(57)【要約】【課題】回転子の速度変動を低減させる回転電動機の制御方法を提供する。【解決手段】回転子１２の位置を検出して、回転子１２の角速度を演算する。演算した角速度に基づいて角加速度を演算する。角速度、角加速度及び所定の回転位置間隔から、次に回転子１２の回転位置が検出されると予測される検知予測時刻に対応した予測時間Δｔを演算する。回転子１２の検知予測時刻から制御装置１００の処理時間ΔＴを減算した時刻で、レジスタ６ａに記憶されている駆動指令データｗを駆動指令Ｗに変換し、回転電動機１１の励磁コイル１３ａに駆動指令Ｗを出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動指令データを生成して記憶部に格納しておき、タイミング信号をトリガとして前記記憶部に格納しておいた前記駆動指令データを駆動指令に変換し、前記駆動指令を励磁コイルに出力して回転子の角速度を制御する回転電動機の制御方法において、
所定の回転位置間隔で前記回転子の回転位置を検知する位置検知ステップと、
前記回転子の角速度を求める角速度導出ステップと、
前記回転子の角加速度を求める角加速度導出ステップと、
前記角速度、前記角加速度及び前記所定の回転位置間隔に基づいて、次に前記回転子が位置検知される検知予測時刻を予測する予測ステップと、
前記検知予測時刻で前記駆動指令が前記励磁コイルに出力されるよう前記タイミング信号を生成する時刻を調整するタイミング信号生成ステップと、
を備えたことを特徴とする回転電動機の制御方法。
【請求項２】
前記予測ステップでは、
前記検知予測時刻の予測として、前記回転子の回転位置が最後に検知された最終検知時刻から前記検知予測時刻までの予測時間を求めることを特徴とする請求項１に記載の回転電動機の制御方法。
【請求項３】
前記予測ステップでは、
前記角速度をｖｋ−１、前記角加速度をａｋ−１、前記所定の回転位置間隔をｘ、前記予測時間をΔｔとしたとき、
【数４】
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の関係式で前記予測時間を求めることを特徴とする請求項２に記載の回転電動機の制御方法。
【請求項４】
前記タイミング信号生成ステップでは、
前記記憶部に格納された前記駆動指令データを前記駆動指令に変換して前記駆動指令を前記励磁コイルに出力するのに要する処理時間の分、前記検知予測時刻よりも早いタイミングで前記タイミング信号を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電動機の制御方法。
【請求項５】
前記タイミング信号生成ステップでは、
前記回転子の回転位置が最後に検知された最終検知時刻をｔｋ−１、前記最終検知時刻から前記検知予測時刻までの予測時間をΔｔ、前記処理時間をΔＴとしたとき、前記タイミング信号を、ｔｋ−１＋（Δｔ−ΔＴ）で演算される時刻に生成することを特徴とする請求項４に記載の回転電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子の角速度を制御する回転電動機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、精密加工装置では、工具又はワークを回転させる回転電動機を備えている。精密加工装置において、加工時間を短縮し加工効率を上げるためには、回転電動機の回転子を高速回転で駆動する必要がある。さらに、ナノメートルオーダの超精密加工になると、回転電動機のわずかな速度変動が、回転電動機に取り付けられた刃先と被加工物との加工点に影響してしまい、被加工物の加工精度を向上させることができなかった。このため、精密加工装置においては、高速回転時にも速度変動の少ない回転電動機が必要となっている。
【０００３】
従来、回転子の角加速度、角速度と角速度指令との速度ばらつき、及び角速度指令と所定の利得値とを乗算して得られた修正命令速度に基づいて、駆動指令を生成し、回転電動機に出力する速度制御方法が知られている（特許文献１参照）。この速度制御は、ロボットアームの回転電動機に対するものであり、アームの位置変化とアームが動く速度、ロボットアームが握る物体の重さの変化等による負荷トルク及び慣性の変化の影響を最小とすることを目的とするものである。
【０００４】
回転電動機に出力する駆動指令は、回転電動機の励磁コイルに供給する電流又は電圧であり、検知した回転子の回転角度（位置）に対応して決定されるため、回転子が対応する位置に回転移動しているときに、励磁コイルに出力する必要がある。駆動指令は、タイミング信号をトリガとして、予め記憶部に一時的に格納されている駆動指令データを変換して生成される。したがって、所定の周期で負荷トルクの変動が生じる回転電動機に対しては、予め設定しておいたタイミングでタイミング信号を生成すれば、回転子の対応する位置付近で駆動指令を出力することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−４９２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の回転電動機の速度制御方法では、不規則に発生する負荷の変動に対して適正な速度制御ができず、回転子の角速度が不安定となっていた。すなわち、予め設定しておいたタイミングでタイミング信号を生成しているので、不規則に発生する負荷の変動により回転子の角速度が不規則に変動する場合、駆動指令を出力すべき回転子の位置で駆動指令が出力されないこととなる。この場合、駆動指令は、ずれたタイミングで励磁コイルに出力されることとなり、本来トルクを発生させるべき回転子の位置で必要なトルクが発生せず、回転子の角速度が安定しないという問題があった。このため、工具の刃先とワークの所望の加工点との位置に誤差が生じ、加工精度が低下することがあった。
【０００７】
そこで、本発明は、不規則に発生する負荷の変動による回転子の速度変動を低減させる回転電動機の制御方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、駆動指令データを生成して記憶部に格納しておき、タイミング信号をトリガとして前記記憶部に格納しておいた前記駆動指令データを駆動指令に変換し、前記駆動指令を励磁コイルに出力して回転子の角速度を制御する回転電動機の制御方法において、所定の回転位置間隔で前記回転子の回転位置を検知する位置検知ステップと、前記回転子の角速度を求める角速度導出ステップと、前記回転子の角加速度を求める角加速度導出ステップと、前記角速度、前記角加速度及び前記所定の回転位置間隔に基づいて、次に前記回転子が位置検知される検知予測時刻を予測する予測ステップと、前記検知予測時刻で前記駆動指令が前記励磁コイルに出力されるよう前記タイミング信号を生成する時刻を調整するタイミング信号生成ステップと、を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、予測した検知予測時刻に駆動指令を出力することができ、回転子にかかる負荷が変動するような場合でも、回転子の速度変動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る回転電動機の制御装置を示すブロック図である。
【図２】回転電動機の説明図であり、（ａ）は回転電動機の回転子の説明図、（ｂ）は回転子の検出位置の説明図である。
【図３】回転電動機の速度制御の動作を示すタイムチャート図である。
【図４】回転電動機を備えた精密加工装置の一部を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る回転電動機を制御する制御装置の速度制御の機能を示すブロック図である。図１に示す制御装置１００は、マイクロコンピュータ及びその周辺機器により構成され、各ブロックは、プログラムに基づくマイクロコンピュータの機能、又はマイクロコンピュータに組み込まれた機器若しくは周辺機器により実現される。
【００１２】
回転電動機１１は、本実施の形態では、ブラシレスモータである。回転電動機１１は、回転子１２及び固定子１３とを有している。固定子１３の複数の励磁コイル１３ａに駆動指令Ｗである電流又は電圧が供給されることで、回転子１２が回転する。つまり、固定子１３が３相の励磁コイル１３ａ，１３ａ，１３ａを有する場合、駆動指令は、各励磁コイル１３ａ，１３ａ，１３ａに対応して出力される３相の電流又は電圧である。
【００１３】
回転電動機１１を制御する制御装置１００は、角速度演算部１、比較部２、ゲイン係数演算部３、ＲＯＭ４、乗算部５、Ｄ／Ａ変換部６、角加速度演算部７、予測時間演算部８、タイミング信号生成部９、位置検出部としてのエンコーダ１０を有している。なお、図２（ａ）に示すように、回転電動機１１の回転子１２は、円筒形状に形成され、側部に一定の間隔で対極の磁石１２ａが交互に設けられている。
【００１４】
エンコーダ１０は、回転電動機１１の回転子１２の基準位置（図２（ｂ）に示す位置θ１）に対する回転位置（回転角度）を所定の回転位置間隔（所定の回転角度間隔）ｘで検出するものである。このエンコーダ１０は、光電式エンコーダ、静電容量式エンコーダ、磁気式エンコーダなどのロータリーエンコーダであり、回転子１２に設けられたスケール部材１０ａと、スケール部材１０ａに対向して配置されるセンサ１０ｂとを有している。スケール部材１０ａには、複数（ｍ本：ｍは正の整数）のスケールが円周方向に等間隔に形成されている。したがって、上述した所定の回転位置間隔ｘは、隣接するスケール同士の間の角度に対応している。センサ１０ｂは、回転子１２の１回転中、図２（ｂ）に示すように、回転子１２の回転位置θ１，…，θｋ−３，θｋ−２，θｋ−１，θｋ，…，θｍ（ｋは正の整数）に応じてパルス電圧を順次発生する。つまり、センサ１０ｂは、スケール部材１０ａ上の各スケールを検出した際に、パルス電圧を発生する。
【００１５】
図１に示す角速度演算部１は、回転子１２の角速度を演算により求める（角速度導出ステップ）。具体的には、角速度演算部１は、エンコーダ１０からのパルス電圧を入力としてパルス周波数の逆数を演算してパルス１周期の時間を求め、既知であるエンコーダ１０のスケール間角度とパルス１周期の時間の除算により、回転子１２の角速度を算出する。例えば、角速度演算部１は、エンコーダ１０に最後に検出された回転子１２の回転位置がθｋ−２の場合、回転位置θｋ−２を入力した時点で、回転位置θｋ−３と回転位置θｋ−２との間のパルス１周期の時間を求める。次いで、角速度演算部１は、スケール間角度である所定の回転位置間隔ｘ（＝θｋ−２−θｋ−３）をパルス１周期の時間で除算することにより、回転子１２の角速度ｖｋ−２を算出する。同様に、角速度演算部１は、エンコーダ１０に最後に検出された回転子１２の回転位置がθｋ−１の場合、回転位置θｋ−１を入力した時点で、回転位置θｋ−２と回転位置θｋ−１との間のパルス１周期の時間を求める。次いで、角速度演算部１は、スケール間角度である所定の回転位置間隔ｘ（＝θｋ−２−θｋ−１）をパルス１周期の時間で除算することにより、回転子１２の角速度ｖｋ−１を算出する。
【００１６】
以下、エンコーダ１０に最後に検出された回転子１２の回転位置をθｋ−１として説明する。ＲＯＭ４には、正弦波等の電流波形データが保存されている。このＲＯＭ４からは、エンコーダ１０により検出された回転子１２の回転位置θｋ−１に対応した電流値データＩが読み出される。比較部２は、角速度演算部１にて演算された角速度ｖｋ−１とユーザが任意に設定できる加工条件に応じた目標角速度を示す速度指令ｖ＊とを比較する。具体的には、差分ｖｋ−１−ｖ＊の演算結果を出力する。ゲイン係数演算部３は、比較部２の演算結果である差分ｖｋ−１−ｖ＊に基づいてＰＩＤ演算を行い、ゲイン係数Ｇを算出する。乗算部５は、電流値データＩとゲイン係数Ｇとを掛け合せることで、駆動指令データｗを示す信号（デジタル信号）を生成する。
【００１７】
Ｄ／Ａ変換部６は、記憶部としてのレジスタ６ａを有し、レジスタ６ａには、生成された駆動指令データｗが一時的に格納される。そして、Ｄ／Ａ変換部６は、タイミング信号生成部９により生成されたタイミング信号をトリガとしてレジスタ６ａに格納されている駆動指令データｗを駆動指令（アナログ信号）Ｗに変換し、駆動指令Ｗを固定子１３の励磁コイル１３ａに出力する。つまり、駆動指令Ｗは、回転子１２の回転位置θｋ−１が検出された後に生成され、次に回転子１２の回転位置θｋが検出されるタイミングで励磁コイル１３ａに出力するべき電流又は電圧である。
【００１８】
回転子１２にかかる負荷が変動する場合、回転子１２の角速度が変動する。つまり、回転子１２の角加速度が０ではなくなる。角加速度演算部７は、角速度演算部１にて最後に演算された角速度ｖｋ−１と、前回、角速度演算部１にて演算された角速度ｖｋ−２との差分を、回転位置θｋ−２と回転位置θｋ−１との間のパルス１周期の時間で除算する。この演算により、回転子１２の角加速度ａｋ−１が求められる（角加速度導出ステップ）。
【００１９】
本実施の形態では、予測時間演算部８は、角速度ｖｋ−１と角加速度ａｋ−１と予め設定されている所定の回転位置間隔ｘとに基づき、次に回転子１２が位置検知される検知予測時刻ｔｋを予測する（予測ステップ）。つまり、予測時間演算部８は、図３に示すように、最後に回転子１２の位置が検出されたのが、回転位置θｋ−１であり、次に回転子１２が検知されるのが回転位置θｋである場合、回転子１２の回転位置θｋが検出される時刻ｔｋを予測する。ここで、本実施の形態では、検知予測時刻ｔｋを予測するとは、回転子１２の回転位置が最後に検知された最終検知時刻ｔｋ−１から検知予測時刻ｔｋまでの予測時間Δｔを求めることである。すなわち、予測時間Δｔを求めることで検知予測時刻ｔｋを予測したこととなる。この予測時間Δｔは、演算により求められる。具体的に説明すると、予測時間演算部８は、回転子１２の回転位置θｋ−１から回転子の回転位置θｋまでの区間で角加速度は変化しないものとし、等加速度運動とみなして、予測時間Δｔを算出する。予測時間Δｔの算出方法について説明すると、まず、角速度をｖｋ−１、角加速度をａｋ−１、所定の回転位置間隔をｘ、予測時間をΔｔとした場合、以下の数１に示す関係式が成り立つ。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
したがって、予測時間Δｔは以下の数２に示す関係式で算出される。
【００２２】
【数２】
2011087357.tif 000004
【００２３】
なお、角加速度ａｋ−１＝０の場合は、予測時間Δｔは以下の数３の関係式で算出される。
【００２４】
【数３】
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【００２５】
タイミング信号生成部９は、検知予測時刻ｔｋで駆動指令Ｗが励磁コイル１３ａに出力されるようタイミング信号を生成する時刻を調整する（タイミング信号生成ステップ）。ここで、駆動指令Ｗが出力されるタイミングは、タイミング信号を生成した時刻とはならず、制御装置１００の処理速度に依存して遅延することがある。したがって、制御装置１００における処理時間をΔＴとすると、タイミング信号生成部９は、処理時間ΔＴの分、検知予測時刻ｔｋよりも早いタイミングでタイミング信号を生成する。具体的に説明すると、タイミング信号生成部９は、時刻ｔｋ−１＋（Δｔ−ΔＴ）を演算し、タイミング信号を、演算した時刻に生成する。この生成されたタイミング信号は、Ｄ／Ａ変換部６に出力される。本実施の形態では、処理時間ΔＴとは、Ｄ／Ａ変換部６のレジスタ６ａに格納された駆動指令データｗを駆動指令Ｗに変換して駆動指令Ｗを励磁コイル１３ａに出力するのに要する時間である。このタイミング信号生成部９の動作により、駆動指令Ｗは検知予測時刻ｔｋに励磁コイル１３ａに出力される。そして、駆動指令Ｗは各相の励磁コイル１３ａ，１３ａ，１３ａに対応して出力されるので、回転子１２には速度指令ｖ＊となるトルクが発生する。このように、回転子１２が位置検知される予測の検知予測時刻ｔｋ（又は検知予測時刻ｔｋ近傍）で駆動指令Ｗが励磁コイル１３ａに出力されるので、回転子１２にかかる負荷が変動しても、回転子１２の速度変動を低減することができる。また、回転子１２が１回転する間に角速度が不規則に変化するような負荷変動があっても、回転子１２の速度変動を低減することができる。
【００２６】
図４に示す精密加工装置は、上述した回転電動機１１と、被加工物２０３が搭載されるＸＹＺステージ２０１とを備えており、回転子１２の回転軸にバイト等の工具２０２が装着される。そして、工具２０２を回転させながら被加工物２０３をＸＹＺ方向に移動させ、被加工物Ｗの被加工面２０３ａを加工する。このように被加工物２０３の被加工面２０３ａを加工する際に、刃先と被加工物２０３との加工点で発生する速度低下を低減することができ、回転子１２の角速度が安定し、被加工物２０３の加工精度を向上させることができる。
【００２７】
なお、上記実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施の形態では、処理時間ΔＴの分、検知予測時刻ｔｋよりも早いタイミングでタイミング信号を生成するようにしたが、これに限定されるものではない。制御装置１００の処理時間ΔＴは制御装置１００の処理速度（能力）に依存するので、制御装置１００の処理速度が速いほど、処理時間ΔＴは短くなる。したがって、トルク制御に支障がなければ、検知予測時刻ｔｋのタイミングでタイミング信号を生成するようにしてもよい。つまり、時刻ｔｋ−１＋Δｔのタイミングでタイミング信号を生成してもよい。
【００２８】
また、上記実施の形態では、予測時間Δｔを、数２及び数３に基づいて演算により求める場合について説明したが、これに限定するものではない。予め、角速度及び角加速度に対応する予測時間（又は検知予測時刻）をテーブルとしてＲＯＭ等のテーブル記憶部に記憶させておき、テーブルに基づいて予測時間（又は検知予測時刻）を求めてもよい。
【００２９】
また、上記実施の形態では、予測時間Δｔを、数２及び数３に基づいて演算により求める場合について説明したが、予測時間Δｔが数２及び数３により求められる値からトルク制御に支障がない範囲でずれていてもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１  角速度演算部
６  Ｄ／Ａ変換部
６ａ  レジスタ（記憶部）
７  角加速度演算部
８  予測時間演算部
９  タイミング信号生成部
１０  エンコーダ
１１  回転電動機
１２  回転子
１３  固定子
１３ａ  励磁コイル
１００  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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