旋转角度检测装置 技术领域 本发明涉及旋转角度检测装置， 该旋转角度检测装置特别适合用于无刷 DC 电 动 机， 该 无 刷 DC 电 动 机 作 为 用 于 车 载 用 设 备 的 节 流 阀、 EGR( 废 气 再 循 环 系 统 ) 阀、 VG(Variable Geometry ： 可变翼 ) 涡轮系统的可动片等的驱动源而使用。
背景技术 旋转角度检测装置例如使用两个磁传感器， 将来自各磁传感器的、 与无刷 DC 电动 机等旋转体的旋转角度对应输出的传感器输出信号输入到信号处理部， 进行预定的信号处 理， 从而检测出旋转体的旋转角度。
此时， 信号处理部基于与旋转体的旋转角度对应输出的正弦波、 余弦波状这两个 传感器输出信号中的一个传感器输出信号过零点时的旋转角和另一个传感器输出信号的 符号， 来计算旋转一周 (360 度 ) 内的旋转角度 ( 例如， 参照专利文献 1)。
专利文献 1 ： 日本专利特开 2004-191101 号公报 ( 第 0048 ～ 0051 段， 图 9)
根据上述专利文献 1 所揭示的技术， 能够高精度地检测出旋转一周内的旋转角 度， 但是在旋转体旋转一周以上时， 由于存在多个作为相同信号状态的条件， 因此极难对旋 转角度进行检测。
因 此， 例 如 作 为 用 于 车 载 用 设 备 的 节 流 阀、 EGR( 废 气 再 循 环 系 统 ) 阀、 VG(Variable Geometry ： 可变翼 ) 涡轮系统的可动片等的驱动源而使用的无刷 DC 电动机在 旋转多周时 ( 例如旋转两周 ) 对阀的开关状态进行全局控制 ( 日文 ： 全域制御 )， 因此存在 精度上的问题而难以采用现有技术。
本发明是为了解决上述问题而完成的， 其目的在于提供一种旋转角度检测装置， 该旋转角度检测装置使用可检测旋转一周的旋转角度传感器、 可简单、 高精度地检测出旋 转多周旋转角度。
发明内容
为了解决上述问题， 本发明的旋转角度检测装置包括运算处理单元， 该运算处理 单元基于相位不同的两个正弦波状的传感器输出信号中的一个传感器输出信号的符号的 变化方向和另一个传感器输出信号的符号， 来对旋转了一周以上的旋转角度的变化进行检 测， 基于与上述检测出的旋转了一周以上的旋转角度的变化相关的信息和由上述传感器输 出信号计算出的旋转一周中的旋转角度信息， 来生成旋转多周角度信息。
另外， 本发明的旋转角度检测装置包括运算处理单元， 该运算处理单元基于根据 相位不同的两个正弦波状的传感器输出信号计算出的旋转一周中的旋转角度信息， 来生成 在每旋转一周中具有任意分割数的、 相位不同的两相的信号， 并且与上述两相的信号的变 化方向和信号的大小相对应地增加或减少上述信号的变化次数， 来生成旋转多周角度信 息。
根据本发明的旋转角度检测装置， 能够使用可检测出旋转一周的旋转角度传感器来简单、 高精度地检测出旋转多周旋转角度。 附图说明 图 1 是表示用于说明本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置中所使用的传感器及 其检测系统的图。
图 2 是表示相位不同的两个正弦波状的传感器输出信号的矢量的图。
图 3 是用 < 表 1> 说明本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置的旋转多周的检测 原理的图。
图 4 是表示本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置的内部电路结构的框图。
图 5 是表示本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置进行正转时的动作的时序图。
图 6 是表示本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置进行反转时的动作的时序图。
图 7 是表示本发明实施方式 1 的检测装置的动作的图， 是用表格形式 < 表 2> 来表 示旋转周数识别信号与旋转角度的计算处理的关系的图。
图 8 是表示本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置的内部电路结构的框图。
图 9 是表示本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置进行正转时的动作的时序图。
图 10 是表示本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置进行反转时的动作的时序图。
图 11 是表示在本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置中所使用的 AB 相信号生成 器的内部结构的一个例子的图。
图 12 是表示本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置进行正转时的 AB 相的信号变 化与计数值的增减的关系的图。
图 13 是表示本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置进行反转时的 AB 相的信号变 化与计数值的增减的关系的图。
具体实施方式
以下， 为了更详细说明本发明， 根据附图对用于实施本发明的最佳方式进行说明。
实施方式 1.
图 1 是表示用于说明本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置中所使用的传感器及 其检测系统的图。
此处， 在与未图示的 DC 电动机同时绕轴旋转的磁体圆板 1 的大致呈直角的偏移位 置上固定配置有两个霍尔传感器 2、 3， 从而构成检测系统。
如图 2(a) 所示， 霍尔传感器 2、 3 的输出即 Vx、 Vy 可以用矢量来表现。如图 2(b) 所示， 实际的输出波形例是相位不同的两个正弦波状的传感器输出信号。 此处， 设两个传感 器输出信号的周期为旋转一周的 1/n 周期 (n 为任意的整数 )。
此外， 所使用的传感器不限于霍尔传感器 2、 3， 也可以用其他磁传感器等旋转角度 检测传感器来代替。
图 3 是用 < 表 1> 示出本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置对旋转超过一周 (360 度 ) 时的旋转角度进行检测的旋转多周的检测原理的图。
众所周知， 可以根据错开 90 度相位的两个传感器输出信号， 可以检测出旋转一周 中的旋转角度。本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置可根据错开 90 度相位的两个传感器输出信号来检测出旋转多周中的旋转角度。
具体的检测原理是， 在具有如图 2(b) 所示那样的错开相位的两个正弦波状的传 感器输出信号 Vx、 Vy 的情况下， 若使用图 3 中以 < 表 1> 示出的组合中的、 在过 360 度这点 的时刻的组合， 则可以基于一个传感器输出信号在过零点时的信号的符号的变化方向和另 一个传感器输出信号的符号， 来判断是否旋转了一周以上。
例如， 在正转时， 旋转第零周 (0 度 )、 旋转第一周 (360 度 )、 及旋转第二周 (720 度 ) 的 Vx 过零点时的符号的变化方向为从 - 向 + 方向变化， 此时的 Vy 的符号为 +。另外， 在反 转时， 旋转第零周 (0 度 )、 (360 度 ) 第一周旋转、 及旋转第二周 (720 度 ) 的 Vx 过零点时的 符号的变化方向为从 + 向 - 方向变化， 此时的 Vy 的符号为 -。因而， 根据该组合可以判断是 否旋转了一周以上。
由此可知， 例如若使用比较器等来检测符号和变化边缘 ( 日文 ： 变化エツジ )， 则 可以仅利用正或负这两个值的运算来进行旋转多周角度检测， 容易得到以运算器为中心的 硬件的组合而成的结构。此处， 将该硬件总称为运算处理单元。
图 4 是表示本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置的内部电路结构的一个例子的 框图。
如图 4 所示， 本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置包括 ： AD( 模拟数字 ) 转换器 11、 12 ； 校正运算器 13、 14 ； 比较器 15、 16 ； 边缘检测器 17 ； 脉冲计数器 18 ； 一周旋转角度计 算器 19 ； 多周旋转处理电路 20 ； 以及 DA( 数字模拟 ) 转换器 21。
上述各构成块 11 ～ 21 协同地进行动作， 从而起到运算处理单元的作用 ： 即， 基于 传感器输出信号 ( 霍尔传感器 2、 3) 中的一个传感器输出信号的符号的变化方向和另一个 传感器输出信号的符号， 来对旋转一周以上的旋转角度的变化进行检测， 基于与所检测出 的旋转一周以上的旋转角度的变化相关的信息和根据传感器输出信号计算出的旋转一周 中的旋转角度信息， 来生成旋转多周角度信息， 以下对其进行详细说明。
图 5、 图 6 是表示本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置的动作的时序图， 分别示 出进行正转时 ( 图 5) 和反转时 ( 图 6) 的情况。此外， 在图 5、 图 6 中， 具有与图 4 相同名 称的信号的波形与图 4 所示的信号相同， 示出了 (a) 旋转角度 θ、 (b)X 分量信号、 (c)Y 分 量信号、 (d)X 分量符号信号、 (e)Y 分量符号信号、 (f)+ 脉冲、 (g)- 脉冲、 (h) 脉冲计数器 18 的输出。
以下， 参照图 5、 图 6 的时序图对图 4 所示的本发明实施方式 1 的旋转角度检测装 置的动作进行详细说明。
首先， 由霍尔传感器 2、 3 输出的两个正弦波状的传感器信号即模拟信号 Vx、 Vy 分 别由 AD( 模拟数字 ) 转换器 11、 12 转换为数字信号， 并分别输出到校正运算器 13、 14。由于 以下处理与现有的处理相同 ： 即， 校正运算器 13、 14 在校正部位进行与振幅和偏移相关的 校正， 将校正后的信号提供给一周旋转角度计算器 19， 由一周旋转角度计算器 19 计算旋转 一周内的旋转角度， 输出旋转角度 θ(n 比特的旋转一周位置信号 ： 数字值 )， 因此省略具体 说明。
另一方面， 除了将上述校正运算器 13、 14 的输出提供给一周旋转角度计算器 19 之 外， 还将其提供给比较器 15、 16 的一个输入端子。向比较器 15、 16 的另一个输入端子提供 预先设定的 0 基准值， 此处， 进行与 0 基准值的大小比较。将比较器 15、 16 的 “高电平” “低 、电平” 的符号 ( 信号 ) 输入到边缘检测器 17。边缘检测器 17 采用以下结构 ： 即， 接收来自 比较器 15、 16 的信号， 在图 3 的表所示的正转的 0 度、 360 度、 720 度的条件下输出 + 脉冲， 在反转的 0 度、 360 度、 720 度的条件下输出 - 脉冲， 将此处所检测出的 + 脉冲或 - 脉冲输出 到脉冲计数器 18。
此外， 上述边缘检测器 17 的结构例如详细记载于综合出版社 “AC 伺服系统的理论 和设计的实际” 的图 6.5 的增量式编码器的位置检测法中。
此处， 脉冲计数器 18 采用 2 比特的结构， 若从边缘检测器 17 输入 + 脉冲则更新为 +1， 若输入 - 脉冲则更新为 -1。 此处， 将计数后的值作为旋转周数识别信号输出到多周旋转 处理电路 20。
多周旋转处理电路 20 采用以下结构 ： 即， 根据由脉冲计数器 18 输出的 2 比特的旋 转周数识别信号， 进行例如图 7 的 < 表 2> 所示的处理， 将与从 0 度到 720 度相对应的旋转 多周位置信号 (n+1) 比特的数据输出到 DA 转换器 21， 用 DA 转换器 21 将数字信号转换为模 拟信号来输出到未图示的脉冲控制系统。
此外， 图 7 所示的 < 表 2> 是表示由脉冲计数器 18 输出的 2 比特的旋转周数识别 信号与由多周旋转处理电路 20 进行的旋转角度 θ 的计算处理 ( 旋转一周角度信号 ±360 度的处理 ) 的关系的图。 此处， 图 7 示出了以下情况 ： 即， 在由脉冲计数器 18 输出的旋转周数识别信号为 “0” 的情况下， 多周旋转处理电路 20 将由一周旋转角度计算器 19 输出的旋转角度 θ 直接 输出到 DA 转换器 21， 在由脉冲计数器 18 输出的旋转周数识别信号为 “1” 的情况下， 多周 旋转处理电路 20 将由一周旋转角度计算器 19 输出的旋转角度 θ 附加上 360 度来输出到 DA 转换器 21， 在由脉冲计数器 18 输出的旋转周数识别信号为 “2” 的情况下， 多周旋转处理 电路 20 将由一周旋转角度计算器 19 输入的旋转角度 θ 附加上 720 度来输出到 DA 转换器 21。
此外， 在此， 由于设定为在旋转两周 (720 度 ) 时对整个区域的阀开关位置进行监 视， 因此在由脉冲计数器 18 输出的旋转周数识别信号为 “3” 的情况下， 多周旋转处理电路 20 也不更新一周旋转角度计算器 19 输出的旋转角度 θ。假设要在旋转六周时对整个区域 的阀开关位置进行监视的情况下， 则需要 3 比特的旋转周数识别信号。而且该比特数的设 定是任意的。
如上所述， 根据上述本发明实施方式 1 的旋转角度检测装置， 运算处理单元基于 传感器输出信号中的一个传感器输出信号的符号的变化方向和另一个传感器输出信号的 符号， 来对旋转一周以上的旋转角度的变化进行检测， 基于与检测得到的旋转一周以上的 旋转角度的变化相关的信息和根据传感器输出信号计算出的旋转一周中的旋转角度信息， 来生成旋转多周角度信息， 从而不需要使用 CPU(Central Processing Unit ： 中央处理器 ) 那样的大规模的电路， 而仅利用运算器等简单的硬件就能运算旋转多周中的旋转角度。因 而， 能够提供一种小型且廉价的、 可以使用能够可检测旋转一周的旋转角度传感器来检测 出旋转多周中的旋转角度的旋转角度检测装置。
另外， 以下对特别是旋转范围不足两周时简化图 4 的脉冲计数器 18 的方法进行说 明。在图 2(b) 的配置中， Vx 为 +、 Vy 处于上升状态的定时存在于 0 度、 360 度、 720 度这三 处， 脉冲计数器 18 在这三处进行动作。然而， 在旋转不足两周时， 仅在 360 度位置使脉冲计
数器动作， 从而能够只提供示出表 2 中的 360 度以下和 360 度以上这两个值的信息， 以1比 特来构成脉冲计数器。在这种情况下， 将在图 2(b) 中超过了全行程的初始位置 δ1 的位置 作为起点， 将比 720 度减少了 δ2 的位置作为终点， 对起点与终点进行极小的偏移。 δ1、 δ2 是旋转检测器的检测误差范围以上的值， 若是常用的传感器， 则将 δ1、 δ2 设为几度以上。
由此， 在 720 度 -(δ1+δ2) 的全行程范围内， Vx 为 +、 Vy 为上升状态的定时只出 现一次， 因此表 2 所示的旋转周数识别信号仅为 0 和 1， 可以将脉冲计数器 18 和多周旋转处 理电路的处理比特数降低到 1 比特， 从而能够获得简化装置整体的效果。
实施方式 2.
图 8 是表示本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置的内部电路结构的框图。
如图 8 所示， 本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置包括 ： AD(AnalogDigital ： 模 拟数字 ) 转换器 31、 32 ； 校正运算器 33、 34 ； 一周旋转角度计算器 35 ； AB 相信号生成器 36 ； 编码器用计数器 37 ； 以及 DA 转换器 38。
上述各构成块 31 ～ 38 协同地进行动作， 从而起到运算处理单元的作用 ： 即， 基于 根据相位不同的两个正弦波状的传感器输出信号计算出的旋转一周中的旋转角度信息， 来 生成在每一周旋转中具有任意分割数的、 相位不同的两相的信号， 并且与上述两相的信号 的变化方向和信号的大小对应地增加或减少上述信号的变化次数来生成多周旋转角度信 息， 以下对其进行详细说明。 图 9、 图 10 是表示本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置的动作的时序图， 分别示 出进行正转时和反转时的情况。此外， 在图 9、 图 10 中， 具有与图 8 相同名称的波形与图 8 所示的波形相同， 分别示出了 (a) 旋转角度 θ、 (b)X 分量信号、 (c)Y 分量信号、 (d) 一周旋 转角度计算器输出 θ、 (e)A 相、 (f)B 相。
以下， 参照图 9、 图 10 的时序图对图 8 所示的本发明实施方式 2 的旋转角度检测装 置的动作进行详细说明。
首先， 由霍尔传感器 2、 3 输出的两个正弦波状的传感器信号即模拟信号 Vx、 Vy 分 别由 AD( 模拟数字 ) 转换器 31、 32 转换为数字信号， 并分别输出到校正运算器 33、 34。由于 以下处理与现有的处理相同 ： 即， 校正运算器 33、 34 在校正部位进行与振幅和偏移相关的 校正， 将校正后的信号提供给一周旋转角度计算器 35， 由一周旋转角度计算器 35 计算旋转 一周内的旋转角度， 输出旋转角度 θ(n 比特数值 )， 因此省略具体说明。
实施方式 2 的特征在于， AB 相信号生成器 36 生成并输出 AB 两相的数字信号， 上 述 AB 两相是与上述旋转角度 θ 的旋转一周或 1/n(n 为任意的整数 ) 相对应的相位， 且彼 此相位不同。
AB 相信号生成器 36 例如可以采用输出相位因旋转方向而不同的脉冲的转式编码 器的结构。转式编码器在电动机轴每旋转一定量时根据分辨率来生成的脉冲数不同， 能够 根据对脉冲进行计数来获取关于轴旋转了几度、 轴旋转了几周的信息。 然而， 由于无法判断 旋转方向， 因此， AB 相信号生成器 36 输出两相的脉冲。
例如， 在轴顺时针旋转的情况下， 首先输出 A 相的脉冲， 并在输出 A 相的脉冲的中 途输出 B 相的脉冲。相反的， 在轴逆时针旋转的情况下， 首先输出 B 相的脉冲， 并在输出 B 相的脉冲的中途输出 A 相的脉冲。即， 使用它们的关系能够获取轴当前向着哪个方向旋转 了多少的信息。
AB 相信号生成器 36 基于由相位不同的两个正弦波状的传感器输出信号计算得到 的旋转一周中的旋转角度信息， 来生成在每旋转一周中具有任意分割数的、 相位不同的两 相的信号。AB 相信号生成器 36 采用 ROM(ReadOnly Memory ： 只读存储器 ) 的结构， 或如图 11 的一个例子所示的那样， 采用简单的硬连线逻辑 (hard wired logic) 的结构。
例如， 如图 11 所示， AB 相信号生成器 36 基于由一周旋转角度计算器 35 输出的旋 转一周中的旋转角度信息的任意连续的 2 比特 ( 此处， 为 Dm 比特和 Dm+1 比特 ) 的信号来 生成二进制的数字信号， 并将该数字信号输出到编码器用计数器 37。而且， 此处， 利用 XOR 门 39 对 Dm 比特信号和 Dm+1 比特信号进行异或运算来输出 A 相的信号， 将 Dm+1 比特信号 作为 B 相的信号输出到编码器用计数器 37。
编码器用计数器 37 对由 AB 相信号生成器 36 生成并输出的两相的脉冲进行计数。 编码器用计数器 37 根据由 AB 相信号生成器 36 生成并输出的两相的信号的变化方向和信 号的大小来增加或减少信号的变化次数， 生成旋转多周角度信息。以下对具体例子进行说 明。
图 12、 图 13 分别示出了在正转时和反转时 AB 相的信号的变化与编码器用计数器 37 的计数值的增减的关系。在图 12、 图 13 中， 图 12(a) 和图 13(a) 示出了 A 相 B 相的脉冲 波形， 图 12(b) 和图 13(b) 示出了此时的计数条件。 例如， 在图 12(a) 所示的进行正转时、 AB 各相的脉冲发生变化的定时对编码器用 计数器 37 进行更新 ( 递增计数 ) 的情况下， 如图 12(b) 所示， 在变化点 α， A 相从 “低电平” 变化为 “高电平” 、 B 相为 “低电平” ， 另外， 在变化点 β， A 相为 “高电平” 、 而 B 相从 “低电平” 变化为 “高电平” 。另外， 在变化点 γ， A 相从 “高电平” 变化为 “低电平” 、 B 相为 “高电平” ， 另外， 在变化点 δ， A 相为 “低电平” 、 而 B 相从 “高电平” 变化为 “低电平” 。
此外， 如图 13(a)、 (b) 所示， 在反转时也基于以变化点 α ～ δ 示出的 AB 各项的 脉冲发生变化的定时来对编码器用计数器 37 进行更新 ( 递减计数 )。
编码器用计数器 37 通过对由 AB 相信号生成器 36 输出的上述信号进行计数， 从而 生成与从 0 度到 720 度相对应的 (n+2) 比特的数据。编码器用计数器 37 与实施方式 1 相 同， 采用以下结构 ： 即， 将该数据输出到 DA 转换器来转换为模拟信号， 并将该模拟信号提供 给未图示的阀控制系统。
如上所述， 运算控制单元根据旋转角度 θ 生成相位不同的 AB 两相的信号， 利用编 码器用计数器 37 对 AB 两相的信号进行计数， 从而可以进行 360 度以上的旋转多周的角度 检测处理， 此外， 运算控制单元也可以利用开关操作等的外部信号来对编码器用计数器 37 进行复位， 从而任意地设定原点位置。 因此， 不需要利用软件等在程序中特意地存储原点位 置， 从而能够有利于简化软件处理。
根据上述本发明实施方式 2 的旋转角度检测装置， 运算处理单元基于根据相位不 同的两个正弦波状的传感器输出信号计算出的旋转一周中的旋转角度信息， 来生成在每一 周旋转中具有任意分割数的、 相位不同的两相的信号， 并且与上述两相的信号的变化方向 和信号的大小相对应地增加或减少上述信号的变化次数， 来生成旋转多周角度信息， 从而 能够不使用 CPU 那样的大规模的电路， 而仅利用运算器等简单的硬件来对旋转多周中的旋 转角度进行运算。 因而， 能够提供一种小型且廉价的、 可以使用能够检测旋转一周的旋转角 度传感器来检测出旋转多周中的旋转角度的旋转角度检测装置。
另外， 运算处理单元将基于旋转一周中的旋转角度信息来生成在每旋转一周中具 有任意分割数的、 相位不同的两相的信号设为二进制的数字信号， 而且， 还基于旋转一周中 的旋转角度信息的任意连续的 2 比特的信号来生成二进制的数字信号， 从而能够以数字数 据来进行获取旋转一周角度信号 θ 及其之后的全部处理。其结果是， 能够提供一种具有强 耐噪声， 对信号噪声的错误检测较少的旋转角度检测装置。
工业上的实用性
如上所述， 本发明提供了一种旋转角度检测装置， 该旋转角度检测装置能够使用 可检测出旋转一周的旋转角度传感器， 来简单、 高精度地检测出旋转多周旋转角度， 该旋转 角度检测装置采用包括以下运算处理单元的结构， 即， 该运算处理单元基于相位不同的两 个正弦波状的传感器输出信号中的一个传感器输出信号的符号的变化方向和另一个传感 器输出信号的符号， 来对旋转一周以上的旋转角度的变化进行检测， 基于与上述检测得到 的旋转一周以上的旋转角度的变化相关的信息和根据上述传感器输出信号计算出的旋转 一周中的旋转角度信息， 来生成旋转多周角度信息， 或者， 该旋转角度检测装置也采用包括 以下运算处理单元的结构 ： 即， 基于根据相位不同的两个正弦波状的传感器输出信号计算 出的旋转一周中的旋转角度信息， 来生成在每一周旋转中具有任意分割数的、 相位不同的 两相的信号， 并且与上述两相的信号的变化方向和信号的大小相对应地增加或减少上述信 号的变化次数， 来生成多周旋转角度信息， 因此， 本发明的旋转角度检测装置适用于小型且 廉价的、 能够检测出旋转多周中的旋转角度的旋转角度检测装置， 或者是对信号噪声的错 误检测较少的旋转角度检测装置等。