JP7126212B2

JP7126212B2 - 駆動装置、変調波レゾルバ装置、及び変調波レゾルバ装置の駆動方法

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Publication number: JP7126212B2
Application number: JP2020025813A
Authority: JP
Inventors: 征夫吉田
Original assignee: Uti Yashiro; YSD KK
Current assignee: Uti Yashiro; YSD KK
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: JP2021131277A

Description

本発明は、駆動装置、変調波レゾルバ装置、及び変調波レゾルバ装置の駆動方法に関するものである。

従来の巻線型のレゾルバは、鉄心と複数の巻線コイルで構成されており、電磁誘導現象により、回転角度や位置検出を検出する電磁気式の絶対変位検出センサーである。この巻線型のレゾルバは、形状および重量が大きく、製造コストが高いなどの問題点があった。一方で、鉄心と巻線コイルのみで構成されており構造が単純で、信頼性が高く、耐環境性に優れるため、航空機、電気自動車、ロボット、工作機械などに広い分野で採用されている。

また、レゾルバには、巻線型以外に、特許文献１に開示されている変調波レゾルバ装置が知られている。変調波レゾルバは、従来の巻線型のレゾルバに較べて、高周波の駆動信号を利用できるので、検出感度を高くできるため、コイル巻数も大幅に減少することができる。このため変調波レゾルバ装置では、回転機構に含まれる入力及び出力コイルをパターン化してプリント基板上に形成されている。これにより、小型、軽量で、製造コストが低いという優れた特性を持っている。また、引用文献２には、高周波（約500kHz）の変調波を用いた変調波レゾルバ装置が開示されている。

特許第3047231号特開2018-31704号公報

引用文献２の変調波レゾルバ装置において、高周波（約500kHz）の変調波生成は、FPGA（ field-programmable gate array）、SIN、COSの２本の単相PWM（Pulse Wide Modulation）（パルス幅変調）シリアルライン、電力スイッチ、及びBPF（バンドパス・フィルタ）などを組み合わせて実現されている。この変調波レゾルバ装置では、部品点数、部品コスト、装着スペースを大幅に減らし、回路が簡素化、小型化されている。しかし、この変調波レゾルバ装置において、変調波の生成は、一本のパルス幅変調による限られたビット情報とバンドパスフィルタ（BPF）を用いてアナログの変調波を生成している。BPFを構成するハイパス・フィルタ側の電子部品の精度的なバラツキによって、生成される変調波信号に長周期の微小な「うねり」が生じ、変調波の長周期のうねり誤差となって現れる。求められているのは、変調波レゾルバ装置の回転角検出のさらなる高精度化である。

本発明に係る駆動装置は、変調波レゾルバ装置のための駆動装置であって、基本クロックに同期して、第1符号信号、第１パルス幅変調信号、第２符号信号、及び第２パルス幅変調信号を出力するコントローラと、前記第１符号信号から第１符号電位を生成する第１符号ＳＷと、前記第２符号信号から第２符号電位を生成する第２符号ＳＷと、前記第１符号ＳＷから出力された前記第１符号電位と前記第１パルス幅変調信号とを合成して第１符号付パルス幅変調信号を生成し、前記変調波レゾルバ装置の一方の入力コイルに出力する第１合成回路と、前記第２符号ＳＷから出力された前記第２符号電位と前記第２パルス幅変調信号とを合成して第２符号付パルス幅変調信号を生成し、前記変調波レゾルバ装置の他方の入力コイルに出力する第２合成回路とを備える。前記第２符号信号及び前記第２パルス幅変調信号は、前記第1符号信号及び前記第１パルス幅変調信号のそれぞれに直交している。前記第1符号信号及び前記第２符号信号は、それぞれ２つの符号値を有している。また、前記第１符号付パルス幅変調信号及び前記第２符号付パルス幅変調信号は、前記第1符号信号及び前記第２符号信号のそれぞれの符号値に対応して、電位が切り替わることを特徴とする。

本発明に係る駆動装置では、コントローラから出力される第１符号信号から第１符号電位を生成する第１符号ＳＷと、第１符号ＳＷから出力された第１符号電位とコントローラから出力される第１パルス幅変調信号とを合成し、第１符号付パルス幅変調信号を生成し一方の入力コイルに出力する第１合成回路とを備える。同様に、コントローラから出力される第２符号信号から第２符号電位を生成する第２符号ＳＷと、第２符号ＳＷから出力された第２符号電位とコントローラから出力される第２パルス幅変調信号とを合成し、第２符号付パルス幅変調信号を生成し別の入力コイルに出力する第２合成回路とを備える。このように、本発明に係る駆動装置では、基準電位に対して異なる符号の電位値（＋電位値と－電位値）を有する符号付パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を採用することにより、従来の１電位値を有するパルス信号から構成されたパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を、バンドパスフィルタ（BPF）を介して生成される変調波信号における長周期の「うねり」を解消することができ、回転角を高精度に検出することができる。

また、本発明に係る駆動装置では、前記第１合成回路と一方の入力コイルとの間に、第1ローパス・フィルタを接続し、前記第２合成回路と他方の入力コイルとの間に、第２ローパス・フィルタを接続したことを特徴としてもよい。

本発明に係る駆動装置では、第１合成回路と一方の入力コイルとの間に、第1ローパス・フィルタを接続し、第２合成回路と他方の入力コイルとの間に、第２ローパス・フィルタを接続することで、一方及び他方の入力コイルにそれぞれ変調波を出力することができる。

また、本発明に係る駆動装置では、前記コントローラは、前記基本クロックに同期して参照信号を生成し、
前記第１符号信号の符号値が、前記参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わり、前記第２符号信号の符号値が、前記参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わることを特徴としてもよい。

本発明に係る駆動装置では、極性切換えのために、参照信号により第１符号信号の符号値が参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わり、第２符号信号の符号値が、参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わるように構成されている。このように、参照信号の半周期に同期して第１及び第２符号信号の符号値が切り替わるので、回転角を検出するための位相検波に必要な変調波信号の１８０度位相シフトにより、極性の切換えを簡易に行うことができる。この結果、位相シフトの精度が向上するとともに、歪の無い変調波の生成ができ、変調波ドライブ側の変調波発生の誤差要因を減らすことが出来る。

また、本発明に係る駆動装置では、前記第１パルス幅変調信号、及び前記第２パルス幅変調信号の周波数は、前記基本クロックの周波数の２倍の周波数であることを特徴としてもよい。

本発明に係る駆動装置では、第１パルス幅変調信号、及び前記第２パルス幅変調信号の各パルスが、基本クロックの半周期の中に含めることができる。これにより、第１及び第２符号信号の符号値に対応して、第１パルス幅変調信号、及び前記第２パルス幅変調信号から第１及び第２符号付パルス幅変調信号を生成することができる。

本発明に係る変調波レゾルバ装置は、上記の駆動装置と、前記駆動装置により駆動される入力コイルと、レゾルバの回転角を出力する出力コイルとを備えたレゾルバメカ機構と、前記出力コイルに接続された差動増幅器、検波回路および位相検出回路とを備えてもよい。

本発明に係る変調波レゾルバ装置の駆動方法は、変調波レゾルバ装置を駆動する駆動方法であって、基本クロックに同期して、コントローラから参照信号を生成し、第1符号信号、第１パルス幅変調信号、第２符号信号、及び第２パルス幅変調信号を出力するコントローラを準備し、前記コントローラから出力された前記第１及び第２符号信号をそれぞれ第１及び第２符号ＳＷに入力して、第１符号電位及び第２符号電位を生成するステップと、前記第１及び第２符号ＳＷから出力された前記第１及び第２符号電位と前記コントローラから出力された前記第１及び第２パルス幅変調信号とを第１及び第２合成回路により合成して第１及び第２符号付パルス幅変調信号を生成し、前記変調波レゾルバ装置の入力コイルに出力するステップとを有する。前記第２符号信号及び前記第２パルス幅変調信号は、前記第1符号信号及び前記第１パルス幅変調信号のそれぞれに直交しており、前記第1符号信号及び前記第２符号信号は、それぞれ２つの符号値を有し、前記第１符号付パルス幅変調信号及び前記第２符号付パルス幅変調信号は、前記第1符号信号及び前記第２符号信号のそれぞれの符号値に対応して、電位が切り替わり、前記第１及び第２符号信号の符号値は、前記参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わるように設定されていることを特徴としてもよい。

変調波レゾルバ装置の入力コイルを駆動するために、基準電位に対して異なる符号の電位値（＋電位値と－電位値）を有する符号付パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を採用しており、従来の駆動装置における「変調波信号における長周期の「うねり」」を解消することができ、回転角を高精度に検出することができる。

図１は、本実施形態に係る変調波レゾルバ装置の構成を示した図である。図２は、本実施形態に係る変調波レゾルバ装置の駆動装置から出力される符号付パルス幅変調（PWM）信号のパルス配列の例を示した図である。図３は、コントローラから出力される符号信号、パルス幅変調信号、及び、本実施形態に係る変調波レゾルバ装置の駆動装置から出力される符号付パルス幅変調（PWM）信号、及びレゾルバメカ機構の入力コイルに入力される変調波の関係を示す図である。図４は、本実施形態に係る変調波レゾルバ装置の駆動装置を用いて、レゾルバメカ機構の入力コイルを直接駆動する場合の構成例を説明するための図である。図５は、変調波レゾルバ装置の駆動装置からローパス・フィルタを介して出力さえる変調波波形の一例を示した図である。図６は、レゾルバメカ機構の出力力コイルから出力される変調波信号から、回転位相θを検出するための回路例を示したブロック図である。図７は、レゾルバメカ機構の出力力コイルから出力される変調波信号から、回転位相θを検出する方法を説明するための図である。

本発明の変調波レゾルバ装置において、レゾルバの高精度化を実現するために、符号付きPWMからLPF（ローパス・フィルタ）で変調波を生成し、レゾルバの入力コイルを直接ドライブする変調波レゾルバ装置の実施例を示す。
レゾルバ入力コイルの直接ドライブは、バッファの無い分、構成がシンプルで安価に構成出来る利点がある。ここで、バッファにはOp-Amp、トランスなどがあり、LPFとレゾルバ入力コイルとの間に介在し、インピーダンス変換できる機能を持つことが特徴である。バッファ付は、構成が複雑かつ高価となるが、回路の汎用性は高くなる。
以下、本発明の実施の形態を図１～図７に基づいて説明する。

図１には、変調波レゾルバ装置の一実施例を示す。通常、コントローラ１にはDSPあるいはFPGAを用いる。コントローラ１内部の信号生成部には、参照信号、基本クロックがあり、参照信号周波数fref、変調波波数Nおよび基本クロックfclkが変調波レゾルバの基本仕様として設定される。最初に、基本クロックfclk、変調波波数Nが設定される。続いて、参照信号周波数frefは、fref＝fclk / Nという関係で定まる。なお、変調波の包絡線で表現される信号波周期は、参照信号周期と同一となる。本例では、fref：８kHz、N：64波、fclk：512kHzの設定例で説明する。コントローラ１の信号生成部には、直交するSIN系列およびCOS系列がある。SIN系列からは、第１符号信号と第１PWM信号を出力し、COS系列からは、第２符号信号と第１PWM信号を出力する。

SIN系列について、コントローラ１から出力される第１符号信号と第１PWM信号は第１符号付きPWM生成部に入力され、そこで符号付きPWMが生成される。第１符号信号（+符号、－符号）は、第１符号ＳＷ２で、第１合成回路３に印加する電位（＋電位、－電位）を選択する。第１符号ＳＷ２は、入力された第１符号信号（+符号、－符号）の電位を切り替えるスイッチ回路（ＳＷ回路）として機能する。この電位の基準は、単電源の場合、電源（＋電位）とGND（―電位）の中間となる基準電圧（0電位）が取られる。次に第１PWM信号２は第１合成回路３に入力され、そこで合成されて＋電位、－電位を持つ符号付きPWM信号（図２を参照）が生成される。その符号付きPWMを、第１LPF４に通すことによってSIN変調波が生成される。本実施例では、このSIN変調波で直接第１入力ドライブ・コイル５を駆動する。

COS系列では、SIN系列と同様の構成とメカニズムによって、第２符号付きPWM生成部で符号付きPWMが生成され、第２LPF８を通すことによってCOS変調波が生成され、第２入力ドライブ・コイル９を直接、駆動する。

レゾルバメカ機構１０からは、出力コイル１５を通して回転角に相当する位相角θだけ変位した変調波が出力される。差動増幅器１４を通して検波回路１３、フィルタ回路１２および位相検出１１を通して、回転位相θがコントローラ１に入力される。

コントローラ１から、直交するSIN系列およびCOS系列のそれぞれの符号信号とPWM信号から、符号付きPWM信号を、基本クロックに同期して生成する。符号付きPWM信号のパルス幅の配列は、LPF４、９の変調波出力振幅波形の包絡線が信号波周期に同期してSINおよびCOS変調波を出力するような振幅変調配列で出力する。また、後述するように、本実施形態の変調波レゾルバ装置の駆動装置では、極性反転を参照信号の半周期に同期して符号付きPWM信号配列に組み込んでいる。これにより、復調時に検波回路で信号波SIN波およびCOS波を復元することが出来る。

図２には、参照信号の１周期分、64対の符号付きPWM配列の例を示す。符号付きPWMでは、参照信号に同期して、出力変調波の包絡線が信号波のSIN波あるいはCOS波になるように、基本クロックの１周期毎に１対の符号付きPWMの振幅配列を順次変えて構成したものである。信号波に合わせて、１対の符号付きPWMのパルス幅は符号の＋とーでパルス幅が異なる。参照信号の半周期に同期して、符号付きPWM配列の前半の３２対は正極性、後半の３２対は負極性を示す。１対の内部の符号を入れ替えることで、簡易に極性反転に対応することが出来る。参照信号の半周期に同期して、３２対毎に符号を入れ替えることで、参照信号の半周期毎に連続した極性反転を実行することが出来る。

図３には、符号付きPWM信号から変調波生成する過程をさらに詳しく示す。参照信号の前半のHレベルの区間は極性が正の区間で、符号付きPWM配列の前半の32対は変調波の基本クロックの中に（＋PWM、－PWM）の順で、１対の符号付きPWM信号を構成している。参照信号の後半のLレベルの区間は極性が負の区間で、符号付きPWM配列の後半の32対は変調波の基本クロックの中に前半とは逆の順（－PWM、＋PWM）で１対の符号付きPWM信号を構成している。参照信号の半周期に同期して、配列32対毎に連続して極性反転する構成となっている。極性反転は、単純に符号を入れ替えるだけで簡易に実現でき、生成された変調波は32波毎に点対称となる構成をしている。さらに、符号付きPWMは、変調波の基本クロック内に、PWM信号が（＋PWM、－PWM）と２個あるため、精度が１ビット向上するという利点がある。

本実施形態では、基本クロックの半周期に同期して、コントーラ１から符号信号とPWM信号が出力される。PWM信号は、符号信号の＋パルス信号内に1個、－パルス信号内に1個、それぞれ基本クロックの半周期の中心に出力される。図１に対応して示すと、第１符号SW２および第２符号SW６では、コントローラ１から出力されるそれぞれの符号信号の正負に応じて、第１合成回路３および第２合成回路７を駆動する電位（＋電位、－電位）をスイッチする。コントローラ１から出力される第１PWM信号および第２PWMは、第１合成回路３と第２合成回路７で、それぞれの符号信号の示す電位と合成されて、それぞれの符号付きPWM信号となる。この符号付きPWM信号は、第１LPF４および第２LPF８を通して、それぞれSIN変調波およびCOS変調波を生成する。変調波は基本クロックに同期して、基本クロックの１周期に1波の変調波が生成される。

PWM信号から、変調波を生成する一例を以下に示す。符号付きPWMの１対の周期T矩形波から、１波のSIN波（正弦波）を得る手段は、以下のディジタル信号処理の公式を利用する。周期Tの矩形波f(t)をフーリエ級数展開した式を（１）式に示す。

基本周波数f0の正弦波とその奇数倍の高調波成分の和として表せる。これから、基本周波数の３次以降の奇数倍で現れる高調波成分を高次のLPFで減衰させれば、基本波の正弦波のみを生成することが可能となる。

変調波を出力するLPF４、８のフィルタ特性は、遮断周波数が基本クロック周波数fclkより高い周波数の起点から開始し３×fclkでの減衰が-40dB程度以上になるように設定する。この特性を保証するには、LPFのフィルタ次数は４次以上が必要となる。この特性により、基本クロックの周期内に、１対の符号付きPWM矩形波から１波の変調波が生成されるようになる。さらに、符号付きPWMのパルス幅に応じて、変調波の振幅（波高）を生成することができる。図３に、１対の符号付きPWM矩形波の振幅を、基本クロックの半周期毎に変えてSIN波（変調波）を得る過程を示している。符号付きPWM矩形波はLPFによる位相遅延が生じる。

LPFでレゾルバ入力コイルを直接駆動する構成例を図４に示す。この構成はSIN系列とCOS系列の双方にそれぞれ存在する。符号付きPWM信号を生成するスイッチの内部抵抗をR1とする。次に、符号付きPWM信号をLPFに通すと、出力から変調波が得られる。レゾルバ入力コイルを直接駆動する場合には、LPFはレゾルバ入力コイルを駆動できるように低インピーダンスで構成する。調整抵抗R2はレゾルバ入力コイルがショートされるときの保護抵抗の他に、レゾルバ入力コイルの第１と第２の特性の違いを補正する役目がある。

図５には、前記の符号付きPWM信号とLPFによって生成された変調波の一例を示す。変調波のエンベロープ線も追加して、変調波が正確なSIN波となっていることを、確認できるようにしている。

図６には、レゾルバメカ機構１２の出力コイル１７から出力される変調波から回転位相θを求める過程の回路例を示す。レゾルバメカ機構１０の出力コイル１５から出力される回転角θだけ位相回転された変調波を、差動増幅器１４に通して振幅増幅し、検波回路１３で、基本クロックで位相同期検波を行うと、参照信号の半周期に同期した極性反転に連動して信号波のエンベロープが得られる。次に、フィルタ１２を通すと完全な信号波が得られる。位相検出回路１１で、この信号波とのゼロクロス点から位相入力θが得られる。この位相入力θを、コントローラ１に入力することによってレゾルバの回転角を求めることが出来る。

図６の信号の流れを図７に示す。入力された変調波は、参照信号を基準に、レゾルバの回転角θに伴って移動する。さらに、変調波は位相検波、フィルタを通過して、信号波のエンベロープが形成される。信号波の立ち上りのゼロクロス点の位相を、参照信号を基準に高周波クロックでカウントして位相（回転角）θが求められる。

上記の実施形態は一例であり、本発明は特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形が考えられる。例えば、本実施例では、高次LPFを介して直接、レゾルバ入力コイルを駆動している例を示している。しかし、高次LPF（第１LPF４、第２LPF８）を設けずに、第１合成回路３および第２合成回路７からレゾルバメカ機構の入力コイルを直接駆動することもできる。この場合、レゾルバメカ機構の入力コイル自身が、高次LPFとして機能し、レゾルバメカ機構の出力コイルから変調波信号が出力できることも実験により実証している。

本発明のPWM方式は、変調波レゾルバ装置の小型、軽量、耐環境性、長寿命化、低コスト化が実現可能となることから、変調波レゾルバ装置は、航空宇宙機器、AI搭載ロボット、情報倉庫、工作機械などの基幹部品として、また重要なコンポーネントとして採用され得る。また、IoTの回転センサーとして、ICT革命の汎用回転センサーとして有望であり、将来的に計り知れない大きな成長市場が期待できる。

１コントローラ
２第１符号SW（スイッチ）
３第１合成回路
４第１LPF
５第１入力コイル
６第２符号SW（スイッチ）
７第２合成回路
８第２LPF
９第２入力コイル
１０レゾルバメカ機構
１１位相検出
１２フィルタ
１３検波回路
１４差動増幅器
１５出力コイル

Claims

変調波レゾルバ装置のための駆動装置であって、
所定の周期のパルス列を含む基本クロックのパルスごとに同期して、第1符号信号、第１パルス幅変調信号、第２符号信号、及び第２パルス幅変調信号を出力するコントローラと、
前記第１符号信号から第１符号電位を生成する第１符号ＳＷと、
前記第２符号信号から第２符号電位を生成する第２符号ＳＷと、
前記第１符号ＳＷから出力された前記第１符号電位と前記第１パルス幅変調信号とを合成して第１符号付パルス幅変調信号を生成し、前記変調波レゾルバ装置の一方の入力コイルに出力する第１合成回路と、
前記第２符号ＳＷから出力された前記第２符号電位と前記第２パルス幅変調信号とを合成して第２符号付パルス幅変調信号を生成し、前記変調波レゾルバ装置の他方の入力コイルに出力する第２合成回路と、を備え、
前記第２符号信号及び前記第２パルス幅変調信号は、前記第1符号信号及び前記第１パルス幅変調信号のそれぞれに直交しており、
前記第1符号信号及び前記第２符号信号のそれぞれは、前記基本クロックの1周期内に、基準電位に対して２つの相反する符号値を有し、
前記第１パルス幅変調信号及び前記第２パルス幅変調信号は、前記基本クロックの前記周期の１／２の周期を有しており、
前記第１符号付パルス幅変調信号及び前記第２符号付パルス幅変調信号の電位は、それぞれ、前記第1符号信号及び前記第２符号信号の前記符号値に対応して、前記基準電位に対して反対方向に切り替わることを特徴とする駆動装置。
前記第１合成回路と前記一方の入力コイルとの間に、第1ローパス・フィルタを接続し、
前記第２合成回路と前記別の入力コイルとの間に、第２ローパス・フィルタを接続したことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置
前記コントローラは、前記基本クロックに同期して参照信号を生成し、
前記第１符号信号の符号値が、前記参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わり、
前記第２符号信号の符号値が、前記参照信号の半周期に同期して符号値が切り替わることを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
前記第１パルス幅変調信号、及び前記第２パルス幅変調信号の周波数は、前記基本クロックの周波数の２倍の周波数であり、前記基本クロックの１周期内に前記第1符号信号、及び前記第２符号信号が含まれることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の駆動装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載の駆動装置と、
前記駆動装置により駆動される入力コイルと、レゾルバの回転角を出力する出力コイルとを備えたレゾルバメカ機構と、
前記出力コイルに接続された差動増幅器、検波回路および位相検出回路と、を備えたことを特徴とする変調波レゾルバ装置。
変調波レゾルバ装置を駆動する駆動方法であって、
所定の周期のパルス列を含む基本クロックに同期して参照信号を生成し、当該基本クロックのパルスごとに同期して、第1符号信号、第１パルス幅変調信号、第２符号信号、及び第２パルス幅変調信号を出力するコントローラを準備し、
前記コントローラから出力された前記第１及び第２符号信号をそれぞれ第１及び第２符号ＳＷに入力して、第１符号電位及び第２符号電位を生成するステップと、
コントローラから出力された前記第１及び第２パルス幅変調信号とを第１及び第２合成回路により合成して第１及び第２符号付パルス幅変調信号を生成し、前記変調波レゾルバ装置の入力コイルに出力するステップと、を有し、
前記第２符号信号及び前記第２パルス幅変調信号は、前記第1符号信号及び前記第１パルス幅変調信号のそれぞれに直交しており、
前記第1符号信号及び前記第２符号信号のそれぞれは、前記基本クロックの1周期内に、基準電位に対して２つの相反する符号値を有し、
前記第１パルス幅変調信号及び前記第２パルス幅変調信号は、前記基本クロックの前記周期の１／２の周期を有しており、
前記第１符号付パルス幅変調信号及び前記第２符号付パルス幅変調信号の電位は、それぞれ、前記第1符号信号及び前記第２符号信号の前期符号値に対応して、前記基準電位に対して反対方向に切り替わることを特徴とする変調波レゾルバ装置の駆動方法。