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発明の名称 モータ駆動装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−82279(P2007−82279A)
公開日 平成19年3月29日(2007.3.29)
出願番号 特願2005−263394(P2005−263394)
出願日 平成17年9月12日(2005.9.12)
代理人 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
発明者 鈴木 健一
要約 課題
位置制御から圧力制御への切り替え時に安定した圧力制御ができるモータ駆動装置を提供する。

解決手段
モータ2とモータ位置31を検出するエンコーダ3を用いて、モータ位置31を位置指令112に追従させる第1のトルク指令121を計算する位置制御器12と、モータ2により駆動されるワーク4が加圧対象6に加える圧力を検知する圧力センサ5を用いて、その出力である圧力センサ値51を圧力指令113に追従させる第2のトルク指令131を計算する圧力制御器13を備えたモータ駆動装置1において、位置制御器12を用いた加圧時に、第1のトルク指令121と圧力センサ値51の比を計算し、この比が一定値で安定した時点で、圧力制御器13に制御を切り替えるシーケンス制御器11を備えたモータ駆動装置1である。
特許請求の範囲
【請求項1】
モータとモータ位置を検出するエンコーダを用いて、モータ位置を位置指令に追従させる第1のトルク指令を計算する位置制御器と、モータにより駆動されるワークが加圧対象に加える圧力を検知する圧力センサを用いて、その出力である圧力センサ値を圧力指令に追従させる第2のトルク指令を計算する圧力制御器を備えたモータ駆動装置において、位置制御器を用いた加圧時に、トルク指令と圧力センサ値の比を計算し、この比が一定値で安定した時点で、圧力制御器に制御を切り替えるシーケンス制御器を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項2】
トルク指令と圧力センサ値の比の代わりに、トルク指令から加圧開始時の値を引いた結果と圧力センサ値から加圧開始時の値を引いた結果の比を用いる請求項1に記載のモータ駆動装置。
【請求項3】
比と比較する一定値に、機構上で決まる圧力センサ値からトルク指令への換算係数を用いる請求項1に記載のモータ駆動装置。
【請求項4】
比が一定値で安定する時点より前に、圧力センサ値が圧力指令に到達したときは、圧力制御器に制御を切り替えるかわりに、その時点のモータ位置を保持する位置制御を維持する請求項1に記載のモータ駆動装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、サーボモータを使用した圧力制御を実現するモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、油圧・空圧アクチュエータに対し高応答化や高精度化が可能な、サーボモータを圧力制御を行う機器へ適用する事例が増えている。一般には半導体製造装置の検査工程におけるプローバなど、比較的小容量だが高精度な制御が求められる分野で使用されることが多いが、サーボモータの小型化や低価格化が進むにつれ、さらに適用分野は拡大していくものと予想される。
【0003】
この圧力制御を実現するモータ駆動装置は、ワークを加圧対象近辺まで移動させ加圧を行うための位置制御と、加圧力を一定に保つため圧力センサによるフィードバックを用いた圧力制御の2つの制御器を備え、それらを切り替えて安定した加圧動作を行う場合が多い。
【0004】
例えば特許文献1では、位置制御で加圧を行い、圧力センサで測定した加圧力が目標加圧力に達した時点、あるいはモータ位置が加圧加工直前の位置に達した時点で、圧力制御に切り替える方式が提案されている。
【特許文献1】特開2001−71196号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
モータ駆動装置のトルク指令から、加圧力を測定した圧力センサ値までの間には、通常さまざまな非線形要素が存在し、加圧力が小さい場合にその影響が顕著に現れる。
【0006】
特に圧力制御時は、加圧対象の特性がフィードバックループ内に直接入るため、位置制御時と比べてこの非線形領域で不安定化しやすい。したがって、トルク指令から圧力センサ値の間に存在する非線形要素の影響が強い低加圧状態で、位置制御から圧力制御への切り替えると、圧力制御の応答性が悪化したり、安定性の悪化による振動状態を引き起こす場合があった。
【0007】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、位置制御から圧力制御への切り替え時に安定した圧力制御ができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために本発明は、位置制御による加圧中にトルク指令と圧力センサ値の比を計算し、その比が一定値で安定した時点で圧力制御に切り替えるシーケンス制御器を備えたモータ駆動装置である。
【発明の効果】
【0009】
本発明のモータ駆動装置によれば、位置制御器を用いた加圧時に、トルク指令と圧力センサ値の比を計算し、この比が一定値で安定した時点で、圧力制御器に制御を切り替えることで、両者が比例関係にあることを確認したうえで圧力制御に切り替えるため、常に線形領域で安定した状態の圧力制御が可能となる。
【0010】
また、トルク指令と圧力センサ値の比の代わりに、トルク指令から加圧開始時の値を引いた結果と圧力センサ値から加圧開始時の値を引いた結果の比を用いることで、摺動摩擦
などによるトルク指令のオフセットや、圧力センサ値のオフセットの影響を打ち消すことができ、線形領域移行判定をより早く行うことができる。
【0011】
さらに、比と比較する一定値に、機構上で決まる圧力センサ値からトルク指令への換算係数を用いることで、比が本来あるべきでない値で安定する異常なケースを避けることができ、線形領域移行判定をより正確に行うことができる。
【0012】
さらに、比が一定値で安定する時点より前に、圧力センサ値が圧力指令に到達したときは、圧力制御器に制御を切り替えるかわりに、その時点のモータ位置を保持する位置制御を維持することで、精度は劣るがより安定な位置制御で加圧することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
モータとモータ位置を検出するエンコーダを用いて、モータ位置を位置指令に追従させる第1のトルク指令を計算する位置制御器と、モータにより駆動されるワークが加圧対象に加える圧力を検知する圧力センサを用いて、その出力である圧力センサ値を圧力指令に追従させる第2のトルク指令を計算する圧力制御器を備えたモータ駆動装置において、シーケンス制御器は、位置制御器を用いた加圧時に、トルク指令から加圧開始時の値を引いた結果と圧力センサ値から加圧開始時の値を引いた結果の比を計算し、圧力センサ値が圧力指令に達する前にこの比が機構上で決まる圧力センサ値からトルク指令への換算係数近辺で安定した場合には、圧力制御器に制御を切り替え、圧力センサ値が圧力指令に達するのが早かった場合には、その時点のモータ位置を保持する位置制御を維持する。
【実施例1】
【0014】
図1において、モータ駆動装置1はシーケンス制御器11、位置制御器12、圧力制御器13、トルク指令切替器14、電流制御器15を備えている。以下、その動作について説明する。
【0015】
シーケンス制御器11は、上位コントローラ7からの起動信号71により加圧動作を開始し、切替信号111、位置指令112、圧力指令113を制御する。このシーケンス制御の詳細については後述する。
【0016】
位置制御器12では、モータ2とモータ位置31を検出するエンコーダ3を用いて、モータ位置31をシーケンス制御器11からの位置指令112に追従させるため、第1のトルク指令121を計算してトルク指令切替器14に入力する。
【0017】
圧力制御器13では、モータ2により駆動されるワーク4が、加圧対象6に加える圧力を検知する圧力センサ5を用いて、その出力である圧力センサ値51をシーケンス制御器11からの圧力指令113に追従させるため、第2のトルク指令131を計算してトルク指令切替器14に入力する。
【0018】
トルク指令切替器14では、シーケンス制御器11からの切替信号111により、トルク指令として第1のトルク指令121または第2のトルク指令131のどちらかを選択し、トルク指令141を電流制御器15に出力する。
【0019】
電流制御器15は、トルク指令141どおりのトルクを出力するように、モータ2への印加電圧151を出力する。
【0020】
次に、これらを制御するシーケンス制御器11の詳細について図を参照しながら説明する。シーケンス制御器11は、図2に示すように待機状態11A、加圧状態11B、保圧状態11C、復帰状態14Dの4状態を持ち、それぞれ次状態への移行条件と出力処理が
異なり、各フローチャートを用いて説明する。
【0021】
まず、待機状態11Aでは、図3に示すように切替信号71を位置制御側に保ち、位置指令112を停止状態とする。その結果、位置制御器12の作用によりモータ2のモータ位置31は静止状態に維持される。上位コントローラ7からの起動信号71のONを検出した時点で、シーケンス制御器の状態遷移が起き、加圧状態11Bへ移行する。
【0022】
加圧状態11Bでは、図4に示すように切替信号71を位置制御側に保ったまま、位置指令112を加圧方向に移動させる。その結果位置制御器12の作用により、モータ2とそれに結合されたワーク4が、加圧対象6を加圧する方向に移動し、接触とともに圧力センサ値51は増加する。その反力はモータ2にも伝わりモータ位置31と位置指令112の偏差を生むため、それを補正するよう第1のトルク指令121およびトルク指令141も増加する。これら圧力センサ値51とトルク指令141の比を、加圧状態11Bでは毎回計算し、この比が安定した時点で保圧状態11Cへと移行する。
【0023】
この加圧状態における圧力センサ値とトルク指令の変化を図7に、両者の比を計算した結果を図8に示しており、圧力センサ値が増加するとともに、トルク指令との比が一定値に漸近しており、線形領域へ移行する様子が分かる。前回の比に対する変化量がある一定値以下である場合など、簡単な判定でこの比が安定したかどうかは判断できる。
【0024】
保圧状態11Cでは、図5に示すように切替信号71を圧力制御側に保ち、圧力指令113を所望の加圧値に設定する。その結果、圧力制御器13の作用により、圧力センサ値51は指令どおりの値に制御される。このとき、トルク指令141と圧力センサ値51が線形領域にあるため、圧力制御を安定に行うことができる。上位コントローラ7からの起動信号71のOFFを検出するまでこの保圧状態は続き、その後復帰状態11Dに移行する。
【0025】
復帰状態11Dでは、図6に示すように切替信号71を位置制御側に戻し、位置指令112を加圧開始位置まで移動させる。その結果、位置制御器12の作用によりモータ2のモータ位置31は加圧開始位置まで移動する。移動完了後、シーケンス制御器11は待機状態11Aに戻り、再び起動信号71がONするまでその位置で待機する。
【実施例2】
【0026】
実施例2は、図7の加圧開始時における圧力センサの圧力値とトルク指令との差を補正して、より早い時点で安定な圧力制御を可能にするものである。
【0027】
すなわち、図7を見てわかるとおり、加圧開始時には圧力センサ値は0近辺だが、トルク指令は0でない場合が多い。これはモータやワークに必ず摩擦力が働くため、加圧対象への加圧力に加え、摩擦力を打ち消す力を加える必要があるためである。
【0028】
また、圧力センサは感圧素子の微小出力をチャージアンプなどで増幅する構成が多いが、温度などによる出力オフセットの変化があり、これらは圧力センサ値とトルク指令の線形領域の判定に対し、無視出来ない誤差となる。
【0029】
そこで、図9に示すように加圧開始時点のトルク指令と圧力値を基準とし、そこからの変化量を計算すると、両者の比の変化は図10のようになり、より早い時点で線形領域への移行を確認することができる。
【0030】
この処理を実現するためのシーケンス制御部11の変更は、図11のように待機状態11Aから加圧状態11Bの移行時にトルク指令141と圧力センサ値51の値を記憶する
処理と、図12のように加圧状態11Bで比を計算する時点で記憶した値を各々引くことで実現できる。
【実施例3】
【0031】
通常、圧力センサ値からトルク指令への換算係数は機構上から計算できる。例えば、ワークをリードL[mm]のボールねじによる回転−直動変換機構で構成した場合、トルク指令141をT[N・m]、圧力センサ値51をP[N]とすると、P/T=2π/(L×0.001)となる。
【0032】
トルク指令と圧力センサ値が正しく線形領域に移行した場合には、比はこの計算値近辺で安定するため、この計算値より外れた比で安定した場合に、圧力制御へ誤切替することがなくなる。
【0033】
この処理を実現するためのシーケンス制御部11の変更は、図13のように加圧状態11Bにてトルク指令141と圧力センサ値51の比を計算したあと、上記機構上の設計値との差が一定値以内であることを判定するだけでよい。
【実施例4】
【0034】
以上の実施例では、圧力指令が圧力制御切替時点の圧力センサ値より高いものとしているが、これが逆の場合は圧力制御器13の作用でトルク指令141と圧力センサ値51の非線形領域に逆戻りする可能性がある。
【0035】
これを避けるためには、図14で示したようにシーケンス制御器11に保持状態11Eを追加し、図15の加圧状態11Bの処理で、圧力センサ値51が圧力指令値113に達した場合に、保持状態11Eに移行する分岐を追加することで対応できる。保持状態11Eでは図16のように、起動信号71がOFFするまで現在位置を位置制御状態のまま保持するため、非線形領域で圧力制御に切り替わることを避けることができる。
【産業上の利用可能性】
【0036】
以上、本発明のモータ駆動装置は、トルク指令から圧力センサ値までの特性の非線形領域を避けて、確実に線形領域に移行した時点で圧力制御に自動的に切替することができるため、加圧力に関わりなく常に安定な制御を行う必要のある用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明のモータ駆動装置における主要部のブロック図
【図2】本発明におけるシーケンス制御器の状態遷移図
【図3】実施例1におけるシーケンス制御器の待機状態のフローチャート
【図4】実施例1におけるシーケンス制御器の加圧状態のフローチャート
【図5】実施例1におけるシーケンス制御器の保圧状態のフローチャート
【図6】実施例1におけるシーケンス制御器の復帰状態のフローチャート
【図7】加圧状態におけるトルク指令と圧力センサ値の関係図
【図8】加圧状態におけるトルク指令と圧力センサ値の比の関係図
【図9】トルク指令と圧力センサ値の加圧開始時の値を引いた場合の関係図
【図10】トルク指令と圧力センサ値の加圧開始時の値を引いた場合の比の関係図
【図11】実施例2におけるシーケンス制御器の待機状態のフローチャート
【図12】実施例2におけるシーケンス制御器の加圧状態のフローチャート
【図13】実施例3におけるシーケンス制御器の加圧状態のフローチャート
【図14】実施例4におけるシーケンス制御器の状態遷移図
【図15】実施例4におけるシーケンス制御器の加圧状態のフローチャート
【図16】実施例4におけるシーケンス制御器の保持状態のフローチャート
【符号の説明】
【0038】
1 モータ駆動装置
11 シーケンス制御器
111 切替信号
112 位置指令
113 圧力指令
11A 待機状態
11B 加圧状態
11C 保圧状態
11D 復帰状態
11E 保持状態
12 位置制御器
121 第1のトルク指令
13 圧力制御器
131 第2のトルク指令
14 トルク指令切替器
141 トルク指令
15 電流制御器
151 印加電圧
2 モータ
3 エンコーダ
31 モータ位置
4 ワーク
5 圧力センサ
51 圧力センサ値
6 加圧対象
7 上位コントローラ
71 起動信号




 

 


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