JP2019215220A - 変調波レゾルバ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 歯車、ボールネジなどのメカ要素と直結して長い移動（あるいは回転）ストロークの位置決め装置では、精度向上のため長大な分割数を持つ回転位置検出器が必要となる。解決しようとする問題点は、長大な分割数を持つ高精度な多回転変調波レゾルバを提供することである。【解決手段】 参照信号ｎ個を内包する多回転変調波レゾルバにおいて、ｎ個の参照信号が多回転数に一致し、絶対値最大多回転分割数が１回転分割数×最大回転数ｎとなるように多回転分割数を構成する。特定の参照信号を固定して、回転位置を示す位相情報を取得することによって多回転化と高精度化を図り、上記の課題解決を図るものである。【選択図】 図３

Description

本発明は、高精度の位置検出ができる多回転レゾルバに関するものである。
位置決め用に位置検出用のレゾルバを装着する場合には、サーボモータ回転数に整合して、歯車による減速、あるいはボールネジなどのメカ要素から成る位置決め機構を構成する必要がある。メカ機構には、所定の長さの移動ストロークがあり、本発明は、サーボモータと組み合わせた高精度な位置決めの出来る絶対値多回転レゾルバを経済的に提供するものである。

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た回転位置センサが搭載される。サーボモータの回転位置、速度計測のために、大量の回転位置センサが必要とされる。サーボモータが産業のコメと言われるようになり、サーボモータに連動して装着される回転位置センサも、サーボモータと共に今後の有望な市場である。

回転位置センサには、インクリメント方式のエンコーダの他に、航空宇宙、車載環境などで、耐環境性の高いレゾルバが使用されている。
変調波レゾルバはこのレゾルバに属する。図１に、変調波レゾルバの原理構成として、プリントパターン化された変調波レゾルバのコイル構成10を示す。
変調波レゾルバは、現状の巻線型に較べて、基本的に励磁コイル11と出力コイル12で構成され、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。

特許第3047231号

位置決め装置では、メカ機構＋サーボモータ＋回転位置検出器の組合せで構成される。歯車、ボールネジなどのメカ要素と直結して長い移動（あるいは回転）ストロークのメカ機構では、精度を向上するためには、長大な分割数を持つ回転位置検出器が必要となる。メカ機構のみを使った多回転レゾルバは、多回転数がメカ固定で長大な分割数に柔軟に対応できず、構造が複雑でコスト高という問題がある。
解決しようとする問題点は、サーボモータと結合した高い位置精度が要求される使用環境で、長大な分割数を持つ高精度な多回転変調波レゾルバを電子的な手段で実現し、経済的に提供できるようにすることである。

長い移動（あるいは回転）ストロークのメカ機構に対応するには、従来の変調波レゾルバの一回転での分割数を向上させても、長大な分割数を提供するには限度がある。
本発明は、変調波レゾルバの多回転化を電子的な手段によって、より長大な分割数を生成し、課題に対処するものである。多回転化を、１回転絶対値レゾルバの電子制御回路構成を使用して、コントローラ内の信号処理を変更して電子的手段によって、多回転レゾルバを実現すれば、構成が簡易でより経済的効果が大きい多回転変調波レゾルバを提供することが可能となる。さらに、メカ機構では固定の多回転数も、電子的な手段によって柔軟に構成でき、1024回転以上の長大な多回転数の構成も可能となる。

メカ機構のみを使った多回転レゾルバは、電源を切っても、多回転数はメカ機構自身が記憶している。これに対して、電子的な多回転レゾルバは１回転内の絶対値は機構上保存できるが、多回転数は装置の電源断で喪失されるという課題がある。

一般にサーボモータ電源と制御回路電源が同時に開閉されることが多い。サーボモータ電源がOFFになっても、サーボモータおよび変調波レゾルバは慣性で回転し、完全な停止までに一定の時間を要する。
本発明では、制御回路電源が遮断されても、少なくともサーボモータ停止までは、２次電池による装置のバッテリバックアップで装置の電源を維持し、変調波レゾルバの回転停止情報を不揮発性メモリに長期的に保存し、電源再投入時に、その停止多回転位置情報を不揮発性メモリから読み出し、多回転位置情報を復旧させるものである。

サーボモータと結合した高い位置精度が要求される回転位置検出器の使用環境で、
変調波レゾルバの多回転化によって、より長大な分割数を生成し、高精度化に対処できるようになる。１回転レゾルバに較べて、サーボモータに連動する変調波レゾルバの多回転化によって、位置決め精度を高めることが出来るばかりでなく、長い移動ストロークのメカ機構に対して、伝達比率、メカ構成を柔軟に構成できるようになる。

多回転化は１回転レゾルバの電子制御回路構成をそのまま使用して、コントローラの信号処理を変更して電子的に実現できるので、構成が簡単で経済的効果も大きい。
２次電池によるバッテリバックアップと不揮発性メモリによる変調波レゾルバの
停止回転位置情報の長期保存との併用により、装置の電源断後の回転位置情報の復旧とサーボモータの慣性により回転位置がずれる事態に備えることが出来る。

プリントパターン化された変調波レゾルバのコイル構成を示した図である。 変調波レゾルバの電子制御回路例を示した図である。 多回転変調波レゾルバの動作原理を示した図である。 ２次電池によるバッテリバックアップを示した図である。

本発明の実施の形態を図２、図３、図４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BPF21を通して所要の変調波が生成される。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θ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θがコントローラ20に入力される。コントローラ内で、この回転位相θから本発明の方式に基づいて多回転位置情報を求める。この情報は、例えば、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。

図３には、変調波レゾルバ出力部から現在位置を示す位相情報を含む変調波を入力し、多回転の現在回転位置を取得する過程を示す多回転レゾルバの動作シーケンスを示す。本図は、最大回転数を256とした入力信号例を示したものである。区間信号は、レゾルバの0から最大回転数までの全区間（本例では、０〜255）の範囲を示す信号である。

変調波レゾルバでは、構成上の原理から参照信号毎に変調波のゼロクロス点が発生し、１回転分割数内に１位相入力がそれぞれ存在する。最大回転数256では256個の位相入力が、区間信号内に存在することになる。このままでは、区間信号内で１個の位相入力が移動するようには出来ない。

多回転化を実現するために、区間信号の枠内にｎ個の参照信号と分割数を積み重ねることにより、一つの多回転変調波レゾルバとして機能するように構成する。
このようにすると、最大多回転分割数は（１回転分割数×最大回転数）となる。
例えば、１回転分割数が4096、最大回転数が256の場合には、最大多回転分割数は以下のようになる。
最大多回転分割数＝4096(12ビット)×256(8ビット)＝1,048,576(20ビット)
回転数をｎ、１回転内の回転位置ｍとすると多回転回転位置（絶対値）Nは（１）式のように示される。
多回転回転位置（絶対値）N＝ｎ×(１回転分割数)＋ｍ （１）

区間信号を基準にして、特定の参照信号の位相入力に固定し、最大回転位置移動空間を最大多回転分割数の全域20ビット（本例の場合）にまで拡張すれば、現在回転位置は１回転分割数の壁を越えて、区間信号の全区間をシームレスに移動できるようになる。

区間信号の開始エッジから特定の位相入力の開始エッジ間を、高周波クロックでカウントしたカウンタ値が、多回転変調波レゾルバの現在回転位置を示す。本例では、現在回転位置は参照信号番号の0〜255の区間内にある。

多回転化を実現するにおいて、既存の１回転絶対値レゾルバの電子制御回路構成を使用して、コントローラ内の信号処理を、上述の多回転アルゴリズムを実行できるように変更して多回転レゾルバを実現すれば、構成が簡易でより経済的効果を発揮することができる。

電子的な多回転レゾルバは１回転内の絶対値は構造上記憶できるが、多回転数は装置の電源断で喪失される。その主たる対策となるものは次の２つである。
（１）電源断の度に、原点位置を再設定する。
この方式は、インクリメント方式エンコーダで用いられる方法で、機構の原点に光電式スイッチなどを配置し、電源ON時毎に原点を合わせることで、初期回転位置設定が出来る。
（２）２次電池と不揮発性メモリを用いて多回転数を記憶する。
この方式は、電源断があっても継続してレゾルバの回転位置を、２次電池と不揮発性メモリを用いて不揮発性メモリに保存し、電源ON時に自動的に回転位置を復旧させるものである。

本発明では、上記（２）について対策を提案するものである。
電源断後も慣性でモータが回転し、この間は、制御電源もOFFとなるので、多回転数を記憶する何らかの２次電池が必要である。しかし、２次電池は電子制御装置を駆動する関係から一定の電力を要し、電源維持期間には限界があり、超長期のデータ保持は困難である。

本発明では、サーボモータの回転停止までの短期間だけ２次電池の電源を維持させる。サーボモータの停止回転位置はサーボモータに連動する多回転変調波レゾルバの回転位置情報から取得し、リード/ライトの出来るフラッシュメモリあるいはEEPROMなどの不揮発性メモリに、その情報を記録する。本方式では、２次電池によるバッテリバックアップ機能は、この時点まで機能すればよく、長期間のデータ保持は不要のため、２次電池の容量を小さく、小形化かつ安価に構成できるという利点がある。２次電池の候補としては、電気二重層キャパシタ、充電式バッテリなどがある。

次の電源ON時に、不揮発性メモリの情報を読み出すことで、サーボモータに連動する多回転変調波レゾルバの回転位置を復旧することが出来る。復旧すべき多回転変調波レゾルバの回転停止位置は不揮発性メモリに記録されているので、２次電池の寿命とは無関係に長期的に記録保持が可能である。この方式では、サーボモータの回転停止位置の復旧は、２次電池と不揮発性メモリのコンビネーションにより、より効果的に実施することが可能となる。
要約すると、その停止回転位置復旧のメカニズムは以下のようになる。
（１）電源断からレゾルバ停止までは２次電池を機能維持させ、この間にモータ停止回転位置情報を取得し、不揮発性メモリに書込む。
（２）2次電池の電源切れ後も停止回転位置情報は不揮発性メモリに長期保存されているので、電源ONとともに回転位置情報を速やかに復旧することができる。

図４には、2次電池に電気二重層キャパシタ34を用いた復旧の一例を示す。サーボモータ電源が切断され、多回転変調波レゾルバ制御電源31も同時に切断されると、ショットキーダイオード32がカットオフされ、電気二重層キャパシタ34に蓄積された電荷（A点電圧）が時間と共に低下しても、step up DC/DCコンバータ35を通して所定の期間、Ｃ点制御電圧を一定に維持することが出来る。

一方で、制御電源31が切断されたことを、抵抗R2とR3を通してB点電圧を多回転変調波レゾルバ電子制御装置36に伝達する。この間に、多回転変調波レゾルバ電子制御装置36はサーボモータ38に連動するレゾルバ本体37の回転停止を監視し、停止が確認されると停止回転位置情報を多回転変調波レゾルバ電子制御装置36に内蔵された不揮発性メモリに書き込む。電気二重層キャパシタ34に蓄積された電荷はやがて放電され、C点制御電圧も降下するが、すでに不揮発性メモリに回転停止位置情報を書込んだ後である。
電源の回復とともに、不揮発性メモリから停止回転位置情報を取出し、レゾルバの回転位置を復旧させることが出来る。
本例の多回転変調波レゾルバ電子制御装置36は、図２の変調波レゾルバの電子制御回路構成をそのまま利用することが可能である。

サーボモータを使用した位置決めでは、サーボモータに長寿命なブラシレスDCモータが使用されるケースが多い。サーボモータ制御では、位置、速度それにサーボモータの高効率化のためにベクトル制御が適用される。この３要素の内、特に高速処理が要求されるのがベクトル制御である。ベクトル制御によりよりサーボモータの効率をより高めるために、レゾルバから高頻度の回転位置情報を連続的に送信し続ける必要がある。

具体的には、例えば、外部のサーボモータ制御コントローラからの高速高頻度の割込み要求に応じて、多回転変調波レゾルバ制御装置36はスレイブとなって、回転位置情報を外部のユーザ・インタフェース29に連続出力するような機構が必要となる。この処理は高速性を要するため、回路構成が簡単な高速シリアル通信が有用である。

本発明の多回転変調波レゾルバの適用によれば、ディジタルサーボ機構を柔軟に構成することができ、高精度なサーボ機構を経済的に提供することができる。性能的にも経済的にも優れた特徴を持つ本発明は、多回転変調波レゾルバの応用で、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
３１ 制御電源
３２ ショットキーダイオード
３３ 突入電流抑制抵抗
３４ 電気二重層キャパシタ
３５ step up DC/DCコンバータ
３６ 多回転変調波レゾルバ電子制御装置
３７ レゾルバ本体
３８ サーボモータ
３９ pull down抵抗
４０ 保護抵抗

Claims (2)

1. 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信号をコントローラから出力する手段と、バンドパス・フィルタBPFを通して所要の変調波を生成する手段と、バッファを通してレゾルバメカ機構の入力コイルをドライブする手段と、レゾルバメカ機構の出力コイルから回転角に相当する回転位相だけ変位した変調波信号を入力する手段と、入力した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備え、位相検出回路から出力される位相情報をコントローラに入力する手段と、を備えた変調波レゾルバ装置において、
   さらに、変調波レゾルバ装置は、位相情報を含む入力信号を使って、最大回転数ｎに一致するｎ個の参照信号を内包する区間信号を設ける手段と、最大回転分割数が変調波レゾルバの１回転分割数×最大多回転数ｎとなるように多回転分割数を拡張する手段と、区間信号内の複数の参照信号の中から特定の参照信号に固定する手段と、特定の参照信号の変調波の位相信号が区間信号内の全域に移動できる手段と、区間信号の開始エッジから位相信号の開始エッジ間を高周波クロックでカウントしたカウンタ値が多回転変調波レゾルバの現在回転位置を示す手段と、を備え、
   区間信号の枠内にｎ個の参照信号と分割数を積み重ねることにより、一つの多回転変調波レゾルバとして機能するように構成したことを特徴とする変調波レゾルバ装置。
2. 変調波レゾルバ装置の電源断と復旧に備えた電源維持のための２次電池と停止多回転位置情報を記録する不揮発性メモリを備え、
   変調波レゾルバ装置の電源断時以降も変調波レゾルバの回転が減衰し停止するまでの動作期間中、２次電池を作動させて変調波レゾルバ装置の電源を維持する手段と、変調波レゾルバの停止多回転位置を検出し、その情報を不揮発性メモリに長期的に記憶する手段と、を備え、
   電源再投入時に、その停止多回転位置情報を不揮発性メモリから読み出し、多回転位置情報を復旧させる機能を有する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。