JP5175684B2

JP5175684B2 - 三相型回転角度検出装置

Info

Publication number: JP5175684B2
Application number: JP2008274252A
Authority: JP
Inventors: 光山下; 成二戸田; 祥二藤井; 正之三木
Original assignee: Levex Corp
Current assignee: Levex Corp
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2028-10-24
Also published as: JP2010101787A

Description

本発明は、三相型回転角度検出装置に関し、さらに詳しくは、煩雑なソフトウエア構成を要さず且つ高速性に優れた三相型回転角度検出装置に関する。

従来、回転中心軸の周りに回転し且つ回転軌道上で角度差１８０度で配置されたＮ極およびＳ極と、Ｎ極およびＳ極の回転軌道の近傍に１２０度の角度間隔で設置され且つ直流駆動される３つの磁気検出器と、３つの磁気検出器の出力に基づいて回転角度などを算出する回転状態算出手段とを備えた回転情報算出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００８−１９６９３８号公報

上記従来の回転情報算出装置は、三相型の磁気検出装置であるため、回転角度を二相型の磁気検出装置よりも高精度に検出できる利点がある。
しかし、１相に異常があったときに他の正常な２相で回転角度を算出する機能を確保するために、３つの磁気検出器の出力をそれぞれ読み込んでデジタル演算で回転角度を算出する構成になっており、ソフトウエア構成が煩雑になると共に演算時間が比較的長くかかるために高速性に劣る問題点がある。
そこで、本発明の目的は、１相に異常があったときに他の正常な２相で回転角度を算出する機能は無いが、煩雑なソフトウエア構成を要さず且つ高速性に優れた三相型回転角度検出装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、φ＝３６０度／（正の奇数×３±１）とするとき、回転中心軸（Ｘ）の周りに回転し且つ回転軌道上で角度差φ度で交互に配置されたＮ極およびＳ極と、前記回転軌道の近傍に１２０度の角度間隔で設置された第１ブリッジ型ホール素子（１），第２ブリッジ型ホール素子（２）および第３ブリッジ型ホール素子（３）と、一定周期のクロック信号（Ｋ）を発生する発振器（１０）と、前記クロック信号（Ｋ）を０からＤまで計数することを繰り返すカウンタ（１１）と、前記カウンタ（１１）の計数値（Ｃ）に応じてsin(ωt)を表す第１駆動デジタル値（Ｄ１）を出力する第１ルックアップ・テーブル（４ａ）と、前記カウンタ（１１）の計数値（Ｃ）に応じてsin(ωt+2・π/3)を表す第２駆動デジタル値（Ｄ２）を出力する第２ルックアップ・テーブル（５ａ）と、前記カウンタ（１１）の計数値（Ｃ）に応じてsin(ωt+4・π/3)を表す第３駆動デジタル値（Ｄ３）を出力する第３ルックアップ・テーブル（６ａ）と、前記第１駆動デジタル値（Ｄ１）に応じた第１駆動電圧（ｄ１）を前記第１ブリッジ型ホール素子（１）の頂角に印加する第１駆動回路（４ｂ、４ｃ）と、前記第２駆動デジタル値（Ｄ２）に応じた第２駆動電圧（ｄ２）を前記第２ブリッジ型ホール素子（２）の頂角に印加する第２駆動回路（５ｂ、５ｃ）と、前記第３駆動デジタル値（Ｄ３）に応じた第３駆動電圧（ｄ３）を前記第３ブリッジ型ホール素子（３）の頂角に印加する第３駆動回路（６ｂ、６ｃ）と、前記第１ブリッジ型ホール素子（１）の他の頂角から取り出した第１検出信号（ｅ１）と前記第２ブリッジ型ホール素子（２）の他の頂角から取り出した第２検出信号（ｅ２）と前記第３ブリッジ型ホール素子（３）の他の頂角から取り出した第３検出信号（ｅ３）とを加算する信号加算手段（１２）と、前記信号加算手段（１２）の出力信号（ｆ）のゼロクロス点に対応する前記カウンタ（１１）の計数値（Ｐ）を保持するレジスタ（１４）とを具備したことを特徴とする三相型回転角度検出装置を提供する。

空間的角度位置が０度、１２０度、２４０度の３つのブリッジ型ホール素子（１，２，３）により、回転磁界の磁気的角度が０度、１２０度、２４０度の磁界を検出すれば、回転磁界の回転角度を知ることが出来る。
回転磁界の一つの磁気的角度０度の位置を空間的角度位置０度のブリッジ型ホール素子と合致させた状態のときに、空間的角度位置１２０度のブリッジ型ホール素子で検出される磁気的角度位置は、磁極数×１２０度になる。これが回転磁界の磁気的角度１２０度または２４０度の磁界であればよいから、
磁極数×１２０度＝自然数×３６０度±１２０度 …（１）
が成立すればよいことになる。
（１）式を１２０度で割ると、
磁極数＝自然数×３±１
となる。磁極数は必ず正の偶数であるから、
磁極数＝正の奇数×３±１
となり、磁極の空間的角度間隔φは、
φ＝３６０度／磁極数＝３６０度／（正の奇数×３±１）
ろなる。
例えば正の奇数＝１なら磁極数＝２または４となり、磁極の空間的角度間隔φは１８０度または９０度となる。また、正の奇数＝３なら磁極数＝８または１０となり、磁極の空間的角度間隔φは４５度または３６度となる。正の奇数＝５なら磁極数＝１４または１６となり、磁極の空間的角度間隔φは２５．７度または２２．５度となる。正の奇数＝７なら磁極数＝２０または２２となり、磁極の空間的角度間隔φは１８度または１６．４度となる。正の奇数＝９なら磁極数＝２６または２８となり、磁極の空間的角度間隔φは１３．８度または１２．９度となる。磁極数＝６，１２，１８，２４など、６の倍数は不可であることが判る。

なお、特許文献１の［０１２０］には『磁石４０を、４極以上に着磁した多極着磁の構成としても良い。』とあるが、不可な磁極数が存在することは上記のとおりであり、多極着磁の構成についての記載は不完全である。

さて、上記第１の観点による三相型回転角度検出装置では、１２０度の空間的角度間隔で３つのブリッジ型ホール素子（１，２，３）を設置すると共に、φ＝３６０度／（正の奇数×３±１）の空間的角度で磁極を配置している。従って、上述のように三相型の磁気検出により回転磁界の回転角度を知ることが出来る。
また、上記第１の観点による三相型回転角度検出装置では、３つの磁気検出器を直流駆動し且つ３つの磁気検出器の出力をそれぞれ読み込んでデジタル演算で回転角度を算出する構成ではなく、３つのブリッジ型ホール素子（１，２，３）を位相が２・π／３ずつ異なる正弦波で駆動し且つ３つのブリッジ型ホール素子（１，２，３）の出力を加算して１つの信号にし、その信号の位相を検出している。この位相は、後述するように、回転磁界の回転角度である。
かくして、上記第１の観点による三相型回転角度検出装置は、煩雑なソフトウエア構成となるデジタル演算部を要さず、また、長い演算時間を要する部分もないため、高速性に優れている。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による三相型回転角度検出装置において、φ＝１８０度であることを特徴とする三相型回転角度検出装置（１００）を提供する。
上記第２の観点による三相型回転角度検出装置では、磁極数が２であるため、構成が簡単になり、また、磁極数が最少であるため、回転軌道の半径が小さい用途（例えば微小な直径の回転軸や回転円板の回転角度検出）に適している。

第３の観点では、本発明は、前記第１の観点による三相型回転角度検出装置において、φ＝４５度であることを特徴とする三相型回転角度検出装置（２００）を提供する。
上記第３の観点による三相型回転角度検出装置では、磁極数が８であるため、磁極数が２の場合よりも分解能が４倍になり、また、磁極数が多いため、回転軌道の半径が大きい用途（例えば大きな直径の回転軸や回転円板の回転角度検出）に適している。

第４の観点では、本発明は、前記第１から前記第３のいずれかの観点による三相型回転角度検出装置において、回転円筒周面、回転円柱周面または回転円板周縁に磁極を配置したことを特徴とする三相型回転角度検出装置を提供する。
上記第４の観点による三相型回転角度検出装置では、回転円筒、回転円柱または回転円板の回転角度を検出できる。

本発明の三相型回転角度検出装置によれば、三相型の磁気検出装置であるため、回転角度を二相型の磁気検出装置よりも高精度に検出できる。そして、煩雑なソフトウエア構成となるデジタル演算部を要さない。また、高速性に優れている。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

−実施例１−
図１は、実施例１に係る三相型回転角度検出装置１００を示す説明図である。
この三相型回転角度検出装置１００は、回転中心軸Ｘの周りに回転する回転円柱Ｒの周面に角度差φ＝１８０度で配置されたＮ極およびＳ極と、回転円柱Ｒの周面の近傍に１２０度の角度間隔で設置された第１ブリッジ型ホール素子１，第２ブリッジ型ホール素子２および第３ブリッジ型ホール素子３と、例えば周期０．１μｓのクロック信号Ｋを発生する発振器１０と、クロック信号Ｋを０から例えばＤ＝３５９９まで計数することを繰り返すカウンタ１１と、カウンタ１１の計数値Ｃに応じてsin(ωt)を表す第１駆動デジタル値Ｄ１を出力する第１ルックアップ・テーブル４ａと、第１駆動デジタル値Ｄ１を第１アナログ電圧ｖ１に変換する第１Ｄ／Ａ変換器４ｂと、第１アナログ電圧ｖ１に応じた第１駆動電圧ｄ１を第１ブリッジ型ホール素子１の頂角に印加する第１ドライバ回路４ｃと、カウンタ１１の計数値Ｃに応じてsin(ωt+2・π/3)を表す第２駆動デジタル値Ｄ２を出力する第２ルックアップ・テーブル５ａと、第２駆動デジタル値Ｄ２を第２アナログ電圧ｖ２に変換する第２Ｄ／Ａ変換器５ｂと、第２アナログ電圧ｖ２に応じた第２駆動電圧ｄ２を第２ブリッジ型ホール素子２の頂角に印加する第２ドライバ回路５ｃと、カウンタ１１の計数値Ｃに応じてsin(ωt+4・π/3)を表す第３駆動デジタル値Ｄ３を出力する第３ルックアップ・テーブル６ａと、第３駆動デジタル値Ｄ３を第３アナログ電圧ｖ３に変換する第３Ｄ／Ａ変換器６ｂと、第３アナログ電圧ｖ３に応じた第３駆動電圧ｄ３を第３ブリッジ型ホール素子３の頂角に印加する第３ドライバ回路６ｃと、第１ブリッジ型ホール素子１の他の頂角から取り出した第１検出信号ｅ１と第２ブリッジ型ホール素子２の他の頂角から取り出した第２検出信号ｅ２と第３ブリッジ型ホール素子３の他の頂角から取り出した第３検出信号ｅ３とを加算する信号加算回路１２と、信号加算回路１２の出力信号ｆのゼロクロス点を検出してラッチ信号ｒを出力するゼロクロス検出回路１３と、ラッチ信号ｒのタイミングでカウンタ１１の計数値Ｃをラッチし保持するレジスタ１４と、レジスタ１４の保持値Ｐを回転角度Ａに換算する換算回路１５と、回転角度Ａを表示する表示器１６と具備している。

第１駆動電圧ｄ１は、ｄ１＝ａ・sin(ωt)で表される。
第２駆動電圧ｄ２は、ｄ２＝ａ・sin(ωt+2・π/3)で表される。
第３駆動電圧ｄ３は、ｄ３＝ａ・sin(ωt+4・π/3)で表される。

図２は、ブリッジ型ホール素子１，２，３の空間的角度位置で検出される磁気的角度位置の説明図である。
磁極数が２の場合は、０度，１２０度，２４０度の空間的角度位置のブリッジ型ホール素子１，２，３で、０度，１２０度，２４０度の磁気的角度位置の磁気を検出することになる。

回転円柱Ｒの回転角度をθとするとき、
第１検出信号ｅ１は、ｅ１＝ａ・sin(ωt)・sin(θ)で表される。
第２検出信号ｅ２は、ｅ２＝ａ・sin(ωt+2・π/3)・sin(θ+2・π/3)で表される。
第３検出信号ｅ３は、ｅ３＝ａ・sin(ωt+4・π/3)・sin(θ+4・π/3)で表される。

信号加算回路１２の出力信号ｆは、第１検出信号ｅ１と第２検出信号ｅ２と第３検出信号ｅ３とを加算したものであり、ｆ＝ｂ・sin(ωt+θ)となる。

例えば、回転角度θ＝０度のときにレジスタ１４の保持値Ｐ＝０とすれば、回転角度θ＝９０度ならレジスタ１４の保持値Ｐ＝９００となり、回転角度θ＝１８０度ならレジスタ１４の保持値Ｐ＝１８００となり、回転角度θ＝３６０度ならレジスタ１４の保持値Ｐ＝０に戻る。

ゼロクロス点の周期は、sin(ωt)の周期に一致し、「クロック信号Ｋの周期」×「カウンタ１１の計数周期値」になる。例えば、「クロック信号Ｋの周期」＝０．１μｓ、「カウンタ１１の計数周期値」＝３６００なら、ゼロクロス点の周期は３６０μｓになる。すなわち、レジスタ１４の保持値Ｐは、０．３６ｍｓ毎に更新される。

換算回路１５は、
Ａ＝Ｐ×３６０／（３５９９＋１）
により、レジスタ１４の保持値Ｐを表示用の回転角度Ａに換算する。例えば、レジスタ１４の保持値Ｐ＝０なら回転角度Ａ＝０度に換算され、レジスタ１４の保持値Ｐ＝９００なら回転角度Ａ＝９０度に換算され、レジスタ１４の保持値Ｐ＝１８００なら回転角度Ａ＝１８０度に換算される。

実施例１に係る三相型回転角度検出装置１００によれば、三相型の磁気検出により回転円柱Ｒの回転角度を高精度に検出することが出来る。そして、煩雑なソフトウエア構成となるデジタル演算部を要さない。また、高速性に優れている。

−実施例２−
図３は、実施例２に係る三相型回転角度検出装置２００を示す説明図である。
この三相型回転角度検出装置２００は、回転中心軸Ｘの周りに回転する回転円柱Ｒの周面に角度差φ＝４５度で交互にＮ極およびＳ極が配置されている点および換算回路１５’以外は、実施例１の三相型回転角度検出装置１００と同じである。

図４は、ブリッジ型ホール素子１，２，３の空間的角度位置で検出される磁気的角度位置の説明図である。
磁極数が８の場合は、０度，１２０度，２４０度の空間的角度位置のブリッジ型ホール素子１，２，３で、０度，４８０度，９６０度の磁気的角度位置の磁気を検出することになるが、位相的には０度，１２０度，２４０度の磁気的角度位置の磁気を検出することになる。

回転円柱Ｒの回転角度をθとするとき、
第１検出信号ｅ１は、ｅ１＝ａ・sin(ωt)・sin(４・θ)で表される。
第２検出信号ｅ２は、ｅ２＝ａ・sin(ωt+2・π/3)・sin(４・θ+2・π/3)で表される。
第３検出信号ｅ３は、ｅ３＝ａ・sin(ωt+4・π/3)・sin(４・θ+4・π/3)で表される。

信号加算回路１２の出力信号ｆは、第１検出信号ｅ１と第２検出信号ｅ２と第３検出信号ｅ３とを加算したものであり、ｆ＝ｂ・sin(ωt+４・θ)となる。

例えば、回転角度θ＝０度のときにレジスタ１４の保持値Ｐ＝０とすれば、回転角度θ＝２２．５度ならレジスタ１４の保持値Ｐ＝９００となり、回転角度θ＝４５度ならレジスタ１４の保持値Ｐ＝１８００となり、回転角度θ＝９０度ならレジスタ１４の保持値Ｐ＝０に戻る。

換算回路１５’は、
Ａ＝Ｐ×９０／（３５９９＋１）
により、レジスタ１４の保持値Ｐを表示用の回転角度Ａに換算する。例えば、レジスタ１４の保持値Ｐ＝０なら回転角度Ａ＝０度に換算され、レジスタ１４の保持値Ｐ＝９００なら回転角度Ａ＝２２．５度に換算され、レジスタ１４の保持値Ｐ＝１８００なら回転角度Ａ＝４５度に換算される。

実施例２に係る三相型回転角度検出装置２００によれば、三相型の磁気検出により回転円柱Ｒの回転角度を高精度に検出することが出来る。そして、煩雑なソフトウエア構成となるデジタル演算部を要さない。また、高速性に優れている。

−実施例３−
回転円柱Ｒの代わりに、回転円筒や回転円板を用いてもよい。

本発明の三相型回転角度検出装置は、回転軸などの回転角度を検出するのに利用できる。

実施例１に係る三相型回転角度検出装置を示すブロック図である。実施例１に係るブリッジ型ホール素子の空間的角度位置で検出される磁気的角度位置の説明図である。実施例２に係る三相型回転角度検出装置を示すブロック図である。実施例２に係るブリッジ型ホール素子の空間的角度位置で検出される磁気的角度位置の説明図である。

符号の説明

１第１ブリッジ型ホール素子
２第２ブリッジ型ホール素子
３第３ブリッジ型ホール素子
４ａ第１ルックアップテーブル
５ａ第２ルックアップテーブル
６ａ第３ルックアップテーブル
１１カウンタ
１２信号加算回路
１３ゼロクロス検出回路
１４レジスタ
Ｒ回転円柱

Claims

φ＝３６０度／（正の奇数×３±１）とするとき、回転中心軸（Ｘ）の周りに回転し且つ回転軌道上で角度差φ度で交互に配置されたＮ極およびＳ極と、前記回転軌道の近傍に１２０度の角度間隔で設置された第１ホール素子（１），第２ホール素子（２）および第３ホール素子（３）と、一定周期のクロック信号（Ｋ）を発生する発振器（１０）と、前記クロック信号（Ｋ）を０からＤまで計数することを繰り返すカウンタ（１１）と、前記カウンタ（１１）の計数値（Ｃ）に応じてsin(ωt)を表す第１駆動デジタル値（Ｄ１）を出力する第１ルックアップ・テーブル（４ａ）と、前記カウンタ（１１）の計数値（Ｃ）に応じてsin(ωt+2・π/3)を表す第２駆動デジタル値（Ｄ２）を出力する第２ルックアップ・テーブル（５ａ）と、前記カウンタ（１１）の計数値（Ｃ）に応じてsin(ωt+4・π/3)を表す第３駆動デジタル値（Ｄ３）を出力する第３ルックアップ・テーブル（６ａ）と、前記第１駆動デジタル値（Ｄ１）に応じた第１駆動電圧（ｄ１）を前記第１ホール素子（１）の頂角に印加する第１駆動回路（４ｂ、４ｃ）と、前記第２駆動デジタル値（Ｄ２）に応じた第２駆動電圧（ｄ２）を前記第２ホール素子（２）の頂角に印加する第２駆動回路（５ｂ、５ｃ）と、前記第３駆動デジタル値（Ｄ３）に応じた第３駆動電圧（ｄ３）を前記第３ホール素子（３）の頂角に印加する第３駆動回路（６ｂ、６ｃ）と、前記第１ホール素子（１）の他の頂角から取り出した第１検出信号（ｅ１）と前記第２ホール素子（２）の他の頂角から取り出した第２検出信号（ｅ２）と前記第３ホール素子（３）の他の頂角から取り出した第３検出信号（ｅ３）とを加算する信号加算手段（１２）と、前記信号加算手段（１２）の出力信号（ｆ）のゼロクロス点に対応する前記カウンタ（１１）の計数値（Ｐ）を保持するレジスタ（１４）とを具備したことを特徴とする三相型回転角度検出装置。
請求項１に記載の三相型回転角度検出装置において、φ＝１８０度であることを特徴とする三相型回転角度検出装置（１００）。
請求項１に記載の三相型回転角度検出装置において、φ＝４５度であることを特徴とする三相型回転角度検出装置（２００）。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の三相型回転角度検出装置において、回転円筒周面、回転円柱周面または回転円板周縁に磁極を配置したことを特徴とする三相型回転角度検出装置。