(57)【要約】【課題】簡単な構成を用い、しかも、レゾルバの変圧比のばらつきや回転体の回転数に関わらず精度良く回転位置を検出する。【解決手段】レゾルバの２つの検出信号Ｓ１，Ｓ２を交互にサンプルする手段を有し、停止中もしくは、低速回転中を判定する手段を有し、停止中もしくは、低速回転中と判定された場合には前記サンプル手段により得られた信号を基に、回転位置角をタンジェントの逆関数により演算する手段ならびに、得られた回転位置角情報に基づき、前記サンプル手段により得られた信号からその振幅Ａを求める手段と、それを記憶する手段を有し、そうでないと判定された場合には、前記サンプル手段により得られた信号と前記記憶された振幅Ａを基に、回転位置角をサインもしくはコサインの逆関数により演算する。【選択図】  図２
2011257254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の回転子の回転位置を検出する検出器を有する回転角検出装置であって、
前記検出器は第一及び第二の検出信号を出力し、
前記出力された第一及び第二の検出信号は検出信号選択回路に出力され、
前記回転電機が停止している状態、または前記回転電機の回転数が所定値以下であるとき、前記検出信号選択回路は前記第一及び第二の検出信号を交互に出力し、
サンプル検出手段は当該交互に出力された検出信号を所定タイミングで検出し、
演算回路は当該所定タイミングで検出された信号に基づいて前記回転子の回転位置角を算出すると共に前記第一または、第二の検出信号及び前記算出された回転位置角に基づいて、振幅を算出し、これを記憶する振幅記憶手段を有することを特徴とする回転角検出装置。
【請求項２】
回転電機の回転子の回転位置を検出する検出器を有する回転角検出装置であって、
前記検出器は第一及び第二の検出信号を出力し、
前記出力された第一及び第二の検出信号は検出信号選択回路に出力され、
前記回転電機の回転数が所定値以上であるとき、前記検出信号選択回路は前記第一及び第二の検出信号を交互に出力し、
サンプル検出手段は当該交互に出力された検出信号を所定タイミングで検出し、
演算回路は当該所定タイミングで検出された信号と前記振幅記憶手段に記憶された情報に基づいて前記回転子の回転位置角を算出することを特徴とする回転角検出装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の回転角検出装置であって、
前記検出器は、発振器によって出力された検出器励磁信号に基づいて前記第一及び第二の検出信号を出力し、
前記サンプル検出手段は、前記検出器励磁信号が零となる点から所定の遅延時間後に前記第一及び第二の検出信号を検出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、回転子の回転位置検出をするための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レゾルバは１相励磁入力と２相出力を有し、レゾルバから出力される第１のレゾルバ信号Ｓ１及び第２のレゾルバ信号Ｓ２は回転位置を検出するＲＤコンバータに入力されるとともに励磁信号生成部から励磁信号がレゾルバ及びＲＤコンバータに入力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１５０８２６号公報
【０００４】
ここで、前記ＲＤコンバータの動作について、一般的なものを特許文献１の記載に基づき説明する。図４に示す通り、ＲＤコンバータは第１の乗算器１１８と第２の乗算器１１９と減算器１１２と同期検波回路１１３と帯域除去フィルタ１１４と制御器１１５とsin関数とcos関数のルックアップテーブル（ＲＯＭに記憶）１１６，１１７とによって構成されている。ＲＤコンバータは前記構成による角度演算ループでレゾルバ検出信号Ｓ１，Ｓ２の検出角度θをデジタル角度出力φに変換して出力する。
【０００５】
ＲＤコンバータ内のsin関数ルックアップテーブル１１７はデジタル角度出力φを基に正弦値sinφを生成して乗算器１１９に出力し、cos関数ルックアップテーブル１１６はデジタル角度出力φを基に余弦値cosφを生成して乗算器１１８に出力する。
【０００６】
乗算器１１８はレゾルバ検出信号Ｓ１とcosφとを乗算して、その乗算値を減算器１１２に出力し、乗算器１１９はレゾルバ信号Ｓ２とsinφとを乗算して、その乗算値を減算器１１２に出力する。減算器１１２は乗算器１１８の出力から乗算器１１９の出力を減算し、その減算値を同期検波回路１１３に出力する。
【０００７】
ここで、レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２は励磁信号をsinωtとし、レゾルバの変圧比で決まる信号振幅Ａと置けば、
Ｓ１：Ａ・sinθsinωt，Ｓ２：Ａ・cosθsinωt                      …式（１）
従って、前記減算器の出力は、
Ａ・（sinθcosφ−cosθsinφ）sinωt＝Ａ・sin（θ−φ）sinωt     …式（２）
同期検波回路１１３は励磁信号生成部から入力される励磁信号を参照して減算器１１２の出力を同期検波し、その検波出力をこの例では帯域除去フィルタ１１４に出力する。帯域除去フィルタ１１４を通過した検波出力は制御器１１５に入力され、制御器１１５は検波出力が零になるように、つまり検波出力である制御偏差sin（θ−φ）が零になるようにデジタル角度出力φを制御し、制御偏差sin（θ−φ）を零にすることで、検出角度θをデジタル角度出力φに変換する。このＲＤコンバータの一連の処理によれば、レゾルバ検出信号Ｓ１，Ｓ２に含まれる振幅Ａのばらつきの影響を受けることなく角度検出ができる特徴を有する。従来のＲＤコンバータでは、レゾルバ検出信号Ｓ１，Ｓ２を同時系列に処理できる２系統の信号入力が必要で、さらに乗算器，同期検波，フィルタ、それに検波出力を零になるようにする制御器が必要で構成が複雑になるという課題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、回転位置角演算に必要な構成を簡素化し、低コストな回転角検出装置を提供することにある。
【０００９】
さらに、レゾルバの変圧比のばらつきや回転体の回転数に関わらず精度良く回転位置を検出するための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る回転角検出装置は、回転電機の回転子の回転位置を検出する検出器を有する回転角検出装置であって、前記検出器は第一及び第二の検出信号を出力し、前記出力された第一及び第二の検出信号は検出信号選択回路に出力され、前記回転電機が停止している状態、または前記回転電機の回転数が所定値以下であるとき、前記検出信号選択回路は前記第一及び第二の検出信号を交互に出力し、サンプル検出手段は当該交互に出力された検出信号を所定タイミングで検出し、演算回路は当該所定タイミングで検出された信号に基づいて前記回転子の回転位置角を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転位置角演算に必要な構成を簡素化し、低コストな回転角検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を実施するための構成図。
【図２】図１のＣＰＵにて処理される内容を示すフローチャート。
【図２（ａ）】図２のフローチャートからコールされる処理Ａのフローチャート。
【図２（ｂ）】図２のフローチャートからコールされる処理Ｂのフローチャート。
【図３】同時サンプルを実施しない場合の問題点を示す波形。
【図４】従来公知の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
上記発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄に記載の内容に加え、以下の実施の形態では、製品化の上で望ましい課題が解決でき、また、製品化の上で好ましい効果を奏する。その幾つかを次に記載すると共に実施の形態の説明でも、具体的な課題の解決や具体的な効果について説明する。
【００１４】
以下、この発明の回転角検出装置を一実施例により詳細に説明する。
【００１５】
〔実施例〕
図１は本発明を実施する一構成例を示している。
【００１６】
回転子の位置を検出する検出部Ｓ１０の正極側接続点Ｓ１１は、抵抗Ｒ１３を介して接続点ＡＳ１と接続されている。接続点ＡＳ１は、一端が基準電位ＶＣＣに接続された抵抗Ｒ１１の他端と、一端がグラウンドに接続されたＲ１２の他端との接続点である。また、検出部Ｓ１０の負極側接続点Ｓ１２は、グラウンドに接続されている。同様に回転子の位置を検出する検出部Ｓ２０の正極側接続点Ｓ２１は、抵抗Ｒ２３を介して接続点ＡＳ２に接続されている。接続点ＡＳ２は、一端が電源ＶＣＣに接続された抵抗Ｒ２１の他端と、一端がグラウンドに接続されたＲ２２他端との接続点である。また、検出部Ｓ２０の負極側接続点Ｓ２２は、グラウンドに接続されている。ＡＳ１とＡＳ２は夫々マイコンのアナログ入力端子ＡＮ１，ＡＮ２に接続されている。
【００１７】
ここで、検出信号Ｓ１，Ｓ２の振幅（０−ピーク）が３・Ｖccの場合は、Ｒ１１＝Ｒ１２，５・Ｒ１３＝Ｒ１２，Ｒ２１＝Ｒ２２，５・Ｒ２３＝Ｒ２２とすれば、ＡＮ１，ＡＮ２には、ＶＣＣ／２を中心に、０〜ＶＣＣに変化する信号が入力される。
【００１８】
ＡＮ１ならびにＡＮ２はマイコン内のマルチプレクサ２１２内のサンプルホールド２０２を介して、ＡＤコンバータ２０３に選択的に接続される。ＡＤコンバータ２０３の基準信号はＶＣＣに接続されている。そして、ＡＤコンバータは１０bit分解能であり、その変換結果は、入力電圧に応じて、０（０（Ｖ））〜３ＦＦ（ＶＣＣ（Ｖ））にリニアに変換される。
【００１９】
また、検出信号Ｓ１，Ｓ２はＡＤコンバータ２０３のトリガー２０４に応答して、交互に夫々デジタル信号に変換され、変換終了と共に、マイコンに実装され、初期化の際に予めスケジュールされた内容に従って、ＤＭＡ（ダイレクトメモリアクセス）機能により、変換結果が所定アドレスのＲＡＭ２１１に転送される。その結果を基にＣＰＵ２０９にてＲＯＭ２１０に記憶されたソフトウェアに基づいて回転位置角を演算処理する。
【００２０】
また、励磁信号は発振器１１１からレゾルバに供給されると共に、コンパレータに入力され、励磁信号のゼロクロス信号に変換して得られたパルス列は遅延回路を通して、マイコンのＡＤコンバータの外部トリガー端子２０４に接続されている。
【００２１】
上述したように、検出部Ｓ１０及びＳ２０によって検出された検出信号Ｓ１及びＳ２はマルチプレクサ２１２で交互に選択され、出力される。つまり、検出信号Ｓ１が選択された場合、次回は検出信号Ｓ２が選択される。回転角は、このように交互に選択された信号Ｓ１及びＳ２によって算出される。
【００２２】
２つの検出信号Ｓ１，Ｓ２を交互にサンプルした結果に基づいた情報を処理する方法を用いることによって、レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２を時系列で処理する１系統の信号入力を採用することができ、更に、２系統で検出を行う場合に必要であった乗算器，同期検波，フィルタ、それに検波出力を零になるようにする制御器が不要になり構成が簡単化でき、低価格な回転角検出器を提供することができる。
【００２３】
ここで、更に詳細に説明する。図３（ａ）はレゾルバに供給される励磁信号を示している。そして、図３（ｂ）はレゾルバが取り付けられた回転体が停止中の検出信号Ｓ１，Ｓ２を示している。検出の入力系統が１つと考え、サンプルホールドは励磁信号の正のピークに同期して、検出信号Ｓ１（図中白○）と検出信号Ｓ２（図中黒○）を交互にサンプルしている状態を示す。
【００２４】
停止しているため、検出信号に現れる励磁信号成分の包絡線は直流になる。従ってこの状態では、Ｓ１とＳ２のサンプル点の違いに起因する包絡線の検出値Ｓ１，Ｓ２への影響はない。
【００２５】
図３（ｃ），図３（ｄ）はそれぞれ前記回転体が低速回転時と高速回転時の検出信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ示している。両図を比較すると、回転数が高くなるに従い、サンプル時間の影響により、検出信号Ｓ１とＳ２がそれぞれ示す回転角度の差が大きくなることがわかる。
【００２６】
すなわち、低速回転時の図中、検出信号Ｓ２のサンプル点Ｐｓに着目すると、検出信号Ｓ１とＳ２を同時サンプルした場合に比べ、サンプル点が１励磁波周期遅れた検出信号Ｓ１のサンプル点Ｑｓの間に、誤差δが発生する。そして、同様に高速回転時の図中のサンプル点Ｐｆとサンプル点Ｑｆの間の誤差δについて比較してみると、その差が大きくなっている様子がわかる。回転角度は式２から算定されるので、サンプル点が異なることによる誤差δは回転角度誤差となって現れることになる。
【００２７】
本発明では図１に示すような１系統の信号入力を採用するとともに、２信号の時系列処理を行っても回転角度検出の誤差が発生しない停止時、もしくは、その誤差が小さく許容できる低速回転域において、２つの検出信号Ｓ１，Ｓ２の比をタンジェントの逆関数処理することにより、回転角を演算する。Ｓ１，Ｓ２の比を取ったことで回転角への信号振幅Ａの影響をなくすことが可能となる。上述した構成によって、回路構成を単純にしつつ、信頼性高く回転角を演算することができる。
【００２８】
さらに、得られた前記回転角度と検出信号Ｓ１もしくは、Ｓ２により振幅Ａを求め、記憶し、高速回転時はＳ１もしくは、Ｓ２を選択し、選択した信号と振幅Ａにより回転角度を演算するため、回転角度を演算するために必要な信号は１つで済むので、サンプル時間の影響により角度演算精度の低下の少ない回転角検出装置を提供することが可能となる。
【００２９】
ここで、ＣＰＵ２０９にて実行されるソフトウェアの処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００３０】
この処理を開始すると、ステップＴ１においてＡＤコンバータによりＳ１、Ｓ２信号のデジタル変換結果が記憶されたＲＡＭ２１１のアドレスを参照し、夫々のデジタル値を読み込む。ステップＴ２により読み込んだ結果とこの処理の後段で記憶する前回の読み込み値の差分を演算する。ステップＴ３により、その演算結果が所定の値以下の場合は停止もしくは、低速回転中と判定し、ステップＴ４により処理Ａをコールする。そうでない場合は、高速回転中と判定し、ステップＴ５において処理Ｂをコールする。
【００３１】
ＣＰＵ２０９で停止もしくは、低速回転中と判断された場合、処理Ａが実行され、回転位置角をＳ１のサンプル信号の読み取り値をＳ１（ｎ），Ｓ２のサンプル信号読み取り値をＳ２（ｎ）とすると、式３により、回転位置角θｎを演算する。これは、図２（ａ）に示すフローチャートのステップＴ１０からステップＴ４３の一連の処理により、実行できる。
【００３２】
Ｓ１（ｎ）≧０かつ、Ｓ２（ｎ）≧０かつ、｜Ｓ１（ｎ）｜＜｜Ｓ２（ｎ）｜の場合には、
θｎ＝tan-1（｜Ｓ１（ｎ）｜／｜Ｓ２（ｎ）｜）
そうでなく、
Ｓ１（ｎ）≧０かつ、Ｓ２（ｎ）≧０かつ、｜Ｓ１（ｎ）｜≧｜Ｓ２（ｎ）｜の場合には、
θｎ＝π／２−tan-1（｜Ｓ２（ｎ）｜／｜Ｓ１（ｎ）｜）
そうでなく、
Ｓ１（ｎ）＜０かつ、Ｓ２（ｎ）≧０かつ、｜Ｓ１（ｎ）｜＜｜Ｓ２（ｎ）｜の場合には、
θｎ＝２π−tan-1（｜Ｓ１（ｎ）｜／｜Ｓ２（ｎ）｜）
そうでなく、
Ｓ１（ｎ）＜０かつ、Ｓ２（ｎ）≧０かつ、｜Ｓ１（ｎ）｜≧｜Ｓ２（ｎ）｜の場合には、
θｎ＝３π／２＋tan-1（｜Ｓ２（ｎ）｜／｜Ｓ１（ｎ）｜）
そうでなく、
Ｓ１（ｎ）≧０かつ、Ｓ２（ｎ）＜０かつ、｜Ｓ１（ｎ）｜＜｜Ｓ２（ｎ）｜の場合には、
θｎ＝２π−tan-1（｜Ｓ１（ｎ）｜／｜Ｓ２（ｎ）｜）
そうでなく、
Ｓ１（ｎ）≧０かつ、Ｓ２（ｎ）＜０かつ、｜Ｓ１（ｎ）｜≧｜Ｓ２（ｎ）｜の場合には、
θｎ＝π／２＋tan-1（｜Ｓ２（ｎ）｜／｜Ｓ１（ｎ）｜）
そうでなく、
Ｓ１（ｎ）＜０かつ、Ｓ２（ｎ）＜０かつ、｜Ｓ１（ｎ）｜＜｜Ｓ２（ｎ）｜の場合には、
θｎ＝２π−tan-1（｜Ｓ１（ｎ）｜／｜Ｓ２（ｎ）｜）
そうでなく、
Ｓ１（ｎ）＜０かつ、Ｓ２（ｎ）＜０かつ、｜Ｓ１（ｎ）｜≧｜Ｓ２（ｎ）｜の場合には、
θｎ＝３π／２−tan-1（｜Ｓ２（ｎ）｜／｜Ｓ１（ｎ）｜）           …式（３）
次に、条件毎に式（４）により、振幅Ａを演算すると共に、所定のアドレスのＲＡＭに記憶する。これは、図２（ａ）に示すフローチャートのステップＴ５０からＴ６０の一連の処理により、実行できる。ここで、検出信号Ｓ１とＳ２の値の大きな信号を選択することにより、デジタル演算の量子化誤差を抑えることができる。
｜sinθｎ｜＞｜cosθｎ｜の場合、Ａ＝Ｓ１（ｎ）／（sinθｎ）
【００３３】
それ以外の場合、Ａ＝Ｓ２（ｎ）／（cosθｎ）                         …式（４）
一方、高速回転中と判断された場合、処理Ｂが実行され、式により回転位置角θｎを演算する。これは、図２（ｂ）に示すフローチャートのステップＴ７０からＴ７２の一連の処理により、実行できる。
｜Ｓ１（ｎ）｜＜｜Ｓ２（ｎ）｜の場合、θｎ＝sin-1（Ｓ１（ｎ）／Ａ）
【００３４】
それ以外の場合、θｎ＝cos-1（Ｓ２（ｎ）／Ａ）                       …式（５）
処理Ａもしくは、処理Ｂが終了すると図２のフローチャートのステップＴ６において、今回の検出した値Ｓ１（ｎ）とＳ２（ｎ）を前回検出値Ｓ１（ｎ−１）とＳ２（ｎ−１）として記憶し、ステップＴ７にてモータ電流制御処理をコールする。モータ電流制御処理が終了するとステップＴ８にて、メインの処理に復帰して、図２の処理が終了する。
【００３５】
この図２に示した一連の処理は、所定のタイミング、例えば、モータにレゾルバを取り付け、その制御を行う場合には、モータの電流制御演算毎に実行する。本実施例では、外部割込みにより当該電流制御を開始させ、その処理の一部として、図２のフローチャート処理が実行される構成を採用した。
【００３６】
なお、本発明は、回転位置角θに応答して、sinθおよび、cosθを出力するレゾルバ以外の回転位置角検出器に適用することができる。
【００３７】
例えば、図５のような回転検出器が考えられる。図５ａに示す回転位置を検出する回転体に取り付ける円盤３００は、外周に正弦波状の着磁がなされた磁性体（永久磁石）である。そして、その磁性体から所定のギャップを保持し、ホール素子Ａ３０１ならびに、ホール素子Ｂ３０２が各素子の正弦波出力が９０度の位相角を持つように円盤の外周に配置する。
【００３８】
この回転位置角検出器であれば、永久磁石を採用したため、レゾルバのような励磁回路が不要で、ホール素子を採用したので、停止中であっても、磁石からの磁束量に応答した、すなわち、回転位置角に応じた信号を図５ｂの様に得ることができる。
【００３９】
よって、図１の発振器１１１，コンパレータ２００，遅延回路２０１を省略できる。この場合、外部トリガーに変えて、マイコンに内蔵したタイマーにより所定のインターバルでＡＤ変換を開始する構成とすればよい。
【００４０】
以上、本実施例を用いることによって、簡単な回路構成を用い、しかも、レゾルバの変圧比のばらつきや回転体の回転数に関わらず精度良く回転位置を検出するための回転角検出装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１００  信号処理装置
１１０  レゾルバ
１１１  発振器
１１２  乗算器
１１３  同期検波器
１１４  帯域除去フィルタ
１１５  制御器
１１６  減算器
１１７  cos関数ルックアップテーブル
１１８  sin関数ルックアップテーブル
１２０  マイコン
２００  ゼロクロスコンパレータ
２０１  遅延回路
２０２  サンプルホールド器
２０３  ＡＤコンバータ
２０４  ＡＤコンバータ外部トリガー端子
２０５  変換結果レジスタ
２０６  外部割込み端子
２０７  割り込みコントローラ
２０８  ＤＭＡ
２０９  ＣＰＵ
２１０  ＲＯＭ
２１１  ＲＡＭ
２１２  マルチプレクサ
【図１】
2011257254.tif 000003
【図２】
2011257254.tif 000004
【図２（ａ）】
2011257254.tif 000005
【図２（ｂ）】
2011257254.tif 000006
【図３】
2011257254.tif 000007
【図４】
2011257254.tif 000008