JP2014238390A - 位置検出装置及びサーボモータ - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な回路構成で異常を検出することができる位置検出装置及びサーボモータを提供する。
【解決手段】モータ（回転体）１の回転位置情報を電気信号として出力するレゾルバ２と、レゾルバ２へ励磁電流を供給する励磁回路１１とを備え、励磁回路１１からレゾルバ２へ流れる励磁電流を検出し、検出した励磁電流と予め設定した断線検出閾値とを比較することでレゾルバ２の断線を検出する。このとき、励磁回路１１とレゾルバ２との間に設けたシャント抵抗１２に生じる電圧降下に基づいて上記励磁電流を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レゾルバを用いて回転体の回転位置を検出する位置検出装置、及びそれを備えるサーボモータに関し、特にレゾルバの断線等の異常を検出する機能を有する位置検出装置、及びそれを備えるサーボモータに関する。

従来のレゾルバを使用した位置検出装置としては、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、レゾルバ信号に基づいてレゾルバデジタル変換器（ＲＤＣ）が出力した角度の推定値と、レゾルバ信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル値に変換した信号とを用いて、レゾルバからの或いはレゾルバへの信号が断線する異常を検出するものである。

特開２００５−１１４４４２号公報

ところで、レゾルバへの信号が断線する異常を検出する場合、当該異常を検出するために必要な部品点数が多いと、それだけ異常検出機能の信頼性が低下する。
上記特許文献１に記載の技術にあっては、ＲＤＣやＡ／Ｄ変換器によるデータ変換後の信号を用いないと異常を検出できない。すなわち、異常を検出するためには各変換器を介する必要がある。そのため、異常検出機能の信頼性を十分に確保することができないおそれがある。
そこで、本発明は、比較的簡易な回路構成で異常を検出することができる位置検出装置及びサーボモータを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る位置検出装置の一態様は、回転体の回転位置情報を電気信号として出力するレゾルバと、前記レゾルバへ励磁電流を供給する励磁回路と、前記励磁回路から前記レゾルバへ流れる励磁電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路で検出した励磁電流に基づいて、前記レゾルバの断線を検出する断線検出回路と、を備えることを特徴としている。

このように、レゾルバに断線が生じている場合には励磁回路からレゾルバへの励磁電流の供給が正常に行われないことを利用し、励磁回路からレゾルバへ流れる励磁電流を検出してレゾルバの断線を検出する。これにより、励磁電流をレゾルバへ供給する前段階で異常を検出することができ、従来の断線検出手法のようにＲＤＣを介する必要がなくなる。したがって、比較的簡易な回路構成で異常を検出することができ、システムの信頼性を向上させることができる。

また、上記において、前記断線検出回路は、前記電流検出回路で検出した励磁電流が零であるとき、前記レゾルバの全相で断線が生じていると判断することが好ましい。このように、容易にレゾルバ全相の断線を検出することができる。
さらに、上記において、前記レゾルバは、１２０°の位相差を有するＡ相、Ｂ相及びＣ相の３相の電気信号を出力するものであって、前記断線検出回路は、前記電流検出回路で検出した励磁電流が、前記励磁回路が生成した励磁電流の定常状態での電流値の２／３に相当する断線検出閾値に満たないとき、前記レゾルバの少なくとも１相で断線が生じていると判断することが好ましい。また、前記レゾルバは、１２０°の位相差を有するＡ相、Ｂ相及びＣ相の３相の電気信号を出力するものであって、前記断線検出回路は、前記電流検出回路で検出した励磁電流が、前記励磁回路が生成した励磁電流の定常状態での電流値の１／３に相当する断線検出閾値に満たないとき、前記レゾルバの少なくとも２相で断線が生じていると判断することが好ましい。これにより、容易にレゾルバの３相の一部の相の断線を検出することができる。

また、上記において、前記電流検出回路は、前記励磁回路と前記レゾルバとの間を接続する配線に設けられた検出素子によって前記励磁電流を検出することが好ましい。これにより、励磁電流をレゾルバへ入力する配線で異常を検出することができ、従来の断線検出手法のようにＲＤＣを介する必要がなくなる。また、レゾルバの出力側の複数の相にそれぞれシャント抵抗のような検出素子を設ける必要がなく、部品点数を削減することができる。したがって、比較的簡易な回路構成で異常を検出することができ、システムの信頼性を向上させることができる。

また、上記において、前記電流検出回路は、前記励磁回路と前記レゾルバとの間に設けられたシャント抵抗を備え、前記シャント抵抗の端子間電圧に基づいて前記励磁回路から前記レゾルバへ流れる励磁電流を検出することが好ましい。
このように、シャント抵抗１個と電圧／電流変換ＩＣ１個とを用いることで、励磁電流を検出することができる。したがって、部品点数を削減したシンプルな回路構成で、断線検出が可能となる。

また、上記において、前記電流検出回路は、前記励磁回路と前記レゾルバとの間を接続する入力線と、前記レゾルバから出力される前記電気信号を受信する検出器と、前記レゾルバと前記検出器との間を接続する出力線を備えることが好ましい。前記断線検出回路は、前記電流検出回路で検出した励磁電流に基づいて、前記レゾルバ、前記入力線及び前記出力線のいずれかが断線したことを検出することが好ましい。これにより、前記レゾルバが断線した場合だけでなく、前記入力線が断線した場合や前記出力線が断線した場合にも断線を検出することができる。
さらに、本発明に係るサーボモータは、上記の何れかの位置検出装置を備えることを特徴としている。

本発明によれば、励磁回路からレゾルバへ流れる励磁電流に基づいてレゾルバの断線を検出するので、比較的簡易な回路構成で異常を検出することができる。そのため、システムの信頼性を向上させることができる。

本実施形態に係る位置検出装置の概略構成図である。 本実施形態のドライブユニットの構成を示す図である。 レゾルバの断線検出方法の他の一例を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の位置検出装置の一実施形態を示す概略構成図である。
図中、符号１はモータ（回転体）、符号２はモータ１の回転位置を検出するためのレゾルバである。ここで、モータ１は、ダイレクトドライブモータである。また、モータ１、レゾルバ２及び後述するドライブユニット３によってサーボモータを構成している。

レゾルバ２は、円筒状のステータと、回転軸を把持してステータ内に回転自在に配設されたロータとで構成されており、ロータとステータとの間のリラクタンスがロータの位置により変化し、ロータの１回転につきリラクタンス変化の基本波成分が１周期となるように構成されている。すなわち、ロータの内径中心をステータの内径中心と一致させ、ロータの外形中心をその内径中心から一定の偏心量だけ偏心させるようにしてロータの肉厚を変化させてあり、これによってリラクタンスがロータの位置により変化するようになっている。

このレゾルバ２は、外部から励磁信号が与えられると、回転軸の回転角度に応じて変化するＡ相のレゾルバ信号と、Ａ相のレゾルバ信号に対して位相が１２０°異なるＢ相のレゾルバ信号と、Ｂ相のレゾルバ信号に対して位相が１２０°異なるＣ相のレゾルバ信号とを出力する。

例えば、レゾルバ２は、円筒状のステータとしてのステータ鉄心と、回転軸を把持してステータ内に回転自在に配設されたロータとしてのロータ鉄心を備えてよい。レゾルバ２は、ステータ鉄心及びロータ鉄心のいずれか一方に巻き回された複数の相の励磁コイルを備えてよい。複数の相の励磁コイルは、３相の励磁コイルであってよく、例えばＡ相コイル、Ｂ相コイル及びＣ相コイルを備えてよい。励磁信号としての励磁電流を、相互に並列接続されたＡ相コイル、Ｂ相コイル及びＣ相コイルに入力することにより、Ａ相コイル、Ｂ相コイル及びＣ相コイルからそれぞれＡ相のレゾルバ信号、Ｂ相のレゾルバ信号及びＣ相のレゾルバ信号が出力される。

レゾルバ２とドライブユニット３とは、コネクタ４を介して電気ケーブル５にて接続されている。レゾルバ２から出力される電気信号（レゾルバ信号）は、電気ケーブル５を介してドライブユニット３に伝送される。
ドライブユニット３は、モータ１の回転位置（回転角度）を検出する位置検出機能と、レゾルバ２の断線を検出する断線検出機能とを備える。位置検出機能は、レゾルバ２から伝送されたレゾルバ信号をモータ１の回転位置情報として取得し、当該レゾルバ信号に基づいてモータ１の回転位置（回転角度）を検出する機能である。また、断線検出機能は、レゾルバ２に印加される励磁信号（励磁電流）に基づいて、レゾルバ２の断線、例えば励磁コイルの断線を検出する機能である。

このドライブユニット３は、図２に示すように、励磁回路１１と、シャント抵抗１２と、位置検出器１３と、マイクロコンピュータ（ＭＣＵ）１４と、断線検出回路１５とを備える。ここで、励磁回路１１と、位置検出器１３と、ＭＣＵ１４とで位置検出機能を実現する。また、励磁回路１１と、シャント抵抗１２と、断線検出回路１５とで断線検出機能を実現する。

参照符号２０は、励磁回路１１とレゾルバ２との間を接続する入力線を示す。参照符号２１ａ、２１ｂ及び２１ｃは、レゾルバ２と位置検出器１３との間を接続する出力線を示す。入力線２０、出力線２１ａ、２１ｂ及び２１ｃは、電気ケーブル５に収容されてよい。
励磁回路１１は励磁信号を発生し、レゾルバ２に励磁電流を印加する。励磁電流は、入力線２０を通って励磁回路１１からレゾルバ２へ流れる。励磁電流が印加されることでレゾルバ２から出力されるレゾルバ信号Ａ、Ｂ及びＣは、それぞれ出力線２１ａ、２１ｂ及び２１ｃを通って位置検出器１３に入力される。ここで、レゾルバ信号Ａ、Ｂ及びＣは、１２０°位相の異なるＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３相のアナログ信号である。

位置検出器１３は、入力したレゾルバ信号Ａ、Ｂ及びＣを用いて、モータ１の回転角を演算し、これをＭＣＵ１４へ出力する。この位置検出器１３は、レゾルバデジタルコンバータ（ＲＤＣ）を備え、入力したレゾルバ信号に基づいて、ロータの回転角度位置をデジタルデータである位置検出データとして出力する。ＲＤＣとしては、３相−２相変換後に電気回路により位置検出データを得るものや、レゾルバ信号をＡ／Ｄコンバータで変換して得られたデジタルデータに基づいて演算器により位置検出データを算出するものがある。

断線検出回路１５は、入力線２０を流れる電流の大きさとして検出された電流値（検出電流値）と予め定めた閾値とを比較し、レゾルバ２が断線しているか否かを判定する。入力線２０を流れる電流の電流値を検出するために、例えば、入力線２０に設けられた検出素子を用いてもよい。この検出素子は、例えば、入力線２０に設けられ且つ励磁回路１１とレゾルバ２との間に直列に挿入されるシャント抵抗であってよい。

例えば、断線検出回路１５は、励磁回路１１とレゾルバ２との間に設けられたシャント抵抗１２に生じる電圧降下、すなわちシャント抵抗１２の端子間電圧に基づいて、励磁回路１１からレゾルバ２へ印加する励磁電流を検出してよい。そして、断線検出回路１５は、検出した励磁電流（検出電流値）と予め定めた閾値とを比較し、レゾルバ２が断線しているか否かを判定する。入力線２０を流れる電流の電流値を検出するために、シャント抵抗１２以外の検出素子を使用してもよい。例えば、クランプ式交流電流センサを使用して入力線２０を流れる電流の電流値を検出してもよい。シャント抵抗１２又はクランプ式交流電流センサは、電流検出回路の一例である。

ここでは、検出電流値が０であるとき、レゾルバ全相の断線であると判断する。また、検出電流値が、定常状態でのレゾルバ励磁電流値の２／３に相当する断線検出閾値に満たない場合には、レゾルバの少なくとも１相の断線であると判断する。検出電流値が、定常状態でのレゾルバ励磁電流値の１／３に相当する断線検出閾値に満たない場合には、レゾルバの少なくとも２相の断線であると判断してもよい。そして、断線検出回路１５は、レゾルバ２の断線検出結果をＭＣＵ１４へ出力する。

以上の構成により、ＭＣＵ１４は、レゾルバ２の断線を認識することができ、所定の異常時処理を行うことができる。例えば、電動パワーステアリングなどの用途には、異常時処理として電動アシストを停止する処置をとることによりフェールセーフな動作を確保することができる。
ところで、レゾルバの断線検出方法としては、レゾルバが出力するレゾルバ信号を用いる方法がある。この場合、図３に示すように、レゾルバ１０２が出力するＡ相、Ｂ相、Ｃ相のレゾルバ信号Ａ、Ｂ及びＣを断線検出回路１１５に入力し、この断線検出回路１１５で断線を検出する。

例えば、断線検出回路１１５は、レゾルバ信号（３相−２相変換後のｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号）に基づいてＲＤＣにより得られた角度の推定値と、レゾルバ信号（３相−２相変換後のｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号）をＡ／Ｄ変換器によってデジタル値に変換したＡ／Ｄ変換値とを用いて断線を検出する。具体的には、Ａ／Ｄ変換値に基づき正弦及び余弦または正接の値を演算し、ＲＤＣにより得られた角度の推定値の正弦及び余弦または正接の値との差が所定の値を超える場合に異常と判定する。

しかしながら、この場合、レゾルバ１０２が出力する各相のレゾルバ信号Ａ、Ｂ及びＣをそれぞれ検出する必要がある。また、断線検出を実施するためにはＲＤＣを介する必要がある。このように、断線検出のための回路構成が複雑となり、その分、システムの信頼性が低下してしまう。また、断線が発生しても、断線検出回路１１５は、断線による異常信号がＲＤＣ及びＡ／Ｄ変換器の変換を経るまで断線を検出することができない。このため、断線の検出が遅れる恐れがある。

これに対して、本実施形態では、励磁回路１１からレゾルバ２へ供給する励磁電流を検出し、検出した励磁電流に基づいてレゾルバ２の断線を検出する。すなわち、励磁電流をレゾルバ２へ供給する前段階で断線を検出することができる。このように、ＲＤＣを介さずに断線を検出することができるので、断線検出のための部品点数を上述した手法と比較して削減することができる。また、レゾルバの出力側の複数の相にそれぞれシャント抵抗のような検出素子を設ける必要がなく、部品点数を削減することができる。そのため、システムの信頼性を向上することができる。

また、励磁電流がレゾルバ２に入力される前の段階で断線を検出できるため、より迅速な異常時処理が可能になりシステムの信頼性を向上させることができる。また、断線による異常信号がＲＤＣ及びＡ／Ｄ変換器の変換を経る前に断線を検出できるため、これらの変換による遅れがなく、より断線検出が早い。このため、異常時処理をより迅速に実施して、システムの信頼性を向上させることができる。

また、１つのシャント抵抗と１つの電圧／電流変換ＩＣとで励磁電流を検出することができるため、簡易な回路構成で断線検出機能を実現することができる。
さらに、検出した励磁電流を予め定めた断線検出閾値と比較するので、容易にレゾルバ２の断線を検出することができる。その際、断線検出閾値を０とすることでレゾルバ全相の断線を容易に検出することができる。また、断線検出閾値を励磁電流の定常状態での電流値の２／３に設定することで、レゾルバの少なくとも１相の断線を容易に検出することができる。また、断線検出閾値を励磁電流の定常状態での電流値の１／３に設定することで、レゾルバの少なくとも２相の断線を容易に検出することができる。このように、適切な断線検出が可能であるため、レゾルバ信号Ａ、Ｂ及びＣのばらつきを解消することが可能となる。

そして、断線検出回路１５は断線検出結果をＭＣＵ１４に入力するので、レゾルバ２に断線が生じている場合には、ＭＣＵ１４は適切にこれを認識し、異常時処理を実施することができる。
なお、上記実施形態においては、Ａ相、Ｂ相及びＣ相のレゾルバ信号を出力するレゾルバを適用する場合について説明したが、４相以上のレゾルバ信号を出力するレゾルバにも適用可能である。

（変形例）
上記実施形態の断線検出回路１５はレゾルバ２の断線を検出するが、断線検出回路１５は、レゾルバ２、入力線２０、並びに出力線２１ａ、２１ｂ及び２１ｃのいずれかが断線したことを検出してもよい。このとき、断線検出回路１５は、検出電流値が０であるとき、レゾルバ２の全相が断線したか、入力線２０が断線したと判断してよい。

検出電流値が、定常状態でのレゾルバ励磁電流値の２／３に相当する断線検出閾値に満たない場合には、レゾルバ２の少なくとも１相が断線したか、出力線２１ａ、２１ｂ及び２１ｃのうち少なくとも１つが断線したと判断してよい。検出電流値が、定常状態でのレゾルバ励磁電流値の１／３に相当する断線検出閾値に満たない場合には、レゾルバ２の少なくとも２相が断線したか、出力線２１ａ、２１ｂ及び２１ｃのうち少なくとも２つが断線したと判断してよい。

１…モータ（回転体）、２…レゾルバ、３…ドライブユニット、４…コネクタ、５…電気ケーブル、１１…励磁回路、１２…シャント抵抗、１３…位置検出器、１４…ＭＣＵ、１５…断線検出回路

Claims (8)

1. 回転体の回転位置情報を電気信号として出力するレゾルバと、
   前記レゾルバへ励磁電流を供給する励磁回路と、
   前記励磁回路から前記レゾルバへ流れる励磁電流を検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路で検出した励磁電流に基づいて、前記レゾルバの断線を検出する断線検出回路と、を備えることを特徴とする位置検出装置。
2. 前記断線検出回路は、前記電流検出回路で検出した励磁電流が零であるとき、前記レゾルバの全相で断線が生じていると判断することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記レゾルバは、１２０°の位相差を有するＡ相、Ｂ相及びＣ相の３相の電気信号を出力するものであって、
   前記断線検出回路は、前記電流検出回路で検出した励磁電流が、前記励磁回路が生成した励磁電流の定常状態での電流値の２／３に相当する断線検出閾値に満たないとき、前記レゾルバの少なくとも１相で断線が生じていると判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
4. 前記レゾルバは、１２０°の位相差を有するＡ相、Ｂ相及びＣ相の３相の電気信号を出力するものであって、
   前記断線検出回路は、前記電流検出回路で検出した励磁電流が、前記励磁回路が生成した励磁電流の定常状態での電流値の１／３に相当する断線検出閾値に満たないとき、前記レゾルバの少なくとも２相で断線が生じていると判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
5. 前記電流検出回路は、前記励磁回路と前記レゾルバとの間を接続する配線に設けられた検出素子によって前記励磁電流を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の位置検出装置。
6. 前記検出素子は、前記励磁回路と前記レゾルバとの間に設けられたシャント抵抗であり、
   前記電流検出回路は、前記シャント抵抗の端子間電圧に基づいて前記励磁回路から前記レゾルバへ流れる励磁電流を検出することを特徴とする請求項５に記載の位置検出装置。
7. 前記励磁回路と前記レゾルバとの間を接続する入力線と、
   前記レゾルバから出力される前記電気信号を受信する検出器と、
   前記レゾルバと前記検出器との間を接続する出力線と、を備え、
   前記断線検出回路は、前記電流検出回路で検出した励磁電流に基づいて、前記レゾルバ、前記入力線及び前記出力線のいずれかが断線したことを検出する請求項１〜６の何れか一項に記載の位置検出装置。
8. 前記請求項１〜７の何れか一項に記載の位置検出装置を備えることを特徴とするサーボモータ。

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