JP6162509B2 - 観測望遠鏡用の回転駆動装置用モータの回転角度追従制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、宇宙観測駆動装置用モータにおける低角度分解能角度センサを用いた高精度回転角度追従制御方法にするものである。

宇宙望遠鏡等の観測装置では、高精度での回転駆動装置用モータの角度追従制御が要求される場合がある。従来の一般的なモータ角度追従制御では、一定時間間隔毎に目標位置を更新し、その各時点でのモータ回転角度との偏差で制御を行っている。モータ回転角度は、エンコーダ等の角度センサにより計測し、その出力をコンピュータで取得している。
図３は、一定時間間隔（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２…）とエンコーダ測定角度位置（Ｐ１，Ｐ２…）との関係を示す図である。サンプリング時刻Ｔ１における角度センサが示すモータの回転角度の測定位置をＰ１とする。サンプリング時刻Ｔ１において次のサンプリング時刻Ｔ２における目標位置がＰ２に設定されてこれを目標値とする。この目標値Ｐ２とサンプリング時刻Ｔ１の測定位置Ｐ１との差を偏差として、モータの回転角度を目標値Ｐ２に相当するように制御する。
このとき、サンプリング時刻Ｔ１における真の現在位置（モータの回転角度）はＰｔ１である。角度センサの分解能を１サンプリングについて（Ｐ２−Ｐ１）の間隔とすると、Ｔ１でのサンプリングにおいて真の現在位置がＰｔ１であっても、測定された位置はＰ１となり、（Ｐｔ１−Ｐ１）が誤差となる。制御系は、この誤差状態に基づいて、目標値に対して制御することとなる。

モータの角度追従制御において、一定変化率（一定回転速度）で変化する目標位置角度に精度よく追従させる場合、一般的な角度追従制御では、一定時間間隔で目標位置角度を更新させ、その目標角度に追従するように位置角度制御を行っている。よって、その位置角度制御分解能はエンコーダの角度分解能に依存する。
例えば、エンコーダの角度分解能が、１回転１２８ｐｕｌｓｅとした場合、その角度分解能は以下の式より２．８１３ｄｅｇとなる。
３６０［ｄｅｇ］÷１２８［ｐｕｌｓｅ］＝２．８１３［ｄｅｇ／ｐｕｌｓｅ］
よって、この手法で、要求される角度位置制御精度を満足させるためには、少なくとも要求精度以上の分解能を持つエンコーダが必要である。

この制御方法では、角度センサが十分な分解能を有していない場合、高精度での角度追従の実現は困難なものとなっていた。
耐放射線性、耐真空性等の耐環境性と高い確度制御精度が要求される宇宙環境等では、宇宙用高精度エンコーダの価格が非常に高いというコスト面や、機械的電気的に制約が発生する技術的な問題から高分解能回転角度センサを使用することは難しく、特に低速回転時にはセンサの角度分解能が十分でなく、角度追従性が悪化するという問題を抱えている。

解決しようとする問題点は、一定の回転速度すなわち一定の回転角度変化における、モータの角度追従制御において、角度センサの分解能を変更せずに、角度制御分解能を向上させる点である。

本発明は、観測望遠鏡用の回転駆動装置用モータの回転角度追従制御において、追従すべき所定間隔の各角度（Ｐｉ）に対する各目標到達時刻（Ｔｉ）をあらかじめ設定し、前記所定間隔の角度を角度センサで計測するとともに、その角度（Ｐｉ）における到達時刻（ｔｉ）をタイマにより計測し、その後、前記角度センサで計測した角度（Ｐｉ）の次の角度（Ｐｉ＋１）の目標到達時刻（Ｔｉ＋１）を更新設定し、次に、今回計測した到達時刻（ｔｉ）と次回の目標到達時刻（Ｔｉ＋１）との差をとりその差を偏差として、次回の角度（Ｐｉ＋１）における到達時刻が前記目標到達時刻（Ｔｉ＋１）となるように順次モータの回転角度を制御することを特徴とするものである。

本発明によると、エンコーダの分解能を宇宙用高精度エンコーダのものに変更せずに、モータの回転速度とタイマ分解能に依存して位置角度分解能を向上することができる。

本発明による位置角度追従制御の原理動作を説明する図である。 本発明による位置角度追従制御を説明するブロック線図である。 従来の位置角度追従制御の動作を説明する図である。

図１は、本発明の位置角度追従制御の動作を説明する図であり、エンコーダを介して得られる一定角度間隔（Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２…）とタイマによる測定時間（Ｔ１，Ｐ２…）との関係を示す図である。図２は、本発明の位置角度追従制御を実現する装置のブロック線図である。

図１は、位置角度追従制御の原理動作を説明する図である。目標位置Ｐｉに対応して目標到達時間Ｔｉを計算しておく。エンコーダ測定角度位置Ｐ１におけるタイマ測定時刻がｔ１であったとする。エンコーダ測定位置Ｐ１において次のエンコーダ位置Ｐ２における目標時刻がＴ２にあらかじめ計算されこれを目標値とする。この目標値Ｔ２とエンコーダ測定角度位置Ｐ１の測定時刻ｔ１との差を偏差として、基準位置Ｐ２における時刻がＴ２になるように、モータの回転を制御する。
図１の位置角度追従制御は、一定時間間隔で目標角度位置を更新するのではなく、エンコーダパルス間隔の時間を測定し、それを目標角度と現在角度との角度偏差とみなし、次のパルスに到達する目標時間を指定（制御）する。
図１の位置角度追従制御における、位置角度分解能は、回転速度、タイマ分解能に依存し、下記式より計算できる。
角度偏差分解能（角度分解能）＝目標回転速度×ＣＬＯＣＫ分解能
タイマ分解能を１０ｋＨｚとして、４０ｒｐｍ一定回転速度とすると、
２４０［ｄｅｇ／ｓ］×０．０００１［ｓ］＝０．０２４［ｄｅｇ］
よって、本発明によって、エンコーダの分解能を変更せずに、従来の制御方式から、位置角度分解能を約１００倍向上することができることが分かる。ただし、本発明では、目標到達時間の更新周期が、エンコーダ分解能と、回転速度に依存することに注意が必要である。よって、制御周期と合致するエンコーダ分解能の選定が必要となるが、要求精度が非常に高い場合は、非常に有効な手法である。

図２において、２０１は第１の加減算器、２０２は第２の加減算器、２０３は積分器、２０４は第１のＬＰＦ（低域フィルタ）、２０５は第３の加減算器、２０６は第２のＬＰＦ（低域フィルタ）、２０７は速度制御器、２０８はモータ駆動回路、２０９はモータ、２１０はエンコーダ、２１１は時間測定部である。
第１の加減算器２０１の加算入力（＋）と第２の加減算器２０２の減算入力（−）とには、１パルス毎の目標所要時間αが、図示しない制御部の制御により、入力される。
時間測定部２１１は、制御部の制御により時間測定される。
モータが回転させようとする観測装置が一定の速さで回転移動するために、モータを一定の速さで回転させる必要がある。モータが所定の回転角度位置Ｐｎに移動する時間は
時間＝（１／回転角速度）×回転角度
（＊ただし 回転角速度＝１ｓ当たりの回転角度変位）
で得られる。そして、この時間は、速度が一定で回転角度速度が一定のときは等間隔に選定した回転角度位置に対し、等間隔となる。この等間隔の一定時間間隔を目標所要時間αとして、所定一定間隔に設定した目標位置に対応する時刻の実時間を測定し、目標所要時間αと、前記実時間との差を偏差として、速度制御器２０７を介してモータ駆動回路２０８により電流制御をしてモータ２０９の速度を制御する。
エンコーダ２１０は、モータ２０９の１回転を所定の角度できざんだ角度毎に、モータ２０９の回転に応じて１パルスを出力する。１パルスを出力する時のパルスの立ち上がりを、モータ２０９が回転する前記所定の回転角度位置Ｐｎに対応させる。時間測定部２１１はエンコーダ２１０からのパルス信号の立ち上がりを受け、１つのパルス信号の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間をカウントする（Ｐ２０１）。パルス信号の立ち上がり間隔をカウントするから、モータ２０９の回転の全過程においてその経過時間を測定せず、立ち上がり毎にカウント値を出力するとともにクリアしてカウントを再開することにより、経過時間を測定することになる。エンコーダ２１０の出力パルスの立ち上がりがあるか監視（Ｐ２０２）し、次の立ち上がりを検出した時のタイマカウント値により１パルスの時間間隔ｔωを検出したこととなる。この時間間隔ｔωがパルスの立ち上がり毎に出力され（Ｐ２０３）、この時間間隔ｔωを第２の加減算器２０２の加算入力（＋）、第３の加減算器２０５の加算入力（＋）に加える。タイマカウンタはこの時間間隔ｔωを出力した後、タイマカウント値をクリアする（Ｐ２０４）とともに、タイマカウントを開始する（Ｐ２０１）。前記時間間隔ｔωを加算入力（＋）した第２の加減算器２０２は減算入力（−）に目標所要時間αが入力されており、これらの入力を加減算する。この加減算で得た目標時刻と時間間隔ｔωとの誤差が積分器２０３に入力される。積分器２０３は今までの時間誤差の積分値すなわち角度追従誤差を積分し、第１のＬＰＦ２０４はこの値の雑音を除去する。第１の加減算器２０１の加算入力（＋）には目標所要時間α、減算入力（−）には第１のＬＰＦ２０４の出力が加えられる。第１の加減算器２０１の出力ｔθは、次パルスカウントまでの目標所要時間とされ、第３の加減算器２０５の減算入力（−）に加えられる。第３の加減算器２０５の加算入力（＋）には、時間測定部２１１からのタイマカウント値として１パルスカウントの時間間隔ｔωが加算される。第３の加減算器２０５の出力は、第２のＬＰＦ２０６を経由して、速度制御器２０７に入力する。速度制御器２０７は入力した値にしたがってモータの回転速度を得るようにモータ駆動回路２０８を制御する。モータ駆動回路２０８は速度制御器２０７の制御にしたがってモータ２０９の駆動電流を与える。モータ２０９はモータ駆動回路２０８の電流にしたがった回転速度で動作する。
１パルスの時間間隔ｔωが、次パルスカウントまでの目標所要時間ｔθよりも、値が大きいと、モータ回転速度が遅く、モータの回転角度が目標よりも遅れてい、１パルスの時間間隔ｔωが、次パルスカウントまでの目標所要時間ｔθよりも、値が小さいと、モータ回転速度が速く、モータの回転角度が目標よりも進んでいるから、これらの遅れ進みがないように制御する。
図１に示すように、例えば、エンコーダ２１０による回転角度位置Ｐ１のときの、タイマカウント値がｔ１であるとすると、エンコーダ２１０の次の回転角度位置Ｐ２のときの目標時刻をＴ２とする。このＴ２は、回転角度位置Ｐ１のときの目標時刻Ｔ１と、
Ｔ２−Ｔ１＝Ｔ３−Ｔ２＝…
となり、等間隔である。
位置分解能は、タイマ分解能で進む移動量となり、図３で示した従来の目標位置更新による追従制御と比較して、十分なタイマ分解能を有する場合、角度制御分解能は向上し、高精度回転角度追従制御が要求される場合に非常に有効である。
さらに、宇宙環境で使用する観測機器等に応用できる。

発明者は、以下の条件で、従来の手法と、本発明による手法での評価を行った。
回転速度：４０ｒｐｍ 一定
角度分解能：２．８１３°
上記条件での回転角度制御分解能の計算結果
従来技術の手法：２．８１３°
本発明による手法：０．０２４°（１０ｋＨｚ タイマを使用）
分解能が１００倍向上

２０１ 第１の加減算器
２０２ 第２の加減算器
２０３ 積分器
２０４ 第１のＬＰＦ
２０５ 第３の加減算器
２０６ 第２のＬＰＦ
２０７ 速度制御器
２０８ モータ駆動回路
２０９ モータ
２１０ エンコーダ
２１１ 時間測定部

Claims (1)

1. 観測望遠鏡用の回転駆動装置用モータの回転角度追従制御において、
   追従すべき所定間隔の各角度（Ｐｉ）に対する各目標到達時刻（Ｔｉ）をあらかじめ設定し、
   前記所定間隔の角度を角度センサで計測するとともに、その角度（Ｐｉ）における到達時刻（ｔｉ）をタイマにより計測し、
   その後、前記角度センサで計測した角度（Ｐｉ）の次の角度（Ｐｉ＋１）の目標到達時刻（Ｔｉ＋１）を更新設定し、次に、
   今回計測した到達時刻（ｔｉ）と次回の目標到達時刻（Ｔｉ＋１）との差をとりその差を偏差として、
   次回の角度（Ｐｉ＋１）における到達時刻が前記目標到達時刻（Ｔｉ＋１）となるように順次モータの回転角度を制御することを特徴とする観測望遠鏡用の回転駆動装置用モータの回転角度追従制御方法。
   

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