JP4690189B2 - 電動アクチュエータの機種判別方法及び機種判別装置並びに電動アクチュエータ用コントローラ - Google Patents

Description

本発明は、ワークの位置決めや把持等を行う電動アクチュエータの機種を判別する機種判別方法及び機種判別装置並びに電動アクチュエータ用コントローラに関する。

コンピュータ制御を行うために、エンコーダを付設したステッピングモータを駆動源とし、その回転を減速機構で減速して駆動される小型の電動アクチュエータは公知で、例えば特許文献１（特開２００５−３１３３０２公報）には、回転テーブルを回転させるロータリ型のものが開示されている。

このような電動アクチュエータは、例えば図１に示すシステム構成のように、その複数の電動アクチュエータ１を接続ケーブル２を介してコントローラ３に接続し、このコントローラ３に、動力用電源４及び制御用電源５を電源ケーブル８・９を介して接続するとともに、ユーザ設備となるプラグラマブルコントローラ６やパーソナルコンピュータ７などをそれぞれの通信ケーブル１０・１１を介して接続し、複数の電動アクチュエータ１を１台のコントローラ３にて中継して電源供給及び集中制御することが行われている。

その場合、ユーザにおける使用環境に合わせて、機種の異なる数種の電動アクチュエータ１が同時に混在して使用されることがある。その機種の違いとしては、例えば、減速比の相違や、ステッピングモータの仕様の相違などがあり、コントローラ３やプラグラマブルコントローラ６やパーソナルコンピュータ７側では、各電動アクチュエータ１の機種に応じた設定やプログラムにする必要がある。

このような場合、従来は、電動アクチュエータ１自体に記されている仕様書きや、添付の仕様書などをユーザやサービスマンが見て機種を確認し、その機種に応じてコントローラ３と接続したり、コントローラ３などをマニュアル設定していたので、その設定が面倒であるとともに、高度の知識と技術を要し、設定ミスや接続ミスが生じ、これらのミスにより損傷や故障などの事故を招く問題があった。
特開２００５−３１３３０２公報

本発明の課題は、電動アクチュエータの機種を自動的に判別できる機種判別方法及び機種判別装置並びに電動アクチュエータ用コントローラを提供することにある。

本発明は、エンコーダを付設したステッピングモータの回転を減速機構で減速して駆動される電動アクチュエータの機種を判別する方法であって、ステッピングモータのコイルに所定電圧を印加してそのとき流れる電流と誘起起電力を検出することにより、磁束密度と磁界のＢ−Ｈ特性を測定し、これをＢ−Ｈ特性基準パターンと比較してステッピングモータのＢ−Ｈ特性パターンを判定するとともに、ステッピングモータの所定回転中におけるエンコーダからのパルスを計数することにより減速機構による減速比を測定し、これらＢ−Ｈ特性パターンと減速比を、その両者をパラメータとして電動アクチュエータの機種を予め分類した機種テーブルと比較することにより、当該電動アクチュエータの機種を判別する。

Ｂ−Ｈ特性の測定は、所定電圧の印加を複数回行って電流と誘起起電力の検出を複数回繰り返し、平均化処理を行うことによりＳ／Ｎ比を向上させることができる。

減速比の測定は、ステッピングモータが原点から機械的なストッパで回転を停止されるまでのエンコーダからのパルスを計数することにより行うことができる。又は、ステッピングモータの原点センサによる原点検出時点から所定時間長のゲート信号を出力し、その時間内にエンコーダからのパルスを計数してもよい。

本発明の機種判別装置は、ステッピングモータのコイルに所定電圧を印加してそのとき流れる電流と誘起起電力を検出することにより、磁束密度と磁界のＢ−Ｈ特性を測定するＢ−Ｈ特性測定手段と、これをＢ−Ｈ特性基準テーブルのＢ−Ｈ特性基準パターンと比較してステッピングモータのＢ−Ｈ特性パターンを判定するＢ−Ｈ特性パターン判定手段と、ステッピングモータの所定回転中におけるエンコーダからのパルスを計数することにより減速機構による減速比を測定する減速比測定手段と、これらＢ−Ｈ特性パターンと減速比を、その両者をパラメータとして電動アクチュエータの機種を予め分類した機種テーブルと比較することにより、当該電動アクチュエータの機種を判別する機種判別手段とを有する。

本発明の電動アクチュエータ用コントローラは、ステッピングモータのコイルに所定電圧を印加してそのとき流れる電流と誘起起電力を検出することにより、磁束密度と磁界のＢ−Ｈ特性を測定するＢ−Ｈ特性測定手段と、これをＢ−Ｈ特性基準テーブルのＢ−Ｈ特性基準パターンと比較してステッピングモータのＢ−Ｈ特性パターンを判定するＢ−Ｈ特性パターン判定手段と、ステッピングモータの所定回転におけるエンコーダからのパルスを計数することにより減速機構による減速比を測定する減速比測定手段と、これらＢ−Ｈ特性パターンと減速比を、その両者をパラメータとして電動アクチュエータの機種を予め分類した機種テーブルと比較することにより、当該電動アクチュエータの機種を判別する機種判別手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ステッピングモータのコイルのＢ−Ｈ特性からステッピングモータのＢ−Ｈ特性パターンを特定し、またステッピングモータの所定回転中におけるエンコーダからのパルスを計数して減速機構による減速比を特定し、そして、これら両者から当該電動アクチュエータの機種を自動判別できるので、電動アクチュエータと接続するコントローラ側の設定を自動化でき、機種が異なることによる設定ミスや接続ミスなどを回避できる。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明を適用する電動アクチュエータ１は、その構成例を図２にブロック図にして示すように、エンコーダ１６を付設したステッピングモータ１２の回転を減速機構２４で減速し、テーブル又はグリッパ２５を回転駆動又は直線駆動するもので、テーブル又はグリッパ２５の原点を原点センサ２６にて検出できるようになっている。

本発明は、このような電動アクチュエータ１の機種を、そのステッピングモータの仕様と減速機構の減速比とから区別するもので、次の表１は、その区別を行う機種展開表の一例である。この例の場合、ステッピングモータの仕様から３機種、減速比から２機種に区別して合計６（３×２）機種の展開となっている。

モータの主な仕様は表１に示すよう電流とトルク、巻線抵抗とインダクタンス、さらに電気的時定数がある。図３に示すように、Ｌ−Ｒ直列回路の過渡特性を利用して時定数で判断することが簡単であるが、しかし、モータの温度は表２に示すように、室温から１００℃以上に上がることが一般的であり、この方法では安定した検出ができない。

そこで、本発明では、ステッピングモータがどの仕様になっているかは、そのコイルのＢ−Ｈ特性パターンを測定することで判定し（図４にその解析手法を示す）、減速比がいくらになっているかについては、電動アクチュエータ１のエンコーダ１６からのパルスを計数することで判定し、その判定したＢ−Ｈ特性パターンと減速比の双方から機種を判別する。

図５に、このようなことを行う本発明の機種判別装置の概要構成を示す。この機種判別装置は、電動アクチュエータ１のステッピングモータ１２のコイルに所定電圧を印加してそのとき流れる電流と誘起起電力を検出することにより、磁束密度と磁界のＢ−Ｈ特性を測定するＢ−Ｈ特性測定部１３と、その測定したＢ−Ｈ特性をＢ−Ｈ特性基準テーブル１４のＢ−Ｈ特性基準パターンとパターンマッチングしてステッピングモータ１のＢ−Ｈ特性パターンを判定するＢ−Ｈ特性パターン判定部１５と、ステッピングモータ１の所定回転におけるエンコーダ１６からのパルスを計数することにより電動アクチュエータ１の減速機構２４よる減速比を測定する減速比測定部１７と、これらＢ−Ｈ特性パターンと減速比を、その両者をパラメータとして電動アクチュエータ１の機種を予め分類した機種テーブル１８と比較することにより、当該電動アクチュエータ１の機種を判別する機種判別部１９とで構成される。
この機種判別装置は、図１に示したコントローラ３に組み込む（内蔵）ことができる。

ステッピングモータ１２には、コイルの巻き方により、図６に示すようなユニポーラ巻（励磁電流の方向は一定で、各相に順次切り換えるもの）や、図７に例示するようなバイポーラ巻（この例は、２相のコイルに極性の異なる励磁電流を加え、それを交互に順次切り換えるもの）や、ペンタゴン巻などがあることから、Ｂ−Ｈ特性測定部１３では、次のようにそのそれぞれに応じた測定を行う。

＜ユニポーラ巻の場合＞
（１）２相のうちの１相、例えば図６におけるＳ１−ＣＯＭ間に図８に示すようにステップ電圧を印加し、
（２）そのときＳ１からＣＯＭへ流れる電流とＳ３−ＣＯＭ間の誘起起電力とを測定する。
これにより図９に示すような直交座標のＢ−Ｈ特性曲線（Ｂ−Ｈ特性パターン）が得られる。

＜バイポーラ巻の場合＞
バイポーラ巻の場合には上記（１）及び（２）の１回の測定では正確な測定ができないので、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、（１）と（２）を数十ないし数百回繰り返し、平均化処理を行う。
これによりＢ−Ｈ特性曲線（Ｂ−Ｈ特性パターン）が得られる。
ペンタゴン巻、ＤＣブラシレスモータの場合もこれと同様に行う。

Ｂ−Ｈ特性基準テーブル１４には、比較基準とする既知のＢ−Ｈ特性パターン群が多次元配列にして登録されているので、Ｂ−Ｈ特性パターン判定部１５は上記のように測定して得られたステッピングモータ１２のＢ−Ｈ特性パターンの配列を、Ｂ−Ｈ特性基準テーブル１４内のＢ−Ｈ特性パターンの配列とパターンマッチングすることにより、一つのＢ−Ｈ特性パターンを特定する。これにより当該ステッピングモータ１の仕様が判定されることになる。

なお、このようなパターンマッチングによる判定以外に、データ処理の簡素化のために、図１０に示すように、磁束密度と磁界のそれぞれについて、特定の１点が比較対象となる配列（例えばＢ８０−Ｈ８０の配列）を定めて統計的に判定する方法もある。

減速比測定部１７は、ステッピングモータ１２の所定回転中におけるエンコーダ１６からのパルスを計数することで減速機構２４の減速比を測定するもので、そのパルス計数の範囲を決定する方法として、次のようなメカ的方法と電気的方法がある。

＜メカ的方法＞
エンコーダ１６がステッピングモータ１２に直結され、電動アクチュエータ１のテーブル又はグリッパ２５の機械的な原点ストッパで回転が機械的に停止される場合、原点復帰動作によりステッピングモータ１２を回転させて、エンコーダ１６のＺ相から原点信号が出力されてから、原点ストッパでステッピングモータ１２の回転が停止されるまで、エンコーダ１６のＡ相からのパルスをカウンタで計数する。

この方法によると、例えば、Ｚ相の原点信号出力位置から、原点ストッパによる停止位置までの距離を０．５ｍｍ、エンコーダ１６の回転定格を４００ｐｐｒとした場合、図１１に示すように、ステッピングモータ１回転当たりの減速機構による変位量が１ｍｍ／ｒｅｖ（４００ｐ／ｍｍ）である電動アクチュエータであれば、パルス数は２００となる。また、図１２に示すように、ステッピングモータ１回転当たりの減速機構による変位量が１０ｍｍ／ｒｅｖ（４０ｐ／ｍｍ）である電動アクチュエータであれば、パルス数は２０となり、減速比の測定を行ったことになる。

＜電気的方法＞
エンコーダ１６がステッピングモータ１２に直結され、ステッピングモータ１２の回転が減速機構２４を介してテーブル又はグリッパ２５に伝達され、このテーブル又はグリッパ２５の原点位置を検出する原点センサ２６が有る場合、電動アクチュエータ１の原点復帰動作によりステッピングモータ１２を回転させ、原点センサ２６からの所定時間長の信号をゲート信号として、エンコーダ１６のＡ相からのパルスをカウンタで計数する。

この方法によると、図１３に示すように、ステッピングモータ１回転当たりの減速機構による変位量が１ｍｍ／ｒｅｖ（４００ｐ／ｍｍ）である電動アクチュエータであれば、パルス数は２８０−２００＝８０となる。また、図１４に示すように、ステッピングモータ１回転当たりの減速機構による変位量が１０ｍｍ／ｒｅｖ（４０ｐ／ｍｍ）である電動アクチュエータであれば、パルス数は２８−２０＝８となる。

図１５に、本発明による機種判別装置の具体的な回路例を示す。この例では、ＣＰＵ２０からのＡ相用電流指令信号によりステッピングモータ１２のＡ相へ、また、Ｂ相用電流指令信号によりステッピングモータ１２のＢ相にそれぞれステップ電圧を印加し、そのときＡ相に流れる電流を電流検出センサ２１にて検出して増幅器２２で増幅し、ＣＰＵ２０にデジタルにして取り込むとともに、電圧積分回路（バッファ）２３にてＢ相の起電力を検出してＣＰＵ２０にデジタルにして取り込むようになっていて、これらで図５におけるＢ−Ｈ特性測定部１３が構成されている。そして、ＣＰＵ１２は、図５におけるＢ−Ｈ特性パターン判定部１５としても機能して上記のようにＢ−Ｈ特性パターンを判定する。

また、ＣＰＵ２０は、電動アクチュエータ１の原点センサ２６からの信号をゲート信号として取り込むとともに、エンコーダ１６のＺ相、Ａ相、Ｂ相からのパルスも取り込み、図５における減速比測定部１７として機能して減速比を測定するとともに、図５における機種判別部１９としても機能して電動アクチュエータ１の機種を判別する。

図１６〜図２１に図１に示したシステム構成の設定から、本発明による機種判別を実行するまでの動作・設定フローを示す。
図１６はシステム試運転時、図１７はシステム稼働時である。
図１８は本発明による機種判別の主な動作の流れ、図１９はそれにおけるステッピングモータの仕様判別動作、図２０はそのなかのＢ−Ｈ特性パターンマッチング動作、図２１は減速比判別動作をそれぞれ示す。

本発明が適用される電動アクチュエータとこれを制御するコントローラ等によるシステム構成図である。 電動アクチュエータの構成例を示すブロック図である。 ステッピングモータの仕様をＬ−Ｒ直列回路の過渡特性を利用して時定数で判断する解説図である。 ステッピングモータの仕様をコイルのＢ−Ｈ特性パターンを測定することで判断する解析手法を示す解説図である。 本発明の機種判別装置の概要構成を示すブロック図である。 ステッピングモータのコイルの巻き方がユニポーラ巻である場合の模式図である。 バイポーラ巻である場合の模式図である。 ステッピングモータのコイルにステップ電圧を印加することを示す模式図である。 測定されたＢ−Ｈ特性曲線図である。 簡易なＢ−Ｈ特性パターン判定手法を示すグラフである。 ステッピングモータの回転が機械的な原点ストッパで停止するまでのエンコーダからのパルスを計数することを示す解説図である。 同様の解説図である。 原点センサからの所定時間長の信号をゲート信号として、エンコーダからのパルスを計数することを示す解説図である。 同様の解説図である。 本発明による機種判別装置の具体的な回路例を示す回路図である。 図１に示したシステム構成のシステム試運転時のフローチャートである。 その稼働時のフローチャートである。 本発明による機種判別の主な動作の流れを示すフローチャートである。 それにおけるステッピングモータの仕様判別動作を示すフローチャートである。 そのなかのＢ−Ｈ特性パターンマッチング動作を示すフローチャートである。 減速比判別動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 電動アクチュエータ
２ 接続ケーブル
３ コントローラ
４ 動力用電源
５ 制御用電源
８・９ 電源ケーブル
６ プラグラマブルコントローラ
７ パーソナルコンピュータ
１０・１１ 通信ケーブル
１２ ステッピングモータ
１３ Ｂ−Ｈ特性測定部
１４ Ｂ−Ｈ特性基準テーブル
１５ Ｂ−Ｈ特性パターン判定部
１６ エンコーダ
１７ 減速比測定部
１８ 機種テーブル
１９ 機種判別部
２０ ＣＰＵ
２１ 電流検出センサ
２２ 増幅器
２３ 電圧積分回路
２４ 減速機構
２５ テーブル又はグリッパ
２６ 原点センサ

Claims (9)

1. エンコーダを付設したステッピングモータの回転を減速機構で減速して駆動される電動アクチュエータの機種を判別する方法であって、前記ステッピングモータのコイルに所定電圧を印加してそのとき流れる電流と誘起起電力を検出することにより、磁束密度と磁界のＢ−Ｈ特性を測定し、これをＢ−Ｈ特性基準パターンと比較してステッピングモータのＢ−Ｈ特性パターンを判定するとともに、ステッピングモータの所定回転中における前記エンコーダからのパルスを計数することにより前記減速機構による減速比を測定し、これらＢ−Ｈ特性パターンと減速比を、その両者をパラメータとして電動アクチュエータの機種を予め分類した機種テーブルと比較することにより、当該電動アクチュエータの機種を判別することを特徴とする電動アクチュエータの機種判別方法。
2. Ｂ−Ｈ特性の測定は、所定電圧の印加を複数回行って電流と誘起起電力の検出を複数回繰り返し、平均化処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータの機種判別方法。
3. 減速比の測定は、ステッピングモータが原点から機械的なストッパで回転を停止されるまでのエンコーダからのパルスを計数することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動アクチュエータの機種判別方法。
4. 減速比の測定は、ステッピングモータの原点センサによる原点検出時点から所定時間長のゲート信号を出力し、その時間内にエンコーダからのパルスを計数することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動アクチュエータの機種判別方法。
5. エンコーダを付設したステッピングモータの回転を減速機構で減速して駆動される電動アクチュエータの機種を判別する装置であって、前記ステッピングモータのコイルに所定電圧を印加してそのとき流れる電流と誘起起電力を検出することにより、磁束密度と磁界のＢ−Ｈ特性を測定するＢ−Ｈ特性測定手段と、これをＢ−Ｈ特性基準テーブルのＢ−Ｈ特性基準パターンと比較してステッピングモータのＢ−Ｈ特性パターンを判定するＢ−Ｈ特性パターン判定手段と、ステッピングモータの所定回転中における前記エンコーダからのパルスを計数することにより前記減速機構による減速比を測定する減速比測定手段と、これらＢ−Ｈ特性パターンと減速比を、その両者をパラメータとして電動アクチュエータの機種を予め分類した機種テーブルと比較することにより、当該電動アクチュエータの機種を判別する機種判別手段とを有することを特徴とする電動アクチュエータの機種判別装置。
6. Ｂ−Ｈ特性測定手段は、所定電圧の印加を複数回行って電流と誘起起電力の検出を複数回繰り返し、平均化処理を行ってＢ−Ｈ特性を測定することを請求項５に記載の電動アクチュエータの機種判別装置。
7. 減速比測定手段は、ステッピングモータが原点から機械的なストッパで回転を停止されるまでのエンコーダからのパルスを計数することにより、減速比を測定することを特徴とする請求項５又は６に記載の電動アクチュエータの機種判別装置。
8. 減速比測定手段は、ステッピングモータの原点センサによる原点検出時点から所定時間長のゲート信号を出力し、その時間内にエンコーダからのパルスを計数することにより、減速比を測定することを特徴とする請求項５又は６に記載の電動アクチュエータの機種判別装置。
9. エンコーダを付設したステッピングモータの回転を減速機構で減速して駆動される電動アクチュエータを制御するため、これと接続ケーブルを介して接続される電動アクチュエータ用コントローラにおいて、前記ステッピングモータのコイルに所定電圧を印加してそのとき流れる電流と誘起起電力を検出することにより、磁束密度と磁界のＢ−Ｈ特性を測定するＢ−Ｈ特性測定手段と、これをＢ−Ｈ特性基準テーブルのＢ−Ｈ特性基準パターンと比較してステッピングモータのＢ−Ｈ特性パターンを判定するＢ−Ｈ特性パターン判定手段と、ステッピングモータの所定回転中における前記エンコーダからのパルスを計数することにより前記減速機構による減速比を測定する減速比測定手段と、これらＢ−Ｈ特性パターンと減速比を、その両者をパラメータとして電動アクチュエータの機種を予め分類した機種テーブルと比較することにより、当該電動アクチュエータの機種を判別する機種判別手段とを備えたことを特徴とする電動アクチュエータ用コントローラ。

Images