JP2005208028A - バリアブルリラクタンスレゾルバ用角度演算方法とそのための角度演算装置 - Google Patents

バリアブルリラクタンスレゾルバ用角度演算方法とそのための角度演算装置 Download PDF

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Abstract

【要約書】
【課題】
レゾルバの誤差を含む出力電圧を基にして、演算処理により誤差の少ない出力電圧および角度を求めるようにしたバリアブルリラクタンスレゾルバ用角度演算方法とそのための角度演算装置を提供することにある
【解決手段】
バリアブルリラクタンスレゾルバ用角度演算方法とそのための角度演算装置において、
レゾルバの出力コイルにおけるSIN電圧の正の値の範囲内での最大値Vsin(max)、負の値の範囲内での最小値Vsin(min)を抽出し、これを基に下記式により、オフセット値、振幅値、sin-cos電圧校正比、ゼロ点補正値のそれぞれの値を求める。
【数62】
Figure 2005208028

上の式で求めた各値に基づき、下記式により角度θを求める。
【数63】
Figure 2005208028

【選択図】図1

Description

本発明は、バリアブルリラクタンスレゾルバ(VRレゾルバ)における各部の誤差が問題になる場合にも、精度良く角度検出を行うことができるVRレゾルバ用角度演算方法およびVRレゾルバ用角度演算装置に関する。
レゾルバは、方式、巻線構成、結線等により異なる。例えば、1相励磁/2相出力のVRレゾルバでは、励磁コイル、sin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイル、このSIN電圧出力コイルと電気角で90度の位相差を設けて形成されたcos出力電圧を取り出すためのCOS電圧出力コイルが巻回されたステータと、複数の突極を有し、ステータ内で回転することにより、両出力コイルとの間のギャップパーミアンスを回転角θの関数であるsin関数の値で変化させるロータとで構成され、ロータの回転に伴う磁束の変化によって前記両出力コイルに誘起される電圧に基づきロータの回転位置を検出する。
VRレゾルバのステータには多数の磁極歯が設けられている。レゾルバの出力電圧は、各磁極歯に巻回された巻線の出力電圧の合計として求められる。各磁極歯でのsin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルにおける出力電圧は、
α+βsinθ
で表される。
sinθは主としてロータの形状で決まり、α、βは主として磁路及びステータの巻線により決まる。
各磁極歯の出力を、
α1+β1sinθ1
α2+β2sinθ2
・・・・・・・・・
αm+βmsinθm
で表すと、レゾルバの出力は
Σn=1 m(αnnsinθn)=Ksinφ
となる。
cos出力電圧を取り出すCOS電圧出力コイルについても前記と同様になる。
マイクロコンピュータ等の演算手段を用いたレゾルバにおける角度検出器は取り込んだレゾルバの電圧をそのまま使用して角度を演算している。
レゾルバの出力電圧は、理想的には各磁極歯の出力振幅が同じとすると、αがゼロとなり、
SIN電圧出力コイルの出力電圧(Vsin)=Bsinθ、
COS電圧出力コイルの出力電圧(Vcos)=Dcosθ
の式で表せる。
しかし、レゾルバ出力の変圧比、出力コイルの短絡、ロータの振れ、ステータの磁気特性のばらつきや巻線のばらつき等が原因で出力誤差が増大して角度検出の精度が劣化する。
このようなVRレゾルバは、シャフト角度位置θに対して明確なsinθおよびcosθ関係を有する信号を生成しないが、シャフト位置の関数として、再現性の高い信号を発生する。この特徴を利用して、角度補正が行われている。即ち、参照テーブルを作成し、sinθ値およびcosθ値を補正する。VRレゾルバは、一定速度で駆動され、歪んだsin信号およびcos信号が記録される。歪んだ信号はフーリエ変換器を通過し、基本sin波および基本cos波が抽出される。次に、これら基本波を、レゾルバからの元の歪んだsin信号およびcos信号と比較し、補正値の補正参照テーブルを作成する(例えば、特許文献1参照)。
この補正参照テーブルを用いて適切な補正値を求める手法は、誤差の内容に応じてテーブルを作り直さなければ成らず、また、テーブルを作成するための手順も複雑で時間のかかるものである等の欠点がある。
そこで、再度前記種々の原因に基づく出力誤差について見直すと、
SIN電圧出力コイルおよびCOS電圧出力コイルの出力電圧は、
Figure 2005208028
Figure 2005208028
と表され、直流分AおよびCでオフセットされたものとなる。この電圧を用いて従前のように角度を演算すると、直流分AおよびCの影響により演算誤差が発生する。
特開平11−51692号公報
精度を上げるためには、出力誤差として現れる式(19)および式(20)の前記「A」項及び「C」項をゼロとするために、巻線の巻回数を調整しなければならない。しかし、巻回数は有限であるため、調整しきれない場合があり、又個々のばらつきで必ずしも同じ巻数にはならない場合もある。
本発明の目的は、レゾルバの誤差を含む出力電圧を基にして、演算処理により誤差の少ない出力電圧および角度を求めるようにしたバリアブルリラクタンスレゾルバ用角度演算方法とそのための角度演算装置を提供することにある。
本発明は、バリアブルリラクタンスレゾルバ用角度演算方法およびバリアブルリラクタンスレゾルバ用角度演算装置に関し、上記目的を達成するために、以下の解決手段を採用する。
まず、測定したレゾルバの出力電圧Vsin、Vcosから、電圧の最大値および最小値を求め、次の演算を行い、オフセット値AおよびCを求め、その値を記憶する。
Figure 2005208028
但し、maxは正の値の範囲内での最大値、minは負の値の範囲内での最小値(符号が「−」になる)である。
次に、続けて、以下の(1)〜(3)の内のいずれかの解決手段を採用する。
(1) SIN電圧出力コイルの出力電圧とCOS電圧出力コイルの出力電圧のオフセットを考慮して誤差を補正する。
オフセットを補正した後のsin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルの出力電圧としてVsin−A、同じくオフセットを補正した後のcos出力電圧を取り出すためのCOS電圧出力コイルの出力電圧としてVcos−Cを用いて角度を求める。これにより、出力電圧の誤差を改善し、角度の精度を向上する。
(2) SIN電圧出力コイルの出力電圧とCOS電圧出力コイルの出力電圧のオフセットおよび振幅の相違を考慮して誤差を補正する。
Figure 2005208028
を求め、
sin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルの出力電圧としてVsin−A、cos出力電圧を取り出すためのCOS電圧出力コイルの出力電圧としてK(Vcos−C)を用いて角度を求める。これにより、出力電圧の誤差を改善し、角度の精度を向上する。
(3) SIN電圧出力コイルの出力電圧とCOS電圧出力コイルの出力電圧のオフセット、振幅の相違およびゼロ点からのずれを考慮して誤差を補正する。
Figure 2005208028
を求め、
sin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルの出力電圧としてVsin−A、cos出力電圧を取り出すCOS電圧出力コイルの出力電圧としてK(Vcos−C)を用いて角度を求め、角度θSINPHASEにより位置ずれを補正する。これにより、出力電圧の誤差を改善し、角度の精度を向上する。
具体的には以下のようになる。
(1)
VRレゾルバ用角度演算方法は、
レゾルバのSIN電圧出力コイルの出力電圧VsinとCOS電圧出力コイルの出力電圧Vcosを取り込み、前記両出力電圧の正の値の範囲内での最大値をVsin(max)およびVcos(max)とし、前記両出力電圧の負の値の範囲内での最小値をVsin(min)およびVcos(min)として抽出する手順a、
前記Vsin(max)およびVcos(max)と前記Vsin(min)およびVcos(min)とから、出力電圧Vsinのオフセット値VSINOFFSETおよび出力電圧Vcosのオフセット値VCOSOFFSETを下記の式(24)(25)により求める手順b、
前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcosおよび前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSETから下記の式(26)により角度θを求める手順c
を順に行うことを特徴とする。
Figure 2005208028
Figure 2005208028
Figure 2005208028
(2)
上記(1)記載のVRレゾルバ用角度演算方法は、
前記手順bと前記手順cの間に、
前記Vsin(max)およびVcos(max)と前記Vsin(min)およびVcos(min)とから、出力電圧Vsinの平均振幅値VSINAMPおよび出力電圧Vcosの平均振幅値VCOSAMPを下記の式(27)(28)により求める手順d、
手順dの次に、前記平均振幅値VSINAMPおよび平均振幅値VCOSAMPから下記の式(29)により係数Kを求める手順e、
次に前記手順cの代わりに、
前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcos、前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSETおよび係数Kから下記の式(30)により角度θを求める手順f
を順に行うことを特徴とする。
Figure 2005208028
Figure 2005208028
Figure 2005208028
Figure 2005208028
(3)
上記(2)記載のVRレゾルバ用角度演算方法は、
前記手順eの前又は後に、前記オフセット値VSINOFFSETと前記平均振幅値VSINAMPから下記の式(31)によりゼロ点を補正する角度θSINPHASEを求める手順g、
次に前記手順fの代わりに、
前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcos、前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSET、前記係数Kおよび角度θSINPHASEから下記の式(32)により角度θを求める手順h
を順に行うことを特徴とする。
Figure 2005208028
Figure 2005208028
(4)
VRレゾルバ用角度演算装置は、
レゾルバのSIN電圧出力コイルの出力電圧VsinとCOS電圧出力コイルの出力電圧Vcosを取り込み、前記両出力電圧の正の値の範囲内での最大値をVsin(max)およびVcos(max)として抽出するVsin(max)抽出手段およびVcos(max)抽出手段と、前記両出力電圧の負の値の範囲内での最小値をVsin(min)およびVcos(min)として抽出するVsin(min)抽出手段およびVcos(min)抽出手段と、
前記Vsin(max)およびVcos(max)と前記Vsin(min)およびVcos(min)とから、出力電圧Vsinのオフセット値VSINOFFSETおよび出力電圧Vcosのオフセット値VCOSOFFSETを下記の式(33)(34)により求めるオフセット値VSINOFFSET演算手段およびオフセット値VCOSOFFSET演算手段と、
前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcosおよび前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSETから下記の式(35)により角度θを求める角度演算手段と
からなることを特徴とする。
Figure 2005208028
Figure 2005208028
Figure 2005208028
(5)
上記(4)記載のVRレゾルバ用角度演算装置は、
前記オフセット値VSINOFFSET演算手段およびオフセット値VCOSOFFSET演算手段と前記角度演算手段との間に、
前記Vsin(max)およびVcos(max)と前記Vsin(min)およびVcos(min)とから、出力電圧Vsinの平均振幅値VSINAMPおよび出力電圧Vcosの平均振幅値VCOSAMPを下記の式(36)(37)により求める平均振幅値VSINAMP演算手段と平均振幅値VCOSAMP演算手段と、
前記平均振幅値VSINAMP演算手段と平均振幅値VCOSAMP演算手段から出力された前記平均振幅値VSINAMPおよび平均振幅値VCOSAMPから下記の式(38)により係数Kを求める係数K演算手段とを設け、
前記(4)記載の角度演算手段の代わりに、
前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcos、前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSETおよび前記係数Kから下記の式(39)により角度θを求める角度演算手段を設けたことを特徴とする。
Figure 2005208028
Figure 2005208028
Figure 2005208028
Figure 2005208028
(6)
上記(5)記載のVRレゾルバ用角度演算装置は、
前記オフセット値VSINOFFSETと前記平均振幅値VSINAMPから下記の式(40)によりゼロ点を補正する角度θSINPHASEを求める角度θSINPHASE演算手段を設け、
前記(5)記載の角度演算手段の代わりに、
前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcos、前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSET、前記係数Kおよび角度θSINPHASEから下記の式(41)により角度θを求める角度演算手段
を設けたことを特徴とする。
Figure 2005208028
Figure 2005208028
本発明は、レゾルバにおける出力コイルの出力電圧から誤差要因を取り除くことができ、それにより角度検出の精度を向上することができる。
レゾルバにおける出力コイルの出力電圧は、理想的には、
sin=Bsinθ
cos=Dcosθ
と表すことできる。
しかし、誤差を考慮すると、実際には、ロータ形状の不適合、軸偏心等により出力電圧の変化がsinθとならず、各磁極歯の出力振幅が同じとならないため、αの項が0とならずに誤差が発生する。従って、SIN電圧出力コイルおよびCOS電圧出力コイルの出力電圧は、
sin=A+Bsinθ
cos=C+Dcosθ
と表す。
これを図2(a)に基づいて説明する。
図2は誤差の影響を表す波形図である。図2(a)はオフセット値(直流分の値)が相違する出力信号を示す図、図2(b)は図2(a)の出力信号間の偏差を示す図である。
ただし、ロータの回転角度をθ、励磁コイルに供給される励磁信号の周波数に対応する角速度をωとする。
レゾルバの出力電圧のうち、sin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルの出力電圧は、
α+βsin(θ)
で表される。
例えば、α=1で、β=0.2の場合、出力電圧は
(1+0.2SIN(θ))SIN(ωt)
となり、包絡線を結ぶと線Aになる。
この線Aと比較するために、更なる誤差によりαが1から0.9に1割変化する場合、即ち、α=0.9で、β=0.2の場合、出力電圧は、
(0.9+0.2SIN(θ))SIN(ωt)
となり、包絡線を結ぶと線Bになる。
この場合の誤差の影響をみるために、線Aの特性から線Bの特性へ変化する偏差を調べる。
まず、基本的な考えとして、sin(θ)波形は、角度θが0度から180度までの範囲と、180度から360度までの範囲では、プラス、マイナスで値は逆になっているが、同じ角度変化の波形になっているので、sin(θ)の波形とsin(θ+180°)の波形を重ね合わせると、両波形の偏差分の波形は、180°間隔で同じ偏差分の波形が連続することになる。
ここで、種々の誤差要因により、例えば、180度の角度範囲で前記線Aと前記線Bの出力電圧波形が連続して出力される場合を考える。180度の角度範囲での偏差を見るために、便宜上、線Aと線Bの間に180度の位相差を設ける、即ち、
(0.9+0.2SIN(θ+180°))SIN(ωt)
とする。
これら線Aと線Bの偏差を図2(b)に示す。
図2(a)の0°〜180°の180度の角度範囲における両線の最大偏差aは、図2(b)に示すように0.5を示し、図2(a)の180°〜360°の180度の角度範囲における両線の最大偏差bは、図2(b)に示すように0.3を示す。この結果、両偏差値の差Gは0.2と大きな値を示す。
このことから、出力電圧信号は、種々の誤差要因により、直流分が180度の角度範囲で1から0.9に1割変動しても、180度の角度範囲毎に、最大出力値が異なり、その最大値間の偏差も異なる。
以上は直流分にはねかえる誤差要因についての検討であるが、他の誤差要因についても検討する必要がある。
次に、実際に試作したレゾルバについて精査する。
試作レゾルバのデータは以下の表1のようになる。出力巻線は下記SINと下記COSが同じ出力電圧を発生するように設計してある。
Figure 2005208028
但し、
変圧比は励磁巻線数と出力巻線数の比、
電気誤差(幅)は規定入力電圧に対するレゾルバの出力電圧の誤差、
MAXは正の値をとる領域における基準電圧(ゼロ電圧)からの最大出力電圧値、
MINは負の値をとる領域における基準電圧(ゼロ電圧)からの最小出力電圧値、
振幅はMAXとMINの絶対値の平均値
(振幅=(絶対値MAX+絶対値MIN)/2)、
オフセット値(OFFSET)はMAXとMINの偏差の1/2の値
(OFFSET=(MAX+MIN)/2の値)
図3は試作データに基づく電圧特性図である。電圧特性は絶対値で表されている。Vsinはsin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルの出力電圧を意味し、Vcosはcos出力電圧を取り出すCOS電圧出力コイルの出力電圧を意味する。
表1および図3から、sin出力電圧用のコイルの出力電圧とcos出力電圧用のコイルの出力電圧とでは、MAX、MIN、振幅およびOFFSETのそれぞれにおいて異なる。
この場合も、角度範囲は、出力電圧が+(プラス)領域と−(マイナス)領域の約180度範囲を単位として考えている。
次に、角度誤差について精査する。
図4は本発明と従来例の角度誤差を説明する図である。
試作機の角度誤差を、基準入力(基準となる回転機により正確に所定角度レゾルバを回転する)に対するレゾルバのR/D(レゾルバ/デジタル)コンバータを使用して測定した特性を図4(a)に示す。また、試作機の角度誤差を、基準入力に対する出力電圧コイルの発生電圧から角度誤差を演算によって求めた特性を図4(b)に示す。
但し、誤差(min)は角度を表す「○度△分」の「分(min)」で表す。
図4(a)と図4(b)から、R/Dコンバータを使用した角度誤差と出力電圧値より演算した角度誤差はほぼ一致するといえる。
なお、一般に、角度誤差特性は、試作データにより異なる。
この試作データの例では、図4(a)と図4(b)に示されるように、210度付近の角度で最大誤差の約300分弱を示し、0度(360度)付近の角度で最小誤差の約0分を示す。全体的に見れば、1回転360度の間になだらかな山形を形成する特性になっている。特徴としては、
(a)210度に誤差の最大値があることから、360度の角度範囲において変則的な特性パターン形状を示し、
(b)1回転360度の間になだらかな山形を呈することから、誤差発生の原因は1つではなく、角度に応じて複数の原因が働いているもの
と考えられる。
以上のことを考慮すると、誤差を解消するためには、
(1) sin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルの出力電圧を、基準電圧からの偏差を解消するために、正と負の波形は対称でないが、有効な方法として、正値範囲の最大値と、負値範囲の最小値の偏りを補正し、ゼロ点の位置を基準に戻し、
(2) cos出力電圧を取り出すためのCOS電圧出力コイルの出力電圧を、基準電圧からの偏差を解消するために、正と負の波形は対称でないが、有効な方法として、正値範囲の最大値と、負値範囲の最小値の偏りを補正し、ゼロ点の位置を基準に戻す
各手段が考えられる。
以下、その理由を説明する。
上で述べたように、磁路や巻線等の誤差を含めてレゾルバの出力電圧を表すと、
Figure 2005208028
Figure 2005208028
と近似することができる。
図5は、本発明の補正原理を説明する図である。理想的な
sin=Bsinθ
を図5(a)に示す。
ここで、例えば上記式(42)のAが正の値の場合、Vsinの信号波形は図5(b)のように表せる。
即ち、電圧ゼロのレベルを基準にして、Aの値のオフセット電圧が上乗せされ、さらに、このオフセット電圧Aのレベルを基準にして、Bsinθの変動電圧が上乗せされる。
このことから、少なくともAのオフセット電圧を引くと、誤差成分の内の直流分をカットすることができ、出力電圧および求める角度の精度を向上することができる。
次に、sin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルの巻回数とcos出力電圧を取り出すためのCOS電圧出力コイルの巻回数を同じにした場合、両出力コイルの出力電圧の校正を行う。このため、係数K=VSINAMP/VCOSAMPを求めておく。この段階で、更に出力電圧および求める角度の精度を向上することができる。
ここまでの段階で、オフセット電圧を補正しているが、検出する出力電圧波形が上記(a)(b)で述べたように変則的なパターンを呈していることから、出力電圧がゼロになるゼロ点が正しい値をとっていないことが予想される。そこで今までの手順で補正できなかったゼロ点を正しいゼロ点へ補正する。即ち、図5(b)の差Gの分だけずらす。
以上の各手順を行うことにより、各手順に応じて出力電圧および求める角度の精度を向上することができるものと予想される。
以上の手順を計算上で行うと、例えば、図4(c)および図4(d)のようになる。
図4(c)はオフセット電圧調整後(計算上)の角度誤差の特性図である。
誤差特性は、最大値(MAX)で約60分(min)で、図4(a)および(b)に示される最大値の約300分(min)の1/5に減少している。また、最小値(MIN)で約25分(min)で、図4(a)および(b)に示される最小値と比べて誤差の範囲で同じといえる。更に、特性曲線の山が2山になっている分、図4(a)および(b)に示される1山の特性曲線と比べ改善されているといえる。
図4(d)は、オフセット電圧と振幅電圧(ピーク)調整後(計算上)の角度誤差の特性図である。
この図4(d)の特性は図4(c)の特性よりも更に改善されている。
(具体的な解決手段)
以下の手順を行うために、予め又は必要に応じて、レゾルバの出力電圧より以下の数式を演算し、必要に応じてその値を記憶する。
Figure 2005208028
を求める。
但し、maxは正の値の範囲内での最大値、minは負の値の範囲内での最小値(符号が「−」になる)である。

(角度θを求めるための関数の定義)
図6は角度θを求めるための関数を説明する図である。図6(a)は、採用する巻線電圧と角度範囲の関係を説明する説明図、図6(b)は角度θを求めるための関数に用いられる変数を説明する説明図、図6(c)は求める角度θ’を演算処理により求めるときの説明図である。
以下の説明で用いる角度θを求めるための関数に用いられる変数は、図6(b)に示すテーブルで構成される。
角度θは、Vsin、VSIN−VSINOFFSET、Vcos、VCOS−VCOSOFFSET、K(VCOS−VCOSOFFSET、およびθSINPHASEの関数となる。一般式は、以下の式45に示すように表すことができる。
Figure 2005208028
テーブルは、最も左の行に、基準となる角度θ(以下、基準角度θという)を連続的に任意の変化率で0°〜90°の範囲で展開し、
同じ行にその基準角度θに応じた以下の事項(1)〜(8)を展開する。
(1)sinθ、
(2)sin巻線の実測値電圧Vsin(即ち、実測値を理想型のBsinθで表したときにそのθが基準角度θに対応する実測値電圧)、
(3)sin巻線の実測値電圧をオフセット電圧で修正した修正電圧「VSIN−VSINOFFSET」(即ち、電圧「VSIN−VSINOFFSET」を理想型のBsinθで表したときにそのθが基準角度θに対応する電圧「VSIN−VSINOFFSET」)、
(4)角度θSINPHASE(sin巻線の実測値電圧Vsinをオフセット電圧で修正した後のゼロ点補正角度、即ち、修正電圧「VSIN−VSINOFFSET」を理想型のBsinθで表したときにそのθが基準角度θに対応するときのゼロ点補正角度)、
(5)cosθ、
(6)cos巻線の実測値電圧Vcos(即ち、実測値を理想型のDcosθで表したときにそのθが基準角度θに対応する実測値電圧)、
(7)cos巻線の実測値電圧をオフセット電圧で修正した修正電圧「VCOS−VCOSOFFSET」(即ち、電圧「VCOS−VCOSOFFSET」を理想型のDcosθで表したときにそのθが基準角度θに対応する電圧「VCOS−VCOSOFFSET」)、
(8)sin巻線出力電圧を基準にしてcos巻線出力電圧を正規化する正規化係数Kにより前記修正電圧「VCOS−VCOSOFFSET」を正規化した電圧「K(VCOS−VCOSOFFSET)」(即ち、電圧「K(VCOS−VCOSOFFSET)」を理想型のDcosθで表したときにそのθが基準角度θに対応する電圧「K(VCOS−VCOSOFFSET)」)。
角度θを求めるための関数Fは、前記一般式の変数(Vsin、Vcos、(θSINPHASE))を要求される精度に応じて前記変数Vsinの代わりに変数「VSIN−VSINOFFSET」を代入し、変数Vcosの代わりに変数「VCOS−VCOSOFFSET」又は変数「K(VCOS−VCOSOFFSET)」を代入し、必要に応じて変数「θSINPHASE」にゼロ以外の値を用いて構成される。以下説明する。

(a)ローターの象限判定
ローターの象限決定は、レゾルバ出力電圧、sin巻線出力のsinθの値、cos巻線出力のcosθの値の極性で判定する。
Figure 2005208028
但し、VSIN(θ)は、角度θにおけるレゾルバのSIN巻線の出力電圧を意味し、VSINとも表記される。VCOS(θ)は、角度θにおけるレゾルバのCOS巻線の出力電圧を意味し、VCOSとも表記される。
各象限の説明を行う。
(b)[各象限の処理]
(イ)SINθ、COSθの選択
例えば、1象限において、角度θが45°以上(45°〜90°)では、SINθ/θ(ラジアン)が小さくなるので、エンコード信号のレベルまたは周波数が低下する。このため、45°以下(0°〜45°)の角度では、角度θにおけるレゾルバのSIN巻線の出力電圧VSIN(θ)を採用し、45°以上の角度では、角度θにおけるレゾルバのCOS巻線の出力電圧VCOS(θ)を採用する。
エンコード信号は例えば12ビットで表される。解像度を同じにした場合、ダイナミックレンジが広がるとエンコード信号の表示ビット数も増加する。そのため、ダイナミックレンジを任意の小さいレンジ幅、例えばsin0°〜sin90°までの範囲に設定する。
なお、出力電圧VSIN(θ)の実測値が測定誤差等により連続して増加または減少しないときに、実測値の連続性を保持するために、実測値のヒステリシス幅を設定することもできる。
他の2象限、3象限、4象限においては、VSIN(θ)、VCOS(θ)が負の値の場合には、その絶対値をとって、正信号に変換してから角度θの関数Fのテーブルをサーチする。
これらにより、採用する巻線電圧と角度範囲の関係は、図6(a)に斜線で示すように設定する。便宜上他の象限も説明する。
Figure 2005208028
次に、表3に基づき、例えば0°〜45°の角度範囲では、実測したVSIN(θ)を理想型のBsinθで表し、例えば45°〜90°の角度範囲では、実測したVCOS(θ)を理想型のDcosθで表し、以下同様にし、要求される精度に応じて、下記の式を演算し、記憶する。
Figure 2005208028
その次に、図6(b)に示されるように、精度に応じて下記の式の値を求める。
但し、「VSIN=VSIN(θ)」、「VCOS=VCOS(θ)」とする。
Figure 2005208028
図6(b)の横1列は、sin巻線の出力に関しては、「VSIN−VSINOFFSET」の値が実測した「VSIN(θ)」の値と等しい値をとり、「sinθ」は理想型の「Bsinθ」のsinθを意味し、θ’は「sinθ」における角度θに基づき左端のθ’の演算式を演算して角度θ’を求めることを意味する。また、cos巻線の出力に関しては、「VCOS−VCOSOFFSET」の値と「K(VCOS−VCOSOFFSET)」の値が実測した「VCOS(θ)」の値と等しい値をとり、「cosθ」は理想型の「Dcosθ」のcosθを意味し、θ’は「cosθ」における角度θに基づき左端のθ’の演算式を演算して角度θ’を求めることを意味する。理想的には、Kは1になるが、実際は象限毎にVSINとVCOSの振幅は同じではないので、VCOSを1象限のVSINに対して正規化する必要がある。
次に、前記角度θの関数Fのテーブルをサーチして、角度θ’を求める手順を説明する。
例えば0°〜45°の角度範囲では、精度に応じて求めた「VSIN−VSINOFFSET」の値が、実測したVSIN(θ)の値と等しくなったとき、前記Bsinθのsinθに対応する角度θが求める角度θ’となる。
また、例えば45°〜90°の角度範囲では、精度に応じて求めた「VCOS−VCOSOFFSET」の値、又は「K(VCOS−VCOSOFFSET)」の値が、実測したVCOS(θ)の値と等しくなったとき、前記Dcosθの値に対応するBsinθのsinθに対応する角度θを求め、角度θ’=90°−θを演算し、角度θ’を求める。
角度θ’をこのようにして求める理由は、図6(a)に示すように、45°〜90°の角度範囲では、sinθの値は増加を示すが、cosθの値は減少を示す。このcosθの値をそのまま、sinθの値に置き換えると、45°から0°に向かって減少することになる。この減少の代わりに反対に増加させるために、且つ、エンコード信号のレンジを増加させないようにするために、sin0°〜sin45°の値を用いて角度を求める。その結果、角度θ’=90°−θを演算し、角度θ’を求める。
また、値が負になる場合、例えば、90°〜135°の間のVCOS−の値はその絶対値をとって正の値にしてから先程の手順と同じ手順により、角度θ’を求める。
ゼロ点の補正は、「θSINPHASE」の値を用いて行う。即ち、上述の手順における補正角度θに「θSINPHASE」の値を加算又は減算して行う。
次に、精度に応じた手順を説明する。
(手順1) SIN電圧出力コイルの出力電圧とCOS電圧出力コイルの出力電圧のオフセットを考慮して誤差を補正する。
オフセット分(直流分)をVSINOFFSET、VCOSOFFSETとするとき、レゾルバ信号より角度を求める演算式を、出力電圧から求めた上記OFFSET値で下記式48のように補正することにより演算精度を上げることができる。但し、θSINPHASEはゼロとする。
Figure 2005208028
(手順2) SIN電圧出力コイルの出力電圧とCOS電圧出力コイルの出力電圧のオフセットおよび振幅の相違を考慮して誤差を補正する。
Figure 2005208028
を求め、
sin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルの出力電圧としてVsin−A、cos出力電圧を取り出すCOS電圧出力コイルの出力電圧としてK(Vcos−C)を用いて下記の式48により角度を求める。但し、θSINPHASEはゼロとする。これにより、出力電圧の誤差を改善し、角度の精度を向上する。
Figure 2005208028
(手順3) SIN電圧出力コイルの出力電圧とCOS電圧出力コイルの出力電圧のオフセット、振幅の相違およびゼロ点からのずれを考慮して誤差を補正する。
Figure 2005208028
を求め、
sin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルの出力電圧としてVsin−A、cos出力電圧を取り出すためのCOS電圧出力コイルの出力電圧としてK(Vcos−C)を用いて下記式52から角度を求め、角度θSINPHASEにより下記式により位置ずれを補正する。これにより、出力電圧の誤差を改善し、角度の精度を向上する。
Figure 2005208028
図1は、本発明のVRレゾルバ用角度演算装置の構成図である。
VRレゾルバ8は、ステータ9と、ロータ10からなる。
ステータ9の各磁極歯には、SIN電圧出力コイル11、COS電圧出力コイル12、励磁コイル13が設けられ、励磁コイル13を励磁した状態で回転軸を回転すると、発生したSIN電圧出力コイル11の出力電圧が出力電圧検出器14で検出される。同じく、発生したCOS電圧出力コイル12の出力電圧が出力電圧検出器15で検出される。
両出力電圧検出器14、15の出力は、VRレゾルバ用角度演算装置20に入力され、必要な演算処理が行われ角度信号θとして出力される。
VRレゾルバ用角度演算装置20は、CPU(中央演算装置)、メモリ、入出力装置等からなるマイクロコンピュータで構成され、所定のプログラムにより以下に説明する手順を実行する。前記プログラムは、必要に応じて読み込んだり、ファームウエアで供給する。
角度θを求めるための関数に用いる変数を記憶したテーブル、レゾルバ出力等のデータは、メモリに記憶される。
VRレゾルバ用角度演算装置20は、Vsin(max)抽出手段21、Vsin(min)抽出手段22、Vcos(max)抽出手段23、Vcos(min)抽出手段24、オフセット値VSINOFFSET演算手段25、平均振幅値VSINAMP演算手段26、オフセット値VCOSOFFSET演算手段27、平均振幅値VCOSAMP演算手段28、角度θSINPHASE演算手段29、係数K演算手段30、角度演算手段31からなり、角度演算手段31は、更に、角度演算手段32、角度演算手段33、および角度演算手段34から構成されている。
VRレゾルバ用角度演算装置20は、以下の手順(「()」で表示する、ステップと同じ意味である)を行うように構成されている。
(1)
sin(max)抽出手段21により、出力電圧検出器14の出力
sin=A+Bsinθ
をサンプリングし、Vsin(max)を抽出して記憶し、同じく、Vsin(min)抽出手段22により、出力電圧検出器14の出力
sin=A+Bsinθ
をサンプリングし、Vsin(min)を抽出して記憶する。(ステップ1)
(2)
cos(max)抽出手段23により、出力電圧検出器15の出力
cos=C+Dcosθ
をサンプリングし、Vcos(max)を抽出して記憶し、同じく、Vcos(min)抽出手段24により、出力電圧検出器15の出力
cos=C+Dcosθ
をサンプリングし、Vcos(min)を抽出して記憶する。(ステップ2)
(3)
SINOFFSET演算手段25により、ステップ(1)で求めたVsin(max)とVsin(min)から、下記の式53により、Vsinのオフセット値VSINOFFSETを求める。(ステップ3)
Figure 2005208028
(4)
平均振幅値VSINAMP演算手段26により、ステップ(1)で求めたVsin(max)とVsin(min)から、下記の式54により、Vsinの平均振幅値VSINAMPを求める。(ステップ4)
Figure 2005208028
(5)
オフセット値VCOSOFFSET演算手段27により、ステップ(2)で求めたVcos(max)とVcos(min)から、下記の式55により、Vcosのオフセット値VCOSOFFSETを求める。(ステップ5)
Figure 2005208028
(6)
平均振幅値VCOSAMP演算手段28により、ステップ(2)で求めたVcos(max)とVcos(min)から、下記の式56により、Vcosの平均振幅値VCOSAMPを求める。(ステップ6)
Figure 2005208028
(7)
角度θSINPHASE演算手段29により、ステップ(3)で求めたオフセット値VSINOFFSETとステップ(4)で求めた平均振幅値VSINAMPから、下記の式57により、ゼロ点補正値θSINPHASEを求める。(ステップ7)
Figure 2005208028
(8)
係数K演算手段30により、ステップ(4)で求めた平均振幅値VSINAMPとステップ(6)で求めた平均振幅値VCOSAMPから、下記の式58により、係数Kを求める。(ステップ8)
Figure 2005208028
(9)
角度演算手段32により、出力電圧検出器14の出力VSINとステップ(3)で求めたオフセット値VSINOFFSETと、出力電圧検出器15の出力VCOSとステップ(5)で求めたオフセット値VCOSOFFSETとから、下記の式59により、近似値の角度θ2を求める。(ステップ9)
Figure 2005208028
(10)
角度演算手段33により、ステップ(9)で求めた関数F≒θ2とステップ(8)で求めた係数Kとから、下記の式60により、近似値の角度θ3を求める。(ステップ10)
Figure 2005208028
(11)
角度演算手段34により、ステップ(10)で求めた関数F≒θ3とステップ(7)で求めたゼロ点補正値θSINPHASEをとから、下記の式61により、角度θ1を求める。(ステップ11)
Figure 2005208028
以上の手順(ステップ)は、演算に支障が生じない限り、多少ずらすことが可能である。
角度出力θ1〜θ3のうち、θ1以外は必要に応じて出力することが好ましい。
以上の手順を実行することにより、図4(c)および(d)に示した角度誤差の特性を達成することができるようになる。これにより、角度誤差を格段に改善することができる。
他の解決手段として、オフセット値を下記の手順により求める方法もある。
sin出力電圧を取り出すためのSIN電圧出力コイルにおいて、出力電圧の正の値の積分値と負の値の積分値の偏差からsin出力電圧用のオフセット値を求め、同じく、cos出力電圧を取り出すためのCOS電圧出力コイルにおいて、出力電圧の正の値の積分値と負の値の積分値の偏差からcos出力電圧用のオフセット値を求め、その両オフセット値により上で述べたように、オフセット電圧(直流分)の補正を行うことも可能である。
この場合も、レゾルバから出力される出力電圧の誤差要因を取り除き、角度の精度を向上することができる。
本発明のVRレゾルバ用角度演算装置の構成図である。 誤差の影響を表す波形図である。 試作データに基づく電圧特性図である。 本発明と従来例の角度誤差を説明する図である。 本発明の補正原理を説明する図である。 本発明の角度θを求めるための関数Fを説明する図である。
符号の説明
8 VRレゾルバ
9 ステータ
10 ロータ
11 SIN電圧出力コイル
12 COS電圧出力コイル
13 励磁コイル
14、15 出力電圧検出器
20 VRレゾルバ用角度演算装置
21 Vsin(max)抽出手段
22 Vsin(min)抽出手段
23 Vcos(max)抽出手段
24 Vcos(min)抽出手段
25 オフセット値VSINOFFSET演算手段
26 平均振幅値VSINAMP演算手段
27 オフセット値VCOSOFFSET演算手段
28 平均振幅値VCOSAMP演算手段
29 角度θSINPHASE演算手段
30 係数K演算手段
31、32、33、34 角度演算手段

Claims (6)

  1. レゾルバのSIN電圧出力コイルの出力電圧VsinとCOS電圧出力コイルの出力電圧Vcosを取り込み、前記両出力電圧の正の値の範囲内での最大値をVsin(max)およびVcos(max)とし、前記両出力電圧の負の値の範囲内での最小値をVsin(min)およびVcos(min)として抽出する手順a、
    前記Vsin(max)およびVcos(max)と前記Vsin(min)およびVcos(min)とから、出力電圧Vsinのオフセット値VSINOFFSETおよび出力電圧Vcosのオフセット値VCOSOFFSETを下記の式(1)(2)により求める手順b、
    前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcosおよび前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSETから下記の式(3)により角度θを求める手順c
    を順に行うことを特徴とするVRレゾルバ用角度演算方法。
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
  2. 前記手順bと前記手順cの間に、
    前記Vsin(max)およびVcos(max)と前記Vsin(min)およびVcos(min)とから、出力電圧Vsinの平均振幅値VSINAMPおよび出力電圧Vcosの平均振幅値VCOSAMPを下記の式(4)(5)により求める手順d、
    手順dの次に、前記平均振幅値VSINAMPおよび平均振幅値VCOSAMPから下記の式(6)により係数Kを求める手順e、
    次に前記手順cの代わりに、
    前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcos、前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSETおよび係数Kから下記の式(7)により角度θを求める手順f
    を順に行うことを特徴とする請求項1記載のVRレゾルバ用角度演算方法。
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
  3. 前記手順eの前又は後に、前記オフセット値VSINOFFSETと前記平均振幅値VSINAMPから下記の式(8)によりゼロ点を補正する角度θSINPHASEを求める手順g、
    次に前記手順fの代わりに、
    前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcos、前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSET、前記係数Kおよび角度θSINPHASEから下記の式(9)により角度θを求める手順h
    を順に行うことを特徴とする請求項2記載のVRレゾルバ用角度演算方法。
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
  4. レゾルバのSIN電圧出力コイルの出力電圧VsinとCOS電圧出力コイルの出力電圧Vcosを取り込み、前記両出力電圧の正の値の範囲内での最大値をVsin(max)およびVcos(max)として抽出するVsin(max)抽出手段およびVcos(max)抽出手段と、前記両出力電圧の負の値の範囲内での最小値をVsin(min)およびVcos(min)として抽出するVsin(min)抽出手段およびVcos(min)抽出手段と、
    前記Vsin(max)およびVcos(max)と前記Vsin(min)およびVcos(min)とから、出力電圧Vsinのオフセット値VSINOFFSETおよび出力電圧Vcosのオフセット値VCOSOFFSETを下記の式(10)(11)により求めるオフセット値VSINOFFSET演算手段およびオフセット値VCOSOFFSET演算手段と、
    前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcosおよび前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSETから下記の式(12)により角度θを求める角度演算手段と
    からなることを特徴とするVRレゾルバ用角度演算装置。
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
  5. 前記オフセット値VSINOFFSET演算手段およびオフセット値VCOSOFFSET演算手段と前記角度演算手段との間に、
    前記Vsin(max)およびVcos(max)と前記Vsin(min)およびVcos(min)とから、出力電圧Vsinの平均振幅値VSINAMPおよび出力電圧Vcosの平均振幅値VCOSAMPを下記の式(13)(14)により求める平均振幅値VSINAMP演算手段と平均振幅値VCOSAMP演算手段と、
    前記平均振幅値VSINAMP演算手段と平均振幅値VCOSAMP演算手段から出力された前記平均振幅値VSINAMPおよび平均振幅値VCOSAMPから下記の式(15)により係数Kを求める係数K演算手段とを設け、
    前記請求項4記載の角度演算手段の代わりに、
    前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcos、前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSETおよび係数Kから下記の式(16)により角度θを求める角度演算手段
    を設けたことを特徴とする請求項4記載のVRレゾルバ用角度演算装置。
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
  6. 前記オフセット値VSINOFFSETと前記平均振幅値VSINAMPから下記の式(17)によりゼロ点を補正する角度θSINPHASEを求めるθSINPHASE演算手段を設け、
    前記請求項5記載の角度演算手段の代わりに、
    前記出力電圧Vsinと出力電圧Vcos、前記オフセット値VSINOFFSETとオフセット値VCOSOFFSET、前記係数Kおよび角度θSINPHASEから下記の式(18)により角度θを求める角度演算手段
    を設けたことを特徴とする請求項5記載のVRレゾルバ用角度演算装置。
    Figure 2005208028
    Figure 2005208028
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