JPH05115197A

JPH05115197A - リラクタンスモータ用ロータリエンコーダと駆動装置

Info

Publication number: JPH05115197A
Application number: JP3299507A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Sakano; 哲朗坂野; Hideaki Oku; 秀明奥
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1991-10-21
Filing date: 1991-10-21
Publication date: 1993-05-07

Abstract

(57)【要約】【目的】リラクタンスモータ用の簡単な構成のロータ
リエンコーダ及び、このエンコーダを使用した駆動装置
を提供する。【構成】リラクタンスモータの相数だけのコードパタ
ーンａ，ｂ，ｃを有するコード板１で構成されたロータ
リエンコーダ。コードパターンは電気角３６０を相数に
分割し、この分割電気角の両端に付加電気角αを付加
し、発生トルクの谷間が「０」にならないようにする。
このコードパターンとトルク指令方向（ＣＣＷ，ＣＷ）
に基づいて各相の励磁を次のように選択する。なお、ａ
^-等はコードパターンａ等が検出されないときを意味す
る。Ａ相励磁期間＝ＣＣＷ＊ａ＊ｃ^-＋ＣＷ＊ａ^-＊ｃＢ相励磁期間＝ＣＣＷ＊ｂ＊ａ^-＋ＣＷ＊ｂ^-＊ａＣ相励磁期間＝ＣＣＷ＊ｃ＊ｂ^-＋ＣＷ＊ｃ^-＊ｂ

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リラクタンスモータに
使用するロータリエンコーダと該ロータリエンコーダを
使用したリラクタンスモータの駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】リラクタンスモータは、同期モータと比
較して、磁石を用いないため構造が簡単で安価に製造で
きるという利点を有している。すなわち、リラクタンス
モータはロータとステータに突極を設け、ステータの突
極に巻回された巻線に電流を流すことによってステータ
突極を励磁し、該突極に生じる磁気吸引力によってロー
タ突極を引き寄せ回転力を発生させるモータである。そ
のため、ステータ巻線に流す電流の向きは関係なく、ロ
ータの位置、即ち、ロータの電気角に応じて、通電する
巻線の相を決定するものである。

【０００３】ステータ突極とロータ突極が対向を開始す
る位置から完全に対向するまでの間に巻線に電流を流せ
ばロータ回転方向のトルクを発生する。例えば、第８図
（ａ）に示すようにステータ２０のＡ相の突極２０Ａと
ロータ２１の１つの突極２１ａが対向開始する位置から
Ａ相の巻線（突極２０Ａに巻回された巻線）に電流を流
せばステータ２０のＡ相の突極２０Ａはロータ突極２１
ａを吸引し、ロータ２１を第８図（ａ）中反時計方向に
回転させるトルクを発生する。そして、第８図（ｂ）に
示すようにステータ２０のＡ相の突極２０Ａとロータ突
極２１ａが完全に対向する位置まで、Ａ相に電流を流せ
ば反時計方向のトルクが発生する。

【０００４】そこで、第８図（ａ）に示すようにステー
タ突極２０Ａとロータ２１の１つの突極が対向開始する
ロータ位置を電気角０度とし、ステータ突極２０Ａとロ
ータ突極が完全に対向する第８（ｂ）のロータ位置を電
気角１８０度、次のロータ突極がステータ突極２０Ａと
対向開始するロータ位置を電気角３６０度（第８図
（ａ）参照）とすると、ロータ２１の回転方向に関係な
く、基準の相を例にとれば、該基準の相の巻線（Ａ相を
基準の相とすればＡ相の巻線）に次のように通電すれば
第４図中時計方向，反時計方向のトルクを発生する。

【０００５】反時計方向トルク …電気角０度から１８０度の間通電時計方向トルク …電気角１８０度から３６０度まで通電そこで、ロータの回転位置と発生させようとするトルク
方向によってステータ巻線に通電する制御を行えば、該
モータを制御することができる。そのため、モータの回
転位置を検出しなければならないが、従来使用されてい
る角度位置検出器（ロータリエンコーダ）は１回転する
ことに１回出力する基準信号からのパルス数（インクリ
メントパルス数）によってロータの回転角度位置を検出
している。しかし、起動時に上記基準信号が発生するま
では、ロータの回転角度位置は分からない。そのため、
１電気周期を１６分割した絶対値コード（４ビットのグ
レイコード）を位置検出器に設け、読み取ったこの絶対
値コードと各相の通電位置とを比較して通電指令を出力
するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】１電気周期１６分割で
は、電気角２２．５度（＝３６０度÷１６）内のどの位
置にロータがあるのかは分からない。この区間の中に、
トルクの反転する相があったとすると、起動時に逆転し
かねない。かといって、パターンを増加すれば検出素
子、周辺装置等の増加を招くことになる。リラクタンス
モータの各相が励磁されるべき角度位置が検出されるよ
うにパターンを形成すればよいが、同じ回転位置でも、
ロータの回転方向と発生させるトルク方向によって励磁
すべき相も異なってくる。例えば、基準となる相におい
て電気角０度〜１８０度の間にロータがあるとき、回転
方向が反時計方向であれば、該基準の相を励磁すればよ
いが、時計方向の回転の場合にはこの基準となる相を励
磁せず、他の相を励磁する必要がある。そのため、回転
方向によって使用する通電パターンを変えると、（相数
×２）のパターン数を必要とする。例えば相数が３相で
あれば、６つのパターンを必要とし、１つのコード板に
このコードを書き込むとすれば、従来の１６（＝２⁴）
分割の４つのパターンよりも多くなってしまう。

【０００７】そこで、本発明の目的は、パターンを相数
分設けることによってのみ、リラクタンスモータの各相
に励磁すべき位置を検出できるロータリエンコーダ及
び、このロータリエンコーダを使用してリラクタンスモ
ータを駆動する駆動装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のロータリエンコ
ーダは、コード板に、上記リラクタンスモータの電気角
３６０度を該モータコイルの相数で分割し、各分割され
た角度の両側に付加電気角を付加した各相毎のコードパ
ターンを設け、上記コード板のコードパターンで検出さ
れる信号に基づいてリラクタンスモータの各相コイルの
励磁切換え位置を検出するようにした。そして、上記ロ
ータリエンコーダから得られる信号とトルク指令方向に
より励磁すべきコイルを選択する励磁相選択回路を設
け、該励磁相選択回路で選択された相のコイルを励磁し
てリラクタンスモータを駆動するようにした。

【０００９】

【作用】図１は本発明の原理作用を説明する説明図で、
リラクタンスモータのコイルの相数がｎでＡ，Ｂ，Ｃ，
…Ｘの相があったとする。電気角３６０度をコイルの相
数ｎで除し、ｎ分割し、各分割電気角の両端に付加電気
各αを付加した各相Ａ，Ｂ，…Ｘのコードパターンａ，
ｂ，…ｘをコード板１に設け、隣り合う相のコードパタ
ーンは一部重なり合うようにパターンを設ける。この付
加電気角は最低限発生されるモータトルクの谷が「０」
となることがないように決定するものである。そして、
エンコーダの検出素子によって、このコードパターンが
検出されたときを「１」、検出されないときを「０」と
して該コードパターンを検出することができる。このコ
ードパターンａ，ｂ，ｃ，…ｘの反転信号を、ａ^-，ｂ
^-，ｃ^-…ｘ^-とし、反時計方向のトルク指令をＣＣＷ
（この信号が「１」のときを反時計方向のトルク指令と
する）、時計方向のトルク指令をＣＷ（この信号が
「１」のときを反時計方向のトルク指令とする）とし、
各相の励磁は上記トルク指令とコード板１から検出され
るコードパターンによって次の論理式によって簡単に決
定される。

【００１０】Ａ相励磁期間＝ＣＣＷ＊ａ＊ｘ^-＋ＣＷ＊ａ^-＊ｘＢ相励磁期間＝ＣＣＷ＊ｂ＊ａ^-＋ＣＷ＊ｂ^-＊ａＣ相励磁期間＝ＣＣＷ＊ｃ＊ｂ^-＋ＣＷ＊ｃ^-＊ｂ …… …… なお、「＊」は論理積、「＋」は論理和である。

【００１１】図２は上記論理式に基づいて各相を励磁し
たときの各相の出力トルクを図示した説明図で、図２中
（イ）は反時計方向のトルク指令ＣＣＷ＝１のときの各
相発生トルク状態を示し、図２（ロ）はこのときの励磁
相を示している。また、図２（ハ）はコード板１から検
出されるコードパターンを示している。また、図２
（ホ）は時計方向のトルク指令ＣＷが出力されたときの
各相発生トルクを示し、図２（ニ）はこのときの励磁相
を示している。基準相をＡ相とし、図７（ａ）に示すよ
うな電気角０のロータ位置より付加電気角α前の位置か
ら（３６０／ｎ）＋αの位置までコードパターンａが付
されている。また、コードパターンｂは（３６０／ｎ）
−αの位置から（２×３６０／ｎ）＋αの位置まで付さ
れており、以下同様に各コードパターンが付され、コー
ドパターンｘは｛３６０−（３６０／ｎ）−α｝の位置
からαの位置まで付されている。その結果、反時計方向
のトルク指令ＣＣＷが「１」のときには、上記論理式よ
り図２（ロ）に示すように各相が励磁される。すなわ
ち、電気角「０」の位置にコードパターンを検出する検
出素子が配置されていて、ロータが電気角αの位置にあ
るとすると、Ａ相が励磁され、ロータは反時計方向（図
２中コード板のコードパターンが右から左に移動する）
に移動し、コードパターンａが検出されなくなりコード
パターンｂが検出されるとＢ相が励磁されロータは反時
計方向に回転することになる。

【００１２】また、トルク指令が時計方向指令ＣＷ＝１
であると、図２（ニ）に示すように各相が励磁され、ロ
ータは時計方向に回転することになる。特に本発明はコ
ードパターンに付加電気角αを設けているから、励磁相
の切り換え時に発生トルクが「０」となることはない。
例えば、ロータが電気角「０」の位置で図８（ａ）の位
置で停止している場合に、上記付加電気角αがなく、こ
の位置で基準相であるＡ相を励磁すれば、ロータはこの
励磁相Ａの磁極（ステータ突極）から時計方向及び反時
計方向の同一の吸引力を受けて回転することができなく
なるが、付加電気角αが設けられているから、まずＸ相
が励磁され、反時計方向に回転し、電気角がαになって
からＡ相が励磁され、ロータの突極はＡ相の磁極から反
時計方向に吸引されることになる。

【００１３】

【実施例】図３は本発明の一実施例のコード板のコード
パターンを示すもので、この実施例では、Ａ，Ｂ，Ｃ相
の３相で１周４極対のロータ突極を持つリラクタンスモ
ータ用のロータリエンコーダのコード板１の例を示して
いる。該コード板１には電気角３６０度を３分割し、こ
の分割角１２０度の前後に付加電気角１０度を加え、１
４０度幅のＡ，Ｂ，Ｃ相用のコードパターンａ，ｂ，ｃ
が作られ、Ａ相用のコードパターンａは電気角０度から
１２０度の幅のパターンに前後に付加電気角α＝１０度
を付加し、電気角−１０度（３５０度）から電気角１３
０度までの１４０度の電気角幅のコードパターンａが作
られている。また、Ｂ相用に対しては電気角１１０度か
ら２５０度までの１４０度幅のコードパターンｂが作ら
れている。さらにＣ相に対しては、電気角２３０度から
１０度までの１４０度の電気角幅のコードパターンｃが
作られている。そして、このコード板１はリラクタンス
モータのロータ軸に取り付けられ、図示しない検出素子
によって上記コードパターンが読みだされるようになっ
ている。

【００１４】図４は、本実施例の各相励磁方法を説明す
る説明図で、トルク指令の方向と、上記コード板１のコ
ードパターンより検出される信号に基づいて下記の論理
式により励磁コイルが選択され、Ａ，Ｂ，Ｃ相のコイル
が励磁される。

【００１５】Ａ相励磁期間＝ＣＣＷ＊ａ＊ｃ^-＋ＣＷ＊ａ^-＊ｃＢ相励磁期間＝ＣＣＷ＊ｂ＊ａ^-＋ＣＷ＊ｂ^-＊ａＣ相励磁期間＝ＣＣＷ＊ｃ＊ｂ^-＋ＣＷ＊ｃ^-＊ｂ図４（イ）は反時計方向のトルク指令（ＣＣＷ＝１）の
ときの各相発生トルク状態を示し、図４（ロ）は各相の
励磁区間を示し、図４（ハ）は上記コード板１のパター
ンコードの状態を示し、図４（ホ）は時計方向のトルク
指令（ＣＷ＝１）のときの各相発生トルク状態を示し、
図４（ニ）はこのときの各相の励磁状態を示している。

【００１６】上記コード板１のコードパターンを検出す
る検出素子が、例えば電気各０度の位置Ｐに配設されて
いるとし、反時計方向へのトルク指令（ＣＣＷ＝１）が
出力されているとする。そして、図４に示した状態であ
るとすると、ロータ軸に取り付けられたコード板１のコ
ードパターンからはコードパターンａ，ｃが読み取られ
「１」であり、上記論理式からＣ相が励磁される。その
結果ロータ及びロータ軸に取り付けられたコード板１が
反時計方向ＣＣＷに回転し（図４中においてはコード
ａ，ｂ，ｃが左方向に移動）、電気角１０度回転する
と、コードパターンｃが検出されなり、上記論理式よ
り、Ｃ相の励磁が停止されＡ相が励磁される。図８
（ａ）からも分かるように電気角１０度の位置ではロー
タ突極とステータのＡ相磁極は僅か重なるだけであるか
らインダクタンスは小さく、励磁電流は急激に立ち上が
り、急速にトルクを発生する。

【００１７】次に、ロータがさらに１２０度回転し、コ
ード板１からコードパターンｂが検出され、コードパタ
ーンａが検出されなくなると、上記論理式より、Ａ相の
励磁は停止され、Ｂ相の励磁が開始される。Ａ相の磁極
とロータ突極は電気角１３０度の位置まで重なり合って
いるため、インダクタンスは大きいため、励磁電流は急
激に減少しないが、図８（ｂ）に示される電気角１８０
度の位置に達していないから、逆トルクを発生すること
はない。同様に、ロータが反時計方向に回転しコードパ
ターンｃが検出されコードパターンｂが検出されなくな
るとＣ相が励磁され、さらにロータが回転すると再びＡ
相が励磁される。以後この動作を繰り返し、ロータは反
時計方向に回転することになる。また時計方向のトルク
指令（ＣＷ＝１）が出力されている場合には、図４
（ニ），（ホ）に示すように各相が励磁され、ロータは
時計方向に回転することになる。

【００１８】図５は、さらにこの動作を詳細に説明する
ための、ステータの磁極，ロータの突極を展開した展開
図で、図５において（イ）はステータの磁極Ａ，Ｂ，Ｃ
を展開した図を示し、（ロ）〜（ホ）はロータの突極と
コード板のコードパターンを示す図で、コードパターン
を検出する検出素子が図５中、基準相Ａに対し電気角０
度の位置Ｐに配置されているとする。ロータが図５
（ロ）の状態（電気角１０度の状態）で、反時計方向の
トルク指令（ＣＣＷ＝１）が出力されると、コードパタ
ーンａが検出されるので、上記論理式より磁極Ａが励磁
され、ロータ突極が吸引され、ロータ及びコード板１は
反時計方向に回転し、コードパターンは図５中左方向に
移動し、１２０度回転して図（ハ）の状態となりコード
パターンａが検出されなくなりコードパターンｂが検出
されるとＡ相の励磁は停止し、Ｂ相が励磁される。ロー
タ及びコード板１は反時計方向に回転し（図５中コード
パターンは左方向に移動）、さらに１２０度回転し、図
（ニ）の状態になり、コードパターンｂが検出されなく
なりコードパターンｃが検出されると、Ｂ相の励磁は停
止し、Ｃ相が励磁されロータは反時計方向に回転する。
そして、図（ホ）の状態になると、コードパターンａが
検出されコードパターンｃが検出されなくなると、Ｃ相
の励磁は停止し、Ａ相が励磁されることになる。以下こ
の動作を繰り返し、ロータは反時計方向に回転すること
になる。

【００１９】図６は、時計方向のトルク指令（ＣＷ＝
１）が出力された場合の動作説明図で、例えば、ロータ
が図５（ロ）の状態と同じ状態の図６（ロ）であると、
コードパターンａが検出されコードパターンｂは検出さ
れないので上記論理式よりＢ相が励磁されロータ及びコ
ード板は時計方向に回転し（図６中コードパターンは右
方向に移動）、電気角２０度回転し図６（ハ）の状態に
なり、コードパターンａは検出されなくなりコードパタ
ーンｃが検出されると上記論理式より、Ｂ相の励磁は停
止し、Ａ相が励磁されロータは時計方向（図６中コード
パターンが右方向）に回転し、１２０度回転し、図６
（ニ）の状態になるとコードパターンｃが検出されなく
なりコードパターンｂが検出されるとＣ相が励磁され、
ロータは時計方向に回転し１２０度回転すると図６
（ホ）の状態になりコードパターンｂが検出されなくな
りコードパターンａが検出されるのでＢ相が励磁されロ
ータが１２０度回転し図６（ハ）の状態になる。以下こ
の動作を繰り返すことになる。

【００２０】以上のように本実施例は動作するが、付加
電気角α＝１０度がコードパターンに付加されているの
で、励磁相が切り替わるときにモータの出力トルクの谷
間が「０」になることはない。例えば、ロータが図５
（ロ）の状態より時計方向（図５において右方向）に１
０度移動している状態で、Ａ相を励磁すると、Ａ相の磁
極に対してロータの突極が両側に等距離にあることにな
り両突極を同一の力で吸引することになりトルクが発生
しなくなるが、本実施例では、この状態ではＣ相が励磁
され、ロータが反時計方向に１０度回転し、図５（ロ）
の状態になった後にＡ相が励磁されるので、ロータは確
実に反時計方向に励磁されることになる。このように、
付加電気角は反トルクが発生しない範囲内で付加される
ものである。

【００２１】図７は本実施例を実施する３相リラクタン
スモータの制御部の要部ブロック図である。リラクタン
スモータ６のロータ軸には本実施例のロータリエンコー
ダの図３に示すようなコード板１が取り付けられ、さら
にロータの回転と共にパルスを発生するパルスコータ５
が取り付けられている。発光素子２からの光は上記コー
ド板１を介して受光素子３で受光できるようになってお
り、コードパターンａ，ｂ，ｃにに従って受光し、信号
増幅器４で増幅されてＡ〜Ｂ相用の通電制御回路１３Ａ
〜１３Ｂに入力されるようになっている。上記通電制御
回路１３Ａ〜１３Ｂにはトルク指令Ｔｃの符号より指令
トルク方向を判別するトルク方向判別回路１２からの信
号（１＝ＣＣＷ，反転信号１＝ＣＷ）をも入力されてい
る。通電制御回路１３Ａは上述したＣＣＷ＊ａ＊ｃ^-＋ＣＷ＊ａ^-＊ｃ通電制御回路１３ＢはＣＣＷ＊ｂ＊ａ^-＋ＣＷ＊ｂ^-＊ａ通電制御回路１３ＣはＣＣＷ＊ｃ＊ｂ^-＋ＣＷ＊ｃ^-＊ｂの論理演算を行い「１」または「０」の信号を出力す
る。

【００２２】また、パルスコーダ５の出力は周波数／電
圧変換器１４に入力され電圧に変換されている。速度ル
ープ補償回路７は、速度指令Ｖｃと周波数／電圧変換器
１４から出力される可変リラクタンスモータ６の実速度
に対応する電圧との差、即ち、速度偏差を増幅し、トル
ク指令Ｔｃを出力し、乗算器（アナログスイッチ）８
Ａ，８Ｂ，８Ｃは該トルク指令ＴｃとＡ，Ｂ，Ｃ相の通
電制御回路１３Ａ〜１３Ｂから出力される信号とを各々
乗じて相電流指令ｉｒ(A) ，ｉｒ(B) ，ｉｒ(C) を出力
する。電流ループ補償回路９Ａ，９Ｂ，９Ｃは各相電流
指令ｉｒ(A) ，ｉｒ(B) ，ｉｒ(C) と電流検出器１１
Ａ，１１Ｂ，１１Ｃで検出された対応する相電流ｉｃ
(A) ，ｉｃ(B) ，ｉｃ(C) との差、即ち、電流偏差を増
幅し、相電圧指令ｅｒ(A)，ｅｒ(B) ，ｅｒ(C) を各々
電力増幅器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃへ出力する。

【００２３】電力増幅器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、Ｐ
ＷＭインバータ回路等で構成され、相電圧指令ｅｒ(A)
，ｅｒ(B) ，ｅｒ(C) を受信し、相電圧ｅｒ'(A)，ｅ
ｒ'(B)，ｅｒ'(C)をモータ６の各相に印加し、モータ６
を駆動するものである。

【００２４】なお、Ｇ１（Ｓ）は速度ループ補償回路１
の伝達関数で、Ｇ２（Ｓ）は電流ループ補償回路９Ａ，
９Ｂ，９Ｃの伝達関数である。また、Ｇ３は電力増幅器
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのゲインである。上記制御回路
は従来のリラクタンスモータの制御回路と同等である
が、ロータ回転位置を検出するために上述したコード板
１等で構成されるロータリエンコーダを用いた点と、こ
のロータリエンーダの出力により通電制御回路１３Ａ〜
１３Ｃで上述した論理演算を行って励磁相を選択してい
る点が異なるのみである。

【００２５】すなわち、上記通電制御回路１３Ａ〜１３
Ｃで論理演算が行われ、その出力が「１」になった相の
コイルのみが通電され、リラクタンスモータは前述した
ようにして駆動制御されるものである。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、従来のように細かな角を検出
して励磁相を選択するものと異なり、単にモータの総数
だけのコードパターンだけで、リラクタンスモータを方
向の誤りもなく正確に制御することができるものであ
る。また、付加電気角が各コードパターンに付加されて
いるから、励磁の切換え時に発生トルクが「０」になる
ようなことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコード板の説明図である。

【図２】本発明のコード板を使用して各相を励磁したと
きの各相の出力トルクを図示した説明図である。

【図３】本発明の一実施例の３相リラクタンスモータよ
うのコード板の説明図である。

【図４】同実施例のコード板を使用して各相を励磁した
ときの各相の出力トルクを図示した説明図である。

【図５】同実施例のコード板を使用してリラクタンスモ
ータを反時計方向に駆動したときの動作説明図である。

【図６】同実施例のコード板を使用してリラクタンスモ
ータを時計方向に駆動したときの動作説明図である。

【図７】同実施例のコード板を使用したリラクタンスモ
ータの制御装置の要部ブロック図である。

【図８】リラクタンスモータにおけるトルク発生を説明
する説明図である。

【符号の説明】

１コード板２発光素子３受光素子４信号増幅器５パルスコーダ６リラクタンスモータ７速度ループ補償回路８Ａ〜８Ｃ乗算器９Ａ〜９Ｃ電流ループ補償回路１０Ａ〜１０Ｃ電力増幅器１１Ａ〜１１Ｃ電流検出器１２トルク方向判定回路７パルスコーダ１３Ａ〜１３Ｃ通電制御回路ａ，ｂ，ｃ，…ｘコードパターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リラクタンスモータのロータ軸に結合さ
れ、ロータの回転角度を検出するロータリエンコーダで
あって、該ロータリエンコーダは、上記リラクタンスモ
ータの電気角３６０度をモータコイルの相数で分割し、
各分割された角度の両側に付加電気角を付加した各相毎
のコードパターンを設けたコード板を有し、上記コード
板のコードパターンで検出される信号に基づいてリラク
タンスモータの各相コイルの励磁切換え位置を検出する
ようにしたリラクタンスモータ用ロータリエンコーダ
【請求項２】上記ロータリエンコーダから得られる信
号とトルク指令方向により励磁すべきコイルを選択する
励磁相選択回路を有し、該励磁相選択回路で選択された
相のコイルを励磁してリラクタンスモータを駆動するこ
とを特徴とするリラクタンスモータ用駆動装置