JPWO2008146336A1 - Ａｃサーボモータの回転位置検出方法および簡易エンコーダ - Google Patents

Abstract

３相のＡＣサーボモータの各相の磁極位置を検出し、当該ＡＣサーボモータのモータ軸の回転に伴って、１２０度の位相差のある３相の矩形波信号を生成する。各矩形波信号のエッジを検出する毎に、検出されたエッジに予め割り当てられているモータ軸の回転位置データを、当該モータ軸の回転位置として出力する。各矩形波信号のエッジを検出する毎に、前回のエッジの検出時点から今回のエッジの検出時点までの経過時間に基づきモータ回転速度を算出する。今回のエッジの検出時点から次回のエッジの検出時点までの回転区間においては、算出されたモータ回転速度と、今回のエッジに割り当てられている回転位置とに基づき、モータ軸の回転位置を一定の周期で推定し、推定回転位置を、モータ軸の回転位置として出力する。検出機構を設置スペースが少なく安価に構成でき、擬似的に高分解能のエンコーダ出力を得ることができる。

Description

本発明は、ＡＣサーボモータの速度制御などを行うために、モータ軸の回転位置を簡易な検出機構を用いて検出することのできるＡＣサーボモータの回転位置検出方法、および、この方法を採用した簡易エンコーダに関する。

ＡＣサーボモータのモータ軸の回転位置を検出するためのインクリメンタル型エンコーダおよびアブソリュート型エンコーダは、所定の分解能を確保するために光学式あるいは磁気式の検出器が必要である。このために、モータ回転軸の後端部分などには、検出器を設置するためのスペースを確保する必要がある。また、精密なエンコーダ板などの高価な部品が必要である。この結果、軸長の短い扁平モータなどにおいてはエンコーダを組み込むためのスペースを確保することが困難な場合がある。また、エンコーダ、およびエンコーダが組み込まれたモータのコストが高くなってしまうという問題がある。

本発明の課題は、この点に鑑みて、検出機構の設置スペースが少なくて済み、安価な低分解能の構成部品を用いて、ＡＣサーボモータのモータ軸の回転位置を所定の精度で検出することのできる回転位置検出方法を提案することにある。また、本発明の課題は、この方法によりモータ回転位置を検出する簡易エンコーダを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のＡＣサーボモータの回転位置検出方法は、
３相のＡＣサーボモータの各相の磁極位置を検出し、当該ＡＣサーボモータのモータ軸の回転に伴って、１２０度の位相差のある３相の矩形波信号を生成し、
各矩形波信号のエッジを検出する毎に、検出されたエッジに予め割り当てられているモータ軸の回転位置データを、当該モータ軸の回転位置として出力し、
各矩形波信号のエッジを検出する毎に、前回のエッジの検出時点から今回のエッジの検出時点までの経過時間に基づき、モータ回転速度を算出し、
今回のエッジの検出時点から次回のエッジの検出時点までの回転区間においては、
算出されたモータ回転速度と、今回のエッジに割り当てられている回転位置とに基づき、モータ軸の回転位置を一定の周期で算出し、算出した推定回転位置を、モータ軸の回転位置として出力することを特徴としている。

３相の矩形波信号のエッジは、電気角で１回転当たり等角度間隔で６回発生する。ロータマグネットの磁極対の数がｎ（ｎ：正の整数）の場合にはモータ軸が１回転する間に、エッジが（６×ｎ）回検出される。各エッジに対応させて予めモータ軸の回転位置データを割り当てておけば、各エッジを検出することにより、（６×ｎ）の分解能でモータ軸の回転位置を検出できる。

また、エッジ間の回転区間におけるモータ軸の回転位置は、エッジが検出される毎に算出したモータ軸の回転速度に基づき、一定の周期（所定の分解能）で算出している。したがって、かかる算出処理を行う信号処理回路の分解能に対応する擬似的に高い分解能で、モータ回転位置を検出できる。

さらに、推定回転位置はエッジが検出される毎にリセットされ、検出されたエッジに割り当てられている回転位置データがモータ回転位置として出力される。実際の回転位置と推定回転位置が大きく乖離することがなく、乖離した状態が継続することもない。

ここで、ＡＣサーボモータの各相の磁極位置の検出信号は、ＡＣサーボモータに備わっているマグネットロータおよび磁極検出用のホール素子、ＭＲ素子などの磁気センサから直接に得ることができる。また、マグネットロータの代わりに、当該マグネットロータと同様に着磁した磁極検出用マグネットを取り付けるだけでよく、高分解能のエンコーダ板を取り付ける必要がない。光学式の磁気センサの場合においても、各相に対応する低い分解能でスリットが形成されたエンコーダ板を用いればよい。したがって、いずれの場合も、検出機構を安価に構成でき、設置スペースも少なくて済む。

このように、本発明の方法によれば、高分解能が要求されない磁極検出機構を用いて擬似的に高分解能でモータ軸の回転位置を検出できる。よって、モータ軸の回転位置を検出するための検出機構の設置スペースが少なくて済み、そのコストも安くできる。

次に、電源投入時におけるモータ軸の初期回転位置は以下の手順により推定することができる。まず、各矩形波信号の信号レベルの組み合わせに基づき、モータ軸の電気角１回転に相当する回転角度範囲を６つの回転区間に分け、各回転区間にそれぞれ一つの初期回転位置データを割り当てておく。電源投入時には各矩形波信号の信号レベルを検出し、検出した信号レベルに基づきモータ回転軸が６つの回転区間のいずれに位置しているのかを検出する。検出された回転区間に割り当てられている初期回転位置データを、当該電源投入時におけるモータ軸の初期回転位置として出力する。

この場合、各回転区間に、各回転区間の中心位置に対応する回転位置データをそれぞれ割り当てておけばよい。

また、電源投入後の最初のエッジの検出時点においては、電源投入時から当該エッジが検出される時点までの経過時間の間に、モータ軸が回転区間の半分を回転したものとして、モータ回転速度を算出し、算出されたモータ回転速度を用いて、最初のエッジと次回のエッジの間の回転区間におけるモータ回転位置を一定の周期で算出すればよい。

次に、本発明のＡＣサーボモータの簡易エンコーダは、３相のＡＣサーボモータの各磁極位置を検出して、１２０度の位相差のある３相の矩形波信号を生成する磁極検出器と、各矩形波信号に基づきＡＣサーボモータのモータ回転軸の回転位置を検出する信号処理回路とを有し、この信号処理回路が上記の方法によりモータ軸の回転位置を検出することを特徴としている。

ここで、信号処理回路から出力されるモータ軸の回転位置を表す信号の形態は、モータドライバのエンコーダ信号インターフェースに合わせて、シリアルバイナリデータ、および、９０度の位相差のある２相パルス信号のいずれかにすればよい。

一方、本発明の方法は、２相のＡＣサーボモータに対しても同様に適用できる。この場合には、
２相のＡＣサーボモータの各相の磁極位置を検出し、当該ＡＣサーボモータのモータ軸の回転に伴って、９０度の位相差のある２相の矩形波信号を生成し、
各矩形波信号のエッジを検出する毎に、検出されたエッジに予め割り当てられているモータ軸の回転位置データを、当該モータ軸の回転位置として出力し、
各矩形波信号のエッジを検出する毎に、前回のエッジの検出時点から今回のエッジの検出時点までの経過時間に基づき、モータ回転速度を算出し、
今回のエッジの検出時点から次回のエッジの検出時点までの回転区間においては、
算出されたモータ回転速度と、今回のエッジに割り当てられている回転位置とに基づき、モータ軸の回転位置を一定の周期で推定し、推定回転位置を、モータ軸の回転位置として出力すればよい。

また、各矩形波信号の信号レベルの組み合わせに基づき、モータ軸の電気角１回転に相当する回転角度範囲を４つの回転区間に分け、各回転区間にそれぞれ一つの初期回転位置データを割り当てておき、
電源投入時に、各矩形波信号の信号レベルを検出し、
検出した信号レベルに基づきモータ回転軸が４つの回転区間のいずれに位置しているのかを検出し、
検出された回転区間に割り当てられている初期回転位置データを、当該電源投入時におけるモータ回転軸の初期回転位置として出力すればよい。

さらに、各回転区間には、各回転区間の中心位置に対応する回転位置データをそれぞれ割り当てておけばよい。

さらには、電源投入後の最初のエッジの検出時点においては、電源投入時から当該エッジが検出される時点までの経過時間の間に、モータ軸が回転区間の半分を回転したものとして、モータ回転速度を算出すればよい。

次に、本発明のＡＣサーボモータの簡易エンコーダは、２相のＡＣサーボモータの各磁極位置を検出して、９０度の位相差のある２相の矩形波信号を生成する磁極検出器と、各矩形波信号に基づきＡＣサーボモータのモータ回転軸の回転位置を検出する信号処理回路とを有し、この信号処理回路は上記の方法によりモータ回転軸の回転位置を検出することを特徴としている。ここで、信号処理回路は、モータ回転軸の回転位置を、シリアルバイナリデータの形態、あるいは、９０度の位相差のある２相パルス信号の形態で出力するように構成することができる。

本発明を適用した簡易エンコーダを備えたＡＣサーボモータの速度制御システムを示す概略構成図である。 図１の信号処理回路の機能ブロック図である。 図１の簡易エンコーダによるモータ回転軸の回転位置を検出する動作を示す動作説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したＡＣサーボモータシステムの実施の形態を説明する。

図１はＡＣサーボモータシステムの概略構成図である。ＡＣサーボモータシステム１は、３相のＡＣサーボモータ２と、このＡＣサーボモータ２のモータ軸３の回転位置を検出するための簡易エンコーダ４と、簡易エンコーダ４の出力に基づきＡＣサーボモータ２を駆動して速度制御を行うモータドライバ５とを有している。ＡＣサーボモータ２は、例えば、２０極モータである。

簡易エンコーダ４は、例えば、モータ回転軸１回転の分解能を８１９２（１３ビット）、多回転カウントを１６ビットとしたインクリメンタル型のエンコーダである。１回転内の回転位置を表すデータが１３ビット、回転数を表すデータが１６ビットの合計２９ビットからなるシリアルバイナリデータの形態で、回転位置データを出力して、モータドライバ５に供給する。

簡易エンコーダ４は、ＡＣサーボモータ２のＵ、Ｖ、Ｗ３相の磁極位置を検出し、磁極位置に対応する１２０度の位相差のある３相の矩形波信号ＰＵ、ＰＶ、ＰＷを生成するためのＵＶＷ磁極検出器６と、３相の矩形波信号ＰＵ、ＰＶ、ＰＷに基づき、モータ軸３の回転位置を検出する信号処理回路７とを備えており、これらの間がセンサケーブル８によって接続されている。これら磁極検出器６および信号処理回路７を一体化して、ＡＣサーボモータ２に搭載することも可能である。２０極モータの場合には、１回転当たり、１０周期分の各相の矩形波信号ＰＵ、ＰＶ、ＰＷが出力され、各矩形波信号の１周期分（電気角で１回転分）はモータ回転軸３の回転角度（機械角）で３６度に相当する。

ＵＶＷ磁極検出器６は、ＡＣサーボモータ２の側に搭載されており、ＡＣサーボモータ２のマグネットロータ（図示せず）と、１２０度の位相差の検出信号が得られるように配置した磁極検出用のホール素子、ＭＲ素子などの３個の磁気センサと、矩形波信号生成用の信号処理部とから構成することができる。マグネットロータの代わりに、当該マグネットロータと同様に２０極に着磁した磁極検出用マグネットをモータ軸３に取り付けても良い。光学式の磁気検出器は、磁極対の数（１０個）に対応するスリットが形成されたエンコーダ板と、これを挟み、対向配置した発光素子および受光素子と、受光素子の出力に基づき３相の矩形波信号を生成する信号処理部とから構成することができる。いずれの場合においても、高分解能のエンコーダ板を取り付ける必要がないので、検出機構を安価に構成でき、設置スペースも少なくて済む。

図２は信号処理回路７の機能ブロック図であり、信号処理回路７は、例えば、マイクロコンピュータを中心に構成することができ、ＲＯＭ内に格納されている制御プログラムを実行することにより図に示す各機能を実現している。この図に示すように、信号処理部７は、供給される３相の矩形波信号ＰＵ、ＰＶ、ＰＷの立ち上がりエッジおよび立下りエッジを検出するエッジ検出部１１、矩形波信号の論理レベルに基づきモータ軸３の回転位置がどの区分にあるのかを判別する判別部１２、タイマ１３、モータ軸３の速度を算出する速度演算部１４、エッジ間におけるモータ軸３の回転位置を一定の周期で算出して当該モータ軸の回転位置を推定する演算部１５、メモリ１６、回転数算出部１７、およびシリアルバイナリデータ生成部１８を備えている。

（回転位置算出動作）
図３は簡易エンコーダ４の回転位置算出動作を示す動作説明図である。この図を参照して回転位置算出動作を説明する。

先に述べたように、簡易エンコーダ４は、モータ回転軸１回転の分解能を８１９２（１３ビット）、多回転カウントを１６ビットとしたインクリメンタル型のエンコーダである。１回転内の回転位置を表すデータが１３ビット、回転数を表すデータが１６ビットの合計２９ビットからなるシリアルバイナリデータの形態で、回転位置データを出力して、モータドライバ５に供給する。

ＵＶＷ磁極検出器６から供給される３相の矩形波信号であるＵ相信号ＰＵ、Ｖ相信号ＰＶ、Ｗ相信号ＰＷは、図３（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示すように、２０極モータの場合、１回転で１０周期分出力される。１周期分は機械角で３６度（＝３６０度／１０）に相当し、３相の矩形波信号の論理レベルの組み合わせに応じて、６つの区間〈１〉乃至〈６〉に区分される。各相の矩形波信号はモータ１回転当たり１０周期分であり、各周期が６つの区間〈１〉乃至〈６〉に区分されるので、モータ１回転当たりの分解能は６０パルス（＝１０×６）になる。

１周期分の各エッジＥ０乃至Ｅ５には、図３（ａ）に示すように、１３ビットのデータを割り当てておく。例えば、エッジＥ０乃至Ｅ５に、それぞれ、「０」、「１３７」、「２７３」、「４１０」、「５４６」、「６８３」に対応する回転位置データを割り当てておく。また、図３（ｂ）に示すように、エッジＥ０乃至Ｅ５に、それぞれ、初期値として、「６８」、「２０４」、「３４１」、「４７８」、「６１４」に対応する初期回転位置データを割り当てておく。メモリ１６には、これらの対応テーブルが予め記憶保持されている。

信号処理回路７の判別部１２では、電源投入時にＵ相信号ＰＵ、Ｖ相信号ＰＶおよびＷ相信号ＰＷの信号レベルを検出し、検出した信号レベルに基づきモータ軸３の回転位置が６つの回転区間〈１〉乃至〈６〉のいずれに位置しているのかを検出する。メモリ１６からは、検出された回転区間に割り当てられている初期回転位置データが読み出される。この初期回転位置データが、シリアルバリナリデータ生成部１８において、シリアルバイナリデータに変換されて、電源投入時におけるモータ回転軸３の初期回転位置としてモータドライバ５に出力される。

本例では、各回転区間〈１〉乃至〈６〉の中心位置が初期回転位置データとして割り当てられている。中心位置以外の位置を初期回転位置データとして割り当てておくことも可能である。

この後は、モータ回転軸３の回転に伴って、信号処理回路７のエッジ検出部１１によって、電源投入後の最初のエッジが検出される。エッジが検出されると、当該エッジに割り当てられている回転位置データがメモリ１６から読み出され、これがモータ軸３の回転位置として出力される。

また、タイマ１３は、電源投入時から当該エッジが検出される時点までの経過時間をカウントしている。エッジが検出されると、速度演算部１４では、モータ軸３が回転区間の半分を回転したものとして、モータ回転速度を算出する。すなわち、機械角で３度（＝３６度／１２）回転したものとしてモータ回転速度を算出する。

この後は、算出したモータ回転速度でモータ軸３が回転しているものと仮定し、演算部１５において、１３ビットの分解能に対応する一定の周期でモータ回転位置を推定する。推定回転位置が、モータ軸３の回転位置として出力される。

この後は、各矩形波信号のエッジを検出する毎に、演算部１５をリセットして、検出されたエッジに予め割り当てられているモータ軸３の回転位置データを、当該モータ軸３の回転位置として出力する。また、各矩形波信号のエッジを検出する毎に、速度演算部１４では、前回のエッジの検出時点から今回のエッジの検出時点までの経過時間に基づき、モータ回転速度を算出する。そして、演算部１５では、今回のエッジの検出時点から次回のエッジの検出時点までの回転区間においては、算出されたモータ回転速度と、今回のエッジに割り当てられている回転位置とに基づき、モータ回転軸の回転位置を一定の周期で推定し、推定回転位置を、モータ軸の回転位置として出力する。

このようにして、図３（ａ）に示すように、電源投入時からの１回転内の回転位置データが１３ビットの分解能で出力される。また、信号処理回路７における回転数演算部１７では、３つの相の矩形波信号に基づき、モータ回転軸３の回転方向を算出し、１回転内の回転位置データが「０」の位置を通過すると、通過方向（回転方向）に応じて、多回転データを「１」あるいは「−１」だけ増加させる。この多回転データは、シリアルバイナリデータ生成部１８において１６ビットのデータに変換され、１３ビット分の回転位置データと合わせて、２９ビットのシリアルバイナリデータとしてモータドライバ５に供給される。

（その他の実施の形態）
上記の例は、本発明を３相のＡＣサーボモータの回転位置を検出するために適用したものである。本発明は２相のＡＣモータの回転位置を検出するために適用することができる。この場合には、磁極検出器からは９０度の位相差の２相の矩形波信号が得られ、これらの論理レベルの組み合わせに応じて、これらの１周期分の区間が４つに区分できる。したがって、３相のＡＣサーボモータの場合と同様にして、モータ回転軸の回転位置を擬似的に高分解能で検出できる。

Claims (12)

1. ３相のＡＣサーボモータの各相の磁極位置を検出し、当該ＡＣサーボモータのモータ回転軸の回転に伴って、１２０度の位相差のある３相の矩形波信号を生成し、
   各矩形波信号のエッジを検出する毎に、検出されたエッジに予め割り当てられているモータ軸の回転位置データを、当該モータ軸の回転位置として出力し、
   各矩形波信号のエッジを検出する毎に、前回のエッジの検出時点から今回のエッジの検出時点までの経過時間に基づき、モータ回転速度を算出し、
   今回のエッジの検出時点から次回のエッジの検出時点までの回転区間においては、
   算出されたモータ回転速度と、今回のエッジに割り当てられている回転位置とに基づき、モータ軸の回転位置を一定の周期で推定し、推定回転位置を、モータ軸の回転位置として出力することを特徴とするＡＣサーボモータの回転位置検出方法。
2. 請求項１に記載のＡＣサーボモータの回転位置検出方法において、
   各矩形波信号の信号レベルの組み合わせに基づき、モータ軸の電気角１回転に相当する回転角度範囲を６つの回転区間に分け、各回転区間にそれぞれ一つの回転位置データを割り当てておき、
   電源投入時に各矩形波信号の信号レベルを検出し、
   検出した信号レベルに基づきモータ回転軸が６つの回転区間のいずれに位置しているのかを検出し、
   検出された回転区間に割り当てられている回転位置データを、当該電源投入時におけるモータ軸の初期回転位置として出力することを特徴とするＡＣサーボモータの回転位置検出方法。
3. 請求項２に記載のＡＣサーボモータの回転位置検出方法において、
   各回転区間には、各回転区間の中心位置に対応する回転位置データがそれぞれ割り当てられていることを特徴とするＡＣサーボモータの回転位置検出方法。
4. 請求項３に記載のＡＣサーボモータの回転位置検出方法において、
   電源投入後の最初のエッジの検出時点においては、電源投入時から当該エッジが検出される時点までの経過時間の間に、モータ軸が回転区間の半分を回転したものとして、モータ回転速度を算出することを特徴とするＡＣサーボモータの回転位置検出方法。
5. ２相のＡＣサーボモータの各相の磁極位置を検出し、当該ＡＣサーボモータのモータ回転軸の回転に伴って、９０度の位相差のある２相の矩形波信号を生成し、
   各矩形波信号のエッジを検出する毎に、検出されたエッジに予め割り当てられているモータ軸の回転位置データを、当該モータ軸の回転位置として出力し、
   各矩形波信号のエッジを検出する毎に、前回のエッジの検出時点から今回のエッジの検出時点までの経過時間に基づき、モータ回転速度を算出し、
   今回のエッジの検出時点から次回のエッジの検出時点までの回転区間においては、
   算出されたモータ回転速度と、今回のエッジに割り当てられている回転位置とに基づき、モータ軸の回転位置を一定の周期で推定し、推定回転位置を、モータ軸の回転位置として出力することを特徴とするＡＣサーボモータの回転位置検出方法。
6. 請求項５に記載のＡＣサーボモータの回転位置検出方法において、
   各矩形波信号の信号レベルの組み合わせに基づき、モータ軸の電気角１回転に相当する回転角度範囲を４つの回転区間に分け、各回転区間にそれぞれ一つの回転位置データを割り当てておき、
   電源投入時に、各矩形波信号の信号レベルを検出し、
   検出した信号レベルに基づきモータ回転軸が４つの回転区間のいずれに位置しているのかを検出し、
   検出された回転区間に割り当てられている回転位置データを、当該電源投入時におけるモータ軸の初期回転位置として出力することを特徴とするＡＣサーボモータの回転位置検出方法。
7. 請求項６に記載のＡＣサーボモータの回転位置検出方法において、
   各回転区間には、各回転区間の中心位置に対応する回転位置データがそれぞれ割り当てられていることを特徴とするＡＣサーボモータの回転位置検出方法。
8. 請求項７に記載のＡＣサーボモータの回転位置検出方法において、
   電源投入後の最初のエッジの検出時点においては、電源投入時から当該エッジが検出される時点までの経過時間の間に、モータ軸が回転区間の半分を回転したものとして、モータ回転速度を算出することを特徴とするＡＣサーボモータの回転位置検出方法。
9. ３相のＡＣサーボモータの各磁極位置を検出して、１２０度の位相差のある３相の矩形波信号を生成する磁極検出器と、
   各矩形波信号に基づきＡＣサーボモータのモータ軸の回転位置を検出する信号処理回路とを有し、
   この信号処理回路は、請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載の方法によりモータ軸の回転位置を検出することを特徴とするＡＣサーボモータの簡易エンコーダ。
10. ２相のＡＣサーボモータの各磁極位置を検出して、９０度の位相差のある２相の矩形波信号を生成する磁極検出器と、
    各矩形波信号に基づきＡＣサーボモータのモータ軸の回転位置を検出する信号処理回路とを有し、
    この信号処理回路は、請求項５ないし８のうちのいずれかの項に記載の方法によりモータ軸の回転位置を検出することを特徴とするＡＣサーボモータの簡易エンコーダ。
11. 請求項９または１０に記載のＡＣサーボモータの簡易エンコーダにおいて、
    信号処理回路は、モータ軸の回転位置をシリアルバイナリデータの形態で出力することを特徴とするＡＣサーボモータの簡易エンコーダ。
12. 請求項９または１０に記載のＡＣサーボモータの簡易エンコーダにおいて、
    信号処理回路は、モータ軸の回転位置を、９０度の位相差のある２相パルス信号の形態で出力することを特徴とするＡＣサーボモータの簡易エンコーダ。

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