(57)【要約】【課題】ソフト的にノイズを阻止し、サーボモータ等に衝撃を与えず、異常動作の発生を防止できる磁歪式位置センサの制御方法を提供。【解決手段】直線型磁歪式位置センサ６によりフィードバック制御を行うようにされた制御装置８において、磁歪式位置センサの現在位置データと一サンプリング時間前の位置データとの差を一サンプリング時間で割った現在速度データとあらかじめ定められた限界速度データとを比較する（Ｓ１５）。現在速度データが限界速度データより小さい場合は、異常データカウンタをゼロとし（Ｓ１６）現在データを位置データとして保存する（Ｓ１７）。現在速度データが限界速度データより大きい場合は、位置データをそのまま保存し、カウンタに一を加える（Ｓ２１）。カウントが閾値越えた時は非常停止する（Ｓ２３）。位置データはフィードバック信号として出力される（Ｓ１８）。【選択図】        図２
2005233614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線型アクチュエータのストロークを測長可能にされた磁歪式位置センサと、前記磁歪式位置センサの信号により前記アクチュエータのフィードバック制御を行うようにされた制御装置において、現在の磁歪式位置センサの現在位置データと一サンプリング時間前の磁歪式位置センサの位置データとの差を前記一サンプリング時間で割った絶対値とした現在速度データと、あらかじめ定められた正の限界速度データと、を比較して、前記現在速度データが前記限界速度データより小さい場合は、現在データを一サンプリング時間前の位置データとして保存し、かつ異常データカウンタをゼロとし、前記現在速度データが前記限界速度データより大きい場合は、前記一サンプリング時間前の位置データをそのまま保存し、かつ前記異常データカウンタに一を加え、前記異常データカウントがあらかじめ定めたカウンタ値を越えた時は非常停止するようにされ、前記一サンプリング時間前の位置データをフィードバック信号として出力するようにされていることを特徴とする磁歪式位置センサの制御方法。
【請求項２】
前記限界速度データは、前記アクチュエータの最大速度に１．２５〜１．７５の余裕率を掛けたことを特徴とする請求項１記載の磁歪式位置センサの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば油圧シリンダ等の直線型アクチュエータのフィードバック制御に用いる磁歪式位置センサの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧シリンダ等の直線型アクチュエータのフィードバック制御等にあたって、磁歪式位置センサを油圧シリンダに内蔵して油圧シリンダの位置検出を行うものがある。このものは、機械装置にセンサを取り付ける必要がなくなる事から回り止めなどが不要となり機械装置が簡単にできる事やアブソリュート形であるため使用開始時の零点設定が不要であるなどの利点がある。特許文献１に開示されているように、この磁歪式位置センサ（磁歪式変位検出装置）は、図３（ａ）乃至（ｅ）に示すように、磁歪線に電流パルスを流すことにより、磁歪線に沿って移動可能な永久磁石の近接する磁歪線の部位で捩り弾性波（超音波）を発生させ、磁歪線の特定部位に設けた受信器までの捩り弾性波の伝播時間を計測することにより、永久磁石に与えられる機械的変位を検出するものである。また、受信器としては、触子を磁歪線に対してほぼ直交して接触させ、捩り弾性波を触子の軸方向力に変換し、触子の端部に取り付けた圧電素子で捩り弾性波の到来を検出するものや、逆磁歪効果（Ｖｉｌｌａｒｉ  ｅｆｆｅｃｔ）を利用して磁歪線を伝播した捩り弾性波の到来を非接触で検出するコイル等が知られている。
【０００３】
かかる弾性波の到来を検出するに際して、電流パルスを流し、弾性波を発生させる間隔がサンプリング時間で、歪みを与えた後に与えた歪みが反射してくるまでの伝播時間をカウントアップしＤ／Ａ変換したり、積分回路に一定電流を供給して電荷をチャージし、時間−電圧変換をおこなうことにより、フィードバック回路に組み込み位置制御をおこなっている。この種の変位検出装置の場合、検出精度および信頼性を高めるには、受信器で受信される検出波形中のノイズを少なくする必要がある。そこで、磁歪線や受信器の外側をシールド材で何層にも覆ったり、検出波形中のノイズをフィルタ等で電気的に除去する方法が用いられているが、装置が大型化したり、回路が複雑化するという問題がある。また、特許文献１のものでは、受信機を２個その極性を逆にすることにより、ノイズの影響を減らし、大きな検出波形を得るようにしている。
【特許文献１】特開平５−１７２５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる磁歪式位置センサにおいては、反射波の受信時にノイズの影響を受けやすい。例えば、通常の信号ラインに重畳されるノイズは、一般的には電圧レベル的に小さいか、時間が非常に短いものである場合が多い。しかし、かかるレベルの小さく時間が短いノイズであっても、磁歪式位置センサでは、ノイズにより反射波が到達したと判断するために大きなノイズ（信号）となって表れる。つまり、図３に示すように、歪みを与えた後にどのくらいの時間が経過してノイズの影響を受けたかによりノイズの大きさが変化するので、図４に示すように、例えばセンサの測長距離の一番短いところで”０Ｖ”出力３０、一番長いところで”１０Ｖ”出力３１とすると、正常な状態で”９Ｖ”出力３２している状態であっても、図３の（ｄ）に示すように、歪みを与えた直後にノイズの影響で反射波が来たと判断すると図４の符号３３に示すように、出力電圧が”０Ｖ”に限りなく近い電圧を出力することになり、ノイズの影響が非常に大きいことがわかる。しかし、このようなノイズは常に発生しているわけではなく、ノイズの影響を受けることが希れであり、その対策、原因究明が困難であった。
【０００５】
かかるまれに発生するノイズに対して、フィルタによるノイズ対策は、繰り返しのノイズには有効であるものの単発的ノイズに対しては、大きさ（波高値）を小さくする代わりにノイズの影響を時間的に引き延ばすなど正常な信号にも歪みを与えるという背反関係にあった。また、特許文献１のものでは受信機を倍にするので高価となってしまうという問題があった。また、ソフト的に異常なデータを除く方法として、サンプル値の上下限を除いて残ったサンプル値を平均し真の値とする方法もあるが、ノイズが全く無い状態でも平均的にフィードバック信号を（サンプル時間×サンプル数）／２  時間だけ遅れて取り込むようにソフトウエアを組込んだ事になり、おしなべて制御性能を劣化させる事になるものであった。
【０００６】
このようなまれに発生するノイズは、フィードバック回路、例えば、ＡＣサーボモータによる油圧ポンプの回転数制御を行って油圧シリンダを作動させる油圧システムや、ＡＣサーボモータによるボールねじ駆動においては、慣性力のため単発的なノイズによりすぐにモータが回転する事はないものの、電流および磁界の急激な変化により衝撃音が発生する。また、短い期間に連続して発生した場合には異常な動作となって現れてくるという問題があった。
【０００７】
本発明の課題はかかる問題点に鑑みて、コストや回路を追加するハード的な方法でなく、ソフト的な信号処理により、まれに発生し、フィードバック信号としては大きな値となるノイズを阻止し、ＡＣサーボモータ等に衝撃を与えないようにし、また、異常動作の発生を防止できる磁歪式位置センサの制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては、直線型アクチュエータのストロークを測長可能にされた磁歪式位置センサと、前記磁歪式位置センサの信号により前記アクチュエータのフィードバック制御を行うようにされた制御装置において、現在の磁歪式位置センサの現在位置データと一サンプリング時間前の磁歪式位置センサの位置データとの差を前記一サンプリング時間で割った絶対値とした現在速度データと、あらかじめ定められた正の限界速度データと、を比較して、前記現在速度データが前記限界速度データより小さい場合は、現在データを一サンプリング時間前の位置データとして保存し、かつ異常データカウンタをゼロとし、前記現在速度データが前記限界速度データより大きい場合は、前記一サンプリング時間前の位置データをそのまま保存し、かつ前記異常データカウンタに一を加え、前記異常データカウントがあらかじめ定めたカウンタ値を越えた時は非常停止するようにされ、前記一サンプリング時間前の位置データをフィードバック信号として出力するようにされた磁歪式位置センサの制御方法を提供することにより前述した課題を解決した。
【０００９】
現在位置データと一サンプリング時間前の位置データとの差を一サンプリング時間で割った値、即ち現在速度は、アクチュエータが正常に動いているときは限界速度内にあるとして判定する。従って、現在速度データと限界速度データとを比較して、現在速度データが限界速度データより小さい場合は、正常に動いていると判定して、記録（現在データを一サンプリング時間前の位置データとして保存）する。また、異常ではないので、異常データカウンタをゼロとする。一方、現在速度が限界速度を超えることは理論的には発生しないと判定する。従って、現在速度データが限界速度データより大きい場合は、データを無視して、一サンプリング時間前の位置データを現在データとして扱う（一サンプリング時間前の位置データをそのまま保存する）。この場合は異常であるので、異常データカウンタに一を加える。
【００１０】
現在のサンプルデータを異常値と見なし、そのまま過去のデータを使用した場合においては、連続して過去のデータを使用している内に真のサンプリングデータが規定幅を超えた場合に制御系は連続して過去のサンプルデータを現在のサンプルデータと見なし始めるため、結果としてフィードバック信号が断線状態となり異常動作する。しかし、本発明においては、異常データが続くと過去のサンプリングデータを連続して使用した回数を異常データカウンタでカウウントしあらかじめ定めた回数を超えた場合は、ノイズ以外の異常の発生があったものと予想し非常停止させるので、かかる異常動作を防止できる。また、フィードバック回路でフィードバックする位置データ信号は一サンプリング時間前の位置データの値をフィードバックするようする。これにより、ノイズにより異常発生した現在位置データはフィードバック信号として送られないので異常動作を防止できる。
【００１１】
限界速度はポンプの最大吐出量やシリンダサイズ、ＡＣモータの能力、ボールねじ等の能力から得られるアクチュエータの最大速度、実際に使用するアクチュエータの最大速度等に設定すればよい。より好ましくは、前記限界速度データは、前記アクチュエータの最大速度に１．２５〜１．７５の余裕率を掛けた磁歪式位置センサの制御方法とするのが好ましい（請求項２）。最大速度近傍での使用が多かったり、急発信や停止がある、ノイズの多い場合等は余裕率を１．７５と高く、最大速度近傍での使用が少なく、緩やかな運転、ノイズの少ない場合等は余裕率を１．２５と低くする。１．７５を超えると異常時の振動が発生しやすく、１．２５より低すぎると異常がないのに停止し易くなる。なお、ノイズ対策としてセンサ部の静電シールドや磁気シールドを十分行うようにすることはもちろんである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ノイズ等により限界速度を超えた現在位置データが生じても、ノイズの影響の少ない最も間近の一サンプリング時間前の位置データを常にフィードバック信号として使用するために、ノイズ保護ソフトによる制御性能の劣化は無くハードの持つ高速処理性能をフルに発揮することができる。また、異常信号によるＡＣサーボモータ等の異常作動もなく、ＡＣサーボモータ等に衝撃を与えないものとなった。また、異常位置データが連続した場合は非常停止するようにされているので異常動作の発生を防止できるものとなった。さらに、限界速度データをあらかじめ定めたアクチュエータの最大速度の１．２５〜１．７５の余裕率を設けるようにしたので、ノイズに強く、操作が容易なものとなった。また、限界速度を実際の環境や作動に合わせて任意に設定すればよいので、応用性の高いものとなった。さらに、磁歪式位置センサは基本回路でよいので、標準化が容易となり、操作や制御も容易なものとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に適用する油圧システムのブロック図、図２は本発明の実施の形態を示す（ａ）は初期値設定、（ｂ）は制御方法のフローチャート図、図３は本発明の実施の形態で使用する磁歪式位置センサの距離測定の原理及びノイズの状態を示す模式図、図４は磁歪式位置センサアンプから得られる電圧信号の説明図である。図１に示すように、油圧システムは、ＡＣサーボモータ１に駆動可能にされた両回転油圧ピストンポンプ２、直線アクチュエータとしての油圧シリンダ３、油圧シリンダに内蔵され、油圧シリンダのロッド４に取り付けられた永久磁石５の位置をケース６ａに収められた磁歪線で検知可能にされた磁歪式位置センサ６、磁歪式位置センサの位置信号を電圧信号に変換出力するアナログ位置センサアンプ７、ＡＣサーボモータを制御するＡＣサーボモータ用アンプ９、油圧シリンダの制御内容を指示するパラメータ設定器１０、パラメータ設定器信号とアナログ位置センサアンプの信号とを比較し、ＡＣサーボモータ用アンプに指令信号を出力するアナログセンサ内蔵シリンダ用制御装置８とから構成されている。両回転油圧ピストンポンプ２の両吐出口２ａ，２ｂはそれぞれ油圧シリンダ３のロッド側給排ポート３ａ及びヘッド側給排ポート３ｂに接続されている。
【００１４】
吐出口２ａから油圧をロッド側給排ポート３ａに供給すると油圧シリンダのロッド４が縮む。また、吐出口２ｂから油圧をヘッド側給排ポート３ｂに供給すると油圧シリンダのロッド４が伸びる。ＡＣサーボモータ１で両回転油圧ピストンポンプ２を左右に所定の速度で回転させることで油圧シリンダのロッドを所定の速度で伸縮自在に制御できるようにされている。これにより、パラメータ設定器１０で設定した目標値とアナログ位置センサアンプ７を介して磁歪式位置センサ６からのフィードバック信号をアナログセンサ内蔵シリンダ用制御装置８で比較し、ＡＣサーボモータ用アンプ９を通じてＡＣサーボモータ１に回転数と回転方向の指示を与え、これに直結された両回転ポンプによりシリンダの位置決め制御をおこなう。磁歪式位置センサ６の詳細については、従来例で述べたような周知のものであるので説明を省略する。
【００１５】
また、アナログセンサ内蔵シリンダ用制御装置８においては、図２に示すように制御される。まず、図２（ａ）に示すように、シリンダの面積、ポンプ容量、ＡＣサーボモータ最大回転数から最大速度を求める（Ｓ１：ステップ１以下同様）、シリンダ長さとサンプリング時間からサンプリング時間内での最大変化量（バイナリーデータ化する）を求めこれをＶｃｍａｘとする（Ｓ２）。なお、最大速度は実際の使用条件に合わせた値でもよい。さらに、シリンダのピストン位置を読み取り（Ｓ３）、位置データとして位置データ記憶部に保存する（Ｓ４）。この位置データ記憶部の値がフィードバック信号とされる。また、異常データカウントの閾値を設定し（Ｓ５）、異常データカウントクリアする（Ｓ６）。
【００１６】
次に、図２の（ｂ）に示すように、一サンプリング時間毎に割り込み（Ｓ１１）が働き、シリンダのピストン位置、即ち磁歪式位置センサの現在位置データ読み取り（Ｓ１２）、この現在位置データと位置データ記憶部の一サンプリング時間前の磁歪式位置センサの位置データとの差を計算し（Ｓ１３）、一サンプリング時間で割った絶対値とした現在速度データ（Ｓ１４）とする。現在速度データはバイナリーデータである。限界速度データと現在速度データとを比較する（Ｓ１５）。現在速度データが限界速度データより小さい場合は、異常データカウントをクリアし（Ｓ１６）、現在データを位置データ記憶部に（一サンプリング時間前の位置データとして）保存する（Ｓ１７）。さらに、位置データ記憶部のデータを使用してフィードバック制御を行い（Ｓ１８）次の割り込みを待つ。
【００１７】
現在速度データが限界速度データより大きい場合は、異常データカウンタに一を加える（Ｓ２１）。位置データ記憶部のデータはそのまま（一サンプリング時間前の位置データ）である。異常データカウンタのデータと異常データカウント閾値とを比較する（Ｓ２２）。異常データカウントのデータが閾値より小さい場合は、位置データ記憶部のデータを使用してフィードバック制御を行い（Ｓ１８）次の割り込みを待つ。異常データカウントのデータが閾値より大きい場合は、非常停止処理をするようにされている（Ｓ２３）。なお、一番最初の読み込み時に異常なデータを読み取ると非常停止処置に向かう事になるが、実際には制御装置の準備が完了した後にＡＣサーボアンプやＡＣサーボモータがサーボＯＮになる。通常のレベルでは、かかるノイズの発生は、ＡＣサーボアンプやＡＣサーボモータがサーボＯＮの状態であっても１万回に１回以下の頻度であり確率的には最初に異常データを読み込む可能性は至って低いと考えられる。もちろん、センサや制御装置の電源立ち上げ時のデータ異常で制御が停止しないような配慮は必要である。
【００１８】
かかる本発明の油圧システムおいて、その作用について説明する。図３に示すように、磁歪式位置センサ６は受発信器６ｉｏより磁歪線に電流パルス６ａを流し（ａ）（ｂ）、永久磁石（パルス反射器）５位置で捩り弾性波６ｂを発生させ（ｃ）（ｄ）、この捩り弾性波の受発信機６ｉｏまでの伝播時間を計測して（ｅ）、位置を検出する。この磁歪式位置センサ６の信号は、アナログ位置センサアンプ７により電圧信号に変換出力される。ところが、図３の（ｄ）の状態でノイズが発生すると点線で示すような見かけ上のパルス６ｃとなり、正常な反射波６ｂより早く帰ってきたと認識してしまう。このパルスは反射波にノイズが乗るという形ではなく、反射波そのものとして受信され、伝播時間が短く、実際の位置よりも短い位置として電圧出力されてしまい大きな誤差（ノイズ）となる。例えば、図４に示すように、一定速度３２で制御されているとき、ノイズが発生すると符号３３、３４で示すようにノイズの発生するタイミングに応じてサンプル時間（例えば）１ｍｓｅｃだけ一瞬電圧が下がる。この電圧をそのままフィードバックすると瞬間的にＡＣサーボモータが反応し衝撃音や異常音を発生する。
【００１９】
しかし、本発明においては、図４に示すように一瞬下がった電圧３３，３４は、指令速度３２よりさらに大きな限界速度Ｖｃｍａｘより大きい値（バイナリーデータ）を示すことになり、無視される。そして、一サンプリング時間前の値、即ち指令速度３２の値を用いてフィードバック制御される。このため、ＡＣサーボモータの衝撃音や異常音の発生がない。
【実施例】
【００２０】
シリンダのロッド側面積を２０ｃｍ2、ヘッド側面積を３０ｃｍ2、シリンダのストロークは５００ｍｍで位置センサの出力は縮んだ時に”０Ｖ”伸びた時に”１０Ｖ”、Ａ／Ｄ変換後の１６ｂｉｔバイナリデータでは縮んだ時が”０”、伸びた時に６５５３５になるものとし、ポンプは１回転当たり５ｃｍ3の作動油を吐出するものとし、ＡＣサーボモータの回転数は最大２４００ｍｉｎ-1であると仮定する。またサンプリング時間を１ｍｓｅｃとした例について効果を確認する。
【００２１】
最大速度は（ポンプ吐出量／ロッド側面積）で表され、（（２４００／６０）×５）／２０＝１０ｃｍ／ｓｅｃとなる。また、１０ｃｍをバイナリデータで示すと（（１０×１０）／５００）×６５５３５＝１３１０７であり、これを１ｍｓｅｃ当たり変化に換算すると（１３１０７／１０００）＝１３．１  となる。最大速度で移動中の１回の異常値を許容するとすると、最低２倍の許容幅が必要で、２６．２となり、余裕率を１．５倍とすると２６．２×１．５＝３９．３となる。従って、±４０サンプルデータの変化の制限値（限界速度データ）とすれば十分に余裕がある事になる。
【００２２】
一方、正常な状態で”９Ｖ”の時に、ノイズにより”１Ｖ”を出力したとすると、１ｍｓｅｃ当たりの変化が６５５３５×（８／１０）＝５２４２８となり、限界データより充分大きいので無視され、一サンプリング時間前の値（位置データ記憶部の値）が使用される。従って、フィードバック制御における変化は、この場合でも＋３９以下であり、フィードバック制御におけるＡＣサーボモータからの衝撃音の発生もなく良好になることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に適用する油圧システムのブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す（ａ）は初期値設定、（ｂ）は制御方法を示すフローチャート図である。
【図３】本発明の実施の形態で使用する磁歪式位置センサの距離測定の原理及びノイズの状態を示す模式図である。
【図４】磁歪式位置センサアンプから得られる電圧信号の説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
３    直線型アクチュエータ
６    磁歪式位置センサ
８    制御装置（アナログセンサ内蔵シリンダ用制御装置）
【図１】
2005233614.tif 000003
【図２】
2005233614.tif 000004
【図３】
2005233614.tif 000005
【図４】
2005233614.tif 000006