JP2000227437A - 回転速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度で応答性のよい速度検出値が容易に得
られ、モータの速度制御装置に適用して安定した制御が
得られるようにした回転速度検出を提供すること。 【解決手段】 サンプリング期間毎に検出されたパルス
差分値ΔＰに１を加算し、サンプリング周期Ｔs で除算
した値をリミット値Ｎlim として出力するリミット値演
算器８を用い、回転速度を検出すべき回転軸に取り付け
られているロータリーエンコーダから供給されるパルス
の各サンプリング周期毎の差分値ΔＰと、時間カウンタ
２とラッチ回路３から供給されるパルス入力時間の差分
値ΔＴの除算値Ｎd をそのまま回転速度の検出値とせ
ず、リミット９によりリミット値Ｎlim で処理してから
回転速度の検出値Ｎdet として出力するようにしたも
の。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロータリーエンコ
ーダを用いた回転速度検出装置に係り、特に、ベクトル
制御方式による電動機の速度制御システムに好適な回転
速度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボットなど各種の自動制御シス
テムでは、外部から指令される回転速度指令に応じてフ
ィードバック制御する電動機制御装置が広く用いられて
いる。

【０００３】図２は、このような電動サーボ制御システ
ムにおける速度制御装置２０の一例を示したもので、図
示のように、制御対象であるモータ(電動機)２３の回転
軸に速度検出用のセンサ２４を直接取付け、その出力を
速度制御装置２０に取込み、これにより、外部から供給
される速度指令値Ｎref で与えられる回転速度に、モー
タ２３の回転速度が収斂されるようにフィードバック制
御するようになっている。

【０００４】速度制御装置２０に取り込まれたセンサ２
４の出力は、まず度検出器２５により速度検出値Ｎdet
に変換され、比較器２６の比較入力に供給され、ここで
速度指令値Ｎref との偏差がとられ、それが速度制御器
２１に供給される。

【０００５】そこで、速度制御器２１は、電流アンプ
(増幅器)２２に出力電流指令を与え、これにより、入力
された速度偏差が０になるようにモータ２３に駆動電流
を出力し、この結果、モータ２３は、速度指令値Ｎref
として与えられた速度に追従した回転速度に自動的に制
御されることになる。

【０００６】ところで、この速度検出用のセンサ２４と
しては、以前は、タコジェネレータ(速度発電機)などの
アナログ出力を与えるセンサが主として用いられていた
が、近年は、各種装置のディジタル化に伴い、高精度
で、且つモータの回転位置検出器としての機能も備えて
いる２相パルス出力方式のロータリーエンコーダを用い
ることが多くなってきた。

【０００７】この方式のロータリーエンコーダは、その
回転軸の一定回転角度毎に、正確に１／４周期の位相差
をもつＡ相とＢ相からなる２相のパルス信号を出力する
ように作られているもので、出力パルスのパルスレート
を計測することにより、回転速度を得ることができ、且
つ、２相のパルスの位相差により、回転方向が判別でき
るものである。

【０００８】そこで、次に、センサ２４として、このよ
うなロータリエンコーダを用いた場合の速度検出につい
て説明する。通常、ディジタル制御に際しては、一定の
サンプリング周期Ｔs 毎の速度制御周期で速度制御を行
うので、回転速度の検出もサンプリング周期Ｔs 毎に行
う必要がある。

【０００９】具体的には、サンプリング周期Ｔs 毎のエ
ンコーダ出力パルス数カウント値を取出し、前回のサン
プリング時点から今回のサンプリング時点までの１サン
プリング周期にパルスカウント値がｎ回変化したとする
と、このときのパルスレートはｎ／Ｔs となる。そこ
で、この値ｎ／Ｔs からエンコーダの回転速度、すなわ
ちモータ２３の回転速度を算出するのである。

【００１０】しかし、この方式の場合、サンプリング周
期Ｔs 毎の速度検出値がパルスレート値換算で１／Ｔs
おきの値となり、サンプリング周期Ｔs を短くするにつ
れ分解能が大きく低下してしまう。つまり、ロータリー
エンコーダの単位回転角当りのパルス数が同じなら、サ
ンプリング周期Ｔs の短縮に伴って、パルスサンプリン
グ数が減少するからである。

【００１１】特に近年は、ベクトル制御方式による電動
機制御システムが広く用いられているが、この場合に
は、制御精度と応答性の面から、サンプリング周期をミ
リ秒以下にした高速サンプリングレートが要求されるこ
とが多く、分解能の低下が大きな問題になる。

【００１２】そこで、この分解能の低下を抑えるため、
エンコーダ出力パルス数変化とパルス入力時間差との比
率により回転速度を算定するようにした、いわゆるパル
スレート方式による回転速度検出装置が従来から用いら
れており、以下、この方式による回転速度の検出につい
て説明する。

【００１３】まず、図３は、横軸に時間をとって、エン
コーダ出力パルスカウンタのカウント値を縦軸に示した
図で、ここで、時点Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、……、が
回転速度のサンプリング時点で、それぞれのサンプリン
グ時点でのエンコーダパルスカウント値をＰ０、Ｐ１、
Ｐ２、Ｐ３、……、とし、それぞれのサンプリング時点
の直前に入力されたエンコーダパルスの入力時間をｔ
０、ｔ１、ｔ２、ｔ３、……、としている。

【００１４】そして、このパルスレート方式では、例え
ばサンプリング時点Ｓ１における回転速度検出値は、タ
イミング時点Ｓ０からタイミング時点Ｓ１までのパルス
数変化分と、パルス入力時間変化分との比、すなわち
(Ｐ１−Ｐ０)／(ｔ１−ｔ０)をパルスレートとし、これ
を回転速度とするのである。

【００１５】図４は、この方式による速度検出器の一例
で、例えば、図２における速度検出器２５に相当するも
ので、センサ２４としてロータリーエンコーダを用い、
上記したパルスレート(Ｐ１−Ｐ０)／(ｔ１−ｔ０)を速
度検出値Ｎdet として出力するように構成したものであ
る。

【００１６】ロータリーエンコーダから速度検出器２５
に入力されたＡ相とＢ相の各パルスはパルス加工回路１
に入力され、ここで、まず、回転方向の情報が加味され
たアップパルス信号Ｕとダウンパルス信号Ｄに変換され
る。そして、これらのアップパルス信号Ｕとダウンパル
ス信号Ｄはパルスカウンタ４に供給され、ここでエンコ
ーダ出力パルス数が、アップパルス信号Ｕではアップカ
ウントされ、ダウンパルス信号Ｄではダウンカウントさ
れ、カウント値Ｐが出力される。

【００１７】また、同時に、このパルス加工回路１で
は、入力されたＡ相とＢ相の各パルスから、それらの何
れか一方のパルスの入力時点を表わす情報となるパルス
エッジ信号が検出され、これが、ラッチ回路３にラッチ
信号として供給される。

【００１８】このラッチ回路３は、一定周期のクロック
φでカウントアップされる時間カウンタ２のカウント値
をラッチするする働きをするもので、これがパルスエッ
ジ信号をラッチ信号として動作した結果、このラッチ回
路３からは、エンコーダ出力パルスの各パルスが入力さ
れる毎に、その間隔を表わす時間Ｔが出力されることに
なる。

【００１９】次いで、これら時間Ｔとパルスカウント値
Ｐは、それぞれ差分回路５、６に入力され、ここでサン
プリング周期Ｔs 毎に供給されるサンプリングパルスＳ
により、１回前の値との差分が取られ、差分値ΔＴ、Δ
Ｐが出力される。例えばサンプリング時点Ｓ１では、差
分値ΔＴ＝(ｔ１−ｔ０)で、差分値ΔＰ＝(Ｐ１−Ｐ０)
となり、サンプリング時点Ｓ２では、差分値ΔＴ＝(ｔ
２−ｔ１)で、差分値ΔＰ＝(Ｐ２−Ｐ１)となる。

【００２０】そして、これらの差分値ΔＴ、ΔＰが除算
回路７に入力されるので、その出力からは、これらの除
算値であるパルスレートΔＰ／ΔＴが得られ、これが速
度検出値Ｎdet として出力されるので、これを、図２に
おけるモータ２３の速度制御に適用することにより、分
解能の高い速度検出値による高い精度の速度制御が容易
に得られることになる。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、エン
コーダ出力パルスに混入するノイズについて配慮がされ
ておらず、ノイズ混入時により速度検出値に大きな誤差
が発生してしまうという問題があった。

【００２２】パルスレート方式では、図３に示すよう
に、エンコーダ出力パルスにノイズが無いときには分解
能の高い速度検出値を得ることができるが、ノイズの混
入により、例えば、図５に示すように、例えばサンプリ
ング時点Ｓ１など、何れかのサンプリング時点におい
て、その前後にまたがってノイズが混入されてしまった
ときには、以下に説明するように、速度検出値に大きな
誤差が発生する。ここで、時点ｔ１から時点ｔ２までの
エンコーダ出力パルス数の変化がノイズの混入によるも
のである。

【００２３】上記しように、パルスレート方式では、例
えばサンプリング時点Ｓ２でのパルスレートは、(Ｐ２
−Ｐ１)／(ｔ２−ｔ１)となるが、このとき、図５に示
すように、ノイズによるエンコーダ出力パルスの変化
は、時点ｔ１から時点ｔ２までの極く短い時間に現われ
る。

【００２４】従って、このときは、時間の差分値ΔＴ
(＝ｔ２−ｔ１)がノイズの幅で決まる極めて小さな値に
なってしまうので、ΔＰ／ΔＴで表わされるパルスレー
トは、実際のパルスレートに対して、ほとんど桁違いと
いっても良い程の大きな値になってしまい、この結果、
速度検出値に大きな誤差を生じてしまうのである。

【００２５】そして、従来技術では、この大きな誤差を
持った速度検出値が発生したときでも、それがそのまま
出力されてしまうので、速度検出値に大きな誤差を持っ
てしまう。

【００２６】そして、このように大きな誤差をもった速
度検出値により速度制御を行えば急激な出力トルク低下
を招くなどの悪影響が免れない。そこで、従来から、こ
のようなパルスレート方式を採用したときには、それに
よる速度検出値に遅れフィルタを入れるなどの対策が施
されていた。

【００２７】しかし、このような遅れフィルタの適用
は、速度制御の応答性低下を伴うことになり、この結
果、従来技術によれば、速度検出の分解能と応答性がト
レードオフ(二律背反)関係になり、速度検出値の高精度
保持について根本的な対策になっているとはいえなかっ
た。

【００２８】本発明は、上記のような問題に鑑みてなさ
れたもので、その目的は、高精度で応答性のよい速度検
出値が容易に得られ、モータの速度制御装置に適用して
安定した制御が得られるようにした回転速度検出を提供
することにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ロータリエ
ンコーダを用い、該ロータリエンコーダの出力パルス数
変化とパルス入力時間差との比率により、所定のサンプ
リング周期毎に回転速度を算定する方式の回転速度検出
装置において、前記サンプリング期間毎に検出されたパ
ルス差分値に１を加算し、サンプリング周期で除算した
値をリミット値として、各サンプリング期間毎に出力す
るリミット値演算手段を設け、前記サンプリング周期毎
に算定される回転速度が前記リミット値に制限されるよ
うにして達成される。

【００３０】同じく上記目的は、ロータリエンコーダを
用い、該ロータリエンコーダの出力パルス数変化とパル
ス入力時間差との比率により、所定のサンプリング周期
毎に回転速度を算定する方式の回転速度検出装置におい
て、前記サンプリング期間毎に検出されたパルス差分値
に１を加算し、前回のサンプリング時点の直前に発生し
た前記ロー足りエンコーダの出力パルスの発生時点か
ら、現サンプリング時点までの期間で除算した値をリミ
ット値として、各サンプリング期間毎に出力するリミッ
ト値演算手段を設け、前記サンプリング周期毎に算定さ
れる回転速度が前記リミット値に制限されるようにして
も達成される。

【００３１】速度制御周期毎の速度検出において、前回
のサンプリング時点と該サンプリング時点との間にエン
コーダパルスがｎパルス入ったとした場合、この１サン
プリング周期でのエンコーダの回転速度は１サンプリン
グ周期にｎ＋１パルス入った場合の回転速度よりも必ず
低くなる。

【００３２】本発明は、この関係を利用したもので、１
サンプリング周期にｎ＋１パルス入った場合のエンコー
ダの回転速度を速度検出値の上限値とするリミッタでエ
ンコーダの回転速度検出値が制限されることになり、従
って、上記目的を達成することができるのである。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明による回転速度検出
装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態による回転速度検出装置１０
を示したもので、図において、８はリミット値演算器、
９はリミッタであり、その他のパルス加工回路１、時間
カウンタ２、ラッチ回路３、パルスカウンタ４、差分回
路５、６、それに除算回路７は、図２で説明した従来技
術と同じである。

【００３４】従って、ロータリーエンコーダから供給さ
れるＡ相パルスとＢ相パルスを入力し、これからパルス
レートΔＰ／ΔＴを検出するまでの動作も、図２の従来
技術と同じである。

【００３５】しかして、この図１の実施形態では、この
パルスレートΔＰ／ΔＴをそのまま速度検出値Ｎdet と
して出力するのではなく、一旦、速度検出値Ｎd として
リミッタ９に入力し、所定のリミット値Ｎlim により処
理してから速度検出値Ｎdetとして出力するように構成
してある点で、図２の従来技術とは異なっている。

【００３６】そして、このときのリミッタ９によるリミ
ット値Ｎlim を、サンプリング期間Ｔs とカウント値の
差分値ΔＰから、リミット値演算器８により演算するよ
うに構成し、更に、このリミット値演算器８によるリミ
ット値Ｎlim の演算内容を、図１にも示されているよう
に、次式の通りにした点を特長とするものである。

【００３７】Ｎlim ＝(|ΔＰ|＋１)／Ｔs ここで、分子の｜ΔＰ|は、エンコーダパルス数の差分
値ΔＰの絶対値であり、分母のＴs は、上記したよう
に、速度検出のサンプリング周期である。

【００３８】リミッタ９は、上記したように、速度検出
値Ｎd に対して、リミット値Ｎｌｉｍにより制限を与え
る働きをするもので、具体的には、入力された速度検出
値Ｎｄがリミット値Ｎlim を越えたときは、このリミッ
ト値Ｎlim が速度検出値Ｎdetとして出力されるように
なっている。

【００３９】従って、このリミッタ９から出力される速
度検出値Ｎdet は、速度検出値Ｎdと上限値Ｎlim の関
係で、次のようにして決められることになる。 Ｎd ＜−Ｎlim のとき → Ｎdet＝−Ｎlim −Ｎlim ≦ Ｎd ≦ Ｎlim のとき → Ｎdet＝Ｎd Ｎlim ＜Ｎd のとき → Ｎdet＝Ｎlim

【００４０】そこで、いま、何れかのサンプリング時
点、例えば図５に示すように、サンプリング時点Ｓ１の
前後にまたがった狭い幅のノイズの混入により、サンプ
リング時点Ｓ２で異常に大きな値の速度検出値Ｎd が現
われたとする。

【００４１】しかして、一方、このときは、リミット値
演算器８によるリミット値Ｎlim が２／Ｔs になってい
て、これがリミッタ９に入力されている。何故なら、こ
のときのカウント値の差分値ΔＰ、すなわち(Ｐ２−Ｐ
１)は、図５から明らかなように、１だからである。

【００４２】この結果、このときの速度検出値Ｎd が、
ノイズの状態にもよるが、いかに大きな値になったとし
ても、とにかく上記の状態、又はの状態になったと
きには、リミッタ９が作動するので、速度検出値Ｎdet
は、このときのリミット値Ｎlim である２／Ｔs にさ
れ、速度検出値Ｎdet が異常に大きな値になることはな
い。

【００４３】従って、この図１に示した回転速度検出装
置１０によれば、ノイズが混入したときでも速度検出値
が異常に大きくなる虞れがなく、ほほ平常値に近い速度
検出値を出力させることができ、この結果、パルスレー
ト方式による高い分解能と高い応答性を備えた速度検出
値を容易に得ることができる。

【００４４】そして、この結果、この図１の実施形態に
よれば、ベクトル制御方式の電動機制御装置などに適用
して高精度の制御を容易に得ることができる。

【００４５】次に、ここで、この本発明の実施形態での
リミット値Ｎlim について、それが上記したように、以
下の計算式、すなわち、 Ｎlim ＝(|ΔＰ|＋１)／Ｔs で与えられるようにした理由について説明する。

【００４６】この場合、各サンプリング時点で次々と与
えられる速度検出値Ｎd が、単に或るサンプリング期間
で大きく変化したからといって、それが必ずしもノイズ
による異常値であるとは言えず、実際にロータリーエン
コーダの回転速度が増加した結果であるかも知れない。

【００４７】従って、このリミット値Ｎlim としては、
そのとき与えられた速度検出値Ｎdが、間違いなくノイ
ズなどによる異常値であることが識別でき、且つ、可能
な限り実際の速度検出値Ｎdet に近い値になっている必
要がある。

【００４８】そこで、本発明では、前回のサンプリング
時点と現サンプリング時点の間でのエンコーダパルスの
個数がｎ個のとき、このｎ個のパルスに１個、パルスを
加えて(ｎ＋１)個のパルスとた上で、分母となる差分値
ΔＴをサンプリング周期Ｔsにしてやれば、ノイズなど
による異常がない限りは、(ｎ＋１)個のパルスにより表
わされる回転速度よりｎ個のパルスで表わされる回転速
度の方が必ず低くできることに着目し、上記した式、す
なわち、 Ｎlim ＝(|ΔＰ|＋１)／Ｔs より速度検出値の上限値となるリミット値Ｎlim が設定
されるように構成したものである。

【００４９】従って、この実施形態によれば、実際の回
転速度に充分に近い上下限値をリミット値Ｎlim として
次々に設定して行くことができ、この結果、正常状態と
異常状態の識別が極めて的確に得られ、ノイズによる異
常な回転速度検出値の発生を確実に抑え、異常による乱
れが小さく、常に正常状態に近い速度検出値を出力させ
ることができる。

【００５０】ところで、以上の実施形態では、リミット
値Ｎlim の演算式における分母がサンプリング周期Ｔs
になっている。しかし、図５から明らかなように、ノイ
ズによるパルス数Ｐの変化は時点ｔ１で現われている。

【００５１】そこで、他の実施形態として、リミット値
Ｎlim を次の式、すなわち、 Ｎlim＝(|ΔＰ|＋１)／(Ｔs＋Δｔ) により算出するようにしてもよい。ここで、Δｔは、前
回のサンプリング時点、つまり図５の場合にはＳ１と、
その直前のエンコーダパルスの入力時点ｔ１の差の時
間、すなわち、Δｔ＝(Ｓ１−ｔ１)である。

【００５２】従って、この他の実施形態によれば、実際
の回転速度により一層近い上下限値をリミット値Ｎlim
として設定することができ、この結果、正常状態と異常
状態を更に的確に識別することができ、異常による乱れ
が更に少ない速度検出値を容易に得ることができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、ロータリーエンコーダ
を用いたパルスレート方式の回転速度検出装置における
異常検出値の発生が確実に抑えられるので、電動機制御
装置に適用して、高い制御応答性のもとで、高精度の回
転速度制御を容易に得ることができる。

【００５４】また、このとき、異常時でも、正常時から
の乱れの少ない速度検出値がそのまま発生できるので、
常に安定した回転速度制御状態を保つことができ、信頼
性の高い電動機制御装置が容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による回転速度検出装置の一実施形態を
示すブロック図である。

【図２】回転速度検出装置を用いた電動機制御装置の一
例を示すブロック図である。

【図３】ロータリーエンコーダを用いたパルスレート方
式による回転速度の検出原理を説明するための特性図で
ある。

【図４】従来技術による回転速度検出装置の一例を示す
ブロック図である。

【図５】ロータリーエンコーダを用いたパルスレート方
式による回転速度の検出における問題点を説明するため
の特性図である。

【符号の説明】

１ パルス加工回路 ２ カウンタ(時間計測用) ３ ラッチ回路(時間データラッチ用) ４ パルスカウンタ ５ 差分回路(時間差用) ６ 差分回路(パルス差用) ７ 除算回路 ８ リミット値演算器 ９ リミッタ １０ 本発明の一実施形態による回転速度検出装置 ２０ 速度制御装置 ２１ 速度制御器 ２２ 電流アンプ ２３ モータ ２４ 速度センサ ２５ 回転速度検出器 ２６ 速度差分の減算器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータリエンコーダを用い、該ロータリ
   エンコーダの出力パルス数変化とパルス入力時間差との
   比率により、所定のサンプリング周期毎に回転速度を算
   定する方式の回転速度検出装置において、 前記サンプリング期間毎に検出されたパルス差分値に１
   を加算し、サンプリング周期で除算した値をリミット値
   として、各サンプリング期間毎に出力するリミット値演
   算手段を設け、 前記サンプリング周期毎に算定される回転速度が前記リ
   ミット値に制限されるように構成したことを特徴とする
   回転速度検出装置。
2. 【請求項２】 ロータリエンコーダを用い、該ロータリ
   エンコーダの出力パルス数変化とパルス入力時間差との
   比率により、所定のサンプリング周期毎に回転速度を算
   定する方式の回転速度検出装置において、 前記サンプリング期間毎に検出されたパルス差分値に１
   を加算し、前回のサンプリング時点の直前に発生した前
   記ロー足りエンコーダの出力パルスの発生時点から、現
   サンプリング時点までの期間で除算した値をリミット値
   として、各サンプリング期間毎に出力するリミット値演
   算手段を設け、 前記サンプリング周期毎に算定される回転速度が前記リ
   ミット値に制限されるように構成したことを特徴とする
   回転速度検出装置。