(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標回転数が可変であるモータを、前記目標回転数で一定に回転するように制御するモータの回転速度制御装置において、
前記モータの回転軸に取り付けられ、前記回転軸が１回転する毎に複数個の検出信号を等角度間隔で出力する回転角度検出手段と、
前記回転角度検出手段から出力された前記検出信号と、前記目標回転数に応じた周期を有する基準信号との位相を前記基準信号の１周期ごとに比較し、位相差に応じたパルス幅を有する位相誤差信号を出力する位相比較手段と、
前記位相比較手段から出力された前記位相誤差信号を受け、前記パルス幅を、前記目標回転数における前記回転軸の回転角度に比例した値に変換し、変換後の値を偏差信号として出力する偏差検出手段と、
前記回転角度検出手段の偏芯により前記偏差信号に生じる誤差の補正値を前記回転角度に対応した番地に格納する記憶手段と、
前記記憶手段に格納された前記補正値を前記回転角度に対応した番地から読出す読出手段と、
前記読出手段によって読出された前記補正値により前記偏差信号に補正を加える偏差信号補正手段と、
前記偏差信号補正手段の出力に位相補償を加え、前記モータを駆動するための電流指令値を出力する補償手段と、
前記電流指令値に基づいて、前記モータを駆動する駆動手段とを備えた、モータの回転速度制御装置。
【請求項２】
前記偏差信号補正手段は、前記偏差信号より前記記憶手段から読出された前記補正値を減算する減算手段を含む、請求項１のモータの回転速度制御装置。
【請求項３】
前記偏差検出手段は、前記位相比較手段から出力される前記位相誤差信号の前記パルス幅を測定した結果を、前記基準信号の前記周期を測定した結果で割算して得られた結果を絶対値とし、前記位相誤差信号に含まれる位相の進み遅れの情報に応じた符号を付けて前記偏差信号として出力することを特徴とする、請求項１または２に記載のモータの回転速度制御装置。
【請求項４】
前記記憶手段に格納する前記補正値は、補正しないときの前記偏差信号を近似できる周期関数の振幅，位相，オフセットなどのパラメータを変更して、前記補償手段から出力される前記電流指令値の振幅が最小となるように決定されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のモータの回転速度制御装置。
【請求項５】
目標回転数が可変であるモータを、前記目標回転数で一定に回転するように制御するモータの回転速度制御装置において、
前記モータの回転軸に取り付けられ、前記回転軸が１回転する毎に複数個の検出信号を等角度間隔で出力する回転角度検出手段と、
前記回転角度検出手段から出力された前記検出信号と、前記目標回転数に応じた周期を有する基準信号との位相を前記基準信号の１周期ごとに比較し、位相差に応じたパルス幅を有する位相誤差信号を出力する位相比較手段と、
前記位相比較手段から出力される前記位相誤差信号の前記パルス幅を位相の進み遅れに応じた符号付きで測定する位相測定カウンタと、
前記基準信号の前記周期を測定する周期カウンタと、
前記回転角度検出手段から出力される前記検出信号に基づいて回転角度を測定する回転角度カウンタと、
前記位相測定カウンタで測定された前記位相と、前記周期カウンタで測定された前記周期と、前記回転角度カウンタで測定された前記回転角度とに基づいて、前記回転軸の回転速度を制御するため、前記位相を、前記目標回転数における前記回転軸の回転角度に比例した値に変換し、前記回転角度に比例した値に基づいて前記モータを駆動するための電流指令値を出力する演算制御手段と、
前記電流指令値に基づいて前記回転軸の回転速度を制御する駆動手段とを備えた、モータの回転速度制御装置。
【請求項６】
さらに、前記回転角度検出手段で測定された前記回転角度に対応した番地に、前記回転角度検出手段の偏芯により生じる、前記回転角度に比例した値の誤差の補正値を格納する記憶手段を含み、
前記演算制御手段は、前記位相測定カウンタから出力された位相測定値を前記周期カウンタで測定された前記基準信号の周期測定値で割算し、割算後の値を前記回転角度に比例した値として有する偏差信号から、前記回転角度カウンタで測定された回転角度測定値に応じた前記補正値を減算し、その結果に対して位相補償演算を行なうことを特徴とする、請求項５に記載のモータの回転速度制御装置。
【請求項７】
前記演算制御手段は、前記記憶手段に記憶されている前記補正値の最適値を、前記偏差信号を近似できる周期関数と振幅，位相，オフセットのパラメータの変更範囲を入力することによって、前記回転軸の１回転中の前記位相補償演算の出力の最大値と最小値の差が最小となるパラメータを自動的に探し出すソフトウェアを含むことを特徴とする、請求項６のモータの回転速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はモータの回転速度制御装置に関し、特に、精密加工機や精密検査装置などのスピンドルを駆動するモータの回転速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度の回転速度が要求されるスピンドルの制御には従来よりＰＬＬ制御が用いられている。
【０００３】
図７はそのようなＰＬＬの制御回路構成を示すブロック図であり、図８は図７の各部の信号波形図である。
【０００４】
図７において、モータ８の回転軸には１回転内に等間隔角度で複数の角度検出信号を出力する回転角度検出センサ９が取付けられている。この回転角度センサ９の出力信号ｂと基準信号ａとが位相比較器１に入力され、位相比較器１は図８に示すように２つの入力信号の位相差に応じた位相誤差信号ｃを出力する。この位相誤差信号ｃの低周波成分はローパスフィルタ１５で取出され、偏差信号ｄとして補償回路３に入力される。補償回路３の出力信号ｅは電流指令値としてモータ駆動回路４に入力され、このモータ駆動回路４の出力信号ｆでモータ８を駆動することにより、スピンドルの回転はセンサ出力ｂと基準信号ａの位相差が０になるように制御される。実際は、位相差が０になると電流も０になるので、機械損に応じたモータのトルクを発生する位相差を保つように制御される。
【０００５】
位相差が基準信号の１周期以内であれば、スピンドルは基準信号周波数を１回転中に出力される回転角度検出センサ９の検出信号数で割った回転数で回転する。また、その回転周期の変動は、基準信号の±１周期以内になる。したがって、摩擦などの回転に対する抵抗がほぼ０になる静圧気体軸受支持のスピンドルとブラシレスＡＣサーボモータと非接触の回転角度検出センサ９の組合せで、水晶発振器などを利用して周波数精度と安定度の高い基準信号を作り、ＰＬＬ制御を使用すれば、位相差が一定値に近づくほどモータ電流，すなわちトルクの変動が小さくなるので回転数の変動も小さくなり、高精度な回転数制御が可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示した回転角度検出センサ９としては、従来より光学式ロータリエンコーダが使用されており、このような光学式ロータリエンコーダを静圧気体軸受スピンドルと組合せた例について以下に説明する。静圧気体軸受の軸と固定部が非接触という特徴を生かすために、図７のモータ８はブラシレスＡＣサーボモータが使用される。
【０００７】
ロータリエンコーダは、図９に示すようにボス付き目盛ディスク９１と走査ユニット９２とに分離された構成のものが使用される。通常軸とボス付き目盛ディスク９１は、隙間ばめでセットボルトなどで固定されるので、目盛ディスク９１の放射線状の目盛格子９３の中心と軸の回転中心が一致しない。したがって、図９に示すように目盛ディスク９１は偏芯して回転するため、走査ユニット９２から見た目盛格子９３の間隔が変化し、出力される信号の周期も変動する。これに伴い、基準信号との位相差も変動し、またこの変動の符号と大きさは回転角度に依存するので、回転同期成分として偏差信号に図８ｄのように現れる。
【０００８】
したがって、たとえスピンドルが一定の角速度で回転していても、偏差信号に回転同期成分が現れて制御系はこれを打消そうと制御するので、電流指令値とモータ電流にも図８ｅのように回転同期成分が現れて１回転中の角速度が変動する。この角速度の変動は従来の要求精度に対しては十分小さく、特に問題になることはなかったが、最近の精密加工機や精密検査装置などでは、改善が必要になってきた。
【０００９】
仮に、目盛ディスクの偏芯が０で、かつ角速度が一定で回転していれば、位相差は一定になるので、偏差信号と電流指令値も一定値となり、モータ電流にも回転同期成分が現れないため、角速度の変動はなくなるはずである。したがって、偏差信号に現れる回転同期成分を補正し除去することによって、さらに高精度の回転数制御が可能になると考えられる。
【００１０】
また、従来では、位相比較器１の出力信号をローパスフィルタ１５を通して偏差信号を得ているが、ローパスフィルタ１５は周波数に対する位相特性が一定ではないので、回転数によって出力の原点信号に対する位相が変化してしまう。したがって、偏差信号に対して回転角度によって決まる補正値を加えて回転同期成分を除去しようとした場合、回転数による偏差信号の位相変化を考慮して補正値を操作した後に加えるか、あるいは回転角度と回転数によって決まる補正値をすべて持つ必要がある。前者は、位相を操作する処理が余分に必要になり、後者は使用する回転数全部をカバーしようとすると巨大な補正値テーブルが必要になる。
【００１１】
それゆえに、この発明の主たる目的は、モータ制御装置の処理の増加は、最小限に抑えて、回転周期成分を補正除去することで高精度な回転制御ができるようなモータの回転速度制御装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、目標回転数が可変であるモータを、目標回転数で一定に回転するように制御するモータの回転速度制御装置において、モータの回転軸に取り付けられ、回転軸が１回転する毎に複数個の検出信号を等角度間隔で出力する回転角度検出手段と、回転角度検出手段から出力された検出信号と、目標回転数に応じた周期を有する基準信号との位相を基準信号の１周期ごとに比較し、位相差に応じたパルス幅を有する位相誤差信号を出力する位相比較手段と、位相比較手段から出力された位相誤差信号を受け、パルス幅を、目標回転数における回転軸の回転角度に比例した値に変換し、変換後の値を偏差信号として出力する偏差検出手段と、回転角度検出手段の偏芯により偏差信号に生じる誤差の補正値を回転角度に対応した番地に格納する記憶手段と、記憶手段に格納された補正値を回転角度に対応した番地から読出す読出手段と、読出された補正値により偏差信号に補正を加える偏差信号補正手段と、偏差信号補正手段の出力に位相補償を加え、モータを駆動するための電流指令値を出力する補償手段と、電流指令値に基づいて、モータを駆動する駆動手段とを備えて構成される。
【００１３】
請求項２に係る発明では、請求項１の偏差信号補正手段は、偏差信号から記憶手段の値を減算する減算手段を含む。
【００１４】
請求項３に係る発明では、請求項１または２の偏差検出手段は、位相比較手段から出力される位相誤差信号のパルス幅を測定した結果を、基準信号の周期を測定した結果で割算して得られた結果を絶対値とし、位相誤差信号に含まれる位相の進み遅れの情報に応じた符号を付けて偏差信号として出力する。
【００１５】
請求項４に係る発明では、請求項１ないし３のいずれかの記憶手段に記憶する補正値は、補正しないときの偏差信号を近似できる周期関数の振幅，位相，オフセットなどのパラメータを変更して、補償手段から出力される電流指令値の振幅が最小となるように決定される。
【００１６】
請求項５に係る発明は、目標回転数が可変であるモータを、目標回転数で一定に回転するように制御するモータの回転速度制御装置において、モータの回転軸に取り付けられ、回転軸が１回転する毎に複数個の検出信号を等角度間隔で出力する回転角度検出手段と、回転角度検出手段から出力された検出信号と、目標回転数に応じた周期を有する基準信号との位相を基準信号の１パルスごとに比較し、位相差に応じたパルス幅を有する位相誤差信号を出力する位相比較手段と、位相比較手段から出力される位相誤差信号のパルス幅を位相の進み遅れに応じた符号付きで測定する位相測定カウンタと、基準信号の周期を測定する周期カウンタと、回転角度検出手段から出力される検出信号に基づいて回転角度を測定する回転角度カウンタと、測定された位相と周期と回転角度とに基づいて、回転軸の回転速度を制御するため、位相を、目標回転数における回転軸の回転角度に比例した値に変換し、回転角度に比例した値に基づいてモータを駆動するための電流指令値を出力する演算制御手段と、電流指令値に基づいてモータを駆動する駆動手段とを備えて構成される。
【００１７】
請求項６に係る発明では、さらに回転角度検出手段で測定された回転角度に対応した番地に、回転角度検出手段の偏芯により生じる、回転角度に比例した値の誤差の補正値を格納する記憶手段を含み、請求項５に係る演算制御手段は、位相測定カウンタから出力された位相測定値を周期カウンタで測定された基準信号の周期測定値で割算し、割算後の値を回転角度に比例した値として有する偏差信号から、回転角度カウンタで測定された回転角度測定値に応じた補正値を減算し、その結果に対して位相補償演算を行なう。
【００１８】
請求項７に係る発明では、請求項６の演算制御手段は、記憶手段に記憶されている補正値の最適値を、偏差信号を近似できる周期関数と振幅，位相，オフセットのパラメータの変更範囲を入力することによって、回転軸の１回転中の位相補償演算の出力の最大値と最小値の差が最小となるパラメータを自動的に探し出すソフトウェアを含む。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。この図１に示したモータの回転速度制御装置は、前述の図７の従来例と同様にして、位相比較器１と補償回路３とモータ駆動回路４とモータ８と回転角度検出センサ９とを含み、さらに偏差検出回路２とメモリ５と読出回路６と減算器７とを備えて構成される。回転角度検出センサ９は原点信号付きの回転角度検出信号を出力し、位相比較器１と読出回路６とに与える。位相比較器１は回転角度検出センサ９からのセンサ出力信号と基準信号とを比較して位相誤差信号を偏差検出回路２に与える。偏差検出回路２は位相誤差信号を角度に比例した偏差信号に変換するものであり、その偏差信号を減算器７に与える。メモリ５は回転同期成分を補正するテーブルを予め記憶しており、読出回路６は回転角度検出センサ９のセンサ出力信号に基づいて、回転位置に応じた値をメモリ５から読出す。減算器７は偏差検出回路２から出力された偏差信号から読出回路６によって読出されたメモリデータを減算し、その減算出力を補償回路３に与える。補償回路３は減算器７の出力に位相補償などを施して電流指令値をモータ駆動回路４に出力する。モータ駆動回路４は電流指令値に応じてモータ８を駆動する。
【００２０】
図２は図１の各部の波形図である。
次に、図２を参照しながら図１での具体的な動作について説明する。位相比較器１は角度検出信号ｂと矩形波で入力される基準信号ａとの位相差を両信号の立上がりエッジ間の時間に等しい幅のパルスで出力する。このパルス幅は、回転数が一定であれば位相差の角度に比例するが、回転数すなわち基準信号周期が変化すれば、位相差角度が同じでもパルス幅も比例して変化する。そこで、偏差検出回路２は位相誤差信号ｃのパルス幅を基準信号の周期で割算することにより、回転数に影響されることなく位相差の角度に比例した偏差信号を出力できる。
【００２１】
なお、偏差信号の符号は位相誤差信号に含まれる基準信号に対する角度検出信号の位相の進み遅れ情報に応じて付けられる。
【００２２】
メモリ５には、回転同期成分から推定した補正テーブルの値が回転位置に応じた番地に格納されている。読出回路６は回転角度検出センサ９の原点信号を基準に角度検出信号ｂの出力数を計数することにより回転角度を検出し、メモリ５のそれに対応した番地のデータを読出し、回転角度に対応した補正値ｇを出力する。その補正値ｇを減算器７で偏差信号ｄから減算することにより、回転同期成分を補正して除去できる。したがって、モータ８に流れる電流に回転同期成分がなくなるので、１回転中の角速度の変動が小さくなり、より高精度な回転速度制御を実現できる。
【００２３】
メモリ５に記憶される補正テーブルは、補正しない状態で現れる回転同期成分を周期関数で近似し、その振幅，オフセット，位相などを変えてテーブルを作り、補正した状態での電流指令値の回転同期成分が最小となるものを選ぶのが好ましい。これは、補正しない状態での回転同期成分を近似したものをそのまま補正テーブルとすると、制御ループ内の他の要素の影響で、振幅，オフセット，位相などが純粋な偏芯成分によるものと変化している可能性があるので、必ずしも最適値とはならないからである。他の補正テーブルの作成方法としては、組み込んだ状態での回転角度検出センサ９の精度を測定して決定するなどの方法が考えられる。
【００２４】
図３はこの発明の他の実施形態を示すブロック図である。図３において、図１と同様にして位相比較器１とモータ駆動回路４とモータ８と回転角度検出センサ９とが設けられ、さらにこの実施形態の特徴として位相差カウンタ１０と回転角度カウンタ１１と基準信号周期カウンタ１２とコンピュータ１３とＤＡコンバータ１４とが設けられる。位相差カウンタ１０は位相比較器１から出力される位相誤差信号のパルス幅を測定する。回転角度カウンタ１１は回転角度検出センサ９の出力を測定して回転位置を検出する。基準信号周期カウンタ１２は基準信号の周期を測定する。各カウンタ１０〜１２の出力はコンピュータ１３に入力される。コンピュータ１３は各カウンタの出力を演算して電流指令値をＤＡコンバータ１４に出力する。ＤＡコンバータ１４は電流指令値をアナログ信号に変換してモータ駆動回路４に供給し、モータ駆動回路４はたとえば３相ブラシレスのＡＣサーボモータ８を駆動する。
【００２５】
次に、この発明の他の実施形態の動作について説明する。位相比較器１は回転角度検出センサ９からの出力信号と基準信号の立上がりエッジ間の時間に等しい幅のパルスを位相誤差信号として出力する。位相誤差信号の符号は、回転角度検出センサ９の出力信号が基準信号よりも位相が進んでいると−となり、遅れていたら＋となる。
【００２６】
位相差カウンタ１０は位相誤差信号のパルス幅を、基準信号周期カウンタ１２は基準信号周期を、基準信号周波数より十分高い周波数のクロック信号を使用して測定する。なお、位相差カウンタ１０は位相誤差信号が＋パルスであれば正数，−パルスであれば負の数として出力する。
【００２７】
図４は図３に示したコンピュータ１３の内部で行なわれる処理の流れを示す図である。コンピュータ１３の内部では、予め内部メモリに偏心補正テーブル１３１を格納しており、回転中は一定時間間隔で、位相誤差信号のカウント値を基準信号周期カウント値で割算した結果を偏差信号とし、同時に回転角度カウンタ１１からの回転位置に対応する補正テーブル値を偏芯補正テーブル１３１から読出し、偏差信号からその補正テーブルを減算し、その減算結果に対して位相補償演算を行なってＤＡコンバータ１４に出力する。
【００２８】
図４に示した偏芯補正テーブル１３１は補正なしの状態での偏差信号から回転同期成分が正弦波で近似できると判断して、正弦波の振幅とオフセットと位相を変えた複数のテーブルを用意し、補正した状態での電流指令値の回転同期成分が最小となるテーブルを選んだ。
【００２９】
図５および図６は電流指令値ｅとモータ電流ｆとの波形を示す図であり、特に図５は補正ありの状態を示し、図６は補正なしの状態を示す。
【００３０】
モータ電流ｆはリニア駆動のため、回転周波数にモータの磁極数をかけた周波数の正弦波状の電流が流れる。図６に示した補正なしの状態では、電流指令値ｅは回転周波数の正弦波になり、モータ電流ｆは回転同期成分が重畳されていることが明らかである。これに対して図５の補正を加えた状態では、正弦波状の回転同期成分がほとんどなくなり、補正の効果が明らかである。
【００３１】
また、偏差検出，補正テーブル，減算器，位相補償をコンピュータを使用してソフトウェアで行なうことによって、補正テーブルの作成も使用者がパラメータを逐次変更しながら入力して決定するものではなく、ソフトウェアで自動的に行なうことも、たとえば以下に示す方法によって可能になる。まず、近似周期関数とパラメータの変更範囲と変化幅を最初に入力する。その後は、ソフトウェアによって１回転以上の周期でパラメータを自動的に変更し、そのときの電流指令値となる位相補償演算結果の１回転毎の最大値と最小値を検出して振幅を求める。パラメータの全変更範囲内で、電流指令値の振幅を測定する。測定毎にその振幅がより小さくなるパラメータを残していくことで、補正テーブルの最適値を得ることができる。または、全測定終了後に振幅を最小にするパラメータを見つけるようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、回転角度検出出力の偏芯成分の補正値を予め記憶しておき、回転角に対応して補正値を読出し、その補正値により偏差検出出力に補正を加えるようにしたので、比較的簡単な構成で複雑な補正処理を要することなくモータの回転数を制御できる。
【００３３】
請求項５に係る発明では、位相誤差信号のパルス幅と基準信号の周期と回転角度をそれぞれカウンタで測定し、演算制御手段によりモータの回転速度を演算してモータを駆動するようにしたので、正弦波状の回転同期成分をほとんどなくすことができ、補正の効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の各部の波形図である。
【図３】この発明の他の実施形態を示すブロック図である。
【図４】図３に示したコンピュータ内部で行なわれる処理の流れを示す図である。
【図５】補正をしたときの電流指令値とモータ電流の波形を示す図である。
【図６】補正なしの電流指令値とモータ電流の波形を示す図である。
【図７】従来のモータ回転速度制御装置の概略ブロック図である。
【図８】図７に示した各部の波形図である。
【図９】ロータリエンコーダに含まれる目盛ディスクと目盛格子を説明するための図である。
【符号の説明】
１  位相比較器
２  偏差検出回路
３  補償回路
４  モータ駆動回路
５  メモリ
６  読出回路
７  減算器
８  モータ
９  回転角度検出センサ
１０  位相差カウンタ
１１  回転角度カウンタ
１２  基準信号周期カウンタ
１３  コンピュータ
１４  ＤＡコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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