TWI748586B - 馬達控制裝置及馬達控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之馬達控制裝置係向馬達供給電力者，且馬達控制裝置具備儲存位置修正資料及馬達之機械原點位置資訊的記憶部，馬達控制裝置使用自外部輸入之位置指令及位置修正資料產生修正後位置指令，且基於修正後位置指令及自編碼器輸入之位置資訊轉換向馬達供給之電力；位置修正資料係將修正位置及修正量建立對應地加以記錄者，修正位置之起始位置與機械原點位置不同。

Description

馬達控制裝置及馬達控制方法
本發明係關於一種馬達控制裝置及馬達控制方法。尤其是關於一種使用來自編碼器之位置資訊控制馬達之馬達控制裝置及馬達控制方法。
伺服馬達例如用於機器人之驅動或金屬加工機、半導體製造裝置等，要求較普通馬達更自如地動作。尤其是，關於轉速、轉矩、定位，要求高精度地追從使用者之指令。通常，於伺服馬達中帶有用以監控馬達位置之編碼器，馬達控制裝置使用來自編碼器之位置資訊進行馬達之位置控制。
然而，由於編碼器與馬達之組裝誤差、編碼器自身之分解性能、馬達與其前端之負載之組裝誤差等，即便按照來自伺服馬達控制裝置之指令值對馬達進行控制，亦存在位置與使用者之意圖不相符之情形。
作為提高定位之精度之先前技術，例如可列舉專利文獻1。於專利文獻1中，揭示有能夠利用伺服馬達及伺服馬達控制裝置高精度地進行位置控制之系統。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2005-292898號公報
於專利文獻1中揭示有除了伺服馬達中安裝之普通編碼器以外，還同時使用高價之絕對位置計測用高解析編碼器，將編碼器與高解析編碼器之脈衝數之差異用於位置控制時之修正。
然而，專利文獻1中係於高解析編碼器之值絕對正確之前提下進行修正，但於實際之裝置中，組裝誤差完全為0之狀況極為罕見，使用高解析編碼器之修正並不現實。又，因高解析編碼器價格昂貴，故有欲替代使用其他位置測定機構之需求。進而，於實際使用伺服馬達之情形時，需進行高度之位置控制之區間並非自機械原點位置開始之情形亦較多，利用專利文獻1之技術所進行之定位控制難以應對此種裝置。
為了解決上述問題，採用申請專利範圍中記載之構成。作為一例，舉出一種馬達控制裝置，其係向馬達供給電力者，且上述馬達控制裝置具備儲存位置修正資料及馬達之機械原點位置資訊的記憶部，上述馬達控制裝置使用自外部輸入之位置指令及上述位置修正資料，產生修正後位置指令，且基於上述修正後位置指令及自編碼器輸入之位置資訊，轉換向上述馬達供給之電力；上述位置修正資料係將修正位置及修正量建立對應地加以記錄者，上述修正位置之起始位置與上述機械原點位置不同。
根據本發明，可提供一種低成本且能夠根據安裝馬達之裝置之使用態樣進行位置控制之馬達控制裝置及馬達控制方法。
1:伺服馬達
2:編碼器
3:絕對位置測定機構
5:馬達控制裝置
6:資訊處理裝置
7:聯軸器
8:負載(即實施例之滾珠螺桿)
9:工作對象(即實施例之台座)
20:工作對象裝置
30:位置修正器
31:加法器
60:理想位置曲線
61:實際位置曲線
400:位置修正資料
501:位置指令產生器
502:位置控制器
503:速度控制器
504:電流控制器
505:電力轉換器
506:電流檢測器
507:記憶部
508:減法器
509:減法器
510:減法器
511:速度檢測器
圖1係表示應用了本發明之實施例1中之整體構成之圖。
圖2係表示應用了本發明之實施例1中之馬達及負載之構成的圖。
圖3係表示應用了本發明之實施例1中之位置修正資料之一例的圖。
圖4係表示應用了本發明之實施例1中之馬達控制裝置內之構成的圖。
圖5係表示應用了本發明之實施例1中之位置指令產生器之構成的圖。
圖6係表示應用了本發明之實施例1中之位置指令產生器之處理流程的圖。
圖7係表示應用了本發明之實施例1中之位置修正資料之一例的圖。
圖8係說明應用了本發明之實施例1中之位置偏移量之概念圖。
圖9係表示應用了本發明之實施例2中之馬達及負載之構成的圖。
圖10A係表示應用了本發明之實施例3中之馬達及負載之構成的圖。
圖10B係表示應用了本發明之實施例3中之馬達及負載之構成的圖。
以下，一面參照圖式，一面對應用了本發明之實施方式進行說明。首先，使用圖1、圖2，對位置修正中所使用之資料獲取方法進行說明。
於圖1中，表示包含應用了本發明之伺服馬達控制裝置之整個系統之構成例。用於位置修正之系統中包含：伺服馬達1，其成為位置測定之對象；編碼器2，其獲取伺服馬達1之旋轉位置資訊；伺服放大器等馬達控制裝置5，其控制伺服馬達1(以下，簡稱為「馬達」)；絕對位置測定機構3；個人電腦等資訊處理裝置6，其安裝有對絕對位置測定機構3 與伺服馬達1之誤差進行計測處理之程式；負載8，其配合伺服馬達1之旋轉動作而驅動；聯軸器7，其連結伺服馬達1與負載8；及工作對象9，其安裝於負載8。絕對位置測定機構3例如為雷射測距器等，負載8例如為滾珠螺桿或帶、齒輪、鏈條等將伺服馬達之動力傳遞至工作對象9之機構。再者，於圖1中，馬達1以旋轉型馬達為例進行說明，但亦可將本發明應用於如線性馬達般藉由固定子及可動子固定且呈直線狀驅動之馬達。
於圖2中，表示馬達及負載部分之構成例。圖2係表示作為組裝於馬達1之負載之滾珠螺桿8及成為工作對象之台座9之構成例的圖。藉由聯軸器7與馬達1組裝之滾珠螺桿8構成為配合馬達1之旋轉動作進行旋轉，使安裝於滾珠螺桿8之工作對象(此處以台座為例進行說明)9移動至與工作對象裝置20相同之位置。此種構成例如適用於半導體製造裝置等。
例如，欲使台座9自機械原點位置Homeposition(起始位置)移動10mm至工作位置Workpoint(工作點)1。當使台座9移動10mm所需要之馬達1之移動量為100000脈衝時，若所有零件之安裝較為理想，則於自編碼器反饋之脈衝數為100000時，台座9應該會移動至距離機械原點位置10mm之位置。然而，於實際上台座9之位置為10.006mm之情形時，需要修正0.006mm之誤差。因此，藉由以下方法，實施用以產生位置修正資料400之位置測定。
首先，於組裝伺服馬達1與負載8時，使用者將工作對象9之物理位置設定為原點。通常，設定於負載8之可動範圍之端部等之情形較多。將該原點所對應之伺服馬達1之轉子位置作為機械原點，記憶於馬達控制裝置5。具體而言，藉由使用者目視或藉由感測器特定出與原點對應之位置，將該時點下之編碼器之脈衝資訊作為機械原點位置，記憶於馬 達控制裝置5。
使馬達1自以此方式設定之機械原點位置旋轉至任意之修正起始位置，從而使工作對象9移動。使馬達1自修正起始位置移動至任意位置，利用絕對位置測定機構3測定此時之絕對位置，並由資訊處理裝置6將其與利用編碼器2測定出之位置進行比較。資料之測定例如係對使馬達自修正起始位置移動1°時之編碼器之脈衝數及絕對位置、自修正起始位置移動2°時之脈衝數及絕對位置、…、如此般使馬達自修正起始位置移動至修正結束位置X°之共計X個資料進行測定。針對每個該資料，計算出絕對位置與編碼器之脈衝資訊之偏差，並作為位置修正資料400儲存於馬達控制裝置5。該等資料例如以表格形式之資料檔案輸出。
此時，資訊處理裝置6使用用以將自編碼器輸出之脈衝數換算成實際距離之距離換算資料，產生位置修正資料。所謂距離換算資料，例如係編碼器之1脈衝實際等於多少微米之資料。藉此，資訊處理裝置6根據自編碼器輸入之脈衝數求出馬達控制裝置5所指定之距離，並與利用絕對位置測定機構3計測出之距離進行比較，藉此測定誤差，產生應進行多少脈衝之修正之資料。
修正起始位置並非必須與機械原點位置相同。例如於圖2中，當台座9移動至與工作對象裝置20對向之位置之情形時，需要高精度地進行定位之區間係與工作對象裝置20對向之區間，即為圖中之Workrange(工作範圍)之範圍內。不與工作對象裝置20對向之區間即Moverange(移動範圍)係用於移動之區間，在該範圍內不要求定位精度。因此，即便機械原點位置為Homeposition，亦能夠藉由預先將修正起始位置Pstart及修正結束位置Pend設定為與Workrange之起始、結束位置相 同，而能夠僅於安裝馬達之裝置所需之範圍內製作位置修正資料400。如此，藉由將能夠進行定位修正之範圍設為任意之起始位置及區間，則不會產生無用範圍之位置修正資料400，從而能夠有效利用馬達控制裝置5內之有限容量。
又，資料測定位置之間隔N並不限定於1°，亦可為0.01°、3°之任意間隔，資料之範圍亦可為最大360°、最大720°之任意範圍。測定位置之間隔愈小，愈能夠進行精密之位置修正，但相對的，若資料量變得龐大，則資訊處理裝置6中之處理耗費時間，儲存位置修正資料400之馬達控制裝置5內之記憶容量亦增多。資料間隔N及資料個數X可由使用者根據工作對象9之可動範圍而任意設定。
圖3係以表格形式保存位置修正資料400之例。於第1行中，保存有要進行修正之修正位置N(x)，N(0)係對應於圖2中之修正起始位置Pstart的位置，N(X)係對應於修正結束位置Pend的位置。於第2行中，保存有對第1行所保存之位置應用之修正脈衝Pofst(X)之值。該位置修正資料由資訊處理裝置6產生，並儲存於馬達控制裝置5內之記憶部，於進行位置修正時，由位置修正器30讀出並加以使用。
其次，使用圖4、圖5，對使用所產生之位置修正資料400之馬達控制方法進行說明。
於圖4中，表示應用本發明之實施例之馬達控制裝置5之整體概略構成圖。馬達1包含固定子及可動子(未圖示)，負載8係由馬達1予以驅動之驅動對象負載。馬達控制裝置5係對馬達1供給電力而控制馬達之裝置。作為馬達控制裝置5，例如可舉出變流器或伺服放大器等。
來自電源之電力由電力轉換器505予以轉換，並供給至馬 達之固定子。電力轉換器505係電晶體等開關元件。由電流控制器504控制該開關元件而自電力轉換器505輸出所需之電流。電流控制器504例如向構成電力轉換器505之電晶體之閘極供給電壓，切換開關元件之接通(ON)/斷開(OFF)，藉此進行電力轉換器505之控制。
位置指令產生器501獲取自上位之馬達控制裝置(未圖示)對馬達控制裝置5輸入之位置指令Pref、及來自預先保存有位置修正資料之記憶部507之修正資料，輸出修正後位置指令Pcrct。
減法器508係對位置指令產生器501之輸出值即修正後位置指令Pcrct與上述編碼器2之輸出值即位置檢測值Pfb進行減法運算而運算出位置偏差Perr之減法器。位置控制器502係根據位置偏差Perr而輸出速度指令值Nref之位置控制器。
速度檢測器511係由編碼器2之輸出即位置檢測值Pfb運算出馬達1之速度檢測值Nfb並加以輸出之速度運算器。減法器509係對速度指令值Nref與上述伺服馬達1之速度檢測值Nfb之速度偏差Nerr進行運算之減法器。速度控制器503係根據速度偏差Nerr而輸出轉矩電流指令值iqref之速度控制器。
電流檢測器506係檢測供給至馬達1之轉矩電流檢測值iq之電流檢測器，藉由減法器510進行轉矩電流指令值iqref與供給至馬達1之轉矩電流檢測iq之偏差量即電流偏差iqerr之運算。電流控制器504係根據轉矩電流偏差iqerr調整上述電力轉換器之輸出電流之電流控制器。
於圖5中表示本實施例中之位置指令產生器501之詳細構成。於位置指令產生器501內，具備計算位置指令Pref所對應之修正脈衝Pofst之位置修正器30、以及將修正脈衝Pofst與位置指令Pref相加之加法 器31。
於圖6中，表示位置修正器30內之處理流程之一例。
首先，位置修正器30計算出藉由步驟(STEP)301中輸入之位置指令Pref欲使馬達移動之目標位置N(M)對應於修正位置N(x)之何處(步驟302)。例如，藉由以下式(1)，根據位置指令Pref與修正起始位置Pstart之差分，計算出與修正起始位置相距之距離。藉由使與修正起始位置相距之距離除以資料間隔N，能夠求出計算修正脈衝之資料編號M。
Figure 109126178-A0305-02-0009-1
於步驟303中，判斷目標位置N(M)是否處於修正起始位置至修正結束位置之範圍內。具體而言，判定藉由(式1)所求出之資料編號M是否為0≦M≦X。
於M處於修正起始位置至修正結束位置之範圍外之情形時，位置修正器30將修正脈衝Pofst設為0並輸出，結果，位置指令Pref未經修正便自位置指令產生器501輸出(步驟304)。
於M處於修正起始位置至修正結束位置之範圍內之情形時，判斷資料編號M是否為整數(步驟305)。若資料表編號M為整數，則藉由位置指令Pref指定之目標位置N(M)與保存有修正脈衝量之修正位置N(x)之任一者一致，因此只要使用位置修正資料表中保存之修正位置N(M)所對應之修正脈衝Pofst[M]進行修正即可。
於資料編號M並非整數之情形時，進入步驟306，藉由圖7所說明之方法求出修正脈衝。
於圖7中，表示位置指令Pref與修正脈衝Pofst之關係。橫 軸為位置指令Pref，縱軸為修正脈衝Post。資料間隔N係按照所保存之修正脈衝等間隔地分割修正起始位置Pstart至修正結束位置Pend之位置修正區域而得之值。因M並非整數，故而藉由位置指令Pref指定之目標位置N(M)與保存有修正脈衝量之修正位置不一致，求出Pofst需要進行位置修正資料之內插。作為內插之方法，例如可考慮使用以下式(2)之線性內插。
此時，M設為m<M<m+1(m為整數)進行以下處理。
Figure 109126178-A0305-02-0010-2
修正脈衝Pofst之線性內插係求出修正位置N(m)相距由位置指令所指定之目標位置N(M)之距離，進行修正脈衝Pofst[m]至修正脈衝Pofst[m+1]之修正。
即，計算出資料表編號M與資料間隔N相乘所得之值相對於位置指令Pref之差分，藉此計算出修正位置N(m)至N(M)之距離。其次，除以資料間隔N，再乘以修正脈衝Pofst[m+1]與修正脈衝Pofst[m]之差分值。藉由使修正脈衝Pofst[m]與所獲得之值相加，能夠求出經線性內插之修正脈衝Pofst(M)。
如此，即便於藉由位置指令Pref指定了並非修正資料獲取位置之位置之情形時，亦能夠藉由使用目標位置前後之修正位置及修正脈衝之資料進行內插，而進行高精度之位置控制。
再者，於本實施例中，位置指令Pref構成為於自使用者接收到位置指定之上位裝置內，使用距離換算資料而產生，並自上位裝置輸入至馬達控制裝置，但並不限定於此。例如，亦可構成為預先將距離換算 資料儲存於記憶部507，再於馬達控制裝置5內產生。於此情形時，作為目標之位置資訊自上位裝置被輸入至馬達控制裝置5，並於馬達控制裝置5內使用距離換算資料將位置資訊轉換成編碼器之脈衝數。無論是何種情形，於自位置資訊轉換為編碼器之脈衝數時，皆因使用與資訊處理裝置6所使用者相同之距離換算資料而消除與位置修正資料之偏差，從而能夠高精度地進行位置控制。
圖8係表示本發明之效果之圖。該圖示出如下之例：於將橫軸設為位置指令、將縱軸設為實際之轉子之機械位置，並且無位置偏移地作動之情形時，如理想位置曲線60般進行定位，但因實際上發生位置偏移，故如實際位置曲線61般動作。
例如，當不使用藉由修正脈衝Pofst進行之位置指令修正地驅動至位置指令Pref1之情形時，理想之機械位置為Pm1，但於實際之定位結束時會是機械位置Preal1之位置。
機械位置Preal1與修正位置Pm1之誤差角度係由編碼器2與絕對位置測定機構3之差分而預先測定出之修正脈衝Pofst。若基於對位置指令Pref加上修正脈衝Pofst所得到之修正後位置指令Pcrct進行位置控制，則於定位結束時將會是機械位置Pm1之位置。同樣地，位置指令Pref2~Pref5亦能夠藉由使用修正脈衝Pofst而分別定位於理想位置Pm2~Pm5。
如上所述，藉由使用將編碼器之脈衝數與實際之距離建立對應而得之距離換算資料、及用以進行位置修正之位置修正資料進行馬達控制，則於機器動作時無需使用特別追加構件，而可根據馬達控制裝置及編碼器資訊進行高精度之位置控制。又，因位置修正區域並不限定於機械 原點位置，可設定任意區域，故而事先產生之位置修正資料可設為與修正區域之大小或用途對應之適當資料量，從而能夠降低馬達控制裝置之處理負載。
[實施例2]
於實施例2中，能夠將誤差角度之應用範圍設為複數個。以下，使用圖9進行說明。
如圖9所示，若將伺服馬達組裝於具有複數個workrange之負載，從修正位置N(0)至N(x)測定Workrange1之位置修正資料，其次從修正位置N'(0)至N'(x)測定Workrange2之位置修正資料。
如此，藉由將進行位置修正之區間分為複數個，能夠減少資料總量，並於所需之區間內精確地採取資料，從而能夠進行高精度之位置修正。
[實施例3]
於實施例3中，對變更機械原點位置時之位置修正資料進行說明。
圖10A、10B說明即便於預先自資訊處理裝置6獲得位置修正資料之馬達控制裝置5對機械原點位置做了變更之情形時，亦無需再次測定誤差角度而進行位置修正之方法。
以初次機械原點位置Homeposition1為基準，產生用以於修正起始位置Pstart至修正結束位置Pend之工作範圍Workrange內進行位置修正之位置修正資料。
此時，實施或未實施位置修正處理之判定係如式(3)、式(4)所示，以初次機械原點位置Homeposition1為基準位置，判定位置指令Pref是否處於修正起始位置Pstart至修正結束位置Pend之修正範圍內，於 滿足式(3)、式(4)之情形時執行位置修正處理。
Pref+Homeposition1≧Pstart…式(3)
Pref+Homeposition1≦Pend…式(4)
修正起始位置Pstart及修正結束位置Pend因保存有自初次機械原點位置Homeposition1起之移動距離，故於再次設定機械原點位置而使得初次機械原點位置Homeposition1之資訊消失之情形時，會無法正常地進行位置修正處理。
於本實施例中，藉由保存產生位置修正資料表時之機械原點位置，即便變更機械原點位置，亦無需再次測定位置修正資料表。產生時機械原點位置Sethome係每當再次設定機械原點時如式(5)般設定之值。 HomepositionA係機械原點位置之返回原點位置資料，Homeposition_err係與以機械原點位置為基準位置之初次機械原點位置相隔之距離。
Sethome=HomepositonA-Homepositon_err…式(5)
例如，於初次機械原點位置Homeposition1為機械原點位置，且將該原點位置設定為0之情形時，成為產生位置修正資料時之機械原點位置，因此產生時機械原點位置Sethome成為0。
於以機械原點位置成為機械原點位置Homeposition2之方式再次設定機械原點位置，且將該原點位置設定為30之情形時，初次機械原點位置Homeposition1以機械原點位置Homeposition2為基準成為-60，因此產生時機械原點位置Sethome成為-30。
使用式(5)，如式(6)、式(7)所示，分別將產生時機械原點位置Sethome與修正起始位置Pstart及修正結束位置Pend相加。
Pref+Homeposition2≧Pstart+Sethome…(式6)
Pref+Homeposition2≦Pend+Sethome…(式7)
例如，於機械原點位置Homeposition2之情形時，修正起始位置Pstart=120-30=90，修正起始位置Pend=160-30=120，機械原點位置Homepositon2=30，因此即便變更機械原點位置，亦不會失去初次返回原點位置之資訊，從而能夠正常地進行位置修正。
計算出上一次機械原點位置Homeposition1與更新機械原點位置Homeposition2之差分值，設為更新機械原點位置Homeposition2。
Pref-Homeposition
於將來自伺服馬達控制裝置之機械原點變更為其他原點位置之情形時，輸出測定誤差角度時之機械原點位置與下一個要設定之機械原點位置之差分，藉由來自伺服馬達控制裝置之機械返回原點運轉指令，使伺服馬達向機械原點移動。藉由該動作，使伺服馬達與編碼器及絕對位置計測用高解析編碼器對準於機械絕對位置之原點。
藉由伺服馬達控制裝置使伺服馬達移動至任意修正起始位置，自修正起始位置起例如以1度為單位進行定位，並藉由個人電腦取得進行該定位時之絕對位置計測用高解析編碼器與進行伺服馬達之位置檢測之編碼器的兩個位置資料，從而獲得絕對位置計測用高解析編碼器之絕對角度、及絕對位置計測用高解析編碼器之位置資料減去編碼器之位置資料而得之誤差角度資料。
若反覆執行上述定位而獲取伺服馬達之絕對角度及誤差角度資料，則絕對角度及誤差角度資料作為表格形式之資料檔案被輸出。輸出之資料數能夠任意設定，針對經絕對位置計測用高解析編碼器等分之每 個角度進行定位，從而獲得誤差角度。
伺服馬達之修正係根據機械原點測定修正位置。於機械原點因機械之變更等而改變之情形時，藉由設定距離機械原點之修正量，而能夠使用相同之修正資料進行修正。
[實施例4]
於實施例4中，針對修正資料間之修正量，可判定是否使用除線性內插以外之1字曲線內插或其他內插進行修正。

Claims (10)

  1. 一種馬達控制裝置，其特徵在於：其係向馬達供給電力者，且上述馬達控制裝置具備儲存位置修正資料及馬達之機械原點位置資訊的記憶部，上述馬達控制裝置使用自外部輸入之位置指令及上述位置修正資料，產生修正後位置指令，且基於上述修正後位置指令及自編碼器輸入之位置資訊，轉換向上述馬達供給之電力，上述位置修正資料係將修正位置及修正量建立對應地加以記錄者，上述修正位置之起始位置與上述機械原點位置不同。
  2. 如請求項1之馬達控制裝置，其中上述馬達控制裝置部分地製作上述位置修正資料。
  3. 如請求項1之馬達控制裝置，其中上述馬達控制裝置特定出與上述位置指令對應之修正位置，由上述修正位置及上述位置修正資料計算出修正量，將上述修正量與上述位置指令相加，而產生上述修正後位置指令。
  4. 如請求項3之馬達控制裝置，其中上述馬達控制裝置於與上述位置指令對應之修正位置不存在於上述位置修正資料之範圍內之情形時，將上述修正量設為0而產生上述修正後位置指令。
  5. 如請求項3之馬達控制裝置，其中上述馬達控制裝置於與上述位置指令對應之修正位置存在於上述位置修正資料之範圍內，且不存在一致之修正位置資料之情形時，使用對上述位置修正資料進行內插所獲得之內插資料，計算出上述修正量。
  6. 一種馬達控制方法，其特徵在於：其係由向馬達供給電力之馬達控制裝置進行者，且使用自外部輸入之位置指令及位置修正資料產生修正後位置指令，基於上述修正後位置指令及自編碼器輸入之位置資訊，轉換向上述馬達供給之電力，作為上述位置修正資料，將與上述馬達之機械原點位置不同之修正位置之起始位置及修正量建立對應地記錄。
  7. 如請求項6之馬達控制方法，其中部分地製作上述位置修正資料。
  8. 如請求項6之馬達控制方法，其中特定出與上述位置指令對應之修正位置，由上述修正位置及上述位置修正資料計算出修正量，將上述修正量與上述位置指令相加，而產生上述修正後位置指令。
  9. 如請求項8之馬達控制方法，其中 於與上述位置指令對應之修正位置不存在於上述位置修正資料之範圍內之情形時，將上述修正量設為0而產生上述修正後位置指令。
  10. 如請求項8之馬達控制方法，其中於與上述位置指令對應之修正位置存在於上述位置修正資料之範圍內，且不存在一致之修正位置資料之情形時，使用對上述位置修正資料進行內插所獲得之內插資料，計算出上述修正量。
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