JP2005091269A - 角度位置検出装置及びこれを用いた駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度検出機能を実装した角度位置検出装置及びこれを用いた駆動装置を提案する。
【解決手段】 本発明の角度位置検出装置（１１）は、Ｎ相ＶＲ型レゾルバ（４０）と、Ｎ相ＶＲ型レゾルバ（４０）のコイル（Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ）から出力されるＮ相レゾルバ信号をアナログ加算理することにより、Ｎ相レゾルバ信号の変調成分を相殺し、Ｎ相ＶＲ型レゾルバ（４０）のロータとステータの相対的な角度位置に依存しない信号であって、コイル（Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ）の温度を反映した温度検出信号（Ｖｔ）を生成する演算手段（３１）を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は回転角度位置を検出するための角度位置検出装置に関し、特に、温度検出機能を備えた角度位置検出装置及びこれを用いた駆動装置に関する。

角度位置検出装置として、ロータとステータの空隙のリラクタンスがロータの角度位置に対応して変化することを利用し、例えば、特開２０００−８１３４４号公報に示されているような、ステータコイルから出力される検出信号（レゾルバ信号）の位相を基にロータの角度位置を求めるバリアブルリラクタンス型レゾルバ装置が知られている。この種のレゾルバ装置においては、ステータコイルのインピーダンスが周囲温度の影響を受けて変化し、温度ドリフトによって検出信号の位相が変化することがある。従って、より高精度な検出精度が必要とされる場合、温度ドリフトが生じると、レゾルバ装置の検出精度の変化の影響を無視できない場合がある。そこで、温度ドリフト補償を行うため、角度位置を検出するための検出用コイルに加えて、温度ドリフト補償用の基準電圧を発生するダミーコイルを同一のステータ基板上に配置することで、これらコイルの温度ドリフト条件を同一にし、検出用コイルの出力電圧とダミーコイルの出力電圧の差分をアナログ演算することで、検出コイルの温度ドリフト補償を行うことも考えられる。
特開２０００−８１３４４号公報

しかし、上述のように温度ドリフトの補償を行わないと、レゾルバ装置の検出精度向上に限界がある。そのため、検出用コイルに加えてダミーコイルを別途設けると、ダミーコイルを設置するためのスペースを新たに確保しなければならず、小型化が要求されるレゾルバ装置においては設計が困難となる。装置温度を検出するための手段として、温度センサを配置する構成も考えられるが、センサスペースを新たに確保しなければならないため、装置の小型化が困難となる。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、装置の小型化を実現しながら温度監視機能を実装した角度位置検出装置及びこれを用いた駆動装置を提案することを課題とする。また、本発明は装置の小型化を実現しながら温度ドリフト補償機能を実装した角度位置検出装置及びこれを用いた駆動装置を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の角度位置検出装置は、（ａ）円周方向に沿って均等に配された極片にコイルを巻回してなる環状のステータと、前記ステータの極片と対向するように配されるロータを含み、前記ロータと前記ステータとの間の空隙のリラクタンスが前記ロータの角度位置に応じて変化するＮ相ＶＲ型レゾルバと、（ｂ）コイルから出力されるＮ相レゾルバ信号を演算処理することにより、ロータとステータの相対的な角度位置に依存しない信号であって、コイルの温度を反映した温度検出信号を生成する演算手段を備える。

レゾルバ信号を演算処理するだけでコイル温度を反映した温度検出信号を取得できるため、温度センサを新たに設置することなく、温度監視機能を搭載することが可能となる。尚、Ｎは３６０／Ｎの値が整数となるような３以上の整数とする。

ここで、レゾルバ信号を演算処理するための演算手段としては、Ｎ相レゾルバ信号の各々を加算することにより、温度検出信号を生成するアナログ演算手段が好適である。レゾルバ信号同士を加算することで、変調成分を相殺できるため、ロータとステータの相対的な角度位置に依存しない信号であって、コイルの温度を反映した温度検出信号を生成することが可能となる。

本発明の角度位置検出装置は、上述の構成に加えて、Ｎ相レゾルバ信号と温度検出信号を演算処理することにより、Ｎ相レゾルバ信号の包絡線の直流成分を除去し、ロータとステータの相対的な角度変位の情報を含む信号を生成する温度補償手段をさらに備えることが望ましい。レゾルバ信号の温度補償を行うことで位置検出精度を高めることができる。

本発明の駆動装置は、モータと、モータの回転方向の角度位置を検出するための本発明の角度位置検出装置を備える。かかる構成によれば、装置の小型化を実現しながら温度監視機能、温度ドリフト補償機能を実装した駆動装置を提供できる。

本発明によれば、レゾルバ信号を演算処理するだけでコイル温度を反映した温度検出信号を取得できるため、温度センサを新たに設置することなく、温度監視機能を搭載することが可能となる。また、レゾルバ信号の温度補償を行うことにより、位置検出精度を高めることができる。

［発明の実施形態１］
以下、各図を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
図２は角度位置を検出するためのレゾルバ４０の断面図を示している。同図に示すように、レゾルバ４０は、先端部に複数の極片歯４５を有する外歯状の極片４４を円周等分に複数有して固定支持されると共に各々の極片４４に相数３のコイルＣａ，Ｃｂ，Ｃｃを相毎に直列に巻回してなるステータ（固定子）４３と、極片歯４５に対向するように形成された内歯状の歯４２を円周方向に形成してなる中空環状のロータ（回転子）４１を備えて構成されるＶＲ型レゾルバである。Ａ相、Ｂ相及びＣ相の極片４４に巻回されるコイルＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの巻回方向は隣り合う同一相の極片４４において、極性が反転するように設定されている。例えば、コイルの巻回方向を同一として電流の流れる方向が交互に逆向きとなるように結線するか、或いは結線方向は変えずにコイルの巻回方向を時計巻き（ＣＷ）と反時計巻き（ＣＣＷ）が交互に繰り返されるように設定されている。

ロータ４１とステータ４３は同心配置されており、ロータ４１とステータ４３の間隙（エアギャップ）のリラクタンスがロータ４１の回転角度位置により変化し、ロータ４１の１回転でリラクタンス変化の基本波成分が複数（ロータ歯数）周期となるように構成されている。コイルＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの共通端子に励磁信号が供給されると、各々のコイルＣａ，Ｃｂ，Ｃｃからは、ステータ４３に対するロータ４１の回転角度位置に応じた１２０°の電気角でずれたＡ相、Ｂ相及びＣ相の電流信号が出力される。

尚、レゾルバ４０として、ここではアウタロータタイプのものを例示するが、これに限らず、インナロータタイプのものでもよい。

図１は本実施形態の駆動装置１０に含まれる角度位置検出装置１１の回路構成を中心とした全体構成を示している。
同図に示すように、駆動装置１０は、モータ６０と、モータ６０の回転軸の角度位置に対応したレゾルバ信号を出力するレゾルバ４０と、モータ６０を駆動するドライブユニット２０を備えて構成されている。ドライブユニット２０は、レゾルバ信号からデジタル角度信号φを求める角度位置検出装置１１（後述する電流／電圧変換回路、３相／２相変換器、Ｒ／Ｄ変換器等から構成される角度位置検出装置）と、パワーアンプ（駆動回路）７０を備えて構成されている。レゾルバ４０はモータ６０内に組み込まれることによって、モータ回転軸の角度位置を検出することができる。モータ６０としては、例えば、ダイレクトドライブモータが好適である。

ドライブユニット２０は、数ｋＨｚ程度の励磁信号（正弦波信号）を出力する発信器２１と、励磁信号を適度な信号レベルに増幅した上でレゾルバ４０の共通端子ＣＯＭに供給する増幅器２２と、レゾルバ４０から出力される電流信号を電圧信号に変換する電流／電圧変換回路２３と、３相信号を２相信号（ｓｉｎ信号，ｃｏｓ信号）に変換する３相／２相変換器２４と、発信器２１から出力される励磁信号の位相を遅らせて、２相信号のｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号のうちのキャリア信号の位相と同期させたＲｅｆ信号（ｓｉｎωｔ）を生成する移相器２７と、２相信号をデジタル角度信号φに変換するとともに、発信器２１の発振角周波数による同期整流後のアナログ速度信号を生成するＲ／Ｄ変換器（レゾルバ・デジタル・コンバータ）２５と、デジタル角度信号φからダイレクトドライブモータの回転角度位置を演算してその位置信号を出力するＣＰＵ２６と、レゾルバ４０の温度に対応した温度検出信号をＣＰＵ２６に出力する温度検出回路３０と、ＣＰＵ２６からの回転角度位置信号（指令信号）を受け、モータ６０を駆動するパワーアンプ７０を備えて構成されている。

電流／電圧変換回路２３は、Ａ相、Ｂ相、及びＣ相それぞれのロータ４１の回転角度位置に応じた電流信号を電圧信号（レゾルバ信号）に変換するためのセンス抵抗Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３を備えて構成されている。各相のレゾルバ信号は、それぞれ信号線Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３を経由して３相／２相変換器２４に供給される。ここで、発信器２１の発信角周波数をωとし、高次成分を無視すると、電流／電圧変換回路２３で得られる各相のレゾルバ信号は下記の（１）式〜（３）式に示す通りとなる。ここでは、説明の便宜上、Ａ相を基準としてＢ相及びＣ相の位相がそれぞれ１２０度の電気角で遅角位相の場合と進角位相の場合を例示する。

φＡ＝Ｔ・（Ａ_dc＋Ａ_ac・ｓｉｎθ）・ｓｉｎωｔ …（１）
φＢ＝Ｔ・｛Ｂ_dc＋Ｂ_ac・ｓｉｎ（θ−１２０°）｝・ｓｉｎωｔ …（２）
φＣ＝Ｔ・｛Ｃ_dc＋Ｃ_ac・ｓｉｎ（θ＋１２０°）｝・ｓｉｎωｔ …（３）
ｓｉｎ信号＝φＡ−（φＢ＋φＣ）／２ …（４）
ｃｏｓ信号＝ｓｑｒ（３／４）・（φＢ−φＣ） …（５）

ここで、（１）式〜（３）式のＴは、コイルＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの温度係数を示しており、図３に示すように温度が高くなる程、温度係数Ｔの値が増加することが知られている。また、θはロータ４１とステータ４３の相対的な回転角度を示している。（４）式及び（５）式は、３／２相変換器２４で得られる２相信号を示している。（５）式においてｓｑｒ（ｘ）は引数ｘの平方根を返す関数である。Ｒ／Ｄ変換器２５として１２ビット仕様の変換器を用いると、図２に示すレゾルバ４０のロータ歯数は１６０歯であるため、デジタル位置信号φはロータ一回転につき２¹²×１６０＝６５５３６０パルス、つまり、０から４０９５までのカウントアップが１６０回繰り返されたデジタル値となる。

温度検出回路３０は、レゾルバ信号φＡ、φＢ及びφＣを加算して、（６）式に示す温度検出信号Ｖｔを出力するアナログ加算回路３１と、温度検出信号Ｖｔの変調成分（ｓｉｎωｔ）を復調して（７）式に示す直流の振幅電圧Ｖ₀を得る復調器３２と、振幅電圧Ｖ₀をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器３３を備えて構成されている。アナログ加算回路３１はオペアンプＯＰと、帰還抵抗Ｒｆと、信号線Ｌ１〜Ｌ３とオペアンプＯＰの非反転入力端子の間に介装された抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃを備えて構成されるアナログ演算手段である。

Ｖｔ＝φＡ＋φＢ＋φＣ≒３・Ｔ・Ａ_dc・ｓｉｎωｔ …（６）
Ｖ₀＝３・Ｔ・Ａ_dc …（７）

オペアンプＯＰの出力信号をＶｔとし、Ｒａ≒Ｒｂ≒Ｒｃ≒Ｒｆとすれば、Ｖｔは（８）式に示すように近似できる。さらに、３相レゾルバ信号の包絡線の直流成分（Ａ_dc，Ｂ_dc，Ｃ_dc）にばらつきがなく、ほぼ同程度と考えると、変調成分（Ａ_ac・ｓｉｎθ，Ｂ_ac・ｓｉｎ（θ−１２０°），Ｃ_ac・ｓｉｎ（θ＋１２０°））はこれらを加算することで相殺されるため、（６）式に示すように近似できる。

Ｖｔ＝φＡ・（Ｒｆ／Ｒａ）＋φＢ・（Ｒｆ／Ｒｂ）＋φＣ・（Ｒｆ／Ｒｃ）
≒φＡ＋φＢ＋φＣ …（８）

温度検出信号Ｖｔとしては、ロータ４１とステータ４３の相対的な角度変位に依存しない信号であって、且つ、コイルＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの温度を反映して信号レベルが増減する感温特性を備えた信号が望ましい。本実施形態では（６）式から明らかなように温度検出信号Ｖｔはθを含まないため、ロータ４１とステータ４３の相対的な角度位置とは無関係に、コイル温度に依存して信号レベルが増減する信号を得ることができる。

温度検出信号Ｖｔを得るには（６）式に示すように３相レゾルバ信号をアナログ演算することで、変調成分（Ａ_ac・ｓｉｎθ，Ｂ_ac・ｓｉｎ（θ−１２０°），Ｃ_ac・ｓｉｎ（θ＋１２０°））を相殺するのが回路構成を簡素化する上で効果的であるが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、各相のレゾルバ信号を復調してｓｉｎωｔを除去した上で、Ａ／Ｄ変換を行い、ＣＰＵ２６によるデジタル信号処理によりコイル温度を反映した情報（例えば、温度係数Ｔ又はこれを含む振幅電圧Ｖ₀）を得るように構成してもよい。

尚、アナログ演算によって温度検出信号Ｖｔを得るには、レゾルバ信号の相数は３相に限らず、４相、５相、６相、８相などの多極レゾルバを用いた場合であっても、上述したアナログ演算によって温度検出信号Ｖｔを得ることが可能である。

ＣＰＵ２６は、温度検出回路３０から振幅電圧Ｖ₀を取得すると、これを温度情報として利用する。温度情報の利用形態として、各種の形態が考えられるが、例えば、コイルＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの断線又はレアショートが生じると、通常の温度変化とは著しく異なる温度変化が生じるため、レゾルバ断線検出回路又はレアショート検出回路として利用できる。また、本実施形態の温度検出回路３０をダイレクトドライブモータなどの位置検出器に組み込むことで、定格超え運転時の異常な温度上昇を監視することができる。もとより、装置の使用環境温度をセンシングできるため、レゾルバ４０の環境温度だけでなく、システム全体（レゾルバ４０、ドライブユニット２０を含むシステム全体）の環境温度のセンシング、温度補償に利用できる。

また、温度センサを新たに設けることなく、レゾルバ信号を演算処理するだけで、温度情報を取得できるため、モータの部品点数を増加することなく、温度検出機能を実装した角度位置検出装置１１を実現できる。これにより、システム設計の容易化、レゾルバ装置の省スペース化とコンパクト化、システムの高信頼性化を実現することができる。特に、温度環境に対して優れた温度特性を備えるレゾルバ装置の信頼性をより高めることができるため、位置検出精度の向上を図ることができる。

尚、角度位置検出対象としては、ダイレクトドライブモータに限られるものではなく、例えば、車両の電動パワーステアリング装置に角度位置検出装置１１を組み込むことにより、ステアリング操舵角を検出するように構成してもよい。

［発明の実施形態２］
次に、図４を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
同図は本実施形態の駆動装置１０の全体構成を示しており、図１と同一符号のブロックについては同一のものを表すものとして、その詳細な説明は省略する。主要な回路構成は第１実施形態と同様であるが、温度補償手段としてのアナログ減算回路５０が電流／電圧変換回路２３と３相／２相変換器２４の間に介装されている点において第１実施形態と相違する。アナログ加算回路３１から出力される温度検出信号Ｖｔは上述した復調器３２に入力される他、アナログ減算回路５０にも入力される。アナログ減算回路５０ではＡ_dc≒Ｂ_dc≒Ｃ_dcであるので、（９）式に示すように温度検出信号Ｖｔを生成し、さらに、（１０）式〜（１２）式に示すように３相レゾルバ信号（φＡ,φＢ，φＣ）と温度検出信号Ｖｔとの差分を演算する。

Ｖｔ＝Ｔ・Ａ_dc・ｓｉｎωｔ …（９）
φＡ−Ｖｔ＝Ｔ・Ａ_ac・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ …（１０）
φＢ−Ｖｔ＝Ｔ・Ｂ_ac・ｓｉｎ（θ−１２０°）・ｓｉｎωｔ …（１１）
φＣ−Ｖｔ＝Ｔ・Ｃ_ac・ｓｉｎ（θ＋１２０°）・ｓｉｎωｔ …（１２）

このアナログ減算処理により、３相レゾルバ信号の包絡線の直流成分（Ａ_dc，Ｂ_dc，Ｃ_dc）は除去され、コイルＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの温度ドリフト特性をある程度補償できる。また、このアナログ減算処理によって生成された信号には、ロータ４１とステータ４３の相対的な角度変位θの情報が含まれているため、３相／２相変換、及びＲ／Ｄ変換を施すことで、デジタル角度信号φを生成できる。

このように本実施形態によれば、温度情報を取得できるだけでなく、温度ドリフト補償をも実現できるため、位置検出精度の高精度化を図ることができる。もとより、本実施形態において、復調器３２とＡ／Ｄ変換器３３は必ずしも必須ではなく、これらのハードウエアを省略してアナログ減算器５０による温度補償機能のみを実装するように構成してもよい。

尚、上記各実施形態ではロータとしてステータとの対向面に複数の歯を有するいわゆる多極レゾルバの場合を説明したが、ロータ１回転で１周期のリラクタンスの変化を示し、回転角度の絶対位置を検出するのに用いられる、いわゆる単極レゾルバにも本発明は適用できる。

第１実施形態の駆動装置の全体構成図である。 レゾルバの断面図である。 コイル温度係数のグラフである。 第２実施形態の駆動装置の全体構成図である。

符号の説明

１０…駆動装置 １１…角度位置検出装置 ２０…ドライブユニット ２１…発信器 ２２…増幅器 ２３…電流／電圧変換回路 ２４…３相／２相変換器 ２５…Ｒ／Ｄ変換器 ２６…ＣＰＵ ２７…移相器 ３０…温度検出回路 ３１…アナログ加算回路 ３２…復調器 ３３…Ａ／Ｄ変換器 ４０…レゾルバ ４１…ロータ ４２…歯 ４３…ステータ ４４…極片 ４５…極片歯 ５０…アナログ減算回路

Claims (4)

1. （ａ）円周方向に沿って均等に配された極片にコイルを巻回してなる環状のステータと、前記ステータの極片と対向するように配されるロータを含み、前記ロータと前記ステータとの間の空隙のリラクタンスが前記ロータの角度位置に応じて変化するＮ相ＶＲ型レゾルバと、
   （ｂ）前記コイルから出力されるＮ相レゾルバ信号を演算処理することにより、前記ロータと前記ステータの相対的な角度位置に依存しない信号であって、前記コイルの温度を反映した温度検出信号を生成する演算手段と、
   を備える、角度位置検出装置。
2. 請求項１に記載の角度位置検出装置であって、
   前記演算手段は前記Ｎ相レゾルバ信号の各々を加算することにより、前記温度検出信号を生成するアナログ演算手段である、角度位置検出装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の角度位置検出装置であって、
   前記Ｎ相レゾルバ信号と前記温度検出信号を演算処理することにより、前記Ｎ相レゾルバ信号の包絡線の直流成分を除去し、前記ロータと前記ステータの相対的な角度変位の情報を含む信号を生成する温度補償手段をさらに備える、角度位置検出装置。
4. モータと、前記モータの回転方向の角度位置を検出するための請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の角度位置検出装置を備える、駆動装置。