JP6417699B2 - 回転検知装置及び回転検知方法 - Google Patents

Description

回転検知装置及び回転検知方法に関し、特に、回転体の偏心による検知誤差の低減に関する。

ブラシレスモータ等において回転体の角度を検知する方法として、印加される磁界に応じた振幅の信号を出力するホール素子等の磁電変換素子を用いる方法がある。例えば、磁界を生ずる回転体に対して磁電変換素子を設け、回転体の回転角度に応じて出力される信号の振幅に基づき、回転体の角度を算出する方法が従来用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献１においては、回転体の偏心によって生じる角度誤差を低減するため、回転体である磁石として、磁石の着磁方向の最大長さが、回転体の回転軸及び着磁方向に垂直な方向の最大長さよりも短いものを用いることが開示されている。

回転体の回転位置の検知において、回転体の誤差を考慮することは重要であるが、特許文献１に開示された方法を用いる場合、回転体の設計に制約を生じることとなる。特に、ブラシレスモータの場合、性能の向上のために極数を増やすことが求められるが、特許文献１に開示された方法は二極の場合が前提となっている。

本発明は、上記実情を考慮してなされたものであり、回転体についての設計上の制約を生ずることなく、回転体の偏心による誤差を考慮した回転位置の検知を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、回転体の回転に応じて出力され、回転体の回転周期に応じた周期の波形を有する信号に基づいて前記回転体の回転を検知する回転検知装置であって、前記回転体の回転角度において夫々異なる位置に配置され、且つ位相の同じ信号を出力する回転検知素子を複数有する複数の回転検知素子から出力される信号の内、最も離れた位置に配置されている２つの回転検知素子が出力する位相の異なる２つの前記信号を取得する信号取得部と、前記２つの信号に基づいて前記回転体の回転角度に応じたベクトルを求めるベクトル演算部と、求められた前記ベクトルに基づいて前記回転体の回転を検知する回転検知部と、を含む、ことを特徴とする。

本発明によれば、回転体についての設計上の制約を生ずることなく、回転体の偏心による誤差を考慮した回転位置の検知を実現することが可能となる。

本発明の実施形態に係るブラシレスモータにおけるローターと磁気センサとの配置関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る磁気センサがローターの極性との位置関係に応じて出力する信号の態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る夫々の磁気センサが出力する信号の位相の違いを示す図である。 本発明の実施形態に係る回転検知装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るベクトル角度の例を示す図である。 本発明の実施形態に係るベクトル角度に応じた角度検知の概念を示す図である。 本発明の実施形態に係る比較器の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る角度調整器の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る角度設定器の動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係るθ_ｓｔｅｐ調整部の動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る回転検知装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る角度設定器の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施形態においては、３相１２極のブラシレスモータにおいて、回転体であるローターの回転位置を検知する回転検知装置を例として説明する。本実施形態に係る回転検知装置は、ローターの回転位置に応じて配置された磁気センサの出力信号に基づいて角度を検知する際に、ローターの偏心による検知誤差を低減するための構成に特徴を有する。

図１は、本実施形態に係る３相１２極のブラシレスモータにおいて、ローター２００に対するホール素子の配置態様を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る３相１２極のブラシレスモータにおいては、３０°毎にＳ極とＮ極とが入れ替わるように磁石が円状に構成されたローター２００に対して、Ｕ相のホール素子２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ（以降、総じて「ホール素子２０１」とする）、Ｗ相のホール素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ（以降、総じて「ホール素子２０２」とする）、Ｖ相のホール素子２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ（以降、総じて「ホール素子２０３」とする）夫々が、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相の順番に４０°毎に配置されている。

尚、本実施形態におけるホール素子の配置は４０°毎に一周にわたって配置されているが、これは一例である。３相ブラシレスモータに求められる構成として、Ｓ極とＮ極との１周期分の角度に対して２π／３ずつ位相がずれた位置にＵ相、Ｗ相、Ｖ相のホール素子が配置されていれば良い。但し、本実施形態に係る要旨は、このように配置されたホール素子のうち、ローターの機械的な角度において可能な限り１８０°に近い角度分ずれて配置されたホール素子の出力を用いることにある。これについては後に詳述する。

図２（ａ）は、図１に示すローター２００の回転方向における磁石を仮想的に一列に並べて示し、夫々の極性の位置におけるホール素子の出力信号を対応させて示した図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態に係るホール素子２０１、２０２、２０３は、Ｓ極に対向した際に最もプラス方向の振幅が大きく、Ｎ極に対向した際に最もマイナス方向の振幅が大きくなるようなサインカーブ状の信号を、ローター２００の回転に応じて出力する。

また、ホール素子２０２、２０２、２０３が出力するサインカープの１周期は、ローター２００に含まれる磁石のＳ極、Ｎ極の１周期分、即ちローターの回転角度６０°分に相当する。従って、ローターが１回転した場合、ホール素子２０１、２０２、２０３が出力するサインカーブは、図２（ａ）に示すように６周期分となる。

ローター２００の回転位置に応じたホール素子の出力信号のサインカーブは、理想的には図２（ａ）に示すように、ローター２００の１回転において同一のサインカーブとなるが、ローター２００の回転に偏心が生じていたり、ローター２００に含まれる磁石に着磁偏心が生じていたりすると、ローター２００の１回転の周期に応じた誤差が生じる。図２（ｂ）はそのような誤差の例を示す図である。

図２（ｂ）に示すように、ローター２００の回転偏心や着磁偏心によって生じるサインカーブの誤差は、サインカーブの振幅及び波長に影響する。即ち、回転偏心や着磁偏心によって、ホール素子に対する単位時間当たりの磁束の変化が増える位置においては、振幅が大きく、波長が短くなり、単位時間当たりの磁束の変化が減る位置においては、振幅が小さく波長が長くなる。

図２（ｂ）に示すような誤差が生じているサインカーブに基づいてローター２００の回転角度を検知すると、検知される角度にも誤差が生じることとなる。そのような誤差を低減し、より正確な角度を検知することが本実施形態に係る要旨である。

図３は、ホール素子２０１、２０２、２０３夫々が出力するサインカープの位相の違いを示す図である。図３においては、Ｕ相の出力信号を実線で示し、Ｗ相の出力信号を破線で示し、Ｖ相の出力信号を点線で示している。図３に示すように、本実施形態に係るホール素子２０１、２０２、２０３は、サインカーブ状の位相として互いに１２０°ずれた信号を出力する。

次に、本実施形態に係る回転検知装置１００の構成について図４を参照して説明する。図４に示すように、本実施形態に回転検知装置１００は、図１において説明したホール素子２０１、２０２、２０３夫々の差動信号出力が夫々差動アンプ２０４によってシングルエンド化されたセンサ信号ＨＡ、ＨＢ、ＨＣ・・・ＨＩを取得し、それらの信号のうち位相の異なる２つの信号に基づいてローター２００の回転位置を検知する。

回転検知装置１００に入力されたセンサ信号ＨＡ、ＨＢ、ＨＣ・・・ＨＩは、ｍｕｘ（マルチプレクサ）１０１Ｘ、１０１Ｙに夫々入力される。即ち、ｍｕｘ１０１Ｘ、１０１Ｙが信号取得部として機能する。マルチプレクサ１０１Ｘ、１０１Ｙは、互いに位相の異なる信号、即ちＵ相、Ｖ相、Ｗ相の異なる信号をセレクト信号ｓｅｌに基づいて選択して、ｍｕｘ１０１Ｘはセンサ信号Ｈ_１を、ｍｕｘ１０１Ｙはセンサ信号Ｈ_２を、加算アンプ１０２Ｘ、差動ゲインアンプ１０２Ｙに対して夫々出力する。尚、セレクト信号ｓｅｌは、外部のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により、レジスタ設定などによって設定されて入力される。

加算アンプ１０２Ｘは、入力される信号Ｈ_１、Ｈ_２に基づき、下記の式（１）の計算を行ってＸ_０信号を出力する。他方、差動ゲインアンプ１０２Ｙは、入力される信号Ｈ_１、Ｈ_２に基づき、下記の式（２）の計算を行ってＹ_０信号を出力する。

ここで、式（２）の“Ｋ”は、Ｈ_１とＨ_２との位相差によって決定され、Ｘ_０の振幅とＹ_０の振幅とが等しくなるように設定されるゲインの係数である。このように生成されたＸ_０とＹ_０とは互いに直交の関係となっている。

加算アンプ１０２Ｘが出力するＸ_０信号はゲイン乗算器１０５Ｘ及び振幅値検知器１０３Ｘに入力される。振幅値検知器１０３Ｘは入力されたＸ_０信号の振幅値Ａ_ｘを検知してゲイン生成器１０４Ｘに入力する。振幅値検知器１０３Ｘは、例えばピーク検知回路によって実現される。この際、ピークの検知は信号の正負のピークで行われ、負側のピークは絶対値に変換される。

ゲイン生成器１０４Ｘは、以下の式（３）の計算を行い、信号Ｘ_０の振幅を予めされた基準の振幅値Ａ_ｔｇｔに合致させるためのゲインＧ_ｘを算出する。このように算出されたゲインＧ_ｘはゲイン乗算器１０５Ｘに入力される。ゲイン乗算器１０５Ｘは、夫々入力される信号Ｘ_０とゲインＧ_ｘとの乗算を行い振幅が基準の振幅値Ａ_ｔｇｔに合わせられた信号Ｘを出力する。

差動ゲインアンプ１０２Ｙが出力するＹ_０信号はゲイン乗算器１０５Ｙ及び振幅値検知器１０３Ｙに入力される。振幅値検知器１０３Ｙは入力されたＹ_０信号の振幅値Ａ_ｙを検知してゲイン生成器１０４Ｙに入力する。振幅値検知器１０３Ｙは、例えばピーク検知回路によって実現される。この際、ピークの検知は信号の正負のピークで行われ、負側のピークは絶対値に変換される。

ゲイン生成器１０４Ｙは、以下の式（４）の計算を行い、信号Ｙ_０の振幅を予めされた基準の振幅値Ａ_ｔｇｔに合致させるためのゲインＧ_ｙを算出する。このように算出されたゲインＧ_ｙはゲイン乗算器１０５Ｙに入力される。ゲイン乗算器１０５Ｙは、夫々入力される信号Ｙ_０とゲインＧ_ｙとの乗算を行い振幅が基準の振幅値Ａ_ｔｇｔに合わせられた信号Ｙを出力する。

このようにして生成された信号Ｘ、Ｙは、上述したＸ_０、Ｙ_０と同様に互いに直交の関係となっており、且つ振幅のピーク値が合わせられるようにゲイン演算された信号である。従って、ＸとＹとで示されるベクトルの角度によって、図５に示すようにローター２００の回転位置θを表現することが可能となる。

即ち、加算アンプ１０２Ｘ、差動ゲインアンプ１０２Ｙ、振幅値検知器１０３Ｘ、１０３Ｙ、ゲイン生成器１０４Ｘ、１０４Ｙ及びゲイン乗算器１０５Ｘ、１０５Ｙが連動して、ベクトル演算部として機能する。この信号Ｘ、Ｙは、検知角度乗算器１０６に夫々入力される。

検知角度乗算器１０６において、入力された信号Ｘは正弦波乗算器１０６ａ及び余弦波乗算器１０６ｂに入力され、信号Ｙは余弦波乗算器１０６ｃ及び正弦波乗算器１０６ｄに入力される。検知角度乗算器１０６には、回転検知装置１００の動作状態に応じて設定されている検知角度θ_Ｐに基づいてｓｉｎθ_Ｐ、ｃｏｓθ_Ｐが入力されている。

正弦波乗算器１０６ａは、入力される信号Ｘにｓｉｎθ_Ｐを乗算して出力する。余弦波乗算器１０６ｂは、入力される信号Ｘにｃｏｓθ_Ｐを乗算して出力する。余弦波乗算器１０６ｃは、入力される信号Ｙにｃｏｓθ_Ｐを乗算して出力する。正弦波乗算器１０６ｄは、入力される信号Ｙにｓｉｎθ_Ｐを乗算して出力する。

正弦波乗算器１０６ａ、余弦波乗算器１０６ｃから出力された信号は、減算アンプ１０７に入力される。減算アンプ１０７は、以下の式（５）の計算を行い、算出されたＹ´の信号を出力する。

余弦波乗算器１０６ｃ、正弦波乗算器１０６ｄから出力された信号は、加算アンプ１１４に入力される。加算アンプ１１４は、以下の式（６）の計算を行い、算出されたＸ´の信号を出力する。

上記式（５）、（６）の計算は、Ｘ、Ｙによって示されるベクトルをθ_Ｐだけ時計回りに回転させるための計算である。従って、Ｘ´、Ｙ´によって示されるベクトルは、図６に示すように、Ｘ、Ｙによって示されるベクトルを時計回りにθ_Ｐ回転させたベクトルとなる。

即ち、θ＝θ_Ｐであれば、Ｙ´の値はゼロであり、Ｘ´の値は、上記式（３）、（４）における基準の振幅値Ａ_ｔｇｔである。本実施形態においては、この原理を用いて、θ_Ｐを調整しながら算出されるＸ´、Ｙ´の値を監視し、常にＸ´＝Ａ_ｔｇｔ、Ｙ´＝０となるようにθ_Ｐを設定しながら、そのθ_Ｐの値に基づいてローターの検知角度を求める。これが、本実施形態に係る要旨の１つである。

尚、本実施形態においては、θ＝θ_Ｐである場合、即ち、基準角度が０°である場合を例とする。しかしながら、図５、図６に示す角度そのものには意味はなく、図５、図６に示す角度の変化が、回転体であるローター２００の回転角度に応じていることに意味がある。従って、基準角度は０°には限らない。

減算アンプ１０７から出力された信号Ｙ´は比較器１０８に入力される。比較器１０８は、上述したように信号Ｙ´の値がゼロであるか否かを判断し、その判断結果に応じてθ_Ｐの設定値を変更するための信号を出力する。図７を参照して、比較器１０８の動作について説明する。

図７に示すように、比較器１０８は減算アンプ１０７から信号Ｙ´の出力値を取得すると（Ｓ７０１）、Ｙ´の絶対値が所定の閾値αを超えているか否か判断する（Ｓ７０２）。この所定の閾値αは、Ｙ´の値が略ゼロであるか否かを判断するための閾値である。Ｙ´の値がゼロであることを厳格に判断すると、わずかでもゼロからのずれがあった場合に、θ_Ｐの設定値を頻繁に変更する必要があり、θ_Ｐの値が安定しない。

そのような状態を防ぐために閾値αを設けて、Ｙ´のゼロからのずれが許容範囲内であればゼロであるとみなす。αの値は、基準の振幅値Ａ_ｔｇｔに応じて定められるが、例えば、Ａ_ｔｇｔの１％〜５％の範囲で定めることが出来る。

Ｙ´の絶対値がα以下である場合（Ｓ７０２／ＮＯ）、比較器１０８は、在のθ_Ｐの設定値はローターの回転位置を正確に表していると判断し、処理を終了する。他方、Ｙ´の絶対値がαを超えている場合（Ｓ７０２／ＹＥＳ）、次に比較器１０８は、Ｙ´が正の値であるか負の値であるかを判断する（Ｓ７０３）。

Ｓ７０３の判断の結果、Ｙ´が正の値であった場合（Ｓ７０３／ＹＥＳ）、図６に示すようなベクトルの回転において、θ_Ｐの値がθの値よりも小さい状態である。従って、比較器１０８は、θ_Ｐの値を増加させるための命令であるＵＰ信号を出力し（Ｓ７０４）、処理を終了する。

Ｓ７０３の判断の結果、Ｙ´が負の値であった場合（Ｓ７０３／ＮＯ）、図６に示すようなベクトルの回転において、θ_Ｐの値がθの値よりも大きい状態である。従って、比較器１０８は、θ_Ｐの値を減少させるための命令であるＤＮ信号を出力し（Ｓ７０５）、処理を終了する。このＵＰ信号及びＤＮ信号が、検知角度であるθ_Ｐを加減算することを命令するための信号である。

比較器１０８が、このような処理を高速で繰り返すことにより、θ_Ｐの設定値が常にローターの回転角度θに合わせられることとなる。比較器１０８が出力するＵＰ信号及びＤＮ信号は、θ_ｓｔｅｐ調整部１１０及び角度設定器１０９に入力される。

加算アンプ１１４から出力された信号Ｘ´は角度調整器１１５に入力される。角度調整器１１５は、上述したような信号Ｙ´の値に応じたθ_Ｐの設定の補助を行うブロックである。図７において説明したような動作の場合、上記式（５）、（６）の計算により回転処理されたベクトルの角度が１８０°である場合にも、０°である場合と同様の判断が行われてしまう。即ち、θ_Ｐの設定値に１８０°の誤差が生じてしまう場合がある。

これに対して、回転後の角度を０°に合わせて、θ_Ｐの設定値の誤差を解消するため、角度調整器１１５は、Ｘ´の値を監視する。図８を参照して、角度調整器１１５の動作を説明する。図８に示すように、角度調整器１１５は加算アンプ１１４から信号Ｘ´の出力値を取得すると（Ｓ８０１）、Ｘ´の値の正負を確認する（Ｓ８０２）。

Ｓ８０２の判断の結果、Ｘ´の値が正である場合、（Ｓ８０２／ＮＯ）、そのまま図７において説明した動作を継続すれば、θ_Ｐの設定値は好適に設定されるため、角度調整器１１５はそのまま処理を終了する。

他方、Ｘ´の値が負である場合（Ｓ８０２／ＹＥＳ）、図６に示すような回転後のベクトルが１８０°に近い側であることがわかる。この場合、角度調整器１１５は、θ_Ｐの設定値を１８０°回転させるための信号である＋１８０°信号を出力し（Ｓ８０３）、処理を終了する。このような処理により、θ_Ｐの設定値に１８０度の誤差が生じてしまう状態を防ぐことが出来る。角度調整器１１５が出力する＋１８０°信号は、角度設定器１０９に入力される。

角度設定器１０９は、θ_Ｐを調整する際の単位であるθ_ｓｔｅｐを参照し、比較器１０８から入力されるＵＰ信号、ＤＮ信号及び角度調整器１１５から入力される＋１８０°信号に基づいてθ_Ｐの値を調整して出力する。図９を参照して、角度設定器１０９の動作について説明する。

図９に示すように、角度設定器１０９は、θ_ｓｔｅｐ記憶部１１１からθ_ｓｔｅｐの値を取得し（Ｓ９０１）、取得したθ_ｓｔｅｐの値を初期値としてθ_Ｐの出力を開始する（Ｓ９０２）。その後、図７において説明した比較器１０８の動作によりＵＰ信号が出力され、ＵＰ信号を取得すると（Ｓ９０３／ＹＥＳ）、角度設定器１０９は、現在のθ_Ｐの設定値にθ_ｓｔｅｐ分の角度を加算する（Ｓ９０４）。これにより、θ_Ｐの出力値が、θ_ｓｔｅｐ分増加する。尚、θｓｔｅｐ分増加した後のθ_Ｐの設定値が３６０°を超えた場合、

他方、ＵＰ信号ではなく（Ｓ９０３／ＮＯ）、図７において説明した比較器１０８の動作によりＤＮ信号が出力され、ＤＮ信号を取得すると（Ｓ９０５／ＹＥＳ）、角度設定器１０９は、現在のθ_Ｐの設定値からθ_ｓｔｅｐ分の角度を減算する（Ｓ９０６）。これにより、θ_Ｐの出力値が、θ_ｓｔｅｐ分減少する。

Ｓ９０４、Ｓ９０６いずれかの処理が完了した後、若しくはＵＰ信号もＤＮ信号も取得しなかった場合（Ｓ９０５／ＮＯ）において、図８において説明した角度調整器１１５の動作により＋１８０°信号が出力され、＋１８０°信号を取得すると（Ｓ９０７／ＹＥＳ）、角度設定器１０９は、現在のθ_Ｐの設定値に１８０°分の角度を加算する（Ｓ９０８）。

その後、角度設定器１０９は、現在のθ_Ｐの設定値が３６０°以上であるか否かを判断する（Ｓ９０９）。その結果、３６０°未満であれば（Ｓ９０７／ＮＯ）、角度設定器１０９は、Ｓ９０３からの処理を繰り返す。他方、３６０°以上であれば（Ｓ９０７／ＹＥＳ）、角度設定器１０９は、現在のθＰの設定値から３６０°を減ずる（Ｓ９１０）と共に、周期カウント信号Ｔを出力する（Ｓ９１１）。この周期カウント信号Ｔの役割については後に詳述する。

このような処理を角度設定器１０９が繰り返すことにより、比較器１０８及び角度調整器１１５の動作に応じてθ_Ｐの設定値が調整され、ローター２００の回転位置に応じたθ_Ｐの値が出力される。即ち、検知角度乗算器１０６、減算アンプ１０７、比較器１０８、角度設定器１０９及び正弦波生成器１１３が連動して、回転検知部として機能する。また、この中でも、検知角度乗算器１０６、減算アンプ１０７が連動して、回転演算部として機能し、比較器１０８及び角度設定器１０９が検知角度設定部として機能する。

図９に示すような動作によれば、１回のＵＰ信号やＤＮ信号に応じてθ_Ｐの設定値に加算若しくは減算される角度はθ_ｓｔｅｐ分である。しかしながら、図５に示すようなローターの回転位置に応じたθの値と、θ_Ｐの設定値とが大きく異なる場合、θ_Ｐの設定値がθの値に合致するまでには、θ_ｓｔｅｐの加算若しくは減算を複数繰り返すこととなり、非効率な処理となってしまう。

そのような課題を解決するためにθ_ｓｔｅｐ調整部１１０が設けられている。図１０を参照して、θ_ｓｔｅｐ調整部１１０の動作について説明する。図１０に示すように、θｓｔｅｐ調整部１１０は、比較器１０８からＵＰ信号若しくはＤＮ信号のいずれかを取得するまで待機し（Ｓ１００１／ＮＯ）、ＵＰ信号、ＤＮ信号のいずれかを取得すると（Ｓ１００１／ＹＥＳ）、期間のカウントをスタートする（Ｓ１１０２）。

カウントをスタートした後、Ｓ１００１において取得した信号と同一の信号を取得することなく（Ｓ１００３／ＮＯ）、そのカウント値が所定期間に相当する値に達すると（Ｓ１００６／ＹＥＳ）、θ_ｓｔｅｐ調整部１１０は、カウントを停止してカウンタをクリアし（Ｓ１００７）、θ_ｓｔｅｐの値をデフォルトの値であるθ_{ｓｔｅｐ＿ｄｅｆ}としてθ_ｓｔｅｐ記憶部１１１に記憶させ（Ｓ１００８）、Ｓ１００１からの処理を繰り返す。

他方、カウントをスタートした後、所定期間に相当するカウント値のカウントが行われる前に（Ｓ１００６／ＮＯ）、Ｓ１００１において取得した信号と同一の信号を取得した場合（Ｓ１００３／ＹＥＳ）、θ_ｓｔｅｐ調整部１１０は、カウンタをクリアし、現在のθ_ｓｔｅｐの値にデフォルトの値であるθ_{ｓｔｅｐ＿ｄｅｆ}の値を加算してθ_ｓｔｅｐ記憶部１１１に記憶させ（Ｓ１００５）、Ｓ１００３からの処理を繰り返す。

このような処理が繰り返されることにより、所定期間内に連続してＵＰ信号やＤＮ信号が入力された場合、θ_ｓｔｅｐ調整部１１０は、ローターの回転位置θと現在のθ_Ｐとの値との差異が大きいと判断し、θ_Ｐを調整する際の単位であるθｓｔｅｐの設定値を大きくするように、θ_ｓｔｅｐ記憶部１１１に記憶されているθ_ｓｔｅｐの値を調整する。これにより、ローターの回転位置θと現在のθ_Ｐとの値との差異が大きい場合に、θ_Ｐの調整が何回も繰り返されるような非効率な処理を回避することが出来る。即ち、θ_ｓｔｅｐ調整部１１０が、単位角度調整部として機能する。

角度設定器１０９から出力されたθ_Ｐの値は、正弦波生成器１１３及び角度変換器１１２に入力される。正弦波生成器１１３は、入力されたθ_Ｐの値に応じてｓｉｎθ_Ｐ、ｃｏｓθ_Ｐの値を出力する。正弦波生成器１１３は、例えば、様々な角度に応じた正弦、余弦のルックアップテーブルに基づき、入力されたθ_Ｐに応じたｓｉｎθ_Ｐ、ｃｏｓθ_Ｐの値を出力する。このｓｉｎθ_Ｐ、ｃｏｓθ_Ｐの値は検知角度乗算器に入力され、上述した正弦波乗算器１０６ａ、余弦波乗算器１０６ｂ、余弦波乗算器１０６ｃ、正弦波乗算器１０６ｄの乗算処理が実行される。

角度変換器１１２には、θ_Ｐに加えて周期カウント信号Ｔが角度設定器１０９から出力される。角度変換器１１２は、入力したθ_Ｐをローター２００の回転角度θ_Ｒに変換して出力する。図１及び図２において説明したように、ローター２００の１周期は、ホール素子２０１、２０２、２０３が出力するサインカーブの６周期に相当する。そして、角度設定器１０９が出力するθ_Ｐの値は、ホール素子２０１、２０２、２０３の出力信号に基づいて求められた角度であるため、ローター２００の回転角度ではなく、図２に示すサインカーブ１周期における位相を示す角度である。

従って、角度変換器１１２は、０〜５までをカウントするカウンタによって周期カウント信号Ｔをカウントすることにより、ローター２００の回転位置が６周期分のサインカーブの周期のどの周期に相当するかを判断すると共に、θ_Ｐの出力値を加味してローター２００の詳細な回転位置を求める。

具体的に、周期カウント信号Ｔのカウント値をＴ_{ｃｏｕｎｔ}とすると、角度変換器１１２は、以下の式（７）の計算により、ローターの回転角度θ_Ｒに変換する。このような回転検知装置１００の機能により、ローター２００の回転角度θ_Ｒが検知され出力される。

このように、本実施形態に係る回転検知装置１００によれば、図１に示すようにローター２００の回転に沿って配置されたホール素子２０１、２０２、２０３のうちから選択された２つのホール素子の出力信号に基づいてローター２００の回転位置が検知される。

ここで、夫々のホール素子から出力される信号は、理論的には図２、図３において説明したようなサインカーブとなるが、ローター２００に偏心が生じている場合、サインカーブの位相に応じて周期や振幅に部分的な歪みが生じる。そのような歪みを含む信号に基づいて上述したような回転検知装置１００の機能によりθ_Ｒを求めると、その結果は歪みに応じた誤差を含むこととなる。

この偏心による信号の歪みはローター２００の１周期分の周期性を有する周期誤差となるため、図１に示すように配置されたホール素子から２つを選択する際、ローター２００の回転位置において１８０°ずれて配置された２つのホール素子を選択するとキャンセルすることが出来る。

但し、図１の例においては、完全に１８０°ずれた位置に配置されたホール素子は無く、また１２極のブラシレスモータにおいて１８０°ずれた位置に配置されたホール素子から出力される信号は同位相の信号であるため、位相の異なる２つの信号に基づいてローター２００の角度を検知するという回転検知装置１００の基本的な機能に影響する。

従って、本実施形態に係る回転検知装置１００においては、位相の異なる信号を出力する２つのホール素子を選択する際に、ローター２００の回転位置において可能な限り１８０°に近い角度分ずれた位置に配置されたホール素子を選択する。換言すると、なるべく離れた位置に配置されている２つのホール素子を選択する。

例えば、図１において１つのホール素子としてホール素子２０１ａを選択する場合、もう１つは、ホール素子２０２ｂやホール素子２０３ｂを選択する。これにより、２つのホール素子から出力されるサインカーブ状の信号夫々に含まれている周期誤差は打ち消し合う方向に作用する。従って、その結果出力されるθ_Ｐ、θ_Ｒは、偏心による周期誤差が低減されたものとなる。

例えば、図２（ｂ）に示すような誤差が生じている場合において、振幅が大きく、波長が短い位置における信号が一方のホール素子から出力されている場合、もう一方のホール素子からは、振幅が小さく、波長が長い位置に近い信号が出力されることとなる。従って、これら２つの信号に基づいて算出されたＸ_０、Ｙ_０においては、波長の誤差、即ち、位相の誤差が低減されていることとなる。

これに対して、図２（ｂ）に示す振幅の誤差は残ることとなる。この振幅の誤差は、Ｘ_０及びＹ_０の値の誤差として現れる。本実施形態において、Ｘ_０、Ｙ_０は、図５において説明したようにベクトルの成分を表す値の元の値として用いられるため、これに誤差が生じていると、表されるベクトルの角度にも誤差が生じることとなり、検知されるθ_Ｐの値の誤差となる。

これに対して、本実施形態に係る回転検知装置１００においては、この振幅の誤差を、図１に示す振幅値検知器１０３Ｘ、１０３Ｙ、ゲイン生成器１０４Ｘ、１０４Ｙ並びにゲイン乗算器１０５Ｘ、１０５Ｙの機能により補正する。即ち、上述した基準の振幅値Ａ_ｔｇｔは、図２（ａ）に示すような理想的なサインカープの振幅値を用いることが出来る。回転検知装置１００のこのような機能により、図２（ｂ）において説明したようなローター２００の回転に対する周期誤差の影響を低減し、ローター２００の角度を好適に検知することが可能となる。

このような周期誤差の低減効果をより向上するため、選択される２つのホール素子は、ローター２００の回転位置に対して少なくとも９０°以上ずれていることが好ましい。換言すると、選択される２つのホール素子がローター２００の回転角度においてなす角度が９０°以上２７０°以下であることが好ましい。また、２つのローター２００がなす角度が１２０°以上、２４０°以下や、１５０°以上、２１０°以下であれば、上述した効果を更に向上することができる。

他方、図１に示すようなホール素子２０１、２０２、２０３の配置は一例であり、ホール素子の配置は回転検知装置１００が適用されるブラシレスモータの構成によって異なる。従って、信号を取得する２つのホール素子の選択に際しては、位相の異なる信号を出力する２つのホール素子のうち、ローター２００の回転位置においてなるべく１８０°に近い角度分ずれたホール素子や、可能な限り離れた位置、好ましくは最も離れた位置に配置されたホール素子を選択することが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る回転検知装置１００によれば、回転体についての設計上の制約を生ずることなく、回転体の偏心による誤差を考慮した回転位置の検知を実現することができる。

尚、上記実施形態においては、ローター２００の回転に応じて、図５に示すベクトルが反時計周りに回転する場合を例としている。従って、ローター２００の回転に応じて、θ_Ｐの設定値は大きくなっていき、図９のＳ９０９においては、θ_Ｐが３６０°を超えたか否かを判断し、Ｓ９１０においては３６０°を引いている。

これに対して、ローター２００の回転に応じて図５に示すベクトルが時計回りに回転する場合もあり得る。その場合、ローター２００の回転に応じてθ_Ｐの設定値は小さくなっていくため、図９のＳ９０９においては、θ_Ｐが０°を下回った否かを判断し、Ｓ９１０においては３６０°を足すこととなる。

また、上記実施形態においては、図１において説明したように、全てのホール素子の出力信号がｍｕｘ１０１Ｘ、ｍｕｘ１０１Ｙの両方に入力され、セレクト信号ｓｅｌに応じて信号が選択される。従って、上述したような周期誤差の低減効果の得られる２つの信号を、端子や配線を変更することなく選択することが可能となり、より汎用性の高い装置を提供することが可能となる。

ここで、２つの信号の選択に際しては、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相のうち、位相の異なる信号を選択する必要がある。即ち、図１において、ホール素子２０１ａの信号と、ホール素子２０１ｂの信号とを選択することはできない。従って、ｍｕｘ１０１ＸでＵ相が選択された場合に、ｍｕｘ１０１Ｙ側でＵ相が選択されることはない。

図１においては、全ての信号をｍｕｘ１０１Ｘ、ｍｕｘ１０１Ｙの両方に入力しているが、信号の選択の組み合わせを考慮すると、入力する信号を減らすことが出来る。例えば、ｍｕｘ１０１ＸにはＵ相、Ｗ相の信号を入力し、ｍｕｘ１０１ＹにはＷ相、Ｖ相の信号を入力するような構成が考えられる。このような構成により、全ての信号の組み合わせが実現可能であると共に、信号の入力に要する信号線や、セレクト信号ｓｅｌのビット数を減らすことが可能となる。

他方、回転位置検知に用いる信号が予め定まっているのであれば、ｍｕｘ１０１Ｘ、ｍｕｘ１０１Ｙを介することなく２つの信号を直接加算アンプ１０２Ｘ、差動ゲインアンプ１０２Ｙに夫々入力しても良い。これにより、回路規模を低減することが可能となる。

また、上記実施形態においては、角度設定器１０９が出力するθ_Ｐの上限値が３６０°であり、３６０°を超えた場合には、周期カウント信号Ｔを出力する場合を例として説明した。しかしながらこれは一例であり、図１に示すようなローター２００の１周期の角度をサインカーブの位相で表現した角度して、３６０°×６＝２１６０°を角度設定器１０９が出力するθ_Ｐの上限値として用いても良い。

この場合、角度変換器１１２は、θ_Ｐを単純に６で割ることにより、ローターの回転角度θ_Ｒを算出して出力する。他方、正弦波生成器１１３は、θ_Ｐが３６０°未満になるまでθ_Ｐから３６０°を引き、その余りの角度の正弦、余弦をルックアップテーブルに基づいて出力する。これにより、上記と同様の効果を得ることが可能となる。

また、上記実施形態においては、図４において説明した信号の流れにおける検知角度乗算器１０６以降の機能により、図６において説明したようなベクトルの回転を利用してローターの回転位置に応じたθ_Ｐを求める場合を例として説明した。このような機能構成によれば、夫々のモジュールが単純な機能のみで実現可能であるため、回路のクロック数や回路規模を低減することが可能である。

これに対して、ゲイン乗算器１０５Ｘの出力する信号Ｘ及びゲイン乗算器１０５Ｙの出力する信号Ｙに基づき、以下の式（８）によってθ_Ｐを求めることも可能である。

このような態様は、図１１に示すように、ゲイン乗算器１０５Ｘ及びゲイン乗算器１０５Ｙの出力に基づいて上記式（８）の演算を行う角度演算器１１６を設けることにより可能である。また、θ_Ｐの算出結果が３６０°を超えて０°に戻った場合に、周期カウント信号Ｔを出力する点は上記と同様である。

但し、上記式（８）の計算をローター２００の回転に追従してリアルタイムに実現するためには、高クロックによる処理が必要である。これに対して、図４において説明した構成であれば、式（８）の計算を行う構成よりも低クロックで実現可能である。

また、上記実施形態においては、角度設定器１０９及び角度変換器１１２の機能により、ローターの回転角度θ_Ｒを求めて出力する場合を例として説明とした。しかしながらこれは一例であり、回転検知装置１００の趣旨は、ローターの回転を検知することにある。即ち、出力として角度を示す値を出力するのではなく、例えば、所定角度の回転を検知する都度、パルスを出力するような構成でも良い。この場合、出力のビット数を少なくできるという効果がある。

所定角度の回転を検知する都度、パルスを出力するような構成の場合、角度変換器１１２は不要であり、角度設定器１０９の機能によって実現可能である。そのような場合の角度設定器１０９の動作について図１２のフローチャートに基づいて説明する。図１２は、上述したように、ローター２００が所定角度回転する度にパルスを出力する場合の角度設定器１０９の動作を示すフローチャートである。

図１２に示すようにＳ１２０１〜Ｓ１２１０は、図９のＳ９０１〜９１０と同様の処理が実行される。図１２の態様においては、ＵＰ信号の取得もＤＮ信号の取得も行われなかった場合において（Ｓ１２０３／ＮＯ）、（Ｓ１２０５／ＮＯ）、角度設定器１０９は、信号が安定しているか否かを判断する（Ｓ１２１１）。

回転検知装置１００が動作を開始した当初は、ローターの回転位置に応じて出力されるＸ、Ｙの値によるベクトルの角度θと、θ_Ｐの設定値との差異が大きく、＋１８０°信号が出力されたり、ＵＰ信号、ＤＮ信号が連続して出力されたりすることが考えられる。

これに対して、θ_Ｐの設定値がＸ、Ｙの値によるベクトルの角度θに追従すると、以降は、ローター２００の回転に応じて、Ｘ、Ｙの値によるベクトルの角度θがθ_ｓｔｅｐ分回転する毎にＵＰ信号が出力される状態になる。尚、上述したようにローター２００の回転が逆であればＤＮ信号が出力される状態となる。このような状態を安定した状態として考える。

即ち、角度設定器１０９は、Ｓ１２１１において、再度にＵＰ信号若しくはＤＮ信号が出力されてから、所定の期間以上、＋１８０°信号もＵＰ信号もＤＮ信号も取得していなければ、θ_Ｐの設定値がローター２００の回転に追従し、信号が安定していると判断する（Ｓ１２１１／ＹＥＳ）。

信号が安定していると判断した場合、以降、角度設定器１０９は、比較器１０８からＵＰ信号若しくはＤＮ信号を取得する度に（Ｓ１２１２／ＹＥＳ）、パルス出力を行う（Ｓ１２１３）。これにより、パルス出力を受けた側のモジュールにおいては、ローター２００が所定の角度分回転したことを検知することが出来る。尚、上述したように、θ_ｓｔｅｐはサインカーブの位相に対応する角度である。従って、パルス１回分によって回転が検知される角度は、本実施形態においてはθ_ｓｔｅｐの６倍の角度である。

また、上記実施形態においては、図１において説明したように、ブラシレスモータのローター２００に対して、夫々配置されたホール素子から、ローター２００の周期誤差が打ち消し合うような信号を出力する２つのホール素子を選択することを説明した。これに対して、ブラシレスモータにおけるホール素子を、周期誤差の低減を目的として配置するようにしても良い。

３相のブラシレスモータにおいては、極数に応じて配置された２極分の磁石を１周期として、その周期における１２０°、即ち、電気角で１２０°互いにずれた位相関係となるように、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相夫々のホール素子が少なくとも１つずつ配置されていれば良い。そして、極数ｎが決定されれば、ローター２００の１周期に対して可能な限り１８０に近い角度であって、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相夫々のホール素子の取り付け角度として取り得る角度θ_ｈａｌｌは、以下の式（９）によって定めることが出来る。

従って、上記式（９）に基づいてＵ相、Ｗ相、Ｖ相夫々のホール素子のうち２つのホール素子の取り付け角度を選択すれば、本実施形態に係る回転検知装置１００において好適な信号を取り出すことが可能であり、上述した周期誤差の低減効果をより効果的に得ることが可能である。

また、上記実施形態においては、ブラシレスモータにおけるローター２００の回転の検知を例として説明した。しかしながら、これは一例であり、回転体の回転周期に応じて図２に示すような波形が出力される場合であれば、同様に本実施形態に係る回転検知装置１００を適用することが可能である。

その場合においても、位相の異なる２つの波形であって、回転体の回転位置において１８０°近くずれている位置での検知結果に基づいて出力された２つの波形に基づいて上述したような処理を実行することにより、回転体の偏心などの周期誤差を低減して正確な角度検知を行うことが可能となる。

尚、回転体に磁性体を用い、磁気センサにはホール素子ではなく、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：トンネル磁気抵抗）効果素子もしくは、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：巨大磁気抵抗）効果素子を用いたホイートストンブリッジ回路や、ＡＭＲ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ−Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：異方性磁気抵抗）効果素子を用いてもよい。

また、回転体の回転周期に応じた波形が出力される例としては、例えば光学エンコーダーによる回転検知機構が挙げられる。具体的には、回転体の一周にわたって所定角度で形成されたマーキングを光学的に検知し、そのマーキングの検知に応じてパルスを出力するような機構が知られている。このように出力されるパルスを回転体の周期に応じたサインカーブに変換することにより、上記実施形態を同様に適用することが可能となり、回転体の周期に応じた周期誤差を低減することが可能となる。

また、回転体の回転周期に応じた波形が出力される例としては、スリットが刻まれた回転円盤、光源、光検知センサを有する回転検知機構が挙げられる。具体的には、光源からの光を、回転円盤のスリットにより、光検知センサへ到達する量を変化させることで、回転体の周期に応じたサインカーブを出力させることができる。

１００ 回転検知装置
１０１Ｘ、１０１Ｙ ｍｕｘ
１０２Ｘ 加算アンプ
１０２Ｙ 作動ゲインアンプ
１０３Ｘ、１０３Ｙ 振幅値検知器
１０４Ｘ、１０４Ｙ ゲイン生成器
１０５Ｘ、１０５Ｙ ゲイン乗算器
１０６ 検知角度乗算器
１０６ａ、１０６ｄ 正弦波乗算器
１０６ｂ、１０６ｃ 余弦波乗算器
１０７ 減算アンプ
１０８ 比較器
１０９ 角度設定器
１１０ θ_ｓｔｅｐ調整部
１１１ θ_ｓｔｅｐ記憶部
１１２ 角度変換器
１１３ 正弦波生成器
１１４ 加算アンプ
１１５ 角度調整器
１１６ 角度演算器
２００ ローター
２０１、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ ホール素子
２０２、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ ホール素子
２０３、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ ホール素子
２０４ 作動アンプ

特開２０１３−００２８３５号公報

Claims (10)

1. 回転体の回転に応じて出力され、回転体の回転周期に応じた周期の波形を有する信号に基づいて前記回転体の回転を検知する回転検知装置であって、
   前記回転体の回転角度において夫々異なる位置に配置され、且つ位相の同じ信号を出力する回転検知素子を複数有する複数の回転検知素子から出力される信号の内、最も離れた位置に配置されている２つの回転検知素子が出力する位相の異なる２つの前記信号を取得する信号取得部と、
   前記２つの信号に基づいて前記回転体の回転角度に応じたベクトルを求めるベクトル演算部と、
   求められた前記ベクトルに基づいて前記回転体の回転を検知する回転検知部と、を含む、ことを特徴とする回転検知装置。
2. 前記ベクトル演算部は、
   前記２つの信号を加減算することにより求められる２つの直交成分の値を求め、
   前記２つの直交成分の値のピーク値を揃えるためのゲイン演算を行ってピーク値の揃った２つの直交成分の値を成分として前記回転体の回転角度に応じたベクトルを求めることを特徴とする請求項１に記載の回転検知装置。
3. 前記信号取得部は、前記回転体の回転角度において夫々異なる位置に配置された複数の回転検知素子から出力される信号を夫々取得し、前記最も離れた位置に配置されている２つの回転検知素子によって出力された信号を選択して出力し、
   前記ベクトル演算部は、前記選択されて出力された信号に基づいて前記回転体の回転角度に応じたベクトルを求めることを特徴とする請求項１または２に記載の回転検知装置。
4. 前記回転検知部は、
   求められた前記ベクトルに対して、設定された検知角度分の回転演算を行う回転演算部と、
   回転演算された後のベクトルが所定の基準角度に追従するように、検知角度を設定する検知角度設定部を含み、
   設定された前記検知角度に基づいて前記回転体の回転を検知することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の回転検知装置。
5. 前記検知角度設定部は、前記回転演算された後のベクトルと所定の基準角度との差異が所定角度以上である場合、前記検知角度を、前記検知角度の設定を変更する単位として予め定められた単位角度の分加減算することにより、回転演算された後のベクトルが所定の基準角度に追従するように、前記検知角度を設定することを特徴とする請求項４に記載の回転検知装置。
6. 前記回転演算された後のベクトルと所定の基準角度との差異が所定角度以上である場合に、前記単位角度を大きくする単位角度調整部を含むことを特徴とする請求項５に記載の回転検知装置。
7. 前記検知角度設定部は、前記回転演算された後のベクトルと所定の基準角度との差異が所定角度以上である場合、前記検知角度を加減算することを命令するための信号を出力し、
   前記単位角度調整部は、前記検知角度を加算することを命令するための信号または前記検知角度を減算することを命令するための信号が所定期間内に連続して入力された場合に、前記単位角度を大きくすることを特徴とする請求項６に記載の回転検知装置。
8. 前記検知角度設定部は、前記回転演算されたベクトルを構成する成分の少なくとも一方の値に基づいて、回転演算された後のベクトルが所定の基準角度に追従しているか否かを判断することを特徴とする請求項４乃至７いずれか１項に記載の回転検知装置。
9. 回転体の回転に応じて出力され、回転体の回転周期に応じた周期の波形を有する信号に基づいて前記回転体の回転を検知する回転検知装置であって、
   前記回転体の回転角度において夫々異なる位置に配置され、且つ位相の同じ信号を出力する回転検知素子を複数有する複数の回転検知素子から出力される信号の内、９０度以上２７０度以下離れた位置に配置されている２つの回転検知素子が出力する位相の異なる２つの前記信号を取得する信号取得部と、
   前記２つの信号に基づいて前記回転体の回転角度に応じたベクトルを求めるベクトル演算部と、
   求められた前記ベクトルに基づいて前記回転体の回転を検知する回転検知部と、を含む、ことを特徴とする回転検知装置。
10. 回転体の回転角度において夫々異なる位置に配置された複数の回転検知素子から前記回転体の回転に応じた周期の波形で出力される信号に基づいて前記回転体の回転を検知する回転検知方法であって、
    前記回転体の回転角度において夫々異なる位置に配置され、且つ位相の同じ信号を出力する回転検知素子を複数有する複数の回転検知素子から出力される信号の内、最も離れた位置に配置されている２つの回転検知素子が出力する位相の異なる２つの前記信号を取得し、
    前記２つの信号に基づいて前記回転体の回転角度に応じたベクトルを求め、
    求められた前記ベクトルに基づいて前記回転体の回転を検知することを特徴とする回転検知方法。