JP4552353B2 - サーボ・アクチュエータ並びにその位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットや汎用組立機器、ロボット・ハンド機器、その多の多軸制御装置などのような多軸駆動系の機械装置に対して適用されるサーボ・アクチュエータに係り、特に、回転軸の姿勢位置を高精度に検出することができるサーボ・アクチュエータ並びにその位置検出装置に関する。
【０００２】
更に詳しくは、本発明は、駆動回路を内蔵して構成されたサーボ・アクチュエータ並びにその位置検出装置に係り、特に、駆動回路におけるコイル電流のスイッチング・ノイズによる影響を受けることなく回転軸の姿勢位置を高精度に検出するサーボ・アクチュエータ並びにその位置検出装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ＲＯＢＯＴＡ(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（industrial robot）であった。
【０００４】
アーム式ロボットのように、ある特定の場所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間でのみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わる種々の幅広いサービスを提供することができる。なかでも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式のロボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【０００５】
最近では、イヌやネコのように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット（humanoid robot）など、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。例えば、ソニー株式会社は、平成１２年１１月２１日に２足歩行を行う人間型ロボット"ＳＤＲ−３Ｘ"を公表した。
【０００６】
この種の脚式移動ロボットは、一般に、多数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・モータで実現するようになっている。また、各モータの回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御を行うことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、姿勢制御を行うようになっている。
【０００７】
ロボットの関節自由度を実現するためにサーボ・モータを用いるのが一般的である。これは、取扱いが容易で、小型・高トルクで、しかも応答性に優れているという理由に依拠する。特に、ＡＣサーボ・モータは、ブラシがなく、メンテナンス・フリーであることから、無人化された作業空間で稼動することが望まれるような自動機械、例えば自由歩行を行う脚式ロボットの関節アクチュエータなどに適用することができる。ＡＣサーボ・モータは、回転子（ロータ）側に永久磁石を、固定子（ステータ）側にコイルを配置して、正弦波磁束分布と正弦波電流により回転子に対して回転トルクを発生させるようになっている。
【０００８】
脚式移動ロボットは一般に多数の関節で構成されている。したがって、関節自由度を構成するサーボ・モータを小型且つ高性能に設計・製作しなければならない。例えば、本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３３３８６号明細書には、脚式移動ロボットの関節アクチュエータとして適用することができる、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータについて開示されている。
【０００９】
脚式移動ロボットのような多軸駆動系の機械装置においては、各軸の回転位置を高精度に安定に検出して、位置指令により正確に動作させる必要がある。例えば、人間型ロボットのような２足直立型の脚式移動ロボットにおいては、機体に電源を投入した直後からロボットは自分の姿勢位置を自律的に確認して、安定な姿勢位置に各軸を移動させる必要がある。
【００１０】
このため、各関節の回転自由度を与えるＡＣサーボ・アクチュエータにおいては、このような姿勢位置の安定化を実現するためには、より高精度の回転位置検出器を装備していなければならない。
【００１１】
しかしながら、上述したような脚式移動ロボット用のサーボ・アクチュエータにおいては、駆動回路をアクチュエータ・ユニットに内蔵して一体的に構成されているため、位置センサ信号が駆動回路から発生するノイズの影響を及ぼすという問題がある。すなわち、アクチュエータ・ユニット内では、回転子に対して磁界を印加するために、固定子コイルに流すコイル電流がスイッチング制御されるが、位置センサ信号にこのようなコイル電流のスイッチング・ノイズが含まれてしまう。
【００１２】
例えば、ノイズにより回転軸の測定精度に誤差が生じた結果として、脚式移動ロボットは姿勢安定性を保つことができなくなり、転倒してしまうことさえある。機体が転倒すると、ロボット自身が破損する他、機体の傍らに居る作業員の損傷や衝突物の破壊など、不測の事態を招来する。
【００１３】
従来用いられてきた位置センサ構成では、回転軸の位置を高精度に検出するには不充分であるため、構造的にノイズの影響を分離するためのノイズ作用を考慮したセンサ並びに検出回路が必要になってしまう。
【００１４】
しかしながら、ノイズによる影響を抑えた位置検出器は、回路構成が複雑で、且つ高度な機械精度が要求されるため、大型で高価な検出センサと検出回路となってしまう。この結果、関節アクチュエータ単体でも大型で高価なものとなり、ロボット全体としても設計や組立が困難で装置コストが増大してしまう。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、駆動回路を内蔵して小型に構成された優れたサーボ・アクチュエータ並びにその位置検出装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の更なる目的は、内蔵された駆動回路におけるコイル電流のスイッチング・ノイズによる影響を受けることなく回転軸の姿勢位置を高精度に検出することができる、優れたサーボ・アクチュエータ並びにその位置検出装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、回転子側に永久磁石を配置するとともに固定子側にコイルを配置して磁束分布とコイルの通過電流によりトルクを発生させるタイプのサーボ・アクチュエータであって、
前記回転子及び前記固定子を収容し、前記回転子を所定の回転軸回りに回転可能に支持する筐体と、
前記固定子コイルの通過電流を所定周期でＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチング制御して回転子の回転を制御する駆動制御部と、
前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、
前記駆動制御部における前記固定子コイルの通過電流のスイッチング周期と同期して前記回転位置検出部の出力をサンプリングするサンプリング制御部と、
を具備することを特徴とするサーボ・アクチュエータである。
【００１８】
また、本発明の第２の側面は、回転子側に永久磁石を配置するとともに固定子側にコイルを配置して磁束分布とコイルの通過電流によりトルクを発生させるタイプのサーボ・アクチュエータのための位置検出装置であって、
前記固定子コイルの通過電流を所定周期でＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチング制御して回転子の回転を制御する駆動制御部と、
前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、
前記駆動制御部における前記固定子コイルの通過電流のスイッチング周期と同期して前記回転位置検出部の出力をサンプリングするサンプリング制御部と、
を具備することを特徴とするサーボ・アクチュエータの位置検出装置である。
【００１９】
本発明は、例えば、脚式移動ロボットの関節アクチュエータに適用される、駆動制御回路一体型のサーボ・アクチュエータに適用することができる。この種のサーボ・アクチュエータの場合、前記駆動制御部並びに前記回転位置検出部は前記筐体内に収容されているので、前記回転位置検出部は、前記駆動制御部におけるスイッチング・ノイズの影響を受ける程度に前記駆動制御部に近接して配置されている。
【００２０】
ここで、前記回転位置検出部は、前記回転子の一端面に前記回転軸と略同軸状に取り付けられた、表面に正弦波着磁処理が施された回転子センサ・マグネットと、前記回転子センサ・マグネットと対向する部位に前記回転軸回りに略９０度の位相差を以って配設された、磁束密度の大きさを検出する２個の回転位置センサとの組み合わせで構成することができる。
【００２１】
駆動回路一体型のアクチュエータにおいては、アクチュエータ内部のコイルに流れるスイッチング電流がアクチュエータの位置センサ信号に含まれてしまう。
すなわち、スイッチング・ノイズの発生源としての駆動制御部の近傍に配置されているため、各回転位置センサの出力信号にはスイッチング電流がノイズとして重畳して含まれることになる。
【００２２】
駆動制御部によるノイズは、このスイッチング電流波形を基本成分としたノイズと、その電流変化による回路共振により生ずるノイズとで構成される。この場合、出力信号に重畳されるノイズは、ＰＷＭスイッチング周期にほぼ同期する周期的な信号として捉えることができる。
【００２３】
そこで、本発明では、前記駆動制御部における前記固定子コイルの通過電流のスイッチング周期と同期して前記回転位置検出部の出力をサンプリングするように構成した。このように構成することによって、電流スイッチング・ノイズが各回転位置センサのセンサ出力に重畳されても、サンプリングと同じ周期の信号の大きさはゼロになるというサンプリングの性質から、ノイズが重畳されたセンサ信号からトランジスタのスイッチング・ノイズの影響を除去することができる。
【００２４】
ＰＷＭスイッチがオンされている期間では、コイル電流の過渡期間に相当し、常にスイッチング電流が変動しているので、ノイズも変動し、センサに重畳されたノイズを除去することが比較的難しい。
【００２５】
これに対し、ＰＷＭスイッチのオフ期間では、コイル電流の過渡期間の中でも比較的安定した電流変化が安定している。そこで、前記サンプリング制御部は、前記駆動制御部が前記固定子コイルの通過電流をオフしている期間、あるいはオンする直前のタイミングに同期させて前記回転位置検出部の出力をサンプリングすることにより、スイッチング・ノイズの影響を低減することができる。
【００２６】
特に、ＰＷＭスイッチをオンにする直前に割り当てられたデッド・バンド領域においては、ＰＷＭスイッチをオフにすることが確保されているので、最もノイズが小さく安定している期間となる。すなわち、デッド・バンドにおいては、センサ出力に含まれるノイズの成分はほぼ一定で且つ小さい。
【００２７】
したがって、前記サンプリング制御部は、デッド・バンドに同期させて前記回転位置検出部の出力をサンプリングするスイッチング・ノイズによる影響を最も効率的に削減することができる。
【００２８】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳解する。
【００３０】
図１には、本発明の実施に供されるサーボ・アクチュエータ１０の軸方向の断面構成を示している。
【００３１】
図示の通り、サーボ・アクチュエータ１０は、所定の回転軸を持った回転子１１の周囲に、例えば３相の固定子１２が円周方向に配設されている。回転子１１側に永久磁石を、固定子１２側にコイルを配置して、コイルに正弦波電流を供給して所望の正弦波磁束分布を形成することにより、回転子１１に対して回転トルクを印加することができる。これら回転子１１及び固定子１２は、略円筒形状の筐体に収容されて、単一のサーボ・アクチュエータ・ユニットを構成する。そして、回転子１１は、所定の回転軸回りに回転可能となるように支持されている。
本実施形態では、固定子１２は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相からなる３相コイルで構成されており（後述）、各相へ交流電流を流して磁界を発生させることにより、回転子１１に対してトルクを起すことができる。また、各相へ供給する電流を制御することにより、回転子１１に付与する回転トルクを制御することができる。
【００３２】
サーボ・モータの小型化・高出力化を実現するために、回転子側に磁束密度の高いマグネットを使用する。例えば、極異方性マグネットは、磁束密度が高いので、高出力化の点で優れている。例えば、本出願人に既に譲渡されている特願２０００−１２８４０９号明細書には、小型化・高出力化のために回転子に極異方性マグネットを使用したサーボ・アクチュエータについて開示されている。
【００３３】
また、サーボ・モータの小型化・高出力化を実現するために、固定子側の巻線密度を高密度化する。例えば、固定子に分割コア方式が採用される。分割コア方式とは、鉄心すなわちコアをその周方向に分割するとともに、巻線を外部で整列状に巻き込んだ後、各鉄心を組み立てることによって固定子を構成するものであり、コアへの高密度な巻線とアクチュエータの省スペース化を可能にする。例えば、本出願人に既に譲渡されている特願２０００−２８１０７２号明細書には、固定子にコイルを巻設するために分割コア方式を採用したサーボ・アクチュエータについて開示されている。
【００３４】
本実施形態に係るサーボ・アクチュエータ１０は、駆動回路１３Ａを同一筐体に内蔵した小型アクチュエータである。図示の例では、制御回路基板１３上には、所定パターンの印刷配線が敷設されているとともに、駆動回路１３Ａやその周辺回路チップが搭載されている。制御回路基板１３は、略円盤状に形設されている。制御回路基板１３の略中央には、回転子１１の回転シャフトを挿通させるための開口が穿設されている。
【００３５】
回転子１１の制御回路基板１３側の端面には、リング状の回転子センサ・マグネット１５が取り付けられている。このリング状の回転子センサ・マグネット１５の表面は、図２に示すように正弦波着磁処理が施されている。
【００３６】
リング状の回転子センサ・マグネット１５の表面は正弦波着磁されており（上述）、その磁束密度φは回転子１１の回転位置θ_mの関数として表される。本実施形態では、回転子センサ・マグネット１５の磁束密度φ（θ_m）は下式のように表されるものとする。このセンサ・マグネット１５の極の位置と極数は、回転マグネット１４と同じになっている。
【００３７】
【数１】

【００３８】
回転子１１の回転位置θ_mは任意に変化し、θ_m＝０は回転子１１の回転軸の出力用マグネットの磁極軸の原点位置と定義する。
【００３９】
一方、制御回路基板１３の回転子１１側の表面上には、図３に示すように２個の回転位置センサ１６Ａ及び１６Ｂが回転軸に対して９０度の位相差を以って配設されている。
【００４０】
回転位置センサ１６Ａ及び１６Ｂは、磁極軸の原点位置に磁束密度の大きさを検出する素子（ホール素子）で構成される。一方の回転位置センサ１６Ａは、回転子センサ・マグネットが発する磁界に応じたホール・センサ信号ＳＩＮを出力し、他方の回転位置センサ１６Ｂは同様にホール・センサ信号ＣＯＳを出力する。これらセンサ出力としてのＳＩＮ信号及びＣＯＳ信号は駆動回路１３Ａに入力される。
【００４１】
これらホール・センサ信号ＳＩＮ及びＣＯＳは、サーボ・アクチュエータ１０における回転位置を表す。すなわち、駆動回路１３Ａは、外部（例えば中央コントローラ）からの位置指令を基にアクチュエータ・モータの回転駆動のフィードバック制御を行う。例えば、サーボ・アクチュエータ１０が脚式移動ロボットの関節アクチュエータに適用されている場合においては、アクチュエータ・モータのフィードバック制御は機体の姿勢安定制御に大いに関わる。サーボ・アクチュエータ１０のサーボ構成を図１４に示しておく。
【００４２】
これらホール・センサ信号ＳＩＮ及びＣＯＳはともに、回転子１１の回転位置θmの関数であり、本実施形態ではそれぞれ下式のように表される。
【００４３】
【数２】

【００４４】
【数３】

【００４５】
ここで、Ｇ₀（ｔ）は、ホール・センサの感度係数である。ｔは絶対温度であり、ｔによりφ₀（ｔ）並びにＧ₀（ｔ）は変化する。また、φ₀（ｔ）Ｇ₀（ｔ）は正の定数である。
【００４６】
この２つのセンサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）から、フィードバック型トラッキング回路によって回転位置θ_mを求めることができる。図４には、フィードバック型トラッキング回路の構成例を示している。
【００４７】
このフィードバック型トラッキングのシステムの誤差関数Ｅ（θ）は、以下の式で表される。
【００４８】
【数４】

【００４９】
この誤差関数Ｅ（θ）が安定すなわちゼロに収束する条件を満たせば、以下の式が成立して、θ_mが求まる。
【００５０】
【数５】

【００５１】
この場合、図４に示したフィードバック型トラッキング回路を図５のように近似した等価回路の構成として扱うことができる。図示のシステムの極値Ｐは、下式の通りとなる。
【００５２】
【数６】

【００５３】
したがって、このシステムの安定条件は、極の値Ｐが負であるように、係数Ｋ_p及びＫ_iを与えればよい。よって、安定条件のＰ＜０は、Ｋ_p＞０、Ｋ_i＞０となる。応答周波数は、これら係数の積Ｋ_p・Ｋ_iの平方根により定まる。
【００５４】
上述のようにして得られたθ_Xの値は温度ｔに依存する係数Ｇ₀（ｔ）とφ₀（ｔ）の大きさに依存しないで位置を検出することができる。したがって、温度による回転位置の測定精度変化を抑制することができる。
【００５５】
ホール・センサ１６Ａ及び１６Ｂからの各センサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）から回転子１１の回転位置θ_mを求める演算は、専用のハードウェア回路、あるいはソフトウェア・プログラムの実行といういずれの実装形態であっても、実現することができる。
【００５６】
図６には、ホール・センサ１６Ａ及び１６Ｂからの各センサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）から回転子１１の回転位置θ_mを求めることができるデジタル回路の構成例を図解している。但し、同図において、ｃｌｉｐ１及びｃｌｉｐ２は、オーバフロー値が入力された場合、３２ビット・データ長の最大値又は再招致により上限値、下限値を定める。また、Ｇ₁の値は、正の値であれば任意でよい。
【００５７】
アナログのセンサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）は、一定周期のサンプリング期間により、ゼロ・オーダ・ホールド回路ＺＯＨにより信号が保持され取り込まれる。このゼロ・オーダ・ホールド回路ＺＯＨ（ｓ）の等価式は、下式として知られている。
【００５８】
【数７】

【００５９】
上式において、ｓはラプラス演算子であり、Ｔ₀はサンプリング周期である。ｓをｊｗとして表すことができる。また、ωｓ＝２π／Ｔ₀とすると、上式を以下のように変形することができる。
【００６０】
【数８】

【００６１】
つまり、上式から信号の周波数ωは、ω＝ωｓの入力信号が入力された場合、ＺＯＨ（ｊｗ）＝０となることが証明されている。
【００６２】
また、上式から、サンプリング周期に比べて充分低い周波数信号が信号であれば、元の信号を再現することができるということが知られている。
【００６３】
図６に示した回路構成では、センサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）は、サンプリング周期に比べ充分に低い周波数であるとする。本実施形態では、サンプリング周波数を２０ＫＨｚ（５０μｓｅｃ）とするとともに、各センサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）の最大周波数を１ＫＨｚと設定している。
【００６４】
このとき、各回転子センサ１６Ａ及び１６Ｂに図７に示したようなアナログのセンサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）が入力されたとすると、このときのデジタル回路による演算結果の出力θ_Xdは、同図に示した通りとなる。但し、現実のデジタル回路での出力θ_Xdは整数の離散値となる。
【００６５】
図６に示したデジタル回路による演算は、所定のサンプリング周期内に演算を一巡するように構成されている。すなわち、サンプリング周期（５０μｓｅｃ）毎に回路出力θ_Xdは更新するようになっている。
【００６６】
既に述べたように、サーボ・アクチュエータ１０においては、固定子１２に巻設されたモータ・コイルに電流を流すことで磁界を発生させて、マグネットからなる回転子１１に対して回転トルクを発生させる。より具体的には、モータ・コイルには正弦波電流を供給して、正弦波磁束分布を形成する。そして回転位置や回転量などのセンサ出力を基にコイル電流をサーボ制御する。
【００６７】
一般に、固定子１２を構成するＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相コイルに供給するコイル電流は、スイッチング動作するトランジスタ素子で構成される電流制御回路によって制御される。
【００６８】
図８には、本実施形態に係るサーボ・アクチュエータ１０に適用される、コイル電流供給用の電流制御回路２０の等価回路の構成例を図解している。このような電流制御回路２０は、例えば固定子１２の各相のコイル毎に配設される。
【００６９】
電流制御回路２０は、フルブリッジ構成であり、２個のトランジスタＱ１及びＱ２を順方向接続した回路と、同じく２個のトランジスタＱ３及びＱ４を順方向接続した回路を電源電圧Ｖ_ccとグランドＧＮＤの間に並列接続し、さらにトランジスタＱ１及びＱ２の中間点とトランジスタＱ３及びＱ４の中間点を固定子１２の単相コイルＺ１で接続している。Ｚ１は、Ｕ相、Ｖ相、又はＷ相のうち１つを示す。それ以外の相も、図示と同様の回路により構成される。
【００７０】
トランジスタＱ１及びＱ４をオンにするとともに、トランジスタＱ２及びＱ３をオフにすることによって、コイルＺ１には、図示の矢印方向の電流Ａが流れる。次に、トランジスタＱ２及びＱ３をオフにするとともに、トランジスタＱ１及びＱ４をオフにすることによって、コイルＺ１には、電流Ａとは逆方向の電流Ｂが流れる。
【００７１】
トランジスタＱ１及びＱ４をオンにするとともにトランジスタＱ２及びＱ３をオフにして電流Ａを流す期間をＡ領域とし、トランジスタＱ２及びＱ３をオフにするとともにトランジスタＱ１及びＱ４をオフにして電流Ｂを流す期間をＢ領域とする。
【００７２】
コイルＺ１を流れる電流Ｉ₁は、各トランジスタのスイッチング制御によって決定されるスイッチング電流である。スイッチング電流Ｉ₁の大きさは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチ、すなわちＡ領域及びＢ領域の時間幅によって決定される。
【００７３】
図９及び図１０には、電流制御回路２０における各トランジスタのＰＷＭスイッチングとスイッチング電流との関係を示している（図９にはコイル端子電圧波形を、図１０にはコイル電流波形を、それぞれ示している）。但し、Ｔ_onはＡ領域の長さで定まるパルス幅であり、Ｔ_PWMはＰＷＭスイッチングの一定周期である。例えば、Ｔ_onは３０μｓｅｃであり、Ｔ_PWMは５０μｓｅｃであるときに、コイルに流れる電流Ｉ₁は図１０に示す通りとなる。
【００７４】
一般には、ＰＷＭスイッチング信号によりコイル電流Ｉ₁の大きさを制御するようになっている。その最大電流は、パルス幅の最大量により決定される。この最大パルス幅Ｔ_onAは、電流制御回路２０を構成する各トランジスタのオン・オフに要する過渡期間の最大期間により決定される。すなわち、トランジスタのオン／オフの過渡期間を考慮して、一方のトランジスタの組Ｑ１及びＱ４と、他方のトランジスタの組Ｑ２及びＱ３とが同時にオンにならないように、パルス幅の上限Ｔ_onAが設定されている。
【００７５】
ＰＷＭスイッチング周期Ｔ_PWMから最大パルス幅Ｔ_onAを減じた残りはデッド・バンドとして確保される。図１１には、電流制御回路２０のＰＷＭスイッチング制御において、デッド・バンドが確保されている様子を図解している。同図に示す例では、ＰＷＭスイッチング周期Ｔ_PWMは５０μｓｅｃであり、デッド・バンドとして１μｓｅｃを確保する。したがって、最大パルス幅Ｔ_onAは４９μｓｅｃとなる。
【００７６】
駆動回路１３Ａで発生するノイズは、このような電流制御回路におけるスイッチング電流の高調波を含む信号を基本波形とする。この波形の周波数は、スイッチング周波数に依存する周期的な信号として捉えることができる。
【００７７】
本実施形態におけるサーボ・アクチュエータ１０においては、図１に示したように、駆動回路１３Ａなどのサーボ制御用の回路基板が、回転子１１並びに固定子１２などのアクチュエータ本体を収容するアクチュエータ・ユニットに内蔵された一体型構成である。言い換えれば、回転子１１の回転位置を検出するための回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂは、ノイズ発生源としての駆動回路１３Ａの近傍に配置されている。このため、回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂの出力信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）には、電流制御回路２０におけるスイッチング電流がノイズとして重畳して含まれることになる。
【００７８】
より具体的には、ノイズは、このスイッチング電流波形を基本成分としたノイズと、その電流変化による回路共振により生ずるノイズとで構成される。この場合、出力信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）に重畳されるノイズは、ＰＷＭスイッチング周期Ｔ_PWMに同期する周期的な信号として捉えることができる。各回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂのセンサ出力信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）にノイズが重畳されている様子を図１２に示している。
【００７９】
例えば、電流制御回路と回転位置センサとを、機械的に分離した構造と電気的に絶縁して分離する回路を装備することによって、ノイズを除去することができる。しかしながらこのような機械的・電気的設計をサーボ・アクチュエータに施すと、大掛かりな装置構成となり、アクチュエータの小型化を阻害するとともに装置コストを増大させる結果となる。
【００８０】
そこで、本発明では、電流ノイズの基本周波数である、電流制御回路のＰＷＭ信号と同期してサンプリングするように、回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂを構成することにした。このように構成することによって、電流スイッチング・ノイズが各回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂのセンサ出力ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）に重畳されても、サンプリングと同じ周期の信号の大きさはゼロになるというサンプリングの性質から、ノイズが重畳されたセンサ信号からトランジスタのスイッチング・ノイズの影響を除去することができる。
【００８１】
ここで、図１１を参照しながら考察すると、ＰＷＭスイッチがオンされている期間に相当するＡ領域は、コイル電流の過渡期間に相当し、常にスイッチング電流が変動しているので、ノイズも変動し、センサに重畳されたノイズを除去することが比較的難しい。
【００８２】
これに対し、ＰＷＭスイッチのオフ期間に相当するＢ領域では、コイル電流の過渡期間の中でも比較的安定した電流変化が安定している。特に、ＰＷＭスイッチをオンにする直前に割り当てられたデッド・バンド領域においては、ＰＷＭスイッチを構成するすべてのトランジスタをオフにすることが確保されているので、最もノイズが小さく安定している期間となる。すなわち、デッドバンドにおいては、センサ出力ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）に含まれるノイズの成分はほぼ一定で且つ小さい。
【００８３】
したがって、回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂをデッド・バンド領域と同期して同時にサンプリングするように構成することによって、スイッチング・ノイズによる影響を最も効率的に削減することができる。
【００８４】
真の信号に含まれたノイズの周波数成分で、回転位置検出系の応答周波数以上の高い周波数は減衰されるので、要求される周波数以上のノイズ成分の影響は減衰することができる。回転位置検出系で扱う周波数の範囲で、こうしたノイズは、上述したように一定であることにより、信号も一定に保つことかできる。つまり、一定の誤差であることにより、出力は一定の誤差を含んだ精度となる。
【００８５】
一般に、サーボ・モータでは、位置の信号と同様に速度の信号を扱うことが多い。この場合には、速度は位置の差分を用いた検出や状態オブザーバを用いることがある。いずれにしても、位置の差分信号は使用される。このとき、ノイズがあっても一定のノイズであれば検出系への影響がないことが知られている。
【００８６】
本実施形態に係る回転位置検出系では、モータに電流を流さない高周波ノイズが小さい状態（すなわちＢの領域でＡの直前の状態）では、固定子コイルへの電流を流さないので、より正確な位置情報を得ることができる。仮に、固定子コイルに大電流が流れ、ノイズ比率が大きくなったとしても、比率の一定性が保たれるので、回転位置の測定精度への悪影響を与えるような高周波数ノイズを少なくすることができる。
【００８７】
図１２には、各回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂのセンサ出力信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）にノイズが重畳されている波形を示しているが、ＰＷＭスイッチング周期Ｔ_PWMの点線時に同期してセンサ信号を入力することによって、スイッチング・ノイズに基因する誤差の影響を低減することができる。特に、高周波の影響は大きく減衰される。勿論、ノイズによる影響はオフセットという形態でセンサ出力信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）に現れるが、オフセットによる検出系への影響は小さい。
【００８８】
図１３には、スイッチング・ノイズが重畳された各回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂから、ＰＷＭスイッチング周期Ｔ_PWMに同期して同時にセンサ出力信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）をサンプリングする様子を示している。同図に示す例では、デッド・バンド領域を利用して、ＰＷＭスイッチング周期Ｔ_PWMに同期して同時にセンサ出力信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）をサンプリングしているものとする。
【００８９】
電流制御回路のスイッチング電流から生じるノイズを含むセンサ信号は、真のセンサ信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）に電流波形に相似したノイズがほぼ同じ大きさで重畳されるので、図１３において実線で示したような波形となる。
【００９０】
このとき、電流制御回路のスイッチング周波数と同期して、ｔ_a以降でｔ₁の直前の信号を一定周期Ｔ_PWM毎に信号をサンプリングすると、図１３において、点Ｃ₀，Ｃ₁，Ｓ₀，Ｓ₁の各信号が得られる。
【００９１】
これらの点Ｃ₀，Ｃ₁，Ｓ₀，Ｓ₁の信号は、サンプリングの性質から一定値となる。こうして得られた信号と、真のセンサ信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）の差分をＮ_dとおとく、このＮ_dは下式のように表される。
【００９２】
【数９】

【００９３】
但し、上式において、θ_mの時間変化に比べサンプリング間隔Ｔ_PWMは充分に短いので、Ｃ₀＝Ｃ₁、並びに、Ｓ₀＝Ｓ₁とみなすことができる。
【００９４】
これまで説明したように、スイッチング・ノイズによる信号と同期して各回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂの出力をサンプリングすることによって、センサ出力に重畳されたノイズＮ_dを一定値として扱うことができる。したがって、２つのセンサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）から回転位置θ_Xを求めるためのフィードバック型トラッキング回路を、図１３に示すような等価回路で表現することができる。
【００９５】
図１３に示すような等価回路構成においては、エラー関数Ｅ（θ）は、下式の通りとなる。
【００９６】
【数１０】

【００９７】
ノイズと同期してサンプリングした信号のノイズの大きさＮ_dは小さくすることができ、且つ一定であるので、検出系の収束条件により、収束する状態はＥ（θ）＝０となる。したがって、図１４に示した等価回路の出力θ_Xは、以下に示す近似式によって表すことができる。
【００９８】
【数１１】

【００９９】
上述したようにノイズＮ_dは一定値とみなすことができるので、θ_xは真の回転位置θ_mに電流制御回路のトランジスタ・スイッチングに伴う高調波が含まれることがない一定のオフセットを含んだ信号となる。また、上式［数１１］から、θ_X＝π／４、並びにθ_X＝３π／４であるときにノイズの影響が０になる測定位置が存在する。
【０１００】
以上から、ノイズＮ_dは一定とみなすことができることにより、図１１に示すように、等価回路の出力θ_Xはノイズにより変化する連続的な曲線となる。
【０１０１】
図１５には、本実施形態に係るサーボ・アクチュエータにおけるサーボ制御構成を示している。
【０１０２】
図１５に示すフィードバック系では、位置信号の招待変数とその微分信号の状態変数を扱う。このときに、位置信号θ_X又はθ_Xdに何らかの高調波を含むノイズが含まれると、この系ではノイズにより振動が励起されるという問題が発生する。
【０１０３】
本発明によれば、サーボ・アクチュエータを小型で駆動回路を一体に構成して、回転位置センサと電流制御回路を接近させても、上述したようにスイッチング・ノイズの影響を低減することができる。
【０１０４】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１０５】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、ロボットや汎用組立機器、ロボット・ハンド機器、その多の多軸制御装置などのような多軸駆動系の機械装置に対して適用することができる、優れたサーボ・アクチュエータ並びにその位置検出装置を提供することができる。
【０１０６】
また、本発明によれば、駆動回路を内蔵して構成された優れたサーボ・アクチュエータ並びにその位置検出装置を提供することができる。
【０１０７】
また、本発明によれば、内蔵された駆動回路におけるコイル電流のスイッチング・ノイズによる影響を受けることなく回転軸の姿勢位置を高精度に検出することができる、優れたサーボ・アクチュエータ並びにその位置検出装置を提供することができる。
【０１０８】
本発明に係るサーボ・アクチュエータによれば、アクチュエータ自身のモータ・コイル電流のスイッチング・ノイズが発生しても、ノイズと同期したサンプリングを行う検出回路を構成することにより、高調波を含まない回転位置を検出することができる。また、本発明に係る位置検出装置は小型且つ低価格で構成することができるので、サーボ・アクチュエータの小型化を阻害することなく、且つ装置全体のコストを増大させることもない。
【０１０９】
本発明に係るサーボ・アクチュエータを２足直立型の脚式移動ロボットに適用した場合、ノイズの影響を除外することができるので、振動の少ない姿勢位置制御を実現することができる。また、サーボ・アクチュエータは小型化されるので、各関節付近がアクチュエータ・ユニットのために膨らむことなく、均整のとれた容姿の整った機体を設計することができる。
【０１１０】
一般に、サーボ・アクチュエータのフィードバック制御系においては、位置の信号の微分を用いることが多いため、ノイズによるオフセットの問題に比べ、ノイズの高調波による信号が系に悪影響を与える。本発明によれば、電流制御回路におけるトランジスタ・スイッチングと同期したタイミングによりセンサ信号をサンプリングすることによって、このような高調波の問題を取り除くことができる。この結果、駆動回路を一体化させたサーボ・アクチュエータにおいて、小型で安価な回路により安定な制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に供されるサーボ・モータ１の軸方向の断面構成を示した図である。
【図２】回転子センサ・マグネット１５の表面に正弦波着磁処理が施されている様子を描写した図である。
【図３】制御回路基板１３の回転子１１側の表面上に２個の回転位置センサ１６Ａ及び１６Ｂが回転軸に対して９０度の位相差を以って配設されている様子を示した図である。
【図４】２つのセンサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）から回転位置θ_mを求めるためのフィードバック型トラッキング回路の構成例を示した図である。
【図５】図４に示したフィードバック型トラッキング回路を近似した等価回路の構成を示した図である。
【図６】ホール・センサ１６Ａ及び１６Ｂからの各センサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）から回転子１１の回転位置θ_mを求めることができるデジタル回路の構成例を示した図である。
【図７】各回転子センサ１６Ａ及び１６Ｂにおけるアナログのセンサ信号ＳＩＮ（θ_m）及びＣＯＳ（θ_m）の入力例と、その場合の図６に示したデジタル回路からの出力θ_Xdの関係を示したタイミング・チャートである。
【図８】本実施形態に係るサーボ・アクチュエータ１０に適用される、コイル電流供給用の電流制御回路２０の等価回路の構成例を示した図である。
【図９】電流制御回路２０における各トランジスタのＰＷＭスイッチングとスイッチング電流との関係を示したタイミング・チャートであり、より具体的にはコイル端子電圧の波形を示したタイミング・チャートである。
【図１０】電流制御回路２０における各トランジスタのＰＷＭスイッチングとスイッチング電流との関係を示したタイミング・チャートであり、より具体的にはコイル電流波形を示したタイミング・チャートである。
【図１１】電流制御回路２０における各トランジスタのＰＷＭスイッチングとスイッチング電流との関係を示したタイミング・チャートである。
【図１２】各回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂのセンサ出力信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）にノイズが重畳されている様子を示したタイミング・チャートである。
【図１３】スイッチング・ノイズが重畳された各回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂから、ＰＷＭスイッチング周期Ｔ_PWMに同期して同時にセンサ出力信号ＳＩＮ（θ_m）、ＣＯＳ（θ_m）をサンプリングする様子を示したタイミング・チャートである。
【図１４】各回転位置センサ１６Ａ，１６Ｂの出力をサンプリングすることによって、センサ出力に重畳されたノイズＮ_dを一定値として扱うことができるフィードバック型トラッキング回路の等価回路を示した図である（駆動回路１３Ａの内部に実装される）。
【図１５】本実施形態に係るサーボ・アクチュエータにおけるサーボ制御構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
１０…サーボ・アクチュエータ
１１…回転子
１２…固定子
１３…制御回路基板，１３Ａ…駆動回路
１４…回転マグネット
１５…回転子センサ・マグネット
１６Ａ，１６Ｂ…回転位置センサ
２０…電流制御回路

Claims (12)

1. 回転子側に永久磁石を配置するとともに固定子側にコイルを配置して磁束分布とコイルの通過電流によりトルクを発生させるタイプのサーボ・アクチュエータであって、
   前記回転子及び前記固定子を収容し、前記回転子を所定の回転軸回りに回転可能に支持する筐体と、
   前記固定子コイルの通過電流を所定周期でＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチング制御して回転子の回転を制御する駆動制御部と、
   前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、
   前記駆動制御部における前記固定子コイルの通過電流のスイッチング周期と同期して前記回転位置検出部の出力をサンプリングするサンプリング制御部と、
   を具備することを特徴とするサーボ・アクチュエータ。
2. 前記駆動制御部並びに前記回転位置検出部は前記筐体内に収容されており、
   前記回転位置検出部は、前記駆動制御部におけるスイッチング・ノイズの影響を受ける程度に前記駆動制御部に近接して配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ・アクチュエータ。
3. 前記回転位置検出部は、
   前記回転子の一端面に前記回転軸と略同軸状に取り付けられた、表面に正弦波着磁処理が施された回転子センサ・マグネットと、
   前記回転子センサ・マグネットと対向する部位に前記回転軸回りに略９０度の位相差を以って配設された、磁束密度の大きさを検出する２個の回転位置センサと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のサーボ・アクチュエータ。
4. 前記サンプリング制御部は、前記駆動制御部が前記固定子コイルの通過電流をオフしている期間に同期させて前記回転位置検出部の出力をサンプリングする、ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ・アクチュエータ。
5. 前記サンプリング制御部は、前記駆動制御部が前記固定子コイルの通過電流をオンする直前のタイミングに同期させて前記回転位置検出部の出力をサンプリングする、
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ・アクチュエータ。
6. 前記駆動制御部は前記固定子コイルの通過電流をオンする直前に所定期間オフ状態を維持するデッド・バンドを有し、
   前記サンプリング制御部は、前記デッド・バンドに同期させて前記回転位置検出部の出力をサンプリングする、
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ・アクチュエータ。
7. 回転子側に永久磁石を配置するとともに固定子側にコイルを配置して磁束分布とコイルの通過電流によりトルクを発生させるタイプのサーボ・アクチュエータのための位置検出装置であって、
   前記固定子コイルの通過電流を所定周期でＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチング制御して回転子の回転を制御する駆動制御部と、
   前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、
   前記駆動制御部における前記固定子コイルの通過電流のスイッチング周期と同期して前記回転位置検出部の出力をサンプリングするサンプリング制御部と、
   を具備することを特徴とするサーボ・アクチュエータの位置検出装置。
8. 前記駆動制御部並びに前記回転位置検出部は、前記回転子及び前記固定子を収容し前記回転子を所定の回転軸回りに回転可能に支持する筐体内に収容されており、
   前記回転位置検出部は、前記駆動制御部におけるスイッチング・ノイズの影響を受ける程度に前記駆動制御部に近接して配置されている、
   ことを特徴とする請求項７に記載のサーボ・アクチュエータの位置検出装置。
9. 前記回転位置検出部は、
   前記回転子の一端面に前記回転軸と略同軸状に取り付けられた、表面に正弦波着磁処理が施された回転子センサ・マグネットと、
   前記回転子センサ・マグネットと対向する部位に前記回転軸回りに略９０度の位相差を以って配設された、磁束密度の大きさを検出する２個の回転位置センサと、
   を備えることを特徴とする請求項７に記載のサーボ・アクチュエータの位置検出装置。
10. 前記サンプリング制御部は、前記駆動制御部が前記固定子コイルの通過電流をオフしている期間に同期させて前記回転位置検出部の出力をサンプリングする、ことを特徴とする請求項７に記載のサーボ・アクチュエータの位置検出装置。
11. 前記サンプリング制御部は、前記駆動制御部が前記固定子コイルの通過電流をオンする直前のタイミングに同期させて前記回転位置検出部の出力をサンプリングする、
    ことを特徴とする請求項７に記載のサーボ・アクチュエータの位置検出装置。
12. 前記駆動制御部は前記固定子コイルの通過電流をオンする直前に所定期間オフ状態を維持するデッド・バンドを有し、
    前記サンプリング制御部は、前記デッド・バンドに同期させて前記回転位置検出部の出力をサンプリングする、
    ことを特徴とする請求項７に記載のサーボ・アクチュエータの位置検出装置。

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