JP6124860B2 - モータ制御システムおよびモータの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の検出器を有するモータの制御システムおよびモータの制御方法に関するものである。

従来、モータの回転トルクを測定することは非常に困難であった。というのも回転体の種々の物理量を検出する際、固定側から回転体側に置かれた検出器や回路に直接配線できないという障害がある。回転体に電力を供給する公知の方法では、スリップリング機構があるが、スリップリング機構は長期に渡りブラシとスリップリングの機械的接触を良好に保つため、精密な加工や組立を施す必要があった。またスリップリングやブラシからの漏電を防ぐと共に，ブラシが摩耗するため定期的に部品の交換や保守が必要である。さらに摩耗時に粉塵が発生するためケーシング内の吸引や洗浄も必要であった。

これに対し、回転型非接触給電変圧器は、対を成す分離型の変圧器構造を有しており、電磁誘導を用いるため交流変換回路が必要であるが、非接触のため接触不良は発生せず、絶縁は容易で、保守は不要であり、モータの負荷側軸の一部の歪みを検知するための起歪部に貼られた歪みゲージにより、軸のせん断応力を測定してトルクを測定するトルク検出器に採用されている。

このトルク検出器によってモータ負荷側の回転トルク値を得て、モータの回転角を検出する手段すなわち回転角検出器からの回転角度検出信号と組み合わせて制御に使用することで、従来困難であったモータのトルク制御が可能となる。しかしながら検出器が増えることで配線の本数が多くなる。複数の検出器を有するモータにおけるデータの扱いは、特許文献１に示すようにパラレルインターフェース間をシリアルに変換して接続する回路ＳｅｒＤｅｓ（Ｓｅｒｉａｌｉｚｅｒ／Ｄｅｓｅｒｉａｌｉｚｅｒ）を用い、モータ側で複数のパラレル状の信号をパラレル−シリアル変換で１つのシリアル信号に変換して制御装置側へ送信し、受信した制御装置側ではシリアル−パラレル変換によって複数のパラレル状の信号に戻して、これをモータの制御に使用するというものである。これによってモータと制御装置側の配線本数を減らすことができるというものであった。

特開平７−３１２８８９号公報

特許文献１では、例えば回転角パルスを制御装置側で直接読み取っており、光学式の場合、高精度のものはスリット幅を小さくすることになるため組み立て精度も高める必要がある。また位置情報の伝送がパルス出力では、回路の高速化や高速回転時のパルス伝送速度に限界がある。この解決策として、回転角検出器側でパルスを計数し、計数したデータを、一定の時間毎に制御装置に送信する方法がある。この方法を用いてトルク検出器の送信する検出データ信号も同様に得ることができる。しかしながら、例えば検出器が回転角検出器とトルク検出器であって、それぞれ別々の時間毎に検出したデータを順次モータ制御に使用していると、回転角検出器が送信した検出データの取得時刻とトルク検出器が送信した検出データの取得時刻が異なることから、モータを制御する際に制御対象のモータの正確な状態と乖離していて所望のモータ制御を行うことが出来ないという問題があった。

本発明は上記のような問題点に鑑みなされたもので、複数の検出器それぞれの検出データを同時に取得してこれをＳｅｒＤｅｓで伝送して、モータの制御を行うことを可能にするモータ制御システム、およびモータの制御方法を提供するものである。

本発明に係るモータ制御システムは
複数の検出器を有したモータ部と、
モータ部から離間した位置に配備されモータ部を制御する制御装置と、を有するモータ
制御システムにおいて、
制御装置は、モータ部の制御を行うための基準となる制御基準信号を所定の周期で送信
する制御基準信号送信手段を有し、
モータ部は、
制御基準信号を受けて、複数の検出器それぞれに対して同時に検出データ信号の要求を行
う検出データ信号要求手段と、
複数の検出器から送信される複数の検出データ信号を１つのシリアル信号に変換して制御
装置へ送信するシリアル変換送信手段と、を有し、
制御装置はさらに、
シリアル変換送信手段から送信された１つのシリアル信号を受信して複数の検出データ信
号に変換して出力ラッチから送信するデシリアル変換送信手段と、
複数の検出データ信号をデシリアル変換送信手段の出力ラッチから受信して同時期に得た複数の検出データ信号を保持記憶処理する信号処理手段と、
最新の送信済み制御基準信号に基づいて記憶されている同時期に得た複数の検出データ信号を最新の送信済み制御基準信号の次回の制御基準信号が制御基準信号送信手段から送信完了となった時点で信号処理手段から読み出しこれを基にモータ部に対する駆動指令値を演算して指令を行う駆動指令手段と、を有して構成されている。

複数の検出器が、少なくとも回転角検出器および回転トルク検出器であることが好ましい。

また本発明に係るモータの制御方法は、
複数の検出器を有したモータ部と、
モータ部から離間した位置に配備されモータ部を制御する制御装置からなるモータの制
御方法であって、
制御装置はモータ部の制御を行うための基準となる制御基準信号を所定の周期で送信し
、
モータ部は制御基準信号を受け複数の検出器それぞれに対して同時に検出データ信号の
要求を行って複数の検出データ信号を得てこれを１つのシリアル信号に変換して制御装置
へ送信し、
制御装置は１つのシリアル信号を受信および変換して複数の検出データ信号に戻して出力ラッチで保持して同時期に得た複数の検出データ信号を記憶処理し、最新の送信済み制御基準信号に基づいて記憶されている同時期に得た複数の検出データ信号を最新の送信済み制御基準信号の次回の制御基準信号が送信完了となった時点で読み出し、これを基にモータ部に対する駆動指令値を演算して指令を行う方法である。

この構成により、複数の検出器それぞれの検出データを同時に取得してこれをＳｅｒＤｅｓで伝送してモータの制御に使用することができる。

本発明の実施形態によるモータ制御システムのブロック構成図 本発明の実施形態によるモータ制御システムのタイムチャート 従来のモータ制御システムのブロック構成図 従来のモータ制御システムのタイムチャート

以下、本発明による実施形態について、図面をもとに詳細な説明を行う。図１は本発明の実施形態によるモータ制御システムのブロックの構成および配置を示したものであって、モータ制御システム１は、モータ部１０と制御装置１０９から構成されている。

モータ部１０は、回転角検出器２、モータ３、トルク検出器４、シリアル変換送信手段５、検出データ信号要求手段９にて構成されている。

回転角検出器２はいわゆるエンコーダであって、駆動源であるモータ３と連結されていて、モータ軸の回転角位置を検出してその回転角位置データを送信する機能を有している。

トルク検出器４は、駆動源であるモータ３と連結されていて、モータ軸の回転トルクを検出してその回転トルクデータを送信する機能を有している。本実施形態では、回転軸に起歪部を設けてそこに剪断用歪みゲージを貼って歪み量を検出してトルク値を得ているが、これに限定されるものではない。なおモータ出力軸に接続される不図示の負荷装置が所定の回転数やトルクを必要としている場合、モータ３はこれに応じた減速機や増速機が含まれた構成となる。

検出データ信号要求手段９は、回転角検出器２およびトルク検出器４に対して同時に検出データ信号の送信を要求するものであって、後述の制御基準信号送信手段１０６からの制御基準信号に基づいて検出データ信号の要求が行われる。

シリアル変換送信手段５は、回転角検出器２およびトルク検出器４からそれぞれ送信された複数の検出データ信号、すなわち回転角検出データ信号およびトルク検出データ信号を、１つのシリアル信号に変換する。回転角検出データ信号およびトルク検出データ信号はそれぞれ、回転角検出器２およびトルク検出器４とシリアル変換送信手段５を繋いでいる回転角検出データ信号ライン１３、トルク検出データ信号ライン１２によって送られる。シリアル変換送信手段５には、入力ラッチ６、ビット変換７、マルチプレクサ８があって、この役割は後述の信号の流れ詳細にて説明する。

一方、モータ部１０から離間した位置に、モータ部１０の制御を行う制御装置１０９が設けられている。モータ部１０と制御装置１０９の電気的接続は、検出データ信号系接続ケーブル２００とモータ接続ケーブル２０１とで行われ、ノイズの影響を低減するために独立して設けられている。

制御装置１０９は、デシリアル変換送信手段１０１、制御基準信号送信手段１０６、信号処理手段１０５、駆動指令手段１０７、モータ駆動手段１０８にて構成されている。

デシリアル変換送信手段１０１は、シリアル変換送信手段５から１つのシリアル信号に変換されて検出データ信号系接続ケーブル２００を経て送信された回転角検出データ信号およびトルク検出データ信号を受信して、複数の検出データ信号に変換する。

制御基準信号送信手段１０６は、モータ制御システム１の制御を行うための基準となる制御基準信号を、各部すなわち、検出データ信号要求手段９、後述のデシリアル変換送信手段１０１、信号処理手段１０５、駆動指令手段１０７へ送信するものである。

信号処理手段１０５は、デシリアル変換送信手段１０１にて複数の検出データ信号に変換された回転角検出データ信号およびトルク検出データ信号を保持して記憶部に格納する。

駆動指令手段１０７は、制御基準信号送信手段１０６から送信される制御基準信号に基づいて、信号処理手段１０５にて記憶されている回転角検出データ信号およびトルク検出データ信号を読み出し、この回転角検出データおよびトルク検出データを基にモータ駆動の指令値を演算してこの指令値をモータ駆動手段１０８へ送信する。

モータ駆動手段１０８は駆動指令手段１０７から伝送される駆動指令値によってモータ３の駆動を行っている。

次いで図２のタイミングチャートを参照して、本発明の実施形態の信号の流れを説明する。

（ａ）制御基準信号送信手段１０６からは、一定の周期Ｃｔで制御基準信号が発せられている。すなわちある時刻Ｃｔ１で送信が終了した後、Ｃｔ時間経過後にＣｔ２が送信完了となる。この制御基準信号は、検出データ信号系接続ケーブル２００を経由して、モータ部１０内の検出データ信号要求手段９へも送信される。

（ｂ）検出データ信号要求手段９は、制御基準信号送信手段１０６からの制御基準信号を検知すると即座に、回転角検出器２およびトルク検出器４に対して回転角検出データ信号およびトルク検出データ信号の要求信号を送信する。制御基準信号完了時刻Ｃｔ１に対応した要求信号の送信完了時刻はＳｇｔ１であり、これは制御基準信号送信手段１０６からの送信の経路長と検出データ信号要求手段９の処理時間によって時間ｔ１ｂだけ遅延して完了する。なお本実施形態では要求信号の送信完了時刻Ｓｇｔ１は、ほぼ回転角検出器２およびトルク検出器４における検出データ取得時刻と等しいと言える。

（ｃ）回転角検出器２およびトルク検出器４がデータ要求信号を受信すると、回転角検出器２およびトルク検出器４ではそれぞれデータ取得を行って各検出データを生成し、回転角検出データ信号Ｅ１およびトルク検出データ信号Ｔ１として回転角検出器２およびトルク検出器４からそれぞれ送信される。データ要求信号に対して、回転角検出データ信号Ｅ１およびトルク検出データ信号Ｔ１はそれぞれ時間ｔＥ１ｃ、ｔＴ１ｃだけ遅れて送信される。この遅延時間は回転角検出器２およびトルク検出器４の演算処理速度および回転角検出データ信号ライン１３、トルク検出データ信号ライン１２のライン長によって若干異なる。この２つの検出データ信号がシリアル変換送信手段５に入って１つのシリアル信号に変換される。まずは入力ラッチ６（図１参照）によって検出データ信号はラッチされ、次いでビット変換７によりビット数を増加させる。本実施形態では例えば１０ビットを１２ビットに変換する１０Ｂ１２Ｂが用いられている。これは検出データ信号系接続ケーブル２００を介しての制御装置１０９へ高速・長距離伝送する際の信号の品質を確保するためである。ビット数を増加させた後、マルチプレクサ８によって２つの検出データ信号は１つのシリアル信号に変換され、検出データ信号系接続ケーブル２００にて制御装置１０９側へ送信される。本実施形態ではシリアル信号の前と後ろにＨｉｇｈ、Ｌｏｗのクロック情報を埋め込んでシリアル伝送を行っている。

（ｄ）制御装置１０９側では、この１つのシリアル信号をデシリアル変換送信手段１０１にて複数の検出データ信号に変換する。この複数の検出データ信号はトルク検出データ信号ライン１１０と回転角検出データ信号ライン１１１上を進む。デシリアル変換はシリアル変換の逆のプロセスであって、デマルチプレクサ１０２により１つのシリアル信号を複数の検出データ信号に変換して、ビット変換１０３にて１２ビットを１０ビットに戻し、出力ラッチ１０４にて複数の検出データ信号を信号処理手段１０５へ送信する。なおシリアル信号の前と後ろにＨｉｇｈ、Ｌｏｗのクロック情報を埋め込んであるため、ＰＬＬの同期タイミングを取ることが出来る。故にシリアル変換送信手段５およびデシリアル変換送信手段１０１はクロック埋め込み式ＳｅｒＤｅｓにて構成されている。このＳｅｒＤｅｓによる信号の遅延が生じて、時刻Ｓｇｔ１に対して積算で回転角検出データ信号Ｅ１はｔＥ１ｄ、トルク検出データ信号Ｔ１はｔＴ１ｄ遅れることになる。

（ｅ）信号処理手段１０５では、２つの検出データ信号、回転角検出データ信号Ｅ１およびトルク検出データ信号Ｔ１を保持して、同時期の検出データとして記憶部に記憶する。この信号処理でも遅延は生じて、時刻Ｓｇｔ１に対して積算で回転角検出データ信号Ｅ１はｔＥ１ｅ、トルク検出データ信号Ｔ１はｔＴ１ｅそれぞれ遅れて保持され、遅い方（本実施形態ではトルク検出データ信号Ｔ１）のデータ処理後に記憶部へのデータの記憶が完了する。結果として、検出データが記憶されるのは制御基準信号完了時刻Ｃｔ１からＤｔ１時間経過後となる。

駆動指令手段１０７は、前回の時刻Ｃｔ１から周期Ｃｔ経過後の時刻Ｃｔ２に制御基準信号送信手段１０６から送信された制御基準信号を受信した時、前回の時刻Ｃｔ１に送信された制御基準信号を基に検出データ信号要求手段５により得られて信号処理手段１０５の記憶部に記憶された回転角検出データ信号Ｅ１、トルク検出データ信号Ｔ１を参照して、モータ駆動手段１０８に対する駆動指令値を演算して指令を行う。すなわち最新の送信済み制御基準信号に基づいて同時期に得られた検出データによって現時点のモータ制御を行うことになる。なおモータ始動の際の初回の制御基準信号送信時には、まだモータが回転していないためこのモータ制御は行わず２回目以降で行われる。また検出器の種類によっては、最新の送信済み制御基準信号に基づいて最後に記憶された検出データ信号を用いてモータ制御を行う場合もある。

図３、図４は従来の実施形態の検知器付きモータ制御システムを示している。以下相違点のみ詳細を述べる。図３において、モータ部１０には検出データ信号要求手段が存在していない。従って回転角検出器２とトルク検出器４は別々に一定の時間間隔で回転角検出データ信号とトルク検出データ信号をシリアル変換送信手段５へ単純送信している。図４はその状態の一例を示したものであり、回転角検出器２とトルク検出器４のデータサンプリングの時期が異なっている。すなわちトルク検出データ信号Ｔ１はトルク検出器４のデータサンプル取得時刻ＴＳｇｔ１に取得され、このデータサンプル取得時刻ＴＳｇｔ１から積算でｔＴ１ｅ遅れて、信号処理手段１０５にて保持され、制御基準信号送信完了時刻Ｃｔ１から時間Ｄｔ１経過後に記憶部に記憶される。回転角検出データ信号Ｅ０は回転角検出器２のデータサンプル取得時刻ＥＳｇｔ０に取得され、トルク検出データ信号Ｔ１よりも早く信号処理手段１０５に到着しているため保持されて、回転角検出データ信号Ｅ０も制御基準信号送信完了時刻Ｃｔ１から時間Ｄｔ１経過後に記憶部に記憶される。この後、時刻Ｃｔ２にて駆動指令手段１０７が参照するトルク検出データ信号Ｔ１は制御基準信号送信完了時刻Ｃｔ１以降のデータサンプル取得によって得られているが、回転角検出データ信号Ｅ０のデータサンプル取得時刻ＥＳｇｔ０は前回の制御基準信号送信完了時刻Ｃｔ１以前となってしまう。データサンプル取得時刻ＥＳｇｔ１に取得された回転角検出データ信号Ｅ１は時刻Ｃｔ２の時点でまだ信号処理手段１０５では処理しきれておらず参照が出来ない。この回転角検出データ信号Ｅ０とトルク検出データ信号Ｔ１とを、制御基準信号送信完了時刻Ｃｔ２直後に、モータ駆動手段１０８に対する駆動指令値の演算に使用すると、ＥＳｇｔ０とＴＳｇｔ１との時間のずれによりモータ３のある瞬間の状態を正確に捉えることができておらず、モータ制御が困難なものになる。

なお、上記実施形態では、検出器は回転角検出器とトルク検出器にて説明を行った。検出器はこれに限るものではなく、減速機によってモータの回転数を減速あるいは増速した後の回転軸の回転角検出器や、モータ３の温度を検知する温度検知器など、モータの制御に係るものが対象となる。

以上本発明によれば、複数の検出器それぞれの検出データが同じ瞬間でサンプリングされ、この複数の検出データ信号をＳｅｒＤｅｓによってシリアル変換およびデシリアル変換を行いモータから離れた制御装置に高速で伝送することで、モータの制御を精密に行うことが可能となる。

本発明の活用例として、溶接、組み立てなどを行うロボット等への適用が可能である。

１ モータ制御システム
２ 回転角検出器
３ モータ
４ トルク検出器
５ シリアル変換送信手段
６ 入力ラッチ
７ ビット変換
８ マルチプレクサ
９ 検出データ信号要求手段
１０ モータ部
１１ 検出データ信号要求ライン
１２ トルク検出データ信号ライン
１３ 回転角検出データ信号ライン
１０１ デシリアル変換送信手段
１０２ デマルチプレクサ
１０３ ビット変換
１０４ 出力ラッチ
１０５ 信号処理手段
１０６ 制御基準信号送信手段
１０７ 駆動指令手段
１０８ モータ駆動手段
１０９ 制御装置
１１０ トルク検出データ信号ライン
１１１ 回転角検出データ信号ライン
２００ 検出データ信号系接続ケーブル
２０１ モータ接続ケーブル

Claims (3)

1. 複数の検出器を有したモータ部と、
   前記モータ部から離間した位置に配備され前記モータ部を制御する制御装置と、を有するモータ制御システムにおいて、
   前記制御装置は、前記モータ部の制御を行うための基準となる制御基準信号を所定の周期で送信する制御基準信号送信手段を有し、
   前記モータ部は、
   前記制御基準信号を受けて、前記複数の検出器それぞれに対して同時に検出データ信号の要求を行う検出データ信号要求手段と、
   前記複数の検出器から送信される複数の検出データ信号を１つのシリアル信号に変換して前記制御装置へ送信するシリアル変換送信手段と、を有し、
   前記制御装置はさらに、
   前記シリアル変換送信手段から送信された前記１つのシリアル信号を受信して複数の検出データ信号に変換して出力ラッチから送信するデシリアル変換送信手段と、
   前記複数の検出データ信号を前記デシリアル変換送信手段の前記出力ラッチから受信して同時期に得た前記複数の検出データ信号を保持記憶処理する信号処理手段と、
   最新の送信済み制御基準信号に基づいて記憶されている前記同時期に得た前記複数の検出データ信号を前記最新の送信済み制御基準信号の次回の制御基準信号が制御基準信号送信手段から送信完了となった時点で前記信号処理手段から読み出しこれを基に前記モータ部に対する駆動指令値を演算して指令を行う駆動指令手段と、を有していることを特徴とするモータ制御システム。
2. 前記複数の検出器が、少なくとも回転角検出器および回転トルク検出器であることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御システム。
3. 複数の検出器を有したモータ部と、
   前記モータ部から離間した位置に配備され前記モータ部を制御する制御装置からなるモータの制御方法であって、
   前記制御装置は前記モータ部の制御を行うための基準となる制御基準信号を所定の周期で送信し、
   前記モータ部は前記制御基準信号を受け前記複数の検出器それぞれに対して同時に検出データ信号の要求を行って複数の検出データ信号を得てこれを１つのシリアル信号に変換して前記制御装置へ送信し、
   前記制御装置は前記１つのシリアル信号を受信および変換して前記複数の検出データ信号に戻して出力ラッチで保持して同時期に得た前記複数の検出データ信号を記憶処理し、最新の送信済み前記制御基準信号に基づいて記憶されている前記同時期に得た前記複数の検出データ信号を前記最新の送信済み前記制御基準信号の次回の前記制御基準信号が送信完了となった時点で読み出し、これを基に前記モータ部に対する駆動指令値を演算して指令を行うことを特徴とするモータの制御方法。