專利名稱：位移感測(cè)方法和馬達(dá)控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移感測(cè)方法以及馬達(dá)(motor)控制設(shè)備，尤 其涉及一種校正被測(cè)量角度的位移感測(cè)方法以及校正被測(cè)量角度以提 高測(cè)量精確性的馬達(dá)控制設(shè)備。
背景技術(shù)：
一種凈皮稱為加瓦i若(galvano)馬達(dá)的^f氐輸出電動(dòng)馬達(dá),皮用于謫* 如激光鉆孔機(jī)器、激光修整機(jī)器和激光修理機(jī)器的加工機(jī)器。所述加 瓦諾馬達(dá)要求具有高精確性的角度傳感器。因此，采用增量式編碼器 (encoder)作為所述加瓦諾馬達(dá)的角度傳感器。
已知光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器和線性編碼器是增量式編碼器。這樣的編碼 器通過(guò)使用彼此具有90。相位差的兩個(gè)信號(hào)(正弦波信號(hào)和余弦波信 號(hào))來(lái)感測(cè)諸如要被感測(cè)的目標(biāo)的位移量和位移方向的位移信息。
許多傳統(tǒng)的編碼器校正輸出信號(hào)的振幅、偏移(offset)和相位， 以提高測(cè)量精確性。
例如，日本專利公開No. 8-145719描述了基于關(guān)于編碼器輸出 信號(hào)的最大值和最小值以及關(guān)于兩相輸出信號(hào)的交點(diǎn)的信息，執(zhí)行振 幅校正、偏移校正和相位校正。日本專利>^開No. 10-254549描述了 基于編碼器輸出信號(hào)的最大值的平均值和最小值的平均值，執(zhí)行振幅
校正和偏移校正。
然而，傳統(tǒng)的校正裝置在編碼器的輸出信號(hào)為理想的正弦波信號(hào) 的前提下執(zhí)行校正。但是，實(shí)際上，因?yàn)榫幋a器的輸出信號(hào)包括高次 諧波成分(higher harmonic component)或者非線性成分，所以它不 是理想的正弦波。因此，即使傳統(tǒng)的校正裝置校正編碼器的輸出信號(hào)， 編碼器的輸出信號(hào)也不是理想的正弦波信號(hào)。
為了提高要被感測(cè)目標(biāo)的位移信息的感測(cè)分辨率，許多編碼器從
正弦波信號(hào)和余弦波信號(hào)生成包括對(duì)應(yīng)于分離(split)單位的相位差
的多個(gè)分離脈沖。這樣的方法被稱作電分離。編碼器的輸出信號(hào)不是 理想的正弦波信號(hào)的這一事實(shí)導(dǎo)致執(zhí)行電分離時(shí)的誤差。
加工編碼器，以使刻度盤(scale)間距具有相等的間隔。然而， 實(shí)際上，它具有加工誤差(process error )。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種位移感測(cè)方法，其減少由編碼器的輸出信號(hào)中包 括的高次諧波成分或者非線性成分以及由刻度盤間距的加工誤差導(dǎo)致 的測(cè)量誤差，并且還提供一種減少測(cè)量誤差的具有高精確性的馬達(dá)控 制設(shè)備。
作為本發(fā)明一個(gè)方面的位移感測(cè)方法包括步驟在轉(zhuǎn)矩命令上疊 加預(yù)定信號(hào)，以將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩供應(yīng)到馬達(dá)；測(cè)量在轉(zhuǎn)矩命令上疊加預(yù)定 信號(hào)時(shí)的所述驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與由位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)角度之間的振幅頻 鐠比率(amplitude spectrum ratio );生成用于4吏所述振幅頻鐠比率 恒定(even out)的校正數(shù)據(jù)；以及使用所述校正數(shù)據(jù)校正測(cè)量的馬 達(dá)角度，以使由位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)角度等于實(shí)際的馬達(dá)角度。
作為本發(fā)明另一方面的馬達(dá)控制設(shè)備包括測(cè)量馬達(dá)的位移量的 位移傳感器；供應(yīng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩到所述馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)單元；生成預(yù)定信號(hào)并 且供應(yīng)所述預(yù)定信號(hào)到所述驅(qū)動(dòng)單元的信號(hào)生成器；校正數(shù)據(jù)生成器，
位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)的位移量來(lái)生成校正數(shù)據(jù)；以及校正單元，其 使用由所述校正數(shù)據(jù)生成器生成的校正數(shù)據(jù)校正所測(cè)量的馬達(dá)位移 量，以使由所述位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)位移量等于實(shí)際的馬達(dá)位移量。 所述驅(qū)動(dòng)單元使用由所述校正單元校正過(guò)的位移量來(lái)控制所述馬達(dá)。
從下面參考附圖描述的實(shí)施例，本發(fā)明的其他方面將是明顯的。


圖1是實(shí)施例1中馬達(dá)控制設(shè)備的控制方塊圖。
圖2是顯示實(shí)施例1中馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em和由編碼器測(cè)量的角
度em'之間的關(guān)系的圖。
圖3是顯示實(shí)施例i中馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em和測(cè)量誤差em，- em
之間的關(guān)系的圖。
圖4是顯示實(shí)施例1中馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm的振幅頻語(yǔ)的圖。 圖5是顯示實(shí)施例1中馬達(dá)的測(cè)量角度em，的角度響應(yīng)em，p的 振幅頻鐠的圖。
圖6是顯示實(shí)施例1中校正數(shù)據(jù)的圖。
圖7是顯示實(shí)施例i中未校正的測(cè)量誤差em'-e和校正過(guò)的測(cè)量 角度em"-e的圖。
圖8是顯示實(shí)施例2中馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em和測(cè)量角度em，之間
關(guān)系的圖。
圖9是顯示實(shí)施例2中馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度0m和測(cè)量誤差em， -em
之間關(guān)系的圖。
圖IO是顯示實(shí)施例2中校正數(shù)據(jù)的圖。
圖ii是顯示實(shí)施例2中未校正的測(cè)量誤差em，- e和校正過(guò)的測(cè)
量角度0m"-e的圖。
圖12是顯示實(shí)施例1中校正過(guò)程的流程圖。
圖13是顯示激光加工機(jī)器的一個(gè)例子的示意性視圖。
圖14是顯示馬達(dá)控制設(shè)備的一個(gè)例子的示意性視圖。
圖15是顯示旋轉(zhuǎn)編碼器的刻度盤的一個(gè)例子的平面視圖。
圖16是顯示編碼器輸出的A相信號(hào)和B相信號(hào)的圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖描迷本發(fā)明的示例性實(shí)施例。 作為加工機(jī)器的一個(gè)例子，將描述激光加工機(jī)器的配置。圖13
顯示激光加工機(jī)器100的示意性視圖。激光加工機(jī)器100被用于諸如 切割板、在板中鉆孔以及在金屬之間燁接的各種目的。
本實(shí)施例的激光加工才幾器100包括旋轉(zhuǎn)馬達(dá)101和102。旋轉(zhuǎn)馬 達(dá)101和102被提供用于分別旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鏡103和104。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)101 和102 4t轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鏡103和104,以改變這些方向。
這樣，使用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)101和102改變鏡103和104的方向可以改 變激光束L的方向。如后面所述，每個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)IOI和102被提供有 用于測(cè)量馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)位移量的編碼器。精確地測(cè)量馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)位移量 能夠精確地控制激光束L的方向。
從激光振蕩器105發(fā)射的激光束L經(jīng)由鏡103和104照射在激光 加工表面106上。諸如金屬、玻璃和塑料的多種材料可被選作受到加 工的激光加工表面106。
如上所述，激光加工機(jī)器100能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡103和104來(lái)準(zhǔn)確 地控制激光束L的方向。因此，能夠準(zhǔn)確地加工激光加工表面106。
然后，將描述用于激光加工機(jī)器100的馬達(dá)控制設(shè)備的配置。圖 14顯示馬達(dá)控制設(shè)備的示意性視圖。圖15顯示編碼器的刻度盤201 的示意性平面視圖。
本實(shí)施例的馬達(dá)控制設(shè)備200包括用于感測(cè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)IOI的旋轉(zhuǎn) 位移量的光學(xué)編碼器。所述編碼器包括具有旋轉(zhuǎn)狹縫(slit)圓盤和固 定狹縫圓盤的刻度盤201,以及具有發(fā)光元件(發(fā)光二極管)和光接 收元件(光電二極管)的傳感器202。旋轉(zhuǎn)狹縫圓盤隨著旋轉(zhuǎn)馬達(dá)101 的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。另一方面，固定狹縫圓盤被固定。配置編碼器以將旋 轉(zhuǎn)狹縫圓盤和固定狹縫圓盤放在發(fā)光元件和光接收元件之間。
旋轉(zhuǎn)狹縫圓盤和固定狹縫圓盤被提供有許多狹縫。通過(guò)旋轉(zhuǎn)狹縫 圓盤的旋轉(zhuǎn)而透過(guò)(transmit)或者切斷發(fā)光元件的光。此外，因?yàn)?固定狹縫圓盤將編碼器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成多個(gè)相，所以固定狹縫被分 成多個(gè)狹縫。因此，編碼器被提供有多個(gè)發(fā)光元件和光接收元件。
如圖15中所示，編碼器的刻度盤201被提供有A相圖案205和 B相圖案206的狹縫。刻度盤201繞旋轉(zhuǎn)軸204旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)中，當(dāng) 來(lái)自發(fā)光元件的光透過(guò)A相圖案和B相圖案的狹縫中的每一個(gè)時(shí)，兩 個(gè)光接收元件中的每一個(gè)感測(cè)發(fā)光元件的光。因此，如圖16所示，編
碼器生成彼此相位差為90°的A相信號(hào)和B相信號(hào)。圖16的A相信 號(hào)和B相信號(hào)是通過(guò)使用波形整形電路對(duì)正弦波形的編碼器輸出進(jìn)行 波形整形而形成的方波信號(hào)。
馬達(dá)控制器203控制旋轉(zhuǎn)馬達(dá)101的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。馬達(dá)控制器203 比較作為目標(biāo)角度的馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度與作為測(cè)量角度的馬達(dá)測(cè)量角度， 并執(zhí)行反饋控制以使測(cè)量角度等于目標(biāo)角度。因此，可以將鏡103的 方向變成對(duì)應(yīng)于目標(biāo)角度的角度。
感測(cè)原理不限于光學(xué)方法，也可以采用諸如磁方法的其他原理。 (實(shí)施例1)
接下來(lái)，將描述本發(fā)明實(shí)施例1中的位移感測(cè)方法和馬達(dá)控制設(shè) 備。圖1是馬達(dá)控制設(shè)備的控制器所執(zhí)行的控制的方塊圖。
圖l中的控制方塊是其中使用旋轉(zhuǎn)編碼器作為用于測(cè)量馬達(dá)的旋 轉(zhuǎn)角度0m的角度傳感器的定位控制系統(tǒng)。所述圖顯示其中關(guān)于轉(zhuǎn)矩 命令的定位響應(yīng)為lV的簡(jiǎn)單的馬達(dá)模型，以及執(zhí)行位置和速度反饋 的比例控制的定位控制系統(tǒng)。
參考數(shù)字1表示目標(biāo)角度命令。目標(biāo)角度命令1命令從馬達(dá)17 輸出的旋轉(zhuǎn)角度em的目標(biāo)角度。參考數(shù)字2表示第一加法器。第一 加法器2反饋從校正裝置18(校正單元)輸出的校正角度19，以將目 標(biāo)角度命令1的目標(biāo)角度和校正角度19相加。參考數(shù)字3表示第二加 法器。第二加法器3將第一加法器2的輸出信號(hào)和從微分器12輸出的 速度反饋信號(hào)相加。
參考數(shù)字4表示轉(zhuǎn)矩命令。通過(guò)使目標(biāo)角度命令1通過(guò)第一加法 器2和第二加法器3，而計(jì)算轉(zhuǎn)矩命令4。參考數(shù)字5表示第三加法器。 第三加法器5將由信號(hào)生成裝置13 (信號(hào)生成器)生成的正弦波信號(hào) 疊加在轉(zhuǎn)矩命令4上。參考數(shù)字6表示驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。從第三加法器5輸 出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩6，并將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩6供應(yīng)到馬達(dá)17。這樣，第三加法器5 具有作為將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩6供應(yīng)到馬達(dá)17的驅(qū)動(dòng)裝置(驅(qū)動(dòng)單元)的功能。
參考數(shù)字17表示馬達(dá)。馬達(dá)17被提供有積分器7和8，并且輸 出馬達(dá)17的旋轉(zhuǎn)角度9 (em)。因?yàn)閷⑵渲修D(zhuǎn)矩命令4的位置響應(yīng)
為1/82的馬達(dá)模型應(yīng)用于本實(shí)施例，所以本實(shí)施例的馬達(dá)17包括兩個(gè) 積分器7和8。
作為馬達(dá)17的位移量的旋轉(zhuǎn)角度9 ( em )指示馬達(dá)17的實(shí)際旋 轉(zhuǎn)角度。換句話說(shuō)，旋轉(zhuǎn)角度9 (em)是馬達(dá)17的實(shí)際位移量。這 樣，它不同于編碼器所測(cè)量的測(cè)量角度。
參考數(shù)字10表示編碼器。編碼器10是感測(cè)馬達(dá)17的實(shí)際旋轉(zhuǎn) 角度9 (em)的位移感測(cè)裝置(位移傳感器)。參考數(shù)字11表示測(cè) 量角度(em')。測(cè)量角度ll (em')是由作為位移感測(cè)裝置的編碼器 IO所測(cè)量的位移量(角度)。編碼器10感測(cè)馬達(dá)17的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度 9 (em),以計(jì)算馬達(dá)17的測(cè)量角度11 (em')。從編碼器10輸出 的正弦波信號(hào)包括高次諧波成分。還存在編碼器10的刻度盤具有加工 誤差的可能性。因此，嚴(yán)格地講，由編碼器10測(cè)量的馬達(dá)17的測(cè)量 角度ll (em')不同于馬達(dá)17的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度9 (em)。換句話說(shuō)， 在實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度9 (em)和由編碼器10測(cè)量的馬達(dá)17的測(cè)量角度11 (em，)之間存在誤差。
參考數(shù)字12表示微分器。微分器12將由校正裝置18校正的校 正角度19 (em")相對(duì)于時(shí)間求微分，以獲得馬達(dá)17的旋轉(zhuǎn)速度。 將由微分器12獲得的旋轉(zhuǎn)速度輸入到第二加法器3作為速度反饋信 號(hào)。
參考數(shù)字13表示信號(hào)生成裝置(信號(hào)生成器)。本實(shí)施例的信 號(hào)生成裝置13生成具有預(yù)定振幅和頻率的正弦波信號(hào)，并且將所述正 弦波信號(hào)供應(yīng)到作為驅(qū)動(dòng)裝置的第三加法器5。盡管本實(shí)施例的信號(hào) 生成裝置13生成正弦波信號(hào)，替代地，它可以生成諸如高斯噪聲或三 角波的另一信號(hào)，以供應(yīng)到第三加法器5。
參考數(shù)字14表示第一傅里葉變換單元。第一傅里葉變換單元14 輸入從第三加法器5輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩6，以執(zhí)行驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩6的傅里葉 變換。第一傅里葉變換單元14輸出第一振幅頻譜作為執(zhí)行驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩6 的傅里葉變換的結(jié)果。
參考數(shù)字15表示第二傅里葉變換單元。第二傅里葉變換單元15
輸入基于編碼器10的輸出信號(hào)獲得的馬達(dá)17的測(cè)量角度11 ( em')， 以執(zhí)行測(cè)量角度ll (em，)的傅里葉變換。第二傅里葉變換單元15輸 出第二振幅頻鐠作為執(zhí)行測(cè)量角度ll (em，)的傅里葉變換的結(jié)果。
參考數(shù)字16表示校正數(shù)據(jù)生成裝置(校正數(shù)據(jù)生成器)。校正 數(shù)據(jù)生成裝置16計(jì)算第一振幅頻鐠和第二振幅頻鐠的振幅頻鐠比率。 校正數(shù)據(jù)生成裝置16基于振幅頻鐠比率而生成校正數(shù)據(jù)W[nl。換句 話說(shuō)，校正數(shù)據(jù)生成裝置16基于當(dāng)預(yù)定正弦波信號(hào)被供應(yīng)到第三加法 器5時(shí)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩6和由編碼器10測(cè)量的測(cè)量角度(em')來(lái)生成校 正數(shù)據(jù)。
參考數(shù)字18表示校正裝置(校正單元)。校正裝置18使用由校 正數(shù)據(jù)生成裝置16生成的校正數(shù)據(jù)W[nl來(lái)校正由編碼器10測(cè)量的馬 達(dá)17的測(cè)量角度11 ( em')。校正裝置18校正作為位移感測(cè)裝置(位 移傳感器)的編碼器10的測(cè)量角度11 (em，)，以使得等于馬達(dá)17 的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度9 (em)。因此，由校正裝置18校正過(guò)的校正角度 19具有極其接近馬達(dá)17的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度(em)的值。將校正角度19
反饋到第一加法器2和第二加法器3。
然后，將詳細(xì)描述圖1的控制方塊中發(fā)生的測(cè)量角度誤差和校正 所述誤差的方法。
首先，將描述包括高次諧波成分的編碼器信號(hào)導(dǎo)致的關(guān)于馬達(dá)的 測(cè)量角度(em')的誤差。本實(shí)施例使用旋轉(zhuǎn)編碼器作為旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的 角度傳感器。編碼器具有作為馬達(dá)的位移感測(cè)裝置的功能。
在馬達(dá)的每一旋轉(zhuǎn)的140000個(gè)循環(huán)(cycles)中，編碼器輸出兩 相正弦波信號(hào)中的每一個(gè)。當(dāng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度為em [rad時(shí)，用等式 l表示相位角度ee。等式1
6>e =140000x6^ (1) 用等式2和3分別表示輸出理想正弦波的編碼器的兩相信號(hào)Asig 和Bsig。
等式2<formula>formula see original document page 11</formula>
(2)
等式3
<formula>formula see original document page 11</formula> (3)
在此實(shí)施例中，編碼器信號(hào)被認(rèn)為包括用等式4和5表示的3次 和5次的高次諧波。等式4
<formula>formula see original document page 11</formula>(4)
等式5
<formula>formula see original document page 11</formula>
在此實(shí)施例中，包括高次諧波的編碼器信號(hào)被認(rèn)為是理想的正弦 波信號(hào)，且在通過(guò)反正切方法(tan—1)執(zhí)行電分離中發(fā)生的誤差被考 慮。通過(guò)使用包括高次諧波的編碼器信號(hào)的等式6計(jì)算編碼器的相位 角度0e'。
等式6<formula>formula see original document page 11</formula>(6)
通過(guò)使用編碼器的相位信號(hào)0e，的等式7表達(dá)馬達(dá)的測(cè)量角度 em' [rad。
等式7
<formula>formula see original document page 11</formula>(7)
因?yàn)榫幋a器為周期函數(shù)，所以可以認(rèn)為編碼器的相位角度0e是 —71 S 0e S 7T的范圍。
圖2顯示馬達(dá)的測(cè)量角度em，和馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em之間的關(guān)系。
在圖2中，水平軸指示馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em，而垂直軸指示由電分離 計(jì)算的馬達(dá)的測(cè)量角度em，。在測(cè)量誤差理想地為零的情況下，圖2 中所示圖形是線性的。然而，因?yàn)閷?shí)際測(cè)量角度包括誤差，所以圖2 中所示圖形為扭曲線。
圖3顯示測(cè)量誤差0m'-em和馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em之間的關(guān)系。 在圖3中，水平軸指示馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度0m，而垂直軸指示馬達(dá)的旋 轉(zhuǎn)角度9m和由電分離計(jì)算的馬達(dá)的測(cè)量角度em，之間的測(cè)量誤差 0m，- 0m。在測(cè)量誤差理想地為零的情況下，垂直軸的測(cè)量誤差em'-em不依賴于水平軸的旋轉(zhuǎn)角度em而始終指示零。然而，因?yàn)閷?shí)際測(cè) 量角度包括誤差，所以圖3中所示圖形正弦地變化。
如上所述，由編碼器輸出的高次諧波成分導(dǎo)致測(cè)量誤差發(fā)生在馬 達(dá)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度e m和由編碼器測(cè)量的測(cè)量角度0 m'之間。
然后，將參考圖12中所示校正過(guò)程的流程圖描述校正由編碼器 測(cè)量的測(cè)量角度0m，的方法。用安裝在馬達(dá)上的編碼器執(zhí)行本實(shí)施例 的校正過(guò)程。
本實(shí)施例的馬達(dá)控制設(shè)備具有用于校正編碼器的測(cè)量角度的校 正模式和執(zhí)行實(shí)際馬達(dá)控制的控制模式。在移動(dòng)到執(zhí)行正常的馬達(dá)控 制的控制模式之前，馬達(dá)控制設(shè)備在校正模式中校正測(cè)量角度。
圖1中所示的控制系統(tǒng)通過(guò)編碼器測(cè)量馬達(dá)的測(cè)量角度em'，以 執(zhí)行馬達(dá)的定位控制。在此實(shí)施例中，在等式8表示的360個(gè)點(diǎn)處計(jì) 算校正系數(shù)。
等式8
<formula>formula see original document page 12</formula>
首先，在等式8中，編碼器測(cè)量滿足em'
=-7r/140000 (n-O)的 位置(角度)(步驟S1)。然后，控制系統(tǒng)執(zhí)行定位控制，以使馬達(dá) 處于這個(gè)位置(步驟S2)。然后，在定位控制的情形中，控制系統(tǒng)將 信號(hào)生成裝置13已生成的100 Hz的正弦波信號(hào)疊加在轉(zhuǎn)矩命令4上 (步驟S3)。正弦波頻率不限于100 Hz,而是也可以使用另一個(gè)頻率。
基于所述結(jié)果，控制系統(tǒng)將從第三加法器5輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩6供 應(yīng)到馬達(dá)17，以測(cè)量驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩6和測(cè)量角度em，的角度響應(yīng)(步驟S4 )。 在這種情況下，用Tm
和測(cè)量角度0m，的角度響應(yīng) em'p[nl (步驟S4)。
如果n的值達(dá)到360，則控制系統(tǒng)執(zhí)行馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm和角 度響應(yīng)0m'p中的每一個(gè)的傅里葉變換，以計(jì)算每個(gè)振幅頻鐠(步驟 S7)。圖4顯示馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm的振幅頻鐠。圖5顯示角度響應(yīng) em'p的振幅頻鐠。圖4和5中顯示的振幅頻傳的每一個(gè)僅僅代表正弦 波信號(hào)的疊加的100Hz頻率的項(xiàng)(term)。
如果不存在編碼器的測(cè)量誤差，則馬達(dá)17的測(cè)量角度9m'的角 度響應(yīng)em'p關(guān)于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm是恒定的。換句話說(shuō)，角度響應(yīng)的振 幅頻鐠關(guān)于驅(qū)動(dòng)頻鐠的振幅頻語(yǔ)(振幅頻鐠比率)是恒定的。
然而，實(shí)際上，發(fā)生編碼器的測(cè)量誤差。因此，如圖4和5中所
示，當(dāng)使用測(cè)量角度em，時(shí)振幅頻鐠比率不是恒定的。
因此，當(dāng)發(fā)生測(cè)量誤差時(shí)，控制系統(tǒng)生成校正數(shù)據(jù)W[n]，以使 振幅頻譜比率恒定(步驟S8 )。當(dāng)測(cè)量角度em'為em'[n^em'< 9m'[n+l
時(shí)，校正數(shù)據(jù)W[nl為加權(quán)數(shù)據(jù)，并且計(jì)算所述校正數(shù)據(jù)W[n，以滿 足下述等式9和10。等式9
等式io
359 2;z"
x +1]-=(io)
等式9中的K是任意常數(shù)。DFT(em'p)是通過(guò)測(cè)量角度em，的角 度響應(yīng)em'p的傅里葉變換計(jì)算的振幅頻鐠(100 Hz的項(xiàng))。DFT(Tm) 是通過(guò)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm的傅里葉變換計(jì)算的振幅頻鐠(100 Hz的項(xiàng))。 圖6顯示校正數(shù)據(jù)W和測(cè)量角度0m，之間的關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)使用這樣 的校正數(shù)據(jù)W執(zhí)行校正，以使驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm和角度響應(yīng)em，p的振幅 頻鐠比率恒定。也可以在測(cè)量驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm[n和角度響應(yīng)(em'p[n])之
后，立即執(zhí)行振幅頻譜和振幅頻語(yǔ)比率的測(cè)量(圖12中的步驟S4)。 使用校正數(shù)據(jù)W[nl計(jì)算將測(cè)量角度em，校正到的校正角度em" (步驟S9)。當(dāng)測(cè)量角度Gm，滿足(27r/360)x(n-180)/140000 ^ 0m' < (2tt/360) x((n+l)-l80)/140000時(shí)，用等式11表示校正角度0m"。等式ll
6W'=尤C -1] x呵W) + ， x (6W[" +1]-呵"]) (11)
圖7顯示關(guān)于馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度0的校正過(guò)的測(cè)量誤差em"- em 和未校正的測(cè)量誤差em，- em。在圖7中，水平軸指示馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角
度em，而垂直軸指示測(cè)量誤差。用虛線指示馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em和未
校正的測(cè)量角度0m'之間的測(cè)量誤差em，- em，而用實(shí)線指示馬達(dá)的 旋轉(zhuǎn)角度0m和校正過(guò)的測(cè)量角度0m"之間的測(cè)量誤差em"- 9m。
如圖7中所示，未校正的測(cè)量誤差em，-em大。然而，校正過(guò)的 測(cè)量誤差em"- 0m極其小。換句話說(shuō)，使用校正數(shù)據(jù)W計(jì)算的校正 角度9m"極其接近馬達(dá)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度0m。
如上所述，本實(shí)施例的位移感測(cè)方法在馬達(dá)的測(cè)量角度em'之中
要被校正的范圍內(nèi)的多個(gè)測(cè)量角度處順序地執(zhí)行振幅頻譜的測(cè)量。然 后，執(zhí)行測(cè)量角度0m'的校正，以使每個(gè)測(cè)量角度9m，的定位響應(yīng)在 要被校正的范圍中關(guān)于任意的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是恒定的。
馬達(dá)控制設(shè)備在校正模式中計(jì)算校正角度em'，之后，它移動(dòng)到其 中馬達(dá)控制設(shè)備執(zhí)行正常馬達(dá)控制的控制模式。在控制模式中，作為 馬達(dá)控制設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置的第三加法器5使用在校正模式中計(jì)算的校 正角度em"執(zhí)行馬達(dá)17的驅(qū)動(dòng)控制。
如上所述，本實(shí)施例使用校正數(shù)據(jù)W來(lái)使振幅頻鐠比率恒定， 能夠有效地減少關(guān)于包括高次諧波信號(hào)的編碼器的輸出信號(hào)的測(cè)量誤 差。因此，本實(shí)施例能夠提供一種減少編碼器的輸出信號(hào)中包括的高 次諧波成分引起的誤差的位移感測(cè)方法。此外，因?yàn)轳R達(dá)控制設(shè)備校 正編碼器的測(cè)量角度使得編碼器的測(cè)量誤差小，所以本實(shí)施例能夠提 供具有高精確性的馬達(dá)控制設(shè)備。實(shí)施例2
在本實(shí)施例中，編碼器的刻度盤間距具有加工誤差。與實(shí)施例l 相同，本實(shí)施例使用旋轉(zhuǎn)編碼器作為安裝在旋轉(zhuǎn)馬達(dá)上的角度傳感器。 如在實(shí)施例1的情形中，本實(shí)施例的編碼器在馬達(dá)的每一旋轉(zhuǎn)的
140000個(gè)循環(huán)中輸出兩相正弦波信號(hào)中的每一個(gè)。馬達(dá)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角 度為0m [radl時(shí)，用與等式1相同的等式12表示相位角度6e。等式12
<formula>formula see original document page 15</formula> (12)
此外，用分別與等式2和3相同的等式13和14表示編碼器的兩 相正弦波信號(hào)Asig和Bsig。等式13
<formula>formula see original document page 15</formula> (13)
等式14
<formula>formula see original document page 15</formula> (14)
然而，如果刻度盤間距具有加工誤差，則等式1的關(guān)系不被滿足， 并且不能測(cè)量準(zhǔn)確的位置。在本實(shí)施例中，將描述在如上所述刻度盤 間距具有加工誤差的情況中校正馬達(dá)的測(cè)量角度0m的校正過(guò)程。
首先，將描述具有刻度盤間距加工誤差的編碼器的輸出信號(hào)提供 馬達(dá)測(cè)量角度的誤差。
關(guān)于馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度0m，本實(shí)施例的刻度盤被認(rèn)為滿足等式15 和16。當(dāng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度的范圍為(-7T/140000)xl.2senK0時(shí)，用等 式15表示編碼器的相位角度9e，。等式15
<formula>formula see original document page 15</formula> ;
當(dāng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度的范圍為0 S 0m < (-7T/140000)x0.8時(shí)，用等式 16表示編碼器的相位角度0e'。等式16<formula>formula see original document page 15</formula>
0.8
在這種情況下，本實(shí)施例的編碼器具有滿足等式15和16的關(guān)系 的加工誤差。所述刻度盤被認(rèn)為不具有不同于上述范圍的加工誤差。 當(dāng)編碼器的輸出信號(hào)是理想的且不包括高次諧波時(shí)，用等式17表示測(cè)
量角度0m，。
等式17
(17)
140000
圖8顯示馬達(dá)的測(cè)量角度em'和馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度9m之間的關(guān)系。 在圖8中，水平軸指示馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em，而垂直軸指示由包括刻 度盤加工誤差的編碼器測(cè)量的測(cè)量角度em'。如果加工誤差理想地為 零，則圖8中所示圖形是線性的。然而，因?yàn)楸緦?shí)施例的刻度盤具有 滿足等式15和16的加工誤差，所以圖8中所示圖形為扭曲線。
圖9顯示具有加工誤差的編碼器的測(cè)量誤差em'- em和馬達(dá)的旋 轉(zhuǎn)角度em之間的關(guān)系。在圖9中，水平軸指示馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em， 而垂直軸指示馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度em與由具有刻度盤加工誤差的編碼器
測(cè)量的馬達(dá)測(cè)量角度em，之間的測(cè)量誤差em'-em。如果加工誤差理想
地為零，則垂直軸的測(cè)量誤差em，-0m不依賴于水平軸的旋轉(zhuǎn)角度em 而始終指示零。然而，實(shí)際上，因?yàn)榇嬖诩庸ふ`差，所以它如圖9中 所示改變。
然后，將描述由刻度盤的加工誤差導(dǎo)致的測(cè)量誤差0m，-em的校
正方法。所述校正方法與實(shí)施例1的相同。首先，在定位控制的情形
中，所述校正方法將100 Hz的正弦波信號(hào)疊加在馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩命令上。 然后，它將其上疊加了正弦波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩施加到馬達(dá)，并且測(cè)量 馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm和角度響應(yīng)0m'p。那以后，它^f吏用等式8到10 生成校正數(shù)據(jù)。
圖IO顯示本實(shí)施例中生成的校正數(shù)據(jù)W。垂直軸指示校正數(shù)據(jù) W，而水平軸指示測(cè)量角度0m'。因?yàn)楸緦?shí)施例中刻度盤的加工誤差 滿足等式15和16，所以當(dāng)測(cè)量角度em，小于0時(shí)校正數(shù)據(jù)W顯示為
1.2。同時(shí)，當(dāng)測(cè)量角度em，大于或等于0時(shí)，校正數(shù)據(jù)W顯示為0.8。 然后，將描述使用校正數(shù)據(jù)W將測(cè)量角度em，校正到的校正角 度0m"。
圖ii顯示關(guān)于馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度e的校正過(guò)的測(cè)量誤差em"- em 以及未校正的測(cè)量角度0m'-em。在圖ii中，水平軸指示旋轉(zhuǎn)角度e，
而垂直軸指示測(cè)量誤差。用虛線指示旋轉(zhuǎn)角度0m和未校正的測(cè)量角 度0m'之間的測(cè)量誤差em'-em，而用實(shí)線指示馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度0m和 校正過(guò)的測(cè)量角度6m'，之間的測(cè)量誤差em"- 0m。
如圖ll中所示，未校正過(guò)的測(cè)量誤差0m，- em大。然而，校正 過(guò)的測(cè)量誤差em"- em極其小。換句話說(shuō)，使用校正數(shù)據(jù)W計(jì)算的 校正角度0m，，極其接近實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度em。
馬達(dá)控制設(shè)備在校正模式中計(jì)算校正角度em"之后，它移動(dòng)到執(zhí) 行正常的馬達(dá)控制的控制模式。在所述控制模式中，作為馬達(dá)控制設(shè) 備的驅(qū)動(dòng)裝置的第三加法器5使用在校正模式中計(jì)算的校正角度em" 執(zhí)行馬達(dá)17的驅(qū)動(dòng)控制。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，使用校正數(shù)據(jù)W以使振幅頻鐠比率 恒定，能夠有效地減少由編碼器的刻度盤加工誤差導(dǎo)致的測(cè)量誤差。 因此，能夠提供減少由刻度盤加工誤差導(dǎo)致的測(cè)量誤差的位移感測(cè)方 法。此外，通過(guò)基于刻度盤加工誤差校正編碼器的測(cè)量角度，能夠提 供具有高精確性的馬達(dá)控制設(shè)備。
如上所述，基于實(shí)施例具體描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于 這些實(shí)施例，可以作出各種變化和修改而不脫離本發(fā)明的范圍。
例如，在實(shí)施例1和2中，盡管使用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為可動(dòng)機(jī)構(gòu)，但 是也可以用平移機(jī)構(gòu)代替它。因此，本發(fā)明既可以應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)編碼器， 也可以應(yīng)用到線性編碼器。盡管使用馬達(dá)作為可動(dòng)機(jī)構(gòu)，但是也可以 用諸如壓電致動(dòng)器的致動(dòng)器代替它。
盡管使用編碼器作為位移感測(cè)裝置，但是也可以用電容傳感器或 者PSD (位置敏感探測(cè)器)代替它。如果使用電容傳感器或者PSD, 則可以執(zhí)行位移感測(cè)的線性校正。
可以使用驅(qū)動(dòng)力或者位移量的一階或更高階微分值或積分值，以 使位移量與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系恒定。
在實(shí)施例2中，即使編碼器的刻度盤間距不均勻，也可以通過(guò)設(shè) 置包括不均勻部分的角度或位置范圍以及計(jì)算校正加權(quán)系數(shù)來(lái)執(zhí)行位 移校正。
根據(jù)使用上述實(shí)施例的校正方法的加瓦諾馬達(dá)的定位設(shè)備，或者 使用它的激光加工機(jī)器或加工機(jī)器，編碼器的測(cè)量精確性被容易地提 高，且定位精確性能夠被提高。因此，能夠改善機(jī)器性能，且能夠改 善被加工目標(biāo)或工件的質(zhì)量。
如上所述，以上實(shí)施例中的每一個(gè)能夠提供降低由編碼器的輸出 信號(hào)中包括的高次諧波成分或者刻度盤間距的加工誤差所導(dǎo)致的編碼 器的測(cè)量誤差的位移感測(cè)方法。此外，通過(guò)降低編碼器的測(cè)量誤差， 以上實(shí)施例中的每一個(gè)能夠提供具有高精確性的馬達(dá)控制設(shè)備。
這個(gè)申請(qǐng)要求2007年9月14日提交的日本專利申請(qǐng)No. 2007-238695的優(yōu)先權(quán)，因此其所有內(nèi)容在此通過(guò)引用被并入。
權(quán)利要求
1、一種位移感測(cè)方法，包括步驟在轉(zhuǎn)矩命令上疊加預(yù)定信號(hào)，以將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩供應(yīng)到馬達(dá)；測(cè)量在轉(zhuǎn)矩命令上疊加預(yù)定信號(hào)中的所述驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)角度之間的振幅頻譜比率；生成用于使所述振幅頻譜比率恒定的校正數(shù)據(jù)；以及使用所述校正數(shù)據(jù)校正測(cè)量的馬達(dá)角度，以使所述位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)角度等于實(shí)際的馬達(dá)角度。
2、 一種馬達(dá)控制設(shè)備，包含 測(cè)量馬達(dá)的位移量的位移傳感器； 將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩供應(yīng)到所述馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)單元；生成預(yù)定信號(hào)并且將所述預(yù)定信號(hào)供應(yīng)到所述驅(qū)動(dòng)單元的信號(hào) 生成器；校正數(shù)據(jù)生成器，其使用當(dāng)所述預(yù)定信號(hào)被供應(yīng)到所述驅(qū)動(dòng)單元 時(shí)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與所述位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)的位移量來(lái)生成校正數(shù) 據(jù)；以及校正單元，其使用所述校正數(shù)據(jù)生成器生成的校正數(shù)據(jù)來(lái)校正所 述馬達(dá)的測(cè)量的位移量，以使所述位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)的位移量等于馬達(dá)的實(shí)際位移量，其中所述驅(qū)動(dòng)單元使用所述校正單元校正過(guò)的位移量來(lái)控制所 述馬達(dá)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的馬達(dá)控制設(shè)備， 其中所述預(yù)定信號(hào)是正弦波信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3的馬達(dá)控制設(shè)備，其中，所述校正數(shù)據(jù)生成器生成的校正數(shù)據(jù)是用于使振幅頻譜比率恒定的校正數(shù)據(jù)，使用所述驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與所述位移傳感器測(cè)量的馬達(dá) 的位移量來(lái)獲得所述振幅頻譜比率。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或3的馬達(dá)控制設(shè)備， 其中所述位移傳感器是編碼器。
6、 一種加工機(jī)器，包括根據(jù)權(quán)利要求2或3的馬達(dá)控制設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明公開一種位移感測(cè)方法、馬達(dá)控制設(shè)備以及包括所述馬達(dá)控制設(shè)備的加工機(jī)器。本發(fā)明的位移感測(cè)方法包括步驟在轉(zhuǎn)矩命令上疊加預(yù)定信號(hào)，以將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩供應(yīng)到馬達(dá)；測(cè)量在轉(zhuǎn)矩命令上疊加預(yù)定信號(hào)中的所述驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)角度之間的振幅頻譜比率；生成用于使所述振幅頻譜比率恒定的校正數(shù)據(jù)；以及使用所述校正數(shù)據(jù)校正測(cè)量的馬達(dá)角度，以使位移傳感器測(cè)量的馬達(dá)角度等于實(shí)際的馬達(dá)角度。
文檔編號(hào)G01B11/26GK101387504SQ200810149119
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者上田伸治 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社