(57)【要約】【課題】スイッチングノイズが発生する場合でも確実に位置検出を行なうことができるモータ駆動システム及びモータ駆動方法を提供すること。【解決手段】モータ駆動システム１は、電動モータ９と、スイッチング動作により電動モータ９を駆動するモータドライバ回路２と、電動モータ９の位置を検出する位置検出器１０と、位置検出器１０の検出結果に基づきモータドライバ回路２を制御する制御部１とを有する。制御部１は、電動モータ９と伝送路６を介して接続され、電動モータ９を駆動するための複数の駆動電圧を生成するＰＷＭ発生回路１１と、位置検出器１０からの位置検出信号に基づきＰＷＭ発生回路１１をフィードバック制御するフィードバック回路１２と、ＰＷＭ発生回路１１における駆動電圧のスイッチングを一時的に停止させるスイッチング停止回路１３とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータと、
スイッチング動作により前記電動モータを駆動する駆動手段と、
前記電動モータの位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段の検出結果に基づき前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記駆動手段のスイッチング動作を一時的に停止させ、少なくとも前記停止期間に受信した位置検出信号に基づき前記駆動手段を制御するモータ駆動システム。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記電動モータと伝送路を介して接続され、前記電動モータを駆動するための複数の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、
前記位置検出手段からの位置検出信号に基づき前記駆動電圧生成手段をフィードバック制御するフィードバック手段と、
前記駆動電圧生成手段における駆動電圧のスイッチングを一時的に停止させる停止手段とを有する
ことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
前記位置検出信号は駆動電圧が送られる伝送路を使用して送信される
ことを特徴とする請求項１又は２記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
前記停止手段は、前記位置検出信号による位置情報を送信する周期の２周期分以上の間、前記駆動電圧のスイッチングを停止させる
ことを特徴とする請求項２又は３に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
前記停止手段は、定期的に前記駆動電圧のスイッチングを停止させる
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載のモータ駆動システム。
【請求項６】
前記停止手段は、フィードバック手段の要求に応じて前記駆動電圧のスイッチングを停止させる
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載のモータ駆動システム。
【請求項７】
前記停止手段は、前記停止手段が前記駆動電圧を停止させるタイミングを前記フィードバック手段に通知する
ことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項記載のモータ駆動システム。
【請求項８】
前記位置検出信号は、位置情報の開始を示す特定のスタートビットパターンを有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載のモータ駆動システム。
【請求項９】
前記位置検出手段は、前記停止手段により前記駆動電圧のスイッチングが停止している間、前記位置検出信号を出力する
ことを特徴とする請求項２乃至８のいずれか１項記載のモータ駆動システム。
【請求項１０】
前記電動モータは、ロボット装置の関節部に設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載のモータ駆動システム。
【請求項１１】
駆動手段のスイッチング動作により電動モータを駆動中に、所定のタイミングで当該スイッチング動作を停止する工程と、
前記電動モータの位置を検出する位置検出信号を少なくとも前記停止期間に取得し、当該位置検出信号に基づき電動モータを駆動するための複数の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段をフィードバック制御する工程とを有するモータ駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭ信号によりモータを駆動するモータ駆動システム及びモータ駆動方法に関し、特にモータの位置検出結果に基づきＰＷＭ信号のフィードバック制御を実施するモータ駆動システム及びモータ駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な分野において用いられる電動モータの制御機器においては、電動モータの回転角度を検出するために位置検出器（エンコーダ）が設けられている。この位置検出器からの位置検出信号は、電動モータのモータドライバ回路の制御手段に供給され、位置検出信号が示す電動モータの位置情報に基づきモータドライバ回路に供給するＰＷＭ波形を生成している。
【０００３】
ここで、位置検出器の信号をシリアル伝送することで省配線化する場合、モータ駆動線とは別に信号用の配線が必要となる。このような別途必要な配線をなくすため、特許文献１には、モータ駆動用の電流と制御信号とを共通の配線系統で供給することにより、ハーネスやコネクタを削減して小型化を図ったモータ制御システムが開示されている。
この従来のモータ制御システムは、コントローラの混合器には、モータの駆動電源となる直流電流とコントローラで生成された制御信号とが入力されて重畳される。混合器より、電力線搬送通信ケーブルを介して、直流電流と重畳された高周波の制御信号がモータの分波器へ搬送される。分波器は直流電流と制御信号とを分離し、直流電流はモータの駆動電源となり、制御信号は制御部へ入力されてモータの各種制御を行う。このようにして、直流電流に制御信号を重畳した電力線搬送通信を行うので、コントローラ側とモータ側はそれぞれ一組の電力線搬送通信コネクタと一組の電力線搬送通信ケーブルを設ければよい。
【特許文献１】特開２００３−３１９６９３号公報
【特許文献２】特開２００１−２３１２８４号公報
【特許文献３】特開２００６−９４６２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のように、信号をモータ駆動線に重畳させると、駆動線からのノイズの影響が大きく、直流電源に信号を重畳しなければならない。また、信号の重畳、分離のための回路規模が大きくなるという問題点もある。
【０００５】
これに対し、比較的短時間で検出できる電流や電圧などの検出タイミングをスイッチングのタイミングに対しずらす（例えば特許文献２、３参照）ことで、スイッチングノイズの影響を軽減する方法もあるが、スイッチングのタイミングが逐次変化し、さらに信号の検出（通信）に長い時間、例えば位置取得に必要なシリアル通信の時間が必要な場合は、確実な信号検出（通信）を行なうことができないという問題点もある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、スイッチングノイズが発生する場合でも確実に位置検出を行なうことができるモータ駆動システム及びモータ駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかるモータ駆動システムは、電動モータと、スイッチング動作により前記電動モータを駆動する駆動手段と、前記電動モータの位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果に基づき前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動手段のスイッチング動作を一時的に停止させ、少なくとも前記停止期間に受信した位置検出信号に基づき前記駆動手段を制御するものである。
【０００８】
本発明においては、スイッチング動作を一時的に停止させ、その間に位置検出信号を受信するため、位置検出信号におけるスイッチングノイズの影響を低減することができる。
【０００９】
また、前記制御手段は、前記電動モータと伝送路を介して接続され、前記電動モータを駆動するための複数の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、前記位置検出手段からの位置検出信号に基づき前記駆動電圧生成手段をフィードバック制御するフィードバック手段と、前記駆動電圧生成手段における駆動電圧のスイッチングを一時的に停止させる停止手段とを有することが好ましい。駆動電圧のスイッチングを一時的に停止させることでスイッチング動作を停止することができる。
【００１０】
さらに、前記位置検出信号は駆動電圧が送られる伝送路を使用して送信されるものとすることができ、これにより、省配線化することができる。
【００１１】
さらにまた、前記停止手段は、前記位置検出信号による位置情報を送信する周期の２周期分以上の間、前記駆動電圧のスイッチングを停止させるものとすることができ、これにより、確実に位置検出信号を受信することができる。
【００１２】
また、前記停止手段は、定期的に前記駆動電圧のスイッチングを停止させたり、フィードバック手段の要求に応じて前記駆動電圧のスイッチングを停止させるたりすることができる。伝送路におけるスイッチングノイズに応じて、適切な停止タイミングを図ることができる。
【００１３】
さらに、前記停止手段は、前記駆動電圧のスイッチングを停止させるタイミングを前記フィードバック手段に通知することができ、これにより、フィードバック手段は確実にスイッチングノイズが低減されるタイミングを認識することができる。
【００１４】
さらにまた、前記位置検出信号は、位置情報の開始を示す特定のスタートビットパターンを有するものとすることができ、スタートビットパターンを設けることで位置検出信号の通信時間を短縮化することができる。
【００１５】
また、前記位置検出手段は、前記停止手段により前記スイッチング動作が停止している間、前記位置検出信号を出力するものとすることができる。
【００１６】
さらに、前記電動モータは、ロボット装置の関節部に設けることができ、例えば軽量化及び小型化の要求が高い自律型歩行型のロボット装置等のロボット装置の関節部に設けることができる。
【００１７】
本発明にかかるモータ駆動方法は、駆動手段のスイッチング動作により電動モータを駆動中に、所定のタイミングで当該スイッチング動作を停止する工程と、前記電動モータの位置を検出する位置検出信号を少なくとも前記停止期間に取得し、当該位置検出信号に基づき電動モータを駆動するための複数の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段をフィードバック制御する工程とを有するものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、スイッチングノイズが発生する場合でも確実に位置検出を行なうことができるモータ駆動システム及びモータ駆動方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかるモータ駆動システムを示すブロック図である。本例にかかるモータ駆動システム１００は、軽量化及び小型化の要求が高い自律型歩行型のロボット装置等のロボット装置の関節部に設けられた電動モータを駆動するのに好適である。そして、本実施の形態にかかるモータ駆動システム１００は、スイッチングノイズが位置検出信号などの信号伝送に与える影響を簡易な回路で軽減するものである。
【００２０】
図１に示すように、モータ駆動システム１００は、モータドライバ回路２、伝送路６、スイッチングノイズ抑制コア３、位置検出信号を伝送路と直流的に分離するためのコンデンサ４ａ、４ｂ、７ａ、７ｂ、差動信号送信機８、差動信号受信機５、電動モータ９、位置検出器１０、位置検出器１０の検出結果に基づき電動モータ９の駆動を制御する制御部１を備えている。このうち、制御部１、及びモータドライバ回路２は、ロボット装置の胴体部に設けられ、電動モータ９及び位置検出器１０は、各関節部に設けられる。
【００２１】
モータドライバ回路２は、スイッチング動作により電動モータ９を駆動する駆動手段であり、後述するＰＷＭ発生回路１１からＰＷＭ信号を入力し、ＰＷＭ信号に応じてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧を生成して出力する。モータドライバ回路２は、具体的には、複数のトランジスタ及びダイオードにより構成される。
【００２２】
伝送路６は、モータドライバ回路２から出力されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧を電動モータ９に対して伝達する３本のモータケーブルより構成された３相電力線である。
【００２３】
スイッチングノイズ抑制コア３は、モータドライバ回路２におけるトランジスタのスイッチングにより生じるノイズを抑制するためのフェライト又はアモルファス磁性体等からなるコアである。
【００２４】
電動モータ９は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧を入力し、各駆動電圧信に応じて回転軸を回転させる永久磁石モータ（サーボモータ）である。即ち、本例にかかる電動モータ９は３相モータである。
【００２５】
位置検出器１０は、電動モータ９の回転軸の回転角を検出するロータリーエンコーダである。位置検出器１０からの位置検出信号は、差動信号送信機８及びコンデンサ７ａ、７ｂから伝送路６を経て、コンデンサ４ａ、４ｂから差動信号受信機５に入力され、これが後述するフィードバック回路１２に入力される。
【００２６】
制御部１は、ＰＷＭ発生回路１１、フィードバック回路１２、スイッチング停止回路１３及び発信器１４を有し、モータドライバ回路２のスイッチング動作を一時的に停止させ、少なくともその停止期間に受信した位置検出信号に基づきモータドライバ回路２を制御する、例えばコントローラにより構成される。
【００２７】
ＰＷＭ発生回路１１は、電動モータ９と伝送路６を介して接続され、電動モータ９を駆動するための複数の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段であり、発信器１４からの信号を、フィードバック回路１２より入力された駆動電流指令信号に応じたパルス幅を有するＰＷＭ信号とする。本実施の形態にかかるＰＷＭ発生回路１１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれについて生成し、出力する。
【００２８】
フィードバック回路１２は、位置検出器１０からの位置検出信号に基づきＰＷＭ発生回路１１をフィードバック制御するフィードバック手段であり、位置検出器１０から送信された位置検出信号と、上位機器から与えられる目標値とを比較し、これらが一致するようＰＷＭ発生回路１１をフィードバック制御する。
【００２９】
スイッチング停止回路１３は、ＰＷＭ発生回路１１における駆動電流指令信号の出力を一時的に停止させる停止手段であり、本実施の形態においては、位置検出器１０が位置検出信号により位置情報を送信する周期の２周期分以上の間、ＰＷＭ発生回路１１の駆動電流指令信号を停止させる。ＰＷＭ波形生成時のスイッチングノイズにより位置検出信号を検出することが困難となるが、電動モータ９の出力に余り影響がない範囲でＰＷＭ波形の生成を停止させることで、フィードバック回路１２に位置検出信号を確実に受信させることができる。
【００３０】
本実施の形態においては、このスイッチング停止回路１３によりＰＷＭ波形の出力を一時的に停止させることで、モータ駆動線にモータの位置検出信号などを容易に重畳することが可能となる。次に、このスイッチング停止回路１３のスイッチングの停止について説明する。図２は、ＰＷＭ波形、スイッチングノイズ、及び位置検出信号を示す図である。
【００３１】
電動モータに取り付けられた位置検出器１０から制御部１に位置検出信号を伝送する場合、モータ駆動によって発生するスイッチングノイズの影響を受ける。このため、通信品質を確保するために、差動送信、ノイズ除去フィルタ、エラー補正、シールドケーブル等でノイズ対策を行なう必要がある。本実施の形態の如く、モータ動力線である伝送路６に位置検出信号を重畳する場合は、さらに対策が困難となる。
【００３２】
ところで、通常スイッチングノイズ周波数は、数ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ（周期５０μｓ）程度で、スイッチングが１周期に、例えば３．２μｓ程度しか確保することができない。すなわち、例えば、３相、上・下アーム、ＰＷＭの立ち上がり、立下りでスイッチングノイズが合計１２回発生し、１回あたりのスイッチングで発生するノイズ時間を１μｓとすると１周期中にノイズがない時間は（５０μｓ−１μｓ×１２回）／１２回で３．２μｓとなる。
【００３３】
一方、例えば位置検出信号による位置情報の送信周期は制御ゲインを特に上げる必要がない場合は５００μｓ（２ｋＨｚ）間隔で十分である。すなわち、スイッチング動作１０周期に１回の頻度で位置情報を伝送できればよい。また、通信にかかる時間は、例えば３２ビット情報を１０Ｍｂｐｓの通信速度で伝送した場合、４μｓ程度である。
【００３４】
そこで、通信に影響を与えるノイズはスイッチング時に発生するノイズが支配的であることから、スイッチングを例えば１０周期に１回の頻度で、位置情報の送信にかかる時間の２倍以上の時間（期間Ｔ）停止し、その間に位置情報の通信を行う。このことにより、スイッチングによるノイズの影響を低減することができる。なお、スイッチングを停止することは、モータの応答性や最大トルクとトレードオフの関係となるが、ロボットハンドなど多数のモータが用いられる場所ではモータ特性も重要であるが、それ以上に小型化が必須であり、省配線は極めて重要である。
【００３５】
ここで、位置検出器などからの位置検出信号の送信はスイッチングの停止とは関係なく常に行えば、制御部１は位置取得できるときに位置情報を取得できるので、送信タイミングに関して特別な制御を行なう必要がない。
【００３６】
本実施の形態においては、モータドライバ回路２のスイッチング動作を予め決められた周期毎に予め決められた周期又は予め決めた時間、すなわち、位置情報送信に必要な時間の２倍、停止する。この停止期間にはスイッチングノイズが発生しないため、ノイズ対策をさほど行なわなくても位置検出器１０と制御部１との間で情報をやり取りすることができる。従来、モータ駆動線に位置検出信号を重畳する場合、スイッチングノイズ対策するため、フィルタなどを設ける必要があり、制御部の回路規模が大型化する問題があったが、本実施の形態にかかる駆動システムを適用することにより、モータ駆動信号に位置検出信号を容易に重畳することができる。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、位置検出信号は、例えば、最初の１６ビット等を何も信号を送らないブランク期間（０）として位置検出情報の始まりを検出するものとすることができるが、スタートビットパターンを設けることで、当該ブランク期間をなくし、短時間で同期を取れるようにすることができる。これにより、単位時間あたりの情報送信回数を少しでも多くし、制御部１に対するフィードバック制御をより高精度なものとすることができる。または、位置検出信号の送信時間を短縮化することで、電動モータ９のモータ特性の低減を抑制することができる。
【００３８】
また、上述の実施の形態においては、定期的にスイッチング動作を停止することとして説明したが、位置情報が認識できない場合にのみスイッチングを停止させることができる。この場合、例えば、スイッチング停止回路１３は、位置検出信号を認識するフィードバック回路１２からのエラー通知を受け取り、エラー通知を受け取ったときのみスイッチング動作を停止させる。このことにより、位置情報を取得しつつ、モータ特性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態にかかるモータ駆動システムを示すブロック図である。
【図２】ＰＷＭ波形、スイッチングノイズ、及び位置検出信号を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  制御部
２  モータドライバ回路
３  スイッチングノイズ抑制コア
４ａ、４ｂ、７ａ、７ｂ  コンデンサ
５  差動信号受信機
６  伝送路
８  差動信号送信機
９  電動モータ
１０  位置検出器
１１  ＰＷＭ発生回路
１２  フィードバック回路
１３  スイッチング停止回路
１４  発信器
１００  モータ駆動システム
【図１】
2008278657.tif 000003
【図２】
2008278657.tif 000004