JP4476321B2 - Ｒｄコンバータ及び角度検出装置 - Google Patents

Description

この発明はモータの回転角度を検出するレゾルバから出力されるレゾルバ信号をディジタルな角度信号（ディジタル角度出力）に変換するＲＤコンバータ及びそのＲＤコンバータを具備する角度検出装置に関する。

レゾルバから出力されてＲＤコンバータに入力されるレゾルバ信号に外乱ノイズが重畳すると、ＲＤコンバータの動作はその影響を受け、ＲＤコンバータから出力されるディジタル角度出力は外乱ノイズに起因する角度誤差を含むものとなる。

このようなレゾルバ信号に重畳するノイズを除去する方法が従来より提案されており、例えば特許文献１にはＲＤコンバータの入力段にコモンモードフィルタを挿入することが記載されている。
特開２００３−１５３４９６号公報

しかしながら、この特許文献１に記載されている方法はモータにモータ電流を流すモータ線と、モータの回転角度を検出するレゾルバからレゾルバ信号を取り出すレゾルバ線とが平行配置されていることを前提とし、モータ電流によってモータ線周囲に発生する磁界がレゾルバ線に鎖交することにより、差動信号として扱われる第１及び第２のレゾルバ信号の両方に同時に生じる誘導ノイズの除去を目的としており、つまりコモンモードノイズである誘導ノイズを除去すべく、コモンモードフィルタをＲＤコンバータの入力段に配置している。

一方、レゾルバは通常、モータの近傍に配置される。このため、レゾルバはモータが発生する磁界の影響を強く受け、レゾルバ信号にモータが発生する磁界の影響によるノイズが重畳する。モータが回転している時、モータが発生する磁界はその回転に同期した磁界となる。このため、モータが発生する磁界の影響により重畳するノイズは低周波のノイズとなる。また、このノイズはノーマルモードとなるため、上述したようなコモンモードフィルタでは除去することができない。

この発明の目的はこの問題に鑑み、モータの発生磁界の影響によるノイズを除去することができるようにし、それにより出力角度誤差を低減することができるようにしたＲＤコンバータ及びそのＲＤコンバータを具備する角度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、モータの回転角度を検出する１相励磁・２相出力のレゾルバから出力される第１のレゾルバ信号Ｓ１とディジタル角度出力φの正弦値とを乗算する第１の乗算器と、レゾルバから出力される第２のレゾルバ信号Ｓ２とディジタル角度出力φの余弦値とを乗算する第２の乗算器と、第２の乗算器の出力から第１の乗算器の出力を減
算する減算器と、減算器の出力を励磁信号を参照して同期検波する同期検波回路と、同期検波回路の出力が零になるようにディジタル角度出力φを制御する制御器と、ディジタル角度出力φからディジタル角度出力φの正弦値を生成するＳＩＮ ＲＯＭと、ディジタル
角度出力φからディジタル角度出力φの余弦値を生成するＣＯＳ ＲＯＭとを備え、同期
検波回路の出力である制御偏差sin（θ−φ）を零にすることで、レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ
２の検出角度θをディジタル角度出力φに変換するＲＤコンバータにおいて、同期検波回路と制御器との間に、励磁信号の周波数を中心周波数とする帯域を除去する帯域除去フィルタを備えるものとする。

請求項２の発明によれば、角度検出装置は１相励磁・２相出力のレゾルバと、請求項１記載のＲＤコンバータと、レゾルバとＲＤコンバータとに励磁信号を供給する励磁信号生成部とを備える。

この発明によるＲＤコンバータによれば、角度演算ループ内に帯域除去フィルタを備えることにより、モータの発生磁界の影響によるノイズ（ノーマルモードノイズ）を除去することができ、よってそのようなノイズに起因する角度誤差を大幅に低減することができる。

また、この発明による角度検出装置によれば、モータの回転角度を精度良く、検出することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明によるＲＤコンバータの一実施例の構成をモータ、レゾルバ及び励磁信号生成部と共に示したものである。

レゾルバ１０は１相励磁・２相出力とされ、モータ２０の近傍に配置される。レゾルバ１０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ＲＤコンバータ３０に入力され、また励磁信号生成部４０から励磁信号がレゾルバ１０及びＲＤコンバータ３０に入力される。

ＲＤコンバータ３０はこの例では第１の乗算器３１と第２の乗算器３２と減算器３３と同期検波回路３４と帯域除去フィルタ３５と制御器３６とＳＩＮ ＲＯＭ３７とＣＯＳ ＲＯＭ３８とによって構成されている。ＲＤコンバータ３０は前記構成による角度演算ループでレゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２の検出角度θをディジタル角度出力φに変換して出力する。

ＲＤコンバータ３０内のＳＩＮ ＲＯＭ３７はディジタル角度出力φからディジタル角度出力φの正弦値sin φを生成して乗算器３１に出力し、ＣＯＳ ＲＯＭ３８はディジタル角度出力φからディジタル角度出力φの余弦値cos φを生成して乗算器３２に出力する。

乗算器３１はレゾルバ信号Ｓ１とsin φとを乗算して、その乗算値を減算器３３に出力し、乗算器３２はレゾルバ信号Ｓ２とcos φとを乗算して、その乗算値を減算器３３に出力する。減算器３３は乗算器３２の出力から乗算器３１の出力を減算し、その減算値を同期検波回路３４に出力する。

同期検波回路３４は励磁信号生成部４０から入力される励磁信号を参照して減算器３３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３５に出力する。帯域除去フィルタ３５を通過した検波出力は制御器３６に入力され、制御器３６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ィジタル角度出力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をディジタル角度出力φに変換する。

ここで、レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２がモータ２０の発生する磁界の影響を受け、レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２にノイズが重畳した場合について具体的に説明する。

励磁信号生成部４０から出力される励磁信号をsin ωｔとし、レゾルバ回転角周波数をα、ノイズ角周波数をα’とする。レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２は下記のように表すことができる。
Ｓ２：sin αｔ sin ωｔ＋cos α’ｔ …（１）
Ｓ１：cos αｔ sin ωｔ＋sin α’ｔ …（２）

これらレゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２が図１に示した角度演算ループを持つＲＤコンバータ３０に入力された場合、同期検波回路３４の入力（減算器３３の出力）は下記のようになる。
（sin αｔ sin ωｔ＋ cos α’ｔ）cos φ−（cos αｔ sin ωｔ＋ sin α’ｔ）sin φ
＝(sin αｔ cos φ−cos αｔ sin φ)sin ωｔ＋cos α’ｔ cos φ−sin α’ｔ sin φ
＝sin（αｔ−φ）sin ωｔ＋ cos（α’ｔ＋φ） …（３）

第１項：sin(αｔ−φ）sin ωｔが角度演算に必要な成分であり、第２項：cos(α’ｔ＋φ）はノイズ成分となる。

この信号に対し、励磁信号sin ωｔで同期検波をかけると、第１項は、
sin（αｔ−φ）sin ωｔ sin ωｔ
＝［sin（αｔ−φ）｛cos（ωｔ−ωｔ）−cos（ωｔ＋ωｔ）｝］／２
＝｛sin（αｔ−φ）｝／２−｛sin（αｔ−φ）cos（２ωｔ）｝／２
となり、第２項は、
cos（α’ｔ＋φ）sin ωｔ
となる。

角度演算ループの機能により、φ＝αｔとなる。また、モータ２０の発生磁界によるノイズの角周波数はモータ２０の回転角周波数と同じであり、モータ２０の回転角周波数はレゾルバ１０の回転角周波数と同じになるから、α'＝αとなる。

図２は励磁信号sin ωｔの周波数を１０ｋＨｚとし、モータ２０の回転周波数を５００Ｈｚとした時、モータ２０の磁界の影響を受けて、上記（１），（２）で表されるレゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２を例示したものであり、図３はこの図２に示したレゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２がＲＤコンバータ３０に入力され、上記（３）で表される同期検波前の波形（減算器３３の出力波形）を示したものである。なお、図３においてはモータ磁界の影響がない場合の波形を比較として併記している。

図３より磁界の影響がある場合、モータ２０の回転周波数の２倍（＝１ｋＨｚ）の周波数の波形が出力されていることがわかる。これは上述したように、φ＝αｔ，α'＝αとなり、よって上記（３）における第２項のノイズ成分cos（α’ｔ＋φ）はcos（２αｔ）となり、モータ２０の回転周波数の２倍の周波数のノイズ（誤差信号）が出力されることによる。

図４は図３における磁界の影響がある場合の同期検波前波形と、それを励磁信号sin ωｔにより同期検波した同期検波後の波形とを示したものであり、図５は図４における同期検波後の波形の周波数成分を示したものである。

図５に示したように同期検波後の波形は１０ｋＨｚ±１ｋＨｚにピークを持っており、これより励磁周波数１０ｋＨｚを中心周波数とする帯域除去フィルタ３５を図１に示したように同期検波後に挿入することで、上記（３）の第２項のノイズ成分のみを抑圧することができる。なお、帯域除去フィルタ３５の帯域幅は例えば２ｋＨｚ以上とする。

帯域除去フィルタ３５は励磁周波数近辺の帯域でノイズ成分を低減することができ、かつ角度演算ループの特性に影響を及ぼさないフィルタであればよく、従ってフィルタのＱの値を適切に選ぶことで、ノッチフィルタを使用することができる。

図６は帯域除去フィルタ３５を中心周波数ｆ_ｎ＝１０ｋＨｚ，Ｑ＝１のノッチフィルタとした場合の、フィルタ通過後の波形を、図４における同期検波後の波形と共に示したものであり、図６よりフィルタの効果でノイズ成分が約１／５程度に低減していることがわかる。

一方、図７は上記のようなノッチフィルタを用いた場合のＲＤコンバータ出力角度誤差（ディジタル角度出力φとレゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２の検出角度θ＝αｔとの差）を、ノッチフィルタのない場合の出力角度誤差と共に示したものであり、ノッチフィルタなし（従来例）と比較してノッチフィルタあり（実施例）では出力角度誤差が約１／６に低減していることがわかる。

なお、ノイズ成分をより減衰させたい場合はノッチフィルタのＱの値を小さくすることで、ノッチの幅が広がり、より減衰させることができるが、あまりノッチの幅を広げすぎると、角度演算ループに影響が出るため、この兼ね合いを見ながら最適なＱの値を選択する必要がある。

以上説明したように、この例ではＲＤコンバータ３０における角度演算ループ内において同期検波回路３４と制御器３６との間に、レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２に重畳する低周波ノイズ成分を除去する帯域除去フィルタ３５を備えるものとなっており、これによりモータ２０の発生磁界の影響によるノイズを除去することができ、ＲＤコンバータ３０の出力角度誤差を大幅に低減することができるものとなっている。

また、このようなＲＤコンバータ３０とレゾルバ１０と励磁信号生成部４０とを備えることによって、モータ２０の回転角度を精度良く、検出することができる角度検出装置を構成することができる。

この発明によるＲＤコンバータ及び角度検出装置の一実施例の構成を示すブロック図。 レゾルバ信号Ｓ１，Ｓ２の波形を示す図。 同期検波前の波形を示す図。 同期検波前後の波形を示す図。 同期検波後の波形の周波数成分を示す図。 フィルタ前後の波形を示す図。 ＲＤコンバータの出力角度誤差を示す図。

Claims (2)

1. モータの回転角度を検出する１相励磁・２相出力のレゾルバから出力される第１のレゾルバ信号Ｓ１とディジタル角度出力φの正弦値とを乗算する第１の乗算器と、
   前記レゾルバから出力される第２のレゾルバ信号Ｓ２と前記ディジタル角度出力φの余弦値とを乗算する第２の乗算器と、
   前記第２の乗算器の出力から前記第１の乗算器の出力を減算する減算器と、
   前記減算器の出力を励磁信号を参照して同期検波する同期検波回路と、
   前記同期検波回路の出力が零になるように前記ディジタル角度出力φを制御する制御器と、
   前記ディジタル角度出力φから前記ディジタル角度出力φの正弦値を生成するＳＩＮ
   ＲＯＭと、
   前記ディジタル角度出力φから前記ディジタル角度出力φの余弦値を生成するＣＯＳ
   ＲＯＭとを備え、
   前記同期検波回路の出力である制御偏差sin（θ−φ）を零にすることで、前記レゾル
   バ信号Ｓ１，Ｓ２の検出角度θを前記ディジタル角度出力φに変換するＲＤコンバータにおいて、
   前記同期検波回路と前記制御器との間に、前記励磁信号の周波数を中心周波数とする帯域を除去する帯域除去フィルタを備えることを特徴とするＲＤコンバータ。
2. １相励磁・２相出力のレゾルバと、
   請求項１記載のＲＤコンバータと、
   前記レゾルバと前記ＲＤコンバータとに励磁信号を供給する励磁信号生成部とを備えることを特徴とする角度検出装置。

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