JP2011169823A - 信号処理回路 - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体として低コスト化を図りつつ、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。
【解決手段】励磁コイル２３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、励磁信号Ｐ４を生成する励磁信号生成回路３４と、検出信号Ｐ５，Ｐ６に含まれる励磁信号Ｐ４の周波数成分を除去する検波回路４１，５１と、検波回路４１，５１から出力される検波信号Ｐ７，Ｐ８とＲＤＣ６０から供給される正弦波信号Ｐｉｎとの乗算を行う乗算回路４４，５４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、産業用ロボットや人型ロボット等において、高出力のブラシレスモータが使用されている。このような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。そして、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。また、ロボットにおいては、ロボットの動作を高精度に制御するために高い位置精度が要求されているため、通電切替を正確に行いたいという要望が強い。

ここで、モータ軸の位置を検出する位置センサとして、一般的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。この種のレゾルバとして、例えば、特許文献１に開示されたものがある。このレゾルバでは、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、レゾルバにおけるコイルの巻数を少なくしても、検出コイルから十分な出力を得ることができるようになっている。

特許第3047231号公報

しかしながら、ロータの回転位置を検出するレゾルバとして実用化されているのは、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多い。そして、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／デジタルコンバータが必要になる。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／デジタルコンバータでは、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。例えば、励磁信号として振幅変調された高周波を作成するために、大きな変調波生成データを予め記憶させておく必要があった。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、システム全体として低コスト化を図りつつ、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、前記励磁信号を生成する励磁信号生成回路と、前記検出信号に含まれる前記励磁信号の周波数成分を除去する検波回路と、前記検波回路から出力される検波信号に外部から供給される正弦波信号を乗算して前記外部コントローラへ出力する乗算回路と、を有することを特徴とする。

この信号処理回路では、励磁信号生成回路により、外部から供給される正弦波信号とは無関係に、励磁コイルへ供給する励磁信号が作成される。これにより、外部システム（例えば、レゾルバ／デジタルコンバータなど）から独立して、位置センサに最適な周波数の励磁信号を作成して供給することができる。そして、このようにして作成された励磁信号が位置センサに供給されると、位置センサから検出信号が出力されて検波回路に入力される。そうすると、検波回路により、検出信号に含まれる励磁信号の周波数成分が除去される。これにより、検波回路では、検出信号のＡＣ成分が除去されてＤＣ成分のみの検波信号が生成される。このＤＣ化された検波信号が乗算回路に入力されると、乗算回路にて、検波信号に外部から供給される正弦波信号が乗算される。そして、乗算回路からの出力信号に基づき、外部システムにおいて位置変位量が算出される。

このように、この信号処理回路を用いることにより、位置センサが変更されても、外部システムを変更することなくそのまま使用することができる。すなわち、位置センサが変更されても、既存の外部システムを使用することができる。そして、外部から供給される正弦波信号と乗算回路からの出力信号とに周期差及び位相差が発生しないため、外部システムにおいて高精度な位置検出を行うことができる。すなわち、この信号処理回路を用いることにより、位置センサが変更された場合に既存の外部システム（汎用システム）を用いても、位置検出精度を低下させることがない。従って、低コスト化が図られた位置センサ（高周波励磁型のものに限られない）を用いて既存システムにより位置検出を行うことで、位置検出精度を低下させることなく、システム全体として低コスト化を図ることができる。

なお、システム全体として見れば、信号処理回路が追加されていることになるが、このことはシステム全体の低コスト化を阻害することはない。なぜなら、信号処理回路は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。このため、信号処理回路の生産コストを低減することができるので、信号処理回路の低コスト化を図ることができるからである。

上記した信号処理回路において、前記検波回路は、前記検出信号に含まれる前記励磁信号の周波数成分を除去するとともに平滑化することが望ましい。

このようにすることにより、検波器から出力される検波信号に高周波成分が含まれないようにすることができる。その結果、ノイズのない検波信号を乗算器に出力することができるため、位置センサによる位置検出の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、基準クロックを発生する発振回路を有し、前記励磁信号生成回路は、前記基準クロックを元に前記励磁信号を生成することが望ましい。

このように、励磁信号を発振回路で発生する基準クロックから生成するので、言い換えると励磁信号を作成するために振幅変調を行わないので、大きな変調波生成データを予め記憶させておく必要がない。従って、記憶データ量を大幅に削減することができ、システムの低コスト化に寄与する。あるいは、記憶データ量の削減を抑えて励磁信号の分割数を増やすことにより、高周波ノイズを低減した励磁信号を生成することができる。このことは、位置検出精度の向上に寄与する。

上記した信号処理回路において、前記正弦波信号は、レゾルバ／デジタルコンバータから出力される出力信号であり、前記乗算回路からの出力信号が、前記レゾルバ／デジタルコンバータに入力されることが望ましい。

このようにすることにより、乗算回路からの出力信号とレゾルバ／デジタルコンバータからの出力信号との間に周期差および位相差が発生しない。従って、レゾルバ／デジタルコンバータにおいて、自身からの出力信号と乗算回路からの出力信号とに基づいて算出される位置変位に誤差が生じない。これにより、既存のレゾルバ／デジタルコンバータを利用して、非常に高精度な位置検出を行うことができる。

上記した信号処理回路において、前記励磁信号の周波数が、前記正弦波信号の周波数よりも（数十倍程度）高いことが望ましい。

こうすることにより、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、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、従来の低周波型システムをそのまま使用することができる。また、上記したように、位置検出精度も低下するこもない。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る。このような場合にも、位置検出精度を低下させることなく、システム全体として低コストを図ることができる。

本発明に係る信号処理回路によれば、上記した通り、システム全体として低コスト化を図りつつ、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。

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システム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検出システムの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検出システム１は、回転角センサ１０と、レゾルバ／デジタルコンバータ（ＲＤＣ）６０とにより構成されている。そして、回転角センサ１０は、大きく分けてセンサ部２０と回路部３０とを備えている。この回路部３０が、本発明の信号処理回路の一例である。なお、ＲＤＣ６０は、従来から広く使用されている低周波型のレゾルバ／デジタルコンバータである。

センサ部２０には、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。このセンサ部２０では、励磁コイル２３に励磁信号が入力されると、第１検出コイル２４から正弦波の検出信号Ｐ５が出力され、第２検出コイル２５から余弦波の検出信号Ｐ６が出力されるようになっている。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、発振回路３１と、励磁信号生成回路３４と、増福器３６と、増幅器４０，５０と、検波回路４１，５１と、乗算回路４４，５４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。

発振回路３１は、高周波の基準クロックＰ１を発生するものである。励磁信号生成回路３４は、発振回路３１からの基準クロックＰ１に基づき、励磁コイル２３に入力する励磁信号Ｐ４を作成するものである。励磁信号Ｐ４は、振幅変調されていない高周波信号である。このため、励磁信号生成回路３４において、変調波を生成するためのデータを予め記憶しておく必要がないので、記憶データ量を大幅に削減することができる。なお、本実施の形態では、基準クロックＰ１として３０．７２ＭＨｚのパルス信号が生成され、励磁信号Ｐ４として４８０ｋＨｚの正弦波が生成される。

そして、発振回路３１は、励磁信号生成回路３４に接続している。励磁信号生成回路３４は、増幅器３６に接続している。増幅器３６は、センサ部２０の励磁コイル２３に接続している。さらに、センサ部２０の第１検出コイル２４は、増幅器４０を介して検波回路４１に接続している。検波回路４１は、乗算回路４４に接続している。乗算回路４４は、ＲＤＣ６０に接続している。同様に、第２検出コイル２５は、増幅器５０を介して検波回路５１に接続している。検波回路５１は、乗算回路５４に接続している。乗算回路５４は、ＲＤＣ６０に接続している。なお、乗算回路４４，５４には、ＲＤＣ６０から正弦波信号Ｐｉｎと検出回路４１，５１から出力された検波信号Ｐ７，Ｐ８とが入力されている。これにより、乗算回路４４では、検波信号Ｐ７と正弦波信号Ｐｉｎとが乗算され、その乗算結果が正弦波出力信号Ｐｏｓとして出力される。また、乗算回路５４では、検波信号Ｐ８と正弦波信号Ｐｉｎとが乗算され、その乗算結果が余弦波出力信号Ｐｏｃとして出力される。

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。励磁信号生成回路３４で生成された励磁信号Ｐ４は、増幅器３６により増幅された後、センサ部２０の励磁コイル２３に入力する。すなわち、４８０ｋＨｚの高周波の正弦波信号（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は励磁信号の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は励磁信号の位置に応じた余弦成分を乗算したものである。そして、検出信号Ｐ５は、増幅器４０を介して検波回路４１に入力される。同様に、検出信号Ｐ６は、増幅器５０を介して検波回路５１に入力される。

検波回路４１では、励磁信号生成回路３４から入力される検波タイミング信号に基づき検出信号Ｐ５に対する同期検波が行われる。これにより、検波回路４１では、検出信号Ｐ５に含まれる励磁信号Ｐ４の周波数成分が除去され、検出信号Ｐ５のＤＣ成分のみの検波信号Ｐ７が生成される。また、検波回路４１では、信号の平滑化も実施される。このため、検波信号Ｐ７には高周波成分が含まれていない。その結果、乗算回路４４には、ノイズのない検波信号Ｐ７が入力される。

同様に、検波回路５１でも、励磁信号生成回路３４から入力される検波タイミング信号に基づき検出信号Ｐ６に対する同期検波が行われる。これにより、検波回路５１では、検出信号Ｐ６に含まれる励磁信号Ｐ４の周波数成分が除去され、検出信号Ｐ６のＤＣ成分のみの検波信号Ｐ８が生成される。また、検波回路５１でも、信号の平滑化が実施される。このため、検波信号Ｐ８には高周波成分が含まれていない。その結果、乗算回路５４には、ノイズのない検波信号Ｐ８が入力される。

そして、各乗算回路４４，５４では、ノイズのない検波信号Ｐ７，Ｐ８に正弦波信号Ｐｉｎが乗算される。その乗算結果として、乗算回路４４から正弦波出力信号Ｐｏｓが出力され、乗算回路５４から余弦波出力信号Ｐｏｃが出力される。その後、これら正弦波出力信号Ｐｏｓと余弦波出力信号Ｐｏｃとが、ＲＤＣ６０に入力され、ＲＤＣ６０において正弦波出力信号Ｐｏｓと余弦波出力信号Ｐｏｃとの出力比に基づき、ロータの回転角度が算出される。

このとき、ＲＤＣ６０から各乗算回路４４，５４に供給される正弦波信号Ｐｉｎと各乗算回路４４，５４からの出力信号Ｐｏｓ，Ｐｏｃとに周期差及び位相差が発生しないため、ＲＤＣ６０において高精度な回転角度検出を行うことができる。このように、本実施の形態に係る回路部３０を用いることにより、回転角センサ１０を高周波励磁型のものにしても、既存の低周波型のＲＤＣ６０を用いて、精度良く回転角度を検出することができる。つまり、回転角検出システム１によれば、低コスト化が図られた高周波励磁型の回転角センサ１０を用いて既存のＲＤＣ６０により回転角度検出を行うことで、検出精度を低下させることなく、システム全体として低コスト化を図ることができる。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る回転角検出システム１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を回路部３０を介して、既存の低周波型のＲＤＣ６０に接続することにより、励磁コイル２３に適した励磁信号Ｐ４が供給され、検出コイル２４，２５から十分な出力が得られるため、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、回転角センサ１０（センサ部２０）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ＲＤＣ６０をそのまま使用することができる。これにより、コイルの巻線数を減少させた高周波励磁型のセンサ部２０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、回転角検出システム１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、励磁信号生成回路３４において、励磁信号を生成するために必要な記憶データ量を最小限にして記憶データ量の削減を図っているが、記憶データ量の削減を抑えて励磁信号の分割数を増やすことにより、高周波ノイズを低減した励磁信号を生成することもできる。これにより、回転角度の検出精度を向上させることができる。
また、例えば、上記した実施の形態では、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もできる。

１ 回転角検出システム
１０ 回転角センサ
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 発振回路
３４ 励磁信号生成回路
４１ 検波回路
４４ 乗算回路
５１ 検波回路
５４ 乗算回路
Ｐ１ 基準クロック
Ｐ４ 励磁信号
Ｐ５ 検出信号
Ｐ６ 検出信号
Ｐｉｎ 正弦波信号
Ｐｏｓ 正弦波出力信号
Ｐｏｃ 余弦波出力信号

Claims (5)

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、
   前記励磁信号を生成する励磁信号生成回路と、
   前記検出信号に含まれる前記励磁信号の周波数成分を除去する検波回路と、
   前記検波回路から出力される検波信号と外部から供給される正弦波信号との乗算を行う乗算回路と、
   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、
   前記検波回路は、前記検出信号に含まれる前記励磁信号の周波数成分を除去するとともに平滑化する
   ことを特徴とする信号処理回路。
3. 請求項１又は請求項２に記載する信号処理回路において、
   基準クロックを発生する発振回路を有し、
   前記励磁信号生成回路は、前記基準クロックを元に前記励磁信号を生成する
   ことを特徴とする信号処理回路。
4. 請求項１から請求項３に記載するいずれか１つの信号処理回路において、
   前記正弦波信号は、レゾルバ／デジタルコンバータから出力される出力信号であり、
   前記乗算回路からの出力信号が、前記レゾルバ／デジタルコンバータに入力される
   ことを特徴とする信号処理回路。
5. 請求項１から請求項４に記載するいずれか１つの信号処理回路において、
   前記励磁信号の周波数が、前記正弦波信号の周波数よりも高い
   ことを特徴とする信号処理回路。

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