JP2021188912A - 駆動装置、変調波レゾルバ装置、及び回転角の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 解決しようとする課題は、変調波レゾルバメカ構成はシンプルで優れた特性を持っているにもかかわらず、この変調波を駆動する電子制御回路が複雑かつ高価であることである。【解決手段】 変調波レゾルバ装置のための駆動装置であって、基本クロックに同期した正及び負の符号を有する符号信号及びパルス幅変調信号を生成し、符号信号の符号に対応してパルス幅変調信号から生成される符号付パルス幅変調信号を出力するコントローラと、所定の電源電圧と基準電位との間に接続された第１及び第２スイッチ回路を含む入力コイル駆動部とを備える。符号付パルス幅変調信号は、符号信号の正及び負の符号に対応した正符号及び負符号パルス幅変調信号を含む。第１及び第２スイッチ回路は、変調波レゾルバ装置の入力コイルに接続され、正符号及び負符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動装置、変調波レゾルバ装置、及び回転角の検出方法に関するものである。

従来の巻線型のレゾルバは、鉄心と複数の巻線コイルで構成されており、電磁誘導現象により、回転角度や位置検出を検出する電磁気式の絶対変位検出センサーである。この巻線型のレゾルバは、形状および重量が大きく、製造コストが高いなどの問題点があった。一方で、鉄心と巻線コイルのみで構成されており構造が単純で、信頼性が高く、耐環境性に優れるため、航空機、電気自動車、ロボット、工作機械などに広い分野で採用されている。

また、レゾルバには、巻線型以外に、特許文献１に開示されている変調波レゾルバ装置が知られている。変調波レゾルバ装置は、従来の巻線型のレゾルバに較べて、高周波の駆動信号を利用できるので、検出感度を高くできるため、コイル巻数も大幅に減少することができる。このため変調波レゾルバ装置では、回転機構に含まれる入力及び出力コイルをパターン化してプリント基板上に形成されている。これにより、小型、軽量で、製造コストが低いという優れた特性を持っている。また、特許文献２には、高周波（約500kHz）の変調波を用いた変調波レゾルバ装置が開示されている。

特許第3047231号 特開2018-31704号公報

図７は、変調波レゾルバ装置の原理を説明するための図である。図７に示すように、変調波レゾルバ装置は、例えばプリント基板上に設けられた入力コイルと、出力コイルを備えている。変調波レゾルバ装置は、直交するSIN、COSの変調波で、それぞれの入力コイルを駆動して、レゾルバの回転角に対応して出力コイルから出力される出力変調波の位相を検出するというシンプルな原理で動作する。ここで、変調波レゾルバ装置に用いられる変調波はAM変調波である。
特許文献２に開示された変調波レゾルバ装置において、高周波（約500kHz）の変調波信号は、FPGA（ Field-programmable Gate Array）、SIN、COSの２本の単相PWM（Pulse Width Modulation）信号（パルス幅変調信号）、シリアルライン、電力スイッチ、及びBPF（バンドパス・フィルタ）により生成される。また、必要に応じてバッファなどを組み合わせて変調波信号が生成されている。この変調波レゾルバ装置では、PWM信号から変調波信号を生成することで、部品点数、部品コスト、装着スペースを減らし、回路が簡素化、小型化されている。

しかし、課題をさらに突き詰めれば、変調波信号生成にPWM信号を用いることで、入力コイルの駆動回路が簡素化されてはいるが、変調波信号を生成するための回路自体は存在し、さらなる回路の簡素化の余地はまだ残っている。そして、変調波信号を生成する回路の存在自体が、部品、製造コストを増大させ、それに付随して信頼性も低下させている。
次に、回転角検出の精度の観点からも改善の余地が残されている。この変調波レゾルバ装置において、変調波信号の生成は、一本のパルス幅変調による限られたビット情報とバンドパスフィルタ（BPF）を用いてアナログの変調波信号（AM変調波）を生成している。BPFを構成する電子部品の精度的なバラツキによって、生成される変調波信号にバラツキが生じる場合がある。この変調波信号のバラツキは、レゾルバ装置の回転角誤差の原因となる。すなわち、変調波の生成機構自体が回転角検出精度の低下をもたらす可能性がある。

以上のことから、従来の変調波レゾルバ装置において、入力コイルの駆動信号を生成するための変調波生成駆動回路の存在自体が、製造コストの上昇と、検出精度の低下を生じる原因となっている可能性がある。
本発明が解決しようとする課題は、変調波レゾルバ駆動回路のさらなる簡素化と回転角検出の高精度化である。

本発明に係る駆動装置は、変調波レゾルバ装置のための駆動装置であって、基本クロックに同期した正及び負の符号を有する第１符号信号及び第１パルス幅変調信号を生成し、前記第１符号信号の前記符号に対応して前記第１パルス幅変調信号から生成される第１符号付パルス幅変調信号を出力するコントローラと、所定の電源電圧と基準電位との間に接続された第１及び第２スイッチ回路を含む第１入力コイル駆動部とを備える。前記第１符号付パルス幅変調信号は、前記第１符号信号の前記正及び負の符号に対応した第1正符号パルス幅変調信号と第１負符号パルス幅変調信号を含む。また、前記第１スイッチ回路は、前記変調波レゾルバ装置の第１入力コイルの一端に接続され、前記第１正符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成され、前記第２スイッチ回路は、前記第１入力コイルの他端に接続され、前記第１負符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成されている。

本発明に係る駆動装置では、コントローラから出力される第１符号付パルス幅変調信号を用いて、第１入力コイル駆動部の第１及び第２スイッチ回路を制御している。さらに、第１入力コイル駆動部の第１及び第２スイッチ回路は、変調波レゾルバ装置の第１入力コイルに接続されており、この第１入力コイル駆動部により、上記の第１入力コイルが駆動される。このように、本発明に係る駆動装置は、変調波レゾルバ装置のための変調波を生成する回路が不要であるため、装置の構成を簡単にすることができ、構成部品も少なくすることができる。その結果、小型、低コストそして高信頼性を有する駆動装置を実現することができる。

また、 本発明に係る駆動装置において、前記コントローラは、前記基本クロックに同期した第１参照信号を生成し、前記第１の符号信号の符号値は、前記第１参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わることを特徴としてもよい。

本発明に係る駆動装置では、変調波レゾルバ装置の入力コイルを駆動する駆動電流（第１符号付パルス幅変調信号）の極性反転に対応した処理を、第１参照信号の論理レベルに連動した符号の入れ替だけで簡易に実現することができる。その結果、変調波レゾルバ装置の出力コイルからの出力信号から、回転角検出回路を介してレゾルバの回転角を検出する際に、回転角検出回路に含まれる検波回路で、基本クロックで位相同期検波を行うことにより、参照信号の半周期に同期した極性反転に連動して信号波のエンベロープを得ることができる。

また、 本発明に係る駆動装置において、前記第１パルス幅変調信号の周波数は、前記基本クロックの周波数の２倍の周波数であることを特徴としてもよい。

本発明に係る駆動装置では、符号信号が基本クロックの半周期に同期して正及び負の符号を持つため、第１パルス幅変調信号も符号信号の正及び負の符号に対応して出力される。これによって、符号信号と第１パルス幅変調信号の合成によって第１符号付パルス幅変調信号を得ることができる。

また、 本発明に係る駆動装置は、前記電源電圧と基準電位との間に接続され、第３及び第４スイッチ回路を含む第２入力コイル駆動部を更に備えることができる。また、前記コントローラは、前記基本クロックに同期した正及び負の符号を有する第２符号信号及び第２パルス幅変調信号を更に生成し、前記第２符号信号の前記符号に対応して前記第２パルス幅変調信号から生成される第２符号付パルス幅変調信号を出力し、前記第１符号信号及び第１パルス幅変調信号は、それぞれ第２符号信号及び第２パルス幅変調信号と直交しており、前記第２符号付パルス幅変調信号は、前記第２符号信号の前記正及び負の符号に対応した第２正符号パルス幅変調信号と第２負符号パルス幅変調信号を含み、前記第３スイッチ回路は、前記変調波レゾルバ装置の第２入力コイルの一端に接続され、前記第２正符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成され、前記第４スイッチ回路は、前記第２入力コイルの他端に接続され、前記第２負符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成されていることを特徴としてもよい。

本発明に係る駆動装置では、変調波レゾルバ装置の第２入力コイルに接続された第３及び第４スイッチ回路を含む第２入力コイル駆動部を備えることができる。上記の第２入力コイルが、第２入力コイル駆動部により駆動される。これにより、変調波レゾルバ装置の構成を簡単にすることができ、構成部品も少なくできる。その結果、小型、低コストそして高信頼性を有する駆動装置を実現することができる。

また、 本発明に係る駆動装置において、前記コントローラは、前記基本クロックに同期した第１参照信号と、前記第１参照信号に直交する第２参照信号を生成し、前記第２の符号信号の符号値は、前記第２参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わることを特徴としてもよい。

本発明に係る駆動装置では、変調波レゾルバ装置の入力コイルを駆動する駆動電流（第２符号付パルス幅変調信号）の極性反転に対応した処理を、 第２参照信号の論理レベルに連動した符号の入れ替だけで簡易に実現することができる。第２参照信号は第１参照信号に直交するように構成されており、これにより、SIN系列とCOS系列の駆動信号（駆動電流）を構成することが出来る。

また、 本発明に係る駆動装置において、前記第２パルス幅変調信号の周波数は、前記基本クロックの周波数の２倍の周波数であることを特徴としてもよい。

本発明に係る駆動装置では、
符号信号が基本クロックの半周期に同期して正及び負の符号を持つため、第２パルス幅変調信号も符号信号の正及び負の符号に対応して出力される。これによって、符号信号と第２パルス幅変調信号の合成によって第２符号付パルス幅変調信号を得ることができる。

また、 本発明に係る駆動装置において、前記基準電位は、グラウンド電位であることを特徴としてもよい。

本発明に係る駆動装置では、入力コイルを駆動するための第１又は第２入力コイル駆動部のスイッチ回路は、電源電圧とグラウンド電位との間に接続されることができる。これにより、駆動装置側の電源と受信回路側の電源を分離することができる。このため、入力コイルを駆動する電力に伴うスイッチング電磁ノイズから回転角検出回路を保護することが出来る。

また、 本発明に係る変調波レゾルバ装置は、上記の駆動装置と、前記駆動装置により駆動される入力コイルと、レゾルバの回転角に応じた信号を出力する出力コイルとを備えたレゾルバメカ機構と、前記出力コイルに接続された回転角検出回路とを備える。また、前記回転角検出回路は、差動増幅器、検波回路および位相検出回路と、前記差動増幅器と前記検波回路との間に接続されローパス・フィルタを含む変調波再生回路を備えることを特徴とすることができる。

本発明に係る変調波レゾルバ装置では、上記の駆動装置と、レゾルバメカ機構と、出力コイルに接続された回転角検出回路とを備えており、回転角検出回路は、差動増幅器と検波回路との間に接続されローパス・フィルタを含む変調波再生回路を備えている。これにより、出力コイルからの出力信号に含まれる高調波成分が除去され、信号波を包絡線に持つ変調波を再生することが出来る。

また、 本発明に係る変調波レゾルバ装置において、前記レゾルバメカ機構の前記出力コイルと前記回転角検出回路との間に、更にローパス・フィルタを含む前置フィルタ回路が接続されていることを特徴としてもよい。

本発明に係る変調波レゾルバ装置では、レゾルバメカ機構の出力コイルと回転角検出回路（差動増幅器）との間に、更にローパス・フィルタを含む前置フィルタ回路が接続されているので、出力コイルからの出力信号に含まれる不要ノイズを効果的に低減することが出来る。

また、 本発明に係る回転角の検出方法は、変調波レゾルバ装置による回転角の検出方法であって、基本クロックに同期した正及び負の符号を有する符号信号及びパルス幅変調信号を生成し、前記符号信号の前記符号に対応して前記パルス幅変調信号から生成される符号付パルス幅変調信号を出力する符号付パルス幅変調信号出力ステップと、前記符号付パルス幅変調信号により、所定の電源電圧と基準電位との間に接続されたスイッチ回路を介して、前記変調波レゾルバ装置の入力コイルを駆動する入力コイル駆動ステップと、前記変調波レゾルバ装置の出力コイルからの出力信号から、回転角検出回路を介してレゾルバの回転角を検出する回転角検出ステップとを備える。前記回転角検出回路は、差動増幅器、検波回路および位相検出回路と、前記差動増幅器と前記検波回路との間に接続されると共にローパス・フィルタを含む変調波再生回路を備える。また、前記回転角検出ステップにおいて、前記出力コイルからの出力信号に含まれる高調波成分を前記変調波再生回路により除去し、信号波を包絡線に持つ変調波を生成することを特徴としてもよい。

本発明に係る回転角の検出方法では、符号付パルス幅変調信号を用いて、所定の電源電圧と基準電位との間に接続されたスイッチ回路を介して、変調波レゾルバ装置の入力コイルを駆動し、変調波レゾルバ装置の出力コイルからの出力信号から、回転角検出回路を介してレゾルバの回転角を高精度に検出する方法を提供することができる。

また、 本発明に係る回転角の検出方法において、前記符号付パルス幅変調信号は、前記符号信号の前記正及び負の符号に対応した正符号パルス幅変調信号と負符号パルス幅変調信号を含むことができる。また、前記スイッチ回路は、前記変調波レゾルバ装置の入力コイルの一端に接続され、前記正符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成された第１スイッチ回路と、前記入力コイルの他端に接続され、前記負符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成された第２スイッチ回路を含むことができる。さらに、前記正符号パルス幅変調信号及び前記負符号パルス幅変調信号に対応して、前記入力コイルを駆動する駆動電流の向きが逆方向になるように構成されたことを特徴としてもよい。

本発明に係る回転角の検出方法では、正符号パルス幅変調信号及び負符号パルス幅変調信号に対応して、入力コイルを駆動する駆動電流の向きが逆方向になるように構成されている。構造上、入力コイルの倍電圧駆動と等価であり、これにより、制御回路側の電圧を低電圧化することができる。

本発明に係る変調波レゾルバ装置では、符号付パルス幅変調信号（符号付パルス幅変調信号配列）を用いることにより、２個のスイッチ回路によるレゾルバ入力コイルの直接駆動が可能となる。
スイッチ回路{スイッチの構造はアナログ・スイッチ（2:1SPDT（single-pole double-throw））}を用いて、入力コイルを直接駆動する方式のため、従来の変調波を生成する回路が不要である。その結果、構成がシンプルで、高精度、高信頼、安価、低駆動電圧のレゾルバ装置を実現することができる。

図１は、本実施形態に係る変調波レゾルバ装置の構成を示した図である。 図２は、レゾルバ入力コイルを直接駆動する構成例を説明する図である。 図３は、前置フィルタの回路例を示した図である。 図４は、コントローラ内で生成される信号およびコントローラから出力される信号のタイミング関係を示した図である。 図５は、レゾルバメカ機構の出力力コイルから出力される変調波信号から、回転位相θを検出する方法を説明するための図である。 図６は、SIN系列とCOS系列の電圧調整方法と回路を説明するための図である。 図７は、変調波レゾルバ装置の原理構成を示した図である。 図８は、変調波レゾルバ装置の変調方式を説明するための図である。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、変調波レゾルバ駆動装置、変調波レゾルバ装置、及び変調波レゾルバ装置の駆動方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。本発明に係る変調波レゾルバ装置について説明する前に、まず、変調波レゾルバ装置の動作原理について説明する。

図７に、変調波レゾルバの原理構成図を示す。また、図８に、変調波レゾルバ装置を駆動する駆動信号の変調方式を説明する。図７に示すように、従来の変調波レゾルバ装置では、直交するSIN、COSの変調波信号で、レゾルバ装置の入力コイルを駆動して、出力コイルからのレゾルバの回転角に伴う出力変調波の位相を検出して、回転角又は回転数を測定するというシンプルな原理で動作する。

変調波レゾルバ装置の原理は、信号波によって規定され、信号波によって、その動作が実現される。信号波は参照信号を周期とする正弦波信号および余弦波信号で構成され、レゾルバの基本動作を表現する。

変調波レゾルバ装置の回転原理を、複素関数を用いて表現すると、信号波回転角をωt、レゾルバ回転角をθとして、（１）式のように表される。

この関係を、複素関数と三角関数をつなぐオイラーの公式で表現すると、実数部と虚数部からそれぞれ、下記の三角関数の加法定理が得られる。
cosωt・cosθ−sinωt・sinθ＝cos（ωt＋θ） （２）
sinωt・cosθ＋cosωt・sinθ＝sin（ωt＋θ） （３）
（３）式の虚数部に注目して、ゼロクロス点を考える（本発明の位相検出回路でも位相を信号波のゼロクロス点で検出する）。ゼロクロス点は、sin（ωt＋θ）＝0であるから、ωt＋θ＝0、πのときである。
ωt＋θ＝0の側のゼロクロス点に注目して、θ＝（0、π）−ωtの時にゼロクロスする。すなわち、ゼロクロスする回転角ωｔを計測すれば、回転角θを求めることが出来る仕組みになっている。

図８は、変調波レゾルバ装置の変調方式を説明するための図である。信号波は、レゾルバの基本動作を規定する参照信号に同期している。従来の変調波レゾルバ装置では、信号波の駆動（搬送）は、変調波すなわちAM変調されたキャリア（搬送波）によって行われる。このため、信号波は、SIN、COS変調波の包絡線として表される。

図８において、本発明に係る変調波レゾルバ装置では、信号波を表現するものとして、AM変調された変調波信号は使用せず、符号付PWM（パルス幅変調）配列（受信側では信号波のAM変調波となるような配列）を用いる。
符号付PWM信号は、AM変調波の＋側の振幅に対応する＋電位のPWM信号配列（PWM＋信号）と、AM変調波の−側の振幅に対応する−電位のPWM信号配列（PWM−信号）とで表される。具体的には、信号波の振幅を符号付にしてPWMのパルス幅に変換したものである。

符号付PWM信号配列で入力コイルを駆動しても、入力コイルのインピーダンスがフィルタの役割を果たし、AM変調波で駆動したと同様の現象が得られる。ただし、入力コイルのインピーダンスは最適なフィルタの構成要素とはなっていないので、受信端では、AM変調波成分の他に、様々な周波数を含む不要ノイズ信号が含まれている。
そこで本発明では、後記述するように、変調波レゾルバ装置の出力コイルからの信号を受ける受信回路側で前置フィルタと変調波再生回路を付加して、不要ノイズ信号を除去し、高品質な変調波の再生を行うように工夫している。

図８の符号付PWM信号配列において、参照信号の１周期分に含まれる64対の符号付PWM信号配列の一例を示している。信号波に合わせて、１対の符号付PWM信号配列のパルス幅は符号の＋と−でパルス幅が異なる。参照信号の半周期に同期して、符号付PWM信号配列の前半の３２対は正極性、後半の３２対は負極性を示す。１対の内部の符号を入れ替えることで、簡易に極性反転に対応することが出来る特性がある。参照信号の半周期に同期して、３２対毎に符号を入れ替えることで、参照信号の半周期毎に連続した極性反転を実行することが出来る。

図１は、本発明を適用した変調波レゾルバ装置２０の一実施例を示す。本発明の変調波レゾルバ装置２０においては、変調波レゾルバ装置２０の駆動回路の簡素化と回転角検出の高精度化を実現するために、第１符号信号と第１パルス幅変調信号（以下、「第１PWM信号」と言う。）を合成した第１符号付パルス幅変調信号（以下、「第１符号付PWM信号」と言う。）、すなわち第１正符号パルス幅変調信号（以下、「第１PWM＋信号」と言う。）と第１負符号パルス幅変調信号（以下、「第１PWM−信号」と言う。）で、第１スイッチ回路２（以下、「第１PWM＋SW（スイッチ）回路２」と言う。）と第２スイッチ回路３（以下、「第１PWM−SW（スイッチ）回路３」と言う。）にそれぞれ選択信号を与えて、変調波レゾルバ装置２０の第１入力コイル６を直接駆動する構造を持ち、高精度に回転角を検出することが出来る構成にしている。
同様に、第２符号信号と第２パルス幅変調信号（以下、「第２PWM信号」と言う。）を合成した第２符号付パルス幅変調信号（以下、「第２符号付PWM信号」と言う。）、すなわち第２正符号パルス幅変調信号（以下、「第２PWM＋信号」と言う。）と第２負符号パルス幅変調信号（以下、「第２PWM−信号」と言う。）で、第３スイッチ回路４（以下、「第２PWM＋SW（スイッチ）回路４」と言う。）と第４スイッチ回路５（以下、「第２PWM−SW（スイッチ）回路５」と言う。）にそれぞれ選択信号を与えて、変調波レゾルバ装置２０の第２入力コイル７を直接駆動する構造を持ち、高精度に回転角を検出することが出来る構成にしている。

通常、コントローラ１には、デジタルシグナルプロセッサ（digital signal processor：DSP）あるいはFPGA（field-programmable gate array）を用いる。
コントローラ１内部の信号生成部には、参照信号、基本クロック、符号信号、PWM信号がある。参照信号周波数fref、変調波波数Nおよび基本クロック周波数fclkが、変調波レゾルバ装置２０の基本仕様として設定される。最初に、基本クロックfclk、変調波波数Nが設定される。続いて、参照信号周波数frefは、fref＝fclk / Nという関係で定まる。なお、変調波の包絡線で表現される信号波周期は、参照信号周期と同一となる。本例では、fref：８kHz、N：64波、fclk：512kHzの設定例で説明する。

コントローラ１の信号生成部には、直交するSIN系列およびCOS系列がある。ここで、信号が直交するとは、各信号の位相がπ/2ずれていることを言う。それぞれの符号信号とPWM信号から、符号付PWM信号（PWM＋信号、PWM−信号）を、基本クロックに同期して生成する。
コントローラ内で生成された符号付PWM信号は、SIN系列から第１PWM＋信号と第１PWM-信号が出力され、COS系列から第２PWM＋信号と第２PWM-信号がコントローラ１から出力される。
上記信号のタイミングに関しては図４に詳しく表現している。

まず、レゾルバ入力コイル駆動部のSIN系列について、以下に説明する。
第１PWM＋信号はスイッチ選択信号として第１PWM＋SW（スイッチ）回路２に入力され、第１PWM-信号はスイッチ選択信号として第１PWM−SW（スイッチ）回路３に入力される。 第１PWM＋SW（スイッチ）回路２と第１PWM−SW（スイッチ）回路３の出力は、レゾルバの入力コイル６にそれぞれ接続される。

同様に、レゾルバ入力コイル駆動部のCOS系列について、以下に説明する。
第２PWM＋信号はスイッチ選択信号として第２PWM＋SW（スイッチ）回路４に入力され、第２PWM-信号はスイッチ選択信号として第２PWM−SW（スイッチ）回路５に入力される。 第２PWM＋SW（スイッチ）回路４と第２PWM−SW（スイッチ）回路５の出力は、レゾルバの入力コイル７にそれぞれ接続される。

SIN系列について、これらの信号と回路を用いたレゾルバ入力コイル駆動部の動作を図２に示す。なお、COS系列についても同様であるので、ここでは説明を省略する。
第１PWM＋SW（スイッチ）回路２と第１PWM−SW（スイッチ）回路３は、レゾルバの入力コイル６の両端に接続される。ここで、Rは電流抑制の保護抵抗である。スイッチ回路には、アナログ・スイッチ（2:1SPDT（single-pole double-throw））を用いる。
スイッチの動作は、スイッチ選択信号S入力がLレベルの時には、常時０V（グラウンド電位）側に接続されていて、Hレベルになる期間だけ、スイッチは＋V（電源電圧）側に接続される。
なお、０V（グラウンド電位）の代わりに、基準電位を用いて、 第１PWM＋SW（スイッチ）回路２と第１PWM−SW（スイッチ）回路３とを、基準電位と電源電圧との間に接続して構成してもよい。また、電源電圧として、−Vを用いることができる。

第１PWM＋信号は、通常はLレベルにあり、Hレベルになると、その期間だけ第１PWM＋SW（スイッチ）回路２内のスイッチは＋V電源に切り替えられ、第１入力コイル６には左から右方向に電流（＋電流）が流れる。
同様のメカニズムで、 第１PWM−信号は通常はLレベルにあり、Hレベルになると、その期間だけ第１PWM−SW（スイッチ）回路３内のスイッチは＋V電源に切り替えられ、第１入力コイル６には右から左方向に電流（−電流）が流れる。

レゾルバ装置の入力コイルを駆動する電源は、＋Vと０Vであり、制御信号はスイッチの選択信号で、入力コイルを駆動する＋Vとは分離されている。このため、入力コイルを駆動する電力に伴うスイッチング電磁ノイズから回転角検出回路を分離、保護することが出来る。

PWMスイッチによる入力コイルの直接駆動では、第１PWM＋SWスイッチ回路２と第１PWM−SWスイッチ回路３で、第１入力コイル６に印加される電圧が逆方向となることで、構造上、入力コイルの倍電圧駆動と等価となる。入力コイルの電圧を高める必要がなければ、制御回路側の電圧を低電圧化することが出来きる。

再び図１で、信号の受信回路に注目する。レゾルバメカ機構９の出力コイル８からは、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る。
前置フィルタ１０、差動増幅器１１を通して、変調波再生回路１２、検波回路１３、フィルタ１４および位相検出回路１５を通して、位相入力信号θがコントローラ１に入力される。

本発明では、入力コイルの駆動は符号付PWM配列（受信側では信号波のAM変調波となるような配列）で駆動し、検出側の波形が信号波のAM変調波となることで、同期検波回路とその後のフィルタで信号波を再生できる仕組みとなっている。

入力コイル６及び入力コイル７は、インダクタンス成分、抵抗成分、キャパシタンス成分などのインピーダンス成分を有しているので、PWM矩形波で直接駆動した時に、伝達特性を持つフィルタとして機能する。しかし、最適なフィルタ特性とはなっていないので、この段階では、変調波レゾルバ装置２０の出力コイル８の出力信号には、様々な周波数特性を持つ不要ノイズと、所望の信号波を包絡線に持つAM変調波が混在している。

このため、出力コイルの後に前置フィルタ回路１０を設置することで、レゾルバ出力信号の不要ノイズをある程度、縮小することが出来る。これにより、入力信号の信号品質を向上させることが出来る。
図３には、前置フィルタ回路１０の構成例を示す。
レゾルバ出力コイルからの配線の終端抵抗をRとする。出力コイルのインピーダンスおよびRと２個のＣから、基本クロック周波数を遮断周波数に持つコモンモードのローパス・フィルタを構成することが出来る。

本発明では、出力コイルからの差動増幅器の後に、さらに上記の不要ノイズ信号を確実に除去し、信号波を包絡線に持つAM変調波を再生する変調波再生回路を付加し、より正確な信号波を再生している。この変調波再生回路の付加が本発明の要諦であり、この機能によって、入力コイルのPWM直接駆動を可能にし、従来の変調波生成回路や出力バッファを不要にし、駆動回路をシンプルかつ安価に構成出来るようにしている。

不要ノイズ信号を除去し、所望のAM変調波を再生する変調波再生回路の一例として、ローパス・フィルタで構成する例を示す。
ノイズ信号の混入した出力信号の周期T矩形波から、１波のSIN波（正弦波）を得る手段は、以下のディジタル信号処理の公式を利用する。周期Tの矩形波f(t)をフーリエ級数展開した式を（４）式に示す。

基本周波数f0の正弦波とその奇数倍の高調波成分の和として表せる。これから、基本周波数の３次以降の奇数倍で現れる高調波成分を高次のLPF（ローパス・フィルタ）で減衰させれば、基本波の正弦波（変調波）のみを生成することが可能となる。

変調波を出力するフィルタ特性は、遮断周波数が基本クロック周波数fclkより高い周波数の起点から開始し３×fclkでの減衰が-40dB程度以上になるように設定する。この特性を保証するには、LPF（ローパス・フィルタ）のフィルタ次数は４次以上が必要となる。この特性により、基本クロックの周期内に、基本クロックに同期した１波のAM変調波が再生されるようになり、それ以外の不要ノイズ高調波成分がすべて除去される。

図４には、符号付PWM信号と入力コイル駆動電流を生成する過程をさらに詳しく示す。ここでは、SIN系列を例にとって説明する。なお、COS系列については、位相がπ/2ずれているだけで同様な動作をするので省略する。
本実施形態では、基本クロックの半周期に同期して、コントーラ１内で、第１符号信号と第１PWM信号が生成される。
第１符号信号は、（＋、−）の２値を持ち、基本クロックの半周期に同期して交互に生成される。第１PWM信号は、基本クロックの半周期毎に信号波振幅の絶対値をプロットし、パルス幅に変換したものであり、第１符号信号の＋パルス信号内に1個、−パルス信号内に1個、それぞれ基本クロックの半周期の中心に出力される。

符号付PWM信号（第１PWM＋信号、第１PWM−信号）は、第１符号信号と第１PWM信号から合成される。第１PWM＋信号は第１符号信号（＋）と第１PWM信号、第１PWM−信号は第１符号信号（−）と第１PWM信号で、それぞれ合成されたものである。。

参照信号の前半のHレベルの区間は極性が正の区間で、符号付PWM配列の前半の32対は変調波の基本クロックの１周期の中に（第１PWM＋信号、第１PWM−信号）の順で、１対の符号付PWM信号が構成されている。参照信号の後半のLレベルの区間は極性が負の区間で、符号付PWM配列の後半の32対は変調波の基本クロックの１周期の中に前半とは逆の順（第１PWM−信号、第１PWM＋信号）で１対の符号付PWM信号を構成している。参照信号の半周期に同期して、配列32対毎に連続して極性反転する構成となっている。
極性反転に対応した処理を、参照信号の論理レベルに連動した符号の入れ替だけで簡易に実現できるようにしたのが、本発明の工夫である。
なお、図４では、参照信号と符号信号の連続性の関係を明示するために、入力コイルの駆動電流の極性が正の領域では、最初の３クロックと最終の１クロック分を表示しており、この間、その他の信号を省略している。同様に、入力コイルの駆動電流の極性が負の領域では、最初の１クロックと最終の３クロック分を表示しており、この間、その他の信号を省略している。

図５には、レゾルバメカ機構９の出力コイル８から出力される出力変調波から回転位相θを検出する過程の信号を、参照信号を基準に示す。レゾルバメカ機構９の出力コイル８から出力される回転角θだけ位相回転された変調波を、前置フィルタ回路１０、差動増幅器１１を通して振幅増幅する。差動増幅後の信号は、PWMスイッチ回路で入力コイルを直接駆動している関係から、AM変調波の他に様々な高周波成分を含むため、かなり歪んだ波形となっている。
この後の変調波再生回路１２を通すと、不要な高周波成分が除去され、信号波を包絡線に持つ本来のAM変調波が再生される。

検波回路１３で、基本クロックで位相同期検波を行うと、参照信号の半周期に同期した極性反転に連動して信号波のエンベロープが得られる。
位相同期検波では、参照信号がHレベルの時には、基本クロックがHレベルで、AM変調波の＋電位側が選択され、参照信号がLレベルの時には、基本クロックがHレベルで、AM変調波の−電位側が選択されることで、AM変調波がサイン波状に変換される。
次に、フィルタ１４を通すと完全な信号波が得られる。位相検出回路１５で、この信号波とのゼロクロス点から位相入力θが検出される。この位相入力θを、コントローラ１に入力することによってレゾルバの回転角を求めることが出来る。

レゾルバメカ機構７の第１入力コイル６と第２入力コル７から回転角θを出力する出力コイル８間の内部プリント基板に構造上の偏差および製造上の誤差があると、第１入力コイル６と第２入力コル７間の精密な振幅調整が必要となる。
この振幅調整は、図２の抵抗Rを用いて、レゾルバメカ機構９を回転して出力コイルの振幅変動を最小にすることで、SIN系列とCOS系列間の振幅差を手動で調節することが出来る。

図６には、SIN系列とCOS系列の電圧調整回路の一例を示す。
本例は、PWMとフルタの組合せによって構成される簡単な構成のD/A変換器を組込んで、振幅調整を行う一例を示したものである。
精密に第１入力コイル６と第２入力コル７間の振幅調整をするには、レゾルバメカ機構９を１回転させたときの回転角誤差を最小にする振幅調整が必要となる。このときには、SPIバスを用いた外部の回転角誤差の自動計測器との連動が効率的である。この場合は、SIN系列の電圧Vsを基準にして、COS系列の電圧をVc＝Vs±ΔVとして、回転角誤差が最小となる±ΔVを探索する操作によりCOS系列の電圧調整を行う。
Vcは、コントローラ１からの指令信号DAC_PWMによって動作するPWM制御のD/A変換器の出力である。Vcの最適値が決定されると、Vcを生成するD/A変換器の制御パラメータをFPGA内の不揮発メモリに記憶することで、Vcを再生することが出来る。

上記に示した実施形態は一例であり、本発明は特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形が考えられる。例えば、本実施例では、レゾルバの入力コイルの両端を２個のスイッチ回路で直接駆動しているが、２個のスイッチ回路の後にそれぞれフィルタを挿入するなどは、本発明の範囲内である。

本発明のPWM制御方式は、変調波レゾルバ装置の小型、軽量、高精度、耐環境性、長寿命化、低コスト化が実現可能となることから、変調波レゾルバ装置は、玩具、AI搭載ロボット、航空宇宙、情報倉庫、工作機械などの基幹部品として、また重要なコンポーネントとして採用され得る。また、IoTの回転センサーとして、ICT革命の汎用回転センサーとして有望であり、将来的に計り知れない大きな成長市場が期待できる。

１ コントローラ
２ 第１PWM＋SW（スイッチ）回路
３ 第１PWM−SW（スイッチ）回路
４ 第２PWM＋SW（スイッチ）回路
５ 第２PWM−SW（スイッチ）回路
６ 第１入力コイル
７ 第２入力コイル
８ 出力コイル
９ レゾルバメカ機構
１０ 前置フィルタ回路
１１ 差動増幅器
１２ 変調波再生回路
１３ 検波回路
１４ フィルタ
１５ 位相検出回路
２０ 変調波レゾルバ装置

Claims (11)

1. 変調波レゾルバ装置のための駆動装置であって、
   基本クロックに同期した正及び負の符号を有する第１符号信号及び第１パルス幅変調信号を生成し、前記第１符号信号の前記符号に対応して前記第１パルス幅変調信号から生成される第１符号付パルス幅変調信号を出力するコントローラと、
   所定の電源電圧と基準電位との間に接続された第１及び第２スイッチ回路を含む第１入力コイル駆動部と、を備え、
   前記第１符号付パルス幅変調信号は、前記第１符号信号の前記正及び負の符号に対応した第1正符号パルス幅変調信号と第１負符号パルス幅変調信号を含み、
   前記第１スイッチ回路は、前記変調波レゾルバ装置の第１入力コイルの一端に接続され、前記第１正符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成され、前記第２スイッチ回路は、前記第１入力コイルの他端に接続され、前記第１負符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成されていることを特徴とする駆動装置
   
2. 前記コントローラは、前記基本クロックに同期した第１参照信号を生成し、
   前記第１の符号信号の符号値は、前記第１参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
   
3. 前記第１パルス幅変調信号の周波数は、前記基本クロックの周波数の２倍の周波数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
   
4. 前記電源電圧と基準電位との間に接続され、第３及び第４スイッチ回路を含む第２入力コイル駆動部を更に備え、
   前記コントローラは、前記基本クロックに同期した正及び負の符号を有する第２符号信号及び第２パルス幅変調信号を更に生成し、前記第２符号信号の前記符号に対応して前記第２パルス幅変調信号から生成される第２符号付パルス幅変調信号を出力し、
   前記第１符号信号及び第１パルス幅変調信号は、それぞれ第２符号信号及び第２パルス幅変調信号と直交しており、
   前記第２符号付パルス幅変調信号は、前記第２符号信号の前記正及び負の符号に対応した第２正符号パルス幅変調信号と第２負符号パルス幅変調信号を含み、
   前記第３スイッチ回路は、前記変調波レゾルバ装置の第２入力コイルの一端に接続され、前記第２正符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成され、前記第４スイッチ回路は、前記第２入力コイルの他端に接続され、前記第２負符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動装置
   
5. 前記コントローラは、前記基本クロックに同期した第１参照信号と、前記第１参照信号に直交する第２参照信号を生成し、
   前記第２の符号信号の符号値は、前記第２参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わることを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
   
6. 前記第２パルス幅変調信号の周波数は、前記基本クロックの周波数の２倍の周波数であることを特徴とする請求項４又は５に記載の駆動装置。
   
7. 前記基準電位は、グラウンド電位であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の駆動装置。
   
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の駆動装置と、
   前記駆動装置により駆動される入力コイルと、レゾルバの回転角に応じた信号を出力する出力コイルとを備えたレゾルバメカ機構と、
   前記出力コイルに接続された回転角検出回路と、を備え、
   前記回転角検出回路は、差動増幅器、検波回路および位相検出回路と、前記差動増幅器と前記検波回路との間に接続されローパス・フィルタを含む変調波再生回路を備えることを特徴とする変調波レゾルバ装置。
   
9. 前記レゾルバメカ機構の前記出力コイルと前記回転角検出回路との間に、更にローパス・フィルタを含む前置フィルタ回路が接続されていることを特徴とする請求項８に記載の変調波レゾルバ装置。
   
10. 変調波レゾルバ装置による回転角の検出方法であって、
    基本クロックに同期した正及び負の符号を有する符号信号及びパルス幅変調信号を生成し、前記符号信号の前記符号に対応して前記パルス幅変調信号から生成される符号付パルス幅変調信号を出力する符号付パルス幅変調信号出力ステップと、
    前記符号付パルス幅変調信号により、所定の電源電圧と基準電位との間に接続されたスイッチ回路を介して、前記変調波レゾルバ装置の入力コイルを駆動する入力コイル駆動ステップと、
    前記変調波レゾルバ装置の出力コイルからの出力信号から、回転角検出回路を介してレゾルバの回転角を検出する回転角検出ステップと、を備え、
    前記回転角検出回路は、差動増幅器、検波回路および位相検出回路と、前記差動増幅器と前記検波回路との間に接続されると共にローパス・フィルタを含む変調波再生回路を備え、
    前記回転角検出ステップにおいて、前記出力コイルからの出力信号に含まれる高調波成分を前記変調波再生回路により除去し、信号波を包絡線に持つ変調波を生成することを特徴とする回転角の検出方法。
    
11. 前記符号付パルス幅変調信号は、前記符号信号の前記正及び負の符号に対応した正符号パルス幅変調信号と負符号パルス幅変調信号を含み、
    前記スイッチ回路は、前記変調波レゾルバ装置の入力コイルの一端に接続され、前記正符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成された第１スイッチ回路と、前記入力コイルの他端に接続され、前記負符号パルス幅変調信号によりスイッチング動作するように構成された第２スイッチ回路を含み、
    前記正符号パルス幅変調信号及び前記負符号パルス幅変調信号に対応して、前記入力コイルを駆動する駆動電流の向きが逆方向になるように構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の回転角の検出方法。
    

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