JPH0634622B2 - 同期機構造の電動機の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、同期機構造の電動機を用いた、移動物体を予
じめ定められた目標位置まで正確，迅速に駆動して位置
決めする駆動方法に関するものであり、精密工作機械等
における移動物の精密な位置決め手段に利用して効果の
あるものである。

従来例の構成とその問題点 同期機構造を基本構造とするＤＣブラシレス電動機と同
期電動機のそれぞれの特性について説明する。

第１図に２極３相ＤＣブラシレス電動機の原理図を示
す。

１は２極の永久磁石により構成された回転子である。
２，３，４はそれぞれ固定子である電機子５に巻回され
た電機子巻線（以下巻線と略す）である。６は回転子１
の回転位置を検出する公知の回転子位置検出器（以下R.
P.Sと略す）である。７は電子整流回路８の指令に従が
い、巻線２，３，４を選択的に所要の大きさの電流で励
磁する公知のパワーアンプである。８はR.P.S６からの
検出信号により、例えば回転子１を矢印Ａで示すように
反時計方向に回転させるには巻線２，２，４を選択的に
励磁してそれらの巻線が作り出す磁極（以下巻線磁極と
略す）９，１０が回転子１の回転に追従して回転子１の
磁極から常に磁気的空間角でπ/2ずれた位置に来るよう
に磁極９，１０を反時計方向に回転せしめるべくパワー
アンプ７を制御する公知の電子整流回路であり、前記R.
P.S６と共に従来のＤＣ電動機のブラシと整流子の役割
を有している。

また電子整流回路８は速度指令に見合う回転速度になる
ように巻線２，３，４の電流を制御する機能をも有して
いる。

前記巻線磁極９，１０と回転子１の磁極の異極間のなす
磁気的空間角θを以下トルク角と称することにすると、
θ＝π/2なる時最も大きなトルクを発生することにな
り、従来のブラシと整流子を持つＤＣ電動機及び第１図
に示すＤＣブラシレス電動機においても普通θ＝π/2に
設定され、負荷の大きさにかかわらず一定である。この
種の電動機における速度制御は巻線磁極９，１０の強
さ、すなわち、巻線２，３，４を励磁する電流の大き
さ、さらに云い換るなら回転子１の磁極と巻線磁極９，
１０が作用して作り出す回転子１に作用するトルクの大
きさの制御である。

以上のような特性を有する電動機は、非同期電動機と称
されており、この種の電動機において速度制御の応答性
を改善するためには一般に図示しないが速度検出器を用
いて速度マイナループをかけることが必要である。

次に２極３相同期電動機について説明する。

同期電動機も第２図に示すように第１図と同様に回転子
２１は永久磁石であり、２２，２３，２４は電機子２５
に巻回された巻線である。２６は可変周波数発振器２７
（以下ＶＦＯと略す）の指令に従がい巻線２２，２３，
２４に互いに時間的に２π/3の位相差を有する３相交流
を流すことにより、巻線２２，２３，２４が作り出す磁
極２８，２９（以下巻線磁極と略す）を、例えば回転子
２１を矢印Ｂで示すように反時計方向に回転させる場合
は反時計方向へ回転せしめるパワーアンプである。

ＶＦＯ２７は速度指令に見合う回転速度となるように発
振周波数を可変できる発振器であり、回転数（ＲＰＳ）
をｎ、発振周波数（Hz）を、回転子の極数をＰとした
時ｎ＝２/Pとなるようにを決定してパワーアンプ２
６を指令する。

したがってこの電動機において回転子２１は、巻線磁極
２８，２９の回転に周期て回転し、無負荷の場合は第２
図に示すようにトルク角θ＝Ｏであるが、負荷がかかる
と第３図のようにトルク角θは（θ≠Ｏ）ずれたことに
よる磁極２８，２９と回転子２１の磁極間の吸引・反発
作用によりθ＝Ｏにしようとするトルク（以下このトル
クを同期トルクという）と負荷トルクがつり合う値とな
るまで変化する。

すなわちトルク角θは負荷の大きさにより変化し、負荷
トルクが大きくなるほどθも大きくなり、回転子が永久
磁石の場合θ＝π/2の時同期トルクが最大となり、θが
π/2を越えるほど大きな負荷トルクがかかればいわゆる
脱調現象を起し、回転子２１は停止する。このような特
性を同期電動機特性と称することによる。この特性を有
する電動機はトルク角に余裕を持って使用せねばならな
いので前記非同期電動機のように常にトルク角π/2にて
最大トルクで動作させ得る電動機に比較して効率は劣る
ことになる。

しかしながら同期電動機における回転速度は脱調さえし
なければ負荷の大きさにかかわらず３相交流の周波数す
なわち磁界の回転速度と同一であるから非同期電動機の
ように速度制御を行なうための速度マイナループは不要
であるという特徴を持っている。

同期電動機においては回転磁界に対する追従性は負荷ト
ルク変動をΔＴとし、その時のトルク角変動をΔθとし
た時、ΔＴ／Δθが大きいほど良好である。上記要求に
最も近い同期電動機はパルスモータである。第２図に示
すように永久磁石を回転子とするパルスモータは永久磁
石型（ＰＭ型）と称されているが、第４図に示すような
凸極３０，３１を有する軟磁性体で構成された回転子３
２を持つパルスモータは可変レラクタンス型（ＶＲ型）
と称されている。

ＶＲ型のモータの動作原理は巻線磁極３３，３４を作用
させた時、その反作用により、回転子３２の凸極３０，
３１に異種の磁極を誘起させてあたかも回転子３２が永
久磁石で構成されているかのように扱うことにあり、Ｐ
Ｍ型と同様に同期電動機特性を有す。またＰＭ型とＶＲ
型を組合せたパルスモータはハイブリッド型（ＨＢ型）
と称され同様に同期電動機特性を有す。

同期電動機を同期電動機特性で駆動する場合、固定子巻
線電流の大きさと、それによって作られる巻線磁極位
置、回転子位置の関係を第７図にて説明する。

第７図は第２図の電動機の固定子２５の巻線２２，２
４，２３を説明のために直線状に展開し、説明を簡略に
するために巻線磁極２８の内のＮ極と回転子２１の磁極
の内のＳ極のみを取り出して図示したものである。図示
しない巻線磁極２８のＳ極及び回転子２１のＮ極はそれ
ぞれのＮ極、Ｓ極に対して磁気的空間角θ＝π隔てた位
置に有る。

前記したように、巻線２２，２４，２３に互いに時間的
に２π／３の位相差を有する３相交流電流を流すと、状
態１においては、巻線磁極２８のＮ極は巻線２２の位置
に発生する。

説明を簡単にするために回転子２１は無負荷で駆動され
るものとすると、回転子２１のＳ極は前記Ｎ極に引かれ
て巻線２２の位置にある。

時間の経過につれて、前記各々の巻線２２，２４，２３
に流れる電流はＥで示す正弦波状に変化し、状態２にな
ると前記巻線磁極２８のＮ極は巻線２４の位置に移動
し、回転子２１のＳ極も前記Ｎ極に引かれて巻線２４の
位置に移動する。

さらに時間が経過して状態３になると同様に、前記巻線
磁極２８のＮ極は巻線２３の位置に移動し、回転子２１
のＳ極も巻線２３の位置に移動する。

パルスモータは、Ｇで示すようにステップ的に変化する
電流を巻線２２，２４，２３に流して巻線磁極２８をス
テップ的に移動させるものである。

例えば、状態１において、巻線２２に大きさ２２−１、
巻線２４に大きさ２４−１、巻線２３に大きさ２３−１
の電流を流すと巻線磁極２８のＮ極は巻線２２の位置に
発生し、同様に回転子２１のＳ極は前記Ｎ極に引かれて
巻線２２の位置にある。

ここで状態２に示すように巻線２２の電流値を２２−
２、巻線２４の電流値を２４−２、巻線２３のの電流値
を２３−２にステップ的に変化させると、巻線磁極２８
のＮ極はステップ的に巻線２４の位置に移動し、同様に
回転子２１のＳ極も前記Ｎ極に引かれてスッテプ的に巻
線２４の位置に移動する。

さらに状態３に示すように巻線２２の電流値を２２−
３、巻線２４の電流値を２４−３、巻線２３の電流値を
２３−３にステップ的に変化させると、同様に巻線磁極
２８のＮ極はステップ的に巻線２３の位置に移動し、回
転子２１のＳ極もスッテプ的に巻線２３の位置に移動す
る。以上が一般的なパルスモータの駆動法である。

前記正弦波状に変化する電流で駆動する場合、状態１か
ら任意の距離離れた状態１−１に巻線２２の電流値を２
２−１−１、巻線２４の電流値を２４−１−１、巻線２
３の電流値を２３−１−１にそれぞれ変化させると巻線
磁極２８のＮ極は状態１−１の位置に移動し、回転子２
１のＳ極も前記Ｎ極に引かれて状態１−１の位置に移動
することになる。

ここで状態１−１の各巻線電流が保持されるならば巻線
磁極２８は状態１−１の位置に静止するので回転子２１
も状態１−１の位置に静止する。

すなわち、各巻線電流を正弦波状に変化させると巻線磁
極２８のＮ極は連続的に移動し、回転子２１のＳ極も前
記Ｎ極に引かれて連続的に移動することになる。

パルスモータは、オープンループで位置決め可能である
から連続的に回転するということは、理論的には無限小
の分解能で位置決め可能であることを示すものであり、
本発明はこの点に着目してなされたものである。

以上のような特性はパルスモータに限らず同期電動機特
性を有する電動機が有する特性である。

次にＤＣブラシレス電動機及び同期電動機を位置決め制
御に用いる駆動源として見た場合の特性のちがいについ
て説明する。

位置決めとは位置偏差がＯになった時速度をＯにする速
度制御であると云えるから位置決め応答性の指標は第
（１）式に示す位置ループゲインKpで与えられる。

Kp＝Ｖ／ε（⁻ｓ）……(1) 但し、Ｖは速度、εは位置偏差である。Kpは大きいほど
応答性が秀れるが、動力伝達系の機械的剛性，電動機や
ドライアンプの性能等からKpの最適値が決定される。

一方、高精度で位置決めするためには高分解能で駆動で
きる必要がある。分解能が上ることは第(1)式における
εが小さくなることを意味する。第(1)式におけるKpは
一定であるからεが小さくなればＶも比例して小さくな
る。

非同期電動機においては要求される速度が小さくなると
速度マイナループを構成するに必要な速度検出器の不感
帯に入ってきて低速制御が困難となり、低速制御の限界
から決る位置決め精度の限界は±0.04μｍ程度である。

一方、、同期電動機においては前に述べたように速度マ
イナループを必要とせずに速度制御が可能であるから、
分解能が上って、要求される速度が小さくなっても速度
検出器が不要であるから低速域の不感帯をきわめて小さ
くすることができるので安定した低速制御が可能とな
り、位置決め精度が向上する。特に同期電動機の中でも
前述のΔＴ／Δθが大きく応答性の優れたパルスモータ
においては回転磁界を連続的に回転させることにより、
前に述べたように理論的には無限小の分解能，実験的に
は１×１０^−６回転、角度にして約１秒の分解能にて位
置決めすることが可能となる。この分解能はリード４mm
のネジを用いれば±0.004μｍに相当し、非同期電動機
を用いた場合よりもはるかに高い位置決め精度を期待で
きる。

また、通常高精度位置決めにおいては位置検出器にレー
ザ干渉計等のディジタル位置検出器を用いるのが普通で
ある。ディズタル位置検出器においては１ビットの不感
帯を有しているから非同期電動機を用いた場合は目標位
置がその不感帯の間にある場合は電動機のトルクがＯに
なり、位置決め剛性がＯになることに対し同期電動機に
おいては目標位置がその不感帯にある場合でも前述のΔ
Ｔ／Δθで表わされる剛性を有しているので停止安定性
も秀れている。

以上から同期電動機のうちでもパルスモータは高分解能
駆動においては非同期電動機よりも秀れた特性を有して
いるが、前に述べたように同期電動機特性で運転する以
上非同期電動機のように最大トルク点で運転できないの
で高速位置決めに必要な高加減速運動特性が劣ることに
なる。

したがって、非同期電動機，同期電動機共にそれぞれ一
長一短の特性を有していることがわかる。

発明の目的 本発明は、１コの同期機構造の電動機と、移動物の位置
を高い分解能と低い分解能で検出する位置検出器とを用
いて移動物体の高速・高分解能の位置決めを達成するた
めの手段を提供することにある。

発明の構成 本発明は移動物体を駆動する同期機構造の電動機を目標
位置近傍までトルクが大きく高加減速・高速特性に優れ
た非同期電動機特性にて移動物体の低分解能位置信号に
基づいて運転し、その後目標位置まで高分解能特性に優
れた同期電動機特性にて移動物体の高分解能位置信号に
基づいて駆動するものである。

なお、ここで、電動機がパルスモータの場合、それを同
期電動機特性にて駆動するとは、前述の如く、回転磁界
を連続的に回転させることにより、理論的には無限小の
動作分解能を有する様に駆動することを言う。

実施例の説明 リニアスケールを用いて位置決めする場合について２極
３相の同期機構造の電動機を用いた本発明の一実施例を
第５図に示す。

第５図において、４０は前記第１図および第２図と同様
な２極３相の同期機構造の電動機で、４１は永久磁石で
構成された回転子であり、４２，４３，４４はそれぞれ
電機子４５に巻回された巻線である。４６，４７，４８
は第１図における６，７，８と同様なそれぞれR.P.S，
パワーアンプ，電子整流回路である。４９は第２図にお
ける２７と同様なＶＦＯである。５０，５１はいずれも
切換スイッチである。５２は前記回転子４１に連結され
た送りネジで、この回動により移動物であるテーブル５
３を駆動する。５４はテーブル５３に固定されたリニア
スケールで、テーブル５３の位置を検出する。５５はリ
ニアスケール５４の出力パルスを計数するカウンタであ
り、リニアスケール５４と共に公知の位置フィードバッ
クループを形成する。５６は位置指令の出力と共に、切
換スイッチ５０，５１及びＶＦＯ４９の制御を行なう指
令回路である。５７は前記位置指令と前記カウンタ５５
からの位置フィードバック信号の偏差を位置偏差として
出力する公知の偏差カウンタである。５８は前記ディジ
タル位置偏差信号をアナログ速度指令電圧に変換する公
知のD/Aコンバータである。

また前記指令回路５６には前記位置偏差信号及びR・P.S
４６からの回転子位置信号が入力される。

以上の系において、電子整流回路４８を用いて電動機４
０を非同期電動機として動作させる場合、速度制御の応
答性を改善する。すなわち位置制御系においてはダンピ
ングを与えるための公知の速度マイナループは第５図に
おいては省略してある。

次に動作について説明する。

電動機４０を非同期特性で運転するために指令回路５６
は切換スイッチ５０，５１を電子整流回路４８がループ
内に入るように切換えた後、目標位置までの位置指令を
偏差カウンタ５７へ出力する。偏差カウンタ５７は位置
指令と位置フィードバック信号の偏差を算出し、その算
出した位置偏差をD/Aコンバータ５８へ出力する。D/Aコ
ンバータ５８は前記第(1)式で示される位置ループゲイ
ンにて位置偏差を速度指令に変換して切換スイッチ５１
を介して電子整流回路４８へ出力する。

電子整流回路４８は前に述べたようにR・P.S４６と協働
して電動機４０を非同期特性にて高加減速，高速駆動
し、送りネジ５２を回転させてテーブル５３を目標位置
に向って駆動する。テーブル５３の動作に伴なってリニ
アスケール５４から移動量に見合う位置フィードバック
信号がカウンタ５５を介して偏差カウンタ５７に入力さ
れる。駆動初期においては位置偏差は大きいので速度指
令も大であるが、時間が経過すると位置偏差が小さくな
り速度指令も小さくなる。位置偏差があらかじめ設定さ
れた値、すなわち位置偏差の大きさから決まる速度指令
の値が、非同期運転系の速度制御の不感帯レベルに達し
た時、指令回路５６は偏差カウンタ５７からの位置偏差
フィードバック信号５９よりそれを判断し、電動機４０
を同期特性にて運転するために切換スイッチ５０，５１
をＶＦＯ４９がループ内に入るよう切換えると共に次の
ような操作を行なう。切換前には例えば回転子４１は第
６図のような状態にあり、回転方向は矢印Ｃで示す反時
計方向であったとすると非同期特性で運転されていたの
で巻線４２，４３，４４が作り出す磁極６０，６１はπ
/2ずれた位置にある。したがつて回転子４１を同期特性
にて回転させるための切換を滑らかに行なうためにはト
ルク角がＯとなる位置に磁極６２，６３を作り出す必要
がある。以上のような操作を行なうために指令回路５６
はR・P.Sからの回転子位置信号に基づき、ＶＦＯ４９を
位相合せ信号により制御する。したがって回転子４１は
巻線磁極６２，６３の位置から矢印Ｃ方向に回転する回
転磁界に同期して速度指令に等しい速度で回転し、テー
ブル５３はさらに目標位置へ接近する。目標位置へ接近
するほどＶＦＯの発振周波数は低くなって速度は小さく
なり、目標位置へ達すると位置偏差、ＶＦＯの発振周波
数は共に０となり位置決めを完了する。勿論、ＶＦＯの
発振周波数は０であるから、電機子巻線の電流値は、位
置決めが完了された時の値を保持しており、回転子は、
位置決めされた位置において静止する。前に述べたよう
に速度が小さくなっても、ＶＦＯ４９の発振周波数を速
度指令に従がって変えるだけで速度制御が可能であるか
ら停止寸前の非常に低い速度であっても容易に制御可能
であるから安定した位置決めが可能となる。また駆動距
離のほとんんどを加減速特性に優れた非同期特性にて駆
動することによりきわめて短時間に位置決めを行なうこ
とができる。

なお、電動機の構造は前記実施例のように回転形でなく
てもリニア形であっても、また２極３相に限らず多極形
であってもまたパルスモータであっても同期機構造の電
動機であればよい。

また、位置検出器はリニアスケールに限るものではなく
レーザ干渉測長器のような分解能の高い測長器であれば
より一層本発明の効果を発揮し得る。ここで、高分解能
で高速駆動する場合、例えば分解能0.01μｍで最高速10
0mm/sであれば偏差カウンタの動作周波数は１０MHzに達
するばかりでなく、D/Aコンバータの所要ビット数も多
くなってしまう。そうすれば耐ノイズ性が不利であるば
かりでなく高速信号処理のための回路構成が非常に高価
となってしまう。以上の問題は本発明においては次の様
にする事によって解決している。

例えば分解能0.01μｍで最高速100mm／ｓである場
合、、非同期特性にて目標位置の１μｍ手前まで駆動す
るものとすれば非同期特性駆動の分解能は１μｍで良
い。したがって位置検出器からの分解能0.01μｍの信号
を分周して分解能１μｍで処理することにより偏差カウ
ンタの動作周波数を１００kHzに低減し、信号処理を容
易にしている。

最適位置ループゲインが１００（−ｓ）であるとする
と、非同期特性駆動時のＤ／Ａコンバータのゲインを位
置偏差１μｍ（１パルス）当り１００μｍ／ｓとしてい
る。同期特性駆動に入れば最大位置偏差は大きくても２
μｍで最大速度は２００μｍ／ｓであるから分解能を0.
01μｍに戻している。そうしても偏差カウンタの動作周
波数は２０kHzであるから全く問題はない。また、この
時はＤ／Ａコンバータのゲインを位置偏差0.01μｍ（１
パルス）当り１μｍ／ｓとしている。

以上の操作をする事によって、位置信号処理動作周波数
を１／１００に、またＤ／Ａコンバータの容量も１／１
００にすることができる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、目標位置近傍までは非同
期特性によって高速で短時間に駆動した後、目標位置近
傍から目標位置までを同期特性によって高分解能で駆動
し、目標位置において位置決めすることができ、高速で
短時間に、しかも停止時の安定性の高い高精度位置決め
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は２極３相のＤＣブラシレス電動機の動作原理を
示すブロック図、第２図は２極３相同期電動機の動作原
理を示すブロック図、第３図は同期電動機の動作説明
図、第４図はその他の構造を有する同期電動機の動作原
理の説明図、第５図は本発明の駆動装置の一実施例を示
すブロック図、第６図は同装置の動作説明図、第７図
は、同期電動機を同期電動機特性で駆動する場合、固定
子巻線電流の大きさと、それによって作られる巻線磁極
位置、回転子位置の関係の説明図である。 １，２１，３２，４１……回転子、２，３，４，２２，
２３，２４，４２，４３，４４……電機子巻線、９，１
０，２８，２９，３３，３４，６０，６１，６２，６３
……電機子巻線が作り出す磁極、６，４６……回転子位
置検出器（R・P.S）、８，４８……電子整流回路、２
７，４９……可変周波数発振器（ＶＦＯ）、５０，５１
……切換スイッチ、５２……送りネジ、５３……テーブ
ル、５４……リニアスケール、５５……カウンタ、５６
……指令回路、５７……偏差カウンタ、５８……D/Aコ
ンバータ、Ｅ……正弦波状電流波形。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−199498（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−80414（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−18756（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同期機構造の電動機にによって駆動される
   移動体の位置を高精度に位置決めするための前記電動機
   の駆動方法であって、 前記移動体の目標位置近傍までは、前記電動機を非同期
   電動機特性で運転して前記移動体を駆動し、 前記目標位置近傍から目標位置までは、前記電動機の固
   定子巻線の電流値を正弦波状に変化させて前記固定子巻
   線が作る連続的に移動する磁極によって前記移動体を同
   期電動機特性で駆動し、 前記移動体が前記目標位置に到達した時点において、そ
   の時点における前記固定子巻線の電流を保持するように
   なして、前記電動機の可動子を前記固定子に対する任意
   の位置で静止可能となしたことを特徴とする同期機構造
   の電動機の駆動方法。
2. 【請求項２】非同期電動機特性による、移動体の目標位
   置近傍までの移動が、トルク角が略π／２となる非同期
   電動機特性で駆動されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の同期機構造の電動機の駆動方法。