JP5082642B2 - レゾルバ／デジタル変換方法およびレゾルバ／デジタル変換回路 - Google Patents

Description

本発明は、変圧比が異なる複数のレゾルバに対して好適なレゾルバ／デジタル変換方法に関する。

従来、位置検出器としてレゾルバを使用した場合、トラッキング方式によるレゾルバ／デジタル変換回路が一般的に用いられている。

従来の回路構成は図５に示すように、励磁回路５１２から一定周波数、一定振幅Ａの正弦波励磁信号Ａｓｉｎωｔをレゾルバ５０１及び復調器５０７に出力し、レゾルバ５０１からはレゾルバの変圧比及びレゾルバのロータ角度θに応じた、ＫＡｓｉｎθ・ｓｉｎωｔおよびＫＡｃｏｓθ・ｓｉｎωｔが出力され、増幅器５０２、５０３によって増幅される。ここでＫはレゾルバの変圧比である。

コンバータ内部によって生成されたｓｉｎφを乗算器５０４によってＫＡｓｉｎθ・ｓｉｎωｔに、ｃｏｓφを乗算器５０５によってＫＡｃｏｓθ・ｓｉｎωｔに乗じ、それらの減算器５０６によって減算を行うことで、ＫＡｓｉｎ（θ―φ）・ｓｉｎωｔが計算され、復調器５０７によって励磁成分であるｓｉｎωｔが除去され、ローパスフィルタ５０８を通過することで高調波成分が除去されθ―φが生成される。

そして、そのθ―φは電圧制御型発振器５０９に入力され、電圧制御型発振器５０９は入力電圧に応じたパルスを発生させ、そのパルスはＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ５１０に入力される。カウンタ２１０のカウンタ値を番地とするＳＩＮ、ＣＯＳテーブル２１１を参照することで、ｓｉｎφ、ｃｏｓφを生成し、そのｓｉｎφ、ｃｏｓφを乗算器５０４、５０５へフードバックされる、一種のＰＬＬサーボループが構成され、θ−φが０に向って動作することで、θ−φ＝０のとき、角度データφを求めることができる構成となってい
る。

この方式では、変圧比の異なる複数のレゾルバを同一のレゾルバ／デジタル変換回路で対応させる場合、レゾルバ励磁回路のゲインをレゾルバに合わせて調整してやる必要があるため、レゾルバの機種数が増えた場合、回路側の調整、もしくは回路基板の機種数が増えてしまい、機種増による管理工数増が問題となる。

一方、レゾルバの断線検出などのフェールセーフ機能について、ＫＡ（ｓｉｎθ・ｓｉｎφ＋ｃｏｓθ・ｃｏｓφ）・ｓｉｎωｔからＫＡを求め、ＫＡがある閾値を超えた場合にエラーフラグを出力することが一般的な方法として用いられている。しかしながら、レゾルバの変圧比がバラつき、ＫＡの閾値に対する余裕度がバラつくと、レゾルバの機種によってエラーの感度が異なるという現象が発生する。

このように変圧比が異なるレゾルバに対して、単一回路でシステム構成が可能なレゾルバ／デジタル変換回路を提供するため、第三の乗算器、第四の乗算器によってｓｉｎθにｓｉｎφを、ｃｏｓθにｃｏｓφを乗じ、加算器によって各々を加算することで、ＫＡ（ｓｉｎθ・ｓｉｎφ＋ｃｏｓθ・ｃｏｓφ）・ｓｉｎωｔを計算し、復調器を介して振幅と変圧比を乗じたＫＡを、除算器により変圧比Ｋを求めている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−３０８３５４号公報

解決しようとする問題点は、特許文献１の技術は、トラッキング方式を採用しているため、回路をハードウェアで構成することになり、汎用性、拡張性において不利な点である。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、変圧比が異なるレゾルバに対して、単一回路のシステム構成、かつ汎用的なデバイスで実現可能なレゾルバ／デジタル変換回路を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明のレゾルバ／デジタル変換方法は、１相入力２相出力タイプで変圧比Ｋのレゾルバを振幅Ａの搬送波Ａｓｉｎωｔで励磁する励磁回路と、回転角度θ時のレゾルバ出力信号ＫＡｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ、ＫＡｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ、搬送波ＡｓｉｎωｔをＡＤ変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換されたレゾルバ出力信号の励磁成分を位相調整して復調する復調器と、復調したレゾルバ出力信号から不要成分を除去するデジタルフィルタと、前記復調器、デジタルフィルタによって励磁成分を除去したＫＡｓｉｎθ、ＫＡｃｏｓθの逆正接を算出する演算手段と、基準変圧比Ｋｏ及びレゾルバ出力振幅下限値ＫＡＬ、レゾルバ出力振幅上限値ＫＡＨを記憶した不揮発性メモリとを備え、前記演算手段は、レゾルバの振幅Ａ、ＫＡｓｉｎθ、およびＫＡｃｏｓθのデータを読込むステップ１と、ステップ１で読込んだデータを取り込み、前記搬送波振幅Ａを演算するステップ２とを備え、ステップ２の演算処理結果に基づいて励磁回路の搬送波振幅Ａを自動補正する。

また、前記ステップ２は、ステップ１で読込んだデータを取り込むステップ２１と、ＫＡｓｉｎθ、ＫＡｃｏｓθをそれぞれ二乗して加算することでＫ＾２・Ａ＾２（ｓｉｎ＾２θ＋ｃｏｓ＾２θ）を求めるステップ２２と、ステップ２２の平方根を求めることでＫＡを算出するステップ２３と、ステップ２３で求めたＫ・Ａを振幅Ａで除することで変圧比Ｋを得るステップ２４と、ステップ２４で求めた変圧比Ｋを、あらかじめ設定された基
準変圧比Ｋｏで除することで変圧比の比率γｏを求めるステップ２５と、ステップ２１にて取り込んだ搬送波振幅Ａを比率γｏにて除することで搬送波振幅Ａを自動補正するステップ２６を備えた請求項１に記載のレゾルバ／デジタル変換方法である。

また、前記ステップ２の後に、レゾルバ異常を検出するステップ３を備え、ステップ３において、算出したレゾルバ出力信号振幅情報ＫＡが不揮発性メモリに記憶された振幅下限値ＫＡＬから振幅上限値ＫＡＨの範囲外となったときに、レゾルバ断線異常（エラー）を出力する請求項１または請求項２に記載のレゾルバ／デジタル変換方法である。

また、請求項３に記載のレゾルバ／デジタル変換回路は、１相入力２相出力タイプで変圧比Ｋのレゾルバを振幅Ａの搬送波Ａｓｉｎωｔで励磁する励磁回路と、回転角度θ時のレゾルバ出力信号ＫＡｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ、ＫＡｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ、搬送波ＡｓｉｎωｔをＡＤ変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換されたレゾルバ出力信号の励磁成分を位相調整して復調する復調器と、復調したレゾルバ出力信号から不要成分を除去するデジタルフィルタと、前記復調器とデジタルフィルタによって励磁成分を除去したＫＡｓｉｎθ、ＫＡｃｏｓθの逆正接を算出する演算手段と、変圧比の補正値を記憶する不揮発性メモリとを備え、前記演算手段は、ＫＡｓｉｎθ、ＫＡｃｏｓθをそれぞれ二乗して加算することでＫ＾２・Ａ＾２（ｓｉｎ＾２θ＋ｃｏｓ＾２θ）を求め、さらにその平方根を求めることでＫＡを算出し、振幅Ａで除することで得た変圧比Ｋを、あらかじめ設定された基準変圧比Ｋｏで除することで変圧比の比率γｏを求め、搬送波振幅Ａを比率γｏにて除することで搬送波振幅Ａを自動補正する。

さらに、算出したレゾルバ出力信号振幅情報ＫＡが不揮発性メモリに記憶された振幅下限値ＫＡＬから振幅上限値ＫＡＨの範囲外となったときに、レゾルバ断線異常（エラー）を出力する請求項４に記載のレゾルバ／デジタル変換回路である。

本発明の請求項１に記載のレゾルバ／デジタル変換方法によれば、変圧比の異なる複数のレゾルバを、単一のソフトウェアによって、自動補正することができ、レゾルバ出力を一定にできる。

また、請求項２に記載のレゾルバ／デジタル変換方法によれば、通常使用時のレゾルバ断線異常を検出することができる。

また、請求項３に記載のレゾルバ／デジタル変換回路によれば、単一回路で汎用性と拡張性に優れ、変圧比の異なる複数のレゾルバの変圧比を自動補正することができる。

さらに、請求項４に記載のレゾルバ／デジタル変換回路によれば、レゾルバ断線異常を検出することができる。

１相入力２相出力タイプで変圧比Ｋのレゾルバを振幅Ａの搬送波Ａｓｉｎωｔで励磁する励磁回路と、回転角度θ時のレゾルバ出力信号ＫＡｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ、ＫＡｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ、搬送波ＡｓｉｎωｔをＡＤ変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換されたレゾルバ出力信号の励磁成分を位相調整して復調する復調器と、復調したレゾルバ出力信号から不要成分を除去するデジタルフィルタと、前記復調器、デジタルフィルタによって励磁成分を除去したＫＡｓｉｎθ、ＫＡｃｏｓθの逆正接を算出する演算手段と、基準変圧比Ｋｏ及びレゾルバ出力振幅下限値ＫＡＬ、レゾルバ出力振幅上限値ＫＡＨを記憶した不揮発性メモリとを備え、前記演算手段は、レゾルバのｓｉｎ、ｃｏｓデータを読込むステップ１と、ステップ１で読込んだデータを取り込み、前記搬送波振幅Ａを演算するステップ
２とを備え、ステップ２の演算処理結果に基づいて励磁回路の搬送波振幅Ａを自動補正する。以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１におけるレゾルバ／デジタル変換回路のブロック構成図である。このレゾルバ／デジタル変換回路は、演算手段であるＣＰＵ１０５を用いてレゾルバの変圧比を求め、励磁回路のゲインをソフトウェアによって自動補正する。

図１において、１相励磁２相出力のレゾルバ１０１に、励磁回路１０６より、一定周波数、一定振幅の励磁信号Ａｓｉｎωｔを入力すると、レゾルバ１０１から出力信号として、Ｋｓ・Ａｓ・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔとＫｓ・Ａｓ・ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔが得られる。

この２つの出力信号は、ＡＤ変換器１０２と復調器１０３およびデジタルフィルタ１０４を介して得られた２つのデータであるＫｓ・Ａｓ・ｓｉｎθとＫｓ・Ａｓ・ｃｏｓθがＣＰＵ１０５に入力される。

ＣＰＵ１０５では、入力された２つのＫｓ・Ａｓ・ｓｉｎθ、Ｋｓ・Ａｓ・ｃｏｓθデータを、それぞれ二乗して加算することで、Ｋｓ＾２・Ａｓ＾２（ｓｉｎ＾２θ＋ｃｏｓ＾２θ）を求め、その平方根を求めることで、Ｋｓ・Ａｓを算出し、さらにＡＤ変換器１０８より取り込んだ搬送波振幅Ａｓで除することで変圧比Ｋｓを得る。

次に、ＣＰＵ１０５は、上述の変圧比Ｋｓを不揮発性メモリ１０７にあらかじめ設定された基準変圧比Ｋｏで除することで変圧比の比率γｏを求める。さらに、ＣＰＵ１０５は、ＡＤ変換器１０８より取り込んだ搬送波振幅Ａｓを変圧比の比率γｏにて除することで自動補正した搬送波振幅Ａｃを励磁回路１０６に出力する。これによりレゾルバ出力を一定に保つことができる。

図２は、本発明におけるレゾルバ処理の全体フローを示したものであり、ステップ１にてレゾルバ出力信号ｓｉｎ、ｃｏｓ、搬送波ｒｅｆデータをＣＰＵ１０５に取り込み、ステップ２にてリファレンス振幅補正演算を行い、ステップ３にてフェールセーフ処理を行う。最後のステップ４にてモータ回転角度θを演算する。以下、フローチャートを用いて説明する。

図３は、上述したリファレンス振幅補正演算（ステップ２）におけるフローの詳細を示したもので、６つのステップで構成、それぞれ順に２１ステップ〜２６ステップとする。

まず、ＣＰＵ１０５は、レゾルバ出力信号Ｋｓ・Ａｓ・ｓｉｎθ、Ｋｓ・Ａｓ・ｃｏｓθ、搬送波信号Ａｓ・ｓｉｎωｔデータを取り込む（ステップ２１）。

次に、取り込んだレゾルバ出力信号データよりＫｓ＾２・Ａｓ＾２・（ｓｉｎ＾２θ＋ｃｏｓ＾２θ）を演算する（ステップ２２）。

続いて、Ｋｓ＾２・Ａｓ＾２の平方根演算を行い、Ｋｓ・Ａｓを求める（ステップ２３）。ステップ２３で求めたＫｓ・Ａｓを、先に取り込んだＡｓ・ｓｉｎωｔのピーク検出を行うことでＡｓを算出し、そのＡｓで除することでＫｓを求める（ステップ２４）。

このＫｓを不揮発性メモリ１０７に記憶させてある基準変圧比Ｋｏにて除することで変圧比の比率γｏを求める（ステップ２５）。最後に、搬送波振幅Ａｓを変圧比の比率γｏで除することで自動補正された搬送波振幅Ａｃを得る（ステップ２６）。この自動補正した搬送波振幅Ａｃを励磁回路１０６に出力することで、変圧比の異なるレゾルバが接続されても、常にレゾルバ出力を一定にできる。

次に、図２におけるフェールセーフ処理及びθ演算処理のフローを、図４（ａ）（ｂ）を用いて説明する。

図４（ａ）は、図２におけるフェールセーフ処理（ステップ３）のフローチャートである。４つのステップをそれぞれ順に３１ステップ〜ステップ３４とする。

まず、リファレンス振幅補正演算処理を施した搬送波振幅Ａｃをレゾルバ１０１に入力した後のレゾルバ出力信号であるＫｓ・Ａｃ・ｓｉｎθ、Ｋｓ・Ａｃ・ｃｏｓθデータを、ＡＤ変換器１０２と復調器１０３、デジタルフィルタ１０４を介してＣＰＵ１０５に取り込む（ステップ３１）。次に、ステップ３１にて取り込んだデータの平方和Ｋｓ＾２・Ａｃ＾２・（ｓｉｎ＾２θ＋ｃｏｓ＾２θ）を求める（ステップ３２）。

ステップ３２にて求めたＫｓ＾２・Ａｃ＾２の平方根を求める（ステップ３３）。ステップ３３の演算結果Ｋｓ・Ａｃを不揮発性メモリ１０７にあらかじめ記憶させてある振幅下限値ＫＡＬと振幅上限値ＫＡＨと比較し、その下限値または上限値を超えた場合、エラーを出力し、範囲内であれば、正常としてフェールセーフ処理を終了する（ステップ３４）。

図４（ｂ）を用いて、図２におけるモータ回転角度θの演算（ステップ４）を２つのステップで説明する。ステップ４１は、リファレンス振幅補正演算処理を施した搬送波振幅Ａｃをレゾルバ１０１に入力した後のレゾルバ出力信号であるＫｓ・Ａｃ・ｓｉｎθ、Ｋｓ・Ａｃ・ｃｏｓθデータを、ＡＤ変換器１０２と復調器１０３、デジタルフィルタ１０４を介してＣＰＵ１０５に取り込む（上述のステップ３１と同じ）。

次のステップ４２では、Ｋｓ・Ａｃ・ｓｉｎθ／Ｋｓ・Ａｃ・ｃｏｓθの逆正接を演算することでモータ回転角度θを算出する。

本発明によれば、単一のソフトウェアによって、レゾルバ１０１の出力信号振幅がレゾルバの種類によらず一定になる。このため、レゾルバ１０１の断線検出閾値が固定値であっても、レゾルバ１０１の出力信号振幅と断線検出閾値との関係が常に一定であるため、変圧比の異なるレゾルバの断線検出を精度良く行うことができる。

本発明のレゾルバ／デジタル変換方法は、ロボットなど悪環境下で高信頼性を必要とするレゾルバ変圧比が異なるモータ制御装置の標準化に有用である。

本発明のレゾルバ／デジタル変換回路のブロック構成図 本発明のレゾルバデータ処理のフローチャート 本発明におけるリファレンス振幅補正演算処理のフローチャート （ａ）本発明におけるフェールセーフ処理のフローチャート（ｂ）θ演算処理のフローチャート 従来のレゾルバ／デジタル変換回路のブロック構成図

１０１ レゾルバ
１０２ Ａ／Ｄ変換器
１０３ 復調器
１０４ デジタルフィルタ
１０５ 演算手段（ＣＰＵ）
１０６ 励磁回路
１０７ 不揮発性メモリ
１０８ Ａ／Ｄ変換器
５０１ レゾルバ
５０２ 第一の増幅器
５０３ 第二の増幅器
５０４ 第一の乗算器
５０５ 第二の乗算器
５０６ 減算器
５０７ 第一の復調器
５０８ ローパスフィルタ
５０９ 電圧制御型発振器
５１０ ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ
５１１ ＳＩＮ、ＣＯＳテーブル
５１２ 励磁回路
５１３ ＣＰＵ

Claims (4)

1. １相入力２相出力タイプで変圧比Ｋのレゾルバを振幅Ａの搬送波Ａｓｉｎωｔで励磁する励磁回路と、回転角度θ時のレゾルバ出力信号ＫＡｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ、ＫＡｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ、搬送波ＡｓｉｎωｔをＡＤ変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換されたレゾルバ出力信号の励磁成分を位相調整して復調する復調器と、復調したレゾルバ出力信号から不要成分を除去するデジタルフィルタと、前記復調器、デジタルフィルタによって励磁成分を除去したＫＡｓｉｎθ、ＫＡｃｏｓθの逆正接を算出する演算手段と、基準変圧比Ｋｏ及びレゾルバ出力振幅下限値ＫＡＬ、レゾルバ出力振幅上限値ＫＡＨを記憶した不揮発性メモリとを備え、
   前記演算手段は、レゾルバの振幅Ａ、ＫＡｓｉｎθ、およびＫＡｃｏｓθのデータを読込むステップ１と、ステップ１で読込んだデータを取り込み、前記搬送波振幅Ａを演算するステップ２とを有し、
   ステップ２の演算処理結果に基づいて励磁回路の搬送波振幅Ａを自動補正することを特徴とするレゾルバ／デジタル変換方法において、
   前記ステップ２は、ステップ１で読込んだデータを取り込むステップ２１と、ＫＡｓｉｎθ、ＫＡｃｏｓθをそれぞれ二乗して加算することでＫ＾２・Ａ＾２（ｓｉｎ＾２θ＋ｃｏｓ＾２θ）を求めるステップ２２と、ステップ２２の平方根を求めることでＫＡを算出するステップ２３と、ステップ２３で求めたＫ・Ａを振幅Ａで除することで変圧比Ｋを得るステップ２４と、ステップ２４で求めた変圧比Ｋを、あらかじめ設定された基準変圧比Ｋｏで除することで変圧比の比率γｏを求めるステップ２５と、ステップ２１にて取り込んだ搬送波振幅Ａを比率γｏにて除することで搬送波振幅Ａを自動補正するステップ２６を含むレゾルバ／デジタル変換方法。
2. 前記ステップ２の後に、レゾルバ異常を検出するステップ３を有し、ステップ３において、算出したレゾルバ出力信号振幅情報ＫＡが不揮発性メモリに記憶された振幅下限値ＫＡＬから振幅上限値ＫＡＨの範囲外となったときに、レゾルバ断線異常（エラー）を出力する請求項１に記載のレゾルバ／デジタル変換方法。
3. １相入力２相出力タイプで変圧比Ｋのレゾルバを振幅Ａの搬送波Ａｓｉｎωｔで励磁する励磁回路と、回転角度θ時のレゾルバ出力信号ＫＡｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ、ＫＡｃｏｓθ
   ・ｓｉｎωｔ、搬送波ＡｓｉｎωｔをＡＤ変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換されたレゾルバ出力信号の励磁成分を位相調整して復調する復調器と、復調したレゾルバ出力信号から不要成分を除去するデジタルフィルタと、前記復調器とデジタルフィルタによって励磁成分を除去したＫＡｓｉｎθ、ＫＡｃｏｓθの逆正接を算出する演算手段と、基準変圧比Ｋｏ及びレゾルバ出力振幅下限値ＫＡＬ、レゾルバ出力振幅上限値ＫＡＨを記憶した不揮発性メモリとを備え、
   前記演算手段は、ＫＡｓｉｎθ、ＫＡｃｏｓθをそれぞれ二乗して加算することでＫ＾２・Ａ＾２（ｓｉｎ＾２θ＋ｃｏｓ＾２θ）を求め、
   さらにその平方根を求めることでＫＡを算出し、振幅Ａで除することで得た変圧比Ｋを、あらかじめ設定された基準変圧比Ｋｏで除することで変圧比の比率γｏを求め、搬送波振幅Ａを比率γｏにて除することで搬送波振幅Ａを自動補正することを特徴としたレゾルバ／デジタル変換回路。
4. 算出したレゾルバ出力信号振幅情報ＫＡが不揮発性メモリに記憶された振幅下限値ＫＡＬから振幅上限値ＫＡＨの範囲外となったときに、レゾルバ断線異常（エラー）を出力する請求項３に記載のレゾルバ／デジタル変換回路。