JP6432037B2 - レゾルバの角度位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、一相励磁二相出力のレゾルバの回転位置検出装置に関する。

従来から、主に産業分野、電装分野など、モータの角度位置を検出するための手段としてレゾルバがよく用いられる。

モータの軸に取り付けられたレゾルバによってモータの角度位置を検出し、その検出された角度位置によってモータを制御する従来技術の一例を図７に示す。

当然、図７におけるレゾルバの角度位置検出装置７０２の内部構成についても、従来技術の一例であり、良く知られた公知のものである。レゾルバ１０１は一相励磁二相出力の方式であり、モータ１１３の出力軸の一部に装着されている。レゾルバ１０１は略９０度の位相差で振幅変調されたＡ相、Ｂ相の二相の信号を出力する。レゾルバの角度位置検出装置７０２は、この二相の信号からレゾルバの角度位置を検出し、サーボアンプ１１２に出力する。サーボアンプ１１２は検出された角度位置に従い、モータ１１３の制御及び駆動を行う。また、レゾルバの角度位置検出装置７０２からは励磁信号が出力され、バッファー回路１１１を経由してレゾルバ１０１を励磁する。

次に、レゾルバの角度位置検出装置７０２の内部の構成について説明する。ＡＤ変換器１０３、ＡＤ変換器１０４（ＡＤ変換器はアナログデジタル変換器の略称である）は、レゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各アナログ信号をそれぞれデジタル値に変換して出力する。この変換するタイミングはサンプリング指令信号生成処理部１０７の出力するサンプリング指令信号に従う。

ＡＤ変換器１０３、ＡＤ変換器１０４によってデジタル値に変換されたＡ相、Ｂ相の信号はＲＤ変換処理部７０５においてレゾルバ１０１の角度位置を示す信号に変換され、インターフェイス処理部１１０を経由してサーボアンプ１１２に出力される。サーボアンプ１１２は検出されたレゾルバ１０１の角度位置すなわち、モータ１１３の角度位置に従い、モータ１１３の制御及び駆動を行う。

サンプリング指令信号生成処理部１０７は、基準信号生成処理部１０８の出力する基準信号を元に位相を調整してＡＤ変換器１０３、ＡＤ変換器１０４にサンプリング指令信号を出力する。また、励磁信号生成処理部１０９は基準信号生成処理部１０８の出力する基準信号を元に励磁信号を生成して出力する。

図３（ａ）にはレゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号の波形図を示す。また、図３（ｂ）には基準信号生成処理部１０８の出力する基準信号の波形図を示す。また、図３（ｃ）には励磁信号の波形図を示す。サンプリング指令信号生成処理部１０７は、この基準信号を元に位相を調整してサンプリング指令信号を出力する。この場合、時刻ｔ１、ｔ３にてレゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号が最大となるので、このタイミングにおいて、サンプリング指令信号を出力する。

ＲＤ変換処理部７０５の内部構成の詳細を図８に示す。図８に示すＲＤ変換処理部７０５はトラッキングループと呼ばれるものであり、レゾルバの角度位置検出装置において一般に良く用いられる構成である。レゾルバの角度位置の検出値をφとした時、第１のＡＤ変換器１０３からのＡ相の信号は第１の乗算処理部２０１に入力され、余弦波テーブル２
０５からの余弦波信号（ｃｏｓφ）と乗算され出力される。

また、第２のＡＤ変換器１０４からのＢ相の信号は第２の乗算処理部２０２に入力され、正弦波テーブル２０６からの正弦波信号（ｓｉｎφ）と乗算され出力される。差分処理部２０３においては前記第１の乗算処理部２０１の出力と前記第２の乗算処理部２０２の出力の差が演算され、偏差信号（ｓｉｎ（θ−φ））が、帯域除去フィルタ８０７に入力され特定の周波数帯域が除去された信号が出力されＰＩ制御器２０４に入力される。

ＰＩ制御器２０４においてはその内部において積分処理の他、ゲイン乗算処理等が行われ、レゾルバの角度位置の検出値φとして出力される。この検出値φの値は余弦波テーブル２０５に入力され余弦波信号（ｃｏｓφ）の値を出力し、また、正弦波テーブル２０６に入力され正弦波信号（ｓｉｎφ）を出力する。

なお、上述の構成において、帯域除去フィルタ８０７を省いた構成を採用しても良く、帯域除去フィルタ８０７が無くてもレゾルバ１０１の角度位置は検出可能である。一方、帯域除去フィルタを搭載する構成では、トラッキングループ内の偏差信号において帯域除去フィルタ８０７によって特定の周波数成分を除去することで上記の偏差信号に含まれる特定の周波数成分のノイズは除去される。当然、レゾルバ１０１による角度位置の検出には、ノイズによる影響が低減され、高精度化も可能となる。

また、上述の従来例と同様な帯域除去フィルタを搭載したレゾルバの角度位置検出装置については、例えば特許文献１などにも類似の構成が記されている。

特開２００９−１５０８２６号公報

まず、帯域除去フィルタは、特定の帯域の周波数成分しか除去できない。したがって、帯域除去フィルタだけでは、特定の帯域の周波数成分以外の周波数成分を含むノイズの影響は、回避不能である。また、レゾルバの信号には、特定の帯域の周波数成分以外の多様な周波数成分を含むパルス性のノイズも混入する。この多様な周波数成分を含むパルス性のノイズの影響についても、帯域除去フィルタだけでは、回避不能である。

当然、上述の従来技術のレゾルバの角度位置検出装置においても、特定の周波数成分以外の周波数成分を含むノイズの影響、特定の帯域の周波数成分以外の多様な周波数成分を含むパルス性のノイズの影響は、課題として考察し得るものである。

そこで、本発明は、特にレゾルバの信号に瞬時的に混入するパルス性のノイズの影響を回避する新規な構成のレゾルバの角度位置検出装置を提供することを課題とするものである。

上述の課題を解決するために、本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、レゾルバの角度位置θに対しｓｉｎθで振幅変調されたＡ相の信号及びｃｏｓθで振幅変調されたＢ相の信号を入力し、前記レゾルバの角度位置θの検出値φにおいて前記Ａ相の信号及び前記Ｂ相の信号にそれぞれｃｏｓφ、ｓｉｎφの値を乗算した結果の差分値からｓｉｎ（θ−φ）で表せる偏差信号を算出し、前記偏差信号をゼロに収束させることにより前記検出値φを得るように組まれたトラッキングループと、前記トラッキングループの内部において
前記偏差信号が所定の制限値を超えた時に前記偏差信号の大きさを制限して出力する偏差リミッタを備えることとしたものである。

このような構成によって、レゾルバのＡ相及びＢ相の信号に含まれるノイズ、特に瞬時的なパルス性のノイズによりｓｉｎ（θ−φ）で表せる偏差信号が大きく変動するが、前記偏差リミッタにより前記偏差信号の大きさが制限されるため、偏差信号の変動がレゾルバの角度位置θの検出値φに及ぼす影響を極めて小さく抑えることが出来る。そのためレゾルバのＡ相及びＢ相の信号に含まれるノイズ、特に瞬時的なパルス性のノイズがレゾルバの角度位置θの検出値φに及ぼす影響を効果的に回避することが出来、安定したレゾルバの角度位置検出装置が実現可能である。

また、本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、偏差リミッタにおいて偏差信号が所定の制限値を超えた時に前記偏差信号の大きさを制限して出力すると同時に前記所定の制限値を増加させ、偏差信号が所定の制限値を超えなかった時に前記所定の制限値を減少させることで、トラッキングループの応答性と動作安定性を向上させ実用的性能の優れたレゾルバの角度位置検出装置を実現することが可能となる。

また、本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、偏差リミッタにおいて偏差信号が所定の制限値を超えた時に前記偏差信号の大きさを制限して出力すると同時に前記所定の制限値を所定の加算値だけ増加させ、偏差信号が所定の制限値を超えなかった時に前記所定の
制限値を所定の減算値だけ減少させることで、簡単な演算処理の追加によりトラッキングループの応答性と動作安定性を向上させ実用的性能の優れたレゾルバの角度位置検出装置を実現することが可能となる。

さらに、本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、偏差リミッタにおいて所定の加算値と所定の減算値を等しくすることで、さらに簡単な演算処理の追加によりトラッキングループの応答性と動作安定性を向上させ実用的性能の優れたレゾルバの角度位置検出装置を実現することが可能となる。

本発明のレゾルバの角度位置検出装置は、レゾルバの信号に混入するノイズ、特に瞬時的なパルス性のノイズの影響を効果的に回避することが可能であり、また、応答性や動作安定性など実用的性能の優れたレゾルバの角度位置検出が可能である。

本発明の実施例１におけるレゾルバの角度検出装置及びモータ制御装置のブロック図 本発明の実施例１におけるＲＤ変換処理部の詳細なブロック図 （ａ）実施例１及び従来例における各信号のうちレゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号の波形を示す図（ｂ）実施例１及び従来例における各信号のうち基準信号生成処理部１０８から出力される基準信号の波形を示す図（ｃ）実施例１及び従来例における各信号のうち励磁信号の波形を示す図 本発明の実施例１におけるＲＤ変換処理部における偏差信号の変化を示す図 （ａ）本発明の実施例１における偏差リミッタの偏差信号の変化の一例を示す図（ｂ）発明の実施例１における偏差リミッタの制限値の変化の一例を示す図（ｃ）発明の実施例１における偏差リミッタの偏差信号の大きさがＰだけ大きい場合の制限値の変化の一例を示す図（ｄ）本発明の実施例１における偏差リミッタの所定の加算値及び所定の減算値を小さくした場合の変化の一例を示す図 （ａ）本発明の実施例１においてパルス性のノイズの重畳した場合の一例を示す図（ｂ）本発明の実施例１においてレゾルバ１０１の出力するＡ相の信号にパルス性のノイズが重畳した場合の一例を示す図（ｃ）本発明の実施例１において偏差リミッタ２０７を備えていない場合にパルス性のノイズが重畳によってレゾルバの角度位置の検出値φの変動が生じることを示す図（ｄ）本発明の実施例１において偏差リミッタ２０７を備えている場合にパルス性のノイズが重畳があってもレゾルバの角度位置の検出値φの変動が抑制されることを示す図 従来例としてのレゾルバの角度検出装置及びモータ制御装置のブロック図 従来例としてのレゾルバの角度検出装置におけるＲＤ変換処理部の詳細なブロック図

以下、本発明について、図面及び表を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態又は実施例によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１におけるレゾルバの角度位置検出装置を含むモータの制御装置のブロック図を示すものである。

図１において、レゾルバ１０１は一相励磁二相出力の方式であり、モータ１１３の出力軸の一部に取り付けられる。レゾルバ１０１は略９０度の位相差で振幅変調されたＡ相、Ｂ相の二相の信号を出力する。レゾルバの角度位置検出装置１０２は、この二相の信号からレゾルバの角度位置を検出し、サーボアンプ１１２に出力する。サーボアンプ１１２は検出された角度位置に従い、モータ１１３の制御及び駆動を行う。また、レゾルバの角度位置検出装置１０２からは励磁信号が出力され、バッファー回路１１１を経由してレゾルバ１０１を励磁する。

次に、レゾルバの角度位置検出装置１０２の内部の構成について説明する。ＡＤ変換器１０３、ＡＤ変換器１０４（ＡＤ変換器はアナログデジタル変換器の略称）は、レゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各アナログ信号をそれぞれデジタル値に変換する。この変換するタイミングはサンプリング指令信号生成処理部１０７の出力するサンプリング指令信号に従う。ＡＤ変換器１０３、ＡＤ変換器１０４によってデジタル値に変換された信号はＲＤ変換処理部１０５においてレゾルバ１０１の角度位置を示す信号に変換され、インターフェイス処理部１１０を経由してサーボアンプ１１２に出力される。サーボアンプ１１２は検出されたレゾルバ１０１の角度位置すなわち、モータ１１３の角度位置に従い、モータ１１３の制御及び駆動を行う。

サンプリング指令信号生成処理部１０７は基準信号生成処理部１０８の出力する基準信号を元に所定の位相でＡＤ変換器１０３、ＡＤ変換器１０４にサンプリング指令信号を出力する。また、励磁信号生成処理部１０９は基準信号生成処理部１０８の出力する基準信号を元に励磁信号を生成して出力する。

以上のように構成されたモータの制御装置におけるレゾルバの角度位置検出装置について、以下にその動作、作用を説明する。

図３（ａ）にレゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号を示す。Ａ相、Ｂ相の各信号は一般に知られているように、レゾルバ内部において励磁信号（ｓｉｎωｔ）を振幅変調した信号であり、互いに９０度の位相差で振幅変調される。レゾルバ１０１の角度位置をθとすると、Ａ相の信号は、Ａｓｉｎθｓｉｎωｔ、Ｂ相の信号は、Ａｃｏｓθｓｉｎωｔ で表せる。ここでＡは信号の振幅を意味する。

図３（ｂ）に基準信号生成処理部１０８から出力される基準信号を示す。基準信号は励
磁信号生成処理部１０９に入力される励磁信号の元となる信号であり、レゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号と同一の周期で繰り返される信号である。また、励磁信号生成処理部１０９においては前記基準信号を入力し、これに同期した励磁信号を図３（ｃ）のように出力する。ここでは、基準信号がゼロとなる時刻ｔｏ、ｔ４及びその中間の時刻ｔ２においてレゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号が振幅ゼロになると仮定する。

時刻ｔ０と時刻ｔ２の中間の時刻ｔ１及び時刻ｔ２と時刻ｔ４の中間の時刻ｔ３において、レゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号の振幅は最大となり、一般的には時刻ｔ１と時刻ｔ３においてサンプリング指令信号生成処理部１０７からサンプリング指令信号が出力され、そのタイミングでデジタル値に変換された前記Ａ相、Ｂ相の各信号の振幅がＲＤ変換処理部１０５に入力されレゾルバの角度位置に変換する処理が行われる。この場合、励磁信号の周期の１／２の時間間隔でレゾルバの角度位置に変換する処理が行われる。

上記一般的な方法以外の方式としては、時刻ｔ０と時刻ｔ１の中間の時刻ｔ５、時刻ｔ１と時刻ｔ２の中間の時刻ｔ６、時刻ｔ２と時刻ｔ３の中間の時刻ｔ７、時刻ｔ３と時刻ｔ４の中間の時刻ｔ８においてサンプリング指令信号生成処理部１０７からサンプリング指令信号が出力され、そのタイミングでデジタル値に変換された前記Ａ相、Ｂ相の各信号の振幅がＲＤ変換処理部１０５に入力されレゾルバの角度位置に変換する処理が行われる。この場合、励磁信号の周期の１／４の時間間隔でレゾルバの角度位置に変換する処理が行われる。

以上のようにレゾルバの角度位置を検出し、それによりモータを制御することが出来る。
次に前述におけるＲＤ変換処理部１０５の詳細とその効果について説明する。ＲＤ変換処理部１０５の内部の詳細を図２に示す。

図２に示すＲＤ変換処理部はトラッキングループと呼ばれるものであり、レゾルバの角度位置検出装置において一般に良く用いられる構成である。レゾルバの角度位置の検出値をφとした時、第１のＡＤ変換器１０３からのＡ相の信号は第１の乗算処理部２０１に入力され、余弦波テーブル２０５からの余弦波信号（ｃｏｓφ）と乗算され出力される。また、第２のＡＤ変換器１０４からのＢ相の信号は第２の乗算処理部２０２に入力され、正弦波テーブル２０６からの正弦波信号（ｓｉｎφ）と乗算され出力される。

差分処理部２０３においては前記第１の乗算処理部２０１の出力と前記第２の乗算処理部２０２の出力の差が演算され、偏差信号（ｓｉｎ（θ−φ））が、偏差リミッタ２０７を経由してＰＩ制御器２０４に入力される。

ＰＩ制御器２０４においてはその内部において積分処理の他、ゲイン乗算処理等が行われ、レゾルバの角度位置の検出値φとして出力される。レゾルバの角度位置の検出値φの値は余弦波テーブル２０５に入力され余弦波信号（ｃｏｓφ）の値を出力し、また、正弦波テーブル２０６に入力され正弦波信号（ｓｉｎφ）を出力する。

前述において一般的には偏差リミッタ２０７は無く、偏差信号（ｓｉｎ（θ−φ））がＰＩ制御器２０４に直接入力され、前述のように組まれたトラッキングループの作用によって、ＲＤ変換処理部１０５は入力されたＡ相、Ｂ相の信号からレゾルバの角度位置に変換する処理を行なうことが出来る。

ただし、この場合、レゾルバ１０１の出力するＡ相、Ｂ相の各信号に重畳したノイズが
あった時、その影響によって偏差信号（ｓｉｎ（θ−φ））が変動し、そのため、レゾルバの角度位置の検出値φが変動する結果となる。図６（ｂ）にレゾルバ１０１の出力するＡ相の信号を示すが、図６（ａ）に示すタイミングにおいてパルス性のノイズが重畳している。この場合、レゾルバは静止しているにも関わらず、前述の一般的なトラッキングループの処理においては、このノイズの影響を受け、図６（ｃ）に示すようにレゾルバの角度位置の検出値φが大きく変動している。

偏差信号（ｓｉｎ（θ−φ））の例を図４に示す。レゾルバの信号にノイズが重畳した場合、偏差信号は図４に示す通り大きく変動する信号となる。しかしながら、偏差リミッタ２０７を備えた場合、制限値ＬＭＴを超えた偏差信号は偏差リミッタ２０７の作用により、制限値ＬＭＴ以下の値に抑えられる。そのため、トラッキングループにおいては、その作用により、図６（ｄ）に示すようにレゾルバの角度位置の検出値φの変動量が極めて小さい結果となる。

しかしながら、前記制限値ＬＭＴが固定値の場合、レゾルバが高速に回転した時を含めレゾルバの角度位置が変化した場合に偏差リミッタ２０７によって偏差信号の大きさが制限を受けるため応答性が悪化したり、トラッキングループが不安定となり発振的な動作となったりする恐れがある。そこで、偏差リミッタ２０７の制限値ＬＭＴを偏差信号の大きさに従って変化させる処理を組み込むことで応答性あるいは安定性を改善し実用的性能の優れたレゾルバの角度位置検出が可能となる。

偏差リミッタ２０７の具体的な動作を図５（ａ）〜（ｄ）にて説明する。図５（ａ）は偏差信号であり、偏差信号の大きさが時刻ｔ０にて大きくなり、時刻ｔ４にて小さくなる例を示している。偏差信号の大きさが現在の制限値を超えている時は偏差信号を現在の制限値で制限すると同時に制限値に所定の加算値だけ増加させ、逆に偏差信号の大きさが現在の制限値を超えていない時は偏差信号を制限しないで通過させ、制限値を所定の減算値だけ減少させる。

前記所定の加算値と前記所定の減算値は同一値とした場合、制限値は図５（ｂ）のように変化する。また、偏差信号の大きさが図５（ａ）に対しＰだけ大きい場合、制限値は図５（ｃ）のようになり、時刻ｔ０から時刻ｔ２まで、時刻ｔ４から時刻ｔ６まで制限値の変化率は図５（ｂ）と同一となる。また、前記所定の加算値及び前記所定の減算値を小さくした場合、図５（ｄ）に示すように図５（ｂ）あるいは図５（ｃ）と比較して、制限値の変化率が小さくなる。

前記所定の加算値及び前記所定の減算値は一般的にスルーレートと言われる値に相当する性質を有し、これらの値を変えることで、トラッキングループの応答性が変化するため、これらの値を調整することで所望の特性に調整することが可能である。
なお、前記所定の加算値と前記所定の減算値は異なる値とすることで、耐ノイズ性や応答性の微調整が可能となる。

上述のとおりトラッキングループの偏差信号において偏差リミッタを設け、偏差信号が所定の制限値を超えた時に前記偏差信号の大きさを制限して出力する同時に前記所定の制限値を増加させ、偏差信号が所定の制限値を超えなかった時に前記所定の制限値を減少させる動作を行うことで、レゾルバの信号にノイズが重畳した場合、特にパルス性のノイズが重畳した場合において、レゾルバの角度位置の検出値φに与える影響を効果的に抑えることが出来、かつ、レゾルバが高速に回転した時を含め応答性や安定性を損なわず実用的性能の優れたレゾルバの角度位置検出が可能となる。

以上のように、本発明に係るレゾルバの角度位置検出装置は、レゾルバの信号に混入するノイズ、特に瞬時的なパルス性のノイズの影響を効果的に回避することが可能であり、また、応答性や動作安定性など実用的性能の優れたレゾルバの角度位置検出が提供可能である。特に、産業用ＦＡサーボモータ、ロボットの制御などに好適である。

１０１ レゾルバ
１０２ 角度位置検出装置
１０３ ＡＤ変換器
１０４ ＡＤ変換器
１０５ ＲＤ変換処理部
１０７ サンプリング指令信号生成処理部
１０８ 基準信号生成処理部
１０９ 励磁信号生成処理部
１１０ インターフェイス処理部
１１１ バッファー回路
１１２ サーボアンプ
１１３ モータ
２０１、２０２ 乗算処理部
２０３ 差分処理部
２０４ ＰＩ制御器
２０５ 余弦波テーブル
２０６ 正弦波テーブル
２０７ 偏差リミッタ
７０２ 角度位置検出装置
７０５ ＲＤ変換処理部
８０７ 帯域除去フィルタ

Claims (4)

1. レゾルバの角度位置θに対しｓｉｎθで振幅変調されたＡ相の信号及びｃｏｓθで振幅変調されたＢ相の信号を入力し、前記レゾルバの角度位置θの検出値φにおいて前記Ａ相の信号及び前記Ｂ相の信号にそれぞれｃｏｓφ、ｓｉｎφの値を乗算した結果の差分値からｓｉｎ（θ−φ）で表せる偏差信号を算出し、前記偏差信号をゼロに収束させることにより前記検出値φを得るように組まれたトラッキングループと、前記トラッキングループの内部において前記偏差信号が所定の制限値を超えた時に前記偏差信号の大きさを制限して出力する偏差リミッタと、を備えたレゾルバの角度位置検出装置。
2. 請求項１記載のレゾルバの角度位置検出装置において、前記偏差リミッタは、前記偏差信号が所定の制限値を超えた時に前記偏差信号の大きさを制限して出力すると同時に前記所定の制限値を増加させ、前記偏差信号が所定の制限値を超えなかった時に前記所定の制限値を減少させるレゾルバの角度位置検出装置。
3. 請求項１記載のレゾルバの角度位置検出装置において、前記偏差リミッタは、前記偏差信号が所定の制限値を超えた時に前記偏差信号の大きさを制限して出力すると同時に前記所定の制限値を所定の加算値だけ増加させ、前記偏差信号が所定の制限値を超えなかった時に前記所定の制限値を所定の減算値だけ減少させるレゾルバの角度位置検出装置。
4. 請求項３記載のレゾルバの角度位置検出装置において、前記偏差リミッタにおける前記所定の加算値と、前記所定の減算値と、が等しいレゾルバの角度位置検出装置。

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