JP6074614B2

JP6074614B2 - 同期駆動装置

Info

Publication number: JP6074614B2
Application number: JP2012174643A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　健一; 健一鈴木
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: JP2014036449A

Description

本発明は、一つの物体を複数のモータを用いて同一方向に駆動する同期駆動装置における周波数特性の測定に関する。

一つの物体を複数のモータを用いて同一方向に駆動する同期駆動装置は、モータが一つでは力の作用線が重心を通らず物体に回転モーメントが生じる場合や、一つのモータでは駆動力が不足する場合などによく用いられる。

例えば、ヘッドを駆動するＸ軸がＹ軸で駆動されるＸ−Ｙテーブルの場合、Ｘ軸は片持ち構造となり、Ｙ軸駆動時にＸ軸の重心回りの回転モーメントが発生するため、Ｘ軸の支持構造に起因する弾性が共振現象を引き起こす。このときＸ軸の両端を２軸のＹ１・Ｙ２軸で同期駆動する、いわゆるガントリー構成とすることで、Ｘ軸を重心回りの回転なしで並行移動させることができる。また駆動力を稼ぐ例としては、液晶パネルや半導体ウェハなどの重量物を搬送する走行台車で、車輪を駆動するモータが一つではトルクが不足する場合に、２輪駆動や４輪駆動などとする例が挙げられる。

昨今これらを駆動するモータにはサーボモータが用いられており、これらモータを駆動するモータ駆動装置の調整においては、同期駆動対象の周波数特性を知ることが、高速・高精度な制御のために重要となる。

この周波数特性の測定方法としては、例えば特許文献１のように、掃引正弦波指令を制御器（モータ駆動装置）に入力し、電動機（モータ）の出力を検出器で観測し、これら入出力を信号処理器で解析し、負荷の周波数特性の代表的な値である共振周波数を得る方法や、特許文献２のように、複数の電動機を備えた装置の場合に、少なくとも一つの制御器に指令を与えて、複数軸の電動機出力を観測した結果から、機械の共振周波数を得る方法がある。

特開２００３−１３４８６８号公報特開２００４−２１５４５５号公報

しかしこれらの周波数特性測定方法を同期駆動装置に適用するにあたっては、以下の課題が生じる。

まず特許文献１の一つのモータに対する周波数特性測定方法を、同期駆動装置にそのまま適用すると、例えば前記Ｘ−Ｙテーブルの場合、Ｘ軸の重心回りの回転モーメントによる共振現象が、Ｙ１軸またはＹ２軸の周波数特性にあらわれてしまう。

また特許文献２の方式を同期駆動方式の装置に適用する場合、まず周波数特性測定時にも複数軸間の完全な同期性が保たれていることが、暗黙の前提となる。しかし同期駆動時と異なる指令の与え方や、制御方式で実行される周波数特性測定では、各軸間が非同期であったり、各軸個別にしか起動できなかったりする場合が多い。指令入力に複数軸間のずれがあると、遅延時間の逆数の１／２倍、３／２倍、…、（２ｎ−１）／２倍（ｎは正の
整数）の周波数で応答出力が打ち消しあう偽のノッチ特性が表れ、同期駆動時の正しい周波数特性を得ることはできない。さらに特許文献２では、さまざまな指令入力手段と、さまざまな応答出力の組み合わせ手段で、さまざまな共振周波数の結果が得られるが、実際の同期駆動時と一致する特性がどれかは特定できない。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、同期駆動装置において、個々の測定が非同期の場合でも、実際に同期駆動した場合の周波数特性を、正しく測定する手段を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の同期駆動装置は、物体の重心回りの回転モーメントが０となる複数のモータ駆動装置への非回転指令入力を事前計算する非回転指令生成器と、周波数特性測定時に前記非回転指令入力をモータ駆動装置に対し一度に一つずつ与える指令発生器と、前記非回転指令入力に対するモータの応答出力を、一つずつ個別に記憶する応答記憶器を備え、測定完了後に記憶された、非回転指令入力と非回転指令入力に対する応答出力との間の遅延時間を補正して補正後出力を得る出力補正器と、モータ毎に複数の補正後出力を加算し、これと前記モータを直接駆動するモータ駆動装置への指令入力から、周波数応答特性を算出する周波数解析器を備える。

また請求項２に記載の同期駆動装置は、前記非回転指令入力として、同一の平均値０のＭ系列信号を基準指令とし、振幅だけを複数のモータ駆動装置で変えて、重心回りの回転モーメントが０となるようにすることを特徴とする。

また請求項３に記載の同期駆動装置は、前記出力補正器は、個別に記憶された応答出力に対し、同じ非回転指令入力に対する応答出力間で相互相関関数を求め、その最大または最小値から応答出力の遅延時間を判定し、応答出力を補正することを特徴とする。

請求項１に記載の同期駆動装置によれば、同期駆動対象を回転させない非回転指令入力を用いることで、指令入力をモータ駆動装置に対し一度に一つずつ与えた場合のモータ応答出力にあらわれる、回転モーメントによる共振特性を、周波数解析器での補正後出力の加算により打ち消すことができる。また同期性が確保できないモータ駆動装置においても、出力補正器による遅延補償が働くため、測定結果の遅延による周波数特性の歪みを回避することができる。

請求項２に記載の同期駆動装置によれば、Ｍ系列信号を用いることで広帯域の周波数特性測定を短時間で測定することができる。

請求項３に記載の同期駆動装置によれば、測定結果の遅延が不明な場合も、測定データから正確な遅延時間を割り出すことができ、高い周波数まで周波数特性の信頼性を確保できる。

本発明における同期駆動装置の構成図本発明における周波数特性測定時の周波数特性解析装置およびモータ駆動装置のブロック図本発明の指令入力と応答出力および補正出力のタイミングチャート

（実施の形態１）
まず図１に示す同期駆動装置の構成図について説明する。

ガントリー構成の同期駆動装置を示しており、ヘッドを直接駆動するＸ軸を、２軸のＹ１軸・Ｙ２軸で同期駆動している。各軸はボールねじ、モータ、検出器、モータ駆動装置から構成される。同期駆動時は、上位コントローラからの指令入力を受けたモータ駆動装置は、指令通りにモータを駆動し、モータの状態を検出する検出器で応答出力を上位コントローラに返す。これらの同期データの流れは実線の矢印で示されている。

図２に周波数特性測定時の周波数特性解析装置およびモータ駆動装置のブロック図を示す。

周波数特性解析装置１では、まず非回転指令生成器１１で、Ｘ軸６の重心まわりのモーメントが０となるような、Ｙ１軸４１およびＹ２軸４２への非回転指令を計算する。この非回転指令は、例えばＸ軸６の重心がＹ１軸４１およびＹ２軸４２から等距離の線上にある場合は、Ｙ１軸４１およびＹ２軸４２を常に同じトルクで駆動すれば実現できる。また重心がどちらかに偏る場合にも、各軸と重心間の距離に各軸トルク指令を乗じたもの、すなわちＸ軸重心回りのモーメントが、大きさ同じで逆向きとなるように、各軸トルク指令を設定すればよい。

なお一般に周波数特性測定では低周波数から高周波数の広い範囲にわたって、一定のパワーを持つ入力を印加する必要があるため、一定周波数帯域の正弦波をベースとしたＳｗｅｐｔＳｉｎｅ波や、全周波数域に渡って均一なホワイトノイズに近い特性をもつＭ系列信号などが、指令入力として用いられる。この場合もその振幅を前記の方針で決定することで、Ｘ軸６の重心まわりのモーメントが常に０となる非回転指令を生成できる。

この非回転指令を指令発生器１２に入力する。指令発生器１２は、同期駆動するモータ駆動装置に対し、一度に一つずつ非回転指令を与える。図２の例では同期駆動するモータ駆動装置は２つなので、非回転指令のＹ１軸成分をＹ１軸指令発生器２１１に与え、Ｙ２軸指令発生器２２１には０を与える場合と、Ｙ１軸指令発生器２１１に０を与え、Ｙ２軸指令発生器２２１に非回転指令のＹ２軸成分を与える場合の２通りのパターンがある。

応答記憶器１３は、指令発生器１２が印加する指令パターンに対する、Ｙ１軸検出器５１およびＹ２軸検出器５２の２通りの出力を個別に保存する。したがって指令入力と応答出力の組み合わせで４通りの応答が記憶されることになる。

図３の左側に指令入力と応答記憶のタイミングチャートを示す。この例では単軸に対する周波数特性測定機能を用いることをイメージしているため、Ｙ１軸への指令生成とＹ１軸の応答測定、およびＹ２軸への指令生成とＹ２軸の自軸応答測定は、完全に同期していると考える。しかしＹ１軸への指令生成とＹ２軸の応答測定、およびＹ２軸への指令生成とＹ１軸の応答測定は、軸間では非同期なので、毎回では異なった遅延時間で応答出力データが得られることになる。

出力補正器１４は、この遅延時間の補正を行う。図３の右側のように出力補正を必要とする、非回転指令と応答出力が異なる軸の場合に、遅延時間の分だけ応答出力データを進めるまたは遅らせて、空いた時間は０を追加した補正後応答出力を生成する。

なお遅延時間については、Ｙ１軸に対する指令入力とＹ２軸に対する指令入力の出力タイミングの差を周波数特性解析装置側でタイマやカウンタで測定してもよい。

また同じ非回転指令に対応する指令同期の応答出力と、指令非同期の応答出力について
、遅延時間の関数である相補相関関数を計算することで、その最大値あるいは最小値から遅延時間を推定できる。また相補相関関数の絶対値が最大となるのが、最小値の方か最大値の方かから、応答出力の反転・非反転を判別することもできる。

最後に周波数解析器１５は、Ｙ１軸が非反転入力時のＹ１軸応答出力と、Ｙ２軸が非反転入力時のＹ１軸補正後応答出力を加算した出力と、非回転指令生成器１１からのＹ１軸非反転指令とＹ２軸非反転指令を加算した入力を、個々にＦＦＴ変換し、出力のＦＦＴ変換結果（複素数）を入力のＦＦＴ変換結果（複素数）で除することで、同期駆動時の周波数特性を正確に算出することができる。

以上、本発明の同期駆動装置は、同期駆動装置において、個々の測定に完全な同期性が得られない場合でも、実際に同期駆動した場合の周波数特性を、正しく測定する手段を提供するものである。

１周波数特性解析装置
１１非回転指令生成器
１２指令発生器
１３応答記憶器
１４出力補正器
１５周波数解析器
２モータ駆動装置
２１Ｙ１軸モータ駆動装置
２１１Ｙ１軸指令発生器
２１２Ｙ１軸応答記憶器
２２Ｙ２軸モータ駆動装置
２２１Ｙ２軸指令発生器
２２２Ｙ２軸応答記憶器
３モータ
３１Ｙ１軸モータ
３２Ｙ２軸モータ
４Ｙ軸
４１Ｙ１軸
４２Ｙ２軸
５検出器
５１Ｙ１軸検出器
５２Ｙ２軸検出器
６Ｘ軸

Claims

物体を同一方向に駆動する複数のモータと、この複数のモータのそれぞれのモータを制御する複数のモータ駆動装置を含む同期駆動装置において、前記物体の重心回りの回転モーメントが０となる前記複数のモータ駆動装置への非回転指令入力を事前計算する非回転指令生成器を備え、それぞれの前記モータ駆動装置に対し、周波数特性測定時に前記非回転指令入力を一度に一つずつ与える指令発生器と、前記非回転指令入力に対する前記モータの応答出力を一つずつ個別に記憶する応答記憶器を有し、測定完了後に記憶された、前記非回転指令入力と前記非回転指令入力に対する前記応答出力との間の遅延時間を補正して補正後出力を得る出力補正器と、前記モータ毎に複数の補正後出力を加算し、これと前記モータを直接駆動する前記モータ駆動装置への指令入力から、周波数応答特性を算出する周波数特性解析器を備えることを特徴とする同期駆動装置。
前記非回転指令入力として、同一の平均値０のＭ系列信号を基準指令とし、振幅だけを複数のモータ駆動装置で変えて、重心回りの回転モーメントが０となるようにすることを特徴とする請求項１記載の同期駆動装置。
前記出力補正器は、個別に記憶された応答出力に対し、同じ非回転指令入力に対する応答出力間で相互相関関数を求め、その最大または最小値から応答出力の遅延時間を判定し、応答出力を補正することを特徴とする請求項１記載の同期駆動装置。