JP6780855B2 - Servo actuator - Google Patents
Servo actuator Download PDFInfo
- Publication number
- JP6780855B2 JP6780855B2 JP2017041193A JP2017041193A JP6780855B2 JP 6780855 B2 JP6780855 B2 JP 6780855B2 JP 2017041193 A JP2017041193 A JP 2017041193A JP 2017041193 A JP2017041193 A JP 2017041193A JP 6780855 B2 JP6780855 B2 JP 6780855B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- rotor
- rotation
- rotation position
- position sensor
- phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Description
本発明はサーボアクチュエータに関する。 The present invention relates to a servo actuator.
回転自在に枢支されたロータと、ロータにトルクを発生させるステータとがハウジング内に収納されたアクチュエータ装置において、ステータに駆動電流を供給する駆動回路と、予め与えられた制御ゲインパラメータを用いて駆動回路に与える電流指令値を算出する演算手段とをハウジングに具えるアクチュエータ装置が知られている(特許文献1)。 In an actuator device in which a rotor pivotally supported rotatably and a stator that generates torque in the rotor are housed in a housing, a drive circuit that supplies a drive current to the stator and a control gain parameter given in advance are used. An actuator device is known in which a housing is provided with an arithmetic means for calculating a current command value given to a drive circuit (Patent Document 1).
回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁極数を有する多極磁石と、多極磁石の各々に対向するように配置され、多極磁石の回転に応じて磁束密度の変化を検出する複数の磁気センサとを備え、磁気センサの各々が、多極磁石の回転に応じて1磁極数あたり90度位相差を有するA/B相の正弦波出力を1位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、多極磁石の磁極数が1対だけ異なるアブソリュートエンコーダである回転検出器も知られている(特許文献2) A multi-pole magnet with a plurality of magnetic poles mounted coaxially with the rotation axis of the rotating body and arranged so as to face each of the multi-pole magnets, and detect a change in magnetic flux density according to the rotation of the multi-pole magnet. It is an absolute encoder equipped with a plurality of magnetic sensors, and each of the magnetic sensors outputs only one phase of A / B phase sinusoidal output having a phase difference of 90 degrees per number of magnetic poles according to the rotation of the multi-pole magnet. , A rotation detector, which is an absolute encoder in which the number of magnetic poles of a multi-pole magnet differs by only one pair, is also known (Patent Document 2).
本発明は、高トルクな特性を実現しつつ回転子の回転位置を絶対値で検出でき小型で省配線化を図ることができるサーボアクチュエータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a servo actuator capable of detecting the rotation position of a rotor with an absolute value while realizing high torque characteristics, and being compact and capable of saving wiring.
前記課題を解決するために、請求項1に記載のサーボアクチュエータは、
回転軸回りに永久磁石界磁を備えた回転子と、
前記永久磁石界磁に対向配置され120度位相差で配置された極歯を有する固定子と、
前記固定子の各極歯にコイルを設けて相間を結線することなく独立して配線されたコイル結線手段と、
前記コイルの通過電流を各相独立してPWM(Pulse Width Modulation)スイッチング制御して回転子の回転を制御する駆動制御部と、
前記回転子の出力軸側と反対側の前端側に前記回転軸と偏心して取り付けられた回転子センサ・マグネットと、前記回転子センサ・マグネットと半径方向で対向するように前記駆動制御部に前記回転軸と略同心円上に第1の位相差を以って配設され磁束密度の大きさを検出する第1の回転位置センサ及び第2の回転位置センサと、前記第1の回転位置センサ及び前記第2の回転位置センサと同方向に前記第1の位相差を前記回転子センサ・マグネットの磁極数で除した第2の位相差を以って配設され磁束密度の大きさを検出する第3の回転位置センサ及び第4の回転位置センサと、からなり前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、
前記駆動制御部並びに前記回転位置検出部を一体に収容し、前記回転子を前記回転軸回りに回転可能に支持する筐体と、を備えた、
ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the servo actuator according to
A rotor with a permanent magnet field around the axis of rotation,
A stator having polar teeth arranged opposite to the permanent magnet field and arranged with a phase difference of 120 degrees, and a stator.
A coil connecting means in which a coil is provided on each pole tooth of the stator and is independently wired without connecting the phases.
A drive control unit that controls the rotation of the rotor by controlling the passing current of the coil independently by PWM (Pulse Width Modulation) switching.
The rotor sensor magnet attached eccentrically to the rotating shaft on the front end side opposite to the output shaft side of the rotor, and the drive control unit so as to face the rotor sensor magnet in the radial direction. A first rotation position sensor and a second rotation position sensor, which are arranged on a circle substantially concentric with the rotation axis with a first phase difference and detect the magnitude of the magnetic flux density, and the first rotation position sensor and It is arranged in the same direction as the second rotation position sensor by the second phase difference obtained by dividing the first phase difference by the number of magnetic poles of the rotor sensor magnet to detect the magnitude of the magnetic flux density. A rotation position detection unit composed of a third rotation position sensor and a fourth rotation position sensor, and detecting the rotation position of the rotor ,
A housing that integrally houses the drive control unit and the rotation position detection unit and rotatably supports the rotor around the rotation axis is provided.
It is characterized by that.
請求項2記載の発明は、請求項1に記載のサーボアクチュエータにおいて、
前記回転子センサ・マグネットの1回転による前記第1の回転位置センサにより出力される+sin信号及び前記第3の回転位置センサにより出力される+cos信号に基づいて前記回転子の回転位置を検出し、前記第1の回転位置センサにより出力される+sin信号及び前記第2の回転位置センサにより出力される−sin信号を加算したsin信号、前記第3の回転位置センサにより出力される+cos信号及び前記第4の回転位置センサにより出力される−cos信号を加算したcos信号に基づいて前記回転子の回転角度を検出することで、前記回転子の1回転絶対角度を算出する、
ことを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the servo actuator according to
The rotation position of the rotor is detected based on the + sin signal output by the first rotation position sensor and the + cos signal output by the third rotation position sensor due to one rotation of the rotor sensor magnet . A sin signal obtained by adding a + sin signal output by the first rotation position sensor and a −sin signal output by the second rotation position sensor, a + cos signal output by the third rotation position sensor, and the first rotation position sensor. The absolute angle of one rotation of the rotor is calculated by detecting the rotation angle of the rotor based on the cos signal obtained by adding the −cos signals output by the rotation position sensor of 4 .
It is characterized by that.
請求項1に記載の発明によれば、高トルクな特性を実現しつつ小型で省配線化を図ることができるサーボアクチュエータを提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a servo actuator that is compact and can save wiring while realizing high torque characteristics.
請求項2に記載の発明によれば、回転子の回転方向における回転位置と回転角度を検出して1回転絶対角度を算出することができる低コスト、小型のサーボアクチュエータを提供することができる。 According to the second aspect of the present invention, it is possible to provide a low-cost, small-sized servo actuator capable of detecting a rotation position and a rotation angle of a rotor in a rotation direction and calculating an absolute rotation angle .
次に図面を参照しながら、以下に実施形態及び具体例を挙げ、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態及び具体例に限定されるものではない。
また、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
Next, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings below with reference to embodiments and specific examples, but the present invention is not limited to these embodiments and specific examples.
In addition, in the explanation using the following drawings, it should be noted that the drawings are schematic and the ratio of each dimension is different from the actual one, which is necessary for the explanation for easy understanding. Illustrations other than the members are omitted as appropriate.
(1)サーボアクチュエータの全体構成及び動作
図1は本実施形態に係るサーボアクチュエータ1の全体構成を示す断面模式図、図2はロータ11及びステータ12の位置関係を示す断面略線図、図3(a)はロータ11とセンサ・マグネット231の構成を示す断面模式図、(b)はロータ11の磁極配置を示す略線図、(c)はセンサ・マグネット231の磁極配置を示す略線図、図4(a)は制御基板210の構成を示す概略図、(b)はセンサ・マグネット231と第1〜第4のホール素子232の配置を示す略線図、図5は回転位置検出部230におけるロータ軸11aの回転に伴うセンサ・マグネット231と第1〜第4のホール素子232の位置関係を示す略線図、図6(a)は回転位置検出部230の構成を示す略線図、(b)は1回転絶対角信号の波形を示す特性曲線図、(c)はロータ軸磁極角度信号の波形を示す特性曲線図、図7(a)はパワー基板220の構成を示す概略図、(b)はコイル駆動回路225の構成を示す図である。
以下、図面を参照しながらサーボアクチュエータ1の全体構成及び動作について説明する。
(1) Overall configuration and operation of the servo actuator FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of the
Hereinafter, the overall configuration and operation of the
サーボアクチュエータ1は、回転トルクを発生させるモータ部10と、モータ部10の回転を制御する制御部20と、モータ部10で発生された回転トルクを減速機を介することなく出力する出力軸30と、これらを一体に収容する筐体40とから構成されている。
The
モータ部10には、金属等の導電材からなる筐体40の内部に回転軸受け41、42により回転自在に支持された回転子としてのロータ11が設けられている(図3(a) 参照)。ロータ11は、図3(b)に示すように、4極に着磁された永久磁石であるロータマグネット11Aがロータ軸11aに同軸に一体化されて形成されている。
The
また筐体40の内側には、ロータ11を取り囲むように固定子としてのステータ12が配置されている。ステータ12は、極歯12aを有する6つのステータ鉄心12A〜12Fが等間隔(60度間隔)で固着され、各ステータ鉄心12A〜12Fには、それぞれ巻線が施されてコイル13(13A〜13F)が形成されている。
各ステータ鉄心12A〜12Fは、その周方向に分割され、コイル13を外部で整列状に巻き込んだ後、各ステータ鉄心12A〜12Fを組み立てることによってステータ12を構成する分割コア方式(図2 参照)であり、コアへの高密度な巻線とサーボアクチュエータ1の省スペース化を可能にしている。
Further, inside the housing 40, a stator 12 as a stator is arranged so as to surround the
Each of the
これによりモータ部10においては、180度対向する2つのコイル13A及び13D、13B及び13E、13C及び13Fの組(合計3組)をそれぞれU相、V相、W相として、これらU相、V相、W相の各コイル13にそれぞれ120度ずつ位相差を有して駆動電流を印加して磁界を形成し、ロータ11を介して駆動電流の電流値に応じた大きさの回転トルクを発生させるようになっている。
As a result, in the
本実施形態に係るサーボアクチュエータ1においては、U相、V相、W相の各コイル13は、相間を結線することなく独立して配線されたコイル結線方式(以下、3相独立結線方式と記す)を採用し、U相、V相、W相の各コイル13に対する電流Iu、Iv、Iwを、互いの干渉なく独立して制御するようにしている。
In the
制御部20は、出力軸30の回転角度、回転速度及び回転トルク等を制御する駆動制御部としての制御基板210及び制御基板210の制御のもとに各コイル13に駆動電流を供給するパワー基板220と、ロータ11の1回転絶対角度及び磁極位置を検出する回転位置検出部230と、から構成され、筐体40内にモータ部10と一体に収容されている。
The control unit 20 is a
制御基板210は、図4(a)に示すように、筐体40に合わせて矩形に形成されたプリント配線板の一面側に1チップマイクロコンピュータ211が搭載されると共に、他面側に回転位置検出部230の第1〜第4のホール素子232A、232B、232C、232Dが搭載されることにより構成されている。
As shown in FIG. 4A, the
回転位置検出部230は、ロータ軸11aの出力軸30と反対側の前端側に固着されたセンサ・マグネット231と、制御基板210に搭載された回転位置センサとしての第1〜第4のホール素子232A、232B、232C、232Dとから形成されている。
センサ・マグネット231は、図3(c)に示すように、ロータ11のロータマグネット11Aと同じ4極に着磁され、ロータマグネット11Aと45度の位相差でロータ軸11aに偏心(偏心量e:図4(b)参照)した状態で固定されている。
The rotation
As shown in FIG. 3C, the
第1〜第4のホール素子232A、232B、232C、232Dは、図4(b)に示すように、ロータ軸11aと同心円上に、第1のホール素子232A及び第2のホール素子232Bが180度対向し、かつ第3のホール素子232C及び第4のホール素子232Dがこれら第1〜第4のホール素子232A、232B、232C、232Dと同じ方向に45度位相がずれた位置に位置するように制御基板210に搭載されている。
As shown in FIG. 4B, in the first to
このように回転位置検出部230においては、センサ・マグネット231が、ロータ軸11aに偏心した状態(偏心量:e)で固定されているために、ロータ軸11aが1回転すると、図5に示すように、ロータ軸11aの回転に伴って、センサ・マグネット231と第1〜第4のホール素子232A、232B、232C、232Dとの距離が変化する。
これにより回転位置検出部230においては、ロータ11の回転変位を、ロータ11と一体に回転するセンサ・マグネット231の回転に伴う第1〜第4のホール素子232A、232B、232C、232Dの配設位置における磁束密度の変化として検出し得るようになっている。
As described above, in the rotation
As a result, in the rotation
図6(a)に示す回転位置検出部230においては、ロータ11の回転変位を、ロータ軸11aの回転に伴う第1のホール素子232A及び第3のホール素子232Cの配置位置における磁束密度Φ(θabs)の変化として検出し、検出結果をそれぞれ図6(b)に示すようなSIN(θabs)及びCOS(θabs)で与えられる波形の第1及び第2の1回転絶対角度信号S1A、S1Bとして出力できるようになっている。
また、図6(c)に示すように、第1のホール素子232A及び第2のホール素子232Bの出力と、第3のホール素子232C及び第4のホール素子232Dの出力とをそれぞれ加算して、第1及び第2のロータ軸磁極角度信号S2A、S2Bとして出力できるようになっている。
In the rotation
Further, as shown in FIG. 6C, the outputs of the
また制御基板210においては、1チップマイクロコンピュータ211が上位通信インターフェース(I/F)を介して、シリアル通信ラインを通じて上位装置と交信できるようにされている。
Further, in the
1チップマイクロコンピュータ211は、上位装置から与えられる出力軸30の回転角度、回転速度又は回転トルクの指定値(以下、それぞれ指定回転角度、指定回転速度及び指定回転トルクと記す)と、第1及び第2の1回転絶対角度信号S1A、S1Bと、第1及び第2のロータ軸磁極角度信号S2A、S2Bと、後述するパワー基板220から供給される第1〜第3の駆動電流検出信号S3A〜S3Cとに基づいて、U相、V相、W相の各コイル13にそれぞれ印加すべき駆動電流の電流値(以下、それぞれ第1〜第3の電流指令値と記す)を算出し、これら算出した第1〜第3の電流指令値をパワー基板220に送出する。
The one-
パワー基板220には、図7(a)に示すように、筐体40に合わせて矩形に形成されたプリント配線板の一面側に、図7(b)に示すコイル駆動回路225を形成する複数のパワーFET221と電流検出抵抗222が搭載されている。
パワー基板220は、制御基板210の1チップマイクロコンピュータ211から与えられる第1〜第3の電流指令値に基づいて、モータ部10のU相、V相、W相の各コイル13(13A〜13F)に対して、それぞれ対応する電流値の駆動電流を印加することによりモータ部10のロータ11を回転駆動させる。
As shown in FIG. 7A, a plurality of
The
またパワー基板220は、このときU相、V相、W相の各コイル13にそれぞれ印加されている駆動電流の電流値を電流検出抵抗222でそれぞれ検出し、検出結果を第1〜第3の駆動電流検出信号S3A〜S3Cとして制御基板210に送出する。
Further, the
このようにしてサーボアクチュエータ1では、制御基板210の1チップマイクロコンピュータ211及びパワー基板220のコイル駆動回路225からなる制御回路によって、上位装置から与えられた指定回転角度、指定回転速度又は指定回転トルクに応じてモータ部10を駆動する。
In this way, in the
(2)モータ回転制御
図8は1チップマイクロコンピュータ211の構成を示すブロック図、図9(a)は1回転絶対角信号の波形を示す特性曲線図、(b)はメモリデータを示す特性曲線図、図10は1回転絶対角度を算出する処理の流れを示すフローチャート、図11はロータ軸磁極角度信号から回転位置を求めるためのフィードバック型トラキング回路の構成を示す図、図12はコイル駆動回路225のトランジスタゲート信号と電流指令を示すタイミングチャートを示す図、図13(a)はサーボアクチュエータ1における電流指令に対する駆動電流及びトルクリップルの関係を示す図、(b)は従来例のサーボアクチュエータにおける電流指令に対する駆動電流及びトルクリップルの関係を示す図である。
以下、図面を参照しながらサーボアクチュエータ1のモータ回転制御について説明する。
(2) Motor rotation control FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of a one-
Hereinafter, the motor rotation control of the
1チップマイクロコンピュータ211は、図8に示すように、ソフトウェアサーボ部50、ロータ軸位置検出部51、電流制御部52、CPU、ROM、RAM、レジスタ等(不図示)から構成されている。
電流制御部52は、電流軸電流指令又はトルク指令を各相コイル13に流す電流に変換するとともに各コイル電流の進相制御を行う相変換−進相制御部52Aと、各相コイル13に対して最大電流を流す指令を与える電流指令部52Bと、電流指令部52Bからの電流指令を基に、各コイルを独立して電流制御するように各コイル毎に配設されたPWM変換部52Cとで構成されている。
As shown in FIG. 8, the one-
The
(2.1)ロータ軸位置検出
ロータ軸位置検出部51は、第1のホール素子232A及び第3のホール素子232Cから出力される第1及び第2の1回転絶対角度信号S1A、S1Bをデジタル変換して得られる第1及び第2の1回転絶対角度データD1A、D1Bから、ロータ11の回転位置θabsを算出し、レジスタに格納する。
(2.1) Rotor shaft position detection The rotor shaft
本実施形態に係るセンサ・マグネット231は、ロータ11のロータマグネット11Aと同じ4極に着磁され、ロータ軸11aに偏心した状態(偏心量e:図4参照)で固定されているために、ロータ軸11aが1回転すると、ロータ軸11aと同心円上に配置された第1のホール素子232A及び第3のホール素子232Cから出力される1回転絶対角度信号S1A、S1Bとしての+SIN信号(SIN(θabs))及び+COS信号(COS(θabs))は、ロータ軸11aの回転角度によりその大きさが変化する(図9(a)参照)。
Since the
係る変化する+SIN信号(SIN(θabs))及び+COS信号(COS(θabs))を予めメモリ(ROM:不図示)に記憶された回転位置に対する値(MSIN(θabs)、MCOS(θabs):図9(b)参照)と比較することにより、1回転絶対角度としてのロータ11の回転位置θabsを算出することができる。
The changing + SIN signal (SIN (θabs)) and + COS signal (COS (θabs)) are stored in advance in a memory (ROM: not shown) with respect to the rotation position (MSIN (θabs), MCOS (θabs): FIG. 9). By comparing with (see (b)), the rotation position θabs of the
図10のフローチャートに、変化する+SIN信号(SIN(θabs))及び+COS信号(COS(θabs))から1回転絶対角度としてのロータ11の回転位置θabsを算出する処理の流れの一例を示す。
1チップマイクロコンピュータ211は、第1のホール素子232A及び第3のホール素子232Cから出力されるSIN(θabs)及びCOS(θabs)を検出し、一時的にRAMに格納する(S101)。
次に、予めメモリに記憶された回転位置θabsのデータMSIN(θabs)、MCOS(θabs)を読み出し(S102)、検知したSIN(θabs)及びCOS(θabs)と比較する(S103)。
The flowchart of FIG. 10 shows an example of a processing flow for calculating the rotation position θabs of the
The one-
Next, the data MSIN (θabs) and MCOS (θabs) of the rotation position θabs stored in the memory in advance are read out (S102) and compared with the detected SIN (θabs) and COS (θabs) (S103).
ステップ103で、MSIN(θabs)とSIN(θabs)、MCOS(θabs)とCOS(θabs)が一致した場合(S103:Yes)、ロータ11の回転位置θabsを決定する(S104)。
ステップ103で、MSIN(θabs)とSIN(θabs)、MCOS(θabs)とCOS(θabs)が一致しない場合(S103:No)、参照するθabsを増加させたMSIN(θabs)、MCOS(θabs)を読み出して(S105)、検知したSIN(θabs)及びCOS(θabs)と比較する(S103)。この処理は、ステップ103でMSIN(θabs)とSIN(θabs)、MCOS(θabs)とCOS(θabs)が一致する(S103:Yes)まで繰り返される。
In step 103, when MSIN (θabs) and SIN (θabs) and MCOS (θabs) and COS (θabs) match (S103: Yes), the rotation position θabs of the
In step 103, when MSIN (θabs) and SIN (θabs) and MCOS (θabs) and COS (θabs) do not match (S103: No), MSIN (θabs) and MCOS (θabs) with increased reference θabs are selected. It is read out (S105) and compared with the detected SIN (θabs) and COS (θabs) (S103). This process is repeated in step 103 until MSIN (θabs) and SIN (θabs) and MCOS (θabs) and COS (θabs) match (S103: Yes).
このようにして、第1のホール素子232A及び第3のホール素子232Cから出力される+SIN信号(SIN(θabs))及び+COS信号(COS(θabs))から1回転絶対角度としてのロータ11の回転位置θabsを特定することができる。
In this way, the rotation of the
ここでθabsは0から2π(rad)までの1回転角度であり、SIN(θabs)及びCOS(θabs)はθabsでの第1のホール素子232A及び第3のホール素子232Cから出力される信号の大きさをデジタル変換したメモリデータであり、分解能はAD(アナログデジタル)変換器の分解能により決定される。具体的にはAD変換器が10ビットでの分解能である場合、2π/1024がθabsの分解能となる。
Here, θabs is one rotation angle from 0 to 2π (rad), and SIN (θabs) and COS (θabs) are the signals output from the
また、ロータ軸位置検出部51は、第1のホール素子232Aの出力(+SIN)及び第2のホール素子232Bの出力(−SIN)と、第3のホール素子232Cの出力(+COS)及び第4のホール素子232Dの出力(−COS)とをそれぞれ加算した第1及び第2のロータ軸磁極角度信号S2A(SIN信号)、S2B(COS信号)をデジタル変換し、得られた第1及び第2のロータ軸磁極角度データD2A、D2Bをソフトウェアサーボ部50、相変換−進相制御部52Aに入力する。
Further, the rotor shaft
本実施形態に係るセンサ・マグネット231は、ロータ軸11aに偏心した状態(偏心量:e)で固定されているために、ロータ軸11aが1回転すると、第2のホール素子232B及び第4のホール素子232Dからも、それぞれ第1のホール素子232A及び第3のホール素子232Cから出力される+SIN信号及び+COS信号とは対称的に変化する−SIN信号及び−COS信号が出力される。
Since the
そのために、第1のホール素子232Aの+SIN信号及び第2のホール素子232Bの−SIN信号と、第3のホール素子232Cの+COS信号及び第4のホール素子232Dの−COS信号とをそれぞれ加算すると、偏心して回転することによる出力信号の変化を相殺してSIN信号及びCOS信号を得ることができる(図6(c) 参照)。
Therefore, when the + SIN signal of the
そして、ロータ軸位置検出部51は、第1及び第2のロータ軸磁極角度データD2A、D2Bに基づいてロータ11の磁極位置としての回転位置θmを算出し、レジスタに格納すると共に相変換−進相制御部52Aに送出する。
回転位置θmは、一例として図11に示すフィードバック型トラッキング回路によって求めることができる。
Then, the rotor shaft
The rotation position θm can be obtained by the feedback type tracking circuit shown in FIG. 11 as an example.
(2.2)コイル駆動
ソフトウェアサーボ部50は、レジスタに格納されたロータ11の1回転絶対角度としての回転位置θabs及びロータ11の磁極位置としての回転位置θmと、上位装置から与えられる指定回転角度、指定回転速度又は指定回転トルクとに基づいて、目標とする回転トルク(以下、これを目標回転トルクと記す)T0を算出し、レジスタに格納する。
(2.2) The coil drive
相変換−進相制御部52Aは、算出された目標回転トルクT0と、ロータ軸位置検出部51から与えられるロータ11の回転位置θmとに基づいて、U相、V相、W相の各コイル13にそれぞれ印加すべき駆動電流の電流値を表す第1〜第3の電流指令値Iu−ref、Iv−ref、Iw−refをそれぞれ算出し、電流指令部52Bに送出する。
The phase conversion-phase
また電流制御部52には、コイル駆動回路225の電流検出抵抗222により検出される第1〜第3の駆動電流検出信号S3A〜S3Cをデジタル変換することにより得られる第1〜第3の駆動電流検出データD3A〜D3Cが与えられる。
Further, the
このようにして電流制御部52は、第1〜第3の電流指令値Iu−ref、Iv−ref、Iw−refと、第1〜第3の駆動電流検出データD3A〜D3Cとに基づいて第1〜第3の電流指令値Iu−ref、Iv−ref、Iw−refに対してPWM(Pulse Width Modulation)変調し、得られた第1〜第3のPWM信号S4A〜S4Cをパワー基板220のコイル駆動回路225に送出する。
In this way, the
コイル駆動回路225においては、図7(b)に示すように、U相、V相、W相の各コイル13にそれぞれ対応させて、2個のトランジスタTR1及びTR2を逆方向接続した回路と、同じく2個のトランジスタTR3及びTR4を逆方向接続した回路からなるフルブリッジ回路において、トランジスタTR1及びTR2の中間点とトランジスタTR3及びTR4の中間点をU相のコイル13で接続している。V相、W相についても同様の回路により構成される。
In the
図12に示すように、電流指令値Iu−refが正の値であるときは、PWMパルス信号は、トランジスタTR1及びTR4のベース・ドライブを駆動し、電流指令値Iu−refが負の値であるときは、PWMパルス信号は、トランジスタTR2及びTR3のベース・ドライブを駆動する。 As shown in FIG. 12, when the current command value Iu-ref is a positive value, the PWM pulse signal drives the base drive of the transistors TR1 and TR4, and the current command value Iu-ref is a negative value. At one time, the PWM pulse signal drives the base drive of the transistors TR2 and TR3.
これによりコイル駆動回路225においては、U相、V相、W相の各相毎に、第1〜第3のPWM信号S4A〜S4Cを駆動電流Iu、Iv、Iwに変換し、これらをそれぞれ対応するU相、V相及びW相の各コイル13に印加するようになされている。
As a result, in the
なお、コイル駆動回路225においては、U相、V相、W相の各コイル13に供給する駆動電流Iu、Iv、Iwの大きさを電流検出抵抗222により検出し、検出結果を第1〜第3の駆動電流検出信号S3A〜S3Cとして1チップマイクロコンピュータ211に送出するようになっている。
In the
電流制御部52は、U相、V相、W相の各コイル13に対して最大電流を流す指令を与える。従来の3相コイルのスター型若しくはデルタ型の結線方式コイル結線方式では、U相、V相、W相の総和電流量はゼロになる(キルヒホッフの法則)ため、駆動電流Iu、Iv、Iwの最大値が決まってしまう。
これに対し、本実施形態に係る3相独立結線方式によれば、各相のコイル電流を独立して制御することができるため、すべての相に最大電流を流す電流指令を与えることができる。この結果、高速回転時には、電流軸上に大電流を流すことができる。
The
On the other hand, according to the three-phase independent connection method according to the present embodiment, since the coil current of each phase can be controlled independently, it is possible to give a current command to flow the maximum current to all the phases. As a result, a large current can flow on the current shaft during high-speed rotation.
また、このような3相独立結線方式を採用して、それぞれのコイル電流を独立して制御することができるので、各相のコイルに高調波を含む電流を流すことができる。図13には、本実施形態に係るコイル電流波形(U相)とモータ・トルクの関係を従来例(図13(b) 参照)と比較して示している。
図13(a)に示すように、3相独立結線方式でステータ12のコイル13を構成することにより、高速回転時において永久磁石の磁束により流れる高調波電流を考慮して、各相コイルに高調波を含む電流を流すことができる。すなわち、コイル電流を制御することにより補正トルクを発生させ、磁気の歪みに起因するコギング・トルク及びトルク変動を抑制することができる。
Further, since such a three-phase independent connection method can be adopted to control each coil current independently, a current including harmonics can flow through the coils of each phase. FIG. 13 shows the relationship between the coil current waveform (U phase) and the motor torque according to the present embodiment in comparison with the conventional example (see FIG. 13B).
As shown in FIG. 13A, by configuring the
(3)サーボアクチュエータの作用・効果
本実施形態に係るサーボアクチュエータ1では、上位装置から与えられる指定回転角度、指定回転速度又は指定回転トルクに基づいて制御基板210の1チップマイクロコンピュータ211においてU相、V相、W相の各コイル13に印加すべき駆動電流Iu、Iv、Iw の電流指令値Iu−ref、Iv−ref、Iw−refをそれぞれ算出し、算出した電流指令値Iu−ref、Iv−ref、Iw−refに基づくPWM信号S4A〜S4Cをパワー基板220のコイル駆動回路225に送出する。
コイル駆動回路225は、供給されるPWM信号S4A〜S4Cに基づいて駆動電流Iu、Iv、Iwを生成し、これをU相、V相、W相の各コイル13に印加してロータ11を回転駆動する。
そして、ロータ11の回転を制御する駆動制御部としての制御基板210及びパワー基板220が、ロータ11や、各ステータ鉄心12A〜12F及びコイル13からなるステータ12と筐体40の内部に一体に収納されているため、外部との接続配線量を減少させることができると共に、サーボアクチュエータ1全体としての省配線化を図ることができる。
(3) Action / Effect of Servo Actuator In the
The
Then, the
さらにサーボアクチュエータ1では、回転位置検出部230が、ロータ軸11aの出力軸30と反対側の前端側に固着されたセンサ・マグネット231と、制御基板210に搭載された第1〜第4のホール素子232A、232B、232C、232Dとから形成され、センサ・マグネット231は、ロータ11のロータマグネット11Aと同じ4極に着磁され、ロータマグネット11Aと45度の位相差でロータ軸11aに偏心した状態で固定されている。
第1〜第4のホール素子232A、232B、232C、232Dは、ロータ軸11aと同心円上に、第1のホール素子232A及び第2のホール素子232Bが180度対向し、かつ第3のホール素子232C及び第4のホール素子232Dがこれら第1〜第4のホール素子232A、232B、232C、232Dと同じ方向に45度位相がずれた位置に位置するように制御基板210に搭載されている。
Further, in the
In the first to
これにより、ロータ軸11aが1回転すると、ロータ軸11aと同心円上に配置された第1のホール素子232A及び第3のホール素子232Cから出力される+SIN信号(SIN(θabs))及び+COS信号(COS(θabs))は、ロータ軸11aの回転角度によりその大きさが変化する。
係る変化する+SIN信号(SIN(θabs))及び+COS信号(COS(θabs))を予めメモリに記憶された回転位置に対する値(MSIN(θabs)、MCOS(θabs))と比較することにより、1回転絶対角度としてのロータ11の回転位置θabsを算出することができる。
As a result, when the
One rotation by comparing the changing + SIN signal (SIN (θabs)) and + COS signal (COS (θabs)) with the values (MSIN (θabs), MCOS (θabs)) for the rotation position stored in the memory in advance. The rotation position θabs of the
また、第1のホール素子232Aの+SIN信号及び第2のホール素子232Bの−SIN信号と、第3のホール素子232Cの+COS信号及び第4のホール素子232Dの−COS信号とをそれぞれ加算すると、偏心して回転することによる出力信号の変化を相殺してSIN信号及びCOS信号を得ることができ、ロータ11の磁極位置としての回転位置θmを算出することができる。
これにより、小型で低価格の1回転絶対角度を検出できる回転位置検出部230を備えたサーボアクチュエータ1を構築することができる。
Further, when the + SIN signal of the
This makes it possible to construct a
サーボアクチュエータ1では、U相、V相、W相の各コイル13は、相間を結線することなく独立して配線された3相独立結線方式を採用し、U相、V相、W相の各コイル13に対する電流Iu、Iv、Iwを、互いの干渉なく独立して制御するようにしている。そのために、すべての相に最大電流を流す電流指令を与えることができる。この結果、高速回転時には、電流軸上に大電流を流すことができ、最大限のトルクを発生し小型化を実現することができる。
また、高速回転時において永久磁石の磁束により流れる高調波電流を考慮して、各相コイル13に高調波を含む電流を流すことができ、従来利用されなかった磁束の高調波成分を加えた補正トルクを発生させ、磁気の歪みに起因するコギング・トルク及びトルク変動を抑制することができる。
In the
Further, in consideration of the harmonic current flowing due to the magnetic flux of the permanent magnet at the time of high-speed rotation, a current including harmonics can be passed through each
以上、本発明に係る実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で種々の変更を行うことが可能である。 Although the embodiments according to the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Is possible.
本実施形態においては、ロータマグネット11Aを4極に着磁するようにした場合について述べたが、これに限らず、例えば8極やこれ以外の極数に着磁するようにしても良い。そして、ロータマグネット11Aを8極に着磁した場合には、センサ・マグネット231も同数の8極とし、ホール素子は22.5度に配置することでより高トルクで脈動の少ないサーボアクチュエータとすることができる。
In the present embodiment, the case where the
1・・・サーボアクチュエータ
10・・・モータ部
11・・・ロータ
11A・・・ロータマグネット
11a・・・ロータ軸
12・・・ステータ
13・・・コイル
20・・・制御部
210・・・制御基板
211・・・1チップマイクロコンピュータ
220・・・パワー基板
221・・・パワーFET
222・・・電流検出抵抗
225・・・コイル駆動回路
230・・・回転位置検出部
231・・・センサ・マグネット
232A、232B、232C、232D・・・ホール素子
30・・・出力軸
40・・・筐体
1 ...
222 ...
Claims (2)
前記永久磁石界磁に対向配置され120度位相差で配置された極歯を有する固定子と、
前記固定子の各極歯にコイルを設けて相間を結線することなく独立して配線されたコイル結線手段と、
前記コイルの通過電流を各相独立してPWM(Pulse Width Modulation)スイッチング制御して回転子の回転を制御する駆動制御部と、
前記回転子の出力軸側と反対側の前端側に前記回転軸と偏心して取り付けられた回転子センサ・マグネットと、前記回転子センサ・マグネットと半径方向で対向するように前記駆動制御部に前記回転軸と略同心円上に第1の位相差を以って配設され磁束密度の大きさを検出する第1の回転位置センサ及び第2の回転位置センサと、前記第1の回転位置センサ及び前記第2の回転位置センサと同方向に前記第1の位相差を前記回転子センサ・マグネットの磁極数で除した第2の位相差を以って配設され磁束密度の大きさを検出する第3の回転位置センサ及び第4の回転位置センサと、からなり前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、
前記駆動制御部並びに前記回転位置検出部を一体に収容し、前記回転子を前記回転軸回りに回転可能に支持する筐体と、を備えた、
ことを特徴とするサーボアクチュエータ。 A rotor with a permanent magnet field around the axis of rotation,
A stator having polar teeth arranged opposite to the permanent magnet field and arranged with a phase difference of 120 degrees, and a stator.
A coil connecting means in which a coil is provided on each pole tooth of the stator and is independently wired without connecting the phases.
A drive control unit that controls the rotation of the rotor by controlling the passing current of the coil independently by PWM (Pulse Width Modulation) switching.
The rotor sensor magnet attached eccentrically to the rotating shaft on the front end side opposite to the output shaft side of the rotor, and the drive control unit so as to face the rotor sensor magnet in the radial direction. A first rotation position sensor and a second rotation position sensor, which are arranged on a circle substantially concentric with the rotation axis with a first phase difference and detect the magnitude of the magnetic flux density, and the first rotation position sensor and It is arranged in the same direction as the second rotation position sensor by the second phase difference obtained by dividing the first phase difference by the number of magnetic poles of the rotor sensor magnet to detect the magnitude of the magnetic flux density. A rotation position detection unit composed of a third rotation position sensor and a fourth rotation position sensor, and detecting the rotation position of the rotor ,
A housing that integrally houses the drive control unit and the rotation position detection unit and rotatably supports the rotor around the rotation axis is provided.
Servo actuator characterized by that.
ことを特徴とする請求項1に記載のサーボアクチュエータ。 The rotation position of the rotor is detected based on the + sin signal output by the first rotation position sensor and the + cos signal output by the third rotation position sensor due to one rotation of the rotor sensor magnet . A sin signal obtained by adding a + sin signal output by the first rotation position sensor and a −sin signal output by the second rotation position sensor, a + cos signal output by the third rotation position sensor, and the first rotation position sensor. The absolute angle of one rotation of the rotor is calculated by detecting the rotation angle of the rotor based on the cos signal obtained by adding the −cos signals output by the rotation position sensor of 4 .
The servo actuator according to claim 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017041193A JP6780855B2 (en) | 2017-03-05 | 2017-03-05 | Servo actuator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017041193A JP6780855B2 (en) | 2017-03-05 | 2017-03-05 | Servo actuator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018148682A JP2018148682A (en) | 2018-09-20 |
JP6780855B2 true JP6780855B2 (en) | 2020-11-04 |
Family
ID=63591738
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017041193A Active JP6780855B2 (en) | 2017-03-05 | 2017-03-05 | Servo actuator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6780855B2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7162482B2 (en) * | 2018-09-28 | 2022-10-28 | 日本電産サーボ株式会社 | motor |
JP2020054199A (en) * | 2018-09-28 | 2020-04-02 | 日本電産サーボ株式会社 | Motor and manufacturing method of motor |
CN110132118B (en) * | 2019-06-13 | 2021-11-16 | 重庆红江机械有限责任公司 | Displacement detection system based on LVDT sensor |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006149145A (en) * | 2004-11-24 | 2006-06-08 | Nsk Ltd | Drive controller of connectionless motor and electric power steering system employing it |
JP2008131678A (en) * | 2006-11-16 | 2008-06-05 | Jtekt Corp | Magnetization method of sensor magnet |
JP5252724B2 (en) * | 2009-04-16 | 2013-07-31 | 矢崎総業株式会社 | Rotation angle sensor |
JP2014010000A (en) * | 2012-06-28 | 2014-01-20 | Nikon Corp | Integral sensor and power steering device |
-
2017
- 2017-03-05 JP JP2017041193A patent/JP6780855B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2018148682A (en) | 2018-09-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8193748B2 (en) | Integrated brushless DC motor and controller | |
JP4227132B2 (en) | Resolver | |
JP5824660B2 (en) | Phase shift detection device, motor drive device, brushless motor, and phase shift detection method | |
US10312839B2 (en) | Brushless DC motor with control electronics motor assembly | |
US10298157B2 (en) | Brushless motor and electric power steering apparatus | |
JP2010011637A (en) | Permanent magnet rotary electric machine and elevator winding machine using the same | |
JP2011120444A (en) | Motor control apparatus | |
JP6780855B2 (en) | Servo actuator | |
WO2021090372A1 (en) | Multipurpose rotary encoder | |
JP3332226B2 (en) | Actuator device | |
JP6844617B2 (en) | Motor modules, motor step motion control systems, and motor controls | |
JP2012194086A (en) | Three-phase brushless motor | |
JP3402597B2 (en) | Actuator device | |
JP7291104B2 (en) | Three-phase brushless motor and method for detecting rotational position of three-phase brushless motor | |
JP2018064340A (en) | Motor controller | |
JP7186846B1 (en) | Control system for angle detector and AC rotating machine | |
WO2022185547A1 (en) | Rotary encoder and servo control device using same | |
CN114389505B (en) | Current detection device and control device for AC rotary electric machine | |
JP2021025960A (en) | Encoder device | |
CN114977945A (en) | Motor control device | |
JP2020190499A (en) | Encoder device | |
JP2023167415A (en) | Control device and control method for rotary electric machine | |
JP2006050718A (en) | Brushless motor | |
JP2000350488A (en) | Pwm output apparatus for driving three-phase brushless motor | |
JP2006050720A (en) | Brushless motor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170325 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20170325 |
|
A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20170328 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20190929 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191007 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20190930 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20191113 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20191113 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200529 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200707 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200723 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20201006 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20201008 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6780855 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |