JPH01239609A - 電動機による軸の位置制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ＮＧ（数値制御）工作機械等における電！ｌ
Ｊ機による軸の位置制御方式、特に摺動面の特性に関係
なく軸の微小移動指令に対して高速かつ正確に位置制御
を行なうことが可能な釉の位置制御方式に関する。

（従来の技術） 従来より、ＮＧ工作機械等において位置を高精度に制御
する必要がある用途での位置制御装置では、制御対象に
取付けられた位置検出器あるいは制御対象を駆動する電
動機に結合された位置検出器により、制御対象である軸
の位置を直接的あるいは間接的に検出し、この検出信号
を用いて位置のフィードバックループを形成することで
高精度な位置制御系を実現している。

第７図に位置のフィードバックループを有する位置制御
装置を採用したテーブル駆動系のブロック構成例を示す
。本例ではテーブルｌＯの現在位置をインダクトシン１
１，１２によって直接的に検出し、この位置検出信号を
位置フィードバック信号Ｘとしているため、制御系のル
ープゲインがある程度高ければ最終的には位置指令×。

にほぼ一致する位置決めが可能である。減算器１は上位
指令装置から構成される装置指令ｘｃから位置フィード
バック信号Ｘを減算し、位置誤差Ｘ＠を算出する。

位置フィードバック信号Ｘは制御対象であるテーブルｌ
Ｏの位置をインダクトシン１１，１２によって直接的に
検出した位置信号である。位置誤差×６は増幅器２によ
って増幅され速度指令ＶＣとなる。又、電動機６に機械
的に連結されている速度検出器７の速度検出信号は速度
フィードバック信号Ｖとなり、減算器３は速度指令ＶＣ
から速度フィードバック信号Ｖを減算して速度誤差Ｖ、
を算出する。速度誤差ｖ８はＰＩ増幅器４によって増幅
され電動機６のトルク指令Ｔｃとなる。トルク指令Ｔｅ
は電力増幅器５によって電力増幅され、その出力はトル
ク指令Ｔｃに相当するトルクを電動機６に発生させるた
めの電流ＩＣとなる。電流ＩＣによって電動機６に発生
されたトルクは、カップリング８を介してボールネジ９
に伝達される。ボールネジ９はこの伝達トルクを、ナツ
ト部材１０Ａを介して摺動面１３上を動作するテーブル
ｌＯの推進力に変換する。

第８図はＰＩ増幅器４の詳細回路であり、ＰＩ増幅器４
は演算増幅器１４を有しており、比例積分増幅（ＰＩ増
幅）を行なった後、その出力−Ｔｃの符号を反転させて
トルク指令Ｔｃとしている。ここで、演算増幅器１４の
動作について説明する。第８図中Ｒｏ、Ｒ＋　、Ｒｋｌ
は全て演算増幅器１４の増幅率を決定する抵抗である。

今、コンデンサＣはまったく電荷が蓄えられていないと
仮定し、速度誤差ｖ６としてステップ状の人力が指令さ
れると、その直後の演算増幅器１４の出力−Ｔｅは −Ｔｅ−−’Ｖｅ　　　・・・・（１）Ｏ となる。この後、出力づ。は、コンデンサＣにより徐々
に電荷が蓄えられるために徐々に増大し、最終的には に収束す６゜ 次に、第７図の駆動系に△Ｘの微小移動指令を入力した
時のテーブル動作について、第９図及び第１Ｏ図を用い
て説明する。第９図は、テーブル位置×１を初期状態と
して、時点ｔ０にＰ方向に微小移動指令ΔＸを人力し、
その後時間ｔｏを経過する毎（時点’ｌ　、ｔ２　、’
３　＋・・・）に毎回微小移動指令ΔＸを人力した場合
の、位置指令ｘｃと実際のテーブル位置Ｘとの関係を示
すものである。第１Ｏ図はテーブルｌＯが摺動面１３上
を動作する場合の摩擦トルクを、ｐｉ増幅器４の出力で
あるトルク指令Ｔｃに等測的に換算して表わしたもので
ある。時点ｔ。に微小移動指令へＸが人力されると、位
置誤差へ×８及び速度指令Δｖｃが発生する。これによ
りＰＩ増幅器４には人力△Ｖｅが発生し、増幅器４の出
力には（１）式で示した様に、Ｔｅ　７　（Ｒ１／ＲＯ
）　ＸΔＶ、が発生する。この後、トルク指令Ｔｃは徐
々に増大し、摺動面１３の静止摩擦トルクＴＦＳを超え
た時点でテーブルｌＯは動作を開始すφ。テーブルｌＯ
が動作を開始すると、増幅器４の人力Ｖｅは減少し始め
るため、これによりトルク指令Ｔｃも減少する。この後
、テーブル位置が（ＸＩ＋ΔＸ）に到達するとテーブル
動作は停止し、位置決めを行なうべき摺動面１３が第１
０図に示す様に負性抵抗特性を持つ場合には、テーブル
位置が（ＸＩ＋ΔＸ）に到達してもその時点で出力Ｔ。

ｌＪ＜Ｔｃ＞＞Ｔｐ、の関係にあるため、テーブル移動
は停止せずそのままＰ方向に動作して第９図の特性（ａ
）の様に位置の飛び越し現象を発生する。この飛び越し
現象を防止するには、演算増幅器１４の最大増幅率を決
定する抵抗ＲＫＩを小さくし、テーブル動作開始後にお
けるＰＩ増幅器４の出力Ｔｃの減少を促進させて、テー
ブル位置が（ＸＩ”ΔＸ）に到達した時点でのトルク指
令ＴｅをＴｃ弁Ｔｐ−とし、はぼこの位置でテーブル動
作が停止する様にする。しかしながら、摺動面１３の負
性抵抗特性が大きいと、飛び越し現象を防止できる抵抗
ＲＫＩではＴｃ−（（ｎ＋　、　ＲＫＩ）／ＲＯ）　・
ΔＶｌｌ＜Ｔｒｓとなって微小移動指令ΔＸに対してテ
ーブル動作が不能になり、第９図に示す様に時点ｔ１に
次の微小移動指令ΔＸが加わった後、Ｔｅ　−（（Ｒ’
ｌ　、　ＲＫＩ）／ｎｏ）・２・ΔＶ、＞　Ｔ、ｓの関
係が成立して始めてテーブル動作が可能になる。つまり
、第９図の特性（ｂ）で示す様ないわゆるため送り動作
が発生する。

以上説明した様に、工作機械の摺動面が大きな負性抵抗
特性を持つ軸では、微小移動指令に対応した移動量の安
定な軸動作を実現することが困難であった。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本
発明の目的は、摺動面の特性にかかわらず、軸の微小移
動指令に対して常に高速かつ正確な位置制御を行なうこ
とができる電動機による軸の位置制御方式を提供するこ
とにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上位指令装置より関数発生される軸の位置指
令値と、前記軸位置検出出力である位置帰還信号との位
置誤差信号を増幅手段により増幅し、この増幅出力に従
って電動機を駆動することにより前記軸の位置制御を行
なう電動機による軸の位置制御方式に関するもので、本
発明の上記目的は、前記上位指令装置の位置指令の関数
発生停止を示す信号と、前記位置誤差信号から前記位置
指令値に対する軸位置の相対関係を多段階に区分する領
域判定を行なった領域判定信号とにより、予め区分領域
毎に対応して設定されている前記増幅手段の増幅率を切
換えることにより達成される。

（作用） 本発明においては、軸の位置指令値を基準とした一定の
基準範囲を設け、この基準範囲外では比例積分増幅器の
増幅率を高く設定し、基準範囲内では増幅率を低く設定
するように増幅率の切換え制御を行なう。これにより、
微小移動指令に対して、基準範囲外動作となる軸の起動
時は高い増幅率によって高速化され、基準範囲内動作と
なる軸の位置決め時は低い増幅率となるために積分成分
が急速に減少し、飛び越し現象の直接的原因である比例
積分増幅器の応答遅れを改善することができる。本発明
によれば、摺動面に大きな負性抵抗特性を有する軸につ
いても、微小移動指令に対して高速かつ正確な位置決め
を行なうことができる。

（実施例） 本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

第１図は本発明による軸駆動系のブロック構成を第７図
に対応させて示しており、領域判別部１５は位置指令ｘ
ｃが示す釉の目標位置に対する現在位置Ｘの差分Ｘ。の
大きさ１ｘ８１と、位置決め範囲を意味するある正の値
を持つ基＄Ｍｒ　Ｅ　Ｉとを比較することで、ＩＸ、Ｉ
Ｉ＜Ｅｌの状態かｌＸ、ｌ≧Ｅ１の状態かを判別する。

ｌＸ、ｌ＜Ｅｌの状態はＩ　Ｘｅｌ・ｌ　Ｘ−−ＸＩ　
＜Ｅｌであるから、この式を現在位置ｘについての不等
式で書き直すと となり、同様にｌＸ、ｌ≧Ｅ１の状態については、Ｘ≦
Ｘｃ−Ｅ、　　　　　−・−（４）×≧ｘｃ＋Ｅ１　　
　　　・・・・・・（５）となる。つまり、ｌ　Ｘｓ　
＋　＜　Ｅｌと判別できれば目標位置ｘｃと軸の現在位
置Ｘとの相対位置関係は第２図の領域［Ａ］にあり、ｌ
Ｘ８１≧Ｅ１と判別できれば両者の関係は同図の領域［
Ｂ］にあるといえる。

この様にして領域判別部１５により判別された領域判別
信号Ｓ八は、増幅率選択部１６に人力される。増幅率選
択部１６には領域［Ａ］及び［Ｂ］に対する増幅率に１
及びに２が設定されており、上位指令装置から構成され
る装置指令ＸＣの関数発生停止信号ＳＳが関数発生停止
を示す状態において、領域判別信号ＳＡに対応する増幅
率となる抵抗を、ＰＩ増幅器４Ａ内の第３図に示すスイ
ッチ１７で選択する様な増幅率選択信号ＳＧを出力する
。第３図はＰＩ増幅器４Ａを詳細に示しており、コンデ
ンサＣに並列に抵抗Ｉ’ＫＩ＋ＲＫ２が接続され、抵抗
ＲＫｌ＋ＲＫ２に直列に増幅率選択信号ＳＧによって選
択的にオンオフされるスイッチ１７が接続されている。

又、増幅率選択部１６は関数発生停止信号ＳＳが関数発
生中を示す場合には、領域判別信号によらず増幅率に２
に対応する増幅率選択信号ＳＧを出力する。これは、位
置軌跡を制御している軸の動作中に増幅率を切換えると
、電動機出力トルクが急変するため、軸の動作速度が位
置指令ｘｃとは無関係に変化し、位置指令軌跡と実際の
軸の位置軌跡とがズしてしまうためである。ここで、本
発明では、領域［Ａ］及び［Ｂ］についての増幅率に１
及びに２が、に１くくに、となる様にするため増幅率に
１及びに２に従って選択される抵抗ＲＫＩ及びＲＫ２も
ＲＫＩ　＜＜ＲＫ２の関係になっている。

次に、第１図の軸駆動系に微小移動指令ΔＸを人力した
時のテーブル動作について、第４図を参照して説明する
。

第４図は、第９図と同様にテーブル位置Ｘ、を初期状態
として、時点し。にＰ方向に微小移動指令ΔＸを人力し
、その後時間ｔ。を経過する毎（時点ｔｌ、ｔ２．ｔ３
．・・・）に毎回微小移動指令ΔＸを人力した場合の位
置指令Ｘ、と実際のテーブル位置Ｘとの関係を示すもの
である。ここで、微小移動指令ΔＸの関数発生は瞬間的
に行なわれるため、関数発生停止信号ＳＳは微小移動指
令ΔＸの発生瞬時を除いて停止状態を示す。このため、
増幅率の切換えは、テーブル位置Ｘが位置指令Ｘ、に対
して領域［Ａ］又は［Ｂ］のどちらに存在するかにのみ
依存することになる。時点ｔ０に微小移動指令ΔＸが入
力されると、Ｅ、＜〈ΔＸとなる様に予め基準量Ｅ１を
設定しておけば、この時点ｔ０でテーブル位置Ｘは位置
指令ｘｃに対して領域［Ｂ］に存在することになり、増
幅器４八内の演算増幅器１４では増幅率に２に対応する
抵抗ＲＫ２が選択される。ここで、抵抗ＲＫ２は大きな
値をとるため、増幅器４への出力Ｔｃは速やかに増大し
、摺動面１３の静止摩擦トルクＴＦ’Ｓを越えてテーブ
ルｌＯはＰ方向への動作を開始する。この後、テーブル
動作が継続してテーブル位置Ｘｈ）Ｘ　−Ｘｃ　−Ｅ＋
　−（Ｘ＋＋ΔＸ）　−Ｅ、を越えると、テーブル位置
Ｘは位置指令ＸＣに対して領域［Ａ］に存在することに
なり、増幅器４Ａ内の演算増幅器１４ではスイッチ１７
を介して増幅率に１に対応する抵抗ＲＸＩ　に切換えら
れる。抵抗ＲＫＩはＲＫ２に対して十分に小さな値であ
るため、増幅器４への出力ＴＣは急速に減少し、テーブ
ル位置Ｘが（Ｘ＋ΔＸ）に到達する前にＴｃ＜ＴＰ、、
、となってテーブル動作は停止する。以後、同様にｔ＋
、ｈ、ｔｓのタイミングで微小移動指令ΔＸが位置指令
ＸＣに加算されても、その都度テーブル位置は目標位置
に対して誤差Ｅ１の範囲内で位置決めすることができる
。又、位置決め後、制御装置外部からの外的な力によっ
てテーブル１０が動作させられるような場合についても
、テーブル位置が目標位置に対して±Ｅｌ（領域［Ａ］
）の範囲を越えれば大きな復元トルクが発生し、領域［
Ａ］内での位置決めを保持する様に制御装置は動作する
。

（変形例） 本発明の上述実施例においては、目標位置ｘｃに対する
テーブルｌＯの位置関係を領域［Ａ］。

［Ｂ］の２段階に分けて制御系の増幅率を可変している
が、第５図に示すようにして領域をより多段階に分けて
制御系の増幅率を可変する様にし、各領域毎でテーブル
動作速度を適宜制御すば最終的な領域［Ａ］に到達する
時点でのテーブル動作速度を押さえてやることができる
ため、領域［Ａ］の範囲内へテーブル１０が到達してか
ら実際に停止するまでのテーブル移動距離は小さくなる
。このため、結果的には領域［Ａ］の範囲を決める基準
値Ｅ、を小さく設定でき、より小範囲な位置決め点の限
定ができる。第６図は、領域［Ａ］、［Ｂ］、［Ｃ］の
３段階に分けて制御系の増幅率を可変にすると共に、所
定時間ｔ。毎に微小移動指令ΔＸを人力したときの位置
指令ＸＣと実際のテーブル位置Ｘとの関係を示すもので
ある。

これを更に一般化することも可能であり、増幅率をＫと
してり、に２．に３．・・・・・・、に、（Ｋｌ＜Ｋ２
＜Ｋ３＜・＜Ｋｏ）のｎ段階に切換えるようにし、上位
指令装置の関数発生停止状態において、位置誤差信号の
大きさｌＸ、ｌを正の基準量群であるＥ、、Ｅ２．・・
・＋Ｅｎ−１（Ｅ、　＜Ｅ２＜、・・・・・・、＜Ｅ。

−１）と比較することにより、 のように増幅率Ｋを選択して切換えるようにしても良い
。

又、電動機６に結合された位置検出器の検出信号を位置
帰還信号として位置フィードバックループを形成した場
合についても、この位置検出信号が間接的ではあるか、
テーブル位置を正確に検出しているものであるなら、本
発明を適用することによってテーブル位置の直接検出器
を使用して、位置のフィードバックループを形成した場
合と全く同様な効果を得ることができる。

（発明の効果） 位置のフィードバックループを有した駆動系の位置制御
装置においては、制御対象である負荷の摺動特性が負性
抵抗特性をもつ場合は、微小移動指令時に対する位置決
めにおいて、飛び越し現象あるいは微小移動指令が繰り
返し行なわれないと軸が動作しないというため送り現象
が発生する。

本発明は釉の位置指令値に対しである一定の位置決め範
囲を持たせ、サーボ系の増幅率を位置決め範囲外で大き
く、範囲内では小さくする様に制御することにより負荷
の摺動特性によらず、微小移動指令に対して飛び越しあ
るいはためぎりのない高速かつ正確な位置決めを実現す
る位置制御方式を提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方式を適用した装置例を示ず構成図、第
２図はその動作を説明するための図、第３図は第１図の
一部を詳細に示す回路図、第４図〜第６図は本発明を説
明するための図、第７図は従来の制御装置を示す構成図
、第８図はその一部を詳細に示す回路図、第９図及び第
１０図はその動作を説明するための図である。 １．３・・・減算器、２．４・・・増幅器、６・・・電
動機、７・・・速度検出器、９・・・ボールネジ、ｌＯ
・・・テーブル、１１．１２・・・インダクトシン、１
５・・・領域判定部、１６・・・増幅率選択部。 出願人代理人　　　安　形　ムＩＬ　　三第２０ Ｓ／ｒ 第３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上位指令装置より関数発生される軸の位置指令値と
   、前記軸の位置検出出力である位置帰還信号との位置誤
   差信号を増幅手段により増幅し、この増幅出力に従って
   電動機を駆動することにより前記軸の位置制御を行なう
   電動機による軸の位置制御方式において、前記上位指令
   装置の位置指令の関数発生停止を示す信号と、前記位置
   誤差信号から前記位置指令値に対する軸位置の相対関係
   を多段階に区分する領域判定を行なった領域判定信号と
   により、予め区分領域毎に対応して設定されている前記
   増幅手段の増幅率を切換えるようにしたことを特徴とす
   る電動機による軸の位置制御方式。 ２、前記増幅率をＫとしてＫ＿１、Ｋ＿２、Ｋ＿３、・
   ・・・・・、Ｋ＿ｎ（Ｋ＿１＜Ｋ＿２＜Ｋ＿３＜・・・
   ＜Ｋ＿ｎ）のｎ段階に切換えるようにし、前記上位指令
   装置の関数発生停止状態において、前記位置誤差信号の
   大きさ｜Ｘ＿ｅ｜を正の基準量群であるＥ＿１、Ｅ＿２
   、・・・、Ｅ＿ｎ＿−＿１（Ｅ＿１＜Ｅ＿２＜，・・・
   ・・・，＜Ｅ＿ｎ＿−＿１）と比較することにより、０
   ≦｜Ｘ＿ｅ｜＜Ｅ＿１ならＫ＝Ｋ＿１ Ｅ＿１≦｜Ｘ＿ｅ｜＜Ｅ＿２ならＫ＝Ｋ＿２Ｅ＿ｎ＿−
   ＿２≦｜Ｘ＿ｅ｜＜Ｅ＿ｎ＿−＿１ならＫ＝Ｋ＿ｎ＿−
   ＿１Ｅ＿ｎ＿−＿１≦｜Ｘ＿ｅ｜ならＫ＝Ｋ＿ｎのよう
   に前記増幅率Ｋを選択して切換えるようにした請求項１
   に記載の電動機による軸の位置制御方式。