JP6589107B2 - 変調波レゾルバ装置 - Google Patents
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Description
また、環境問題から、電気自動車の急速な普及が叫ばれ、自動運転技術を含めて、車の電動化が急激に進行している。さらに、ネットの普及から、情報自動倉庫などが多数設置され始めている。
これらの用途には、いずれも多数のサーボモータと組み合わされて回転センサーが搭載される。また、IoTに接続されるセンサーとしての市場も有望である。
モータの回転位置、速度の計測のために、大量の回転センサーが必要とされる。モータが産業のコメと言われるようになり、それに装着される回転センサーも有望な市場である。
図1に、プリントパターン化された変調波レゾルバのコイル形状を示す。
変調波レゾルバが高速回転になると、サンプリングする参照信号の周期が、レゾルバの分解能を超え、サンプリングが機能しなくなる。解決しようとする問題点は、高速回転時においても、回転位置データを所定の間隔で出力し、装備したAB相が回転速度に応じて出力出来るようにすることである。
さらに、外部からの割込みトリガ信号により、その時点の回転位置データを出力出来る手段を有することである。
本来の参照信号のみを用いた変調波レゾルバに比較し、高速回転、高精度化に対応でき、変調波レゾルバの市場普及に、大きな効果が期待できる。
図2には、変調波レゾルバの電子制御回路例を示したものである。本例は、変調波発生にPWM方式を用いた例である。
コントローラ20からは直交するSIN波、COS波生成用の2相のPWM信号を出力する。
バンドパス・フィルタBPF 21を通して所望の変調波を生成する。この変調波がバッファ22を通して、レゾルバのメカ機構24の入力コイル23をドライブする。
からの位相をカウントしたカウンタ値がレゾルバの現在回転位置を示す。
回転位置入力器31から位相情報を入力し、現在回転位置を取得する。レゾルバの回転時には、比例積分ディジタル・フィードバック制御機能を持つ回転位置予測器32で次の回転位置を予測する。
現在回転位置から次の予測回転位置までの間を、リニアパルス発生器33で回転位置を指定された数と間隔で回転位置を補間し、回転位置スケール35にマッピングする。回転位置スケール35に接続されたAB相生成器36で、AB相を生成、出力する。
さらに、回転位置スケール35には割込み制御器34が接続され、外部のトリガ信号からの割込み要求により、要求時点の回転位置を取出すことが出来る。
図5は、出力分割数16384の例を示す。参照信号周期毎にデータサンプリングされるサンプリング点Snの現在回転位置Pnはこの範囲内にある。高速回転時には、次のサンプリング点Sn+1では、予測回転位置はPn±mとして示される。ここで、±mは予測値、±は回転方向の極性を示す。mが1よりも大きいときには、回転数が高速回転し、かつ加速していることを示す。このような時には、回転位置予測器32から予測値±mを求め、リニアパルス発生器34で、現在回転位置から予測回転位置の間(つまり±m)をレゾルバの分解能に合わせた間隔で、複数の回転位置をもって補間する。
本図は、予測器を構成する回転位置ディジタル制御のブロック図を示す。
本予測器は、比例積分ディジタル・フィードバック制御で、積分要素により累積誤差がゼロとなるように追尾し、予測値y(n)=±mを求めるものである。
G(z)の一例として、以下の2次の伝達関数を示す。
制御定数α、βを適切に調整することによって、最適な制御を行うことが出来る。
j=(m/1024)×i (1)
=(m×i)/1024 (2)
ここで、参照信号の周期内に内挿化するために、fr×2nのクロック周波数でBRMを駆動する。例えば、回転1024分割では、クロック周波数はfr×1024となる。この事例では、iの区間は1〜1024である。いずれも簡単な2n分周器から生成することができる。
(1)式は、演算に割り算と乗算が必要となるが、(2)式は、乗算部を積算(加算)で代行し、割り算(/1024)は、1024=2の10乗から10ビット右シフトで対応することが出来る。
参照信号周期±mの区間を分解能のピッチでリニアに内挿することが求められる。ここでは、構成が簡単なBRMの機能を利用して、リニアパルスの発生を行う例を示す。BRMの基本構成の組み込みは、回転位置方向によって、参照信号周期に対して、+m側はm1、−m側はm2にセットする。
演算区間はそれぞれ、+m側は(参照信号周期+m)、−m側は(参照信号周期―m)にセットして、BRMを実行することによって、回転方向の異なるリニアパルスを発生させることが出来る。
このビット構成をマッピングしたものが、図9に示す回転位置スケール35である。回転位置スケール35は、回転位置を示す基本回転ビット+2ビットの付加ビット、およびA相、B相から成る。ここでは回転位置精度の物差しを意味する。
変調波レゾルバの回転数が低速から中速領域での環境条件は次のようなものである。
変調波レゾルバをモータに直結して使用する場合を想定すると、通常のモータ回転数は概ね低速から中速領域の範囲にある。図3を参照して、
(1)入力信号波の周期が参照信号の周期(固定値)に近接している。
(2)短期間内では、入力信号波の周期の変化が、ほぼ一定で推移する。
このような条件では、実用上、問題のない程度の近似演算が可能となる。
*回転位置予測器として、ディジタル・フィードバック予測器を簡略して、差分を予測器として用いる。
*リニアパルス発生器には、演算の簡単なBRMを用いる。
信号波周期の計測値をPnとすると、次の予測値Pn+1は変化量の予測値±m(n)を用いて、次のように表現出来る。
m(n)=Pn-Pn-1
Δ=(T/N)m(n)
Pn+1=Pn+Δ
Pn+1=Pn+(T/N)m(n)
=Pn+{T×m(n)}/N
ここで、BRMを利用して、{ T×m(n)}は積算(加算)、割算(/N)はNに1024(=2の10乗)を用いると10ビット右シフトという簡単な演算で行うことが出来る。
一方、回転位置データを信号波のゼロクロス点に合わせて、4線式高速SPI通信で外部に回転位置データを連続出力するときには、回転位置スケールからコントローラをマスタとして、SPI高速シリアル通信を用いて出力する。
多機能的で、経済的にも優れた本発明は、大きな市場効果をもたらすものと期待される。
11 励磁コイル
12 出力コイル
20 コントローラ
21 バンドパス・フィルタ
22 ドライバ
23 変調波レゾルバの入力コイル
24 変調波レゾルバのメカ機構
25 変調波レゾルバの出力コイル
26 差動増幅器
27 位相検出回路
28 検波回路
29 ユーザ・インタフェース
30 AB相出力
31 回転位置入力器
32 回転位置予測器
33 リニアパルス発生器
34 割込み制御器
35 回転位置スケール
36 AB相生成器
Claims (4)
- 変調波レゾルバ装置であって、
参照信号を基準周期としてSIN波、COS波変調波を生成するための2相のパルス幅変調PWM信号を出力するコントローラと、
前記コントローラから出力されたPWM信号から生成された出力変調波信号により、レゾルバメカ機構の入力コイルをドライブするドライバ回路と、
前記レゾルバメカ機構の出力コイルから出力される入力変調波信号を処理する位相信号出力回路と、を備え、
前記コントローラは、前記位相信号出力回路から出力される位相情報を含む入力信号を前記参照信号の周期ごとにデータサンプリングして現在回転位置を取得すると共に、前記レゾルバメカ機構の回転時に次回のサンプリング点での回転位置を予測して前記変調波レゾルバ装置の分解能に合わせた予測回転位置を出力する回転位置予測器と、現在のサンプリング点から次回のサンプリング点の間を分割した各区間における回転位置を前記変調波レゾルバ装置の分解能に合わせた間隔で現在回転位置から予測回転位置まで補間して出力するリニアパルス発生器とを備え、
前記予測回転位置は、現在のサンプリング点での現在回転位置に、予測値を加算又は減算することにより得られ、
前記回転位置予測器は、過去のサンプリング点ごとの現在回転位置と予測回転位置との誤差と当該誤差を累積した累積誤差を算出し、前記予測値にフィードバックして、前記誤差及び前記累積誤差が零となるように現在のサンプリング点での予測値を算出することを特徴とする変調波レゾルバ装置。
- 前記予測値をmとし、現在のサンプリング点から次回のサンプリング点の間の分割数を2 n (nは整数)としたときに、所定の区間(i)での前記回転位置(j)は、2進レート乗算器BRMを用いて、mとiとを2進乗算して得られた2進数の数値列の1桁目からn桁目の数値を除いた残りの数値列として得られることを特徴とする請求項1に記載の変調波レゾルバ装置。
- 前記回転位置の各々からAB相を出力するAB相生成器を更に有することを特徴とする請求項1又は2に記載の変調波レゾルバ装置。
- 前記コントローラは、前記リニアパルス発生器に接続された割込制御器をさらに備え、
前記割込制御器は外部からのトリガ信号により、各区間の回転位置を前記リニアパルス発生器から出力することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載する変調波レゾルバ装置。
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