JP2764002B2 - 位置制御システム - Google Patents

位置制御システム

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JP2764002B2 JP5347358A JP34735893A JP2764002B2 JP 2764002 B2 JP2764002 B2 JP 2764002B2 JP 5347358 A JP5347358 A JP 5347358A JP 34735893 A JP34735893 A JP 34735893A JP 2764002 B2 JP2764002 B2 JP 2764002B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、各種工作機械や測定機
に用いられる位置制御システムに係り、特に交流同期モ
ータを用いてサーボ制御を行う位置制御システムに関す
る。
【0002】
【従来の技術】交流同期モータを用いた従来の位置制御
システムでは、交流同期モータを効率よく駆動するとい
う観点から、モータの磁極位置を検出してトルク電流を
与える方式(ベクトル制御方式)が多く採用されてい
る。交流同期モータの電流制御では通常、図3に示すモ
デルを使用して、3相交流モデルを制御し易い2軸直流
モデルに座標変換する。この変換式は次のように表され
る。まず図3の角度変数θを用いて、次の数1が得られ
る。
【0003】
【数1】
【0004】ここで、Iu ,Iv ,Iw はそれぞれU
相,V相,W相の電気子電流であり、Id ,Iq は2軸
直流モデルのそれぞれd軸,q軸電気子電流である。数
1に、Iw =−Iu −Iv の関係を代入することによ
り、次の数2が得られる。
【0005】
【数2】
【0006】この数2の座標変換を行って電流帰還制御
量Id ,Iq が得られる。更に、電流制御ループにおい
て電流指令値と電流帰還量の加算により得られるd軸,
q軸の電気子電圧Vd ,Vq から実際にモータ駆動を行
うパワーアンプに与える3相の電圧指令値Vu ,Vv ,
Vw を得る座標変換は、数1の逆変換であり、次の数3
の変換式が用いられる。
【0007】
【数3】
【0008】以上の電流制御アルゴリズムから明らかな
ように、座標変換を行うために、交流同期モータの磁極
位置である角度変数θが必要である。従ってこのような
交流同期モータ制御にあっては、角度変数θを測定する
ことが不可欠であって、そのために通常ロータリエンコ
ーダと磁極を検出するためのポールセンサとが用いられ
る。即ちロータリエンコーダがインクリメンタル方式の
場合には、これだけでは絶対角度位置情報が得られない
から、ポールセンサにより60°(電気角)毎の磁極を
検出し、その出力を基準としてロータリエンコーダの出
力を利用した絶対カウンタを構築して上述の座標変換に
必要な角度変数θを求める。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の交
流同期モータを用いた位置制御システムでは、ロータリ
エンコーダとポールセンサとが用いられる。また、テー
ブル等の被制御対象の精密位置決めをの行うために、ロ
ータリエンコーダとは別に絶対位置検出ができるリニア
エンコーダを備えたシステムも多く存在する。このため
この種のシステムは構成が複雑になり、多くの配線スペ
ースも必要であるために全体が大型になり、コスト高に
なるといった問題があった。
【0010】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたので、構造的簡略化と低コスト化を図った、交流同
期モータを用いた位置制御システムを提供することを目
的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に係る第1の位置
制御システムは、被制御対象を直線駆動するための交流
同期モータと、この交流同期モータの磁極を検出するポ
ールセンサと、前記被制御対象の絶対位置を測定するリ
ニアエンコーダと、このリニアエンコーダの出力から前
記交流同期モータの回転角度を演算出力する第1の演算
手段と、この第1の演算手段の出力から前記ポールセン
サの出力を基準として前記交流同期モータの磁極位置を
検出する磁極位置検出手段と、前記リニアエンコーダの
出力から前記同期モータの回転速度を演算出力する第2
の演算手段と、外部からの位置指令値に対して前記リニ
アエンコーダの出力である位置情報を帰還して速度指令
値を出力する位置制御手段と、この位置制御手段が出力
する速度指令値に対して前記第2の演算手段の出力であ
る速度情報を帰還して電流指令値を出力する速度制御手
段と、この速度制御手段からの電流指令値に対して、前
記交流同期モータの電気子電流を前記磁極位置検出手段
の出力により座標変換して得られる制御電流値を帰還し
て電圧指令値を出力する電流制御手段と、この電流制御
手段の出力を前記磁極位置検出手段の出力により座標変
換して前記交流同期モータを制御駆動するモータ駆動手
段とを有することを特徴とする。
【0012】本発明に係る第2の位置制御システムは、
被制御対象を直線駆動するための交流同期モータと、前
記被制御対象の絶対位置を測定するリニアエンコーダ
と、このリニアエンコーダの出力から前記交流同期モー
タの回転角度を演算出力する第1の演算手段と、この第
1の演算手段の出力に基づいて前記交流同期モータの磁
極位置を検出する磁極位置検出手段と、前記リニアエン
コーダの出力から前記同期モータの回転速度を演算出力
する第2の演算手段と、外部からの位置指令値に対して
前記リニアエンコーダの出力である位置情報を帰還して
速度指令値を出力する位置制御手段と、この位置制御手
段が出力する速度指令値に対して前記第2の演算手段の
出力である速度情報を帰還して電流指令値を出力する速
度制御手段と、この速度制御手段からの電流指令値に対
して、前記交流同期モータの電気子電流を前記磁極位置
検出手段の出力により座標変換して得られる制御電流値
を帰還して電圧指令値を出力する電流制御手段と、この
電流制御手段の出力を前記磁極位置検出手段の出力によ
り座標変換して前記交流同期モータを制御駆動するモー
タ駆動手段とを有することを特徴とする。
【0013】
【作用】本発明の第1の位置制御システムでは、従来モ
ータに取り付けられていたロータリエンコーダを用い
ず、絶対位置検出を行うリニアエンコーダがその代わり
の役割を果たすようにしている。リニアエンコーダの出
力である絶対位置と同期モータの回転角の関係は予め分
かっているから、リニアエンコーダの出力に所定の係数
をかけることにより簡単に回転角度量に換算することが
できる。従って第1の演算手段によりこの換算を行っ
て、ポールセンサの出力を基準として、磁極位置検出手
段により従来と同様に磁極位置θを検出する事ができ
る。また時間情報は、ソフトウェアによる演算によりサ
ーボ系が構成されているコントローラであれば、回転速
度情報を演算する演算周期(サンプリング周期)から得
られ、ハードウェアでサーボ系が構成されているコント
ローラであれば、回転速度検出回路で使用されている発
振回路クロックから得られるから、これとリニアエンコ
ーダの出力を用いて、第2の演算手段によって、従来ロ
ータリエンコーダから得ていた回転速度情報に相当する
情報を換算出力して、速度指令に対する帰還量とするこ
とができる。
【0014】本発明の第2の位置制御システムでは、ロ
ータリエンコーダだけでなく、ポールセンサも除かれ
る。この場合は、ポールセンサ出力に相当する基準位置
情報を例えばモータの逆起電圧波形より確認し、その基
準の機械の絶対位置を記憶しておくことにより、リニア
エンコーダ出力のみから磁極位置検出が可能である。従
って本発明の位置制御システムは、省スペース,省配線
による構造の簡略化が図られ、またコストダウンが図ら
れる。
【0015】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。図1は、本発明の一実施例に係る位置制御シス
テムの構成を示す。この実施例では被制御対象はテーブ
ル1である。テーブル1は交流同期モータ3により回転
駆動されるポールネジ2によって直線駆動される。交流
同期モータ3にはその磁極検出を行うポールセンサ4が
取り付けられている。テーブル1の下には、テーブル1
の絶対位置を精密測定するためのリニアエンコーダ5が
設けられている。交流同期モータ3を制御駆動するパワ
ーアンプ13の出力部には、3相電気子電流のうちU
相,V相の電気子電流Iu ,Iv を検出する電流検出回
路14が設けられている。
【0016】モータ制御を行うサーボ回路は、外部から
の位置指令値とリニアエンコーダ5からの位置フィード
バック信号の加算により速度指令値を出す位置制御器
6、この位置制御器5から得られる速度指令値と速度フ
ィードバック信号の加算により電流指令値を出力する速
度制御器7、この速度制御器7からのq軸電流指令値及
びd軸電流指令値(Id =0)と電流フィードバック信
号の加算により電圧指令値を出力する電流制御器8,9
が設けられている。
【0017】2軸直流モデルでの電流制御のための座標
変換を行うために、磁極位置検出回路15、座標変換回
路11及び12が設けられている。磁極位置検出回路1
5は、ポールセンサ4の出力を基準として磁極位置を示
す角度変数θの余弦値cos θ,及び正弦値sin θを出力
するもので、そのためにリニアエンコーダ5の出力から
交流同期モータ3の回転角度を演算出力する第1の演算
回路16が設けられている。リニアエンコーダ5の出力
が示す直線距離lと交流同期モータ3の回転角αの間は
比例関係にあり、その比例定数は一義的に決まっている
から、この第1の演算回路16は具体的には、リニアエ
ンコーダ5の出力である位置情報に対して係数k(=α
/l)をかけることにより、回転角度量を得るものであ
る。磁極位置検出回路15の本体は絶対値カウンタであ
って、ポールセンサ4の出力を基準としてそこからの回
転角度としての磁極位置θを算出し、更にこれからsin
θ,cos θを出力する。
【0018】また、リニアエンコーダ5の出力から速度
フィードバック量を得るために、第2の演算回路17が
設けられている。リニアエンコーダ5の出力である距離
情報から交流同期モータ3の回転速度を求めるために
は、時間情報が必要である。そこでこの第2の演算回路
17は、ソフトウェアによる演算によりサーボ系が構成
されているコントローラであれば、回転速度情報を演算
する演算周期(サンプリング周期)から得られる時間情
報、ハードウェアでサーボ系が構成されているコントロ
ーラであれば、回転速度検出回路で使用されている発振
回路クロックから得られる時間情報により速度フィード
バック量を得ている。
【0019】座標変換回路11は、磁極位置検出回路1
5の出力sin θ,cos θと電流検出回路14の出力Iu
,Iv とから、前述の数2に基づく電流フィードバッ
ク量Id ,Iq を算出する。また座標変換回路12は、
2軸電圧指令値Vd ,Vq から、前述の数3に基づいて
3相電圧指令値Vu ,Vv ,Vw を算出する。非干渉制
御器10は、フィードバック制御の補償用である。
【0020】以上のようにこの実施例では、従来同期モ
ータ3に取り付けられていたロータリエンコーダが取り
除かれている。そしてロータリエンコーダに代わってリ
ニアエンコーダ5の出力を利用して、第1の演算回路1
6及び第2の演算回路17を設けて、ロータリエンコー
ダ出力に対応する制御信号を得ている。従ってロータリ
エンコーダ及びその配線の分、省スペース,省配線が図
られることになる。
【0021】図2は、本発明の別の実施例に係る位置制
御システムである。図1の実施例と対応する部分には図
1と同一符号を付して詳細な説明は省く。この実施例に
おいては、ロータリエンコーダのみでなく、ポールセン
サも除かれている。ポールセンサ出力に相当する基準信
号は例えばモータの逆起電圧波形より確認し、その基準
の機械の絶対位置を記憶しておくことにより、リニアエ
ンコーダ出力のみから得ることができる。この基準信号
を用いて、先の実施例と同様に磁極位置検出回路15で
基準磁極位置からの回転角度としての磁極位置θを算出
し、更にこれからsin θ,cos θを出力することができ
る。この実施例によれば、先の実施例より更に位置制御
システムの構造的簡略化が図られる。
【0022】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、ロー
タリエンコーダ更に必要ならポールセンサを除いて構造
的簡略化と低コスト化を図った、交流同期モータを用い
た位置制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例の位置制御システムを示
す。
【図2】 本発明の他の実施例の位置制御システムを示
す。
【図3】 交流同期モータ制御方式を説明するための図
である。
【符号の説明】
1…テーブル(被制御対象)、2…ポールネジ、3…交
流同期モータ、4…ポールセンサ、5…リニアエンコー
ダ、6…位置制御器、7…速度制御器、8,9…電流制
御器、10…非干渉制御器、11…座標変換回路、12
…座標変換回路、13…パワーアンプ、14…電流検出
器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−132012(JP,A) 特開 平5−204455(JP,A) 特開 昭63−73307(JP,A) 特開 平1−157284(JP,A) 特開 平6−102935(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G05D 3/12 302 G05D 3/12 G05D 3/12 306

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被制御対象を直線駆動するための交流同
    期モータと、 この交流同期モータの磁極を検出するポールセンサと、 前記被制御対象の絶対位置を測定するリニアエンコーダ
    と、 このリニアエンコーダの出力から前記交流同期モータの
    回転角度を演算出力する第1の演算手段と、 この第1の演算手段の出力から前記ポールセンサの出力
    を基準として前記交流同期モータの磁極位置を検出する
    磁極位置検出手段と、 前記リニアエンコーダの出力から前記同期モータの回転
    速度を演算出力する第2の演算手段と、 外部からの位置指令値に対して前記リニアエンコーダの
    出力である位置情報を帰還して速度指令値を出力する位
    置制御手段と、 この位置制御手段が出力する速度指令値に対して前記第
    2の演算手段の出力である速度情報を帰還して電流指令
    値を出力する速度制御手段と、 この速度制御手段からの電流指令値に対して、前記交流
    同期モータの電気子電流を前記磁極位置検出手段の出力
    により座標変換して得られる制御電流値を帰還して電圧
    指令値を出力する電流制御手段と、 この電流制御手段の出力を前記磁極位置検出手段の出力
    により座標変換して前記交流同期モータを制御駆動する
    モータ駆動手段と、を有することを特徴とする位置制御
    システム。
  2. 【請求項2】 被制御対象を直線駆動するための交流同
    期モータと、 前記被制御対象の絶対位置を測定するリニアエンコーダ
    と、 このリニアエンコーダの出力から前記交流同期モータの
    回転角度を演算出力する第1の演算手段と、 この第1の演算手段の出力に基づいて前記交流同期モー
    タの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、 前記リニアエンコーダの出力から前記同期モータの回転
    速度を演算出力する第2の演算手段と、 外部からの位置指令値に対して前記リニアエンコーダの
    出力である位置情報を帰還して速度指令値を出力する位
    置制御手段と、 この位置制御手段が出力する速度指令値に対して前記第
    2の演算手段の出力である速度情報を帰還して電流指令
    値を出力する速度制御手段と、 この速度制御手段からの電流指令値に対して、前記交流
    同期モータの電気子電流を前記磁極位置検出手段の出力
    により座標変換して得られる制御電流値を帰還して電圧
    指令値を出力する電流制御手段と、 この電流制御手段の出力を前記磁極位置検出手段の出力
    により座標変換して前記交流同期モータを制御駆動する
    モータ駆動手段と、を有することを特徴とする位置制御
    システム。
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JP4104409B2 (ja) * 2002-09-27 2008-06-18 株式会社ミツトヨ サーボ機構
DE102004056726B4 (de) * 2004-11-19 2014-12-24 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Lage eines ersten Objektes bezüglich eines zweiten Objektes
JP4811727B2 (ja) * 2006-11-01 2011-11-09 株式会社安川電機 永久磁石界磁同期電動機制御装置
CN113541538A (zh) * 2021-07-26 2021-10-22 珠海格力电器股份有限公司 伺服驱动器和伺服驱动系统

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