JP2004012387A - ロータの回転角度位置検出装置及びその装置を用いた電動機制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｒ／Ｄコンバータを備えず廉価な構成であるロータの回転角度位置検出装置を提供する。
【解決手段】レゾルバの振幅変調信号（ＳＩＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）が導入され、これらから振幅変調信号（ＳＩＮ）／振幅変調信号（ＣＯＳ）＝振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）／振幅変調信号（ＳＩＮ）＝振幅比信号（ＣＯＴ）を算出し、算出した振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基にロータの回転角度θを検出する。さらに、振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基に、ロータの回転角度θを３０度毎の区間に区分して区間区分値を出力する。
【選択図】 図１
【解決手段】レゾルバの振幅変調信号（ＳＩＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）が導入され、これらから振幅変調信号（ＳＩＮ）／振幅変調信号（ＣＯＳ）＝振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）／振幅変調信号（ＳＩＮ）＝振幅比信号（ＣＯＴ）を算出し、算出した振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基にロータの回転角度θを検出する。さらに、振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基に、ロータの回転角度θを３０度毎の区間に区分して区間区分値を出力する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はロータの回転角度を検出する位置検出装置およびその装置を用いた電動機制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転角度を検出する位置検出装置として、従来より一相励磁二相出力方式のレゾルバと組み合わせて回転角度を検出する位置検出装置が知られている。この従来の位置検出装置の構成例として、図７に示されるものがある。１は一相励磁二相出力型のレゾルバを模式的に表したものであり、ロータ４、励磁コイル５、二次コイル（ＳＩＮ）６、二次コイル（ＣＯＳ）７から構成される。２ａは位置検出器を模式的に表したものであり、励磁回路８、入力インターフェイス回路９、Ｒ／Ｄコンバータ１２から構成される。入力インターフェイス回路９を構成する主なものとして差動増幅器Ａ１０、差動増幅器Ｂ１１を図示している。３はレゾルバ１と位置検出器２ａを結ぶ信号伝送線である。
【０００３】
まず励磁回路８にて周期信号ＥＲ１Ｒ２（一般的には正弦波信号）を生成する。信号伝送線３を経て励磁コイル５に周期信号ＥＲ１Ｒ２を入力すると、ロータ４の回転角度θに応じた誘導電圧が二次コイル（ＳＩＮ）６、二次コイル（ＣＯＳ）７の両端に発生する。ここで、二次コイル（ＳＩＮ）６には正弦波状に振幅変調された信号ＥＳ２Ｓ４が、二次コイル（ＣＯＳ）７には余弦波状に振幅変調された信号ＥＳ１Ｓ３が、それぞれ誘起される。この振幅変調信号が、すなわちレゾルバの位置信号であり、以降は信号ＥＳ２Ｓ４を振幅変調信号（ＳＩＮ）、信号ＥＳ１Ｓ３を振幅変調信号（ＣＯＳ）と表記する。振幅変調信号（ＳＩＮ）及び振幅変調信号（ＣＯＳ）は信号伝送線３を経て入力インターフェイス回路９に入力される。振幅変調信号は入力インターフェイス回路９内の差動増幅器にて信号増幅されて励磁回路８からの励磁信号と共にＲ／Ｄコンバータ１２へ取り込まれる。Ｒ／Ｄコンバータ１２では、例えばトラッキング方式といったレゾルバ／ディジタル（Ｒ／Ｄ）変換方式により回転角度が算出される。
【０００４】
また、従来の電動機制御装置の構成例として、図８に示されるものがある。これは、一相励磁二相出力方式のレゾルバを角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置を示すブロック図である。
図８において、１はレゾルバ、２ａは位置検出器、３は信号伝送線、１５は電動機、１６は直流電源、１７は電力変換装置、１８ａはＵ相電流検出器、１８ｂはＶ相電流検出器、１９はゲート駆動回路、２０は電力変換半導体、２１ａはＵ相上アームスイッチング素子、２１ｂはＵ相下アームスイッチング素子、２２ａはＵ相上アームフライホイールダイオード、２２ｂはＵ相下アームフライホイールダイオード、３０は制御演算装置、３１は電流信号入力回路、３２はベクトル制御演算回路、３３ａはゲート信号生成回路である。
【０００５】
次に、動作について説明する。電力変換装置１７は直流電源１６からの直流電力を交流電力に変換して電動機１５に供給する。その際、直流電力から交流電力への変換は電力変換半導体２０のパワー素子を構成するスイッチング素子をスイッチングすることによりなされる。なお、パワー素子はスイッチング素子２１とフライホイールダイオード２２とから構成される。図８にはＵ相スイッチング素子２１ａ，２１ｂとＵ相フライホイールダイオード２２ａ，２２ｂのみを図示しているが、この他、Ｖ相スイッチング素子２１ｃ，２１ｄとＶ相フライホイールダイオード２２ｃ，２２ｄ、およびＷ相スイッチング素子２１ｅ，２１ｆとＷ相フライホイールダイオード２２ｅ，２２ｆが存在する。スイッチングのために制御演算装置３０内のゲート信号生成回路３３ａにて生成されるゲート駆動信号Ｇｕｈ，Ｇｕｌ，Ｇｖｈ，Ｇｖｌ，Ｇｗｈ，Ｇｗｌが電力変換装置１７内のゲート駆動回路１９に伝達される。ゲート駆動回路１９はゲート信号を波形整形、電位変換してスイッチング素子のゲートをＯＮ／ＯＦＦさせる。
【０００６】
ここで、制御演算装置３０では電動機１５を駆動するために、いかに電圧を印可すべきか、すなわち、いかにスイッチング素子をスイッチングするかの演算を行う。いかに電圧を印可すべきかは、電動機の制御方法により様々な種類のものが存在するが、電動機の発生トルクを精度良く制御する方法としてベクトル制御法と呼ばれる手法が良く用いられる。この方法では、三相交流である電圧、電流等の諸量を、磁束の方向と一致して回転する座標軸（ｄ軸）と、これに直交して回転する座標軸（ｑ軸）とにベクトル分解し、直交座標上での電圧、電流を調整・制御することで発生トルクを制御する。電動機として永久磁石式同期機を対象とした場合の回転直交座標（ｄ，ｑ座標）上での電圧と電流の関係は次式となる。
【０００７】
【数１】
但し、 Ｖｄはｄ軸電圧、Ｖｑはｑ軸電圧、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流、Ｒａは一次抵抗、Ｌはインダクタンス、φａは磁石磁束、ωは回転角速度である。
【０００８】
この時の電動機の発生トルクτｍは次式で表わされる。
【数２】
但し、Ｐｍは電動機の極対数である。極対数Ｐｍ及び磁石磁束φａは電動機によって固定の量であり、発生トルクτｍの調整はｑ軸電流ｉｑの量を調整することによりなされる。
【０００９】
このため電流検出器１８ａ，１８ｂにて電動機１５に流れる三相交流電流値を検出し電流信号入力回路３１に伝送し、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖとなす。ｉｕ、ｉｖに基づき三相座標上の電流を回転直交座標上のｄ軸、ｑ軸にベクトル分解してｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑを算出する。更にこのｉｄ、ｉｑを用いて所望の発生トルクτｍを得るべきｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧Ｖｑを算出し、これを再びベクトル分解して三相交流座標上に変換し、Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊を算出する。
【００１０】
以上の演算はベクトル制御演算回路３２でなされ、三相の電圧指令はゲート信号生成回路３３ａに伝達される。ゲート信号生成回路３３ａは、公知の三角波比較正弦波近似ＰＷＭ法などの手法によりゲート信号を生成する。ゲート信号は、ゲート駆動回路１９を経てスイッチング素子２１をスイッチングし、ひいては電動機１５を制御することとなる。この際、三相交流座標から回転直交座標、あるいはこの逆の座標変換には、位置検出器２ａで検出されるレゾルバ１の回転角度すなわち電動機１５の回転角度が用いられる。
【００１１】
図９はベクトル制御法におけるゲート信号の波形例である。図において全角度範囲０〜３６０度にわたり平均的には正弦波状に分布するようにＰＷＭされる。上アームのゲート信号と下アームのゲート信号は互いに相補の関係である。
【００１２】
またさらに、この他の従来の電動機制御装置の構成例として、図１０に示されるものがある。これは、ホールセンサを角度検出センサとして適用した電動機を制御する電動機制御装置である。図１０において図８と同一の符号は、同一の働き、動作をする。ここで、３３ｂはゲート信号生成回路、３４は区間識別手段、３６はホールセンサである。
【００１３】
図１１はホールセンサ３６の詳細な構成を表す図である。図１１において、３７は回転磁性体、３８ａはＵ相ホール素子／ホールＩＣ、３８ｂはＶ相ホール素子／ホールＩＣ、３８ｃはＷ相ホール素子／ホールＩＣである。ホールセンサ３６は回転磁性体３７による磁束を、三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）それぞれ電気角度的に１２０度ずつ位相差をもって配置されるホール素子／ホールＩＣ ３８ａ〜ｃにより検出し、この磁束の変化から回転角度を検出する装置である。ホール素子／ホールＩＣからはＵ−ｓｎｓ、Ｖ−ｓｎｓ、Ｗ−ｓｎｓの三相（ｕ，Ｖ，Ｗ）それぞれが角度一周期につき１パルスで相互に１２０度ずつの位相差を持った矩形信号を出力する。各出力信号の論理（‘Ｈ’か‘Ｌ’）の組み合わせにより角度一周（３６０度）を６０度ごとに分解して各区間を区分して検出することができる。
【００１４】
図１２はホールセンサ出力信号と角度区間識別の関係を表している。すなわちＵ−ｓｎｓ、Ｖ−ｓｎｓ、Ｗ−ｓｎｓがそれぞれ”Ｈ−Ｌ−Ｈ”の時は区間Ｉ：３０〜９０度と、”Ｈ−Ｌ−Ｌ”の時は区間ＩＩ：９０〜１５０度と、”Ｈ−Ｈ−Ｌ”の時は区間ＩＩＩ：１５０〜２１０度と、”Ｌ−Ｈ−Ｌ”の時は区間ＩＶ：２１０〜２７０度と、”Ｌ−Ｈ−Ｈ”の時は区間Ｖ：２７０〜３３０度と、”Ｌ−Ｌ−Ｈ”の時は区間ＶＩ：３３０〜３０度と、それぞれ区間識別することができる。
【００１５】
制御演算装置３０内の区間識別手段３４は、ホールセンサ３６からのＵ−ｓｎｓ、Ｖ−ｓｎｓ、Ｗ−ｓｎｓ信号を入力して、上記手法により角度の区間識別を行い、識別結果をゲート信号生成回路３３ｂへ伝送する。ゲート信号生成回路３３ｂは、例えば公知の１２０度通電法といった矩形波スイッチング法によりゲート信号を生成し、ゲート駆動回路１９へ伝送する。つづいて、ゲート駆動回路１９の出力により、電力変換半導体２０内のスイッチング素子２１がスイッチングされる。１２０度通電という呼称は、全角度範囲（０〜３６０度）において１２０度の区間をスイッチＯＮすることを指す。
【００１６】
その一例として図１２の角度区間とゲート信号出力の関係で表される形式のものがある。すなわち、Ｕ相上側スイッチング素子を区間Ｉ：３０〜９０度及び区間ＩＩ：９０〜１５０度の間スイッチＯＮし、さらに区間ＩＩ：９０〜１５０度ではＰＷＭスイッチングする。また、Ｕ相下側スイッチング素子を区間ＩＶ：２１０〜２７０度及び区間Ｖ：２７０〜３３０度の間スイッチＯＮし、さらに区間Ｖ：２７０〜３３０度ではＰＷＭスイッチングするものである。Ｖ相、Ｗ相の上下スイッチング素子については、それぞれＵ相スイッチング素子のＯＮ区間から１２０度、２４０度の位相差をもってスイッチＯＮされる。ここで各ＰＷＭスイッチングのデューティは外部からのデューティ指示値Ｖａ＊あるいは制御演算装置３０内部で作成される値を用いて指定され、デューティを変化させることにより電動機１５に印可する電圧を調整する。
【００１７】
図１３は１２０度通電法におけるゲート信号の波形例である。図において各スイッチング素子は全角度範囲０〜３６０度のうち１２０度の間スイッチＯＮされ、またスイッチＯＮの区間の後半６０度にわたりＰＷＭされる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位置検出装置は上記のようにＲ／Ｄコンバータを備えた構成である。Ｒ／Ｄコンバータは角度検出を行うための重要部品であるとともに位置検出装置の構成要素の内で高いコスト比率を占めており、位置検出装置を廉価に製造する妨げとなっている。一方で廉価な位置検出装置として上記のホールセンサがある。ホールセンサを角度検出器として適用した電動機制御装置は従来例として示される通り比較的簡素な構成となる。しかしホールセンサは特に自動車の内燃機関直近に配置されるような用途には、周辺温度の上昇に対して耐性が低いという問題点があった。また、レゾルバと組み合わせる位置検出装置を１２０度通電法といった矩形波スイッチング法に適用する場合には、電気角度一周（３６０度）を６０度ごとに分解して各区間を区分するために、Ｒ／Ｄコンバータからの角度検出値を煩雑に読み込みながら区間の切り替わりを認識する必要があった。これを補うためホールセンサを模擬した信号を出力する機能を従たる機能として備えるＲ／Ｄコンバータも提供されているが、ホールセンサを使用した位置検出装置に比較して相対的に高価であるという問題があった。
【００１９】
この発明は上記の問題を解決するためになされたもので、Ｒ／Ｄコンバータを備えず廉価な構成であるロータの回転角度位置検出装置を提供すると共に、例えば矩形波スイッチング法と組み合わせて比較的簡素な電動機制御装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるロータの回転角度位置検出装置は、励磁信号が励磁コイルに入力され、ロータの回転角度θに応じた誘導電圧を二次コイル（ＳＩＮ）に振幅変調信号（ＳＩＮ）として、かつ、二次コイル（ＣＯＳ）に振幅変調信号（ＣＯＳ）として、それぞれ出力するレゾルバ、このレゾルバの振幅変調信号（ＳＩＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）が導入され、これらから振幅変調信号（ＳＩＮ）／振幅変調信号（ＣＯＳ）＝振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）／振幅変調信号（ＳＩＮ）＝振幅比信号（ＣＯＴ）を算出し、算出した振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基にロータの回転角度θを検出する位置検出器を備えたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成の位置検出装置を得ることができる。
【００２１】
また、位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基に、ロータの回転角度θを３０度毎又は６０度毎の区間に区分して区間区分値を出力する区間識別手段を備えたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成であり、さらにレゾルバと組み合わせる位置検出装置でありながら、ホールセンサの出力信号から得られる回転角度の区間識別と同様な機能を有する位置検出装置を得ることができる。
【００２２】
位置検出器は、上記区間区分値を所定の角度又は所定の時間だけ進み又は遅れて出力する出力タイミング調整手段を備えたものである。これにより、レゾルバの取り付けの工作性などに起因する回転角度検出誤差の補償、又は、回転角度検出値に対する区間区分値の出力タイミングの微調整の機能を有する位置検出装置を得ることができる。
【００２３】
位置検出器は、振幅変調信号（ＳＩＮ）の検波手段有し、検波した振幅変調信号（ＳＩＮ）の符号により、ロータの回転角度θが角度０〜１８０度内か角度１８０〜３６０度内かを識別するようにしたものである。これにより、ロータの回転角度θが角度０〜１８０度内か角度１８０〜３６０度内かを識別できる。
【００２４】
また、位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）の絶対値と振幅比信号（ＣＯＴ）の絶対値の大小を比較して、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜≦｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＴＡＮ）を採用し、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜＞｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＣＯＴ）を採用して、ロータの回転角度θを検出するようにしたものである。これにより、振幅比信号の絶対値が小さい範囲の値を用いて回転角度検出又は回転角度区分識別を行うため、演算誤差を減らすことができる。
【００２５】
また、パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを備え、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の位置検出装置を備えたものである。これにより、特に自動車の内燃機関直近に配置されるような用途において周辺温度の上昇に対して充分な耐性を持つレゾルバを回転角度検出センサとして適用しつつ、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない位置検出装置を備えた廉価な電動機制御装置を得ることができる。
【００２６】
さらにまた、パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを有し、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、請求項４または請求項５記載の位置検出装置を備え、上記パワー素子のスイッチング制御信号が請求項４または請求項５記載の区間区分値に同期してなされるようにしたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない位置検出装置を備え、さらに、矩形波スイッチング法と組み合わせてゲート信号生成のための演算動作を軽減できるため、より廉価な電動機制御装置を得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１による位置検出装置を示すブロック図である。図１において、１は一相励磁二相出力方式のレゾルバ、２ｂは位置検出器、３は信号伝送線、４はロータ、５は励磁コイル、６は二次コイル（ＳＩＮ）、７は二次コイル（ＣＯＳ）、８は励磁回路、９は入力インターフェイス回路、１０は差動増幅器Ａ、１１は差動増幅器Ｂ、４０は割算器（ＴＡＮ）、４１は割算器（ＣＯＴ）、４２は角度検出演算手段、４３はＡ／Ｄ変換器（ＴＡＮ）、４４はＡ／Ｄ変換器（ＣＯＴ）、４５は角度変換手段、４６は区間識別手段、４７は出力タイミング調整手段、５０は検波手段である。
【００２８】
図１において、図７と同一符号は同様の機能を担う構成要素である。従来技術例と同様に、励磁回路８にて周期信号である励磁信号ＥＲ１Ｒ２（一般的には正弦波信号）を生成し、信号伝送線３を経てレゾルバ１の励磁コイル５に入力する。この時、ロータ４の回転角度θに応じた誘導電圧が二次コイル（ＳＩＮ）６、二次コイル（ＣＯＳ）７の両端に発生する。ここで二次コイル（ＳＩＮ）６には正弦波状に振幅変調された信号ＥＳ２Ｓ４が、二次コイル（ＣＯＳ）７には余弦波状に振幅変調された信号ＥＳ１Ｓ３が誘起され、それぞれ振幅変調信号（ＳＩＮ）、振幅変調信号（ＣＯＳ）となす。
【００２９】
ここで、レゾルバ１の理想的な励磁信号、及び、振幅変調信号はそれぞれ次式で表される。
【数３】
但し、Ｋは励磁コイル５に対する二次コイル６，７の変圧比、θはロータ４の回転角度、ｆｒｅｆは励磁信号の周波数である。図２はθが単調増加している場合の励磁信号、振幅変調信号の波形例を示している。
【００３０】
ここで位置検出器２ｂの動作説明に先立ち、この発明の振幅変調信号の振幅比に基づく角度検出、および、レゾルバ角度を３０度毎の区間に区分する区間識別の動作原理について述べる。図４は、レゾルバ角度を３０度毎に区分したときの境における振幅変調信号（ＳＩＮ）、振幅変調信号（ＣＯＳ）、振幅比信号（ＴＡＮ）、振幅比信号（ＣＯＴ）の値を示している。ここで振幅変調信号の欄は、図２および（式４）、（式５）に示される振幅変調信号において、励磁（搬送波）成分を取り除いた検波後の振幅値を示している。すなわち、検波後の振幅変調信号（ＳＩＮ）＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθとなり、角度０〜９０〜１８０度の間はプラス、１８０〜２７０〜３６０度の間はマイナスの値となる。また、検波後の振幅変調信号（ＣＯＳ）＝Ｋ・Ｅ・ｃｏｓθとなり、角度９０〜１８０〜２７０度の間はマイナス、２７０〜０〜９０度の間はプラスの値となる。
【００３１】
また、振幅比信号（ＴＡＮ）は振幅変調信号（ＳＩＮ）÷振幅変調信号（ＣＯＳ）の関係であり正接（ｔａｎ）関数となる。つまり角度θが増加している場合に、角度９０〜１８０〜２７０度の間、２７０〜０〜９０度の間で−∞から＋∞まで増加する。ここで角度θ＝３０、２１０度で振幅値１／√３、角度θ＝６０、２４０度で振幅値√３、角度θ＝１５０、３３０度で振幅値（−１／√３）、角度θ＝１２０、３００度で振幅値（−√３）、角度θ＝０、１８０度で振幅値０となる。さらに、振幅比信号（ＣＯＴ）は振幅変調信号（ＣＯＳ）÷振幅変調信号（ＳＩＮ）の関係であり、余接（ｃｏｔ）関数となる。つまり角度θが増加している場合に、角度０〜９０〜１８０度の間、１８０〜２７０〜３６０度の間で＋∞から−∞まで減少する。ここで角度θ＝６０、２４０度で振幅値１／√３、角度θ＝３０、２１０度で振幅値√３、角度θ＝１２０、３００度で振幅値（−１／√３）、角度θ＝１５０、３３０度で振幅値（−√３）、角度θ＝９０、２７０度で振幅値０となる。また、振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）の値は角度θ＝４５、２２５度において等しく１となり、角度θ＝１３５、３１５度において等しく−１となる。
【００３２】
これらを整理して図示すると、図５のように表される。すなわち振幅比信号（ＴＡＮ）、振幅比信号（ＣＯＴ）の値の（−√３）、（−１／√３）、０、１／√３、√３に対する大小関係を比較することで、角度０〜９０〜１８０度内の角度区分ＶＩｂ、Ｉａ、Ｉｂ、ＩＩａ、ＩＩｂ、ＩＩＩａ、角度１８０〜２７０〜３６０度内の角度区分ＩＩＩｂ、ＩＶａ、ＩＶｂ、Ｖａ、Ｖｂ、ＶＩａを識別することができる。角度０〜９０〜１８０度と角度１８０〜２７０〜３６０度の識別については、例えば検波後の振幅変調信号（ＳＩＮ）の符号により行うことができる。すなわち符号がプラスの場合は角度０〜９０〜１８０度であり、マイナスの場合は角度１８０〜２７０〜３６０度である。
【００３３】
さらに振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）の値同士の大小関係を比較して、角度検出、角度区分識別に採用する振幅比信号を適宜選択することができる。つまり、各振幅比信号の絶対値から、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜≦｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜の場合は振幅比信号（ＴＡＮ）を選択し、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜＞｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜の場合は振幅比信号（ＣＯＴ）を選択すれば、振幅比信号の絶対値が小さい範囲の値を用いて角度検出、角度区分識別を行うため、演算誤差を減らすことができる。これは振幅比信号を算出するために、割算演算を行う際のダイナミックレンジの設定に関連する。
【００３４】
以上の原理による位置検出器２ｂの動作は次のようになる。まず振幅変調信号（ＳＩＮ）、振幅変調信号（ＣＯＳ）が入力インターフェイス回路９に入力されて差動増幅器Ａ１０、差動増幅器Ｂ１１で増幅された後、割算器（ＴＡＮ）４０、割算器（ＣＯＴ）４１にそれぞれ伝送される。割算器（ＴＡＮ）４０では振幅変調信号（ＳＩＮ）÷振幅変調信号（ＣＯＳ）の演算が行われて振幅比信号（ＴＡＮ）が出力される。また割算器（ＣＯＴ）４１では振幅変調信号（ＣＯＳ）÷振幅変調信号（ＳＩＮ）の演算が行われて振幅比信号（ＣＯＴ）が出力される。
【００３５】
続いて、角度検出演算手段４２に各振幅比信号が入力されて、それぞれＡ／Ｄ変換器（ＴＡＮ）４３、Ａ／Ｄ変換器（ＣＯＴ）４４にてアナログ／ディジタル変換され数値データとして算出される。角度変換手段４５では正接（ｔａｎ）成分と余接（ｃｏｔ）成分の数値データを用いてレゾルバ角度を算出し角度検出値として出力する。算出の過程において、前述のように各数値データの絶対値の大小関係に基づいて、演算入力対象の数値データを演算誤差が少なくなるように選択し、この数値データの逆関数（ｔａｎ成分の場合はａｒｃｔａｎを、ｃｏｔ成分の場合はａｒｃｃｏｔ）を求める。逆関数を求めるには級数展開式に基づく方法など種々考えられるが、ｔａｎ成分、ｃｏｔ成分の数値データと角度検出値とを対応付けた変換マップを用いると演算量が少なく適切である。
【００３６】
また差動増幅器Ａ１０、差動増幅器Ｂ１１の出力は、検波手段５０へ伝送されて搬送波成分を取り除いた検波後の振幅変調信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθ、Ｋ・Ｅ・ｃｏｓθが出力される。
【００３７】
続いて、検波後振幅変調信号は角度変換手段４５に入力される。角度変換手段４５では検波後振幅変調信号＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθの符号からレゾルバ角度の０度〜９０度〜１８０度、１８０度〜２７０度〜３６０度の別を判別する。判別した結果、１８０度〜２７０度〜３６０度の範囲に有る場合は、数値データの逆関数の算出結果に１８０度を加算し、また、０度〜９０度〜１８０度の範囲に有る場合は数値データの逆関数の算出結果に何も加算せずに角度検出値となす。以上のようにして振幅変調信号を用いた二つの振幅比信号に基づいて、レゾルバ角度、即ち、レゾルバのロ−タの回転角度θが算出される。
【００３８】
一方、角度区間の識別および区間区分値の出力動作は以下のようになる。図３は、区間識別手段４６の詳細な構成を表すブロック図である。図３において、５１は正接（ｔａｎ）演算器、５２は区分手段（ＴＡＮ）、５３は区分手段（ＣＯＴ）、５４は絶対値演算器（ＴＡＮ）、５５は絶対値演算器（ＣＯＴ）、５６はコンパレータ、５７は切替スイッチである。
【００３９】
次に動作について説明する。まず、検波手段５０の出力Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθ、Ｋ・Ｅ・ｃｏｓθと割算器（ＴＡＮ）４０の出力である振幅比信号（ＴＡＮ）、割算器（ＣＯＴ）４１の出力である振幅比信号（ＣＯＴ）、および、後述の出力タイミング調整手段４７が出力する調整成分Δθが区間識別手段４６に入力される。調整成分Δθは正接（ｔａｎ）演算器５１に入力されｔａｎ（Δθ）が算出される。区分手段（ＴＡＮ）５２にはｔａｎ（Δθ）、Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθ、Ｋ・Ｅ・ｃｏｓθ、振幅比信号（ＴＡＮ）が入力される。
【００４０】
区分手段（ＴＡＮ）５２では、これら入力を元に角度区間の識別・区分が行われる。まず、調整成分Δθの影響を加味して次式の演算を行う。
【数４】
ただし ｔａｎθは振幅比信号（ＴＡＮ）を算式として表現したものであり、ｔａｎ（θ＋Δθ）は調整成分Δθにより補正された後のタイミング補正後振幅比信号（ＴＡＮ）である。
【００４１】
続いて、タイミング補正後振幅比信号（ＴＡＮ）から、前述の動作原理に基づいて角度区間の識別を行う。まず、検波後振幅変調信号＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθの符号からレゾルバ角度の０度〜９０度〜１８０度、１８０度〜２７０度〜３６０度の別を判別する。さらにレゾルバ角度が０〜９０〜１８０度に有り、かつ、タイミング補正後振幅比信号（ＴＡＮ）の値が［０，１／√３］の範囲の場合は区間ＶＩｂ、［１／√３，√３］の範囲の場合は区間Ｉａ、［√３，＋∞］の範囲の場合は区間Ｉｂ、［−∞，（−√３）］の範囲の場合は区間ＩＩａ、［（−√３），（−１／√３）］の範囲の場合は区間ＩＩｂ、［（−１／√３），０］の範囲の場合は区間ＩＩＩａと識別して、この区間区分値を出力する。また、レゾルバ角度が１８０〜２７０〜３６０度にあり、かつ、タイミング補正後振幅比信号（ＴＡＮ）の値が［０，１／√３］の範囲の場合は区間ＩＩＩｂ、［１／√３，√３］の範囲の場合は区間ＩＶａ、［√３，＋∞］の範囲の場合は区間ＩＶｂ、［−∞，（−√３）］の範囲の場合は区間Ｖａ、［（−√３），（−１／√３）］の範囲の場合は区間Ｖｂ、［（−１／√３），０］の範囲の場合は区間ＶＩａと識別して、この区間区分値を出力する。
【００４２】
区分手段（ＣＯＴ）５３においても、区分手段（ＴＡＮ）５２と同様な動作がなされる。まず、調整成分Δθの影響を加味して次式の演算を行う。
【数５】
ただしｃｏｔθは振幅比信号（ＣＯＴ）を算式として表現したものであり、ｃｏｔ（θ＋Δθ）は調整成分Δθにより補正された後のタイミング補正後振幅比信号（ＣＯＴ）である。
【００４３】
続いて、前述の動作原理に基づいて角度区間の識別を行う。まず、検波後振幅変調信号＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθの符号からレゾルバ角度の０度〜９０度〜１８０度、１８０度〜２７０度〜３６０度の別を判別する。レゾルバ角度が０〜９０〜１８０度にあり、かつ、タイミング補正後振幅比信号（ＣＯＴ）の値が［√３，＋∞］の範囲の場合は区間ＶＩｂ、［１／√３，√３］の範囲の場合は区間Ｉａ、［０，１／√３］の範囲の場合は区間Ｉｂ、［０，（−１／√３）］の範囲の場合は区間ＩＩａ、［（−１／√３），（−√３）］の範囲の場合は区間ＩＩｂ、［（−√３），−∞］の範囲の場合は区間ＩＩＩａと識別して、この区間区分値を出力する。また、レゾルバ角度が１８０〜２７０〜３６０度にあり、かつ、タイミング補正後振幅比信号（ＣＯＴ）の値が［√３，＋∞］の範囲の場合は区間ＩＩＩｂ、［１／√３，√３］の範囲の場合は区間ＩＶａ、［０，１／√３］の範囲の場合は区間ＩＶｂ、［０，（−１／√３）］の範囲の場合は区間Ｖａ、［（−１／√３），（−√３）］の範囲の場合は区間Ｖｂ、［（−√３），−∞］の範囲の場合は区間ＶＩａと識別して、この区間区分値を出力する。
【００４４】
また、振幅比信号（ＴＡＮ）が絶対値演算器（ＴＡＮ）５４によりその絶対値が算出され、また、振幅比信号（ＣＯＴ）が絶対値演算器（ＣＯＴ）５５によりその絶対値が算出されて、コンパレータ５６により、これらの大小関係が比較される。続いて、コンパレータ５６の出力により｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜≧｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜の場合は切替スイッチ５７が区分手段（ＣＯＴ）５３の出力を区間識別手段４６の区間区分値出力として選択するよう動作し、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜＜｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜の場合は切替スイッチ５７が区分手段（ＴＡＮ）５２の出力を区間識別手段４６の区間区分値出力として選択するよう動作する。これは、すなわち振幅比信号の絶対値が小さい範囲の値を用いて角度区分識別をおこなうことで演算誤差を減らすように作用する。なお、絶対値演算器（ＴＡＮ）５４、絶対値演算器（ＣＯＴ）５５の入力として振幅比信号（ＴＡＮ）、振幅比信号（ＣＯＴ）の替わりにタイミング補正後振幅比信号（ＴＡＮ）、タイミング補正後振幅比信号（ＣＯＴ）を用いても良い。
なお、３０度毎に区分する替りに、同様にして、６０度毎に区分して区間区分値を出力するよにしてもよい。
【００４５】
続いて、区間識別手段４６の出力する区間区分値は出力タイミング調整手段４７に伝送される。出力タイミング調整手段では所定の角度あるいは所定の時間だけ区間区分値の出力タイミングを進みあるいは遅らせるよう調整する。これは調整成分Δθの量を操作することによってなされる。すなわち、角度を進ませる際にΔθをプラスの方向に調整し、角度を遅らせる際にΔθをマイナスの方向に調整する。また、時間を調整する場合にはその時の回転速度と時間の関係から時間の調整量を角度の調整量に置き換えてΔθを操作する。これは 調整成分Δθ＝（回転角速度ωｒ）×（時間調整量Δｔ）の式に基づく。回転角速度ωｒがプラスであり角度検出値θが増加している場合に時間を進ませる際はΔθをプラスの方向に調整し、時間を遅らせる際はΔθをマイナスの方向に調整する。回転角速度ωｒがマイナスであり角度検出値θが減少している場合にはΔθの調整方向のプラス、マイナスは、この逆となる。また、単に時間を遅らせるだけならば、区間識別手段４６の出力する区間区分値に対して時間差を置いてこれを出力するようにしても良い。調整成分Δθを操作して角度、時間の進み遅れを調整する場合は区間識別手段４６からの区間区分値をそのまま出力して補正後区間区分値となす。
【００４６】
以上述べた動作により、この発明の位置検出装置はレゾルバの出力する二つの振幅変調信号（ＳＩＮ），（ＣＯＳ）から二つの振幅比信号（ＴＡＮ），（ＣＯＴ）を算出し、これらを基に、ロータの回転角度を検出すると共に、３０度毎又は６０度毎に区間区分値を出力することができる。さらには区間区分値の出力を、所定の角度又は所定の時間だけ進みあるいは遅れるようタイミングを調整して出力することができる。これは、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成であり、かつ、レゾルバと組み合わせる位置検出装置でありながら、ホールセンサの出力信号から得られる角度の区間識別と同様な機能を有しており、さらに、レゾルバの取り付けの工作性などに起因する角度検出誤差の補償、あるいは、角度検出値に対する区間区分値の出力タイミングの微調整の機能を有する位置検出装置を提供することができる。
【００４７】
実施の形態２．
次に実施の形態２を図を用いて説明する。図６は実施の形２による電動機制御装置を示すブロック図である。図１０のホールセンサ３６の替わりにレゾルバ１を、区間識別手段３４の替わりに位置検出器２ｂを備えることを除いて、図１０で示す、ホールセンサを角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置を示すブロック図と同一構成である。また、位置検出器２ｂは図１にて図示されるものと同じである。
【００４８】
図６において、電動機１５の角度検出センサとしてレゾルバ１が適用されている。また、位置検出器２ｂは制御演算装置３０に内包されている。励磁回路にて生成される周期信号ＥＲ１Ｒ２を励磁コイルに入力すると、レゾルバの回転角度すなわち電動機１５の回転角度θに応じた位置信号が振幅変調信号（ＳＩＮ）、振幅変調信号（ＣＯＳ）として得られる。それぞれの振幅変調信号を位置検出器２ｂに入力すると、実施の形態１にて述べられる動作により回転角度検出値、および、補正後区間区分値が出力される。補正後区間区分値は、レゾルバ１の角度に対して所定の角度又は所定の時間だけ区間区分値の出力タイミングを進み又は遅らせるよう調整された後の出力値である。
【００４９】
進みや遅れの無い場合の区間区分値は、角度０〜３０度の場合に区間ＶＩｂ、度３０〜６０度の場合に区間Ｉａ、角度６０〜９０度の場合に区間Ｉｂ、角度９０〜１２０度の場合に区間ＩＩａ、角度１２０〜１５０度の場合に区間ＩＩｂ、角度１５０〜１８０度の場合に区間ＩＩＩａ、角度１８０〜２１０度の場合に区間ＩＩＩｂ、角度２１０〜２４０度の場合に区間ＩＶａ、角度２４０〜２７０度の場合に区間ＩＶｂ、角度２７０〜３００度の場合に区間Ｖａ、角度３００〜３３０度の場合に区間Ｖｂ、角度３３０〜３６０度の場合に区間ＶＩａとして出力され、ゲート信号生成回路３３ｂへ伝送される。
【００５０】
ゲート信号生成回路３３ｂは、公知の１２０度通電法といった矩形波スイッチング法によりゲート信号を生成し、ゲート駆動回路１９へ伝送する。続いて、ゲート駆動回路１９の出力により、電力変換半導体２０内のスイッチング素子２１がスイッチングされる。１２０度通電法としては従来技術の項で述べた図１２で示される様態のものがある。すなわち、Ｕ相上側スイッチング素子を区間Ｉ：３０〜９０度及び区間ＩＩ：９０〜１５０度の間スイッチＯＮし、さらに区間ＩＩ：９０〜１５０度ではＰＷＭスイッチングする。また、Ｕ相下側スイッチング素子を区間ＩＶ：２１０〜２７０度及び区間Ｖ：２７０〜３３０度の間スイッチＯＮし、さらに区間Ｖ：２７０〜３３０度ではＰＷＭスイッチングするものである。Ｖ相、Ｗ相の上下スイッチング素子については、それぞれＵ相スイッチング素子のＯＮ区間から１２０度、２４０度の位相差をもってスイッチＯＮされる。この場合、区間区分を６０度毎に行うことが必要となる。
【００５１】
この他にＵ相上側スイッチング素子については区間Ｉａ：３０〜６０度と区間ＩＩｂ：１２０〜１５０度を、Ｕ相下側スイッチング素子については区間ＩＶａ：２１０〜２４０度と区間Ｖｂ：３００〜３３０度をＰＷＭスイッチングする区間とし、Ｖ相、Ｗ相の上下スイッチング素子については、それぞれＵ相スイッチング素子のＯＮ区間から１２０度、２４０度の位相差をもってスイッチＯＮされる様態のものもある。この場合、区間区分を３０度毎に行うことが必要となる。
【００５２】
また、各ＰＷＭスイッチングのデューティは外部からのデューティ指示値Ｖａ＊あるいは制御演算装置３０内部で作成される値を用いて指定される。デューティを変化させることにより電動機１５に印可する電圧の振幅を調整することができる。また、補正後区間区分値としてレゾルバ１の角度に対して所定の角度又は所定の時間だけ区間区分値の出力タイミングを進み又は遅らせるよう調整することができることから、電動機１５の回転に対して印可する電圧の位相を調整することができる。
【００５３】
以上のことから、矩形波スイッチング法と組み合わせてゲート信号生成のための演算動作を軽減できる廉価な電動機制御装置を得ることができる。
この他、図示していないが、従来技術として図８に示されるレゾルバを角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置を示すブロック図において、従来の位置検出器２ａの替わりに実施の形態１による位置検出器２ｂを適用する場合もある。このとき、制御演算装置３０はベクトル制御法により電動機１５を駆動することとなるが、位置検出器２ｂがＲ／Ｄコンバータ１２を備えないため、従来構成より廉価な電動機制御装置を提供することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明のロータの回転角度位置検出装置によれば、励磁信号が励磁コイルに入力され、ロータの回転角度θに応じた誘導電圧を二次コイル（ＳＩＮ）に振幅変調信号（ＳＩＮ）として、かつ、二次コイル（ＣＯＳ）に振幅変調信号（ＣＯＳ）として、それぞれ出力するレゾルバ、このレゾルバの振幅変調信号（ＳＩＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）が導入され、これらから振幅変調信号（ＳＩＮ）／振幅変調信号（ＣＯＳ）＝振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）／振幅変調信号（ＳＩＮ）＝振幅比信号（ＣＯＴ）を算出し、算出した振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基にロータの回転角度θを検出する位置検出器を備えたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成の位置検出装置を得ることができる。
【００５５】
また、位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基に、ロータの回転角度θを３０度毎又は６０度毎の区間に区分して区間区分値を出力する区間識別手段を備えたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成であり、さらにレゾルバと組み合わせる位置検出装置でありながら、ホールセンサの出力信号から得られる回転角度の区間識別と同様な機能を有する位置検出装置を得ることができる。
【００５６】
位置検出器は、上記区間区分値を所定の角度又は所定の時間だけ進み又は遅れて出力する出力タイミング調整手段を備えたものである。これにより、レゾルバの取り付けの工作性などに起因する回転角度検出誤差の補償、又は、回転角度検出値に対する区間区分値の出力タイミングの微調整の機能を有する位置検出装置を得ることができる。
【００５７】
位置検出器は、振幅変調信号（ＳＩＮ）の検波手段有し、検波した振幅変調信号（ＳＩＮ）の符号により、ロータの回転角度θが角度０〜１８０度内か角度１８０〜３６０度内かを識別するようにしたものである。これにより、検出したロータの回転角度θが角度０〜１８０度内か角度１８０〜３６０度内かを識別できる。
【００５８】
また、位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）の絶対値と振幅比信号（ＣＯＴ）の絶対値の大小を比較して、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜≦｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＴＡＮ）を採用し、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜＞｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＣＯＴ）を採用して、ロータの回転角度θを検出するようにしたものである。これにより、振幅比信号の絶対値が小さい範囲の値を用いて回転角度検出又は回転角度区分識別を行うため、演算誤差を減らすことができる。
【００５９】
また、パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを備え、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の位置検出装置を備えたものである。これにより、特に自動車の内燃機関直近に配置されるような用途において周辺温度の上昇に対して充分な耐性を持つレゾルバを回転角度検出センサとして適用しつつ、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない位置検出装置を備えた廉価な電動機制御装置を得ることができる。
【００６０】
さらにまた、パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを有し、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、請求項４または請求項５記載の位置検出装置を備え、上記パワー素子のスイッチング制御信号が請求項４または請求項５記載の区間区分値に同期してなされるようにしたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない位置検出装置を備え、さらに、矩形波スイッチング法と組み合わせてゲート信号生成のための演算動作を軽減できるため、制御演算装置部分が、より廉価な電動機制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の位置検出装置を示すブロック図である。
【図２】一相励磁二相出力方式のレゾルバの動作説明図である。
【図３】実施の形態１の区間識別手段の詳細な構成を示すブロック図である。
【図４】区間区分の境に対する振幅変調信号、振幅比信号の特性の一覧を示す図である。
【図５】実施の形態１の区間識別の動作原理の説明図である。
【図６】実施の形態２の電動機制御装置を示すブロック図である。
【図７】従来の位置検出装置を示すブロック図である。
【図８】従来の電動機制御装置を示すブロック図である。
【図９】従来のベクトル制御法におけるゲート信号の波形の一例を示す図である。
【図１０】従来の矩形波スイッチング法による電動機制御装置を示すブロック図である。
【図１１】従来のホールセンサの詳細な構成を示すブロック図である。
【図１２】従来のホールセンサ出力信号と角度区間識別および１２０度通電法のゲート信号出力の動作説明図である。
【図１３】従来の１２０度通電法におけるゲート信号の波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ レゾルバ ２ａ，２ｂ 位置検出器
３ 信号伝送線 ４ ロータ
５ 励磁コイル ６ 二次コイル（ＳＩＮ）
７ 二次コイル（ＣＯＳ） ８ 励磁回路
９ 入力インターフェイス回路 １０ 差動増幅器Ａ
１１ 差動増幅器Ｂ １２ Ｒ／Ｄコンバータ
１５ 電動機 １６ 直流電源
１７ 電力変換装置 １８ａ Ｕ相電流検出器
１８ｂ Ｖ相電流検出器 １９ ゲート駆動回路
２０ 電力変換半導体
２１ａ Ｕ相上アームスイッチング素子
２１ｂ Ｕ相下アームスイッチング素子
２２ａ Ｕ相上アームフライホイールダイオード
２２ｂ Ｕ相下アームフライホイールダイオード
３０ 制御演算装置 ３１ 電流信号入力回路
３２ ベクトル制御演算回路
３３ａ，３３ｂ ゲート信号生成回路 ３４ 区間識別手段
３６ ホールセンサ ３７ 回転磁性体
３８ａ Ｕ相ホール素子／ホールＩＣ ３８ｂ Ｖ相ホール素子／ホールＩＣ
３８ｃ Ｗ相ホール素子／ホールＩＣ ４０ 割算器（ＴＡＮ）
４１ 割算器（ＣＯＴ） ４２ 角度検出演算手段
４３ Ａ／Ｄ変換器（ＴＡＮ） ４４ Ａ／Ｄ変換器（ＣＯＴ）
４５ 角度変換手段 ４６ 区間識別手段
４７ 出力タイミング調整手段 ５０ 検波手段
５１ 正接（ｔａｎ）演算器 ５２ 区分手段（ＴＡＮ）
５３ 区分手段（ＣＯＴ） ５４ 絶対値演算器（ＴＡＮ）
５５ 絶対値演算器（ＣＯＴ） ５６ コンパレータ
５７ 切替スイッチ。
【発明の属する技術分野】
この発明はロータの回転角度を検出する位置検出装置およびその装置を用いた電動機制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転角度を検出する位置検出装置として、従来より一相励磁二相出力方式のレゾルバと組み合わせて回転角度を検出する位置検出装置が知られている。この従来の位置検出装置の構成例として、図７に示されるものがある。１は一相励磁二相出力型のレゾルバを模式的に表したものであり、ロータ４、励磁コイル５、二次コイル（ＳＩＮ）６、二次コイル（ＣＯＳ）７から構成される。２ａは位置検出器を模式的に表したものであり、励磁回路８、入力インターフェイス回路９、Ｒ／Ｄコンバータ１２から構成される。入力インターフェイス回路９を構成する主なものとして差動増幅器Ａ１０、差動増幅器Ｂ１１を図示している。３はレゾルバ１と位置検出器２ａを結ぶ信号伝送線である。
【０００３】
まず励磁回路８にて周期信号ＥＲ１Ｒ２（一般的には正弦波信号）を生成する。信号伝送線３を経て励磁コイル５に周期信号ＥＲ１Ｒ２を入力すると、ロータ４の回転角度θに応じた誘導電圧が二次コイル（ＳＩＮ）６、二次コイル（ＣＯＳ）７の両端に発生する。ここで、二次コイル（ＳＩＮ）６には正弦波状に振幅変調された信号ＥＳ２Ｓ４が、二次コイル（ＣＯＳ）７には余弦波状に振幅変調された信号ＥＳ１Ｓ３が、それぞれ誘起される。この振幅変調信号が、すなわちレゾルバの位置信号であり、以降は信号ＥＳ２Ｓ４を振幅変調信号（ＳＩＮ）、信号ＥＳ１Ｓ３を振幅変調信号（ＣＯＳ）と表記する。振幅変調信号（ＳＩＮ）及び振幅変調信号（ＣＯＳ）は信号伝送線３を経て入力インターフェイス回路９に入力される。振幅変調信号は入力インターフェイス回路９内の差動増幅器にて信号増幅されて励磁回路８からの励磁信号と共にＲ／Ｄコンバータ１２へ取り込まれる。Ｒ／Ｄコンバータ１２では、例えばトラッキング方式といったレゾルバ／ディジタル（Ｒ／Ｄ）変換方式により回転角度が算出される。
【０００４】
また、従来の電動機制御装置の構成例として、図８に示されるものがある。これは、一相励磁二相出力方式のレゾルバを角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置を示すブロック図である。
図８において、１はレゾルバ、２ａは位置検出器、３は信号伝送線、１５は電動機、１６は直流電源、１７は電力変換装置、１８ａはＵ相電流検出器、１８ｂはＶ相電流検出器、１９はゲート駆動回路、２０は電力変換半導体、２１ａはＵ相上アームスイッチング素子、２１ｂはＵ相下アームスイッチング素子、２２ａはＵ相上アームフライホイールダイオード、２２ｂはＵ相下アームフライホイールダイオード、３０は制御演算装置、３１は電流信号入力回路、３２はベクトル制御演算回路、３３ａはゲート信号生成回路である。
【０００５】
次に、動作について説明する。電力変換装置１７は直流電源１６からの直流電力を交流電力に変換して電動機１５に供給する。その際、直流電力から交流電力への変換は電力変換半導体２０のパワー素子を構成するスイッチング素子をスイッチングすることによりなされる。なお、パワー素子はスイッチング素子２１とフライホイールダイオード２２とから構成される。図８にはＵ相スイッチング素子２１ａ，２１ｂとＵ相フライホイールダイオード２２ａ，２２ｂのみを図示しているが、この他、Ｖ相スイッチング素子２１ｃ，２１ｄとＶ相フライホイールダイオード２２ｃ，２２ｄ、およびＷ相スイッチング素子２１ｅ，２１ｆとＷ相フライホイールダイオード２２ｅ，２２ｆが存在する。スイッチングのために制御演算装置３０内のゲート信号生成回路３３ａにて生成されるゲート駆動信号Ｇｕｈ，Ｇｕｌ，Ｇｖｈ，Ｇｖｌ，Ｇｗｈ，Ｇｗｌが電力変換装置１７内のゲート駆動回路１９に伝達される。ゲート駆動回路１９はゲート信号を波形整形、電位変換してスイッチング素子のゲートをＯＮ／ＯＦＦさせる。
【０００６】
ここで、制御演算装置３０では電動機１５を駆動するために、いかに電圧を印可すべきか、すなわち、いかにスイッチング素子をスイッチングするかの演算を行う。いかに電圧を印可すべきかは、電動機の制御方法により様々な種類のものが存在するが、電動機の発生トルクを精度良く制御する方法としてベクトル制御法と呼ばれる手法が良く用いられる。この方法では、三相交流である電圧、電流等の諸量を、磁束の方向と一致して回転する座標軸（ｄ軸）と、これに直交して回転する座標軸（ｑ軸）とにベクトル分解し、直交座標上での電圧、電流を調整・制御することで発生トルクを制御する。電動機として永久磁石式同期機を対象とした場合の回転直交座標（ｄ，ｑ座標）上での電圧と電流の関係は次式となる。
【０００７】
【数１】
【０００８】
この時の電動機の発生トルクτｍは次式で表わされる。
【数２】
【０００９】
このため電流検出器１８ａ，１８ｂにて電動機１５に流れる三相交流電流値を検出し電流信号入力回路３１に伝送し、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖとなす。ｉｕ、ｉｖに基づき三相座標上の電流を回転直交座標上のｄ軸、ｑ軸にベクトル分解してｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑを算出する。更にこのｉｄ、ｉｑを用いて所望の発生トルクτｍを得るべきｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧Ｖｑを算出し、これを再びベクトル分解して三相交流座標上に変換し、Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊を算出する。
【００１０】
以上の演算はベクトル制御演算回路３２でなされ、三相の電圧指令はゲート信号生成回路３３ａに伝達される。ゲート信号生成回路３３ａは、公知の三角波比較正弦波近似ＰＷＭ法などの手法によりゲート信号を生成する。ゲート信号は、ゲート駆動回路１９を経てスイッチング素子２１をスイッチングし、ひいては電動機１５を制御することとなる。この際、三相交流座標から回転直交座標、あるいはこの逆の座標変換には、位置検出器２ａで検出されるレゾルバ１の回転角度すなわち電動機１５の回転角度が用いられる。
【００１１】
図９はベクトル制御法におけるゲート信号の波形例である。図において全角度範囲０〜３６０度にわたり平均的には正弦波状に分布するようにＰＷＭされる。上アームのゲート信号と下アームのゲート信号は互いに相補の関係である。
【００１２】
またさらに、この他の従来の電動機制御装置の構成例として、図１０に示されるものがある。これは、ホールセンサを角度検出センサとして適用した電動機を制御する電動機制御装置である。図１０において図８と同一の符号は、同一の働き、動作をする。ここで、３３ｂはゲート信号生成回路、３４は区間識別手段、３６はホールセンサである。
【００１３】
図１１はホールセンサ３６の詳細な構成を表す図である。図１１において、３７は回転磁性体、３８ａはＵ相ホール素子／ホールＩＣ、３８ｂはＶ相ホール素子／ホールＩＣ、３８ｃはＷ相ホール素子／ホールＩＣである。ホールセンサ３６は回転磁性体３７による磁束を、三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）それぞれ電気角度的に１２０度ずつ位相差をもって配置されるホール素子／ホールＩＣ ３８ａ〜ｃにより検出し、この磁束の変化から回転角度を検出する装置である。ホール素子／ホールＩＣからはＵ−ｓｎｓ、Ｖ−ｓｎｓ、Ｗ−ｓｎｓの三相（ｕ，Ｖ，Ｗ）それぞれが角度一周期につき１パルスで相互に１２０度ずつの位相差を持った矩形信号を出力する。各出力信号の論理（‘Ｈ’か‘Ｌ’）の組み合わせにより角度一周（３６０度）を６０度ごとに分解して各区間を区分して検出することができる。
【００１４】
図１２はホールセンサ出力信号と角度区間識別の関係を表している。すなわちＵ−ｓｎｓ、Ｖ−ｓｎｓ、Ｗ−ｓｎｓがそれぞれ”Ｈ−Ｌ−Ｈ”の時は区間Ｉ：３０〜９０度と、”Ｈ−Ｌ−Ｌ”の時は区間ＩＩ：９０〜１５０度と、”Ｈ−Ｈ−Ｌ”の時は区間ＩＩＩ：１５０〜２１０度と、”Ｌ−Ｈ−Ｌ”の時は区間ＩＶ：２１０〜２７０度と、”Ｌ−Ｈ−Ｈ”の時は区間Ｖ：２７０〜３３０度と、”Ｌ−Ｌ−Ｈ”の時は区間ＶＩ：３３０〜３０度と、それぞれ区間識別することができる。
【００１５】
制御演算装置３０内の区間識別手段３４は、ホールセンサ３６からのＵ−ｓｎｓ、Ｖ−ｓｎｓ、Ｗ−ｓｎｓ信号を入力して、上記手法により角度の区間識別を行い、識別結果をゲート信号生成回路３３ｂへ伝送する。ゲート信号生成回路３３ｂは、例えば公知の１２０度通電法といった矩形波スイッチング法によりゲート信号を生成し、ゲート駆動回路１９へ伝送する。つづいて、ゲート駆動回路１９の出力により、電力変換半導体２０内のスイッチング素子２１がスイッチングされる。１２０度通電という呼称は、全角度範囲（０〜３６０度）において１２０度の区間をスイッチＯＮすることを指す。
【００１６】
その一例として図１２の角度区間とゲート信号出力の関係で表される形式のものがある。すなわち、Ｕ相上側スイッチング素子を区間Ｉ：３０〜９０度及び区間ＩＩ：９０〜１５０度の間スイッチＯＮし、さらに区間ＩＩ：９０〜１５０度ではＰＷＭスイッチングする。また、Ｕ相下側スイッチング素子を区間ＩＶ：２１０〜２７０度及び区間Ｖ：２７０〜３３０度の間スイッチＯＮし、さらに区間Ｖ：２７０〜３３０度ではＰＷＭスイッチングするものである。Ｖ相、Ｗ相の上下スイッチング素子については、それぞれＵ相スイッチング素子のＯＮ区間から１２０度、２４０度の位相差をもってスイッチＯＮされる。ここで各ＰＷＭスイッチングのデューティは外部からのデューティ指示値Ｖａ＊あるいは制御演算装置３０内部で作成される値を用いて指定され、デューティを変化させることにより電動機１５に印可する電圧を調整する。
【００１７】
図１３は１２０度通電法におけるゲート信号の波形例である。図において各スイッチング素子は全角度範囲０〜３６０度のうち１２０度の間スイッチＯＮされ、またスイッチＯＮの区間の後半６０度にわたりＰＷＭされる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位置検出装置は上記のようにＲ／Ｄコンバータを備えた構成である。Ｒ／Ｄコンバータは角度検出を行うための重要部品であるとともに位置検出装置の構成要素の内で高いコスト比率を占めており、位置検出装置を廉価に製造する妨げとなっている。一方で廉価な位置検出装置として上記のホールセンサがある。ホールセンサを角度検出器として適用した電動機制御装置は従来例として示される通り比較的簡素な構成となる。しかしホールセンサは特に自動車の内燃機関直近に配置されるような用途には、周辺温度の上昇に対して耐性が低いという問題点があった。また、レゾルバと組み合わせる位置検出装置を１２０度通電法といった矩形波スイッチング法に適用する場合には、電気角度一周（３６０度）を６０度ごとに分解して各区間を区分するために、Ｒ／Ｄコンバータからの角度検出値を煩雑に読み込みながら区間の切り替わりを認識する必要があった。これを補うためホールセンサを模擬した信号を出力する機能を従たる機能として備えるＲ／Ｄコンバータも提供されているが、ホールセンサを使用した位置検出装置に比較して相対的に高価であるという問題があった。
【００１９】
この発明は上記の問題を解決するためになされたもので、Ｒ／Ｄコンバータを備えず廉価な構成であるロータの回転角度位置検出装置を提供すると共に、例えば矩形波スイッチング法と組み合わせて比較的簡素な電動機制御装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるロータの回転角度位置検出装置は、励磁信号が励磁コイルに入力され、ロータの回転角度θに応じた誘導電圧を二次コイル（ＳＩＮ）に振幅変調信号（ＳＩＮ）として、かつ、二次コイル（ＣＯＳ）に振幅変調信号（ＣＯＳ）として、それぞれ出力するレゾルバ、このレゾルバの振幅変調信号（ＳＩＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）が導入され、これらから振幅変調信号（ＳＩＮ）／振幅変調信号（ＣＯＳ）＝振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）／振幅変調信号（ＳＩＮ）＝振幅比信号（ＣＯＴ）を算出し、算出した振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基にロータの回転角度θを検出する位置検出器を備えたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成の位置検出装置を得ることができる。
【００２１】
また、位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基に、ロータの回転角度θを３０度毎又は６０度毎の区間に区分して区間区分値を出力する区間識別手段を備えたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成であり、さらにレゾルバと組み合わせる位置検出装置でありながら、ホールセンサの出力信号から得られる回転角度の区間識別と同様な機能を有する位置検出装置を得ることができる。
【００２２】
位置検出器は、上記区間区分値を所定の角度又は所定の時間だけ進み又は遅れて出力する出力タイミング調整手段を備えたものである。これにより、レゾルバの取り付けの工作性などに起因する回転角度検出誤差の補償、又は、回転角度検出値に対する区間区分値の出力タイミングの微調整の機能を有する位置検出装置を得ることができる。
【００２３】
位置検出器は、振幅変調信号（ＳＩＮ）の検波手段有し、検波した振幅変調信号（ＳＩＮ）の符号により、ロータの回転角度θが角度０〜１８０度内か角度１８０〜３６０度内かを識別するようにしたものである。これにより、ロータの回転角度θが角度０〜１８０度内か角度１８０〜３６０度内かを識別できる。
【００２４】
また、位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）の絶対値と振幅比信号（ＣＯＴ）の絶対値の大小を比較して、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜≦｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＴＡＮ）を採用し、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜＞｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＣＯＴ）を採用して、ロータの回転角度θを検出するようにしたものである。これにより、振幅比信号の絶対値が小さい範囲の値を用いて回転角度検出又は回転角度区分識別を行うため、演算誤差を減らすことができる。
【００２５】
また、パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを備え、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の位置検出装置を備えたものである。これにより、特に自動車の内燃機関直近に配置されるような用途において周辺温度の上昇に対して充分な耐性を持つレゾルバを回転角度検出センサとして適用しつつ、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない位置検出装置を備えた廉価な電動機制御装置を得ることができる。
【００２６】
さらにまた、パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを有し、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、請求項４または請求項５記載の位置検出装置を備え、上記パワー素子のスイッチング制御信号が請求項４または請求項５記載の区間区分値に同期してなされるようにしたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない位置検出装置を備え、さらに、矩形波スイッチング法と組み合わせてゲート信号生成のための演算動作を軽減できるため、より廉価な電動機制御装置を得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１による位置検出装置を示すブロック図である。図１において、１は一相励磁二相出力方式のレゾルバ、２ｂは位置検出器、３は信号伝送線、４はロータ、５は励磁コイル、６は二次コイル（ＳＩＮ）、７は二次コイル（ＣＯＳ）、８は励磁回路、９は入力インターフェイス回路、１０は差動増幅器Ａ、１１は差動増幅器Ｂ、４０は割算器（ＴＡＮ）、４１は割算器（ＣＯＴ）、４２は角度検出演算手段、４３はＡ／Ｄ変換器（ＴＡＮ）、４４はＡ／Ｄ変換器（ＣＯＴ）、４５は角度変換手段、４６は区間識別手段、４７は出力タイミング調整手段、５０は検波手段である。
【００２８】
図１において、図７と同一符号は同様の機能を担う構成要素である。従来技術例と同様に、励磁回路８にて周期信号である励磁信号ＥＲ１Ｒ２（一般的には正弦波信号）を生成し、信号伝送線３を経てレゾルバ１の励磁コイル５に入力する。この時、ロータ４の回転角度θに応じた誘導電圧が二次コイル（ＳＩＮ）６、二次コイル（ＣＯＳ）７の両端に発生する。ここで二次コイル（ＳＩＮ）６には正弦波状に振幅変調された信号ＥＳ２Ｓ４が、二次コイル（ＣＯＳ）７には余弦波状に振幅変調された信号ＥＳ１Ｓ３が誘起され、それぞれ振幅変調信号（ＳＩＮ）、振幅変調信号（ＣＯＳ）となす。
【００２９】
ここで、レゾルバ１の理想的な励磁信号、及び、振幅変調信号はそれぞれ次式で表される。
【数３】
【００３０】
ここで位置検出器２ｂの動作説明に先立ち、この発明の振幅変調信号の振幅比に基づく角度検出、および、レゾルバ角度を３０度毎の区間に区分する区間識別の動作原理について述べる。図４は、レゾルバ角度を３０度毎に区分したときの境における振幅変調信号（ＳＩＮ）、振幅変調信号（ＣＯＳ）、振幅比信号（ＴＡＮ）、振幅比信号（ＣＯＴ）の値を示している。ここで振幅変調信号の欄は、図２および（式４）、（式５）に示される振幅変調信号において、励磁（搬送波）成分を取り除いた検波後の振幅値を示している。すなわち、検波後の振幅変調信号（ＳＩＮ）＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθとなり、角度０〜９０〜１８０度の間はプラス、１８０〜２７０〜３６０度の間はマイナスの値となる。また、検波後の振幅変調信号（ＣＯＳ）＝Ｋ・Ｅ・ｃｏｓθとなり、角度９０〜１８０〜２７０度の間はマイナス、２７０〜０〜９０度の間はプラスの値となる。
【００３１】
また、振幅比信号（ＴＡＮ）は振幅変調信号（ＳＩＮ）÷振幅変調信号（ＣＯＳ）の関係であり正接（ｔａｎ）関数となる。つまり角度θが増加している場合に、角度９０〜１８０〜２７０度の間、２７０〜０〜９０度の間で−∞から＋∞まで増加する。ここで角度θ＝３０、２１０度で振幅値１／√３、角度θ＝６０、２４０度で振幅値√３、角度θ＝１５０、３３０度で振幅値（−１／√３）、角度θ＝１２０、３００度で振幅値（−√３）、角度θ＝０、１８０度で振幅値０となる。さらに、振幅比信号（ＣＯＴ）は振幅変調信号（ＣＯＳ）÷振幅変調信号（ＳＩＮ）の関係であり、余接（ｃｏｔ）関数となる。つまり角度θが増加している場合に、角度０〜９０〜１８０度の間、１８０〜２７０〜３６０度の間で＋∞から−∞まで減少する。ここで角度θ＝６０、２４０度で振幅値１／√３、角度θ＝３０、２１０度で振幅値√３、角度θ＝１２０、３００度で振幅値（−１／√３）、角度θ＝１５０、３３０度で振幅値（−√３）、角度θ＝９０、２７０度で振幅値０となる。また、振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）の値は角度θ＝４５、２２５度において等しく１となり、角度θ＝１３５、３１５度において等しく−１となる。
【００３２】
これらを整理して図示すると、図５のように表される。すなわち振幅比信号（ＴＡＮ）、振幅比信号（ＣＯＴ）の値の（−√３）、（−１／√３）、０、１／√３、√３に対する大小関係を比較することで、角度０〜９０〜１８０度内の角度区分ＶＩｂ、Ｉａ、Ｉｂ、ＩＩａ、ＩＩｂ、ＩＩＩａ、角度１８０〜２７０〜３６０度内の角度区分ＩＩＩｂ、ＩＶａ、ＩＶｂ、Ｖａ、Ｖｂ、ＶＩａを識別することができる。角度０〜９０〜１８０度と角度１８０〜２７０〜３６０度の識別については、例えば検波後の振幅変調信号（ＳＩＮ）の符号により行うことができる。すなわち符号がプラスの場合は角度０〜９０〜１８０度であり、マイナスの場合は角度１８０〜２７０〜３６０度である。
【００３３】
さらに振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）の値同士の大小関係を比較して、角度検出、角度区分識別に採用する振幅比信号を適宜選択することができる。つまり、各振幅比信号の絶対値から、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜≦｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜の場合は振幅比信号（ＴＡＮ）を選択し、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜＞｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜の場合は振幅比信号（ＣＯＴ）を選択すれば、振幅比信号の絶対値が小さい範囲の値を用いて角度検出、角度区分識別を行うため、演算誤差を減らすことができる。これは振幅比信号を算出するために、割算演算を行う際のダイナミックレンジの設定に関連する。
【００３４】
以上の原理による位置検出器２ｂの動作は次のようになる。まず振幅変調信号（ＳＩＮ）、振幅変調信号（ＣＯＳ）が入力インターフェイス回路９に入力されて差動増幅器Ａ１０、差動増幅器Ｂ１１で増幅された後、割算器（ＴＡＮ）４０、割算器（ＣＯＴ）４１にそれぞれ伝送される。割算器（ＴＡＮ）４０では振幅変調信号（ＳＩＮ）÷振幅変調信号（ＣＯＳ）の演算が行われて振幅比信号（ＴＡＮ）が出力される。また割算器（ＣＯＴ）４１では振幅変調信号（ＣＯＳ）÷振幅変調信号（ＳＩＮ）の演算が行われて振幅比信号（ＣＯＴ）が出力される。
【００３５】
続いて、角度検出演算手段４２に各振幅比信号が入力されて、それぞれＡ／Ｄ変換器（ＴＡＮ）４３、Ａ／Ｄ変換器（ＣＯＴ）４４にてアナログ／ディジタル変換され数値データとして算出される。角度変換手段４５では正接（ｔａｎ）成分と余接（ｃｏｔ）成分の数値データを用いてレゾルバ角度を算出し角度検出値として出力する。算出の過程において、前述のように各数値データの絶対値の大小関係に基づいて、演算入力対象の数値データを演算誤差が少なくなるように選択し、この数値データの逆関数（ｔａｎ成分の場合はａｒｃｔａｎを、ｃｏｔ成分の場合はａｒｃｃｏｔ）を求める。逆関数を求めるには級数展開式に基づく方法など種々考えられるが、ｔａｎ成分、ｃｏｔ成分の数値データと角度検出値とを対応付けた変換マップを用いると演算量が少なく適切である。
【００３６】
また差動増幅器Ａ１０、差動増幅器Ｂ１１の出力は、検波手段５０へ伝送されて搬送波成分を取り除いた検波後の振幅変調信号Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθ、Ｋ・Ｅ・ｃｏｓθが出力される。
【００３７】
続いて、検波後振幅変調信号は角度変換手段４５に入力される。角度変換手段４５では検波後振幅変調信号＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθの符号からレゾルバ角度の０度〜９０度〜１８０度、１８０度〜２７０度〜３６０度の別を判別する。判別した結果、１８０度〜２７０度〜３６０度の範囲に有る場合は、数値データの逆関数の算出結果に１８０度を加算し、また、０度〜９０度〜１８０度の範囲に有る場合は数値データの逆関数の算出結果に何も加算せずに角度検出値となす。以上のようにして振幅変調信号を用いた二つの振幅比信号に基づいて、レゾルバ角度、即ち、レゾルバのロ−タの回転角度θが算出される。
【００３８】
一方、角度区間の識別および区間区分値の出力動作は以下のようになる。図３は、区間識別手段４６の詳細な構成を表すブロック図である。図３において、５１は正接（ｔａｎ）演算器、５２は区分手段（ＴＡＮ）、５３は区分手段（ＣＯＴ）、５４は絶対値演算器（ＴＡＮ）、５５は絶対値演算器（ＣＯＴ）、５６はコンパレータ、５７は切替スイッチである。
【００３９】
次に動作について説明する。まず、検波手段５０の出力Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθ、Ｋ・Ｅ・ｃｏｓθと割算器（ＴＡＮ）４０の出力である振幅比信号（ＴＡＮ）、割算器（ＣＯＴ）４１の出力である振幅比信号（ＣＯＴ）、および、後述の出力タイミング調整手段４７が出力する調整成分Δθが区間識別手段４６に入力される。調整成分Δθは正接（ｔａｎ）演算器５１に入力されｔａｎ（Δθ）が算出される。区分手段（ＴＡＮ）５２にはｔａｎ（Δθ）、Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθ、Ｋ・Ｅ・ｃｏｓθ、振幅比信号（ＴＡＮ）が入力される。
【００４０】
区分手段（ＴＡＮ）５２では、これら入力を元に角度区間の識別・区分が行われる。まず、調整成分Δθの影響を加味して次式の演算を行う。
【数４】
【００４１】
続いて、タイミング補正後振幅比信号（ＴＡＮ）から、前述の動作原理に基づいて角度区間の識別を行う。まず、検波後振幅変調信号＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθの符号からレゾルバ角度の０度〜９０度〜１８０度、１８０度〜２７０度〜３６０度の別を判別する。さらにレゾルバ角度が０〜９０〜１８０度に有り、かつ、タイミング補正後振幅比信号（ＴＡＮ）の値が［０，１／√３］の範囲の場合は区間ＶＩｂ、［１／√３，√３］の範囲の場合は区間Ｉａ、［√３，＋∞］の範囲の場合は区間Ｉｂ、［−∞，（−√３）］の範囲の場合は区間ＩＩａ、［（−√３），（−１／√３）］の範囲の場合は区間ＩＩｂ、［（−１／√３），０］の範囲の場合は区間ＩＩＩａと識別して、この区間区分値を出力する。また、レゾルバ角度が１８０〜２７０〜３６０度にあり、かつ、タイミング補正後振幅比信号（ＴＡＮ）の値が［０，１／√３］の範囲の場合は区間ＩＩＩｂ、［１／√３，√３］の範囲の場合は区間ＩＶａ、［√３，＋∞］の範囲の場合は区間ＩＶｂ、［−∞，（−√３）］の範囲の場合は区間Ｖａ、［（−√３），（−１／√３）］の範囲の場合は区間Ｖｂ、［（−１／√３），０］の範囲の場合は区間ＶＩａと識別して、この区間区分値を出力する。
【００４２】
区分手段（ＣＯＴ）５３においても、区分手段（ＴＡＮ）５２と同様な動作がなされる。まず、調整成分Δθの影響を加味して次式の演算を行う。
【数５】
【００４３】
続いて、前述の動作原理に基づいて角度区間の識別を行う。まず、検波後振幅変調信号＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎθの符号からレゾルバ角度の０度〜９０度〜１８０度、１８０度〜２７０度〜３６０度の別を判別する。レゾルバ角度が０〜９０〜１８０度にあり、かつ、タイミング補正後振幅比信号（ＣＯＴ）の値が［√３，＋∞］の範囲の場合は区間ＶＩｂ、［１／√３，√３］の範囲の場合は区間Ｉａ、［０，１／√３］の範囲の場合は区間Ｉｂ、［０，（−１／√３）］の範囲の場合は区間ＩＩａ、［（−１／√３），（−√３）］の範囲の場合は区間ＩＩｂ、［（−√３），−∞］の範囲の場合は区間ＩＩＩａと識別して、この区間区分値を出力する。また、レゾルバ角度が１８０〜２７０〜３６０度にあり、かつ、タイミング補正後振幅比信号（ＣＯＴ）の値が［√３，＋∞］の範囲の場合は区間ＩＩＩｂ、［１／√３，√３］の範囲の場合は区間ＩＶａ、［０，１／√３］の範囲の場合は区間ＩＶｂ、［０，（−１／√３）］の範囲の場合は区間Ｖａ、［（−１／√３），（−√３）］の範囲の場合は区間Ｖｂ、［（−√３），−∞］の範囲の場合は区間ＶＩａと識別して、この区間区分値を出力する。
【００４４】
また、振幅比信号（ＴＡＮ）が絶対値演算器（ＴＡＮ）５４によりその絶対値が算出され、また、振幅比信号（ＣＯＴ）が絶対値演算器（ＣＯＴ）５５によりその絶対値が算出されて、コンパレータ５６により、これらの大小関係が比較される。続いて、コンパレータ５６の出力により｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜≧｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜の場合は切替スイッチ５７が区分手段（ＣＯＴ）５３の出力を区間識別手段４６の区間区分値出力として選択するよう動作し、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜＜｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜の場合は切替スイッチ５７が区分手段（ＴＡＮ）５２の出力を区間識別手段４６の区間区分値出力として選択するよう動作する。これは、すなわち振幅比信号の絶対値が小さい範囲の値を用いて角度区分識別をおこなうことで演算誤差を減らすように作用する。なお、絶対値演算器（ＴＡＮ）５４、絶対値演算器（ＣＯＴ）５５の入力として振幅比信号（ＴＡＮ）、振幅比信号（ＣＯＴ）の替わりにタイミング補正後振幅比信号（ＴＡＮ）、タイミング補正後振幅比信号（ＣＯＴ）を用いても良い。
なお、３０度毎に区分する替りに、同様にして、６０度毎に区分して区間区分値を出力するよにしてもよい。
【００４５】
続いて、区間識別手段４６の出力する区間区分値は出力タイミング調整手段４７に伝送される。出力タイミング調整手段では所定の角度あるいは所定の時間だけ区間区分値の出力タイミングを進みあるいは遅らせるよう調整する。これは調整成分Δθの量を操作することによってなされる。すなわち、角度を進ませる際にΔθをプラスの方向に調整し、角度を遅らせる際にΔθをマイナスの方向に調整する。また、時間を調整する場合にはその時の回転速度と時間の関係から時間の調整量を角度の調整量に置き換えてΔθを操作する。これは 調整成分Δθ＝（回転角速度ωｒ）×（時間調整量Δｔ）の式に基づく。回転角速度ωｒがプラスであり角度検出値θが増加している場合に時間を進ませる際はΔθをプラスの方向に調整し、時間を遅らせる際はΔθをマイナスの方向に調整する。回転角速度ωｒがマイナスであり角度検出値θが減少している場合にはΔθの調整方向のプラス、マイナスは、この逆となる。また、単に時間を遅らせるだけならば、区間識別手段４６の出力する区間区分値に対して時間差を置いてこれを出力するようにしても良い。調整成分Δθを操作して角度、時間の進み遅れを調整する場合は区間識別手段４６からの区間区分値をそのまま出力して補正後区間区分値となす。
【００４６】
以上述べた動作により、この発明の位置検出装置はレゾルバの出力する二つの振幅変調信号（ＳＩＮ），（ＣＯＳ）から二つの振幅比信号（ＴＡＮ），（ＣＯＴ）を算出し、これらを基に、ロータの回転角度を検出すると共に、３０度毎又は６０度毎に区間区分値を出力することができる。さらには区間区分値の出力を、所定の角度又は所定の時間だけ進みあるいは遅れるようタイミングを調整して出力することができる。これは、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成であり、かつ、レゾルバと組み合わせる位置検出装置でありながら、ホールセンサの出力信号から得られる角度の区間識別と同様な機能を有しており、さらに、レゾルバの取り付けの工作性などに起因する角度検出誤差の補償、あるいは、角度検出値に対する区間区分値の出力タイミングの微調整の機能を有する位置検出装置を提供することができる。
【００４７】
実施の形態２．
次に実施の形態２を図を用いて説明する。図６は実施の形２による電動機制御装置を示すブロック図である。図１０のホールセンサ３６の替わりにレゾルバ１を、区間識別手段３４の替わりに位置検出器２ｂを備えることを除いて、図１０で示す、ホールセンサを角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置を示すブロック図と同一構成である。また、位置検出器２ｂは図１にて図示されるものと同じである。
【００４８】
図６において、電動機１５の角度検出センサとしてレゾルバ１が適用されている。また、位置検出器２ｂは制御演算装置３０に内包されている。励磁回路にて生成される周期信号ＥＲ１Ｒ２を励磁コイルに入力すると、レゾルバの回転角度すなわち電動機１５の回転角度θに応じた位置信号が振幅変調信号（ＳＩＮ）、振幅変調信号（ＣＯＳ）として得られる。それぞれの振幅変調信号を位置検出器２ｂに入力すると、実施の形態１にて述べられる動作により回転角度検出値、および、補正後区間区分値が出力される。補正後区間区分値は、レゾルバ１の角度に対して所定の角度又は所定の時間だけ区間区分値の出力タイミングを進み又は遅らせるよう調整された後の出力値である。
【００４９】
進みや遅れの無い場合の区間区分値は、角度０〜３０度の場合に区間ＶＩｂ、度３０〜６０度の場合に区間Ｉａ、角度６０〜９０度の場合に区間Ｉｂ、角度９０〜１２０度の場合に区間ＩＩａ、角度１２０〜１５０度の場合に区間ＩＩｂ、角度１５０〜１８０度の場合に区間ＩＩＩａ、角度１８０〜２１０度の場合に区間ＩＩＩｂ、角度２１０〜２４０度の場合に区間ＩＶａ、角度２４０〜２７０度の場合に区間ＩＶｂ、角度２７０〜３００度の場合に区間Ｖａ、角度３００〜３３０度の場合に区間Ｖｂ、角度３３０〜３６０度の場合に区間ＶＩａとして出力され、ゲート信号生成回路３３ｂへ伝送される。
【００５０】
ゲート信号生成回路３３ｂは、公知の１２０度通電法といった矩形波スイッチング法によりゲート信号を生成し、ゲート駆動回路１９へ伝送する。続いて、ゲート駆動回路１９の出力により、電力変換半導体２０内のスイッチング素子２１がスイッチングされる。１２０度通電法としては従来技術の項で述べた図１２で示される様態のものがある。すなわち、Ｕ相上側スイッチング素子を区間Ｉ：３０〜９０度及び区間ＩＩ：９０〜１５０度の間スイッチＯＮし、さらに区間ＩＩ：９０〜１５０度ではＰＷＭスイッチングする。また、Ｕ相下側スイッチング素子を区間ＩＶ：２１０〜２７０度及び区間Ｖ：２７０〜３３０度の間スイッチＯＮし、さらに区間Ｖ：２７０〜３３０度ではＰＷＭスイッチングするものである。Ｖ相、Ｗ相の上下スイッチング素子については、それぞれＵ相スイッチング素子のＯＮ区間から１２０度、２４０度の位相差をもってスイッチＯＮされる。この場合、区間区分を６０度毎に行うことが必要となる。
【００５１】
この他にＵ相上側スイッチング素子については区間Ｉａ：３０〜６０度と区間ＩＩｂ：１２０〜１５０度を、Ｕ相下側スイッチング素子については区間ＩＶａ：２１０〜２４０度と区間Ｖｂ：３００〜３３０度をＰＷＭスイッチングする区間とし、Ｖ相、Ｗ相の上下スイッチング素子については、それぞれＵ相スイッチング素子のＯＮ区間から１２０度、２４０度の位相差をもってスイッチＯＮされる様態のものもある。この場合、区間区分を３０度毎に行うことが必要となる。
【００５２】
また、各ＰＷＭスイッチングのデューティは外部からのデューティ指示値Ｖａ＊あるいは制御演算装置３０内部で作成される値を用いて指定される。デューティを変化させることにより電動機１５に印可する電圧の振幅を調整することができる。また、補正後区間区分値としてレゾルバ１の角度に対して所定の角度又は所定の時間だけ区間区分値の出力タイミングを進み又は遅らせるよう調整することができることから、電動機１５の回転に対して印可する電圧の位相を調整することができる。
【００５３】
以上のことから、矩形波スイッチング法と組み合わせてゲート信号生成のための演算動作を軽減できる廉価な電動機制御装置を得ることができる。
この他、図示していないが、従来技術として図８に示されるレゾルバを角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置を示すブロック図において、従来の位置検出器２ａの替わりに実施の形態１による位置検出器２ｂを適用する場合もある。このとき、制御演算装置３０はベクトル制御法により電動機１５を駆動することとなるが、位置検出器２ｂがＲ／Ｄコンバータ１２を備えないため、従来構成より廉価な電動機制御装置を提供することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明のロータの回転角度位置検出装置によれば、励磁信号が励磁コイルに入力され、ロータの回転角度θに応じた誘導電圧を二次コイル（ＳＩＮ）に振幅変調信号（ＳＩＮ）として、かつ、二次コイル（ＣＯＳ）に振幅変調信号（ＣＯＳ）として、それぞれ出力するレゾルバ、このレゾルバの振幅変調信号（ＳＩＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）が導入され、これらから振幅変調信号（ＳＩＮ）／振幅変調信号（ＣＯＳ）＝振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）／振幅変調信号（ＳＩＮ）＝振幅比信号（ＣＯＴ）を算出し、算出した振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基にロータの回転角度θを検出する位置検出器を備えたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成の位置検出装置を得ることができる。
【００５５】
また、位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基に、ロータの回転角度θを３０度毎又は６０度毎の区間に区分して区間区分値を出力する区間識別手段を備えたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない廉価な構成であり、さらにレゾルバと組み合わせる位置検出装置でありながら、ホールセンサの出力信号から得られる回転角度の区間識別と同様な機能を有する位置検出装置を得ることができる。
【００５６】
位置検出器は、上記区間区分値を所定の角度又は所定の時間だけ進み又は遅れて出力する出力タイミング調整手段を備えたものである。これにより、レゾルバの取り付けの工作性などに起因する回転角度検出誤差の補償、又は、回転角度検出値に対する区間区分値の出力タイミングの微調整の機能を有する位置検出装置を得ることができる。
【００５７】
位置検出器は、振幅変調信号（ＳＩＮ）の検波手段有し、検波した振幅変調信号（ＳＩＮ）の符号により、ロータの回転角度θが角度０〜１８０度内か角度１８０〜３６０度内かを識別するようにしたものである。これにより、検出したロータの回転角度θが角度０〜１８０度内か角度１８０〜３６０度内かを識別できる。
【００５８】
また、位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）の絶対値と振幅比信号（ＣＯＴ）の絶対値の大小を比較して、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜≦｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＴＡＮ）を採用し、｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜＞｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＣＯＴ）を採用して、ロータの回転角度θを検出するようにしたものである。これにより、振幅比信号の絶対値が小さい範囲の値を用いて回転角度検出又は回転角度区分識別を行うため、演算誤差を減らすことができる。
【００５９】
また、パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを備え、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の位置検出装置を備えたものである。これにより、特に自動車の内燃機関直近に配置されるような用途において周辺温度の上昇に対して充分な耐性を持つレゾルバを回転角度検出センサとして適用しつつ、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない位置検出装置を備えた廉価な電動機制御装置を得ることができる。
【００６０】
さらにまた、パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを有し、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、請求項４または請求項５記載の位置検出装置を備え、上記パワー素子のスイッチング制御信号が請求項４または請求項５記載の区間区分値に同期してなされるようにしたものである。これにより、Ｒ／Ｄコンバータを使用しない位置検出装置を備え、さらに、矩形波スイッチング法と組み合わせてゲート信号生成のための演算動作を軽減できるため、制御演算装置部分が、より廉価な電動機制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の位置検出装置を示すブロック図である。
【図２】一相励磁二相出力方式のレゾルバの動作説明図である。
【図３】実施の形態１の区間識別手段の詳細な構成を示すブロック図である。
【図４】区間区分の境に対する振幅変調信号、振幅比信号の特性の一覧を示す図である。
【図５】実施の形態１の区間識別の動作原理の説明図である。
【図６】実施の形態２の電動機制御装置を示すブロック図である。
【図７】従来の位置検出装置を示すブロック図である。
【図８】従来の電動機制御装置を示すブロック図である。
【図９】従来のベクトル制御法におけるゲート信号の波形の一例を示す図である。
【図１０】従来の矩形波スイッチング法による電動機制御装置を示すブロック図である。
【図１１】従来のホールセンサの詳細な構成を示すブロック図である。
【図１２】従来のホールセンサ出力信号と角度区間識別および１２０度通電法のゲート信号出力の動作説明図である。
【図１３】従来の１２０度通電法におけるゲート信号の波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ レゾルバ ２ａ，２ｂ 位置検出器
３ 信号伝送線 ４ ロータ
５ 励磁コイル ６ 二次コイル（ＳＩＮ）
７ 二次コイル（ＣＯＳ） ８ 励磁回路
９ 入力インターフェイス回路 １０ 差動増幅器Ａ
１１ 差動増幅器Ｂ １２ Ｒ／Ｄコンバータ
１５ 電動機 １６ 直流電源
１７ 電力変換装置 １８ａ Ｕ相電流検出器
１８ｂ Ｖ相電流検出器 １９ ゲート駆動回路
２０ 電力変換半導体
２１ａ Ｕ相上アームスイッチング素子
２１ｂ Ｕ相下アームスイッチング素子
２２ａ Ｕ相上アームフライホイールダイオード
２２ｂ Ｕ相下アームフライホイールダイオード
３０ 制御演算装置 ３１ 電流信号入力回路
３２ ベクトル制御演算回路
３３ａ，３３ｂ ゲート信号生成回路 ３４ 区間識別手段
３６ ホールセンサ ３７ 回転磁性体
３８ａ Ｕ相ホール素子／ホールＩＣ ３８ｂ Ｖ相ホール素子／ホールＩＣ
３８ｃ Ｗ相ホール素子／ホールＩＣ ４０ 割算器（ＴＡＮ）
４１ 割算器（ＣＯＴ） ４２ 角度検出演算手段
４３ Ａ／Ｄ変換器（ＴＡＮ） ４４ Ａ／Ｄ変換器（ＣＯＴ）
４５ 角度変換手段 ４６ 区間識別手段
４７ 出力タイミング調整手段 ５０ 検波手段
５１ 正接（ｔａｎ）演算器 ５２ 区分手段（ＴＡＮ）
５３ 区分手段（ＣＯＴ） ５４ 絶対値演算器（ＴＡＮ）
５５ 絶対値演算器（ＣＯＴ） ５６ コンパレータ
５７ 切替スイッチ。
Claims (7)
- 励磁信号が励磁コイルに入力され、ロータの回転角度θに応じた誘導電圧を二次コイル（ＳＩＮ）に振幅変調信号（ＳＩＮ）として、かつ、二次コイル（ＣＯＳ）に振幅変調信号（ＣＯＳ）として、それぞれ出力するレゾルバ、
このレゾルバの振幅変調信号（ＳＩＮ）と振幅変調信号（ＣＯＳ）が導入され、これらから振幅変調信号（ＳＩＮ）／振幅変調信号（ＣＯＳ）＝振幅比信号（ＴＡＮ）と
振幅変調信号（ＣＯＳ）／振幅変調信号（ＳＩＮ）＝振幅比信号（ＣＯＴ）を算出し、
算出した振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基にロータの回転角度θを検出する位置検出器を備えたロータの回転角度位置検出装置。 - 上記位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）と振幅比信号（ＣＯＴ）を基に、ロータの回転角度θを３０度毎又は６０度毎の区間に区分して区間区分値を出力する区間識別手段を備えた請求項１記載のロータの回転角度位置検出装置。
- 上記位置検出器は、上記区間区分値を所定の角度又は所定の時間だけ進み又は遅れて出力する出力タイミング調整手段を備えた請求項２記載のロータの回転角度位置検出装置。
- 上記位置検出器は、振幅変調信号（ＳＩＮ）の検波手段有し、検波した振幅変調信号（ＳＩＮ）の符号により、ロータの回転角度θが角度０〜１８０度内か角度１８０〜３６０度内かを識別するようにした請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のロータの回転角度位置検出装置。
- 上記位置検出器は、振幅比信号（ＴＡＮ）の絶対値と振幅比信号（ＣＯＴ）の絶対値の大小を比較して、
｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜≦｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＴＡＮ）を採用し、
｜振幅比信号（ＴＡＮ）｜＞｜振幅比信号（ＣＯＴ）｜のときは、振幅比信号（ＣＯＴ）を採用して、ロータの回転角度θを検出するようにした請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のロータの回転角度位置検出装置。 - パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを備え、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の位置検出装置を備えた電動機制御装置。 - パワー素子を内蔵した電力変換装置と、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを有し、レゾルバを電動機の角度検出センサとして適用して電動機を制御する電動機制御装置において、請求項４または請求項５記載の位置検出装置を備え、上記パワー素子のスイッチング制御信号が請求項４または請求項５記載の区間区分値に同期してなされるようにした電動機制御装置。
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|---|---|---|---|---|
| US7538700B2 (en) | 2005-05-11 | 2009-05-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Angular position detector and rotary electric device drive unit including the same |
| JP2010183806A (ja) * | 2009-02-09 | 2010-08-19 | Mitsubishi Electric Corp | 回転位置センサ、及びブラシレスモータ |
| JP2014207740A (ja) * | 2013-04-11 | 2014-10-30 | パナソニック株式会社 | モータ駆動装置 |
| JP2018031619A (ja) * | 2016-08-23 | 2018-03-01 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | レゾルバ補正装置及び半導体装置 |
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-
2002
- 2002-06-10 JP JP2002168966A patent/JP2004012387A/ja active Pending
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