JP2007065796A

JP2007065796A - モータ位置決め装置

Info

Publication number: JP2007065796A
Application number: JP2005248321A
Authority: JP
Inventors: Sanetsugu Okuyama; 真継奥山; Hideo Uno; 英男宇野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】位置決め制御部とモータ制御部を別筐体とするモータ位置決め装置において、位置決め制御部からモータ制御部に伝達される速度指令の電気的変動要素を排除し、かつ制御特性の自由度を確保する。
【解決手段】位置決め制御部１８は、指令パルス発生器１９からの指令パルスを偏差カウンタ２０により積算しロータリーエンコーダ２７からのパルスを減算して偏差量を得、パルス変換器２１により偏差量に応じた周波数のパルスに変換し、サーボアンプ２２にパルス周波数指令信号Ｃとして出力する。モータ制御部２２は、周波数カウンタ２３によりパルス周波数指令信号Ｃの周波数を速度指令として速度演算部２４に送り、回転制御部２５により回転されるモータ２６の回転軸に取り付けられたロータリーエンコーダ２７から出力されるパルス周波数が速度指令と等しくなるようにモータを回転させる。また、偏差カウンタ２０からの偏差量が０になると、モータが停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータを使用する機器に用いられるモータ位置決め装置に関し、特に、位置決め制御部とモータドライバ部とが分離して設けられるモータ位置決めシステムとしてのモータ位置決め装置に関する。

モータの回転速度と回転位置を制御するシステムであるモータ位置決めシステムあるいはモータ位置決め装置は、サーボモータの回転量（回転角度、回転数）に応じたパルス数のパルス列信号を出力するエンコーダ（ロータリーエンコーダ）からのパルス列信号をフィードバック信号として、モータに対して速度制御用の信号を出力してモータを駆動するものであり、従来より種々の方式のものが知られている。

ここで、ＮＣ旋盤、ＮＣフライス盤、半導体製造装置等のように、回転軸制御や対象物を設置するステージ制御等にサーボモータを使用する機器に用いられるモータ位置決め装置（モータ位置決めシステム）においては、一般的に、サーボモータを駆動するドライバ部（サーボアンプ、モータ制御部）と、ドライバ部にモータ制御用の信号を出力する位置決め制御部（位置決め指令ユニット）とを分離し、例えばそれぞれ別の筐体に収納して、これらの位置決め制御部とドライバ部との間を信号線を介して接続するように構成している。これは、モータ側での高電流パルスノイズ等が位置決め制御部に与える悪影響を極力低減するためである。

例えば図３は、従来のモータ位置決め装置（モータ位置決めシステム）の一方式の構成を示すブロック図であり、位置決め制御部１とモータ制御部いわゆるサーボアンプ５とは別筐体で構成され、位置決め制御部１からサーボアンプ５にアナログ速度指令信号Ａを送っている。

この図３において、位置決め制御部１は、モータ回転の指令パルス列信号を発生する指令パルス発生器２と、指令パルス発生器２からの指令パルス列信号が入力される偏差カウンタ３と、偏差カウンタ３からの出力をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器４とを有して構成されている。

指令パルス発生器２は、モータを所望の速度で回転させる周波数の指令パルス列信号を発生するものであり、指令パルス発生器２からのパルス総数は、目標位置までの距離に応じた数量である。

積算カウンタ３は、指令パルス発生器２からの指令パルス列信号のパルスを積算すると共に、後述するロータリーエンコーダ（ＲＥ）９からのフィードバックパルスを減算して、これらのパルスの偏差量をカウントし、カウント値（偏差量）をＤ／Ａ変換器４に出力する。Ｄ／Ａ変換器４は、そのカウント値に応じた電圧を速度指令（アナログ速度指令信号Ａ）としてサーボアンプ５の速度アンプ６に出力する。

サーボアンプ５の速度アンプ６は、位置決め制御部１からの入力電圧と、モータ８の回転軸に取り付けられたロータリーエンコーダ（ＲＥ）９から出力されるフィードバックパルス周波数を速度換算したモータの実回転速度とを比較し、比較結果を回転制御部７に出力する。回転制御部７は、速度アンプ６からの出力に応じた電流をモータ８に出力し、モータ８を回転させる。

また、ロータリーエンコーダ９から出力されるフィードバックパルスは、偏差カウンタ３にも入力され、指令パルスで積算された積算値を減算する。位置決め制御部１は、偏差カウンタ３に入力された指令パルス数とフィードバックパルス数が等しくなるまで、サーボアンプ５に対してその差に応じた速度指令を出力する。その差が等しくなると速度指令が０になり、モータ８が停止する。

モータ８の停止後は、モータ８が外力または回路のオフセット等でずれた際に、偏差カウンタ３に、そのずれ量がロータリーエンコーダ９からのフィードバックパルスにより入力され、補正するための速度指令がサーボアンプ５に出力され、ずれ量が０になるまでモータ８を逆回転させる。この仕組みによりモータ８は一定の位置を保持する。

次に、図４は、従来のモータ位置決め装置（モータ位置決めシステム）の別の方式の構成を示すブロック図であり、位置決め制御部１０とモータ制御部いわゆるサーボアンプ１２とは別筐体で構成され、位置決め制御部１０からサーボアンプ１２にパルス列指令指令信号Ｂを送っている。

この図４において、位置決め制御部１０は、指令パルス発生器１１から、モータを所望の位置まで回転させるパルス（パルス列指令信号Ｂ）を出力し、サーボアンプ１２の偏差カウンタ１３に送る。この指令パルス発生器１１からのパルス総数は、目標位置までの距離に応じた数量である。

サーボアンプ１２の偏差カウンタ１３は、入力されたパルス（パルス列指令信号Ｂ）を積算し、また、モータ１６の回転軸に取り付けられたロータリーエンコーダ（ＲＥ）１７から出力されるフィードバックパルスによりその積算値を減算し、その結果のカウント値（偏差量）を速度演算部１４に出力する。

速度演算部１４は、偏差カウンタ１３からの入力と、ロータリーエンコーダ１７から出力されるフィードバックパルス周波数を速度換算したモータの実回転速度とを比較し、結果を回転制御部１５に出力する。回転制御部１５は、その結果に応じた電流をモータ１６に出力し、モータ１６を回転させる。

また、偏差カウンタ１３では、位置決め制御部１０から出力された指令パルス数とロータリーエンコーダ１７から出力されたフィードバックパルスが等しくなるまで、速度演算部１４に対して速度指令を出力し、その差が等しくなると速度指令が０になり、モータ１６が停止する。

モータ１６の停止後は、モータ１６が外力または回路のオフセット等でずれた際に、偏差カウンタ１３に、そのずれ量がロータリーエンコーダ１７からのフィードバックパルスにより入力され、補正するための速度指令が速度演算部に出力され、ずれ量が０になるまでモータ１６を逆回転させる。この仕組みによりモータ１６は一定の位置を保持する。

従来技術として、特許文献１に、位置決めシステムとその位置決めユニット及びサーボドライバが開示されている。

特開２００４−２５８８０３号公報

ところで、上述のように、ＮＣ旋盤、ＮＣフライス盤、半導体製造装置等に用いられるモータ位置決めシステムにおいては、モータを駆動するモータ制御部はノイズの放射が大きいため、位置決め制御部とは別筐体にし、モータに近い位置に設置するのが一般的であるが、上述した図３の従来方式の場合、位置決め制御部１からサーボアンプ５へアナログ信号（アナログ速度指令信号Ａ）により速度指令を伝達するため、アナログ回路のオフセットの変動が発生し位置決め精度に悪影響を及ぼす可能性がある。また外来ノイズの影響も受け易い。

また、上述した図４の従来方式の場合には、位置決め制御部１０からサーボアンプ１２への回転指令はデシタルパルス（パルス列指令信号Ｂ）であり、上記図３の従来技術における問題は発生しないが、偏差カウンタ１３と速度演算部１４と回転制御部１５とモータ１６とロータリーエンコーダ１７で構成される位置制御ループが、サーボアンプ１２に依存して構成され、位置決め制御部１０を含んでいないため、位置ループゲイン調整やフィードフォワード制御等の制御上の特性を、位置決め制御部１０では制御できない。また現状の大多数のサーボアンプ１２の場合、位置ループに関する高度な特性調整機能を有していない。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、位置決め制御部とモータ制御部を別筐体とするモータ位置決め装置において、位置決め制御部からモータ制御部に伝達される速度指令の電気的変動要素を排除し、かつ制御特性の自由度を確保できるようなモータ位置決め装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明は、モータの回転量に応じたパルス数の信号を出力するエンコーダからのフィードバックパルスに基づいてモータ回転制御信号を出力する位置決め制御部と、上記位置決め制御部からのモータ回転制御信号に応じてモータを回転駆動するモータ制御部とを備え、上記位置決め制御部は、上記モータの回転を指令する指令パルスを発生する指令パルス発生手段と、上記指令パルス発生手段からの指令パルスと上記エンコーダからのフィードバックパルスとを比較してその差分としての偏差量を出力する偏差出力手段と、上記偏差出力手段からの偏差量に応じた周波数成分を持つパルス列信号に変換するパルス変換手段とを有して成り、上記モータ制御部は、上記パルス変換手段からのパルス列信号のパルス周波数に応じて上記モータを回転駆動することを特徴とする。

ここで、上記モータ制御部は、上記パルス変換手段からのパルス列信号のパルス周波数を検出する周波数検出手段と、上記周波数検出手段からの周波数と上記エンコーダからのフィードバックパルスの周波数とを比較して比較結果を出力する速度演算手段と、上記速度演算手段からの出力に応じて上記モータを回転駆動制御する回転制御手段とを有することが好ましい。

本発明によれば、位置決め制御部にアナログ回路を使用することなく電気的安定性の向上および略々全ての回路をデジタル化することによる高集積化が可能となり、また位置制御ループに関する高度な特性の制御を犠牲にすることもない。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態となるモータ位置決め装置（モータ位置決めシステム）の概略構成を示すブロック図である。この図１において、モータの位置決め装置は、位置決め制御部１８と、モータ制御部２２とは、分離され、例えばそれぞれ別の筐体に収納され、これらの位置決め制御部１８とモータ制御部２２との間の信号線を介して、パルス周波数指令信号Ｃを送るようにしている。

この図１において、位置決め制御部１８は、位置決め目標位置までの出力パルス数とその周波数を指令する指令パルス列信号を発生する指令パルス発生器１９と、指令パルス発生器１９からの指令パルス列信号が入力される偏差カウンタ２０と、偏差カウンタ２０からの積算値をパルス周波数に変換して出力するパルス変換器２１とを有して構成されている。偏差カウンタ２０は、指令パルス発生器１９からの指令パルス列信号のパルスを積算すると共に、ロータリーエンコーダ（ＲＥ）２７が出力するフィードバックパルスを減算して、これらのパルスの差分（偏差量）をカウントし、カウント値をパルス変換器２１に出力する。パルス変換器２１からの出力は、パルス周波数指令信号Ｃとしてモータ制御部２２に送られる。この図１の位置決め制御部１８の構成は一具体例を示すものであり、各構成部分を一体化したりまたはソフトウエアで実現してもよい。

モータ制御部２２は、位置決め制御部から出力されたパルス周波数指令信号Ｃのパルス列の周波数を抽出する周波数カウンタ２３と、指令周波数とロータリーエンコーダ２７からのフィードバックパルスの周波数を比較し速度差として回転制御部に出力する速度演算部２４と、入力された速度差からモータ２６の回転数と電流を制御する回転制御部２５とを備えて構成されている。この図１のモータ制御部２２の構成は一具体例を示すものであり、各構成部分を一体化または一部をソフトウエアで実現してもよい。

モータ２６はモータ制御部２２により回転駆動制御され、回転軸に取り付けたロータリーエンコーダ（ＲＥ）２７からの回転に応じたフィードバックパルスをモータ制御部２２および位置決め制御部１８に出力する。

以下、図１に示す本発明の実施の形態となるモータ位置決め装置（モータ位置決めシステム）の動作を説明する。

位置決め制御部１８は、指令パルス発生器１９から、モータを所望の速度で回転させる周波数のパルスを偏差カウンタ２０に出力する。そのパルス総数は目標位置までの距離に応じた数量であるが、モータを詳細に制御するため偏差カウンタ２０の偏差量に応じて随時周波数を可変させることができる。偏差カウンタ２０は入力された指令パルスを積算し、またロータリーエンコーダ２７からのフィードバックパルスを減算することにより、その差分（偏差量）を示すカウント値をパルス変換器２１に出力する。パルス変換器２１は、入力されるカウント値（偏差量）に応じた周波数のパルス列信号（パルス周波数指令信号Ｃ）を生成しモータ制御部２２に出力する。この指令パルスのパルス数はモータ２６でカウントされないため重要ではなく、周波数成分がモータ制御に使用される。

モータ制御部２２は、周波数カウンタ２３で、指令パルスの周波数を演算し速度演算部２４へ出力する。速度演算部２４では指令周波数とロータリーエンコーダ２７から出力されるフィードバックパルスの周波数を比較し、結果を回転制御部２５に出力する。回転制御部２５では、指令とフィードバックの速度差からモータ２６の回転速度と電流を決定し双方が等しくなるように回転速度とトルクを制御する。

また、ロータリーエンコーダ２７から出力されるフィードバックパルスは、位置決め制御部１８の偏差カウンタ２０にも入力され、積算されたカウント値を減算する。

位置決め制御部１８は、偏差カウンタ２０に入力された指令パルス数とフィードバックパルス数が等しくなるまでモータ制御部２２に対してその差に応じた周波数のパルスを出力する。偏差量が０になるとパルス出力が停止しモータ２６が停止する。

モータ２６の停止後は、モータが外力または回路のオフセット等でずれた際に偏差カウンタ２０にその量がフィードバックパルスにより入力され、補正するためのパルスがモータ制御部に出力され、ずれ量が０になるまでモータ２６を逆回転させる。この仕組みによりモータは一定の位置を保持する。

ここで、上述した図３、図４の構成のモータ位置決め装置における位置決め制御部からモータ制御部に送られる信号と、本発明の実施の形態（図１）のモータ位置決め装置における位置決め制御部からモータ制御部に送られる信号とを図２に示す。

すなわち、図２は、位置決め制御部からモータ制御部に送られる信号を比較して示す波形図であり、（Ａ）は上記図３のモータ位置決めシステムにおける位置決め制御部１からモータ制御部（サーボアンプ５）に送られるアナログ速度指令信号Ａを示し、（Ｂ）は上記図４のモータ位置決めシステムにおける位置決め制御部１０からモータ制御部（サーボアンプ１２）に送られるパルス列指令信号Ｂを示し、（Ｃ）は上記図１に示す本発明の実施の形態のモータ位置決め装置の位置決め制御部１８からモータ制御部２２に送られるパルス周波数指令信号Ｃを示している。これらの図２の（Ａ）〜（Ｃ）の横軸は、時間ｔを示し、縦軸は、（Ａ）が電圧ｖ、（Ｂ）、（Ｃ）が周波数ｆを示す。なお、（Ａ）及び（Ｃ）の波形は付与する制御特性の一例を示すものである。

図２の（Ａ）に示すアナログ速度指令信号Ａは、図３の偏差カウンタ３からのカウント値に応じた電圧を速度指令とするアナログ信号であり、この図２の（Ａ）の破線は、図３の指令パルス発生器２からの指令パルスの周波数を電圧で示したものである。図３のモータ位置決め装置の場合には、位置決め制御部１からサーボアンプ５へ、アナログ速度指令信号Ａにより速度指令を伝達するため、アナログ回路のオフセットの変動が発生し位置決め精度に悪影響を及ぼす可能性があり、また外来ノイズの影響も受け易い。

図２の（Ｂ）に示すパルス列指令信号Ｂは、モータを所望の位置まで回転させるパルスであり、パルス周波数がモータ回転速度に対応し、パルス総数が目標位置までの距離に応じた数量になっている。しかしながら、このパルス列指令信号Ｂは、図４の位置決め制御部１０の指令パルス発生器１１により発生されたものであり、図４の偏差カウンタ１３と速度演算部１４と回転制御部１５とモータ１６とロータリーエンコーダ１７で構成される位置制御ループから外れているため、位置決め制御部１０によっては位置ループゲイン調整やフィードフォワード制御等の制御上の特性を制御できない。

これに対して、本発明の実施の形態においては、図１の位置決め制御部１８から、図２の（Ｃ）に示すようなパルス周波数指令信号Ｃをモータ制御部２２に送っており、このパルス周波数指令信号Ｃは、図１の偏差カウンタ２０からの偏差量をパルス変換器２１でパルス周波数に変換したパルス列信号である。すなわち、パルス周波数指令信号Ｃは、指令パルス発生器１９からの指令パルスとロータリーエンコーダ２７からのフィードバックパルスとの偏差量をパルス周波数で表現したパルス列信号であり、パルス数は重要ではなく、周波数成分がモータ制御に使用されるものである。ここで、図２の（Ｃ）の破線は、指令パルス発生器１９からの指令パルスの周波数を示すものである。

従って、図１に示すような、位置決め制御部１８とモータ制御部２２を別筐体とするモータ位置決め装置においては、位置決め制御部１８からモータ制御部２２に伝達される速度指令は、パルス周波数指令信号Ｃのパルス周波数により表されているため、ノイズ等を含む電気的変動要素による影響を排除でき、かつ制御特性の自由度を確保することができる。これによって、位置決め制御部にアナログ回路を使用しないことによる電気的安定性の向上および全ての回路をデジタル化することによる高集積化が可能となるだけでなく、位置制御ループに関する高度な特性の制御を犠牲にすることもない。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の実施の形態となるモータ位置決め装置（モータ位置決めシステム）の概略構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態及び従来例における位置決め制御部からモータ制御部に送られる信号を比較して示す波形図である。従来のモータ位置決め装置（モータ位置決めシステム）の一方式の構成を示すブロック図である。従来のモータ位置決め装置（モータ位置決めシステム）の別の方式の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１０，１８位置決め制御部、２，１１，１９指令パルス発生器、３，１３，２０偏差カウンタ、５，１２サーボアンプ、７，１５，２５回転制御部、８，１６，２６モータ、９，１７，２７ロータリーエンコーダ（ＲＥ）、１４，２４速度演算部、２１パルス変換器、２２モータ制御部、２３周波数カウンタ

Claims

モータの回転量に応じたパルス数の信号を出力するエンコーダからのフィードバックパルスに基づいてモータ回転制御信号を出力する位置決め制御部と、
上記位置決め制御部からのモータ回転制御信号に応じてモータを回転駆動するモータ制御部とを備え、
上記位置決め制御部は、
上記モータの回転を指令する指令パルスを発生する指令パルス発生手段と、
上記指令パルス発生手段からの指令パルスと上記エンコーダからのフィードバックパルスとを比較してその差分としての偏差量を出力する偏差出力手段と、
上記偏差出力手段からの偏差量に応じた周波数成分を持つパルス列信号に変換するパルス変換手段とを有して成り、
上記モータ制御部は、上記パルス変換手段からのパルス列信号のパルス周波数に応じて上記モータを回転駆動する
ことを特徴とするモータ位置決め装置。
上記モータ制御部は、
上記パルス変換手段からのパルス列信号のパルス周波数を検出する周波数検出手段と、
上記周波数検出手段からの周波数と上記エンコーダからのフィードバックパルスの周波数とを比較して比較結果を出力する速度演算手段と、
上記速度演算手段からの出力に応じて上記モータを回転駆動制御する回転制御手段と
を有することを特徴とする請求項１記載のモータ位置決め装置。
上記位置決め制御部は、上記モータ制御部に対して、速度指令としての周波数のパルスを出力することを特徴とする請求項１記載のモータ位置決め装置。