JP4661365B2 - リニアモータの制御方法及びリニアモータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、リニアスケールと並行配置されたベースコアに沿ってスライダが移動し、前記リニアスケールを用いて前記スライダの位置を検出し、検出位置をもとにスライダを移動するモータを転流制御して位置決め制御するリニアモータの制御方法及び制御装置に関する。

図４は、従来のリニアモータの構成例を示す機能ブロック図である。１は上位装置であり、パルス数で与えられる位置指令信号ＳＸを発信する。鎖線のブロック２は位置制御手段、３は位置制御ドライバ、４はスライダ、５は光学的なリニアスケールである。

位置制御手段２において、２１は積算カウンタであり、上位装置１からパルス数で与えられる位置指令信号ＳＸを積算し、ディジタルの位置指令信号Ｐｉに変換する。２２は周期検出手段であり、後述の位置検出手段４２の位置検出信号Ｐｘを入力してその周期を算出する。

２３は位置変換手段、２４は速度変換器であり、周期検出手段２２からの周期信号を取得して位置測定信号Ｐｆ及び速度測定信号Ｖｆに変換する。この動作原理については特許文献１に詳細に開示されているので、ここではその説明を省略する。

２５は位置制御部であり、位置指令信号Ｐｉと位置測定信号Ｐｆの偏差を演算して速度指令信号Ｖｉを出力する。２６は速度制御部であり、速度指令信号Ｖｉと速度測定信号Ｖｆの偏差を演算して推力指令Ｆを出力する。

位置制御ドライバ３において、３１は位相差検出手段であり、位置検出信号Ｐｘとスキャン周期ｆｏとの位相差を検出して転流制御手段３２に出力する。この転流制御手段３２の出力ｓｉｎωｔ及びｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）の信号と推力指令Ｆは、夫々乗算器３３及び３４で乗算され、Ｆｓｉｎωｔ及びＦｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）を出力する。

これら乗算器出力と電流検出手段３５及び３６の検出信号との偏差が電流制御手段３７に入力される。電流制御手段３７は、偏差を演算しパルス幅変調（ＰＷＭ）されたスイッチング信号を出力し、インバータを形成する３相スイッチング回路３８を開閉制御し、スライダ４に搭載された３相のモータ部４１のＵ相，Ｖ相，Ｗ相コイルに制御電流を供給する。

電流検出手段３５は、Ｕ相コイルに直列接続された電流検出抵抗Ｒｕの電圧降下を検出して電流制御手段３７にフィードバックする。同様に電流検出手段３６は、Ｖ相コイルに直列接続された電流検出抵抗Ｒｖの電圧降下を検出して電流制御手段３７にフィードバックする。Ｗ相コイルについてはフィードバックを行わない。

スライダ４に搭載された３相のモータ部４１は、磁性体で形成されるベースコアの溝に対向する複数のコアに巻回したコイルに交流制御電流を供給して図５示すベースコアとの間に推力を発生させる、いわゆるハイブリッド型面モータである。転流制御による３相の面モータに対するＰＷＭ電流制御の詳細に関しては、特許文献１に開示されているので、ここでは詳細説明を省略する。

図５は、スライダ４，リニアスケール５及びベースコア６の配置関係を示す平面図である。直線状の光学的なリニアスケール５は、スライダ４の移動ストロークをカバーする長さを有し、一定ピッチ（例えば２ｍｍ）の目盛り（スリット）が形成されている。

磁性体で形成されるベースコア６は、リニアスケール５と近接して並行配置され、このリニアスケール５の目盛りと同一ピッチの溝が形成され、リニアスケールの目盛と機械的に一致するように配置されている。

スライダ４は、モータ部４１の転流制御でこのベースコア６に沿って移動する。スライダ４に搭載された位置検出手段４２により、リニアスケール５を用いてスライダ４の位置を検出し、検出位置をもとにスライダを移動するモータ部４１を転流制御して位置決め制御する。

位置決め制御の分解能は、補間処理により、前記目盛りの１ピッチ（例えば２ｍｍ）を等間隔で分割（例えば１／８０００）した距離（例えば０．２５μｍ）となるので、リニアスケール５の目盛ピッチとベースコア６の溝ピッチは高精度の機械加工で一致するように設計されている。

特許文献１には、格子プラテンと、その上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドして位置制御されるスライダ部を有するＸＹステージが記載されている。

特開２０００−６５９７０

リニアスケール５の目盛ピッチとベースコア６の溝ピッチは高精度の機械加工で一致するように設計されているが、製造上の加工精度の違いから加工誤差によるズレを有する。このズレに起因して、従来のリニアモータの位置決め制御では次のような問題点がある。

（１）大型の位置決め装置に適用されるリニアモータでは、スライダ４のストロークが長くなるので、これに対応してリニアスケール５とベースコア６も長くなる。ある位置でリニアスケールの目盛り位置を、ベースコアの溝位置と完全に一致させるようにセットした場合、位置制御ループで位置検出されたリニアスケール上の指令位置にスライダ４が位置決め制御された状態において、前記加工ズレによりモータ部４１への転流角のズレが発生し、これがモータトルク減の要因となる。

（２）位置決めのサーボ系が機能して座標系が確定する前の初期状態では、リニアスケールはアブソリュートの位置検出機能を持たないので、スライダの現在位置が確定できない。従って、その位置での適正な転流角ズレ量を補正することが困難である。この補正を行なわないでサーボをオンにして原点復帰操作すると、最悪では意図した方向と逆向きのトルクが発生し暴走する危険がある。

従って本発明が解決しようとする課題は、初期状態でも位置決め制御状態においても適正な転流角ズレ量の補正を可能とするリニアモータの制御方法及びリニアモータの制御装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）リニアスケールと並行配置されたベースコアに沿ってスライダが移動し、前記リニアスケールを用いて前記スライダの位置を検出し、検出位置をもとにスライダを移動するモータを転流制御して位置決め制御するリニアモータの制御方法において、
転流あわせ点位置における前記スライダの転流角ズレ量をゼロとし、前記スライダの所定位置における転流角ズレ量を測定してパラメータとして保存するオフライン測定ステップと、
前記パラメータと前記スライダの位置情報に基づいて当該位置における転流角ズレ量の補正値を計算する転流角ズレ量計算ステップと、
前記計算された転流角ズレ量に基づいて前記転流角の補正を実行する転流角ズレ量補正ステップと、
を備えたことを特徴とするリニアモータの制御方法。

（２）前記スライダが非制御状態で任意の現在位置にあるとき、
前記パラメータと、スライダの位置を検出する位置検出手段から得られる位相差信号により前記現在位置を推定する現在位置推定計算ステップを有し、
前記推定計算された現在位置を前記位置情報とすることを特徴とする（１）に記載のリニアモータの制御方法。

（３）前記スライダが制御状態で指令された制御位置にあるとき、
前記制御位置の測定信号を前記位置情報とすることを特徴とする（１）に記載のリニアモータの制御方法。

（４）リニアスケールと並行配置されたベースコアに沿ってスライダが移動し、前記リニアスケールを用いて前記スライダの位置を検出し、検出位置をもとにスライダを移動するモータを転流制御して位置決め制御するリニアモータの制御装置において、
転流あわせ点位置における前記スライダの転流角ズレ量をゼロとし、前記スライダの所定位置における転流角ズレ量を測定してパラメータとして保存するオフライン測定手段と、
前記パラメータと前記スライダの位置情報に基づいて当該位置における転流角ズレ量の補正値を計算する転流角ズレ量計算手段と、
前記計算された転流角ズレ量に基づいて前記転流角の補正を実行する転流角ズレ量補正手段と、
を備えたことを特徴とするリニアモータの制御装置。

（５）前記スライダが非制御状態で任意の現在位置にあるとき、
前記パラメータとスライダの位置を検出する位置検出手段から得られる位相差信号により前記現在位置を推定する現在位置推定計算手段を有し、
前記推定計算された現在位置を前記位置情報とすることを特徴とする（４）に記載のリニアモータの制御装置。

（６）前記スライダが制御状態で指令された制御位置にあるとき、
前記制御位置の測定信号を前記位置情報とすることを特徴とする（４）に記載のリニアモータの制御装置。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）位置決め制御状態において、位置検出されたリニアスケール上のスライダ位置における転流角のズレを計算して適正な補正が実行されるので、スライダのどの位置でも転流角ズレに起因するモータトルク減は発生しない。

（２）位置決めのサーボ系が機能して座標系が確定する前の初期状態では、オフライン測定されたパラメータと位置検出手段から得られる位相差信号で現在位置を推定計算する簡易アブソリュート機能により、現在位置を確定してその位置における適正な転流角ズレ量を補正することできるので、サーボをオンにして原点復帰操作するときの暴走を効果的に防止することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用したリニアモータの一実施形態を示す機能ブロック図である。図４で説明した従来リニアモータと同一要素には同一符号を付して説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。

図１において、鎖線のブロック１００が本発明で追加された転流ズレ量管理手段であり、オフライン測定手段１０１、転流角ズレ量計算手段１０２、現在位置計算手段１０３、転流位相差検出手段１０４を備えている。

２０１はオフライン設定手段であり、スライダ４をオフラインで位置決めするための設定信号Ｐｔを出力する。２０２は切り換えスイッチであり、積算カウンタ２１の位置指令信号Ｐｉ又はオフライン設定信号Ｐｔを切り換えて位置制御手段２５に渡す。

図２は、オフライン測定ステップにおける測定手順を説明するイメージ図である。スライダ４は、リニアスケール５の目盛り範囲でＳｍｉｎからＳｍａｘまで移動可能である。位置決め制御の範囲は、この移動可能範囲の内側の原点位置０から有効ストローク長Ｓまでである。

簡単のため、原点位置０においてリニアスケールの目盛り位置とベースコア６の溝位置を精密に一致させ、この点の転流ズレ量ｘ０をゼロとしておく。切り換えスイッチ２０２を切り換えてオフライン設定値Ｐｔを有効ストローク長位置Ｓまでとし、スライダ４を移動制御する。

このとき、転流位相差検出手段１０４より得られる位相差信号φｍにより位置Ｓにおける転流角ズレ量ｘｍが得られる。ズレ量は、ｘ０からｘｍまで距離に比例して一様に拡大しているとみなせば、その勾配αを一意に決定できるので、これをパラメータとして保存する。

リニアスケールの目盛り位置とベースコア６の溝位置を精密に一致させる転流あわせ点位置は、図２のように有効ストロークの原点位置に限定されるものではなく、中間点又は任意点を選定することがで、勾配αを測定することができる。

次に、現在位置推定計算ステップの動作を説明する。スライダ４が非制御状態で任意の現在位置にある初期モードでは、モータに対して０°励磁（マイクロステップ動作）をさせ、転流位相差検出手段１０４により位置検出手段４２のエンコーダから得られる２信号（ｓｉｇ０，ｓｉｇ１信号）の位相差信号φｇを得る。

現在位置推定計算手段１０３は、この位相差信号φｇより得られる差転流角ズレ量と、前記オフライン測定ステップで得られたパラメータαにより、現在のスライダ４のパルス位置Ｐを推定計算する。図２において、現在位置での転流角ズレ量がｘであれば、スライダ４のパルス位置現在値Ｐは、勾配αとの交点位置で一意に決定される。この機能は、簡易アブソリュート機能である。

次に、転流角ズレ量計算ステップ及び転流角ズレ量補正ステップの動作を説明する。転流角ズレ量計算手段１０２は、スライダ４が非制御状態の初期モードと位置決め制御を実行している定常制御モードでは異なる動作をする。

初期モードでは、現在位置推定計算手段１０３からの位置計算値Ｐｇと、保存されたパラメータαを取得して現在位置における転流角ズレ量Ｘｇを計算し、これを位置ドライバ３における転流制御手段３２に渡して転流角を補正させる。

定常制御モードでは、位置決め制御されたスライダ４の位置測定信号Ｐｆと、保存されたパラメータαを取得して制御位置における転流角ズレ量Ｘｆを計算し、これを位置ドライバ３における転流制御手段３２に渡して転流角を補正させる。

図３は、本発明の各モードにおける信号処理手順を示すフローチャートである。オフラインモードはステップＳ１で実行され、位相差信号φｍにより転流角ズレ量をオフラインで測定し、パラメータαを保存する。

初期設定モードは、スライダ４を非制御状態としてステップＳ２乃至Ｓ４で実行される。ステップＳ２では、位相差信号φｇとパラメータαに基づいてスライダの現在位置を推定計算する。ステップＳ３では、この位置計算値Ｐｇとパラメータαに基づいて現在位置における転流角ズレ量Ｘｇを計算し、ステップＳ４で現在位置における転流角ズレ量の補正を実行する。

制御モードでは、スライダ４を制御状態としてステップＳ５乃至ステップＳ７で実行される。ステップＳ５では、制御の開始に当たってスライダ４を原点位置に復帰制御する。ステップＳ６では、位置決め制御されたスライダ４の測定信号Ｐｆとパラメータαに基づいて、測定位置における転流角ズレ量Ｘｆを計算し、ステップＳ７で転流角ズレ量の補正を実行する。

本発明を適用したリニアモータの一実施形態を示す機能ブロック図である。 オフライン測定ステップにおける測定手順を説明するイメージ図である。 本発明の各モードにおける信号処理手順を示すフローチャートである。 従来のリニアモータの構成例を示す機能ブロック図である。 スライダ，リニアスケール及びベースコアの配置関係を示す平面図である。

符号の説明

１ 上位装置
２ 位置制御手段
２１ 積算カウンタ
２２ 周期検出手段
２３ 位置変換手段
２４ 速度変換手段
２５ 位置制御手段
２６ 速度制御手段
３ 位置制御ドライバ
３１ 位相差検出手段
３２ 転流制御手段
３３，３４ 乗算器
３５，３６ 電流検出手段
３７ 電流制御手段
３８ ３相スイッチング回路
４ スライダ
４１ モータ部
４２ 位置検出手段
５ リニアスケール
１００ 転流角ズレ量管理手段
１０１ オフライン測定手段
１０２ 転流角ズレ量計算手段
１０３ 現在位置推定計算手段
１０４ 転流位相差検出手段
２０１ オフライン設定手段
２０２ 切り換えスイッチ

Claims (6)

1. リニアスケールと並行配置されたベースコアに沿ってスライダが移動し、前記リニアスケールを用いて前記スライダの位置を検出し、検出位置をもとにスライダを移動するモータを転流制御して位置決め制御するリニアモータの制御方法において、
   転流あわせ点位置における前記スライダの転流角ズレ量をゼロとし、前記スライダの所定位置における転流角ズレ量を測定してパラメータとして保存するオフライン測定ステップと、
   前記パラメータと前記スライダの位置情報に基づいて当該位置における転流角ズレ量の補正値を計算する転流角ズレ量計算ステップと、
   前記計算された転流角ズレ量に基づいて前記転流角の補正を実行する転流角ズレ量補正ステップと、
   を備えたことを特徴とするリニアモータの制御方法。
2. 前記スライダが非制御状態で任意の現在位置にあるとき、
   前記パラメータと、スライダの位置を検出する位置検出手段から得られる位相差信号により前記現在位置を推定する現在位置推定計算ステップを有し、
   前記推定計算された現在位置を前記位置情報とすることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの制御方法。
3. 前記スライダが制御状態で指令された制御位置にあるとき、
   前記制御位置の測定信号を前記位置情報とすることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの制御方法。
4. リニアスケールと並行配置されたベースコアに沿ってスライダが移動し、前記リニアスケールを用いて前記スライダの位置を検出し、検出位置をもとにスライダを移動するモータを転流制御して位置決め制御するリニアモータの制御装置において、
   転流あわせ点位置における前記スライダの転流角ズレ量をゼロとし、前記スライダの所定位置における転流角ズレ量を測定してパラメータとして保存するオフライン測定手段と、
   前記パラメータと前記スライダの位置情報に基づいて当該位置における転流角ズレ量の補正値を計算する転流角ズレ量計算手段と、
   前記計算された転流角ズレ量に基づいて前記転流角の補正を実行する転流角ズレ量補正手段と、
   を備えたことを特徴とするリニアモータの制御装置。
5. 前記スライダが非制御状態で任意の現在位置にあるとき、
   前記パラメータとスライダの位置を検出する位置検出手段から得られる位相差信号により前記現在位置を推定する現在位置推定計算手段を有し、
   前記推定計算された現在位置を前記位置情報とすることを特徴とする請求項４に記載のリニアモータの制御装置。
6. 前記スライダが制御状態で指令された制御位置にあるとき、
   前記制御位置の測定信号を前記位置情報とすることを特徴とする請求項４に記載のリニアモータの制御装置。
   
   
   
   
   
   
   

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