JPS6412199B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、精密工作機械あるいは半導体製造に
関する精密機器等に使用されるパルスモータを駆
動源とする移動物体の駆動装置に関する。

従来例の構成とその問題点 移動物体を所定の位置まで、正確に移動せしめ
る駆動装置として従来、移動物体の位置を検出す
る位置検出器からのデイジタル位置信号をフイー
ドバツクすることにより位置決めを行なう場合、
位置信号をデイジタル化することによる量子化誤
差が生じていた。すなわち、デイジタル位置信号
の分解能ばＰであつた場合、デイジタル位置信号
により所定距離動作させた場合、その距離は±Ｐ
の誤差を含むことになる。

近年半導体産業に代表される精密産業等におい
て高精度位置決めの要求が非常に強い状況にあ
る。従来量子化誤差を小さくするには位置検出器
の分解能を上げるかまたは位置検出器から出てく
る互いに90゜の位相差を有する２つの正弦波を電
気的に分割して分解能を上げる方法が用いられて
きた。

前者においては感度、応答性の点で限界があ
り、後者においては２つの正弦波のレベル差、位
相の誤差等が大きい場合には分割誤差が大きくな
る等の問題があつた。

また、最も大きな問題点は負荷を高速駆動する
場合分解能が上ると位置フイードバツク信号の周
波数及び指令周波数が上り、高速信号処理が要求
されるばかりでなく信号に混入したノイズの除去
が困難になり、信頼性が欠ける等の問題点があつ
た。

発明の目的 本発明は位置検出器からのデイジタル位置信号
の分解能よりも微細な分解能で、負荷を高い信頼
性にて位置決めし得る駆動装置を提供することを
目的とする。

発明の構成 本発明は、パルスモータにより負荷を分解能Ｐ
なるデイジタル位置信号よりも微細な分解能にて
駆動する駆動手段と、そのパルスモータの励磁状
態をモニタし、励磁状態信号を出力するモニタ出
段と、前記デイジタル位置信号と前記励磁状態信
号とから負荷が目標位置まで達した時の前記パル
スモータの励磁状態を演算処理して予測し、演算
処理した値にて前記駆動手段を制御する演算処理
手段とにより構成し、デイジタル位置信号の分解
能よりも微細な分解能にて負荷を位置決めしてな
るパルスモータを用いた駆動装置である。

実施例の説明 第１図に本発明の駆動装置の一実施例を示す。
第１図において、１はパルスモータで、Ａ，Ｂ，
Ａ，の４相のコイルを有しネジ軸２を駆動す
る。３はネジ軸２に螺合するナツトでテーブル４
に固定されている。５はテーブル４に固定された
リニアスケールで、６はスケール５の目盛を検出
し、テーブル４の移動量に見合う信号７を出力す
る固定ヘツドである。

８は信号７から所要の分解能を得るための分解
機能を有するカウンタで、テーブル４の位置信号
９をBCDコード等により演算処理回路１０へ出
力する。Tr₁，Tr₂，Tr₃，Tr₄はそれぞれＡ，
Ｂ，，コイルの駆動用トランジスタで、R₁，
R₂，R₃，R₄はそれぞれＡ，Ｂ，，コイルの
電流値を検出するための抵抗である。１１は前記
抵抗に生じる電圧を検出することにより、前記コ
イルの電流を検出する電流検出回路で、その電流
値を電流フイードバツク信号１２，１３としてそ
れぞれ電流制御回路１４及び演算処理回路１０へ
出力する。１５は励磁切換回路で演算処理回路１
０からの駆動指令パルス信号１６を受けて、例え
ばパルスモータ１を２相励磁で駆動する場合は、
Ａ，Ｂ，，の各コイルを２相励磁シーケンス
で駆動すべく電流制御回路１４がトランジスタ
Tr₁，Tr₂，Tr₃，Tr₄のベースに電圧を印加する
ように相切換信号１７を出力する。また１８は
Ａ，Ｂ，，の各コイル電流を指令する電流指
令信号である。また、電流制御回路１４は電流指
令信号１８と電流フイードバツク信号１２とによ
り電流指令に見合う電流が所定の相に流れるよう
前記各トランジスタのベース電圧を制御する。

１９は図示しないが上位制御回路からBCDコ
ード等により演算処理回路１０へ入力される送り
量指令信号である。

次に動作を説明する。

例えば、送り量指令信号１９の送り量が
123.4567mmであり、２相励磁の場合の１ステツプ
当りの送り量が0.01mmであるならば演算処理回路
１０は123.4567mm／0.01mm≒12345パルスを駆動
指令パルス信号１６として出力する。励磁切換回
路１５は信号１６を受けて２相励磁シーケンスに
従がつて各トランジスタTr₁，Tr₂，Tr₃，Tr₄を
ON−OFFするように相切換信号１７を出力す
る。この時電流指令信号１８によりONしたトラ
ンジスタにはあらかじめ定められた一定電流が流
れるように電流制御回路１４は指令されている。

したがつて、パルスモータ１は通常の公知の２
相励磁により12345パルスすなわち、ネジ軸２に
リード誤差がなければ123.45mmテーブル４を駆動
する。

第２図はパルスモータの動作の模式図である。
第２図において前記２相励磁による駆動がＡ，
B2相が励磁された状態で終了したとするとパル
スモータのロータの歯２０はＡ，B2相から磁気
吸引されて２相の中央Ａ，Ｂ位置にある。１パル
ス当りの送り量が10μmであるから相間距離は
10μmに相当する。

ネジ軸２に−2μmのリード誤差があるとし、位
置信号９の分解能を1μmとすると位置信号９は
123.448mmとなる。この位置から目標位置
123.4567mmまで信号９の分解能よりも微細な分解
能にてテーブル２を駆動し、位置決めする方法に
ついて次に説明する。

演算処理回路１０は電流フイードバツク信号１
３によりＡ，B2相が励磁されていることがわか
つているのでロータの歯２０を目標位置に向つて
駆動すべく信号１８により、Ａ相電流を漸減させ
るように電流制御回路１４を指令する。第２図に
示すようにＡ相電流ｂが減少するにつれてＡ相の
吸引力が弱くなり、ロータの歯２０はＢ相に向つ
て移動し、Ａ相電流ｂが零になつた時ロータの歯
２０は論理的にはＢ相位置に達し、信号９の値は
123.453mmとなる。但し、Ａ相の残留磁気及びネ
ジ軸２の摩擦負荷等による損失のためロータの歯
２０は実際はＢ相位置より若干Ａ相寄りの位置ま
でしか達しないが本方式においては支障はない。
演算処理回路１０はさらにロータの歯２０を目標
位置に向つて駆動すべく駆動指令パルス信号１６
を１パルス送つてＡ，Ｂ相励磁からＢ，相励磁
に切換えると共に、電流指令信号１８により相
電流が漸増するように電流制御回路１４を制御す
る。したがつてロータの歯２０はＢ相位置から
相位置に向つて駆動される。

第３図に示すように信号９の分解能は1μmであ
るから信号９の値は位置が123.4540から123.4549
までは123.454，123.4550から123.4559までは
123.455，123.4560から123.4569までは123.456と
なる。ロータの歯２０が目標位置に接近し、位置
信号９が123.454から123.455に変つた瞬間のＢ相
の相電流値_B21及び相の相電流値_A21を電流
フイードバツク信号１３にて演算処理回路１０は
取り込む。

ロータの歯２０がさらに目標位置に接近し、位
置信号９が123.455から123.456に変つた瞬間のＢ
相の相電流値_B10及び相の相電流値_A10を同
様に演算処理回路１０は取り込む。

演算処理回路１０は各電流値_B21，_A21，_B
１０，_A10から目標位置にロータの歯２０が達した
時のそれぞれＢ及び相の電流_B0，_A0を次の
ように演算して予測する。

ロータの歯２０を1μm駆動するに必要なＢ相電
流の変化量＝_B21−_B10＝Δ_B、また相電流
の変化量_A21−_A10＝Δ_Aを演算する。
123.4560位置から123.4567位置までの駆動距離は
0.7μmであるからＢ相電流を0.7Δ_B、相電流
を0.7Δ_Aそれぞれ_B10及び_A10から変化させれ
ばよい。

すなわち、_B0＝_B10−0.7Δ_B，_A0＝_A10
−0.7Δ_Aとなる。今_B21＝_B10＝2A，_A21＝
0.6A，_A10＝1Aであつたとすると_B0＝2A，
_Ａ０＝1.28Aとなる。上記演算は電流の変化量と駆
動距離が比例するという仮定に立つているが微小
区間の変位であるから比例すると考えても誤差は
小さい。

さらに精度を向上したい場合は目標位置のさら
に手前から電流の変化量を数点に亘つてモニタし
て_B0，_A0を算出してもよい。

また目標位置がＢ，の中央部付近にある場合
すなわち第４図，第５図に示すような位置に電流
値取り込み位置あるいは目標位置がある場合は次
のようにすれば演算は簡単に行ない得る。電流値
の取り込みを開始したならば第４図の場合はＢ相
の電流を変化させることを中止し、相電流はさ
らに同じ勾配で増加させ、_B21，_B10，_B0，
_A21，_A10，_A0を図中に記したように設定す
れば良い。また第５図の場合も同様である。した
がつて電流値は定格値を越えないように通常の電
流レベルを定格値よりも低く設定しておけばよ
い。

また第６，７図に示すように例えばＡ，Ｂ相励
磁からＢ，相励磁に切換え位置の近傍に目標位
置がある場合は次のように演算すればよい。第６
図においては−_A0＝_A0とし、第６図において
は−_A21＝_A21とすればよい。

以上すべて位置決め分解能を理論的に無限小と
するために相電流を連続的に漸増減せる場合につ
いて述べたが、分解能をそれほど必要としない場
合は第８図に示すように相電流を段階的に漸増減
すなわちバーニヤ駆動してもよい。この場合は段
階的に変化させるステツプ数を計数し、前記と同
様に信号９の値が123.454から123.455に変つた瞬
間のステツプ数をN₂₁，123.455から123.456に変
つた瞬間のステツプ数をN₁₀とし、目標位置が
123.4567である場合、目標位置までに要するステ
ツプ数N₀＝N₁₀＋0.7（N₁₀−N₂₁）で演算でき、演
算が非常に簡単になる。

以上すべて目標位置まで低い動作周波数で高速
送りするために２相励磁としたが、高速性をあま
り要求されない場合はパルスモータの回転を機械
的に減速するかあるいはバーニヤ駆動により、最
初から信号９の分解能よりも微細な分解能で駆動
してもよい。その場合は前記と同様にステツプ数
を計数することにより容易に目標位置までのステ
ツプ数を予測演算できる。

ステツプ数を計数して目標位置までのステツプ
数を予測する場合のブロツク図を第９図に示す。
第１図と同一要素は同番号、同記号にて示す。

まず目標位置近傍まで２相励磁、その後目標位
置までバーニヤ駆動する場合について述べる。

２１は送り指令信号１９を受けて２相励磁で目
標位置近傍まで送るに必要なパルス数を演算し、
演算したパルス数を駆動指令パルス信号２２とし
て出力する演算処理回路である。また演算処理回
路２１は駆動指令パルス信号２２のパルス数を計
数する機能も有している。２３は２相励磁機能と
バーニヤ駆動機能を有する駆動回路で演算処理回
路２１からの切換信号２４により２相励磁とバー
ニヤ駆動が切換られて動作する。したがつて目標
位置近傍まで２相励磁で駆動した後バーニヤ駆動
にて目標位置に接近させ、N₂₁，N₁₀からN₀を演
算し、駆動回路を制御して目標位置まで駆動する
ことができる。

また最初から目標位置までパルスモータを機械
的に減速して信号９の分解能よりも微細な分解能
にて駆動する場合は駆動回路２３は２相励磁機能
のみを有するものであればよい。

またバーニヤ駆動で所要の分解能が得られる場
合は駆動回路２３はバーニヤ駆動機能のみを有す
るものであればよい。したがつていずれの方法に
おいても切換信号２４は不要である。

パルスモータの相電流の立上りを早くするため
に通常電源には小型化・効率化のためにチヨツパ
方式のものが用いられる。しかしながらチヨツパ
の周波数を上るにも限度があり、相に流れる電流
は波形率の劣る脈動電流となる。したがつてトル
クリツプルを生じるためモータのロータが振動
し、微細分解能駆動に支障をきたすことがある。

したがつて負荷を目標位置近傍の所定位置まで
歩進ピツチの大なる第１の励磁方法にて駆動し、
前記所定位置から目標位置まで歩進ピツチの小な
る第２の励磁方法にて駆動する場合、第１の励磁
方法にて駆動する間は電流の立上りの速いチヨツ
パ電源にて高トルクで高速駆動し、第２の励磁方
法にて駆動する間はチヨツパ電源よりも波形率の
良いすなわち純直流に近い電源にて駆動すれば高
速でしかも停止安定性に優れた位置決めが可能と
なる。

以上の方法によれば位置信号のデイジタル化に
よる量子化誤差を除去できるばかりでなく位置信
号の分解能よりも微細な分解能にて位置決めする
ことが可能となる。

発明の効果 パルスモータにより負荷を分解能Ｐなるデイジ
タル位置信号よりも微細な分解能にて駆動する駆
動手段と、パルスモータの励磁状態をモニタし、
励磁状態信号を出力するモニタ手段、すなわち、
パルスモータの相電流を検出し、相電流値を電流
フイードバツク信号として出力する電流検出手段
あるいは、送りパルス数を計数し、パルス数信号
を出力するパルス数計数手段と、前記デイジタル
位置信号と励磁状態信号、すなわち電流フイード
バツク信号あるいはパルス数信号とから負荷が目
標位置まで達した時のパルスモータの励磁状態を
演算して予測し、演算処理した値にて前記駆動手
段を指令する演算処理手段とにより構成した本発
明は、位置信号のデイジタル化による量子化誤差
を除去できるばかりでなく、位置信号の分解能よ
りも微細な分解能にて位置決めすることが可能と
なる。

したがつて位置検出器の分解能向上による応答
性の低下及び分割誤差の発生等の問題が解決され
ると共に、高速駆動における位置フイードバツク
信号の高周波化が抑えられ、ノイズ等による誤動
作の可能性が少なくなり信頼性を著しく向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の駆動装置の一実施例のブロツ
ク図、第２図は本発明によるパルスモータの動作
と各相電流の変化との関係を模式的に示す図、第
３図は第２図の詳細図、第４図〜第７図はそれぞ
れ本発明に使用される演算方法を説明するための
各相電流変化の関係を示す図、第８図は本発明の
他の実施例の各相電流変化状態と演算方法を示す
図、第９図は本発明の他の実施例のブロツク図で
ある。 １……パルスモータ、２……ネジ軸、４……テ
ーブル、５……リニアスケール、８……カウン
タ、１０……演算処理回路、１１……電流検出回
路、１４……電流制御回路、１５……励磁切換回
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 移動する負荷の位置を検出して分解能Ｐにて
   デイジタルの位置信号を出力する位置検出手段
   と、パルスモータの各相の相電流を検出し、相電
   流値を電流フイードバツク信号として出力する電
   流検出手段により構成されたモニタ手段と、前記
   電流フイードバツク信号と位置信号とから目標位
   置までの所要励磁電流値を演算処理して予測し、
   演算処理した値を電流指令信号として出力する演
   算処理回路により構成された演算処理手段と、前
   記パルスモータの相電流を漸増減せしめることに
   より分解能Ｐよりも微細な分解能にて負荷を駆動
   する電流制御手段であつて、前記電流フイードバ
   ツク信号と電流指令信号とによりパルスモータの
   相電流を制御する電流制御手段により構成された
   駆動手段とを備え目標位置がＰの幅を有するＧの
   位置内にあるとし、負荷を次に示す位置Ｇ±nP，
   Ｇ±（ｎ−１）Ｐ，…，Ｇ±３Ｐ，Ｇ±２Ｐ，Ｇ
   ±Ｐ（但しｎは正の整数）を順に通つて位置Ｇま
   で駆動する時、少なくとも前記位置信号がＧ±２
   ＰからＧ±Ｐに変る瞬間の励磁相の相電流₂₁と
   Ｇ±ＰからＧに変る瞬間の励磁相の相電流I₁₀と
   から位置Ｇ内にある目標位置まで駆動するに必要
   な相電流値₀を演算処理して予測し、相電流₀
   にて励磁することにより負荷を目標位置まで駆動
   し、前記位置信号の分解能よりも微細な分解能に
   て負荷を位置決めしてなるパルスモータを用いた
   駆動装置。 ２ 移動する負荷の位置を検出して分解能Ｐにて
   デイジタルな位置信号を出力する位置検出手段
   と、パルスモータのパルス数を計数し、パルス数
   信号を出力するパルス数計数手段よりなるモニタ
   手段と、前記位置信号と前記パルス数信号とから
   負荷が目標位置まで達するに必要なパルス数を演
   算処理して予測し、演算処理したパルス数をパル
   ス信号として出力する演算処理手段と、前記演算
   処理手段から出力されたパルス信号を受け、この
   受けたパルス信号のパルスの数に応じて前記パル
   スモータを駆動する駆動手段とを備え、目標位置
   がＰの幅を有するＧの位置内にあるとし、負荷を
   次に示す位置Ｇ±nP，Ｇ±（ｎ−１）Ｐ，…，Ｇ
   ±３Ｐ，Ｇ±２Ｐ，Ｇ±Ｐ（但しｎは正の整数）
   を順に通つて位置Ｇまで駆動する時、少なくとも
   前記位置信号がＧ±２ＰからＧ±Ｐに変る瞬間ま
   でに要したパルス数N₂₁とＧ±ＰからＧに変る瞬
   間までに要したパルス数N₁₀とから位置Ｇ内にあ
   る目標位置までに駆動するに必要なパルス数N₀
   を演算処理して予測し、パルス数がN₀になるま
   で駆動することにより負荷を目標位置まで駆動
   し、前記位置信号の分解能よりも微細な分解能に
   て負荷を位置決めしてなるパルスモータを用いた
   駆動装置。