JP2022011695A - モータアンプ及びモータアンプ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オートネゴシエーション可能なモータアンプを提供する。【解決手段】通信処理部１００は、初期状態において、第一速度設定でエンコーダ３との通信を試み、通信エラーになった場合には、第二速度設定でエンコーダ３と通信を試みる。ビット数設定部は、通信処理部１００によりエンコーダ３との通信が確立した場合、エンコーダ３の機種情報を取得し、該機種情報に対応したエンコーダ３の回転位置のビット数を設定する。ここで、第一速度設定は、エンコーダ３との通信可能な最大速度で通信する設定であり、第二速度設定は、最大速度よりも遅い速度で通信する設定である。【選択図】図１

Description

本発明は、特にモータの回転位置を検出するエンコーダと接続され、モータの回転を制御するモータアンプ及び当該モータアンプの制御方法に関する。

従来から、位置指令を送信するＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等の上位装置と、モータの回転位置を取得するエンコーダと、このエンコーダに接続されたモータアンプが存在する。
たとえば、特許文献１には、エンコーダから出力される位置データを取得して、当該位置データに基づいて、モータの回転を制御するモータアンプにあたる制御装置が記載されている（例えば、特許文献の段落［００２２］等参照）。この制御装置は、位置データに基づいて、モータに印加する電流又は電圧等を制御することにより、モータの回転を制御する。更に、制御装置は、上位装置から上位制御信号を取得して、当該上位制御信号に表された位置等を実現可能な回転力がモータのシャフトから出力されるように、モータを制御することも可能である旨、記載されている。

ここで、モータアンプは、複数種類のエンコーダが接続されることがあった。これらの複数種類のエンコーダでは、通信速度が異なったり、回転角度を示すビット数が異なったりすることがあった。

特開２０１４－０１３１６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような従来のモータアンプは、元々接続されていたものと通信速度やビット数の異なるエンコーダを接続した場合、正しい回転位置を取得できないという問題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、通信速度やビット数の異なるエンコーダを接続しても、自動で正しい回転位置を取得可能とするモータアンプを提供し、上述の課題を解消することを目的とする。

本発明のモータアンプは、モータの回転位置を検出するエンコーダと接続され、前記モータの回転を制御するモータアンプであって、初期状態において、第一速度設定で前記エンコーダとの通信を試み、通信エラーになった場合には、第二速度設定で前記エンコーダと通信を試みる通信処理部と、前記通信処理部により前記エンコーダとの通信が確立した場合、前記エンコーダの機種情報を取得し、該機種情報に対応した前記エンコーダの回転位置のビット数を設定するビット数設定部とを備えることを特徴とする。
このように構成することで、通信速度やビット数の異なるエンコーダを接続しても、正しい回転位置を取得することができる。

本発明のモータアンプは、前記第一速度設定は、前記エンコーダとの通信可能な最大速度で通信する設定であり、前記第二速度設定は、前記最大速度よりも遅い速度で通信する設定であることを特徴とする。
このように構成することで、最大速度での通信を優先してエンコーダとの通信を確立できる。

本発明のモータアンプは、ビット数設定部は、前記第二速度設定で前記エンコーダとの通信が確立した場合、前記機種情報を取得しなくても、前記ビット数を設定することを特徴とする。
このように構成することで、待ち時間を減らして接続することができる。

本発明のモータアンプ制御方法は、モータの回転位置を検出するエンコーダと接続され、前記モータの回転を制御するモータアンプにより実行されるモータアンプ制御方法であって、初期状態において、第一速度設定で前記エンコーダとの通信を試み、通信エラーになった場合には、第二速度設定で前記エンコーダと通信を試み、前記エンコーダとの通信が確立した場合、前記エンコーダの機種情報を取得し、該機種情報に対応した前記エンコーダの回転位置のビット数を設定することを特徴とする。
このように構成することで、通信速度やビット数の異なるエンコーダを接続しても、正しい回転位置を取得することができる。

本発明によれば、初期状態において、第一速度設定でエンコーダとの通信を試み、通信エラーになった場合には、第二速度設定でエンコーダと通信を試み、通信が確立した場合、機種情報を取得し、当該機種情報に対応した回転位置のビット数を設定することで、通信速度やビット数の異なるエンコーダを接続しても、自動で正しい回転位置を取得可能とするモータアンプを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る制御システムのシステム構成図である。 本発明の実施の形態に係るオートネゴシエーション処理のフローチャートである。 図２に示すオートネゴシエーション処理のタイミングチャートである。

＜実施の形態＞
〔制御システムＸの構成〕
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る制御システムＸの構成について説明する。
制御システムＸは、モータアンプ１、上位装置２、エンコーダ３、及びモータ４を含んで構成される。

モータアンプ１は、上位装置２とエンコーダ３とに接続された、制御用デバイスである。本実施形態においては、モータアンプ１は、例えば、上位装置２から送信される位置指令を取得し、更に、エンコーダ３から角度情報を取得して、これらを基に、モータ４を駆動制御する。本実施形態においては、この位置指令及び角度情報は、例えば、１７ビット、２０ビット、又は２３ビット等、エンコーダ３の精度に応じたモータ４のシャフトＳの回転位置を示す絶対値の値である例について説明する。
モータアンプ１の機能的な詳細構成については後述する。

モータアンプ１と上位装置２との間は、例えば、ＥｔｈｅｒＣＡＴ等のフィールドネットワーク、ＲＳ－２３２Ｃ等のシリアル通信線、パラレル通信線等で接続されている。一方、モータアンプ１とエンコーダ３との間は、例えば、専用線及びシリアル通信線等で接続され、モータ４をサーボ駆動する電力も供給される。この電力は、エンコーダ３を介して、又は、直接、モータ４に供給される。加えて、モータアンプ１は、上位装置２からのデータリクエストに応答することも可能であってもよい。または、モータアンプ１は、エンコーダ３から温度等の状態情報を取得することも可能である。

上位装置２は、位置指令を送信するクライアント（顧客）用の機器である。上位装置２は、例えば、マイクロコントローラを備えた各種機器のＰＬＣやロジックボード等である。
上位装置２は、モータ４を制御するための制御信号を、位置指令としてモータアンプ１に送信する。
また、上位装置２は、検出されたモータ４の位置データ、その他のデータをモータアンプ１から取得することも可能である。

エンコーダ３は、モータの回転位置を取得するデバイスである。本実施形態では、エンコーダ３は、モータ４の回転位置の位置データを検出し、角度情報としてモータアンプ１に送信する。このため、エンコーダ３は、例えば、磁気式や光学式の角度検出機構と、ＭＰＵ（Micro Processing Unit、マイクロコントローラ）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の制御演算手段と、角度情報や一時データを保持するＲＡＭ（Random Access Memory）、制御プログラムを記録したＲＯＭ（Read Only Memory）等の一時的でない記録媒体を含んでいる。

本実施形態においては、この記録媒体には、機種情報を含んでいる。この機種情報は、エンコーダ３及びモータ４の機種のＩＤ（Identification）、シリアル番号、回転角度の角度情報のフォーマット（形式）を示すビット数の情報（以下、単に「ビット数」という。）、通信速度の情報等を含んでいる。本実施形態においては、このビット数は、例えば、シャフトＳの一回転に当たる角度位置を示す角度情報のデータ量（bit）であり、例えば、１７ビット、２０ビット、又は２３ビットの形式である例を示す。さらに、機種情報は、エンコーダが取得したモータ４のＩＤやシリアル番号等の情報を含んでいてもよい。

また、エンコーダ３は、モータ４やエンコーダ３自身の温度を測定する温度センサ等も備えている。また、エンコーダ３は、データのバックアップ用バッテリー（図示せず）を内蔵し、外力等によりシャフトが駆動された場合、位置データを内蔵の記憶媒体に記憶し続けることが可能であってもよい。
また、エンコーダ３は、この温度センサ、バッテリーの電圧センサ等の信号について、角度情報とは別の別種類のデータとして送信可能であってもよい。

モータ４は、モータアンプ１からの制御信号により、回転出力軸であるシャフトＳを、回転軸Ａを中心軸として回転させる。
モータ４は、ロータ（rotor）、ベアリング（bearing）、ステータ（stator）、ブラケット（bracket）等を備える一般的なサーボモータ等である。

〔モータアンプ１の構成〕
より詳しく説明すると、本実施形態においては、モータアンプ１は、通信制御部１０及びアンプ制御部２０を備えている。

通信制御部１０は、通信を受信し、上位装置２からモータアンプ１宛の位置指令等を取得して、アンプ制御部２０に送信する。
通信制御部１０は、例えば、ＭＰＵ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ等の制御演算手段と、ＲＡＭやＲＯＭ等の一時的でない記録媒体と、通信用の回路（物理層）とを含んでいる。

アンプ制御部２０は、通信制御部１０から取得した位置指令に基づく角度情報を算出してモータ４をサーボ駆動させシャフトＳの位置を制御する。この際、アンプ制御部２０は、エンコーダ３で取得した角度情報も参照してモータ４の制御を行うことが可能である。さらに、アンプ制御部２０は、その他の各種センサの情報等も取得して、角度情報と併せて通信制御部１０へ送信することも可能である。
アンプ制御部２０は、ＭＰＵ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ等の制御演算手段と、ＲＡＭやＲＯＭ等の一時的でない記録媒体とを含んでいる。

次に、モータアンプ１の機能的な構成について説明する。
アンプ制御部２０は、通信処理部１００及びビット設定部１１０を備えている。

通信処理部１００は、初期状態において、第一速度設定でエンコーダ３との通信を試み、通信エラーになった場合には、第二速度設定でエンコーダ３と通信を試みる。ここで、第一速度設定は、エンコーダ３との通信可能な最大速度で通信する設定である。本実施形態においては、第一速度設定は、４Ｍｂｐｓ（bit per second）である例について説明する。一方、第二速度設定は、最大速度よりも遅い速度で通信する設定である。本実施形態においては、第二速度設定は、２．５Ｍｂｐｓである例について説明する。

ビット数設定部は、通信処理部１００によりエンコーダ３との通信が確立した場合、エンコーダ３の機種情報を取得し、当該機種情報に対応したエンコーダ３の回転位置を示すビット数の形式を設定する。本実施形態においては、２３ビット及び２０ビットのエンコーダ３については、この機種情報に対応してビット数を設定する。加えて、ビット数設定部は、第二速度設定でエンコーダ３との通信が確立した場合、機種情報を取得しなくても、ビット数を設定することも可能である。本実施形態においては、２．５Ｍｂｐｓの通信速度なのは１７ビットのエンコーダ３だけであるとして設定する例について説明する。

ここで、アンプ制御部２０は、アンプ制御部２０の記録媒体に格納された制御プログラムを実行することで、通信処理部１００及びビット設定部１１０として機能する。なお、これらの構成の一部又は全部をロジック回路又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等で回路的に構成することも可能である。

〔オートネゴシエーション処理〕
次に、図２及び図３を参照して、本発明の実施の形態に係るオートネゴシエーション処理について説明する。
本実施形態のオートネゴシエーション処理では、初期状態において、第一速度設定でエンコーダ３との通信を試みる。この上で、通信エラーになった場合には、第二速度設定でエンコーダ３と通信を試みる。そして、エンコーダ３との通信が確立した場合、エンコーダ３から機種情報を取得し、当該機種情報に対応したエンコーダ３の回転位置のビット数を設定する。

本実施形態のオートネゴシエーション処理は、主にアンプ制御部２０が、記憶媒体に記憶された制御プログラム（図示せず）を、各部と協働し、ハードウェア資源を用いて実行する。
以下で、図２のフローチャートを用いて、図３のタイミングを適宜参照しつつ、本実施形態のオートネゴシエーション処理の詳細をステップ毎に説明する。

（ステップＳ１０１）
まず、通信処理部１００が、第一速度設定処理を行う。
通信処理部１００は、初期状態として、エンコーダ３との通信可能な最大速度で通信する第一速度設定にボーレートを設定する。本実施形態においては、ボーレートを４ＭＢｐｓに設定とする初期設定を用いる。また、通信処理部１００は、その他の初期化処理も行い、エンコーダ３が起動する時間、例えば、数ｍ秒～数秒程度待機する。

（ステップＳ１０２）
次に、通信処理部１００が、初期通信処理を行う。
通信処理部１００は、初回の通信として、第一速度設定でエンコーダ３との通信を試みる。本実施形態においては、通信処理部１００は、４Ｍｂｐｓでの初期通信を行う（タイミングＴ１０１）

（ステップＳ１０３）
次に、通信処理部１００が、通信確立したか否かを判定する（タイミングＴ１０２）。通信処理部１００は、想定された返信をエンコーダ３から受信し、通信を確立できた場合には、Ｙｅｓと判定する。通信処理部１００は、通信において想定された返信をエンコーダ３から受信不可能であった場合、すなわち通信異常（通信エラー）であった場合に、Ｎｏと判定する。
Ｙｅｓの場合、通信処理部１００は、処理をステップＳ１０８に進める。
Ｎｏの場合、通信処理部１００は、処理をステップＳ１０４に進める。

（ステップＳ１０４）
通信エラーの場合、通信処理部１００が、第二速度設定再通信処理を行う。
通信処理部１００は、第二速度設定でエンコーダ３と通信を試みる。本実施形態においては、通信処理部１００は、ボーレートを２．５ＭＢｐｓに設定して、再通信を試みる（タイミングＴ１０３）。

（ステップＳ１０５）
次に、ビット設定部１１０が、通信確立したか否かを判定する（タイミングＴ１０４）。ビット設定部１１０は、通信を確立した場合には、Ｙｅｓと判定する。ビット設定部１１０は、当該第二速度でも、通信エラーになった場合に、Ｎｏと判定する。本実施形態においては、２．５Ｍｂｐｓでも通信エラーであった場合に、Ｎｏと判定する。
Ｙｅｓの場合、ビット設定部１１０は、処理をステップＳ１０６に進める。
Ｎｏの場合、ビット設定部１１０は、処理をステップＳ１０７に進める。

（ステップＳ１０６）
第二速度設定で通信を確立した場合、ビット設定部１１０が、第二速度ビット数設定処理を行う。
ビット数設定部は、機種情報を取得せずに、ビット数を設定する。本実施形態においては、ビット数設定部は、エンコーダ３のビット数が１７ビットの形式であると確定する。
その後、ビット設定部１１０は、本実施形態のオートネゴシエーション処理を終了し、すぐ、エンコーダ３から回転位置の角度情報の取得等の通信を開始する。

（ステップＳ１０７）
第二速度設定でも通信エラーの場合、ビット設定部１１０が、エラー処理を行う。
ビット設定部１１０は、通信異常でエンコーダ３との通信を確立できなかったとして、モータアンプ１の状態を表示するＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の色や点滅等でエラーとなったことを示す。さらに、ビット設定部１１０は、上位装置２へ、エンコーダ３との通信を確立できない旨のエラーを通知する。
その後、ビット設定部１１０は、本実施形態のオートネゴシエーション処理を終了する。

（ステップＳ１０８）
第一速度設定で通信を確立した場合、ビット設定部１１０が、機種情報取得処理を行う。
ビット設定部１１０は、機種情報を送信するように指示するコマンド（指令）をエンコーダ３へ送信する。すると、このコマンドを受信したエンコーダ３は、記録媒体に格納された機種情報をモータアンプ１へ送信する（タイミングＴ１０５）。
ビット設定部１１０は、このエンコーダ３の機種情報を取得して、記録媒体に一時的に格納する。上述したように、この機種情報にはモータ４の機種情報が含まれていてもよい。

（ステップＳ１０９）
次に、ビット設定部１１０が、機種情報ビット数設定処理を行う。
ビット設定部１１０は、機種情報を解析して、回転位置の角度情報に係るビット数の形式を設定する。本実施形態においては、具体的には、２０ビット又は２３ビットのエンコーダ３であることを設定する。たとえば、ビット設定部１１０は、記録媒体に格納された機種のＩＤとビット数とを示すテーブルを参照して、エンコーダ３が２０ビットのエンコーダであるか、２３ビットのエンコーダであるかを確定する。
以上により、本発明の実施の形態に係るオートネゴシエーション処理を終了する。

このようにビット数が設定された後、モータアンプ１は、設定されたビット数について、上位装置２に送信する。
そして、モータアンプ１は、当該ビット数にて、エンコーダ３から回転位置の角度情報を取得し、上位装置２に送信する。さらに、モータアンプ１は、上位装置２からの位置指令を受信して、これに対応して、モータ４のシャフトＳの回転位置を制御する。

〔本実施形態の主な効果〕
以上のように構成することで、以下のような効果を得ることができる。
近年、用途によって、異なるエンコーダを使い分けたいというユーザのニーズが存在する。
しかしながら、特許文献１に記載されたような従来のモータアンプは、通信速度やビット数の異なる他のエンコーダを接続することは想定されていなかった。このため、このような他のエンコーダを接続した場合、ユーザが直接設定等しない限り、正しい回転位置を取得できなかった。すなわち、従来、１７ビット（通信ボーレート：２．５Ｍｂｐｓ）のエンコーダを接続した状態のモータアンプでは、２３ビット（ボーレート：４Ｍｂｐｓ）のエンコーダを接続しても、通信や回転位置の取得ができなかった。

これに対して、本発明の実施の形態に係るモータアンプ１は、モータ４の回転位置を検出するエンコーダ３と接続され、モータ４の回転を制御するモータアンプであって、初期状態において、第一速度設定でエンコーダ３との通信を試み、通信エラーになった場合には、第二速度設定でエンコーダ３と通信を試みる通信処理部１００と、通信処理部１００によりエンコーダ３との通信が確立した場合、エンコーダ３の機種情報を取得し、該機種情報に対応したエンコーダ３の回転位置のビット数を設定するビット数設定部とを備えることを特徴とする。

このように構成することで、通信速度やビット数の異なるエンコーダ３を接続しても、特に設定等しなくても、正しい回転位置を取得することができる。すなわち、エンコーダ３との間で、オートネゴシエーションを行って、回転位置の角度情報を取得できる。これにより、２３ビット（ボーレート：４Ｍｂｐｓ）のエンコーダ３の自動接続に対応することが可能となる。また、１７ビット及び２３ビット等の形式についても、パラメータや設定の変更等をせずに、自動で接続する事が可能となる。

本発明の実施の形態に係るモータアンプ１は、第一速度設定は、エンコーダ３との通信可能な最大速度で通信する設定であり、第二速度設定は、最大速度よりも遅い速度で通信する設定であることを特徴とする。

このように構成することで、最大速度での通信を優先してエンコーダ３との通信を確立できる。すなわち、例えば、デフォルト（規定）の通信速度ボーレートとして４Ｍｂｐｓを設定し、４Ｍｂｐｓで接続可能なエンコーダ３が接続された場合に、すぐ通信可能となる。この際に、例えば、遅い２．５Ｍｂｐｓ等の速度からネゴシエーションして、通信を試みる必要がなくなる。
つまり、高速な通信が可能なエンコーダ３を接続した場合に、初期通信に時間をかけることなく、接続可能となる。このため、高速な通信が可能なエンコーダ等をスリープ等の省電力状態等にしても、すぐ復帰して最大速度で通信可能となる。一方、高速通信のエンコーダ３程の通信速度が必要でない安価又は旧式のエンコーダ３の場合であっても対応可能となる。

本発明の実施の形態に係るモータアンプ１は、ビット数設定部は、第二速度設定でエンコーダ３との通信が確立した場合、機種情報を取得しなくても、ビット数を設定することを特徴とする。

このように構成することで、第二速度設定で通信するエンコーダ３について、先に最大速度での通信で通信エラーとなっていても、待ち時間を減らして接続することができる。すなわち、例えば、４Ｍｂｐｓで通信を試みて、応答がなければ１７ビットの接続とみなすことで、安価又は旧式のエンコーダ３の場合であっても、少ないウェイトで接続可能となる。

〔他の実施の形態〕
なお、上述の実施形態においては、第一速度設定として４Ｍｂｐｓ、第二速度設定として、２．５Ｍｂｐｓである例について説明した。さらに、１７ビット、２０ビット、２３ビットのエンコーダ３を用いる例について説明した。
しかしながら、これ以外の通信速度の設定、ビット数の設定等を用いることも、当然、可能である。この場合でも、通信を試みて通信エラーになったら通信速度設定を変更し、その後に機種情報を取得してもよいことは同様である。さらに、第二速度設定でも通信エラーになった場合、第二速度設定よりも遅い速度で通信する設定である第三速度設定にて通信してもよい。または、第一速度設定は、第二速度設定より遅い速度とするような構成であってもよい。
このように構成することで、様々な通信速度やビット数のエンコーダ３に対応可能となる。

上述の実施形態においては、モータアンプ１の起動時に、毎回、オートネゴシエーション処理を実行するような記載をした。
しかしながら、初回時に一度、オートネゴシエーションを実行した後、その結果をアンプ制御部２０の記録媒体に格納しておき、これを「優先モード」として、毎回、実行してもよい。この場合でも、ビット設定部１１０は、第一速度設定で接続が可能であったら、念のために機種情報を取得して、ビット数の形式等が記録媒体に格納されたものと同じであることを確認してもよい。
このように構成することで、初回以降は、より高速に通信を確立して、回転位置の角度情報を取得することが可能となる。

上述の実施形態においては、エンコーダ３が単一の速度設定及びビット数の組み合わせに対応する例について説明した。
しかしながら、複数の速度で通信が可能であったり、異なるビット数の形式で角度情報を通信可能であったりするエンコーダ３を用いるような構成も可能である。
この場合、アンプ制御部２０は、例えば、第一速度設定で通信エラーが多発する場合には、第二速度設定で通信してもよい。または、アンプ制御部２０は、モータ４の制御の電流フィードバック値を用いてトルク換算をして、振動等が多い場合は、ビット数を少なくして精度を落としたりしてもよい。これらの際には、アンプ制御部２０は、そのような処理を行うことを、上位装置２及びエンコーダ３にコマンドを送信して指示してもよい。
このように構成することで、柔軟な構成に対応可能となる。

なお、上記実施の形態の構成及び動作は例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実行することができることは言うまでもない。

１ モータアンプ
２ 上位装置
３ エンコーダ
４ モータ
１０ 通信制御部
２０ アンプ制御部
１００ 通信処理部
１１０ ビット設定部
Ａ 回転軸
Ｓ シャフト
Ｘ 制御システム

Claims (4)

1. モータの回転位置を検出するエンコーダと接続され、前記モータの回転を制御するモータアンプであって、
   初期状態において、第一速度設定で前記エンコーダとの通信を試み、通信エラーになった場合には、第二速度設定で前記エンコーダと通信を試みる通信処理部と、
   前記通信処理部により前記エンコーダとの通信が確立した場合、前記エンコーダの機種情報を取得し、該機種情報に対応した前記エンコーダの回転位置のビット数を設定するビット数設定部とを備える
   ことを特徴とするモータアンプ。
2. 前記第一速度設定は、前記エンコーダとの通信可能な最大速度で通信する設定であり、
   前記第二速度設定は、前記最大速度よりも遅い速度で通信する設定である
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータアンプ。
3. ビット数設定部は、
   前記第二速度設定で前記エンコーダとの通信が確立した場合、前記機種情報を取得しなくても、前記ビット数を設定する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータアンプ。
4. モータの回転位置を検出するエンコーダと接続され、前記モータの回転を制御するモータアンプにより実行されるモータアンプ制御方法であって、
   初期状態において、第一速度設定で前記エンコーダとの通信を試み、
   通信エラーになった場合には、第二速度設定で前記エンコーダと通信を試み、
   前記エンコーダとの通信が確立した場合、前記エンコーダの機種情報を取得し、該機種情報に対応した前記エンコーダの回転位置のビット数を設定する
   ことを特徴とするモータアンプ制御方法。

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