JP2011217598A - サーボモータを制御するためのフィードバック装置及びフィードバック方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転速度の測定精度を上げる。
【解決手段】少なくとも１つの回転角度センサ３．２及び回転速度センサ３．１を含む、モータ制御のフィードバックシステムであって、回転角度センサがコンピュータ２に回転角度測定値φを供給し、回転速度センサがコンピュータに回転速度測定値ωを供給し、回転速度測定値ωが積分されて参照回転角度が形成され、参照回転角度が回転角度測定値φと比較されて回転角度補正値が計算され、回転角度測定値φが校正され、コンピュータ２が制御の目的で実回転角度値及び／又は実回転速度値を与え、高回転速度では、実回転速度値が校正済み回転角度測定値であり、かつ、低回転速度では、実回転速度値が、積分済み回転速度測定値に応じて補間された回転角度測定値であり、高回転速度では、実回転速度値が、時間に関して微分された校正済み回転角度測定値であり、低回転速度では、実回転速度値が回転速度測定値である。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータを制御するためのフィードバック装置及びフィードバック方法に関する。

電気サーボモータを制御するためにフィードバックシステムが使用される。このシステムは、速度及び角度位置を制御するために必要な実データを与えるというタスクを実行する。

既知のフィードバックシステムは、回転角度センサ（エンコーダ）を使用して、アブソリュート又はインクリメンタル方式にて角度位置を測定する。現在使用されている回転角度センサは目盛を有し、目盛が、光学的に、磁気的に、誘導的に、又は容量的に走査される。各走査により正弦信号及び余弦信号が作られ、これらの信号が目盛の補間を可能にする。この種類の回転角度センサでは、１回転あたり１０２４又は２０４８周期を有する目盛が通例である。補間は１周期あたり１４ビットまで可能である。その結果、このような回転角度センサの角度分解能は１回転あたり２５ビットまでとなる。

このような高分解能で測定する回転角度センサの精度は、目盛の正確さに依存する。サーボモータの回転速度を制御するために、回転角度測定値間の差を求めることにより実回転速度が求められる。従って、目盛の微積分直線性に誤差があると、フィードバックシステムによりもたらされる実回転速度値の誤差の程度が増大する。このことは、特にコントローラが高準拠レベルで調節される場合、即ちコントローラが実値の変化に対して極めて敏速に反応する場合に不利となり得る。サーボモータ自体は設定回転速度で動作していても、回転角度測定値の非直線性によりシミュレートされる回転速度の見かけ上の変動がサーボモータの加速及び減速により補正され、特に比較的大きな質量が駆動される場合に相当のエネルギー損失を起こし得る。従来の回転角度センサでは、目盛の微積分直線性を改善することでしかこの欠点を軽減することができないが、これにより目盛の精算費用は相当増加する。

この種類の回転角度センサを使用する最新式のフィードバックシステムは、毎分約１２，０００回転（ｒｐｍ）までの回転速度において確実に作動する。低めの回転速度範囲、例えば＜５ｒｐｍの回転速度では、角度位置値間の差を求めることにより実回転速度を求めることは不正確になる。なぜなら、目盛周期の補間の角度分解能が小さくなるからである。

更に、回転体の回転速度を測定するために回転速度センサを使用することが知られている。このような回転速度センサは、好ましくは、光ジャイロスコープ、例えば光ファイバジャイロスコープ（光ファイバジャイロ）又はリングレーザ（リングレーザジャイロ）として具体化されている。この種類の光ジャイロスコープでは、回転速度を求めるために、回転方向に走行するレーザビームと、回転方向に逆行するレーザビームとの間の時間遅延の差が使用される。例えばEP 585 954 B1に記載されているように、２つのレーザビームが干渉内に設置され、干渉パターンの変位が回転速度の測定値を与える。この種類の回転速度センサ、特に光ジャイロスコープは極めて正確な回転速度の測定を可能にする。例えば、＜１０^−３ｒｐｍの分解能で回転速度を測定することができる。回転速度測定値を時間で積分することにより、回転角度位置は相応の精度で求めることができる。

光ジャイロスコープに関する１つの問題は、その測定値が、ジャイロスコープの設置されている慣性系に依存するということである。このため、回転速度測定値は地球の自転の影響を常に受け、多くの用途においてジャイロスコープの設置されている機械又は装置の起こり得る回転の影響をも受け得る。回転速度測定値を求める際、これらの要因は補正されなければならない。更なる問題は、このようなジャイロスコープが相当のドリフトを頻繁に有するということである。

光学干渉縞パターンの変位から、換言すれば光強度の変化から回転速度を測定することは、高めの回転速度での測定を困難にする。従って、このような光ジャイロスコープの測定範囲は最大で約１００ｒｐｍに限定される。

EP 585 954 B1

本発明により対処される上記問題は、制御範囲を改善し拡大する、サーボモータを制御するためのフィードバックシステム、即ち、フィードバック装置及び／又はフィードバック方法を提供するという問題である。

この問題は、本発明によれば、特許請求項１の特徴を有するフィードバック装置、及び／又は、特許請求項７の特徴を有するフィードバック方法によって解決される。

従属請求項には、本発明の有利な実施形態が明記されている。

本発明に係るフィードバックシステムの概略図。

本発明は、電気サーボモータの回転角度位置及び／又は回転速度を制御するためのフィードバックシステムを提供する。フィードバックシステムは実値を生成し、実値がサーボモータコントローラに供給される。フィードバックシステムとサーボモータコントローラとの間のインタフェースの態様に応じて、実値は回転速度データ又は回転角度データとして与えることができる。回転角度データが送信される場合、回転角度データがコントローラ内で時間に関して微分されることで回転速度データを得ることができる。

図１に概略的に示されているように、フィードバックシステムはフィードバック装置１を有し、フィードバック装置１は電子コンピュータ２を含む。フィードバック装置１は、更に、少なくとも１つの回転速度センサ３．１と、１つの回転角度センサ３．２と有する。回転速度センサ３．１は、コンピュータ２に回転速度測定値ωを供給する。回転角度センサ３．２は、コンピュータ２に回転角度測定値φを供給する。

回転速度センサ３．１は、好ましくは、光ジャイロスコープ、例えば光ファイバジャイロスコープ又はリングレーザとして具体化される。光ファイバジャイロスコープが、その高分解能及び測定精度、頑丈さ、コンパクトさ、軽量構造、設置の容易さ、耐用年数の長さ、及び保守要件の低さから好ましい。回転速度センサ３．１は、高い回転速度分解能（例えば約１０^−３ｒｐｍとすることも可能）にて回転速度測定値ωを供給する。回転速度センサ３．１が確実に作動することのできる測定範囲は、０ｒｐｍから最大で約１００ｒｐｍの間にある。

回転角度センサ３．２は、好ましくは、周期的目盛を備えたトルクエンコーダである。目盛は、約１０２４又は２０４８周期を有することができる。目盛の走査により、１周期あたり１つの正弦信号及び１つの余弦信号が与えられる。正弦信号及び余弦信号は各々、１周期あたり１４ビットまでの分解能にて補間することができる。その結果、１回転あたり２４〜２５ビットの分解能を有する回転角度測定値φがコンピュータ２に供給される。

コンピュータ２は、サーボモータコントローラの実値を次のように生成する。例えば５ｒｐｍ未満の低回転速度では、回転速度測定値ωが時間で積分されて参照回転角度が求められる。この参照回転角度は、光ジャイロスコープの高分解能及び正確さを有する。回転角度センサ３．２により測定された回転角度値φがコンピュータ２において参照回転角度と比較されて回転角度補正値が求められ、回転角度補正値はコンピュータ２に保存される。回転角度補正値は、回転角度センサ３．２により供給された回転角度測定値φを校正するために使用される。

回転速度測定値ωを時間で積分して回転角度を求めることは、コンピュータ２で使用されるアルゴリズムの基礎数学原理である。もっとも、本発明の範囲内で付加的な補正（純積分からの潜在的偏差を考慮）を行うこともできる。

例えば、コンピュータ２は、回転角度校正値φ_ｃを実値として与えることができる。この回転角度校正値φ_ｃは回転角度センサ３．２からの回転角度測定値φに対応するが、補正値を使用した校正の結果として、回転角度センサ３．２の微積分直線性誤差が減ぜられている。従って、実値φ_ｃの回転角度データは、光ジャイロスコープからの積分済み回転速度測定値ωの精度に対応する直線性を有する。

約５〜１０ｒｐｍを上回る高回転速度では、回転角度校正値φ_ｃが制御の目的で実値として使用される。この回転角度校正値φ_ｃは、角度位置を制御するために、実値として直接使用され、又、回転速度を制御するために、回転速度校正値ω_ｃを得るべく時間に関して微分される。

約５〜１０ｒｐｍを下回る低回転速度では、回転速度センサ３．１により測定された回転速度値ωが、回転速度を制御する目的で、実回転速度として与えられる。更に、この低回転速度では、回転速度センサ３．１からの回転速度測定値ωが時間で積分され、回転角度測定値φの目盛周期を補間するために使用される。従って、この低回転速度では、回転速度センサ３．１の高分解能を有する実回転角度値も与えることができる。この場合、回転角度測定値φの目盛周期を補間するためにのみ回転速度測定値が使用されるため、回転速度センサ３．１の回転慣性系やドリフトに基づくオフセットは無視することができる。

好ましくは、低回転速度にて回転速度センサ３．１からの回転速度測定値ωを処理することから、高回転速度にて回転角度センサ３．２からの回転角度測定値φを処理することへの移行がコンピュータ２内で連続的に行われる。コンピュータ２内の移行領域において、回転速度測定値ωは回転角度測定値φと均衡しており、測定範囲の連続的な調節を確実にする。

当然ながら、コンピュータ２内で付加的なパラメータを考慮することもできる。例えば、角加速度センサ３．３がコンピュータ２に加速度測定値αを供給することもできる。この種類の加速度センサ３．３は、任意で、回転速度センサ３．１の代わりに使用することもできる。その場合、回転速度を求めるために角加速度測定値αを時間で積分することが必要である。更に、例えば、温度センサ３．ｎがコンピュータ２に温度測定値θを付加的なパラメータとして供給することができる。サーボモータのパラメータ、例えばそのトルク及び出力をコンピュータ２内で処理することもできる。

本発明によるフィードバックシステムは、回転速度センサによる校正を使用して微積分直線性を改善し、回転速度範囲全体において回転速度を制御する。

角度位置については、回転角度センサ３．２の分解能を有する回転角度校正値が与えられ、校正を通して回転角度値の正確さが改善される。

低回転速度では、回転速度センサ３．１からの極めて正確な回転速度測定値が実回転速度値として与えられる。

また、この低回転速度範囲内では、実回転角度値が与えられ、実回転角度値の分解能が回転速度センサの正確さにより求められる。

従って、本発明は、特に高回転速度でのサーボモータの制御の改善を可能にする。目盛の正確さを改善する必要なしに、回転速度測定値の直線性が改善される。これにより、コントローラは、より高い準拠レベルで作動することが可能となる。本発明によるフィードバックシステムは、低めの回転速度を含む制御の調節範囲をも拡大する。

Claims (7)

1. サーボモータを制御するためのフィードバック装置であって、
   少なくとも１つの回転角度センサ（３．２）と、少なくとも１つの回転速度センサ（３．１）とを含み、
   前記回転角度センサ（３．２）がコンピュータ（２）に回転角度測定値（φ）を供給し、
   前記回転速度センサ（３．２）が前記コンピュータ（２）に回転速度測定値（ω）を供給し、
   前記コンピュータ（２）において、前記回転速度測定値（ω）が積分されて参照回転角度が形成され、
   前記参照回転角度が前記回転角度測定値（φ）と比較されて回転角度補正値が計算され、
   前記回転角度補正値を用いて前記回転角度測定値（φ）が校正され、
   前記コンピュータ（２）が制御の目的で実回転角度値及び／又は実回転速度値を与え、
   高回転速度では、前記実回転速度値が前記校正済み回転角度測定値であり、かつ、低回転速度では、前記実回転速度値が、前記積分済み回転速度測定値に応じて補間された前記回転角度測定値であり、
   高回転速度では、前記実回転速度値が、時間に関して微分された前記校正済み回転角度測定値であり、かつ、低回転速度では、前記実回転速度値が前記回転速度測定値である、
   フィードバック装置。
2. 請求項１に記載のフィードバック装置であって、前記回転速度センサ（３．１）が光ジャイロスコープである、フィードバック装置。
3. 請求項２に記載のフィードバック装置であって、前記光ジャイロスコープが光ファイバジャイロスコープである、フィードバック装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィードバック装置であって、前記回転角度センサ（３．２）が周期的目盛を有し、該周期的目盛が走査されて正弦信号及び余弦信号が生成され、該信号が補間されて角度分解能が得られる、フィードバック装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のフィードバック装置であって、角加速度センサ（３．３）が付加的に又は任意で設けられ、該角加速度センサ（３．３）が前記コンピュータ（２）に角加速度測定値（α）を供給する、フィードバック装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のフィードバック装置であって、温度センサ（３．ｎ）が付加的に設けられ、該温度センサ（３．ｎ）が前記コンピュータ（２）に温度測定値（θ）を供給する、フィードバック装置。
7. サーボモータを制御するためのフィードバック方法であって、
   少なくとも１つの回転角度測定値及び少なくとも１つの回転速度測定値が測定され、
   前記回転速度測定値が時間で積分され、
   前記時間積分済み測定値が前記回転角度測定値と比較されて、都度、回転角度補正値が計算され、
   前記回転角度補正値に基づいて前記回転角度測定値が補正され、
   前記サーボモータを制御するために実回転角度値及び／又は実回転速度値が与えられ、
   高回転速度では、前記実回転角度値が前記補正済み回転角度測定値であり、かつ、低回転速度では、前記実回転角度値が前記積分済み回転速度測定値であり、
   高回転速度では、前記実回転速度値が、時間に関して微分された前記補正済み回転角度測定値であり、低速度では、前記実回転速度値が前記回転速度測定値である、
   フィードバック方法。

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