JP2020046709A - サーボ制御装置及びサーボシステム - Google Patents

Abstract

【課題】内挿誤差に起因する位置検出誤差を簡単に補正して高精度に位置制御を行うサーボ制御装置及びサーボシステムを提供する。【解決手段】回転子の位置検出値を補正用パラメータに従って補正する位置検出値補正部１４と、補正後位置検出値を微分して速度検出値を算出する微分手段１６と、位置指令と補正後位置検出値とから速度指令を生成する位置制御部１５と、速度指令と速度検出値とからトルク指令を生成する速度制御部１７と、トルク指令に基づいてモータＭにトルク電流を流す電流制御部１８と、エンコーダ１１の物理的目盛間隔の内挿誤差に起因する位置検出誤差を複数の正弦波状関数の和により近似するための関数パラメータを検出誤差情報として出力する検出誤差情報生成部１２と、ある運転条件の下で検出誤差情報に基づいて補正用パラメータを更新可能とする補正用パラメータ調整部１３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダにより回転子位置を検出しながらモータを駆動するサーボ制御装置及びサーボシステムに関し、特にモータの低速回転時にも高精度に位置制御を行うための技術に関する。

駆動対象物の位置や速度を制御するサーボ制御装置では、モータの回転子位置の検出にエンコーダが用いられており、この種のエンコーダでは、物理的な目盛間隔（ロータリーエンコーダであれば、隣り合うスリット相互の間隔）を更に内挿することで高い分解能を実現している。
しかし、内挿には誤差が存在するため、エンコーダによる位置検出値には、前述した物理的目盛間隔を周期とした周期的誤差が含まれる。このような周期的誤差を含む位置検出値やこれを微分した速度検出値を用いて位置制御、速度制御を行う場合、モータ及びモータに結合された駆動対象物には振動が発生する。

上述した位置検出値の内挿誤差に起因する振動の抑制手段として、例えば特許文献１には、位置検出値をノッチフィルタ処理する位置検出器が記載されている。
図５は、この位置検出器５０のブロック図であり、６０はモータ（図示せず）により駆動される位置検出対象、５０ａは位置検出部、５０ｂは検出位置に応じた誤差を補正量として出力する位置検出補正データ部、５０ｃは補正前位置検出値と補正量とを加算して補正後位置検出値を演算する加算器、５０ｄは補正後位置検出値を微分して速度を算出する速度算出部、５０ｅは算出速度に応じたノッチ周波数を設定するノッチフィルタ周波数設定部、５０ｆは補正後位置検出値からノッチ周波数成分を除去するノッチフィルタ部である。
この従来技術は、位置検出値の内挿誤差に起因する振動の周波数がモータ速度に依存する点に着目したものであり、算出速度に応じてノッチ周波数を変化させることにより上記の振動を抑制している。

また、特許文献２には、モータの回転周波数と位置検出器の物理的な目盛数によって決まる基本周波数の整数倍周波数を持つ正弦波を複数合成して補正量を生成し、この補正量を用いて、位置検出値の内挿誤差に起因した速度検出誤差を低減するモータ制御装置が記載されている。
図６は、このモータ制御装置のブロック図であり、５１はモータＭの回転子位置を検出するエンコーダ等の位置検出部、５２は位置検出値を微分して速度を求める速度検出部、５３は位置検出値に基づいて補正量を求める補正量算出部、５４は速度検出値を補正する減算器、５５は速度指令生成部、５６は補正後の速度検出値が速度指令に一致するようにトルク指令を生成するトルク指令生成部、５７はトルク指令に従い半導体スイッチング素子をオン・オフさせてモータＭを駆動する電力変換器である。

図７は、特許文献２における速度検出値の補正原理を示している。
図６の速度検出部５２から出力される速度検出値には、位置検出部５１に固有の内挿誤差に起因して周期λで繰り返し発生する速度検出誤差が含まれる。補正量算出部５３は、位置検出値に基づいて生成した複数の正弦波を重ね合わせて補正量を算出し、減算器５４により上記補正量を速度検出値（速度検出誤差）から減算して速度検出誤差を低減している。

特開平１１−２５９１１０号公報（［０００９］〜［００１２］、図１等） 特許第５８５０９６０号公報（［００１８］〜［００２６］、図１，図２等）

特許文献１に記載された従来技術では、位置制御や速度制御の応答速度に対してノッチ周波数が十分高い場合には問題ないが、モータを極低速で運転する場合には、ノッチフィルタ部５０ｆに設定されるノッチ周波数が低くなり、位置制御や速度制御に悪影響を及ぼす恐れがある。

また、特許文献２に記載された従来技術については、これをそのまま位置制御系にも適用することができない。すなわち、位置制御系では一般に、位置指令と位置検出値とから速度指令を生成し、この速度指令と速度検出値とを用いてトルク指令を生成する。このため、特許文献２に記載の技術を用いて速度検出値を補正したとしても、位置検出値には内挿誤差による周期的誤差が含まれており、この位置検出値に基づいて生成された速度指令にも誤差が含まれ、結果的にトルク指令にも周期的誤差が含まれる。
従って、特許文献２により速度指令値に対して行う補正と同様の補正を位置検出値に対して行おうとすると、補正のためのパラメータ調整が難しくなるという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、モータを極低速で駆動する場合も含めて、簡単な構成により位置検出値の内挿誤差を補正して高精度な位置制御を可能にしたサーボ制御装置及びサーボシステム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に係るサーボ制御装置は、エンコーダにより得たモータの回転子の位置検出値を補正用パラメータに従って補正する位置検出値補正部と、
前記位置検出値補正部から出力される補正後位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部と、
前記回転子の位置指令と前記補正後位置検出値とから速度指令を生成する位置制御部と、
前記速度指令と前記速度検出値とからトルク指令を生成する速度制御部と、
前記トルク指令に基づいて前記モータにトルク電流を通流させる電流制御部と、
前記エンコーダの物理的目盛間隔の内挿誤差に起因する位置検出誤差を複数の正弦波状関数の和によって近似するための関数パラメータを、検出誤差情報として出力する検出誤差情報生成部と、
所定の運転条件の下で、前記検出誤差情報に基づいて前記補正用パラメータを更新可能とする補正用パラメータ調整部と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係るサーボ制御装置は、請求項１に記載したサーボ制御装置において、
前記運転条件が、速度指令または速度検出値の大きさが所定の速度下限値以上であり、かつ、前記速度指令または前記速度検出値の瞬時値と当該瞬時値をローパスフィルタに通した値との差の絶対値が所定の速度変動上限値以下である状態が、所定時間以上継続するという条件であることを特徴とする。

請求項３に係るサーボ制御装置は、請求項１または２に記載したサーボ制御装置において、
前記検出誤差情報は、前記エンコーダの物理的目盛を所定の自然数により除算した値を単位周期とし、かつ、前記位置検出値または前記補正後位置検出値に基づいて算出した物理的目盛内位置を位相とする信号を前記複数の正弦波状関数にそれぞれ入力した場合の出力と、前記位置検出値の微分値を第１のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタに通して得た出力と、の乗算結果を、第２のカットオフ周波数を有するローパスフィルタに通した値であることを特徴とする。

請求項４に係るサーボ制御装置は、請求項３に記載したサーボ制御装置において、
前記第１のカットオフ周波数及び前記第２のカットオフ周波数が、前記モータを速度下限値にて運転した時の前記位置検出値の微分値に含まれるリプルの周波数より低いことを特徴とする

請求項５に係るサーボシステムは、エンコーダによる回転子の位置検出値を補正するための補正用パラメータが記憶される不揮発メモリを備えたモータと、
前記位置検出値を前記補正用パラメータに従って補正する位置検出値補正部、前記位置検出値補正部から出力される補正後位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部、前記回転子の位置指令と前記補正後位置検出値とから速度指令を生成する位置制御部、前記速度指令と前記速度検出値とからトルク指令を生成する速度制御部、前記トルク指令に基づいて前記モータにトルク電流を通流させる電流制御部、前記エンコーダの物理的目盛間隔の内挿誤差に起因する位置検出誤差を複数の正弦波状関数の和によって近似するための関数パラメータを検出誤差情報として出力する検出誤差情報生成部、及び、所定の運転条件の下で前記検出誤差情報に基づいて前記補正用パラメータを更新可能とする補正用パラメータ調整部、を備えた制御装置と、
を備え、
前記制御装置の起動時に、前記補正用パラメータ調整部が前記不揮発メモリから前記補正用パラメータを読み出すことを特徴とする。

請求項６に係るサーボシステムは、請求項５に記載したサーボシステムにおいて、
前記運転条件が、速度指令または速度検出値の大きさが所定の速度下限値以上であり、かつ、前記速度指令または前記速度検出値の瞬時値と当該瞬時値をローパスフィルタに通した値との差の絶対値が所定の速度変動上限値以下である状態が、所定時間以上継続するという条件であることを特徴とする。

請求項７に係るサーボシステムは、請求項５または６に記載したサーボシステムにおいて、
前記検出誤差情報は、前記エンコーダの物理的目盛を所定の自然数により除算した値を単位周期とし、かつ、前記位置検出値または前記補正後位置検出値に基づいて算出した物理的目盛内位置を位相とする信号を前記複数の正弦波状関数にそれぞれ入力した場合の出力と、前記位置検出値の微分値を第１のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタに通して得た出力と、の乗算結果を、第２のカットオフ周波数を有するローパスフィルタに通した値であることを特徴とする。

請求項８に係るサーボシステムは、請求項７に記載したサーボ制御装置において、
前記第１のカットオフ周波数及び前記第２のカットオフ周波数が、前記モータを速度下限値にて運転した時の前記位置検出値の微分値に含まれるリプルの周波数より低いことを特徴とする。

本発明によれば、所定の速度範囲内でモータがほぼ等速運動していることを条件に補正用パラメータを更新して位置検出誤差を補正することにより、モータを極低速で駆動する場合も含めて高精度な位置制御を行うことができる。

本発明に係るサーボ制御装置の実施形態を示すブロック図である。 図１における検出誤差情報推定部のブロック図である。 図１における補正条件調整許可フラグの生成手段のブロック図である。 本発明に係るサーボシステムの実施形態を示すブロック図である。 特許文献１に記載された位置検出器のブロック図である。 特許文献２に記載されたモータ制御装置のブロック図である。 特許文献２における速度検出値の補正原理の説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係るサーボ制御装置を示すブロック図である。図１において、エンコーダ１１により検出したモータＭの回転子の位置検出値は位置検出値補正部１４に入力され、後述する補正用パラメータを用いて位置検出値を補正した補正後位置検出値がフィードバック信号として位置制御部１５に入力されている。

位置制御部１５では、補正後位置検出値が位置指令に一致するように演算を行って速度指令を出力する。また、補正後位置検出値は速度検出部としての微分手段１６により微分されて速度検出値が求められ、この速度検出値は速度指令と共に速度制御部１７に入力される。
速度制御部１７は速度検出値が速度指令に一致するように演算を行ってトルク指令を生成し、電流制御部１８はこのトルク指令に従ってモータＭに供給するトルク電流を制御している。

一方、位置検出値は検出誤差情報推定部１２に入力され、この検出誤差情報推定部１２により推定された検出誤差情報が補正用パラメータ調整部１３に入力される。補正用パラメータ調整部１３では、補正条件調整許可フラグがＯＮである場合に、検出誤差情報に基づく補正用パラメータを位置検出値補正部１４に送り、位置検出値補正部１４は上記の補正用パラメータを用いて位置検出値を補正する。なお、補正用パラ―メータは、後述するように、検出誤差情報推定部１２から出力される検出誤差情報としての正弦波を重ね合わせた正弦波状関数の振幅及び位相に相当する。

次に、図２は検出誤差情報推定部１２のブロック図である。
図２において、１２ａはエンコーダ１１から出力される位置検出値を微分する微分手段、１２ｂは第１のカットオフ周波数ｆ_ｃ１を有するハイパスフィルタ、１２ｃは位置検出値からエンコーダ１１の物理的目盛間隔（例えば、ロータリーエンコーダの隣り合うスリット相互の間隔）内の位置を抽出する物理的目盛内位置抽出手段、１２ｄは物理的目盛内位置抽出手段１２ｃの出力のｃｏｓ値を演算するｃｏｓ関数、１２ｅは同じくｓｉｎ値を演算するｓｉｎ関数、１２ｆ，１２ｇは各関数１２ｄ，１２ｅの出力とハイパスフィルタ１２ｂの出力とを乗算する乗算手段、１２ｈ，１２ｉは乗算手段１２ｆ，１２ｇの出力がそれぞれ与えられて第２のカットオフ周波数ｆ_ｃ２を有するローパスフィルタであり、これらのローパスフィルタ１２ｈ，１２ｉの出力が検出誤差情報として図１の補正用パラメータ調整部１３に送られている。
この検出誤差情報は、エンコーダ１１の物理的目盛間隔の内挿誤差に起因する位置検出誤差を複数の正弦波状関数の和により近似する関数パラメータとしての意義を有する。

図２においては、エンコーダ１１から出力される位置検出値が微分手段１２ａ及び物理的目盛内位置抽出手段１２ｃに入力されているが、図１の位置検出値補正部１４から出力される補正後位置検出値を各手段１２ａ，１２ｃに入力しても良い。
ここで、ハイパスフィルタ１２ｂの第１のカットオフ周波数ｆ_ｃ１、及びローパスフィルタ１２ｈ，１２ｉの第２のカットオフ周波数ｆ_ｃ２は、モータＭを下限速度で運転した場合に位置検出値の微分値、すなわち速度検出値に含まれるリプルの周波数よりも低くなるように設定される。

位置検出値を微分した信号には複数の周波数成分のリプルが含まれる場合があるが、以下では、話を簡単にするために一つの周波数成分に関する検出誤差情報を生成する方法を説明する。
図２において、物理的目盛内位置抽出手段１２ｃは、位置検出値（または補正後位置検出値）からエンコーダ１１の物理的目盛間隔内の位置、すなわち物理的目盛内位置を算出し、物理的目盛間隔を所定の自然数により除算した値を単位周期とし、前記物理的目盛内位置を位相とした信号を生成してｃｏｓ関数１２ｄ及びｓｉｎ関数１２ｅに与える。

位置検出値を微分して得た速度検出値をハイパスフィルタ１２ｂに通し、その出力にｃｏｓ関数１２ｄ及びｓｉｎ関数１２ｅの出力をそれぞれ乗算してローパスフィルタ１２ｈ，１２ｉを通すことにより検出誤差情報を得る。
なお、上記速度検出値に含まれるリプルの周期は、速度検出値にモータ１回転当たりのエンコーダ１１の物理的目盛数と上記自然数とを乗じた値として得られる。

エンコーダ１１の物理的目盛間隔の内挿誤差に起因する位置検出誤差は、上記の物理的目盛間隔を単位周期として周期的に発生する。このため、図１の補正用パラメータ調整部１３は、物理的目盛間隔を所定の自然数により除算して得た値を単位周期とする正弦波（ローパスフィルタ１２ｈ，１２ｉから出力される検出誤差情報）を重ね合わせて正弦波状関数を生成し、各単位周期の正弦波状関数の振幅及び位相を補正用パラメータとして位置検出値補正部１４に出力する。

補正用パラメータ調整部１３では、後述する補正条件調整許可フラグがＯＮである場合に限り、検出誤差情報に基づいて補正用パラメータを更新する。
内挿誤差による位置検出誤差の一成分として、実際位置θに対してＡｓｉｎ（Ｎθ＋φ）の検出誤差が生じる場合（Ａは振幅、Ｎはエンコーダのスリット数、φは物理的目盛内位置としての位相）、位置検出値を微分するとＡＮωｃｏｓ（Ｎθ＋φ）（ω＝ｄθ／ｄｔ）なるリプルが生ずる。後述するように、補正条件調整許可フラグがＯＮになるのはほぼ等速運転中とみなせる場合に限定しているので、上記リプルの振幅と位相とが求まれば位置検出誤差に関する振幅と位相とが決まり、これをもって適切な補正用パラメータを得ることができる。

図３は、補正条件調整許可フラグの生成手段を示すブロック図である。この生成手段は、ローパスフィルタ２１、減算手段２２、絶対値検出手段２３，２５、比較手段２４，２６、論理積手段２７、及びオンディレイ手段２８から構成されている。
図３において、補正条件調整許可フラグは、以下の第１の条件及び第２の条件が共に成立している状態（論理積手段２７の出力が「Ｈｉｇｈ」レベル）がオンディレイ手段２８の設定時間以上、継続した場合にＯＮとなる。
すなわち、第１の条件は、速度指令または速度検出値の絶対値が所定の速度下限値以上であること（比較手段２６の出力が「Ｈｉｇｈ」レベル）、第２の条件は、速度指令または速度検出値の瞬時値とこの瞬時値をローパスフィルタに通した値との差の絶対値が、所定の速度変動上限値以下であること（比較手段２４の出力が「Ｈｉｇｈ」レベル）、であり、言い換えれば、所定の速度範囲内でモータＭがほぼ等速運動していることである。
上記の第１，第２の条件は、以下の理由により規定されている。

まず、第１の条件に関して、速度が下限値より著しく低く、速度のリプル周波数が速度制御のゲイン交差周波数よりも低くなる場合は、適切な検出誤差補正がされていなくても、位置検出誤差に起因する周期的誤差を含んだ速度検出値に見かけ上、速度リプルが抑えられるように速度制御が働き、検出誤差情報推定部１２により得られる検出誤差情報も誤ったものになる。従って、このような場合には補正条件調整許可フラグをＯＦＦにして補正用パラメータを更新しないこととした。

次に、第２の条件に関して、位置検出値の微分値に含まれるリプルの振幅及び位相から位置検出誤差に関する振幅及び位相を換算する際には、速度がほぼ一定であること、つまりほぼ等速運転されていることが必要であり、この等速運転状態か否かの判断は、速度の瞬時値とこの瞬時値をローパスフィルタに通した値との差の絶対値（速度変動量）を上限値と比較すれば評価できるためである。
更に、速度に関する上記の第１，第２の条件が成立してから検出誤差情報が正しく得られるようになるのは、少なくとも、図２の各フィルタ１２ｂ，１２ｈ，１２ｉの時定数より時間が十分に経過してからであるため、オンディレイ手段２８を設けている。

次いで、図４は本発明に係るサーボシステムの実施形態を示すブロック図である。
図１に示したサーボ制御装置の実施形態との相違点は、モータＭと一体的に不揮発メモリ１９を設け、この不揮発メモリ１９に補正用パラメータを記憶するようにした点である。補正用パラメータ調整部１３によって補正用パラメータを更新した際に、その補正用パラメータを不揮発メモリ１９に書き込み、また、制御装置の起動時に不揮発メモリ１９から補正用パラメータを読み出して補正用パラメータ調整部１３に送るように構成されている。

上記のように、モータＭ側の不揮発メモリ１９に記憶済みの補正用パラメータをシステムの立ち上げ時に読み出すことにより、サーボ制御装置と組み合わされるモータが変更された場合でも、当該モータと一体化された不揮発メモリ１９内の補正用パラメータが調整済みであれば、補正用パラメータの更なる調整が不要になるという利点がある。

Ｍ：モータ
１１：エンコーダ
１２:検出誤差情報推定部
１２ａ：微分手段
１２ｂ：ハイパスフィルタ
１２ｃ：物理的目盛内位置抽出手段
１２ｄ：ｃｏｓ関数
１２ｅ：ｓｉｎ関数
１２ｆ，１２ｇ：乗算手段
１２ｈ，１２ｉ：ローパスフィルタ
１３:補正用パラメータ調整部
１４：位置検出値補正部
１５：位置制御部
１６：微分手段
１７：速度制御部
１８：電流制御部
１９：不揮発メモリ
２１：ローパスフィルタ
２２：減算手段
２３，２５：絶対値検出手段
２４，２６：比較手段
２７：論理積手段
２８：オンディレイ手段

Claims (8)

1. エンコーダにより得たモータの回転子の位置検出値を補正用パラメータに従って補正する位置検出値補正部と、
   前記位置検出値補正部から出力される補正後位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部と、
   前記回転子の位置指令と前記補正後位置検出値とから速度指令を生成する位置制御部と、
   前記速度指令と前記速度検出値とからトルク指令を生成する速度制御部と、
   前記トルク指令に基づいて前記モータにトルク電流を通流させる電流制御部と、
   前記エンコーダの物理的目盛間隔の内挿誤差に起因する位置検出誤差を複数の正弦波状関数の和によって近似するための関数パラメータを、検出誤差情報として出力する検出誤差情報生成部と、
   所定の運転条件の下で、前記検出誤差情報に基づいて前記補正用パラメータを更新可能とする補正用パラメータ調整部と、
   を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
2. 請求項１に記載したサーボ制御装置において、
   前記運転条件は、
   速度指令または速度検出値の大きさが所定の速度下限値以上であり、かつ、前記速度指令または前記速度検出値の瞬時値と当該瞬時値をローパスフィルタに通した値との差の絶対値が所定の速度変動上限値以下である状態が、所定時間以上継続するという条件であることを特徴としたサーボ制御装置。
3. 請求項１または２に記載したサーボ制御装置において、
   前記検出誤差情報は、
   前記エンコーダの物理的目盛を所定の自然数により除算した値を単位周期とし、かつ、前記位置検出値または前記補正後位置検出値に基づいて算出した物理的目盛内位置を位相とする信号を前記複数の正弦波状関数にそれぞれ入力した場合の出力と、前記位置検出値の微分値を第１のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタに通して得た出力と、の乗算結果を、第２のカットオフ周波数を有するローパスフィルタに通した値であることを特徴とするサーボ制御装置。
4. 請求項３に記載したサーボ制御装置において、
   前記第１のカットオフ周波数及び前記第２のカットオフ周波数が、前記モータを速度下限値にて運転した時の前記位置検出値の微分値に含まれるリプルの周波数より低いことを特徴とするサーボ制御装置。
5. エンコーダによる回転子の位置検出値を補正するための補正用パラメータが記憶される不揮発メモリを備えたモータと、
   前記位置検出値を前記補正用パラメータに従って補正する位置検出値補正部、前記位置検出値補正部から出力される補正後位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部、前記回転子の位置指令と前記補正後位置検出値とから速度指令を生成する位置制御部、前記速度指令と前記速度検出値とからトルク指令を生成する速度制御部、前記トルク指令に基づいて前記モータにトルク電流を通流させる電流制御部、前記エンコーダの物理的目盛間隔の内挿誤差に起因する位置検出誤差を複数の正弦波状関数の和によって近似するための関数パラメータを検出誤差情報として出力する検出誤差情報生成部、及び、所定の運転条件の下で前記検出誤差情報に基づいて前記補正用パラメータを更新可能とする補正用パラメータ調整部、を備えた制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置の起動時に、前記補正用パラメータ調整部が前記不揮発メモリから前記補正用パラメータを読み出すことを特徴とするサーボシステム。
6. 請求項５に記載したサーボシステムにおいて、
   前記運転条件は、
   速度指令または速度検出値の大きさが所定の速度下限値以上であり、かつ、前記速度指令または前記速度検出値の瞬時値と当該瞬時値をローパスフィルタに通した値との差の絶対値が所定の速度変動上限値以下である状態が、所定時間以上継続するという条件であることを特徴としたサーボシステム。
7. 請求項５または６に記載したサーボシステムにおいて、
   前記検出誤差情報は、
   前記エンコーダの物理的目盛を所定の自然数により除算した値を単位周期とし、かつ、前記位置検出値または前記補正後位置検出値に基づいて算出した物理的目盛内位置を位相とする信号を前記複数の正弦波状関数にそれぞれ入力した場合の出力と、前記位置検出値の微分値を第１のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタに通して得た出力と、の乗算結果を、第２のカットオフ周波数を有するローパスフィルタに通した値であることを特徴とするサーボシステム。
8. 請求項７に記載したサーボシステムにおいて、
   前記第１のカットオフ周波数及び前記第２のカットオフ周波数が、前記モータを速度下限値にて運転した時の前記位置検出値の微分値に含まれるリプルの周波数より低いことを特徴とするサーボシステム。

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