JP2010148248A - 位置決め制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータに連結されたロータリーエンコーダ等の角度検出器の回転軸と中心軸との間に軸ずれがある場合でも、多くのメモリ容量を要することなく、簡単な演算により補正量を演算して回転角度を正確に検出し、高精度な位置決め制御を可能にする。
【解決手段】モータ回転軸等の回転体の回転角度を検出するロータリーエンコーダ６と、エンコーダ６による角度検出値を、その軸ずれによる検出誤差に相当する補正量を用いて補正する位置補正器７と、位置補正器７から出力される補正後の角度検出値と位置指令とを比較して位置偏差を求める位置比較器１と、前記位置偏差をゼロとするように前記回転体の駆動源としてのモータ４を制御するフィードバック制御器２，モータ駆動装置３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの回転軸やモータによって駆動される負荷の回転軸に取付けられた角度検出器による角度検出値（位置検出値）を用いて位置制御を行う位置決め制御装置に関し、特に、モータの回転軸（すなわち角度検出器の回転軸）と角度検出器の中心軸との間の軸ずれに起因した角度検出誤差を補正するための技術に関するものである。

高精度な位置決め性能が要求される半導体製造装置などでは、モータの回転軸、またはモータによって駆動される負荷の回転軸に高分解能のロータリーエンコーダを取り付けて位置制御を行うのが一般的である。このようなロータリーエンコーダを用いる位置決め制御装置において、モータ等の回転軸とロータリーエンコーダの中心軸との間に位置ずれ（軸ずれ）が生じた場合、ロータリーエンコーダの出力信号に基づく位置検出値には誤差が含まれることになる。上述した軸ずれの影響を、図３を用いて以下に説明する。

図３において、モータの回転軸（ここでは、負荷の回転軸も同義であるものとする）Ｏから誤差距離ｒだけずれた位置にロータリーエンコーダの中心軸Ａがあるものとする。これらの回転軸Ｏと中心軸Ａとは本来一致するべきであるが、何らかの原因によって誤差距離ｒだけずれている場合を想定する。
モータの回転軸Ｏから距離Ｒだけ離れた観測点Ｂで回転角度を検出すると、モータの回転軸が線分ＯＢを基準（線分ＯＢの延長軸を基準軸５０とする）として角度θだけ回転した場合、エンコーダにより検出される角度は、線分ＡＢが基準となるため角度θ’となる。この検出された角度θ’には誤差Δθ（＝∠ＯＢＡ）が含まれることとなり、このような角度検出値を用いてモータを制御すると、モータの回転に同期したトルクリプルや速度リプルを生じ、高性能な位置制御の妨げとなる。
なお、図３に示された他の参照符号については、後述する本発明の実施形態において説明する。

上述した軸ずれによる検出誤差の対策としては、位置決め制御装置の制御ゲインを下げて安定な制御が可能な領域で使用するか、または、特許文献１，２等に開示された技術を用いることが考えられる。
例えば、図４は、特許文献１に記載された速度制御装置（位置制御装置）に相当するブロック図を示している。この速度制御装置は、モータ駆動装置１０３によりモータ１０４を駆動してスピンドル等の負荷１０５の回転速度を制御するものであり、ロータリーエンコーダ等の位置検出器１０６と、位置比較器１０１と、メモリ１０７と、読み出し回路１０８と、減算器１０９と、フィードバック制御器１０２と、を備えている。

位置検出器１０６から出力された位置検出値は位置比較器１０１に入力され、位置指令と位置検出値との偏差が演算される。一方、メモリ１０７には回転同期成分を補正するテーブルが予め記憶されており、読み出し回路１０８は、位置検出器１０６から出力される位置検出値に応じた補正量をメモリ１０７から読み出すように構成されている。
減算器１０９は、位置比較器１０１から出力された偏差から前記補正量を減算し、その出力をフィードバック制御器１０２に与える。フィードバック制御器１０２は、減算器１０９の出力をゼロとするような電流指令値を生成してモータ駆動装置１０３に与え、モータ駆動装置１０３はこの電流指令値に基づいてモータ１０４を駆動する。
このように構成することで、モータ１０４の一回転における位置偏差の変動が小さくなり、高精度な位置制御が実現可能となる。

次に、図５は特許文献２に記載された速度制御装置（位置制御装置）に相当するブロック図である。なお、機能上、図４における構成要素と同一の構成要素には同一の番号を付し、説明を省略する。
図５において、１１０は速度補正器であり、ロータリーエンコーダ等の位置検出器１０６から出力される位置検出値に基づいて速度検出値を補正し、この補正後の速度検出値Ｎ_ｄｅｔを出力する。そして、補正後の速度検出値Ｎ_ｄｅｔを積分器１１１により位置補正値に変換し、位置比較器１０１により位置指令と位置補正値との偏差を算出する。

速度補正器１１０は、下記の数式１により求めた暫定的な速度検出値（軸ずれによる誤差を含む速度検出値）Ｎ_ｄ（θ）を補正する機能を備えており、図６のように構成されている。なお、数式１において、Ｎ_０はモータ１０４の実際の回転速度、δは位置検出器１０６の原点軸（位置検出器１０６の回転の原点として、一回転に１パルス出力されるＺ相信号を用いる場合に、このＺ相信号が存在する軸）と軸ずれ方向（ずれ軸）との間の角度であり、例えば前述した図３における原点軸５１とずれ軸５２との間の角度δ’に相当する。

図６において、まず、図５の位置検出器１０６による位置検出値（角度検出値）すなわち現在位置θを、微分器１１２により速度検出値Ｎ_ｄ（θ）に変換する。次に、減算器１１３により、予め設定してある軸ずれ方向の角度δを位置検出値θから減算し、ｃｏｓ関数演算器１１４によりｃｏｓ（θ−δ）を演算する。この結果を乗算器１１５に入力し、予め設定された軸ずれ率（ｒ／Ｒ）及び速度検出値Ｎ_ｄ（θ）と乗算する。ここで、軸ずれ率を構成するｒ，Ｒは図３における距離ｒ，Ｒにそれぞれ相当する。
次に、乗算器１１５による乗算結果を補正量として加算器１１６に入力し、速度検出値Ｎ_ｄ（θ）と加算することにより補正後の速度検出値Ｎ_ｄｅｔを得る。
これにより、軸ずれの影響を除去してモータ１０４の速度を正確に検出することができ、より高精度な位置制御が可能になる。

特開平１０−３３７０７１号公報（段落［００１９］〜［００２３］，図１等） 特開平１１−２５２９６６号公報（段落［００１２］〜［００１７］，図１，図３等）

特許文献１に記載された従来技術（図４）は、軸ずれ成分に対する補正量を回転位置に対応したメモリ番地に予め保存しておき、位置検出値に対応したメモリ番地から補正量を読み出して位置偏差を補正するものである。しかし、位置検出器１０６の分解能が向上していることなどから、メモリ１０７に保存するべき補正量も増加し、膨大なメモリ領域を占有してしまう問題がある。
特許文献２に記載された従来技術（図５，図６）は、位置検出値に基づいて軸ずれの影響を考慮した補正量を演算し、この補正量を用いて速度検出値を補正するものである。しかしながら、位置検出値を微分して速度に換算する必要があり、位置制御を考えた場合には演算が複雑になるという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、ロータリーエンコーダ等の位置検出器の回転軸（駆動源であるモータの回転軸）と位置検出器の中心軸との間に軸ずれがある場合でも、使用メモリ領域を最小限に抑え、しかも簡単な演算により回転角度を検出して正確な位置決め制御を可能にした位置決め制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る位置決め制御装置は、モータ回転軸等の回転体の回転角度を検出する角度検出器と、この角度検出器から出力される角度検出値を、前記角度検出器による検出誤差に相当する補正量を用いて補正する位置補正器と、この位置補正器から出力される補正後の角度検出値と位置指令とを比較して位置偏差を求める位置比較器と、前記位置偏差をゼロとするように前記回転体の駆動源としてのモータを制御する制御手段と、を備えたものである。

請求項２に係る位置決め制御装置は、請求項１に記載した位置決め制御装置において、
前記角度検出器は前記回転体に連結されたロータリーエンコーダであり、前記位置補正器は、前記ロータリーエンコーダの回転軸と中心軸との間の軸ずれによる検出誤差を推定する検出誤差推定手段と、この検出誤差推定手段により推定した検出誤差を前記補正量として前記角度検出値から減算する減算手段と、を備え、前記検出誤差推定手段は、前記ロータリーエンコーダの回転軸と中心軸との間の誤差距離と、前記ロータリーエンコーダの原点軸に対する前記軸ずれ方向の角度と、を用いて前記検出誤差を推定するものである。

請求項３に係る位置決め制御装置は、請求項２に記載した位置決め制御装置において、前記検出誤差推定手段により推定される検出誤差は、前記ロータリーエンコーダの一回転につき一周期の正弦波状に分布する周期関数であり、この周期関数の位相、振幅及びオフセット量を前記誤差距離と前記軸ずれ方向の角度とにより決定するものである。

本発明によれば、位置検出器の回転軸と中心軸との間に軸ずれが存在する場合でも、軸ずれの誤差距離及び角度から比較的簡単な演算によって補正量を計算し、位置検出値を常時補正して正確な回転角度を求めることができるため、より高精度な位置決め制御を実現することができる。
また、本発明は、従来技術のようにメモリに記憶された補正量を用いて補正する方法ではないため、メモリ容量の削減も可能である。

以下、本発明に係る位置決め制御装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の構成を示すブロック図であり、位置比較器１、フィードバック制御器２、モータ駆動装置３及び位置補正器７を備えている。ここで、フィードバック制御器２及びモータ駆動装置３は、請求項における制御手段を構成している。

制御対象であるモータ４の回転軸（負荷５の回転軸も同義であるものとする）には、角度検出器（位置検出器）としてのロータリーエンコーダ６が直接取り付けられている。ロータリーエンコーダ６から出力される角度検出値θ_ｄは位置補正器７により補正され、補正後の角度検出値θ_ｄｅｔが位置比較器１に入力されている。
位置比較器１では、位置指令（角度指令）と補正後の角度検出値との偏差が演算され、その偏差がフィードバック制御器２に入力される。フィードバック制御器２は、前記偏差をゼロとするような電流指令をモータ駆動装置３に与え、モータ駆動装置３はこの電流指令に従ってモータ４を駆動する。

次に、図１における位置補正器７の作用を説明する。位置補正器７は、モータ４の回転軸（すなわちロータリーエンコーダ６の回転軸）とロータリーエンコーダ６の中心軸との軸ずれに相当する誤差距離ｒと、ロータリーエンコーダ６の原点軸に対する軸ずれ方向の角度δとから補正量を算出し、この補正量を用いて前記角度検出値θ_ｄを補正するものである。
ここで、誤差距離ｒ及び軸ずれ方向の角度δは、予め設定されているものとする。

位置補正器７における補正量の算出について、図３を用いて具体的に説明する。
図３において、モータ４の回転軸をＯとし、この回転軸Ｏから誤差距離ｒだけ離れた位置にロータリーエンコーダ６の中心軸Ａ_０またはＡがあるものとする。また、モータ４の回転軸Ｏから距離Ｒだけ離れた観測点Ｂで位置を検出するものとし、線分ＯＢの延長軸を回転角度の基準軸５０とする。
エンコーダ６の回転の原点としては、通常、一回転に１パルス出力されるＺ相信号を用いるため、このＺ相信号が存在する軸であってエンコーダ６の基準中心軸Ａ_０（モータ回転軸の初期角度がδである中心軸）と観測点Ｂとを結ぶ線分の延長軸をエンコーダ６の原点軸５１とする。なお、前記初期角度δは、モータ４の回転軸Ｏとエンコーダ６の基準中心軸Ａ_０とを通るずれ軸５２と、基準軸５０との間の角度である。

エンコーダ６の中心軸が基準中心軸Ａ_０にある状態（モータ回転軸の初期角度δの状態）から、エンコーダ６の回転に伴ってずれ軸５２が左回りに回転し、ずれ軸５２’の位置になったときの角度検出値について説明する。このときのモータ４の実際の回転角度θ_ｏは、基準軸５０を跨いで（θ−δ）である。ただし、基準軸５０から左回りの回転角度を正（０〜π［ｒａｄ］）、右回りの回転角度を負（０〜−π［ｒａｄ］）とする。

ここで、エンコーダ６により検出される角度は、エンコーダ６の中心軸と観測点Ｂとを結ぶ線を基準としているため、エンコーダ６の中心軸が位置Ａ_０にある場合は、線分Ａ_０Ｂ（エンコーダ６の原点軸５１）とずれ軸５２との間の角度（エンコーダ６の初期角度）δ’となり、エンコーダ６の中心軸が位置Ａにある場合は、線分ＡＢとずれ軸５２’との間の角度θ’となる。
よって、エンコーダ６の中心軸が位置Ａ_０から位置Ａに至るまでの、エンコーダ６による回転角度検出値θ_ｄは、（θ’−δ’）となる。
そこで、モータ４の実際の回転角度θ_ｏとエンコーダ６による角度検出値θ_ｄとの関係は、数式２によって表すことができる。

ただし、数式２において、Δδはδ’とδとの誤差（初期軸ずれ誤差：Δδ＝δ’−δ）であり、Δθはθ’とθとの誤差（Δθ＝θ’−θ）である。
つまり、数式２によれば、エンコーダ６による角度検出値θ_ｄから補正量Δθ_ｄ（＝Δθ−Δδ）を減じれば、モータ４の実際の回転角度θ_０を求めることができる。ここで、Δθ，Δδはそれぞれ数式３，数式４で表すことができるので、補正量Δθ_ｄ（＝Δθ−Δδ）を用いて補正した位置検出値（数式２における回転角度θ_０に相当）θ_ｄｅｔは数式５のようになる。なお、数式３〜数式５において、軸ずれ率（ｒ／Ｒ）及びエンコーダ６の初期角度δ’は、エンコーダ６の取り付け時に決定される定数である。

上述した角度検出値θ_ｄの補正手段を有する位置補正器７の構成例を、図２を用いて説明する。
図２において、図１のロータリーエンコーダ６から出力される角度検出値θ_ｄと、メモリ７６に予め記憶されているエンコーダ６の初期角度δ’とを加算器７１により加算し、その結果をｓｉｎ関数演算器７２に入力してｓｉｎ（θ_ｄ＋δ’）を演算する。次に、この演算結果と、メモリ７６に予め記憶されている軸ずれ率（ｒ／Ｒ）とを乗算器７３により乗算し、その乗算結果から、メモリ７６に予め記憶されているオフセット量としての初期軸ずれ誤差Δδ（＝ｒ／Ｒ・ｓｉｎ（δ’））を減算器７４にて減算することにより、補正量Δθ_ｄ（数式５における右辺第２項に相当）が推定値として演算される。
最後に、減算器７５により角度検出値θ_ｄから補正量Δθ_ｄを減算することにより、補正後の角度検出値θ_ｄｅｔが求められる。

上記の補正量Δθ_ｄは、エンコーダ６の回転軸と中心軸との間の軸ずれによる検出誤差に相当する値であり、前記加算器７１、ｓｉｎ関数演算器７２、乗算器７３、減算器７４及びメモリ７６は、請求項における検出誤差推定手段を構成している。
また、この補正量Δθ_ｄは、数式５の右辺第２項から明らかな如く、エンコーダ６の一回転が一周期の正弦波状に分布する周期関数であり、この周期関数の位相、振幅及びオフセット量（初期軸ずれ誤差Δδ）は前記誤差距離ｒと角度δ’とにより決定される。

以上のように本実施形態によれば、ロータリーエンコーダ６の回転軸と中心軸との軸ずれに相当する誤差距離ｒと、エンコーダ６の原点軸５１とずれ軸５２との間の角度（軸ずれ方向の角度）δ’とを用いることで、軸ずれを考慮して補正した正確な回転角度を得ることができる。従って、エンコーダ６をモータ４の回転軸へ取り付ける際にずれが生じていても、モータ４の回転角度を正確に検出して、位置指令に従った高精度な位置決め制御を行うことができる。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。 図１における位置補正器の構成を示すブロック図である。 ロータリーエンコーダの軸ずれが位置検出値に及ぼす影響の説明図である。 特許文献１に記載された速度制御装置に相当するブロック図である。 特許文献２に記載された速度制御装置に相当するブロック図である。 図５における速度補正器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 位置比較器
２ フィードバック制御器
３ モータ駆動装置
４ モータ
５ 負荷
６ ロータリーエンコーダ
７ 位置補正器
５０ 基準軸
５１ エンコーダ原点軸
５２，５２’ ずれ軸
７１ 加算器
７２ ｓｉｎ関数演算器
７３ 乗算器
７４，７５ 減算器
７６ メモリ
１０１ 位置比較器
１０２ フィードバック制御器
１０３ モータ駆動装置
１０４ モータ
１０５ 負荷
１０６ 位置検出器
１０７ メモリ
１０８ 読み出し回路
１０９ 減算器
１１０ 速度補正器
１１１ 積分器
１１２ 微分器
１１３ 減算器
１１４ ｃｏｓ関数演算器
１１５ 乗算器
１１６ 加算器

Claims (3)

1. 回転体の回転角度を検出する角度検出器と、
   前記角度検出器から出力される角度検出値を、前記角度検出器による検出誤差に相当する補正量を用いて補正する位置補正器と、
   前記位置補正器から出力される補正後の角度検出値と位置指令とを比較して位置偏差を求める位置比較器と、
   前記位置偏差をゼロとするように前記回転体の駆動源を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
2. 請求項１に記載した位置決め制御装置において、
   前記角度検出器は前記回転体に連結されたロータリーエンコーダであり、
   前記位置補正器は、前記ロータリーエンコーダの回転軸と中心軸との間の軸ずれによる検出誤差を推定する検出誤差推定手段と、この検出誤差推定手段により推定した検出誤差を前記補正量として前記角度検出値から減算する減算手段と、を備え、
   前記検出誤差推定手段は、前記ロータリーエンコーダの回転軸と中心軸との間の誤差距離と、前記ロータリーエンコーダの原点軸に対する前記軸ずれ方向の角度と、を用いて前記検出誤差を推定することを特徴とする位置決め制御装置。
3. 請求項２に記載した位置決め制御装置において、
   前記検出誤差推定手段により推定される検出誤差は、前記ロータリーエンコーダの一回転につき一周期の正弦波状に分布する周期関数であり、この周期関数の位相、振幅及びオフセット量を前記誤差距離と前記軸ずれ方向の角度とにより決定することを特徴とする位置決め制御装置。
   

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