JP2011095047A - 角度検出回路および角度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定の角度をなし磁界の強さに応じた信号を出力する第1および第2の磁気センサからの出力信号を処理して回転体の回転角度を求める角度検出回路であって、
前記磁気センサからの出力信号に逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データに応じたsin関数の係数およびcos関数の係数を各乗算した減衰信号をそれぞれ得て、これら減衰信号の間をリニアに補間した結果としての補間信号の差信号の値を判定器で判定する。この判定器の判定出力に基づき各減衰器および補間器に供給する逐次比較演算に適用する漸次の角度データを設定すると共に、被検出角度データを得る。
【選択図】図1
Description
特許文献1所載の手法ではVx=A×cosθ、および、Vy=A×sinθというという磁気センサからの各出力を取得してVx×sinθ- Vy×cosθ=A×(cosθsinθ-sinθcosθ)=0となる演算を行なうことによって角度θを割り出す。
これらの特許文献所載の技術等の従来の技術は、例えば、回転角度センサとしての磁気センサにホール素子を用いるものが例示されている。
図15は、上述のような従来の技術において、磁気センサの出力を角度検出回路での信号処理に適合する形態に変換ための信号変換回路を表す機能ブロック図である。
この順次の処理過程で、チョッパー駆動回路1502aの出力以降、磁気センサ(X)1501aの出力は一貫して全差動信号の形態をとり、サンプリングアンドホールド回路1505aの出力として全差動信号XpおよびXnを得る。
上掲の特許文献1および特許文献2所載の技術では、これら信号形態が変換された磁気センサ(X)1501aの出力および磁気センサ(Y)1501bの出力に基づいて、これらをデジタル信号に変換し、これ以降、複雑なデジタル信号処理を施して測定対象である角度θを割り出す。上述の従来の技術は角度θを極めて高い正確度および精度で割り出せるという点において優れる。
本発明は上述のような状況に鑑みてなされたものであり、特に構成が簡素で小型な角度検出回路および角度検出装置を実現することをその目的とする。
(1)回転体の回転中心軸に対して相互に所定の角度をなすように配置され該配置された空間領域における磁界の強さに応じた信号を出力する第1および第2の磁気センサからの出力信号を処理して回転体の回転角度を求める角度検出回路であって、
前記第1の磁気センサからの出力信号に逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち一の時点での演算に適用する一の角度データに応じたsin関数の係数を乗算した第1および第2の減衰信号と、前記第2の磁気センサからの出力信号に前記一の角度データに応じたcos関数の係数を乗算した第3および第4の減衰信号と、を夫々生成する第1および第2の減衰器と、
前記一の角度データに基づき前記第1の減衰器からの前記第1および第2の減衰信号の間を補間する第1の補間信号と、前記一の角度データに基づき前記第2の減衰器からの前記第3および第4の減衰信号の間を補間する第2の補間信号と、を夫々生成する第1および第2の補間器と、
前記第1および第2の補間器からの第1および第2の補間信号の差信号の値を判定する判定器と、
前記判定器の判定出力に基づき前記第1および第2の減衰器および前記第1および第2の補間器に供給する前記逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち前記一の時点の次の時点での演算に適用する次の角度データを設定すると共に、前記回転体の前記回転角度を表す角度データを出力する角度制御部と、
を備えることを特徴とする角度検出回路。
その第1および第2の減衰器は、前記第1の磁気センサからの出力信号に逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち一の時点での演算に適用する一の角度データに応じたsin関数の係数を乗算した第1および第2の減衰信号と、前記第2の磁気センサからの出力信号に前記一の角度データに応じたcos関数の係数を乗算した第3および第4の減衰信号と、を夫々生成する。
更に、その判定器は、前記第1および第2の補間器からの第1および第2の補間信号の差信号の値を判定する。
そして、その角度制御部は、前記判定器の判定出力に基づき前記第1および第2の減衰器および前記第1および第2の補間器に供給する前記逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち前記一の時点の次の時点での演算に適用する次の角度データを設定すると共に、前記回転体の前記回転角度を表す角度データを出力する。
前記第1および第2の磁気センサが配置された空間領域に前記回転体の回転に応じた強さの磁界を発生させる磁石と、
第1および第2の磁気センサからの出力信号を処理して回転体の回転角度を求める角度検出回路とを備えた角度検出装置であって、
前記角度検出回路は、前記第1の磁気センサからの出力信号に逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち一の時点での演算に適用する一の角度データに応じたsin関数の係数を乗算した第1および第2の減衰信号と、前記第2の磁気センサからの出力信号に前記一の角度データに応じたcos関数の係数を乗算した第3および第4の減衰信号と、を夫々生成する第1および第2の減衰器と、前記一の角度データに基づき前記第1の減衰器からの前記第1および第2の減衰信号の間を補間する第1の補間信号と、前記一の角度データに基づき前記第2の減衰器からの前記第3および第4の減衰信号の間を補間する第2の補間信号と、を夫々生成する第1および第2の補間器と、前記第1および第2の補間器からの第1および第2の補間信号の差信号の値を判定する判定器と、前記判定器の判定出力に基づき前記第1および第2の減衰器および前記第1および第2の補間器に供給する前記逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち前記一の時点の次の時点での演算に適用する次の角度データを設定すると共に、前記回転体の前記回転角度を表す角度データを出力する角度制御部と、を備えることを特徴とする角度検出装置。
更に、その判定器は、前記第1および第2の補間器からの第1および第2の補間信号の差信号の値を判定する。
そして、その角度制御部は、前記判定器の判定出力に基づき前記第1および第2の減衰器および前記第1および第2の補間器に供給する前記逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち前記一の時点の次の時点での演算に適用する次の角度データを設定すると共に、前記回転体の前記回転角度を表す角度データを出力する。
図1は、本発明の一つの実施の形態としての角度検出回路の構成を表す機能ブロック図である。
図1の角度検出回路は、図示のように第1および第2の減衰器110および120、第1および第2の補間器130および140、判定器150、および、角度制御部160を含んで構成される。
即ち、減衰器110には、図15を参照して既述の磁気センサからの全差動出力Xp、Xnが入力される。そして、この減衰器110では、sin関数の係数を乗算した特性を呈する減衰処理が行われる。
減衰器110における減衰処理では、入力Xp-Xnに対して、逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち一の時点での演算に適用する一の角度データに応じたsin関数の係数を乗算した処理が行われ、逐次、この角度データを切替えながら所定の範囲で繰り返されて、第1および第2の減衰信号X01およびX02を得る。
上述の減衰器110および120における減衰処理については、後に、更に具体的に説明する。
補間器140は、減衰器120からの第3および第4の減衰信号Y01およびY02間を補間する第2の補間信号Youtを得る。
判定器150は、第1および第2の補間器130,140からの第1および第2の補間信号Xout、Youtの差信号の値を判定する
角度制御部は、判定器150の判定出力DETに基づき第1および第2の減衰器110、120、および、第1および第2の補間器130、140に供給する上述の逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち一の時点の次の時点での演算に適用する次の角度データを設定すると共に、上述の回転体の回転角度を表す角度データを出力する。
次に、適宜図2を参照して本発明による角度検出の原理について説明する。
Vx=A×cosθ、Vy=A×sinθという入力に対して、
DET= Vx×sinθ- Vy×cosθ=A×(cosθsinθ-sinθcosθ)=0となる演算を実行して角度θを求めるに、次のような手法を適用する。尚、ここにVxは既述の全差動信号Xp-Xnに相当し、Vyは全差動信号Yp-Ynに相当する。
X軸にsinθ、Y軸にcosθをかける。即ち、入力信号に-90°の直交成分をベクトル演算すると信号(振幅に関する情報)が除去されることを利用する。
上記DETに関する演算結果が極力0に収斂するθを探索することによって角度θを検出する。この手法によれば、期待値は0であるため入力信号レベルAに依存することなく角度θを検出することができる。
検出信号Aと演算の目標値B(Aから-90°回転した信号)に対し、目標値Bと制御される信号とが一致したときDET=0となり、角度θが検出される。
演算の設定角度が目標値Bと一致する過程で、
演算の設定角度が小さいときにはDET<0となるため設定角度を大きくする。
演算の設定角度が大きいときにはDET>0となるため設定角度を小さくする。
このような操作を0°から開始して、90°、45°、…、…と1/2ずつ逐次分解能を上げてゆきDET=0(ないしその近傍)に収斂させて角度θを検出する。
次に、角度を10ビットで検出する方法を説明する。尚、説明の便宜上、ここでは10ビットで検出するものとするが、ビット数はこれに限られるものではなく、例えば、12ビットで検出することによって更に精度の高い検出を行うようにすることもできる。
-π〜0〜πまでのデータを-512〜0〜512の数値に対応させて表現する。
N=ANGLE[9:4]:π/32 ステップで減衰器で検出する
M=ANGLE[3:0]:π/512 ステップで補間器で検出する
以上のように条件を設定し、先ず、減衰器による角度の検出は、-π〜0〜πまでのデータを1/2ずつ分解能を上げるようにして逐次比較によって検出を行う。
X軸の減衰器の出力 X01=sin((π/32)×N)×Xp
Y軸の減衰器の出力 Y01=cos((π/32)×N)×Yp
ここにN=-32〜31
判定器は次のような判定を行う。
DET= X01- Y01= sin((π/32)×N)×Xp - cos((π/32)×N)×Yp
角度制御部は、DET<0でNを増加させ、DET>0でNを減少させる。
この操作を0から開始して、π/2、π/4、…、…と1/2ずつ逐次分解能を上げてゆき、π/32ステップまで検出する。
N(0)=0……sin0=0であるため、Xout=0となり、Y軸のみで判定。
N(1)=±16…cos(π/2) = cos(3π/2) =0であるため、Yout=0となり、X軸のみで判定。
即ち、00:第1象限、01:第2象限、10:第3象限、11:第4象限
N(2)= N(1)±8
N(3)= N(2)±4
N(4)= N(3)±2
N(5)= N(4)±1
N(6)= N(5)またはN(5)-1:N(6)= N(5)±0.5の小数点以下切捨てと同じ結果
ここで、MSB6ビット分の判定は終了し N= N(6)となる。
先の判定により、検出する角度はNとN+1との間にあると推定される。
よって減衰器はX,YそれぞれNとN+1に相応する2本の信号を出力する。
X軸の減衰器の出力 X01= sin ((π/32)×N)×Xp X02= sin ((π/32)×(N+1))×Xp
Y軸の減衰器の出力 Y01= cos ((π/32)×N)×Yp Y02= cos ((π/32)×(N+1))×Yp
補間器はX,Yそれぞれ2本の信号を補間して1/16ステップで出力する。
Xout=( X01×(16- M)+ X02×M)/16
Yout=( Y01×(16- M)+ Y02×M)/16
ここにM=0〜15
DET= Xout- Yout=(( X01×(16- M)+ X02×M))/16)-(( Y01×(16- M)+ Y02×M))/16)
角度制御部は、DET<0でMを増加させ、DET>0でMを減少させる。
M(0)= 8
M(1)= 8±4
M(2)= M(1)±2
M(3)= M(2)±1
M(4)= M(3)またはM(3)-1:M(4)= M(3)±0.5の小数点以下切捨てと同じ結果
ここで、MSB6ビット分の判定は終了し M= M(4)となる。
よって、ANGLE[9:0]=N×16+ Mとなり、角度が検出された。
図3のタイミングを参照すると、ステータス1〜6では減衰器によるNの判定過程で、X01およびY01で判定し、ステータス7で判定を終了する。この終了と同時に補間器によるMの判定を開始して、ステータス7〜10ではMの判定過程で、減衰信号X01およびX02の補間値、減衰信号Y01およびY02の補間値で判定し、ステータス11で判定終了し、角度検出が終了する。
この例では、30°の角度をN=5、M=5、ANGLE[9:0]=5×16+5=85と検出している。
図4(A)は減衰器による検出データ、図4(B)は補間器検出時の減衰器の出力データ、図4(C)は補間器による検出データである。
図5は図4の中間結果データの推移を図形上で表す図である。図5(A)は図4(A)に対応する減衰器による検出手順を表す図、図5(B)は図4(C)に対応する補間器による検出手順を表す図である。
図6は、図4および図5に対応するタイミング図である。
ここでは、X軸の減衰器を例にしてその構成を説明する。
X軸の減衰器の出力は、X01、X02の2値である。
X01= sin ((π/32)×N)×Xp X02= sin ((π/32)×(N+1))×Xp
減衰器におけるX01、X02の減衰量は図7に示すとおりである。
図7に示す減衰量は割り切れる値ではないため、logスケールのボリューム等と同様、長さの調整で分解能の高い抵抗値が得られるポリ抵抗等で構成する。
例えば、演算結果が0のときには減衰器のPとNとの中間から、+のときにはXp側から、-のときにはXn側のから出力を取り出す。
更に、各象限の減衰量に注目すると、
第2象限の減衰量は、N′=31-NとしX01とX02とを入れ替えたら第1象限の減衰量に一致する。
第3象限の減衰量は、N″=33-NとしX01とX02とを入れ替えたら第4象限の減衰量に一致する。
従って、減衰器はP/N入力と、32個の抵抗と、各抵抗の両端33本から2本の出力を選択する33to2セレクタで構成することができる。
Y軸の減衰器の出力は、Y01、Y02の2値を出力する。
Y01= cos((π/32)×N)×Yp Y02= cos((π/32)×(N+1))×Yp
減衰器におけるY01、Y02の減衰量は図8に示すとおりである。
これもX軸のデータを-90°シフトしたもので、セレクタのみが異なる。またセレクタもX軸のセレクタと共用できる部分は多い。
次に、補間器の構成例について説明する。
補間器には何通りかの構成があるが、上述の角度検出(30°の例)では、1に規格化した最終の判定値は-0.002となっている。例えば、センサのレベルが1Vなら、1V〜2mVまでの非常に広い判定レンジが必要となる。更にセンサのレベルも磁石の磁力や磁石までの距離に応じて大きく変化する。
そこで、判定器の負荷を軽減するために、補間器で可変のゲインを持たせるように構成する。
既述のように、Xout=( X01×(16- M)+ X02×M)/16
ここにM=0〜15
ここで、次のようにBを可変にして、Xoutのゲインを可変にする。なお、減衰器の判定過程ではM=0とし、Xout= X01を出力する。
Xout=( X01×(16- M)+ X02×M)/B ここにM=0〜15 B=1〜16
上記の式では16段階の調整が可能であるが、1倍と8倍との2レベル可変が実用的であろう。
図10は、抵抗タップで補間し、ゲインを1倍と8倍とに可変に構成した補間器の構成例を表す図である。
図10の補間器ではX01とX02とをアンプで増幅して直列に配した16個の抵抗を駆動する。
16to1のセレクタにより、補間値を選択して出力する。そして、非反転増幅器の帰還信号によりゲインを設定する。
更に、オペアンプの帰還部分を選択してゲインを設定する。
1倍のゲイン設定時は、各々オペアンプの出力を帰還し、ボルテージフォロワとする。
8倍のゲイン設定時は、7Rと9Rから帰還し、8倍の非反転増幅器とする。
即ち、1倍のゲインを8R/8Rのボルテージフォロアで実現し、8倍のゲインを8R/1Rのボルテージフォロアで実現する。
図12は、キャパシタバンクで補間し、ゲインを1倍と8倍とに可変に構成した補間器の構成例を表す図である。
図12の構成では、X01とX02とをキャパシタバンク(本例では、ビットの重み付けを持たせた16個のサンプリングキャパシタ)に接続する。
ホールドキャパシタ(帰還キャパシタ)の数Bでゲインを設定する。そして、この設定は次のように設定する。
即ち、ゲイン1倍の場合はB=16、ゲイン8倍の場合はB=2とする。
また、φ1=Hでサンプリング、φ2=Hでホールドを行う。
尚、図12の回路は、図示の状態でゲインアップがない状態である。
図13に、図12の補間器の動作タイミングを示す。
Xoutを比較器の+に、Youtを比較器の-に各入力し、DET= Xout- Youtとなるようにする。回路構成上DETのアナログ値は必要が無いため、比較器を適用して判定器を構成することができる。
次に、アンプのオフセット対策について説明する。
既述の2例の補間器において、アンプにオフセット電圧があると特性が劣化する。既述の図10の回路では、P側(正側)およびN側(負側)のオフセットが同じ方向なら影響が少ないが、異なる方向であってその絶対値が分解能より大きい場合には、所謂コード飛びなどによりDNL(Defferential Non Lineality :微分非直線性)が劣化する。
一方、既述の図12の回路では、各軸の0点でエラーが発生するため、0°、90°、180°、270°で歪が発生する。
図14は、図12の回路の変形例を表す図である。
図示のとおり、X軸用のキャパシタバンクとY軸用のキャパシタバンクとをそれぞれ設けるように構成する。そして、Det_A_Out= Xout- Youtを出力する。
図14の回路の動作タイミングは図12の回路と同じである。即ち、図13のタイミグである。
尚、図14の回路は、図示の状態でゲインアップがない状態である。
Y軸の反転信号は、既述の減衰器の33to2セレクタを一部変更するだけでよい。
また、後段の判定器は正負の判定だけできればよいため、+にDet_A_Outを入力し且つ-にシステムグランドを入力するコンパレータを適用すればよい。
これは、判定がオフセット分シフトするということであり、検出値の直線性には影響しない。このシフトは、実際には角度ずれとして発生するが、部品のアライメントエラーよりも少ないと見込まれる。
130、140…………………………補間器
150……………………………………判定器
160……………………………………角度検出部
1501a………………………………磁気センサ(X)
1501b………………………………磁気センサ(Y)
1502a、1502b………………チョッパー駆動回路
1503a、1503b………………信号増幅回路
1504a、1504b………………チョッパー復調回路
1505a、1505b………………サンプリングアンドホールド回路
Claims (2)
- 回転体の回転中心軸に対して相互に所定の角度をなすように配置され該配置された空間領域における磁界の強さに応じた信号を出力する第1および第2の磁気センサからの出力信号を処理して回転体の回転角度を求める角度検出回路であって、
前記第1の磁気センサからの出力信号に逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち一の時点での演算に適用する一の角度データに応じたsin関数の係数を乗算した第1および第2の減衰信号と、前記第2の磁気センサからの出力信号に前記一の角度データに応じたcos関数の係数を乗算した第3および第4の減衰信号と、を夫々生成する第1および第2の減衰器と、
前記一の角度データに基づき前記第1の減衰器からの前記第1および第2の減衰信号の間を補間する第1の補間信号と、前記一の角度データに基づき前記第2の減衰器からの前記第3および第4の減衰信号の間を補間する第2の補間信号と、を夫々生成する第1および第2の補間器と、
前記第1および第2の補間器からの第1および第2の補間信号の差信号の値を判定する判定器と、
前記判定器の判定出力に基づき前記第1および第2の減衰器および前記第1および第2の補間器に供給する前記逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち前記一の時点の次の時点での演算に適用する次の角度データを設定すると共に、前記回転体の前記回転角度を表す角度データを出力する角度制御部と、
を備えることを特徴とする角度検出回路。 - 回転体の回転中心軸に対して所定の角度をなすように配置され、磁界の強さに応じた信号を出力する第1および第2の磁気センサと、
前記第1および第2の磁気センサが配置された空間領域に前記回転体の回転に応じた強さの磁界を発生させる磁石と、
第1および第2の磁気センサからの出力信号を処理して回転体の回転角度を求める角度検出回路とを備えた角度検出装置であって、
前記角度検出回路は、前記第1の磁気センサからの出力信号に逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち一の時点での演算に適用する一の角度データに応じたsin関数の係数を乗算した第1および第2の減衰信号と、前記第2の磁気センサからの出力信号に前記一の角度データに応じたcos関数の係数を乗算した第3および第4の減衰信号と、を夫々生成する第1および第2の減衰器と、前記一の角度データに基づき前記第1の減衰器からの前記第1および第2の減衰信号の間を補間する第1の補間信号と、前記一の角度データに基づき前記第2の減衰器からの前記第3および第4の減衰信号の間を補間する第2の補間信号と、を夫々生成する第1および第2の補間器と、前記第1および第2の補間器からの第1および第2の補間信号の差信号の値を判定する判定器と、前記判定器の判定出力に基づき前記第1および第2の減衰器および前記第1および第2の補間器に供給する前記逐次比較演算に適用する漸次の複数の角度データのうち前記一の時点の次の時点での演算に適用する次の角度データを設定すると共に、前記回転体の前記回転角度を表す角度データを出力する角度制御部と、を備えることを特徴とする角度検出装置。
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