JPS605156B2 - 電磁位置決め装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電磁駆動装置の可動部を高精度に位置決めす
る電磁位置決め装置に関するものである。

従来の位置決め装置においては位置決め動作を高精度で
スムーズでかつ迅速に行う為に、位置、速度、加速度の
３成分を負帰還する場合、検出部と負帰還する部分が、
高価でかつ複雑であった。

本発明により高速、高精度な位置決め動作を安価で簡単
な装置を得ることを目的としている。以下、本発明の一
実施例を図面に基づいて詳細に説明する。第１図は電磁
駆動部を示したものであり、図において１は円筒状また
は円柱状の磁性体で形成され、その外周面に中心髄と平
行に一定のピッチＰの歯を有する可動部である。

２は上記可動部１をある距離をもって離れた状態で取り
囲んで配置され、磁気的に可動部１と相互作用して、可
動部１に回転力を与える固定部である。

３，４，５，６は固定部２に設けられた極である。

この複数個の極３〜６は各々に巻かれた励磁巻線７，８
，９，１０の発生する起磁力によって可動部１の歯１１
と磁気回路を形成し、前記磁気回路の磁路抵抗の変化に
よって可動部１に対し回転力及び位置決め動作を与える
。又複数個の極３〜６の前記可動部の歯１１と対向する
面には各々、可動部の歯１１のピッチＰと同ピッチで歯
切りをしてある。次に可動部１の歯１１のピッチＰを１
周期すなわち２汀とし、時計回りを正回転として、各極
３〜６の歯１２の可動部１の歯１１に対する相対位置を
説明する。

可動部１の歯１１と極の歯１２が一致している極３をＡ
相すなわち零位相とすると、極４はｍ／２進み位相でＢ
相となり、極５は汀、進み又は遅れ位相で−Ａ相となり
、極６はけ／２遅れ位相で一Ｂ相となる様に配置されて
いる。第２図は各極３〜６の励磁巻線７，８，９，１０
１こ流す励磁電流（制御電流）の各々の位相関係を示し
た図である。励磁巻線７は極３に巻かれており制御電流
Ａ相、励磁巻線８は極４に巻かれており制御電流Ｂ相、
励磁巻線９は極５に巻かれており制御電流−Ａ相「励磁
巻線１０１ま極６に巻かれており制御電流−Ｂ相がそれ
ぞれ流される。以上の事からわかる様に第１図に示す電
磁駆動部は同期モータの一種であり、上記制御電流の位
相と同期して可動部１（以下これをロータ１と称す）は
回転する。従って制御電流の位相を進ませればローター
は正回転し、制御電流位相を逆方向に進ませれば逆方向
に回転する。同時に第１図においてローターをある角度
に停止させたい時は制御電流の位相を停止させればよい
訳である。次に上言己制御電流の位相を制御するための
装置の説明をする。第３図は電磁駆動部の位置決め動作
を制御する装置のブロック図である。図において、２１
は磁気テープ、紙テープリーダ、又はコンピュータなど
のデータ入力装置であり、例えば電磁駆動部のロータ１
をある角度ａ，だけ回転させたい場合、角度８，をデー
タとして、後述する速度演算部２２に入力する装置であ
る。

速度演算部２２はデータ角度８，を入力される事によっ
て、ローターが零から０．まで回転する間の瞬時瞬時の
ロータ１の動くべき回転速度（角速度）のｃを演算し出
力する。

第４図に速度演算部の出力である時間と角速度ｗｃの関
係を示す。又速度演算部２２の出力はパルスであり、１
パルスはローターをある一定の角度だけ回転させるとい
う意味を有する。角速度のｃは上記パルスの単時間当り
の数すなわちパルス密度で表わされる。例えば第４図の
様な速度制御を行う場合、図においてａ−ｂ区間は、加
速区間でありパルス密度はａからｂに向って徐々に高く
なる。ｂ−ｃ間は等速区間でありパルス密度は一定、ｃ
−ｄ間は減速区間でありパルス密度は徐々に低くなる訳
である。第３図における２３は速度演算部２２の出力で
あるパルス信号を受けて、そのパルス密度に比例した周
波数の三角関数を複数相発生する関数発生部である。

本実施例では‘１｝式に示す２相の三角関数ＪＡ、ＯＢ
を関数発生部が出力するとする。上記の正、余弦波はＮ
個のパルスが関数発生部２３に入力される事によって一
周期を形成する。すなわち位相が２ｍだけ進む訳である
。従って、関数発生部２３に１パルス入力されると、正
、余弦波の位相は２灯／Ｎだけ進む事になる。

又、同時にデータ入力装置２１からは可動部１を、正方
向に回転させるのか、または貸方向に回転させるのかを
示す方向信号が速度演算部２２を通して関数発生部２３
に入力される。関数発生部２３は上記方向信号によって
、出力である正、余弦波の位相を正方向に進ませるか、
負方向に進ませるかを決定する。第３図において２４は
、ロータ１の回転位置を検出する検出部２７の出力によ
って、上記正、余弦波の位相を制御する位相制御部であ
る。

ただし、説明の便宜上正、余弦波は今何の変化もなく位
相制御回路を通って電流増中部２５に入力されたと考え
る。なお検出部２７と位相制御部２４に関しては後で詳
細に説明する。２５は位相制御部２４の出力である正、
余弦波（制御周期関数）の瞬時瞬時の値に比例した電流
を電磁駆動部２６に供給する電流増中部である。

２６は第１図に示す同期モータ（レラクタンスモータ）
である。

従って■式に示す４相の制御電流ＯＡ、？Ｂ、一？Ａ、
一？Ｂが電流増中部２５によってそれぞれ励磁巻線７，
８，９，１０‘こ流される。

以上の事から分かる様に前記した速度演算部２２の出力
パルス、Ｎパルス（正、余弦波の一周期分）で１はその
歯１１の１ピッチＰだけ回転する。

すなわち１パルスではＰ／Ｎピッチだけ回転する。従っ
てＮを大きくすれば１パルスで回転する角度を限りなく
小さく出来る訳である。前記の説明からすればこれでか
なり高精度の位置決めが可能の様に思われるが、実際は
モータの負荷例えばロータ１の軸受け摩擦、ロータ軸に
加えられる被可動物などにより、可動部１は制御電流位
相とはずれた位置に停止する。

これから説明する検出部２７と位相制御部２４は可動部
１の位置を検出して制御電流位相に員婦環する事によて
上記ローターの回転位置と制御電流位相の狂いを零にす
るためのものである。通常同期モータにおいて、ロータ
ーは必ずロータの負荷によって制御電流位相とはある角
度めだけずれて追従している。

今ロータの位置を制御電流位相に対して、機械位相と称
し、制式で表わせるとすれば但し ＣＭＡは極３（Ａ相）に対するロータの位相？Ｍ旧は極
４（Ｂ相）に対するロータの位相 糊式における位相差◇を零にするためには制御電流は｛
４’式の様にすればよい事は明らかである。

■式においてＫは帰環定数であり、位置決め制御系によ
って最適値を選べば良い。本実施例では、Ｋ＝１として
説明してゆく。第３図における２７はロータ１の電流位
相８に対する位相を検出する検出部であって第５図に詳
細を示す。

第５図において３１は磁性体又は導体でできたセンサリ
ングであり、ロータ１に取付けられてある。又センサリ
ングに設けられた歯３１ａ．・…．・・・のピッチはロ
ータ１の歯１１のピッチＰと同じである。３２はセンサ
であり、センサリング３１とはある距離を隔てて設けら
れている。

又ロータ１の歯１１との相互関係は極３（Ａ相）の歯１
２とローターの歯１１との相互関係と同じである。又セ
ンサ３２に巻かれたコイル４１の両端のィンダクタンス
はセンサリング３１の回転に伴って周期的に変化する訳
である。Ｂ相センサ３３はセンサ３２と同じ働きをする
もので、センサリング３１の歯３１ａとの相互関係は極
４（Ｂ相）の歯１２とローターの歯１１との相互関係と
同じである。センサ３２又はＢ相センサ３３とセンサリ
ング３１との間で形成する磁路の磁気抵抗の変化による
センサコイル４１，４２両端のィンダクタンスの変化は
センサリング３１の歯３１ａとセンサ３２又はＢ相セン
サ３３の歯の形状を適当に形成する事により側式の様に
表わせる三角関数となる。前記の説明よりわかる様に【
５）式はロータの機械位相を表わしている。従ってどａ
と【３｝式における◇ＭＡ、ご ｂと｛３’式における
ぐＭＢは同等である。３４はコイル４１のィンダクタン
スを検出するＡ相ィンダクタンス検出回路である。

（出力ごａ）３５はコイル４２のィンダクタンスを検出
するＢ相ィンダクタンス検出回路である。

（出力ごｂ）３６，３７は微分回路、３８，３９は乗算
回路、４川ま減算回路であり｛６ー式の演算を行うこと
によってセンサリング則ちローターの角速度Ｗｏを出力
している。

ｗ。

＝浮れｂ＋学Ｘ…・・．・．．・棚第３図における２４
は関数発生部２３の位相ぐＡ，ＪＢと検出部２７の出力
ごａ，ごｂの加減乗除演算により、位置の負帰還をした
制御電流の位相（制御周期関数）ＯＡＣ，ぐＢＣを発生
している位相制御部である。

第６図に上記＆相制御部２４の詳細図を示す。

位相制御部２４はの式の演算を行う事によって制御電流
◇ＡＣ、ＪＢＣを発生している。以下の式に従て各素子
の働きを説明してゆく。ＯＡＣ＝ｃｏｓ（ａ＋○）＝Ｏ
ＡＸ（ごａＸぐＡ十ごｂＸＪＢ）−ＯＢ（ごａ◇Ｂ−ご
ｂＪＡ）ＯＢＣ＝Ｓｉｎ（ａ十ぐ）＝ＯＢＸ（ごａＸＯ
Ａ＋どｂＸＯＢ）十ＯＡ（ごａ◇Ｂ−ごｂ？Ｂ）………
の図において５１はごａ×ＯＡの乗算を行う乗算回路、
５２はごｂ×ＯＢの乗算を行う乗算回路、５５は乗算回
路５１と５２の出力の和をとる加算回路で出力はｃｏｓ
めで表わせる。

５３はごａ×ＯＢの乗算を行う乗算回路、５４はごｂ×
？Ａの乗算を行う乗算回路、５６は乗算回路５３と５４
の出力差、すなわちごａ×ＯＢ−ごｂ×ＯＡの演算を行
う減算回路であり、出力はｓｉｎめで表わされる。

５７はめＡ×ｃｏｓ？の乗算を行う乗算回路、５８はＯ
Ｂｘｓｉｎ◇の乗算を行う乗算回路、７１は乗算回路５
７と５８の出力の差、即ちＯＡ×ＣＯＳ中−ＯＢ×Ｓｉ
ｎ？の演算を行う減算回路であり出力はめＡＣで表わせ
る。

５９はめＢ×ｃｏｓ？の乗算を行う乗算回路、６川ます
Ａ×ｓｉｎＪの乗算を行う乗算回路、７２は乗算回路５
９と６０の出力の和、即ちＯＢ×ｃｏｓぐ十ＯＡ×ｓｉ
ｎめの演算を行う加算回路であり、出力はぐＢＣで表わ
せる。

７３，７４はインバーターで、それぞれＯＡＣ、ＯＢＣ
に−１を秦算し、一？ＡＣ、一ＯＢＣを出力している。

以上の説明よりわかる様に位相制御部２４もこより位置
成分の負帰還を行った制御電流ＯＡＣ，？ＢＣを得る事
が出きる。次に第７図において、他の実施例について説
明する。

第７図は第３図における他の実施例を示したもので特許
請求の範囲２に相当する。上記実施例は第６図に示した
位置成分の負帰還を行う位相制御部２４に速度成分の負
帰還を加えたもので下記した棚ａ、ｂ式に示す演算を行
う事によって実現している。なお、第６図と第７図にお
いて同番号の素子は同等の動きをするものなので説明を
省く。◇ＡＣｉｃ。

ｓ８×（ｃｏｓ少十のｆＸＳｉｎ少）−Ｓｉｎ８×（Ｓ
ｉｎＪ＋■ｆＸＣＯＳＪ）＝Ｃｏｓ（８十Ｊひ）……｛
８１ａｂＪＢＣ；Ｓｉｎ８×（ＣＯＳ？十のｆＸＳｉｎ
○）十ｃｏｓＯＸ（Ｓｉｎで十のｆＸｃ。ｓ○）＝Ｓｉ
ｎ（８十〇ひ）……【８｝ｂ但しのｆニのＬ一の０ ？ひ＝ｓｉｎ‐１（Ｓｉｎ○十のｆＸＣＯＳ○）以下各
素子の働きを説明きてゆく。

６１は◇Ａを微分する微分回路、６２は◇Ｂを微分する
微分回路、６３は微分回路６１の出力とＯＢを乗算する
乗算回路、６４は微分回路６２の出力とぐＡを乗算する
乗算回路、６１は乗算回路６３，６４との出力の差をと
る減算回路で出力の‘で表わせる。

６６はの↓とのｏとの差をとる減算回路であり出力はの
ｆで表わされる。

上記のｆは関数発生部２３の出力の角速度ｗｃに対して
の可動部１の余分な動き‘こよる速度成分を示す。６７
は上記のｆとｓｉｎふとを乗算する乗算回路であり、の
ｆをｃｏｓ？に対する位相成分に変換している。

６８は上記のｆとｃｏｓめを乗算する乗算回路であり、
のｆをｓｉｎ◇に対する位相成分に変換している。

６９は乗算回路６７の出力とｃｏｓ◇との和をとる加算
回路であって、この回路で角速度成分の制御電流に対す
る負帰還が行われる。

７川ま加算回路６９と同等の働きをする加算回路であっ
て、乗算回路６８の出力とｓｉｎ◇との和をとつている
。

実際は帰還する■ｆの値にＫｆという帰還定数を乗じて
、使用する位置決め制御系の最適制御が可能になる様に
Ｋｆを決定すればより効果的である。

上記２つの実施例において位置成分、速度成分の負帰還
方法を示したが、これに加速度成分（角加速度成分）の
負帰還を行えば、位置決め制御系においてより効果的で
ある。

第７図の実施例においてのｆが得られているのであるか
らのｆを微分すれば負帰還するべき角加速度成分が得ら
れ、第７図における速度成分の負帰還方法と同様に行え
ば、角加速度成分の負帰還が得られる事は明らかである
。

又、本実施例においての検出部は電磁的なものであるが
、光学的な検出等、他の検出方法でも可能な事は明らか
である。

又、第５図においてセンサリング３１を固定し可動部に
センサ３２，３３を取り付けてもよい。以上の事をまと
めてみると、一般に第１図に示す様な同期モータは非常
に簡単に表わすと第８図の如く表わせる。

図において８１はロータ軸に加わる負荷の質量を表わす
（ロータ自体の質量も含む）。８２は電磁駆動部の駆動
力に相当するバネ定数を表わす。

８３は風損、又は渦電流等による粘性損を表わす。

８４は固定部である。

従って本図において電磁駆動部を動かすという事は固定
部８４を動かす事となる。この時の負荷８１がロータの
動きとなる訳である。第８図に示す系でわかる様に固定
部８４の動きを制御電流位相を考えて、ロータ１の動き
則ち負荷８１の動きは固定部８４の動きに対してあるず
れ角度０を有して追従する。この時の角度Ｊはバネ８２
の伸びに相当する。

又実際は負荷８１には固定摩擦が必ず働き固定部８４を
ある点に停止させても負荷８１は停止するべき点よりず
れて停止する。本発明は第８図の系の下具合を改善する
もので、位置成分の負帰還を行うことによってバネ定数
Ｋを非常に大きくとれ、前記した制御電流位相則ち固定
部８４の位置と負荷８１Ｋの位置ずれを零に近ずける事
が出来る。次に第８図の様な２次系においては各要素８
１，８２，８３の大きさによっては共振現象を生じ最悪
の場合は負荷８１は、固定部８４の動きに全く追従でき
ない時もある。

そこで、速度成分を負帰還する事によって粘性損８３の
値を、系が共振現象を生じない様に決定する事が出来る
。一般に、負荷８１による慣性力は固定部８４の速度の
変化点で生じ系全体の迅速性を悪くし、慣性力の働く点
では負荷８１の振動が生じ易くもなる。本発明はこの問
題を、電磁駆動部の可動部の加速度を算出し、算出され
た加速度信号に対応して制御関数の位相を制御すること
により解決できる。上記の説明からわかる様に本発明に
より安価で、かつ簡単な装置で、位置、速度、加速度、
又はそれ等の組合せの負帰還が可能となった。

これにより従来難かしいとされていた、高精度で迅速か
つスムースに位置決め動作を行う装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示す。 第１図：電磁駆動部の概略図、第２図：制御電流（励磁
電流）の位相関係図、第３図：電磁位置決め装置のブロ
ック図、第４図：制御速度（角速度）図、第５図：検出
部の詳細図、第６図：位置成分の倉帰還をするための位
相制御部、第７図：速度成分の負帰還を含む位相制御部
、第８図：電磁駆動部系の概略図。１・・・・・・可動
部、１，２・・・・・・電磁駆動部、２５・・・・・・
電流増中部、２７・・・・・・検出部、２３・・・・・
・関数発出部、２４・・・・・・位相制御部。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一定のピツチの歯を有する可動部と、この可動部の
   歯に対し互いに位相差をもつて対向配置された複数の極
   を有する固定部とからなる電磁駆動部と、複数相の周期
   関数を発生する関数発生部と、この周期関数によつて前
   記複数の極に対応した制御電流を発生する電流増巾部と
   を備え、前記制御電流によつて前記電磁駆動部の位置又
   は速度等を制御するものにおいて、前記電磁駆動部の固
   定部に設けられ前記可動部の歯に対し互いに位相差をも
   つて対向配置された少なくとも一対のセンサを有し、か
   つこのセンサにより前記周期関数と同周期の検出信号を
   発生する検出部と、この検出信号と前記周期関数との加
   減乗演算を行ない該周期関数の位相を補正した制御周期
   関数を発生するための位相制御部とを備え、この制御周
   期関数を前記電流増巾部に入力することにより前記可動
   部に対して位置の負帰還をする構成としたことを特徴と
   する電磁位置決め装置。 ２ 前記電磁駆動部の可動部の動きに応じて検出される
   複数相の検出信号のうちＡ相の検出信号の微分値および
   Ｂ相の検出信号の積と、Ｂ相の検出信号の微分値および
   Ａ相の検出信号の積とを加算することにより前記可動部
   の速度を検出する検出部と、この検出部により検出され
   た検出速度信号と前記周期関数とを加減乗演算すること
   により該検出速度に対応して位相が補正された制御周期
   関数を得るための位相制御部とを備えたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の電磁位置決め装置。 ３ 前記検出部に検出速度を微分する微分回路を設け、
   前記電磁駆動部の可動部の加速度を算出し、算出された
   加速度信号と前記周期関数とを加減乗演算することによ
   り該加速度信号に対応して制御周期関数の位相を制御す
   る位相制御部を備えたことを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載の電磁位置決め装置。