JP4484898B2 - 回転角度検出装置の信号処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転角度検出装置の信号処理装置、特にモータ等の回転機の回転角度を検出する装置の信号処理装置に関するものである。

モータ等の回転機の回転角を検出する検出装置の一つとしてレゾルバが知られている。このレゾルバの基本的な構成を図４にもとづいて説明する。レゾルバ１は、回転機の回転軸上に装着されたロータ１１と、交流信号ＡＳで駆動され、上記ロータに対する磁界を形成する励磁コイル１２と、上記回転機の回転角の余弦を検出する余弦検出コイル１３と、上記回転機の回転角の正弦を検出する正弦検出コイル１４とを有している。

図５は、上記レゾルバ１の動作を説明するための資料としてレゾルバの各コイルの端子電圧波形の振幅を示したもので、（Ａ）は例えば10KHzの交流信号ＡＳを供給した場合の励磁コイル１２の端子電圧波形、（Ｂ）は励磁コイル１２に上記交流信号ＡＳを供給した時、ロータ１１を介したトランス結合により、回転機の回転角の正弦によって振幅変調され、正弦検出コイル１４の出力端に表われる正弦信号、（Ｃ）は同じく回転機の回転角の余弦によって振幅変調され、余弦検出コイル１３の出力端に表われる余弦信号で、横軸はいずれも時間を示し、回転機の１回転期間を表している。

このレゾルバ１の信号を処理して回転機の回転角を求める方法は以下の手順による。
先ず、正弦検出コイル１４の出力電圧及び余弦検出コイル１３の出力電圧を差動増幅器で検出し、図５（Ｂ）（Ｃ）にそれぞれ丸印を付して示した各信号のピーク点をA/D変換してCPUに入力する。CPUでは、このピーク点のA/D変換値を連ねた信号列から、図５（Ｂ）（Ｃ）に太線で示す正弦及び余弦の値を得た後、正弦の値を余弦の値で除して正接値を演算し、その逆関数から回転機の回転角を得る。（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−５５６９５号公報

次に、レゾルバ１の故障を検出する方法について説明する。特許文献１では、正弦と余弦が成すリサージュ円の半径から判定する方法を提案している。この判定方法について図６（Ａ）（Ｂ）を用いて説明する。これらの図において、縦軸は上記リサージュ円の半径を表し、横軸は回転機の回転角の１周期間を表している。

レゾルバ１が正常である場合は、上記正弦の値は R・SIN(ωt) で表され、余弦の値はR・COS(ωt)で表される。ここでRは上記リサージュ円の半径、ωは回転機の回転角速度である。数学の公式から正弦と余弦の二乗和は１であるので、上記正弦の値と余弦の値の二乗和の平方根は、図６（Ａ）に示すように、回転機の回転角に関わらず常にRとなる。

次に、故障の事例として例えばレゾルバ１の正弦検出コイル１４の両端間が短絡した場合を考えると、その両端間の電圧は短絡によって常に零となるので、上記の二乗和の平方根の値は図６（Ｂ）に示すように回転機の回転角と共に零とRとの間を変動する。この症状は、余弦検出コイル１３の両端間が短絡した場合にも同様である。従って、この二乗和の平方根がRから外れた値を示す状態を故障と判定することによりレゾルバ１の故障検出を行うことができる。

従来の装置は上記のように構成され、正弦の値と余弦の値の二乗和の平方根からレゾルバ１の故障を検出するものであるが、上述した図５（Ｂ）（Ｃ）に示すように、レゾルバ１が正常な状態においても正弦及び余弦検出コイル１４、１３の両端間電圧は、回転機の所定の回転角にて零となる。

従って、コイル両端間電圧が零となる回転角では、図６（Ｂ）に示すように、レゾルバの正弦検出コイル１４、または余弦検出コイル１３の両端間が短絡した場合にもその二乗和の平方根はRとなるので、正常と故障との区別が出来ないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、回転機の回転角に関わらず、常にレゾルバの正弦検出コイル１４、または余弦検出コイル１３の両端間短絡の故障を検出することができる回転角度検出装置の信号処理装置を提供することを目的とする。

この発明に係る回転角度検出装置の信号処理装置は、回転機の回転軸に装着されたロータと、交流信号で駆動され、上記ロータに対する磁界を形成する励磁コイルと、上記回転機の回転角の正弦を検出する正弦検出コイルと、上記回転機の余弦を検出する余弦検出コイルとを有する回転角度検出装置及び上記回転角度検出装置の信号を処理する信号処理装置を備え、上記信号処理装置は、上記正弦検出コイル及び余弦検出コイルの出力信号を差動増幅して正弦信号と余弦信号を得ると共に、上記正弦信号と余弦信号を上記交流信号の１周期間に３回以上サンプリングし、得られた３つ以上のサンプリング値の平均値を求めると共に、上記平均値とサンプリング値との差の絶対値の総和を求め、この総和が所定の閾値以下である時、上記回転角度検出装置が故障したと判定するようにしたものである。

この発明に係る回転角度検出装置の信号処理装置は上記のように構成され、回転角度検出装置の正弦検出コイルまたは余弦検出コイルの出力信号が、励磁コイルを駆動する交流信号の１周期間に渡って変化しない時に回転角度検出装置が故障したと判定するようにしたので、回転機の回転角度に関わらず、常に回転角度検出装置の正弦検出コイルまたは余弦検出コイルの両端間の短絡故障を検出することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。
実施の形態１の説明に先立って先ず回転角度検出装置の正弦検出コイルと余弦検出コイルの信号の振幅が零に変調された時の出力信号の波形について、図１（Ａ）（Ｂ）を用いて説明する。これらの図の横軸は励磁コイル１２を駆動する10KHzの交流信号ＡＳから成る励磁信号の１周期間を表し、縦軸は正弦検出コイル１４、または余弦検出コイル１３の出力信号の振幅を表している。

図１（Ａ）は、回転機の回転に応じて変調率が変化した場合の、各変調率毎の上記出力信号を重畳して表示したものであって、各変調率毎に(a)、(b)、(c)、(d)、(e)の記号を付している。回転機が回転して変調率が低下すると、出力信号は同図中の(a)の波形から(b)の波形へと変化し、回転機がある角度に至ると出力は(c)の波形のように振幅が零となる。更に回転を進めると振幅の正負が反転して(d)の波形となり、更に(e)の波形へと変化する。

ところで、振幅が零となる(c)の波形は、理想的には信号の１周期間に渡って零の状態となるのであるが、実際には、回転角度検出装置の製造誤差や浮遊容量等により、図１（Ｂ）に示すように完全に平坦な零とはならない。図１（Ｂ）に丸印を付して示すように、信号の１周期を90度毎の間隔であるP0、P1、P2、P3の点で振幅を見た場合、振幅はP0の点で正、P1の点で零、P2の点で負、P3の点で零となっている。この発明は、このように実際の回転角度検出装置では変調率が零の場合でも出力信号の波形は１周期に渡って完全に平坦な零とはならない、という特性に着目してなされたものである。

次に、実施の形態１の構成を図２に示すブロック図にもとづいて説明する。図２において回転角度検出装置１は図４と同様の構成であるため説明を省略する。２は交流信号ＡＳを含む励磁回路、３は回転角度検出装置１の正弦検出コイル１４の出力を検出して正弦信号を得る差動増幅器、４は回転角度検出装置１の余弦検出コイル１３の出力を検出して余弦信号を得る差動増幅器である。これらの差動増幅器３、４で検出された正弦信号と余弦信号をCPU５に入力して回転機の回転角度を演算する構成としている。

以下、CPU５の構成について説明する。先ず、A/D変換器５１により、正弦信号と余弦信号のピーク点をA/D変換して読み込む。続いて正接算出ブロック５２にてA/D変換された正弦値をA/D変換された余弦値で除して正接を演算した後、逆関数算出ブロック５３にて正接の逆関数から回転角度を求める。なお、図２におけるCPU５の中に示されている各処理ブロックは、CPU５のソフトウェア処理にて実現される機能をブロックとして表したものである。

符号５４から５８に至るブロック及び符号５９から５Ｄに至るブロックがこの発明の主要部である信号処理装置を構成するブロックで、符号５４から５８に至るブロックは正弦検出コイル１４の両端間の短絡故障を検出し、符号５９から５Ｄに至るブロックは余弦検出コイル１３の両端間の短絡故障を検出するものである。

正弦検出コイル１４の短絡故障を検出する機能と、余弦検出コイル１３の短絡故障を検出する機能とは同じであるため、以下の説明では符号５４から５８に至るブロックの機能についてのみ説明し、符号５９から５Ｄに至るブロックの機能については説明を省略する。

先ずサンプリングブロック５４で、図１（Ｂ）にP0、P1、P2、P3で示した90度毎の４つの点で正弦信号の１周期をサンプリングしてサンプリング値(Vs0,Vs1,Vs2,Vs3)を図示しないメモリに記憶する。次に、平均ブロック５５にて上記の４つのサンプリング値(Vs0,Vs1,Vs2,Vs3)の平均値(Vsav)を求める。その後、振幅算出ブロック５６にて、上記メモリに記憶された４つのサンプリング値(Vs0,Vs1,Vs2,Vs3)と、上記平均値(Vsav)との差の絶対値を求める。続いて総和算出ブロック５７にて、これらの絶対値の総和を求め、次段の故障判定ブロック５８にてこの総和の値を判定して正弦検出コイル１４の短絡故障を検出する。

短絡故障の判定の仕方については後述する。なお、上記のサンプリングは90度毎の４つの点でサンプリングを行なう例を示したが、これに限られるものではなく、交流信号の１周期間に３回以上サンプリングすれば的確な結果を得て４回の場合と同様な効果を期待することができる。

上述した信号処理について、サンプリングブロック５４でサンプリングされたサンプリング値を用いて具体的に説明する。図３（Ａ）は上記サンプリング値を示すもので、縦軸はサンプリング値(Vs0,Vs1,Vs2,Vs3)を示し、横軸は正弦信号の１周期を示している。同図中に丸印を付した４つの点は各サンプリング点（P0、P1、P2、P3）におけるサンプリング値(Vs0,Vs1,Vs2,Vs3)を示す。これらの４つの値(Vs0,Vs1,Vs2,Vs3)を平均ブロック５５にて平均すると、同図中に一点鎖線で示す平均値(Vsav)が求まる。

次に、この平均値(Vsav)と上記４つの値(Vs0,Vs1,Vs2,Vs3)との差の絶対値を振幅算出ブロック５６で求め、続いて総和算出ブロック５７で上記各絶対値の総和を求める。
上述のように、正弦検出コイル１４の出力は、信号の１周期に渡って平坦になることが無いので、正弦検出コイル１４が正常である限り、上記総和の値は所定以上の値となる。

次に、正弦検出コイル１４の両端間が短絡した場合の故障時の動作について説明する。正弦検出コイル１４の両端間が短絡した場合には、その出力信号は振幅が常に零となる。従って、図３（Ｂ）に示すように、上述した４つのサンプリング値(Vs0,Vs1,Vs2,Vs3)はいずれも零となり、上記総和の値も零となる。

従って、正弦検出コイルまたは余弦検出コイルの出力信号が交流信号の１周期間に渡って変化しない時、または各サンプリング点におけるサンプリング値が互いに等しい時、あるいは上記総和の値が零またはそれに近い所定値（閾値）以下である時は、それぞれ回転角度検出装置が故障したと判断することが出来る。

ところで、回転角度検出装置の特性は個々の製品毎にばらつきがあり、図３（Ａ）に示す４つのサンプリング点のサンプリング値(Vs0,Vs1,Vs2,Vs3)も、個々の製品毎に異なる場合があるため、上述した総和の値も個々の製品毎に異なるのが一般的である。そこで、上記故障を判定する閾値についても個々の製品毎に設定するようにしておけば、製品毎の特性のばらつきの影響を回避することができる。

図２に示したメモリ６は、このためのものであって、例えばEEPROMのような不揮発性メモリによって構成されており、上記の故障判定の閾値を個々の回転角度検出装置の特性に応じて事前に記憶させておくものである。

回転角度検出装置の故障検出の動作原理を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態１の構成を示すブロック図である。 実施の形態１による故障検出の動作を説明するための説明図である。 回転角度検出装置の基本的な構成を示す図である。 回転角度検出装置の動作を説明するための説明図である。 回転角度検出装置の故障時の動作を説明するための説明図である。

符号の説明

１ レゾルバ、 ２ 励磁回路、 ３、４ 差動増幅器、 ５ CPU、 ６ メモリ、
５１ A/D変換器、 ５２ 正接算出ブロック、 ５３ 逆関数算出ブロック、
５４ サンプリングブロック、 ５５ 平均ブロック、 ５６ 振幅算出ブロック、
５７ 総和算出ブロック、 ５８ 故障判定ブロック、 ５９ サンプリングブロック、
５Ａ 平均ブロック、 ５Ｂ 振幅算出ブロック、 ５Ｃ 総和算出ブロック、
５Ｄ 故障判定ブロック。

Claims (2)

1. 回転機の回転軸に装着されたロータと、交流信号で駆動され、上記ロータに対する磁界を形成する励磁コイルと、上記回転機の回転角の正弦を検出する正弦検出コイルと、上記回転機の余弦を検出する余弦検出コイルとを有する回転角度検出装置及び上記回転角度検出装置の信号を処理する信号処理装置を備え、上記信号処理装置は、上記正弦検出コイル及び余弦検出コイルの出力信号を差動増幅して正弦信号と余弦信号を得ると共に、上記正弦信号と余弦信号を上記交流信号の１周期間に３回以上サンプリングし、得られた３つ以上のサンプリング値の平均値を求めると共に、上記平均値とサンプリング値との差の絶対値の総和を求め、この総和が所定の閾値以下である時、上記回転角度検出装置が故障したと判定するようにしたことを特徴とする回転角度検出装置の信号処理装置。
2. 上記回転角度検出装置の特性に応じて設定された上記閾値を不揮発性メモリに記憶するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置の信号処理装置。

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