JP6022817B2 - バリアブルリラクタンス型レゾルバ及び回転角検出装置 - Google Patents

Description

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。

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）。

特公昭６２−５８４４５号公報 特開２００９−１５６８５２号公報

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。

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。

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。

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。

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Ｎ_x1i，Ｎ_x2i及び１つの検出コイルの巻数Ｎ_siが、
Ｎ_x1i＝Ｎ_x1max・ｃｏｓ（ｍ_x1Ψ_i＋θ_x1）
Ｎ_x2i＝Ｎ_x2max・ｃｏｓ（ｍ_x2Ψ_i＋θ_x2）
Ｎ_si＝Ｎ_smax｛ｒ_s1・ｃｏｓ（ｍ_s1Ψ_i＋θ_s1）＋ｒ_s2・ｃｏｓ（ｍ_s2Ψ_i＋θ_s2）｝
但し、Ｎ_x1max，Ｎ_x2max：励磁コイルの最大巻数
Ｎ_smax ：検出コイルの最大巻数
ｍ_x1，ｍ_x2 ：励磁コイル極対数 ｍ_s1，ｍ_s2：検出コイル極対数
θ_x1，θ_x2 ：励磁コイルの位相 θ_s1，θ_s2：検出コイルの位相
Ψ_i ：ティース角度 ｒ_s1，ｒ_s2：検出コイルの係数
とされ、ｍ_x1，ｍ_x2，ｍ_s1，ｍ_s2及びロータの極対数ｍ_rが、ｍ_x1±ｍ_s1＝±ｍ_rもしくはｍ_x1±ｍ_s2＝±ｍ_rの計８条件のうちの１つを満たし、さらにｍ_x2±ｍ_s1＝±ｍ_rもしくはｍ_x2±ｍ_s2＝±ｍ_r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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

励磁コイル巻数
Ｎ_x1i＝Ｎ_x1max・ｃｏｓ（ｍ_x1Ψ_i＋θ_x1）…励磁１コイル
Ｎ_x2i＝Ｎ_x2max・ｃｏｓ（ｍ_x2Ψ_i＋θ_x2）…励磁２コイル
検出コイル巻数
Ｎ_si＝Ｎ_smax｛ｒ_s1・ｃｏｓ（ｍ_s1Ψ_i＋θ_s1）＋ｒ_s2・ｃｏｓ（ｍ_s2Ψ_i＋θ_s2）｝
但し、ｉ＝１，２，…，ｎ（ｎ：ティース数）
Ｎ_x1max，Ｎ_x2max：励磁コイルの最大巻数
Ｎ_smax ：検出コイルの最大巻数
ｍ_x1，ｍ_x2 ：励磁コイル極対数 ｍ_s1，ｍ_s2：検出コイル極対数
θ_x1，θ_x2 ：励磁コイルの位相 θ_s1，θ_s2：検出コイルの位相
Ψ_i ：ティース角度 ｒ_s1，ｒ_s2：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。

ロータ変調度 Ｓ_ri＝（１／Ｒ₀）・｛１＋αｃｏｓ（ｍ_r（θ＋Ψ_i））｝
但し、Ｒ₀：ギャップリラクタンス平均値 α：ギャップ変化率
ｍ_r：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Ｖ_x1及び第２の励磁信号Ｖ_x2をそれぞれ下記とする。

Ｖ_x1＝Ｖ₁ｓｉｎ（ω₁ｔ）
Ｖ_x2＝Ｖ₂ｓｉｎ（ω_２ｔ）
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。

この時、検出コイルの出力信号Ｖ_sは次のようになる。

Ｖ_s＝Ｖ_x1・Ｋ_C・Σ_i（Ｎ_x1i・Ｎ_si・Ｓ_ri）＋Ｖ_x2・Ｋ_C・Σ_i（Ｎ_x2i・Ｎ_si・Ｓ_ri）
但し、Ｋ_C：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Ｖ_sは下記のようになる。

Ψ_i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、Ψ_iがあるｃｏｓはゼロとなる。そこで、極対数ｍ_x1，ｍ_x2，ｍ_s1，ｍ_s2，ｍ_r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Ｖ_sは図１の表１に示したようになる。表１では出力信号Ｖ_s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。

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、ｍ_x1，ｍ_x2，ｍ_s1，ｍ_s2，ｍ_rを選択する。

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θ_x1，θ_x2，θ_s1，θ_s2を設定する。

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Ｎ_x1max，Ｎ_x2max、検出コイルの係数ｒ_s1，ｒ_s2及び第１及び第２の励磁信号Ｖ_x1，Ｖ_x2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。

以下に一例を示す。

例えば、ｍ_x1＝ｍ_x2，ｒ_s2＝０とし、ｍ_x1−ｍ_s1−ｍ_r＝０及びｍ_x2−ｍ_s2−ｍ_r＝０とすると、出力信号Ｖ_sは、

となる。さらに、−θ_x1＋θ_s1＝０，−θ_x2＋θ_s2＝−９０°とし、ｋ＝ｋ₁₁・Ｖ₁＝ｋ₂₂・Ｖ₂とすると、出力信号Ｖ_sは下記のようになる。

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Ｖ_s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。

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。

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。

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。

励磁回路２１は励磁信号Ｖ_x1＝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Ｖ_x2＝Ｖ₂ｓｉｎ（ω₂ｔ）を生成して励磁２コイル１２に供給する。

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。

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。

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。

次に、具体的数値例を示す。

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。

ｍ_x1＝４，ｍ_x2＝４，ｍ_s1＝２，ｍ_s2＝２，ｍ_r＝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Ｖ_sは図３（ａ）に示したようになる。図３（ｂ）及び（ｃ）は出力信号Ｖ_sをそれぞれ励磁周波数（ω₁，ω₂）成分毎に分けたものである。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (2)

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Ｎ_x1i，Ｎ_x2i及び前記１つの検出コイルの巻数Ｎ_siが、
   Ｎ_x1i＝Ｎ_x1max・ｃｏｓ（ｍ_x1Ψ_i＋θ_x1）
   Ｎ_x2i＝Ｎ_x2max・ｃｏｓ（ｍ_x2Ψ_i＋θ_x2）
   Ｎ_si＝Ｎ_smax｛ｒ_s1・ｃｏｓ（ｍ_s1Ψ_i＋θ_s1）＋ｒ_s2・ｃｏｓ（ｍ_s2Ψ_i＋θ_s2）｝
   但し、Ｎ_x1max，Ｎ_x2max：励磁コイルの最大巻数
   Ｎ_smax ：検出コイルの最大巻数
   ｍ_x1，ｍ_x2 ：励磁コイル極対数 ｍ_s1，ｍ_s2：検出コイル極対数
   θ_x1，θ_x2 ：励磁コイルの位相 θ_s1，θ_s2：検出コイルの位相
   Ψ_i ：ティース角度 ｒ_s1，ｒ_s2：検出コイルの係数
   とされ、
   ｍ_x1，ｍ_x2，ｍ_s1，ｍ_s2及びロータの極対数ｍ_rが、ｍ_x1±ｍ_s1＝±ｍ_rもしくはｍ_x1±ｍ_s2＝±ｍ_rの計８条件のうちの１つを満たし、さらにｍ_x2±ｍ_s1＝±ｍ_rもしくはｍ_x2±ｍ_s2＝±ｍ_r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。
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。

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