JP6174392B2 - レゾルバ励磁装置 - Google Patents

Description

本発明は、レゾルバ励磁装置に関する。

従来、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：磁石埋込型）モータなどの動力モータでは、回転子の回転角を検出する回転角センサとして、レゾルバが用いられる。レゾルバは、基本的にはコイルと鉄心によって簡易に構成されているため高い耐環境性能を有し、温度変化、塵や埃等に影響されることなく正常に動作する。レゾルバの励磁コイルには励磁信号（正弦波信号）が印加される。レゾルバの２つの出力コイルからは、回転子の回転角に応じて、励磁信号が正弦波状に振幅変調された２相の出力信号が出力される。そして、各相の出力信号を所定周期毎に検出し、回転角が算出される。

下記特許文献１には、レゾルバの励磁コイルの一端にオフセット電圧（直流バイアス）を含む励磁信号（正弦波信号）を供給し、励磁コイルの他端にも同一のオフセット電圧を含む反転励磁信号を供給する回転角度検出装置が開示されている。この回転角度検出装置は、上記励磁コイルの地絡を検出した場合に、励磁信号及び反転励磁信号にオフセット電圧を加えることを禁止することにより、オフセット電圧を含まない励磁信号を励磁コイルに供給し、これによってオフセット電圧に起因する素子の破壊や励磁コイルの断線を防止する。

特許第５０６７８８０号公報

しかしながら、特許文献１の回転角度検出装置では、直流成分であるオフセット電圧は励磁コイルの供給されないものの、交流成分である励磁信号が励磁コイルに供給されてしまうので、レゾルバの保護や回転角度検出装置を構成する回路素子の保護の観点で不十分である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、励磁コイルの地絡に対してレゾルバや回路素子をより確実かつ簡易な構成で保護するレゾルバ励磁装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、レゾルバの励磁コイルに供給するための逆相レゾルバ励磁信号及び正相レゾルバ励磁信号を生成するレゾルバ励磁装置であって、所定周波数の正弦波信号を生成する正弦波信号生成回路と、第１の演算増幅器を用いて正弦波信号を反転増幅することにより逆相レゾルバ励磁信号を生成する反転増幅回路と、第２の演算増幅器を用いて正弦波信号あるいは逆相レゾルバ励磁信号を増幅することにより正相レゾルバ励磁信号を生成する増幅回路と、を備えるレゾルバ励磁信号生成部と、外部から入力される停止指令に基づいて反転増幅回路の出力及び増幅回路の出力を接地電位に設定する停止回路とを具備する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、増幅回路は、第２の演算増幅器を用いて逆相レゾルバ励磁信号を反転増幅することにより正相レゾルバ励磁信号を生成し、停止回路は、第１の演算増幅器の非反転入力端子及び第２の演算増幅器の非反転入力端子を接地電位に引き込むことにより、反転増幅回路の出力及び増幅回路の出力を接地電位に設定する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、停止回路は、第１の演算増幅器の反転入力端子をも接地電位に引き込む、という手段を採用する。

本発明によれば、外部から入力される停止指令に基づいて反転増幅回路の出力及び増幅回路の出力を接地電位に設定する停止回路とを具備するので、励磁コイルの地絡に対してレゾルバや回路素子をより確実かつ簡易な構成で保護することができる。

本発明の一実施形態に係る回転角検出装置１の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態におけるレゾルバ励磁信号生成部２２の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態における０Ｖ生成回路４４の構成を示す回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る回転角検出装置１の構成を示すブロック図である。回転角検出装置１は、レゾルバ１０と、レゾルバ１０にレゾルバ励磁信号を出力すると共にレゾルバ１０の出力信号をデジタル信号に変換するレゾルバ励磁装置２０と、レゾルバ励磁装置２０の出力信号に基づいてモータのベクトル制御を行うＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ−Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３０と、を備えている。

レゾルバ１０は、回転子であるロータ１１と、ロータ１１の周囲に配置された励磁コイルＬ１と、同じくロータ１１の周囲に配置された第１出力コイルＬ２及び第２出力コイルＬ３と、を備えている。ロータ１１の周囲には、円周方向に沿って磁極（図示省略）が形成されたステータ（図示省略）が設けられている。上記励磁コイルＬ１及び第１、第２出力コイルＬ２，Ｌ３は、ステータの個々の磁極に個別に巻かれている。

レゾルバ励磁装置２０は、正弦波信号を生成する正弦波信号生成回路２１と、レゾルバ励磁信号を生成するレゾルバ励磁信号生成部２２と、レゾルバ１０の出力信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換するレゾルバデジタル変換部２３とを備えている。なお、レゾルバ励磁装置２０は、図示しないが、正弦波信号生成回路２１、レゾルバ励磁信号生成部２２及びレゾルバデジタル変換部２３に正極の電源電圧を供給する片電源回路（プラス電源回路）をも備えている。

正弦波信号生成回路２１は、所定角周波数ωの正弦波信号を生成する。この角周波数ωは、例えば１０ｋＨｚである。正弦波信号生成回路２１は、なお、正弦波信号生成回路２１は、正極の電源電圧Ｖｃｃで動作するものであり、この関係で正弦波信号は、電源電圧Ｖｃｃの中間電圧Ｖｃｃ／２に直流バイアスされた交流信号である。

レゾルバ励磁信号生成部２２は、正弦波信号生成回路２１から入力される正弦波信号に基づいて、正相レゾルバ励磁信号及び当該レゾルバ励磁信号と逆相の（位相が１８０度反転した）逆相レゾルバ励磁信号を生成する。また、レゾルバ励磁信号生成部２２は、正相レゾルバ励磁信号を励磁コイルＬ１の一端に、また反転レゾルバ励磁信号を励磁コイルＬ１の他端に出力する。また、レゾルバ励磁信号生成部２２は、ＭＰＵ３０から停止指令が入力されると、正相レゾルバ励磁信号及び逆相レゾルバ励磁信号の出力を停止する。

レゾルバデジタル変換部２３は、レゾルバ１０の出力信号であり、第１出力コイルＬ２から入力される正弦関数信号（アナログ信号）及び第２出力コイルＬ３から入力される余弦関数信号（アナログ信号）をデジタル信号（角度データ）に変換する。また、レゾルバデジタル変換部２３は、上記角度データをＭＰＵ３０へ出力する。

図２は、レゾルバ励磁信号生成部２２の詳細構成を示す回路図である。レゾルバ励磁信号生成部２２は、第１、第２の演算増幅器４１，４２（オペアンプ）と、上記片電源回路から入力された直流電圧Ｖｂを１／２に分圧する１／２分圧回路４３と、０Ｖ電圧を生成する０Ｖ生成回路４４（停止回路）と、７つの抵抗Ｒ１〜Ｒ７と、を備えている。なお、レゾルバ励磁信号生成部２２は正極の電源電圧Ｖｂで動作するものである。

第１の演算増幅器４１の反転入力端子は、抵抗Ｒ１を介して、当該第１の演算増幅器４１の出力端子に接続されている。さらに、第１の演算増幅器４１の反転入力端子は、抵抗Ｒ２を介して、正弦波信号生成回路２１の出力端子に接続されている。

第１の演算増幅器４１の非反転入力端子は、抵抗Ｒ３を介して１／２分圧回路４３の出力端子に接続されていると共に、例えば正弦波信号生成回路２１から抵抗Ｒ４を介して中間電圧Ｖｃｃ／２が印加される。第１の演算増幅器４１の出力端子は、励磁コイルＬ１の他端に接続されると共に、抵抗Ｒ６を介して第２の演算増幅器４２の反転入力端子に接続される。

一方、第２の演算増幅器４２の反転入力端子は、抵抗Ｒ５を介して、当該第２の演算増幅器４２の出力端子に接続されていると共に、抵抗Ｒ６を介して第１の演算増幅器４１の出力端子に接続されている。第２の演算増幅器４２の非反転入力端子は、抵抗Ｒ７を介して、１／２分圧回路４３の出力端子に接続されている。第２の演算増幅器４２の出力端子は、励磁コイルＬ１の一端に接続される。なお、このようなレゾルバ励磁信号生成部２２において、第１の演算増幅器４１及び抵抗Ｒ１〜Ｒ４は第１の反転増幅回路を構成し、第２の増幅回路４２及び抵抗Ｒ５〜Ｒ７は第２の反転増幅回路を構成している。

１／２分圧回路４３は、上記電源電圧Ｖｂを１／２に分圧することにより中間電圧Ｖｂ／２を出力する。０Ｖ電圧生成回路４４は、入力端子がＭＰＵ３０に接続され、出力端子が第１、第２の演算増幅器４１，４２の各非反転入力端子に直接接続されている。この０Ｖ生成回路４４は、ＭＰＵ３０からハイ電圧が停止指令として入力されると、第１、第２の演算増幅器４１，４２の各非反転入力端子を強制的に０Ｖ（接地電位）に引き込む停止回路である。

図３は、このような０Ｖ生成回路４４の詳細構成を示す回路図である。０Ｖ生成回路４４は、２つのＮＰＮトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２と、４つの抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４と、を備えている。一方のトランジスタＴｒ１については、コレクタ端子が第１の演算増幅器４１の非反転入力端子に、ベース端子が抵抗Ｒ１１を介してエミッタ端子にそれぞれ接続されている。また、このトランジスタＴｒ１のベース端子には、抵抗Ｒ１２を介して停止指令が入力される。また、一方のトランジスタＴｒ１のエミッタ端子は接地されている。

他方のトランジスタＴｒ２については、コレクタ端子が第２の演算増幅器４２の非反転入力端子に接続され、ベース端子が抵抗Ｒ１３を介してエミッタ端子に接続されている。また、このトランジスタＴｒ２のベース端子には抵抗Ｒ１４を介して停止指令が入力される。また、このトランジスタＴｒ２ののエミッタ端子は接地されている。

すなわち、一方のトランジスタＴｒ１及び２つの抵抗Ｒ１１，Ｒ１２は、ハイ電圧あるいはロー電圧を択一的に示す停止指令を反転させる第１インバータ回路を構成している。また、他方のトランジスタＴｒ２及び２つの抵抗Ｒ１３，Ｒ１４は、ハイ電圧あるいはロー電圧を択一的に示す停止指令を反転させる第２インバータ回路を構成している。

次に、このように構成された回転角検出装置１の作用効果について詳しく説明する。
この回転角検出装置１では、レゾルバ励磁装置２０のレゾルバ励磁信号生成部２２における逆相レゾルバ励磁信号及び正相レゾルバ励磁信号の生成処理が行われる。そして、この逆相レゾルバ励磁信号及び正相レゾルバ励磁信号がレゾルバ励磁装置２０からレゾルバ１０に出力されることによって、正弦関数信号及び余弦関数信号がレゾルバ１０からレゾルバ励磁装置２０に出力される。

そして、この正弦関数信号及び余弦関数信号がレゾルバ励磁装置２０のレゾルバデジタル変換部２３で角度データに変換されてＭＰＵ３０に出力される。そして、ＭＰＵ３０は、上記角度データに基づいてモータをベクトル制御する。

回転角検出装置１の全体的な動作は以上の通りであるが、レゾルバ励磁信号生成部２２における逆相レゾルバ励磁信号及び正相レゾルバ励磁信号の生成処理の詳細をさらに詳しく説明する。図２に示すように、第１の演算増幅器４１の反転入力端子には、中間電圧Ｖｃｃ／２に直流バイアスされた正弦波信号が抵抗Ｒ２を介して入力される。一方、第１の演算増幅器４１の非反転入力端子には、中間電圧Ｖｃｃ／２が抵抗Ｒ４を介して入力されると共に１／２分圧回路４３から出力される直流電圧Ｖｂ／２が抵抗Ｒ３を介して入力される。

このような入力状態において、正弦波信号の直流バイアスつまり中間電圧Ｖｃｃ／２はキャンセルされ、新たな直流バイアスとして直流電圧Ｖｂ／２を有すると共に正弦波信号の位相が反転した逆相レゾルバ励磁信号が第１の演算増幅器４１の出力端子から励磁コイルＬ１の一端に出力される。

また、このような逆相レゾルバ励磁信号は、抵抗Ｒ６を介して第２の演算増幅器４２の反転入力端子に入力される。一方、第２の演算増幅器４２の非反転入力端子には、１／２分圧回路４３から出力される直流電圧Ｖｂ／２が抵抗Ｒ７を介して入力される。このような入力状態において、直流バイアスとして直流電圧Ｖｂ／２を有すると共に逆相レゾルバ励磁信号の位相が反転した正相レゾルバ励磁信号が第２の演算増幅器４２の出力端子から励磁コイルＬ１の他端に出力される。

この結果として、励磁コイルＬ１の両端には、正相レゾルバ励磁信号及び逆相レゾルバ励磁信号の差動電圧、つまり、正相レゾルバ励磁信号及び逆相レゾルバ励磁信号の各振幅の２倍の振幅を有する正弦波電圧が印加される。この結果、第１、第２出力コイルＬ２，Ｌ３から出力される正弦関数信号及び余弦関数信号は、振幅が大きなものとなり、よってノイズの影響が少なくなるのでロータ１１の回転角度の検出精度が向上する。

ここで、ＭＰＵ３０は、通常動作状態では停止指令をロー電圧に設定するが、地絡検出部（不図示）から励磁コイルＬ１に地絡が発生したことを示す検出信号が入力されると、停止指令をハイ電圧に変更する。この結果、図３に示す０Ｖ生成回路４４において、２つのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が共にオン状態に遷移するので、第１、第２の演算増幅器４１，４２の各非反転入力端子を強制的に０Ｖ電位（接地電位）とする。

一方、停止指令がロー電位からハイ電圧に変化しても、第１の演算増幅器４１の反転入力端子には、正弦波信号生成回路２１から中間電圧Ｖｃｃ／２を直流バイアスとする正弦波信号が入力され続けるが、０Ｖ生成回路４４によって第１の演算増幅器４１の非反転入力端子が強制的に０Ｖ電位（接地電位）に設定されているので、第１の演算増幅器４１の出力端子からは交流信号が何ら出力されず、直流的に０Ｖ電位（接地電位）となる。すなわち、停止指令がロー電位からハイ電圧に変化すると、励磁コイルＬ１の一端は０Ｖ電位（接地電位）となる。

また、停止指令がロー電位からハイ電圧に変化すると、第２の演算増幅器４２については、反転入力端子及び非反転入力端子の何れも０Ｖ電位（接地電位）となる。したがって、第２の演算増幅器４２の出力端子からは交流信号が何ら出力されず、直流的に０Ｖ電位（接地電位）となり、よって励磁コイルＬ１の他端も０Ｖ電位（接地電位）となる。

このような回転角検出装置１によれば、励磁コイルＬ１に地絡が発生すると、第１、第２の演算増幅器４１，４２の各出力端子は強制的に０Ｖ電位（接地電位）となり、励磁コイルＬ１には信号が何ら供給されない状態となるので、励磁コイルの地絡に対してレゾルバ１０や自らを構成する回路素子をより確実かつ簡易な構成で保護することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、０Ｖ生成回路４４によって第１、第２の演算増幅器４１，４２の各非反転入力端子を強制的に０Ｖ電位（接地電位）に引き込んだが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１、第２インバータ回路に加えて第３インバータ回路を備え、第３インバータ回路によって第１の演算増幅器４１の反転入力端子をも強制的に０Ｖ電位（接地電位）に引き込んでもよい。

（２）上記実施形態では、０Ｖ生成回路４４を図３に示すように構成したが、本発明はこれに限定されない。０Ｖ生成回路４４は、出力端を強制的に０Ｖ電位（接地電位）に設定できるものであれば、どのような回路でもよい。

（３）上記実施形態では、正弦波信号生成回路２１が生成する正弦波信号の直流バイアスが正弦波信号生成回路２１の電源電圧Ｖｃｃの中間電圧Ｖｃｃ／２の場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。正弦波信号が任意の直流電圧Ｖ１（好ましくは中間電圧Ｖｃｃ／２近傍の電圧）の場合には、正弦波信号生成回路２１から別途取り込む直流電圧も上記直流電圧Ｖ１と同一となる。

（４）また、上記実施形態のレゾルバ励磁信号生成部２２は、１／２分圧回路４３を備えることにより第１、第２の反転増幅回路から励磁コイルＬ１に出力される逆相レゾルバ励磁信号及び正相レゾルバ励磁信号の直流バイアスを電源電圧Ｖｂの中間電圧Ｖｂ／２に設定するが、本発明はこれに限定されない。１／２分圧回路４３に代えて、電源電圧Ｖｂを任意の分圧比β（０＜β＜１）で分圧する分圧回路を備えることにより、任意の直流電圧を逆相レゾルバ励磁信号及び正相レゾルバ励磁信号の直流バイアスとしてもよい。ただし、この場合であっても、分圧比βは１／２近傍の値、つまり直流バイアスは中間電圧Ｖｂ／２近傍の電圧が好ましい。

１ 回転角検出装置
１０ レゾルバ
１１ ロータ
２０ レゾルバ励磁装置
２１ 正弦波信号生成回路
２２ レゾルバ励磁信号生成部
４１ 第１の演算増幅器
４２ 第２の演算増幅器
４４ ０Ｖ生成回路（停止回路）
Ｌ１ 励磁コイル

Claims (2)

1. レゾルバの励磁コイルに供給するための逆相レゾルバ励磁信号及び正相レゾルバ励磁信号を生成するレゾルバ励磁装置であって、
   所定周波数の正弦波信号を生成する正弦波信号生成回路と、
   第１の演算増幅器を用いて前記正弦波信号を反転増幅することにより前記逆相レゾルバ励磁信号を生成する反転増幅回路と、第２の演算増幅器を用いて前記正弦波信号あるいは前記逆相レゾルバ励磁信号を増幅することにより前記正相レゾルバ励磁信号を生成する増幅回路と、を備えるレゾルバ励磁信号生成部と、
   外部から入力される停止指令に基づいて前記反転増幅回路の出力及び前記増幅回路の出力を接地電位に設定する停止回路とを具備し、
   前記増幅回路は、第２の演算増幅器を用いて前記逆相レゾルバ励磁信号を反転増幅することにより前記正相レゾルバ励磁信号を生成し、
   前記停止回路は、前記第１の演算増幅器の非反転入力端子及び前記第２の演算増幅器の非反転入力端子を接地電位に引き込むことにより、前記反転増幅回路の出力及び前記増幅回路の出力を接地電位に設定することを特徴とするレゾルバ励磁装置。
2. 前記停止回路は、前記第１の演算増幅器の反転入力端子をも接地電位に引き込むことを特徴とする請求項１に記載のレゾルバ励磁装置。

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