JPH0458278B2 - - Google Patents
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- JPH0458278B2 JPH0458278B2 JP58036863A JP3686383A JPH0458278B2 JP H0458278 B2 JPH0458278 B2 JP H0458278B2 JP 58036863 A JP58036863 A JP 58036863A JP 3686383 A JP3686383 A JP 3686383A JP H0458278 B2 JPH0458278 B2 JP H0458278B2
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- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Program-control systems
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- G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form
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- G05B19/39—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using a combination of the means covered by at least two of the preceding groups G05B19/21, G05B19/27 and G05B19/33
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Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は半導体の製造、精密寸法の測定、精密
工作機械等精密な位置決を必要とする場合に用い
ることができる電動機による位置決め装置に関す
るものである。[Detailed Description of the Invention] Industrial Application Field The present invention relates to a positioning device using an electric motor that can be used in semiconductor manufacturing, precision dimension measurement, precision machine tools, etc. where precise positioning is required. .
従来例の構成とその問題点
まず同期機を基本構造とするDCブラシレス電
動機と同期電動機のそれぞれの特性について説明
する。第1図に2型3相DCブラシレス電動機の
原理図を示す。Conventional configuration and its problems First, the characteristics of a DC brushless motor and a synchronous motor, both of which have a synchronous machine as their basic structure, will be explained. Figure 1 shows the principle of a Type 2 three-phase DC brushless motor.
第1図において、1は2極の永久磁石により構
成された回転子である。2,3,4はそれぞれ固
定子である電機子5に巻回された電機子巻線(以
下巻線と略す)である。6は回転子1の位置を検
出する公知の回転子位置検出器(以下RPSと略
す)である。7は電子整流回路8の指令に従がい
巻線2,3,4を選択的に所要の大きさの電流で
励磁する公知のパワーアンプである。8は公知の
電子整流回路でありRPS6からの信号により、
例えば回転子1を矢印Aで示すように反時計方向
に回転させるには巻線2,3,4を選択的に励磁
してそれらの巻線が作り出す磁極(以下巻線磁極
と略す)9,10が回転子1の回転に追従して回
転子1の磁極から常に磁気的空間角でπ/2ずれ
た位置に来るように磁極9,10を反時計方向に
回転せしめるべくパワーアンプ7を制御する必要
がある。この電子整流回路は前記RPS6と共に、
従来のDC電動機のブラシと整流子の役割を有し
ている。 In FIG. 1, numeral 1 indicates a rotor composed of two-pole permanent magnets. 2, 3, and 4 are armature windings (hereinafter abbreviated as windings) wound around the armature 5, which is a stator. Reference numeral 6 denotes a known rotor position detector (hereinafter abbreviated as RPS) for detecting the position of the rotor 1. 7 is a known power amplifier that selectively excites the windings 2, 3, and 4 with a current of a required magnitude according to the commands from the electronic rectifier circuit 8. 8 is a well-known electronic rectifier circuit, and according to the signal from RPS6,
For example, in order to rotate the rotor 1 in the counterclockwise direction as shown by arrow A, the windings 2, 3, and 4 are selectively energized to produce magnetic poles (hereinafter abbreviated as winding magnetic poles) 9, The power amplifier 7 is controlled to rotate the magnetic poles 9 and 10 counterclockwise so that the magnetic poles 9 and 10 follow the rotation of the rotor 1 and are always at a position deviated from the magnetic pole of the rotor 1 by π/2 in terms of magnetic spatial angle. There is a need to. This electronic rectifier circuit, together with the RPS6,
It has the role of brushes and commutator of traditional DC motor.
また電子整流回路8は速度指令に見合う回転速
度になるように巻線2,3,4の電流を制御する
機能をも有している。 The electronic rectifier circuit 8 also has the function of controlling the currents in the windings 2, 3, and 4 so that the rotational speed matches the speed command.
前記巻線磁極9,10と回転子1の磁極の異極
間のなす磁気的空間角θを以下トルク角θと称す
ることにするとθ=π/2なる時最も大きなトル
クを発生することになり、従来のブラシと整流子
を持つDC電動機及び第1図に示すDCブラシレス
電動機においても普通θ=π/2に設定され、負
荷の大きさにかかわらず一定である。この種の電
動機における速度制御は巻線磁極9,10の強
さ、すなわち巻線2,3,4を励磁する電流の大
きさ、さらにいい換えるなら回転子1の磁極と巻
線磁極9,10が作用して作り出す回転子1に作
用するトルクの大きさの制御である。以上のよう
な特性を有する電動機は、非同期電動機と称され
ている。 If the magnetic spatial angle θ formed between the winding magnetic poles 9 and 10 and the different magnetic poles of the rotor 1 is hereinafter referred to as the torque angle θ, the largest torque will be generated when θ=π/2. , is normally set to θ=π/2 in the conventional DC motor with brushes and commutator and the DC brushless motor shown in FIG. 1, and remains constant regardless of the size of the load. Speed control in this type of electric motor depends on the strength of the winding magnetic poles 9, 10, that is, the magnitude of the current that excites the windings 2, 3, 4, or in other words, the magnetic poles of the rotor 1 and the winding magnetic poles 9, 10. This is control of the magnitude of the torque that acts on the rotor 1 and is produced by the action of the rotor 1. A motor having the above characteristics is called an asynchronous motor.
またブラシレス電動機を非同期電動機特性で運
転するためのさらに1つの方法を次に説明する。 Another method for operating a brushless motor with asynchronous motor characteristics will be described next.
前記巻線磁極9,10の強さを一定にしておい
て、すなわち巻線電流を一定にしておいて前記と
同様に回転子1の位置を検出するRPS6からの
信号により、トルク角を制御すればトルク角に応
じたトルクを得ることができるので非同期特性運
転が可能となる。 The torque angle is controlled by the signal from the RPS 6 which detects the position of the rotor 1 in the same way as described above while keeping the strength of the winding magnetic poles 9 and 10 constant, that is, keeping the winding current constant. Since it is possible to obtain torque according to the torque angle, asynchronous characteristic operation is possible.
この方法はトルク角を変化させるだけで速度制
御のみならず、トルク角を負にすれば逆回転させ
ることも可能であり、常にトルク角をπ/2にし
ておいても巻線電流の大きさを変化させて速度を
制御し、巻線電流の方向を逆にして逆回転させる
方法よりも構成を簡単にすることができる。 This method not only allows speed control by simply changing the torque angle, but also reverse rotation by making the torque angle negative, and even if the torque angle is always set to π/2, the magnitude of the winding current The configuration can be simpler than the method of controlling the speed by changing the winding current and reversing the direction of the winding current to reverse rotation.
いずれの方法にしても非同期電動機において速
度制御の応答性を改善するためには図示しない
が、一般に速度検出器を用いて速度マイナループ
をかけることが必要である。 In either method, in order to improve the responsiveness of speed control in an asynchronous motor, it is generally necessary to apply a speed minor loop using a speed detector (not shown).
次に2極3相同期電動機について説明する。同
期電動機も第2図に示すように第1図と同様に回
転子21は永久磁石であり、22,23,24は
電機子25に巻回された巻線である。 Next, a two-pole three-phase synchronous motor will be explained. As shown in FIG. 2, in the synchronous motor as well, the rotor 21 is a permanent magnet as in FIG. 1, and 22, 23, and 24 are windings wound around an armature 25.
26は可変周波数発振器27(以下VFOと略
す)の指令に従がい巻線22,23,24に互い
に時間的に2π/3の位相差を有する三相交流を
流すことにより、巻線22,23,24が作り出
す磁極28,29(以下巻線磁極と略す)を例え
ば回転子21を矢印Bで示すように反時計方向に
回転させる場合は反時計方向へ回転せしめるパワ
ーアンプである。 26 is a variable frequency oscillator 27 (hereinafter abbreviated as VFO) which causes three-phase alternating current to flow through the windings 22, 23, and 24 with a phase difference of 2π/3 in time, in accordance with a command from the variable frequency oscillator 27 (hereinafter abbreviated as VFO). , 24 (hereinafter abbreviated as wire-wound magnetic poles) are rotated counterclockwise when the rotor 21 is rotated counterclockwise as shown by arrow B.
VFO27は速度指令に見合う回転速度となる
ように発振周波数を可変できる発振器であり、回
転数(rps)をn、発振周波数(Hz)をf、回転
子の極数をPとした時n=2f/Pとなるようにf
を決定してパワーアンプ26を指令する。 VFO27 is an oscillator whose oscillation frequency can be varied to achieve a rotational speed that matches the speed command. When the rotational speed (rps) is n, the oscillation frequency (Hz) is f, and the number of poles of the rotor is P, n = 2f. /P so that f
is determined and the power amplifier 26 is commanded.
したがつてこの電動機において回転子21は巻
線磁極28,29の回転に同期して回転し、無負
荷の場合は第2図に示すようにトルク角θ=0で
あるが、負荷がかかると第3図のようにθはθず
れたことによる磁極28,29と回転子21の磁
極間の吸引・反発作用によりθ=0にしようとす
るトルク(以下このトルクを同期トルクという)
と負荷トルクがつり合う値となるまで変化する。 Therefore, in this electric motor, the rotor 21 rotates in synchronization with the rotation of the winding magnetic poles 28 and 29, and when there is no load, the torque angle θ is 0 as shown in FIG. 2, but when a load is applied, the torque angle θ is 0. As shown in Fig. 3, θ is the torque that tries to make θ=0 due to the attraction and repulsion between the magnetic poles 28, 29 and the magnetic poles of the rotor 21 due to θ deviation (hereinafter, this torque is referred to as synchronous torque)
and the load torque change until they reach balanced values.
すなわちトルク角θは負荷の大きさにより変化
し、負荷トルクが大きくなるほどθも大きくな
り、回転子が永久磁石の場合、θ=π/2の時同
期トルクが最大となり、θがπ/2を越えるほど大
きな負荷トルクがかかればいわゆる脱調現象を起
し、回転子21は停止する。このような特性を同
期電動機特性と称することにする。この特性を有
する電動機はトルク角に余裕を持つて使用せねば
ならないので前記非同期電動機のように常にトル
ク角π/2にて最大トルクで動作させ得る電動機
に比較して効率は劣ることになる。 In other words, the torque angle θ changes depending on the size of the load, and as the load torque increases, θ also increases. If the rotor is a permanent magnet, the synchronous torque is maximum when θ = π/2, and when θ exceeds π/2. If a load torque exceeding this limit is applied, a so-called step-out phenomenon will occur, and the rotor 21 will stop. Such characteristics will be referred to as synchronous motor characteristics. Since an electric motor having this characteristic must be used with a torque angle margin, its efficiency is inferior to that of an electric motor such as the asynchronous motor that can always be operated at maximum torque at a torque angle of π/2.
しかしながら同期電動機における回転速度は脱
調さえしなければ負荷の大きさにかかわらず3相
交流の周波数すなわち磁界の回転速度と同一であ
るから非同期電動機のように速度制御を行なうた
めの速度マイナループは不要であるという特徴を
持つている。 However, the rotational speed of a synchronous motor is the same as the frequency of the three-phase AC, that is, the rotational speed of the magnetic field, regardless of the load size, as long as it does not step out, so there is no need for a speed minor loop for speed control like in an asynchronous motor. It has the characteristic of being
同期電動機においては回転磁界に対する追従性
は負荷トルク変動を△Tとし、その時のトルク角
度動を△θとした時、△T/△θが大きいほど良
好である。上記要求に最も近い同期電動機はパル
スモータである。第2図に示すように永久磁石を
回転子とするパルスモータは永久磁石型(PM
型)と称されているが、第4図に示すような凸極
30,31を有する軟磁性体で構成された回転子
32を持つパルスモータは可変レラクタンス型
(VR型)と称されている。 In a synchronous motor, the followability to a rotating magnetic field is better as △T/△θ is larger, where △T is the load torque fluctuation and △θ is the torque angular movement at that time. The synchronous motor that most closely meets the above requirements is a pulse motor. As shown in Figure 2, a pulse motor with a permanent magnet as a rotor is a permanent magnet type (PM
However, a pulse motor with a rotor 32 made of soft magnetic material and having convex poles 30 and 31 as shown in Fig. 4 is called a variable reluctance type (VR type). .
VR型のモータの動作原理は巻線磁極33,3
4を作用させた時、その反作用により、回転子3
2の凸極30,31に異種の磁極を誘起させてあ
たかも回転子32が永久磁石で構成されているか
のように扱うことにあり、PM型と同様に同期電
動機特性を有す。またPM型とVR型を組合せた
パルスモータはハイブリツド型(HB型)と称さ
れ同様に同期電動機特性を有す。 The operating principle of the VR type motor is the winding magnetic poles 33, 3.
4, due to the reaction, rotor 3
Different types of magnetic poles are induced in the two convex poles 30 and 31 to treat the rotor 32 as if it were made of permanent magnets, and it has the same synchronous motor characteristics as the PM type. A pulse motor that combines the PM type and VR type is called a hybrid type (HB type) and has similar synchronous motor characteristics.
パルスモータは通常巻線にステツプ的に変化す
る電流を流して回転磁界をステツプ的に回転させ
て回転子もステツプ的に回転させる方式が一般的
であるが、巻線に連続的に変化する電流を流せば
回転磁界も連続的に回転し、回転子も連続的に回
転する。 In a pulse motor, a current that changes in a stepwise manner is passed through the windings to rotate the rotating magnetic field in a stepwise manner, and the rotor is also rotated in a stepwise manner. If it flows, the rotating magnetic field will rotate continuously, and the rotor will also rotate continuously.
なお、巻線に流す電流は必らずしも連続的に変
化するものでなくてもバーニヤ駆動と称する階段
状に変化する電流であつてもよい。 Note that the current flowing through the winding does not necessarily need to change continuously, but may be a current that changes stepwise, which is called vernier drive.
この階段状に変化させるときの1ステツプの電
流変化量に相当する駆動距離を、所要位置決め分
解能よりも十分に小さくしておけば電流を階段状
に変化せしめても位置決めには何ら支障はない。
すなわち略々連続的に変化する電流を流して略々
連続的に回転する回転磁界を発生せしめればよ
い。 If the driving distance corresponding to the amount of current change in one step when changing the current stepwise is made sufficiently smaller than the required positioning resolution, there will be no problem in positioning even if the current is changed stepwise.
That is, it is sufficient to generate a rotating magnetic field that rotates substantially continuously by passing a current that changes substantially continuously.
パルスモータはオープンループで位置決め可能
であるから連続的に回転するということは理論的
には無限小の分解能で位置決め可能であることを
示すものである。 Since the pulse motor can be positioned in an open loop, the fact that it rotates continuously means that it is theoretically possible to position with infinitesimal resolution.
以上のような特性はパルスモータに限らず同期
電動機特性を有する電動機が有する特性である。 The above-mentioned characteristics are not limited to pulse motors, but are characteristics possessed by electric motors having synchronous motor characteristics.
次にDCブラシレス電動機及び同期電動機を位
置決め制御に用いる駆動源として見た場合の特性
のちがいについて説明する。 Next, we will explain the difference in characteristics between a DC brushless motor and a synchronous motor when viewed as drive sources used for positioning control.
位置決めとは位置偏差が0になつた時速度を0
にする速度制御であると云えるから位置決め応答
性の指標は第1式に示す位置ループゲインKpで
与えられる。 Positioning means that when the position deviation becomes 0, the speed becomes 0.
Therefore, the index of positioning responsiveness is given by the position loop gain Kp shown in the first equation.
Kp=V/ε(-S) ………(1)
但し、Vは速度、εは位置偏差である。Kpは
大きいほど応答性が優れるが、動力伝達系の機械
的剛性、電動機やドライブアンプの性能等から
Kpの最適値が決定される。 Kp=V/ε( -S ) ......(1) However, V is the speed and ε is the position deviation. The larger Kp is, the better the response is, but depending on the mechanical rigidity of the power transmission system, the performance of the electric motor and drive amplifier, etc.
The optimal value of Kp is determined.
一方高精度で位置決めするためには高分解能で
駆動できる必要がある。分解能が上ることは第(1)
式におけるεが小さくなることを意味する。第(1)
式におけるKpは一定であるからεが小さくなれ
ばVも比例して小さくなる。 On the other hand, in order to position with high precision, it is necessary to be able to drive with high resolution. Increasing resolution is No. 1.
This means that ε in the formula becomes smaller. No. (1)
Since Kp in the equation is constant, as ε becomes smaller, V also becomes smaller in proportion.
非同期電動機においては要求される速度が小さ
くなると速度マイナループを構成するに必要な速
度検出器の不感帯に入つてきて低速制御が困難と
なり、低速制御の限界から決る位置決め精度の限
界は±0.04μm程度である。 In an asynchronous motor, when the required speed becomes small, it enters the dead zone of the speed detector necessary to form a speed minor loop, making low speed control difficult, and the limit of positioning accuracy determined by the limit of low speed control is about ±0.04 μm. It is.
一方同期電動機においては前に述べたように速
度マイナループを必要とせずに速度制御が可能で
あるから、分解能が上つて要求される速度が小さ
くなつても速度検出器が不要であるから低速域の
不感帯をきわめて小さくすることができるので安
定した低速制御が可能となり、位置決め精度が向
上する。特に同期電動機の中でも前述の△T/△
θが大きく応答性の優れたパルスモータにおいて
は回転磁界を連続的に回転させることにより、前
に述べたように理論的には無限小の分解能、実験
的には1×10-6回転、角度にして約1秒の分解能
にて位置決めすることが可能となる。この分解能
はリード4mmのネジを用いれば±0.004μmに相当
し、、非同期電動機を用いた場合よりもはるかに
高い位置決め精度を期待できる。 On the other hand, in synchronous motors, as mentioned earlier, speed control is possible without the need for a speed minor loop, so even if the resolution increases and the required speed becomes smaller, a speed detector is not required, so it is possible to control the speed in the low speed range. Since the dead zone can be made extremely small, stable low-speed control is possible and positioning accuracy is improved. Especially among synchronous motors, the above-mentioned △T/△
In a pulse motor with a large θ and excellent responsiveness, by continuously rotating a rotating magnetic field, the resolution is theoretically infinitesimal, as mentioned earlier, and experimentally 1 × 10 -6 rotations and angles. positioning with a resolution of about 1 second. This resolution is equivalent to ±0.004 μm when using a screw with a lead of 4 mm, and much higher positioning accuracy can be expected than when using an asynchronous motor.
また通常高精度位置決めにおいては位置検出器
にレーザ干渉計等のデイジタル位置検出器を用い
るのが普通である。デイジタル位置検出器におい
ては1ビツトの不感帯を有しているから非同期電
動機を用いた場合は目標位置がその不感帯の間に
ある場合は電動機のトルクが0になり、位置決め
剛性が0になることに対し同期電動機においては
目標位置がその不感帯にある場合でも前述の△
T/△θで表わされる剛性を有しているので停止
安定性も優れている。 Further, in high-precision positioning, it is common to use a digital position detector such as a laser interferometer. A digital position detector has a 1-bit dead zone, so if an asynchronous motor is used and the target position is within the dead zone, the motor torque will be 0 and the positioning rigidity will be 0. On the other hand, in a synchronous motor, even if the target position is in the dead zone, the above-mentioned △
Since it has a rigidity represented by T/Δθ, it also has excellent stopping stability.
以上から同期電動機のうちでもパルスモータは
高分解能駆動においては非同期電動機よりも優れ
た特性を有しているが、前に述べたように同期電
動機特性で運転する非同期電動機のように最大ト
ルク点で運転できないので高速位置決めに必要な
高加減速運動特性が劣ることになる。 From the above, among synchronous motors, pulse motors have better characteristics than asynchronous motors in high-resolution driving, but as mentioned earlier, like asynchronous motors that operate with synchronous motor characteristics, pulse motors have better characteristics at the maximum torque point. Since it cannot be operated, the high acceleration/deceleration motion characteristics necessary for high-speed positioning will be inferior.
したがつて非同期電動機、同期電動機共にそれ
ぞれ一長一短の特性を有していることがわかる。 Therefore, it can be seen that both asynchronous motors and synchronous motors have their own advantages and disadvantages.
発明の目的
本発明は1個の同期機構造の電動機を用いて高
速高分解能位置決めを達成する電動機の位置決め
装置を提供することにある。OBJECTS OF THE INVENTION The present invention provides a motor positioning device that achieves high-speed, high-resolution positioning using a single synchronous machine structure motor.
発明の構成
本発明は同期機構造の電動機を目標位置近傍ま
でトルクが大きく高加減速・高速特性に秀れたト
ルク角制御による非同期電動機特性にて運転し、
その後目標位置まで高分解能特性に優れた同期電
動機特性にて運転するようにした電動機による位
置決め装置である。Composition of the Invention The present invention operates an electric motor with a synchronous machine structure near a target position using asynchronous electric motor characteristics using torque angle control that has large torque and excellent high acceleration/deceleration and high-speed characteristics.
This is a positioning device using an electric motor that then operates up to the target position using synchronous motor characteristics with excellent high resolution characteristics.
実施例の説明
以下本発明の実施例について図面を参照して説
明する。リニアスケールを用いて位置決めする場
合について2極3相の同期機構造の電動機を用い
た構成を一例として説明する。DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Regarding positioning using a linear scale, a configuration using a two-pole three-phase synchronous motor structure will be described as an example.
第5図において40は前記第1,2図と同様な
同期機構造の電動機、41は永久磁石で構成され
た回転子、42,43,44はそれぞれ電機子4
5に巻回された巻線である。46,47は第1図
における6,7と同様なそれぞれRPSおよびパ
ワーアンプである。 In FIG. 5, reference numeral 40 denotes an electric motor having the same synchronous machine structure as in FIGS.
It is a winding wire wound around 5. 46 and 47 are RPS and power amplifiers similar to 6 and 7 in FIG. 1, respectively.
48はRPS6からの信号により、巻線42,
43,44を選択的に励磁してトルク角を、回転
子41の速度が速度指令に見合う値となるよう制
御するトルク角制御回路である。49は第2図に
おける27と同様なVFOである。50,51は
いずれも切換スイツチである。52は前記回転子
41に連結された送りネジでテーブル53を駆動
する。54はテーブル53に固定されたリニアス
ケールでテーブル53の位置を検出する。55は
リニアスケール54のカウンタで、リニアスケー
ル54と共に、公知の位置フイードバツクループ
を形成する。56は位置指令を出力すると共に、
切換スイツチ50,51の制御を行なう指令回路
である。57は前記位置指令と前記カウンタ55
からの位置フイードバツク信号との偏差を位置偏
差として出力する公知の偏差カウンタである。 48 is the winding 42,
This is a torque angle control circuit that selectively excites 43 and 44 to control the torque angle so that the speed of the rotor 41 becomes a value corresponding to the speed command. 49 is a VFO similar to 27 in FIG. Both 50 and 51 are changeover switches. Reference numeral 52 drives a table 53 by a feed screw connected to the rotor 41. 54 is a linear scale fixed to the table 53 to detect the position of the table 53. 55 is a counter of the linear scale 54, which together with the linear scale 54 forms a known position feedback loop. 56 outputs a position command, and
This is a command circuit that controls the changeover switches 50 and 51. 57 is the position command and the counter 55
This is a known deviation counter that outputs the deviation from the position feedback signal from the position as the position deviation.
58は前記デイジタル位置偏差信号をアナログ
速度指令電圧に変換する公知のD/Aコンバータ
である。また前記指令回路56には前記位置偏差
信号が入力される。 58 is a known D/A converter that converts the digital position error signal into an analog speed command voltage. Further, the position deviation signal is input to the command circuit 56.
以上の系においてトルク角制御回路48を用い
て電動機40を非同期電動機として動作させる場
合、速度制御の応答性を改善する、すなわち位置
制御系においてはダンピングを与えるための公知
の速度マイナループは第5図においては省略して
ある。 When the motor 40 is operated as an asynchronous motor using the torque angle control circuit 48 in the above system, a known speed minor loop for improving the responsiveness of speed control, that is, for providing damping in the position control system, is shown in FIG. It is omitted here.
次に位置決め動作について説明する。電動機4
0を非同期特性で運転するために指令回路56は
切換スイツチ50,51をトルク角制御回路48
がループ内に入るように切換えた後、目標位置ま
での位置指令を偏差カウンタ57へ出力する。偏
差カウンタ57は位置指令と位置フイードバツク
信号の偏差を算出し、その算出した位置偏差を
D/Aコンバータ58へ出力する。D/Aコンバ
ータ58は前記第(1)式で示される位置ループゲイ
ンにて位置偏差を速度指令に変換して切換スイツ
チ51を介してトルク角制御回路48へ出力す
る。トルク角制御回路48は前に述べたように
RPS46と協働して手段40を非動期特性にて
高速減速、高速駆動し、送りネジ52を回転させ
てテーブル53を目標位置に向つて駆動する。テ
ーブル53の動作に伴なつてリニアスケール54
から移動量に見合う位置フイードバツク信号がカ
ウンンタ55を介して偏差カウンタ57に入力さ
れる。駆動初期においては位置偏差は大きいので
速度指令も大であるが、時間が経過すると位置偏
差が小さくなり、速度指令も小さくなる、位置偏
差があらかじめ設定された値、すなわち位置偏差
の大きさから決まる速度指令の値が、非同期運転
系の速度制御の不感帯レベルに達した時、指令回
路56は偏差カウンタ57からの位置偏差フイー
ドバツク信号59よりそれを判断し、電動機40
をその電動機巻線に略々連続的に変化する電流を
流して同期特性にて運転するために切換スイツチ
50,51をVFO49がループ内に入るように
切換る。そうすると回転子41は前述のように
略々連続的に回転する回転磁界に同期して速度指
令に等しい速度で回転し、テーブル53はさらに
目標位置へ接近する。目標位置へ接近するほど速
度は小さくなり、目標位置へ達すると位置偏差は
0になり速度も0となつて位置決めを完了する。
前に述べたように速度が小さくなつてVFO49
の発振周波数を速度指令に従がつて変えるだけで
速度制御が可能であるから停止寸前の非常に低い
速度であつても容易に制御可能であるから安定し
た位置決めが可能となる。また駆動距離のほとん
どを加減速特性に優れたトルク角制御による非同
期特性にて駆動することにより、きわめて短時間
に位置決めを行なうことができる。 Next, the positioning operation will be explained. Electric motor 4
0 with asynchronous characteristics, the command circuit 56 controls the changeover switches 50 and 51 from the torque angle control circuit 48.
After switching to enter the loop, a position command to the target position is output to the deviation counter 57. The deviation counter 57 calculates the deviation between the position command and the position feedback signal, and outputs the calculated position deviation to the D/A converter 58. The D/A converter 58 converts the positional deviation into a speed command using the position loop gain shown in equation (1) above, and outputs it to the torque angle control circuit 48 via the changeover switch 51. The torque angle control circuit 48 is as described above.
In cooperation with the RPS 46, the means 40 is decelerated and driven at high speed with a non-movement characteristic, and the feed screw 52 is rotated to drive the table 53 toward the target position. Along with the movement of the table 53, the linear scale 54
A position feedback signal commensurate with the amount of movement is input to the deviation counter 57 via the counter 55. At the beginning of driving, the position deviation is large, so the speed command is also large, but as time passes, the position deviation becomes smaller and the speed command also becomes smaller.The position deviation is determined by a preset value, that is, the size of the position deviation. When the value of the speed command reaches the dead band level of the speed control of the asynchronous operation system, the command circuit 56 determines this from the position deviation feedback signal 59 from the deviation counter 57, and
In order to run the motor with a synchronous characteristic by passing a substantially continuously changing current through its motor windings, the changeover switches 50 and 51 are switched so that the VFO 49 enters the loop. Then, the rotor 41 rotates at a speed equal to the speed command in synchronization with the rotating magnetic field that rotates substantially continuously as described above, and the table 53 further approaches the target position. The closer the position is to the target position, the lower the speed becomes. When the target position is reached, the positional deviation becomes 0, the speed also becomes 0, and positioning is completed.
As mentioned before, the speed decreases and VFO49
Since the speed can be controlled simply by changing the oscillation frequency according to the speed command, even very low speeds just before stopping can be easily controlled, making stable positioning possible. Further, by driving most of the driving distance with asynchronous characteristics using torque angle control with excellent acceleration/deceleration characteristics, positioning can be performed in an extremely short time.
なお、電動機は実施例のように回転形でなくて
もリニア形であつても、また2極3相に限らず多
極形であつても、またパルスモータであつても同
期機構造の電動機であればよい。位置検出器はリ
ニアスケールに限るものではなくレーザ干渉測長
器のような分解能の高い測長器であればより一層
本発明の効果を発揮し得る。また高分解能で高速
駆動する場合、例えば分解能0.01μmで最高速100
mm/Sであれば偏差カウンタの動作周波数は10M
Hzに達するばかりでなくD/Aコンバータの所要
ビツト数も多くなつてしまう。そうすれば耐ノズ
ル性が不利であるばかりでなく高速信号処理のた
めの回路構成が非常に高価となつてしまう。以上
の問題は次のようにすることによつて解決し得
る。 Note that even if the motor is not a rotary type as in the example, it is a linear type, it is not limited to a two-pole three-phase type, it is a multi-polar type, and even if it is a pulse motor, it can be a motor with a synchronous machine structure. That's fine. The position detector is not limited to a linear scale, but the effects of the present invention can be more effectively achieved if it is a length measuring device with high resolution such as a laser interferometric length measuring device. In addition, when driving at high speed with high resolution, for example, the maximum speed is 100 with a resolution of 0.01 μm.
If mm/S, the operating frequency of the deviation counter is 10M.
Hz, and the number of bits required for the D/A converter also increases. In this case, not only is the nozzle resistance disadvantageous, but the circuit configuration for high-speed signal processing becomes extremely expensive. The above problem can be solved by doing the following.
分解能0.01μmで最高速100μm/Sである場合、
非同期特性にて目標位置の1μm手前まで駆動する
ものとすれば非同期特性駆動の分解能は1μmで良
い。したがつて位置検出器からの信号も0.01μm
を分周して1μmで処理すれば偏差カウンタの動作
周波数は100KHzで良いことになり、かなり信号
処理が容易となる。最適位置ループゲイン100
(-S)であつたとすると、非同期特性駆動時の
D/Aコンバータのゲインは位置偏差1μm(1パ
ルス)当り100μm/Sとすれば良い。同期特性駆
動に入れば最大位置偏差は大きくても2μmで最大
速度は200μm/Sであるから分解能を0.01μmに
戻しても20KHzであり、全く問題はない。またこ
の時はD/Aコンバータのゲインは位置偏差
0.01μm(1パルス)当り1μm/Sとすれば良い。
以上の操作をすることによつて動作周波数を1/
100に、また、D/Aコンバータの容量も1/100
にすることができる。 When the resolution is 0.01μm and the maximum speed is 100μm/S,
If the asynchronous characteristic is used to drive up to 1 μm before the target position, the resolution of the asynchronous characteristic drive may be 1 μm. Therefore, the signal from the position detector is also 0.01μm.
If the frequency is divided and processed at 1 μm, the operating frequency of the deviation counter can be 100KHz, which makes signal processing considerably easier. Optimal position loop gain 100
( -S ), the gain of the D/A converter during asynchronous characteristic driving should be 100 μm/S per 1 μm of positional deviation (1 pulse). If synchronous characteristic drive is entered, the maximum position deviation is at most 2 μm and the maximum speed is 200 μm/S, so even if the resolution is returned to 0.01 μm, the resolution is 20 KHz, so there is no problem at all. Also, at this time, the gain of the D/A converter is due to the position error.
The rate may be 1 μm/S per 0.01 μm (1 pulse).
By performing the above operations, the operating frequency can be reduced by 1/
100, and the capacity of the D/A converter is also 1/100.
It can be done.
発明の効果
本発明は同期機構造の電動機を駆動する手段を
トルク角が要求速度に応じた値になるよう制御し
て非同期電動機特性にて駆動する第1の駆動手段
と、略々連続的に回転する回転磁界に同期して回
転する同期電動機特性にて駆動する第2の駆動手
段とにより構成し、移動体を目標位置近傍まで前
記第1の駆動手段により駆動し、目標位置近傍か
ら目標位置まで前記第2の駆動手段により駆動す
ることにより、目標位置近傍まで高速で短時間に
駆動した後、目標位置まで高分解能駆動すること
が可能となり、高速で短時間に、しかも停止時の
安定性の高い高精度位置決めを実現することがで
きるものである。Effects of the Invention The present invention provides a first driving means that controls a means for driving an electric motor having a synchronous machine structure so that the torque angle becomes a value corresponding to the required speed, and drives the electric motor with asynchronous motor characteristics, and and a second drive means driven by a synchronous motor characteristic that rotates in synchronization with the rotating magnetic field, and the first drive means drives the moving body to the vicinity of the target position, and the movable body is driven from the vicinity of the target position to the target position. By driving up to the target position by the second driving means, it is possible to drive to the vicinity of the target position at high speed in a short time and then drive to the target position with high resolution. This makes it possible to achieve highly accurate positioning.
また非同期運転を電流制御ではなくトルク角制
御で行なうことにより、速度及び回転方向の制御
をトルク角を変るだけで行なうことができ前者よ
りも非同期運転系の構成を簡単にすることが可能
となる。また非同期運転から同期運転に切換る時
電流制御方式ではトルク角をπ/2から0に切換
る操作を必要とするが、トルク角制御では非同期
運転における低速域ではトルク角が0に近くなつ
ているから前者のような操作を必要とせず、きわ
めて容易にトルク角0の同期運転に移行させるこ
とが可能となる。 Furthermore, by performing asynchronous operation using torque angle control rather than current control, speed and rotation direction can be controlled simply by changing the torque angle, making it possible to simplify the configuration of the asynchronous operation system compared to the former method. . Furthermore, when switching from asynchronous operation to synchronous operation, the current control method requires an operation to switch the torque angle from π/2 to 0, but with torque angle control, the torque angle approaches 0 in the low speed range during asynchronous operation. Since there is no need for the former operation, it is possible to shift to synchronous operation with a torque angle of 0 very easily.
第1図は2極3相DCブラシレス電動機の動作
原理を示す原理図、第2図は2極3相同期電動機
の動作原理を示す原理図、第3図は同期電動機の
動作を説明するための原理図、第4図はその他の
構造を有する同期電動機の動作を説明するための
原理図、第5図は実施例における電動機による位
置決め装置の構成を示すブロツク図である。
1,21,32,41…回転子、2,3,4,
22,23,24,42,43,44…電機子巻
線、9,10,28,29,33,34…電機子
巻線が作り出す磁極、6,46…回転子位置検出
器(RPS)、8…電子整流回路、48…トルク角
制御回路、27,49…可変周波数発振器
(VFO)、50,51…切換スイツチ、52…送
りネジ、53…テーブル、54…リニアスケー
ル、55…カウンタ、56…指令回路、57…偏
差カウンタ、58…D/Aコンバータ。
Fig. 1 is a principle diagram showing the operating principle of a 2-pole 3-phase DC brushless motor, Fig. 2 is a principle diagram showing the operating principle of a 2-pole 3-phase synchronous motor, and Fig. 3 is a principle diagram showing the operating principle of a 2-pole 3-phase DC brushless motor. FIG. 4 is a principle diagram for explaining the operation of a synchronous motor having another structure, and FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a positioning device using an electric motor in an embodiment. 1, 21, 32, 41...rotor, 2, 3, 4,
22, 23, 24, 42, 43, 44... Armature winding, 9, 10, 28, 29, 33, 34... Magnetic pole produced by armature winding, 6, 46... Rotor position detector (RPS), 8...Electronic rectifier circuit, 48...Torque angle control circuit, 27, 49...Variable frequency oscillator (VFO), 50, 51...Selector switch, 52...Feed screw, 53...Table, 54...Linear scale, 55...Counter, 56 ...Command circuit, 57...Deviation counter, 58...D/A converter.
Claims (1)
角が要求速度に応じた値になるように非同期電動
機特性にて駆動する第1の駆動手段と、前記電動
機を、その電動機巻線に略々連続的に変化する電
流を流して略々連続的に回転する回転磁界を発生
せしめて同期電動機特性にて駆動する第2の駆動
手段と、移動体を目標位置近傍まで前記第1の駆
動手段によつて前記電動機を駆動して移動させ、
前記目標位置近傍から目標位置まで前記第2の手
段により前記電動機を駆動して前記移動体を移動
させるように制御する制御手段とを備えた電動機
による位置決め装置。 2 第1の駆動手段を電動機の可動子の位置を検
出する可動子位置検出手段と、この可動子位置検
出手段により制御されて前記可動子の所要速度に
見合うトルクを発生させるトルク角になるよう選
択的に前記電動機の巻線を励磁する第1の励磁手
段とにより構成し、第2の駆動手段を、前記巻線
を所要の速度で順次励磁して移動磁界を作り、こ
の移動磁界の移動速度に同期して可動子を所要の
速度で駆動する第2の励磁手段により構成した特
許請求の範囲第1項記載の電動機による位置決め
装置。[Scope of Claims] 1. An electric motor having a synchronous machine structure, a first driving means for driving the electric motor with asynchronous motor characteristics so that the torque angle becomes a value corresponding to the required speed, and a second driving means for driving a moving body with synchronous motor characteristics by passing a current that changes substantially continuously through the windings to generate a rotating magnetic field that rotates substantially continuously; driving and moving the electric motor by the driving means of 1;
A positioning device using an electric motor, comprising: control means for controlling the motor to be driven by the second means to move the movable body from the vicinity of the target position to the target position. 2. The first driving means is configured to include a movable element position detecting means for detecting the position of the movable element of the electric motor, and a torque angle that is controlled by the movable element position detecting means to generate a torque corresponding to the required speed of the movable element. a first excitation means for selectively exciting the windings of the electric motor; 2. A positioning device using an electric motor according to claim 1, comprising a second excitation means for driving the movable element at a required speed in synchronization with the speed.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58036863A JPS59162785A (en) | 1983-03-07 | 1983-03-07 | Positioning device using electric motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58036863A JPS59162785A (en) | 1983-03-07 | 1983-03-07 | Positioning device using electric motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59162785A JPS59162785A (en) | 1984-09-13 |
| JPH0458278B2 true JPH0458278B2 (en) | 1992-09-17 |
Family
ID=12481617
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58036863A Granted JPS59162785A (en) | 1983-03-07 | 1983-03-07 | Positioning device using electric motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59162785A (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63114586A (en) * | 1986-10-29 | 1988-05-19 | Shibaura Eng Works Co Ltd | Braking of 3-phase dc brushless motor |
| JP2551826B2 (en) * | 1988-11-05 | 1996-11-06 | 日本電産株式会社 | Brake control device |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3272994D1 (en) * | 1981-05-21 | 1986-10-09 | Dataproducts Corp | Incremental motion motor control system |
-
1983
- 1983-03-07 JP JP58036863A patent/JPS59162785A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59162785A (en) | 1984-09-13 |
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