CN113661375B - 角度检测装置 - Google Patents

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Abstract

存在由于正弦信号和余弦信号之间的相位差偏离π/2而导致旋转2阶角误差无法减小的问题。因此，本发明提供了一种角度检测装置，该角度检测装置根据基于具有不同相位的两个正弦信号之和的第一检测信号和基于该具有不同相位的两个正弦信号之差的第二检测信号运算检测角度，能够抑制由第一正弦信号和第二正弦信号之间的相位差偏离π/2产生的2阶角度误差。

Description

角度检测装置
技术领域
本申请涉及角度检测装置。
背景技术
为了提供减小转矩脉动的电动机，需要提高转子的旋转位置的检测精度。在专利文献1的电动助力转向控制装置中，通过使用预先存储在EEPROM(Electrically ErasableProgrammable Read-Only-Memory：电可擦除可编程只读存储器)等中的旋转变压器的正弦信号和余弦信号的中点校正值来校正检测信号，从而减小由旋转0阶信号误差产生的旋转1阶角度误差。另外，通过对实施了中点校正的旋转变压器的正弦信号和余弦信号乘以预先存储在EEPROM等中的振幅校正系数进行校正，从而减小由旋转1阶信号误差产生的旋转2阶的角度误差(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2008－273478号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
如果使用专利文献1的方法，则能够减小由包含在正弦信号和余弦信号中的偏移误差所产生的旋转1阶角度误差、或者由振幅比所产生的旋转2阶角度误差，但是无法减小由正弦信号和余弦信号的相位差偏离π/2所产生的旋转2阶角度误差。
本申请是为了解决上述问题而完成的，其目的是提供一种角度检测装置，该角度检测装置能够减小由于正弦信号和余弦信号之间的相位差偏离π/2而引起的旋转2阶角度误差。
用于解决技术问题的技术手段
本申请所公开的角度检测装置的特征在于，包括：
角度检测器，该角度检测器根据旋转电机的旋转检测第一正弦信号和相位与第一正弦信号不同的第二正弦信号；
检测信号运算部，该检测信号运算部输出基于第一正弦信号和第二正弦信号之和的第一检测信号以及基于第一正弦信号和第二正弦信号之差的第二检测信号；
角度运算部，该角度运算部基于第一检测信号和第二检测信号运算检测角度，该角度检测装置抑制由于第一正弦信号和第二正弦信号之间的相位差偏离π/2而导致产生的2阶角度误差。
发明效果
根据本申请所公开的角度检测装置，通过使用具有不同相位的两个正弦信号的和以及差来计算检测角度，从而能够减小由于两个正弦信号的相位差而引起的旋转2阶角度误差。
附图说明
图1是表示实施方式1的角度检测器和传感器磁体的位置关系的示意图。图1A是从顶面观察到的图，图1B是从侧面观察到的图。
图2是示出实施方式1中的角度检测装置的结构框图。
图3是表示实施方式1中的检测信号运算部以及角度运算部的硬件的一例的图。
图4是示出了根据第一正弦信号和第二正弦信号求出检测角度θ时的角度误差的图。图4A中的横轴是传感器角度，图4B中的横轴是阶数。
图5是示出在相位差为-π/3时，以10比特的分辨率对0～5V进行A/D转换得到的检测角度的误差的图。
图6是示出在相位差为-π/6时，以10比特的分辨率对0～5V进行A/D转换得到的检测角度的误差的图。
图7是以矢量图示出第一正弦信号和第二正弦信号以及第一检测信号和第二检测信号的图。
图8是示出实施方式3所涉及的角度检测装置的结构框图。
图9是示出第一正弦信号与第二正弦信号的相位差为π/2时在传感器角度的1个周期内的角度检测装置的正常范围的图。
图10是示出第一正弦信号与第二正弦信号的相位差为π/3时在传感器角度的1个周期内的角度检测装置的正常范围的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本申请所涉及的功率控制装置的优选的实施方式进行说明。另外，对于相同内容及对应部分配置相同标号，省略其详细说明。在之后的实施方式中，也同样地对附加了相同标号的结构省略重复说明。
实施方式1
作为本申请的角度检测装置中使用的角度检测器1，可例举旋转变压器、使用磁阻元件的传感器(MR传感器)、编码器、霍尔元件等，无论是哪一种情况都可以获得相同的效果，因此这里将以MR传感器作为示例进行说明。
图1是表示实施方式1的角度检测器1和传感器磁体10的位置关系的示意图。图1A是从顶面观察到的图，图1B是从侧面观察到的图。角度检测器1检测由传感器磁体10产生的磁场，并输出第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2。由于传感器磁体10与图中未示出的转子一起旋转，所以由传感器磁体10在角度检测器1中产生的磁场根据角度而改变。
图2是示出本申请的实施方式1中的角度检测装置的结构框图。角度检测器1基于传感器磁体10的磁场输出第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2，该传感器磁体10的磁场根据转子的角度而变化。第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2是由下式(1)给出的具有不同相位的正弦波。θs表示传感器角度，a1表示振幅，γ表示相位差，Vc表示提供给角度检测器的直流电压。这里，将第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的振幅比设为1，但是当振幅不同时，可以将振幅比校正为1。
[数学式1]
检测信号运算部2使用由角度检测器1获得的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2，通过式(2)输出第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2。通过从第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之和中减去提供给角度检测器的直流电压Vc来获得第一检测信号Vsin_det1。
将第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2相减来获得第二检测信号Vsin_det2。这里，作为减小由所谓相位差偏差引起的角度误差的减法项，使用作为第一正弦信号Vsin1的中点电压的Vc/2的两倍的值，即提供给角度检测器的直流电压Vc，但是当中点电压不是Vc/2时，若设为与之匹配的值，则可以获得同样的效果。在根据环境温度、历时变化等进行转换的情况下，可以是考虑了这些情况的值。此外，可以在线设定和更新该值。
[数学式2]
ξ1和ξ2满足式(3)，相位差为π/2。
[数学式3]
即，无论作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之间的相位差γ是多大的值，检测信号运算部2都可以获得确保正交性的第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2。
例如，如式(4)那样，角度运算部3使用由检测信号运算部2获得的第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2来计算检测角度θ。在此用公式来记述，但也可以使用预定的转换表来计算。当使用检测信号运算部2的输出结果时，如式(3)那样，零点偏离原本的零点。这里，通过进行π/2+γ/2的校正，能获得与根据第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2计算出的角度相同的零点。
[数学式4]
考虑到式(2)的振幅比，可用式(5)给出系数k。因此，能减小由振幅偏差引起的2阶角度误差。在式(4)中，将第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2的比率乘以系数k再求其反正切函数，但也可以是第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2中的任一个乘以与振幅比相对应的系数。
[数学式5]
图3示出了检测信号运算部2和角度运算部3的硬件的一个示例。由处理器100及存储装置101构成，虽未图示，但存储装置具备随机存取存储器等易失性存储装置、和闪存等非易失性辅助存储装置。此外，也可以具备硬盘这样的辅助存储装置以代替闪存。处理器100通过执行从存储装置101输入的程序，例如执行上述检测信号运算或角度运算。该情况下，程序从辅助存储装置经由易失性存储装置输入到处理器100。另外，处理器100可以将运算结果等数据输出至存储装置101的易失性存储装置，也可以经由易失性存储装置将数据保存至辅助存储装置。
接着，作为具体例，说明第一正弦信号Vsin1与第二正弦信号Vsin2的相位差γ为-π/3的情况下的本实施方式1的效果。此时，式(1)变为式(6)，如式(7)所示，根据第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2求出检测角度θ时，角度误差如图4所示为0阶和2n阶分量。
[数学式6]
[数学式7]
对此，在本实施方式1的角度检测装置的情况下，由检测信号运算部2获得如式(8)所示的第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2。
[数学式8]
角度运算部3可以根据调整了振幅比和零点偏差的式(9)来计算检测角度θ。即，即使第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之间的相位差不是±π/2，也可以通过使用确保正交性的第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2来计算角度，从而能抑制由相位差偏离π/2引起的传感器角度2阶角度误差。
[数学式9]
然而，在许多情况下对从角度检测器获得的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2进行A/D转换来进行使用。例如，在以10比特的分辨率对0～5V进行转换时，最小分辨率为4.9mV左右。若比较式(6)和式(8)，则原始信号的振幅为a1，与此相对，用和及差运算得到的信号的振幅为a1和a1。
图5示出了当第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2的振幅均为2V且相位差γ为-π/3时，通过以10比特的分辨率对0～5V进行A/D转换而获得的检测角度θ(传感器角度)的误差。
图6示出了当第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2的振幅均为2V且相位差γ为-π/6时，通过以10比特的分辨率对0～5V进行A/D转换而获得的检测角度θ(传感器角度)的误差。在相位差γ为－π/6的图6的情况下，第二检测信号Vsin_det2的振幅小于作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的振幅，精度降低，因此角度误差变大。
根据式(1)和式(2)，使第一检测信号和第二检测信号的振幅都为原始信号的振幅以上的条件为式(9-1)
[数学式10]
求解这个方程，则得到式(9―2)。
[数学式11]
即，通过使第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之间的相位差为π/3以上且2π/3以下，能防止第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2的振幅小于作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2，从而能获得抑制由于A/D转换的分辨率而导致精度降低这样的以往没有的效果。
如图7所示，如果用矢量来表示，则可以很好地呈现振幅和相位的变化。由于第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2是相位相差π/3的矢量，因此作为矢量之差的第二检测信号Vsin_det2成为等边三角形的一边。其等于作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的矢量的大小。当第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之间的相位差小于π/3时，用第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之和表示的第一检测信号Vsin_det1的振幅变大，但是用第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之差表示的第二检测信号Vsin_det2的振幅变小。
当第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之间的相位差大于π/3时，用第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之和表示的第一检测信号Vsin_det1的振幅变得小于相位差为π/3时的振幅，并且用第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之差表示的第二检测信号Vsin_det2的振幅变得大于相位差为π/3时的振幅，并且大于作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的振幅。
此外，当第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的相位差为π/2时，第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2的振幅变得相等。此外，当第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的相位差大于π/2时，由第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之差表示的第二检测信号Vsin_det2的振幅变得更大，而由第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之和表示的第一检测信号Vsin_det1的振幅变得更小。
而且，当相位差超过2π/3时，第一检测信号Vsin_det1的振幅变得小于作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2。
在上述式(4)中，没有考虑定点小数运算引起的误差进行了说明，但是若乘以校正系数以使振幅较大的信号与振幅较小的信号的振幅相匹配，则相差悬殊，从而精度就会变差。通过将具有较小振幅的信号乘以基于振幅比的1以上的校正系数来进行校正，从而能防止乘以校正系数时的精度劣化，同时减小由振幅偏差引起的角度误差。
当相位差为π/3或2π/3时，由于第一检测信号Vsin_det1或第二检测信号Vsin_det2中任一个振幅等于作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2，因此能抑制由于振幅减小而导致的A/D转换的分辨率引起的精度降低。此外，虽然作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的相位差大大偏离π/2，但是通过使用在本实施方式中说明的具有正交性的第一检测信号和第二检测信号的角度运算方法，从而能以简单的结构减小由相位差偏差引起的2阶角度误差。例如，在图7所示的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的相位差为π/3的情况下，可以将振幅较小的第二检测信号乘以1以上的校正系数。
实施方式2
当相位差为π/2时，由于第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2的振幅都是作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的倍，因此能抑制由于A/D转换的分辨率引起的精度下降，同时能用第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2的振幅比偏差来替换作为原始信号的第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的相位差偏差。以如式(10)那样给出第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的情况为例来说明该效果。
[数学式12]
第一正弦信号Vsin1的振幅为a1，而第二正弦信号Vsin2的振幅为，
[数学式13]
振幅比不是1。当在该状态下计算第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2时，两个信号之间的相位差偏离π/2。
能通过从信号的最大值减去最小值并除以2等方式来计算第一检测信号Vsin_det1的振幅，能通过信号的一个周期中的平均值或信号的最大值和最小值的平均值等方式来计算偏移a0。同样地，能通过从信号的最大值减去最小值并除以2等方式来计算第二检测信号Vsin_det2的振幅，能通过信号的一个周期中的平均值或信号的最大值和最小值的平均值等方式来计算偏移c0。如果振幅比不是1，或者两个信号的偏移不同时，可以在检测信号运算部2中实施如式(11)所示的校正。因此，能减小由偏移误差引起的1阶角度误差。即使当偏移a0和偏移c0是式(1)的Vc/2那样的非微小值时，由于在振幅校正之前调整偏移，所以能抑制1阶角度误差。
[数学式14]
通过使用根据式(11)计算的校正信号Vsin1_hosei、Vsin2_hosei，根据式(12)计算第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2，从而能获得相位差为π/2的两个信号。
[数学式15]
由于第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2之间的振幅比不是1，所以将通过从第一检测信号Vsin_det1的最大值中减去最小值而获得的振幅与从第二检测信号Vsin_det2的最大值中减去最小值而获得的振幅之间的比率作为式(4)的系数k，从而能在由角度运算部3计算检测角度θ时进行校正，能抑制2阶角度误差。
由于在校正相位差时，需要根据两个信号之间的关系计算相位差，因此仅用一个信号难以计算相位差。另一方面，在校正振幅的情况下，由于能从各个信号获得振幅，所以能容易地在线更新校正值，而不限于使用预先写入EEPROM等中的调整值。
另外，虽然在式(11)和式(12)中通过第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2校正了偏移，但是也可以通过第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2校正偏移。在这种情况下，在式(13)中，将第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的振幅比设为1。此时，第一正弦信号Vsin1的偏移a0乘上校正系数，但是如式(14)所示，误差的乘积可以近似为非常小。
[数学式16]
[数学式17]
因此，对于第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2，能根据式(15)校正偏移。
[数学式18]
这里，已经说明了相位差为π/2的情况下偏移校正和振幅比校正的效果，当然，在其它相位差的情况下也可以获得同样的效果。
实施方式3
在上述实施方式1中，说明了利用从第一正弦信号Vsin1与第二正弦信号Vsin2之和得到的第一检测信号Vsin_det1和从第一正弦信号Vsin1与第二正弦信号Vsin2之差得到的第二检测信号Vsin_det2来计算检测角度，从而抑制由第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的相位差偏差所产生的2阶角度误差的方法，但在本实施方式3中对故障判定方法进行说明。
图8是示出实施方式3中的角度检测装置结构的结构框图。在图2中增加了故障判定器4。故障判定器4通过使用第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2的平方和或平方和的平方根来判定故障。下面将对使用平方和的判定进行说明，平方和的平方根也能获得同样的效果。另外，故障判定器的硬件结构也可以与实施方式1相同，由处理器100和存储装置101构成。
当第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之间的相位差为π/2时，假设横轴为第一正弦信号Vsin1，纵轴为第二正弦信号Vsin2，则理想情况下，在传感器角度的一个周期内，形成图9所示的虚线的圆形轨迹。由于各个信号的振幅由于温度变化或历时变化而变动，将阴影线的范围内设为正常范围P，并且当变动脱离正常范围P时，判定为故障。内侧的圆的半径表示下限阈值，外侧的圆的半径表示上限阈值，星形标记表示即将发生故障前的状态。当正弦波信号发生异常时，正弦波信号在箭头的范围内变化。在箭头的范围内存在超出阴影部分的部位，在该区域判定有故障。该方法是利用了只要确保2个信号的正交性，平方和就会固定的性质。但是，相位差不是π/2，例如相位差是π/3的情况下，形成如图10所示的倾斜的椭圆形轨迹。针对该倾斜的椭圆形轨迹，当在考虑温度变化或历时变化引起的变动的同时设定正常范围Q时，得到与图9相比相当大的范围，发生即使在原本想判定为故障的状态下也无法判定为故障的状况。
对第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2由实施方式1中说明的式(6)给出的情况进行说明。根据式(6)，第一正弦信号和第二正弦信号的平方和Vsum如式(16)所示以传感器角度2阶进行变动。
[数学式19]
此外，当使用式(8)的第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2计算平方和Vsum时，如式(17)所示，以传感器角度2阶进行变动。
[数学式20]
式(16)的变动分量是由于第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2的相位差不是π/2而产生的，而式(17)的变动分量是由于第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2的振幅不同而产生的。为了在式(16)中抑制变动分量，需要改变相位，但是为了在式(17)中抑制变动分量，只要如式(18)那样调整振幅即可。
[数学式21]
即，无论第一正弦信号Vsin1和第二正弦信号Vsin2之间的相位差是多少，通过校正第一检测信号Vsin_det1和第二检测信号Vsin_det2中的至少一个的振幅来计算平方和，从而能获得在相位差为π/2时得到与图9相同的圆形轨迹并将其用于故障判定这样的以往没有的效果。因此，由于不需要考虑由相位差引起的偏差，因此能容易地设计判定阈值。
虽然本申请记载了各种示例性实施方式和实施例，但是在一个或多个实施方式中记载的各种特征、方式和功能不限于特定实施方式的应用，可以单独地或以各种组合来应用于实施方式。
因此，可以认为未例示的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，设为包括对至少一个构成要素进行变形、追加或省略的情况，以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素进行组合的情况。
标号说明
1：角度检测器，2：检测信号运算部，3：角度运算部，4：故障判定器，100：处理器，101：存储装置。

Claims (14)

1.一种角度检测装置，其特征在于，包括：
角度检测器，该角度检测器根据旋转电机的旋转检测第一正弦信号和相位与所述第一正弦信号不同的第二正弦信号；
检测信号运算部，该检测信号运算部输出基于所述第一正弦信号和所述第二正弦信号之和的第一检测信号以及基于所述第一正弦信号和所述第二正弦信号之差的第二检测信号；以及
角度运算部，该角度运算部基于所述第一检测信号和所述第二检测信号运算检测角度，
所述角度检测装置确保所述第一检测信号和所述第二检测信号具有正交性，且在所述第一检测信号和所述第二检测信号之间的振幅比不是1的情况下，将通过从所述第一检测信号的最大值中减去最小值而获得的振幅与从所述第二检测信号的最大值中减去最小值而获得的振幅之间的比率来对所述第一检测信号和所述第二检测信号之间的振幅比进行校正，从而抑制由于所述第一正弦信号和所述第二正弦信号之间的相位差偏离π/2而产生的2阶角度误差。
2.如权利要求1所述的角度检测装置，其特征在于，
通过从所述第一正弦信号和所述第二正弦信号之和中减去预定值来计算所述第一检测信号。
3.如权利要求2所述的角度检测装置，其特征在于，
所述预定值是所述第一正弦信号的中点电位的2倍。
4.如权利要求2所述的角度检测装置，其特征在于，
所述预定值是提供给所述角度检测器的直流电压。
5.如权利要求2至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
所述预定值能够在线地设定。
6.如权利要求1至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
从通过所述第一检测信号与所述第二检测信号之比的反正切函数得到的角度，减去所述第一正弦信号和所述第二正弦信号之间的相位差的1/2的值或所述第一正弦信号和所述第二正弦信号之间的相位差的1/2再加上π/2而获得的值，来计算由所述角度运算部计算的角度检测值。
7.如权利要求1至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
对所述第一正弦信号和所述第二正弦信号中的至少一个进行校正，使得所述第一正弦信号和所述第二正弦信号的振幅比为1。
8.如权利要求1至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
通过减去第一偏移校正值来校正所述第一正弦信号，并且通过减去第二偏移校正值来校正所述第二正弦信号。
9.如权利要求1至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
还包括用于判定所述角度检测器的故障的故障判定器，所述故障判定器通过使用所述第一检测信号和所述第二检测信号的平方和或平方和的平方根来判定故障。
10.如权利要求1至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
通过将所述第一检测信号和所述第二检测信号中的至少一个乘以基于振幅比的校正系数来进行校正。
11.如权利要求1至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
所述第一正弦信号和所述第二正弦信号之间的相位差为π/3以上且2π/3以下。
12.如权利要求1至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
所述第一正弦信号和所述第二正弦信号之间的相位差为π/2。
13.如权利要求1至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
所述第一正弦信号和所述第二正弦信号之间的相位差为π/3或2π/3。
14.如权利要求1至4中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，
所述角度检测器是旋转变压器、利用了磁阻的传感器、编码器、霍尔元件中的任一个。
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