JPH086644A - 数値制御装置 - Google Patents

数値制御装置

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JPH086644A
JPH086644A JP13854194A JP13854194A JPH086644A JP H086644 A JPH086644 A JP H086644A JP 13854194 A JP13854194 A JP 13854194A JP 13854194 A JP13854194 A JP 13854194A JP H086644 A JPH086644 A JP H086644A
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torque
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JP13854194A
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English (en)
Inventor
Akiyoshi Satake
明喜 佐竹
Takeo Shirokura
武男 白倉
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Okuma Corp
Original Assignee
Okuma Machinery Works Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 トルク指令値を補正することで制御対象の挙
動を安定させ、ワークの加工精度を向上させることがで
きる工作機械の数値制御装置を提供する。 【構成】 トルク指令値を補正する補正トルク値演算部
3は、加工周期毎に補正トルク値STFCI(STFC
O)が更新されるように補正トルク値STFCIを算出
する。次加工周期に前加工周期で算出した補正トルク値
STFCOをフィードフォワード制御値としてトルク指
令値STに加え込む。また、トルク指令値STと速度検
出値SVDとから外乱トルク推定値を算出する外乱トル
ク推定部及び位置指令値SPと位置検出値SPDFとの
位置誤差値より位置誤差トルク推定値を算出する位置誤
差値トルク推定部を有し、外乱トルク推定値と位置誤差
トルク推定値より補正トルク値STFCIを算出する。
更に、位置誤差値から関数発生を行なう関数発生部が備
えられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は工作機械の数値制御装置
に関するものであり、特に繰り返し制御時のトルク指令
値を補正し制御対象の挙動を安定させることにより、加
工精度を向上させる機能を有する送り軸数値制御装置に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】工作機械の送り軸制御を行なう数値制御
装置の該略を示したブロック図を図8に示す。主制御装
置4から出力される位置指令値SPと位置検出値SPD
により減算器14で位置誤差値を算出する。位置制御部
1は前記位置誤差値に位置ループゲインを乗じ速度指令
値SVとして減算器15に出力する。また減算器15に
は速度検出値SVDを入力し速度誤差を算出し、該速度
誤差に応じて速度制御部2でトルク指令値STを算出す
る。そして電力増幅部8では該トルク指令値STに応じ
た電流でモータ9を駆動する。モータ9には位置検出器
12が取付けられ、テーブル10には別置きの位置検出
器13が取付けられており、それぞれの位置検出値SP
DS、SPDFより位置検出値SPDを算出する位置検
出部6と位置検出値SPDSより速度検出値SVDを算
出する速度検出部7を備えている。加工精度を向上させ
るための手段として、フルクローズド位置検出値SPD
Fと位置指令値SPとの位置誤差値を位置偏差演算部8
1で算出を行ない、位置指令値SPに該位置誤差値に対
して数値処理(フィルタ処理や位相整合)を行なった数
値である補正位置指令値SPCを加え込み、主制御装置
4より位置指令値SP+位置指令値補正分SPC=補正
位置指令SP’を指令する方法がとられている。なお、
この補正工程は加工中、加工周期毎に行なわれるもので
はなく、加工前に制御系とはオフラインで加工周期数回
分行なわれる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の数値制御装置により周期的目標値を繰り返し制
御を行なう場合、位置指令値を補正した後で速度検出部
のリップルやトルクの変動(主に摺動トルク、イナーシ
ャの変動、モータ制御の不安定さに起因する外乱)が軌
跡誤差として加工ワーク表面上に現われ、リップルマー
クなど面粗さの低下や加工精度の低下が発生するという
問題点がある。また、補正をメジャーループ(制御周期
が長い)である位置制御ループに対して行なう為、マイ
ナーループ(制御周期が短い)である速度制御ループや
電流制御ループで発生する外乱に対して効果が薄く、位
置補正値自体にメジャーループで発生する外乱成分が重
畳してしまうという欠点や、オフラインで位置指令値の
補正を行なう為、補正を行なうための無駄な工数が発生
するという欠点がある。本発明は上述した事情から成さ
れたものであり、本発明の目的は繰り返し制御を行なう
場合のトルク指令値を補正することで制御対象の挙動を
安定させ、ワークの加工精度を向上させることができる
工作機械の数値制御装置を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、請求項1記載の発明は、主制御装置からの位置指
令値と制御対象からの位置検出値とから位置誤差値を算
出し位置制御を行なう位置制御部と、該位置誤差値と、
該位置検出値と、から算出される速度検出値から速度誤
差値を算出し速度制御を行なう速度制御部と、該速度制
御部から出力されるトルク指令値を電流指令値に変換す
る電力増幅部と、制御対象の位置を検出する位置検出器
と、を有し、周期的目標値の繰り返し制御を行なう数値
制御装置において、該位置指令値と該位置検出値と該速
度検出値と該トルク指令値とからトルク値を補正し補正
トルク値を加工周期毎に算出する補正トルク値演算手段
を有し、前加工周期において算出された該補正トルク値
を次加工周期にフィードフォワード制御値として該トル
ク指令値に加え込むことを特徴とする。請求項2記載の
発明は、請求項1記載の数値制御装置において、前記補
正トルク値演算手段は、該トルク指令値と該速度検出値
とからトルク偏差値を推定する外乱トルク推定手段を有
することを特徴とする。請求項3記載の発明は、請求項
1記載の数値制御装置において、前記補正トルク値演算
手段は、該位置指令値と該位置検出値との位置誤差値よ
りトルク偏差値を推定する位置誤差値トルク推定手段を
有することを特徴とする。請求項4記載の発明は、請求
項1記載の数値制御装置において、前記補正トルク値演
算手段は、該位置誤差値に基づいて関数発生を行なう関
数発生部を有することを特徴とする。請求項5記載の発
明は、請求項1記載の数値制御装置において、前記補正
トルク値演算手段は、該トルク指令値と該速度検出値と
から推定した第1のトルク偏差値と、該位置指令値と該
位置検出値との位置誤差値より推定した第2のトルク偏
差値と、により前記補正トルク値を算出する数値処理部
を有することを特徴とする。
【0005】
【作用】本発明にあっては繰り返し制御時、加工周期毎
にトルクの変動(主に摺動トルク、イナーシャの変動、
モータ制御の不安定さなどに起因する外乱)を推定で
き、さらにサーボ系の制御遅れや検出器のリップルによ
る位置誤差より関数を発生させることにより位置誤差ト
ルク推定値とし、前記トルク変動推定値と共にトルク指
令値にフィードフォワード制御値として加えるようにし
た為、制御対象の挙動を安定させることができる。ま
た、一連の補正工程をオンラインで行なえる。
【0006】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明に係る数値制御
装置について説明する。図1は、本発明の数値制御装置
の一例を図8に対応させて示すブロック図である。な
お、図8で使用する同じ番号のブロック及び同じ記号の
信号は同様の機能、内容である。従って、加工精度を向
上させるための手段以外は図8と同様なので説明を省略
する。補正トルク値演算部3にはテーブル10に取付け
られた位置検出器13により検出されたフルクローズド
位置検出値SPDFと位置指令値SPが入力される。ま
た、モータ9に取付けられた位置検出器12により検出
されたセミクローズド位置検出値SPDSより速度検出
部7を介して速度検出値SVDと、速度制御部2で算出
されたトルク指令値STにフィードフォワードゲイン補
正部5によりフィードフォワードゲインKfc倍された補
正トルク値STFCOが加算器16に入力され算出され
た補正トルク指令値ST’が入力される。フィードフォ
ワードゲインKfcは、0〜100%の間で可変であり、
フィードフォワード制御値としてトルク指令値STに加
え込まれる補正トルク値STFCOの値を加減できる。
このように、補正トルク値演算部3は、上記位置指令値
SP、フルクローズド位置検出値SPDF、補正トルク
指令値ST’、そして速度検出値SVDが入力されると
補正トルク値STFCIを加工周期毎に算出する補正ト
ルク値演算手段であり、補正トルク値STFCIを主制
御装置4に転送する。主制御装置4でフィルタ処理およ
び位相整合(図6参照)された補正トルク値STFCO
がフィードフォワードゲインKfcを乗じて、トルク指令
値STと加算器16により加算される。なお補正トルク
値の表記に2種類(STFCO、STFCI)あるの
は、主制御装置内でSTFCIがフィルタ処理及び位相
整合された後にSTFCOとして出力される為、便宜上
区別した。
【0007】図2は本発明の補正トルク値演算部3の内
部を示したブロック図である。補正トルク値演算部3に
おける内部処理は、大きく分けて2つのブロックに分れ
る。1つはトルク指令値、本実施例においては補正トル
ク値ST’と速度検出値SVDとからトルク偏差値を推
定する外乱トルク推定手段としての外乱トルク推定部2
2であり、もう1つは位置指令値SPとフルクローズド
位置検出値SPDFとの位置誤差値よりトルク偏差値を
推定する位置誤差値トルク推定手段としての位置誤差値
トルク推定部21である。外乱トルク推定部22は、ま
ず、入力された補正トルク指令値ST’にトルク係数K
t を乗じ、実トルク値を算出の後、速度検出部7で算出
された速度検出値SVDに摺動摩擦係数F+イナーシャ
J・ラプラス演算子S(Sは時間微分を意味する。)を
乗じた値にて減算器226で減算することにより、摺動
摩擦トルク変動分とイナーシャによるトルク変動分およ
びモータ制御の不安定トルク分が推定できる。サーボ性
能以上の周波数を含む信号をそのまま使用すると制御系
が不安定になるため、ローパスフィルタ(LPF)22
3にて処理を行なう。また、トルク定数演算部224に
おいてディメンジョンをトルク指令値ST’と揃えるた
めトルク定数Kt にて除算を行なう。さらに、ゲイン
(1ーKd )を乗じて、外乱トルク推定値STOBとし
数値処理部23に出力する。また、位置誤差値トルク推
定部21に入力されるフルクローズド位置検出値SPD
Fには通常ノイズ成分が含まれるため、ローパスフィル
タ(LPF)211によりノイズ成分を除去し、フィル
タによる位相遅れを位相整合器212にて行なう。ノイ
ズ除去されたフルクローズド位置検出値SPDFと位置
指令値SPを減算器215に入力し、位置誤差値SDを
得る。位置誤差値SDにより関数発生部213でトルク
指令値STと同じディメンジョンの位置誤差トルク推定
値STDが出力され、ゲインKd を乗じて位置誤差トル
ク推定値STDIとして数値処理部23に出力される。
なお、外乱トルク推定部22と位置誤差値トルク推定部
21から出力される各トルク値STOB、STDIにゲ
イン(Kd および1ーKd )が乗じてあるのは、各推定
部からの出力に重み付けを行なうためである。例えば、
位置誤差トルク推定値STDIの値を重視する場合、K
d =80%とすると外乱トルク推定値STOBのゲイン
は1ー0.8=0.2;つまり20%となり、位置誤差
トルク推定値STDI:外乱トルク推定値STOBは
8:2の割合で重み付けされる。次に、数値処理部23
に第1のトルク偏差値としての外乱トルク推定値STO
Bと第2のトルク偏差値としての位置誤差トルク推定値
STDIとを入力し、補正トルク値STFCIを出力す
る。位置誤差トルク推定値STDIは、外乱トルク推定
値STOBを包含している場合が多く、通常Kd を50
%以上で使用する。ゲインKd は制御対象の状況やサー
ボ調整者の目的により、調整される。
【0008】図3は図2で示した数値処理部23の構成
を示したブロック図である。数値処理部23に外乱トル
ク推定値STOBと位置誤差トルク推定値STDIとが
入力され、加算器35と減算器36とにそれぞれの値が
入力される。加算器35による出力は、符号判定器33
と演算器37とに出力される。また、減算器36からの
出力は絶対値化され、スイッチ34に出力される。符号
判定器33は、符号判定によりスイッチ34のP側、N
側の切り替えを行なう。この符号判定による切り替わり
の条件は任意に設定が可能である。スイッチ34がP側
の場合、演算器37は加算器として働き、N側の場合、
演算器37は減算器として働く機能を持つ。演算器37
からの出力は1/2にされた後、補正トルク値STFC
Iとして出力される。
【0009】図4に数値処理部23による補正トルク演
算処理結果の例を示す。X軸には制御位置(時刻)、Y
軸はトルクを示してある。以下図に従って説明する。図
4(a)には、外乱トルク推定部22からの出力である
外乱トルク推定値STOBと位置誤差値トルク推定部2
1からの出力である位置誤差トルク推定値STDIとが
示されてある。図4(b)は図3の符号判定器33の条
件を、外乱トルク推定値STOB+位置誤差トルク推定
値STDI≦0の場合はスイッチ34をN側に、外乱ト
ルク推定値STOB+位置誤差トルク推定値STDI>
0の場合はスイッチ34をP側に切り替わるように設定
した場合の補正トルク値STFCIを示す。これからわ
かるように上記条件の場合、同位置(時刻)の各トルク
推定値の絶対値の大きい方を選択することがわかる。動
的に補正量をかける場合にこの条件を選択することが多
い。図4(c)は図3の符号判定器33の条件を、外乱
トルク推定値STOB+位置誤差トルク推定値STDI
>0の場合はスイッチ34をN側に、外乱トルク推定値
STOB+位置誤差トルク推定値STDI≦0の場合は
スイッチ34をP側に切り替わるように設定した場合の
補正トルク値STFCIを示す。この条件では、同位置
(時刻)の各トルク推定値の絶対値の小さい方の値を選
択する。図4(d)は図3のスイッチ34をオープン
(N側、P側に切り替わらないように符号判定器33を
設定)にした場合の補正トルク値STFCIである。こ
の条件を選択すると、(外乱トルク推定値STOB+位
置誤差トルク推定値STDI)/2の値が出力されるた
め、外乱トルク推定値STOBと位置誤差トルク推定値
STDIの中間値を補正トルク値STFCIとして使用
できる。
【0010】図5は図2の位置誤差値トルク推定部21
内の関数発生部213の構成を示すブロック図である。
この関数発生部213は、位置誤差値に基づいて関数発
生を行なう。まず、位置誤差値SDがローパスフィルタ
41と積分器45に入力される。位置誤差値SDはロー
パスフィルタ41でノイズを除去すると共にサーボ性能
以上の周波数を低減させる処理が行なわれ、また定常偏
差を除去するため積分器45で時間積分し、それぞれ加
算器46にて加算される。通常位置誤差値SDを扱う位
置制御ループよりもトルク指令値STを扱う速度及び電
流制御ループの制御周期は短いため、位置誤差値SDを
補間器42により補間処理(補間処理の一例としてスプ
ライン関数を使用し数値補間をする)を行なうことで速
度及び電流制御ループで扱える値(同じ制御周期の値)
とする。次にラプラス演算子Sの二乗(時間の2回微
分)を乗じ、位相整合器44により位相合わせを行ない
位置誤差トルク推定値STDを出力する。
【0011】図6は補正トルク値STFCIを入力し補
正トルク値STFCOを出力する主制御装置4の構成を
示すブロック図である。主制御装置4は、位置指令値S
Pを記憶するメモリ55を備え、ここより位置指令値S
Pを出力する。またバッファメモリ54には補正トルク
値演算部3で算出された補正トルク値STFCIが入力
される。このバッファメモリ54は、ローパスフィルタ
53による処理、位相整合器52による処理を行なうた
めに使用される。ローパスフィルタ処理、位相整合処理
が行なわれた後の補正トルク値STFCOはメモリ51
に保存され、位置指令値SPに対応した補正トルク値S
TFCOが出力される。
【0012】図7に本実施例に係る数値制御装置を使用
した場合の効果を従来の数値制御器を使用した場合と比
較して示す。X軸は制御位置(時刻)、Y軸は制御対象
のフルクローズド検出位置と位置指令値との位置誤差値
を示す。図7(a)は、従来の数値制御装置を使用した
場合の制御対象の位置誤差を示しており、最大約±8μ
m程度の位置誤差値が発生する。また大きな脈動も生じ
ている。この場合、加工ワーク表面にも位置誤差値と同
様の脈動が現われ、問題となることが多い。この原因は
速度フィードバックに使用している位置検出器12の脈
動が大きく影響しているものと思われる。速度フィード
バックに使用する速度検出値SVDは位置検出値SPD
Sを微分して作成する為、速度検出値SVDに脈動があ
る場合、微分を行なうことで脈動の振幅が大きくなる。
特に高次数の脈動が大きくなることが推測されるが、サ
ーボ性能以上の周波数成分は制御器でフィルタリングさ
れてしまい、検出器1回転あたり数10周期のリップル
が実際に問題となることが多い。このことより位置誤差
値SDを位置指令値SPに対して直接補正を行なっても
効果が薄いことが言える。図7(b)は、本発明の数値
制御装置を使用した場合の制御対象の位置誤差を示して
ある。位置誤差値は約±1μm程度にまで抑えらること
がわかる。また脈動も低減されている。
【0013】なお、本発明は前述の図1から図6に示し
た本実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱
しない範囲での下記のような変形を行なってもよい。 (1)本実施例の補正トルク値は主制御装置から転送せ
ず、補正トルク値演算部3内にメモリを持ち、該メモリ
より主制御装置4からの位置指令値SPに同期した補正
トルク値STFCOを出力してもよい。 (2)本実施例では離散系の制御装置で説明を行なった
が連続系制御装置でもよい。 (3)本実施例の説明では関数発生部213内の処理に
おいてローパスフィルタ41を用いたが この部分の処
理は離散系制御装置においては重み付け平均、移動平均
などの手法を用いてもよい。 (4)本実施例の補正トルク値演算部3内の数値処理に
おいて、位置誤差トルク推定値STDIと外乱トルク推
定値STOBの和や差を直接算出する方式でもよい。 (5)本実施例では、実加工中、加工周期毎に補正トル
ク値STFCOが更新するように扱ったが、加工前、加
工周期毎に位置誤差値SDが小さくなるよう補正トルク
値STFCOを算出し、トルクフィードフォワード制御
値(=補正トルク値STFCO)を固定値として扱って
もよい。
【0014】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明で示す数
値制御装置によれば繰り返し制御時、加工周期毎にトル
クの変動(主に摺動トルク、イナーシャの変動、モータ
制御の不安定さなどに起因する外乱)を推定でき、さら
にサーボ系の制御遅れや速度検出部のリップルによる位
置誤差より関数を発生させることにより位置誤差トルク
推定値とし、前記トルク変動推定値と共にトルク指令値
にフィードフォワード制御値として加えるようにした
為、制御対象の挙動を安定させることができるため、ワ
ークの加工精度を向上させることができる。また、一連
の補正工程をオンラインで行なえるため、工数の削減に
つながる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る数値制御装置の一例を示すブロ
ック図である。
【図2】 本発明に係る数値制御装置の補正トルク演算
部の一例を示すブロック図である。
【図3】 図2に示した数値処理部の構成を示すブロッ
ク図である。
【図4】 本実施例における補正トルク演算処理結果の
一例を示す図である。
【図5】 図2に示した関数発生部の構成を示すブロッ
ク図である。
【図6】 本実施例における主制御装置の構成を示すブ
ロック図である。
【図7】 従来と本発明の数値制御装置の効果の一例を
示す図である。
【図8】 従来の数値制御装置の構成を示すブロック図
である。
【符号の説明】
1 位置制御部 2 速度制御部 3 補正トルク値演算部 4 主制御装置 5 フィードフォワードゲイン補正部 6 位置検出部 7 速度検出部 8 電力増幅部 9 モータ 10 テーブル 11 ボールネジ 12、13 位置検出器 14、15、36、215、226 減算器 16、35、46 加算器 21 位置誤差値トルク推定部 22 外乱トルク推定部 23 数値処理部 33 符号判定器 34 スイッチ 37 演算器 41、53、211、223 ローパスフィルタ 42 補間器 44、52、212 位相整合器 45 積分器 51、55 メモリ 54 バッファメモリ 61、62、63、64、65 トルク波形 71、72 位置誤差値波形 81 位置偏差演算部 213 関数発生部 224 トルク定数演算部 SP 位置指令値 SP’補正後位置指令値 SV 速度指令値 ST トルク指令値 ST’補正トルク指令値 SPD 位置検出値 SVD 速度検出値 SPDS セミクローズド位置検出値 SPDF フルクローズド位置検出値 STFCI 補正トルク値 STFCO 補正トルク値 SD 位置誤差値 STD 位置誤差トルク推定値 STOB 外乱トルク推定値 STDI 位置誤差トルク推定値(ゲインKd ×ST
D) SPC 位置誤差補正量

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主制御装置からの位置指令値と制御対象
    からの位置検出値とから位置誤差値を算出し位置制御を
    行なう位置制御部と、 該位置誤差値と、該位置検出値から算出される速度検出
    値と、から速度誤差値を算出し速度制御を行なう速度制
    御部と、 該速度制御部から出力されるトルク指令値を電流指令値
    に変換する電力増幅部と、 制御対象の位置を検出する位置検出器と、 を有し、周期的目標値の繰り返し制御を行なう数値制御
    装置において、 該位置指令値と該位置検出値と該速度検出値と該トルク
    指令値とからトルク値を補正し補正トルク値を加工周期
    毎に算出する補正トルク値演算手段を有し、 前加工周期において算出された該補正トルク値を次加工
    周期にフィードフォワード制御値として該トルク指令値
    に加え込むことを特徴とする数値制御装置。
  2. 【請求項2】 前記補正トルク値演算手段は、該トルク
    指令値と該速度検出値とからトルク偏差値を推定する外
    乱トルク推定手段を有することを特徴とする請求項1記
    載の数値制御装置。
  3. 【請求項3】 前記補正トルク値演算手段は、該位置指
    令値と該位置検出値との位置誤差値よりトルク偏差値を
    推定する位置誤差値トルク推定手段を有することを特徴
    とする請求項1記載の数値制御装置。
  4. 【請求項4】 前記補正トルク値演算手段は、該位置誤
    差値に基づいて関数発生を行なう関数発生部を有するこ
    とを特徴とする請求項1記載の数値制御装置。
  5. 【請求項5】 前記補正トルク値演算手段は、該トルク
    指令値と該速度検出値とから推定した第1のトルク偏差
    値と、該位置指令値と該位置検出値との位置誤差値より
    推定した第2のトルク偏差値と、により前記補正トルク
    値を算出する数値処理部を有することを特徴とする請求
    項1記載の数値制御装置。
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Cited By (7)

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