(57)【要約】【課題】少ないデータサイズでフィルタ処理演算ができ、速度によるオフセット誤差も小さい位置データ用フィルタを提供する。【解決手段】位置データ用フィルタ１は、現在の位置データＰ（ｔ）と１サンプリング周期前の位置データＰ（ｔ−１）との差分から速度データＶ（ｔ）を出力する差分演算器３と、現在の位置データＰ（ｔ）に含まれる特定周波数の除去成分をＲ（ｔ）を演算する除去成分演算器２と、現在の位置データＰ（ｔ）から前記除去成分演算器２が出力した除去成分Ｒ（ｔ）を減算した値を除去後位置データＰｒ（ｔ）として出力する減算器５と、を備え、前記除去成分演算器２は、現在の前記速度データＶ（ｔ）と、１サンプリング周期前の速度データＶ（ｔ−１）と、１サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−１）と、２サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−２）と、から前記除去成分Ｒ（ｔ）を演算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定のサンプリング周期Ｔで入力される位置データから特定の周波数成分を除去する位置データ用フィルタであって、
現在の位置データＰ（ｔ）と１サンプリング周期前の位置データＰ（ｔ−１）との差分から速度データＶ（ｔ）を出力する差分演算器と、
現在の位置データＰ（ｔ）に含まれる特定周波数の除去成分をＲ（ｔ）を演算する除去成分演算器と、
現在の位置データＰ（ｔ）から前記除去成分演算器が出力した除去成分Ｒ（ｔ）を減算した値を除去後位置データＰｒ（ｔ）として出力する減算器と、
を備え、
前記除去成分演算器は、現在の前記速度データＶ（ｔ）と、１サンプリング周期前の速度データＶ（ｔ−１）と、１サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−１）と、２サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−２）と、から前記除去成分Ｒ（ｔ）を演算する、
ことを特徴とする位置データ用フィルタ。
【請求項２】
前記除去成分演算器は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを一定の定数とすると、Ｒ（ｔ）＝Ａ・Ｖ（ｔ）＋Ｂ・Ｖ（ｔ−１）＋Ｃ・Ｒ（ｔ−１）＋Ｄ・Ｒ（ｔ−２）に基づいて、除去周波数成分Ｒ（ｔ）を演算する、ことを特徴とする請求項１記載の位置データ用フィルタ。
【請求項３】
特定の周波数成分の中心周波数をｆｒ、選択度をＱ，ｔａｎ（ｆｒ・Ｔ）をＸとした場合、
Ａ＝Ｂ＝Ｘ／Ｑ／（１＋Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）
Ｃ＝２・（Ｘ２−１）／（１＋Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）
Ｄ＝（１−Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）／（１＋Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）
であることを特徴とする請求項２記載の位置データ用フィルタ。
【請求項４】
さらに、
前記除去後位置データＰｒ（ｔ）と、１サンプリング周期前の除去後位置データＰｒ（ｔ−１）との差分から速度データＶｒ（ｔ）を出力する差分演算器と、
速度データＶｒ（ｔ）又は１サンプリング周期前の速度データＶｒ（ｔ−１）に基づいて、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を演算し、前記除去後位置データＰｒ（ｔ）に位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を加算する速度位置オフセット補償器と、
を具備することを特徴とする請求項２または３に記載の位置データ用フィルタ。
【請求項５】
前記速度位置オフセット補償器は、Ｐｏｆｆ（ｔ）＝（Ａ・Ｖｒ（ｔ）＋Ｂ・Ｖｒ（ｔ−１））／（１−Ｃ−Ｄ）に基づいて、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を演算する、ことを特徴とする請求項４に記載の位置データ用フィルタ。
【請求項６】
前記速度位置オフセット補償器は、Ｐｏｆｆ（ｔ）＝（Ａ＋Ｂ）・Ｖｒ（ｔ−１）／（１−Ｃ−Ｄ）に基づいて、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を演算する、ことを特徴とする請求項４記載の位置データ用フィルタ。
【請求項７】
特定の周波数成分を除去した除去後位置データＰｒ（ｔ）と、１サンプリング周期前の除去後位置データＰｒ（ｔ−１）との差分から速度データＶｒ（ｔ）を出力する差分演算器と、
速度データＶｒ（ｔ）又は１サンプリング周期前の速度データＶｒ（ｔ−１）に基づいて、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を演算し、前記除去後位置データＰｒ（ｔ）に位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を加算する速度位置オフセット補償器と、
を具備することを特徴とする位置データ用フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダが出力する位置検出値やＮＣ装置が生成する位置指令値等の位置データに含まれる、有害な特定の周波数成分を除去する位置データ用フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
カップリング付きのエンコーダを搭載するサーボモータを使用した工作機械では、サーボ制御の速度ループゲインを上げて軸の制御性を向上させようとすると、カップリング共振周波数付近で発振が発生する可能性が高い。そのため、発振防止対策として、サーボ制御側でノッチフィルタを用いてトルク指令値から有害なカップリング共振周波数付近の信号成分を除去し、発振周波数付近の速度ループゲインを低下させて発振防止を行っている。
【０００３】
一般的にカップリング付きのエンコーダとしては、ノッチフィルタ等によるサーボ制御特性への影響を少なくするため、カップリングの共振周波数は高い方が望ましい。しかしながら、従来エンコーダと取り付け互換性があり、さらにカップリング共振周波数を従来よりも高めた新型エンコーダを従来エンコーダから置き換える場合、サーボ制御側のパラメータを修正しなければ、新型エンコーダのカップリング共振周波数で発振することが危惧される。このため、保守用として新型エンコーダを従来エンコーダと容易に交換することができず、従来エンコーダの製造を中止して、全面的に新型エンコーダの生産に切り替えることが難しかった。また、既にサーボ制御側のパラメータを決定した既存の機械に対して、新型エンコーダを搭載したサーボモータに置き換える場合は、機械の種類ごとにサーボ制御側のパラメータを変更する必要があり、サーボパラメータの修正に多大な作業工数を必要とする問題もあった。
【０００４】
以上の他、機械制御に必要な数十Ｈｚ付近に機械共振のある機械では、高加減速時に機械共振による振動が発生して、高速に高精度な加工ができないという問題がある。このような機械では、サーボ制御側のノッチフィルタで機械共振を抑えようとすると、ノッチフィルタの位相特性等の影響で、大きな位置誤差が発生し、対策することが難しかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようなカップリング共振の問題を回避する方法として、エンコーダ側で出力する位置データからカップリング共振周波数付近の信号成分をノッチフィルタ処理等で除去する方法がある。しかし、位置データは、データのビットサイズが大きく、一方向に回転し続ける回転軸等では、エンコーダ回転ストロークの最大値を超えるとストロークの最小値に飛ぶ条件もあり、ノッチフィルタの適用が非常に難しかった。また、位置データにノッチフィルタを適用する方法では、速度によって位置のオフセット誤差が発生する問題もあり、高精度な制御には適さなかった。なお、サーボ制御側のトルクデータにノッチフィルタを適用する方法の場合は、トルクデータは変化範囲も有限である上、データサイズも小さい。また、トルクデータのノッチフィルタでも速度によって位置のオフセット誤差が発生する点は同じだが、位置や速度のフィードバック制御があるため、位置のオフセット誤差はフィードバックにより抑制され問題とはならなかった。
【０００６】
また、機械共振に対する対策として位置指令データに含まれる機械共振周波数成分をノッチフィルタ等で取り除く方法がある。しかし、位置指令データにノッチフィルタを適用する方法でも、前述したカップリング共振対策と同様に処理データサイズの問題や速度によって位置オフセット誤差が発生する問題があった。特に多軸制御の機械では、速度による位置オフセット誤差が大きいと、軸間に同期誤差が発生し、形状誤差となる問題があった。
【０００７】
本発明は、上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、少ないデータサイズでフィルタ処理演算ができ、速度によるオフセット誤差も小さい位置データ用フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の位置データ用フィルタは、一定のサンプリング周期Ｔで入力される位置データから特定の周波数成分を除去する位置データ用フィルタであって、現在の位置データＰ（ｔ）と１サンプリング周期前の位置データＰ（ｔ−１）との差分から速度データＶ（ｔ）を出力する差分演算器と、現在の位置データＰ（ｔ）に含まれる特定周波数の除去成分をＲ（ｔ）を演算する除去成分演算器と、現在の位置データＰ（ｔ）から前記除去成分演算器が出力した除去成分Ｒ（ｔ）を減算した値を除去後位置データＰｒ（ｔ）として出力する減算器と、を備え、前記除去成分演算器は、現在の前記速度データＶ（ｔ）と、１サンプリング周期前の速度データＶ（ｔ−１）と、１サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−１）と、２サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−２）と、から前記除去成分Ｒ（ｔ）を演算する、ことを特徴とする。
【０００９】
前記除去成分演算器は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを一定の定数とすると、Ｒ（ｔ）＝Ａ・Ｖ（ｔ）＋Ｂ・Ｖ（ｔ−１）＋Ｃ・Ｒ（ｔ−１）＋Ｄ・Ｒ（ｔ−２）に基づいて、除去周波数成分Ｒ（ｔ）を演算してもよい。
【００１０】
また、特定の周波数成分の中心周波数をｆｒ、選択度をＱ，ｔａｎ（ｆｒ・Ｔ）をＸとした場合、Ａ＝Ｂ＝Ｘ／Ｑ／（１＋Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）、Ｃ＝２・（Ｘ２−１）／（１＋Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）、Ｄ＝（１−Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）／（１＋Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）、であってもよい。
【００１１】
また、さらに、前記除去後位置データＰｒ（ｔ）と、１サンプリング周期前の除去後位置データＰｒ（ｔ−１）との差分から速度データＶｒ（ｔ）を出力する差分演算器と、速度データＶｒ（ｔ）又は１サンプリング周期前の速度データＶｒ（ｔ−１）に基づいて、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を演算し、前記除去後位置データＰｒ（ｔ）に位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を加算する速度位置オフセット補償器と、を具備してもよい。
【００１２】
また、前記速度位置オフセット補償器は、Ｐｏｆｆ（ｔ）＝（Ａ・Ｖｒ（ｔ）＋Ｂ・Ｖｒ（ｔ−１））／（１−Ｃ−Ｄ）に基づいて、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を演算してもよい。
【００１３】
また、前記速度位置オフセット補償器は、Ｐｏｆｆ（ｔ）＝（Ａ＋Ｂ）・Ｖｒ（ｔ−１）／（１−Ｃ−Ｄ）に基づいて、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を演算してもよい。
【００１４】
他の本発明である位置データ用フィルタは、特定の周波数成分を除去した除去後位置データＰｒ（ｔ）と、１サンプリング周期前の除去後位置データＰｒ（ｔ−１）との差分から速度データＶｒ（ｔ）を出力する差分演算器と、速度データＶｒ（ｔ）又は１サンプリング周期前の速度データＶｒ（ｔ−１）に基づいて、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を演算し、前記除去後位置データＰｒ（ｔ）に位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を加算する速度位置オフセット補償器と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の位置データ用フィルタは、位置の差分による速度データから除去すべき周波数成分を抽出し、位置データから抽出した周波数成分を減算により、位置データに含まれる有害な特定の周波数成分を除去できる。このため、フィルタ処理を、位置データよりもデータサイズが小さく、変化範囲も有限である速度データをもとに行うことが可能となり、演算処理を緩和できる。
【００１６】
本発明の別の位置データ用フィルタは、速度位置オフセット補償器の付加によって、速度の大きさに関係なく、通常のノッチフィルタのような速度に依存した位置オフセット誤差の発生を防止できる。また、通常のノッチフィルタと比較し、低域側の位相特性も改善され、サーボ特性への影響も緩和できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】位置データ用フィルタをエンコーダに適用した一例を示すブロック図である。
【図２】図１の位置データ用フィルタの除去成分演算器の内部構造を示すブロック図である。
【図３】図１の位置データ用フィルタの速度位置オフセット演算器の内部構造を示すブロック図である。
【図４】位置データ用フィルタの周波数ゲイン特性を示すグラフである。
【図５】位置データ用フィルタの速度位置誤差特性を示すグラフである。
【図６】位置データ用フィルタの周波数位相特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、位置データ用フィルタをエンコーダに適用した一例を示すブロック図である。また、図２は、図１の位置データ用フィルタ１の除去成分演算器２の内部構造を示すブロック図である。また、図３は、図１の位置データ用フィルタ１の速度位置オフセット演算器４の内部構造を示すブロック図である。
【００１９】
図１では、位置センサ８は、入力軸の回転位置の余弦値と正弦値に対応する二相の信号ＡＳ，ＢＳを出力する。位置検出処理器９では、信号ＡＳ，ＢＳの変化に応じて、２相信号の内挿処理やアップダウンカウント処理等が行われ、一回転内を２４ビットで示し、多回転を１６ビットで示す４０ビットの位置データＰ（ｔ）を一定のサンプリング周期Ｔ（Ｔ＝１００μｓ）ごとに出力する。なお、ｔは、現在のサンプリング回数を示す。位置データＰ（ｔ）は、位置データ用フィルタ１に入力され、差分演算器３で位置データＰ（ｔ）と１サンプリング周期前の位置データＰ（ｔ−１）との差を演算して、速度データＶ（ｔ）を出力する。なお、差分演算器３では、位置データＰ（ｔ）の下位３２ビットに対してのみ差分演算を行っている。速度データＶ（ｔ）は、除去成分演算器２に入力され、除去成分演算器２は、入力された速度データＶ（ｔ）から、位置データＰ（ｔ）に含まれる特定の周波数成分である、除去成分Ｒ（ｔ）を演算出力する。
【００２０】
図２に示す通り、除去成分演算器２の内部では、記憶器２３，２６，２９により、其々、速度データＶ（ｔ）、除去成分Ｒ（ｔ）、１サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−１）が記憶される。記憶器２３，２６，２９は、それぞれ、１サンプリング周期前の速度データＶ（ｔ−１）、１サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−１）、２サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−２）を出力する。また、記憶器２２，２５，２８，３１では、其々定数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが記憶されている。また、乗算器２１は、速度データＶ（ｔ）と定数Ａとを乗算し、乗算器２４は、１サンプリング周期前の速度データＶ（ｔ−１）と定数Ｂとを乗算し、乗算器２７は、１サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−１）と定数Ｃとを乗算し、乗算器３０は、２サンプリング周期前の除去成分Ｒ（ｔ−２）と定数Ｄとを乗算する。四つの乗算値は、加算器３２，３３により加算し、加算した値を除去成分Ｒ（ｔ）として出力する。すなわち、Ｒ（ｔ）＝Ａ・Ｖ（ｔ）＋Ｂ・Ｖ（ｔ−１）＋Ｃ・Ｒ（ｔ−１）＋Ｄ・Ｒ（ｔ−２）の演算が行われる。なお、除去したい特定の周波数をｆｒとし、特定の周波数ｆｒの選択度をＱとすると、定数Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄは、下式で求めることができる。
Ｘ＝ｔａｎ（ｆｒ・Ｔ）
Ａ＝Ｂ＝Ｘ／Ｑ／（１＋Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）
Ｃ＝２・（Ｘ２−１）／（１＋Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）
Ｄ＝（１−Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）／（１＋Ｘ／Ｑ＋Ｘ２）
【００２１】
図１に示す通り、減算器５では、位置データＰ（ｔ）から除去成分演算器２が出力した特定の周波数の除去成分Ｒ（ｔ）が除去され、除去後位置データＰｒ（ｔ）として出力される。特定の周波数ｆｒ＝１ｋＨｚ，選択度Ｑ＝３０とすると、Ａ＝０．００９７０１３８，Ｂ＝０．００９７０１３８，Ｃ＝−１．６０２３４，Ｄ＝０．９８０５９７となる。この場合の除去後位置データＰｒ（ｔ）の周波数ゲイン特性は、図４のグラフにおいて、破線で示す特性となる。このことから、演算処理の困難なデータサイズの大きな位置データを直接用いずに、データを小さいサイズに限定できる速度データで、位置データから有害な周波数成分を除去可能なフィルタを実現できることが理解できる。
【００２２】
ただし、除去後位置データＰｒ（ｔ）の一定速度に対する位置誤差特性を求めると、図５のグラフにおいて、破線で示す特性となり、速度に依存して位置のオフセット誤差が発生する。このため、高速高精度加工が必要な工作機械では、この位置のオフセット誤差が問題となる場合がある。この対策として、位置データ用フィルタ１では、図１に示すように、差分演算器６で除去後位置データＰｒ（ｔ）と１サンプリング周期前の位置データＰｒ（ｔ−１）との差を除去後速度データＶｒ（ｔ）として算出し、出力する。算出された除去後速度データＶｒ（ｔ）は、速度位置オフセット演算器４に入力される。速度位置オフセット演算器４で、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を求め、加算器７で除去後位置データＰｒ（ｔ）に位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を加算することにより、速度による位置オフセット誤差を補償した補償後位置データＰｆ（ｔ）を出力する。速度位置オフセット演算器４では、図３に示すように、除去後速度データＶｒ（ｔ）を記憶器４３で記憶し、１サンプリング周期前の除去後速度データＶｒ（ｔ−１）を出力する。また、記憶器４２，４５では、其々定数Ｅ，Ｆが記憶されている。また、乗算器４１は、除去後速度データＶｒ（ｔ）と定数Ｅとを乗算し、乗算器４４は、１サンプリング周期前の除去後速度データＶｒ（ｔ−１）と定数Ｆとを乗算する。加算器４６は、この二つの乗算値を加算し、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）として出力する。すなわち、速度位置オフセット演算器４では、Ｐｏｆｆ（ｔ）＝Ｅ・Ｖｒ（ｔ）＋Ｆ・Ｖｒ（ｔ−１）の演算が行われる。また、図１に示すように、シリアル通信器１０では、補償後位置データＰｆ（ｔ）をシリアル信号ＴＸとして外部へ出力する。
【００２３】
なお、定数Ｅ，Ｆは、下式で求めることができる。
Ｅ＝Ａ／（１−Ｃ−Ｄ）
Ｆ＝Ｂ／（１−Ｃ−Ｄ）
上式にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの値を代入すると、Ｅ＝Ｆ＝０．０５１２９４７となる。
【００２４】
このような速度位置オフセット補償を行うことによって、補償後位置データＰｆ（ｔ）の一定速度に対する位置誤差特性を求めると、図５のグラフの実線で示す特性となり、速度による位置のオフセット誤差を除去することができる。ただし、図４のグラフの実線の特性のように、周波数ｆｒよりも上のゲインが多少アップする。しかしながら、図６のグラフに示すように、破線で示される除去後位置データＰｒ（ｔ）の特性と比較し、実線で示される補償後位置データＰｆ（ｔ）の特性は、周波数ｆｒよりも低域で位相特性が改善し、低域特性が問題となるサーボ特性への影響を緩和することができる。
【００２５】
なお、多少特性は悪化するが、位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を求める演算Ｐｏｆｆ（ｔ）＝Ｅ・Ｖｒ（ｔ）＋Ｆ・Ｖｒ（ｔ−１）を、Ｐｏｆｆ（ｔ）＝（Ａ＋Ｂ）・Ｖｒ（ｔ−１）／（１−Ｃ−Ｄ）に置き換えてもよい。この場合は、１サンプリング周期前のＶｒ（ｔ−１）を用いて、速度位置オフセット補償値Ｐｏｆｆ（ｔ）を予め求めることができ、速度位置オフセット補償の演算処理による応答遅れを小さくすることが可能である。
【００２６】
また、本発明の位置データ用フィルタは、位置データよりもデータサイズが小さく、変化範囲も有限である速度データをもとに行うことができる上、速度に依存して発生する位置誤差も小さくできるため、位置指令値から機械共振の原因となる有害な周波数成分を除去するフィルタとしても使用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１  位置データ用フィルタ、２  除去成分演算器、３，６  差分演算器、７，３２，３３，４６  加算器、４  速度位置オフセット演算器、５  減算器、８  位置センサ、９  位置検出処理器、１０  シリアル通信器、２１，２４，２７，３０，４１，４４  乗算器、２２，２３，２５，２６，２８，２９，３１，４２，４３，４５  記憶器。
【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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