JP4226044B2 - トラッキングループ型デジタル角度変換器、角度／デジタル変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転検出器から得られるアナログ回転検出信号ｓｉｎθ・ｆ（ｔ）、ｃｏｓθ・ｆ（ｔ）より、デジタル角度出力φを得るためのトラッキングループ型デジタル角度変換器及び角度／デジタル変換装置に関し、特にｓｉｎ（θ−φ）を制御偏差とする制御系において、偏差がゼロになるような制御特異点である（θ−φ）＝１８０°の角度遷移が発生した際における制御ハングアップ状況を回避する機能を備えたトラッキングループ型デジタル角度変換器及び角度／デジタル変換装置を提供しようとするものである。

レゾルバ／デジタル変換器（ＲＤコンバータ）は監視対象物に結合された回転検出器の回転を回転検出信号として検出し、回転検出信号を角度値に変換し、監視対象物の角度位置をデジタル化された角度値で出力させる利用方法が一般的である。

図８に従来から用いられている角度／デジタル変換装置１００の構成を示す。角度／デジタル変換装置１００の基本構成は回転検出器１０と、トラッキング方式Ｒ／Ｄ変換器２０と、励磁信号発生器３０とによって構成される。

励磁信号発生器３０は励磁信号ｆ（ｔ）を出力し、回転検出器１０を励磁する。その他にトラッキング方式Ｒ／Ｄ変換器２０に備えた同期検波部２５に励磁信号ｆ（ｔ）をリファレンス信号ｆ（ｔ）’として供給する。尚、２９は波形整形器を示し、励磁信号ｆ（ｔ）を矩形のリファレンス信号ｆ（ｔ）’に波形整形するために設けられている。

回転検出器１０は２相の回転検出信号Ｓ１＝ｓｉｎθ・ｆ（ｔ）と、Ｓ２＝ｃｏｓθ・ｆ（ｔ）とを出力し、この２相の回転検出信号Ｓ１、Ｓ２をトラッキング方式Ｒ／Ｄ変換器２０に入力する。

トラッキング方式Ｒ／Ｄ変換器２０は入力される２相の回転検出信号Ｓ１とＳ２を演算処理し、出力角度φを出力する。出力角度φは入力側にフィードバックされ、このフィードバックによりトラッキング方式Ｒ／Ｄ変換器２０の出力角度φと入力角度θとの関係がθ＝φを維持するように制御される。

つまり、回転検出器１０より得られる２相の回転検出信号Ｓ１＝ｓｉｎθ・ｆ（ｔ）及びＳ２＝ｃｏｓθ・ｆ（ｔ）に対し、フィードバックループ２８Ａ、２８Ｂからの帰還信号ｃｏｓφとｓｉｎφとを演算器２２Ａ、２２Ｂで乗算し、ｓｉｎθ・ｆ（ｔ）・ｃｏｓφ及びｃｏｓθ・ｆ（ｔ）・ｓｉｎφを得る。これらを減算器２３で減算し減算値ｓｉｎ（θ−φ）・ｆ（ｔ）を求める。この減算値を同期検波部２５で同期検波し、励磁信号成分ｆ（ｔ）を取り除いたｓｉｎ（θ−φ）を制御偏差ε＝ｓｉｎ（θ−φ）として求める。この制御偏差εを電圧制御発振器２６に入力し、制御偏差εの値に応じたパルス列に変換する。このパルス列をカウンタ２７に計数させ、その計数値をもって出力角度φとする。この角度／デジタル変換方法で動作するＲＤコンバータを一般にトラッキング方式Ｒ／Ｄ変換器と称している（特許文献１）。

このトラッキング方式Ｒ／Ｄ変換器では電圧制御発振器２６は同期検波部２５が出力する同期検波出力が正極性である場合は正極性のパルスを出力し、同期検波出力が負極性である場合は負極性パルスを出力する。カウンタ２７はアップ／ダウンカウンタによって構成され、正極性のパルスが入力されると例えばアップカウントし、負極性のパルスが入力されるとダウンカウントする。

制御偏差εは入力角度θとカウンタ２７が出力する出力角度φとがθ＝φの状態で制御偏差εがε＝０となり、この状態で平衡状態を維持する。平衡状態において、入力角度θがθ’に変化すると制御偏差εはε≠０となり、制御偏差εの極性に従って電圧制御発振器２６が正極性又は負極性のパルスを出力する。カウンタ２７はそのパルスを計数し、出力角度φがφ＝θ’の関係に達した時点で制御偏差εはε＝０となり平衡状態となる。このようにしてトラッキング方式Ｒ／Ｄ変換器２０は常時入力角度θに追従して変化する出力角度φを出力する。
特開２０００−３５３９５７号公報

上述したように、アナログ回転検出信号をデジタル角度へと変換するトラッキングループ方式における基本はｓｉｎ（θ−φ）を制御偏差εとしていることであり、特許文献１においても例外ではない。目的とする入力角度θと出力角度φとの偏差をゼロとするには、ｓｉｎ（θ−φ）をゼロとするように制御することで可能であるが、ｓｉｎ関数の特性上ゼロとなる点がθ−φ＝０の他にθ−φ＝１８０°でも存在する。θ−φ＝１８０°という状態では入力角度θと出力角度φとの偏差は最大であるにも関わらず、制御偏差εはゼロであるためトラッキングループは安定状態になる。そのため入力角度θが１８０°遷移した場合には出力角度φは元の値にロックされてしまうという問題がある。入力される信号は回転角度という連続値であるため、入力角度θが１８０°遷移するような状況は起こりにくいが、制御応答を上まわる速度で回転角度が１８０°変化した場合などで起こり得ないとは言えず、この状況が発生した場合には次に監視対象物の角度位置が変化するまでの間、監視対称物の角度と出力角度φとの間に１８０°に相当する位置ずれが発生した状況に放置される深刻な欠点がある。

本発明では以上の欠点を解消するために、入力角度θと出力角度φとの偏差が１８０°遷移した状態でも、トラッキングループの制御を停止しないトラッキングループ方式を提供する。

この発明は、トラッキングループ内にハングアップ補償部を備え、θ−φ＝１８０°でトラッキングループの制御が停止することを防止する。

ハングアップ補償部は、２相の回転検出信号を入力してｓｉｎθの極性とｃｏｓθの極性を判別する検出信号符号判別部と、入力角度象限と出力角度φの比較を行ない、ハングアップ発生を検出して、出力角度を１８０°偏位させる角度補正部とから成る。

制御特異点は入出力角度の差が１８０°となる一点だけであり、θ−φがわずかでも１８０°よりずれれば制御偏差ｓｉｎ（θ−φ）はゼロから抜け出し制御がかかり始める。そこで制御特異点θ−φ＝１８０°の場合には、少なくとも正または負の方向に出力角度φを任意の値だけ遷移させてやればよい。この原理を利用して、本発明は、入力角度θの象限を出力角度φとを比較し、入力角度θの象限が示す角度範囲と出力角度とが一致しない場合は、制御特異点によるハングアップ発生と判断して、出力角度補正部は出力角度φを１８０°偏位させる。出力角度φの１８０°偏位は、カウンタの最上位ビットを反転することで行える。この結果、ハングアップ状態が解消され正しい出力角度φが出力される。

この発明によれば制御特異点となる入力角度遷移が発生してもハングアップを防止できる。従って監視対象物の位置と出力角度φとの間の関係が１８０°ずれた状態に放置されることはなく、信頼性の高いトラッキングループ型デジタル角度変換器及び角度／デジタル変換装置を提供することができる。

この発明を実施する場合、励磁信号ｆ（ｔ）で励磁された回転検出器から、入力角度θの回転検出信号Ｓ１＝（ｓｉｎθ・ｆ（ｔ））と、Ｓ２＝（ｃｏｓθ・ｆ（ｔ））とを入力とし、Ｓ１×ｃｏｓφ−Ｓ２×ｓｉｎφの演算を行い、演算結果ｓｉｎ（θ−φ）・ｆ（ｔ）を同期検波して制御偏差ε＝ｓｉｎ（θ−φ）を求め、制御偏差εを電圧制御発振器に入力し、電圧制御発振器の出力信号をカウンタで計数して出力角度φを求め、出力角度φを回転検出信号Ｓ１＝（ｓｉｎθ・ｆ（ｔ））と、Ｓ２＝（ｃｏｓ・ｆ（ｔ））にフィードバックし、制御偏差εをゼロにするトラッキングループ型デジタル角度変換器において、回転検出信号Ｓ１とＳ２を入力して回転検出信号Ｓ１のｓｉｎθと回転検出信号Ｓ２のｃｏｓθの正負の符号を判別する検出信号符号判別部と、検出信号符号判別部から出力されるｓｉｎθの符号とｃｏｓθの符号と出力角度φとから、入力角度θと出力角度φとの１８０°のずれを検出し、１８０°のずれが検出された時点でカウンタから出力されている出力角度φを表すデジタル符号の最上位ビットの論理値を反転させる出力角度補正部とから成るハングアップ補償部を備える実施形態が最良の実施形態である。

図１にこの発明による角度／デジタル変換装置１００とトラッキングループ型デジタル角度変換器２０′（以下では単にＲＤコンバータ２０′と称す）の実施例を示す。図８と対応する部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。

この発明の特徴とする構成はＲＤコンバータ２０′内にハングアップ補償部４０を設けた点である。ハングアップ補償部４０は検出信号符号判別部４１と、出力角度補正部４２とによって構成される。

検出信号符号判別部４１は回転検出信号Ｓ１、Ｓ２を入力とし、回転検出信号Ｓ１のｓｉｎθと回転検出信号Ｓ２のｃｏｓθの正と負の符号を判別する。回転検出信号Ｓ１とＳ２の符号判別により、入力角度θが存在する象限を判定し、出力角度φが存在する象限と比較し、入力角度θと出力角度φが存在する象限で不一致の場合にハングアップ状態（１８０°誤差状態）と判定する。

象限の判定は図２に示すようにｓｉｎθとｃｏｓθの符号の組合せにより一意に決定することができる。ｓｉｎθとｃｏｓθの符号は図３に示すようにリファレンス信号ｆ（ｔ）’の半周期間で回転検出信号ｓｉｎθ・ｆ（ｔ）、ｃｏｓθ・ｆ（ｔ）を積算し、残りの半周期に入った時点でそれぞれの積算値の符号を読み取ることにより決定することができる。つまり、図３Ａ及びＢに示すようにリファレンス信号ｆ（ｔ）’のＨ論理区間で信号ｓｉｎθ及びｃｏｓθを積算し、リファレンス信号ｆ（ｔ）’がＬ論理の区間に入ったときに符号判定を行なう。このようにすることにより、図３Ｃに示すようにリファレンス信号ｆ（ｔ）’とｓｉｎθ・ｆ（ｔ）、ｃｏｓθ・ｆ（ｔ）とがある程度の位相差を持ったとしても、積算値を採ることで正しく符号の判定を行なうことができる（一般に励磁信号発生器３０からの励磁信号ｆ（ｔ）と回転検出器１０を通して得られる回転検出信号ｓｉｎθ・ｆ（ｔ）、ｃｏｓ・ｆ（ｔ）とは位相差を持つ）。

回転検出信号の積算と、ｓｉｎθ及びｃｏｓθの符号判定処理の様子を図４に示す。ＳＵＭ＿Ｓ１＝ＳＵＭ＿Ｓ１＋Ｓ１及びＳＵＭ＿Ｓ２＝ＳＵＭ＿Ｓ２＋Ｓ２は回転検出信号Ｓ１及びＳ２を積算している様子を示す。また以下は積算結果から符号判定を行なう手順を示す。

ＳＵＭ＿Ｓ１≧０である場合はＳＩＧＮ＿ＳＩＮフラグに０をセットする。

ＳＵＭ＿Ｓ１＜０である場合はＳＩＧＮ＿ＳＩＮフラグに１をセットする。

ＳＵＭ＿Ｓ２≧０である場合はＳＩＧＮ＿ＣＯＳフラグに０をセットする。

ＳＵＭ＿Ｓ２＜０である場合はＳＩＧＮ＿ＣＯＳフラグに１をセットする。
ＳＩＧＮ ＳＩＮフラグとＳＩＧＮ ＣＯＳフラグは出力角度補正部４２に引き渡される。出力角度補正部４２にはＳＩＧＮ ＳＩＮフラグとＳＩＧＮ ＣＯＳフラグの他に出力角度φが入力され、出力角度φの象限と、入力角度θの象限との照合が行われ、ハングアップ状態の検出が行われる。ここでｓｉｎθあるいはｃｏｓθの値がゼロに近いとき、すなわち入力角度θが０°、９０°、１８０°あるいは２７０°といった角度では象限の境界となるため、回転検出信号ｓｉｎθ・ｆ（ｔ）とｃｏｓθ・ｆ（ｔ）に重畳したノイズを考慮すると象限の一致性が取れない場合が生じる。このため、この実施例では出力角度φの領域を−４５°〜４５°、４５°〜１３５°、１３５°〜２２５°、２２５°〜３１５°の２つの象限をまたぐ領域に分け、この出力角度φの範囲に対して、入力角度θがこの２つの象限内であるか、又は対向する象限に存在するかを判定する。図５に示した出力角度φの範囲と入力角度θの象限の組み合わせが象限不一致の判定条件である。ただしハングアップが発生する条件はθ−φ＝１８０°の場合だけであるから、出力角度φと入力角度θの各象限が互いに対向する象限（１８０°異なる象限）に存在したとしても必ずしもハングアップしているとは限らない。また回転検出器１０の高速回転時や外来ノイズにより一時的に条件成立もあり得る。このような場合をハングアップと見なしてはならないので、象限不一致の状態が一定時間Ｔｅだけ継続した場合にハングアップ状態にあると判定し、エラーフラグＥＲＲ＿ＦＬＡＧに１をセットする。

図６及び図７に出力角度補正部４２の処理手順を示す。図６及び図７に示すように出力角度補正部４２はステップＳＴＰ１〜ステップＳＴＰ２２の処理手順を実行してハングアップ状態の検出と、ハングアップ状況が検出された場合の出力角度φの補正を行なう。出力角度補正部４２はハードウェアによって構成することも可能であるが、最も簡素に実現するには例えばマイクロコンピュータのような演算処理装置で構成することが望ましい。出力角度補正部４２を演算処理装置で構成した場合、上述した検出信号符号判別部４１を含めてハングアップ補償部４０の全部と、ＲＤコンバータ２０′内の一部の構成も演算処理装置で構成することができる。

出力角度補正部４２の処理手順は大別して図６に示す出力角度範囲選別ルーチンＬＵ１と、象限照合ルーチンＬＵ２と、図７に示すハングアップ状態判定ルーチンＬＵ３とによって構成される。

出力角度範囲選別ルーチンＬＵ１は判定処理ステップＳＴＰ１〜ＳＴＰ３を備え、各判定処理ステップＳＴＰ１〜ＳＴＰ３において、カウンタ２７が出力している出力角度φが角度範囲−４５°〜＋４５°、＋４５°〜＋１３５°、＋１３５°〜＋２２５°、これらの角度範囲以外の角度範囲に属するかを選別する。

出力角度範囲選別ルーチンＬＵ１の選別結果は象限照合ルーチンＬＵ２に引き渡される。象限照合ルーチンＬＵ２では出力角度φが存在する角度範囲と、検出信号符号判別部４１で判定した入力角度θが存在する象限とを照合する。象限の照合は以下の如くして行われる。

出力角度φが仮に−４５°≦φ＜＋４５°の範囲に存在したとすると、判定処理ステップＳＴＰ１でこれが検出され、象限照合ルーチンＬＵ２に備えた判定処理ステップＳＴＰ４に分岐される。象限照合ルーチンＬＵ２の判定処理ステップＳＴＰ４では検出信号符号判定部４１で設定したＳＩＧＮ ＣＯＳフラグの設定値を参照する。判定処理ステップＳＴＰ４の判定結果が真であれば入力角度θがIかIV象限に存在していることが解る。虚であれば入力角度θがIIかIII象限に存在していることが解る（図２参照）。

判定処理ステップＳＴＰ４の判定結果が真の場合はステップＳＴＰ８に分岐し、Ｓ＿ＦＬＡＧフラグに０を設定し、ハングアップ状態判定ルーチンＬＵ３に進む。判定処理ステップＳＴＰ４の判定結果が虚の場合はステップＳＴＰ９に分岐し、Ｓ＿ＦＬＡＧフラグに１を設定し、ハングアップ状態判定ルーチンＬＵ３に進む。つまり、判定処理ステップＳＴＰ４の判定結果が真の場合は出力角度φが存在する象限と、入力角度θが存在する象限とは図５に示した象限の組み合わせから明らかなように同一象限に属すると判定することができる。また判定処理ステップＳＴＰ４の判定結果が虚の場合は、出力角度φが存在する象限と、入力角度θが存在する象限とは対向する象限に属すると判定され、ハングアップ状態の可能性有りと判定される。

従って、ステップＳＴＰ８において、Ｓ＿ＦＬＡＧ＝０に設定された場合は出力角度φと入力角度θとは正しい象限に属していることを意味しており、ステップＳＴＰ９において、Ｓ＿ＦＬＡＧ＝１に設定された場合はハングアップ状態である可能性を示唆している。

Ｓ＿ＦＬＡＧフラグの値は図７に示すハングアップ状態判定ルーチンＬＵ３に引き渡される。ハングアップ状態判定ルーチンＬＵ３ではＳ＿ＦＬＡＧの値が０であれば補正動作を実行せずに終了するが、Ｓ＿ＦＬＡＧフラグの値が１である場合は、その状態が所定時間Ｔｅ以上継続したことを検出し、この場合はＥＲＲ＿ＦＬＡＧフラグに１を設定し、ハングアップ状態であることを出力する。ＥＲＲ ＦＲＡＧフラグに１が設定された場合は出力角度補正部４２からカウンタ２７に角度補正信号が供給され、カウンタ２７の最上位ビットの論理値を反転させ出力角度φの値を１８０°相当量移相させ、出力角度φを入力角度θの値に合致させる。

具体的にはＳ＿ＦＬＡＧフラグがＳ＿ＦＬＡＧ＝０の場合は判定処理ステップＳＴＰ１９でＳ＿ＦＬＡＧ＝０の状態が検出され、補正無しの状態のまま処理を終了する。Ｓ＿ＦＬＡＧ＝１の場合はステップＳＴＰ１７〜ＳＴＰ２０を繰り返し実行し、タイマの値Ｔ−ＣＮＴが設定したＴｅを越えた時点でステップＳＴＰ２１に分岐し、ＥＲＲ＿ＦＬＡＧフラグに１を設定し、このＥＲＲ＿ＦＬＡＧ＝１の設定によりカウンタ２７の最上位ビットの論理値を反転させ、ハングアップ状態を解消する。

以上は出力角度φが−４５°≦φ＜４５の場合について説明したが他の角度範囲の場合でも、同様の処理によってハングアップ状態を検出し、カウンタ２７の出力値を修正する。

回転体の角度センサとして活用される。

この発明の一実施例を説明するためのブロック図。 この発明の実施例で用いる象限判定方法を説明するための図。 この発明の実施例で用いる回転検出信号の符号検出方法を説明するための波形図。 この発明の実施例で用いる回転検出信号の符号判定処理の様子を説明するための図。 この発明の実施例で用いる出力角度φの範囲に対してハングアップと見ることができる入力角度θの象限の組み合わせを説明するための図。 この発明の実施例で用いる出力角度補正部４２の処理手順の一例を説明するためのフローチャート。 図６の続きを説明するためのフローチャート。 従来の技術を説明するためのブロック図。

符号の説明

１０ 回転検出器
２０′ トラッキングループ型デジタル角度変換器
２１Ａ、２１Ｂ 増幅器
２２Ａ、２２Ｂ 乗算器
２３ 減算器
２５ 同期検波部
２６ 電圧制御発振部
２７ カウンタ
２８Ａ、２８Ｂ フィードバックループ
２９ 波形整形器
３０ 励磁信号発生器
４０ ハングアップ補償部
４１ 検出信号符号判別部
４２ 出力角度補正部

Claims (2)

1. 励磁信号ｆ（ｔ）で励磁された回転検出器から、入力角度θの回転検出信号Ｓ１＝（ｓｉｎθ・ｆ（ｔ））と、Ｓ２＝（ｃｏｓθ・ｆ（ｔ））とを入力とし、Ｓ１×ｃｏｓφ−Ｓ２×ｓｉｎφの演算を行い、演算結果ｓｉｎ（θ−φ）・ｆ（ｔ）を同期検波して制御偏差ε＝ｓｉｎ（θ−φ）を求め、前記制御偏差εを電圧制御発振器に入力し、前記電圧制御発振器の出力信号をカウンタで計数して出力角度φを求め、前記出力角度φを前記回転検出信号Ｓ１＝（ｓｉｎθ・ｆ（ｔ））と、Ｓ２＝（ｃｏｓθ・ｆ（ｔ））にフィードバックし、前記制御偏差εを零にするトラッキングループ型デジタル角度変換器において、
   前記回転検出信号Ｓ１とＳ２を入力して前記回転検出信号Ｓ１のｓｉｎθと前記回転検出信号Ｓ２のｃｏｓθの正負の符号を判別する検出信号符号判別部と、
   前記検出信号符号判別部から出力されるｓｉｎθの符号とｃｏｓθの符号と前記出力角度φとから、前記入力角度θと前記出力角度φとの１８０°のずれを検出し、前記１８０°のずれが検出された時点で前記カウンタから出力されている前記出力角度φを表すデジタル符号の最上位ビットの論理値を反転させる出力角度補正部と、
   から成るハングアップ補償部を備えることを特徴とするトラッキングループ型デジタル角度変換器。
2. 入力角度θの回転検出信号Ｓ１＝（ｓｉｎθ・ｆ（ｔ））とＳ２＝（ｃｏｓθ・ｆ（ｔ））を出力する回転検出器と、
   前記回転検出器に励磁信号ｆ（ｔ）を供給する励磁信号発生器と、
   前記回転検出信号Ｓ１とＳ２を入力してデジタル角度を出力する請求項１記載のトラッキングループ型デジタル角度変換器と、
   を備えることを特徴とする角度／デジタル変換装置。

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