JP4162008B2 - リニアサーボシステムの磁極位置検出方法 - Google Patents
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固定子の磁極をa,b,cの3種のパルス信号を用いて可動子側で検出するもので、磁極位置検出の精度は図に示すように電気角360°を6分割した電気角60°となる。ただし、この信号は位置のフィードバック用の信号とは別の信号である。
しかし、リニアモータではモータとスケール(検出器)との距離が長く、またモータとスケールとが一体でないため、スケールの位置とモータの磁極とが一致せず、磁極検出用の特別な検出機構および回路が必要であるという問題点があった。さらに、磁極位置検出の精度が電気角60°と粗いという問題点があった。
図1は、この発明の実施の形態1であるアナログの正余弦波を内挿して速度フィードバック量を得るサーボ制御装置の制御ブロックを示す図である。
図において、1は機械位置を検出すると共にアナログの正余弦波原信号を出力するリニアスケール、3はアナログの正余弦波原信号を伝送するアナログ波伝送路、4は位置信号としてのA,B相パルスを伝送するA,B相パルス伝送路、6はリニアモータ、10はリニアモータ6およびリニアスケール1を搭載したリニアサーボ機械、11は位置制御部、12は速度制御部、13は電流制御部、14はアナログの正余弦波を内挿して速度フィードバック量を得る内挿/データ化手段である。
位置制御用の位置フィードバック量は、リニアスケール1から出力される位置信号としてのA,B相パルスを使用し、速度制御用の速度フィードバック量は、リニアスケール1から出力されるアナログの正余弦波を内挿/データ化手段14で内挿したデータを使用する。
電源投入時に、絶対位置データ伝送路5で伝送される絶対位置データを読み込む。その後は、A,B相パルス伝送路4で伝送されるインクリメンタル信号のA,B相パルス出力をカウントし、加算することにより、上述の電源投入時に絶対位置データ伝送路5で伝送された絶対位置を、更新して位置フィードバック量を演算する。
また、速度についてはアナログ波伝送路3で伝送されるアナログの正余弦波を速度検出手段2で内挿して速度フィードバック量を得る。
ステップS101で、アナログ正弦波/余弦波を同時サンプリングし、A/D変換する。
ステップS102で、それぞれのオフセット補正データSIN(OF),COS(OF)
を除去したデータSINθ’,COSθ ’を得る。
ステップS103で、振幅補正ゲインSIN(AM),COS(AM)をSINθ ’,COSθ ’に乗算し、振幅差のない理想振幅の正弦波/余弦波SINθ”,COSθ”を得る。
ステップS104で、余弦波側を次式加法定理によりrだけずらしてSINθ”,COSθ”を基準にCOSθ'''を得る。(ここで、rはSINθとのずれ角で、SINθとCOSθとの位相差が90°からrずれていることを示す。)
COSθ'''=COSθ”・COSr−SINθ”・SINr
ステップS105で、SINθ”とCOSθ'''とからtan−1θを演算する。
これは、回転型モータを使用した直結のボールネジ10mmの機械の場合と比較すると、12万パルス/回転となる。
図4は、この発明の実施の形態2に係るサーボ制御装置のブロック図である。図において、1、3〜6、10は、実施の形態1の図2と同様のものであり、その説明を省略する。7bはリニアモータ6を位置制御するサーボ制御装置、15はアナログの正余弦波を内挿して高分解能な速度データを得ると共にこのデータをシリアルデータ化して、サーボ制御装置7bに伝送するリニアサーボI/F装置である。
前述の実施の形態1では、内挿/データ化手段14を速度検出手段2としてサーボ制御装置7aに内蔵した例を示したが、この実施の形態ではリニアサーボI/F装置15でアナログの正余弦波を内挿して高分解能な速度データを得ると共にこのデータをシリアルデータ化して、サーボ制御装置7bに伝送するようにしたものである。
図5は、この発明の実施の形態3に係るサーボ制御装置の制御ブロック図である。図において、1、3、4、6、10〜14は、実施の形態1の図2と同様のものであり、その説明を省略する。16は、内挿/データ化手段14により算出された速度データとリニアスケール1から出力される位置信号としてのA,B相パルスをカウントした位置データとから位置データを合成する位置データ合成手段である。
ステップS201で、アナログの正余弦波を内挿して高分解能な速度データPvを得る。ステップS202で、アナログの正余弦波のサンプリングと同時にサンプリングしたA,
B相パルス出力をカウントした位置データP.FBを参照する。
ステップS203で、位置データP.FBに基準誤差量Pbeを加算した位置補正データPcを得る。(ここで、基準誤差量Pbeは位置と速度とのデータ差であり、リニアスケールを初めて使用した時に測定し、予め不揮発性メモリ等に格納しておく。)
Pc=P.FB+Pbe
ステップS204で、位置補正データPcと速度データPvとを重ね合わせ、この重ね合わせで発生する誤差をPeとする。(この場合の基準は、精度の高い速度側とする。)
続けて、位置補正データPcに誤差Peを加算して、高分解能の位置データPc’を得る。
Pe=Pc−Pv
(ただし、位置データP.FBの1パルスを基準として、|Pe|≦1/2パルス)
Pc’=Pc+Pe
この位置データは、位置制御・速度制御毎に毎回作成し、位置情報・速度情報として使用する。
図において、1、3、4、6、10は、実施の形態1の図2と同様のものであり、その説明を省略する。7cはサーボ制御装置、17はアナログの正余弦波を内挿して高分解能な速度データを得ると共に位置データ合成をする速度検出/位置データ合成手段である。内挿/データ化手段14および位置データ合成手段16を速度検出/位置データ合成手段17としてサーボ制御装置7cに内蔵したものである。
図において、1、3、4、6、10は、実施の形態1の図1と同様のものであり、その説明を省略する。7dはサーボ制御装置、18はアナログの正余弦波を内挿して高分解能な速度データを得、位置データ合成をすると共にこのデータをシリアルデータ化して、サーボ制御装置7dに伝送するリニアサーボI/F装置である。
図9は、この発明の実施の形態4に係る速度累積位置と位置累積位置との関係を示す図である。
速度データと位置データとを累積し、この累積値の差を常に監視し、この累積値の差が一定値を越えた場合にアラームとするものである。
図10は、この発明の実施の形態5に係るサーボ制御装置のブロック図である。図において、1、3、4、6、10は、実施の形態1の図1と同様のものであり、その説明を省略する。7eはサーボ制御装置、21は温度サーマルなどのモータ情報用の伝送路、22は機械情報用の伝送路、23はリニアサーボI/F装置である。
図11は、この発明の実施の形態6に係るサーボ制御装置のブロック図である。
図において、1aは絶対位置検出リニアスケール、6はリニアモータ、7fはサーボ制御装置、24は機械負荷、25は直流電圧指令可変手段である。リニアモータの磁極位置を検出するために行なう直流励磁は実機においては、機械負荷25に応じて変化させる必要があり、直流電圧指令可変手段25は、パラメータによりサーボ制御装置7fがリニアモータ6に印加する直流電圧指令を可変するので、常に適正な位置に停止させる。
直流励磁に対し、リニアモータ6は磁気的に吸引される位置で停止するが、機械によっては調整位置が制限される場合が想定され、図では3相のパターン6個の例を示したが、更に細かい角度レベルで任意に選べるようにして、なるべく少ない移動距離で停止できるようにしてもよい。
ステップS301で、同期型リニアサーボモータ(LSM)の磁極位置を検出するために、モータをあるパターンの直流励磁をする。
ステップS302で、モータは直流励磁のパターンにより所定の電気角で停止するので、この位置における絶対位置カウンタを基準磁極位置(MPBP)として、サーボ制御装置あるいはその上位のコントローラに記憶する。
ステップS311で、電源投入時絶対位置カウンタ(ABS0)を読み込む。
ステップS312で、初期調整時に記憶した基準磁極位置(MPBP)とサーボパラメータのリニアスケール分解能(SKP(p/mm))、磁極ピッチ(MPIT(mm))を基に、次式により現在のモータ電気角θを得る。
A=余り((ABS0−MPBP)/(SKP*MPIT))
θ=(A*360)/(SKP*MPIT)
ステップS313で、モータ電気角θを使用して電流制御を行なう。
図15は、この発明の実施の形態7に係る駆動時の磁極検出方法(初期調整時)を示すフローチャートである。
ステップS321で、自動で一定の直流励磁のパターンにより励磁を行なう。
ステップS322で、停止位置の絶対位置(MPBP0)を記憶する。
ステップS323で、上述の図14のフローチャートにより絶対位置(MPBP0)を基に作成された磁極位置から、モータを例えば左側へ電気角で30°程度ずらした位置に移動した後、再び励磁し停止した位置の絶対位置(MPBPL)を記憶する。
ステップS324で、モータを右側(ステップS323と逆方向)へ電気角で30°程度ずらした位置に移動した後、再び励磁し停止した位置の絶対位置(MPBPR)を記憶する。
ステップS325で、ステップS323で記憶した絶対位置(MPBPL)とステップS324で記憶した絶対位置(MPBPR)との中心を真の磁極位置とする。
真の磁極位置 MPBP=(MPBPL+MPBPR)/2
図16は、この発明の実施の形態8に係る上下軸の駆動時の磁極検出方法(初期調整時)を示すフローチャートである。
ステップS331で、上下軸のブレーキはかけたままとする。
ステップS332で、ブレーキの保持力よりも小さな励磁力の電圧指令Vpによる一定の直流励磁のパターンにより励磁を行なう。
ステップS333で、q軸電流の方向を確認し、この方向が上昇方向の場合はステップS335に進む。
q軸電流の方向が下降方向の場合は、ステップS334で励磁相を逆転する。ステップS335で、電圧指令Vpを徐々に大きくし、動き出すのを確認した後、ブレーキを解除する。
ステップS336で、停止位置の絶対位置(MPBPP)を記憶する。
図17は、この発明の実施の形態9に係る駆動時の磁極検出方法(初期調整時)を示すフローチャートである。
ステップS341で、一定の電圧指令Vpで直流励磁する。
ステップS342で、相電流を検出する。
Iu,Iv,Iw(=−(Iu+Iv))
ステップS343で、検出した相電流を規定値と比較する。
検出した相電流が規定値より大きい場合は、ステップS344で電圧指令Vpを減少し、ステップS343に戻る。検出した相電流が規定値より小さい場合は、ステップS345で停止位置の絶対位置(MPBP)を記憶する。
図18は、この発明の実施の形態10に係る相対位置検出リニアスケールを使用した場合の磁極検出方法を示すフローチャートである。
ステップS401で、サーボ制御装置の電源を投入する。
ステップS402で、一定の電圧指令Vpで直流励磁する。
ステップS403で、停止位置のインクリメンタルのカウント値(MPOS)を記憶する。
ステップS404で、リニアスケール分解能(SKP(p/mm))と磁極ピッチ(MPIT(mm))と停止位置のインクリメンタルのカウント値(MPOS)と現在のフィードバックカウンタ位置MPAMとを基に、次式により現在のモータ電気角θを得る。
A=余り((MPAM−MPOS)/(SKP*MPIT))
θ=(A*360)/(SKP*MPIT)
ステップS405で、モータ電気角θを使用して電流制御を行なう。
ステップS411で、一定の電圧指令Vp1で直流励磁する。
ステップS412で、モータの動き出す方向をチェックする。このフローチャートでは、最初に左側へ動いたかチェックする例で以下説明する。モータの動き出す方向が左側の場合、ステップS418へ進む。
ステップS414で、左側に移動したかチェックし、左側に移動した場合、この位置を記憶し、ステップS421へ進む。
右側に移動した場合、ステップS415で、停止した位置を記憶し、電圧指令Vp5の励磁パターンに変更する。
ステップS416で、左側に移動したかチェックし、左側に移動した場合、この位置を記憶し、ステップS421へ進む。
右側に移動した場合、ステップS415で、電圧指令Vp4の励磁パターンに変更し、停止した位置を記憶し、ステップS421へ進む。
ステップS419で、左側に移動かチェックし、右側に移動した場合、この位置を記憶し、ステップS421へ進む。
左側に移動した場合、ステップS420で、電圧指令Vp3の励磁パターンに変更し、停止した位置を記憶し、ステップS421へ進む。
以降、上述の図18のステップS404、ステップS405と同様に、モータ電気角θを算出して電流制御を行なう。
この実施の形態では、励磁パターンを自動で変化させながら一番近い位置で、磁極位置を検出するものである。
図20は、この発明の実施の形態11に係る相対位置検出リニアスケールを使用した場合の磁極調整時の最終微調の状況を示す図である。
直流励磁により調整された磁極位置は、機械負荷などにより微小なずれを持っている可能性がある。そこで、磁極調整の最後に往復運転を数回行ない、加減速に必要なピーク電流のバランスを見ながら基準位置を補正する。
図のように、モータ早送り加速時の電流が左方向100%で右方向90%と10%のずれがある場合、磁極基準位置MPBPを以下の式で算出し、
MPBP=MPBP+(A−B)*Kc
(ここで、KcはMPBP調整用比例定数)
再び加減速を行なう。数回の加減速運転により収束した時点で、適正なMPBPとする。
図21は、この発明の実施の形態12に係る相対位置検出リニアスケールを使用した場合の磁極調整時の最終微調を示すフローチャートである。
ステップS501で、両方向に加減速する。
ステップS502で、加減速時のIdmaxを測定する。
ステップS503で、Idmaxと基準ピーク値Ipdmaxとを比較し、Idmaxが基準ピーク値Ipdmaxより小さければ、現状の磁極基準位置MPBPでOKとする。
Idmaxが基準ピーク値Ipdmaxより大きければ、ステップS504で、磁極基準位置MPBPに定数kを加算し、ステップS501に戻る。
2 速度検出手段
3 アナログ波伝送路
4A B相パルス伝送路
5 絶対位置データ伝送路
6 リニアモータ
7a,7b,7c,7d,7e,7f サーボ制御装置
8 数値制御装置
10 リニアサーボ機械
11 位置制御手段
12 速度制御手段
13 電流制御手段
14 内挿/データ化手段
15 リニアサーボI/F装置
16 位置データ合成手段
17 速度検出/位置データ合成手段
18 サーボ制御装置
21 モータ情報用の伝送路
22 機械情報用の伝送路
23 リニアサーボI/F装置
24 機械負荷
25 直流電圧指令可変手段
Claims (6)
- リニアモータと、絶対位置データ、位置信号としてのA,B相パルスおよびアナログの正余弦波を出力する絶対位置検出リニアスケールと、を備えたリニアサーボシステムの磁極位置検出方法において、
電源投入時に、一定の電圧指令で直流励磁する段階と、
停止した位置の絶対位置を基に磁極位置を作成する段階と、
再び励磁し、右側および左側へ移動させる段階と、
停止した位置の絶対位置を記憶する段階と、
この記憶した右側移動時の絶対位置と左側移動時の絶対位置との中心を真の磁極位置として作成する段階と、
を有するリニアサーボシステムの磁極位置検出方法。 - 上下軸として使用されるリニアモータと、このリニアモータを制動するブレーキと、絶対位置データ、位置信号としてのA,B相パルスおよびアナログの正余弦波を出力する絶対位置検出リニアスケールと、を備えたリニアサーボシステムの磁極位置検出方法において、
上下軸の前記ブレーキはかけたままでブレーキの保持力よりも小さな励磁力の電圧指令による一定の直流励磁のパターンにより励磁を行なう段階と、
q軸電流の方向を確認し、下降方向の場合は、励磁相を逆転する段階と、
前記電圧指令を徐々に大きくし、前記リニアモータが動き出すのを確認した後ブレーキを解除する段階と、
動き出したリニアモータがその後磁極的に吸引されて停止する位置を磁極位置として記憶する段階と、
を有するリニアサーボシステムの磁極位置検出方法。 - リニアモータと、絶対位置データ、位置信号としてのA,B相パルスおよびアナログの正余弦波を出力する絶対位置検出リニアスケールと、を備えたリニアサーボシステムの磁極位置検出方法において、
所定の電圧指令で直流励磁を開始する段階と、検出した相電流が規定値より大きい場合は、前記電圧指令を減少させ再度直流励磁を行う段階と、検出した相電流が規定値より小さい場合は、前記リニアモータがその後磁極的に吸引されて停止する位置を磁極位置として記憶する段階と、を有するリニアサーボシステムの磁極位置検出方法。 - リニアモータと、位置信号としてのA,B相パルスおよびアナログの正余弦波を出力する相対位置検出リニアスケールと、を備えたリニアサーボシステムの磁極位置検出方法において、
電源投入時に、一定の電圧指令で直流励磁する段階と、
リニアモータの移動方向をチェックする段階と、
停止した位置のインクリメンタルのカウント値を記憶する段階と、
励磁パターンを変更し、異なる電圧指令で直流励磁する段階と、
リニアモータの移動方向をチェックする段階と、
リニアモータの移動方向が励磁パターン変更前のリニアモータの移動方向と反対方向であれば、前記記憶した停止位置を基に磁極位置を検出する段階と、
また、リニアモータの移動方向が励磁パターン変更前のリニアモータの移動方向と同じであれば、停止位置のインクリメンタルのカウント値を記憶し、この記憶停止位置のインクリメンタルのカウント値を基に磁極位置を検出する段階と、
を有するリニアサーボシステムの磁極位置検出方法。 - リニアモータと、位置信号としてのA,B相パルスおよびアナログの正余弦波を出力する相対位置検出リニアスケールと、を備えたリニアサーボシステムの磁極位置検出方法において、
直流励磁により磁極基準位置を算出する段階と、
往復運転を行ない、加減速に必要なピーク電流のバランスを見ながら基準位置を補正するする段階と、
を有し、数回の加減速運転により収束した時点で、適正な磁極基準位置とすることを特徴とするリニアサーボシステムの磁極位置検出方法。 - リニアモータと、位置信号としてのA,B相パルスおよびアナログの正余弦波を出力する相対位置検出リニアスケールと、を備えたリニアサーボシステムの磁極位置検出方法において、
直流励磁により磁極基準位置を算出する段階と、
両方向に加減速する段階と、
加減速時のピーク電流を測定する段階と、
測定したこの加減速時のピーク電流を基準ピーク値とを比較する段階と、
測定したこの加減速時のピーク電流が基準ピーク値より小さければ、前記磁極基準位置を磁極基準位置とする段階と、
また、測定したこの加減速時のピーク電流が基準ピーク値より大きければ、前記磁極基準位置に定数を加算し、再度両方向に加減速する段階に戻す段階と、
を有し、測定したこの加減速時のピーク電流が基準ピーク値より小さくなるまで、前記段階を繰り返すことを特徴とするリニアサーボシステムの磁極位置検出方法。
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