JP6662834B2

JP6662834B2 - 制御装置

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Publication number: JP6662834B2
Application number: JP2017201645A
Authority: JP
Inventors: 一憲飯島
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: CN109683636A; DE102018217162A1; JP2019075924A; US10613509B2; US20190113903A1

Description

本発明は、複数の電動機で駆動される駆動機構の制御装置に関する。

従来、ロボットや工作機械等の駆動機構を複数の電動機を用いて駆動するタンデム機構を制御するための制御装置において、電動機（サーボモータ）間の干渉を避けるため積分器を用いる技術を開示するものとして特許文献１〜３がある。

特許文献１には、複数のモータで１つの被駆動体を駆動するタンデム制御を行うモータ制御装置において、各モータ毎位置制御部、速度制御部、電流制御部、電流増幅器、速度検出器、速度制御部の積分要素の積分値を共通化する速度積分器共通手段を備え、タンデム制御を行うモータの制御系に対しては同一の位置指令が入力され、速度積分器共通手段によって、速度制御部の積分要素の積分値がほぼ同一に保持する構成が記載されている。

特許文献２には、一対のサーボモータの相互干渉を抑制するための非干渉補正器を備え、この非干渉補正器が、一対のサーボモータからそれぞれ検出された位置フィードバック値の差分値と、ワークにねじれが生じるように、一対のサーボモータに対して与えられたねじり剛性測定用のトルク指令値とに基づいてワークのねじり剛性を推定するねじり剛性推定ブロックと、一対のサーボモータからそれぞれ検出された速度フィードバック値の差分値と、ねじり剛性推定ブロックにより推定されたねじり剛性とに基づいて、一対のサーボモータのトルク指令値を補正するためのトルク指令補正値を推定するトルク指令値補正ブロックと、を備える工作機械用制御装置が記載されている。

特許文献３には、二つのモータを制御するモータ制御装置について以下のように記載されている。第１の速度制御部が、速度指令値と回転速度との間の速度偏差の積分値を計算する積分器を有し、速度偏差、予め決定された値、比例ゲイン及び積分ゲインに基づいてトルク指令値を生成する。また、第２の速度制御部は、速度指令値と回転速度との間の速度偏差の積分値を計算する積分器を有し、速度偏差、予め決定された値、比例ゲイン及び積分ゲインに基づいてトルク指令値を生成する。積分値選択部は、メインモータの駆動状態及びサブモータの駆動状態に応じて、積分値と積分値のうちのいずれか一方を予め決定された値として選択する。

特開２００３−１８９６５７号公報特開２００９−８３０７４号公報特開２０１５−２３７０８号公報

タンデム機構では、複数の電動機が共通の駆動機構に接続されている。各電動機と駆動機構との接続部は、設計上同一であるものの組立や重心の位置が異なる等することにより、機械的特性が異なる場合がある。過渡応答（位置決め、外乱印加直後）では電動機間の差が顕著になりやすい。

特許文献１では、速度制御器の積分器を共通化する構成であり、共通化の際には時定数回路を用いて共通化の遷移を安定化しているものの、積分の値が常に共通になるべきという立場であるため、タンデム間の機械的特性差を積極的に吸収するという点では改善の余地があった。この点、特許文献２では、伝達特性の差（ねじり剛性）を積分器ではなく、ゲインスケジューリングや適応制御によって解消しようとしているものの、減速器によるバックラッシの影響が少ない機構を想定しているため、直接的に機械的特性の吸収を行っているとはいえない。特許文献３では、ある時点においては必ず積分が共通化されている形態であるが、慣性力としての加速度によって積分器の共通化方向を変更することは合理的であるものの、そもそも加速動作のような過渡状態では積分の共通化をすること自体が制御性の低下につながるおそれもある。

本発明は、複数の電動機で駆動される駆動機構の制御において、駆動機構と各電動機の間の機械特性を吸収し、定常状態の安定性確保及び過渡状態における応答性改善を両立を実現する制御装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、複数の電動機（例えば、後述の電動機１３，２３）で駆動される駆動機構（例えば、後述の駆動機構２）の制御装置（例えば、後述の制御装置１）であって、前記駆動機構を駆動するための位置指令値を作成する位置指令作成部（例えば、後述の位置指令作成部１０）と、前記電動機の位置を検出する位置検出部（例えば、後述の位置検出部１４，２４）と、前記位置指令作成部が作成する位置指令値と前記位置検出部が検出する位置検出値から求められる位置偏差値に基づいて速度指令値を作成する速度指令作成部（例えば、後述の速度指令作成部１１，２１）と、前記位置検出部が検出する位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部（例えば、後述の速度検出部１５，２５）と、前記速度指令作成部が作成する速度指令値と前記速度検出部が検出する速度検出値から求められる速度偏差値から少なくとも積分要素を用いてトルク指令値を作成するトルク指令作成部（例えば、後述のトルク指令作成部１２，２２）と、を複数の前記電動機に対応して具備し、前記位置指令作成部は、それぞれの電動機に共通の位置指令値を受け渡し、前記トルク指令作成部は、前記トルク指令作成部の積分要素の出力を複数の前記電動機ごとに個別に行う個別化制御と、前記トルク指令作成部の積分要素の出力を複数の前記電動機で共通化して行う共通化制御と、を前記駆動機構の運転状態に応じて切り替える制御装置に関する。

（２）（１）に記載の制御装置において、前記運転状態の判断で過渡状態と判定された場合は前記個別化制御を行い、前記運転状態の判断で定常状態と判定された場合は前記共通化制御を行ってもよい。

（３）（２）に記載の制御装置において、前記位置指令作成部により、急峻な加減速動作として指定される位置指令値が与えられた場合に前記過渡状態と判断され、前記個別化制御が行われてもよい。

（４）（２）又は（３）に記載の制御装置において、前記位置指令作成部により、停止又は定速度運転として指定される位置指令値が与えられた場合に前記定常状態と判断され、前記共通化制御が行われもよい。

本発明の制御装置によれば、複数の電動機で駆動される駆動機構の制御において、駆動機構と各電動機の間の機械特性を吸収し、定常状態の安定性確保及び過渡状態における応答性改善を両立できる。

本発明の一実施形態に係る制御装置のタンデム制御を行うための構成を示す模式図である。本実施形態の制御装置のタンデム制御に関するブロック図である。比較例の積分器を共通して各電動機を制御する例を示す模式図である。本実施形態の制御装置による積分器を共通化する場合と個別化する場合を選択する制御を示す模式図である。本実施形態の制御装置による駆動機構の制御の全体的な流れの前半を示すフローチャートである。本実施形態の制御装置による駆動機構の制御の全体的な流れの後半を示すフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。

まず、本実施形態の制御装置１が用いられる装置構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置１のタンデム制御を行うための構成を示す模式図である。なお、図１を参照する装置構成は一例であり、制御装置１が適用される装置構成が図１に示す例に限定されるわけではない。

制御装置１は、複数（２台）の電動機１３，２３によって１つの駆動機構２を駆動するタンデム制御を行うためのものである。駆動機構２は、移動体１０１及び歯車等の機械部品１０２，１０３からなるロボットや工作機械等である。移動体１０１には、機械部品１０２を介して電動機１３から駆動力が伝達されるとともに、機械部品１０３を介して電動機２３の駆動力が伝達される。

本実施形態の制御装置１は、数値制御部３とモータ制御部４を含んで構成される。数値制御部３は、ＣＮＣ（ＣｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）であり、駆動機構２を動作させるための各種の処理を行う。モータ制御部４は、数値制御装置２０からの指令に基づいてアンプ５を介して電動機１３の電流制御を行うとともに、アンプ６を介して電動機２３の電流制御を行う。電動機１３，２３はサーボモータであり、モータ制御部４は電動機１３，２３のそれぞれから位置や速度を取得するためのフィードバック信号を受信する。

図２は、本実施形態の制御装置１のタンデム制御に関するブロック図である。図２に示すように、制御装置１は、位置指令作成部１０と、位置検出部１４，２４と、速度検出部１５，２５と、速度指令作成部１１，２１と、トルク指令作成部１２，２２と、を含んで構成される。

位置指令作成部１０、位置検出部１４，２４、速度検出部１５，２５、速度指令作成部１１，２１及びトルク指令作成部１２，２２は、数値制御部３、モータ制御部４及び電動機１３，２３等のハードウェアによって実現される。なお、制御装置１のこれらの各部の構成が、数値制御部３やモータ制御部４の何れかに限定されるわけではなく、数値制御部３とモータ制御部４が協働して各部の機能を果たしてもよいし、ネットワークを介して接続される外部装置によって各部の機能を果たしてもよい。

位置指令作成部１０は、駆動機構２の移動体１０１を所定の位置に移動させるための位置指令値を所定のプログラムに基づいて作成する。

位置検出部１４は電動機１３の位置（回転角度）を検出するものであり、位置検出部２４は電動機２３の位置（回転角度）を検出するものである。本実施形態の位置検出部１４，２４は、何れも電動機１３，２３のエンコーダによって構成される。

速度検出部１５は位置検出部１４が検出した位置検出値に基づいて電動機１３に対応する速度検出値を検出するものであり、速度検出部２５は位置検出部２４が検出した位置検出値に基づいて電動機２３に対応する速度検出値を検出する。

速度指令作成部１１は位置指令作成部１０から入力される位置指令値と位置検出部１４が検出した位置検出値に基づいて速度指令値を作成し、速度指令作成部２１は位置指令作成部１０から入力される位置指令値と位置検出部２４が検出した位置検出値に基づいて速度指令値を作成する。速度指令値は、比例要素を考慮したＰ制御によって作成される。なお、比例要素、積分要素及び微分要素を考慮したＰＩＤ制御等で速度指令値を作成してもよく、速度指令値の作成方法は、事情に応じて適宜の方法を選択することができる。

トルク指令作成部１２は、速度指令作成部１１によって作成された速度指令値と、速度検出部１５が検出した速度検出値と、に基づいて電動機１３のトルク指令値を作成する。トルク指令作成部２２は、速度指令作成部１１によって作成された速度指令値又は速度指令作成部２１によって作成された速度指令値と、速度検出部２５が検出した速度検出値と、に基づいて電動機２３のトルク指令値を作成する。トルク指令値は、比例要素、積分要素及び微分要素を考慮したＰＩＤ制御や比例要素や積分要素を考慮したＰＩ制御によって作成される。なお、内部モデル原理における定常偏差を零にする観点から少なくとも積分要素を含む制御によって作成されることが好ましい。

本実施形態では、各電動機１３，２３に対応するトルク指令作成部１２，２２の積分器の共有化・個別化を動作パターン及びその遷移に基づいて選択的に実行する。ここで、従来技術を比較例として本実施形態の選択的な制御について説明する。

図３は、比較例の積分器を共通して各電動機を制御する例を示す模式図である。図３に示す状態では、駆動機構２の移動体１０１を移動させる移動指令がなく、比例要素を用いた位置Ｐ制御が行われるとともに、比例要素及び積分要素を用いた速度ＰＩ制御が行われている例が示されている。移動指令がなく電動機１３，２３が静止している状態では、フィードバックゆらぎにより、長時間経過すると速度ＰＩ制御の積分要素によって両者(電動機１３，２３)が反発するような状態になる。比較例では、電動機１３に対応する速度ＰＩ制御で用いられる積分器と、電動機２３に対応する速度ＰＩ制御で用いられる積分器と、を共通化することによって両者の反発を回避して安定性を維持している。しかし、電動機１３，２３の機械的特性の違いが影響しやすい過渡状態では積分器の共通化がかえって制御の正確性を損なうおそれもある。

そこで、本実施形態では、過渡状態と定常状態によって積分器の共通化と個別化を選択する処理を行う。図４は、本実施形態の制御装置１による積分器を共通化する場合と個別化する場合を選択する制御を示す模式図である。図４に示すように、制御装置１は、運転状態によって積分器の共通化又は個別化を切り替える処理を行う。

駆動機構２の運転状態が定常状態の場合は、図４中の実線で示す経路（１）が選択され、電動機１３に対応するトルク指令作成部１２の積分器と共通の積分器（コピー）を用いて電動機２３のトルク指令値が作成される。ここでいう定常状態とは、停止状態や、外乱が働いていない状態で一定の速度で運転されている状態等である。

駆動機構２の運転状態が過渡状態の場合は、図４中の破線で示す経路（２）が選択され、電動機２３に対応するトルク指令作成部２２の積分器を用いて個別的に電動機２３のトルク指令値が作成される。ここでいう過渡状態とは、位置決め、外乱印加直後、加減速動作等、電動機１３，２３間の機械的特性の影響が出易い急峻な動作が行われた状態である。例えば、所定の加速度、速度域、負荷、トルク等を越えたような場合を過渡状態として設定してもよい。あるいは、数値制御部３のＣＮＣプログラムをデコードし、その結果に基づいて定常状態、過渡状態又は何れの状態でもない等を判定するようにしてもよい。

次に、本実施形態の制御装置１による積分器の個別及び共通化する処理の具体的な流れについて説明する。まず、図５を参照して電動機１３，２３のトルク指令値が作成されるまでの前半の流れについて説明する。図５は、本実施形態の制御装置１による駆動機構２の制御の全体的な流れの前半を示すフローチャートである。

位置指令作成部１０が位置指令値を作成する（ステップＳ１０１）。位置検出部１４が電動機１３の位置検出値を検出するとともに、位置検出部２４が電動機２３の位置検出値を検出する（ステップＳ１０２）。

電動機１３においては速度指令作成部１１が位置指令値と位置検出値とから得られる位置偏差値に基づいて速度指令値を作成し、電動機２３においては速度指令作成部２１が位置指令値と位置検出値とから得られる位置偏差値に基づいて速度指令値を作成する（ステップＳ１０３）。

速度検出部１５が位置検出部１４の位置検出値から電動機１３の速度検出値を作成するとともに、速度検出部２５が位置検出部２４の位置検出値から電動機２３の速度検出値を作成する（ステップＳ１０４）。

電動機１３側ではトルク指令作成部１２が速度指令作成部１１の速度指令値と速度検出部１５の速度検出値から得られる速度偏差値に基づいてトルク指令値が作成され、電動機２３側ではトルク指令作成部２２が速度指令作成部２１の速度指令値と速度検出部２５の速度検出値から得られる速度偏差値に基づいてトルク指令値が作成される（ステップＳ１０５）。

次に、図６を参照して電動機１３，２３のトルク指令値が作成された後の後半の流れについて説明する。図６は、本実施形態の制御装置１による駆動機構２の制御の全体的な流れの後半を示すフローチャートである。

制御装置１は、位置指令値が定常状態を指定しているか否かを判定する（ステップＳ１０６）。定常状態は、上述のように、停止状態や一定速度で駆動機構２を動作させている状態であり、位置指令値や動作状況に基づいて制御装置１が定常状態か否かを判定する。ステップＳ１０７の判定で定常状態が指令されていた場合は、電動機１３と電動機２３のトルク指令作成部１２，２２の積分要素の出力を共通化する処理を行う（ステップＳ１０７）。

ステップＳ１０７で定常状態が指令されていない場合は、位置指令値が過渡状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。過渡状態は、上述のように、加減速動作等の急峻な動作で駆動機構２を動作させている状態であり、少なくとも定常状態に指定されていない状態である。制御装置１は、位置指令値や動作状況に基づいて過渡状態か否かを判定する。

ステップＳ１０８の判定で位置指令値が過渡状態にあった場合は、トルク指令作成部１２で作成されたトルク指令値によって電動機１３が制御され、トルク指令作成部２２で作成されたトルク指令値によって電動機２３が制御されるように、トルク指令作成部１２，２２の積分要素の出力を個別化する（ステップＳ１０９）。

ステップＳ１０８で位置指令値が過渡状態になかった場合は、時定数回路を経由して電動機１３，２３のトルク指令作成部１２，２２の積分要素の出力を共通化する（ステップＳ１０９）。位置指令作成部１０が過渡状態と定常状態の間の遷移状態を指定する位置指令値を与えられた場合には、トルク指令作成部１２の積分要素の出力を時定数回路によって遅延させながら各電動機１３，２３間で一定時間を伴って共通化する。制御量の不連続性を生じないように適当な時定数がかけられる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
即ち、制御装置１は、駆動機構２を駆動するための位置指令値を作成する位置指令作成部１０と、電動機１３，２３の位置を検出する位置検出部１４，２４と、位置指令作成部１０が作成する位置指令値と位置検出部１４，２４が検出する位置検出値から求められる位置偏差値に基づいて速度指令値を作成する速度指令作成部１１，２１と、位置検出部１４，２４が検出する位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部１５，２５と、速度指令作成部１１，２１が作成する速度指令値と速度検出部１５，２５が検出する速度検出値から求められる速度偏差値から少なくとも積分要素を用いてトルク指令値を作成するトルク指令作成部１２，２２と、を各電動機１３，２３に対応して具備する。
位置指令作成部１０は、それぞれの電動機１３，２３に共通の位置指令値を受け渡し、トルク指令作成部１２，２２は、トルク指令作成部１２，２２の積分要素の出力を複数の電動機１３，２３ごとに個別に行う個別化制御と、トルク指令作成部１２の積分要素の出力を複数の電動機１３，２３で共通化して行う共通化制御と、を駆動機構２の運転状態に応じて切り替える。

これにより、運転状況に応じた積分要素の出力方法が選択できるので、無限時間が問題となるような状態では積分器を共通化して制御の安定化を実現し、電動機１３，２３間の機械的特性の差が顕著に生じるような状態では積分器を個別化して電動機１３，２３間の機械特性の違いを吸収して応答性改善を実現できる。

また、本実施形態の制御装置１は、運転状態の判断で過渡状態と判定された場合は個別化制御を行い、運転状態の判断で定常状態と判定された場合は共通化制御を行う。

これにより、過渡状態と定常状態とで速度制御器の形態を切り替えることにより、過渡応答時は個別の特性を個別のコントローラで吸収し、定常応答時は両者の特性を積分器共有で均一化する構成が実現される。

また、本実施形態の制御装置１は、位置指令作成部１０により、急峻な加減速動作として指定される位置指令値が与えられた場合に過渡状態と判断されて個別化制御が行われる。これにより、シンプルな処理で精度良く過渡状態であるか否かを判定することができる。

また、本実施形態の制御装置１は、位置指令作成部１０により、停止又は定速度運転として指定される位置指令値が与えられた場合に定常状態と判断されて共通化制御が行われる。これにより、シンプルな処理で精度良く定常状態であるか否かを判定することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ステップＳ１１０では時定数回路を経由して共通化する処理を行っているが、この構成に限定されない。即ち、過渡状態から定常状態又は定常状態から過渡状態への遷移時は、時定数をかけてもよいし、時定数をかけずに個別化制御と共通化制御を切り替えるように処理してもよい。

１制御装置
２駆動機構
１１，２１速度指令作成部
１２，２２トルク指令作成部
１３，２３電動機
１４，２４位置検出部
１５，２５速度検出部

Claims

複数の電動機で駆動される駆動機構の制御装置であって、
前記駆動機構を駆動するための位置指令値を作成する位置指令作成部と、
前記電動機の位置を検出する位置検出部と、
前記位置指令作成部が作成する位置指令値と前記位置検出部が検出する位置検出値から求められる位置偏差値に基づいて速度指令値を作成する速度指令作成部と、
前記位置検出部が検出する位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部と、
前記速度指令作成部が作成する速度指令値と前記速度検出部が検出する速度検出値から求められる速度偏差値から少なくとも積分要素を用いてトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、
を複数の前記電動機に対応して具備し、
前記位置指令作成部は、それぞれの電動機に共通の位置指令値を受け渡し、
前記トルク指令作成部は、
前記トルク指令作成部の積分要素の出力を複数の前記電動機ごとに個別に行う個別化制御と、前記トルク指令作成部の積分要素の出力を複数の前記電動機で共通化して行う共通化制御と、を前記駆動機構の運転状態に応じて切り替え、
前記運転状態の判断で過渡状態と判定された場合は前記個別化制御を行い、
前記運転状態の判断で定常状態と判定された場合は前記共通化制御を行い、
前記位置指令作成部により、停止又は定速度運転として指定される位置指令値が与えられた場合に前記定常状態と判断され、前記共通化制御が行われる制御装置。
前記位置指令作成部により、急峻な加減速動作として指定される位置指令値が与えられた場合に前記過渡状態と判断され、前記個別化制御が行われる請求項１に記載の制御装置。