して、モータ４の回転速度を算出する。速度減算器１１４は、速度補正量加算器１１２において速度補正量によって補正された基準速度指令および回転位置微分器１１３からの測定されたモータ４の速度を減算して速度偏差を算出する。速度偏差変換部１１５は、速度減算器１１４が算出した速度偏差をモータ４の基準トルク指令に変換する。

トルク補正量生成部１１６は、速度偏差変換部１１５が生成した基準トルク指令に対するトルク補正量を生成する。トルク補正量の具体例については後述する。トルク補正量加算器１１７は、速度偏差変換部１１５が生成した基準トルク指令に対して、トルク補正量生成部１１６が生成したトルク補正量を加算する。トルク減算器１１８は、トルク補正量加算器１１７においてトルク補正量によって補正された基準トルク指令および測定されたモータ４のトルクを減算してトルク偏差を算出する。トルク偏差変換部１１９は、トルク減算器１１８が算出したトルク偏差をモータ４に対する印加電力に変換する。

図３および図４は、駆動部１１の速度補正量生成部１１１が生成する、基準速度指令に対する速度補正量の具体例を示す。これらの図において、横軸は回転位置測定器４１によって測定されるモータ４の回転位置を表し、縦軸は基準速度指令生成部１２１が生成した基準速度指令に対して速度補正量加算器１１２において加算される速度補正量生成部１１１が生成する速度補正量を表す。縦軸の中央または原点に対応する基準速度指令に対して、上方の速度補正量は基準速度指令に対する加速量を表し、下方の速度補正量は基準速度指令に対する減速量を表す。従って、図３および図４の例では、「加減速開始」の回転位置まで基準速度指令通りの速度に制御されていたモータ４が、減速、加速、減速を経て「加減速終了」の回転位置で基準速度指令通りの速度に復帰する。

基準速度指令生成部１２１が生成する基準速度指令は、制御部１２の処理周期（例えば数ミリ秒程度）で更新可能である。しかし、モータ４が高速に回転している場合や、制御部１２の処理周期より短い時間でモータ４を細かく加減速する場合は、制御部１２の長い処理周期では対応できない。そこで本実施形態では、短い処理周期（例えば数百マイクロ秒程度）の駆動部１１の速度補正量生成部１１１において、図３および図４に示されるような基準速度指令に対する速度補正量のパターンを高速で生成する。

ここで、制御部１２に比べて制御リソースが少ない駆動部１１でも対応できるように、速度補正量の加減速パターンを予め設定しておくのが好ましい。具体的には、図３および図４に示されるように、速度補正量生成部１１１は、モータ４の回転位置に応じた所定のパターンに従って速度補正量を生成するのが好ましい。速度補正量のパターンは、図３に示されるように、速度補正量の各変化点の回転位置と加減速量の座標（X1,Y1）、（X2,Y2）、（X3,Y3）、（X4,Y4）、（X5,Y5）によって定義されてもよいし、図４に示されるように、減速区間（DEC1,DEC2）、定速区間（CST1,CST2）、加速区間（ACC1,ACC2）等の各回転位置区間のパラメータ（例えば、回転位置区間の幅、速度補正量の傾き等）によって定義されてもよいし、モータ４の回転位置に応じて基準速度指令に対して乗算されるゲインによって定義されてもよい。

図５は、駆動部１１のトルク補正量生成部１１６が生成する、基準トルク指令に対するトルク補正量の具体例を示す。この図において、横軸は回転位置微分器１１３で得られるモータ４の速度を表し、縦軸は速度偏差変換部１１５が生成した基準トルク指令に対してトルク補正量加算器１１７において加算されるトルク補正量生成部１１６が生成するトルク補正量を表す。縦軸の中央または原点に対応する基準トルク指令に対して、上方のトルク補正量は基準トルク指令に対するトルク増加量を表し、下方のトルク補正量は基準トルク指令に対するトルク減少量を表す。制御部１２より短い処理周期（例えば数百マイクロ秒程度）の駆動部１１のトルク補正量生成部１１６は、図５に示されるような基準トルク指令に対するトルク補正量のパターンを高速で生成する。

ここで、制御部１２に比べて制御リソースが少ない駆動部１１でも対応できるように、図３および図４における速度補正量と同様にトルク補正量の増減パターンを予め設定しておくのが好ましい。具体的には、図５に示されるように、トルク補正量生成部１１６は、モータ４の速度に応じた所定のパターンに従ってトルク補正量を生成するのが好ましい。トルク補正量のパターンは、図５に示されるように、トルク補正量の各変化点の速度とトルク増減量の座標（0,Y0）、（X1,Y1）、（X2,Y2）、（X3,Y3）、（X4,Y4）等によって定義されてもよいし、図４と同様に、各速度区間のパラメータ（例えば、速度区間の幅、トルク補正量の傾き等）によって定義されてもよいし、モータ４の速度に応じて基準トルク指令に対して乗算されるゲインによって定義されてもよい。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。例示としての実施形態における各構成要素や各処理の組合せには様々な変形例が可能であり、そのような変形例が本発明の範囲に含まれることは当業者にとって自明である。

例えば図６に示されるように、トルク補正量生成部１１６は、速度減算器１１４が算出した速度偏差に基づいて、基準トルク指令に対するトルク補正量を生成してもよい。具体的には、トルク補正量生成部１１６は、速度減算器１１４が算出した速度偏差を微分して加速度偏差を算出する速度偏差微分器１１６Ａと、当該加速度偏差に加速度補償ゲインを乗算してトルク補正量を算出する加速度補償ゲイン乗算器１１６Ｂを備える。ここで、加速度補償ゲイン乗算器１１６Ｂの加速度補償ゲインは、図５のようにモータ４の速度に応じた所定のパターンに従って決定されるのが好ましい。

なお、実施形態で説明した各装置や各方法の構成、作用、機能は、ハードウェア資源またはソフトウェア資源によって、あるいは、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働によって実現できる。ハードウェア資源としては、例えば、プロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種の集積回路を利用できる。ソフトウェア資源としては、例えば、オペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。

１ 搬送制御装置、２ 搬送装置、３ 被搬送物、４ モータ、１０ モータ制御装置、１１ 駆動部、１２ 制御部、２０ 搬送ローラ群、４１ 回転位置測定器、１１１ 速度補正量生成部、１１２ 速度補正量加算器、１１３ 回転位置微分器、１１４ 速度減算器、１１５ 速度偏差変換部、１１６ トルク補正量生成部、１１６Ａ 速度偏差微分器、１１６Ｂ 加速度補償ゲイン乗算器、１１７ トルク補正量加算器、１１８ トルク減算器、１１９ トルク偏差変換部、１２１ 基準速度指令生成部、２１１ 駆動ローラ。

Claims (6)

1. 回転動力を発生させるモータの基準速度指令を生成する基準速度指令生成部を備える制御部と、
   前記基準速度指令に対する速度補正量を生成する速度補正量生成部と、当該速度補正量によって補正された前記基準速度指令および測定された前記モータの速度を減算して速度偏差を算出する速度減算器と、当該速度偏差を前記モータの基準トルク指令に変換する速度偏差変換部と、当該基準トルク指令に対するトルク補正量を生成するトルク補正量生成部と、当該トルク補正量によって補正された前記基準トルク指令および測定された前記モータのトルクを減算してトルク偏差を算出するトルク減算器と、当該トルク偏差を前記モータに対する印加電力に変換するトルク偏差変換部と、を備え、処理周期が前記制御部における処理周期より短い駆動部と、
   を備えるモータ制御装置。
2. 前記速度補正量生成部は、前記モータの回転位置に応じた所定のパターンに従って前記速度補正量を生成する、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記トルク補正量生成部は、前記モータの速度に応じた所定のパターンに従って前記トルク補正量を生成する、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記トルク補正量生成部は、前記速度偏差を微分して加速度偏差を算出する速度偏差微分器と、当該加速度偏差に加速度補償ゲインを乗算して前記トルク補正量を算出する加速度補償ゲイン乗算器と、を備える、請求項１から３のいずれかに記載のモータ制御装置。
5. 制御部において実行される、回転動力を発生させるモータの基準速度指令を生成する基準速度指令生成ステップと、
   処理周期が前記制御部における処理周期より短い駆動部において実行される、前記基準速度指令に対する速度補正量を生成する速度補正量生成ステップと、当該速度補正量によって補正された前記基準速度指令および測定された前記モータの速度を減算して速度偏差を算出する速度減算ステップと、当該速度偏差を前記モータの基準トルク指令に変換する速度偏差変換ステップと、当該基準トルク指令に対するトルク補正量を生成するトルク補正量生成ステップと、当該トルク補正量によって補正された前記基準トルク指令および測定された前記モータのトルクを減算してトルク偏差を算出するトルク減算ステップと、当該トルク偏差を前記モータに対する印加電力に変換するトルク偏差変換ステップと、
   を備えるモータ制御方法。
6. 制御部において実行される、回転動力を発生させるモータの基準速度指令を生成する基準速度指令生成ステップと、
   処理周期が前記制御部における処理周期より短い駆動部において実行される、前記基準速度指令に対する速度補正量を生成する速度補正量生成ステップと、当該速度補正量によって補正された前記基準速度指令および測定された前記モータの速度を減算して速度偏差を算出する速度減算ステップと、当該速度偏差を前記モータの基準トルク指令に変換する速度偏差変換ステップと、当該基準トルク指令に対するトルク補正量を生成するトルク補正量生成ステップと、当該トルク補正量によって補正された前記基準トルク指令および測定された前記モータのトルクを減算してトルク偏差を算出するトルク減算ステップと、当該トルク偏差を前記モータに対する印加電力に変換するトルク偏差変換ステップと、
   をコンピュータに実行させるモータ制御プログラム。