JP2013083500A - 角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度条件に変化があって、励磁信号に対してレゾルバ出力信号の遅延量が変動しても、角度検出誤差の発生を少なくできる角度検出装置を提供すること。
【解決手段】１相励磁２出力型のレゾルバ１１を備え、レゾルバ１１から出力される出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）と、同期検波を行う検波信号に基づいて角度を検出する角度検出装置において、ＳＩＮ検出コイル７の出力信号（ａ−ｓ）と、ＣＯＳ検出コイル８の出力信号（ａ−ｃ）の自乗和出力を用いて、同期検波信号（ｆ）を生成すること、を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、１相励磁２相出力型のレゾルバを備え、前記レゾルバから出力される出力信号と、同期検波を行う検波信号に基づいて角度を検出する角度検出装置に関するものである。

ハイブリッド自動車や電気自動車においては、高出力のブラシレスモータが使用されており、今後もハイパワー化が予想されている。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角度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。
このため、モータにはレゾルバを備えた角度検出装置が備えられ、正確に角度検出されることが望ましい。自動車の駆動機構に用いられるレゾルバには、耐環境性などに加えて駆動機構の回転数が高い為に高精度化が要求されることになる。そして、他の車載部品と同様に角度検出装置にも小型化と共に低コスト化が要求されている。

特許文献１には、１相励磁２相出力型のレゾルバが記載されている。
ここで、検出信号の同期検波について、特許文献１では、励磁信号を用いて同期検波を行っている。

特開2010-164426号公報

しかしながら、特許文献２の同期検波技術には、次のような問題があった。
すなわち、温度条件の変化により、レゾルバ出力信号の遅延量が変動すると、検波信号とレゾルバ出力信号との間で位相のずれ量が変動し、検波後の出力振幅が変動する恐れがあった。そして、検波後の出力振幅が変動する、検出角度に誤差が発生する問題があった。
ハイブリッド自動車用モータは、小型でありながら高出力が求められるため、高温化する場合があり、ハイブリッド自動車用モータの角度検出装置において、特に問題であった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、温度条件に変化があって、励磁信号に対してレゾルバ出力信号の遅延量が変動しても、角度検出誤差の発生を少なくできる角度検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の角度検出装置は、次の構成を有する。
（１）１相励磁２相出力型のレゾルバを備え、前記レゾルバから出力される出力信号と、検波信号に基づいて角度を検出する角度検出装置において、２出力信号の自乗和出力を用いて、検波信号を生成すること、を特徴とする。
（２）（１）に記載する角度検出装置において、前記自乗和出力を９０度シフトさせた後、分周することにより前記検波信号を生成すること、を特徴とする。
（３）（２）に記載する角度検出装置において、前記９０度シフトを、微分回路を用いて行うこと、を特徴とする。

本発明のレゾルバは、上記構成を有することにより、次のような作用、効果を奏する。
（１）１相励磁２相出力型のレゾルバを備え、前記レゾルバから出力される出力信号と、検波信号に基づいて角度を検出する角度検出装置において、２出力信号の自乗和出力を用いて、検波信号を生成すること、を特徴とするので、レゾルバ信号の出力信号から自己信号である同期検波信号を生成しているため、温度条件の変化があり、レゾルバ出力信号に遅延が発生しても、レゾルバ出力信号と検波信号との位相は変動せず、角度検出誤差を生じることがない。
また、自乗和を用いているため、検波信号の振幅がゼロとなることがなく、常にタイミング信号としての検波信号を出力することができる。

（２）（１）に記載する角度検出装置において、自乗和出力を９０度シフトさせた後、分周することにより前記検波信号を生成すること、を特徴とする。出力信号の自乗信号は、周波数が出力信号の２倍になる。また、全ての値がプラスになるため、自乗信号の中心線における位相が、出力信号と比較して９０度遅れることになる。したがって、自乗和の信号（自乗和信号）のタイミングを出力信号と同期させるためには、自乗和信号を９０度遅延する方向にシフトさせる必要がある。
そして、出力信号の波形を９０度シフトさせた後、２パルス分を１パルスとする分周を行うことにより、自乗和の信号の周波数を出力信号の周波数に合わせることができる。
（３）（２）に記載する角度検出装置において、前記９０度シフトを、微分回路を用いて行うこと、を特徴とするので、低コストの簡単な回路で、出力信号の位相を９０度シフトすることができる。

本発明の第１実施例の角度検出装置の構成を示すブロック図である。 θ＝０度のときの信号の状態を示す第１図である。 θ＝０度のときの信号の状態を示す第２図である。 θ＝０度のときの信号の状態を示す第３図である。 θ＝０度のときの信号の状態を示す第４図である。 θ＝０度のときの信号の状態を示す第５図である。 θ＝０度のときの信号の状態を示す第６図である。 θ＝０度のときの信号の状態を示す第７図である。 θ＝４５度のときの信号の状態を示す第１図（図２に対応する図）である。 θ＝４５度のときの信号の状態を示す第２図（図３に対応する図）である。 θ＝４５度のときの信号の状態を示す第３図（図４に対応する図）である。 θ＝４５度のときの信号の状態を示す第７図（図８に対応する図）である。 本発明の第２実施例の角度検出装置の構成を示すブロック図である。 第１実施例の、図６に対応する図である。

レゾルバ（レゾルバステータとレゾルバロータとを備える。）の構造は、一般的な構成を用いることができるので、詳細な説明を省略する。
図１に、レゾルバの角度検出装置の構成をブロック図で示す。
レゾルバ１１は、１相励磁２相出力型のレゾルバであって、１相の励磁コイル９、２相の検出コイル（ＳＩＮ検出コイル７、ＣＯＳ検出コイル８）を備えている。ＳＩＮ検出コイル７とＣＯＳ検出コイル８とは、９０度位相をずらせて形成されている。
励磁コイル９は、励磁信号発生器１０で生成された１００ｋＨｚの励磁信号が入力される。また、ＳＩＮ検出コイル７は、自乗（２乗）計算を行う乗算器１２に接続している。また、ＣＯＳ検出コイル８は、自乗（２乗）計算を行う乗算器１３に接続している。

乗算器１２及び乗算器１３は、加算器１４の入力部に接続している。加算器１４の出力部は、微分器１５の入力部に接続している。微分器１５の出力部は、コンパレータ１６の非反転入力端子に接続している。コンパレータ１６の反転入力端子には、所定の電圧が入力されている。
コンパレータ１６の出力部は、分周器１７の入力部に接続している。分周器１７の出力部は、乗算器１８の入力部、及び乗算器１９の入力部に接続している。乗算器１８の出力部は、ローパスフィルタ２０に接続している。乗算器１９の出力部は、ローパスフィルタ２１に接続している。
励磁信号が、SINω0ｔで、ロータの角度がθのときのＳＩＮ検出コイル７の出力信号は、SINω0ｔ・SINθであるので、乗算器１２の出力は、（SINω0ｔ・SINθ）²である。また、ＣＯＳ検出コイル８の出力信号は、SINω0ｔ・COSθであるので、乗算器１３の出力は、（SINω0ｔ・COSθ）²である。したがって、加算器１４の出力信号である自乗和信号は、（SINω0ｔ）²である。自乗和を採ることにより、θの影響がなくなり、検波信号として使用できるようになるのである。

θ＝０度におけるＳＩＮ検出コイル７の出力信号（ａ−ｓ）を図２の（ａ）に示し、ＣＯＳ検出コイル８の出力信号（ａ−ｃ）を図２の（ｂ）に示す。
励磁信号が、SINω0ｔのときのＳＩＮ検出コイル７の出力信号は、SINω0ｔ・SINθであるので、θ＝０ではSINθ＝０だから、SINω0ｔ・SINθ＝０となる。したがって、図２の（ａ）に示す出力信号（ａ−ｓ）は、０の直線となっている。
一方、ＣＯＳ検出コイル８の出力信号波は、SINω0ｔ・COSθであるので、θ＝０ではCOSθ＝１だから、SINω0ｔ・COSθ＝SINω0ｔとなる。したがって、図２の（ｂ）に示す出力信号（ａ−ｃ）は、サインカーブとなっている。

乗算器１２の出力信号（ｂ−ｓ）を図３の（ａ）に示し、乗算器１３の出力信号（ｂ−ｃ）を図３の（ｂ）に示す。
乗算器１２は、出力信号（ａ−ｓ）を自乗するものであり、出力信号（ｂ−ｓ）は、（SINω0ｔ・SINθ）²であり、θ＝０では、（SINω0ｔ・SINθ）²=０である。したがって、図３の（ａ）に示す出力信号（ｂ−ｓ）は、０の直線となっている。
一方、乗算器１３は、出力信号（ａ−ｃ）を自乗するものであり、自乗信号（ｂ−ｃ）は、（SINω0ｔ・COSθ）²であり、θ＝０ではCOSθ＝１だから、（SINω0ｔ・COSθ）²=（SINω0ｔ）²である。したがって、図３の（ｂ）に示す自乗信号（ｂ−ｃ）は、サインカーブの自乗曲線となっている。すなわち、周波数が出力信号（ａ−ｃ）の２倍になっている。また、全ての値がプラスになり、自乗信号（ｂ−ｃ）の中心線における位相が、出力信号と比較して９０度遅れることになる。

自乗信号（ｂ−ｓ）と自乗信号（ｂ−ｃ）を加算するための加算器１４の出力信号である自乗和信号（ｃ）を図４に示す。θ＝０では、SINθ＝０、COSθ＝１であるので、自乗和信号（ｃ）は、自乗信号（ｂ−ｃ）と同じ波形となる。
自乗和信号（ｃ）の中心線をゼロ線に合わせると共に、位相を９０度遅らせるための微分器１５の微分出力信号（ｄ）を図５に示す。
微分器１５を用いて、自乗和信号（ｃ）の中心線をゼロ線に合わせると共に、９０度遅延する方向にシフトさせることにより、自乗和信号（ｃ）のタイミングを出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）と同期させている。

微分出力信号（ｄ）は、コンパレータ１６の非反転入力端子に送られる。コンパレータ１６の反転入力端子には、ゼロ点が入力されており、コンパレータ１６は、ゼロ点を基準とした矩形波信号を生成する。コンパレータ１６の出力信号（ｅ）を図６に示す。
出力信号である検波信号（ｆ）を図７に示す。自乗和信号（ｃ）の周波数は、出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）の周波数の２倍になっているので、周波数を半分にする分周を行う。これにより、分周器１７の同期検波信号（ｆ）は、出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）と同期する。

ＳＩＮ検出コイルの出力信号（ａ−ｓ）と分周器１７の出力信号（ｆ）を乗算する乗算器１８の出力信号（ｇ−ｓ）を図８の（ａ）に示す。
図２の（ａ）に示す出力信号（ａ−ｓ）と、図７に示す検波信号である出力信号（ｆ）を乗算したときに、（ａ−ｓ）は、ゼロ直線なので、出力信号（ｇ−ｓ）も、ゼロ直線となる。
一方、ＣＯＳ検出コイルの出力信号（ａ−ｃ）と分周器１７の出力信号（ｆ）を乗算する乗算器１９の出力信号（ｇ−ｃ）を図８の（ｂ）に示す。
図２の（ｂ）に示す出力信号（ａ−ｃ）と、図７に示す同期信号である出力信号（ｆ）を乗算したときに、出力信号（ｇ−ｓ）は、サインカーブのプラス側のみの波形となる。
乗算器１８の出力信号（ｇ−ｓ）は、ローパスフィルタ２０により、搬送波の周波数成分が除かれ、復調が完了する。乗算器１９の出力信号（ｇ−ｃ）は、ローパスフィルタ２１により、搬送波の周波数成分が除かれ、復調が完了する。ここで、復調とは、検波信号との乗算とＬＰＦでの平滑化の組み合わせをいう。
そして、復調が完了したＳＩＮ検出コイル側出力と、復調が完了したＣＯＳ検出コイル側出力の比較により、ロータの回転角度が検出できる。

次に、θ＝４５度のときについて説明する。
θ＝４５度におけるＳＩＮ検出コイル７の出力信号（ａ−ｓ）を図９の（ａ）に示し、ＣＯＳ検出コイル８の出力信号（ａ−ｃ）を図９の（ｂ）に示す。
乗算器１２の出力信号（ｂ―ｓ）を図１０の（ａ）に示し、乗算器１３の出力信号（ｂ―ｃ）を図１０の（ｂ）に示す。
自乗信号（ｂ−ｓ）と自乗信号（ｂ−ｃ）を加算するための加算器１４の出力信号（ｃ）を図１１に示す。前述の通り、自乗信号（ｃ）は、θに依存しないため、図４に示されたθ＝０のときと同じである。
ＳＩＮ検出コイルの出力信号（ａ−ｓ）と分周器１７の出力信号（ｆ）を乗算する乗算器１８の出力信号（ｇ−ｓ）を図１２の（ａ）に示す。
図１０の（ａ）に示す出力信号（ａ−ｓ）と、検波信号である出力信号（ｆ）を乗算したときに、（ａ−ｓ）は、振幅の小さいサインカーブなので、出力信号（ｇ−ｓ）も、振幅の小さいサインカーブのプラス側のみの波形となる。

一方、ＣＯＳ検出コイルの出力信号（ａ−ｃ）と分周器１７の出力信号（ｆ）を乗算する乗算器１９の出力信号（ｇ−ｃ）を図１２の（ｂ）に示す。
図１０の（ｂ）に示す出力信号（ａ−ｃ）と、検波信号である出力信号（ｆ）を乗算したときに、（ａ−ｃ）は、振幅の小さいサインカーブなので、出力信号（ｇ−ｓ）は、振幅の小さいサインカーブのプラス側のみの波形となる。
本実施例では、出力信号を９０度シフトするのに、微分回路１５を用いているが、微分回路１５の代わりに、オールパスフィルタを用いても良い。
乗算器１８の出力信号（ｇ−ｓ）は、ローパスフィルタ２０により、搬送波の周波数成分が除かれて、復調が完了する。乗算器１９の出力信号（ｇ−ｃ）は、ローパスフィルタ２１により、搬送波の周波数成分が除かれて、復調が完了する。
そして、復調が完了したＳＩＮ検出コイル側出力と、復調が完了したＣＯＳ検出コイル側出力の比較により、ロータの回転角度が検出できる。

以上詳細に説明したように、第１実施例の角度検出装置によれば、（１）１相励磁２出力型のレゾルバ１１を備え、レゾルバ１１から出力される出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）と、検波信号に基づいて角度を検出する角度検出装置において、ＳＩＮ検出コイル７の出力信号（ａ−ｓ）と、ＣＯＳ検出コイル８の出力信号（ａ−ｃ）の自乗和出力を用いて、検波信号（ｆ）を生成すること、を特徴とするので、レゾルバ信号の出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）から自己信号である同期検波信号（ｆ）を生成しているため、温度条件の変化があり、レゾルバ出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）に遅延が発生しても、レゾルバ出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）と検波信号（ｆ）との位相は変動せず、角度検出誤差を生じることがない。
また、自乗和を用いているため、検波信号（ｆ）がゼロとなることがなく、常にタイミング信号としての検波信号を出力することができる。特に、SINの自乗とCOSの自乗の和を採っているので、SIN信号振幅の小さいときには、COS振幅が大きく、COS振幅が小さいときには、SIN振幅が大きいので、和を採ることにより、振幅変化に対する振幅補償を行うことができる。

（２）（１）に記載する角度検出装置において、自乗和出力を９０度シフトさせた後、分周することにより検波信号（ｆ）を生成すること、を特徴とする。出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）の自乗信号（ｂ−ｓ）、（ｂ−ｃ）は、周波数が出力信号の２倍になる。また、全ての値がプラスになり、自乗信号（ｂ−ｓ）、（ｂ−ｃ）の中心線における位相が、出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）と比較して９０度遅れることになる。したがって、自乗和の信号（自乗和信号）のタイミングを出力信号と同期させるためには、自乗和信号を９０度遅延する方向にシフトさせる必要がある。
そして、出力信号の波形を９０度シフトさせた後、２パルス分を１パルスとする分周を行うことにより、自乗和の信号の周波数を出力信号の周波数に合わせることができる。
（３）（２）に記載する角度検出装置において、９０度シフトを、微分回路１５を用いて行うこと、を特徴とするので、低コストの簡単な回路で、出力信号（ａ−ｓ）、（ａ−ｃ）の位相を９０度シフトすることができる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。第２実施例は、基本的内容は、第１実施例と同じなので、同じ内容の説明は割愛し、異なる点のみ説明する。
図１３に第２実施例のレゾルバの角度検出装置の構成をブロック図で示す。図１３に示すように、加算器１４の出力部は、コンパレータ１６の非反転入力端子に接続している。また、コンパレータ１６の出力部は、ＰＬＬ回路３０の入力部に接続している。ＰＬＬ回路３０の出力部は、分周器１７の入力部に接続している。ＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ）回路は、２種類の交流入力電圧の位相を比較し、その結果を出力する位相比較回路（ＰＣ）、直流制御入力電圧によって、その発振周波数を可変する電圧制御発振回路（ＶＣＯ）、及びＰＣの出力から交流成分を除去し、直流電圧としてＶＣＯに供給するローパスフィルタ（ＬＰＦ）から成る一種のサーボ回路である。ＰＬＬ回路は、デジタル信号を処理することができる。
ＰＬＬ回路３０を用いることにより、ＶＣＯからの発振周波数を使えば、入力信号に対して、９０度位相のずれた周波数の等しい信号を得ることができる。

加算回路１４の出力信号は自乗和信号（ｃ）であり、図４、図１１に示すものと同じである。
コンパレータ１６の出力信号（ｈ）を図１４に示す。図１４に示すように、出力信号（ｈ）は、９０度位相の進んだパルス信号となっている。この信号を、ＰＬＬ回路３０を用いて９０度遅延させることにより、ＰＬＬ回路３０の出力信号は、図６に示すパルス信号となる。以下は、第１実施例と同じ内容なので、説明を割愛する。
第２実施例では、ＰＬＬ回路３０を用いているが、単純な遅延回路を用いても良い。

以上説明したように、第２実施例の角度検出装置によれば、９０度シフトするためにＰＬＬ回路３０を用いているので、デジタル信号を扱うことができるため、コンパレータ１６の後にＰＬＬ回路３０を入れた構成を採ることにより、ノイズに強い角度検出装置を得ることができる。また、位相を９０度正確にシフトさせることができる。

以上本発明の具体的な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されることなく、色々な応用が可能である。
例えば、信号を９０度シフトさせる手段として、微分器１５、ＰＬＬ回路３０について説明したが、オールパスフィルタ、その他の遅延回路を用いても良い。

７ ＳＩＮ検出コイル
８ ＣＯＳ検出コイル
９ 励磁コイル
１１ レゾルバ
１２、１３ 乗算器
１４ 加算器
１５ 微分器
１６ コンパレータ
３０ ＰＬＬ回路

Claims (3)

1. １相励磁２相出力型のレゾルバを備え、前記レゾルバから出力される出力信号と、検波信号に基づいて角度を検出する角度検出装置において、
   前記２出力信号の自乗和出力を用いて、前記検波信号を生成すること、
   を特徴とする角度検出装置。
2. 請求項１に記載する角度検出装置において、
   前記自乗和出力を９０度シフトさせた後、分周することにより前記検波信号を生成すること、
   を特徴とする角度検出装置。
3. 請求項２に記載する角度検出装置において、
   前記９０度シフトを、微分回路を用いて行うこと、
   を特徴とする角度検出装置。

Images