(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令値に従ってサーボモータを駆動し、対象プラントを位置制御する数値制御機械のフルクローズド位置制御装置において、
フルクローズド位置制御の開始時に、負荷位置を直接検出するインクリメンタル検出器での検出値を基準として、初期位置検出値を構成する第１の初期位置構成部と、
フルクローズド位置制御の開始時に、前記サーボモータの回転角を検出するモータ位置検出器のモータ位置検出値を基準として、初期位置検出値を構成する第２の初期位置構成部と、
フルクローズド位置制御の開始時に、前記第１および第２初期位置構成部の一方を選択する初期位置構成選択部と、
選択された初期位置構成部で演算された初期位置検出値と、前記フルクローズド位置制御の開始時からの前記インクリメンタル検出器での検出値の変動量と、を加算した値をフルクローズド絶対位置検出値として演算する単位合成器と、
を備え、フルクローズド位置制御実行時には、前記フルクローズド絶対位置検出値を位置帰還量とし、
前記初期位置構成選択部は、前記インクリメンタル検出器で検出されたスケールピッチ内の位置と、前記モータ位置検出器で検出されたスケールピッチ内の位置と、の差分値に基づいて、前記第１および第２初期位置構成部の一方を選択する、
ことを特徴とした数値制御機械のフルクローズド位置制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフルクローズド位置制御装置であって、さらに、
前記フルクローズド位置制御の開始に先立って、一方向位置決めを指令する初期内部関数発生部と、
前記フルクローズド位置制御時には前記上位装置より指令された位置指令値を、前記一方向位置決め実行時には前記初期内部関数発生部指令値を、位置指令値として選択する指令値選択器と、
前記一方向位置決め実行時には前記モータ位置検出値を、前記フルクローズド位置制御実行時には前記フルクローズド絶対位置検出値を、それぞれ位置帰還量として選択する位置検出値選択器と、
を備えることを特徴とするフルクローズド位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フルクローズド位置制御装置、特に、数値制御機械の軸制御において、制御対象の負荷側の位置を直接的に検出するインクリメンタル検出器と、駆動モータの回転角を検出する多回転絶対位置検出器から、負荷側の絶対位置検出値を構成して、これを位置指令値通りに制御することを目的としたフルクローズド位置制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
数値制御機械の軸制御に適用されるフルクローズド位置制御装置は、駆動モータの制御入力を適宜制御することで、上位装置から指令された位置指令値通りに、制御対象である対象プラントの負荷位置を制御する。ここで、対象プラントの負荷位置を検出する際には、多回転絶対位置検出器（以下、回転型絶対位置検出器と呼ぶ）と、インクリメンタル検出器（以下、スケールと呼ぶ）と、が用いられる。回転型絶対位置検出器は、駆動モータに結合され、駆動モータの回転角から、負荷位置を間接的に検出するモータ位置検出器である。スケールは、負荷に直接設置され、負荷位置を検出する。この回転型絶対位置検出器とスケールそれぞれの検出値を合成することにより、負荷の絶対位置検出値（以下、フルクローズド絶対位置検出値ｘｆと呼ぶ）が構成される。
【０００３】
一般的には、スケールとして、２相正弦波出力タイプを用いる事で、スケールピッチ内の絶対位置（以下、スケール下位位置検出値ＰＬと呼ぶ）が演算により検出できる。図４は、フルクローズド絶対位置検出値ｘｆの従来の構成方法を説明する図である。図において、横軸は全て負荷位置を示し、横軸の矢印方向（図面右方向）は負荷位置の＋方向になる。最上段には、スケール下位位置検出値ＰＬと、最終的に構成されるフルクローズド絶対位置検出値ｘｆを示している。更に、回転型絶対位置検出器の検出値（以下、モータ位置検出値ｘｍと、セミクローズド位置検出値ｘｓとの表現を併用する）をスケールピッチ単位で分割し、ピッチ単位以上をセミクローズド上位桁ＳＨ、１ピッチ内をセミクローズド下位位置検出値ＳＬと表現している。
【０００４】
従来の構成方法では(ＰＬ−ＳＬ)を利用して、以下に示す複数の判定式で、フルクローズド上位桁ＦＨを決定し、スケール下位位置検出値ＰＬと繋いで、フルクローズド絶対位置検出値ｘｆを構成する。ここで、ＴＯＬは、位相合せ許容ピッチで、０＜ＴＯＬ＜０．５の範囲で設定するが、本例ではＴＯＬ=０．３を設定している。
−１＜(ＰＬ−ＳＬ)≦−(1−ＴＯＬ)の場合：  ＦＨ=ＳＨ＋１  ・・・（１）
−(1−ＴＯＬ)＜(ＰＬ−ＳＬ)＜−ＴＯＬの場合：  ＦＨは設定不能  ・・・（２）
−ＴＯＬ≦(ＰＬ−ＳＬ)≦ＴＯＬの場合：  ＦＨ=ＳＨ  ・・・（３）
ＴＯＬ＜(ＰＬ−ＳＬ)＜(1−ＴＯＬ)の場合：  ＦＨは設定不能  ・・・（４）
(1−ＴＯＬ)≦(ＰＬ−ＳＬ)≦１の場合：  ＦＨ=ＳＨ−１  ・・・（５）
尚、ある初期時点において、ＰＬ=ＳＬであるものとするが、以後、軸動作が繰返されると、駆動モータと負荷との間のガタ、加減速時に増大する駆動系の撓み、更には熱変位などの駆動部内変位が発生し、スケール下位位置検出値ＰＬとセミクローズド下位位置検出値ＳＬの相対関係（ＰＬ−ＳＬ）は増大且つ変動する。
【０００５】
図４において、上段の相対関係（ａ）は、ＳＬがＰＬより０．２５ピッチ位相が進んだ数値関係を示しており、式（３）と式（５）によって、セミクローズド上位桁ＳＨからフルクローズド上位桁ＦＨを作成し、この上位桁ＦＨとスケール下位位置検出値ＰＬとを繋いで（組み合わせて）、フルクローズド絶対位置検出値ｘｆを構成する。中段の相対関係（ｂ）は、ＳＬがＰＬより０．２５ピッチ位相が遅れた数値関係を示しており、式（３）と式（１）によって、同様にフルクローズド絶対位置検出値ｘｆを構成する。下段の相対関係（ｃ）は、ＳＬがＰＬより０．４ピッチ遅れた数値関係を示している。式（２）と式（４）から、この場合ＦＨは設定不能と判定する。これは、ＳＬがＰＬより０．４ピッチ位相が遅れたのか、ＳＬがＰＬより０．６ピッチ位相が進んだのかの判定が、ＳＬとＰＬの数値関係では、曖昧になるための処置である。従来は、この相対関係（ｃ）の様な、位置検出の設定不能状態を発生させないために、スケールピッチが、駆動部内変位最大値の５倍を目安とする様、スケールを選定していた。
【０００６】
図５は、従来のフルクローズド位置制御装置のサーボシステム構成の一例を示したブロック図である。位置制御装置１００のフィードバック構成は次の様になっている。減算器５０は、上位装置（図示しない）から指令された位置指令値ＸＣから位置帰還であるフルクローズド絶対位置検出値ｘｆを減算する。その出力である位置偏差は、位置偏差増幅器５１で位置ループゲインＫｐ倍に増幅され、減算器５２で、モータ速度ｖｍが減算されて、速度偏差が出力される。速度偏差は、速度偏差増幅器５３で、通常、比例積分増幅される。式（６）は、この速度ループゲインＧｖを示している（尚、比例ゲインＧｐ，積分ゲインＧｉ，ラプラス変換の演算子ｓである。）。
Ｇｖ＝Ｇｐ＋（Ｇｉ/ｓ）  ・・・・・（６）
速度偏差増幅器５３の出力は、対象プラントＰの制御入力ｕとなる。制御入力ｕは、駆動モータの発生トルクに等しくなる様に、トルク制御される（図示しない）。
【０００７】
前述の様に、対象プラントＰ内の、駆動モータに結合された回転型絶対位置検出器からモータ速度ｖｍとモータ位置検出値ｘｍ、及び負荷に設置されたスケールから２相正弦波出力ｘＰが出力される。スケール位置検出部５４は、スケールの２相正弦波出力ｘＰから、スケール下位位置検出値ＰＬと、２相正弦波を周期カウントする事で、スケールピッチ単位以上のインクレ上位桁ＩＨ（電源投入時にはクリアされる）を出力する。単位分割器５５は、モータ位置検出値ｘｍをセミクローズド位置検出値ｘｓとして、前述した様に、スケールピッチ単位で分割し、ピッチ単位以上をセミクローズド上位桁ＳＨ、１ピッチ内をセミクローズド下位位置検出値ＳＬとして出力する。位置構成部５６は、スケール下位位置検出値ＰＬと、セミクローズド上位桁ＳＨ及びセミクローズド下位位置検出値ＳＬで、フルクローズド絶対位置検出値ｘｆを構成する。位置構成部５６のフルクローズド絶対位置検出値ｘｆの構成動作は、先に図４を用いて説明した通りである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１９８３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上説明した様に、従来のフルクローズド位置制御装置では、位置検出の設定不能状態を発生させることなく、フルクローズド絶対位置検出値を構成するために、スケールピッチを駆動部内変位最大値の５倍程度にする必要がある。その結果、リニア軸の場合、ｍｍオーダのスケールピッチを持つ、特殊で高価なスケールが必要となって、数μｍから数１０μｍのスケールピッチを持つ、安価で一般的なスケールを適用する事ができなかった。本発明が解決しようとする課題は、負荷側の位置を直接的に検出する一般的なスケールと、駆動モータの回転角を検出する回転型絶対位置検出器から、負荷側の絶対位置検出値を構成できるフルクローズド位置制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、スケール下位位置検出値とセミクローズド下位位置検出値の相対関係から、フルクローズド絶対位置検出値の構成方法を決定し、決定した構成方法による位置検出値を初期フルクローズド絶対位置検出値とし、以降は、スケールの位置情報のみで、フルクローズド絶対位置検出値を構成することにより、前記課題を解決するものである。
【００１１】
また、上記特徴に加え、電源投入時に、一方向位置決めを実行する位置指令値を自動発生し、セミクローズド位置制御も実行する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるフルクローズド位置制御装置では、駆動モータと負荷との間のガタ、駆動系の撓みや熱変位などの駆動部内変位が大きい制御対象においても、小さいスケールピッチの安価で一般的な光学式スケールを適用して、フルクローズド絶対位置検出値を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態であるフルクローズド位置制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】位置検出値の構成動作を説明するフローチャートである。
【図３】初期内部関数発生部の動作を説明するフローチャートである。
【図４】従来のフルクローズド絶対位置検出値の構成方法を説明する図である。
【図５】従来のフルクローズド位置制御装置の構成概要を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明によるフルクローズド位置制御装置の一例を示すブロック図である。本実施形態でも、従来技術と同様に、位置指令値Ｘｃから位置帰還ｘを減算して位置偏差を求める。そして、以降は、従来技術と同様に、この位置偏差やモータ速度ｖｍなどから、速度偏差、制御入力ｕが演算される。ただし、本実施形態では、従来技術と異なり、フルクローズド位置制御の開始時に、初期位置を１回求め、以降は、この初期位置にスケール位置検出値ｘＩの変動量を付加した値ｘｐｆを位置帰還ｘとして用いている。なお、スケール位置検出値ｘＩとは、インクレ上位桁ＩＨとスケール下位位置検出値ＰＬをつないだ初期位置を加算した位置検出値である。また、初期位置は、フルクローズド上位桁ＦＨとスケール下位位置検出値ＰＬを繋いだフルクローズド絶対位置検出値ｘｆ、または、セミクローズド上位桁ＳＨおよびセミクローズド下位位置検出値ＳＬを繋いだセミクローズド位置検出値ｘＳ（モータ位置検出値ｘｍ）のいずれか一方を、初期時におけるＰＬ−ＳＬの値に応じて選択している。また、本実施形態では、フルクローズド位置制御の開始に先立って、駆動モータと負荷との間のガタを詰めるために、駆動系のロストモーションを超える量、負荷を移動させる一方向位置決めも実行する。以下、こうした、従来技術との相違点を中心に本実施形態について詳説する。
【００１５】
初期内部関数発生部１は、電源投入時に１回のみ、フルクローズド位置制御装置の内部で実行される関数を発生させる部位である。より具体的には、初期内部関数発生部１は、電源投入時に、負荷を規定量、移動させる一方向位置決め指令を出力する。これは、駆動モータと負荷との間のガタを一方向に詰め、駆動系の撓みを減少させて、ＰＬとＳＬ間の偏差を最小化する目的のために行なわれる。
【００１６】
図３は、初期内部関数発生部１の動作を説明するフローチャートである。この動作では、まず、一方向位置決め完了フラグＦｓｃｆを確認する（Ｓ３０）。電源投入時には、一方向位置決め完了フラグＦｓｃｆはＯＦＦである。ＦｓｃｆがＯＦＦの場合、初期内部関数発生部１は、シーケンスカウンタＳｃの値に応じて、以下の初期内部関数発生を実行する（Ｓ３２〜Ｓ５６）。
Ｓc＝０：−２０μｍの移動指令を発生し、Ｓｃ＝１とする（Ｓ４０，Ｓ４２）。
Ｓｃ＝１：−２０μｍの移動指令に対して、セミクローズド位置検出値ｘＳ（＝ｘｍ）を位置帰還とした位置制御系が応答し、−２０μｍの移動が完了するまで待ち、完了で、Ｓｃ＝２とする（Ｓ４４，Ｓ４６）。
Ｓｃ＝２：＋２０μｍの移動指令を発生し、Ｓｃ＝３とする（Ｓ４８，Ｓ５０）。
Ｓｃ＝３：Ｓｃ＝１の時と同様に、＋２０μｍの移動が完了するまで待ち、完了で、Ｓｃ＝４とする（Ｓ５２，Ｓ５４）。
Ｓｃ＝４：一方向位置決め完了フラグＦｓｃｆをＯＮにする（Ｓ５６）。
尚、移動量として±２０μｍを選んでいるのは一例であり、一方向位置決めを達成するためには、駆動系のロストモーションを超えた移動量であれば、他の値であってもよい。
【００１７】
指令値選択器２は、一方向位置決め完了フラグＦｓｃｆに応じて、位置指令値を、初期内部関数発生部１の出力または上位装置（図示しない）から指令された位置指令値ＸＣに切換える。一方向位置決め完了フラグＦｓｃｆがＯＦＦ（一方向位置決めが未完了）の場合、指令値選択器２は、初期内部関数発生部１の出力を位置指令値として設定する。一方向位置決め完了フラグＦｓｃｆがＯＮ（一方向位置決めが完了）の場合、指令値選択器２は、上位装置から指令された位置指令値ＸＣを位置指令値として設定する。
【００１８】
また、位置検出値選択器８は、一方向位置決め時にはモータ位置検出値ｘｍを、一方向位置決めが完了し、後述する初期位置が出力された後は、フルクローズド絶対位置検出値ｘｐｆを、位置帰還ｘとして選択し、出力する。
【００１９】
つまり、一方向位置決めが完了するまでは、位置指令として初期内部関数発生部１からの出力を、位置帰還ｘとしてモータ位置検出値ｘｍを、それぞれ用いた位置制御が行なわれる。一方向位置決めが完了すれば、位置指令として上位装置から出力される位置指令Ｘｃを、位置帰還ｘとしてフルクローズド絶対位置検出値ｘｐｆを、それぞれ用いた位置制御が行なわれる。このとき用いられるフルクローズド絶対位置検出値ｘｐｆの算出について説明する。
【００２０】
初期位置構成選択部４は、一方向位置決め完了フラグＦｓｃｆがＯＦＦからＯＮに切り替われば、減算器３の出力である(ＰＬ−ＳＬ)の値を確認する。（ＰＬ−ＳＬ）が、前述の式（１），式（３），式（５）の場合は、第１の初期位置構成部５に対して選択信号ＳＥＬ１を出力する。第１の初期位置構成部５では、同式に従って、フルクローズド上位桁ＦＨを決定し、当該フルクローズド上位桁ＦＨとスケール下位位置検出値ＰＬと繋いで、フルクローズド絶対位置検出値ｘｆを構成し、スケールオフセットＯＦＳを次式で算出する。
ＯＦＳ＝ｘｆ−ｘＩ０  ・・・・・  （７）
ここで、スケール位置検出値ｘＩは、インクレ上位桁ＩＨとスケール下位位置検出値ＰＬを繋いだ位置検出値であり、ｘＩ０は、スケール位置検出値ｘＩの初期値、すなわち、ＦｓｃｆがＯＦＦからＯＮに切り替わった初期時のｘＩを意味している。
【００２１】
一方、(ＰＬ−ＳＬ)が、前述の式（２），式（４）の場合は、従来の絶対位置検出構成方法が採用できないため、初期位置構成選択部４は、第２の初期位置構成部６に対して、選択信号ＳＥＬ２を出力する。第２の初期位置構成部６では、スケールオフセットＯＦＳを次式で算出する。
ＯＦＳ＝ｘｓ−ｘＩ０  ・・・・・  （８）
ここで、セミクローズド位置検出値ｘｓは、セミクローズド上位桁ＳＨと、セミクローズド下位位置検出値ＳＬを繋いだ位置検出値であり、モータ位置検出値ｘｍに等しい。
【００２２】
単位合成器７は、スケール下位位置検出値ＰＬと、インクレ上位桁ＩＨと、第１または第２の初期位置構成部で算出されたスケールオフセットＯＦＳを用いて、本発明によるフルクローズド絶対位置検出値ｘｐｆを次式で算出する。
ｘｐｆ＝ｘＩ＋ＯＦＳ  ・・・・・  （９）
単位合成器７の出力は、本発明によるフルクローズド絶対位置検出値ｘｐｆになる。初期位置構成選択部４は、選択信号ＳＥＬ１またはＳＥＬ２を出力後、定常位置検出フラグＦｓｔｄ：ＯＮを、位置検出値選択器８に出力する。位置検出値選択器８は、Ｆｓｔｄ：ＯＦＦ時にはモータ位置検出値ｘｍを、Ｆｓｔｄ：ＯＮ時には本発明によるフルクローズド絶対位置検出値ｘｐｆを選択して位置帰還量ｘとする。
【００２３】
ここで、初期時においてｘＩ＝ｘＩ０である。したがって、初期時におけるフルクローズド絶対位置検出値ｘｐｆは、ｘｐｆ＝ｘＩ＋ｘｆ−ｘＩ０＝ｘｆ（ＳＥＬ１出力時）、または、ｘｐｆ＝ｘＩ＋ｘｓ−ｘＩ０＝ｘｓ（ＳＥＬ２出力時）である。一方、ＳＥＬ１、ＳＥＬ２の出力後である定常状態においては、式（９）におけるｘＩと、式（７），（８）におけるｘＩ０とは異なる値になり、ｘｐｆ＝（ｘＩ−ｘＩ０）＋ｘｆまたはｘｐｆ＝（ｘＩ−ｘＩ０）＋ｘｓになる。つまり、定常状態においては、フルクローズド絶対位置検出値ｘｐｆは、初期位置（ｘｆまたはｘｓ）に、スケール位置検出値ｘＩの変動量（ｘＩ−ｘＩ０）を加算した値になる。
【００２４】
図２は、本実施形態における位置検出値の構成動作をシーケンス的に説明するフローチャートである。位置検出サイクル毎に、まず、スケールの２相正弦波出力ｘＰから、スケール下位位置検出値ＰＬと、インクレ上位桁ＩＨを演算する（Ｓ１０）。次に、定常位置検出フラグＦｓｔｄ：ＯＦＦの定常前状態（Ｓ１２でＯＦＦ）では、モータ位置検出値ｘｍから、セミクローズド上位桁ＳＨと、セミクローズド下位位置検出値ＳＬを演算する（Ｓ１４）。定常前状態で、一方向位置決め完了前（Ｆｓｃｆ：ＯＦＦ、Ｓ１６でＯＦＦ）では、モータ位置検出値ｘｍが位置帰還量ｘに選択される。この状態ではセミクローズド位置制御が実行される。
【００２５】
一方向位置決め完了（Ｆｓｃｆ：ＯＮ、Ｓ１６でＯＮ）サイクルで、ＳＥＬ１が有効ならば、式（７）でＯＦＳが演算される（Ｓ２２）。逆に、ＳＥＬ１が無効（ＳＥＬ２が有効）ならば、式（８）でＯＦＳが演算される（Ｓ２０）。ステップＳ２０またはステップＳ２２のいずれかが実行されれば、定常位置検出フラグＦｓｔｄがＯＮに切り替えられる（Ｓ２４）。
【００２６】
続いて、式（９）に従って、ｘｐｆが算出され、これを位置帰還ｘとして出力する（Ｓ２６，Ｓ２８）。一回目の段階では、ｘＩ＝ｘＩ０であるため、ｘ＝ｘｐｆ＝ｘｆ、または、ｘ＝ｘｐｆ＝ｘｓとなる。この一回目の位置帰還ｘ＝ｘｐｆ＝ｘｆまたはｘｓは、初期位置を意味している。
【００２７】
次のサイクルでも、ＰＬとＩＨの演算（Ｓ１０）が行なわれた後、定常位置検出フラグＦｓｔｄの確認（Ｓ１２）が行なわれる。一度、ＳＥＬ１またはＳＥＬ２が出力された以降のサイクルでは、定常位置検出フラグＦｓｔｄはＯＮとなっているため、ステップＳ２６，Ｓ２８に進む。ステップＳ２６，Ｓ２８では、式（９）にしたがってｘｐｆが演算され、位置帰還ｘ＝ｘｐｆとして出力される。ここで、この段階において、ｘＩは、初期値ｘＩ０から更新されているため、ｘｐｆ＝（ｘＩ−ｘＩ０）＋ｘｆまたはｘｐｆ＝（ｘＩ−ｘＩ０）＋ｘｓになる。つまり、一方向位置決め完了サイクルの位置検出値に、スケール位置検出値ｘＩの変化量（ｘＩ−ｘＩ０）が加算されて、本実施形態によるフルクローズド絶対位置検出値ｘｐｆが構成され、位置帰還量ｘとなる。
【００２８】
以上説明した様に、本発明によるフルクローズド位置制御装置では、電源投入時に、内部的に一方向位置決めを実行する事で、スケール下位位置検出値ＰＬと、セミクローズド下位位置検出値ＳＬの偏差を最小化させ、且つ、偏差の大きさに応じて、フルクローズド絶対位置検出の基準値を、ＰＬで構成するかＳＬで構成するかを選択する。更に、駆動系各部のガタや剛性による撓みなどにより、ＰＬとＳＬの偏差が増大する定常動作中は、選択した基準値に対して、スケール位置検出値の変化量のみを加算して、フルクローズド絶対位置検出値を構成する。
【符号の説明】
【００２９】
１  初期内部関数発生部、２  指令値選択器、３  減算器、４  初期位置構成選択部、５  第１の初期位置構成部、６  第２の初期位置構成部、７  単位合成部、８  位置検出値選択器、１０  位置制御装置（本発明実施例）、５０  減算器、５１  位置偏差増幅器、５２  減算器、５３  速度偏差増幅器、５４  スケール位置検出部、５５  単位分割器、５６  位置構成部、１００  位置制御装置（従来例）、２００  対象プラント。
【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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