JP2020012714A - 回転角度検出装置及び電動機駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】レゾルバに与える励磁信号の振幅を連続的に調整可能とし、更には励磁信号の位相遅れにも対処可能とした回転角度検出装置及び電動機駆動システムを提供する。【解決手段】レゾルバの励磁コイルに正弦波状の励磁信号が供給され、第１，第２の検出コイルから出力される第１，第２のレゾルバ信号の振幅に基づいて電動機の回転角度を検出する回転角度検出装置において、励磁信号の励磁周波数を調整する機能５１ａ、レゾルバ信号をＡＤ変換して取り込んだ信号から回転角度を演算する機能、及び、ＡＤ変換のタイミング調整機能５１ｂ、を少なくとも有するレゾルバ制御回路５１Ｘと、励磁周波数の矩形波信号を正弦波状の励磁信号に変換するＬＰＦ等のフィルタ回路５２と、を備え、レゾルバ制御回路５１Ｘは、励磁信号の振幅が所定値になるように励磁周波数を調整する。【選択図】図６

Description

本発明は、レゾルバを用いて電動機の回転角度を検出する回転角度検出装置、及び、この回転角度検出装置を備えた電動機駆動システムに関する。

図１０は、レゾルバ６０の原理的な構成図であり、６１は電動機等の回転軸、６２はロータ、６３は正弦波の励磁信号Ｖ_ｒｅｆが印加される励磁コイル、６４，６５は９０度の位相差を持つレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓを出力する検出コイルである。図１１は励磁信号Ｖ_ｒｅｆ、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓの一例を示す波形図であり、ロータ６２の回転角度をθとすると、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓは励磁信号Ｖ_ｒｅｆを変調波ｓｉｎθ，ｃｏｓθにより振幅変調した波形となる。
レゾルバには、励磁コイルがロータと一体的に回転するものや、励磁コイル及び検出コイルの両方をステータ側に配置したものなど、各種の構造があるが、何れにしても、検出コイルに鎖交する磁束の周期的変化をレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓとして検出し、その振幅（ピーク値）から回転角度θを検出している。

図１２は、この種のレゾルバを備えた発電動機ＭＧの駆動システムであり、特許文献１に記載されている。
同図において、１１は直流電源、１２はコンデンサ、１５はインバータの入力電圧Ｖ_ｉｎｖを検出する電圧検出器、Ｓ_１〜Ｓ_６はインバータを構成する半導体スイッチング素子、Ｇ_１〜Ｇ_６はゲート駆動回路、１６_ｖ，１６_ｗはインバータのＶ相及びＷ相出力電流ｉ_ｖ，ｉ_ｗをそれぞれ検出する電流検出器、６０は発電動機ＭＧに取り付けられたレゾルバ、５０Ａはインバータ制御部、ｇ_１〜ｇ_６は駆動信号である。

この従来技術では、インバータ制御部５０Ａが正弦波状の励磁信号Ｖ_ｒｅｆをレゾルバ６０に与え、レゾルバ６０は発電動機ＭＧの回転角度θに応じた振幅を有するレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓを生成する。インバータ制御部５０Ａは、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓの包絡線波形ｓｉｎθ，ｃｏｓθから回転角度θを演算すると共に、回転角度θとトルク指令及び各相電流検出値に基づいて各相電圧指令を生成し、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により生成した駆動信号ｇ_１〜ｇ_６をゲート駆動回路Ｇ_１〜Ｇ_６に与えてスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_６を駆動する。

ここで、インバータの出力電圧にはスイッチング周波数と同一成分のノイズが含まれている。
従来では、励磁信号Ｖ_ｒｅｆの周波数は固定されているのが一般的であるが、特許文献１では、上述したスイッチング周波数成分のノイズがレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓに重畳されるのを防ぐため、インバータ制御部５０Ａが、励磁信号Ｖ_ｒｅｆの周波数をインバータのスイッチング周波数に対してずらすことにより、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓへのノイズの重畳を抑制して回転角度検出精度を高めている。

ただし、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓから正確な回転角度を検出するためには、所定の振幅の励磁信号Ｖ_ｒｅｆをレゾルバに与え、かつ、所定の振幅のレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓをインバータ制御部５０Ａが受信して演算処理することが求められる。
しかし、レゾルバの変換比（励磁信号Ｖ_ｒｅｆとレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓとの振幅比）には個体差があり、温度変化や経年変化等によって各信号の振幅が変化すると、Ｓ／Ｎの悪化による角度検出精度の低下や信号処理回路の入力範囲からの逸脱を招き、検出異常の原因になる。
従って、角度検出精度を向上させるためには、励磁信号Ｖ_ｒｅｆやレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓの振幅を適切に調整可能であることが求められている。

例えば特許文献２には、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓ等の角度検出信号の振幅を所定の増幅率でステップ状に変更可能とした位相検出装置及びモータ駆動制御装置が開示されている。
図１３は、この位相検出装置の構成図である。同図において、７１は、レゾルバ等による角度検出信号（位相検出信号）ＳＩＧ_１，−ＳＩＧ_１に基づいて、振幅の増幅率が異なる増幅信号ａ_１〜ａ_ｎと基準信号ｒｅｆ_１とを生成する増幅部、７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄは比較器、７２は基準値生成部、７２ａは基準信号ｒｅｆ_１のピーク値を検出するレベル検出部、７２ｂは上記ピーク値を基準レベルとして出力する基準レベル出力部、７３は増幅信号ａ_１〜ａ_ｎと前記基準レベルとを比較する複数の比較器からなる比較部、７４は比較部７３の出力から回転角度（位相差）を得る位相情報取得部である。
この従来技術では、位相情報取得部７４が、増幅信号ａ_１〜ａ_ｎと前記基準レベルとが一致するときの比較部７３の出力に基づいて回転角度を検出している。

更に、特許文献３には、第１のＣＰＵが出力する矩形波状の位相参照信号をローパスフィルタに供給して疑似正弦波を生成し、これを増幅して得た励磁信号をレゾルバに供給することが記載され、第２のＣＰＵが、前記位相参照信号の元になるクロック信号の周期の異常や回転角度算出用のＡ／Ｄ変換回路の故障を検出可能とした角度検出回路が記載されている。

特開２０１６−２０１８８２号公報（［００３６］〜［００４６］、図１，図２等） 特開２０１５−２１３４０３号公報（［００３４］〜［００３８］、図１〜図３等） 特許第５０６３４９５公報（［００２９］〜［００３７］、図１，図４等）

特許文献１には励磁信号Ｖ_ｒｅｆの周波数を調整することが記載され、特許文献３には、ＣＰＵにより矩形波信号から正弦波状の励磁信号を生成することが記載されている。しかしながら、励磁信号の周波数を連続的に調整することによって所望の振幅を有する正弦波状の励磁信号を得る手段等については開示されていない。
また、特許文献２に記載された従来技術では、角度検出信号の振幅を増幅する増幅部として多数の比較器や抵抗が必要であるため、部品数が多く、回路構成の複雑化や高コスト化を招くという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、ＣＰＵ等の演算処理手段を備えたレゾルバ制御回路とフィルタ回路等の動作によって正弦波状の励磁信号の振幅を連続的に調整可能とし、更には励磁信号の位相遅れ等にも対処可能として検出精度を向上させた回転角度検出装置、及び、この回転角度検出装置を備えた電動機駆動システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る回転角度検出装置は、電動機に取り付けられたレゾルバの励磁コイルに励磁信号が供給され、前記レゾルバの第１，第２の検出コイルから出力される第１，第２のレゾルバ信号の振幅に基づいて前記電動機のロータの回転角度を検出する回転角度検出装置において、
前記励磁信号の励磁周波数を調整する機能と、前記レゾルバ信号をＡＤ変換して取り込んだ信号から前記回転角度を演算する機能と、を少なくとも有するレゾルバ制御回路と、
前記励磁周波数に応じて、前記励磁信号の振幅を調整する振幅調整手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る回転角度検出装置は、請求項１に記載した回転角度検出装置において、前記振幅調整手段が、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタであることを特徴とする。

請求項３に係る回転角度検出装置は、請求項１に記載した回転角度検出装置において、前記振幅調整手段が、前記励磁周波数を有する矩形波信号を正弦波状の励磁信号に変換するローパスフィルタであることを特徴とする

請求項４に係る回転角度検出装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載した回転角度検出装置において、前記レゾルバ制御回路は、前記励磁周波数を増減させることによって前記レゾルバ信号をＡＤ変換するタイミングを調整する機能を、更に有することを特徴とする。

請求項５に係る電動機駆動システムは、請求項１〜４の何れか１項に記載の回転角度検出装置により検出した回転角度を用いて、前記電動機を駆動するための電力変換装置を制御することを特徴とする。

請求項６に係る電動機駆動システムは、請求項５に記載した電動機駆動システムにおいて、前記電動機が車両駆動用の電動機であることを特徴とする。

本発明によれば、レゾルバ制御回路内のＣＰＵ等の演算処理によって励磁信号の周波数を調整することにより、励磁信号の振幅を適切に設定することができる。例えば、励磁信号の周波数や振幅の調整はアナログスイッチ等を用いて実現可能であるが、その場合には部品数の増加や回路の大型化、高コスト化を招く。また、通常、アナログスイッチを用いる場合には、周波数等を段階的に５％程度変化させることしかできないが、本発明では、ＣＰＵ内部のカウンタ（タイマ）を使用することによって１％以下の分解能で調整することができ、装置の小型化や低コスト化も可能になる。

本発明の実施形態が適用される電動機駆動システムの構成図である。 図１におけるインバータ制御部の第１実施例を示すブロック図である。 ２次ローパスフィルタのゲイン特性を示す図である。 ２次ローパスフィルタのゲイン特性及び位相特性を示す図である。 励磁信号の位相遅れの影響を説明するための波形図である。 図１におけるインバータ制御部の第２実施例を示すブロック図である。 図６の主要部を示すブロック図である。 図６の第２実施例によるＡＤ変換タイミング調整機能を説明する波形図である。 レゾルバ制御回路による演算処理のフローチャートである。 レゾルバの原理的な構成図である。 図１０における励磁信号及びレゾルバ信号の波形図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 特許文献２に記載された従来技術の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、この実施形態に係る回転角度検出装置を備えた電動機駆動システムの構成図である。
図１において、１１は直流電源、１２はコンデンサ、１３は開閉器、１４はリアクトル、２０はコンバータ、２１は半導体スイッチング素子Ｑ_１１，Ｑ_１２が直列接続された上下アーム部、３０はＵ相アーム部３０_ｕ、Ｖ相アーム部３０_ｖ、Ｗ相アーム部３０_ｗを備えたインバータ、４０は直流中間回路のコンデンサ、５０はインバータ制御部、６０は電動機Ｍに取り付けられたレゾルバである。なお、各相のアーム部３０_ｕ，３０_ｖ，３０_ｗは、半導体スイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２をそれぞれ直列接続して構成されている。

インバータ制御部５０には、インバータ３０の直流入力電圧Ｖ_ｉｎｖ、Ｕ相電流Ｉ_ｕ、及びＶ相電流Ｉ_ｖのほか、正弦波状の励磁信号Ｖ_ｒｅｆに応じてレゾルバ６０から出力されるレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓが入力されている。インバータ制御部５０は、電動機Ｍのロータの回転角度に応じて、インバータ３０から所定の電流を電動機Ｍに供給するように各相のゲート信号を生成し、アーム部３０_ｕ，３０_ｖ，３０_ｗに出力する。

ここで、インバータ制御部５０は、レゾルバ６０に与える励磁信号Ｖ_ｒｅｆの周波数を連続的に変化させて励磁信号Ｖ_ｒｅｆの振幅を調整する機能を備えており、この機能を以下に説明する。
図２は、インバータ制御部５０の第１実施例を示すブロック図である。図２において、レゾルバ制御回路５１はＣＰＵ等により構成され、所定周波数の矩形波信号を生成してディジタル出力端子ＤＯから出力する。上記の矩形波信号は、請求項に記載した振幅調整手段を構成するフィルタ回路５２に入力されて正弦波信号に変換される。この正弦波信号は後続の増幅回路５３により増幅され、励磁信号Ｖ_ｒｅｆとして図１のレゾルバ６０の励磁コイルに供給される。

図３は、フィルタ回路５２を構成する２次のローパスフィルタ（ＬＰＦ）のゲイン特性の一例である。図示するように、周波数に応じてゲインが変化するフィルタ回路５２の特性を利用して、フィルタ回路５２から出力される正弦波信号の周波数（すなわち励磁周波数）ｆ_ｒｅｆひいては振幅を変化させることができ、増幅回路５３により増幅される励磁信号Ｖ_ｒｅｆの振幅を所望の値に調整することができる。
なお、振幅調整手段としてのフィルタ回路５２には、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いても良い。

レゾルバ６０の検出コイルから出力されたレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓは、図２のノイズ除去／振幅調整回路５４，５６に入力されてノイズが除去され、所定の振幅に調整された後、ＡＤ変換回路５５，５７によりディジタル信号に変換されてレゾルバ制御回路５１に入力される。
レゾルバ制御回路５１では、前述したように、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓの包絡線波形ｓｉｎθ，ｃｏｓθに基づいてロータの回転角度θを演算し、この回転角度情報を用いて、インバータ３０から電動機Ｍに所定の電流を供給するための制御演算を実行する。

なお、図４（ａ）は２次のローパスフィルタのゲイン特性を示し（前述の図３を再掲する）、図４（ｂ）は同じく位相特性を示している。
フィルタ回路５２では周波数が変化すると励磁信号Ｖ_ｒｅｆの振幅が変化する一方で、図４（ｂ）から判るように励磁信号Ｖ_ｒｅｆの位相が遅れ、その位相遅れ量は周波数に依存する。
このようにフィルタ回路５２を通すことで励磁信号Ｖ_ｒｅｆの位相が変化するにも関わらず、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓをレゾルバ制御回路５１に取り込むタイミング（ＡＤ変換のタイミング）について何ら手当てしない場合には、励磁信号Ｖ_ｒｅｆとレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓとの同時性が保たれなくなり、回転角度の検出誤差が生じてしまう。

図５は、上述したフィルタ回路５２による励磁信号Ｖ_ｒｅｆの位相遅れの影響を説明するための波形図であり、フィルタ処理前の励磁信号Ｖ_ｒｅｆ（原信号）、フィルタ処理後の励磁信号Ｖ_ｒｅｆ、及びレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓの波形を模式的に示してある。
フィルタ処理によって励磁信号Ｖ_ｒｅｆの位相がΔｔ_ｄだけ遅れた場合、理想的には、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓを取り込むタイミングがフィルタ処理後の励磁信号Ｖ_ｒｅｆのピークに合うように調整することが必要である。しかし、この調整を行わない場合には、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓの波形における○印のタイミング（励磁信号Ｖ_ｒｅｆ（原信号）のピークのタイミング）のデータを取り込んでしまい、これが誤差の原因となる。

図６は、上述した位相遅れの影響を除去するためのインバータ制御部の第２実施例を示している。
図６において、５１Ｘはレゾルバ制御回路、５１ａは励磁周波数調整機能、５１ｂはＡＤ変換タイミング調整機能である。なお、図７は、励磁周波数調整機能５１ａ及びＡＤ変換タイミング調整機能５１ｂを詳しく示したブロック図であり、励磁信号を生成する励磁信号生成機能５１ｃも併せて示してある。

図６において、励磁周波数調整機能５１ａはタイマ設定手段（図７を参照）を備えており、タイマ設定値によって励磁信号Ｖ_ｒｅｆの励磁周波数ｆ_ｒｅｆひいては振幅を調整する。ＡＤ変換タイミング調整機能５１ｂは、タイマ設定値による励磁周波数に応じて遅延させたＡＤ変換タイミング信号を生成し、ＡＤ変換回路５５，５７にそれぞれ入力する。
ＡＤ変換回路５５，５７では、入力されたタイミング信号を用いてノイズ除去／振幅調整回路５４，５６の出力信号をそれぞれＡＤ変換し、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓのピークから回転角度を演算する。

次に、図７、図８を参照しつつ、ＡＤ変換タイミング調整機能５１ｂ等について詳述する。なお、図８はＡＤ変換タイミング調整機能５１ｂを説明するための波形図である。
図７において、励磁信号生成機能５１ｃの励磁周波数タイマ５１４は、タイマ設定値及び内部クロック５１３を用いて図８（ａ）の矩形波信号を出力し、この矩形波信号は図７の正弦波生成回路５１５（図６のフィルタ回路５２に相当）に入力される。ここで、理想的には、正弦波生成回路５１５から図８（ｂ）のように位相遅れのない正弦波信号（図５のＶ_ｒｅｆ（原信号））が得られるはずであるが、実際には、図８（ｃ）のように励磁周波数に応じて位相が遅れた正弦波信号（図５のＶ_ｒｅｆ（フィルタ処理後））が出力される。

図７において、励磁周波数調整機能５１ａによるタイマ設定値はＡＤ変換タイミング調整機能５１ｂの遅延定数テーブル５１１に入力されている。このテーブル５１１は、励磁周波数を決めるタイマ設定値に応じたクロック数を規定したテーブルである。遅延回路５１２では、遅延定数テーブル５１１から入力されたクロック数だけ内部クロック５１３をカウントして遅延時間を生成し、励磁周波数タイマ５１４から出力される矩形波信号を前記遅延時間だけ遅らせて出力する。図８（ｄ）は、この遅延回路５１２から出力される矩形波信号を示しており、その立ち上がりのタイミングは図８（ｃ）のフィルタ処理後の正弦波信号のピークに一致している。

従って、図８（ｄ）の矩形波信号をＡＤ変換回路５５，５７に入力することにより、図８（ｃ）に示す正弦波信号（励磁信号）Ｖ_ｒｅｆのピークに対応するタイミングでレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓをＡＤ変換し、レゾルバ制御回路５１Ｘに取り込むことができる。
これにより、フィルタ回路５２による励磁信号Ｖ_ｒｅｆの位相遅れの影響を除去することができ、回転角度検出精度の向上が可能である。

次に、図９は、レゾルバ制御回路による演算処理を示すフローチャートである。
レゾルバ制御回路５１Ｘは、上述した励磁信号Ｖ_ｒｅｆのピークに対応するタイミングでＡＤ変換回路５５，５７からレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓを取り込み、これらの信号のピーク値を用いて回転角度θを演算する（ステップＳ１，Ｓ２）。

次いで、レゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓの振幅を演算し（ステップＳ３）、振幅が上限値を超えている場合には、励磁周波数ｆ_ｒｅｆが所定値を超えていると判断して予め規定された刻み分だけ励磁周波数ｆ_ｒｅｆを減少させ、ＡＤ変換のタイミングを修正する（ステップＳ４Ｙｅｓ，Ｓ５）。また、振幅が上限値を超えていない場合には（ステップＳ４Ｎｏ）下限値未満か否かを判断し、下限値未満である場合には励磁周波数ｆ_ｒｅｆが所定値以下であると判断して予め規定された刻み分だけ励磁周波数ｆ_ｒｅｆを増加させ、ＡＤ変換のタイミングを修正する（ステップＳ６Ｙｅｓ，Ｓ７）。
これらの処理を、図６における励磁周波数調整機能５１ａ及びＡＤ変換タイミング調整機能５１ｂによって実行することにより、適切な励磁周波数ｆ_ｒｅｆによる励磁信号Ｖ_ｒｅｆに応じてレゾルバ信号Ｖ_ｓｉｎ，Ｖ_ｃｏｓをＡＤ変換し、回転角度θを正確に演算することができる。

Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_１１，Ｑ_１２：半導体スイッチング素子
Ｍ：電動機
１１：直流電源
１２：コンデンサ
１３：開閉器
１４：リアクトル
２０：コンバータ
２１：上下アーム部
３０：インバータ
３０_ｕ：Ｕ相アーム部
３０_ｖ：Ｖ相アーム部
３０_ｗ：Ｗ相アーム部
３１ｕ，３１ｖ：電流検出器
４０：コンデンサ
５０：インバータ制御部
５１，５１Ｘ：レゾルバ制御回路
５１ａ：励磁周波数調整機能
５１ｂ：ＡＤ変換タイミング調整機能
５２：フィルタ回路
５３：増幅回路
５４，５６：ノイズ除去／振幅調整回路
５５，５７：ＡＤ変換回路
６０：レゾルバ
６１：回転軸
６２：ロータ
６３：励磁コイル
６４，６５：検出コイル

Claims (6)

1. 電動機に取り付けられたレゾルバの励磁コイルに励磁信号が供給され、前記レゾルバの第１，第２の検出コイルから出力される第１，第２のレゾルバ信号の振幅に基づいて前記電動機のロータの回転角度を検出する回転角度検出装置において、
   前記励磁信号の励磁周波数を調整する機能と、前記レゾルバ信号をＡＤ変換して取り込んだ信号から前記回転角度を演算する機能と、を少なくとも有するレゾルバ制御回路と、
   前記励磁周波数に応じて、前記励磁信号の振幅を調整する振幅調整手段と、
   を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載した回転角度検出装置において、
   前記振幅調整手段が、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタであることを特徴とする回転角度検出装置。
3. 請求項１に記載した回転角度検出装置において、
   前記振幅調整手段が、前記励磁周波数を有する矩形波信号を正弦波状の励磁信号に変換するローパスフィルタであることを特徴とする回転角度検出装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した回転角度検出装置において、
   前記レゾルバ制御回路は、前記励磁周波数を増減させることによって前記レゾルバ信号をＡＤ変換するタイミングを調整する機能を、更に有することを特徴とする回転角度検出装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の回転角度検出装置により検出した回転角度を用いて、前記電動機を駆動するための電力変換装置を制御することを特徴とする電動機駆動システム。
6. 請求項５に記載した電動機駆動システムにおいて、
   前記電動機が車両駆動用の電動機であることを特徴とする電動機駆動システム。

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