JP2009156609A - リファレンス信号生成回路、角度変換器及び角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レゾルバの回転速度に制限されず、レゾルバ検出信号に含まれる励磁信号成分と正確に位相が一致したリファレンス信号を生成する。
【解決手段】レゾルバ２０より得られる２相のレゾルバ検出信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度算出部４０における励磁信号成分除去の同期検波に用いるリファレンス信号を生成するリファレンス信号生成回路５０を、レゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω）と角度算出部４０より得られるディジタル出力角度φの正弦値sin φとを乗算する乗算器５１と、レゾルバ検出信号cos θ sin（ωｔ＋Δω）と角度算出部４０より得られるディジタル出力角度φの余弦値cos φとを乗算する乗算器５２と、それら乗算器５１，５２の出力を加算してsin（ωｔ＋Δω）のリファレンス信号を生成する加算器５３とによって構成する。
【選択図】図１

Description

この発明はモータの回転角度を検出するレゾルバから出力される２相のレゾルバ検出信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度算出部における励磁信号成分除去の同期検波に用いるリファレンス信号を生成して角度算出部に供給するリファレンス信号生成回路及びそのリファレンス信号生成回路を具備する角度変換器、角度検出装置に関する。

１相励磁・２相出力のレゾルバより得られる２相のレゾルバ検出信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換するトラッキングループ方式の角度算出部（ＲＤコンバータ）においては、制御偏差sin（θ−φ）を零にすることで、検出角度θをディジタル出力角度φに変換するものとなっている。この制御偏差sin（θ−φ）を得るためには、レゾルバ検出信号に含まれる励磁信号成分を取り除く必要があり、励磁信号成分を除去するために励磁信号sin ωｔをリファレンス信号とした同期検波が行われている。

しかしながら、レゾルバ検出信号に含まれる励磁信号成分は種々の要因により励磁信号sin ωｔに対して一般に位相差Δωを持ち、よって励磁信号sin ωｔをリファレンス信号として同期検波を行うと、角度算出部のループゲインの低下を招くことになるため、位相差Δωを補正することが必要となる。

特許文献１にはこのような位相差Δωを補正する方法が記載されている。図９はその特許文献１に記載されている構成を示したものである。

この例ではレゾルバより得られる２相のレゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω），cos θsin（ωｔ＋Δω）は絶対値比較器１１に入力されると共に、スイッチ１２に供給されている。絶対値比較器１１の出力は切り替え信号としてスイッチ１２に供給されている。スイッチ１２には立上がりと立下がりのエッジを検出するための立上がり，立下がりエッジ検出器１３が接続されており、この立上がり，立下がりエッジ検出器１３の出力は同期化回路１４に入力されている。

一方、レゾルバに供給される励磁信号sin ωｔは９０°，２７０°信号発生器１５及び位相調整領域設定器１６に入力されており、９０°，２７０°信号発生器１５の出力は位相調整領域設定器１６に入力されている。位相調整領域設定器１６の出力は同期化回路１４に入力され、このような構成により、同期化回路１４からは励磁信号のsin ωｔをΔω分だけ移相して補正したリファレンス信号sin（ωｔ＋Δω）が得られるものとなっている。
特許第３４４２３１６号公報

上述したように、特許文献１では２相のレゾルバ検出信号から、それと同期したリファレンス信号を生成することで位相差の補正を行っている。

しかしながら、この特許文献１に記載されている方法では、リファレンス信号をsin θとcos θで振幅変調されたsin（ωｔ＋Δω）のゼロクロス時のエッジ検出により生成しているため、レゾルバが高速回転になるほど振幅変調されたsin（ωｔ＋Δω）の波形は崩れていき、正確な位相でリファレンス信号を生成することができないという問題がある。

また、ゼロクロス時のエッジ検出による生成は、実使用上のノイズ混入を考慮すると、これも位相ずれという問題を生じる要因となる。

この発明の目的はこのような問題に鑑み、レゾルバ検出信号に含まれる励磁信号成分の位相に正確に位相が一致したリファレンス信号を生成することができるリファレンス信号生成回路を提供することにあり、さらにそのようなリファレンス信号生成回路を具備した角度変換器、角度検出装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、励磁信号sin ωｔで励磁されるレゾルバより得られる２相のレゾルバ検出信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度算出部における励磁信号成分除去の同期検波に用いるリファレンス信号を生成して角度算出部に供給するリファレンス信号生成回路は、第１のレゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω）と角度算出部より得られるディジタル出力角度φの正弦値sin φとを乗算する第１の乗算器と、第２のレゾルバ検出信号cos θ sin（ωｔ＋Δω）と角度算出部より得られるディジタル出力角度φの余弦値cos φとを乗算する第２の乗算器と、第１の乗算器の出力と第２の乗算器の出力とを加算して、sin（ωｔ＋Δω）のリファレンス信号を生成する加算器とを具備するものとされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、角度算出部より得られる制御偏差sin（θ−φ）の絶対値と所定値とを比較して比較結果を出力するトラッキングループロック信号生成部と、そのトラッキングループロック信号生成部の出力に基づき、加算器の出力sin（ωｔ＋Δω）と励磁信号sin ωｔとを切り替えるスイッチとが設けられ、制御偏差の大きさでsin（ωｔ＋Δω）とsin ωｔとが切り替わるリファレンス信号が生成される。

請求項３の発明では請求項２の発明において、加算器の出力sin（ωｔ＋Δω）を矩形波に整形する第１の比較器と、その第１の比較器の出力を基準に同相の矩形波を発生して前記スイッチに供給するＰＬＬと、励磁信号sin ωｔを矩形波に整形して前記スイッチに供給する第２の比較器とが設けられる。

請求項４の発明によれば、角度変換器はレゾルバより得られる２相のレゾルバ検出信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度算出部と、請求項１乃至３記載のいずれかのリファレンス信号生成回路とを備える。

請求項５の発明によれば、角度検出装置は２相の検出信号を出力するレゾルバと、請求項４記載の角度変換器と、励磁信号sin ωｔをレゾルバに供給する励磁信号発生器とを備える。

この発明による同期検波用のリファレンス信号生成回路によれば、レゾルバの回転速度に制限されることなく、レゾルバ検出信号に含まれる励磁信号成分と正確に位相が一致したリファレンス信号を生成することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明によるリファレンス信号生成回路の一実施例の構成をレゾルバ、励磁信号発生器及び角度算出部と共に示したものである。

レゾルバ２０は１相励磁・２相出力とされ、このレゾルバ２０に励磁信号発生器３０から励磁信号sin ωｔが入力される。レゾルバ２０から出力される２相のレゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω），cos θsin（ωｔ＋Δω）は角度算出部４０に入力されると共に、リファレンス信号生成回路５０に入力される。これら角度算出部４０とリファレンス信号生成回路５０とによって角度変換器６０が構成されている。

まず、最初に、角度算出部４０の構成について説明する。
角度算出部４０は第１の乗算器４１と第２の乗算器４２と減算器４３と同期検波回路４４と制御器４５とＳＩＮ ＲＯＭ４６とＣＯＳ ＲＯＭ４７とによって構成されており、レゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω），cos θ sin（ωｔ＋Δω）の検出角度θをディジタル出力角度φに変換して出力する。

ＳＩＮ ＲＯＭ４６はディジタル出力角度φからディジタル出力角度φの正弦値sin φを生成して乗算器４２に出力し、ＣＯＳ ＲＯＭ４７はディジタル出力角度φからディジタル出力角度φの余弦値cos φを生成して乗算器４１に出力する。

乗算器４１はレゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω）とcos φとを乗算して、その乗算値sin θ sin（ωｔ＋Δω）cos φを減算器４３に出力し、乗算器４２はレゾルバ検出信号cos θ sin（ωｔ＋Δω）とsin φとを乗算して、その乗算値cos θ sin（ωｔ＋Δω）sin φを減算器４３に出力する。減算器４３は乗算器４１の出力sin θ sin（ωｔ＋Δω）cos φから乗算器４２の出力cos θ sin（ωｔ＋Δω）sin φを減算し、その減算値sin（θ−φ）sin（ωｔ＋Δω）を同期検波回路４４に出力する。

同期検波回路４４はこの例ではリファレンス信号生成回路５０から供給されるリファレンス信号sin（ωｔ＋Δω）を参照して減算器４３の出力sin（θ−φ）sin（ωｔ＋Δω）を同期検波し、その検波出力である制御偏差sin（θ−φ）を制御器４５に出力する。制御器４５は制御偏差sin（θ−φ）が零になるようにディジタル出力角度φを制御し、制御偏差sin（θ−φ）を零にすることで、検出角度θをディジタル出力角度φに変換する。

次に、リファレンス信号生成回路５０の構成について説明する。
この例ではリファレンス信号生成回路５０は第１の乗算器５１と第２の乗算器５２と加算器５３とによって構成されている。

乗算器５１はレゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω）と角度算出部４０のＳＩＮ ＲＯＭ４６より得られるsin φとを乗算して、その乗算値sin θ sin φ sin（ωｔ＋Δω）を加算器５３に出力し、乗算器５２はレゾルバ検出信号cos θ sin（ωｔ＋Δω）と角度算出部４０のＣＯＳ ＲＯＭ４７より得られるcos φとを乗算して、その乗算値cos θ cos φ sin（ωｔ＋Δω）を加算器５３に出力する。

加算器５３は乗算器５１の出力sin θ sin φ sin（ωｔ＋Δω）と乗算器５２の出力cos θ cos φ sin（ωｔ＋Δω）とを加算する。加算値として、
（cos θ cos φ＋sin θ sin φ）sin（ωｔ＋Δω）
が得られる。これは、
cos（θ−φ）sin（ωｔ＋Δω）
に等しく、ここでcos（θ−φ）の部分に注目すると、トラッキングループ追従時にはθ＝φであるため、
cos（θ−φ）sin（ωｔ＋Δω）＝sin（ωｔ＋Δω）
とみなすことができる。この結果、レゾルバ検出信号に含まれる励磁信号成分sin（ωｔ＋Δω）と等しい位相のリファレンス信号sin（ωｔ＋Δω）を得ることができる。

リファレンス信号生成回路５０はこのようにして生成したsin（ωｔ＋Δω）をリファレンス信号として角度算出部４０の同期検波回路４４に供給し、同期検波回路４４はこのリファレンス信号sin（ωｔ＋Δω）を用いることで、レゾルバ検出信号と正確に位相が一致した検波が可能となる。

以上説明したように、この例ではトラッキングループ方式の角度算出部４０が元々備えているＳＩＮ ＲＯＭ４６及びＣＯＳ ＲＯＭ４７から得られるsin φ及びcos φと、２相のレゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω）及びcos θ sin（ωｔ＋Δω）とから、乗算及び加算の演算処理により、リファレンス信号sin（ωｔ＋Δω）を算出するものとなっている。

つまり、レゾルバ検出信号に対して波形操作やゼロクロスのタイミングを取り出すのではなく、演算により原理的にsin（ωｔ＋Δω）を生成するものとなっているため、回転速度に依存することはなく、レゾルバ検出信号に正確に位相が一致したリファレンス信号を得ることができる。

上述した例ではトラッキングループが追従しているθ＝φの条件下で、位相差のない正確な同期検波が行われるものとなっている。しかるに、例えば動作開始時においてトラッキングループが追従していない場合、同期検波が位相差を持って行われるため、トラッキングループが追従するまでに時間を要することになる。

図２はこの点を改善し、トラッキングループが追従していない場合においては励磁信号sinωｔによる同期検波で追従性を優先し、追従している場合においては正確なリファレンス信号で同期検波が実行されるようにしたものであり、この例ではリファレンス信号生成回路５０’は図１に示した構成に加え、トラッキングループロック信号生成部５４とスイッチ５５とを具備するものとなっている。

トラッキングループロック信号生成部５４は角度算出部４０より得られる制御偏差sin（θ−φ）の絶対値と所定値とを比較して比較結果を出力する。

スイッチ５５には加算器５３の出力と、励磁信号発生器３０からの励磁信号sin ωｔとが接続され、スイッチ５５はトラッキングループロック信号生成部５４の出力に基づき、加算器５３の出力と励磁信号sin ωｔとを切り替える。スイッチ５５の出力はリファレンス信号として角度算出部４０の同期検波回路４４に入力される。

つまり、この例ではスイッチ５５の切り替え条件として、トラッキングループが追従状態にあるか否かを判断する信号をトラッキングループロック信号生成部５４で生成して用いるものとなっており、これによりトラッキングループ追従時には加算器５３の出力、即ちレゾルバ検出信号に含まれる励磁信号成分sin（ωｔ＋Δω）と位相が正確に一致したリファレンス信号により同期検波を実行できるようにし、一方、トラッキングループ非追従時には励磁信号sin ωｔをリファレンス信号とすることにより同期検波の確実な実行が保証されるようにしている。

なお、トラッキングループロック信号生成部５４において制御偏差sin（θ−φ）の絶対値と比較する所定値は例えば３０°とされ、つまりトラッキングループを追従状態と判断する角度偏差を｜θ−φ｜≦３０°とする。この角度偏差内においては、加算器５３の出力に切り替えてリファレンス信号を出力する。一方、｜θ−φ｜＞３０°においてはリファレンス信号を励磁信号に切り替えて出力する。

このように図２に示したリファレンス信号生成回路５０’によれば、トラッキングループの追従がいかなる状態においても同期検波へのリファレンス信号の供給が保証され、過渡的にはθ≠φであっても、トラッキングループが追従してθ＝φとなるので、レゾルバ検出信号と位相が正確に一致したリファレンス信号の生成が可能となる。

次に、図３に示した構成について説明する。この例ではリファレンス信号生成回路５０’’は図２に示した構成に加え、第１の比較器５６とＰＬＬ５７と第２の比較器５８とを具備するものとなっている。

加算器５３から出力されるsin（ωｔ＋Δω）は第１の比較器５６によって矩形波とされ、ＰＬＬ５７はその矩形波を基準として同相の矩形波を発生してスイッチ５５に供給する。一方、第２の比較器５８は励磁信号sin ωｔを矩形波としてスイッチ５５に供給する。

実環境上ではレゾルバ検出信号にはノイズが含まれているものと想定され、このレゾルバ検出信号を元にリファレンス信号を生成するという手法を用いる以上は、ノイズの影響によるリファレンス信号の位相揺らぎも否めない。

これに対し、この例ではsin（ωｔ＋Δω）を矩形波としてＰＬＬ５７に通すものとなっており、これによりレゾルバ検出信号に含まれるノイズの影響によるリファレンス信号の位相揺らぎを防ぐことができ、耐ノイズ性に優れ、安定したリファレンス信号を得られるものとなっている。

図４及び５は励磁信号周波数を１０ｋＨｚとした時の低速回転時（回転数：１００ｒｐｓ）及び高速回転時（回転数：３０００ｒｐｓ）の各信号波形を例示したものである。

低速回転時には図４に示したようにレゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω），cos θsin（ωｔ＋Δω）はsin ωｔ信号の振幅レベルが変化しただけの波形として得ることができ、レゾルバ検出信号を利用してリファレンス信号が生成できることがわかる。これに対し、高速回転時には図５に示したようにレゾルバ検出信号のゼロクロス点と励磁信号成分sin（ωｔ＋Δω）のゼロクロス点とのタイミングが一致しなくなる。

この図５に示したレゾルバ検出信号sin θ sin（ωｔ＋Δω），cos θsin（ωｔ＋Δω）に対して、例えば前述の特許文献１で行っている立上がり，立下がりエッジ検出をすると、図６に示したようになり、特許文献１に記載されている従来方式ではこれをトリガとしてリファレンス信号を作っているため、図７に示したように位相・デューティがおかしな波形となってしまう。つまり、前述したように特許文献１のような手法をとると、高速回転時には対応できないものとなる。

一方、この発明によれば高速回転時（回転数：３０００ｒｐｓ）においても図８に示したように位相・デューティが正確なリファレンス信号を生成することができる。

この発明によるリファレンス信号生成回路の第１の実施例を説明するためのブロック図。 この発明によるリファレンス信号生成回路の第２の実施例を説明するためのブロック図。 この発明によるリファレンス信号生成回路の第３の実施例を説明するためのブロック図。 低速回転時の波形を示す図。 高速回転時の波形を示す図。 図５に対し、従来方式の立上がり，立下がりエッジ検出を行った時の立上がり，立下がりエッジを示す図。 従来方式において図６のエッジ検出より生成した時のリファレンス信号の波形を示す図。 本発明におけるリファレンス信号の波形を示す図。 従来のリファレンス信号生成方法を説明するためのブロック図。

Claims (5)

1. 励磁信号sin ωｔで励磁されるレゾルバより得られる２相のレゾルバ検出信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度算出部における励磁信号成分除去の同期検波に用いるリファレンス信号を生成して前記角度算出部に供給するリファレンス信号生成回路であって、
   第１のレゾルバ検出信号sin θsin（ωｔ＋Δω）〔但し、Δωは前記励磁信号に対する前記励磁信号成分の位相差〕と、前記角度算出部より得られるディジタル出力角度φの正弦値sin φとを乗算する第１の乗算器と、
   第２のレゾルバ検出信号cos θsin（ωｔ＋Δω）と、前記角度算出部より得られるディジタル出力角度φの余弦値cos φとを乗算する第２の乗算器と、
   前記第１の乗算器の出力と前記第２の乗算器の出力とを加算して、sin（ωｔ＋Δω）のリファレンス信号を生成する加算器とを具備することを特徴とするリファレンス信号生成回路。
2. 請求項１記載のリファレンス信号生成回路において、
   前記角度算出部より得られる制御偏差sin（θ−φ）の絶対値と所定値とを比較して比較結果を出力するトラッキングループロック信号生成部と、
   そのトラッキングループロック信号生成部の出力に基づき、前記加算器の出力sin（ωｔ＋Δω）と前記励磁信号sin ωｔとを切り替えるスイッチとが設けられ、
   前記制御偏差の大きさでsin（ωｔ＋Δω）とsin ωｔとが切り替わるリファレンス信号が生成されることを特徴とするリファレンス信号生成回路。
3. 請求項２記載のリファレンス信号生成回路において、
   前記加算器の出力sin（ωｔ＋Δω）を矩形波に整形する第１の比較器と、
   その第１の比較器の出力を基準に同相の矩形波を発生して前記スイッチに供給するＰＬＬと、
   前記励磁信号sin ωｔを矩形波に整形して前記スイッチに供給する第２の比較器とを設けたことを特徴とするリファレンス信号生成回路。
4. レゾルバより得られる２相のレゾルバ検出信号の検出角度θをディジタル出力角度φに変換する角度算出部と、
   請求項１乃至３記載のいずれかのリファレンス信号生成回路とを備えることを特徴とする角度変換器。
5. ２相の検出信号を出力するレゾルバと、
   請求項４記載の角度変換器と、
   励磁信号sin ωｔをレゾルバに供給する励磁信号発生器とを備えることを特徴とする角度検出装置。

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