JP2005287133A - アクチュエータ装置、モータユニット及びコントローラユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 煩雑な制御パラメータの設定作業を必要とせずに複数の機種へのコントローラの共用が可能となり、経済性、再利用性及び拡張性に優れたアクチュエータ装置を提供し、またこのアクチュエータ装置を構成するモータユニット及びコントローラユニットを提供する。
【解決手段】 モータユニット４に、モータ１及びモータ駆動回路２と共に、モータ１の制御に必要な特性パラメータを記憶させてあるパラメータメモリ３を備え、このモータユニット４に着脱自在とされたコントローラユニット５に、モータ制御回路51及び通信制御回路52を備えて、コントローラユニット５の取り付け時に通信コネクタ6a，6bを介してパラメータ３に記憶された特性パラメータをロードして、モータ制御回路51の制御パラメータの設定に利用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＡＣサーボモータ等のモータの回転出力を利用して所定の動作を行わせるべく構成されたアクチュエータ装置に関し、またこのアクチュエータ装置を構成するモータユニット及びコントローラユニットに関する。

ロボット、ＮＣ工作機械等のメカトロニクス機器においては、夫々の部位に必要な動作を行わせるために、ＡＣサーボモータ等のモータを駆動源として構成されたアクチュエータ装置が従来から使用されており、この種のアクチュエータ装置として、近年、駆動源となるモータと、該モータに電流を供給する駆動回路（ドライバ）と、該駆動回路に与える電流指令値（制御指令）を演算する演算回路（コントローラ）とを共通のハウジングの内部に備え、対象機器への組付けの後、外部電源、又は外部電源及び上位コントローラと接続するだけで所定の動作を行わせ得るように構成されたアクチュエータ装置、所謂、インテリジェントアクチュエータが実用化されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
特許第３３３２２２６号 特許第３４０２５９７号 特開平５−２５２６８８号公報

さて、以上の如くメカトロニクス機器に使用されるアクチュエータ装置は、駆動源としてのモータに要求される仕様（定格出力、定格トルク、定格回転数等）が用途に応じて異なるため、種々の仕様を有するモータを駆動源として備える機種をシリーズ化しておき、用途に応じて適正に選択して用いるようにしている。

このようなシリーズ化は、ドライバ及びコントローラをモータと一体に備える前述したインテリジェントアクチュエータにおいても必要であるが、この場合、制御指令を演算するための制御アルゴリズムは共通でありながら、演算に用いるアクチュエータ（モータ）の特性パラメータ（ロータイナーシャ、トルク定数、トルク−回転数特性等）が異なるコントローラを機種毎に用意する必要があり、また制御アルゴリスムの変更への対応が難しく、経済性、再利用性及び拡張性の面で問題がある。

これらの問題を改善するため、ドライバを一体に備えるモータに汎用のコントローラを外付けして使用する構成とすることも考えられるが、この場合、アクチュエータに固有の特性パラメータを、使用するコントローラに個別に設定する作業が別途必要となり、十分な改善効果が期待できない上、パラメータの設定ミスによる動作不良の発生を引き起こす虞れがある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、煩雑な制御パラメータの設定作業を必要とせずに複数の機種へのコントローラの共用を可能とし、経済性、再利用性及び拡張性に優れたアクチュエータ装置を提供し、またこのアクチュエータ装置を構成するモータユニット及びコントローラユニットを提供することを目的とする。

本発明の第１発明に係るアクチュエータ装置は、モータを駆動源として所定の動作をなすアクチュエータ装置において、前記モータ、該モータの駆動回路、及び前記モータの駆動制御に必要な特性パラメータを記憶させてある記憶手段とを備えるモータユニットと、前記駆動回路に与える制御指令を演算する演算回路を備え、前記モータユニットに着脱自在に取り付けられるコントローラユニットと、該コントローラユニットの取り付けにより、前記演算回路と前記駆動回路及び記憶手段とを信号の授受が可能に連絡する通信手段とを備えることを特徴とする。

本発明においては、モータ及び駆動回路を備えるモータユニットと、駆動回路に与える制御指令を演算する演算回路を備えるコントローラユニットとを別体とすると共に、モータユニットの内部に前記モータの駆動制御に必要な特性パラメータを記憶する記憶手段を設け、モータユニットへのコントローラユニットの取り付けにより、モータユニット内の駆動回路及び記憶手段とコントローラユニット内の演算回路とを信号コネクタを介して接続して、まず記憶手段に記憶された特性パラメータを、信号コネクタ等の通信手段を介して演算回路に取り込み、この特性パラメータを演算回路の制御パラメータの設定に利用して、この設定の後に演算回路により演算される制御指令を前記信号コネクタを介して駆動回路に与え、該駆動回路の動作によりモータを駆動して所定の動作を行わせる。

また本発明の第２発明に係るモータユニットは、モータ、該モータの駆動回路、及び前記モータの駆動制御に必要な特性パラメータを記憶させてある記憶手段を備えることを特徴とする。

本発明においては、モータ及び駆動回路と共に、モータの駆動制御に必要な特性パラメータを記憶する記憶手段を一体に備えてモータユニットを構成し、別体に構成されたモータ制御用のコントローラに記憶手段に記憶された特性パラメータを与え、コントローラ内での制御指令の演算を、与えられた特性パラメータを用いて誤りなく行わせる。

また本発明の第３発明に係るコントローラユニットは、第２発明のモータユニットに着脱自在に取り付けて用いられ、前記駆動回路に与える制御指令を演算する演算回路を備えることを特徴とする。

本発明においては、モータの駆動回路に与える制御指令の演算回路をユニット化し、前記駆動回路及び記憶手段を備えるモータユニットに着脱自在として、取り付け時に記憶手段に記憶された特性パラメータを取得して制御パラメータの設定に利用し、複数のモータユニット間での共用を可能とする。

本発明の第１発明に係るアクチュエータ装置においては、通信手段を介してなされる信号の授受により、駆動源となるモータの特性パラメータをコントローラユニットに取込むから、コントローラユニット内の演算回路の制御パラメータを、取り付けがなされたモータユニットに固有の値に誤りなく自動設定することが可能となり、共通の演算回路を他機種に援用することにより経済性の改善を図ることができ、またコントローラユニットの取り換えにより、再利用性及び拡張性に優れた装置を提供することができる。

また第２発明に係るモータユニットにおいては、モータ及び駆動回路と共に、モータの特性パラメータの記憶手段を備えたから、別体に構成された演算回路にモータユニットに固有の値を誤りなく設定させ制御動作を行わせることができる。

また第３発明に係るコントローラユニットにおいては、駆動回路を介してモータに与える制御指令を演算する演算回路をユニット化し、特性パラメータの記憶手段を備えるモータユニットに着脱自在に取り付ける構成としたから、種々のモータユニット間での共用が可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１及び図２は、本発明に係るアクチュエータ装置の縦断面図であり、図示の如くアクチュエータ装置は、駆動源としてのモータ１と、該モータ１に駆動電流を供給するモータ駆動回路２と共に、前記モータ１に固有の特性パラメータを記憶させてあるパラメータメモリ（記憶手段）３を、円筒形をなす共通のハウジングに内蔵してある本発明に係るモータユニット４と、該モータユニット４の外側に着脱可能に取り付けられる本発明に係るコントローラユニット５とを備えている。なお図１は、コントローラユニット５が取り付けられた状態を、図２は、コントローラユニット５が取り外された状態を夫々示している。

モータ１は、モータユニット４のハウジングの内部に、両端壁の軸受を介して同軸上での回転自在に支持されたモータ軸11と、該モータ軸11の中途部に一体回転可能に固着されたロータ12と、該ロータ12の外側を囲繞するようにハウジングの内周面に固設されたステータ13とを備えるＡＣサーボモータであり、ステータ13への通電により生じるロータ12の回転を、ハウジングの一側端壁から外部に突出するモータ軸11の軸端部に回転出力として取り出す構成となっている。

なお、モータユニット４に一体に連設された減速手段により、モータ軸11の回転を減速して取り出す構成とすることも可能であり、同じくモータユニット４に一体に連設された運動変換手段により、モータ軸11の回転を、直線運動等の回転以外の運動に変換して取り出す構成とすることも可能であり、これらの構成も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

図３は、ロータ12及びステータ13の横断面図である。本図に示す如くロータ12は、各２つのＮ極及びＳ極を周方向に交互に等配してなる４極構成のマグネットであり、またステータ13は、夫々に巻線コイル14が巻回された６極のステータ鉄心15，15…を周方向に等配に備えて構成されている。この構成によりステータ13の巻線コイル14，14…に、これらの内側にて回転するロータ12の相対位置に応じてＵ，Ｖ，Ｗ相の電流を与えることにより、ロータ12に回転トルクが発生し、この回転トルクをモータ軸11の回転出力として取り出すことができる。

モータ駆動回路２は、ロータ12及びステータ13の一側に面してモータユニット４の内部に固設され、中央部にモータ軸11の挿通が可能な貫通孔を備える中抜き円板形の駆動基板20に実装されており、電源ケーブル23を介して外部電源に接続されている。また駆動基板20には、ロータ12の回転位置を検出するための３つのホール素子21，21，21が、ロータ12の回転域に面して取り付けられ、また、回転検出回路22及びパラメータメモリ３が実装されており、更に、前記コントローラユニット５との接続のための信号コネクタ6aが、ハウジングに設けた開口に面して設けられている。

なおモータ駆動回路２は、巻線コイル14，14…への通電を行わせるためのデバイスとして、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ等のパワー素子24を備えているが、このパワー素子24は、動作中に発熱を伴うため、駆動基板20に対向するモータユニット４のハウジング内面に取り付けてあり、この取り付け位置に対応するように前記ハウジングの外面に放熱フィン25を固設して、パワー素子24の発熱を外部に放熱するようにしてある。

ホール素子21，21，21は、図３に示す如く、ステータ13を構成する３つの相隣するステータ鉄心15，15，15の間に、各60°の位相差を有して配設されており、ロータ12を構成する４極のマグネットの通過に応じて生じる夫々のホール素子21，21，21の出力変化は、ステータ13に対するロータ12の相対回転位置を示す信号としてモータ駆動回路２に与えられて、巻線コイル14，14…への通電電流の切換えに用いられている。

図４は、ホール素子21，21，21の出力と対応する巻線コイル14，14，14の通電電流との関係を示す図であり、図中に実線にて示す如く得られるホール素子21，21，21の出力は、図の上部に示す如くコード化され、この組み合わせに応じて巻線コイル14，14，14への通電電流が、図中に破線にて示す如く切換えられている。

回転検出回路22は、モータ軸11に固設されたスリット円板26に面して取り付けられている。図５は、スリット円板26と回転検出回路22との位置関係を示す説明図である。モータ軸11と共に回転するスリット円板26は、周方向に等配された複数のスリット孔 26a,26a…を備えており、回転検出回路22は、これらのスリット孔 26a,26a…の回転周上に所定の間隔を隔てて並ぶ２つの光検出器 22a,22bを備えている。

図６は、光検出器 22a,22bの出力例を示す図である。光検出器 22a,22bは、前記スリット孔 26a,26a…の通過時にハイレベルとなるパルス信号を、図示の如く、所定の位相差を有して出力すべく位置決めされている。回転検出回路22は、このような光検出器 22a,22bの出力を、後述の如くコントローラユニット５に出力すべくなしてあり、コントローラユニット5 においては、両出力の遅れ又は進みによりモータ軸11の正、逆転の判別がなされ、また夫々の出力中のパルス数のカウントによりモータ軸11の回転速度が求められる。なお図６（ａ）は、モータ軸11の正転時における光検出器 22a,22bの出力例を、図６（ｂ）は、モータ軸11の逆転時における光検出器 22a,22bの出力例を夫々示してある。

パラメータメモリ３は、モータ１の制御に必要となる固有の特性パラメータを記憶させてある不揮発性メモリであり、例えば、Ｉ２Ｃバスを用いた２線式シリアルＲＯＭを用いることができる。前記特性パラメータは、モータ１の定格出力、定格及び最大トルク、並びに定格及び最大電流と共に、モータ軸11及びロータ12を含めたモータ１の回転イナーシャ（モータイナーシャ）、単位電流当たりの発生トルクを表すトルク定数、及び発生トルクと回転数との関係を示すトルク−回転数特性を含み、更に、回転検出回路22の出力に応じて回転速度を求めるために必要なパラメータとして、スリット円板26におけるスリット孔 26a,26a…の形成個数等も含まれている。

コントローラユニット５は、板状のケーシング内部のコントローラ基板50上に実装されたモータ制御回路51及び通信制御回路52を備えている。またコントローラ基板51には、ケーブルコネクタ54が設けられ、更に、駆動基板20の信号コネクタ6aと対をなす信号コネクタ6bが、外部に突出するように設けられており、コントローラユニット５は、図２中に白抜矢符にて示す如く、モータユニット４のハウジングに設けた開口に信号コネクタ6bを差し込み、駆動基板20の信号コネクタ6aに接続することにより、図１に示す如く、モータユニット４の外側に沿うように取り付けて用いられる。またこのとき、ケーブルコネクタ54は、シリアルバスケーブル53を介して図示しない上位コントローラに接続される。

モータ制御回路51は、後述の如く、モータ駆動回路２に与える電流指令値を演算する演算回路であり、この演算は、信号コネクタ6a，6bを介してパラメータメモリ３から与えられる前述した特性パラメータを用い、同じく回転検出回路22から与えられるエンコーダ信号を用いて行われ、演算により得られた電流指令値は、信号コネクタ6a，6bを介してモータ駆動回路２に与えられる。

通信制御回路52は、上位コントローラからシリアルバスケーブル53を介して与えられるアクチュエータ動作コマンドを受信し、モータ制御回路51にモータ制御コマンドを出力する動作をなし、モータ制御回路51における電流指令値の演算は、通信制御回路52から与えられるモータ制御コマンドに従って行われる。なお、モータ制御回路51及び通信制御回路52への電源供給も、信号コネクタ6a，6bを介して行われる。図７は、信号コネクタ6a，6bの仕様例を示す図表である。

図８は、本発明に係るアクチュエータ装置の制御系の構成を示すブロック図である。上位コントローラからコントローラユニット５に与えられるアクチュエータ動作コマンドは、前述の如く、シリアルバスケーブル53を介して通信制御回路52にシリアルデータ信号として入力される。シリアルバスとしては、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）２．０を採用することができ、通信制御回路52は、バスのプロトコルに合わせた信号処理を行い、モータ制御コマンド又はパラメータ設定コマンドを作成してモータ制御回路51に出力する。

モータ制御回路51には、通信制御回路52からモータ制御コマンド又はパラメータ設定コマンドが入力されると共に、信号コネクタ6a，6bを介して、モータユニット４内部の回転位置検出回路22からのエンコーダ信号が与えられ、またパラメータメモリ３から、モータ１の特性パラメータ及び回転位置検出回路22に関するパラメータ情報が与えられる。モータ制御回路51は、前記エンコーダ信号の処理によりモータ１の回転状態を認識し、この認識結果と前記モータ制御コマンドとの誤差に応じて電流指令値を演算し、この電流指令値を信号コネクタ6a，6bを介してモータ駆動回路２に出力する。

モータ駆動回路２には、ホール素子21，21，21の出力が与えられており、これらの出力の前述したコード処理によりロータ12のマグネット位置を認識し、電流指令値の方向に回転トルクを発生するように、モータ１のステータ13のＵ，Ｖ，Ｗの各相への通電を行う。なおこのときの電流値は、巻線コイル14，14…に実際に流れる電流値と前記電流指令値との偏差に基づくフィードバック制御（比例制御、比例積分制御等）により適正に制御される。なお、図８中の回転位置検出部は、回転検出回路22及びホール素子21，21，21の双方を含んでいる。

以上の如く行われる制御動作において、モータ制御回路51においては、パラメータメモリ３から与えられるパラメータ情報が用いられる。このパラメータ情報は、前述の如くコントローラユニット５がモータユニット４に取り付けられた後、信号コネクタ6a，6bを介してモータ制御回路51にロードされる。図９は、パラメータ情報のロード手順を示すフローチャートである。

コントローラユニット５への電源供給は、モータユニット４への前述した取り付けにより信号コネクタ6a，6bを介してなされる。図示のフローは、この電源供給に応じて開始され、まず、モータ制御回路51が初期化され（ステップ１）、次いで、電流指令値が零に設定される（ステップ２）。

次に、通信制御回路52が初期化され（ステップ３）、シリアルバスケーブル53を介しての上位コントローラとの通信が可能な状態とされ、これらの初期化処理の完了後、信号コネクタ6a，6bを介してパラメータメモリ３に情報ロード指令を送り（ステップ４）、この指令に応じてパラメータメモリ３から与えられる前述したパラメータ情報の取り込みがなされる。

この後、全てのパラメータ情報のロードが完了したか否かの判定（ステップ５）、及び情報のロードに必要な所定時間が経過したか否かの判定（ステップ６）が夫々なされ、所定時間が経過するまでの間にロードが完了した場合には、ステップ７に進み、モータ制御回路51の制御ブロックの各部にパラメータ情報に基づく制御パラメータの設定を行ってロードフローを終了し、また所定時間が経過するまでの間にロードが完了しなかった場合には、ステップ８に進み、モータ１側のパラメータメモリ３又はコントローラユニット５側に何らかの異常があると判定し、所定のエラー処理を行った後にロードフローを終了する。このエラー処理は、例えば、コントローラユニット５の動作を禁止する等、不適切な制御パラメータの使用によるアクチュエータ装置の動作を防止し得る処理であればよい。

図10は、モータ１の回転速度の制御を可能としたモータ制御回路51の構成の一例を示すブロック線図であり、図11は、ロードされるパラメータ情報の一例を示す図表である。

図10に示すモータ制御回路51においては、モータ制御コマンドに含まれる速度指令は、速度リミッタ70によりリミット処理されて加算器71に与えられる。この加算器71には、回転検出回路22からのエンコーダ信号を、４逓倍エンコーダカウンタ76及び微分器77を経て信号処理し、乗算器78により所定のゲインを乗じて得られたモータ１の回転速度の検出信号が与えられている。速度指令と検出速度との偏差として出力される加算器71の出力は、ＰＩＤ演算部72を経てトルク指令となり、乗算器73により所定のゲインを乗じられて電流指令となり、電流リミッタ74にリミット処理された後、Ｄ／Ａコンバータ75を経て電流指令値として出力され、モータ駆動回路２に与えられる。

以上の如く構成されたモータ制御回路51において、図11に示すパラメータ情報は、例えば、最大回転数Ｎmax 及び最大電流Ｉmax が、速度リミッタ70及び電流リミッタ74のリミット値の設定に用いられ、またトルク定数Ｋt が乗算器73のゲイン設定に、回転検出回路22のパラメータ情報Ｒenc が乗算器78のゲイン設定に夫々用いられ、更に、モータイナーシャＪa がＰＩＤ制御器72におけるゲイン設定に用いられる。

以上の如く本発明に係るアクチュエータ装置においては、駆動源としてのモータ１、及び該モータ１に駆動電流を供給するモータ駆動回路２と共に、前記モータ１の制御に必要な特性パラメータを記憶させてあるパラメータメモリ３を備えるモータユニット４に、コントローラユニット５を着脱自在に取り付け、信号コネクタ6a，6bを介してモータ駆動回路２及びパラメータメモリ３との信号の授受が可能に接続したから、仕様の異なるモータ１を駆動源として備えるモータユニット４に対して共通のコントローラユニット５を用い、パラメータメモリ３からロードされる特性パラメータを設定することにより専用のコントローラユニット５とすることができ、経済面において優位性が得られる上、必要に応じてコントローラユニット５の取り換えが可能であり、再利用性及び拡張性の面でも優れたものとなる。

本発明に係るアクチュエータ装置の縦断面図である。 本発明に係るアクチュエータ装置の縦断面図である。 ロータ及びステータの横断面図である。 ホール素子の出力と巻線コイルの通電電流との関係を示す図である。 スリット円板と回転検出回路との位置関係を示す説明図である。 光検出器の出力例を示す図である。 信号コネクタの仕様例を示す図表である。 本発明に係るアクチュエータ装置の制御系の構成を示すブロック図である。 パラメータ情報のロード手順を示すフローチャートである。 モータ制御回路の構成の一例を示すブロック線図である。 ロードされるパラメータ情報の一例を示す図表である。

符号の説明

１ モータ
２ モータ駆動回路
３ パラメータメモリ
４ モータユニット
５ コントローラユニット
6a 信号コネクタ
6b 信号コネクタ

Claims (3)

1. モータを駆動源として所定の動作をなすアクチュエータ装置において、
   前記モータ、該モータの駆動回路、及び前記モータの駆動制御に必要な特性パラメータを記憶させてある記憶手段を備えるモータユニットと、
   前記駆動回路に与える制御指令を演算する演算回路を備え、前記モータユニットに着脱自在に取り付けられるコントローラユニットと、
   該コントローラユニットの取り付けにより、前記演算回路と前記駆動回路及び記憶手段とを信号の授受が可能に連絡する通信手段と
   を備えることを特徴とするアクチュエータ装置。
2. モータ、該モータの駆動回路、及び前記モータの駆動制御に必要な特性パラメータを記憶させてある記憶手段を備えることを特徴とするモータユニット。
3. 請求項２記載のモータユニットに着脱自在に取り付けて用いられ、前記駆動回路に与える制御指令を演算する演算回路を備えることを特徴とするコントローラユニット。

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