(57)【要約】【課題】加速度を上げても振動が発生せず、なめらかに位置指令値に追従できるリニアパルスモータを実現する。【解決手段】電流指令値と、位置指令値より変換される電気角指令値に基づいてスライダをマイクロステップ駆動するリニアパルスモータにおいて、前記スライダに与えられる加速度信号と前記スライダの質量に基づいて前記スライダの必要推力量を算出する必要推力算出手段と、算出された前記必要推力量と前記電流指令値に基づいて電気角フィードフォワード量を算出する電気角フィードフォワード量算出手段と、算出された前記電気角フィードフォワード量に応じて前記電気角指令値を補正する補正手段と、を備える。【選択図】図１
2009033949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流指令値と、位置指令値より変換される電気角指令値に基づいてスライダをマイクロステップ駆動するリニアパルスモータにおいて、
前記スライダに与えられる加速度信号と前記スライダの質量に基づいて前記スライダの必要推力量を算出する必要推力算出手段と、
算出された前記必要推力量と前記電流指令値に基づいて電気角フィードフォワード量を算出する電気角フィードフォワード量算出手段と、
算出された前記電気角フィードフォワード量に応じて前記電気角指令値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とするリニアパルスモータ。
【請求項２】
前記必要推力算出手段は、前記位置指令値を２回微分することで前記加速度信号を算出する加速度算出手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のリニアパルスモータ。
【請求項３】
前記必要推力算出手段は、前記スライダの質量をＭ、前記位置指令値をＸcmd[m]とするとき、必要推力量Ｆffを、
Ｆff＝Ｍ・ｄ２Ｘcmd／ｄｔ２
で算出することを特徴とする請求項１または２に記載のリニアパルスモータ。
【請求項４】
前記電気角フィードフォワード量算出手段は、前記電流指令値をＩcmd[A]、モータで定まる推力係数をｋ[N/A]、必要推力量Ｆffとするとき、電気角フィードフォワード量θeff[rad]を、
θeff＝sin-1{Ｆff／（ｋ・Ｉcmd）}
で算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のリニアパルスモータ。
【請求項５】
電流指令値と、位置指令値より変換される電気角指令値に基づいてスライダをマイクロステップ駆動するリニアパルスモータにおいて、
前記スライダに与えられる加速度信号と前記スライダの質量ならびに前記スライダに加わる外力に基づいて前記スライダの必要推力量を算出する必要推力算出手段と、
算出された前記必要推力量と前記電流指令値に基づいて電気角フィードフォワード量を算出する電気角フィードフォワード量算出手段と、
算出された前記電気角フィードフォワード量に応じて前記電気角指令値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とするリニアパルスモータ。
【請求項６】
前記外力は、前記スライダの速度または前記電気角指令値に依存するものであることを特徴とする請求項５に記載のリニアパルスモータ。
【請求項７】
前記必要推力算出手段は、前記外力を推定するためのテーブルあるいは関数を備えることを特徴とする請求項５または６に記載のリニアパルスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流指令値と、位置指令値より変換される電気角指令値に基づいてスライダをマイクロステップ駆動するリニアパルスモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロステップ駆動するリニアパルスモータについては、特許文献１に技術開示があり、スライダの位置制御の原理は周知である。図５は、マイクロステップ駆動する従来のリニアパルスモータの一例を示す機能ブロック図である。
【０００３】
マイクロステップ駆動するリニアパルスモータ１は、電気角指令値θe及び上位装置２から与えられる電流指令値Ｉcmdが入力され、スライダ位置Ｘを移動制御する。電気角変換手段３は、上位装置２から与えられるスライダの位置指令値Ｘcmdが入力され、前記電気角指令値θeを算出して出力する。
【０００４】
この電気角指令値θeは、リニアパルスモータ１の歯間ピッチをＰとするとき、位置指令値Ｘcmdに基づき次式により計算される。
【０００５】
【数１】
2009033949.tif 000003
【０００６】
リニアパルスモータ１のスライダ位置Ｘと機械角θmの関係は、次式で表される。
【０００７】
【数２】
2009033949.tif 000004
【０００８】
３相パルスモータのマイクロステップ駆動時の各相電流Ｉa，Ｉb，Ｉcは、次式で表される。
【０００９】
【数３】
2009033949.tif 000005
【００１０】
電気角指令値θe、機械角θmと発生推力Ｆの関係は、次式により計算される。
【００１１】
【数４】
2009033949.tif 000006
【００１２】
発生推力Ｆとスライダ位置Ｘとの関係は、スライダ質量をＭとするとき、次式で表される。
【００１３】
【数５】
2009033949.tif 000007
【００１４】
（７）式より、発生推力Ｆとスライダ位置Ｘとの関係は、次式で表される。
【００１５】
【数６】
2009033949.tif 000008
【００１６】
図６は、マイクロステップ駆動する従来のリニアパルスモータの他の一例を示す機能ブロック図である。図５に示す従来例との相違点は、リニアパルスモータ１に加わる外力Ｆｘが示されている点である。図５の従来例はスライダ自体の運動のみを考えたものであるが、実際には図６に示すように摩擦力などの外力Ｆｘがリニアパルスモータ１に加わり、スライダの動きに作用する。
【００１７】
速度に応じて変化するスライダの摩擦力を外力Ｆｘとして考慮すると、前記（７）式および（８）式はそれぞれ以下のように表現される。
【００１８】
【数７】
2009033949.tif 000009
【００１９】
【数８】
2009033949.tif 000010
【特許文献１】特開平５−２９２７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
マイクロステップ動作では、モータに指令できるのは電流振幅と電気角のみである。発生する推力Ｆは、（６）式で示すように、電気角指令値θeとモータの歯の位置合わせで定まる現在機械角θmの差の正弦値と、電流指令Ｉcmdの積に比例する。
【００２１】
質量を持つスライダを等加速度で加速させる場合、一定の推力を保つ必要がある。そのためには一定の電気角のずれを保たなければならない。加速開始時には運動に遅れが発生するため、加速度を上げるとその遅れにより電気角のずれが不定となり、振動が発生して持続してしまう問題がある。
【００２２】
図７、図８は、加速度，速度，位置について正常状態及び振動発生状態を比較した特性図である。図７は図５に示す従来例に対応し、図８は図６に示す従来例に対応する。正常状態（Ａ）及び振動発生状態（Ｂ）において、（イ）は加速度特性、（ロ）は速度特性、（ハ）は位置特性を示す。
【００２３】
加速度を上げたとき、（Ｂ）の（イ）に示すように、加速度信号に重畳する振動に起因して（Ｂ）の（ロ）に示すように速度信号に振動が発生する。このために、位置指令値になめらかに追従することが困難となる。
【００２４】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、加速度を上げても振動が発生せず、なめらかに位置指令値に追従できるリニアパルスモータの実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）電流指令値と、位置指令値より変換される電気角指令値に基づいてスライダをマイクロステップ駆動するリニアパルスモータにおいて、
前記スライダに与えられる加速度信号と前記スライダの質量に基づいて前記スライダの必要推力量を算出する必要推力算出手段と、
算出された前記必要推力量と前記電流指令値に基づいて電気角フィードフォワード量を算出する電気角フィードフォワード量算出手段と、
算出された前記電気角フィードフォワード量に応じて前記電気角指令値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とするリニアパルスモータ。
【００２６】
（２）前記必要推力算出手段は、前記位置指令値を２回微分することで前記加速度信号を算出する加速度算出手段を備えることを特徴とする（１）に記載のリニアパルスモータ。
【００２７】
（３）前記必要推力算出手段は、前記スライダの質量をＭ、前記位置指令値をＸcmd[m]とするとき、必要推力量Ｆffを、
Ｆff＝Ｍ・ｄ２Ｘcmd／ｄｔ２
で算出することを特徴とする（１）または（２）に記載のリニアパルスモータ。
【００２８】
（４）前記電気角フィードフォワード量算出手段は、前記電流指令値をＩcmd[A]、モータで定まる推力係数をｋ[N/A] 、必要推力量Ｆffとするとき、電気角フィードフォワード量θeff[rad]を、
θeff＝sin-1{Ｆff／（ｋ・Ｉcmd）}
で算出することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のリニアパルスモータ。
【００２９】
（５）電流指令値と、位置指令値より変換される電気角指令値に基づいてスライダをマイクロステップ駆動するリニアパルスモータにおいて、
前記スライダに与えられる加速度信号と前記スライダの質量ならびに前記スライダに加わる外力に基づいて前記スライダの必要推力量を算出する必要推力算出手段と、
算出された前記必要推力量と前記電流指令値に基づいて電気角フィードフォワード量を算出する電気角フィードフォワード量算出手段と、
算出された前記電気角フィードフォワード量に応じて前記電気角指令値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とするリニアパルスモータ。
【００３０】
（６）前記外力は、前記スライダの速度または前記電気角指令値に依存するものであることを特徴とする（５）に記載のリニアパルスモータ。
【００３１】
（７）前記必要推力算出手段は、前記外力を推定するためのテーブルあるいは関数を備えることを特徴とする（５）または（６）に記載のリニアパルスモータ。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）時々刻々変化する位置指令値から求められる加速度とスライダの質量により、スライダを運動させるのに必要な推力を算出できる。
【００３３】
（２）算出された必要推力量を、電流指令量とモータ推力定数の積で除したものの逆正弦をとった補正値をモータに与える電気角に加算することにより、位置指令値から単位変換される電気角と、モータの歯の位置合わせにより定まる機械角との差を持たずとも、必要な推力をスライダに与えることができる。
【００３４】
（３）この結果、加速度を上げても振動が発生せず、位置指令値どおりにスライダをなめらかに追従させることができる。
【００３５】
（４）演算に必要なパラメータとしては、スライダの質量Ｍと、モータの推力定数ｋ（最大電流に対する発生推力）であり、これらの値に誤差があっても、振動低減効果は十分得られる。
【実施例１】
【００３６】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したリニアパルスモータの一実施例を示す機能ブロック図である。図５で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
従来のリニアパルスモータの基本構成に追加される本発明の構成上の特徴部は、必要推力算出手段１００及び電気角フィードフォワード量算出手段２００及び補正手段３００を備える点にある。
【００３８】
必要推力算出手段１００は、上位装置２から入力された位置指令値Ｘcmdを２回微分演算して加速度を算出する加速度演算手段１０１及び算出された加速度とパラメータとして設定されるスライダの質量Ｍを乗算して必要推力Ｆffを算出する乗算手段１０２を備える。算出された必要推力Ｆffは、次式で表される。
【００３９】
【数９】
2009033949.tif 000011
【００４０】
電気角フィードフォワード量算出手段２００は、算出された必要推力量Ｆffが入力され、電流指令量Ｉcmdとモータ推力定数ｋの積で除したものの逆正弦で与えられる電気角フィードフォワード量を算出する。算出された電気角フィードフォワード量θeffは、次式で表される。
【００４１】
【数１０】
2009033949.tif 000012
【００４２】
補正手段３００は、算出された電気角フィードフォワード量θeffを、モータに与える電気角指令値θeに加算し、補正された加算値θe´をリニアパルスモータ１に出力する。電気角フィードフォワード量θeffを電気角指令値θeに加算することにより、位置指令値から単位変換される電気角指令値と、モータ歯の位置合わせにより定まる機械角θmとの差を持たずとも、必要な推力をスライダに与えることができる。
【００４３】
このようなフィードフォワード補正が実行された結果、発生推力Ｆと電気角θe、機械角θm、フィードフォワード量θeffの関係は、次式で表される。
【００４４】
【数１１】
2009033949.tif 000013
【００４５】
実施形態では、必要推力算出手段１００は、位置指令値Ｘcmdを２回微分する加速度演算手段１０１を備えるが、上位装置２より位置指令値Ｘcmdの加速度信号Ａが与えられる場合には、この信号を利用してもよい。
【００４６】
本発明に使用されるパラメータ値としては、スライダ質量Ｍと、モータの推力定数（最大電流に対する発生推力）ｋであるが、これらの値に誤差があっても、振動抑制効果は十分に得られる。
【００４７】
図２は、本発明を適用したリニアパルスモータの加速度，速度，位置に関する特性図である。（イ）は加速度を上げたときの加速度特性、（ロ）は速度特性、（ハ）は位置特性を示す。
【００４８】
従来構成における図７（Ｂ）の（イ），（ロ）で示した加速度を上げたときの加速度特性及び速度特性との比較で明らかなように、加速度信号に重畳する振動は十分に抑制されており、速度信号には振動が発生しない。
【実施例２】
【００４９】
図３は、本発明を適用したリニアパルスモータの他の実施例を示す機能ブロック図である。前記実施例１はスライダ自体の運動のみを考えたものであるが、実際には図３に示すように摩擦力などの外力Ｆｘがリニアパルスモータ１に加わり、スライダの動きに作用する。本実施例では、外力Ｆｘの一例として、スライダの速度に応じて変化する摩擦力を考慮する。図６で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００５０】
従来のリニアパルスモータの基本構成に追加される本発明の構成上の特徴部は、必要推力算出手段１１０及び電気角フィードフォワード量算出手段２００及び補正手段３００を備える点にある。
【００５１】
必要推力算出手段１１０は、上位装置２から入力された位置指令値Ｘcmdを２回微分演算して加速度を算出する加速度演算手段１１１及び算出された加速度とパラメータとして設定されるスライダの質量Ｍを乗算して必要推力Ｆffを算出する乗算手段１１２を備える。
【００５２】
また、必要推力算出手段１１０は、リニアパルスモータ１に加わる外力を推定する外力推定手段１１３が設けられる。外力推定手段１１３は、速度演算手段１１３ａと、外力算出部１１３ｂから構成される。
速度演算手段１１３ａは、位置指令値Ｘcmdを１回微分演算して速度を算出し、算出された速度を外力算出部１１３ｂへ出力する。外力算出部１１３ｂには、あらかじめスライダの速度とスライダに影響する外力を何らかの手段により見積もり、両者を対応づける関数を記憶させておく。外力算出部１１３ｂは、速度演算手段１１３から入力された速度情報に基づいて、リニアパルスモータ１に加わっている外力の推定を行う。なお、外力算出部１１３ｂに記憶させておくのは、スライダの速度と外力を対応づける関数でも良いし、スライダの速度と外力を対応付けるテーブルであってもよい。
乗算手段１１２の出力は、外力算出部１１３ｂで求められた外力で補正され、必要推力Ｆffとして電気角フィードフォワード量算出手段２００へ出力される。
【００５３】
算出された必要推力Ｆffは、次式で表される。右辺の第２項は外力Ｆｘによる影響分である。
【００５４】
【数１２】
2009033949.tif 000014
【００５５】
電気角フィードフォワード量算出手段２００は、算出された必要推力量Ｆffが入力され、電流指令量Ｉcmdとモータ推力定数ｋの積で除したものの逆正弦で与えられる電気角フィードフォワード量を算出する。算出された電気角フィードフォワード量θeffは、次式で表される。
【００５６】
【数１３】
2009033949.tif 000015
【００５７】
補正手段３００は、算出された電気角フィードフォワード量θeffを、モータに与える電気角指令値θeに加算し、補正された加算値θe´をリニアパルスモータ１に出力する。電気角フィードフォワード量θeffを電気角指令値θeに加算することにより、位置指令値から単位変換される電気角指令値と、モータ歯の位置合わせにより定まる機械角θmとの差を持たずとも、必要な推力をスライダに与えることができる。
【００５８】
このようなフィードフォワード補正が実行された結果、発生推力Ｆと電気角θe、機械角θm、フィードフォワード量θeffの関係は、次式で表される。
【００５９】
【数１４】
2009033949.tif 000016
【００６０】
なお、発生推力とスライダ位置Ｘとの関係は、次式で表される。
【００６１】
【数１５】
2009033949.tif 000017
【００６２】
本実施例では、必要推力算出手段１１０は、位置指令値Ｘcmdを２回微分する加速度演算手段１１１および速度を求める速度演算手段１１３ｂを備えるが、上位装置２より位置指令値Ｘcmdの加速度信号Ａまたは速度信号Ｂが与えられる場合には、この信号を利用してもよい。
【００６３】
本発明の演算に必要な値としては、スライダ質量Ｍと、モータの推力定数（最大電流に対する発生推力）ｋ、あらかじめ見積もっておいた速度と外力の関数であるが、これらの値に誤差があっても、振動抑制効果は十分に得られる。
【００６４】
図４は、本発明を適用したリニアパルスモータの加速度，速度，位置に関する特性図である。（イ）は加速度を上げたときの加速度特性、（ロ）は速度特性、（ハ）は位置特性を示す。
【００６５】
従来構成における図８（Ｂ）の（イ），（ロ）で示した加速度を上げたときの加速度特性及び速度特性との比較で明らかなように、加速度信号に重畳する振動は十分に抑制されており、速度信号には振動が発生しない。
【００６６】
本実施例においては、外力Ｆｘの一例として、スライダの速度に応じて変化する摩擦力を考慮した。外力Ｆｘとしては、このような摩擦力に限らず、リニアパルスモータの電気角指令値に依存するものも考えられる。
電気角指令値に依存する外力を考慮する場合には、必要推力算出手段に電気角指令値が入力されるようにする。外力推定手段には、外力推定手段１１３ｂがスライダの速度から外力を推定したのと同様に、電気角指令値から外力を推定するための手段（関数やテーブル）を記憶させておき、電気角指令値に応じた外力を推定する。得られた外力に基づいて必要推力量Ｆｆｆの補正が行われる。
複数の種類の外力の影響を考慮する場合には、式（１４）の右辺に外力の影響を表す項を追加していけばよい。たとえば、スライダの速度に応じて変化する摩擦力（外力Ｆｘとする）と、電気角指令値に依存する外力（外力Ｆｙとする）の両方を考慮する場合には、式（１４）を次式のように変形すればよい。
【００６７】
【数１６】
2009033949.tif 000018
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明を適用したリニアパルスモータの一実施例を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明を適用したリニアパルスモータの加速度，速度，位置に関する特性図である。
【図３】本発明を適用したリニアパルスモータの他の実施例を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明を適用したリニアパルスモータの加速度，速度，位置に関する特性図である。
【図５】従来のリニアパルスモータの一例を示す機能ブロック図である。
【図６】加速度，速度，位置について正常状態及び振動発生状態を比較した特性図である。
【図７】従来のリニアパルスモータの他の一例を示す機能ブロック図である。
【図８】加速度，速度，位置について正常状態及び振動発生状態を比較した特性図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  リニアパルスモータ
２  上位装置
３  電気角変換手段
１００  必要推力算出手段
１０１  加速度演算手段
１０２  乗算手段
１１０  必要推力算出手段
１１１  加速度演算手段
１１２  乗算手段
１１３  外力推定手段
１１３ａ  速度演算手段
１１３ｂ  外力算出部
２００  電気角フィードフォワード量算出手段
３００  補正手段
Ｍ  スライダ質量
【図１】
2009033949.tif 000019
【図２】
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【図３】
2009033949.tif 000021
【図４】
2009033949.tif 000022
【図５】
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【図６】
2009033949.tif 000024
【図７】
2009033949.tif 000025
【図８】
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