(57)【要約】【課題】  変調波レゾルバを装着したサーボモータの位置決め制御では、低速になる程、即ち停止を含む極低速時に高い回転位置精度が要求される。解決しようとする問題点は、高い回転位置精度が要求される変調波レゾルバの極低速域で検出ジッタを抑制し、高精度の回転位置を確保することである。【解決手段】  変調波レゾルバの極低速回転域内でのみ、ディジタル・フィルタを活性させてジッタを抑制し、変調波レゾルバ自体の高精度化を実現する。極低速回転域の切換えの境界は、ディジタル・フィルタのタップ遅延を勘案して、精度がシームレスにつながるように決定する。高精度を必要とされる極低速域内で、ディジタル・フィルタ機能を作動させることによって高精度化を図り、上記の課題解決を図るものである。【選択図】  図３
2019184242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調波レゾルバ出力部から回転位置を示す位相情報を含む変調波を入力し、参照信号を基準に、その変調波から入力信号波を生成し、入力信号波のゼロクロス点が位相入力を示し、その信号をコントローラ内に取込み、参照信号の立ち上りエッジからの位相入力をカウントしたカウンタ値が変調波レゾルバの現在回転位置を示す構成を有し、高い回転位置精度の要求される極低速回転域で、コントローラ内に位相入力のジッタを抑制し分解能を改善するディジタル・フィルタを有し、極低速回転域を切換える回転速度の境界では、ディジタル・フィルタのタップ数による遅延を勘案して、回転速度の切換え前後で変調波レゾルバの精度が分解能以下となる所定のポイントで、シームレスに回転速度を切換えできる機構を有することを特徴とする変調波レゾルバ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い位置決め精度の要求される極低速回転域で、コントローラ内に位相入力のジッタを抑制し分解能を改善するディジタル・フィルタを組込むことを特徴とする変調波レゾルバ装置に関するものである。本来のレゾルバの持つ精度の限界を超えて、高精度レゾルバを提供できるようにするものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人工知能（ＡＩ）やロボット技術などを活用して生産性を大幅に高める「第４次産業革命」が始まっている。
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、サーボモータに連動して装着される回転センサーも、モータと共に有望な市場である。
変調波レゾルバは回転センサーのレゾルバに属する。変調波レゾルバは、現状の巻線型に較べて、励磁の高周波化で、検出感度が高くなりコイル巻数が大幅に減少し、コイルのプリントパターン化が可能となった。この結果、構造がシンプルで軽量、小型、低コストとなっている。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第3047231号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
変調波レゾルバでは、図3に示すように、参照信号を基準として入力信号波のゼロクロス点までの位相入力を回転位置として取り出す仕組みである。
位相入力には、変調波レゾルバメカ機構の回転振動、あるいは電気的な変調波振動、および入力位相信号を生成する電子回路内の過程で生じる様々なジッタが発生する。このジッタは、検出位相誤差となって、変調波レゾルバの検出精度を悪化させる。サーボモータの位置決め制御では、低速になる程、即ち停止を含む極低速時に高い位置精度が要求される。
解決しようとする問題点は、高い位置精度が要求される変調波レゾルバの極低速域でジッタを抑制し、高精度の回転位置を確保出来るようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
位相入力のジッタ即ちばらつきは、中心値からの正規分布を構成すると想定する。このばらつきの中心値を高精度に求めるには、ディジタル・フィルタ処理が有効である。さらに、ディジタル・フィルタのタップ数が増えると分解能が改善する。
一方、ディジタル・フィルタ処理には、タップ数だけの位相遅延が発生する。
変調波レゾルバの参照信号の周期は一定である関係から、位相入力もこの周期に同期する。このため、ディジタル・フィルタの位相遅延時間は、（参照信号周期）×（タップ数）となる。
この位相遅延は変調波レゾルバの回転数には無関係で一定のため、変調波レゾルバの回転数が上昇すると、位相遅延が変調波レゾルバの分解能を超えるようになり、検出誤差を生じる。
【０００６】
そこで、この検出誤差が生じない変調波レゾルバの極低速回転の範囲内でのみ、ディジタル・フィルタを適用する。一方、極低速回転域をはずれる高速回転領域では、ディジタル・フィルタ機能を外す操作が必要である。
このように、高精度な回転位置を必要とする極低速域内でのみ、ディジタル・フィルタ機能を作動させる。極低速時では時間的な余裕から、ディジタル・フィルタの演算時間を充分に取ることが出来るという利点がある。
【発明の効果】
【０００７】
回転位置センサとして変調波レゾルバをサーボモータに装着するような用途では、停止を含む極低速域で、最も高い位置決め精度が要求される。
本発明によれば、この一番精度が必要な極低速域内で、本来の変調波レゾルバの定格精度を超えて実質的な精度の向上を図ることができる。
簡単な演算処理のみで、必要な使用条件で本来の変調波レゾルバの持っている精度の限界を超えて、高精度な変調波レゾルバを経済的に提供できるメリットは計り知れない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】プリントパターン化された変調波レゾルバのコイルを示した図である。
【図２】変調波レゾルバの電気制御回路例を示した図である。
【図３】変調波レゾルバの入力信号例を示した図である。
【図４】平均化フィルタのブロック図を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態を図２、図３に基づいて説明する。
図２には、変調波レゾルバの電気制御回路例を示したものである。本例は、コントローラにFPGAを、変調波発生にPWM方式を用いた例である。
本発明は、変調波レゾルバメカ機構から出力される変調波から回転位置を示す位相をコントローラに取り込み、その情報を基に現在回転位置を演算により求め、絶対値回転位置などの位置情報を通信ポートから出力する機構に関する。
【００１０】
変調波レゾルバ出力部から現在位置を示す位相情報を含む変調波を入力し、現在回転位置を取得する過程を図３に示す。本図は、参照信号の周期を、出力分割数4096にマッピングした入力信号例を示したものである。
変調波レゾルバの回転数に比例して、出力変調波の位相が移動する。
参照信号を基準に、変調波レゾルバからの出力変調波を入力し、その変調波から入力信号波を生成する。入力信号波のゼロクロス点が位相入力を示し、参照信号の立ち上りエッジからの位相をカウントしたカウンタ値が変調波レゾルバの現在回転位置を示す。
【００１１】
変調波レゾルバの精度は、１回転の分解数で表現される。
例えば12ビットの変調波レゾルバの分解数は4096と表現される。
変調波レゾルバの精度と位相許容ジッタ幅（ns）の関係を、参照信号8kHzを例にして、表１に示す。
【００１２】
表１は精度と位相許容ジッタ幅（ns）の関係を示した表である。
【表１】
2019184242.tif 000003
表１から、位相許容ジッタ幅（ns）が変調波レゾルバ精度の分解数を決定付けていることが分かる。変調波レゾルバの精度を向上させるためには、許容ジッタ幅を小さくすることが必要である。
実際には、種々の対策を施しても、許容ジッタ幅には限界があるのが現状である。実環境では、外部環境による様々な外乱が発生し、ジッタ抑制の環境は、さらに悪化する。回路での精度改善対策には限界があるので、本発明では、コントローラのソフトウエアにディジタル信号処理を組込み、回路対策と併用して回転位置精度の向上を図るものである。
【００１３】
位相入力のジッタ即ち「ばらつき」は、検出精度を悪化させる。これを改善させる方法としてディジタル・フィルタがある。本例では、移動平均ディジタル・フィルタ（以後略称：平均化フィルタ）を適用する。
平均化フィルタには次の二つの役割がある。
（１）入力データの平滑化
入力データの変動を抑えて、中心値を求める。
（２）入力データの分解能を改善させる。
平均化フィルタのタップ数の増大に応じて、変換精度が向上する。
【００１４】
位相入力のジッタ即ちばらつきをガウシアンとすると、このばらつきは正規分布を構成する。ばらつきの中心値を求める方法として、移動平均を適用した平均化フィルタを用いる。図４に平均化フィルタのブロック図を示す。
入力データx(i)、データ数をｎとして、平均値m(i)を求める差分方程式を（１）式に示す。
【００１５】
2019184242.tif 000004
この時の伝達関数H(z)は（２）式のようになる。
【００１６】
2019184242.tif 000005
参照周波数ｆをサンプリング周波数、位相入力を参照波周期間内でのサンプリング・データと考える。一例として12ビット精度の変調波レゾルバでは、変換ビット数Nは12、レンジは0〜4095となる。このような設定により、平均化処理は、信号処理でいうオーバサンプリングに対応付けることが出来る。
オーバサンプリングの適用により、位相入力データのS/N比を改善することができる。改善できるS/N比SNR(dB)はオーバサンプリング係数をｋとして、式(3)で表される。
SNR(dB)＝6.02×N＋1.76＋10log(ｋ)                     （３）
この式から、ｋを倍にする毎に、約３dBまたは1/2ビットの分解能が改善される。
（３）式を計算しS/N比を改善した結果を表２示す。
表２はS/N比を改善した結果を示した表である。
【表２】
2019184242.tif 000006
オーバサンプリングしたデータを平均化する処理は、平均化フィルタのデータ数ｎをｋとすることで実現できる。一例として12ビット精度の変調波レゾルバでは、オーバサンプリング係数ｋを16とすることで、２ビット改善され、14ビットに精度を向上できる。
【００１７】
平均化フィルタ処理では、図４からタップ数（n-1）だけの位相遅延が発生する。
このため、平均化フィルタの位相遅延は、（参照信号周期）×（タップ数）となる。
位相遅延時間は変わらないため、変調波レゾルバの回転数が上昇すると、位相遅延時間が変調波レゾルバの分解能に追いつかず、検出誤差を生じる。この検出誤差が生じない変調波レゾルバの極低速回転の範囲内でのみ、平均化フィルタを適用する。一方、極低速回転域をはずれる高速回転領域では、平均化フィルタ機能を外す。すなわち、高精度な回転位置を必要とする極低速域内でのみ平均化処理を行うようにする。この極低速回転域では、演算実行時間が余裕に取れるという利点がある。
【００１８】
極低速回転域を切換える境界は平均化フィルタの遅延を勘案して、精度がシームレスに移動できるように決定する。極低速回転域を切換える合理的な一方法として、回転速度の切換え前後で精度が変わらないようにするために、変調波レゾルバの分解能の±1（回転方向を±で表す）以下となる所定の回転速度を境界として切換える。すなわち、サンプリング周波数（参照周波数）ｆで、サンプリングをタップ数(n-1)回連続したときに、分解能±１以下の所定のポイントで、移動する回転速度を切換える境界とする。
【００１９】
タップ数(n-1)の平均化フィルタで、分解能±１で切換える境界を持つ変調波レゾルバの回転速度N rpmが必要な場合には、以下の式から求められる。
(N/60)＝±f /{(n-1)×ｍ}
ここで
N：変調波レゾルバの回転数rpm
ｆ：参照信号の周波数Hz
n-1：平均化フィルタのタップ数
ｍ：１回転当たりの変調波レゾルバの分解数
【００２０】
サーボモータの位置決め制御では、低速になる程、即ち停止を含む極低速域で、最も高い位置精度が要求される。本発明の平均化フィルタの適用により、極低速域内でのレゾルバの精度を数ビット向上できる。
本発明によれば、高精度を必要とされる極低速域で、本来のレゾルバの持つ精度の限界を超えて、高精度レゾルバを経済的に提供できる。性能的にも経済的にも優れた特徴を持つ本発明は、大きな市場効果をもたらすものと期待出来る。
【図１】
2019184242.tif 000007
【図２】
2019184242.tif 000008
【図３】
2019184242.tif 000009
【図４】
2019184242.tif 000010