(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルが巻回されたコアを有するリニアモータを制御するリニアモータ制御装置であって、
前記リニアモータの可動子の位置から電気角を算出する電気角算出部と、
前記リニアモータの電気角に応じて変化する前記コイルの相インダクタンス値の変化の影響を抑える制御ゲインを電気角ごとに記憶する制御ゲイン記憶部と、
前記電気角算出部が算出した電気角に対応する前記制御ゲインを用いて、前記リニアモータの駆動を制御する位置制御部と
を具備し、
前記制御ゲインには、比例ゲイン及び微分ゲインが含まれ、
前記位置制御部は、
前記リニアモータが有する可動子の位置と、外部から入力され前記可動子の目標位置を指示する位置指令との差分である位置偏差を算出し、
予め定められた積分ゲインを前記位置偏差の累積加算の結果に乗算して第１の電流制御値を算出し、
前記電気角算出部が算出した電気角に対応する前記比例ゲインを前記位置偏差に乗算して第２の電流制御値を算出し、
前記電気角算出部が算出した電気角に対応する前記微分ゲインを前記可動子の位置の変化量に乗算して第３の電流制御値を算出し、
前記第１の電流制御値と前記第２の電流制御値との加算結果から前記第３の電流制御値を減算して得られた値に基づいて前記リニアモータの駆動を制御する、
ことを特徴とするリニアモータ制御装置。
【請求項２】
コイルが巻回されたコアを有するリニアモータを制御するリニアモータ制御方法であって、
前記リニアモータの可動子の位置から電気角を算出する電気角算出ステップと、
前記リニアモータの電気角に応じて変化する前記コイルの相インダクタンス値の変化の影響を抑える制御ゲインを電気角ごとに記憶する制御ゲイン記憶部から、前記電気角算出ステップにおいて算出された電気角に対応する制御ゲインを取得する制御ゲイン取得ステップと、
前記制御ゲイン取得ステップにおいて取得した制御ゲインを用いて、前記リニアモータの駆動を制御する位置制御ステップと、
を有し、
前記制御ゲインには、比例ゲイン及び微分ゲインが含まれ、
前記位置制御ステップでは、
前記リニアモータが有する可動子の位置と、外部から入力され前記可動子の目標位置を指示する位置指令との差分である位置偏差を算出し、
予め定められた積分ゲインを前記位置偏差の累積加算の結果に乗算して第１の電流制御値を算出し、
前記電気角算出ステップにおいて算出された電気角に対応する前記比例ゲインを前記位置偏差に乗算して第２の電流制御値を算出し、
前記電気角算出ステップにおいて算出された電気角に対応する前記微分ゲインを前記可動子の位置の変化量に乗算して第３の電流制御値を算出し、
前記第１の電流制御値と前記第２の電流制御値との加算結果から前記第３の電流制御値を減算して得られた値に基づいて前記リニアモータの駆動を制御する、
ことを特徴とするリニアモータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータ制御装置、及びリニアモータ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転式のモータやリニアモータにおいて、モータの駆動性能を向上させるために、電機子にコアを設けることが行われている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０８９５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、コアを有するモータでは、コアに巻回されたコイルが磁気飽和すると、当該コイルのインダクタンス値が変化し、所望の位置で可動子を停止させる際の位置決め精度が低下してしまうことがあった。このインダクタンス値の変化は、モータの電気角に応じて変化することが知られている。
【０００５】
図５は、モータに設けられているコイルの相インダクタンス値と電気角との対応関係の一例を示す図である。同図において、横軸は電気角を示し、縦軸は相インダクタンス値を示している。同図に示す例では、電気角が９０°と２７０°とにおいて相インダクタンス値が最大になり、電気角が０°と１８０°とにおいて相インダクタンス値が最小になっている。このように、コイルの相インダクタンス値が変化することにより、モータの応答特性が変化して位置決め精度が低下してしまう問題がある。
【０００６】
図６は、ステップ応答に対する理想的な応答特性と、オーバーシュートぎみの応答特性との一例を示す図である。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は位置指令が示す位置とモータの可動子の位置とを示している。図６（ａ）は理想的なモータの応答を示している。モータは、位置指令が示す位置を追従して可動子が移動することが望ましい。しかし、上述のように、モータの応答特性が変化してしまう場合、図６（ｂ）に示すように、位置指令が示す位置に対してオーバーシュート気味に可動子が移動してしまい、位置決めの精度を低下させてしまうことがある。また、場合によっては、モータが停止位置付近で発振し、整定に要する時間が長くなってしまうことがある。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、コアを有するモータを制御する際の位置決め精度を向上させるリニアモータ制御装置、及びリニアモータ制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するために、本発明は、コイルが巻回されたコアを有するリニアモータを制御するリニアモータ制御装置であって、前記リニアモータの可動子の位置から電気角を算出する電気角算出部と、前記リニアモータの電気角に応じて変化する前記コイルの相インダクタンス値の変化の影響を抑える制御ゲインを電気角ごとに記憶する制御ゲイン記憶部と、前記電気角算出部が算出した電気角に対応する前記制御ゲインを用いて、前記リニアモータの駆動を制御する位置制御部とを具備し、前記制御ゲインには、比例ゲイン及び微分ゲインが含まれ、前記位置制御部は、前記リニアモータが有する可動子の位置と、外部から入力され前記可動子の目標位置を指示する位置指令との差分である位置偏差を算出し、予め定められた積分ゲインを前記位置偏差の累積加算の結果に乗算して第１の電流制御値を算出し、前記電気角算出部が算出した電気角に対応する前記比例ゲインを前記位置偏差に乗算して第２の電流制御値を算出し、前記電気角算出部が算出した電気角に対応する前記微分ゲインを前記可動子の位置の変化量に乗算して第３の電流制御値を算出し、前記第１の電流制御値と前記第２の電流制御値との加算結果から前記第３の電流制御値を減算して得られた値に基づいて前記リニアモータの駆動を制御する、ことを特徴とするリニアモータ制御装置である。
【０００９】
また、本発明は、コイルが巻回されたコアを有するリニアモータを制御するリニアモータ制御方法であって、前記リニアモータの可動子の位置から電気角を算出する電気角算出ステップと、前記リニアモータの電気角に応じて変化する前記コイルの相インダクタンス値の変化の影響を抑える制御ゲインを電気角ごとに記憶する制御ゲイン記憶部から、前記電気角算出ステップにおいて算出された電気角に対応する制御ゲインを取得する制御ゲイン取得ステップと、前記制御ゲイン取得ステップにおいて取得した制御ゲインを用いて、前記リニアモータの駆動を制御する位置制御ステップと、を有し、前記制御ゲインには、比例ゲイン及び微分ゲインが含まれ、前記位置制御ステップでは、前記リニアモータが有する可動子の位置と、外部から入力され前記可動子の目標位置を指示する位置指令との差分である位置偏差を算出し、予め定められた積分ゲインを前記位置偏差の累積加算の結果に乗算して第１の電流制御値を算出し、前記電気角算出ステップにおいて算出された電気角に対応する前記比例ゲインを前記位置偏差に乗算して第２の電流制御値を算出し、前記電気角算出ステップにおいて算出された電気角に対応する前記微分ゲインを前記可動子の位置の変化量に乗算して第３の電流制御値を算出し、前記第１の電流制御値と前記第２の電流制御値との加算結果から前記第３の電流制御値を減算して得られた値に基づいて前記リニアモータの駆動を制御する、ことを特徴とするリニアモータ制御方法である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、リニアモータを駆動する制御に用いる制御ゲインを、リニアモータの電気角に応じて変化させることにより、電気角に応じて変化するコイル相インダクタンス値に適した制御ゲインを用いることができ、コアを有するリニアモータを制御する際の位置決め精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態における、モータ２の駆動を制御するモータ制御装置１の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】本実施形態におけるモータ制御装置１によるモータ制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを一定にしてモータ２に対して位置決め制御をした際のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図４】本実施形態におけるモータ制御装置１がモータ２に対して位置決め制御をした際のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図５】モータに設けられているコイルの相インダクタンス値と電気角との対応関係の一例を示す図である。
【図６】ステップ応答に対する理想的な応答特性と、オーバーシュートぎみの応答特性との一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるモータ制御装置、及びモータ制御方法を説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態における、モータ２の駆動を制御するモータ制御装置１の構成を示す概略ブロック図である。モータ制御装置１は、モータ２が有する可動子の位置を検出する位置検出部３から入力される可動子の位置を示す位置情報と、外部より入力される位置指令Ｐ＊とに基づいて、位置指令Ｐ＊が示す位置に可動子を移動させる制御をする。ここで、位置検出部３は、例えば、光学式のスケールや、磁気式のスケールなどであり、モータ２の可動子の位置を検出し、検出した位置を示す情報を出力するセンサーである。また、モータ２は、コイルがコアに巻回されている回転式のモータ又はリニアモータのいずれであってもよい。また、位置指令Ｐ＊は、モータ２が有する可動子を移動させる際の目標位置を示す。
【００１４】
モータ制御装置１は、電気角算出部１１と、制御部１２とを備えている。電気角算出部１１は、位置検出部３が検出するモータ２の可動子の位置から、モータ２の電気角を算出する。
制御部１２は、制御ゲイン記憶部１３と、制御ゲイン変更部１４と、位置偏差算出部１５と、位置制御部１６と、電力変換器１７とを有している。
【００１５】
制御ゲイン記憶部１３には、位置制御部１６において用いられる比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄが電気角に対応付けられて予め記憶されている。制御ゲイン記憶部１３に記憶されている比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄは、制御対象であるモータ２を用いた実測値やシミュレーションの結果に基づいて、整定時間を短縮でき、かつ位置決めの際にオーバーシュートしないように予め定められた値である。また、制御ゲイン記憶部１３に記憶されている比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄに対応する電気角の間隔は、電気角算出部１１が算出する電気角の分解能と、整定時間及び位置決めに要求される精度とに基づいて予め定められる。
【００１６】
制御ゲイン変更部１４は、電気角算出部１１が算出する電気角に対応する比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを制御ゲイン記憶部１３から読み出して出力する。
位置偏差算出部１５は、位置検出部３が検出した可動子の位置と、位置指令Ｐ＊が示す位置との差分である位置偏差（位置指令Ｐ＊−「検出した位置」）を算出する。
【００１７】
位置制御部１６は、積分制御部１６１と、比例制御部１６２と、微分制御部１６３と、電流指令算出部１６４とを有している。
積分制御部１６１は、位置偏差算出部１５が算出する位置偏差を累積加算（積分）し、累積加算の結果に積分ゲインＫｉを乗算して電流指令Ｉｉを算出する。なお、積分ゲインＫｉは、制御対象であるモータ２を用いた実測値や、シミュレーションの結果に基づいて予め定められる。
比例制御部１６２は、位置偏差算出部１５が算出する位置偏差に、制御ゲイン変更部１４が出力する比例ゲインＫｐを乗算して電流指令Ｉｐを算出する。微分制御部１６３は、位置検出部３が検出した前回の位置と今回の位置との差分（「今回の位置」−「前回の位置」）に微分ゲインＫｄを乗算して電流指令Ｉｄを算出する。
電流指令算出部１６４は、積分制御部１６１が算出する電流指令Ｉｉと、比例制御部１６２が算出する電流指令Ｉｐとを加算し、加算結果から微分制御部１６３が算出する電流指令値Ｉｄを減算して電流指令Ｉ＊を算出する。
【００１８】
上述のように、位置制御部１６は、制御ゲイン変更部１４が出力する比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを用いて、位置偏差算出部１５が算出する位置偏差に基づいて、モータ２を駆動する際の電流指令Ｉ＊を算出する。
電力変換器１７は、位置制御部１６が算出する電流指令Ｉ＊に基づいて、外部から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ２に供給する。電力変換器１７は、例えば、スイッチング素子を有するインバータ回路を用いて構成され、電流指令Ｉ＊に基づいて、スイッチング素子のオン・オフを切り替えることにより、直流電力を交流電力に変換する。
【００１９】
上述のように、制御部１２は、位置検出部３が検出する可動子の位置と位置指令Ｐ＊とに基づいて、モータ２に交流電力を供給しモータ２の駆動を制御して、位置指令Ｐ＊が示す位置に可動子を移動させる制御をする。このとき、制御部１２は、電気角算出部１１が算出する電気角に応じた制御ゲインである比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを用いて、モータ２の駆動を制御する。
【００２０】
図２は、本実施形態におけるモータ制御装置１によるモータ制御処理の手順を示すフローチャートである。
モータ制御装置１において、モータ制御処理を開始すると、位置指令Ｐ＊が入力される（ステップＳ１０１）。
位置偏差算出部１５は、入力された位置指令Ｐ＊と、位置検出部３が検出した位置とが一致するか否かを判定し（ステップＳ１０２）、一致する場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、モータ制御処理を終了する。
一方、位置指令Ｐ＊と、位置検出部３が検出した位置とが一致しない場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、位置偏差算出部１５は、位置偏差を算出する（ステップＳ１０３）。
【００２１】
電気角算出部１１は、位置検出部３が検出した位置からモータ２の電気角を算出する（ステップＳ１０４）。
制御ゲイン変更部１４は、電気角算出部１１が算出した電気角に対応する比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを制御ゲイン記憶部１３から読み出し、読み出した比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを出力する（ステップＳ１０５）。
【００２２】
位置制御部１６は、位置検出部３が検出した位置と、位置偏差算出部１５が算出した位置偏差と、制御ゲイン変更部１４が出力した比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄとに基づいて、電流指令Ｉ＊を算出する（ステップＳ１０６）。
具体的には、積分制御部１６１が位置偏差と積分ゲインＫｉとを乗算して電流指令Ｉｉを算出する。比例制御部１６２は、制御ゲイン変更部１４が出力した比例ゲインＫｐと位置偏差とを乗算して電流指令Ｉｐを算出する。微分制御部１６３は、位置検出部３が検出した前回の位置と今回の位置との差分に、制御ゲイン変更部１４が出力した微分ゲインＫｄを乗算して電流指令Ｉdを算出する。電流指令算出部１６４は、積分制御部１６１、比例制御部１６２、及び微分制御部１６３が算出した電流指令Ｉｉ、Ｉp、Ｉｄから電流指令Ｉ＊（＝Ｉｉ＋Ｉp−Ｉｄ）を算出する。
【００２３】
電力変換器１７は、位置制御部１６が算出した電流指令Ｉ＊に基づいて、モータ２に交流電力を通電してモータ２を駆動する（ステップＳ１０７）。
モータ制御装置１は、上述のステップＳ１０２からステップＳ１０７の処理を予め定められた周期で繰り返して行い、モータ２の可動子を位置指令Ｐ＊が示す位置に移動させる制御を行う。
【００２４】
モータ制御装置１は、上述のように、ＰＩＤ制御を用いた位置制御において、モータ２の電気角に応じて制御ゲインを変化させることにより、電気角に応じて変化するコイルの相インダクタンス値に適した制御ゲインを用いてモータ２を制御する。
これにより、モータ制御装置１は、モータ２の電気角に応じて変化するコイルの相インダクタンス値に適した制御ゲインを用いることで、相インダクタンス値の変化による影響を低減させてモータ２を制御することができ、位置決め精度を向上させることができると共に、速度リップルの低減を図ることができる。
【００２５】
以下、シミュレーション結果を示して、本実施形態におけるモータ制御装置１により得られる位置決め精度の向上を示す。
図３は、比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを一定にしてモータ２に対して位置決め制御をした際のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図３（ａ）は比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄと電気角との対応を示すグラフである。同図において、横軸は電気角を示し、縦軸は各ゲインの値を示している。図３（ｂ）は位置決め制御における整定時間及びオーバーシュート量と電気角との対応を示すグラフである。同図において、横軸は電気角をし、縦軸は整定時間及びオーバーシュート量を示している。同図に示すように、電気角に応じて変化するコイルの相インダクタンス値の影響を受けて、整定時間及びオーバーシュート量は安定せずに、電気角に応じて変化していることが分かる。
【００２６】
図４は、本実施形態におけるモータ制御装置１がモータ２に対して位置決め制御をした際のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図４（ａ）は比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄと電気角との対応を示すグラフである。同図において、横軸は電気角を示し、縦軸は各ゲインの値を示している。同図に示すように、ここでは、制御ゲイン記憶部１３に記憶されている比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄに対応する電気角の間隔を３０°とし、電気角３０°ごとに比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを切り替えるようにしている。図４（ｂ）は位置決め制御における整定時間及びオーバーシュート量と電気角との対応を示すグラフである。同図において、横軸は電気角を示し、縦軸は整定時間及びオーバーシュート量を示している。同図に示すように、電気角に応じて各ゲインを変更する制御ゲイン可変制御により、電気角の全領域において整定時間を短縮し、オーバーシュート量をほぼ０（ゼロ）にすることができる。
【００２７】
このように、モータ制御装置１は、コアを有するモータ２を制御する際に、電気角に応じて変動するコイルの相インダクタンス値に応じて、制御ゲインを切り替えることにより、位置決めに要する時間を削減することができると共に、オーバーシュート量を低減させることができる。
【００２８】
また、モータ制御装置１は、位置偏差から電流指令値Ｉｐを算出する際に用いる比例ゲインＫｐを、電気角（相インダクタンス値）に応じて切り替えることで、制御開始時の駆動量を十分に大きくすると共に、位置決めをする際にオーバーシュートが生じることを抑制することができ、位置決め精度を向上させることができる。
また、モータ制御装置１は、位置偏差の微分値（変化量）から電流指令値Ｉｄを算出する際に用いる微分ゲインＫｄを、電気角（相インダクタンス値）に応じて切り替えることで、位置決めの際に外乱等による変化があっても、オーバーシュートが生じることを抑制することができ、位置決め精度を向上させることができる。
【００２９】
なお、上記の実施形態では、制御ゲイン変更部１４が電気角に応じた比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを出力する構成について説明したが、比例ゲインＫｐ又は微分ゲインＫｄのいずれか一方を出力する構成にしてもよい。この場合、比例ゲインＫｐ又は微分ゲインＫｄのいずれか他方は、実測値やシミュレーション結果に基づいて予め定めた値を用いるようにする。また、制御ゲイン変更部１４が電気角に応じた比例ゲインＫｐ、微分ゲインＫｄ及び積分ゲインＫｉを出力するようにしてもよい。この場合、制御ゲイン記憶部１３には、電気角に対応する積分ゲインＫｉも記憶されることになる。
【００３０】
また、上記の実施形態では、制御ゲイン変更部１４が電気角に応じた比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを出力する構成について説明したが、制御ゲイン変更部１４が比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを出力せずに、比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄに対する補正係数を出力するようにしてもよい。この場合、位置制御部１６における比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄは、予め定められた値を用いるようにする。
【００３１】
また、上記の実施形態では、制御ゲイン記憶部１３に、電気角に比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを対応付けて予め記憶させる構成について説明した。しかし、これに限ることなく、実測やシミュレーションなどで求めた比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄと、電気角との対応に基づいて、電気角をパラメータとした比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを算出する近似関数を予め算出し、算出した近似関数を用いて制御ゲイン変更部１４が比例ゲインＫｐ及び微分ゲインＫｄを算出するようにしてもよい。
【００３２】
なお、上述のモータ制御装置１は内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。その場合、上述したモータ２を制御する処理の各過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われることになる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、コイルが巻回されたコアを有するリニアモータや、回転式のモータを制御する際において、電気角に応じて変化するインダクタンスの影響を抑えることができ、位置決め制御の精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１…モータ制御装置、２…モータ、１１…電気角算出部、１２…制御部、１３…制御ゲイン記憶部、１６…位置制御部
【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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