JP4227132B2

JP4227132B2 - レゾルバ

Info

Publication number: JP4227132B2
Application number: JP2005294771A
Authority: JP
Inventors: 悟阿久津; 晋介逸見; 修治礒野; 誠樹児玉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2025-10-07
Also published as: CN100423442C; KR100788598B1; DE102006010548A1; DE102006010548B4; US7183952B1; CN1945959A; JP2007101480A; KR20070039385A

Description

この発明は、電源により励磁される１相の励磁巻線、及び磁束密度の変化を電圧として出力する２相の出力巻線を有するレゾルバステータを備えたレゾルバに関するものである。

従来のレゾルバとして、２相を短絡した３相モータに所定の電流を流して３相モータを基準位置に停止させ、そのときの回転子の回転角をレゾルバにより検出し、回転子に対するレゾルバの基準位置を調整することで、レゾルバの角度検出誤差補正を行っていたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１２８４８４号公報

しかしながら、このレゾルバでは、回転子の基準位置において、レゾルバにより検出された回転子の回転角の誤差が０になるだけで、回転子の基準位置を除いた全回転角域での正確な回転角を検出できないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、検出全域において正確な角度検出が可能なレゾルバを提供することを目的とする。

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、及び磁束密度の変化を電圧として出力する２相の出力巻線を有するレゾルバステータと、このレゾルバステータの中心部に設けられ、回転に伴って、前記レゾルバステータとの間のギャップパーミアンスを前記レゾルバステータと協同して変化させるレゾルバロータと、前記２相の前記出力巻線のうち次式で得られる第１の出力巻線から出力される出力信号Ｓｃｏｓ、第２の出力巻線から出力される出力信号Ｓｓｉｎそれぞれの振幅から得られる円形のリサージュ波形におけるリサージュ半径の値を用いて、レゾルバの角度検出誤差を補正する検出誤差補正手段と
を備え、
Ｓｃｏｓ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓ（θ）
Ｓｓｉｎ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎ（θ）
（ここで、Ｋは変圧比、Ｅは前記電源により前記励磁巻線に生じる前記励磁電圧、ωは前記励磁巻線を前記電源により励磁して生じた励磁信号の角速度、ｔは時間、θは電気角である。）
前記角度検出誤差は、前記レゾルバの電気角３６０度当たり１周期の変化するＳＩＮ波形状で、角度検出誤差の正側の最大値の絶対値を誤差振幅Ａ、負側の最大値の絶対値を誤差振幅Ｂ、誤差が零となるレゾルバの回転角を誤差位相Ｃとしたとき、前記リサージュ半径の最高値ＭＡＸ、最低値ＭＩＮ、リサージュ半径の最小値の電気角θｍとして、次式で求められた前記誤差振幅Ａ、前記誤差振幅Ｂ、前記誤差位相Ｃの値からレゾルバの角度検出誤差を算出し、角度検出誤差の補正データとする。
誤差振幅Ａ＝２×ｓｉｎ ^−１｛（ＭＡＸ−ＭＩＮ）/(２×（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）)｝
誤差振幅Ｂ＝２×ｓｉｎ ^−１｛（ＭＡＸ−ＭＩＮ）/(２×（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）)｝
誤差位相Ｃ＝θｍ

この発明によるレゾルバによれば、検出全域において正確な角度検出が可能である。

以下、この発明の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の部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ１（以下、モータと略称する）を示す側断面図である。
図において、このモータ１は、電動パワーステアリング装置に組み込まれたモータであり、鉄板を絞り加工した有底円筒状のフレーム２と、フレーム２の開口部を覆って固定されたアルミニウムからなるハウジング３とを有している。
ハウジング３の中央部に形成された窓部４には、外輪部がコーキングされて固定されたフロントベアリング５が取り付けられている。
また、フレーム２の底部には、凹状のベアリングボックス６が設けられており、ベアリングボックス６には、リアベアリング７が圧入されている。
フロントベアリング５及びリアベアリング７は、磁性体である鉄からなるシャフト８をそれぞれ回転自在に支持している。

シャフト８の一端部には、磁界を発生させるマグネット９が取り付けられて構成された回転子１０が設けられている。マグネット９の外周面には、マグネット９を保護する図示しない保護チューブが被せられている。
フレーム２の内周面には、回転子１０の外周を囲った固定子１１が取り付けられている。
固定子１１は、珪素鋼板を積層して形成された固定子鉄心１２と、樹脂製の絶縁体１３と、絶縁体１３に巻装されたモータコイル１４とを有している。モータコイル１４は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルの３相コイルからなり、それぞれの各相コイルはスター結線されている。

ハウジング３の反回転子１０側で、シャフト８には、フロントベアリング５に当接したブッシュ１６が圧入されている。また、ハウジング３の反回転子１０側で、シャフト８の端部には、外部機構とスプライン結合されるボス１５が圧入されている。

ブッシュ１６とボス１５との間には、両端面がそれぞれブッシュ１６及びボス１５に当接したレゾルバロータ１８が設けられている。このレゾルバロータ１８は、図２及び図３に示すように、珪素鋼板を積層した楕円形状で構成され、シャフト８に圧入されている。

図４はレゾルバ本体２２の正面図、図５は図４の右側面図、図６は図４のレゾルバ本体２２からカバー１９を除いたときの図、図７は図６の右側面図である。
レゾルバロータ１８とともにレゾルバを構成するレゾルバ本体２２は、レゾルバロータ１８の外周を囲って設けられている。レゾルバ本体２２は、ハウジング３にねじ（図示せず）で固定されている。
レゾルバ本体２２は、レゾルバステータ２０と、レゾルバステータ２０の両側面を覆ったカバー１９と、信号線接続用のオス側コネクタ２３とを有している。
レゾルバステータ２０は、珪素鋼板が積層され、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２４を有する積層体２５と、絶縁体２６を介してティース２４に導線が巻装された１相の励磁巻線２７と、２相の第１の出力巻線２８ａ及び第２の出力巻線２８ｂとを有している。

１相の励磁巻線２７は、隣接するそれぞれのティース２４に連続的に全周に渡って導線が巻回されて構成されている。第１の出力巻線２８ａは、隣接したティース２４を飛び越えて一つおきに励磁巻線２７上に連続的に導線が巻回されて構成されている。第２の出力巻線２８ｂも隣接したティース２４を飛び越えて一つおきに励磁巻線２７上に連続的に導線が巻回されて構成されている。第１の出力巻線２８ａ及び第２の出力巻線２８ｂとは、互いに隣接した位置関係で積層体２５に巻装されている。

ハウジング３の引出孔５３に嵌着されたグロメット３２には、モータコイル１４に接続されて電力を供給するモータリード線２９Ｕ、２９Ｖ、２９Ｗが貫通している。また、グロメット３２には、メス側コネクタ３０を介してオス側コネクタ２３に接続され、回転子１０の回転角に関する信号を外部に伝送するセンサリード線３１が貫通している。

図８はモータ１とＥＣＵ５１（Electronic Control Unit）との接続関係を示す図であり、ＥＣＵ５１からの励磁信号Ｒは、センサリード線３１を通じてモータ１に送られ、モータ１のレゾルバの第１の出力巻線２８ａ、第２の出力巻線２８ｂからの出力信号Ｓｃｏｓ及びＳｓｉｎは、センサリード線３１を通じてＥＣＵ５１に送られる。また、モータ１にはＥＣＵ５１から駆動電流が３本のモータリード線２９Ｕ、２９Ｖ、２９Ｗを通じて供給される。
また、モータ１の駆動を制御するＥＣＵ５１には、入力された出力信号Ｓｃｏｓ及び出力信号Ｓｓｉｎに基づいて、レゾルバの角度検出誤差を算出し、この角度検出誤差の補正データを格納するとともに、この補正データに基づいてレゾルバの角度検出誤差を補正する検出誤差補正手段５２が内蔵されている。

以下、上記構成のモータ１についての動作を説明する。
レゾルバステータ２０の励磁巻線２７には、ＥＣＵ５１から１０ｋＨｚ、５Ｖｐｐの正弦波状の励磁信号Ｒである励磁電圧が印加される。励磁巻線２７に励磁電圧が印加されることにより、励磁巻線２７に励磁電流が流れ、レゾルバロータ１８とレゾルバステータ２０との空隙部分に磁束が発生する。
また、モータリード線２９Ｕ、２９Ｖ、２９Ｗからモータコイル１４に電力が供給され、モータコイル１４に３相交流電圧が印加される。モータコイル１４に３相交流電圧が印加されることにより、モータコイル１４に回転磁界が発生し、回転子１０が回転する。
回転子１０の回転とともに、レゾルバロータ１８も回転し、レゾルバロータ１８とレゾルバステータ２０との間のギャップパーミアンスが変化し、第１の出力巻線２８ａからの出力信号Ｓｃｏｓ、第２の出力巻線２８ｂからの出力信号Ｓｓｉｎのそれぞれの振幅、及び励磁信号Ｒに対する位相が変化する。
出力信号Ｓｃｏｓ、出力信号Ｓｓｉｎの振幅変化は位相が９０度ずれており、それぞれの出力信号Ｓｃｏｓ及び出力信号Ｓｓｉｎは、センサリード線３１を通じてＥＣＵ５１に送られる。
ＥＣＵ５１に入力された出力信号Ｓｃｏｓ及び出力信号Ｓｓｉｎは、予め補正データが格納された検出誤差補正手段５２で、補正データに基づいて補正され、正確な回転子１０の回転角が検出される。

次に、上記補正データの算出方法について説明する。
励磁信号Ｒは、次式（１）で示される。
Ｒ＝Ｅ・ｓｉｎωｔ・・・（１）
また、第１の出力巻線２８ａの出力信号Ｓｃｏｓ、第２の出力巻線２８ｂの出力信号Ｓｓｉｎは、次式（２）、（３）で示される。
Ｓｃｏｓ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓ（θ）・・・（２）
Ｓｓｉｎ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎ（θ）・・・（３）
なお、Ｅは励磁電圧、Ｋはレゾルバの変圧比、ωは励磁信号の角速度、ｔは時間、θはレゾルバの電気角である。
そして、レゾルバの電気角θは以下の式で求められる。
θ＝ｔａｎ^−１（Ｓｓｉｎ／Ｓｃｏｓ）・・・（４）
この際、出力信号Ｓｃｏｓ、出力信号Ｓｓｉｎは励磁信号Ｒと同じく１０ｋＨｚの正弦波で出力されているので、振幅値として検出し、出力の符号は励磁信号Ｒと出力信号Ｓｃｏｓ、Ｓｓｉｎとが同相の場合を正、逆相の場合を負として計算する。
このとき、角度計算に用いた出力信号Ｓｃｏｓを横軸、出力信号Ｓｓｉｎを縦軸にしてプロットすると、グラフは図９に示すような円形のリサージュ波形になる。このリサージュ波形の半径Ｒは以下の式で求められる。
Ｒ＝√（（Ｓｃｏｓ）^２＋（Ｓｓｉｎ）^２）・・・（５）

ところで、レゾルバの角度検出誤差は、一般に図１０に示す様にレゾルバの電気角３６０度当たり１周期の変化をするＳＩＮ波形状となる。
なお、レゾルバ電気角＝機械角×レゾルバ軸倍角で示される。ここで、レゾルバ軸倍角は、機械角３６０度当たりレゾルバの検出角度が何倍変化するかの値であり、通常はモータ１の電気角とレゾルバの電気角とを一致させるが、モータ電気角の１／２、１／４などの設定でも使用できる。

ここで、角度検出誤差の正側の最大値の絶対値を誤差振幅Ａ、負側の最大値の絶対値を誤差振幅Ｂ、誤差が零となるレゾルバの回転角を誤差位相Ｃとしたとき、角度検出誤差の誤差振幅Ａ、誤差振幅Ｂ、誤差位相Ｃは、リサージュ半径ＲのＭＡＸ、ＭＩＮ、半径ＲのＭＩＮ点の角度θｍから、下式により求められる。
誤差振幅Ａ＝２×ｓｉｎ^−１｛（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／(２×（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）)｝・・・（６）
誤差振幅Ｂ＝２×ｓｉｎ^−１｛（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／(２×（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）)｝・・・（７）
誤差位相Ｃ＝θｍ・・・（８）
上式（６）、（７）から分かるように、誤差振幅Ａと誤差振幅Ｂの値は、通常同じ値になる。
ここで、θｍの値は、半径ＲのＭＩＮ点のＳｓｉｎ、Ｓｃｏｓの値から（４）式により求めればよい。

図１１は誤差振幅Ａ、誤差振幅Ｂの値の算出説明図である。
理論上の中心点は、ＣＯＳ出力、ＳＩＮ出力が０の点であり、角度検出は、この理論上の中心点を基準にして行われるため、実際のリサージュの中心がずれていると、検出誤差が生じることになる。
図１１において、リサージュ波形の中心点は、理論上の中心点から左下に（ＭＡＸ−ＭＩＮ）/２だけずれている。なお、ＭＡＸ、ＭＩＮの値は理論上の中心点からの距離である。
ＭＩＮ点及びＭＡＸ点では誤差は生じず、誤差最大点は、二等辺三角形の頂角になるので、その頂角が誤差振幅Ａ、Ｂに該当する。即ち、誤差振幅Ａ、Ｂは、２×ｓｉｎ^−１｛（（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／４）/(（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）/２)｝＝２×ｓｉｎ^−１｛（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／(２×（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）)｝となる。

上式により得られた、誤差振幅Ａ、誤差振幅Ｂ、誤差位相Ｃの値から、図１２に示した補正データが作成される。

以上説明したように、このレゾルバによれば、検出誤差補正手段５２を備えたことで、検出全域において回転子１０の回転角を正確に検出することができる。
従って、レゾルバの角度検出誤差があると、回転子１０の位置に応じた正しい電流を流すことができず、モータのトルクリップルが大きくなってしまうことが生じるが、このものの場合、角度検出誤差を小さくすることができ、トルクリップルが小さいなり、快適な操舵性が得られる。
また、この検出誤差補正手段５２は、モータ１を駆動制御するＥＣＵ５１に組み込まれており、補正データを得るために角度基準を備えた外部機器を必要とする、例えば特開平７−３１８３６９号公報に記載されたものと比較して、低コストで済む。

なお、補正データは、複数回のリサージュ半径ＲのＭＡＸ値、ＭＩＮ値のそれぞれの平均値から求めてもよいし、１回のデータから求めてもよい。
また、用途により、補正データは周囲温度毎に複数用意してもよいし、代表的な温度のみのデータでもよい。

この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータを示す側断面図である。図１のレゾルバロータの正面図である。図３の側面図である。図１に示されたレゾルバのレゾルバ本体の正面図である。図４の側面図である。図４のレゾルバ本体の内部を示す正面図である。図６の側面図である。図１のモータとＥＣＵとの関係を示す図である。リサージュ波形図である。検出誤差補正手段により補正される前の、回転子の回転角と検出誤差との関係を示す図である。レゾルバの誤差振幅の算出式を算出する説明図である。検出誤差補正手段で算出され、格納された、回転子の回転角と補正されるべき誤差との関係を示す図である。

符号の説明

１ブラシレスモータ、８シャフト、１０回転子、１８レゾルバロータ、２７励磁巻線、２８ａ第１の出力巻線、２８ｂ第２の出力巻線、５１ＥＣＵ、５２検出誤差補正手段。

Claims

電源により励磁される１相の励磁巻線、及び磁束密度の変化を電圧として出力する２相の出力巻線を有するレゾルバステータと、
このレゾルバステータの中心部に設けられ、回転に伴って、前記レゾルバステータとの間のギャップパーミアンスを前記レゾルバステータと協同して変化させるレゾルバロータと、
前記２相の前記出力巻線のうち次式で得られる第１の出力巻線から出力される出力信号Ｓｃｏｓ、第２の出力巻線から出力される出力信号Ｓｓｉｎそれぞれの振幅から得られる円形のリサージュ波形におけるリサージュ半径の値を用いて、レゾルバの角度検出誤差を補正する検出誤差補正手段と
を備え、
Ｓｃｏｓ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓ（θ）
Ｓｓｉｎ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎ（θ）
（ここで、Ｋは変圧比、Ｅは前記電源により前記励磁巻線に生じる前記励磁電圧、ωは前記励磁巻線を前記電源により励磁して生じた励磁信号の角速度、ｔは時間、θは電気角である。）
前記角度検出誤差は、前記レゾルバの電気角３６０度当たり１周期の変化するＳＩＮ波形状で、角度検出誤差の正側の最大値の絶対値を誤差振幅Ａ、負側の最大値の絶対値を誤差振幅Ｂ、誤差が零となるレゾルバの回転角を誤差位相Ｃとしたとき、前記リサージュ半径の最高値ＭＡＸ、最低値ＭＩＮ、リサージュ半径の最小値の電気角θｍとして、次式で求められた前記誤差振幅Ａ、前記誤差振幅Ｂ、前記誤差位相Ｃの値からレゾルバの角度検出誤差を算出し、角度検出誤差の補正データとすることを特徴とするレゾルバ。
誤差振幅Ａ＝２×ｓｉｎ^−１｛（ＭＡＸ−ＭＩＮ）/(２×（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）)｝
誤差振幅Ｂ＝２×ｓｉｎ^−１｛（ＭＡＸ−ＭＩＮ）/(２×（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）)｝
誤差位相Ｃ＝θｍ
前記レゾルバロータは、電動パワーステアリング装置に組み込まれたモータのシャフトの端部に圧入されることを特徴とする請求項１に記載のレゾルバ。
前記検出誤差補正手段は、前記モータの駆動を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）に設けられ、ＥＣＵに入力された前記出力信号Ｓｃｏｓ及び前記出力信号Ｓｓｉｎに基づいて、前記レゾルバの前記角度検出誤差を算出し、この角度検出誤差の補正データを格納するとともに、この補正データに基づいて前記レゾルバの角度検出誤差を補正することを特徴とする請求項２に記載のレゾルバ。