JPWO2013031268A1 - 一体型サーボシステム、モーターシステム及び一体型サーボシステムの制御方法 - Google Patents

Abstract

モーター（１１）を制御する一体型サーボシステム（３）および方法を提供する。一体型サーボシステム（３）は、モーター（１１）の位置演算用検出データを検出する位置検出部（１３）と、検出された位置演算用検出データに基づいてモーター（１１）の位置を演算する位置信号プロセッサ（１４）と、を備える。一体型サーボシステム（３）は、更に、演算された位置データに基づいてモーター（１１）を制御するサーボ制御回路（１５）と、演算された位置データが位置信号プロセッサ（１４）からサーボ制御回路（１５）へと送信されるパラレルバス（１６）と、を備える。

Description

本発明にかかる装置および方法は、サーボモーターの位置および速度の制御システムに関する。

サーボモーターは、工作機械内などの各種機械負荷を駆動する制御システムに用いられる。モーター位置及び速度が正確に制御されることが望ましい。

図１を参照し、従来のサーボシステムを説明する。サーボシステムは、電源（電気の幹線）１と、サーボ増幅器１００と、モーター１１と、エンコーダ２００とを備える。電気の幹線１は、電力線５を介して２００Ｖの三相電力などの交流電流をサーボ増幅器に供給する。

サーボ増幅器１００は、電力線５からの交流電流を整流し、２８０Ｖの電圧で直流電流を生成するコンバータ回路６を備える。直流電流は、インバータ回路１０へと出力される。インバータ回路１０は電圧を生成し、電力線１２を介してモーター１１へ三相電力を供給する。前記電圧は、電力線７から入力される直流電流と他のフィードバック情報とに従い生成される。

モーター１１の位置は、エンコーダ２００内の位置検出部１３により監視される。エンコーダの位置検出方法は様々な方法が存在するが、ここでは最も一般的な形式を以下に説明する。通常、モーター１１が駆動されるとモーター１１がパルス円板を回転させ、位置検出部１３は、パルス円板を介して、レーザーまたは光により形成される光学パルスを検出する光学回転エンコーダを備える。パルス数を計数することにより、位置検出部１３は、モーター１１の位置演算用検出データを検出する。信号処理部ＩＣ５１は、この位置演算用検出データを加工・補正してモーター位置情報を生成しシリアル送信部５２へ送信する。シリアル送信部５２は前記位置情報をシリアルバス５９を介してシリアル受信部５３へと送信する。受信された位置情報に基づいて、サーボ増幅器１００は、速度プロセッサ５４を用いてモーター１１の速度を計算する。速度制御部５６は、速度プロセッサ５４により出力された速度に基づいてインバータ回路１０を制御するように電流制御部ＩＣ５５（以下「ＩＣ５５」）に指示する。つまり、速度制御部５６は、インバータ回路１０への出力強度を増加または低下させるように電流制御部ＩＣ５５に指示する。具体的には、速度制御部５６は、電流コマンド（トルクコマンド）をＩＣ５５に与える。ＩＣ５５は、また、インバータ回路１０から実際のモーターフィードバック電流を受け取る。そして、ＩＣ５５は、電流コマンドとインバータ回路１０から受け取った電流フィードバック（電流データ）とを比較し、その比較に基づいて電圧コマンドを生成する。生成された電圧コマンドに基づいて、ＰＷＭ信号（パルス幅変調コマンド）が生成されてインバータ回路１０に与えられる。

従来技術の一例としては、特許文献１に開示される『モータ制御装置と速度信号生成方法』がある。特許文献１は、二相パルス列信号あるいはシリアル通信で得られた位置検出信号を差分演算して速度検出信号を生成し、速度信号生成時のフィルタリング処理の方法を工夫して速度分解能を向上させつつ遅れ時間を最小化するものである。本方式においても、高分解能エンコーダを用いる場合はシリアル通信による位置検出信号が用いられる。

特開２００８−２２８４４６号公報

本願の発明者は、上記の従来システムが持つ以下の問題を特定した。シリアルバス５９の帯域幅が限られており定周期で離散的にデータを送信するので、サーボ増幅器１００およびエンコーダ２００は、全ての位置データがシリアルバスにより転送されるのを待たなければならない。サーボ増幅器１００がエンコーダ２００からの位置データの受信を待つ間、モーター１１の位置は位置データによって示される位置から変化する。その結果、従来技術でサーボ増幅器１００により算出されるモーター１１の現在の位置には遅延が含まれてしまう。また、シリアルバスの転送周期により、サーボ増幅器内の位置データにある程度の離散的時間誤差が出てしまう。更に、速度データは、差分・フィルタリング演算を用いて位置データから算出される。従って、速度データは、位置データの誤差および遅延によるかなりの誤差および遅延を含むことになる。特にシリアル通信周期が長いと、速度演算に時定数の長いフィルタ処理が必要になり、フィルタ特性による遅延は益々大きくなる。速度データは速度フィードバック制御に用いられるので、速度算出における誤差および遅延は、制御の不安定性を引き起こす可能性があり、制御の不安定性はサーボ性能の低下をもたらす可能性があり、また、例えば製造ラインなどの生産性を低下させるおそれがある。

従って、よりリアルタイムでの位置・速度検出とそれに続くモーター速度の制御を可能にするシステムが求められている。

図１の従来のシステム１０００は、更に、ユーザによって書かれ且つモーション制御部４自体により実行されるプログラムに基づいてサーボシステムを制御する指示を生成するモーション制御部４を備える。これらの指示は、モーション制御通信ライン８を介してサーボ増幅器１００へデジタル信号またはアナログ信号として送信される。モーション制御通信ライン８は、例えばＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）や専用シリアル通信などの各種ネットワーク接続を用いて実施できる。位置制御部５７は、モーション制御部により指示される所望の速度を速度制御部５６に指示する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位置データおよび／または速度データを高速・高精度にサーボ制御回路へと転送することができる一体型サーボシステム、モーターシステム及びモーターの制御方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、一体型サーボシステムを採用し、モーターの位置演算用検出データを検出する位置検出部と、前記検出された位置演算用検出データに基づいて前記モーターの位置を演算する位置信号プロセッサと、を備える。一体型サーボシステムは、更に、前記演算された位置データに基づいて、前記モーターを制御するサーボ制御回路と、前記演算された位置データが前記位置信号プロセッサから前記サーボ制御回路へと送信されるパラレルバスと、を備えることを特徴とする。一体型サーボシステムを採用することで、サーボアンプとサーボモーター間の距離がユーザ依存ではなくなり、サーボシステム製造メーカにて任意に設計可能となるため、サーボ制御回路と位置信号プロセッサを近接配置することが可能となり、パラレルバスの採用が可能となる。

また、本発明は、前記モーターの現在の位置を含む前記モーターの位置データを演算し、パラレルバスを介して前記演算された位置データをサーボ制御回路へと送信することを含む。該方法は、更に、前記演算された位置を前記サーボ制御回路で受信し、前記受信された位置データに基づいて前記モーターを制御する、ことを特徴とする。

本発明にかかる一体型サーボシステム、モーターシステム及びモーターの制御方法は、位置データおよび／または速度データを高速・高精度にサーボ制御回路へと転送することができるという効果を奏する。

図１は、従来のモーターシステムを示す図である。 図２は、実施の形態にかかるモーターシステムの一例を示す図である。 図３は、実施の形態にかかる別のモーターシステムの一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる一体型サーボシステム、モーターシステム及びモーターの制御方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。本発明の実施の形態は、少なくとも上記の問題および／または欠点と、上記しない他の欠点に取り組むものである。しかし、本発明は上記の欠点を克服する必要はなく、本発明の実施の形態は上記の問題を克服しない場合がある。

以下の説明では、異なる図面間であっても、同じ構成要素には同じ図面参照番号が用いられる。詳細な構成や構成要素など、明細書に定義される事項は、本発明の幅広い理解に役立つものである。しかし、具体的に定義される事項がなくても、本発明を実施することができる。また、不要な詳細により本発明を不明瞭にすることがあるので、公知の機能や構成についてはここでは詳細に説明しない。

添付の図面を参照して本発明の特定の実施の形態を説明することにより、本発明の上記の態様および／または他の態様をより明らかにする。

実施の形態．
本実施の形態では、一体型サーボシステム３を備えるモーター制御システム２０００について説明する。図２は、実施の形態にかかるモーターシステムとしてのモーター制御システム２０００の構成を示す図である。インバータ回路１０、モーター１１、位置検出部１３、および電流制御ＩＣ１９などのいくつかの構成部は、図１に記載のものと同様である。一体型サーボシステム３は、モーター１１の位置および速度を制御するサーボ制御回路１５を備える。

一体型サーボシステム３では、モーター１１の位置演算用検出データが位置検出部１３により検出され、モーター位置・速度を算出する位置信号プロセッサ１４へと出力される。位置信号プロセッサ１４により算出される位置・速度は、シリアルバス（図１に示す）の代わりにパラレルバス１６を介してサーボ制御回路１５へ出力される。

位置信号プロセッサ１４は、モーター１１の位置に基づいてモーター１１の速度を算出する。すなわち、位置信号プロセッサ１４は、所定間隔でモーター１１の位置の差分を取得するなどし、速度を演算する。その後、位置情報および／または速度データはパラレルバス１６を介してサーボ制御回路１５へと送信される。

本実施の形態の一体型サーボシステムは、シリアルバスよりも帯域幅が大きく且つ高速であるパラレルバス１６を採用するので、位置データおよび／または速度データは高速・高精度にサーボ制御回路１５へと転送することができる。これにより、シリアル通信で送信される位置の差分・フィルタリング処理によって得られる速度データに比べて、遅れ時間・離散化誤差の少ない速度データを得ることができ、速度フィードバック応答性能向上を期待できる。また、パラレルバス１６は高速でデータを転送するので、位置信号プロセッサ１４内で算出された速度であっても、位置データの転送速度を落とすことなく送信することができる。位置データは、位置制御のためにサーボ制御回路１５へと送り戻される。

モーター制御システム２０００は、更に、図１の場合と同様のモーション制御部４を備える。モーション制御部４は、コンバータ部２及び一体型サーボシステム３を制御する要求を出し、これらの要求をコンバータ部２へ送信する。モーション制御部４の要求はコンバータ部２のモーション制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路２２で受信され、その後、これらの要求はコンバータ部２のコンバータ制御処理部（ＰＵ）２３へと転送される。コンバータ制御処理部２３は、コンバータ回路６を制御する指示信号を生成するので、コンバータ回路６は、モーション制御インターフェース回路２２を介して受信された要求に従い、制御される。また、コンバータ制御処理部２３は、インバータ回路１０と、モーター１１と、位置検出部１３と、位置信号プロセッサ１４と、サーボ制御回路１５と、を備えるフィードバック回路を一体型サーボシステム３が制御する指示を生成する。コンバータ制御処理部２３により生成される指示は、コンバータ・インバータ通信ライン２１を介してインバータインターフェース回路（ＩＮＶ Ｉ／Ｆ）２４から送信される。コンバータ・インバータ通信ライン２１は、位置／速度コマンドをモーション制御部４からサーボ制御回路１５へと転送するために用いられる。コンバータ・インバータ通信ライン２１は、また、実際のモーター位置／速度／電流監視データと他のステータスデータとをサーボ制御回路１５からモーション制御部４へと転送するためにも用いられる。

従来技術に優る本実施の形態の別の際立った特徴として、サーボ増幅器１００のいくつかの構成要素のモーターとの一体化がある。例えば、速度処理および制御回路（インバータ回路１０、電流制御部ＩＣ５５、速度制御部５６、および速度プロセッサ５４）は、モーターと位置検出回路とに一体化されて、図２で説明される一体型サーボシステム３を構成する。従来、モーターは、サーボシステムから長いケーブルで分離されており、位置検出情報はシリアル通信にて送信されるため、これがサーボシステム内での位置データの制御回路への伝達に遅延を加える可能性があった。パラレル通信はビット間の同期やクロストークの問題から配線長に限界があるため従来のサーボシステムでは採用することができなかった。そこで、一体型サーボシステム３を設け、サーボ制御回路１５と位置信号プロセッサ１４との間にパラレルデータリンク（パラレルバス１６）を設けることにより、位置検出部１３とモーター１１を制御する回路への送信との間の遅延時間を著しく低減することができる。これにより、サーボ増幅器１００で得られる位置・速度情報はよりリアルタイム且つ高精度なものとなるため、サーボシステムの制御性能が向上し、例えば製造ラインなどにおいて生産性が低下することを防止できる。

更に、モーターの速度、位置、加速度などを制御する構成要素を、位置および速度を演算する回路要素と同一の回路基板上に設けることができる。これにより、パラレルバス１６の配線長をより短縮できることから、よりノイズの影響を受けにくくなり、送信速度を向上させることが可能である。

なお、サーボ制御回路１５と、位置検出部１３と、位置信号プロセッサ１４とは、同じプロセッサあるいは同じチップ内にて実現されてもよい。その場合は更に配線長が短縮されノイズの影響を受けにくくなり、高速通信が可能となる。

サーボ制御回路についての更なる詳細を次に説明する。

サーボ制御回路１５は、デュアルポートメモリ（ＤＰＭ）１７と、サーボ制御処理部（ＰＵ）１８と、電流制御ＩＣ１９と、コンバータインターフェース回路（ＣＮＶ Ｉ／Ｆ）２０とを備える。位置検出部１３により検出される位置と位置信号プロセッサ１４により算出される速度とは、パラレルバス１６を介して転送された後、デュアルポートメモリ１７に記憶される。デュアルポートメモリ１７により、サーボ制御処理部１８からの非同期アクセスが可能となり、アクセスタイミングなどを気にせずに容易に通信回路を実現できる。サーボ制御処理部１８は、モーター１１の位置および速度に基づいて、電流制御ＩＣ（集積回路）１９への指示を生成するように構成される。電流制御ＩＣ１９は、サーボ制御処理部１８からの指示に基づいてインバータ回路１０を制御する。サーボ制御処理部１８は、コンバータインターフェース２０を介して受信される情報に従い、電流制御ＩＣ１９へ指示を与える。コンバータインターフェース回路２０は、コンバータ・インバータ通信ライン２１を通って転送される情報を受信するように構成される回路である。コンバータ・インバータ通信ライン２１は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）などを利用した公知の各種モーションネットワーク接続を用いることで実施できる。

例えば、パラレルバス１６は、バス幅と位置データの分解能とがビット数で計測される場合、位置データの分解能以上のバス幅を有してもよい。バス幅が位置データ分解能以上であれば、エンコーダ一回転内位置情報を、一回の送信で送ることが可能となり、通信遅れを最小化できる。更に、位置信号プロセッサ１４を搭載する基板とサーボ制御回路１５を搭載する基板とは、長さ２０ｃｍ未満のケーブルにより接続されてもよい。また、パラレルバス１６により、著しい誤差や遅延もなく位置データをサーボ制御回路１５へと送信できるので、速度データは、位置信号プロセッサ１４で算出される代わりにサーボ制御回路１５で算出されてもよい。

図３を参照し、モーター制御システム３０００の実施の一例を説明する。本実施の形態では、図２のコンバータ部２が図２の一体型サーボシステム３に一体化されて一体型サーボシステム１０３になる。モーター制御システム３０００の構成要素の多くは、その機能がモーター制御システム２０００に類似する。例えば、モーター制御システム３０００は、電源１、モーション制御部４、モーター１１、位置検出部１３、位置信号プロセッサ１４、サーボ制御回路１５、インバータ回路１０、およびモーション制御インターフェース回路２２などを備える。

上記の実施の一例では、コンバータ部のスペースが電子キャビネット内で不要となり、これにより電気キャビネットのサイズを小さくすることが可能となる。更に、入力電線ケーブルがＡＣの電力線５のみである。従って、配線をより簡単なものとして誤配線の可能性を低減することができる。

上記の実施の形態は、単に例示的なものであり、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本教示は他の種類の装置にも容易に適用することができる。また、本発明の実施の形態の記載は説明を目的としたものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。また、各種の代替、改良、変更は当業者にとって当然のものとする。

以上のように、本発明にかかる一体型サーボシステム、モーターシステム及びモーターの制御方法は、工作機械内などの各種機械負荷を駆動する制御システムへの適用に有用である。

１ 電源（電気の幹線）
２ コンバータ部
３、１０３ 一体型サーボシステム
４ モーション制御部
５、７、１２ 電力線
６ コンバータ回路
８ モーション制御通信ライン
１０ インバータ回路
１１ モーター
１３ 位置検出部
１４ 位置信号プロセッサ
１５ サーボ制御回路
１６ パラレルバス
１７ デュアルポートメモリ
１８、２３ 処理部
１９ 電流制御ＩＣ（集積回路）
２０ コンバータインターフェース回路
２１ コンバータ・インバータ通信ライン
２２ モーション制御インターフェース回路
２４ インバータインターフェース回路
５１ 信号処理部ＩＣ
５２ シリアル送信部
５３ シリアル受信部
５４ 速度プロセッサ
５５ 電流制御部ＩＣ（ＩＣ）
５６ 速度制御部
５７ 位置制御部
５９ シリアルバス
１００ サーボ増幅器
２００ エンコーダ
１０００ システム
２０００、３０００ モーター制御システム

Claims (12)

1. モーターの位置演算用検出データを検出する位置検出部と、
   前記検出された位置演算用検出データに基づいて、前記モーターの位置を演算する位置信号プロセッサと、
   前記演算された位置データに基づいて、前記モーターを制御するサーボ制御回路と、
   前記演算された位置データが前記位置信号プロセッサから前記サーボ制御回路へと送信されるパラレルバスと、
   を備えることを特徴とする一体型サーボシステム。
2. 前記位置信号プロセッサは、前記モーターの速度データを演算し、前記演算された速度データは前記演算された位置データともに前記パラレルバスを介して前記サーボ制御回路へと送信されることを特徴とする請求項１に記載の一体型サーボシステム。
3. 前記パラレルバスのバス幅は、前記位置データのビット分解能以上であることを特徴とする請求項１に記載の一体型サーボシステム。
4. 前記パラレルバスは前記サーボ制御回路内のデュアルポートメモリに接続することを特徴とする請求項１に記載の一体型サーボシステム。
5. 前記位置信号プロセッサを搭載する基板と前記サーボ制御回路を搭載する基板とは、長さ２０ｃｍ未満のケーブルにより接続されることを特徴とする請求項１に記載の一体型サーボシステム。
6. 前記位置検出部と、位置信号プロセッサと、サーボ制御回路と、前記パラレルバスとは、同一の搭載基板に設けられることを特徴とする請求項１に記載の一体型サーボシステム。
7. 前記位置検出部と、前記位置信号プロセッサと、前記サーボ制御回路と、前記パラレルバスとは、同一のチップに設けられることを特徴とする請求項１に記載の一体型サーボシステム。
8. コンバータ部と、
   請求項１に記載の一体型サーボシステムと、
   を備え、
   前記コンバータ部は、前記一体型サーボシステムに位置制御コマンドまたは速度制御コマンドを与える、
   ことを特徴とするモーターシステム。
9. モーターの現在の位置を含むモーターの位置データを演算し、
   パラレルバスを介して前記演算された位置データをサーボ制御回路へと送信し、
   前記演算された位置データを前記サーボ制御回路で受信し、
   前記受信された位置データに基づいて前記モーターを制御する、
   ことを含むことを特徴とするモーターの制御方法。
10. 前記モーターの速度データを演算し、
    前記演算された速度データを前記演算された位置データとともに前記パラレルバスを介して前記サーボ制御回路へと送信する、
    ことを更に含むことを特徴とする請求項９に記載のモーターの制御方法。
11. 前記パラレルバスのバス幅は、前記位置データのビット分解能以上であることを特徴とする請求項９に記載のモーターの制御方法。
12. 前記パラレルバスは前記サーボ制御回路内のデュアルポートメモリに接続することを特徴とする請求項９に記載のモーターの制御方法。

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