JP5648863B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、モータ制御装置に関する。

特許文献１には、ワークを保持したテーブルを任意の方向に移動して位置決めを行うようにしたワークステージにおいて、テーブルの位置をレーザ光を利用して測定するレーザ測長器と、このテーブルの位置決めのために使用される位置測定器と、レーザ測長器による位置データが正常であるか否かを判定し、正常と判定した場合にレーザ測長器で得られた位置データに基づいてテーブルの位置決めの誤差を求める制御部を備える技術が記載されている。

特開２００４−３４９４９４号

上記従来技術では、レーザ光軸の遮断等によりレーザ測長器による位置データが異常であると判定された場合に、レーザ測長器の初期化が行われる。この初期化は、レーザ測長器による位置制御を位置測定器による位置制御に切り替えた上で、テーブルを原点又は基準位置に移動して行われる。

しかしながら、このように位置制御に使用される位置検出器を切り替える場合、ショック（指令速度の急峻な変動）が発生する可能性がある。このようなショックが生じると、ワークの不良やステージ装置の故障等を招くおそれがあるが、上記従来技術では切替時のショックの防止については何ら考慮されていなかった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、モータの位置制御に用いられる位置検出器の切替時に発生するショックを抑制できるモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、位置指令と位置フィードバック信号との位置偏差に基づき速度指令を生成する位置制御部と、前記位置制御部に入力される前記位置フィードバック信号を、第１位置検出器で検出された第１位置信号及び第２位置検出器で検出された第２位置信号の一方から他方に切り替える切替部と、前記位置偏差を入力し、出力が前記位置フィードバック信号となるように構成した位置制御系モデルと、前記位置制御系モデルの出力を入力し、出力が前記第１位置信号又は前記第２位置信号と等しくなるように構成した位相遅れ要素モデルと、を有し、前記切替部による切替後の位置信号の切替前の位置信号に対する位相の遅れを補償すると共に切替前後における位置信号の誤差を補間する位相補償部と、を有し、前記位置制御部は、前記第１位置信号に基づく位置積分制御を行う位置積分制御部と、前記第２位置信号に基づく位置比例制御を行う位置比例制御部と、を有し、前記切替部が前記位置積分制御部に入力される前記位置フィードバック信号を前記第１位置信号から前記第２位置信号に切り替えた場合に、前記第２位置信号に基づく位置積分制御と前記第２位置信号に基づく位置比例制御を行うモータ制御装置が提供される。

本発明によれば、モータの位置制御に用いられる位置検出器の切替時に発生するショックを抑制できる。

実施形態に係るモータ制御装置を備えたモータ制御システムの概略構成図である。 モータ制御装置の概略構成を表すブロック図である。 モータ制御装置の詳細構成の一例を表すブロック図である。 位相補償部の構成の一例を表すブロック図である。 位相補償部を設けない比較例のモータ制御装置における指令速度の波形図、及び位相補償部を設けた実施形態のモータ制御装置における指令速度の波形図である。 相関テーブルにより位置信号を補正する場合のモータ制御装置の概略構成を表すブロック図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

＜モータ制御システムの構成＞
図１に示すように、モータ制御システム１は、モータ制御装置２と、制御対象９と、レーザ測長器６（第１位置検出器）と、位置センサ８（第２位置検出器）と、を有する。制御対象９は、ワークステージ３と、このワークステージ３を前後方向（図1中上下方向）に移動可能に支持するリニアガイド４と、を有する。レーザ測長器６は、ワークステージ３に設置された反射鏡５と対向配置されている。位置センサ８は、リニアガイド4の例えば幅方向一方側の側部に設けられたリニアスケール７と所定間隙を開けて対向配置されている。

レーザ測長器６は、反射鏡５にレーザを照射し、反射鏡５からのレーザ反射光を受光して、ワークステージ３の移動方向の位置（移動量）、すなわち制御対象９の位置を検出する。レーザ測長器６で検出された位置データ（以下適宜「第１位置信号Ｐｆｂ１」という）は、位置フィードバック信号としてモータ制御装置２に入力され、制御対象９の位置制御に使用される。位置センサ８は、リニアスケール７の位置目盛りを光学的または磁気的に読み取り、ワークステージ３の移動方向の位置（移動量）、すなわち制御対象９の位置を検出する。位置センサ８で検出された制御対象９の位置データ（以下適宜「第２位置信号Ｐｆｂ２」という）は、位置フィードバック信号としてモータ制御装置２に入力され、制御対象９の位置制御に使用される。

＜モータ制御装置の構成＞
モータ制御装置２は、図２に示すように、位置制御部１０と、速度制御部１１と、微分器１２と、判定部１３と、切替部１４と、位相補償部１５と、を有する。位置制御部１０は、第１位置信号Ｐｆｂ１に基づく位置積分制御を行う位置積分制御部１６と、第２位置信号Ｐｆｂ２に基づく位置比例制御を行う位置比例制御部１７と、を有し、位置制御部１０に入力される位置指令Ｐｒと位置フィードバック信号（第１位置信号Ｐｆｂ１及び第２位置信号Ｐｆｂ２）との位置偏差に基づき、速度指令Ｖｒを生成する。速度制御部１１は、位置制御部１０から出力された速度指令Ｖｒと第２位置信号Ｐｆｂ２が微分器１２で微分されて生成された速度フィードバック信号Ｖｆｂとの速度偏差に基づき、トルク指令Ｔｒを生成する。

切替部１４は、位置積分制御部１６に入力される位置フィードバック信号を、レーザ測長器６で検出された第１位置信号Ｐｆｂ１及び位置センサ８で検出された第２位置信号Ｐｆｂ２の一方から他方に切り替える。本実施形態においては、通常時は、位置制御部１０は高精度な位置決めを行うために、レーザ測長器６で検出された第１位置信号Ｐｆｂ１に基づく位置積分制御と、位置センサ８で検出された第２位置信号Ｐｆｂ２に基づく位置比例制御を行っている。しかし、例えばレーザ測長器６のレーザ光軸の遮断等により第１位置信号Ｐｆｂ１が正常に入力されなくなる可能性がある。このような場合に、切替部１４が第１位置信号Ｐｆｂ１を第２位置信号Ｐｆｂ２に切り替える。これにより、位置制御部１０は、切り替えられた第２位置信号Ｐｆｂ２に基づく位置積分制御及び第２位置信号Ｐｆｂ２に基づく位置比例制御を継続することができ、例えばワークステージ３を所定の停止位置に移動させて停止させることが可能となる。なお、レーザ測長器６の第１位置信号Ｐｆｂ１が正常に戻った場合、そのまま第２位置信号Ｐｆｂ２を使用した位置制御を継続させてもよいし、再度第１位置信号Ｐｆｂ１に切り替えて、ワークステージ３上のワークの加工を再開させてもよい。

判定部１３は、レーザ測長器６で検出された第１位置信号Ｐｆｂ１が位置制御部１０に正常に入力されているか否かを判定する。判定手法としては、光学検出器であるレーザ測長器６による受光量が所定のしきい値以下となった場合に異常と判定する等が考えられる。

位相補償部１５は、切替部１４により切り替えられたフィードバック信号の位相の遅れ（ここでは第１位置信号Ｐｆｂ１に対する第２位置信号Ｐｆｂ２の位相の遅れ）を補償し、位相の遅れを補償したフィードバック信号を位置制御部１０に入力する。位相補償部１５の具体的な構成については後述する。

＜モータ制御装置の詳細構成＞
モータ制御装置２の詳細構成の一例を、図３に示す。図３において、２０，２２，２４，２６，３２は減算器、２１は位置積分器、２３は位置ループゲイン、２５は速度ループゲイン、２９は機械のばね定数、２７，２８はリニアモータ、３０，３１は負荷である。なお、図３における位置制御部１０、位置積分制御部１６、位置比例制御部１７、速度制御部１１、及び制御対象９は、図２に対応している。

レーザ測長器６で検出された第１位置信号Ｐｆｂ１は、フィードバック信号として切替部１４を介して位相補償部１５に入力され、位相補償部１５により位相遅れのない位置フィードバック信号（位置推定値）Ｐｏとされた後、位置制御部１０の減算器２０に入力される。位置センサ８で検出された第２位置信号Ｐｆｂ２は、位置フィードバック信号として位置制御部１０の減算器２２に入力されると共に、微分器１２により速度フィードバック信号Ｖｆｂとされて速度制御部１１の減算器２４に入力される。一方、第１位置信号Ｐｆｂ１と第２位置信号Ｐｆｂ２は減算器３２に入力され、これらの位置偏差が機械のばね定数２９を経て減算器２６に入力される。

モータ制御装置２は、位置積分制御部１６の減算器２０において位置指令Ｐｒから位相補償部１５からの位置フィードバック信号Ｐｏを減算し、得られた位置偏差を位置積分器２１で積分する。また、位置比例制御部１７の減算器２２において当該積分した位置指令から第２位置信号Ｐｆｂ２を減算し、得られた位置偏差に位置ループゲイン２３でゲインＫｐを乗じて、速度指令Ｖｒを生成する。また、速度制御部１１の減算器２４において、速度指令Ｖｒからフィードバック速度Ｖｆｂを減算し、得られた速度偏差に速度ループゲイン２５でゲインＫｖを乗じてトルク指令Ｔｒを生成し、制御対象９に出力する。

制御対象９では、減算器３２が第２位置信号Ｐｆｂ２から第１位置信号Ｐｆｂ１を減算し、その位置偏差に対して機械のばね定数２９を乗じ、得られたトルクＴｏを減算器２６がトルク指令Ｔｒから減算する。このトルク偏差は速度積分器２７で積分され、積分器２８で積分される。なお、図中のＪｍはリニアモータの可動子質量である。また、機械のばね定数２９からのトルクＴｏは、速度積分器３０で積分され、積分器３１で積分される。積分器３１の出力である第１位置信号Ｐｆｂ１と積分器２８の出力である第２位置信号Ｐｆｂ２のずれを減算器３２は表しており、減算器３２の出力に機械のばね定数２９を乗じて発生する力によって第１位置信号Ｐｆｂ１と第２位置信号Ｐｆｂ２とが一致する。

＜位相補償部の詳細構成＞
位相補償部１５の詳細構成の一例を、図４に示す。図４において、位相補償部１５は、位置制御系モデル３３と位相遅れ要素モデル３４を有しており、いわゆる位相補償型の位置オブザーバとして構成される。図４において、３５は位置積分ゲイン、３６，３９，４０，４６，４７，５１は減算器、３７，４１，４８は積分器、３８，４２は位置ループゲイン、４３，４４，５０はオブザーバ安定化ゲイン、４５，４９は位相遅れゲインである。

位置制御系モデル３３から出力される位置信号は、位置制御部１０の位置フィードバック信号Ｐｏとして減算器２０に入力されると共に、位相遅れ要素モデル３４に入力される。位相遅れ要素モデル３４から出力される位置信号は、減算器５１に入力され、レーザ測長器６からの第１位置信号Ｐｆｂ１（切り替え後は位置センサ８からの第２位置信号Ｐｆｂ２。以下同様）から減算されて、当該位置偏差はオブザーバ安定化ゲイン４３，４４，５０を経てそれぞれ減算器３６，３９，４６に入力される。

位相補償部１５は、位置制御系モデル３３において、位置指令Ｐｒとフィードバック位置Ｐｏとの位置偏差に位置積分ゲイン３５でゲイン１／Ｔｉを乗じ、減算器３６において減算器５１からの位置偏差にオブザーバ安定化ゲイン４３でゲインＫ１を乗じた値を減算する。また、減算器３６で得られた位置偏差を、積分器３７で積分し、位置ループゲイン３８でゲインＫｐを乗じ、減算器３９において減算器５１からの位置偏差にオブザーバ安定化ゲイン４４でゲインＫ２を乗じた値を減算する。また、減算器４０において、減算器３９で得られた位置偏差から、位置制御系モデル３３から出力される位置信号に位置ループゲイン４２でゲインＫｐを乗じた値を減算し、減算器４０で得られた位置偏差を積分器４１で積分し、得られた値を位置信号として位置制御系モデル３３から出力する。

位置制御系モデル３３から出力される位置信号は、位置制御部１０の位置フィードバック信号Ｐｏとして減算器２０へ入力される一方、位相遅れ要素モデル３４に入力される。

また位相補償部１５は、位相遅れ要素モデル３４において、位置制御系モデル３３から出力される位置信号に位相遅れゲイン４５でゲイン１／Ｔを乗じ、減算器４６において減算器５１からの位置偏差にオブザーバ安定化ゲイン５０でゲインＫ３を乗じた値を減算する。また、減算器４７において、減算器４６で得られた位置偏差から、位相遅れ要素モデル３４から出力される位置信号に位相遅れゲイン４９でゲイン１／Ｔを乗じた値を減算し、得られた位置偏差を積分器４８で積分し、得られた値を位置信号として位相遅れ要素モデル３４から出力する。位置遅れ要素モデル３４から出力された位置信号は、減算器５１においてレーザ測長器６からの第１位置信号Ｐｆｂ１から減算される。このような構成により、位相補償部１５では、位置遅れ要素モデル３４から出力された位置信号が第１位置信号Ｐｆｂ１と等しくなるように制御される。

この位相遅れ要素モデル３４から出力される位置信号は、位置制御系モデル３３から出力される位置信号よりも位相が遅れる。これにより、位置制御系モデル３３からの位置信号は、レーザ測長器６から入力される第１位置信号Ｐｆｂ１（切り替え後は位置センサ８から入力される第２位置信号Ｐｆｂ２）よりも位相が進む。この位相が進む位置信号を位置制御部１０に出力することにより、第１位置信号Ｐｆｂ１から第２位置信号Ｐｆｂ２への切り替え時に位相遅れが生じた場合でも、位置制御部１０への位置フィードバック信号Ｐｏを位相の遅れがない位置信号とすることができる。

＜実施形態の効果＞
本実施形態のモータ制御装置２においては、切替部１４が、位置制御部１０の位置積分制御部１６に入力される位置フィードバック信号を、レーザ測長器６で検出された第１位置信号Ｐｆｂ１から位置センサ８で検出された第２位置信号Ｐｆｂ２に切り替える。このように位置制御に用いられる位置検出器の切り替えを行う場合、検出器相互における検出対象の相違や切り替えに要するタイムラグ等による位置信号の誤差や、制御周期の遅れや検出器間の通信時間の遅れ等による位置信号の位相遅れにより、ショック（モータ速度の急峻な変動）が発生するおそれがある。

本実施形態では、モータ制御装置２が位相補償部１５を有する。位相補償部１５は、切替部１４により切り替えられた第２位置信号Ｐｆｂ２の第１位置信号Ｐｆｂ１に対する位相の遅れを補償すると共に、第１位置信号Ｐｆｂ１と第２位置信号Ｐｆｂ２との誤差を補間することができる。したがって、位置検出器の切替時に発生するショックを抑制できる。また、位相補償部１５を設けることにより、モータ速度の立ち上がりや立ち下がりを滑らかにすることができ、制御系の応答を理想的な特性に近づけることができる効果もある。

この効果について、図５を用いて説明する。位相補償部１５を設けない比較例のモータ制御装置におけるモータ速度の波形を図５（ａ）に、位相補償部１５を設けた本実施形態のモータ制御装置２におけるモータ速度の波形を図５（ｂ）に示す。位相補償部１５を設けない比較例の場合には、位置検出器をレーザ測長器６から位置センサ８に切り替えた際に、図５（ａ）に矢印Ａで示すようにショック（モータ速度の急峻な変動）が発生している。また、５（ａ）に矢印Ｂ，Ｃで示すように、モータ速度波形の立ち上がりや立ち下がりにエッジが発生している。

一方、位相補償部１５を設けた本実施形態の場合には、図５（ｂ）に示すように、位置検出器をレーザ測長器６から位置センサ８に切り替えた際のショックの発生を抑制できる。また、モータ速度波形の立ち上がりや立ち下がりにエッジの発生がなく、モータ速度の変動を滑らかにすることができる。

また、本実施形態では次のような効果を得ることができる。すなわち、位置制御部１０が位置指令Ｐｒと位置フィードバック信号との位置偏差に基づき位置制御を行っている最中に、位置フィードバック信号が正常に入力されなくなった場合、位置決め動作ができなくなり、駆動対象であるワークステージ３等の装置の故障等を招くおそれがある。そこで本実施形態では、判定部１３が、レーザ測長器６からの第１位置信号Ｐｆｂ１が位置制御部１０に正常に入力されているか否かを判定する。そして、判定部１３により正常でないと判定された場合に、切替部１４が第１位置信号Ｐｆｂ１を第２位置信号Ｐｆｂ２に切り替える。これにより、位置制御部１０は、切り替えられた第２位置信号Ｐｆｂ２を用いてワークステージ３を所定の停止位置に位置決めして停止させることが可能となり、駆動対象である装置の故障等を防止できる。

また、本実施形態では特に、位置制御部１０はレーザ測長器６による位置積分制御と位置センサ８による位置比例制御を行うので、滑らかな応答が得られると共に、トルクのピークを少なくして駆動対象であるワークステージ３等の装置への負担を軽減できる。また、切替部１４による切り替え後も、位置制御部１０は位置センサ８による位置積分制御と位置センサ８による位置比例制御を引き続き行うことが可能であるので、良好な応答性等を維持できる。

＜変形例＞
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。

（１）相関テーブルにより位置信号を補正する場合
上記実施形態では、レーザ測長器６で検出される第１位置信号Ｐｆｂ１から位置センサ８で検出される第２位置信号Ｐｆｂ２に切り替えた場合に、ワークステージ３を停止させて加工を停止することを前提として説明した。しかし、そのままワークの加工等を継続したいというニーズも考えられる。上記実施形態においてワークの加工を継続すると、一般にレーザ測長器６の方が位置センサ８よりも検出精度が高いことから、位置信号の切り替え後に加工精度が低下し、ワークが不良品となるおそれがある。そこで、相関テーブルによる補正部を設けて、切替後の位置信号を切替前の位置信号となるように補正してもよい。本変形例の一例について図６を用いて説明する。

図６に示すように、本変形例のモータ制御装置２は、補正部５２と記憶部５３を有する。記憶部５３には、補正部５２で使用する相関テーブルが格納されている。この相関テーブルは、第１位置信号Ｐｆｂ１と第２位置信号Ｐｆｂ２との相関（差分値等）を表すテーブルである。相関テーブルは、例えば制御対象９を等速直線運動させ、そのときの１ストローク分のレーザ測長器６による検出データと位置センサ８による検出データを同時に記録することで生成される。

補正部５２は、切替部１４により第１位置信号Ｐｆｂ１から第２位置信号Ｐｆｂ２に切り替えられた場合に、記憶部５３に格納された相関テーブルに基づき、切替後の第２位置信号Ｐｆｂ２を切替前の第１位置信号Ｐｆｂ１となるように補正する。この補正された第１位置信号Ｐｆｂ１が、位相補償部１５に入力される。これにより、位置検出器を切り替えた際に検出精度が低下するのを防止できる。したがって、ワークの加工を継続することが可能となるので、歩留まりを向上できる。

（２）その他
以上では、位置検出器をレーザ測長器６から位置センサ８（リニアスケール７）に切り替える場合を一例として説明したが、位置検出器の切り替えはその他にも色々な態様が考えられる。例えば、上記とは反対に位置センサ８からレーザ測長器６に切り替えてもよい。この場合、判定部１３が第２位置信号Ｐｆｂ２の正常、異常を判定するように構成してもよい。また、位置検出器としてリニアエンコーダや外部エンコーダ等が設けられる場合には、レーザ測長器６からリニアエンコーダに切り替えたり、外部エンコーダから位置センサ８（リニアスケール７）に切り替える等、種々の切り替え態様が考えられる。このような場合でも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また以上では、リニアモータである場合を一例として説明したが、回転型モータとしてもよい。この場合も、位置検出器を位置センサ８（リニアスケール７）からロータリエンコーダに切り替える等、種々の切り替え態様が考えられる。回転型モータに適用した場合でも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、本実施形態は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ モータ制御システム
２ モータ制御装置
６ レーザ測長器（第１位置検出器）
８ 位置センサ（第２位置検出器）
１０ 位置制御部
１１ 速度制御部
１３ 判定部
１４ 切替部
１５ 位相補償部
１６ 位置積分制御部
１７ 位置比例制御部
３３ 位置制御系モデル
３４ 位相遅れ要素モデル
５２ 補正部
４３ 記憶部

Claims (4)

1. 位置指令と位置フィードバック信号との位置偏差に基づき速度指令を生成する位置制御部と、
   前記位置制御部に入力される前記位置フィードバック信号を、第１位置検出器で検出された第１位置信号及び第２位置検出器で検出された第２位置信号の一方から他方に切り替える切替部と、
   前記位置偏差を入力し、出力が前記位置フィードバック信号となるように構成した位置制御系モデルと、前記位置制御系モデルの出力を入力し、出力が前記第１位置信号又は前記第２位置信号と等しくなるように構成した位相遅れ要素モデルと、を有し、前記切替部による切替後の位置信号の切替前の位置信号に対する位相の遅れを補償すると共に切替前後における位置信号の誤差を補間する位相補償部と、を有し、
   前記位置制御部は、
   前記第１位置信号に基づく位置積分制御を行う位置積分制御部と、
   前記第２位置信号に基づく位置比例制御を行う位置比例制御部と、を有し、
   前記切替部が前記位置積分制御部に入力される前記位置フィードバック信号を前記第１位置信号から前記第２位置信号に切り替えた場合に、前記第２位置信号に基づく位置積分制御と前記第２位置信号に基づく位置比例制御を行う
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記第１位置信号と前記第２位置信号との相関テーブルが格納された記憶部と、
   前記切替部により前記第１位置信号及び前記第２位置信号の一方から他方に切り替えられた場合に、前記相関テーブルに基づき、切替後の位置信号を切替前の位置信号となるように補正する補正部と、をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記第１位置検出器からの第１位置信号又は前記第２位置検出器からの第２位置信号が前記位置制御部に正常に入力されているか否かを判定する判定部をさらに有し、
   前記切替部は、
   前記判定部により正常でないと判定された位置信号を他方の位置信号に切り替える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記判定部は、
   前記第１位置検出器で検出された前記第１位置信号が前記位置制御部に正常に入力されているか否かを判定し、
   前記切替部は、
   前記判定部により前記第１位置信号が正常に入力されていないと判定された場合に、前記第１位置信号を前記第２位置検出器で検出された前記第２位置信号に切り替える
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
   

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