JP2011169724A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルな構成で小型化が容易な位置検出装置を実現する。
【解決手段】 磁気レゾルバの検出信号をもとにモータの回転位置を検出する位置検出装置において、
前記モータの回転中心軸を中心とした円環状に配置され、それぞれ歯が形成された複数の突極を有するレゾルバステータと、
このレゾルバステータに対向するとともに前記回転中心軸から偏心した円環状に配置されたｎ個（ｎは２以上の整数）の歯を有するレゾルバロータと、
前記検出信号の信号振幅および位相に基づいて前記モータの絶対回転位置を算出する演算部と、
を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気レゾルバの検出信号をもとにモータの回転位置を検出する位置検出装置に関する。詳しくは、磁気レゾルバの磁気特性変化を電気信号に変換して得られるとともに、磁気レゾルバの移動により周期的に変化しそれぞれ位相の異なる複数の検出信号に基づいてモータの回転位置を検出する位置検出装置に関する。

位置決め動作を行なうアクチュエータとしては、モータとエンコーダを組み合わせたものがある。このアクチュエータでは、モータの回転位置をエンコーダで検出し、検出信号を帰還信号としてモータの回転位置をフィードバック制御することにより位置決め動作を行なう。このようなアクチュエータとしては、エンコーダに絶対回転位置の検出機能をもたせたものがある。

図５は従来における絶対位置検出機能をもったアクチュエータの概略構成図である。
図５において、５００はモータ部、６００はエンコーダとしての磁気レゾルバ部である。磁気レゾルバ部６００は、ｎＸレゾルバ６１０と１Ｘレゾルバ６２０からなる。

１Ｘレゾルバ６２０は、ロータ５２０が一回転すると検出信号の位相が一周期分変化する。ｎＸレゾルバ６１０はロータ５２０が１／ｎ回転（ｎは２以上の整数）すると検出信号の位相が一周期分変化する。

磁気レゾルバ部６００では、１Ｘレゾルバ６２０により１／ｎ回転を分解能にして絶対回転位置を検出し、検出した１／ｎ回転内における回転位置をｎＸレゾルバ６１０により検出することにより高分解能に絶対回転位置を検出する。

モータ部５００、ｎＸレゾルバ６１０、１Ｘレゾルバ６２０はいずれもアウタ・ロータ型で、内側のステータ５１０は中空構造になっている。中空部分は配線スペース等として用いられる。

図６は磁気レゾルバ部６００の詳細図であり、図６の（ａ）はｎＸレゾルバ６１０の上面図、（ｂ）は１Ｘレゾルバ６２０の上面図である。

図６の（ａ）において、ｎＸレゾルバ６１０のレゾルバロータ６１１には、モータ５００の回転中心軸を中心として円環状に一定ピッチでｎ個の歯が形成されている。このレゾルバロータ６１１の歯に対向して複数の突極およびそれぞれの突極に１個以上の歯を有するレゾルバステータ６１２が配置されている。レゾルバロータ６１１の歯とレゾルバステータ６１２の突極の位置関係が変化すると、レゾルバステータ６１２に巻かれたコイルのインダクタンスが変化する。レゾルバロータ１／ｎ回転につきインダクタンスが一周期分変化することを利用して、モータ１／ｎ回転内の回転位置を検出する。

図６の（ｂ）において、１Ｘレゾルバ６２０は、レゾルバステータ６２２には４個の突極が設けられている。レゾルバロータ６２１はリング形状になっていて、リング幅はリング１周につき一周期分変化する。そのため、レゾルバロータ６２１とレゾルバステータ６２２間のギャップがレゾルバロータ一回転につき一周期分変化する。レゾルバロータとレゾルバステータ間のギャップが変化するとレゾルバステータ６２２に巻かれたコイルのインダクタンスが変化する。レゾルバロータ一回転につきインダクタンスが一周期分変化することを利用して、モータ一回転内の回転位置を検出する。

下記特許文献には、上記のような絶対位置検出機能をもったアクチュエータが記載されている。

実開平０５−１１７７６号公報 特開平０５−３２４０７５号公報

しかしながら、上記のような構成では、ｎＸレゾルバ６１０と１Ｘレゾルバ６２０の２系統のレゾルバを持つため、磁気レゾルバ部６００が大型化してしまう。
また、レゾルバ間の磁気干渉を抑えるため、（１）ｎＸレゾルバ６１０と１Ｘレゾルバ６２０間の距離を離す、（２）ｎＸレゾルバ６１０と１Ｘレゾルバ６２０間に磁気シールドを施す、（３）ｎＸレゾルバ６１０と１Ｘレゾルバ６２０の励磁を時分割し、一方を励磁している間は他方の励磁を切るように制御する、など、（１）〜（３）の対策を単独あるいは組み合わせて実施する必要があり、検出部の構成が複雑になる。

本発明は、従来の問題をなくし、シンプルな構成で小型化が容易な位置検出装置を実現することを目的とする。

このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
磁気レゾルバの検出信号をもとにモータの回転位置を検出する位置検出装置において、
前記モータの回転中心軸を中心とした円環状に配置され、それぞれ歯が形成された複数の突極を有するレゾルバステータと、
このレゾルバステータに対向するとともに前記回転中心軸から偏心した円環状に配置されたｎ個（ｎは２以上の整数）の歯を有するレゾルバロータと、
前記検出信号の信号振幅および位相に基づいて前記モータの絶対位置を算出する演算部と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の位置検出装置において、
前記演算部は、前記レゾルバロータと前記レゾルバステータ間のギャップが前記モータ一回転につき一周期分変化することによる前記検出信号の信号振幅変化に基づいて前記モータの一回転内における位置を算出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項１または２に記載の位置検出装置において、
前記演算部は、前記モータ１／ｎ回転につき前記検出信号の位相が一周期分変化することに基づいて、前記モータの１／ｎ回転内における位置を算出することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の位置検出装置において、
前記演算部は、
前記レゾルバステータの前記突極の検出巻き線群を近接する各相を組み合わせて複数のチャネルに分割し、チャネルごとに前記モータの回転位置を算出し、これらの算出値を平均化することを特徴とする。

本発明によれば、
モータの回転中心軸を中心とした円環状に配置され、それぞれ歯が形成された複数の突極を有するレゾルバステータと、
このレゾルバステータに対向するとともに前記回転中心軸から偏心した円環状に配置されたｎ個（ｎは２以上の整数）の歯を有するレゾルバロータと、
磁気レゾルバの検出信号の信号振幅および位相に基づいて前記モータの絶対位置を算出する演算部と、
を備えたことにより、単一のレゾルバでモータの絶対回転位置を検出できるようになり、シンプルな構成で小型化が容易な位置検出装置を実現できる。また、単一のレゾルバで絶対回転位置を検出するため、レゾルバ間の磁気干渉に配慮する必要がなく、検出部の構成をシンプルかつ低コストにできる。

本発明の実施例１を示す図である。 演算部２の構成を示すブロック図である。 磁気レゾルバ１の状態と検出信号のイメージ図である。 位相検出回路２３の動作のイメージ図である。 従来における絶対位置検出機能をもったアクチュエータの概略構成図である。 磁気レゾルバ部１０１の詳細図である。

図１は本発明の実施例１を示す図である。図１は本発明による磁気レゾルバ１の上面図であり、１ａはレゾルバロータ、１ｂはレゾルバステータである。磁気レゾルバ１はアウタ・ロータ型で、内側のレゾルバステータ１ｂは中空構造になっている。

レゾルバステータ１ｂは積層鋼板で構成されており、モータ（図示せず）の回転中心軸を中心とした円環状に形成されている。レゾルバステータ１ｂの先端には、複数の歯１ｂ１が形成された４×ｍ個（ｍは整数で、図１ではｍ＝４として１６個）の突極１ｂ３が設けられている。１ｂ２は突極１ｂ３に巻かれたコイル（検出巻き線群）である。各突極のコイル１ｂ１は図示しない演算部２に接続され、モータの絶対回転位置の算出が行われる。

レゾルバロータ１ａは積層鋼板で構成されたリング形状になっていて、リング幅はリング１周につき一周期分変化するように形成されている。そして、このリング形状内側のレゾルバステータ１ｂの歯と対向する位置に、一定ピッチでｎ個（図１では３６個）の歯１ａ１が形成されている。すなわち、レゾルバロータ１ａは、レゾルバステータ１ｂに対向するとともにモータの回転中心軸から偏心した円環状にｎ個の歯が形成された構成となっている。

レゾルバステータ１ｂの突極１ｂ３は、レゾルバロータ１ａの歯１ａ１に対して機械角が９０°異なる位置ごとに設けられ、近接する各相ごとにｓｉｎ０相、ｓｉｎπ相、ｃｏｓ０相、ｃｏｓπ相を構成する。
磁気レゾルバ１は全体が４つのチャネルｃｈ０〜ｃｈ３に分割され、レゾルバステータ１ｂの突極１ｂ３は、近接するｓｉｎ０相、ｓｉｎπ相、ｃｏｓ０相、ｃｏｓπ相の４つの相を１組として各チャネルに対応する。

各突極のコイル１ｂ１は図示しない演算部２に接続され、モータの絶対回転位置の算出を行う。

レゾルバロータ１ａの歯１ａ１とレゾルバステータ１ｂの歯１ｂ１間のギャップは、レゾルバロータ１ａ一回転につき一周期分変化する。図１において、ｃｈ０中央付近におけるギャップはｄ０、ｃｈ１中央付近におけるギャップはｄ１、ｃｈ２中央付近におけるギャップはｄ２、ｃｈ３中央付近におけるギャップはｄ３となっている。

レゾルバロータ１ａが回転すると、レゾルバロータ１ａの歯１ａ１とレゾルバステータ１ｂの歯１ｂ１間のギャップはｄ０→ｄ１→ｄ２→ｄ３→ｄ０→・・・のように連続的に変化する。レゾルバロータ１ａの歯１ａ１とレゾルバステータ１ｂの歯１ｂ１間のギャップが変化すると、検出信号の振幅はギャップに反比例するため、レゾルバステータ１ｂに巻かれたコイル１ｂ１のインダクタンスが変化する。レゾルバロータ１ａ一回転につき検出信号の振幅は一周期分変化する。このギャップ変化による検出信号の振幅変化を利用して、モータ一回転内の回転位置が検出される。なお、モータ一回転内の回転位置は、モータ１／ｎ回転を分解能として検出する。

また、レゾルバロータの歯１ａ１とレゾルバステータ１ｂの歯１ｂ１の相対位置が変化すると、レゾルバステータに巻かれたコイルのインダクタンスが変化する。レゾルバロータ１／ｎ回転につき検出信号の位相は一周期分変化する。この検出信号の位相変化を利用して、モータ１／ｎ回転内の回転位置が検出される。

すなわち、検出信号の振幅変化に基づいてモータの回転位置を分解能１／ｎ回転で検出し、さらに、その１／ｎ回転内における回転位置を検出信号の位相変化に基づいて高精度に求める。

図２は演算部２の構成を示すブロック図であり、２００〜２０３は検出回路、２１０〜２１３は位相振幅検出回路、２２は平均化手段、２３は位相検出回路である。

検出回路２００〜２０１は、それぞれ磁気レゾルバ１の各チャネルｃｈ０〜ｃｈ３に対し励磁信号を出力し、各チャネルからの検出信号が入力される。検出回路２００〜２０１は、検出信号に基づいてインダクタンスの変化を検出信号の振幅変化として取り出し、位相振幅検出回路２１０〜２１３に出力する。

具体的には、検出回路２００〜２０３は、検出信号に基づいてそれぞれ以下の演算を行い、結果を位相振幅検出回路２１０〜２１３に出力する。
・検出回路２００

・検出回路２０１

・検出回路２０２

・検出回路２０３

なお、Ａはインダクタンスのモータ回転の平均値、Ｂはインダクタンスのモータ回転中のギャップ変化による変動の振幅、θはモータ一回転内における回転位置を分解能１／ｎで検出した回転角、θｎ０〜θｎ３は各チャネルｃｈ０〜ｃｈ３で検出されるモータ１／ｎ回転内における回転角である。

位相振幅検出回路２１０〜２１３は、検出回路２００〜２０３からの入力に基づいて、各チャネルごとに１／ｎ回転内における回転角θｎ０〜θｎ３を算出する。また、検出回路２００〜２０３からの出力の二乗平均により振幅値を得る。

具体的には、位相振幅検出回路２１０は、式（０−１）と式（０−２）に基づいてｔａｎ^−１処理を行い、１／ｎ回転内における回転角θｎ０を算出する。さらに、位相振幅検出回路２１０は、式（０−１）と式（０−２）の二乗平均をとり、

を算出する。
同様に、位相振幅検出回路２１１は、式（１−１）と式（１−２）に基づいてｔａｎ^−１処理を行い、１／ｎ回転内における回転角θｎ１を算出する。さらに、位相振幅検出回路２１１は、式（１−１）と式（１−２）の二乗平均をとり、

を算出する。
位相振幅検出回路２１２は、式（２−１）と式（２−２）に基づいてｔａｎ^−１処理を行い、１／ｎ回転内における回転角θｎ２を算出する。さらに、位相振幅検出回路２１２は、式（２−１）と式（２−２）の二乗平均をとり、

を算出する。
位相振幅検出回路２１３は、式（３−１）と式（３−２）に基づいてｔａｎ^−１処理を行い、１／ｎ回転内における回転角θｎ３を算出する。さらに、位相振幅検出回路２１３は、式（３−１）と式（３−２）の二乗平均をとり、

を算出する。

式（０−３）から式（１−３）を減算して２Ｂ・ｓｉｎθを求める。また、式（１−３）から式（３−３）を減算して２Ｂ・ｃｏｓθを求める。算出された２Ｂ・ｓｉｎθと２Ｂ・ｃｏｓθは位相検出回路２３に入力され、ｔａｎ^−１処理により、モータ一回転内における回転角θを算出する。

また、位相振幅検出回路２１０〜２１３で算出されたθｎ０〜θｎ３は平均化手段２２に入力される。平均化手段２２は、θｎ０〜θｎ３の平均をとり、モータ１／ｎ回転内における回転角θｎを算出する。
位相検出回路２３で算出したθと平均化手段２２で算出したθｎを組み合わせ、モータの絶対回転位置を高精度に検出する。

図３は磁気レゾルバ１の状態と検出信号のイメージ図である。図３では、（ａ）〜（ｄ）にかけて磁気レゾルバ１が回転していく様子を示している。
図３の（ａ）において、レゾルバステータ１ｂとレゾルバロータ１ａ間の距離はチャネルｃｈ１で最も小さくなっている。レゾルバロータ１ａが回転するにつれてレゾルバステータ１ｂとレゾルバロータ１ａ間の距離が最小となるチャネルが移動していき、図３の（ｂ）ではチャネルｃｈ０、図３の（ｃ）ではチャネル３、図３の（ｄ）ではチャネル２でそれぞれ距離が最小となっている。
また、図３のチャネルｃｈ０〜ｃｈ３の図では、円の大きさは検出信号のインダクタンスのモータ回転中のギャップ変化による変動の振幅Ｂの大きさを示し、矢印は回転角θｎにおける式（０−１）と式（０−２）、式（１−１）と式（１−２）、式（２−１）と式（２−２）、式（３−１）と式（３−２）のベクトルを示している。

図３の（ａ）では、レゾルバステータ１ｂとレゾルバロータ１ａ間の距離はチャネルｃｈ１で最も小さいため、チャネルｃｈ１の円の大きさが最大（すなわちインダクタンスの振幅Ｂが最大）となる。一方、チャネルｃｈ１の反対側であるチャネルｃｈ３では、レゾルバステータ１ｂとレゾルバロータ１ａ間の距離は最大となり、チャネルｃｈ３の円の大きさが最小（すなわちインダクタンスの振幅Ｂが最小）となる。
チャネルｃｈ０，ｃｈ２では、レゾルバステータ１ｂとレゾルバロータ１ａ間の距離はちょうど中間程度となる。そのため、チャネルｃｈ０，ｃｈ２の円の大きさはチャネル１とチャネル３の中間程度となる。

図３の（ｂ）では、レゾルバステータ１ｂとレゾルバロータ１ａ間の距離はチャネルｃｈ０で最小、チャネルｃｈ２で最大、チャネルｃｈ１，ｃｈ３で中間程度となる。そのため、各チャネルの円の大きさはチャネルｃｈ０で最大、チャネルｃｈ２で最小、チャネルｃｈ１，ｃｈ３で中間程度となる。

図３の（ｃ）では、レゾルバステータ１ｂとレゾルバロータ１ａ間の距離はチャネルｃｈ３で最小、チャネルｃｈ１で最大、チャネルｃｈ０，ｃｈ２で中間程度となる。そのため、各チャネルの円の大きさはチャネルｃｈ３で最大、チャネルｃｈ１で最小、チャネルｃｈ０，ｃｈ２で中間程度となる。

図３の（ｄ）では、レゾルバステータ１ｂとレゾルバロータ１ａ間の距離はチャネルｃｈ２で最小、チャネルｃｈ０で最大、チャネルｃｈ１，ｃｈ３で中間程度となる。そのため、各チャネルの円の大きさはチャネルｃｈ２で最大、チャネルｃｈ０で最小、チャネルｃｈ１，ｃｈ３で中間程度となる。

このように、インダクタンスの振幅Ｂは、モータ１が一回転につき一周期分変化するため、この変化を検出することによりモータ一回転内の回転位置を求めることができる。
なお、図３の各チャネルｃｈ０〜ｃｈ３の円の大きさが、それぞれ式（０−３），式（１−３），式（２−３），式（３−３）に対応している。

図４は位相検出回路２３の動作のイメージ図である。図４の（ａ）において、上段の図はｃｈ０振幅−ｃｈ２振幅（２Ｂ・ｓｉｎθ）、下段の図はｃｈ１振幅−ｃｈ３振幅（２Ｂ・ｃｏｓθ）を示したものである。図４の（ｂ）は、回転角θとｃｈ０振幅−ｃｈ２振幅およびｃｈ１振幅−ｃｈ３振幅の関係をベクトルで示す図である。
位相検出回路２３において、ｃｈ０振幅−ｃｈ２振幅（２Ｂ・ｓｉｎθ）とｃｈ１振幅−ｃｈ３振幅（２Ｂ・ｃｏｓθ）の算出結果を、図４の（ｂ）に示すようにベクトルの成す角度をｔａｎ^−１処理することにより、モータ一回転内における回転角θが求まる。

本実施例は以上のように構成され、
モータの回転中心軸を中心とした円環状に配置された複数の突極１ｂ３を有するレゾルバステータ１ｂと、
このレゾルバステータ１ｂに対向するとともに回転中心軸から偏心した円環状に配置されたｎ個の歯１ａ１を有するレゾルバロータ１ａと、
磁気レゾルバ１の検出信号の信号振幅および位相に基づいてモータの絶対回転位置を算出する演算部２と、
を備えたことにより、単一のレゾルバでモータの絶対回転位置を検出できるようになり、シンプルな構成で小型化が容易な位置検出装置を実現できる。また、単一のレゾルバで絶対回転位置を検出するため、レゾルバ間の磁気干渉に配慮する必要がなく、検出部の構成をシンプルかつ低コストにできる。

モータ１／ｎ回転内における回転角θｎを求める構成については、従来の通常のｎＸレゾルバによる位置検出と同等である。本発明では、さらにレゾルバロータ１ａをレゾルバステータ１ｂに対して相対的に偏心させることにより、検出信号の振幅変化からレゾルバロータ一回転内における絶対位置情報を検出できるようにし、単一の磁気レゾルバで分解能の高い絶対位置検出ができるようにしたものである。

また、本実施例では、磁気レゾルバ１を４つのチャネルｃｈ０〜ｃｈ３に分割したが、分割数は４に限られない。突極１ｂ３を増やし分割数を増やせば、より高精度に回転角θｎを求めることができる。
また、本実施例では、図１において、レゾルバステータ１ｂに歯１ｂ１が２個形成されている例を示したが、歯数は１個でもよいし、３個以上とより大きな数としてもよい。

１ 磁気レゾルバ
１ａ レゾルバロータ
１ａ１ 歯
１ｂ レゾルバステータ
１ｂ１ 歯
１ｂ２ コイル
１ｂ３ 突極
２ 演算部

Claims (4)

1. 磁気レゾルバの検出信号をもとにモータの回転位置を検出する位置検出装置において、
   前記モータの回転中心軸を中心とした円環状に配置され、それぞれ歯が形成された複数の突極を有するレゾルバステータと、
   このレゾルバステータに対向するとともに前記回転中心軸から偏心した円環状に配置されたｎ個（ｎは２以上の整数）の歯を有するレゾルバロータと、
   前記検出信号の信号振幅および位相に基づいて前記モータの絶対回転位置を算出する演算部と、
   を備えたことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記演算部は、前記レゾルバロータと前記レゾルバステータ間のギャップが前記モータ一回転につき一周期分変化することによる前記検出信号の信号振幅変化に基づいて前記モータの一回転内における位置を算出することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記演算部は、前記モータ１／ｎ回転につき前記検出信号の位相が一周期分変化することに基づいて、前記モータの１／ｎ回転内における位置を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
4. 前記演算部は、
   前記レゾルバステータの前記突極の検出巻き線群を近接する各相を組み合わせて複数のチャネルに分割し、チャネルごとに前記モータの回転位置を算出し、これらの算出値を平均化することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置検出装置。

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