KR100536039B1

KR100536039B1 - 회전 검출 장치

Info

Publication number: KR100536039B1
Application number: KR10-2004-7003745A
Authority: KR
Inventors: 모리시타밈페이
Original assignee: 도시바 엘리베이터 가부시키가이샤
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2005-12-12
Also published as: CN1247962C; WO2003025516A1; EP1426736A1; US20050033547A1; CN1554012A; JP2003083769A; EP1426736B1; TW536624B; US7054783B2; EP1426736A4; JP3540300B2; KR20040035781A; MY129883A

Abstract

출력 리플을 용이하게 대폭으로 저감할 수 있는 회전 검출 장치를 제공한다. 회전 검출 수단(C1)의 출력 신호를 회전각 검출부(45) 및 각속도 검출부(47)에 있어서 회전각과 각속도로 변환하고, 주기수 게인 조정부(51)에 있어서 회전각 1회전당 리플 주기수를 회전각에 곱하고, 거기에 위상 조정부(49)로부터의 소정의 위상각을 가산하여 얻을 수 있는 각도를, 그 정현값 또는 여현값을 출력하는 정현(여현) 연산부(55) 및 정현(여현) 연산부의 출력에 소정의 게인을 곱하는 게인 조정부(57)를 통하여 각속도를 곱하는 동시에 감산기(61)에서 각속도로부터 곱셈기(59)에서의 연산 결과를 빼서 각속도 신호로 한다.

Description

회전 검출 장치{ROTATION SENSOR}

본 발명은 출력 신호에 내재하는 리플(ripple) 성분을 저감시킴으로써 회전기 등의 토크 리플을 저감할 수 있는 회전 검출 장치에 관한 것이다.

모터의 출력 토크에는 일반적으로 리플이 존재한다. 이 토크 리플은 서보 모터(servo motor)의 속도 불균일이나 위치 오차의 요인으로 되기 때문에, 예를 들어 NC(수치 제어)장치에서는 가공 정밀도를 악화시키는 원인이 되고, 엘리베이터에서는 카(car)가 흔들리게 되어 승차감을 해치는 요인으로 되고 있다.

이런 종류의 토크 리플을 검출하는 경우, 얻을 수 있는 토크 리플에는 감속기를 포함한 모터 본체에 기인하는 내적인 것과, 회전 검출 센서에 기인하여 외적으로 발생하는 것이 있다. 전자(前者)는 모터 고정자와 회전자의 공작 정밀도나 회전자 베어링의 편심, 모터 내부의 자계의 고조파(高調波) 및 감속기의 조립 정밀도에 기인하고 있다. 전자의 토크 리플 저감 방법은 종래부터 여러가지가 검토되어 제안되고 있고, 예를 들어 일본국 특개평7-129251호 공보에서 볼 수 있는 바와 같이, 감속기가 발생하는 토크 리플에 착안하여 토크 리플 조정 게인(gain)을 A, 감속기의 회전각을 θ, 초기 위상을 α1로 하여, 보정 신호 Tcomp(= Aㆍsin(θ + α1))를 연산하고, 모터의 회전 주기에 동기(同期)시켜 피드포워드(feed-forward)적으로 목표 토크 지령에 가산하여 토크 리플을 소거하는 방법이나, 일본국 특개평11-299277호 공보에서 볼 수 있는 바와 같이, 토크 리플이 모터 회전각과 상관성(相關性)을 갖는다는 점에서 이 상관 관계를 기억장치에 기억시켜, 모터 회전각에 의거하여 이것과 대응하는 토크 리플 데이터를 판독하고, 토크 지령값에서 리플만큼을 뺀 것을 새로운 토크 지령값으로 하는 방법 등이 있다.

한편, 후자의 회전 검출 센서에 기인하는 토크 리플은 결과적으로 모터 토크 리플로서 나타나기 때문에, 모터의 제어 장치에 상술하는 바와 같은 제어 방법을 적용하여 리플을 저감시킴으로써 문제가 되지 않는 경우가 많다. 그러나, 회전 검출 센서의 출력값에 검출 대상의 회전각에 기인하는 리플이 포함되면, 리플의 진폭이 검출 대상의 각속도(角速度)에 비례하여 커지기 때문에, 모터의 토크나 회전 속도를 제어할 때에 각속도 피드백 게인을 크게 할 수 없다는 문제가 생겨, 제어 장치에 커다란 부담이 걸릴 뿐만 아니라 장치 코스트의 상승을 초래하고 있었다.

이와 같이, 종래의 회전 검출 장치에서는, 그 출력에 리플이 포함되어 있어도 회전 검출 장치가 장착되는 회전기의 토크 리플이나 속도 불균일로 되어 표면화되지 않도록 회전기의 구동 장치나 제어 장치내에서 각종의 제어 방식이 적용되고 있었다. 이 때문에, 회전기의 구동 장치나 제어 장치가 복잡하게 되어 신뢰성의 저하나 비용 상승을 초래하는 문제가 있었다. 게다가, 전동기의 토크 리플에는 회전 검출 장치 출력의 리플 외에도 감속기의 조립 정밀도나 모터 본체의 공작 정밀도, 자계(磁界)의 고조파 등의 요인도 있어, 회전 검출 장치 출력의 리플은 이들 요인의 특정을 곤란하게 하는 것이고, 센서로서의 기능을 충분히 완수하고 있다고는 말할 수 없는 상황에 있었다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 전체적인 구조를 나타내는 사시도.

도 2는 제 1 실시예의 전체적인 구성을 나타내는 블록선도.

도 3은 제 1 실시예의 목표 각속도와 시간의 관계를 나타내는 패턴도.

도 4는 제 1 실시예의 토크 지령값과 시간의 관계를 나타내는 패턴도.

도 5는 종래 기술에 의한 토크 지령값과 시간의 관계를 나타내는 패턴도.

도 6은 제 1 실시예의 회전 검출 수단의 변형예를 나타내는 사시도.

도 7은 제 1 실시예의 회전 검출 수단 외의 변형예를 나타내는 사시도.

도 8은 본 발명의 제 2 실시예의 전체적인 구조를 나타내는 사시도.

도 9는 제 2 실시예의 전체적인 구성을 나타내는 블록선도.

도 10은 본 발명의 제 3의 실시예의 전체적인 구조를 나타내는 사시도.

도 11은 제 3 실시예의 전체적인 구성을 나타내는 블록선도.

본 발명은 이러한 사정에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 출력 리플을 저감시키고 회전 검출 장치가 장착되는 회전기 등의 액추에이터의 토크 리플이나 속도 불균일의 삭감, 액추에이터 구동 장치나 제어 장치의 간소화, 비용의 저감화 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 회전 검출 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 제 1 항에 따른 발명은 회전체의 회전 운동을 검출하는 회전 검출 수단과, 회전 검출 수단의 출력에 의거하여 회전체의 회전각을 검출하는 회전각 검출부 및 회전체의 각속도를 검출하는 각속도 검출부를 포함하는 회전 연산 수단을 구비하는 회전 검출 장치에 있어서, 회전 연산 수단은 회전각 검출부에 의해서 검출된 회전각의 정현값 또는 여현값을 연산하는 삼각 함수 연산부와, 삼각 함수 연산부에 의해서 산출된 정현값 또는 여현값에 소정의 게인을 곱하는 게인 조정부와, 게인 조정부의 출력에 각속도 검출부의 출력을 곱하는 곱셈부와, 각속도 검출부의 출력으로부터 곱셈부의 출력을 빼서 각속도 신호로 하는 감산부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 2 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 삼각 함수 연산부가 회전각 검출부에 의해서 검출된 회전각의 위상을 조정하는 위상 조정 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 3 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 검출 수단이 회전체의 회전각에 따른 출력을 발생시키는 리졸버(resolver)를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 4 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 검출 수단이 회전체의 각속도에 따른 전압을 출력하는 발전기를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 5 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 검출 수단이 회전체의 회전각에 따른 출력을 발생시키는 엔코더를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 6 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 검출 수단이 회전 연산 수단으로부터 이격되어 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 7 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 검출 수단이 회전 연산 수단을 내포하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 8 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 연산 수단이 각속도의 리플 성분을 저감하는 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 9 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 연산 수단이 회전각을 θ, 각속도를 ω, 게인 조정부의 게인을 G, 위상 조정부의 조정 위상값을 Ψ, 회전체 1회전 당(當)의 회전각 검출부의 출력으로 포함되는 리플 주기수를 n으로 하여,

ω_out= ω(1 - Gㆍsin(nθ + Ψ)) …(1)

로서 얻어지는 각속도(ω_out)를 연산하는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 10 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 연산 수단이 회전각의 리플 성분을 저감하는 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 11 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전각 검출부가 각속도 검출부의 출력을 적분하여 회전각을 얻는 적분기(積分器)를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 12 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 연산 수단이 각속도 출력(ω_out)을 적분하는 적분기를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 13 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 연산 수단이 회전각의 리플 성분을 저감한 회전각 신호 및 각속도의 리플 성분을 저감한 각속도 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 14 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 회전 연산 수단이 복수 단(段) 직렬로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 15 항에 따른 발명은, 제 2 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 위상 조정부가 복수의 조정 위상값을 갖고, 회전체의 토크의 부호에 따라서 복수의 조정 위상값 중 1개를 선택적으로 출력하는 것을 특징으로 한다.

청구항 제 16 항에 따른 발명은, 제 1 항에 기재된 회전 검출 장치에 있어서, 게인 조정부가 회전체의 회전자 회전축에 작용하는 중력 방향의 외력에 따라 소정의 게인을 변동시키는 것을 특징으로 한다.

<발명의 원리>

본 발명은 회전 검출 수단의 출력에 포함되는 리플(고조파) 성분, 특히 측정 대상물의 회전 주기에 의존하여 출현하는 리플 성분을 효과적으로 제거할 수 있다. 그리고, 상기 회전 검출 수단의 출력이 복수의 리플 성분을 갖는 경우에는 각각의 리플에 대응하는 회전 연산 수단을 복수개 설치함으로써 모든 리플 성분을 효과적으로 저감할 수 있다. 즉, 검출 대상의 회전각을 θ₀로 한다면, 진폭(a)의 리플을 갖는 회전 검출 수단의 출력은 회전각 검출부에 의해 다음 식의 회전각 출력(θ)으로 변환된다.

θ = θ₀－ aㆍcos(nθ₀ ＋ φ) …(2)

단, n은 검출 대상의 1회전당 리플 주기수, φ는 회전 검출 대상에 회전 검출 수단을 부착할 때의 초기 위상차이다.

여기서, 본 발명에서는 예를 들어 각속도 검출부에서 회전각 출력(θ)을 시간 미분하여 다음 식의 각속도 출력(ω)을 얻는다.

ω = dθ₀/ dt(1 ＋ aㆍnㆍsin(nθ₀＋ φ)) …(3)

회전 연산 수단이, 예를 들어 식(1)에 의거하여 해당 수단의 출력(ω_out)을 연산한다고 하면, 출력(ω_out)은 식(1)에 식(2)와 식(3)을 대입하여,

ω_out= dθ₀/ dt(1 - Gㆍsin(Ψ - aㆍnㆍcos(nθ₀＋ φ) ＋ nθ ₀)

＋ aㆍnㆍsin(nθ₀＋ φ)

- aㆍnㆍGㆍsin(Ψ - aㆍnㆍcos(nθ₀＋ φ)

＋ nθ₀)sin(nθ₀＋ φ)) …(4)

로 표시하게 된다. 여기서, dθ₀/ dt는 검출 대상의 각속도이다.

식(4)은, 리플의 진폭이 일반적으로 작고, a□1로 간주할 수 있으므로 삼각 함수를 각도 0 근방에서 선형 근사(近似)하여 전개하면,

ω_out= dθ₀ / dt(1 - Gㆍsin(Ψ ＋ nθ₀)

+ aㆍnㆍGㆍcos(Ψ ＋ nθ₀)cos(nθ₀＋ φ)

＋ aㆍnㆍsin(nθ₀＋ φ)

- aㆍnㆍGㆍsin(Ψ - aㆍnㆍcos(nθ₀＋ φ)

＋ nθ₀) sin (nθ₀＋φ)) …(5)

가 된다. 또한 aㆍG = 0으로 간주하면,

ω_out= dθ₀/ dt(1 - Gㆍsin(nθ₀＋ Ψ) + aㆍnㆍsin(nθ₀＋ φ)) …(6)

을 얻는다. 식(6)은 식(1)에 있어서 게인(G)을 리플 함유율(aㆍn)과 같게 설정하고, 또한 조정 위상(Ψ)을 초기 위상차(φ)과 대응하게 설정할 수 있다면, 회전 연산 수단의 출력(ω_out)이 검출 대상의 각속도(dθ₀/ dt)와 동일하게 되는 것을 나타내고 있고, 회전각 검출 수단의 출력에 포함되어 있던 리플 성분을 제거할 수 있는 것을 나타내고 있다.

게다가 또한, 회전 연산 수단의 출력(ω_out)과 검출 대상의 각속도(dθ₀/ dt)의 사이의 오차(e_rr)는 식(6)에서,

e_rr= ω - dθ₀/ dt

= (aㆍnㆍsin(nθ₀+ φ) - Gㆍsin(nθ₀＋ Ψ)) dθ₀/ dt …(7)

로 된다.

식(7)을 전개 정리하면,

…(8)

을 얻는다.

오차(e_rr)의 진폭은, 예를 들어 0 ~ 2an의 범위의 게인(G) 및 -π+φ ~ π+φ 범위의 조정 위상(Ψ)에 대해서 극소값이 0으로 되는 유일한 극소점을 갖는 오목형 함수가 되기 때문에 적당한 값의 G나 Ψ로부터 출발하여 간단하게 최소값 0을 찾아낼 수가 있다. 또한, 리플 함유율(an)이나 초기 위상(φ)을 이미 알고 있는 경우에는 G나 Ψ을 처음부터 기지의 값으로 설정하여도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

이와 같이, 본 발명에서는 회전 검출 장치의 출력 리플을 저감할 수 있고, 회전 검출 장치가 장착되는 회전기 등의 액추에이터의 토크 리플이나 속도를 저감할 수 있다. 또한, 식(1)의 간단한 연산으로 출력 리플을 저감할 수 있으므로 액추에이터 구동 장치나 제어 장치의 간소화, 비용의 저감화를 도모할 수 있다. 또한, 식(8)에서 분명한 것처럼 오차(e_rr)의 진폭이 0이면 검출 대상의 회전 속도가 어떻더라도 관계없이 리플 성분을 저감시킬 수 있으므로, 회전 검출 장치의 정밀도 및 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.

이하, 본 발명 실시예를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

<제 1 실시예>

본 발명의 제 1 실시예를 도 1 ~ 도 7을 참조하여 설명한다.

도 1 및 도 2에는 제 1 실시예에서의 회전 검출 장치가, 전체로서 부호(1)로 나타나 있다. 이 회전 검출 장치(1)는 회전 검출 수단(C1) 및 회전 연산 수단(C2, C2')를 구비하고 있다.

본 실시예에서의 회전 검출 수단(C1)은 검출 대상으로서의 회전 전동기(11)의 회전자 회전축(13)에 부착되어, 회전자 회전축(13)의 회전각에 비례한 전압을 출력하는 리졸버(resolver)(15)와, 리졸버(15)의 도시하지 않은 회전자에 직결된 회전 입력축(17)과, 회전자 회전축(13)에 접속되어 회전자 회전축(13)의 회전을 리졸버(15)의 회전 입력축(17)으로 전달하는 회전 전달 수단(19)으로 구성되어 있다.

회전 전달 수단(19)은, 예를 들어 유니버설 조인트나 커플러(coupler)를 구비하고 있고, 리졸버(15)의 회전 입력축(17)은 회전자 회전축(13)에 대해서 이상적으로는 서로의 축심이 일치하여 회전한다. 리졸버(15)는 권선을 실시한 도시하지 않은 회전자 및 마찬가지로 권선을 구비한 고정자(21)로 구성됨과 동시에, 회전 입력축(17)의 소정의 원점으로부터의 회전각 0 ~ 2π(rad)마다 회전각에 대응하는 전압, 예를 들어 0 ~ 5(V)의 전압을 출력하는 신호 처리부(23)를 구비하고 있다. 리졸버(15)의 고정자(21)는 베이스판(25) 위에 지지 부재(27)에 의하여 소정의 방법으로 고정되어 있다.

검출 대상인 회전 전동기(11)에 대해서 설명한다. 회전 전동기(11)는 베이스(29) 위에 탑재되어 스토퍼(31)에 의해서 고정되어 있고, 결과적으로 베이스(29)와 일체화되어 있다. 회전 전동기(11)는 회전자 회전축(13) 외에, 회전 전동기(11)의 고정자를 내장하는 고정자 하우징(33), 고정자 하우징(33)의 원통 저면 중앙부에서 회전자 회전축(13)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(35), 회전자 회전축(13)의 출력단측(出力端測)에 부착되어 회전 전동기(11)의 부하에 대해서 도시하지 않은 소정 방법으로 동력을 전달하는 풀리(37), 회전 검출 장치(1)의 출력에 의거해 회전자 회전축(13)의 회전 속도를 제어하기 위한 토크 지령값을 연산하는 속도 제어 장치(39), 삼상(三相) 교류 전원(41)으로부터 전력을 받는 동시에 속도 제어 장치(39)의 출력에 의거하여 회전자 회전축(13)에 토크 지령값과 동등한 토크를 발생시키는 구동 장치(43)를 구비하고 있다.

회전 검출 수단(C1)의 출력 신호는 회전 연산 수단(C2)에 도입된다. 이 출력 신호에는, 회전 전달 수단(19)의 부착 편심 오차 등으로 생기는 회전자 회전축(13)의 회전 주기로 변동하는 제 1 리플 성분과, 리졸버(15)의 도시하지 않은 권선의 불균일한 권장(卷裝)이 전자기적으로 작용하여 생기는 회전자 회전축(13)의 회전 주기의 정수배, 예를 들어 4배로 변동하는 제 2 리플 성분이 포함되어 있다. 이들의 리플 성분을 저감시키고, 검출되는 회전각에 바르게 대응하는 신호를 얻기 위해서 회전 연산 수단(C2, C2')이 구비되어 있다. 회전 연산 수단(C2)은 신호 처리부(23)의 출력 신호를 회전자 회전축(13)의 회전각 신호로 변환하는 회전각 검출부(45), 그 회전각 신호를 회전자 회전축(13)의 각속도 신호로 변환하는 각속도 검출부(47), 회전각 검출부(45)의 출력 신호에 대한 위상각을 조절하기 위한 위상 조정부(49), 회전자 회전축(13)이 1회전 하는 동안에 회전각 검출부(45)의 출력에 포함되는 제거해야할 리플의 주기수, 예를 들어 4를 입력 신호에 곱하는 주기수 게인 곱셈부(51), 위상 조정부(49)의 출력과 주기수 게인 곱셈부(51)의 출력을 가산하는 가산기(53), 가산기(53)의 출력을 입력하는 동시에 입력한 값의 정현(正弦)값을 계산하는 정현 연산부(55), 정현 연산부(55)의 출력에 조정 가능한 게인을 곱하는 게인 조정부(57), 게인 조정부(57)의 출력과 각속도 연산부(47)의 출력을 곱하는 곱셈기(59) 및 각속도 연산부(47)의 출력으로부터 곱셈기(59)의 출력을 빼는 감산기(61)를 구비하고 있다. 여기서, 정현 연산부(55)는 여현(餘弦)값을 계산하는 것이라도 좋다. 또한, 위상 조정부(49), 주기수 게인 곱셈부(51), 가산기(53) 및 정현 연산부(55)는 전체로서 삼각 함수 연산부(C3)를 구성하고 있다.

회전 연산 수단(C2')은 회전 연산 수단(C2)의 출력인 각속도를 적분하는 적분기로서의 회전각 검출부(45'), 회전각 검출부(45')의 출력에 대한 위상각을 조절하기 위한 위상 조정부(49'), 위상 조정부(49')의 출력과 회전각 검출부(45')의 출력을 가산하는 가산기(53'), 가산기(53')의 출력을 입력하는 동시에 입력된 값의 정현값을 계산하는 정현 연산부(55'), 정현 연산부(55')의 출력에 조정 가능한 게인을 곱하는 게인 조정부(57'), 게인 조정부(57')의 출력과 회전 연산 수단(C2)의 출력을 곱하는 곱셈기(59'), 회전 연산 수단(C2)의 출력으로부터 곱셈기(59')의 출력을 빼는 감산기(61'), 및 감산기(61')의 출력인 각속도를 적분하는 적분기(63')를 구비하고 있다. 또한, 위상 조정부(49'), 가산기(53') 및 정현 연산부(55')에 의해서 삼각 함수 연산부(C3')를 구성하고 있다.

여기서, 이해를 용이하게 하기 위하여 속도 제어 장치(39) 및 구동 장치(43)에 대해서 설명한다. 속도 제어 장치(39)는 회전자 회전축(13)의 각속도가 추종해야할 각속도 목표 패턴을 출력하는 각속도 목표 패턴 발생기(65), 각속도 목표 패턴 발생기(65)의 출력 및 회전 연산 수단(C2')이 구비하는 감산기(61')의 각속도 출력에 의거하여, 회전자 회전축(13)의 회전 속도를 목표 패턴으로 추종시키기 위한 토크 지령값을 연산하는 토크 지령 연산부(67)를 구비하고 있다. 또한, 구동 장치(43)는 삼상 교류 전원(41)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터(69), 토크 지령 연산부(67)의 출력 및 적분기(63')의 출력에 의거하여 토크 지령값과 동등한 토크를 회전 전동기(11)가 발생하도록 컨버터(69)로부터의 직류 전력을 입력하여 필요한 삼상 교류 전력을 출력하는 인버터(71)를 구비하고 있다. 여기서, 인버터(71)는 소정의 토크를 발생시키는 삼상 교류 전류를 회전 전동기(11)로 공급하도록 토크 지령 연산부(67)의 출력 및 적분기(63')의 출력에 의거하여 사이리스터(thyristor) 점호각을 제어하는 점호각 제어부(73), 및 점호각 제어부(73)의 출력에 의해 회전 전동기(11)에 삼상 교류 전류를 공급하는 사이리스터부(75)를 구비하고 있다.

회전 검출 장치(1), 속도 제어 장치(39) 및 구동 장치(43)에 있어서, 이들 장치의 동작에 필요한 전력은 단상(單相) 교류 전원(77)으로부터 공급된다. 또한, 이하의 블록선도에 있어서, 화살표선은 신호 경로를, 그리고 막대선(棒線)은 회전 전동기(11) 및 회전 검출 장치(1) 주변의 전력 경로를 나타내고 있다.

다음으로, 이상과 같이 구성된 본 실시예에 따른 회전 검출 장치의 동작에 대해서 설명한다.

장치가 대기 상태, 즉 삼상 교류 전원(41) 및 단상 교류 전원(77)이 투입됨과 동시에 회전 검출 장치(1), 속도 제어 장치(39) 및 구동 장치(43)가 가동 상태이지만 각속도 목표 패턴 발생기(65)가 0을 출력하고 있는 상태일 때는, 회전자 회전축(13)은 각속도 0 상태를 유지하고 있다. 뒤이어 각속도 목표 패턴 발생기(65)가, 예를 들어 도 3에 나타내는 바와 같은 사다리꼴 패턴을 발생하고 목표 각속도가 증가하기 시작하면, 토크 지령 연산부(67)에 있어서 감산기(61')로부터 출력되는 현재 회전자 회전축(13)의 각속도와 목표 패턴 발생기(65)의 각속도 목표값에 의거하여 회전 전동기(11)가 발생해야할 토크 지령값이 연산되어 그 연산 결과가 구동 장치(43)로 출력된다. 그렇게 하면 점호각 제어부(73)는 회전 전동기(11)가 지령값대로의 토크를 발생하도록 사이리스터부(75)에 대한 점호각을 제어하고, 인버터(71)의 출력 전류에 의하여 회전 전동기(11)는 지령값대로의 토크로 소정 회전 속도로 회전한다. 이와 같이 하여 회전 전동기(11)의 발생 토크에 의하여 풀리(37)가 회전자 회전축(13)과 함께 회전을 개시한다.

회전자 회전축(13)의 회전은 회전 전달 수단(19) 및 회전 입력축(17)을 통하여 리졸버(15)에 전달되고, 신호 처리부(23)에서는 회전자 회전축(13)의 회전각의 증가에 대응하여 출력 전압이 상승한다. 신호 처리부(23)의 출력 전압에 의거하여, 한편으로는 회전각 검출부(45)에서 회전자 회전축(13)의 회전각이 검출되고, 다른 한편으로는 각속도 검출부(47)에서, 예를 들어 미분기 등을 통하여 각속도가 검출된다. 이 때, 신호 처리부(23)의 출력 전압에는 상술한 이유에 의해 제 1 리플 성분과 제 2 리플 성분이 포함된다.

회전각 검출부(45)에서 얻을 수 있는 회전각에 대해서, 주기수 게인 곱셈부(51)에서 회전자 회전축(13)의 1회전당 리플 주기수, 여기에서는 4가 곱해져서 가산기(53)에서 위상 조정부(49)의 소정의 위상각과 합계가 되어 정현 연산부(55)로 도입되어 가산기(53)의 출력값의 정현값이 연산된다. 정현 연산부(55)의 출력에는 게인 조정부(57)에서 소정의 게인이 곱해진 뒤, 곱셈기(59)에서 각속도 검출부(47)로부터의 각속도가 곱해진다. 곱셈기(59)의 출력은, 각속도 검출부(47)로부터의 각속도와 함께 감산기(61)로 도입되고, 각속도 검출부(47)의 출력으로부터 감산되어 그 결과가 회전 연산 수단(C2)의 출력이 된다. 즉, 회전자 회전축(13)의 회전각 및 각속도에 대해, 상술한 식(1)에서의 연산 결과가 각속도로서 회전 연산 수단(C2)으로부터 출력된다. 따라서, 회전 연산 수단(C2)으로부터 출력되는 각속도에서는 제 2 리플 성분이 제거되고 있다.

회전 연산 수단(C2)의 각속도 출력은 다시 회전 연산 수단(C2')에 도입된다. 여기에서는, 적분기를 구비한 회전각 검출부(45')로 각속도가 적분되어 회전각으로 변환된다. 한편, 제 1 리플 성분의 초기 위상각에 상당하는 소정의 위상각이 위상 조정부(49')로부터 출력되어 있고, 회전각 검출부(45') 및 위상 조정부(49')의 출력이 가산기(53')에 도입된다. 여기서, 회전 연산 수단(C2)에서는 회전각 검출부(45')와 가산기(53') 사이에 개재된 주기수 게인 곱셈부(51)가 존재하지 않는 것은 제거해야할 제 1 리플 성분이 회전자 회전축과 동기하고 있기 때문이다. 정현 연산부(55')에서는, 가산기(53')가 출력하는 회전각의 정현값이 계산되고, 게인 조정부(57')에서 정현 연산부(55')의 출력값에 제 1 리플 성분의 진폭에 상당하는 소정의 게인이 곱해진다. 게인 조정부(57')의 출력은 곱셈기(59')에서 회전 연산 수단(C2)으로부터 출력된 각속도가 곱해지고, 감산기(61')에서 곱셈기(59')의 출력을 빼는 숫자로로 하여 회전 연산 수단(C2)으로부터 출력된 각속도에 관하여 감산이 행하여진다. 즉, 여기에서 제 1 리플 성분에 대하여 식(1)에서의 연산 결과가 각속도로서 감산기(61')로부터 출력되는 것으로 된다. 따라서, 감산기(61')로부터 출력되는 각속도에서는 모든 리플 성분이 제거되어 있는 것으로 된다. 감산기(61')의 각속도 출력은 그대로 회전 연산 수단(C2')의 제 1 출력으로써 속도 제어 장치(39)에 도입되는 한편, 적분기(63')에 도입되어 회전각으로 변환된다. 적분기(63')의 회전각 출력은 회전 연산 수단(C2')의 제 2 출력으로써 구동 장치(43)에 도입된다. 여기서, 각속도 목표값의 증가에 수반하여 증대하는 회전자 회전축(13)의 회전각 및 각속도가 정확하게 토크 지령 연산부(67) 및 점호각 제어부(73)에 입력됨으로써, 회전 전동기(11)에는 각속도의 증가에 수반하는 이상(異常) 진동과 각속도 일정 시의 토크 리플이 발생되지 않고, 도 3에 나타내는 각속도 목표 패턴에 양호하게 추종하는 각속도로서 풀리(37)가 회전한다. 뒤이어 목표 각속도가 0이 되면 풀리(37)의 각속도도 0으로 되어 회전 전동기(11)는 다시 대기 상태로 된다.

이 경우의 토크 지령 연산부(67)의 토크 지령값은 도 4에 나타내는 파형(도3의 각속도 패턴의 미분값에 상당)으로 되지만 종래와 같이 회전자 회전축(13)의 회전정보가 회전 검출 수단(C1)으로부터 바로 속도 제어 장치(39)에 입력되면, 도 3의 각속도의 증가에 수반하여 도 5에 나타내는 바와 같이 토크 지령에 리플이 발생한다. 이 리플의 진동수와 진폭은 회전자 회전축(13)의 각속도의 증가에 수반하여 최대 각속도로 도달할 때까지 증대하고, 뒤이어 각속도의 감소에 수반하여 소멸한다. 이와 같이 토크 지령값에 0부터 최대 각속도 운전시의 주파수에 이르는 리플이 포함되면, 회전 전동기(11)에 연결된 시스템에 특정 주파수의 공진을 여기(勵起)하는 경우가 있다. 시스템에 공진을 여기하면 회전자 회전축(13)이 특정 각속도가 되면 시스템으로부터 소음이나 진동이 발생하게 되고, 경우에 따라서는 시스템의 파손을 초래하게 된다. 이러한 현상을 방지하고 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 회전 전동기(11)를 포함하는 시스템 전체의 강성(剛性)을 올려 공진 주파수를 상승시키면 좋다. 그러나, 시스템의 강성을 올리는 데는 고강도의 재료나 보강이 필요하기 때문에 결과적으로 회전 전동기(11)에 연결되는 시스템 전체의 비용 상승을 초래한다. 그러나, 본 실시예에서는 도 4에 나타내는 바와 같이 토크 지령에 리플이 포함되지 않기 때문에, 상술하는 바와 같은 비용 상승을 초래하는 일이 없다.

또한, 상기 제 1 실시예에서는 회전 검출 수단이 리졸버(15)를 구비하고 있지만, 이것은 회전 검출 수단의 구성을 전혀 한정하는 것이 아니고, 각종 변경이 가능하다. 예를 들어 회전 입력축(17)의 각속도에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있는 발전기라 하더라도 아무런 지장이 없다. 또한, 회전 전동기(11)의 회전을 회전 전달 수단(19) 및 회전 입력축(17)에 의하여 전달하고 있지만, 이것은 회전 전달 수단(19)의 형태나 회전 입력축(17)의 사용을 전혀 제한하는 것이 아니고, 예를 들어 도 6에 나타내는 바와 같이 회전자 회전축(13)의 단부 주위에 등간격의 줄무늬 모양(79)을 형성하고, 신호 처리부(23')에 포함되는 광학 소자(81)에 의해서 이것을 판독하는 회전 검출 수단(C1)으로서의 광학식 엔코더(83)이거나, 도 7에 나타내는 바와 같이 회전자 회전축(13)의 회전을 회전 전달 수단으로서의 롤러(85)를 통하여 로터리 엔코더(87)에 전달하거나 하는 것이라도 좋다.

<제 2 실시예>

다음으로, 본 발명의 제 2 실시예를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.

제 1 실시예에서는, 회전 검출 수단(C1)의 출력 신호가 직렬로 설치된 2개의 회전 연산 수단(C2, C2')에서 처리되고 있지만, 이것은 회전 연산 수단의 개수나 구성을 전혀 한정하는 것이 아니고, 회전 검출 수단의 출력 신호가 갖는 리플 성분의 특징에 맞추어 회전 연산 수단의 개수나 구성을 변경하여도 지장이 없다. 예를 들어, 리졸버(15)에 대신하여 로터리 엔코더(87)를 구비한 회전 검출 수단(C1')에서는 리졸버(15)에 기인하는 제 2 리플 성분은 존재하지 않는다. 한편, 예를 들어 커플링으로 구성되는 회전 전달 수단(19)에 백래쉬(back-lash)가 존재하는 경우에는 회전 전동기(11)의 토크의 방향에 따라 조정 위상이 변동하게 된다. 또한, 회전 전동기(11)의 부하가 축심(軸心)을 비뚤어지게 하는 방향의 외력을 회전자 회전축(13)으로 작용시키는 경우에는, 부하의 크기에 따라 회전자 회전축(13)의 축심과 로터리 엔코더(87)의 도시하지 않은 회전축에 직결(直結)하는 회전 입력축(17)의 축심에 불균일이 생겨 리플 성분의 진폭이 변동하는 경우도 있을 수 있다. 이러한 경우에는, 토크 지령부(67)의 출력의 플러스 마이너스 부호로 조정 위상값을 바꿀 수 있는 위상 조정부(49") 및 축심을 비뚤어지게 하는 방향의 외력을 검출하여 그 크기로 보상용 게인을 바꿀 수 있는 게인 조정부(57")를 구비한 회전 연산 수단(C2")을 이용하여도 좋다. 도 8 및 도 9는 이러한 실시예를 나타내는 것이다.

회전 연산 수단(C2")은, 위상 조정부(49")와 게인 조정부(57"), 토크 지령 연산부(67)의 출력을 입력하여 그 플러스 마이너스를 판정하는 부호 판정기(89)를 구비하고 있다. 부호 판정기(89)의 출력은 위상 조정부(49")에 도입되어 있고, 이것에 의해 위상 조정부(49")는 토크 지령부(67) 출력의 플러스 마이너스에 의거하여 플러스 마이너스 각각에 대응한 소정의 위상 조정값을 출력한다. 또한, 예를 들어 중력 방향의 외력이 회전자 회전축(13)의 축심을 비뚤어지게 하는 경우에는, 외력 검출 수단(93)의 출력에 의거하여 게인 조정부(57")의 게인을 증감(增減)하고, 상기 게인은 항상 상술한 제 1 리플 성분의 진폭과 같은 값으로 조정된다. 외력 검출 수단(93)은 베이스(29)의 네 귀퉁이 위치와 도시하지 않은 상면(床面) 사이에 개재하여 중력 방향의 힘에 따른 전압 신호를 출력하는 4개의 로드 셀(load cell)(91)과, 각각의 로드 셀(91)의 출력으로부터 중력 방향의 외력을 계산하는 외력 연산 수단(95)을 구비하고 있고, 외력 연산 수단(95)으로부터는 상기 외력의 연산 결과가 출력된다. 즉, 부호 판정기(89) 및 외력 검출 수단(93)은 회전 검출 장치(1)의 동작 환경이 어떠한 것이라 하더라도, 식(8)에서의 오차(e_rr)를 0으로 동등하게 하기 위한 수단으로서 작용하고 있다. 여기서, 회전 연산 수단(C2") 중의 주기수 게인 곱셈부(51)의 게인이 1로 설정되어 있는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 본 실시예에서는 삼각 함수 연산부(C3")가 위상 조정부(49"), 주기수 게인 곱셈부(51), 가산기(53) 및 정현 연산부(55)에 의해서 구성되고 있다.

<제 3 실시예>

본 발명의 제 3 실시예를 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다.

제 1 및 제 2 실시예에서는 회전 검출 수단(C1, C1')과 회전 연산 수단(C2, C2', C2")이 인접하고, 그들이 전체로서 회전 검출 장치(1)를 구성하고 있었지만, 이것은 회전 검출 수단과 회전 연산 수단의 거리 및 구성 위치를 전혀 한정하는 것이 아니며, 도 10 및 도 11에 나타내는 바와 같이, 회전 연산 수단(C2)이 속도 제어 장치(39')나 구동 장치(43')에 삽입되어 있어도 좋다. 여기서, 구동 장치(43')에는 회전각 정보가 필요하기 때문에, 회전 연산 수단(C2)의 출력은 적분기(63')를 통하여 점호각 제어부(73)에 입력되어 있다. 또한, 회전 연산 수단(C2')이 사용되고 있지 않는 것은 회전 전달 수단에 기인하는 상술한 제 1 리플 성분이 충분히 작기 때문이다. 본 실시예에서는 회전 검출 수단(C1)을 회전 전동기(11)에 장착하면 좋고 장치의 부착이 간단하게 이루어진다는 이점이 있다.

<다른 실시예>

상기 각 실시예에서는, 회전 연산 수단(C2, C2', C2")은 아날로그 연산 방식으로 설명되고 있지만, 이것은 아날로그 연산 방식으로 한정되는 것은 아니고 디지털 연산 방식으로 하여도 좋다.

또한, 상기 각 실시예에서는 회전 검출 대상이 회전 전동기라고 설명했지만, 이것은 회전 검출 장치에 의한 검출 대상을 한정하는 것이 아니고, 회전체이기만 하면 어떠한 회전체라도 좋다. 예를 들어 발전기일 수도 있고, 나아가서는 가동자(可動子)의 직선 이동 거리를 차륜을 통해서 로터리 엔코더에서 회전각으로 변환하는 리니어 모터 등이 검출 대상일 수도 있다.

이 외에, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변경이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명의 회전 검출 장치에 의하면, 회전 검출 수단 자체에 기인하여 출력 신호에 혼입할 수 있는 리플 성분을 대폭 저감할 수 있기 때문에 회전각 검출 수단이 원인으로 발생하는 전동기나 각종 액추에이터의 토크 리플을 저감할 수 있어 이들 액추에이터의 제어 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 회전 검출 수단이 원인으로 발생하는 토크 리플 성분을 제거할 수 있으므로, 다른 요인으로 발생하는 토크 리플의 원인 특정이 용이하게 된다.

또한, 간단한 연산으로 회전 검출 수단의 출력 리플을 저감할 수 있으므로, 액추에이터 구동 장치나 제어 장치의 간소화 및 비용의 저감화를 달성할 수 있다.

덧붙여, 회전 검출 대상의 회전 속도와 무관하게 리플 성분을 저감할 수 있으므로, 회전 검출 장치의 정밀도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims

회전체의 회전 운동을 검출하는 회전 검출 수단과, 상기 회전 검출 수단의 출력에 의거하여 상기 회전체의 회전각을 검출하는 회전각 검출부 및 상기 회전체의 각속도를 검출하는 각속도 검출부를 포함하는 회전 연산 수단을 구비하는 회전 검출 장치에 있어서,

상기 회전 연산 수단은,

상기 회전각 검출부에 의해서 검출된 회전각의 정현(正弦)값 또는 여현(餘弦)값을 연산하는 삼각 함수 연산부와,

상기 삼각 함수 연산부에 의해서 산출된 정현값 또는 여현값에 소정의 게인(gain)을 곱하는 게인 조정부와,

상기 게인 조정부의 출력에 상기 각속도 검출부의 출력을 곱하는 곱셈부와, 상기 각속도 검출부의 출력으로부터 상기 곱셈부의 출력을 빼서 각속도 신호로 하는 감산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 삼각 함수 연산부는, 상기 회전각 검출부에 의해서 검출된 회전각의 위상을 조정하는 위상 조정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 검출 수단은, 상기 회전체의 회전각에 따라서 출력을 발생하는 리졸버(resolver)를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 검출 수단은, 상기 회전체의 각속도에 따른 전압을 출력하는 발전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 검출 수단은, 상기 회전체의 회전각에 따라 출력을 발생하는 엔코더를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 검출 수단은, 상기 회전 연산 수단으로부터 이격하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 검출 수단은 상기 회전 연산 수단을 내포하고 있는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 연산 수단은, 상기 각속도의 리플 성분을 저감하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 연산 수단은, 상기 회전각을 θ, 상기 각속도를 ω, 상기 게인 조정부의 게인을 G, 상기 위상 조정부의 조정 위상값을 Ψ, 상기 회전체 1회전당 상기 회전각 검출부의 출력에 포함되는 리플 주기수를 n으로 하여,

ω_out= ω(1 - Gㆍ sin(nθ + Ψ))

로서 얻어지는 각속도(ω_out)를 연산하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 연산 수단은, 상기 회전각의 리플 성분을 저감하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전각 검출부는, 상기 각속도 검출부의 출력을 적분하여 회전각을 얻는 적분기를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 연산 수단이 상기 각속도 출력(ω_out)을 적분하는 적분기를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 연산 수단은, 상기 회전각의 리플 성분을 저감한 회전각 신호 및 상기 각속도의 리플 성분을 저감한 각속도 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 연산 수단은, 복수단 직렬로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 위상 조정부는 복수의 조정 위상값을 갖고, 상기 회전체의 토크의 부호에 따라서 상기 복수의 조정 위상값 중 1개를 선택적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 게인 조정부는, 상기 회전체의 회전자 회전축에 작용하는 중력 방향의 외력에 따라 상기 소정의 게인을 변동시키는 것을 특징으로 하는 회전 검출 장치.