JP4613532B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業分野における搬送、加工、印刷、成型、工作機械等に適用される電動モータを制御するモータ制御装置であって、電動モータ側に設けられた作動検出部とモータの制御駆動部との間のデータ伝送を良好に行うことができるモータ制御装置に関する。

従来のモータ制御装置においては、電動モータの作動状態即ち回転速度、回転位置、温度などを検出するモータ作動検出部を備えており、このモータ作動検出部で検出した作動状態に応じて電動モータに供給する電圧を制御するようにしている。
ここで、例えばモータ作動検出部がモータ回転位置を検出するエンコーダ等の位置検出器で構成されている場合について説明する。

位置検出器が適用される高速で高精度な制御が要求される産業分野においては、電動モータとして高精度な位置決めができる永久磁石を使用したサーボモータモータが適用され、このサーボモータとモータ回転角を検出するエンコーダとの組み合わせで利用されている。
このようなサーボモータの制御システム構成の一般例としては、図１４に示すものが知られている。

この制御システムは、サーボモータ２と、このサーボモータ２の回転速度及び回転位置を制御する制御アンプ１と、サーボモータ２の回転位置を検出するエンコーダ３とを備えている。
通常、サーボモータ２は駆動する機構部に組込まれるので、制御アンプ１とは離れた位置に配置される。そして、サーボモータ２と制御アンプ１との間がＵＶＷ相の三相電力線によって接続され、制御アンプ１とエンコーダ３との間は伝送線によって接続される。

制御アンプ１は、速度指令値ｗｒ^* が入力され、この速度指令値ｗｒ^* に基づいてサーボモータ２の回転速度を制御する電流指令値を出力する速度制御器８１と、この速度制御器８１から出力される電流指令値から後述するｄｑ座標変換器８５から出力されるｄｑ座標に変換された電流検出値を減算する減算器８３とを備えている。この減算器８３から出力される電流指令値と電流検出値との偏差が比例積分制御によりサーボモータ２へ印加する電圧を制御するＰＩ制御器８６に供給され、このＰＩ制御器８６から出力されるｄｑ座標軸上の電圧指令値がＵＶＷ変換器８７に供給されて、ＵＶＷの三相電圧指令値に変換され、この三相電圧指令値がパルス幅変調回路８８に供給される。このパルス幅変調回路８８は、三角波発生回路９０と、この三角波発生回路９０から出力される三角波と三相電圧指令値とが入力される比較器９１とを有し、比較器９１から出力されるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号をインバータ８９に出力し、このインバータ８９でサーボモータ２を駆動する。

このインバータ８９から出力される三相電流値が電流検出器９２で検出され、これがＡ／Ｄ変換器８４でデジタル信号に変換されてｄｑ座標変換器８５に供給される。
一方、サーボモータ２の回転位置がエンコーダ３で検出され、このエンコーダ３から送信されるサーボモータ回転位置情報がエンコーダ伝送部８２で取込まれ、モータ回転位置情報を速度制御器８１及びｄｑ変換器８５に供給する。
そして、制御アンプ１とエンコーダ３とは、動作に必要な電源を供給するラインとデータ伝送を行うラインとの２種類のラインの計４線で接続される。

このようなモータ制御装置で使用するエンコーダ信号伝送方式としては、例えば回転機の１回転内の位置を検出する１回転データ検出部と、回転機の正逆方向の回転回数を計数する多回転データ検出部と、エンコーダ内の異常検出及びエンコーダ情報を保持するステータス検出部とからなる信号検出部と、これら信号検出部の各々のデータをシリアルデータ列に変換し出力するデータ出力回路と、データ出力回路のデータを出力するタイミングを決める上位システムなどからの指令を受信するデータ入力回路と、データ入力回路とデータ出力回路の切換えをする双方向バッファとからなるデータ入・出力部と、主電源ＯＦＦ時に上記多回転データ検出部を動作させるバックアップ回路と、主電源のＯＮ／ＯＦＦ状態を監視する電源ＯＮ／ＯＦＦ検出回路とからなる電源制御部と、上位システムなどからの指令をデータ入・出力部により受信し、もくしは回転機に具備したコネクタ又はケーブル線を用いた書き込み制御信号線を介して受信するエンコーダ番号などの識別情報を記憶する回路部を備えており、エンコーダの入出力信号ラインを共用化し複数構成で使用する場合の主電源ＯＮ後のエンコーダ信号の出力形態を、上位システムからの要求に対してエンコーダ個別に１対１で出力する形態、もくしは上位システムからの要求にかかわらず主電源ＯＮするとエンコーダ識別情報の順に順次連続した出力形態で信号入・出力するようにした多重伝送方式エンコーダが提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、他のエンコーダ信号伝送方式として、互いに９０度位相差を有するＡ，Ｂ２相のインクリメンタル信号と、１回転中の原点を示す基準信号Ｚ相と、三相ＡＣサーボモータの相励磁切替信号（コミュテーション信号）ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ三相とを出力する原信号出力部と、エンコーダ主電源の投入状態を検出する電源ＯＮ／ＯＦＦ検出回路と、Ａ，Ｂ２相の位相によりカウントアップパルス及びダウンパルスを出力する方向弁別回路と、カウントデータのプリロードができ前記方向弁別回路の出力パルスをカウントする第１のアップダウンカウンタ及び第２のアップダウンカウンタと、電源ＯＮ後のＡ，Ｂ２相のレベルにより前記第１のアップダウンカウンタにプリロードする初期データを出力する初期値検出回路と、エンコーダの１回転当たりの分解能を設定するパルス数設定値と前記Ａ，Ｂ相と基準信号Ｚ相と前記第２のアップダウンカウンタからのカウントデータより第２のアップダウンカウンタへ供給するプリロードデータとこのデータをロードするためのプリロード信号と初回の基準信号Ｚ相の検出有無を示すプリロードフラグを出力するパルス数判別回路と、外部からのデータ要求信号を受信し要求信号受信と同時に前記原信号出力部からのＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ三相と前記第１のアップダウンカウンタ及び第２のアップダウンカウンタからのデータとプリロードフラグを保持、かつシリアルデータに変換し出力するデータ送受信回路とを備えたロータリエンコーダが提案されている（例えば特許文献２参照）。
特開平８−２３３５９９号公報（第１頁〜第５頁、図１，図２） 特開２００１−１１６５８９号公報（第１頁〜第６頁、図１）

しかしながら、図１４に示すサーボモータの制御システムにあっては、制御アンプ１のインバータ８９から出力されるサーボモータ出力はパルス幅変調されているため、スイッチング動作によるノイズ発生源となっている。そのため、エンコーダ３と制御アンプ１間のデータ伝送への影響を避けるために、このデータ伝送線と三相電力線とは離して設置するなど配線上の配慮が必要であり、機器へのサーボ組込みに対する制約となっている。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、インバータによるスイッチングノイズの影響を低減して制御部と検出部との間のデータ伝送の信頼性を向上することができるモータ制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係るモータ制御装置は、電動モータの回転速度及び回転位置の少なくとも一方を検出して、検出情報を出力するモータ作動検出部と、該モータ作動検出部から出力される検出情報に基づいてパルス幅変調方式のインバータを制御することにより、前記電動モータの回転速度及び回転位置の少なくとも一方を制御する制御部とを備え、前記モータ作動検出部及び前記制御部間で検出情報の伝送を行うモータ制御装置において、
前記モータ作動検出部は、前記インバータから前記電動モータへ出力される出力電圧を検出し、検出した出力電圧に基づいてパルス幅変調信号を形成する三角波信号の頂点位置及び底点位置における当該パルス幅変調信号のパルスエッジを含まないパルス幅の伝送タイミングを検出するタイミング検出手段を有し、前記制御部からのデータ要求を受けたときに、前記タイミング検出手段で検出した伝送タイミングで前記検出情報を前記制御部に出力するように構成されていることを特徴としている。

また、請求項２に係るモータ制御装置は、請求項１に係る発明において、前記タイミング検出手段は、前記インバータの三相出力の電圧変化の時間間隔を１相毎に計測し、計測した各相の電圧変化の時間間隔の平均値に基づいてパルス幅変調信号のパルスエッジが存在しない前記三角波信号の頂点位置及び底点位置の位相を検知する位相検知手段を備えていることを特徴としている。
さらに、請求項３に係るモータ制御装置は、請求項２に係る発明において、前記位相検知手段は、前記インバータの三相出力の電圧変化の時間間隔を１相毎に計測し、計測した各相の電圧変化の時間間隔の平均値を算出する三相エッジ平均化部と、前記平均値に基づいてパルス幅変調用三角波の頂点位置及び底点位置を検出して出力するＰＬＬ部とを備えていることを特徴としている。

さらにまた、請求項４に係るモータ制御装置は、請求項２又は３に係る発明において、前記タイミング検出手段は、前記インバータの三相出力における電圧変化の時間間隔を１相毎に計測し、計測した三相出力の時間間隔と当該時間間隔の平均値とをもとに前記インバータの出力電圧率を判定し、出力電圧率が設定値を超えたときに検出情報の伝送タイミングを切換えるように構成されていることを特徴としている。

なおさらに、請求項５に係るモータ制御装置は、請求項１〜４の何れか１つの発明において、前記制御部は、前記インバータの出力電圧を切換える三角波発生器と、該三角波発生器の三角波出力パターンを変化させるパターン変化手段とを備え、前記モータ作動検出部は、前記パターン変化手段で変化させた三角波出力パターンの変化を検知するパターン変化検知手段を備え、前記制御部は、前記パターン変化手段で三角波出力パターン変化させることにより前記モータ作動検出部に対して当該モータ作動検出部の動作に関する指令を送信するように構成されていることを特徴としている。

請求項１に係る発明によれば、インバータから電動モータへ出力される出力電圧を検出し、検出した出力電圧に基づいてパルス幅変調信号のパルスエッジを含まない伝送タイミングを検出し、これによってパルス幅変調用三角波キャリアの山又は谷のスイッチングノイズの少ない期間に、モータ作動検出部と制御部との間の通信タイミングを設定することにより、スイッチングノイズのデータ伝送への影響を低減させ、電動モータへの電力線とモータ作動検出部と通信線とを近接させて設置することができ、機器へのサーボ組込みの制限を減少させることができるという効果が得られる。

また、請求項２に係る発明によれば、インバータの三相出力における電圧変化の時間間隔を計測し、計測した各相の時間間隔に基づいてインバータの搬送波即ち三角波の位相即ち底点位置及び頂点位置を正確に検出することができるという効果が得られる。
さらに、請求項３に係る発明によれば、ＰＬＬ部でインバータの出力電圧の変化に同期するタイミング信号を正確に形成することができるという効果が得られる。

さらにまた、請求項４に係る発明によれば、インバータの三相出力における電圧変化の時間間隔と、各時間間隔の平均値とを基にインバータの出力電圧率を判定し、出力電圧率が所定値例えば１００％に近い値を超えたときに検出情報の伝送タイミングを切換えることにより、スイッチング期間が短い場合でも正確に検出情報を伝送することができるという効果が得られる。

なおさらに、請求項５に係る発明によれば、パターン変化手段で三角波発生器の三角波出力パターンを変化させ、この三角波出力パターンの変化をモータ作動検出部に設けたパターン変化検知手段で検知することにより、三角波出力パターンの変化をモータ作動検出部の動作に関する指令として使用することができ、制御部とモータ作動検出部との間の伝送線をモータ作動検出部からの検出情報の伝送専用とすることができ、検出情報の伝送頻度を高めて、分解能の高い高精度のモータ制御を行うことができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す概略構成図であり、図中、１は１００Ｖ又は２００Ｖの三相電力が入力されてモータ制御出力を出力する制御手段としての制御アンプであって、この制御アンプ１から出力されるモータ制御出力が三相電力線５を介して永久磁石モータで構成される電動モータとしてのサーボモータ２に入力される。

このサーボモータ２には、その回転軸の回転角即ち回転位置を検出するモータ作動検出部としてのロータリ式のエンコーダ３が取付けられ、このエンコーダ３で検出した回転角データが２本の信号線４ａ及び４ｂを有するエンコーダ信号線４を介して制御アンプ１へ伝送される。
エンコーダ３は、図２に示すように、アルミニウムを切削加工して形成した大内径部及び小内径部を有して円筒状に形成されたエンコーダケース１１と、エンコーダケース１１の左端を閉塞するプリント基板１２と、エンコーダケース１１の小円形部の内周面に、２個のベアリング１３ａ及び１３ｂを介して回転自在に支持されたアルミニウム製の中空軸１６とを有する。

中空軸１６とプリント基板１２との間には１回転に１パルス以上のパルスを出力し、そのパルス数と回転方向を検出するための磁気的パルスエンコーダ部１７が形成され、エンコーダケース１１とプリント基板１２との間には１回転以内の絶対角度を検出する一回転光学式アブソリュートエンコーダ部１８が形成されている。
磁気的パルスエンコーダ部１７は、中空軸１６の左端に取付けられたリング状の磁気式パルスエンコーダ用磁石１９と、プリント基板１２の裏面側における磁気式パルスエンコーダ用磁石１９と対向する位置に配設された磁気センサ２０とで構成されている。

光学式アブソリュートエンコーダ部１８は、中空軸１６に取付けられた磁気式パルスエンコーダ用磁石１９の左表面にアルミニウム板等の非磁性材で形成されたスペーサ２１を介して接着された外周部に複数のスリットパターンを形成し且つ不透明なフィルム又はプラスチック板等により形成された回転スリット板２２と、この回転スリット板２２のスリット部を挟むようにエンコーダケース１１とプリント基板１２とに対向配置された発光素子２３及び受光素子２４とで構成されている。

そして、エンコーダ３は、図３に示すように、後述する制御アンプ１のインバータ８９から出力される三相電圧をモニタしてパルス幅変調（ＰＷＭ）用三角波タイミングを抽出し、ＰＷＭスイッチングの影響を受けないデータ伝送スタートのタイミング信号を出力するタイミング検出手段としてのＰＷＭタイミング検出部２５と、このＰＷＭタイミング検出部２５のタイミング信号及び磁気的パルスエンコーダ部１７及び光学式アブソリュートエンコーダ部１８で検出されるパルス信号とが入力されるエンコーダ伝送処理部２６とを備えている。

ＰＷＭタイミング検出部２５は、図４に示すように、制御アンプ１のインバータ８９から出力されるパルス幅変調出力電圧がコンデンサ２７ｕ〜２７ｗ及び分圧回路２８ｕ〜２８ｗを介して一方の入力端子に入力され、他方の入力端子に基準電圧が入力され、パルス幅変調出力電圧が基準電圧未満であるときに低レベル、基準電圧を超えたときに高レベルとなる比較信号を出力する比較器２９ｕ、２９ｖ及び２９ｗと、これら比較器２９ｕ〜２９ｗから出力される比較信号に基づいて各パルス幅変調出力電圧のエッジ立ち上がり時間の平均時間を算出する三相エッジ平均化部３０と、この三相エッジ平均化部３０で演算した平均時間に基づいてパルス幅変調用三角波の頂点位置及び底点位置を検出して、これらに対応する頂点検出信号及び底点検出信号を出力するデジタルＰＬＬ（フェーズロックループ）部３１とを備えている。ここで、三相エッジ平均化部３０とデジタルＰＬＬ部３１とが位相検知手段に対応している。

このＰＷＭタイミング検出部２５で、パルス幅変調用三角波の頂点及び底点を検出する原理は、パルス幅変調用三角波信号が図５（ａ）に示すように時点ｔ０で底点から徐々に増加して時点ｔ２で頂点に達し、その後徐々に減少して時点ｔ４で底点に達し、さらに時点ｔ６で頂点に達し、時点ｔ８で底点に達するものとする。このときのインバータ８９から出力されるＵ相、Ｖ相及びＷ相のパルス幅変調出力電圧は、スイッチング素子によるオンオフ動作によって形成されるため、図５（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示すように、高レベルと低レベルとを繰り返すことになる。

このとき、パルス幅変調用三角波が底点となる時点ｔ０からＵ相パルス幅変調出力電圧が高レベルに立ち上がるエッジまでの時間をＴｕとし、同様にＶ相パルス幅変調出力電圧及びＷ相パルス幅変調出力電圧が高レベルに立ち上がるエッジまでの時間を夫々Ｔｖ及びＴｗとしたとき、どのような位相状態であろうとも、三相交流波形はｓｉｎ(ωｔ)＋ｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）＝０という関係があるため、三角波の底点から底点までの一周期の時間をＴｃとすると、Ｔｕ〜ＴｗとＴｃとの関係は下記（１）式で表すことができる。
（Ｔｕ＋Ｔｖ＋Ｔｗ）／３＝Ｔｃ／４ …………（１）

このため、三相エッジ平均化部３０でエッジ立ち上がり時間Ｔｕ〜Ｔｗの平均時間を求めれば、これが三角波のＴｃ／４に対応する時間Ｔｐに相当することから、デジタルＰＬＬ部３１で、時間ＴｐからＴｃ／４分の時間を計測することにより、時点ｔ２の頂点位置を検出することができ、３Ｔｃ／４分の時間を計測することにより、三角波の底点位置を検出することができる。実際上は、一つ前の三角波に対応する各相のパルス幅変調出力電圧の低レベルとなっている時間を計測し、これを１／２にすることにより、Ｔｕ〜Ｔｗを算出し、何れか一相例えばＵ相に着目して、パルス幅変調出力電圧の立ち下がりエッジから時間Ｔｕが経過した時点をｔ０として設定すればよい。

またエンコーダ伝送処理部２６は、エンコーダ信号線４に接続された送信回路３２及び受信回路３３と、これら送信回路３２及び受信回路３３が接続されたエンコーダ制御回路３４とで構成されている。
さらに、エンコーダ制御回路３４は、制御アンプ１から後述するように送信される回転角データ要求を受信回路３３で受信すると、磁気的エンコーダ部１７で検出されるサーボモータ２の回転方向と回転角を表すパルス信号と、光学式アブソリュートエンコーダ部１８で検出されるサーボモータ２の１回転内の絶対角を表すパルス信号とに基づいてサーボモータ２の回転角データを演算し、演算した回転角データをＰＷＭタイミング検出部２５から入力される頂点検出信号のタイミングで送信回路３２に出力する。

また、制御アンプ１は、図６に示すように、外部から入力される速度指令値が速度制御器８１に入力され、この速度制御器８１にはロータリエンコーダ３からエンコーダ信号線４を介して入力されるサーボモータ２の回転角データを取込むエンコーダ伝送部８２からの回転位置情報が速度フィードバック値として入力され、速度指令値と速度フィードバック値との偏差が演算され、これに基づいてサーボモータ２の直交するｄｑ座標軸上の２相電流指令値Ｉｄ＊ 及びＩｑ＊ を出力する。

この速度制御器８１から出力される電流指令値Ｉｄ＊ 及びＩｑ＊ は、減算器８３に供給され、この減算器８３で、後述するインバータからサーボモータ２に出力されるＵＶＷ相の電流検出値をＡ／Ｄ変換器８４でデジタル値に変換し、このデジタル値をｄｑ変換器８５で変換したサーボモータ２の直交するｄｑ座標軸上の２相電流Ｉｄ，Ｉｑを減算して、両者の偏差を算出し、この偏差がＰＩ制御器８６に供給される。

このＰＩ制御器８６では、入力される２相電流偏差に対して比例積分制御を行うことにより、サーボモータ２へ印加するｄｑ２相電圧を形成し、このｄｑ２相電圧をＵＶＷ変換器８７でサーボモータ２に印加するＵＶＷ相の電圧指令値に変換し、変換した三相電圧指令値をパルス幅変調回路８８に供給してパルス幅変調してからインバータ８９に供給してサーボモータ２に供給するモータ制御信号を形成する。
ここで、パルス幅変調回路８８は、所定周波数の搬送波としての三角波を形成する三角波発生器９０と、この三角波発生器９０から出力される三角波信号とＵＶＷ変換器８７から出力される三相電圧指令値とを比較する比較器９１とで構成されている。

また、インバータ８９は、図７に示すように、三相交流電源を直流変換するダイオード整流器９５と、このダイオード整流器９５の出力信号を平滑化するインダクタ９６及びコンデンサ９７とで構成される平滑化回路９８と、この平滑化回路９８から出力される直流をパルス幅変調処理するインバータ主回路９９とで構成されている。インバータ主回路９９は、サーボモータ２に供給するＵＶＷの三相出力に対応するスイッチング素子ＳＵＵ，ＳＵＶ及びＳＵＷを有する上アーム回路９９Ｕと、同様にサーボモータ２に供給するＵＶＷの三相出力に対応するスイッチング素子ＳＬＵ，ＳＬＶ及びＳＬＷを有する下アーム回路９９Ｌとを有し、上アーム回路９９Ｕの各スイッチング素子ＳＵＵ，ＳＵＶ及びＳＵＷのベースには比較器９１から出力されるＵＶＷ相のパルス幅変調信号がそのまま供給され、下アーム回路９９Ｌの各スイッチング素子ＳＬＵ，ＳＬＶ及びＳＬＷのベースには比較器９１から出力されるＵＶＷ相のパルス幅変調信号が反転されて入力されることにより、サーボモータ２に対するＵＶＷ相出力が形成され、これがサーボモータ２に供給される。

そして、ＵＶＷ変換器８７から出力される三相電圧指令値とパルス幅変調回路８８の三角波発生回路９０から出力される三角波信号とがエンコーダ伝送タイミング生成回路１００に入力される。このエンコーダ伝送タイミング生成回路１００では、入力される三相電圧指令値と三角波信号とに基づいて三角波信号の底点位置及び頂点位置で且つパルス幅変調信号のパルスエッジを含まないパルス幅即ちＵ相、Ｖ相及びＷ相のパルス幅変調信号及びその反転信号を個別にアンド回路に供給することにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のパルス幅変調信号及びその反転信号の最小幅のパルス幅と等しいパルス幅の伝送タイミング信号を形成し、形成した伝送タイミング信号をＡ／Ｄ変換器８４に出力すると共に、三角波信号の頂点を検出し、この頂点検出信号をエンコーダ伝送部８２に出力する。

Ａ／Ｄ変換器８４では、伝送タイミング信号がオン状態である区間電流検出器９２で検出したインバータ８９から出力される各相電流をデジタル値に変換してｄｑ変換器８５に出力する。このｄｑ変換器８５ではエンコーダ伝送部８２から入力される回転位置データをもとに各相電流検出値をｄｑ変換して減算器８３に出力する。
また、エンコーダ伝送部８２では、エンコーダ伝送タイミング生成回路１００から頂点検出信号が入力されたときにエンコーダ３に対してエンコーダ信号線４を介して回転角データ要求を送信すると共に、エンコーダ３から受信した回転位置データを速度制御器８１及びｄｑ変換器８５に供給する。
そして、制御アンプ１からサーボモータ２への出力電力線と、制御アンプ１とエンコーダ３との間のエンコーダ信号伝送線４とが同一多心ケーブル内の電線を使用して配線されている。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、制御アンプ１の速度制御器８１に“０”の速度指令値が入力されていると共に、サーボモータ２が停止しており、インバータ８９から出力されるＵ相、Ｖ相及びＷ相のモータ制御信号も“０”であるものとする。このサーボモータ停止状態でも、制御アンプ１のエンコーダ伝送部８２とエンコーダ３との間が図示しない電源供給線で接続されているので、送信回路３２、受信回路３３、エンコーダ制御回路３４、磁気的エンコーダ部１７及び光学的アブソリュートエンコーダ部１８に動作のために必要な電力が供給されるので、エンコーダ３が正常な動作状態に維持される。

このサーボモータ停止状態で、所望の速度指令値が速度制御器８１に入力されると、エンコーダ伝送部８２から入力される回転速度フィードバック信号が“０”であるので、両者の偏差即ち速度指令値に応じた電流指令値Ｉｄ＊ 及びＩｑ＊ が減算器８３に出力される。この減算器８３にはインバータ８９から出力されるＵ相、Ｖ相及びＷ相のモータ制御信号が“０”であるので、ｄｑ変換器８５から“０”のｄｑ２相電流Ｉｄ及びＩｑが入力されることになり、電流指令値Ｉｄ＊ 及びＩｑ＊ がそのままＰＩ制御部８６に出力される。

このＰＩ制御部８６では、電流指令値Ｉｄ＊ 及びＩｑ＊ に対して比例積分制御を行って、ｄｑ２相電圧指令値Ｖｄ＊ 及びＶｑ＊ をＵＶＷ変換器８７に出力し、このＵＶＷ変換器８７でＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相電圧指令値に変換し、この三相電圧指令値をパルス幅変調回路８８及びエンコーダ伝送タイミング生成回路１００に供給する。

このため、パルス幅変調回路８８では、図８（ａ）に示すように、三角波発生器９０から出力される三角波とＵＶＷ変換器８７から出力されるＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相電圧指令値とを比較器９１で比較することにより、この比較器９１から図８（ｂ）〜（ｄ）に示すＵ相、Ｖ相及びＷ相のパルス幅変調信号が出力され、これらがインバータ８９の上アーム回路９９Ｕのスイッチング素子ＳＵＵ、ＳＵＶ及びＳＵＷにそのまま供給されると共に、下アーム回路９９Ｌのスイッチング素子ＳＬＵ、ＳＬＶ及びＳＬＷに反転即ち逆位相で供給されることにより、このインバータ８９から三相制御出力がサーボモータ２に出力されて、サーボモータ２が回転駆動される。

このように、サーボモータ２が回転駆動されると、エンコーダ伝送タイミング生成回路１００で、三角波発生器９０で発生される三角波の底部を検出し、その底部検出信号がエンコーダ伝送部８２に出力される。このため、エンコーダ伝送部８２で、三角波の底部検出信号に基づいてエンコーダ３に対して回転角データの送信を要求する回転角データ要求を図８（ｆ）でハッチング図示のように送信する。

このとき、ＵＶＷ変換器８７から出力される三相電圧指令値と三角波発生器９０から出力される三角波とがエンコーダ伝送タイミング生成回路１００に供給されているので、このエンコーダ伝送タイミング生成回路１００で、三角波の頂点近傍で三相電圧指令値の中で最小のパルス幅となる伝送タイミング信号を生成する。すなわち、三角波が頂点近傍であるときに三相電圧指令値の内の最大値と三角波とを比較してパルス信号を形成することにより、図８（ｅ）に示すように図７（ｂ）〜（ｄ）のパルス幅変調信号のパルスエッジを含まない伝送タイミング信号を生成し、これをＡ／Ｄ変換器８４及びエンコーダ伝送部８２に出力する。このタイミングに合わせて、Ａ／Ｄ変換器８４でインバータ８９から出力される各相電流検出値をデジタル値に変換してｄｑ変換器８５に供給する。

このように、搬送波となる三角波の底部位置近傍で回転角データ要求を送信することにより、回転角データ要求の送信時にパルス幅変調信号のパルスエッジが存在することがないので、制御アンプ１及びサーボモータ２間の三相電力供給線５とエンコーダ伝送線４とを近接した場合でも、回転角データ要求に対するノイズの影響を確実に回避することができる。

そして、図９に示すように、制御アンプ１からパルス幅変調用三角波の底点で回転角データ要求をエンコーダ３に送信し、この回転角データ要求を受信回路３３で受信し、その受信信号がエンコーダ制御回路３４に入力されると、このエンコーダ制御回路３４で、磁気的エンコーダ部１７で検出した回転角及び回転方向を表すパルス信号と、光学的アブソリュートエンコーダ部１８で検出した１回転内の絶対角を表すパルス信号とに基づいて回転角データを演算する回転角演算処理を行い、次いでＰＷＭタイミング検出部２５からパルス幅変調用三角波の頂部検出信号が入力された時点で回転位置データを送信回路３２に供給する。
このため、送信回路３２で、前述した図８（ｆ）で黒く塗りつぶした波形のように、三角波の頂点近傍で制御アンプ１のパルス幅変調信号のパルスエッジが存在しないパルス幅で回転角データを制御アンプ１のエンコーダ伝送部８２に送信する。

そして、エンコーダ伝送部８２から回転角データが速度フィードバック信号として速度制御器８１に供給されて、速度指令値との偏差が算出され、これによりｄｑ２相電流指令値Ｉｄ＊ 及びＩｑ＊ が算出されて、減算器８３でｄｑ変換器８５から供給されるｄｑ２相電流値Ｉｄ及びＩｑが減算されて、両者の偏差に基づいてＰＩ制御器８６で比例積分制御を行い、ＵＶＷ変換器８７で三相電圧指令値に変換し、パルス幅変調回路８８でＵ相、Ｖ相及びＷ相のパルス幅変調波が形成され、これがインバータ８９でＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相制御出力がサーボモータ２に供給されて、サーボモータ２が速度指令値に応じた速度で回転制御される。

このように、上記第１の実施形態によると、制御アンプ１とエンコーダ３とを結ぶエンコーダ伝送線４で送信する伝送信号をインバータ８９によるパルス幅変調信号のスイッチングエッジが存在しない伝送タイミングで伝送するようにしたので、パルス幅変調信号のパルスエッジによるノイズの影響を受けることなく伝送信号を正確に送受信することができる。

このため、制御アンプ１とエンコーダ３との間を接続するエンコーダ伝送線４の配設を制御アンプ１からサーボモータ２に供給する電力線で発生するスイッチングノイズの影響を受けることがなく配設することができ配線の自由度を向上させることができ、サーボモータ２に対する電力線とエンコーダ伝送線４とを同一多芯ケーブル内に共存させることが可能となり、配線作業を効率よく行うことができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図１０及び図１１に基づいて説明する。
この第２の実施形態では、ＵＶＷ変換器７７で変換されるＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相電圧指令値の値が大きな値となった場合でも、スイッチングノイズの影響を受けることなく、エンコーダ伝送部８２におけるエンコーダ３との間のデータ伝送を確保するようにしたものである。

すなわち、第２の実施形態では、制御アンプ１の構成としては、前述した第１の実施形態と同様の構成を有するが、エンコーダ伝送タイミング生成回路１００での伝送タイミング信号の生成方法が変更されている。
このエンコーダ伝送タイミング生成回路１００では、サーボモータ２への出力電圧指令値が大きくなった場合には、パルス幅変調信号を生成するための正弦波制御信号の振幅が大きくなり、三角波の頂点近傍のパルス幅変調におけるスイッチングのない期間が短くなり、特に、デューティ比が１００％に近い出力電圧指令値である場合には三角波の頂点近傍のスイッチングパルス幅は最少値を取る。このため、三角波の頂点近傍のスイッチングパルス幅内のみのデータ伝送では一回の伝送に必要な時間を確保することができなくなる。

このため、三角波発生器９０から出力される三角波信号とＵＶＷ変換器８７から出力されるＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相電圧指令値とに基づいてエンコーダ伝送タイミング生成回路１００で、三角波の１周期と三相電圧指令値との関係に基づいて伝送タイミング信号を生成する。
すなわち、ＵＶＷ変換器８７からＵ相、Ｖ相及びＷ相の正弦波制御信号が、図１０（ａ）で曲線ＬＵ 、ＬＶ 及びＬＷ で示すように、互いに１２０°の位相差を有して出力される。このとき、三角波発生器９０で発生される三角波の周期が正弦波制御信号の半周期で７周期となるように設定されているものとすると、パルス幅変調信号は図１０（ｂ）〜（ｄ）に示すようになる。

ここで、Ｕ相の正弦波制御信号が最大電圧となる近傍の三角波の１周期を制御角１と、これに続く三角波の１周期を制御角２とし、これに続く三角波の１周期を制御角３とし、これに続く三角波の１周期を制御角４とする。
また、ＵＶＷ変換器７７から出力されるＵ相、Ｖ相及びＷ相の正弦波制御信号の位相により搬送波となる三角波の頂点位置を基準として伝送タイミングを選択すると、図１１に示すように、上部方向（０°）は三角波の正側頂点の位相を示しており、三角波１周期を３６０°としたとき、ＵＶＷ相はお互いに１２０°の位相差を持っているため、電圧指令値の位相により図１１（ａ）〜（ｄ）の４つの図における１つの黒く塗りつぶした部分に相当する位相位置に来る。

図１１（ａ）の制御角１はある相の電圧指令値の最大値と三角波の頂点が略重なった場合であり、ＵＶＷ相のパルス幅変調信号のパルスエッジが存在しない伝送タイミングは三角波の位相で１５°〜１０５°、１３５°〜２２５°、２５５°〜３４５°となり、同様に図１１（ｃ）の制御角３はある相の電圧指令値の最低値と三角波の負の頂点とが略重なった場合であり、この場合も伝送タイミングは三角波位相で−４５°〜４５°、７５°〜１６５°、１９５°〜２８５°となる。それ以外の場合が図１１（ｂ）の制御角２と図１１（ｄ）の制御角４であり、これらの伝送タイミングは三角波位相で−１５°〜１５°、４５°〜７５°、１０５°〜１３５°、１６５°〜１９５°、２２５°〜２５５°、２８５°〜３１５°となる。

ここで、制御角２及び制御角４での伝送タイミングは三角波位相で３０°相当しかないが、エンコーダ伝送速度は例えば５Ｍｂｐｓであって、例えば１５ｋＨｚの三角波搬送波周波数に比較して速く、エンコーダ情報伝送のためには十分な幅を得ることができる。
したがって、エンコーダ伝送タイミング生成回路１００で、三角波発生器９０から出力される三角波とＵＶＷ変換器８７から出力されるＵ相、Ｖ相及びＷ相の電圧指令値とを入力して、制御角１〜４の何れかの状態であるかを検出し、検出した制御角１〜４に応じて図１１（ａ）〜（ｄ）に示す伝送タイミングの伝送タイミング信号を生成することにより、サーボモータ２に対する三相出力電圧指令値が大きくなった場合でも伝送タイミング信号に応じてエンコーダ伝送部８２でノイズの影響を受けることなく確実に回転角データ要求を送信することができる。

このように、エンコーダ伝送部８２で、伝送タイミング信号に応じて回転角データ要求をエンコーダ３に送信することにより、このエンコーダ３のエンコーダ制御回路３４で、前述した第１の実施形態と同様に、磁気的エンコーダ部１７及び光学的アブソリュートエンコーダ部１８から入力されるパルス信号に基づいて回転角データを形成し、形成した回転角データをＰＷＭタイミング検出部２５から入力される伝送タイミングでエンコーダ伝送線４を介して制御アンプ１のエンコーダ伝送部８２に送信することにより、サーボモータ２に対する三相出力電圧指令値が大きくなった場合でもノイズの影響を受けることなく確実に回転角データをエンコーダ伝送部８２に送信することができる。

このとき、ＰＷＭタイミング検出部２５でも、インバータ８９の出力電圧が１００％近くなると、制御角を判断し、伝送タイミングを切換える必要がある。このためには、下記（２）式に従ってフル出力を１００％として出力電圧率Ｐを算出する。
Ｐ＝｛（｜Ｔｕ−Ｔａ｜＋｜Ｔｖ−Ｔａ｜＋｜Ｔｗ−Ｔａ｜）／２｝×１００
…………（２）
但し、Ｔａ＝（Ｔｕ＋Ｔｖ＋Ｔｗ）／３

そして、算出した出力電圧率Ｐが１００％に近い設定値Ｐｓ以上となると、制御角を求め、求めた制御角に応じて前述した図１１と同様の方法で伝送タイミングを設定する。
ここで、制御角は、前記（２）式における各相についての絶対値演算項｜Ｔｕ−Ｔａ｜、｜Ｔｖ−Ｔａ｜及び｜Ｔｗ−Ｔａ｜の中の最大値とその絶対値の中における値の符号を調べることにより、求めることができる。

このように、上記第２の実施形態によれば、制御アンプ１で１００％に近い出力電圧指令となって、パルス幅変調用三角波の頂点位置及び底点位置でのスイッチング期間が最小値となったときに、出力電圧指令の位相によりパルス幅変調用三角波の頂点位置を基準として、伝送タイミングを選択することにより、エンコーダ３で検出した回転位置データをスイッチングノイズの影響を受けることなく正確に制御アンプ１のエンコーダ伝送部８２に伝送することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図１２について説明する。
この第３の実施形態では、エンコーダ３から制御アンプ１に伝送する回転位置データの送信頻度を増加させて、より高精度なサーボモータ制御を行うようにしたものである。
すなわち、第３の実施形態では、伝送ライン４でのスイッチングノイズの影響のないタイミングをエンコーダ３から回転位置データの伝送のみに使用して、制御アンプ１からエンコーダ３に対して行う回転位置データ要求をパルス幅変調用三角波の頂点位置を変化させることにより、エンコーダ３に通知するようにしている。

このため、制御アンプ１では、三角波発生器９０に対して三角波の頂点位置を指定するパターン変化手段としてのエンコーダデータ送信部１１０が設けられている。このエンコーダデータ送信部１１０は、回転位置情報要求を行わないときには所定周波数の通常クック周波数を設定し、回転位置情報送信開始要求を行う場合には、三角波発生器９０に供給するクロック周波数を、三角波の底点位置から頂点位置に達するまでの間で通常クロック周波数に対してΔｆだけ増加させ、逆に三角波の頂点位置から底点位置に達するまでの間で通常クロック周波数に対してΔｆだけ減少させるように設定し、逆に回転位置情報送信停止要求を行う場合には、三角波発生器９０に供給するクロック周波数を、三角波の底点位置から頂点位置に達するまでの間で通常クロック周波数に対してΔｆだけ減少させ、逆に三角波の頂点位置から底点位置に達するまでの間で通常クロック周波数に対してΔｆだけ増加させるように設定するように構成されている。

このため、回転位置情報送信開始要求を行う場合には、三角波の底点から頂点に達するまでの間のクロック周波数が速められることにより、三角波発生器９０で発生する三角波の頂点位置が図１３で実線図示のように、通常時の一点鎖線図示の三角波が頂点位置に達する時点ｔ３より時間ΔＴａだけ早い時点ｔ２で頂点に達し、その後底点位置に達するまでの間でクロック周波数がΔｆだけ減少されるので、通常三角波の底点と同じ時点ｔ５で底点に達する。

一方、回転位置情報送信停止要求を行う場合には、図１３で時点ｔ５からクロック周波数が通常クロック周波数よりΔｆだけ減少されるので、送信要求がない場合の三角波の頂点に達する時点ｔ７を越える時点ｔ８で頂点となり、その後クロック周波数が通常クロック周波数よりΔｆだけ増加させるので、通常三角波の底点と同じ時点ｔ１０で底点に達する。

このように、制御アンプ１でパルス幅変調用三角波の頂点位置が変更されると、エンコーダ３では、デジタルＰＬＬ部３１で三角波の位相に常に追従するようにカウンタを更新しているため、頂点位置が通常三角波の頂点位置に対して速められているか遅れているかを判別することができ、頂点位置が速められている場合には回転位置情報送信開始要求であり、頂点位置が遅れている場合には回転位置情報送信停止要求であると直ちに正確に判断することができる。このデジタルＰＬＬ部３１がパターン変化検知手段に対応している。

このため、第３の実施形態によると、エンコーダ信号４をエンコーダ３から制御アンプ１に対して回転位置情報を伝送するためにだけ使用することが可能となり、前述した第２の実施形態のように、制御アンプ１の出力電圧率が１００％に近い状態であっても、回転位置情報の伝送頻度を高くすることが可能となり、分解能の高い高精度のサーボモータ制御を行うことができる。この場合、三角波の頂点を変更する際にクロック周波数を変更するだけであるので、三角波の振幅には変化を生じることはなく、パルス幅変調出力信号に影響を与えることはない。

なお、上記第１〜第３の実施形態においては、制御アンプ１及びエンコーダ３をハードウェアで構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、マイクロコンピュータを使用して、ソフトウェアで構成するようにしてもよい。
また、上記第１〜第３の実施形態においては、エンコーダ３でモータ回転位置を検出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、モータ回転速度を検出して、モータ回転速度を制御するようにしてもよく、さらにはモータ回転位置及びモータ回転速度の双方を検出して、両者を制御するようにしてもよい。

さらに、上記第１〜第３の実施形態においては、エンコーダ３で検出した三角波の頂点位置から回転位置データの送信を開始する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ＰＷＭタイミング検出部２５で、前述したエンコーダ伝送タイミング生成回路１００と同様に三角波の頂点近傍における最小のパルス幅相電圧を検出し、これに対応する伝送タイミング信号をエンコーダ制御回路３４に出力するようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態を示す概略構成図である。 エンコーダの構成を示す断面図である。 エンコーダの制御回路を示すブロック図である。 エンコーダのＰＷＭタイミング検出部を示す回路図である。 ＰＷＭタイミング検出部の三角波検出原理を説明するタイムチャートである。 制御アンプの一例を示すブロック図である。 インバータの一例を示す回路図である。 本発明の動作の説明に供するタイムチャートである。 本発明の動作の説明に供する伝送タイミングの説明図である。 本発明の第２の実施形態を示すタイムチャートである。 第２の実施形態における伝送タイミングの説明に供する説明図である。 本発明の第３の実施形態を示すブロック図である。 第３の失し形態の動作の説明に供するタイムチャートである。 従来のモータ制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

１ 制御アンプ
２ サーボモータ
３ エンコーダ
４ エンコーダ伝送線
５ 三相電力線
１７ 磁気的エンコーダ部
１８ 光学的アブソリュートエンコーダ部
２５ ＰＷＭタイミング検出部
２６ エンコーダ伝送処理部
２９ｕ〜２９ｗ 比較器
３０ 三相エッジ平均化部
３１ デジタルＰＬＬ部
３２ 送信回路
３３ 受信回路
３４ エンコーダ制御回路
８１ 速度制御器
８２ エンコーダ伝送部
８７ ＵＶＷ変換器
８８ パルス幅変調回路
８９ インバータ
１００ エンコーダ伝送タイミング生成回路

Claims (5)

1. 電動モータの回転速度及び回転位置の少なくとも一方を検出して、検出情報を出力するモータ作動検出部と、該モータ作動検出部から出力される検出情報に基づいてパルス幅変調方式のインバータを制御することにより、前記電動モータの回転速度及び回転位置の少なくとも一方を制御する制御部とを備え、前記モータ作動検出部及び前記制御部間で検出情報の伝送を行うモータ制御装置において、
   前記モータ作動検出部は、前記インバータから前記電動モータへ出力される出力電圧を検出し、検出した出力電圧に基づいてパルス幅変調信号を形成する三角波信号の頂点位置及び底点位置における当該パルス幅変調信号のパルスエッジを含まないパルス幅の伝送タイミングを検出するタイミング検出手段を有し、前記制御部からのデータ要求を受けたときに、前記タイミング検出手段で検出した伝送タイミングで前記検出情報を前記制御部に出力するように構成されていることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記タイミング検出手段は、前記インバータの三相出力の電圧変化の時間間隔を１相毎に計測し、計測した各相の電圧変化の時間間隔の平均値に基づいてパルス幅変調信号のパルスエッジが存在しない前記三角波信号の頂点位置及び底点位置の位相を検知する位相検知手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記位相検知手段は、前記インバータの三相出力の電圧変化の時間間隔を１相毎に計測し、計測した各相の電圧変化の時間間隔の平均値を算出する三相エッジ平均化部と、前記平均値に基づいてパルス幅変調用三角波の頂点位置及び底点位置を検出して出力するＰＬＬ部とを備えていることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記タイミング検出手段は、前記インバータの三相出力における電圧変化の時間間隔を１相毎に計測し、計測した三相出力の時間間隔と当該時間間隔の平均値とをもとに前記インバータの出力電圧率を判定し、出力電圧率が設定値を超えたときに検出情報の伝送タイミングを切換えるように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のモータ制御装置。
5. 前記制御部は、前記インバータの出力電圧を切換える三角波発生器と、該三角波発生器の三角波出力パターンを変化させるパターン変化手段とを備え、
   前記モータ作動検出部は、前記パターン変化手段で変化させた三角波出力パターンの変化を検知するパターン変化検知手段を備え、
   前記制御部は、前記パターン変化手段で三角波出力パターン変化させることにより前記モータ作動検出部に対して当該モータ作動検出部の動作に関する指令を送信するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載のモータ制御装置。

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