JP5810552B2 - モータ回転角度検出装置及び搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、レゾルバ装置及びモータ回転角度検出装置に関する。

従来、電気モータでは、ロータの回転角度位置等を磁気的に高分解能で検出する検出器として、レゾルバ装置を備えている。

一般に、レゾルバ装置には、励磁回路が必要となる。例えば、特許文献１には、１個の励磁回路と、各レゾルバ毎のカウンタを有し、複数個のレゾルバの位置を検出するレゾルバ位置検出回路が記載されている。このレゾルバ位置検出回路では、検出カウンタに対応するレゾルバ毎に設けられ、当該カウンタの入力クロックと励磁検出用兼用カウンタのカウント値を判定する回路の出力周期に同期した信号を作成し、該信号を当該カウンタに初期値をロードするロード信号として当該カウンタに出力するカウンタ同期回路を有している。

特開昭６３−２０６６１２号公報

ところで、特許文献１に記載のレゾルバ位置検出回路は、パルス波形を生成し、周辺回路との同期を行う必要がある。このため、レゾルバ位置検出回路は、レゾルバ励磁の制御が煩雑となり、システム全体の位置検出の信頼性が低下するおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性を向上したレゾルバ装置及びモータ回転角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明のレゾルバ装置は、励磁コイルを有する複数のレゾルバと、基準信号を発振する発振回路と、前記基準信号に基づいて前記励磁コイルに印加する励磁信号を発生するレゾルバ励磁回路と、を含み、前記レゾルバ励磁回路は、前記複数のレゾルバに前記励磁信号を印加することを特徴とする。

これにより、共通のレゾルバ励磁回路が複数のレゾルバに励磁信号を印加することができる。その結果、回路が簡素となり信頼性が向上する。また、パルス波形を生成することなく励磁できるので、周辺回路との同期を考慮する必要がない。

本発明の望ましい態様として、モータ回転角度検出装置は、複数のモータと、前記モータと同数の前記複数のレゾルバを含む前記レゾルバ装置と、を含み、前記モータ毎に対応した所定の前記レゾルバにより回転角度を検出することが好ましい。

これにより、モータ毎にレゾルバ励磁回路を有する必要がない。その結果、複数のモータを共通の励磁回路で励磁したレゾルバ装置で回転検出することができる。このため、ドライブユニットの回路が簡素となり信頼性が向上する。

本発明によれば、信頼性を向上したレゾルバ装置及びモータ回転角度検出装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係るレゾルバ装置を有するモータ装置の構成図である。 図２は、図１の側面図である。 図３は、図１の部分断面図である。 図４は、図１の軸方向に直交した断面図である。 図５は、レゾルバの励磁コイルの結線図である。 図６は、モータ回転角度検出装置を示すブロック図である。 図７−１は、比較例の励磁動作を説明する説明図である。 図７−２は、本実施形態の励磁動作を説明する説明図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、本実施形態に係るレゾルバ装置を有するモータ装置の構成図である。図２は、図１の側面図である。図３は、図１の部分断面図である。図４は、図１の軸方向に直交した断面図である。

図１に示すモータ装置１００は、駆動対象に直接回転力を伝達するダイレクトドライブモータと呼ばれるモータ装置である。ダイレクトドライブモータは、駆動対象に直接回転力を伝達するため、摩擦損失が少なく効率を高くすることができる。モータ装置１００は、機枠２と、この機枠２内に組み込まれるモータ本体部３と、機枠２に組み付けられるレゾルバ装置４と、を含んでいる。

図２に示すように、機枠２は、例えば、ハウジングベース５にインナハウジング６とアウターハウジング７とが同芯にボルト８で固定して組み付けられている。ハウジングベース５、インナハウジング６、アウターハウジング７は鉄等で形成されている。

図２に示すように、モータ本体部３は、インナハウジング６とアウターハウジング７との間に、内部ステータ（固定子）９、外部ステータ（固定子）１０、ロータ（回転子）１１を配置している。ここで、内部ステータ９は、インナハウジング６の側に組み付けられており、外部ステータ１０は、アウターハウジング７の側に組み付けられている。内部ステータ９と外部ステータ１０との間には、ロータ（回転子）１１が位置して回転自在に軸支されている。

レゾルバ装置４は、図２に示すように、レゾルバロータ１２、レゾルバステータ２１と、を有している。ここで、モータ本体部３、レゾルバ装置４がこの順にモータ軸方向Ｐのモータ端部側に向かって位置している。

図３に示すように、レゾルバロータ１２は、ロータ間座１８を介してボルト１９によりロータ１１に固定されている。レゾルバステータ２１は、ステータ鉄心２１ａと、磁極３６と、励磁コイルＣと、を有している。また、レゾルバステータ２１は、レゾルバホルダ２２を介してボルト２３によりアウターハウジング７の内周面に固定されている。ロータ間座１８は磁束を通しにくい非磁性体で形成されていることが好ましい。例えば、ロータ間座１８は非磁性のステンレス鋼製とすることができる。このロータ間座１８の透磁率は、空気の透磁率と近い値を有する。

レゾルバホルダ２２は、図３に示すように、アウターハウジング７のモータ本体部３とは反対側（図３における上側）の内周壁面７ａにレゾルバホルダ２２の外周壁面２２ａを接するように位置決めされている。レゾルバホルダ２２は、レゾルバステータ載置用段部２６を有し、レゾルバステータ２１のステータ鉄心２１ａを位置決めしている。

なお、レゾルバ装置４とモータ本体部３（すなわち、外部ステータ１０）との間にも磁気遮蔽のための遮蔽板を設けてもよい。遮蔽板により、レゾルバ装置４は、モータ本体部３からの磁束の変化の影響をより受けにくくなる。

レゾルバロータ１２は、図４に示すように、円環状のロータ鉄心１２ａを有している。ロータ鉄心１２ａの内径中心Ｏ１は、ステータ２１のステータ鉄心２１ａの内径中心と一致している。レゾルバロータ１２は、ロータ鉄心１２ａの外径中心Ｏ２がロータ鉄心１２ａの内径中心Ｏ１から一定の偏心量Ｑだけ偏心するようにロータ鉄心１２ａの外径を変化させている。ロータ鉄心１２ａが回転すると、所定位置でのレゾルバステータ２１のステータ鉄心２１ａの内径と、ロータ鉄心１２ａの外径との距離が変化する。これにより、ロータ鉄心１２ａの外径とステータ鉄心２１ａとの空隙３５が変化する。その結果、ロータ鉄心１２ａの回転は、ロータ鉄心１２ａとステータ鉄心２１ａとのリラクタンスを変化させる。このレゾルバロータ１２と、レゾルバステータ２１とのリラクタンスの変化を利用して回転位置を検出するレゾルバ装置は、バリアブルリラクタンス形レゾルバという。本実施形態のレゾルバ装置４は、ロータ鉄心１２ａの１回転で基本波成分が１周期となる。

レゾルバステータ２１は、ステータ鉄心２１ａに１２０°間隔で配置されたＡ相、Ｂ相及びＣ相の３相の磁極を有している。また、Ａ相、Ｂ相及びＣ相の３相の磁極に対して各１８０°ずれた所に配置されたＡバー相（Ａの頭部に水平線を付した相をいう）、Ｂバー相（Ｂの頭部に水平線を付した相をいう）及びＣバー相（Ｃの頭部に水平線を付した相をいう）の磁極が配置されている。Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ａバー相、Ｂバー相、Ｃバー相には、各相に３つの磁極が配置されており、全部で１８個の磁極３６_１〜磁極３６_１８がステータ鉄心２１ａに設けられている。

磁極３６_１〜３６_１８には、励磁コイルＣ_１〜Ｃ_１８が巻回されている。図５は、レゾルバの励磁コイルの結線図である。図５に示すようにＡ相の３本の励磁コイルＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３は、直列に接続されている。他の各相の３本の励磁コイルもＡ相と同様に直列に接続されている。図５の電流／電圧変換器４１は、電流検出用抵抗Ｒ_１〜Ｒ_６を有している。また、Ａ相の３本の励磁コイルＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３は、共通端子３７と電流検出用抵抗Ｒ_１の一端ｐ１との間に接続されている。他の各相の３本の励磁コイルも、Ａ相と同様に共通端子３７と電流検出用抵抗Ｒ_２〜Ｒ_６の各一端ｐ２〜ｐ６との間に接続されている。なお、電流検出用抵抗Ｒ_１〜Ｒ_６の各他端は内部でアースされている。

レゾルバ装置４は、共通端子３７にある周波数の正弦波が励磁信号として印加されると、ロータ１２が１回転する間に、Ａ相、Ｂ相及びＣ相の各励磁コイルＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_１３、Ｃ_１４、Ｃ_１５、Ｃ_７、Ｃ_８、Ｃ_９からは、相毎に１２０°ずつ、位相のずれた１サイクルの交流信号であって、リラクタンスの変化に応じて電流値が変化したレゾルバ電流信号が電流／電圧変換器４１に出力される。一方、Ａバー相、Ｂバー相及びＣバー相の各励磁コイルＣ_１０、Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_４、Ｃ_５、Ｃ_６、Ｃ_１６、Ｃ_１７、Ｃ_１８からは、Ａ相、Ｂ相及びＣ相の信号に対してそれぞれ１８０°だけ位相がずれたレゾルバ電流信号が電流／電圧変換器４１４１に出力される。電流／電圧変換器４１は、レゾルバ電流信号をレゾルバ信号へ変換し、電流検出用抵抗Ｒ_１〜Ｒ_６の各一端ｐ１〜ｐ６からレゾルバ信号が出力される。

図６は、モータ回転角度検出装置を示すブロック図である。本実施形態のモータ回転角度検出装置１では、上述したレゾルバ装置を有するモータ装置１００が複数含まれている。例えば図６に示すように、モータ回転角度検出装置１は、上述したモータ装置１００が２つのモータ装置１００Ａ、１００Ｂとしてドライブユニット６０に接続されている。

モータ装置１００Ａは、レゾルバ装置４Ａと、モータ本体部３Ａと、を含んでいる。また、モータ装置１００Ｂは、レゾルバ装置４Ｂと、モータ本体部３Ｂと、を含んでいる。ドライブユニット６０と、モータ装置１００Ａのレゾルバ装置４Ａ及びモータ装置１００Ｂのレゾルバ装置４Ｂとは、レゾルバケーブル７１Ａ、７１Ｂでそれぞれ接続されている。また、ドライブユニット６０と、モータ装置１００Ａのモータ本体部３Ａ及びモータ装置１００Ｂのモータ本体部３Ｂとは、モータケーブル７２Ａ、７２Ｂでそれぞれ接続されている。

ドライブユニット６０は、レゾルバ装置４Ａ、４Ｂに励磁信号を供給するレゾルバ励磁回路５０及び発振回路５１と、応答するレゾルバ電流信号を取り込み、デジタル角度信号Ｒｓを出力する検出回路部４０と、デジタル角度信号Ｒｓから回転角度位置信号を生成する演算装置６１と、演算装置６１の指令Ｓｆｂに基づきモータ本体部３Ａ、３Ｂに電力を供給するパワーアンプ６２と、を有している。

発振回路５１は、基準信号を発振する回路である。基準信号は、例えば正弦波である。レゾルバ励磁回路５０は、増幅器５２を含んでいる。レゾルバ励磁回路５０は、発振回路５１から出力される基準信号を増幅器５２により適度な信号レベルに増幅し励磁信号を発生させる。励磁信号は、例えば正弦波のアナログ信号である。レゾルバ励磁回路５０は、励磁出力端子５３へ励磁信号を出力する。

励磁出力端子５３は、励磁信号を信号ラインＣＯＭ１と、信号ラインＣＯＭ２と、に分岐し、レゾルバケーブル７１Ａ、７１Ｂを介して、レゾルバ装置４Ａ、４Ｂへ出力する。レゾルバ装置４Ａ、４Ｂでは、図５に示す共通端子３７に励磁信号が接続されている。

励磁信号がレゾルバ装置４Ａ、４Ｂに供給されると、図５に示す電流検出用抵抗Ｒ_１〜Ｒ_６の各端からレゾルバ電流信号が出力される。出力されたレゾルバ電流信号は、レゾルバ装置４Ａ、４Ｂからレゾルバケーブル７１Ａ、７１Ｂを介して検出回路部４０へ供給される。検出回路部４０の電流／電圧変換器４１ａ、４１ｂは、レゾルバ電流信号をレゾルバ信号へ変換する。変換されたレゾルバ信号は、３／２相変換器４２ａ、４２ｂへ供給される。

３／２相変換器４２ａ、４２ｂは、供給された電圧信号を２相信号（ｓｉｎ信号Ｓｓａ、ｃｏｓ信号Ｓｃａ、ｓｉｎ信号Ｓｓｂ、ｃｏｓ信号Ｓｃｂ）に変換する。

ここで、発振回路５１の発振角周波数をωとし、高次成分を無視すると、例えば、電流／電圧変換器４１ａで得られる各相のレゾルバ信号は下記の（１）式、（２）式、（３）式に示す通りとなる。ここでは、説明の便宜上、Ａ相を基準としてＢ相及びＣ相の位相がそれぞれ１２０度ずつ遅れる場合を例示する。また、３／２相変換器４２ａで得られる２相信号を（４）式〜（５）式に示す。（５）式において、ｓｑｒ（ｘ）は引数ｘの平方根を返す関数とする。３／２相変換器４２ａで得られる２相信号（ｓｉｎ信号Ｓｓｂ、ｃｏｓ信号Ｓｃｂ）についても同様である。

φＡ＝（Ａ１＋Ａ２ｓｉｎθ）・ｓｉｎωｔ …（１）
φＢ＝｛Ｂ１＋Ｂ２ｓｉｎ（θ−２π／３）｝・ｓｉｎωｔ …（２）
φＣ＝｛Ｃ１＋Ｃ２ｓｉｎ（θ−４π／３）｝・ｓｉｎωｔ …（３）
ｓｉｎ信号Ｓｓａ＝φＡ−（φＢ＋φＣ）／２ …（４）
ｃｏｓ信号Ｓｃａ＝ｓｑｒ（３／４）・（φＢ−φＣ） …（５）

３／２相変換器４２ａ、４２ｂによって変換された２相信号（ｓｉｎ信号Ｓｓａ、ｃｏｓ信号Ｓｃａ、ｓｉｎ信号Ｓｓｂ、ｃｏｓ信号Ｓｃｂ）は、ＲＤＣ（レゾルバ・デジタル・コンバータ）４４に供給される。

移相器４５は発振回路５１から出力される基準信号の位相と同期させた参照信号（Ｒｅｆ信号）をＲＤＣ４４に供給する。ＲＤＣ４４は２相信号（ｓｉｎ信号Ｓｓａ、ｃｏｓ信号Ｓｃａ、ｓｉｎ信号Ｓｓｂ、ｃｏｓ信号Ｓｃｂ）をデジタル化し、演算装置６１にデジタル角度信号Ｒｓを出力する。ＲＤＣ４４は、発振回路５１の発振角周波数ωによる同期整流後のアナログ速度信号Ｓｖを出力する。

演算装置６１は、コンピュータであり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、内部記憶部と、入力インターフェースと、出力インターフェースと、を含んでいる。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び内部記憶部は、内部バスで接続されている。ＲＯＭには、ＢＩＯＳ等のプログラムが記憶されている。内部記憶部は、例えばＨＤＤ（Hard disk drive）やフラッシュメモリ等であり、オペレーティングシステムプログラムやアプリケーションプログラムを記憶している。ＣＰＵは、ＲＡＭをワークエリアとして使用しながらＲＯＭ又は内部記憶部に記憶されているプログラムを実行することにより、種々の機能を実現する。

演算装置６１はこれらのデジタル角度信号Ｒｓを取り込み、モータ本体部３Ａ、３Ｂの回転角度位置を演算する。演算装置６１は、回転角度位置に基づいて、パワーアンプ６２に対してモータ本体部３Ａ、３Ｂに電力を供給するように指令Ｓｆｂを送信する。

なお、レゾルバ信号からデジタル角度信号Ｒｓを得るためには、必ずしもハードウエア回路（３／２相変換器４２ａ、４２ｂ、ＲＤＣ４４）で処理する必要はなく、演算装置６１がレゾルバ信号をＡ／Ｄ変換し、ソフトウエアによる情報処理でデジタル角度信号を得るようにしてもよい。

ドライブユニット６０が、本実施形態に係るレゾルバ装置４Ａ、４Ｂを励磁する動作について説明する。図７−１は、比較例の励磁動作を説明する説明図である。図７−２は、本実施形態の励磁動作を説明する説明図である。

図７−１に示すように、発振回路５１は、発振した基準信号ＳＢをレゾルバ励磁回路５０Ａ、５０Ｂに供給する。レゾルバ励磁回路５０Ａは、基準信号ＳＢを適度な信号レベルに増幅し励磁信号ＳＡ１を発生させる。レゾルバ４Ａは、レゾルバ励磁回路５０Ａからの励磁信号ＳＡ１により、励磁コイルを励磁する。同様に、レゾルバ励磁回路５０Ｂは、基準信号ＳＢを適度な信号レベルに増幅し励磁信号ＳＡ２を発生させる。レゾルバ４Ｂは、レゾルバ励磁回路５０Ｂからの励磁信号ＳＡ２により、励磁コイルを励磁する。図７−１に示すように、比較例の励磁動作では、基準信号ＳＢからレゾルバ励磁回路５０Ａ、レゾルバ励磁回路５０Ｂにより、励磁信号ＳＡ１、ＳＡ２を発生する。このため、レゾルバ励磁回路５０Ａ、レゾルバ励磁回路５０Ｂの各々で増幅率等の調整作業が発生する。また、レゾルバ励磁回路５０Ａ、レゾルバ励磁回路５０Ｂの２回路が必要となるため、故障確率が増加する。

これに対して、本実施形態のレゾルバ装置では、図７−２に示すように、発振回路５１は、発振した基準信号ＳＢをレゾルバ励磁回路５０に供給する。レゾルバ励磁回路５０は、基準信号ＳＢを適度な信号レベルに増幅し励磁信号ＳＡを発生させる。レゾルバ４Ａは、レゾルバ励磁回路５０からの励磁信号ＳＡにより、励磁コイルを励磁する。レゾルバ４Ｂは、レゾルバ励磁回路５０からの励磁信号ＳＡにより、励磁コイルを励磁する。図７−１に示す比較例の励磁動作と比較して、本実施形態の励磁動作では、増幅率等の調整作業が発生するのはレゾルバ励磁回路５０である。このため調整作業を低減できる。また、レゾルバ励磁回路５０の１回路で足りるため、比較例よりも故障確率が低減できる。

本実施形態のレゾルバ装置はＮＣ工作機などのインデックステーブル、搬送装置、組み立て装置のロボットアームなどに用いられる小型で高精度な位置決めを可能とする複数のモータ装置を有する制御機器に好適である。

１ モータ回転角度検出装置
３、３Ａ、３Ｂ モータ本体部
４、４Ａ、４Ｂ レゾルバ装置
５０、５０Ａ、５０Ｂ レゾルバ励磁回路
５１ 発振回路
５２ 増幅器
５３ 励磁出力端子
６０ ドライブユニット
１００、１００Ａ、１００Ｂ モータ装置

Claims (2)

1. 複数個のモータ本体部と、複数個の前記モータ本体部にそれぞれ組み込まれた複数個の前記モータ本体部と同数のレゾルバ装置と、を有し、複数個の前記モータ本体部毎の回転角度位置をそれぞれ検出するモータ回転角度検出装置であって、
   基準信号を発振する発振回路と、
   前記基準信号に基づいて、複数個の前記レゾルバ装置の励磁コイルに印加する単一の励磁信号を発生するレゾルバ励磁回路と、
   前記励磁信号に応じて複数個の前記レゾルバ装置が応答する各信号を取り込む検出回路と、
   前記検出回路により取り込まれた各信号に基づき、複数個の前記モータ本体部毎の前記回転角度位置を演算する演算装置と、
   を含むモータ回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載のモータ回転角度検出装置を備える、搬送装置。

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