JP2008064699A - モータの速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な装置構成で、精度および応答性を高めた広範囲の速度検出ができる。
【解決手段】モータ２に軸結合された円板５の歯部との相対位置変化を４相の多相パルス信号Ｓａ〜Ｓｄとして磁気センサ６ａ〜６ｄで検出する。時刻／位相ラッチ処理部７はパルス信号の全てのエッジ位置に同期したパルスエッジ波形とタイマ８の時刻信号から該パルス信号のパルス発生時刻Ｔａ〜Ｔｄとパルス発生位相Ｐａ〜Ｐｄを求め、速度演算処理部９はパルス発生時刻とパルス発生位相からモータの速度を求める。
パルス発生時刻Ｔａ，Ｔｂとパルス発生位相Ｐａ，Ｐｂからモータの高速時の速度を求める高速時演算と、パルス発生時刻Ｔａ〜Ｔｄとパルス発生位相Ｐａ〜Ｐｄからモータの低速時の速度を求める低速時演算とを切換えることも含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの極低速域から高速域までの広範囲可変速制御のための速度検出装置に関する。

図４は、モータの可変速制御装置の構成例を示す。電力変換器１は電圧と周波数を制御したＰＷＭ出力でモータ２を可変速駆動する。速度制御部３は速度指令とモータ２の速度検出値との偏差を比例積分（ＰＩ）演算し、この出力を電流指令とする電流制御部４は電力変換器１の出力電流検出値との偏差の比例積分演算をして電力変換器１の出力電圧・周波数制御信号を得る。

このような可変速制御装置において、モータ２の速度検出にはパルスピックアップ型の速度検出器が多く用いられている。図４中にはパルスピックアップ型の速度検出器の例を示し、周縁部に多数の歯部をもつ円板（回転体）５をモータ２に軸結合し、この円盤５の周辺部に一定の円周距離（歯部の歯間隔により決まる）を持たせて一対の磁気センサ６ａ，６ｂを配置し、これら磁気センサ６ａ，６ｂにそれぞれ近接してくる歯部との相対位置変化を電磁的にそれぞれ検出し、これら磁気センサ６ａ，６ｂに得る２相のパルス信号Ｓａ，Ｓｂから時刻／位相ラッチ処理部７とタイマ８によりモータ２の回転位置および速度に応じたパルス発生時刻Ｔａ，Ｔｂとパルス発生位相Ｐａ，Ｐｂを抽出し、これらパルスから速度演算部９によりモータ２の速度演算、さらにロータ位相演算を行う。

図５は磁気センサ６ａ，６ｂと時刻／位相ラッチ処理部７における各部波形を示す。図中、Ａ相パルスとＢ相パルスは磁気センサ６ａ，６ｂからのパルス信号Ｓａ，Ｓｂの発生周期ＴＡ１，ＴＡ２，ＴＢ１，ＴＢ２をもつパルスになり、パルスエッジはパルス信号Ｓａ，Ｓｂのエッジ位置になり、位相θおよび時刻ｔはパルス信号Ｓａ，Ｓｂのエッジを計数するカウンタの値になる。これら位相θおよび時刻ｔからパルス発生時刻Ｔａ，Ｔｂとパルス発生位相Ｐａ，Ｐｂを演算で求める。この演算には、同じ相のパルスエッジを使用する１ｆ方式では例えば期間Ｔ１ｆの位相θと時間ｔから求め、Ａ相パルスとＢ相パルスの全パルスエッジを使用する４ｆ方式では例えば期間Ｔ４ｆの位相θと時間ｔから求める。

このようなパルスピックアップ型の速度検出器は、現在は図５に示す２相のパルスを基にした検出あるいは１相のパルスを基にした検出を行い、パルスのカウント数（位相）とパルス発生時刻により速度検出を行っている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１にはＡ相パルスとＢ相パルスの２相方式において、モータの速度変動むらがある場合にも正確な平均速度を計測する手法が提案されている。特許文献２には１相方式において、回転速度検出の誤差を小さくする手法が提案されている。
特開平６−１１８０９０号公報 特開平８−７６８５５号公報

前記の円板５と磁気センサ６ａ，６ｂで構成するエンコーダの種類及び特徴としては以下の方式のものがある。

広範囲の回転数が求められるシステムにおいて、安価に高回転での機械的強度を求めるのであれば機械式パルス型が有効である。しかし、歯車やスリットの機械的加工精度に限界があるため、多パルス化は困難である。パルス数が少ないと極低速域でパルスの発生頻度が低いために速度や位置の制御ゲインを上げられず、極低速域での制御が困難となる。

また、パルス型での検出方式にも１ｆ方式と４ｆ方式で特性が異なる。例えば、１ｆ方式では、図５におけるＴＡ１，ＴＡ２，ＴＢ１，ＴＢ２を使用するもので、検出精度は高くなるが、位相情報が遅れるので検出遅れが大きい。また、４ｆ方式では図５におけるＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を使用するもので、検出精度が低いが、エッジパルスの発生頻度が高いため検出遅れが小さい。

現状では適用するモータの運転速度範囲の違いや装置仕様に応じて１ｆ方式と４ｆ方式のものを採用している。また、極低速域から高速域までの広範囲の速度検出には両方式のエンコーダを併設し、これらをモータ速度に応じて切り替える方式が考えられるが、複雑な構成で高価な速度検出装置になる。

本発明の目的は、安価な装置構成で、精度および応答性を高めた広範囲の速度検出ができるモータの速度検出装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、モータに軸結合した回転体の回転位置を３相以上のパルス信号として検出する多パルス化し、これらパルス信号から回転速度／位相を検出、または高速域では２相パルス信号に、低速域では３相以上のパルス信号に切換えてモータの速度／回転位相を検出するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）速度検出対象のモータに軸結合された回転体と、
前記回転体の歯部またはスリットとの相対位置変化を磁気的または光学的に３相以上の多相パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）として検出するセンサと、
前記パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）の全てのエッジ位置に同期したパルスエッジ波形とタイマ信号から該パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）のパルス発生時刻（Ｔａ〜Ｔｄ）とパルス発生位相（Ｐａ〜Ｐｄ）を求める時刻／位相ラッチ処理部と、
前記パルス発生時刻（Ｔａ〜Ｔｄ）とパルス発生位相（Ｐａ〜Ｐｄ）から前記モータの速度または回転位相を求める演算処理部とを備えたことを特徴とする。

（２）速度検出対象のモータに軸結合された回転体と、
前記回転体の歯部またはスリットとの相対位置変化を磁気的または光学的に３相以上の多相のパルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）として検出するセンサと、
前記パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）の全てのエッジ位置に同期したパルスエッジ波形とタイマ信号から該パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）のパルス発生時刻（Ｔａ〜Ｔｄ）とパルス発生位相（Ｐａ〜Ｐｄ）を求める時刻／位相ラッチ処理部と、
前記パルス発生時刻（Ｔａ，Ｔｂ）とパルス発生位相（Ｐａ，Ｐｂ）から前記モータの高速時の速度または回転位相を求める高速時演算処理部と、
前記パルス発生時刻（Ｔａ〜Ｔｄ）とパルス発生位相（Ｐａ〜Ｐｄ）から前記モータの低速時の速度または回転位相を求める低速時演算処理部と、
前記高速時演算処理部の演算結果からモータの高速時と低速時を判定する切換判定部と、
前記切換判定部の判定結果で前記両演算処理部の出力を切換えて出力する切換スイッチを備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、モータに軸結合した回転体の回転位置を３相以上のパルス信号として検出する多パルス化し、これらパルス信号から回転速度／位相を検出、または高速域では２相パルス信号に、低速域では３相以上のパルス信号に切換えてモータの速度／回転位相を検出するようにしたため、安価な装置構成で、精度および応答性を高めた広範囲の速度検出ができる効果がある。

（実施形態１）
図１はモータの可変速制御装置の構成図を示し、図４と異なる部分は速度検出装置にある。本実施形態では、１つの円板（回転体）に対しセンサを３つ以上設置することで多相化し、低速域での多パルス化を図ることで精度と応答性を高めるものである。

図１では、機械式パルス型のエンコーダを用いる場合を示し、低速域でのパルス数を増加させるために、従来の２相検出から４相検出に変更する。この４相検出には、周縁部に多数の歯部をもつ円板（回転体）５の周辺部に一定の円周距離を持たせて４つの磁気センサ６ａ〜６ｄを配置し、これら磁気センサ６ａ〜６ｄにそれぞれ近接してくる歯部との相対位置変化を磁気的にそれぞれ検出し、これら磁気センサ６ａ〜６ｄに得る４相のパルス信号Ｓａ〜Ｓｄから時刻／位相ラッチ処理部７とタイマ８によりモータ２の回転位置および速度に応じたパルス発生時刻Ｔａ〜Ｔｄとパルス発生位相Ｐａ〜Ｐｄを抽出し、これらパルスから速度演算部９によりモータ２の速度演算、さらにロータ位相演算を行う。

図２は磁気センサ６ａ〜６ｄに得る４相化（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相）したパルス信号Ｓａ〜Ｓｄの波形と、これらパルス信号Ｓａ〜Ｓｄの全てのエッジ位置に同期したパルスを得る４ｆ方式のパルスエッジ波形を示す。円板５の歯部に対する磁気センサ６ａ〜６ｄの相対位置は、パルス信号Ｓａ〜Ｓｄに得るＡ相に対してＣ相が１／４相分遅れ、同様にＣ相に対してＢ相が１／４相分遅れ、Ｂ相に対してＤ相が１／４相分遅れた４相を検出する。

この構成になる速度検出装置によれば、１つの歯から検出できるパルスがＡ〜Ｄ相に多相化することができ、低速域での多パルス化を図ることで制御性能を高め、極低速域から高速域までの広範囲の速度検出ができる。しかも、円板５は歯数が従来と同じに少ないもので済み、歯部の加工精度を高めた製作を容易にするし、コストアップもない。そして、磁気センサには同じ構造のものを４つ設置することで済み、時刻／位相ラッチ処理部７も同じ信号処理回路を増設することで済む。

（実施形態２）
上記の実施形態１において、磁気センサ６ａ〜６ｄに得るパルスのエッジ精度は、各相の１ｆエッジ間（図５のＴＡ１，ＴＡ２、ＴＢ１，ＴＢ２）の精度が良いが、異なる相のエッジ間の精度（図５のＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）はよくない。これは、取り付け精度や歯車の機械加工精度による誤差のためである。特に３相以上にした場合、各相間の精度は取りつけ精度で決まる。

本実施形態では、単位時間当たりの検出パルス数が多くなる高速域では従来と同様に２相１ｆ方式で高精度に検出し、単位時間当たりの検出パルスが少なくなる低速域では多相のエッジ検出により多パルス化を図ることで、全域で精度および応答性を高めた速度検出を図るものである。

図３はモータの可変速制御装置の構成例を示し、図１と異なる部分は速度検出装置に高速／低速切換機能ブロックを追加した点にある。高速時検出部１０Ｈは、パルス発生時刻Ｔａ，Ｔｂとパルス発生位相Ｐａ，Ｐｂを取り込み、２相１ｆ方式で速度演算処理を行う。低速時検出部１０Ｌは、パルス発生時刻Ｔａ〜Ｔｄとパルス発生位相Ｐａ〜Ｐｄを取り込み、４相４ｆ方式で速度演算処理を行う。切換判定部１１は高速時検出部１０Ｈの演算結果から高速度と低速度を判定し、この判定結果で切換スイッチ１２を切換え、高速度域であれば高速時検出部１０Ｈの演算結果を速度検出信号として取り出し、低速度域であれば低速時検出部１０Ｌの演算結果を速度検出信号として取り出す。

この構成になる速度検出装置によれば、高速域では従来と同様に２相１ｆで高精度に検出し、低速域では多相のエッジ検出により多パルス化を図ることで、磁気センサの取り付け精度や歯車の機械加工精度による誤差がある場合にも全域で良好な速度検出を達成できる。

なお、以上までの実施形態では、機械式パルス型の磁気センサを使用する場合を示すが、これに代えて、前記表に示す光学式パルス型のものを使用して同等の作用効果を得ることができる。この場合、磁気センサに代わる４つの光学センサは回転体の歯部またはスリットとの相対位置変化を光学的に４相のパルス信号として検出する。

本発明の実施形態１を示すモータの可変速制御装置の構成図。 ４つの磁気センサによる多相化波形図。 本発明の実施形態２を示すモータの可変速制御装置の構成図。 従来のモータの可変速制御装置の構成例。 ２つの磁気センサによる時刻／位相検出波形図。

符号の説明

１ 電力変換器
２ モータ
３ 速度制御部
４ 電流制御部
５ 円板（回転体）
６ａ〜６ｄ 磁気センサ
７ 時刻／位相ラッチ処理部
８ タイマ
９ 速度演算処理部
１０Ｈ 高速時検出部
１０Ｌ 低速時検出部
１１ 切換判定部
１２ 切換スイッチ

Claims (2)

1. 速度検出対象のモータに軸結合された回転体と、
   前記回転体の歯部またはスリットとの相対位置変化を磁気的または光学的に３相以上の多相パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）として検出するセンサと、
   前記パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）の全てのエッジ位置に同期したパルスエッジ波形とタイマ信号から該パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）のパルス発生時刻（Ｔａ〜Ｔｄ）とパルス発生位相（Ｐａ〜Ｐｄ）を求める時刻／位相ラッチ処理部と、
   前記パルス発生時刻（Ｔａ〜Ｔｄ）とパルス発生位相（Ｐａ〜Ｐｄ）から前記モータの速度または回転位相を求める演算処理部とを備えたことを特徴とするモータの速度検出装置。
2. 速度検出対象のモータに軸結合された回転体と、
   前記回転体の歯部またはスリットとの相対位置変化を磁気的または光学的に３相以上の多相のパルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）として検出するセンサと、
   前記パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）の全てのエッジ位置に同期したパルスエッジ波形とタイマ信号から該パルス信号（Ｓａ〜Ｓｄ）のパルス発生時刻（Ｔａ〜Ｔｄ）とパルス発生位相（Ｐａ〜Ｐｄ）を求める時刻／位相ラッチ処理部と、
   前記パルス発生時刻（Ｔａ，Ｔｂ）とパルス発生位相（Ｐａ，Ｐｂ）から前記モータの高速時の速度または回転位相を求める高速時演算処理部と、
   前記パルス発生時刻（Ｔａ〜Ｔｄ）とパルス発生位相（Ｐａ〜Ｐｄ）から前記モータの低速時の速度または回転位相を求める低速時演算処理部と、
   前記高速時演算処理部の演算結果からモータの高速時と低速時を判定する切換判定部と、
   前記切換判定部の判定結果で前記両演算処理部の出力を切換えて出力する切換スイッチを備えたことを特徴とするモータの速度検出装置。

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