JP6405502B1 - 角度検出器のキャリア成分の位相ズレ量を検出する方法および手段、回転角度を検出する方法、角度検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】位相変調方式の角度検出器において、キャリア成分の位相ズレ量を検出できる技術を提供する。
【解決手段】角度検出器１０は、２相励磁の位相変調方式の角度検出器である。第１相の励磁信号ｓｉｎωｔを用いて、第２相の励磁信号ｃｏｓωｔを用いずに、角度検出器１０を励磁する（１相励磁ステップ）。第１相の励磁信号ｓｉｎωｔと、１相励磁ステップにおける出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量ε_Ｐを検出する。このようにして、励磁信号と出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量ε_Ｐが検出される。
【選択図】図２

Description

この発明は、計測技術に係る分野に属し、とくに、精密な角度検出に係る技術分野に属する。

位相変調方式の角度検出器が公知である。たとえば非特許文献１には、２相励磁位相変調方式の角度検出器として、ＢＲＴ、ＲＴ、ＶＲＴ、ＲＳ、ＢＲＳ等の構成が開示されている。また、これら以外にも、位相変調方式の角度検出器として、ステータ内に互いに直交した励磁巻線２相と出力巻線２相とを施し、ロータ側は鉄芯だけの構造とした構成（ＶＲＳ）も考えられる。ＶＲＳの出力信号はＲＳおよびＢＲＳと同様である。

位相変調を利用した角度検出器では、使用環境等によって、キャリア（搬送波）成分の位相ズレ（位相誤差）を生じる場合がある。これは非特許文献１の５ページおよび１３ページでも「位相誤差」として説明されている。

キャリア成分の位相ズレは、たとえば角度検出器自体の特性や、伝送路（接続ケーブル、ワイヤーハーネス等）のインピーダンス等に起因して発生する場合がある。位相変調方式の角度検出器では、キャリア成分の位相ズレは、本来検出すべき角度等の検出対象情報の誤差成分となり、角度検出誤差に直結するため、位相ズレ量を正確に把握する必要がある。

振幅変調方式の角度検出器の位相ズレ量を検出する技術として、特許文献１〜３に記載される構成が知られている。

特開２００９−１４５２７３号公報 特開２００６−１７６５９号公報 特開２０１１−９９８２８号公報

「日本電機工業会技術資料 ＪＥＭ−ＴＲ１８７ レゾルバシステムの用語と定義」、社団法人日本電機工業会、１９９３年１２月２０日

しかしながら、従来の技術では、位相変調方式の角度検出器における位相ズレ量を検出することができないという問題があった。特許文献１〜３はいずれも振幅変調方式のものであり、位相変調方式に適用することはできない。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、位相変調方式の角度検出器において、キャリア成分の位相ズレ量を検出できる技術を提供することを目的とする。

この発明に係る、位相ズレ量を検出する方法は、
２相励磁の位相変調方式の角度検出器に係る、励磁信号と出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量を検出する方法であって、
第１相の励磁信号を用いて、第２相の励磁信号を用いずに、角度検出器を励磁する、１相励磁ステップと、
第１相の励磁信号と、前記１相励磁ステップにおける出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量を検出するステップと
を備える。
また、この発明に係る、回転角度を算出する方法は、
２相励磁の位相変調方式の角度検出器を用いて回転角度を検出する方法であって、
上述の方法を用いて前記位相ズレ量を検出するステップと、
第１相の励磁信号および第２相の励磁信号に基づく出力信号と、前記位相ズレ量とに基づいて、回転角度を算出するステップと
を備える。
また、この発明に係る、位相ズレ量を検出する装置は、
２相励磁の位相変調方式の角度検出器に係る、励磁信号と出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量を検出する装置であって、
第２相の励磁信号を、励磁巻線に供給するか否かを切り替える切替手段と、
第１相の励磁信号と出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量を検出する、位相差計測手段と、
を備える。
また、この発明に係る角度検出装置は、
２相励磁の位相変調方式の角度検出器と、
上述の装置と、
第１相の励磁信号および第２相の励磁信号に基づく出力信号と、前記位相ズレ量とに基づいて、回転角度を算出する、角度算出手段と
を備える。

この発明によれば、位相変調方式の角度検出器において、１相のみの励磁信号を用いて角度検出器を励磁し、その際の励磁信号と出力信号とに基づいて位相ズレ量を検出することができる。

本発明の実施の形態１に係る角度検出装置において、回転角度を算出するための状態の例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る角度検出装置において、キャリア成分の位相ズレ量を検出するための状態の例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１および図２に、本発明の実施の形態１に係る角度検出装置１００を含む構成の例を示す。角度検出装置１００は、角度検出器１０と、信号処理部２０と、角度算出手段３０とを備え、角度検出器１０の回転角度θ_Ｍを出力する。

角度検出器１０は、２相励磁の位相変調方式の角度検出器である。このような角度検出器１０の例としては、２相励磁／１相出力方式のもの（ＢＲＴ，ＶＲＴ，ＲＴ）や、２相励磁／２相出力方式のもの（ＢＲＳ，ＶＲＳ，ＲＳ）等が挙げられる。図示の例では角度検出器１０はＶＲＴである。

信号処理部２０は、励磁回路２１と、切替手段２２と、位相差計測手段２３とを備える。励磁回路２１は、２相の励磁信号を角度検出器１０に供給する。２相の励磁信号はたとえば互いに直交する位相を持つ。本実施形態では、第１相の励磁信号をｓｉｎωｔで表し、第２相の励磁信号をｃｏｓωｔで表す。なお、この例では、説明の便宜上、励磁信号の振幅を１としているが、振幅を定数Ｅ等とおいても本質的に同一である。

本実施形態では、信号処理部２０は、角度検出器１０に係る、励磁信号と出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量を検出する装置として機能する。

切替手段２２は、励磁回路２１と角度検出器１０との間に設けられ、２相の励磁信号のうち一方（本実施形態では第２相のｃｏｓωｔ）を、角度検出器１０の励磁巻線に供給するか否かを切り替える。切替手段２２はたとえば半導体を用いたスイッチによって構成されるが、励磁信号を切り替える機能を有するものであればどのような構造であってもよい。また、切替手段２２の切替状態は、図示しない制御装置等によって制御されてもよい。

位相差計測手段２３は、２相の励磁信号のうち一方（本実施形態では第１相のｓｉｎωｔ）と、角度検出器１０の出力信号との間の、キャリア成分の位相ズレ量ε_Ｐを検出する機能を備える。本実施形態では、この機能は図２の状態において発揮されるが、詳細は後述する。

角度算出手段３０は、角度検出器１０の出力信号と、位相差計測手段２３の出力信号すなわち位相ズレ量ε_Ｐとに基づいて、角度検出器１０の回転角度θ_Ｍを算出する機能を備える。本実施形態では、この機能は図１の状態において発揮されるが、詳細は後述する。

図１は、角度検出器１０の回転角度θ_Ｍを算出するための状態の例を表し、図２は、キャリア成分の位相ズレ量ε_Ｐを検出するための状態の例を表す。図１の状態では切替手段２２はオンすなわち接続状態に制御されており、図２の状態では切替手段２２はオフすなわち切断状態に制御されている。

まず図１の状態について信号処理部２０の動作を説明する。
この状態では、角度検出器１０には第１相の励磁信号ｓｉｎωｔおよび第２相の励磁信号ｃｏｓωｔが供給される。すなわち、信号処理部２０は、第１相の励磁信号ｓｉｎωｔおよび第２相の励磁信号ｃｏｓωｔを用いて、角度検出器１０を励磁する（２相励磁ステップ）。

この状態における角度検出器１０の出力信号ｖは、非特許文献１の５ページの出力電圧方程式：
ｖ＝Ｋ（√２・Ｅ_１・ｓｉｎωｔ×ｃｏｓＮθ_Ｍ＋√２・Ｅ_１・ｃｏｓωｔ×ｓｉｎＮθ_Ｍ）
…（式１）
に従う電圧信号である。

本実施形態では、励磁電圧Ｅ_１＝１／√２、軸倍角Ｎ＝１、変圧比Ｋ＝１とする。また、励磁信号と出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量ε_Ｐを考慮するために、ωｔをωｔ＋ε_Ｐで置き換える。このようにおくと、上記式１は次のようになる。
ｖ＝ｓｉｎ（ωｔ＋ε_Ｐ）×ｃｏｓθ_Ｍ＋ｃｏｓ（ωｔ＋ε_Ｐ）×ｓｉｎθ_Ｍ
＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ_Ｍ＋ε_Ｐ） …（式２）

このように、位相変調方式の角度検出器では、出力信号は励磁信号に対する位相差の形で表され、位相ズレ量ε_Ｐはそのまま出力信号に表れ誤差となる。この位相ズレ量ε_Ｐを検出することができれば、位相ズレに起因する角度検出器１０の出力誤差を補正することができる。

次に、図２の状態について信号処理部２０の動作を説明する。
この状態では、角度検出器１０には第１相の励磁信号ｓｉｎωｔのみが供給され、第２相の励磁信号ｃｏｓωｔは供給されず０となる。すなわち、信号処理部２０は、第１相の励磁信号ｓｉｎωｔを用いて、第２相の励磁信号ｃｏｓωｔを用いずに、角度検出器１０を励磁する（１相励磁ステップ）。

角度検出器１０がｓｉｎωｔのみによって励磁され、ｃｏｓ（ωｔ＋ε_Ｐ）＝０とみなせるものとすると、上記式２は次のようになる。
ｖ＝ｓｉｎ（ωｔ＋ε_Ｐ）×ｃｏｓθ_Ｍ＋０×ｓｉｎθ_Ｍ
＝ｓｉｎ（ωｔ＋ε_Ｐ）×ｃｏｓθ_Ｍ …（式３）

このように、１相の励磁信号のみを用いて角度検出器１０を励磁すると、角度検出器１０の出力信号はその振幅変調信号となる。ここで、位相差計測手段２３は、第１相の励磁信号ｓｉｎωｔと、対応する出力信号（１相励磁ステップにおける出力信号）との間のキャリア成分の位相ズレ量ε_Ｐを検出する。

上記式３における出力信号のキャリア成分はｓｉｎ（ωｔ＋ε_Ｐ）であり、第１相の励磁信号ｓｉｎωｔのキャリア成分はそのままｓｉｎωｔであるので、これらに基づいてキャリア成分の位相ズレ量ε_Ｐを検出することができる。検出のための具体的構成は任意に設計可能であるが、たとえばカウンタを用いてもよい。本実施形態に係る信号処理部２０は、このような方法によって位相ズレ量ε_Ｐを検出することができる。

角度算出手段３０は、第１相の励磁信号ｓｉｎωｔおよび第２相の励磁信号ｃｏｓωｔに基づく角度検出器１０の出力信号、すなわち図１の状態における出力信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ_Ｍ＋ε_Ｐ）と、図２の状態において位相差計測手段２３から出力される位相ズレ量ε_Ｐとに基づいて、角度検出器１０の回転角度θ_Ｍを算出する。

θ_Ｍの具体的な決定方法は、任意に設計することができる。たとえば、励磁回路２１と、Ａ／Ｄ変換器と、アキュムレータとを含み、所定の制御則に従う公知のフィードバックループを用いてもよい。角度検出装置１００は、このような方法によって回転角度θ_Ｍを検出する。

この際の手順の具体的な実行方法はどのようなものであってもよいが、以下に一例を示す。まず、図示しない制御装置（角度検出装置１００の一部であってもよいし、角度検出装置１００の外部に設けられるコンピュータ等であってもよい）が、切替手段２２をオフ状態に切り替え、角度検出装置１００を図２の状態に構成する。この状態で、位相差計測手段２３は、上述の方法によって位相ズレ量ε_Ｐを検出し、角度算出手段３０は検出された位相ズレ量ε_Ｐを記憶する。

次に、制御装置は、切替手段２２をオン状態に切り替え、角度検出装置１００を図１の状態に構成する。この状態で、角度検出装置１００は、上述の方法によって出力信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ_Ｍ＋ε_Ｐ）を取得する。そして、角度算出手段３０は、この出力信号と、記憶されていた位相ズレ量ε_Ｐとに基づき、回転角度θ_Ｍを算出する。角度算出手段３０は、算出した回転角度θ_Ｍを出力してもよい。

このように、実施の形態１に係る角度検出器１０は、２相励磁の位相変調方式のものであるが、２相の励磁巻線のうち片側１相のみの巻線を用いることにより、１相励磁の振幅変調方式の角度検出器と同様の原理で動作させることができる。なわち、本来は位相変調方式である角度検出器１０を、敢えて振幅変調方式で用い、その入出力間の励磁成分位相差を計測することにより、位相変調方式におけるキャリア成分の位相ズレ量を正確に把握することができる。

とくに、位相変調方式の角度検出器１０において、角度検出器１０自体の特性や、伝送路（接続ケーブル、ワイヤーハーネス等）のインピーダンス等の使用環境に起因する位相ズレを補正することが可能となり、位相ズレの影響を受けない正確な回転角度θ_Ｍを検出することができる。

実施の形態１では、角度検出器１０はＶＲＴであるが、２相励磁の位相変調方式のものであればＶＲＴに限らず、ＢＲＴ、ＲＴ、ＲＳ、ＢＲＳ、ＶＲＳ、等の構成についても同様に適用可能である。

また、実施の形態１では、図２に示すように、位相ズレ量ε_Ｐを検出するために第１相の励磁信号ｓｉｎωｔを用いるが、これに代えて第２相の励磁信号ｃｏｓωｔを用いてもよい。その場合には、切替手段２２は、第１相の励磁信号ｓｉｎωｔを、角度検出器１０の励磁巻線に供給するか否かを切り替えてもよい。

また、実施の形態１では、角度検出装置１００は角度検出器１０および角度算出手段３０を備えるが、角度検出装置としての全体を完成させる必要がない場合には、角度検出器１０および角度算出手段３０は省略可能である。たとえば角度算出手段３０を省略し、角度検出器１０および信号処理部２０のみの構成としても、回転角度を算出するために必要な情報を出力することは可能である。また、角度検出器１０および角度算出手段３０を省略し、信号処理部２０のみの構成としても、任意の角度検出器に接続して位相ズレを検出する装置として利用することができる。

１０ 角度検出器、２０ 信号処理部（位相ズレ量を検出する装置）、２２ 切替手段、２３ 位相差計測手段、３０ 角度算出手段、１００ 角度検出装置。

Claims (4)

1. ２相励磁の位相変調方式の角度検出器に係る、励磁信号と出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量を検出する方法であって、
   第１相の励磁信号を用いて、第２相の励磁信号を用いずに、角度検出器を励磁する、１相励磁ステップと、
   第１相の励磁信号と、前記１相励磁ステップにおける出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量を検出するステップと
   を備える、方法。
2. ２相励磁の位相変調方式の角度検出器を用いて回転角度を検出する方法であって、
   請求項１に記載の方法を用いて前記位相ズレ量を検出するステップと、
   第１相の励磁信号および第２相の励磁信号に基づく出力信号と、前記位相ズレ量とに基づいて、回転角度を算出するステップと
   を備える、方法。
3. ２相励磁の位相変調方式の角度検出器に係る、励磁信号と出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量を検出する装置であって、
   第２相の励磁信号を、励磁巻線に供給するか否かを切り替える切替手段と、
   第１相の励磁信号と出力信号との間のキャリア成分の位相ズレ量を検出する、位相差計測手段と、
   を備える、装置。
4. ２相励磁の位相変調方式の角度検出器と、
   請求項３に記載の装置と、
   第１相の励磁信号および第２相の励磁信号に基づく出力信号と、前記位相ズレ量とに基づいて、回転角度を算出する、角度算出手段と
   を備える、角度検出装置。

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