JP4991992B2 - レゾルバ - Google Patents

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本発明は、電動機の回転位置を検出するレゾルバに関する。
従来より、三相交流ブラシレスモータ(以下、BL(Blush less)モータ)の回転位置の検出にはレゾルバが用いられている。レゾルバは、磁気変動を利用して回転位置を検出するため、BLモータの励磁によって生じる磁気の影響を受けないように種々の工夫がなされている。
例えば、モータの同相巻線を対向する一対のモータ用ティースに巻回し、このモータと同軸に接続されるレゾルバの出力巻線を対向する一対のレゾルバ用ティースに巻回し、一対のモータ用ティースに施された巻線と、一対のレゾルバ用ティースに施された出力巻線のうちの一方の出力巻線との巻線方向を一対のティース間で互いに同一方向にするとともに、他方の巻線方向を一対のティース間で互いに反対方向にすることにより、モータとレゾルバで生じる磁界を相殺させるレゾルバ付のBLモータが提案されていた(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−159462号公報
ところで、冗長系を構成するためにBLモータの三相巻線(U,V,W)を(U1,V1,W1,U2、V2、W2)に二分割し、別々のドライバで駆動する場合には、分割された二系統で同期を取ることが困難になる場合がある。
例えば、二系統の三相巻線に電流を通流させるタイミングに微小なずれが生じると、モータの三相巻線から生じる磁界は一定ではなくなり、局所的に強度の異なる磁界が生じて磁気干渉が発生するため、上述のようなレゾルバでは磁界の影響を相殺することが困難になるという課題があった。
また、モータの三相巻線を二系統に分割することに対応してレゾルバを二系統に分けると、レゾルバの励磁の同期にずれが生じた場合に、二つのレゾルバの角度信号にずれが生じるという課題があった。
そこで、本発明は、相巻線が二系統に分割されたBLモータの近傍に設置されても、磁気干渉の影響を受けることなく正確に角度検出を行うことができるレゾルバを提供することを目的とする。
本発明の一局面のレゾルバは、一対の相巻線を複数相分含む巻線回路を二系統有する電動機の回転位置を検出するレゾルバであって、前記電動機の回転軸に同軸状に接続され、一対のSIN巻線及び一本の第1励磁巻線を含む第1センサと、前記第1センサを介して前記電動機に接続されるとともに、前記電動機の回転軸に同軸状に接続され、一対のCOS巻線及び一本の第2励磁巻線を含む第2センサと、前記第1センサの一方のSIN巻線と、前記第2センサの一方のCOS巻線との出力に基づき、第1レゾルバ出力を演算するとともに、前記第1センサの他方のSIN巻線と、前記第2センサの他方のCOS巻線との出力に基づき、第2レゾルバ出力を演算する演算処理手段とを含み、前記一対のSIN巻線の巻き数が零の位置は、前記電動機のいずれかの一対の相巻線が巻回される一対の巻回位置の中心である。
また、前記第1センサ及び前記第2センサは、複数のティースをステータの径方向における内側又は外側のいずれか一方に有し、前記一対のSIN巻線及び前記第1励磁巻線は、すべて前記第1センサのティースに巻回されるとともに、前記一対のCOS巻線及び前記第2励磁巻線は、すべて前記第2センサのティースに巻回されており、前記演算処理手段は、前記第1センサの前記一対のSIN巻線のうちの一方と、前記第2センサの前記一対のCOS巻線のうちの一方とより得られる出力信号に基づき前記第1レゾルバ出力を得るとともに、前記第1センサの前記一対のSIN巻線のうちの他方と、前記第2センサの前記一対のCOS巻線のうちの他方とより得られる出力信号に基づき前記第2レゾルバ出力を得るように構成されてもよい。
本発明の他の局面のレゾルバは、一対の相巻線を複数相分含む巻線回路を二系統有する電動機の回転位置を検出するレゾルバであって、前記電動機の回転軸に同軸状に接続され、一対のCOS巻線及び一本の第1励磁巻線を含む第1センサと、前記第1センサを介して前記電動機に接続されるとともに、前記電動機の回転軸に同軸状に接続され、一対のSIN巻線及び一本の第2励磁巻線を含む第2センサと、前記第1センサの一方のCOS巻線と、前記第2センサの一方のSIN巻線との出力に基づき、第1レゾルバ出力を演算するとともに、前記第1センサの他方のCOS巻線と、前記第2センサの他方のSIN巻線との出力に基づき、第2レゾルバ出力を演算する演算処理手段とを含み、前記一対のCOS巻線の巻き数が零の位置は、前記電動機のいずれかの一対の相巻線が巻回される一対の巻回位置の中心に対して、機械角でT/4周期遅らせた位置(TはCOS巻線の巻線周期)である。
また、前記第1センサ及び前記第2センサは、複数のティースをステータの径方向における内側又は外側のいずれか一方に有し、前記一対のCOS巻線及び前記第1励磁巻線は、すべて前記第1センサのティースに巻回されるとともに、前記一対のSIN巻線及び前記第2励磁巻線は、すべて前記第2センサのティースに巻回されており、前記演算処理手段は、前記第1センサの前記一対のCOS巻線のうちの一方と、前記第2センサの前記一対のSIN巻線のうちの一方とより得られる出力信号に基づき前記第1レゾルバ出力を得るとともに、前記第1センサの前記一対のCOS巻線のうちの他方と、前記第2センサの前記一対のSIN巻線のうちの他方とより得られる出力信号に基づき前記第2レゾルバ出力を得るように構成されてもよい。
また、前記第1センサの前記第1励磁巻線と、前記第2センサの前記第2励磁巻線とは並列に接続されており、演算処理手段は、前記第1励磁巻線及び前記第2励磁巻線に同時に励磁信号を印加してもよい。
本発明によれば、相巻線が二系統に分割されたBLモータの近傍に設置されても、磁気干渉の影響を受けることなく正確に角度検出を行うことができるレゾルバを提供できるという特有の効果が得られる。
以下、本発明のレゾルバを適用した実施の形態について説明する。
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1のレゾルバの実装状態を示す斜視図である。
実施の形態1のレゾルバは、2つのセンサA及びBを含み、これらのセンサA及びBは、図1に示すようにBLモータに取り付けられており、その回転軸1はBLモータの回転軸に同軸状に接続されている。
このようなBLモータは、例えば、車両に搭載される電動パワーステアリング装置の電動モータや、ハイブリッド式の車両のアシスト用の電動モータで構成される。センサA及びBの回転軸1は、BLモータの回転軸の回転に伴って回転される。
なお、BLモータの三相巻線は冗長系を構成するために二系統(U1−U1’、V1−V1’、W1−W1’とU2−U2’、V2−V2’、W2−W2’)に分割されている。
図2は、実施の形態1のレゾルバのセンサAの断面構成を示す図である。図2は、図1のA−A矢視断面(回転軸1に垂直な断面)を表すが、BLモータの巻線との位置関係を説明する便宜上、二系統の三相巻線(U1−U1’、V1−V1’、W1−W1’とU2−U2’、V2−V2’、W2−W2’)を併せて示す。
また、センサA及びBは同一の構造を有し、BLモータにセンサA、センサBの順に接続されている。
ここで、センサAの構造について代表的に説明すると、回転軸1には、ロータ2が軸支されており、回転軸1とともに回動するように構成されている。
ロータ2には、磁気変動を誘発するための7つの凸部2Aが外周に沿って形成されている。
また、センサAのステータ4は、ロータ2と同心状に配設されており、その内周には巻線を巻回するための10個のティース4Aが等間隔で設けられている。なお、ステータ4は、実施の形態1のレゾルバの筐体5の内部で保持されている。以上の構造は、センサAとBで同一である。
センサAのステータ4には、ティース4AにSIN巻線6a、6b、及び励磁巻線7が巻回されている。
また、センサBのステータ4には、ティース4AにCOS巻線8a、8b、及び励磁巻線9が巻回されている。
ここで、BLモータの三相巻線U1−U1’の巻線U1と巻線U1’とが配設されている位置の中心と、三相巻線U2−U2’の巻線U2と巻線U2’とが配設されている位置の中心とを通る直線を直線lとする。
また、10個のティース4Aの位置を表すために、図2に示すようにティース位置(1)を規定し、このティース位置(1)を基点に時計回りにティース位置(10)まであるものとする。
本実施の形態のレゾルバのセンサA及びBは、ティース位置(1)にあるティース4Aの中心軸と、この対角にあるティース位置(6)にあるティース4Aの中心軸とが直線l上に位置するようにBLモータに接続されている。また、これに加えて、ティース位置(1)及び(6)にあるティース4AにおけるSIN巻線6a及び6bの巻数が零に設定されている。
表1は、センサAのティース位置、ロータ2とティース4Aのギャップ、SIN巻線6a及び6bの巻回方向と巻き数、及び、三相巻線によって発生する磁界の径方向における方向を示す表である。
なお、この表1に示すギャップと磁界の方向は、BLモータの電気角が0度の状態におけるものである。
また、三相巻線は、巻線U1、V1、W1、U2、V2、及びW2と、巻線U1’V1’、W1’、U2’、V2’、及びW2’とで巻回方向が逆にされているため、BLモータの電気角が0度の状態では、巻線U1、V1、W1、U2、V2、及びW2において径方向内向きの磁界が発生し、巻線U1’V1’、W1’、U2’、V2’、及びW2’において径方向外向きの磁界が発生するように構成されている。このため、表1には、各ティース位置で最も近い巻線による磁界を表示してある。
SIN巻線6aは、ティース位置(1)〜(10)においてSIN波が2周期分得られるように巻回されており、その両端はティース位置(1)で引き出され、後述するECU10に接続されている。ティース位置(1)及び(6)ではティース4Aへの巻き数は零である。
ティース位置の対称性から、ティース位置(3)と(8)、ティース位置(2)と(7)、ティース位置(1)と(6)、ティース位置(5)と(9)、及び、ティース位置(4)と(8)における、ロータ2とティース4Aのギャップ、巻線の巻回方向と巻き数、及び、磁界の方向は、それぞれ同一である。
センサAについては、上述のように、ティース位置(1)にあるティース4Aの中心軸と、この対角にあるティース位置(6)にあるティース4Aの中心軸とが直線l上に位置するように、BLモータに接続されるとともに、ティース位置(1)及び(6)にあるティース4AにおけるSIN巻線6a及び6bの巻数が零に設定されている。
これに対して、センサBは、COS巻線8a及び8bにより、センサAのSIN巻線6a及び6bに対して位相が90度遅れた信号を出力できるように、ティース4A巻き方が調節されており、COS巻線8a及び8bは後述するECU10に接続されている。
図3は、実施の形態1のレゾルバの回路構成を示す図である。この図に示すように、センサAは、一対のSIN巻線6a及び6bと、励磁巻線7とを含む。また、センサBは、一対のCOS巻線8a及び8bと、励磁巻線9とを含む。
実施の形態1のレゾルバは、演算処理手段であるECU(Electronic Control Unit)10を備える。ECU10は、図示しないバスを介して互いに接続されたCPU、ROM及びRAM等からなるマイクロコンピュータを中心として構成される。
センサA及びBのティース4Aに巻回される励磁巻線7及び9はECU10の励磁信号出力端子に並列に接続され、励磁信号が同時に印加される(すなわち励磁動作の同期が取られる)ように構成される。
図4は、実施の形態1のレゾルバの出力回路の構成を示す図である。
この図に示すように、センサAのティース4Aに巻回されているSIN巻線6a及び6bと、センサBのティース4Aに巻回されているCOS巻線8a及び8bとは、すべてECU10に接続されている。
ECU10は、励磁巻線7及び9に励磁信号を印加し、SIN巻線6a及びCOS巻線8aから得られる出力に基づいてロータ2の回転角度(すなわち回転軸1の回転角度)を検出し、第1回転角度信号として出力する。また、これと同時に、SIN巻線6b及びCOS巻線8bから得られる出力に基づいてロータ2の回転角度(すなわち回転軸1の回転角度)を検出し、第2回転角度信号として出力する。
すなわち、ECU10は、励磁巻線7及び9に励磁信号を印加することにより、SIN巻線6a及びCOS巻線8aから得られる出力に基づいて第1回転角度信号を演算するとともに、SIN巻線6b及びCOS巻線8bから得られる出力に基づいて第2回転角度信号を演算する。この第1回転角度信号及び第2回転角度信号は、ともにロータ2の回転角度(すなわち回転軸1の回転角度)を表す回転角度信号である。
ここで、レゾルバにおける回転角度を検出する原理について簡単に説明する。レゾルバの励磁巻線7及び9には、一定周波数の励磁信号が印加される。
レゾルバは、ロータ2が一回転する過程においてk周期(kは整数:図2では“7”)の信号、すなわち、360°/kごとに同一レベルの信号を出力するように構成されている。これは、ロータ2が凸部2Aを有するため、回転に伴って凸部2Aと励磁巻線7及び9との間のギャップが連続的に変動するためである。
SIN巻線6a及びCOS巻線8aは、それぞれ、励磁巻線6a及び8aへの励磁信号が極大,極小となるタイミングにおいて誘導電圧がロータ2の回転角度位置に応じて正弦波状または余弦波状に変化するように構成されており(表1参照)、互いに90°だけ位相のずれた電流,電圧を出力する。
SIN巻線6a及びCOS巻線8aは共に、ECU10に接続されているため、ECU10は、SIN巻線6a及びCOS巻線8aの双方から供給される各コイル信号をそれぞれ“0”からオフセットされた出力電圧に変換し、両出力電圧の関係に基づいて0°と360°/kとの範囲におけるロータ2、すなわち、回転軸1の回転角度位置を検出する。
以上のように、実施の形態1のレゾルバによれば、BLモータに隣接して順次接続されたセンサA及びBを用いて、回転角度の検出を行う。
センサAは、冗長系を構成するために三相巻線が二系統に分割されたBLモータに近い側に配設されるので、BLモータの二系統の三相巻線に電流を通流させるタイミングに微小なずれが生じた場合には、局所的に強度の異なる磁界が生じて磁気干渉の影響を受け易い。一方、センサBは、BLモータとの間にセンサAがあるため、センサAよりは磁気干渉の影響を受けにくい。
また、図2に示すように、ティース位置(1)にあるティース4Aの中心軸と、この対角にあるティース位置(6)にあるティース4Aの中心軸とが直線l上に位置するように、BLモータに接続されるとともに、ティース位置(1)及び(6)にあるティース4AにおけるSIN巻線6a及び6bの巻数が零に設定されており、さらに、SIN巻線6aの巻線方向及び巻数は、ティース位置(2)及び(3)とティース位置(10)及び(9)とでティース位置(1)に対して対称であり、SIN巻線6bの巻線方向及び巻数は、ティース位置(7)及び(8)とティース位置(5)及び(4)とでティース位置(1)に対して対称にされている。
これにより、SIN巻線6aにティース位置(2)及び(3)で発生したノイズは、ティース位置(10)及び(9)で発生するノイズによってキャンセルされ、SIN巻線6bにティース位置(7)及び(8)で発生したノイズは、ティース位置(5)及び(4)で発生するノイズによってキャンセルされる。
このため、センサAのSIN巻線6a及び6bは、三相巻線が二系統に分割されたBLモータの励磁に位相差が生じ、これにより局所的に強度の異なる磁界が生じて磁気干渉が発生しても、その影響を最小限にとどめることができるように構成されている。
図5は、本実施の形態のレゾルバの動作説明図であり、(a)は本実施の形態のレゾルバが接続されるBLモータの通電パターンを示す図、(b)はレゾルバの励磁信号、SIN出力、及びCOS出力の波形を示す図である。なお、図5(b)は、センサAのSIN巻線6aの出力と、センサBのCOS巻線8aの出力とを示す。これらはECU10に入力される。
図5(a)に示すように、BLモータは、U相、V相、W相が順次通電されることによって駆動される。なお、U相(U1−U1’、U2−U2’)、V相(V1−V1’、V2−V2’)、W相(W1−W1’、W2−W2’)である。
この結果、図5(b)に示すように、レゾルバのセンサAの励磁巻線7aと、センサBの励磁巻線8aとに励磁信号が印加されると、センサAのSIN巻線6aから図5(b)に示すSIN波状の信号が出力されるとともに、センサBのCOS巻線8aから図5(b)に示すCOS波状の信号が出力される。
BLモータに近い側に配設されるセンサAは、ティース位置(1)にあるティース4Aの中心軸と、この対角にあるティース位置(6)にあるティース4Aの中心軸とが直線l上に位置するようにBLモータに接続されるとともに、ティース位置(1)及び(6)にあるティース4AにおけるSIN巻線6a及び6bの巻数が零に設定されているので、出力されるSIN波状の信号は、BLモータの二系統の三相巻線に電流を通流させるタイミングに微小なずれが生じたとしても、その影響を最小限にとどめることができる。このため、精度の高い角度検出を行うことができる。
また、センサA及びBの励磁巻線7及び9の励磁を一つのECU10によって同時に行うことにより、センサ同士の励磁のタイミングがずれることがないので、センサA及びBの互いの励磁によって磁気干渉が生じることを抑制できるため、精度の高い角度検出を行うことができる。
以上、このようなセンサA及びBを用いたレゾルバにおいて、ECU10ではモータに近い側のセンサAの励磁巻線7と、モータから遠い側のセンサBの励磁巻線9とを同時に励磁し、センサA及びBの内周側にあるSIN巻線6a及びCOS巻線8aから得られるSIN波信号及びCOS波信号に基づいて回転軸1の回転角度を演算するため、BLモータに局所的に強度の異なる磁界が生じて磁気干渉が発生しても、磁気干渉の影響を最小限にとどめることができ、精度の高い第1回転角度信号を出力することができる。
また、これと同様に、ECU10は、励磁巻線7及び9を同時に励磁する際に、センサA及びBのSIN巻線6b及びCOS巻線8bから得られるSIN波信号及びCOS波信号に基づいて回転軸1の回転角度を演算するため、BLモータに局所的に強度の異なる磁界が生じて磁気干渉が発生しても、磁気干渉の影響を最小限にとどめることができ、精度の高い第2回転角度信号を出力することができる。
また、以上の説明では、センサA及びBのロータ2の凸部2Aが7個の形態について説明したが、凸部2Aの個数は7つに限定されるものではなく、用途に応じて適宜変更することができる。
なお、以上の説明では、BLモータに近い側にSIN巻線6a及び6bが巻回されたセンサAを配置する形態について説明したが、COS巻線8a及び8bが巻回されたセンサBとセンサAの位置を入れ替えてもよい。
この場合、BLモータに局所的に強度の異なる磁界が生じて磁気干渉が発生した場合には、センサBのCOS巻線8a及び8bが磁気干渉の影響を受けやすく、センサAのSIN巻線6a及び6bが磁気干渉の影響を受けにくくなる。
このため、センサBのCOS巻線8a及び8bの巻数が零となる位置は、BLモータのいずれかの三相巻線が巻回される一対の巻回位置の中心に対して、機械角でT/4周期遅らせた位置(TはCOS巻線の巻線周期)となるように、BLモータに対してセンサBを接続すればよい。すなわち、図2に示すようにCOS巻線8a及び8bの巻線周期が180度の場合は、図2におけるティース位置(1)と(6)が時計回りに45度(180度/4)回転した位置にくるようにセンサBを取り付ければよい。
また、図1に示すように、BLモータにSIN巻線6a及び6bが巻回されたセンサAが接続され、このセンサAにCOS用巻線8a及び8bが巻回されたセンサBが接続される場合においても、センサBのCOS巻線8a及び8bの巻数が零となるティース4Aの位置が、BLモータのいずれかの三相巻線が巻回される一対の巻回位置の中心に対して、機械角でT/4周期遅らせた位置(TはCOS巻線の巻線周期)となるようにしてもよい。これは、特に、センサBにおいても磁気干渉の影響を受ける可能性がある場合に有効である。
以上、本発明の例示的な実施の形態のレゾルバについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
図1は、実施の形態1のレゾルバの実装状態を示す斜視図である。 実施の形態1のレゾルバのセンサAの断面構成を示す図である。 実施の形態1のレゾルバの回路構成を示す図である。 実施の形態1のレゾルバの出力回路の構成を示す図である。 本実施の形態のレゾルバの動作説明図であり、(a)は本実施の形態のレゾルバが接続されるBLモータの通電パターンを示す図、(b)はレゾルバの励磁信号、SIN出力、及びCOS出力の波形を示す図である。
符号の説明
A、B センサ
1 回転軸
2 インナーロータ
2A 凸部
4 ステータ
4A ティース
5 筐体
6a、6b SIN巻線
7、9 励磁巻線
8a、8b COS巻線
10 ECU

Claims (5)

  1. 一対の相巻線を複数相分含む巻線回路を二系統有する電動機の回転位置を検出するレゾルバであって、
    前記電動機の回転軸に同軸状に接続され、一対のSIN巻線及び一本の第1励磁巻線を含む第1センサと、
    前記第1センサを介して前記電動機に接続されるとともに、前記電動機の回転軸に同軸状に接続され、一対のCOS巻線及び一本の第2励磁巻線を含む第2センサと、
    前記第1センサの一方のSIN巻線と、前記第2センサの一方のCOS巻線との出力に基づき、第1レゾルバ出力を演算するとともに、前記第1センサの他方のSIN巻線と、前記第2センサの他方のCOS巻線との出力に基づき、第2レゾルバ出力を演算する演算処理手段と
    を含み、前記一対のSIN巻線の巻き数が零の位置は、前記電動機のいずれかの一対の相巻線が巻回される一対の巻回位置の中心である、レゾルバ。
  2. 前記第1センサ及び前記第2センサは、複数のティースをステータの径方向における内側又は外側のいずれか一方に有し、前記一対のSIN巻線及び前記第1励磁巻線は、すべて前記第1センサのティースに巻回されるとともに、前記一対のCOS巻線及び前記第2励磁巻線は、すべて前記第2センサのティースに巻回されており、
    前記演算処理手段は、前記第1センサの前記一対のSIN巻線のうちの一方と、前記第2センサの前記一対のCOS巻線のうちの一方とより得られる出力信号に基づき前記第1レゾルバ出力を得るとともに、前記第1センサの前記一対のSIN巻線のうちの他方と、前記第2センサの前記一対のCOS巻線のうちの他方とより得られる出力信号に基づき前記第2レゾルバ出力を得るように構成される、請求項1に記載のレゾルバ。
  3. 一対の相巻線を複数相分含む巻線回路を二系統有する電動機の回転位置を検出するレゾルバであって、
    前記電動機の回転軸に同軸状に接続され、一対のCOS巻線及び一本の第1励磁巻線を含む第1センサと、
    前記第1センサを介して前記電動機に接続されるとともに、前記電動機の回転軸に同軸状に接続され、一対のSIN巻線及び一本の第2励磁巻線を含む第2センサと、
    前記第1センサの一方のCOS巻線と、前記第2センサの一方のSIN巻線との出力に基づき、第1レゾルバ出力を演算するとともに、前記第1センサの他方のCOS巻線と、前記第2センサの他方のSIN巻線との出力に基づき、第2レゾルバ出力を演算する演算処理手段と
    を含み、前記一対のCOS巻線の巻き数が零の位置は、前記電動機のいずれかの一対の相巻線が巻回される一対の巻回位置の中心に対して、機械角でT/4周期遅らせた位置(TはCOS巻線の巻線周期)である、レゾルバ。
  4. 前記第1センサ及び前記第2センサは、複数のティースをステータの径方向における内側又は外側のいずれか一方に有し、前記一対のCOS巻線及び前記第1励磁巻線は、すべて前記第1センサのティースに巻回されるとともに、前記一対のSIN巻線及び前記第2励磁巻線は、すべて前記第2センサのティースに巻回されており、
    前記演算処理手段は、前記第1センサの前記一対のCOS巻線のうちの一方と、前記第2センサの前記一対のSIN巻線のうちの一方とより得られる出力信号に基づき前記第1レゾルバ出力を得るとともに、前記第1センサの前記一対のCOS巻線のうちの他方と、前記第2センサの前記一対のSIN巻線のうちの他方とより得られる出力信号に基づき前記第2レゾルバ出力を得るように構成される、請求項3に記載のレゾルバ。
  5. 前記第1センサの前記第1励磁巻線と、前記第2センサの前記第2励磁巻線とは並列に接続されており、
    演算処理手段は、前記第1励磁巻線及び前記第2励磁巻線に同時に励磁信号を印加する、請求項2又は4に記載のレゾルバ。
JP2008064811A 2008-03-13 2008-03-13 レゾルバ Active JP4991992B2 (ja)

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