JP4066934B2 - 正弦波生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、正弦波を生成するための正弦波生成装置に関し、特に、電動モータ等の回転角を検出するレゾルバの励磁信号を生成するための正弦波生成装置に好適である。

従来より、予め設定した一定周期のデジタルの矩形波を生成するマイコンと、マイコンで生成した矩形波を正弦波に変換するフィルタ回路とを備えた正弦波生成装置が知られている。

ところが、上述した正弦波生成装置によって精度の良い滑らかな正弦波を生成するためには、フィルタ回路に複数の増幅器を備えた例えばアクティブフィルタ等の高機能なフィルタ回路を用いる必要があるため、回路構成が複雑となると共に、コストも増加してしまう。

そこで、マイコン内にＤＭＡ機能を持たせることで、マイコンが正弦波に近いデジタル波形を生成できるため、フィルタ回路を複雑な回路構成にせず、簡単な回路構成のフィルタ回路によって精度の良い正弦波を生成することができる。しかし、マイコン内にＤＭＡ機能を持たせることで、マイコン内の処理が大規模となってしまうため、大規模な処理に対応できる容量の大きいマイコンを用いる必要があり、マイコンが高価なものとなってしまうという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、信号発生器が大規模な処理を行うことなく、安価なフィルタ回路によって正弦波を生成することが可能な正弦波生成装置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、請求項１では、所定の周波数で、且つオン時間が一定である第１の矩形波を生成する第１の信号発生器と、第１の矩形波とは異なる周波数で、且つオン時間が一定である第２の矩形波を生成する第２の信号発生器と、第１の矩形波と第２の矩形波との論理積もしくは論理和で構成される第３の矩形波を生成する信号合成手段と、信号合成手段で生成された第３の矩形波を正弦波に変換する信号変換回路とを備え、前記第１及び第２の信号発生器は、前記第１及び第２の矩形波であるＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭドライバであって、第１及び第２の前記ＰＷＭドライバが生成する２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比は、同一のデューティー比に設定されていることを特徴とする正弦波生成装置である。また、請求項２では、第１及び第２の信号発生器は、第１及び第２の矩形波であるＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭドライバであって、第１及び第２のＰＷＭドライバが生成する２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比は、互いに異なるデューティー比に設定されていることを特徴としている。

この構成により、第１の信号発生器で生成した第１の矩形波と第２の信号発生器で生成した第２の矩形波とは、互いに周波数が異なり、それぞれオン時間が一定であることから、信号合成手段で合成された第３の矩形波は、ＨからＬに切り替わる毎に、Ｈ時間が漸増し、最大のＨ時間となってから、逆にＨ時間が漸減していく矩形波となる。そのため、Ｈ時間が漸増及び漸減する第３の矩形波を簡単な回路構成の信号変換回路によって、正弦波に変換することができる。これにより、従来の如く、ＤＭＡ機能によって大規模な処理を行うことなく、第１及び第２の信号発生器が生成した第１及び第２の矩形波から第３の矩形波を生成することで、安価な信号変換回路によって正弦波を生成することができる。また、請求項１の構成によれば、信号合成手段で合成された第３の矩形波は、ＨとＬとが切り替わる毎に、Ｈ時間が漸増し、Ｈ時間が最大となった直後に、Ｈ時間が漸減する。そして、Ｈ時間が漸減してＨ時間が最小となった直後に、Ｈ時間が漸減していく。このように、第３の矩形波の時間経過に対するＨ時間の周期波形が略三角波形となるため、簡単な回路構成の信号変換回路によって、第３の矩形波を滑らかな正弦波に変換することができる。また、請求項２の構成によれば、信号合成手段で合成された第３の矩形波は、ＨとＬとが切り替わる毎に、Ｈ時間が漸増し、Ｈ時間が最大となると、最大のＨ時間が一定時間続いた後に、Ｈ時間が漸減する。そして、Ｈ時間が漸減してＨ時間が最小となると、最小のＨ時間が一定時間続いた後に、Ｈ時間が漸増していく。このように、第３の矩形波の時間経過に対するＨ時間の周期波形が略台形波形となるため、簡単な回路構成の信号変換回路によって、第３の矩形波を滑らかな正弦波に変換することができる。

また、請求項４では、第１及び第２のＰＷＭドライバが生成する２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比は、２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比の偏差に基づいて予め設定されていることを特徴としている。

この構成により、第１及び第２のＰＷＭドライバが生成する２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比の偏差によって、第３の矩形波の最大及び最小のＨ時間が続く一定時間が決まるため、第１及び第２の前記ＰＷＭドライバが生成する２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比を２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比の偏差に基づいて予め設定しておくことで、第３の矩形波の時間経過に対するＨ時間の周期波形を正弦波に近似させた略台形波形にすることができる。これにより、簡単な信号変換回路によって、第３の矩形波をより滑らかな正弦波に変換することができる。

また、請求項５では、信号合成手段は、第１及び第２の矩形波が入力され、第１及び第２の矩形波の論理積を出力するＡＮＤゲートもしくは論理和を出力するＯＲゲートであることを特徴としている。

この構成により、信号合成手段は、第１及び第２の矩形波の論理積を出力するＡＮＤゲートもしくは論理和を出力するＯＲゲートであることから、第３の矩形波を生成することができる。

また、請求項６では、信号変換回路は、一端が信号生成手段に接続される抵抗と、抵抗の他端及びグランドに接続されるコンデンサとからなるＣＲフィルタ回路であることを特徴としている。

この構成により、第３の矩形波の時間経過に対するＨ時間の周期波形は、略三角波形もしくは略台形波形であるため、ＣＲフィルタ回路によって、第３の矩形波をなますことで、正弦波に変換することができる。また、ＣＲフィルタ回路は、抵抗とコンデンサとからなる簡単な回路構成であるため、信号変換回路を安価にすることができる。

また、請求項７では、信号変換回路で変換された正弦波は、回転軸の回転角を検出するためのレゾルバの励磁信号に使用されることを特徴としている。

この構成により、本発明の正弦波生成装置で生成した正弦波をレゾルバの励磁信号に使用することで、回転軸の回転角を検出することができる。

図１は、正弦波生成装置１全体を示したブロック図である。図２は、信号合成手段２３及びＣＲフィルタ回路３の回路構成を示した回路図である。

図１に示すように、正弦波生成装置１は、マイコン２及びＣＲフィルタ回路３から構成されている。

マイコン２は、正弦波Ｓを生成するための信号発生源である第１のＰＷＭドライバ２１、第２のＰＷＭドライバ２２及び信号合成手段２３を有している。

第１のＰＷＭドライバ２１は、第１の信号発生器を成しており、第１の矩形波を成すＰＷＭ駆動信号Ｄ１を生成し、生成したＰＷＭ駆動信号Ｄ１を信号合成手段２３に出力する。また、第１のＰＷＭドライバ２１は、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１の周波数及びデューティー比を予め所定値に設定しており、本実施例では、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１の周波数を４０５ｋＨｚ、デューティー比を５０％に設定している。

第２のＰＷＭドライバ２２は、第２の信号発生器を成しており、第２の矩形波を成すＰＷＭ駆動信号Ｄ２を生成し、生成したＰＷＭ駆動信号Ｄ２を信号合成手段２３に出力する。また、第２のＰＷＭドライバ２２は、ＰＷＭ駆動信号Ｄ２の周波数及びデューティー比を予め所定値に設定しており、本実施例では、ＰＷＭ駆動信号Ｄ２の周波数を４００ｋＨｚ、デューティー比をＰＷＭ駆動信号Ｄ１と同様に５０％に設定している。

信号合成手段２３は、第１及び第２のＰＷＭドライバ２１、２２で生成したＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２が入力され、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２を合成し、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２の差分である第３の矩形波Ｄ３を生成する。また、信号合成手段２３は、生成した第３の矩形波Ｄ３をＣＲフィルタ回路３に出力する。本実施例での信号合成手段２３は、図２に示すように、ＡＮＤゲートであって、入力されたＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２の論理積を第３の矩形波Ｄ３としてＣＲフィルタ回路３に出力する。なお、信号合成手段２３は、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２の論理和を第３の矩形波Ｄ３としてＣＲフィルタ回路３に出力するＯＲゲートで構成してもよい。

ＣＲフィルタ回路３は、信号合成手段２３で生成した第３の矩形波Ｄ３が入力され、入力された第３の矩形波Ｄ３を正弦波Ｓに変換するものであり、図２に示すように、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とから構成されている。

このＣＲフィルタ回路３の抵抗Ｒ１は、一端が信号合成手段２３であるＡＮＤゲートの出力端子と接続され、他端がコンデンサＣ１の一端と接続されている。また、コンデンサＣ１の他端は、グランドに接続されている。なお、本実施例では、抵抗Ｒ１を１０ｋΩ、コンデンサＣ１を０．０１μＦとしている。

また、ＣＲフィルタ回路３で変換された正弦波Ｓが正弦波生成装置１の出力信号であって、この正弦波生成装置１の出力信号は、例えば正弦波によって動作する外部の機器に入力される。

ここで、第１及び第２のＰＷＭドライバ２１、２２で生成したＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２が正弦波Ｓに変換されるまでの周期波形の変化について、図３に基づいて説明する。

上述したように、第１及び第２のＰＷＭドライバ２１、２２で生成したＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２が信号合成手段２３であるＡＮＤゲートに入力されると、ＡＮＤゲートによって第３の矩形波Ｄ３が生成される。

図３に示すように、本実施例での第１のＰＷＭドライバ２１は、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１のデューティー比が５０％であるため、Ｈ時間とＬ時間とが等しいＰＷＭ駆動信号Ｄ１を生成する。また、第２のＰＷＭドライバ２２も同様に、ＰＷＭ駆動信号Ｄ２のデューティー比が５０％であるため、Ｈ時間とＬ時間とが等しいＰＷＭ駆動信号Ｄ２を生成する。

そして、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２の周波数は、互いに異なる周波数（Ｄ１＝４０５ｋＨｚ、Ｄ２＝４００ｋＨｚ）に設定されていることから、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２のＨとＬとが切り替わる周期が徐々にずれていく。即ち、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１とＰＷＭ駆動信号Ｄ２とが互いにＨである時間が徐々にずれていく。

このことから、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２の論理積である第３の矩形波Ｄ３は、ＨとＬとが切り替わる毎に、Ｈ時間が漸増していき、Ｈ時間がＰＷＭ駆動信号Ｄ１のＨ時間と一致すると、直ちにＨ時間が漸減していく。そして、Ｈ時間が最小となると、Ｈ時間が同様に漸増していく。

このことを図３に基づいて言い換えると、第３の矩形波Ｄ３のＨ時間Ｊ１〜Ｊ６は、ＨとＬとが切り替わる毎に、Ｈ時間がＪ１、Ｊ２、Ｊ３と順に漸増していき、Ｈ時間がＰＷＭ駆動信号Ｄ１の最大のＨ時間（Ｔ１×０．５）と一致すると（Ｊ４）、直ちにＨ時間がＪ５、Ｊ６と漸減していく。

また、第３の矩形波Ｄ３の時間経過に対するＨ時間Ｊ１〜Ｊ６の周期波形は、図３の一点鎖線に示すように、略三角波形となる。

以上により、上述した第３の矩形波Ｄ３をＣＲフィルタ回路３によって正弦波Ｓに変換することができる。

なお、図３に示すＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２と第３の矩形波Ｄ３、正弦波Ｓ及びＨ時間Ｊ１〜Ｊ６の時間経過に対する周期波形は、全体の周期の一部を示している。

［実施例１の効果］
本実施例の正弦波生成装置１は、マイコン２の第１及び第２のＰＷＭドライバ２１、２２で生成したＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２をＡＮＤゲート２３によって第３の矩形波Ｄ３を生成することで、回路構成が簡単なＣＲフィルタ回路３によって第３の矩形波Ｄ３を変換することで、正弦波Ｓを生成することができる。このことから、マイコン２が従来の如く、ＤＭＡ機能によって第３の矩形波Ｄ３を生成していないことから、マイコン２が大規模な処理を行うことがないため、容量の大きい高価なマイコン２を用いることなく、さらに安価なＣＲフィルタ回路３によって正弦波Ｓを生成することできる。

なお、本発明の正弦波生成装置１の第１及び第２のＰＷＭドライバ２１、２２が生成するＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２は、周波数が同一でなく、それぞれ予め設定した一定のデューティー比に設定していればよい。

図４は、本実施例における第１及び第２のＰＷＭドライバ２１、２２で生成したＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２が正弦波Ｓに変換されるまでの周期波形の変化を示している。

本実施例での第１及び第２のＰＷＭドライバ２１、２２が生成するＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２のそれぞれの周波数は、実施例１と同様に設定されているが、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１のデューティー比（オンデューティー比）を３５％に変更している。そのため、本実施例での第１のＰＷＭドライバ２１は、Ｈ時間がＬ時間よりも１５％短いＰＷＭ駆動信号Ｄ１を生成する。なお、ＰＷＭ駆動信号Ｄ２のデューティー比は、実施例１と同様に、５０％に設定している。

そして、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２の周波数は、実施例１と同様に、互いに異なる周波数（Ｄ１＝４０５ｋＨｚ、Ｄ２＝４００ｋＨｚ）に設定されていることから、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２のＨとＬとが切り替わる周期が徐々にずれていく。即ち、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１とＰＷＭ駆動信号Ｄ２とが互いにＨである時間が徐々にずれていく。

このことから、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２の論理積である第３の矩形波Ｄ３は、ＨとＬとが切り替わる毎に、Ｈ時間が漸増していき、Ｈ時間がＰＷＭ駆動信号Ｄ１のＨ時間と一致すると、このＨ時間が一定時間続き、Ｈ時間が漸減していく。そして、Ｈ時間が最小となると、Ｈ時間が同様に漸増していく。

このことを図４に基づいて言い換えると、第３の矩形波Ｄ３のＨ時間Ｊ１０〜Ｊ１５は、ＨとＬとが切り替わる毎に、Ｈ時間がＪ１０、Ｊ１１と順に漸増していき、Ｈ時間がＰＷＭ駆動信号Ｄ１の最大のＨ時間（Ｔ１×０．３５）と一致すると（Ｊ１２）、Ｈ時間Ｊ１２と等しいＨ時間が一定時間続き（Ｊ１３）、Ｈ時間がＪ１４、Ｊ１５と漸減していく。

また、第３の矩形波Ｄ３の時間経過に対するＨ時間Ｊ１０〜Ｊ１５の周期波形は、図４の一点鎖線に示すように、略台形波形となる。なお、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１の最大のＨ時間と等しいＨ時間（第３の矩形波Ｄ３のＨ時間）が続く一定時間は、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２のデューティー比の偏差に応じた時間となる。

以上により、上述した第３の矩形波Ｄ３をＣＲフィルタ回路３によって正弦波Ｓに変換することができる。

なお、図４に示すＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２と第３の矩形波Ｄ３、正弦波Ｓ及びＨ時間Ｊ１０〜Ｊ１５の時間経過に対する周期波形は、図３と同様に、全体の周期の一部を示している。

本実施例では、第３の矩形波Ｄ３の時間経過に対するＨ時間Ｊ１０〜Ｊ１５の周期波形が略台形波形となることから、実施例１の略三角波形よりも正弦波Ｓに近似させることができるため、回路構成が簡単なＣＲフィルタ回路３によって、滑らかな正弦波Ｓに変換することができる。

また、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１の最大のＨ時間と等しい第３の矩形波Ｄ３のＨ時間が続く一定時間は、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２のデューティー比の偏差に応じた時間となることから、正弦波Ｓに近似させた略台形波形を生成できるように、ＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２のデューティー比をＰＷＭ駆動信号Ｄ１、Ｄ２のデューティー比の偏差に基づいて予め設定しておくことで、より滑らかな正弦波Ｓに変換することができる。

図５は、本発明の正弦波生成装置１を具備した回転軸の回転角を検出する回転角検出装置１０の構成を示している。

図５に示すように、回転角検出装置１０は、本発明の正弦波生成装置１と、ＣＲフィルタ回路３で変換された正弦波Ｓを増幅する増幅回路４と、増幅回路４で増幅された正弦波Ｓを反転する反転回路５と、反転回路５で反転された正弦波Ｓが励磁信号として入力されるレゾルバ６と、レゾルバ６の出力信号であるサイン相信号ｓｉｎ及びコサイン相信号ｃｏｓをマイコン２内の角度検出手段２４が認識できるように変換するインターフェース回路７とを有している。

増幅回路４は、ＣＲフィルタ回路３で変換された正弦波Ｓが入力され、且つ入力された正弦波Ｓを増幅するオペアンプＯＰ１から構成された周知の増幅回路である。なお、オペアンプＯＰ１は、予め所定の増幅率に設定されている。

反転回路５は、増幅回路４で増幅された正弦波Ｓを反転する周知の反転回路であり、オペアンプＯＰ２、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３から構成されている。なお、抵抗Ｒ２、Ｒ３の抵抗値は、それぞれ１０ｋΩに設定されている。

レゾルバ６は、周知の角度検出装置であり、反転回路５で反転された正弦波Ｓが励磁コイルに入力されることで、出力信号であるサイン相信号ｓｉｎ及びコサイン相信号ｃｏｓをインターフェース回路７に出力する。

インターフェース回路７は、サイン相信号ｓｉｎ及びコサイン相信号ｃｏｓをマイコン２の角度検出手段２４が認識できるように変換し、変換後のサイン相信号ｓｉｎ´、コサイン相信号ｃｏｓ´をマイコン２の角度検出手段２４に出力する。

マイコン２は、角度検出手段２４を有しており、角度検出手段２４は、インターフェース回路７で変換されたサイン相信号ｓｉｎ´、コサイン相信号ｃｏｓ´が入力され、回転軸の回転角を検出する。

このように、本発明の正弦波生成装置１を回転角検出装置１０に適用することで、回転軸の回転角を検出することができる。

正弦波生成装置全体を示したブロック図である。 信号合成手段及びＣＲフィルタ回路の回路構成を示した回路図である。 第１及び第２のＰＷＭドライバで生成したＰＷＭ駆動信号が正弦波に変換されるまでの周期波形の変化を示している。（実施例１） 第１及び第２のＰＷＭドライバで生成したＰＷＭ駆動信号が正弦波に変換されるまでの周期波形の変化を示している。（実施例２） 本発明の正弦波生成装置を具備した回転軸の回転角を検出する回転角検出装置の構成を示している。

符号の説明

１…正弦波生成装置、２…マイコン、３…ＣＲフィルタ回路、２１…第１のＰＷＭドライバ、２２…第２のＰＷＭドライバ、２３…信号合成手段、Ｄ１、Ｄ２…ＰＷＭ駆動信号、Ｄ３…第３の矩形波、Ｓ…正弦波

Claims (6)

1. 所定の周波数で、且つオン時間が一定である第１の矩形波を生成する第１の信号発生器と、前記第１の矩形波とは異なる周波数で、且つオン時間が一定である第２の矩形波を生成する第２の信号発生器と、前記第１の矩形波と前記第２の矩形波との論理積もしくは論理和で構成される前記第３の矩形波を生成する信号合成手段と、
   前記信号合成手段で生成された前記第３の矩形波を正弦波に変換する信号変換回路とを備え、
   前記第１及び第２の信号発生器は、前記第１及び第２の矩形波であるＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭドライバであって、第１及び第２の前記ＰＷＭドライバが生成する２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比は、同一のデューティー比に設定されていることを特徴とする正弦波生成装置。
2. 所定の周波数で、且つオン時間が一定である第１の矩形波を生成する第１の信号発生器と、前記第１の矩形波とは異なる周波数で、且つオン時間が一定である第２の矩形波を生成する第２の信号発生器と、前記第１の矩形波と前記第２の矩形波との論理積もしくは論理和で構成される前記第３の矩形波を生成する信号合成手段と、
   前記信号合成手段で生成された前記第３の矩形波を正弦波に変換する信号変換回路とを備え、
   前記第１及び第２の信号発生器は、前記第１及び第２の矩形波であるＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭドライバであって、第１及び第２の前記ＰＷＭドライバが生成する２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比は、互いに異なるデューティー比に設定されていることを特徴とする正弦波生成装置。
3. 第１及び第２の前記ＰＷＭドライバが生成する前記２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比は、前記２つのＰＷＭ駆動信号のデューティー比の偏差に基づいて予め設定されていることを特徴とする請求項２記載の正弦波生成装置。
4. 前記信号合成手段は、前記第１及び第２の矩形波が入力され、前記第１及び第２の矩形波の論理積を出力するＡＮＤゲートもしくは論理和を出力するＯＲゲートであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の正弦波生成装置。
5. 前記信号変換回路は、一端が前記信号生成手段に接続される抵抗と、前記抵抗の他端及びグランドに接続されるコンデンサとからなるＣＲフィルタ回路であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の正弦波生成装置。
6. 前記信号変換回路で変換された前記正弦波は、回転軸の回転角を検出するためのレゾルバの励磁信号に使用されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の正弦波生成装置。

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