JP2009244022A - 位相検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】正弦波エンコーダから出力される正弦波信号に歪みがあっても、正確に位相検出をする。
【解決手段】正弦波エンコーダ１１から出力される９０度位相の異なる２相の正弦波信号ａ，ｂに歪があると、これらの信号から演算して得られた位相には、正確に得たい機械的位相に対し誤差が生じる。実運用時に正確な位相が必要なため、エンコーダの信号から演算された誤差を含む検出位相と正確な機械的位相との関係を予め調査する。正確な位相を得る第一の発明は、調査した正確な位相とエンコーダの信号から演算された誤差を含む検出位相との関係からテーブルを作成して、実運用における誤差を含んだ検出信号から、テーブルを参照して正確な位相を出力する。第二の発明は、誤差だけのテーブルを作成して、エンコーダから検出、演算された誤差を含んだ位相に対し、テーブルの誤差分だけを補正して、正確な位相を得る。
【選択図】図１

Description

本発明はエンコーダを用いた位相検出回路に関し、エンコーダから出力される正弦波信号が歪んでいても、正確に位相検出ができるように工夫したものである。

モータを可変速制御するインバータ装置においては、モータの速度（回転数）や回転位相を検出するセンサとして、エンコーダが用いられている。
エンコーダとしては、位相が異なる二相の方形波パルスをエンコーダ信号として出力するタイプと、位相が異なる二相の正弦波信号をエンコーダ信号として出力するタイプとがある。

ここで、位相が９０°異なる二相の正弦波信号を出力する正弦波エンコーダを用いた従来技術の位相検出回路を、図５を参照して説明する。

図５において、正弦波エンコーダ１は、例えばインバータにより駆動されるモータの回転部分などの回転体（検出対象である回転体）に取り付けられている。
この正弦波エンコーダ１は、回転体の回転に伴い、位相が９０°異なる二相の正弦波信号、具体的にはＡ相正弦波信号ａと、Ａ相正弦波信号ａに対して位相が９０°異なるＢ相正弦波信号ｂを出力する（図６（ａ）参照）。

アナログ信号であるＡ相正弦波信号ａは、ローパスフィルタ２を通ってノイズ抑制がされてからＡ／Ｄ変換器４に送られ、アナログ信号であるＢ相正弦波信号ｂは、ローパスフィルタ３を通ってノイズ抑制がされてからＡ／Ｄ変換器４に送られる。

Ａ／Ｄ変換器４は、アナログ信号であるＡ相正弦波信号ａをデジタル信号であるＡ相正弦波信号ａｄに変換して出力すると共に、アナログ信号であるＢ相正弦波信号ｂをデジタル信号であるＢ相正弦波信号ｂｄに変換して出力する。

位相演算器５は、予め決めたサンプリング周期（このサンプリング周期は、正弦波信号ａ，ｂの周期に対して極めて短い）毎に、Ａ相正弦波信号ａｄの振幅Ｌａと、Ｂ相正弦波信号ｂｄの振幅Ｌｂを基に、ｔａｎ^-1（Ｌｂ／Ｌａ）という演算をして、この演算結果を実位相θｒとする。
この実位相θｒは、正弦波信号ａ，ｂ（ａｄ，ｂｄ）の一周期の半分の周期で繰り返す値となる（図6（ｂ）参照）。

そこで、位相演算器５は、実位相θｒが零となる原点Ｐに対して、実位相θｒが最初に不連続となる位相（正弦波信号の最初の半周期、つまり正弦波信号の周期において１８０°）を過ぎると、１８０°を加算し、実位相が次に不連続となる位相（正弦波信号の次の半周期、つまり正弦波信号の周期において３６０°）を過ぎると、値をリセットすることにより、検出対象である回転体の回転位相（機械的な回転角度）を示す総合実位相θＲを出力する（図６（ｃ）参照）。

この総合実位相θＲは、図６（ｃ）に示すように、０°から３６０°において直線的に増加する特性となり、３６０°において零にリセットされ、再び直線的に増加する特性となる。
この総合実位相θＲが、検出対象である回転体の回転位相（回転角度）の検出角度を示すものとなる。
なお図６（ａ）〜（ｃ）において、横軸θは、検出対象である回転体の回転位相を示す

一方、検出対象である回転体の回転速度は、例えば、次のようにして求めることができる。
即ち、現在のサンプリングタイミングをＴｎ、現在のサンプリングタイミングＴｎにおける総合実位相θＲの位相をθｎ、前回のサンプリングタイミングをＴｎ−１、前回のサンプリングタイミングにおける総合実位相θＲの位相をθｎ−１とすると、検出対象である回転体の回転速度を次式により求めることができる。
［（θｎ−１）−θｎ］／［（Ｔｎ−１）−Ｔｎ］

このように、正弦波エンコーダ１を用いた位相検出回路では、方形波パルスをエンコーダ信号として出力するエンコーダを用いた位相検出回路とは異なり、各サンプリングタイミングにおいて、正弦波信号ａ，ｂ（ａｄ，ｂｄ）の正確な位相を検出することができるので、低速域であっても、総合実位相θＲや速度を正確に検出することができるというメリットがある。

特開２００６−９０７３８ 特開２００７−１０７８８６

ところで、エンコーダの個々の特性によっては、正弦波信号ａ，ｂ（ａｄ，ｂｄ）の波形が歪むことがある。しかも、この歪みは、正弦波信号ａ，ｂ（ａｄ，ｂｄ）の各周期でみた場合に、同じような歪み特性となっていることがある。例えば、今回の１周期における歪み特性と、前回や前々回や前前々回・・・・のそれぞれの１周期における歪み特性が同じになっていることがある。

このように、正弦波信号ａ，ｂ（ａｄ，ｂｄ）の波形が歪んでいると、総合実位相θＲを正確に検出することができない。更に、総合実位相θＲの検出精度が低下することにより、速度検出精度も低下してしまう。

ここで、正弦波信号ａ，ｂの波形が歪んでいる場合に、実位相の誤差が生ずることを図７を参照して説明する。
図７（ａ）は正弦波信号ａ，ｂを示す。この正弦波信号ａ，ｂが歪んで例えば、図７（ｂ）に示すような三角波ａ△、ｂ△になったとする。
図７（ｃ）において、実線で示す特性は正弦波信号ａ，ｂを基に求めた実位相であり直線特性となっており、点線で示す特性は三角波ａ△、ｂ△を基に求めた実位相であり直線特性とはなっていない。３６０°にまで拡張した総合実位相θＲを図７（ｄ）に示す。

図７（ｅ）は、正弦波信号ａ，ｂを基に求めた実位相と、三角波ａ△、ｂ△を基に求めた実位相との誤差を示す。図７（ｅ）に示すように、誤差は最大で4°である。

本発明は、上記従来技術に鑑み、正弦波エンコーダから出力される正弦波信号に歪みあっても、検出対象である回転体の位相を精度良く検出することができる位相検出回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
検出対象である回転体に取り付けられ、前記回転体の回転に伴いＡ相正弦波信号と、Ａ相正弦波信号に対して位相が９０°異なるＢ相正弦波信号を出力する正弦波エンコーダと、
予め決めたサンプリング周期毎に、Ａ相正弦波信号の振幅ＬａとＢ相正弦波信号の振幅Ｌｂを求めると共にｔａｎ^-1（Ｌｂ／Ｌａ）の演算をしてこの演算結果を実位相θｒとし、更に、一方の正弦波信号の位相が０°から１８０°となっている状態においては、前記実位相θｒの値をそのまま用いた総合実位相θＲを出力し、一方の正弦波信号の位相が１８０°から３６０°となっている状態においては、前記実位相θｒに１８０°を加えた値を総合実位相θＲとして出力する位相演算器と、
を有する位相検出回路において、
総合実位相θＲの各回転位相に対応して、前記検出対象の実際の回転位相を示す補正総合実位相θＲｃが予め設定されており、前記位相演算器から総合実位相θＲが送られてくると、この総合実位相θＲに対応した補正総合実位相θＲｃを出力する位相補正器を備えていることを特徴とする。

また本発明の別の構成は、
検出対象である回転体に取り付けられ、前記回転体の回転に伴いＡ相正弦波信号と、Ａ相正弦波信号に対して位相が９０°異なるＢ相正弦波信号を出力する正弦波エンコーダと、
予め決めたサンプリング周期毎に、Ａ相正弦波信号の振幅ＬａとＢ相正弦波信号の振幅Ｌｂを求めると共にｔａｎ^-1（Ｌｂ／Ｌａ）の演算をしてこの演算結果を実位相θｒとし、更に、一方の正弦波信号の位相が０°から１８０°となっている状態においては、前記実位相θｒの値をそのまま用いた総合実位相θＲを出力し、一方の正弦波信号の位相が１８０°から３６０°となっている状態においては、前記実位相θｒに１８０°を加えた値を総合実位相θＲとして出力する位相演算器と、
を有する位相検出回路において、
総合実位相θＲの各回転位相に対応して、前記検出対象の実際の回転位相と総合実位相θＲの偏差である加算位相Ｋが予め設定されており、前記位相演算器から総合実位相θＲが送られてくると、この総合実位相θＲに対応した加算位相Ｋを出力する補正演算器と、
前記位相演算器から出力される総合実位相θＲと、前記補正演算器から出力される加算位相Ｋとを加算して、補正総合実位相θＲｃとして出力する加算器とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、正弦波エンコーダから出力される正弦波信号に歪みが含まれていても、位相演算器により求める総合実位相を、正弦波信号の歪み分に応じて補正して補正総合実位相を求めるため、補正総合実位相は、検出対象である回転体の位相を正確に示すことになる。つまり検出対象の位相を正確に検出することができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る位相検出回路を示す。
実施例１の位相検出回路に用いた正弦波エンコーダ１１は、例えばインバータにより駆動されるモータの回転部分などの回転体（検出対象である回転体）に取り付けられている。
この正弦波エンコーダ１１は、回転体の回転に伴い、位相が９０°異なる二相の正弦波信号、具体的にＡ相正弦波信号ａと、Ａ相正弦波信号ａに対して位相が９０°異なるＢ相正弦波信号ｂを出力する（図６（ａ）参照）。

この正弦波エンコーダ１１から出力される正弦波信号ａ，ｂは、その波形が歪むことがある。ただし、この波形の歪みは、正弦波信号ａ，ｂの各周期でみた場合に、同じような歪み特性となっている。例えば、今回の１周期における歪み特性と、前回や前々回や前前々回・・・・の１周期における歪み特性が同じになっている。

アナログ信号であるＡ相正弦波信号ａは、ローパスフィルタ１２を通ってノイズ抑制がされてからＡ／Ｄ変換器１４に送られ、アナログ信号であるＢ相正弦波信号ｂは、ローパスフィルタ１３を通ってノイズ抑制がされてからＡ／Ｄ変換器１４に送られる。

Ａ／Ｄ変換器１４は、アナログ信号であるＡ相正弦波信号ａをデジタル信号であるＡ相正弦波信号ａｄに変換してＡ相正弦波信号ａｄの振幅Ｌａとして出力すると共に、アナログ信号であるＢ相正弦波信号ｂをデジタル信号であるＢ相正弦波信号ｂｄに変換してＢ相正弦波信号ｂｄの振幅Ｌｂとして出力する。

位相演算器１５は、予め決めたサンプリング周期（このサンプリング周期は、正弦波信号ａ，ｂの周期に対して極めて短い）毎に、Ａ相正弦波信号ａｄの振幅Ｌａと、Ｂ相正弦波信号ｂｄの振幅Ｌｂを基に、ｔａｎ^-1（Ｌｂ／Ｌａ）という演算をして、この演算結果を実位相θｒとする。

更に位相演算器１５は、実位相θｒが零となる原点Ｐに対して、実位相θｒが最初に不連続となる位相（正弦波信号の最初の半周期、つまり正弦波信号の周期において１８０°）を過ぎると、１８０°を加算し、実位相が次に不連続となる位相（正弦波信号の次の半周期、つまり正弦波信号の周期において３６０°）を過ぎると、値をリセットすることにより、検出対象である回転体の回転位相（回転角度）を示す総合実位相θＲを出力する（図６（ｃ）参照）。

この総合実位相θＲは、図６（ｃ）に示すように、０°から３６０°において直線的に増加する特性となり、３６０°において零にリセットされ、再び直線的に増加する特性となる。

位相補正器１６には、位相補正テーブルが予め設定されている。この位相補正テーブルは、例えば図２に示すようなものになっている。
この位相補正テーブルは、左欄が位相演算器１５の出力である総合実位相θＲであり、右欄が補正総合実位相θＲｃである。

図２に示す位相補正テーブルは、次のようにして予め求めたものである。
まず、正弦波エンコーダ１１が取り付けられている検出対象である回転体（例えばモータ）をフリー回転させる。このとき、位相演算器１５から出力される総合実位相θＲの回転位相に対し、検出対象の実際の回転位相を他の検出器などにより正確に検出した位相を求めることにより、図２の位相補正テーブルが求まる。

位相補正器１６は、位相演算器１５から総合実位相θＲが送られてくると、図２に示す補正テーブルを参照して、総合実位相θＲに対応する補正総合実位相θＲｃを求め、この対応する補正総合実位相θＲｃを出力する。例えば、総合実位相θＲが１２．９°のときには、補正総合実位相θＲｃとして１０°を出力する。
この補正総合実位相θＲｃは、検出対象の実際の回転位相を示すものであるため、正確な位相検出をすることができる。

また正確な位相検出値となっている、補正総合実位相θＲｃを利用するので、速度検出をすれば、正確な速度検出もできる。

前述した実施例１では位相補正器１６を用いていたが、実施例２では、位相補正器１６の代わりに補正演算器１７と加算器１８を採用している。
他の部分の構成は、実施例１と同一であるため、実施例１と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

補正演算器１７には、加算位相テーブルが予め設定されている。この加算位相テーブルは、例えば図４に示すようなものになっている。
この加算位相テーブルは、左欄が位相演算器１５の出力である総合実位相θＲであり、右欄が加算位相Ｋである。

図４に示す加算位相テーブルは、次のようにして予め求めたものである。
まず、正弦波エンコーダ１１が取り付けられている検出対象である回転体（例えばモータ）をフリー回転させる。このとき、位相演算器１５から出力される総合実位相θＲの回転位相に対し、検出対象の実際の回転位相を他の検出器などにより正確に検出し、この検出した位相と総合実位相θＲとの偏差を加算位相として求めることにより、図４の加算位相テーブルが求まる。

例えば、位相演算器１５から出力される総合実位相θＲが１２．９°のときには、検出対象の実際の回転位相は１０°であるため加算位相Ｋは−２．９°になる。

補正演算器１７は、位相演算器１５から総合実位相θＲに対して、図４に示す補正テーブルを参照して、総合実位相θＲに対応する加算位相Ｋを求め、この対応する加算位相Ｋを出力する。例えば、総合実位相θＲが１２．９°のときには、加算位相Ｋとして−２．９°を出力する。

加算器１８は、総合実位相θＲ（例えば１２．９°）に加算位相Ｋ（例えば−２．９°）を加算し、この加算値を補正総合実位相θＲｃ（例えば１０°）として出力する。この補正総合実位相θは、検出対象の実際の回転位相を示すものであるため、正確な位相検出をすることができる。

また正確な位相検出値となっている、補正総合実位相θＲｃを利用するので、速度検出をすれば、正確な速度検出もできる。

本発明の実施例１に係る位相検出回路を示す回路図。 位相補正テーブルを示す説明図。 本発明の実施例２に係る位相検出回路を示す回路図。 加算位相テーブルを示す説明図。 従来の位相検出回路を示す回路図。 正弦波信号，実位相，総合実位相を示す特性図。 波形歪みに起因する誤差を説明するための特性図。

符号の説明

１，１１ 正弦波エンコーダ
２，３，１２，１３ ローパスフィルタ
４，１４ Ａ／Ｄ変換器
５，１５ 位相演算器
１６ 位相補正器
１７ 補正演算器
１８ 加算器

Claims (2)

1. 検出対象である回転体に取り付けられ、前記回転体の回転に伴いＡ相正弦波信号と、Ａ相正弦波信号に対して位相が９０°異なるＢ相正弦波信号を出力する正弦波エンコーダと、
   予め決めたサンプリング周期毎に、Ａ相正弦波信号の振幅ＬａとＢ相正弦波信号の振幅Ｌｂを求めると共にｔａｎ^-1（Ｌｂ／Ｌａ）の演算をしてこの演算結果を実位相θｒとし、更に、一方の正弦波信号の位相が０°から１８０°となっている状態においては、前記実位相θｒの値をそのまま用いた総合実位相θＲを出力し、一方の正弦波信号の位相が１８０°から３６０°となっている状態においては、前記実位相θｒに１８０°を加えた値を総合実位相θＲとして出力する位相演算器と、
   を有する位相検出回路において、
   総合実位相θＲの各回転位相に対応して、前記検出対象の実際の回転位相を示す補正総合実位相θＲｃが予め設定されており、前記位相演算器から総合実位相θＲが送られてくると、この総合実位相θＲに対応した補正総合実位相θＲｃを出力する位相補正器を備えていることを特徴とする位相検出回路。
2. 検出対象である回転体に取り付けられ、前記回転体の回転に伴いＡ相正弦波信号と、Ａ相正弦波信号に対して位相が９０°異なるＢ相正弦波信号を出力する正弦波エンコーダと、
   予め決めたサンプリング周期毎に、Ａ相正弦波信号の振幅ＬａとＢ相正弦波信号の振幅Ｌｂを求めると共にｔａｎ^-1（Ｌｂ／Ｌａ）の演算をしてこの演算結果を実位相θｒとし、更に、一方の正弦波信号の位相が０°から１８０°となっている状態においては、前記実位相θｒの値をそのまま用いた総合実位相θＲを出力し、一方の正弦波信号の位相が１８０°から３６０°となっている状態においては、前記実位相θｒに１８０°を加えた値を総合実位相θＲとして出力する位相演算器と、
   を有する位相検出回路において、
   総合実位相θＲの各回転位相に対応して、前記検出対象の実際の回転位相と総合実位相θＲの偏差である加算位相Ｋが予め設定されており、前記位相演算器から総合実位相θＲが送られてくると、この総合実位相θＲに対応した加算位相Ｋを出力する補正演算器と、
   前記位相演算器から出力される総合実位相θＲと、前記補正演算器から出力される加算位相Ｋとを加算して、補正総合実位相θＲｃとして出力する加算器と、
   を備えていることを特徴とする位相検出回路。

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