JP4509513B2

JP4509513B2 - ブラシレスモータによる位置決め装置

Info

Publication number: JP4509513B2
Application number: JP2003306498A
Authority: JP
Inventors: 秀文阿部; 貴治菅原; 守洋山田
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2004129490A

Description

本発明は、自動変速機のギア比を定めるギア比設定子等の可動子を位置決めするための位置決め装置に関する。

一般に工作機械等における被加工物の位置決めテーブルの如く、可動子の位置決めをする装置においては、モータで発生する回転力を長手ボルトに取り付けられたギアを介して伝達し、当該ボルトに噛合する可動子としてのナットを当該ボルトの軸方向に移動させる。

このナットの移動に際し、近年は位置決めの高精度化とともに高速度化の要求も高まっている。これに対して、ブラシレスモータ等の高速回転仕様に合わせたモータなどの適用が増加している。

一方で、かかる位置決め装置では、一般に可動子の可動範囲を規定するための位置決めストッパがボルトの所定位置（例えばボルトの両端近傍）に取り付けられている。ナットは目標位置に移動された後、位置決めストッパの所へ戻される。このとき、ボルトの回転すなわちモータの回転が十分減速されないとナットは位置決めストッパに激しく衝突し、その衝突によりストッパ及びナットが損傷してしまう。

上記のナット及び位置決めストッパの衝突による損傷を防止するために、１つの方法として、位置決めストッパのナットと接触する側の面に追加のリミットスイッチを付加し、このリミットスイッチからの信号を用いてモータの駆動を停止する制御方法がある。

また、特許文献１は、目標停止位置の手前で位置検出を行い、その検出信号を用いてモータの回転速度を低回転に変化させる制御方法を開示している。

前述のリミットスイッチを用いる方法の場合、このスイッチは追加の機構のため、システムの再構築を含むシステム全体のコストアップにつながってしまうとともに、スイッチ自体の信頼性が装置全体の信頼性に影響を及ぼすという問題点がある。

また、特許文献１に開示された制御システムにおいては、位置検出手段（センサ等）が必要になるとともに、実際の動作を行う際は、事前に回転数切り替え位置を記憶する教示プロセスが必要であり、追加にスイッチを設ける場合と同様にシステムの複雑さとコストアップを招くという問題点がある。
特開昭６０−１３９４２０号公報

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、モータ駆動ユニットの他にリミットスイッチや位置検出センサなどの追加部品を用いることなく、ナットと位置決めストッパとの衝突による損傷を防止できる位置決め制御装置を提供することを目的とする。

本発明による位置決め装置は、ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転に応じて可動子を所定可動範囲内において位置決めする位置決め機構と、前記ブラシレスモータの複数の固定コイルに順次駆動パルスを供給して前記ブラシレスモータの回転子を回転せしめるモータ制御回路と、を含む位置決め装置であって、前記モータ制御回路は、前記駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段と、前記ブラシレスモータの感磁素子からの出力信号に応じて前記回転子の現在ステージ番号を検出する現在ステージ番号検出手段と、前記可動子の位置決めに先立って、前記駆動パルスによる電力を低減して前記ブラシレスモータの回転速度を減速して前記可動範囲の上限及び下限位置の少なくとも一方にまで前記可動子を、前記感磁素子からの出力信号が変化しなくなるか又は前記ブラシレスモータへの駆動パルスが変化しなくなるのを検知することによって前記上限及び下限位置に達したか否かを判定しつつ移動させ、前記可動子が前記上限及び下限位置に達した時の各々の前記現在回転子ステージ番号を上限及び下限ステージ番号とする初期化手段と、前記可動子の位置決め時において、前記上限及び下限ステージ番号のいずれかに前記現在回転子ステージ番号が一致する場合に前記駆動パルスによる電力を低減して前記ブラシレスモータの回転速度を減速する減速手段と、を有することを特徴とする。

図２は、図１に示されたモータ制御回路16の詳細をモータ14との関係とともに示す。本実施例においてモータ14は、３相ブラシレスモータであり、２極回転子（図示せず）を有し、この回転子の回転角度位置に応じた出力を生じる３つの感磁素子20を含んでいる。この感磁素子20は、例えばホール素子である。この回転子を回転せしめる電磁力を発生するU相コイル21、V相コイル22、W相コイル23が、モータ14の固定子（図示せず）に設けられている。本実施例では、３つの感磁素子20が回転子の周りに120度の間隔で配置されている。モータ制御回路16は、マイクロプロセッサ24及び駆動パルス生成部25を含む。マイクロプロセッサ24は、感磁素子20からの位置信号を受け入れ、駆動パルス生成部25に対して、データラインを介して正又は逆方向の回転コマンド及び停止コマンドを出力する。駆動パルス生成部25は、供給されるコマンドの種類に応じて、回転子を正方向又は逆方向に回転せしめる制御パターンに従ったタイミングによって、駆動パルスを各相コイル21〜23に供給する。

図３は、各相コイルの制御パターンを示す。ここで、３つの感磁素子からの出力信号をそれぞれHa、Hb、Hcとし、３つの相コイルへの駆動パルスをそれぞれUH、UL、VH、VL、WH、WLとする。上述のように、モータの１つの相への入力は２種類あり、回転子の一方の極（例えばN極）に回転力を与える駆動パルスをハイサイドパルス（UH、VH、WH）と定義し、他の極（例えばS極）に回転力を与える駆動パルスをローサイドパルス（UL、VL、WL）と定義している。

図３に示すように、感磁素子からの出力信号Ha、Hb、Hcは、３つの感磁素子が回転シャフトの周りに120度の間隔を置いて配置されている故、出力信号同士は電気角120度の位相ずれを伴い、それぞれ180度のパルス幅のパルス信号である。この３種類のパルス信号の組み合わせによって、図中に示す６つの制御ステージが定義できる。これに対応して、６種類のモータ駆動パルスUH〜WLが、各相コイル21、22、23に印加される。ハイサイド信号及びローサイド信号は、60度の休止間隔を置いてそれぞれ電気角120度分だけ印加される。すなわち、１つの相については、ハイサイド信号印加状態−信号印加休止状態−ローサイド信号印加状態−信号印加休止状態が繰り返される。

図３で示されるステージ番号１から６すなわちステージ１からステージ６を経て、モータ14の回転子は一回転し、ステージ６の次に再びステージ１が現れる。例えば、ステージ１〜ステージ６が４回繰り返されると、24ステージ分のモータ回転子の回転によって、ナット部材12がボルト部材11の軸方向に10mm移動する。従って、任意のステージ数だけ回転子を正方向又は逆方向に回転させる駆動パターンをモータ14のコイル21〜23に供給することによって、ナット部材12の移動方向及び距離を制御することが可能となる。また、前述のステージ番号の進行を逆にするパターンの駆動パルスを供給することによって、モータ回転方向を逆転することができ、ナット部材12の送り方向を逆にすることも可能である。

図４〜図６に、マイクロプロセッサ24が実行するルーチンを示す。

図４は、本実施例による位置決め制御装置の動作を制御するマイクロプロセッサ24における初期化動作としての突き当たり設定ルーチンを示す。この突き当たり設定ルーチンでは、まず、ナット部材12と取り付けるストッパとの位置関係によるモータ14の駆動方向を決定し（ステップ101）、次いで現在のモータ回転子位置に相当する現在回転子ステージ番号を変数Scとして取り込む（ステップ102）。ここで、ナット部材12の移動方向は、上記ステージ番号が増加する方向を正方向とし、その反対方向を逆方向と定義する。また、ステップ102で取り込まれる現在回転子ステージ番号とは、図３に示された３つの感磁素子20からの出力信号の組み合わせによって定まる６種類の制御ステージ番号のうちの１つである。続いて、ステップ101で決定した方向への駆動パターンの駆動パルスを供給する指令を発する（ステップ103）。この指令により、モータ14は低速回転（ナット部材12が位置決めストッパに衝突しても、ナット部材及びストッパが破損しない速度）を開始する。その後、ナット部材12はゆっくり位置決めストッパ方向へ移動し、ナット部材12が位置決めストッパに突き当たったかどうかの判定を行う（ステップ104）。つまり、ナット部材12が位置決めストッパに突き当たった場合、感磁素子からの出力信号は変化しなくなるか、またはモータへの制御パルスが変化しなくなる。このとき、現在回転子ステージ番号を突き当たり回転子ステージ番号Ssとして保存する（ステップ105）。この場合のステージ番号は上記した制御ステージ番号のうちの１つである。ステップ104において、感磁素子20からの出力信号パターンの変化、またはモータへの制御パルスの変化を検知した場合は、ステップ105及び106を実行せずに、ナット部材12の移動を続行することになる。ステップ105で突き当たり回転子ステージ番号を保存した後は、モータ14への駆動停止指令を発して（ステップ106）、本ルーチンの動作は終了する。また、この突き当たり回転子ステージ番号Ssは、位置決めストッパを動かしてその位置を再設定するまでは、不揮発性メモリ（図示せず）等を用いて記憶することによって、１度設定したストッパ17又は18の位置が動かない限り、本ルーチンの再動作を省略し得る。

図５は、本実施例による位置決め制御装置のナット部材12の位置決めを行うマイクロプロセッサ24の可動子位置決めルーチンの動作を示す。このルーチンでは、まず、ユーザによって設定されるナット部材12が到達すべき目標位置情報を取り込む（ステップ111）。次に、所定の移動速度設定ルーチンによって設定される駆動パルスを供給する指令を発する（ステップ112）。通常、ナット部材12を目標位置近傍まで高速で移動させ、その後減速し、目標位置に到達させる。続いて、移動を開始したナット部材12が目標位置に到達したかどうかを判定する（ステップ113）。目標位置に達した場合は、モータの駆動を停止する指令を発し（ステップ114）、移動制御すなわち位置決めルーチンの動作を終了させる。目標位置への移動制御が終了した後、ナット部材12を初期位置であるストッパ位置に戻す移動制御を実施する。本実施例では、図5に示された可動子位置決めルーチンのステップ111において目標位置をストッパ位置とすると共に、図6に示された移動速度設定ルーチンを実行することによってナット部材12を初期位置に移動させる。

図６のルーチンではまず、モータの現在回転子ステージ番号Scを感磁素子20からの出力パターンから取り込み（ステップ121）、回転子ステージ番号の判定を行う（ステップ122）。このステップ122では、現在回転子ステージ番号Scが、図４で示されたルーチンで保存された突き当たり回転子ステージ番号Ssに対して１ステージ分前の場合、モータの駆動を低速度モードに設定し（ステップ123）、それ以外の場合は、再びステージ番号判定を行う（ステップ124）。ステップ124において、現在回転子ステージ番号Scが突き当たり回転子ステージ番号Ssと等しい場合、ステップ123に移ってモータの駆動を低速度モードに設定し、異なる場合は、高速度モードに設定する（ステップ124）。上記例においては、突き当たり回転子ステージ番号およびその１ステージ分前の番号の位置で減速する例を示しているが、必要に応じて２ステージ分前のステージ番号に一致するときに減速を行うステップを加えることも可能である。

以上のような制御ステップを実行することによって、位置決めストッパとの接触位置における回転子のステージ番号及びその１つ前のステージ番号毎にモータ回転を減速して、ストッパと可動子との接触時の衝撃を緩和することが可能となる。従って、モータ駆動ユニットの他にリミットスイッチや位置検出センサなどの追加部品を用いることなく、ナットと位置決めストッパとの衝突による損傷を防止することが可能となる。例えば、突き当たり設定ルーチンで正方向のストッパ位置ステージ番号を３と定義した場合（Ss=３）、可動子位置決めルーチンでは、現在回転子ステージ番号が２の場合（Sc=２、すなわちSc=Ss-１）および３の場合（Sc=３、すなわちSc=Ssの場合）には、モータに低回転の駆動パルス指令を発し、モータ回転数を下げてナット部材12と位置決めストッパとの接触時の衝撃を和らげ、現在回転子ステージ番号がそれ以外の番号の場合は、通常の高回転駆動パルス指令を発し、ナット部材12の移動を高速化することができる。

本発明の実施例の１つである、位置決め制御装置の概略図である。図１に示されたモータ制御回路の詳細図である。図１に示されたモータ制御回路のモータコイルの制御パターンである。図１に示されたモータ制御回路の突き当たり設定ルーチンを示すフローチャートである。図１に示されたモータ制御回路の可動子位置決めルーチンを示すフローチャートである。図１に示されたモータ制御回路の移動速度設定ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

10 位置決め制御装置
12 ナット部材
14 モータ
16 モータ制御回路
17、18 位置決めストッパ
20 感磁素子
24 マイクロプロセッサ
25 駆動パルス生成部

Claims

ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの回転に応じて可動子を所定可動範囲内において位置決めする位置決め機構と、前記ブラシレスモータの複数の固定コイルに順次駆動パルスを供給して前記ブラシレスモータの回転子を回転せしめるモータ制御回路と、を含む位置決め装置であって、
前記モータ制御回路は、
前記駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段と、
前記ブラシレスモータの感磁素子からの出力信号に応じて前記回転子の現在ステージ番号を検出する現在ステージ番号検出手段と、
前記可動子の位置決めに先立って、前記駆動パルスによる電力を低減して前記ブラシレスモータの回転速度を減速して前記可動範囲の上限及び下限位置の少なくとも一方にまで前記可動子を、前記感磁素子からの出力信号が変化しなくなるか又は前記ブラシレスモータへの駆動パルスが変化しなくなるのを検知することによって前記上限及び下限位置に達したか否かを判定しつつ移動させ、前記可動子が前記上限及び下限位置に達した時の各々の前記現在回転子ステージ番号を上限及び下限ステージ番号とする初期化手段と、
前記可動子の位置決め時において、前記上限及び下限ステージ番号のいずれかに前記現在回転子ステージ番号が一致する場合に前記駆動パルスによる電力を低減して前記ブラシレスモータの回転速度を減速する減速手段と、
を有することを特徴とする位置決め装置。
前記減速手段は、前記現在回転子ステージ番号が前記上限及び下限ステージ番号のいずれかの少なくとも１ステージ分前のステージ番号に一致する場合に、前記ブラシレスモータの回転速度を減速することを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。
前記モータ制御回路は、前記駆動パルスの各々を複数のパルス列によって形成し、前記減速手段は、前記パルス列の各パルスのデューティ比を小とする指令を発することを特徴とする請求項１記載の位置決め制御装置。