KR20090028479A

KR20090028479A - 변위 검출 방법 및 모터 제어 장치

Info

Publication number: KR20090028479A
Application number: KR1020080090515A
Authority: KR
Inventors: 신지 우에다
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2009-03-18
Also published as: US8072176B2; JP5111031B2; EP2037220A2; JP2009069031A; US20090072774A1; EP2037220B1; EP2037220A3; KR101079488B1; CN101387504A; CN101387504B; TW200934093A; TWI359557B; USRE46899E1

Abstract

본 발명의 변위 검출 방법은 미리 정의된 신호를 토크 지령에 중첩하여 모터에 구동 토크를 공급하는 단계, 미리 정의된 신호를 토크 지령에 중첩하는 경우의 구동 토크와 변위 검출기에 의해 검출된 모터 각도 사이의 진폭 스펙트럼 비를 검출하는 단계, 진폭 스펙트럼비를 일정하게 하기 위한 보정 데이터를 생성하는 단계, 및 보정 데이터를 사용하여, 변위 검출기에 의해 검출된 모터 각도가 실제의 모터 각도와 일치하도록 검출된 모터 각도를 보정하는 단계를 포함한다.

변위 검출 방법, 모터 제어 장치, 가공 장치, 구동 토크

Description

변위 검출 방법 및 모터 제어 장치{DISPLACEMENT SENSING METHOD AND MOTOR CONTROL APPARATUS}

본 발명은 변위 검출 방법 및 모터 제어 장치에 관한 것으로, 특히 검출 각도(measured angle)를 보정하는 변위 검출 방법 및 검출 각도를 보정하여 검출 정밀도를 향상시키는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

갈바노(galvano) 모터로 지칭되는, 저출력 전기 모터는 레이저 구멍뚫기 가공기(laser drilling machine), 레이저 트리밍 장치(laser trimming machine), 및 레이저 리페어 장치(laser repair machine) 등의 가공 장치(processing machine)에 사용된다. 갈바노 모터는 높은 정밀도를 갖는 각도 검출기를 구비하는 것이 필요하다. 따라서, 갈바노 모터의 각도 검출기로서 증가식 인코더(incremental encoder)가 사용된다.

광학식 회전(rotary) 인코더 및 선형(linear) 인코더가 증가식 인코더로서 알려져 있다. 그 인코더들은 서로 90˚의 위상차를 갖는 두개의 신호들(정현파 신호(sine wave signal) 및 코사인파 신호(consine wave signal))을 사용함으로써 검출되는 물체의 변위량 및 변위 방향 등의 변위 정보를 검출한다.

다수의 통상적인 인코더들은 검출 정밀도를 향상시키기 위하여 출력 신호의 진폭, 오프셋(offset), 및 위상을 보정한다.

예를 들어, 일본특허공개 8-145719호 공보는 인코더의 출력 신호의 최대값 과 최소값 및 2상의 출력 신호들의 교점의 정보에 기초하여 진폭 보정, 오프셋 보정, 및 위상 보정이 수행되는 것을 기술한다. 일본특허공개 10-254549호 공보는 인코더의 출력 신호의 최대값들의 평균값과 최소값들의 평균값에 기초하여 진폭 보정 및 오프셋 보정이 수행되는 것을 기술한다.

그러나, 통상적인 보정 수단은 인코더의 출력 신호가 이상적인 정현파 신호라는 가정하에 보정을 수행한다. 그러나, 실제로, 인코더의 출력 신호는 고조파 성분(higher hamonic component) 또는 비선형 성분(nonlinear component)을 포함하기 때문에, 이상적인 정현파가 아니다. 따라서, 통상적인 보정 수단이 인코더의 출력 신호를 보정하는 경우라도, 인코더의 출력 신호는 이상적인 정현파 신호가 아니다.

다수의 인코더들은 정현파 신호 및 코사인파 신호로부터 분할 단위(split unit)에 대응하는 위상차를 포함하는 복수의 분할 펄스를 생성하여 검출되는 물체의 변위 정보의 검출 해상도를 향상시킨다. 그러한 방법은 전기 분할로 지칭된다. 인코더의 출력 신호가 이상적인 정현파 신호가 아닌 것은, 전기 분할을 수행하는 경우 오차의 원인이 된다.

인코더는 스케일 피치(scale pitch)들이 동일한 간격들을 갖도록 처리된다. 그러나, 실제로, 그것은 가공 오차를 갖는다.

본 발명은 인코더의 출력 신호에 포함되는 고조파 성분 또는 비선형 성분, 및 스케일 피치들의 가공 오차에 의해 야기되는 검출 오차를 감소시키는 변위 검출 방법을 제공하고, 또한 그 검출 오차를 감소시키는 높은 정밀도를 갖는 모터 제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 양태로서 변위 검출 방법은 미리 정의된 신호를 토크 지령(torque command)에 중첩하여 모터에 구동 토크를 공급하는 단계, 미리 정의된 신호를 토크 지령에 중첩하는 경우의 구동 토크와 변위 검출기에 의해 검출된 모터 각도 사이의 진폭 스펙트럼비(amplitude spectrum ratio)를 검출하는 단계, 진폭 스펙트럼비를 일정하게 하기 위하여 보정 데이터를 생성하는 단계, 및 보정 데이터를 사용하여, 변위 검출기에 의해 검출된 모터 각도가 실제의 모터 각도와 동일하도록 검출된 모터 각도를 보정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 양태로서의 모터 제어 장치는 모터의 변위량을 검출하는 변위 검출기, 모터에 구동 토크를 공급하는 구동 수단, 미리 정의된 신호를 생성하여 구동 수단에 이 미리 정의된 신호를 공급하는 신호 생성기, 미리 정의된 신호가 구동 수단에 공급되는 경우의 구동 토크 및 변위 검출기에 의해 검출된 모터의 변위량을 사용하여 보정 데이터를 생성하는 보정 데이터 생성기, 및 보정 데이터 생성기에 의해 생성된 보정 데이터를 사용하여, 변위 검출기에 의해 검출되는 모터의 변위량이 모터의 실제의 변위량과 동일하도록 모터의 검출된 변위량을 보정하는 보 정 수단을 포함한다. 구동 수단은 보정 수단에 의해 보정된 변위량을 사용하여 모터를 제어한다.

이하, 도면들을 참조하여 기술되는 실시예들로부터 본 발명의 그외의 양태들이 분명해진다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들이 기술된다.

가공 장치의 일례로서, 레이저 가공기의 구성이 기술된다. 도 13은 레이저 가공기(100)의 개략도를 도시한다. 레이저 가공기(100)는 기판의 절단, 기판에 구멍뚫기, 및 금속들 사이의 용접 등의 다양한 목적들에 사용된다.

본 실시예의 레이저 가공기(100)는 회전 모터들(101 및 102)을 포함한다. 회전 모터들(101 및 102)은 미러(mirror)들(103 및 104)을 각각 회전 구동하기 위하여 제공된다. 미러들(103 및 104)은 회전 모터들(101 및 102)에 의해 회전 구동되어 방향들을 변화시킨다.

따라서, 회전 모터들(101 및 102)을 사용하여 미러들(103 및 104)의 방향들을 변경하는 단계는 레이저 광 L의 방향을 변경할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 회전 모터들(101 및 102) 각각에 모터의 회전 변위량을 검출하기 위한 인코더가 제공된다. 모터의 회전 변위량을 정밀하게 검출함으로써 레이저 광 L의 방향을 정밀하게 제어할 수 있다.

레이저 발진기(105)로부터 방출된 레이저 광 L은 미러들(103 및 104)을 통해 레이저 가공면(106)에 조사된다. 금속, 유리, 및 플라스틱 등의 다양한 물질들은 가공의 대상이 되는 레이저 가공면(106)으로 선택될 수 있다.

전술된 바와 같이, 레이저 가공기(100)는 미러들(103 및 104)을 회전함으로써 레이저 광 L의 방향을 정확하게 제어할 수 있다. 따라서, 레이저 가공면(106)은 정확하게 가공될 수 있다.

다음으로, 레이저 가공기(100)에 사용되는 모터 제어 장치의 구성이 기술된다. 도 14는 모터 제어 장치의 개략도를 도시한다. 도 15는 인코더의 스케일(201)의 개략적인 평면도를 도시한다.

본 실시예의 모터 제어 장치(200)는 회전 모터(101)의 회전 변위량을 검출하기 위한 광학식 인코더를 포함한다. 그 인코더는 회전 슬릿 원판(slit circular disc) 및 고정 슬릿 원판을 갖는 스케일(201)과, 발광 소자(light-emitting element)(발광 다이오드) 및 수광 소자(light-receiving element)(포토다이오드)를 갖는 검출기(202)를 포함한다. 회전 슬릿 원판은 회전 모터(101)의 회전과 함께 회전한다. 한편, 고정 슬릿 원판은 고정된다. 인코더는 회전 슬릿 원판 및 고정 슬릿 원판이 발광 소자와 수광 소자 사이에 배치되도록 구성된다.

회전 슬릿 원판 및 고정 슬릿 원판에 다수의 슬릿들이 설치된다. 발광 소자의 광은 회전 슬릿 원판의 회전에 의하여 투과되거나 또는 차단된다. 또한, 고정 슬릿 원판이 인코더의 출력 신호를 복수의 위상으로 변환하기 때문에, 고정 슬릿은 복수의 슬릿으로 분할된다. 따라서, 복수의 발광 소자 및 수광 소자가 인코더에 설치된다.

도 15에 도시된 바와 같이, A상 패턴(205) 및 B상 패턴(206)의 슬릿들이 인 코더의 스케일(201)에 설치된다. 스케일(201)은 회전축(204) 주위를 회전한다. 회전 시에, 발광 소자로부터의 광이 A상 패턴 및 B상 패턴의 각각의 슬릿들을 투과하는 경우, 두개의 수광 소자들 각각은 발광 소자의 광을 검출한다. 따라서, 도 16에 도시된 바와 같이, 인코더는 위상들이 서로 90˚로 상이한 A상 신호 및 B상 신호를 생성한다. 도 16의 A상 신호 및 B상 신호는 파형 정형 회로(waveform shaping circuit)를 사용하여 정현파형의 인코더 출력의 파형 정형에 의해 형성되는 구형파 신호들이다.

모터 제어기(203)는 회전 모터(101)의 회전 구동을 제어한다. 모터 제어기(203)는 목표 각도인 모터 회전 각도와 검출 각도인 모터 검출 각도를 비교하고, 검출 각도가 목표 각도와 동일하도록 피드백 제어를 수행한다. 따라서, 미러(103)의 방향은 목표 각도에 대응하는 각도로 변경될 수 있다.

검출 원리는 광학식 방법에 한정되지 않으며, 자기식(magnetic) 방법과 같은 그외의 원리들이 또한 채용될 수 있다.

(실시예 1)

다음으로, 본 발명의 실시예 1에서의 변위 검출 방법 및 모터 제어 장치가 기술된다. 도 1은 모터 제어 장치의 제어기가 수행하는 제어의 블록도이다.

도 1의 제어 블록은 모터의 회전 각도 θm을 검출하기 위한 각도 검출기로서 회전 인코더를 사용하는 위치 제어 시스템이다. 도면은 토크 지령에 대한 위치 응답이 1/s²인 단순한 모터 모델과, 위치 및 속도 피드백을 수행하는 비례 제어기의 위치 제어 시스템을 도시한다.

참조 번호 1은 목표 각도 지령을 나타낸다. 목표 각도 지령(1)은 모터(17)로부터 출력되는 회전 각도 θm의 목표 각도를 지령한다. 참조 번호 2는 제1 가산기를 나타낸다. 제1 가산기(2)는 보정 수단(18)(보정 유닛)로부터 출력되는 보정 각도(19)를 피드백하여 목표 각도 지령(1)에 의한 목표 각도 및 보정 각도(19)를 가산한다. 참조 번호 3은 제2 가산기를 나타낸다. 제2 가산기(3)는 제1 가산기(2)의 출력 신호 및 미분기(12)로부터 출력되는 속도 피드백 신호를 가산한다.

참조 번호 4는 토크 지령을 나타낸다. 토크 지령(4)은 제1 가산기(2) 및 제2 가산기(3)를 통해 목표 각도 지령(1)을 통과시킴으로써 산출된다. 참조 번호 5는 제3 가산기를 나타낸다. 제3 가산기(5)는 신호 생성 수단(13)(신호 생성기)에 의해 생성되는 정현파 신호를 토크 지령(4)에 중첩한다. 참조 번호 6은 구동 토크를 나타낸다. 구동 토크(6)는 제3 가산기(5)로부터 출력되어 모터(17)에 공급된다. 따라서, 제3 가산기(5)는 구동 토크(6)를 모터(17)에 공급하는 구동 수단(구동 유닛)으로서의 기능을 갖는다.

참조 번호 17은 모터를 나타낸다. 모터(17)는 적분기들(7 및 8)을 구비하고, 모터(17)의 회전 각도(9)(θm)를 출력한다. 토크 지령(4)에 대한 위치 응답이 1/s²인 모터 모델이 실시예에 적용되기 때문에, 본 실시예의 모터(17)는 두개의 적분기들(7 및 8)을 포함한다.

모터(17)의 변위량인 회전 각도(9)(θm)는 모터(17)의 실제의 회전 각도를 나타낸다. 다시 말하면, 회전 각도(9)(θm)는 모터(17)의 실제의 변위량이다. 따라서, 그 각도는 인코더에 의해 검출되는 검출 각도와 상이하다.

참조 번호 10은 인코더를 나타낸다. 인코더(10)는 모터(17)의 실제의 회전 각도(9)(θm)를 검출하는 변위 검출 수단(변위 검출기)이다. 참조 번호 11은 검출 각도(θm')를 나타낸다. 검출 각도(11)(θm')는 변위 검출 수단인 인코더(10)에 의해 검출된 변위량(각도)이다. 인코더(10)는 모터(17)의 실제의 회전 각도(9)(θm)를 검출하여 모터(17)의 검출 각도(11)(θm')를 산출한다. 인코더(10)로부터 출력되는 정현파 신호는 고조파 성분을 포함한다. 인코더(10)의 스케일이 가공 오차들을 가질 가능성이 또한 존재한다. 따라서, 엄밀하게 말하면, 인코더(10)에 의해 검출된 모터(17)의 검출 각도(11)(θm')는 모터(17)의 실제의 회전 각도(9)(θm)와 상이하다. 즉, 실제의 회전 각도(9)(θm)와 인코더(10)에 의해 검출된 모터(17)의 검출 각도(11)(θm') 사이에 오차가 존재한다.

참조 번호 12는 미분기를 나타낸다. 미분기(12)는 보정 수단(18)에 의해 보정된 보정 각도(19)(θm'')를 시간에 대하여 미분하여 모터(17)의 회전 속도를 얻는다. 미분기(12)에 의해 얻어진 회전 속도는 속도 피드백 신호로서 제2 가산기(3)에 입력된다.

참조 번호 13은 신호 생성 수단(신호 생성기)을 나타낸다. 본 실시예의 신호 생성 수단(13)은 미리 정의된 진폭 및 주파수를 갖는 정현파 신호를 생성하고, 그 정현파 신호를 구동 수단인 제3 가산기(5)에 공급한다. 본 실시예의 신호 생성 수단(13)이 정현파 신호를 생성하지만, 이것 대신에, 가우시안 노이즈(Gaussian noise) 또는 삼각파 등의 그외의 신호를 생성하여 제3 가산기(5)에 공급할 수 있다.

참조 번호 14는 제1 푸리에 변환기를 나타낸다. 제1 푸리에 변환기(14)는 제3 가산기(5)로부터 출력된 구동 토크(6)를 입력받아 구동 토크(6)의 푸리에 변환을 수행한다. 제1 푸리에 변환기(14)는, 구동 토크(6)의 푸리에 변환을 수행한 결과로서, 제1 진폭 스펙트럼을 출력한다.

참조 번호 15는 제2 푸리에 변환기를 나타낸다. 제2 푸리에 변환기(15)는 인코더(10)의 출력 신호에 기초하여 얻어진 모터(17)의 검출 각도(11)(θm')를 입력받아 검출 각도(11)(θm')의 푸리에 변환을 수행한다. 제2 푸리에 변환기(15)는, 검출 각도(11)(θm')의 푸리에 변환을 수행한 결과로서, 제2 진폭 스펙트럼을 출력한다.

참조 번호 16은 보정 데이터 생성 수단(보정 데이터 생성기)을 나타낸다. 보정 데이터 생성 수단(16)은 제1 진폭 스펙트럼 및 제2 진폭 스펙트럼의 진폭 스펙트럼비를 산출한다. 보정 데이터 생성 수단(16)은 진폭 스펙트럼비에 기초하여 보정 데이터 W[n]을 생성한다. 즉, 보정 데이터 생성 수단(16)은, 미리 정의된 정현파 신호가 제3 가산기(5)에 공급되는 경우, 구동 토크(6) 및 인코더에 의해 검출된 검출 각도(θm')에 기초하여 보정 데이터를 생성한다.

참조 번호 18은 보정 수단(보정 유닛)을 나타낸다. 보정 수단(18)은 보정 데이터 생성 수단(16)에 의해 생성된 보정 데이터 W[n]을 사용하여 인코더(10)에 의해 검출된 모터(17)의 검출 각도(11)(θm')를 보정한다. 보정 수단(18)은 변위 검출 수단(변위 검출기)인 인코더(10)에 의한 검출 각도(11)(θm')를, 모터(17)의 실제의 회전 각도(9)(θm)와 동일하게 되도록 보정한다. 따라서, 보정 수단(18)에 의해 보정된 보정 각도(19)는 모터(17)의 실제의 회전 각도(θm)에 매우 근접한 값을 갖는다. 보정 각도(19)는 제1 가산기(2) 및 제2 가산기(3)로 피드백된다.

다음으로, 도 1의 제어 블록에서 발생하는 검출 각도의 오차들과 그 오차들을 보정하는 방법이 상세하게 기술된다.

먼저, 고조파 성분을 포함하는 인코더 신호가 모터의 검출 각도(θm')에 대해 야기하는 오차가 기술된다. 본 실시예는 회전 모터의 각도 검출기로서 회전 인코더를 사용한다. 인코더는 모터의 변위 검출 수단로서의 기능을 갖는다.

인코더는 모터의 매 회전당 2상(two-phase) 정현파 신호들을 각각 140000 주기로 출력한다. 모터의 회전 각도가 θm[rad]인 경우, 위상 각도 θe는 식 1로 표현된다.

이상적인 정현파 신호를 출력하는 인코더의 2상 신호들 Asig 및 Bsig는 식 2 및 식 3에 의해 각각 표현된다.

실시예에서, 인코더 신호들은 식 4 및 식 5에 의해 표현된 바와 같이 3차 및 5차 고조파를 포함하는 것으로 간주된다.

실시예에서, 고조파를 포함하는 인코더 신호는 이상적인 정현파 신호이고, 아크 탄젠트(arc tangent) 방법(tan^-1)에 의해 전기 분할을 수행할 경우 발생하는 오차로 간주된다. 인코더의 위상 각도 θe'는 고조파를 포함하는 인코더 신호를 사용하는 식 6에 의해 산출된다.

모터의 검출 각도 θm'[rad]는 인코더의 위상 신호 θe'을 사용하는 식 7에 의해 표현된다.

인코더가 주기 함수이기 때문에, 인코더의 위상 각도 θe는 -π≤θe≤π의 범위로 간주될 수 있다.

도 2는 모터의 검출 각도 θm'과 모터의 회전 각도 θm 사이의 관계를 도시한다. 도 2에서, 횡축은 모터의 회전 각도 θm를 나타내고 종축은 전기 분할에 의해 산출된 모터의 검출 각도 θm'를 나타낸다. 검출 오차가 이상적으로 제로(zero)인 경우, 도 2에 도시된 그래프는 선형이다. 그러나, 실제의 검출 각도는 오차들을 포함하기 때문에, 도 2에 도시된 그래프는 왜곡된(distorted) 라인이다.

도 3은 모터의 검출 오차 θm'-θm과 회전 각도 θm 사이의 관계를 도시한다. 도 3에서, 횡축은 모터의 회전 각도 θm을 나타내고, 종축은 모터의 회전 각도 θm과 전기 분할에 의해 산출된 모터의 검출 각도 θm' 사이의 검출 오차 θm'-θm을 나타낸다. 검출 오차가 이상적으로 제로인 경우, 종축의 검출 오차 θm'-θm는 횡축의 회전 각도 θm에 관계없이 항상 제로를 나타낸다. 그러나, 실제의 검출 각도가 오차들을 포함하기 때문에, 도 3에 도시된 그래프는 정현파형상으로(sinusoidally) 변화한다.

전술된 바와 같이, 모터의 실제의 회전 각도 θm과 인코더 출력의 고조파 성분에 의해 야기되어 인코더에 의해 검출되는 검출 각도 θm' 사이에서 검출 오차가 발생한다.

다음으로, 인코더에 의해 검출되는 검출 각도 θm'을 보정하는 방법이 도 12에 도시된 보정 절차의 흐름도를 참조하여 기술된다. 본 실시예의 보정 절차는 인코더를 모터에 조립한(mounted) 상태로 수행된다.

본 실시예의 모터 제어 장치는 인코더의 검출 각도를 보정하기 위한 보정 모드와 실제의 모터 제어를 수행하는 제어 모드를 갖는다. 모터 제어 장치는 정상 모터 제어가 수행되는 제어 모드로 이동하기 전에 보정 모드에서 검출 각도를 보정한다.

도 1에 도시된 제어 시스템은 인코더에 의한 모터의 검출 각도 θm'을 검출하여 모터의 위치 제어를 수행한다. 실시예에서, 보정 계수들은 식 8에 표현된 바와 같이 360 포인트들에서 산출된다.

먼저, 식 8에서, 인코더는 θm'[0]=-π/140000(n=0)을 만족하는 위치(각도)를 검출한다(단계 S1). 다음으로, 제어 시스템은 위치 제어를 수행하여 모터를 이 위치에 배치한다(단계 S2). 다음에, 위치 제어의 조건에서, 제어 시스템은 신호 생성 수단(13)에 의해 생성된 100Hz의 정현파 신호를 토크 지령(4)에 중첩한다(단계 S3). 정현파 주파수는 100Hz에 한정되지 않으며, 다른 주파수가 또한 사용될 수 있다.

결과에 기초하여, 제어 시스템은 제3 가산기(5)로부터 출력된 구동 토크(6) 를 모터(17)에 공급하여 구동 토크(6) 및 검출 각도 θm'의 각도 응답을 검출한다. 이 경우, 구동 토크는 Tm[0]으로 표현되고 모터의 검출 각도 θm'의 각도 응답은 θm'p[0]로 표현된다.

제어 시스템은 n의 값이 360보다 작은지의 여부를 판정한다(단계 S5). n의 값이 360보다 작은 경우, 제어 시스템은 n에 1을 가산하고(단계 S6), 단계 S2 내지 단계 S4의 프로세스를 반복한다. 즉, n이 1, 2, … , 358, 359(n<360)인 경우, n이 0인 경우와 마찬가지로, 제어 시스템은 모터의 구동 토크 Tm[n]과 측정 각도 θm'의 각도 응답 θm'p[n]을 산출한다(단계 S4).

n의 값이 360에 도달하는 경우, 제어 시스템은 모터의 구동 토크 Tm과 각도 응답 θm'p의 각각의 푸리에 변환을 수행하여 각각의 진폭 스펙트럼들(spectra)을 산출한다(단계 S7). 도 4는 모터의 구동 토크 Tm의 진폭 스펙트럼을 도시한다. 도 5는 각도 응답 θm'p의 진폭 스펙트럼을 도시한다. 도 4 및 도 5에 도시된 각각의 진폭 스펙트럼은 단지 정현파 신호의 중첩 주파수 100Hz의 항만을 나타낸다.

인코더에 의한 검출 오차가 없는 경우, 모터(17)의 검출 각도 θm'의 각도 응답 θm'p는 구동 토크 Tm에 대하여 일정하다. 즉, 구동 스펙트럼의 진폭 스펙트럼에 대한 각도 응답의 진폭 스펙트럼(진폭 스펙트럼비)은 일정하다.

그러나, 실제로, 인코더에 의한 검출 오차가 발생한다. 따라서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 검출 각도 θm'이 사용되는 경우 진폭 스펙트럼비는 일정하지않게 된다.

따라서, 검출 오차가 발생하는 경우, 제어 시스템은 진폭 스펙트럼비를 일정 하게 하기 위해 보정 데이터 W[n]를 만든다(단계 S8). 검출 각도 θm'이 θm'[n]≤θm'≤θm'[n+1]인 경우, 보정 데이터 W[n]은 가중치 데이터이고, 이하에 기술된 식 9 및 식 10을 만족하도록 산출된다.

식 9의 K는 임의의 상수이다. DFT(θm'p)는 검출 각도 θm'의 각도 응답 θm'p의 푸리에 변환에 의해 산출된 진폭 스펙트럼(100Hz의 항)이다. DFT(Tm)는 구동 토크 Tm의 푸리에 변환에 의해 산출된 진폭 스펙트럼(100Hz의 항)이다. 도 6은 보정 데이터 W와 검출 각도 θm' 사이의 관계를 도시한다. 제어 시스템은 그 보정 데이터 W를 사용하여 보정을 수행함으로써 구동 토크 Tm과 각도 응답 θm'p의 진폭 스펙트럼비를 일정하게 한다. 진폭 스펙트라 및 진폭 스펙트럼비의 검출들은 또한 구동 토크 Tm[n]과 각도 응답(θm'p[n])의 검출 직후에 수행될 수 있다(도 12의 단계 S4).

검출 각도 θm'이 보정된 보정 각도 θm''은 보정 데이터 W[n]을 사용하여 산출된다(단계 S9). 검출 각도 θm'이 (2π/360)×(n-180)/140000≤θm'<(2π /360)×((n+1)-180)/140000을 만족하는 경우, 보정 각도 θm''은 식 11로 표현된다.

도 7은 모터의 회전 각도 θ에 대한 보정후(corrected) 검출 오차 θm''-θm 및 보정전(uncorrected) 검출 오차 θm'-θm를 도시한다. 도 7에서, 횡축은 모터의 회전 각도 θm를 나타내고 종축은 검출 오차를 나타낸다. 모터의 회전 각도 θm과 보정전 검출 각도 θm' 사이의 검출 오차 θm'-θm은 파선으로 나타내고, 모터의 회전 각도 θm과 보정후 검출 각도 θm'' 사이의 검출 오차 θm''-θm은 실선으로 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이, 보정전 검출 오차 θm'-θm은 크다. 그러나, 보정후 검출 오차 θm''-θm은 매우 작다. 즉, 보정 데이터 W를 사용하여 산출된 보정 각도 θm''은 모터의 실제의 회전 각도 θm에 매우 근접한다.

전술된 바와 같이, 본 실시예의 변위 검출 방법은 모터의 검출 각도들 θm' 중 보정해야할 범위 내의 복수의 검출 각도에서 진폭 스펙트럼들의 검출들을 순차적으로 수행한다. 다음으로, 검출 각도 θm'의 보정은 검출 각도들 θm'의 각각의 위치 응답이 보정될 범위 내의 임의의 구동 토크에 대하여 일정하게 되도록 수행된다.

모터 제어 장치는 보정 모드에서 보정 각도 θm''을 산출한 후에, 모터 제어 장치가 정상 모터 제어를 수행하는 제어 모드로 이동한다. 제어 모드에서, 모터 제어 장치의 구동 수단인 제3 가산기(5)는 보정 모드에서 산출된 보정 각도 θm''을 사용하여 모터(17)의 구동 제어를 수행한다.

전술된 바와 같이, 본 실시예는 진폭 스펙트럼비를 일정하게 하기 위해 보정 데이터 W를 사용하여, 고조파 신호를 포함하는 인코더의 출력 신호에 대한 검출 오차를 효율적으로 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예는 인코더의 출력 신호에 포함되는 고조파 성분에 의한 오차를 감소시키는 변위 검출 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 실시예는, 모터 제어 장치가 인코더의 검출 오차가 작게 되도록 인코더의 검출 각도를 보정하기 때문에, 높은 정밀도를 갖는 모터 제어 장치를 제공할 수 있다.

(실시예 2)

본 실시예에서, 인코더의 스케일 피치는 가공 오차를 갖는다. 본 실시예는 회전 모터 상에 탑재된 각도 검출기로서, 실시예 1과 동일한 회전 인코더를 사용한다.

실시예 1의 경우와 같이, 본 실시예의 인코더는 모터의 회전당 2상 정현파 신호들의 각각을 140000 주기로 출력한다. 모터의 실제의 회전 각도가 θm[rad]인 경우, 위상 각도 θe는 식 1과 동일한 식 12에 의해 표현된다.

또한, 인코더의 2상 정현파 신호들 Asig 및 Bsig는 식 2 및 식 3과 각각 동일한 식 13 및 식 14로 표현된다.

그러나, 스케일 피치가 가공 오차를 갖는 경우, 식 1의 관계가 만족되지 않고 정확한 위치를 검출할 수 없다. 본 실시예에서는, 스케일 피치가 전술된 바와 같이 가공 오차를 갖는 경우에 모터의 검출 각도 θm을 보정하는 보정 절차가 기술된다.

먼저, 스케일 피치의 가공 오차를 갖는 인코더의 출력 신호가 모터의 검출 각도를 제공하는 오차가 기술된다.

본 실시예의 스케일은 모터의 회전 각도 θm에 대하여 식 15 및 식 16을 만족하는 것으로 간주된다. 모터의 회전 각도의 범위가 (-π/140000)×1.2≤θm<0인 경우, 인코더의 위상 각도 θe'은 식 15로 표현된다.

모터의 회전 각도의 범위가 0≤θm<(-π/140000)×0.8인 경우, 인코더의 위상 각도 θe'은 식 16으로 표현된다.

이 경우, 본 실시예의 인코더는 식 15 및 식 16의 관계를 만족하는 가공 오차를 갖는다. 스케일은 상기 범위 이외의 어떠한 가공 오차도 갖지 않는 것으로 간주된다. 인코더의 출력 신호가 이상적이고 고조파를 포함하지 않는 경우, 검출 각도 θm'은 식 17로 표현된다.

도 8은 모터의 검출 각도 θm'과 모터의 회전 각도 θm 사이의 관계를 도시한다. 도 8에서, 횡축은 모터의 회전 각도 θm을 나타내고 종축은 스케일 가공 오차를 포함하는 인코더에 의해 검출된 검출 각도 θm'를 나타낸다. 가공 오차가 이상적으로 제로인 경우, 도 8에 도시된 그래프는 선형이다. 그러나, 본 실시예의 스케일은 식 15 및 식 16을 만족하는 가공 오차를 갖기 때문에, 도 8에 도시된 그래프는 왜곡된 라인이다.

도 9는 가공 오차를 갖는 인코더에 의한 검출 오차 θm'-θm과 모터의 회전 각도 θm 사이의 관계를 도시한다. 도 9에서, 횡축은 모터의 회전 각도 θm을 나타내고, 종축은 모터의 회전 각도 θm과 스케일 가공 오차를 갖는 인코더에 의해 검출된 모터의 검출 각도 θm' 사이의 검출 오차 θm'-θm을 나타낸다. 가공 오차가 이상적으로 제로인 경우, 횡축의 검출 오차 θm'-θm은 종축의 회전 각도 θm에 관계없이 항상 제로를 나타낸다. 그러나, 실제로, 가공 오차가 존재하기 때문에, 도 9에 도시된 바와 같이 변화한다.

다음으로, 스케일의 가공 오차에 의해 야기된 검출 오차 θm'-θm의 보정 방법이 기술된다. 보정 방법은 실시예 1의 방법과 동일하다. 먼저, 보정 방법은 위치 제어의 조건에서 100Hz의 정현파 신호를 모터로의 토크 지령에 중첩한다. 다음으로, 정현파 신호는 중첩된 구동 토크를 모터에 인가하고, 구동 토크 Tm 및 모터의 각도 응답 θm'을 검출한다. 그 후에, 식 8 내지 식 10을 사용하여 보정 데이터를 만든다.

도 10은 본 실시예에서 만들어진 보정 데이터 W를 도시한다. 종축은 보정 데이터 W를 나타내고 횡축은 검출 각도 θm'을 나타낸다. 본 실시예에서 스케일의 가공 오차가 식 15 및 식 16을 만족하기 때문에, 검출 각도 θm'이 0보다 작은 경우, 보정 데이터 W는 1.2를 도시한다. 반면에, 검출 각도 θm'이 0 이상인 경우, 보정 데이터 W는 0.8을 도시한다.

다음으로, 보정 데이터 W를 사용하여 검출 각도 θm'를 보정한 보정 각도 θm''이 기술된다.

도 11은 보정후 검출 오차 θm''-θm 및 모터의 회전 각도 θ에 대한 보정전 검출 각도 θm'-θm을 도시한다. 도 11에서, 횡축은 회전 각도 θ를 나타내고, 종축은 검출 오차를 나타낸다. 회전 각도 θm과 보정전 검출 각도 θm' 사이의 검출 오차 θm'-θm은 파선으로 표시되고, 모터의 회전 각도 θm과 보정후 검출 각도 θm'' 사이의 검출 오차 θm''-θm은 실선으로 표시된다.

도 11에 도시된 바와 같이, 보정전 검출 오차 θm'-θm은 크다. 그러나, 보정후 검출 오차 θm''-θm은 매우 작다. 즉, 보정 데이터 W를 사용하여 산출된 보정 각도 θm''은 실제의 회전 각도 θm에 매우 근접한다.

모터 제어 장치는, 보정 모드에서 보정 각도 θm''을 산출한 후에, 정상 모터 제어가 수행되는 제어 모드로 이동한다. 제어 모드에서, 모터 제어 장치의 구동 수단인 제3 가산기(5)는 보정 모드에서 산출된 보정 각도 θm''을 사용하여 모터(17)의 구동 제어를 수행한다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 인코더의 스케일 가공 오차에 의한 검출 오차는 진폭 스펙트럼비가 일정하도록 보정 데이터 W를 사용하여 효율적으로 감소될 수 있다. 따라서, 스케일 가공 오차에 의한 검출 오차를 감소시키는 변위 검출 방법이 제공될 수 있다. 또한, 스케일 가공 오차에 기초하여 인코더의 검출 각도를 보정함으로써 높은 정밀도를 갖는 모터 제어 장치가 제공될 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 발명은 실시예들에 기초하여 구체적으로 기술되었다. 그러나, 본 발명은 이들 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변화들 및 수정들이 만들어질 수 있다.

예를 들어, 실시예 1 및 실시예 2에서, 가동 기구로서 회전 기구가 사용되지 만, 이것은 또한 이동 기구(translation mechanism)로 대체될 수 있다. 따라서, 본 발명은 회전 인코더 및 선형 인코더 모두에 적용될 수 있다. 가동 기구로서 모터가 사용되었지만, 또한 피에조 액츄에이터(piezo actuator) 등의 액츄에이터로 대체될 수 있다.

변위 검출 수단으로서 인코더가 사용되었지만, 또한 캐패시턴스 센서 또는 PSD(Position Sensitive Detector)로 대체될 수 있다. 캐패시턴스 센서 또는 PSD가 사용되는 경우, 변위 검출의 선형 보정을 수행할 수 있다.

구동력에 대한 변위량의 관계가 일정하도록 구동력 또는 변위량의 제1 또는 그 이상의 미분값 또는 적분값이 사용될 수 있다.

실시예 2에서, 인코더의 스케일 피치가 불균질한 경우에도, 불균질한 부분을 포함하는 각도 또는 위치 영역을 설정하고 보정 가중 계수를 산출함으로써 변위 보정을 수행할 수 있다.

상기 실시예들의 보정 방법을 사용하는 갈바노 모터의 위치 장치, 또는 이를 사용하는 레이저 가공기 또는 가공 장치에 따르면, 인코더의 검출 정밀도는 쉽게 향상되고, 위치 정밀도는 향상될 수 있다. 따라서, 기계 성능들이 향상될 수 있고, 가공물 또는 공작물의 품질이 향상될 수 있다.

전술된 바와 같이, 상기 실시예들의 각각은 인코더의 출력 신호에 포함되는 고조파 성분 또는 스케일 피치의 가공 오차에 의한 인코더의 검출 오차를 감소시키는 변위 검출 방법을 제공할 수 있다. 또한, 상기 실시예들의 각각은 인코더의 검출 오차를 감소시킴으로써 높은 정밀도를 갖는 모터 제어 장치를 제공할 수 있다.

본 발명은, 본 명세서 전체에 걸쳐 참조로서 포함되는 2007년 9월 14일자 출원된, 일본특허출원번호 2007-238695호의 이익을 주장한다.

도 1은 실시예 1의 모터 제어 장치의 제어 블록도이다.

도 2는 실시예 1에서의 모터의 회전 각도 θm과 인코더에 의한 검출 각도 θm' 사이의 관계를 도시하는 도면이다.

도 3은 실시예 1에서의 모터의 회전 각도 θm과 검출 오차 θm'-θm 사이의 관계를 도시하는 도면이다.

도 4는 실시예 1에서의 모터의 구동 토크 Tm의 진폭 스펙트럼을 도시하는 도면이다.

도 5는 실시예 1에서의 모터의 검출 각도 θm'의 각도 응답 θm'p의 진폭 스펙트럼을 도시하는 도면이다.

도 6은 실시예 1에서의 보정 데이터를 도시하는 도면이다.

도 7은 실시예 1에서의 보정전 검출 오차 θm'-θ와 보정후 검출 각도 θm''-θ를 도시하는 도면이다.

도 8은 실시예 2에서의 모터의 회전 각도 θm과 검출 각도 θm' 사이의 관계를 도시하는 도면이다.

도 9는 실시예 2에서의 모터의 회전 각도 θm과 검출 오차 θm'-θm 사이의 관계를 도시하는 도면이다.

도 10은 실시예 2에서의 보정 데이터를 도시하는 도면이다.

도 11은 실시예 2에서의 보정전 검출 오차 θm'-θ와 보정후 검출 각도 θm''-θ를 도시하는 도면이다.

도 12는 실시예 1에서의 보정 절차를 도시하는 흐름도이다.

도 13은 레이저 가공기의 일례를 도시하는 개략도이다.

도 14는 모터 제어 장치의 일례를 도시하는 개략도이다.

도 15는 회전 인코더의 스케일의 일례를 도시하는 평면도이다.

도 16은 인코더 출력들의 A상 신호와 B상 신호를 도시하는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 목표 각도 지령

2: 제1 가산기

3: 제2 가산기

4: 토크 지령

5: 제3 가산기

6: 구동 토크

10: 인코더

12: 미분기

13: 신호 생성 수단

17: 모터

Claims

변위 검출 방법으로서,

미리 정의된 신호를 토크 지령에 중첩하여 구동 토크를 모터에 공급하는 단계;

상기 미리 정의된 신호를 상기 토크 지령에 중첩하는 경우의 상기 구동 토크와 변위 검출기에 의해 검출되는 모터 각도 사이의 진폭 스펙트럼비를 검출하는 단계;

상기 진폭 스펙트럼비를 일정하게 하기 위한 보정 데이터를 생성하는 단계; 및

상기 보정 데이터를 사용하여, 상기 변위 검출기에 의해 검출된 상기 모터 각도가 실제의 모터 각도와 동일해지도록 상기 검출된 모터 각도를 보정하는 단계

를 포함하는 변위 검출 방법.
모터 제어 장치로서,

모터의 변위량을 검출하는 변위 검출기;

구동 토크를 상기 모터에 공급하는 구동 유닛;

미리 정의된 신호를 생성하고 상기 미리 정의된 신호를 상기 구동 유닛에 공급하는 신호 생성기;

상기 미리 정의된 신호가 상기 구동 유닛에 공급되는 경우의 상기 구동 토크 및 상기 변위 검출기에 의해 검출된 상기 모터의 상기 변위량을 이용하여 보정 데이터를 생성하는 보정 데이터 생성기; 및

상기 보정 데이터 생성기에 의해 생성된 상기 보정 데이터를 사용하여, 상기 변위 검출기에 의해 검출된 상기 모터의 상기 변위량이 상기 모터의 실제의 변위량과 동일해지도록 상기 모터의 검출 변위량을 보정하는 보정 유닛

을 포함하며,

상기 구동 유닛은 상기 보정 유닛에 의해 보정된 변위량을 사용하여 상기 모터를 제어하는 모터 제어 장치.
제2항에 있어서,

상기 미리 정의된 신호는 정현파 신호인 모터 제어 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 보정 데이터 생성기에 의해 생성된 상기 보정 데이터는, 상기 변위 검출기에 의해 검출된 상기 모터의 상기 변위량 및 상기 구동 토크를 사용하여 얻어진 진폭 스펙트럼비를 일정하게 하기 위한 보정 데이터인 모터 제어 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 변위 검출기는 인코더인 모터 제어 장치.
제2항 또는 제3항에 따른 모터 제어 장치를 포함하는 가공 장치.