JP4975082B2 - 角度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、モータなどの回転機の回転角を検出する角度検出装置に関するものである。

一般に、モータなどの回転を制御するためには、モータのロータの回転角を検出する角度検出装置が必要となる。また、この種の角度検出装置の回転センサとしては、レゾルバが用いられている。
一般的なレゾルバの基本構成では、レゾルバのロータには、磁性体が一体的かつ偏心して設けられている。ロータの外周部には、ステータが近接設置されており、ステータには励磁巻線が設けられている。

そして、励磁巻線には、ロータの回転方向に対して９０°の位相差を有するように出力用巻線が近接設置されており、出力用巻線からは、ロータの回転角に応じて、９０°の位相差を有する正弦波（ｓｉｎ）信号および余弦（ｃｏｓ）信号が出力される。
ロータが回転すると、回転角θに応じて、ロータ側に設置された磁性体と、ステータ側に設置された出力用巻線との間の空隙が相補的に変化する。

したがって、磁性体と出力用巻線との間の空隙変化に応じて、各出力用巻線の出力信号は、励磁巻線の入力波形に同期した励磁信号に重畳した波形で、信号振幅がｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号として出力される。

従来の角度検出装置は、レゾルバ信号波形を角度信号に処理するためのトラッキング方式の信号処理部を有し、信号処理部では、励磁巻線で励磁された出力用巻線からの各出力信号に基づいて、ｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形を取得し、三角関数の加法定理を用い、角度を検出している（例えば、特許文献１参照）。

なお、前述のとおり、従来の信号処理方式には三角関数の加法定理を用いているため、出力用巻線からの信号にはｓｉｎ関数、ｃｏｓ関数に近似した信号を出すことが必要となる。このため、高周波成分の除去を目的とした、ステータの出力用巻線をｓｉｎ関数、ｃｏｓ関数に近似した巻数で構成する、分布巻きと称される巻線技術が知られている。（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００６−１７６５９号公報 特許第３１８２４９３号公報

しかしながら、従来の角度検出装置においては、励磁巻線および励磁信号発生器が必要であり、コストアップや信頼性低下を招くという課題があった。

また、分布巻きではステータ突起部ごとに、それぞれ最適な巻き数、巻き方向とするため、工作時間がかかり、工作費用が比較的高価になるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、比較的簡単な信号処理とステータ巻き線仕様、ロータ仕様との組み合わせにより、安価で高信頼性、さらに高精度、直線性に優れた回転角検出信号を取得可能な角度検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係る角度検出装置は、ロータの回転に応じて、互いに所定の位相差を有してインダクタンスが周期的に変化するように配置された複数の巻線群を備える角度検出装置において、上記ロータの極数およびステータのスロットの数が偶数であり、各上記巻線群に個々に抵抗が直列接続されるとともに発振信号を生成する複数の直列回路と、各上記直列回路を個々に発振駆動する複数の駆動回路と、上記複数の直列回路からの各発振信号に基づいて上記複数の巻線群のインダクタンス比を検出する信号処理回路と、を備え、上記駆動回路は、上記複数の直列回路のうちの１つの直列回路の上記巻線群および上記抵抗の分圧電圧が所定値に達した時点で、隣接する他の上記直列回路を発振駆動し、上記巻線群は、偶数個の巻線を含むとともに上記ロータを中心にして点対称な位置に配設される巻線を直列または並列に接続して構成される。

この発明に係る角度検出装置は、発振信号出力用の巻線を自励駆動発振させることにより、励磁巻線および励磁用回路が不要となるうえ、回路規模を縮小することができる。また、ステータの各巻き線仕様は略同一とすることが出来るため、安価で高信頼性の角度検出装置を実現することができる。
さらに、巻き線辺を１８０°対向する巻き線で構成するため精度向上が期待でき、ロータ形状との組み合わせで、角度と出力間に直線性を持つ出力特性を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る角度検出装置を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る角度検出装置のステータ、ロータである。 図２内の巻き線仕様である。 この発明の実施の形態１に係る発振回路の具体的な構成例を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る発振回路から出力されるパルス信号およびＬＰＦから出力される信号を示す波形図である。 図１内の各部における動作信号をブロック図内に示す波形図である。 この発明の実施の形態２に係る角度検出装置のステータ、ロータである。 この発明の実施の形態２に係る動作信号をブロック図内に示す波形図である。

以下、本発明の角度検出装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
以下、図１および図４を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る角度検出装置について説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る角度検出装置を示すブロック図であり、主に信号処理回路の構成を示している。図２は、この発明の実施の形態１に係る角度検出装置のステータ、ロータである。図３は、図２内の巻き線仕様である。

この発明の実施の形態１に係る角度検出装置は、図２および図３に示すように、モータのロータに連結されるロータ１７と、ロータ１７に近接配置されるステータ１８のスロットＳ１〜Ｓ８と、を備える。ロータ１７の断面形状は楕円である。

スロットＳ１とスロットＳ５は、ロータ１７の回転軸を中心にして点対称の位置に配設されている。スロットＳ２とスロットＳ６は、ロータ１７の回転軸を中心にして点対称の位置に配設されているとともに、スロットＳ２はスロットＳ１から４５°遅れた位置に配設されている。スロットＳ３とスロットＳ７は、ロータ１７の回転軸を中心にして点対称の位置に配設されているとともに、スロットＳ３はスロットＳ２から４５°遅れた位置に配設されている。スロットＳ４とスロットＳ８は、ロータ１７の回転軸を中心にして点対称の位置に配設されているとともに、スロットＳ４はスロットＳ３から４５°遅れた位置に配設されている。

スロットＳ１とスロットＳ５には、巻線が巻回され、巻線が直列に接続され、巻線Ｌ１を構成する。スロットＳ２とスロットＳ６には、巻線が巻回され、巻線が直列に接続され、巻線Ｌ２を構成する。スロットＳ３とスロットＳ７には、巻線が巻回され、巻線が直列に接続され、巻線Ｌ３を構成する。スロットＳ４とスロットＳ８には、巻線が巻回され、巻線が直列に接続され、巻線Ｌ４を構成する。

この発明の実施の形態１に係る角度検出装置は、図１に示すように、アナログ回路で構成された信号処理部を含む。信号処理部は、ロータ１７に位相差を有して近接配置された発振回路１〜４と、発振回路１〜４に個別に接続されたＬＰＦ（ローパスフィルタ）５〜８と、ＬＰＦ５、６を通過した第１および第３信号Ｖ１、Ｖ３を差動増幅する差動増幅器９と、ＬＰＦ７、８を通過した第２および第４信号Ｖ２、Ｖ４を差動増幅する差動増幅器１２と、を備えている。

また、信号処理部は、差動増幅器９からのｃｏｓ信号Ｖ５の正負を検出する正負判定器１０と、差動増幅器１２からのｓｉｎ信号Ｖ６の正負を検出する正負判定器１１と、ｃｏｓ信号Ｖ５と正負判定器１１の正負検出信号とに応動するゲイン変更器１３と、ｓｉｎ信号Ｖ６と正負判定器１０の正負検出信号とに応動するゲイン変更器１４と、ゲイン変更器１３、１４の各出力信号Ｖ７、Ｖ８を差動増幅する差動増幅器１５と、回路素子のバラツキを吸収して差動増幅器１５の出力信号Ｖ９を補償する補償器１６と、を備えている。

発振回路１〜４は、それぞれ、ロータ１７に近接配置された信号検出用の巻線Ｌ１、Ｌ３、Ｌ２、Ｌ４を含み、パルス信号Ｐ１、Ｐ３、Ｐ２、Ｐ４を出力する。
発振回路１は、巻線Ｌ１を含み、発振回路２は、巻線Ｌ１に対して９０°の位相差を有するように巻回された巻線Ｌ３を含む。

同様に、発振回路３は、ロータ１７に近接配置された巻線Ｌ２を含み、発振回路４は、巻線Ｌ２に対して１８０°の位相差を有するように巻回された巻線Ｌ４を含む。
巻線Ｌ４は、巻線Ｌ１に対して１３５°の位相差を有し、巻線Ｌ２は、巻線Ｌ３に対して４５°の位相差を有する。

図４は、発振回路１〜４の回路構成図である。図５は、発振回路１〜４から出力されるパルス信号およびＬＰＦ５〜８から出力される信号を示す波形図である。
発振回路１〜４では、巻線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４と抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は直列に接続されて直列回路を構成している。この直列回路の一端に電源Ｅが接続され、他端にスイッチＳＷ１、Ｓｗ２、ＳＷ３、ＳＷ４の一方の端子が接続されている。
巻線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４と抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４で構成された直列回路の一端に配設されたＳＷ１〜ＳＷ４がＯＮになった後、巻線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４と抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の接合点の電位が所定の電位Ｖｔｈを横切ることで、同辺のＳＷをＯＦＦするとともに、次段のＳＷをＯＮすることで、自励発振動作を行う。

このとき、ＳＷ１〜ＳＷ４のＯＮ時間は巻線Ｌ１〜巻線Ｌ４のインダクタンスに依存し、発振信号をＬＰＦ処理することで各信号は巻線Ｌ１〜巻線Ｌ４のインダクタンスに比例した出力となる。

ＬＰＦ５〜８は、図５に示すように、発振回路１〜４から出力されるパルス信号Ｐ１、Ｐ３、Ｐ２、Ｐ４を包絡して第１信号Ｖ１、第３信号Ｖ３、第２信号Ｖ２、第４信号Ｖ４にする。
ＬＰＦ５から出力される第１信号Ｖ１は、差動増幅器９の一方の入力端子に入力され、ＬＰＦ６から出力される第３信号Ｖ３は、差動増幅器９の他方の入力端子に入力される。
ＬＰＦ７から出力される第２信号Ｖ２は、差動増幅器１２の一方の入力端子に入力され、ＬＰＦ８から出力される第４信号Ｖ４は、差動増幅器１２の他方の入力端子に入力される。

差動増幅器９は、第１信号Ｖ１と第３信号Ｖ２とを差動増幅し、差動増幅して得たｃｏｓ信号Ｖ５（＝Ｖ３−Ｖ１）を、正負判定器１０およびゲイン変更器１３に入力する。
差動増幅器１２は、第２信号Ｖ２と第４信号Ｖ４とを差動増幅し、差動増幅して得たｓｉｎ信号Ｖ６（＝Ｖ４−Ｖ２）を、正負判定器１１およびゲイン変更器１４に入力する。

正負判定器１０は、ｃｏｓ信号Ｖ５の正負（第１信号Ｖ１と第３信号Ｖ３との大小関係）を検出し、正負検出信号をゲイン変更器１４に入力する。
正負判定器１１は、ｓｉｎ信号Ｖ６の正負（第２信号Ｖ２と第４信号Ｖ４との大小関係）を検出し、正負検出信号をゲイン変更器１３に入力する。

ゲイン変更器１３は、正負判定器１１からの正負検出信号に基づき、ｃｏｓ信号Ｖ５を＋１倍または−１倍とゲイン変更し、ゲイン変更して得た信号Ｖ７を差動増幅器１５の一方の入力端子に入力する。
ゲイン変更器１４は、正負判定器１０からの正負検出信号に基づき、ｓｉｎ信号Ｖ６を＋１倍または−１倍とゲイン変更し、ゲイン変更して得た信号Ｖ８を差動増幅器１５の他方の入力端子に入力する。

差動増幅器１５は、ゲイン変更器１３、１４からの出力信号Ｖ７、Ｖ８を差動増幅し、差動増幅して得た信号Ｖ９（＝Ｖ８−Ｖ７）を、補償器１６から入力される補償値に基づきバラツキ補償し、バラツキ補償して得た信号Ｖ１０を、ロータ角に対応した最終的な角度検出信号として出力する。

角度検出信号Ｖ９は、図５に示すように、ｓｉｎ関数の−４５°〜＋４５°の区間を切り取った波形の連続（のこぎり波形に近似した波形）となる。
これにより、角度検出信号Ｖ９の出力電圧とロータ角度との関係は、ほぼ線形性を示すことになる。

この発明の実施の形態１に係る角度検出装置は、発振回路１〜４内の巻線Ｌ１〜巻線Ｌ４を自励駆動発振させるので、従来のように励磁巻線および励磁用回路が不要となり、また、複雑な演算が不要となるので、回路規模を縮小することができ、安価で高信頼性の角度検出装置を実現することができる。

また、最終的な出力信号（角度検出信号Ｖ９）が、巻線Ｌ１〜巻線Ｌ４のインダクタンス成分の比として得られるので、巻線Ｌ１〜巻線Ｌ４の内部抵抗および外部構成部品の影響をキャンセルするとともに、同相で変化するインダクタンス成分の変化もキャンセルすることができ、さらに高信頼性の角度検出装置を実現することができる。

また、差動増幅器９、１２、１５を用いて信号処理回路を構成することにより、ほぼ同相のノイズが重畳してもキャンセルすることができるので、ノイズ耐量に優位な角度検出装置を実現することができる。

また、ロータ１７が偏心した場合でも、ロータ１７を挟んで点対称の位置にある２つの巻線が直列、または、並列に接続されているので、片側のロータ１７とステータ間の間隙が狭くなっても、他方の間隙が広くなることで、合成インダクタンスの誤差にキャンセル効果が働くこととなる。

また、本信号処理方式によれば三角関数の加法定理を利用しないため、正確なｓｉｎ、ｃｏｓ信号を出す必要が無く、巻き線仕様も分布巻きにする必要がない。
さらに、励磁コイルも不要なため、図３に示すように、各巻線はｓｉｎ信号またはｃｏｓ信号のどちらかのみとした、同一巻き方向、略同一の巻き数とすることができ、巻き仕様の簡素化により安価にできる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る角度検出装置のロータとステータを示す図である。図８は、この発明の実施の形態２に係る動作信号をブロック図内に示す波形図である。
この発明の実施の形態２に係る角度検出装置は、この発明の実施の形態１に係る角度検出装置とロータの形状が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分は同じ符号を付記し説明する。
実施の形態１に係るロータ１７は形状を楕円として、出力信号Ｖ１〜Ｖ４の波形をｓｉｎ、ｃｏｓ関数に近づけたものとしたが、実施の形態２に係るロータ１７Ｂは、形状がひし形としている。このようにロータ１７Ｂの形状をひし形にすると、図８に示すように、出力波形Ｖ１１〜Ｖ１４が略三角波となる。

略三角波にすることで、最終出力Ｖ９はロータ角と出力電圧の特性に線形性を得ることが出来る。
なお、ロータ１７Ｃの形状を略ひし形にしても良い。

１〜４ 発振回路、５〜８ ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、９、１２、１５ 差動増幅器、１０、１１ 正負判定器、１３、１４ ゲイン変更器、１６ 補償器、１７、１７Ｂ、１７Ｃ ロータ、１８ ステータ、Ｌ１〜Ｌ４ 巻線、Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗、ＳＷ１〜ＳＷ４ スイッチ、Ｐ１〜Ｐ４ パルス信号（発振信号）、Ｖ１〜Ｖ４ 出力信号、Ｖｔｈ 閾値、Ｖ５ ｃｏｓ信号、Ｖ６ ｓｉｎ信号、Ｖ７ 変形ｃｏｓ信号、Ｖ８ 変形ｓｉｎ信号、Ｖ９ 角度検出信号、Ｖ１１〜Ｖ１４ 出力信号、Ｖ１５、Ｖ１６ 三角波、Ｖ１７、Ｖ１８ 変形三角波。

Claims (3)

1. ロータの回転に応じて、互いに所定の位相差を有してインダクタンスが周期的に変化するように配置された複数の巻線群を備える角度検出装置において、
   上記ロータの極数およびステータのスロットの数が偶数であり、
   各上記巻線群に個々に抵抗が直列接続されるとともに発振信号を生成する複数の直列回路と、
   各上記直列回路を個々に発振駆動する複数の駆動回路と、
   上記複数の直列回路からの各発振信号に基づいて上記複数の巻線群のインダクタンス比を検出する信号処理回路と、
   を備え、
   上記駆動回路は、上記複数の直列回路のうちの１つの直列回路の上記巻線群および上記抵抗の分圧電圧が所定値に達した時点で、隣接する他の上記直列回路を発振駆動し、
   上記巻線群は、偶数個の巻線を含むとともに上記ロータを中心にして点対称な位置に配設される巻線を直列または並列に接続して構成されることを特徴とする角度検出装置。
2. 上記ステータの８の整数倍のスロットに巻回される各上記巻線は巻方向が等しく、巻数は略同一であり、
   上記ステータの各スロットに巻回される巻線は、ｓｉｎ信号またはｃｏｓ信号のどちらか一方だけであることを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
3. 上記ロータの形状は、楕円またはひし形であり、
   上記ロータの回転に伴う出力より差動増幅した信号が９０°位相がずれた波形となることを特徴とする請求項１または２に記載の角度検出装置。

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