JP3914818B2

JP3914818B2 - 回転角度検出装置

Info

Publication number: JP3914818B2
Application number: JP2002148145A
Authority: JP
Inventors: 慎二西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-05-22
Also published as: JP2003344106A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転電機などからの漏洩磁束があった場合においても、精度よく回転角度を検出することが可能なレゾルバを用いた回転角度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転体の回転位置を検出するためにレゾルバを角度検出器として用い、レゾルバの出力をフーリエ変換することにより特定周波数成分を抽出して角度を算出することが知られている。例えば、特開平１１−１１８５２０号公報には、一相励磁二相出力の９０度位相差を有する二相のレゾルバ出力をデジタル角度に変換するようにしたデジタル角度変換法において、レゾルバの出力をＡ／Ｄ変換した後にフーリエ変換し、出力波形に含まれる一定周波数成分の位相を演算してデジタル角度を算出するデジタル角度変換法の技術が開示されている。
【０００３】
また、特開平４−１６７１２号公報には、一つの回転子巻線と二つの固定子巻線とを有するレゾルバを用いて回転角度を検出するものにおいて、回転子巻線の出力をＡ／Ｄ変換した後にフーリエ変換して出力波形に含まれる一定周波数成分の位相を演算し、回転角を算出する技術が開示されている。いずれの技術もレゾルバの出力からデジタル角度を得るために必要なハードウエアを大幅に簡略化するためにフーリエ変換を用いたものであり、フーリエ変換することにより直流オフセット成分や高調波成分を除去し、アクティブフィルタやＬＣフィルタの使用を排除するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、レゾルバを回転電機などの角度検出に使用する場合など、回転電機からの漏洩磁束が存在する雰囲気でレゾルバを使用する場合、この漏洩磁束の磁束変化によりレゾルバの励磁周波数より低い周波数の低次ノイズが出力波形に重畳され、この低次ノイズはフーリェ変換しても除去できないものである。例えば、図５のように、クローポール型の同期機１の回転軸２にレゾルバ３を取り付けた場合、界磁コイル４が回転軸２と同心状に設けられているため、同期機１の軸方向に矢印で示すような磁束が発生し、この磁束が回転子５の回転と共にレゾルバ３の出力コイルに同期機１の回転速度と同期した電圧を誘起する。
【０００５】
一相励磁、二相出力のレゾルバにおいての理想的な出力信号は、
ＳＩＮ信号＝ｋｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ
ＣＯＳ信号＝ｋｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ
であるが、この信号に種々のノイズが加わることになり、上記の漏洩磁束によるノイズはレゾルバの励磁周波数ｆ＝２πωより低周波のノイズ成分となる。このために、レゾルバの出力信号はレゾルバの励磁一周期の区間において、
ＳＩＮ信号＝ｋｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ＋ａ＋ｂｔ＋ｃｔ^２＋・・
ＣＯＳ信号＝ｋｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ＋ａ＋ｂｔ＋ｃｔ^２＋・・
のようにノイズを含んだ値となる。
【０００６】
この信号をレゾルバの励磁一周期の区間においてフーリエ変換すると、ノイズの二次成分以上を無視すれば、
ｋｓｉｎθ−ｂ（２π／ω^２）ｃｏｓωｔ０
となってノイズ成分を含んだ値となり、予測移動データや絶対位置データに誤差が含まれている場合には、求めた回転位置データにも誤差が累積され、角度検出精度が悪くなるものであった。
【０００７】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、漏洩磁束が存在するような雰囲気でレゾルバを使用する場合においても、高精度で回転角度を検出することが可能であり、耐ノイズ性の高い回転角度検出装置を得ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる回転角度検出装置は、一相励磁二相出力を有するレゾルバの励磁周期と同期した信号を出力する信号発生手段と、レゾルバの各出力を励磁周期の一周期区間に対してフーリエ変換する第一の変換手段と、レゾルバの各出力を励磁周期の一周期区間に対して第一の変換手段とは励磁周期の１／２周期ずらせてフーリエ変換する第二の変換手段と、第一の変換手段の出力信号と第二の変換手段の出力信号とを加算、または、減算する演算手段とを備えるようにしたものである。
【０００９】
また、励磁周期と同期した信号の立ち上がりを検出して第一の変換手段によるフーリエ変換が行われ、立ち下がりを検出して第二の変換手段によるフーリエ変換が行われるようにしたものである。
さらに、第一の変換手段の出力信号と第二の変換手段の出力信号との合成値から演算される回転角度は、最新の回転角度と、励磁周期の１／２周期前の回転角度とが検出され、最新の回転角度の検出時間遅れが、１／２周期前の回転角度により補正されるようにしたものである。
【００１０】
さらにまた、第一の変換手段の出力信号と第二の変換手段の出力信号との合成値から演算される回転角度は、最新の回転角度と、励磁周期の１／２周期前の回転角度とが検出され、最新の回転角度と１／２周期前の回転角度の差に最新の回転角度検出後の経過時間を乗算することにより、最新の回転角度検出後の回転角度の変化を推定するようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による回転角度検出装置の構成を示すブロック図、図２ないし図４は、効果を説明する特性図であり、図２はレゾルバ出力にノイズの重畳がない場合、図３は高次ノイズが重畳する場合、図４は高次ノイズと低次ノイズとが重畳する場合の特性例である。また、図１のブロック図には四系列の処理回路があり、同一部分には例えば１５ａ、１５ｂ、１５ｃなどの符号を付与しており、動作説明は一系列の動作を代表して行うこととする。
【００１２】
図１において、１０はレゾルバの励磁周期と同期したｓｉｎωｔを生成する信号発生器、１１は同じくｃｏｓωｔを生成する信号発生器、ＳＩＮ信号とあるのはレゾルバ出力のＳＩＮ信号、ＣＯＳ信号とあるのはレゾルバ出力のＣＯＳ信号である。１２ａ〜１２ｄは乗算器、１３ａ〜１３ｄは積分器、１４ａ〜１４ｄは立ち上がり立ち下がり検出器、１５ａ〜１５ｄ、１６ａ〜１６ｄ、１７ａ〜１７ｄ、１８ａ〜１８ｄはサンプルホールド回路、１９ａ〜１９ｄ、２０ａ〜２０ｄは減算器、２１ａ〜２１ｄは加算器である。また、２２と２３とは信号Ｕ１とＵ２とを入力して二乗和の平方根を求める演算器、２４はＳＩＮθとＣＯＳθとから角度を求める角度演算器、２５はゼロクロス検出器、２６と２７はサンプルホールド回路、２８は減算器、２９は加算器、３０は乗算器、３１は信号発生器１０のｓｉｎωｔのゼロクロスによりリセットされるカウンタである。
【００１３】
このような構成を有する回転角度検出装置において、レゾルバの出力信号であるＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とは各乗算器１２ａ〜１２ｄに入力され、信号発生器１０および１１で生成されるｓｉｎωｔとｃｏｓωｔがそれぞれに乗算されて積分器１３ａ〜１３ｄに入力される。また、信号発生器１０および１１の出力は立ち上がり立ち下がり検出器１４ａ〜１４ｄにも入力され、立ち上がり立ち下がり検出器１４ａ〜１４ｄはそれぞれの信号の立ち上がりと立ち下がりとを検出して各サンプルホールド回路１５ａ〜１８ｄに対してサンプルホールドの信号として与える。この信号により装置は次のように動作するが、以下にレゾルバのＳＩＮ信号と信号発生器１０のｓｉｎωｔとによるフーリエ正弦変換部分を例にとり、動作の説明を行う。
【００１４】
乗算器１２ａにて乗算されたレゾルバのＳＩＮ信号と信号発生器１０のｓｉｎωｔ信号とは積分器１３ａにて時間で積分される。今、レゾルバのＳＩＮ信号をＳとする。初期時点では、積分器１３ａに於ける積分の初期値が定まっていないが、立ち上がり立ち下がり検出器１４ａは、信号発生器１０によるｓｉｎωｔ信号のゼロクロス立ち上がりを検出した時点ｔ０にてサンプルホールド回路１５ａに信号を与え、任意の時刻からその時点ｔ０までの積分器１３ａの積分値、即ち、
【数１】

により示される積分値がサンプルホールド回路１５ａに保持される。このとき、信号発生器１０からのｓｉｎωｔ信号はレゾルバの励磁周期と同期した信号を用いているので正確な変換周期が得られる。
【００１５】
続いて、ｔ＝π／ω後には立ち上がり立ち下がり検出器１４ａがｓｉｎωｔ信号のゼロクロス立ち下がりを検出し、この立ち下がり信号はサンプルホールド回路１７ａに与えられてサンプルホールド回路１７ａにはその時点における積分値が保持される。さらにｔ＝π／ω後、即ち、時点ｔ０から一周期区間Ｔ＝２π／ω後には、再びｓｉｎωｔ信号のゼロクロス立ち上がり信号が、立ち上がり立ち下がり検出器１４ａから出力されることになり、この立ち上がり信号によりサンプルホールド回路１５ａに保持されていた前述の積分値はサンプルホールド回路１６ａに移されて保持されると共に、サンプルホールド回路１５ａにはその時点ｔ０＋Ｔにおける積分器１３ａによる積分値、即ち
【数２】

が新たに保持される。
【００１６】
さらに、ｔ＝π／ω後にはｓｉｎωｔ信号のゼロクロス立ち下がり信号が出力され、サンプルホールド回路１７ａに保持されていた積分値はサンプルホールド回路１８ａに移されて保持されると共に、サンプルホールド回路１７ａにはその時点における新たな積分値が保持される。そして、サンプルホールド回路１５ａに保持された新しい積分値とサンプルホールド回路１６ａに移された積分値とは減算器１９ａにて減算される。フーリエ変換は、ある時点ｔ０から、一周期区間ｔ０＋Ｔにおける信号波形と正弦波の積を積分するものである。従って、減算器１９ａにて減算される次に示す値
【数３】

は、一周期Ｔの区間の信号波形Ｓと正弦波ｓｉｎωｔの積を積分値を示すものであり、１周期区間のフーリエ変換を示すこととなる。以降、ｓｉｎωｔ信号のゼロクロス立ち上がり信号が、一周期区間Ｔ＝２π／ω毎に立ち上がり立ち下がり検出器１４ａから出力されることになり、一周期区間Ｔ＝２π／ω毎に減算器１９ａによりフーリエ変換された値を得ることになる。同様に、サンプルホールド回路１７ａに保持された新しい積分値とサンプルホールド回路１８ａに移された積分値とは減算器２０ａにて減算され一周期区間のフーリエ変換が行われる。このサンプルホールド回路１７ａ、サンプルホールド回路１８ａ及び減算器２０ａによる一周期区間のフーリエ変換は、サンプルホールド回路１５ａ、サンプルホールド回路１６ａ及び減算器１９ａによるフーリエ変換に対し、π／ω、即ち１／２周期ずれたものとなる。次に、これらの減算器１９ａ、２０ａによる各減算値が加算器２１ａにて加算される。
【００１７】
ここで、サンプルホールド回路１５ａとサンプルホールド回路１６ａと減算器１９ａとはフーリエ変換の第一の変換手段を構成するものであり、サンプルホールド回路１７ａとサンプルホールド回路１８ａと減算器２０ａとはフーリエ変換の第二の変換手段を構成するものである。従って、図１の回転角度検出装置には四組の第一の変換手段と第二の変換手段とを有することになる。
【００１８】
そして、第一の変換手段の出力（減算器１９ａによる減算値）は、ＳＩＮ信号×ｓｉｎωｔのフーリエ正弦変換結果のＳｓ１、第二の変換手段の出力（減算器２０ａによる減算値）は、ＳＩＮ信号×ｓｉｎωｔのフーリエ正弦変換結果のＳｓ２となる。また、Ｓｓ２はＳｓ１に対して変換区間が励磁周期でπ遅れたものである。このＳｓ１とＳｓ２とは、レゾルバ信号であるＳＩＮ信号のＳＩＮωｔ成分は同じ符号であるが、ＳＩＮ信号に乗った時間一次成分ノイズ（低周波ノイズ）は符号が逆になっているので、加算器２１ａにて加算されたＳｓ１＋Ｓｓ２はＳＩＮ信号の低周波ノイズがキャンセルされ、ＳＩＮ信号のＳＩＮωｔの成分のみとなる。もし、ＳＩＮωｔ成分の符号が逆で、ノイズ成分の符号が同じである場合には、加算器２１ａに代わって減算器を用いることになる。
【００１９】
上記の従来技術の説明でも述べたように、フーリエ変換することにより直流オフセット成分や高調波ノイズ成分は除去されるが、以上のように処理することにより、フーリエ変換のみでは除去できない低周波成分のノイズも除去されることになり、レゾルバから出力されるノイズの乗ったＳＩＮ信号からノイズのないＳＩＮωｔの成分が抽出できることになる。以上にレゾルバのＳＩＮ信号と信号発生器１０のｓｉｎωｔ信号とによるフーリエ正弦変換部分を説明したが、ＳＩＮ信号と信号発生器１１のｃｏｓωｔ信号とによるフーリエ変換、ＣＯＳ信号と信号発生器１０のｓｉｎωｔ信号とによるフーリエ変換、ＣＯＳ信号と信号発生器１１のｃｏｓωｔ信号とによるフーリエ変換も同様であり、説明が重複するので省略する。
【００２０】
このようにしてフーリエ正弦変換およびフーリエ余弦変換で得られた信号は、直流オフセット成分と、高次高調波ノイズ成分と、低周波ノイズ成分とが除去されたものであり、ＳＩＮ信号と信号発生器１０のｓｉｎωｔ信号とによる変換結果をＵ１とし、ＳＩＮ信号と信号発生器１１のｃｏｓωｔ信号とによる変換結果をＵ２として演算器２２に入力し、（Ｕ１^２＋Ｕ２^２）^１／２として二乗和の平方根を求めれば、ＳＩＮ信号のノイズ成分が消去された信号ｋＳＩＮθの振幅が得られる。この場合の符号はフーリエ正弦変換の符号、または、フーリエ余弦変換の符号で決めればよい。ＣＯＳ信号の場合も同様にしてｋＣＯＳθを求めることができる。
【００２１】
以上のようにして求めたノイズ消去後のＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とを角度演算器２４に入力し、
θ＝ａｒｃｔａｎ（ＳＩＮθ／ＣＯＳθ）
としてレゾルバの回転角度θを演算することができる。
【００２２】
このようにして得られたレゾルバの回転角度θは、演算にレゾルバ励磁周期の１．５倍の時間を要することになる。つまり、信号発生器１０と１１とからの信号にレゾルバの励磁出力信号を用いてｓｉｎωｔ信号とｃｏｓωｔ信号とを得た場合には、ゼロクロスを四回使用して演算するものであるから、最初の立ち上がりから最後の立ち下がりまでにレゾルバ励磁周期の１．５周期を必要とする。レゾルバの回転角度の変化が遅いときにはこの検出遅れは問題ではないが、回転角度の変化が比較的速い場合にはレゾルバ信号を角度に変換する時間の１／２、すなわち、
ｔ＝（１．５／２）×（２π／ω）
の間、検出時間が遅れ、過去の値を検出していることになる。
【００２３】
この検出遅れは次のようにして補正することにより、現在の角度を正確に推定することができる。角度はゼロクロス毎、すなわち、レゾルバ励磁周期の半周期毎に変換されるものであるから、今回変換が終わった角度データをθ１、励磁半周期前に得た角度データをθ２とするとき、現在の角度θｔは、
θｔ＝θ１＋（θ１−θ２）＝２θ１−θ２
と演算することにより推定できることになる。なお、この演算は、励磁半周期毎に信号を出力するゼロクロス検出器２５と、この信号により保持動作するサンプルホールド回路２６と２７と、両保持データを減算してθ１−θ２を算出する減算器２８と、これにθ１を加算する加算器２９とにより行われるもので、加算器２９の出力が時間遅れを補正した角度θｔになる。
【００２４】
また、角度変換が行われた後、次の角度変換が行われるのは励磁半周期後であるが、このデータ間の角度を次のようにして推定することができる。すなわち、推定する現在の角度をθｔ０とし、θ１演算後の時間をｔ０とするとき、
θｔ０＝θ１＋（θ１−θ２）×（ω／π）×ｔ０
として推定演算できるものである。なお、この演算を行うのは、上記の減算器２８が演算する（θ１−θ２）に、ｔ０を乗算する乗算器３０と、このｔ０を与えるカウンタ３１とである。
【００２５】
上記の説明では回転角度θをａｒｃｔａｎ（ＳＩＮθ／ＣＯＳθ）として求めたが、デジタルトラッキングにより回転角度θを求めることもでき、また、励磁半周期ずれた角度データを用いて現在角度を推定したが、励磁半周期ずれたＳＩＮ信号、および、励磁半周期ずれたＣＯＳ信号を用いてＳＩＮθとＣＯＳθとを推定し、推定したＳＩＮθとＣＯＳθとを用いて角度を演算することもできる。さらに、上記の演算はアナログ回路でも演算が可能であり、また、アナログ信号をデジタル信号に変換してデジタル演算することも可能である。
【００２６】
以上のように構成した回転角度検出装置により信号処理を行った結果が図２ないし図４に示した特性図で、いずれも（ａ）はレゾルバの出力波形、（ｂ）はフーリエ変換のみの波形、（ｃ）はこの発明の回転角度検出装置による信号処理後の波形である。図２は（ａ）のレゾルバの出力波形にノイズがないものであり、当然のことながら（ｂ）にも（ｃ）にもノイズはない。図３は（ａ）のレゾルバの出力波形に高次ノイズが乗ったもので、この高次ノイズはフーリエ変換することによりキャンセルされるため、（ｂ）の波形ではノイズが消去され、（ｃ）の波形にもノイズはない。図４は（ａ）のレゾルバの出力波形に高次ノイズと低次ノイズが乗ったものであり、この低次ノイズはフーリエ変換しても図の（ｂ）のように消えることがなく、角度検出に悪影響を及ぼすが、この発明の回転角度検出装置による信号処理を施すと図の（ｃ）に示すようにノイズは全く影響のないレベルまで消去することができる。
【００２７】
以上に説明したように、この発明の回転角度検出装置によれば、レゾルバを回転電機と同軸に設けるなど、漏洩磁束が存在するような雰囲気で使用し、レゾルバの出力にこの漏洩磁束による低次ノイズが乗った場合においてもこのノイズを消去することができ、電磁的な雰囲気を選ぶことなく正確に回転角度を検出することが可能になると共に、回転角度の検出遅れを精度よく補正することが可能になるものである。
【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の回転角度検出装置において、請求項１に記載の発明によれば、一相励磁二相出力を有するレゾルバの励磁周期と同期した信号を出力する信号発生手段と、レゾルバの各出力を励磁周期の一周期区間に対してフーリエ変換する第一の変換手段と、第一の変換手段とは励磁周期の１／２周期ずらせて同様にフーリエ変換する第二の変換手段と、第一の変換手段の出力信号と第二の変換手段の出力信号とを加算、または、減算する演算手段とを備えるようにしたので、励磁周波数より低い周波数のノイズ成分を除去することが可能になり、クローポール型の同期機など、軸方向の漏洩磁束の大きい回転電機の回転角度検出に用いても高精度に回転角度を検出することができる回転角度検出装置を得ることができるものである。
【００２９】
また、請求項２に記載の発明によれば、励磁周期と同期した信号の立ち上がりを検出して第一の変換手段によるフーリエ変換が行われ、立ち下がりを検出して第二の変換手段によるフーリエ変換が行われるようにしたので、フーリエ変換を行うにあたり、正確な変換周期が得られ、回転角度の検出精度を向上することができるものである。
【００３０】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、第一の変換手段の出力信号と第二の変換手段の出力信号との合成値から演算される回転角度は、最新の回転角度と、励磁周期の１／２周期前の回転角度とが検出され、最新の回転角度の検出時間遅れが、１／２周期前の回転角度により補正されるようにしたので、フーリエ変換に要した回転角度検出時間の遅れを精度よく補正することができ、高精度に回転角度を検出することができるものである。
【００３１】
さらにまた、請求項４に記載の発明によれば、第一の変換手段の出力信号と第二の変換手段の出力信号との合成値から演算される回転角度は、最新の回転角度と、励磁周期の１／２周期前の回転角度とが検出され、最新の回転角度と１／２周期前の回転角度との差に最新の回転角度検出後の経過時間を乗算することにより、最新の回転角度検出後の回転角度の変化を推定するようにしたので、請求項３の効果に加え、データ検出の間におけるデータ補間ができ、高精度に回転角度を検出することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による回転角度検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１による回転角度検出装置の効果を説明するための特性図例である。
【図３】この発明の実施の形態１による回転角度検出装置の効果を説明するための特性図例である。
【図４】この発明の実施の形態１による回転角度検出装置の効果を説明する特性図例である。
【図５】従来の回転角度検出装置の問題点を説明する構成図である。
【符号の説明】
１０、１１信号発生器、１２ａ〜１２ｄ、３０乗算器、
１３ａ〜１３ｄ積分器、
１４ａ〜１４ｄ立ち上がり立ち下がり検出器、
１５ａ〜１８ｄ、２６、２７サンプルホールド回路、
１９ａ〜２０ｄ、２８減算器、
２１ａ〜２１ｄ、２９加算器、
２２、２３演算器、２４角度演算器、
２５ゼロクロス検出器、３１カウンタ。

Claims

一相励磁二相出力を有するレゾルバの励磁周期と同期した信号を出力する信号発生手段、前記レゾルバの各出力を前記励磁周期の一周期区間に対してフーリエ変換する第一の変換手段、前記レゾルバの各出力を前記励磁周期の一周期区間に対して前記第一の変換手段とは前記励磁周期の１／２周期ずらせてフーリエ変換する第二の変換手段、前記第一の変換手段の出力信号と前記第二の変換手段の出力信号とを加算、または、減算する演算手段を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
前記励磁周期と同期した信号の立ち上がりを検出して前記第一の変換手段によるフーリエ変換が行われ、立ち下がりを検出して前記第二の変換手段によるフーリエ変換が行われることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
前記第一の変換手段の出力信号と前記第二の変換手段の出力信号との合成値から演算される回転角度は、最新の回転角度と、前記励磁周期の１／２周期前の回転角度とが検出され、前記最新の回転角度の検出時間遅れが、前記１／２周期前の回転角度により補正されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置。
前記第一の変換手段の出力信号と前記第二の変換手段の出力信号との合成値から演算される回転角度は、最新の回転角度と、前記励磁周期の１／２周期前の回転角度とが検出され、前記最新の回転角度と前記１／２周期前の回転角度の差に前記最新の回転角度検出後の経過時間を乗算することにより、前記最新の回転角度検出後の回転角度の変化を推定することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。