CN102564296A - 旋转角检测装置 - Google Patents

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CN102564296A CN201110418152XA CN201110418152A CN102564296A CN 102564296 A CN102564296 A CN 102564296A CN 201110418152X A CN201110418152X A CN 201110418152XA CN 201110418152 A CN201110418152 A CN 201110418152A CN 102564296 A CN102564296 A CN 102564296A
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上田武史
小松逸人
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Abstract

本发明涉及一种旋转角运算装置，该旋转角运算装置在针对任意一个传感器值V1、V2检测出零交叉的情况下，运算零交叉时刻。旋转角运算装置运算这次运算出的零交叉时刻与针对对应的输出信号上次运算出的零交叉时刻之间的时间间隔(零交叉间隔)。旋转角运算装置基于运算出的零交叉间隔、根据对应的磁传感器的输出信号而最新运算出的转子的1次旋转量的零交叉间隔的总和、转子的旋转方向、和与该磁传感器对应的振幅修正用表(第1表或者第2表)的内容，来确定该磁传感器感知到的磁极。

Description

旋转角检测装置
技术领域
本发明涉及对无刷电机的转子等旋转体的旋转角进行检测的旋转角检测装置。
背景技术
为了对电动动力转向装置等中所使用的无刷电机进行控制，需要按照转子的旋转角度向定子线圈通电。鉴于此，公知有一种利用对应于无刷电机的旋转而旋转的检测用转子，来检测无刷电机的转子的旋转角的旋转角检测装置。具体而言，如图10所示，检测用转子101(以下称为“转子101”)具备圆筒状的磁铁102，该磁铁102具有与设置于无刷电机的转子的磁极对相当的多个磁极对。在转子101的周围，2个磁传感器121、122以转子101的旋转中心轴为中心隔着规定的角度间隔配置。从各磁传感器121、122输出具有规定的相位差的正弦波信号。基于这2个正弦波信号，检测转子101的旋转角(无刷电机的转子的旋转角)。(例如参照日本特开2002-257649号公报)
在该例子中，磁铁102具有5组磁极对。即，磁铁102具有以等角度间隔配置的10个磁极。各磁极以转子101的旋转中心轴为中心，按36°(电角180°)的角度间隔配置。而且，2个磁传感器121、122以转子101的旋转中心轴为中心，隔开18°(电角90°)的角度间隔配置。
将图10中用箭头表示的方向设为检测用转子101的正方向的旋转方向。如果转子101向正方向旋转，则转子101的旋转角变大，如果转子101向反方向旋转，则转子101的旋转角变小。从各磁传感器121、122输出如图11所示那样将转子101旋转了与1个磁极对量相当的角度(72°(电角360°))的期间作为一个周期的正弦波信号V1、V2。
将从规定的基准位置起的转子101的绝对旋转角设为转子101的绝对旋转角(机械角)θA。将转子101的1次旋转量的角度范围对应5个磁极对而分成5个区间，把将各区间的开始位置设为0°并将结束位置设为360°来表示的转子101的角度，称为转子101的相对旋转角θR。该情况下，由于10个磁极的角度幅度相等，所以转子101的相对旋转角θR与无刷电机的转子的电角一致。
这里，设从第1磁传感器121输出V1＝A1·sinθR的输出信号，从第2磁传感器122输出V2＝A2·cosθR的输出信号。A1、A2是振幅。如果将两个输出信号V1、V2的振幅A1、A2视为彼此相等，则转子101的相对旋转角θR可以利用两个输出信号V1、V2，并基于下式(1)求出。
θR＝tan-1(sinθR/cosθR)
＝tan-1(V1/V2)...(1)
使用如此求出的相对角θR，对无刷电机进行控制。
其中，转子101的绝对旋转角θA可以使用相对角θR，例如基于下式(2)来求出。
θA＝{θR+360×(n-1)}/5(其中，n＝1、2、...5)...(2)
在上述那样的现有旋转角检测装置中，因为由于每个磁极的磁力的偏差等，各磁传感器121、122的输出信号V1、V2的振幅会按每个磁极而变动，所以转子101的旋转角的检测会发生误差。鉴于此，可以考虑根据转子101的绝对旋转角(机械角)θA对各磁传感器121、122的输出信号V1、V2进行修正(振幅修正)，以使各磁传感器121、122的输出信号V1、V2的振幅相等，然后运算转子101的相对角θR。
在按每个磁极磁力存在偏差的情况下，必须针对各磁传感器121、122的输出信号V1、V2，变更按相对角(电角)的1个周期或者半个周期进行修正的增益。为了进行这样的增益修正，需要确定各磁传感器121、122感知到的磁极。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种能够确定磁传感器感知到的磁极的旋转角检测装置。
本发明的1个方式的旋转角检测装置在构成上的特征是，包括：对应于旋转体的旋转而旋转并且沿周向设置有多个磁极的检测用转子、和对应于检测用转子的旋转而分别输出具有规定相位差的多个正弦波信号的多个磁传感器，该旋转角检测装置基于这些磁传感器的输出信号来检测上述旋转体的旋转角，还包括：存储单元，其存储上述各磁极的角度幅度；零交叉检测单元，其对上述各正弦波信号的零交叉的时刻进行检测；零交叉间隔运算单元，其基于由上述零交叉检测单元检测出的零交叉时刻，针对每个上述正弦波信号，运算邻接的零交叉的时间间隔；和磁极确定单元，其基于由上述零交叉间隔运算单元运算出的时间间隔和各磁极的角度幅度，来确定各磁传感器感知到的磁极。
附图说明
本发明的上述以及进一步的特征、益处可以通过下述具体的实施方式以及附图更加明确。
图1是表示将本发明的一个实施方式涉及的旋转角检测装置应用到用于对无刷电机的转子的旋转角进行检测的旋转角检测装置时的构成的示意图。
图2是表示检测用转子的构成的示意图。
图3是对第1磁传感器的输出信号波形以及第2磁传感器的输出信号波形进行表示的示意图。
图4(a)是表示与第1磁传感器对应的振幅修正用表的内容的示意图，图4(b)是表示与第2磁传感器对应的振幅修正用表的内容的示意图。
图5是表示由旋转角运算装置执行的旋转角运算处理的步骤的流程图。
图6是用于对相对极编号的设定处理进行说明的示意图。
图7是用于对零交叉时刻的运算方法进行说明的示意图。
图8是用于对图5的步骤S14的基于零交叉检测的极编号确定处理进行说明的示意图。
图9是表示控制结束处理的一个例子的流程图。
图10是用于对由现有旋转角检测装置执行的旋转角检测方法进行说明的示意图。
图11是对第1磁传感器的输出信号波形以及第2磁传感器的输出信号波形进行表示的示意图。
具体实施方式
下面，利用附图，对将本发明应用在用于检测无刷电机的转子的旋转角的旋转角检测装置中时的实施方式详细进行说明。
图1是表示将本发明的一个实施方式涉及的旋转角检测装置应用到用于对无刷电机的转子的旋转角进行检测的旋转角检测装置时的构成的示意图。
该旋转角检测装置具有对应于无刷电机10的旋转而旋转的检测用转子(以下简称为“转子1”)。如图2所示，转子1含有圆筒状的磁铁2，该磁铁2具有与设置于无刷电机10的转子的磁极对相当的多个磁极对。即，在转子1上设置有沿周向排列的多个磁极。在该例子中，磁铁2具有5组磁极对(M0，M1)，(M2，M3)，(M4，M5)，(M6，M7)，(M8，M9)。即，磁铁2具有10个磁极M0～M9。
设置于无刷电机10的转子的各磁极的周向的长度全部相同。即，设置于无刷电机10的转子的各磁极的角度幅度全部相同，都为36°。因此，在该无刷电机10中，1个磁极对的角度幅度在机械角的情况下为72°，这相当于电角360°。与此相对，如图2所示，在设置于转子1的各磁极M0～M9中，N极的磁极M0、M2、M4、M6、M8的角度幅度(a、c、e、g、i)彼此不同。即，在N极的磁极间，其磁化面积不同。在S极的磁极M1、M3、M5、M7、M9中，磁极M9以外的4个磁极M1、M3、M5、M7彼此不同。磁极M9的角度幅度(j)与磁极M5的角度幅度(f)相等。
在该实施方式中，各磁极M0～M9的角度幅度如表1所示。其中，在表1中角度幅度由对与该角度幅度对应的机械角乘以了磁极对数(在该实施方式中为“5”)的值表示。另外，在图2中，虚线表示了将转子1沿周向以36°(上述电角的情况下为180°)间隔分割时的各区域。
表1
  磁极   角度幅度[deg]
  M0   170
  M1   165
  M2   160
  M3   170
  M4   165
  M5   190
  M6   195
  M7   195
  M8   200
  M9   190
在转子1的周围，2个磁传感器21、22以转子1的旋转中心轴为中心，隔开规定角度(18°(上述电角的情况下为90°))的角度间隔配置。有时将这2个磁传感器21、22分别称为第1磁传感器21以及第2磁传感器22。磁传感器例如可以使用具备霍耳元件、磁电阻元件(MR元件)等具有电特性基于磁场的作用而变化的特性的设备。
将图2中用箭头表示的方向设为转子1的正方向的旋转方向。而且，如果转子1向正方向旋转，则转子1的旋转角变大，如果转子1向反方向旋转，则转子1的旋转角变小。伴随转子1的旋转，从各磁传感器21、22输出如图3所示的正弦波状的信号(以下称为“正弦波信号”)V1、V2。其中，图3中的横轴的转子角度[deg]表示了通过对机械角乘以磁极对数(在该实施方式中为“5”)而得到的角度。另外，图3中在正弦波信号V1的各峰值附近清楚记载了在该时刻第1磁传感器21感知到的磁极的区域a～j。
如果转子1旋转了与一个磁极相当的角度，则从各磁传感器21、22输出半个周期量的正弦波信号。不过，由于在该实施方式中各磁极的角度幅度不是恒定幅度，所以从一个磁传感器输出的正弦波信号中的与各磁极对应的半个周期不恒定。另外，除了磁极M5以及磁极M9以外，各磁传感器21、22的输出信号V1、V2的每个磁极的峰值按磁极不同。
将从规定的基准位置起的转子1的绝对旋转角称为转子1的绝对旋转角(机械角)θA。将转子1的1次旋转量的角度范围对应于5个磁极对的角度幅度分成5个区间(a+b、c+d、e+f、g+h、i+j)，设各区间的开始位置为0°、结束位置为360°，将与绝对旋转角θA对应的角度在0～360°的范围内表示的角度称为转子1的相对旋转角θR。其中，在该实施方式中，这5个区间的角度幅度不是恒定幅度。
这里，从第1磁传感器21按与5个磁极对对应的区间输出V1＝A1·sinθR的输出信号，从第2磁传感器22按与5个磁极对对应的区间输出V2＝A2·cosθR的输出信号。A1、A2分别表示振幅。其中，振幅A1按每个磁极不同。同样，振幅A2也按每个磁极不同。另外，θR表示对应的区间中的相对旋转角θR。
如果将两个输出信号V1、V2的振幅A1、A2视为相等，则对应的区间中的转子1的相对旋转角θR可以利用两个输出信号V1、V2，基于下式(3)而求出。
θR＝tan-1(sinθR/cosθR)
＝tan-1(V1/V2)...(3)
返回到图1，各磁传感器21、22的输出信号V1、V2被输入到旋转角运算装置20。旋转角运算装置20基于各磁传感器21、22的输出信号V1、V2，计算出转子1的相对旋转角θR。另外，旋转角运算装置20基于得到的相对旋转角θR等，计算出转子1的绝对旋转角(机械角)θA。然后，基于得到的转子1的绝对旋转角θA，运算无刷电机的转子的电角θE。旋转角运算装置20例如由微机构成，含有CPU(中央运算处理装置)以及存储器(ROM、RAM、可改写的非易失性存储器等)。
由旋转角运算装置20运算出的电角被赋予给电机控制器30。电机控制器30基于由旋转角运算装置20赋予的电角θE、和收到的指令值，对无刷电机10进行控制。
下面，对旋转角运算装置20的动作进行说明。旋转角运算装置20内的可改写的非易失性存储器中按每个磁传感器21、22存储有振幅修正用表。
图4(a)表示了与第1磁传感器21对应的振幅修正用表(以下有时称为“第1表”)的内容例。在第1表中，按各磁极M0～M9的磁极编号0～9，存储有与该磁极对应的第1磁传感器21的输出信号V1的峰值(极大值或者极小值)、该磁极的角度幅度[deg]以及修正增益G1。其中，角度幅度是如表1中说明那样，对与该角度幅度对应的机械角乘以了磁极对数(在该实施方式中为“5”)的值。修正增益G1是用于对第1磁传感器21的振幅的各个磁极偏差进行修正的增益。
针对任意磁极的振幅修正增益G1可以利用与该磁极对应的第1磁传感器21的输出信号V1的峰值(极大值或者极小值)和基准振幅，基于下式(4)而求出。基准振幅例如是与角度幅度(机械角×磁极对数)为180°的磁极所对应的第1磁传感器21的输出信号V1的峰值(绝对值)相当的值。基准振幅被预先设定，在该例子中为“500”。
G1＝基准振幅/|峰值|...(4)
图4(b)表示了与第2磁传感器22对应的振幅修正用表(以下有时称为“第2表”)的内容例。在第2表中，按各磁极M0～M9的磁极编号0～9，存储有与该磁极对应的第2磁传感器22的输出信号V2的峰值(极大值或者极小值)、该磁极的角度幅度[deg]以及修正增益G2。修正增益G2是用于对第2磁传感器22的振幅的各个磁极偏差进行修正的增益。在图4(b)中为了便于说明，相对各磁极的第2磁传感器22的峰值与相对对应的磁极的第1磁传感器21的峰值为相同的值，但实际上有时互不相同。
针对任意磁极的修正增益G2可以利用与该磁极对应的第2磁传感器22的输出信号V2的峰值(极大值或者极小值)和基准振幅，基于下式(5)而求出。基准振幅例如是与角度幅度(机械角×磁极对数)为180°的磁极所对应的第2磁传感器221的输出信号V2的峰值(绝对值)相当的值。基准振幅被预先设定，在该例子中为“500”。
G2＝基准振幅/|峰值|...(5)
峰值以及修正增益向上述振幅修正用表的存储可以在无刷电机10出厂前进行，也可以在无刷电机10出厂后，通过在电机控制中检测峰值来进行。上述振幅修正用表中存储的峰值以及修正增益可以根据1个周期量的数据求出，也可以根据多个周期量的数据的平均值求出。
在该实施方式中，旋转角运算装置20在转子1的旋转速度为规定速度以下的情况下，从第1或者第2磁传感器21、22的输出信号V1、V2中检测峰值。然后，基于检测出的峰值，确定各磁传感器21、22感知到的磁极。另一方面，在转子1的旋转速度比规定速度快的情况下，从第1或者第2磁传感器21、22的输出信号V1、V2中检测零交叉的时刻。然后，基于检测出的零交叉的时刻，确定各磁传感器21、22感知到的磁极。其原因在于，在转子1的旋转速度快的情况下，有可能无法检测出输出信号V1、V2的峰值。
图5是表示由旋转角运算装置20执行的旋转角运算处理的步骤的流程图。
用变量p1表示第1磁传感器21感知到的磁极的极编号，用变量p2表示第2磁传感器22感知到的磁极的极编号。而且，在旋转角运算处理开始时，以第1磁传感器21感知到的磁极作为基准磁极，将对各磁极分配编号时的各磁极的编号定义为相对极编号。设用变量p1’表示第1磁传感器21感知到的相对极编号(第1相对极编号)，用变量p2’表示第2磁传感器22感知到的相对极编号(第2相对极编号)。在该实施方式中，控制开始时第1磁传感器21感知到的基准磁极例如被分配0的相对极编号。
如果旋转角运算处理开始，则旋转角运算装置20读入各磁传感器21、22的输出信号(传感器值)V1、V2(步骤S1)。该传感器值的读入按规定的运算周期(取样间隔Ts)进行。其中，在旋转角运算装置20的存储器(例如RAM)中存储有从规定次数前读入的传感器值到最新读入的传感器值为止的多次传感器值。
另外，在该实施方式中，为了检测传感器值V1的峰值(极大值以及极小值)，读入的传感器值V1中绝对值较大的传感器值作为传感器值V1的候补峰值被保存在存储器中。同样，为了检测传感器值V2的峰值(极大值以及极小值)，读入的传感器值V2中绝对值较大的传感器值作为传感器值V2的候补峰值被保存在存储器中。不过，这些候补峰值在检测出对应的输出信号的零交叉时，以后述那样的规时刻机被复位为零。
如果在上述步骤S1中读入了各传感器值V1、V2，则旋转角运算装置20判别这次的处理是否是旋转角运算处理开始后的初次处理(步骤S2)。在这次的处理是旋转角运算处理开始后的初次处理的情况下(步骤S2：是)，旋转角运算装置20进行相对极编号的设定处理(步骤S3)。具体而言，旋转角运算装置20将第1相对极编号p1’设定为0。另外，旋转角运算装置20在第1磁传感器21感知到的磁极与第2磁传感器22感知到的磁极相同的情况下，将第2相对极编号p2’设定为0。而且，在不同的情况下，将第2相对极编号p2’设定为1。
更具体地进行说明。例如，如果示意性地表示转子1的由磁极M0和磁极M1构成的磁极对通过第1磁传感器21时第1以及第2磁传感器21、22的输出信号V1、V2的信号波形，则如图6(a)(b)所示。
在图6(a)(b)中，由S1表示的区域是第1磁传感器21以及第2磁传感器22共通感知到磁极M0的区域。由S2表示的区域是第1磁传感器21感知到磁极M0、第2磁传感器22感知到磁极M1的区域。由S3表示的区域是第1磁传感器21以及第2磁传感器22共通感知到磁极M1的区域。由S4表示的区域是第1磁传感器21感知到磁极M1、第2磁传感器22感知到磁极M2的区域。
即，在区域S1以及S3中，第2磁传感器22感知到的磁极的极编号与第1磁传感器21感知到的磁极的极编号相等。另一方面，在区域S2以及S4中，第2磁传感器22感知到的磁极的极编号比第1磁传感器21感知到的磁极的极编号大1。
在区域S1中，两个传感器值V1、V2满足V1≥0并且V2＞0的第1条件。在区域S2中，两个传感器值V1、V2满足V1≥0并且V2≤0的第2条件。在区域S3中，两个传感器值V1、V2满足V1＜0并且V2＜0的第3条件。在区域S4中，两个传感器值V1、V2满足V1＜0并且V2≥0的第4条件。
鉴于此，旋转角运算装置20在满足上述第1条件或者上述第3条件的情况下，将第1相对极编号p1’以及第2相对极编号P2’设定为0。另一方面，在满足上述第2条件或者上述第4条件的情况下，旋转角运算装置20将第1相对极编号p1’设定为0，将第2相对极编号P2’设定为1。
如果相对极编号的设定处理结束，则转移到步骤S4。当在上述步骤S2中判定为这次的处理不是旋转角运算处理开始后的初次处理时(步骤S2：否)，转移到步骤S4。
在步骤S4中，旋转角运算装置20基于存储器中存储的传感器值V1、V2，按传感器值V1、V2判别是否检测到传感器值的符号反转的零交叉。当没有检测到零交叉时(步骤S4：否)，旋转角运算装置20转移到步骤S17。
当在上述步骤S4中针对任意一个传感器值V1、V2检测出零交叉时，旋转角运算装置20运算零交叉的时刻(以下称为“零交叉时刻”)并将其存储到存储器中(步骤S5)。此时，在存储器中存储为能够识别该零交叉时刻是与输出信号V1、V2中的哪一个对应的零交叉时刻。
零交叉时刻也可以是检测出感器值的符号发生反转的时刻。另外，零交叉时刻也可以通过对传感器值的符号发生反转前后的2个传感器值(取样值)进行线性插补来求出。例如，在如图7所示那样，符号反转之前检测出的传感器值为y1、符号反转之后检测出的传感器值为y2的情况下，如果以检测出传感器值y1的时刻为基准，则零交叉时刻ta可基于下式(6)来运算。
ta＝Ts×{y1/(y1-y2)}...(6)
其中，Ts是传感器值V1、V2的取样间隔。
例如，在y1＝0.2、y2＝-0.1、Ts＝100μsec的情况下，ta＝0.0667msec。
另外，在如图7所示那样，符号反转之前检测出的传感器值为y3、符号刚刚反转之后检测出的传感器值为y4的情况下，如果以检测出上述传感器值y1的时刻为基准，则零交叉时刻tb可基于下式(7)来运算。
tb＝Ts×{y3/(y3-y4)}+ΔT...(7)
其中，ΔT是从检测出传感器值y1到检测出传感器值y3为止的时间间隔。
例如，在y3＝-0.2、y4＝0.1、Ts＝100μsec、ΔT＝44msec的情况下，tb＝44.0667msec。
返回到图5，如果在上述步骤S5中运算出零交叉时刻，则旋转角运算装置20运算这次运算出的零交叉时刻与针对所对应的输出信号上次运算出的零交叉时刻之间的时间间隔(以下称为“零交叉间隔”)(步骤S6)。其中，当在步骤S6中由于不存在上次的零交叉时刻而无法运算零交叉间隔时，旋转角运算装置20将在上述步骤S4中被检测出零交叉的输出信号所对应的候补峰值复位为0，然后转移到步骤S17。
如果在上述步骤S6中运算出零交叉间隔，则旋转角运算装置20通过判别运算出的零交叉间隔是否小于规定值A，来判别转子1的旋转速度是否比规定速度快(步骤S7)。在零交叉间隔小于规定值A的情况下，旋转角运算装置20判别为转子1的旋转速度比规定速度快，在零交叉间隔为规定值A以上的情况下，旋转角运算装置20判别为转子1的旋转速度为规定速度以下。此外，也可以通过判别转子1的1次旋转量的零交叉间隔的总和是否小于规定值，来判别转子1的旋转速度是否比规定速度快。这样，能够降低因各零交叉间隔的误差而引起转子1的旋转速度的检测误差。
在判别为零交叉间隔为规定值A以上(转子1的旋转速度为规定速度以下)的情况下(步骤S7：否)，旋转角运算装置20判定是否检测出在上述步骤S4中被检测出零交叉的输出信号的峰值(极大值或者极小值)(步骤S8)。以下，有时将步骤S8的判定处理称为峰值检测处理。
对峰值检测处理进行具体说明。将在上述步骤S4中被检测出零交叉的输出信号所对应的磁传感器称为峰值检测对象的磁传感器。旋转角运算装置20首先判别峰值检测对象的磁传感器感知到的磁极是否发生了变化。即，旋转角运算装置20判定峰值检测对象的磁传感器感知到的磁极位置，在该磁传感器的输出信号的零交叉上次被检测出的时刻、和这次被检测出的时刻是不同还是相同。当转子1的旋转方向发生了反转时，上述两个时刻下的磁极位置有可能相同。
该判定例如可以基于上次检测出零交叉时的转子1的旋转方向、与当前的转子1的旋转方向是否是相同的方向来进行。即，如果转子1的旋转方向是相同的方向，则旋转角运算装置20判定为峰值检测对象的磁传感器感知到的磁极发生了变化。另一方面，如果转子1的旋转方向不同，则旋转角运算装置20判定为峰值检测对象的磁传感器感知到的磁极没有发生变化。
在判定为该磁传感器感知到的磁极发生了变化的情况下，旋转角运算装置20判别为检测到峰值，并且，将与该磁传感器对应的候补峰值确定为峰值。另一方面，在判定为该磁传感器感知到的磁极没有变化的情况下，旋转角运算装置20判定为没有检测出峰值。
其中，转子1的旋转方向例如可以基于各磁传感器21、22的输出信号V1、V2的相位来判别。具体而言，在V2的相位比V1超前的情况下(例如针对相同磁极的零交叉间隔在以V2运算后以V1运算的情况等)，判定为转子1的旋转方向为正方向。另一方面，在V1的相位比V2超前的情况下(例如针对相同磁极的零交叉间隔在以V1运算后以V2运算的情况等)，判别为转子1的旋转方向为反方向。
当在上述步骤S8中没有检测到峰值时，旋转角运算装置20将在上述步骤S4中被检测出零交叉的输出信号所对应的候补峰值复位为0，然后转移到步骤S17。另一方面，当在上述步骤S8中检测出峰值时(步骤S8：是)，旋转角运算装置20将在上述步骤S4中被检测出零交叉的输出信号所对应的候补峰值复位为0。而且，旋转角运算装置20判定在旋转角运算处理开始后是否通过后述的步骤S11或者S15的极编号确定处理已经确定了各磁传感器21、22感知到的磁极的极编号p1、p2(步骤S9)。
在无法确定各磁传感器21、22感知到的磁极的极编号p1、p2的情况下(步骤S9：否)，旋转角运算装置20进行相对极编号的更新处理(步骤S10)。具体而言，基于转子1的旋转方向，来更新针对通过上述步骤S8的峰值检测处理检测出峰值的磁传感器已经设定的相对极编号p1’或者p2’。更具体而言，旋转角运算装置20对应于转子1的旋转方向，将对该磁传感器已经设定的相对极编号p1’或者p2’变更为加1的编号或者减1的编号。
在转子1的旋转方向为正方向(图2中用箭头表示的方向)的情况下，将已经设定的相对极编号p1’或者p2’更新为加1的编号，在转子1的旋转方向为反方向的情况下，将已经设定的相对极编号p1’或者p2’更新为减1的编号。其中，对于“0”的相对极编号，减1的相对极编号为“9”。另外，对于“9”的相对极编号，加1的相对极编号为“0”。
如果上述步骤S10的相对极编号的更新处理结束，则旋转角运算装置20进行基于峰值检测的极编号确定处理(步骤S11)。即，旋转角运算装置20基于在上述步骤S8中检测出的峰值等，确定各磁传感器21、22分别感知到的磁极的极编号p1、p2。
具体而言，旋转角运算装置20首先基于由上述步骤S8的峰值检测处理检测出的峰值(极大值或者极小值)、和输出了该峰值的磁传感器所对应的振幅修正用表(第1或者第2表)的内容，确认该磁传感器感知到磁极的极编号p1或者p2。即，旋转角运算装置20将振幅修正用表中存储的多个峰值中、与通过峰值检测处理检测出的峰值最接近的峰值所对应的极编号，确定为该磁传感器感知到的磁极的极编号p1或者p2。
此时，由于传感器信号的峰值根据磁铁的温度特性(磁铁的温度越高峰值越变小)而变化，所以也可以通过对振幅修正用表的峰值乘以磁铁的温度系数(温度越高越变小的系数)，来修正表值，基于检测出的峰值与修正后的表值，确定磁极的极编号。
不过，在与通过峰值检测处理检测出的峰值最接近的峰值所对应的极编号是与磁极M5或者磁极M9对应的极编号的情况下，旋转角运算装置20不确定该磁传感器感知到的磁极。
在确定了上述磁传感器感知到的磁极的极编号p1或者p2的情况下，旋转角运算装置20基于该磁传感器感知到的磁极的极编号p1或者p2、和第1以及第2相对极编号p1’、p2’，确定另一方磁传感器感知到的磁极。例如，在确定了第1磁传感器21感知到的磁极的极编号p1的情况下，旋转角运算装置20基于p2＝(p1-p1’)+p2’，确定第2磁传感器22感知到的磁极的极编号p2。另一方面，在确定了第2磁传感器22感知到的磁极的极编号p2的情况下，旋转角运算装置20基于p1＝(p2-p2’)+p1’，确定第1磁传感器21感知到的磁极的极编号p1。由此，可确定各磁传感器21、22分别感知到的磁极的极编号p1、p2。如果步骤S11的处理结束，则转移到步骤S17。
当在上述步骤S9中判别为已经确定了各传感器21、22感知到的磁极的极编号p1、p2时(步骤S9：是)，旋转角运算装置20进行基于峰值检测的极编号更新处理(步骤S12)。具体而言，旋转角运算装置20基于转子1的旋转方向，更新针对通过上述步骤S8的峰值检测处理检测出峰值的磁传感器已经确定的极编号p1或者p2。更具体而言，旋转角运算装置20对应于转子1的旋转方向，将针对该磁传感器已经确定的极编号p1或者p2变更为加1的极编号或者减1的极编号。
在转子1的旋转方向为正方向(图2中用箭头表示的方向)的情况下，将已经确定的上述极编号p1或者p2更新为加1的极编号，在转子1的旋转方向为反方向的情况下，将已经确定的上述极编号p1或者p2更新为减1的极编号。其中，对于“0”的极编号，减1的极编号为“9”。另外，对于“9”的极编号，加1的极编号为“0”。如果步骤S12的处理结束，则转移到步骤S17。
当在上述步骤S7中判别为零交叉间隔小于规定值A(转子1的旋转速度比规定速度快)时(步骤S7：是)，旋转角运算装置20将在上述步骤S4中检测出零交叉的输出信号所对应的候补峰值复位为0，然后转移到步骤S13。
在步骤S13中，旋转角运算装置20判别在旋转角运算处理开始后是否已经通过上述步骤S11的极编号确定处理或者后述的步骤S15的极编号确定处理确定了各磁传感器感知到的磁极。在没有确定各磁传感器感知到的磁极的情况下(步骤S13：否)，旋转角运算装置20进行相对极编号的更新处理(步骤S14)。具体而言，基于转子1的旋转方向，更新针对在上述步骤S4中检测出零交叉的磁传感器已经设定的相对极编号p1’或者p2’。更具体而言，旋转角运算装置20对应于转子1的旋转方向，将针对该磁传感器已经设定的相对极编号p1’或者p2’变更为加1的编号或者减1的编号。
在转子1的旋转方向为正方向(图2中用箭头表示的方向)的情况下，将已经设定的相对极编号p1’或者p2’更新为加1的编号。在转子1的旋转方向为反方向的情况下，将已经设定的相对极编号p1’或者p2’更新为减1的编号。其中，对于“0”的相对极编号，减1的相对极编号为“9”。另外，对于“9”的相对极编号，加1的相对极编号为“0”。
如果上述步骤S10的相对极编号的更新处理结束，则进行基于零交叉检测的极编号确定处理(步骤S15)。即，旋转角运算装置20基于在上述步骤S6中运算出的零交叉间隔等，确定各磁传感器21、22分别感知到的磁极。
具体而言，旋转角运算装置20首先基于在上述步骤S6中运算出的零交叉间隔、根据对应的磁传感器的输出信号而最新运算出的转子1的1次旋转量的零交叉间隔的总和(相当转子1旋转一周所需要的时间)、转子1的旋转方向、和与该磁传感器对应的振幅修正用表(第1或者第2表)的内容，确定该磁传感器感知到的磁极。
若将在上述步骤S6中运算出的零交叉间隔设为Tx、将基于对应的磁传感器的输出信号而最新运算出的转子1的1次旋转量的零交叉间隔的总和设为∑T，则旋转角运算装置20基于下式(8)，运算与该磁传感器21之前刚感知到的磁极(前一感知磁极)的角度幅度对应的值D。
D＝(Tx/∑T)×1800...(8)
上述式(8)中的1800是各磁极M0～M9的角度幅度(机械角×磁极对数)的总和。即，上述式(8)中的1800是转子1的1次旋转量的旋转角度(电角)。
旋转角运算装置20将振幅修正用表中存储的各磁极M0～M9的角度幅度(机械角×磁极对数)中、与通过上述式(8)运算出的值D最接近的角度幅度所对应的极编号，确定为前一感知磁极的极编号。然后，在转子1的旋转方向为正方向的情况下，旋转角运算装置20将比上述前一感知磁极的极编号加1的极编号，确定为该磁传感器感知到的磁极的极编号。另一方面，在转子1的旋转方向为反方向的情况下，旋转角运算装置20将比上述前一感知磁极的极编号减1的极编号，确定为该磁传感器感知到的磁极的极编号。其中，对于“0”的极编号，减1的极编号为“9”。另外，对于“9”的极编号，加1的极编号为“0”。
例如，上述步骤S6中运算出的零交叉间隔是对应于第1磁传感器21的零交叉间隔，转子1的旋转方向为正方向。而且，在第1磁极传感器21的输出信号V1是图8所示那样的信号的情况下，∑T成为零交叉间隔T0～T9的总和。另外，Tx成为零交叉间隔T0～T9中的任意一个。而且，例如在∑T＝0.05sec、Tx＝0.0044sec的情况下，D＝158.6。由表1可知，具有与D最接近的角度幅度的磁极为M2。因此，与磁极M2对应的极编号“2”被确定为前一感知磁极的极编号。由于转子1的旋转方向为正方向，所以比前一感知磁极的极编号加1的极编号“3”被确定为第1磁传感器21感知到的磁极的极编号。
不过，在与通过上述式(8)运算出的值D最接近的角度幅度所对应的极编号是与磁极M5或者磁极M9对应的极编号的情况下，旋转角运算装置20不确定磁传感器感知到的磁极。另外，在未确定转子1的1次旋转量的零交叉间隔的情况下，旋转角运算装置20不确定磁传感器感知到的磁极。
在确定了上述磁传感器感知到的磁极的极编号p1或者p2的情况下，旋转角运算装置20基于该磁传感器感知到的磁极的极编号p1或者p2、和第1以及第2相对极编号p1’、p2’，确定另一方磁传感器感知到的磁极。例如，在确定了第1磁传感器21感知到的磁极的极编号p1的情况下，旋转角运算装置20基于p2＝(p1-p1’)+p2’，确定第2磁传感器22感知到的磁极的极编号p2。另一方面，在确定了第2磁传感器22感知到的磁极的极编号p2的情况下，旋转角运算装置20基于p1＝(p2-p2’)+p1’，确定第1磁传感器21感知到的磁极的极编号p1。由此，可确定各磁传感器21、22分别感知到的磁极的极编号p1、p2。如果步骤S15的处理结束，则转移到步骤S17。
当在上述步骤S13中判别为已经确定了各传感器21、22感知到的磁极的极编号时(步骤S13：是)，旋转角运算装置20进行基于零交叉检测的极编号更新处理(步骤S16)。具体而言，旋转角运算装置20基于转子1的旋转方向，更新针对通过上述步骤S4的零交叉检测处理检测出零交叉的磁传感器已经确定的极编号p1或者p2。更具体而言，旋转角运算装置20对应于转子1的旋转方向，将针对该磁传感器已经确定的极编号p1或者p2变更为加1的极编号或者减1的极编号。
在转子1的旋转方向为正方向的情况下，将已经确定的上述极编号p1或者p2更新为加1的极编号，在转子1的旋转方向为反方向的情况下，将已经确定的上述极编号p1或者p2更新为减1的极编号。其中，对于“0”的极编号，减1的极编号为“9”。另外，对于“9”的极编号，加1的极编号为“0”。如果步骤S16的处理结束，则转移到步骤S17。
在步骤S17中，旋转角运算装置20针对在上述步骤S1中读入的传感器值V1、V2进行振幅修正。具体而言，旋转角运算装置20从第1表以及第2表分别读入与针对各磁传感器21、22当前确定的极编号p1、p2对应的振幅修正增益G1、G2。然后，旋转角运算装置20利用从第1表以及第2表读入的增益G1、G2，对在上述步骤S1中读入的传感器值V1、V2分别进行修正。如果将修正后的传感器值设为V1’、V2’，则V1’、V2’分别由下式(9)、(10)表示。
V1’＝V1×G1...(9)
V2’＝V1×G2...(10)
不过，在未确定各磁传感器21、22感知到的磁极的极编号p1、p2的情况下，不在步骤S17中进行传感器值V1、V2的修正地转移到步骤S18。
如果进行了上述步骤S17的振幅修正，则旋转角运算装置20计算出转子1的相对角θR(步骤S18)。具体而言，旋转角运算装置20基于下式(11)，计算出转子1的相对角θR。
θR＝tan-1(V1’/V2’)...(11)
接下来，旋转角运算装置20基于在步骤S18中计算出的转子1的相对角θR、磁传感器21感知到的磁极的极编号p1、和振幅修正表的内容，来计算出转子1的绝对角(机械角)θA(步骤S19)。具体而言，旋转角运算装置20基于磁传感器21感知到的磁极的极编号p1，确定磁传感器21感知到的磁极。然后，求出与所确定的磁极对应的角度幅度W。例如，在磁传感器21感知到的磁极是10个磁极中第1个磁极M0的情况下，与该磁极对应的角度幅度W为170[deg]。
上述步骤S18中计算出的转子1的相对角θR是将磁传感器21感知到的磁极的角度幅度W设为180°而计算出的角度。鉴于此，旋转角运算装置20基于下式(12)，将在上述步骤S18中计算出的转子1的相对角θR，变换成与磁传感器21感知到的磁极的区域的角度幅度对应的相对角θR’(相位修正)。
θR’＝θR×(W/180°)...(12)
然后，旋转角运算装置20基于磁传感器21感知到的磁极、和变换后的相对角θR’，计算出转子1的绝对角(机械角)θA。例如，在磁传感器21感知到的磁极是第1个磁极M0的情况下，转子1的绝对角θA与变换后的相对角θR’一致。即，θA＝θR’/5。这里，5是磁极对数。
在磁传感器21感知到的磁极是第2个磁极M1的情况下，θA＝{θR’+(第1个磁极M0的角度幅度)}/5。其中，角度幅度是如表1中说明那样，对与该角度幅度对应的机械角乘以了磁极对数(在该实施方式中为“5”)的值。在磁传感器21感知到的磁极是第3个磁极对M2的情况下，θA＝{θR’+(第1个以及第2个磁极M0、M1的角度幅度的总和)}/5。在磁传感器21感知到的磁极是第4个磁极M3的情况下，θA＝{θR’+(第1个～第3个磁极M0～M2的角度幅度的总和)}/5。在磁传感器21感知到的磁极是第5个磁极M4的情况下，θA＝{θR’+(第1个～第4个磁极M0～M3的角度幅度的总和)}/5。
在磁传感器21感知到的磁极是第6个磁极M5的情况下，θA＝{θR’+(第1个～第5个磁极M0～M4的角度幅度的总和)}/5。在磁传感器21感知到的磁极对是第7个磁极M6的情况下，θA＝{θR’+(第1个～第6个磁极的角度幅度M0M5的总和)}/5。在磁传感器21感知到的磁极是第8个磁极M7的情况下，θA＝{θR’+(第1个～第7个磁极的角度幅度M0～M6的总和)}/5。在磁传感器21感知到的磁极是第9个磁极M8的情况下，θA＝{θR’+(第1个～第8个磁极的角度幅度M0～M7的总和)}/5。在磁传感器21感知到的磁极是第10个磁极M9的情况下，θA＝{θR’+(第1个～第9个磁极的角度幅度M0～M8的总和)}/5。
若如此计算出转子1的绝对角θA，则旋转角运算装置20算出电角θE(步骤S20)。具体而言，如果将磁传感器21感知到的磁极对(M0，M1)、(M2，M3)、(M4，M5)、(M6，M7)、(M8，M9)的编号(1～5)设为n，则旋转角运算装置20基于下式(13)计算出电角θE，并将其赋予给电机控制器30。
θE＝5θA-{360×(n-1)}...(13)
然后，旋转角运算装置20判别电机控制是否结束(步骤S21)。如果电机控制没有结束(步骤S21：否)，则返回到步骤S1。如果电机控制结束(步骤S21：是)，则旋转角运算装置20进行控制结束处理(步骤S22)。
图9是表示图5的步骤S22的控制结束处理的一个例子的流程图。
在控制结束处理中，旋转角运算装置20判别在这次的电机控制期间中无刷电机10是否充分旋转(步骤S31)。具体而言，旋转角运算装置20判定这次电机控制期间中的电机10的转速是否为规定转速以上。在判别为无刷电机10充分旋转的情况下(步骤S31：是)，将振幅修正用表(第1表以及第2表)内的与各极编号对应的峰值更新成作为与该极编号对应的峰值而最新检测出的峰值(步骤S32)。然后，结束控制结束处理。
在上述实施方式中，当在无刷电机10起动后、转子1的旋转速度为规定速度以下时，可以基于第1或者第2磁传感器21、22的输出信号V1、V2的峰值，确定各磁传感器21、22感知到的磁极的极编号。另一方面，当在无刷电机10起动后、转子1的旋转速度比规定速度快时，可以基于第1或者第2磁传感器21、22的输出信号V1、V2的零交叉时刻，确定各磁传感器21、22感知到的磁极的极编号。由此，即使在转子1的旋转速度快的情况下，也能够高精度地确定各磁传感器21、22感知到的磁极。
此外，也可以基于被检测出零交叉的一个输出信号的前次值以及本次值、和另一输出信号的本次值，来判定转子1的旋转方向。将第1磁传感器21的输出信号V1设为第1输出信号V1、第2磁传感器22的输出信号V2设为第2输出信号V2，来具体进行说明。在被检测出零交叉的一方输出信号是第1输出信号V1的情况下，当满足“第1输出信号V1的前次值比0大且其本次值为0以下，第2输出信号V2小于0”这一条件，或者“第1输出信号V1的前次值小于0且其本次值为0以上，第2输出信号V2为0以上”这一条件时，判定为旋转方向是正方向(图2中用箭头表示的方向)。另一方面，当满足“第1输出信号V1的前次值为0以上且其本次值小于0，第2输出信号V2比0大”这一条件，或者“第1输出信号V1的前次值为0以下且其本次值比0大，第2输出信号V2小于0”这一条件时，判定为旋转方向是反方向。
在检测无刷电机的转子以外的旋转体的旋转角时也能够应用本发明。
此外，本发明在权利要求书所记载的事项范围中能够实施各种设计变更。

Claims (4)

1.一种旋转角检测装置，包括：
对应于旋转体的旋转而旋转并且沿周向设置有多个磁极的检测用转子、和对应于检测用转子的旋转而分别输出具有规定相位差的多个正弦波信号的多个磁传感器，该旋转角检测装置基于这些磁传感器的输出信号来检测上述旋转体的旋转角，其特征在于，包括：
存储单元，其存储上述各磁极的角度幅度；
零交叉检测单元，其对上述各正弦波信号的零交叉的时刻进行检测；
零交叉间隔运算单元，其基于由上述零交叉检测单元检测出的零交叉时刻，针对每个上述正弦波信号，运算邻接的零交叉的时间间隔；和
磁极确定单元，其基于由上述零交叉间隔运算单元运算出的时间间隔和各磁极的角度幅度，来确定各磁传感器感知到的磁极。
2.根据权利要求1所述的旋转角检测装置，其特征在于，
上述检测用转子的多个磁极中的至少一个磁极的角度幅度，与其他磁极的角度幅度的任一个角度幅度都不同到能够识别。
3.根据权利要求1或2所述的旋转角检测装置，其特征在于，还包括：
修正单元，其对应于由上述磁极确定单元确定出的磁极来修正上述各正弦波信号的振幅；和
旋转角运算单元，其基于振幅修正后的各正弦波信号来运算上述旋转体的旋转角。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的旋转角检测装置，其特征在于，
上述零交叉检测单元以一定周期对上述各正弦波信号进行取样，并对上述各正弦波信号的符号反转前后的取样值进行线性插补，由此来检测零交叉的时刻。
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