JP2018194457A

JP2018194457A - モータ駆動装置

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Publication number: JP2018194457A
Application number: JP2017098890A
Authority: JP
Inventors: 土田　邦夫; Kunio Tsuchida; 邦夫土田; 佐々木　拓; Hiroshi Sasaki; 拓佐々木; 伸夫平山; Nobuo Hirayama
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2037-05-18
Also published as: DE102018206239A1; CN108964530A; CN108964530B; US10528025B2; JP6464224B2; DE102018206239B4; US20180335763A1

Abstract

【課題】波形の歪みの影響を受けずに適切な増幅率に設定変更でき、検出分解能を向上させることができるモータ駆動装置を提供すること。【解決手段】モータ駆動装置１は、モータ３の回転に応じて正弦波状の信号を出力する検出器４から信号を受けて、設定された増幅率で信号を増幅する増幅回路１０と、増幅回路１０により増幅された信号を、所定周期のサンプリングタイミングでサンプリングを行うことでデジタル変換するＡ／Ｄ変換部１１と、増幅回路１０の増幅率の設定を変更する増幅率設定部７と、増幅率設定部７による増幅率の設定を変更するタイミングを指示する増幅率設定タイミング指示部６と、を備え、増幅率設定タイミング指示部６は、増幅率設定部７による設定の変更時に信号の波形に生じる歪みが安定するまでの波形安定化期間が、サンプリングタイミングに重ならないように指示する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータを駆動するモータ駆動装置に関する。

従来、モータ駆動装置では、モータに取り付けた検出器（エンコーダ）からの信号を受けて、モータの位置や速度等を算出し、モータを制御している。検出器からの信号がＡ／Ｂ相と呼ばれるアナログの正弦・余弦波ペアの場合、モータ駆動装置では、一般的に、ローパスフィルタで高周波ノイズをカット→適切な振幅へ増幅→Ａ／Ｄ変換してデジタル値を得る→モータの角度に換算して、位置や速度等を算出といった処理がなされる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１９９７６８号公報

高周波ノイズが検出分解能に大きく影響しない環境下では、増幅率を大きくすればするほど検出分解能の向上が期待できる。一方、Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジを超えて増幅すると、正確な正弦波が再現できなくなり、検出精度は悪化する。

これに対して、例えば検出器からの信号の振幅に応じて増幅率を変えるといった技術が考えられる。しかし、アナログ回路の増幅率を変えるには一般にはアナログスイッチ等が使用されるため、増幅率を変えた瞬間に、スイッチングの影響で信号に歪みが生じ、その歪んだ波形をＡ／Ｄ変換すると検出精度が悪化するという問題が考えられる。

本発明は、波形の歪みの影響を受けずに適切な増幅率に設定変更でき、検出分解能を向上させることができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ駆動装置（例えば、後述のモータ駆動装置１，２１）は、モータ（例えば、後述のモータ３）の回転に応じて正弦波状の信号を出力する検出器（例えば、後述の検出器４）から前記信号を受けて、設定された増幅率で前記信号を増幅する増幅回路（例えば、後述の増幅回路１０，１０ａ，１０ｂ）と、前記増幅回路により増幅された前記信号を、所定周期のサンプリングタイミングでサンプリングを行うことでデジタル変換するＡ／Ｄ変換部（例えば、後述のＡ／Ｄ変換部１１，１１ａ，１１ｂ）と、前記増幅回路の増幅率の設定を変更する増幅率設定部（例えば、後述の増幅率設定部７，７ａ，７ｂ）と、前記増幅率設定部による前記増幅率の設定を変更する増幅率設定タイミングを指示する増幅率設定タイミング指示部（例えば、後述の増幅率設定タイミング指示部６）と、を備え、前記増幅率設定タイミング指示部は、前記増幅率設定部による設定の変更時に前記信号の波形に生じる歪みが安定するまでの波形安定化期間が、前記サンプリングタイミングに重ならないように、前記増幅率設定タイミングを指示する。

前記増幅率設定タイミング指示部は、前記Ａ／Ｄ変換部による前記サンプリングに応じて前記増幅率設定タイミングを指示してもよい。

前記検出器は、前記モータ１回転のうち定点で第２信号を出力し、前記増幅率設定タイミング指示部は、前記第２信号をトリガにして行われる、前記Ａ／Ｄ変換部によるサンプリングに応じて前記増幅率設定タイミングを指示してもよい。

前記信号は、位相が互いに異なる第１位相信号及び第２位相信号であり、前記増幅回路、前記Ａ／Ｄ変換部、及び前記増幅率設定部は、それぞれ、前記第１位相信号及び前記第２位相信号に対応して１つずつ備えられ、前記増幅率設定タイミング指示部は、前記第１位相信号に対応する前記増幅回路の増幅率と、前記第２位相信号に対応する前記増幅回路の増幅率と、の設定を同時に変更してもよい。

本発明によれば、波形の歪みの影響を受けずに適切な増幅率に設定変更でき、検出分解能を向上させることができる。

第１実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。（Ａ）は増幅率の設定変更のタイミングを示す時刻歴であり、（Ｂ）は増幅率を示す時刻歴であり、（Ｃ）はＡ／Ｄ変換部に入力される信号の波形を示す時刻歴であり、（Ｄ）はＡ／Ｄサンプリングのタイミングを示す時刻歴である。（Ａ）はＡ／Ｄサンプリングのタイミングを示す時刻歴であり、（Ｂ）は増幅率の設定変更のタイミングを示す時刻歴である。（Ａ）は検出器が出力するＡ相信号・Ｂ相信号の波形を示す時刻歴であり、（Ｂ）は検出器が出力するＺ相信号の波形を示す時刻歴である。第２実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第２実施形態の説明において、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置１の構成を示すブロック図である。図２の（Ａ）は増幅率の設定変更のタイミングを示す時刻歴である。図２の（Ｂ）は、増幅率を示す時刻歴である。図２の（Ｃ）は、Ａ／Ｄ変換部１１に入力される信号の波形を示す時刻歴である。図２の（Ｄ）は、Ａ／Ｄサンプリングのタイミングを示す時刻歴である。図３の（Ａ）は、Ａ／Ｄサンプリングのタイミングを示す時刻歴である。図３の（Ｂ）は、増幅率の設定変更のタイミングを示す時刻歴である。図４の（Ａ）は、検出器４が出力するＡ相信号・Ｂ相信号を示す時刻歴である。図４の（Ｂ）は、検出器４が出力するＺ相信号を示す時刻歴である。

図１に示すように、第１実施形態に係るモータ駆動装置１は、数値制御装置（ＣＮＣ）２の指令に基づいて、工作機械における主軸用のモータ３を駆動する。具体的に、モータ駆動装置１は、検出器（エンコーダ）４が検出したモータ３の位置及び速度を含む情報を信号としてフィードバックしながら、モータ３を駆動する。なお、モータ３は、工作機械の送り軸や主軸、あるいは産業機械、産業用ロボットのアーム等に用いられる各種モータに適用可能である。

なお、検出器４が出力する信号は、モータ３の回転に応じて出力する正弦波状で互いに位相が異なるＡ相信号（第１位相信号）及びＢ相信号（第２位相信号）と、モータ３の１回転のうち定点で出力するＺ相信号（第２信号）と、を含んでいる。

モータ駆動装置１は、モータ制御部５と、増幅率設定タイミング指示部６と、増幅率設定部７と、フィルタ９と、増幅回路１０と、Ａ／Ｄ変換部１１と、インバータ１２と、を備える。

モータ制御部５は、Ａ／Ｄ変換部１１から出力されて帰還入力されるデジタル信号に基づき、サンプリング信号を出力し、増幅率設定タイミング指示部６に入力する。

増幅率設定タイミング指示部６は、モータ制御部５から入力されるサンプリング信号に基づき、Ａ／Ｄ変換部１１によるサンプリングに応じて、増幅率設定部７による増幅率の設定を変更する増幅率設定タイミング（図２の（Ａ）参照）を指示する信号を出力し、増幅率設定部７に入力する。

ところで、増幅率設定部７による増幅率（図２の（Ｂ）参照）の設定の変更時に、増幅回路１０で増幅する信号の波形に歪みが生じる（図２の（Ｃ）参照）。そこで、増幅率設定タイミング指示部６は、波形に歪みが生じた信号をＡ／Ｄ変換部１１でサンプリングすることを避けるために、生じた歪みが安定するまでの波形安定化期間Ｔｓｔ（図２の（Ｃ）参照）が、Ａ／Ｄ変換部１１でサンプリングを行う所定周期のサンプリングタイミング（図２の（Ｄ）参照）に重ならないように、増幅率設定タイミング（図２の（Ａ）参照）を指示する信号を出力し、増幅率設定部７に入力する。なお、波形安定化期間Ｔｓｔは、増幅回路１０の回路定数に応じて決まる期間であり、例えば１０μｓの期間である。

このために、増幅率設定タイミング指示部６は、Ａ／Ｄ変換部１１でサンプリングを行う所定周期のサンプリングタイミング（図３の（Ａ）参照）の直後に、増幅率設定タイミング（図３の（Ｂ）参照）を指示する信号を出力し、増幅率設定部７に入力する。

具体的に、増幅率設定タイミング指示部６は、Ｚ相信号（図４の（Ｂ）参照）をトリガにして、増幅率設定タイミング（図３の（Ｂ）参照）を指示する信号を出力し、増幅率設定部７に入力する。ここで、Ｚ相信号は非周期的に現れるものであり、本実施形態では、上記所定周期のサンプリングよりも優先して、このＺ相信号をトリガにして、Ｚ相信号の直後にＡ／Ｂ相信号のサンプリングを実行する。このサンプリングの方が、より高い精度を必要とするため、Ｚ相信号をトリガにして行うサンプリングの直後に増幅率の設定を行うようにすることで、増幅率変更による歪みの影響をさらに排除できる。

増幅率設定部７は、増幅率設定タイミング指示部６から入力される信号に基づく増幅率設定タイミングに、増幅回路１０の増幅率の設定を変更する。この増幅率設定部７は、例えば、検出器４が出力する信号の振幅に応じて、増幅回路１０の増幅率の設定を変更する。この場合、増幅率設定部７が設定する増幅率は、例えば、振幅が大きいほど低く、振幅が小さいほど高い値である。

フィルタ９は、検出器４が出力する信号のノイズを除去する。

増幅回路１０は、検出器４が出力し、フィルタ９でノイズが除去された信号を受けて、増幅率設定部７で設定された増幅率で、当該信号を増幅する。そして、増幅回路１０は、増幅した信号を出力し、Ａ／Ｄ変換部１１に入力する。

Ａ／Ｄ変換部１１は、増幅回路１０から入力される信号を、所定周期のサンプリングタイミングでサンプリングを行うことでデジタル変換してから出力し、モータ制御部５に帰還入力する。

モータ制御部５は、数値制御装置２から入力される指令信号、Ａ／Ｄ変換部１１から出力されて帰還入力されるデジタル信号、及びインバータ１２から出力されて帰還入力される交流電流に基づいて、インバータ１２に後述するトランジスタのオンオフ動作の指令を与える。

インバータ１２は、例えば、複数のトランジスタと、それらに逆並列に接続された還流ダイオードによって構成され、モータ制御部５からの指令に基づいてトランジスタのオンオフ動作を行うことによって、モータ３に交流電流を流す。さらに、モータ３に流す交流電流をモータ制御部５に帰還入力する。

このようなモータ駆動装置１によって、モータ３は、インバータ１２から入力された交流電流によって回転駆動する。そしてモータ３が回転駆動することによって、検出器４は、モータ３の位置及び速度を含む情報を信号として出力し、フィルタ９を介して増幅回路１０に入力する。

以上のように、本実施形態によれば、モータ駆動装置１は、波形安定化期間Ｔｓｔ（図２の（Ｃ）参照）が、Ａ／Ｄ変換部１１がサンプリングを行うサンプリングタイミング（図２の（Ｄ）参照）に重ならないように、増幅回路１０の増幅率の設定を変更する。したがって、モータ駆動装置１は、波形に歪みが生じた信号をＡ／Ｄ変換部１１でサンプリングすることなく適切な増幅率に設定変更でき、検出分解能を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、Ｚ相信号をトリガにしたサンプリング直後に、増幅回路１０の増幅率の設定を変更することもできるので、より精度が求められるＡ／Ｄ変換に対して、サンプリングタイミングで信号の波形の歪みが影響しない。

［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置２１の構成を示すブロック図である。

本実施形態に係るモータ駆動装置２１は、Ａ相信号及びＢ相信号を個々に対応する別々の増幅回路１０ａ，１０ｂで増幅し、各増幅回路１０ａ，１０ｂの増幅率の設定を同時に変更する。

図５に示すように、第２実施形態に係るモータ駆動装置２１は、増幅率設定部７に代えて増幅率設定部７ａ，７ｂを備えると共に、フィルタ９に代えてフィルタ９ａ，９ｂを備える。また、モータ駆動装置２１は、増幅回路１０に代えて増幅回路１０ａ，１０ｂを備えると共に、Ａ／Ｄ変換部１１に代えてＡ／Ｄ変換部１１ａ，１１ｂを備える。

増幅率設定部７ａは、Ａ相信号に対応するものであり、増幅率設定タイミング指示部６から入力される信号に基づく増幅率設定タイミングに、増幅回路１０ａの増幅率の設定を変更する。

増幅率設定部７ｂは、Ｂ相信号に対応するものであり、増幅率設定タイミング指示部６から入力される信号に基づく増幅率設定タイミングに、増幅回路１０ｂの増幅率の設定を変更する。

フィルタ９ａは、Ａ相信号に対応するものであり、検出器４が出力するＡ相信号のノイズを除去する。

フィルタ９ｂは、Ｂ相信号に対応するものであり、検出器４が出力するＢ相信号のノイズを除去する。

増幅回路１０ａは、Ａ相信号に対応するものであり、検出器４が出力し、フィルタ９ａでノイズが除去されたＡ相信号を受けて、増幅率設定部７ａで設定された増幅率で、当該Ａ相信号を増幅する。そして、増幅回路１０ａは、増幅したＡ相信号を出力し、Ａ／Ｄ変換部１１ａに入力する。

増幅回路１０ｂは、Ｂ相信号に対応するものであり、検出器４が出力し、フィルタ９ｂでノイズが除去されたＢ相信号を受けて、増幅率設定部７ｂで設定された増幅率で、当該Ｂ相信号を増幅する。そして、増幅回路１０ｂは、増幅したＢ相信号を出力し、Ａ／Ｄ変換部１１ｂに入力する。

Ａ／Ｄ変換部１１ａは、Ａ相信号に対応するものであり、増幅回路１０ａから入力されるＡ相信号を、所定周期のサンプリングタイミングでサンプリングを行うことでデジタル変換してから出力し、モータ制御部５に帰還入力する。

Ａ／Ｄ変換部１１ｂは、Ｂ相信号に対応するものであり、増幅回路１０ｂから入力されるＢ相信号を、所定周期のサンプリングタイミングでサンプリングを行うことでデジタル変換してから出力し、モータ制御部５に帰還入力する。

以上のように、本実施形態によれば、モータ駆動装置２１は、Ａ相信号に対応するＡ／Ｄ変換部１１ａと、Ｂ相信号に対応するＡ／Ｄ変換部１１ｂと、のサンプリングタイミングが同タイミングであるので、増幅回路１０ａ，１０ｂに対する増幅率設定タイミング指示部６の回路をシンプルに構成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２１モータ駆動装置
２数値制御装置
３モータ
４検出器
５モータ制御部
６増幅率設定タイミング指示部
７，７ａ，７ｂ増幅率設定部
９，９ａ，９ｂフィルタ
１０，１０ａ，１０ｂ増幅回路
１１，１１ａ，１１ｂＡ／Ｄ変換部
１２インバータ

Claims

モータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記モータの回転に応じて正弦波状の信号を出力する検出器から前記信号を受けて、設定された増幅率で前記信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路により増幅された前記信号を、所定周期のサンプリングタイミングでサンプリングを行うことでデジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記増幅回路の増幅率の設定を変更する増幅率設定部と、
前記増幅率設定部による前記増幅率の設定を変更する増幅率設定タイミングを指示する増幅率設定タイミング指示部と、を備え、
前記増幅率設定タイミング指示部は、前記増幅率設定部による設定の変更時に前記信号の波形に生じる歪みが安定するまでの波形安定化期間が、前記サンプリングタイミングに重ならないように、前記増幅率設定タイミングを指示するモータ駆動装置。
前記増幅率設定タイミング指示部は、前記Ａ／Ｄ変換部による前記サンプリングに応じて前記増幅率設定タイミングを指示する請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記検出器は、前記モータ１回転のうち定点で第２信号を出力し、
前記増幅率設定タイミング指示部は、前記第２信号をトリガにして行われる、前記Ａ／Ｄ変換部によるサンプリングに応じて前記増幅率設定タイミングを指示する請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
前記信号は、位相が互いに異なる第１位相信号及び第２位相信号であり、
前記増幅回路、前記Ａ／Ｄ変換部、及び前記増幅率設定部は、それぞれ、前記第１位相信号及び前記第２位相信号に対応して１つずつ備えられ、
前記増幅率設定タイミング指示部は、前記第１位相信号に対応する前記増幅回路の増幅率と、前記第２位相信号に対応する前記増幅回路の増幅率と、の設定を同時に変更する請求項１から３いずれかに記載のモータ駆動装置。