JP5865059B2 - 波形測定器 - Google Patents

Description

本発明は、測定器に係り、特に、レゾルバが出力する検出信号に基づいて回転角度波形を測定する波形測定器に関する。

ハイブリッド型自動車や電気自動車に代表されるように、駆動源としてモータが広く採用されるようになっている。モータの制御には、回転角度を検知する必要があるため、従来から回転角度センサーが用いられている。

回転角度センサーの種類としては、光学式や磁気式のロータリエンコーダ、電磁誘導を利用したレゾルバ等があるが、粉塵やオイルミスト等の悪い環境下や環境変化の大きい設置場所では、耐環境性に優れ、安定した高い信頼性を特長とするレゾルバが従来から多く用いられている。特に、近年では、温度・湿度・振動・衝撃などにおいて厳しい環境下の車載用回転角度センサーとしてレゾルバが採用されている。

図５は、レゾルバの原理を説明する図である。本図に示すようにレゾルバ２００は、回転する励磁コイル（回転子）２１１と固定された２組検出コイル（第１検出コイル２３０、第２検出コイル２４０）とを備えて構成され、第１検出コイル２３０と第２検出コイル２４０とは、励磁コイル２１１に対する向きが９０度異なるように配置される。

この構成で、図７に示すように、励磁コイル２１１に正弦波形の励磁電圧信号Ｖ_Ｅを印加すると、回転子（励磁コイル）２１１の回転角がθのとき、第１検出コイル２３０の振幅はｓｉｎθで変化し、第２検出コイル２４０の振幅は９０度ずれたｃｏｓθで変化することになる。したがって、第１検出信号から得られるｓｉｎθの値と第２検出信号から得られるｃｏｓθの値とのアークタンジェントを計算することで回転子（励磁コイル）２１１の回転角θを得ることができる。

この計算を行なう装置は、「レゾルバ−デジタルコンバータ」「角度変換器」等種々の名称で呼ばれているが、以下では「レゾルバ角度検出信号変換器」と称するものとする。レゾルバ角度検出信号変換器は、励磁信号をレゾルバ２００に印加し、第１検出信号と第２検出信号をレゾルバ２００から入力して回転角θを算出し、回転角度信号として出力する。

レゾルバ角度検出信号変換器は、励磁信号を出力することによりレゾルバ２００をドライブしており、この励磁信号を用いて第１検出信号と第２検出信号とを同期検波することにより、第１検出信号および第２検出信号からｓｉｎθ波形およびｃｏｓθ波形を精度よく抽出することができる。

特開２００７−３１５８５６号公報

モータ制御関連の検査や試験を行なう際等に、レゾルバ２００が測定し、レゾルバ角度検出信号変換器が算出した回転角θの波形表示を行ないたい場合がある。回転角θの波形表示を行なうためには、波形測定器に、レゾルバ角度検出信号変換器が生成する回転角度信号を入力すればよい。

しかしながら、近年、車載用のレゾルバ角度検出信号変換器３１０は、図６に示すように、モータコントローラ３２０とともにＥＣＵ（Engine Control Unit）３００に組み込まれている場合が多く、回転角度信号を単独で外部に取り出すことが困難になっている。また、車載用以外においても、レゾルバ角度検出信号変換器３１０は、ＣＰＵ等のチップに内蔵されることが多くなっており、回転角度信号を単独で外部に取り出すことが困難になっている。

このため、波形測定器でレゾルバ２００の測定結果に基づいて回転角の波形測定を直接行なえるようにすることが望まれる。しかし、レゾルバ２００の測定結果である第１検出信号および第２検出信号は、搬送波である励磁信号成分が含まれているため、単にアークタンジェントを算出するだけでは、精度よい回転角θの波形データを得ることではできない。

そこで、本発明は、レゾルバの測定結果に基づいて回転角の波形測定を直接行なえる波形測定器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の波形測定器は、レゾルバに入力される励磁信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部と、前記ゼロクロスが検出されてからΔｔ後に、前記レゾルバが出力する回転角に応じて振幅が変化する角度検出信号を保持するホールド部と、保持した前記角度検出信号に基づいて前記回転角を算出する角度演算部と、を備えたことを特徴とする。

ここで、前記角度検出信号は、振幅の変化の位相が９０度ずれた２つの信号とすることができる。このとき、前記角度演算部は、保持された２つの信号の逆正接により前記回転角を算出することができる。

また、前記ゼロクロス検出部は前記励磁信号の立ち上がりゼロクロスを検出し、前記Δｔは、前記励磁信号の周期の１／４とすることができる。

このとき、検出されたゼロクロスに基づいて前記励磁信号の周期を算出し、前記Δｔを設定するタイミング発生部をさらに備えるようにしてもよい。また、前記Δｔに、前記励磁信号と前記角度検出信号との位相ずれ量をオフセットとして含めるようにしてもよい。

また、前記角度演算部によって得られた回転角の時間的変化を平滑化する平滑化部をさらに備えるようにしてもよい。

本発明によれば、レゾルバの測定結果に基づいて回転角の波形測定を直接行なえる波形測定器が提供される。

本実施形態に係る波形測定器の構成を示すブロック図である。 波形測定器の動作について説明するフローチャートである。 励磁波形の立ち上がりゼロクロスを検出し、Δｔ時間後にディレイタイミングパルスが出力されたときの波形を示す波形図である。 励磁信号波形と各信号波形との関係を示す波形図である。 レゾルバの原理を説明する図である。 レゾルバと近年のレゾルバ角度検出信号変換器を説明する図である。 レゾルバの原理を説明する波形図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る波形測定器の構成を示すブロック図である。波形測定器１００は、レゾルバ角度検出信号変換器３１０を内蔵するＥＣＵ等のＩＣチップ３２０がレゾルバ２００に出力する励磁信号と、レゾルバ２００がＩＣチップ３２０に出力する第１検出信号および第２検出信号とを入力し、レゾルバ２００が測定した回転角θの波形を測定する装置である。

本図に示すように、波形測定器１００は、ゼロクロス検出部１１０、ディレイタイミング発生部１２０、Ａ／Ｄ変換部１３０、ホールド部１４０、角度演算部１５０、平滑化部１６０、メモリコントローラ１７０、波形メモリ１８０、タイミング部１９０を備えている。

ゼロクロス検出部１１０は、レゾルバ２００に入力される励磁信号を入力し、励磁信号の立ち上がりゼロクロスを検出し、ディレイタイミング発生部１２０にゼロクロス検出信号を出力する。

ディレイタイミング発生部１２０は、ゼロクロス検出部１１０からゼロクロス検出信号が入力されると、所定のΔｔ時間後のタイミングでディレイタイミングパルスをホールド部１４０に出力する。ここでは、Δｔは、励磁信号の周期がＴの場合、Ｔ／４とする。一般に、レゾルバ角度検出信号変換器３１０がレゾルバ２００をドライブする励磁信号の周期Ｔは既知であるため、ユーザは、Δｔとして、あらかじめＴ／４を設定しておくようにする。

ただし、ディレイタイミング発生部１２０が、連続して入力されるゼロクロス検出信号に基づいて励磁信号の周期Ｔを測定し、測定された周期Ｔに基づいて、ΔｔとしてＴ／４を設定するようにしてもよい。

Ａ／Ｄ変換部１３０は、レゾルバ２００から出力される第１検出信号、第２検出信号を入力してディジタルデータに変換する。それぞれのディジタルデータはホールド部１４０に出力する。Ａ／Ｄ変換部１３０のサンプリング周波数は、励磁信号の周波数（１／Ｔ）よりも十分高いものとする。例えば、励磁信号の周波数が１０ｋＨｚであった場合、Ａ／Ｄ変換部１３０のサンプリング周波数は、１０ＭＨｚ程度とすることが望ましい。

ホールド部１４０は、ディレイタイミング発生部１２０からディレイタイミングパルスが入力されると、第１検出信号のディジタルデータと第２検出信号のディジタルデータとをラッチし、次のラッチタイミングまでホールドする。第１検出信号ホールドデータと第２検出信号ホールドデータとは、角度演算部１５０に入力される。

角度演算部１５０は、入力された第１検出信号ホールドデータと第２検出信号ホールドデータとのアークタンジェント演算を行なって回転角θを算出する。回転角θは、ホールドデータによって算出されるため、階段状の波形データとなる。階段状に変化する回転角θ波形データは。平滑化部１６０に入力される。

平滑化部１６０は、階段状に算出された回転角θ波形データを時間方向に平滑化する。これにより、回転角θ波形データの分解能を高めることができる。平滑化部１６０は、例えば、トラッキングループ回路を用いて構成することができる。トラッキングループ回路は、積分器、ローパスフィルタ等を備えており、ディジタル信号処理により平滑化を行なう回路である。

メモリコントローラ１７０は、平滑化部１６０で平滑化された回転角θ波形データを波形メモリ１８０に格納する。波形メモリ１８０に格納された回転角θ波形データは、測定データとして測定器外部に出力したり、波形測定器１００内部あるいは外部に設けられた表示装置（不図示）で波形表示することができる。

タイミング部１９０は、Ａ／Ｄ変換部１３０、ホールド部１４０、角度演算部１５０、平滑化部１６０、メモリコントローラ１７０の動作タイミングを制御する。

次に、上記構成の波形測定器１００の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。波形測定器１００は、回転角θの波形測定を開始すると、ゼロクロス検出部１１０が、レゾルバ２００に入力される励磁信号を入力し（Ｓ１０１）、Ａ／Ｄ変換部１３０が、レゾルバ２００から出力される第１検出信号、第２検出信号を入力する（Ｓ１０２）。Ａ／Ｄ変換部１３０は、入力された第１検出信号、第２検出信号をディジタルデータに変換する。

ゼロクロス検出部１１０が、励磁波形の立ち上がりゼロクロスを検出すると（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、ゼロクロス検出信号をディレイタイミング発生部１２０に出力し、ディレイタイミング発生部１２０が所定のΔｔ時間後のタイミングでディレイタイミングパルスをホールド部１４０に出力する（Ｓ１０４）。

図３は、励磁波形の立ち上がりゼロクロスを検出し、Δｔ時間後にディレイタイミングパルスが出力されたときの各波形を示す波形図である。本図に示すように、時刻ｔ０において、励磁波形の立ち上がりゼロクロスが検出されると、Δｔ時間後の時刻ｔ１においてディレイタイミングパルスが出力される。

Δｔは、励磁波形の周期Ｔの１／４に設定されているため、立ち上がりゼロクロスからΔｔ時間後の時刻ｔ１において、励磁波形はピーク値となる。このため、時刻ｔ１において、第１検出信号の値、第２検出信号の値とも極大値となる。すなわち、ｓｉｎθ、ｃｏｓθに対応した値となる。

時刻ｔ１に出力されたディレイタイミングパルスに基づいて、ｓｉｎθ、ｃｏｓθに対応した第１検出信号の値、第２検出信号の値が、ホールド部１４０によってラッチされ、ホールドされる（図２：Ｓ１０５）。そして、角度演算部１５０によって、ｓｉｎθ、ｃｏｓθに対応した第１検出信号の値、第２検出信号の値に基づいた回転角θが算出される（Ｓ１０６）。

算出された回転角θは、時間Ｔごとにホールドされた階段状の波形となるため、平滑化部１６０によって平滑化され（Ｓ１０７）、波形メモリ１８０に格納される（Ｓ１０８）。波形メモリ１８０に格納された回転角θの波形データは、必要に応じて読み出され、波形表示等される。

励磁波形の立ち上がりゼロクロスの検出処理（Ｓ１０３）および検出された後の各処理（Ｓ１０４〜Ｓ１０８）は、波形測定が終了するまで（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）、繰り返えされる。この結果、励磁波形の周期ごとにｓｉｎθ、ｃｏｓθに対応した第１検出信号の値、第２検出信号の値がホールドされ、この値に基づいて回転角θの波形データが算出されることになる。

図４は、レゾルバ２００に入力される励磁信号、レゾルバ２００から出力される第１検出信号および第２検出信号、ラッチされホールドされた第１検出信号および第２検出信号、階段状の回転角θ波形、円滑化された回転角θ波形の関係を示す波形図である。

本図に示すように、励磁波形のピークにおいて第１検出信号と第２検出信号がラッチされるため、ホールド波形は、回転角θに対応したｓｉｎθ波形、ｃｏｓθ波形を表わすことになる。このホールド波形に基づいて回転角θを算出し、円滑化することで、回転角θの波形データを精度よく得ることができるようになる。

なお、ゼロクロス検出部１１０は、励磁波形の立ち下がりゼロクロスを検出してゼロクロス検出信号を出力するようにしてもよい。あるいは、立ち上がりゼロクロスおよび立ち下がりゼロクロスの双方を検出してゼロクロス検出信号を出力するようにしてもよい。この場合、回転角θの演算レートを２倍とすることができ、平滑化部１６０として用いたトラッキングループ回路のローパスフィルタのカットオフを高周波側に設定できるため、追従性を高めることができる。

また、ディレイタイミング発生部１２０が、ゼロクロス検出信号が入力されてからディレイタイミングパルスを出力するまでの時間であるΔｔは、厳密に励磁信号の周期Ｔの１／４でなくてもよい。

また、励磁波形に対して、第１検出信号、第２検出信号に位相ずれが生じる場合には、ずれ量を考慮してΔｔを設定する用にすることが望ましい。この場合、ずれ量の補正値をオフセットとして周期Ｔの１／４をΔｔに設定すればよい。

１００…波形測定器、１１０…ゼロクロス検出部、１２０…ディレイタイミング発生部、１３０…Ａ／Ｄ変換部、１４０…ホールド部、１５０…角度演算部、１６０…平滑化部、１７０…メモリコントローラ、１８０…波形メモリ、１９０…タイミング部、２００…レゾルバ、２１１…励磁コイル（回転子）、２３０…第１検出コイル、２４０…第２検出コイル、３００…ＥＣＵ、３１０…レゾルバ角度検出信号変換器、３２０…ＩＣチップ、３２０…モータコントローラ

Claims (7)

1. チップに内蔵され、回転角度信号を前記チップの外部に出力しないレゾルバ角度検出信号変換器からレゾルバに入力される励磁信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部と、
   前記ゼロクロスが検出されてからΔｔ後に、前記レゾルバが前記レゾルバ角度検出信号変換器に出力する回転角に応じて振幅が変化する角度検出信号を保持するホールド部と、
   保持した前記角度検出信号に基づいて前記回転角を算出する角度演算部と、
   を備え、前記算出された回転角に基づく波形データを外部に出力する、あるいは波形表示することを特徴とする波形測定器。
2. 前記角度検出信号は、振幅の変化の位相が９０度ずれた２つの信号であることを特徴とする請求項１に記載の波形測定器。
3. 前記角度演算部は、保持された２つの信号の逆正接により前記回転角を算出することを特徴とする請求項２に記載の波形測定器。
4. 前記ゼロクロス検出部は前記励磁信号の立ち上がりゼロクロスを検出し、
   前記Δｔは、前記励磁信号の周期の１／４であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波形測定器。
5. 検出されたゼロクロスに基づいて前記励磁信号の周期を算出し、前記Δｔを設定するタイミング発生部をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の波形測定器
6. 前記Δｔに、前記励磁信号と前記角度検出信号との位相ずれ量をオフセットとして含めることを特徴とする請求項４または５に記載の波形測定器。
7. 前記角度演算部によって得られた回転角の時間的変化を平滑化する平滑化部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の波形測定器。