JP2017116384A - エンコーダ故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動指令がゼロであってもエンコーダの故障を適切に検出することができるエンコーダ故障検出装置を提供する。【解決手段】エンコーダが動作位置を検出する対象であるモータに対する制御指令と、前記エンコーダが検出した検出値とに基づき、前記エンコーダが故障しているか否かを診断する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダの故障を検出する技術に関する。

サーボモータは、その回転動作位置を検出するセンサ（例えばエンコーダ）を備え、その検出値にしたがってモータを駆動制御するのが一般的である。したがってセンサが故障することにより正確な動作位置を検出することができなくなると、モータを正確に駆動制御するに際して支障が生じる。そこでセンサにおいて故障が発生した場合、これを適切に検出することが望まれる。

下記特許文献１は、ＡＣサーボ用エンコーダの故障を検出する技術について記載している。同文献は、『Ａ、Ｂ相のうち１相または両方とも故障した場合に、ポールセンサ信号Ｕ、Ｖ、Ｗが変化する毎にラッチしたＡ、Ｂ相カウンタ値１１を読取り前回の値と比較してモータの回転を判断しＡ、Ｂ相の故障を検出する』という手法を開示している（要約参照）。

特開２００２−３５０１８４号公報

上記特許文献１記載の技術は、サーボモータが駆動している時点において出力される信号に基づき、エンコーダの故障を検出することが前提になっていると考えられる。他方、サーボアンプに対する駆動指令がゼロ（すなわちモータが現在位置を維持するよう指示されている）であるとき、エンコーダの検出値は変化しないことが想定されている。この期間においては、仮にエンコーダが故障して検出値が全く変化しない状態に陥っているとしても、それが故障によるものなのか、それとも正常な検出値を表しているのかを区別することは困難である。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、モータ駆動指令がゼロであってもエンコーダの故障を適切に検出することができるエンコーダ故障検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係るエンコーダ故障検出装置は、エンコーダが動作位置を検出する対象であるモータに対する制御指令と、前記エンコーダが検出した検出値とに基づき、前記エンコーダが故障しているか否かを診断する。

本発明に係るエンコーダ故障検出装置によれば、モータに対する制御指令を考慮した上で、エンコーダの故障を適切に検出することができる。

エンコーダ故障検出装置１００の機能ブロック図である。 エンコーダ故障検出装置１００の動作を説明するフローチャートである。

図１は、本発明に係るエンコーダ故障検出装置１００の機能ブロック図である。エンコーダ故障検出装置１００は、エンコーダ２２０において故障が発生したときこれを検出する装置である。モータ制御装置２００は上位装置３００からの駆動指令にしたがってモータ２１０を駆動制御し、エンコーダ２２０はモータ２１０の回転動作位置（以下単に動作位置と呼ぶ）を検出する。

エンコーダ故障検出装置１００は、検出結果取得部１１０、指令取得部１２０、診断部１３０、制御モード切替部１４０、指令出力部１５０を備える。

検出結果取得部１１０は、エンコーダ２２０から検出結果を取得し、これを診断部１３０に対して引き渡す。エンコーダ２２０が出力する検出結果信号をそのまま取得して診断部１３０に対して引き渡してもよいし、適当なデータ形式で受信し、または検出結果取得部１１０が検出結果信号を適当なデータフォーマットに変換してもよい。

指令取得部１２０は、上位装置３００がモータ制御装置２００へ送信する、モータ２１０に対する駆動指令を受け取る。指令取得部１２０は、受信した駆動指令を診断部１３０に対して引き渡す。

制御モード切替部１４０は、診断部１３０からの指示にしたがって、モータ制御装置２００がモータ２１０を駆動制御する際の制御モードを、（ａ）モータ２１０の動作位置に基づき制御するモード、（ｂ）モータ２１０の速度に基づき制御するモード、（ｃ）モータ２１０のトルクに基づき制御するモード、のいずれかに切り替えるように、モータ制御装置２００に対して要求する。モータ制御装置２００は、その要求にしたがって制御モードを切り替える。制御モードを切り替える理由については後述する。

指令出力部１５０は、診断部１３０からの指示にしたがって、モータ２１０を駆動するための駆動指令をモータ２１０に対して出力する。この駆動指令の用途については後述する。

図２は、エンコーダ故障検出装置１００の動作を説明するフローチャートである。エンコーダ故障検出装置１００は、本フローチャートを実施することにより、エンコーダ２２０の故障を検出する。以下図２の各ステップについて説明する。

（図２：ステップＳ２００）
エンコーダ故障検出装置１００は、例えば周期的に本フローチャートを開始することにより、エンコーダ２２０に対する故障診断を実施する。周期的に実施する他、例えば上位装置３００がモータ２１０の機能安全を有効化するよう指示したことを契機として、本フローチャートを開始してもよい。その他適当なタイミングで開始してもよい。

（図２：ステップＳ２０１）
診断部１３０は、指令取得部１２０を介して上位装置３００からモータ制御装置２００に対する指令を監視することにより、モータ２１０に対するサーボ制御がＯＮされているか否かを判定する。サーボ制御がＯＮされている場合はステップＳ２０２へ進み、ＯＮされていない場合は本フローチャートを終了する。

（図２：ステップＳ２０１：補足）
サーボ制御機能を備えたモータ制御装置は一般に、サーボ制御機能をＯＮ／ＯＦＦするための信号を上位装置から受信する。指令取得部１２０がこれを受信することにより、サーボ制御がＯＮされているか否かを判断することができる。あるいはモータ制御装置２００の内部的な制御状態を取得することにより、サーボ制御がＯＮされているか否かを判断することもできる。サーボ制御がＯＮされているか否かを判断できるのであれば、その他適当な信号や手段を用いることもできる。

（図２：ステップＳ２０２）
診断部１３０は、指令取得部１２０を介して上位装置３００からモータ制御装置２００に対する駆動指令を取得する。駆動指令がゼロである（すなわちモータ２１０を静止させるように指示する駆動指令が出力されている、または駆動指令が全く出力されていない）場合はステップＳ２０３へ進み、それ以外であれば本フローチャートを終了する。

（図２：ステップＳ２０１〜Ｓ２０２：補足）
本発明は、モータ２１０に対する駆動指令がゼロである場合においてエンコーダ２２０の故障を検出することを目的としている。したがってその前提として、サーボ制御がＯＮされていることが必要である。サーボ制御がＯＦＦされている場合におけるエンコーダ２２０の故障は、例えばエンコーダ２２０自身の故障検出機能などによって検出することができる。

（図２：ステップＳ２０３）
診断部１３０は、検出結果取得部１１０を介してエンコーダ２２０からモータ２１０の動作位置の検出結果を取得する。検出結果が所定時間（例えば１００ｍｓ）にわたって変化しない場合はステップＳ２０４へ進み、検出結果がその所定時間にわたって経時的に変化している場合は本フローチャートを終了する。

（図２：ステップＳ２０３：補足その１）
モータ２１０に対する駆動指令がゼロであるにも関わらずエンコーダ２２０の検出結果が変化している場合、エンコーダ２２０が故障しているか否かは例えばエンコーダ２２０自身の故障検出機能などの別手段によって判断できると考えられる。そこで本発明においては、駆動指令がゼロであり検出結果が変化しない場合を、エンコーダ２２０の診断対象とすることにした。

（図２：ステップＳ２０３：補足その２）
エンコーダ２２０による検出結果が変化しない状態とは、以下のことである。（ａ）エンコーダ２２０がパルスエンコーダである場合は、Ａ相とＢ相のどちらか一方または両方の信号が変化しない状態である。（ｂ）エンコーダ２２０がシリアルエンコーダである場合は、エンコーダ２２０が出力するシリアルデータ上の位置データが変化しない状態である。

（図２：ステップＳ２０４）
診断部１３０は、モータ制御装置２００の制御モードを位置制御モード（モータ２１０の動作位置に基づき制御するモード）へ切り替えるように、制御モード切替部１４０に対して指示する。制御モード切替部１４０はその指示にしたがって、モータ制御装置２００に対してその旨の指示を出力する。

（図２：ステップＳ２０４：補足その１）
エンコーダ２２０の基本機能は、モータ２１０の動作位置を検出することである。そこで後述するステップにおいてその位置検出機能が正確に動作しているか否かをチェックするため、あらかじめ制御モードを位置制御に切り替えておくこととした。

（図２：ステップＳ２０４：補足その２）
モータ制御装置２００は、本ステップ以降はエンコーダ２２０に対する故障診断を実施するための制御モードに移行し、その間は通常の駆動指令が到着しても破棄するようにしてもよい。故障診断と通常の駆動指令のいずれを優先するかは適宜定めればよい。ただし故障診断は長時間を要するものではないので、故障診断が完了するまでは通常の駆動制御を停止することが望ましいと考えられる。

（図２：ステップＳ２０５）
診断部１３０は、モータ２１０を所定位置へ動かすよう指示する位置指令を出力するように、指令出力部１５０に対して指示する。この位置指令は、例えばエンコーダ２２０がパルスエンコーダであれば±１パルス以上位置を変化させるようにセットする。指令出力部１５０はその指示にしたがって、モータ制御装置２００に対して位置指令を出力する。モータ制御装置２００は、その位置指令が指示する位置へモータ２１０の動作位置を移動させる（すなわち指示された位置へ回転させる）。

（図２：ステップＳ２０６）
診断部１３０は、検出結果取得部１１０を介してエンコーダ２２０からモータ２１０の動作位置の検出結果を取得する。

（図２：ステップＳ２０７）
診断部１３０は、エンコーダ２２０から取得した検出結果が、ステップＳ２０５において指示した位置を示しているか否かを判定する。指定した位置である場合はステップＳ２０８〜Ｓ２０９を実施し、指定した位置ではない場合はステップＳ２１０を実施する。

（図２：ステップＳ２０８）
診断部１３０は、モータ２１０をステップＳ２０５の前の時点における位置へ戻すよう指示する位置指令を出力するように、指令出力部１５０に対して指示する。指令出力部１５０はその指示にしたがって、モータ制御装置２００に対して位置指令を出力する。モータ制御装置２００は、その位置指令が指示する位置へモータ２１０の動作位置を移動させる。

（図２：ステップＳ２０８：補足）
エンコーダ２２０に対する故障診断を完了した後に、モータ２１０の動作位置を診断開始前の位置へ戻す必要がない場合は、本ステップを省略することもできる。

（図２：ステップＳ２０９）
診断部１３０は、モータ制御装置２００の制御モードをステップＳ２０４の前の時点における制御モードへ戻すように、制御モード切替部１４０に対して指示する。制御モード切替部１４０はその指示にしたがって、モータ制御装置２００に対してその旨の指示を出力する。モータ制御装置２００が初めから位置制御モードで動作している場合や、位置制御モード以外の動作モードが存在しない場合は、ステップＳ２０４や本ステップを省略することもできる。

（図２：ステップＳ２１０）
診断部１３０は、エンコーダ２２０が故障している旨を通知する。例えばその旨を示す信号を上位装置３００などへ出力することにより、ユーザに対してエンコーダ２２０が故障している旨を通知することができる。その他適当な出力手段を用いてもよい。

（図２：ステップＳ２０８〜Ｓ２１０：補足）
診断部１３０は、エンコーダ２２０が正常である場合（Ｓ２０８〜Ｓ２０９）においても、その旨をステップＳ２１０と同様の手段によってその旨を通知するようにしてもよいし、故障している場合のみ通知してもよい。

＜本発明のまとめ＞
本発明に係るエンコーダ故障検出装置１００は、モータ２１０に対するサーボ制御がＯＮされており、駆動指令がゼロであってもエンコーダ２２０の検出結果が変化しない場合に、診断用の駆動指令をモータ２１０に対して与えることによりエンコーダ２２０に対する故障診断を実施する。これにより、従来診断することが困難であった状況においてもエンコーダ２２０の故障を適切に診断することができる。

本発明に係るエンコーダ故障検出装置１００は、エンコーダ２２０に対する故障診断を実施した後、モータ制御装置２００の制御モードとモータ２１０の動作位置を診断開始前の状態に戻す。これにより、診断終了後にモータ２１０を速やかに通常運用へ供することができる。

本発明に係るエンコーダ故障検出装置１００によれば、従来のようにモータ駆動後のアラーム検出によってエンコーダの異常を検出する前に、より早くエンコーダの異常を検出でき、サーボシステムの安全性を向上させることができる。また、機能安全未対応のエンコーダに対してエンコーダ故障検出装置１００を適用することにより、機能安全未対応エンコーダを適用したサーボシステムにおいてより高い安全レベルを実現できる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

エンコーダ故障検出装置１００が備える各機能部は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって実現することもできるし、同等の機能を実装したソフトウェアをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置が実行することにより実現することもできる。

エンコーダ故障検出装置１００は、モータ制御装置２００と一体的に構成することもできる。この場合は例えばエンコーダ故障検出装置１００とモータ制御装置２００を備えたサーボアンプとして構成することができる。

以上の実施形態においては、モータ制御装置２００が上位装置３００からモータ２１０に対する駆動指令を受信することを説明したが、モータ制御装置２００自身がモータ２１０に対する駆動指令を生成する場合もある。この場合、指令取得部１２０はモータ制御装置２００からその駆動指令を受け取ることとする。指令取得部１２０はその他、モータ２１０に対する駆動指令が、上位装置３００、モータ制御装置２００、その他適当な装置によって生成されたいずれの場合においても、例えば適当なインターフェースを介してこれを取得するように構成することができる。

以上の実施形態において、エンコーダ２２０による検出結果が指令出力部１５０からの指示通りに変化しなかった場合はエンコーダ２２０が故障していると診断することを説明した。指示通りに変化したか否かの判定をあまり厳密にし過ぎると誤検知を誘発する可能性も考えられるので、判定感度を調整するフィルタを診断部１３０内部に設けることもできる。

１００：エンコーダ故障検出装置、１１０：検出結果取得部、１２０：指令取得部、１３０：診断部、１４０：制御モード切替部、１５０：指令出力部、２００：モータ制御装置、２１０：モータ、２２０：エンコーダ、３００：上位装置。

Claims (9)

1. エンコーダの故障を検出するエンコーダ故障検出装置であって。
   前記エンコーダが動作位置を検出する電動機に対する制御指令を取得する指令取得部、
   前記エンコーダによる検出結果を取得する検出結果取得部、
   前記指令取得部が取得した前記制御指令と前記検出結果取得部が取得した前記検出結果に基づき前記エンコーダが故障しているか否かを診断する故障診断部、
   を備えることを特徴とするエンコーダ故障検出装置。
2. 前記指令取得部はさらに、前記電動機に対する駆動制御が開始されているか否かを示すサーボオン状態信号を取得し、
   前記故障診断部は、前記指令取得部が取得した前記制御指令と前記検出結果取得部が取得した前記検出結果に加えて、前記サーボオン状態信号に基づき、前記エンコーダが故障しているか否かを診断する
   ことを特徴とする請求項１記載のエンコーダ故障検出装置。
3. 前記故障診断部は、前記電動機に対する駆動制御が開始されていることを前記サーボオン状態信号が示し、前記電動機に対する制御指令が前記電動機を静止状態に維持するよう指示しており、かつ前記検出結果が変化しないとき、前記診断を実施する
   ことを特徴とする請求項２記載のエンコーダ故障検出装置。
4. 前記エンコーダ故障検出装置はさらに、前記故障診断部が前記診断を開始する前に前記電動機を動作位置に基づき制御する制御モードへ切り替えるよう要求する切替要求を出力する制御モード切替部を備え、
   前記故障診断部は、前記制御モード切替部が前記切替要求を出力した後、前記診断を実施する
   ことを特徴とする請求項３記載のエンコーダ故障検出装置。
5. 前記エンコーダ故障検出装置はさらに、前記電動機の動作位置を指定する位置指令を出力する指令出力部を備え、
   前記故障診断部は、前記指令出力部が出力する前記位置指令に対応して前記検出結果が変化したか否かに基づき、前記診断を実施する
   ことを特徴とする請求項４記載のエンコーダ故障検出装置。
6. 前記指令出力部は、前記故障診断部が前記診断を完了した後、前記切替要求を出力する前の動作位置へ前記電動機を戻すよう要求する位置復帰指令を出力する
   ことを特徴とする請求項５記載のエンコーダ故障検出装置。
7. 前記制御モード切替部は、前記故障診断部が前記診断を完了した後、前記切替要求を出力する前の制御モードへ戻すよう要求するモード復帰要求を出力する
   ことを特徴とする請求項４記載のエンコーダ故障検出装置。
8. 前記指令出力部は、前記制御モード切替部が前記切替要求を出力した後に前記位置指令を出力し、
   前記指令出力部は、前記故障診断部が前記診断を完了した後、前記切替要求を出力する前の動作位置へ前記電動機を戻すよう要求する位置復帰指令を出力し、
   前記制御モード切替部は、前記指令出力部が前記位置復帰指令を出力した後、前記切替要求を出力する前の制御モードへ戻すよう要求するモード復帰要求を出力する
   ことを特徴とする請求項５記載のエンコーダ故障検出装置。
9. 前記エンコーダ故障検出装置は、前記電動機を駆動制御する制御装置の一部として構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のエンコーダ故障検出装置。

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