(57)【要約】  有限回転モータ・システムを解析するための診断システムが開示されている。診断システムは、第１の変換ユニットと、第２の変換ユニットと、閉ループ周波数応答ユニットと、診断システムとを備えている。第１の変換ユニットは、モータ制御信号（３５）を表す第１のデジタル信号を受け取り、モータ制御信号の周波数領域表現を表すモータ制御周波数領域信号を供給する。第２の変換ユニットは、位置検出信号（４２）を表す第２のデジタル信号を受け取り、位置検出信号の周波数領域表現を表す位置検出周波数領域信号を供給する。閉ループ周波数応答ユニットは、位置検出周波数領域信号とモータ制御周波数領域信号に応じて、有限回転モータの周波数応答の表現を識別する。診断ユニット（５０）は、周波数応答の表現を以前の周波数応答の以前に記録された表現と比較して、有限回転モータ・システムに関する誤り状態（５２）を識別する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限回転モータ・システムを解析するための診断システムであって、
モータ制御信号を表す第１のデジタル信号を受け取り、前記モータ制御信号の周波数領域表現を表すモータ制御周波数領域信号を供給する第１の変換手段と、
位置検出信号を表す第２のデジタル信号を受け取り、前記位置検出信号の周波数領域表現を表す位置検出周波数領域信号を供給する第２の変換手段と、
前記モータ制御周波数領域信号及び前記位置検出周波数領域信号に応じて、前記有限回転モータの周波数応答の表現を識別する閉ループ周波数応答手段と、
周波数応答の前記表現を以前の周波数応答の以前に記録された表現と比較して、前記有限回転モータ・システムに関する誤り状態を識別する診断手段と、
を備える診断システム。
【請求項２】
前記第１の変換手段と前記変換受領手段がそれぞれ高速フーリエ変換を実施する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記閉ループ周波数応答手段によって識別される周波数応答の前記表現が、前記位置検出周波数領域信号と前記モータ制御周波数領域信号との比を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記比が、前記モータ制御周波数領域信号によって除算された前記位置検出周波数領域信号によって提供される、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記診断手段が周波数応答の低周波数範囲を前記以前の周波数応答と比較する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記診断手段が、ベアリングが故障する危険性があるかどうかを示す故障ベアリング誤り信号を供給する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記診断手段が周波数応答の中間周波数範囲を前記以前の周波数応答と比較する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記診断手段が、前記有限回転モータのトルク定数の変化を示すトルク定数誤り信号を供給する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記診断手段が、前記有限回転モータの回転子シャフトの移動の範囲が、前記トルク定数に関して対称でないかどうかを示す非対称誤り信号を供給する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記有限回転モータ・システムが、比例・積分・微分コントローラを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記診断手段が、補正信号を前記比例・積分・微分コントローラへと供給する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
有限回転モータ・システムを解析するための診断システムであって、
モータ制御信号を表す第１のデジタル信号を受け取り、複数の周波数に対する前記モータ制御信号の周波数領域表現を表すモータ制御周波数領域シーケンスを供給する第１のＦＦＴ手段と、
位置検出信号を表す第２のデジタル信号を受け取り、前記複数の周波数に対する前記位置検出信号の周波数領域表現を表す位置検出周波数領域シーケンスを供給する第２のＦＦＴ手段と、
前記モータ制御周波数領域信号及び前記位置検出周波数領域信号に応じて、前記有限回転モータの前記複数の周波数に対する周波数応答の表現を識別する閉ループ周波数応答手段と、
周波数応答の前記表現を以前の周波数応答の以前に記録された表現と比較して、前記有限回転モータ・システムに関する誤り状態を識別する診断手段と、
を備える診断システム。
【請求項１３】
前記閉ループ周波数応答手段によって識別される周波数応答の前記表現が、前記位置検出周波数領域信号と前記モータ制御周波数領域信号との比を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記比が、前記モータ制御周波数領域信号によって除算された前記位置検出周波数領域信号によって提供される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記診断手段が周波数応答の低周波数範囲を前記以前の周波数応答と比較する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記診断手段が、ベアリングが故障する危険性があるかどうかを示す故障ベアリング誤り信号を供給する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記診断手段が周波数応答の中間周波数範囲を前記以前の周波数応答と比較する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記診断手段が、前記有限回転モータのトルク定数の変化を示すトルク定数誤り信号を供給する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記診断手段が、前記有限回転モータの回転子シャフトの移動の範囲が前記トルク定数に関して対称でないかどうかを示す非対称誤り信号を供給する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２０】
前記有限回転モータ・システムが比例・積分・微分コントローラを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２１】
前記診断手段が補正信号を前記比例・積分・微分コントローラへと供給する、請求項２０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００４年１月２３日に出願の米国仮特許出願第６０／５３８８４２号に対する優先権を主張し、２００４年５月２８日に出願の米国仮特許出願第６０／５７５２５５号に対する優先権を主張し、２００４年９月２８日に出願の米国仮特許出願第６０／６１３９６２号に対する優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、有限回転モータ（limited rotation motor）・システムに関し、特に、有限回転モータ・システムを設計し調整するためのシステム及び方法に関する。
背景技術
有限回転モータは、一般に、ステップ・モータ及び定速モータを含む。或る種のステップ・モータは、大きな走査角での高速且つ高デューティ・サイクルの鋸歯状の走査を必要とする用途にはよく適している。例えば、米国特許第６２７５３１９号は、ラスタ走査用途のための光学的走査装置について開示している。
【０００３】
しかし、或る種の用途のための有限回転モータは、鋸歯式のステッピングと設定によるのではなく正確に且つ定速で２つの位置間を移動することを回転子に要求する。このような用途では、定速に到達するのに必要とされる時間ができるだけ短く、またこの達成された速度における誤りの量ができるだけ小さいことが必要になる。定速モータは一般に大きなトルク定数を提供し、典型的には、回転子と、中心軸の周りに該回転子を回転させるための駆動回路と、例えば回転速度計又は位置センサのような位置トランスデューサと、該トランスデューサに結合されていて入力信号及びフィードバック信号に応じて駆動回路によって回転子を駆動することができるようにするフィードバック回路とを備えている。例えば、米国特許第５４２４６３２号は、従来の二極型の有限回転モータについて開示している。
【０００４】
有限回転トルクモータは、二重積分器モデルに若干の柔軟モードと低周波数非線形効果とを加えたものによってモデル化され又は表現されることができる。検流計のための典型的な閉ループ・サーボシステムは、低周波数の不確定性についての積分動作と、高周波数共振モードについてのノッチフィルタとを含んでいる。システムの動作は、システムが剛体によってうまくモデル化される中間周波数範囲において選択される。二重積分器剛体モデルでは、周波数応答プロットにおいて開ループ利得とクロスオーバ周波数との間には直接的な関係が存在する。例えば、サーボライタ・ヘッド・ポジショニング・システムのための自動同調システムがＹ．Ｈ．フアン、Ｓ．ウィーラスーリア、Ｔ．Ｓ．ロー、「最小位置誤差でのサーボライタ・ヘッド・ポジショニング・システムのための自動同調（Ａｕｔｏｔｕｎｉｎｇ  ｏｆ  ａ  ｓｅｒｖｏｗｒｉｔｅｒ  ｈｅａｄ  ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  ｍｉｎｉｍｕｍ  ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｅｒｒｏｒ）」、Ｊ．Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、７９巻、５６７４〜５６７６頁（１９９６年）に開示されている。
【０００５】
図１は、従来技術の有限回転トルクモータ・システム１０を示している。システム１０は、入力コマンド１４を受け取るコントローラ１２（例えば、位置コントローラ、積分コントローラ、微分コントローラ又はＰＩＤコントローラ）を含んでいる。コントローラ１２は制御信号をモータ１６に供給し、該モータはミラーなどの光学的エレメントを移動させて入力コマンド１４に応じて位置変化１８を提供する。このシステムは、入力コマンド１４と共にコントローラ１２に提供される位置検出信号２２を供給する位置検出器２０も含んでいる。システムの開ループ利得（又は０ｄＢのクロスオーバ変動）は、コントローラがこれらの変動に適応していない場合には、閉ループ・システム性能に影響を及ぼす。
【０００６】
このような有限回転モータは、例えば高速の表面測定等の様々なレーザ走査の用途において使用することができる。さらなるレーザ処理の用途は、レーザ溶接（例えば、高速スポット溶接）、表面処理、切削加工、ドリル加工、マーキング、トリミング、レーザ修復、高速プロトタイプ形成、マイクロ構造の形成、又は様々な材料上でのナノ構造の高密度アレイの形成を含んでいる。
【０００７】
しかし、有限回転トルクモータは有限な使用の後に最終的には故障してしまう。有限回転モータを更に激しく駆動する方法が開発されるにつれて、故障が予期せぬ時に生じる可能性もある。有限回転モータの状態を正確に測定する機能は、モータの寿命を予測する際の助けになる。さらに、モータを製造業者に戻して解析させる必要なく、現場において、有限回転モータの状態を正確に測定できることが望ましい。
【０００８】
したがって、有限回転トルクモータを監視する方法の必要性が存在し、より詳細には、有限回転トルクモータの状態や寿命を診断する方法の必要性が存在する。
発明の概要
一つの実施の形態によれば、本発明は、有限回転モータ・システムを解析するための診断システムを提供する。診断システムは、第１の変換ユニットと、第２の変換ユニットと、閉ループ周波数応答ユニットと、診断システムとを備える。第１の変換ユニットは、モータ制御信号を表す第１のデジタル信号を受け取り、モータ制御信号の周波数領域表現を表すモータ制御周波数領域信号を供給するためのものである。第２の変換ユニットは、位置検出信号を表す第２のデジタル信号を受け取り、位置検出信号の周波数領域表現を表す位置検出周波数領域信号を供給するためのものである。閉ループ周波数応答ユニットは、位置検出周波数領域信号とモータ制御周波数領域信号に応じて、有限回転モータの周波数応答の表現を識別するためのものである。診断ユニットは、周波数応答の表現を以前の周波数応答の以前に記録された表現と比較して、有限回転モータ・システムに関する誤り状態を識別するためのものである。
【０００９】
以下の説明については、添付図面を参照して更に理解することができよう。これらの図面は、例示の目的のために示されているにすぎない。
例示の実施の形態の詳細な説明
本発明の様々な実施の形態によれば、有限回転モータの性能データをモータ・システムから捕捉し、当該データを解析して、システム性能に悪影響を及ぼす可能性のある様々な状態についての診断を決定する。一つの実施の形態においては、入力正弦波に応じた出力信号の大きさのボード線図が全動作周波数について決定される。このプロットは、非常に小さな範囲（例えば、＜１度）にわたって決定される。後に同じ範囲にわたって又は異なる範囲において他のプロットを決定してもよい。これらのプロットを比較することにより、検流計システムに関する有用な情報がもたらされる。例えば、同じ範囲についての長い間にわたっての低周波数における不一致は、ベアリングの差し迫った故障を示している可能性がある。長い間にわたっての中間周波数における不一致は、トルク定数の大きな損失を示す可能性がある。或る範囲内の異なる部分（例えば、−１度〜−２０度の範囲に対する＋１度〜＋２０度の範囲）における不一致は、非対称な性能を示している可能性がある。
【００１０】
有限回転モータにおける共通の故障原因はベアリング故障であり、ベアリング故障は典型的には長い時間にわたって徐々に発生する。動作中における他の問題の中には、トルク定数の変化や、ゼロの角度位置に関するモータ応答の対称性の変化が含まれる。
【００１１】
本発明の様々な実施の形態によれば、有限回転モータの性能データがモータ・システムから捕捉される。疑似ランダム二進シーケンス（ＰＲＢＳ）励振信号がシステムに入力される。モータに入力される信号（モータ入力信号）は記録され、位置検出器から受け取られる位置信号（ＰＤ信号）も記録される。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が各信号上で実施され、ＰＤ信号についての周波数応答表現とモータ入力信号についての周波数応答表現との比較が、これら２つの表現の比を取ることによって行われる。この比は、システムに対する開ループ周波数応答を表すシーケンス（比シーケンス）を提供する。開ループ周波数応答は、大きさ対周波数のボード線図の形で提供され得る。次いで、モータ・システムの伝達関数を表す数学的システム・モデルが生成される。特定の時刻と移動角度範囲におけるモータ・システムの数学的モデルを知ることにより、診断システムは、この数学的モデルを他の以前の時間に対するモデル、及び／又は、回転子の回転範囲に沿う他の位置と比較することができる。
【００１２】
システムは、モータ・システムにおける開ループ・クロスオーバ周波数変動の識別が（遠隔デジタル網を介したとしても）自動的に行われることを提供する。自動識別は閉ループで実施することができるので、システムの安定性が処理期間に影響を受けることがない。データ収集処理数ミリ秒で実施することができる。
【００１３】
本発明の一つの実施の形態による自動識別システムは、疑似ランダム二進シーケンス（ＰＲＢＳ）を使用したシステム励振と、それに続く、捕捉された時間応答に対する高速フーリエ変換の実施とを含む。次いでシステム識別はＦＦＴデータを使用してモデル化される。
【００１４】
図２は、本発明の一つの実施の形態によるシステム３０の例示的な図を示している。システム３０は、入力コマンド３４を受け取るＰＩＤコントローラ３２を備える。ＰＩＤコントローラ３２は制御信号３５をモータ３６に供給し、モータ３６はミラー等の光エレメントを移動させて、入力コマンド３４に応じた位置変更３８を実現する。また、システム３０は、入力コマンド３４と共にコントローラ４２に供給される位置検出信号４２を供給する位置検出器４０を備えている。コントローラ３２は比例増幅器４４（ｋｐ）、積分エレメント４６（ｋｉ）及び微分エレメント４８（ｋｄ）を備える。また、システムは、コントローラ３２によって供給されるモータ制御信号と位置検出信号４２とを受け取って誤り信号５２を出力する診断ユニット５０を備える。モータ制御信号及び位置検出信号は診断ユニット５０のＦＦＴコンバータにデジタル形式で供給されて閉ループ周波数応答を決定し、閉ループ周波数応答から開ループ周波数応答が導き出される。
【００１５】
特に、疑似ランダム二進シーケンス（ＰＲＢＳ）が入力コマンド３４としてシステムに入力され、或いは、コントローラ３２の出力に対する摂動として提供される。ＰＲＢＳ励振信号に対するデータ点は２の累乗であってよい。図３ＡはＰＲＢＳ信号を６０で示しており、図３Ｂは、図３Ａに示されるＰＲＢＳ信号に応じてモータによって実現される位置検出を６２で示す。入力プロセスは、入力信号毎に例えば１０２４個のデータ点を捕捉することができる。更なる実施の形態においては、ホワイトノイズ発生器励振信号、ガウス雑音発生器励振信号、又は、全周波数における正弦波信号を供給する掃引正弦波励振信号等の他の形式の励振信号を使用することもできる。
【００１６】
図４に示すように、捕捉された制御信号３５及び位置検出信号４２は、いずれもまだデジタル形式ではないので、Ａ／Ｄコンバータ５４、５６によってデジタル信号へ変換される。これらの入力信号は、デジタル形式になると、例えばネットワークを介して任意の距離を伝送され、出力されたＰＩＤ調整信号もデジタル環境においてネットワークを経由して伝送される。次いで、これらのデジタル入力時間領域信号は、それぞれＦＦＴコンバータ・ユニット６４、６６によって、これらの信号の周波数領域表現に変換される。各ＦＦＴはａ0ｗ0、ａ1ｗ1、ａ2ｗ2、・・・、ａnｗnの形式の複素多項式を提供する。ただし、ｎは例えば５１２であってよい。制御信号についての各値ａ0、ａ1、ａ2、・・・、ａnに対する位置検出信号４２についての値ａ0、ａ1、ａ2、・・・、ａnの比のシーケンスは、大きさｍ0、ｍ1、ｍ2、・・・、ｍnのシーケンスをもたらす。この比シーケンスは、比シーケンス・ユニット６８によって提供される。これらの大きさｍ0、ｍ1、ｍ2、・・・、ｍnはシステムに対する開ループ周波数応答を与えるもので、図５において９０で示されるグラフ形式でプロットされる。図５に示すように、システムは、低周波数９２において或る歪みを経験し、高周波数９４において或る高調波共振を経験するので、中間周波数範囲９６において動作される。データ収集手続は、例えば１０２４ＰＢＲＳシーケンスに対しては１３．４４マイクロ秒のように、ほとんど時間を必要としない。
【００１７】
開ループ周波数応答を決定すると、次いで、システムは、時間に関して発生する変化を識別するよう後で行う比較のためにこれらの応答を記憶する。特に、システムは閉ループ周波数応答を周期的に生成し、現在の応答を以前の応答（これは比較ユニット７０においてされる）と比較する。（低周波数解析ユニット７２によって決定される）著しい変化が低周波数範囲において発生すると、システムは、７４に示すように、潜在的な問題がベアリングに存在することを識別する。図６は２つの閉ループ周波数応答１００、１０２を示している。応答１００は応答１０２に先立つ時刻に記録される。図６に示すように、１０４で示す著しい変化が低周波数範囲で発生しており、ベアリングの故障が始まったことが指示される。
【００１８】
（中間周波数解析ユニット７６によって決定される）著しい変化が中間周波数範囲で発生すると、システムはトルク定数が変化したこと（７８で示す）を識別する。図７は２つの閉ループ周波数応答１１０、１１２を示している。応答１１０は応答１１２に先立つ時刻に記録される。図７に示すように、応答曲線のシフト（１１４で示す）に起因して、著しい変化が、指定された大きさのクロスオーバ点で発生する。クロスオーバのこのような変化は、システムのトルク定数の変化を指示している。
【００１９】
また、システムは、閉ループ周波数応答を他の部分の範囲（例えば、＋２０度〜−２０度まで）に対する閉ループ周波数応答と比較する。１度よりも小さい移動範囲を使用して閉ループ周波数応答が決定されると、当該範囲に沿う多数の点が識別される。図４に示すように、閉ループ周波数応答は、他の部分の範囲に対して以前に記録された（例えば、直前に記録された）閉ループ周波数応答と（コンパレータ８０において）比較される。（ユニット８２によって決定されるように）変動が閾値変動よりも大きい場合、非対称ユニット８４によって誤り状態にフラグが立てられる。例えば、図８は、−２０度〜＋２０度までの範囲での予測される対称なトルク定数表現１２０と、この同じ範囲での測定されたトルク定数表現１２２とを示している。図示するように、測定されたトルク定数は、−２０度〜＋２０度までの範囲においてはゼロ角度に関して対称になっていない。かかる非対称性は、検出されないとすると、有限回転モータの性能に重大な悪影響を及ぼしかねない。検出されると、システムは調整を行って中点に関して対称となる部分範囲のみを使用するようにし、又は、異なる部分の範囲に対するＰＩＤ調整を実際に生成する。
【００２０】
次いで、診断ユニット５０は、不良状態にあるベアリング、トルク定数の変化、非対称状態等の任意の誤り状態の存在を示す誤り信号５２を出力する。
図９に示されるように、本発明の更なる実施の形態による、有限回転モータ・システム１３０のための診断システムは、入力コマンド１３４を受け取るＰＩＤコントローラ１３２を備える。コントローラ１３２は制御信号１３５をモータ１３６に供給し、該モータはミラー等の光エレメントを移動させて、入力コマンド１３４に応じた位置変更１３８を実現する。システム１３０は、入力コマンド１３４と共にコントローラ１４２に供給される位置検出信号１４２を供給する位置検出器１４０をも備えている。コントローラ１３２は比例増幅器１４４（ｋｐ）、積分エレメント１４６（ｋｉ）及び微分エレメント１４８（ｋｄ）を備える。また、システムは、コントローラ１３２によって供給されるモータ制御信号と位置検出信号１４２とを受け取る診断ユニット１５０を備える。モータ制御信号及び位置検出信号は、診断ユニット１５０内のＦＦＴコンバータにデジタル形式で供給されて閉ループ周波数応答を決定し、閉ループ周波数応答から開ループ周波数応答が導き出される。
【００２１】
図９の実施の形態において、診断ユニット１５０はＰＩＤコントローラに対する適切な調整を決定して比例ユニット、積分ユニット及び／又は微分ユニットの係数ｋｐ、ｋｉ及びｋｄに対して行うべき変化に適応し、検出された誤り状態を訂正する。例えば、トルク定数が例えば２という因数の量だけ変化していることを示す誤り状態が検出される場合、これらの係数ｋｐ、ｋｉ及びｋｄはそれぞれ、同様に２の因数だけ増大される。したがってシステム１３０は、或る誤り状態が識別される場合に、検出された誤り状態を補正するように試みるようになっている。
【００２２】
当業者に理解されるように、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、上で開示した実施の形態に対して極めて多数の修正及び変形を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術による有限回転モータ及び制御システムの例示の機能図である。
【図２】本発明の一つの実施の形態による有限回転モータ及び診断システムの例示の機能図である。
【図３】図３Ａはモータ・コントローラに供給される疑似ランダム二進シーケンス励振信号を示す例示のグラフである。図３Ｂは疑似ランダム二進シーケンスに応じてモータによって生成される関連の位置検出信号を示す例示のグラフである。
【図４】本発明の一つの実施の形態による診断ユニットを示す例示の図である。
【図５】本発明の一つの実施の形態によるシステムの測定された周波数応答の例示のグラフ表示である。
【図６】本発明の或る実施の形態による低周波数応答の変化を示す測定された周波数応答の例示のグラフ表示である。
【図７】本発明の他の実施の形態によるトルク定数の変化を示す測定された周波数応答の例示のグラフ表示である。
【図８】本発明の更なる実施の形態による非対称な性能を示す測定された周波数応答の例示のグラフ表示である。
【図９】本発明の更なる実施の形態による有限回転モータ及び診断システムの例示の機能図である。
【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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【国際調査報告】
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2007519122.tif 000013
2007519122.tif 000014