JP2019158490A - 回転角度センサシステムおよび半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
《回転角度センサシステムの概略》
図1は、本発明の実施の形態1による回転角度センサシステムの主要部の構成例を示す概略図である。図1に示す回転角度センサシステムは、モータMTと、ドライバDRVと、回転角度センサ(レゾルバ)RSVと、フィルタFLTと、レゾルバデジタル変換器RDCaと、制御装置となるマイクロコントローラMCUとを有する。ドライバDRVは、例えば、3相(u相、v相、w相)インバータ等を含み、マイクロコントローラMCUからの3相のPWM(Pulse Width Modulation)信号PWMu,PWMv,PWMwに応じて、モータMTの3相の駆動端子に駆動電圧Vu,Vv,Vwを印加する。また、ドライバDRVは、電流センサ(例えば、3相インバータ内の電流経路に挿入されるシャント抵抗等)を含み、当該電流センサによって各相に流れる電流に比例する電流センス電圧VISを出力する。
図18(a)は、本発明の比較例となる回転角度センサの構成例、および、ある時刻での回転状態を示す模式図であり、図18(b)は、図18(a)の回転状態での検出動作の一例を説明する図である。図19(a)は、図18(a)とは異なる時刻での回転状態を示す模式図であり、図19(b)は、図19(a)の回転状態での検出動作の一例を説明する図である。
図2は、本発明の実施の形態1による回転角度センサシステムにおいて、図1の回転角度センサの構成例を示す概略図である。図2に示す回転角度センサは、軸倍角が2であり、2個の極P1,P2を備えるロータRTaと、5個の突極SP11〜SP15が設置されるステータSTaとを備える。5個の突極SP11〜SP15は、機械角72°(電気角144°)の間隔で順に設置され、それぞれ、検出コイルL1〜L5が巻かれている。検出コイルL1〜L5の巻線数は、同じである。検出コイルL1〜L5の一端には、励磁信号VINが共通に印加される。検出コイルL1〜L5の他端からは、それぞれ検出電圧V11〜V15が出力される。
図3は、図1におけるレゾルバデジタル変換器の構成例を示す概略図である。図4は、図3における合成回路の構成例を示す概略図である。図5は、図3のレゾルバデジタル変換器の概略的な動作例を示す波形図である。図3に示すレゾルバデジタル変換器(半導体装置)RDCaは、合成回路SYCaと、変換回路CVCとを備える。合成回路SYCaは、図2に示した複数(ここでは5個)の検出コイルL1〜L5からの検出信号V11〜V15を選択的に合成することで、ロータRTaの回転角度θのサイン成分およびコサイン成分を表す各合成検出信号VS,VCを生成する。
V12=α(1+m×sin(2(θ+72°)))×sin(ωt) …(2)
V13=α(1+m×sin(2(θ+72°×2)))×sin(ωt) …(3)
V14=α(1+m×sin(2(θ+72°×3)))×sin(ωt) …(4)
V15=α(1+m×sin(2(θ+72°×4)))×sin(ωt) …(5)
ここで、サイン成分を“VS’=2×V11−(V13+V14)”で表すことを前提として、θ成分に着目してVS’を求めると、式(6)のようになる。また、コサイン成分を“VC’=V12−V15”で表すことを前提として、θ成分に着目してVC’を求めると、式(7)のようになる。
=2sin(2θ)−(2sin(4θ/2)cos(−144°/2))
=2sin(2θ)(1−cos(72°)) …(6)
VC’=sin(2θ+144°)−sin(2θ−144°)
=2sin(288°/2)cos(4θ/2)
=2cos(2θ)sin(144°) …(7)
このように、VS’からはsin(2θ)の成分が得られ、VC’からはcos(2θ)の成分が得られる。ここで、VC’の振幅を基準にすると(すなわち、合成検出信号VCをVC’に定めると)、VS’の振幅は、“(1−cos(72°))/sin(144°)”倍になる。そこで、VC’の振幅とVS’の振幅を同じにするためには、VS’を“sin(144°)/(1−cos(72°))≒0.85”倍すればよく、これによって、合成検出信号VSが定められる。
図6は、図1を変形した回転角度センサシステムの主要部の構成例を示す概略図である。図6に示す回転角度センサシステムは、図1の構成例と異なり、レゾルバデジタル変換器RDCb内に、複数の検出コイルからの検出信号Vxをデジタル変換するアナログデジタル変換器ADCrを備える。また、レゾルバデジタル変換器RDCbは、図4に示したような機能を持つ合成回路SYCbと、位置検出回路RPDETとを備える。さらに、マイクロコントローラMCUは、図1の構成例と比較して、位置算出回路RPCALが設けられない構成となっている。
図7(a)は、図2の回転角度センサにおけるある時刻での回転状態を示す模式図であり、図7(b)は、図7(a)の回転状態での検出動作の一例を説明する図である。図8(a)は、図7(a)とは異なる時刻での回転状態を示す模式図であり、図8(b)は、図8(a)の回転状態での検出動作の一例を説明する図である。
《突極の設置角度と検出誤差との関係(軸倍角=2)》
図10(a)は、軸倍角が2の回転角度センサにおいて、突極の設置角度と検出誤差との関係を検証した結果の一例を示す図であり、図10(b)は、図10(a)の補足図である。図10(b)には、図2に示した回転角度センサが示される。図10(b)において、“γ”はロータRTaの極P1を基準とする突極SP12の設置角度(ここでは機械角)と極P2を基準とする突極SP15の設置角度との差分であり、“β”は隣接する突極間の機械角であり、“θ”はロータRTの回転角度(機械角)である。
VC=α×m×sin(ωt)(cos2(θ1+β)−cos2(γ−θ2+β)) …(9)
ここで、式(9)に示される合成検出電圧VCの0≦θ(θ1,θ2)≦360°の範囲での最大誤差は、式(10)に示されるように、“γ”に依存する関数f(γ)となる。式(10)における“A”は、f(0)=1となるように定めた定数である。
図10(a)は、0≦γ≦180°の範囲で式(10)のf(γ)を演算した結果を示したものである。図10(a)において、実施の形態1に示した図2の構成例(γ=36°の構成)を用いると、比較例となる図18(a)の構成(γ=0°の構成)を用いる場合と比較して、突極(および検出コイル)の位置ズレに対する最大誤差を約20%程度低減できることが分かる。なお、ここでは、コサイン成分を表す合成検出信号VCを例としたが、サイン成分を表す合成検出信号VSに関しても同様の結果となる。
図11は、本発明の実施の形態2による回転角度センサシステムにおいて、図1の回転角度センサ周りの構成例を示す概略図である。図11に示す回転角度センサは、前述した図2の構成例と比較して、ステータSTbの構成が異なっている。ステータSTbには、4個の突極SP21〜SP24が設置される。突極SP23は、突極SP21を基準に機械角135°離れた位置に設置される。突極SP22は、突極SP21を基準に機械角45°離れた位置に設置される。突極SP24は、突極SP22を基準に機械角135°離れた位置に設置される。
図12(a)は、軸倍角が3の回転角度センサにおいて、突極の設置角度と検出誤差との関係を検証した結果の一例を示す図であり、図12(b)は、図12(a)の補足図である。図12(b)では、ロータRTbの3個の極P1,P2,P3に対応して、それぞれ、3個の突極SP31,SP33,SP35が配置される。“γ”はロータRTbの極P1を基準とする突極SP31の設置角度(ここでは機械角)と極P2を基準とする突極SP33の設置角度との差分であり、かつ、極P2を基準とする突極SP33の設置角度と極P3を基準とする突極SP35の設置角度との差分である。この場合、突極SP31を0°とすると、突極SP33は(120+γ)°に設置され、突極SP35は(240+2γ)°に設置される。
図13は、本発明の実施の形態2による回転角度センサシステムにおいて、図11とは異なる回転角度センサ周りの構成例を示す概略図である。図13に示す回転角度センサでは、図12(a)に基づき、γ=20°となるように各突極が設置される。図13において、ステータSTcは、6個の突極SP31〜SP36を備える。突極SP33は、突極SP31を基準に機械角140°離れた位置に設置される。突極SP35は、突極SP33を基準に機械角140°離れた位置に設置される。突極SP32は、突極SP31を基準に機械角30°離れた位置に設置される。突極SP34は、突極SP32を基準に機械角140°離れた位置に設置される。突極SP36は、突極SP34を基準に機械角140°離れた位置に設置される。
以上、実施の形態2の回転角度センサシステムを用いることで、実施の形態1の場合と同様の効果が得られる。さらに、実施の形態1と比較して、回転誤差の更なる低減や、製造コストの更なる低減を図れる場合がある。
《回転角度センサシステム(応用例)の概略》
図14は、本発明の実施の形態3による回転角度センサシステムの主要部の構成例を示す概略図である。図14に示す回転角度センサシステムは、図1の構成例と比較して、次の点が異なっている。1点目として、レゾルバデジタル変換器(半導体装置)RDCcは、図4とは異なる合成回路SYCeを備える。2点目として、マイクロコントローラMCUは、PWM信号PWMR[1]〜PWMR[n]を生成するタイマ回路(PWM信号生成回路)TMRr3を備える。
図15は、図14における合成回路の構成例を示す概略図である。前述した図2、図11および図13のような非対称構造の回転角度センサを用いる場合、合成回路は、回転角度センサからの各検出信号に対して適切な比率で重み付けを行う必要がある。この適切な比率は、回転角度センサの構造に応じて適宜変わり得る。この場合、様々な構造の回転角度センサに対応可能な汎用的な合成回路が求められる。
以上、実施の形態3の回転角度センサシステムを用いることで、実施の形態1,2の場合と同様の効果が得られる。さらに、実施の形態1,2の回転角度センサを用いる前提で、レゾルバデジタル変換器に汎用性を持たせることが可能になる。さらに、図16のような可変増幅器を用いることで、レゾルバデジタル変換器における回路面積の低減や、増幅率の設定精度の向上(ひいては、回転角度の検出誤差の低減)を図れる場合がある。
《検出コイルの構成》
図17は、本発明の実施の形態4による回転角度センサシステムにおいて、図2の回転角度センサ内に含まれる各検出コイルの図2とは異なる構成例を示す模式図である。図4の合成回路SYCaでは、複数の増幅器AMP1〜AMP5を用いて、各検出信号V11〜V15に対する重み付けを行ったが、その代わりに、各検出コイルL1〜L5(図2)の巻数によって重み付けを行うことも可能である。
以上、実施の形態4の回転角度センサシステムを用いることで、実施の形態1,2の場合と同様の効果が得られる。さらに、図4のような合成回路SYCaが不要となるため、レゾルバデジタル変換器の回路面積を低減できる。ただし、実際上は、このように巻数比を微調整することが容易でない場合や、または、巻数比にある程度の誤差が生じる場合がある。このような観点では、図4(または図15)のような合成回路を設けることが有益となる。
ADD 加算器
AMP 増幅器
CVC 変換回路
DRV ドライバ
L 検出コイル
MCU マイクロコントローラ
MT モータ
OPA オペアンプ回路
P 極
PSF 位相シフタ
PWMR PWM信号
R 抵抗素子
RDC レゾルバデジタル変換器
RSV 回転角度センサ
RT ロータ
SELU 選択回路
SP 突極
ST ステータ
SW スイッチ素子
SYC 合成回路
TMR タイマ回路
V,Vx 検出信号
VAMP 可変増幅器
VIN 励磁信号
VS,VC 合成検出信号
θ 回転角度
Claims (18)
- 軸倍角が2以上の整数であり、第1の極および第2の極を備えるロータと、検出コイルが巻かれる突極を複数備えるステータとを有する回転角度センサと、
前記複数の検出コイルからの検出信号を合成することで、前記ロータの回転角度のサイン成分を表す第1の合成検出信号と、コサイン成分を表す第2の合成検出信号とを生成する合成回路と、
を有する回転角度センサシステムであって、
前記合成回路が前記第1の合成検出信号または前記第2の合成検出信号のいずれか一方を生成する際に合成対象とする前記検出コイルは、前記第1の極を基準に第1の電気角で設置される第1の検出コイルと、前記第2の極を基準に前記第1の電気角とは異なる第2の電気角で設置される第2の検出コイルとを含み、前記第2の極を基準に前記第1の電気角で設置される検出コイルを含まない、
回転角度センサシステム。 - 請求項1記載の回転角度センサシステムにおいて、
前記第1の検出コイルの巻線数と前記第2の検出コイルの巻線数は同じであり、
前記合成回路は、前記第1の検出コイルからの検出信号と、前記第2の検出コイルからの検出信号とを前記第1の電気角と前記第2の電気角との差を反映した所定の比率で重み付けを行ったのち加算する、
回転角度センサシステム。 - 請求項2記載の回転角度センサシステムにおいて、
前記軸倍角は2であり、
前記第1の電気角と前記第2の電気角との差は、72°である、
回転角度センサシステム。 - 請求項2記載の回転角度センサシステムにおいて、
前記軸倍角は2であり、
前記第1の電気角と前記第2の電気角との差は、90°である、
回転角度センサシステム。 - 請求項1記載の回転角度センサシステムにおいて、
前記ステータは、前記第2の極を基準に前記第1の電気角で設置される前記突極および前記検出コイルを有しない、
回転角度センサシステム。 - 請求項1記載の回転角度センサシステムにおいて、
前記軸倍角は2であり、
前記ステータは、72°の機械角間隔で順に設置される第1の突極、第2の突極、第3の突極、第4の突極、第5の突極を有し、
前記合成回路は、前記第1の突極と前記第3の突極と前記第4の突極にそれぞれ巻かれる前記検出コイルからの検出信号を合成することで、前記第1の合成検出信号または前記第2の合成検出信号の一方を生成し、前記第2の突極と前記第5の突極にそれぞれ巻かれる前記検出コイルからの検出信号を合成することで、前記第1の合成検出信号または前記第2の合成検出信号の他方を生成する、
回転角度センサシステム。 - 請求項1記載の回転角度センサシステムにおいて、
前記軸倍角は2であり、
前記ステータは、
第1の突極と、
前記第1の突極を基準に機械角135°離れた位置に設置される第2の突極と、
前記第1の突極を基準に機械角45°離れた位置に設置される第3の突極と、
前記第3の突極を基準に機械角135°離れた位置に設置される第4の突極と、
を有し、
前記合成回路は、前記第1の突極と前記第2の突極にそれぞれ巻かれる前記検出コイルからの検出信号を合成することで、前記第1の合成検出信号または前記第2の合成検出信号の一方を生成し、前記第3の突極と前記第4の突極にそれぞれ巻かれる前記検出コイルからの検出信号を合成することで、前記第1の合成検出信号または前記第2の合成検出信号の他方を生成する、
回転角度センサシステム。 - 請求項1記載の回転角度センサシステムにおいて、
前記軸倍角は3であり、
前記ステータは、
第1の突極と、
前記第1の突極を基準に機械角140°離れた位置に設置される第2の突極と、
前記第2の突極を基準に機械角140°離れた位置に設置される第3の突極と、
前記第1の突極を基準に機械角30°離れた位置に設置される第4の突極と、
前記第4の突極を基準に機械角140°離れた位置に設置される第5の突極と、
前記第5の突極を基準に機械角140°離れた位置に設置される第6の突極と、
を有し、
前記合成回路は、前記第1の突極と前記第2の突極と前記第3の突極にそれぞれ巻かれる前記検出コイルからの検出信号を合成することで、前記第1の合成検出信号または前記第2の合成検出信号の一方を生成し、前記第4の突極と前記第5の突極と前記第6の突極にそれぞれ巻かれる前記検出コイルからの検出信号を合成することで、前記第1の合成検出信号または前記第2の合成検出信号の他方を生成する、
回転角度センサシステム。 - 請求項1記載の回転角度センサシステムにおいて、
前記第1の検出コイルと前記第2の検出コイルは、巻数比が異なる、
回転角度センサシステム。 - 軸倍角が2以上の整数である回転角度センサからの検出信号を処理する半導体装置であって、
前記回転角度センサは、
第1の極および第2の極を備えるロータと、
検出コイルが巻かれる突極を複数備えるステータと、
を有し、
前記半導体装置は、前記複数の検出コイルからの検出信号を合成することで前記ロータの回転角度のサイン成分を表す第1の合成検出信号と、コサイン成分を表す第2の合成検出信号とを生成する合成回路を有し、
前記合成回路が前記第1の合成検出信号または前記第2の合成検出信号のいずれか一方を生成する際に合成対象とする前記検出コイルは、前記第1の極を基準に第1の電気角で設置される第1の検出コイルと、前記第2の極を基準に前記第1の電気角とは異なる第2の電気角で設置される第2の検出コイルとを含み、前記第2の極を基準に前記第1の電気角で設置される検出コイルを含まない、
半導体装置。 - 請求項10記載の半導体装置において、
前記第1の検出コイルの巻線数と前記第2の検出コイルの巻線数は同じであり、
前記合成回路は、前記第1の検出コイルからの検出信号と、前記第2の検出コイルからの検出信号とを前記第1の電気角と前記第2の電気角との差を反映した所定の比率で重み付けを行ったのち加算する、
半導体装置。 - 請求項11記載の半導体装置において、
前記軸倍角は2であり、
前記第1の電気角と前記第2の電気角との差は、72°である、
半導体装置。 - 請求項11記載の半導体装置において、
前記軸倍角は2であり、
前記第1の電気角と前記第2の電気角との差は、90°である、
半導体装置。 - 請求項10記載の半導体装置において、
前記合成回路は、
前記複数の検出コイルからの検出信号を、個別に設定された増幅率で増幅する複数の増幅器と、
前記複数の増幅器からの各出力信号の一部を加算することで前記第1の合成検出信号を生成する第1の加算器と、
前記複数の増幅器からの各出力信号の他の一部を加算することで前記第2の合成検出信号を生成する第2の加算器と、
を有する、
半導体装置。 - 請求項14記載の半導体装置において、
前記複数の増幅器の少なくとも一つは、
複数の抵抗素子と、
前記複数の抵抗素子の抵抗値によって定められる増幅率で増幅動作を行うオペアンプ回路と、
前記複数の抵抗素子の中の一つの抵抗素子の両端に結合され、PWM信号に応じてオン・オフが制御されるスイッチ素子と、
を有する、
半導体装置。 - 請求項14記載の半導体装置において、
さらに、前記合成回路からの前記第1の合成検出信号に含まれる励磁信号の位相を基準に、前記第2の合成検出信号に含まれる励磁信号の位相を90°シフトさせ、当該シフト後の2個の信号を加算する変換回路を有する、
半導体装置。 - 請求項14記載の半導体装置において、
さらに、前記複数の検出コイルからの検出信号をデジタル変換するアナログデジタル変換器を有し、
前記合成回路内の前記複数の増幅器は、前記アナログデジタル変換器からのデジタル値を入力とするデジタル回路で構成される、
半導体装置。 - 請求項10記載の半導体装置において、
前記合成回路は、
増幅率を個別に可変設定可能な複数の可変増幅器と、
第1の加算器および第2の加算器と、
選択信号に応じて、前記複数の可変増幅器からの各出力信号の一部を前記第1の加算器へ伝送し、前記複数の可変増幅器からの各出力信号の他の一部を前記第2の加算器へ伝送する選択回路と、
を有し、
前記第1の加算器は、前記選択回路からの前記各出力信号の一部を加算することで前記第1の合成検出信号を生成し、
前記第2の加算器は、前記選択回路からの前記各出力信号の他の一部を加算することで前記第2の合成検出信号を生成する、
半導体装置。
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