JP2006320137A - モータの駆動制御装置およびこれを用いた測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズによるオフセットの影響を低減したモータの駆動制御装置およびこれを用いた測定機を提供すること。
【解決手段】動作タイミング制御手段９８は、カウンタ９６からの割り込み信号を受けて、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作をスイッチング素子９７のスイッチング動作とは異なるタイミングで実行させる。具体的には、スイッチング素子９７によるモータ９１への通電制御は、各制御処理周期の初めおよびＰＷＭ波形による制御処理周期内での通電のオン／オフの切り替え時の２回が行われるが、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作が、このスイッチング動作と重ならないように、制御処理周期の終期付近で、かつ、前述したスイッチング素子９７による２回の通電制御の間で行われる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、モータの駆動制御装置およびこれを用いた測定機に関する。

従来、駆動制御装置としては、例えば、モータの駆動制御装置などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このモータの駆動制御装置では、サーボモータの電源電圧を検出し、この電源電圧の検出値を用いて電力変換器への電圧コマンドを数値演算制御し、駆動電力の電力制御を行うという手法を用いている。

上述した駆動制御装置に対し、パルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）というものが知られている。これは、図９に示すように、モータ９１に流れる電流をアナログ信号として検出するセンサ９２と、このセンサ９２で検出されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器９３と、このアナログ／デジタル変換器９３で変換されたデジタル信号と電流指令値とを比較し、その偏差を出力する比較器９４と、この比較器９４からの偏差出力に対して補償演算を行う補償器９５と、この補償器９５からの出力がＰＷＭの幅としてプリセットされるカウンタ９６と、このカウンタ９６にプリセットされた情報に基づいてスイッチング動作を行い、モータ９１に流れる電流を制御するスイッチング素子９７とから構成されている。

このようなＰＷＭ方式では、カウンタ９６によって、制御処理周期ごとに割り込み処理が実行される。制御処理周期割り込みが実行されると、図１０に示すように、前回（ｎ−１）の周期で設定されたＰＷＭ値（ＰＷＭカウンタ値）でスタートされる（Ｓ１０）。続いて、その周期内において、実際にモータ９１に流れる電流がセンサ９２で検出されたのち、アナログ／デジタル変換器９３において、デジタル信号に変換される（Ｓ１１）。次にそのデジタル信号と電流指令値との偏差に対して補償器演算が行われたのち（Ｓ１２）、この補償器演算の結果が次の周期（ｎ＋１）におけるＰＷＭ値、つまり、新しいＰＷＭ値としてカウンタ９６にプリセットされる（Ｓ１３）。従って、カウンタ９６とＰＷＭ波形との関係は、図１１に示すようになる。

特開平１１−１２２９６３号公報

しかしながら、このＰＷＭ方式では、一般に制御処理周期とＰＷＭ周期とを１個のカウンタで同じ時間内に処理する方法が採られているため、図１２に示すように、スイッチング素子９７によるモータ９１への通電制御ｂと、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作ａとが同じタイミングで行われる。つまり、制御処理周期の先頭部分において、スイッチング素子９７がスイッチング動作をしている状態で、アナログ／デジタル変換器９３によるアナログ／デジタル変換動作が同時に行われる。
その結果、アナログ／デジタル変換器９３によって変換された値が、スイッチング素子９７の動作時のノイズの影響を受けたり、あるいは、オフセット値を持つなど、精度低下の要因の一つとなっていた。

本発明の目的は、ノイズやオフセットの影響を低減したモータの駆動制御装置およびこれを用いた測定機を提供することにある。

本発明のモータの駆動制御装置は、モータをパルス幅変調によって駆動制御するモータの駆動制御装置において、前記モータに流れる電流をアナログ信号として検出するセンサと、前記センサで検出されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器と、前記アナログ／デジタル変換器で変換されたデジタル信号と電流指令値とを比較し、その偏差を出力する比較器と、前記比較器からの出力に応じて予め設定した制御処理周期内における前記モータへの通電・遮断区間を演算し、これらの情報を次の制御処理周期の制御情報として設定する演算設定手段と、前記演算設定手段によって演算、設定された制御情報に基づいてスイッチング動作し前記モータへの通電・遮断を行うスイッチング素子とを含み、前記アナログ／デジタル変換器による変換動作を制御処理周期の終期付近に行うための、または、制御周期内において制御周期の初期からあらかじめ設定した所定時間経過後に一定間隔毎に行うための動作タイミング制御手段を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、アナログ／デジタル変換器による変換動作と、スイッチング素子のスイッチング動作とを異なるタイミングで実行させる動作タイミング制御手段を設け、アナログ／デジタル変換器による変換動作を制御処理周期の終期付近に行うように構成したので、アナログ／デジタル変換動作と、スイッチング素子のスイッチング動作とが同時に行われる可能性を低くすることができ、これによってアナログ／デジタル変換値に対するノイズの影響を低減することができ、従って、高精度な制御を実現できる。さらに、制御処理周期の終期において、もしスイッチング動作とアナログ／デジタル変換動作が重なったとしても、このときはモータに電流が多く流れている状態にあるので、必然的に信号対ノイズの比は小さく、ノイズの影響も小さくすることができる。
また、動作タイミング制御手段が、制御周期内において制御周期の初期からあらかじめ設定した所定時間経過後に一定間隔毎にアナログ／デジタル変換動作を行った場合、この複数回の処理で出力したデータを平均化することで、スイッチング動作時のノイズの混入による影響を低減することができ、高精度な制御を実現できる。さらに、前述のような複数回の処理を行うことで、アナログ／デジタル変換器の本来の分解能よりも、見かけ上大きな分解能を実現することができる。

本発明のモータの駆動制御装置では、前記動作タイミング制御手段は、前記アナログ／デジタル変換器による変換動作を複数回行う場合、前記制御処理周期の終期付近を含めて３回以上実行させる構成が好ましい。
この発明では、制御処理周期内におけるアナログ／デジタル変換動作を一定間隔毎に終期付近を含めて３回以上実行させるように構成したので、例えば、３回のうちの１回がスイッチングのタイミングと重なってしまい、ノイズの影響を受けてしまったとしても、３回の出力データを平均化することで、ノイズの混入による影響を低減することができる。

本発明の測定機は、上述の駆動制御装置を備えていることを特徴とする。
この発明によれば、上述の駆動制御装置を利用した測定機を構成できるので、それらの効果を享受することができる。
ここで測定機としては、例えば、表面粗さ測定機、輪郭測定機、真円度・円筒形状測定機、非接触三次元画像測定機などが挙げられる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１には本発明の駆動制御装置を三次元測定機Ａに適用した場合の測定システム１を示す全体の斜視図が示されている。この図において、測定システム１は、接触時にタッチ信号を発するプローブ８と被測定物２とを三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向）へ相対移動させる三次元測定機Ａと、手動操作することにより三次元測定機Ａのプローブ８を相対移動させる操作盤Ｂと、三次元測定機Ａの動作を制御するとともに三次元測定機Ａから与えられるプローブ８と被測定物２との相対移動データなどを取り込むモーションコントローラＣと、このモーションコントローラＣを介して三次元測定機Ａを動作させるとともに三次元測定機Ａからのプローブ８と被測定物２との相対移動データなどを処理して被測定物２の寸法や形状などを求めるホストシステムＤとを備えて構成されている。

三次元測定機Ａは、ベース３と、このベース３上に設置され上面に被測定物２を戴置するテーブル４と、このテーブル４に前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられた門形フレーム５と、この門形フレーム５のＸビーム５Ａに沿って左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたスライダ６と、このスライダ６に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられかつ下端にプローブ８を有するＺ軸スピンドル７とを備えて構成されている。

スライダ６、門形フレーム５およびＺ軸スピンドル７には、これらをそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向へ移動させるためのモータによる駆動装置が設けられており、この駆動装置と駆動装置を制御する制御手段とで本発明の駆動制御装置９（図２参照）が構成されている。

駆動制御装置９は、図２に示すように、前述した図９の装置と同様な構成要件を備えている。つまり、モータ９１に流れる電流をアナログ信号として検出するセンサ９２と、このセンサ９２で検出されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器９３と、このアナログ／デジタル変換器９３で変換されたデジタル信号と電流指令値（操作盤ＢやホストシステムＤから与えられる電流指令値）とを比較し、その偏差を出力する比較器９４と、この比較器９４からの偏差出力に対して補償演算を行う補償器９５と、この補償器９５からの出力がＰＷＭの幅としてプリセットされるカウンタ９６と、このカウンタ９６にプリセットされた情報に基づいてスイッチング動作を行いモータ９１に流れる電流を制御するスイッチング素子９７のほかに、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作を制御処理周期の終期付近に行うための動作タイミング制御手段９８とを備えて構成されている。

センサ９２、アナログ／デジタル変換器９３、比較器９４、補償器９５、カウンタ９６およびスイッチング素子９７については図９で説明した構成要素と同じであるため、詳細な説明は省略する。

動作タイミング制御手段９８は、カウンタ９６からの割り込み信号を受けて、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作をスイッチング素子９７のスイッチング動作とは異なるタイミングで実行させる。具体的には、従来、制御処理周期の初期に行っていたアナログ／デジタル変換器９３による変換動作を制御処理周期の終期付近で実行させ、かつ、補償器９５による制御情報の演算、設定を、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作よりも前に実行させる。

このような駆動制御装置９では、図３に示すように、カウンタ９６によって、制御処理周期ごとに割り込み処理が実行される。制御処理周期割り込みが実行されると、前回（ｎ−１）の制御処理周期で設定されたＰＷＭ値（ＰＷＭカウンタ値）でスタートされる（Ｓ１）。続いて、その制御処理周期内において、前制御処理周期のデジタル信号と電流指令値との偏差に対して補償器９５による演算が行われたのち（Ｓ２）、この補償器９５による演算結果が、次の周期（ｎ＋１）におけるＰＷＭ値、つまり、新しいＰＷＭ値としてカウンタ９６にプリセットされる（Ｓ３）。そののち、センサ９２によって検出されたアナログ信号（モータ９１に流れる電流）が、アナログ／デジタル変換器９３において、デジタル信号に変換される（Ｓ４）。つまり、図４に示すように、スイッチング素子９７によるモータ９１への通電制御ｂと、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作ａとが重ならないように、アナログ／デジタル変換動作が制御処理周期の終期付近で実行される。具体的には、スイッチング素子９７によるモータ９１への通電制御は、制御処理周期の初めのPWM波形オフからオン、および、制御処理周期内でのPWM波形オンからオフ（図１１参照）への２回のスイッチングにより行われるが、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作ａは、前述のＰＷＭ波形のオフからオン、オンからオフの切り替え時に重ならないように、制御処理周期の終期付近で実行される。

このような本実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）動作タイミング制御手段９８を設け、アナログ／デジタル変換動作を制御処理周期の終期付近に行われるように構成したので、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作ａと、スイッチング素子９７によるモータへの通電制御ｂとが重なる確立を少なくすることができ、アナログ／デジタル変換動作によって出力された信号に対するノイズの影響を低減することができる。

（２）モータ９１への通電・遮断を行う機構にスイッチング素子９７を採用したので、モータ９１への通電・遮断を簡単に行うことができ、かつスイッチング素子９７自体の構造も簡単なので故障をしにくい装置にすることができる。また、簡単な構造なので低いコストで生産することができる。

［第２実施形態］
図５は第２実施形態における駆動制御装置９を示している。なお、本発明の第2実施形態の説明にあたって、第１実施形態と重複する部分については、同一符号を付して、その説明を省略する。第２実施形態は、第１実施形態におけるカウンタ９６内に、2つのカウンタ９６ａ、９６ｂを備えている。つまり、図６に示すように、アナログ／デジタル変換周期をカウントする９６ａと、駆動制御装置９の制御処理周期をカウントするカウンタ９６ｂとを備えている。また、図６に示すように、アナログ／デジタル変換動作は、制御処理周期内において終期付近を含めて４回行われるように構成されている。

このような駆動制御装置９は、図７に示すように、カウンタ９６ａによって制御処理周期ごとにアナログ／デジタル変換周期割り込みが実行される（Ｓ２１）。アナログ／デジタル変換周期割り込みが実行されると、カウンタ９６ａに設定されたアナログ／デジタル変換周期ごとにセンサ９２によって検出されたアナログ信号（モータ９１に流れる電流）がデジタル信号に変換される（Ｓ２２）。ＡＤ（Ｃｓ（ｎ−１））値は、アナログ／デジタル変換によって出力された値である。

次に、出力された変換値は、同周期内で出力された他の変換値ＡＤ（Sｕｍ）に加算される（Ｓ２３）。これらの変換値の合計値をＡＤ（Sｕｍ）とする。この動作でアナログ／デジタル変換動作は計４回行われるが、その都度、変換値が加算される。次に、アナログ／デジタル変換動作が行われた回数の確認が行われる（Ｓ２４）。
アナログ／デジタル変換動作が４回未満であれば、Ｓ２１に戻り、アナログ／デジタル変換周期に従いアナログ／デジタル変換動作が実行される。アナログ／デジタル変換動作が４回実行されると、次にそれらの出力値の合計値であるＡＤ（Sｕｍ）が４で割り算される（Ｓ２５）。これによって４回のアナログ／デジタル変換動作による出力値の平均値であるＡＤ（ｎ）が算出される。このＡＤ（ｎ）は、比較器９４で電流指令値と比較され、その偏差が補償器９５へ出力される（Ｓ２６）。最後に合計値であるＡＤ（Sｕｍ）が０にリセットされて終了する。（Ｓ２７）

また、駆動制御装置９は、カウンタ９６ａによるアナログ／デジタル変換動作を行うと同時に、カウンタ９６ｂによる制御周期割り込みも行う。この動作は、図８に示すように、カウンタ９６ｂによって、制御処理周期ごとに割り込み処理が実行される（Ｓ３１）。制御処理周期割り込みが実行されると、前回（ｎ−１）の制御処理周期で設定されたＰＷＭ値（ＰＷＭカウンタ値）でスタートされる（Ｓ３２）。
続いて、その制御処理周期内において、前制御処理周期において行われたアナログ／デジタル変換動作によって出力されたＡＤ（ｎ）値と、電流指令値との偏差に対して補償器９５による演算が行われたのち（Ｓ３３）、この補償器９５による演算結果が、次の周期（ｎ＋１）におけるＰＷＭ値、つまり、新しいＰＷＭ値としてカウンタ９６にプリセットされる（Ｓ３４）。

つまり、図６に示すように、スイッチング素子９７によるモータ９１への通電制御は、制御処理周期の初めのPWM波形オフからオン、および、制御処理周期内でのPWM波形オンからオフへの２回のスイッチングにより行われるが、アナログ／デジタル変換器９３による変換動作は、制御処理周期内で４回実行される。この際、４回の変換動作による平均値を用いられているため、仮にそのうちの１回の変換動作が制御処理周期内のスイッチング動作と重なってしまったとしても、ノイズによる影響を低減できる。

第２実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
（３）アナログ／デジタル変換動作を制御処理周期の終期付近を含めて４回行う構成にしたので、仮にそのうちの１回がスイッチングと重なってしまったとしても、他の３回を加算した合計値から平均値を算出することで変換値に対するノイズの影響を低減することが可能となる。
（４）アナログ／デジタル変換動作を制御処理周期の終期付近を含めて４回行う構成にしたので、アナログ／デジタル変換器の本来の分解能よりも、見かけ上大きな分解能を実現することができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、比較器９４、補償器９５、カウンタ９６および動作タイミング制御手段９８は別々の機器として記載されていたが、これらをひとまとめにしてセントラル・プロセッシング・ユニット（ＣＰＵ）として搭載させてもかまわない。

また、動作タイミング制御手段９８は、電気回路による制御を用いて実装されているが、例えば、プログラムによって動作タイミングを制御する方法でもかまわない。
また、実施形態ではアナログ／デジタル変換動作の回数は４回としたが、これに限らず、例えば、５回、６回、それ以上、または３回であってもかまわない。

本発明は表面粗さ測定機、輪郭測定機、真円度・円筒形状測定機、非接触三次元画像測定機などに利用することができる。

本発明の第１実施形態に係る測定システムを示す図である。 第１実施形態の駆動制御装置を示す図である。 第１実施形態の駆動制御装置における制御処理周期割り込み動作フローを示す図である。 第１実施形態の駆動制御装置における制御処理周期の動作を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る駆動制御装置を示す図である。 第２実施形態におけるモータへの電力供給動作およびアナログ／デジタル変換動作を示す図である。 第２実施形態のアナログ／デジタル変換周期割り込み動作フローを示す図である。 第２実施形態の駆動制御装置における制御処理周期割り込み動作フローを示す図である。 従来技術の駆動制御装置を示す図である。 従来技術の駆動制御装置の動作フローを示す図である。 ＰＷＭ方式におけるモータへの電力供給動作を示す図である。 従来の駆動制御装置の動作を示す図である。

符号の説明

１…三次元測定機
９…駆動制御装置
９１…モータ
９２…センサ
９３…アナログ／デジタル変換器
９４…比較器
９５…補償器
９６…カウンタ
９７…スイッチング素子
９８…動作タイミング制御手段

Claims (3)

1. モータをパルス幅変調によって駆動制御するモータの駆動制御装置において、
   前記モータに流れる電流をアナログ信号として検出するセンサと、前記センサで検出されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器と、前記アナログ／デジタル変換器で変換されたデジタル信号と電流指令値とを比較し、その偏差を出力する比較器と、前記比較器からの出力に応じて予め設定した制御処理周期内における前記モータへの通電・遮断区間を演算し、これらの情報を次の制御処理周期の制御情報として設定する演算設定手段と、前記演算設定手段によって演算、設定された制御情報に基づいてスイッチング動作し前記モータへの通電・遮断を行うスイッチング素子とを含み、
   前記アナログ／デジタル変換器による変換動作を制御処理周期の終期付近に行うための、または、制御処理周期内において制御処理周期の初期からあらかじめ設定した所定時間経過後に一定間隔毎に行うための動作タイミング制御手段を備えたことを特徴とするモータの駆動制御装置。
2. 請求項1に記載のモータの駆動制御装置において、
   前記動作タイミング制御手段は、前記アナログ／デジタル変換器による変換動作を複数回行う場合、前記制御処理周期の終期付近を含めて３回以上実行させることを特徴とするモータの駆動制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のモータの駆動制御装置を備えたことを特徴とする測定機。

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