JP5556931B1 - 角度検出装置、モータ及び搬送装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複雑な演算を必要とすることなく、速やかに異常を検出することができるレゾルバの異常検出方法、角度検出装置、モータ及び搬送装置を提供する。
【解決手段】レゾルバ２の励磁信号として、正弦波と直流電圧とを切り替えて供給する回路を設ける。そして、電源投入直後、レゾルバ２に直流電圧を印加し、当該直流電圧を印加したときのレゾルバ２の各相出力電圧を測定する。このとき、各相出力電圧を比較し、すべてが一致しないとき、レゾルバ２に異常（ショート異常、短絡異常）が発生していると判断する。
【選択図】図２
【解決手段】レゾルバ２の励磁信号として、正弦波と直流電圧とを切り替えて供給する回路を設ける。そして、電源投入直後、レゾルバ２に直流電圧を印加し、当該直流電圧を印加したときのレゾルバ２の各相出力電圧を測定する。このとき、各相出力電圧を比較し、すべてが一致しないとき、レゾルバ２に異常（ショート異常、短絡異常）が発生していると判断する。
【選択図】図２
Description
本発明は、回転体の回転位置を検出するレゾルバの異常検出方法、レゾルバの異常検出機能を有する角度検出装置、それを備えるモータ及び搬送装置に関する。
従来、電動機等の回転角度の検出に用いるレゾルバの異常検出方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、レゾルバの励磁信号の最大値または最小値に同期して各レゾルバ出力信号をサンプリングし、このサンプリング値のオフセットが０近傍の所定範囲を外れたときに、レゾルバに異常が発生していると判断するものである。
また、レゾルバの異常を検出する別の方法として、例えば特許文献２に記載の技術がある。この技術は、励磁コイルと３つのレゾルバコイルとの間のそれぞれの変圧比を全て異なる値に設定し、３相のレゾルバ信号から演算した３つのロータ電気角（演算電気角）が互いに異なる値を示しているとき、レゾルバに短絡異常が発生していると判定するものである。
また、レゾルバの異常を検出する別の方法として、例えば特許文献２に記載の技術がある。この技術は、励磁コイルと３つのレゾルバコイルとの間のそれぞれの変圧比を全て異なる値に設定し、３相のレゾルバ信号から演算した３つのロータ電気角（演算電気角）が互いに異なる値を示しているとき、レゾルバに短絡異常が発生していると判定するものである。
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、サンプリング信号のオフセットによりレゾルバの異常を検出するため、最大で電気角で１８０°回転しなければ異常を検出することができない。そのため、異常検出を実施するまでの間は、異常信号を用いてモータ制御を行うことになり、モータ回転挙動に悪影響を与えかねない。
また、上記特許文献２に記載の技術にあっては、３相のレゾルバ信号からそれぞれ振幅成分を抽出し、抽出した振幅幅から演算電気角を３通りの方法で演算している。このように、レゾルバの短絡異常の検出に、複雑な演算を要する。
そこで、本発明は、複雑な演算を必要とすることなく、速やかに異常を検出することができる角度検出装置、モータ及び搬送装置を提供することを課題としている。
そこで、本発明は、複雑な演算を必要とすることなく、速やかに異常を検出することができる角度検出装置、モータ及び搬送装置を提供することを課題としている。
上記課題を解決するために、本発明に係る角度検出装置の一態様は、回転体の回転位置情報を電気信号として出力するレゾルバと、正弦波信号を生成する正弦波生成部と、直流電圧を生成する直流電圧生成部と、前記正弦波生成部で生成した正弦波信号と、前記直流電圧生成部で生成した直流電圧とのうち何れか一方を選択し、励磁信号として前記レゾルバへ供給する励磁信号供給部と、前記レゾルバの各相出力電圧を測定する電圧測定部と、前記励磁信号供給部で、前記直流電圧生成部で生成した直流電圧を前記励磁信号として前記レゾルバへ供給したときに、前記電圧測定部で測定した前記レゾルバの各相出力電圧を比較することで、前記レゾルバの異常を検出する異常検出部と、を備えることを特徴としている。
このように、正弦波と直流電圧とを切り替えてレゾルバへ供給することができるため、直流電圧を印加して異常判定を行った後に、正弦波に切り替えて通常の角度検出を行うことができる。
また、上記において、前記励磁信号供給部は、電源投入直後に、前記直流電圧生成部で生成した直流電圧を選択し、当該直流電圧を前記基準信号とした前記励磁信号を前記レゾルバへ供給することが好ましい。
また、上記において、前記励磁信号供給部は、電源投入直後に、前記直流電圧生成部で生成した直流電圧を選択し、当該直流電圧を前記基準信号とした前記励磁信号を前記レゾルバへ供給することが好ましい。
このように、電源投入直後にレゾルバに直流電圧を印加して異常判定を行うので、レゾルバが正常状態であることを確認してから角度検出を行うことができる。したがって、角度検出の信頼性を向上させることができる。
さらにまた、本発明に係るモータの一態様は、上記の角度検出装置を備えることを特徴としている。
また、本発明に係る搬送装置の一態様は、上記のモータを用いて搬送対象物を搬送することを特徴としている。
さらにまた、本発明に係るモータの一態様は、上記の角度検出装置を備えることを特徴としている。
また、本発明に係る搬送装置の一態様は、上記のモータを用いて搬送対象物を搬送することを特徴としている。
本発明によれば、ロータの回転を必要とせずに速やかにレゾルバの異常を検出することができる。また、簡易な比較演算により異常判定が可能であるため、安価に異常検出機能を実現することができる。
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、本発明の角度検出装置の一実施形態を示す概略構成図である。
図中、符号１はモータ（回転体）、符号２はモータ１の回転位置を検出するためのレゾルバである。ここで、モータ１は、搬送装置を構成する例えばダイレクトドライブモータであり、搬送対象物１０を駆動する駆動源として作用する。
また、モータ１、レゾルバ２及び後述するドライブユニット３によってサーボモータを構成している。なお、モータ１としてメガトルクモータを用いることもできる。
図１は、本発明の角度検出装置の一実施形態を示す概略構成図である。
図中、符号１はモータ（回転体）、符号２はモータ１の回転位置を検出するためのレゾルバである。ここで、モータ１は、搬送装置を構成する例えばダイレクトドライブモータであり、搬送対象物１０を駆動する駆動源として作用する。
また、モータ１、レゾルバ２及び後述するドライブユニット３によってサーボモータを構成している。なお、モータ１としてメガトルクモータを用いることもできる。
レゾルバ２は、円筒状のステータと、回転軸を把持してステータ内に回転自在に配設されたロータとで構成されており、ロータとステータとの間のリラクタンスがロータの位置により変化し、ロータの１回転につきリラクタンス変化の基本波成分が１周期となるように構成されている。すなわち、ロータの内径中心をステータの内径中心と一致させ、ロータの外形中心をその内径中心から一定の偏心量だけ偏心させるようにしてロータの肉厚を変化させてあり、これによってリラクタンスがロータの位置により変化するようになっている。
このレゾルバ２は、外部から正弦波状の励磁信号が与えられると、回転軸の回転角度に応じて変化するＡ相のレゾルバ信号と、Ａ相のレゾルバ信号に対して位相が１２０°異なるＢ相のレゾルバ信号と、Ｂ相のレゾルバ信号に対して位相が１２０°異なるＣ相のレゾルバ信号とを出力する３相レゾルバである。
レゾルバ２とドライブユニット３とは、コネクタ４を介して電気ケーブル５にて接続されている。レゾルバ２から出力される電気信号（レゾルバ信号）は、電気ケーブル５を介してドライブユニット３に伝送される。
レゾルバ２とドライブユニット３とは、コネクタ４を介して電気ケーブル５にて接続されている。レゾルバ２から出力される電気信号（レゾルバ信号）は、電気ケーブル５を介してドライブユニット３に伝送される。
ドライブユニット３は、モータ１の回転位置（回転角度）を検出する位置検出機能と、レゾルバ２の相間ショート異常を検出する異常検出機能とを備える。位置検出機能は、レゾルバ２から伝送されたレゾルバ信号をモータ１の回転位置情報として取得し、当該レゾルバ信号に基づいてモータ１の回転位置（回転角度）を検出する機能である。また、異常検出機能は、電源投入直後に、レゾルバ２のショート／短絡異常を検出する機能である。
このドライブユニット３は、励磁信号生成ブロック１１と、ショート異常検出信号生成ブロック１２と、切替スイッチ１３と、電流増幅回路１４とを備える。
このドライブユニット３は、励磁信号生成ブロック１１と、ショート異常検出信号生成ブロック１２と、切替スイッチ１３と、電流増幅回路１４とを備える。
励磁信号生成ブロック１１は正弦波信号を生成し、これを出力する。また、ショート異常検出信号生成ブロック１２は、ショート異常検出信号として直流電圧を生成し、これを出力する。
切替スイッチ１３は、後述する異常判定実行制御部１９からの切替信号Ｓ１に応じて、励磁信号生成ブロック１１からの正弦波と、ショート異常検出信号生成ブロック１２からの直流電圧とを切り替えて電流増幅回路１４に出力する。ここで、切替スイッチ１３は、切替信号Ｓ１＝０である場合には、励磁信号生成ブロック１１からの正弦波を選択して出力し、切替信号Ｓ１＝１である場合には、ショート異常検出信号生成ブロック１２からの直流電圧を選択して出力するものとする。
切替スイッチ１３は、後述する異常判定実行制御部１９からの切替信号Ｓ１に応じて、励磁信号生成ブロック１１からの正弦波と、ショート異常検出信号生成ブロック１２からの直流電圧とを切り替えて電流増幅回路１４に出力する。ここで、切替スイッチ１３は、切替信号Ｓ１＝０である場合には、励磁信号生成ブロック１１からの正弦波を選択して出力し、切替信号Ｓ１＝１である場合には、ショート異常検出信号生成ブロック１２からの直流電圧を選択して出力するものとする。
電流増幅回路１４は、切替スイッチ１３が出力した信号を増幅し、これを励磁信号として電気ケーブル５を介してレゾルバ２に供給する。
さらに、ドライブユニット３は、角度検出信号受信ブロック１５と、Ｒ／Ｄ変換ブロック１６と、ＣＰＵ１７とを備える。また、ＣＰＵ１７は、角度検出部１８と、異常判定実行制御部１９と、ショート異常判定部２０とを備える。
角度検出信号受信ブロック１５は、励磁信号が印加されることでレゾルバ２から出力される３相のレゾルバ信号を入力する。ここで、レゾルバ信号は、１２０°位相の異なるＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３相のアナログ信号である。
さらに、ドライブユニット３は、角度検出信号受信ブロック１５と、Ｒ／Ｄ変換ブロック１６と、ＣＰＵ１７とを備える。また、ＣＰＵ１７は、角度検出部１８と、異常判定実行制御部１９と、ショート異常判定部２０とを備える。
角度検出信号受信ブロック１５は、励磁信号が印加されることでレゾルバ２から出力される３相のレゾルバ信号を入力する。ここで、レゾルバ信号は、１２０°位相の異なるＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３相のアナログ信号である。
この角度検出信号受信ブロック１５は、入力した３相のレゾルバ信号を２相に変換してＲＤ変換ブロック１６に出力すると共に、入力した３相のレゾルバ信号の電圧を検出してＣＰＵ１７の後述するショート異常判定部２０に出力する。
すなわち、角度検出信号受信ブロック１５は、図２に示す構成を有する。図２に示すように、角度検出信号受信ブロック１５は、シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を備えており、これらシャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３を用いて、レゾルバ信号の電圧（ＶA、ＶB、ＶC）を検出する。ここで、シャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値は、全て同じ値に設定する。各相電圧ＶA〜ＶCは、Ａ／Ｄ変換器２１ａ〜２１ｃでデジタル値に変換された後、ＣＰＵ１７（ショート異常判定部２０）に入力される。
すなわち、角度検出信号受信ブロック１５は、図２に示す構成を有する。図２に示すように、角度検出信号受信ブロック１５は、シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を備えており、これらシャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３を用いて、レゾルバ信号の電圧（ＶA、ＶB、ＶC）を検出する。ここで、シャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値は、全て同じ値に設定する。各相電圧ＶA〜ＶCは、Ａ／Ｄ変換器２１ａ〜２１ｃでデジタル値に変換された後、ＣＰＵ１７（ショート異常判定部２０）に入力される。
また、角度検出信号受信ブロック１５は、３相／２相変換器によって３相のレゾルバ信号を２相に変換した後、これらをＲＤ変換ブロック（ＲＤ変換器）１６に入力する。
ＲＤ変換ブロック１６は、レゾルバ２の出力信号をデジタルの角度データに変換し、図１に示すように、これをＣＰＵ１７の角度検出部１８に入力する。角度検出部１８は、ＲＤ変換ブロック１６から出力された角度データを取得し、これを各種制御（モータ制御等）に用いる。
ＲＤ変換ブロック１６は、レゾルバ２の出力信号をデジタルの角度データに変換し、図１に示すように、これをＣＰＵ１７の角度検出部１８に入力する。角度検出部１８は、ＲＤ変換ブロック１６から出力された角度データを取得し、これを各種制御（モータ制御等）に用いる。
また、ＣＰＵ１７の異常判定実行制御部１９は、レゾルバ２のショート異常を判定するショート異常判定処理を行う間、切替信号Ｓ１＝１を出力し、それ以外では切替信号Ｓ１＝０を出力する。本実施形態では、電源投入後の一定期間、ショート異常判定処理を行うものとして切替信号Ｓ１＝１を出力する。
ＣＰＵ１７のショート異常判定部２０は、異常判定実行制御部１９が切替信号Ｓ１＝１を出力しているときに角度検出信号受信ブロック１５から出力された各相電圧ＶA〜ＶCに基づいて、ショート異常判定処理を実施する。ショート異常判定結果は、所定の異常時処理を行うべく外部に出力する。例えば、異常時処理としてモータ１の駆動制御を停止するなどの処置をとることができる。
ＣＰＵ１７のショート異常判定部２０は、異常判定実行制御部１９が切替信号Ｓ１＝１を出力しているときに角度検出信号受信ブロック１５から出力された各相電圧ＶA〜ＶCに基づいて、ショート異常判定処理を実施する。ショート異常判定結果は、所定の異常時処理を行うべく外部に出力する。例えば、異常時処理としてモータ１の駆動制御を停止するなどの処置をとることができる。
次に、ＣＰＵ１７で実行するショート異常判定処理について、具体的に説明する。
図３は、ショート異常判定処理手順を示すフローチャートである。このショート異常判定処理は、電源投入時に実行開始する。
先ず、ステップＳ１で、異常判定実行制御部１９は、切替信号Ｓ１＝１を切替スイッチ１３に出力する。これにより、切替スイッチ１３が図２の破線に示す状態となり、ショート異常検出信号生成ブロック１２で生成したショート異常検出信号（直流電圧）が３相レゾルバ２に印加される。
図３は、ショート異常判定処理手順を示すフローチャートである。このショート異常判定処理は、電源投入時に実行開始する。
先ず、ステップＳ１で、異常判定実行制御部１９は、切替信号Ｓ１＝１を切替スイッチ１３に出力する。これにより、切替スイッチ１３が図２の破線に示す状態となり、ショート異常検出信号生成ブロック１２で生成したショート異常検出信号（直流電圧）が３相レゾルバ２に印加される。
次にステップＳ２で、ショート異常判定部２０は、３相レゾルバ２が出力するレゾルバ出力信号の電圧を取得する。ここで取得するレゾルバ出力信号の電圧は、角度検出信号受信ブロック１５で検出したレゾルバ２の各相電圧ＶA〜ＶCをそれぞれＡ／Ｄ変換器２１ａ〜２１ｃでデジタル値に変換した値である。
ステップＳ３では、前記ステップＳ２で取得した各相電圧値が全て等しいか否かを判定する。そして、全て同電位であると判定した場合にはステップＳ４に移行し、異なる電位であると判定した場合にはステップＳ５に移行する。
ステップＳ３では、前記ステップＳ２で取得した各相電圧値が全て等しいか否かを判定する。そして、全て同電位であると判定した場合にはステップＳ４に移行し、異なる電位であると判定した場合にはステップＳ５に移行する。
ステップＳ４では、レゾルバ信号が正常状態、即ちレゾルバ２にはショート異常や短絡異常が発生していないと判断し、“正常状態”を示すショート異常判定結果を出力してからショート異常判定処理を終了する。
一方、ステップＳ５では、レゾルバ信号がショート状態、若しくはオープン状態であると判断し、“異常状態”を示すショート異常判定結果を出力してからショート異常判定処理を終了する。
一方、ステップＳ５では、レゾルバ信号がショート状態、若しくはオープン状態であると判断し、“異常状態”を示すショート異常判定結果を出力してからショート異常判定処理を終了する。
以上のように、電源投入後に、励磁信号として直流電圧を３相レゾルバ２に印加する。レゾルバコイルのインピーダンス特性はｊωＬ（ω：角加速度、Ｌ：インダクタンス）であり、直流電圧の角加速度は０ｒａｄ／ｓ2であるため、直流電圧を印加したときのインピーダンスは０Ωとなる。そのため、レゾルバ信号が正常状態である場合、直流電圧を印加したときのシャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３に現れる電圧は、全て等しくなる。一方、レゾルバ信号が異常状態（ショート状態、オープン状態）である場合には、直流電圧を印加したときのシャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３に現れる電圧が互いに異なる値となる。
このように、直流電圧を印加したときのシャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３に現れる電圧が、レゾルバ信号が異常状態（ショート状態、オープン状態）であるか正常状態であるかに応じて変化することを利用して、レゾルバ２の異常状態を検出することができる。
なお、図１において、励磁信号生成ブロック１１が正弦波生成部に対応し、ショート異常検出信号生成ブロック１２が直流電圧生成部に対応し、切替スイッチ１３及び電流増幅回路１４が励磁信号供給部に対応し、角度検出信号受信ブロック１５が電圧測定部に対応し、ショート異常判定部２０が異常検出部に対応している。
なお、図１において、励磁信号生成ブロック１１が正弦波生成部に対応し、ショート異常検出信号生成ブロック１２が直流電圧生成部に対応し、切替スイッチ１３及び電流増幅回路１４が励磁信号供給部に対応し、角度検出信号受信ブロック１５が電圧測定部に対応し、ショート異常判定部２０が異常検出部に対応している。
このように、本実施形態では、ロータの回転を必要とせずに、レゾルバ２の異常判定を行うことができる。したがって、レゾルバ２に異常が発生している場合には、これを速やかに検出することができる。
さらに、電源投入直後にレゾルバ２に直流電圧を印加して異常判定を行うので、レゾルバ２が正常状態であることを確認してから、通常の角度検出を開始することができる。そのため、異常信号を用いてモータを制御するのを防止することができる。
さらに、電源投入直後にレゾルバ２に直流電圧を印加して異常判定を行うので、レゾルバ２が正常状態であることを確認してから、通常の角度検出を開始することができる。そのため、異常信号を用いてモータを制御するのを防止することができる。
ところで、レゾルバの異常検出方法として、励磁コイルと３つのレゾルバコイルとの間のそれぞれの変圧比を全て異なる値に設定し、３相のレゾルバ信号から演算した３つのロータ電気角（演算電気角）が互いに異なる値を示しているとき、レゾルバに短絡異常が発生していると判定する方法もある。
これに対して、本実施形態では、レゾルバ２の変圧比は全て同じものでも実現可能である。また、簡易な比較演算によりレゾルバ２の異常状態を検出することができるので、安価に実現可能である。
これに対して、本実施形態では、レゾルバ２の変圧比は全て同じものでも実現可能である。また、簡易な比較演算によりレゾルバ２の異常状態を検出することができるので、安価に実現可能である。
なお、上記実施形態においては、レゾルバ２の各相電圧ＶA〜ＶCをそれぞれＡ／Ｄ変換器２１ａ〜２１ｃでデジタル値に変換した値を比較することで、ショート異常を判定する場合について説明したが、コンパレータを用いてショート異常を判定することもできる。
また、上記実施形態においては、Ａ相、Ｂ相及びＣ相のレゾルバ信号を出力するレゾルバを適用する場合について説明したが、４相以上のレゾルバ信号を出力するレゾルバにも適用可能である。
また、上記実施形態においては、Ａ相、Ｂ相及びＣ相のレゾルバ信号を出力するレゾルバを適用する場合について説明したが、４相以上のレゾルバ信号を出力するレゾルバにも適用可能である。
さらに、上記実施形態においては、図４に示すように、モータ１、レゾルバ２、ＲＤユニット６及びドライブユニット７によってサーボモータを構成することもできる。この場合、レゾルバ２に組み付けられたＲＤユニット６とドライブユニット７とを、コネクタ４を介して電気ケーブル５にて接続した構成となる。
ＲＤユニット６は、上述した角度検出信号受信ブロック１５及びＲ／Ｄ変換ブロック１６の機能を有し、ドライブユニット７は、上述した励磁信号生成ブロック１１、ショート異常検出信号生成ブロック１２、切替スイッチ１３、電流増幅回路１４及びＣＰＵ１７の機能を有する。そして、ＲＤユニット６から出力される信号が、電気ケーブル５を介してドライブユニット７に伝送されることで、レゾルバ２の角度検出及びショート異常判定を行うことができる。
１…モータ（回転体）、２…レゾルバ、３…ドライブユニット、４…コネクタ、５…電気ケーブル、１１…励磁信号生成ブロック、１２…ショート異常検出信号生成ブロック、１３…切替スイッチ、１４…電流増幅回路、１５…角度検出信号受信ブロック、１６…Ｒ／Ｄ変換ブロック、１７…ＣＰＵ、１８…角度検出部、１９…異常判定実行制御部、２０…ショート異常判定部、２１ａ〜２１ｃ…Ａ／Ｄ変換器
Claims (4)
- 回転体の回転位置情報を電気信号として出力するレゾルバと、
正弦波信号を生成する正弦波生成部と、
直流電圧を生成する直流電圧生成部と、
前記正弦波生成部で生成した正弦波信号と、前記直流電圧生成部で生成した直流電圧とのうち何れか一方を選択し、励磁信号として前記レゾルバへ供給する励磁信号供給部と、
前記レゾルバの各相出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記励磁信号供給部で、前記直流電圧生成部で生成した直流電圧を前記励磁信号として前記レゾルバへ供給したときに、前記電圧測定部で測定した前記レゾルバの各相出力電圧を比較することで、前記レゾルバの異常を検出する異常検出部と、を備えることを特徴とする角度検出装置。 - 前記励磁信号供給部は、電源投入直後に、前記直流電圧生成部で生成した直流電圧を選択し、前記励磁信号として前記レゾルバへ供給することを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
- 前記請求項１又は２に記載の角度検出装置を備えることを特徴とするモータ。
- 前記請求項３に記載のモータを用いて搬送対象物を搬送することを特徴とする搬送装置。
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