JP2014112083A

JP2014112083A - レゾルバの角度位置検出装置

Info

Publication number: JP2014112083A
Application number: JP2013221937A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kishimoto; 憲一岸本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-06-19

Abstract

【課題】レゾルバの角度を検出する角度位置検出装置において、ＲＤ変換手段の伝達特性が広帯域化あるいは出力が高分解能化した場合に、出力に重畳するノイズの影響でモータの振動、騒音などの不具合を抑制すること。
【解決手段】レゾルバ１０１の角度をデジタル値に変換して出力するＲＤ変換手段１０５とローパス特性を有し定数の設定を変えることで遮断特性を可変することが可能な可変型デジタルフィルタ１０６とを備え、前記ＲＤ変換手段１０５の出力は前記可変型デジタルフィルタ１０６を経由して出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一相励磁二相出力のレゾルバの角度位置検出装置に関する。

従来から、主に産業分野、電装分野など、モータの角度位置を検出するための手段としてレゾルバがよく用いられる。

モータの軸に取り付けられたレゾルバによってモータの角度位置を検出し、その検出された角度位置によってモータを制御する例を図９に示す。

図９における９０２は、例えば特許文献１に記載された従来のレゾルバの角度位置検出装置と実質的に同等のものを示している。レゾルバ１０１は一相励磁二相出力の方式であり、モータ１１３の軸に取り付けられる。レゾルバ１０１はＡ相、Ｂ相の二相の信号を出力する。

レゾルバの角度位置検出装置９０２は、この二相の信号からレゾルバ１０１の角度位置を検出し、サーボアンプ１１２に出力する。サーボアンプ１１２は検出された角度位置に従い、モータ１１３の制御および駆動を行う。また、レゾルバの角度位置検出装置９０２からは励磁信号が出力され、バッファー回路１１１を経由してレゾルバ１０１を励磁する。

次に、レゾルバの角度位置検出装置９０２の内部の構成について説明する。１０３、１０４はともにアナログデジタルコンバータ（以下、ＡＤコンバータと記す）であり、レゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各アナログ信号をそれぞれデジタル値に変換する。

この変換するタイミングはサンプリング指令信号生成手段１０７の出力するサンプリング指令信号に従う。ＡＤコンバータ１０３、１０４によってデジタル値に変換されたＡ相、Ｂ相の信号はＲＤ変換手段１０５においてレゾルバ１０１の角度位置を示す信号に変換され（一般にトラッキングループなどの方法が用いられる）、インターフェイス処理手段１１０を経由してサーボアンプ１１２に出力される。サーボアンプ１１２は検出されたレゾルバ１０１の角度位置すなわち、モータ１１３の角度位置に従い、モータ１１３の制御および駆動を行う。

サンプリング指令信号生成手段１０７は基準信号生成手段１０８の出力する基準信号を元に位相を調整してＡＤコンバータ１０３、１０４にサンプリング指令信号を出力する。また、励磁信号生成手段１０９は基準信号生成手段１０８の出力する基準信号を元に励磁信号を生成して出力する。

図１０（ａ）にレゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号を示す。また、図１０（ｂ）に基準信号生成手段１０８の出力する基準信号を示す。サンプリング指令信号生成手段１０７は、この基準信号を元に位相を調整してサンプリング指令信号を出力する。

この場合、時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２にてレゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号が最大となるので、このタイミングにおいて、サンプリング指令信号を出力する。このようにＡ相、Ｂ相の各信号が最大となるタイミングにおいて、各信号のアナログデジタル変換を行い、それによって得られた値からＲＤ変換手段１０５において角度位置に変換することで、レゾルバの角度位置を検出することができる。

特開２０１１−０８９８８５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ＲＤ変換手段１０５の伝達特性を広帯域化あるいは出力を高分解能化した際に、モータ１１３をサーボアンプ１１２で制御した場合の応答性や位置決め制御性が向上する反面、ＲＤ変換手段１０５の出力信号に重畳するノイズの割合が大きくなるため、モータ１１３に生じる振動あるいは騒音が大きくなるという課題を有していた。

例えば、産業用ＦＡサーボモータの分野では性能として高分解能かつ広帯域が要望されるが、分解能１６ｂｉｔで伝達特性の帯域が１ｋＨｚを超えるものはノイズが問題となるケースがある。さらに分解能１８ｂｉｔなど高性能化を考慮した場合、ノイズの問題がより顕在化してくることが予測される。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、角度位置検出装置の伝達特性の帯域幅と出力に重畳するノイズの割合が最適なバランスとなるように簡単に調整できるので、角度位置検出装置を用いてモータを制御した場合の応答性と振動あるいは騒音を必要に応じて最適なバランスに容易に調整できるレゾルバの角度位置検出装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、レゾルバから出力される信号に基づいて前記レゾルバの角度をデジタル値に変換して出力するＲＤ変換手段とローパス特性を有し定数の設定を変えることで遮断特性を可変することが可能な可変型デジタルフィルタとを備え、前記ＲＤ変換手段の出力は前記可変型デジタルフィルタを経由して出力されることとしたものである。

このような構成によって、角度位置検出装置を用いてモータを制御した場合の制御帯域と振動あるいは騒音のバランスを必要に応じて最適に調整することが出来る。
また、本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、外部との通信手段を備え、この通信手段によってデジタルフィルタの定数設定を行うことにより、外部から遮断特性を容易に可変することが可能となり用途に応じて最適な特性に調整することが容易となる。

さらに、本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、可変型デジタルフィルタの次数を２以上の伝達関数とすることで、定常位置偏差の生じない角度位置検出装置が実現可能となる。

本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、ＲＤ変換手段の伝達特性が広帯域化あるいは出力が高分解能化した場合においても、応答性と出力に重畳するノイズとのバランスが最適になるように特性を調整することが可能なため、各装置に最適な特性のモータ制御が実現可能である。

また、本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、外部との通信手段によって可変型デジタルフィルタの定数設定を行うことができるので特性の調整が容易であり、各装置に最適な特性のモータ制御が簡便な手順で実現可能である。

さらに、可変型デジタルフィルタの次数を２以上の伝達関数とすることで、定常位置偏差の生じない角度位置検出装置が出来るので、検出したレゾルバの角度位置をモータ駆動の角度位置に適用した場合でも、モータの駆動力低下を回避することが出来る。

実施例１におけるレゾルバの角度位置検出装置およびモータ制御装置のブロック図（ａ）実施例１の定数設定例Ａにおける可変型デジタルフィルタの振幅周波数特性図（ｂ）同実施例１の定数設定例Ａにおける可変型デジタルフィルタの位相周波数特性図実施例１の定数設定例Ａにおける可変型デジタルフィルタのステップ応答波形図（ａ）実施例１の定数設定例Ｂにおける可変型デジタルフィルタの振幅周波数特性図（ｂ）同実施例１の定数設定例Ｂにおける可変型デジタルフィルタの位相周波数特性図実施例１の定数設定例Ｂにおける可変型デジタルフィルタのステップ応答波形図（ａ）実施例１の定数設定例Ｃにおける可変型デジタルフィルタの振幅周波数特性図（ｂ）同実施例１の定数設定例Ｃにおける可変型デジタルフィルタの位相周波数特性図実施例１の定数設定例Ｃにおける可変型デジタルフィルタのステップ応答波形図実施例２におけるレゾルバの角度位置検出装置およびモータ制御装置のブロック図従来技術におけるレゾルバの角度位置検出装置およびモータ制御装置のブロック図（ａ）にレゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号を示す波形図（ｂ）に基準信号生成手段１０８の出力する基準信号を示す波形図

第１の発明は、レゾルバから出力される信号に基づいて前記レゾルバの角度をデジタル値に変換して出力するＲＤ変換手段とローパス特性を有し定数の設定を変えることで遮断特性を可変することが可能な可変型デジタルフィルタとを備え、前記ＲＤ変換手段の出力は前記可変型デジタルフィルタを経由して出力されることにより、応答性と出力に重畳するノイズとのバランスが最適になるように特性を調整することが可能となり、各装置に最適な特性のモータ制御が実現できる。

第２の発明は、外部との通信手段を備え、前記通信手段を経由して外部から可変型デジタルフィルタの定数の設定を行うことにより特性の調整が容易であり、各装置に最適な特性のモータ制御を簡便な手順で実現することができる。

第３の発明は、レゾルバが一定速度で回転した時に定常位置偏差が生じない次数が２以上の伝達特性を有する可変型デジタルフィルタを備えることで、検出したレゾルバの角度位置をモータ駆動の角度位置に適用した場合でも、モータの駆動力低下を回避することができる。

第４の発明は、ＲＤ変換手段の伝達特性の周波数帯域が可変型デジタルフィルタの伝達特性の周波数帯域よりも広く設計されたものであり、可変型デジタルフィルタの特性の調整がレゾルバの角度位置検出装置の特性に、より直接的に反映されやすいという効果が得られる。

以下、本発明を好適な実施の形態を示しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例及び実施の形態に限定されない。

図１は、本発明の実施例１におけるレゾルバの角度位置検出装置を含むモータの制御装置のブロック図を示すものである。

図１において、レゾルバ１０１は一相励磁二相出力の方式であり、モータ１１３の軸に取り付けられる。レゾルバ１０１はＡ相、Ｂ相の二相の信号を出力する。レゾルバの角度位置検出装置１０２は、この二相の信号からレゾルバ１０１の角度位置を検出し、サーボアンプ１１２に出力する。サーボアンプ１１２は検出された角度位置に従い、モータ１１３の制御および駆動を行う。また、レゾルバの角度位置検出装置１０２からは励磁信号が出力され、バッファー回路１１１を経由してレゾルバ１０１を励磁する。

次に、レゾルバの角度位置検出装置１０２の内部の構成について説明する。１０３、１０４はともにアナログデジタルコンバータ（以下、ＡＤコンバータ１０３、ＡＤコンバータ１０４、と記す）であり、レゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各アナログ信号をそれぞれデジタル値に変換する。この変換するタイミングはサンプリング指令信号生成手段１０７の出力するサンプリング指令信号に従う。ＡＤコンバータ１０３、１０４によってデジタル値に変換された信号はＲＤ変換手段１０５においてレゾルバ１０１の角度位置を示す信号に変換され（一般にトラッキングループなどの方法が用いられる）、可変型デジタルフィルタ１０６及びインターフェイス処理手段１１０を経由してサーボアンプ１１２に出力される。サーボアンプ１１２は検出されたレゾルバ１０１の角度位置すなわち、モータ１１３の角度位置に従い、モータ１１３の制御および駆動を行う。

定数設定手段１１４は、インターフェイス処理手段１１０を経由したサーボアンプ１１２からの指示に従い、可変型デジタルフィルタ１０６に対し、定数の設定処理を行なう。
以上のように構成されたモータの制御装置におけるレゾルバの角度位置検出装置について、以下にその動作、作用を説明する。

図１に示す本発明の実施例１におけるレゾルバの角度位置検出装置１０２と図９に示す従来のレゾルバの角度位置検出装置９０２との差異は、定数設定手段１１４及び可変型デジタルフィルタ１０６の有無である。

一般的には、ＲＤ変換手段１０５の出力はフィルタ等を経由せずにそのまま外部に出力されるため、ＲＤ変換手段１０５の伝達特性が広帯域化した場合、あるいは出力が高分解能化した場合に、出力信号に重畳するノイズが目立つ結果となり、特にサーボアンプ１１２において制御ゲインを大きくした場合にモータ１１３の振動、騒音などが悪化する。そのために、可変型デジタルフィルタ１０６を設けることでＲＤ変換手段１０５の出力信号に含まれるノイズを低減することが必要となる。

しかしながら、可変型デジタルフィルタ１０６の遮断特性は、組み込まれる装置によって最適特性が異なるため、適用される装置に合わせて最適特性に調整出来ることが望ましく、その調整によって、装置の性能を最大限に発揮できるようになる。

図２に示すのは、定数設定例Ａにおける可変型デジタルフィルタ１０６の伝達周波数特性であり、図２（ａ）が振幅周波数特性、図２（ｂ）が位相周波数特性である。一般にこのようなローパス特性を有するフィルタを適用した場合、その遮断周波数が低い方がフィルタを通過するノイズが小さくなり望ましいが、その反面、伝達特性の周波数帯域が狭くなり、かつ位相の遅れも大きくなるので、サーボアンプ１１２によってモータ１１３を制御した場合の応答特性が悪化する。

また、図３に示すのは定数設定例Ａにおける可変型デジタルフィルタ１０６のステップ応答波形である。一般にこのようなステップ応答波形においてはオーバーシュート量をできるだけ小さく抑えたいが、その反面、収束時間が長くなるという問題があり、トレードオフの関係となる。

次に定数設定例Ｂにおける可変型デジタルフィルタ１０６の伝達周波数特性を図４に示す。図４（ａ）が振幅周波数特性、図４（ｂ）が位相周波数特性である。また、この場合の可変型デジタルフィルタ１０６のステップ応答波形を図５に示す。

定数設定例Ａと定数設定例Ｂを比較すると、遮断周波数はほぼ同じであるが、図３と図５の比較で分かる通り、ステップ応答波形が大きく異なる。図５の方がオーバーシュート量は小さいが、その反面、収束時間が長くなっていることが分かる。

次に定数設定例Ｃにおける可変型デジタルフィルタ１０６の伝達周波数特性を図６に示す。図６（ａ）が振幅周波数特性、図６（ｂ）が位相周波数特性である。また、この場合の可変型デジタルフィルタ１０６のステップ応答波形を図７に示す。

定数設定例Ａと定数設定例Ｃを比較すると、遮断周波数は定数設定例Ｃの方が高く、図３と図７の比較で分かる通り、オーバーシュート量は同程度であるが、収束時間も定数設定例Ｃの方が短くなっていることが分かる。このように応答性の面では定数設定例Ｃの方が望ましいが、伝達特性の周波数帯域は定数設定例Ｃの方が広いため、出力信号に重畳するノイズが大きくなり、結果として、モータ１１３の振動、騒音などの悪化が懸念される。

このように、可変型デジタルフィルタ１０６の定数設定によって、その特性が変化し、また、それぞれの特性には一長一短があるため、絶対的に優れた特性は存在せず、適用される装置によって、最適な特性に調整することが望ましい。

同様な目的のために、可変型デジタルフィルタ１０６を用いずに、ＲＤ変換手段１０５の伝達特性を変化させて伝達特性の周波数帯域を変えたり、応答を変えたりする方法も考えられる。しかしながら、ＲＤ変換手段１０５を一般的なトラッキングループで構成した場合、トラッキングループの伝達特性を変える必要があり、トラッキングループの安定性などに影響を及ぼす懸念がある。本発明においては、ＲＤ変換手段１０５の伝達特性は基本的にできるだけ広い帯域の特性に設計した上で固定とし、可変型デジタルフィルタ１０６のみで伝達特性を変化させる方式であり、安定性に優れた方式である。

また、多くの場合、可変型デジタルフィルタ１０６の伝達特性の帯域は、ＲＤ変換手段１０５の伝達特性の帯域よりも狭く設定されるため、角度位置検出装置１０２の伝達特性としては、可変型デジタルフィルタ１０６の伝達特性の帯域が支配的となり反映されやすい。しかし、それ以外の場合でも、可変型デジタルフィルタ１０６の伝達特性の帯域が、ＲＤ変換手段１０５の伝達特性の帯域に近い場合は、その効果は有効である。

定数設定手段１１４は、インターフェイス処理手段１１０を経由したサーボアンプ１１２からの指示に従い、可変型デジタルフィルタ１０６に対し、定数の設定処理を行なう。これによって、例えば通信などによって可変型デジタルフィルタ１０６の特性を簡単に変えることができ、適用される装置の動作を観測しながら、最適な特性に調整することが可能となる。

なお、可変型デジタルフィルタ１０６においては、レゾルバ１０１が一定速度で回転した時に定常位置偏差が生じないことが望ましい。サーボアンプ１１２がモータ１１３を駆動する場合、角度位置検出装置１０２の出力するレゾルバ１０１の角度位置、すなわちモータ１１３の角度位置に従って通電位相を設定する場合が多い。そのため、前記定常位置偏差が大きいと通電位相のずれが大きくなり、モータ１１３の駆動が適正に行われない可能性がある。この場合、可変型デジタルフィルタ１０６の伝達特性の次数を２以上とすること、すなわち２階積分の要素を組み込むことで定常位置偏差が生じない特性とすることが可能である。

また、ＲＤ変換手段１０５と可変型デジタルフィルタ１０６は両者共にデジタルＩＣなどのハードウェアデバイス、あるいはマイコンによるソフトウェアでも実現可能であり、両者を同一のデバイスによって一体化して構成することで、より扱いやすいデバイスとして実現可能である。

さらに、図１においては、レゾルバの角度位置検出装置１０２は、サーボアンプ１１２の外部に独立して設けているが、レゾルバの角度位置検出装置１０２をサーボアンプ１１２の内部に組み込んで一体構成とすることも考えられる。そのような場合でも、前述の説明が同様に成立することは言うまでもない。

以上のように、本発明のレゾルバの角度位置検出装置を用いることによって、ＲＤ変換手段の伝達特性が広帯域化あるいは出力が高分解能化した場合においても、応答性と出力に重畳するノイズとのバランスが最適になるように可変型デジタルフィルタの特性を調整することが可能なため、各装置に最適な特性のモータ制御が実現可能である。

さらに、可変型デジタルフィルタの伝達特性の次数を２以上とすることで、定常位置偏差の生じない角度位置検出装置が出来るので、検出したレゾルバの角度位置をモータ駆動の角度位置に適用した場合でも、モータの駆動力低下を回避することが出来る。
また、ＲＤ変換手段の伝達特性の周波数帯域を可変型デジタルフィルタの伝達特性の周波数帯域よりも広く設計することにより、可変型デジタルフィルタの特性の調整が角度位置検出装置の伝達特性に、より直接的に反映されやすいという効果が得られる。

図８は、本発明の実施例２におけるレゾルバの角度位置検出装置を含むモータの制御装置のブロック図を示すものである。

図８において、８０２はレゾルバの角度位置検出装置であり、図１に示すレゾルバの角度位置検出装置１０２とは内部の構成が一部異なる。この異なる構成要素はロータリースイッチ８１５と定数設定手段８１４である。

ロータリースイッチ８１５は、可変型デジタルフィルタ１０６の遮断周波数を可変し、設定するために用いる。ロータリースイッチ８１５の設定コードは定数設定手段８１４によって読み込まれ、可変型デジタルフィルタ１０６の遮断周波数を設定するための定数を可変型デジタルフィルタ１０６に対して行う。これによって、可変型デジタルフィルタ１０６の遮断周波数をロータリースイッチ８１５の設定ポジションに応じて設定することが出来る。

このように、可変型デジタルフィルタ１０６の定数設定、すなわち角度位置検出装置８０２の特性の設定については、本発明の実施例１のように通信による方法だけでなく、ロータリースイッチ８１５などを設けることによって、手動操作により各装置に合わせて最適な設定に調整することができる。

以上のように、本発明にかかるレゾルバの角度位置検出装置を用いることによって、各装置に応じて最適な特性に調整することが簡単にできる。産業分野、電装分野など広く適用可能であるが、特に調整が要求される産業用ＦＡサーボモータにおいて利用の可能性が高い。

１０１レゾルバ
１０２角度位置検出装置
１０３、１０４ＡＤコンバータ
１０５ＲＤ変換手段
１０６可変型デジタルフィルタ
１０７サンプリング指令信号生成手段
１０８基準信号生成手段
１０９励磁信号生成手段
１１０インターフェイス処理手段
１１１バッファー回路
１１２サーボアンプ
１１３モータ
１１４定数設定手段
８０２角度位置検出装置
８１４定数設定手段
８１５ロータリースイッチ
９０２角度位置検出装置

Claims

レゾルバから出力される信号に基づいて前記レゾルバの角度をデジタル値に変換して出力するＲＤ変換手段とローパス特性を有し定数の設定を変えることで遮断特性を可変することが可能な可変型デジタルフィルタとを備え、前記ＲＤ変換手段の出力は前記可変型デジタルフィルタを経由して出力されるレゾルバの角度位置検出装置。
外部との通信手段を備え、前記通信手段を経由して外部から可変型デジタルフィルタの定数の設定を行う請求項１記載のレゾルバの角度位置検出装置。
レゾルバが一定速度で回転した時に定常位置偏差が生じない次数が２以上の伝達特性を有する可変型デジタルフィルタを備えた請求項１又は請求項２のいずれかに記載のレゾルバの角度位置検出装置。
ＲＤ変換手段の伝達特性の周波数帯域が可変型デジタルフィルタの伝達特性の周波数帯域よりも広く設計された請求項１乃至３のいずれかに記載のレゾルバの角度位置検出装置。