JP2018115912A - Signal processing device, measurement device, industrial machine, and article manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,信号処理装置、計測装置、産業機械、および物品製造方法に関する。 The present invention relates to a signal processing device, a measuring device, an industrial machine, and an article manufacturing method.
レーザ加工装置(ガルバノミラー装置)やロボットなどの産業機械に含まれるモータは、ロータリーエンコーダを用いて計測されたモータの回転角度に基づいて制御されうる。ロータリーエンコーダとして、例えば、光学式のインクリメンタルエンコーダが用いられうる。一般的に、当該エンコーダを用いたモータの回転角度の計測は、エンコーダ・ヘッドの出力信号を2値化して得られるパルスを計数する必要がある。コストの面から、2値化および計数を行う回路を省略した信号処理装置が知られている(特許文献1)。 A motor included in an industrial machine such as a laser processing device (galvanomirror device) or a robot can be controlled based on the rotation angle of the motor measured using a rotary encoder. As the rotary encoder, for example, an optical incremental encoder can be used. In general, measurement of the rotation angle of a motor using the encoder needs to count pulses obtained by binarizing the output signal of the encoder head. From the viewpoint of cost, a signal processing device is known in which a circuit for binarization and counting is omitted (Patent Document 1).
特許文献1の信号処理装置は、短期間ではモータが等速回転しているとみなせることを利用している。しかしながら、上記のような産業機械では、例えば、大きな加速度をもってモータを回転させること等により、モータの回転速度を一定とみなせない場合があり得る。このような場合、特許文献1の信号処理装置では、正確な計測が困難となりうる。 The signal processing apparatus disclosed in Patent Document 1 utilizes the fact that the motor can be regarded as rotating at a constant speed in a short period of time. However, in the industrial machine as described above, there may be a case where the rotational speed of the motor cannot be considered constant, for example, by rotating the motor with a large acceleration. In such a case, accurate measurement may be difficult with the signal processing device of Patent Document 1.
本発明は、例えば、コストおよび正確な計測の点で有利な信号処理装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a signal processing apparatus that is advantageous in terms of cost and accurate measurement, for example.
上記課題を解決するために、本発明は、モータによる物体の運動に伴ってスケールを介して得られる周期信号を処理する信号処理装置であって、周期信号の位相に基づいて、物体の回転角度または位置を得る処理部を含み、処理部は、回転角度または位置、モータへの指令信号、およびモータの伝達特性に基づいて、回転角度または位置の予測値を得、予測値とそれに対応する周期信号の位相とに基づいて、回転角度または位置を得る、ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention is a signal processing apparatus that processes a periodic signal obtained through a scale in accordance with the movement of an object by a motor, and based on the phase of the periodic signal, the rotation angle of the object Or a processing unit that obtains a position, and the processing unit obtains a predicted value of the rotational angle or position based on the rotational angle or position, a command signal to the motor, and the transmission characteristics of the motor, and the predicted value and the corresponding period The rotation angle or position is obtained based on the phase of the signal.
本発明によれば、例えば、コストおよび正確な計測の点で有利な信号処理装置を提供することができる。 According to the present invention, for example, it is possible to provide a signal processing device that is advantageous in terms of cost and accurate measurement.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る信号処理装置を含むガルバノ装置(駆動装置)の構成を示すブロック図である。ガルバノ装置100は、モータ110と、エンコーダ120と、電流アンプ130と、信号処理装置140と、モータ110により回転される物体(例えば、ミラー)を含む。ガルバノ装置100は、モータ110の回転角度または位置、すなわちモータ110により回転される物体の回転角度または位置を計測する計測装置でもありうる。以下の説明において、モータ110の回転角度に関する記載は、モータ110の位置、モータ110により回転される物体の回転角度または位置に関する記載と置き換えうる。信号処理装置140は、A/D(アナログ/デジタル)変換部141と、処理部142と、を含む。なお、A/D変換部141は、エンコーダ120に含まれてもよい。図2は、フィードバック制御部200とガルバノ装置100との関係を示すブロック図である。フィードバック制御部200は、所定の時間間隔(所定のタイミング)で信号処理装置140により算出されたモータ110の回転角度yと目標回転角度とが一致するようにフィードバック制御をしている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a galvano device (drive device) including a signal processing device according to the present embodiment. The
電流アンプ130には、図2で示すフィードバック制御部200から電流指令Irefが入力される。電流指令Irefは、モータ110の回転を指令する指令信号である。電流アンプ130は電流指令Irefに基づいてモータ110に電流を流す。モータ110は、電流に応じて発生するトルクで回転する。エンコーダ120は、モータ110の回転角度θを検出する検出部である。エンコーダ120は、例えば、互いに90度位相の異なる周期信号に対応するアナログ信号のA相信号およびB相信号をA/D変換部141へ出力する。例えば、A相信号はSin波信号であり、B相信号はCos波信号でありうる。位相のずれは90度に限らず、信号の数も2つに限らない。
A current command Iref is input to the
本実施形態では、エンコーダ120として透過型の光学式のエンコーダを用いうる。エンコーダ120は、光が透過するスリットが設けられたスケールを有し、スケールはモータ110の回転軸を中心に回転する。回転中に、スケールに発光素子から光を照射し、スリットから透過した光を受光素子で検知する。互いに90度位相の異なるA相信号およびB相信号は、例えば、受光素子の配置をずらすことで得られる。
In the present embodiment, a transmissive optical encoder may be used as the
A/D変換部141は、A相信号およびB相信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、処理部142へ出力する出力部である。処理部142は、デジタル信号に変換されたA相信号とB相信号との比のアークタンジェント値、すなわち、tan−1(B/A)を計算する。
The A /
一方、電流指令値Irefは、処理部142にも入力される。処理部142は、電流指令値Iref、および信号処理装置140が前回出力したモータ110の回転角度yに基づいてカルマンフィルタによりモータ110の回転角度の予測値である予測角度y´を求める。カルマンフィルタは、モータ110の動特性をモデル化した動特性モデルを考慮している。モータ110の動特性とは、例えば、モータ110を所定の回転数にするための電流指令値Irefに対し、モータ110がどの程度の遅れ時間をもって所定の回転数に達するのかという、モータ110の入力電流に対する応答特性(伝達特性ともいう。)を意味する。カルマンフィルタが用いる回転角度yは、処理部142が前回算出した回転角度であり、モータ110の駆動開始後初めて予測角度y´を算出する場合は、回転角度yをゼロとして予測角度y´を算出する。
On the other hand, the current command value Iref is also input to the
カルマンフィルタについて説明する。モータ110の動特性モデル(伝達関数)P(s)は、
離散時間カルマンフィルタを適用するために、上式を離散化し、システム雑音、観測雑音を考慮した状態方程式は次式のように示される。
また、事前状態推定値は
In order to apply the discrete-time Kalman filter, the above equation is discretized, and the state equation in consideration of system noise and observation noise is expressed as follows.
The prior state estimate is
光学式のエンコーダを用いた回転角度の計測では、tan−1(B/A)で求めた位相とA相信号およびB相信号のうちいずれか一方の位相のアップダウンのカウント値から求めた位相とを加算することで回転角度を得る。なお、カウント値をスケールに設けられたスリット数Kで除算し、その結果に2πを乗算することでカウント値から位相が求められる。本実施形態では、信号のアップダウンを計数する計数部や、信号を2値化する手段を用いずにカウント値の推定値(以下、カウント推定値という。)を求める。 In the measurement of the rotation angle using an optical encoder, the phase obtained from tan −1 (B / A) and the phase obtained from the up / down count value of one of the A phase signal and the B phase signal. Is added to obtain the rotation angle. The phase is obtained from the count value by dividing the count value by the number K of slits provided on the scale and multiplying the result by 2π. In this embodiment, an estimated value of the count value (hereinafter referred to as a count estimated value) is obtained without using a counting unit that counts up and down of the signal and means for binarizing the signal.
カウント推定値nは、つぎのように求められる。まず、デジタル信号に変換されたA相信号およびB相信号に基づいて算出された逆正接tan−1(B/A)、すなわち実測値を予測角度y´から減算する。この減算結果を2/πを乗算し単位変換したのち、round関数により整数値に近似し、π/2を乗算してカウント推定値nが得られる。この近似は、減算結果に、動特性のモデル化誤差や電気ノイズなどの外乱の影響を除くために行われる。また、本実施形態では、π/2ごとにアップカウントおよびダウンカウントをしている。 The estimated count value n is obtained as follows. First, an arctangent tan −1 (B / A) calculated based on the A-phase signal and the B-phase signal converted into a digital signal, that is, an actual measurement value is subtracted from the predicted angle y ′. The subtraction result is multiplied by 2 / π to convert the unit, approximated to an integer value by a round function, and multiplied by π / 2 to obtain the estimated count value n. This approximation is performed in order to remove the influence of disturbances such as dynamic characteristic modeling errors and electrical noise on the subtraction result. In the present embodiment, the up-counting and the down-counting are performed every π / 2.
カウント推定値nをスリット数Kで除算し、2πを乗算した結果と逆正接tan−1(B/A)と加算することでモータ110の回転角度yが得られる。得られた回転角度yは、カルマンフィルタに入力され、次の電流指令Irefによる回転角度yの算出に用いられる。カウント値の推定のために必要な要素は、電流指令値Iref、モータ110の動特性モデル、逆正接tan−1(B/A)の実測値、前回求めたモータ110の回転角度yであり、モータの回転速度を等速と仮定することは不要である。
The rotation angle y of the
以上のように、本実施形態の処理部142によれば、モータ110が加減速しても、計数部および2値化手段を削減して、モータ110の回転角度を精度よく検出することができる。
As described above, according to the
(第2実施形態)
第1実施形態において、round関数を用いてカウント値を近似していたが、動特性のモデル化誤差や電気ノイズなどの外乱の大きさによっては、近似値の誤差が大きくなりうる。本実施形態では、近似値の誤差が大きいか否かを判定する構成を含む。図3は、本実施形態に係る信号処理装置を含むガルバノ装置の構成を示すブロック図である。第1実施形態と同様の構成には、同じ符号をつけて説明は省略する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the count value is approximated using the round function. However, depending on the magnitude of disturbance such as a dynamic characteristic modeling error or electrical noise, the error of the approximate value can be large. The present embodiment includes a configuration for determining whether or not the error of the approximate value is large. FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the galvano device including the signal processing device according to the present embodiment. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
本実施形態に係る信号処理装置240の演算部242は、第1実施形態の処理部142の構成に加えて更に、エンコーダモデル243、A相比較部244およびB相比較部245を有する。エンコーダモデル243は、カルマンフィルタが出力した予測角度y´に基づいて、A相信号およびB相信号を推定した推定信号を出力する。A相比較部244は、推定されたA相信号と、A/D変換部141から出力されたA相信号とを比較する。B相比較部245も同様に、推定されたB相信号と、A/D変換部141から出力されたB相信号とを比較する。比較の結果、所定の許容範囲内に各信号の位相の差が収まらない場合、得られる回転角度yは誤差が大きいものと判定される。誤差が大きい場合は、モータ110の動特性モデルを表す式を設定し直す等の対策を行い、誤差が所定の範囲内に収まるようにする。なお、逆正接tan−1(B/A)、すなわち、各信号の位相を比較して誤差の大きさを判定してもよい。本実施形態によれば、計数部および2値化手段を削減した信号処理装置において、モータの回転角度の検出精度を調整できる。
The
(産業機械への応用例)
上記実施形態のガルバノ装置(駆動装置)は、レーザ穴あけ装置、レーザトリマ装置、レーザリペア装置などのレーザ加工装置に用いられうる。図4は、ガルバノ装置を用いたレーザ加工装置400の構成を示す図である。レーザ加工装置400は、加工対象の物体Wにレーザ光を照射し、例えば、物体Wの切断、穴あけ、溶接などの処理を行い、物品を製造する。レーザ加工装置400は、光源410およびレンズ420を有する。本実施形態のレーザ加工装置400は、物体Wの表面に平行なXY平面において、X方向およびY方向に光源410から出射したレーザ光をスキャンする。ガルバノ装置430および440は、X方向およびY方向にそれぞれ一つずつ配置され、レーザ光をミラーにより反射して物体Wに照射する。可動部であるミラーは、モータにより駆動され、ガルバノ装置430および440によるモータの回転角度の計測結果に基づいて、上記フィードバック制御部200などの制御部によりモータの回転が制御される。
(Application examples for industrial machinery)
The galvano device (drive device) of the above embodiment can be used in a laser processing device such as a laser drilling device, a laser trimmer device, or a laser repair device. FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a
上記実施形態の駆動装置は、6軸アーム型ロボットなどの産業用ロボットにも用いられうる。図5は、6軸アーム型ロボット600の構成を示す図である。各関節部に駆動装置(ガルバノ装置)610〜660が設けられている。可動部である各関節部は、モータにより駆動され、ガルバノ装置610〜660によるモータの回転角度の計測結果に基づいて、上記フィードバック制御部200などの制御部によりモータの回転が制御され、6軸アーム型ロボット600の駆動が制御される。6軸アーム型ロボット600は、先端に供えられた把持部で物体を保持して、並進や回転などの移動をさせる。さらに、6軸アーム型ロボット600によって物体を他の部品に組み付ける(組立する)ことにより、複数の部品で構成された物品、例えば電子回路基板や機械などを製造することができる。また、移動された物体を加工(処理)することにより、物品を製造することができる。
The drive device of the above embodiment can also be used for an industrial robot such as a 6-axis arm type robot. FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the six-axis
上記実施形態で説明した信号処理装置を有するガルバノ装置または駆動装置を産業機械へ適用することで、装置全体の低コスト化に寄与し得る。また、上記産業機械は、物品製造方法に使用しうる。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも1つにおいて有利である。 By applying the galvano device or drive device having the signal processing device described in the above embodiment to an industrial machine, it can contribute to the cost reduction of the entire device. The industrial machine can be used in an article manufacturing method. The article manufacturing method of the present embodiment is advantageous in at least one of the performance, quality, productivity, and production cost of the article as compared with the conventional method.
上記実施形態では、主として信号処理装置を有するガルバノ装置について説明したが、その他のDCモータやACモータ等のモータを含む駆動装置の制御にも上記実施形態の信号処理装置を適用できる。また、上記実施形態では、カルマンフィルタによるカウント値の推定手段を用いたが、H∞フィルタなどその他の推定手段を用いてもよい。モータにより物体に生じさせる運動は、回転運動に限られず、例えば、直線運動であってもよい。 In the above-described embodiment, the galvano device having the signal processing device has been mainly described. However, the signal processing device of the above-described embodiment can also be applied to control of a driving device including other motors such as a DC motor and an AC motor. In the above embodiment, the count value estimation means using the Kalman filter is used, but other estimation means such as an H∞ filter may be used. The motion generated in the object by the motor is not limited to the rotational motion, and may be a linear motion, for example.
エンコーダ120にA/D変換部141が含まれる場合、信号処理装置140とエンコーダ120との間における信号の劣化を抑えることができ、回転角度の検出精度の点で有利となりうる。
When the A /
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
100 ガルバノ装置(駆動装置)
110 モータ
120 エンコーダ
130 電流アンプ
140 信号処理装置
141 A/D変換部(出力部)
142 処理部
100 Galvano device (drive device)
110
142 processor
Claims (12)
前記周期信号の位相に基づいて、前記物体の回転角度または位置を得る処理部を含み、
前記処理部は、
前記回転角度または位置、前記モータへの指令信号、および前記モータの伝達特性に基づいて、前記回転角度または位置の予測値を得、
前記予測値とそれに対応する前記周期信号の位相とに基づいて、前記回転角度または位置を得る、
ことを特徴とする信号処理装置。 A signal processing device for processing a periodic signal obtained through a scale in accordance with the movement of an object by a motor,
A processing unit for obtaining a rotation angle or position of the object based on a phase of the periodic signal;
The processor is
Based on the rotation angle or position, a command signal to the motor, and the transmission characteristics of the motor, obtain a predicted value of the rotation angle or position,
Based on the predicted value and the phase of the periodic signal corresponding thereto, the rotation angle or position is obtained.
A signal processing apparatus.
前記予測値から算出される位相と前記予測値に対応する前記周期信号の位相との差が許容範囲内に収まるかの判定を行い、該判定の結果に基づいて、前記伝達特性を設定する
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 The processor is
Determining whether a difference between a phase calculated from the predicted value and a phase of the periodic signal corresponding to the predicted value is within an allowable range, and setting the transfer characteristic based on a result of the determination The signal processing apparatus according to claim 1.
前記周期信号を処理する請求項1乃至6のうちいずれか1項に記載の信号処理装置と、
を含むことを特徴とする計測装置。 An output unit that outputs a periodic signal obtained through a scale in accordance with the movement of an object by a motor;
The signal processing device according to any one of claims 1 to 6, which processes the periodic signal;
A measuring device comprising:
請求項7または8に記載の計測装置と、
前記計測装置の計測結果に基づいて前記モータを制御する制御部と、
を含むことを特徴とする産業機械。 A motor that causes the movement of the object;
A measuring device according to claim 7 or 8,
A control unit for controlling the motor based on a measurement result of the measurement device;
An industrial machine characterized by including.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017005848A JP2018115912A (en) | 2017-01-17 | 2017-01-17 | Signal processing device, measurement device, industrial machine, and article manufacturing method |
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Publications (1)
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JP2017005848A Pending JP2018115912A (en) | 2017-01-17 | 2017-01-17 | Signal processing device, measurement device, industrial machine, and article manufacturing method |
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