JP2016020819A - 角度検出装置及びモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】角度検出装置の検出精度を向上させることを目的とする。
【解決手段】本実施の形態の角度検出装置は、回転体の回転角を検出する角度検出装置であって、回転角に基づいて周期的に変化し、位相の異なる第１のセンサ信号を出力する複数のセンサと、第１のセンサ信号を相互に演算し、約９０度位相の異なる第２のセンサ信号を出力する複数の演算手段と、第２のセンサ信号に基づいて、回転体の角度情報を検出する角度検出手段と、第２のセンサ信号の少なくとも１つに基づいて、振幅変動を検出する振幅検出手段と、振幅変動に基づいて、角度情報を補正する角度補正手段と、を有することにより上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、角度検出装置及びモータ駆動回路に関するものである。

従来より、光学エンコーダ、レゾルバ、磁気センサ、等を用いて、回転体（ロータ）の回転角を検出し、検出結果を制御部へとフィードバックすることで、モータの位置、速度、等を高精度に制御するモータ駆動回路が知られている。

磁気センサ（例えば、ホール素子）から出力され、位相の異なる２つの正弦波信号（センサ信号）を相互演算し、ベクトルの現在位相に基づいて、回転体の回転角を検出する角度検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、従来の角度検出装置では、着磁偏心等に起因するセンサ信号の位相ずれによって、検出誤差が生じ、検出精度が低くなってしまっていた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、角度検出装置の検出精度を向上させることを目的とする。

本実施の形態の角度検出装置は、回転体の回転角を検出する角度検出装置であって、回転角に基づいて周期的に変化し、位相の異なる第１のセンサ信号を出力する複数のセンサと、第１のセンサ信号を相互に演算し、約９０度位相の異なる第２のセンサ信号を出力する複数の演算手段と、第２のセンサ信号に基づいて、回転体の角度情報を検出する角度検出手段と、第２のセンサ信号の少なくとも１つに基づいて、振幅変動を検出する振幅検出手段と、振幅変動に基づいて、角度情報を補正する角度補正手段と、を有することを要件とする。

本実施の形態によれば、角度検出装置の検出精度を向上させることができる。

実施形態１に係る角度検出装置の構成の一例を示す図である。 実施形態１に係るロータ等を説明する図である。 実施形態１に係る角度検出装置における信号波形の一例を示す図である。 実施形態１に係る角度検出装置における信号波形の一例を示す図である。 実施形態１に係る信号を、直交座標上のベクトル成分として表した図である。 従来の角度検出装置の構成の一例を示す図である。 従来の角度検出装置における信号波形の一例を示す図である。 実施形態２に係る角度検出装置の構成の一例を示す図である。 実施形態２に係る角度検出装置における信号波形の一例を示す図である。 実施形態２に係る角度検出装置における信号波形の一例を示す図である。 実施形態２に係る角度検出装置における信号波形の一例を示す図である。 実施形態３に係る角度検出装置の構成の一例を示す図である。 実施形態３に係る角度検出装置の構成の一例を示す図である。 実施形態４に係る角度検出装置の構成の一例を示す図である。 実施形態４に係る角度検出装置における信号波形の一例を示す図である。 実施形態５に係るモータ駆動装置の構成の一例を示す図である。 実施形態５に係るモータ駆動装置における信号波形の一例を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜実施形態１＞
〔角度検出装置の構成〕
図１に、本実施の形態に係る角度検出装置の概略構成の一例を示す。

角度検出装置１００は、第１のセンサ１０１、第２のセンサ１０２、第１の演算手段１０３、第２の演算手段１０４、第１の乗算手段（ゲイン可変手段）１０５、第２の乗算手段（ゲイン可変手段）１０６、角度検出手段１０７、減算手段１０８、第１の振幅検出手段１０９、第１の振幅補正手段（Ｘゲイン補正）１１０、角度補正手段１１１、第２の振幅検出手段１１２、第２の振幅補正手段（Ｙゲイン補正）１１３、等を含む。

第１のセンサ１０１及び第２のセンサ１０２は、多極着磁された回転体の回転角に基づいて、磁界変化を電気信号（正弦波状の周期的な信号）に変換し、位相の異なる第１のセンサ信号（センサ信号ｈ１及びセンサ信号ｈ２）を、それぞれ出力する。第１のセンサ１０１及び第２のセンサ１０２としては、磁気センサ（例えば、ホール素子）等が挙げられる。

多極着磁された回転体は、図２に示すように、複数相コイルと接続され、該コイルに、ロータ磁束の位相／角度と同期する交流電圧が印加されることで、回転トルクを発生する。ロータ磁束を検出するホール素子における検出角度の分解能は、６０度程度であり、モータの駆動力を発生させる駆動回路では、各ホール信号のゼロクロスが用いられる。

例えば、回転体が、８極（４極ペア）に着磁され、３つのホール素子が、回転体の円周に沿って、ロータ角３０度の間隔で配置される場合、４極ペアの着磁であるため、ロータが回転すると、各ホール信号は、図３に示すように、１２０度の位相間隔を有する正弦波状の周期信号となる。４極ペアの着磁では、電気角はロータ角の４倍となり、ロータ１周（ロータ角３６０度）で、ホール信号は、４周期（３６０*４）分発生する。なお、電気角とは、ロータ着磁１組を３６０度とする角度単位であり、ロータ角と電気角との間には、電気角＝ロータ角*（極数／２）という関係が成立する。

第１の演算手段１０３及び第２の演算手段１０４は、センサ信号ｈ１及びセンサ信号ｈ２を相互に演算し、約９０度位相の異なる第２のセンサ信号（センサ信号Ｘ０及びセンサ信号Ｙ０）を、出力する。例えば、第１の演算手段１０３は、センサ信号ｈ１とセンサ信号ｈ２とを加算し、センサ信号Ｘ０＝（センサ信号ｈ１＋センサ信号ｈ２）を出力する。又、例えば、第２の演算手段１０４は、センサ信号ｈ２からセンサ信号ｈ１を減算した後、定数乗算し、センサ信号Ｙ０＝（センサ信号ｈ２−センサ信号ｈ１）*（定数）を出力する。又、例えば、第３のセンサから出力されるセンサ信号ｈ３を用いて、第１の演算手段１０３が、センサ信号Ｘ０＝（センサ信号ｈ１）を出力し、第２の演算手段１０４が、センサ信号Ｙ０＝（センサ信号ｈ３−センサ信号ｈ２）*（定数）を出力することも可能である。但し、定数は、１／ｓｑｒｔ（３）＝０．５７７３５とすることが好ましい（ｓｑｒｔ：平方根）。定数を１／ｓｑｒｔ（３）とすることで、センサ信号Ｘ０等のノミナル振幅を、センサ信号ｈ１及びセンサ信号ｈ２の振幅と等しくすることができるため、回路設計が容易になる。

図４に示すように、第１の演算手段１０３及び第２の演算手段１０４にて上述の演算を行うことにより、センサ信号Ｘとセンサ信号Ｙとの位相間隔は、約９０度となるため、直交関係を利用できる。

なお、２つのセンサの位置関係がどのような場合でも、相互演算前のセンサ信号ｈ１及びセンサ信号ｈ２の振幅が完全に等しければ、相互演算後の、センサ信号Ｘとセンサ信号Ｙとの位相間隔は、正確に９０度となる。しかしながら、実際には、センサ感度のばらつき、増幅回路ゲインの誤差、等により、相互演算前のセンサ信号ｈ１及びセンサ信号ｈ２の振幅を完全に等しくすることは、困難である。従って、本明細書においては、相互演算前のセンサ信号ｈ１及びセンサ信号ｈ２の振幅が略等しい場合も含めて、相互演算後の、センサ信号Ｘとセンサ信号Ｙとの位相間隔は、約９０度になるものとして説明する。

第１の乗算手段１０５及び第２の乗算手段１０６は、ゲイン可変手段、又は乗算器であり、第１の乗算手段１０５は、センサ信号Ｘ０にゲイン指示量Ｇｘを乗じて、センサ信号Ｘを出力し、第２の乗算手段１０６は、センサ信号Ｙ０にゲイン指示量Ｇｙを乗じて、センサ信号Ｙを出力する。例えば、ゲイン１固定とすれば、センサ信号Ｘ＝センサ信号Ｘ０、センサ信号Ｙ＝センサ信号Ｙ０とすることができる。本実施の形態において、第１の乗算手段１０５及び第２の乗算手段１０６は、必須の構成要素では無い。

角度検出手段１０７は、センサ信号Ｘ及びセンサ信号Ｙに基づいて、回転体の角度情報ｔｈ０（例えば、振幅、現在の角度、等）を検出する。図５に示すように、電気角（＝現在の角度）θｄでのセンサ信号Ｘ１及びセンサ信号Ｙ１（図４参照）を、直交座標（ｘｙ座標）上のベクトル成分とすると、振幅は、原点から座標（Ｘ１、Ｙ１）までの距離となる。このように、角度情報ｔｈ０＝ａｔａｎ２（Ｘ、Ｙ）は、センサ信号Ｘ及びセンサ信号Ｙに基づいて、検出できる。但し、ａｔａｎ２は、逆正接関数であり、−１８０度から＋１８０度の値を取る（Microsoft社製ソフト「Excel」等参照）。

減算手段１０８は、角度情報ｔｈ０から角度補正信号ｔｈ＿ａｄｊを減算して、角度信号ｔｈを出力する。なお、角度情報とは、検出角度誤差情報を含む。

第１の振幅検出手段１０９は、センサ信号Ｘ０の振幅（ピーク値、包絡線、等）を検出して、振幅変動検出信号ｐｋｘを出力し、第２の振幅検出手段１１２は、センサ信号Ｙ０の振幅（ピーク値、包絡線、等）を検出して、振幅変動検出信号ｐｋｙを出力する。第１の振幅検出手段１０９と第２の振幅検出手段１１２とは、同一の構成で実現できる。

振幅検出手段は、センサ信号Ｘ０又はセンサ信号Ｙ０の振幅変動に基づいて、振幅変動検出信号を、包絡線にトレースさせる構成としても良いし、正のピーク値を、次々にサンプリング、又はピークホールドすることで、ステップ的に変動を反映させる構成としても良い。

第１の振幅補正手段１１０は、Ｘ信号系のゲイン補正手段であり、センサ信号Ｘ０の振幅変動検出信号ｐｋｘに基づいて、センサ信号Ｘ０の振幅変動を抑えるようなゲイン指示量Ｇｘを出力する。振幅変動検出信号ｐｋｘが、ノミナルで１を中心に変動する場合、ゲイン指示量Ｇｘは、ゲイン指示量Ｇｘ＝（１／振幅変動検出信号ｐｋｘ）から算出することが可能である。

第２の振幅補正手段１１３は、Ｙ信号系のゲイン補正手段であり、センサ信号Ｙ０の振幅変動検出信号ｐｋｙに基づいて、センサ信号Ｙ０の振幅変動を抑えるようなゲイン指示量Ｇｙを出力する。第１の振幅補正手段１１０と第２の振幅補正手段１１３とは、同一の構成で実現できる。振幅変動検出信号ｐｋｙが、ノミナルで１を中心に変動する場合、ゲイン指示量Ｇｙは、ゲイン指示量Ｇｙ＝（１／振幅変動検出信号ｐｋｙ）から算出することが可能である。

つまり、振幅変動検出信号ｐｋｘ又は振幅変動検出信号ｐｋｙが、１より大きければ（センサ信号Ｘ０又はセンサ信号Ｙ０の振幅がノミナルより大きければ）、ゲインを下げれば良い。又、振幅変動検出信号ｐｋｘ又は振幅変動検出信号ｐｋｙが、１より小さければ（センサ信号Ｘ０又はセンサ信号Ｙ０の振幅がノミナルより小さければ）、ゲインを上げれば良い。これにより、角度検出手段１０７は、センサ信号Ｘ０又はセンサ信号Ｙ０の振幅変動が除去されたセンサ信号Ｘ又はセンサ信号Ｙを、取得することができる。

なお、Ｘ信号系及びＹ信号系のゲイン補正手段は、両方が必須の構成要素では無いが、両方を備える場合は、一方のみを備える場合と比較して、角度検出装置の補正精度を向上させることができる。特に、図１に示す構成の場合は、Ｘ信号系のゲイン補正手段から出力される振幅変動検出信号ｐｋｘが、角度補正手段１１１でも使用されるため、角度検出装置１００の補正精度を向上させるためには、両方の構成要素を備えることが好ましい。

角度補正手段１１１は、振幅変動検出信号ｐｋｘに基づいて、第２のセンサ信号（例えば、センサ信号Ｘ０）の振幅及び位相における変動量（例えば、変動振幅ａｘ、変動位相ｐｘ、等）を算出し、該変動量に基づいて、ロータ１周（ロータ角３６０度）を１周期とする周期信号を生成し、角度補正信号ｔｈ＿ａｄｊを出力する。周期信号は、コスト、製造上の難易度、等の観点から、正弦波であることが好ましいが、特に限定されるものではなく、矩形波、多段階ステップ波、連続的な三角波、等であっても良い。多段階ステップ波、連続的な三角波、及び正弦波は、矩形波と比較して、振幅変動検出信号ｐｋｘの変動をより反映し易いため、補正精度を向上させることができる。

例えば、周期信号が矩形波の場合、
振幅ａ＝（変動振幅ａｘ）*（定数ｃ１）、
ロータ角ｐｈ＝（変動位相ｐｘ）＋（定数ｃ２）となる。

但し、定数ｃ１、定数ｃ２は、予め設定される定数。

検出ロータ角が、ロータ角ｐｈからロータ角（ｐｈ＋１８０度）の場合、
角度補正信号ｔｈ＿ａｄｊ＝振幅ａとなり、
検出ロータ角が、ロータ角（ｐｈ＋１８０度）からロータ角ｐｈの場合、
角度補正信号ｔｈ＿ａｄｊ＝振幅−ａとなる。

これらの式より、角度補正信号ｔｈ＿ａｄｊは、ロータ角ｐｈとロータ角（ｐｈ＋１８０度）で、ゼロクロスして振幅が、振幅（±ａ）の矩形波となることがわかる。

本実施の形態に係る角度検出装置１００によれば、振幅検出手段により、第２のセンサ信号の少なくとも１つに基づいて振幅変動を検出し、角度補正手段により、該振幅変動に基づいて、回転体の角度情報を補正する。これにより、着磁偏心等に起因して、回転角の検出に使用されるセンサ信号に位相ずれが生じても、検出誤差を低減させ、角度検出装置の検出精度を向上させることができる。

〔従来の角度検出装置の構成〕
ここで、図６及び図７を用いて、従来の角度検出装置の構成について説明する。

図６（Ａ）に示すように、ホール素子１、ホール素子２は、ロータの回転に伴って、約１２０度位相の異なる正弦波信号（ホール信号ｍ１、ホール信号ｍ２）を出力する。図６（Ｂ）に示すように、各ホール素子は、ロータ着磁近傍の円周上に配置される。

演算器１は、ホール信号ｍ１とホール信号ｍ２とを加算し、センサ信号Ｘｍ＝（センサ信号ｍ１＋センサ信号ｍ２）を、出力する。

演算器２は、ホール信号ｍ２からホール信号ｍ１を減算した後、定数乗算し、センサ信号Ｙｍ＝（ホール信号ｍ２−ホール信号ｍ１）*（定数）を、出力する。

角度検出装置は、約９０度位相の異なる２相の正弦波信号（センサ信号Ｘｍ、センサ信号Ｙｍ）に基づいて、現在の位相を、角度信号ｔｈｍ＝ａｔａｎ２（Ｘ、Ｙ）として、出力する。

図６（Ｃ）に示すように、着磁偏心が生じると、磁気センサにより検出されるホール信号に、ロータ１周を周期とする位相ずれが生じる。例えば、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、ロータ着磁極数を１２極として、ロータ１周に１周期の正弦波が含まれる場合、ホール信号の位相ずれをシミュレーションすると、ロータ１周を周期とする約±２０度（単位は電気角）の位相ずれが正弦波的に生じる。図７（Ｂ）より、位相ｅｒｒ１が最大となるのは、電気角５４０度付近であり、理想ホール信号ｎｍ１とホール信号ｍ１との位相差は、ゼロクロス部に注目すると、約２０度であることがわかる。

又、図７（Ｃ）に示すように、従来の角度検出装置に、位相ずれが生じているホール信号を入力し、回転体の回転角を検出すると、真のホール信号における約±２０度の位相ずれに伴って、検出角度にも、約±２０度の検出誤差が生じる。角度信号ｔｈｍは、−１８０度、＋１８０度で折り返して表示しており、角度検出誤差ｅｒｒは、角度信号ｔｈｍと、真の電気角（この場合、ロータ角／６）との差である。図７（Ｃ）より、ロータ１周に１回よりも、高次な誤差成分が生じ、各ホール信号の位相ずれが、センサ信号Ｘｍ及びセンサ信号Ｙｍの振幅変動に置換されることがわかる。

即ち、従来の角度検出装置においては、着磁偏心等により生じるセンサ信号の位相ずれによって、角度信号ｔｈｍには、検出誤差が生じるため、角度検出装置の検出精度が低くなってしまうことがわかる。

＜実施形態２＞
図８に、本実施の形態に係る角度検出装置の概略構成の一例を示す。本実施の形態では、実施形態１に係る角度検出装置の構成とは異なる構成を有する角度検出装置について説明する。

本実施の形態に係る角度検出装置２００の構成と、実施形態１に係る角度検出装置１００の構成とで異なる点は、角度補正手段１１１が、振幅・位相検出手段２０１、正弦波生成手段２０２、補正量生成手段２０３、等を含む点である。その他の構成は、実施形態１に係る角度検出装置１００の構成と同一であるため、実施形態１の説明を参酌できる。

振幅・位相検出手段２０１は、振幅変動検出信号ｐｋｘに基づいて、第２のセンサ信号（例えば、センサ信号Ｘ０）の振幅及び位相における変動量（例えば、変動振幅ａｘ、変動位相ｐｘ、等）を検出する。該変動量は、第１のセンサ信号間に生じる位相ずれを反映するため、振幅・位相検出手段２０１により、該変動量を検出することで、角度検出装置２００は、高精度な角度補正を行うことができる。

変動振幅ａｘは、例えば、変動振幅ａｘ＝（振幅変動検出信号ｐｋｘの最大値−振幅変動検出信号ｐｋｘの最小値）／２から検出される。

変動位相ｐｘは、例えば、振幅変動検出信号ｐｋｘをゼロ中心（信号ｐｋｘ＿ｚ）として、信号ｐｋｘ＿ｚが、ゼロを横切るロータ角から検出される。但し、信号ｐｋｘ＿ｚ＝振幅変動検出信号ｐｋｘ−｛（振幅変動検出信号ｐｋｘの最大値−振幅変動検出信号ｐｋｘの最小値）／２｝＝振幅変動検出信号ｐｋｘ−変動振幅ａｘである。

なお、振幅・位相検出手段２０１は、公知の直交検波等の振幅・位相検波法を用いて、振幅変動検出信号ｐｋｘ（例えば、ピークサンプル値）に基づき直接、変動振幅ａｘ及び変動位相ｐｘを検出することも可能である。

正弦波生成手段２０２は、角度信号ｔｈ（補正された角度情報）に基づいて、回転体の１周を１周期とする回転角基準正弦波を生成する。

例えば、電気角からロータ角への変換は、
着磁極ペア数ｎ＝（着磁極数／２）
ロータ角＝（角度信号ｔｈ／着磁極ペア数ｎ）となる。

従って、回転角基準正弦波は、ｓｉｎ（ｔｈ／ｎ）となり、テーブルを用いて容易に生成できる。

補正量生成手段２０３は、変動量に基づいて、回転角基準正弦波の振幅及び位相に対する補正量を生成し、角度補正信号（補正正弦波）ｔｈ＿ａｄｊを出力する。

例えば、角度補正信号ｔｈ＿ａｄｊは、
振幅ａ＝（変動振幅ａｘ）*（定数ｃ１）、
位相ｐｈ＝（変動位相ｐｘ）＋（定数ｃ２）より、
角度補正信号ｔｈ＿ａｄｊ＝振幅ａ*ｓｉｎ｛（ｔｈ／ｎ）＋ｐｈ｝となる。

但し、定数ｃ１、定数ｃ２は、予め設定される定数。

なお、減算手段１０８は、角度補正信号ｔｈ＿ａｄｊに基づいて、角度情報ｔｈ０を補正し（角度情報ｔｈ０から角度補正信号ｔｈ＿ａｄｊを減算し）、角度信号ｔｈを出力する。

ここで、角度補正手段１１１にて用いられる振幅変動検出信号の精度について、簡単に説明する。例えば、図９に示すように、センサ信号Ｘ０及びセンサ信号Ｙ０の波形には、ロータ１周につき、それぞれ、６回の正ピークが存在する。従って、センサ信号Ｘ０及びセンサ信号Ｙ０の波形における、該ピークを順次サンプリングして、滑らかに接続すれば、各振幅変動検出信号の好ましい波形が得られる。

又、例えば、図１０に示すように、絶対値（ａｂｓ）を取り、負ピークを正に折り返して用いることで、ロータ１周につき１２回のピークサンプリングが可能である。つまり、センサ信号Ｘ０及びセンサ信号Ｙ０の波形に存在する負ピークも利用することで、より滑らかに振幅をトレースして振幅変動検出信号を得ることで、より高精度な振幅検出が可能になる。

又、例えば、ピークサンプル値をそのままホールドし、各振幅変動検出信号をステップ的に変化させて、振幅検出を行うことで、回路コストを安価にすることができる。

本実施の形態に係る角度検出装置２００によれば、角度補正手段により、振幅変動に基づいて、変動量を高精度に検出し、該変動量に基づいて生成した補正正弦波を利用して、検出誤差を低減させる。これにより、例えば、図１１に示すように、ロータ１周につき１回の角度検出誤差ｅｒｒを除去し、角度検出装置の検出精度を向上させることができる。

＜実施形態３＞
図１２に、本実施の形態に係る角度検出装置の概略構成の一例を示す。本実施の形態では、実施形態１に係る角度検出装置の構成とは異なる構成を有する角度検出装置について説明する。

本実施の形態に係る角度検出装置３００の構成と、実施形態１に係る角度検出装置１００の構成とで異なる点は、角度検出手段１０７が、ベクトル回転演算手段３０１、減算手段３０２、角度カウンタ３０３、正弦波生成手段３０４、等を含む点、又、角度補正信号ｙｄ＿ａｄｊが注入される減算手段の位置が異なる点、である。その他の構成は、実施形態１に係る角度検出装置１００の構成と同一であるため、実施形態１の説明を参酌できる。

ベクトル回転演算手段３０１は、正弦波生成手段３０４からフィードバックされるセンサ基準正弦波ｓｉｎ（ｔｈ）及びセンサ基準正弦波ｃｏｓ（ｔｈ）と、センサ信号Ｘ及びセンサ信号Ｙとを相互演算する。具体的には、ベクトル回転演算手段３０１は、センサ信号Ｘ及びセンサ信号Ｙを、直交座標上のベクトル成分として、所定角度ｔｈ（＝電気角θｄ）だけ回転させ、センサ基準正弦波と相互演算し、演算結果（例えば、ベクトルＸ'、ベクトルＹ'）を出力する。

例えば、ベクトルＸ'、ベクトルＹ'は、
ベクトルＸ'＝Ｘ*ｃｏｓ（ｔｈ）＋Ｙ*ｓｉｎ（ｔｈ）
ベクトルＹ'＝−Ｘ*ｓｉｎ（ｔｈ）＋Ｙ*ｃｏｓ（ｔｈ）となる。

減算手段３０２は、角度情報（例えば、ベクトルＹ'）から角度補正信号ｙｄ＿ａｄｊを減算して、減算結果を出力する。

角度カウンタ３０３は、定期的に、該減算結果をサンプリングし、正であるか又は負であるかに基づいて、アップ又はダウンして、カウント値ｔｈを生成する。具体的には、角度カウンタ３０３は、ベクトル回転後の角度情報（例えば、ベクトルＹ'）がゼロ近傍となるように、即ち、現在のベクトルＸ及びベクトルＹが、ｘ軸と重なるように、カウント値ｔｈを制御する（図５参照）。この結果、角度カウンタ３０３の更新（サンプリング）を十分高速にすれば、角度カウンタ３０３は、カウント値ｔｈとして、常に、現在のベクトルＸ及びベクトルＹにおける位相／角度に追従した値を出力することができる。角度情報がゼロ近傍であれば、ベクトルＹ'は、検出角度（＝カウント値ｔｈ）と、現在のベクトルＸ及びベクトルＹにおける角度とのずれ、即ち、検出角度誤差情報となる。

角度カウンタ３０３が、実行するアルゴリズムは、
（ｓ１） ｉｆ （Ｙ'＞０） ｔｈ＝ｔｈ＋１
（ｓ２） ｅｌｓｅ ｉｆ （Ｙ'＜０） ｔｈ＝ｔｈ−１
（ｓ３） ｅｌｓｅ ｔｈ＝ｔｈとなる。

即ち、角度カウンタ３０３は、
（ｓ１） ベクトルＹ'が正ならば、カウント値ｔｈをカウントアップし、
（ｓ２） ベクトルＹ'が負ならば、カウント値ｔｈをカウントダウンし、
（ｓ３） ベクトルＹ'が０ならば、カウント値ｔｈを変化させない。

例えば、角度カウンタ３０３のｂｉｔ数を、８ｂｉｔにすると、カウント値ｔｈは、０から２５５までの値を巡回するため、角度検出装置３００は、カウント値ｔｈを検出角度として、電気角０度から３６０度までに、割り当てることができる。即ち、電気角は、｛（３６０度*カウント値ｔｈ）／２５６度｝で表すことができるため、角度検出装置３００は、カウント値ｔｈの１を、検出角度として、電気角約１．４度に、割り当てることができる。

ところで、カウント値ｔｈは、カウンタ出力であるため、必ず「１」ずつしか変化せず、検出角度は、インクリメンタルエンコーダ信号（「１」で変化するパルス信号）へと変換され、インターフェースされた方が、工業的には用い易い。従って、カウント値ｔｈから検出角度への変換は、非常に容易に行われる。一方、逆正接での角度計算は、インクリメンタルエンコーダ形式には不向きであるため、汎用なインターフェースを利用することが好ましい。これにより、応用範囲を広げ、低コストなシステムを実現することができる。

又、角度補正の注入点を、角度情報の出力点と一致させることで、高精度な補正が可能になる。例えば、角度カウンタ３０３のｂｉｔ数を、８ｂｉｔにする場合、電気角約１．４度の分解能が必要であるが、角度補正の注入点を、角度情報の出力点と一致させることで、分解能精度が制限され難い、高精度な角度情報を用いての補正が可能になるためである。

正弦波生成手段３０４は、角度信号ｔｈ（補正された角度情報）に基づいて、第２のセンサ信号の１周期に相当するセンサ基準正弦波を生成する。正弦波生成手段３０４は、カウント値ｔｈの１巡りを３６０度として、センサ基準正弦波ｓｉｎ（ｔｈ）及びセンサ基準正弦波ｃｏｓ（ｔｈ）を生成し、ベクトル回転演算手段３０１へとフィードバックする。

例えば、角度カウンタ３０３のｂｉｔ数を、８ｂｉｔにすると、正弦波は、２５６段のテーブルで実現できる。センサ基準正弦波は、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号の１周期と等しい周期を有することになる。

なお、角度補正手段１１１は、振幅変動検出信号ｐｋｘに基づいて、角度情報ｔｈ０を補正するための、角度補正信号ｙｄ＿ａｄｊを減算手段３０２へと出力する。角度補正手段１１１の構成は、実施形態１に示す構成と同一であるが、角度補正の注入点における角度情報の単位系が、実施形態１に示す単位系と異なる。従って、振幅や位相等の係数を、予め適切な値に設定する必要がある。

又、図１３に示すように、角度補正手段１１１の構成を、図８に示す構成と同一の構成とし、振幅・位相検出手段２０１、正弦波生成手段２０２、補正量生成手段２０３、等を含む構成としても良い。この場合も、補正量生成手段２０３において、角度補正の注入点における角度情報の単位系が、実施形態２に示す単位系と異なる。従って、振幅や位相等の係数を、予め適切な値に設定する必要がある。図１３に示す構成は、実施形態２に示す角度検出装置２００の構成と同様に、補正量が完全に正弦波で生成されるため、角度誤差の除去効果が高いという利点がある。更に、正弦波生成手段２０２は、正弦波生成手段３０４のテーブルを共通で使用でき、参照角度を着磁極ペア数で除するのみで良いため、簡易な回路で、高精度な角度検出装置を実現できるという利点もある。

本実施の形態に係る角度検出装置３００によれば、角度カウンタ、ベクトル回転演算手段、等を利用することで、簡易な回路、単純なアルゴリズム（例えば、回数の少ない乗算）、で、高精度な角度検出を行うことができる。これにより、低コスト化を図りつつ、角度検出装置の検出精度を向上させることができる。

＜実施形態４＞
図１４に、本実施の形態に係る角度検出装置の概略構成の一例を示す。本実施の形態では、実施形態１に係る角度検出装置の構成とは異なる構成を有する角度検出装置について説明する。

本実施の形態に係る角度検出装置４００の構成と、実施形態１に係る角度検出装置１００の構成とで異なる点は、第１の振幅補正手段（Ｘゲイン補正）１１０が、振幅・位相検出手段４０１、正弦波生成手段４０２、補正量生成手段４０３、等を含み、第２の振幅補正手段（Ｙゲイン補正）１１３が、振幅・位相検出手段４０４、正弦波生成手段４０５、補正量生成手段４０６、等を含む点である。その他の構成は、実施形態１に係る角度検出装置１００の構成と同一であるため、実施形態１の説明を参酌できる。

振幅・位相検出手段４０１、正弦波生成手段４０２、補正量生成手段４０３の構成は、実施形態２に示す、振幅・位相検出手段２０１、正弦波生成手段２０２、補正量生成手段２０３の構成と同一である。

補正量生成手段４０３は、変動振幅ａｘ及び変動位相ｐｘに基づいて、ゲイン補正に用いるべき正弦波の振幅及び位相を算出して、補正正弦波を生成し、センサ信号Ｘ０の振幅変動を抑える（振幅が、略一定となる）ようなゲイン指示量Ｇｘを出力する。

正弦波の振幅及び位相は、
振幅ａ＝（変動幅ａｘ）*（定数ｃ１）、
ロータ角ｐｈ＝（変動位相ｐｘ）＋（定数ｃ２）
ゲイン指示量Ｇｘ＝振幅ａ*ｓｉｎ｛（ｔｈ／ｎ）＋ｐｈ｝＋１となる。

但し、ノミナルゲインを１とする。

補正量生成手段４０３を、第１の振幅補正手段１１０に適用することで、元の振幅変動検出信号ｐｋｘが、離散的に（例えば、１周につき、１２ポイント）しか得られていなくても、ゲイン指示量（補正量）Ｇｘを、連続的な正弦波とすることが可能になる。これにより、第１の振幅補正手段１１０は、高精度なゲイン補正を行うことができるため、Ｘ信号系の振幅変動を正確に除去し、角度検出装置４００における角度検出誤差をより小さくすることができる。

振幅・位相検出手段４０４、正弦波生成手段４０５、補正量生成手段４０６の構成は、第１の振幅補正手段１１０の構成と同一である。

補正量生成手段４０６は、変動振幅ａｙ及び変動位相ｐｙに基づいて、ゲイン補正に用いるべき正弦波の振幅及び位相を算出して、補正正弦波を生成し、センサ信号Ｙ０の振幅変動を抑える（振幅が、略一定となる）ようなゲイン指示量Ｇｙを出力する。

正弦波の振幅及び位相は、
振幅ａ＝（変動幅ａｙ）*（定数ｃ１）、
ロータ角ｐｈ＝（変動位相ｐｙ）＋（定数ｃ２）
ゲイン指示量Ｇｙ＝振幅ａ*ｓｉｎ｛（ｔｈ／ｎ）＋ｐｈ｝＋１となる。

但し、ノミナルゲインを１とする。

補正量生成手段４０６を、第２の振幅補正手段１１３に適用することで、元の振幅変動検出信号ｐｋｙが、離散的にしか得られていなくても、ゲイン指示量（補正量）Ｇｙを、連続的な正弦波とすることが可能になる。これにより、第２の振幅補正手段１１３は、高精度なゲイン補正を行うことが可能であるため、Ｙ信号系の振幅変動を正確に除去し、角度検出装置４００における角度検出誤差をより小さくすることができる。

図１５を用いて、実施動作の比較結果について、説明する。図１５（Ａ）に、角度補正のみを適用した場合の角度検出誤差ｅｒｒを示す。図１５（Ｂ）に、角度補正に加えてＸゲイン補正を適用した場合の角度検出誤差ｅｒｒを示す。図１５（Ｃ）に、角度補正に加えてＸゲイン補正及びＹゲイン補正を適用した場合の角度検出誤差ｅｒｒを示す。ゲイン指示量Ｇｘ及びゲイン指示量Ｇｙは、連続的な正弦波である。

図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）と比較すると、センサ信号Ｘの振幅変動が除去できていることがわかる。更に、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）と比較すると、角度誤差の高周波（例えば、１周につき、１２回の成分）が、大幅に除去されていることがわかる。

角度補正に加えてＸゲイン補正を適用することで、角度誤差の高周波であっても、モータ１周につき、１回の低周波でゲイン補正を行うことができるため、角度検出装置４００の低コスト化を図れる。

図１５（Ｃ）は、図１５（Ｂ）と比較すると、センサ信号Ｙの振幅変動が除去できていることがわかる。更に、図１５（Ｃ）は、図１５（Ｂ）と比較すると、極わずかな角度誤差の高周波も除去されていることがわかる。

角度補正に加えてＸゲイン補正及びＹゲイン補正を適用することで、センサ信号Ｘの振幅変動のみならず、センサ信号Ｙの振幅変動も除去できることに加えて、角度誤差の高周波も略除去できるため、角度検出装置４００の検出精度を、極めて向上させることができる。

＜実施形態５＞
本実施の形態では、角度検出装置１００を適用したモータ駆動装置の一例について説明する。図１６に、モータ駆動装置５００の概略構成の一例を示す。

モータ駆動装置５００は、角度検出装置１００、第３のセンサ５０１、ゼロクロス比較器５０２、ゼロクロス比較器５０３、ゼロクロス比較器５０４、駆動回路（駆動手段）５０５、等を含む。モータ駆動装置５００が駆動させるモータは、３相ブラシレスモータであり、３相コイル５０６、回転体、ステータ（図示せず）、等を含む。

第３のセンサ５０１は、多極着磁された回転体の回転角に基づいて、磁界変化を電気信号（正弦波状の周期的な信号）に変換し、センサ信号ｈ３を出力する。第３のセンサ５０１としては、磁気センサ（例えば、ホール素子）等が挙げられる。第１のセンサ１０１、第２のセンサ１０２、第３のセンサ５０１は、固定子側に配置され、電気角１２０度の位相間隔を有する正弦波状の周期信号を出力する（図２、図３参照）。

ゼロクロス比較器５０２は、センサ信号ｈ１が０より大きいか否かを比較し、ゼロクロス結果ｚ１を、駆動回路５０５へと出力する。ゼロクロス比較器５０２は、センサ信号ｈ１が０より大きい場合、例えば、'Ｈ'（'１'）信号を、駆動回路５０５へと出力し、センサ信号ｈ１が０以下である場合、例えば、'Ｌ'（'０'）信号を、駆動回路５０５へと出力する。

ゼロクロス比較器５０３は、センサ信号ｈ２が０より大きいか否かを比較し、ゼロクロス結果ｚ２を、駆動回路５０５へと出力する。ゼロクロス比較器５０３は、センサ信号ｈ２が０より大きい場合、例えば、'Ｈ'（'１'）信号を、駆動回路５０５へと出力し、センサ信号ｈ２が０以下である場合、例えば、'Ｌ'（'０'）信号を、駆動回路５０５へと出力する。

ゼロクロス比較器５０４は、センサ信号ｈ３が０より大きいか否かを比較し、ゼロクロス結果ｚ３を、駆動回路５０５へと出力する。ゼロクロス比較器５０４は、センサ信号ｈ３が０より大きい場合、例えば、'Ｈ'（'１'）信号を、駆動回路５０５へと出力し、センサ信号ｈ３が０以下である場合、例えば、'Ｌ'（'０'）信号を、駆動回路５０５へと出力する。

駆動回路５０５は、ゼロクロス結果ｚ１、ｚ２、ｚ３から、電気角６０度毎に、駆動電圧Ｕ、Ｖ、Ｗを生成し、各相コイルへと出力する。即ち、駆動回路５０５は、センサ信号ｈ１、ｈ２、ｈ３に基づいて、３相ブラシレスモータに駆動力を発生させる。

３相コイル５０６は、駆動回路５０５に対応して設けられ、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線を含み、例えば、星型結線されて、固定子側に配置される。回転体のロータ角に同期して、各相コイルに駆動電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが順次発生すると、ロータ磁束との相互作用により、ロータには回転トルクが発生して回転する。

図１７に、モータ駆動装置５００におけるゼロクロス結果ｚ１、ｚ２、ｚ３及び駆動電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの信号波形の一例を示す。

ゼロクロス結果ｚ１、ｚ２、ｚ３における信号レベルは、'１'、'０'の２レベルであり、駆動電圧Ｕ、Ｖ、Ｗにおける電圧レベルは、'Ｈ'、'Ｍ'、'Ｌ'の３レベルである。'Ｍ'を、ＯＦＦ状態（端子開放）とする構成も良く知られており、一般的に、１２０度矩形波駆動方式と呼ばれる。

表１に、図１７に示す波形を生成するための真理値表を示す。

本実施の形態に係るモータ駆動装置５００の構成によれば、３相ブラシレスモータの各相コイルに駆動電圧を発生させるための、第１のセンサ１０１、第２のセンサ１０２、第３のセンサ５０１のうち、少なくとも２つのセンサを、角度検出用のセンサと共用できる。従って、安価且つ高精度な角度検出装置を備えるモータ駆動装置の性能を高めることができる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１００、２００、３００、４００ 角度検出装置
１０１ 第１のセンサ
１０２ 第２のセンサ
１０３ 第１の演算手段
１０４ 第２の演算手段
１０７ 角度検出手段
１０９ 第１の振幅検出手段
１１０ 第１の振幅補正手段
１１１ 角度補正手段
１１２ 第２の振幅検出手段
１１３ 第２の振幅補正手段
２０１ 振幅・位相検出手段
２０２ 正弦波生成手段
２０３ 補正量生成手段
３０１ ベクトル回転演算手段
３０４ 正弦波生成手段
５００ モータ駆動装置
５０１ 第３のセンサ
５０２、５０３、５０４ ゼロクロス比較器
５０５ 駆動回路

特開２０１３−１０８９７１号公報

Claims (5)

1. 回転体の回転角を検出する角度検出装置であって、
   前記回転角に基づいて周期的に変化し、位相の異なる第１のセンサ信号を出力する複数のセンサと、
   前記第１のセンサ信号を相互に演算し、約９０度位相の異なる第２のセンサ信号を出力する複数の演算手段と、
   前記第２のセンサ信号に基づいて、前記回転体の角度情報を検出する角度検出手段と、
   前記第２のセンサ信号の少なくとも１つに基づいて、振幅変動を検出する振幅検出手段と、
   前記振幅変動に基づいて、前記角度情報を補正する角度補正手段と、を有する、角度検出装置。
2. 前記角度補正手段は、
   補正された前記角度情報に基づいて、前記回転体の１周を１周期とする回転角基準正弦波を生成する正弦波生成手段と、
   前記振幅変動に基づいて、前記第２のセンサ信号の振幅及び位相における変動量を検出する振幅・位相検出手段と、
   前記変動量に基づいて、前記回転角基準正弦波の振幅及び位相に対する補正量を生成する補正量生成手段と、を備える、請求項１に記載の角度検出装置。
3. 前記角度検出手段は、
   補正された前記角度情報に基づいて、前記第２のセンサ信号の１周期に相当するセンサ基準正弦波を生成する正弦波生成手段と、
   前記第２のセンサ信号に基づいて、前記センサ基準正弦波との相互演算を行うベクトル回転演算手段と、を備える、請求項１又は２のいずれか一項に記載の角度検出装置。
4. 前記振幅変動に基づいて、前記第２のセンサ信号の振幅が、略一定となるようにゲインを補正する振幅補正手段と、を備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の角度検出装置。
5. 駆動力により、回転体を回転させるモータ駆動装置であって、
   前記回転体の回転角に基づいて周期的に変化し、位相の異なる第１のセンサ信号を出力する複数のセンサと、
   前記第１のセンサ信号を相互に演算し、約９０度位相の異なる第２のセンサ信号を出力する複数の演算手段と、
   前記第２のセンサ信号に基づいて、前記回転体の角度情報を検出する角度検出手段と、
   前記第２のセンサ信号の少なくとも１つに基づいて、振幅変動を検出する振幅検出手段と、
   前記振幅変動に基づいて、前記角度情報を補正する角度補正手段と、
   前記第１のセンサ信号に基づいて、前記駆動力を発生させる駆動手段と、を有する、モータ駆動装置。

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