JP5948023B2

JP5948023B2 - 異常検出機能を備えた絶対位置検出装置

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Publication number: JP5948023B2
Application number: JP2011152084A
Authority: JP
Inventors: 柴田　伸二; 伸二柴田
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: DE102012011722B4; US9134143B2; US20130013250A1; DE102012011722A1; JP2013019726A

Description

本発明は、工作機械の送り軸の制御等に用いられる絶対位置検出装置に関し、特に異常検出機能を備えた絶対位置検出装置に関する。

従来から、工作機械の送り軸の制御等に用いられる絶対位置検出装置が知られている（例えば特許文献１など）。かかる絶対位置検出装置では、軸の絶対位置を検出する絶対位置検出用センサと、絶対位置検出用センサよりも高分解能で位置を検出する高分解能検出用センサとを備えている。そして、この二種類のセンサからの出力値に基づいて、高分解能の絶対位置を算出している。

しかしながら、温度ドリフトやアナログ部品で構成された内装回路の温度特性に起因して、絶対位置検出用センサの出力値と、高分解能検出用センサの出力値との間に、周期的に変動する角度誤差成分が発生することが知られている。従来技術では、この角度誤差成分を相対誤差として求め、当該相対誤差が過度に大きい場合には、異常が生じていると判断していた。

図４は、こうした異常検出機能を備えた従来の絶対位置検出装置のブロック図である。また、図５は、異常検出処理時のタイミングチャートである。

４Ｘのレゾルバである高分解能位置検出用センサ２と、１Ｘのレゾルバである絶対位置検出用センサ３は、回転位置検出器であり、軸１によって図示しないモータに機械的に結合される。１Ｘのレゾルバである絶対位置検出用センサ３は、軸１が１回転する毎に検出信号の位相が３６０°変調される。一方、４Ｘレゾルバである高分解能位置検出用センサ２は、軸１が１／４回転する毎に検出信号の位相が３６０°変調される。内挿回路４は、同期信号ＣＬに同期し絶対位置検出用センサ３に励磁信号を送り、位置に応じて変調された２相信号を内挿し、８ビットで表現される角度θ２を出力する。なお、同期信号ＣＬは、発信器７からの同期信号ＣＨを１／４分周器８で１／４に分周した信号である。内挿回路５は、同様にして発信器７からの同期信号ＣＨに同期し高分解能位置検出用センサ２の信号を内挿し、８ビットで表現される角度θ１を出力する。

高分解能側角度θ１は、一般に図示しないカウンター回路と桁合わせし、一回転絶対値化された位置検出値として高速にサンプルされ制御装置に送られる。絶対値検出側角度θ２は、電源ＯＮ時に前記カウンター回路の初期値を作る際に用いられる。通常動作時は、低速にサンプルされ異常検出に用いられる。

次に異常検出の方法を説明する。相対誤差演算回路６は、角度θ１と角度θ２から、以下式１，２にしたがって、相対誤差Ｅを算出する。
Ｘ＝（θ２・４−θ１）／２^８・・・式１
Ｅ＝｜Ｘ−ＩＮＴ（Ｘ）−０．５｜・・・式２

なお、ＩＮＴ（）は、かっこ内の数字の数値を超えない最大の整数を返す関数である。したがって、例えば、ＩＮＴ（１．９）＝１であり、ＩＮＴ（−１．９）＝−２である。異常判定器９は、相対誤差Ｅが異常判定基準値を超えると異常検出信号ＡＦを出力する。異常判定基準値は、予め設定される値であり、例えば、０．３などを設定することができる。

このように構成された絶対位置検出装置は、モータに内蔵され、工作機械の送り軸のボールねじにカップリングを介して結合される。近年、工作機械の小型化が進み、工作機械の主軸動力線がこの送り軸のモータに近接し配置されることが多くなった。また、この主軸動力線は主軸減速時の回生動作において大きなインバータスイッチングノイズによる電磁波が発生することが知られている。

このノイズが位置検出装置の誤差になる様子を説明する。図３において破線は、ノイズが無い場合の相対誤差Ｅを示している。一般的に、上述したようなノイズは、図３に示すように、高周波で断続的に発生するため、位置検出装置のセンサ信号のサンプリングする時（相対誤差Ｅの縦線のタイミング）に、このノイズが重畳すると、この誤差が重畳し実線のようなランダムな波形になる。

この電磁波が、送り軸モータに内蔵された絶対位置検出装置内のレゾルバに干渉すると、位置検出値がバタツキ、誤差が発生する。そして、結果として、相対誤差Ｅの値が、前記異常判定基準を超え、異常検出信号ＡＦがでる場合があった。このように発生する異常は、本来の目的である異常検出により発生するものではないため、本来であれば、無視すべきものである。しかし、従来の装置では、相対誤差Ｅが基準値を超過した原因が、スイッチングノイズに起因するものか、異常に起因するものかを区別できず、いずれの場合でもアラームが出力されていた。

また、図３のように、一般に相対誤差Ｅの検出周期は、インバータのスイッチング周期より遅く、このスイッチング周期の整数倍となってしまうことがある。これにより、相対誤差検出時と同期して、このスイッチングノイズが入ることとなり、常にノイズの影響を受けるため、異常判定基準を超える確率が高かった。

ここで、それぞれのレゾルバ精度を向上し相対誤差が小さくなるように設計・組立することで、上述の問題は、一応、低減することができるが、その場合、絶対位置検出装置の製造コストを上げざるを得ないという問題が生じる。

特開２００３−３５５６６号公報

そこで、本発明では、異常をより高精度に検知でき得る絶対位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明の絶対位置検出装置は、絶対位置検出用センサの出力θ２と当該絶対位置検出用センサよりも高分解能の高分解能位置検出用センサの位置出力θ１とを組合せて前記高分解能位置検出用センサの分解能を持つ高分解能絶対位置を求める絶対位置検出装置であって、両位置出力θ１，θ２の相対誤差量Ｅに基づいて異常を検出する機能を備えた絶対位置検出装置であって、クロック信号が示すタイミングで、絶対位置検出用センサの出力θ２と高分解能位置検出用センサの位置出力θ１との相対誤差Ｅを算出する相対誤差演算回路と、相対誤差Ｅが、予め規定された異常判定値を超えるか否かを判断し、超える場合にはＨｉ、それ以外の場合はＬｏｗとなる異常検出信号を出力する異常判定器と、異常検出信号がＨｉのときはノイズ発生周期よりも短い周期の高速側クロックを、異常検出信号がＬｏｗの時は低速側クロックを、クロック信号として出力するクロック切替器と、クロック信号を基に異常検出信号でＨｉが継続する時間を計測し、当該継続する時間が前記ノイズ発生周期を越えた場合にアラームを出力する計数器と、を備え、前記ノイズ発生周期を有するノイズは、前記絶対位置検出装置の周辺に設置されるインバータのスイッチングノイズであり、前記低速側クロックの周期は、前記インバータのスイッチング周期の整数倍である、ことを特徴とする。

本発明の絶対位置検出装置は、相対誤差Ｅが異常判定基準を超えるとノイズ発生周期よりも短い周期で位置検出し、相対誤差演算し、異常がノイズ発生周期以上継続した場合を異常としている。そのため、ノイズが無いときに位置検出し、異常判定が入るため、異常継続の条件が揃わなくなり、このノイズでは異常にならない。また、回生時の時間は短いため、本来の異常検出の目的も達成できる。さらに、異常判定基準を超えた場合のみ高速側に切り替えるため、異常検出のための消費電力も少ない。

本発明の実施形態である絶対位置検出装置の構成を示すブロック図である。異常が生じていない場合における異常検出のタイミングチャートの一例である。異常が生じている場合における異常検出のタイミングチャートの一例である。従来の絶対位置検出装置の構成を示すブロック図である。従来の装置による異常検出のタイミングチャートの一例である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である絶対位置検出装置の構成を示すブロック図である。図１において、要素１〜３，５〜１０の機能は、図４に示す従来の絶対位置検出装置における要素１〜３，５〜１０と同様である。また、図２、図３は、本装置での異常検出時のタイミングチャートである。内装回路４は、同期信号ＣＬまたは同期信号ＣＨに同期し、絶対位置検出用センサ３に励磁信号を送り、位置に応じて変調された２相信号を内挿し、８ビットで表現される角度θ２を出力する。

クロック切替器１１は、異常検出信号ＡＦがＨｉの時はモータ制御のインバータのスイッチング周期よりも短い周期の高速側クロックＣＨを出力する。また、異常検出信号ＡＦがＬｏｗの時は低速側クロックＣＬを出力する。計数器１２は、異常検出信号ＡＦがＨｉの時の信号Ｃ１を計数することにより、異常検出信号ＡＦが継続する時間を計測する。そして、計数器１２は、異常検出信号ＡＦの継続時間が、前記スイッチング周期を越えるとアラーム信号ＡＯを出力する。

次に図２を用いて、相対誤差Ｅの値が正常で、かつ、ノイズが重畳した場合における異常検出の流れについて説明する。図２における破線は、ノイズが無い場合の相対誤差Ｅを示している。異常検出信号ＡＦがＬｏｗの場合、信号Ｃ１として、低速側クロックＣＬが出力される。相対誤差演算回路６は、この信号Ｃ１の立ち上がりエッジでセンサ信号をサンプリングし相対誤差Ｅを求める。この時、ノイズが信号Ｃ１の立ち上がりエッジと同期していると、相対誤差Ｅはノイズ分だけ破線（本来の相対誤差Ｅの値）からずれることになる。図２において、最初の信号Ｃ１の立ち上がりエッジでは、相対誤差Ｅが異常判定基準０．３を越えないため異常検出信号ＡＦはＬｏｗのままである。２回目の信号Ｃ１の立ち上がりエッジでは、ノイズが重畳し相対誤差Ｅが０．３を超える。この場合、異常検出信号ＡＦがＨｉとなる。異常検出信号ＡＦがＨｉに切り替われば、信号Ｃ１が、スイッチング周期よりも短い周期の高速側クロックＣＨに切り替わる。また、計数器１２は異常検出信号ＡＦがＨｉなので、２回目の信号Ｃ１の立ち下がりエッジでカウントアップする。その結果、内部のカウント値が「０」から「１」になる。

また、３回目の信号Ｃ１の立ち上がりエッジは、スイッチング周期よりも短い周期で発生する。したがって、この３回目の信号Ｃ１の立ち上がりエッジにおいては、ノイズがないので、相対誤差Ｅは、破線（本来の相対誤差Ｅの値）と同じになり、異常判定基準０．３以下になる。そのため、異常検出信号ＡＦはＬｏｗとなり、信号Ｃ１が、低速側クロックＣＬに切り替わる。計数器１２は異常検出信号ＡＦがＬｏｗなので、３回目のＣ１の立ち下がりエッジでカウントクリアし、内部のカウント値が「０」になる。

次に図３を用いて、相対誤差Ｅの値が異常で、かつ、ノイズが重畳した場合における異常検出の流れについて説明する。図３における破線は、ノイズが無い場合の相対誤差Ｅを示している。

１回目と２回目の信号Ｃ１の立ち上がりエッジの動作は図２の場合と同じなので説明を省略する。３回目の信号Ｃ１の立ち上がりエッジでは、ノイズがないので、相対誤差Ｅは破線（本来の相対誤差Ｅの値）と同じになる。本例では、本来の相対誤差Ｅが、異常判定基準０．３以上であるため、サンプリングされる相対誤差Ｅも異常判定基準０．３以上となる。その結果、異常検出信号ＡＦはＨｉのままとなり信号Ｃ１も高速側クロックＣＨのままとなる。計数器１２は異常検出信号ＡＦがＨｉなので、３回目の信号Ｃ１の立ち下がりエッジでカウントアップし内部のカウント値が「１」から「２」になる。このカウント値が「２」になったときに、計数器１２は、アラーム信号ＡＯをＨｉとする。

このように、相対誤差Ｅが異常判定基準を超えた場合にのみ、相対誤差Ｅのサンプリング周期を、ノイズの影響を受けない周期に変更し、その変更後の相対誤差Ｅの値をみることで、ノイズの影響を受けることなく異常判定することができる。

なお、本実施形態では、ノイズ発生源として主軸動力線の例を説明したが、その他に放電加工機の放電時のノイズについても同様の効果が得られる。また、位置検出用センサとして、レゾルバの例を説明したが、本発明はレゾルバに限定されず、その他の光学式エンコーダ等のセンサでも同様の効果が得られる。

１軸、２高分解能位置検出用センサ、３絶対位置検出用センサ、４，５内挿回路、６相対誤差演算回路、７演算器、８１／４分周器、１０異常判定器、１１クロック切替器、１２計数器。

Claims

絶対位置検出用センサの出力θ２と当該絶対位置検出用センサよりも高分解能の高分解能位置検出用センサの位置出力θ１とを組合せて前記高分解能位置検出用センサの分解能を持つ高分解能絶対位置を求める絶対位置検出装置であって、両位置出力θ１，θ２の相対誤差量Ｅに基づいて異常を検出する機能を備えた絶対位置検出装置であって、
クロック信号が示すタイミングで、絶対位置検出用センサの出力θ２と高分解能位置検出用センサの位置出力θ１との相対誤差Ｅを算出する相対誤差演算回路と、
相対誤差Ｅが、予め規定された異常判定値を超えるか否かを判断し、超える場合にはＨｉ、それ以外の場合はＬｏｗとなる異常検出信号を出力する異常判定器と、
異常検出信号がＨｉのときはノイズ発生周期よりも短い周期の高速側クロックを、異常検出信号がＬｏｗの時は低速側クロックを、クロック信号として出力するクロック切替器と、
クロック信号を基に異常検出信号でＨｉが継続する時間を計測し、当該継続する時間が前記ノイズ発生周期を越えた場合にアラームを出力する計数器と、
を備え、
前記ノイズ発生周期を有するノイズは、前記絶対位置検出装置の周辺に設置されるインバータのスイッチングノイズであり、
前記低速側クロックの周期は、前記インバータのスイッチング周期の整数倍である、
ことを特徴とする絶対位置検出装置。