JP6780855B2 - Servo actuator - Google Patents

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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).

特開2002−199771号公報JP-A-2002-199771 特開2012−088276号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-08726

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 claim 1 is used.
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.

請求項記載の発明は、請求項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 claim 1 .
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 .

本実施形態に係るサーボアクチュエータの全体構成を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the servo actuator which concerns on this embodiment. ロータ及びステータの位置関係を示す断面略線図である。It is sectional drawing which shows the positional relationship of a rotor and a stator. (a)はロータとセンサ・マグネットの構成を示す断面模式図、(b)はロータの磁極配置を示す略線図、(c)はセンサ・マグネットの磁極配置を示す略線図である。(A) is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the rotor and the sensor magnet, (b) is a schematic diagram showing the magnetic pole arrangement of the rotor, and (c) is a schematic diagram showing the magnetic pole arrangement of the sensor magnet. (a)は制御基板の構成を示す概略図、(b)はセンサ・マグネットと第1〜第4のホール素子の配置を示す略線図である。(A) is a schematic diagram showing the configuration of the control board, and (b) is a schematic diagram showing the arrangement of the sensor magnet and the first to fourth Hall elements. 回転位置検出部におけるロータ軸の回転に伴うセンサ・マグネットと第1〜第4のホール素子の位置関係を示す略線図である。It is a schematic diagram which shows the positional relationship between a sensor magnet and the 1st to 4th Hall elements with rotation of a rotor shaft in a rotation position detection part. (a)は回転位置検出部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である。(A) is a schematic diagram showing the configuration of the rotation position detection unit, (b) is a characteristic curve diagram showing the waveform of the one-rotation absolute angle signal, and (c) is a characteristic curve diagram showing the waveform of the rotor shaft magnetic pole angle signal. is there. (a)はパワー基板の構成を示す概略図、(b)はコイル駆動回路の構成を示す図である。(A) is a schematic diagram showing the configuration of a power board, and (b) is a diagram showing the configuration of a coil drive circuit. 1チップマイクロコンピュータの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a 1-chip microcomputer. (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である。(A) is a characteristic curve diagram showing a waveform of a one-turn absolute angle signal, and (b) is a characteristic curve diagram showing memory data. 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である。It is a flowchart which shows the flow of the process of calculating 1 rotation absolute angle. 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である。It is a figure which shows the structure of the feedback type trucking circuit for obtaining a rotation position from a rotor shaft magnetic pole angle signal. コイル駆動回路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である。It is a timing chart which shows the transistor gate signal and the current command of a coil drive circuit. (a)は本実施形態に係る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、(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。(A) is a diagram showing the relationship between the drive current and the torque ripple with respect to the current command in the servo actuator according to the present embodiment, and (b) is a diagram showing the relationship between the drive current and the torque ripple with respect to the current command in the servo actuator of the conventional example. is there.

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 servo actuator 1 according to the present embodiment, FIG. 2 is a schematic cross-sectional diagram showing the positional relationship between the rotor 11 and the stator 12, and FIG. (A) is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the rotor 11 and the sensor magnet 231; (b) is a schematic diagram showing the magnetic pole arrangement of the rotor 11, and (c) is a schematic diagram showing the magnetic pole arrangement of the sensor magnet 231. 4A is a schematic diagram showing the configuration of the control board 210, FIG. 4B is a schematic diagram showing the arrangement of the sensor magnet 231 and the first to fourth Hall elements 232, and FIG. 5 is a rotation position detection unit. FIG. 6A is a schematic diagram showing the positional relationship between the sensor magnet 231 and the first to fourth Hall elements 232 accompanying the rotation of the rotor shaft 11a in 230, and FIG. 6A is a schematic diagram showing the configuration of the rotation position detection unit 230. , (B) is a characteristic curve diagram showing a waveform of a one-turn absolute angle signal, (c) is a characteristic curve diagram showing a waveform of a rotor shaft magnetic pole angle signal, and FIG. 7 (a) is a schematic diagram showing a configuration of a power substrate 220. , (B) is a diagram showing the configuration of the coil drive circuit 225.
Hereinafter, the overall configuration and operation of the servo actuator 1 will be described with reference to the drawings.

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 servo actuator 1 includes a motor unit 10 that generates rotational torque, a control unit 20 that controls the rotation of the motor unit 10, and an output shaft 30 that outputs the rotational torque generated by the motor unit 10 without going through a speed reducer. , It is composed of a housing 40 that integrally accommodates these.

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 motor unit 10 is provided with a rotor 11 as a rotor rotatably supported by rotary bearings 41 and 42 inside a housing 40 made of a conductive material such as metal (see FIG. 3A). .. As shown in FIG. 3B, the rotor 11 is formed by coaxially integrating a rotor magnet 11A, which is a permanent magnet magnetized in four poles, with a rotor shaft 11a.

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 rotor 11. In the stator 12, six stator cores 12A to 12F having pole teeth 12a are fixed at equal intervals (60 degree intervals), and each of the stator cores 12A to 12F is wound and coil 13 (13A to 13F). ) Is formed.
Each of the stator cores 12A to 12F is divided in the circumferential direction thereof, and after the coils 13 are wound in an aligned manner on the outside, the stator 12 is formed by assembling the respective stator cores 12A to 12F (see FIG. 2). This enables high-density winding around the core and space saving of the servo actuator 1.

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 motor unit 10, the two coils 13A and 13D, 13B and 13E, 13C and 13F (three sets in total) facing 180 degrees are designated as U-phase, V-phase and W-phase, respectively, and these U-phase and V-phase are used. A drive current is applied to each of the phase and W phase coils 13 with a phase difference of 120 degrees to form a magnetic field, and a rotational torque of a magnitude corresponding to the current value of the drive current is generated via the rotor 11. It is designed to let you.

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 servo actuator 1 according to the present embodiment, the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13 are independently wired without connecting the phases (hereinafter, referred to as a three-phase independent connection method). ) Is adopted, and the currents Iu, Iv, and Iw for each of the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13 are controlled independently without mutual interference.

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 control board 210 as a drive control unit that controls the rotation angle, rotation speed, rotation torque, etc. of the output shaft 30, and a power board that supplies a drive current to each coil 13 under the control of the control board 210. It is composed of 220 and a rotation position detection unit 230 that detects the absolute angle of one rotation and the position of the magnetic pole of the rotor 11, and is housed integrally with the motor unit 10 in the housing 40.

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 control board 210 has a 1-chip microcomputer 211 mounted on one side of a printed wiring board formed in a rectangular shape in accordance with the housing 40, and a rotation position on the other side. It is configured by mounting the first to fourth Hall elements 232A, 232B, 232C, and 232D of the detection unit 230.

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 position detection unit 230 includes a sensor magnet 231 fixed to the front end side of the rotor shaft 11a opposite to the output shaft 30, and first to fourth Hall elements as rotation position sensors mounted on the control board 210. It is formed of 232A, 232B, 232C, and 232D.
As shown in FIG. 3C, the sensor magnet 231 is magnetized in the same four poles as the rotor magnet 11A of the rotor 11, and is eccentric to the rotor shaft 11a with a phase difference of 45 degrees from the rotor magnet 11A (eccentricity e). : It is fixed in the state shown in FIG. 4 (b)).

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 fourth Hall elements 232A, 232B, 232C, and 232D, the first Hall element 232A and the second Hall element 232B are 180 on a concentric circle with the rotor shaft 11a. The third Hall element 232C and the fourth Hall element 232D are positioned so as to be opposed to each other by 45 degrees in the same direction as the first to fourth Hall elements 232A, 232B, 232C, and 232D. It is mounted on the control board 210.

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 position detection unit 230, since the sensor magnet 231 is fixed to the rotor shaft 11a in an eccentric state (eccentricity amount: e), when the rotor shaft 11a makes one rotation, it is shown in FIG. As described above, the distance between the sensor magnet 231 and the first to fourth Hall elements 232A, 232B, 232C, and 232D changes with the rotation of the rotor shaft 11a.
As a result, in the rotation position detection unit 230, the first to fourth Hall elements 232A, 232B, 232C, and 232D are arranged so that the rotational displacement of the rotor 11 is caused by the rotation of the sensor magnet 231 that rotates integrally with the rotor 11. It can be detected as a change in magnetic flux density at a position.

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 position detection unit 230 shown in FIG. 6A, the rotational displacement of the rotor 11 is measured by the magnetic flux density Φ (the magnetic flux density Φ) at the arrangement positions of the first Hall element 232A and the third Hall element 232C accompanying the rotation of the rotor shaft 11a. It is detected as a change in θabs), and the detection results are used as the first and second absolute angle signals S1A and S1B of the waveforms given by SIN (θabs) and COS (θabs) as shown in FIG. 6B, respectively. It can be output.
Further, as shown in FIG. 6C, the outputs of the first Hall element 232A and the second Hall element 232B and the outputs of the third Hall element 232C and the fourth Hall element 232D are added, respectively. , 1st and 2nd rotor shaft pole angle signals S2A and S2B can be output.

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 control board 210, the one-chip microcomputer 211 can communicate with the host device via the serial communication line via the host communication interface (I / F).

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-chip microcomputer 211 includes the specified values of the rotation angle, rotation speed, or rotation torque of the output shaft 30 given by the host device (hereinafter, referred to as the designated rotation angle, the designated rotation speed, and the designated rotation torque, respectively), the first, and The second one-rotation absolute angle signals S1A and S1B, the first and second rotor shaft magnetic pole angle signals S2A and S2B, and the first to third drive current detection signals S3A to supplied from the power board 220 described later. Based on S3C, the current values of the drive currents to be applied to the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13 (hereinafter referred to as the first to third current command values, respectively) are calculated, and these are calculated. The first to third current command values are sent to the power board 220.

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 coil drive circuits 225 shown in FIG. 7B are formed on the power board 220 on one surface side of a printed wiring board formed rectangularly in accordance with the housing 40. The power FET 221 and the current detection resistor 222 of the above are mounted.
The power board 220 is a U-phase, V-phase, and W-phase coil 13 (13A to 13F) of the motor unit 10 based on the first to third current command values given by the one-chip microcomputer 211 of the control board 210. ), The rotor 11 of the motor unit 10 is rotationally driven by applying a drive current having a corresponding current value.

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 power substrate 220 detects the current value of the drive current applied to each of the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13 by the current detection resistor 222, and the detection result is the first to third. The drive current detection signals S3A to S3C are sent to the control board 210.

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 servo actuator 1, the designated rotation angle, the designated rotation speed, or the designated rotation torque given by the host device by the control circuit including the one-chip microcomputer 211 of the control board 210 and the coil drive circuit 225 of the power board 220. The motor unit 10 is driven according to the above.

(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-chip microcomputer 211, FIG. 9 (a) is a characteristic curve diagram showing a waveform of an absolute angle signal of one rotation, and (b) is a characteristic curve diagram showing memory data. 10 is a flowchart showing the flow of processing for calculating the absolute angle of one rotation, FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a feedback type trucking circuit for obtaining a rotation position from a rotor shaft magnetic pole angle signal, and FIG. 12 is a coil drive circuit. A diagram showing a timing chart showing a transistor gate signal of 225 and a current command, FIG. 13 (a) is a diagram showing the relationship between a drive current and a torque ripple with respect to a current command in the servo actuator 1, and FIG. 13 (b) is a conventional servo actuator. It is a figure which shows the relationship of the drive current and torque ripple with respect to a current command.
Hereinafter, the motor rotation control of the servo actuator 1 will be described with reference to the drawings.

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-chip microcomputer 211 includes a software servo unit 50, a rotor shaft position detection unit 51, a current control unit 52, a CPU, a ROM, a RAM, a register, and the like (not shown).
The current control unit 52 converts a current axis current command or a torque command into a current flowing through each phase coil 13 and controls the phase advance of each coil current with respect to the phase conversion-phase advance control unit 52A and each phase coil 13. A current command unit 52B that gives a command to flow the maximum current, and a PWM conversion unit 52C arranged for each coil so as to independently control the current of each coil based on the current command from the current command unit 52B. It is composed of.

(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 position detection unit 51 digitally outputs the first and second absolute angle signals S1A and S1B output from the first Hall element 232A and the third Hall element 232C. The rotation position θabs of the rotor 11 is calculated from the first and second absolute angle data D1A and D1B obtained by conversion and stored in the register.

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 sensor magnet 231 according to the present embodiment is magnetized to the same four poles as the rotor magnet 11A of the rotor 11 and is fixed in an eccentric state (eccentricity e: see FIG. 4) with respect to the rotor shaft 11a. When the rotor shaft 11a makes one rotation, the + SIN signals as the one-turn absolute angle signals S1A and S1B output from the first Hall element 232A and the third Hall element 232C arranged concentrically with the rotor shaft 11a (SIN (SIN). The magnitudes of the θabs)) and the + COS signal (COS (θabs)) change depending on the rotation angle of the rotor shaft 11a (see FIG. 9A).

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 rotor 11 as one rotation absolute angle can be calculated.

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 rotor 11 as one rotation absolute angle from the changing + SIN signal (SIN (θabs)) and + COS signal (COS (θabs)).
The one-chip microcomputer 211 detects SIN (θabs) and COS (θabs) output from the first Hall element 232A and the third Hall element 232C, and temporarily stores them in the RAM (S101).
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 rotor 11 is determined (S104).
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 rotor 11 as one rotation absolute angle from the + SIN signal (SIN (θabs)) and + COS signal (COS (θabs)) output from the first Hall element 232A and the third Hall element 232C. The position θabs can be specified.

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 first Hall element 232A and the third Hall element 232C in θabs. It is memory data whose size is digitally converted, and the resolution is determined by the resolution of an AD (analog-to-digital) converter. Specifically, when the AD converter has a resolution of 10 bits, 2π / 1024 has a resolution of θabs.

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 position detection unit 51 includes the output (+ SIN) of the first Hall element 232A, the output (-SIN) of the second Hall element 232B, the output (+ COS) of the third Hall element 232C, and the fourth. The first and second rotor axis magnetic pole angle signals S2A (SIN signal) and S2B (COS signal) obtained by adding the output (-COS) of the Hall element 232D of the above are digitally converted, and the first and second rotor shaft angle signals obtained are obtained. The rotor shaft pole angle data D2A and D2B of the above are input to the software servo unit 50 and the phase conversion-phase advance control unit 52A.

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 sensor magnet 231 according to the present embodiment is fixed to the rotor shaft 11a in an eccentric state (eccentricity amount: e), when the rotor shaft 11a makes one rotation, the second Hall element 232B and the fourth Hall element 231 The Hall element 232D also outputs a −SIN signal and a −COS signal that change symmetrically with the + SIN signal and the + COS signal output from the first Hall element 232A and the third Hall element 232C, respectively.

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 first Hall element 232A and the −SIN signal of the second Hall element 232B are added, the + COS signal of the third Hall element 232C and the −COS signal of the fourth Hall element 232D are added, respectively. , The change in the output signal due to the eccentric rotation can be canceled out to obtain the SIN signal and the COS signal (see FIG. 6C).

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 position detection unit 51 calculates the rotation position θm as the magnetic pole position of the rotor 11 based on the first and second rotor shaft pole angle data D2A and D2B, stores it in the register, and performs phase conversion-advance. It is sent to the phase control unit 52A.
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 software servo unit 50 has the rotation position θabs as one rotation absolute angle of the rotor 11 stored in the register, the rotation position θm as the magnetic pole position of the rotor 11, and the designated rotation given by the host device. Based on the angle, the specified rotation speed, or the specified rotation torque, the target rotation torque (hereinafter referred to as the target rotation torque) T0 is calculated and stored in the register.

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 advance control unit 52A has U-phase, V-phase, and W-phase coils based on the calculated target rotation torque T0 and the rotation position θm of the rotor 11 given by the rotor shaft position detection unit 51. The first to third current command values Iu-ref, Iv-ref, and Iw-ref, which represent the current values of the drive currents to be applied to 13, are calculated and sent to the current command unit 52B, respectively.

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 current control unit 52 receives the first to third drive currents obtained by digitally converting the first to third drive current detection signals S3A to S3C detected by the current detection resistor 222 of the coil drive circuit 225. Detection data D3A to D3C are given.

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 current control unit 52 is based on the first to third current command values Iu-ref, Iv-ref, Iw-ref and the first to third drive current detection data D3A to D3C. PWM (Pulse Width Modulation) modulation is performed on the first to third current command values Iu-ref, Iv-ref, and Iw-ref, and the obtained first to third PWM signals S4A to S4C are used on the power board 220. It is sent to the coil drive circuit 225.

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 coil drive circuit 225, as shown in FIG. 7B, a circuit in which two transistors TR1 and TR2 are connected in opposite directions corresponding to each of the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13 is used. Similarly, in a full bridge circuit including a circuit in which two transistors TR3 and TR4 are connected in opposite directions, an intermediate point between the transistors TR1 and TR2 and an intermediate point between the transistors TR3 and TR4 are connected by a U-phase coil 13. The V phase and the W phase are also configured by the same circuit.

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 coil drive circuit 225, the first to third PWM signals S4A to S4C are converted into drive currents Iu, Iv, and Iw for each of the U phase, V phase, and W phase, and these are supported respectively. It is designed to be applied to each of the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13.

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 coil drive circuit 225, the magnitudes of the drive currents Iu, Iv, and Iw supplied to the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13 are detected by the current detection resistors 222, and the detection results are obtained from the first to first. The drive current detection signals S3A to S3C of No. 3 are sent to the one-chip microcomputer 211.

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 current control unit 52 gives a command to flow the maximum current to each of the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13. Conventional 3-phase coil star-type or delta-type connection method In the coil connection method, the total current amount of U-phase, V-phase, and W-phase is zero (Kirchhoff's law), so the drive currents Iu, Iv, and Iw The maximum value is decided.
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 coil 13 of the stator 12 in a three-phase independent wiring system, the harmonic current flowing due to the magnetic flux of the permanent magnet at the time of high-speed rotation is taken into consideration, and the coil 13 is harmonically tuned to each phase coil. A current including waves can be passed. That is, the correction torque can be generated by controlling the coil current, and the cogging torque and torque fluctuation caused by the magnetic distortion can be suppressed.

(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 servo actuator 1 according to the present embodiment, the U phase is used in the one-chip microcomputer 211 of the control board 210 based on the designated rotation angle, the designated rotation speed, or the designated rotation torque given by the host device. The current command values Iu-ref, Iv-ref, and Iw-ref of the drive currents Iu, Iv, and Iw to be applied to each of the V-phase and W-phase coils 13 are calculated, and the calculated current command values Iu-ref, The PWM signals S4A to S4C based on Iv-ref and Iw-ref are sent to the coil drive circuit 225 of the power board 220.
The coil drive circuit 225 generates drive currents Iu, Iv, and Iw based on the supplied PWM signals S4A to S4C, and applies these to the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13 to rotate the rotor 11. Drive.
Then, the control board 210 and the power board 220 as the drive control unit for controlling the rotation of the rotor 11 are integrally housed inside the rotor 11, the stator 12 including the stator cores 12A to 12F and the coil 13, and the housing 40. Therefore, the amount of wiring to be connected to the outside can be reduced, and the wiring of the servo actuator 1 as a whole can be reduced.

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 servo actuator 1, the rotation position detection unit 230 has a sensor magnet 231 fixed to the front end side of the rotor shaft 11a opposite to the output shaft 30, and first to fourth holes mounted on the control board 210. Formed from the elements 232A, 232B, 232C, and 232D, the sensor magnet 231 was magnetized to the same four poles as the rotor magnet 11A of the rotor 11 and eccentric to the rotor shaft 11a with a phase difference of 45 degrees from the rotor magnet 11A. It is fixed in the state.
In the first to fourth Hall elements 232A, 232B, 232C, and 232D, the first Hall element 232A and the second Hall element 232B face each other 180 degrees on a concentric circle with the rotor shaft 11a, and the third Hall element The 232C and the fourth Hall element 232D are mounted on the control board 210 so as to be located at positions shifted by 45 degrees in the same direction as the first to fourth Hall elements 232A, 232B, 232C, and 232D.

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 rotor shaft 11a makes one rotation, the + SIN signal (SIN (θabs)) and + COS signal (SIN (θabs)) and + COS signals output from the first Hall element 232A and the third Hall element 232C arranged concentrically with the rotor shaft 11a ( The size of COS (θabs)) changes depending on the rotation angle of the rotor shaft 11a.
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 rotor 11 as an absolute angle can be calculated.

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 first Hall element 232A and the −SIN signal of the second Hall element 232B, the + COS signal of the third Hall element 232C and the −COS signal of the fourth Hall element 232D are added, respectively, The SIN signal and the COS signal can be obtained by canceling the change in the output signal due to the eccentric rotation, and the rotation position θm as the magnetic pole position of the rotor 11 can be calculated.
This makes it possible to construct a servo actuator 1 provided with a rotation position detection unit 230 capable of detecting a small and inexpensive one rotation absolute angle.

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 servo actuator 1, each of the U-phase, V-phase, and W-phase coils 13 adopts a three-phase independent connection method in which the U-phase, V-phase, and W-phase coils are independently wired without connecting the phases. The currents Iu, Iv, and Iw with respect to the coil 13 are controlled independently without interfering with each other. Therefore, it is possible to give a current command to pass the maximum current to all phases. As a result, during high-speed rotation, a large current can flow on the current shaft, maximum torque can be generated, and miniaturization can be realized.
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 phase coil 13, and correction by adding a harmonic component of magnetic flux which has not been used conventionally. It is possible to generate torque and suppress cogging torque and torque fluctuation caused by magnetic distortion.

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 rotor magnet 11A is magnetized to 4 poles has been described, but the present invention is not limited to this, and for example, 8 poles or other poles may be magnetized. When the rotor magnet 11A is magnetized to 8 poles, the sensor magnet 231 also has the same number of 8 poles, and the Hall elements are arranged at 22.5 degrees to obtain a servo actuator with higher torque and less pulsation. be able to.

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 ... Servo actuator 10 ... Motor unit 11 ... Rotor 11A ... Rotor magnet 11a ... Rotor shaft 12 ... Stator 13 ... Coil 20 ... Control unit 210 ... Control Board 211 ... 1-chip microcomputer 220 ... Power board 221 ... Power FET
222 ... Current detection resistor 225 ... Coil drive circuit 230 ... Rotational position detector 231 ... Sensor magnet 232A, 232B, 232C, 232D ... Hall element 30 ... Output shaft 40 ...・ Housing

Claims (2)

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.
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.
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