WO1995005703A1 - Apparatus and method for controlling a servomotor - Google Patents

Description

明 細 書

サ一ボモ一夕の制御装置及び制御方法

技 術 分 野

本発明は、 工作機械等のテーブル等の送り軸を駆動す るサーボモー夕の制御装置及び制御方法に関 し、 特に、 送 り軸の移動方向が反転する と きのパッ クラ ッ シュ加速 補正に関する ものである。

背 景 技 術

工作機械等において、 テーブル等を駆動するサーボモ —夕の駆動方向を反転させる と き、 通常、 送り ね じのバ ッ クラ ッ シュや摩擦の影響のため、 機械は即座に反転す る こ とができない。 そのため、 工作機械で円弧切削等を 行なって いる と き、 象限が変わる と切削円弧面に突起が 生 じる。 例えば、 X，. Y 2軸.平面:上でワークに対し円弧 切削を行う場合、 X軸についてはプラス方向に駆動 し、 Y軸についてはマイ ナス方向に移動させて い く と、 その 移動中に象限が変化する。 例えば、 移動が X軸を横切る と き には、 Y軸についてはそのま まマイ ナス方向に駆動 し、 X軸についてはプラス方向からマイ ナス方向に駆動 を切 り換える。 この と き、 Y軸に対 しては切 り換え前と 同一の速度によ り切削が行なわれるが、 X軸については 位置偏差が 「 0 」 となるこ とから トルク指令値が小さ く な り、 摩擦によ りサーボモー夕は即座に反転できな く な る。 ま た、 テーブルを送る送 り ね じのノ ッ クラ ッ シュ に よ り、 テーブルの移動は移動指令に対して追従できな く な り、 遅れが生 じる。 これ らの トルク指令値の減少や、 ノ、' ヅ クラ ッ シュの発生と いった原因によって、 切削円弧 面に突起が生 じる。

この切削面における突起の発生を防止 した り、 突起量 を減少させるために、 従来、 移動方向の反転時に位置偏 差に位置のバ ヅ クラ ッ シュ補正を行なう と と も に、 速度 指令に適当な値 （加速量） を加えてサーボモ一夕の反転 方向に加速を行い象限突起を減らす、 いわゆるバックラ ヅ シ ュ加速補正によ るモータ制御方式が行なわれている < この、 バ ヅ クラ ッ シュ加速の一方式と して、 図 1 1 の ノ ヅ クラ ッ シュ加速補正によるモータ制御方式のブ ロ ヅ ク図に示されるものがある （例えば、 日本の特許公報で ある特開平 3 - 2 2 8 1 0 6号 報参照） 。 この従来の ノ ッ クラ ッ シュ加速補正によるモー夕制御方式において は、 方向反転直前の速度制御ループ積分器 （図 1 1 中の K 1 Z S の項） の値を求め、 その値の符号を反転 したも のを反転後の目標値と し、 方向反転以後の設定時間内の 各速度制御ループ処理においては、 前記目標値から各速 度制御ループ処理における積分器の値を減じた値に、 適 当な定数値を乗 じた ものを、 各速度制御ループ処理にお けるバ ヅ クラ ッ シュ加速量と して、 ノ ヅ クラ ッ シュ加速 補正を行なって いる。

しか しなが ら、 前記の従来の乇一夕の制御方式にお い ては、 円弧運動の速度が上昇した場合には、 充分なバッ クラ ッ シュ加速補正ができな く なる と いう問題点がある ₍ この理由を図 1 2 を用 いて説明する。 速度制御ル一ブ の積分器の値は、 摩擦 トルク分と加速度 トルク分と を加 えたもの となる こ とが理想的である。 この摩擦 トルクは, 図 1 2 ( c ) の f tl， ( g ) の f t2に示されるよ う に、 モータ反転に伴ってその符号が反転する。 一方、 加速度 トルク分は図 1 2 ( b ) の a l ， ( f ) の a2 に示され るよ う に、 速度サイ ン波を時間で微分 したコサイ ン波と な り、 モータ反転時点にその絶対値が最大になる。

まず、 円弧運動を行うモー夕回転速度が遅い場合の理 想的な積分器の動き を図 1 2 ( d ) に I I ( = a l + f tl) に示す。 と こ ろで、 上記の従来のモ一夕の制御方 式においてはモー夕反転直後の稹分値の目標値を反転直 前の積分器の値にマイ ナス 1 を掛けたものと して いたた め、 摩擦 トルク分 f tlのみな らず加速度 トルク分 al ま でも反転 して しま って、 モータ反転直後の積分器の従来 の目標値は、 理想的な目標値 （図 1 2 ( d ) のモータ反 転時の I 1 の値） に対 して加速度 トルク分 a 1 だけ低い 値に設定されて しま った。

もっ と も、 このよ う にモータの速度が遅い場合は、 図 1 2 ( b ) , ( c ) に明かなよ う に、 加速度 トルク分 a 1 はその絶対値が摩擦 トルク分 f tlの 3対値に く らべ てかな り小さ いので （無視できる値であるので） 、 モー 夕反転直後の積分器の従来の目標値はこ こで論 じている 理想的な 目標値と く らべ特に大きな差が生 じないため、 従来のモータ の制御方式によ るバッ クラ ッ シュ加速補正 によって も格別な問題を生 じなかつた。

しか しながら、 乇一夕速度が速い状態でモー夕が反転 される と、 加速度 ト ルク分 a 2 はその絶対値が摩擦 トル ク分 f t 2の絶対値に く らベて無視できない大きな値とな り、 反転直後の積分器の従来の目標値は、 理想的な目標 値、 すなわち、 図 1 2 ( h ) に示す 1 2 ( = a 2 + f t 2 ) と く らべかな り の差が生 じて しま い、 その結果、 この従 来のモー夕の制御方式によるバッ クラ ッ シュ加速補正で は目標値が小さ く 設定されて しま って十分なバッ クラ ヅ シュ加速補正ができなかった。

図 1 3 では、 円弧運動でのモータ回転速度が遅い場合、 加速度成分が無視できる値とみな して、 前記摩擦 トルク 分を速度制御ループ積分器の反転目標値となるよう に設 定 してノ ッ クラ ッ シュ加速制御を行なう と、 パッ クラ ヅ シュ加速制御を行なわない場合に比較して、 実線で示す よ う に反転の遅れを減少させるこ とができる こ と を説明 している。

図 1 4では、 円弧運動でのモー夕回転速度が速い場合、 加速度成分を無視して摩擦 トルク分のみを速度制御ルー プ積分器の反転目標値となるよう に設定してバッ クラ ヅ シュ加速制御を行なう と、 この反転目標値は加速 トルク 分を含んだ真の反転目標値と比較 して設定値が低 く なる ため加速不足と な り、 ノ ッ クラ ッ シュ加速が正 し く 行な われな く なる こ とを説明 して いる。

以上のよ う に、 前記 した従来のモータの制御方式にお いては、 円弧運動の速度が上昇した場合には、 充分なバ ヅ クラ ッ シュ加速補正ができな く なる と いう問題点があ る。

発 明 の 開 示

本発明の目的は、 前記 した従来のサ一ボモー夕の制御 方式の問題点を解決 し、 モータ反転直後の速度制御ルー ブ積分器の目標値を正 し く 設定する こ とのでき るサーボ モータ制御装置及び制御方法を提供する こ と にある。 前記目的を達成するために、 本発明のサ一ボ乇一夕制 御装置は、 サーボモ一夕が受ける外乱 トルクの大きさを 推定する外乱 トルク推定手段 ； 上記外乱 トルク推定手段 によ り推定されたモータ反転直前の外乱 トルクの符号を 反転させて 2倍に したものをサーボモータ反転時の速度 制御ループの積分器の値に加算したものをその積分器の 目標値と して設定する積分器の目標値設定手段 ； 上記目 標値設定手段で設定された目標値に積分器がすみやかに 移行する こ とのでき る ようモータ反転後の速度指令にォ フセッ ト量を与える速度指令オフセ ッ ト付与手段からな る

好ま し く は、 速度指令オフセッ ト付与手段に加えられ るオフセ ッ ト量は、 上記積分器の上記設定された 目標値 と現在の値との差に一定の係数を乗算した値である。

ま た好ま し く は、 上記外乱 トルク推定手段は、 モー夕 モデルのパラ メ 一夕である 「 トルク定数 イ ナ一シャ」 の比の項を含み、 この項の値はそれを適応的に修正する 手段によ り処理周期毎修正される。

さ ら に、 本発明のサーボモー夕制御方法は、 サーボモ 一夕を用 いた工作機械等の送り軸の方向反転時のモー夕 制御方法において、 サーボモー夕の反転直前に該サーボ モー夕が外界か ら受ける外乱 トルク を外乱 トルク推定手 段によ り推定 し ；

速度ループ積分器の値を上記推定した外乱 トルク に等 し い摩擦 トルク分と、 残り の加速 トルク分と に分離 し ； モ —夕反転時には、 上記摩擦 トルク分の符号を反転させた ものと上記加速 トルク分との合計を速度ループ積分器に 反転目標値と して設定 し ； その反転目標値に向かって積 分器が速やかに移行するよ う、 速度指令にあるオフセッ ト量を加えて速度指令を修正するよ う に している。

好ま し く は、 上記オフセ ッ ト量は上記速度ル一ブ積分 器に設定された反転目標値と現在の値との差に所定の係 数を乗算 した値である。

また好ま し く は、 上記オフセッ ト量を速度指令に追加 するこ とは、 予め設定された回数だけ行い、 その後は上 記オフセ ヅ ト量はゼロ とする。

また好ま し く は、 上記外乱 トルクの推定には、 モー夕 の トルク定数と イ ナ一シャの比と を適応的に求める段階 を含むものであって、 詳 し く は、

( a ) 当該処理周期の 1 周期前と 2周期前の トルク指 令の変化量を求める段階、

( b ) 上記 （ a ) で求めた トルク指令の変化量と、 さ ら に、 当該処理周期の 1周期前と 2周期前のモータの実 速度、 及び 1周期前に求めたモー夕の トルク定数とイ ナ ーシャ との推定比率、 よ り モー夕の推定速度を求める段 階、

( c ) モー夕の実速度と前記推定速度との差である推 定速度誤差を求める段階、

( d ) 現周期にお ける トルク定数とイ ナーシャ との推 定比率を、 現周期の一つ前の周期の推定比率との差が、 上記 （ a ) で求めた トルク指令の変化量が小さ いと き に は小さ く、 トルク指令の変化量が所定値になるまでは該 トルク指令の変化量に略比例した値に、 また前記所定値 以上になる と飽和させてあ る一定値となるよう に、 上記 ( a ) で求めた トルク指令の変化量及び （ c ) で求めた 推定速度誤差に基づいて決定し、 そ して この推定比率が 収束する値 2もって トルク定数とイ ナ一シャの比とする 段階からなる。

さ ら に好ま し く は、 上記 （ d ) の トルク定数とイ ナ 一シャの推定比率 b ' ( i ) を求めるには、 上記 （ a ) で求める トルク指令の.変化量を u、 上記 （ c ) で求める 推定速度誤差を e、 上記 （ d ) ですでに求めた前周期の 推定比率を b ' ( i — 1 ) 、 また、 設定パラメ ータ値を >5 とする と、

b i ) = b * ( i - 1 )

+ { 3 - ' e / ( l + 3 ² ) } とする。 以上のよう に、 本発明によれば、 （ 1 ) この外乱 トル ク推定器 5 によ り モー夕反転直前の摩擦 トルクの大きさ を推定 して、 その推定 した摩擦 トルク用いて、 速度制御 ループの積分項 2か らの積分器の値を摩擦 トルク分と加 速 トルク分と に分離する、 （ 2 ) モー夕反転時には、 積 分器の値のう ちの加速 トルク分は反転させず、 摩擦 トル ク分だけ反転させて積分器の目標値を設定する、 （ 3 ) そう して積分器がその目標値に向かって速やかに移行す るよ う速度指令にあるオフセ ッ ト量を付加するので、 円 弧切削等において象限が変わった時、 即ち、 一方の送り 軸のみがその移動方向が反転 した と き等において、 切削 円弧面に発生する突起を最小限に抑える こ とができる。

図 面 の 簡 単 な 説 明

図 1 は本発明の実施例の速度制御ループ処理周期毎に 実施する処理のフ ローチャー ト、

図 2 は図 1 のフローチヤ一 卜の続き、

図 3 は本発明の位置制御ループ系のブロ ッ ク図、 図 4 は本発明のモー夕の制御方式を実施するサーボモ 一夕制御系の要部ブロ ッ ク図、

図 5 は本発明のモータの制御方式を実施する外乱 トル ク推定器の要部ブロ ッ ク図、

図 6 は本発明の積分器の動きを説明する図、

図 7 は本発明の実施例の効果を示す図、

図 8 は本発明の実施例の効果を示す図、

図 9 は本発明の実施例の効果を示す図、 図 1 0 は本発明の実施例の効果を示す図、

図 1 1 は従来のバッ クラ ッ シュ加速補正によ るモ一夕 制御方式のブロ ッ ク図、

図 1 2 は円弧運動のモー夕の動きを説明する図、 図 1 3 は速度が遅い場合の積分器の動きを説明する図, 及び、

図 1 4 は速度が速い場合の積分器の動きを説明する図 め る

発 明 を 実施 す る た め の 最良 の 形態

図 3 は速度制御ループ、 電流制御ループを含む位置制 御ル一ブ系のブロ ッ ク図で、 ブロ ッ ク 1 の K p は位置制 御ループのポ ジシ ョ ンゲイ ン、 ブロ ッ ク 2 , 3 は速度制 御ループの積分項、 比例項で、 K 1 は積分ゲイ ン、 K 2 は比例ゲイ ン、 ブロ ッ ク 4 はサ一ボモ一夕、 ブロ ッ ク 5 は外乱 トルク推定器、 ブロ ヅ ク 6 はサ一ボモータの速度 を積分 して位置を求める伝達関数、 ブロ ッ ク 7 はバッ ク ラ ッ シュ加速量計算部である。

前 位置制御ループ系において、 ブロ ッ ク 5 及びブロ ヅ ク 7 は本発明によ るバッ クラ ッ シュ補正を行う部分を 構成 してお り、 このバッ クラ ッシュ補正部分を除いた部 分は通常の位置制御ループ系 と同様である。 そ して、 こ の位置制御ループ系は、 数値制御装置から出力された位 置指令か らサ一ボモータ 4 に取 り付けられたパルスコー ダ等か らの位置フ ィ ー ドバッ ク値を減じて位置偏差を求 め、 該位置偏差にポ ジ シ ョ ンゲイ ン K p を乗 じて速度指 令を求める。 さ ら に、 この速度指令とパルスコーダ等で 検出されるサ一ボ乇一夕 4 の実速度の速度フ ィ 一 ド バ ヅ ク値よ り、 速度制御ループの積分比例制御を行なって ト ルク指令を求め、 電流制御ループ処理を行なって、 サー ボモ一夕 4 を駆動する。

. —方、 ノ ッ クラ ッ シュ補正を行なう部分は外乱 トルク 推定器 5 とバッ クラ ッ シュ加速量計算部 7 によ り構成さ れる。 この外乱 トルク推定器 5 はモー夕反転直前の摩擦 トルクの大き さ を推定 してバ ヅクラ ッシュ加速量計算部 7 に入力 し、 該バッ クラ ッ シュ加速量計算部 7 は、 その 推定した摩擦 ト ルク用 いて、 速度制御ループの積分項 2 からの積分器の値を摩擦 トルク分と加速.トルク分.と に分 離する。 そう して、 モー夕反転後の積分器には上記加速 トルク分と符号を反転 した摩擦 トルク分との合計を積分 器の目標値と してセ ッ ト する。

従来と本発明のバッ クラ ッ シュ制御の相違は、 以下の 点にある。 従来のバッ クラ ッ シュ制御が、 方向反転直前 の速度制御ループ積分器の値を求め、 その値の符号を反 転 したものを反転後の積分器出力の目標値と し、 方向反 転以後の設定時間内の各速度制御ループ処理において、 前記目標値か ら各速度制御ループ処理における積分器の 値を減 じた値に、 適当な定数値を乗 じたものを、 各速度 制御ループ処理におけるバ ヅ クラ ヅ シ ュ加速量と して、 ノ ッ クラ ッ シュ加速補正を行なって いるのに対 して、 本 発明のバッ ク ラ ッ シュ制御においては、 外乱 トルク推定 器 5 によって摩擦 ト ルク を求め、 方向反転直前の速度制 御ループ積分器中の トルクか ら前記外乱 トルク推定器 5 によって推定 した摩擦 トルク を除 く こ と によ り、 加速分 に必要な トルク を求め、 モー夕の反転時には、 加速 トル ク分は反転せず摩擦 トルク分のみ反転 して積分器目標値 を設定 し、 その積分器目標値に向かって積分器がすみや かに移行する よ う に速度指令をオフセヅ ト する。 この積 分器の制御の一方法と して、 本発明においては、 各速度 制御ループ処理毎に前記積分器目標値から各速度制御ル ーブ処理における積分器の値を減じた値に、 適当な定数 値を乗 じたものを、 各速度制御ループ処理におけるバッ クラ ッ シュ加速量と している。

図 4 は本発明のモー夕の制御方式を実施するサ.一ボモ —夕制御系の要部ブロ ッ ク図であ り、 1 0 は工作機械を 制御する制御装置で、 該制御装置か ら移動指令、 力指令， 各種制御信号が共有メ モ リ 1 1 を介 してディ ジタルモー 夕制御回路 1 2 に出力される。 ディ ジタルサーポ制御回 路 1 2 は、 プロセッサ， R O M , R A M等で構成され、 位置， 速度， 力等のモー夕制御をディ ジタル的に実行 し， ト ラ ンジスタ ィ ンバ一夕で構成されるサーボアンブ 1 3 を介して各軸のサーボモータ 1 4 を制御するものである, ま た、 1 5 は位置， 速度を検出する位置速度検出器でサ —ボモータのモー夕軸に取 り付けられたパルス コーダ等 で構成され、 ディ ジタルサーボ制御回路 1 2 に位置、 速 度フ ィ ー ドノ ッ ク信号を出力 している。 なお、 これらの 構成は、 従来か ら公知のディ ジタルサ一ボ回路の構成と 同一である。

また、 図 5は本発明のモー夕の制御方式を実施する外 乱 トルク推定器 （外乱推定オブザーバ） の要部ブロ ッ ク 図であ り、 一点鎖線によ り 囲まれる外乱 トルク推定器 5 は、 サ一ボモー夕が外界か ら受ける力と しての摩擦 トル ク T d を推定する外乱推定オブザーバである。 モータへ 指令される トルク指令 T c とモー夕の実速度 Vから摩擦 トルク T d を推定し、 推定摩擦 トルク Aを得るものであ る。 なお、 図 5中において、 4、 4 ' はモータ部であ り， Kt はモー夕の トルク定数、 Jはモータ及び機械可動部 のイ ナーシャである。 また、 Sはラプラス演算子である _c 外乱 トルク推定器 5の項 5 2， 5 3の K 3， Κ 4は外 乱 トルク推定器 （外乱推定オブザーバ） 5のパラメ一夕 であ り、 項 5 1の bは実際にサーボモー夕 に出力される トルク指令 T c に乗 じるパラメータの値でモー夕の トル ク定数 Kt をイ ナ一シャ Jで除 した値である。 5 4は積 分項で項 5 1， 5 2， 5 3の出力を全て加算した値を積 分 し、 モー夕の推定速度 v aを求める項である。 また、 項 5 5は項 5 3からの出力 Xに （ I Zb ) を乗 じた推定 摩擦 トルク Aを求める項である。

この図 5のブロ ッ ク図を b二 Kt ZJと して解析する と、

{T c ' Kt + T d } ( 1 / J · S ) = v

… （ 1 ) {T c · ( K t / J ) + ( v - v a ) K 3

+ ( v - v a ) ( K 4 / S )} ( 1 Z S )

= v a … （ 2 )

(なお、 v a は積分項 5 4 の出力で推定速度）

1 式よ り

T c = ( v - J - S - T d ) / K t

… ( 3 )

2式に 3式を代入 し整理する と、

v - S - ( T d / J ) + ( v - v a ) K 3

+ ( - V a ) ( K 4 / S ) = V a · S

… ( )

S ( V - V a ) + ( V - V a ) · Κ 3

+ ( ν - ν a ) ( K 4 / S )

= Ί ά / J … （ 5 ) 5式よ り

( v - v a )

= ( T d / J ) · { 1 / [ S + K 3 + ( K 4 / S ) ] }

… ( 6 ) 前記 6式よ り項 5 3 の出力である積分値 Xは次の 7式 で示される。

X = ( V - V a ) . ( K 4 / S )

= ( T d / J ) . { K 4 / ( S ² + Κ 3 - S + Κ 4 ) }

… ( 7 )

7式において、 パラ メ 一夕 Κ 3 ， Κ 4 を極が安定する よ う に選択する と、 X = T d / J と近似する こ とができる。 この算出され た積分値 Xにパラ メ 一夕 bの逆数 l Z b ( = J / K t ) を乗ずれば、 A = X x ( 1 / b ) = T d / K t とな り、 外乱 トルク T d を電流指令に対応する外乱の値に した外 乱 トルクの推定値 Aを求める こ とができる。 この外乱 ト ルク推定器 5 の出力である推.定摩擦 トルク Aは、 図 3 の ノ、' ヅ クラ ッ シュ加速量計算部 7 に入力され、 ノ ヅ クラ ヅ シュ加速量が求められる。

以上のよう に、 外乱 トルク推定器 5 によ り推定外乱 ト ノレク （摩擦 トルク ） Aを求める際には、 トルク指令 T c に トルク定数 K t とイ ナーシャ Jの比率 bからなるパラ メ 一夕 b を乗 じて （項 5 1 ) 、 モー夕の推定加速度を求 める事項を含み、 さ ら に、 項 5 5 で トルク定数 K t とィ ナーシャ Jの比率の逆数 1 bを乗 じて外乱 トルク （摩 擦 トルク ） の推定値 Aを求めるものであるから、 外乱 ト ルクの推定値 A と実際の外乱 トルク T d との'誤差を小さ く する には、 前記項 5 1 及び項 5 5 での係数は実際の ト ルク定数 K t とイ ナーシャ Jの比率 （ K t / J ) 及びそ の逆数 （ J K t ) に近い値であればある程正確な外乱 トルク に対応する推定値を求める こ とができる こ とを意 味する。

しか し、 サーボモー夕が取り付けられる機械によって イ ナー シャ Jが変化 し、 前記 トルク定数 K t とイ ナ一シ ャ Jの比率のパラメ ータ b を一律に決める こ とができな い。 そのため、 機械毎に このパラメ 一夕 b を実験的に求 めても よ いが、 本実施例では、 このパラメ 一夕の比率 b を自動的に推定する よ う に している。

図 5 において、 トルク指令 T c にモ一夕の トルク定数 K t が乗 じ られた値と、 外乱 トルク T d を加算 した値を 積分 し、 その積分値をイ ナ一シャ Jで除 した値がモー夕 の速度 V となる。 そ こで、 所定サンプリ ング周期 T s 毎 の i周期におれる トルク指令を T c ( i ) 、 モー夕の実 速度を V ( i ) 、 外乱 トルク を T d ( i ) と し、 サンブ リ ング周期 T s間に外乱 トルク T d 及び トルク指令 T c は変化がない とする と、 モー夕の速度 V ( i ) は次の 8 式で表すこ とができる。

V ( i ) = V ( i-1)

+ ( T s / J ) · { K t · Τ c(i-l) + Τ d(i-l)}

… ( 8 ) また、 1つ前のサンプリ ング周期においては次の 9式 が成 り立つ

V ( i-1) = V ( i-2)

+ ( T s / J ) * { Kt . T c(i- 2) + T d(i-2)}

… ( 9 ) 8式か ら 9式を引 く と、

V ( i ) - V ( i-1)

= v (i-1) - v (i-2)

+ ( T s / J ) · [ K t { T c(i-l)

- T c(i-2)} + T d(i-l) - T d(i-2)]

- ( 10) また、 外乱 トルク に変化がない と して、

T d(i-l)= T d(i-2)

とする と、 前記 1 0式よ り、 次の 1 1式が成 り立つ。

V ( i) = 2 · V ( i-1) 一 V ( i-2)

+ ( T s - K t / J ) - u (i-1)

… （ 11) ただ し、 u (i-l) = T c(i-l)— T c(i-2) である。

そこで （ T s · K t / J ) = b ' ( i — 1 ) とおき、 前記 1 1式を次の 1 2式のよ う に書換える。

V ' (i ) = 2 . V ( i-1) - v ( i-2)

+ b ' ( i — 1 ) · u (i-1) … ( 12) 前記 1 2式において b * ( i — l ) = ( T s - K t / J ) は （ トルク定数/イ ナ一シャ ） の比率を表 してお り、 v '(i) は、 前記 b ' ( i - 1 ) を用いて推定されたモー 夕の推定速度を意味する。

サンプリ ング周期 i におけるモータの実速度 v (i) と 推定速度 ν · (i) との差である推定誤差 e ( i ) = V (i) 一 v *(i)を用いてサンブリ ング周期 i における俞記推定 される （ トルク定数 Zイ ナ一シャ ） の比率 （以下推定比 率と いう ） b ' ( i ) を推定する。 この場合、 トルク指 令 T c の変化 u (i) ( = T c(i)- T c(i-D ) が小さい と きは、 前記推定比率の変化 （ b ' ( i ) - b i - 1 ) ) をほと んど 「 0 」 に近い小さな値と し、 トルク指令 T c の変化 u (i) が大き く なる につれて推定比率の変化も大 き く なるよ う に し、 かつ トルク指令 T c の変化 u ( i ) が ある設定値以上の大き さ になる と推定比率の変化も飽和 させる よ うなアルゴ リ ズムで推定比率 b ' ( i ) を推定す る。 本実施例では、 次の 1 3式によって推定する。

b i ) = b * ( i - l )

+ ? · u (i) · e (i) / ( 1 + · u (i) ² )

… （ 13) 前記 1 3式において は収束の速度を決めるパラメ一夕 である。 前記 1 3式の処理を各サンプリ ング周期毎に実 施すれば、 前記推定比率 b * ( i ) は収束し一定な値と なる。 この収束 した一定な値の推定比率 b * を外乱 トル ク を推定する外乱 トルク推定器 5 における指令 トルクか らモ一夕の推定加速度に変換するパラメ ータ b と して利 用すれば、 正確な外乱 トルクの推定値を得るこ とができ る

次に、 本発明の実施例の動作を図 1、 図 2 に示すディ ジタルサーボ （ ソフ ト ウェアサ一ボ） 回路 1 2のプロセ ッサが速度制御ループ処理周期毎に実施する処理のフ ロ 一チャー ト、 および図 6 に示す積分器の動きを説明する 図を用いて説明する。 なお、 各工程はステップ Sの符号 に従って説明する。

ステップ S 1 : は じめに、 フラグ 1の値を判定する。 このフ ラグ 1 はバッ クラ ッ シュ加速の 1 回目の周期であ' る こ と を示すフ ラグであって、 ディ ジタルサーボ制御回 路 1 2のプロセ ッサ （ C P U ) が制御装置 1 0から出力 される分配指令の符号反転を検出 したと き 「 1 」 にセ ッ 卜 される。 すなわち、 このフラグはバ ヅ クラ ッ シュ加速 開始時に 1 速度制御ループ間だけ 「 1 」 にセッ ト され、 バッ クラ ッ シュ加速が行なわれない と きは 「 0 」 に リ セ ヅ ト される。 したがって、 このステップ S 1 の判定にお いて、 フラグ 1 の値が 「 1 」 にセッ ト されている場合に は、 以下のステ ップ S 2 〜ステップ S 6 の工程で説明す るバッ クラ ッ シュ加速開始における処理に進み、 フラグ 1 の値が 「 0 」 にセ ッ ト されている場合には、 ノ ヅ クラ ッ シュ加速開始でない場合の処理 （ステップ S 8 ) に進 む。

なお、 バッ クラ ッ シュ加速開始か否かの判断は、 例え ば位置偏差の符号が反転 したか否かを判断する こ と によ つて行なう こ とができ る。 .

ステップ S 2 ： 外乱 トルク推定器で、 即ち、 後述する この外乱 トルク推定器の処理によって推定された推定外 乱 トルク を推定摩擦 トルク A と して読み込む。

この推定摩擦 トルク Aは、 図 6 において、 負側の破線 で示される部分であ り、 （ 一 A ) の値を有して いる。 な お、 こ こで、 Aは正の値を有 しているもの とする。

ステップ S 3 ： 次に、 積分器中の トルクから加速 トル クデ一夕 S を求める。 円弧切削のス ピー ドの上昇に伴つ て、 積分器中の トルク成分である加速 トルク と摩擦 トル クの内で加速 ト ルクの占める割合が大き く なる。 この加 速 ト ル ク 分を加速 ト ル ク データ S で表す と、 図 1 2 の ( d ) と図 1 2 の （ h ) の比較、 及び図 6 の S で示され る よ う に、 速度が速い場合には無視できない量となる。 つま り、 従来のバッ クラ ッ シュ加.速の場合のよ う に、 積 分器中の トルク成分を摩擦 トルクのみと仮定して、 その 反転 トルク値をバッ クラ ッ シュ加速の反転目標値とする と、 図 6 の一点鎖線に示すよ うな積分器の動作とな り、 真の反転目標値と比較 して目標値が低く 設定されるため 加速不足となる。 そこで、 この工程において速度ル一ブ 積分器中の トルク成分を加速 トルク分と摩擦 トルク分に 分離 し、 現在の速度ループ積分器の値から前記ステップ S 2 の工程で求めた摩擦 トルク分を減算するこ と によつ て加速 トルク分を求める。

この場合、 現在の速度ループ積分器の値を一 B ( B ≥ 0 ) で表すと、 加速 トルグデータ S は、 図 6 に示す関係 か ら次式

加速 トルクデ一夕 S =現在の積分器の値 （ 一 B ) —推 定摩擦 トルク （ 一 A ) = — B 十 A … ( 14 ) によって表される。

ステ ップ S 4 ： 速度ループ積分器の積分器目標値 Cを 加速 トルクデ一夕 S と推定摩擦 トルク Aから求める。 積 分器中の トルク成分の内、 モータ反転時においては、 加 速 トルク分につ いては反転させる必要がな く、 摩擦 トル ク分のみ反転させればよ いので、 積分器目標値 Cは図 6 の真の反転目標値であ り、 次式によ り求め られる。

積分器目標値 C =加速 ト ルクデータ S +推定摩擦 トル ク （ 一 A ) x ( — 1 ) = S + A

= - B + 2 A - ( 15)

上の 1 5式は、 積分器目標値 Cは、 現在の積分器の値 (一 B ) に推定摩擦 トルク （ 一 A ) の符号を反耘 したも の （ A ) を 2倍 したもの （ 2 A ) を加算 したものである こ とを示 して いる。

ステ ップ S 5， ステ ップ S 6 ： ノ ヅ クラ ッ シュ加速補 正時間に対応 して加速カウ ン夕の値を設定し、 その値を 加速カ ウ ン夕 B L C N Tにセ ヅ 卜 する と と も にフラグ 1 をク リ アする。

ステップ S 7 ： 加速カウ ンタ B L C N Tの値を判定し、 正の場合にはステップ' S 9に進んでパ ヅ クラ ヅ シュ加速 補正を行い、 0又は負の場合にはステヅブ S 8 に進む。

ステップ S 8 ： 加速カウン夕 B L C N Tの値が 0又は 負の場合には、 パ ヅ クラ ヅ シ ュ加速補正を行なわないた め、 ノ、'ッ クラ ッ シュ加速量を 「 0」 と して レジス夕等に 格納する。

ステ ップ S 9, ステップ S 1 0 : 加速カウ ン夕 B L C N Tの値が正の場合には、 ノマ ヅ クラ ヅ シ ュ加速補正を行 な うため、 前記ステ ップ S 4で求めた積算器目標値 Cか ら現在の積算器の値 B を減算 したのものに定数 Kを乗 じ て、 当該周期のバッ クラ ッ シュ加速量を求め加速量を レ ジス夕等に格納 し、 加速カ ウ ンタ B L C N Tか ら 「 1 」 を減算する （ 1周期分を減算する ） 。

ステ ップ S I 1 ： 前記ステ ップ S 8 ある いはステップ S 9 において レ ジス 夕 に格納されたバッ クラ ッ シュ加速 量を位置ループ処理によって求め られた速度指令に加算 し、 速度ループへの速度指令とする。

ステ ッ プ S 1 2, ス テ ッ プ S 1 3 : 位置 ' 速度検出器 1 5で検出される実速度 V ( i ) を取 り込み、 該実速度 V (i) と前記ステ ップ S I 1 で求めた速度ループへの速度 指令と によ り、 速度ループ処理 （ P I制御等） を実行 し トルク指令 T c ( i ) を求め、 該 トルク指令 T c ( i ) を電流ループに引 き渡 し、 サーポモ一夕 を駆動制御する。

ステップ S 1 4 ： レジス夕 に記憶する当該処理周期 i よ り 1周期前に求め られた .トルク指令 T c(i-l)から 2周 期前の トルク指令 T c(i-2)を減じて トルク指令 T c の変 化値 u を求める。

ステップ S 1 5 ： レ ジスタ に記憶する 1周期前に検出 したサ一ボモー夕の実速度 V ( I - 1 ) を 2倍 した値か ら 2周期前に検出 した実速度 V ( i — 2 ) を減じた値に、 さ ら に、 レジス夕 に記憶する前周期において求めた推定 比率 b * ( i一 1 ) に前記ステ ップ S 1で求めた トルク指 令の変化値 u を乗 じた値を加算して速度推定値 v ' を求 める。 すなわち、 前記 1 2式の演算を行う こ と によって 速度推定値 V · を求める。

ステ ヅブ S 1 6 ： ステップ S 1 2で取 り込んだサーボ モータの実速度 V ( i ) からステ ップ S 1 5で求めた速 度推定値 V * を減 じて推定速度誤差 e ( i ) を算出する。

ステ ップ S 1 7 ： 推定速度誤差 e ( i ) と レ ジスタ に 記憶する前周期で求め られた推定比率 b ' ( i — 1 ) 及 びステ ップ S 1 4で求めた トルク指令 T c の変化値 uよ り前記 1 3式の演算を行って推定比率 b ' ( i ) を求め る。

次に、 この推定比率 b ' に基づいて外乱 トルク推定器 (外乱推定オブザーバ） 5の処理を開始する。

ステップ S 1 8 ： ステップ S 1 2で読み取った実速度 (i) から レジス夕 に記憶する前周期で推定した推定速 度 V a(i-l)を減 じた値にオブザーバの積分ゲイ ン と して のパラメ 一夕 K 4 及び.速度ループ周期 T s を乗じた値を、 アキュム レータ に記憶する前周期までの積分値 X ( i-1) に加算し当該周期におけるオブザーバの積分値 X ( i ) を 求める。 すなわち、 図 5 における項 5 3の処理を実行 し 積分値 Xを求めるものである。

ステヅブ S 1 9 : レジス夕 に記憶する前周期の トルク 指令 T c(i-l)にステップ S 1 7で求めた推定比率 b ' を 乗 じた値、 ステップ S 1 8で求めた積分値 X ( i ) 、 さ ら に、 ステ ップ S 1 2で読み込んだ当該周期の実速度 v (i) から レジスタ に記憶する前周期で求めた推定速度度

V a( i-1 )を減 じた値に比例ゲイ ン と してのパラ メ 一夕 K

3 を乗 じた値を加算 し、 この加算値に速度ループ周期

T s を乗 じた値を前周期で求めた推定速度 v a(i-l)に加 算 して、 当該周期の推定速度 v a(i)を求める。 すなわち、 図 5 における項 5 4 によって推定速度 v a を求める処理 を実行するものである。 ステ ップ S 2 0 ： ステップ S 1 8で求めた積分値 X (i) をステップ S I 7で求めた推定比率 b ' で除 して外乱 ト ルク、 即ち摩擦 トルク Aを求めレジスタ に記憶 して、 当 該速度ループ周期の処理を終了する。 .

その後の速度ループ処理の周期においては、 ステップ

S 1 のフラグ 1 は 「 0 」 であるためステ ップ S 2からス テ ヅブ S 6の 1 回目の周期のバヅ クラ ッ シュ加速の工程 をスキ ップして、 ステ ップ S 7の加速カ ウ ン夕 B L C N Tの判定処理 に進 、 ス テ ヅブ S 5 にお いてノマ ヅ クラ ヅ シュ加速補正時間に J応して設定した加速カウ ンタ B L C N Tのの値が 「 0 ！ となるまでステップ S 9 〜ステツ ブ S 1 1 の工程に . ：5バッ クラ ッ シュ加速補正を行なう 処理、 ステップ S 1 2〜ステップ S 1 3の速度ル一ブ処 理、 ステ ップ S 1 4〜ステップ S 1 7の推定比率 b * を 求める処理、 ステップ S 1 8〜ステップ S 2 0の工程の 摩擦 トルク Aを求める処理を行なう。

バ ヅ クラ ッ シュ加速補正時間が経過した こ とは、 ステ ヅブ S 7の加速カウ ンタ B L C N Tが 「 0 」 となるこ と によ り判断され、 ノ、' ヅ クラ ッ シュ加速量を 「 0 」 にセヅ ト してバ ヅ クラ ッシュ加速補正を行なわず （ステップ S 8 ) 、 位置制御ループ処理で求めた速度指令に従って、 通常の速度制御ループ処理を行なう。

図 7 〜図 9 は本発明の実施例の効果を示すもので、 図 7 はバッ クラ ッ シュ加速を行なわない場合、. 図 8.は t のバッ ク ラ ッ シュ加速を行なった場合、 図 9 は本発明の モー夕の制御方式のバ ッ ク ラ ッ シュ加速を行なった場合. ただ し、 図 2 におけるステップ S 1 4〜ステップ S 1 7 の処理を行なわず、 推定比率 b ' を実験的に求めた値で 行なった と きの効果例である。

なお、 各図において、 円弧の半径は 4 0 m mであ り、 理想的な切削軌跡からのずれ量を 1 目盛 り を 2 0 > mと して拡大表示 し、 速度が遅い場合の例と して （ a ) に切 削速度が 1 0 0 0 m m Z分の結果を、 速度が速い場合の 例と して （ b ) に切削速度が 6 0 0 0 m m/分の結杲を 示 して いる。 なお、 この結果例では、 Y軸軸上で X軸方 向で象限が変わる と き突起が生 じるものを示している。

図 7 に示すバックラ ッ シュ加速を行なわない場合、 低 速においても象限の変化時で突起が生じ、 高速において はさ ら に大きな突起量が生 じている。

図 8 に示す従来のバッ クラ ッ シュ加速を行なった場合、 低速においてはバッ クラ ッ シュ加速補正によ り象限の変 化時での突起量の減少が見られるが、 高速においてはバ ッ クラ ッ シュ加速補正が充分に行なわれず、 象限の変化 時で突起が生 じている。

これに対して、 図 9 に示す本発明のバ ヅ クラ ッ シュ加 速を行なった場合、 低速と同様に高速において もバッ ク ラ ヅ シ ュ加速補正が行なわれ、 象限の変化時での突起の 発生を抑える こ とができ る。

図 1 0 は、 推定比率 b ' を推定 し （ステップ S 1 4〜 ステップ S 1 7 ) 、 この推定 した推定比率 によって 外乱 トルク推定器の処理 （ ステップ S 1 8 〜ステ ップ S 2 0 ) の処理を行なった と きの本願発明の効果をみるた めに行なった実験例の結果を示す図である。 半径 4 0 m mの円弧を速度 4 0 0 O m m 分で加工 した時のもので， 切削軌跡からのずれ量を 1 自盛り を 1 0 // m と して拡大 表示して いる。 （ィ ） はバヅ クラ ッ シュ加速補正を行な わない場合、 （ 口 ） はバッ クラ ッ シュ加速補正を行なう が、 推定比率 b ' の推定を行なわずに、 パラメ ータ b を ある値に設定 した と き 結果を示す。 （ハ） は推定比率 b ' を推定した と き、 即ち、 図 1 , 図 2 に示す本発明の 実施例を実施 した と きの結果を示す図である。

(ィ ） では、 象限が変わる と き象限突起が生 じてお り， ( 口 ） ではバッ クラ ッ シュ加速補正が過剰に作用 してお り、 象限が変わる と き突起の代わ り に凹部が生 じている, ま た、 （ハ） の場合には突起、 凹部の発生が抑え られ精 度の高い加工が得られている。

以上説明 したよう に、 本発明によれば、 モータ反転直 後の速度制御ループ積分器の目標値を正 し く設定する こ とができ、 ノ ッ クラ ッ シュ補正を最適に行なう こ とがで きる。 そのため、 円弧切削等において象限が変わった時. 即ち、 一方の送 り軸のみがその移動方向が反転 した と き 等において、 切削円弧面に発生する突起を最小限に抑え る こ とができ る。

Claims

請 求 の 範 囲

サーボモータが受ける外乱 トルクの大 さ を推定す る外乱 トルク推定手段、

上記外乱 トルク推定手段によ り推定されたモ一夕反 転直前の外乱 トルクの符号を反転させて 2倍に したも のをサーボモー夕反転時の速度制御ループの積分器の 値に加算したものを、 その積分器の目標値と して設定 する積分器の目標値設定手段、 及び、

上記目標値設定手段で設定された目標値に積分器が すみやかに移行する こ とのできるよう、 モ一夕反転後 の速度指令にオフセ ッ ト量を与える、 速度指令オフセ ヅ ト付与手段、

からなる、 サーポモー夕の制御装置。. .

上記速度指令オフセッ ト付与手段に加えられるオフ セッ ト量は、 上記積分器の上記設定された目標値と現 在の値との差に一定の係数を乗算した値である、 請求 の範囲第 1 項記載のサーボモー夕の制御装置。

上記外乱 トルク推定手段は、 モー夕モデルのパラメ 一夕である 「 トルク定数 イ ナ一シャ」 の比の項を含 み、 この項の値はそれを適応的に修正する手段によ り 処理周期毎修正される、 請求の範囲第 1 項記載のサー ボモータの制御装置。

サ一ボモー夕 を用 いた工作機械等の送り軸の方向反 転時のモー夕制御方法において、

サーボモータの反転直前に該サ一ボモ一夕が外界か ら受ける外乱 トルク を外乱 トルク推定手段によ り推定 し、

速度ループ積分器の値を上記推定した外乱 卜ルク に 等 しい摩擦 トルク分と、 残り の加速 トルク分と に分離 し、

モー夕反転時には、. 上記摩擦 トルク分の符号を反転 させたもの と上記加速 トルク分との合計を速度ループ 積分器に反転目標値と して設定し、 そ して、

その反転.目標値に向かって稹分器が速やかに移行す るよ う、 速度指令にあるオフセッ ト量を加えて速度指 令を修正する、

サ一ボモータの制御方法。 ：. ... . .. . .. .. .

5 . 上記オフセ ッ ト量は上記速度ループ積分器に設定さ れた反転目標値と現在の値との差に所定の係数を乗算 した値である、 請求の範囲第 4項記載のサーボモータ 制御方法。

6 . 上記オフセ ッ ト量を速度指令に追加するこ とは、 予 め設定された回数だけ行い、 その後は上記オフセッ ト 量はゼロ とする、 請求の範囲第 4項または 5項記載の サ一ボモータ制御方法。

7 . 上記外乱 トルクの推定には、 モータの トルク定数と イ ナ一シャの比と を適応的に求める段階を含む、 請求 の範囲第 4項記載のサ一ボモ一夕の制御方法。

8 . 上記モータの ト ルク定数とイ ナ一シャの比と を適応 的に求める段階は、 ( a ) 当該処理周期の 1周期前と 2周期前の トルク 指令の変化量を求める段階、

( b ) 上記 （ a ) で求めた トルク指令の変化量と、 さ ら に、 当該処理周期の .1周期前と 2.周期前の.乇一ダ の実速度、 及び 1周期前に求めたモ一夕の トルク定数 とイ ナーシャ との推定比率、 よ り モー夕の推定速度を 求める段階、

( c ) モータの実速度と前記推定速度との差である 推定速度誤差を求める段階、

( d ) 現周期に： 13ける ト.ルク:定数とィ ナ一シャ との 推定比率を、 現周期の一つ前の周期の推定比率との差 が、 上記 （ a ) で求めた トルク指令の変化量が小さ い と き には小さ く、 トルク指令の変化量が所定値になる までは該 トルク指令の変化量に略比例した値に、 また 前記所定値以上になる と飽和させてある一定値となる よ う に、 上記 （ a ) で求めた トルク指令の変化量及び ( c ) で求めた推定速度誤差に基づいて決定 し、 そ し て この推定比率が収束する値をもって トルク定数とィ ナーシャの比とする、 請求の範囲第 7項記載のサーボ モータ制御方法。

9. 上記 （ d ) の トルク定数とイ ナ一シャの推定比率 b ' ( i ) を求める には、 上記 （ a ) で求める トルク 指令の変化量を u、 上記 （ c ) で求める推定速度誤差 を e、 上記 （ d ) ですでに求めた前周期の推定比率を b * ( i - l ) 、 ま た、 設定パラ メ一夕値を ^ とする と、

b * ( i ) = b * ( i - 1 )

+ { 5 - - e / ( l + 5 u ² ) } と した、 請求の範囲第 7項記載のサ一ボモー夕制御方