JP2010164426A - Ｒｄコンバータ及び角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レゾルバの回転数により変動する角度誤差を良好に補正できるようにする。
【解決手段】レゾルバ信号Ｓ１とＳＩＮ ＲＯＭ２６の出力とを乗算する乗算器２１と、レゾルバ信号Ｓ２とＣＯＳ ＲＯＭ２７の出力とを乗算する乗算器２２と、乗算器２２の出力から乗算器２１の出力を減算する減算器２３と、減算器２３の出力を励磁信号を参照して同期検波する同期検波回路２４と、同期検波回路２４の出力が零になるように出力角度θ’を制御してその出力角度θ’を出力する制御器２５と、出力角度θ’が入力され、その出力角度θ’に対する補正角度θ_ｃを出力する補正データ部５０と、出力角度θ’と補正角度θ_ｃとを加算して、その加算値をＳＩＮ ＲＯＭ２６及びＣＯＳ ＲＯＭ２７に出力する加算器４１と、加算値の正弦値を生成して出力するＳＩＮ ＲＯＭ２６と、加算値の余弦値を生成して出力するＣＯＳ ＲＯＭ２７とよりなる。
【選択図】図８

Description

この発明はモータの回転角度を検出するレゾルバから出力されるレゾルバ信号をディジタル出力角度に変換するＲＤコンバータ及びそのＲＤコンバータを具備する角度検出装置に関する。

レゾルバは通常、角度誤差を有しているため、高精度な角度検出を行うためには角度誤差を補正する必要がある。

このようなレゾルバの角度誤差を補正する方法が特許文献１に記載されている。特許文献１では事前に一定回転数でレゾルバを回転させたときのＲＤコンバータ（Ｒ／Ｄ変換器）の出力角度と、レゾルバの回転を時間計測して割り出した角度データ基準とを比較して、レゾルバの角度誤差特性を算出し、補正用メモリに記録するものとなっており、角度誤差特性はＲＤコンバータの出力角度に対する補正後の角度という形で補正用メモリに記録されている。

運用時はＲＤコンバータの出力角度が補正用メモリに入力され、その入力された出力角度に対応する補正後角度を補正用メモリから出力することで、角度誤差が補正された角度が得られるものとなっている。

特開平１０−１７０５３１号公報

上述したように、特許文献１に記載されているレゾルバの角度誤差の補正はＲＤコンバータの出力角度に対して補正を行うものとなっている。しかるに、ＲＤコンバータを介したレゾルバの角度誤差特性はレゾルバの回転数によって変動し、このような回転数によって変動する角度誤差には特許文献１に記載されている補正方法では対応することができず、つまり角度誤差を補正することができないといった問題がある。

また、補正用メモリには補正後の角度を記録する必要があるため、大きな容量を必要とする。例えば、ＲＤコンバータの出力角度の分解能を１２ｂｉｔとした場合、各角度に対する補正後角度を記録する必要があるため、２^１２×１２ｂｉｔ＝４９１５２ｂｉｔのメモリ容量が必要となる。

この発明の目的はこのような問題に鑑み、レゾルバの回転数により、レゾルバの角度誤差特性が変動しても良好に角度誤差を補正することができ、また補正のために用いるメモリ容量を従来に比し、削減することができるようにしたＲＤコンバータを提供することにあり、さらにそのようなＲＤコンバータを具備した角度検出装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、１相励磁・２相出力のレゾルバから出力されるレゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２の検出角度θをディジタル出力角度θ’に変換するＲＤコンバータは、レゾルバ信号Ｓ１とＳＩＮ ＲＯＭの出力とを乗算する第１の乗算器と、レゾルバ信号Ｓ２とＣＯＳ ＲＯＭの出力とを乗算する第２の乗算器と、第２の乗算器の出力から第１の乗算器の出力を減算する減算器と、減算器の出力を励磁信号を参照して同期検波する同期検波回路と、同期検波回路の出力が零になるようにディジタル出力角度θ’を制御して、そのディジタル出力角度θ’を出力する制御器と、ディジタル出力角度θ’が入力され、そのディジタル出力角度θ’に対する補正角度を出力する補正データ部と、ディジタル出力角度θ’と補正角度とを加算して、その加算値をＳＩＮ ＲＯＭ及びＣＯＳ ＲＯＭにそれぞれ出力する加算器と、前記加算値の正弦値を生成して出力する前記ＳＩＮ ＲＯＭと、前記加算値の余弦値を生成して出力する前記ＣＯＳ ＲＯＭとを具備する。

請求項２の発明では請求項１の発明において、補正データ部はレゾルバの角度誤差をメモリに記憶しており、入力されたディジタル出力角度θ’に対する角度誤差をメモリから読み出して補正角度として出力する。

請求項３の発明では請求項１の発明において、補正データ部はレゾルバ回転数の基本周波数成分及び整数倍周波数成分の角度誤差の振幅及び位相を記憶しており、それら振幅及び位相を基に入力されたディジタル出力角度θ’の基本周波数及び整数倍周波数の余弦波をそれぞれ生成し、それら余弦波の和を補正角度として出力する。

請求項４の発明では請求項１の発明において、制御器の伝達関数が（Ｋ／ｓ^２）・｛（τ_１ｓ＋１）／（τ_２ｓ＋１）｝とされる。

請求項５の発明によれば、角度検出装置は１相励磁・２相出力のレゾルバと、請求項１乃至４記載のいずれかのＲＤコンバータと、レゾルバとＲＤコンバータとに励磁信号を供給する励磁信号発生器とを備える。

この発明によるＲＤコンバータによれば、角度演算ループでレゾルバの角度誤差の補正を行うものとなっており、つまりＲＤコンバータの出力角度と補正角度を加算し、その加算後の角度をフィードバックするものとなっており、これによりレゾルバの回転数によりレゾルバの角度誤差特性が変動しても良好に角度誤差を補正することができるものとなっている。

また、この発明では従来例のように補正後の角度を記録する必要はなく、例えば誤差量（真の角度とレゾルバ出力角度の差）を記録すればよいため、メモリ容量を削減することが可能となる。

ＲＤコンバータ及び角度検出装置の基本構成例を示すブロック図。 図１の構成を簡略化したブロック図。 レゾルバの角度誤差特性の一例（基本周波数成分のみ）を示すグラフ。 図２のＲＤコンバータの特性を示すグラフ。 図４に示した特性を有するＲＤコンバータに誤差がないレゾルバ角度θ_ｔを入力したときの出力角度の応答及びそのときの出力角度誤差を示すグラフ。 図４に示した特性を有するＲＤコンバータに角度誤差θ_ｅを入力したときの出力角度の応答（角度誤差）を示すグラフ。 図４に示した特性を有するＲＤコンバータにおいて、従来の補正を行った場合の出力角度誤差を示すグラフ。 この発明によるＲＤコンバータの一実施例の構成を示すブロック図。 図８の構成を簡略化したブロック図。 図９のブロック図を変形したブロック図。 この発明によるＲＤコンバータの角度誤差の補正結果を示すグラフ。 この発明によるＲＤコンバータの他の実施例の構成を示すブロック図。 図１２における補正データ部を時分割処理するようにした回路構成を示す図。 図１３に示した補正データ部のタイミングチャート。 補正データの生成及び書き込みを説明するためのブロック図。 レゾルバの角度誤差特性の一例を示すグラフ。 演算方式の場合の補正データの一例を示す表。

まず、最初にレゾルバ・ＲＤコンバータの角度算出原理について説明する。
図１はＲＤコンバータの基本構成例をレゾルバ及び励磁信号発生器と共に示したものである。

レゾルバ１０は１相励磁・２相出力とされ、レゾルバ１０から出力される第１のレゾルバ信号Ｓ１及び第２のレゾルバ信号Ｓ２はＲＤコンバータ２０に入力される。また、励磁信号発生器３０から励磁信号がレゾルバ１０及びＲＤコンバータ２０に入力される。励磁信号をsin ωｔとすると、レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２は、
Ｓ１：cos θ sin ωｔ
Ｓ２：sin θ sin ωｔ
となる。θはレゾルバ１０の検出角度を示す。

ＲＤコンバータ２０はこの例では第１の乗算器２１と第２の乗算器２２と減算器２３と同期検波回路２４と制御器２５とＳＩＮ ＲＯＭ２６とＣＯＳ ＲＯＭ２７とによって構成されている。ＲＤコンバータ２０はこのような構成要素よりなる角度演算ループでレゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２の検出角度θをディジタル出力角度θ’に変換して出力する。

ＳＩＮ ＲＯＭ２６にはディジタル出力角度θ’が入力され、ＳＩＮ ＲＯＭ２６はそのディジタル出力角度θ’の正弦値sin θ’を生成して乗算器２１に出力する。同様に、ＣＯＳ ＲＯＭ２７はディジタル出力角度θ’からディジタル出力角度θ’の余弦値cos θ’を生成して乗算器２２に出力する。

乗算器２１はレゾルバ信号Ｓ１とsin θ’とを乗算して、その乗算値を減算器２３に出力し、乗算器２２はレゾルバ信号Ｓ２とcos θ’とを乗算して、その乗算値を減算器２３に出力する。減算器２３は乗算器２２の出力から乗算器２１の出力を減算し、その減算値を同期検波回路２４に出力する。減算器２３から同期検波回路２４に入力される信号は、
sin ωｔ（sin θ cos θ’−cos θ sin θ’）
＝sin ωｔ sin（θ−θ’）
となる。

同期検波回路２４はこの信号を励磁信号発生器３０から入力される励磁信号sin ωｔを参照して同期検波し、sin ωｔを除去してその検波出力である制御偏差sin（θ−θ’）を制御器２５に出力する。制御器２５は制御偏差sin（θ−θ’）が零になるようにディジタル出力角度θ’を制御するため、結果、θ＝θ’となり、検出角度θをディジタル出力角度θ’に変換して出力する。制御器２５の伝達関数は図１中に示したように、（Ｋ／ｓ^２）・｛（τ_１ｓ＋１）／（τ_２ｓ＋１）｝で表される。

ここで、θ≒θ’の場合、同期検波回路２４の出力は、
sin（θ−θ’）＝θ−θ’
と簡略化することができ、これより図１の構成は図２に示したように簡略化することができる。

次に、レゾルバの角度誤差特性について説明する。
レゾルバの角度誤差はレゾルバ角度に依存した誤差となる。一例を図３に示す。なお、角度誤差は実際には後述の図１６に示すようにレゾルバ回転数の整数倍周波数成分を有するが、ここでは説明上、簡略化して基本周波数成分のみ示す。

ここで、誤差がない理想的なレゾルバの角度をθ_ｔとし、図３に示した角度誤差をθ_ｅとする。レゾルバが回転数Ｖrpsで回転している場合、レゾルバの検出角度θは、
θ_ｔ＝３６０×Ｖ×ｔ （ｔ：時間［ｓ］）
θ_ｅ＝sin θ_ｔ
θ ＝θ_ｔ＋θ_ｅ
となる。

このθを図２に示すＲＤコンバータ２０’に入力したとき、ＲＤコンバータ２０’の出力がどのようになるかを以下に説明する。

図２における制御器２５の伝達関数の係数を、
Ｋ ＝２×１０^６
τ_１＝１×１０^−３
τ_２＝１×１０^−４
とすると、ＲＤコンバータ２０’の特性は図４に示したようになる。

このＲＤコンバータ２０’に誤差がない理想的なレゾルバ角度θ_ｔを入力したときの応答について説明する。

ＲＤコンバータ２０’の特性は２次系であるため、回転数Ｖが一定の場合、一定時間後のレゾルバ角度θ_ｔと出力角度θ’の差は０となる。図５にレゾルバ回転数１０００ｒｐｓ時のレゾルバ角度θ_ｔとＲＤコンバータ２０’の出力角度θ’の応答及びそのときの角度誤差（θ’−θ_ｔ）を示す。

次に、ＲＤコンバータ２０’に角度誤差θ_ｅを入力したときの応答について説明する。
θ_ｅはθ_ｅ＝sin θ_ｔで表され、周期的に変動するため、入力する周波数によって出力特性が変化する。レゾルバを１０００ｒｐｓで回転したときには１０００Ｈｚの信号となる。この信号をＲＤコンバータ２０’に入力した場合、図４に示した特性より振幅は０．３倍となり、位相は１１７°遅れることになる。図６にレゾルバ回転数１０ｒｐｓの場合及び１０００ｒｐｓの場合の応答を示す。レゾルバの回転数の違いによりＲＤコンバータ２０’から出力される出力角度誤差特性が異なることが分かる。

以上より、レゾルバの検出角度θをＲＤコンバータに入力した場合、ＲＤコンバータの出力角度θ’はレゾルバの角度誤差であるθ_ｅによりレゾルバの回転数に応じて変動する。

前述の特許文献１に記載されているレゾルバの角度誤差の補正方法ではＲＤコンバータの出力角度に対して補正をかけるため、レゾルバの回転数により変動する角度誤差には対応することができず、例えばＲＤコンバータとして図４に示す特性のものを用い、低速回転（例えば１０ｒｐｓ）に合わせて角度誤差を算出し、補正データを作成したとすると、図７に示したように高速回転（例えば、１０００ｒｐｓ）では誤差が残ることになる。

以下、この発明の実施例について説明する。
図８はこの発明によるＲＤコンバータの一実施例の構成をレゾルバ及び励磁信号発生器と共に示したものであり、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この例ではＲＤコンバータ４０はその角度演算ループの中に補正データ部５０を備え、角度演算ループでレゾルバ１０の角度誤差の補正を行うものとなっている。

補正データ部５０にはディジタル出力角度θ’が入力され、補正データ部５０はそのディジタル出力角度θ’に対する補正角度θ_ｃを出力する。補正角度θ_ｃは加算器４１によってディジタル出力角度θ’に加算され、加算器４１はその加算値をＳＩＮ ＲＯＭ２６及びＣＯＳ ＲＯＭ２７にそれぞれ出力する。ＳＩＮ ＲＯＭ２６は入力された加算値の正弦値を生成して乗算器２１に出力し、ＣＯＳ ＲＯＭ２７は入力された加算値の余弦値を生成して乗算器２２に出力する。

図８に示した構成は前述の図２と同様、θ≒θ’の場合、sin（θ−θ’）＝θ−θ’として簡略化すると図９に示したようになり、さらに図９のブロック図を変形すると図１０に示した構成となる。

図１０における（１）の信号は
θ−θ_ｃ＝θ_ｔ＋θ_ｅ−θ_ｃ
であり、補正データ部５０に補正データとしてレゾルバの角度誤差θ_ｅを入力すれば、θ_ｃ＝θ_ｅとなり、（１）の信号はθ_ｔとなる。このような構成とすることにより、角度演算ループ４５に入力される角度はレゾルバの角度誤差θ_ｅを除去したものとすることができる。

つまり、特許文献１に記載されている従来の補正方法ではＲＤコンバータ（角度演算ループ）の後で補正演算を行うため、ＲＤコンバータ（角度演算ループ）の特性の影響を受けて、高い回転数のときには角度誤差特性が変動し、レゾルバの角度誤差の除去ができなかったのに対し、この発明では角度演算ループの前でレゾルバの角度誤差を除去することになるため、角度演算ループの特性の影響を受けることなく、良好な結果を得ることができる。図１１にレゾルバ回転数１０ｒｐｓの場合及び１０００ｒｐｓの場合のこの発明による補正をシミュレーションにより求めた結果を示す。

上記における補正データ部５０は次の２通りの方式をとることができる。
〈テーブル方式〉
本方式では補正データ部５０にメモリ（ＲＡＭもしくはＲＯＭ）を用い、メモリにはレゾルバの角度誤差θ_ｅを記録する。メモリのアドレス入力を角度入力とし、データ出力を角度誤差出力とすればよく、このようにすることにより補正データ部５０は入力されたディジタル出力角度θ’に対する角度誤差θ_ｅをメモリから抽出して補正角度θ_ｃとして出力する。

レゾルバの角度誤差θ_ｅの最大値を１°とすると、１２ｂｉｔ分解能のＲＤコンバータであれば、補正データｂｉｔ長は、
３６０°／２^１２＝０．０８７９°
１°／０．０８７９°＝１１．４
より４ｂｉｔとなるため、補正データテーブル（メモリ容量）としては、２^１２×４ｂｉｔ＝１６３８４ｂｉｔとなり、必要なメモリ容量を従来の１／３とすることができる。

〈演算方式〉
本方式はＲＤコンバータの出力角度θ’より補正角度θ_ｃを毎回演算して生成するものである。

レゾルバの角度誤差は通常、レゾルバ回転数の基本周波数成分に加え、整数倍周波数成分をもっており、主な誤差は１，２，４倍波である。このため、補正角度θ_ｃを演算する補正データ部を図１２に示したような構成とすることができる。

補正データ部５０’はこの例では２倍増幅器５１と４倍増幅器５２と加算器５３ａ〜５３ｃとＲＯＭ５４ａ〜５４ｆとＣＯＳ ＲＯＭ５５ａ〜５５ｃと乗算器５６ａ〜５６ｃと加算器５７ａ〜５７ｂとによって構成されている。

２倍増幅器５１にはディジタル出力角度θ’が入力され、２倍増幅器５１はθ’の２倍の角度を生成する。同様に、４倍増幅器５２にはディジタル出力角度θ’が入力され、４倍増幅器５２はθ’の４倍の角度を生成する。

ＲＯＭ５４ａ〜５４ｃにはレゾルバ１０の角度誤差の１倍波（基本周波数成分）及び２，４倍波（整数倍周波数成分）の各位相データ１〜３がそれぞれ記憶されており、またＲＯＭ５４ｄ〜５４ｆにはレゾルバ１０の角度誤差の１倍波及び２，４倍波の各振幅データ１〜３が記憶されている。

補正データ部５０’はこれらＲＯＭ５４ａ〜５４ｆに記憶された振幅及び位相を基に入力されたディジタル出力角度θ’の１倍波、２倍波及び４倍波の余弦波を演算し、それら余弦波の和を補正角度θ_ｃとして出力するものとなっている。

このように、ディジタル出力角度θ’の１，２，４倍波の余弦波を演算して補正角度θ_ｃを生成すれば、補正に必要なデータは振幅データ３つ、位相データ３つの計６個（データ長１２ｂｉｔ）とすることができ、必要なメモリ容量を６×１２ｂｉｔ＝７２ｂｉｔとすることができる。

図１２に示した補正データ部５０’の構成では加算器（５３ａ〜５３ｃ）、乗算器（５６ａ〜５６ｃ）及びＣＯＳ ＲＯＭ（５５ａ〜５５ｃ）の数が増え、その分回路規模（部品数や回路面積）が増大する。そこで、回路規模の増大を抑えるべく、補正データ部５０’における演算を時分割処理するようにしてもよい。

図１３はこのように補正角度θ_ｃの演算を時分割処理するようにした補正データ部５０''の回路構成を示したものであり、図１４はその補正データ部５０''のタイミングチャートを示したものである。図１３中、６１は１ｂｉｔシフトレジスタを示し、６２は２ｂｉｔシフトレジスタを示す。また、６３ａ〜６３ｃはマルチプレクサを示し、６４ａ〜６４ｄはＤフリップフロップ、６５はシーケンス制御器を示す。

図１３に示した回路を図１４に示すタイミングで駆動することにより、加算器（ＡＤＤ）５３、ＣＯＳ ＲＯＭ５５、乗算器（ＭＵＬ）５６を１つずつにすることが可能になる。これにより、回路規模を縮小することができる。

次に、補正データ部５０，５０’（５０''）に記録する補正データの生成について説明する。

図１５に例示したようにレゾルバ１０の回転軸に角度基準となるロータリエンコーダなどの角度センサ７０を取り付け、その角度センサ７０の出力とＲＤコンバータ４０のディジタル出力角度θ’を補正データ生成装置８０に入力する。レゾルバ１０を低速（１ｒｐｓ程度）で回転させ、そのときの角度センサ７０の出力とディジタル出力角度θ’との差をとることで、レゾルバ１０の角度誤差データを生成する。角度誤差データの一例を図１６に示す。

テーブル方式の補正データ部５０の場合には図１６のデータを補正データとする。

一方、図１２や図１３に示したような演算方式の補正データ部５０’，５０''の場合には図１６のデータをＦＦＴ（高速フーリエ変換）する。ＦＦＴすると、図１７の表に示したようなデータが得られ、これらデータを補正データとする。

補正データの取得が完了したら、その補正データを補正データ書き込み装置９０により補正データ部５０（あるいは補正データ部５０’や５０''のＲＯＭ５４ａ〜５４ｆ）に書き込む。

実運用時は角度センサ７０、補正データ生成装置８０及び補正データ書き込み装置９０は不要となり、レゾルバ１０の角度誤差が補正された出力角度θ’がＲＤコンバータより出力される。

なお、補正データ部にＲＯＭではなく、ＲＡＭを用いる場合は、電源投入時、データが入力されていないため、補正データ書き込み装置９０にて補正データを書き込む。

補正データに関しては、レゾルバの角度誤差特性が一定であればＲＯＭとして構成してもよいし、角度誤差特性に個体差があるようなら、ＲＡＭとして外部から書き換えることができるようにすることが望ましい。

以上説明したように、この発明ではＲＤコンバータ内部にレゾルバの角度誤差を補正する機能を付加し、角度演算ループで補正をかけるものとなっており、これによりレゾルバの回転数により変動する角度誤差を良好に補正することができ、角度誤差が除去された高精度な角度を出力するＲＤコンバータを得ることができる。

また、このようなＲＤコンバータとレゾルバと励磁信号発生器とを備えることによって、モータの回転角度を精度良く、検出することができる角度検出装置を構成することができる。

Claims (5)

1. １相励磁・２相出力のレゾルバから出力されるレゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２の検出角度θをディジタル出力角度θ’に変換するＲＤコンバータであって、
   前記レゾルバ信号Ｓ１とＳＩＮ ＲＯＭの出力とを乗算する第１の乗算器と、
   前記レゾルバ信号Ｓ２とＣＯＳ ＲＯＭの出力とを乗算する第２の乗算器と、
   前記第２の乗算器の出力から前記第１の乗算器の出力を減算する減算器と、
   前記減算器の出力を励磁信号を参照して同期検波する同期検波回路と、
   前記同期検波回路の出力が零になるように前記ディジタル出力角度θ’を制御して、そのディジタル出力角度θ’を出力する制御器と、
   前記ディジタル出力角度θ’が入力され、そのディジタル出力角度θ’に対する補正角度を出力する補正データ部と、
   前記ディジタル出力角度θ’と前記補正角度とを加算して、その加算値を前記ＳＩＮ ＲＯＭ及びＣＯＳ ＲＯＭにそれぞれ出力する加算器と、
   前記加算値の正弦値を生成して出力する前記ＳＩＮ ＲＯＭと、
   前記加算値の余弦値を生成して出力する前記ＣＯＳ ＲＯＭとを具備することを特徴とするＲＤコンバータ。
2. 請求項１記載のＲＤコンバータにおいて、
   前記補正データ部は前記レゾルバの角度誤差をメモリに記憶しており、前記入力されたディジタル出力角度θ’に対する角度誤差を前記メモリから読み出して前記補正角度として出力することを特徴とするＲＤコンバータ。
3. 請求項１記載のＲＤコンバータにおいて、
   前記補正データ部は前記レゾルバ回転数の基本周波数成分及び整数倍周波数成分の角度誤差の振幅及び位相を記憶しており、それら振幅及び位相を基に前記入力されたディジタル出力角度θ’の基本周波数及び整数倍周波数の余弦波をそれぞれ生成し、それら余弦波の和を前記補正角度として出力することを特徴とするＲＤコンバータ。
4. 請求項１記載のＲＤコンバータにおいて、
   前記制御器の伝達関数が（Ｋ／ｓ^２）・｛（τ_１ｓ＋１）／（τ_２ｓ＋１）｝であることを特徴とするＲＤコンバータ。
5. １相励磁・２相出力のレゾルバと、
   請求項１乃至４記載のいずれかのＲＤコンバータと、
   前記レゾルバと前記ＲＤコンバータとに励磁信号を供給する励磁信号発生器とを備えることを特徴とする角度検出装置。

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