JP2013170847A - レゾルバ励磁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも比較的少ない演算量で、レゾルバの変圧比の変動に対して、レゾルバ出力を一定に保つ。
【解決手段】レゾルバに励磁信号を出力すると共に前記レゾルバからその回転角に応じて出力される２相のレゾルバ出力信号を入力するレゾルバ励磁装置において、外部設定が可能なゲインにより前記励磁信号を増幅して前記レゾルバに出力する増幅回路と、前記レゾルバから入力される前記２相のレゾルバ出力信号を基に前記回転角に等しいデジタル角度を出力するレゾルバ／デジタル変換器と、前記デジタル角度を基に前記２相のレゾルバ出力信号の一方を選択し、その選択したレゾルバ出力信号から前記レゾルバの変圧比を算出し、その算出結果に応じて前記２相のレゾルバ出力信号の振幅が一定となるよう前記増幅回路のゲインを設定する信号処理装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レゾルバ励磁装置に関する。

近年、自動車業界では環境性能向上の観点から、ハイブリッド車、電気自動車及び燃料電池車等の開発が進められており、これら次世代車両の動力用モータとして好適なＩＰＭ（Interior Permanent Magnet：磁石埋め込み型）モータの需要が高まっている。このＩＰＭモータは、回転子の角度（回転角）に応じてきめ細かく電流を制御することで高い効率を得ることができる。ＩＰＭモータの回転角を検出するための回転角センサとしては、高い耐環境性能を誇るレゾルバが用いられている。

周知のように、レゾルバに励磁信号Ａsinωtを入力すると、レゾルバからその回転角θに応じて変調された２相の信号、ＫＡsinωt・sinθ及びＫＡsinωt・cosθが出力される（Ｋはレゾルバの変圧比）。これら２相のレゾルバ出力信号から回転角θを得るための手段として、トラッキングループ方式のＲ／Ｄコンバータ（レゾルバ／デジタル変換器）が一般的に用いられている（特許文献１参照）。

変圧比Ｋの異なる複数のレゾルバを同一のＲ／Ｄコンバータで対応させる場合、レゾルバ励磁回路（励磁信号を生成する回路）のゲインをレゾルバに合わせて調整する必要があるため、レゾルバの種類が増えた場合、回路側の調整や回路基板の機種数が増え、管理工数が増えてしまうという問題がある。

このような問題に対して、下記特許文献２には、２相のレゾルバ出力信号を復調して得られる、ＫＡsinθ及びＫＡcosθを、それぞれ二乗して加算することにより、Ｋ^２Ａ^２（sin^２θ＋cos^２θ）＝Ｋ^２Ａ^２を算出し、その平方根を励磁信号の振幅Ａで除算することで変圧比Ｋを算出し、その変圧比Ｋと基準変圧比Ｋｏとの比率γｏ（＝Ｋ／Ｋｏ）を求め、この比率γｏを用いて励磁信号Ａsinωtの振幅Ａを補正することにより、レゾルバの変圧比Ｋの変動に対して、レゾルバ出力を一定に保つ技術が開示されている。

特開２００４−３２５１６６号公報 特開２００９−２５０６８号公報

上記特許文献２の技術は、レゾルバの変圧比Ｋを算出するために、二乗和や平方根などの演算量の多い処理を行う必要があり、メモリ容量の増大や計算精度の低下を招くなどの問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも比較的少ない演算量で、レゾルバの変圧比の変動に対して、レゾルバ出力を一定に保つことが可能なレゾルバ励磁装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、レゾルバ励磁装置に係る第１の解決手段として、レゾルバに励磁信号を出力すると共に前記レゾルバからその回転角に応じて出力される２相のレゾルバ出力信号を入力するレゾルバ励磁装置において、外部設定が可能なゲインにより前記励磁信号を増幅して前記レゾルバに出力する増幅回路と、前記レゾルバから入力される前記２相のレゾルバ出力信号を基に前記回転角に等しいデジタル角度を出力するレゾルバ／デジタル変換器と、前記デジタル角度を基に前記２相のレゾルバ出力信号の一方を選択し、その選択したレゾルバ出力信号から前記レゾルバの変圧比を算出し、その算出結果に応じて前記２相のレゾルバ出力信号の振幅が一定となるよう前記増幅回路のゲインを設定する信号処理装置とを備えることを特徴とする。

また、本発明では、レゾルバ励磁装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記信号処理装置は、予め定義されている前記レゾルバの変圧比を変数とする関数に対して、前記変圧比の算出結果を代入することにより、前記増幅回路で設定すべきゲインを算出することを特徴とする。

また、本発明では、レゾルバ励磁装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記関数は、前記レゾルバの変圧比を変数とする単調減少関数であることを特徴とする。

また、本発明では、レゾルバ励磁装置に係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記信号処理装置は、前記関数から算出されたゲインが、予め前記レゾルバの回転角ごとに設定されている上限値と下限値との間に含まれている場合に、前記増幅回路のゲイン設定を実施することを特徴とする。

本発明によれば、前記レゾルバ／デジタル変換器から出力されるデジタル角度を基に前記２相のレゾルバ出力信号の一方を選択し、その選択したレゾルバ出力信号から前記レゾルバの変圧比を算出し、その算出結果に応じて前記２相のレゾルバ出力信号の振幅が一定となるよう前記増幅回路のゲインを設定するので、従来よりも比較的少ない演算量で、レゾルバの変圧比の変動に対して、レゾルバ出力を一定に保つことが可能となる。

本実施形態に係るレゾルバ励磁装置１のブロック構成図である。 ＣＰＵ３５が、レゾルバ２の励磁制御中に一定周期で繰り返し実施するレゾルバデータ処理を表すフローチャートである。 ＣＰＵ３５が、レゾルバデータ処理中に実施するサブルーチンである更新ゲイン設定処理を表すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るレゾルバ励磁装置１のブロック構成図である。レゾルバ励磁装置１は、レゾルバ２に励磁信号Ｓ１を出力すると共に、レゾルバ２からその回転角θに応じて出力される２相のレゾルバ出力信号Ｓ２及びＳ３の振幅を、レゾルバ２の変圧比Ｋの変動に対して一定に保持する、つまりレゾルバ出力振幅を一定に保つものであり、図１に示すように、増幅回路１０、Ｒ／Ｄコンバータ２０及びＭＰＵ(Micro Processing Unit)３０を備えている。

なお、本実施形態では、各信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を以下のように定義する。
Ｓ１＝Ａsinωt
Ｓ２＝ＫＡsinωt・sinθ
Ｓ３＝ＫＡsinωt・cosθ
（ただし、Ａは増幅回路１０のゲイン、Ｋはレゾルバ２の変圧比）

増幅回路１０は、例えば外部からのゲイン設定が可能なプログラマブルゲインアンプであり、ＭＰＵ３０から入力される正弦波信号Ｓ０（＝sinωt）を、ＭＰＵ３０によって設定されたゲインＡで増幅することで励磁信号Ｓ１を生成してレゾルバ２に出力する。なお、本実施形態では、ＭＰＵ３０から増幅回路１０に出力される正弦波信号Ｓ０の振幅が「１」に正規化されていることに注意されたい。つまり、本実施形態において、励磁信号Ｓ１の振幅は、増幅回路１０のゲインＡと等しい。

Ｒ／Ｄコンバータ２０は、励磁信号Ｓ１で励磁されたレゾルバ２から、その回転角θに応じて出力される２相のレゾルバ出力信号Ｓ２及びＳ３を入力とし、レゾルバ２の回転角θに等しいデジタル角度φを出力するトラッキングループ方式のレゾルバ／デジタル変換器である。このＲ／Ｄコンバータ２０の回路構成及び動作原理については、前述の特許文献１及び２に記載されているように既に公知であるので、詳細な説明は省略する。

簡単に説明すると、トラッキングループ方式のＲ／Ｄコンバータ２０は、Ｓ２×cosφ−Ｓ３×sinφを演算し、その演算結果ＫＡsinωt・sin(θ-φ)を励磁信号Ｓ１で同期検波することで制御偏差ε＝sin(θ-φ)を求め、この制御偏差εを電圧制御発振器に入力し、この電圧制御発振器の出力パルスをカウンタで計数して出力角度φを求め、この出力角度φを最初の演算にフィードバックする。このように形成されるフィードバックループは、制御偏差εを零にするように動作するため、結局、Ｒ／Ｄコンバータ２０の出力角度φは、レゾルバ２の回転角θに等しくなる。

ＭＰＵ３０は、増幅回路１０から入力される励磁信号Ｓ１と、Ｒ／Ｄコンバータ２０の出力角度φ（＝レゾルバ２の回転角θ）と、レゾルバ２から入力される２相のレゾルバ出力信号Ｓ２及びＳ３とに基づいて、レゾルバ２の変圧比Ｋを算出し、その算出結果に応じてレゾルバ出力信号Ｓ２及びＳ３の振幅が一定となるよう増幅回路１０のゲインＡを設定する信号処理装置である。

具体的には、このＭＰＵ３０は、Ｄ／Ａコンバータ３１、Ａ／Ｄコンバータ３２、ＲＯＭ(Read Only Memory)３３、ＲＡＭ(Random Access Memory)３４及びＣＰＵ(Central Processing Unit)３５を備えている。

Ｄ／Ａコンバータ３１は、ＣＰＵ３５から入力されるデジタル信号の正弦波信号ＤＳ０を、アナログ信号の正弦波信号Ｓ０に変換して増幅回路１０に出力する。Ａ／Ｄコンバータ３２は、アナログ信号の励磁信号Ｓ１及び２相のレゾルバ出力信号Ｓ２、Ｓ３を、デジタル信号の励磁信号ＤＳ１及び２相のレゾルバ出力信号ＤＳ２、ＤＳ３に変換してＣＰＵ３５に出力する。

ＲＯＭ３３は、ＣＰＵ３５が実行する制御プログラムや設定データなどを予め記憶する不揮発性メモリである。ＲＡＭ３４は、ＣＰＵ３５がＲＯＭ３３に記憶されている制御プログラムに従って各種処理を実行する際に、データの一時保存先として使用される揮発性のワーキングメモリである。

ＣＰＵ３５は、ＲＯＭ３３に記憶されている制御プログラムに従って、レゾルバ２の励磁制御を実施する。具体的には、ＣＰＵ３５は、Ｄ／Ａコンバータ３１に正弦波信号ＤＳ０を出力することにより、Ｄ／Ａコンバータ３１及び増幅回路１０を介してレゾルバ２に励磁信号Ｓ１を供給する一方、Ａ／Ｄコンバータ３２から入力される励磁信号ＤＳ１及びレゾルバ出力信号ＤＳ２、ＤＳ３と、Ｒ／Ｄコンバータ２０の出力角度φとに基づいて、レゾルバ２の変圧比Ｋを算出し、その算出結果に応じてレゾルバ出力信号Ｓ２及びＳ３の振幅が一定となるよう増幅回路１０のゲインＡを設定する。

図２は、ＣＰＵ３５が、レゾルバ２の励磁制御中に実施するレゾルバデータ処理を表すフローチャートである。上述したように、ＣＰＵ３５は、レゾルバ２の励磁制御中において、Ｄ／Ａコンバータ３１に正弦波信号ＤＳ０を出力することでレゾルバ２に励磁信号Ｓ１を供給しているが、この間、一定周期で図２に示すレゾルバデータ処理を繰り返し実施している。

図２に示すように、ＣＰＵ３５は、今回のレゾルバデータ処理を開始すると、まず、Ａ／Ｄコンバータ３２から励磁信号ＤＳ１及びレゾルバ出力信号ＤＳ２、ＤＳ３の今回値を取り込み（ステップＳｔ１）、さらに、Ｒ／Ｄコンバータ２０から出力角度φ、つまりレゾルバ２の回転角θの今回値を取り込む（ステップＳｔ２）。

そして、ＣＰＵ３５は、増幅回路１０のゲイン調整を実施すべきか否かを判断し（ステップＳｔ３）、「Ｎｏ」の場合には今回のレゾルバデータ処理を終了する一方、「Ｙｅｓ」の場合にはサブルーチンである更新ゲイン設定処理を実行する（ステップＳｔ４）。

ここで、イニシャル時（製造バラツキによってレゾルバ２の変圧比Ｋが異なる）や例えば２０°Ｃ以上の温度変化（温度上昇によるインピーダンスの増加によってレゾルバ２の変圧比Ｋが下がる）等の場合には、レゾルバ２の変圧比Ｋが変動するため、増幅回路１０のゲインＡを調整して、レゾルバ出力信号Ｓ２、Ｓ３の振幅を一定に保つ（レゾルバ出力を一定に保つ）必要がある。

ＣＰＵ３５は、上記ステップＳｔ３において、イニシャル時や温度変化などのゲイン調整の契機となる条件が成立したか否かを判断することにより、増幅回路１０のゲイン調整を実施すべきか否かを判断する。このような処理を設けることで、ゲイン調整が不要な場合には、更新ゲイン設定処理を省略でき、ＣＰＵ３５の処理負荷を軽減できる。

図３は、上記ステップＳｔ４の処理、つまりサブルーチンである更新ゲイン設定処理を表すフローチャートである。ＣＰＵ３５は、更新ゲイン設定処理を開始すると、まず、レゾルバ回転角θの今回値が、０°＜θ＜４５°、或いは１３５°＜θ＜２２５°、或いは３１５°＜θ＜３６０°の範囲に存在するか否かを判定する（ステップＳｔ４１）。

ＣＰＵ３５は、上記ステップＳｔ４１にて「Ｙｅｓ」の場合、cosθの成分を含んでいるレゾルバ出力信号ＤＳ３の今回値を選択して後述のステップＳｔ４４へ移行する（ステップＳｔ４２）。一方、ＣＰＵ３５は、上記ステップＳｔ４１にて「Ｎｏ」の場合、sinθの成分を含んでいるレゾルバ出力信号ＤＳ２の今回値を選択して後述のステップＳｔ４４へ移行する（ステップＳｔ４３）。

このように、レゾルバ回転角θの存在範囲により、cosθ成分とsinθ成分とのどちらの絶対値が大きいのかわかるので、絶対値の大きい成分を含むレゾルバ出力信号ＤＳ２或いはＤＳ３を演算対象として選択する。これにより、後述の演算によるレゾルバ２の変圧比Ｋの計算精度を上げることが可能となる。

続いて、ＣＰＵ３５は、上記のように演算対象として選択したレゾルバ出力信号ＤＳ２或いはＤＳ３の今回値からレゾルバ２の変圧比Ｋを算出する（ステップＳｔ４４）。例えば、演算対象としてレゾルバ出力信号ＤＳ２が選択された場合を想定すると、ＤＳ２＝ＫＡsinωt・sinθであるので、レゾルバ回転角θの今回値からsinθを算出し、ＤＳ２をそのsinθで除算すればＫＡsinωtが得られ、さらに、このＫＡsinωtを、励磁信号ＤＳ１（＝Ａsinωt）の今回値で除算すれば、現在の変圧比Ｋを算出できる。

続いて、ＣＰＵ３５は、変圧比Ｋの算出結果に応じてレゾルバ出力が一定となるような増幅回路１０のゲインＡを算出する（ステップＳｔ４５）。例えば、ＣＰＵ３５は、予め定義されているレゾルバ２の変圧比Ｋを変数とする関数に対して、変圧比Ｋの算出結果を代入することにより、増幅回路１０で設定すべきゲインＡを算出する。ここで、現在時点ｔでの変圧比Ｋ(t)の関数として更新ゲインＡ(t+1)を表すと、Ａ(t+1)＝ｆ(Ｋ(t))となる。また、この関数は、例えば下記（１）式に示すような単調減少関数とすることが好ましい。
Ａ(t+1)＝Ｃ１／（Ｋ(t)＋Ｃ２）＋Ｃ３ …（１）
（ただし、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は定数）

このような単調減数関数とすることにより、変圧比Ｋが小さくレゾルバ出力が低下する場合には増幅回路１０のゲインＡ（更新ゲインＡ(t+1)）が大きくなる一方、変圧比Ｋが大きくレゾルバ出力が増大する場合には増幅回路１０のゲインＡが小さくなるので、レゾルバ出力（レゾルバ出力信号Ｓ２、Ｓ３の振幅）を一定に保つことができる。

続いて、ＣＰＵ３５は、上記ステップＳｔ４５で算出したゲインＡが、予めレゾルバ２の回転角θごとに設定されている上限値ＭＡＸ(θ)と下限値ＭＩＮ(θ)との間に含まれているか否かを判定する（ステップＳｔ４６）。なお、これら上限値ＭＡＸ(θ)と下限値ＭＩＮ(θ)は、レゾルバ回転角θに対応付けられたテーブルデータとして、予めＲＯＭ３３に記憶されている。このように、ゲインＡのリミット判定を行うことにより、レゾルバ２の励磁制御を仕様範囲内で適切に実施することができる。

そして、ＣＰＵ３５は、上記ステップＳｔ４６にて「Ｎｏ」の場合には上記ステップＳｔ４４の処理に戻って変圧比Ｋの再演算を行う一方、「Ｙｅｓ」の場合には増幅回路１０のゲインＡを、ステップＳｔ４５で算出したゲインＡ（更新ゲインＡ(t+1)）に設定（更新）した後、更新ゲイン設定処理を終了する（ステップＳｔ４７）。

以上のように、本実施形態によれば、Ｒ／Ｄコンバータ２０の出力角度φ（レゾルバ回転角θ）を基に２相のレゾルバ出力信号ＤＳ２、ＤＳ３の一方を選択し、その選択した信号からレゾルバ２の変圧比Ｋを算出し、その算出結果に応じてレゾルバ出力が一定となるよう増幅回路１０のゲインＡを設定するので、従来よりも比較的少ない演算量で、レゾルバ２の変圧比Ｋの変動に対して、レゾルバ出力を一定に保つことが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において実施形態を変更しても良いことは勿論である。例えば、上記実施形態では、レゾルバ２の変圧比Ｋを変数とする関数を単調減少関数とする場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、変圧比Ｋが小さくレゾルバ出力が低下する場合にはゲインＡが大きくなり、変圧比Ｋが大きくレゾルバ出力が増大する場合にはゲインＡが小さくなるような関数であれば、どのような関数を用いても良い。
また、上記実施形態では、ＭＰＵ３０の外部にＲ／Ｄコンバータ２０が設けられている場合を例示したが、ＭＰＵ３０の内部にＲ／Ｄコンバータ２０が設けられていても良い。

１…レゾルバ励磁装置、２…レゾルバ、１０…増幅回路、２０…Ｒ／Ｄコンバータ（レゾルバ／デジタル変換器）、３０…ＭＰＵ（信号処理装置）、３１…Ｄ／Ａコンバータ、３２…Ｄ／Ａコンバータ、３３…ＲＯＭ、３４…ＲＡＭ、３５…ＣＰＵ、Ｓ１…励磁信号、Ｓ２、Ｓ３…レゾルバ出力信号

Claims (4)

1. レゾルバに励磁信号を出力すると共に前記レゾルバからその回転角に応じて出力される２相のレゾルバ出力信号を入力するレゾルバ励磁装置において、
   外部設定が可能なゲインにより前記励磁信号を増幅して前記レゾルバに出力する増幅回路と、
   前記レゾルバから入力される前記２相のレゾルバ出力信号を基に前記回転角に等しいデジタル角度を出力するレゾルバ／デジタル変換器と、
   前記デジタル角度を基に前記２相のレゾルバ出力信号の一方を選択し、その選択したレゾルバ出力信号から前記レゾルバの変圧比を算出し、その算出結果に応じて前記２相のレゾルバ出力信号の振幅が一定となるよう前記増幅回路のゲインを設定する信号処理装置と、
   を備えることを特徴とするレゾルバ励磁装置。
2. 前記信号処理装置は、予め定義されている前記レゾルバの変圧比を変数とする関数に対して、前記変圧比の算出結果を代入することにより、前記増幅回路で設定すべきゲインを算出することを特徴とする請求項１に記載のレゾルバ励磁装置。
3. 前記関数は、前記レゾルバの変圧比を変数とする単調減少関数であることを特徴とする請求項２に記載のレゾルバ励磁装置。
4. 前記信号処理装置は、前記関数から算出されたゲインが、予め前記レゾルバの回転角ごとに設定されている上限値と下限値との間に含まれている場合に、前記増幅回路のゲイン設定を実施することを特徴とする請求項２または３に記載のレゾルバ励磁装置。

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