JP2000512478A - モータ用制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、モータに対する制御装置ないし制御方法に関する。制御区間における位相ずれ等を回避するために本発明では、モータ（２００）の運動状態を検出するためのセンサ（２５０）をモータの力伝達介在箇所（２７）に直接設けることが提案される。センサは例えば位置、速度または加速度を直接検出する。本発明は例えば、工作機械、フライスマシーンまたは実装オートメーション等で使用される高精度のリニアモータの制御に適する。

Description

【発明の詳細な説明】 モータ用制御装置および制御方法 本発明は、請求項１の上位概念に記載されたモータ用制御装置およびモータの 制御方法に関する。 モータを駆動するために制御装置は一般に公知である。この目的のために例え ばセンサを介してモータの運動状態ないし位置が検出され、制御装置に供給され る。この制御装置は、モータパラメータの目標値と実際値との差に依存してモー タを駆動する。このようにして、時間的に変化する設定値、例えば位置、速度ま たは加速度を比較的正確に維持することができる。 しかし技術開発と共に、例えば電動機、流体機関または内燃機関の正確な制御 に対する要求がますます厳しくなっている。 例えばボンディング機器、実装オートメーション、フライス機器等の現在の製 造オートメーションでは、相矛盾する要求を制御装置によって満たさなければな らない。 例えば回路基板に電子構成素子を実装するための実装オートメーションでは、 ポイント対ポイント運動を実施しなければならない。ここでは一方では構成素子 を載置するためにポイントを非常に正確に制御しなければならず、他方ではポイ ント対ポイント運動を高速 に実施しなければならない。このことは、加速と制動によるシステムの振動に結 び付き、これがまた位置決めの際の精度を損なう。このことは、比較的少数のフ ライスヘッドが種々の大きさのフライス開口およびフライス輪郭に対して使用さ れる現在のフライス機器に対しても当てはまる。ここでも高い位置精度をフライ スヘッドの高い速度ないし加速度と結び付けなければならない。 フライスマシーンまたは実装オートメーション等の従来の工作機械では、並進 駆動部としてボールキャスタスピンドル駆動部が使用される。この駆動部では電 動機がボールキャスタスピンドルを駆動し、このスピンドルが工具台または工作 台を並進する。モータ制御はモータの回転数センサ、並びに工具台の線形基準尺 を介して行われる。 しかしここでは、ボールキャスタスピンドル駆動部のすべての機械的構成要素 が制御区間に対して不利な影響を及ぼす。すなわち、スピンドルの柔軟特性、工 具または部材台の振動等による遅延時間が制御区間の位相ずれとして作用し、こ のことが発振の問題につながるからである。 ある程度までこの問題は、直接駆動部、すなわち電磁リニアモータを使用する ことにより回避される。なぜなら、例えばボールキャスタスピンドルの機械要素 は線形直接駆動部を使用する場合には省略されるから である。とりわけここでも低減された程度ではあるが、例えば部材台のすべての 機械要素、例えばフライスヘッドの懸架装置すべての機械要素が不利な影響を制 御区間に及ぼすことに注意しなければならない。さらに制御回路自体の影響も重 要になる。速度制御の際には一般的に、速度実際値信号が位置実際値信号から導 出され、速度目標値信号と比較される。時間微分により遅延がシステムに入り込 み、この遅延は位相ずれとして制御区間に不利に作用する。さらに通常は位置デ ータが離散的に記録され、このため量子化ノイズが発生し、この量子化ノイズが 時間微分の際にさらに増幅される。相応の考察が加速度制御の際にはさらに増大 された割合で当ではまる。 相応の問題がいわゆるカスケード制御でも発生する。この制御では複数の制御 器が順次直列に接続されており、例えば支承制御、速度制御および加速度制御で ある。 なるほど制御精度はいわゆる予制御（例えば速度制御器に付加的に目標値から 導出した速度予制御信号を供給する）を使用することによりさらに改善すること ができるが、上に述べた位相ずれ、位相シフトおよび遅延に関する問題は依然と して未解決のままである。 本発明の課題は、モータの運動状態を高速かつ正確に制御することのできるモ ータ用制御装置を提供することであり、さらにモータを制御するための相応する 方法を提供することである。 この課題は、請求項１の制御装置ないし請求項１１のモータ制御方法によって 解決される。従属請求項は本発明の別の改善形態である。 本発明では、モータの運動状態を検出するためのセンサがモータの力伝達箇所 に配置される。このようにしてモータの運動状態のすべての変化を直接検出し、 制御器に供給することができる。これにより直接制御が可能となり、この直接制 御では実質的に機械的影響および／または微分等の制御装置の影響がない。 有利にはセンサは、モータの力伝達箇所で力伝達媒体の状態パラメータ、例え ば流体の圧力状態、または電動機の電界強度および／または磁界強度、すなわち モータでの力伝達にも用いられる電磁界強度を直接検出する。この状態パラメー タは、モータの運動状態ないし変化に対する直接的パラメータである。この目的 のために、センサは広義の意味で、モータの力伝達媒体“に”配置される。 センサは、回転モータにおける角度位置発生器、角速度発生器、または角加速 度発生器とすることができ、またリニアモータにおける距離発生器、速度発生器 および／または加速度発生器とすることができる。 本発明の方法では、モータの運動状態が力伝達箇所で直接検出される。すなわ ち、有利には力伝達媒体を介して検出される。 ここで本発明の制御方法は、速度制御および／または加速度制御を有するカス ケード制御と組み合わせることができる。また速度予制御および／または速度予 制御を使用することもできる。 本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 図１は、リニアモータを有するＣＮＣ制御工作機械の概略図であり、 図２は、本発明の制御器の概略図であり、 図３は、リニアモータを有するＣＮＣ機械の別の概略図である。 図１には、１０によりＣＮＣ機械を制御するためのマシーンコンピュータが示 されている。マシーンコンピュータ１０はデータ担体２０とデータ交換する。デ ータ担体は例えばフライスヘッド（図示せず）を制御するための設定データを含 んでいる。インターフェース３０と４０を介して設定データは駆動コンピュータ １００に供給される。駆動コンピュータは出力段６０を介して概略的に示したリ ニアモータ２００を制御する。 リニアモータ２００は公知のように１次部材（応動部材）２１０と２次部材（ 固定部）２２０を有している。線形基準尺２３０と距離発生器２４０が概略的に 示されている。リニアモータの力伝達介在箇所、すなわち１次部材と２次部材と の間の空隙にはセンサ２５０が速度の直接検出のために設けられている。速度検 出は例えば、センサ箇所における磁界の時間経過から直接導出される。 センサ２５０と２４０は信号を駆動コンピュータ１００に送出し、駆動コンピ ュータは速度制御、位置制御ないし電流制御を行う。 図１の線形基準尺はリニアモータとは別個に図示されているが、同じように力 伝達介在箇所、すなわちモータ部材間の空隙に配置することもできる。線形基準 尺ないし距離発生器に対しても、力伝達媒体すなわち電磁界の特性を使用するこ とができる。 図２は、駆動コンピュータ１００で実行されるモータ制御の構成に対する実施 例を詳細に示したものである。 マシーンコンピュータ１０ないしデータ担体２０から設定データが線形位置補 間器１１０に出力される。このデータは減算素子１１１に供給され、減算素子の 反転入力側には位置実際データが線形基準尺２３０から高分解能位置インターフ ェース５０を介して供給される。続いて差が位置制御器１１２に供給され、その 出力データは別の減算素子１２０に供給される。速度差を形成するために、公知 技術では、位置インターフェース５０の出力信号は微分素子２５０’で微分され 、減算素子１２０に供給される。減算素子には速度偏差を検出するための回路が 接続されている。すなわち、回路２７０で目標加速度が求められ、ここから実際 加速度が減算される。この実際加速度は別の微分素子２６０’により導出される こととなる。後続の制御部分は、電流制御器１３０、出力段６０および電流ベク トル形成器１３２からなり、ここから同期リニアモータ２００に対する駆動電流 が形成される。 従って図示の制御はカスケード制御であり、ここでは付加的に速度ベクトル制 御１２２を行うことができる。この速度ベクトル制御では付加的に、速度予制御 信号が減算素子１２０に供給される。 速度実際値および加速度実際値に関する情報は微分素子２５０’および２６０ ’を介して検出されるから、制御システムの機械的影響の他に信号遅延、位相ず れ等による負の影響も生じる。 このため本発明の制御スキーマは上記の制御スキーマとは次に点で異なる。す なわち、微分素子２５０’の代わりに、付加的センサ２５０を同期リニアモータ に直接設けるのである。このセンサ５０はモータの１次部材の速度を直接検出し 、相応の信号を減算素子１２０に供給する。 加速度測定に対して別個の加速度センサ２６０が設けられ、このセンサは微分 なしで加速度信号を減算素子２７２に送出する。従って微分素子２６０’を省略 することができる。従って本発明によれば、微分素子２５０’、２６０’が、モ ータの運動状態を直接検出する相応のセンサ２５０，２６０により置換される。 本発明の原理による有利な置換が図３の概略図から明らかである。この図は実 質的に図１に相当し、種々のインターフェースが省略されている。 図３の実施例では、速度センサ２５０がコイルセンサであり、リニアモータ２ ００の空隙近傍に配置されていて、空隙の電磁界を検出する。このことはセンサ が、モータの力伝達が行われる電磁界を直接検出することが意味する。センサ２ ５０のコイルには電圧が誘導され、この電圧は磁界の時間的変化に比例し、従っ て（磁界が定常的であれば）速度に比例する。コイルセンサ２５０の（アナログ ）信号は、後で説明する変換器２５２での信号処理の後、場合により量子化され て、速度信号ｖとして駆動コンピュータ１００に供給される。コイルセンサ２５ ０の速度比例信号からさらに、すでに説明した微分素子２６０’を介して加速度 比例信号ａが導出され、同じように駆動コンピュータ１００に供給される。増幅 器ないし出力段６０を介して駆動コンピュータ１００はリニアモータ２００の２ 次部材２１０の運動を制御する。 図３の実施例は大きな利点を有する。すなわち、速度比例信号がセンサ２５０ から直接送出されることである。従って、すでに離散的な位置信号からさらなる 量子化により速度信号を導出する必要がない。 この実施例では、加速度独邸に対して微分素子２６０’が使用されるが、この 実施形態も加速度制御に関 して格段に有利である。加速度は速度信号の簡単な微分によってだけ得られ、従 来技術のように位置信号を２回、微分することはない。さらに、速度センサ２５ ０は力介在箇所に直接配置され、従って速度信号から導出された加速度信号ａは 、１次部材２１０と２次部材２２０との差加速度に直接相当する。 １次部材２２０と２次部材２１０とでの２重の加速度測定と、実際の差加速度 を検出するための後での微分形成がここでは必要ない。 有利には図３の実施例では、センサ２５０の信号を処理するためにすでに述べ た信号変換器２５２が設けられる。この変換器の機能を以下説明する。コイルセ ンサ２５０はモータ２００の力介在箇所に直接配置されている。すなわちセンサ ２５０は１次部材２１０と同じ磁気トラック上を移動する。このときセンサはそ の局所的周囲だけを検出する。すなわち、センサ２５０は非常に制限された領域 だけを見渡す。このとき構造形式（１次部材でＮ極とＳ極が交番する）と製造公 差に基づき、それ自体は速度にだけ比例するセンサ２５０の信号が検出箇所ｓに も依存するようになる。すなわちｖ＝ｆ（ｓ）が当てはまる。従って実際には、 モータを例えば一定の速度で駆動し、すなわち１次部材２１０を一定の速度で２ 次部材２２０の一方の端部から他方の端部へ運動させ、このときの速度信号ｖの 箇所ｓに依存する変動を検出する。速度信号のこの位 置依存性は信号変換器２５２３で補償される。 この目的のために有利には速度センサ２５０の信号は信号変換器２５２でまず 整流され、速度変換器に距離発生器２４０の信号が付加的に供給される。検査試 行で１次部材２１０を１回または複数回、一定の速度で２次部材２２０の全長に わたって移動し、同時にセンサ２５０の速度信号データと距離発生器２４０の位 置データを記録し相互に相関させれば、２次部材２１０が一定の速度であるとき の速度信号の位置依存性を求めることができる。速度信号の位置依存関数ｖ（ｓ ）から引き続き公知のように補正関数ｖ^*（ｓ）が求められる。この補正関数は 、速度が一定の場合にすべての箇所で一定の速度信号を検出するためには、どの 程度センサ２５０の信号を補正しなければならないかを表す。各地点に対する値 ペアｓｉ、ｖ^*ｉは信号変換器２５２の例えば検索テーブルにファイルすること ができる。このようにして後での制御の際に、各地点ｓｉについて相応する補正 値ｖ^*ｉを呼び出すことができ、速度センサ２５０の信号を図示しない評価論理 回路で相応に補正することができる。この種の評価論理回路をどのように構成す るか、信号変換器２５２の検索テーブルをメモリによりどのように実現するかと いう詳細は当業者には容易に実現可能であるから、ここでは説明しない。この場 合基本的には、補正関数ｖ^*（ｓ）を検索テーブルとしてファイルするのではな く、関数発生器を介して発生し、この関数発生器が関数ｖ^*（ｓ）を、例えば適 合三角関数等によってできるだけ正確に再現するようにすることもできる。 さらに信号変換器２５２、微分素子２６０’およびセンサ２５０を１つのユニ ットにまとめることもでき、これは図３に破線２５４により示されている。この ユニット２５４はこの場合、モータ２００の１次部材２１０に直接組み込まれる 。これによりモータ２００は位置信号ｓ、速度信号ｖおよび加速度信号ａに対す る端子だけを外側に向けて有すればよい。さらに補正関数を最初の検査試行で検 出するだけでなく、時間的間隔をおいてモータの使用に依存して検出することも できる。従って補正関数を例えば規則的間隔で、または動作開始時には常に自動 的に更新することができ、例えば摩耗による緩慢な変化を考慮することができる 。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年５月１６日（１９９８．５．１６） 【補正内容】 請求の範囲 1. モータ（２００）に対する制御装置であって、該モータ（２００）は少なく とも２つのモータ部材（２１０，２２０）を有し、当該モータ部材は力伝達介在 箇所（２７０）を介して相互に交互作用し、かつ相互に相対的に運動し、 さらにモータ部材の運動状態を検出するためのセンサ（２５０）と、モータ の運動状態をセンサの信号に依存して制御するための制御器（１００）とを有す る制御装置において、 センサはモータ（２００）の力伝達介在箇所（２７０）に配属されており、 かつモータの力伝達媒体の少なくとも１つの状態パラメータを検出する、 ことを特徴とする制御装置。 2. センサはモータの力伝達媒体に配置されている、請求項１記載の制御装置。 3. モータの力伝達媒体は流体または電磁界である、請求項１または２記載の制 御装置。 4. モータは回転モータであり、センサは角度位置発生器、角速度発生器および ／または角加速度発生器である、請求項１から３までのいずれか１項記載の制御 装置。 5. モータはリニアモータであり、センサは距離発生器、速度発生器および／ま たは加速度発生器である 、請求項１から４までのいずれか１項記載の制御装置。 6. センサは電磁界または電磁界の変化を検出し、 モータの力伝達は前記電磁界に基づくものである、請求項４または５記載の 制御装置。 7. センサ（２５０）は磁気誘導センサである、請求項６記載の制御装置。 8. センサ（２５０）は１つまたは複数のコイルを有する、請求項７記載の制御 装置。 9. 信号変換器（２５２）が設けられており、 該信号変換器は距離発生器（２４０）およびセンサ（２５０）と運動状態の 検出のために接続されており、 さらにメモリ手段および補正手段を有し、 当該手段により、センサ（２５０）信号の位置依存性が補正される、請求項 １から８までのいずれか１項記載の制御装置。 10．モータの制御方法であって、該モータは少なくとも２つのモータ部材を有し 、当該モータ部材は力伝達介在箇所を介して相互に交互作用し、かつ相互に相対 運動する形式のモータの制御方法において、 モータの運動状態をモータの力伝達介在箇所で、モータの力伝達媒体の状態 パラメータにより検出する、 ことを特徴とする方法。 11．流体の圧力または圧力変化または電磁界の強度または電磁界変化をモータの 力伝達介在箇所で検出する、請求項１０記載の方法。 12．モータ部材の角度位置、角速度および／または角加速度を力伝達介在箇所で 検出する、請求項１０または１１記載の方法。 13．直線距離、直線速度および／また直線加速度をモータの力伝達介在箇所で検 出する、請求項１０から12までのいずれか１項記載の方法。 14．位置制御と速度制御とはカスケードされている、請求項１０から１３までの いずれか１項記載の方法。 15．速度予制御を行う、請求項１４記載の方法。 16．カスケード制御を加速度制御と共に行う、請求項１４または１５記載の方法 。 17．加速度予制御を行う、請求項１６記載の方法。 18．モータの運動状態を、磁気誘導センサ、有利には１つまたは複数のコイルを 有するセンサ（２５０）により、電動機の力伝達介在箇所で速度比例信号の形態 で検出する、請求項１０から１７までのいずれか１項記載の方法。 19．速度比例信号を速度制御部に供給し、 速度比例信号を時間微分の後、加速度制御部に供給する、請求項１８記載の 方法。 20．モータの運転開始前に検査試行で、モータを１回 または複数回、一定の速度で駆動し、速度比例信号をモータの瞬時位置に依存し て記録し、 瞬時の速度比例信号（ｖ）と瞬時位置（ｓ）についての信号とから補正関数 （ｖ^*（ｓ））を求め、 センサ（２５０）の信号を補正関数を用いて、センサ（２５０）の信号がモ ータの位置（ｓ）に依存するのが補償されるように補正する、請求項１８または １９記載の方法。 21．補正関数（ｖ^*（ｓ））は検索テーブルの形態で記憶されているか、または 近似関数の形態で発生する、請求項２０記載の方法。 22．工作機械、実装オートメーション、ボンディングオートメーション等の並進 駆動部に適用する、請求項１から９までのいずれか１項記載の制御装置または請 求項１０から２１までのいずれか１項記載の制御方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ディートマー シュトイバー ドイツ連邦共和国 グリューンヴァルト ズュートリッヒェ ミュンヒナー シュト ラーセ 45

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. モータ（２００）用制御装置であって、該モータは少なくとも２つのモータ 部材（２１０，２２０）を有し、 当該モータ部材は、力伝達介在箇所（２７０）を介して相互に交互作用し、 かつ相互に相対的に運動し、 さらにモータ部材の運動状態を検出するためのセンサ（２５０）と、モータ の運動状態を前記センサの信号に依存して制御するための制御器（１００）とを 有する制御装置において、 前記センサは、モータ（２００）の力伝達介在箇所（２７０）に配属されて いる、 ことを特徴とする制御装置。 2. センサは、モータの力伝達媒体に配置されている、請求項１記載の制御装置 。 3. センサは、モータの力伝達媒体の少なくとも１つの状態パラメータを検出す る、請求項１または２記載の制御装置。 4. モータの力伝達媒体は、流体または電磁界である、請求項１から３までのい ずれか１項記載の制御装置。 5. モータは回転モータであり、センサは角度発生器、角速度発生器および／ま たは角加速度発生器であ る、請求項１から４までのいずれか１項記載の制御装置。 6. モータはリニアモータであり、センサは距離発生器、速度発生器および／ま たは加速度発生器である、請求項１から５までのいずれか１項記載の制御装置。 7. センサは電磁界または電磁界の変化を検出し、 モータの力伝達は前記電磁界に基づくものである、請求項５または６記載の 制御装置。 8. センサ（２５０）は磁気誘導センサであり、請求項７記載の制御装置。 9. センサ（２５０）は１つまたは複数のコイルを有する、請求項８記載の制御 装置。 10．信号変換器（２５２）が設けられており、 該信号変換器は距離発生器（２４０）およびセンサ（２５０）ど運動状態の 検出のために接続されており、 さらにメモリ手段および補正手段を有し、 当該手段により、センサ（２５０）信号の位置依存性が補正される、請求項 １から９までのいずれか１項記載の制御装置。 11．モータの制御方法であって、該モータは少なくとも２つのモータ部材を有し 、当該モータ部材は力伝達介在箇所を介して相互に交互作用し、かつ相互に相対 運動する形式のモータの制御方法において、 モータの運動状態をモータの力伝達介在箇所で検出する、 ことを特徴とする方法。 12．モータの力伝達媒体の状態パラメータを検出する、請求項１１記載の方法。 13．流体の圧力または圧力変化または電磁界の強度または電磁界変化をモータの 力伝達介在箇所で検出する、請求項１１または１２記載の方法。 14．モータ部材の角度位置、角速度および／または角加速度を力伝達介在箇所で 検出する、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。 15．直線距離、直線速度および／また直線加速度をモータの力伝達介在箇所で検 出する、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。 16．位置制御と速度制御とはカスケードされている、請求項１１から１５までの いずれか１項記載の方法。 17．速度予制御を行う、請求項１６記載の方法。 18．カスケード制御を加速度制御と共に行う、請求項１６または１７記載の方法 。 19．加速度予制御を行う、請求項１８記載の方法。 20．モータの運動状態を、磁気誘導センサ、有利には１つまたは複数のコイルを 有するセンサ（２５０）により、電動機の力伝達介在箇所で速度比例信号の形態 で検出する、請求項１１から１９までのいずれ か１項記載の方法。 21．速度比例信号を速度制御部に供給し、 速度比例信号を時間微分の後、加速度制御部に供給する、請求項２０記載の 方法。 22．モータの運転開始前に検査試行で、モータを１回または複数回、一定の速度 で駆動し、速度比例信号をモータの瞬時位置に依存して記録し、 瞬時の速度比例信号（ｖ）と瞬時位置（ｓ）についての信号とから補正関数 （ｖ^*（ｓ））を求め、 センサ（２５０）の信号を補正関数を用いて、センサ（２５０）の信号がモ ータの位置（ｓ）に依存するのが補償されるように補正する、請求項２０または ２１記載の方法。 23．補正関数（ｖ^*（ｓ））は検索テーブルの形態で記憶されているか、または 近似関数の形態で発生する、請求項２２記載の方法。 24．工作機械、実装オートメーション、ボンディングオートメーション等の並進 駆動部に適用する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の制御装置または 請求項１１から２３までのいずれか１項記載の制御方法。