JP2006313469A - サーボドライブシステム - Google Patents

Abstract

【課題】位置指令データと位置信号に基づいて駆動指令を出力するサーボ制御装置１と駆動指令に応じた駆動をするモータ２とモータ２の位置に応じた２相アナログ信号である位置信号を発生するエンコーダ３とを備えるサーボドライブシステムにおいて、低イナーシャモータ、例えばガルバノモータ等のモータ２を制御する場合、高精度、高応答、高安定性を容易に実現することができるサーボドライブシステムを提供する。
【解決手段】乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ａ，１３ｂの基準電源にエンコーダ３の２相アナログ信号を入力し、また、乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ａ，１３ｂのディジタル入力に位置指令データを入力し、正弦の加法定理に相当するアナログのサーボ制御ループを構成したサーボ制御装置１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、低イナーシャモータ、例えばガルバノモータを制御するサーボドライブシステムに関する。

一般的にサーボドライブシステムは、モータと位置検出器であるエンコーダとサーボ制御装置とコントローラ等の上位制御装置で構成される。システムによっては、速度検出器であるタコジェネレータを備える場合もある。
図２は、従来の第１のサーボドライブシステムを示す概略構成図である。図において、５０はサーボ制御装置、５１はモータ、５２はタコジェネレータ、５３はポテンショメータ、５４，５５は帰還増幅器、５６はサーボ増幅器、６０は位置指令信号Ｐ＊、６１は位置信号Ｐcur、６２はモータ回転速度信号Ｎm、６３はモータ電流信号ｉm、Ｇはゲイン指令信号を示す。従来の第１のサーボ制御装置を用いたサーボドライブシステムは、速度検出器としてタコジェネレータと、位置検出器としてポテンショメータと、モータと、位置・速度・電流制御ループをアナログで構成するサーボ制御装置とで構成される。

従来の第１のサーボドライブシステムは、モータ５１駆動における個別の動作は当業者において公知であるため、その動作の詳細説明は省略するが、特徴としては位置指令信号としてアナログ信号を使用し、広い調整範囲に亘って高い応答性で調整し得るようにした汎用性の高いサーボ制御装置を提供している。（例えば、特許文献１参照）。高い応答性を要求される用途に使用する場合、位置指令信号Ｐ＊、位置信号Ｐcur 、ゲイン指令信号Ｇ、モータ回転速度信号Ｎm およびモータ電流信号ｉm としてアナログ信号を用いるため、瞬時に仮想バネの中立点位置およびサーボ増幅器８のゲインを変化させて、高い応答性でサーボ増幅器８のゲインを調整することができるのである。

また、従来の第２のサーボドライブシステムとして、位置検出器にアナログ信号出力のエンコーダを使用して、サーボ制御ループをディジタル処理し、位置指令データによりモータを駆動しているものがある。（例えば、特許文献２参照）
図３は、従来の第２のサーボドライブシステムを示す概略構成図である。図において、７０はサーボ制御装置、７１はモータ、７２はエンコーダ、７３はエンコーダ処理部、７４は位置制御部、７５は速度制御部、７６はＰＷＭ出力部、８０は位置指令データ、８１は余弦波アナログ信号、８２は正弦波アナログ信号を示す。従来の第２のサーボ制御装置を用いたサーボドライブシステムは、位置検出器としてアナログ信号出力のエンコーダと、モータと、位置・速度・電流制御ループとエンコーダ信号処理部をディジタルで構成するサーボ制御装置とで構成される。

従来の第２のサーボドライブシステムは、モータ７１駆動における個別の動作は当業者において公知であるため、その動作の詳細説明は省略する。特徴としては、エンコーダ信号処理部７３において、エンコーダ出力補正手段を備えたことにより、今回サンプリングして得られた位置データと前回以前にサンプリングされた位置データとを用い、アナログ信号をサンプリングして位置データを出力するのに要する遅れ時間における前記検出対象の位置の移動量を予測し、今回サンプリングされた位置データに予測された移動量分の補正値を加えた正確な位置データ、予測されたサンプリング周期内の移動量及び今回サンプリングされた位置データを出力先の必要に応じて出力する効果がある。

また、Ａ／Ｄ変換、演算処理、通信等に要する遅れ時間が大きくなっても良いため、Ａ／Ｄ変換手段、演算手段を低コストに構成する事ができる。また、演算手段と、出力補正手段を同一のＣＰＵやＭＰＵで実現できるため、出力補正手段のコストアップはなくす事ができる。また、エンコーダ信号処理部７３において補正された位置データと補正された位置データからの磁極位置推定値を用いて、位置指令データによるディジタル処理のサーボ制御ループでモータ７1を駆動するので、モータ７１の振動の増加、速度ムラの増加が生じることなく、精度良く制御することができるのである。

また、従来の第２のサーボドライブシステムと同様に、位置検出器にアナログ信号出力のエンコーダを使用する場合、ＰＬＬを利用した追従制御の代わりにディジタル処理により高速トラッキングし、位置検出位相差を低減することができる位置検出方法がある。（例えば、特許文献３参照）これを第３の従来例とする。（図示しない）

正弦波状に変化する２相の位置信号をＡ／Ｄ変換し、これらの２相信号に装置回路内のメモリから読み出した余弦、正弦の各信号を乗じてこれらの積の差を求めることにより、位置信号と読み出した信号との位相差を求め、この位相差を今回発生した信号をアクセスした位相に加算して次回のアクセス用の位相とすることにより、高速トラッキングが可能で、高分解能、高精度位置検出方法が実現できるものである。
特開平１１−２９６２３０号公報（第４−６頁、図１） 特開平 ８−２６１７９４号公報（第７，８頁、図１） 特開平 ４−３２８４１０号公報（第２，３頁、図１）

従来の第１のサーボドライブシステムは、位置指令信号としてアナログ信号を使用しているので、多種の指令範囲やより微細な位置指令を必要とする用途の場合、対応することができないという問題があった。また、位置制御や速度制御の全てのサーボ制御ループをアナログで構成しているため、用途が異なった場合の制御ゲインの変更や制御則の追加は困難であり、ある程度の制御ゲイン変更や固定の制御則でモータ制御しなければならなく、高精度、高応答を図るには限界があるという問題点もある。このような観点から従来のアナログサーボからディジタルサーボへ形態が移り変わってきている。

従来の第２のサーボドライブシステムは、制御性能悪化の防止とコストダウンのためにアナログ信号出力のエンコーダを使用して、検出位置の補正やサーボ制御ループをディジタルで構成している。このようなサーボドライブシステムは、元々ある程度モータイナーシャが存在することを前提としたサンプリング制御である。すなわち、ある程度モータイナーシャが存在しているので、指令に対する遅れが発生し、その遅れを一定周期のサンプリングで検出でき、指令と遅れの差分である偏差に基づいてフィードバック制御が機能し、指令に対するモータ制御を行うことができるのである。

しかしながら、低イナーシャモータ、例えばガルバノモータ等のモータを制御する場合、指令に対する遅れが僅かであり、その遅れを一定周期のサンプリングで検出できなく、フィードバック制御が機能しないため、従来のディジタル制御をそのまま使用するということはできないという問題がある。また、サンプリング周期を短くするにしても、ハードウェアあるいはソフトウェアの処理時間等から限界がある。また、当然ではあるがサンプリング制御を行うので、量子化誤差が発生し、高精度な位置決め制御ができないという問題点もある。

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、乗算型Ｄ／Ａ変換器を２個用い、この基準電源にエンコーダの２相のアナログ信号（位相差が９０度の正弦波と余弦波の信号）を入力し、また、乗算型Ｄ／Ａ変換器のディジタル入力に位置指令データを入力し、正弦の加法定理を用いたアナログのサーボ制御ループを構成し、低イナーシャモータ、例えばガルバノモータ等のモータを制御する場合、高精度、高応答、高安定性を容易に実現することができるサーボドライブシステムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、位置指令データと位置信号に基づいて駆動指令を出力するサーボ制御装置と前記駆動指令に応じた駆動をするモータと前記モータの位置に応じた２相のアナログ信号である前記位置信号を発生するエンコーダとを備えるサーボドライブシステムにおいて、乗算型Ｄ／Ａ変換器を備えた前記サーボ制御装置が、正弦の加法定理に相当するアナログのサーボ制御ループを構成し、前記サーボ制御ループの出力である指令電圧に基づいて前記モータを駆動するものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明における前記サーボ制御装置が、前記エンコーダの正弦と余弦のアナログ信号を内挿演算し位置データを作成する位置検出部と、前記指令電圧を保持するサンプルホールド回路と、前記位置指令データを出力し前記位置指令データと前記位置データの差である位置偏差を演算する制御部を備え、前記制御部からの制御信号に基づいて前記指令電圧を保持するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明における前記サーボ制御ループは、前記エンコーダの正弦と余弦のアナログ信号を前記乗算型Ｄ／Ａ変換器の基準電源に入力し、前記位置指令データの正弦と余弦のデータを前記乗算型Ｄ／Ａ変換器のディジタル入力に入力し、前記エンコーダの正弦信号と前記位置指令の余弦データを乗じ、前記エンコーダの余弦信号と前記位置指令の正弦データを乗じ、前者から後者を減じて得た信号を前記指令電圧とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明における前記制御部は、前記位置偏差が予め決められた閾値以上の場合、前記指令電圧を保持するとする制御信号を出力し、一方、予め決められた閾値以下の場合、前記指令電圧を保持しないとする制御信号を出力するものである。

請求項１に記載の発明によると、ディジタル位置指令でありながらアナログのサーボ制御ループを構成しているので、ハンチングが無い応答性と安定性の良いサーボを構成することができる。また、ディジタル位置指令であるので、多種の指令範囲やより微細な位置指令を必要とする用途の場合対応がすることができ、汎用性を高めることができる。また、僅かな電子部品でサーボ制御ループを構成することができるので、サーボ制御装置の小形化を図ることができる。
また、請求項２に記載の発明によると、位置偏差が大きいにもかかわらず、応答性が低下することを防ぐことができる。
また、請求項３に記載の発明によると、容易にアナログのサーボ制御ループを構成することができ、アナログ出力エンコーダと併用することで高精度の位置決めを実現することができる。また、正弦の加法定理に相当するアナログのサーボ制御ループ構成であるので、一般的なサーボゲイン調整を必要とせず、調整の煩わしさを省略できる。
また、請求項４に記載の発明によると、制御とは別に位置データを管理しているので指令電圧のリミットが確実に実施でき、信頼性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示すサーボドライブシステムを示す概略構成図である。図において、１はサーボ制御装置、２はモータ、３はエンコーダ、１１はフリップフロップ回路、１２はＲＯＭ、１３ａ，１３ｂは乗算型Ｄ／Ａ変換器、１４は減算器、１５はサンプルホールド回路、１６はパワーアンプ、１７は位置検出部である。本発明のサーボドライブシステムは、位置検出器としてアナログ信号出力のエンコーダ３と、モータ２と、サーボ制御装置１とで構成される。また、サーボ制御装置１内には、位置指令データを出力し、位置指令データと位置データの差である位置偏差を演算し、制御とは別に位置データや位置偏差を監視するＣＰＵ等で構成される制御部（図示しない）を備えている。

本発明が特許文献１と異なる部分は、位置検出器として２相のアナログ信号出力のエンコーダ３を備え、正弦の加法定理を用いたアナログのサーボ制御ループを構成し、ディジタル指令である位置指令でモータ制御する点である。
また、本発明が特許文献２と異なる部分は、正弦の加法定理を用いたアナログのサーボ制御ループを構成してモータ制御する点である。

次に、本発明のサーボドライブシステムの動作について説明する。
乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ａ，１３ｂは、入力ディジタル値とリファレンス値（以下、基準電源とする）を乗算したアナログ値が出力として得られるＤ／Ａ変換器である。モータ２に取付けられたエンコーダ３からは、例えば一周期４０９６相当の正弦波（Ｓｉｎθ）と余弦波（Ｃｏｓθ）のアナログ電圧が出力される。このＳｉｎθを乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ａの基準電源に、Ｃｏｓθを乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ｂの基準電源に入力し、乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ａのディジタル入力には、ＲＯＭ１２から読み出されたＳｉｎφを、乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ｂのディジタル入力には、ＲＯＭ１２から読み出されたＣｏｓφを入力する。

乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ａ，１３ｂの各乗算結果であるアナログ信号は、減算器１４を介し後述するサンプルホールド回路処理を経て、位置偏差Ｓｉｎ（θ−φ）としてパワーアンプ１６への駆動指令となる。
駆動指令生成までの一連の流れは、正弦の加法定理である（１）式で表され、これは第３の従来例で記載している演算式である。
Ｓｉｎ（θ−φ）＝ＳｉｎθＣｏｓφ−ＣｏｓθＳｉｎφ （１）
ここで、（θ−φ）＝Δθとすると、位置偏差ＳｉｎΔθがパワーアンプ１６への駆動指令となる。また、（１）式からも分かるように、一般的なサーボゲイン調整を必要とせずに、モータ２の位置決め制御が可能となる。

位置検出部１７は、エンコーダアナログ処理回路であり、エンコーダ３からの乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ａ，１３ｂへの入力信号と同様の２相アナログ信号ＳｉｎθとＣｏｓθをサンプリングし、互いに９０度位相のずれたパルスを発生し、このパルス数をカウントすると共に、公知の加法定理を用いた内挿演算により位置データθの値を求める。すなわち、一周期以上は、位置検出部１７の位置データθを制御部内のＣＰＵ（図示しない）が読み込むことで処理出来る。

また、制御部内のＣＰＵ（図示しない）は、Δθが４５度から９０度の任意の値でサンプルホールド回路１５を動作させ位置偏差ＳｉｎΔθデータをホールドする。例えばこの任意の値は、予め閾値として決定されているものである。すなわち、位置偏差Δθが９０度を超えると位置偏差ＳｉｎΔθデータが大きいにもかかわらず、値が減少し応答が遅くなるため、位置偏差ＳｉｎΔθデータをクランプする必要がある。

位置指令データφは、制御部内のＣＰＵ（図示しない）がフリップフロップ回路１１に連続的に短時間間隔で書き込む、あるいは、カウンタを備えパルス列を入力することで位置指令データφの逐次変化を可能とすることができる。例えば、ＲＯＭのアドレス入力にカウンタを接続し、このカウンタにパルス列を入力することで実現できる。位置指令データφは、ＲＯＭ１２内に記憶されているテーブルと参照され、Ｓｉｎφ、Ｃｏｓφとして乗算型Ｄ／Ａ変換器１３ａ，１３ｂに出力される。すなわち、位置指令データφに基づいて、モータ２をＳｉｎΔθ＝０となるように位置決め制御することができる。

なお、サーボ制御動作を開始させるサーボオン信号の投入前に、制御部内のＣＰＵ（図示しない）は位置検出部１７から位置データθを読み込み、Δθ＝０とするφ＝θの位置指令データφを出力し、位置偏差ＳｉｎΔθ＝０とする初期化処理をする。
また、本発明のサーボドライブシステムは、サーボ制御ループを非常に簡素化したものであり、低イナーシャモータに限らず、一般的なイナーシャを持つモータに対しても有効である。

本発明の第１実施例を示すサーボドライブシステムを示す概略構成図である。 従来の第２のサーボドライブシステムを示す概略構成図である。 従来の第３のサーボドライブシステムを示す概略構成図である。

符号の説明

１ サーボ制御装置
２ モータ
３ エンコーダ
１１ フリップフロップ回路
１２ ＲＯＭ
１３ａ，１３ｂ 乗算型Ｄ／Ａ変換器
１４ 減算器
１５ サンプルホールド回路
１６ パワーアンプ
１７ 位置検出部

Claims (4)

1. 位置指令データと位置信号に基づいて駆動指令を出力するサーボ制御装置と前記駆動指令に応じた駆動をするモータと前記モータの位置に応じた２相のアナログ信号である前記位置信号を発生するエンコーダとを備えるサーボドライブシステムにおいて、
   乗算型Ｄ／Ａ変換器を備えた前記サーボ制御装置が、正弦の加法定理に相当するアナログのサーボ制御ループを構成し、
   前記サーボ制御ループの出力である指令電圧に基づいて前記モータを駆動することを特徴とするサーボドライブシステム。
2. 前記サーボ制御装置が、前記エンコーダの正弦と余弦のアナログ信号を内挿演算し位置データを作成する位置検出部と、
   前記指令電圧を保持するサンプルホールド回路と、
   前記位置指令データを出力し前記位置指令データと前記位置データの差である位置偏差を演算する制御部を備え、
   前記制御部からの制御信号に基づいて前記指令電圧を保持することを特徴とする請求項１に記載のサーボドライブシステム。
3. 前記サーボ制御ループは、前記エンコーダの正弦と余弦のアナログ信号を前記乗算型Ｄ／Ａ変換器の基準電源に入力し、
   前記位置指令データの正弦と余弦のデータを前記乗算型Ｄ／Ａ変換器のディジタル入力に入力し、
   前記エンコーダの正弦信号と前記位置指令の余弦データを乗じ、前記エンコーダの余弦信号と前記位置指令の正弦データを乗じ、前者から後者を減じて得た信号を前記指令電圧とするものである請求項１に記載のサーボドライブシステム。
4. 前記制御部は、前記位置偏差が予め決められた閾値以上の場合、前記指令電圧を保持するとする制御信号を出力し、
   一方、予め決められた閾値以下の場合、前記指令電圧を保持しないとする制御信号を出力するものである請求項２に記載のサーボドライブシステム。

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