JPH0340592B2

JPH0340592B2 -

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Publication number: JPH0340592B2
Application number: JP57154734A
Authority: JP
Priority date: 1981-09-07
Filing date: 1982-09-07
Publication date: 1991-06-19
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Description

【発明の詳細な説明】本発明はリニアモータ及びその制御回路に関す
る。

ロータリ及びリニアモータの多くの形状の制御
回路がある。このような回路の一般的な目的はモ
ータの速度及び位置移動を外部から与えられるパ
ラメータに従つて正確に制御可能とすることであ
る。しかしながら迅速且つ正確な変換及び位置制
御を達成することが困難であるため、リニアモー
タは高速印字プリンタ等の多くの応用においてあ
まり有利ではない。

モータを制御する従来の位置サーボにおいて、
位置表示デジタル語の全ビツトが位置トランスジ
ユーサによりクロツクされる位置カウンタから引
き出される。このカウンタはリニアモータがオン
とされるたびにリセツトしなければならず、これ
を行うには通常電機子を固定子に対して既知の位
置へ自動的に移動させてリセツトスイツチを作動
させそれがカウンタをリセツトする。しかしなが
らリセツトスイツチが作動する正確な位置は完全
に一定ではなく、位置カウンタの出力の少くとも
低位ビツトは疑わしいことが多い。後述するよう
にこれによつてモータが所望の位置において回転
止めされることが防止される。本発明は位置カウ
ンタの最低位もしくは低位ビツトの替りに、位置
トランスジユーサから得られる１もしくは数ビツ
トを位置カウンタをバイパスするゲート回路によ
り合成してモータを所望の「回転止め」位置に拘
束可能とする。こうして本発明に従つたサーボ装
置は特許請求の範囲第１項に記載の特徴を有する
ことができる。他の項に記載の他の特徴は単独も
しくは互いに組み合せて使用することができる。
それらは図面を参照として完全に後記されてい
る。

第１図は本発明を具現した制御回路に接続され
た一形状のリニアモータの概要を示す。リニアモ
ータは我々の英国特許出願第8114596号に完全に
記載された形状のものであり、その開示は引用に
よりここに組み入れるが図示せぬ磁石と同じ長さ
の間隔ブロツクによりモータに沿つて等距離に配
置された永久磁石１１を収容した筒状固定子１０
を有している。固定子は適正なシヤーシに固定さ
れている。電機子１２はモータの長さに沿つて自
由に移動できる。この電機子はここにコイル１及
びコイル２として示す本質的に２個のコイルを有
している。コイルを所定シーケンスで励起するこ
とにより電機子が固定子に沿つて移動する。位置
感知トランスジユーサ装置１３が電機子１２に固
定されている。これはブロツク１６内に載置され
た２個の光電装置１４及び１５を有している。光
学目盛線１７がモータの長さに沿つて走つてい
る。図示せぬ発光源により光が目盛線を通つて光
電装置（セル）１４及び１５上に進む。目盛線及
びトランスジユーサ装置はモータに沿つた電機子
の絶対位置のみならず、固定子に対する電機子の
位置に関する情報を制御回路に与える。

次に第２ａ図に関して目盛線及びトランスジユ
ーサ装置の説明を行う。

一般的に符号１３に示す位置トランスジユーサ
は透明材料で出来た目盛線１７を有し、その表面
１７ａ上に規則正しく配置された一連の平行な暗
マーク１７ｂが引かれており、これらのマーク１
７ｂは各々同じ幅でありその幅に等しい距離だけ
離れている。目盛線１７の一方側にはホトトラン
ジスタとすることが望ましい２個の光電装置１４
及び１５が配置されており、第１図に示すように
モータの電機子１２に固定されたブロツク１６内
に載置されている。光電装置と目盛線１７との間
には透明材料の板１８が配置されており、それも
ブロツク１６に固定されている。この板１８は２
部分１９及び２０を有し、それにもマーク１７ｂ
に対応する暗マーク２１が引かれている。２部分
１９及び２０上のマークは目盛線１７の長さ方向
に90°の位相変移を有している。光電装置（ホト
トランジスタ）１４及び１５は各部１９及び２０
及び目盛線１７を通して目盛線１７の反対側に配
置され且つ図示せぬ腕により載置ブロツク１６に
固定された光源２２及び２３を向いている。

第2b図(i)及び(ii)から判るように光電装置（ホ
トトランジスタ）１４及び１５の出力は距離と共
にほぼ正弦状に変化し、２つの信号の位相は互い
に90°異つている。

次の説明から明らかなように、２個の光電装置
（ホトトランジスタ）１４及び１５を使用して90°
位相の異つた信号を発生することにより、位置検
出器１３の解像度は光の波長及び目盛線１７上の
暗ストライプの1/4となる。一実施例においてこ
れらのストライプの波長は0.32mm（1/8インチ）
であり、位相検出器の解像度は全体として0.08mm
（1/320インチ）であつた。これを後述する制御回
路と組合せることによりモータの電機子の停止位
置を僅かづつ進めさせて正確且つ繰返し可能に決
定することができる。これはコンピユータデイス
クメモリ装置の起動器や高精度プリンタの一形状
の原動力等の応用におけるモータに適している。

次に主要素をブロツク形状で示す第３ａ図に関
してリニアモータの制御に使用する回路について
説明する。

光トランスジユーサ（光電装置）１４及び１５
の出力は各シユミツトトリガ回路３１０ａ及び３
１０ｂに加えられて第２ｂ図の(iii)及び(iv)に示す波
形を発生する。これら２個のシユミツトトリガの
出力はゲート回路３１１に加えられ、それは矩形
波形から２個の出力信号を出しその一方は出力３
１１ａに送られ電機子１２が左に移動しているか
右に移動しているかを示す方向表示信号であり、
他方は出力３１１ｂに送られ目盛線マークの1/4
サイクルすなわち0.08mm（1/320インチ）ごとに
状態を変えるクロツク信号である。

大まかに回路３０３の残りの主要素は (a) 位置誤差の大きさすなわち実位置と要求位置
間の距離を示す12ビツト出力語及び実位置が要
求位置の左か右かを示す方向表示信号を発生す
るデジタル位置誤差回路３１２と、 (b) 要求された位置への主走行部分をリニアモー
タが追従するのに必要で且つ位置誤差で定義さ
れた速度プロフイルを出力として発生するアナ
ログ速度プロフイル回路３１３と、 (c) リニアモータが要求位置に接近するまで速度
サーボとして動き、位置誤差が減少すると位置
サーボ動作に切り替るサーボモード決定回路３
１４と、 (d) リニアモータコイル４１５及び４１６（コイ
ル１及び２）に加わる電圧の大きさ及び極性を
制御するモータコイル励起回路３１５である。

次に回路３１２，３１３，３１４及び３１５の
動作について詳細に説明する。

デジタル位置誤差回路３１２は12ビツトアツ
プ／ダウンカウンタ３１７を有し、それは回路３
１１によりクロツクされてアツプもしくはダウン
状態に変化し、変化の方向は目盛線１７に対する
運動の1/4波長ごとに出力３１１ａの状態により
決定される。後記する方法により発生するカウン
タ３１７の出力の最上位10ビツト及び下位２ビツ
トは２進減算器３１８の一入力に加えられ、他方
の入力はアドレスラツチ３０１から加えられる。
減算器３１８の12ビツト出力は最上位11ビツトが
０の時にハイ出力を発生するゲート回路３１６に
送出され、減数の符号は正となつてホーム位置に
達したことを示す。出力はデジタル／アナログ変
換器３１９にも送出され差語の大きさに比例した
出力を発生する。

デジタル／アナログ変換器３１９の出力はアナ
ログ回路３２０に接続されており、それは入力電
圧の平方根に比例した出力電圧を発生する。これ
は検出された位置誤差の項で平方根速度プロフア
イルを定義する。この平方根則により最適速度プ
ロフアイルが与えられる。アナログスイツチ３２
２は回路３２０もしくは位置誤差の方向に従つて
速度プロフアイル信号の極性を調整するように作
動するインバータから速度プロフアイル信号を選
定し、これはこの方向を示す減算器３１８の符号
出力により制御されている。

回路３１４内においてアナログ回路３２３がホ
トトランジスタ（光電装置）１４及び１５のアナ
ログ出力を監視して速度に比例した電圧を発生す
る。これは加算増幅器３２４により速度プロフア
イル回路３１３からの要求速度から減算され、速
度誤差を表わす電圧を発生する。

３路電子スイツチ３２５を使用することにより
サーボがホーム信号の状態及び要求アドレスの最
下位ビツトに応答する回路３２６により制御され
て速度サーボモードで作動するか位置サーボモー
ドで動作するかを決定する。「ホーム」位置にな
い時はスイツチ３２５は加算増幅器３２４の出力
を選定しその結果回路は速度サーボモードで作動
する。一方ホーム信号がアクテイブである時は
「回転止め」モードにおいてモータの正確な位置
決めが必要とされ、回路３２６はスイツチ３２５
を切り替えてホトトランジスタ（光電装置）１４
及び１５の一方もしくは他方のアナログ出力を監
視する。これがなぜどのように達成されるかを次
に説明する。しかしながら簡単にいえば、スイツ
チ３２５が次のゼロ交差を有する波形の一部上の
選定された一つのホトトランジスタ出力を回転止
め位置として監視するように回路３２６が構成さ
れている。こうしてスイツチ３２５がホトトラン
ジスタ（光電装置）１４及び１５の一方もしくは
他方に接続されると、アナログ位置サーボモード
が達成される。ホトトランジスタ１４及び１５の
出力は回路３２７を介してスイツチ３２５に加え
ることができ、前記回路３２７は位置信号を修正
して位置サーボモード内に所望の２次応答を与え
望ましくない発振を防ぐ。

回路３１５内においてモータコイル４１５及び
４１６は夫々駆動増幅器３２８ａ及び３２８ｂを
付随しており、夫々電子スイツチ３２９ａ及び３
２９ｂを介したスイツチ３２５からの信号を増幅
する。これらは各々が２極スイツチであり直接ス
イツチ３２５と接続されるかもしくはインバータ
３３０ａ及び３３０ｂを介して接続される。これ
ら２個のスイツチの状態は速度サーボ及び位置サ
ーボモードにおいて本例の場合に位置カウンタ３
１７からの第７及び第８ビツトに応答する整流回
路３３１により決定され、その結果モータコイル
電圧の極性は電機子の移動の所望の推力方向を維
持するように適正に調整される。これについては
後記する。このためにリニアモータの固定子磁極
ピツチが目盛線の波長の1/4の２つの整数乗倍
（×2ⁿ）に対応するように構成するのが便利であ
る。こうして位置カウンタ３１７の第７及び第８
ビツトを使用してコイル電圧を直接整流するのは
簡単なことである。

所与の回転止め位置においてホトトランジスタ
（光電装置）１４及び１５の一つのアナログ出力
の選定された勾配は要求アドレスに従つて正もし
くは負とすることができることが判る。例えば最
下位ビツト00及び01を有する２進アドレスは出力
の正となる部分を選定し、10もしくは11の２進ア
ドレスは負となる部分を選定できる。（第３ｄ図
参照）。

従つて位置カウンタの第７及び第８ビツトに応
答するのみならず位置サーボモードにおいても、
回路３３１は絶対アドレスの下位２ビツトに応答
してコイル電流の極性を反転させモータをその所
望の回転止め位置から外れるように移動させる選
定されたホトトランジスタ出力の勾配の符号を修
正する。

印字開始する前でプリンタがパワーアツプした
後に位置カウンタがリセツトされる。次にモータ
４１５もしくは４１６のコイルの一方が別々の回
路により励起される。所定の遅延後に他方のコイ
ルも励起される。この逆のシーケンスをとること
もできる。この構成により電機子は整流位置に対
応する固定子に対して明白に安定な位置に移動す
ることが保証される。位置カウンタがリセツトさ
れているため７及び８ビツトは共に０値を有す
る、すなわち７及び８ビツトはリセツトルーチン
により達成される所望の整流位置と同期してい
る。速度基準信号Vrが発生してモータを左へ移
動させる。同時に位置カウンタはサイクルカウン
トすることができ７及び８ビツトとそれらが制御
するモータの運動の同期を維持する。その結果光
学及び機械リセツトスイツチ３４０が励起される
までモータは安定した速度で左へ移動し続け、そ
れによつて実位置カウンタ３１７は再び０にリセ
ツトされる。しかしながらリミツト（リセツト）
スイツチ３４０が作動する正確な位置は動作ごと
に幾分変動する。

その理由は次のようである。何なるスイツチが
リセツトスイツチとして使用されても、スイツチ
ングが発生する位置に変動を示す。例えばスイツ
チとして光遮断器が用いられた場合、周囲の光等
の外的要因によつてその遮断器のスイツチする正
確な位置はわずかに変化する。従つてリセツトス
イツチは目盛線及びホトトランジスタから得られ
る分解能よりもかなり劣る精度で位置カウンタを
リセツトすることになる。例えば0.32mm（1/80
インチ）スイツチ位置が変動すると仮定すると、
リセツトが生じる物理位置において周囲状態に従
つて２個のホトトランジスタのデジタル化された
出力が00と11の間となることがある。従つて位置
カウンタから得られる最下位ビツトは２個のホト
トランジスタからデジタル化された出力と同期す
ることを期待できない。このことから要求された
回転止めアドレスに従つた「ホーム」位置にある
時に、これらのビツトを位置トランスジユーサの
アナログ出力の勾配の符号を修正するような機能
に利用することができない。信頼度の高い動作を
行うには位置トランスジユーサのデジタル化され
た出力をこの種の機能に利用しなければならず、
このため電機子の位置を表わすデジタル語の最下
位ビツトが位置トランスジユーサから直接引き出
される。

従つてカウンタ３１の出力である対応するビツ
トの代わりに位置トランスジユーサから直接引き
出された代用ビツトを位置語の低位ビツトとして
使用し、代用されたビツト数を充分大きくしてモ
ータの長さに沿つた対応する距離がリセツトスイ
ツチの切り換えに付随する位置の不確定よりも大
きくなるようにしなければならない。従つて実施
例において替りに２個の代用ビツト、即ちP′0及
P′1が使用される。これらは第３ｃ図に示すよう
に発生する。ホトトランジスタ１４を付随したシ
ユミツトトリガ３１０Ａの出力がP′1として使用
され、第３ｃ図に示すようにP′0はトリガ３１０
Ａ及び３１０Ｂの出力を排他的ORにより組合せ
て発生する。

アツプ／ダウン及びクロツク信号発生回路３１
１はフリツプフロツプ及びゲート構成を使用して
その各々が変化するたびにホトトランジスタ（光
電装置）１４及び１５の出力状態を監視し、変化
前と変化後の状態を比較して電機子の移動方向を
決定しクロツクパルスを発生する。位置カウンタ
３１７へのクロツクパルスはP′0及びP′1の状態が
変化前にローで変化後にハイであるかもしくはそ
の逆の場合即ち変化前にハイで変化後にローの場
合にのみ発生される。

第３ｄ図は位置サーボモードで作動して２個の
ホトトランジスタからの波形Ａ及びＢの中の一つ
を選定している時にスイツチ制御回路３２６の意
図する機能を示す。

要求されたアドレスは右に移動する時にＢ波形
交差H₁においてホーム信号がアクテイブとなる
ようなものと仮定する。さらに便宜上その時波形
は回路３２６により選定されるものと仮定する。
するとリニアモータは次のＡ交差点すなわちH₁
からオフセツトされた一つの位置であるH₂にサ
ーボする。モータが波形Ａの中心点H₂に停止で
きるようにするため、ホーム位置は２つの変化分
すなわちH₁からH₃にまたがつている。Ａ交差位
置H₂においてホーム信号はアクテイブとなり、
次に同様に回路３２６によりＢ波形が選定されモ
ータは次のＢ交差点すなわちH₃にサーボする。
同様にホーム位置H₀及びH₃に対しても同じ動作
が生じる。

モータを制御する閉ループ装置の重要な点はモ
ータから得られる推力が効率的なサーボ動作に対
して予測できなければならないということであ
る。交流リニアモータを除いて従来のステツプモ
ータは非均一な推力／変位プロフイルを発生す
る。しかしながら我々の英国特許出願第8114596
号に記載された形式のモータはここに記載した回
路により制御される時にほぼ線型の推力を発生す
る。これをモータの２個のコイ部のコイルを永久
的に励起した場合に生じる第４図の１及び２に実
線で示す推力対変位曲線を参照として説明する。
点線は各コイルからの推力の半位相反転を示す。
推力曲線は効果的に90゜位相変移している事実に
より、一方の推力曲線から他方に切り替え且つ半
位相反転を行うことにより波形３に示すほぼ均一
な推力曲線が得られることが判る。実際上この簡
単な装置における変動は18％以下である。

前記したようにこの整流は必要な論理の組合せ
を与えるP7及びP8ビツトを使用して行われる。
他のビツトを組合せ両コイルを一緒に励起するこ
とにより、ほとんど直線状の推力曲線を得ること
ができる。

整流ビツトの変化と一致するアドレスにおいて
モータが回転止めされている場合には、カウンタ
からのビツトを利用する利点がさらに生じる、す
なわち整流は１個のホトトランジスタの出力の０
交差点すなわち第３ｄ図の位置Ｈにおいて自動的
に同期される。こうして望ましくない「逆起電
力」尖頭値が避けられ、推力変位関係の不連続性
が避けられ整流点のいかなる位置においても同様
に回転止めが生じる。

こうして前記したことからリニアモータの正確
な位置及び速度制御を行う装置が開示され、この
ようなモータをある範囲の応用に適用することが
できる。例えばマイクロプロセツサソフト及びフ
アームウエアを使用して第３ａ図に示す機能を行
う等のさまざまな変更も可能なことがお判りいた
だけることと思う。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つた回路により制御される
光学トランスジユーサを有するリニアモータの透
視図、第２ａ図は第１図の光学位置トランスジユ
ーサ装置を拡大縮尺で示す図、第２ｂ図はトラン
スジユーサ構成により発生する波形、第３ａ図は
リニアモータの制御に使用する回路の主素子のブ
ロツク回路図、第３ｂ図は第３ａ図の回路の動作
において生じる波形、第３ｃ図は第３ａ図の装置
の一部詳細図、第３ｄ図は最終位置調整を行うの
に使用する位置センサの出力、第４図はリニアモ
ータの発生する推力波形を示す。符号の説明、１０……筒状固定子、１１……凾
体永久磁石、１２……電機子、１３……トランス
ジユーサ、１４，１５……光電装置、１７……光
学目盛線、１８……透明材料板。

Claims

【特許請求の範囲】１モータ位置検出装置と、モータコイルの励
起／転流を制御する回路を有し、前記モータ位置検出装置は、２個の相互に相対
的に移動可能な部分１７，１８を持つ位置トラン
スジユーサと、該２個の部分のトランスジユーサ
の相対位置を表すデジタル語を出す回路と、を有
し、前記位置検出装置の回路は該トランスジユーサ
の出力により駆動されるデジタルカウンタ３１７
を有する、モータの動作を制御するサーボ装置に
おいて、装置使用時に、デジタル語の高位ビツトが該カ
ウンタ３１７出力から引き出され、モータ励起／
転流制御回路３１５でモータコイル４１５，４１
６を転流するのに用いられ、そして下位ビツト又は該位置トランスジユーサ
から直接引き出されたビツトは、該デジタルカウ
ンタからの高位ビツトＰ８，Ｐ９と結合され、該
励起／転流制御回路３１５でコイル励起の制御に
使用され、モータの位置を正確に制御することを
可能にするサーボ装置。２互いに長さ方向に移動可能な固定子及び電機
子を有し、固定子及び電機子は各々が相対運動方
向に所定のシーケンスで配置された各組の磁石を
有し、１組の磁石は相対運動の長さ方向に積重ね
られており他の組の磁石の磁極は環状であつて前
記積重ねられた磁石の周りに滑動可能に配置され
ており、一組の磁石は永久磁石であり他の組の磁
石はコイル巻線により与えられ、コイル巻線を適
正に励起することにより正味の推力が生じてある
範囲の電機子及び固定子位置において電機子と固
定子の所望方向の相対運動を行うことができるリ
ニアモータ装置であつて、該リニアモータ装置
は、モータ位置検出装置とモータコイルの励起／転
流を制御する回路を有し、前記モータ位置検出装
置は２個の相互に相対的に移動可能な部分を持つ
位置トランスジユーサと該２個の部分のトランス
ジユーサの相対位置を表すデジタル語を出す回路
とを有し、前記位置検出装置の回路は該トランス
ジユーサの出力によりサイクルされるデジタルカ
ウンタを有する、モータの動作を制御するサーボ
装置を有し、該サーボ装置は、装置使用時に、デジタル語の高位ビツトが該カ
ウンタ出力から引き出され、モータ励起／転流制
御回路でモータコイルを転流するのに用いられ、そして下位ビツト又は該位置トランスジユーサ
から直接引き出されたビツトは、該デジタルカウ
ンタからの高位ビツトと結合され、該励起／転流
制御回路でコイル励起の制御に使用され、モータ
の位置を正確に制御することを可能にするリニア
モータ装置。３特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の
装置において、前記トランスジユーサは位相変移
を有する２個のデジタル出力を有し、このような
２つの低位ビツトがあつてトランスジユーサの一
つのデジタル出力は最下位ビツトとして使用され
他の下位ビツトはトランスジユーサの２個のデジ
タル出力を排他的ORにより結合するようにされ
た排他的OR回路から引き出されることを特徴と
する装置。４特許請求の範囲第１項、第２項もしくは第３
項記載の装置において、デジタル語を要求された
相対位置を表わすもう一つのデジタル語と比較し
て位置誤差信号を発生しモータの動作を制御する
装置を有することを特徴とする装置。５特許請求の範囲第４項記載の装置において、
前記回路は前記トランスジユーサの出力から速度
信号を引き出し、所定の速度／位置曲線により決
定される実速度と要求速度間の誤差を表わす速度
誤差信号を引き出し、駆動信号として位置誤差信
号を速度誤差信号で置換するように作動し、位置
誤差は所定値よりも大きいことを特徴とする装
置。６特許請求の範囲第４項もしくは第５項記載の
装置において、デジタル語の高位ビツトがもう一
つのデジタル語の対応するビツトと同じである時
に“ホーム”信号を発生し、前記回路は「ホー
ム」信号がアクテイブな時に位置トランスジユー
サの出力からのアナログ信号がサーボ動作の位置
誤差信号として使用されることを特徴とする装
置。７特許請求の範囲第２項及び第３項から第６項
のいずれか一項に記載の装置において、デジタル
語の高位ビツトのいくつかはモータコイルの整流
の制御に使用されることを特徴とする装置。８特許請求の範囲第７項記載の装置において、
前記整流はコイルに加わる駆動信号の極性を制御
することにより行われることを特徴とする装置。９特許請求の範囲第６項及び第８項記載の組合
せにおいて、位置誤差信号をモータコイル駆動信
号として使用する場合、その極性もトランスジユ
ーサの出力の勾配に従つて制御されて負帰還動作
を保証することを特徴とする組合せ。１０特許請求の範囲第２項及び第３項から第９
項のいずれか一項に記載の装置において、前記ト
ランスジユーサの一部は電機子及び固定子の相対
運動の長さ方向に多数サイクルの検出可能なマー
クを有し、モータコイルはモータの長さ方向に整
流間隔を有しそれは検出可能なマークの繰返し長
×2ⁿに等しくｎは正の整数もしくは０であること
を特徴とする装置。１１特許請求の範囲第２項及び第３項から第１
０項記載の装置において、前記制御回路はモータ
の整流を調整することによりモータの推力を変調
するようにされていることを特徴とする装置。１２特許請求の範囲第１１項記載の装置におい
て、変調によりモータの推力／位置曲線が線型化
することを特徴とする装置。１３特許請求の範囲第１１項記載の装置におい
て、変調を使用して所望の速度曲線が得られるこ
とを特徴とする装置。