(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転軸の回転角度の情報を出力する磁気センサユニットを備え、前記モータの回転・角度の情報をデジタル信号として外部に出力するロータリーエンコーダであって、
前記磁気センサユニットは、前記モータの回転軸の位相及び回転角度に関して、低精度のインクリメンタル信号と高精度のアブソリュート信号を機械角の情報として出力する機能を備えており、
前記ロータリーエンコーダは、高精度インクリメンタル信号生成ユニット、モータ制御信号生成ユニット、及び分解能切替制御ユニットを備えており、
前記高精度インクリメンタル信号生成ユニットは、前記低精度の前記インクリメンタル信号に含まれる位相の情報と、前記高精度のアブソリュート信号に含まれる回転角度の情報とに基づき、高精度の機械角のインクリメンタル信号を生成する機能を有し、
前記モータ制御信号生成ユニットは、
前記低精度のインクリメンタル信号と前記高精度のインクリメンタル信号と、予め設定された前記モータの諸元とに基づいて、低速・高精度の電気角のインクリメンタルのモータ制御信号を生成する低速・高精度の制御信号生成部と、
前記低精度のインクリメンタル信号と前記高精度のインクリメンタル信号と、予め設定された前記モータの諸元とに基づいて、高速・低精度の電気角のインクリメンタルのモータ制御信号を生成する高速・低精度の制御信号生成部とを備えており、
前記分解能切替制御ユニットは、前記モータの低速回転時には、前記低速・高精度の電気角のインクリメンタルのモータ制御信号を出力し、前記モータの高速回転時には、前記高速・低精度の電気角のインクリメンタルのモータ制御信号を出力するように構成されていることを特徴とするロータリーエンコーダ。
【請求項２】
請求項１において、
前記高精度インクリメンタル信号生成ユニット、前記モータ制御信号生成ユニット、及び前記分解能切替制御ユニットは、マイコン、ＦＰＧＡ若しくはＡＳＩＣにより構成されていることを特徴とするロータリーエンコーダ。
【請求項３】
請求項１において、
前記ロータリーエンコーダは、初期設定部を備えており、
前記初期設定部は、前記モータの諸元、及び、前記モータ制御信号の精度を切り替えるモータの精度切替回転数Ｎｓに関する情報を、初期設定として受け付ける機能を有することを特徴とするロータリーエンコーダ。
【請求項４】
請求項３において、
前記モータ制御信号生成ユニットは、前記初期設定の条件に基づき、前記低精度のインクリメンタル信号と前記高精度のインクリメンタル信号に基づいて、ブラシ付きＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータ、及びステッピングモータのいずれか１つに対応するモータ制御信号を生成可能に構成されていることを特徴とするロータリーエンコーダ。
【請求項５】
請求項３において、
前記分解能切替制御ユニットは、前記モータの回転数Ｎを取得し、前記モータに対する運転指令と前記モータの回転数Ｎとから、前記モータの回転数が前記精度切替回転数Ｎｓを超える切替時点を予測し、前記切替時点が近いと判定された場合、制御の切替準備モードに移行し、前記低速・高精度の制御信号生成部と前記高速・低精度の制御信号生成部の双方を起動し、前記低精度インクリメンタル制御信号と前記高精度インクリメンタル制御信号の双方を生成するように構成されていることを特徴とするロータリーエンコーダ。
【請求項６】
請求項１に記載の前記ロータリーエンコーダと、
モータドライバを有するモータとを備えたサーボ制御装置であって、
前記ロータリーエンコーダから出力される前記モータ制御信号により、前記モータドライバでインクリメンタルのモータ駆動信号を生成し、前記モータを駆動することを特徴とする分解能切替型サーボ制御装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記ロータリーエンコーダは、初期設定部を備えており、
前記初期設定部は、前記ロータリーエンコーダが装着される前記モータの種類や仕様、及び、前記モータ制御信号の精度を切り替えるモータの精度切替回転数Ｎｓに関する情報を、初期設定として受け付ける機能を有しており、
前記分解能切替制御ユニットは、前記モータの回転数Ｎを取得し、前記運転指令と前記モータの回転数Ｎとから、前記モータの回転数が前記精度切替回転数Ｎｓを超える切替時点を予測し、前記切替時点が近いと判定された場合、制御の切替準備モードに移行し、
前記モータ制御信号生成ユニットでは、前記切替準備モードにおいて、前記高精度信号と前記低精度信号を同時に生成し、前記切替時点に到達した場合、前記モータ制御信号の出力を前記モータの回転数Ｎに応じた分解能に切り替えることを特徴とする分解能切替型サーボ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの回転・角度情報をデジタル信号として外部に出力するロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置に関するものである。特に、モータの回転速度に応じてモータの制御に適した分解能の情報を生成する分解能切替型のロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サーボ制御装置使用されるロータリーエンコーダには、モータの種類や用途に応じた種々の方式のものが知られている。【０００３】
特許文献１には、ＭＲセンサとホール素子を含む１個の回転センサユニット及びブラシレスＤＣサーボモータを用い、ロータリーエンコーダの出力信号に基づいてモータを高精度に制御できる、サーボモータの制御装置が開示されている。このようなサーボモータの制御装置において、高速回転時にはモータが高精度の制御信号に追従しなくなるという課題がある。【０００４】
特許文献２には、レゾルバを連結したサーボシステムにおいて、モータ速度を基準として、ＲＤコンバータの分解能を切り替え、モータ速度が一定以上になれば分解能を低く設定し、応答性を高め、モータ速度が一定以下になれば、分解能を高く設定し、位置決め精度を向上させる、発明が開示されている。
特許文献３には、ロータリーエンコーダにおいて、検出モードを、低速モードと高速モードに切り替える検出装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第６３３９３０７号公報
【特許文献２】特表２０１０−６３２１８号公報
【特許文献３】特開２０１７−２２７４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載のレゾルバやＲＤコンバータは、ＭＲセンサを採用したロータリーエンコーダに比べて、構造が複雑であり、高価である。
特許文献３に記載のロータリーエンコーダは、消費電力を削減するためにセンサ素子を間欠駆動するものであり、ロボット等のサーボ制御装置には適さない。【０００７】
本発明の１つの課題は、低速回転域では高精度の位置精度を行いながら高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消する機能を備えつつ、モータの種類や用途の如何に拘わらず種々のニーズに応えられる汎用性に富み、安価な、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様によれば、モータの回転軸の回転角度の情報を出力する磁気センサユニットを備え、前記モータの回転・角度の情報をデジタル信号として外部に出力するロータリーエンコーダであって、
前記磁気センサユニットは、前記モータの回転軸の位相及び回転角度に関して、低精度のインクリメンタル信号と高精度のアブソリュート信号を機械角の情報として出力する機能を備えており、
前記ロータリーエンコーダは、高精度インクリメンタル信号生成ユニット、モータ制御信号生成ユニット、及び分解能切替制御ユニットを備えており、
前記高精度インクリメンタル信号生成ユニットは、前記低精度の前記インクリメンタル信号に含まれる位相の情報と、前記高精度のアブソリュート信号に含まれる回転角度の情報とに基づき、高精度の機械角のインクリメンタル信号を生成する機能を有し、
前記モータ制御信号生成ユニットは、前記低精度のインクリメンタル信号と前記高精度のインクリメンタル信号と、予め設定された前記モータの諸元とに基づいて、低速・高精度の電気角のインクリメンタルのモータ制御信号を生成する低速・高精度の制御信号生成部と、
前記低精度のインクリメンタル信号と前記高精度のインクリメンタル信号と、予め設定された前記モータの諸元とに基づいて、高速・低精度の電気角のインクリメンタルのモータ制御信号を生成する高速・低精度の制御信号生成部とを備えており、
前記分解能切替制御ユニットは、前記モータの低速回転時には、前記低速・高精度の電気角のインクリメンタルのモータ制御信号を出力し、前記モータの高速回転時には、前記高速・低精度の電気角のインクリメンタルのモータ制御信号を出力するように構成されていることを特徴とする。【０００９】
本発明の他の態様によれば、前記ロータリーエンコーダと、モータドライバを有するモータとを備えたサーボ制御装置であって、
前記ロータリーエンコーダから出力される前記モータ制御信号により、前記モータドライバでインクリメンタルのモータ駆動信号を生成し、前記モータを駆動することを特徴とする。【００１０】
本発明によれば、低速回転域では高精度の位置精度を行いながら高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消する機能を備えつつ、モータの種類や用途の如何に拘わらず種々のニーズに応えられる汎用性に富み、安価な、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施例に係る、分解能切替型ロータリーエンコーダを備えた、サーボ制御装置の構成例を示す図である。
【図２】図１のサーボ制御装置を構成する、ブラシ付ＤＣモータの主要部の構成例を示す縦断面図である。
【図３Ａ】第１の実施例における、磁気センサユニットの構成例を示す図である。
【図３Ｂ】第１の実施例における、ロータリーエンコーダの構成例を示す図である。
【図４】第１の実施例における、ロータリーエンコーダの処理のフローの一部を示す図である。
【図５】第１の実施例における、ＭＲセンサの及びロータリーエンコーダ内の処理の一例を示す図である。
【図６】第１の実施例のロータリーエンコーダがロボットに搭載される場合の、サーボ制御装置の運転パターンの一例を示す図である。
【図７】第１の実施例における、ロータリーエンコーダの処理フローの一例を示す図である。
【図８Ａ】第１の実施例における、モータ制御信号の分解能の切替の具体的な例を示す図である。
【図８Ｂ】第１の実施例における、モータ制御信号のパターン（電気角）の一例を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施例に係る、ブラシレスＤＣサーボモータの構成例を示す図である。
【図１０Ａ】第２の実施例における、ロータリーエンコーダの処理フローの一例を示す図である。
【図１０Ｂ】第２の実施例における、モータ制御信号のパターン（電気角）の一例を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る、ステッピングサーボモータの構成例を示す図である。
【図１２】第３の実施例における、ロータリーエンコーダの処理フローの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１２】
本発明は種々のタイプのモータに適用可能であるが、第１の実施例は、本発明をブラシ付きＤＣモータに適用した例である。本発明の第１の実施例に係る分解能切替型ロータリーエンコーダを備えた、サーボ制御装置を、図１〜図８Ｂを参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る分解能切替型サーボ制御装置１０の構成例を示す図である。
このサーボ制御装置１０は、ロータリーエンコーダ１００、及びモータ５００で構成されている。ロータリーエンコーダ１００は、モータ５００に一体に設けられ、モータ５００の回転情報に基づき、高精度と低精度の２系統のインクリメンタルのモータ制御信号を生成し、デジタル信号としてモータドライバ５１０へ出力する。
ロータリーエンコーダ１００は、１個の磁気センサユニット１１０、初期設定部１２０、高精度インクリメンタル信号生成ユニット１３０、モータ制御信号生成ユニット１４０、分解能切替制御ユニット１５０、通信制御ユニット１６０、及び、不揮発性メモリ１７０等を備えている。ロータリーエンコーダ１００やモータドライバ５１０には、電源から電源ライン（図示略）を介して、制御された所定の電源が提供される。
磁気センサユニット１１０は、例えば、磁気抵抗効果素子やホール素子などの磁気センサを備え、モータ５００の回転軸の回転・角度（機械角）の情報を、インクリメンタル信号やアブソリュート信号として出力する。
初期設定部１２０は、ユーザによる、ロータリーエンコーダ１００の出力条件等の初期設定を、ユーザインタフェースを介して受け付ける機能を有する。ユーザは、ロータリーエンコーダ１００が装着されるモータ５００のモータの諸元、すなわちモータの種類や仕様、及び、用途に応じて、ロータリーエンコーダ１００の初期設定を行うことができる。初期設定の条件は、不揮発性メモリ１７０に記録される。例えば、初期設定に際して、以下のような条件がロータリーエンコーダ１００に設定される。
（１）駆動対象となるモータの諸元（種類、極数、スロット数等）
（２）インクリメンタル信号の、高精度信号と低精度信号の出力条件（パルス／回転）
（３）高精度信号と低精度信号を切り替えるモータの精度切替回転数Ｎｓ
なお、ユーザインタフェースは、スマートフォンやタブレット端末に、所定の機能を備えたプログラムを実行する、専用のアプリケーションをインストールすることで、実現できる。【００１３】
高精度インクリメンタル信号生成ユニット１３０は、磁気センサユニット１１０の１組のアブソリュート／インクリメンタル信号に基づき、１組の高精度のインクリメンタル信号（機械角）を生成する機能を有する。【００１４】
モータ制御信号生成ユニット１４０は、モータの種類、極数、スロット数などに応じた、インクリメンタルのＡ，Ｂ，Ｚ信号あるいはＡ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ信号等の、モータ制御信号（電気角）を生成し、出力する。すなわち、モータ制御信号生成ユニット１４０では、低精度のインクリメンタル信号と高精度のインクリメンタル信号と基づいて、モータの低速運転から高速運転に至る広範囲の、インクリメンタルのモータ制御信号（電気角）を生成する。このモータ制御信号は、モータドライバ５１０内で、ＰＷＭ等の駆動信号を生成するのに使用される。【００１５】
分解能切替制御ユニット１５０は、ロータリーエンコーダ１００から出力される、高精度と低精度の２系統のモータ制御信号（電気角）のいずれかを、モータドライバ５１０に出力する。分解能切替制御ユニット１５０は、また、モータの回転数Ｎの変化から、高精度と低精度の２系統のモータ制御信号を切り替えるタイミングを予測し、モータ制御信号の切り替えを制御する。
すなわち、分解能切替制御ユニット１５０は、モータの回転数Ｎのデータを取得し、予め設定されたモータの精度切替回転数Ｎｓとの比較に基づいて、分解能を切り替えるタイミングを予測する。モータがＮｓ以下の低速回転のときは、分解能を高くした高精度のインクリメンタルの制御信号を生成し、不揮発性メモリ１７０に記録すると共にモータドライバへ出力する。また、モータがＮｓよりも高速回転のときは、分解能を低くした低精度のインクリメンタルの制御信号を生成し、不揮発性メモリ１７０に記録すると共にモータドライバへ出力する。そして、モータが精度切替回転数Ｎｓに到達しさらに高速回転若しくは低速回転に移行する時点で、制御信号の切り替えの制御を行う。【００１６】
通信制御ユニット１６０は、ロータリーエンコーダ１００からモータドライバ５１０へ、各種の情報を送信する機能を有している。【００１７】
モータ５００は、モータドライバ５１０を構成するＰＷＭ駆動回路と、トランジスタから成る４つのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をＨ形に組んだＨブリッジ回路とを備えている。第１のスイッチング素子ＳＷ１は、一端が直流モータの一方のブラシ５６５Ａに接続され他端が直流電源（Ｖｃｃ）に接続され、第２のスイッチング素子ＳＷ２は、一端が直流モータの他方のブラシ５６５Ｂに接続され他端が直流電源（Ｖｃｃ）に接続されている。第３のスイッチング素子ＳＷ３は、一端が直流モータの一方のブラシ５６５Ａに接続され他端が接地され、第４のスイッチング素子ＳＷ４は、一端が直流モータの他方のブラシ５６５Ｂに接続され他端が接地されている。【００１８】
モータドライバ５１０は、運転指令を記録するメモリ等を備えており、ロータリーエンコーダ１００から出力されるモータ制御信号（電気角）の周期（すなわちＡ，Ｂ，Ｚ信号の位相）に同期したモータ駆動信号であって、各周期におけるＯＮデュ−ティが運転指令やモータの負荷電流値等に基づいて制御されたＰＷＭ駆動信号を生成する。このモータ駆動信号でＰＷＭ回路が駆動され、モータ５００が回転する。モータドライバ５１０は、ロータリーエンコーダ１００からのモータ制御信号に基づき、モータの低速回転時には高精度、モータの高速回転時には低精度の、モータ駆動信号を生成し、モータドライバに出力する。モータドライバ５１０で生成されるモータ駆動信号は、ＰＷＭ方式以外の既知の信号であっても良いことは言うまでもない。【００１９】
なお、図１に機能ブロックの形で示した、初期設定部１２０、高精度インクリメンタル信号生成ユニット１３０、モータ制御信号生成ユニット１４０、分解能切替制御ユニット１５０、通信制御ユニット１６０は、例えば、所定の機能がプログラムを実行することにより、実現されるＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１８０やマイコン(Microcontroller Unit)により構成されている。このマイコンやＦＰＧＡは、Ｉ／Ｏ部、内部配線、論理回路、クロックネットワーク、メモリ、乗算器等で構成されている。論理回路の基になるプログラム等は外部のＥＥＰＲＯＭやメモリに記録されている。
ＦＰＧＡ１８０の内部の具体的な構成は、プログラムの記述の変更等で柔軟に変更できる。そのため、モータの種類や用途等に応じた、初期設定の内容を予め幅広く想定し、各ユニットが有する機能を豊富なものとすることで、モータの種類や用途の如何に拘わらず種々のニーズに応えることができる。
なお、ロータリーエンコーダ１００の主要部を、マイコンやＦＰＧＡに代えて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で構成しても良い。【００２０】
図２は、図１のロータリーエンコーダ１００が装着されたブラシ付きＤＣモータ５００の主要部の構成例を示す、縦断面図である。この例では、磁気センサユニット１１０の磁気抵抗効果素子としてＭＲセンサを採用している。ブラシ付きＤＣモータ５００の回転軸５３２の一方の端面に、円形の平板状磁石１１１０が磁石ホルダーを介して固定されている。なお、回転軸５３２の他方の端には、被駆動部材が固定される。
モータケース５２０には、直流モータのステータを構成するマグネット５２６が固定されている。直流モータのロータを構成する積層鉄心５６０及び電機子巻線５６２が回転軸５３２と一体に形成され、この回転軸は軸受５３０を介して、モータケース５２０及びエンドプレート５２１に回転自在に支持されている。積層鉄心５６０は多極に分極され、電機子巻線５６２の端部は整流子５６４に接続されている。５６５は一対のカーボンブラシ、５６６はブラシホルダー、５６７はピグテール、５６８は給電用のターミナルである。【００２１】
一方、カップ状カバ−５２２の内側において、ロータリーエンコーダ１００を搭載した絶縁材料からなる基板１９０が、支持ピン１９２を介してエンドプレート５２１に固定されている。基板１９０上には、１対のＭＲセンサ１１２２（１１２２Ａ，１１２２Ｂ）やマイコンやＦＰＧＡ等が設置されている。ＭＲセンサ１１２２としては、ＧＭＲを含む磁気抵抗効果素子（ＭＲ：ＡＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲ等）のいずれの素子を採用しても良い。【００２２】
図３Ａは、第１の実施例における、磁気センサユニット１１０の構成例を示す図である。磁気センサユニット１１０は、１対のＭＲセンサ１１２２、温度センサ１１２２Ｃ、及び、センサ出力処理回路部１１２０を備えている。センサ出力処理回路部１１２０は、大別して、インクリメンタル信号の生成処理を行うインクリメンタル信号処理領域１１２１と、アブソリュート信号の生成処理を行うアブソリュート信号処理領域１１３０で構成されている。
センサ出力処理回路部１１２０は、モータの回転軸の回転・角度に関して低精度（例えば、４Ｋパルス／回転）のインクリメンタル信号と、高精度（例えば、３２Ｋパルス／回転）のアブソリュート信号の２系統の信号を出力する機能を備えている。
インクリメンタル信号処理領域１１２１は、ＡＤ変換器１１２３、軸ずれ補正処理部１１２４、ＲＡＭ等のセンサメモリ１１２５、逆正接演算処理部１１２６、パルスカウンタ１１２７、インクリメンタル信号生成部１１２８、及びＳＳＣ（同期シリアルコントロール）インターフェース１１２９を備えている。このＳＳＣインターフェースは、高速データ転送のために、送受信にデータ、クロック、フレーム同期信号を使用している。
このインクリメンタル信号処理領域１１２１では、並列処理により、Ａ相、Ｂ相のデジタル信号から、逆正接演算の結果、回転軸の１回転毎の角度０（＝３６０度）の位置に同期して、４Ｋパルス／回転のインクリメンタル値が直線状に増減を繰り返す直角三角形状の信号が生成される。そして、各Ａ相・Ｂ相信号の累積加算値は、次に、回転軸の１回転毎（３６０度毎）の累積加算値に変換され、低精度すなわち４Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号がデジタル信号として生成される（図５左側（Ａ）参照）。【００２３】
また、アブソリュート信号処理領域１１３０は、ＳＳＣ−ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）バス変換部１１３２、アブソリュート信号（高精度）生成部１１３４及びＥＥＰＲＯＭ１１３６を備えている。アブソリュート信号処理領域１１３０では、４４Ｋパルス／回転のインクリメンタル値がデジタル処理によりさらに３２Ｋパルス／回転に多分割され、これに回転軸の原点Ｚ０を基準にしたＥＥＰＲＯＭのアドレスが付与されて、高精度すなわち３２Ｋパルス／回転のアブソリュート信号が、１５ビットのデジタル信号として生成される（図５左側（Ｂ）参照）。【００２４】
なお、磁気センサユニット１１０内で、インクリメンタル信号処理領域１１２１の機能と、アブソリュート信号の生成処理を行うアブソリュート信号処理領域１１３０の機能を上記のように構成することで、センサ出力処理回路部１１２０において、モータの制御に必要なインクリメンタル信号とアブソリュート信号の双方を生成し、出力することができる。なお、これに加えて、磁気センサユニット１１０内で高精度のインクリメンタルアブソリュート信号も生成するには、高性能の演算処理能力を備えた高価なマイコンやＦＰＧＡなどが必要となり、ロータリーエンコーダの価格が高くなり、実用的ではない。【００２５】
図３Ｂは、図１のロータリーエンコーダ１００における、モータ制御信号生成ユニット１４０、及び分解能切替制御ユニット１５０の具体的な構成例を示す図である。
モータ制御信号生成ユニット１４０は、低速・高精度のインクリメンタルのモータ制御信号を生成する低速・高精度の制御信号生成部１４２と、高速・低精度のインクリメンタルのモータ制御信号を生成する高速・低精度の制御信号生成部１４４とを備えている。
すなわち、モータ制御信号生成ユニット１４０では、磁気センサユニット１１０から出力される低精度のインクリメンタル信号と高精度インクリメンタル信号生成ユニット１３０から出力され高精度のインクリメンタル信号に基づいて、モータ制御信号として、モータの低速運転と高速運転に対応した、精度の異なるアブソリュート信号（電気角）を生成する。このモータ制御信号は、モータドライバ５１０で、ＰＷＭ等のモータ駆動信号を生成するのに使用される。【００２６】
分解能切替制御ユニット１５０は、軸の回転数・回転方向検出部１５２、切替時点予測部１５４、及び分解能の切替制御部１５６を備えている。
軸の回転数・回転方向検出部１５２は、磁気センサユニット１１０の出力に基づいて、回転軸５３２の回転方向及び回転数Ｎのデータを取得し、切替時点予測部１５４は、回転数Ｎと予め設定されたモータの精度切替回転数Ｎｓとの比較に基づいて、分解能の切替時点及び切替方向（高精度から低精度へ、又は、低精度から高精度へ）を予測する。分解能の切替制御部１５６は、予測に基づき切り替え後の信号を生成し、切替時点で切り替え後の分解能の信号を出力する。このようにして、分解能切替制御ユニット１５０は、モータの回転速度が低速から高速へ、あるいは逆方向への場合に、モータのインクリメンタル駆動信号の精度が円滑に切り替わるように制御する。【００２７】
図４は、第１の実施例における、ロータリーエンコーダ１００の高精度インクリメンタル信号生成ユニット１３０の処理のフローの一部を示す図である。
最初に、初期設定で予め設定された、ロータリーエンコーダ１００の機能に関する、初期設定条件を取得する（Ｓ４００）。ここでは、高精度信号は、３２Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号が設定され、低精度信号は、４Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号が設定されたものとする。まず、磁気センサユニットからの信号に基づき、モータの回転数Ｎと回転方向の情報を取得し、不揮発性メモリに記録する（Ｓ４０１）。次に、磁気センサユニットから低精度のインクリメンタル信号を取得し、メモリに記録する（Ｓ４０２）。さらに、高精度のアブソリュート信号を取得し、メモリに記録する（Ｓ４０６）。
次に、高精度インクリメンタル信号生成ユニット１３０において、インクリメンタル信号の位相情報とアブソリュート信号の角度情報とから、３２Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号を生成し、不揮発性メモリに記録する（Ｓ４０８）。【００２８】
ここで、図５を参照して、図４のＳ４０２〜Ｓ４０８における、磁気センサユニット１１０の出力と、高精度インクリメンタル信号生成ユニット１３０の出力の関係を、より詳細に説明する。
磁気センサユニット１１０で生成された低精度のインクリメンタル信号（図５左側（Ａ））に含まれる位相情報と、高精度のアブソリュート信号（図５左側（Ｂ））に含まれる角度情報とに基づき、ロータリーエンコーダ１００の高精度インクリメンタル信号生成ユニット１３０において、高精度のインクリメンタル信号（図５右側（Ｂ））が生成される。
モータ制御信号生成ユニット１４０は、磁気センサユニット１１０で生成された低精度のインクリメンタル信号（図５左側（Ａ）＝右側（Ａ））と、高精度のインクリメンタル信号（図５右側（Ｂ））とに基づいて、２組のモータ制御信号（電気角）を生成する。【００２９】
次に、図６は、ロータリーエンコーダ１００を備えたロボット８００の、ある１つのアームの駆動軸８１０を駆動するモータ５００の運転パターンの一例を示す図である。この例では、ロボットを構成する各アームの軸を駆動するモータの運転パターンとして、時間軸（＝軸の回転角度）とモータの速度値の関係のデータが、運転パターンとして予め設定されている。
アームの駆動軸８１０は、精度切替回転数Ｎｓを超えて、正回転や逆回転を繰り返し駆動される。ロボットが複数の地点間を移動する際は高速で移動し、特定の地点で作業をする際は、アームの駆動軸が停止若しくは低速駆動されるのが望ましい。高速で移動する際の位置制御は、低精度でも差し支えない。一方、特定の地点で作業をする際は、精度の高い位置決めが要求される。
これらの要求にこたえるために、本発明のロータリーエンコーダ１００は、低速時には高精度のモータ制御信号を生成し、高速時には低精度のモータ制御信号を生成して出力する。【００３０】
図７は、第１の実施例における、ロータリーエンコーダ１００の処理フローを示す図である。
最初に、初期設定の情報から、ブラシ付きＤＣモータの諸元に関する情報を取得する（Ｓ７０２）。ここでは、精度切替回転数Ｎｓは、±４０ｒｐｍに設定されているものとする。モータの零回転からの起動後、不揮発性メモリから、モータの回転数Ｎと回転方向の情報を取得し（Ｓ７１０）、モータ制御信号生成ユニット１４０の低速・高精度の制御信号生成部１４２で、３２Ｋパルス／回転の高精度のインクリメンタルの制御信号Ａ，Ｂ，Ｚを生成する。
すなわち、低速・高精度の制御信号生成部１４２で生成された、図８Ｂに示したようなパターンのモータ制御信号Ａ，Ｂ，Ｚ（電気角）が、３２Ｋのデジタル信号として、モータドライバ５１０へ出力される（Ｓ７１２）。
さらに、分解能切替制御ユニット１５０で、モータの回転数Ｎと回転方向の情報を取得し（Ｓ７１４）、モータの回転数Ｎが精度切替回転数Ｎｓを超える切替時点を予測する（Ｓ７１６）。
もし、切替時点が近いと判定された場合（Ｓ７１８でＹＥＳ）、例えば、モータの回転数と精度切替回転数Ｎｓとの差が２０ｒｐｍ以内でかつ回転数が切替時点に向かって増加する指令である場合、分解能の切替制御部１５６は、「制御の切替準備」モードとなる（Ｓ７２４）。【００３１】
図８Ａは、モータ制御信号の精度切替の具体的な例を示す図である。モータの回転数Ｎが、精度切替回転数Ｎｓ、ここでは±４０ｒｐｍの近傍にある場合、分解能の切替制御部１５６が「制御の切替準備」モードとなり、モータ制御信号生成ユニット１４０の低速・高精度の制御信号生成部１４２と高速・低精度の制御信号生成部１４４の双方が起動され、４Ｋパルス／回転の低精度インクリメンタル制御信号と３２Ｋパルス／回転の高精度インクリメンタル制御信号との双方が生成される。
モータの回転数Ｎが±４０ｒｐｍ以内の場合、切替制御部１５６により、高精度のモータ制御信号がモータドライバ５１０へ出力され、モータドライバでは、この高精度のモータ制御信号を基に、高精度のＰＷＭ信号が生成される。【００３２】
図７に戻り、切替時点に到達した場合（Ｓ７２６でＹＥＳ）、切替制御部１５６では、低精度のモータ制御信号をモータドライバ５１０へ出力してモータを制御すると共に、高精度のモータ制御信号の出力を停止する（Ｓ７２８）。
すなわち、高速・低精度の制御信号生成部１４４で生成された、図８Ｂに示したようなパターンのモータ制御信号Ａ，Ｂ，Ｚ（電気角）が、４Ｋのデジタル信号として、モータドライバ５１０へ出力される。モータドライバでは、この低精度のモータ制御信号を基に、低精度のＰＷＭ信号が生成される。
モータの回転数がさらに高くなった場合には、「制御の切替準備」モードが解除され、低速・高精度の制御信号生成部１４２による高精度のモータ制御信号の生成は停止される。
低精度のモータ制御信号から高精度のモータ制御信号への切替についても、同様に、「制御の切替準備」モードを介在させた制御を行う（Ｓ７３０〜Ｓ７３８〜Ｓ７１２）。
切替時点が近くない場合（Ｓ７１８でＮＯ）、運転終了か否かを判定し、終了でなければ、Ｓ７１４に戻る。もし、終了であれば、運転を停止する（Ｓ７２０、Ｓ７２２）。【００３３】
このように、本実施例によれば、低速回転域では高精度のインクリメンタル駆動信号でモータを制御し、高速域では低精度のインクリメンタル駆動信号でモータを制御するので、低速回転域では高精度の位置精度を行いつつ、高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消することができる。
また、本実施例のロータリーエンコーダは、磁気センサユニットとして、モータの回転軸の回転・角度の情報を、精度の異なるインクリメンタル信号とアブソリュート信号の２組の機械角の信号として出力する、汎用性の高い、安価な１個の磁気センサユニットを採用している。さらに、ロータリーエンコーダは、初期設定機能を有している。そのため、インクリメンタルタイプのブラシ付きＤＣモータに関して、種々のニーズに応えられる、小型で汎用性に富み、安価な、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することができる。
さらに、モータドライバでは、ロータリーエンコーダからのモータ制御信号を基に、ＰＷＭ信号を生成できるため、モータドライバの構成が簡略化される。
【実施例２】
【００３４】
次に、本発明をブラシレスＤＣモータに適用した、第２の実施例について、図９〜図１０Ｂを参照しながら説明する。
図９は、第２の実施例に係る、ブラシレスＤＣサーボモータの構成例を示す図である。
このブラシレスＤＣサーボモータは、第１の実施例で説明したものと同様の構成のロータリーエンコーダ１００と、ブラシレスＤＣモータ５００を備えている。
このブラシレスＤＣモータ５００は、モータケース５２０の内部に固定されたステータとして、界磁鉄心５４１とこれに絶縁部材を介して巻かれた３相の界磁コイル５４２とを備えている。この界磁コイル５４２は、Ｕ相（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）の界磁コイルが直列に、Ｖ相（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）の界磁コイル群が直列に、Ｗ相（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）のコイルが直列に、各々結線されている。これらの３つの界磁コイル群は、各々の一端が中性点で接続されている。
回転軸５３２と一体に形成されたロータ５４３は、ロータヨークと、その外周部に固定された例えば８個の永久磁石を有する、８極のロータである。
ブラシレスＤＣモータのモータドライバは、ロータリーエンコーダ１００からのモータ制御信号Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗと、運転指令と、モータの電流の検出値等に基づいて、３相のインクリメンタルのモータ駆動信号を生成してインバータを駆動し、ブラシレスＤＣモータ５００の運転、例えば正弦波駆動を行う。【００３５】
次に、図１０Ａは、第２の実施例における、ロータリーエンコーダ１００の処理フローを示す図である。
ロータリーエンコーダ１００では、最初に、初期設定の情報から、ブラシ付きＤＣモータの諸元に関する情報を取得する（Ｓ１００２）。モータの零回転からの起動後、不揮発性メモリから、モータの回転数Ｎと回転方向の情報を取得し（Ｓ１０１０）、モータ制御信号生成ユニット１４０の低速・高精度の制御信号生成部１４２で生成された３２Ｋパルス／回転の高精度のインクリメンタルの制御信号Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗを、モータドライバへ出力する（Ｓ１０１２）。
すなわち、図１０Ｂに示したようなパターンのモータ制御信号Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ（電気角）が、３２Ｋのデジタル信号として、低速・高精度の制御信号生成部１４２で生成され、モータドライバ５１０へ出力される（Ｓ１０１２）。モータドライバでは、この高精度のモータ制御信号を基に、高精度のＰＷＭ信号が生成される。【００３６】
さらに、分解能切替制御ユニット１５０で、モータの回転数Ｎと回転方向の情報を取得し（Ｓ１０１４）、モータの回転数Ｎが精度切替回転数Ｎｓを超える切替時点を予測し（Ｓ１０１６）、切替時点が近い場合（Ｓ１０１８でＹＥＳ）、高速・低精度の制御信号生成部１４４も動作し、切替時点に到達した場合（Ｓ１０２６でＹＥＳ）、低精度のモータ制御信号をモータドライバへ出力してモータを制御すると共に、高精度のモータ制御信号の出力を停止する（Ｓ１０２８）。すなわち、高速・低精度の制御信号生成部１４４で生成された、図１０Ｂに示したようなパターンのモータ制御信号Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ（電気角）が、４Ｋのデジタル信号として、モータドライバ５１０へ出力される（Ｓ１０２８）。モータドライバでは、この低精度のモータ制御信号を基に、低精度のＰＷＭ信号が生成される。
低精度のモータ制御信号から高精度のモータ制御信号への切替についても、同様に、「制御の切替準備」モードを介在させた制御を行う（Ｓ１０３０〜Ｓ１０３８〜Ｓ１０１２）。【００３７】
このように、モータの回転数Ｎが低速、例えば±４０ｒｐｍ以内の場合、切替制御部１５６により、高精度のモータ制御信号Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗがモータドライバへ出力され、モータドライバでは、このモータ制御信号を基に、モータ駆動信号としての高精度のＰＷＭ信号が生成される。モータの回転数Ｎが±４０ｒｐｍを超える場合、切替制御部１５６により、低精度のモータ制御信号がモータドライバへ出力され、モータドライバでは、この低精度のモータ制御信号を基に、モータ駆動信号としての低精度のＰＷＭ信号が生成される。【００３８】
本実施例のブラシレスＤＣモータを用いたサーボモータによれば、ロータリーエンコーダが、低速域では高精度の制御信号を出力してブラシレスＤＣモータを制御し、高速域では低精度の制御信号を出力してブラシレスＤＣモータを制御する。そのため、低速回転域では高精度の位置精度を行いつつ、高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消することができる。
また、本実施例のロータリーエンコーダは、磁気センサユニットとして、モータの回転軸の回転・角度の情報を、精度の異なるインクリメンタル信号とアブソリュート信号の２組の機械角の信号として出力する、汎用性の高い、安価な１個の磁気センサユニットを採用している。さらに、ロータリーエンコーダは、初期設定機能を有している。そのため、インクリメンタルタイプのブラシレスＤＣモータに関して、種々のニーズに応えられる、小型で汎用性に富み、安価な、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することができる。
さらに、モータドライバでは、ロータリーエンコーダからのモータ制御信号を基に、ＰＷＭ信号を生成できるため、モータドライバの構成が簡略化される。
【実施例３】
【００３９】
図１１は、本発明の第３の実施例に係る、ステッピングサーボモータの構成例を示す図である。このステッピングサーボモータは、第１の実施例で説明したものと同様の構成のロータリーエンコーダ１００と、モータ５００を備えている。
モータ５００は、例えば、ロータ磁石５２０が２極、ステータが９０度間隔で４個のステータコイルを有している。モータ５００のステータ５５８は、Ａ相用コイルの５５８１の両端に発生する磁場を集中して放出する機能を有するステータコイルＡ＋５５８３と、ステータコイルＡ−５５８４、Ｂ相用コイル５５８２の両端に発生する磁場を集中して放出する機能を有するステータコイルＢ＋５５８５と、ステータコイルＢ−５５８６とを備えている。
モータ５００のロータ磁石の回転軸５３２の一端に、１個の平板状磁石１１１０が固定されている。この平板状磁石１１１０は、磁気センサユニット１１０の一部を構成するものである。磁気センサユニットやロータリーエンコーダ１００の具体的な構成は、実施例１の構成と同じである。【００４０】
モータドライバ５１０はモータに対する駆動用波形を生成するＰＷＭ駆動回路を備えており、ロータリーエンコーダ１００の出力であるモータ制御信号（電気角）、運転指令、及びモータ電流の検出値等に基づいて、モータ駆動信号を生成し、モータ５００のロータ磁石の回転を制御する。
すなわち、ロータリーエンコーダ１００の出力であるモータ制御信号は、ドライバ５１０に送られ、ここで、インクリメンタル信号の位相情報に対応するＰＷＭ指令値が生成され、このＰＷＭ指令値に応じて、ステッピングモータ５００のＡ相用コイル５５８１、Ｂ相用コイル５５８２に電圧を印加し、これによってロータ磁石５２０が回転する。【００４１】
ステッピングサーボモータの起動に伴い、モータ制御信号生成ユニット１４０の低速・高精度の制御信号生成部１４２が起動され、３２Ｋパルス／回転のインクリメンタルのモータ制御信号が生成される。ステッピングモータ５００では、このモータ駆動信号や運転指令等に基づいてモータ駆動信号が生成され、ＰＷＭ駆動回路を介して、ステッピングモータのＡ相用ステータコイル、Ｂ相用ステータコイルに電圧を印加し、これによってロータ磁石５２０が回転する。【００４２】
モータが低速回転の状態では、高精度のモータ制御信号がモータドライバへ出力され、モータ駆動信号としての高精度のＰＷＭ信号が生成される。モータの回転数Ｎが精度切替回転数Ｎｓを超える場合、低精度のモータ制御信号がモータドライバへ出力され、この低精度のモータ制御信号を基に、低精度のＰＷＭ信号が生成される。【００４３】
本実施例のステッピングサーボモータによれば、ロータリーエンコーダが、低速域では高精度のモータ制御信号を出力してモータを制御し、高速域では低精度のモータ制御信号を出力してモータを制御する。そのため、低速回転域では高精度の位置精度を行いつつ、高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消することができる。
また、本実施例のロータリーエンコーダは、磁気センサユニットとして、モータの回転軸の回転・角度の情報を、精度の異なるインクリメンタル信号とアブソリュート信号の２組の機械角の信号として出力する、汎用性の高い、安価な１個の磁気センサユニットを採用している。さらに、ロータリーエンコーダは、初期設定機能を有している。そのため、インクリメンタルタイプのステッピングモータに関して、種々のニーズに応えられる、小型で汎用性に富み、安価な、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたステッピングサーボ御装置を提供することができる。さらに、モータドライバでは、ロータリーエンコーダからのモータ制御信号を基に、ＰＷＭ信号を生成できるため、モータドライバの構成が簡略化される。
【実施例４】
【００４４】
本発明の他の実施例として、実施例１〜３におけるロータリーエンコーダのモータ制御信号生成ユニットに相当するものを、精度の異なる２組のアブソリュート信号を生成するモータ制御信号生成ユニットとして構成しても良い。すなわち、ロータリーエンコーダが、低精度アブソリュート信号生成ユニットを備え、これにより、磁気センサユニットで生成された低精度のインクリメンタル信号に含まれる角度情報と、高精度のアブソリュート信号に含まれる位相情報とに基づき、低精度のアブソリュート信号を生成する。そして、モータ制御信号生成ユニットは、精度の異なる２組のアブソリュート信号に基づいて、モータの低速運転から高速運転に至る広範囲の、高精度及び低精度の２組のアブソリュートのモータ制御信号（電気角）を生成する。これにより、アブソリュート対応のモータを、低速から高速まで、適切に制御できるロータリーエンコーダを提供することができる。【００４５】
本発明は、上記実施例で述べた種類のモータ以外の、種々のモータにも適用できる。例えば、同期型モータ、誘導モータ等、種々のモータに広く適用できる。また、これらのモータを用いたサーボ制御装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０    サーボ制御装置
１００    ロータリーエンコーダ
１１０    磁気センサユニット
１１１０    平板状磁石
１１２２    ＭＲセンサ
１３０    高精度インクリメンタル信号生成ユニット
１４０    モータ制御信号生成ユニット
１４２    低速・高精度の制御信号生成部
１４４    高速・低精度の制御信号生成部
１５０    分解能切替制御ユニット
１７０    不揮発性メモリ
１８０    ＦＰＧＡ
１９０    基板
５００    モータ
５１０    モータドライバ
５３２    モータの回転軸
５２０    モータケース
５３０  軸受
【要約】
モータが、低速回転域で高精度の位置精度を行う場合、高速回転時に制御信号に追従しなくなるという課題を解消する。
ロータリーエンコーダは、磁気センサユニット、高精度インクリメンタル信号生成ユニット、モータ制御信号生成ユニット、及び分解能切替制御ユニットを備え、前記磁気センサユニットの低精度のインクリメンタル信号に含まれる位相情報と前記磁気センサユニットの高精度のアブソリュート信号に含まれる角度情報とに基づき、高精度のインクリメンタル信号（機械角）を生成する機能と、前記低精度のインクリメンタル信号と前記高精度のインクリメンタル信号とに基づいて、低速・高精度のモータ制御信号（電気角）を生成する機能と、前記低精度のインクリメンタル信号と前記高精度のインクリメンタル信号に基づいて、高速・低精度のモータ制御信号（電気角）を生成する機能と、前記モータの低速回転時には前記低速・高精度のモータ制御信号を出力し、前記モータの高速回転時には、前記高速・低精度のモータ制御信号を出力する機能とを備えている。【図１】
0006966142.tif 000002
【図２】
0006966142.tif 000003
【図３Ａ】
0006966142.tif 000004
【図３Ｂ】
0006966142.tif 000005
【図４】
0006966142.tif 000006
【図５】
0006966142.tif 000007
【図６】
0006966142.tif 000008
【図７】
0006966142.tif 000009
【図８Ａ】
0006966142.tif 000010
【図８Ｂ】
0006966142.tif 000011
【図９】
0006966142.tif 000012
【図１０Ａ】
0006966142.tif 000013
【図１０Ｂ】
0006966142.tif 000014
【図１１】
0006966142.tif 000015
【図１２】
0006966142.tif 000016