JP2019219247A - レゾルバ信号処理回路 - Google Patents

Abstract

【課題】レゾルバより出力される信号の入力経路に短絡が発生しても、回転角の検出精度を維持できるレゾルバ信号処理回路を提供する。【解決手段】短絡状態判定回路７Ｓ，７Ｃは、レゾルバ１における短絡，及びレゾルバ１から差動増幅回路８Ｓ，８Ｃに至る信号の入力経路に短絡が発生したことをそれぞれ検出する。それぞれが短絡を検出した際に、対応する増幅回路８Ｓ，８Ｃの入力同相電圧範囲を変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、レゾルバより出力される信号を処理する回路に関する。

モータ回転角検出の一つとして、レゾルバより出力される２相信号を用いた手法がある。この場合の検出方法は、２相信号がそれぞれ差動入力され、それらを増幅した信号それぞれ差動形式の信号ＳＩＮＯ，ＣＯＳＯをマイクロコンピュータ等の制御回路に入力し、信号処理を行うことで検出している。

特開２０１７−１２５７５６号公報

レゾルバにおいて巻線の短絡が発生すると、回転角を検出するために用いる信号（ＳＩＮＯ／ＣＯＳＯ）の振幅が増大する。すると、図２０に示すように、信号波形に歪が生じるため、正弦信号，余弦信号の２乗和が「１」になる関係が崩れ、回転角の検出精度が低下するという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、レゾルバより出力される信号の入力経路に短絡が発生しても、回転角の検出精度を維持できるレゾルバ信号処理回路を提供することにある。

請求項１記載のレゾルバ信号処理回路によれば、第１及び第２増幅回路は、レゾルバより出力される２相信号をそれぞれ増幅するもので、レゾルバにおいて短絡が発生した際に、入力同相電圧範囲を調整することで意図した電圧を出力可能とする。すなわち、出力電圧に影響が及ばないように入力同相電圧範囲を制限する。これにより、レゾルバで短絡が発生しても、２相信号に基づいて回転角を検出できる。

請求項２記載のレゾルバ信号処理回路によれば、第１及び第２短絡検出回路は、レゾルバにおける短絡，及び当該レゾルバから第１及び第２増幅回路に至る信号の入力経路に短絡が発生したことをそれぞれ検出する。そして、電圧調整部は、第１及び第２短絡検出回路がそれぞれ短絡を検出した際に、対応する増幅回路の入力同相電圧範囲を変更する。これにより、短絡が発生した際に、出力電圧に影響が及ばないように入力同相電圧範囲を動的に制限できる。

請求項３記載のレゾルバ信号処理回路によれば、第１及び第２増幅回路を、オペアンプを用いた差動増幅回路で構成し、電圧調整部は差動増幅回路の入力同相電圧範囲を変更する。すなわち、短絡が発生すると、差動増幅回路の入力同相電圧範囲を動的に変更することで、出力電圧に影響が及ばないように調整できる。

第１実施形態であり、レゾルバ信号処理回路の構成を示す図 ＭＣＵの処理内容を示すフローチャート ＲＥＦ短絡時の抵抗接続状態を示す図 図３の状態に対応する差動増幅回路の出力電圧波形を示す図 天絡時の抵抗接続状態を示す図 図５の状態に対応する差動増幅回路の出力電圧波形を示す図 地絡時の抵抗接続状態を示す図 図７の状態に対応する差動増幅回路の出力電圧波形を示す図 第２実施形態であり、レゾルバ信号処理回路の構成を示す図 正常動作時の分圧状態を示す図 図１０の状態に対応するデジタル信号処理部の出力電圧波形を示す図 ＲＥＦ短絡時の分圧状態を示す図 図１２の状態に対応するデジタル信号処理部の出力電圧波形を示す図 天絡時の抵抗接続状態を示す図 図１４の状態に対応する差動増幅回路の出力電圧波形を示す図 地絡時の抵抗接続状態を示す図 図１６の状態に対応する差動増幅回路の出力電圧波形を示す図 第３実施形態であり、レゾルバ信号処理回路の構成を示す図 通常動作時及びＲＥＦ短絡の差動増幅回路の出力電圧波形を示す図 従来技術を説明する通常動作時及びＲＥＦ短絡の差動増幅回路の出力電圧波形を示す図

（第１実施形態）
図１に示すように、レゾルバ１は、１次巻線２，２次巻線３Ｓ及び３Ｃを備えている。これらの巻線２及び３は、互いに絶縁されている。１次巻線２には、励磁信号を供給する図示しない励磁回路が接続されている。２次巻線３ＳはＳＩＮ相信号を出力し、２次巻線３ＣはＣＯＳ相信号を出力する。

１次巻線２は、回転角度の検出対象である図示しないモータの回転子に連結されている。２次巻線３Ｓ，３Ｃのそれぞれと１次巻線２との相互インダクタンスは、モータの回転子の回転角度θに応じて周期的に変化する。これにより、２次巻線３Ｓ，３Ｃのそれぞれの出力電圧は、励磁信号を変調波ＳＩＮθ，ＣＯＳθによりそれぞれ変調した被変調波となる。レゾルバ１は、例えば電動車の走行用モータの回転角を検出するため、車両に搭載されている。

２次巻線３Ｓの一端は信号線ＳＩＮＰに、他端は信号線ＳＩＮＮにそれぞれ接続されている。信号線ＳＩＮＰ，ＳＩＮＮ間には、バイアス回路４Ｓ及び短絡検出回路５Ｓが並列に接続されている。バイアス回路４Ｓは、レゾルバ信号の中心電圧を設定するバイアス電圧を付与する。短絡検出回路５Ｓは、ＳＩＮθ側の短絡を検出するための抵抗分圧回路であり、その分圧出力は、ＭＣＵ６の入力端子ＳＩＮＤＥＴを介してＭＣＵ６内部の短絡状態判定回路７Ｓに入力されている。

また、信号線ＳＩＮＰ，ＳＩＮＮは、差動増幅回路８Ｓの各入力端子にそれぞれ接続されている。差動増幅回路８Ｓは、オペアンプ９Ｓを中心に構成されている。信号線ＳＩＮＰ，ＳＩＮＮと、オペアンプ９Ｓの非反転入力端子，反転入力端子との間には、複数の直列抵抗素子Ｒ１からなる抵抗Ｒ１群がそれぞれ接続されている。抵抗素子Ｒ１の一部には、短絡用のスイッチＳＷ１が並列に接続されている。

電源Ｖ１と非反転入力端子との間には、抵抗Ｒ３群及びＲ４群の並列回路と抵抗素子Ｒ２との直列回路が接続されている。抵抗Ｒ３群は、抵抗素子Ｒ３及びスイッチＳＷ３の直列回路が複数並列に接続されて成る。抵抗Ｒ４群も、抵抗素子Ｒ４及びスイッチＳＷ４の直列回路を複数並列に接続された構成を備えるが、１つだけは抵抗素子Ｒ４のみが並列に接続されている。抵抗素子Ｒ２には、短絡用のスイッチＳＷ２が並列に接続されている。

また、電源Ｖ１と反転入力端子との間には、非反転入力端子側と同様の抵抗Ｒ３群及び抵抗素子Ｒ２の直列回路が接続されている。抵抗Ｒ４群は、オペアンプ９Ｓの出力端子と、抵抗素子Ｒ２との間に接続されている。尚、図示が煩雑になることを回避するため、符号は一部の素子に付している。オペアンプ９Ｓの出力端子は、ＭＣＵ６の入力端子ＳＩＮＯを介してＭＣＵ６内部のモータ回転角推定部１０の入力端子に接続されている。尚、ＣＯＳ相側の構成はＳＩＮ相側と対称であり、図１では対応する構成に、符号の「Ｓ」に替えて「Ｃ」を付して示している。

モータ回転角推定部１０は、差動増幅回路８Ｓ，８Ｃの出力信号ＳＩＮＯ，ＣＯＳＯを受けて、モータの回転角を推定する。短絡状態判定回路７Ｓ，７Ｃは、短絡検出回路４Ｓ，４Ｃの入力信号を受けて短絡状態か否か、及び短絡が発生した際にはその種類としてＲＥＦ短絡，天絡及び地絡の別を判定する。ここで、「ＲＥＦ短絡」とは、レゾルバ１において１次巻線２，２次巻線３Ｓ及び３Ｃの間で発生する短絡を意味する。

短絡状態判定回路７Ｓ，７Ｃは、短絡が発生した際にはその種別に応じてダイアグ信号ＳＩＮＤＩＡＧ，ＣＯＳＤＩＡＧをそれぞれ出力し、差動増幅回路８Ｓ，８Ｃの各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオンオフ状態を切り替える。すなわち、ダイアグ信号ＳＩＮＤＩＡＧ，ＣＯＳＤＩＡＧは、２ビットデータにより短絡の種別を示す。短絡検出回路５及び短絡状態判定回路７は、短絡検出回路に相当する。また、短絡状態判定回路７は電圧調整部に相当する。

次に、本実施形態の作用について説明する。図２に示すように、短絡状態判定回路７は、短絡検出回路４の検出電圧：ＤＥＴ電圧を読み込んで、正常閾値（Ｓ１），天絡閾値（Ｓ２），地絡閾値（Ｓ３）とそれぞれ比較する。例えば回路の動作電源電圧が５Ｖの場合、正常閾値は２．５Ｖ程度，天絡閾値は５Ｖ，地絡閾値は０Ｖである。ＤＥＴ電圧が正常閾値に等しければ、正常信号を出力する（Ｓ７）。例えばダイアグ信号の２ビットデータを「００」として、ダイアグ検出をインアクティブにする。

ＤＥＴ電圧が正常閾値に一致せず、天絡閾値に一致すれば、例えばダイアグ信号の２ビットデータを「０１」とすることで天絡検出を示すダイアグ信号を出力する（Ｓ６）。また、ＤＥＴ電圧が天絡閾値に一致せず、地絡閾値に一致すれば、例えばダイアグ信号の２ビットデータを「１０」とすることで地絡検出を示すダイアグ信号を出力する（Ｓ５）。更に、ＤＥＴ電圧が天絡閾値に一致しなければ、例えばダイアグ信号の２ビットデータを「１１」とすることでＲＥＦ短絡検出を示すダイアグ信号を出力する（Ｓ４）。

本実施形態は、抵抗Ｒ１群，Ｒ３群及びＲ４がそれぞれ３素子構成の場合を示している。
＜通常動作時＞
図１に示す通常動作時（Ｓ７）では、各スイッチＳＷのオンオフを以下に示すように設定する。
抵抗Ｒ１群 ＳＷ１を１つオン
抵抗Ｒ２ ＳＷ２をオン
抵抗Ｒ３群 ＳＷ３を全てオフ
抵抗Ｒ４群 ＳＷ４を全てオフ
この時、オペアンプ９の入出力ゲインＧ０は、
Ｇ０＝Ｒ４／（２×Ｒ１）
であり、オペアンプ９Ｓの入力電圧ＶＩＮＰ０は、信号線ＳＩＮＰの電圧をＶＳＩＮＰとすると、
ＶＩＮＰ０＝Ｖ１−２×Ｒ１／（２×Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ４）×（Ｖ１−ＶＳＩＮＰ）
となっている。

＜ＲＥＦ短絡時＞
図３に示すＲＥＦ短絡時（Ｓ４）には、各スイッチＳＷのオンオフを以下に示すように切替える。
抵抗Ｒ１群 ＳＷ１を全てオフ
抵抗Ｒ２ ＳＷ２をオフ
抵抗Ｒ３群 ＳＷ３を１つオン
抵抗Ｒ４群 ＳＷ４を１つオン
この時、オペアンプ９の入出力ゲインＧ１は、
Ｇ１＝｛Ｒ２＋Ｒ３//（Ｒ４／２）｝／（３×Ｒ１）
であり、オペアンプ９Ｓの入力電圧ＶＩＮＰ１は、
ＶＩＮＰ１＝Ｖ１−３×Ｒ１／｛３×Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３//（Ｒ４／２）｝
×（Ｖ１−ＶＳＩＮＰ）
となる。

ここで図４に示すように、例えばＲＥＦ電圧が２．５Ｖであり、正常時においてＳＩＮ相信号，ＣＯＳ相信号が、何れもＲＥＦ電圧±１．２９５Ｖの振幅を有しているとする。この状態でＲＥＦ短絡が発生すると、ＳＩＮ相信号，ＣＯＳ相信号それぞれの正相信号，逆相信号の振幅は、
正相信号：０Ｖ±１０．７３Ｖ
逆相信号：０Ｖ±１３．３２Ｖ
となり、両信号が同相となる。

これに対して、ステップＳ４においてオペアンプ９の入力同相電圧範囲を調整することで、オペアンプ９の出力電圧波形が歪むことを回避できる。したがって、ＭＣＵ６は、正常時と同様に２相信号に基づいて回転角を検出できる。

＜天絡時＞
また図５に示すように、天絡時（Ｓ６）には各スイッチＳＷのオンオフを以下に示すように切替える。
抵抗Ｒ１群 ＳＷ１を全てオフ
抵抗Ｒ２ ＳＷ２をオフ
抵抗Ｒ３群 ＳＷ３を２つオン
抵抗Ｒ４群 ＳＷ４を１つオン
図６に示すように、天絡時には、ＲＥＦ電圧が例えば車両のバッテリ電圧＋Ｂや、昇圧動作を行っている場合には昇圧電源電圧まで上昇する。これに対して、上記のように入力同相電圧範囲を調整することで、オペアンプ９の出力電圧波形が歪むことを回避する。

＜地絡時＞
図７に示す地絡時（Ｓ５）には、各スイッチＳＷのオンオフを以下に示すように切替える。
抵抗Ｒ１群 ＳＷ１を全てオン
抵抗Ｒ２ ＳＷ２をオフ
抵抗Ｒ３群 ＳＷ３を全てオン
抵抗Ｒ４群 ＳＷ４を全てオン
図８に示すように、地絡時には、ＲＥＦ電圧が０Ｖに低下する。これに対して、上記のように入力同相電圧範囲を調整することで、ＭＣＵ６は、正常時と同様に２相信号に基づいて回転角を検出できる。

以上のように本実施形態によれば、短絡状態判定回路７Ｓ，７Ｃは、レゾルバ１における短絡，及びレゾルバ１から差動増幅回路８Ｓ，８Ｃに至る信号の入力経路に短絡が発生したことをそれぞれ検出する。そして、それぞれが短絡を検出した際に、対応する増幅回路８Ｓ，８Ｃの入力同相電圧範囲を変更する。これにより、短絡が発生した際に、出力電圧に影響が及ばないように入力同相電圧範囲を動的に制限できる。そして、ＭＣＵ６は、正常時と同様に２相信号に基づいてモータの回転角を検出できるので、電動車を正常時と同様に走行させて退避走行を高速で行うことができる。

また、短絡状態判定回路７Ｓ，７Ｃは、レゾルバ１にて発生する巻線短絡と、前記入力経路にて発生する天絡及び地絡とを検出し、検出した短絡の種類に応じて、対応する差動増幅回路８Ｓ，８Ｃの入力同相電圧範囲を変更する。これにより、それぞれのケースで増幅回路８の出力電圧に影響が及ぶことを回避できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図９に示すように、第２実施形態では、差動増幅回路８Ｓ，８Ｃに替えて、デジタル信号処理部１１Ｓ，１１Ｃを配置している。デジタル信号処理部１１は、Ａ／Ｄ変換器１２，ゲイン演算部１３及びＤ／Ａ変換器１４を備えている。デジタル信号処理部１１Ｓ，１１Ｃは第１，第２増幅回路に相当する。ゲイン演算部１３はゲイン付与部に相当する。

例えば図１０に示すように、Ａ／Ｄ変換器１２の入力側には、に入力される電圧の分圧率を変更可能な分圧回路１５（Ｓ，Ｃ）が配置されている。各相信号の電圧が印加される端子ＴとＡ／Ｄ変換器１２の入力端子ＶＩＮとの間には、抵抗素子Ｒａ及びＲｂの直列回路が接続されている。入力端子ＶＩＮと切替スイッチＳＷ５との間には、抵抗素子Ｒｃ及びスイッチＳＷ４の直列回路が接続されている。

抵抗素子Ｒａ，Ｒｂには、それぞれスイッチＳＷ１，ＳＷ２が並列に接続されている。抵抗素子Ｒｃには、スイッチＳＷ３及び抵抗素子Ｒｄの直列回路が並列に接続されている。切替スイッチＳＷ５は、接続先を電源電圧Ｖ１とグランドとに切り替える。そして、短絡状態判定回路７Ｓ，７Ｃより出力される信号ＳＩＮＤＩＡＧ，ＣＯＳＤＩＡＧによって各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を制御することで、分圧回路１５における分圧状態を調整する。

次に、第２実施形態の作用について説明する。
＜通常動作時＞
図１０に示すように、通常動作時には、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオンオフや切替えを、以下のように設定する。尚、「−」はオンオフの何れでも良いことを示す。
ＳＷ１：オン
ＳＷ２：オン
ＳＷ３：−
ＳＷ４：オフ
ＳＷ５：−
この時、入力端子ＶＩＮの電圧は分圧されず、図１１に示すように電圧Ｖ１を中心に変化する。

＜ＲＥＦ短絡時＞
図１２に示すように、ＲＥＦ短絡時には、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオンオフ等を、以下のように設定する。
ＳＷ１：オフ
ＳＷ２：オン
ＳＷ３：オフ
ＳＷ４：オン
ＳＷ５：Ｖ１
すなわち、図１３に示すように、入力端子ＶＩＮが負電圧とならないように、電圧Ｖ１を基準としてＲｃ／（Ｒａ＋Ｒｃ）で分圧する。

＜天絡時＞
図１４に示すように、天絡時には、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオンオフ等を、以下のように設定する。
ＳＷ１：オフ
ＳＷ２：オン
ＳＷ３：オン
ＳＷ４：オン
ＳＷ５：ＧＮＤ
すなわち、図１５に示すように、入力端子ＶＩＮが電源電圧を超えないように、グランドを基準としてＲｃ／（Ｒａ＋Ｒｃ//Ｒｄ）で分圧する。

＜地絡時＞
図１６に示すように、地絡時には、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオンオフ等を、以下のように設定する。
ＳＷ１：オフ
ＳＷ２：オフ
ＳＷ３：オン
ＳＷ４：オン
ＳＷ５：Ｖ１
すなわち、図１７に示すように、入力端子ＶＩＮが負電圧とならないように、電圧Ｖ１を基準としてＲｃ//Ｒｄ／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃ//Ｒｄ）で分圧する。

以上のように第２実施形態によれば、デジタル信号処理部１１Ｓ，１１Ｃは、２相信号をそれぞれ分圧する分圧回路１５Ｓ，１５Ｃと、分圧された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１２Ｓ，１２Ｃと、Ａ／Ｄ変換されたデータに、増幅率に応じたゲインを乗じるゲイン演算部１３Ｓ，１３Ｃとを備える。そして、短絡状態判定回路７Ｓ，７Ｃは、分圧回路１５Ｓ，１５Ｃにおける分圧状態を変更する。このように構成すれば、２相信号をデジタルデータとして処理する際にも、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
図１８に示すように、第３実施形態では、差動増幅回路８に替えて、オペアンプ９に接続される各抵抗素子の接続状態が固定されている差動増幅回路２１を備えている。各抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４はそれぞれ１素子ずつであり、一端がオペアンプ９の出力端子に接続される抵抗素子Ｒ４を除いて、第１実施形態のＲＥＦ短絡時に対応した接続状態となっている。したがって、ＭＣＵ６は、信号ＳＩＮＤＩＡＧ，ＣＯＳＤＩＡＧを外部に出力しない。

次に、第３実施形態の作用について説明する。第３実施形態では、予めＲＥＦ短絡のみに対応した構成となっている。そのため、図１９に示すように、通常動作状態からＲＥＦ短絡が発生しても、差動増幅回路２１の出力信号は、第１実施形態の図４に示すケースと同様に信号波形が歪まなくなる。

以上のように第３実施形態によれば、差動増幅回路２１Ｓ，２１Ｃは、レゾルバ１においてＲＥＦ短絡が発生した際に、出力電圧に影響が及ばないように入力同相電圧範囲が制限されている。したがって、ＭＣＵ６は、ＲＥＦ短絡が発生したことを検出した際に、第１実施形態のように各抵抗素子の接続状態を切り替える必要がなくなる。

（その他の実施形態）
第１実施形態における各抵抗群の素子数や、第２実施形態における分圧抵抗の素子数等は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
また、各電圧の具体数値についても同様である。
回転角を検出する対象は、電動車の走行用モータに限ることはない。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１はレゾルバ、５は短絡検出回路、６はＭＣＵ、７は短絡状態判定回路、８は差動増幅回路、９はオペアンプである。

Claims (5)

1. レゾルバ（１）より出力される２相信号をそれぞれ増幅するもので、
   前記レゾルバにおいて短絡が発生した場合でも、入力同相電圧範囲を調整することで意図した電圧を出力可能とする第１及び第２増幅回路（８Ｓ及び８Ｃ，１１Ｓ及び１１Ｃ，２１Ｓ及び２１Ｃ）を備えるレゾルバ信号処理回路。
2. 前記第１及び第２増幅回路（８Ｓ及び８Ｃ，１１Ｓ及び１１Ｃ）は、入力同相電圧範囲が変更可能であり、
   前記レゾルバにおける短絡，及び当該レゾルバから前記第１及び第２増幅回路に至る信号の入力経路に短絡が発生したことをそれぞれ検出する第１及び第２短絡検出回路（５Ｓ及び７Ｓ，５Ｃ及び７Ｃ）と、
   前記第１及び第２短絡検出回路がそれぞれ短絡を検出した際に、対応する増幅回路の入力同相電圧範囲を変更する電圧調整部（７Ｓ及び７Ｃ）とを備える請求項１記載のレゾルバ信号処理回路。
3. 前記第１及び第２増幅回路は、オペアンプ（９Ｓ及び９Ｃ）を用いた差動増幅回路（８Ｓ及び８Ｃ）で構成され、
   前記電圧調整部は、前記差動増幅回路の入力同相電圧範囲を変更する請求項２記載のレゾルバ信号処理回路。
4. 前記第１及び第２増幅回路（１１Ｓ及び１１Ｃ）は、前記２相信号をそれぞれ分圧する第１及び第２分圧回路（１５Ｓ及び１５Ｃ）と、
   これら第１及び第２分圧回路により分圧された信号をＡ／Ｄ変換する第１及び第２Ａ／Ｄ変換器（１２Ｓ及び１２Ｃ）と、
   前記Ａ／Ｄ変換されたデータに、増幅率に応じたゲインを乗じる第１及び第２ゲイン付与部（１３Ｓ及び１３Ｃ）とを備え、
   前記電圧調整部は、前記第１及び第２分圧回路における分圧状態を変更する請求項２記載のレゾルバ信号処理回路。
5. 前記第１及び第２短絡検出回路は、前記レゾルバにて発生する巻線短絡と、前記入力経路にて発生する天絡及び地絡とを検出し、
   前記電圧調整部は、前記第１及び第２短絡検出回路が検出した短絡の種類に応じて、対応する増幅回路の入力同相電圧範囲を変更する請求項２から４の何れか一項に記載のレゾルバ信号処理回路。

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