JP6401624B2

JP6401624B2 - モータの制御方法および装置

Info

Publication number: JP6401624B2
Application number: JP2015021854A
Authority: JP
Inventors: 山田　晃広; 晃広山田; 龍馬橋本
Original assignee: IAI Corp
Current assignee: IAI Corp
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2035-02-06
Also published as: US20170012560A1; WO2016125383A1; JP2016146682A; US9742330B2; CN106134068A; KR20160117607A; KR101866508B1; EP3109996A4; EP3109996A1; CN106134068B

Description

この発明はモータの制御方法および装置に関し，特にアクチュエータ等の駆動源として用いた場合に高精度に位置決めが可能なモータの制御方法および装置に関する。

アクチュエータ等の動きの微細な制御を行うためには高分解能の位置決め精度が要求される。高分解能の位置制御を行うためには，フィードバック制御において，モータの回転角度位置を高精度に検出する高分解能のエンコーダを備えることが必要である。高分解能のエンコーダはシリアル通信でデータを送信するものが多く，シリアル通信（シリアルデータ）のために時間がかかってしまう（たとえば数十μ秒）という問題がある。

モータ制御，一例としてステッピングモータのフィードバック制御方法および装置が特許文献１に記載されている。この制御装置においては，１つのエンコーダの出力をステッピングモータの位置制御および速度制御のためのフィードバック信号として用いている。高分解能でシリアル通信でデータを送信するエンコーダを用いた場合，シリアル通信のために数十μ（マイクロ）秒の時間がかかったとしても，位置制御については，ｍ（ミリ）秒のオーダの制御周期でフィードバック制御を行なえばよいから特に大きな問題は生じない。

特開２００４−３２０８４７号公報

ところが速度制御に関しては，ステッピングモータは極対数が多いので（たとえば50極対）単位時間当りの電気進角量が大きく制御周期を高速にしなければ（たとえば数十μ秒のオーダ）対応できない。したがって，シリアル通信に数十μ秒かかる高分解能エンコーダを使用することはできない。すなわち，高精度の位置決め制御を達成するために高分解能エンコーダを使用した場合に，フィードバック位置制御とフィードバック速度制御が両立しないという問題がある。

この発明は，高精度に位置決め可能なモータのフィードバック制御において，位置制御と速度制御の両立を図ることを目的とする。

モータ制御装置に関してこの発明は，位置制御および速度制御を含むフィードバック制御を行うためのモータの制御装置において，位置制御のためにモータの回転位置を検出するための高分解能エンコーダと，速度制御のためにモータの回転速度を検出するための低分解能エンコーダとを備え，速度制御周期を位置制御周期よりも速くしたことを特徴とするものである。

また，制御方法に関して，この発明は，位置制御および速度制御を含むフィードバック制御を行うためのモータの制御方法において，位置制御のためにモータの回転位置を検出するための高分解能エンコーダと，速度制御のためにモータの回転速度を検出するための低分解能エンコーダとを設け，速度制御周期を位置制御周期よりも速くすることを特徴とするものである。

モータ制御装置のより具体的な実施形態において，この発明は，位置制御および速度制御を含むフィードバック制御を行うためのモータの制御装置において，位置制御のためにモータの回転位置を検出するための高分解能エンコーダと，速度制御のためにモータの回転速度を検出するための低分解能エンコーダと，所与の位置指令と前記高分解能エンコーダの出力に基づく検出位置との差に応じて速度指令を発生する位置制御手段と，前記速度指令と前記低分解能エンコーダの出力に基づく検出速度との差に応じて駆動出力指令（電流指令または電圧指令）を発生する速度制御手段とを備え，前記速度制御手段による速度制御周期を前記位置制御手段による位置制御周期よりも速くしたことを特徴とするものである。

モータ制御方法のより具体的な実施形態に関して，この発明は，位置制御および速度制御を含むフィードバック制御を行うためのモータの制御方法において，位置制御のためにモータの回転位置を検出するための高分解能エンコーダと，速度制御のためにモータの回転速度を検出するための低分解能エンコーダとを設け，所与の位置指令と前記高分解能エンコーダの出力に基づく検出位置との差に応じて速度指令を発生し，前記速度指令と前記低分解能エンコーダの出力に基づく検出速度との差に応じて駆動出力指令（電流指令または電圧指令）を発生し，駆動出力指令を発生する速度制御の周期を，速度指令を発生する位置制御の周期よりも速くすることを特徴とするものである。

上記において，高分解能，低分解能は相対的なものであるが，目安として具体的に言うと，高分解能エンコーダはモータ１回転当りおおよそ8,000から420万個のパルスを発生するものである。低分解能エンコーダはモータ１回転当りおおよそ100から4,000個のパルスを発生するものである。

上記において，位置制御周期と速度制御周期の大小も相対的なものであるが，目安として具体的に言うと，位置制御周期はおおよそ 0.5から３ミリ秒，速度制御周期はおおよそ10から 300マイクロ秒である。

この発明によると，高速な制御周期でフィードバックが必要な速度制御に関しては，低分解能のエンコーダを用い，低速の制御周期でフィードバックが可能な位置制御（位置応答）については高分解能なエンコーダを用いている。そして，高分解能エンコーダからシリアルデータが出力され，通信時間がかかったとしても，位置制御においては低速な制御周期でもよいので，モータの位置制御を高分解能化することができる。低分解能エンコーダは回転量に応じた周波数のパルスを発生するので（シリアルデータを出力するものではないので），制御周期の高速化が可能である。

このようにして，この発明によると，高精度な位置制御と，高速の速度制御の両立を図ることができる。

この発明の実施例を示すステッピングモータの検出系，制御系および駆動系の機能ブロック図である。

この実施例は，本発明をステッピングモータに適用したものである。

図１はステッピングモータの駆動回路および制御回路（制御装置）を含む検出系，制御系および駆動系の機能ブロック図である。この図に示された制御回路の一部または全部，たとえば減算器13，位置制御器14，減算器23，速度制御器24，弱め界磁補償器31，座標変換器32等は，個々のハードウェア回路のみならず，コンピュータ（プロセッサ）およびコンピュータに組込まれたソフトウェアによっても実現することができる。さらに，検出系および駆動系の一部，たとえば位置検出器12，速度検出器22，減算器33，34，電流制御器35，36の一部または全部もコンピュータとそれに組込まれたソフトウェアによって実現することができる。

２相ステッピングモータ10はＡ相（およびＡの反転相）ならびにＢ相（およびＢの反転相）の駆動電流（モータ電流）により駆動される。ステッピングモータ10には２種類のエンコーダ，すなわち位置制御用の高分解能エンコーダ11と速度制御用の低分解能エンコーダ21が設けられ，ステッピングモータ10の回転量（回転角度位置，回転数，回転速度など）を検出する。

高分解能エンコーダ11は８千（すなわち8,000）〜 420万P/rev（パルス／回転）程度の分解能を持つ信号を出力するものが好ましく，一例としては，13ビット（8192分轄／回転）または15ビット（ 32768分轄／回転）アブソリュートエンコーダである。低分解能エンコーダ21は 100〜4,000P/rev程度の分解能を持つ信号を出力するものが好ましく，一例としては，200パルス／回転のインクリメンタルエンコーダである。

高分解能エンコーダ11の出力信号は位置検出器12を経て，検出位置（回転角度位置）を表わす信号（位置応答）として減算器13に与えられる。位置検出器12は，たとえば高分解能エンコーダ11から出力された13ビットまたは15ビットシリアル信号を受入れて，パラレルデータに変換するシリアルインターフェイスである。モータ10それ自体の駆動，またはモータ10によって駆動されるアクチュエータの移動をどのように制御するのかというプログラム（たとえば，円運動，直線運動等）にしたがって，ステッピングモータ10に対する位置指令が上位のコンピュータ（図示略）によって作成され，減算器13に与えられる。減算器13は所与の位置指令と検出位置との差を求め，この差を位置制御器14に与える。位置制御器14は入力する差信号に基づいてステッピングモータ10に対する速度指令を作成する。

低分解能エンコーダ21の出力信号（たとえばＡ，Ｂ相パルス信号）は速度検出器22に与えられる。速度検出器22はたとえばカウンタを含み，入力するＡ，Ｂ相パルスを計数して検出速度信号（速度応答）を出力する（エンコーダ21は低分解能であり，速度制御は高速なので，速度検出器22は，たとえば移動平均をとる方法などにより平滑化して速度を表わす信号を生成する）。減算器23は，位置制御器14から出力される速度指令と速度検出器22から出力される検出速度との差をとり，速度制御器24に与える。速度制御器24は入力する速度の差分に基づいて電流指令（モータの種類によっては電圧指令）を生成して出力する。

この電流指令は弱め界磁補償器31に与えられる。弱め界磁補償器31には速度検出器22からの速度信号も入力している。弱め界磁補償は上記の特許文献１に詳述されている。ステッピングモータの回転が上るとロータマグネットの磁束による逆起電力が増加する。そこで，ロータマグネットの磁束とは逆向きの磁束が発生するようにステータコイルに電流を流し（トルクを発生させる回転座標系のｑ軸だけではなく，ｄ軸にも電流を流し），磁束を相殺することで逆起電力の発生を抑制することを弱め界磁補償という。この弱め界磁補償は電流指令値と回転速度（検出速度）との積が所定しきい値を超えたときに行なわれる（弱め界磁補償が行なわれないときには入力する電流指令（ｑ軸の電流指令値）がそのまま出力される）。

座標変換器32は，弱め界磁補償器31から出力される回転座標系のｑ軸，ｄ軸の電流値（Ｉｑ，Ｉｄ）（弱め界磁補償が行なわれないときにはＩｄ＝０）を静止座標系の相電流Ｉ_A，Ｉ_Bに変換して相電流指令として出力する。電流検出器（図示略）によりモータ10に流れるＡ相，Ｂ相の電流が検出され，減算器33，34においてそれぞれ，相電流指令と検出相電流との差が算出され，この差が電流制御器35，36に与えられる。電流制御器35，36は入力する差信号に基づいて，インバータ（たとえばＰＷＭインバータ）を制御する信号を生成し，インバータ37を制御する。そして，インバータ37によってステッピングモータ10が駆動される。

上記において，位置制御（フィードバック制御）は，主に高分解能エンコーダ11，位置検出器12，減算器13，位置制御器14（位置指令を生成する上位コンピュータを含む）によって行なわれる。高精度の位置決め要求に対処するために位置制御用のエンコーダとして高分解能エンコーダ11が用いられている。この場合に，位置制御の制御周期は必ずしも速くなくても足り（モータによって駆動されるアクチュエータの動きは遅いので），ミリ秒オーダ（ 0.5〜３ｍ秒程度）でよい。一例として位置制御周期は１ｍ秒である。したがって，高分解能エンコーダ11の出力信号のシリアル通信に数十μ（マイクロ）秒の時間がかかったとしても問題はない。高分解能エンコーダとしてシリアルデータを出力するものを用いることができる。

速度制御（フィードバック制御）は，主に低分解能エンコーダ21，速度検出器22，減算器23，速度制御器24によって行なわれる。ステッピングモータの場合，極対数が多いので（たとえば50極対），制御周期を速くしなければならない（数十マイクロ秒のオーダ，たとえば10〜 300μ秒）。一例として50μ秒である。低分解能のエンコーダ21を用いているので，速度制御周期を速くすることができる。すなわち，低分解能のエンコーダは，Ａ，Ｂ相のパルス信号のように，モータの回転量に比例した（応じた）周波数のパルス信号を出力するので（シリアルデータを出力するものではないので）（シリアル通信を行う必要はなく），その伝送のための時間は極めて短いから，制御周期の高速化を図ることができる。

以上のようにして，高速な制御周期でフィードバックが必要な速度制御（速度応答）に関しては，低分解能のエンコーダを用い，低速の制御周期でフィードバックが可能な位置制御（位置応答）については高分解能なエンコーダを用いている。そして，高分解能エンコーダからシリアルデータが出力され，通信時間がかかったとしても，位置制御（位置応答フィードバック）においては低速な制御周期でもよいので，ステッピングモータの位置制御を高分解能化することができる。

上記実施例はステッピングモータのフィードバック制御に関するものであり，特にこの発明はステッピングモータの制御において威力を発揮するが，この発明は他のタイプのモータ，たとえばＡＣサーボモータにも適用できるのはいうまでもない。

10 ステッピングモータ
11 高分解能エンコーダ
12 位置検出器
13，23 減算器
14 位置制御器
21 低分解能エンコーダ
22 速度検出器
24 速度制御器

Claims

位置制御および速度制御を含むフィードバック制御を行うためのモータの制御装置において，
位置制御のためにモータの回転位置を検出するための高分解能エンコーダと，
速度制御のためにモータの回転速度を検出するための低分解能エンコーダとを備え，
速度制御周期を位置制御周期よりも速くしたことを特徴とする，
モータの制御装置。
位置制御および速度制御を含むフィードバック制御を行うためのモータの制御装置において，
位置制御のためにモータの回転位置を検出するための高分解能エンコーダと，
速度制御のためにモータの回転速度を検出するための低分解能エンコーダと，
所与の位置指令と前記高分解能エンコーダの出力に基づく検出位置との差に応じて速度指令を発生する位置制御手段と，
前記速度指令と前記低分解能エンコーダの出力に基づく検出速度との差に応じて駆動出力指令を発生する速度制御手段とを備え，
前記速度制御手段による速度制御周期を前記位置制御手段による位置制御周期よりも速くしたことを特徴とする，
モータの制御装置。
前記駆動出力指令が電流指令である，請求項２に記載のモータの制御装置。
前記駆動出力指令が電圧指令である，請求項２に記載のモータの制御装置。
高分解能エンコーダがモータ１回転当り８千から 420万個のパルスを発生するものである，請求項１または２に記載のモータの制御装置。
低分解能エンコーダがモータ１回転当り100から4,000個のパルスを発生するものである，請求項１または２に記載のモータの制御装置。
位置制御周期が 0.5から３ミリ秒である，請求項１または２に記載のモータの制御装置。
速度制御周期が10から 300マイクロ秒である，請求項１または２に記載のモータの制御装置。
位置制御および速度制御を含むフィードバック制御を行うためのモータの制御方法において，
位置制御のためにモータの回転位置を検出するための高分解能エンコーダと，
速度制御のためにモータの回転速度を検出するための低分解能エンコーダとを設け，
速度制御周期を位置制御周期よりも速くすることを特徴とする，
モータの制御方法。
位置制御および速度制御を含むフィードバック制御を行うためのモータの制御方法において，
位置制御のためにモータの回転位置を検出するための高分解能エンコーダと，
速度制御のためにモータの回転速度を検出するための低分解能エンコーダとを設け，
所与の位置指令と前記高分解能エンコーダの出力に基づく検出位置との差に応じて速度指令を発生し，
前記速度指令と前記低分解能エンコーダの出力に基づく検出速度との差に応じて駆動出力指令を発生し，
駆動出力指令を発生する速度制御の周期を，速度指令を発生する位置制御の周期よりも速くすることを特徴とする，
モータの制御方法。