(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの励磁コイルと１つの検出コイルを有するバリアブルリラクタンス型レゾルバであって、
前記２つの励磁コイルは互いに周波数が異なる第１の励磁信号及び第２の励磁信号でそれぞれ励磁されるものとされ、
ティース数をｎ、ティース番号をｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）とした時、ステータの各ティースに対する前記２つの励磁コイルの巻数Ｎx1i，Ｎx2i及び前記１つの検出コイルの巻数Ｎsiが、
Ｎx1i＝Ｎx1max・ｃｏｓ（ｍx1Ψi＋θx1）
Ｎx2i＝Ｎx2max・ｃｏｓ（ｍx2Ψi＋θx2）
Ｎsi＝Ｎsmax｛ｒs1・ｃｏｓ（ｍs1Ψi＋θs1）＋ｒs2・ｃｏｓ（ｍs2Ψi＋θs2）｝
但し、Ｎx1max，Ｎx2max：励磁コイルの最大巻数
Ｎsmax          ：検出コイルの最大巻数
ｍx1，ｍx2    ：励磁コイル極対数      ｍs1，ｍs2：検出コイル極対数
θx1，θx2    ：励磁コイルの位相      θs1，θs2：検出コイルの位相
Ψi          ：ティース角度          ｒs1，ｒs2：検出コイルの係数
とされ、
ｍx1，ｍx2，ｍs1，ｍs2及びロータの極対数ｍrが、ｍx1±ｍs1＝±ｍrもしくはｍx1±ｍs2＝±ｍrの計８条件のうちの１つを満たし、さらにｍx2±ｍs1＝±ｍrもしくはｍx2±ｍs2＝±ｍrの計８条件のうちの１つを満たすように設定され、
前記検出コイルの出力信号に含まれる前記第１の励磁信号の周波数成分と前記第２の励磁信号の周波数成分のロータ角度θに対する位相差が−９０°または＋９０°となるように前記励磁コイル及び検出コイルの位相が設定され、
前記出力信号に含まれる前記第１の励磁信号の周波数成分と前記第２の励磁信号の周波数成分の振幅が等しくなるように前記励磁コイルの最大巻数、前記検出コイルの係数、前記第１及び第２の励磁信号の振幅が設定されていることを特徴とするバリアブルリラクタンス型レゾルバ。
【請求項２】
請求項１記載のバリアブルリラクタンス型レゾルバと、
前記第１の励磁信号を生成する第１の励磁回路と、
前記第２の励磁信号を生成する第２の励磁回路と、
前記出力信号を前記第１及び第２の励磁信号の周波数成分に分離する信号分離器と、
前記信号分離器で分離された成分を用いて前記ロータ角度θを計算する角度計算器とを具備することを特徴とする回転角検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はバリアブルリラクタンス型レゾルバに関し、特に２つの励磁コイルと１つの検出コイルを有するバリアブルリラクタンス型レゾルバとそのレゾルバを用いる回転角検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの励磁コイルと１つの検出コイルを有するレゾルバとしては、２相励磁１相出力方式のレゾルバが一般的であり、従来の２相励磁１相出力方式のレゾルバでは、２つの励磁コイルを空間的に（機械的に）９０°位相をずらしたティースに巻き、それぞれの励磁コイルをＶｓｉｎωｔ及びＶｃｏｓωｔ（Ｖ：振幅）の励磁信号で励磁するものとなっている。そして、検出コイルから出力される出力信号と励磁信号の位相差を検出し、その位相差からロータ角度を算出して求めるものとなっている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭６２−５８４４５号公報
【特許文献２】特開２００９−１５６８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来の２相励磁１相出力方式のレゾルバは、位相差からロータ角度（レゾルバ角度）を算出するため、高い精度でロータ角度を検出するためには位相差を高い分解能で検出する必要があり、そのためには高速なクロックやカウンタが必要となるという問題があった。
【０００５】
一方、レゾルバは一般にモータ制御に使用されるため、モータからの漏れ磁束の影響が外乱ノイズの主な要因となる。このモータからの漏れ磁束の影響によるノイズは励磁信号の周波数よりも低い周波数で印加されるため、例えば励磁信号１周期について見ると、このノイズはオフセットノイズとして作用する。
【０００６】
図６は励磁信号と検出コイルから出力される出力信号の関係を例示したものであり、励磁信号と出力信号の位相差は、理想的な出力信号の場合、Δθであるのに対し、オフセットノイズの影響を受けてオフセットした出力信号ではΔθと大きく異なるΔθ′となる。よって、検出精度の悪化は免れえず、検出角度が大きく変動し、誤検出に至る。
【０００７】
この発明の目的はこのような問題に鑑み、従来のように高速なクロックやカウンタを必要とすることなく、ロータ角度を精度良く検出することができ、かつオフセットノイズの影響を受けず、その点で外乱ノイズに対して強いバリアブルリラクタンス型レゾルバを提供することにあり、さらにそのレゾルバを備えた回転角検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明によれば、２つの励磁コイルと１つの検出コイルを有するバリアブルリラクタンス型レゾルバは、２つの励磁コイルが互いに周波数が異なる第１の励磁信号及び第２の励磁信号でそれぞれ励磁されるものとされ、ティース数をｎ、ティース番号をｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）とした時、ステータの各ティースに対する２つの励磁コイルの巻数Ｎx1i，Ｎx2i及び１つの検出コイルの巻数Ｎsiが、
Ｎx1i＝Ｎx1max・ｃｏｓ（ｍx1Ψi＋θx1）
Ｎx2i＝Ｎx2max・ｃｏｓ（ｍx2Ψi＋θx2）
Ｎsi＝Ｎsmax｛ｒs1・ｃｏｓ（ｍs1Ψi＋θs1）＋ｒs2・ｃｏｓ（ｍs2Ψi＋θs2）｝
但し、Ｎx1max，Ｎx2max：励磁コイルの最大巻数
Ｎsmax        ：検出コイルの最大巻数
ｍx1，ｍx2    ：励磁コイル極対数      ｍs1，ｍs2：検出コイル極対数
θx1，θx2    ：励磁コイルの位相      θs1，θs2：検出コイルの位相
Ψi          ：ティース角度          ｒs1，ｒs2：検出コイルの係数
とされ、ｍx1，ｍx2，ｍs1，ｍs2及びロータの極対数ｍrが、ｍx1±ｍs1＝±ｍrもしくはｍx1±ｍs2＝±ｍrの計８条件のうちの１つを満たし、さらにｍx2±ｍs1＝±ｍrもしくはｍx2±ｍs2＝±ｍrの計８条件のうちの１つを満たすように設定され、検出コイルの出力信号に含まれる第１の励磁信号の周波数成分と第２の励磁信号の周波数成分のロータ角度θに対する位相差が−９０°または＋９０°となるように励磁コイル及び検出コイルの位相が設定され、出力信号に含まれる第１の励磁信号の周波数成分と第２の励磁信号の周波数成分の振幅が等しくなるように励磁コイルの最大巻数、検出コイルの係数、第１及び第２の励磁信号の振幅が設定される。
【０００９】
請求項２の発明によれば、回転角検出装置は、請求項１記載のバリアブルリラクタンス型レゾルバと、第１の励磁信号を生成する第１の励磁回路と、第２の励磁信号を生成する第２の励磁回路と、前記出力信号を第１及び第２の励磁信号の周波数成分に分離する信号分離器と、信号分離器で分離された成分を用いてロータ角度θを計算する角度計算器とを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、検出コイルより得られる出力信号を第１及び第２の励磁周波数成分に分離することで、それら分離した２つの信号の振幅比によってロータ角度を得ることができるものとなっている。よって、従来の励磁信号と出力信号の位相差からロータ角度を算出する方式と異なり、高速なクロックやカウンタを必要とすることなく、ロータ角度を精度良く検出することができる。
【００１１】
また、出力信号がオフセットしても振幅は変わらないため、オフセットノイズの影響によって検出精度が悪化するといったことは発生せず、その点で外乱ノイズに対して強いバリアブルリラクタンス型レゾルバを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】極対数の設定条件と、それにより得られる出力信号の関係を示す表。
【図２】この発明による回転角検出装置の一実施例の構成を示すブロック図。
【図３】出力信号とその励磁周波数（ω1，ω2）成分の一例を示すグラフ。
【図４】この発明による回転角検出装置の他の実施例の構成を示すブロック図。
【図５】ＣＰＵを用いた場合の回転角検出装置の構成例を説明するための図。
【図６】従来の２相励磁１相出力方式のレゾルバにおけるオフセットノイズの影響を説明するためのグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、最初にこの発明によるバリアブルリラクタンス型レゾルバの原理を説明する。
【００１４】
レゾルバのステータの各ティースには、２つの励磁コイルと１つの検出コイルを巻く。各励磁コイルと検出コイルの巻数は下記のようにする。
【００１５】
励磁コイル巻数
Ｎx1i＝Ｎx1max・ｃｏｓ（ｍx1Ψi＋θx1）…励磁１コイル
Ｎx2i＝Ｎx2max・ｃｏｓ（ｍx2Ψi＋θx2）…励磁２コイル
検出コイル巻数
Ｎsi＝Ｎsmax｛ｒs1・ｃｏｓ（ｍs1Ψi＋θs1）＋ｒs2・ｃｏｓ（ｍs2Ψi＋θs2）｝
但し、ｉ＝１，２，…，ｎ（ｎ：ティース数）
Ｎx1max，Ｎx2max：励磁コイルの最大巻数
Ｎsmax        ：検出コイルの最大巻数
ｍx1，ｍx2    ：励磁コイル極対数      ｍs1，ｍs2：検出コイル極対数
θx1，θx2    ：励磁コイルの位相      θs1，θs2：検出コイルの位相
Ψi          ：ティース角度          ｒs1，ｒs2：検出コイルの係数
ロータの変調度（ロータ形状）は下記のように表される。
【００１６】
ロータ変調度  Ｓri＝（１／Ｒ0）・｛１＋αｃｏｓ（ｍr（θ＋Ψi））｝
但し、Ｒ0：ギャップリラクタンス平均値      α：ギャップ変化率
ｍr：ロータ極対数（＝軸倍角）        θ：ロータ角度
励磁１コイル及び励磁２コイルにそれぞれ供給する第１の励磁信号Ｖx1及び第２の励磁信号Ｖx2をそれぞれ下記とする。
【００１７】
Ｖx1＝Ｖ1ｓｉｎ（ω1ｔ）
Ｖx2＝Ｖ2ｓｉｎ（ω２ｔ）
ω1，ω2は励磁信号周波数であり、ω1≠ω2である。Ｖ1，Ｖ2は振幅である。
【００１８】
この時、検出コイルの出力信号Ｖsは次のようになる。
【００１９】
Ｖs＝Ｖx1・ＫC・Σi（Ｎx1i・Ｎsi・Ｓri）＋Ｖx2・ＫC・Σi（Ｎx2i・Ｎsi・Ｓri）
但し、ＫC：磁束−電圧変換係数
上記を計算すると、検出コイルの出力信号Ｖsは下記のようになる。
【００２０】
【数１】
0006022817.tif 000002
【数２】
0006022817.tif 000003
【００２１】
Ψiは等間隔に３６０°にわたって分布しているため、ｉで積分すると、Ψiがあるｃｏｓはゼロとなる。そこで、極対数ｍx1，ｍx2，ｍs1，ｍs2，ｍrを所定の関係となるように選択すると、検出コイルの出力信号Ｖsは図１の表１に示したようになる。表１では出力信号Ｖsをω1成分とω2成分に分けて示している。極対数の所定の関係（組み合わせ）は表１に示したように、ω1成分，ω2成分それぞれ８通りとなる。
【００２２】
まず、ω1成分，ω2成分それぞれ８通りの極対数の組み合わせの中から、ω1成分，ω2成分それぞれどれか１つが成り立つように、ｍx1，ｍx2，ｍs1，ｍs2，ｍrを選択する。
【００２３】
次に、選択した極対数の組み合わせの、ω1成分とω2成分の出力信号のθに対する位相差（表１の位相項）が−９０°となるように、励磁コイル及び検出コイルの位相θx1，θx2，θs1，θs2を設定する。
【００２４】
さらに、選択した極対数の組み合わせの、ω1成分とω2成分の振幅が等しくなるように、つまりｋ11・Ｖ1またはｋ12・Ｖ1と、ｋ21・Ｖ2またはｋ22・Ｖ2が等しくなるように、励磁コイルの最大巻数Ｎx1max，Ｎx2max、検出コイルの係数ｒs1，ｒs2及び第１及び第２の励磁信号Ｖx1，Ｖx2の振幅Ｖ1，Ｖ2を設定する。このようにすることで、ロータ角度θに対してｃｏｓ成分とｓｉｎ成分を有する信号を生成することができる。
【００２５】
以下に一例を示す。
【００２６】
例えば、ｍx1＝ｍx2，ｒs2＝０とし、ｍx1−ｍs1−ｍr＝０及びｍx2−ｍs2−ｍr＝０とすると、出力信号Ｖsは、
【００２７】
【数３】
0006022817.tif 000004
【００２８】
となる。さらに、−θx1＋θs1＝０，−θx2＋θs2＝−９０°とし、ｋ＝ｋ11・Ｖ1＝ｋ22・Ｖ2とすると、出力信号Ｖsは下記のようになる。
【００２９】
【数４】
0006022817.tif 000005
【００３０】
これが、この発明によるレゾルバの出力信号であり、出力信号Ｖsはｃｏｓ成分とｓｉｎ成分が重畳した信号となる。ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分はそれぞれ励磁周波数が異なるため、同期検波処理やフィルタを使用することで、分離することができる。
【００３１】
次に、上記のような出力信号を出力するレゾルバを用いる回転角検出装置について説明する。
【００３２】
図２はこの発明による回転角検出装置の一実施例の機能構成を示したものであり、回転角検出装置はレゾルバ１０と第１及び第２の励磁回路２１，２２とアンプ３１とＡ／Ｄコンバータ３２と信号分離器３３と角度計算器３４とによって構成されている。
【００３３】
レゾルバ１０は詳細図示を省略しており、２つの励磁コイル（励磁１コイル，励磁２コイル）と検出コイルのみを示している。
【００３４】
励磁回路２１は励磁信号Ｖx1＝Ｖ1ｓｉｎ（ω1ｔ）を生成して励磁１コイル１１に供給し、励磁回路２２は励磁信号Ｖx2＝Ｖ2ｓｉｎ（ω2ｔ）を生成して励磁２コイル１２に供給する。
【００３５】
検出コイル１３の出力信号はアンプ３１により増幅され、Ａ／Ｄコンバータ３２でＡ／Ｄ変換されて信号分離器３３に入力される。信号分離器３３は同期検波回路３３ａ，３３ｂを有し、同期検波回路３３ａは検出コイルの出力信号に対して励磁信号周波数ω1で同期検波を行い、同期検波回路３３ｂは検出コイルの出力信号に対して励磁信号周波数ω2で同期検波を行う。これにより、上記（１）式の出力信号から下記の成分を取り出すことができる。
【００３６】
【数５】
0006022817.tif 000006
【００３７】
これら取り出された成分は角度計算器３４に入力され、角度計算器３４は下式によりロータ角度θを計算して求める。
【００３８】
【数６】
0006022817.tif 000007
【００３９】
このように、この例では検出コイルの出力信号から分離したｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の振幅比によってロータ角度θを求めるものとなっている。なお、ω1成分とω2成分の出力信号のθに対する位相差（表１の位相項）は＋９０°であってもよい。その場合は（２）式の計算結果がマイナスとなるので、計算結果に−１を掛ければ、ロータ角度θとなる。
【００４０】
次に、具体的数値例を示す。
【００４１】
例えば１６ティースのステータで軸倍角２のレゾルバを構成するためには、以下のような条件で巻線を施す。
【００４２】
ｍx1＝４，ｍx2＝４，ｍs1＝２，ｍs2＝２，ｍr＝２
レゾルバの回転数を３０，０００ｒｐｍとし、励磁信号周波数をω1＝１０ｋＨｚ，ω2＝２０ｋＨｚとすると、検出コイルの出力信号Ｖsは図３（ａ）に示したようになる。図３（ｂ）及び（ｃ）は出力信号Ｖsをそれぞれ励磁周波数（ω1，ω2）成分毎に分けたものである。
【００４３】
図４はこの発明による回転角検出装置の他の実施例の機能構成を示したものである。図２に示した回転角検出装置では信号分離器３３は同期検波によってω1成分とω2成分に分離するものとなっていたが、図４に示した回転角検出装置ではフィルタによってω1成分とω2成分に分離する。図４では信号分離器３５はフィルタ３５ａ，３５ｂを有する。なお、この場合、励磁周波数成分は残ることになるので、後段の角度計算器３４′において同期検波が必要となる。
【００４４】
一方、図５はＣＰＵを用いた場合の回転角検出装置の構成例を示したものである。レゾルバは一般的にはモータ制御に使用される。モータ制御には通常ＣＰＵが用いられる。レゾルバには上述したように２つの励磁信号を供給するが、これらの励磁信号はモータ制御に使用しているＣＰＵを用いれば簡単に生成することができる。励磁信号は前述した原理の説明においては正弦波としているが、これは矩形波でも支障はない。例えば、ω1＝１０ｋＨｚ，ω2＝２０ｋＨｚとすれば、図５に示したようにＣＰＵ４０のタイマ機能を使用して１０ｋＨｚ，２０ｋＨｚの矩形波を生成する。
【００４５】
レゾルバ１０の励磁１コイル１１及び励磁２コイル１２には一般的に数十ｍＡ〜数百ｍＡ程度の励磁電流を流すが、ＣＰＵ４０の出力信号ではそのような電流を流せないため、励磁アンプ２３，２４を用いる。励磁アンプ２３，２４は電流をスイッチングする回路であり、ＦＥＴなどのスイッチング素子を用いることで簡単に構成することができる。
【００４６】
検出コイル１３からの出力信号の検出にはＣＰＵ４０内蔵のＡ／Ｄコンバータを用いることができる。出力信号が小さいときにはＡ／Ｄコンバータの前段に規定の振幅となるようにアンプ３１を挿入すればよい。Ａ／Ｄコンバータによりデジタル化された信号は、ソフトウェアにて同期検波をし、アークタンジェントの計算により角度演算を行うことでロータ角度θを算出する。
このように、この発明では高速なクロックやカウンタが不要のため、ＣＰＵなどに搭載されているＡ／Ｄコンバータで信号を取り込み、ソフトウェアで処理することでロータ角度θを算出することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０            レゾルバ                    １１            励磁１コイル
１２            励磁２コイル                １３            検出コイル
２１，２２      励磁回路                    ２３，２４      励磁アンプ
３１            アンプ                      ３２            Ａ／Ｄコンバータ
３３            信号分離器                  ３３ａ，３３ｂ  同期検波回路
３４，３４′    角度計算器                  ３５            信号分離器
３５ａ，３５ｂ  フィルタ                    ４０            ＣＰＵ
【図１】
0006022817.tif 000008
【図２】
0006022817.tif 000009
【図３】
0006022817.tif 000010
【図４】
0006022817.tif 000011
【図５】
0006022817.tif 000012
【図６】
0006022817.tif 000013