JPH0415519A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、１つの回転子巻線と２つの固定子巻線を有
する回転角度検出用のレゾルバを用いた回転角度検出装
置に関する。

（ロ）従来の技術 従来、レゾルバを角度検出器として用いる場合、第８図
に示すように、２つの固定子巻線１２．１３を備え、こ
の固定子巻線１２．１３に第９図に示す電気角で９０°
の位相の異なる２相の正弦波を供給して励磁電流を流し
、１個の回転子巻線４に誘導される出力と励磁信号との
位相差θを求め、この位相角θを回転角度としている。

正弦波励磁を採用した、従来の回転角度検出装置を第１
０図に示している。この回転角度検出装置は、発振器２
１と、発振器２１からのパルスを受けて分周する分周回
路２２と、スタートタイミング発生回路２３と、このス
タートタイミング発生回路２３からの信号に同期してＳ
ＩＮ波、　ＣＯ３波をそれぞれ発生ずるＳＩＮ波発生回
路２４、ＣＯ３波発生回路２５と、ドライバ回路２６．
２７と、レゾルバ２８と、レゾルバ２８の回転子出力を
導出する出力回路２９と、出力の高調波成分を除去する
ローパスフィルタ３０と、０クロス点を検出するコンパ
レータ３１と、スタート信号を受けてから、０クロス点
検出によるストップ信号入力まで分周回路２２からのパ
ルス信号をカウントするカウンタ３２と、ＣＰＵ３３と
から構成されている。

（ハ）発明が解決しようとする課題 」１記した従来の回転角検出装置では、正弦波の励磁信
号を使用するため、ＳＩＮ波発生回路、ＣＯ８波発生回
路を必要とするが、精度の良い２相の正弦波を発生する
ためには構成部品が多くなるため、装置が高価になると
いう問題があった。

方矩形波等の発生の容易な非正弦波を励磁電流源とする
と、その中に含まれる高調波により計測誤差が大きくな
り、この高調波の誤差をなくすためには、−船釣にロー
パスフィルタを使用する。しかし、基本波を通過させて
３次高調波を十分（電圧比で４０ｄＢ程度）カットする
ためには、遮断傾度の大きい多段のアクティブフィルタ
かＬＣフィルタを使用する必要があり、構成が複雑とな
り、さらに温度特性を考えると基本波周波数での位相変
化の温度特性も、使用温度範囲内（例えばＯ′Ｃ〜５０
°Ｃ）で角度測定精度（例えは０．５°）以下に抑える
設計が必要となり、温度変化の非常に少ない素子でフィ
ルタを構成するため装置が、やはり高価になるという問
題があった。

この発明は、上記問題点に着目してなされたものであっ
て、非正弦波駆動において高価なフィルタを用いずとも
高調波の誤差を除去し得、高精度のものを安価に実現し
得る回転角度検出装置を提供することを目的としている
。

（ニ）課題を解決するための手段及び作用この発明の回
転角度検出装置は、１つの回転子巻線と２つの固定子巻
線を有する回転角度検出用レゾルバを用いて回転角度を
検出するものにおいて、前記２つの固定子巻線にそれぞ
れに互いに９０°の位相差を有する励磁信号を供給する
駆動部と、前記回転子巻線の出力を前記励磁信号の周期
の１／４の周期でサンプリングしてＡ／Ｄ変換するＡ／
Ｄ変換手段と、前記励磁信号と前記Ａ／Ｄ変換手段出力
の位相差を演算することによりレバルバの回転角度を算
出する演算手段とを特徴的に備えている。

この回転角度検出装置では、回転子巻線の出力をＡ／Ｄ
変換して、ＣＰＵ等の演算手段に取り込むのにサンプリ
ングして取り込む。回転子出力に含まれる高調波は奇数
次高調波が主たるものであり、回転子の回転に対する移
相方向が高調波の次数により異なる現象を利用をし、サ
ンプリング周期を励磁基本波の１／４に設定している。

サンプリング点り、ｌ　（ｎ−０，１，２、・・・）で
の回転子出力は、回転子出力に励磁波の基本波だけが含
まれるときは、各サンプリング点の時は、ｔｎ　＝ｎ　
ｔｓ　　（ｎ＝ｏ、１．２、・・・）であり、ｔ８−Ｔ
／４＝π／（２ω）であるから Ｅ、−Ａｓｉｎ（ｎ　ωｔ、＋θ）＝Ａｓｉｎ（ｎ　・
−＋θ）−（１）次に、励磁波に高調波が含まれる場合
を考えると、Ｅ　−Ａ　＋５ｉｎ（ωｔ＋θ）＋Ａ３５
ｉｎ（３ωｔ−θ十ψ３）＋Ａｓ５ｉｎ（５ωｔ＋θ＋
ψｓ）　＋”’であるから、ｔ、、（ｎ＝０、■、２、
・・・）での回転子出力は、＝Ａ５ｓｉｎ　（ｎ　Ｈπ
＋（ｎ・−＋θ）＋ψｓ　　）　＋”・＋Ａ　５ｓｉｎ
　（（ｎ・−十〇）＋φ、）＋・・・度によらず一定値
であるから、 （Ａ　、　−Ａ　３ＣＯ３ψ３　＋　Ａ　５ｃＯ３ψｓ
　＋　−）　＝　Ｋ　。

（Ａ、　ｓｉｎψ、＋Ａ３５ｉｎψ５　＋　・・’　）
　＝　Ｋｃとおくと、 ＋Ａ３　ｃｏｓ（ｎ　・−＋θ）　・ｓｉｎψ３＋Ａｓ
　ｓｉｎ　（ｎ　・−＋ψｓ）　・ｃｏｓψ５＋　Ａ　
５ＣＯ３（ｎ　＋−十〇）・Ｓｉｎψ、＋　−・・＝（
Ａ＋−Ａ＊ＣＯ３ψ３＋ＡｓｃＯ５ψｓ　＋−）ｓｉｎ
（ｎ　・−十〇）＋π （７１，３ｓｉｎψ３＋Ａｓ１ｎψｓ＋−）ｃｏｓ（ｎ
　−−＋θ）π ここで、ψ３、ψ５、・・・はθ＝０のときの基本波と
高調波との位相差のオフセットであり、回転角以上より
、基本波だけの（１）式に比べ、振幅が変化し、位相に
オフセットが生じるがレゾルバを用いて角度を計測する
場合は、振幅値は一定であればよく、また位相のオフセ
ットについてはレゾルバ取付時に補正をするのが一般的
であり、角度を計測する上では支障とならない。

すなわち、サンプリング周期を励磁、基本波の１Ｘ４倍
に設定することにより、奇数次高調波を含む非正弦波で
励磁しても高調波の影響を受けることなく、正確に角度
を計測できる。

なお、サンプリング周期を励磁基本波の１Ｘ４倍以外に
設定した場合は、上記（２）式の関係は成立しない。

以上のように、サンプリング周期をＴ／４に設定するこ
とにより、発生容易な矩形波等の非正弦波で励磁を行っ
ても、奇数次高調波による誤差を生じることなく、簡単
な構成で安価に角度検出を行うことができる。

（ホ）実施例 以下、実施例により、この発明をさらに詳細に説明する
。

第１図は、この発明の一実施例を示す回転角度検出装置
のブロック図である。同図において、ＣＰＵ等で構成さ
れる演算装置１のタイミング発生部２より互いに９０°
位相の異なる矩形波信号が出力され、それぞれドライバ
回路３．４を経てレゾルバ５のステータ（固定子）Ａ、
ステータＢに入力されている。このステータＡとステー
タＢに入力される信号ａ、ｂが第２図に示されている。

レゾルバ５のロータ（回転子）より出力回路６を経て導
出された信号Ｃ（第２図参照）はＡ／Ｄ変換器７で１Ｘ
４周期でサンプリングされてデジタル信号ｄ（第２図参
照）に変換されて演算装置１に取り込まれ、演算装置１
ではＡ／Ｄ変換器７の出力信号ｄに基づいて角度θを算
出する。

次に、この実施例回転角度検出装置で採用する角度算出
原理について説明する。第３図において、ステータへの
励磁コイルの電流波形の立ち上がりを基準として基準点
とロータ出力の零クロス点の時間ｔｘを求めるとロータ
の回転角度θ＋ψは、θ十ψ＝３６０　ｘ　（ｔ、　／
Ｔ）から算出できる。

零クロス点までの時間１Ｘを零クロス点前後の測定点の
時間と電圧値から直線補間法により求めることができる
。

以上の説明は、零クロス点がＬｏとｔ、の間にある場合
であるが、それ以外の点では求めた１Ｘに零りロス点以
前の点までのサンプリング時間を加算することによって
求めることができる。

この直線補間法により回転角度を検出する場合の動作を
、第４図に示すフロー図を参照して説明する。先ず、励
磁波形の立上がりを検出すると〔ステップＳＴ（以下Ｓ
Ｔという）１〕、変数ｎを０として（Ｓｒ１）、その時
点のＡ／Ｄ変換器７の出力を取り込み、Ｅｏ　とし、Ａ
に記憶する（Ｓｒ１）。次に“′Ｅ７≦０か°゛判定く
５Ｔ４）、第３図の例示Ｃ１のように、Ｅｏが負であれ
ば、Ｓｒ４の判定ＹＥＳで、Ｓｒ１に移り、変数ｎを１
インクリメントして（ｎ＝１）、次のサンプリングタイ
ムの到来で、Ａ／Ｄ変換器７の出力を取り込み（Ｓｒ１
）、Ｅ＋　とじ、”Ｅ、＞Ｏか′″判定く５Ｔ７）、Ｅ
、＝Ｅ、であり、Ｅ、が第３図に例示のように、零クロ
ス点を越えて正であると、Ｓｒ１の判定がＹＥＳとなり
、この時のＥゎ＝　Ｅ　＋をＢに記憶しく５Ｔ８）、続
いて”　ｎ　＞　４　”か判定しく５Ｔ９）、例えばｎ
＝１なので、判定Ｎｏとなり、５ＴＩＯに移り、Ｂ／　
（Ａ＋Ｂ）Ｘｔ、→ｔＸの演算を行い（ＳＴＩＯ）、さ
らにｔｘ　＋　（ｎ−ｔ）−ｔｓ−＋ｊＸの演算を行い
（ＳＴｌｌ）、ここでは、ｎ＝１なので、１．は５Ｔ１
０で算出した１Ｘと同値であり、これをさらに３６０×
ＬＸ／Ｔ→θで角度算出しく５Ｔ１２）、この算出した
角度θを表示器８に表示する（ＳＴ１３）。

Ａ／Ｄ変換器７より演算装置１に入力されたローフ出力
が第３図の０２に示す波形である場合を想定すると、第
４図のフロー図において、Ｓｒ１でＥ。データを取り込
み、これをＡとした後、Ｓｒ４の”Ｅ、≦０か“の判定
は、Ｅｏが正なのでＮｏであり、５Ｔ１４でｎを１イン
クリメン］・し、ｎ＝１としてＳｒ１に戻る。そして、
次のサンプリングタイムでＥ、データを取り込み、これ
を再度Ａとした後、Ｓｒ４で“Ｅ、、≦０か°°の判定
を行う。Ｅ、は負なので、この場合は、判定ＹＥＳで、
Ｓｒ１に移り、ｎを１インクリメントし、ｎ＝２とする
。次のサンプリングタイムでＥ２データを取り込み、“
Ｅ７〉０か゛判定する。Ｅ２は負なので、この判定はＮ
ｏであり、５Ｔ１５に移り、Ｅ２データをＡとし、Ｓｒ
１に戻る。そして、ｎを１インクリメントし、次のサン
プリングタイムでＥ３データを取り込む（Ｓｒ１）。そ
して、再度“Ｅ、、〉０か゛判定するがＥ３ば正なので
、この判定はＹＥＳとなり、Ｅ３データをＢとしく５Ｔ
８）、続いて”　ｎ　＞　４か゛判定しく５Ｔ９）、判
定Ｎｏなので、５ＴＩＯに移りＢ／　（Ａ＋Ｂ）Ｘｔｓ
を算出するが、５ＴＩＩでの１．＋（ｎｌ）ｔｓの演算
でもＸ＋２ｔＳが１．となる。これにより、５ＴＩＯで
求めた１Ｘに２ｔ。

が加算されて、角度θを算出するための時間１Ｘが求ま
る。

次に、この発明の他の実施例について説明する。

第１図に示したと同様の回路で、励磁信号の周期の１Ｘ
４周期でＡ／Ｄ変換を行うと、ｎ＝ｏ、ｎ＝１における
Ａ／Ｄ変換器の出力Ｅｏ、Ｅ＋　は上記（２）式より、 ＥＯ＝　　　、　＋　　、５ｉｎ（θ＋ψ）Ｅ、＝、ｒ
Ｋ７１］ぐ７ｓｉｎ（−＋θ＋ψ）＝ｎ−τＴ］コ了ｃ
ｏｓ（θ＋ψ） であるから、 Ｅｏ　／Ｅ＋　＝ｔａｎ（θ十ψ） となる。すなわち、ロータの回転角度θ十ψは、サンプ
リング開始後の２点のデータから、θ＋ψ＝ｊａｎ−’
Ｅｏ　／Ｅ の計算で求めることができる。

同様にｎ＝２の点でのＡ／Ｄ変換器の出力Ｅ２は、 ＩＦ’、２＝、／”’Ｔτｑｓ　ｉ　ｎ　（ｒｃ＋θ＋
ψ）＝−ｐ　５ｉｎ（θ＋ψ） となるから、 Ｅｚ　／Ｅ＋　＝−ｊａｎ（θ＋ψ） となり、同様にθ＋ψを求めることができる。すなわち
、（２）式のｎ・π／２が、ｎが偶数か奇数かにより、
５ｉｎ（ｎ　・π／　２十〇＋ψ）が±５ｉｎ（θ＋ψ
）か±（ｏｓ　（θ＋ψ）になるので隣接する２点のデ
ータの商を逆正接演算することによりロータの回転角度
を求めることができる。

また、隣接する２点のデータで角度検出できることは、
励磁波の１周期中の１／４の間にデータを取り込み、残
りの３ｙ４周期の間に計算その他の処理を演算装置が行
えることを意味する。通常、角度検出装置は、角度を求
めるだけでなく、そのデータの外部への転送や表示ある
いは設定値との比較等を行うのが一般的であり、この方
式によれば、角度演算装置でその他の処理を行うことが
容易になり、簡単な構成で高機能な角度検出装置を実現
できる。

この実施例回転角度検出装置では、第１図に示した演算
装置１で第５図に示すフローの処理を実行して角度θを
検出する。先ずステータＡの励磁波形の立ち上がり点を
検出しく５Ｔ２１）、その時点のＡ／Ｄ変換器７の出力
を取り込み、Ｅｏとして記憶する（ＳＴ２２）、そして
立ち上がり時間からの時間ｔが励磁信号の周期Ｔの１ｙ
４以上に相当する時間が経過したか否かを判別しく５Ｔ
２３）、１ｙ４周期の経過時点でＡ／Ｄ変換器７の出力
を取り込み、Ｅｌとして記憶する（ＳＴ２４）。次に取
り込んだデータ値Ｅ、　、Ｅ、より、ｊａｎ　−’　　
Ｅｏ　／　Ｅｌより、角度θを算出しく５Ｔ２５）、そ
の角度データθを外部へ転送するとともに（ＳＴ２６）
、表示器８に角度θを表示する（ＳＴ２７）。

さらに、この発明の他の実施例について説明する。

第１図に示したと同様の回路で同じく励磁信号・の周期
の１ｙ４周期でＡ／Ｄ変換器７の出力を取り込むと、ロ
ータ出力は、 Ｅ＝−／７７王π７ｓ　ｉ　ｎ　（ωを十〇＋ψ）＝　
Ｋｓｉｎ（ωｔ＋θ＋ψ） となるので、以下の方法で簡単にロータの回転角を求め
ることができる。

第６図のステータＡの励磁コイルの電流波形の立ち上が
り点を基準として基準点とロータ出力の零クロス点の時
間１．を求めるとロータの回転角度θ＋ψは、 θ＋ψ＝３６０ｘｔＸ／’ｒ から算出できる。

第６図において零クロス後、この最初のサンプリング点
１．でのＡ／Ｄ変換出力値をＥ、とすると、 Ｅ、　　＝Ｋｓｉｎ　ａｃｔｙ となるので、 ｔ　ｙ＝ｓｉｎ　−’　Ｅ　／　Ｋ で１ｙを求めることができ、ｔｘ＝ｔｓ　　ｔｙから求
まる。

ここで振幅には一定値であり、例えば工場出荷時に演算
装置に記憶させておけば良いし、又定期的に振幅チエツ
クを行うことにより情報として記憶することができる。

このようにロータ出力が基本渡分だけの成分で構成され
るような処理を行えば、零クロス後の、励磁波の基準点
からの時間が明確な一点のデータからロータの回転角度
を求めることができる。零クロス後でなくても、零クロ
ス前のデータ、あるいは振幅の範囲内の一定値を越える
前後の１点のデータであって、０〜π／４、π／４〜π
／２、π／２〜３π／４．３π／４〜２πの４象限のう
ち、どこにあるかを特定できる点であればよい。

つまり特定の象限に入ったかどうかを監視しておけば１
点のデータから計算するだけで良く、演算装置の処理が
低減することになる。

この方式による場合も、角度演算装置で角度検出処理の
他に、角度データの外部への転送や表示処理も行うこと
が容易であり、簡単な構成で高機能な角度検出装置を実
現することが可能となる。

この方式により、回転角度を検出する場合の動作を第７
図に示すフロー図を参照して説明する。

先ず励磁波形の立ち上がりを検出しく５Ｔ３１）、変数
ｎを０とする（ＳＴ３２）、Ａ／Ｄ変換器７の出力を取
り込み、Ｅｏとし、記憶部Ａに記憶する（ＳＴ３３）。

次にＥ７≦０か°”判定しく５Ｔ３４）、第６図に例示
するようにＹＥＳであれば、ＳＴ３５で変数ｎを１イン
クリメントしくｎ−１）、次のサンプリングタイムでＡ
／Ｄ変換器７の出力を取り込み、Ｅ、とする（ＳＴ３６
）。

そして、Ｅ、〉０か否−か判定しく５Ｔ３７）、例示の
ようにＹＥＳであれば、前回と今回のサンプリング時点
の間で零クロスしたことになり、ｎが４以上であるか否
か判定する（ＳＴ３Ｂ）。例ではＮｏであり、ｓｉｎ　
−’Ｅ、　／Ｋを算出して零クロス点から今回のサンプ
リング点までの時間１ｙを算出しく５Ｔ３９）、次にｎ
ｘｔｓ、っまりＩ×１、を演算し、ｔｓ　　ｔｙより、
立ち上がり時がら零クロス点までの時間ｔＸを算出しく
５Ｔ４０）、さらに３６０×ｔＸ／Ｔを算出して角度θ
を求め（Ｓｒ４１）、この角度θを表示器８に表示する
（Ｓｒ４２）。

次に、例えば負から正への零クロスが１Ｓ＜ｔ　＜　２
　ｔ　ｓの間で現れる場合を想定すると、Ｓｒ１４での
”ＥＯ≦Ｏか″ノ判定ＹＥＳで、５Ｔ３５でｎ→１とさ
れ、Ｓｒ１６でＡ／Ｄ変換器７の出力としてＥＩが取り
込まれるが、このＥ、もまだ負であり、したがって５Ｔ
３７の“’Ｅ、＞Ｑが゛の判定がＮｏとなり、再度ｎを
インクリメントし、つまりｎ＝２とし、５Ｔ３６でＡ／
Ｄ変換器７の出力をＥ２として取り込む。このＥ２は零
クロス後なので正であり、従ってＳｒ１７の”Ｅ、ｌ＞
０か°°の判定がＹＥＳとなり、この場合には５Ｔ４０
の計算が２Ｘｔｓ−ｔ、となり、角度θは３６ＯＸ２Ｘ
ｔｓ−ｔ、／Ｔで算出されることになる。

また、例えば正から負への零クロス点がＯから１ｓの間
に現れるとすると、５Ｔ３４での判定はＮｏであり、こ
の場合は、Ｓｒ１３で変数ｎが１インクリメントされ（
ｎ＝１）、次のｔ、のサンプリングタイムでＡ／Ｄ変換
器７の出力がＥ、として記憶部Ａに取り込まれ、次の５
Ｔ３４でば“′Ｅ７≦０か゛の判定がＹＥＳであり、Ｓ
ｒ１５で変数ｎが１インクリメントされ（ｎ＝２Ｌ続い
てＡ／Ｄデータの取り込みがなされ、ＥＩｌ−Ｅ２とし
て記憶し、５Ｔ３７で’Ｅ、、＞Ｏか″の判定ＮＯで再
度ＳＴ３５に戻り、ｎを１インクリメントしくｎ＝３）
、次のサンプリングタイム到来でＥ、を取り込む（Ｓｒ
３６）。このＥ３は正なので、Ｓｒ１７の判定がＹＥＳ
となり、従って後続するＳｒ１０では３Ｘｔ、　　Ｌ＋
でｔ８を算出し、３６０Ｘ　（３ＸｔｓＸｔｌ　／Ｔ）
で位相角θが算出される（Ｓｒ４１）。

（へ）発明の効果 この発明によれば、２つの固定子巻線にそれぞれ互いに
９０°の位相差を有する励磁信号を供給する駆動部と、
回転子巻線の出力を励磁信号の周期の１／４の周期でサ
ンプリングしてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、励磁
信号とＡ／Ｄ変換手段出力の位相差を演算することによ
りレゾルバの回転角度を算出する演算手段とを備えるも
のであるから、高価な正弦波発生回路（Ｄ／Ａ変換器等
）が不要であり、また高価な高調波除去フィルタが不要
であり、しかもＡ／Ｄ変換器内蔵の演算装置の入手は容
易なので、簡単な構成の安価な回転角度検出装置を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す回転角度検出装置
のブロック図、第２図は、同実施例回転角度検出装置の
動作を説明するための波形図、第３図は、実施例の動作
原理を説明するための波形図、第４図は、同実施例回転
角度検出装置の動作を説明するためのフロー図、第５図
は、他の実施例の動作を説明するためのフロー図、第６
図は、同実施例の動作原理を説明するための波形図、第
７図は、他の実施例の動作を説明するだめの波形図、第
８図は、レゾルバの原理的構成を゛示す図、第９図は、
同レゾルバを使用した従来の回転角度検出装置の励磁信
号、出力信号を示す波形図、第１０図は、従来の回転角
度検出装置の回路構成を示すブロック図である。 １：演算装置、　　　　　２：タイミング発生部、３・
４：ドライバ回路、５：レゾルバ、７：Ａ／Ｄ変換器、
　　　１２・１３：ステータ、１４；ロータ。 特許出願人　　　　　　オムロン株式会社代理人　　　
弁理士　　中　村　茂　信Ｃコ ｌコ 第 図 第 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）１つの回転子巻線と２つの固定子巻線を有する回
   転角度検出用レゾルバを用いて回転角度を検出する回転
   角度検出装置において、 前記２つの固定子巻線にそれぞれに互いに９０°の位相
   差を有する励磁信号を供給する駆動部と、前記回転子巻
   線の出力を前記励磁信号の周期の１／４の周期でサンプ
   リングしてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記励磁
   信号と前記Ａ／Ｄ変換手段出力の位相差を演算すること
   によりレバルバの回転角度を算出する演算手段とを備え
   たことを特徴とする回転角度検出装置。
2. （２）前記演算手段は、前記Ａ／Ｄ変換手段出力の零ク
   ロス前後の２点のサンプリング出力に基づいて直線補間
   法により回転角度を算出するものである請求項１記載の
   回転角度検出装置。
3. （３）前記演算手段は、互いに隣接するサンプリング２
   点のデータの商を算出し、この商を逆正接演算すること
   によりレゾルバの回転角度を算出するものである請求項
   １記載の回転角度検出装置。
4. （４）前記演算手段は、前記Ａ／Ｄ変換手段出力が、回
   転子出力振幅値以内の所定レベル以上もしくは以下であ
   るかを判定することにより回転子出力が１周期を４分割
   したどこの象限にあるかを検出する手段と、この検出し
   た象限と前記１点のサンプリング点のデータから逆正弦
   演算によりレゾルバの回転角度を算出する手段とからな
   るものである請求項１記載の回転角度検出装置。