JP2011099828A - 信号処理回路 - Google Patents

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健之 鈴木
Hiroyuki Hayashi
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Abstract

【課題】外部からの信号を用いて、位置センサから十分な出力が得られるように、位置センサに適した励磁信号を作成することができる信号処理処理回路を提供すること。
【解決手段】励磁コイル21と検出コイル24,25を有するセンサ部20に励磁信号P4を供給し、センサ部20から出力される検出信号P5,P6を取得する回路部30に、外部から供給される正弦波信号Pinをトリガ検出して矩形波信号P2とするトリガ検出回路38と、基準クロックを発生する基準クロック発生器31と、基準クロック及び矩形波信号P2に基づき、正弦波信号Pinと同期するとともに同じ周波数である励磁信号波形を作成するための波形データを作成するロジック回路15と、波形データに基づき励磁コイル21に供給する励磁信号P4を作成するD/Aコンバータ35とを設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、励磁コイルと検出コイルを有する位置センサに励磁信号を供給し、位置センサから出力される検出信号を取得する信号処理回路に関するものである。
従来、ハイブリッド自動車や電気自動車において、高出力のブラシレスモータが使用されている。ハイブリッド自動車のブラシレスモータを制御するためには、モータの出力軸の回転位置を正確に把握する必要がある。ステータの各コイルへの通電切り替えを制御するには、ロータの回転位置を正確に把握している必要があるからである。特に、自動車においては、コギングがドライバビリティを悪くするので、コギングを減少させることが要望されているため、通電切替を正確に行いたいという要望が強い。
自動車のモータ軸の位置検出には、耐高温性、耐ノイズ性、耐振動性、耐高湿性等の機能を満足するために、レゾルバが使用されている。レゾルバは、モータの内部に組み込まれて、モータのロータ軸に直接取り付けられている。
例えば、特許文献1のレゾルバでは、振幅変調された高周波を、励磁信号として励磁コイルに入力している。これにより、励磁コイルの巻線数を減少できる効果を奏する。ここで、励磁信号及び高周波は、アナログ波を使用している。
また、特許文献2〜4の文献では、検出コイルが検出して出力する出力信号をデジタル変換することが記載されている。
特許第3047231号公報 特開平10-111145号公報 特開2007-57316号公報 特開2008-89409号公報
しかしながら、実用化されているハイブリッド自動車や電気自動車では、ロータの回転位置を検出するレゾルバとして、低周波の励磁信号を励磁コイルに入力する低周波励磁型のものが使用されている。このため、上記した高周波の励磁信号を励磁コイルに入力する高周波励磁型のレゾルバを使用する場合には、高周波型のレゾルバ/デジタルコンパレータが必要になる。なぜなら、高周波励磁型のレゾルバではコイルの巻き線数が少なくなっているため、低周波の励磁信号では検出コイルから十分な出力が得られないからである。すなわち、従来の低周波型のレゾルバ/デジタルコンパレータでは、高周波励磁型のレゾルバを使用して、検出コイルから十分な出力を得ることができないのである。
このようなことから、高周波励磁型のレゾルバを使用するためには、レゾルバを変更するだけではなく、システム全体を改良する必要があった。これでは、高周波励磁型のレゾルバでコイルの巻線数を減少させることによって低コスト化が図られていても、高周波励磁型のレゾルバを使用すると、システム全体としては低コスト化を図ることができなくなるおそれがあった。
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、外部からの信号を用いて、位置センサから十分な出力が得られるように、位置センサに適した励磁信号を作成することができる信号処理回路を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、励磁コイルと検出コイルを有する位置センサに励磁信号を供給し、位置センサから出力される検出信号を取得する信号処理回路において、外部から供給される正弦波信号をトリガ検出して矩形波信号とする波形変換回路と、基準クロックを発生する基準クロック発生器と、前記基準クロック及び前記矩形波信号に基づき、前記正弦波信号と同期するとともに同じ周波数である励磁信号波形を作成するための波形データを作成するロジック回路と、前記波形データに基づき前記励磁コイルに供給する励磁信号を作成するD/Aコンバータと、を有することを特徴とする。
この信号処理回路では、ロジック回路により、基準クロック及び矩形波信号に基づき、外部から供給される正弦波信号と同期するとともに同じ周波数である励磁信号波形を作成するための波形データが作成される。そして、D/Aコンバータにより、その波形データに基づき励磁コイルに供給する励磁信号が作成される。これにより、外部から供給される信号を用いて、位置センサに適した励磁信号が作成される。従って、この信号処理回路を用いることにより、位置センサのみを変更して従来のコントローラ(レゾルバ/デジタルコンバータなど)を使用することができる。
また、信号処理回路がデジタル回路として構成されているので、信号処理回路を容易にチップ化することができる。これにより、信号処理回路の生産コストを低減することができるため、信号処理回路の低コストを図ることができる。
上記した信号処理回路において、前記励磁信号は、前記基準クロックを元に作成された搬送波が前記正弦波信号により変調された信号であり、前記検出コイルから出力される検出信号を復調する復調回路を有することが望ましい。
このような構成にすることにより、従来の低周波型の位置検出システムにおいて、高周波励磁型の位置センサを使用しても、検出コイルから十分な出力を得ることができる。従って、この信号処理回路を用いることにより、位置センサを低周波励磁型から高周波励磁型へ変更して、従来の低周波型のコントローラをそのまま使用することができる。このように、従来の位置検出システムを利用して、高周波励磁型の位置センサを使用することができ、信号処理回路は低コスト化が図られているので、システム全体として低コストを図ることができる。
上記した信号処理回路において、前記復調回路は、同期検波器を備えており、前記ロジック回路は、前記同期検波器での検波タイミングを前記基準クロックの周期単位で調整する調整回路を備えていることが望ましい。
このような構成にすることにより、調整回路によって検波のタイミングをデジタル処理するため、検波のタイミングを容易に制御することができる。このため、励磁信号と検出信号に位相ズレが発生しても、復調回路からゲインの大きな信号を出力することができる。これにより、位置センサによる位置検出を精度良く行うことができる。
ここで、各検出コイルからは、正弦波の検出信号と余弦波の検出信号がそれぞれ出力されるが、これらの検出信号間でも位相ズレが発生するおそれがある。そのため、各検出信号を同じタイミングで検波すると、いずれか一方の信号のゲインが小さくなってしまい、位置センサの位置検出精度が低下するおそれがある。
そこで、上記した信号処理回路において、前記調整回路は、前記検出信号ごとに前記同期検波器での検波タイミングを調整するようにしてもよい。
このような構成にすることにより、各検出信号間に位相ズレが発生しても、各復調回路からゲインの大きな信号を出力することができる。これにより、位置センサの検出位置精度を高めることができる。
上記した信号処理回路において、前記復調回路は、前記同期検波器の出力を平滑化するローパスフィルタを備えていることが望ましい。
このような構成にすることにより、同期検波器から出力される信号のうち高周波成分を除去することができる。その結果、ノイズのない信号を外部に出力することができ、位置センサの位置検出精度を高めることができる。
上記した信号処理回路において、前記復調回路からの出力信号の振幅を調整して外部に出力する出力調整回路を有することが望ましい。
このような構成にすることにより、外部のコントローラで必要とされる振幅に調整した出力信号を出力することができる。その結果、信号処理回路からの出力信号を外部コントローラで調整することなく処理することができる。
本発明に係る信号処理回路によれば、上記した通り、外部からの信号を用いて、位置センサから十分な出力が得られるように、位置センサに適した励磁信号を作成することができる。
実施の形態に係る回転角センサの制御構成を示すブロック図である。 励磁コイルに入力する励磁信号の説明図である。 正弦成分用の同期検波器の作用を説明するための図である。
以下、本発明の信号処理回路を具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態は、モータの回転角度を検出する回転角センサに本発明を適用したものである。そこで、本実施の形態の信号処理回路が組み込まれた回転角センサについて、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施の形態に係る回転角センサの制御構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施の形態に係る回転角センサ10は、大きくセンサ部20と回路部30とにより構成されている。この回路部30が、本発明の信号処理回路の一例である。
センサ部20には、ロータリトランス21,22と、励磁コイル23と、第1検出コイル24及び第2検出コイル25とが備わっている。励磁コイル23は、不図示のロータに固設されている。一方、第1検出コイル24と第2検出コイル25とは、不図示のステータに固設されている。第1検出コイル24は正弦波の検出信号P5を出力し、第2検出コイル25は、余弦波の検出信号P6を出力する。
そして、ロータリトランス21,22は、回路部30から入力する励磁信号P4をロータに設けられた励磁コイル23に伝えるために、ステータとロータに一対として取り付けられている。具体的には、ロータリトランス21がステータに、ロータリトランス22がロータに、それぞれ取り付けられている。このようにセンサ部20は、1励磁2出力型のレゾルバとして構成されている。また、センサ部20は高周波励磁型のレゾルバとして構成され、コイル23,24,25の巻線数が少なくされており、低コスト化が図られている。
一方、回路部30は、基準クロック発生器31と、分周回路32と、カウンタ33と、波形データ作成部34と、D/Aコンバータ35と、増福器36と、アッテネータ37と、トリガ検出回路(波形変換回路)38と、窓調整回路39と、増幅器40,50と、同期検波器41,51と、ローパスフィルタ42,52と、出力調整増幅器43,53とを備えており、デジタル回路として構成されている。このため、回路部30は、簡単にチップ化することができるので、回路部30の生産コストを低減することができる。これにより、回転角センサ10の低コストを図ることができる。そして、本実施の形態では、カウンタ33、波形データ作成部34、及び窓調整回路39により、ロジック回路15が構成されている。また、同期検波器41とローパスフィルタ42により正弦波用の復調回路45が構成され、同期検波器51とローパスフィルタ52により余弦波用の復調回路55が構成されている。
基準クロック発生器31は、高周波の基準クロックを発生するものである。分周回路32は、基準クロック発生器31で生成した基準クロックを、基準クロックよりも低い周波数のクロックに変換する回路である。波形データ作成部34は、外部に設けられたレゾルバ/デジタルコンバータから入力される低周波の励磁正弦波入力信号Pinと、トリガ検出回路38から出力される矩形波P2とに基づき、励磁コイル23に入力する変調波信号(励磁信号)P4の波形を作成するための波形データを作成するものである。D/Aコンバータ35は、波形データ作成部34で作成された波形データに基づき、励磁コイル23に入力する変調波信号(励磁信号)P4を作成するものである。トリガ検出回路38は、励磁正弦波入力信号Pinをトリガ検出して矩形波P2とするものである。窓調整回路39は、同期検波器41,51での検波タイミングを基準クロックの周期単位で調整するものである。出力調整増幅器43,53は、復調回路45,55からの出力信号の振幅を、外部に設けられたレゾルバ/デジタルコンバータで必要とされる振幅に調整(本実施の形態では増幅)するものである。
そして、基準クロック発生器31は、分周回路32に接続している。分周回路32は、カウンタ33に接続している。カウンタ33は、波形データ作成部34、及び窓調整回路39に接続している。波形データ作成部34は、変調波信号(励磁信号)P4を発生するためのD/Aコンバータ35に接続している。D/Aコンバータ35は、増幅器36を介してセンサ部20のロータリトランス21に接続している。
また、外部に設けられたレゾルバ/デジタルコンバータから励磁正弦波入力信号Pinが入力されるアッテネータ37が、トリガ検出回路38に接続している。本実施の形態では、アッテネータ37に、10kHz,20Vp−pの正弦波が入力され、そのゲインが5Vp−pに減衰される。そして、トリガ検出回路38は、カウンタ33に接続している。これにより、励磁正弦波入力信号Pinが減衰され、トリガ検出回路38によりその減衰された励磁正弦波入力信号の電圧が変換されて矩形波P2にされるようになっている。本実施の形態では、矩形波P2の電圧は3.3Vである。そして、トリガ検出回路38で作成された矩形波P2が、カウンタ33にされるようになっている。
さらに、センサ部20の第1検出コイル24は、増幅器40を介して同期検波器41に接続している。同期検波器41は、ローパスフィルタ42に接続している。ローパスフィルタ42は、出力調整増幅器43に接続している。同様に、第2検出コイル25は、増幅器50を介して同期検波器51に接続している。同期検波器51は、ローパスフィルタ52に接続している。ローパスフィルタ52は、出力調整増幅器53に接続している。
次に、上記構成を有する回転角センサ10の作用について説明する。まず、ロジック回路15における波形作成について説明する。ロジック回路15は、パルス信号により振幅変調された図2に示す変調波信号(励磁信号)P4が作成される。図2は、励磁コイルに入力する励磁信号の説明図である。
基準クロック発生器31からの高周波の基準クロックを、分周回路32で分周してパルス信号(搬送波)P1を生成する。本実施の形態では、基準クロック発生器31により、30.72MHzの高周波の基準クロックが生成され、分周回路32により、30.72MHzの基準クロックが480kHzに分周される。つまり、分周回路32で480kHzのパルス信号P1が生成される。
このパルス信号P1は、カウンタ33に入力される。また、カウンタ33には、トリガ検出回路38から出力される矩形波P2が入力されている。そして、カウンタ33は、パルス信号P1のパルスをカウントするとともに、パルス信号P1をトリガ検出回路38で作成された矩形波信号P2に同期させる。そして、同期させられたカウントデータを伴ったパルス信号P3を、波形データ作成部34に入力する。本実施の形態では、パルス信号P3を、カウンタ33で48個のパルスをカウントしてそれを1周期分として矩形波信号P2に同期させたものとしている。波形データ作成部34は、パルス信号P3に基づいて振幅変調した正弦波を作成するためのプログラムを記憶しており、D/Aコンバータ35と共に以下の作用を行う。
波形データ作成部34及びD/Aコンバータ35は、パルス信号P3の1番目の基準パルスで、図2に示すt1のマイナス振幅のパルスを生成する。2番目の基準パルスで、s1のプラス振幅のパルスを生成する。順次基準パルスに基づいて、図2のT1で示す区間において、t2,s2,t3,s3,・・・s23,t24,s24の振幅のパルスを生成する。さらに、図2のT2で示す区間において、t25,s25,t26・・・t48,s48の振幅のパルスを生成する。
T1の区間における、プラス振幅のs1,s2,・・・s24,及びT2の区間における、マイナス振幅のs25,s26,・・・s48により、正弦波の0度から360度までの一周期の波形が形成される。これにより、D/Aコンバータ35は、図2に示す振幅変調された変調波信号P4を出力する。変調波信号P4の周波数は、480kHz/48=10kHzとなり、外部に設けられたレゾルバ/デジタルコンバータから回路部30に入力される励磁正弦波入力信号Pinの周波数と同じにされている。
D/Aコンバータ35から出力された変調波信号P4は、増幅器36により増幅された後、一対のロータリトランス21,22を介して励磁コイル23に入力する。すなわち、振幅変調された10kHzの変調波信号(励磁信号)P4が、励磁コイル23に供給される。そうすると、第1検出コイル24には、誘起電流が発生し、これが検出されて検出信号P5として出力される。この検出信号P5は励磁信号に位置に応じた正弦成分を乗算したものである。同様に、第2検出コイル25にも、誘起電流が発生し、これが検出されて検出信号P6として出力される。この検出信号P6は励磁信号に位置に応じた余弦成分を乗算したものである。ここで、検出信号P5,P6は、センサ部20のインピーダンスにより変調波信号P4に対して若干の位相ズレ(遅延)が発生する。そして、検出信号P5は、増幅器40を介して同期検波器41に入力される。同様に、検出信号P6は、増幅器50を介して同期検波器51に入力される。
続いて、同期検波器41の作用について、図3を参照しながら説明する。図3は、正弦成分用の同期検波器の作用を説明するための図である。図3(1)は励磁信号P4を示し、図3(2)は検出信号P5を示し、図3(3)は検波タイミング信号P9sを示し、図3(4)は検波後信号P7を示している。検波後信号P7は、検出信号P5を検波タイミング信号P9sのパルスタイミングに基づいて検波して得られるものである。本実施の形態では、検波タイミング信号P9sを、窓調整回路39により960kHzの信号として生成し、同期検波器41において、検波時間(960kHz相当)を、信号切替時間(480kHz相当)の1/2としている。
ここで、図3(2)に示すように、検出コイル24から出力するレゾルバの出力である検出信号P5は、励磁信号P4に対して位相ズレDが発生している。この位相ズレDは、センサ部20のインピーダンスにより発生する。このため、励磁信号P4に同期して検出信号P5の検波を行うと、検波後信号P7のゲインが小さくなってしまう。その結果、回転角センサ10における検出精度が悪化する。
そこで、本実施の形態では、窓調整回路39において、位相ズレDに相当する時間分だけ検波タイミング信号P9sの発生タイミングをずらしている。この検波タイミング信号P9sの発生タイミングは、基準クロックの周波数単位(本実施の形態では、30.72MHz相当の時間)で調整することができる。これにより、同期検波器41では、図3(2)に示す検出信号P5を正確に検波することができる結果、検出信号P5の個別波形S1,S2,・・・から、検波後信号P7として個別波形SS1,SS2,・・・(図中斜線)を取り出すことができる。従って、検波後信号P7のゲインを大きくすることができるため、回転角センサ10の検出精度を向上させることができる。
なお、検波タイミング信号P9sの発生タイミングの調整は、センサ部20において、励磁信号P4と検出信号P5との間に発生する位相ズレの大きさを予め計測しておき、その位相ズレに相当する時間分だけ、検波タイミング信号P9sが励磁信号P4を作るパルス信号P1に対して遅延するようにすればよい。このような調整は、デジタル処理で行うため、精度良くかつ容易に行うことができる。
上記では正弦成分用の同期検波器41の作用について説明したが、余弦成分用の同期検波器51の作用も基本的に同期検波器41と同様であるからその説明は省略する。なお、同期検波器51に供給する検波タイミング信号P9cは、同期検波器41に供給する検波タイミング信号P9sと同じであってもよいが、好ましくは異なっている方がよい。つまり、窓調整回路39で、同期検波器41に供給する検波タイミング信号P9sと、同期検波器51に供給する検波タイミング信号P9cとを別々に作成することが好ましい。第1検出コイル24から出力される検出信号P5と、第2検出コイル25から出力される検出信号P6との間に、位相ズレが生じる場合もあるので、同じ検波タイミング信号であると、検出信号P5又は検出信号P6のいずれか一方の検波を正確に行えない可能性があるからである。
そのため、本実施の形態では、窓調整回路39により、同期検波器41に供給する検波タイミング信号P9sと、同期検波器51に供給する検波タイミング信号P9cとは別々に作成している。これにより、検出信号P5,P6間に位相ズレが発生しても、各同期検波器41,51において正確に各検出信号P5,P6の検波を行うことができる。従って、各同期検波器41,51からそれぞれゲインの大きな検波後信号P7,P8を出力することができるので、回転角センサ10の検出精度を一層高めることができる。
そして、検波後信号P7,P8は、それぞれローパスフィルタ42,52に入力される。このローパスフィルタ42,52により、検波後信号P7,P8に含まれる搬送波成分及び高周波のノイズ成分が除去される。これにより、ノイズのない検波信号P7,P8が、それぞれ出力調整増幅器43,53に入力される。各調整増幅器43,53では、ノイズのない検波後信号P7,P8の振幅が、外部に設けられたレゾルバ/デジタルコンバータで必要とされる値に調整される。本実施の形態では、外部に設けられたレゾルバ/デジタルコンバータの仕様に合致するように、検波信号P7,P8の振幅を大きくしている。これにより、回路部30からの出力信号Pos,Pocを外部に設けられたレゾルバ/デジタルコンバータで調整することなく処理することができる。すなわち、出力信号Pos,Pocの出力比に基づき、ロータの回転角度を検出することができる。
以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る回転角センサ10によれば、巻線数の少ないコイル23,24,25を備える高周波励磁型のセンサ部20を有していても、既存の低周波型のレゾルバ/デジタルコンバータを利用して、ロータの回転角を精度良く検出することができる。つまり、本実施の形態に係る回路部30を用いることにより、レゾルバを低周波励磁型から高周波励磁型へ変更しても、従来の低周波型のレゾルバ/デジタルコンバータをそのまま使用することができる。このように、従来の回転角検出システムを利用して、コイルの巻線数を減少させた高周波励磁型のレゾルバを使用することができ、また、回路部30をデジタル回路で構成することにより回路部30の低コスト化が図られているので、システム全体として低コストを図ることができる。
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、レゾルバを用いた角度検出について説明したが、励磁コイルを直線状に配置することにより、直線的な位置を検出する位置センサに応用することができる。
10 回転角センサ
15 ロジック回路
20 センサ部
23 励磁コイル
24 第1検出コイル
25 第2検出コイル
30 回路部
31 基準クロック発生器
34 波形データ作成部
35 D/Aコンバータ
38 トリガ検出回路
39 窓調整回路
41 同期検波器
45 復調回路
51 同期検波器
55 復調回路
P1 パルス信号(搬送波)
P2 矩形波
P4 変調波信号(励磁信号)
P5 検出信号
P6 検出信号
P9s 検波タイミング信号
P9c 検波タイミング信号
Pin 励磁正弦波入力信号
Pos 正弦波出力信号
Poc 余弦波出力信号

Claims (6)

  1. 励磁コイルと検出コイルを有する位置センサに励磁信号を供給し、位置センサから出力される検出信号を取得する信号処理回路において、
    外部から供給される正弦波信号をトリガ検出して矩形波信号とする波形変換回路と、
    基準クロックを発生する基準クロック発生器と、
    前記基準クロック及び前記矩形波信号に基づき、前記正弦波信号と同期するとともに同じ周波数である励磁信号波形を作成するための波形データを作成するロジック回路と、
    前記波形データに基づき前記励磁コイルに供給する励磁信号を作成するD/Aコンバータと、
    を有することを特徴とする信号処理回路。
  2. 請求項1に記載する信号処理回路において、
    前記励磁信号は、前記基準クロックを元に作成された搬送波が前記正弦波信号により変調された信号であり、
    前記検出コイルから出力される検出信号を復調する復調回路を有する
    ことを特徴とする信号処理回路。
  3. 請求項2に記載する信号処理回路において、
    前記復調回路は、同期検波器を備えており、
    前記ロジック回路は、前記同期検波器での検波タイミングを前記基準クロックの周期単位で調整する調整回路を備えている
    ことを特徴とする信号処理回路。
  4. 請求項3に記載する信号処理回路において、
    前記調整回路は、前記検出信号ごとに前記同期検波器での検波タイミングを調整する
    ことを特徴とする信号処理回路。
  5. 請求項3又は請求項4に記載する信号処理回路において、
    前記復調回路は、前記同期検波器の出力を平滑化するローパスフィルタを備えている
    ことを特徴とする信号処理回路。
  6. 請求項2から請求項5に記載するいずれか1つの信号処理回路において、
    前記復調回路からの出力信号の振幅を調整して外部に出力する出力調整回路を有する
    ことを特徴とする信号処理回路。
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