JP2016148587A

JP2016148587A - レゾルバ信号処理装置

Info

Publication number: JP2016148587A
Application number: JP2015025424A
Authority: JP
Inventors: 森　重範; Shigenori Mori; 重範森
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-08-18

Abstract

【課題】ＲＤＣの基本特性に起因する角度信号に乗った誤差を除去することが可能なレゾルバ信号処理装置を提供する。【解決手段】レゾルバ信号処理装置は、電源投入時にレゾルバから出力される第１出力信号及び第２出力信号から初期電気角を求める初期電気角算出部１３と、演算周期ごとに第１出力信号及び第２出力信号に基づいて逆正接関数を用いた演算結果を求める第１演算部１２と、電気角が第１角度範囲と第２角度範囲との間で遷移したか否かを判断する遷移判断部１５と、初期電気角算出部１３、第１演算部１２、及び遷移判断部１５が出力する情報に基づいて電気角を求める電気角算出部１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電動機の電気角を２相の正弦波変調信号で出力するレゾルバの信号処理を実行することで電気角を求めるレゾルバ信号処理装置に関する。

自動車のパワーステアリングや工作機器のサーボモータ等に各種の回転機が使用されており、回転機における回転子の回転角度を検出するために回転角度センサが用いられる。回転角度を検出するセンサとしては、交流励磁を利用する２相のレゾルバ、または正弦波状に着磁した回転子と２個の半導体磁気センサからなる回転角度センサ等が使用されている。レゾルバは、回転子と固定子の間のリアクタンスが回転子の位置により変化し、その変化に応じた交流信号を出力するものである。具体的には、固定子に互いに直交する２相巻線を有し、回転子に直交する２相巻線を有する制御変圧器を構成している。レゾルバから得られる角度検出信号は、位相が９０度異なる余弦波と正弦波の２相のアナログ信号となり、その検出信号は、レゾルバ／デジタル変換器（ＲＤＣ：Resolver Digital Converter、以下ＲＤＣと略記）を用いることにより処理される。

ＲＤＣは、レゾルバからの角度検出信号に基づいて回転子の回転角度位置をデジタルデータである角度情報データに変換して出力するものである。このようにレゾルバとＲＤＣとを組み合わせる技術として、下記特許文献１や下記特許文献２に記載されているものが提案されている。

特開２００９−２５０６８号公報特開２０１１−３３６０２号公報

ところで、車両用電動機である車載用ＭＧ（Motor Generator）の角度センサとしては、耐環境性の高さからＶＲ（Variable Reluctance）型レゾルバとＲＤＣとの組み合わせが用いられている。ＲＤＣの基本的な原理は、回転角度θｒ、演算角度θｃのときに、
ｓｉｎθｒ・ｃｏｓθｃ−ｃｏｓθｒ・ｓｉｎθｃ＝ｓｉｎ（θｒ―θｃ）
が０となるように動作するフィルタである。θｒが現在値、θｃが前回値とすると、θｒ−θｃは演算周期における角加速度である。θｃを求めるためには、角加速度から角速度、角速度から角度へと２回の積分演算を行う必要があり、ＲＤＣのフィルタは２次のフィルタ特性を持っている。このような演算原理に起因して、ＲＤＣではセンサ誤差と加減速との差異を判断するのが困難になっている。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＲＤＣの基本特性に起因する角度信号に乗った誤差を除去することが可能なレゾルバ信号処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るレゾルバ信号処理装置は、車両用電動機の電気角を２相の正弦波変調信号で出力するレゾルバの信号処理を実行することで前記電気角を求めるレゾルバ信号処理装置（２，３）であって、前記車両用電動機の電源投入時に、前記レゾルバから出力される正弦波変調信号であって互いに９０度位相の異なる第１出力信号及び第２出力信号から前記車両用電動機の初期電気角を求める初期電気角算出部（１３）と、演算周期ごとに前記第１出力信号及び前記第２出力信号に基づいて逆正接関数を用いた演算結果を求める第１演算部（１２，１２ａ）と、前記演算周期ごとに前記演算結果の変化量を算出し、前記変化量が閾値を超えた場合に前記電気角が第１角度範囲と第２角度範囲との間で遷移したと判断する遷移判断部（１５）と、前記初期電気角算出部、前記第１演算部、及び前記遷移判断部が出力する情報に基づいて前記電気角を求める電気角算出部（１６）と、を備えることを特徴とする。

励磁信号は、励磁信号発生部で生成されレゾルバに出力され、レゾルバの出力に乗って戻ってくる。従って、従来のようなフィルタ特性を持つＲＤＣの電気角算出手法では、常に正確に同期動作をさせるのは困難であり、車両用電動機の回転数に加減速があった場合には位相遅れが発生する。また、ＲＤＣはレゾルバの製造ばらつきに起因する角度誤差の影響を受けやすく、その修正は容易なものではない。一方、本発明では、レゾルバから出力される正弦波変調信号であって互いに９０度位相の異なる第１出力信号及び第２出力信号は車両用電動機の電源投入時における初期電気角を算出するときのみに用いており、電気角の算出は演算周期ごとに第１出力信号及び第２出力信号に基づいて逆正接関数を用いた演算結果によって行っているので、位相遅れの課題やレゾルバ製造ばらつきへの対応課題を解決することができる。

本発明によれば、ＲＤＣの基本特性に起因する角度信号に乗った誤差を除去することが可能なレゾルバ信号処理装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るレゾルバ信号処理装置の機能的な構成要素を示すブロック図である。図１の機能的な構成要素が出力する波形を示す図である。本発明の第２実施形態に係るレゾルバ信号処理装置の機能的な構成要素を示すブロック図である。図３の機能的な構成要素が出力する波形を示す図である。逆正接を用いて角度算出する考え方を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１及び図２を参照しながら、本発明の第１実施形態に係るレゾルバ信号処理装置２について説明する。レゾルバ信号処理装置２は、車両用電動機（不図示）に取り付けられたレゾルバ（不図示）から出力される２相の正弦波変調信号を信号処理し、車両用電動機の電気角を求めるものである。図２において、（Ａ）は車両用電動機の電気角θを示している。図２の（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）については後述する。

レゾルバ信号処理装置２は、機能的な構成要素として、第１逆正接算出部１０と、第２逆正接算出部１１と、第１演算部１２と、初期電気角算出部１３と、第２演算部１４と、遷移判断部１５と、電気角算出部１６と、励磁部１７と、を備えている。

励磁部１７は、１相入力２相出力タイプで変圧比Ｋのレゾルバの回転子に励磁用の一定周波数の基準正弦波（励磁信号）Ａｓｉｎωｔを印加し、レゾルバを励磁する部分である。励磁部１７は、車両用電動機及びレゾルバ信号処理装置２の電源投入時に、励磁信号を初期電気角算出部１３に出力する。

励磁部１７から出力される励磁信号Ａｓｉｎωｔによって励磁されると、車両用電動機の電気角がθである場合には、
第１出力信号Ｓ＝ＫＡｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ
第２出力信号Ｃ＝ＫＡｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ
が出力される。この第１出力信号Ｓ及び第２出力信号Ｃは、第１逆正接算出部１０に入力される。また、第１出力信号Ｓ及び第２出力信号Ｃは、符号反転されて第２逆正接算出部１１に入力される。

第１逆正接算出部１０では、平面上の点より極座標での角度を求める逆正接関数を用いて、
Ａ＝ａｔａｎ２（Ｃ，Ｓ）
を算出し、第１演算部１２及び初期電気角算出部１３に出力する。尚、この出力波形は、図２の（Ｂ）に示すようなものになる。

第２逆正接算出部１１でも同様に、平面上の点より極座標での角度を求める逆正接関数を用いて、
Ｂ＝ａｔａｎ２（−Ｃ，−Ｓ）
を算出し、第１演算部１２に出力する。尚、この出力波形は、図２の（Ｃ）に示すようなものになる。

第１演算部１２では、第１逆正接算出部１０から出力される算出結果Ａ及び第２逆正接算出部１１から出力される算出結果Ｂを用いて、
Ｘ＝（Ａ＋Ｂ＋π）／２
を算出し、第２演算部１４及び遷移判断部１５に出力する。尚、この出力波形は、図２の（Ｄ）に示すようなものになる。

ここで、図５を参照しながら、Ｘを算出することで電気角θを求める考え方について説明する。円周上の点Ａ（ｘ，ｙ）に対して、逆正接を取るとａｔａｎ２（ｘ，ｙ）＝θ（−π≦θ＜π）となる。レゾルバからの出力信号は、点Ａ（ｘ，ｙ）が励磁されながら円周上を動くことに相当する。レゾルバの回転子が静止すると、レゾルバからの出力信号は、点Ａ（ｘ，ｙ）と点Ｂ（−ｘ，−ｙ）間を往復することになる。

θで場合分けをすると、逆正接は次のようになる。
［０≦θ＜πの場合］
励磁信号が正の場合：ａｔａｎ２（ｘ，ｙ）＝θ、ａｔａｎ２（−ｘ，−ｙ）＝θ−π
励磁信号が負の場合：ａｔａｎ２（ｘ，ｙ）＝θ−π、ａｔａｎ２（−ｘ，−ｙ）＝θ
（ａｔａｎ２（ｘ，ｙ）＋ａｔａｎ２（−ｘ，−ｙ）＋π）／２＝θ
［−π≦θ＜０の場合］
励磁信号が正の場合：ａｔａｎ２（ｘ，ｙ）＝θ、ａｔａｎ２（−ｘ，−ｙ）＝θ＋π
励磁信号が負の場合：ａｔａｎ２（ｘ，ｙ）＝θ＋π、ａｔａｎ２（−ｘ，−ｙ）＝θ
（ａｔａｎ２（ｘ，ｙ）＋ａｔａｎ２（−ｘ，−ｙ）＋π）／２＝θ＋π

従って、始動時の角度が［０≦θ＜πの場合］であるのか［−π≦θ＜０の場合］であるのかを取得し、始動後においては、［０≦θ＜πの場合］から［−π≦θ＜０の場合］に状態遷移があったか、及び［−π≦θ＜０の場合］から［０≦θ＜πの場合］に状態遷移があったかを取得することで、演算周期における電気角θ（ｔ）を算出することができる。

図１に戻って説明を続ける。初期電気角算出部１３は、電源投入時（ｔ＝０）に車両用電動機が静止した状態で、励磁信号が中心値より大きいときに第１出力信号Ｓ，第２出力信号Ｃから初期電気角θ₀を求め、初期電気角θ₀が［０≦θ＜πの場合］であるのか［−π≦θ＜０の場合］であるのかを判断する。本実施形態において、励磁信号を利用するのはこの初期電気角の算出時のみである。初期電気角算出部１３は、初期電気角θ₀を電気角算出部１６に出力する。

第２演算部１４は、演算周期ごとに第１演算部１２の演算結果Ｘを保持する。第２演算部１４は、演算結果Ｘ（ｔ）が出力された場合に、演算結果Ｘ（ｔ−１）を遷移判断部１５に出力する。

遷移判断部１５は、演算周期ごとに演算結果Ｘの前回からの変位量が閾値Ｙを超えたか否かを、次式に基づいて判断する。
｜Ｘ（ｔ）―Ｘ（ｔ−１）｜＞Ｙ
尚、絶対値を取っているのは車両用電動機の逆回転を考慮している。また、閾値Ｙを複数持つことにより、入力信号のフィルタとして使用することも可能である。遷移判断部１５はこの条件式を満たす場合に、電気角θが［０≦θ＜πの場合］から［−π≦θ＜０の場合］に状態遷移があり、又は［−π≦θ＜０の場合］から［０≦θ＜πの場合］に状態遷移があったものと判断する。遷移判断部１５は、この判断結果を電気角算出部１６に出力する。

電気角算出部１６は、第１演算部１２の出力結果、遷移判断部１５の出力結果、及び初期電気角算出部１３の出力結果に基づいて、電気角θ（ｔ）を算出する。
［０≦θ＜πの場合］
θ（ｔ）＝Ｘ（ｔ）
［−π≦θ＜０の場合］
θ（ｔ）＝Ｘ（ｔ）＋π

図３及び図４を参照しながら、本発明の第２実施形態に係るレゾルバ信号処理装置３について説明する。レゾルバ信号処理装置３は、車両用電動機（不図示）に取り付けられたレゾルバ（不図示）から出力される２相の正弦波変調信号を信号処理し、車両用電動機の電気角を求めるものである。図４において、（Ａ）は車両用電動機の電気角θを示している。図４の（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）については後述する。

レゾルバ信号処理装置３は、機能的な構成要素として、第１逆正接算出部１０と、第２逆正接算出部１１ａと、第１演算部１２ａと、初期電気角算出部１３と、第２演算部１４と、遷移判断部１５と、電気角算出部１６と、を備えている。

励磁信号Ａｓｉｎωｔによって励磁されると、車両用電動機の電気角がθである場合には、
第１出力信号Ｓ＝ＫＡｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ
第２出力信号Ｃ＝ＫＡｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ
が出力される。この第１出力信号Ｓ及び第２出力信号Ｃは、第１逆正接算出部１０及び第２逆正接算出部１１ａに入力される。

第１逆正接算出部１０では、平面上の点より極座標での角度を求める逆正接関数を用いて、
Ａ＝ａｔａｎ２（Ｃ，Ｓ）
を算出し、第１演算部１２ａ及び初期電気角算出部１３に出力する。尚、この出力波形は、図４の（Ｂ）に示すようなものになる。

第２逆正接算出部１１ａでは、平面上の点より極座標での角度を求める逆正接関数を用いて、
Ｂ＝ａｔａｎ２（Ｓ，Ｃ）
を算出し、第１演算部１２ａに出力する。尚、この出力波形は、図４の（Ｃ）に示すようなものになる。

第１演算部１２ａでは、第１逆正接算出部１０から出力される算出結果Ａ及び第２逆正接算出部１１ａから出力される算出結果Ｂを用いて、
［Ｂ≦π／２の場合］
Ｘ＝（Ａ−Ｂ）／２＋π／４
［Ｂ＞π／２の場合］
Ｘ＝（Ａ−Ｂ）／２＋５π／４
を算出し、第２演算部１４及び遷移判断部１５に出力する。尚、この出力波形は、図４の（Ｄ）に示すようなものになる。

初期電気角算出部１３は、電源投入時（ｔ＝０）に車両用電動機が静止した状態で、励磁信号が中心値より大きいときに第１出力信号Ｓ，第２出力信号Ｃから初期電気角θ₀を求め、初期電気角θ₀が［０≦θ＜πの場合］であるのか［−π≦θ＜０の場合］であるのかを判断する。本実施形態において、励磁信号を利用するのはこの初期電気角の算出時のみである。初期電気角算出部１３は、初期電気角θ₀を電気角算出部１６に出力する。

遷移判断部１５は、演算周期ごとに演算結果Ｘの前回からの変位量が閾値Ｙを超えたか否かを、次式に基づいて判断する。
｜Ｘ（ｔ）―Ｘ（ｔ−１）｜＞Ｙ
遷移判断部１５はこの条件式を満たす場合に、電気角θが［０≦θ＜πの場合］から［−π≦θ＜０の場合］に状態遷移があり、又は［−π≦θ＜０の場合］から［０≦θ＜πの場合］に状態遷移があったものと判断する。遷移判断部１５は、この判断結果を電気角算出部１６に出力する。

電気角算出部１６は、第１演算部１２ａの出力結果、遷移判断部１５の出力結果、及び初期電気角算出部１３の出力結果に基づいて、電気角θ（ｔ）を算出する。
［０≦θ＜πの場合］
θ（ｔ）＝Ｘ（ｔ）
［−π≦θ＜０の場合］
θ（ｔ）＝Ｘ（ｔ）＋π

２，３：レゾルバ信号処理装置
１２，１２ａ：第１演算部
１３：初期電気角算出部
１５：遷移判断部
１６：電気角算出部

Claims

車両用電動機の電気角を２相の正弦波変調信号で出力するレゾルバの信号処理を実行することで前記電気角を求めるレゾルバ信号処理装置（２，３）であって、
前記車両用電動機の電源投入時に、前記レゾルバから出力される正弦波変調信号であって互いに９０度位相の異なる第１出力信号及び第２出力信号から前記車両用電動機の初期電気角を求める初期電気角算出部（１３）と、
演算周期ごとに前記第１出力信号及び前記第２出力信号に基づいて逆正接関数を用いた演算結果を求める第１演算部（１２，１２ａ）と、
前記演算周期ごとに前記演算結果の変化量を算出し、前記変化量が閾値を超えた場合に前記電気角が第１角度範囲と第２角度範囲との間で遷移したと判断する遷移判断部（１５）と、
前記初期電気角算出部、前記第１演算部、及び前記遷移判断部が出力する情報に基づいて前記電気角を求める電気角算出部（１６）と、を備えることを特徴とする、レゾルバ信号処理装置。
前記レゾルバを所定の周波数で励磁する励磁信号が入力され、
前記初期電気角算出部は、前記励磁信号が中心値より大きい場合の前記第１出力信号及び前記第２出力信号から前記初期電気角を求め、
前記電気角算出部は、前記初期電気角が前記第１角度範囲にあるか前記第２角度範囲にあるかを判断し、前記電気角を求めることを特徴とする、請求項１に記載のレゾルバ信号処理装置。
前記第１演算部は、前記第１出力信号及び前記第２出力信号に基づいて、平面上の点より極座標の角度を求める逆正接関数を用い、前記電気角によって表される前記演算結果を求めることを特徴とする、請求項１に記載のレゾルバ信号処理装置。
前記遷移判断部は、前記演算周期ごとに前記演算結果の差分を算出し、その差分の絶対値が前記閾値を超えた場合に前記電気角が前記第１角度範囲と前記第２角度範囲との間で遷移したものと判断することと特徴とする、請求項１に記載のレゾルバ信号処理装置。
前記第１角度範囲の角度幅と前記第２角度範囲の角度幅とが等しいことを特徴とする、請求項１に記載のレゾルバ信号処理装置。
前記演算結果は、前記第１角度範囲と前記第２角度範囲とで同じ値となることを特徴とする、請求項３に記載のレゾルバ信号処理装置。