JP4537438B2

JP4537438B2 - エンコーダ及び電動機の制御装置

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Publication number: JP4537438B2
Application number: JP2007308719A
Authority: JP
Inventors: 満幸谷口; 圭介今井; 一郎長友; 眞一堀越; 隆原田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: JP2008076414A

Description

本発明は、電動機、または電動機により駆動される機器に取り付けられ、位置情報、または速度情報を検出するエンコーダ、及び、該エンコーダ内で発生するアナログのエンコーダ信号を受信して解析し、前記電動機を制御する制御装置に関し、特に、同エンコーダの故障予知に有用な情報を提供する技術に関連している。

電動機、または電動機により駆動される機器に取り付けられ、位置情報、または速度情報を検出するエンコーダにおいては、様々な内的要因、外的要因、あるいは経年変化によって異常が発生することがある。そのような異常発生の事態に対処するために、従来より、図１（ａ）あるいは図１（ｂ）のブロック図に示すような構成でアラーム情報を出力し、例えば制御装置のディスプレイ上のアラーム表示やアラーム音声で作業者に報知する手法が採用されている。

図１（ａ）に示した構成では、光学式または磁気式のエンコーダの検出部（図示省略）で生成されるアナログのセンサ信号は、ＡＤ変換されて位置、速度を検出する回路（“位置・速度検出”のブロック）と“特性値算出”のブロックに入力される。周知のように、センサ信号には２相正弦波信号（Ａ相、Ｂ相）等の複数チャンネルの信号が含まれている。“位置・速度検出”のブロックでは、これらの信号に基づいて位置や速度の情報が求められ、シリアルデータ送受信制御回路を介して外部の制御装置に伝送される。制御装置は、送られた位置や速度の情報に基づいて、同制御装置に接続された電動機（図示省略）のフィードバック制御等を行なう。

一方、“特性値算出”のブロックでは２相正弦波信号について特性値（例えば各相信号のオフセット値）が所定周期で繰り返し計算され、“アラーム検出”のブロックで異常の有無がチェックされる。例えば、オフセット値について予め設定された許容範囲（下限Ｖth1 〜上限Ｖth2 ）を設定しておき、その許容範囲からの逸脱の有無が“０”（許容範囲内）“１”（許容範囲外）で出力される。この出力は、シリアルデータ送受信制御回路を介して外部の制御装置に伝送される。制御装置に“１”（許容範囲外）の信号が送られた時、アラームを出力し、アラーム表示やアラーム音声で作業者に異常発生を報知する。
図１（ｂ）に示した構成においては、エンコーダから検出部で生成された２相正弦波信号を含むアナログのエンコーダ信号が外部の制御装置に送られる。制御装置は、これをＡＤ変換し、そのＡＤ変換された信号に基づいて、位置や速度の情報が求められる。そして、“ＣＰＵ、周辺回路等の制御手段”で示したブロックで位置や速度の情報に基づいて、同制御装置に接続された電動機（図示省略）のフィードバック制御等が行われる。

その一方、ＡＤ変換されたエンコーダ信号は、“特性値算出”のブロックに入力され、そこでエンコーダ信号の特性値（例えばオフセット値）が計算される。計算された特性値（例えばオフセット値）は、“アラーム検出”で示したブロックで処理され、異常発生と判断された場合にアラームを出力し、アラーム表示やアラーム音声で作業者に異常発生を報知する。アラームを出力する判断基準は図１（ａ）を参照して説明したケースと同様である。即ち、例えば２相正弦波信号について、そのオフセット値が所定のきわめて短い処理周期（ＩＴＰ）でチェックされ、オフセット値が予め設定された許容範囲（下限Ｖth1 〜上限Ｖth2 ）から逸脱した時にアラームが出力される。

しかしながらこれら従来手法を用いた場合、アラーム情報が報知される前に故障を予知することが困難であった。また、経験則によれば、上記の許容範囲（下限Ｖth1 〜上限Ｖth2 ）を狭めに設定した場合等に間欠的にアラームが発生することがあり、その原因が特定出来ないケースもあった。このような問題について有効な解決手段を記した文献は見当らない。

そこで、本発明の目的は上記従来技術の問題点を解消することにある。即ち、本発明は、電動機、または電動機により駆動される機器に取り付けられ、位置情報、または速度情報を検出するエンコーダ、あるいは、同エンコーダ内で発生するアナログのエンコーダ信号を受信して解析し、前記電動機を制御する制御装置を改良して、故障予知に有用な情報や間欠的にアラームが発生する原因を特定するために有用な情報を提供できるように改良しようとするものである。また、そのことを通して、エンコーダの保守性の向上を図るものである。

本発明は、内的要因、外的要因、あるいは経年変化によって起るエンコーダ信号の特性値の経時変化を表わす情報を提供できるようにすることで、上記課題を解決するものである。
本発明は、電動機、または電動機により駆動される機器に取り付けられ、位置情報、または速度情報を検出するエンコーダ（請求項１〜請求項２）、及び、電動機、または電動機により駆動される機器に取り付けられ、位置情報、または速度情報を検出するエンコーダ内で発生するアナログのエンコーダ信号を受信して解析し、前記電動機を制御する制御装置（請求項３〜請求項４）に適用される。

先ず、請求項１に記載されたエンコーダには、該エンコーダ内で発生するアナログのエンコーダ信号をデジタル量に変換し、該デジタル量から得られるエンコーダ信号の特性値を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶したエンコーダ信号の特性値と、現在のエンコーダ信号をデジタル量に変換し、該デジタル量から得られるエンコーダ信号の特性値とを比較する比較手段と、該比較手段から出力される比較結果を前記電動機の制御装置へ通知する通知手段が具備される。

そして、前記比較手段は、現在のエンコーダ信号の特性値と、該エンコーダの稼働開始以来のすべての過去の特性値との差を計算し、変動値の最大値を求めること、あるいは、現在のエンコーダ信号の特性値と、所定時間毎にサンプリングされた過去の特性値の一部との差を計算し、変動値の最大値を求めることが含まれ、前記通知手段は、前記変動値の最大値の絶対値があらかじめ設定した値を超えたならば「異常の予兆」を表わす信号を前記電動機の制御装置に通知する。

ここで、これらエンコーダにおいて、前記アナログのエンコーダ信号は位相が略９０度異なる二つの略正弦波状の信号であり、特性値は、前記二つのエンコーダ信号のそれぞれの振幅値、オフセット値（振幅中心のゼロ点からのずれ量のことで、＋側にずれた場合を正、−側にずれた場合を負とする；以下、同じ）、波形歪、及び、前記二つのエンコーダ信号間の位相差の内の少なくとも一つを含むものとすることができる（請求項２）。

次に、請求項３に記載された制御装置には、前記エンコーダ信号をデジタル量に変換し、該デジタル量から得られるエンコーダ信号の特性値を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶した特性値と前記エンコーダ内で発生する現在のアナログのエンコーダ信号をデジタル量に変換し、該デジタル量から得られるエンコーダ信号の特性値とを比較する比較手段と、該比較手段による比較結果を解析する解析手段を具備する。

そして、前記解析手段は、現在のエンコーダ信号の特性値と、該エンコーダの稼働開始以来のすべての過去の特性値との差を計算し、変動値の最大値を求めること、あるいは、現在のエンコーダ信号の特性値と、所定時間毎にサンプリングされた過去の特性値の一部との差を計算し、変動値の最大値を求めること、及び、該変動値の最大値の絶対値があらかじめ設定した値を超えたならば「異常の予兆」を表す信号を生成することが含まれる。

ここで、これら制御装置において、前記アナログのエンコーダ信号は位相が略９０度異なる二つの略正弦波状の信号であり、特性値は、前記二つのエンコーダ信号のそれぞれの振幅値、オフセット値（振幅中心のゼロ点からのずれ量のことで、＋側にずれた場合を正、−側にずれた場合を負とする；以下、同じ）、波形歪、及び、前記二つのエンコーダ信号間の位相差の内の少なくとも一つを含むものとすることができる（請求項４）。

本発明によれば、電動機、または電動機により駆動される機器に取り付けられ、位置情報、または速度情報を検出するエンコーダについて、内的要因、外的要因、あるいは経年変化によって起るエンコーダ信号の特性値の経時変化を表わす情報から、故障予知に有用な情報や間欠的にアラームが発生する原因を特定するために有用な情報が容易に得られるようになる。また、そのことを通して、エンコーダの保守性が向上する。

以下、図２〜図４を参照して本発明の２つの実施形態について説明する。なお、各実施形態において、エンコーダは、既述の通り、「ロータリエンコーダ」、「リニアエンコーダ」のいずれであっても構わない。
［第１の実施形態］
先ず図２を参照すると、本発明の第１の実施形態における構成がブロック図で示されている。本実施形態は、図１（ａ）に示した従来例の改良型に対応するもので、光学式または磁気式のエンコーダの検出部（図示省略）で生成されるアナログのセンサ信号は、ＡＤ変換されて位置、速度を検出する回路（“位置・速度検出”のブロック）と“特性値算出”のブロックに入力される。センサ信号には２相正弦波信号（Ａ相、Ｂ相）等の複数チャンネルの信号が含まれている。“位置・速度検出”のブロックでは、これらの信号に基づいて位置や速度の情報が求められ、シリアルデータ送受信制御回路を介して外部の制御装置に伝送される。制御装置は、送られた位置や速度の情報に基づいて、同制御装置に接続された電動機（図示省略）のフィードバック制御等を行なう。

一方、“特性値算出”のブロックでは２相正弦波信号について特性値が所定周期で繰り返し計算される。計算される特性値としてはエンコーダ信号の特性を表わす種々の量が考えられ、例えば２相正弦波信号の各相の振幅値、オフセット値、波形歪、あるいは、各相信号間の位相差などがあり、これらの内の一部または全部が計算される。これら計算された特性値について、従来技術（図１（ａ）の関連説明参照）と同様、“アラーム検出”のブロックで異常の有無がチェックされる。

例えば、２相正弦波信号の各オフセット値について、予め設定された共通した許容範囲（下限Ｖth1 〜上限Ｖth2 ）を設定しておき、その許容範囲からの逸脱の有無を“０”（両相信号共に許容範囲内）“１”（少なくとも一方の相信号が許容範囲外）で出力する。この出力は、シリアルデータ送受信制御回路を介して外部の制御装置に伝送される。制御装置に“１”（許容範囲外）の信号が送られた時、アラームを出力し、アラーム表示やアラーム音声で作業者に異常発生を報知する。

ここまでの構成と機能は、図１（ａ）を参照して説明した従来例と基本的に変わるところはない。本実施形態が従来例のエンコーダと異なるのは、エンコーダ内に特性値を記憶する“メモリ”のブロックと、“特性値比較”のブロックを設け、過去の特性値と現在の特性値とを比較し、その比較結果を制御装置に送れるようにした点である。

“メモリ”のブロックでは、所定の十分小さい周期で特性値が逐次記憶され、記憶時点を表わすラベルデータを付けて蓄積される。“特性値比較”のブロックは「現在の特性値」が入力される都度、「過去の特性値」と比較し、比較結果をシリアルデータ送受信制御回路を介して制御装置に送る。比較の具体的な態様としては種々のものが採用可能であるが、ここでは次のような例を考える。

即ち、“特性値比較”のブロックでは、現在の特性値と、そのエンコーダの稼働開始時点以来蓄積された過去の特性値のデータの全部（あるいは一定の時間間隔でサンプリングした一部データ）をメモリから読み出したものを比較し、各過去データと現在値との差を計算し、変動量（絶対値）が最大となる最大変動量（正負の符号付き）を求める。そして、最大変動量の絶対値が予め設定した値を越えたならば、「異常の予兆」を表わす信号を、シリアルデータ送受信制御回路を介して制御装置に送る。また、その時に得た最大変動量（正負の符号付き）のデータも制御装置に送る。制御装置は、例えばディスプレイに「異常の予兆」を最大変動量（正負の符号付き）のデータとともに表示する。

図４は、このような比較により、どの時点で「異常の予兆」を出力できるかについて説明するグラフである。同グラフにおいて、点Ａから描かれた曲線は、２相正弦波信号の一方（例えばＡ相信号）について、符号Ａで示したエンコーダの稼働開始時点（時間ｔ＝０）から稼働を続けている内に、エンコーダ信号を生成する回路中に断線が生じてアラームが出力されるまでの推移の例を示している。理想的に言えば、２相正弦波信号のオフセット値は稼働開始から安定してゼロの状態を保持するべきであるが、実際の製品においては初期特性、経時変化ともにばらつきがある。初期特性で決まるオフセット値も符号Ａで例示したように一般にはゼロではない。そして、稼働時間が増大するに従ってオフセット値は増大傾向を示すことになる。

既述の通り、オフセット値には予め許容範囲（下限Ｖth1 〜上限Ｖth2）が設定してあり、この許容範囲からの逸脱があれば、従来技術と同様、アラーム信号が制御装置へ送られるようになっている。オフセット値が図４に示したような推移を示した場合、このアラーム信号は符号Ｅで示した点に対応する時点の直後に出力されることになる。しかし、一般に、このように許容範囲からの逸脱が実際に起るのは、断線などの故障が実際に起ってしまってからであり、遅すぎるきらいがある。許容範囲（Ｖth1 〜Ｖth2）を狭く設定しておけば早めに異常を知らせることができるように思われるが、上記した個体間の初期特性や経時変化特性のばらつきを考慮すると、許容範囲はあまり狭くできない。例えば、正常に動作しているのにアラームが間欠的に出る原因となる。

そこで、本実施形態では、上記したように、“特性値比較”のブロックで、現在の特性値と稼働開始時点以来の過去特性値データとの比較を行ない、最大変動量（正負の符号付き）をチェックしている。図４の例で言えば、オフセット値は稼働開始時点Ａから徐々に上昇し、符号Ｃで示した時点からは下降に転じ、更に符号Ｄで示した時点で極小値をとったのち、急激な上昇を示し上限Ｖth2 を一気に越えている。経験則によれば、このような推移は、点Ｃのあたりで断線しかかっている場合によく出現する。

そして、稼働開始時点から点Ｃに至るまでにはある所定値以上のオフセット値の上昇がみられる性質がある。従って、最大変動量がその限界値ΔＶを上回った時点Ｂで、「故障の予兆」を検知できる。“特性値比較”のブロックは、この考え方に沿って、最大変動量がその限界値ΔＶを上回るまでは「故障の予兆なし」を表わす“０”の信号が制御装置に送られるが、符号Ｂの時点で、「故障の予兆あり」を表わす“１”の信号が制御装置に送られる。

また、その時に得た最大変動量（正負の符号付き）のデータも制御装置に送られる。制御装置は、例えばディスプレイに「異常の予兆」を最大変動量（正負の符号付き）とともに表示する。なお、本例のように、符号Ｃで示した時点で起るような特性値推移の勾配の符号反転が、「故障の予兆」の指針となる場合（即ち、エンコーダが健全な状態では起らない）には、この特性値推移の勾配の符号反転時点Ｃでその旨を表わす信号を制御装置に送るようにしても良い。より一般的に言えば、「エンコーダが健全な状態では起らない変化が特性値に生じた時」に制御装置に「故障予兆」の信号を送れば良い。また、２相信号について監視する場合は、少なくとも一方の相の信号について「故障予兆」があれば、制御装置に知らせるようにすれば良い。

更に、上記の例では、特性値がオフセット値である例で説明したが、他の特性値についても同様の比較、監視を行なうことができる。例えば特性値が波形歪や位相差であるケースであっても、稼働開始時点からの最大変動を同様の態様で監視し、その絶対値が予め設定された最大変動量を越えた時に、「故障予兆」の信号を制御装置に送れば良い。また、比較、監視する特性値が複数ある場合には、少なくとも１つの特性値で「故障予兆」を表わす変化があれば、それを制御装置に知らせるようにすれば良い。

［第２の実施形態］
図３を参照すると、本発明の第２の実施形態における構成がブロック図で示されている。本実施形態は上述した第１の実施形態で行なっていた特性値の比較・監視を制御装置内で行なうようにしたもので、図１（ｂ）に示した従来例の改良型に対応するものでもある。エンコーダ本来の構成と機能に関連する諸事項については図１（ｂ）に示した従来例と同様である。また、アラーム検出についても、図１（ｂ）に示した従来例と同様である。

即ち、エンコーダから検出部で生成された２相正弦波信号を含むアナログのエンコーダ信号が外部の制御装置に送られる。制御装置は、これをＡＤ変換し、そのＡＤ変換された信号に基づいて、位置や速度の情報が求められる。そして、“ＣＰＵ、周辺回路等の制御手段”で示したブロックで位置や速度の情報に基づいて、同制御装置に接続された電動機（図示省略）のフィードバック制御等が行われる。

一方、制御装置内の“特性値算出”のブロックで算出された特性値（２相正弦波信号の各相の振幅値、オフセット値、波形歪、あるいは、各相信号間の位相差など）は、“メモリ”のブロックと“特性値比較”のブロックに入力される。“メモリ”のブロックでは、所定の十分小さい周期で特性値が逐次記憶され、記憶時点を表わすラベルデータを付けて蓄積される。“特性値比較”のブロックは「現在の特性値」が入力される都度、「過去の特性値」と比較し、比較結果を解析する。

比較の具体的な態様としては、第１の実施形態と同様のものとすることができる。即ち、“特性値比較”のブロックでは、現在の特性値と、そのエンコーダの稼働開始時点以来蓄積された過去の特性値のデータの全部（あるいは一定の時間間隔でサンプリングした一部データ）をメモリから読み出したものとを比較し、各過去データと現在値との差を計算し、変動量（絶対値）が最大となる最大変動量（正負の符号付き）を求める。

そして、最大変動量の絶対値が予め設定した値を越えたならば、「異常の予兆」を表わす信号を出力し、その時に得た最大変動量（正負の符号付き）のデータとともに、例えばディスプレイ（図示省略）に表示する。このような比較により、「異常の予兆」を比較的早期に検知できることは、図４を参照して説明した第１の実施形態と同様である。
例えば、図４に示した特性値（オフセット値）推移のケースでは、アラーム信号が出される符号Ｅで示した時点よりかなり前の、時点Ｂあるいは時点Ｃで「故障予兆」を判断できる。

エンコーダの異常発生を表わすアラーム出力に関連して、従来より採用されている２つの構成例（ａ）、（ｂ）を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態で採用される構成を示したブロック図である。本発明の第２の実施形態で採用される構成を示したブロック図である。どの時点で「異常の予兆」を出力できるかについて、例を示して説明するためのグラフである。

Claims

電動機、または電動機により駆動される機器に取り付けられ、位置情報、または速度情報を検出するエンコーダにおいて、
該エンコーダ内で発生するアナログのエンコーダ信号をデジタル量に変換し、該デジタル量から得られるエンコーダ信号の特性値を記憶する記憶手段と、
該記憶手段に記憶したエンコーダ信号の特性値と、現在のエンコーダ信号をデジタル量に変換し、該デジタル量から得られるエンコーダ信号の特性値とを比較する比較手段と、
該比較手段から出力される比較結果を前記電動機の制御装置へ通知する通知手段とを具備し、
前記比較手段は、現在のエンコーダ信号の特性値と、該エンコーダの稼働開始以来のすべての過去の特性値との差を計算し、変動値の最大値を求めること、あるいは、現在のエンコーダ信号の特性値と、所定時間毎にサンプリングされた過去の特性値の一部との差を計算し、変動値の最大値を求めることが含まれ、
前記通知手段は、前記変動値の最大値の絶対値があらかじめ設定した値を超えたならば「異常の予兆」を表わす信号を前記電動機の制御装置に通知することを特徴とするエンコーダ。
前記アナログのエンコーダ信号は、位相が略９０度異なる二つの略正弦波状の信号であり、
特性値は、前記二つのエンコーダ信号のそれぞれの振幅値、オフセット値、波形歪、及び、前記二つのエンコーダ信号間の位相差の内の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載されたエンコーダ。
電動機、または電動機により駆動される機器に取り付けられ、位置情報、または速度情報を検出するエンコーダ内で発生するアナログのエンコーダ信号を受信して解析し、前記電動機を制御する制御装置において、
前記エンコーダ信号をデジタル量に変換し、該デジタル量から得られるエンコーダ信号の特性値を記憶する記憶手段と、
該記憶手段に記憶した特性値と前記エンコーダ内で発生する現在のアナログのエンコーダ信号をデジタル量に変換し、該デジタル量から得られるエンコーダ信号の特性値とを比較する比較手段と、
該比較手段による比較結果を解析する解析手段とを具備し、
前記解析手段は、現在のエンコーダ信号の特性値と、該エンコーダの稼働開始以来のすべての過去の特性値との差を計算し、変動値の最大値を求めること、あるいは、現在のエンコーダ信号の特性値と、所定時間毎にサンプリングされた過去の特性値の一部との差を計算し、変動値の最大値を求めること、及び、
該変動値の最大値の絶対値があらかじめ設定した値を超えたならば「異常の予兆」を表す信号を生成することが含まれることを特徴とする前記制御装置。
前記アナログのエンコーダ信号は、位相が略９０度異なる二つの略正弦波状のエンコーダ信号であり、
特性値は、前記二つのエンコーダ信号のそれぞれの振幅値、オフセット値、波形歪、及び、前記二つのエンコーダ信号間の位相差の内の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載された制御装置。