KR20090129364A - 변위검출방법, 보정테이블작성방법, 모터제어장치, 및 공작기계장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 변위검출방법은, 구동수단(1)을 사용해서 가동부(3)를 구동하는 스텝, 변위검출수단(5)을 사용해서 가동부(3)의 변위량(6)(검출각도 θm')을 검출하는 스텝, 변위검출수단(5)에 의해 검출된 변위량(6)(검출각도 θm')의 변위속도 (dθm'／dt)가 일정하게 되도록 변위보정테이블을 사용해서 변위량(6)(검출각도 θm')을 보정하는 스텝, 및 변위보정테이블에 의해 보정된 변위량(검출각도 θm'')을 가동부(3)의 변위량으로서 검출하는 스텝을 가진다.

Description

변위검출방법, 보정테이블작성방법, 모터제어장치, 및 공작기계장치 {DISPLACEMENT DETECTING METHOD, CORRECTION TABLE MAKING METHOD, MOTOR CONTROL APPARATUS, AND PROCESSING MACHINE}
본 발명은 변위정보를 보정해서 검출정밀도를 향상시키는 변위검출방법, 보정테이블 작성방법, 모터제어장치, 및 공작기계장치에 관한 것이다.
본 출원인은 레이저 가공기, 레이저 트리밍장치, 및 레이저 리페어장치 등의 공작기계장치에 사용하는 갈바노모타의 개발을 행하고 있다. 갈바노모타로는 고정밀의 각도검출기로서 인크리멘털 엔코더가 채용되고 있다. 본 출원인은 엔코더신호의 전기분할수단에 대해 검토하고 있다.
종래기술의, 인크리멘털 엔코더에서는, 신호의 진폭 및 오프셋의 값이 같고, 서로 위상이 90도 다른 2상의 애널로그 정현파신호 및 여현파신호가 출력되고 있는 것으로 가정해서 전기분할을 행하고 있었다. 또, 상기 출력신호가 상기 가정에 접근하도록 엔코더로부터의 출력신호를 보정한 후, 전기분할을 행하는 경우도 있었다.
전기분할의 방법으로서는, 일본국 특개평02-138819호 공보에 개시되는 저항 분할을 사용하는 방법이나, 일본국 특개평06-58769호 공보에 개시되는 tan-1 (arctangent)을 사용하는 방법이 알려져 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 엔코더로부터의 출력신호가 정현파신호라고 가정하여 진폭, 오프셋 및 위상의 보정을 행하고 있었다.
그러나, 엔코더 출력신호는 고조파성분이나 비선형성분을 포함하고 있어, 이상적인 정현파신호가 아니다. 이 때문에, 엔코더 출력신호를 보정했을 경우에서도, 보정 후의 신호는 엄밀하게는 이상적인 정현파신호는 되지 않는다. 그 결과, 전기분할을 행할 때에, 오차의 원인이 되고 있었다.
또, 엔코더의 스케일 피치는 등간격으로 배치되도록 가공되고 있지만, 실제로는, 가공오차가 발생하고 있다.
본 발명은 엔코더 출력신호에 포함되는 고조파성분 또는 스케일 피치의 가공오차에 수반하는 검출오차를 보정해서 검출정밀도를 향상시킨 변위검출방법, 모터제어장치 및 가공장치를 제공한다.
본 발명의 1측면으로서의 변위검출방법은, 구동수단을 사용해서 가동부를 구동하는 스텝, 변위검출수단을 사용해서 상기 가동부의 변위량을 검출하는 스텝, 상기 변위검출수단에 의해 검출된 상기 변위량의 변위속도가 일정하게 되도록 변위보정테이블을 사용해서 이 변위량을 보정하는 스텝, 및 상기 변위보정테이블에 의해 보정된 변위량을 상기 가동부의 상기 변위량으로서 검출하는 스텝을 가진다.
또, 본 발명의 다른 측면으로서의 보정테이블작성방법은, 구동수단을 사용해서 가동부를 구동하는 스텝, 변위검출수단을 사용해서 상기 가동부의 변위량을 검출하는 스텝, 미분기를 사용해서 상기 변위량의 변위속도를 산출하는 스텝, 상기 변위검출수단에 의해 검출된 상기 변위량의 상기 변위속도가 일정하게 되도록 이 변위량을 보정하는 변위보정테이블을 작성하는 스텝을 가진다.
또, 본 발명의 다른 측면으로서의 모터제어장치는, 가동부, 구동토크를 상기 가동부에 공급하는 구동수단, 상기 가동부의 변위량을 검출하는 변위검출수단, 및 상기 변위검출수단에 의해 검출된 상기 변위량의 변위속도가 일정하게 되도록 이 변위량을 보정하는 변위보정테이블을 구비한 제어수단을 가진다. 상기 제어 수단은 상기 변위보정테이블에 의해 보정된 변위량을 사용해서 상기 구동수단을 제어한다.
또, 본 발명의 다른 측면으로서의 가공장치는 상기 모터제어장치를 가진다.
본 발명의 다른 특징 및 측면은 이하의 도면을 참조해서 설명되는 바람직한 실시예에 의해 명백하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.
우선, 본 실시예에 있어서의 공작기계장치의 일례로서 레이저 가공기의 구성을 설명한다. 도 26은 레이저 가공기(100)의 개략도를 나타낸다. 레이저 가공기 (100)는 기판의 절단이나 구멍내기, 금속 간의 용접 등, 폭넓은 용도로 사용된다.
본 실시예의 레이저 가공기(100)는 두 개의 모터제어장치(200a), (200b)를 구비한다. 각각의 모터제어장치(200a), (200b)는 미러 및 회전모터를 구비한다. 회전모터는 미러를 회전 구동하기 위해서 설치되어 있다. 미러는 회전모터에 의해 회 전 구동되어 그 방향이 변화한다.
이와 같이, 레이저 가공기(100)는 두 개의 회전모터를 사용해서 각각의 미러의 방향을 변화시킴으로써, 레이저광(L)의 진행 방향을 바꿀 수 있다. 후술하는 바와 같이, 회전모터에는 그 회전변위량을 검출하기 위한 엔코더가 설치되어 있다. 엔코더를 사용해서 회전모터의 회전변위량을 정확하게 검출함으로써, 레이저광(L)의 진행 방향을 정확하게 제어할 수 있다.
레이저 발진기(105)로부터 사출된 레이저광(L)은 모터제어장치(200a), (200b)의 미러를 경유해서 레이저 가공면(106)에 조사된다. 가공의 대상이 되는 레이저 가공면(106)으로서는 금속, 유리, 또는 플라스틱 등 넓은 범위의 재료를 선택할 수 있다.
상기한 바와 같이, 레이저 가공기(100)는 모터제어장치(200a), (200b)의 미러가 회전함으로써 레이저광(L)의 진행 방향을 정확하게 제어할 수 있다. 이 때문
에, 레이저 가공면(106)이 평탄하지 않은 경우에도, 레이저 가공면(106)을 고정밀도로 가공하는 것이 가능하다.
다음에, 레이저 가공기(100)에 사용되는 모터제어장치의 구성을 설명한다. 도 27은 모터제어장치의 개략도를 나타낸다. 또, 도 28은 엔코더의 스케일(201)의 개략 평면도를 나타낸다.
본 실시예의 모터제어장치(200)는 회전모터(104)의 회전변위량을 검출하기 위한 광학식의 엔코더를 가진다. 엔코더는 회전슬릿원판 및 고정슬릿원판을 가지는 스케일(201)과 발광소자(발광 다이오드)와 수광소자(포토다이오드)를 가지는 센서 부(202)로 구성된다. 회전슬릿원판은 회전모터(104)의 회전에 따라서 회전하고, 고정슬릿원판은 고정되어 있다. 엔코더는 발광소자와 수광소자 사이에 회전슬릿원판과 고정슬릿원판을 배치한 구성을 가지고 있다.
회전슬릿원판과 고정슬릿원판에는 다수의 슬릿이 형성되어 있다. 발광소자의 광은 회전슬릿원판의 회전에 따라서 투과 또는 차단된다. 또, 고정슬릿원판은 엔코더의 출력신호를 복수의 위상으로 하기 위해 복수의 분리된 고정슬릿을 가지고 있다. 이 때문에, 발광소자와 수광소자도 복수 개 설치되어 있다.
도 28에 나타내는 바와 같이, 엔코더의 스케일(201)에는 복수의 슬릿(205)이 형성되어 있다. 스케일(201)은 회전모터(104)의 회전변위에 따라서 스케일 중심 (204)(회전축)을 중심으로 해서 회전한다. 센서부(202)에는 2개의 수광소자가 구비되어 있고, 각각의 수광소자는 발광소자로부터의 광이 슬릿(205)을 통과했을 때, 그 광을 검출한다. 이들 2개의 수광소자는 슬릿(205)을 통과한 광에 의거해서 각각 A상 패턴과 B상 패턴의 2종의 패턴을 형성한다.
그 결과, 도 29에 나타내는 바와 같이, 서로 위상이 90°다른 A상 신호와 B상 신호가 생성된다. 도 29의 A상 신호 및 B상 신호는 정현파 형상의 엔코더 출력을 파형정형회로에 의해 파형정형한 직사각형파신호이다.
도 27에 있어서, 모터 콘트롤러(203)는 회전모터(104)의 회전구동을 제어한다. 모터 콘트롤러(203)는 회전모터(104)에 구동토크를 공급하는 구동수단 및 이 구동수단을 제어하는 제어수단을 구비한다. 모터 콘트롤러(203)는 목표치인 모터 회전각도와 계측치인 모터검출각도를 비교해서, 계측치가 목표치와 동일해지도록 피드백제어한다. 그 결과, 미러(103)의 방향을 목표치와 같은 각도로 변경할 수 있다.
엔코더의 검출원리는 광학식에 한정되지 않고, 자기식 엔코더 등 다른 방식을 채용하는 것도 가능하다.
[실시예 1]
다음에, 본 발명의 실시예 1에 있어서의 변위검출방법 및 모터제어장치를 설명한다. 도 1은 모터제어장치가 실행하는 제어의 블럭도면이다.
도 1의 제어블록은 모터의 회전각도 θm를 검출하기 위한 각도검출기로서 로터리 엔코더를 사용한 위치결정제어계이다. 도 1에 있어서, 토크지령에 대한 위치 응답이 1／s2가 되는 쉬운 가동부의 모델을 나타내고 있다.
(1)은 구동수단(구동토크발생기)이다. 구동수단(1)은 상부 제어수단(도시하지 않음)으로부터의 출력신호에 의거해서 소정의 구동토크(2)를 가동부(3)(회전모터)에 공급한다. 본 실시예의 가동부(3)는 구동수단(1)으로부터 입력되는 구동토크(2)(토크 지령)에 대해 전달 함수 1／s2의 위치 응답을 나타낸다.
가동부(3)는 구동토크(2)가 입력되면 소정의 회전각도만큼 변위한다. 이 때, 가동부(3)의 변위량(4), 즉 가동부(3)의 실제의 회전각도를 θm으로 한다.
(5)는 가동부(3)의 회전각도 θm(변위량(4))를 검출하는 변위검출수단이다. 변위검출수단(5)으로서는, 예를 들면 엔코더가 사용되지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 변위검출수단(5)은 가동부(3)의 변위량(4)을 검출해서 그 검출각도 θ m(변위량(6))를 출력한다.
그러나, 변위검출수단(5)으로부터 출력되는 신호(정현파신호)에는 고조파성분이나 비선형성분이 포함되어 있다. 또, 변위검출수단(5)으로서 엔코더가 사용되는 경우, 엔코더의 스케일에 가공오차가 포함되어 있을 수도 있다. 이 때문에, 엄밀하게는, 변위검출수단(5)에 의해 얻어진 가동부(3)의 검출각도 θm'(변위량(6))는 가동부(3)의 실제의 회전각도 θm(변위량(4))와는 다르다. 즉, 가동부(3)의 실제의 회전각도 θm(변위량(4))와 변위검출수단(5)에 의해 검출된 가동부(3)의 검출각도 θm(변위량(6)) 사이에는 오차가 있다. 변위검출수단(5)의 검출정밀도를 향상시키려면, 후술하는 바와 같이, 검출각도 θm'(변위량(6))를 보정해서, 검출각도 θm'(변위량(6))에 대한 오차를 작게 할 필요가 있다.
(7)은 가동부(3)의 회전속도(8)(변위속도)를 구하기 위해서 설치되어 있는 미분기이다. 미분기(7)는 변위검출수단(5)에 의해 검출된 검출각도 θm'(변위량(6))의 시간 미분치(dθm'／dt)를 산출한다. 미분기(7)에 의해 산출된 시간 미분치는 가동부(3)의 회전속도(8)(변위속도)에 상당한다. (9)는 기억기이다. 기억기 (9)는 회전각도 θm'(변위량(6)) 및 미분기(7)에 의해 산출된 회전속도(8)를 기억한다.
(10)은 변위보정테이블작성기이다. 변위보정테이블작성기(10)는 기억기(9)에 기억된 데이터(회전각도 θm'(변위량(6)) 및 회전속도(8))로부터 변위보정테이블을 작성한다. 변위보정테이블은 미분기(7)에 의해 산출된 회전속도(8)(변위속도)가 일정하게 되도록 변위검출수단(5)에 의해 검출된 검출각도 θm'(변위량(6))를 보정한 다. 이와 같이 해서, 변위보정테이블은 변위검출수단(5)에 의해 검출된 검출각도 θm'(변위량(6))가 가동부(3)의 실제의 회전각도 θm(변위량(4))와 동일해지도록 보정한다. 변위보정테이블은 제어수단(도시하지 않음)에 구비되어 있다.
다음에, 본 실시예에 있어서의 변위검출방법에 대해서 상세하게 설명한다.
고조파성분을 포함한 엔코더신호가 각도를 검출할 때에 발생시키는 오차
우선, 본 실시예에 있어서, 고주파성분을 포함한 엔코더신호가 각도를 검출할 때에 발생시키는 오차에 대해 설명한다.
본 실시예에 있어서, 엔코더(변위검출수단(5))는 회전모터(가동부(3)) 1회전당 정현파 형상의 2상 신호를 각각 140000 주기분만큼 출력한다. 여기서, 회전모터의 회전각도를 θm［rad］로 하면, 엔코더의 위상각도 θe［rad］는 이하의 식(1)으로 나타내진다.
Figure 112009035248735-PAT00001
또, 이상적인 정현파신호를 출력하는 엔코더의 2상 신호 Asig, Bsig는 아래와 같은 식(2) 및 식(3)에 의해 얻어진다.
Figure 112009035248735-PAT00002
Figure 112009035248735-PAT00003
엔코더의 2상 신호 Asig, Bsig에는, 통상, 고조파성분이 포함된다. 이 때문에, 아래와 같은 식(4) 및 식(5)에 의해 나타내지는 3차 및 5차의 고조파성분을 포 함한 엔코더신호에 대해 생각한다.
Figure 112009035248735-PAT00004
Figure 112009035248735-PAT00005
다음에, 고조파성분을 포함한 엔코더신호를 이상적인 정현파신호라고 가정하여, tan-1(arctangent)에 의해 전기분할했을 경우의 오차를 생각한다. 이 때, 이하의 식(6)을 사용해서, 고조파성분을 포함한 엔코더신호로부터 엔코더의 위상각도 θe'를 얻을 수 있다.
Figure 112009035248735-PAT00006
본 실시예에 있어서, 엔코더신호는 주기함수를 가지기 때문에, 엔코더의 각도 θe를 -π≤θe≤π의 범위에서 생각하면 된다. 이 때, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 고조파성분에 의한 가동부의 회전각도의 검출오차를 가지고 있다.
도 2는 모터의 회전각도검출오차 θm'-θm와 모터의 회전각도 θm와의 관계를 나타내고 있다. 횡축은 모터(가동부)의 회전각도 θm를 나타내고, 종축은 모터의 회전각도 θm와 전기분할에 의해 얻어진 검출각도 θm'와의 검출오차 θm'-θm를 나타낸다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 모터제어장치에는 주기적으로 크게 변화하는 검출오차 θm'-θm가 포함되어 있다.
도 3은 모터의 검출각도 θm'와 모터의 회전각도 θm와의 관계를 나타내고 있다. 횡축은 모터의 회전각도 θm을 나타내며, 종축은 전기분할에 의해 산출된 회전각도 θm'를 나타내고 있다. 고조파성분에 기인하는 오차가 생기지 않은 경우, 도 3에 나타내는 관계는 직선으로 나타내진다. 그러나, 본 실시예에서는 고조파성분이 포함되어 있기 때문에, 도 3에 나타내는 관계는 직선은 아니고 왜곡된 선으로 나타내진다.
각도검출의 보정방법
다음에, 본 실시예에 있어서의 각도검출의 보정방법에 대해 설명한다. 본 실시예에서는, 구체적인 예를 참조하면서 보정 순서를 설명한다.
우선, 가동부(모터)에 토크를 인가해서 가동부를 구동한다. 본 실시예에서는, 가동부에 공급하는 토크로서 도 4에 나타내는 파형을 인가했다. 도 4는 본 실시예에 있어서의 구동토크의 입력파형도면이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 0 과 0.1 초 사이에 0.01 N의 구동토크가 인가되고 있다.
도 5는 토크로서 도 4에 나타내는 파형을 인가했을 때의 검출각도 θm' 및 회전속도의 시간의존성이다. 도 5에 있어서, 검출각도 θm'를 실선으로 표시하고, 회전속도를 점선으로 표시하고 있다. 가동부의 초기 위치는 -2π/140000［rad］로 하고 있다.
도 5에 있어서, 점선으로 표시되어 있는 회전속도에 주목하면, 0.1초 이후의 회전속도(변위속도)는 주기적인 속도불균일을 가지고 있다. 즉, 회전속도는 짧은 주기로 고속 및 저속을 반복하고 있다. 엔코더신호에 고조파성분이 포함되지 않은 경우, 0.1초 후의 회전속도는 일정하게 된다. 그러나, 본 실시예의 엔코더신호에는 고조파성분이 포함되어 있기 때문에, 회전속도에는 일정속도가 되어야 할 기간에 속도불균일이 생기고 있다.
본 실시예에서는, 속도불균일의 1주기분을 100［msec］와 111.56［msec] 사이라고 가정하고, 이 기간 내의 속도불균일이 0이 되도록 검출각도를 보정한다. 보정 후의 검출각도는 θm''로 한다.
도 6은 100［msec］와 111.56［msec］사이(속도불균일의 1주기)에 있어서의 검출각도 θm' 및 회전속도의 시간의존성이다. 도 6에 있어서, 검출각도θm' 를 실선으로 표시하고, 회전속도를 점선으로 표시하고 있다. 속도불균일을 0으로 하기 위해, 본 실시예에서는, 100［msec］와 111.56［msec］사이의 기간(속도불균일의 1주기)에 있어서, 검출각도 θm'의 시간의존성에 대해서 직선 근사를 행한다.
직선 근사는, 보정 기간인 속도불균일의 1주기에 있어서 2점을 선택하고, 그 2점에 있어서의 기울기를 산출함으로써 행해진다. 예를 들면, 본 실시예에 있어서는, 보정 기간의 최초인 100［msec］및 보정 기간의 마지막인 111.56［msec］의 두 개의 검출각도 θm'를 사용해서 시간 미분치(직선의 기울기)를 산출한다.
도 7은 도 6에 나타내는 검출각도 θm'를 직선 근사한 상태를 일점 쇄선으로 나타낸다. 이것에 의해, 검출각도 θm'와 직선 근사에 의해 얻어진 보정 후의 검출각도θm''와의 관계를 얻을 수 있다. 이 관계를 도 8에 나타낸다. 도 8에 나타내는 검출각도 θm''와 검출각도 θm'와의 관계는 모터제어장치(200)의 모터 콘트롤러(203)(제어수단)에 변위보정테이블로서 유지된다. 이와 같이, 변위보정테이블은 속도불균일의 적어도 1주기의 기간에 회전속도(변위속도)가 일정하게 되도록 검출각도θm'(변위량(6))를 보정한다.
다음에, 본 실시예에 있어서의 보정 순서에 대해 설명한다. 도 25는 본 실시예에 있어서의 보정 순서(변위보정테이블작성방법)를 나타내는 플로차트이다.
우선, 스텝 S1에 있어서, 상부 제어수단의 지령에 의거해서 구동수단(1)을 사용해서 가동부(3)(모터)을 구동한다. 다음에, 스텝 S2에 있어서, 모터 구동시의 응답으로서 변위검출수단(5)을 사용해서 모터의 검출각도θm'(변위량(6))를 검출한다. 또, 미분기(7)를 사용해서 검출각도θm'(변위량(6))의 시간 미분치(변위속도)를 산출한다.
스텝 S3에서는, 회전속도(변위속도)의 속도불균일 범위, 즉 보정 범위를 결정한다. 회전속도의 속도불균일 범위(보정 범위)는 사용되는 가동부(3)(모터)의 종류 등에 따라 적절히 결정된다.
스텝 S4에서는, 스텝 S3에서 결정된 속도불균일 범위에 있어서, 회전속도의 속도불균일이 제로가 되도록 보정 전의 검출각도 θm'로부터 보정 후의 검출각도 θm''를 산출한다. 즉, 검출각도 θm'(변위량(6))의 시간 미분치(변위속도)가 일정하게 되도록 검출각도 θm'를 보정한다. 보정 전의 검출각도 θm'와 보정 후의 검출각도θm''와의 관계는 변위보정테이블작성기(10)에 의해 작성된 변위보정테이블로서 유지된다. 상기한 바와 같이 본 실시예의 변위보정테이블은 작성된다.　
본 실시예의 변위검출방법에서는, 이러한 변위보정테이블을 사용해서 보정된 변위량(검출각도θm'')을 가동부(3)의 변위량(4)(회전각도 θm)으로서 검출한다. 도 25에 나타내는 보정 순서는 후술하는 실시예 2 및 실시예 3에도 적용할 수 있다.
각도검출의 보정 전후에서의 검출오차
다음에, 본 실시예에 있어서의 각도검출의 보정 전후에서의 검출오차에 대해 설명한다.
도 9는 보정 전의 검출오차 θm' - θm 및 보정 후의 검출오차 θm''- θm와 회전각도 θm와의 관계이다. 도 9에 있어서, 횡축은 모터의 회전각도 θm를 나타내며, 종축은 보정 전의 검출오차 θm' - θm 및 보정 후의 검출오차 θm''- θm를 나타낸다. 실선은 보정 전의 검출오차 θm' - θm를 나타내고, 점선은 보정 후의 검출오차 θm''- θm를 나타내고 있다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서의 보정 범위에 있어서, 보정 후의 검출각도 θm''의 검출오차는 보정 전의 검출각도 θm'의 검출오차와 비교해서 큰 폭으로 저감하고 있다. 이 때문에, 본 실시예에 의하면, 이상적인 전기분할이 가능해진다.
이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 고조파신호를 포함한 엔코더신호에 대해서 각도검출오차를 저감할 수 있다. 본 실시예에 있어서의 검출각도의 보정방법은 가동부(모터)의 초기 위치를 바꾸어 반복 실행한다. 따라서, 광범위에 걸쳐서 검출각도를 보정할 수 있다.
[실시예 2]
다음에, 본 발명의 실시예 2에 대해 설명한다.
본 실시예에서는, 회전모터의 토크 지령에 대한 위치 응답이 1／(s2＋s＋100)이 되는 가동부의 모델을 생각한다. 이 모델은 실시예 1의 모델에 대해서 점성 및 용수철계의 모델을 가미한 것이다. 점성의 모델에 대해서는 상기 식에 있어서의 분모의 "s"에 의해 반영되고, 용수철계의 모델에 대해서는 동 식에 있어서의 분모의 "100"에 의해 반영되고 있다.
각도검출의 보정방법
우선, 본 실시예에 있어서의 각도검출의 보정방법에 대해 설명한다.
본 실시예에 있어서도, 실시예 1과 같은 순서로 보정을 행한다. 우선, 토크로서, 실시예 1과 마찬가지로, 도 4에 나타내는 파형을 인가한다. 이 때의 검출각도 θm' 및 회전속도(시간 미분치)의 시간의존성을 도 10에 나타낸다. 도 10에
있어서, 검출각도 θm'를 실선으로 표시하고, 회전속도를 점선으로 표시하고 있다.
본 실시예에 있어서, 가동부(3)(모터)의 초기 위치는 0［rad］로 하고 있다.
도 10에 있어서, 회전속도에 주목하면, 0.3 내지 0.4초의 기간에 있어서의 회전속도는 거의 일정하며, 또한 속도불균일을 가진다. 이 때문에, 속도불균일의 1주기분을 358.16［msec］로부터 371.89［msec］까지의 기간이라고 가정하고, 이 기간의 속도불균일이 제로가 되도록 검출각도 θm'를 보정하고, 보정 후의 검출각도 θm''를 구한다.
도 11은 358.16［msec］로부터 371.89［msec］까지의 기간(속도불균일의 1주기분)의 검출각도 θm' 및 회전속도(시간 미분치)의 시간의존성이다. 도 11에 있어 서, 검출각도 θm'를 실선으로 표시하고, 회전속도를 점선으로 표시하고 있다. 도 11은 도 10의 일부를 확대한 도면에 상당한다.
회전속도의 속도불균일을 제로로 하기 위해, 본 실시예에서는, 도 12의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 358.16［msec］로부터 371.89［msec］까지의 기간(속도불균일의 1주기분)에 있어서의 검출각도 θm'를 직선 근사한다. 이것에 의해, 보정 전의 검출각도 θm'와 직선 근사에 의해 얻어진 보정 후의 검출각도 θm''와의 관계를 얻을 수 있다. 이 관계를 도 13에 나타낸다.
도 13에 나타내는 보정 후의 검출각도 θm''와 보정 전의 검출각도 θm'와의 관계는 모터제어장치(200)의 모터 콘트롤러(203)에 변위보정테이블로서 유지된다.
각도검출의 보정 전후의 검출오차
다음에, 본 실시예에 있어서의 각도검출의 보정 전후의 검출오차에 대해 설명한다.
도 14는 본 실시예에 있어서, 보정 전의 검출오차 θm' - θm 및 보정 후의 검출오차 θm'' - θm와 회전각도 θm와의 관계를 나타내는 도면이다. 도 14에 있어서, 횡축은 모터의 회전각도 θm를 나타내고, 종축은 보정 전의 검출오차 θm' - θm 및 보정 후의 검출오차 θm'' - θm를 나타낸다. 실선은 보정 전의 검출오차 θm' - θm를 나타내고, 점선은 보정 후의 검출오차 θm'' - θm를 나타내고 있다.
도 14에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 보정 범위에 있어서, 보정 후의 검출각도 θm''의 검출오차는 보정 전의 검출각도 θm'의 검출오차와 비교해서 큰 폭으로 저감하고 있다. 이 때문에, 본 실시예에 의하면, 이상적인 전기분할이 가능 해진다.
이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 고조파신호를 포함한 엔코더신호에 대해 각도검출오차를 저감할 수 있다. 본 실시예에 있어서의 검출각도의 보정방법은 가동부(모터)의 초기 위치를 바꾸어서 반복 실행함으로써 넓은 범위에 걸쳐서 검출각도를 보정할 수 있다.
[실시예 3]
다음에, 본 발명의 실시예 3에 대해 설명한다.
본 실시예에서는, 엔코더의 스케일 피치에 가공오차가 생기고 있는 경우를 생각한다. 실시예 1 및 실시예 2와 마찬가지로, 가동부로서 회전모터를 사용하고, 변위검출수단으로서 로터리 엔코더(각도검출기)를 사용하고 있다. 엔코더는 모터 1회전당 정현파 형상의 2상 신호를 각각 140000 주기분만큼 출력한다.
모터의 회전각도를 θm［rad］로 하면, 엔코더의 위상각도 θe［rad］는 이하의 식(7)으로 나타내진다.
Figure 112009035248735-PAT00007
또, 엔코더의 2상 정현파신호 Asig, Bsig는 이하의 식(8) 및 식(9)로 나타내진다.
Figure 112009035248735-PAT00008
Figure 112009035248735-PAT00009
그러나, 스케일 피치에 가공오차가 생기고 있으면, 상기의 식(7)의 관계가 만족되지 않아, 정확한 위치를 검출할 수 없다.
본 실시예에서는, 스케일 피치에 가공오차가 생기고 있는 경우에 있어서의 검출 보정 순서에 대해 설명한다.
스케일 가공오차를 포함한 엔코더신호가 각도검출에 주는 오차
우선, 스케일 가공오차를 포함한 엔코더신호가 각도검출에 주는 오차에 대해 설명한다. 본 실시예에 있어서, 엔코더의 스케일은 모터의 회전각도에 대해서 이하의 식(10) 및 식(11)을 만족하도록 구성되어 있다.
모터의 회전각도의 범위가 (-π/140000)×1.2≤θm＜0일 때, 엔코더의 위상각도 θ'［rad］는 이하의 식(10)으로 나타내진다.
Figure 112009035248735-PAT00010
또, 모터의 회전각도의 범위가 0≤θm＜(π/140000)×0.8일 때, 엔코더의 위상각도 θe'［rad］는 이하의 식(11)으로 나타내진다.
Figure 112009035248735-PAT00011
이 때, 본 실시예의 엔코더의 스케일에는 식(10) 및 식(11)의 관계를 만족하는 가공오차가 생기고 있다. 상기 이외의 범위에서는 엔코더의 스케일의 가공오차는 생기지 않는 것으로 한다. 여기서, 엔코더의 스케일이 이상적인 것으로 하면, 모터의 회전각 θm'는 엔코더신호 θe'를 사용해서 식(12)에 의해 얻어진다.
Figure 112009035248735-PAT00012
도 15는 본 실시예에 있어서의 모터의 검출각도 θm'와 모터의 회전각도 θm와의 관계이다. 도 15에 있어서, 횡축에 모터의 회전각도 θm를 표시하고, 종축에 전기분할에 의해 얻어진 모터의 회전각도 θm'를 표시한다.
도 16은 본 실시예에 있어서의 모터의 회전각도검출오차 θm' - θm와 모터의 회전각도 θm와의 관계이다. 도 16에 있어서, 횡축에 모터의 회전각도θm를 표시하고, 종축에 모터의 회전각도 θm와 전기분할에 의해 얻어진 모터 회전각도 θm'와의 검출오차 θm' - θm를 표시한다.
도 15및 도 16에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 엔코더는 스케일 가공오차에 의한 각도검출오차를 가지고 있다.
각도검출의 보정방법
다음에, 본 실시예에 있어서의 각도검출의 보정방법에 대해 설명한다.
본 실시예에 있어서의 보정은 실시예 1과 같은 순서로 행해진다. 본 실시예에서는 구동토크로서 도 17에 나타내는 파형을 인가했다. 도 17은 본 실시예에 있어서의 구동토크의 입력파형도면이다. 도 17에 나타내는 바와 같이, 0 내지 0.1초 간에 0.1 N의 구동토크가 인가되고 있다.
도 18은, 본 실시예에 있어서, 토크로서 도 17에 나타내는 파형을 인가했을 때의 검출각도 θm' 및 회전속도의 시간의존성을 나타내는 도면이다. 도 18에 있어서, 검출각도 θm'를 실선으로 표시하고, 회전속도를 점선으로 표시하고 있다. 가 동부(모터)의 초기 위치는 0［rad］으로 하고 있다.
도 18에 있어서 회전속도에 주목하면, 0.35 내지 0.38초의 기간에 있어서의 회전속도는 거의 일정하다. 그러나, 365［msec］전후에 있어서 회전속도의 속도불균일이 생기고 있다. 이 때문에, 속도불균일의 범위를 350［msec］에서 380［msec］까지의 사이라고 가정하고, 이 기간에 있어서의 속도불균일이 제로가 되도록 검출각도를 보정함으로써, 보정 후의 검출각도θm''를 구한다.
도 19는 본 실시예의 속도불균일을 포함한 기간(350［msec］에서 380［msec］까지의 기간)의 검출각도 θm' 및 회전속도의 시간의존성을 나타내는 도면이다. 도 19에 있어서, 검출각도 θm'를 실선으로 표시하고, 회전속도를 점선으로 표시하고 있다.
회전속도의 속도불균일을 제로로 하기 위해, 본 실시예에서는, 도 20의 일점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 358［msec］에서 380［msec］까지의 기간(속도불균일을 포함한 기간)에 있어서의 검출각도 θm'를 직선 근사한다. 이것에 의해, 보정 전의 검출각도 θm'와 직선 근사에 의해 얻어진 보정 후의 검출각도 θm''와의 관계를 얻을 수 있다. 이 관계를 도 21에 나타낸다.
도 21에 나타내는 보정 후의 검출각도 θm''와 보정 전의 검출각도θm'와의 관계는 변위보정테이블로서 모터제어장치(200)의 모터 콘트롤러(203)에 유지된다.
각도검출의 보정 전후의 검출오차
다음에, 각도검출의 보정 전후의 검출오차에 대해 설명한다.
도 22는 보정 전의 검출각도 θm' 및 보정 후의 검출각도 θm''와 회전각도 θm와의 관계이다. 도 22에 있어서, 횡축은 모터의 회전각도 θm를 나타내고, 종축은 보정 전의 검출각도 θm' 및 보정 후의 검출각도 θm''를 나타내고 있다. 보정 전의 검출각도 θm'를 실선으로 표시하고, 직선 근사에 의해 얻어진 보정 후의 검출각도 θm'' 를 점선으로 표시하고 있다.
도 22에 나타내는 바와 같이, 모터의 회전각도 θm가 0일 때, 보정 후의 검출각도 θm''가 0 이외의 값이다. 이 때문에, 모터의 회전각도 θm가 0일 때에 보정 후의 검출각도 θm''가 0이 되도록 제로 보정을 추가해서 행한다. 제로 보정 후의 검출각도를 θm'''로 한다.
도 23은 보정 전의 검출각도 θm' 및 제로 보정 후의 검출각도 θm'''와 회전각도 θm와의 관계이다. 도 23에 있어서, 횡축은 모터의 회전각도 θm이며, 종축은 검출각도 θm' 및 제로 보정 후의 검출각도 θm'''이다. 또, 검출각도θm'는 실선으로 표시하고, 제로 보정 후의 검출각도 θm'''는 점선으로 표시하고 있다.
도 23에 나타내는 바와 같이, 회전각도 θm가 0일 때, 제로 보정 후의 검출각도θm''＇도 0이 되고 있다. 이와 같이, 본 실시예의 변위보정테이블은 가동부(모터)의 회전각도 θm(변위량)가 제로일 때, 보정 후의 회전각도 θm''＇(변위량)가 제로가 되도록 보정한다.
도 24는 보정 전의 검출오차 θm' -θm 및 제로 보정 후의 검출오차θm''' - θm와 회전각도 θm와의 관계이다. 도 24에 있어서, 횡축은 모터의 회전각도 θm를 나타내며, 종축은 보정 전의 검출오차 θm' - θm 및 제로 보정 후의 검출오차 θm''' - θm를 나타낸다. 또, 보정 전의 검출오차 θm' -θm를 실선으로 표시하고, 제로 보정 후의 검출오차 θm''' - θm를 점선으로 표시하고 있다.
도 24에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 보정 범위에 있어서, 제로 보정 후의 검출각도 θm'''는 보정 전의 검출각도 θm'와 비교해서 검출오차가 큰 폭으로 저감하고 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 스케일 가공오차를 포함한 엔코더신호에 대해 각도검출오차를 저감할 수 있다. 또, 본 실시예에 있어서, 엔코더의 스케일 피치가 불균질이라고 해도, 불균질을 포함한 각도 또는 위치 범위를 설정해서 변위 보정을 행할 수도 있다.
상기 각 실시예에 있어서의 보정방법을 사용한 갈바노모타의 위치결정장치(모터제어장치), 또는 이 모터제어장치를 사용한 레이저 가공기 및 공작기계장치에서는, 종래와 비교해서 엔코더의 분할 정밀도를 용이하게 개선할 수 있다.
이 때문에, 상기 각 실시예에 의하면, 엔코더로 검출한 변위량의 변위속도(측정된 위치 응답의 시간 미분)의 속도불균일을 억제할 수 있다. 그 결과, 엔코더로부터의 출력신호의 진폭 또는 오프셋, 2상 신호의 위상차이, 고조파성분, 또는 엔코더 스케일의 피치 오차에 의존하지 않고 정확한 변위검출이 가능해진다.　
따라서, 상기 각 실시예에 의하면, 엔코더 출력신호에 포함되는 고조파성분 또는 스케일 피치의 가공오차 등에 수반하는 검출오차를 보정해서 검출정밀도를 향상시킨 변위검출방법, 모터제어장치 및 공작기계장치를 제공할 수 있다. 또, 그것을 위한 보정테이블작성방법을 제공할 수 있다. 그 결과, 기계의 성능을 향상시킬 수 있어, 가공물 또는 공작물의 품질을 향상시키는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명의 예시적인 실시예에 대해 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 예시적인 실시예에 기재된 사항으로 한정되는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 다음의 특허청구의 범위는 이러한 변형과 등가의 구성 및 기능을 모두 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.
예를 들면, 상기 각 실시예에서는, 가동부로서 회전모터(회전 기구)를 사용하고 있지만, 이것에 대신해서 직동기구를 사용해도 된다. 또, 가동부의 구동수단으로서 모터나 피에조 등의 액츄에이터나, 사람의 손에 의해 구동해도 된다.
또, 상기 각 실시예에서는, 변위검출수단으로서 엔코더가 사용되고 있지만, 이것에 대신해서 정전 용량 센서나 PSD(광위치 센서：Position　Sensitiｖe　Detector)를 사용할 수도 있다. 정전 용량 센서나 PSD를 사용하면, 변위 검출의 직선성 보정을 행하는 것이 가능하다.
도 1은 실시예 1에 있어서의 모터제어장치가 실행하는 제어 블럭도;
도 2는 실시예 1에 있어서의 모터의 회전각도검출오차 θm'ㅡθm와 모터의 회전각도 θm와의 관계를 나타내는 도면;
도 3은 실시예 1에 있어서의 모터의 검출각도 θm'와 모터의 회전각도 θm와의 관계를 나타내는 도면;
도 4는 실시예 1에 있어서의 구동토크의 입력 파형도면;
도 5는 실시예 1에 있어서 토크로서 도 4에 나타내는 파형을 인가했을 때의 검출각도 θm' 및 회전속도의 시간의존성을 나타내는 도면;
도 6은 실시예 1에 있어서의 속도불균일의 일 주기에 있어서의 검출각도 및 회전속도의 시간의존성을 나타내는 도면;
도 7은 실시예 1에 있어서 도 6에 나타내는 검출각도 θm'를 직선 근사한 상태를 나타내는 도면;
도 8은 실시예 1에 있어서의 보정 후의 검출각도 θm''와 보정 전의 검출각도 θm'와의 관계를 나타내는 도면;
도 9는 실시예 1에 있어서, 보정 전의 검출오차 θm＇- θm 및 보정 후의 검출오차 θm'' - θm＇와 회전각도 θm＇와의 관계를 나타내는 도면;
도 10은 실시예 2에 있어서, 토크로서 도 4에 나타내는 파형을 인가했을 때의 검출각도 θm＇및 회전속도의 시간의존성을 나타내는 도면;
도 11은 실시예 2에 있어서의 속도불균일의 1 주기에 있어서의 검출각도 및 회전속도의 시간의존성을 나타내는 도면;
도 12는 실시예 2에 있어서, 도 11에 나타내는 검출각도 θm＇를 직선 근사 한 상태를 나타내는 도면;
도 13은 실시예 2에 있어서의 보정 후의 검출각도 θm''와 보정 전의 검출각도 θm＇와의 관계를 나타내는 도면;
도 14는 실시예 2에 있어서, 보정 전의 검출오차 θm＇- θm 및 보정 후의 검출오차 θm'' - θm와 회전각도 θm와의 관계를 나타내는 도면;
도 15는 실시예 3에 있어서의 모터의 검출각도 θm＇와 모터의 회전각도 θm와의 관계를 나타내는 도면;
도 16은 실시예 3에 있어서의 모터의 회전각도검출오차 θm＇- θm와 모터의 회전각도 θm와의 관계를 나타내는 도면;
도 17은 실시예 3에 있어서의 구동토크의 입력 파형 도면;
도 18은 실시예 3에 있어서, 토크로서 도 17에 나타내는 파형을 인가했을 때의 검출각도 θm＇및 회전속도의 시간의존성을 나타내는 도면;
도 19는 실시예 3에 있어서의 속도불균일이 발생하는 기간의 검출각도 및 회전속도의 시간의존성을 나타내는 도면;
도 20은 실시예 3에 있어서, 도 19에 나타내는 검출각도 θm＇를 직선 근사 한 상태를 나타내는 도면;
도 21은 실시예 3에 있어서의 보정 후의 검출각도 θm''와 보정 전의 검출각도 θm＇와의 관계를 나타내는 도면;
도 22는 실시예 3에 있어서, 보정 전의 검출각도 θm＇및 보정 후의 검출각도 θm''와 회전각도 θm와의 관계를 나타내는 도면;
도 23은 실시예 3에 있어서, 보정 전의 검출각도 θm＇ 및 제로 보정 후의
검출각도 θm'''와 회전각도 θm와의 관계를 나타내는 도면;
도 24는 실시예 3에 있어서, 보정 전의 검출오차 θm＇- θm 및 제로 보정 후의 검출오차 θm''' - θm와 회전각도 θm의 관계를 나타내는 도면;
도 25는 실시예 1에 있어서의 보정 순서를 나타내는 플로차트;
도 26은 본 실시예에 있어서의 레이저 가공기의 일례를 나타내는 개략 도면;
도 27은 본 실시예에 있어서의 모터제어장치의 일례를 나타내는 개략 도면;
도 28은 로터리 엔코더의 스케일의 일례를 나타내는 평면도;
도 29는 엔코더의 출력신호를 나타내는 도면.

Claims (9)

  1. 변위검출방법으로서,
    구동수단을 사용해서 가동부를 구동하는 스텝;
    변위검출수단을 사용해서 상기 가동부의 변위량을 검출하는 스텝;
    상기 변위검출수단에 의해 검출된 상기 변위량의 변위속도가 일정하게 되도록 변위보정테이블을 사용해서 이 변위량을 보정하는 스텝; 및
    상기 변위보정테이블에 의해 보정된 변위량을 상기 가동부의 상기 변위량으로서 검출하는 스텝;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 변위검출방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변위량의 상기 변위속도는 주기적인 속도불균일을 가지고,
    상기 변위보정테이블은 상기 속도불균일의 적어도 1주기의 기간 내에 상기 변위속도가 일정하게 되도록 보정하는 것을 특징으로 하는 변위검출방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변위보정테이블은, 상기 가동부의 실제의 변위량이 제로일 때, 보정 후의 상기 변위량이 제로가 되도록 보정하는 것을 특징으로 하는 변위검출방법.
  4. 보정테이블작성방법으로서,
    구동수단을 사용해서 가동부를 구동하는 스텝;
    변위검출수단을 사용해서 상기 가동부의 변위량을 검출하는 스텝;
    미분기를 사용해서 상기 변위량의 변위속도를 산출하는 스텝; 및
    상기 변위검출수단에 의해 검출된 상기 변위량의 상기 변위속도가 일정하게 되도록 이 변위량을 보정하는 변위보정테이블을 작성하는 스텝;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 보정테이블작성방법.
  5. 모터제어장치로서,
    가동부;
    구동토크를 상기 가동부에 공급하는 구동수단;
    상기 가동부의 변위량을 검출하는 변위검출수단; 및
    상기 변위검출수단에 의해 검출된 상기 변위량의 변위속도가 일정하게 되도록 이 변위량을 보정하는 변위보정테이블을 가진 제어수단;
    을 포함하고,
    상기 제어수단은 상기 변위보정테이블에 의해 보정된 변위량을 사용해서 상기 구동수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 변위량의 상기 변위속도는 주기적인 속도불균일을 가지고,
    상기 변위보정테이블은 상기 속도불균일의 적어도 1주기의 기간 내에 상기 변위속도가 일정하게 되도록 상기 변위량을 보정하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 변위보정테이블은, 상기 가동부의 실제의 변위량이 제로일 때, 보정 후의 상기 변위량이 제로가 되도록 보정하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 변위검출수단은 엔코더인 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
  9. 공작기계장치로서,
    제 5 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 기재된 모터제어장치를 가지는 것을 특징으로 하는 공작기계장치
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