JPH0744813B2 - 位置検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はサーボモータシステムの位置検出器に関し、よ
り詳細には、ブラシの無いDCリアクタンス整流型サーボ
モータシステムの位置検出器に関する。

直接駆動型サーボシステムはロボットのようなシステム
に広く利用されている。直接駆動モータを使うサーボシ
ステムは、バックラッシを排除し、信頼性を増し、ギア
やベルトやカップリングより生起するメインテナンスの
問題を減じて機構を簡単にしている。しかしながら、多
くの従来のサーボモータシステムは不必要な製造コスト
に加え多くの操作上の問題を有しており、又望ましくな
い重量や空間を必要としている。

例えば、従来のリラクタンス型モータのトルクは磁束密
度の２乗に比例しており、入力信号に対してモータのト
ルク出力が非線形と成る。それによってエラー信号を処
理するために必要な回路はより複雑なものと成ってしま
う。更なる問題は、他のサーボモータはコイルに流す電
流の方向を切換える２極電流を必要とし、それにより駆
動アンプと電力供給装置の相方ともが複雑なものと成る
ことである。又、あるモータではフルブリッヂ整流装置
を必要とするが、この装置は、可変トランジスタの遅延
や逆バイアス等の問題のため高電力レベルでの誘導電流
による信頼性の問題がある。又、かかる電力供給には大
型の変圧器を必要とするものが常であり、この変圧器が
サーボシステムのサイズ、重量及びコストに付加される
ことになる。従来のサーボシステムの他の問題はモータ
中のリップル電流の影響とACラインの絶縁である。

モータに接続される従来のシンクロ・レゾルバのごとき
位置検出器は、１次及び２次巻線を必要とし、スリップ
リング等の機構を有しており、メインテナンスや信頼性
の問題が増す。更に、サーボシステムに使用される従来
のシンクロ・レゾルバは、デジタル直動式サーボ位置検
出装置に必要とされる程の高分解能又は正確さを有して
いない。ある場合には、シンクロ・レゾルバの出力信号
は、モータの巻線と干渉する。

更に、従来のサーボシステムの他の問題は、モータの整
流が比例的でないことである。即ち、負荷が増す時、モ
ータに供給されねばならない電力量がモータの全軸位置
に対し均一ではない。それ故、波の形状、期間及び相等
のモータに必要な入力信号はモータのロータ軸位置によ
って変化する。従来のレゾルバではこの問題に対する補
償は与えられていない。

従来のシンクロ・レゾルバ及びサーボモータシステムの
上記及び他の欠点は、 先端部に複数の極片歯を有する極片を円周方向に等間隔
に複数設けた環状の検出器ステータと、該検出器ステー
タの各極片に巻回されたコイルと、前記検出器ステータ
の極片歯に対向し円周方向に凹部凸部を有して前記極片
歯と同じピッチで形成された歯列を有し、前記検出器ス
テータと同心とされて相対回転自在に支持された環状の
検出器ロータと、前記各コイルに交流電力を供給するオ
シレータと、前記夫々のコイルに直列に接続された電流
検知抵抗とを備え、前記検出器ロータの前記歯列に対し
て電気的に隣合う前記極片各々の位相は互いに電気的に
120度となるように前記歯列の歯に対向する前記極片相
互の極片歯は歯のピッチの整数倍から1/3ピッチずらさ
れておりかつ前記電流検知抵抗夫々の両端に生ずる夫々
の電圧から各コイル巻線相に対する他のコイル巻線相の
インダクタンスの変化を夫々差動増幅することにより３
相のレゾルバ信号を得る差動増幅手段とを備えた本発明
の位置検出器により解消される。

したがって、本発明によれば、差動増幅手段により、各
相に共通の洩れインダクタンス及びリアクタンスがキャ
ンセルされるため、高精度の位置検出が可能となってい
る。

本発明の目的は、精度が良く、高分解能で、しかも簡単
な構造で、最低のメインテナンスしか必要のない位置検
出器を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、サーボモータの比例整流を
制御する位置検出器を提供することである。

本発明のこれら及び他の目的及び利点は、以下の本発明
の実施例の説明により明らかとなろう。

第１図において、AC同期リラクタンス型モータ10はパワ
ードライバー回路板13と整流回路基板（変換回路板）11
とより成るパワードライバーユニット12により励磁され
る。更にパワードライバーユニット装置12は、コントロ
ーラ・サーボボード14とモータに接続されるシンクロ・
レゾルバ16の検出装置17とより入力信号を受ける。検出
装置17の出力はシンクロ−デジタル変換器74により処理
された後、コントローラ・サーボボード14へも、フィー
ドバック信号として与えられる。第２図、第３図及び第
４図に示す如く、モータは高トルクロボット用モータと
して上述の米国特許出願番号385,034に詳述されてい
る。コントローラ・サーボ基板は公知のもので、ファイ
ネルシステム社（Finell Systems Incorporated、1190
−s Mountain Vieu Alviso Road、Sunnyvale、Californ
ia 94086.）によるFPC−1800モデル等が市販されている
ものである。この装置ではエラー信号を受けるためのデ
コーダや、読取られたエラー信号と比較される入力位置
制御信号を受けるためのマイクロコンピュータと、アナ
ログ制御信号をサーボパワードライバー装置に出力する
ためのデジタル−アナログ変換装置及び基準信号源とを
有している。

第２図、第３図、及び第４図において、モータ10は円筒
形の外側ステータ組立体18と、円筒形内側ステータ組立
体20と、カップ形ロータ組立体22とより成っている。ロ
ータ組立体22は軸受マウント24に支持され、そのロータ
22の円筒形状部はロータの回転軸と同心とされ内側ステ
ータ組立体18と外側ステータ組立体20の間の環状の空間
に入り込んでいる。

第３図及び第４図に従い、ステータ及びロータ組立体の
構成をより詳細に説明する。外側ステータ組立体18は複
数の環状積層板26より成り、各積層板26は積層板の内周
沿いに等間隔に離間され半径方向内側に突出する複数の
極片28を有している。各極片28はその上に巻回される電
気コイル32を有し、半径方向に突出する複数のステータ
極片歯30を内周面に具備している。

内側ステータ組立体20は同様に、複数の環状積層板34よ
り成り、各積層板34は積層板の外周沿いに等間隔に離間
され半径方向外側に突出する複数の極片36を有してい
る。各極片36はその上に巻回されるコイル40を有し、半
径方向に突出する複数の極片歯38を外周面に具備してい
る。極片28及び36は半径方向に延びる線沿いに対向して
配置されている。巻線32及び40はこの両巻線32及び40を
通って流れる電流が対向するステータ極片28及び36の極
片歯30及び38に反対の極性の磁極を作るような連結巻線
を形成するよう巻回され互いに接続される。更に、各ス
テータ組立体の周回りの一連の巻線32及び40は複数の相
例えば３相モータでは相Ａ、Ｂ、Ｃに接続される。次に
隣接する相のコイルに付与される電流は前と相とは反対
の極性の極片を作る。各相の巻線は以後相Ａ、Ｂ、Ｃに
対しそれぞれ35a、35b、35cで表わすものとする。

ロータ22は環状の積層板より成り、この積層板は外周回
りに等間隔に形成された歯44そして内周回りに等間隔に
形成された歯46を半径方向に突出して有している。歯44
及び46は歯30及び38に対向している。

第４図に示す如く、相Ｂのステータ極片とその後の３番
目毎のステータ極片を取り巻くコイルが励磁される時、
磁束路48が発生する。この磁束路48は相Ｂの内側ステー
タ極片36より、相Ｂのステータ極片28及び36間のロータ
22の一部を横切り、ステータ極片28を通って走ってい
る。この磁束路48は更に、その外周に沿って外側ステー
タ18を通り、２つの非励磁巻線を過ぎ次の相Ｂの外側ス
テータ極片28を通って戻り、更にロータ22を通って、次
に隣接する相Ｂの内側ステータ極片36を通るように続
き、内側ステータ20に沿って相Ｂの元のステータ極片36
へと戻り閉ループを完成する。

重要なことは、ロータの中を通って円周方向に走り次の
ステータ極片への近道をとる磁束が無いことである。そ
の代りに、全磁束はロータを貫通して半径方向外側ある
いは半径方向内側に走っている。更に、他相の励磁され
ないステータ極片28又は36を通って走る磁束も無い。こ
のような磁束を作ることにより、磁束がロータを通って
磁束路を完成させねばならないこの種の従前のモータに
おけるロータをずっと薄くできる。更に、ステータ極片
は、ロータの内外両面上に磁力を付与するので、この種
の従前の多くのモータの２倍のトルクを発生する。

この実施例の３相モータの場合一時に、６つの同一の磁
束路が形成される。即ち、第１及びその後の３番目毎の
ステータコイルが同時に励磁され、18極片モータでは、
常時、６つのコイルが同時に励磁される。

モータとしての回転力は次の事実より発生する。引き続
く各ステータ極片セット上の歯は、隣接するステータ極
片間の間隔のためロータの対向する歯とわずかにずれて
いる。それ故例えば、相Ｂの極片が励磁される時、励磁
される極片間に存在するロータ上の歯44及び46は励磁さ
れるステータ極片上の歯30及び38と整合するように成
る。この時、次に隣接し励磁されない極片間に位置する
ロータの歯は、極片が歯の整数倍の間隔とは異なる距離
で離間されているので、ステータ極片と整合していな
い。外側ステータの歯数と外側ステータの歯に面するロ
ータの歯数との差は相の数で割れ、外側ステータ極片の
数に等しい。一方、これは内側ステータ極片歯に面する
ロータについても同じである。

必要なことはロータ歯に対して相隣るステータ極片相互
の歯が、ロータ歯のピッチの整数倍とは異なる配置とな
っていることである。動力が連結する各相のコイルに供
給されると、ロータはその歯を引き続き励磁される各相
のステータの歯に整合するように移動する。

ある場合には、例えば、分割したステップが必要である
ような場合には一時に１相以上の相を部分的に励磁する
のが望ましい。それ故相Ｂのコイルが主に励磁され相Ｃ
のコイルが一部励磁されると、相ＢとＣの隣接する極片
28及び36を通り半径方向に延び内側及び外側ステータ組
立体18及び20を通り周方向に走り、それぞれ、相Ｃの極
片を通って戻る、第２の磁束路50が発生する。隣接する
相のコイル巻線は反対の極性の磁極片がある相から次の
相へと現われるようよう選ばれる。即ち、相Ｂの極片28
がＳ極であるなら相Ｃの極片28はＮ極となる。

第２図及び第５図において、内側及び外側ステータ組立
体18及び20は、シンクロ・レゾルバ16の外側ステータ組
立体54をも支持するカップ形の支持体52により固定支持
されている。シンクロ・レゾルバ16は複数の環状積層板
55より成り、各積層板は複数の規則的に周回りに離間さ
れ半径方向内側に突出するステータ極片56を有してい
る。各ステータ極片56はその上に巻回される個別のコイ
ル58を有し、又半径方向に突出する複数の極片歯60を内
周面に具備している。それ故、シンクロ・レゾルバのス
テータ組立体54の構成はモータの外側ステータ18と実質
的に同一である。コイル58は相Ａ、Ｂ、Ｃに夫々接続さ
れ、モータのコイルの相に対応している。ロータ22は、
モータのステータ18及び20を越えて延び検出器ステータ
54の内側に対向する先端部42を有し検出器ステータ54と
同軸に配置されており、ロータの歯44はシンクロ・レゾ
ルバのステータ極片歯60と同じピッチの歯列として形成
され極片歯60に対向している。なお、３相はＡ相、Ｂ
相、Ｃ相が電気的に120°位相を異ならせている。した
がって電気的に隣合う極片各々の位相は互いに電気的に
120°となるようにロータの歯44に対向する極片56相互
の極片歯60は歯のピッチの整数倍から1/3ピッチずらさ
れている。本実施例の場合、極数は18極となっているの
で、実角度で言うと、60°が電気角の360°に相当す
る。

第８図において、シンクロ・レゾルバは、モータにおけ
るように磁気抵抗の変化を利用してトルクを発生する代
わりに、磁気抵抗の変化に応じた電流が巻線58に流れる
ことを利用している。そしてコイル58が巻回されたステ
ータ極片56に対向するロータ22が回転する時その先端部
42との誘導リアクタンスの変化は検知回路17によりモニ
タされる。歯60と44が整合されると、励磁されたステー
タ極片の巻線58のインダクタンスは、歯が非整合の時よ
り高くなる。インダクタンスのこの変化は、定交流定電
圧源に接続された交流負荷の変動により検知される。こ
の交流電流は各相に直列になっている電流検知抵抗器に
おける電圧降下として現われる。これについて以下に詳
述する。

第８図において、検知回路17は交流源即ち、オシレータ
62を含み、その出力端の一方は抵抗64を通し接地されて
いる。ある相の各巻線、例えば第８図で58aと示した相
Ａの全巻線58は電流検知抵抗66aを通して接地されてい
る。同様に、相Ｂの巻線58b及び相Ｃの巻線58cの一方
も、個別の電流検知抵抗66b及び66cを通り接地されてい
る。巻線58a、58b及び58cの他端はオシレータ62の接地
されない端子に接続されている。

電流検知抵抗66aの両端に発生する電圧は差動増幅器70c
の非反転入力端子と入力抵抗68aを経て差動増幅器70aの
反転入力端子に供給される。電流検知抵抗66b両端に発
生する電圧は差動増幅器70aの非反転入力端子と入力抵
抗68bを経て差動増幅器70bの反転入力端子に供給され
る。更に、電流検知抵抗66cの両端に発生する電圧は差
動増幅器70bの非反転入力端子と入力抵抗68cを経て差動
増幅器70cの反転入力端子に供給される。各増幅器70a、
70b及び70cは、それぞれフィードバック抵抗72a、72b及
び72cを有している。

アンプ70a、70b及び70cの出力は個別の相入力としてシ
ンクロ−デジタル変換モジュール74へと与えられる。か
かる装置は従来公知で市販されており、その１つにILC
データデバイス社（ILC Date Device Corporation,105
Wilbur Place,Bohemia,New York 11716）のモデルXDC19
109−301がある。この装置はその出力としてデジタルシ
ンクロ位置信号を発生する。

デジタル変化モジュール74は、又基準信号を必要とす
る。これは抵抗76を経て非反転入力端子が接地されてい
る差動増幅器78の反転入力端子へと供給して与えられ
る。フィードバック抵抗80は増幅器78の出力端子と反転
入力端子との間に接続されている。増幅器78の出力端子
はデジタル変換モジュール74の基準信号入力に接続され
ている。

リアクタンス検知回路17の動作を以下に説明する。巻線
58a、58b及び58c内の漏れインダクタンスのため、電流
検知抵抗66a、66b及び66cを通る出力信号は約30乃至40
％変調され増幅器72a、72b、及び72cにより差動増幅さ
れねばならない。両相に共通の漏れインダクタンス及び
リアクタンスがキャンセルされ抵抗66aと66bの両端に発
生する電圧の差が信号となる。３相の夫々は、この方法
で３相全てが相Ａ′、相Ｂ′、及び相Ｃ′に出力を供給
するため補正されるまである相を次の相と比較して処理
される。基準の相は増幅器78の出力として、電流信号の
形で与えられ各相の電流検知抵抗66a、66b及び66cによ
り発生される90°の相エラーをキャンセルする。相
Ａ′、相Ｂ′及び相Ｃ′の出力と基準信号は標準のシン
クロ・レゾルバ出力の様になり、そして一般のシンクロ
・レゾルバ−デジタル変換器74に適合する。

第８図の実施例は、検出器ステータが第５図の如き外側
ステータのみか、又は、内側ステータのみか、又はより
大きな信号とより高い精度を得るため内外にステータを
配したもののいずれにも用いることができる。

光学式エンコーダ等を使用したような従来のレゾルバで
は、歯又は極片を整合するためモータの一相をまず励磁
して基準点を与えることが必要である。その後、モータ
が回転すると、光学式エンコーダは、モータがその基準
点よりどの程度回転したかを示す一連のデジタルパルス
を供給する。モータが高負荷を受けたり、そのプリセッ
ト開始点を始めに得られない場合は、この技術ではうま
く作動しない。しかしながら第５図に示す如き本発明で
は、１整流ピッチに対しある絶対位置が得られ、常に正
しい関係にある。

本発明によるシンクロ・レゾルバは各相に共通の洩れイ
ンダクタンス及びリアクタンスをキャンセルできるため
高分解能にできるので、低速回転でも速度情報を得るこ
とができる。

モータとシンクロ・レゾルバには同じ積層板を使用して
モータ駆動のための比例整流にそのシンクロ・レゾルバ
の出力を使っているので更なる利点が得られる。シンク
ロ・レゾルバのステータ歯の形状は波形や周期や相が、
モータの必要性に自動的に合った信号電流を発生する。
それ故、モータの歯巾が変えられあるいはロータとステ
ータ間のギャップがモータの設計時に変更されると、モ
ータの歯と同一形状で形成されるシンクロ・レゾルバも
又、対応して変更され、新しい設計条件のもとで正しく
作動する整流信号を発生する。モータ要素に磁気挙動を
有しない光学式エンコーダのような機械的な整流装置と
は違って、あたかもモータの歯がレゾルバ自身を調整し
ているようである。

第６図によりモータ用パワードライバー基板13を説明す
る。それは連続６アンペア、各相９アンペアのピークま
で供給できる３相ユニポーラスイッチングレギュレータ
アンプ86（チョッパ）を有している。回路13は最大トル
クが正しい関係にある３つの個別の波形、相Ａ、相Ｂ、
及び相Ｃを受ける。これら波形の巾は命令電流入力によ
り設定されるが、この点について以下に詳述する。第１
図のサーボループ構成において、命令電流入力はサーボ
アンプ14からの出力であり、又、モータ内の電流を制御
して負荷トルクと平衡に達する。

相Ａ、相Ｂ、及び相Ｃの信号は個別の入力デジタルオプ
トカプラ82a、82b及び82cを通してアナログ電流レベル
を伝えるよう変調されたパルス巾である。これらオプト
カプラはラインの分離と接地保護を与える。変調周波数
は特定のものではないが、10KHzと100KHzの間でなけれ
ばならない。オプトカプラ82a、82b及び82cの出力は個
別の積分器84a、84b及び84cに与えられるが、積分器の
出力はそれぞれ個別のスイッチングアンプ86a、86b、86
cの入力に接続される。続いてスイッチングアンプ86a、
86b、86cの出力はモータ10の個別の相の巻線35a、35b及
び35cの両端に接続される。

スイッチングアンプ86a、86b及び86cは低音響ノイズの
ために20KHzでスイッチされるVMOS電界効果トランジス
タと高速回復ダイオードより成っている。モータ内のリ
ップル電流は各相内の電流フィードバックループにより
除去される。入力のデューティサイクルは０％から100
％まで変化するので、モータ巻線への出力は最低から最
大出力電流まで直線的に変化する。

モータの極の励磁は唯一つの極性（Ｓ又はＮ）のみ必要
であるのでパワードライバー回路13は修正された半波長
ブリッジを与えられている。電源88はブリッジ整流器及
びコンデンサフィルタを使って、直接ライン作動され、
必要な150Vの電圧を提供する。電源は変圧器が無いの
で、サイズ重量及びコストを低減できるが、２重の分離
のため絶縁トランスを付加することも可能である。障害
検知回路90は過少及び過大の電圧条件とパワードライバ
ー回路の最大回生の超過に関してラインを監視してい
る。

第７図により整流回路基板11を説明する。第８図のシン
クロ・レゾルバより与えられる相信号、相Ａ′、相
Ｂ′、及び相Ｃ′はオシレータ62からの基準相入力をも
与えられる同期検知器92への入力である。検知器92より
同期的に検知される出力は積分器94により個別に積分さ
れ電流変調器96への入力となる。積分器94は同期検知器
の出力をフィルタするため設定されている。電流変調器
96はコントローラ・サーボボード14からの命令入力信号
に応答してこれら信号を変調する。電流変調器96からの
個別の相信号出力は個別のパルス巾変調器98a、98b、及
び98cによりパルス巾変調されアナログ電流レベルをパ
ワードライバー回路13のデジタルオプトカプラ82a、82
b、82cへと伝えるため使用されるパルス巾変調信号を発
生する。

整流回路基板11はシンクロ・レゾルバの信号を操作検知
し、サーボループ用にそのレベルを標準レベルまで増幅
し、パワードライブの相入力を制御し、モータを整流す
るという３つの機能を有している。シンクロ・レゾルバ
16の１回転当り150の出力サイクルがモータの極数に対
応しており、同期整流の情報に容易に使用でき、ブラシ
の無いDCモータを形成するのに使用される。この様に、
ドライバー回路13は最大トルクに対し正しい相で３つの
波形を受ける一方、波形の振幅は命令入力電流により設
定されている。

シンクロ・レゾルバの検出出力を使って、整流回路11は
モータの相を正弦加重された電流で連続的かつ比例的に
作動する。結果として、モータは従来のDCサーボシステ
ムにおけると同時にアナログ入力信号に応答する。しか
しながら正弦加重入力は又ソフトウエア内でも処理で
き、この場合、整流回路11とデジタル−アナログ変換器
とを排除できる。コントローラ・サーボボード14内のサ
ーボループマイクロプロセッサの出力レジスタは、わず
かな回路基板外のデジタル“カウンタ・タイマ”集積回
路によりデューティサイクルを命令し、パワードライバ
ーオプトカプラを直接駆動するのに使用できる。このよ
うに、サーボループは単純で、コストが低く、全てがデ
ジタルである。

モータの巻線35に供給される実際の波形は、最小のトル
クリップルのためクリップされ又は圧縮された半波の正
弦波でなければならない。その相は電流特性に対し最大
トルクを与えるに必要な回転方向に、電気的に120°進
めるか遅らされなければならない。より高い回転速度が
必要で、トルクの低下が許される場合、モータの相励磁
タイミングを更に進めることができる。この相タイミン
グの変調はDC分巻モータにおける界磁弱めに似ている。
それはモータの逆起電力を効果的に減じより低トルクで
より高速を与える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による位置検出器を用いたサーボモータ
制御システムのブロック図、第２図は第１図の実施例に
使用されるモータの縦断面図、第３図は第２図の線３−
３に沿う一部を除去した拡大縦断面図、第４図は第２図
の線４−４に沿う拡大縦断面図、第５図は第２図の線５
−５に沿う拡大縦断面図、第６図は第１図のブロック図
のモータドライバー回路の略図、第７図は第１図の整流
回路の略ブロック図、第８図は第１図の位置検出器の検
出回路の略図である。 〔主要部分の符号の説明〕 10……モータ 11……変換回路板 12……パワードライバーユニット 13……パワードライバー回路 14……コントローラ・サーボボード 16……シンクロ・レゾルバ 17……検出装置 18……外側ステータ組立体 20……内側ステータ組立体 32……外側ステータの極片上のコイル巻線 40……内側ステータの極片上のコイル巻線 28……外側ステータの極片 36……内側ステータの極片 30……外側ステータの極片歯 38……内側ステータの極片歯 22……ロータ 44……ロータの歯 46……ロータの歯 74……シンクロ−デジタル変換器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端部に複数の極片歯を有する極片を円周
   方向に等間隔に複数設けた環状の検出器ステータと、該
   検出器ステータの各極片に巻回されたコイルと、前記検
   出器ステータの極片歯に対向し円周方向に凹部凸部を有
   して前記極片歯と同じピッチで形成された歯列を有し、
   前記検出器ステータと同心とされて相対回転自在に支持
   された環状の検出器ロータと、前記各コイルに交流電力
   を供給するオシレータと、前記夫々のコイルに直列に接
   続された電流検知抵抗とを備え、前記検出器ロータの前
   記歯列に対して電気的に隣合う前記極片各々の位相は互
   いに電気的に120度となるように前記歯列の歯に対向す
   る前記極片相互の極片歯は歯のピッチの整数倍から1/3
   ピッチずらされておりかつ前記電流検知抵抗夫々の両端
   に生ずる夫々の電圧から各コイル巻線相に対する他のコ
   イル巻線相のインダクタンスの変化を夫々差動増幅する
   ことにより３相のレゾルバ信号を得る差動増幅手段とを
   備えた位置検出器。