JP4763821B2 - 角度補正回路、ｒｄコンバータ及び角度検出装置 - Google Patents

Description

この発明はモータの回転角度を検出するレゾルバから出力されるレゾルバ信号をディジタル出力角度に変換するＲＤコンバータ及びそのＲＤコンバータを具備する角度検出装置に関し、特にレゾルバの角度誤差を良好に補正する構成に関する。

レゾルバは通常、角度誤差を有しているため、高精度な角度検出を行うためには角度誤差を補正する必要がある。

このようなレゾルバの角度誤差を補正する方法が特許文献１に記載されている。特許文献１では事前に一定回転数でレゾルバを回転させたときのＲＤコンバータ（Ｒ／Ｄ変換器）の出力角度と、レゾルバの回転を時間計測して割り出した角度データ基準とを比較して、レゾルバの角度誤差特性を算出し、補正用メモリに記録するものとなっており、角度誤差特性はＲＤコンバータの出力角度に対する補正後の角度という形で補正用メモリに記録されている。

運用時はＲＤコンバータの出力角度が補正用メモリに入力され、その入力された出力角度に対応する補正後角度を補正用メモリから出力することで、角度誤差が補正された角度が得られるものとなっている。

特開平１０−１７０５３１号公報

上述したように、特許文献１に記載されているレゾルバの角度誤差の補正はＲＤコンバータの出力角度に対して補正を行うものとなっている。しかるに、ＲＤコンバータを介したレゾルバの角度誤差特性はレゾルバの回転数によって変動し、このような回転数によって変動する角度誤差には特許文献１に記載されている補正方法では対応することができず、つまり角度誤差を補正することができないといった問題がある。

この発明の目的はこのような問題に鑑み、レゾルバの回転数により、レゾルバの角度誤差特性が変動しても良好に角度誤差を補正することができる角度補正回路を提供することにあり、さらにそのような角度補正回路を具備したＲＤコンバータ及び角度検出装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、１相励磁・２相出力のレゾルバから出力されるレゾルバ信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度演算回路に付加される角度補正回路は、ディジタル出力角度φが入力され、そのディジタル出力角度φに対するレゾルバの角度誤差を補正データとして出力する補正データ部と、角度演算回路の伝達関数と同一特性を有し、前記補正データが入力されるフィルタと、ディジタル出力角度φからフィルタの出力を減算して補正後角度を出力する減算器とを備える。

請求項２の発明では請求項１の発明において、補正データ部はレゾルバの角度誤差をメモリに記憶しており、入力されたディジタル出力角度φに対する角度誤差をメモリから読み出して補正データとして出力する。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、フィルタの伝達関数が、
Ｋ（τ_１ｓ＋１）／（τ_２ｓ^３＋ｓ^２＋Ｋτ_１ｓ＋Ｋ）
但し、ｓ：ラプラス演算子
Ｋ：ゲイン定数
τ_１：第１の時定数
τ_２：第２の時定数
とされる。

請求項４の発明によれば、ＲＤコンバータは１相励磁・２相出力のレゾルバから出力されるレゾルバ信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度演算回路と、請求項１乃至３記載のいずれかの角度補正回路とを備える。

請求項５の発明によれば、角度検出装置は１相励磁・２相出力のレゾルバと、請求項４記載のＲＤコンバータと、レゾルバとＲＤコンバータとに励磁信号を供給する励磁信号発生器とを備える。

この発明による角度補正回路によれば、レゾルバの回転数により、レゾルバの角度誤差特性が変動しても良好に角度誤差を補正することができる。よって、この角度補正回路を、角度変換処理を行う角度演算回路に付加し、つまり角度演算回路と角度補正回路とによってＲＤコンバータを構成すれば、レゾルバが持つ誤差に依らず、高精度な角度検出を行うことができる。

ＲＤコンバータ及び角度検出装置の基本構成例を示すブロック図。 図１の構成を簡略化したブロック図。 レゾルバの角度誤差特性の一例（基本周波数成分のみ）を示すグラフ。 図２のＲＤコンバータの特性を示すグラフ。 図４に示した特性を有するＲＤコンバータに誤差がないレゾルバ角度θ_ｔを入力したときの出力角度の応答及びそのときの出力角度誤差を示すグラフ。 図４に示した特性を有するＲＤコンバータに角度誤差θ_ｅを入力したときの出力角度の応答（角度誤差）を示すグラフ。 図４に示した特性を有するＲＤコンバータにおいて、従来の補正を行った場合の出力角度誤差を示すグラフ。 この発明によるＲＤコンバータの一実施例の構成を示すブロック図。 Ａは図８における角度演算回路の構成を簡略化したブロック図、ＢはＡのブロック図を変形したブロック図。 図８に示したＲＤコンバータの出力角度誤差を、誤差補正をしない場合（従来例）と比較して示したグラフ。 補正データの生成及び書き込みを説明するためのブロック図。

まず、最初にレゾルバ・ＲＤコンバータの角度算出原理について説明する。

図１はＲＤコンバータの基本構成例をレゾルバ及び励磁信号発生器と共に示したものである。

レゾルバ１０は１相励磁・２相出力とされ、レゾルバ１０から出力される第１のレゾルバ信号Ｓ１及び第２のレゾルバ信号Ｓ２はＲＤコンバータ２０に入力される。また、励磁信号発生器３０から励磁信号がレゾルバ１０及びＲＤコンバータ２０に入力される。励磁信号をsin ωｔとすると、レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２は、
Ｓ１：cos θ sin ωｔ
Ｓ２：sin θ sin ωｔ
となる。θはレゾルバ１０の検出角度を示す。

ＲＤコンバータ２０はこの例では第１の乗算器２１と第２の乗算器２２と減算器２３と同期検波回路２４と制御器２５とＳＩＮ ＲＯＭ２６とＣＯＳ ＲＯＭ２７とによって構成されている。ＲＤコンバータ２０はこのような構成要素よりなる角度演算ループでレゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２の検出角度θをディジタル出力角度φに変換して出力する。

ＳＩＮ ＲＯＭ２６にはディジタル出力角度φが入力され、ＳＩＮ ＲＯＭ２６はそのディジタル出力角度φの正弦値sin φを生成して乗算器２１に出力する。同様に、ＣＯＳ ＲＯＭ２７はディジタル出力角度φからディジタル出力角度φの余弦値cos φを生成して乗算器２２に出力する。

乗算器２１はレゾルバ信号Ｓ１とsin φとを乗算して、その乗算値を減算器２３に出力し、乗算器２２はレゾルバ信号Ｓ２とcos φとを乗算して、その乗算値を減算器２３に出力する。減算器２３は乗算器２２の出力から乗算器２１の出力を減算し、その減算値を同期検波回路２４に出力する。減算器２３から同期検波回路２４に入力される信号は、
sin ωｔ（sin θ cos φ−cos θ sin φ）
＝sin ωｔ sin（θ−φ）
となる。

同期検波回路２４はこの信号を励磁信号発生器３０から入力される励磁信号sin ωｔを参照して同期検波し、sin ωｔを除去してその検波出力である制御偏差sin（θ−φ）を制御器２５に出力する。制御器２５は制御偏差sin（θ−φ）が零になるようにディジタル出力角度φを制御するため、結果、θ＝φとなり、検出角度θをディジタル出力角度φに変換して出力する。制御器２５の伝達関数は図１中に示したように、（Ｋ／ｓ^２）・｛（τ_１ｓ＋１）／（τ_２ｓ＋１）｝で表される。

ここで、θ≒φの場合、同期検波回路２４の出力は、
sin（θ−φ）＝θ−φ
と簡略化することができ、これより図１の構成は図２に示したように簡略化することができる。

次に、レゾルバの角度誤差特性について説明する。

レゾルバの角度誤差はレゾルバ角度に依存した誤差となる。一例を図３に示す。なお、角度誤差は実際にはレゾルバ回転数の整数倍周波数成分を有するが、ここでは説明上、簡略化して基本周波数成分のみ示す。

ここで、誤差がない理想的なレゾルバの角度をθ_ｔとし、図３に示した角度誤差をθ_ｅとする。レゾルバが回転数Ｖrpsで回転している場合、レゾルバの検出角度θは、
θ_ｔ＝３６０×Ｖ×ｔ （ｔ：時間［ｓ］）
θ_ｅ＝sin θ_ｔ
θ ＝θ_ｔ＋θ_ｅ
となる。

このθを図２に示すＲＤコンバータ２０’に入力したとき、ＲＤコンバータ２０’の出力がどのようになるかを以下に説明する。

図２における制御器２５の伝達関数のゲイン定数Ｋ、第１の時定数τ_１、第２の時定数τ_２を、
Ｋ＝２×１０^６
τ_１＝１×１０^−３
τ_２＝１×１０^−４
とすると、ＲＤコンバータ２０’の特性は図４に示したようになる。

このＲＤコンバータ２０’に誤差がない理想的なレゾルバ角度θ_ｔを入力したときの応答について説明する。

ＲＤコンバータ２０’の特性は２次系であるため、回転数Ｖが一定の場合、一定時間後のレゾルバ角度θ_ｔと出力角度φの差は０となる。図５にレゾルバ回転数１０００ｒｐｓ時のレゾルバ角度θ_ｔとＲＤコンバータ２０’の出力角度φの応答及びそのときの角度誤差（φ−θ_ｔ）を示す。

次に、ＲＤコンバータ２０’に角度誤差θ_ｅを入力したときの応答について説明する。

θ_ｅはθ_ｅ＝sin θ_ｔで表され、周期的に変動するため、入力する周波数によって出力特性が変化する。レゾルバを１０００ｒｐｓで回転したときには１０００Ｈｚの信号となる。この信号をＲＤコンバータ２０’に入力した場合、図４に示した特性より振幅は０．３倍となり、位相は１１７°遅れることになる。図６にレゾルバ回転数１０ｒｐｓの場合及び１０００ｒｐｓの場合の応答を示す。レゾルバの回転数の違いによりＲＤコンバータ２０’から出力される出力角度誤差特性が異なることが分かる。

以上より、レゾルバの検出角度θをＲＤコンバータに入力した場合、ＲＤコンバータの出力角度φはレゾルバの角度誤差であるθ_ｅにＲＤコンバータの特性が付与されることによりレゾルバの回転数に応じて変動する。ＲＤコンバータの出力角度φは、レゾルバの角度誤差に起因する誤差をφ_ｅとし、誤差がない理想的な検出角度をφ_ｔとした時、
φ＝φ_ｔ＋φ_ｅ
で表され、φ_ｅは回転数依存性を持つ。

前述の特許文献１に記載されているレゾルバの角度誤差の補正方法ではＲＤコンバータの出力角度に対して補正をかけるため、レゾルバの回転数により変動する角度誤差には対応することができず、例えばＲＤコンバータとして図４に示す特性のものを用い、低速回転（例えば１０ｒｐｓ）に合わせて角度誤差を算出し、補正データを作成したとすると、図７に示したように高速回転（例えば、１０００ｒｐｓ）では誤差が残ることになる。

以下、この発明の実施例について説明する。

図８はこの発明による角度補正回路を備えたＲＤコンバータの一実施例の構成をレゾルバ及び励磁信号発生器と共に示したものであり、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この例では図１に示したＲＤコンバータ２０に相当する角度演算回路４０と角度補正回路５０とによってＲＤコンバータが構成されている。角度補正回路５０は補正データ部５１とフィルタ５２と減算器５３とよりなる。

角度演算回路４０は前述の図２と同様、θ≒φの場合、sin（θ−φ）＝θ−φとして簡略化すると図９Ａに示したようになり、さらに図９Ａに示した構成を変形すると、図９Ｂに示した構成となる。

図９Ｂに示した角度演算回路４０’’の伝達関数は図９Ｂ中に示したように、
Ｋ（τ_１ｓ＋１）／（τ_２ｓ^３＋ｓ^２＋Ｋτ_１ｓ＋Ｋ）
で表され、角度補正回路５０のフィルタ５２はこの伝達関数と同一の伝達関数を有するものとされる。即ち、フィルタ５２は角度演算回路４０の角度演算ループの特性を持つものとされる。なお、上記伝達関数において、ｓはラプラス演算子であり、Ｋはゲイン定数、τ_１は第１の時定数、τ_２は第２の時定数である。

一方、補正データ部５１にはメモリ（ＲＡＭもしくはＲＯＭ）が用いられ、レゾルバ１０の角度誤差データが補正データとして記録されている。

角度演算回路４０で演算されたディジタル出力角度φは補正データ部５１に入力され、補正データ部５１はそのディジタル出力角度φに対するレゾルバ１０の角度誤差θ_ｅを補正データとして出力する。この補正データはレゾルバ１０の回転数と同じ回転数を持つ。

補正データはフィルタ５２に入力され、フィルタ５２によって角度演算回路４０の角度演算ループの特性が付与される。即ち、レゾルバ１０の角度誤差θ_ｅが角度演算回路４０を通過して回転数依存性を持つのと同様に、角度に対して一定量の値で、レゾルバ１０の回転数と同じ回転数を持つ補正データである角度誤差θ_ｅはフィルタ５２を通過することで、回転数に対応した角度誤差、即ちφ_ｅとなる。

フィルタ５２の出力及び角度演算回路４０のディジタル出力角度φは減算器５３に入力され、減算器５３はディジタル出力角度φからフィルタの出力を減算する。減算器５３の出力φ’は、
φ’＝φ−φ_ｅ
＝φ_ｔ＋φ_ｅ−φ_ｅ
＝φ_ｔ
となり、回転数に依ることなく、正確にレゾルバ１０の角度誤差θ_ｅを除去した補正後角度φ’を得ることができる。

図１０はレゾルバ１０が１回転中に−１°〜＋１°の角度誤差θ_ｅを持つような場合の、ＲＤコンバータの出力角度誤差を誤差補正有り・無しで、つまり上述したような角度補正回路５０がある場合と無い場合とで比較して示したものであり、図１０Ａはレゾルバ回転数が１０ｒｐｓの場合の応答を示し、図１０Ｂはレゾルバ回転数が１０００ｒｐｓの場合の応答を示す。

これら図１０Ａ，Ｂより明らかなように、この発明による角度補正回路５０を備えたＲＤコンバータによれば、回転数に依らず、レゾルバ１０の角度誤差θ_ｅに起因した出力角度誤差を良好に補正することができる。

以下、補正データ部５１に記録する補正データ（レゾルバ１０の角度誤差データ）の生成方法について説明する。

図１１に示したように、レゾルバ１０の回転軸に角度基準となるロータリエンコーダなどの角度センサ６０を取り付け、その角度センサ６０の出力と角度演算回路４０のディジタル出力角度φを補正データ生成装置７０に入力する。レゾルバ１０を低速（１ｒｐｓ程度）で回転させ、その時の角度センサ６０の出力とディジタル出力角度φとの差をとることで、１回転分のレゾルバ１０の角度誤差データを生成する。

角度誤差データの取得が完了したら、その角度誤差データを補正データ書き込み装置８０により補正データ部５１に書き込む。補正データ部５１はメモリに角度誤差データを記憶する。メモリのアドレス入力を角度入力とし、データ出力を角度誤差出力とすることにより、補正データ部５１は入力されたディジタル出力角度φに対する角度誤差θ_ｅをメモリから抽出して補正データとして出力する。なお、メモリに記憶される角度誤差データはθ_ｅ０〜θ_ｅｎで表され、１２ｂｉｔ分解能の角度演算回路４０であれば、ｎ＝２^１２−１となる。

実運用時は図１１に示した角度センサ６０、補正データ生成装置７０及び補正データ書き込み装置８０は不要となり、レゾルバ１０の角度誤差が補正された補正後角度φ’が角度補正回路５０より出力される。

なお、補正データ部５１にＲＡＭを用いる場合には、電源投入時、データが入力されていないため、あらかじめ補正データ生成装置７０により取得され、外部のメモリに記録された角度誤差データを補正データ書き込み装置８０によって書き込む。この時、レゾルバの角度誤差特性に個体差があるようなら、あらかじめ取得しておいたそれぞれの角度誤差データパターンから必要なものをＲＡＭに書き込むようにするのが望ましい。レゾルバの組み換え頻度が低い場合には、ＥＥＰＲＯＭを用いて必要な場合だけ補正データを書き換えるようにしても良い。また、角度誤差特性が一定であれば、ＲＯＭとして構成しても良く、メモリについては運用環境に合わせて選定するのが良い。

以上説明したように、この発明による角度補正回路によれば、レゾルバの回転数により変動する角度誤差を良好に補正することができ、この角度補正回路を角度演算回路に付加してＲＤコンバータを構成することで、高精度な角度を出力するＲＤコンバータを得ることができる。

また、このようなＲＤコンバータとレゾルバと励磁信号発生器とを備えることによって、モータの回転角度を精度良く検出することができる角度検出装置を構成することができる。

Claims (5)

1. １相励磁・２相出力のレゾルバから出力されるレゾルバ信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度演算回路に付加される角度補正回路であって、
   前記ディジタル出力角度φが入力され、そのディジタル出力角度φに対する前記レゾルバの角度誤差を補正データとして出力する補正データ部と、
   前記角度演算回路の伝達関数と同一特性を有し、前記補正データが入力されるフィルタと、
   前記ディジタル出力角度φから前記フィルタの出力を減算して補正後角度を出力する減算器とを備えることを特徴とする角度補正回路。
2. 請求項１記載の角度補正回路において、
   前記補正データ部は前記レゾルバの角度誤差をメモリに記憶しており、前記入力されたディジタル出力角度φに対する角度誤差を前記メモリから読み出して前記補正データとして出力することを特徴とする角度補正回路。
3. 請求項１又は２記載の角度補正回路において、
   前記フィルタの伝達関数が、
   Ｋ（τ_１ｓ＋１）／（τ_２ｓ^３＋ｓ^２＋Ｋτ_１ｓ＋Ｋ）
   但し、ｓ：ラプラス演算子
   Ｋ：ゲイン定数
   τ_１：第１の時定数
   τ_２：第２の時定数
   であることを特徴とする角度補正回路。
4. １相励磁・２相出力のレゾルバから出力されるレゾルバ信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度演算回路と、
   請求項１乃至３記載のいずれかの角度補正回路とを備えることを特徴とするＲＤコンバータ。
5. １相励磁・２相出力のレゾルバと、
   請求項４記載のＲＤコンバータと、
   前記レゾルバと前記ＲＤコンバータとに励磁信号を供給する励磁信号発生器とを備えることを特徴とする角度検出装置。

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