JP2015186332A - モータ制御装置、その制御方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】可動範囲が限定される装置にモータが組み込まれた状態でも、メカ負担発生を抑制させながら、往復動作でのＦＮ特性取得を可能とする。
【解決手段】モータ１０２を制御するモータ制御装置１０１は、駆動周波数と駆動方向とを設定してモータ１０２を駆動し、モータ１０２の駆動位置情報及び駆動速度情報を取得して、駆動周波数と駆動速度との関係を示すＦＮ特性データを生成する。ＦＮ特性データを生成する処理において駆動方向が変更される際に減速処理を実行する。これによって、速度変動による過大なメカ負荷発生を抑制することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば超音波モータを制御するのに利用して好適なモータ制御装置、その制御方法及びプログラムに関する。

従来から、印加する電気信号の周波数変動により回転速度を制御するモータとして、超音波モータ（ＵＳＭ）が広く知られている。
しかしながら、ＵＳＭでは、モータ固有の共振周波数が存在し、共振周波数近辺では急峻な速度変化が生じ、また、周波数に対する速度変化がリニアではないといった特性を持っている。さらに、それら特性は、モータ個体によってばらつきが大きい。
上記のような課題を解決するために、予め計測した駆動周波数と駆動速度との関係（ＦＮ特性）に基づいて駆動制御時に補正を行う技術が提案されている（特許文献１、２を参照）。

特開平０６−２６９１８２号公報 特開平０６−１９７５６５号公報

本出願人は、特願２０１２−２５９７９９号において、可動範囲が限定される装置に組み込まれるＵＳＭのＦＮ特性を取得するために、往復動作によりＦＮ特性を取得することを提案している。
しかしながら、往復動作でのＦＮ特性取得において、特に高速度域で方向反転をする際、急激な速度変動によって、ギア等の可動部分及びネジ等により固定された部分に大きなメカ負荷がかかってしまうおそれがある。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、可動範囲が限定される装置にモータが組み込まれた状態でも、メカ負担発生を抑制しながら、往復動作でのＦＮ特性取得を可能とすることを目的とする。

本発明のモータ制御装置は、モータを制御するモータ制御装置であって、駆動周波数及び駆動方向を設定して前記モータを駆動して駆動速度を計測することを、駆動周波数及び駆動方向を変更しながら繰り返して、駆動周波数と駆動速度との関係を示す特性データを取得する手段と、前記特性データを取得する処理において駆動方向の変更に先立って減速処理を実行する手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、可動範囲が限定される装置にモータが組み込まれた状態でも、メカ負担発生を抑制しながら、往復動作でのＦＮ特性取得が可能となる。

第１の実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 駆動信号演算部の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係るモータ制御装置での初期化処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態における往復ＦＮ計測処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態における往復ＦＮ計測処理を示すフローチャートである。 第３の実施形態における往復ＦＮ計測処理を示すフローチャートである。 第４の実施形態における往復ＦＮ計測処理を示すフローチャートである。 第５の実施形態における往復ＦＮ計測処理を示すフローチャートである。 ＦＮ特性データの例を示す図である。 第４の実施形態におけるＦＮ計測用駆動周波数・駆動方向データの例を示す図である。 第５の実施形態におけるＦＮ計測用駆動周波数・駆動方向データの例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るモータ制御装置１０１の構成を示すブロック図である。
モータ制御装置１０１は、入力されたエンコーダ信号から、モータ１０２の駆動位置及び駆動速度の計測、ＦＮ特性の計測を行い、サーボ演算、駆動信号演算により駆動信号を生成してモータ１０２を駆動制御する。

エンコーダ処理部１０３は、エンコーダ１０８で得られた２相のエンコーダ信号１からモータ１０２の駆動位置情報及び駆動速度情報（駆動位置・速度情報２）を計測、保存する。
サーボ演算部１０４は、上位の制御手段から位置あるいは速度の目標指令値３が与えられ、その目標指令値３とエンコーダ処理部１０３で計測された駆動位置・速度情報２とを用いて、制御指令値４を決定するために内部演算を行う。制御指令値４には、駆動速度制御情報と駆動方向制御情報とが含まれる。
ＦＮ計測処理部１０７は、モータ１０２の駆動周波数と、エンコーダ処理部１０３で計測された駆動位置・速度情報２との関係からＦＮ特性データ５を生成する。また、ＦＮ計測処理時は、駆動信号生成部１０６に駆動条件（ＦＮ取得駆動周波数・位相差９）を出力する。

駆動信号演算部１０５は、図２に示すように、速度周波数変換部１０５１（ＦＮ補正部）と、位相変換部１０５２とを備える。速度周波数変換部１０５１は、制御指令値４に含まれる駆動速度制御情報をＦＮ補正して駆動周波数を算出する。また、位相変換部１０５２は、制御指令値４に含まれる駆動方向制御情報から位相差を算出する。これにより、駆動条件（駆動周波数・位相差６）を決定する。
駆動信号生成部１０６は、駆動信号演算部１０５で決定した駆動条件、あるいはＦＮ計測処理部１０７から与えられる駆動条件により、モータドライバ１０９の仕様に合わせた駆動信号７を生成する。

モータドライバ１０９は、駆動信号生成部１０６で生成した駆動信号７から２相のモータ駆動信号８を生成し、モータ１０２に出力する。モータ駆動信号８は、駆動信号生成部１０６に入力される駆動条件である、周波数及び位相差を有する２相の電圧信号である。
駆動対象物のモータ１０２は、ＵＳＭであり、可動範囲が限定される装置、例えば生産用ロボットの指部分や腕部分に組み込まれている。モータ１０２は、モータ駆動信号８の周波数及び位相差に応じた駆動トルクが発生し、任意の駆動方向及び駆動速度で回転運動あるいは直線運動する。
エンコーダ１０８は、モータ１０２の回転量・移動量に応じて２相のパルス信号あるいは正弦波状の電気信号を出力する。

図３は、第１の実施形態に係るモータ制御装置１０１での初期化処理の流れを示すフローチャートである。初期化処理は、装置の起動時（電源ＯＮ時等）、又はユーザの指示により装置の基準位置を決定するために行われる処理である。
通常、初期化処理が実行される場合、ステップＳ３０２の基準位置への移動処理を実行して終了するが、本実施形態では、ステップＳ３０２の処理を行う前に、ステップＳ３０１の往復ＦＮ計測処理を実施する。
ステップＳ３０１の往復ＦＮ計測処理は、ＦＮ計測処理部１０７において実行される。往復ＦＮ計測処理は、ＦＮ計測処理部１０７で所定の駆動周波数を決定し、その際、好適な駆動信号の位相差、すなわち回転方向を制御することで、可動範囲が限定される装置においても可動限界位置（メカ端）への接触を起こさずにＦＮ特性データを取得することが可能になる。
その後、駆動信号生成部１０６で駆動信号７を生成することで、モータドライバ１０９を経由してモータ１０２を駆動する。モータ１０２の駆動によりエンコーダ１０８がモータ１０２の駆動位置情報及び駆動速度情報を２相信号として出力する。出力された２相信号は、エンコーダ信号１としてモータ制御装置１０１に入力される。
モータ制御装置１０１に入力されたエンコーダ信号１は、エンコーダ処理部１０３でモータ１０２の駆動位置情報及び駆動速度情報として計測、保存される。エンコーダ処理部１０３で計測されたモータ１０２の駆動位置情報及び駆動速度情報は、ＦＮ計測処理部１０７に入力される。ＦＮ計測処理部１０７では、駆動指示を行うために設定した駆動周波数と、入力されたモータ１０２の駆動位置情報及び駆動速度情報をＦＮ特性データ（補正データ）として取得する。駆動信号演算部１０５で、このＦＮ特性データを用いることで、モータ個別の特性ばらつき補正が可能となる。

（ＦＮ補正）
図９に、ＦＮ計測処理部１０７で取得されたＦＮ特性データの例を示す。ＦＮ９０１、ＦＮ９０２は、それぞれ別のモータのＦＮ特性を示している。このようにＵＳＭにはモータ個別の特性ばらつきが存在し、また、経時変化や環境変化の影響によってもこのＦＮ特性が変化する。
サーボ演算部１０４から制御指令値４が与えられると、駆動信号演算部１０５は、速度周波数変換部１０５１に保存されるＦＮ特性データを参照して駆動周波数を決定する。図９に示すように、制御指令値４に含まれる目標速度（駆動速度制御情報）がｖｔである場合、駆動周波数はＦＮ９０１の場合はｆｄ１、ＦＮ９０２の場合はｆｄ２となる。速度周波数変換部１０５１内に保存されるＦＮ特性データの形式は、ルックアップテーブル又は速度指令値を入力とする演算式となる。
上記のようにして、サーボ演算部１０４から与えられる目標速度と実際のモータ駆動速度とを等しくするために、適切な駆動周波数を決定することがＦＮ補正である。

（ＦＮ特性データの取得方法）
図４は、第１の実施形態における往復ＦＮ計測処理（図３のステップＳ３０１）を示すフローチャートである。往復ＦＮ計測処理によるＦＮ特性データの取得は、モータ１０２を低回転から徐々に高速回転させて、図９に示すように、駆動周波数に対する駆動速度をプロットする。

ステップＳ４０１で、ＦＮ取得開始位置へ移動する。モータ１０２の動きは、この開始位置を中心とした往復動作となるため、開始位置は可動範囲の中心付近とするのが望ましい。
ステップＳ４０２で、ＦＮ取得の初期駆動条件として駆動周波数と駆動方向とを設定する。ここで設定される駆動周波数は、モータの個体差、材料の特性等から若干変動するが、モータ１０２がほとんど回転しない任意の値に設定する必要がある。また、駆動方向は、ＣＷ、ＣＣＷ方向のどちらでもかまわない。

ステップＳ４０３で、ステップＳ４０２及びステップＳ４０７、Ｓ４０８で設定された駆動条件で所定時間（Ｔ１）の駆動指示を行う。
ステップＳ４０４で、モータ１０２の駆動速度の計測及び保存処理を行う。
ステップ４０５で、次回方向反転に先立って減速処理を実行することにより、モータ１０２の速度をゼロにする。この減速処理は、速度指令値をゼロとしてサーボ制御に切り替えてもよいし、ＦＮ計測処理部１０７において減速駆動するための駆動周波数を生成してもよい。いずれにしても、減速処理は、ＦＮ計測中の速度から駆動方向反転、すなわち速度がゼロになるまでの間の速度変動を小さくし、急激な速度変動を抑制することを目的としている。これによって、速度変動による過大なメカ負荷発生を抑制することが可能となる。この減速処理中のモータ１０２の駆動速度の計測・保存処理を行わない。

ステップＳ４０６で、ステップＳ４０４で計測したモータ１０２の駆動速度が処理終了の閾値となる所定値を超えたか否かを判定する。所定値を超えた場合、ステップＳ４１０で、最後に指定した周波数を上限周波数として保存して処理を終了する。
所定値を超えていない場合、ステップＳ４０７で、駆動周波数から所定の更新周波数を減算し、次回駆動周波数として設定する。更新周波数は、小さくすると細かいプロットでＦＮ特性データが取得できるが、処理時間が多くかかるため、製品のユースケースに応じて任意に設定値を決定する必要がある。
ステップＳ４０８で、駆動方向を反転する。ステップＳ４０８の処理１回目はステップＳ４０２で設定された駆動方向とは逆方向の駆動方向に設定し、以降は前回ステップＳ４０８で設定された駆動方向と逆方向に駆動方向を設定する。
ステップＳ４０９で、駆動周波数が終了周波数を超えたか否かを判定する。終了周波数を超えている場合、エラー終了し、超えていない場合、ステップＳ４０３からの処理を繰り返し実行する。

以上述べたように、可動範囲が限定される装置にＵＳＭが組み込まれた状態でも、メカ負担発生を抑制しながら、ＦＮ特性データの取得が可能になるので、モータ単体での計測データの保持が不要になり、装置製造工程、及び出荷後のサービス性が向上する。
また、装置に組み込んだ状態でのＦＮ特性データの取得が可能であるため、待機状態でＦＮ特性データの再取得が可能になり、環境変化等の動的なＦＮ特性のズレへの対応が可能になる。
さらには、ＦＮデータ取得時の駆動周波数と駆動方向を好適に選択することによって、ＦＮデータ取得の時間短縮が可能となり、生産性向上につながる。
以上により、精密な可動部を有し、その可動範囲は限定されるものであり、また、装置として比較的高速な起動・再起動による高生産性が求められる生産ライン組立用ロボットの可動部各部に好適なＵＳＭ制御装置を提供できる。

なお、更新周波数は一定値でなくてもよい。高駆動周波数の場合の速度変化は小さいために、更新周波数は大きく、低駆動周波数の場合の速度変化は大きいために、更新周波数は小さくしてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態とＦＮ特性データの取得方法を変更した例である。モータ制御装置１０１の構成及び基本的な処理動作は第１の実施形態と同様であり、以下では第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
図５は、第２の実施形態における往復ＦＮ計測処理（図３のステップＳ３０１）を示すフローチャートである。本処理は、図４で説明した処理において、ステップＳ４０３の処理をステップＳ５０１の処理に変更したものである。それ以外の処理については同様であり、ここでは図４との相違点のみを説明する。
ステップＳ４０３では、所定時間（Ｔ１）の駆動指示で駆動を開始するのに対して、ステップＳ５０１では、所定距離（Ｘ１）の駆動指示で駆動を開始する。駆動距離（移動距離）を設定することによって、より確実に、可動範囲内（メカ端に当たるまで）でのＦＮ特性データの取得が可能になる。

ここで、ステップＳ４０１では、第１の実施形態と同様にＦＮ取得の開始位置へ移動するが、第２の実施形態におけるモータ１０２の動きは、この開始位置を折り返し点とする距離Ｘ１の往復動作となる。そのため、装置の可動範囲を有効に利用するためには、開始位置は可動範囲の限界付近とするのが望ましい。ただし、その際にはステップＳ４０２で設定される初期駆動条件の駆動方向は、必ず可動範囲限界に達しない方向に設定しなければならない（開始位置から遠い方の可動範囲限界方向に設定しなければならない）。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１の実施形態とＦＮ特性データの取得方法を変更した例である。モータ制御装置１０１の構成及び基本的な処理動作は第１の実施形態と同様であり、以下では第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
図６は、第３の実施形態における往復ＦＮ計測処理（図３のステップＳ３０１）を示すフローチャートである。図４、図５のフローチャートでは、駆動方向を反転しながら実行している。本処理では、所定位置までモータ１０２が移動する間は、駆動周波数を更新するとともに同方向の駆動を繰り返し実行することである。ここでも図４との相違点のみを説明する。

ステップＳ４０３で設定された駆動条件での駆動を開始し、ステップＳ４０４でモータ１０２の駆動速度の計測及び保存処理を終了した後に、ステップＳ６０１で、移動距離が所定値Ｘ２を超えたか否かを判定する。所定値Ｘ２を超えている場合、ステップＳ４０５の減速処理とステップＳ４０８の駆動方向反転の処理とを実行し、ステップＳ４０６に進む。ここで、判定の閾値として使用される所定値Ｘ２は、可動範囲内の任意の値が設定される。所定値Ｘ２を超えていない場合、ステップＳ４０５の減速処理とステップＳ４０８の駆動方向反転の処理とを省略し、ステップＳ４０６に進む。

ここで、ステップＳ４０１では、第１、第２の実施形態と同様にＦＮ取得の開始位置へ移動するが、第３の実施形態におけるモータ１０２の動きは、この開始位置を折り返し点とする所定値Ｘ２の往復動作となる。そのため、装置の可動範囲を有効に利用するためには、開始位置は可動範囲の限界付近とするのが望ましい。ただし、その際にはステップＳ４０２で設定される初期駆動条件の駆動方向は、必ず可動範囲限界に達しない方向に設定しなければならない（開始位置から遠い方の可動範囲限界方向に設定しなければならない）。
なお、ステップＳ６０１では移動距離と所定値Ｘ２で方向反転の有無を決定しているが、これは現在位置と所定範囲でもよい。ただし、この所定範囲は可動範囲内の任意の範囲である。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を説明する。モータ制御装置１０１の構成及び基本的な処理動作は第１の実施形態と同様であり、以下では第１の実施形態との相違点となるＦＮ計測処理と、その中で実行される減速処理とについて説明する。
図７は、第４の実施形態における往復ＦＮ計測処理（図３のステップＳ３０１）を示すフローチャートである。
ステップＳ７０１で、駆動周波数及び駆動方向を、予め用意されるテーブルデータ（ＦＮ計測用駆動周波数・駆動方向データ７０９）から読み出す。このテーブルデータの例として、図１０（ａ）に駆動周波数データを、図１０（ｂ）に駆動方向データを示す。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）と図１０（ｂ）の駆動条件で駆動した場合のモータ１０２の回転速度を示している。
図１０（ａ）に示すように、テーブルデータは徐々に速度が増していく駆動周波数の単純減少ではなく、低速駆動になる高駆動周波数と、高速駆動になる低駆動周波数を交互配置される。駆動方向は、装置の可動範囲限界を超えないように設定され、また、駆動方向反転時は低速駆動になる高駆動周波数が配置されることを特徴とする。第４の実施形態では、このときの低速駆動が減速処理も兼ねる動作となる。

ステップＳ７０２で、ステップＳ７０１で読み出された駆動方向を検出し、駆動方向が反転したか否かを判定する。駆動方向が反転した場合、ステップ７０３の減速処理が実行される。方向反転時は、上述のように低速駆動が行われており、速度ゼロへ移行する際の速度差が小さく、減速処理期間の時間が短縮、結果ＦＮ計測処理時間短縮を可能とする。また、高駆動周波数と低駆動周波数の配置を図１０（ａ）のように好適に配置することで、往復回数を軽減することによるＦＮ計測処理時間の短縮効果も得られる。

ステップＳ７０４で、ステップＳ７０１で設定された駆動条件で所定時間（Ｔ１）の駆動指示を行う。
ステップＳ７０５で、モータ１０２の駆動速度の計測及び保存処理を行う。
ステップＳ７０６で、テーブルデータの読み出し状況を確認し、最終データまで読み出されていれば、ＦＮ計測処理を終了し、読み出されていなければ、ステップＳ７０１からの処理を繰り返し実行する。

以上のように好適なＦＮ計測用駆動周波数・駆動方向のテーブルデータを用いることにより、ＦＮ計測しつつ駆動方向反転時の急激な速度変動を抑制することが可能となる。これによって、速度変動による過大なメカ負荷発生を抑制することと、ＦＮ計測時間の短縮を両立することが可能となる。
なお、第４の実施形態では速度の制限や位置の制限を記載していないが、それらは第１の実施形態と同様に実施されてもよい。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、第４の実施形態とＦＮ特性データの取得方法を変更した例であり、以下では第４の実施形態との相違点を中心に説明する。
図８は、第５の実施形態における往復ＦＮ計測処理（図３のステップＳ３０１）を示すフローチャートである。テーブルデータであるＦＮ計測用駆動周波数・駆動方向データ８０１が第４の実施形態とは異なり、ステップＳ７０２とステップＳ７０３とが省略されたものであり、それ以外の処理は同じである。
テーブルデータの例として、図１１（ａ）に駆動周波数データを、図１１（ｂ）に駆動方向データを示す。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）と図１１（ｂ）の駆動条件で駆動した場合のモータ１０２の回転速度を示している。
第５の実施形態では、ステップＳ７０１で読み出されるテーブルデータに含まれる駆動方向反転時に配置された高駆動周波数での低速駆動が減速処理を担う。そのため、図７のステップＳ７０３のように特別に減速処理を実行しない。さらに、図１１（ａ）のテーブルデータ例では、方向反転時に、速度がゼロになる駆動周波数を配置しており、方向反転時の速度変化をより小さくしている。
第５の実施形態では、これまでに述べてきたように過大なメカ負荷発生を抑制するとともに、ＦＮ計測時間のさらなる短縮、さらには減速処理省略による処理回路の簡素化も実現できる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。
例えばＦＮ特性データは速度周波数変換部１０５１に保存されてもよいし、ＦＮ計測処理部１０７に保存、あるいは両方に保存されてもよい。ＦＮ計測処理部１０７に保存される場合、速度周波数変換部１０５１は、制御指令値４の駆動速度制御情報をもとにＦＮ計測処理部１０７を参照し駆動周波数を取得する。

（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１０１：モータ制御装置、１０２：モータ、１０３：エンコーダ処理部、１０４：サーボ演算部、１０５：駆動信号演算部、１０６：駆動信号生成部、１０７：ＦＮ計測処理部、１０８：エンコーダ、１０９：モータドライバ、１０５１：速度周波数変換部（ＦＮ補正部）、１０５２：位相変換部

Claims (6)

1. モータを制御するモータ制御装置であって、
   駆動周波数及び駆動方向を設定して前記モータを駆動して駆動速度を計測することを、駆動周波数及び駆動方向を変更しながら繰り返して、駆動周波数と駆動速度との関係を示す特性データを取得する手段と、
   前記特性データを取得する処理において駆動方向の変更に先立って減速処理を実行する手段とを備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記減速処理を実行する手段は、現在設定されている駆動周波数及び駆動方向で前記モータを駆動して駆動速度を計測した後に減速処理を実行することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記特性データを取得する処理で使用する駆動周波数及び駆動方向の組み合わせが予め用意されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記駆動周波数及び駆動方向の組み合わせにおいて設定された駆動周波数により減速処理が実行されることを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. モータを制御するモータ制御装置を制御するモータ制御装置の制御方法であって、
   駆動周波数及び駆動方向を設定して前記モータを駆動して駆動速度を計測することを、駆動周波数及び駆動方向を変更しながら繰り返して、駆動周波数と駆動速度との関係を示す特性データを取得するステップを有し、
   前記特性データを取得する処理において駆動方向の変更に先立って減速処理を実行することを特徴とするモータ制御装置の制御方法。
6. モータを制御するモータ制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
   駆動周波数及び駆動方向を設定して前記モータを駆動して駆動速度を計測することを、駆動周波数及び駆動方向を変更しながら繰り返して、駆動周波数と駆動速度との関係を示す特性データを取得する手段と、
   前記特性データを取得する処理において駆動方向の変更に先立って減速処理を実行する手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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