JP5358367B2

JP5358367B2 - エンコーダーシステム

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Publication number: JP5358367B2
Application number: JP2009212885A
Authority: JP
Inventors: 健彦赤羽; 圭司長田; 晴弘常田
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: JP2011064470A

Description

本発明は、回転体の角度を磁気センサを介して検出する集積回路と上位の制御装置との間でデータ通信を行なうエンコーダーシステムに関するものである。

ブラシレスモータ等のモータには、回転体の角度を磁気センサを介して検出する集積回路と上位の制御装置との間でデータ通信を行なうエンコーダーシステムが用いられている。かかる集積回路と制御装置との間のデータ転送にはパルス出力モード、あるいはシリアル通信が用いられる（特許文献１参照）。

また、集積回路では、磁気センサの断線検出なども行なわれており、かかる検出結果は、複数の端子のうち、例えば、２つの端子をハイレベルあるいはローレベルとするなどの方法によって制御装置に出力される。

このような構成のエンコーダーシステムにおいては、通信方法やエラー信号の出力方法については、集積回路側に設けたスイッチなどを操作し、制御装置のタイプに合わせた条件に設定される。

特開平６−２８８７９１号公報

しかしながら、集積回路側に設けたスイッチを操作することにより集積回路のパラメーターを設定する構成の場合には、集積回路を実装した状態で集積回路に手が届くことが必要となり、手が届かない場合には、集積回路を取り外すなどの手間のかかる作業が必要である。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、パラメーターの変更で集積回路側の動作を変更可能にした場合において、集積回路でのパラメーターの設定や変更を簡素な構成で容易に実施することのできるエンコーダーシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、回転体と一体回転する永久磁石と、該永久磁石に対向配置された磁気センサと、該磁気センサでの検出信号に信号処理を行なう集積回路と、該集積回路での信号処理結果が当該集積回路から出力される上位の制御装置と、前記集積回路と前記制御装置とを接続する複数の配線と、を有するエンコーダーシステムにおいて、前記集積回路は、前記複数の配線が各々接続された複数の端子を備え、前記集積回路では、前記端子を用いて前記集積回路から前記制御装置に前記信号処理結果をパルス信号として出力するパルス出力モードと、前記端子を用いて前記集積回路から前記制御装置に前記信号処理結果をシリアル出力するシリアル通信モードと、前記集積回路で行なわれる動作を規定するパラメーターが前記端子を介して前記制御装置から入力されるパラメーター設定モードと、が実施され、前記集積回路は、前記複数の端子のうちの少なくとも１つの端子の電圧を監視する端子電圧監視部を備え、前記集積回路では、前記端子電圧監視部での監視結果に基づいて、前記パルス出力モードおよび前記シリアル通信モードのうちの一方が行なわれているエンコーダーモードから前記パラメーター設定モードへの移行が行なわれ、前記１つの端子は、前記シリアル通信モードの際に前記制御装置から前記集積回路にリクエスト指令が入力される端子であることを特徴とする。

本発明では、集積回路で行なわれる動作は、集積回路側でのパラメーター設定によって変更できるため、上位の制御装置のタイプにかかわらず、共通の集積回路で対応することができる。また、集積回路でのパラメーター設定は、集積回路と制御装置との間でデータ通信に用いられる端子を介して制御装置の側から行なうことができるため、集積回路が手が届かない位置にあってもパラメーターの設定や変更を容易に行なうことができる。しかも、集積回路と制御装置との間でデータ通信に用いられる端子を介して集積回路でのパラメーター設定を行なうため、パラメーター設定専用の端子を設ける必要がない。それ故、本発明によれば、パラメーターの変更で集積回路側の動作を変更可能にした場合においても、集積回路でのパラメーターの設定や変更を簡素な構成で容易に実施することができる。

また、本発明において、前記集積回路は、前記複数の端子のうちの少なくとも１つの端子の電圧を監視する端子電圧監視部を備え、前記集積回路では、前記端子電圧監視部での監視結果に基づいて、前記パルス出力モードおよび前記シリアル通信モードのうちの一方が行なわれているエンコーダーモードから前記パラメーター設定モードへの移行が行なわれる。このため、端子の電圧を変更するという簡素な動作だけで、エンコーダーモードからパラメーター設定モードへの移行を行なうことができる。

また、本発明において、前記１つの端子は、前記シリアル通信モードの際に前記制御装置から前記集積回路にリクエスト指令が入力される端子であり、かかる端子には、シリアル通信用に端子電圧を監視する回路が設けられている。このため、エンコーダーモードからパラメーター設定モードへの移行指令を監視するための回路を新たに設ける必要がない。それ故、集積回路でのパラメーターの設定や変更を簡素な構成で実施することができる。

本発明において、前記パラメーター設定モードでは、前記パルス出力モードおよび前記シリアル通信モードのいずれを実行するかを規定する通信モード指定用パラメーターの設定が行なわれることが好ましい。かかるモード設定をパラメーター変更で実施できれば、特に上位の制御装置のタイプにかかわらず、共通の集積回路で対応することができるという利点がある。

本発明においては、前記永久磁石として、Ｎ極Ｓ極の１極対に着磁された永久磁石が設けられている構成を採用することができる。

本発明において、前記パラメーター設定モードでは、例えば、前記磁気センサでの検出結果を信号処理する際の分解能を規定する分解能指定用パラメーター、前記回転体の回転数に対応するカウントの計数方向を規定するカウント方向指定用パラメーター、前記磁気センサでの検出誤差を補正するためのオフセット値を規定するオフセット指定用パラメーター、前記磁気センサでの検出結果をパルス出力する際の波形を規定する波形指定用パラメーター、エラー信号を出力する端子を規定する端子指定用パラメーター、およびエラー信号の出力パターンを規定するエラー出力パターン指定用パラメーターのうちの少なくとも１つの設定が行なわれる。

本発明において、集積回路で行なわれる動作は、集積回路側でのパラメーター設定によって変更できるため、上位の制御装置のタイプにかかわらず、共通の集積回路で対応することができる。また、集積回路でのパラメーター設定は、集積回路と制御装置との間でデータ通信に用いられる端子を介して制御装置の側から行なうことができるため、集積回路が手が届かない位置にあってもパラメーターの設定や変更を容易に行なうことができる。しかも、集積回路と制御装置との間でデータ通信に用いられる端子を介して集積回路でのパラメーター設定を行なうため、パラメーター設定専用の端子を設ける必要がない。それ故、集積回路の小型化を図ることができる。

本発明を適用したエンコーダーシステムおよびモータの全体構成を示す説明図である。本発明を適用したモータで生成される信号の説明図である。本発明を適用したエンコーダーシステムで行なわれる通信方法の説明図である。本発明を適用したエンコーダーシステムに用いた集積回路の端子の機能を示す説明図である。本発明を適用したエンコーダーシステムでのパルス出力モードからパラメーター設定モードへの移行動作を示す説明図である。本発明を適用したエンコーダーシステムでのシリアル通信モードからパラメーター設定モードへの移行動作を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（モータの全体構成）
図１は、本発明を適用したエンコーダーシステムおよびモータの全体構成を示す説明図である。図１に示すモータ１は、ブラシレスモータ等のモータである。モータ１において、ロータ１１は、従動部材と結合される回転軸１３と、この回転軸１３に固着されたロータマグネット１２とを備えており、ロータマグネット１２に対向するようにステータ１５が配置される。かかるモータ１に対して、本形態では、以下に説明するエンコーダーシステム２００が構成されている。

（エンコーダーシステム２００の構成）
図２は、本発明を適用したモータで生成される信号の説明図であり、図２（ａ），（ｂ）は、センサ等からの出力信号の説明図、およびコイルへの出力パルスの説明図である。本形態のエンコーダーシステム２００では、まず、ロータ１１の回転軸１３には、ロータマグネット１２の磁極位置に対応する磁極が形成された磁極位置検出用磁気円盤４０（永久磁石）が連結されており、かかる磁極位置検出用磁気円盤４０に面対向するように磁気センサ５０が配置されている。磁極位置検出用磁気円盤４０は、Ｎ極Ｓ極の１極対に着磁された永久磁石４１を備えている。磁気センサ５０は、ＭＲ素子を備えたＭＲセンサであり、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号が出力される。かかるＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号は各々、アンプ回路５６、５７、およびＡ／Ｄ変換回路５５を介して集積回路７０に出力される。

図２（ａ）に示すように、磁気センサ５０からは、機械角１回転に対して電気角が２周期出力されるため、２周期のうちどちらの周期にいるのか判別できない。そこで、本形態では、永久磁石４１に対向するように第１ホールＩＣ６１および第２ホールＩＣ６２が配置されており、かかる第１ホールＩＣ６１および第２ホールＩＣ６２での結果も集積回路７０に出力される。従って、第１ホールＩＣ６１および第２ホールＩＣ６２からの出力の「Ｈ」「Ｌ」の組み合わせによって、２周期のうちどちらの周期にいるのかを判別することができる。このようにして、絶対値エンコーダが構成されており、原点位置（Ｚ相）、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の信号は計算により算出される。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ信号、Ｚ信号は絶対値が分かっているのでそのなかの何度の位置で信号を出力するかは、後述するパラメーター設定と演算のみで規定される。

集積回路７０は、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号をＡＴＡＮ計算することでロータ１１の角度を算出する信号処理部７７を備えており、信号処理部７７での信号処理結果は、上位の制御装置１００に出力される。このため、集積回路７０と制御装置１００とは複数本の配線８０で電気的に接続されており、集積回路７０は、ロータ１１の角度に応じた磁気センサ５０の信号等を複数の配線８０に１対１で電気的に接続する複数の端子（本形態では、９つの端子Ｔ１〜Ｔ９）を備えている、
制御装置１００は、駆動電流回路１１０を介してステータ１５のコイルに電気的に接続されており、ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号を用いてのＡＴＡＮ計算によりロータ１１の絶対角度を求め、かかる絶対角度に基づいて、後述の波形指定用パラメーターにより決められたタイミングでコイルへの通電を制御し、ロータ１１の回転制御を行なう。

（集積回路７０での信号処理内容）
図２は、本発明を適用したエンコーダーシステムの集積回路７０で生成される信号の説明図であり、図２（ａ）、（ｂ）は、各信号の一般的な波形を示す説明図、および電気的内挿法の説明図である。

まず、集積回路７０は、磁気センサ５０、第１ホールＩＣ６１および第２ホールＩＣ６２の出力に相当する波形を出力したり、図２（ｂ）に示すように、回転基準の原点に相当する位置でパルスＰＣを出力したりすることができる。それらの波形を所定のタイミングで上位の制御装置１００に出力することにより、上位の制御装置１００は、図２（ｂ）に示す出力パルスをコイルに供給し、ロータ１１の回転制御を行う。なお、第１ホールＩＣ６１および第２ホールＩＣ６２の出力に相当するパルスのパルス幅や、立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジのタイミングについては、波形指定用パラメーターによって設定することができる。

集積回路７０は、エンコーダーシステム２００の１回転あたりの分解を、数段階に設定を変更することができる。エンコーダーシステム２００の分解能を変更する場合は構造的に大きな変更を伴うことがあるが、かかる分解能の設定は、分解能指定用パラメーターによって設定することができる。これにより構造のハード的な変更をせずに１機種で数種類の分解能に対応することも可能となる。

さらに、集積回路７０は、ＭＲ素子から出力されるＳＩＮ信号、ＣＯＳ信号をアンプ回路５６，５７で増幅した後の出力がある規定値以上かつある規定値以下になっていると異常として検出し端子Ｔ１〜Ｔ９の何れかの端子の電圧をハイレベルあるいはローレベルとすることにより、集積回路７０から制御装置１００にエラー信号として出力される。かかるエラー信号を出力する端子については、端子指定用パラメーターで設定され、エラー信号の出力パターンについては、エラー出力パターン指定用パラメーターにより設定される。

また、磁気センサ５０において、センサ特性のばらつきや温度特性のばらつきがあると、検出精度が低下する。かかる検出精度の誤差は、集積回路７０に設定するオフセット値によって電気的に補正することができる。かかるオフセット値は、オフセット指定用パラメーターによって設定することができる。

（集積回路７０と制御装置１００との間のデータ通信の内容）
図３は、本発明を適用したエンコーダーシステム２００で行なわれる通信方法の説明図であり、図３（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したエンコーダーシステム２００で行なわれるパルス信号出力およびシリアル通信の説明図である。図４は、本発明を適用したエンコーダーシステム２００に用いた集積回路７０の端子の機能を示す説明図である。

本形態のエンコーダーシステム２００において、集積回路７０と制御装置１００との間では、図３（ａ）に示すように、Ａ相パルスＰＡやＢ相パルスＰＢなどのデータをパルス出力するパルス出力モードと、図３（ｂ）に示すように、通信クロックに同期してデータをシリアル転送するシリアル通信モードとが実施される。

その際、図１に示す集積回路７０の９つの端子Ｔ１〜Ｔ９は、図４に示すように使用される。まず、パルス出力モードでは、各端子Ｔ１〜Ｔ９は各々、電源電圧供給用、グランド電圧供給、未接続、Ａ相パルス出力用、Ｚ相パルス出力用、Ｕ相パルス出力用、Ｂ相パルス出力用、Ｖ相パルス出力用、Ｗ相パルス出力用に用いられる。ここで、断線に起因するエラー信号の出力は、例えば、端子Ｔ８、Ｔ９の双方をハイレベルにすることにより出力される。

これに対して、シリアル通信モードでは、各端子Ｔ１〜Ｔ９は各々、電源電圧供給用、グランド電圧供給、リクエストコマンド入力用、未接続、通信データ出力用、通信クロック出力用、未接続、エラー信号出力用、エラー信号出力用に用いられる。また、通信データとしては、Ａ相パルスＰＡおよびＢ相パルスＰＢのカウント数などが含まれる。かかるシリアル通信モードでも、断線に起因するエラー信号の出力は、例えば、端子Ｔ８、Ｔ９の双方をハイレベルにすることにより出力される。

また、本形態では、９つの端子Ｔ１〜Ｔ９のうち、一部の端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ５を用いて、集積回路７０での動作を規定するパラメーターを制御装置１００から集積回路７０に出力するパラメーター設定モードが実施される。かかるパラメーター設定モードにおいて、端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ５は各々、電源電圧供給用、グランド電圧供給、受信用（Ｒｘ）、送信用（Ｔｘ）に用いられる。

ここで、パラメーター設定モードは、パルス出力モードおよびシリアル通信モードの途中で、端子Ｔ３を所定期間、ローレベルとすることにより、パラメーター設定モードに移行する。このため、図１に示すように、集積回路７０には、端子Ｔ３の電圧を監視する端子電圧監視部７３と、端子電圧監視部７３での監視結果に基づいてモードの切り換えを制御する制御部７１とが構成されている。また、集積回路７０には、各種パラメーターが設定されるパラメーター設定部７５が構成されており、制御装置１００から受信用の端子Ｔ３を介して入力されたパラメーターは、パラメーター設定部７５に保持される。なお、図１には、１つのパラメーター設定部７５に全てのパラメーターが保持されるものとして表してあるが、集積回路７０において各々の機能を担う回路毎にパラメーター設定部７５を設けてもよい。この場合でも、制御装置１００から集積回路７０に出力するパラメーターのデータフォーマットを集積回路７０の各回路のパラメーターに一致させておけば、制御装置１００から集積回路７０に出力するデータによって全てのパラメーターを設定することができる。

（パルス出力モードからパラメーター設定モードへの移行動作）
図５は、本発明を適用したエンコーダーシステム２００でのパルス出力モードからパラメーター設定モードへの移行動作を示す説明図である。

本形態において、パルス出力モード中、端子Ｔ３はプルアップされているため、ハイレベルである。かかるパルス出力モード中、制御装置１００の側での操作によってパラメーター設定モードに移行しようとする場合、制御装置１００は端子Ｔ３をローレベルとする。ここで、タイマ割込周期は６４μｓｅｃであり、端子電圧監視部７３は、３４μｓｅｃ毎に端子Ｔ３の電圧レベルをチェックする。

従って、制御装置１００が、パラメーター設定モードを開始する旨のスタートビットとして、端子Ｔ３を３４μｓｅｃ以上、ローレベルとする。その結果、端子電圧監視部７３が２回の電圧レベルチェックで端子Ｔ３が連続してローレベルであると判定した場合、制御部７１は、集積回路７０をパラメーター設定モードに移行させるため、制御装置１００から受信用の端子Ｔ３を介して入力されたパラメーターをパラメーター設定部７５に保持させることができる。その際の設定は、例えば、以下の条件
通信ボーレート：９６００ｂｐｓ
データ：８ビット
パリティ：なし
ストップビット：１ｂｉｔ
である。

かかる方法で入力されるパラメーターは、波形指定用パラメーター、分解能指定用パラメーター、カウント方向指定用パラメーター、端子指定用パラメーター、エラー出力パターン指定用パラメーターなどである。また、パラメーターには、パルス出力モードおよびシリアル通信モードのいずれを実行するかを規定する通信モード指定用パラメーターも含まれている。かかるパラメーター設定モードを終了するには、その旨のコマンドを出力すればよく、それ以降は、新たに設定されたパラメーターに基づいた動作が行なわれる。

（シリアル通信モードからパラメーター設定モードへの移行動作）
図６は、本発明を適用したエンコーダーシステム２００でのシリアル通信モードからパラメーター設定モードへの移行動作を示す説明図である。

本形態においては、図６（ａ）に示すように、シリアル通信モード中、端子Ｔ３はリクエスト要求用に用いられており、約３０マイクロ秒のパルス幅をもってレベルが切り換わる。従って、端子Ｔ３がハイレベルからローレベルに切り換わったときに、割り込み処理が実行され、その後、割り込み処理が終了した際、端子Ｔ３の電圧をチェックすると、端子Ｔ３はハイレベルになっている。

従って、制御装置１００は、パラメーター設定モードを開始する旨のスタートビットとして、端子Ｔ３を約１０４μｓｅｃ間、ローレベルとする。その結果、割り込み処理が実行された後、端子電圧監視部７３が端子Ｔ３の電圧をチェックすると、端子Ｔ３はローレベルになっている。それ故、制御部７１は、集積回路７０をパラメーター設定モードに移行させ、制御装置１００から受信用の端子Ｔ３を介して入力されたパラメーターをパラメーター設定部７５に保持させる。かかる方法で入力されるパラメーターは、波形指定用パラメーター、分解能指定用パラメーター、カウント方向指定用パラメーター、端子指定用パラメーター、エラー出力パターン指定用パラメーターなどである。また、パラメーターには、パルス出力モードおよびシリアル通信モードのいずれを実行するかを規定する通信モード指定用パラメーターも含まれている。かかるパラメーター設定モードを終了するには、その旨のコマンドを出力すればよく、それ以降は、新たに設定されたパラメーターに基づいた動作が行なわれる。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態のエンコーダーシステム２００では、集積回路７０で行なわれる動作は、集積回路７０側でのパラメーター設定によって変更できるため、上位の制御装置１００のタイプにかかわらず、共通の集積回路７０で対応することができる。

また、集積回路７０でのパラメーター設定は、集積回路７０と制御装置１００との間でデータ通信に用いられる端子Ｔ１〜Ｔ９のうち、端子Ｔ３、Ｔ５を介して制御装置１００の側から行なうことができるため、手が届かない位置に集積回路７０があってもパラメーターの設定や変更を容易に行なうことができる。

しかも、集積回路７０と制御装置１００との間でデータ通信に用いられる端子Ｔ３、Ｔ５を介して集積回路７０でのパラメーター設定を行なうため、パラメーター設定専用の端子を設ける必要がない。それ故、本形態によれば、パラメーターの変更で集積回路７０側の動作を変更可能にした場合においても、集積回路７０でのパラメーターの設定や変更を簡素な構成で容易に実施することができる。しかも、パラメーター設定専用の端子を設ける必要がないので、集積回路７０の小型化を図ることができる。

また、本形態において、集積回路７０は、複数の端子Ｔ１〜Ｔ９のうち、１つの端子Ｔ３の端子の電圧を監視するという簡素な動作だけで、パルス出力モードおよびシリアル通信モードのうちの一方が行なわれているエンコーダーモードからパラメーター設定モードへの移行を行なうことができる。しかも、端子Ｔ３は、シリアル通信モードの際に制御装置１００から集積回路７０にリクエスト指令が出力される端子であり、かかる端子Ｔ３には、シリアル通信用に端子Ｔ３の電圧を監視する回路が設けられている。それ故、エンコーダーモードからパラメーター設定モードへの移行指令を監視するための回路を新たに設ける必要がない。それ故、集積回路７０でのパラメーターの設定や変更を簡素な構成で実施することができる。

また、本形態において、パラメーター設定モードでは、パルス出力モードおよびシリアル通信モードのいずれを実行するかを規定する通信モード指定用パラメーターの設定が行なわれる。このため、上位の制御装置１００のタイプにかかわらず、共通の集積回路７０で対応することができるという利点がある。

１モータ
１１ロータ
４０磁極位置検出用磁気円盤
４１永久磁石
５０磁気センサ
６１第１ホールＩＣ
６２第２ホールＩＣ
７０集積回路
７１制御部
７３端子電圧監視部
７５パラメーター設定部
７７信号処理部
１００上位の制御装置
２００エンコーダーシステム

Claims

回転体と一体回転する永久磁石と、該永久磁石に対向配置された磁気センサと、該磁気センサでの検出信号に信号処理を行なう集積回路と、該集積回路での信号処理結果が当該集積回路から出力される上位の制御装置と、前記集積回路と前記制御装置とを接続する複数の配線と、を有するエンコーダーシステムにおいて、
前記集積回路は、前記複数の配線が各々接続された複数の端子を備え、
前記集積回路では、前記端子を用いて前記集積回路から前記制御装置に前記信号処理結果をパラレル出力するパルス出力モードと、前記端子を用いて前記集積回路から前記制御装置に前記信号処理結果をシリアル出力するシリアル通信モードと、前記集積回路で行なわれる動作を規定するパラメーターが前記端子を介して前記制御装置から入力されるパラメーター設定モードと、が実施され、
前記集積回路は、前記複数の端子のうちの少なくとも１つの端子の電圧を監視する端子電圧監視部を備え、
前記集積回路では、前記端子電圧監視部での監視結果に基づいて、前記パルス出力モードおよび前記シリアル通信モードのうちの一方が行なわれているエンコーダーモードから前記パラメーター設定モードへの移行が行なわれ、
前記１つの端子は、前記シリアル通信モードの際に前記制御装置から前記集積回路にリクエスト指令が入力される端子であることを特徴とするエンコーダーシステム。
前記パラメーター設定モードでは、前記パルス出力モードおよび前記シリアル通信モードのいずれを実行するかを規定する通信モード指定用パラメーターの設定が行なわれることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダーシステム。
前記パラメーター設定モードでは、前記磁気センサでの検出結果を信号処理する際の分解能を規定する分解能指定用パラメーター、前記回転体の回転数に対応するカウントの計数方向を規定するカウント方向指定用パラメーター、前記磁気センサでの検出誤差を補正するためのオフセット値を規定するオフセット指定用パラメーター、前記磁気センサでの検出結果をパルス出力する際の波形を規定する波形指定用パラメーター、エラー信号を出力する端子を規定する端子指定用パラメーター、およびエラー信号の出力パターンを規定するエラー出力パターン指定用パラメーターのうちの少なくとも１つの設定が行なわれることを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダーシステム。