JPH036752B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、デジタル演算器によりロータ回転位
置に同期してROMに記憶した正弦波データを読
出し、正弦波位相信号によつて３相電機子コイル
の電流を制御するACサーボモータに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides an AC control system that reads out sine wave data stored in a ROM in synchronization with the rotational position of the rotor using a digital arithmetic unit, and controls the current of a three-phase armature coil using a sine wave phase signal. Regarding servo motors.

この種のデジタル演算器によつて得た位相信号
により電機子コイルの電流パターンを制御する
ACサーボモータでは、モータ始動のために位相
信号が必要である。そこでロータの絶対位置を検
出するアブソリユート式ロータリーエンコーダや
レゾルバを用いることが考えられる。しかし前者
は多数の同心円状のマーク（スリツトを含む）を
設けた円板を必要とするため、円板径が大きくな
ると共に非常に高価となり、後者は周辺機器が複
雑になるという問題があつた。 The current pattern of the armature coil is controlled by the phase signal obtained by this type of digital calculator.
AC servo motors require a phase signal to start the motor. Therefore, it is conceivable to use an absolute rotary encoder or resolver that detects the absolute position of the rotor. However, the former requires a disk with a large number of concentric marks (including slits), which increases the disk diameter and makes it very expensive, while the latter requires complicated peripheral equipment. .

本発明はのような事情に鑑みなされたものであ
り、小型かつ安価なインクリメンタリ式ロータリ
ーエンコーダを基本とするにも拘らず始動時に位
相信号を得て安定に始動させることが可能なAC
サーボモータを提供することを目的とする。 The present invention was made in view of the above circumstances, and is an AC that is based on a small and inexpensive incremental rotary encoder, but that can obtain a phase signal at the time of starting and stably start the AC.
The purpose is to provide servo motors.

本発明によればこの目的は、インクリメンタリ
式エンコーダの出力によりロータ位置および回転
方向を検出し、正弦波データを記憶したROMか
らこれら検出したロータ位置および回転方向に対
応する電機子コイルの電流を示すデータを読出
し、このデータをＤ／Ａ変換器でアナログ位相信
号に変換して３相電機子コイルの電流を制御する
ACサーボモータにおいて、前記エンコーダは基
準位置検出用マークおよびその基準位置検出セン
サと、角度検出用マークおよびその角度検出セン
サと、１回転をモータ極数で割つた周期で変化す
る位相検出用マークと、前記位相検出用マークを
120゜位相間隔で検出しそれぞれＵ、Ｖ、Ｗ相信号
を出力する３個の位相検出センサとを備え、前記
演算器は少なくとも始動時の最初の基準位置を示
す前記基準位置検出センサの出力信号が出力され
るまでの間、前記Ｕ、Ｖ、Ｗ相信号に基づきＤ／
Ａ変換器に略ステツプ状のアナログ位相信号を出
力させることを特徴とするACサーボモータ、に
より達成される。以下図示の実施例に基づき、本
発明を詳細に説明する。 According to the present invention, this purpose is to detect the rotor position and rotation direction using the output of an incremental encoder, and to calculate the current in the armature coil corresponding to the detected rotor position and rotation direction from the ROM storing sine wave data. Read out the data shown and convert this data into an analog phase signal using a D/A converter to control the current in the three-phase armature coil.
In the AC servo motor, the encoder includes a reference position detection mark and its reference position detection sensor, an angle detection mark and its angle detection sensor, and a phase detection mark that changes with a period of one revolution divided by the number of motor poles. , the phase detection mark
and three phase detection sensors that detect at 120° phase intervals and output U, V, and W phase signals, respectively, and the arithmetic unit detects at least the output signal of the reference position detection sensor indicating the initial reference position at the time of startup. D/V is output based on the U, V, and W phase signals until the
This is achieved by an AC servo motor characterized by causing an A converter to output a substantially step-shaped analog phase signal. The present invention will be explained in detail below based on the illustrated embodiments.

第１図は一実施例の全体図、第２図はその位相
信号発生部を示す。SMは例えば４極の永久磁石
ロータを有する永久磁石同期ACモータ、REはロ
ータリーエンコーダである。 FIG. 1 is an overall view of one embodiment, and FIG. 2 shows its phase signal generating section. SM is, for example, a permanent magnet synchronous AC motor having a four-pole permanent magnet rotor, and RE is a rotary encoder.

第３，４図で符号１０は円板であり、この円板
１０は３相同期モータの回転子に直接または継手
を介して接続され回転子と一体に回転する。この
円板１０には位置標識として多数のスリツトから
なるマーク（第３図で斜線の部分）が形成されて
いる。最外周側には角度検出用マークとしての多
数のスリツト１２が等間隔に形成され、このスリ
ツト１２には90゜の位相差をもつて角度検出セン
サ１４ａ，１４ｂおよび発光素子１５ａ，１５ｂ
が対向し（第４図）、これらのセンサ１４ａ，１
４ｂはスリツト１２の通過光を検知して第５図に
示すＡ相とＢ相の連続するパルス列を出力する。
これらＡ，Ｂ相のパルス列により回転子の回転速
度、回転方向および回転量が検出される。 In FIGS. 3 and 4, reference numeral 10 is a disk, and this disk 10 is connected directly or through a joint to the rotor of the three-phase synchronous motor and rotates together with the rotor. Marks (shaded areas in FIG. 3) consisting of a large number of slits are formed on the disk 10 as position markers. A large number of slits 12 as angle detection marks are formed at equal intervals on the outermost circumferential side, and angle detection sensors 14a, 14b and light emitting elements 15a, 15b are connected to the slits 12 with a phase difference of 90°.
are facing each other (Fig. 4), and these sensors 14a, 1
4b detects the light passing through the slit 12 and outputs a continuous pulse train of A phase and B phase shown in FIG.
The rotation speed, rotation direction, and rotation amount of the rotor are detected by these A and B phase pulse trains.

スリツト１２の内周側には１周内に１個のスリ
ツト１６が形成され、これに第２のセンサ１８お
よび発光素子１９が対向する。このセンサ１８は
スリツト１６の透過光から円板１０の基準位置を
検出して第２図のＺ相のパルス（インデツクス信
号）を１周につき１個出力する。このＺ相のパル
スに基づきＡまたはＢ相のパルスを加算または減
算することにより、円板１０の絶対位置が算出で
きる。 One slit 16 is formed within one circumference on the inner peripheral side of the slit 12, and a second sensor 18 and a light emitting element 19 are opposed to this. This sensor 18 detects the reference position of the disk 10 from the light transmitted through the slit 16 and outputs one Z-phase pulse (index signal) as shown in FIG. 2 per revolution. By adding or subtracting the A or B phase pulse based on this Z phase pulse, the absolute position of the disk 10 can be calculated.

しかし始動時にこのＺ相のパルスが出力される
までの間は、基準位置が不明なので回転子の位置
が解らない。この始動時の回転子位置情報は１回
転をモータ極数で割つた周期で変化する一重の円
からなる位相検出用マークとしてのスリツト２０
と、この位相検出用マークを120゜位相間隔で検出
する３つの位相検出センサ２２，２２ａ，２２
ｂ，２２ｃおよびこれらに対向する発光素子２３
（２３ｂのみ表示、第２図参照）により検出され
る。 However, until this Z-phase pulse is output at the time of starting, the reference position is unknown, so the position of the rotor cannot be determined. This rotor position information at the time of startup is determined by a slit 20 as a phase detection mark consisting of a single circle that changes with a period equal to one revolution divided by the number of motor poles.
and three phase detection sensors 22, 22a, 22 that detect this phase detection mark at 120° phase intervals.
b, 22c and the light emitting element 23 facing them
(Only 23b is shown, see FIG. 2).

スリツト２０はモータの極数で360゜を割つた角
度で円周を等分するように交互に形成される。こ
の実施例のものは４極のモータに使用されるもの
でスリツト２０は90゜間隔で交互に設けられてい
る。３個のセンサ２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ
はセンサ２２ｂを中心にして左右に電気角で120゜
毎に配置される。本実施例では４極のモータなの
で、スリツト２０は円板１０の中心に対して対称
に形成されることになる。このためセンサ２２は
この円板１０の中心に対し対称位置に移してもよ
い。そこで１つのセンサ２２ｂは対称位置に移さ
れ、各センサ２２が実際の角度で60゜間隔に設け
られている。従つて３つのセンサ２２ａ，２２
ｂ，２２ｃは第５図にＵ相、Ｖ相、Ｗ相で示すよ
うに電気角で120°づつ位相がずれた矩形波を出力
する。 The slits 20 are formed alternately so as to equally divide the circumference at an angle of 360° divided by the number of poles of the motor. This embodiment is used for a four-pole motor, and the slits 20 are alternately provided at 90° intervals. Three sensors 22, 22a, 22b, 22c
are arranged at intervals of 120 degrees in electrical angle to the left and right with the sensor 22b as the center. In this embodiment, since the motor has four poles, the slit 20 is formed symmetrically with respect to the center of the disk 10. For this purpose, the sensor 22 may be moved to a symmetrical position with respect to the center of this disk 10. One sensor 22b is then moved to a symmetrical position so that each sensor 22 is spaced apart by 60 degrees in actual angles. Therefore, three sensors 22a, 22
b and 22c output rectangular waves whose phases are shifted by 120 degrees in electrical angle, as shown by U phase, V phase, and W phase in FIG.

エンコーダREの出力は位相信号発生部Ｐにお
いてロータに同期したアナログ位相信号Ｕ，Ｖ，
Ｗに変換される。 The output of the encoder RE is analog phase signals U, V, synchronized with the rotor in the phase signal generator P.
Converted to W.

Ａ，Ｂ相信号はパルス発生器PGで波形整形さ
れ、かつ回転方向が判別される。ここで波形整形
されたＡ相信号はクロツクパルスCLとしてアツ
プ・ダウン・カウンタＵ／Ｄ・Ｃに入力され、ま
た回転方向を示す正逆転信号Ｕ／Ｄはアツプ・ダ
ウン・フリツプフロツプＵ／Ｄ・FFで回転方向
が記憶される。カウンタＵ／Ｄ・Ｃは正転時には
クロツクパルスCLを積算し、逆転時には減算す
る。なおＺ相信号（基準位置を示す）はＵ／Ｄ・
Ｃに入力されカウンタＵ／Ｄ・Ｃをリセツトす
る。 The A and B phase signals are waveform-shaped by a pulse generator PG, and the rotation direction is determined. The A-phase signal whose waveform has been shaped here is input to the up/down counter U/D/C as a clock pulse CL, and the forward/reverse signal U/D indicating the rotation direction is input to the up/down flip-flop U/D/FF. The direction of rotation is memorized. Counters U/D/C integrate clock pulses CL during forward rotation, and subtract clock pulses during reverse rotation. Note that the Z phase signal (indicating the reference position) is U/D.
C and resets the counter U/D・C.

デジタル演算器（マイコン）μ・CONは、始
動時の最初のＺ相信号が出力（論理１）されるま
では始動モードで、一度Ｚ相信号が出力されると
以後は定常モードでデジタル位相信号Ｕ(D)，Ｗ(D)
を出力する。このモードの判別は、Ｚ相信号（論
理１）が一度出力されるとそれを記憶するフリツ
プフロツプＦ／Ｆの出力による。 The digital arithmetic unit (microcomputer) µCON is in the starting mode until the first Z-phase signal is output (logic 1) at startup, and once the Z-phase signal is output, it is in the steady mode and outputs the digital phase signal. U(D), W(D)
Output. This mode is determined by the output of the flip-flop F/F which stores the Z-phase signal (logic 1) once it is output.

まず定常モードを説明する。モードはＺ相信号
が０か１かにより判別される（第６図ステツプ
100）。この時にはカウンタＵ／Ｄ・Ｃの８ビツト
の出力（Ｚ相信号位置から起算している）はμ・
CONに読込まれ（第６図のステツプ102）、μ・
CONは正弦波データを記憶したROM（図示せず）
の正弦波データ（SINテーブル）の先頭アドレス
（Ｚ相信号位置に対応する）にカウンタ出力値を
加算してカウンタ出力に対応した正弦波データの
アドレスを求め（同図ステツプ104）、その内容を
読出す（ステツプ106）。これはＺ相信号を基点と
したＵ相のデジタル位相信号Ｕ(D)となる。この信
号はＤ／Ａ変換器Ｄ／Ａ（Ｕ）でアナログ位相信
号Ｕに変換される（ステツプ108）。従つてその波
形は第５図Ｕに示す正弦波となる。 First, the steady mode will be explained. The mode is determined by whether the Z-phase signal is 0 or 1 (see step 6 in Figure 6).
100). At this time, the 8-bit output of counter U/D・C (calculated from the Z phase signal position) is μ・
is read into CON (step 102 in Figure 6), μ.
CON is a ROM that stores sine wave data (not shown)
The counter output value is added to the start address (corresponding to the Z-phase signal position) of the sine wave data (SIN table) to find the address of the sine wave data corresponding to the counter output (step 104 in the figure), and its contents are Read out (step 106). This becomes a U-phase digital phase signal U(D) based on the Z-phase signal. This signal is converted into an analog phase signal U by the D/A converter D/A(U) (step 108). Therefore, its waveform becomes a sine wave shown in FIG. 5U.

Ｗ相についてはＵ相に対して位相が240゜進んで
いることからＵ相のアドレスに240゜加えたアドレ
スのデータを読み（ステツプ110、112）、変換器
Ｄ／Ａ（Ｗ）でアナログ位相信号Ｗに変換する
（ステツプ114）。 As for the W phase, the phase is 240° ahead of the U phase, so the data at the address added by 240° to the U phase address is read (steps 110 and 112), and the converter D/A (W) converts the analog phase. It is converted into a signal W (step 114).

以上のように求めた信号Ｕ，Ｗは、第１図に示
すように速度基準v_iと速度のフイードバツク信号
v_Oとの差に比例する電流振幅指令信号ｉに乗算さ
れ（乗算器３０ａ，３０ｂ）、この積がＵ，Ｗ相
の電流指令値ａ，ｃとなり、これらの和の符号を
反転した値からＶ相の電流指令値ｂを求め、これ
らと各相の電機子コイル（図示せず）の電流値フ
イードバツク信号i_Oとの差に基づき各相のパルス
幅変調回路（PWM）はトランジスタブリツジＢ
の各トランジスタを選択的にオン・オフ制御し電
機子コイル電流を制御する。 The signals U and W obtained in the above manner are the speed reference v _i and the speed feedback signal as shown in FIG.
The current amplitude command signal i, which is proportional to the difference between _v The current command value b of the V phase is determined, and based on the difference between these and the current value feedback signal i _O of the armature coil (not shown) of each phase, the pulse width modulation circuit (PWM) of each phase is controlled by the transistor bridge B.
The armature coil current is controlled by selectively controlling each transistor on and off.

始動時のＺ相信号が出力されるまでの始動モー
ドでは（第６図ステツプ100→Ｙ）、μ・CONは
第６図中始動モード範囲内の各ステツプの演算を
行い、第５図に示すようにステツプ状のアナログ
位相信号U′，W′をＤ／Ａ変換器に出力させる。
V′は前記通常モードと同様に両者の和を反転さ
せることにより求める。アナログ位相信号U′，
V′，W′がステツプ状なので各相の電機子コイル
の電流もステツプ状になる。 In the starting mode until the Z-phase signal is output at the time of starting (step 100→Y in Fig. 6), μ・CON performs calculations at each step within the starting mode range in Fig. 6, and calculates the values shown in Fig. 5. Step-like analog phase signals U', W' are outputted to the D/A converter in this manner.
V' is obtained by inverting the sum of both as in the normal mode. Analog phase signal U′,
Since V' and W' are step-shaped, the current in the armature coil of each phase is also step-shaped.

以上の実施例ではロータの基準位置をＺ相信号
で求めたが、Ｕ、Ｖ、Ｗ相信号の波形の立上が
り、立下がりに基づいて検出すれば、電気角で最
大60゜分だけを始動モードに、それ以後は定常モ
ードに切換えることができ、前記実施例に比べて
始動モード期間が短縮されるので始動性が向上す
る。 In the above embodiment, the reference position of the rotor was determined using the Z-phase signal, but if it is detected based on the rise and fall of the waveforms of the U, V, and W-phase signals, only a maximum of 60 degrees in electrical angle can be set to start mode. After that, it is possible to switch to the steady mode, and the starting mode period is shortened compared to the above embodiment, so starting performance is improved.

なおROMの正弦波データは厳格な意味のもの
ではなく、正弦波に近似した波形のデータであつ
ても大きな不都合はなく、このようなものも本発
明は含むのは勿論である。 Note that the ROM sine wave data is not strictly defined, and there is no major problem even if the data has a waveform that approximates a sine wave, and the present invention naturally includes such data.

またＵ、Ｖ、Ｗ相信号の波形幅（電気角で
180゜）の範囲内で、その中央の所定角を検出する
他のスリツトや光センサを設け、アナログ位相信
号U′，V′，W′を段階状に変化させるようにすれ
ば、始動時の回転むらも減つて回転は一層円滑に
なる。 Also, the waveform width of the U, V, and W phase signals (in electrical angle)
If you install another slit or optical sensor that detects a predetermined angle in the center within the range of 180°) and change the analog phase signals U', V', and W' in steps, it is possible to Rotation unevenness is reduced and rotation becomes smoother.

本発明は以上のように、エンコーダに電気角で
120゜位相差を持つＵ、Ｖ、Ｗ相信号を出力させ、
演算器は始動時にはこのＵ、Ｖ、Ｗ相信号に基づ
き少なくとも最初の基準位置が判別されるまでの
間はステツプ状（矩形波、階段状波）のアナログ
位相信号を出力するようにした。このため始動時
からロータ位置を電気角で最大120゜の範囲内で判
別でき、適応するコイル電流を供給することによ
りモータを安定かつ確実に始動させることができ
る。また位相検出用マークは一重の円で形成され
るから、円板が大きくならず、従来のインクリメ
ンタリ式ロータリエンコーダに僅かな加工を施す
だけで対応できるから、小型化でき、安価でもあ
る。 As described above, the present invention provides an encoder with an electrical angle.
Outputs U, V, and W phase signals with a 120° phase difference,
At the time of startup, the arithmetic unit outputs a step-like (rectangular wave, step-like wave) analog phase signal based on the U, V, and W phase signals at least until the first reference position is determined. Therefore, the rotor position can be determined within a maximum electrical angle of 120 degrees from the start, and by supplying the appropriate coil current, the motor can be started stably and reliably. Furthermore, since the phase detection mark is formed of a single circle, the disk does not become large and can be applied to a conventional incremental rotary encoder with only slight processing, resulting in miniaturization and low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の一実施例の全体図、第２図は
その位相信号発生部のブロツク図、第３図はエン
コーダを一部断面した平面図、第４図はその−
線断面図、第５図は各部出力波形図、第６図は
演算器の動作流れ図である。 １０……円板、１２……角度検出用マークとし
てのスリツト、１４……角度検出センサ、１６…
…基準位置検出用マークとしてのスリツト、１８
……基準位置検出センサ、２０……位相検出用マ
ークとしてのスリツト、２２……位相検出セン
サ、RE……エンコーダ、Ｍ……ACモータ、μ−
CON……デジタル演算器、Ｚ……基準位置信号。 FIG. 1 is an overall diagram of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of its phase signal generation section, FIG. 3 is a partially sectional plan view of the encoder, and FIG.
5 is a line sectional view, FIG. 5 is an output waveform diagram of each part, and FIG. 6 is an operation flowchart of the arithmetic unit. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10...Disk, 12...Slit as an angle detection mark, 14...Angle detection sensor, 16...
...Slit as a reference position detection mark, 18
...Reference position detection sensor, 20...Slit as phase detection mark, 22...Phase detection sensor, RE...Encoder, M...AC motor, μ-
CON...Digital calculator, Z...Reference position signal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １ インクリメンタリ式エンコーダの出力により
ロータ位置および回転方向を検出し、正弦波デー
タを記憶したROMからこれら検出したロータ位
置および回転方向に対応する電機子コイルの電流
を示すデータを読出し、このデータをＤ／Ａ変換
器でアナログ位相信号に変換して３相電機子コイ
ルの電流を制御するACサーボモータにおいて、 前記エンコーダは基準位置検出用マークおよび
その基準位置検出センサと、角度検出用マークお
よびその角度検出センサと、１回転をモータ極数
で割つた周期で変化する位相検出用マークと、前
記位相検出用マークを120゜位相間隔で検出しそれ
ぞれＵ、Ｖ、Ｗ相信号を出力する３個の位相検出
センサとを備え、前記演算器は少なくとも始動時
の最初の基準位置を示す前記基準位置検出センサ
の出力信号が出力されるまでの間、前記Ｕ、Ｖ、
Ｗ相信号に基づきＤ／Ａ変換器に略ステツプ状の
アナログ位相信号を出力させることを特徴とする
ACサーボモータ。[Claims] 1. The rotor position and rotation direction are detected by the output of the incremental encoder, and data indicating the current in the armature coil corresponding to the detected rotor position and rotation direction is obtained from a ROM that stores sine wave data. In the AC servo motor, the encoder includes a reference position detection mark and its reference position detection sensor; An angle detection mark and its angle detection sensor, a phase detection mark that changes with a period equal to one rotation divided by the number of motor poles, and the phase detection mark are detected at a 120° phase interval to detect the U, V, and W phases, respectively. and three phase detection sensors that output signals, and the computing unit detects the U, V,
It is characterized by causing the D/A converter to output a substantially step-like analog phase signal based on the W-phase signal.
AC servo motor.