特許 7518787 位置制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-09

(45)【発行日】2024-07-18

(54)【発明の名称】位置制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05D 3/12 20060101AFI20240710BHJP

   G05B 19/404 20060101ALI20240710BHJP

   H02P 29/00 20160101ALI20240710BHJP

【ＦＩ】

G05D3/12 305Z

G05B19/404 G

H02P29/00

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021039688

(22)【出願日】2021-03-11

(65)【公開番号】P2022139355

(43)【公開日】2022-09-26

【審査請求日】2023-09-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000149066

【氏名又は名称】オークマ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 郁弥

(72)【発明者】

【氏名】宮路 匡

【審査官】影山 直洋

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－００２４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２２４４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０４０５２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｄ ３／１２

Ｇ０５Ｂ １９／４０４

Ｈ０２Ｐ ２９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上位装置からの位置指令値に従ってモータを駆動し、前記モータによって駆動される駆動部と前記駆動部により駆動される被駆動部とから構成される可動部の位置を制御する位置制御装置であって、
少なくとも前記位置指令値と位置補償量とに基づいて速度指令値を出力する速度指令出力部と、
前記速度指令値と前記可動部の速度検出値との偏差を比例積分増幅した値と、トルク補償量と、に基づいてフィードバックトルクを出力するフィードバックトルク出力部と、
前記フィードバックトルクに基づいてトルク指令値を出力するトルク指令値出力部と、
前記トルク指令値に応じて前記モータを駆動するモータ駆動部と、
前記位置指令値が方向反転するタイミングを位置補償入りタイミングとして、前記駆動部と前記被駆動部の間のバックラッシが詰まるタイミングを位置補償切りタイミングとして、それぞれ検出する位置補償タイミング検出部と、
前記位置補償入りタイミングから前記位置補償切りタイミングまでの期間、前記位置指令値に基づいて前記位置補償量を出力する位置補償量出力部と、
前記駆動部から前記被駆動部へのトルクの伝達が開始されたタイミングをトルク伝達タイミングとして検出するトルク伝達タイミング検出部と、
前記トルク伝達タイミングから現在までの前記位置指令値上での移動距離である伝達開始後移動距離に基づいて、前記トルク補償量を出力するトルク補償量出力部と、
を備える、ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の位置制御装置であって、
前記トルク伝達タイミングと、前記位置補償切りタイミングと、は互いに同じタイミングである、ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項3】

請求項１に記載の位置制御装置であって、
前記位置補償タイミング検出部は、現在の前記位置指令値と前記位置補償入りタイミングにおける前記位置指令値との差分値である位置偏差と、バックラッシ量と、の比較結果に基づいて、前記位置補償切りタイミングを検出する、ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項4】

請求項１に記載の位置制御装置であって、
トルク伝達タイミング検出部は、現在の前記位置指令値と前記位置補償入りタイミングにおける前記位置指令値との差分値である位置偏差と、バックラッシ量と、の比較結果に基づいて、前記トルク伝達タイミングを検出する、ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項5】

請求項１に記載の位置制御装置であって、
前記位置補償タイミング検出部は、前記位置指令値と前記位置補償量とに基づいて、前記位置補償入りタイミングから現在までの前記駆動部の移動量の推定値である反転後駆動部移動量推定値を算出し、前記反転後駆動部移動量推定値と、バックラッシ量と、の比較結果に基づいて、前記位置補償切りタイミングを検出する、ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項6】

請求項１に記載の位置制御装置であって、
トルク伝達タイミング検出部は、前記位置指令値と前記位置補償量とに基づいて、前記位置指令値が方向反転してから現在までの前記駆動部の移動量の推定値である反転後駆動部移動量推定値を算出し、前記反転後駆動部移動量推定値とバックラッシ量との比較結果に基づいて、前記トルク伝達タイミングを検出する、ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項7】

請求項５に記載の位置制御装置であって、
前記トルク伝達タイミング検出部は、現在の前記位置指令値と前記位置補償量との加算値から前記位置指令値が方向反転したタイミングにおける前記位置指令値を減算した値を位置偏差推定値として算出し、前記位置偏差推定値を前記速度指令出力部に適用して得られる速度指令を速度指令推定値として算出し、前記速度指令推定値の積分値を前記反転後駆動部移動量推定値として算出する、ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の位置制御装置であって、
前記トルク補償量出力部は、
前記被駆動部が動き出すタイミングにおける前記フィードバックトルクの絶対値を、前記トルク伝達タイミングから前記被駆動部が動き出すタイミングまでの前記位置指令値上での移動距離で、除した値を相関係数として算出する相関係数構成器と、
前記伝達開始後移動距離と前記相関係数とに基づいて前記トルク補償量を算出する、トルク補償量演算部と、
を備える、ことを特徴とする位置制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械等における位置制御装置、特に送り軸の運動方向反転時の追従遅れを補償する位置制御装置の改良に関する。

【背景技術】

【0002】

変速機構を有する工作機械の送り軸で運動方向が反転する際、バックラッシや被駆動部に作用する摺動抵抗に起因した追従遅れが生じる。これまで、これらの追従遅れを補償するために以下の試みがなされてきた。

【0003】

図９は、バックラッシ補償機能を有する従来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。図９において、上位装置（図示しない）から指令された位置指令値Ｐｒは、位置補償量Ｐａｄと、加算器１６で加算され、位置指令値Ｐｃとなる。ここで、位置補償タイミング検出器１４は位置指令値Ｐｒと対象プラント１２内の駆動部あるいは被駆動部に取り付けられた位置検出器の位置検出値Ｐｄとからバックラッシ補償の入り切りを判断し、判断結果を位置補償量出力器１３に出力する。位置補償量出力器１３は、位置補償タイミング検出器１４の判断結果に従い位置補償量Ｐａｄを出力する。また、減算器１は位置指令値Ｐｃと、位置検出値Ｐｄとの差分から位置偏差Ｐｄｉｆを算出する。算出された位置偏差Ｐｄｉｆは、速度指令演算器（比例ゲインＫｐ）２で比例増幅された後、位置指令値Ｐｒを微分器３で微分して得られる速度フィードフォワードＶｆｆが、加算器４によって加算され、速度指令値Ｖｃとなる。次に、速度指令値Ｖｃは、位置検出値Ｐｄを微分して得られる、あるいは対象プラント１２内に取り付けられた速度検出器から直接得られる速度検出値Ｖｄとの差分を減算器５で演算した後、トルク指令演算器（比例ゲインＰｖ）６とトルク指令演算器（積分ゲインＩｖ）７でそれぞれ比例増幅、積分増幅され、加算器８で加算され、フィードバックトルクＴｆｂとなる。さらに、フィードバックトルクＴｆｂは、速度フィードフォワードＶｆｆを微分器９で微分した後、対象プラント１２における可動部のモータ軸換算イナーシャ１０を乗じて算出されるトルクフィードフォワードＴｆｆと、加算器１１で加算され、トルク指令値Ｔｃとなる。対象プラント１２は、トルク指令値Ｔｃに相当するトルクを発生する駆動部、例えばモータによって、駆動部が発生するトルクを被駆動部に伝達する変速機構部、例えばボールネジや、ウォームギアとウォームホイールを介して、対象プラント１２内に配置された被駆動部を駆動する。

【0004】

次に、バックラッシにより生じる追従遅れに対する従来の補償技術を説明する。上位装置から運動方向が反転するような指令がなされた場合、位置補償タイミング検出器１４が位置指令値Ｐｒの方向反転を検出し、位置補償量出力器１３にバックラッシ補償の開始を指令する。位置補償量出力器１３は補償の開始を指令されたタイミングで、変速機構部のバックラッシ量を位置補償量Ｐａｄとして出力する。また、例えば特許文献１によれば、位置補償タイミング検出器１４は、対象プラント１２内の被駆動部の位置検出値Ｐｄから駆動部が変速機構部のバックラッシ量以上移動したことを検出し、バックラッシ補償の終了を指令する。以上の補償によって、駆動部がバックラッシ間を移動する間は位置指令値Ｐｃに位置補償量Ｐａｄが加算され続けるため、バックラッシ補償がない場合と比較して、より高速にバックラッシを詰めることができ、バックラッシにより生じる追従遅れを小さくできる。

【0005】

一方、図１０は、特許文献２に記載の運動方向反転時に摩擦の作用方向が反転することで生じる追従遅れを補償する位置制御装置のブロック図である。図９で示した従来例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。図１０において、上位装置（図示しない）から指令された位置指令値Ｐｒは、位置制御装置に対する位置指令値となる。図１０に示す従来技術では、相関係数構成器２１と補償量出力器２２で反転指令後の可動部の追従遅れを抑制する。具体的には、相関係数構成器２１で、可動部に作用する摺動抵抗と、可動部に対して運動方向反転指令がなされてから実際に移動を開始するまでの位置指令値上での移動距離との関係を表す相関係数Ｋを相関情報として出力する。さらに、補償量出力器２２は、相関係数構成器２１の出力する相関係数Ｋと運動方向反転指令時のフィードバックトルクＴｆｂと、運動方向反転指令がなされた時点からの位置指令値Ｐｒ上の移動距離に基づいてトルク補償量Ｔａｄを出力する。以上のトルク補償量Ｔａｄによって、摩擦の作用方向が反転することにより生じる追従遅れを小さくしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第５５９６０９３号公報

【文献】特許第６２０９１７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、図９に記載のバックラッシ補償技術では、運動方向反転指令時に生じるバックラッシに起因した追従遅れを抑制できるが、被駆動部に摩擦が作用する場合、被駆動部の摩擦方向反転により生じる追従遅れを補償することが出来ないといった課題がある。

【0008】

一方、図１０に記載の位置制御装置では、位置指令値Ｐｒの方向が反転したタイミングで補償を開始するため、位置指令値Ｐｒの方向反転後、直ちに被駆動部の運動方向が反転し、摩擦の作用方向が変わる駆動系において、効果的に摺動抵抗に起因した追従遅れを抑制できるが、変速部にバックラッシや弾性変形が介在し、位置指令値Ｐｒの方向反転後、直ちに被駆動部の運動方向の反転が開始されない場合には、補償量や補償タイミングがミスマッチとなり、適切な補償を印加できないという課題がある。また、図９に記載のバックラッシ補償技術を併用して、バックラッシを補償した場合、モータの位置がバックラッシ量だけ進められ、補償量の総和は合致するものの、被駆動部に作用する摩擦の作用方向が変わる前に補償が開始されるため、補償量の形状や補償タイミングがミスマッチとなり、位置指令の方向反転直後の特性が過補償になるという課題がある。

【0009】

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、バックラッシに起因する追従遅れ、と、被駆動部の摩擦作用方向の反転に起因する追従遅れ、の２つの追従遅れを補償することができる位置制御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】

【0010】

本明細書で開示する位置制御装置は、上位装置からの位置指令値に従ってモータを駆動し、前記モータによって駆動される駆動部と前記駆動部により駆動される被駆動部とから構成される可動部の位置を制御する位置制御装置であって、少なくとも前記位置指令値と位置補償量とに基づいて速度指令値を出力する速度指令出力部と、前記速度指令値と前記可動部の速度検出値との偏差を比例積分増幅した値と、トルク補償量と、に基づいてフィードバックトルクを出力するフィードバックトルク出力部と、前記フィードバックトルクに基づいてトルク指令値を出力するトルク指令値出力部と、前記トルク指令値に応じて前記モータを駆動するモータ駆動部と、前記位置指令値が方向反転するタイミングを位置補償入りタイミングとして、前記駆動部と前記被駆動部の間のバックラッシが詰まるタイミングを位置補償切りタイミングとして、それぞれ検出する位置補償タイミング検出部と、前記位置補償入りタイミングから前記位置補償切りタイミングまでの期間、前記位置指令値に基づいて前記位置補償量を出力する位置補償量出力部と、前記駆動部から前記被駆動部へのトルクの伝達が開始されたタイミングをトルク伝達タイミングとして検出するトルク伝達タイミング検出部と、前記トルク伝達タイミングから現在までの前記位置指令値上での移動距離である伝達開始後移動距離に基づいて、前記トルク補償量を出力するトルク補償量出力部と、を備える、ことを特徴とする。

【0011】

この場合、前記トルク伝達タイミングと、前記位置補償切りタイミングと、は互いに同じタイミングであってもよい。

【0012】

また、前記位置補償タイミング検出部は、現在の前記位置指令値と前記位置補償入りタイミングにおける前記位置指令値との差分値である位置偏差と、前記基準バックラッシ量と、の比較結果に基づいて、前記位置補償切りタイミングを検出してもよい。

【0013】

また、トルク伝達タイミング検出部は、現在の前記位置指令値と前記位置補償入りタイミングにおける前記位置指令値との差分値である位置偏差と、前記基準バックラッシ量と、の比較結果に基づいて、前記トルク伝達タイミングを検出してもよい。

【0014】

また、前記位置補償タイミング検出部は、前記位置指令値と前記位置補償量とに基づいて、前記位置補償切りタイミングから現在までの前記駆動部の移動量の推定値である反転後駆動部移動量推定値を算出し、前記反転後駆動部移動量推定値と、前記基準バックラッシ量と、の比較結果に基づいて、前記位置補償切りタイミングを検出してもよい。

【0015】

また、トルク伝達タイミング検出部は、前記位置指令値と前記位置補償量とに基づいて、前記位置指令値が方向反転してから現在までの前記駆動部の移動量の推定値である反転後駆動部移動量推定値を算出し、前記反転後駆動部移動量推定値と前記基準バックラッシ量との比較結果に基づいて、前記トルク伝達タイミングを検出してもよい。

【0016】

この場合、前記トルク伝達タイミング検出部は、現在の前記位置指令値と前記位置補償量との加算値から前記位置指令値が方向反転したタイミングにおける前記位置指令値を減算した値を位置偏差推定値として算出し、前記位置偏差推定値を前記速度指令出力部に適用して得られる速度指令を速度指令推定値として算出し、前記速度指令推定値の積分値を前記反転後駆動部移動量推定値として算出してもよい。

【0017】

この場合、前記トルク補償量出力部は、前記被駆動部が動き出すタイミングにおける前記フィードバックトルクの絶対値を、前記トルク伝達タイミングから前記被駆動部が動き出すタイミングまでの前記位置指令値上での移動距離で、除した値を相関係数として算出する相関係数構成器と、前記伝達開始後移動距離と前記相関係数とに基づいて前記トルク補償量を算出する、トルク補償量演算部と、を備えてもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明による位置制御装置によれば、バックラッシに起因する追従遅れと、被駆動部の摩擦作用方向の反転に起因する追従遅れの両者が発生する駆動系において、効果的に追従遅れを小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１の実施形態を示すブロック図である。

【図2】本発明の適用有無による時間応答の違いを示した図である。

【図3】本発明の第１の実施形態における位置補償タイミング検出器の詳細を示すブロック図である。

【図4】本発明の位置補償量出力器の詳細を示すブロック図である。

【図5】本発明の第１の実施形態におけるトルク伝達タイミング検出器の詳細を示すブロック図である。

【図6】本発明の第２の実施形態を示すブロック図である。

【図7】本発明の第２の実施形態における位置補償タイミング検出器の詳細を示すブロック図である。

【図8】本発明の第２の実施形態におけるトルク伝達タイミング検出器の詳細を示すブロック図である。

【図9】送り軸のバックラッシ補償機能を有する従来技術を示すブロック図である。

【図10】送り軸の摩擦補償機能を有する従来技術を示すブロック図である。

【0020】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。

【発明を実施するための形態】

【実施例1】

【0021】

図１は、本発明の第１の実施形態を示すブロック図である。従来例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。なお、本実施例では、位置検出値Ｐｄは対象プラント１２内の被駆動部の位置検出値、位置検出値Ｐｍは対象プラント１２内の駆動部の位置検出値、速度検出値Ｖｄは位置検出値Ｐｍを微分して得られる、あるいは対象プラント１２内の駆動部速度を検出する速度検出器から直接得られる速度検出値として説明する。

【0022】

位置補償タイミング検出器３１は、バックラッシに起因する追従遅れを補償するための位置補償の開始タイミングおよび終了タイミングを、位置補償入りタイミングおよび位置補償切りタイミングとして検出する。図３は、位置補償タイミング検出器３１の詳細を示した図である。反転検出器３１１は、位置指令値Ｐｒの指令方向の反転を検出する。位置検出値保持器３１２は、反転検出器３１１が位置指令値Ｐｒの方向反転を検出した時刻０での駆動部の位置検出値Ｐｍ（０）を、反転検出器３１１が新たに位置指令値Ｐｒの方向反転を検出するまで継続して出力する。減算器３１３は現時刻における駆動部の位置検出値Ｐｍから、位置検出値保持器３１２が出力する駆動部の位置検出値Ｐｍ（０）を減算した結果を出力する。位置補償タイミング出力器３１４は、反転検出器３１１が位置指令値Ｐｒの指令方向の反転を検出した時点を位置補償入りタイミングとして検出する。また、位置補償タイミング出力器３１４は、減算器３１３の出力が予め設定された可動部のバックラッシ量Ｂ以上となった時点、すなわち、バックラッシが詰まったタイミングを位置補償切りタイミングとして検出する。位置補償タイミング出力器３１４は、これらの検出結果Ｒｐｏｓを位置補償量出力器３２に出力する。

【0023】

また、位置補償量出力器３２は、位置補償入りタイミングから位置補償切りタイミングまでの期間、位置補償量を出力する。図４は、位置補償量出力器３２の詳細を示した図である。指令増減方向検出器３２１は直前の位置指令値Ｐｒに対して現在の位置指令値Ｐｒが、増加方向の時は＋１を、減少方向の時は－１を、変化しない時は０を指令増減方向検出値Ｓｇｎとして出力する。位置補償量演算器３２２は、位置補償タイミング検出器３１が出力する検出結果Ｒｐｏｓに基づき、位置補償入りタイミングを検出してから位置補償切りタイミングを検出するまでの間、予め設定された可動部のバックラッシ量Ｂと指令増減方向検出値Ｓｇｎとから式１に従い位置補償量Ｐａｄを出力する。また、位置検出値Ｐｄは、対象プラント１２内の被駆動部の位置検出値なので、駆動部がバックラッシ間を移動する間以外では、位置指令値Ｐｒと位置検出値Ｐｄの間に位置補償量Ｐａｄ分だけ偏差が発生する。そのため、位置補償切りタイミングを検出した時点から、新たに位置補償入りタイミングを検出するまでの間、位置補償量Ｐａｄ＝０を出力することで、位置指令値Ｐｒと位置検出値Ｐｄの間で偏差が発生しないよう制御される。
Ｐａｄ＝Ｂ×Ｓｇｎ ・・・式１

【0024】

また、トルク伝達タイミング検出器４１は、バックラッシが詰まって、駆動部が被駆動部に接触し、駆動部から被駆動部へのトルクの伝達が開始されるタイミングをトルク伝達タイミングとして検出する。図５は、トルク伝達タイミング検出器４１の詳細を示した図である。反転検出器４１１は、位置指令値Ｐｒの指令方向の反転を検出する。位置検出値保持器４１２は、反転検出器４１１が位置指令値Ｐｒの方向反転を検出した時刻０での駆動部の位置検出値Ｐｍ（０）を、反転検出器４１１が新たに位置指令値Ｐｒの方向反転を検出するまで継続して出力する。減算器４１３は現時刻における駆動部の位置検出値Ｐｍから、位置検出値保持器４１２が出力する駆動部の位置検出値Ｐｍ（０）を減算した結果を出力する。トルク伝達タイミング出力器４１４は、減算器４１３の出力が予め設定された可動部のバックラッシ量Ｂ以上となった時点を、駆動部から被駆動部へのトルク伝達を開始したタイミング、すなわち、トルク伝達タイミングとして検出し、相関係数構成器４２、トルク補償量演算器４３に検出結果Ｒｔｒｑを出力する。

【0025】

トルク補償量出力部４４は、トルク補償量Ｔａｄを出力するもので、相関係数構成器４２とトルク補償量演算器４３とを有する。相関係数構成器４２は、まず、トルク伝達タイミング検出器４１が出力する検出結果Ｒｔｒｑを基に、駆動部から被駆動部へのトルク伝達の開始を検出した時刻Ｔ１での位置指令値Ｐｒ（Ｔ１）を取得する。次に、フィードバックトルクＴｆｂが摺動抵抗に逆らって動くためのトルクを出力し、被駆動部が実際に移動を開始した時刻Ｔ２を検出する。なお、図１中には図示していないが、時刻Ｔ２の検出は、フィードバックトルクＴｆｂの変曲点を検出する、あるいは、位置偏差Ｐｄｉｆの最大値更新タイミングを検出することで実現できる。時刻Ｔ２を検出したタイミングで、位置指令値Ｐｒ（Ｔ２）およびフィードバックトルクＴｆｂ（Ｔ２）を検出する。相関係数構成器４２は、これら検出した３つの値を用いて、式２に従い、駆動部から被駆動部へのトルク伝達が開始してから、実際に被駆動部が移動を開始するまでの上位位置指令値上での移動距離と、被駆動部に作用する摺動抵抗に打ち勝ち実際に被駆動部が移動を開始する際に必要なフィードバックトルクとの相関係数Ｋを算出する。なお、式２に基づく相関係数Ｋの算出は、上位位置指令値の指令方向が反転する都度、相関係数構成器４２によって実施される。
Ｋ＝｜Ｔｆｂ（Ｔ２)｜／（Ｐｒ(Ｔ２)－Ｐｒ(Ｔ１)） ・・・式２

【0026】

次に、トルク補償量演算器４３は、トルク伝達タイミング検出器４１が出力する検出結果Ｒｔｒｑを基に、駆動部から被駆動部へのトルク伝達の開始を検出した時刻Ｔ１でのフィードバックトルクＴｆｂ（Ｔ１）を取得する。その後、フィードバックトルクＴｆｂ（Ｔ１）と相関係数構成器４２の出力する相関係数Ｋとから、式３に従い補償量遷移距離Ｄｔｒを算出する。併せて、式４に従い、時刻Ｔ１から、現時刻ｔまでの位置指令値Ｐｒ上での移動距離である伝達開始後移動距離Ｄ（ｔ）を算出する。Ｄ（ｔ）が補償量遷移距離Ｄｔｒに達する時刻をｔａとした場合、時刻Ｔ１から時刻ｔａまでの期間は、トルク補償量演算器４３は、式５に従いトルク補償量Ｔａｄ（ｔ）を出力する。時刻ｔａ以降、トルク補償量演算器４３は、時刻ｔａでのトルク補償量Ｔａｄ（ｔ）＝Ｋ×Ｄ（ｔａ）を継続して出力する。そして、トルク補償量Ｔａｄは、加算器１７で加算器８の出力に加算され、フィードバックトルクＴｆｂを構成する。なお、位置指令値Ｐｒの初回指令方向反転においては、相関係数構成器４２は、相関係数Ｋを未算出であるため、初回指令方向反転時のトルク補償量Ｔａｄは０となるが、適宜、相関係数Ｋの初期値、トルク補償量Ｔａｄの初期値を具備することも可能である。
Ｄｔｒ＝｜Ｔｆｂ（Ｔ１）|／Ｋ ・・・式３
Ｄ（ｔ）＝Ｐｒ（ｔ）－Ｐｒ（Ｔ１） ・・・式４
Ｔａｄ（ｔ）＝Ｋ×Ｄ（ｔ） ・・・式５

【0027】

次に、本手法により追従遅れが低減する様子を、図２を用いて説明する。図２は、本発明の適用有無による、位置指令値Ｐｃ、駆動部の位置検出値Ｐｍ、減算器１の出力する位置偏差Ｐｄｉｆ、フィードバックトルクＴｆｂ、位置指令値Ｐｒと被駆動部の位置検出値Ｐｄの差分Ｐｒ－Ｐｄの時間応答特性を示した図である。なお、補償を適用しない場合の駆動部から被駆動部へのトルク伝達を開始した時刻をＴ１ｂｅｆ、被駆動部が実際に移動を開始した時刻をＴ２ｂｅｆ、補償を適用した場合の駆動部から被駆動部へのトルク伝達を開始した時刻をＴ１、被駆動部が実際に移動を開始した時刻をＴ２とする。また、ここでは、位置指令値Ｐｒが指令方向反転後、二次関数上に増加する場合を例に説明する。

【0028】

まず、補償を適用していない場合の時刻応答波形を図２に破線で示す。位置指令値Ｐｒが方向反転した時刻０から、駆動部がバックラッシ間を移動する時刻Ｔ１ｂｅｆまでの間は、位置指令値Ｐｒ、位置指令値Ｐｃに追従するよう駆動部の位置検出値Ｐｍが変化する。一方、駆動部から被駆動部へは、トルクが伝達されない状態となるため、被駆動部位置Ｐｄは、停止状態となる。結果、位置偏差Ｐｄｉｆ、及び差分Ｐｒ－Ｐｄは位置指令値Ｐｒと同様に二次関数状に増加する。また、この時、フィードバックトルクＴｆｂは、速度フィードフォワードＶｆｆの作用と、発生した位置偏差Ｐｄｉｆが速度指令演算器（比例ゲインＫｐ）２で比例増幅される作用によって、緩やかに増加する。

【0029】

次に、駆動部がバックラッシ間を移動し、駆動部から被駆動部へのトルク伝達が開始される時刻Ｔ１ｂｅｆから、フィードバックトルクＴｆｂが摺動抵抗に逆らって動くためのトルクを出力し、被駆動部が実際に移動を開始する時刻Ｔ２ｂｅｆまでの応答について説明する。駆動部と被駆動部の間のバックラッシが詰められたことにより、駆動部と被駆動部は一体となって動作しようとする。仮に被駆動部に作用する摺動抵抗が存在しない場合は、位置偏差Ｐｄｉｆおよび差分Ｐｒ－Ｐｄは時刻Ｔ１ｂｅｆ以降、一点鎖線のように減少する。しかし、被駆動部に作用する摺動抵抗が存在する場合には、それに逆らって動くためのフィードバックトルクＴｆｂは出力されていないため、駆動部の位置検出値Ｐｍ、被駆動部の位置検出値Ｐｄともに停止状態となる。結果、位置偏差Ｐｄｉｆ、及び差分Ｐｒ－Ｐｄは位置指令値Ｐｒと同様に二次関数状に増加する状態を継続する。また、位置偏差Ｐｄｉｆの増加に伴い、フィードバックトルクＴｆｂも増加を継続する。なお、駆動部・被駆動部間のトルクの伝達が開始されるため、弾性変形などが作用する状況下では、僅かに駆動部・被駆動部の位置が進められる状態となり、位置偏差Ｐｄｉｆ、及び差分Ｐｒ－Ｐｄの増加が緩和される場合も存在する。また、位置指令値Ｐｒの変化が小さく、弾性変形量を下回る場合には、位置偏差Ｐｄｉｆ、及び差分Ｐｒ－Ｐｄが僅かに減少する場合も存在する。いずれの場合も、その後、フィードバックトルクＴｆｂが被駆動部に作用する摺動抵抗に逆らうだけの出力に達した時刻Ｔ２ｂｅｆで、駆動部と被駆動部はともに移動を開始する。結果、時刻Ｔ２ｂｅｆ以降、位置偏差Ｐｄｉｆ、及び差分Ｐｒ－Ｐｄは減少に転じる。

【0030】

一方、補償を適用した場合の時刻応答波形を図２に実線で示す。なお、ここでは位置指令値Ｐｒの指令方向反転が１回以上実施され、相関係数Ｋは算出済みとする。まず、位置指令値Ｐｒが方向反転した時刻０から、駆動部がバックラッシ間を移動する時刻Ｔ１までの応答について説明する。位置補償タイミング検出器３１は、時刻０で上位位置指令値の方向反転を検出し、位置補償入りを位置補償量出力器３２に出力する。それに応じて、位置補償量出力器３２は位置補償量Ｐａｄを出力するので、位置指令値Ｐｃは位置補償量Ｐａｄ分だけ増加する。駆動部がバックラッシ間を移動する間は、位置指令値Ｐｃに追従するよう駆動部の位置検出値Ｐｍが変化する。一方、駆動部から被駆動部へはトルクが伝達されない状態となるため、被駆動部位置Ｐｄは停止状態となる。結果、時刻Ｔ１までは位置偏差Ｐｄｉｆは位置指令値Ｐｃと同様に増加し、差分Ｐｒ－Ｐｄは位置指令値Ｐｒと同様に二次関数状に増加する。また、位置偏差Ｐｄｉｆが位置補償量Ｐａｄ分だけ増加したことに伴い、速度指令値Ｖｃ（図示しない）、フィードバックトルクＴｆｂが増加した状態となる。更に、駆動部の位置検出値Ｐｍが駆動部と被駆動部の間のバックラッシ相当量Ｂに達する時間が短縮され、駆動部から被駆動部へのトルク伝達を開始した時刻（＝バックラッシ間を移動した時刻）がＴ１ｂｅｆからＴ１に短縮される。

【0031】

次に、駆動部から被駆動部へのトルク伝達を開始した時刻Ｔ１から、フィードバックトルクＴｆｂが摺動抵抗に逆らって動くためのトルクを出力し、可動部が実際に移動を開始する時刻Ｔ２までの応答について説明する。位置補償タイミング検出器３１は、位置指令値Ｐｒの方向反転後の位置検出値Ｐｍの移動量が、予め設定したバックラッシ量Ｂ以上となったことを検出し、位置補償切りタイミングを位置補償量出力器３２に出力する。その結果、時刻Ｔ１から次回の指令方向反転までの間は、位置補償量出力器３２は位置補償量Ｐａｄ＝０を出力するので、位置指令値Ｐｃは位置指令値Ｐｒと同じ二次関数となる。また、トルク伝達タイミング検出器４１は、位置指令値Ｐｒの方向反転後の位置検出値Ｐｍの移動量が、予め設定したバックラッシ量Ｂ以上となったことを検出し、駆動部から被駆動部へのトルク伝達を開始したことをトルク補償量演算器４３に出力する。その結果、トルク補償量演算器４３はトルク補償量Ｔａｄの出力を開始する。よって、トルク補償量Ｔａｄの分だけフィードバックトルクは増加するので、被駆動部に作用する摺動抵抗に逆らうだけのフィードバックトルクＴｆｂが出力されるまでに要する時間が短縮され、可動部は時刻Ｔ２で移動を開始する。結果、被駆動部位置Ｐｄの停止状態は速やかに解消されるようになり、差分Ｐｒ－Ｐｄの最大値は大きく低減される。

【0032】

以上のように、本発明による位置制御装置によれば、バックラッシに起因する追従遅れと、被駆動部の摩擦作用方向の反転に起因する追従遅れの両者が発生する駆動系において、効果的に追従遅れを小さくすることができる。

【0033】

なお、本発明で利用する位置補償量の算出は式１に限定されるものではない。例えば、予め設定された可動部のバックラッシ量Ｂと指令増減方向検出値Ｓｇｎと位置指令値Ｐｒの方向反転からの経過時間ｔとから、式６によって算出するなど、適宜変更可能である。
Ｐａｄ＝Ｓｇｎ×Ｂ×ｔ ・・・式６

【0034】

また、反転検出器４１１、位置検出値保持器４１２、減算器４１３の動作は、反転検出器３１１、位置検出値保持器３１２、減算器３１３と同様であるから、位置補償タイミング検出器３１とトルク伝達タイミング検出器４１との間で、これらの演算器を共有することも可能である。

【実施例2】

【0035】

図６は、本発明の第２の実施形態を示すブロック図である。従来例、及び実施例１と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。

【0036】

本実施例では、実施例１に対し、位置補償タイミング検出器３１が位置補償タイミング検出器５１に、トルク伝達タイミング検出器４１がトルク伝達タイミング検出器６１に改められている点で構成が異なる。

【0037】

実施例１では、位置補償切りタイミングおよびトルク伝達タイミングの検出に、駆動部の位置検出器から得られる位置検出値を用いていた。そのため、経年変化などでバックラッシ量が変化した場合でも適切なタイミングで補償を切り替えることができる。一方、駆動部の位置検出遅れが大きな制御装置では、補償タイミングのズレが大きくなるといった課題を孕んでいる。そこで、本実施例では、位置指令値Ｐｒと位置補償量Ｐａｄとから位置補償切りタイミングおよびトルク伝達タイミングを検出することで、位置検出遅れに伴う補償タイミングのズレを低減するための構成について説明する。具体的には、位置指令値Ｐｒと位置補償量Ｐａｄとから、位置指令値Ｐｒの指令方向が反転した時刻０からの駆動部の移動量（以後、反転後駆動部移動量推定値Ｐｍｖとする）を推定する。次に、反転後駆動部移動量推定値Ｐｍｖと予め設定された可動部のバックラッシ量Ｂとを比較することで、位置補償切りタイミングおよびトルク伝達タイミングを検出する。

【0038】

まず、反転後駆動部移動量推定値Ｐｍｖの推定原理を説明する。位置偏差Ｐｄｉｆは、式７に従い、位置指令値Ｐｒと位置補償量Ｐａｄの和から、位置検出値Ｐｄを減算した値として算出される。駆動部がバックラッシ間以外を移動する際の位置補償量Ｐａｄは０なので、時刻０での位置検出値Ｐｄ（０）は位置指令値Ｐｒ（０）と一致する。駆動部がバックラッシ間を移動する間は、駆動部から被駆動部へのトルク伝達は行われない。そのため、被駆動部は停止状態となり駆動部の位置検出値Ｐｄは常にＰｄ（０）を維持する。よって、駆動部がバックラッシ間を移動する間の時刻ｔにおける位置偏差推定値Ｐｄｉｆ′（ｔ）は、式７のＰｄ（ｔ）をＰｒ（０）に置換した式８に従い推定できる。また、速度指令値Ｖｃは、位置偏差Ｐｄｉｆが速度指令演算器２の比例ゲインＫｐで増幅された値と、位置指令値Ｐｒを微分した結果との和になる。よって、式９に従い、速度指令値Ｖｃの推定値Ｖｃ′（ｔ）を位置偏差推定値Ｐｄｉｆ′（ｔ）から推定できる。一方、反転後駆動部移動量推定値Ｐｍｖは、位置指令値Ｐｒの指令方向が反転した時刻０から、時刻ｔまでの駆動部の速度検出値Ｖｄを積分することで推定できる。速度制御の応答帯域が十分に確保された状況下では、速度指令値Ｖｃと速度検出値Ｖｄは一致すると見なすことができるので、速度検出値Ｖｄの代わりに速度指令値Ｖｃを時刻０からｔまで積分することでも、反転後駆動部移動量推定値Ｐｍｖを算出できる。以上から、反転後駆動部移動量推定値Ｐｍｖは、速度指令値Ｖｃの推定値Ｖｃ′（ｔ）を時刻０からｔまで積分することで、式１０に従い推定できる。
Ｐｄｉｆ（ｔ）＝Ｐｒ（ｔ）＋Ｐａｄ（ｔ）－Ｐｄ（ｔ） ・・・式７
Ｐｄｉｆ′（ｔ）＝Ｐｒ（ｔ）＋Ｐａｄ（ｔ）－Ｐｒ（０） ・・・式８
Ｖｃ′（ｔ）＝Ｋｐ×Ｐｄｉｆ′（ｔ）＋（ｄ／ｄｔ）Ｐｒ（ｔ） ・・・式９

【0039】

【数1】

【0040】

位置補償タイミング検出器５１は、位置指令値Ｐｒと位置補償量Ｐａｄとから式１０に従い算出した反転後駆動部移動量推定値Ｐｍｖと予め設定された可動部のバックラッシ量Ｂを比較することで、位置補償タイミングを検出する。図７は、位置補償タイミング検出器５１の詳細を示した図である。反転検出器５１１は位置指令値Ｐｒの指令方向の反転を検出する。位置検出値保持器５１２は、反転検出器５１１が位置指令値Ｐｒの方向反転を検出した時刻０での位置指令値Ｐｒ（０）を、反転検出器５１１が新たに位置指令値Ｐｒの方向反転を検出するまで継続して出力する。減算器５１３は位置指令値Ｐｒから、時刻０での位置指令値Ｐｒ（０）を減算した結果を出力する。加算器５１４は減算器５１３の出力に位置補償量Ｐａｄを加算した結果を出力する。加算器５１７は、加算器５１４の出力に速度指令演算器２の比例ゲインＫｐと同量を乗じた結果に、位置指令値Ｐｒを微分器５１６で微分した結果を加算し出力する。積分器５１８は、加算器５１７の出力を積分した結果を出力する。ただし、積分器５１８は反転検出器５１１が上位位置指令方向の反転を検出する毎にそれまでの積分結果を０にリセットすることで、時刻０から時刻ｔまでの定積分を計算する。位置補償タイミング出力器５１９は、反転検出器５１１が位置指令値Ｐｒの指令方向の反転を検出した時点を位置補償入りタイミングとして検出し、積分器５１８の出力が予め設定された可動部のバックラッシ量以上となった時点を位置補償切りタイミングとして検出する。位置補償タイミング出力器５１９は、これらの検出結果Ｒｐｏｓを位置補償量出力器３２に出力する。

【0041】

次に、トルク伝達タイミング検出器６１は、位置指令値Ｐｒと位置補償量Ｐａｄとから式１０に従い算出した反転後駆動部移動量推定値Ｐｍｖと予め設定された可動部のバックラッシ量Ｂを比較することで、トルク伝達タイミングを検出する。図８は、トルク伝達タイミング検出器６１の詳細を示した図である。反転検出器６１１は位置指令値Ｐｒの指令方向の反転を検出する。位置検出値保持器６１２は、反転検出器６１１が位置指令値Ｐｒの方向反転を検出した時刻０での位置指令値Ｐｒ（０）を、反転検出器６１１が新たに位置指令値Ｐｒの方向反転を検出するまで継続して出力する。減算器６１３は位置指令値Ｐｒから、時刻０での位置指令値Ｐｒ（０）を減算した結果を出力する。加算器６１４は減算器６１３の出力に位置補償量Ｐａｄを加算した結果を出力する。加算器６１７は、加算器６１４の出力に速度指令演算器２の比例ゲインＫｐと同量を乗じた結果に、位置指令値Ｐｒを微分器６１６で微分した結果を加算し出力する。積分器６１８は、加算器６１７の出力を積分した結果を出力する。ただし、積分器６１８は反転検出器６１１が上位位置指令方向の反転を検出する毎にそれまでの積分結果を０にリセットすることで、時刻０から時刻ｔまでの定積分を計算する。トルク伝達タイミング出力器６１９は、減算器６１３の出力が予め設定された可動部のバックラッシ量Ｂ以上となった時点を、駆動部が被駆動部にトルク伝達を開始したタイミングとして検出し、相関係数構成器４２、トルク補償量演算器４３に検出結果Ｒｔｒｑを出力する。

【0042】

以上のように、本発明による位置制御装置によれば、駆動部の位置検出遅れが大きな制御装置であっても、位置検出遅れに伴う補償タイミングのズレを効果的に低減でき、よって、バックラッシに起因する追従遅れと被駆動部の摩擦作用方向の反転に起因する追従遅れを小さくすることができる。

【0043】

本実施例において、反転検出器５１１、位置検出値保持器５１２、減算器５１３、加算器５１４，５１７、比例ゲインＫｐ５１５、微分器５１６、積分器５１８の動作は、反転検出器６１１、位置検出値保持器６１２、減算器６１３、加算器６１４，６１７、比例ゲインＫｐ６１５、微分器６１６、積分器６１８と同様であるから、位置補償タイミング検出器５１とトルク伝達タイミング検出器６１との間で、これらの演算器を共有することも可能である。また、図７、図８に示した構成は、演算順序を規定するものではない。よって、反転後駆動部移動量推定値Ｐｍｖを得るために、例えば減算器６１３と加算器６１４等の演算順序を入れ替えたり、一つの演算器に纏めたりするなど、適宜組み替えることも可能である。更に、比例ゲインＫｐ５１５、６１５は、速度指令演算器２の比例ゲインＫｐ相当値であることが好ましいが、必ずしも同値とする必要は無い。

【0044】

また、本発明が適用される位置制御装置は図１や図６のフィードバック制御系に限定されるものではない。例えば、減算器１に帰還される位置検出値は、必ずしも位置検出値Ｐｄである必要は無く、例えば、位置検出値Ｐｄと位置検出値Ｐｍを合成した値に適宜変更可能である。あるいは、速度フィードフォワードＶｆｆは、必ずしも位置指令値Ｐｒのみから算出する必要はなく、例えば、位置指令値Ｐｒに位置補償量Ｐａｄを加算した値から算出するなど、適宜変更可能である。

【符号の説明】

【0045】

１，５，３１３，４１３，５１３，６１３ 減算器、２ 速度指令演算器、３，９，５１６，６１６ 微分器、４，８，１１，１６，１７，５１４，５１７，６１４，６１７ 加算器、１０ モータ軸換算イナーシャ、１２ 対象プラント、１３，３２ 位置補償量出力器、１４，３１，５１ 位置補償タイミング検出器、２１，４２ 相関係数構成器、２２ 補償量出力器、４１，６１ トルク伝達タイミング検出器、４３ トルク補償量演算器、４４ トルク補償量出力部、３１１，４１１，５１１，６１１ 反転検出器、３１２，５１２，４１２，６１２ 位置検出値保持器、３１４，５１９ 位置補償タイミング出力器、４１４，６１９ トルク伝達タイミング出力器、３２１ 指令増減方向検出器、３２２ 位置補償量演算器、５１８，６１８ 積分器、５１５，６１５ 比例ゲインＫｐ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】