(57)【要約】【課題】位置フィードバック機構を用いたモータの制御において、整定時間を短縮することができる制御装置を提供する。【解決手段】制御装置は、外部より一定間隔ごとに入力される位置指令値から位置指令値の変化量を算出し、算出した変化量に基づいて、モータにおいて生じる位置指令値に対する動作の遅れを補正する補正値を算出する位置指令補正部と、補正値により位置指令値を補正した補正位置指令値に応じた電力をモータに供給する駆動部とを具備する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを駆動する制御装置であって、
外部より一定間隔ごとに入力される位置指令値から位置指令値の変化量を算出し、算出した変化量に基づいて、前記モータにおいて生じる前記位置指令値に対する動作の遅れを補正する補正値を算出する位置指令補正部と、
前記補正値により前記位置指令値を補正した補正位置指令値に応じた電力を前記モータに供給する駆動部と
を具備することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記駆動部は、
前記モータが有する可動子の位置を示す値と前記補正位置指令値との差分である位置偏差に対して位置ゲインを乗じて速度指令値を算出し、算出した速度指令に基づいて前記モータに電力を供給し、
前記位置指令補正部は、
前記位置指令値の変化量に前記位置ゲインの逆数を乗じて前記補正値を算出し、算出した補正値と、前記位置指令値とを加算して前記補正位置指令値を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記位置指令補正部は、
前記位置指令値から前記位置指令値の変化量を算出する微分器と、
前記微分器が算出した変化量に前記位置ゲインの逆数を乗じて前記補正値を算出する補正係数乗算器と
前記補正係数乗算器が算出した前記補正値と、前記位置指令値とを加算して前記補正位置指令値を算出する加算器と
を備え、
前記駆動部は、
前記加算器が算出した前記補正位置指令値から前記可動子の位置を示す値を減算して前記位置偏差を算出する位置偏差算出器と、
前記位置偏差算出器が算出した前記位置偏差に前記位置ゲインを乗じて前記速度指令値を算出する位置制御器と、
前記位置制御器が算出した前記速度指令値に基づいて前記モータを制御する速度制御器と
を備えていることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
モータを駆動する制御装置における制御方法であって、
外部より一定間隔ごとに入力される位置指令値から位置指令値の変化量を算出し、算出した変化量に基づいて、前記モータにおいて生じる前記位置指令値に対する動作の遅れを補正する補正値を算出する位置指令補正ステップと、
前記補正値により前記位置指令値を補正した位置補正指令値に応じた電力を前記モータに供給する駆動ステップと
を有することを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置、及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
位置フィードバック機構を有するサーボモータ（以下、モータという）の制御では、外部より入力される位置指令値と、モータの現在位置とに生じる位置偏差に基づいて、モータの駆動量を算出し、算出した駆動量を用いてモータを駆動させている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３２５３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、位置フィードバック機構を用いてモータを駆動すると、モータの現在位置は、常に、位置指令値に対して遅れが生じるため、位置指令値の変化に対してモータの駆動が遅れて、整定時間が長くなってしまう問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、位置フィードバック機構を用いたモータの制御において、整定時間を短縮することができる制御装置、及び制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、本発明は、モータを駆動する制御装置であって、外部より一定間隔ごとに入力される位置指令値から位置指令値の変化量を算出し、算出した変化量に基づいて、前記モータにおいて生じる前記位置指令値に対する動作の遅れを補正する補正値を算出する位置指令補正部と、前記補正値により前記位置指令値を補正した補正位置指令値に応じた電力を前記モータに供給する駆動部とを具備することを特徴とする制御装置である。
【０００７】
また、本発明は、モータを駆動する制御装置における制御方法であって、外部より一定間隔ごとに入力される位置指令値から位置指令値の変化量を算出し、算出した変化量に基づいて、前記モータにおいて生じる前記位置指令値に対する動作の遅れを補正する補正値を算出する位置指令補正ステップと、前記補正値により前記位置指令値を補正した位置補正指令値に応じた電力を前記モータに供給する駆動ステップとを有することを特徴とする制御方法である。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、位置指令値の変化量に基づいて、モータにおいて生じる位置指令値に対する動作の遅れを補正する補正値を算出し、算出した補正値により位置指令値を補正した補正位置指令値に応じてモータを駆動することにより、位置指令値に対するモータの現在位置の遅れを低減させることができ、モータの現在位置を位置指令値に追従させることができる。これにより、モータを駆動する際の整定時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態におけるリニアモータ装置１を示す概略図である。
【図２】同実施形態におけるＭＲセンサ２７の原理を示す斜視図である。
【図３】同施形態におけるリニアモータ２０の斜視図（テーブル５３の断面を含む）である。
【図４】同実施形態におけるリニアモータ２０の正面図である。
【図５】同実施形態における可動子２５の移動方向に沿った断面図を示す図である。
【図６】同実施形態におけるＭＲセンサ２７及びコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗと、駆動用磁石２４との相対的な位置との相対的な位置を示す模式図である。
【図７】同実施形態における制御装置１０の構成を示す概略ブロック図である。
【図８】同実施形態におけるリニアモータ装置１の動作例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるモータの制御装置、及び制御方法を説明する。本実施形態では、リニアモータを制御対象にした場合について説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態におけるリニアモータ装置１を示す概略図である。同図に示すように、リニアモータ装置１は、制御装置１０と、リニアモータ２０とを具備している。制御装置１０は、リニアモータ２０を駆動させる制御をする装置である。リニアモータ２０は、長尺の固定子２１と、固定子２１上を移動する可動子２５と、固定子２１及び可動子２５を組み付ける一対の案内装置２２、２２を備えている。
【００１２】
案内装置２２は、例えば、ボールを介して組みつけられた軌道レール２３及びスライドブロック２６から構成されている。案内装置２２の軌道レール２３は、固定子２１が有するベース５４に固定され、案内装置２２のスライドブロック２６は、可動子２５に固定されている。これにより、可動子２５は、固定子２１上を軌道レール２３に沿って自在に案内されるようになっている。
【００１３】
また、固定子２１は、一対の軌道レール２３、２３の間に並べられた複数の駆動用磁石２４を備えている。複数の駆動用磁石２４は、可動子２５が移動する方向（以下、移動方向という）において、Ｎ極及びＳ極の磁極が交互になるように並べられている。また、各駆動用磁石２４は、移動方向において、同じ長さを有しており、可動子２５の位置に関わらず一定の推力が得られるようになっている。
【００１４】
可動子２５は、複数のコイルを有する電機子６０と、移動対象を取り付けるテーブル５３と、ＭＲ（Magnetoresitive Elements；磁気抵抗素子）センサ２７とを備えている。
ＭＲセンサ２７は、磁気センサの一種であり、固定子２１に配列されている駆動用磁石２４が生じさせる磁界の磁束線の方向に応じた信号を制御装置１０に出力する。
【００１５】
図２は、本実施形態におけるＭＲセンサ２７の原理を示す斜視図である。同図に示すように、シリコン（Ｓｉ）又はガラス基板２７１と、その上に形成されたニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）などの強磁性金属を主成分とする合金の強磁性薄膜金属で形成される磁気抵抗素子２７２とを有する。磁気抵抗素子２７２は、電流の流れる方向（Ｙ軸方向）に対して、磁気抵抗素子２７２を通過する磁束の方向がなす角度に応じて、抵抗値が変化する。
【００１６】
ＭＲセンサ２７は、複数の磁気抵抗素子２７２を組み合わせて構成された２つのフルブリッジ回路を有し、当該２つのフルブリッジ回路が９０°の位相差を有する２つの信号(余弦波信号、正弦波信号)を出力するように配置されている。このように、特定の磁界方向で抵抗値が変化する素子を、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistance；異方性磁気抵抗素子）センサという（参考文献：「垂直タイプＭＲセンサ技術資料」、[online]、２００５年１０月１日、浜松光電株式会社、「２０１０年９月３０日検索」、インターネット＜ＵＲＬ；http://www.hkd.co.jp/technique/img/amr-note1.pdf＞）。
【００１７】
図１に戻って、制御装置１０は、ＭＲセンサ２７が出力する信号に基づいて、固定子２１上における可動子２５の位置及び移動する速度を算出する。また、制御装置１０は、算出した可動子２５の位置及び速度と、上位の制御装置より一定間隔ごとに入力される位置指令値とに応じて、電機子６０が有している複数のコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに電流を流す。
これにより、複数のコイルに生じる磁界と、固定子２１に配置されている駆動用磁石２４により生じる磁界との作用により、可動子２５を軌道レール２３に沿って駆動させる。このとき、上位の制御装置は、リニアモータ２０の可動子２５の移動先である目標位置までの距離に対応する動作パターンに応じて、位置指令値を変化させる。
【００１８】
図３、図４を用いて、本実施形態におけるリニアモータ２０の構成を説明する。
図３は、本実施形態におけるリニアモータ２０の斜視図（テーブル５３の断面を含む）である。図４は、本実施形態におけるリニアモータ２０の正面図である。
【００１９】
リニアモータ２０は、上述のように、固定子２１が、Ｎ極又はＳ極が着磁されている面を可動子２５に向けて配列されている複数の板状の駆動用磁石２４を備え、可動子２５が、固定子２１に対して相対的に直線運動をするフラットタイプのリニアモータである。可動子２５に備えられている電機子６０は、駆動用磁石２４とすきまｇを介して対向している。
【００２０】
固定子２１が有する細長く伸びているベース５４上には、上述の複数の駆動用磁石２４が、移動方向に一列に配列されている。ベース５４は、底壁部５４ａと、底壁部５４ａの幅方向の両側に設けられている一対の側壁部５４ｂとから構成されている。底壁部５４ａには、上述の複数の駆動用磁石２４が取り付けられている。
【００２１】
各駆動用磁石２４には、移動方向と直交する方向（図４において上下方向）の両端面にＮ極及びＳ極が形成されている。複数の駆動用磁石２４は、それぞれが隣接する一対の駆動用磁石２４に対して磁極を反転させた状態で並べられている。
これにより、可動子２５に取り付けられているＭＲセンサ２７に対し、可動子２５が移動した際に、駆動用磁石２４のＮ極とＳ極との磁極が交互に対向するようになっている。
【００２２】
ベース５４の側壁部５４ｂの上面には、案内装置２２の軌道レール２３が取り付けられている。軌道レール２３には、上述したように、スライドブロック２６がスライド可能に組み付けられている。軌道レール２３と、スライドブロック２６との間には、転がり運動可能に複数のボールが介在されている（図示せず)。
【００２３】
スライドブロック２６には、複数のボールを循環させるためのトラック状のボール循環経路が設けられている。軌道レール２３に対して、スライドブロック２６がスライドすると、複数のボールがこれらの間を転がり運動し、また複数のボールがボール循環経路を循環する。これにより、スライドブロック２６の円滑な直線運動が可能になる。
【００２４】
案内装置２２のスライドブロック２６の上面には、可動子２５のテーブル５３が取り付けられている。テーブル５３は、例えば、アルミニウムなどの非磁性素材からなり、移動対象が取り付けられる。テーブル５３の下面には、電機子６０が吊り下げられている。図４の正面図に示されるように、駆動用磁石２４と電機子６０との間には、すきまｇが設けられている。案内装置２２は、電機子６０が駆動用磁石２４に対して相対的に移動するときも、このすきまｇを一定に維持する。
【００２５】
図５は、本実施形態における可動子２５の移動方向に沿った断面図を示す図である。
テーブル５３の下面には、断熱材６３を介して電機子６０が取り付けられている。電機子６０は、珪素鋼などの磁性素材からなるコア６４と、上述した複数のコイルであり、コア６４の突極６４ｕ、６４ｖ、６４ｗに巻かれるコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗとを有している。
【００２６】
コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗそれぞれには、位相差を有する三相交流が制御装置１０から供給される。突極６４ｕ、６４ｖ、６４ｗに３つのコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗを巻いた後、３つのコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは、樹脂封止される。
また、テーブル５３の下面には、電機子６０を挟んで一対の補助コア６７が取り付けられている。補助コア６７は、リニアモータ２０に発生するコギングを低減するために設けられている。
【００２７】
図６は、本実施形態におけるＭＲセンサ２７及びコイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗと、駆動用磁石２４との相対的な位置との相対的な位置を示す模式図である。
固定子２１には、上述したように、ベース５４の底壁部５４ａ上に、駆動用磁石２４が等間隔に、かつ一列に配列されている。より詳細には、ＭＲセンサ２７に対しＮ極を向けて配置されている駆動用磁石２４Ｎと、ＭＲセンサ２７に対しＳ極を向けて配置されている駆動用磁石２４Ｓとが、交互に配列されている。
【００２８】
可動子２５において、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは、固定子２１に配置された駆動用磁石２４の中心を通過し、移動方向に対し平行な直線上を通過する位置に配列されている。また、ＭＲセンサ２７は、コイル２８ｕ、２８ｖ、２８ｗと同様に、各駆動用磁石２４の中心を通過し、可動子２５の移動方向に対し平行な直線上を通過する位置に取り付けられている。これにより、ＭＲセンサ２７を駆動用磁石２４が生じさせる磁界の最も強い位置を通過させることができる。
【００２９】
図７は、本実施形態における制御装置１０の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、制御装置１０は、位置指令補正部１２、速度検出部１４、位置検出部１６、駆動部１８を備えている。
【００３０】
位置指令補正部１２は、微分器１２１と、補正係数乗算器１２２と、加算器１２３とを有している。微分器１２１は、一定間隔ごとに入力される位置指令値から、位置指令値の変化量を算出する。補正係数乗算器１２２は、微分器１２１が算出する位置指令値の変化量に対して、駆動部１８において位置制御に用いられている位置ゲインＫｐの逆数を乗じて補正値（＝変化量×（１／Ｋｐ））を算出する。この補正値は、リニアモータ２０を駆動する際に生じる位置指令値に対する動作の遅れを補正するために用いられる。
加算器１２３は、補正係数乗算器１２２が算出する補正値と、位置指令値とを加算し、加算結果を補正位置指令値にして駆動部１８に出力する。このように、位置指令補正部１２は、単位時間ごとに、外部から入力される位置指令値の変化量に応じた補正値を算出し、算出した補正値と位置指令値を加算した補正位置指令値を出力する。
【００３１】
速度検出部１４は、ＭＲセンサ２７が可動子２５の移動に応じて出力する２つの信号（正弦波信号、及び余弦波信号）から可動子２５の移動速度を検出する。位置検出部１６は、ＭＲセンサ２７が出力する２つの信号（正弦波信号、及び余弦波信号）から可動子２５の位置を検出する。ここで、位置検出部１６が検出する可動子２５の位置は、予め定められた位置を原点にし、原点に対する相対位置により表される。例えば、可動子２５の可動区間の一端を原点にしてもよい。
【００３２】
駆動部１８は、位置偏差算出器１８１、位置制御器１８２、速度偏差算出器１８３、速度制御器１８５、電流偏差算出器１８６、電流制御器１８７、電力変換器１８８、変流器１８９を有している。
位置偏差算出器１８１は、位置指令補正部１２が算出した補正位置指令値から、位置検出部１６が検出した位置（現在位置）を示す値を減算して位置偏差を算出する。
位置制御器１８２は、位置偏差算出器１８１が算出する位置偏差に予め定められた位置ゲインＫｐを乗じて速度指令値を算出する。
【００３３】
速度偏差算出器１８３は、位置制御器１８２が算出する速度指令値から、速度検出部１４が検出する移動速度を減算して速度偏差を算出する。
速度制御器１８５は、速度偏差算出器１８３が算出する速度偏差からリニアモータ２０に流す電流値を示す電流指令値を算出する。例えば、速度制御器１８５は、ＰＩ制御や、ＰＩＤ制御などの公知の技術を用いて、速度偏差から電流指令値を算出する。
【００３４】
電流偏差算出器１８６は、速度制御器１８５が算出する電流指令値から、変流器１８９が検出するリニアモータ２０に流れる電流値を減算して電流偏差を算出する。
電流制御器１８７は、リニアモータ２０に流れる電流の電流値が電流指令値と同じになるように、電流偏差算出器１８６が算出する電流偏差に応じた電圧値を算出し、算出した電圧値を電圧指令値にして出力する。
【００３５】
電力変換器１８８は、電流制御器１８７が出力する電圧指令値に基づいて、外部より供給される電圧に対してパルス幅変調をして、電圧指令値が示す電圧をリニアモータ２０に印加する公知の構成を有している。
変流器１８９は、リニアモータ２０に流れる電流の電流値を検出する。
【００３６】
本実施形態の制御装置１０は、位置指令補正部１２が位置指令値を補正した補正位置指令値を算出し、当該補正位置指令値に基づいてモータを制御することにより、位置指令値に対してモータの駆動が遅れることを防いでいる。この補正位置指令値は、モータを制御する際に速度指令値の算出する次式（１）及び（２）に基づいて算出する。
【００３７】
（速度指令値）＝（位置偏差）×（位置ゲイン）  …  （１）
（速度指令値）＝（位置指令値の偏差）          …  （２）
ただし、（位置偏差）＝（位置指令値）−（現在位置）、（位置指令値の偏差）＝（位置指令値の変化量）である。
【００３８】
ここで、式（１）及び（２）から式（３）が導かれる。
【００３９】
（位置偏差）＝（位置指令値の偏差）／（位置ゲイン）  …  （３）
【００４０】
すなわち、位置指令値の偏差（位置指令値の変化量）に、位置ゲインの逆数を乗じることにより、位置指令値を用いてモータを駆動する際において生じる遅れである位置偏差を算出することができる。
【００４１】
本実施形態の制御装置１０は、位置指令補正部１２が、式（３）に示されるように、位置指令値の変化量である速度指令値を算出し、算出した速度指令値に位置ゲインＫｐの逆数を乗じて、モータを駆動する際において生じる遅れ（位置偏差）を算出する。また、位置指令補正部１２は、算出した位置偏差を補正値にし、補正値と位置指令値とを加算して補正位置指令値を算出する。すなわち、制御装置１０は、位置指令値に対してモータを駆動する際において生じる遅れを推定し、推定した遅れが生じないように補正した補正位置指令値を算出する。
そして、駆動部１８は、位置指令値に対する遅れが補正された補正位置指令値に基づいて、リニアモータ２０を駆動することにより、可動子２５の位置を位置指令値に対して遅れが生じないように移動させて位置指令値に追従させることができ、整定時間を短縮することができる。
【００４２】
ここで、位置指令値を補正しない場合と、補正した場合との動作を比較して、位置指令値を補正することの効果を説明する。
図８は、本実施形態におけるリニアモータ装置１の動作例を示す概略図である。図８（ａ）は、位置指令補正部１２により位置指令値を補正しない場合を比較例として示したものであり、位置指令値と、リニアモータ２０の可動子２５の位置とを示している。図８（ｂ）は、本実施形態における補正位置指令値を用いたリニアモータ２０の可動子２５の位置と、位置指令値と、補正位置指令値とを示している。図８（ａ）、（ｂ）において、横軸は時間を示し、縦軸は可動子２５の位置を示している。
【００４３】
図８（ａ）において、可動子２５の位置（現在位置、Ｇ２）は、位置指令値（Ｇ１）に対して遅れが生じ、時刻ｔ１において位置指令値が目標位置に達した後に、時刻ｔ２において位置指令値に対して遅れて目標位置に達している。
【００４４】
これに対して、図８（ｂ）では、位置指令値（Ｇ４）を補正した補正位置指令値（Ｇ３）に基づいてリニアモータ２０を駆動しているので、可動子２５の位置（現在位置、Ｇ５）は、位置指令値に追従するようになり、時刻ｔ１において位置指令値と同時に目標位置に達している。すなわち、位置指令値に対する可動子２５の移動の遅れを低減して、位置指令値に対する追従性を高くすることができている。この結果、位置指令値を補正しない場合（図８（ａ））に比べ、整定時間を時刻ｔ２から時刻ｔ１に短縮することができている。
【００４５】
なお、本実施形態では、サーボモータにフラットタイプのリニアモータ２０を用いた構成を示した、これに限ることなく、ロッドタイプのリニアモータをサーボモータに用いてもよいし、回転運動をするモータをサーボモータに用いてもよい。
【００４６】
上述の制御装置１０は内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。その場合、上述した位置指令補正部１２、速度検出部１４、位置検出部１６、駆動部１８の処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われることになる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１…リニアモータ装置、１０…制御装置、１２…位置指令補正部、１４…速度検出部、１６…位置検出部、１８…駆動部、２０…リニアモータ、２５…可動子、２７…ＭＲセンサ、１２１…微分器、１２２…補正係数乗算器、１２３…加算器、１８１…位置偏差算出器、１８２…位置制御器、１８３…速度偏差算出器、１８５…速度制御器、１８６…電流偏差算出器、１８７…電流制御器、１８８…電力変換器、１８９…変流器
【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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【図７】
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【図８】
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