同步控制装置的制作方法

专利名称：同步控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种同步控制装置，对机械地结合的多个马达进行同步驱动。
背景技术：
第1现有技术例如在日本公开公报特开2007-042068号公报中记载有，具备补偿 数据计算单元，其根据同步误差计算出对进给侧马达的位置偏差进行补偿的补偿数据，进 行如下控制，将补偿数据加在进给侧马达的位置偏差上，使同步误差接近零，该同步误差是 来自上位控制装置对主轴马达的指令和从设置在主轴马达上的检测器所反馈的主轴马达 的检测值的差即位置偏差与来自进给侧马达的上位控制装置的指令和从设置在进给侧马 达上的检测器所反馈的进给侧马达的检测值的差即位置偏差的差分。第2现有技术例如在日本公开公报特开2004-288164号公报中记载有一种控制装 置，其通过位置控制部和速度控制部来驱动控制伺服马达，该位置控制部根据位置指令与 来自位置检测器的位置反馈的位置偏差而在每个规定周期输出速度指令，该速度控制部根 据速度指令与来自速度检测器的速度反馈而在每个规定周期输出转矩指令，其中，具备同 步补偿处理部，对驱动同一控制对象的2个伺服马达进行同步控制，根据作用在该2个伺服 马达之间的力使作用在2个伺服马达之间的力减少。第3现有技术例如在日本公开公报特开2003-131712号公报中记载有，分别检测 出主轴及从轴的现在位置，根据所检测出的主轴位置，按从轴计算出对应于主轴位置的理 论位置，对于各从轴，计算出所计算的理论位置和所检测出的实际位置的同步误差，根据所 计算的同步误差改变从轴的增益。

发明内容
根据本发明的一个方案，同步控制装置是对于具备多台马达、分别检测出多台马 达的位置信息的多台位置检测器、使多台马达的可动轴彼此连结的机械结合部的控制对 象，同步控制多台马达的同步控制装置，其特征在于，具备指令装置，具有根据多个位置 信息运算作业位置，且根据位置指令与作业位置的差运算新的位置指令的第1位置控制系 统；及多个马达控制装置，分别具有根据新的位置指令与位置信息的差对驱动马达的指令 进行运算的第2位置控制系统。根据本发明的另一个方案，同步控制装置是对于具备2台马达、分别检测出2台马 达的位置信息的2台位置检测器、使马达的可动轴彼此连结的机械结合部的龙门机构即控 制对象，同步控制2台马达的同步控制装置，其特征在于，具备位置计测装置，计测XY轴坐 标系的作业位置；指令装置，具有根据位置指令与作业位置的一个轴的坐标系位置的差运 算新的位置指令的第1位置控制系统；第1及第2马达控制装置，具有根据新的位置指令与 位置信息的差对驱动马达的指令进行运算的第2位置控制系统；及第3马达控制装置，在具 有与第1或第2马达控制装置相同的功能的同时，输入作业位置的一个轴的坐标系位置并 输出至指令装置。
根据本发明的另一个方案，同步控制装置是具有对具备多台马达、分别检测出多 台马达的位置信息的多台位置检测器、使多台马达的可动轴彼此连结的机械结合部的控制 对象进行驱动的第1轴、对具备单台马达、检测出单台马达的位置信息的单台位置检测器、 连结单台马达的可动轴的机械连结部的其它控制对象进行驱动的第2轴、根据位置指令使 第1轴和第2轴进行XY轴坐标系的圆弧插补动作的指令装置的同步控制装置，其特征在 于，第1轴构成位置积分比例 速度比例控制系统，第2轴构成位置比例 速度积分比例控 制系统，将第1轴的位置比例增益(Kpl)设定为与第2轴的速度积分时间(Ti)的倒数一致， 同时将第1轴的位置积分时间(Tir)设定为与第2轴的位置比例增益(Kp)的倒数一致。


在结合附图参照以下详细说明更好地理解之后，可以更容易获得对本发明及其许 多附带优点的更加全面的理解。 图1是本发明第1实施方式所涉及的同步控制装置的框图。图2是表示第1实施方式中的速度及转矩的模拟波形的图。图3是本发明第2实施方式所涉及的同步控制装置的框图。图4是本发明第3实施方式所涉及的同步控制装置的框图。图5是表示第2实施方式中的速度及转矩的模拟波形的图。图6是表示同步控制装置驱动的第1同步机构(龙门结构)的图。图7是表示同步控制装置驱动的第2同步机构(其它的龙门结构)的图。图8是表示同步控制装置驱动的第3同步机构)的图。图9是本发明第4实施方式所涉及的同步控制装置中的速度控制部(比例+不完 全积分)的框图。图10是第1现有技术的同步控制装置的框图。图11是表示第1现有技术的同步控制装置中的速度及转矩的模拟波形的图。图12是第2现有技术的同步控制装置的框图。图13是表示第2现有技术的同步控制装置中的速度及转矩的模拟波形的图。图14是第3现有技术的同步控制装置的框图。图15是表示第3现有技术的同步控制装置中的速度及转矩的模拟波形的图。图16是模式化表示图6中的第1同步机构(龙门结构)的图。图17是本发明第5实施方式中的通常增益设定时的圆弧插补动作波形图。图18是本发明第5实施方式所涉及的增益设定时的圆弧插补动作波形图。图19是本发明第6实施方式中的通常增益设定时的圆弧插补动作波形图。图20是本发明第6实施方式所涉及的增益设定时的圆弧插补动作波形图。图21是延迟较大时的本发明第5实施方式所涉及的增益设定时的圆弧插补动作 波形图。图22是本发明第7实施方式所涉及的增益设定时的圆弧插补动作波形图。图23是本发明第7实施方式所涉及的同步控制装置的框图。图24是本发明第7实施方式所涉及的位置观测器的控制框图。图25是本发明第7实施方式所涉及的位置观测器的其它的控制框图。
具体实施例方式参照

实施例，其中在各附图中相同附图标记指明相似或相同要素。

首先，利用第1至第3现有技术的同步控制装置驱动的同步机构说明其课题。图 6是表示同步控制装置驱动的第1同步机构(龙门结构)的图。该第1同步机构(龙门结 构)是用于例如在基板上安装半导体器件的安装机、在基板上对半导体器件进行软钎焊的 焊接机、涂布装置等工业用机械、半导体或液晶制造装置的构成。第1至第3现有技术的同步控制装置在驱动这种第1同步机构(龙门结构)时， 对于相同的位置控制构成的伺服放大器15、16，从指令器14经由位置信息传输路径126发 送相同的位置指令并同步控制2个轴(XI轴、X2轴)。但是，在通过机械结合部9连结彼此的轴这样的第1同步机构(龙门结构)中，该 机械结合部9的刚性越高，则从一个轴向另一个轴、从另一个轴向一个轴相互施加的扭转 反作用力(以下称为无效反作用力)越大。该无效反作用力起因于例如线性光栅尺12的 制造偏差或对机构的安装误差、机构自身的组装精度等，作为对伺服放大器15、16的干扰 而对双方的位置控制系统产生影响。S卩，该无效反作用力成为相对于伺服放大器15、16的推力指令值符号相反的推 力，伺服放大器15、16为了消除该无效反作用力，需要进一步增加推力指令值(为了增加负 荷率)，因此存在能效显著恶化的问题。而且，还存在如下问题，该无效反作用力较大时，有可能会超过伺服放大器15、16 能够输出的推力上限值，而超过时连正常的位置控制动作及同步控制都无法实现。而且，第1至第3现有技术的同步控制装置如后所述，在伺服放大器轴间需要位置 信息传输路径以外的传输路径。即，第1现有技术的同步控制装置在伺服放大器轴间需要 位置偏差传输路径，第2、3现有技术的同步控制装置在伺服放大器轴间需要转矩指令传输 路径。由于这些新的传输路径通常不存在于伺服放大器的通用产品中，因此第1至第3现有 技术的同步控制装置不得不由专用器件来构成，还存在成本方面或维护性、交货期等问题。
而且，在N轴同步控制(N为轴数，是N > 1的自然数)中，存在使1个检测位置为 主位置，而剩余的(N-I)个轴的位置为从位置的情况。例如，在图6中，Xl轴的检测位置为 主位置，X2轴的检测位置为从位置。在如图6的同步机构(龙门结构)的情况下，大多存 在与Xl及X2轴正交的Y轴，在这些XY轴坐标系上存在作业位置(作业中心)。由于Y轴 坐标是在Xl轴和X2轴的轴间移动的坐标，因此还存在如下问题，作业位置并不一定存在于 主轴位置上(XI轴上)，从而无法进行针对作业位置的同步控制。本发明是鉴于上述问题而进行的，提供一种同步控制装置，对于通过多个马达沿 同一方向的坐标轴进行驱动的机械，使用通用的机电器件(马达、伺服放大器、指令器等) 来抑制相互施加在各轴间的无效反作用力，同时高精度地进行针对作业位置的同步控制。参照附图对本发明的第1实施方式进行说明。图1是本发明第1实施方式所涉及 的同步控制装置的框图。图中，同步控制装置1具备指令器2、伺服放大器3、4。指令器2具备位置指令生成部21、位置控制部22、位置信息运算部23。位置指令生成部21生成用于驱动马达5、6的内部位置指令121并输出至位置控 制部22。位置信息运算部23从伺服放大器3、4经由位置信息传输路径126输入由编码器7、8检测出的检测位置信息131、141，通过后述的运算输出作业位置信息122。位置控制部 22输入内部位置指令121与作业位置信息122的偏差并进行比例积分控制运算，经由位置 信息传输路径126向伺服放大器3、4输出新的位置指令信号125。另外，位置信息传输路 径126只要是例如高速串行通信路径等即可，能够针对各伺服放大器3、4进行同步并以双 方向对位置信息进行通信。而且，作业位置信息122是例如当同步控制装置1驱动的机构系为XY轴坐标系， 内部位置指令121为XY轴坐标系中的位置指令时，存在于该XY轴坐标系上的作业位置(作 业中心)的坐标。 伺服放大器3具备位置控制部31、速度控制部32、速度运算部33、电流控制部34， 伺服放大器4也具备相同构成(位置控制部41、速度控制部42、速度运算部43、电流控制部 44)。位置控制部31、41输入新的位置指令信号125与检测位置信息131、141的偏差进 行比例控制运算，输出速度指令。速度运算部33、43输入检测位置信息131、141进行微分 运算，输出速度反馈信号。速度控制部32、42输入速度指令与速度反馈信号的偏差进行比 例控制运算，输出驱动马达的指令。在此，由于该驱动马达的指令通过在马达绕组上外加电压并流过电流而驱动马 达，因此是电压或电流指令。电流控制部34、44控制运算与电流指令相当的电流并供给至 马达5、6。马达5、6产生与所被供给的电流成比例的力。例如，如果是同步旋转型马达则产 生转矩，如果是线性马达则产生推力。另外，马达5、6、编码器7、8、机械结合部9的构成简单地表示图6中说明的第1同 步机构(龙门结构)的构成。而且，干扰转矩(反作用力)191意味着无效反作用力，该无效 反作用力例如相对于伺服放大器3相当于负推力，相对于伺服放大器4相当于正推力。而 且，图6中的指令器14、伺服放大器15、16相当于图1中的指令器2、伺服放大器3、4。如此，本发明第1实施方式所涉及的同步控制装置除在伺服放大器3、4内构成的 位置控制系统外，还在指令器2中具备其它的位置控制系统。由于指令器2内的位置控制 部22包含积分运算，因此作业位置信息122能够相对于位置指令生成部21输出的内部位 置指令121没有位置偏差地进行跟踪或进行定位动作。另外，位置控制部22即使仅通过积分控制也能够进行同样的动作。下面，说明位置信息运算部23根据检测位置信息131、141运算作业位置信息122 的方法。位置信息运算部23通过式(1)运算作业位置信息122的X坐标。另外，m为 O^m^ 1，是根据预先任意指定的作业位置而确定的(m的计算方法如后所述)。(作业位置信息122的X坐标)= mX (检测位置信息131)+ (1-m) X (检测位置信息141)…(1)在图6(图1同样)所示的第1同步机构(龙门结构)的构成中，作业位置位于Xl 轴和X2轴的轴间任意位置时，作为X坐标能够通过式(1)计算出Xl轴的位置(检测位置 信息131)和X2轴的位置(检测位置信息141)之间的任意位置的作业位置信息122，能够 针对位置指令跟踪或定位未安装编码器的位置。例如，如果式(1)中的m为0. 5，则作为作业位置信息122的X坐标能够计算出Xl轴和X2轴的轴间中央位置。如此，使Xl轴和X2轴的轴间距离为L时，能够计算出mL的X 轴方向的作业位置信息。而且，在图6 (图1同样)所示的第1同步机构(龙门结构)的构成的情况下，大 多是构成与Xl轴和X2轴正交的Y轴，在由Xl轴、X2轴、Y轴的各坐标所确定的位置，即作 业位置上进行物品加工等的作业的工业用机械、半导体或液晶制造装置。另外，Y轴也与Xl轴和X2轴一样具备其它的(Y轴用的)伺服放大器并构成位置 控制系统，构成为根据来自指令器2的其它的(Y轴用的)位置指令，驱动其它的(Y轴用 的)马达。此时，如后所述，对于Xl轴、X2轴的坐标，能够根据与它们正交的Y轴的坐标计 算m的值。即，Y轴的位置为作业位置信息122的Y坐标，由使用m的⑴式计算的位置为 作业位置信息122的X坐标。

下面，说明m的计算式。图16是模式化表示图6中的第1同步机构(龙门结构) 的图。图中，Xl轴和X2轴都是线性光栅尺的位置，线性光栅尺头部位于检测位置131和 141。Y轴是行程Ly。使Y轴的行程末端至Xl轴编码器头部的偏移距离为dYl，使Y轴的 原点(0位置)至X2轴的偏移距离为dY2。将Y轴的原点(0位置)取为Y坐标(作业坐 标)的原点(0位置)，将Xl轴、X2轴的原点(0位置)取为X坐标(作业坐标)的原点(0 位置)，使作业位置为(Px、Py)。此时，能够通过式⑵计算出m。m = (Py+dY2) / (dYl+Ly+dY2)…(2)另外，在图16中夸大记载了 Y轴的斜度，但是在实际的机械中，对于Im左右的Y 轴行程，检测位置131和检测位置141的差为几十μ m左右，因此，Y轴的斜度是极小的量。 由于即使考虑Y轴方向与Y坐标(作业坐标)大致平行在计算上也没有问题，因此能够将 (2)式的m应用于上述(1)式并计算检测位置122的X坐标(Px)。如此，能够根据Y轴的位置计算出X轴方向的作业位置信息。而且，在图6所示的 机械结合部9上安装有沿Y轴移动的作业用头部13时，存在如下问题，在Xl轴和X2轴间 的机械结合部9存在歪斜时，根据Y轴的作业用头部13的位置，作业用头部13的X坐标位 置相对于位置指令会产生机械误差，但是根据前述的位置信息运算部23的运算，即使Y轴 移动也能够按照位置指令对作业用头部13的X轴方向位置进行定位。图2是表示第1实施方式中的速度及转矩的模拟波形的图。图中，图1中的作业 位置信息122 =检测位置信息131时，上段是速度波形，下段是转矩波形，纵轴是各振幅，横 轴是时间轴。此时，与定位动作后的停止时(时间轴16之后)的无效反作用力相当的推力 为约0. 05[p-p]左右，是加减速时(时间轴0至3)的最大推力振幅(0. 5左右)的约10% 左右ο在此，对第1至第3现有技术的同步控制装置中的无效反作用力进行说明。图10 是第1现有技术的同步控制装置的框图，图12是第2现有技术的同步控制装置的框图，图 14是第3现有技术的同步控制装置的框图。而且，图11是表示第1现有技术的同步控制装 置中的速度及转矩的模拟波形的图，图13是表示第2现有技术的同步控制装置中的速度及 转矩的模拟波形的图，图15是表示第3现有技术的同步控制装置中的速度及转矩的模拟波 形的图。在图11、13、15中，图模拟条件与图2相同，上段是速度波形，下段是转矩波形，纵 轴是各振幅，横轴是时间轴。
与各自定位动作后的停止时(时间轴16之后)的无效反作用力相当的推力为， 第1现有技术的同步控制装置为约0. l[p-p](图11)，第2现有技术的同步控制装置为约 0. 15[p-p](图13)，第3现有技术的同步控制装置为约0.3[p-p](图15)。它们相当于加减 速时(时间轴0至3)的最大推力振幅(0. 5左右)的约20%、约30%、约60%。如此，第1至第3现有技术的同步控制装置为，虽然对于相同的位置指令，各伺服 放大器试图使检测位置完全跟踪于位置指令，但是由于编码器自身的误差、安装误差、机械 误差(轴间的偏移)，尤其在定位停止后对各伺服放大器产生无效反作用力。虽然根据位置 偏差、转矩指令等检测出该轴间的偏移并在轴间进行补偿处理，但是与本发明的实施方式 相比没有达到使无效反作用力降低。本发明的实施方式(第1实施方式及后述的第2、3、4实施方式)所涉及的同步控 制装置在N轴同步控制(N为轴数，是N> 1的自然数)中着眼于轴数份的编码器位置与实 际的同步机构的机械位置没有严密地一致；由于使轴数份的马达可动轴彼此连结的结合构 件的刚性而产生无效反作用力；轴数份的编码器位置在轴间的偏移与无效反作用力反向。S卩，本发明的实施方式(第1实施方式及后述的第2、3、4实施方式)所涉及的同 步控制装置是在N轴同步控制(N为轴数，是N > 1的自然数)中基于如下条件而构成的， 与位置指令一致的检测位置不是多个而是限定于1个，以及在具备各伺服放大器中的位置 控制系统的同时需要对于位置指令使用1个检测位置的位置控制系统。本申请的典型的发明在N轴同步控制(N为轴数，是N> 1的自然数)中为如下 构成根据多个编码器位置计算出作业位置并使该作业位置跟踪于位置指令的构成；去掉 各伺服放大器内的积分运算的构成(由于积分运算在动作越是低频时则增益越大，因此在 定位完成的停止时刻无效反作用力增大。通过去掉该积分运算来抑制无效反作用力的增 力口。)；在伺服放大器的更外侧追加1个新的位置控制系统并仅在该位置控制系统中具备积 分运算的构成。如此，本申请的典型的发明还综合、本质地探讨了控制对象的机械精度等。而且， 对于通过多个马达沿同一方向的坐标轴进行驱动的机械，能够使用通用的机电器件(马 达、伺服放大器、指令器等)来抑制相互施加在各轴间的无效反作用力，同时高精度地进行 针对作业位置的同步控制。S卩，应同步的多个马达的推力(转矩)能够为大致相同的程度，能够仅通过进行位 置数据交接的位置信息传输路径(利用通用的串行通信等)，实现定位动作时或定位完成 后的无效反作用力较少的同步动作。而且，能够减小机械结合部的刚性、粘性摩擦的影响所 引起的偏移，能够使指令器内的作业位置信息在定位完成时刻与位置指令严密地一致。另外，检测位置信息相当于各技术方案所记载的位置信息，内部位置指令相当于 位置指令，作业位置信息相当于作业位置，指令器相当于指令装置，伺服放大器相当于马达 控制装置。 下面，对于各种同步机构，依次说明本发明实施方式所涉及的同步控制装置的应 用例。下面，参照附图对本发明的第2实施方式进行说明。图7是表示同步控制装置驱 动的第2同步机构(其它的龙门结构)的图。图中，为了准确地计测作业位置附近的X方 向位置，安装有使用了激光干涉仪101的位置计测装置。
激光干涉仪101是将反射镜设置在机械结合部9上，通过来自激光干涉仪的激光 束的干涉而非接触地计测位置。因此，在无法设置线性光栅尺12的场所，能够在X轴方向 上直接计测机械结合部9的作业位置。 图3是本发明第2实施方式所涉及的同步控制装置的框图。图中，同步控制装置 10具备指令器2、伺服放大器3、4、17。第2实施方式与第1实施方式的不同之处在于同步控制装置10将激光干涉仪 101的检测位置信息输入伺服放大器17，作为检测位置信息171经由位置信息传输路径126 输入指令器2内的位置信息运算部23 ；位置信息运算部23仅使用激光干涉仪101的检测 位置信息171，而不使用来自伺服放大器3、4的检测位置信息131和检测位置信息141。因此，同步控制装置10不在伺服放大器17上连接马达，作为仅将激光干涉仪101 的检测位置信息171传输至位置信息传输路径126的数据转换器而使用伺服放大器17。通 过如此构成，能够仅由通用产品来构成。另外，编码器(线性光栅尺)7和编码器8的检测分辨率(每1个脉冲的长度例 如0. 1μπι/1个脉冲等)和激光干涉仪101的检测位置分辨率不同时，在位置信息运算部23 内进行电子齿轮运算，使分辨率一致即可。在第2实施方式中，通过激光干涉仪101检测出作业位置附近的位置，作为指令器 2内的作业位置信息122对指令器2内的位置控制系统进行反馈，因此，能够使X方向的作 业位置比第1实施方式更准确地跟踪于指令位置。另外，激光干涉仪相当于各技术方案记载的位置计测装置。下面，参照附图对本发明的第3实施方式进行说明。图8是表示同步控制装置驱 动的第3同步机构(圆弧线性结构)的图。图4是本发明第3实施方式所涉及的同步控制 装置的框图。图4中，同步控制装置11具备指令器2、伺服放大器3、4、17。另外，由于伺服 放大器4、17的控制构成与伺服放大器3相同，因此省略详细的记载。本发明第3实施方式所涉及的同步控制装置向图8中的圆弧形线性马达5、6、18 供电并同步控制多个线性马达动子(例如线性马达动子53)。在各线性马达动子上安装有 线性光栅尺的位置读取头部，能够通过使用带式线性光栅尺等以圆弧状粘贴光栅尺，也可 以通过3个头部对1根线性光栅尺进行位置检测或者针对各头部分别安装线性光栅尺。第3实施方式与第1实施方式的不同之处在于，同步控制装置11同步控制由3个 轴构成的同步机构(例如图8)。另外，标注与第1实施方式的代表图即图1相同的符号的 构成要素由于其作用效果相同，因此省略详细的说明。图4中的马达5、6、18、编码器7、8、19、机械结合部9、105、106的构成简单地表示 图8中说明的第3同步机构(圆弧线性结构)的构成。另外，由于马达5、6、18通过转台 (9、105、106)而被机械地结合，因此图8中的转台(9、105、106)在图4中是以机械结合部 9、105、106来标明的。而且，与第1实施例一样，由于各轴通过机械结合部9、105、106而被 机械地结合，因此无效反作用力(干扰转矩191)施加在各轴上。指令器2中的位置信息运算部23根据来自伺服放大器3、4、17的检测位置信息 131、141、171计算出作业位置信息122。例如，将第1实施例中说明的使用式(1)的2个轴 的计算方法展开为3个轴即可(参照式(3)、(4))。而且，在图8中，存在如下情况，因线性光栅尺的安装误差而在旋转1周时产生N个周期的误差(N为自然数)。例如在图8中，虽然在薄厚度的圆筒形构件上贴上了线性光 栅尺，但是在直径达2m左右的大型圆弧形转台的情况下，存在如下情况，圆筒形构件因加 工误差、安装时的误差而在直径方向上歪斜。此时，在机械结合部即转台旋转1周时产生N 个周期的误差(N为自然数)。由于转台旋转1周时返回原位，因此该误差为N个周期的误差。

例如，在1根线性光栅尺上安装3个线性光栅尺头部并检测位置时，使经由伺服放 大器3从线性光栅尺检测出的检测位置信息Xl的真值为θ [rad]，使相当于误差的微小值 为I而线性光栅尺上出现1个周期的误差时，Xl= θ + δ8 η(θ)0而且，如果在该线性光栅尺圆周上每隔120度(2 π/3)分别配置线性光栅尺 头部，则伺服放大器4的检测位置信息Χ2、伺服放大器17的检测位置信息Χ3为Χ2 = θ + δ sin ( θ -2 π /3)、Χ3 = θ + δ sin ( θ -4 π /3)。在此，虽然3个线性光栅尺头部每隔120 度错开配置，但是如果在3个马达中使原点位置为共通的1个，则由于真值θ的值能够相 同，因此1个周期的误差依赖于物理位置，是从θ错开120度、240度的值。本发明第3实施方式所涉及的同步控制装置中的位置信息运算部23通过式(3) 对作业位置信息122进行平均化运算。(作业位置信息122)=((检测位置信息131)+(检测位置信息141)+ (检测位置信息171))/3··· (3)而且，式(3)由式(4)来表示。(作业位置信息122)= θ + δ (sin ( θ ) +sin ( θ -2 Ji /3) +sin ( θ -4 Ji /3))... (4)在此，由于Sin(e)+sin(e-2Ji/3)+Sin(e-4Ji/3) = 0，因此(作业位置信息 122) = θ，作业位置信息122作为没有误差的真值而被求出。圆弧形线性马达的个数为m 个时，每隔360/m度=2 π /m配置线性光栅尺头部即可，在位置信息运算部23中进行m个 的平均化运算即可。如此，本发明第3实施方式所涉及的同步控制装置除在伺服放大器3、4、17内构成 的位置控制系统外，还在指令器2中具备其它的位置控制系统。由于指令器2内的位置控制 部22包含积分运算，因此作业位置信息122能够相对于位置指令生成部21输出的内部位 置指令121没有位置偏差地进行跟踪或进行定位动作。而且，通过位置信息运算部23的平 均化运算，能够降低因线性光栅尺的安装误差所产生的旋转1周时N个周期(N为自然数) 的误差。图5是表示第3实施方式中的速度及转矩的模拟波形的图。图中，上段是速度波 形，下段是转矩波形，纵轴是各振幅，横轴是时间轴。此时，与定位动作后的停止时(时间轴 16之后)的无效反作用力相当的推力为约0. l[p-p]左右，是加减速时(时间轴0至3)的 最大推力振幅(0. 5左右)的约20%左右。可知即使在3个轴的情况下无效反作用力也较 少。如此，根据第3实施方式，能够容易地增加进行同步控制的轴，还能够将各轴的无 效反作用力抑制为较少。在第1至第3现有的同步控制装置中，随着进行同步控制的轴数 增加，轴间的控制构成变得复杂，控制增益等的调节也较为复杂。另一方面，根据第3实施 方式，构成针对N个轴(N为N>1的自然数)的同步控制系统时，只要准备N轴份的相同控制系统的伺服放大器(例如通用的伺服放大器)即可。同步控制N个轴的本发明第3实施方式所涉及的同步控制装置(2个轴的情况是 本发明第1实施方式所涉及的同步控制装置)例如可应用于冲压机械、注塑成型机等工业 用机械。 在使2台马达和1个驱动齿轮联接结合的机构的冲压机械、注塑成型机等工业用 机械的情况下，该联接器为刚体时，即使仅对一个轴的马达进行位置控制来带着另一个马 达转动，也由于双方的马达的编码器旋转角度一致，因此能够应用本发明第1或第3实施方 式所涉及的同步控制装置。另一方面，该联接器的刚性较低时，由于驱动齿轮的旋转角度与2个轴的马达旋 转角度不一定一致，因此在指令器内的位置信息运算部中进行式(5)的运算。驱动齿轮的旋转角度=第1轴马达旋转角度+(扭矩+扭转刚性X第1轴编码 器至驱动齿轮的距离)··· (5)如此，如果使驱动齿轮的旋转角度为作业位置信息，则能够使驱动齿轮的旋转角 度跟踪于指令位置，因此，可应用本发明第1或第3实施方式所涉及的同步控制装置。另外，扭矩是通过第1轴马达的转矩而被给予的，扭转刚性是通过联接器的材质、 形状而被给予的。而且，第1轴编码器至驱动齿轮的距离是在机械地组装马达时几何地决 定的。而且，同步控制N个轴的本发明第3实施方式所涉及的同步控制装置(2个轴的情 况是本发明第1实施方式所涉及的同步控制装置)例如还能够应用于钢丝锯输送轴和钢丝 锯卷取轴的同步控制(用外部传感器计测从钢丝锯基准位置开始的输送量，使该计测值为 针对指令器的反馈位置)、薄膜输送轴和薄膜卷取轴的同步控制(用外部传感器计测从薄 膜基准位置开始的输送量，使该计测值为针对指令器的反馈位置)。下面，参照附图对本发明的第4实施方式进行说明。由于本发明第1实施方式所 涉及的同步控制装置(图1)的伺服放大器3、4中的速度控制部32、42仅为比例控制，因此 伺服放大器3、4的检测位置信息131、132存在如下情况，在定位完成时刻与新的位置指令 125出现差值。由于本发明第1实施方式的目的是对作业位置信息122进行定位，即令内部位置 指令121与作业位置信息122 —致，因此伺服放大器3、4的检测位置信息131、132与定位 完成时刻的新的位置指令125的差值没有问题。但是，在机械结合部9的刚性较低时、粘性 摩擦较大时等，该差值变大。此时，能够通过将伺服放大器3、4中的速度控制部32、42的控 制系统变更为不完全积分，而减小该差值。图9是本发明第4实施方式所涉及的同步控制装置中的速度控制部(比例+不完 全积分)的框图。本发明第4实施方式所涉及的同步控制装置将本发明第1实施方式所涉 及的同步控制装置中的各伺服放大器3、4内的速度控制部32、42替换为图9的速度控制 部。在不完全积分的情况下，增大不完全积分率时则接近比例控制，减小时则接近积 分控制。因此，由于在机械刚性较低时等，马达转矩、推力中的无效反作用力成分较小，因此 在容许范围内调节为减小不完全积分率即可(减小不完全积分率时，该差值变小，但是无 效反作用力变大。增大不完全积分率时变为相反的动作。)。
而且，本发明第1至第3实施方式所涉及的同步控制装置通过成为前述的构成，能 够在N轴同步控制(N为轴数，是N > 1的自然数)中，使加减速时的各轴的转矩(推力)平 衡。这可通过比较图2、5(第1、3实施方式中的速度及转矩的模拟波形)和图10、12、14(第 1至第3现有技术的同步控制装置中的速度及转矩的模拟波形)而知晓。而且，本发明第1 至第3实施方式所涉及的同步控制装置通过成为前述的构成，能够使机械的实际作业位置 跟踪于位置指令。另外， 虽然本发明第1至第4实施方式所涉及的同步控制装置以指令器、伺服放大 器各自具有位置控制系统的构成为例进行了列举，但是即使是指令器及伺服放大器成为一 体的装置，也具有同样的作用效果。而且，也可以是输入来自外部的位置指令的装置，是具 有同样的2个位置控制系统的装置。下面，参照附图对本发明的第5实施方式进行说明。在具备如图6的龙门机构的 机床等中，不仅仅是针对X、Y方向的单独的定位动作，还能够对X轴和Y轴进行圆弧插补动 作来控制轨迹。例如，能够通过使X轴为正弦波形并使Y轴为余弦波形来进行圆弧插补动作。机床用途中的同步控制装置的控制系统大多是位置比例·速度积分比例控制系 统。在此，由于图6的Y轴是单轴驱动，因此是该控制系统(位置比例·速度积分比例控 制)，由于X轴是双驱动，因此与本发明第1实施方式一样应用图1的框图所示的同步控制 装置即可。但是，在取得控制系统的平衡的意义上，在双驱动的X轴中，图1中的位置控制 部22通过构成为输入内部位置指令121与作业位置信息122的偏差进行积分控制运算，经 由位置信息传输路径126向伺服放大器3、4输出新的位置指令信号125，从而成为位置积分 比例·速度比例控制系统。图17是本发明第5实施方式中的通常增益设定时的圆弧插补动作波形图，图18 是本发明第5实施方式所涉及的增益设定时的圆弧插补动作波形图。图中图示了在X轴方 向上输入sin函数的位置指令，在Y轴方向上输入cos函数的位置指令时的位置指令和检 测位置信息，横轴为X轴，纵轴为Y轴，实线是检测位置信息，点划线是位置指令。进行圆弧插补动作时，如通常一样使X轴和Y轴的控制系统所对应的增益设定相 同时，如图17所示，存在轨迹歪斜，成为在X轴方向上较长的椭圆的问题。S卩，检测位置信 息未跟踪于位置指令。为了解决该问题，需要导出增益设定式。在双驱动的X轴中，对位置积分比例 速 度比例控制系统的位置指令直至检测位置信息的传递函数进行归纳后如式(6)所示。
KpH—；-；- ... (6 J
S3 + KvS2 + K p,Kvs + K p]K J Tir另一方面，在单轴驱动的Y轴中，对位置比例 速度积分比例控制系统的位置指令 直至检测位置信息的传递函数进行归纳后如式(7)所示。
KpKJTi_-；- ... (7)
+KvS2+{KJT^s+ KpKv ITi在此，如果式(6)和式(7) —致，则检测位置信息与圆弧插补动作中的位置指令一 致。尤其是，决定传递函数的响应特性的是被称为特征多项式的传递函数的分母，因此，以式(6)和式(7)的分母中的各系数一致的方式决定增益设定值即可，满足式(8)及式(9) 即可。
[012权利要求
1.一种同步控制装置，是对于具备多台马达、分别检测出所述多台马达的位置信息的 多台位置检测器、使所述多台马达的可动轴彼此连结的机械结合部的控制对象，同步控制 所述多台马达的同步控制装置，其特征在于，具备指令装置，具有根据多个所述位置信息运算作业位置，且根据位置指令与所述作业位 置的差运算新的位置指令的第1位置控制系统；及多个马达控制装置，分别具有根据所述新的位置指令与所述位置信息的差对驱动马 达的指令进行运算的第2位置控制系统。
2.根据权利要求1所述的同步控制装置，其特征在于，当所述控制对象是具备2台马达的龙门机构，所述作业位置由XY轴坐标系来表示时， 所述指令装置中的所述第1位置控制系统在对所述位置指令与所述作业位置的一个 轴的坐标系位置的差进行比例积分控制的同时，在使所述2台马达的轴间距离为1时，对在所述轴间距离中的某一比率m上乘以一个 所述位置信息的值和在剩余的比率1-m上乘以另一个所述位置信息的值进行加法运算，从 而运算所述作业位置的一个轴的坐标系位置。
3.根据权利要求1所述的同步控制装置，其特征在于，当所述控制对象是圆弧轨道机构，所述作业位置由所述机械结合部的角度来表示时， 所述指令装置中的所述第1位置控制系统在对所述位置指令与所述作业位置的差进 行比例积分控制的同时，对全部所述位置信息进行平均化运算从而运算所述作业位置。
4.根据权利要求1所述的同步控制装置，其特征在于，所述马达控制装置中的所述第2位置控制系统具备位置控制部，对所述新的位置指 令与所述位置信息的差进行比例控制并运算速度指令；速度运算部，输入所述位置信息来 运算速度信息；及速度控制部，对所述速度指令与所述速度信息的差进行比例控制。
5.根据权利要求1所述的同步控制装置，其特征在于，所述马达控制装置中的所述第2位置控制系统具备位置控制部，对所述新的位置指 令与所述位置信息的差进行比例控制并运算速度指令；速度运算部，输入所述位置信息来 运算速度信息；及速度控制部，对所述速度指令与所述速度信息的差进行比例及不完全积 分控制。
6.一种同步控制装置，是对于具备2台马达、分别检测出所述2台马达的位置信息的 2台位置检测器、使所述马达的可动轴彼此连结的机械结合部的龙门机构即控制对象，同步 控制所述2台马达的同步控制装置，其特征在于，具备位置计测装置，计测XY轴坐标系的作业位置的一个轴的坐标系位置； 指令装置，具有根据位置指令和与所述作业位置的一个轴的坐标系位置相对应的作业 位置信息的差运算新的位置指令的第1位置控制系统；第1及第2马达控制装置，具有根据所述新的位置指令与所述位置信息的差对驱动马 达的指令进行运算的第2位置控制系统；及第3马达控制装置，在具有与所述第1或第2马达控制装置相同的功能的同时，输入 所述作业位置的一个轴的坐标系位置并输出至所述指令装置。
7.根据权利要求6所述的同步控制装置，其特征在于，所述指令装置中的所述第1位置控制系统具备位置控制部，对所述位置指令与所述作业位置信息的差进行比例积分控制；及位置信息运算部，输入所述作业位置的一个轴的 坐标系位置并输出所述作业位置信息。
8.根据权利要求6所述的同步控制装置，其特征在于，所述第1及第2马达控制装置中的所述第2位置控制系统具备位置控制部，对所述新 的位置指令与所述位置信息的差进行比例控制并运算速度指令；速度运算部，输入所述位 置信息来运算速度信息；及速度控制部，对所述速度指令与所述速度信息的差进行比例控 制。
9.根据权利要求6所述的同步控制装置，其特征在于，所述第1及第2马达控制装置中的所述第2位置控制系统具备位置控制部，对所述新 的位置指令与所述位置信息的差进行比例控制并运算速度指令；速度运算部，输入所述位 置信息来运算速度信息；及速度控制部，对所述速度指令与所述速度信息的差进行比例及 不完全积分控制。
10.一种同步控制装置，是具有对具备多台马达、分别检测出所述多台马达的位置信息 的多台位置检测器、使所述多台马达的可动轴彼此连结的机械结合部的控制对象进行驱动 的第1轴、对具备单台马达、检测出所述单台马达的位置信息的单台位置检测器、连结所述 单台马达的可动轴的机械连结部的其它控制对象进行驱动的第2轴、根据位置指令使所述 第1轴和所述第2轴进行XY轴坐标系的圆弧插补动作的指令装置的同步控制装置，其特征 在于，所述第1轴构成位置积分比例·速度比例控制系统，所述第2轴构成位置比例·速度 积分比例控制系统，将所述第1轴的位置比例增益设定为与所述第2轴的速度积分时间的倒数一致，同时将所述第1轴的位置积分时间设定为与所述第2轴的位置比例增益的倒数一致。
11.根据权利要求10所述的同步控制装置，其特征在于，所述第1轴构成位置比例积分 速度比例控制系统来代替位置积分比例 速度比例控 制系统，所述第2轴构成位置比例·速度比例积分控制系统来代替位置比例·速度积分比 例控制系统，在设定为使所述第1轴的位置比例增益与所述第2轴的速度积分时间的倒数的1/2及 所述第2轴的位置比例增益的1/2的和一致的同时，设定为使所述第1轴的位置积分时间与所述第2轴的位置比例增益的倒数的1/2及所 述第2轴的速度积分时间的1/2的和一致，而且，设定为使所述第2轴的速度积分时间与所述第2轴的位置比例增益的倒数一致。
12.根据权利要求10或11所述的同步控制装置，其特征在于，所述指令装置具有位置信息运算部，输入所述多台位置检测器分别检测出的检测位置信息以运算并输出 作业位置信息；位置观测器，输入所述作业位置信息和位置偏差以运算并输出新的作业位置信息；及减法器，从所述位置指令减去所述新的作业位置信息并输出所述位置偏差，根据所述位置偏差，使所述第1轴和所述第2轴进行XY轴坐标系的圆弧插补动作。
全文摘要
本发明提供一种同步控制装置，对于通过多个马达沿同一方向的坐标轴进行驱动的机械，使用通用的机电器件来抑制相互施加在各轴间的无效反作用力，同时高精度地进行针对作业位置的同步控制。具体为，具备指令装置(2)，具有生成位置指令(121)的位置指令生成部(21)和根据2台的马达的位置信息(131)、(141)运算XY轴坐标系的作业位置(122)并根据位置指令(121)与作业位置的一个轴的坐标系位置(122)的差运算新的位置指令(125)的第1位置控制系统；及2台马达控制装置(3)、(4)，分别具有根据新的位置指令(125)与位置信息(131)、(141)的差对驱动马达的指令进行运算的第2位置控制系统。
文档编号H02P5/46GK102129251SQ201110020670
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者加来靖彦, 吉浦泰史 申请人:株式会社安川电机