JP2005073424A - 位置検出センサ信号増幅回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い入力振幅に対応し、出力端子から入力信号より位相を３０°シフトさせたｄｕｔｙ５０％の二値化信号を出力できるようにする
【解決手段】 位置検出センサ回路内の差動ｇｍアンプ回路の構成をゲインの異なる差動ｇｍアンプ回路１０ａ〜１０ｃ，１１ａ〜１１ｃを複数段並列接続し、ゲインが大きい差動ｇｍアンプ回路の出力電流がクランプされ一定になっている時でも、ゲインの小さいｇｍアンプ回路によって、入力信号に応じてリニアに変化する電流信号を作成する。その結果、合成回路にはリニアに変化する位相が１２０°ずれた２つの電流信号が入力され、合成回路内にて前記２つの電流信号の差を取り、入力信号より位相を３０°シフトした正確なゼロクロスポイントを検出できる信号を作り出す。
【選択図】図１

Description

本発明は三相ブラシレスモータに関するものであり、特にステータに対して電気角で１２０°相当の間隔で配置された２個のロータ位置検出センサ(以下ホールセンサ)から、センサ出力信号の広い範囲の振幅に亘って、エッジの位相がホールセンサのゼロクロス位置から正確に３０°シフトした信号を得ることを可能にする位置検出センサ信号増幅回路に関するものである。

図５は従来の位置検出センサ信号増幅回路の構成を示す回路図であり、１０ａ，１０ｂ，１０ｃは各位置検出センサからの信号を増幅させる差動ｇｍアンプ、１，２は差動ｇｍアンプ１０ａの反転及び非反転入力端子、３，４は差動ｇｍアンプ１０ｂの反転及び非反転入力端子，５，６は差動ｇｍアンプ１０ｃの反転及び非反転入力端子、７，８，９は位置検出センサ信号増幅回路の出力端子、１２は合成回路、１３ａ，１３ｂ，１３ｃは二値化回路である。

以上のように構成された位置検出センサ信号増幅回路について、その動作を回路各部の波形を用いて説明する。

図６は従来の位置検出センサ信号増幅回路における各部の波形を示す図であり、図６(a)は図示しないホールセンサ３個から得られる位相が互いに１２０°ずつずれた位置検出センサ信号増幅回路の入力信号、図６(b)は図６(a)に示したうちの２つの入力信号によって差動ｇｍアンプ回路から出力される出力電流、図６(c)は前記図６(b)に示す２つの電流信号の差電流信号であり、入力信号に対してゼロクロスポイントを位相シフトさせた前記差電流信号、図６(d)は前記の差電流信号を二値化回路を通して得られる位置検出センサ信号増幅回路の出力信号を示すものである。

ここで、図６(a)はホールセンサを並列接続した場合として描いており、ホールセンサを直列接続した場合は３つの差動入力信号の各ＤＣ電圧レベルは異なることになる。図６(b),(c),(d)についてホールセンサの接続に関与しない。

図６において、１８は非反転入力端子１の入力信号、１９は入力信号１８の反転形状の信号で反転入力端子２の入力信号、２０は入力信号１８の位相を１２０°ずらした非反転入力端子３の入力信号、２１は入力信号２０の反転形状の信号で反転入力端子４の入力信号、２２は入力信号２０の位相を１２０°ずらした非反転入力端子５の入力信号、２３は入力信号２２の反転形状の信号で反転入力端子６の入力信号、３１は入力信号１８より作成される電流信号、３２は入力信号２０より作成される電流信号、３３は電流信号３１と電流信号３２の交点、３４は電流信号３１と電流信号３２の差電流信号、３５は入力信号１８と差電流信号３４の位相シフト量、３６は位置検出センサ信号増幅回路の出力信号である。

図６(a)のようにロータの位置検出センサから反転，非反転入力端子１及び２，３及び４，５及び６に１２０°ずつ位相をずらしたアナログ信号１８，１９，２０，２１，２２，２３が入力され、前記入力信号の内、２つの入力信号１８，２０を選択し、入力信号から差動ｇｍアンプ１０ａ，１０ｂにより電流信号に変換した信号３１，３２を図６(b)に示す。図６(b)に示すように、前記２つの電流信号３１，３２の交点３３は、入力信号１８とゼロ点との交点から位相が３０°シフトした位置にあり、この時、交点付近の波形はリニアに変化している。前記２つの電流信号３１，３２を合成回路１２に入力し、２つの信号の差をとった電流信号３４を図６(c)に示す。図６(c)の符号３５に示すように、前記差電流信号３４とゼロ点との交点(以下ゼロクロスポイント)は入力信号１８より位相が３０°シフトしており、２つの入力信号を用いて、入力信号より位相が３０°シフトしたアナログ信号を作成することができる。位相シフト量３５を二値化回路に入力し、位相シフト量３５のゼロクロスポイントで二値化信号のエッジを作成し、図６(d)に示すように入力信号１４より位相が３０°シフトした二値化信号を位置検出センサ信号増幅回路より出力することができる。位置検出センサ信号増幅回路の目的は、入力信号より位相を３０°シフトしたｄｕｔｙ５０％の二値化信号を出力することである。
特開平８―２０５５７７号公報

しかしながら前記従来の方法では、位置検出センサから位置検出回路の入力端子への入力信号の振幅が入力ダイナミックレンジ以上の時は、アンプ回路から出力される電流波形がクランプされ、無視できない一定区間にて等しい値を持つ電流信号となる。前記クランプされた２つの電流信号の差をとった信号を二値化回路にて二値化信号に変換するが、２つの電流信号の差から作成するため、２つの電流信号が等しい区間内では、どこでも論理出力が反転する可能性があり、必ずしも正確にエッジが３０°シフトした二値化信号を出力することができない。

以下、位置検出センサ信号増幅回路に入力される入力信号が入力ダイナミックレンジ以上の振幅が入力された時の各部の波形を図７に示す。

図７(a)は図示しないホールセンサ３個から得られる位相が互いに１２０°ずつずれた位置検出センサ信号増幅回路の入力信号、図７(b)は図７(a)に示した内の２つの入力信号によって差動ｇｍアンプ回路から出力される出力電流、図７(c)は、図７(b)に示す２つの電流信号の差電流信号であり、入力信号に対してゼロクロスポイントを位相シフトさせた差電流信号、図７(d)は差電流信号を二値化回路を通して得られる位置検出センサ信号増幅回路の出力波形を示す。

図７(a)は図６と同様に位置検出センサを並列接続した場合として描いたものである。位置検出センサを直列接続した場合は３つの差動入力信号の各ＤＣ電圧レベルは異なることになる。図７(b),(c),(d)について位置検出センサの接続に関与しない。

図７の１８は非反転入力端子１の入力信号、１９は入力信号１８の反転形状の信号で反転入力端子２の入力信号、２０は入力信号１８の位相を１２０°ずらした非反転入力端子３の入力信号、２１は入力信号２０の反転形状の信号で反転入力端子４の入力信号、２２は入力信号２０の位相を１２０°ずらした非反転入力端子５の入力信号、２３は入力信号２２の反転形状の信号で反転入力端子６の入力信号、３７は入力信号１８から作成される電流信号、３８は入力信号２０から作成される電流信号、３９は電流信号３７及び電流信号３８が等しい区間、４０は電流信号３７と電流信号３８の差電流信号、４１は区間３９と同様の区間である差電流信号がゼロの区間、４２は位置検出センサ信号増幅回路の出力波形、４３は、区間３９及び区間４１で示した区間と同様に、位置検出センサ信号増幅回路出力のエッジが不規則に出力される可能性がある区間である。

図７(a)に示すように入力振幅が入力ダイナミックレンジを超えた振幅が位置検出回路の入力端子に入力された時、図７(b)に示すように入力信号１８，２０が入力される差動ｇｍアンプから出力される電流波形はクランプされる。差動ｇｍアンプ回路に入力される振幅が入力ダイナミックレンジを越えた信号が入力されると、入力信号に対して差動ｇｍアンプ回路のゲインが高いため、差動ｇｍアンプ回路から出力される電流波形においてクランプされる区間が長くなり、図７(b)の符号３９に示すように２つの電流信号３７，３８の電流値が等しくなる区間が発生する。電流値が等しい区間３９が発生すると、アナログ信号を二値化回路を通して二値化信号を得るため、正確な信号を出力することができない。図７(c)に前記２つのクランプされた電流信号から合成回路にて作成される差電流信号４０を示しているが、前記２つの電流値が等しい区間４１では２つの差電流信号が、ゼロ点における傾きがなくなる。入力振幅が差動ｇｍアンプの入力ダイナミックレンジよりはるかに大きい場合には、差電流信号の傾きがない区間が無視できない区間に亘って発生する。ゼロ点における傾きがなくなる差電流信号を二値化回路にて二値化信号に変換すると、差電流波形とゼロ点とが重なっているため、図７(d)の符号４３に示す区間内では、二値化出力信号のエッジが不規則に作成され、入力信号１８のゼロクロスポイントから正確に位相を３０°シフトさせた信号やｄｕｔｙ５０％の二値化信号を位置検出センサ信号増幅回路から出力することができない。また、アンプ回路に入力される振幅が入力ダイナミックレンジを越えないようにするため、ｇｍアンプのゲインを低くすることは可能であるが、ホールセンサの感度バラツキや温度特性及びロータの磁束密度のバラツキ等考慮すると入力信号が小さすぎても良くない。従って、アナログ回路をより広い入力信号レンジに対応させる必要がある。

本発明は、このような問題点を解決し、広い入力振幅に対応し、位置検出センサ信号増幅回路の出力端子からは入力信号より位相を３０°シフトさせたｄｕｔｙ５０％の二値化信号を出力できる位置検出センサ信号増幅回路を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、位置検出回路内の差動ｇｍアンプの構成をゲインの異なる差動ｇｍアンプをｎ段並列接続する。これにより、ゲインが大きい差動ｇｍアンプの入力ダイナミックレンジを越える入力振幅が入力された時、すなわち、ゲインが大きい差動ｇｍアンプの出力電流がクランプされ一定になる時には、ゲインの小さいｇｍアンプによって、入力信号に応じてリニアに変化する電流波形が作成される。ゲインの大きい差動ｇｍアンプとゲインの小さい差動ｇｍアンプから出力される２つの出力電流の和をとった電流信号を合成回路に入力するため、大きい差動ｇｍアンプ回路の出力電流がクランプされても、ゲインの小さい差動ｇｍアンプ回路により合成回路にはリニアに変化する成分をもつ電流が合成回路に入力される。前記位相が１２０°ずれた２つの合計された差動ｇｍアンプ回路の出力電流の差をとり、合成回路内にて入力信号より位相を３０°シフトした正確なゼロクロスポイントを検出できる信号を作り出し、二値化回路にて二値化した信号を位置検出センサ信号増幅回路の出力端子より出力する。

本発明の位置検出センサ信号増幅回路によれば、増幅器に２つ以上のゲインの異なる差動ｇｍアンプを用いることにより、入力振幅が変化しても合成回路に入力される２つの電流波形からゼロクロスポイントを作り出す区間で出力電流をリニアに変化させることができる。このため、今までより広い入力振幅に対応し、位置検出センサ信号増幅回路の出力端子からは入力信号より位相を３０°シフトさせたｄｕｔｙ５０％の二値化信号を出力できる位置検出センサ信号増幅回路を実現できる。

以下、位置検出センサ信号増幅回路における本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明のアンプ回路の一実施形態を示し、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃは各位置検出センサからの信号を増幅させる差動ｇｍアンプ、１，２は差動ｇｍアンプ１０ａ，１１ａの反転及び非反転入力端子、３，４は差動ｇｍアンプ１０ｂ，１１ｂの反転及び非反転入力端子，５，６は差動ｇｍアンプ１０ｃ，１１ｃの反転及び非反転入力端子、７，８，９は位置検出センサ信号増幅回路の出力端子、１２は合成回路、１３ａ，１３ｂ，１３ｃは二値化回路である。

差動ｇｍアンプ１０ａ，１１ａはそれぞれゲインの異なる差動ｇｍアンプ回路であり、差動ｇｍアンプ１０ａ，１１ａの非反転入力端子１及び反転入力端子２が接続されている。同様に、差動ｇｍアンプ１０ｂ，１１ｂ及び差動ｇｍアンプ１０ｃ，１１ｃは、それぞれゲインの異なる差動ｇｍアンプ回路であり、差動ｇｍアンプ１０ｂ，１１ｂの非反転入力端子３及び反転入力端子４が接続されている。また、差動ｇｍアンプ１０ｃ，１１ｃの非反転入力端子５及び反転入力端子６が接続されている。

図２はゲインの異なる差動ｇｍアンプを２つ並列に接続した時、非反転入力端子から合成回路の入力端子まで各部の波形を示す。

図２(a)はゲインの異なる差動ｇｍアンプの非反転入力端子に入力される信号、図２(b)は図２(a)の入力信号に基づいて差動ｇｍアンプ１０ａ，１１ａから出力される電流信号、図２(c)は差動ｇｍアンプ１０ａ，１１ａの出力電流信号の和をとった信号を示したものである。

図２において、１４は非反転入力端子１の入力信号、１５はゲインの大きい差動ｇｍアンプ回路の出力電流、１６はゲインの小さい差動ｇｍアンプ回路の出力電流、１７は出力電流１５及び出力電流１６の電流信号の和を取った信号である。

図２(a)に示すように入力端子にゲインの大きい差動ｇｍアンプのダイナミックレンジを越えた振幅が入力された時、ゲインが大きい差動ｇｍアンプの電流１５はクランプされるため、出力電流はほぼパルス状に変化するが、ゲインが小さい差動ｇｍアンプの出力電流１６は前記ゲインの大きい差動ｇｍアンプよりリニアに変化する区間を長く作り出すことができる。出力電流１５，１６の２つの電流和をとった波形を図２(c)に示し、合成回路に入力する前記電流和を必要な区間にてリニアに変化させることができる。

図３(a)は図示しないホールセンサ３個から得られる位相が互いに１２０°ずつずれた位置検出センサ信号増幅回路の入力信号、図３(b)は、図２と同様の差動ｇｍアンプの電流波形の和を取った信号であり、２つの入力信号を２つ並列に接続したゲインの異なる差動ｇｍアンプ１０ａ及び差動ｇｍアンプ１１ａ，差動ｇｍアンプ１０ｂ及び差動ｇｍアンプ１１ｂ，差動ｇｍアンプ１０ｃ及び差動ｇｍアンプ１１ｃを介して作成される電流信号、図３(c)は合成回路より出力される図３(b)に示す２つの電流信号の差電流信号、図３(d)は図３(c)に示す差電流信号を二値化回路にて作成された位置検出センサ信号増幅回路の出力信号を示している。

また、図３は本実施形態の位置検出センサ信号増幅回路の各部の波形を示し、図３(a)はセンサを並列接続した場合として描いており、センサを直列接続した場合は３つの差動入力信号の各ＤＣ電圧レベルは異なることになる。図３(b),(c),(d)についてホールセンサの接続に関与しない。

図３の１８は非反転入力端子１の入力信号、１９は入力信１８の反転形状の信号で反転入力端子２の入力信号、２０は入力信号１８の位相を１２０°ずらした非反転入力端子３の入力信号、２１は入力信号２０の反転形状の信号で入力端子４の入力信号、２２は入力信号２０の位相を１２０°ずらした非反転入力端子５の入力信号、２３は入力信号２２の反転形状の信号で反転入力端子６の入力信号、２４は入力信号１８より作成される電流信号、２５は入力信号２０より作成される電流信号、２６は電流信号２４，２５との交点、２７は電流信号２４と電流信号２５の差電流信号、２８は入力信号１８と差電流信号２７の３０°の位相差、２９は位置検出センサ信号増幅回路の出力波形である。

図３(a)に示すようにホールセンサから入力端子へ信号の振幅がゲインの大きい差動ｇｍアンプのダイナミックレンジを越えた振幅が入力された時においても、図３(b)に示すように位相が１２０°ずれた入力信号１８，２０から作られた電流波形２４，２５の交点２６では、ゲインの小さい差動ｇｍアンプにより電流出力信号がリニアに変化し、合成回路において入力信号より位相を３０°シフトしたゼロクロスポイントを検出することが可能である。

すなわち、前記２つの差動ｇｍアンプ回路を並列接続した回路より出力される電流波形２４，２５の差電流信号２７はゼロ点付近において、図３(c)の符号２８に示すような傾きを持つ。従来の回路において、入力ダイナミックレンジを越えた振幅が入力された時、２つの差電流波形はゼロ点付近では傾きがゼロであったが、図３(c)の符号２８に示すように前記電流信号の差をとった電流波形はゲインの小さい差動ｇｍアンプによって、ゼロ点との交点付近でリニアに変化するため、傾きを持っており、ゼロクロスポイントを正確に検出することができる。従って、前記差電流信号のゼロクロスポイントは、入力信号１８のゼロクロスポイントから正確に３０°位相をシフトさせることができる。前記差電流信号２７を二値化回路に入力し、図３(d)の符号２９に示すように入力信号１８より位相が３０°シフトしたｄｕｔｙ５０％の二値化信号を位置検出センサ信号増幅回路より出力することができる。

また、小さい振幅がアンプ回路に入力された時は、ゲインの大きい差動ｇｍアンプによって出力電流をリニアに変化させることができ、従来と同様に、入力信号より位相が３０°シフトしたｄｕｔｙ５０％の二値化信号を位置検出センサ信号増幅回路より出力することができ、図５と同様な出力波形を得ることができる。

なお、図１においては、２つのゲインの異なる差動ｇｍアンプ回路の電流出力信号を合成したが、図４に示すように、３つ以上のゲインの異なる差動ｇｍアンプ回路の電流出力信号を合成してもよい。

図４において、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，…，３０ａ，３０ｂ，３０ｃは各位置検出センサからの信号を増幅させる差動ｇｍアンプ、１，２は差動ｇｍアンプ１０ａ，１１ａ，…，３０ａの反転及び非反転入力端子、３，４は差動ｇｍアンプ１０ｂ，１１ｂ，…，３０ｂの反転及び非反転入力端子、５，６は差動ｇｍアンプ１０ｃ，１１ｃ，…，３０ｃの反転及び非反転入力端子、７，８，９は位置検出センサ信号増幅回路の出力端子、１２は合成回路、１３ａ，１３ｂ，１３ｃは二値化回路である。

差動ｇｍアンプ１０ａ，１１ａ，…，３０ａはそれぞれゲインの異なる差動ｇｍアンプ回路であり、差動ｇｍアンプ１０ａ，１１ａ，…，３０ａの非反転入力端子１及び反転入力端子２が接続されている。同様に、差動ｇｍアンプ１０ｂ，１１ｂ，…，３０ｂ及び差動ｇｍアンプ１０ｃ，１１ｃ，…，３０ｃは、それぞれゲインの異なる差動ｇｍアンプ回路であり、差動ｇｍアンプ１０ｂ，１１ｂ，…，３０ｂの非反転入力端子３及び反転入力端子４が接続されている。また、差動ｇｍアンプ１０ｃ，１１ｃ，…，３０ｃの非反転入力端子５及び反転入力端子６が接続されている。

すなわち、電気角１２０°間隔で配置された３つのセンサからの信号を受ける位置検出センサ信号増幅回路の分配回路内において１０ａ,１１ａ，…,３０ａの並列接続からなる増幅器の電流出力と１０ｂ,１１ｂ，…,３０ｂの並列接続からなる増幅器の電流出力とを合成して得られる差電流、１０ｂ,１１ｂ，…,３０ｂの並列接続からなる増幅器の電流出力と１０ｃ,１１ｃ，…,３０ｃの並列接続からなる増幅器の電流出力とを合成して得られる差電流、１０ｃ,１１ｃ，…,３０ｃの並列接続からなる増幅器の電流出力と１０ａ,１１ａ，…,３０ａの並列接続からなる増幅器の電流出力とを合成して得られる差電流を形成してそれぞれの差電流を三相モータの各相への分配トルクとして利用してもよい。この場合は各相電流のゼロクロス付近での電流波形が従来例に比べて改善されることになる。

以上で得られた二値化された出力信号はトルク信号を作る為のタイミング信号として利用され、モータの性能向上に寄与するものである。

本発明は、広い入力振幅に対応し、位置検出センサ信号増幅回路の出力端子からは入力信号より位相を３０°シフトさせたｄｕｔｙ５０％の二値化信号を出力できる位置検出センサ信号増幅回路を実現できるものであり、例えば、三相ブラシレスモータに有用である。

本発明の一実施形態である位置検出センサ信号増幅回路の構成図 本発明の２つの差動ｇｍアンプを並列に接続した時の各部の波形 本発明の位置検出センサ信号増幅回路の各部の波形 本発明の他の実施形態である位置検出センサ信号増幅回路の構成図 従来の位置検出センサ信号増幅回路の構成図 従来の位置検出センサ信号増幅回路の正常な各部の波形 従来の位置検出センサ信号増幅回路の異常な各部の波形

符号の説明

１，３，５ 非反転入力端子
２，４，６ 反転入力端子
７，８，９ 出力端子
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 差動ｇｍアンプ回路
１２ 合成回路
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 二値化回路
１４，１８１９，２０，２１，２２，２３ 入力信号
１５，１６ 出力電流
１７，２４，２５，３１，３２，３７，３８ 電流信号
２６，３３ 交点
２７，３３，４０ 差電流信号
２８，３５ 位相差
２９，３６，４２ 出力波形
３９，４１，４３ 区間

Claims (4)

1. 互いに電気角が異なるように配置した複数個のロータ位置検出センサの出力信号対毎に増幅器を備えた位置検出センサ増幅回路であって、前記増幅器の各々が並列接続された複数の差動ｇｍアンプの組合せによって構成され、組合せられる差動ｇｍアンプが異なる変換利得を有することを特徴とする位置検出センサ信号増幅回路。
2. 前記ロータ位置検出センサの対をなす出力の差動ゼロクロス点から電気角で３０度シフトした位相を取り出すことを特徴とする請求項１記載の位置検出センサ信号増幅回路。
3. 合成回路と二値化回路を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の位置検出センサ信号増幅回路。
4. 前記合成回路において前記増幅器２つずつの電流出力差動値を形成し、それをモータの各相へ割り当てるための分配トルクとして取り出して利用することを特徴とする請求項３記載の位置検出センサ信号増幅回路。

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