特許 6732238 アナログ信号をディジタル信号に変換する方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6732238

(24)【登録日】2020年7月10日

(45)【発行日】2020年7月29日

(54)【発明の名称】アナログ信号をディジタル信号に変換する方法および装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/20 20060101AFI20200716BHJP

   G01D 5/244 20060101ALI20200716BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/20 110Q

   G01D5/244 B

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-205102(P2016-205102)

(22)【出願日】2016年10月19日

(65)【公開番号】特開2018-66641(P2018-66641A)

(43)【公開日】2018年4月26日

【審査請求日】2019年7月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000203634

【氏名又は名称】多摩川精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147500

【弁理士】

【氏名又は名称】田口 雅啓

(74)【代理人】

【識別番号】100166235

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100179914

【弁理士】

【氏名又は名称】光永 和宏

(74)【代理人】

【識別番号】100179936

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 明日香

(72)【発明者】

【氏名】丸山 裕史

(72)【発明者】

【氏名】新井 真一

【審査官】 佐々木 祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−５８２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１１８５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−６１９７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３１５８４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２１４５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３２７８６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２３２６５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／００ − ５／２５２

Ｇ０１Ｄ ５／３９ − ５／６２

Ｈ０２Ｋ １１／００ − １１／４０

Ｈ０２Ｋ ２４／００ − ２７／３０

Ｈ０２Ｋ ２９／００ − ２９／１４

Ｈ０２Ｐ ６／００ − ６／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２相励磁２相出力かつ位相変調方式の回転検出に係るアナログ信号をディジタル信号に変換する方法であって、
第１相のアナログ信号および第２相のアナログ信号に基づき、メイン系ディジタル信号を生成するステップと、
第１相のアナログ信号に基づき、第１バックアップ系ディジタル信号を生成するステップと、
第２相のアナログ信号に基づき、第２バックアップ系ディジタル信号を生成するステップと、
前記メイン系ディジタル信号、前記第１バックアップ系ディジタル信号および前記第２バックアップ系ディジタル信号に基づき、最終ディジタル信号を出力するステップと
を備える、方法。

【請求項2】

前記最終ディジタル信号は、前記メイン系ディジタル信号、前記第１バックアップ系ディジタル信号および前記第２バックアップ系ディジタル信号のうちから多数決の原理により選択される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

メイン系ディジタル信号を生成する前記ステップは負帰還制御を用いて実現され、
前記負帰還制御は、
第１相および第２相の各アナログ信号と、前記メイン系ディジタル信号の正弦および余弦を表す各信号とをそれぞれ乗算して、第１中間信号および第２中間信号を生成するステップと、
前記第１中間信号および前記第２中間信号の差分信号が０となるかまたは０に近づくように、メイン系ディジタル信号を修正するステップと
を含む、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

第１バックアップ系ディジタル信号は、第１相のアナログ信号と、第１相の励磁信号との位相差を表す信号であり、
第２バックアップ系ディジタル信号は、第２相のアナログ信号と、第２相の励磁信号との位相差を表す信号である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記メイン系ディジタル信号を生成するメイン系信号処理部と、
前記第１バックアップ系ディジタル信号および前記第２バックアップ系ディジタル信号を生成するバックアップ系信号処理部と
を備え、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法を実行することにより、アナログ信号をディジタル信号に変換する装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、２相励磁２相出力かつ位相変調方式の回転検出器に関し、とくに回転検出に係るアナログ信号をディジタル信号に変換する方法および装置に関する。

【背景技術】

【0002】

回転検出器の信号を処理して角度を出力する際に、ディジタル変換方法の冗長化を行う技術が知られている。このような技術の例は、たとえば特許文献１に開示される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１−１１８５２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の技術では、回路の一部に故障が発生した場合に、継続して正確な角度を出力することができないという問題があった。たとえば特許文献１の構成では、２つの検出信号を加算して用いているので、いずれかに故障が発生した場合には正確な角度の出力が困難になる。

【0005】

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、一部に故障が発生した場合でも正確な角度の出力を継続することができる、信号変換方法および装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明に係る方法は、２相励磁２相出力かつ位相変調方式の回転検出に係るアナログ信号をディジタル信号に変換する方法であって、
第１相のアナログ信号および第２相のアナログ信号に基づき、メイン系ディジタル信号を生成するステップと、
第１相のアナログ信号に基づき、第１バックアップ系ディジタル信号を生成するステップと、
第２相のアナログ信号に基づき、第２バックアップ系ディジタル信号を生成するステップと、
前記メイン系ディジタル信号、前記第１バックアップ系ディジタル信号および前記第２バックアップ系ディジタル信号に基づき、最終ディジタル信号を出力するステップと
を備える。
特定の態様では、前記最終ディジタル信号は、前記メイン系ディジタル信号、前記第１バックアップ系ディジタル信号および前記第２バックアップ系ディジタル信号のうちから多数決の原理により選択される。
特定の態様では、
メイン系ディジタル信号を生成する前記ステップは負帰還制御を用いて実現され、
前記負帰還制御は、
第１相および第２相の各アナログ信号と、前記メイン系ディジタル信号の正弦および余弦を表す各信号とをそれぞれ乗算して、第１中間信号および第２中間信号を生成するステップと、
前記第１中間信号および前記第２中間信号の差分信号が０となるかまたは０に近づくように、メイン系ディジタル信号を修正するステップと
を含む。
特定の態様では、
第１バックアップ系ディジタル信号は、第１相のアナログ信号と、第１相の励磁信号との位相差を表す信号であり、
第２バックアップ系ディジタル信号は、第２相のアナログ信号と、第２相の励磁信号との位相差を表す信号である。
また、この発明に係る装置は、
前記メイン系ディジタル信号を生成するメイン系信号処理部と、
前記第１バックアップ系ディジタル信号および前記第２バックアップ系ディジタル信号を生成するバックアップ系信号処理部と
を備え、上述の方法を実行することにより、アナログ信号をディジタル信号に変換する。

【発明の効果】

【0007】

この発明によれば、回転検出に係るアナログ信号をディジタル信号に変換する際に、メイン系信号処理部と、２つのバックアップ系信号処理部とを用い、メイン系信号処理部は、２相のアナログ信号を２重冗長の信号として用いて精度の良い角度出力を得、バックアップ系信号処理部は、それぞれの相のアナログ信号に基づいて簡易的にそれぞれの角度出力を得、これら３つの角度出力に基づいて最終の角度信号が出力されるので、一部に故障が発生した場合でも正確な角度の出力を継続することができる。このため、回転検出器を扱うシステムの信頼性向上に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施の形態１に係るディジタル変換部を含む構成の例を示す図である。

【図2】第２相のアナログ信号が喪失した状態を示す図である。

【図3】第１相のアナログ信号が喪失した状態を示す図である。

【図4】メイン系信号処理部に故障が発生した場合の状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、本発明の実施の形態１に係るディジタル変換部３０を含む構成の例を示す。ディジタル変換部３０は、本明細書に記載される方法を実行することにより、アナログ信号をディジタル信号に変換する装置である。ディジタル変換部３０は回転検出器１０に接続されて設けられる。回転検出器１０は２相励磁２相出力かつ位相変調方式の回転検出器であり、ディジタル変換部３０は回転検出器１０の回転検出に係るアナログ信号をディジタル信号に変換する。

【0010】

回転検出器１０には励磁回路２０が接続される。励磁回路２０は、直交する２相の励磁信号を生成して回転検出器１０に供給する。２相の励磁信号は、たとえば第１相の励磁信号Ｅ・ｃｏｓωｔおよび第２相の励磁信号Ｅ・ｓｉｎωｔとして表される。

【0011】

回転検出器１０は、入力された励磁信号を位相変調し、励磁信号に対して回転角度θに応じた位相を持ったアナログ信号を出力する。たとえば、第１相の励磁信号Ｅ・ｃｏｓωｔおよび第２相の励磁信号Ｅ・ｓｉｎωｔが入力されると、第１相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）および第２相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）を出力する。ただしＫは変圧比である。

【0012】

ディジタル変換部３０は、メイン系信号処理部４０と、バックアップ系信号処理部５０と、バックアップ系信号処理部６０とを備える３重系として構成される。以下、これらの処理部がすべて正常である場合の動作を説明する。

【0013】

メイン系信号処理部４０は、第１相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）および第２相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）に基づき、角度を表すメイン系ディジタル信号φ_Ｍを生成する。

【0014】

メイン系ディジタル信号φ_Ｍの生成は、負帰還制御を用いて実現される。負帰還制御において、フィードバック信号がアナログ信号と乗算され、中間信号が生成される。本実施形態では、カウンタから出力される基準信号ωｔからメイン系ディジタル信号φ_Ｍを減算した結果の正弦および余弦を表す信号として、２相のフィードバック信号が生成される。すなわち、フィードバック信号は、メイン系ディジタル信号φ_Ｍの正弦を表すフィードバック信号ｓｉｎ（ωｔ−φ_Ｍ）およびメイン系ディジタル信号φ_Ｍの余弦を表すフィードバック信号ｃｏｓ（ωｔ−φ_Ｍ）として表される。

【0015】

正弦を表すフィードバック信号ｓｉｎ（ωｔ−φ_Ｍ）は、第１相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）と乗算され、乗算の結果として第１中間信号Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）・ｓｉｎ（ωｔ−φ_Ｍ）が生成される。同様に、余弦を表すフィードバック信号ｃｏｓ（ωｔ−φ_Ｍ）は、第２相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）と乗算され、乗算の結果として第２中間信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）・ｃｏｓ（ωｔ−φ_Ｍ）が生成される。

【0016】

負帰還制御において、第１中間信号と第２中間信号との差分ε（すなわち、乗算出力の差分）を制御偏差とし、この制御偏差が０となるか、または０に近づくように、所定の制御則によってメイン系ディジタル信号φ_Ｍが修正される。この差分εは次のように表される。
ε＝ Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）・ｓｉｎ（ωｔ−φ_Ｍ）
−Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）・ｃｏｓ（ωｔ−φ_Ｍ）
＝ Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（θ−φ_Ｍ） …（式１）
この式から、負帰還制御系が正常に機能してε＝０となると、Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（θ−φ_Ｍ）＝０となり、すなわちφ_Ｍ＝θとなる。このようにして、メイン系信号処理部４０は、回転検出器１０からのアナログ信号をディジタル角度出力に変換し、メイン系ディジタル信号φ_Ｍを生成する。

【0017】

バックアップ系信号処理部５０は、第１相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）に基づき、第１バックアップ系ディジタル信号φ_Ｃを生成する。本実施形態では、第１バックアップ系ディジタル信号φ_Ｃは、第１相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）と、第１相の励磁信号Ｅ・ｃｏｓωｔとの位相差を表す信号として生成される。バックアップ系信号処理部５０が正常に機能すると、第１バックアップ系ディジタル信号φ_Ｃはωｔ−（ωｔ−θ）＝θとなる。このようにして、バックアップ系信号処理部５０は、回転検出器１０からのアナログ信号をディジタル角度出力に変換し、第１バックアップ系ディジタル信号φ_Ｃを生成する。

【0018】

同様に、バックアップ系信号処理部６０は、第２相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）に基づき、第２バックアップ系ディジタル信号φ_Ｓを生成する。本実施形態では、第２バックアップ系ディジタル信号φ_Ｓは、第２相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）と、第２相の励磁信号Ｅ・ｓｉｎωｔとの位相差を表す信号として生成される。バックアップ系信号処理部６０が正常に機能すると、第２バックアップ系ディジタル信号φ_Ｓはωｔ−（ωｔ−θ）＝θとなる。このようにして、バックアップ系信号処理部６０は、回転検出器１０からのアナログ信号をディジタル角度出力に変換し、第２バックアップ系ディジタル信号φ_Ｓを生成する。

【0019】

このようにして、３重の冗長系の角度出力として、メイン系ディジタル信号φ_Ｍと、第１バックアップ系ディジタル信号φ_Ｃと、第２バックアップ系ディジタル信号φ_Ｓとが生成される。ディジタル変換部３０は、これら３つのディジタル信号φ_Ｍ，φ_Ｃ，φ_Ｓに基づき、最終的なディジタル出力信号（最終ディジタル信号φ）を出力する。このために、ディジタル変換部３０は出力決定処理部（図示せず）を備えてもよい。

【0020】

最終ディジタル信号φは、どのようなアルゴリズムまたは計算式により決定または算出されてもよいが、たとえば３つのディジタル信号φ_Ｍ，φ_Ｃ，φ_Ｓのうちから多数決の原理により選択される。多数決の原理の実現方法は任意に設計可能であるが、たとえば、３つのディジタル信号φ_Ｍ，φ_Ｃ，φ_Ｓのうち２つ以上が同一の値を示す場合には、その値を選択して最終ディジタル信号φとし、これを出力する。または、３つのディジタル信号φ_Ｍ，φ_Ｃ，φ_Ｓのうち２つからなる組（３通りの組が可能である）のそれぞれについて差を算出し、差の絶対値を最も小さくする組に基づいて最終ディジタル信号φを決定または算出してもよい（たとえばその組に含まれる２つの値の平均を取る等）。

【0021】

次に、構成の一部において故障が発生した場合の動作を説明する。
図２に、第２相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）が喪失した状態を示す。この場合には、制御偏差となる差分εは次のようになる。
ε＝Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）・ｓｉｎ（ωｔ−φ_Ｍ）−０・ｃｏｓ（ωｔ−φ_Ｍ）
＝（１／２）・Ｋ・Ｅ・｛ｓｉｎ（θ−φ_Ｍ）＋ｓｉｎ（２ωｔ−θ−φ_Ｍ）｝
…（式２）
このような場合であっても、メイン系信号処理部４０は、正常またはほぼ正常にφ_Ｍを出力するように構成することが可能である。ここで、「ほぼ正常」という用語の意味は、当業者が実施態様に応じて適切に定義または解釈可能であるが、たとえば、φ_Ｍの正常な値からのずれ（差分）の大きさが、最終ディジタル信号φの出力に影響を与えない程度ということができる。または、φ_Ｍのずれが最終ディジタル信号φに及ぼす影響が、ディジタル変換部３０の出力としての許容範囲内に留まる程度ということもできる。このようなメイン系信号処理部４０の具体的な構成は任意に設計可能であるが、以下に一例を示す。

【0022】

上述の式２においてε＝０とすると、φ_Ｍ≒θ＋ｓｉｎ（２ωｔ−２θ）と近似できる。ｓｉｎ（２ωｔ−θ−φ_Ｍ）は通常およそ励磁周波数の２倍の周波数成分であるが、励磁周波数に対して負帰還制御系の周波数特性を適切に構成すれば、当該２倍の周波数成分を減衰または除去することができる。この場合には、φ_Ｍ＝θとなるか、またはφ_Ｍはθを中心として微小振動する信号となる。すなわち、メイン系信号処理部４０によるディジタル変換は、正常に行われるか、少なくとも誤差を持ちながらもほぼ正常に継続可能である。

【0023】

図２の場合には、φ_Ｓについてはディジタル変換不能となるが、φ_Ｃについては故障の影響なく、正常な場合と同様に変換可能である。したがって、３つのディジタル信号φ_Ｍ，φ_Ｃ，φ_Ｓのうち２つ（この場合にはφ_Ｍおよびφ_Ｃ）について正常またはほぼ正常に出力が行われるので、最終ディジタル信号φの決定および出力も、正常またはほぼ正常に行うことが可能である。なお上述のように、最終ディジタル信号φの具体的な決定方法としてはたとえば多数決の原理を用いることが可能である。

【0024】

なお、図２は、第２相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）が喪失した状態を示すが、第２相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）が正常であって余弦を表すフィードバック信号ｃｏｓ（ωｔ−φ_Ｍ）が喪失した場合についても同様である。

【0025】

図３に、第１相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）が喪失した状態を示す。この場合には、制御偏差となる差分εは次のようになる。
ε＝０・ｓｉｎ（ωｔ−φ_Ｍ）−Ｋ・Ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−θ）・ｃｏｓ（ωｔ−φ_Ｍ）
＝（１／２）・Ｋ・Ｅ・｛ｓｉｎ（θ−φ_Ｍ）−ｓｉｎ（２ωｔ−θ−φ_Ｍ）｝
…（式３）
このような場合であっても、メイン系信号処理部４０は、正常またはほぼ正常にφ_Ｍを出力するように構成することが可能である。具体的な構成は任意に設計可能であるが、以下に一例を示す。

【0026】

上述の式３においてε＝０とすると、φ_Ｍ≒θ−ｓｉｎ（２ωｔ−２θ）と近似でき、図２の場合と同様の考え方で、ｓｉｎ（２ωｔ−θ−φ_Ｍ）を減衰または除去することができるので、メイン系信号処理部４０によるディジタル変換は正常またはほぼ正常に行われる。また、図３の場合には、φ_Ｃについてはディジタル変換不能となるが、φ_Ｓについては故障の影響なく、正常な場合と同様に変換可能である。したがって、３つのディジタル信号φ_Ｍ，φ_Ｃ，φ_Ｓのうち２つ（この場合にはφ_Ｍおよびφ_Ｓ）について正常またはほぼ正常に出力が行われるので、図２の場合と同様に最終ディジタル信号φの決定および出力も、正常またはほぼ正常に行うことが可能である。

【0027】

なお、図３は、第１相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）が喪失した状態を示すが、第１相のアナログ信号Ｋ・Ｅ・ｃｏｓ（ωｔ−θ）が正常であって正弦を表すフィードバック信号ｓｉｎ（ωｔ−φ_Ｍ）が喪失した場合についても同様である。

【0028】

図４に、メイン系信号処理部４０に故障が発生した場合の状態を示す。図４の例は、制御偏差となる差分εが喪失した状態のものである。この状態では、メイン系信号処理部４０はディジタル変換を行うことができず、φ_Ｍが正常に出力されない。また、差分εが喪失した状態に限らず、負帰還が機能しなくなる状況が発生した場合には、φ_Ｍが正常に出力されず、同様の結果となる。

【0029】

しかしながら、この場合にはバックアップ系信号処理部５０およびバックアップ系信号処理部６０は正常に動作するので、３重の出力のうち２系統についてはディジタル変換が機能することになる。すなわち、３つのディジタル信号φ_Ｍ，φ_Ｃ，φ_Ｓのうち２つ（この場合にはφ_Ｃおよびφ_Ｓ）について正常に出力が行われるので、最終ディジタル信号φの決定および出力も正常に行うことが可能である。なお上述のように、最終ディジタル信号φの具体的な決定方法としてはたとえば多数決の原理を用いることが可能である。

【0030】

以上説明するように、本発明に係るディジタル変換部３０によれば、回転検出に係るアナログ信号をディジタル信号に変換する際に、メイン系信号処理部４０と、バックアップ系信号処理部５０と、バックアップ系信号処理部６０とを用い、メイン系信号処理部４０は、２相のアナログ信号を２重冗長の信号として用いて精度の良い角度出力を得、バックアップ系信号処理部５０は、第１相のアナログ信号に基づいて簡易的に角度出力を得、バックアップ系信号処理部６０は、第２相のアナログ信号に基づいて簡易的に角度出力を得、これら３つの角度出力に基づいて最終の角度信号が出力されるので、一部に故障が発生した場合でも正確な角度の出力を継続することができる。このため、回転検出器を扱うシステムの信頼性向上に貢献することができる。

【符号の説明】

【0031】

３０ ディジタル変換部（アナログ信号をディジタル信号に変換する装置）、４０ メイン系信号処理部、５０，６０ バックアップ系信号処理部、φ_Ｍ メイン系ディジタル信号、φ_Ｃ 第１バックアップ系ディジタル信号、φ_Ｓ 第２バックアップ系ディジタル信号。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】