JP2019070644A - 変調波レゾルバ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変調波レゾルバが高速回転になると、出力分解数の分解能によりサンプリング周期である参照信号周期が相対的に長くなりサンプリングが機能しなくなる。求められていることは、高速回転時においても絶対値回転位置とAB相を高精度に出力出来るようにすることである。【解決手段】変調波レゾルバ装置は、コントローラから出力されたPWM信号から出力変調波信号を生成する手段と、レゾルバメカ機構から出力される入力変調波信号を処理する位相信号出力回路とを備える。コントローラは、位相信号出力回路から出力される位相情報を含む入力信号を用いてレゾルバメカ機構の回転時に現在回転位置から所定時間経過時点での予測回転位置を予測する回転位置予測器と、現在回転位置から予測回転位置までの間の回転位置を変調波レゾルバ装置の分解能に合わせた間隔で補間するリニアパルス発生器と、回転位置の各々からAB相を出力するAB相生成器とを有する。【選択図】 図４

Description

本発明は、変調波レゾルバの入力位相から回転位置を検出し、絶対値回転位置とAB相信号を生成する変調波レゾルバ装置に関するものである。

近年、人工知能（ＡＩ）やロボット技術などを活用して生産性を大幅に高める「第４次産業革命」が始まっている。
また、環境問題から、電気自動車の急速な普及が叫ばれ、自動運転技術を含めて、車の電動化が急激に進行している。さらに、ネットの普及から、情報自動倉庫などが多数設置され始めている。
これらの用途には、いずれも多数のサーボモータと組み合わされて回転センサーが搭載される。また、IoTに接続されるセンサーとしての市場も有望である。
モータの回転位置、速度の計測のために、大量の回転センサーが必要とされる。モータが産業のコメと言われるようになり、それに装着される回転センサーも有望な市場である。

変調波レゾルバは回転センサーのレゾルバに属する。変調波レゾルバは、現状の巻線型に較べて、励磁の高周波化で、検出感度が高くなりコイル巻数が大幅に減少し、コイルのプリントパターン化が可能となった。この結果、構造がシンプルで軽量、小型、低コストとなっている。
図１に、プリントパターン化された変調波レゾルバのコイル形状を示す。

特許第3047231号

変調波レゾルバでは、基準となる参照信号から信号波のゼロクロス点までの位相をパルスカウントし、そのカウント値を絶対値回転位置データとして出力する仕組みである。これ以降は、絶対値回転位置を単に回転位置と表記する。
変調波レゾルバが高速回転になると、サンプリングする参照信号の周期が、レゾルバの分解能を超え、サンプリングが機能しなくなる。解決しようとする問題点は、高速回転時においても、回転位置データを所定の間隔で出力し、装備したAB相が回転速度に応じて出力出来るようにすることである。
さらに、外部からの割込みトリガ信号により、その時点の回転位置データを出力出来る手段を有することである。

本発明に係る変調波レゾルバ装置は、参照信号を基準周期としてSIN波、COS波変調波を生成するための２相のパルス幅変調PWM信号を出力するコントローラと、前記コントローラから出力されたPWM信号から、バンドパス・フィルタBPFを通して出力変調波信号を生成する手段と、バッファを通して前記出力変調波信号により、レゾルバメカ機構の入力コイルをドライブするドライバ回路と、前記レゾルバメカ機構の出力コイルから出力される入力変調波信号を処理する差動増幅器、検波回路および位相検出回路を含む位相信号出力回路とを備える。前記コントローラは、前記位相信号出力回路から出力される位相情報を含む入力信号を用いて、前記レゾルバメカ機構の回転時に、現在回転位置から所定時間経過時点での予測回転位置を予測する回転位置予測器と、現在回転位置から予測回転位置までの間の回転位置を、前記変調波レゾルバ装置の分解能に合わせた間隔で、補間するリニアパルス発生器と、前記回転位置の各々からAB相を出力するAB相生成器とをさらに有する。

変調波レゾルバ装置において、前記回転位置予測器は、前記参照信号を基準に、前記予測回転位置と前記所定時間経過した時点での実回転位置との誤差を累積化した累積誤差が零となるように予測回転位置を追尾、予測する手段を備えた比例積分ディジタル・フィードバック制御を行ってもよい。

変調波レゾルバ装置において、前記リニアパルス発生器が補完する前記現在回転位置から前記予測回転位置までの間の前記回転位置は、２進レート乗算器BRMを利用して補間して生成され、前記変調波レゾルバ装置の分解能によって定まる回転位置とほぼ一致するようにしてもよい。

また、変調波レゾルバ装置において、前記コントローラは、前記リニアパルス発生器に接続された割込制御器をさらに備え、前記割込制御器は外部からのトリガ信号により、回転位置生成中の前記リニアパルス発生器からの回転位置データを出力するようにしてもよい。

本発明の変調波レゾルバ装置に前記の回転位置予測器、リニアパルス発生器を用いれば、簡素な構成で高速、高精度の回転位置とAB相生成のシステムを構成できる。また、安価なFPGAなどのコントローラを用いることが出来き、実現手段を低コストで実現することが出来ることから、多大な経済効果も期待できる。
本来の参照信号のみを用いた変調波レゾルバに比較し、高速回転、高精度化に対応でき、変調波レゾルバの市場普及に、大きな効果が期待できる。

図１は、プリントパターン化された変調波レゾルバのコイルを示した図である。 図２は、変調波レゾルバの電子制御回路例を示した図である。 図３は、変調波レゾルバの入力信号例を示した図である。 図４は、変調波レゾルバの回転位置生成の構成を示した図である。 図５は、回転位置予測の概念を示した図である。 図６は、回転位置予測器を示した図である。 図７は、BRMの基本構成を示した図である。 図８は、リニアパルス発生器を示した図である。 図９は、回転位置スケールを示した図である。 図１０は、回転方向によるAB相の出力を示した図である。 図１１は、トリガ信号による現在回転位置の予測値を示した図である。

本発明の実施の形態を図２〜図１１に基づいて説明する。
図２には、変調波レゾルバの電子制御回路例を示したものである。本例は、変調波発生にPWM方式を用いた例である。
コントローラ20からは直交するSIN波、COS波生成用の２相のPWM信号を出力する。
バンドパス・フィルタBPF 21を通して所望の変調波を生成する。この変調波がバッファ22を通して、レゾルバのメカ機構24の入力コイル23をドライブする。

レゾルバのメカ機構24からは、出力コイル25を通して、回転角に相当する位相角だけ変位した変調波が出力され、差動増幅器26を通して入力される。次に検波回路28および位相検出回路27を通して回転位相情報がコントローラ20に入力される。回転位相情報から本発明の方式に基づいて回転位置情報を求める。この回転位置情報を、コントローラ20の高速シリアル通信ポートからユーザ・インタフェース29に出力することが出来る。さらに、ユーザ・インタフェース29のトリガ信号からの割込み要求により、その時点の回転位置を高速シリアル通信ポートから出力することもできる。また、コントローラ20のIOポートからはAB相30を出力することもできる。

図３は、参照信号の周期を、AB相を含めた出力分割数163834にマッピングした入力信号例を示したものである。レゾルバの回転に伴って、入力変調波の位相が変化する。参照信号を基準に、変調波レゾルバからの入力変調波から入力信号波を生成する。入力信号波のゼロクロス点が位相入力を示し、参照信号の立ち上りエッジ
からの位相をカウントしたカウンタ値がレゾルバの現在回転位置を示す。

図４には、変調波レゾルバの回転位置生成の構成を示す。
回転位置入力器31から位相情報を入力し、現在回転位置を取得する。レゾルバの回転時には、比例積分ディジタル・フィードバック制御機能を持つ回転位置予測器32で次の回転位置を予測する。
現在回転位置から次の予測回転位置までの間を、リニアパルス発生器33で回転位置を指定された数と間隔で回転位置を補間し、回転位置スケール35にマッピングする。回転位置スケール35に接続されたAB相生成器36で、AB相を生成、出力する。
さらに、回転位置スケール35には割込み制御器34が接続され、外部のトリガ信号からの割込み要求により、要求時点の回転位置を取出すことが出来る。

図５には回転位置予測の概念を示す。
図５は、出力分割数16384の例を示す。参照信号周期毎にデータサンプリングされるサンプリング点Snの現在回転位置Pnはこの範囲内にある。高速回転時には、次のサンプリング点Sn+１では、予測回転位置はPn±ｍとして示される。ここで、±ｍは予測値、±は回転方向の極性を示す。ｍが１よりも大きいときには、回転数が高速回転し、かつ加速していることを示す。このような時には、回転位置予測器32から予測値±ｍを求め、リニアパルス発生器34で、現在回転位置から予測回転位置の間（つまり±ｍ）をレゾルバの分解能に合わせた間隔で、複数の回転位置をもって補間する。

回転位置予測器32の構成を図６に示す。
本図は、予測器を構成する回転位置ディジタル制御のブロック図を示す。
本予測器は、比例積分ディジタル・フィードバック制御で、積分要素により累積誤差がゼロとなるように追尾し、予測値y(n)＝±ｍを求めるものである。
Ｇ_（ｚ）の一例として、以下の2次の伝達関数を示す。
制御定数α、βを適切に調整することによって、最適な制御を行うことが出来る。

リニアパルスを生成するBRM (Binary Rate Multiplier)の基本構成例を図７に示す。図７はBRMの基本構成例を示し、参照信号の周波数fr Hzの周期間を1024分割して、0からｍの区間をリニアかつ連続的に回転位置データを発生させることが出来る事例を示す。
ｊ＝(ｍ/1024)×ｉ （１）
＝(ｍ×ｉ)/1024 （２）
ここで、参照信号の周期内に内挿化するために、fr×2ⁿのクロック周波数でBRMを駆動する。例えば、回転1024分割では、クロック周波数はfr×1024となる。この事例では、ｉの区間は１〜1024である。いずれも簡単な2ⁿ分周器から生成することができる。
（１）式は、演算に割り算と乗算が必要となるが、（２）式は、乗算部を積算（加算）で代行し、割り算（/1024）は、1024＝２の10乗から10ビット右シフトで対応することが出来る。

簡単な構成で演算のできるこのBRMを使用すると、（２）式の演算処理は、割算器を持たない小型で安価なFPGAなどのコントローラで処理でき、小型化、低コスト化を同時に実現できる。

現在回転位置Pnから予測回転位置Pn±ｍまでのリニアパルスの発生の様子を図８のリニアパルス発生器33に示す。回転方向の極性によって、現在回転位置からの移動方向（回転方向）が異なる。
参照信号周期±ｍの区間を分解能のピッチでリニアに内挿することが求められる。ここでは、構成が簡単なBRMの機能を利用して、リニアパルスの発生を行う例を示す。BRMの基本構成の組み込みは、回転位置方向によって、参照信号周期に対して、＋ｍ側はｍ１、−ｍ側はｍ２にセットする。
演算区間はそれぞれ、＋ｍ側は（参照信号周期＋ｍ）、−ｍ側は（参照信号周期―ｍ）にセットして、BRMを実行することによって、回転方向の異なるリニアパルスを発生させることが出来る。

絶対値レゾルバの一回転は出力分割数（An〜A0）の分解能を持つ。AB相生成器36は、この下位の２ビット（A1とA0）から生成したものである。A相は、A1とA0のEXORから成る。また、B相は、A１を直接引き込んだものである。
このビット構成をマッピングしたものが、図９に示す回転位置スケール35である。回転位置スケール35は、回転位置を示す基本回転ビット＋２ビットの付加ビット、およびA相、B相から成る。ここでは回転位置精度の物差しを意味する。

図１０には、レゾルバの回転方向によって出力されるA相、B相の出力例を示す。A相を基準にして、回転位置スケールを基に、正回転させたB相と逆回転させたB相の出力例を示している。この図から、A相に対するB相の波形を見れば、レゾルバの回転方向が識別出来るようになっている。

図１１には、変調波レゾルバの回転数が低速から中速領域で、割込みトリガ信号に反応して、回転位置データ（予測値）を出力する実施例を示す。
変調波レゾルバの回転数が低速から中速領域での環境条件は次のようなものである。
変調波レゾルバをモータに直結して使用する場合を想定すると、通常のモータ回転数は概ね低速から中速領域の範囲にある。図３を参照して、
（１）入力信号波の周期が参照信号の周期（固定値）に近接している。
（２）短期間内では、入力信号波の周期の変化が、ほぼ一定で推移する。
このような条件では、実用上、問題のない程度の近似演算が可能となる。
＊回転位置予測器として、ディジタル・フィードバック予測器を簡略して、差分を予測器として用いる。
＊リニアパルス発生器には、演算の簡単なBRMを用いる。

参照信号の周期をクロック数Nとし、トリガ信号の入力タイミングをTクロック目とするときの回転位置（予測値）Pn+1を求める簡易式は以下のようになる。
信号波周期の計測値をPnとすると、次の予測値Pn+1は変化量の予測値±ｍ(n)を用いて、次のように表現出来る。
ｍ(n)＝Pn-Pn-1
Δ＝（T/N）ｍ(n)
Pn+1＝Pn＋Δ
Pn+1＝Pn＋（T/N）ｍ(n)
＝Pn＋{T×ｍ(n)}/N
ここで、BRMを利用して、{ T×ｍ(n)}は積算（加算）、割算（/N）はNに1024（＝２の10乗）を用いると10ビット右シフトという簡単な演算で行うことが出来る。

外部からのトリガ信号の代表例としてユーザ・インタファースの高速シリアル通信が用いられる。ユーザマスタとする４線式高速SPI通信を用いれば、SPI要求時の回転位置データをSPIのシリアルデータで出力することができる。
一方、回転位置データを信号波のゼロクロス点に合わせて、４線式高速SPI通信で外部に回転位置データを連続出力するときには、回転位置スケールからコントローラをマスタとして、SPI高速シリアル通信を用いて出力する。

本発明は、参照信号を用いたデータサンプリングのみを用いた変調波レゾルバに比較して、データ予測、補間の導入効果により、変調波レゾルバの高速回転化、高精度化に道を切り開くものである。さらに、AB相を導入することで従来のエンコーダの代替として使用することも可能となる。
多機能的で、経済的にも優れた本発明は、大きな市場効果をもたらすものと期待される。

10 変調波レゾルバのコイル構成
11 励磁コイル
12 出力コイル
20 コントローラ
21 バンドパス・フィルタ
22 ドライバ
23 変調波レゾルバの入力コイル
24 変調波レゾルバのメカ機構
25 変調波レゾルバの出力コイル
26 差動増幅器
27 位相検出回路
28 検波回路
29 ユーザ・インタフェース
30 AB相出力
31 回転位置入力器
32 回転位置予測器
33 リニアパルス発生器
34 割込み制御器
35 回転位置スケール
36 AB相生成器

Claims (4)

1. 変調波レゾルバ装置であって、
   参照信号を基準周期としてSIN波、COS波変調波を生成するための２相のパルス幅変調PWM信号を出力するコントローラと、
   前記コントローラから出力されたPWM信号から、バンドパス・フィルタBPFを通して出力変調波信号を生成する手段と、
   バッファを通して前記出力変調波信号により、レゾルバメカ機構の入力コイルをドライブするドライバ回路と、
   前記レゾルバメカ機構の出力コイルから出力される入力変調波信号を処理する差動増幅器、検波回路および位相検出回路を含む位相信号出力回路と、を備え、
   前記コントローラは、前記位相信号出力回路から出力される位相情報を含む入力信号を用いて、前記レゾルバメカ機構の回転時に、現在回転位置から所定時間経過時点での予測回転位置を予測する回転位置予測器と、
   現在回転位置から予測回転位置までの間の回転位置を、前記変調波レゾルバ装置の分解能に合わせた間隔で、補間するリニアパルス発生器と、
   前記回転位置の各々からAB相を出力するAB相生成器と、を有することを特徴とする変調波レゾルバ装置。
2. 前記回転位置予測器は、前記参照信号を基準に、前記予測回転位置と前記所定時間経過した時点での実回転位置との誤差を累積化した累積誤差が零となるように予測回転位置を追尾、予測する手段を備えた比例積分ディジタル・フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載する変調波レゾルバ装置。
3. 前記リニアパルス発生器が補完する前記現在回転位置から前記予測回転位置までの間の前記回転位置は、２進レート乗算器BRMを利用して補間して生成され、前記変調波レゾルバ装置の分解能によって定まる回転位置とほぼ一致することを特徴とする請求項１と請求項２に記載する変調波レゾルバ装置。
4. 前記コントローラは、前記リニアパルス発生器に接続された割込制御器をさらに備え、前記割込制御器は外部からのトリガ信号により、回転位置生成中の前記リニアパルス発生器からの回転位置データを出力することを特徴とする請求項１から請求項３に記載する変調波レゾルバ装置。