(57)【要約】フィードバックループ内の非線形テーブルを使用して、所望の加速度入力をモータ駆動出力に変換する反復動作制御のデバイス及び方法であって、モータが、制御されたモーションシステムの一部である、反復動作制御のデバイス及び方法を述べる。テーブルは、シャフト速度、位置、又は位相角など、現在のシステム状態にさらに応答する２次元又は３次元テーブルでよい。モータは、２コイルステッパモータでよく、補正された非線形性は、所望のトルクを維持する目的を果たす。入力は、ターゲット位置とターゲット速度の両方を含むウェイポイントでよい。モーションシステムは、反転ＳＣＡＲＡアームを使用することができる。最大３つの非線形補正テーブルを使用することができる。第１の補正テーブルは、モータステップをより正確なシャフト角度に補正し、第２の補正テーブルは、所望のトルクを実現するためにモータ駆動信号を補正し、第３の補正テーブルは、シャフト速度に応答するモータ駆動信号を補正する。テーブルは、各工程について、固定のシャフトオフセット角度を使用する一連の運動工程によって生成することができる。
2019530030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反復動作制御のための方法であって、
（ｉ）入力された所望の加速度を受け入れるステップと、
（ｉｉ）第１の非線形テーブル内において、前記入力された所望の加速度に応答する１つ又は複数の第１のテーブル出力を探索するステップと、
（ｉｉｉ）１つ又は複数のモータ駆動出力をモータに出力するステップであって、
前記１つ又は複数のモータ駆動出力は、前記１つ又は複数の第１のテーブル出力に応答し、
前記１つ又は複数のモータ駆動出力は、前記モータを制御するように適合され、
前記モータに応答するシステム状態データは、反復リアルタイムコントローラにフィードバックされ、
前記反復リアルタイムコントローラは、更新された所望の加速度を出力する、ステップと、
（ｉｖ）ステップ（ｉ）からステップ（ｉｉｉ）を反復するステップであって、
各次の反復において、ステップ（ｉｉｉ）からの前記更新された所望の加速度が、ステップ（ｉ）における前記所望の加速度である、ステップと
を含み、
前記第１の非線形テーブルは、さらに、前記モータのリアルタイムモータ位相角に応答する、反復動作制御のための方法。
【請求項２】
（ｖ）前記モータのリアルタイム速度を受け入れるステップをさらに含み、
前記第１の非線形テーブルは、さらに、前記モータの前記リアルタイム速度に応答する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の非線形テーブルは、前記入力された所望の加速度を前記１つ又は複数の第１のテーブル出力にマッピングし、前記モータは、前記入力された所望の加速度に線形に比例するトルクを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記モータは、２コイルステッパモータであり、
前記１つ又は複数の第１のテーブル出力は、前記２コイルステッパモータに関する２つの位相角を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
（ｖｉ）前記第１の非線形テーブルにエントリを生成するために前記モータを特徴付けるステップをさらに含み、
ステップ（ｖｉ）は、ステップ（ｉ）の前に実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記モータを特徴付けるステップは、モータ移動のシーケンスを含み、
前記シーケンス中の各モータ移動は、該移動に関する固定の位相オフセット角度を含み、
前記シーケンス中の各モータ移動中における前記モータの加速度が記録され、
前記シーケンス中の各モータ移動は、異なる固定の位相オフセット角度を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
（ｖｉｉ）リアルタイムモータシャフト角度標示を受け入れるステップと、
（ｖｉｉｉ）第２の角度位置補正テーブル内において、前記リアルタイムモータシャフト角度標示に応答する第２のテーブル出力、すなわち補正されたシャフト角度を探索するステップと、
（ｉｘ）前記補正されたシャフト角度に応答するモータシャフト角速度を計算するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記モータは、ステッパモータであり、
前記リアルタイムモータシャフト角度標示は、前記ステッパモータのステップ数である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の角度位置補正テーブルは、前記リアルタイムモータシャフト角度標示と実際のモータシャフト角度との間の偏心性を補正する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記反復リアルタイムコントローラは、目標ウェイポイントのシーケンスを受け入れるように適合され、
前記シーケンス中の各ウェイポイントは、目標位置及び目標速度を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法を実施する、デバイス。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法を実施するシステムであって、前記モータ及び前記反復リアルタイムコントローラをさらに備える、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年４月２７日出願の米国仮出願第６２／３２８，５４７号明細書に対する優先権を主張するものである。従来技術には、米国特許出願公開第５７７０８２９Ａ明細書、「Ｋａｔｚ」；米国特許第９０４１３３７Ｂ２号明細書、「Ｔｉａｎ」；米国特許出願公開第２０１３０１９７６８８Ａ号明細書、「Ｅｇｉ」；及び米国特許出願公開第４７６９５８３Ａ号明細書、「Ｇｏｏｒ」が含まれる。
【０００２】
本発明の分野は、閉ループコントローラに係り、特に、時間の少なくとも一部において、モータ又は他のアクチュエータに関する所望の加速度を維持するための制御ループ用の閉ループコントローラである。
【背景技術】
【０００３】
従来技術のモーションコントローラは、典型的には、位置を監視し、駆動信号の変化に応答して所望の位置を維持する。この所望の位置は、比較的静的でも動的でもよい。他の従来技術のコントローラは、速度を監視し、駆動信号の変化に応答して所望の速度を維持する。この所望の速度は、時として動的であるが、典型的には静的である。
【０００４】
一般的なフィードバック法は、ＰＩＤ、すなわち比例積分微分であり、誤差信号、積分誤差信号、及び微分制御信号それぞれに、３つの値をそれぞれ乗算し、次いで加算して、更新された駆動信号を提供する。
【０００５】
そのような従来技術の方法及びデバイスは、アナログシステムのように連続的であれ、ディジタルシステムのように離散的であれ、以下のようないくつかの弱点を有する。所望の位置又は速度の変動に対する応答不良；不安定性、ループ利得の変動に対する応答不良；非線形システムでの応答不良；非対称システムでの応答不良；及びＰＩＤ項で使用される定数を実際の又は動的に変化するシステム特性に適合させることができないこと。
【０００６】
ステッパモータ用の従来技術のシステムは、典型的には開ループであり、ステッパモータのステップを使用して所望の位置を実現し、マイクロステップ及び正弦波ドライブを含む。そのようなシステムは、ノイズ、振動、及び非線形運動といった問題がある。また、そのような従来技術のシステムは、ステップ間の非線形モータ性能、並びに負荷の変動又は振動などシステム特性の変化に応答しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明のいくつかの実施形態は、従来技術の上記及び他の弱点を克服する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
いくつかの実施形態は、線形化モジュールを備える、反復、閉ループ、リアルタイムの機械制御システムを含む。線形化モジュールは、入力として所望の加速度を受け入れる。その出力がモータを駆動して、モータシャフトの所望の加速度を実現する。いくつかの実施形態は、線形化モジュールのみなど、完全なシステムの特定の要素のみを含む。
【０００９】
線形化モジュールのいくつかの実施形態は、様々な組合せで、３つの非線形テーブルを含む。第１のテーブルは、モータのステップ数の入力によって、出力としてステッパモータの角度位置を補正又は線形化する。第２のテーブルは、全ステップ又は四分の一ステップの間のモータ位置、すなわちステップ間位置に関して、所望の加速度の入力によって、１つ又は複数の出力位相角としてステッパモータのモータトルクを補正又は線形化する。第３のテーブルは、モータシャフト速度の入力によって、出力としてモータトルクを線形化する。
【００１０】
テーブルの代わりに関数を使用することもできる。テーブルを組み合わせてもよい。１つのテーブルを使用して、１つ又は複数の他のテーブルを選択することもできる。
【００１１】
線形化モジュールの出力は、モータを直接駆動することができ、又はより典型的には、増幅器、電圧−電流変換器、パルス幅変調器、送信器など、１つ又は複数のモータドライバを通過することができる。
【００１２】
モータは、制御される機械システムの一部である。完全なシステムは、反復リアルタイムプロセス制御を提供するモジュールを含み、このモジュールは、モータシャフト位置などの位置を１つの入力として受け入れ、所望のモータ加速度又はトルクを出力する。この所望の加速度は線形化モジュールに進み、次いで線形化モジュールがシステム内のモータを駆動する。したがって、線形化モジュール、モータ、及びループ内での反復リアルタイムプロセス制御を用いた閉ループ制御が存在する。また、反復リアルタイムプロセス制御は、ウェイポイントのシーケンスなど、目標ストリームを受け入れる。各ウェイポイントは、モータのターゲット位置とターゲット速度との両方を含むことができる。典型的には、１つのターゲットウェイポイントに関して、ターゲットウェイポイントを実現するために複数回の反復が使用される。
【００１３】
典型的には、線形化モジュール内の最大で３つのテーブルは、目標ストリームに対して変化しないという意味で、静的なテーブルである。いくつかの実施形態では、システムは使用前に特徴付けられ、又は較正される。この較正は、１つ又は複数の非線形テーブルを生成し、これらのテーブルが、動作のために線形化モジュールに適用される。
【００１４】
線形化モジュールは、従来技術よりも高い精度、良い性能、及び高速の動作を提供する。また、線形化モジュールは、従来技術よりもノイズが少なく、振動が少なく、ループ安定性が良く、メンテナンスの必要が少ない、システムを提供することができる。
【００１５】
モータは、任意のタイプの機械的アクチュエータでよい。
【００１６】
用途及び実施形態は、広範な機械システム、及び機械システムと同様にモデル化され得る非機械システムも含み、それらは、位置に対応するパラメータ、並びにそれぞれ速度及び加速度に対応するそのパラメータの１次及び２次導関数を有する。いくつかの実施形態は、２つ以上の軸を有することができる。
【００１７】
本出願は、米国仮特許出願第６２，３２８，５４４号明細書及び米国特許第６２，３２８，５４７号明細書に対する優先権を主張する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】線形化モジュールを有する閉ループシステムの一実施形態を示す図である。
【図２】非線形強制関数を有する閉ループシステムの別の実施形態を示す図である。
【図３Ａ】所望のトルクを実現するためのモータ位相角への調整を示す図である。
【図３Ｂ】第２のモータ位相角を示す図である。
【図４】２つの非線形強制関数を示す図である。
【図５】２つの非線形位相出力を示す図である。
【図６】プロセス制御法のブロック図である。
【図７】従来技術を示す図である。
【図８】速度及び加速度に対するオフセット位相角を示す例示的な１組の曲線を示す図である。
【図９】速度及び加速度に対するオフセット位相角を示す例示的な１組の曲線を示す別の図である。
【図１０】例示的な非線形補正テーブルの図である。
【図１１】図１０のデータの別の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
説明、シナリオ、実施形態、及び図は例示であり、非限定的なものである。
【００２０】
まず、用語について論じる。「加速度」は、文脈から明らかでない限り、直線加速度とトルクの両方を含む。「速度」は、文脈から明らかでない限り、直線速度と回転速度の両方を含む。「力」は、直線的な力と回転力の両方を含む。「位置」は、文脈から明らかでない限り、任意の座標系内の位置を含み、スカラーとベクトルの両方を含む。座標系は、デカルト座標系、極座標系、ＳＣＡＲＡ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ  Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ  Ｒｏｂｏｔ  Ａｒｍ；選択的適合性多関節ロボットアーム）、ハイブリッド、又は複雑な非線形系でよい。位置は、モータシャフト角度であることが多いが、それに限定されない。「モータ」は、文脈から明らかでない限り、任意のタイプの機械的アクチュエータを含む。「テーブル」は、文脈から明らかでない限り、定義された入力及び出力を有する関数を含む。テーブルは、関数でもよい。「ジャーク」は、加速度の導関数である。加速度は、１回の反復時間間隔など、ある期間にわたって、ジャークを積分することによって、ジャークから計算することができる。請求項及び実施形態の範囲は、使用される用語とは無関係に、直線系と回転系の両方を含む。
【００２１】
ここで図１を参照すると、線形化モジュールを備える、閉ループのリアルタイム反復制御システムが示されている。いくつかの実施形態は、完全なシステム、並びにモジュールの特定の組合せ（例えば線形化モジュールのみ）を含む。完全な閉ループシステムの論述から始めるのが好都合である。機械ツールなどの機械システム又はデバイスが、参照番号１２として示されており、モータ１１を備えている。モータシャフト位置などシステムの少なくとも１つの出力が、反復リアルタイムプロセス制御モジュール１３に送り返される。このモジュールは、典型的には何らかの計算を実行する。このモジュールについては、以下でより詳細に論じる。いくつかの実施形態は、閉ループ内に線形化モジュール１０を含む。モジュール１０は、モータ１１を直接的又は間接的に制御する１つ又は複数の出力を提供する。いくつかの実施形態は、加速度２０のみを出力する、すなわち位置出力がなく速度出力もない反復リアルタイムプロセス制御モジュール１３を含む。
【００２２】
線形化モジュール１０の目的は、瞬時のリアルタイムの所望の加速度２０を正確に実現するように、モータを駆動させることである。この図の例示的なシナリオでは、加速度はモータトルクである。モジュール１０は、３つの非線形テーブル２１、２２、及び２３の任意の組合せを有する。これらについては、以下で詳細に述べる。この図には、ステッパモータなどの例示的な二相モータ１１が示されており、二相モータ１１は、モジュール１０から直接駆動されるか、又は増幅器や変調器１６などの介在するドライバを介して駆動される。１つ、２つ、３つ、４つ、及び５つ以上の位相モータを含む多くの他のモータタイプを使用することができる。モータとしては、ＡＣモータ、ＤＣモータ、サーボモータ、永久磁石モータ、リニアモータ、同期モータ（三相ＡＣモータを含む）、誘導モータが挙げられる。「モータ」という用語に含める他の機械的アクチュエータとしては、圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）、ポンプ、レールガン、ボイスコイル、及び他の電磁コイルが挙げられる。機械システムと同様に挙動する非機械システムについては、以下で論じる。この図におけるシナリオでは、線形化モジュール１０は２つの出力１５を提供し、これらは、二相モータ１１に関する位相である。増幅器、変調器、又は他の中間電子機器が、参照番号１６として示されている。例えば、これらはパルス幅変調器（ＰＷＭ）でよい。信号１７は、モータ巻線に直接つながる。要素１６は、線形化モジュール１０の内部にあっても、システム１２の内部にあっても、モータ１１の一部でもよい。
【００２３】
システムからの位置フィードバックが、参照番号１８で示されている。これは、モータシャフト角度でよい。しかしながら、速度、加速度、他の位置センサ、又は他の測定されたパラメータを含む、多くの他の可能な信号を反復リアルタイムプロセス制御モジュール１３にフィードバックすることができる。
【００２４】
反復リアルタイムプロセス制御モジュール１３は、オペレーティングシステムの目標が何かを知る必要がある。典型的には、反復リアルタイムプロセス制御モジュール１３は、一連のウェイポイント又はウェイポイントのストリーム１９を受け入れる。いくつかの実施形態では、各ウェイポイントは、ターゲット位置とターゲット速度の両方を含む。典型的には、各ターゲットウェイポイントを実現するために、閉ループシステムの複数回の反復が使用される。
【００２５】
いくつかの実施形態では、システム状態データ２４が、システム１２から線形化モジュール１０にフィードバックされる。そのような状態情報は、線形化モジュール１０内で内部的に記憶されても、決定されてもよい。状態情報２４は任意選択的である。線形化モジュール１０のいくつかの実施形態は、システム状態情報を必要としない。そのような状態情報は、ステッパモータのステップ数、多相モータに関する位相角、モータの速度、システム負荷、モータシャフト角度、及び他の機械的な状態情報を含むことができる。線形化モジュール１０は、明示的な入力２４がなくても、このシステム状態データの任意の部分を決定する又は覚えていることができる。
【００２６】
線形化モジュール１０は、３つの非線形テーブル２１、２２、２３の何らかの組合せを有する。そのような非線形テーブルは、重要且つ新規の実施形態である。これらのテーブルは、システム動作の前に計算又は決定されて、システム動作の前に線形化モジュールにロードされてもよい（参照番号２５）。これらのテーブルは、目標ストリーム１９の過程にわたって変化しないので、静的テーブルと呼ぶ。いくつかの実施形態では、テーブルは線形化モジュール１０に内蔵されており、したがって、テーブルのインストール２５は任意選択的である。
【００２７】
第１のテーブル２１は、入力としてステップ数を使用して、ステッパモータシャフトの位置を補正又は線形化する。例えば、ステッパ１１は、４００ステップを有していてよく、便宜上、これらに１〜４００の数を任意に付す。完全なモータでは、各ステップは、正確に１／４００回転、すなわち３６０°／４００又は２πラジアン／４００になる。しかしながら、モータは完璧ではない。第１のテーブルは、４００ステップ又は１６００の四分の一ステップを探索し、より正確なシャフト位置を出力することができる。テーブル内のエントリの数は様々である。いくつかの実施形態では、ステップの数よりも少ないテーブルエントリが使用される。いくつかの実施形態では、四分の一ステップの数より多いテーブルエントリが必要である。そのようなテーブルは、使用される個々のモータごとに別々に決定されてもよい。そのようなテーブルは、偏心性、又はシャフト角度センサでの他の誤差を補正することもできる。モータシャフト位置を測定するための多くの方法があるが、１つの方法及び実施形態は、モータシャフトに直接的又は間接的に接続された１つ又は複数のホール効果センサを使用する。別の実施形態は、モータシャフト上の磁石と、磁石の近位にある１つ又は複数のホール効果センサとを使用する。いくつかの実施形態では、ホール効果センサは、モータの前又はモータと同時に較正されなければならないことがある。いくつかの実施形態は、シャフト又はシャフトセンサのブレを補償する。一実施形態は、この補正にカルマンフィルタを使用する。カルマンフィルタは、速度及び加速度、並びに位置を平滑化して予測するために使用することもできる。
【００２８】
正確なモータシャフト位置は、所望の加速度を生み出すために正確な信号をモータに生成するために必要とされる。例えば、第１のステップが１．０°であり、第２のステップが１．２°である場合、第２のステップに関する位相角は、同じ真のシャフト角速度に関して、より低い変化率を有する。同様に、正確な所望の加速度に関しては、変化率の変化率がより低くなければならない。
【００２９】
いくつかの実施形態では、位置補正テーブル２１は、システム１２の内部に常駐していてもよく、したがって、線形化モジュール２１の内部にテーブル２１を有さずに、補正された位置が状態情報２４又はリアルタイム位置１８に含まれることがある。いずれの位置においても、テーブル２１は同じ目的を果たし、同じ位置的配置及びステップ順序である。
【００３０】
第２のテーブル２２は、ステップ間角度の関数としてモータトルクを補正又は線形化する。完全なモータでは、ステップ間位相角が位置と完全に線形であるだけでなく、現在のシャフト位置と駆動位相信号との差分位相角が、一定の差に関して一定のトルクを生成する。図３Ａ及び３Ｂも参照されたい。しかしながら、実際のモータトルクは、そのような差分位相角に関して一定ではない。したがって、第２の非線形テーブル２２は、１モータステップ内（四分の一モータステップ内を含む）で、所望のトルクに関してモータドライブを線形化する。テーブルへの入力は、モータの現在のステップ間位相角、及び所望の加速度である。テーブル１５の出力は、モータを駆動するための位相差又は実際の位相角のいずれかである。そのような例示的なテーブルは、図４に２つの曲線として示されている。そのようなテーブルは、位相間角度及び位相差の範囲にわたってトルクを測定することによって決定されてもよい。いくつかの実施形態では、いくつかのモータに関して、曲線の形状又はテーブルエントリは、すべてのステップ間について一貫している。他の実施形態又は他のモータに関しては、テーブル又は関数の形状は、ステップ数が異なると変化する。いくつかの実施形態及びモータに関して、このテーブルは、単一の製造元からの単一のモデルのすべてのモータについて一貫している。他の実施形態及びモータに関しては、個々のモータごとに別々のテーブルが必要になる。興味深い実施形態は、トルクの代替としてのステップ間位置の使用である。停止されたステッパモータに関して、ステップ間位置は、実際上、その位置での２つのコイルの相対的な磁界強度を測定する。これはトルクを決定する磁界強度であるので、この位置情報を使用してテーブル２２を構成することができ、精細なシャフト位置分解能でトルクを直接測定する必要はない。２つの位相があるので、この情報、及びいくつかの実施形態ではその情報から得られるテーブルは、２次元であることに留意されたい。すなわち、２つの位相の差分位相角は、必ずしも正確に９０°離れている必要はない。図５も参照されたい。様々な差分位相角をテストして、停止されたモータに関して線形位置を生成する差分位相角を見つけることができる。次いで、これらの差分位相角を使用して、第２のテーブル２２を作成する(populate)ことができる。
【００３１】
第３のテーブル２３は、モータ速度の関数として、モータトルクを補正又は線形化する。そのようなテーブルは、剛性回転質量など既知の負荷をモータに加えることによって生成され得る。次いで、この質量は、あるモータ速度範囲にわたって駆動され、次いで、種々の駆動強度とモータ速度の両方に関して実際の加速度が測定される。理想的には、これらの測定のために、第１のテーブル２１と第２のテーブル２２の両方がすでに用意されている。正の加速度と負の加速度は異なる挙動をすることがあることに留意されたい。すなわち、システムが対称でないことがある。これは、従来のＰＩＤコントローラがそのような非対称システムをうまく処理しないので重要である。テーブル２３を有する実施形態は、ＰＩＤ及び他の反復リアルタイムプロセス制御法を用いてシステムの性能を改良する。
【００３２】
図８〜１１は、例示的な補正又は線形化テーブル又は曲線を示している。
【００３３】
所望の加速度が入力されると、ステッパ又は他の多相モータは、各モータコイルについて、シャフトの現在の位相角からオフセット位相角を提供することによって駆動される。図３Ａ及び３Ｂは、単一のコイルの単一位置に関する例を示している。課題は、どのオフセット位相角が所望の加速度を実現するかを決定することである。
【００３４】
図８は、オフセット位相角を速度の関数として特定する１組の曲線を示している。横軸８０は時間であり、縦軸８１は速度である。曲線８４など個々の線は、異なるオフセット位相角を表している。線上の所与の点での線の傾きが、加速度である。この１組の曲線は、モータを既知の高速で始動させることによって生成される（左上、参照番号８２）。モータを減速させるために固定の負の位相オフセットが加えられ、これは次いで、図示される各曲線を生成する。特定の曲線に関して、横軸上で左から右への移動は、モータの減速及び時として反転を示す。このプロセスが繰り返され、負の速度で始まり（左下、参照番号８３）、固定の正の位相オフセットを加えて、右に向かって上昇する曲線を生成する。この１組の曲線を使用して既知の速度で所望の加速度を実現するために、速度は、縦軸から延ばされた水平線である。この水平線が交差する、所望の加速度（勾配）を有する曲線が、所要の位相オフセット角度を特定する。すなわち、所要の位相オフセット角度は、その特定の曲線を生成したものである。曲線８４は、わずかに減速しながら初期の高速を維持する位相角オフセットである。曲線８５は、最大の加速度を生成する位相角オフセットである。
【００３５】
すべての曲線が離散的な点から生成されることに留意されたい。したがって、曲線はテーブルの表現であるが、これらのテーブルは大きい。より小さいテーブルは、平滑化、平均化、補間、及び間引きによって容易に生成することができる。
【００３６】
図９では、図８に示されるデータが、速度に対する加速度としてプロットし直されている。横軸９０は速度であり、この例示的な１組の曲線における各目盛りは３０ラジアン／秒の増分を示している。縦軸は加速度である。縦軸のスパンは、約−４００〜＋４００ラジアン／（秒の２乗）である。この１組の曲線を使用するために、現在の速度と所望の加速度との交点が、所要の位相角オフセット、すなわちこの特定のテーブルの出力となる曲線を特定する。図８及び９での曲線は、＋π／２〜−π／２ラジアンの位相オフセット角度にわたっており、これは、ステッパモータの位相オフセット角度の最大可能範囲である。これらの位相オフセット角度は、典型的には、−１〜＋１の範囲に正規化され、この範囲は、位相オフセット角度の取り得る範囲全体にわたっている。したがって、特定の構成又は実施形態に関して、１組の曲線内の領域が、モータの完全な動作領域を表している。図示される例では、高速で低ノイズのデータを得ることは困難であり得ることに留意されたい。
【００３７】
図１０は、より管理しやすいテーブルサイズに縮小した、図８及び９からのデータの実施形態を示している。色及びグレースケールを示すには特許図面では旧式で限界があるので、この図は必然的に大雑把な表現である。例示的な２次元テーブルは、２５６×２５６でよく、テーブル内に８ビット値を有する。このテーブルは、図９と同様のデータを表しており、横軸に速度、縦軸に加速度を示している。ここで、所要の位相オフセット角度は、図中の「グレー」のレベルである。図の右上の領域１００は、＋１により近い位相オフセット角度を含み、左下の領域１０１は、−１により近い位相オフセット角度を含む。２つの湾曲した黒い線１０３の間の領域として概して特定される中央領域１０２は、０により近い位相オフセット角度を表している。
【００３８】
図１１は、図１０でのテーブルの形状のより明瞭な図を示している。ここで、各黒い線は、２５６の異なる位相オフセット角度に関して、テーブル値の差（位相オフセット角度）が約４である。この図により、現実のシステムにおける有意な非線形性を見て、閉ループ制御システムにおいて非線形補正又は線形化要素若しくはステップを使用する実施形態の価値を理解できるようになる。図８〜１１におけるこれらの例示的な曲線の組は、ステッピングモータの結果を示すが、同様に、大抵のモータでは、モータでの固有の極、並びに離散的なコイル及び離散的な磁石により、非線形曲線が存在する。正と負の加速度の非対称性にも留意されたい。
【００３９】
最近の位置を減算し、時間間隔で除算することによって、モータシャフトの速度を決定することができる。そのような速度値は、平均化、平滑化、予測などのフィルタリングによって改良することができる。しかしながら、いずれにせよ位置データは正確でなければならない。位置の誤差が小さいときに、そのような位置から計算された速度の誤差が比較的大きくなることがある。したがって、位置補正テーブルを有することが望ましい。典型的には、そのような補正テーブル要素又は方法ステップは、位置センサ入力と、そのような位置から計算される速度の計算又は使用との間に位置する。
【００４０】
いくつかの実施形態は、特に、図８〜１１又はそれらの図に関係する本文で述べるモータ又はシステムの較正又は特徴付けの任意の組合せについて特許請求される。
【００４１】
いくつかの実施形態は、非線形位置補正テーブルからのそのような計算された速度を、図８〜１１に図示して論じるテーブル、関数、又は曲線のいずれかへの入力として使用する。
【００４２】
請求項に関する注記
以下の注記は、元の出願時の番号で請求項を表している。特許付与時の請求項番号は、同じ番号を有していないことがある。以下の本文は非限定的である。例示的なシナリオ又は実施形態の理解を助けるために提供される。以下の注記を使用して、米国特許法第３５条１１２項に基づいて請求項を有効とするのに必要なときにのみ、請求項範囲を限定して請求項を解釈することができる。
【００４３】
請求項１−（ａ）所望の加速度（又はトルク）及び（ｂ）リアルタイムモータ位相角の入力を有する１つ若しくは２つの非線形テーブル、又は単一の２次元テーブルを使用する方法を述べる。テーブル出力は、モータを直接的又は間接的に駆動するように適合される。モータ及び方法は、リアルタイムフィードバック制御システムの一部である。このループ内のコントローラは、各反復について、新たな所望の加速度を提供する。テーブルの構成は、直列又は並列でアクセスされる関数、すなわち１つ又は２つのテーブルを含み、１つのテーブルが、モータ駆動出力回路又はモジュールの一部でよい。
【００４４】
請求項２−テーブルへの入力を追加する。入力は、モータの速度、すなわち回転速度又は直線速度である。単一のテーブルが、３次元のテーブル、又は直列若しくは並列にアクセスされるテーブルの組合せでもよい。
【００４５】
請求項３−テーブルの少なくとも１つの目的及び構成は、モータが所望の加速度、又は所望の加速度に対して線形である加速度（若しくはトルク）を実際に実施するように、モータへの駆動を線形化することである。テーブルの入力又は出力としての加速度を、例えば−１〜＋１に正規化することができる。この範囲は、最大可能な負の加速度（減速又は後方への加速）及び最大可能な正の加速度に対応する。
【００４６】
請求項４−モータが、２コイルステッパモータであり、テーブル出力が、２つの位相を駆動するのに必要な２つの位相角を含むことを追加する。実際の出力は、任意の組合せでのディジタル、アナログ、正規化、パルス幅変調（ＰＷＭ）でよい。モータ巻線への実際の電気駆動は、コイル電流、印加電圧、ＰＷＭ信号、組合せ、又は他の電気駆動でよい。
【００４７】
請求項５−１つ若しくは複数のテーブル、又は１つ若しくは複数のテーブルの一部を生成するためのモータの最初の特徴付けを述べる。
【００４８】
請求項６−本明細書において図及び本文のどこかで述べられているように移動のシーケンスを使用する、システム内にある又は独立型モータとしてのモータの最初の特徴付けを述べる。
【００４９】
請求項７−１つ又は複数の位置センサから１つ又は複数の値を入力として受け入れる、又はステップ数など内部的に既知の値を使用する位置補正テーブルを追加する。位置補正テーブルは、補正されていないテーブル入力よりも正確なモータシャフト位置を出力として提供する。「受け入れる」は、テーブルが入力として使用されることを意味する。この特定の実施形態に関して、リアルタイムモータシャフト角度標示の情報源は、特許請求範囲の一部ではない。
【００５０】
請求項８−上記のリアルタイムモータシャフト角度標示は、ステッパモータステップ、半ステップ、又は四分の一ステップ数である。この実施形態に関して、ステップ数の情報源は、特許請求範囲の一部ではない。モータの理想的でない製造、又は理想的でない位置決め
【００５１】
請求項９−上記のテーブルは、特に偏心性を補正する。この偏心性は、モータの理想的でない製造、又はモータシャフトに対する位置センサの理想的でない位置決め、又は理想的でないセンサなど、システム内のどこにでも存在し得る。
【００５２】
請求項１０−閉ループシステムは、一連のターゲットウェイポイントを受け入れるリアルタイムコントローラを備え、各ウェイポイントがターゲット位置とターゲット速度の両方を含む。
【００５３】
いくつかの実施形態は、特に、非線形テーブルの組合せの任意の構成について特許請求される。非線形テーブルは、関数を含む又は備えると解釈すべきである。
【００５４】
いくつかの実施形態は、特に、実施形態の任意の方法を実施する任意のデバイス；実施形態の任意の方法を実施する任意のシステム；及びデバイス又はシステム実施形態の上記のステップを実施する任意の方法について特許請求される。特に、いくつかの実施形態は、モータを備える及び備えないデバイス及びシステム；並びに、完全な閉ループ制御を備える及び備えないデバイス及びシステムを含む。モータは、回転モータでもリニアモータでもよい。
【００５５】
定義
用語の使用に関する注記−位置、スピード、速度、トルク、及び加速度について論じるとき、表記の明らかな一貫性のなさがあり得る。これは、１つには、位置などのいくつかの用語が、本来的に１次元、２次元、又は３次元以上の点を記述するために使用されるからである。位置は、スカラー又はベクトルとして一般に使用される。しかし、スピードという用語は一般にはスカラーであり、速度は一般にベクトルである。位置と同様に、加速度という用語は、一般的な使用法では、スカラー又はベクトルのいずれでもよい。さらに、線形運動の文脈では加速度が一般的に使用され、回転運動の文脈ではトルクが使用される。ジャークは、スカラー又はベクトルのいずれかとしての、また直線運動又は回転運動のいずれかとしての、加速度の微分である。さらに、明らかに１つの軸又は１組のスカラーのみに言及し得る論述、請求項、実施形態、又は図面は、並列の独立した実施形態として、又は複数の軸間の同期運動として、複数の軸に言及するように拡張され得る。さらに、より広い制御ループ又は所定のプロファイルが複数の軸に関して機能していることがあり、個々の軸に関して、複数の個々のモータコントローラが全て、より大きい単一の制御ループ内で使用される。さらに、「回転位置」又は「回転スピード」が使用されることもあるが、概して、より単純な用語「位置」及び「スピード」が使用される。したがって、請求項、実施形態、図面、又は説明の構成に関して、これらの用語の過度の又は限定的な解釈を使用しないことが重要である。一般に、文脈上明確でないか、又は制限が別途記載されていない限り、最も広く合理的な解釈が用いられるべきである。これは、スカラーとベクトル、線形と回転、及び符号有りと無しの両方に当てはまる。
「加速度」−単位時間当たりの速度。「速度」の定義及び用語の用法に関する注記も参照されたい。
「電機子電流」、「電機子電圧」、「モータ電流」、及び「モータ電圧」−１つ又は複数のモータコイルで測定される又は測定可能な電気信号である。それらは、モータ、機械、及びドライバの構成及びアクションの結果でよく、又はモータを駆動しようとしているモータ制御、ドライバ、又は変調器回路の出力又は所期の出力でもよい。それらは、モータ接点、モータコイルで測定されることがあり、モータ制御、ドライバ、又は変調器回路の出力である。そのような信号はトルク、加速度、又は速度ではないことを理解することが重要である。この段落は、本特許出願、及び他の教示、例、論述、又は刊行物において使用される用語の適切な構築に重要である。
「組合せ」−２つ以上の要素のリストに適用するために「組合せ」という用語が使用されるとき、リストからの任意の１つ又は複数の要素を意味する。例えば、３つの要素のリストは、７つの可能な組合せを有する。
「被制御軸」−直線位置又は回転位置のいずれかの所望の位置に制御可能な軸を表し、位置間の制御される速度を含み、回転スピードが可変であっても、連続的な回転軸、例えばドリルプレス又は旋盤回転軸を除外する。制御可能な所望の位置の分解能は、機械上のワークピースでの所望のフィーチャサイズの精度に匹敵するはずである。
「エンドポイント条件」−エラー条件、オーバーレンジ条件、又は所定の限度内でのターゲット又は目標への到達を含むが、それに限定されない、反復を停止させる任意の条件。
「ジャーク」−単位時間あたりの加速度。「加速度」及び「速度」の定義、並びに用語の用法に関する注記も参照されたい。
「機械システム」−除去機械ツール又は付加機械ツール、例えば３Ｄプリンタなどの機械でよい。しかし、全く異なる機械システム、そのような車両又は車両の一部など、であってもよい。例えば、車両、ドローン、宇宙船、オートバイ、又はスキーヤーなど、計算モーションエンジンを用いた自己運転又は人間制御も、このような機械システムの一例である。請求項の解釈に関して、「機械システム」は、同等の位置、その位置の第１及び第２の導関数、並びに一次導関数を変える力の等価物について述べることがある全てのそのようなシステムを含め、従来の機械システムと同様に挙動するシステムを含むように広く解釈しなければならない。
「位置」−核心的な方法及びデバイスに関しては、単軸スカラー値。これらの方法及びデバイスへの入力として、及び時として運動制御システムからのフィードバックとして、位置及びその導関数は、複数の軸に関するベクトルでよい。符号付きでも符号なしでもよい。用語の用法に関する注記も参照されたい。
「ツールレンジエリア」−付加又は除去機械加工に利用可能な部品表面の上又は上方の領域。水平でない部品表面、又は機械加工体積がその下にある部品表面に関して、用語「上方」の意味はそれに従って調整される。
「速度」−反復ジャーク法及びモータコントローラに関して、速度は、軸あたりのスカラーであり、これは、単位時間あたりの位置である。代替の用語は、レートである。核心的な方法及びデバイスの文脈では、速度は、単一の軸に適用されるので、ヘディングベクトルを含まない。速度は、通常は符号が付いているが、そうでない場合もある。符号又は方向が示唆されることもある。用語の用法に関する注記も参照されたい。
【００５６】
理想的、理想的には、最適な、及び好ましい−本発明を述べる文脈で使用するとき、「理想的」、「理想的には」、「最適な」、「すべき」、及び「好ましい」という用語の使用は、具体的には、本発明の１つ又は複数の用途のための１つ又は複数の実施形態に関する最良の形態を表す。そのような最良の形態は非限定的であり、当業者には理解されるように、全ての実施形態、用途、又は実装技術にとって最良の形態ではないことがある。
【００５７】
ことがある(may)、できる(could)、オプション、モード、代替、及び特徴−本発明を述べる文脈で使用するとき、用語「ことがある(may)」、「できる(could)」、「オプション」、「任意選択的な」、「モード」、「代替」、及び「特徴」の使用は、特に本発明の様々な実施形態を表す。「示された」又は「コード」という用語を使用する例、説明、及び図は、非限定的な実施形態を表す。全ての図が、非限定的な実施形態である。当業者には理解されるように、本明細書における全ての記載は非限定的である。
【００５８】
本発明の請求項は、明細書、図面、請求項、及び要約における全ての特徴、要素、例、請求項、実施形態、表、値、範囲、並びに図面の全ての組合せ及び部分的な組合せを明示的に含む。本発明の請求項は、請求項、明細書、及び図面に記載された全ての方法の任意の組合せを実施するためのデバイス及びシステムを明示的に含む。本発明の請求項は、請求項、明細書、及び図面に記載されたデバイス及びシステムを任意の組合せで使用する方法を明示的に含む。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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