JPH0449890B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、検出精度を向上させたレゾルバ方式
位置検出器に関するものである。

［従来の技術］ 一般に、工作機械やロボツトなどの位置決め制
御には、位置検出器として、機械的回転角の変化
に応じた周波数を有する二相パルス例信号を出力
する光学式パルスエンコーダが利用されているこ
とは周知のことである。しかしながら、光学式パ
ルスエンコーダは、機械的・熱的強度が低いので
耐環境性や機械的取付け・取扱などに問題があ
る。

従つて、機械的・熱的強度が高く、ブラシレス
の回転機で信頼度の高い電磁機器である位置検出
器としてのレゾルバが広く利用されていることは
周知のことである。このようなレゾルバを用いた
従来の代表的な位置検出器を第８図に示す。

同図において、１は磁極対数Ｐのレゾルバで、
固定子に巻装された二相励磁巻線２，３と、回転
子に巻装されていて回転軸４の機械的回転角θ_nの
変化に応じて検出信号e₀を出力する検出巻線５と
を有する。６は励磁回路であつて、一定の周波数
（ｆHz）の二相正弦波信号e_x（＝cos ωt）、e_y（＝
sin ωt）、（ここでω＝2πf、電圧値は単一値。）を
発生し、この二相正弦波信号e_x，e_yで励磁巻線
２，３をそれぞれ励磁する。７ａ，７ｂはいずれ
も乗算器、８ａ，８ｂはいずれもローパスフイル
タである。

上記のような構成において、レゾルバ１の検出
巻線５から出力される検出信号e₀は回転角θ_nの変
化に対して次式で表わされる。

e₀＝cos（ωt±０） ＝cos（ωt±Ｐ・θ_n） ……(1) ここで、θは電気的位相角で、回転角θ_nとの関
係は次式で与えられる。

θ＝Ｐ・θ_n ……(2) 従つて、乗算器８，９の出力信号e_x0，e_y0は次
式で与えられる。

e_x0＝e_x・e₀＝1/2｛cos（2ωt±Ｐ・θ_n）＋cos
（±Ｐ・θ_n）｝……(3) e_y0＝e_y・e₀＝1/2｛sin（2ωt±Ｐ・θ_n）＋sin
（±Ｐ・θ_n）｝……(4) これらの出力信号e_x0，e_y0は、それぞれローパ
スフイルタ８ａ，８ｂで倍調波分（2ωt）を除く
と、ローパスフイルタ８ａ，８ｂの各出力信号
E_x0，E_y0は次式で与えられる。

E_x0＝1/2・cos（±Ｐ・θ_n） ……(5) E_y0＝1/2・sin（±Ｐ・θ_n） ……(6) (5)、(6)式および(2)式より二相信号E_x0，E_y0は回
転角θ_nの１回転当りＰサイクルの二相信号とな
る。第９図に回転角θ_nの変化に応じて変化する上
記の二相信号E_x0，E_y0の動作波形を示す。

［発明が解決しようとする問題点］ この種の従来の位置検出器では、レゾルバの磁
極対数Ｐに応じて回転角θ_nの１回転当りＰサイク
ルの二相信号E_x0，E_y0しか得られない。即ち、位
置検出の分解能が低いので、例えばブラシレス電
動機を用いた制御系における回転位置検出にレゾ
ルバを用いようとすると、ブラシレス電動機の磁
極位置検出用および回転軸の機械的位置検出用の
２個のレゾルバを必要とする問題がある。また、
機械的位置検出の精度を高くするためには、レゾ
ルバの磁極対数Ｐを例えばＰ＝16と数を多くしな
ければならないが、それには限度があるので、位
置検出の分解能を十分に上げることが出来ないと
ともに、磁極対数Ｐを多くするとレゾルバ本体が
大形となる欠点がある。

本発明の目的は、磁極対数Ｐを有するレゾルバ
の検出信号を、回転角θ_nの１回転当り2ⁿ・Ｐ（ｎ
は正整数）サイクルの二相信号に変換して出力す
る位置検出精度の高いレゾルバ方式位置検出器を
提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記の問題点を解決するための本発明の構成
を、実施例に対応する第１図〜第７図を用いて以
下に説明する。

本発明のレゾルバ方式位置検出器は、周波数ｆ
二相正弦波信号e_x，e_yと周波数2ⁿ・ｆのパルス列
信号E_1a及び周波数2ⁿ⁺¹・ｆのパルス列信号E_1bを
出力する励磁回路１０と、磁極対数Ｐを有し前記
二相正弦波信号e_x，e_yで励磁されて検出すべき回
転体の回転角θ_nの変化に応じた電気的位相角θ
（＝Ｐ・θ_n）を有する周波数ｆ±Δfの位置検出信
号e₀を出力するレゾルバ１と、前記位置検出信号
e₀を受けてその位相に追尾するように位相同期動
作をして周波数2ⁿ・（ｆ±Δf）のパルス列信号E_2a
ならびに周波数2ⁿ⁺¹・（ｆ±Δf）のパルス列信号
E_2bを出力する位相ロツクド・ループ回路２０と、
前記励磁回路１０からのパルス列信号E_1a，E_1bを
受けて周波数2ⁿ・ｆの二相正弦波信号e₁₁，e₁₂を
出力する第１の信号変換回路３０と、前記位相ロ
ツクド・ループ回路２０からのパルス列信号E_2a，
E_2bを受けて周波数2ⁿ・（ｆ±Δf）の二相正弦波信
号e₂₁，e₂₂を出力する第２の信号変換回路４０
と、前記二相正弦波信号e₁₁，e₁₂及び二相正弦波
信号e₂₁，e₂₂を受けて所定の演算を行なつて前記
回転角θ_nの変化に応じて変化する電気的位相角
2ⁿ・Ｐ・θ_nを有する二相信号E_x1，E_y1を出力する
演算回路５０とを具備するものである。

［発明の作用］ 本発明は上記の手段において、磁極対数Ｐのレ
ゾルバ１から回転体の回転角θ_nの変化に応じた位
相角Ｐ・θ_nを有する周波数ｆ±Δfの位置検出信
号e₀が出力され、この信号に応じて位相ロツク
ド・ループ回路２０から周波数2ⁿ・（ｆ±Δf）の
パルス列信号E_2a及び周波数2ⁿ⁺¹・（ｆ±Δf）のパ
ルス列信号E_2bが出力される。これらのパルス列
信号は第２の信号変換回路４０を介して周波数
2ⁿ・（ｆ±Δf）の二相正弦波信号e₁₂，e₂₂に変換
される。

他方、励磁回路１０からの周波数2ⁿ・ｆのパル
ス列信号_1a及び周波数2ⁿ⁺¹・ｆのパルス列信号E_1b
は、第１の信号変換回路３０を介して周波数2ⁿ・
ｆの二相正弦波信号e₁₁，e₁₂に変換される。

そして、二相正弦波信号e₂₁，e₂₂および二相正
弦波信号e₁₁，e₁₂に基づいて演算回路５０から回
転角θ_nの変化に応じて変化する電気的位相角2ⁿ・
Ｐ・θ_nを有する二相信号E_x1，E_y1が出力される。
この二相信号E_x1，E_y1は、回転角θ_nの１回転当り
2ⁿ・Ｐサイクルの変化をするので、この二相信号
に基づいて位置検出を行えば、磁極対数Ｐのレゾ
ルバ１による検出精度が2ⁿ倍に向上する。これに
より、精度向上のため多極で大形のレゾルバや２
個のレゾルバを用いるなどの必要がなくなる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明す
る。第１図は本発明の一実施例を示したもので、
同図の第８図と対応する同一部分（レゾルバ部）
には同一符号を付してある。

１０は周波数ｆの二相正弦波信号e_x，e_yの外
に、周波数2ⁿ・ｆのパルス列信号E_1a、および周
波数2ⁿ⁺¹・ｆのパルス列信号E_1bを出力する励磁
回路、２０はレゾルバ１からの周波数ｆ±Δfの
検出信号e₀の電気的位相に追尾するように位相同
期動作をして、周波数2ⁿ・（ｆ±Δf）のパルス列
信号E_2a、および周波数2ⁿ⁺¹・（ｆ±Δf）のパルス
列信号E_2bを出力する位相ロツクド・ループ回路
（以下、PLL回路と称す）である。３０は前記励
磁回路１０からのパルス列信号E_1a，E_1bを入力信
号として、周波数2ⁿ・ｆの二相正弦波信号e₁₁，
e₁₂を出力する第１の信号変換回路、４０は前記
のPLL回路２０から出力されるパルス列信号E_2a，
E_2bを入力信号として、周波数2ⁿ・（ｆ±Δf）の二
相正弦波信号e₂₁，e₂₂を出力する第２の信号変換
回路、５０は前記第１の信号変換回路３０からの
二相正弦波信号e₁₁，e₁₂と前記第２の信号変換回
路４０からの二相正弦波信号e₂₁，e₂₂とを入力信
号として、回転角θ_nの１回転の変化に応じて2ⁿ・
Ｐサイクルの二相信号E_x1，E_y1を出力する演算回
路である。

第１図の位置検出器において、レゾルバ１の検
出信号e₀と回転角θ_nとは前記(1)式で示す関係にあ
るが、回転角θ_nが回転数N_nで変化しているとき
の検出信号e₀の変化状態は次の(7)式で与えられ
る。

e₀＝cos［2π（ｆ±Δf）ｔ±θ_n0］ ……(7) ここでΔf＝（N_n／60）・Ｐ ……(8) θ_n0は回転角θ_nの初期条件、 符号（±）は回転角θ_nの回転方向に関する符号
で、レゾルバの回転磁界と反対の回転方向のとき
（＋）、レゾルバの回転磁界と同一の回転方向のと
きは（−）である。

(8)式に示すように、周波数Δfは回転数N_nに比
例して大きくなり、N_n＝０のときはΔf＝０とな
り、回転角θ_n0の位相を検出信号e₀が持つことに
なる。

次に、前述した励磁回路１０の具体例構成例を
第２図を参照して説明する。この励磁回路１０
は、図示のように一定周波数Ｋ・ｆ（例えば10M
Hz）のパルス列信号を出力する発振器１１と、該
パルス列信号を計数して０〜ｎビツトのデジタル
値を周期T₀で繰り返すデジタル信号D₁を出力す
るとともに、周期T₀／2ⁿを有するパルス列信号
E_1aと、周期T₀／2ⁿ⁺¹を有するパルス列信号E_1bと
を出力する２進数の計数回路１２と、メモリー内
に各々正弦波又は余弦波のデジタル値が予めメモ
リーされていて、前記デジタル信号D₁がアドレ
ス信号として入力された際に、該アドレス信号に
応じてそれぞれ正弦波デジタル信号D_2a又は余弦
波デジタル信号D_2bを出力するメモリー回路１
３，１４と、前記デジタル信号D_2a，D_2bのそれ
ぞれをデジタル・アナログ変換して相互に二相正
弦波関係をもつ正弦波信号e_x，e_yを出力するデジ
タル・アナログ変換器（以下Ｄ／Ａ変換器と称す
る。）１５，１６とからなつている。

第３図ａ〜ｄは、前記のデジタル信号D₁、二
相正弦波信号e_x，e_y、およびパルス列信号E_1a，
E_1b等の相関関係を示し、第３図ｅ，ｆは後述す
る信号変換回路３０の具体例におけるパルス列信
号E_p3および二相正弦波信号e₁₁，e₁₂の関係を示す
図で、それぞれの横軸は時間ｔを縦軸はデジタル
値又は電圧値を表わす。

第３図ａ〜ｄにおいて、デジタル信号D₁は周
期T₀間で零からデジタル値D_aに到達し周期T₀毎
にこれを繰り返し、二相正弦波信号e_x，e_yは互い
に90度位相ずれをもち周期T₀（周波数ｆ）をもつ
ている。従つて、デジタル信号D₁が二相正弦波
信号e_x，e_yの位相状態を表わしている。また、パ
ルス列信号E_1a，E_1bは、それぞれ第３図ｃ、第３
図ｄに図示の周期（図では2ⁿ＝２の場合を示して
いる）で繰り返し出力される。

第４図はPLL回路２０の具体的構成例を示し
たものである。このPLL回路２０は図示のよう
に、レゾルバ１の検出信号e₀と、後述する帰還ア
ナログ正弦波回路e_0aとの位相差を検出し、その
位相差に比例した直流信号E_dを出力する位相検
出器２１と、該直流信号E_dを入力信号として比
例・積分動作特性をもつて増幅された直流信号
E₀を出力する増幅器２２と、該直流信号E₀を入
力としてその電圧値に比例した周波数Ｋ（ｆ±
Δf）を有するパルス列信号E_vを出力する電圧制
御発振器２３と、該パルス列信号E_vを計数して
前記検出信号e₀の周期T₁に相当する周期でデジ
タル値を繰り返して、そのデジタル値が検出信号
e₀の位相を示すデジタル信号D₃を出力するとと
もに、周期T₁に対して周期T₁／2ⁿのパルス列信
号E_2a及び周期T₁／2ⁿ⁺¹のパルス列信号E_2bを出力
する２進数の計数回路２４と、メモリー内に正弦
波デジタル値が予めメモリーされていて、前記デ
ジタル信号D₃をアドレス入力信号とし該アドレ
ス入力信号に応じて正弦波デジタル信号D₄を出
力するメモリー回路２５と、該正弦波デジタル信
号D₄を入力信号とし該デジタル信号D₄をデジタ
ル・アナログ変換して、周期T₁、周波数ｆ±Δf
を有するアナログ量の帰還正弦波信号e_0aを出力
するＤ／Ａ変換器26とからなつている。

上記のPLL回路２０においては検出信号e₀が入
力されると、位相検出器２１で帰還アナログ正弦
波信号e_0aとの位相差を検出し、その位相差が零
になるようにPLL回路２０の各部が動作して、
帰還アナログ正弦波信号e_0aが検出信号e₀に位相
同期する動作を行う。従つて、デジタル信号D₃
は検出信号e₀の位相を示すデジタル値をもつこと
になる。

第５図ａ〜ｄは、前述のデジタル信号D₃、検
出信号e₀、帰還アナログ正弦波信号e_0a、及びパ
ルス列信号E_2a，E_2b等の相関関係を示し、また第
５図ｅ，ｆは後述する信号変換回路４０の具体例
におけるパルス列信号E_p4および二相正弦波信号
e₂₁，e₂₂の関係を示すもので、それぞれの横軸は
時間ｔを、縦軸はデジタル値または電圧値を示
す。第５図ａ，ｂにおいて、曲線イ（実線）は回
転軸４の回転が或る点で停つている状態（回転角
θ_nがある一定値となる）下で、信号e₀，e_0aは周
期T₁（周波数ｆ）をもつことを示し、また曲線口
（破線）はレゾルバ１の回転磁界の回転方向と反
対方向に回転軸４が或る回転速度で回転している
状態下で、信号e₀，e_0aは周期T₂（周波数ｆ±Δf）
をもつことを示し、更に曲線ハ（一点鎖線）はレ
ゾルバ１の回転磁界の回転方向と同じ方向に回転
軸４が或る回転速度で回転している状態下で、信
号e₀，e_0aは周期T₃（周波数ｆ−Δf）をもつことを
示している。

なお、第５図ｃ〜ｆの信号波形図は、回転軸４
の回転が或る点で停つている状態のみについて示
してある。

第６図は信号変換回路３０（または４０）の具
体的構成例を示したものである。この信号変換回
路３０（または４０）は、排他的論理和回路３１
と、インバータ回路３２，３３と、増幅回路３
４，３５と、抵抗器R₁〜R₉と、コンデンサC₁〜
C₄とを図示のように接続して構成されている。
信号変換回路４０の入力信号E_2a，E_2b及び出力信
号e₂₁，e₂₂はそれぞれ図の（）内に示してある。
この信号変換回路３０（または４０）は、前述の
パルス列信号E_1a，E_1b（またはE_2a，E_2b）を受け
て第３図ｅ〔または第５図ｅ〕に示すように、パ
ルス列信号E_1a（またはE_2a）と二相信号関係をも
つパルス列信号E_p3（またはE_p4）に波形変換する。
そして、このパルス列信号E_1a，E_p3（またはE_2a，
E_p4）を波形整形・増幅して第３図ｆ〔または第５
図ｆ〕に示すような二相正弦波信号e₁₁，e₁₂（ま
たはe₂₁，e₂₂）を出力する。この二相正弦波信号
e₁₁，e₁₂（またはe₂₁，e₂₂）はそれぞれ次式で与え
られる。（それぞれの電圧値は単一値とす。） e₁₁＝sin ωnt ……(9) e₁₂＝cos ω_oｔ ……(10) e₂₁＝sin（ω_oｔ±θ_o） ……(11) e₂₂＝cos（ω_oｔ±θ_o） ……(12) ここで ω_o＝2π・2ⁿ・ｆ ……(13) θ_o＝2ⁿ・Ｐ・θ_n ……(14) 次に、演算回路５０の具体的構成例は、第１図
に示すように接続された乗算器５１〜５４と減算
器５５，５６とからなつている。乗算器５１〜５
４から出力される信号e₅₁〜e₅₄はそれぞれ次式で
与えられる。

e₅₁＝e₁₁×e₂₁＝1/2｛cos （2ω_oｔ±θ_o）−cos（±θ_o）｝ ……(15) e₅₂＝e₁₂×e₂₂＝1/2｛cos （2ω_oｔ±θ_o）＋cos（±θ_o）｝ ……(16) e₅₃＝e₁₂×e₂₁＝1/2｛sin （2ω_oｔ±θ_o）＋sin（±θ_o）｝ ……(17) e₅₄＝e₁₁×e₂₂＝1/2｛sin （2ω_oｔ±θ_o）−sin（±θ_o）｝ ……(18) 減算器５５，５６の各出力信号E_x1，E_y1はそれ
ぞれ次式で与えられる。

E_x1＝e₅₂−e₅₁＝cos（±θ_o） ……(19) E_y1＝e₅₃−e₅₄＝sin（±θ_o） ……(20) （19）、（20）および（14）の各式からわかるよ
うに、回転角θ_nの１回転の変化に対応して、二相
信号E_x1，E_y1は2ⁿ・Ｐサイクルの変化を示す。第
７図は2ⁿ・Ｐ＝４の場合の二相信号E_x1，E_y1の信
号波形図を示す。

以上説明したように本実施例においては、磁極
対数Ｐのレゾルバ１に対して励磁回路１０から励
磁周波数ｆの二相正弦波信号e_x，e_yを加えるとと
もに、該励磁回路１０から周波数2_o・ｆのパルス
列信号E_1aと周波数2ⁿ⁺¹・ｆのパルス列信号E_1bと
を出力させて、該両パルス列信号を第１の信号変
換回路３０で周波数2ⁿ・ｆの二相正弦波信号e₁₁，
e₁₂に変換する。また、レゾルバ１の検出信号e₀
を受けてPLL回路２０から出力される周波数2ⁿ・
（ｆ±Δf）のパルス列信号E_2aと周波数2ⁿ⁺¹・（ｆ
±Δf）のパルス列信号E_2bとを、第２の信号変換
回路４０で周波数2ⁿ・（ｆ±Δf）の二相正弦波信
号e₂₁，e₂₂に変換する。そして、前記の二相正弦
波信号e₁₁，e₁₂およびe₂₁，e₂₂を用いて演算回路
５０で信号演算を行う。この結果、演算回路５０
から出力される二相信号E_x1，E_y1は、回転角θ_nの
１回転の変化に対応して2ⁿ・Ｐサイクルの変化を
する信号となる。

本実施例において、Ｐ＝２のレゾルバ１を用
い、励磁周波数ｆ＝2KHz、2ⁿ＝256（2ⁿ・ｆ＝
512KHz）としたとき、回転角θ_nの１回転当りの
変化に対応して2ⁿ・Ｐ＝256×２＝512サイクルの
二相信号E_x1，E_y1を得ることができた。また、信
号変換回路３０，４０と演算回路５０とに相当す
る回路を別にもう１組設けて、2ⁿ＝２（2ⁿ・ｆ＝
4KHz）としたとき、2ⁿ・Ｐ＝２×２＝４サイク
ルの二相信号を得て、磁極対数４の同期電動機の
磁極位置を検出する二相信号とすることができ
た。即ち、レゾルバを大形化することなく１個の
レゾルバで、回転角θ_nの変化に対応した位置信号
としての二相信号E_x1，E_y1と、ブラシレス電動機
の磁極位置検出用二相信号とを得ることができ
る。

また、Ｐ＝16のレゾルバを用い、励磁周波数ｆ
＝2KHz、2ⁿ＝256（2ⁿｆ＝512KHz）としたとき、
回転角θ_nの１回転当りの変化に対応して、2ⁿ・Ｐ
＝256×16＝4096サイクルの二相信号E_x1，E_y1を
得ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係るレゾルバ方式
位置検出器は、磁極対数Ｐのレゾルバから出力さ
れる回転角θ_nの変化に応じた位相角Ｐ・θ_nを有す
る位置検出信号に基づき、PLL回路、信号変換
回路、及び演算回路等を用いて、回転角θ_nの変化
に応じて変化する位相角2ⁿ・Ｐ・θ_nを有する二相
信号を得るようにしたので、レゾルバを多極の大
形にしたり２個用いるなどの要なく、磁極対数Ｐ
のレゾルバの位置検出精度を2ⁿ倍に向上させるこ
とができて、実用上極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロツク図、第
２図は第１図の実施例における励磁回路の構成例
を示すブロツク図、第３図ａ〜ｆは第１図及び第
２図の回路の動作を説明するための信号波形図、
第４図は第１図の実施例におけるPLL回路の構
成例を示すブロツク図、第５図は第１図及び第４
図の回路の動作を説明するための信号波形図、第
６図は第１図の実施例における信号変換回路の構
成例を示すブロツク図、第７図は第１図の実施例
の最終出力信号を示す信号波形図、第８図は従来
のレゾルバ方式位置検出器の一例を示すブロツク
図、第９図は第８図の位置検出器の動作を説明す
るための信号波形図である。 １……レゾルバ、１０……励磁回路、２０……
位相ロツクド・ループ回路（PLL回路）、３０…
…第１の信号変換回路、４０……第２の信号変換
回路、５０……演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周波数ｆの二相正弦波信号e_x，e_yと周波数
   2ⁿ・ｆ（ｎは正整数）のパルス列信号E_1a及び周波
   数2ⁿ⁺¹・ｆのパルス列信号E_1bを出力する励磁回
   路と、 磁極対数Ｐを有し前記二相正弦波信号e_x，e_yで
   励磁されて検出すべき回転体の回転角θ_nの変化に
   応じた電気的位相角θ（＝Ｐ・θ_n）を有する周波
   数ｆ±Δfの位置検出信号e₀を出力するレゾルバ
   と、 前記位置検出信号e₀を受けてその位相に追尾す
   るように位相同期動作をして周波数2ⁿ・（ｆ±
   Δf）のパルス列信号E_2a及び周波数2ⁿ⁺¹・（ｆ±
   Δf）のパルス列信号E_2bを出力する位相ロツク
   ド・ループ回路と、 前記励磁回路からのパルス列信号E_1a，E_1bを受
   けて周波数2ⁿ・ｆの二相正弦波信号e₁₁，e₁₂を出
   力する第１の信号変換回路と、 前記位相ロツクド・ループ回路からのパルス列
   信号E_2a，E_2bを受けて周波数2ⁿ・（ｆ±Δf）の二
   相正弦波信号e₂₁，e₂₂を出力する第２の信号変換
   回路と、 前記二相正弦波信号e₁₁，e₁₂及び二相正弦波信
   号e₂₁，e₂₂を受けて所定の演算を行なつて前記回
   転角θ_nの変化に応じて変化する電気的位相角2ⁿ・
   Ｐ・θ_nを有する二相信号E_x1，E_y1を出力する演算
   回路とを具備することを特徴とするレゾルバ方式
   位置検出器。