CN102679864B - 旋转角检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转角检测装置。第一三次谐波成分去除部运算从第一磁性传感器的输出信号中去除了三次谐波成分的信号sinθ的近似值(sinθ)_n。第二三次谐波成分去除部运算从第二磁性传感器的输出信号中去除了三次谐波成分的信号cosθ的近似值(cosθ)_n。旋转角运算部根据由第一三次谐波成分去除部运算出的sinθ的近似值(sinθ)_n、和由第二三次谐波成分去除部运算出的cosθ的近似值(cosθ)_n，运算转子的旋转角θ。

Description

旋转角检测装置

技术领域

本发明涉及检测旋转体的旋转角的旋转角检测装置。

背景技术

电动动力转向装置等中使用的无刷电机，通过根据转子的旋转角度对定子绕组通以电流而被控制。因此，已知有例如图3(a)、图3(b)所示那样的旋转角检测装置。旋转角检测装置具有：与无刷电机的转子的旋转对应地旋转的检测用转子1；以检测用转子1的旋转中心轴为中心隔开90°的角度间隔而配置的2个磁性传感器11、12。检测用转子1具备磁铁2，该磁铁2具有两个磁极。各磁性传感器11、12输出相互间具有90°的相位差的正弦波信号，根据上述两个正弦波信号来检测检测用转子1的旋转角。(例如参照日本特开平6-109750号公报、日本特开2008-283762号公报)

图3(a)中箭头所示的方向为检测用转子1的正向的旋转方向。设定为：当检测用转子1正向旋转时，检测用转子1的旋转角增大，当检测用转子1反向旋转时，检测用转子1的旋转角减小。若设检测用转子1的旋转角(电角)为θ，则一方的磁性传感器11的输出信号V1表示为V1＝A1·sinθ，另一方的磁性传感器12的输出信号V2表示为V2＝A2·sin(θ+90°)＝A2·cosθ。A1、A2分别表示振幅。

当上述振幅A1、A2被视为相互间相等的值A、或者将两信号V1、V2标准化而使得两振幅为规定的规定值A时，一方的输出信号V1表示为V1＝A·sinθ，另一方的输出信号V2表示为V2＝A·cosθ。而且，当A＝1时，一方的输出信号V1由V1＝sinθ表示，另一方的输出信号V2由V2＝cosθ表示。因此，为了简化说明，用V1＝sinθ、V2＝cosθ来表示各磁性传感器11、12的输出信号V1、V2。图4示出了各输出信号V1、V2的波形。

检测用转子1的旋转角θ，能够使用两输出信号V1、V2，例如根据下式(1)求得。

θ＝tan^-1(sinθ/cosθ)

＝tan^-1(V1/V2)...(1)

在上述那样的现有的旋转角检测装置中，若各磁性传感器11、12与检测用转子1之间的间隙小，则三次谐波成分重叠于各磁性传感器11、12的输出信号V1、V2，从而使上述的输出信号波形发生变形。例如，如图5所示，磁性传感器11与检测用转子1之间的间隙D(参照图3(b))越近，磁性传感器11的输出信号的变形量越大。若各磁性传感器11、12的输出信号V1、V2发生变形，则根据各磁性传感器11、12的输出信号V1、V2而运算出的旋转角θ出现运算误差。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种即使在各磁性传感器的输出信号重叠有三次谐波成分的情况下，也能检测出准确的旋转角的旋转角检测装置。

本发明的一个方式的旋转角检测装置的结构上的特征为，具备：磁铁，其与旋转体的旋转对应地旋转且沿周向设有多个磁极；根据上述磁铁的旋转而分别输出相互间相位不同且重叠有三次谐波成分的正弦波状信号的第一磁性传感器和第二磁性传感器，；三次谐波成分去除单元，其修正各输出信号以从上述各磁性传感器的输出信号中去除三次谐波成分；以及旋转角运算单元，其基于由上述三次谐波成分去除单元进行的修正后的各输出信号，运算上述旋转体的旋转角，若设K为三次谐波成分的增益，其中0＜K＜1，设上述第一磁性传感器的输出信号为第一输出信号V1，设由上述三次谐波成分去除单元进行的上述第一输出信号V1的修正后的信号为V1a，设上述第一输出信号V1的修正前的信号为V1b，设上述第二磁性传感器的输出信号为第二输出信号V2，设由上述三次谐波成分去除单元进行的上述第二输出信号V2的修正后的信号为V2a，设上述第二输出信号V2的修正前的信号为V2b，则上述三次谐波成分去除单元包括：根据下式(a)运算上述第一输出信号的修正后信号V1a的单元；以及根据下式(b)运算上述第二输出信号的修正后信号V2a的单元，

$V1a=V1\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·(1-{V1b}^2)}---\left(a\right)$

$V2a=V2\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·(1-{V2b}^2)}---\left(b\right)$

根据以下的参照附图对实施方式的说明能够更清楚本发明的上述的和进一步的特征以及优点，图中，相同的标号用于表示相同的部件。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式所涉及的旋转角检测装置的结构的示意图。

图2是示出基于旋转角运算装置的旋转角运算处理的步骤的流程图。

图3(a)～图3(b)是用于说明基于现有的旋转角检测装置的旋转角检测方法的示意图，图3(a)是从检测用转子的轴向观察旋转角检测装置的图，图3(b)是旋转角检测装置的俯视图。

图4是示出各磁性传感器的输出信号的波形的波形图。

图5是示出在重叠有三次谐波成分的情况下的第一磁性传感器的输出信号的波形的例子的波形图。

具体实施方式

下面，参照附图，对将本发明应用于检测无刷电机的转子旋转角的旋转角检测装置的情况的实施方式进行详细说明。

图1是示出本发明的实施方式所涉及的旋转角检测装置的结构的示意图。

该旋转角检测装置例如能够为了对电动动力转向装置的无刷电机的转子的旋转角进行检测而使用。旋转角检测装置例如具有与无刷电机的旋转对应地旋转的检测用转子1(以下，简称为“转子1”)。转子1包括具有一个或多个磁极对的圆筒状的磁铁2。在该例子中，磁铁2具有1对磁极对。即，磁铁2具有等间隔地配置的两个磁极N、S。

在转子1的与旋转中心轴正交的一端面的外侧，配置有与磁铁2的环状端面对置的两个磁性传感器11、12。这两个磁性传感器11、12以转子1的旋转中心轴为中心隔开90°(电角)的角度间隔而配置。作为磁性传感器，例如能够使用下述这样的传感器，即：具备霍尔元件、磁阻元件(MR元件)等具有电特性因磁场的作用而变化的特性的元件的传感器。下面，有时将一方的磁性传感器11称为第一磁性传感器11，将另一方的磁性传感器12称为第二磁性传感器12。

图1中将箭头所示的方向设为转子1的正向旋转方向。并且，设定为：当转子1正向旋转时，转子1的旋转角增大，当转子1反向旋转时，转子1的旋转角减小。若将转子1的旋转角(电角)设为θ，则在未重叠有三次谐波成分的情况下，第一磁性传感器11的输出信号V1表示为V1＝A1·sinθ，第二磁性传感器12的输出信号V2表示为V2＝A2·sin(θ+90°)＝A2·cosθ。A1、A2分别表示振幅。当上述的振幅A1、A2被视为是相互间相等的值A、或者将两信号V1、V2标准化而使得两振幅为规定的规定值A时，两信号V1、V2分别表示为A·sinθ和A·cosθ。这里，当A＝1时，两信号V1、V2分别表示为sinθ和cosθ。因此，在未重叠有三次谐波成分的情况下，从第一磁性传感器11输出由V1＝sinθ表示的输出信号V1，从第二磁性传感器12输出由V2＝cosθ表示的输出信号V2。

在该实施方式中，由于各磁性传感器11、12与磁铁2的间隙小，所以在各磁性传感器11、12的输出信号重叠有三次谐波成分。因此，在该实施方式中，若将三次谐波成分的增益设为K(0＜K＜1)，则从第一磁性传感器11输出由下式(2)表示的第一输出信号V1，从第二磁性传感器12输出由下式(3)表示的第二输出信号V2。

$V1=\frac{\sin \mathrm{\θ}+K\·\sin 3\mathrm{\θ}}{1-K}$

$=\frac{\sin \mathrm{\θ}+K\·(3\sin \mathrm{\θ}-{4\sin }^3\mathrm{\θ})}{1-K}---\left(2\right)$

$V2=\frac{\cos \mathrm{\θ}-K\·\cos 3\mathrm{\θ}}{1-K}$

$=\frac{\cos \mathrm{\θ}-K\·({4\cos }^3\mathrm{\θ}-3\cos \mathrm{\θ})}{1-K}$

$=\frac{\cos \mathrm{\θ}+K\·(3\cos \mathrm{\θ}-{4\cos }^3\mathrm{\θ})}{1-K}---\left(3\right)$

第一输出信号V1和第二输出信号V1被输入于旋转角运算装置20。旋转角运算装置20根据各输出信号V1、V2来计算转子1的旋转角θ。旋转角运算装置20例如由微计算机构成，具备CPU(中央运算处理装置)和存储器(ROM、RAM等)。旋转角运算装置20通过使CPU执行ROM中存储的规定的程序，从而作为多个功能处理部发挥作用。该多个功能处理部具备：第一三次谐波成分去除部(三次谐波成分去除单元)21、第二三次谐波成分去除部(三次谐波成分去除单元)22、旋转角运算部(旋转角运算单元)23。

第一三次谐波成分去除部21对第一输出信号V1进行修正，以从第一输出信号V1中去除三次谐波成分。具体地说，第一三次谐波成分去除部21计算出从第一磁性传感器11的输出信号V1中去除了三次谐波成分的信号sinθ的近似值(sinθ)_n。

第二三次谐波成分去除部22对第二输出信号V2进行修正，以从第二输出信号V2中去除三次谐波成分。具体地说，第二三次谐波成分去除部22计算出从第二磁性传感器12的输出信号V2中去除了三次谐波成分的信号cosθ的近似值(cosθ)_n。

旋转角运算部23根据由第一三次谐波成分去除部21运算出的sinθ的近似值(sinθ)_n、和由第二三次谐波成分去除部22运算出的cosθ的近似值(cosθ)_n，计算转子1的旋转角θ。具体地说，根据下式(4)计算转子1的旋转角θ。

θ＝tan^-1{(sinθ)_n/(cosθ)_n}...(4)

下面，对第一三次谐波成分去除部21和第二三次谐波成分去除部22的动作进行说明。

首先，对第一三次谐波成分去除部21的动作进行说明。

通过对上述式(2)进行变形，能够导出下式(5)。

$\sin \mathrm{\θ}=V1\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·(1-{\sin }^2\mathrm{\θ})}---\left(5\right)$

下式(6)表示用于根据上述式(5)运算从第一磁性传感器11的输出信号V1中去除了三次谐波成分的信号sinθ的近似值(sinθ)_n的运算式。

${\left(\sin \mathrm{\θ}\right)}_1=V1\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·(1-{V1}^2)}$

${\left(\sin \mathrm{\θ}\right)}_2=V1\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·\{1-{{\left(\sin \mathrm{\θ}\right)}_1}^2\}}$

${\left(\sin \mathrm{\θ}\right)}_n=V1\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·\{1-{{\left(\sin \mathrm{\θ}\right)}_{n-1}}^2\}}---\left(6\right)$

如上述式(6)所示，通过使用第一磁性传感器11的输出信号V1作为上述式(5)的右边的(1-sin²θ)项中的sinθ，能够运算出运算次数为第一次的sinθ的近似值(sinθ)₁。另外，通过使用运算次数为第一次的sinθ的近似值(sinθ)₁来作为上述式(5)的右边的(1-sin²θ)项中的sinθ，能够运算出运算次数为第二次的sinθ的近似值(sinθ)₂。即，若将n(n为1以上的整数)设为运算次数，则运算次数为第二次之后的sinθ的近似值(sinθ)_n，能够通过使用其前一次运算出的sinθ的近似值(sinθ)_n-1来作为上述式(5)的右边的(1-sin²θ)项中的sinθ而运算出来。运算次数n越多，能够获得精度越高的近似值。

第一三次谐波成分去除部21通过进行n次上述那样的运算，能够运算出运算次数为第n次的sinθ的信号值(sinθ)_n。运算次数n可以是任意次数。即，运算次数n可以是1次，也可以是2次以上的值。在该实施方式中，运算次数n设定为2或者3。

接下来，对第二三次谐波成分去除部22的动作进行说明。

通过对上述式(3)进行变形，能够导出下式(7)。

$\cos \mathrm{\θ}=V2\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·(1-{\cos }^2\mathrm{\θ})}---\left(7\right)$

下式(8)表示用于根据上述式(7)运算从第二磁性传感器12的输出信号V2中去除了三次谐波成分的信号cosθ的近似值(cosθ)_n的运算式。

${\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}_1=V2\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·(1-{V2}^2)}$

${\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}_2=V2\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·\{1-{{\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}_1}^2\}}$

${\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}_n=V2\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·\{1-{{\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}_{n-1}}^2\}}---\left(8\right)$

如上述式(8)所示，通过使用第二磁性传感器12的输出信号V2来作为上述式(7)的右边的(1-cos²θ)项中的cosθ，能够运算出运算次数为第一次的cosθ的近似值(cosθ)₁。另外，通过使用运算次数为第一次的近似值(cosθ)₁作为上述式(7)的右边的(1-cos²θ)项中的cosθ，能够运算出运算次数为第二次的cosθ的近似值(cosθ)₂。即，若将n(n为1以上的整数)设为运算次数，则运算次数为第二次之后的cosθ的近似值(cosθ)_n，能够通过使用其前一次运算出的cosθ的近似值(cosθ)_n-1来作为上述式(7)的右边的(1-cos²θ)项中的cosθ，而运算出来。运算次数n越多，能够获得精度越高的近似值。

第二三次谐波成分去除部22通过进行n次如上述那样的运算，能够运算出运算次数为第n次的信号值(cosθ)_n。运算次数n可以是任意次数。即，运算次数n可以是1次，也可以是2次以上的值。在该实施方式中，运算次数n被设定为2或者3。

图2是示出由旋转角运算装置20执行的旋转角运算处理的步骤的流程图。图2示出的旋转角运算处理，按照规定的运算周期反复执行。

旋转角运算装置20获取磁性传感器11、12的输出信号V1、V2(步骤S1)。然后，旋转角运算装置20从在步骤S1中获取的各输出信号V1、V2中去除三次谐波成分(步骤S2)。具体地说，利用第一三次谐波成分去除部21，运算出从第一输出信号V1中去除了三次谐波成分的信号sinθ的近似值(sinθ)_n。并且，利用第二三次谐波成分去除部22，运算出从第二输出信号V2中去除了三次谐波成分的信号cosθ的近似值(cosθ)_n。

接下来，旋转角运算装置20的旋转角运算部23，使用由第一三次谐波成分去除部21运算出的sinθ的近似值(sinθ)_n、和由第二三次谐波成分去除部22运算出的cosθ的近似值(cosθ)_n，根据上述式(4)来运算出转子1的旋转角θ(步骤S3)。然后，结束当前运算周期的处理。

根据上述实施方式，由于能够近似地运算出从各磁性传感器11、12的输出信号V1、V2中去除了三次谐波成分的信号值，因此，即使在各磁性传感器11、12的输出信号中重叠有三次谐波成分的情况下，也能检测出准确的旋转角。由此，即使各磁性传感器11、12与磁铁2之间的间隙小，也能高精度地运算出转子1的旋转角。结果是，能够减小各磁性传感器与磁铁2之间的间隙，能够使旋转角检测装置小型化。

以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明还能以其他方式实施。例如根据sinθ的近似值(sinθ)_n和cosθ的近似值(cosθ)_n运算出转子1的旋转角θ的方法，可以是上述式(4)以外的方法。

另外，若将上述式(6)、(8)内的4K/(1-K)为修正增益G，则该修正增益G可以是恒定的，也可以根据运算次数的前一次的sinθ的近似值(sinθ)_n-1和cosθ的近似值(cosθ)_n-1来计算。例如，可以根据运算次数为第(n-1)次的sinθ的近似值(sinθ)_n-1和cosθ的近似值(cosθ)_n-1，来算出对运算次数为第n次的近似值(sinθ)_n和(cosθ)_n进行运算时的修正增益G_n。具体地说，可以根据运算次数为第(n-1)次的sinθ的近似值(sinθ)_n-1的正弦波曲线与cosθ的近似值(cosθ)_n-1的余弦波曲线在θ＝45°处的交点的值，来计算上述修正增益G_n。

另外，在第(n-1)次运算出的sinθ的近似值(sinθ)_n-1和(cosθ)_n-1中包含三次谐波成分的情况下，不满足(sinθ)_n-1 ²+(cosθ)_n-1 ²＝1。因此，可以利用下式(9)来计算对运算次数为第n次的近似值(sinθ)_n和(cosθ)_n进行运算时的修正增益(4K/(1-K))

G_n＝G_n-1+α×[1-{(sinθ)_n-1 ²+(cosθ)_n-1 ²}]...(9)

G_n：第n次的近似值运算中所使用的修正增益

G_n-1：第(n-1)次的近似值运算中所使用的修正增益

α：任意的常数

如上所述，若调整修正增益G，则能够对应各磁性传感器11、12与磁铁2之间的间隙的随时间的变化、各个产品(旋转角检测装置)的偏差，能够进行精度高的旋转角的运算。

另外，在上述实施方式中，磁性传感器11、12以转子1的旋转中心轴为中心隔开90°(电角)的角度间隔配置，但是，磁性传感器11、12可以隔开90°以外的任意的角度间隔而配置。例如，磁性传感器11、12隔开120°(电角)的角度间隔而配置。

另外，对磁性传感器11、12以任意角度间隔配置的情况下的各三次谐波成分去除部21、22的动作进行说明。若将K(0＜K＜1)设为三次谐波成分的增益，将第一磁性传感器11的输出信号设为第一输出信号V1，将基于第一三次谐波成分去除部21的对第一输出信号V1修正后的信号设为V1a，将第一输出信号V1的修正前的信号为V1b，则第一三次谐波成分去除部21根据下式(10)运算修正后信号V1a。另外，若将第二磁性传感器12的输出信号设为第二输出信号V2，将基于第二三次谐波成分去除部22的对第二输出信号V2修正后的信号设为V2a，将第二输出信号V2的修正前的信号设为V2b，则第二三次谐波成分去除部22根据下式(11)运算修正后信号V2a。

$V1a=V1\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·(1-{V1b}^2)}---\left(10\right)$

$V2a=V2\·\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\·(1-{V2b}^2)}---\left(11\right)$

以上，对将本发明应用为用于检测无刷电机的转子旋转角的装置的情况下的实施方式进行了说明，但是，也能够将本发明应用为用于检测无刷电机的转子以外的旋转体旋转角的装置。

在上述各实施方式中，检测用转子1的磁铁具有一组磁极对，但是检测用转子1的磁铁可以具有多组磁极对。

此外，能够在权利要求书中记载的事项的范围内进行多种设计变更。

Claims (4)

1.一种旋转角检测装置，其特征在于，具备：

磁铁，其与旋转体的旋转对应地旋转且沿周向设有多个磁极；

根据上述磁铁的旋转而分别输出相互间相位不同且重叠有三次谐波成分的正弦波状信号的第一磁性传感器及第二磁性传感器；

三次谐波成分去除单元，其修正各输出信号以从上述各磁性传感器的输出信号中去除三次谐波成分；以及

旋转角运算单元，其基于由上述三次谐波成分去除单元进行的修正后的各输出信号，运算上述旋转体的旋转角，

若设K为三次谐波成分的增益，其中0<K<1，设上述第一磁性传感器的输出信号为第一输出信号V1，设由上述三次谐波成分去除单元进行的上述第一输出信号V1的修正后的信号为V1a，设上述第一输出信号V1的修正前的信号为V1b，设上述第二磁性传感器的输出信号为第二输出信号V2，设由上述三次谐波成分去除单元进行的上述第二输出信号V2的修正后的信号为V2a，设上述第二输出信号V2的修正前的信号为V2b，则

上述三次谐波成分去除单元包括：

根据下式(a)运算上述第一输出信号的修正后信号V1a的单元；以及

根据下式(b)运算上述第二输出信号的修正后信号V2a的单元，

$V1a=V1\&CenterDot;\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\&CenterDot;\left(1-V1b^2\right)}---\left(a\right)$

$V2a=V2\&CenterDot;\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\&CenterDot;\left(1-V2b^2\right)}---\left(b\right).$

2.根据权利要求1所述的旋转角检测装置，其特征在于，

上述三次谐波成分去除单元包括：

通过使用上述第一输出信号V1作为上述式(a)的修正前信号V1b而运算最终的修正后信号V1a的单元；以及

通过使用上述第二输出信号V2作为上述式(b)的修正前信号V2b而运算最终的修正后信号V2a的单元。

3.根据权利要求1所述的旋转角检测装置，其特征在于，

上述三次谐波成分去除单元包括：

通过使用上述第一输出信号V1作为上述式(a)的修正前信号V1b而运算出运算次数为第一次的修正后信号V1a的单元；

通过进行至少一次下述处理来运算最终的修正后信号V1a的单元：对于运算次数为第2次之后的修正后信号V1a，通过使用在其前1次运算出的修正后信号V1a作为上述式(a)的修正前信号V1b来进行运算的处理；

通过使用上述第二输出信号V2作为上述式(b)的修正前信号V2b而运算出运算次数为第一次的修正后信号V2a的单元；以及

通过进行至少一次下述处理来运算最终的修正后信号V2a的单元：对于运算次数为第二次之后的修正后信号V2a，通过使用在其前一次运算出的修正后信号V2a作为上述式(b)的修正前信号V2b来进行运算的处理。

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，

若设上述旋转体的旋转角为θ，则上述第一输出信号V1为将上述旋转体的旋转角作为θ而以下式(c)表示的信号V1，上述第二输出信号V2为以下式(d)表示的信号V2，

上述式(a)为从上述式(c)导出的下式(e)，上述式(b)为从上述式(d)导出的下式(f)，

上述第一输出信号V1的修正前信号V1b相当于上述式(e)的右边的(1-sin²θ)项中的sinθ，上述第一输出信号V1的修正后信号V1a相当于上述式(e)的左边的sinθ，

上述第二输出信号V2的修正前信号V2b相当于上述式(f)的右边的(1-cos²θ)项中的cosθ，上述第二输出信号V2的修正后信号V2a相当于上述式(f)的左边的cosθ，

$V1=\frac{sin\mathrm{\&theta;}+K\&CenterDot;sin3\mathrm{\&theta;}}{1-K}---\left(c\right)$

$V2=\frac{\cos \mathrm{\&theta;}-K\&CenterDot;\cos 3\mathrm{\&theta;}}{1-K}---\left(d\right)$

$sin\mathrm{\&theta;}=V1\&CenterDot;\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\&CenterDot;\left(1-{\sin }^2\mathrm{\&theta;}\right)}---\left(e\right)$

$\cos \mathrm{\&theta;}=V2\&CenterDot;\frac{1}{1+\frac{4K}{1-K}\&CenterDot;\left(1-{\cos }^2\mathrm{\&theta;}\right)}---\left(f\right).$