JP5270277B2

JP5270277B2 - 位置センサ

Info

Publication number: JP5270277B2
Application number: JP2008236355A
Authority: JP
Inventors: 健英中村; 智昭井上
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: CN101676680B; DE102009041678A1; US8203326B2; CN101676680A; JP2010071670A; US20100066347A1

Description

本発明は、高周波が振幅変調された励磁信号を入力する励磁コイルと、検出信号を出力する検出コイルとを有し、該励磁コイルまたは該検出コイルを設けた移動体の位置変化に応じて変化する該検出信号に基づいて、該移動体の位置変化を検出する位置センサに関するものである。

従来、ハイブリッド自動車や電気自動車において、高出力のブラシレスモータが使用されている。ハイブリッド自動車のブラシレスモータを制御するためには、モータの出力軸の回転位置を正確に把握する必要がある。ステータの各コイルへの通電切り替えを制御するには、ロータの回転位置を正確に把握している必要があるからである。特に、自動車においては、コギングがドライバビリティを悪くするので、コギングを減少させることが要望されているため、通電切替を正確に行いたいという要望が強い。
自動車のモータ軸の位置検出には、耐高温性、耐ノイズ性、耐振動性、耐高湿性等の機能を満足するために、レゾルバが使用されている。レゾルバは、モータの内部に組み込まれて、モータのロータ軸に直接取り付けられている。

例えば、特許文献１のレゾルバでは、正弦波及び余弦波で、高周波を振幅変調して、振幅変調された高周波を、励磁信号として励磁コイルに入力している。これにより、励磁コイルの巻線数を減少できる効果を奏する。ここで、正弦波、余弦波、及び高周波は、アナログ波を使用している。
また、特許文献２乃至４の文献では、検出コイルが検出して出力する出力信号をデジタル変換することが記載されている。

特許第3047231号公報特開平10-111145号公報特開2007-57316号公報特開2008-89409号公報

しかしながら、従来のレゾルバには、次のような問題があった。
すなわち、一般的に、アナログ波である正弦波を分岐して、ＣＲ回路で位相をずらすことにより余弦波を作成している。そのため、外部温度が変化すると、ＣＲ回路の温度特性により、正弦波に対して余弦波の位相のずれに誤差が発生する恐れがあった。余弦波に誤差が生じると、移動体の位置検出に誤差が生じる問題があった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、温度変化が生じても、検出誤差を発生することの少ない位置センサを提供することを目的とする。

上記問題点を解決するためになされた本発明に係る位置センサは、次の構成を有している。
（１）高周波信号が振幅変調された励磁信号を入力する励磁コイルと、検出信号を出力する検出コイルとを有し、該励磁コイルまたは該検出コイルを設けた移動体の位置変化に応じて変化する該検出信号に基づいて、該移動体の位置変化を検出する位置センサにおいて、励磁信号が、基準クロックに基づいて作成されたデジタイズド信号であり、パルス信号を振幅変調した波形を有し、該波形がパルス状に直角に変動することを特徴とする。
（２）（１）に記載する位置センサにおいて、前記励磁信号が、基準クロックに基づいて、９０度位相のずれた波高値が正弦波状に振幅変調されたデジタイズド信号と、波高値が余弦波状に振幅変調されたデジタイズド信号を作ることを特徴とする。
（３）高周波信号が振幅変調された励磁信号を入力する励磁コイルと、検出信号を出力する検出コイルとを有し、該励磁コイルまたは該検出コイルを設けた移動体の位置変化に応じて変化する該検出信号に基づいて、該移動体の位置変化を検出する位置センサにおいて、前記励磁信号が、基準クロックに基づいて作成されたデジタイズド信号であり、前記検出信号を通過させるゲートのオープンタイミングを、前記検出信号の立ち上がり分遅らせることを特徴とする。
（４）高周波信号が振幅変調された励磁信号を入力する励磁コイルと、検出信号を出力する検出コイルとを有し、該励磁コイルまたは該検出コイルを設けた移動体の位置変化に応じて変化する該検出信号に基づいて、該移動体の位置変化を検出する位置センサにおいて、前記励磁信号が、基準クロックに基づいて作成されたデジタイズド信号であり、前記励磁信号が、基準クロックに基づいて、９０度位相のずれた波高値が正弦波状に振幅変調されたデジタイズド信号と、波高値が余弦波状に振幅変調されたデジタイズド信号を作り、前記検出信号を通過させるゲートのオープンタイミングを、前記検出信号の立ち上がり分遅らせることを特徴とする。
（５）（３）または（４）に記載する位置センサにおいて、前記検出信号を通過させるゲートのオープン期間は、パルス信号のパルス幅よりも短いことを特徴とする。
（６）（２）に記載する位置センサにおいて、矩形波状の励磁信号を、ローパスフィルタにより正弦波信号に変換したことを特徴とする。

次に、上記構成を有する本発明の位置センサの作用及び効果について説明する。
本発明の位置センサは、高周波が振幅変調された励磁信号を入力する励磁コイルと、検出信号を出力する検出コイルとを有し、該励磁コイルまたは該検出コイルを設けた移動体の位置変化に応じて変化する該検出信号に基づいて、該移動体の位置変化を検出する位置センサであって、前記励磁信号が、基準クロックに基づいて作成されたデジタイズド信号であるので、位相をずらすのにアナログ用のＣＲ回路を使用しないため、温度変化により位相のずれが発生する恐れがない。すなわち、基準クロックを使って、正確に９０度ずれた正弦波と余弦波を作っているので、位相のずれを低減できる。

前記検出信号を通過させるゲートのオープンタイミングを、前記検出信号の立ち上がり分遅らせているので、検知信号で発生するノイズを回避することにより、正確な検波をおこなうことができ、位置センサの検出位置精度を高めることができる。
これにより、位置センサの検出位置に誤差が生じることが少ない。
さらに、前記励磁信号が、基準クロックに基づいて、９０度位相のずれた正弦波デジタイズド信号と余弦波デジタイズド信号を作り、矩形波状の励磁信号を、ローパスフィルタにより正弦波状に変換しているので、正弦波と余弦波とを、より正確な波形とすることができ、位置センサの検出位置精度を高めることができる。

以下、本発明の位置センサを具体化した実施の形態である第１実施例について図面に基づいて詳細に説明する。
第１実施例の位置センサが組み込まれたレゾルバは、センサ部、ステータ、ロータ、及び制御回路を備えている。本実施例の位置センサが組み込まれたレゾルバの制御構成を図１に示す。レゾルバは、大きくセンサ部２と回路部１とにより構成されている。
ステータには、第１励磁コイル２２と第２励磁コイル２３とが、固設されている。ロータには、検出コイル２４が固設されている。検出コイル２４で誘起電流として発生する出力信号をステータ側に伝えるためのロータリトランス２５，２６が、ステータとロータに一対として、取り付けられている。第１励磁コイル２２、第２励磁コイル２３、検出コイル２４、ロータリトランス２５，２６により、センサ部２を構成している。

一方、回路部１においては、高周波の基準クロックを発生する基準クロック発生器１１が、分周回路１２に接続している。分周回路１２は、カウンタ１３に接続している。カウンタ１３は、ＲＯＭ１４、矩形波生成回路１７、及び分周回路１８に接続している。ＲＯＭ１４は、励磁用正弦波を発生するためのＤ／Ａコンバータ１５、及び励磁用余弦波を生成するためのＤ／Ａコンバータ１６に接続している。
Ｄ／Ａコンバータ１５は、センサ部２の第１励磁コイル２２に接続している。Ｄ／Ａコンバータ１６は、第２励磁コイル２３に接続している。
第１励磁コイル２２及び第２励磁コイル２３で発生する磁界により、検出コイル２４に誘起電流が発生する。検出コイル２４は、一対のロータリトランス２５，２６に接続している。ロータリトランス２６は、同期検波器１９に接続している。同期検波器１９は、矩形波生成回路２０、及び分周回路１８に接続している。矩形波生成回路２０は、カウンタ２１に接続している。カウンタ２１は、矩形波生成回路１７に接続すると共に、外部への出力端子２９を備えている。

次に、上記構成を有するレゾルバの作用について説明する。Ｄ／Ａコンバータ１５，１６の機能について説明する。始めに、図３に示すように、パルス信号により振幅変調された正弦波の作成機能について説明する。基準クロック発生器１１からの高周波入力を受けて、分周回路１２は、６００ｋＨｚのパルス信号Ｐ１を生成する。カウンタ１３は、６００ｋＨＺのパルス信号Ｐ１のパルスをカウントし、カウントデータを伴ったパルス信号Ｐ２を、ＲＯＭ１４を介してＤ／Ａコンバータ１５、及びＤ／Ａコンバータ１６に入力する。ＲＯＭ１４は、振幅変調した正弦波及び余弦波を作成するためのプログラムを記憶しており、Ｄ／Ａコンバータ１５，１６と共に以下の作用を行う。

ＲＯＭ１４及びＤ／Ａコンバータ１５は、パルス信号Ｐ２の１番目の基準パルスで、図３に示すｔ１のマイナス振幅のパルスを生成する。２番目の基準パルスで、ｓ１のプラス振幅のパルスを生成する。順次基準パルスに基づいて、図３のＴ１で示す区間において、ｔ２、ｓ２、ｔ３、ｓ３、・・・ｓ１５、ｔ１６、ｓ１６の振幅のパルスを生成する。さらに、図３のＴ２で示す区間において、ｔ１７、ｓ１７、ｔ１８・・・ｔ３２、ｓ３２の振幅のパルスを生成する。
Ｔ１の区間における、プラス振幅のｓ１、ｓ２、・・・ｓ１６、及びＴ２の区間における、マイナス振幅のｓ１７、ｓ１８、・・・ｓ３２により、正弦波の０度から３６０度までの一周期の波形が形成される。これにより、Ｄ／Ａコンバータ１５は、図３に示す振幅変調された正弦波Ｐ３を信号として出力している。正弦波Ｐ３の周波数は、３００ＫＨｚ／３２＝９．３７５ｋＨｚである。

同様に、ＲＯＭ１４及びＤ／Ａコンバータ１６は、図４に示すように、図３と同じパルス信号Ｐ２の１番目の基準パルスで、ｔ１のマイナス振幅のパルスを生成する。２番目の基準パルスで、ｓ１のプラス振幅のパルスを生成する。順次基準パルスに基づいて、ｔ２、ｓ２、ｔ３、ｓ３、・・・ｓ１５、ｔ１６、ｓ１６の振幅のパルスを生成する。さらに、ｔ１７、ｓ１７、ｔ１８・・・ｔ３２、ｓ３２の振幅のパルスを生成する。
プラス振幅のｓ１、ｓ２、・・・ｓ８、マイナス振幅のｓ９、ｓ１０、・・・ｓ２４、及びプラス振幅のｓ２５、ｓ２６、・・・ｓ３２により、余弦波の０度から３６０度までの一周期の波形が形成される。これにより、Ｄ／Ａコンバータ１６は、図４に示す振幅変調された余弦波Ｐ４を信号として出力している。余弦波２４の周波数は、３００ＫＨｚ／３２＝９．３７５ｋＨｚである。正弦波Ｐ３と余弦波Ｐ４とは、周波数が全く同じであり、かつ正確に位相が９０度ずれている。

Ｄ／Ａコンバータ１５から出力された正弦波Ｐ３は、第１励磁コイル２２に入力する。Ｄ／Ａコンバータ１６から出力された余弦波Ｐ４は、第２励磁コイル２３に入力する。
すなわち、振幅変調された９．３７５ｋＨｚの正弦波Ｐ３（Ａｓｉｎωｔ）が、第１励磁コイル２２に供給される。また、振幅変調された９．３７５ｋＨｚの余弦波Ｐ４（Ａｃｏｓωｔ）が、第２励磁コイル２３に供給される。
検出コイル２４では、出力信号Ｐ５であるＡＢｓｉｎ（ωｔ＋θ）が誘起電流として発生する。出力信号Ｐ５は、ロータリトランス２５，２６を介して、出力信号Ｐ６としてステータ側に設けられた同期検波器１９に入力される。出力信号Ｐ６の波形を、図６の（２）に示す。また、分周回路１８から同期検波器１９に入力される検波タイミング信号Ｐ１０の波形を図６の（１）に示す。検波タイミング信号Ｐ１０は、１２００ｋＨｚの信号として生成されている。検波タイミング信号Ｐ１０のパルスタイミングに基づいて検波した結果である検波後信号Ｐ７を図６の（３）に示す。

図６の（２）に示すように、ロータリトランス２６から出力するレゾルバの出力信号Ｐ６の波形は、パルス信号の立ち上がり部に遅れが出ている。これは、誘起電流の発生に遅れが出るためである。これをそのまま測定すると、パルスの形が悪いため、ノイズとして作用して誤検出する恐れがある。それを回避するために、本実施例では、同期検波器１９において、検波時間（１２００ｋＨｚ相当）を、信号切替時間（６００ｋＨｚ相当）の１／２とし、かつ、１２００ｋＨｚ相当時間遅らせることにより、出力信号Ｐ６の個別波形Ｓ１，Ｓ２，・・・のうち、きれいな信号部分を検波後信号Ｐ７の個別波形ＳＳ１，ＳＳ２，・・・（図中斜線で示す。）として取り出すことができるため、レゾルバの検出精度を向上させることができる。
同期検波器１９は、検波後信号Ｐ７を、矩形波生成回路２０に送る。矩形波生成回路２０は、レゾルバの検出信号をカウンタ２１に送る。カウンタ２１は、矩形波生成回路２０から送られたレゾルバ信号のタイミングと、矩形生成回路１７から送られた基準信号のタイミングとのずれをカウントすることにより、レゾルバの移動量を算出し、レゾルバ移動量信号Ｐ１１を、出力端子２９から外部に出力する。

以上、詳細に説明したように、本実施例のレゾルバによれば、高周波信号Ｐ２により振幅変調された励磁信号Ｐ３，Ｐ４を入力する励磁コイル２２，２３と、検出信号Ｐ５を出力する検出コイル２４とを有し、励磁コイル２２，２３または検出コイル２４を設けたロータの位置変化に応じて変化する検出信号Ｐ５に基づいて、ロータの位置変化を検出するレゾルバであって、高周波信号Ｐ２が、基準クロックＰ１に基づいて作成されたデジタル信号であるので、位相をずらすのにアナログ用のＣＲ回路を使用しないため、温度変化により位相のずれが発生する恐れがない。
すなわち、基準クロックＰ１を使って、正確に９０度ずれた正弦波と余弦波を作っているので、位相のずれを低減できる。これにより、レゾルバの検出位置に誤差が生じることが少ない。
また、検出信号を通過させるゲートである同期検波器１９のオープンタイミングを、検出信号の立ち上がり分遅らせているので、励磁信号切替時に、検知信号で発生するノイズを回避することにより、正確な検波をおこなうことができ、レゾルバの検出位置精度を高めることができる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例は、基本的構成は、第１実施例と同じなので、相違する構成、及び作用についてのみ説明し、同じ部分については、第１実施例と同じ符号を付して説明を割愛する。
図２に第２実施例のレゾルバの構成を示す。第１実施例と相違しているのは、Ｄ／Ａコンバータ１５と第１励磁コイル２２との間に、ローパスフィルタ回路２７が設けられ、Ｄ／Ａコンバータ１６と第２励磁コイル２３との間にローパスフィルタ回路２８が設けられている点のみである。
ローパスフィルタ回路２７，２８は、正弦波状にする機能を有している。したがって、パルス信号を入力すると、パルス信号波形の上端両角がなまされて、パルス信号の波形が滑らかな曲線に変化する。図３に示すＲＯＭ１４及びＤ／Ａコンバータ１５で振幅変調された正弦波Ｐ３が、図５に示すように、各パルス波形がなまされた（スムージングされた）波形となる。

同様に、Ｄ／Ａコンバータ１６から出力された振幅変調された余弦波Ｐ４は、ローパスフィルタ回路２８に入力する。ローパスフィルタ回路２８は、高周波信号であるパルス信号の両角をなます。すなわち、パルス状の直角を滑らかな曲線とする。
これで、振幅変調された正弦波Ｐ３、及び振幅変調された余弦波Ｐ４の、高周波成分をなますことにより、正弦波Ｐ３及び余弦波Ｐ４の波形をより正弦波及び余弦波に近い、図５に示すＰ８の波形等に変化させることができる。

以上、詳細に説明したように、第２実施例のレゾルバによれば、励磁信号が、基準クロックＰ２に基づいて、９０度位相のずれた正弦波デジタイズド信号Ｐ３と余弦波デジタイズド信号Ｐ４を作り、高周波信号Ｐ２を、ローパスフィルタ回路２７，２８によりなましているので、正弦波Ｐ８と余弦波Ｐ９とを、より正確な波形とすることができ、レゾルバの検出位置精度を高めることができる。

本発明は、上記実施例の他に様々な応用が可能である。
例えば、本実施の形態では、レゾルバを用いた角度検出について説明したが、第１励磁コイル及び第２励磁コイルを直線状に配置することにより、直線的な位置を検出する位置センサに応用することができる。
また、本実施例では、位相差方式に高周波変調を組み合わせたシステムを説明したが、振幅方式に高周波変調を組み合わせたシステムにも、本発明を適用することができる。

本発明の第１実施例のレゾルバの構成を示すブロック図である。本発明の第２実施例のレゾルバの構成を示すブロック図である。Ｄ／Ａコンバータ１５で発生させる振幅変調された正弦波Ｐ３の説明図である。Ｄ／Ａコンバータ１６で発生させる振幅変調された余弦波Ｐ４の説明図である。第２実施例の振幅正弦波Ｐ３を、ローパスフィルタ回路２７に入力させたときの、ローパスフィルタ回路２７の出力信号Ｐ８の波形を示す図である。同期検波器の作用を説明する図である。

１１基準クロック発生器
１５Ｄ／Ａコンバータ
１６Ｄ／Ａコンバータ
１９同期検波器
２２第１励磁コイル
２３第２励磁コイル
２４検出コイル
２７ローパスフィルタ回路
２８ローパスフィルタ回路
Ｐ２高周波（６００ｋＨｚ）
Ｐ３振幅変調された正弦波（９．３７５ｋＨｚ）
Ｐ４振幅変調された余弦波（９．３７５ｋＨｚ）

Claims

高周波信号が振幅変調された励磁信号を入力する励磁コイルと、検出信号を出力する検出コイルとを有し、該励磁コイルまたは該検出コイルを設けた移動体の位置変化に応じて変化する該検出信号に基づいて、該移動体の位置変化を検出する位置センサにおいて、
前記励磁信号が、基準クロックに基づいて作成されたデジタイズド信号であり、パルス信号を振幅変調した波形を有し、該波形がパルス状に直角に変動することを特徴とする位置センサ。
請求項１に記載する位置センサにおいて、
前記励磁信号が、基準クロックに基づいて、９０度位相のずれた波高値が正弦波状に振幅変調されたデジタイズド信号と、波高値が余弦波状に振幅変調されたデジタイズド信号を作ることを特徴とする位置センサ。
高周波信号が振幅変調された励磁信号を入力する励磁コイルと、検出信号を出力する検出コイルとを有し、該励磁コイルまたは該検出コイルを設けた移動体の位置変化に応じて変化する該検出信号に基づいて、該移動体の位置変化を検出する位置センサにおいて、
前記励磁信号が、基準クロックに基づいて作成されたデジタイズド信号であり、前記検出信号を通過させるゲートのオープンタイミングを、前記検出信号の立ち上がり分遅らせることを特徴とする位置センサ。
高周波信号が振幅変調された励磁信号を入力する励磁コイルと、検出信号を出力する検出コイルとを有し、該励磁コイルまたは該検出コイルを設けた移動体の位置変化に応じて変化する該検出信号に基づいて、該移動体の位置変化を検出する位置センサにおいて、
前記励磁信号が、基準クロックに基づいて作成されたデジタイズド信号であり、前記励磁信号が、基準クロックに基づいて、９０度位相のずれた波高値が正弦波状に振幅変調されたデジタイズド信号と、波高値が余弦波状に振幅変調されたデジタイズド信号を作り、前記検出信号を通過させるゲートのオープンタイミングを、前記検出信号の立ち上がり分遅らせることを特徴とする位置センサ。
請求項３または請求項４に記載する位置センサにおいて、
前記検出信号を通過させるゲートのオープン期間は、パルス信号のパルス幅よりも短いことを特徴とする位置センサ。
請求項２に記載する位置センサにおいて、
矩形波状の励磁信号を、ローパスフィルタにより正弦波信号に変換したことを特徴とする位置センサ。