JP4158174B2 - レゾルバ - Google Patents

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Description

この発明は、出力巻線、励磁巻線の温度を検出することが可能なレゾルバに関する。
従来の永久磁石温度センサは、永久磁石を配置した回転子コアにおける永久磁石の温度を検知するセンサであって、自身の温度に応じて磁気特性が変化する感温磁性材料からなる磁化素子を永久磁石の近傍に配置し、磁化素子の磁気特性の変化を物理量検出手段によって検知し、磁化素子の温度を永久磁石の温度として検出している(例えば、特許文献1参照)。
また、従来のレゾルバを用いた温度検出方法は、レゾルバに1相励磁信号を与えて得られる2相レゾルバ出力信号のうち、sin相およびcos相における励磁コイルと出力コイルとの位相ずれと、sin相およびcos相における励磁コイルと出力コイルとの変圧比とに基づいて、レゾルバの温度を求めている(例えば、特許文献2参照)。
特開2004−222387号公報 特開2003−315162号公報
従来の永久磁石温度センサでは、温度検出のために感温磁性材料からなる磁化素子と、磁気特性の変化を検知する物理量検出手段とが必要となるため、部品点数が多くなり、コストが高くなるという問題点があった。
また、従来のレゾルバを用いた温度検出方法では、2相レゾルバの出力信号のうち、sin相およびcos相における励磁コイルと出力コイルとの位相ずれと、sin相およびcos相における励磁コイルと出力コイルとの変圧比とに基づいて温度を演算するため、データ処理の量が多くなり、演算処理を行うECU(Electronic Control Unit)に設けられたCPU(Central Processing Unit)の負荷が大きくなるという問題点もあった。
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、温度によって変化する出力巻線および励磁巻線のインピーダンスを用いて出力巻線、励磁巻線の温度を検出することにより、特別な部品を追加する必要がなく、また回転角度の演算と同時に出力巻線、励磁巻線の温度を検出することにより、演算処理の負荷を低減し、安価なCPUを用いることができるレゾルバを提供することである。
この発明に係るレゾルバは、電源により励磁される1相の励磁巻線、および磁束密度の変化を電圧として出力するn相の出力巻線を有する固定子と、固定子に対向して設けられ、回転に伴う固定子との間のギャップパーミアンスを、固定子と協同して変化させる回転子と、出力巻線および励磁巻線のインピーダンスから出力巻線、励磁巻線の温度を検出する温度検出手段とを備え、nは2であり、励磁巻線を電源により励磁して励磁信号を生じさせた場合に、温度によって変化するインピーダンスに応じて出力巻線から出力される2相の出力信号ScosおよびSsinは、それぞれ次式(1)、(2)
Scos=K・E・sinωt・cosθ・・・(1)
Ssin=K・E・sinωt・sinθ・・・(2)
(ここで、Kは変圧比、Eは励磁巻線に生じる励磁電圧、ωは励磁信号の角速度、t
は時間、θは電気角)
で表され、温度検出手段は、2相の出力信号ScosおよびSsinから得られる円形のリサージュ曲線における半径の値を用いて、出力巻線、励磁巻線の温度を検出するものである。
この発明のレゾルバによれば、温度によって変化する出力巻線および励磁巻線のインピーダンスを用いて出力巻線、励磁巻線の温度を検出するので、特別な部品を追加する必要がなく、また回転角度の演算と同時に出力巻線、励磁巻線の温度を検出することにより、演算処理の負荷を低減することができるので、安価なCPUを用いることができ、コストダウンを図ることができる。
以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。なお、以下の実施の形態では、レゾルバが電動パワーステアリング装置の一部を構成している場合を例として説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係るレゾルバを含み、ハンドル1の回転をアシストする電動パワーステアリング装置2を、ハンドル1とともに示す全体斜視図である。
図1において、この電動パワーステアリング装置2は、ハンドル1の回転角度を検出するとともに、自身の温度を検出するレゾルバ(図示せず)と、車軸3近傍に設けられ、ハンドル1の回転をアシストするアシスト力を発生するブラシレスモータ4(以下、「モータ4」と略称する)と、モータ4に接続されモータ4に出力する電流を制御する制御手段であるECU5とを有している。
レソルバは、回転角度を検出する回転角度検出手段(図示せず)と温度を検出する温度検出手段(図示せず)とを含んでいる。この回転角度検出手段と温度検出手段とは、ECU5に一体に組み込まれている。ECU5はCPU等で構成されており、回転角度検出手段の検出した回転角度と、温度検出手段の検出した温度とに応じてモータ4に出力する電流を制御する。
ここで、モータ4は、図示しない車両のエンジンルーム内に設置されている。
図2は、この発明の実施の形態1に係るレゾルバを含んだ電動パワーステアリング装置の主要断面図である。
図2において、鉄等の磁性体からなり、回転自在に支持されたシャフト6の一端部には、磁界を発生させるマグネット7が取り付けられてモータ回転子8が設けられている。モータ回転子8には、有底円筒形状のフレーム14の内壁面に固定されたモータ固定子9が対向して設けられている。
モータ固定子9は、珪素鋼板等を積層して形成されており、樹脂製の絶縁体15を介してモータコイル16が巻装されている。モータコイル16は、U相、V相、W相の3相からなり、それぞれスター結線されている。
また、シャフト6の他端部には、鉄等の磁性体からなり、モータ4の駆動力を外部に伝達するカップリングであるボス10が圧入されている。
シャフト6のモータ回転子8とボス10との間には、珪素鋼板を積層して形成された回転子11が取り付けられている。回転子11の構造を図3(a)、(b)に示す。回転子11には、アルミニウム等からなるハウジング17に固定された固定子12が対向して設けられており、回転子11と固定子12とでハンドルの回転角度に応じて出力信号を出力するレゾルバ検出部13が構成されている。
固定子12の外形を図4(a)、(b)に、固定子12の内部構造を図5(a)、(b)に示す。図4(a)、(b)および図5(a)、(b)において、カバー28で覆われた固定子12は、珪素鋼板を積層し、周方向に等しい間隔をおいて形成された複数のティース18を有する積層体19と、絶縁体20を介してティース18に巻装された1相の励磁巻線と2相の出力巻線とからなる巻線21とを有している。
ここで、1相の励磁巻線は、隣接するそれぞれのティース18に連続的に巻装されている。2相の出力巻線のうち、第1の出力巻線は、隣接するそれぞれのティース18に連続的に、かつティース18の中心線に対して励磁巻線の径方向外側に巻装されている。また、第2の出力巻線は、隣接するそれぞれのティース18に連続的に、かつティース18の中心線に対して第1の出力巻線の径方向外側に巻装されている。出力巻線と励磁巻線とは、温度によりそれぞれのインピーダンスが変化する。
出力巻線と励磁巻線とは、それぞれ同じティース18に巻装されているので、互いの温度は等しくなる。
レゾルバは、モータ4に設けられたレゾルバ検出部13と、回転角度検出手段と、温度検出手段とを有しており、回転角度検出手段は、レゾルバ検出部13の出力信号を用いて回転角度を検出し、温度検出手段は、同じくレゾルバ検出部13の出力信号を用いて温度を検出する。
また、モータ4は、ハウジング17にフレーム14を嵌合することによって構成されている。
モータコイル16に電力を供給するモータリード線22と、レゾルバ検出部13の出力信号を伝達するセンサリード線23とは、フレーム14に嵌着されたハウジング17に設けられたグロメット24を通じて外部に導出されている。
図6は、図1に示したモータ4とECU5との接続関係を詳細に示したブロック図である。
図6において、ECU5とレゾルバ検出部13とは、ECU5に接続された図示しない検出用電源を用いてレゾルバ検出部13の励磁巻線に励磁信号を印加する励磁信号線25と、出力信号をECU5に伝送する2本の出力信号線26とで互いに接続されている。ここで、励磁信号線25および出力信号線26は、図示しないコネクタを介して図2に示したセンサリード線23と接続されている。
また、モータ4には、ECU5に接続された図示しない駆動用電源を用いて3相交流電流を供給する3本の電力線27が接続されている。ここで、電力線27は、図示しないコネクタを介して図2に示したモータリード線22と接続されている。
なお、ECU5には、上記の検出用電源および駆動用電源に加え、さらに図示しない車両側のECUや各種センサが接続されている。
以下、上記構成の電動パワーステアリング装置2についての動作を説明する。
まず、励磁巻線には、検出用電源から、ECU5を介して例えば10(kHz)、5(Vpp)の正弦波である励磁信号Rが印加されている。励磁信号Rは、次式(1)のように表される。
R=E・sinωt・・・(1)
(ここで、Eは励磁電圧、ωは角速度、tは時間)
励磁信号Rにより励磁巻線に励磁電流が流れ、固定子12と回転子11との空隙部分に磁束が発生する。
ここで、シャフト6の回転により、シャフト6に取り付けられた回転子11が回転すると、固定子12と回転子11との間のギャップパーミアンスが変化し、出力巻線には、次式(2)、(3)に示す出力信号ScosおよびSsinが出力される。
Scos=K・E・sinωt・cosθ・・・(2)
Ssin=K・E・sinωt・sinθ・・・(3)
(ここで、Kは変圧比、Eは励磁電圧、ωは角速度、tは時間、θは電気角)
出力信号ScosおよびSsinは、センサリード線23から出力信号線26を介してECU5に出力される。出力信号ScosおよびSsinは、位相が90°ずれているため、回転角度を検出することができる。ECU5に設けられた回転角度検出手段は、次式(4)を用いて、回転角度θを検出する。
Figure 0004158174
また、温度検出手段は、同時に出力信号ScosおよびSsinの値を−1から1までの相対値に変更し、横軸を出力信号Scosの相対値とし、縦軸を出力信号Ssinの相対値としてプロットする。出力信号ScosおよびSsinは互いに単振動をしているので、図7に示す円形のリサージュ曲線(以下、「リサージュ円」と定義する)が得られる。このリサージュ円の半径rは、次式(5)で表される。
Figure 0004158174
ここで、出力巻線と励磁巻線とは、温度によりそれぞれのインピーダンスが変化するため、出力巻線から出力される出力信号は、出力巻線の温度Tによって変化する。そのため、リサージュ円は、出力巻線の温度Tに応じて半径rが変化する。出力巻線の温度Tとリサージュ円の半径rとの関係を図8に示す。温度検出手段は、図8に示した特性を温度特性テーブルとして予め記憶している。
また、出力巻線と励磁巻線とは、それぞれ同じティース18に巻装されているので、互いの温度は等しくなる。
温度検出手段は、式(5)を用いてリサージュ円の半径rを算出し、温度特性テーブルを参照して出力巻線の温度Tを検出する。
ここで、レゾルバ検出部13とモータ4とが共通のシャフト6を介して互いに接続され、シャフト6の熱伝導によりレゾルバ検出部13の出力巻線とモータ4との温度がほぼ等しくなっているので、ECU5は、出力巻線の温度Tをモータ4の温度と推定する。また、ECU5は、周囲の温度が高温になるエンジンルーム内に設置されたモータ4を熱的に保護するために、回転角度θと温度Tとに基づいて、モータ4に与える電流を制御する。
なお、上記の説明において温度検出手段は、ひとつの出力信号ScosおよびSsinの値を用いてリサージュ円の半径rを算出したが、出力信号ScosおよびSsinの値を電気角1周期分の範囲等で複数個サンプリングして半径rを求めることにより、半径rをより高精度に算出することができる。
この発明の実施の形態1に係るレゾルバによれば、温度によってインピーダンスが変化する出力巻線の出力信号ScosおよびSsinを用いて出力巻線の温度Tを検出するので、特別な部品を追加する必要がなく、コストダウンを図ることができる。
また、出力信号ScosおよびSsinを用いて回転角度の演算と同時に出力巻線の温度Tを検出することにより、データ処理の量が少なくなり、演算処理にかかる負荷を低減することができるので、安価なCPUを用いることができ、コストダウンを図ることができる。
また、温度検出手段をECU5に一体化したことにより、部品点数の減少とコストダウンとを図ることができる。
また、従来の電動パワーステアリング装置では、ECUの温度、モータの駆動電流、およびモータの駆動時間等からモータ温度を推定し、モータの電流制御を行っていたが、このレゾルバによれば、出力巻線の温度Tをモータ4の温度と推定することから、より正確な温度検出をすることができ、より適切な電流制御を行うことができる。
なお、上記実施の形態では、モータとしてブラシレスモータを例にして説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、直流モータ、交流モータを問わず、種々のモータに用いることができ、同様の効果を奏することができる。
また、上記実施の形態では、温度検出手段が図8に示した特性を温度特性テーブルとして記憶しているとして説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、温度検出手段は、図8に示した出力巻線の温度Tとリサージュ円の半径rとの関係を直線近似した式として記憶し、半径rとこの直線近似した式とに基づいて、温度Tを検出してもよい。
また、上記実施の形態では、出力巻線が2相である場合を例にして説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、出力巻線は3相以上巻装されていてもよい。
この発明の実施の形態1に係るレゾルバを含み、ハンドルの操舵力をアシストする電動パワーステアリング装置を、ハンドルとともに示す全体斜視図である。 この発明の実施の形態1に係るレゾルバを含んだ電動パワーステアリング装置の主要断面図である。 (a)は、図2の回転子を示す正面図であり、(b)は、図2の回転子を示す側面図である。 (a)は、図2の固定子の外形を示す正面図であり、(b)は、図2の固定子の外形を示す側面図である。 (a)は、図4の固定子の内部構造を示す正面図であり、(b)は、図4の固定子の内部構造を示す側面図である。 図1のモータとECUとの接続関係を詳細に示したブロック図である。 この発明の実施の形態1に係るレゾルバが取り付けられる電動パワーステアリング装置における出力信号をリサージュ曲線で示した説明図である。 この発明の実施の形態1に係るレゾルバが取り付けられる電動パワーステアリング装置におけるリサージュ円の半径と出力巻線の温度との関係を示す説明図である。
符号の説明
4 モータ、5 ECU(温度検出手段、制御手段)、11 回転子、12 固定子、13 レゾルバ検出部、21 巻線(励磁巻線、出力巻線)。

Claims (3)

  1. 電源により励磁される1相の励磁巻線、および磁束密度の変化を電圧として出力するn相の出力巻線を有する固定子と、
    前記固定子に対向して設けられ、回転に伴う前記固定子との間のギャップパーミアンスを、前記固定子と協同して変化させる回転子と、
    前記出力巻線および前記励磁巻線のインピーダンスから前記出力巻線、前記励磁巻線の温度を検出する温度検出手段と
    を備え
    前記nは2であり、前記励磁巻線を前記電源により励磁して励磁信号を生じさせた場合に、温度によって変化する前記インピーダンスに応じて前記出力巻線から出力される2相の出力信号ScosおよびSsinは、それぞれ次式(1)、(2)
    Scos=K・E・sinωt・cosθ・・・(1)
    Ssin=K・E・sinωt・sinθ・・・(2)
    (ここで、Kは変圧比、Eは前記励磁巻線に生じる励磁電圧、ωは前記励磁信号の角
    速度、tは時間、θは電気角)
    で表され、
    前記温度検出手段は、前記2相の出力信号ScosおよびSsinから得られる円形のリサージュ曲線における半径の値を用いて、前記出力巻線、前記励磁巻線の温度を検出することを特徴とするレゾルバ。
  2. モータのシャフトに取り付けられることを特徴とする請求項1に記載のレゾルバ。
  3. 前記温度検出手段は、前記モータの駆動を制御する制御手段と一体に設けられることを特徴とする請求項に記載のレゾルバ。
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