(57)【要約】【課題】  リニアモータの位置および推力指令に複雑な関数で依存する推力リップルを正確に測定することができ、モータ制御装置に適用する場合においても大きな容量のメモリを必要としないリニアモータの推力リップル測定装置およびその測定方法を提供する。【解決手段】  推力指令Ｆ＊およびリニアモータ４の位置Ｘに基づいてリニアモータ４の推力リップルＦｒを測定する推力リップル測定部２０を備えたリニアモータの推力リップル測定装置において、推力リップル測定部２０は、リニアモータ４の位置Ｘに基づいてフーリエ基本位相θを算出する位相計算器２２と、フーリエ基本位相θおよび推力指令Ｆ＊に基づいてリップルパラメータを決定するリップルパラメータ決定器２１とで構成する。【選択図】図１
2009159741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令およびリニアモータの位置に基づいて推力指令を生成する位置速度制御器と、前記推力指令を入力し電流指令を出力する電流指令変換器と、前記リニアモータの電流を前記電流指令に追従させる電流アンプと、前記推力指令および前記リニアモータの位置に基づいて前記リニアモータの推力リップルを測定する推力リップル測定部とを備えたリニアモータの推力リップル測定装置において、
前記推力リップル測定部は、前記リニアモータの位置に基づいてフーリエ基本波の位相（θ）（以下、「フーリエ基本位相（θ）」という。）を算出する位相計算器と、
前記フーリエ基本位相および前記推力指令に基づいてリップルパラメータを決定するリップルパラメータ決定器とで構成することを特徴とするリニアモータの推力リップル測定装置。
【請求項２】
前記位相計算器は、前記フーリエ基本位相を次式で計算することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの推力リップル測定装置。
θ＝ｍｏｄ｛（Ｘ−Ｘｓ），（Ｘｅ−Ｘｓ）｝・２π
ただし、θはフーリエ基本位相、Ｘはリニアモータの位置、Ｘｓは補償すべく移動範囲のスタート位置、Ｘｅは補償すべく移動範囲のエンド位置、ｍｏｄ｛Ｐ，Ｑ｝はＰをＱで割った余りを求める関数を表す。
【請求項３】
位置指令およびリニアモータの位置に基づいて推力指令を生成する位置速度制御器と、前記推力指令を入力し電流指令を出力する電流指令変換器と、前記リニアモータの電流を前記電流指令に追従させる電流アンプと、前記推力指令および前記リニアモータの位置に基づいて前記リニアモータの推力リップルを測定する推力リップル測定部とを備えたリニアモータの推力リップル測定装置の推力リップル測定方法において、
指令の速度が一定となる定速区間を含む前記位置指令を設定し、
前記定速区間に前記リニアモータの速度が一定となるように前記位置速度制御器の制御ゲインを十分大きく上げ、
或いは前記位置速度制御器に繰り返し補償器を含ませ、
前記リニアモータを駆動制御しながら、前記リニアモータが前記定速区間を通過する際の前記リニアモータの位置とそれに対応する前記推力指令を記録し、
前記リニアモータが前記定速区間を通過する際の前記リニアモータの位置とそれに対応する前記推力指令に基づいてフーリエ解析してフーリエ係数を計算し、
前記フーリエ係数を前記推力指令の多項式とし、
複数回負荷力を変え、最小２乗法を用いて前記多項式の係数を決定することを特徴とするリニアモータの推力リップル測定装置の推力リップル測定方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載のリニアモータの推力リップル測定装置を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータの位置および電流に依存するリニアモータの推力リップルを測定するリニアモータの推力リップル測定装置およびその測定方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
サーボモータにおいては、可動子と固定子との相対位置に応じてコイルに流れる電流を変化させることにより推力を得ている。
例えば、同期型リニアモータ等のサーボモータにおいては、可動子または固定子のどちらかの側に永久磁石を配置し、対向側にコイルを配置しており、可動子と固定子との相対位置に応じて、ｄ‐ｑ変換を行い、一定な推力を得るために、一定なｑ軸電流指令を与え、電流フィードバック制御してコイルに電流を流している。
ところが、コアの不均一性、着磁の乱れ、端効果などの要因によってコギングやトルク定数の変動が存在するため、一定なｑ軸電流指令を与えても、サーボモータが発生する推力は可動子と固定子との相対位置によって変わる。よって、サーボの制御性能を向上させるため、このような推力リップルの補償は不可欠になる。
また、これらの推力リップルを正確に補償するため、高精度な推力リップル測定装置が必要となる。
【０００３】
従来のトルクリップル測定装置は、トルク指令、速度指令、あるいは、位置指令を制御入力として、モータが一定速度で回転するように制御入力の補正を繰返し、最終的に一定速度の駆動を実現する学習制御器と、前記学習制御器によって実現された、定速回転時における１回転分のモータ角度に対応したトルク指令データTr( θn) を収集し、このトルク指令データTr( θn)よりトルクリップルの測定を行っている（例えば、特許文献１参照）。
図５は、従来技術のトルクリップル測定装置の構成を示すブロック線図である。図５において、５１はトルクリップル測定装置、５２は学習制御器、５３は演算器、５４および５５は１回転分のトルクリップルデータを記憶するメモリ、５６は回転モータ、５７は角度検出器、５８はトルク発生器である。
ここに、学習制御器５２は、トルク指令、速度指令、あるいは、位置指令を制御入力として、回転モータ５６が一定速度で回転するように制御入力の補正を繰返し、最終的に一定速度の駆動を実現する。学習が完了すると、実現された一定速度の回転時における、１回転分のモータ角度に対応したトルク指令データTr( θn)が学習制御器５２から演算器５３へ出力される。演算器５３は学習制御器５２が条件を変えて学習した結果得られる複数のトルク指令データより、トルクリップルデータを求める。
正回転指令および逆回転指令に対してそれぞれ学習した結果得られたトルク指令データより、モータトルクに比例しないトルクリップルデータが得られ、メモリ５４に記憶する。また、２種類の一定トルク負荷を加えた状態の回転指令に対してそれぞれ学習した結果得られたトルク指令データより、モータトルクに比例するトルクリップルの比例定数が得られ、メモリ５５に記憶する。
このように、回転モータが発生する角度に依存したトルクリップルデータを、回転モータの発生トルクに依存しないものと比例して増大するものと別個に、摩擦等の影響を受けずに測定できるため、測定精度の高いトルクリップル測定装置が実現できるというものである。
【特許文献１】特開平１１−２５８０７６号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のトルクリップル測定装置は、モータ角度に依存して周期的に変化したリップルや、トルク指令に比例したリップルを想定してトルクリップルを測定したので、トルク・推力指令に複雑な関数で依存するトルク・推力リップルを正確に測定できないという問題があった。
また、測定結果を用いてリップル補償を行う際に、モータ角度毎に記憶したトルクリップルのデータを取り出して使用していたため、モータ制御装置に適用する場合には、大きな容量のメモリが必要であるという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、リニアモータの位置および推力指令に複雑な関数で依存する推力リップルを正確に測定することができ、モータ制御装置に適用する場合においても大きな容量のメモリを必要としないリニアモータの推力リップル測定装置およびその測定方法とモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、位置指令およびリニアモータの位置に基づいて推力指令を生成する位置速度制御器と、前記推力指令を入力し電流指令を出力する電流指令変換器と、前記リニアモータの電流を前記電流指令に追従させる電流アンプと、前記推力指令および前記リニアモータの位置に基づいて前記リニアモータの推力リップルを測定する推力リップル測定部とを備えたリニアモータの推力リップル測定装置において、前記推力リップル測定部は、前記リニアモータの位置に基づいて入力しフーリエ基本波の位相（θ）（以下、「フーリエ基本位相（θ）」という。）を算出する位相計算器と、前記フーリエ基本位相および前記推力指令に基づいてリップルパラメータを決定するリップルパラメータ決定器とで構成することを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニアモータの推力リップル測定装置において、前記位相計算器は、前記フーリエ基本位相を次式で計算することを特徴とするものである。
θ＝ｍｏｄ｛（Ｘ−Ｘｓ），（Ｘｅ−Ｘｓ）｝・２π
ただし、θはフーリエ基本位相、Ｘはリニアモータの位置、Ｘｓは補償すべく移動範囲のスタート位置、Ｘｅはそのエンド位置、ｍｏｄ｛Ｐ，Ｑ｝はＰをＱで割った余りを求める関数。
【０００６】
また、請求項３に記載の発明は、  位置指令およびリニアモータの位置に基づいて推力指令を生成する位置速度制御器と、前記推力指令を入力し電流指令を出力する電流指令変換器と、前記リニアモータの電流を前記電流指令に追従させる電流アンプと、前記推力指令および前記リニアモータの位置に基づいて前記リニアモータの推力リップルを測定する推力リップル測定部とを備えたリニアモータの推力リップル測定装置の推力リップル測定方法において、指令の速度が一定となる定速区間を含む前記位置指令を設定し、前記定速区間に前記リニアモータの速度が一定となるように前記位置速度制御器の制御ゲインを十分大きく上げ、或いは前記位置速度制御器に繰り返し補償器を含ませ、前記リニアモータを駆動制御しながら、前記リニアモータが前記定速区間を通過する際の前記リニアモータの位置とそれに対応する前記推力指令を記録し、前記リニアモータが前記定速区間を通過する際の前記リニアモータの位置とそれに対応する前記推力指令に基づいてフーリエ解析してフーリエ係数を計算し、前記フーリエ係数を前記推力指令の多項式とし、複数回負荷力を変え、最小２乗法を用いて前記多項式の係数を決定することを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項４に記載の発明は、モータ制御装置において、請求項１または２に記載のリニアモータの推力リップル測定装置を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、推力のリップルをフーリエ基本位相θのフーリエ級数とし、また、フーリエ係数を推力指令の平均値の多項式とし、リニアモータを一定な速度で移動させるように制御し、推力指令およびリニアモータの位置を記憶し、推力指令およびリニアモータの位置に基づいてリップルパラメータを計算することで、高精度に推力リップルを測定できるという効果がある。
また、本発明のリニアモータの推力リップル測定装置をモータ制御装置に適用する場合においても大きな容量のメモリを必要としないという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
実際のリニアモータの推力リップル測定装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明のリニアモータの推力リップル測定装置の構成を示すブロック線図である。図１において、１はモータ制御装置、４はリニアモータ、５は負荷、６は位置検出器であり、１１は位置速度制御器、１２は電流指令変換器、１３は電流アンプ、２０は推力リップル測定部、２１はリップルパラメータ決定器、２２は位相計算器である。
モータ制御装置１は、位置速度制御器１１、電流指令変換器１２、電流アンプ１３、および推力リップル測定部２０で構成されており、推力リップル測定部２０は、リップルパラメータ決定器２１および位相計算器２２で構成されている。
位置速度制御器１１は、位置指令Ｘ＊およびリニアモータの位置Ｘを入力し、その位置指令Ｘ＊およびリニアモータの位置Ｘに基づいて推力指令Ｆ＊を算出し、電流指令変換器１２およびリップルパラメータ決定器２１に出力する。電流指令変換器１２は、推力指令Ｆ＊を電流指令Ｉ＊に変換し、電流アンプ１３に出力する。電流アンプ１３は、電流指令Ｉ＊に基づいてリニアモータ４にモータ電流Ｉｍを流す。リニアモータ４は、推力Ｆを発生し負荷５を駆動する。
また、位置検出器６は、リニアモータ４の位置Ｘを検出し、位置速度制御器１１および位相計算器２２に出力する。位相計算器２２は、リニアモータの位置Ｘからフーリエ基本位相θを計算し、リップルパラメータ決定器２１に出力する。リップルパラメータ決定器２１は、推力指令Ｆ＊およびフーリエ基本位相θに基づいて推力リップルを補償するためのパラメータの決定を行う。
【００１１】
まず、推力リップルＦｒと推力指令Ｆ＊およびリニアモータの位置Ｘとの関係を分析する。
モータの推力Ｆは、モータのコイルに流れるモータ電流Ｉｍにより発生する電磁力Ｆｅと、永久磁石が磁性材料との間に発生する吸引力（一般的にコギングと言う。以下、「コギング」という。）Ｆｃとを含む。
理想的なモータとしては、電磁力Ｆｅがモータ電流Ｉｍと一定な定数（推力定数）で比例し、コギングＦｃが０となることが望ましいが、実際のモータでは、推力定数がモータ電流Ｉｍおよびリニアモータの位置Ｘによって変動し、また、コギングＦｃがリニアモータの位置Ｘによって変わる。
【００１２】
本発明が、従来技術と異なる点は、リニアモータの位置Ｘを入力しフーリエ基本位相θを出力する位相計算器２２と、フーリエ基本位相θおよび推力指令Ｆ＊に基づいて推力リップルを計算する関数のパラメータを決定するリップルパラメータ決定器２１とで構成した推力リップル測定部２０を備え、リニアモータの位置および推力指令に複雑な関数で依存する推力リップルを正確に測定することができ、モータ制御装置に適用する場合においても大きな容量のメモリを必要としない点である。
【００１３】
図２は図１の近似等価ブロック線図である。図２において、１４は推力定数、１５はコギング関数、１６は加算器、１７は減算器、１８はモータの可動子を含む機械可動部のモデルである。
一般的に、電流アンプ１３の特性は良いので、モータ電流Ｉｍが電流指令Ｉ＊と等しいと見なせるので、電流アンプ１３のモデル化は省略している。
推力定数１４は、関数Ｋ（Ｉｍ，Ｘ）で表わされている。コギング関数１５は、関数ｃ（Ｘ）で表わされている。モータの可動子を含む機械可動部のモデル１８は、駆動力Ｆｍからリニアモータの位置Ｘまでの伝達関数で表されている。電磁力ＦｅとコギングＦｃとの和がモータの発生する推力Ｆとなる。
また、推力Ｆから負荷力ＦＬを差し引いたものが機械可動部を駆動する駆動力Ｆｍとなる。
【００１４】
図２により、推力Ｆは式（１）のように表すことができる。
Ｆ＝Ｆｅ＋Ｆｃ＝Ｉｍ・Ｋ（Ｉｍ，Ｘ）＋ｃ（Ｘ）                    （１）
また、式（２）が成り立つ。
Ｉｍ＝Ｉ＊＝Ｆ＊／Ｋ０                                     （２）
ただし、Ｋ０は、定格推力定数である。
式（２）を式（１）に代入し、推力Ｆは式（３）に示すように推力指令Ｆ＊およびリニアモータの位置Ｘの関数で表すことができる。
Ｆ＝（Ｆ＊／Ｋ０）・Ｋ（Ｆ＊／Ｋ０，Ｘ）＋ｃ（Ｘ）＝ｆ（Ｆ＊，Ｘ）       （３）
推力Ｆがリニアモータの位置Ｘの周期関数である場合では、その周期のスタート位置をＸｓと、エンド位置をＸｅとする。推力Ｆがリニアモータの位置Ｘの周期関数でない場合では、補償すべく移動範囲のスタート位置をＸｓと、そのエンド位置をＸｅとする。
よって、フーリエ基本位相θを式（４）のように与える。
θ＝ｍｏｄ｛（Ｘ−Ｘｓ），（Ｘｅ−Ｘｓ）｝・２π                  （４）
ただし、ｍｏｄ｛Ｐ，Ｑ｝はＰをＱで割った余りを求める関数を表す。
従って、推力Ｆは式（５）のようなフーリエ級数で表すことができる。
【００１５】
【数１】
2009159741.tif 000003
ただし、Ｎは一定な自然数である。
【００１６】
また、Ｆ０はＦの平均値であり、Ｋの平均値がＫ０となる場合には、Ｆ＊の平均値Ｆａ＊となる。
また、フーリエ係数Ａｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）、およびフーリエ係数Ｂｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）は、式（６）に示すように推力指令Ｆ＊の多項式で表すものとする。
【００１７】
【数２】
2009159741.tif 000004
ただし、Ｍは一定な自然数、ａｎｍ，ｂｎｍ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ；ｍ＝０，１，・・・，Ｍ）は定数である。
【００１８】
次に、リップルパラメータＮ、Ｍ、ａｎｍおよびｂｎｍを決定する方法を説明する。
図３は、リップルパラメータを決定するために用いた位置指令の一例を示す図であり、  図４は、リップルパラメータを求めるフローチャートである。
ステップＳＴ１にて、図３に示すようにスタート位置Ｘｓからエンド位置Ｘｅまでの区間が定速区間に入るように位置指令Ｘ＊を設定し、スタート位置Ｘｓとエンド位置Ｘｅとの間にリニアモータの速度が一定となるように位置速度制御器１１の制御ゲインを十分大きく上げるか、若しくは、位置速度制御器１１に繰り返し補償器を含ませる。
また、ＮとＭに大き目な自然数を与え、ｉ＝１とする。
【００１９】
ステップＳＴ２にて、負荷力ＦＬを式（７）に示すものとする。
ＦＬ＝（ＦＬＭ−ＦＬｍ）・（ｉ−１）／（Ｉ−１）＋ＦＬｍ          （７）
ただし、Ｉが２以上の自然数、ＦＬＭとＦＬｍはそれぞれモータ電流Ｉｍの最大値と最小値に対応する負荷力である。
ステップＳＴ３にて、リニアモータを駆動しながら、リニアモータがスタート位置Ｘｓとエンド位置Ｘｅとの間を通過する際に一定周期Ｔ（以下、計測周期と称す）毎にリニアモータの位置Ｘ（ｉ，ｊ）とそれに対応する推力指令Ｆ＊（ｉ，ｊ）を記録する。
ただし、位置速度制御器１１は繰り返し制御や学習制御を用いた場合には、リニアモータの位置Ｘが位置指令Ｘ＊に追従するまでは記録しない。
【００２０】
ステップＳＴ４にて、モータがスタート位置Ｘｓからエンド位置Ｘｅまで移動する時間がＪ回計測周期とし、このＪ回分の推力指令Ｆ＊（ｉ，ｊ）の平均値Ｆａ＊を式（８）のように求める。
【数３】
2009159741.tif 000005
【００２１】
ステップＳＴ５にて、式（９）のようにフーリエ基本位相θ（ｉ，ｊ）を求める。
【数４】
2009159741.tif 000006
【００２２】
ステップＳＴ６にて、式（１０）および式（１１）のようにフーリエ係数ＡｉｎとＢｉｎを求める。
【数５】
2009159741.tif 000007
【００２３】
ステップＳＴ７にて、ｉがＩ以上であるかどうか判断する。
ｉがＩ以上であればステップＳＴ９に進み、そうでなければ、ステップＳＴ８に進む。
ステップＳＴ８にて、ｉに１を足して新たなｉとしてステップＳＴ２に戻る。
ステップＳＴ９にて、フーリエ係数ＡｉｎとＢｉｎとの値に基づいてＮを決める。
ｎがある正整数に超えると、Ａｉｎ（ｉ＝１，２，・・・，Ｉ）とＢｉｎ（ｉ＝１，２，・・・，Ｉ）との絶対値が全て小さくなったら、その正整数を新たなＮとする。
ステップＳＴ１０にて、以下で説明するように最小２乗法を用いて係数ａｎｍとｂｎｍを求める。
ａｎｍとｂｎｍとの係数ベクトルをそれそれ式（１２）と式（１３）に示すものとする。
【００２４】
【数６】
2009159741.tif 000008
【００２５】
また、状態ベクトルを式（１４）に示すものとする。
【数７】
2009159741.tif 000009
【００２６】
よって、ａｎｍとｂｎｍとの係数ベクトルはそれぞれ式（１５）と式（１６）のように求められる。
【数８】
2009159741.tif 000010
【００２７】
ステップＳＴ１０にて、係数ａｎｍとｂｎｍとの値に基づいてＭを決める。ｍがある正整数に超えると、ａｎｍ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）とｂｎｍ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）との絶対値が全て小さくなったら、その正整数を新たなＭとする。
この新たなＭに応じて係数ａｎｍとｂｎｍを整理して終了する。
以上のように決定したリップルパラメータは式（１７）を満たす。
【数９】
2009159741.tif 000011
【００２８】
となる。
一般的に、Ｋ０をＫの平均値とするようにしているため、Ｆ０はＦａ＊と等しくなるので、式（１７）を式（５）と比較して本発明のリニアモータの推力リップルの測定装置は正確に実際の推力リップルを測定できることが分かる。
【００２９】
本発明のリニアモータの推力リップル測定装置は、従来のトルクリップル測定装置に比較して、リニアモータの位置をフーリエ基本位相に変換し、推力リップルをフーリエ基本位相のフーリエ級数として表し、フーリエ級数の係数を推力指令の多項式としているので、リニアモータの位置および推力指令に複雑な関数で依存する推力リップルを正確に測定することができ、またモータ制御装置に適用する場合においても多項式の係数のみを記憶するなので、大きな容量のメモリを必要としないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のリニアモータの推力リップル測定装置の構成を示すブロック線図
【図２】図１の近似等価ブロック線図
【図３】リップルパラメータを決定するために用いた位置指令の一例を示す図
【図４】リップルパラメータを求めるフローチャート
【図５】従来技術のトルクリップル測定装置の構成を示すブロック線図
【符号の説明】
【００３１】
１  モータ制御装置
４  リニアモータ
５  負荷
６  位置検出器
１１  位置速度制御器
１２  電流指令変換器
１３  電流アンプ
１４  推力定数
１５  コギング関数
１６  加算器
１７  減算器
１８  機械可動部のモデル
２０  推力リップル測定部
２１  リップルパラメータ決定器
２２  位相計算器
５１  トルクリップル測定装置
５２  学習制御器
５３  演算器
５４、５５  １回転分のトルクリップルデータを記憶するメモリ
５６  回転モータ
５７  角度検出器
５８  トルク発生器
【図１】
2009159741.tif 000012
【図２】
2009159741.tif 000013
【図３】
2009159741.tif 000014
【図４】
2009159741.tif 000015
【図５】
2009159741.tif 000016