JP6107557B2 - 角度検出装置および角度検出方法 - Google Patents
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Description
図1は、2個のレゾルバを有する冗長化した角度検出装置を搭載したモータ制御システムの構成例を示す図である。
図3において、Pは第1回転計測器および第2回転計測器が正常な場合の、第1回転角度R1および第2回転角度R2の変化を示す。第1回転計測器および第2回転計測器が正常であるから、第1回転角度R1および第2回転角度R2は同じ値を示す。
図6では、説明を簡略にするために、第1回転計測器に異常が発生した時の第1回転角速度ω1と第2回転角速度ω2が等しく且つその後一定で、第1回転角度R1および第2回転角度R2が異なるとして説明を行う。さらに、Q1は第1回転角度R1を示し、Q2は第2回転角度R2を示し、0<ω1=ω2=一定であるから、Q1とQ2は単調増加する平行な直線となる。
図6の(B)は、元の回転角度Q1から目標回転角度Q2への変化をサーボ制御系の最大許容角速度Δωで変化させる補間処理を行った場合を示す。元の回転角度Q1に対する角速度をΔω増加させる。この場合、モータ制御系の影響は最小で済むが、切り換え時間が長くなる。
Ang_L < 360 x R/fc[°]
このAng_Lの変化量で回転動作したときの角速度をωMAXとする。この角速度ωMAXは、PWM駆動で実現できる最大変化量である。
ωMAXで切り換えを行えば短時間で切り換えが可能であるが、急にωMAXにしてしまうと、図6の(A)の場合と同様にモータ制御系に悪影響を及ぼす。
補間処理は、参照番号31で示す時間(t1)において開始される。t1の時の第1回転角度R1であり、これが切り換え開始時の補間した第3回転角度R31となる。t1の時、第1回転角度R1より第2回転角度R2の方が進んでいる(プラス)ので、その時点の第2回転角速度ω21より加速してR3を演算する必要がある(加速しないとR2に追いつかない)。図8にしたがって、ω21に対してΔω1増加させるので、切り換え処理開始時のR3を演算する補間処理のための回転角速度ω31はω21+Δω1となる。
(1)レゾルバ同士の角度差を求める。
(2)切り換え先の角速度ωからΔωを求める。
(3)角度差の正負状態とΔωとωから補間処理のための切り換え中の算出角速度を求める。
(4)切り換え中の算出角速度が、上限、下限のリミット値になったならリミット値に切り換える。
(5)目標角度に近づいたら上記の(3)の逆方向の演算を行い、切り換え中の算出角速度を求める。
(6)切り換え中の算出角速度を積分する事により算出角度を求める。
(7)以上のようにして、算出角度が切り換わり先のレゾルバ角度に接近していく。
切り換え補間部40は、セレクタ41、角度偏差算出部(R1−R2)42と、セレクタ43と、初回保持部44と、角速度算出部45と、角度算出部46と、0〜360°変換部47と、を有する。
セレクタ43は、選択信号SELに応じて、第1回転計測器からの第1回転角速度ω1と第2回転計測器からの第2回転角速度ω2の一方を選択して、切り換え先角度Bとして出力する。
折返し角度とは、切り換え先の角度B(R2)から、切り換え時の角度差Cの1/2の角度異なる角度である。B(R2)が変動している為、下記式より常に補正が掛かる。
折返し角度=B+C/2(R1<R2の時Cは負、R1>R2の時Cは正)
加速境界角度差とは、切り換え時の角度差Cの補正方向が進みの場合(R1<R2)、切り換え中の角速度SがωMAXに到達したときの角度差とする。例えば、図7に示した例では、4回目の単位制御周期でωMAXに到達したときの例である。
ωMAX=ω4+Δω1+Δω2+Δω3+Δω4とすると、加速境界角度差=(ω1+Δω1)t1+(ω2+Δω1+Δω2)t2+(ω3+Δω1+Δω2+Δω3)t3+(ω4+Δω1+Δω2+Δω3+Δω4)t4
加速境界角度差=ω/(ωdm+ωs)/2)
ただし、ωs:切り換え時の第2回転計測器の第2角速度ω2
ωdm:境界角度達成時の切り換え中の角度差Dm到達時の角速度
切り換え時の角度差Cの補正方向が進みの場合、加速境界角度差の反対の所にある。但し速度差に差分がある可能性を考慮し、下記補正項を付ける。
減速境界角度差=ω/(ωdm+ωs)/2)
ただし、ωs:切り換え時の第2回転計測器の第2角速度ω2
ωdm:境界角度達成時の切り換え中の角度差(Dm)到達時の角速度
ωMAX=ω4−Δω1−Δω2−Δω3−Δω4とすると、加速境界角度差=(ω1−Δω1)t1+(ω2−Δω1−Δω2)t2+(ω3−Δω1−Δω2−Δω3)t3+(ω4−Δω1−Δω2−Δω3−Δω4)t4
算出角度Aとは、この切り換え補間部40の角度算出部46が生成した回転角度のことであり、図10では、Q1からQ2に段階的に変化する線上の折れ曲がった点の示す角度に相当する。
切り換え中の角速度Sとは、補間角度を決定していく変位を角速度として表したものである。
切り換え立ち上がりと切り換わり終了では、切り換え先の第2回転計測器の角速度ω2に一致し、折返し角度付近では、最大(最小)角速度になるような曲線で示される。
切り換え開始時における、切り換え元の第1回転計測器の回転角度R1と、切り換え先の第2回転計測器の回転角度R2の差である。切り換え時の角度差Cは、切り換わり終了まで、変わらず保持される。
切り換え先の第2回転計測器の回転角度R2と比較した角度差のことである。開始時には、切り換え時の角度差Cと同値であり、切り換わり終了時は”0”になっている。
Dm=切り換え直後の角度差C−切り換え先との角度差D
実施形態における切り換え中の算出角度Aの算出の基本原理を、図10と関連付けて説明すると、以下のようになる。
図11は、図9の角度算出部46の詳細な構成を示すブロック図である。
角度算出部46は、乗算器51と、時間幅レジスタ52と、減算器53と、角度差保持部54と、初期値算出部55と、減算器56と、初期信号発生部57と、セレクタ58と、角度偏差算出部59と、収束判定部60と、セレクタ61と、を有する。角度算出部46は、算出角度Aの生成と、切り換え先との角度差Dの生成を行う。
初期信号発生部57は、選択信号SELに応じて、切り換え時の最初の補間処理を行う間のみ有効になる初期信号を発生する。
減算器53は、角度差保持部54に保持された前回の角度差から乗算器51の出力する回転角度量を減算し、その時点の角度差を算出する。
減算器56は、切り換え先の回転角度R1から減算器53の出力するその時点の角度差を減算し、その時点の算出角度を求める。
初回角速度保持部72は、選択切り換え信号SELAに応じて、切り換え時の切り換え先の第2回転計測器の出力する回転角速度ω2をラッチして初回角速度ωsとして保持する。
以上のようにして、加速期間中と減速期間中の角速度を生成する。
図13は、反転境界角度差生成部73の構成を示す図である。
反転境界角度差生成部73は、ωdm抽出部81と、境界角度達成監視部82と、平均算出部83と、除算器84と、減算器85と、乗算器86と、を有する。
ωdm抽出部81は、第2回転計測器の出力する第2回転角速度ω2を監視し、到達信号が出力された時の第2回転角速度ωdmを抽出する。
除算器84は、第2回転角速度ω2を上記の平均(ωdm+ωs)/2で除して、前述の補正項を算出する。
乗算器86は、加速(減速)境界角度差に補正項を乗じて、加速(減速)境界角度差を算出し、反転境界角度Ddとして出力する。
折返し角度抽出部71は、切り換え時の角度差Cの1/2を算出する1/2算出部87と、1/2算出部87の出力と切り換え先の角度Bを加算する加算器88と、を有する。
制御判定部74に入力する信号は、次の5つである。
切り換え時の角度差C
切り換え中の算出角速度S
切り換え先の角速度ω2
反転境界角度差Dd
セレクタ80の選択信号(加速、減速、最大速度切り換え、最小速度切り換え)
加減算器76の制御信号。
ステップS11では、切り換え時の角度差Cから補正方向が、進み方向であるか遅れ方向であるか判定し、進み方向であればステップS12に進み、遅れ方向であればステップS41に進む。
ステップS14では、切り換え中の算出角速度Sが最大値に達したかを判定し、達していればステップS15に進み、達していなければS12に戻る。
ステップS16では、切り換え中の角度差Dを、加速度境界角度到達時の切り換え中の角度Dmとして決定する。
ステップS21では、切り換え中の算出角速度Sが最大値(ωMAX)に達しているか判定し、達していればS12に戻り、達しておらず加速中であればステップS22に進む。
ステップS23では、その時点の第2回転角速度ω2からΔωnを減じて(減速して)、切り換え中の算出角速度Sを生成し、S12に戻る。
ステップS32では、その時点の第2回転角速度ω2からΔωnを減じて(減速して)、切り換え中の算出角速度Sを生成する。
ステップS41では、切り換え中の角度差Dと、減速境界角度、折返し角度および加速境界角度との比較、および角速度と最小角速度との比較を行う。減速境界角度に達していなければステップS42に進む。減速境界角度に達しているが、折返し角度に到達していればステップS51に進む。すでに最小角速度ωMINを超えて一定の角速度になっていればS41に戻る。加速限界角度(反転境界角度差Dd)に達していれば、ステップS61に進む。
ステップS43では、切り換え中の算出角速度Sが最小値に達したかを判定し、達していればステップS44に進み、達していなければS41に戻る。
ステップS45では、切り換え中の角度差Dを、減速度境界角度到達時の切り換え中の角度Dmとして決定する。
ステップS51では、切り換え中の算出角速度Sが最小値(ωMIN)に達しているか判定し、達していればS41に戻り、達しておらず減速中であればステップS52に進む。
ステップS53では、その時点の第2回転角速度ω2にΔωnを加えて(加速して)、切り換え中の算出角速度Sを生成し、S41に戻る。
ステップS62では、その時点の第2回転角速度ω2にΔωnを加えて(加速して)、切り換え中の算出角速度Sを生成する。
12A、12B レゾルバ
13A、13B レゾルバインターフェース
15 CPU
16 モータ制御部
17 ドライバ
18 以上監視部
19 以上検出部
40 切り換え補間部
45 角速度算出部
46 角度算出部
74 制御判定部
Claims (10)
- 回転体の回転角度に関する第1角度信号および第1角速度信号を出力する第1の回転計測器と、
前記回転体の回転角度に関する第2角度信号および第2角速度信号を出力する第2の回転計測器と、
前記第1および第2の回転計測器における信号を監視し、前記第1の回転計測器の異常発生および前記第2の回転計測器の異常発生を検出する異常検出部と、
前記第1角度信号および前記第1角速度信号を含む第1の組と、前記第2角度信号および前記第2角速度信号を含む第2の組の一方を選択して第3角度信号および第3角速度信号として出力し、前記第1の回転計測器が正常である時には、前記第1角度信号および前記第1角速度信号を選択して前記第3角度信号および前記第3角速度信号として出力し、前記第1の回転計測器に異常が発生した時に、前記第2の回転計測器が正常であれば、前記第1角度信号と前記第2角度信号の差を段階的に縮小するように補間しながら、前記第2角度信号および前記第2角速度信号を前記第3角度信号および前記第3角速度信号として出力するように切り換える切り換え補間部と、を有することを特徴とする角度検出装置。 - 前記切り換え補間部は、切り換え時に出力する前記第3角度信号の変化率が所定の閾値を超えないように補間することを特徴とする請求項1に記載の角度検出装置。
- 前記切り換え補間部は、前記第1角度信号と前記第2角度信号の差を縮小する方向で、前記第3角度信号の変化率を大きくする加速段階と、前記加速段階の後で前記第3角度信号の変化率を減少させる減速段階と、を有する処理を行うことを特徴とする請求項2に記載の角度検出装置。
- 前記切り換え補間部は、前記加速段階と前記減速段階の間に、前記第3角度信号の変化率を前記所定の閾値に近い値とする高速段階を有する処理を行うことを特徴とする請求項3に記載の角度検出装置。
- 前記第1および第2の回転計測器は、レゾルバを含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の角度検出装置。
- 第1の回転計測器により、回転体の回転角度を検出し、第1角度信号および第1角速度信号を生成し、
第2の回転計測器により、前記回転体の回転角度を検出し、第2角度信号および第2角速度信号を生成し、
前記第1および第2の回転計測器における信号を監視し、前記第1の回転計測器の異常発生および前記第2の回転計測器の異常発生を検出し、
前記第1の回転計測器が正常である時には、前記第1角度信号および前記第1角速度信号を第3角度信号および第3角速度信号として出力し、
前記第1の回転計測器の異常発生を検出した時に、前記第2の回転計測器が正常であれば、前記第1角度信号と前記第2角度信号の差を段階的に縮小するように補間しながら、前記第2角度信号および前記第2角速度信号を前記第3角度信号および前記第3角速度信号として出力するように切り換える、ことを特徴とする角度検出方法。 - 前記補間は、切り換え時に出力する前記第3角度信号の変化率が所定の閾値を超えないように行われることを特徴とする請求項6に記載の角度検出方法。
- 前記補間の処理は、前記第1角度信号と前記第2角度信号の差を縮小する方向で、前記第3角度信号の変化率を大きくする加速段階と、前記加速段階の後で前記第3角度信号の変化率を減少させる減速段階と、を有することを特徴とする請求項7に記載の角度検出方法。
- 前記補間の処理は、前記加速段階と前記減速段階の間に、前記第3角度信号の変化率が前記所定の閾値に近い値とする高速段階を有することを特徴とする請求項8に記載の角度検出方法。
- 前記第1および第2の回転計測器は、レゾルバを含むことを特徴とする請求項6から9のいずれか1項に記載の角度検出方法。
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