JP5217766B2 - 回転体の角度位置検出装置及び回転数検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、モータ等の回転体の角度位置検出装置及び回転数検出装置に関するものである。

図４は特許文献１に示されたレゾルバ（電磁誘導形角度検出器）の出力をデジタル化するコンバータ（以下、Ｒ／Ｄコンバータ又はＲ／Ｄ変換器という。）及びＲ／Ｄコンバータからのエンコード出力を分周するエンコーダ出力分周装置に関するものであり、Ｒ／Ｄコンバータ１では、レゾルバの正弦波出力及び余弦波出力が取り込まれ、ＡＤ変換が行われた後、１２ビットのエンコード信号Ａ１，Ｂ１及び回転方向信号ＤＩＲが生成される。なお、レゾルバは、回転トランスの一種であり、２個のステータ巻線と１個のロータ巻線が備えられ、２個のステータ巻線は機械的に９０度ずらして配置されている。そして、ステータ巻線との結合により得られる信号の振幅は、ロータ（軸）の位置とステータとの相対位置の関数になる。このため、レゾルバからは、軸角度のサイン及びコサインで変調された２種類の出力電圧が得られる。エンコード信号Ａ１，Ｂ１はマルチプレクサ２に供給される。又、エンコード信号Ａ１及び回転方向信号ＤＩＲはＤＳＰ（デジタル信号処理プロセッサ）３に供給される。ＤＳＰ３では、エンコード信号Ａ１の第１のパルス期間で、エンコード信号Ａ１に同期したタイマにより１周期（レゾルバの回転速度）を測定し、第２のパルス期間では、１パルスの１６分割値を計算し、１４ビット（１／４倍周期）のエンコード信号Ａ２，Ｂ２の立ち上がり、立ち下がりエッジのタイミングを決定することにより、１４ビットのエンコード信号Ａ２，Ｂ２を生成する。これにより、エンコード信号Ａ１の第３〜第５０のパルス期間において、１４ビットのエンコード信号Ａ２，Ｂ２が生成され、マルチプレクサ２に供給される。

また、ＤＳＰ３では、第１のパルス期間で測定したレゾルバのロータ回転速度が４００ｒｐｍ以下もしくは１２００ｒｐｍ以上では、Ｒ／Ｄコンバータ１のエンコード信号Ａ１，Ｂ１を選択するための選択信号ＳＥＬがマルチプレクサ２に供給される。一方、ロータ回転速度が４００ｒｐｍ以上１２００ｒｐｍ以下の場合には、ＤＳＰ３からのエンコード信号Ａ２，Ｂ２を選択するための選択信号ＳＥＬがマルチプレクサ２に供給される。マルチプレクサ２では、選択信号ＳＥＬに従って、ロータの回転速度が４００ｒｐｍ以下もしくは１２００ｒｐｍ以上の場合には、１２ビットのエンコード信号Ａ１，Ｂ１が出力され、４００ｒｐｍ以上１２００ｒｐｍ以下の場合には、１４ビットのエンコード信号Ａ２，Ｂ２が出力される。この結果、速度リップルが悪化する回転数、すなわち、レゾルバのロータ回転速度が４００ｒｐｍ以上１２００ｒｐｍ以下の範囲で、Ｒ／Ｄコンバータ１のエンコード信号Ａ１，Ｂ１をＤＳＰ３により２ビット拡張（周波数を４倍）したエンコード信号Ａ２，Ｂ２が出力される。

又、図５は特許文献２に示されたモータの角度位置検出装置であり、マイクロプロセッサ４内のＤＡ変換器５の出力６はドライバ７によって電力増幅され、モータ８の回転トルクを制御する。又、モータ８のトルクの方向は回転方向制御信号９により制御される。モータ８の回転角度情報は、ＦＧＡ，ＦＧＢとして出力され、ＦＧＡ，ＦＧＢは増幅部１０，１１でそれぞれ増幅されて信号１２，１３となり、ＡＤ変換器１４，１５に入力されてＡＤ変換され、デジタルデータ１６，１７となる。デジタルデータ１６，１７は回転角度計算部１８で回転角度情報１９に変換され、スイッチ２０へ送られる。一方、波形整形部２１，２２へ供給された信号１２，１３は波形整形されて矩形波２３，２４となり、マイクロプロセッサ４内への入力となる。矩形波２３，２４は計数及び正逆回転検出部２５に入力され、正逆回転及びパルスのエッジ部の立ち上がり、立ち下がりが検出されて計数が行なわれ、計数データ２６は回転角度計算部２７に送られ、回転角度計算部２７ではパルス毎に規定の値が加算されて回転角度情報２８に変換され、スイッチ２０に送られる。スイッチ２０の制御信号を出力するスイッチ制御部２１ａは、前回のエラー値が所定値以上の場合又はＦＧ周期が所定値より短い場合、即ちモータ８の回転速度が所定回転速度より大きい場合には、信号２８を選択し、前回のエラー値が所定値未満でかつＦＧ周期が所定値より長い場合、即ちモータ６の回転速度が所定回転速度より小さい場合、信号１９を選択するようスイッチ制御信号を出力する。スイッチ２０によって切り替えられた回転角度情報２９はエラー計算部３０によって回転角度目標値との差分を計算するために用いられる。エラー計算部３０はこの差分信号にゲイン、フィルタを施し、フィードバックデータ３１をＤＡ変換器５に送ると同時に、フィードバックデータ３１が負の場合はハイレベル、正の場合はローレベルの回転方向制御信号９を出力する。

このような構成により、モータ８の回転速度が速いときは、正弦波信号若しくは余弦波信号又は両方の信号を波形整形したパルスのエッジ部を検出して、パルスの数をカウントすることでモータの回転角度を検出することにより、高速に対応することができ、またモータ８の回転速度が遅いときは、正弦波信号及び余弦波信号の電圧値を基にモータの回転角度を検出して、回転角度を精度良く検出する。
特開２００４−３０４７４０号公報 特開２００６−２３４６８８号公報

前記したように、従来、モータ等の回転体の角度位置を検出する回路や回転数を検出する回路が種々提案されているが、以下のような課題を持っている。即ち、例えば、高精度、高分解能の位置検出ができるアブソリュートエンコーダを用いた場合には、一般に、約３０００ｒｐｍ以上の回転では正常に動作しなくなり、約５０００ｒｐｍ以上の回転では機械的に破損してしまうので、高速での角度位置検出や回転数検出には用いることができなかった。又、同様の角度位置検出ができるレゾルバは、そのＲ／Ｄ変換器の分解能と回転速度との関係で次の課題がある。即ち、１６ｂｉｔ以上の高分解能のＲ／Ｄ変換器は、内部のカウンタ用クロック周波数の制限により一般に約１５００ｒｐｍ以上の回転では正常に動作しなくなるので、高速での角度位置検出や回転数検出には用いることができなかった。逆に、１００００ｒｐｍを超える高速での角度位置検出や回転数検出に用いることができるＲ／Ｄ変換器には、高分解能のものが存在しないので、１２ｂｉｔ以下のＲ／Ｄ変換器しか使用できなかった。従って、現状では、１６ｂｉｔ以上の高分解能の精度を持ち、かつ１００００ｒｐｍを超える高速での角度位置検出や回転数検出を行うことができるＲ／Ｄ変換器は存在しなかった。このため、分解能で妥協するか上限回転数で妥協するしかなかった。

この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、回転体の角度位置検出や回転数検出を低速から高速まで精度良く行うことができる回転体の角度位置検出装置及び回転数検出装置を得ることを目的とする。

この発明の請求項１に係る回転体の角度位置検出装置は、回転体に連結されたレゾルバと、レゾルバの低速回転時の出力をデジタル化するとともに、回転体の角度位置を検出する高分解能の低速回転用Ｒ／Ｄ変換器と、レゾルバの高速回転時の出力をデジタル化するとともに、回転体の角度位置を検出する低分解能の高速回転用Ｒ／Ｄ変換器と、高速回転用Ｒ／Ｄ変換器の出力から回転体の回転数を演算する第１の回転数演算回路と、第１の回転数演算回路から回転数を入力され、この回転数が第１の所定値以下で０を出力するとともに、第２の所定値以上で１を出力し、かつ第１の所定値以上で第２の所定値以下では０と１の間で入力回転数に比例して増大する値を出力する切換演算関数部と、１から切換演算関数部の出力を減算する減算部と、高速回転用Ｒ／Ｄ変換器の出力に切換演算関数部の出力を掛算する第１の掛算器と、低速回転用Ｒ／Ｄ変換器の出力に減算部の出力を掛算する第２の掛算器と、第１及び第２の掛算器の出力を加算する加算部とを備えたものである。

請求項２に係る回転体の回転数検出装置は、前記加算部の出力から回転体の回転数を演算する第２の回転数演算回路を備えたものである。

以上のようにこの発明の請求項１によれば、回転体の低速回転時には高分解能で高精度の低速回転用Ｒ／Ｄ変換器の検出信号により角度位置を検出するとともに、回転体の高速回転時には低分解能の高速回転用Ｒ／Ｄ変換器により角度位置を検出し、高速と低速の間では両Ｒ／Ｄ変換器の検出信号を比率演算して角度位置の検出信号としており、低速から高速まで連続的な切換を行うことができ、切換ショックは発生せず、高速回転時には変換器が低分解能でも高精度が得られるので、高分解能の変換器を用いる低速回転時から低分解能の変換器を用いる高速回転時まで高精度の角度位置検出を行うことができる。

又、請求項２によれば、角度位置検出信号を発生する加算部の出力から第２の回転数演算回路により回転数を演算しており、回転体の回転数を角度位置の検出と同様に低速から高速まで精度良く検出することができる。

実施最良形態１
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。モータ等の回転体の角度位置を制御する装置や停止制御する装置においては、制御精度を良くするために、検出器の分解能を高くすることが必要であるが、回転速度が高くなると、角度位置検出の情報量が多くなり、検出遅れが少なくなるので、検出器が比較的低い分解能でも十分高精度の角度位置制御や回転速度制御が可能となる。この特性を利用して、停止制御や低速制御においては、１６ｂｉｔ以上の高分解能のＲ／Ｄ変換器の角度位置検出信号を用いて制御し、回転速度が高くなると、１２ｂｉｔの低分解能のＲ／Ｄ変換器の角度位置検出信号に切り換えて制御することにより、停止状態から高速回転までの範囲で高精度の角度位置制御や回転速度制御が可能となる。

ここまでのことは、位置制御を行ったことがある技術者であれば、誰でも考えることであるが、この回路を実際に使用する上で大きな課題が存在するため、製品等に実際に使用されたことがない。その課題とは、低速回転用Ｒ／Ｄ変換器の検出信号から高速回転用Ｒ／Ｄ変換器の検出信号に切り換える時、逆に高速回転用Ｒ／Ｄ変換器の検出信号から低速回転用Ｒ／Ｄ変換器の検出信号に切り換える時に切換ショックが発生し、角度位置制御や速度制御が大きく変動してしまい、実用に耐えられないため、実際に使用されたことがなかった。切換ショックが発生する主な原因は、角度位置制御のマイナーループに速度制御が用いられるのが一般的な位置制御系であり、低速回転用Ｒ／Ｄ変換器の検出信号と高速回転用Ｒ／Ｄ変換器の検出信号とが切り換わる時に二つの検出信号が一致していないことに起因し、検出信号の切換時に非常に短い時間内で位置情報が変化するため、大きな速度変化があったと誤検出し、マイナーループの速度制御が大きく変動してしまうためであり、二つのＲ／Ｄ変換器の精度と動作タイミング上、二つの検出信号を一致させることは不可能に近い。従って、二つのＲ／Ｄ変換器の検出信号を切換ショックなしに切り換えることができれば、前記課題は解決する。

図１はこの発明の実施最良形態１による回転体の角度位置検出装置の構成を示し、３２は回転体に連結されたレゾルバ、３３はレゾルバ３２の出力をデジタル化するとともに、回転体の角度位置を検出するＲ／Ｄ変換ユニットであり、Ｒ／Ｄ変換ユニット３３は低速回転用Ｒ／Ｄ変換器３４、高速回転用Ｒ／Ｄ変換器３５及び信号切換回路３６により構成される。低速回転用Ｒ／Ｄ変換器３４はレゾルバ３２の低速回転時（例えば１０００ｒｐｍ以下）の出力をデジタル化するとともに、角度位置を検出するものであり、２０ビット又は１６ビットの高分解能のＲ／Ｄ変換器により構成される。高速回転用Ｒ／Ｄ変換器３５はレゾルバ３２の高速回転時（例えば１０００ｒｐｍ以上）の出力をデジタル化するとともに、角度位置を検出するものであり、１２ビットの低分解能のＲ／Ｄ変換器により構成される。

図２は実施最良形態１による信号切換回路３６の詳細な構成を示し、３７は高速回転用Ｒ／Ｄ変換器３５の出力θ２〔ｄｅｇ〕からｎａ〔ｒｐｍ〕＝（１／６０）*ｄθ〔ｄｅｇ〕／ｄｔの式により回転数を演算する第１の回転数演算回路、３８は回転数ｎａを入力されて０〜１の間の出力ｙを出力する切換演算関数部であり、切換演算関数部３８は図示したように回転数ｎａ〔ｒｐｍ〕が入力され、ｎａがｎ１（第１の所定値）以下では出力ｙは０となり、ｎａがｎ１とｎ２（第２の所定値）の間では出力ｙは０と１の間でｎａに比例して増大し、ｎａがｎ２以上では出力ｙは１となる。３９は１から切換演算関数部３８の出力ｙを減算する減算部であり、その出力（１−ｙ）は図示したように回転数ｎａがｎ１以下では１となり、ｎａがｎ１とｎ２の間では１と０の間でｎａに比例して１から減少し、ｎａがｎ２以上では出力（１−ｙ）は０となる。４０は高速回転用Ｒ／Ｄ変換器３５の出力θ２に切換演算関数部３８の出力ｙを掛算する第１の掛算器であり、掛算器４０の出力θ２*ｙ〔ｄｅｇ〕は０を付け足すことにより２０又は１６ｂｉｔとする。

４１は低速回転用Ｒ／Ｄ変換器３４の出力θ１〔ｄｅｇ〕に減算器３９の出力（１−ｙ）を掛算する第２の掛算器であり、その出力θ１*（１−ｙ）〔ｄｅｇ〕も２０又は１６ｂｉｔとなる。掛算器４０，４１の出力は加算部４２で加算され、切換出力θ１*（１−ｙ）+θ２*ｙ〔ｄｅｇ〕は２０又は１６ｂｉｔとなる。

前記構成において、回転体の回転が上昇して行くと、回転数演算回路３７から出力される回転数ｎａが上昇し、切換演算関数部３８の出力ｙは０と１の間で変化する。ｎａがｎ１〔ｒｐｍ〕以下の時は切換演算関数部３８の出力ｙは０となるので、低速回転用Ｒ／Ｄ変換器３４の出力θ１〔ｄｅｇ〕のみが加算部４２から出力され、ｎａがｎ２〔ｒｐｍ〕以上では切換演算関数部３８の出力ｙが１となるので、高速回転用Ｒ／Ｄ変換器３５の出力θ２〔ｄｅｇ〕のみが加算部４２から出力される。ｎａがｎ１とｎ２の間では出力θ１〔ｄｅｇ〕を出力ｙの値で比率演算した出力と出力θ２〔ｄｅｇ〕を出力（１−ｙ）の値で比率演算した出力の合計が加算部４２から切換出力として得られる。このため、ｎ１とｎ２の間では出力θ１が徐々に減少し、出力θ２が徐々に増加するので、θ１とθ２の切換が連続的に行われ、検出信号の切換時に角度位置情報の変化が少ないため、速度制御系で大きな速度変化があったと誤検出することがなく、検出信号の切換をショックなしに行うことができる。

実施最良形態１においては、回転体の低速回転時には高分解能で高精度の低速回転用Ｒ／Ｄ変換器３４の検出信号により角度位置を検出し、回転体の高速回転時には低分解能でも高精度が得られるので、低分解能の高速回転用Ｒ／Ｄ変換器３５により角度位置を検出し、低速と高速の中間速度では変換器３４，３５の検出信号を比率演算した検出信号により角度位置を検出しており、検出信号の切換をショックなしに行うことができるとともに、回転体の低速回転時から高速回転時まで精度良く角度位置を検出することができる。従って、このような角度位置検出装置を角度位置制御や停止制御に用いれば、これらの制御を精度良く行うことができる。

実施最良形態２
図３は実施最良形態２による信号切換回路の詳細な構成を示し、図２との相違点は、加算部４２の出力から回転体の回転数を演算する第２の回転数演算回路４３を設けたことであり、これによって回転数検出装置が構成される。第２の回転数演算回路４３においても加算部４２の出力である角度を時間で微分して回転数に変換する。

実施最良形態２においても、回転体の低速回転時には高分解能で高精度の低速回転用Ｒ／Ｄ変換器３４の検出信号により角度位置及び回転数を検出し、回転体の高速回転時には低分解能でも高精度が得られるので、低分解能の高速回転用Ｒ／Ｄ変換器３５により角度位置及び回転数を検出し、低速と高速の中間速度では変換器３４，３５の検出信号を比率演算した検出信号により角度位置及び回転数を検出しており、検出信号の切換をショックなしに行うことができるとともに、回転体の低速回転時から高速回転時まで精度良く角度位置及び回転数を検出することができる。従って、このような回転数検出装置を低速高速の回転数制御に用いれば、これらの制御を精度良く行うことができる。

この発明の実施最良形態１による回転体の角度位置検出装置の構成図である。 実施最良形態１による信号切換回路の詳細な構成図である。 実施最良形態２による信号切換回路の詳細な構成図である。 特許文献１に示されたエンコーダ出力分周装置のブロック図である。 特許文献２に示されたモータの角度位置検出装置のブロック図である。

符号の説明

３２…レゾルバ
３３…Ｒ／Ｄ変換ユニット
３４…低速回転用Ｒ／Ｄ変換器
３５…高速回転用Ｒ／Ｄ変換器
３６…信号切換回路
３７，４３…回転数演算回路
３８…切換演算関数部
３９…減算部
４０，４１…掛算器
４２…加算部

Claims (2)

1. 回転体に連結されたレゾルバと、レゾルバの低速回転時の出力をデジタル化するとともに、回転体の角度位置を検出する高分解能の低速回転用Ｒ／Ｄ変換器と、レゾルバの高速回転時の出力をデジタル化するとともに、回転体の角度位置を検出する低分解能の高速回転用Ｒ／Ｄ変換器と、高速回転用Ｒ／Ｄ変換器の出力から回転体の回転数を演算する第１の回転数演算回路と、第１の回転数演算回路から回転数を入力され、この回転数が第１の所定値以下で０を出力するとともに、第２の所定値以上で１を出力し、かつ第１の所定値以上で第２の所定値以下では０と１の間で入力回転数に比例して増大する値を出力する切換演算関数部と、１から切換演算関数部の出力を減算する減算部と、高速回転用Ｒ／Ｄ変換器の出力に切換演算関数部の出力を掛算する第１の掛算器と、低速回転用Ｒ／Ｄ変換器の出力に減算部の出力を掛算する第２の掛算器と、第１及び第２の掛算器の出力を加算する加算部とを備えたことを特徴とする回転体の角度位置検出装置。
2. 前記加算部の出力から回転体の回転数を演算する第２の回転数演算回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の回転体の回転数検出装置。

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