現在、モータロータの位置検出に使用される位置センサには、主に光電式エンコーダ、レゾルバ、円形誘導シンクロナイザなどがあります。光電式エンコーダの特徴は、角度デコードなしでデジタル信号を直接出力すること、ノイズ耐性が高く検出分解能が高いこと、高速同期モータの検出に適していることです。ただし、衝撃や高温に弱く、ノイズに邪魔されやすいため、過酷な環境での使用には適していません。レゾルバの特徴は、ローターの絶対位置を直接出力できること、汚染、塵埃、振動、電磁波障害に強く、低コスト、長寿命、広い温度範囲を備えているため、特に用途に適しています。環境が厳しく、高精度が要求される場所。ただし、レゾルバが動作するには励起信号を提供する必要があり、レゾルバから出力される信号はアナログ信号であるため、データを取得するには処理する必要があります。したがって、レゾルバは完全な位置検出システムを完成させるために周辺電子回路を必要とします。
サインコサインレゾルバの動作原理の紹介: レゾルバは単に回転する普通の変圧器と考えることができ、その動作原理も電磁誘導に基づいています。次の図は、サインコサイン レゾルバの構造の概略図です。
図に示すように、レゾルバの励磁巻線には高周波正弦波信号（励磁信号）が流れ、戻り巻線には位置情報を含んだ高周波包絡線信号がちょうど誘導され、抽出されたエンベロープから、対応するサインおよびコサイン情報を取得でき、固定子の絶対位置情報を取得できます。
励起信号が次のとおりであると仮定すると、2 つの誘導コイルの信号はそれぞれ および として取得でき
ます
。正弦波曲線は励磁源によって生成され、ローターとステーターの間の角度の一定の変化が
振幅の一定の変化につながることが理解できます。
レゾルバを使用するには、励振信号の生成、正弦波信号の外包絡線の抽出、および角度計算を行うレゾルバ デコード技術が必要です。現在、レゾルバ デコード技術は主にハード デコードとソフト デコードの 2 つのカテゴリに分類されます。いわゆるレゾルバ ハード デコードは、ハードウェアを使用してレゾルバ信号を処理することであり、もちろん励磁信号の生成も含まれます。励起信号は主にチップ内部で生成されます。フィードバックされたサイン信号とコサイン信号の処理もデコードチップによって完了し、最終的にデコード結果がSPIやその他の通信方式を通じてMCUに送信されます。MCUが取得するのは、最終的に必要な位置情報や速度情報です。ソフト デコーディングの原理はハード デコーディングと同じで、位置信号の取得を完了するために最も重要なことは、励起信号の生成、外側包絡線の抽出、および角度の計算です。音源生成の原理はハードデコードと同じですが、以下では主に外包絡線の抽出方法と角度のデコード方法を紹介します。
ソフト デコードには 2 つの主要なステップがあり、1 つ目はレゾルバ出力信号の外側エンベロープを抽出すること、2 つ目は角度を計算することです。このうち、外包絡線を抽出する方法としては主にピーク検出法と積分法があり、角度復号処理に用いられる方法としては逆正接法と位相同期ループによる角度追従法がある。
ハードデコードでは専用のソリューションチップが使用され、高速、信頼性の高い動作、成熟した技術、高精度、高性能という特徴がありますが、高価で、変更が難しく、設計の柔軟性がありません。
角度追従方式の接近速度は速いですが、実装が複雑で、一定のフィルタリング効果があり、強力な抗干渉能力があります。
リゾルバ デコードは、開ループ デコード アルゴリズムと閉ループ デコード アルゴリズムに分けることができます。最も一般的な開ループ方式は逆正接方式で、関数呼び出し、ルックアップ テーブル、および CORDIC アルゴリズムを通じて実装できます。デコードアルゴリズムはノイズ干渉の影響を受けやすいため、速度情報を取得したい場合は、それを区別する必要があります。閉ループ復号アルゴリズムはフェーズ ロック ループに基づくアルゴリズムで、ローターの角度位置と速度情報を正確に追跡できるだけでなく、一定の干渉防止機能も備えています。
DSP デコード方法: A/D 変換チップを使用してレゾルバのアナログ出力をデジタルに変換し、DSP 自体の計算能力を使用してデコード アルゴリズムを実現します。問題は、デコード アルゴリズムには多数の複雑な数学的演算が必要であり、これには多くの時間がかかり、リアルタイム システムには適していません。
逆三角変換方法には、主に逆正接ルックアップ テーブル方式、CORDIC アルゴリズム、および逆正接関数を呼び出す方法があります。逆正接方式は周辺回路が比較的単純でハードウェア構成要件も高くありませんが、エンベロープ信号は外来ノイズの影響を受けやすく、変換時に精度に影響を与えます。ルックアップテーブル方式や関数呼び出し方式は、一般に大量のハードウェアリソースを必要とし、時間がかかる。
現在主流のアルゴリズムを簡単に紹介した後、この記事では主に MATLAB を使用して、ピーク検出を通じてレゾルバーの出力信号の包絡線を抽出し、逆正接変換を通じて角度を計算します。
まず、レゾルバの原理に従って、対応する搬送波信号とベースバンド変調信号が作成されます。上の図には、2 つの正弦波信号と 90° の位相差を持つ 1 つの搬送波信号があります。キャリア信号の周波数は 20KHZ、サンプリング レートは 1M、レゾルバの動作周波数は 3KHZ に設定すると、3K*2*pi になります。サンプリング周波数は 1M、つまり 1us に 1 点をサンプリングするため、サンプリング点が密になりすぎて観測しにくくなるのを避けるため、1000 点をサンプリングし、信号長は 0.001s です。
次に、位相が90°異なる2つの正弦波信号とキャリア信号を乗算して同期信号を形成しますが、下図ではDSB変調信号として実現されており、点線はその外包絡線信号です。
上図に示したレゾルバの出力信号をデコードするには、まず両信号の外包絡線信号を取得する必要がありますが、外包絡線を抽出する方法にはピーク検出法以外にも積分法や積分法など様々な方法があります。コヒーレント復調方式などのピーク検出方式を本論文で使用する。
上図はレゾルバの2つの出力信号をそれぞれピーク検出した結果であり、緑色の点線がレゾルバが出力する変調信号、ピンク色のディスクリート信号が変調信号のピーク検出結果です。この方法により、変調信号の外側の包絡線信号が正しく抽出できることがわかります。エンベロープ信号の精度を向上させるために、変調信号の 1 周期内の最大値点と最小値点の両方をサンプリングし、後半の半周期のサンプリング値を反転することで、エンベロープ信号のサンプリング精度を向上させます。得られるエンベロープ信号は2倍に向上します。
前述したように、レゾルバ出力信号の外側包絡線信号を抽出した後、包絡線信号内の情報を使用して角度を計算できます。実際、2 つの包絡線信号は和であり、それらを除算して逆正接演算を使用することで角度情報を取得できることは容易に理解できます
。結果は次の図に示されています。
このようにして、ピーク検出法と逆正接法を使用して、レゾルバの出力信号を角度にデコードします。ただし、実際の実装では、キャリア信号の周波数が低い場合、得られるエンベロープ信号が歪んでしまうことが避けられないため、デコード前にエンベロープ信号のサンプリング点データを補間により増加させ、計算精度を向上させることができます。 。さらに、レゾルバの 2 つの出力信号とキャリア信号の間にも位相差が存在する可能性があるため、精度を向上させるために、信号間の位相差を位相差測定アルゴリズムで計算し、位相差はエンベロープ抽出を実行する前に補正されます。
リゾルバーのデコードには優れた研究価値があります。まだ理論研究の段階にあります。将来的にはハードウェアの実装が含まれる可能性があります。より良い洞察があれば、引き続き共有する予定です。