JP4237197B2

JP4237197B2 - 回転角度検出装置

Info

Publication number: JP4237197B2
Application number: JP2006122089A
Authority: JP
Inventors: 和道堤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: JP2007292653A

Description

この発明は、例えばモータの回転子の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

従来のレゾルバ信号処理装置は、レゾルバに参照信号を供給し、参照信号が回転器の回転角度に応じて振幅変調されたレゾルバ出力信号（回転角度信号）を処理する装置であって、参照信号生成手段と、サンプリング起動信号生成手段と、検波手段と、回転角決定手段（回転角度算出手段）とを有している。
参照信号生成手段は、クロックに基づいて所定周期を有する参照信号を生成する。サンプリング起動信号生成手段は、参照信号の周期に基づく周期を有するサンプリング起動信号をクロックに同期して生成する。検波手段は、サンプリング起動信号に応じてレゾルバの出力信号をサンプリングし、出力信号から回転角度に応じた正弦信号と余弦信号とを検波する。回転角決定手段は、正弦信号と余弦信号とに基づいて回転角度を求める（例えば、特許文献１参照）。

上記従来装置において、まず、差動増幅器は、９０°の位相差をもってレゾルバに設けられた２つの２次巻線のそれぞれに生じる電圧を検出し、レゾルバ出力信号として出力する。続いて、検波手段のＡ／Ｄ変換器は、レゾルバ出力信号のピーク点をＡ／Ｄ変換して、回転角決定手段のＣＰＵに出力する。次に、ＣＰＵは、ピーク点のディジタル値を連ねた信号列から、正弦信号および余弦信号をそれぞれ求める。また、ＣＰＵは、正弦信号の正弦値を余弦信号の余弦値で除算して正接値を算出し、正接値の逆関数から回転角度を算出している。

特開２０００−５５６９５号公報

従来のレゾルバ信号処理装置では、レゾルバ、およびレゾルバの出力信号を検出する差動増幅器に含まれる様々な誤差（例えば、レゾルバのロータの偏心等）を除去していない。そのため、これらの誤差がＣＰＵで算出された回転角度の誤差となり、正確な回転角度を検出することが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ことを課題とするものであって、その目的は、誤差を含まず、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提供することにある。

この発明に係る回転角度検出装置は、回転器の回転子の回転角度を検出して回転角度信号を出力する回転角度センサと、回転角度信号に基づいて、回転子の回転角度を算出する回転角度算出手段と、回転角度の誤差に含まれる複数の高次正弦波成分のオフセット角度および振幅をあらかじめ記憶した記憶手段と、回転角度、オフセット角度、および振幅に基づいて、複数の高次正弦波成分を算出する高次正弦波成分算出手段と、回転角度から複数の高次正弦波成分を減算して補正回転角度を算出する回転角度補正手段とを備え、高次正弦波成分算出手段は、回転角度のデータをシフトして、複数の高次正弦波成分の周期角度を個別に抽出するシフト処理部と、周期角度にオフセット角度を加算して、複数の高次正弦波成分の位相角度を個別に算出するオフセット角度加算部と、位相角度に基づいて、複数の高次正弦波成分の基準正弦波を個別に生成する正弦波テーブルと、基準正弦波に振幅を乗算して複数の高次正弦波成分を個別に算出する係数乗算部とを含むものである。

この発明の回転角度検出装置によれば、回転角度算出手段は、回転角度センサから出力される回転角度信号に基づいて、回転子の回転角度を算出する。また、高次正弦波成分算出手段は、この回転角度と、記憶手段にあらかじめ記憶された高次正弦波成分のオフセット角度および振幅とに基づいて、回転角度の誤差に含まれる複数の高次正弦波成分を算出する。また、回転角度補正手段は、算出された回転角度からこの高次正弦波成分を減算して補正回転角度を算出する。
そのため、誤差を含まず、高精度に回転角度を検出することができる。

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、本実施の形態において、回転角度Ａ１の誤差には、３つの高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆが含まれているとする。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置を示すブロック図である。
図１において、回転角度検出装置は、レゾルバ（回転角度センサ）１と、励磁回路２と、差動増幅器３と、ＣＰＵ４と、ＥＥＰＲＯＭ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅａｎｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）（記憶手段）５と備えている。

レゾルバ１は、モータ（回転器）の回転子（図示せず）の回転角度を検出して回転角度信号を出力する。励磁回路２は、レゾルバ１の励磁コイル７（後述する）を交流電圧の励磁信号で励磁する。差動増幅器３は、レゾルバ１から出力される回転角度信号を検出して増幅する。
ＣＰＵ４は、差動増幅器３で増幅された回転角度信号に基づいて、回転子の回転角度Ａ１を算出するとともに、回転角度Ａ１の誤差に含まれる高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを除去して補正回転角度Ａ２を算出する。ＥＥＰＲＯＭ５は、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆに個別に対応したオフセット角度θ１〜θ３、および振幅Ｋ１〜Ｋ３をあらかじめ記憶している。
ここで、ＥＥＰＲＯＭ５に記憶されるオフセット角度θ１〜θ３、および振幅Ｋ１〜Ｋ３は、個々の回転角度検出装置毎に、回転角度Ａ１の誤差に含まれる高次正弦波成分を解析することによって検出され、事前に記憶されている。

図２は、図１のレゾルバ１を詳細に示す構成図である。
図２において、レゾルバ１は、モータの軸上に配設されたロータ６と、励磁回路２によって励磁される励磁コイル７と、回転子の回転角度の正弦を検出する正弦検出コイル８と、回転子の回転角度の余弦を検出する余弦検出コイル９とを有している。
ここで、正弦検出コイル８と余弦検出コイル９とは、互いに９０°の位相差をもって設けられている。

図３（ａ）〜（ｃ）は、図２のレゾルバ１の励磁信号、正弦の回転角度信号、余弦の回転角度信号をそれぞれ示す説明図である。
図３（ａ）〜（ｃ）において、横軸は、時間（回転子の０°から３６０°までの１周期間）を示し、縦軸は、各信号の振幅を示している。
励磁コイル７を図３（ａ）に示す交流電圧の励磁信号（例えば、１０ｋＨｚ程度の正弦波）で励磁することにより、正弦検出コイル８の出力端には、図３（ｂ）に示すように、回転子の回転角度の正弦で振幅変調された回転角度信号が出力される。また、余弦検出コイル９の出力端には、図３（ｃ）に示すように、回転子の回転角度の余弦で振幅変調された回転角度信号が出力される。

また、図１において、ＣＰＵ４は、回転角度算出部（回転角度算出手段）１０と、高次正弦波成分算出部（高次正弦波成分算出手段）１１と、回転角度補正部（回転角度補正手段）１２とを有している。
ここで、ＣＰＵ４を構成する各ブロックは、ソフトウェア処理によって実現されている。

回転角度算出部１０は、差動増幅器３で増幅された回転角度信号（正弦および余弦）に基づいて、回転子の回転角度Ａ１を算出する。高次正弦波成分算出部１１は、回転角度Ａ１と、ＥＥＰＲＯＭ５に記憶されたオフセット角度θ１〜θ３および振幅Ｋ１〜Ｋ３とに基づいて、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを算出する。回転角度補正部１２は、回転角度Ａ１から高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを減算して補正回転角度Ａ２を算出する。

回転角度算出部１０は、Ａ／Ｄ変換器１３と、正接算出部１４と、逆関数算出部１５とを含んでいる。
Ａ／Ｄ変換器１３は、差動増幅器３で増幅された回転角度信号のピーク点をＡ／Ｄ変換する。回転角度信号のピーク点のディジタル値を連ねることにより、上記図３（ｂ）および図３（ｃ）に太線で示す正弦信号および余弦信号が求められる。
正接算出部１４は、前述の従来装置と同様に、正弦信号の正弦値を余弦信号の余弦値で除算して正接値を算出する。逆関数算出部１５は、正接値の逆関数から回転子の回転角度Ａ１を算出する。

ここで、回転角度算出部１０で算出される回転角度Ａ１の誤差について説明する。
図４は、この発明の実施の形態１に係る回転角度Ａ１の一例を、理想角度とともに示す説明図である。
図４において、横軸は、回転子の０°から３６０°まで（１周期間）の実角度を示し、縦軸は、算出した回転角度を示している。また、実線は、回転角度Ａ１を示し、一点鎖線は、誤差を含まない理想角度を示している。上記実線と一点鎖線との差が回転角度Ａ１の誤差となる。

図５は、この発明の実施の形態１に係る回転角度Ａ１の誤差を示す説明図である。
図５において、横軸は、回転子の０°から３６０°まで（１周期間）の実角度を示し、縦軸は、回転角度Ａ１の誤差を示している。
ここで、図５に示す回転角度Ａ１の誤差を解析することにより、図６（ａ）〜（ｃ）に示す高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆが得られる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、この発明の実施の形態１に係る回転角度Ａ１の誤差に含まれる３つの高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆをそれぞれ示す説明図である。
図６（ａ）〜（ｃ）において、横軸は、回転子の０°から３６０°まで（１周期間）の実角度を示し、縦軸は、誤差を示している。

図６（ａ）に示す高次正弦波成分Ｓ１Ｆは、実角度の１周期中に１周期の正弦波を含み、一般的に１Ｆ成分と呼ばれている。また、図６（ａ）に示す高次正弦波成分Ｓ１Ｆの位相は、実角度の正弦と同一位相（オフセット角度θ１＝０°）になっている。また、高次正弦波成分Ｓ１Ｆの振幅Ｋ１は、１となっている。
図６（ｂ）に示す高次正弦波成分Ｓ２Ｆは、実角度の１周期中に２周期の正弦波を含み、一般的に２Ｆ成分と呼ばれている。また、図６（ｂ）に示す高次正弦波成分Ｓ２Ｆの位相は、実角度の正弦に対して１０°遅れており（オフセット角度θ２＝−１０°）、振幅Ｋ２は、０．５となっている。
図６（ｃ）に示す高次正弦波成分Ｓ３Ｆは、実角度の１周期中に４周期の正弦波を含み、一般的に４Ｆ成分と呼ばれている。また、図６（ｃ）に示す高次正弦波成分Ｓ３Ｆの位相は、実角度の正弦に対して１５°進んでおり（オフセット角度θ３＝１５°）、振幅Ｋ３は、０．３となっている。

図６（ａ）〜（ｃ）に示すそれぞれの高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆは、レゾルバ１あるいは差動増幅器３の誤差に起因している。
図６（ａ）に示す１Ｆ成分の誤差は、レゾルバ１のロータ６の軸の偏心によって生じる。また、図６（ｂ）に示す２Ｆ成分の誤差は、上記正弦の回転角度信号を増幅する差動増幅器３の増幅率と、上記余弦の回転角度信号を増幅する差動増幅器３の増幅率との差によって生じる。また、図６（ｃ）に示す４Ｆ成分の誤差は、ロータ６の周囲の形状誤差によって生じる。
図６（ａ）〜（ｃ）に示すそれぞれの高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを合成することにより、図５に示した回転角度Ａ１の誤差を得ることができる。

また、図１において、高次正弦波成分算出部１１は、シフト処理部１６と、オフセット角度加算部１７と、正弦波テーブル１８と、係数乗算部１９とを含んでいる。
シフト処理部１６は、回転角度Ａ１のデータをシフトして高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆの周期角度を個別に抽出する。周期角度は、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆが実角度の１周期中に何周期の正弦波を含んでいるかを示す値である。

ここで、シフト処理部１６について、図７および図８を用いて詳細に説明する。
図７は、この発明の実施の形態１に係る回転角度Ａ１のデータのビット構成を示す説明図である。ここで、回転角度Ａ１のデータ長は、１６ビットとする。
図８は、図７の回転角度Ａ１のデータの各領域について、値の変化を示す説明図である。
図８において、横軸は、回転角度Ａ１の０°から３６０°まで（１周期間）の角度を示し、縦軸は、回転角度Ａ１のデータの各領域における角度を示している。

図７において、下位２ビットを除外した上位１４ビット長のデータ（領域Ｒ１）の角度は、図８に示すように、回転角度Ａ１の１周期中に１回０°から３６０°まで変化する。すなわち、回転角度Ａ１の１周期中に１周期の変化が生じる。
また、図７において、上位１ビットと下位１ビットを除外した１４ビット長のデータ（領域Ｒ２）の角度は、図８に示すように、回転角度Ａ１の１周期中に２回０°から３６０°まで変化する。すなわち、回転角度Ａ１の１周期中に２周期の変化が生じる。
また、図７において、上位２ビットを除外した下位１４ビット長のデータ（領域Ｒ３）の角度は、図８に示すように、回転角度Ａ１の１周期中に４回０°から３６０°まで変化する。すなわち、回転角度Ａ１の１周期中に４周期の変化が生じる。
従って、回転角度Ａ１のデータをシフトして１４ビット長のデータを取り出すことにより、シフトするビット数に応じて、前述した１Ｆ、２Ｆ、４Ｆ成分を与える周期角度を抽出することができる。

また、図１において、オフセット角度加算部１７は、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆの周期角度に、個別に対応したオフセット角度θ１〜θ３（ＥＥＰＲＯＭ５に記憶されている）を加算して、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆの位相角度を個別に算出する。位相角度は、前述の図６（ａ）〜（ｃ）に示した高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆの横軸（角度軸）を決定する値である。

正弦波テーブル１８は、回転子の０°から３６０°までを１周期とし、振幅を１とする正弦波（基本正弦波）を有するテーブルである。正弦波テーブル１８に位相角度が入力されると、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆの基準正弦波を個別に生成して出力する。基準正弦波は、図６（ａ）〜（ｃ）に示した高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆに対応した位相を有し、振幅が１の正弦波である。
係数乗算部１９は、正弦波テーブル１８から出力された基準正弦波に、個別に対応した振幅Ｋ１〜Ｋ３（ＥＥＰＲＯＭ５に記憶されている）を乗算して、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを個別に算出する。

回転角度補正部１２は、減算器２０を有している。回転角度補正部１２は、回転角度算出部１０で算出された回転角度Ａ１から、高次正弦波成分算出部１１で算出された高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを減算して、補正回転角度Ａ２を算出する。

以下、図１〜図８とともに、この発明の実施の形態１による回転角度検出装置の動作について説明する。
まず、レゾルバ１は、モータの回転子の回転角度を検出して、回転角度信号（正弦および余弦）を出力する。
続いて、回転角度算出部１０は、回転角度信号（正弦および余弦）に基づいて、回転子の回転角度Ａ１を算出する。

次に、高次正弦波成分算出部１１は、回転角度算出部１０で算出された回転角度Ａ１と、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆに個別に対応したオフセット角度θ１〜θ３および振幅Ｋ１〜Ｋ３（ＥＥＰＲＯＭ５に記憶されている）とに基づいて、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを算出する。
続いて、回転角度補正部１２は、回転角度算出部１０で算出された回転角度Ａ１から、高次正弦波成分算出部１１で算出された高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを減算して、補正回転角度Ａ２を算出する。

この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置によれば、回転角度算出部１０は、レゾルバ１から出力される回転角度信号に基づいて、回転子の回転角度Ａ１を算出する。また、高次正弦波成分算出部１１は、回転角度Ａ１と、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆに個別に対応したオフセット角度θ１〜θ３および振幅Ｋ１〜Ｋ３とに基づいて、回転角度Ａ１の誤差に含まれる高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを算出する。また、回転角度補正部１２は、回転角度Ａ１から高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを減算して補正回転角度Ａ２を算出する。
そのため、誤差を含まず、高精度に回転角度を検出することができる。

また、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆに個別に対応したオフセット角度θ１〜θ３、および振幅Ｋ１〜Ｋ３を、ＥＥＰＲＯＭ５にあらかじめ記憶することにより、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３ＦをＥＥＰＲＯＭ５に記憶させる場合と比較して、記憶容量を削減することができる。

また、位相角度を正弦波テーブル１８に入力し、正弦波テーブル１８から出力された基準正弦波に振幅Ｋ１〜Ｋ３乗算して、高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆを算出するので、算出処理を簡略化することができる。

なお、上記実施の形態１による回転角度検出装置は、回転角度センサとしてレゾルバ１を備えているが、これに限定されることはない。
回転角度検出装置は、正弦の回転角度信号、および余弦の回転角度信号を出力する回転角度センサを有していればよい。
この場合も、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

また、上記実施の形態１に係る回転角度Ａ１の誤差には、３つの高次正弦波成分Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆが含まれているが、これに限定されることはない。回転角度Ａ１の誤差には、前述した１Ｆ、２Ｆ、４Ｆ成分以外にも、例えばロータ６の形状誤差等によって、さらに高次の正弦波成分が含まれる場合がある。
ここで、何れの高次正弦波成分もロータ６の回転に同期しており、実角度の１周期中に整数個の正弦波を含んでいる。
すなわち、実角度に対する正弦波（基本正弦波）をもとにして、この正弦波の周波数を整数倍するとともに、所定のオフセット角度を加算して、さらにこの正弦波の振幅に所定の係数を乗じることにより、それぞれの高次正弦波成分を求めることができる。
この場合も、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置を示すブロック図である。図１のレゾルバを詳細に示す構成図である。（ａ）〜（ｃ）は、図２のレゾルバの励磁信号、正弦の回転角度信号、余弦の回転角度信号をそれぞれ示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る回転角度の一例を、理想角度とともに示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る回転角度の誤差を示す説明図である。（ａ）〜（ｃ）は、この発明の実施の形態１に係る回転角度の誤差に含まれる３つの高次正弦波成分をそれぞれ示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る回転角度のデータのビット構成を示す説明図である。図７の回転角度のデータの各領域について、値の変化を示す説明図である。

符号の説明

１レゾルバ（回転角度センサ）、３差動増幅器、４ＣＰＵ、５ＥＥＰＲＯＭ（記憶手段）、１０回転角度算出部（回転角度算出手段）、１１高次正弦波成分算出部（高次正弦波成分算出手段）、１２回転角度補正部（回転角度補正手段）、１６シフト処理部、１７オフセット角度加算部、１８正弦波テーブル、１９係数乗算部、Ａ１回転角度、Ａ２補正回転角度、Ｋ１〜Ｋ３振幅、θ１〜θ３オフセット角度、Ｓ１Ｆ〜Ｓ３Ｆ高次正弦波成分。

Claims

回転器の回転子の回転角度を検出して回転角度信号を出力する回転角度センサと、
前記回転角度信号に基づいて、前記回転子の回転角度を算出する回転角度算出手段と、
前記回転角度の誤差に含まれる複数の高次正弦波成分のオフセット角度および振幅をあらかじめ記憶した記憶手段と、
前記回転角度、前記オフセット角度、および前記振幅に基づいて、前記複数の高次正弦波成分を算出する高次正弦波成分算出手段と、
前記回転角度から前記複数の高次正弦波成分を減算して補正回転角度を算出する回転角度補正手段と
を備え、
前記高次正弦波成分算出手段は、
前記回転角度のデータをシフトして、前記複数の高次正弦波成分の周期角度を個別に抽出するシフト処理部と、
前記周期角度に前記オフセット角度を加算して、前記複数の高次正弦波成分の位相角度を個別に算出するオフセット角度加算部と、
前記位相角度に基づいて、前記複数の高次正弦波成分の基準正弦波を個別に生成する正弦波テーブルと、
前記基準正弦波に前記振幅を乗算して前記複数の高次正弦波成分を個別に算出する係数乗算部と
を含むことを特徴とする回転角度検出装置。