JP2006174558A - モータ制御装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気センサ式エンコーダの製造精度を上げることなく速度信号の精度を確保し、速度変動を抑制したモータ制御装置と制御方法を提供する。
【解決手段】 速度指令信号から速度信号を減算して制御処理をし、トルク指令を生成する速度制御手段２と、トルク指令を電流指令に変換し電流制御をしてモータを駆動するモータ駆動手段３と、モータの位置信号から速度信号を生成する速度信号生成手段５とからなるモータ制御装置において、速度信号生成手段５は、予め測定した位置信号誤差を記憶する位置信号誤差記憶手段６と、位置信号から位置信号誤差を減算し、補正位置信号を生成する第１の減算手段７と、補正位置信号から１制御周期前の補正位置信号を減算し速度信号を生成する第２の減算手段９とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位置信号に誤差を含むモータを制御するモータ制御装置とその制御方法に関する。

位置制御、速度制御には、モータに直結されたエンコーダの位置信号がフィードバック信号として不可欠である。速度制御には、速度信号が必要であり、位置信号の時間微分や時間差分が用いられる。従って、位置信号に位置誤差が含まれると位置信号の時間差分で得られる速度信号にも誤差を含むことになる。特に、光学式エンコーダや磁気センサ式エンコーダの２相の正弦波信号から、内挿して高分解能を得るような場合は、エンコーダ出力の正弦波の波形歪みから繰り返し性のある内挿誤差が生じる。図４は回転角と位置誤差の関係を示したもので横軸が回転角、縦軸が位置誤差ΔＰでパルス数である。ΔＰは１回転のパルス数をＰとすると、位置誤差εｅｒ＝２π・ΔＰ／Ｐ（ｒａｄ）になる。特に正弦波が三角波状の場合は第３高調波が重畳されており、基本波の４倍のサイクルの誤差が現れる。エンコーダの出力が１回転ｎサイクルの２相正弦波の場合は、２相波形のリサージュ波形が菱形上になり第１象限から第４象限まで真円から４回はみ出して、１回転４ｎサイクルの誤差が現れる。速度信号は位置信号の差分から得るので、同様に４ｎサイクルの誤差が生じ、速度信号として使用すると、制御ゲインにより速度信号誤差を増幅してトルク指令とするために、トルク指令に振動成分を含むことになりモータが振動するという問題がある。図５は、図６のブロック図のシミュレーションで、磁気センサ式エンコーダの極対数がｎ、位置信号に正弦波状に変化する位置誤差ε（ｒａｄ）を含む場合で、シミュレーションの条件は、制御周期Ｔｓが１００μｓｅｃ、速度制御ゲインＫｖが１Ｎｍｓ／ｒ、速度制御積分時定数Ｔｖｉが２０ｍｓ、イナーシャＪが０．００１ｋｇｍ^２、位置誤差εが０．００００５ｒａｄ、ｎ＝２５である。回転速度ωｍに比例してトルク指令Ｔｒｅｆの振動成分が大きくなることがわかる。
図２は特許文献１の磁気センサ式エンコータの構成を示したもので、１０１は回転軸、１０２は磁気ドラム、１０２ａは磁極、１０３は磁気センサ、１０３ａはセンサホルダ、１０４はＭＲ素子、１０５はフランジ、１０６は補正用マグネットである。この例では補正用マグネット１０６を設けて精度を改善するというものである。また、これ以外にも磁気ドラムの着磁方法を改善するものがあるが、いずれも製造工数が増加してコスト高になるばかりか、精度もあまり改善されない。

図３は、モータ制御装置で速度信号の誤差による問題を解決しようとしたもので、１はモータ制御装置、２は速度制御手段、３はモータ駆動手段、４は電流検出手段、５は速度信号生成手段、１３は平均化手段、１１はモータ、１２はエンコーダである。図３の速度信号生成手段５で得られた速度信号を平均化処理をして速度信号から誤差を除くものである。
特開平１０−１２２９０１号公報

磁気センサ式エンコーダは、着磁の製造精度を上げる必要があり磁気ドラムのコストアップとなっている上に精度もそれほど改善されず、モータの速度信号として使用すると変動が生じ、変動を抑制するために速度信号の平均化処理が必要であった。しかし、平均化処理をすると、速度信号に遅れが生じ応答特性が悪化する。図７は図６のブロック図の速度信号に２０回の移動平均を加えて平均化処理をしたものである。トルク指令Ｔｒｅｆの位置誤差による振動は減少するが速度にオーバシュートが発生する。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、光センサ式エンコーダや磁気センサ式エンコーダの製造精度を上げることなく速度信号の精度を確保し、速度変動を抑制したモータ制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明は、速度指令信号から速度信号を減算してトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令を電流指令に変換しモータを駆動するモータ駆動手段と、モータの位置信号から速度信号を生成する速度信号生成手段とからなるモータ制御装置において、速度信号生成手段は、予め測定した位置信号誤差を記憶する位置誤差記憶手段と、位置信号から位置信号誤差を減算し、補正位置信号を生成する第１の減算手段と、補正位置信号から１制御周期前の補正位置信号を減算し速度信号を生成する第２の減算手段とを備えるようにしたものである。
請求項２記載の本発明は、速度指令信号から速度信号を減算してトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令を電流指令に変換しモータを駆動するモータ駆動手段と、モータの位置信号から速度信号を生成する速度演算手段ともつモータ制御装置の制御方法において、位置信号の位置誤差を読み込み記憶するステップと、位置信号から位置誤差を減算し補正位置信号を生成するステップと、現在の補正位置信号から１制御周期前の補正位置信号を減算して速度信号を生成するステップとからなるようにしたものである。

本発明によると、光センサ式エンコーダや磁気センサ式エンコーダの製造精度を上げることなく、速度信号の精度を確保し、速度変動を抑制したモータ制御装置とその制御方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図１〜３に基づき説明する。

図１は、本発明のブロック図であり、１はモータ制御装置、２は速度制御手段、３はモータ駆動手段、４は電流検出手段、５は速度信号生成手段、６は位置信号誤差記憶手段、７は第１の減算器、８は１制御周期前の値を表すブロック、９は第２の減算器、１０は制御周期で除算をするブロック、１１はモータ、１２は磁気センサ式エンコーダである。
次に動作について説明する。速度制御手段２は速度指令信号から速度信号を減算して速度偏差を生成し、速度偏差に速度制御比例ゲインを乗算して第１のトルク指令を生成し、第１のトルク指令を１制御時間積分して速度制御積分時定数で割算して１制御時間前の第２のトルク指令に加えて新たな第２のトルク指令とし、第１のトルク指令から１制御時間前の第１のトルク指令を減算し、制御時間で割り算し、速度制御微分時定数を乗算して第３のトルク指令とし、第１のトルク指令と第２のトルク指令と第３のトルク指令を加算してトルク指令を生成する。モータ駆動手段３は、トルク指令から電流指令を生成し、電流指令から電流検出手段４で得られた電流信号を減算して電流偏差を生成し、電流偏差に電流制御比例ゲインを乗算して第１の電圧指令とし、第１の電圧指令を１制御時間積分して電流制御積分時定数で割り算して１制御時間前の第２の電圧指令に加算して新たな第２の電圧指令とし、第１の電圧指令と第２の電圧指令を加算して電圧指令を生成し、さらに電圧指令を電力増幅してモータ１１を駆動する。エンコーダ１２はモータ１１が駆動され回転するとパルス列の位置信号を生成する。位置信号誤差記憶手段６はあらかじめエンコーダの誤差を測定して、メモリに記憶しておき、位置信号に対応して補正すべき位置誤差を生成する。第１の減算器７は位置信号から位置信号誤差を減算して、補正位置信号を生成する。速度信号生成手段５は第２の減算器９で現在の補正位置信号から１制御周期前の補正位置信号を減算して制御周期Ｔｓで割り算し、速度信号を生成する。

図９は本発明の制御方法で、速度信号生成するフローチャートである。速度信号生成は制御周期ごとに行われる。図９において、ステップＳＴ１は、製造時に較正用エンコーダを用いて測定した位置誤差を記憶したエンコーダから、電源投入時に読み出してメモリに保存しておくステップである。ステップＳＴ２では、位置信号から位置に対応した位置誤差をメモリから読み出し、位置誤差を減算し補正位置信号を生成する。ステップＳＴ３では補正位置信号から前の制御時間の補正位置信号を減算し、制御周期の移動位置をもとめる。ステップＳＴ４では移動位置を制御周期で割り算して速度信号を生成する。

図８は、図６のブロック図の位置信号に位置信号誤差を減算して補正位置信号をフィードバックしたときの本発明のシミュレーションである。条件は図５、図７のシミュレーションと同一条件で、磁気センサ式エンコーダの極対数がｎ、位置信号に正弦波状に変化する位置誤差ε（ｒａｄ）を含む。シミュレーションの条件は、制御周期Ｔｓが１００μｓｅｃ、速度制御ゲインＫｖが１Ｎｍｓ／ｒ、速度制御積分時定数Ｔｖｉが２０ｍｓ、イナーシャＪが０．００１ｋｇｍ^２、位置誤差εが０．００００５ｒａｄ、ｎ＝２５である。回転速度ωｍが増加しても、位置誤差による振動は発生しない。

速度変動を抑制できるので、工作機械、ロボットなど高精度な機械への適用が期待できる。

本発明の実施例を示すブロック図 従来のモータの速度検出方法を示すブロック図 従来の速度検出方法を示すブロック図 位置誤差を示す図 位置誤差を含む位置信号を使用したときのシミュレーション結果 シミュレーションに用いたブロック図 速度信号を移動平均したときのシミュレーション結果 本発明のシミュレーション結果 本発明の方法を示すフローチャート

符号の説明

１ モータ制御装置
２ 速度制御手段
３ モータ駆動手段
４ 電流検出手段
５ 速度信号生成手段
６ 位置信号誤差記憶手段
７ 第１の減算器
８ １制御周期前を表すブロック
９ 第２の減算器
１０ 制御周期で除算するブロック
１１ モータ
１２ エンコーダ
１０１ 回転軸
１０２ 磁気ドラム
１０２ａ 磁極
１０３ 磁気センサ
１０３ａ センサホルダ
１０４ ＭＲ素子
１０５ フランジ
１０６ 補正用マグネット

Claims (2)

1. 速度指令信号から速度信号を減算してトルク指令を生成する速度制御手段と、前記トルク指令を電流指令に変換し電流制御をしてモータを駆動するモータ駆動手段と、前記モータの位置信号から速度信号を生成する速度信号生成手段とからなるモータ制御装置において、
   前記速度信号生成手段は、予め測定した位置信号誤差を記憶する位置信号誤差記憶手段と、
   前記位置信号から前記位置信号誤差を減算し、補正位置信号を生成する第１の減算手段と、
   前記補正位置信号から１制御周期前の補正位置信号を減算し速度信号を生成する第２の減算手段と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 速度指令信号から速度信号を減算してトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令を電流指令に変換しモータを駆動するモータ駆動手段と、モータの位置信号から速度信号を生成する速度演算手段ともつモータ制御装置の制御方法において、
   モータの位置信号の位置誤差を読込み記憶するステップと、
   前記位置信号から前記位置誤差を減算し補正位置信号を生成するステップと、
   現在の補正位置信号から１制御周期前の補正位置信号を減算して速度信号を生成するステップと、
   からなることを特徴とするモータ制御装置の制御方法。

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