JP2021012073A

JP2021012073A - サーボモータの制御装置

Info

Publication number: JP2021012073A
Application number: JP2019125731A
Authority: JP
Inventors: 佑貴白川; Yuki Shirakawa; 聡史猪飼; Satoshi Igai; 隆貴下田; Takaki Shimoda
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: US20210003989A1; US11460826B2; CN112187117A; DE102020208362A1; JP7277291B2

Abstract

【課題】絶対位置確立前に異常を検出できないことに起因して、サーボモータが適正に駆動しないおそれを解消するサーボモータの制御装置を提供すること。【解決手段】産業用機械のサーボモータを制御するための装置４であって、サーボモータの位置を検出する位置検出部５と、サーボモータの磁極位置を検出する磁極検出部６と、絶対位置確立前に、少なくとも最初の計算で、磁極検出部６で検出された磁極位置を初期磁極位置として求め、それ以降の計算で、位置検出部５で検出された位置データとモータの磁極間隔とからインクリメンタルに磁極位置を求める磁極位置計算部７と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、サーボモータの制御装置に関する。

例えば、工作機械の主軸を駆動するためのサーボモータなど、産業用機械のサーボモータは、回転量、速度、トルク等が駆動制御されている。また、サーボモータの制御装置は、モータの位置、磁極位置（モータ磁石の位相（角度））を検出器で検出し、検出器からの各種のフィードバック値に基づいて電圧指令値を決定し、パルス幅変調（ＰＷＭ；ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式によって変調した電圧を印加することで、モータの駆動制御を行っている。

一方、インクリメンタルエンコーダの異常は、例えば、絶対位置が分かっている場合、その絶対位置から計算される磁極位置と、磁極検出器から求まる磁極位置とを比較することによって検知する手法が用いられている。

特許文献１には、「サーボモータに取り付けられた位置検出手段で検出される現在位置により前記サーボモータの制御を行うサーボサーボモータの制御装置に装備されるサーボモータ監視装置であって、前記サーボモータに接続されたモータ駆動線から前記サーボモータの磁極位置信号を取り出す磁極位置算定手段と、前記サーボモータに取り付けられた位置検出手段からの現在位置信号を入力する現在位置信号入力手段と、前記サーボモータの磁極位置信号と現在位置信号の二系統の信号に基づく前記サーボモータの動作を比較し、不一致が検出された場合に、前記サーボモータへの電源供給を遮断する停止指令信号を出力する監視手段とを有することを特徴とするサーボモータ監視装置。」が開示されている。

特許文献２には、「インクリメンタルエンコーダを有するＡＣサーボモータの位置検出回路の故障検出方法において、前記インクリメンタルエンコーダの位置検出信号から位置データを計数し、計数された前記位置データおよびあらかじめ記憶された基準位置データと基準磁極位置データおよび前記ＡＣサーボモータの極数と前記インクリメンタルエンコーダのエンコーダパルス数とから現在の磁極位置を推定し、前記推定された現在の磁極位置と前記インクリメンタルエンコーダの磁極信号から取り込んだ現在の磁極位置データとを比較して、位置の差があらかじめ定められた許容範囲内でなければ、位置検出回路の故障と判定する、ことを特徴とするＡＣサーボモータの位置検出回路の故障検出方法。」が開示されている。

特許文献３には、「位置検出器を有するＡＣサーボモータの制御方法において、位置検出器の原点位置信号が磁極位置を認識するためのカウントデータの原点付近でのみ出力されれば、制御機能が正常に動作していると判定し、原点付近以外のデータ出力時に原点位置信号が出力されれば異常と判定することを特徴としたＡＣサーボモータ制御方法。」が開示されている。

特開２００８−０２２５９０号公報特開平０９−１０５６４４号公報特開平０５−２８２０４６号公報

ここで、インクリメンタルエンコーダを検出器として用いている場合、電源投入時に機械の絶対座標と、エンコーダの位置信号との関係が不明であるため、これらの関係を確立させる絶対位置確立が必要であり、例えば、インクリメンタルエンコーダのＺ相信号を基に原点復帰動作によって絶対位置確立を行う。

そして、前述の通り、従来、インクリメンタルエンコーダの異常は、絶対値確立によって得られた絶対位置から磁極位置を計算し、磁極検出器から求まる磁極位置と比較することによって検知することができる。

しかしながら、このようなインクリメンタルエンコーダの異常検知手法（特許文献１、特許文献２、特許文献３）では、絶対位置確立前にインクリメンタルエンコーダの異常を検知することができない。すなわち、電源投入後、絶対位置を確立（原点復帰）させる絶対位置確立前の段階では、絶対位置が分かっていないため、上記のインクリメンタルエンコーダの異常検知手法で検出器の異常チェックができず、検出器信号に異常があった場合には、サーボモータが適正に駆動しないおそれがあった。

このため、絶対位置確立前に検出器の異常チェックを行える手法が強く望まれていた。

本開示のサーボモータの制御装置の一態様は、産業用機械のサーボモータを制御するための装置であって、前記サーボモータの位置を検出する位置検出部と、前記サーボモータの磁極位置を検出する磁極検出部と、絶対位置確立前に、少なくとも最初の計算で、前記磁極検出部で検出された磁極位置を初期磁極位置として求め、それ以降の計算で、前記位置検出部で検出された位置データとモータの磁極間隔とからインクリメンタルに磁極位置を求める磁極位置計算部と、を備える構成とした。

本開示のサーボモータの制御装置の一態様においては、磁極検出部と磁極位置計算部から求まるそれぞれの磁極位置の差の値、又はその差の微分値を所定の閾値と比較して、位置検出部又は磁極検出部の異常の有無を判定するなどすれば、絶対位置確立前に位置検出部や磁極検出部（検出器）の異常チェックを行うことが可能になる。

よって、本開示のサーボモータの制御装置の一態様によれば、従来のように絶対位置確立前に異常を検出できないことに起因して、サーボモータが適正に駆動しないおそれを解消することが可能になる。

本開示の一態様のサーボモータ（リニアモータ）の制御装置の一例を示す図である。本開示の一態様のサーボモータ（回転モータ）の制御装置の一例を示す図である。本開示の一態様のサーボモータの制御装置を示すブロック図である。本開示の一態様のサーボモータの制御装置を用いた位置検出部（又は磁極検出部）の異常検出方法の説明に用いた図である。本開示の一態様のサーボモータの制御装置を用いた位置検出部（又は磁極検出部）の異常検出方法の説明に用いた図である。

以下、図１から図５を参照し、一実施形態に係るサーボモータの制御装置について説明する。

本実施形態では、産業用機械が工作機械であるものとし、サーボモータの制御装置によって、工作機械の主軸などの駆動制御を行うものとして説明を行う。
但し、本発明に係るサーボモータの制御装置は、工作機械に限らず、ロボット、搬送機、計測器、試験装置、プレス機、圧入器、印刷機、ダイカストマシン、射出成型機、食品機械、包装機、溶接機、洗浄機、塗装機、組立装置、実装機、木工機械、シーリング装置、切断機など、他の産業用機械に用いられるサーボモータの駆動制御に適用しても勿論構わない。

本実施形態の工作機械（産業用機械）の制御システム１は、例えば、図１に示すように、指令部のＣＮＣ（コンピュータ数値制御装置：Computerized Numerical Control）２と、ＣＮＣ２の指令に基づいて工作機械のサーボモータ（駆動部）３の駆動を制御するサーボモータの制御装置（制御部、サーボアンプ）４と、を備えている。

一方、本実施形態のサーボモータの制御装置４は、図１、図３（及び図２）に示すように、サーボモータ３の軸３ａなどの位置を検出するインクリメンタル形の位置検出部（位置検出器／図１：リニアエンコーダ、図２：エンコーダ）５と、サーボモータ３の磁極位置を検出する磁極検出部（磁気検出器）６と、絶対位置確立前に、少なくとも最初の計算で、磁極検出部６で検出された磁極位置を初期磁極位置として用い、それ以降の計算で、位置検出部５で検出された位置データとモータの磁極間隔とからインクリメンタルに磁極位置を計算する磁極位置計算部７と、磁極検出部６と磁極位置計算部７から求まるそれぞれの磁極位置の差の値、又はその差の微分値（速度の差）を、予め設定した所定の閾値と比較して、位置検出部５又は磁極検出部６の異常の有無を判定する異常判定部８と、を備えている。

さらに、本実施形態のサーボモータの制御装置４においては、異常判定部８が異常と判定した場合に、この判定の結果を受けてアラームを発生させ、サーボモータ３を停止させる警報部９と、ＣＮＣ２から出されたサーボモータ３の位置の指令値から励磁位相（モータの位置、磁極位置）の指令値を換算し、換算した指令値と位置検出部５、磁極検出部６で検出した検出値とを比較する換算／検出値比較部１０と、を備えている。

ちなみに、「絶対位置確立」、「磁極位置」、「磁極検出部（磁極検出器）６」については以下の通りである。

「絶対位置確立」とは、インクリメンタルエンコーダでは電源投入時に機械の絶対座標と、エンコーダの位置信号の関係が分かっていないため、これら両者の関係を確定させることを意味する。エンコーダのＺ相信号を元に原点復帰動作をさせることで絶対位置確立が可能になる。

「磁極位置」とは、モータ磁石の位相 (角度)のことを意味する。３６０°でＮ極→Ｓ極→Ｎ極となって一周する。

「磁極検出器」とは、モータ磁石の位相に合わせた電気信号を発生させる装置である。例えば、エンコーダで位置と磁極位置の両方を検出する場合など、予め位置と磁極位置の関係からある角度の時に該当する磁極位置の信号を発生させるように構成したもの（図２参照）や、ホールセンサなどで直接磁界を測定するものがある。

本実施形態のサーボサーボモータの制御装置４においては、例えば、サーボモータ３が図１に示すような磁石極３ｂ、コイルライダ３ｃを有するリニアモータ（３）の場合にはコイルライダ３ｃにリニアエンコーダ（位置検出部５）と磁極検出器（磁極検出部６）を設け、図２に示すような回転モータ（３）の場合には回転軸３ａの位置及び磁極位置を検出するエンコーダ（検出器（５、６））を設ける。
なお、図１において、符号３ｄは動力線、符号３ｅはサーモスタット線、符号３ｆは位置検出回路、符号３ｇはＦＳＳＢ（接続用光ファイバケーブル）を示している。

本実施形態のサーボモータの制御装置４を用いて位置検出部５、及び／又は磁極検出部６の検出器の整合性（異常の有無）のチェックを行うデータとして励磁位相をモニタリングする。

そして、磁極位置計算部７は、絶対位置確立前に、少なくとも最初の計算で、磁極検出部６で検出された磁極位置を初期磁極位置として用い、それ以降の計算で、位置検出部５で検出された位置データとサーボモータの磁極間隔とからインクリメンタルに磁極位置を計算する。

ここで、図４は、時間と磁極位置の関係を示す図であり、実線は磁極位相のフィードバック値（検出値：磁極位置ＦＢ）、破線はモータの位相のフィードバック値（検出値：モータの位置ＦＢ）、一点破線はモータの位置ＦＢと磁極間隔から作成した磁極位置を示している。

この図４に示すように、位置検出部５、磁極検出部６が正常な場合は、位置データから作成した位相（モータの位置）と磁極位置データから作成した位相が一致する。

例えば位置検出部５が故障し、フィードバックが返ってこなくなった場合には、位相は一致しなくなる（図４右側参照）。これを異常判定部８が捉え、異常が発生したと判断することができる。また、異常の発生とともに警報部９によってアラームを発生し、サーボモータ３の駆動を停止するとともにオペレータに異常の発生を認識させる。

ここで、従来のように、インクリメンタルエンコーダを位置検出部５として用い、絶対位置確立前は磁極検出部６のデータから作成した位相のみを持つように構成してしまうと、絶対位置確立前に、位置データのみで磁石との位置関係が分からないため、励磁位相を作ることができない。

これに対し、本実施形態のサーボサーボモータの制御装置４では、磁極位置を検出する磁極検出部６を具備し、絶対位置確立前に、電源投入時の磁極検出部６のデータから磁石の初期位置を検出するようにした。

また、絶対位置確立した後、磁極位置計算部７が位置検出部６から求まる絶対位置から磁極位置を計算するように切り替わり、絶対位置確立後は、従来と同様に位置検出部５のスケールデータを基に位相を作成する。

そして、本実施形態の異常判定部８は、図４及び図５に示すように、磁極検出部６と磁極位置計算部７から求まるそれぞれの磁極位置の差の値、又はその差の微分値を所定の閾値と比較し、位置検出部５又は磁極検出部６の異常の有無を判定する。例えば、９０°の位相差が発生した場合に異常と判定する。
このとき、異常判定部８は、磁極検出部６と磁極位置計算部７から求まるそれぞれの磁極位置の差の値、又はその差の微分値が継続的に所定の閾値を超えた場合に異常と判定することが好ましい。

したがって、本実施形態のサーボサーボモータの制御装置４においては、インクリメンタル形の位置検出部５に加えて磁極検出部を設け、磁極位置計算部７によって、絶対位置確立前に、少なくとも最初の計算で、磁極検出部６で検出された磁極位置を初期磁極位置として用い、それ以降の計算で、位置検出部５で検出された位置データとモータの磁極間隔とからインクリメンタルに磁極位置を計算するようにし、磁極検出部６と磁極位置計算部７から求まるそれぞれの磁極位置の差の値、又はその差の微分値を所定の閾値と比較することによって、絶対位置確立前に位置検出部５や磁極検出部６の異常チェックを行うことが可能になる。

よって、本実施形態のサーボサーボモータの制御装置４によれば、従来のように絶対位置確立前に異常を検出できないことに起因して、サーボモータ３が適正に駆動しないおそれを解消することが可能になる。

また、本実施形態のサーボサーボモータの制御装置４においては、絶対位置確立後は、磁極位置計算部７が位置検出器５から求まる絶対位置から磁極位置を計算するように切り替わることによって、絶対位置確立後は、従来と同様に位置検出部５のスケールデータを基に位相を作成し、異常チェックを行うことができる。

本実施形態のサーボサーボモータの制御装置４においては、異常判定部８が、磁極検出部６と磁極位置計算部７から求まるそれぞれの磁極位置の差の値、又はその差の微分値が継続的に所定の閾値を超えた場合に異常と判定することによって、誤判定をなくし、精度よく信頼性の高い位置検出部５や磁極検出部６の異常チェックを行うことが可能になる。

本実施形態のサーボサーボモータの制御装置４においては、異常判定部８が異常と判定した場合に、該判定の結果を受けてアラームを発生させ、サーボモータ３を停止させる警報部９を備えることによって、工作機械（産業用機械）の予期せぬ危険な動作を防止することができるとともに、オペレータに異常を迅速に認識させることが可能になる。

また、本実施形態では、換算／検出値比較部１０によって、ＣＮＣ２から出されたサーボモータ３の軸３ａなどの位置の指令値から励磁位相（モータの位置、磁極位置）の指令値を換算し、換算した指令値と位置検出部５、磁極検出部６で検出した検出値とを比較する。

これにより、位置検出部５と磁極検出部６の分解能の違い（分解能：位置検出部５＞磁極検出部６）を利用し、位置検出部５の異常発生か、磁極検出部６の異常発生かを識別することが可能になる。
さらに、換算／検出値比較部１０を備えた場合には、位置検出部５の位置精度を捉えることも可能になるため、例えば、工作機械では加工を高精度で制御することが可能になる。なお、この場合には、必ずしも異常判定部８を備えなくてもよい。

以上、サーボモータの制御装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１工作機械（産業用機械）の制御システム
２ＣＮＣ
３サーボモータ
３ａ軸
４サーボモータの制御装置
５位置検出部
６磁極検出部
７磁極位置計算部
８異常判定部
９警報部
１０換算／検出値比較部

Claims

産業用機械のサーボモータを制御するための装置であって、
前記サーボモータの位置を検出する位置検出部と、
前記サーボモータの磁極位置を検出する磁極検出部と、
絶対位置確立前に、少なくとも最初の計算で、前記磁極検出部で検出された磁極位置を初期磁極位置として求め、それ以降の計算で、前記位置検出部で検出された位置データとモータの磁極間隔とからインクリメンタルに磁極位置を求める磁極位置計算部と、
を備える、サーボモータの制御装置。
前記磁極検出部と前記磁極位置計算部から求まるそれぞれの磁極位置の差の値、又はその差の微分値を所定の閾値と比較して、前記位置検出部又は前記磁極検出部の異常の有無を判定する異常判定部を備える、
請求項１に記載のサーボモータの制御装置。
絶対位置確立後は、前記磁極位置計算部が前記位置検出器から求まる絶対位置から磁極位置を計算するように切り替わる、
請求項１または請求項２に記載のサーボモータの制御装置。
前記異常判定部は、前記差又は前記差の微分値が継続的に所定の閾値を超えた場合に異常と判定する、
請求項２または請求項３に記載のサーボモータの制御装置。
前記異常判定部が異常と判定した場合に、該判定の結果を受けてアラームを発生させ、前記サーボモータを停止させる警報部を備える、
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のサーボモータの制御装置。
前記サーボモータの位置の指令値から励磁位相の指令値を換算し、換算した指令値と検出値とを比較する換算／検出値比較部を備える、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のサーボモータの制御装置。