JP6791515B1

JP6791515B1 - 回転機器制御システム及びエンコーダ

Info

Publication number: JP6791515B1
Application number: JP2019189088A
Authority: JP
Inventors: 侑宏星野
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: TW202118239A; CN112665617A; JP2021063744A

Abstract

【課題】回転機器の角度情報から、データ通信間隔に起因する遅延の影響を受けずに角度データと角速度データとを生成して回転機器を制御する。【解決手段】回転機器の回転角度を示す角度情報θを出力する回転角センサ（１２０）と、角度情報θから角度データφ及び角速度データωを生成するエンコーダ（１３０）と、角度データφ及び角速度データωから駆動信号Ｄを生成して回転機器の回転を制御するドライバ（１４０）とを備え、エンコーダ（１３０）は、角度情報θと帰還させた角度データφとの差分Δθを生成する減算部（１３１）と、差分Δθに基づいて角速度データωを生成する角速度算出部（１３２）と、角速度算出部（１３２）により生成される角速度データωを積分し、角度データφを生成する積分器（１３３）と、を有し、角速度算出部（１３２）により生成される角速度データω及び積分器（１３３）により生成される角度データφを出力する。【選択図】図１

Description

この発明は、回転機器制御システム及び回転機器制御システム用のエンコーダに関し、特に、回転機器の回転軸の回転角度を用いて回転機器の回転を高精度に制御する回転機器制御システム及び回転機器制御システム用のエンコーダに関する。

回転機器において、角度検知用の第１のセンシングデバイスと、角速度検知用の第２のセンシングデバイスとを回転機器の駆動軸に取り付けておき、ドライバが角度情報と角速度情報とを参照して回転機器の回転を制御する手法が存在する。

一方、以上のように回転機器の駆動軸に２つのセンシングデバイスを取り付けるのではなく、レゾルバまたはロータリエンコーダのような角度検知用のセンシングデバイスを１つだけ取り付け、角度情報を参照したドライバ内部の演算により角度データと角速度データとを算出し、回転機器の回転を制御する手法が存在する。このような回転機器を制御する手法が特許文献１に提案されている。

特開２０１０−２４７３０３号公報

１つのセンシングデバイスから得られた角度情報から、ドライバが角度データと各速度データとを生成する、従来の回転機器制御システムの構成を、図３により説明する。図３は、回転機器制御システムの従来の構成を示す構成図である。

図３において、回転機器制御システム１は、主に、回転機器１０と、回転角センサ２０と、エンコーダ３０と、ドライバ４０とを備えている。回転機器１０は、図示されない駆動対象物を回転駆動する駆動源としての回転機器である。回転角センサ２０は、レゾルバまたはロータリエンコーダのような角度検知用のセンシングデバイスであり、回転機器１０の回転角度を表す角度情報θを出力する。エンコーダ３０は、角度データ生成部３１と通信部３２とを備えている。角度データ生成部３１は、回転角センサ２０から得られる角度情報θから角度データφを生成する。通信部３２は、角度データ生成部３１が生成した角度データφを、一定の通信間隔Δｔ毎に、ドライバ４０に送信する。

ドライバ４０は、通信部４１と、遅延部４２と、角速度算出部４３と、駆動信号生成部４４とを、備えている。通信部４１は、エンコーダ３０からの角度データφを受信し、遅延部４２と、角速度算出部４３と、駆動信号生成部４４とに供給する。遅延部４２は、角度データφに対して通信間隔Δｔに相当する遅延を与え、遅延を与えた角度データφを角速度算出部４３に供給する。角速度算出部４３は、通信部４１から供給される最新の角度データφと、遅延部４２から供給される過去の角度データφとの差分から、角速度データωを算出し、駆動信号生成部４４に供給する。駆動信号生成部４４は、通信部４１から供給される角度データφと、角速度算出部４３から供給される角速度データωとから、駆動信号Ｄを生成して回転機器１０に供給する。

以上の回転機器制御システム１において、角度データφから角速度データωを生成する処理タイミングを図４により説明する。図４は、回転機器制御システム１の従来の処理タイミングを示す説明図である。

エンコーダ３０において、ドライバ４０からのリクエストに基づいて一定の通信間隔Δｔ毎の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４に、角度情報θ（ｔ１）〜角度情報θ（ｔ４）に基づいて、角度データ生成部３１が角度データφ（ｔ１）〜角度データφ（ｔ４）を生成し、ドライバ４０に送信する。

一方、ドライバ４０において、時刻ｔ２において、通信部４１から供給される時刻ｔ２の角度データφ（ｔ２）と、遅延部４２で遅延が与えられた時刻ｔ１の角度データφ（ｔ１）との差分により、角速度算出部４３が角速度データω（ｔ１２）を生成する。同様にして、ドライバ４０において、角速度算出部４３が、時刻ｔ３において角速度データω（ｔ２３）を生成し、時刻ｔ４において角速度データω（ｔ３４）を生成する。

ここで、時刻ｔ２において得られる角速度データω（ｔ１２）は、最新の時刻ｔ２おける角速度ではなく、前回の時刻ｔ１から最新の時刻ｔ２にかけての平均角速度を意味している。また、時刻ｔ２において得られる角速度データω（ｔ１２）は、通信間隔Δｔ分の遅延を含んだ状態になっている。このため、１つのセンシングデバイスにより得られた角度情報から角度データと各速度データとを生成して回転機器を制御する際に、エンコーダ３０とドライバ４０との間の通信間隔Δｔに起因する遅延を含まず、通信間隔Δｔにおいて平均されることのない角速度データを取得できることが望まれている。

本発明は、回転機器の回転角度を表す角度情報から角度データと角速度データとを生成して回転機器を制御する際に、データの通信間隔に起因する遅延の影響を受けることなく角度データと角速度データとを生成することができる回転機器制御システム及び回転機器制御システム用のエンコーダを提供することを目的とする。

この発明に係る回転機器制御システムは、回転機器の回転角度を表す角度情報を出力する回転角センサと、角度情報から角度データ及び角速度データを生成するエンコーダと、角度データ及び角速度データから駆動信号を生成し、駆動信号により回転機器の回転を制御するドライバとを備え、エンコーダは、生成した角度データを帰還させて、角度情報と角度データとの差分を生成する減算部と、差分に基づいて角速度データを生成する角速度算出部と、角速度算出部により生成される角速度データを積分し、角度データを生成する積分器と、を有し、角速度算出部により生成される角速度データ及び積分器により生成される角度データを出力することを特徴とする。

この発明に係る回転機器制御システム用のエンコーダは、回転機器の回転角度を表す角度情報を生成し、角度情報から角度データ及び角速度データを生成し、角度データ及び角速度データにより駆動信号を生成し、駆動信号により回転機器の回転を制御する回転機器制御システムに用いられるエンコーダであって、生成した角度データを帰還させて、角度情報と角度データとの差分を生成する減算部と、差分に基づいて角速度データを生成する角速度算出部と、角速度算出部により生成される角速度データを積分し、角度データを生成する積分器と、を有し、角速度算出部により生成される角速度データ及び積分器により生成される角度データを出力することを特徴とする。

角速度算出部から角速度データを出力する経路に、角速度データの成分を通過させるフィルタを設け、エンコーダは、フィルタを通過した角速度データを出力する。エンコーダは、角度データ及び角速度データを一定の通信間隔毎に出力する。

この発明に係る回転機器制御システムと回転機器制御システム用のエンコーダとによれば、回転機器の回転角度を表す角度情報から角度データ及び角速度データを生成し、角度データ及び角速度データから回転機器の駆動信号を生成する際に、生成した角度データを帰還させて角度情報と角度データとの差分を生成し、差分に基づいて角速度データを生成し、生成された角速度データを積分して角度データを生成し、エンコーダからドライバに角速度データ及び角度データを出力することにより、回転機器の回転角度を表す角度情報から角度データと角速度データとを生成して回転機器を制御する際に、エンコーダとドライバ間での通信間隔に起因する遅延の影響を受けることなく角度データと角速度データとを生成することができる。

この発明に係る回転機器制御システムとエンコーダとによれば、エンコーダからドライバに対して最新の時刻に対応した角度データ及び角速度データを出力するため、回転機器の回転角度を表す角度情報から角度データと角速度データとを生成して回転機器を制御する際に、角度データ及び角速度データは、エンコーダとドライバ間での通信間隔に起因する遅延の影響を受けることなく、かつ、最新のデータと通信間隔分に相当する前回の古いデータとの間で平均されることがなくなる。

本発明の実施の形態１における回転機器制御システムの構成を示す構成図である。本発明の実施の形態１における回転機器制御システムの処理タイミングを示す説明図である。回転機器制御システムの従来の構成を示す構成図である。回転機器制御システムの従来の処理タイミングを示す説明図である。

以下、本発明の回転機器制御システムの実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。

実施の形態１．
はじめに、本発明の実施の形態１における回転機器制御システム１００の基本的な構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１における回転機器制御システム１００を示す構成図である。

［回転機器制御システム１００の構成］
図１において、回転機器制御システム１００は、主に、回転機器１１０、回転角センサ１２０、エンコーダ１３０、及びドライバ１４０を備えている。

回転機器１１０は、図示されない駆動対象物を回転駆動する駆動源としての回転機器である。この回転機器１１０は、モータ、ロータリーアクチュエータ、燃料を用いて回転運動を発生する熱機関などの回転運動を行う各種の回転機器が該当し、入力されたエネルギーを回転運動に変換する機械要素である。

回転角センサ１２０は、レゾルバまたはロータリエンコーダのような角度検知用のセンシングデバイスであり、回転機器１１０の回転角度を表す角度情報θを出力する。

エンコーダ１３０は、減算部１３１、角速度算出部１３２、積分器１３３、フィルタ１３４、通信部１３５、及び帰還経路１３６を備えている。

減算部１３１は、エンコーダ１３０内で生成した角度データφを、積分器１３３の出力から帰還経路１３６を通して減算部１３１に帰還させて、入力された最新の角度情報θと帰還させた角度データφとの差分Δθを生成する。

角速度算出部１３２は、差分Δθに基づいて角速度データωを生成する。積分器１３３は、角速度算出部１３２により生成される角速度データωを積分し、角度データφを生成する。

フィルタ１３４は、角速度算出部１３２の出力に接続され、角速度算出部１３２の出力に含まれる各種不要成分を除去し、角速度データωの成分を通過させ、通過した角速度データωの成分を通信部１３５に供給する。このフィルタ１３４は、ＦＩＲフィルタ及びＩＩＲフィルタなどの各種のフィルタを使用することができる。

通信部１３５は、積分器１３３から出力される角度データφと、フィルタ１３４を通過した角速度データωとを、一定の通信間隔Δｔ毎にドライバ１４０に向けて出力する。なお、フィルタ１３４を設けずに、角速度算出部１３２の出力を通信部１３５を介して角速度データωとして出力してもよい。

ドライバ１４０は、通信部１４１と、駆動信号生成部１４２とを備えている。通信部１４１は、エンコーダ１３０から通信間隔Δｔ毎に送信される角度データφと角速度データωとを受信する。駆動信号生成部１４２は、通信間隔Δｔ毎にエンコーダ１３０から送信される角度データφと角速度データωとから、駆動信号Ｄを生成して回転機器１１０に供給する。

エンコーダ１３０とドライバ１４０との間は、ＲＳ４８５、ＲＳ４２２、またはＳＰＩなどの既知の各種の方式により通信を行う。

［回転機器制御システム１００の動作］
以上の回転機器制御システム１００において、回転機器１１０の回転角度について回転角センサ１２０が検知した検出結果である角度情報θに基づいて、角度データφ及び角速度データωを生成する処理タイミングを図２により説明する。図２は、本発明の実施の形態１における回転機器制御システム１００の処理タイミングを示す説明図である。

エンコーダ１３０は、減算部１３１、角速度算出部１３２、積分器１３３、及び帰還経路１３６による角度データφの生成と、減算部１３１と角速度算出部１３２とフィルタ１３４とによる角速度データωの生成とを、並行して実行している。

ここで、エンコーダ１３０の通信部１３５から一定の通信間隔Δｔ毎の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４に、ドライバ１４０の通信部１４１に向けて送信される角度データφと角速度データωを具体例にして説明する。

エンコーダ１３０は、ドライバ１４０からのリクエストに基づき、一定の通信間隔Δｔ毎の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４に、以下のように動作する。
時刻ｔ１において、エンコーダ１３０は、角度情報θ（ｔ１）から角度データφ（ｔ１）を生成し、これと並行して、生成した角度データφ（ｔ１）から角速度データω（ｔ１）を生成し、角度データφ（ｔ１）と角速度データω（ｔ１）とをドライバ１４０に送信する。

時刻ｔ２において、エンコーダ１３０は、角度情報θ（ｔ２）から角度データφ（ｔ２）を生成し、これと並行して、生成した角度データφ（ｔ２）から角速度データω（ｔ２）を生成し、角度データφ（ｔ２）と角速度データω（ｔ２）とをドライバ１４０に送信する。

時刻ｔ３において、エンコーダ１３０は、角度情報θ（ｔ３）から角度データφ（ｔ３）を生成し、これと並行して、生成した角度データφ（ｔ３）から角速度データω（ｔ３）を生成し、角度データφ（ｔ３）と角速度データω（ｔ３）とをドライバ１４０に送信する。

時刻ｔ４において、エンコーダ１３０は、角度情報θ（ｔ４）から角度データφ（ｔ４）を生成し、これと並行して、生成した角度データφ（ｔ４）から角速度データω（ｔ４）を生成し、角度データφ（ｔ４）と角速度データω（ｔ４）とをドライバ１４０に送信する。

以上のように、エンコーダ１３０は、ドライバ１４０からのリクエストに基づき、一定の通信間隔Δｔ毎に角度データφと角速度データωとをドライバ１４０に送信する。この通信間隔Δｔは、例えば、数十μ秒〜数百μ秒である。また、ドライバ１４０によりリクエストを受けてからエンコーダ１３０が角度データφと角速度データωとを送信するまでの時間は１μ秒〜数μ秒程度である。

本発明の実施の形態１の回転機器制御システム１００によれば、エンコーダ１３０において、生成した角度データφを帰還させて角度情報θと角度データφとの差分Δθを生成し、差分Δθに基づいて角速度データωを生成し、生成された角速度データωを積分して角度データφを生成し、角速度データω及び角度データφを出力することにより、回転機器１１０の回転角度を表す角度情報θから角度データφと角速度データωとを生成して回転機器１１０を制御する際に、通信間隔Δｔに起因する遅延の影響を受けることなく角度データφと角速度データωとを生成することができる。

本発明の実施の形態１の回転機器制御システム１００によれば、エンコーダ１３０からドライバ１４０に対して最新の時刻に対応した角度データφ及び角速度データωを出力するため、回転機器１１０の回転角度を表す角度情報θから角度データφと角速度データωとを生成して回転機器１１０を制御する際に、角度データφ及び角速度データωは、通信間隔Δｔに起因する遅延の影響を受けることなく、かつ、最新のデータと通信間隔分に相当する前回の古いデータとの間で平均されることがなくなる。

なお、以上の説明において、エンコーダ１３０において最新の時刻に対応した角度データφ及び角速度データωを出力するのに要する時間は１μ秒から数μ秒程度である。一方、エンコーダ１３０とドライバ１４０との間の通信間隔Δｔは、数十μ秒から数百μ秒である。このため、発明の実施の形態１の回転機器制御システム１００によれば、従来の回転機器制御システムにおいて通信間隔Δｔに起因して発生していた数十μ秒から数百μ秒の遅延の悪影響と、最新のデータと数十μ秒から数百μ秒の古いデータとの間の平均による悪影響とが解消する。

［回転機器制御システム１００の角速度分解能］
以下、図３に示した従来の回転機器制御システム１により得られる角速度データωの角速度分解能δω_oldと、図１に示した本発明の実施の形態１の回転機器制御システム１００により得られる角速度データωの角速度分解能δω_newとについて、具体的な数値により比較して説明する。

従来の回転機器制御システム１において、エンコーダ３０が２５ビットの演算精度を有する場合の分解能δ＝３６０°／２²⁵、エンコーダ３０からドライバ４０への通信間隔Δｔ＝５０μ秒、とした場合、角速度データωの１分間あたりの角速度分解能δω_oldは、以下の式で表すことができる。
δω_old
＝（３６０°／２²⁵）×（１／５０μ秒）×（６０秒／３６０°）
＝０．０３５７６ｒｐｍ、となる。

この従来の角速度分解能δω_oldには、エンコーダ３０からドライバ４０への通信間隔Δｔ＝５０μ秒の遅延が含まれている。ここで、通信間隔Δｔを大きくすることにより角速度分解能δω_oldを高めることが可能であるが、含まれる遅延が更に大きくなる問題が生じる。一方、通信間隔Δｔを小さくすることにより遅延を小さくすることができるが、角速度分解能δω_oldが低下する別の問題が生じる。

一方、本発明の実施の形態１の回転機器制御システム１００において、エンコーダ１３０の動作クロック周波数＝２０ＭＨｚ、角速度算出部１３２において角速度を算出する制御則の演算が３２ビットの出力であり、回転角センサ１２０の源信分解能＝１／２０４８、とした場合、角速度データωの１分間あたりの角速度分解能δω_newは、以下の式で表すことができる。
δω_new
＝２０ＭＨｚ×（１／２³²）×（６０秒／２０４８）
＝０．０００１３６４ｒｐｍ、となる。

本発明の実施の形態１における角速度分解能δω_newは、従来の角速度分解能δω_oldと比較して高精度であることに加え、従来のような通信間隔Δｔに起因する遅延は含まれないという特徴を有する。
なお、エンコーダ１３０において、角速度算出部１３２は動作周波数のクロックに基づいて角速度データωを算出しているが、２０ＭＨｚにおける１クロックの間隔は０．０５μ秒である。角速度データωの算出を１クロックで行えば０．０５μ秒、２クロックで行えば０．１０μ秒であり、いずれにしても、従来の５０μ秒程度の通信間隔Δｔに比べると無視できる小さな値である。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態１の回転機器制御システム１００と、回転機器制御システム１００用のエンコーダ１３０とによれば、エンコーダ１３０において、生成した角度データφを帰還させて角度情報θと角度データφとの差分Δθを生成し、差分Δθに基づいて角速度データωを生成し、生成された角速度データωを積分して角度データφを生成し、エンコーダ１３０からドライバ１４０に角速度データω及び角度データφを出力することにより、回転機器１１０の回転角度を表す角度情報θから角度データφと角速度データωとを生成して回転機器１１０を制御する際に、エンコーダ１３０とドライバ１４０間での通信間隔に起因する遅延の影響を受けることなく角度データφと角速度データωとを生成することができる。

本発明の実施の形態１の回転機器制御システム１００と、回転機器制御システム１００用のエンコーダ１３０とによれば、エンコーダ１３０からドライバ１４０に対して最新の時刻に対応した角度データφ及び角速度データωを出力するため、回転機器１１０の回転角度を表す角度情報θから角度データφと角速度データωとを生成して回転機器１１０を制御する際に、角度データφ及び角速度データωは、エンコーダ１３０とドライバ１４０間での通信間隔に起因する遅延の影響を受けることなく、かつ、最新のデータと通信間隔分に相当する前回の古いデータとの間で平均されることがなくなる。

［その他の実施の形態］
図１に示した回転機器制御システム１００の構成において、通信部１３５と通信部１４１との間の角速度データωと角度データφとの通信を並行して行うように示しているが、シリアル通信により同じ信号線を通して角速度データωと角度データφとを送受信することが可能である。

以上の説明において、従来の角速度分解能δω_oldと本発明の実施の形態１における角速度分解能δω_newとの比較説明における数値は一例であり、本発明の実施の形態１の回転機器制御システム１００とエンコーダ１３０においては以上の説明と異なる数値を用いて制御することが可能である。

図１に示した回転機器制御システム１００の構成において、図示されないコントローラまたはプロセッサを加えて回転機器１１０の回転を制御することが可能である。回転機器制御システム１００にコントローラまたはプロセッサを加えた場合でも、回転機器１１０の回転角度を表す角度情報θから角度データφと角速度データωとを生成して回転機器１１０を制御する際に、エンコーダ１３０とドライバ１４０間での通信間隔に起因する遅延の影響を受けることなく角度データφと角速度データωとを生成することができる。

図１に示した回転機器制御システム１００の構成において、回転角センサ１２０とエンコーダ１３０とを一体に構成することが可能であり、例えば、エンコーダ１３０として内部に回転角センサ１２０を含めてもよい。

１００回転機器制御システム、１１０回転機器、１２０回転角センサ、１３０エンコーダ、１３１減算部、１３２角速度算出部、１３３積分器、１３４フィルタ、１３５通信部、１３６帰還経路、１４０ドライバ、１４１通信部、１４２駆動信号生成部、Ｄ駆動信号、θ 角度情報、φ 角度データ、ω 角速度データ。

Claims

回転機器（１１０）の回転角度を表す角度情報θを出力する回転角センサ（１２０）と、
前記角度情報θから角度データφ及び角速度データωを生成するエンコーダ（１３０）と、
前記角度データφ及び前記角速度データωから駆動信号Ｄを生成し、前記駆動信号Ｄにより前記回転機器（１１０）の回転を制御するドライバ（１４０）と
を備え、
前記エンコーダ（１３０）は、
生成した前記角度データφを帰還させて、前記角度情報θと前記角度データφとの差分Δθを生成する減算部（１３１）と、
前記差分Δθに基づいて前記角速度データωを生成する角速度算出部（１３２）と、
前記角速度算出部（１３２）により生成される前記角速度データωを積分し、前記角度データφを生成する積分器（１３３）と、
を有し、前記角速度算出部（１３２）により生成される前記角速度データω及び前記積分器（１３３）により生成される前記角度データφを出力する
ことを特徴とする回転機器制御システム。
前記角速度算出部（１３２）から前記角速度データωを出力する経路に、前記角速度データωの成分を通過させるフィルタ（１３４）を設け、
前記エンコーダ（１３０）は、前記フィルタ（１３４）を通過した前記角速度データωを出力する
請求項１に記載の回転機器制御システム。
前記エンコーダ（１３０）は、前記角度データφ及び前記角速度データωを一定の通信間隔Δｔ毎に出力する
請求項１または請求項２に記載の回転機器制御システム。
回転機器（１１０）の回転角度を表す角度情報θを生成し、前記角度情報θから角度データφ及び角速度データωを生成し、前記角度データφ及び前記角速度データωにより駆動信号Ｄを生成し、前記駆動信号Ｄにより前記回転機器（１１０）の回転を制御する回転機器制御システムに用いられるエンコーダ（１３０）であって、
生成した前記角度データφを帰還させて、前記角度情報θと前記角度データφとの差分Δθを生成する減算部（１３１）と、
前記差分Δθに基づいて前記角速度データωを生成する角速度算出部（１３２）と、
前記角速度算出部（１３２）により生成される前記角速度データωを積分し、前記角度データφを生成する積分器（１３３）と、
を有し、前記角速度算出部（１３２）により生成される前記角速度データω及び前記積分器（１３３）により生成される前記角度データφを出力する
ことを特徴とするエンコーダ。
前記角速度算出部（１３２）から前記角速度データωを出力する経路に、前記角速度データωの成分を通過させるフィルタ（１３４）を設け、
前記フィルタ（１３４）を通過した前記角速度データωを出力する
請求項４に記載のエンコーダ。
前記角度データφ及び前記角速度データωを一定の通信間隔Δｔ毎に出力する
請求項４または請求項５に記載のエンコーダ。