JP2014132244A - 回転角演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の回転角をより適正に演算する。
【解決手段】Ｒ／Ｄコンバータは、レゾルバからのＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とに基づいてレゾルバ角φ，周期時間ｔ１，位相差対応時間ｔ２を演算する。そして、電子制御ユニットは、Ｒ／Ｄコンバータからの周期時間ｔ１と位相差対応時間ｔ２との関係に基づいてオフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを演算し（Ｓ１１０〜Ｓ１５０）、オフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを用いてＲ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φを補正して更にモータ１０の回転角としての電気角θｅに変換する（Ｓ１６０，Ｓ１７０）。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転角演算装置に関し、詳しくは、回転電機の回転軸に取り付けられたレゾルバからの２相の検出信号を用いて回転電機の回転角を演算する回転角演算装置に関する。

従来、回転機の回転軸に取り付けられたレゾルバから出力されるＳＩＮ出力信号の最大値と最小値との平均値をオフセット補正値としてオフセット補正を行なうと共にＳＩＮ出力信号の最大値と最小値との差と標準の差との比をゲイン補正値としてゲイン補正を行ない、レゾルバから出力されるＣＯＳ出力信号の最大値と最小値との平均値をオフセット補正値としてオフセット補正を行なうと共にＣＯＳ出力信号の最大値と最小値との差と標準の差との比をゲイン補正値としてゲイン補正を行なうレゾルバ補正方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この補正方法では、こうした処理により、回転機の角度検出性能の向上を図っている。

特開２００４−４５２８６号公報

上述の補正方法により、実際の回転角と検出角（演算角）とのオフセット誤差については抑制することができると考えられる。しかしながら、この補正方法では、ＳＩＮ出力信号とＣＯＳ出力信号との位相差が基準の位相差からズレて実際の回転角と検出角（演算角）との誤差が周期的に変化するときに、その誤差によって回転機の回転角を適正に検出（演算）できない場合が生じ得る。

本発明の回転角演算装置は、回転電機の回転角をより適正に演算することを主目的とする。

本発明の回転角演算装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の回転角演算装置は、
回転電機の回転軸に取り付けられたレゾルバからの２相の検出信号を用いて前記回転電機の回転角を演算する回転角演算装置であって、
前記２相の検出信号のいずれかの１周期の時間としての周期時間と、前記２相の検出信号の位相差に応じた時間としての位相差対応時間と、の関係に応じて得られる前記レゾルバのオフセット誤差および周期的誤差を用いて前記回転角を演算する、
ことを特徴とする。

この本発明の回転角演算装置では、レゾルバからの２相の検出信号のいずれかの１周期の時間としての周期時間と、２相の検出信号の位相差に応じた時間としての位相差対応時間と、の関係に応じて得られるレゾルバのオフセット誤差および周期的誤差（周期的に変化する誤差）を用いて回転電機の回転角を演算する。これにより、オフセット誤差だけでなく周期的誤差も抑制することができるから、回転電機の回転角をより適正に演算することができる。

こうした本発明の回転角演算装置において、前記２相の検出信号は、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号であり、前記周期時間は、前記ＳＩＮ信号または前記ＣＯＳ信号の１周期の時間であり、前記位相差対応時間は、前記ＳＩＮ信号と前記ＣＯＳ信号とのうちの一方がピーク値に至ってから次に前記ＳＩＮ信号と前記ＣＯＳ信号とのうちの他方がピーク値に至るまでの時間である、ものとすることもできる。ここで、「ピーク値」は、ＳＩＮ信号やＣＯＳ信号の極大値や極小値を意味する。

また、本発明の回転角演算装置において、前記周期時間で前記位相差対応時間を除した値を用いて前記位相差を演算すると共に該演算した位相差から基準の位相差を減じて位相差崩れを演算し、該演算した位相差崩れを用いて前記オフセット誤差および前記周期的誤差を演算する、ものとすることもできる。

この位相差崩れを用いてオフセット誤差および周期的誤差を演算する態様の本発明の回転角演算装置において、前記周期時間をｔ１，前記位相差対応時間をｔ２，前記位相差をΔφ，前記基準の位相差をΔφｒｅｆ，前記位相差崩れをΔφｅｒ，前記オフセット誤差をΔφｏｆｅｒ，前記周期的誤差をΔφｃｙｅｒ，前記２相の検出信号から得られるレゾルバ角をφとしたときに、前記位相差Δφを次式（Ａ）により演算し、前記位相差崩れΔφｅｒを式（Ｂ）により演算し、前記オフセット誤差Δφｏｆｅｒを式（Ｃ）により演算し、前記周期的誤差Δφｃｙｅｒを式（Ｄ）により演算する、ものとすることもできる。

Δφ=(t2/t1)・360 (A)
Δφer=Δφ−Δφref (B)
Δφofer=Δφer/2 (C)
Δφcyer=−Δφer/2・cosφ (D)

この式（Ｃ）および式（Ｄ）によりオフセット誤差および周期的誤差を演算する態様の本発明の回転角演算装置において、前記レゾルバの極数をＰｒ，前記回転電機の極数をＰｍ，補正係数をｋ，補正後のレゾルバ角をφｐｒ，前記回転角としての電気角をθｅとしたときに、前記補正後のレゾルバ角φｐｒを次式（Ｅ）により演算し、前記電気角θｅを式（Ｆ）により演算する、ものとすることもできる。

φpr=φ-k・(Δφofer+Δφcyer) (E)
θe=(φpr/Pr)・(Pm/2) (F)

本発明の一実施例としての回転角演算装置を備える電動機制御装置２０の構成の概略を示す構成図である。 ＳＩＮ信号，ＣＯＳ信号，レゾルバ角φ，周期時間ｔ１，位相差対応時間ｔ２の関係の一例を示す説明図である。 実施例の電子制御ユニット４０により実行される電気角演算ルーチンの一例を示すフローチャートである。 実験や解析によって得られた、レゾルバ角φと、実際のレゾルバ角φａｃｔとＲ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φとの誤差と、の関係の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての回転角演算装置を備える電動機制御装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電動機制御装置２０は、例えば同期発電電動機として構成された回転電機としてのモータ１０をインバータ１２のスイッチング素子をスイッチング制御することによって駆動制御する制御装置として構成されており、図示するように、モータ１０の回転軸１１に取り付けられたレゾルバ２２と、レゾルバ２２からの出力信号をデジタル変換するレゾルバデジタルコンバータ（以下、Ｒ／Ｄコンバータという）３０と、Ｒ／Ｄコンバータ３０からの信号を入力して必要に応じて補正したりインバータ１２のスイッチング素子をスイッチング制御したりする電子制御ユニット４０と、を備える。ここで、回転角演算装置としては、Ｒ／Ｄコンバータ３０や電子制御ユニット４０が該当する。

レゾルバ２２は、モータ１０の回転軸１１と一体で回転する磁性体としてのロータ２４と、図示しない発振回路から励磁信号として一定周波数の交流電流が印加される励磁コイル２５や電気的に９０度ずれて（位相差が９０度となるよう）配置された２つの出力コイル２６，２７を内蔵する磁性体としてのステータ２８と、を備える。２つの出力コイル２６，２７の出力信号は、楕円形状のロータ２４の回転によって生じるロータ２４とステータ２８との間隙の変化に伴って発生する信号であり、ピーク値を補完したときにそれぞれ正弦波状，余弦波状となる信号である（以下、それぞれＳＩＮ信号，ＣＯＳ信号と称することがある）。

Ｒ／Ｄコンバータ３０は、レゾルバ２２からの出力信号（ＳＩＮ信号，ＣＯＳ信号）を入力し、ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とに基づいて、レゾルバ角φやＳＩＮ信号の１周期の時間としての周期時間ｔ１，ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号としての位相差に応じた時間としての位相差対応時間ｔ２を演算して電子制御ユニット４０に出力する。図２は、ＳＩＮ信号，ＣＯＳ信号，レゾルバ角φ，周期時間ｔ１，位相差対応時間ｔ２の関係の一例を示す説明図である。周期時間ｔ１，位相差対応時間ｔ２は、実施例では、図示するように、それぞれ、ＳＩＮ信号が極大値に至ってから次に極大値に至るまでの時間，ＣＯＳ信号が極大値に至ってから次にＳＩＮ信号が極大値に至るまでの時間として演算するものとした。なお、Ｒ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φは、レゾルバ２２の出力信号に含まれるレゾルバ２２の個体差や経年変化，使用状態（温度や圧力）などによる誤差や、Ｒ／Ｄコンバータ３０のデジタル変換に伴う誤差など、実際のレゾルバ角φａｃｔに対する誤差を含んでいる。

電子制御ユニット４０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に記憶するＲＡＭ，入出力ポートを備える。電子制御ユニット４０には、Ｒ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φや周期時間ｔ１，位相差対応時間ｔ２，図示しない電流センサからのモータ１０に流れる相電流などが入力ポートを介して入力されており、電子制御ユニット４０からは、インバータ１２のスイッチング素子へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、電子制御ユニット４０は、Ｒ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φを補正して得られる値に基づいて、モータ１０の回転角としての電気角θｅ，機械角θｍ，回転角速度ωｍ，回転数Ｎｍなどを演算している。なお、レゾルバ角φと電気角θｅと機械角θｍとの関係は、レゾルバ２２の極数Ｐｒとモータ１０の極数Ｐｍとに応じて「φ／Ｐｒ＝θｅ／（Ｐｍ／２）＝θｍ」となり、例えば、レゾルバ２２の極数が値２でモータ１０の極数が値４のときには、「φ／２＝θｅ／２＝θｍ」となる。

次に、こうして構成された実施例の電動機制御装置２０が備える回転角演算装置の動作、特に、モータ１０の回転角としての電気角θｅを演算する際の動作について説明する。図３は、実施例の電子制御ユニット４０により実行される電気角演算ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、繰り返し実行される。

電気角演算ルーチンが実行されると、電子制御ユニット４０は、まず、Ｒ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φの補正に用いる後述のオフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを演算する誤差演算条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１００）。ここで、誤差演算条件は、実施例では、モータ１０の回転数Ｎｍが安定している（回転数Ｎｍの単位時間あたりの変化量の絶対値が所定時間に亘って所定値以下である）条件などを用いるものとした。

誤差演算条件が成立しているときには、Ｒ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φや周期時間ｔ１，位相差対応時間ｔ２などのデータを入力し（ステップＳ１１０）、次式（１）に示すように、周期時間ｔ１で位相差対応時間ｔ２を除したものにＳＩＮ信号やＣＯＳ信号の１周期分の角度としての３６０を乗じて、ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号との位相差Δφを計算し（ステップＳ１２０）、式（２）に示すように、ＣＯＳ信号とＳＩＮ号との基準の位相差（誤差がない場合の位相差）としての９０を位相差Δφから減じて、位相差Δφの９０度に対するズレ（誤差）としての位相差崩れΔφｅｒを計算する（ステップＳ１３０）。

Δφ=(t2/t1)・360 (1)
Δφer=Δφ−90 (2)

こうして位相差崩れΔφｅｒを計算すると、位相差崩れΔφｅｒを用いて次式（３）によりオフセット誤差Δφｏｆｅｒを計算すると共に（ステップＳ１４０）、位相差崩れΔφｅｒとレゾルバ角φの余弦値（ｃｏｓφ）とを用いて式（４）により周期的誤差Δφｃｙｅｒを計算する（ステップＳ１５０）。図４は、レゾルバ角φと、実際のレゾルバ角φａｃｔとＲ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φとの誤差と、の関係の一例を示す説明図である。解析や実験により、実際のレゾルバ角φａｃｔとＲ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φとの誤差は、図中（ａ），（ｂ）に示すように、レゾルバ角φに応じて値φｅｒ／２を中心として０から値φｅｒまでの範囲で余弦波状に変化する、ことが明らかとなった。実施例では、これを踏まえて、式（３）や式（４）により、オフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを計算するものとした。

Δφofer=Δφer/2 (3)
Δφcyer=−(Δφer/2)・cosφ (4)

そして、計算したオフセット誤差とΔφｏｆｅｒと周期的誤差Δφｃｙｅｒとを用いてレゾルバ角φを補正し（ステップＳ１６０）、補正後のレゾルバ角φを用いてモータ１０の電気角θｅを計算して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。ここで、レゾルバ角φの補正は、オフセット誤差Δφｏｆｅｒと周期的誤差Δφｃｙｅｒとが抑制されるよう、例えば、次式（５）に示すように、オフセット誤差とΔφｏｆｅｒと周期的誤差Δφｃｙｅｒとの和に値１以下の補正係数ｋを乗じた値をＲ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φから減じることによって行なうことができる。また、レゾルバ角φからモータ１０の電気角θｅへの変換は、レゾルバ２２の極数Ｐｒとモータ１０の極数Ｐｍとを用いて式（６）により行なうことができる。実施例では、上述の式（３）や式（４）によってオフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを計算し、このオフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを用いてＲ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φを補正して更にモータ１０の回転角としての電気角θｅに変換することにより、電気角θｅをより適正に演算することができる。

φ=φ-k・(Δφofer+Δφcyer) (5)
θe=(φ/Pr)・(Pm/2) (6)

ステップＳ１００で誤差演算条件が成立していないときには、前回までに計算したオフセット誤差とΔφｏｆｅｒと周期的誤差Δφｃｙｅｒとを用いてレゾルバ角φを補正し（ステップＳ１６０）、補正後のレゾルバ角φを用いてモータ１０の電気角θｅを計算して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。

以上説明した実施例の実施例の電動機制御装置２０が備える回転角演算装置によれば、Ｒ／Ｄコンバータ３０により、レゾルバ２２からのＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とに基づいてレゾルバ角φ，周期時間ｔ１，位相差対応時間ｔ２を演算し、電子制御ユニット４０により、Ｒ／Ｄコンバータ３０からの周期時間ｔ１と位相差対応時間ｔ２との関係に基づいてオフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを演算し、オフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを用いてＲ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φを補正して更にモータ１０の回転角としての電気角θｅに変換することにより、電気角θｅをより適正に演算することができる。

実施例の電動機制御装置２０が備える回転角演算装置では、周期時間ｔ１は、ＳＩＮ信号の１周期の時間として、ＳＩＮ信号が極大値に至ってから次に極大値に至るまでの時間としたが、ＳＩＮ信号が極小値に至ってから次に極小値に至るまでの時間としたり、ＳＩＮ信号が負側から値０に至ってから次に負側から値０に至るまでの時間としたり、ＳＩＮ信号が正側から値０に至ってから次に正側から値０に至るまでの時間としたりしてもよい。

実施例の電動機制御装置２０が備える回転角演算装置では、周期時間ｔ１は、ＳＩＮ信号の１周期の時間としたが、ＣＯＳ信号の１周期の時間としてもよい。この場合、ＣＯＳ信号の１周期の時間としては、ＣＯＳ信号が極大値に至ってから次に極大値に至るまでの時間としたり、ＣＯＳ信号が極小値に至ってから次に極小値に至るまでの時間としたり、ＣＯＳ信号が負側から値０に至ってから次に負側から値０に至るまでの時間としたり、ＣＯＳ信号が正側から値０に至ってから次に正側から値０に至るまでの時間としたりすることができる。

実施例の電動機制御装置２０が備える回転角演算装置では、位相差対応時間ｔ２は、ＩＮ信号とＣＯＳ信号としての位相差に応じた時間として、ＣＯＳ信号が極大値に至ってから次にＳＩＮ信号が極大値に至るまでの時間としたが、ＣＯＳ信号が極小値に至ってから次にＳＩＮ信号が極小値に至るまでの時間としたり、ＣＯＳ信号が負側から値０に至ってから次にＳＩＮ信号が負側から値０に至るまでの時間としたり、ＣＯＳ信号が正側から値０に至ってから次にＳＩＮ信号が正側から値０に至るまでの時間としたりしてもよい。

実施例や変形例の電動機制御装置２０が備える回転角演算装置では、図２に示したように、ＳＩＮ信号がＣＯＳ信号に追従するよう変化することから、位相差対応時間ｔ２は、ＣＯＳ信号がある値（極大値や極小値など）に至ってから次にＳＩＮ信号がそのある値に至るまでの時間としたが、ＣＯＳ信号がＳＩＮ信号に追従するよう変化する（そのように設計する）場合には、位相差対応時間ｔ２は、ＳＩＮ信号がある値（極大値や極小値など）に至ってから次にＣＯＳ信号がそのある値に至るまでの時間とすればよい。

実施例の電動機制御装置２０が備える回転角演算装置では、誤差演算条件が成立しているときには、オフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを演算すると共にオフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを用いてＲ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φを補正して更にモータ１０の回転角としての電気角θｅを演算し、誤差演算条件が成立していないときには、前回までに計算したオフセット誤差とΔφｏｆｅｒと周期的誤差Δφｃｙｅｒとを用いてレゾルバ角φを補正して更にモータ１０の電気角θｅを計算するものとしたが、誤差演算条件が成立しているか否かに拘わらず、オフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを演算すると共にオフセット誤差Δφｏｆｅｒや周期的誤差Δφｃｙｅｒを用いてＲ／Ｄコンバータ３０からのレゾルバ角φを補正して更にモータ１０の電気角θｅを演算するものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ１０が「回転電機」に相当し、レゾルバ２２が「レゾルバ」に相当し、Ｒ／Ｄコンバータ３０と電子制御ユニット４０とが「回転角演算装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、回転角演算装置の製造産業などに利用可能である。

１０ モータ、１１ 回転軸、１２ インバータ、２０ 電動機制御装置、２２ レゾルバ、２４ ロータ、２５ 励磁コイル、２６ 出力コイル、３０ Ｒ／Ｄコンバータ、４０ 電子制御ユニット。

Claims (4)

1. 回転電機の回転軸に取り付けられたレゾルバからの２相の検出信号を用いて前記回転電機の回転角を演算する回転角演算装置であって、
   前記２相の検出信号のいずれかの１周期の時間としての周期時間と、前記２相の検出信号の位相差に応じた時間としての位相差対応時間と、の関係に応じて得られる前記レゾルバのオフセット誤差および周期的誤差を用いて前記回転角を演算する、
   ことを特徴とする回転角演算装置。
2. 請求項１記載の回転角演算装置であって、
   前記２相の検出信号は、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号であり、
   前記周期時間は、前記ＳＩＮ信号または前記ＣＯＳ信号の１周期の時間であり、
   前記位相差対応時間は、前記ＳＩＮ信号と前記ＣＯＳ信号とのうちの一方がピーク値に至ってから次に前記ＳＩＮ信号と前記ＣＯＳ信号とのうちの他方がピーク値に至るまでの時間である、
   回転角演算装置。
3. 請求項１または２記載の回転角演算装置であって、
   前記周期時間で前記位相差対応時間を除した値を用いて前記位相差を演算すると共に該演算した位相差から基準の位相差を減じて位相差崩れを演算し、該演算した位相差崩れを用いて前記オフセット誤差および前記周期的誤差を演算する、
   回転角演算装置。
4. 請求項３記載の回転角演算装置であって、
   前記周期時間をｔ１，前記位相差対応時間をｔ２，前記位相差をΔφ，前記基準の位相差をΔφｒｅｆ，前記位相差崩れをΔφｅｒ，前記オフセット誤差をΔφｏｆｅｒ，前記周期的誤差をΔφｃｙｅｒ，前記２相の検出信号から得られるレゾルバ角をφとしたときに、前記位相差Δφを次式（Ａ）により演算し、前記位相差崩れΔφｅｒを式（Ｂ）により演算し、前記オフセット誤差Δφｏｆｅｒを式（Ｃ）により演算し、前記周期的誤差Δφｃｙｅｒを式（Ｄ）により演算する、
   回転角演算装置。
   Δφ=(t2/t1)・360 (A)
   Δφer=Δφ−Δφref (B)
   Δφofer=Δφer/2 (C)
   Δφcyer=−Δφer/2・cosφ (D)

Images