(57)【要約】【課題】高精度で且つ高応答の位置決めを行う。【解決手段】位置制御部１１は、位置偏差ΔＰに基づいて指令回転速度ωｒを生成するとともに、位置偏差ΔＰ（絶対値）が基準値１．２°を超えている場合にｄ軸電圧Ｖｄをゼロに設定し（位置制御モード１）、位置偏差ΔＰ（絶対値）が基準値１．２°以下であり、且つ回転速度ωが０．１Ｈｚ以下であって、さらにその状態を１００ｍｓｅｃ以上継続している場合にｄ軸電圧Ｖｄを所定の励磁電圧値２Ｖに設定する（位置制御モード２）。ｑ軸電流Ｉｑに基づいて軸摩擦力を検出し、軸摩擦力が大きくなるほど励磁電圧値を増大させる。【選択図】図１
2008178288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレスＤＣモータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
この回転位置検出手段により検出された回転位置に対応した制御位相角を生成する制御位相角生成手段と、
前記回転位置または前記制御位相角に基づいて回転速度を検出する回転速度検出手段と、
目標の停止位置と前記検出された回転位置との差に基づいて目標回転速度を演算するとともに、前記目標の停止位置と前記検出された回転位置との差が所定の基準値を超えている場合に指令ｄ軸電圧をゼロに設定し、前記所定の基準値以下の場合に指令ｄ軸電圧を所定の励磁電圧値に設定する位置制御手段と、
前記目標回転速度と前記検出された回転速度との差に基づいて指令ｑ軸電圧を生成する速度制御手段と、
前記指令ｄ軸電圧と前記指令ｑ軸電圧とを前記制御位相角を用いて回転座標変換し３相指令電圧を生成する座標変換手段と、
前記３相指令電圧に基づいて３相通電信号を形成する通電信号形成手段とを備えていることを特徴とするモータの位置決め装置。
【請求項２】
前記位置制御手段は、前記目標の停止位置と前記検出された回転位置との差が所定の基準値以下であることに加え、前記回転速度が所定値以下であって、さらにその状態が所定時間以上継続している場合に、指令ｄ軸電圧を前記所定の励磁電圧値に設定することを特徴とする請求項１記載のモータの位置決め装置。
【請求項３】
前記ブラシレスＤＣモータの電流を検出する電流検出手段を備え、
前記位置制御手段は、前記検出されたモータ電流に基づいて軸摩擦力を検出し、この検出した軸摩擦力に応じて前記励磁電圧値を設定することを特徴とする請求項１または２記載のモータの位置決め装置。
【請求項４】
前記位置制御手段は、前記検出した軸摩擦力が小さくなるほど前記励磁電圧値を増大させることを特徴とする請求項３記載のモータの位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスＤＣモータの位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測量器、監視カメラ、半導体の製造装置や検査装置等の負荷においては、高精度の位置決め制御が必要とされている。また、社会的背景としてバッテリ使用製品が増える傾向にあり、高効率運転と高精度の位置決め運転との両立のニーズが高まっている。
【０００３】
特許文献１には、絶対位置決め制御用の補正データを予め作成し、その補正データを目標位置に加えてサーボモータへの指令値を生成する位置決め制御装置が記載されている。補正データは、サーボモータを所定角度ごとに位置決めし、その位置決めしたときの絶対位置を高分解能エンコーダで計測し、その高分解能エンコーダの位置データとサーボモータのエンコーダの位置データとから誤差角度データを得ることにより作成される。
【０００４】
特許文献２には、ステッピングモータを用いた高応答運転可能な監視カメラ駆動装置および監視カメラシステムが記載されている。この監視カメラ駆動装置は、ロータの回転位置をフィードバックし、ステッピングモータの永久磁石による誘起電圧と巻線電流とが所定の位相関係となるように巻線の通電を切り替える。これにより、脱調しにくく、高効率で高応答の駆動が可能となる。また、位置制御ループを備えているので、目標位置からずれた場合にのみ巻線電流が流れ、目標位置に一致している場合には巻線電流が流れない。これにより、消費電流を低減でき、長時間にわたるバッテリ駆動が可能となる。
【０００５】
また、本出願の発明者は、ブラシレスＤＣモータを用いて高精度の位置決め制御が可能なモータ制御装置を開発している（特願２００６−１７８３２２）。
【特許文献１】特開２００５−２９２８９８号公報
【特許文献２】特開２００７−１８１３５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高精度の位置決めを行うには、上述した特許文献２に開示されているようにギアを介した駆動システムが採用される場合が多い。所定のギア比を持たせることにより、その分だけモータ自体の位置決め精度が粗くて済むからである。しかしながら、上述したように社会的背景として高効率運転が求められていることから、ギアを介さずに直接負荷を駆動する所謂ダイレクトドライブ化が必要とされている。ダイレクトドライブでは負荷に対するモータの出力トルクが不足し易く、負荷のイナーシャに抗して高精度な位置決め制御を行うのは一層難しいものとなる。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、高精度の位置決めが可能で且つ応答性の高いモータの位置決め装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１記載のモータの位置決め装置は、
ブラシレスＤＣモータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
この回転位置検出手段により検出された回転位置に対応した制御位相角を生成する制御位相角生成手段と、
前記回転位置または前記制御位相角に基づいて回転速度を検出する回転速度検出手段と、
目標の停止位置と前記検出された回転位置との差に基づいて目標回転速度を演算するとともに、前記目標の停止位置と前記検出された回転位置との差が所定の基準値を超えている場合に指令ｄ軸電圧をゼロに設定し、前記所定の基準値以下の場合に指令ｄ軸電圧を所定の励磁電圧値に設定する位置制御手段と、
前記目標回転速度と前記検出された回転速度との差に基づいて指令ｑ軸電圧を生成する速度制御手段と、
前記指令ｄ軸電圧と前記指令ｑ軸電圧とを前記制御位相角を用いて回転座標変換し３相指令電圧を生成する座標変換手段と、
前記３相指令電圧に基づいて３相通電信号を形成する通電信号形成手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、目標の停止位置と現在の回転位置との差が所定の基準値以下になると、ｄ軸に所定の励磁電圧が印加される。このｄ軸電圧によりモータに流れる電流の位相は、モータの振動的な動きに応じてｄ軸電圧に対し遅れる。位相が遅れた電流のｑ軸成分は、モータの回転方向に対して逆方向への制動トルクを発生させる。この制動トルクは、回転速度に応じた大きさを持ち、フィードバック制御により発生させるトルクとは異なり時間遅れ（制御上の遅れ）がない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高い応答性が得られ、目標停止位置への整定時間を短縮でき、高精度の位置決めが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、モータ制御システムの構成を示している。モータ制御装置１は、高速演算が可能なプロセッサ（例えばＤＳＰ：Digital Signal Processor）から構成されており、モータの位置決め装置として機能する。制御対象であるブラシレスＤＣモータ２（以下、モータ２と称す）は、例えば２４極中空型のコアレスモータであって、レーザ測量装置においてレーザビームを走査させる回転機構などに用いられている。このモータ２には、高分解能（一例として１,０４８,５７６パルス／ｒｅｖ）のエンコーダ３が取り付けられており、そのエンコーダ３の出力信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＺはモータ制御装置１に与えられている。なお、上記例示したエンコーダ３の場合、１パルス当たりの角度分解能は約１．２３６″となる。
【００１２】
モータ２は、６つのスイッチング素子例えばＦＥＴ４ap、４an、…を３相ブリッジの回路形態に接続してなる周知の電圧形インバータ４により駆動されるようになっている。ＦＥＴ４ap、４an、…の各ゲートには、モータ制御装置１から出力される転流信号が駆動回路５を介して与えられる。また、インバータ４とモータ２の各相端子とを繋ぐ出力線には、それぞれホールＣＴなどの電流検出器６ａ、６ｂ、６ｃが設けられている。
【００１３】
モータ制御装置１は、ＣＰＵやメモリ等の基本構成の他、Ａ／Ｄ変換器、ＰＷＭ演算機能を持つタイマなどの周辺回路を備えて構成されており、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリに記憶された制御プログラムを実行することによりモータ２を制御するようになっている。図１は、このモータ制御装置１が実行する処理内容をブロック構成により示している。モータ制御装置１は、モータ２の磁束軸方向をｄ軸とし、これに直交するトルク軸方向をｑ軸とし、これらｄｑ座標軸上でｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑを制御する。
【００１４】
位置検出部７は、上記エンコーダ３とともに回転位置検出手段８を構成しており、エンコーダ３から与えられた出力信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＺに基づいて、モータ２のロータの絶対的な回転角度である位置Ｐを検出する。位相角演算部９（制御位相角生成手段に相当）は、検出位置Ｐにモータ２の極対数（上述したモータでは１２）を乗算することにより電気角としての位相角θ（制御位相角に相当）を得る。回転速度検出部１０（回転速度検出手段に相当）は、位相角θまたは検出位置Ｐに基づいて回転速度ωを検出する。
【００１５】
位置制御部１１（位置制御手段に相当）は、減算器１２とＰＩ演算部１３とｄ軸電圧設定部１４とから構成されている。位置制御部１１は、位置決め制御を実行する場合、詳しくは後述するように所定の条件（図３参照）に従って位置制御モードを「１」または「２」に設定する。ｄ軸電圧設定部１４は、位置制御モード１においてｄ軸電圧Ｖｄ（指令ｄ軸電圧）をゼロに設定し、位置制御モード２においてｄ軸電圧Ｖｄ（指令ｄ軸電圧）をゼロではない励磁電圧値に設定する。
【００１６】
減算器１２は、目標の停止回転位置Ｐｒ（以下、指令位置Ｐｒと称す）から検出位置Ｐを減算して位置偏差ΔＰ（＝指令位置Ｐｒ−検出位置Ｐ）を出力し、ＰＩ演算部１３は、Ｐ演算またはＰＩ演算を行って指令回転速度ωｒを生成する。位置制御モード１では、以下の（１）式に従ってＰ制御を実行する。PosKp1(Hz/deg)は位置決め制御の比例ゲインであり、(n)はデジタル制御周期を表している。
指令回転速度ωｒ(n)＝（指令位置Ｐｒ−検出位置Ｐ）×PosKp1  …（１）
【００１７】
位置偏差ΔＰから指令回転速度ωｒを生成する際、図２に示すように指令回転速度ωｒの大きさとその変化率（加速度）に対しリミット処理を行っている。図２は、横軸が時間、縦軸が指令回転速度ωｒを表しており、例えばＰ演算により求めた破線で示す指令回転速度ωｒに対しリミット処理を行い、実線で示す指令回転速度ωｒを得るようになっている。
【００１８】
位置制御モード２では、以下の（２）式、（３）式に従ってＰＩ制御を実行する。指令回転速度ωri(n)は積分項であり、PosKp2(Hz/deg)、PosKi2(Hz・ｓ/deg)はそれぞれ位置決め制御の比例ゲイン、積分ゲインである。位置偏差ΔＰから指令回転速度ωｒを生成する際には上記したリミット処理を行っている。
【００１９】
指令回転速度ωri(n)＝指令回転速度ωri(n-1)
＋（指令位置Ｐｒ−検出位置Ｐ）×PosKi2  …（２）
指令回転速度ωｒ(n)＝指令回転速度ωri(n)
＋（指令位置Ｐｒ−検出位置Ｐ）×PosKp2  …（３）
【００２０】
減算器１５は、指令回転速度ωｒから検出回転速度ωを減算して速度偏差Δωを求め、ＰＩ演算部１６は、以下の（４）式、（５）式に従って速度偏差Δωに対するＰＩ演算を実行してｑ軸電圧Ｖｑ（指令ｑ軸電圧）を生成する。ｑ軸電圧Ｖqi(n)は積分項であり、HzKp1(Hz/deg)、HzKi1(Hz・ｓ/deg)はそれぞれ速度制御の比例ゲイン、積分ゲインである。これら減算器１５とＰＩ演算部１６により速度制御手段１７が構成されている。
【００２１】
ｑ軸電圧Ｖqi(n)＝ｑ軸電圧Ｖqi(n-1)
＋（指令回転速度ωｒ−検出回転速度ω）×HzKi1  …（４）
ｑ軸電圧Ｖｑ(n)＝ｑ軸電圧Ｖqi(n)
＋（指令回転速度ωｒ−検出回転速度ω）×HzKp1  …（５）
【００２２】
Ａ／Ｄ変換器等からなる電流検出部１８は、上記電流検出器６ａ、６ｂ、６ｃとともに電流検出手段１９を構成しており、電流検出器６ａ、６ｂ、６ｃから出力された信号に基づいて３相電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを求める。電流変換部２０は、これら３相電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃに対し位相角θを用いて３相−２相変換および回転座標変換を行い、検出ｄ軸電流Ｉｄと検出ｑ軸電流Ｉｑを求める。この電流値は、後述するように軸摩擦力を求めるために用いる。なお、モータ制御装置１は、電流フィードバックループを有していない。
【００２３】
電圧変換部２１（座標変換手段に相当）は、ｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑに対し以下の（６）式により回転座標変換を行い、さらに以下の（７）式により２相−３相変換を行って３相の電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを求める。ＰＷＭ制御部２２（通電信号形成手段に相当）は、専用のタイマを用いてこれら相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃに対しＰＷＭ演算を実行して転流信号（３相通電信号に相当）を生成する。
【００２４】
【数１】
2008178288.tif 000003
次に、本実施形態の作用について図３ないし図５も参照しながら説明する。
図３は、位置決め制御において位置制御部１１が実行するモード設定処理のフローチャートである。位置制御部１１は、ステップＳ１〜Ｓ３に示すように、現在位置である検出位置Ｐから指令位置Ｐｒまでの残り移動量である位置偏差ΔＰ（絶対値）が所定の基準値例えば１．２°以下であり（ステップＳ１）、且つ回転速度ωが０．１Ｈｚ以下であって（ステップＳ２）、さらにその状態を１００ｍｓｅｃ以上継続している場合（ステップＳ３）に位置制御モード２に設定し（ステップＳ４）、それ以外の場合には位置制御モード１に設定する（ステップＳ５）。
【００２５】
この設定条件から分かるように、位置制御部１１は、残り移動量が小さく従来の制御では振動的となって整定しにくい状態に達した時点で位置制御モード１から位置制御モード２に切り替える。位置制御モード１では、制御上の遅れを低減するため、（１）式に示したようにＩ制御を使用せずＰ制御のみで位置決め制御を実行する。これに対し、位置制御モード２では、（２）式および（３）式に示したようにＰＩ制御で位置決め制御を実行する。何れの位置制御モードにおいても、位置偏差Δωに基づいてｑ軸電圧Ｖｑを制御している。
【００２６】
図４は、位置制御モード２における電圧と電流のベクトル図であり、ｑ軸電圧がゼロのときを示している。図４（ａ）はモータ停止時であり、ｄ軸電圧Ｖｄと同じ向きにｄ軸電流Ｉｄが流れ、ｑ軸電流Ｉｑはゼロになる。これに対し、図４（ｂ）はモータ２が指令位置Ｐｒの近傍で微動している時であり、ｄ軸電圧によりモータ２に流れる電流Ｉの位相は、モータの振動的な動きに応じてｄ軸電圧Ｖｄに対して遅れる。この位相遅れにより生じるｑ軸電流Ｉｑは、モータ２の回転方向に対して逆方向への制動トルクを発生させる。この制動トルクは回転速度に比例しており、指令位置Ｐｒの近傍で微動しているモータ２に対する制動力を増やすことになる。その結果、軸摩擦力の小さい負荷を回転駆動する場合であっても、指令位置Ｐｒの近傍における微動を早く収束させ、高応答且つ高精度な位置決めを可能にする。
【００２７】
図５は、位置決め制御の試験結果を表形式で示している。指令位置Ｐｒを現在の位置Ｐから＋１８０°の位置に設定し、指令位置Ｐｒに対し±３０″以内に整定するまでの時間［ｓｅｃ］を軸摩擦力［Ｎｍ］をパラメータとして測定したものである。試験には同一仕様の１０台のモータＮｏ.１〜Ｎｏ.１０を準備し、モータ２には錘を付けて負荷とした。表には整定するまで位置制御モード１のまま位置決め制御を行う場合（ｄ軸電圧Ｖｄ＝０Ｖ）と、図３に示すフローチャートに従って途中で位置制御モード１から位置制御モード２に切り替えて位置決め制御を行う場合（ｄ軸電圧Ｖｄ＝２Ｖ）とを示している。ｄ軸電圧Ｖｄとして設定する励磁電圧値２Ｖは、定格電圧の２０％の電圧である。
【００２８】
この試験結果によれば、位置制御モード２を用いることにより整定時間が短縮されることが分かる。特に、軸摩擦力が小さく整定しにくい条件であるほど大きく改善されている。例えば軸摩擦力が０．００９８Ｎｍの場合、整定時間は３．２８ｓｅｃから２．５０ｓｅｃに２４％も短縮されている。
【００２９】
このことから、本実施形態では、位置制御モード２において設定するｄ軸電圧Ｖｄを軸摩擦力に応じて制御している。１つの制御例として、ｄ軸電圧設定部１４は、軸摩擦力が小さくなるほど指令位置Ｐｒの近傍における微動振幅が大きくなるので、位置制御モード２におけるｄ軸の励磁電圧値を増大させる。この制御によれば、軸摩擦力が小さい場合には大きな制動トルクを発生させて整定を早める効果が得られ、軸摩擦力が大きい場合には制動トルクによるトルクの低下を抑えて整定を早める効果が得られる。これにより軸摩擦力の大小にかかわらず位置決めの応答性を最適化でき、位置決め特性を安定化できる。なお、軸摩擦力が小さい場合でも、ｄ軸の励磁電圧値を過剰に増大させて制動トルクを大きくし過ぎると整定までに時間がかかる。本願発明者の試験結果によれば、少なくとも２Ｖまでの励磁電圧値であれば短時間で整定できる。
【００３０】
ｄ軸電圧設定部１４は、電流変換部２０から出力されるｑ軸電流Ｉｑに基づいて軸摩擦力を検出している。具体的には、定速運転時のｑ軸電流値に基づいて軸摩擦力を求める。また、位置決め制御における加減速時のｑ軸電流値Ｉｑ、指令回転速度ωｒの変化率（加速度）および回転部の総イナーシャに基づいて軸摩擦力を演算することもできる。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態のモータ制御装置１は、位置偏差ΔＰに基づいて指令回転速度ωｒを生成しｑ軸電圧Ｖｑを制御するとともに、位置偏差ΔＰ（絶対値）が基準値１．２°を超えている場合にはｄ軸電圧Ｖｄをゼロに設定し（位置制御モード１）、位置偏差ΔＰ（絶対値）が基準値１．２°以下であって且つ所定の条件を満たしている場合にはｄ軸電圧Ｖｄを所定の励磁電圧値に設定する（位置制御モード２）。これにより、位置制御モード２において、モータ２の回転方向に対して逆方向への制動トルクを発生させることができ、軸摩擦力が小さい場合であっても指令位置Ｐｒの近傍における微動を早く収束させ、高応答且つ高精度の位置決めが可能となる。
【００３２】
位置偏差ΔＰ（絶対値）が基準値１．２°以下の条件に加え、回転速度ωが０．１Ｈｚ以下であって、さらにその状態を１００ｍｓｅｃ以上継続している場合に位置制御モード２に切り替えるようにしたので、指令位置Ｐｒ付近で大きく振動している時に位置制御モード２に移行することはなく、指令位置Ｐｒ付近で微動している状態となってから位置制御モード２に移行する。これにより、ｄ軸電圧の印加により生じる制動トルクが却って応答性を低下させる事態を回避することができる。
【００３３】
ｑ軸電流Ｉｑに基づいて軸摩擦力を検出し、軸摩擦力が小さくなるほど位置制御モード２におけるｄ軸電圧Ｖｄ（励磁電圧値）を増大させるので、軸摩擦力の大小によらず整定時間が短くなるように最適化できる。なお、ｄ軸電圧Ｖｄは、一例として定格電圧の２０％程度の電圧に設定するとよく、必要に応じてｄ軸電圧Ｖｄに上限を設けてもよい。
【００３４】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
位置偏差ΔＰが基準値以下であるとの条件だけにより位置制御モード１から位置制御モード２に切り替えるようにしてもよい。また、位置偏差ΔＰが基準値以下であって且つ回転速度ωが所定値以下との条件により位置制御モード１から位置制御モード２に切り替えるようにしてもよい。
【００３５】
励磁電圧値は、軸摩擦力によらず一定であってもよい。また、検出した種々の摩擦力（定摩擦力、粘性摩擦力、その他の摩擦力）ごとに励磁電圧値を変化させてもよい。さらに、モータ電流に限らず種々の方法により摩擦力を検出する摩擦力検出手段を備え、検出された摩擦力に応じて励磁電圧値を設定するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態である位置決め制御のシステム構成を示す図
【図２】位置制御部のＰＩ演算部におけるリミット処理の説明図
【図３】位置決め制御におけるモード設定処理のフローチャート
【図４】位置制御モード２における電圧と電流のベクトル図
【図５】位置決め制御の試験結果を示す図
【符号の説明】
【００３７】
図面中、１はモータ制御装置（モータの位置決め装置）、２はブラシレスＤＣモータ、８は回転位置検出手段、９は位相角演算部（制御位相角生成手段）、１０は回転速度検出部（回転速度検出手段）、１１は位置制御部（位置制御手段）、１７は速度制御手段、１９は電流検出手段、２１は電圧変換部（座標変換手段）、２２はＰＷＭ制御部（通電信号形成手段）である。
【図１】
2008178288.tif 000004
【図２】
2008178288.tif 000005
【図３】
2008178288.tif 000006
【図４】
2008178288.tif 000007
【図５】
2008178288.tif 000008