JP4916556B2 - 回転角度検出装置、回転電機装置および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

回転角度検出装置、回転電機装置および電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Description

この発明は、レゾルバなどの回転角度検出装置、それを具備した回転電機装置および電動パワーステアリング装置に関するものである。詳しくは、出力信号に含まれる直流成分や高調波成分の影響を除去して角度誤差を低減し、角度検出の精度を向上することのできる回転角度検出装置、それを具備した回転電機装置および電動パワーステアリング装置に関するものである。
車両用モータの回転角度検出の用途などには、光学式エンコーダと比べて安価で耐環境性に優れたレゾルバが一般に用いられている。レゾルバの製造ばらつきなどが原因で、出力信号には高調波成分が含まれ、歪んだ波形となっている場合がある。歪みを含んだ出力信号から角度検出を行なうと、角度誤差が発生し、回転角度検出の精度が低下する。このような課題に対して、歪みを含む出力信号をディジタル的に処理し、歪みを除去するようにした信号校正装置が、例えば特許文献1で提案されている。
特開平4−96131号公報
特許文献1の信号校正装置にあっては、第2高調波の大きさが分かるものの、その位相を考慮できていないという問題点があり、第2高調波の影響を完全に除去できないことがあった。また、特許文献1の信号校正装置では、ゼロ点パラメータの補正と第2高調波の補正を別々の手段で行なっているため、構造が複雑となってしまうという課題があった。
この発明は、上記のような問題点を改善するためになされたものであり、第2高調波の位相をも考慮して角度誤差を低減できる回転角度検出装置、それを具備した回転電機装置および電動パワーステアリング装置を提案するものである。
この発明に係る回転角度検出装置は、軸倍角がN(Nは正の整数)であり、互いに位相のずれた正弦波状の2相の出力信号を用いて回転角度を表わす回転角度信号を出力する回転角度検出装置であって、前記2相の出力信号をそれぞれEsin、Ecosとしたとき、Esin、Ecosの直流成分、およびEsin、EcosのN次成分を基本波成分としたときの第2高調波成分の振幅と位相に依存して発生する、機械角360度周期の角度誤差を一次としたときの角度誤差N次成分を打ち消す手段として、前記回転角度に対して一定となる補正量を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段を有することを特徴とする。
また、この発明に係る回転電機装置は、前記回転角度検出装置を含む回転電機装置であって、回転電機と、この回転電機と一体に組合されたコントローラを備え、前記コントローラは、前記補正手段と記憶装置を有し、前記回転電機を駆動制御し、前記補正手段が、前記2相の出力信号Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正量は、前記コントローラと前記回転電機を組合わせた状態で測定された前記出力信号Esin、Ecosに基づいて演算され、前記記憶装置は、前記補正量を記憶することを特徴とする。
また、この発明に係る電動パワーステアリング装置は、回転電機と、この回転電機の回転子の回転角度を表わす回転角度信号を発生する回転角度検出装置と、前記回転電機を駆動制御するコントローラとを備え、前記回転電機の回転子を車両のステアリングホイールに結合した車両用の電動パワーステアリング装置であって、前記回転角度検出装置は、軸倍角がN(Nは正の整数)であり、互いに位相のずれた正弦波状の2相の出力信号を用いて前記回転子の回転角度を表わす回転角度信号を出力する信号処理ユニットを有し、
この信号処理ユニットは、前記2相の出力信号をEsin、Ecosとしたとき、
機械角360度周期の角度誤差を1次としたとしたときの角度誤差N次成分を打ち消す手段として、前記回転子の回転角度に対して一定となる補正量を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段を有し、
前記補正量は、前記2相の出力信号Esin、Ecosの直流成分、および前記2相の出力信号Esin、EcosのN次成分を基本波成分としたときの第2高調波成分の振幅と位相から決定され、前記コントローラは記憶装置を有し、前記記憶装置は、前記補正量を記憶することを特徴とする。
この発明に係る回転角度検出装置によれば、機械角360度周期の角度誤差を一次としたときの角度誤差N次成分を大幅に低減し、角度検出の精度を大幅に向上できる。また、回転角度に対して一定となる補正量をEsin、Ecosの少なくとも一方に加えるだけで、直流成分、およびEsin、EcosのN次成分を基本波成分としたときの第2高調波成分の振幅と位相を考慮してその影響を除去できるので、出力信号の第2高調波成分の補正を行なう従来技術と比べて、装置の構成が簡単となるという効果も奏する。
また、この発明に係る回転電機装置によれば、2相の出力信号に角度誤差が生じても、出力信号Esin、Ecosの少なくとも一方に補正量を加えることができるので、角度誤差N次成分を十分に低減することができ、結果として、回転電機のトルク脈動を低減し、低振動、低騒音の回転電機装置を得ることができる。
また、この発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、複数の要因によって発生する角度誤差を、簡単な構成により大幅に低減することが可能となる。また、回転角度検出装置の角度誤差が大幅に低減できるので、回転電機のトルク脈動が小さくなり、良好な操舵感覚を得ることができる。記憶装置には補正量を記憶するだけでよいので、従来技術と比べて必要な記憶容量が小さくてすむという効果もある。
図1は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態1で信号発生装置として使用されるレゾルバの断面図である。 図2は、実施の形態1で使用されるレゾルバの巻線の説明図である。 図3は、実施の形態1で使用されるレゾルバの励磁巻線と出力巻線の電圧波形と電圧波形から得られる信号波形を示す説明図である。 図4は、実施の形態1で使用されるレゾルバの信号波形の説明図である。 図5は、実施の形態1で使用されるレゾルバの信号波形の周波数分析結果を示す説明図である。 図6は、実施の形態1によるレゾルバ信号のリサージュ波形の説明図である。 図7は、実施の形態1によるレゾルバ信号のリサージュ波形の説明図である。 図8は、実施の形態1によるレゾルバ信号のリサージュ波形の説明図である。 図9は、実施の形態1による角度誤差をベクトル量として捉え振幅と位相に応じてプロットした図である。 図10は、実施の形態1によるレゾルバ信号のリサージュ波形の中心移動についての説明図である。 図11は、従来例による角度誤差波形についての説明図である。 図12は、実施の形態1による角度誤差波形についての説明図である。 図13は、実施の形態1による角度誤差波形の周波数分析結果を示す説明図である。 図14は、実施の形態1における信号処理ユニットを示すブロック図である。 図15は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態2で信号発生装置として使用される磁気式センサの斜視図である。 図16は、実施の形態2で使用される磁気式センサの出力信号の波形の説明図である。 図17は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態3における信号処理ユニットを示すブロック図である。 図18は、実施の形態1〜3による角度誤差低減効果を示す説明図である。 図19は、この発明による回転電機装置の実施の形態4の構成図である。 図20は、実施の形態4における回転電機の断面図である。 図21は、この発明による電動パワーステアリング装置の実施の形態5の構成図である。
次に、この発明による回転角度検出装置、回転電機装置、および電動パワーステアリング装置のいくつかの実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
この発明による回転角度検出装置の実施の形態1は、回転角度検出装置100であり、信号発生装置200と信号処理ユニット300とを組み合わせて構成される。信号発生装置200には、レゾルバまたは磁気式センサが使用されるが、実施の形態1では、レゾルバ210が使用される。この実施の形態1の回転角度検出装置100は、レゾルバ210を使用して角度誤差を低減するように構成される。まず、信号発生装置200として使用されるレゾルバ210について説明し、その後で、信号処理ユニット300について説明する。
図1は、実施の形態1の回転角度検出装置100で、信号発生装置200として使用されるレゾルバ210を示す断面図である。このレゾルバ210は、具体的には、バリアブルリラクタンス型のレゾルバである。レゾルバ210は、ステータ1と、ロータ2を有する。ステータ1は筒状に構成され、その内周には、複数の磁極1aが、互いに等しい角度間隔で形成され、各磁極1aには、それぞれ巻線3が配置される。ロータ2は、各磁極1aと対向するように、ステータ1の内周に配置され、回転軸2aに取り付けられる。図1は、回転軸2aに垂直な平面における断面図であり、巻線3に対するインシュレータや巻線3の結線部、コネクタなどの詳細は省略している。
各磁極1aに配置された巻線3は、それぞれ励磁巻線3aと、第1出力巻線3bと、第2出力巻線3cで構成されている。各磁極1aに配置された励磁巻線3a、第1出力巻線3b、および第2出力巻線3cの接続態様には各種の接続態様があるが、例えば、各磁極1aに配置された励磁巻線3aは互いに直列に接続され、各磁極1aに配置された第1出力巻線3aも互いに直列に接続され、また、各磁極1aに配置された第2出力巻線3bも互いに直列に接続される。ロータ2はステータ1の各磁極1aとのギャップパーミアンスが、ロータ2の回転角度によって変動するような形状となっている。図1では、機械角で360度の回転範囲において、ギャップパーミアンスが4回脈動するような形状にロータ2が形成され、4Xレゾルバ、すなわち軸倍角N=4のレゾルバとして動作する。
図2は、レゾルバ210の巻線3の説明図である。励磁巻線3aには励磁電源4が接続されており、交流電圧が印加され、励磁電流が流れる。励磁電源4の励磁電圧の周波数は、例えば10(kHz)である。第1出力巻線3bと第2出力巻線3cは、互いに電気角90度の位相差を成すように、巻数や配置が決定されている。図2は模式図であり、レゾルバ210の巻線構造についての理解を助けるために、第1出力巻線3bと第2出力巻線3cを、互いに直交する方向に配置して示している。第1出力巻線3bと第2出力巻線3cが互いに電気角90度の位相差となっているので、それらの出力電圧E1、E2はSINとCOSの関係となる。以下、第1出力巻線3bの出力電圧E1をSIN、第2出力巻線3cの出力電圧E2をCOSに対応させるものとする。ロータ2が回転すると、第1出力巻線3bと第2出力巻線3cには、ロータ2の回転角度に応じた振幅の出力電圧E1、E2が現れることになる。
図3は、励磁巻線3aと出力巻線3b、3cで発生される出力電圧E1、E2を表わす出力電圧波形および出力巻線3b、3cの出力電圧波形から抽出される出力信号波形を示す説明図であり、レゾルバ210のロータ2がある一定速度で回転しているときに測定した出力電圧波形および出力信号波形である。図3(a)は、励磁巻線3aの励磁電圧波形5を示す。図3(b)は、第1出力巻線3bで発生される出力電圧E1を表わす出力電圧波形6と、この出力電圧波形6から抽出される出力信号波形7を示す。図3(c)は、第2出力巻線3cで発生される出力電圧E2を表わす出力電圧波形8と、この出力電圧波形8から抽出される出力信号波形9を示す。図3(a)(b)(c)の横軸は、ロータ2の回転角度であり、レゾルバ210の電気角で示している。なお、レゾルバ210の電気角と機械角の関係は、軸倍角をN(Nは正の整数)とすると、
(電気角)=(軸倍角N)×(機械角)
の関係となる。
図3(a)に示した励磁電圧波形5は、励磁電源4から一定の振幅の交流電圧が印加されるので、ロータ2の回転角度によって振幅の変化しない波形となっている。図3(b)に示した出力電圧波形6は、励磁電圧波形5により第1出力巻線3bに誘導される誘導電圧波形であり、出力信号波形7は、出力電圧波形6と励磁電圧波形5の周波数に同期させて、出力電圧波形6のピーク値を検出した信号波形である。出力信号波形7は、ちょうど出力電圧波形6の包絡線を抽出した波形となっている。出力信号波形7は、レゾルバ210のSIN信号に対応する。図3(c)に示した出力電圧波形8は、励磁電圧波形5により第2出力巻線3cに誘導される誘導電圧波形であり、出力信号波形9は、出力電圧波形8と励磁電圧波形5の周波数に同期させて、出力電圧波形8のピーク値を検出した信号波形である。出力信号波形9は、レゾルバ210のCOS信号に対応する。出力信号波形7、9は、信号処理手段300に含まれる図14、図17の信号抽出手段15により、出力電圧E1、E2を表わす出力電圧波形6、8から抽出される。
なお、ここでは、出力信号波形7、9は、出力電圧波形6、8のピーク値を検出するとしたが、これに限らない。ノイズ対策のため時間間隔を置いた複数の検出点から推定した値としてもよいし、出力電圧波形が台形波となるようにして、そのピーク値を検出するなどしてもよい。この出力信号波形7、9、すなわちレゾルバ210のSIN信号とCOS信号から回転角度を検出することができ、これは、例えば、SIN信号とCOS信号の逆正接を求めることで実現できる。
次に、出力電圧E1、E2を表わす出力信号波形7、9の具体例として、レゾルバ210を4Xレゾルバとして構成した場合の出力信号波形を図4に示す。図4は、レゾルバ210を4Xレゾルバとした場合の出力巻線3b、3cの出力信号波形であり、横軸はレゾルバ210のロータ2の回転角度を機械角で表わす。第1出力巻線3bの出力電圧波形6から得たSIN信号に対応する出力信号波形7aと、第2出力巻線3cの出力電圧波形8から得たCOS信号に対応する出力信号波形9aは、ともに正弦波状の波形となっていて、機械角360度の範囲で、軸倍角Nと一致する回数(この例では4回)だけ脈動している。また、これらの出力信号波形7aと出力信号波形9aは、互いに位相がずれており、その位相差は、機械角22.5度、すなわちレゾルバ210の電気角で、
4×22.5=90度
である。
理想的なレゾルバであれば、これらの出力信号波形7aと出力信号波形9aは、高調波成分を含まない正弦波となっているが、実機では、波形が歪み、この波形の歪みが、角度誤差の原因となることがある。図4のSIN信号に対応する出力信号波形7aと、COS信号に対応する出力信号波形9aを周波数分析した結果を図5に示す。レゾルバ210が4Xレゾルバであるので、4次成分が基本波成分となっているが、その他の次数成分が見られる。ここでは、4次成分以外の大きな成分として、0次成分(直流成分)と8次成分(2N次成分)に着目する。4次成分が基本波成分であるので、8次成分は、2N次成分であり、基本波に対する第2高調波成分である。
軸倍角Nのレゾルバ210から出力される出力信号波形7または7a、9または9aに対応する2相の出力信号をEsin、Ecosとし、その基本波成分であるN次成分の振幅で規格化すると、ロータ2の回転角度θの関数で表わした出力信号Esin(θ)、Ecos(θ)は、理想的には、
Esin(θ)=sinNθ (1)
Ecos(θ)=cosNθ (2)
と表わすことができる。式(1)(2)において、Nは軸倍角である。
2相の出力信号Esin、Ecosが、基本波成分と0次成分(直流成分)を含む出力信号E'sin、E'cosである場合、ロータ2の回転角度θの関数で表わした出力信号E'sin(θ)、E'cos(θ)は、
E'sin(θ)=sinNθ+es (3)
E'cos(θ)=cosNθ+ec (4)
と表わすことができる。式(3)(4)の出力信号E'sin、E'cosは、基本波成分(4次成分)と0次成分以外の成分は、含まないとしている。この式(3)(4)において、es、ecは一定の値であり、任意の実数である。この出力信号E'sin、E'cosが、0次成分を含むときには、機械角360度周期を1次とした角度誤差N次成分が発生する。この角度誤差N次成分をレゾルバ210の電気角でε(rad)とすると、式(1)(2)(3)(4)から、角度誤差N次成分εは、次の式(5)と近似することができる。
Figure 0004916556
ただし、式(5)のξについて、cosξ、sinξは次の式(6)とした。
Figure 0004916556
一方、2相の出力信号Esin、Ecosが、基本波成分と2N次成分(第2高調波成分)を含む出力信号E''sin,E''cosである場合、ロータ2の回転角度θの関数で表わした出力信号E''sin(θ)、E''cos(θ)は、2N次成分の振幅をes2N、ec2Nとし、その位相をα2N、β2Nとすると、
E''sin(θ)=sinNθ+es2N×sin(2Nθ+α2N) (7)
E''cos(θ)=cosNθ+ec2N×sin(2Nθ+β2N) (8)
で表わすことできる。式(7)(8)の出力信号E''sin、E''cosは、基本波成分(4次成分)と2N次成分(第2高調波成分)以外の成分は、含まないとしている。このとき、角度誤差としては一般にN次成分と3N次成分が発生するが、角度誤差N次成分は、式(1)、(2)、(7)、(8)から近似的に、次の式(9)と書くことができる。
Figure 0004916556
ただし、式(9)において、ζは位相であり、振幅es2N、ec2N、位相α2N、β2Nによって決まる値である。このように、レゾルバ210の角度誤差N次成分の原因としては、出力信号Esin、Ecosに含まれる0次成分(直流成分)と2N次成分(第2高調波成分)がある。
図6は、レゾルバ210の第1出力巻線3bから抽出したSIN信号、すなわち出力信号Esinを縦軸に、その第2出力巻線3cから抽出したCOS信号、すなわち出力信号Ecosを横軸に描いたリサージュ波形である。式(3)(4)のように、出力信号Esin、Ecosが、0次成分(直流成分)を含む出力信号E'sin、E'cosである場合には、図6に示すリサージュ波形10aとなる。このリサージュ波形10aでは、中心ずれが発生する。図6に示すリサージュ波形10aの中心は、原点からずれており、リサージュ中心11aの位置にずれている。このようなリサージュ波形10aから回転角度を求めると、角度誤差として式(5)で示したように、機械角360度周期の角度誤差を1次としたときに、角度誤差N次成分が含まれる。
次に、式(7)(8)のように、出力信号Esin、Ecosが、2N次成分(第2高調波成分)を含む出力信号E''sin、E''cosである場合には、図7に示すリサージュ波形10bとなる。図7の縦軸は、図6と同様に、レゾルバ210の第1出力巻線3bから抽出したSIN信号、すなわち出力信号Esinであり、その横軸は、レゾルバ210の第2出力巻線3cから抽出したCOS信号、すなわち出力信号Ecosである。リサージュ波形10bが、円形から歪んだ波形となっていることがわかる。ただし、出力信号E''sin、E''cosに0次成分がないため、リサージュ波形10bの中心11bは原点に一致している。このようなリサージュ波形10bから回転角度を求めると、角度誤差として式(9)で示したように、機械角360度周期の角度誤差を1次としたときに、角度誤差N次成分が含まれることになる。
さらに、出力信号Esin、Ecosが、0次成分(直流成分)と2N次成分(第2高調波成分)の両方を含む場合には、図8に示すリサージュ波10cとなる。この図8では、出力信号Esin、Ecosが、基本波成分と0次成分(直流成分)と2N次成分(第2高調波成分)を含み、それら以外の成分は含まないとしている。図8のリサージュ波形10cは、円形ではなく歪んでおり、リサージュ波形10cの中心11cは原点からずれている。このようなリサージュ波形10cから回転角度を求めると、式(5)で示した角度誤差N次成分に加えて、式(9)で示した角度誤差N次成分を合成した角度誤差となる。実機においては、中心ずれがまったくなかったり、また2N次成分(第2高調波)がまったくないという状態はほとんどなく、程度の差はあれ、図8のようなリサージュ波形11cとなるのが通常である。したがって、中心ずれを補正して原点に移動するだけでは、角度誤差を低減できないと考えられる。
また、特許文献1の第1図、第2図によると、ゼロ点パラメータ算出手段、第二高調波誤差補正用パラメータ算出手段が別々に設けられ、さらに正規化手段と第二高調波除去手段が別々に設けられていて構成が複雑となっているという課題がある。また、第二高調波の大きさが分かるものの、その位相を考慮できていないという問題点があり、第二高調波の影響を完全に除去できないことがあった。さらに、コサイン信号の中心ずれのない場合はmax(x)=min(x)でgx=0となり、サイン信号の中心ずれのない場合はmax(y)=min(y)でgy=0であるので、この場合、特許文献1に記載された式(1)(2)は定数となってしまい意味を成さず、適切に回転角度が検出できないという課題があった。
この発明は、以上のような課題を改善するためになされたものであり、この発明による回転角度検出装置では、簡単な構成で、複数の要因によって発生している角度誤差を同時に低減できる。以下にその内容を説明する。
図9は、角度誤差N次成分をベクトル量として捉え、振幅と位相に応じてプロットした図である。図9の横軸をX、縦軸をY(単位はいずれもレゾルバ電気角のrad)とし、N次成分の角度誤差ε(rad)が、次の式(10)で表わされるものとする。
ε=E_N×sin(Nθ+η) (10)
ただし、式(10)において、E_Nは任意の実数、ηは任意の実数、θはロータ2の回転角度(機械角ラジアン)とした。式(10)の角度誤差εは、式(5)で表わされる出力信号Esin、Ecosの0次成分(直流成分)に起因する角度誤差と、式(9)で表わされる出力信号Esin、EcosのN次成分を基本波成分としたときの2N次成分(第2高調波成分)に起因する角度誤差との和に等しい。図9では、角度誤差N次成分は、ベクトル12cで表わされ、このベクトル12cは、原点から点(X、Y)までの大きさを持つ。点(X、Y)のX軸に対応するX値、Y軸に対応するY値を次の式(11)、(12)とした。
X=E_N×cosη (11)
Y=E_N×sinη (12)
このベクトル12cの長さはE_Nであり、X軸と成す角度13cはηに一致する。
既に説明したとおり、レゾルバ210の角度誤差N次成分の原因としては、出力信号Esin、Ecosの0次成分(直流成分)と、出力信号Esin、EcosのN次成分を基本波成分としたときの2N次成分(第2高調波成分)がある。角度誤差N次成分は、これら2つの成分に起因する角度誤差の合成と捉えることができる。出力信号Esin、Ecosの0次成分に起因する角度誤差N次成分を、X軸と成す角度13a(式(5)ではξとした)のベクトル12aであるとし、出力信号Esin、Ecosの2N次成分に起因する角度誤差N次成分を、X軸と成す角度13b(式(9)ではζとした)のベクトル12bであるとすると、レゾルバ210の角度誤差N次成分のベクトル12cは、ベクトル12aとベクトル12bの和となる。
このベクトル12cで表わされる角度誤差N次成分を低減するには、ベクトル12cをキャンセルする角度誤差を発生させるようにレゾルバ出力信号Esin、Ecosを補正すればよい。言い換えれば、ベクトル(X、Y)、すなわちベクトル12cを反転させたベクトル(−X、−Y)、すなわちベクトル12dを発生させ、このベクトル12dにより、出力信号Esin、Ecosを補正すればよい。
ここで、角度誤差N次成分は、出力信号Esin、Ecosの0次成分と2N次成分から発生するが、式(5)(6)に着目すると、リサージュ中心を移動させることにより、任意の振幅と位相の角度誤差N次成分を発生させることが可能であることが理解される。この発明は、この理解に基づいて、リサージュ中心を移動させることにより、出力信号Esin、Ecosの0次成分と2N次成分の両方の成分に起因するベクトル12cで示す角度誤差N次成分を低減するために、ベクトル12dに対応する補正値を発生し、このベクトル12dに対応する補正値を出力信号Esin、Ecosに加算するものである。そこで、ベクトル(−X、−Y)、すなわちベクトル12dを発生させるための出力信号Esin、Ecosの0次成分を求める。
式(3)(4)の場合について考える。この式(3)(4)の場合は、規格化したCOS、SIN信号の平面を考えると、リサージュ中心が、原点からずれて、点(ec、es)に移動する。このときの角度誤差N次成分は、式(5)(6)で表されるので、式(10)(11)(12)から、角度誤差N次成分はベクトル(ec、es)に対応することになる。したがって、角度誤差ベクトル(Xe、Ye)をリサージュ中心のずれ(Xc、Yc)に変換するには、
Xc=−Xe、Yc=Ye (13)
とすればよい。式(13)において、Xeにマイナスが付くのは、式(6)のcosξのマイナスが付いているからである。したがって、角度誤差N次成分を低減するベクトル(−X、−Y)、すなわちベクトル12dを発生させるためのリサージュ中心のずれ(Xc、Yc)、すなわち出力信号Esin、Ecosの0次成分は、
Xc=X、 Yc=−Y (14)
となる。以上のことから、リサージュ中心を元のリサージュ中心から(X、−Y)だけ移動させれば、角度誤差N次成分をキャンセルすることができる。このベクトルを誤差補正ベクトルと呼ぶことにする。
以上のことを、リサージュ波形を用いて説明する。図10はリサージュ波形を示す。横軸はCOS信号を、縦軸はSIN信号をそれぞれ規格化して示す。簡単にするため、高調波によるリサージュの歪みは省略し、円形で示している。リサージュ波形10dは、出力信号Esin、Ecosに0次成分が含まれていて、そのリサージュ中心11dは原点からずれている。このリサージュ波形10dの中心ずれによって発生する角度誤差は、図9のベクトル12aに対応する。さらに、出力信号Esin、Ecosに2N次成分が含まれてリサージュが歪んでいたとすると、これにより発生する角度誤差は、図9のベクトル12bに対応する。これらのベクトル和であるベクトル12cが角度誤差N次成分となり、これをキャンセルするためのベクトルが(−X、−Y)、すなわちベクトル12dとなる。このベクトル12dを発生させる出力信号Esin、Ecosの0次成分は式(14)から求められ、図10のベクトル14がそれに相当する。元のリサージュ中心のベクトル11dに誤差補正ベクトル14を加えたベクトル11eにリサージュ中心を移動させるようにすれば、角度誤差N次成分を大幅に低減できることになる。
別の表現で説明すると以下のようになる。出力巻線3b、3cの出力信号Esin、Ecosから得られる角度誤差N次成分を、式(10)で表されるとし、出力信号Esin、Ecosの基本波成分(ロータ2の1回転を1周期とする成分を1次としたときのN次成分)の振幅をEsin0、Ecos0(単位:V)としたとき、
出力信号Esin、Ecosに、ロータ2の回転角度に対して一定となる補正値、すなわち、
Esin0×E_N×cosη (単位:V)、
−Ecos0×E_N×sinη (単位:V)
をそれぞれ加算すると、出力信号Esin、Ecosの直流成分(0次成分)、およびEsin、Ecosの2次高調波成分(2N次成分)の振幅と位相に依存する角度誤差N次成分を大幅に低減できることになる。
出力巻線3b、3cの出力信号Esin、Ecosを規格化して議論するなら、出力信号Esin、Ecosを、その基本波成分の振幅Esin0、Ecos0でそれぞれ規格化したとき、出力信号Esin、Ecosに、ロータ2の回転角度に対して一定となる補正値として、
E_N×cosη
−E_N×sinη
をそれぞれ加算することで同様の効果が得られる。
また、式(10)で表わされる角度誤差N次成分は、式(5)で表わされる角度誤差N次成分と、式(9)で表わされる角度誤差N次成分とを加えたものであるので、出力信号Esin、Ecosに加算される、ロータ2の回転角度に対して一定となる補正値は、式(5)で表わされる角度誤差N次成分と、式(9)で表わされる角度誤差N次成分の和として、演算することもできる。この場合、2相の出力信号Esin、Ecosの直流成分をes、ec(es、ecは任意の実数)とし、前記2相の出力信号Esin、Ecosの第2高調波成分の振幅をes2N、ec2N(es2N,ec2Nは任意の実数)とし、前記第2高調波成分の位相をα2N、β2N(α2N、β2Nは任意の実数)としたときに、前記補正量は、前記直流成分es、ecと、前記振幅es2N、ec2Nと、前記位相α2N、β2Nとから演算されることとなる。
上記の手法の効果を検証するために、リサージュ波形を用いて角度誤差低減の検討を行なった。4Xレゾルバとして構成されたレゾルバ210の出力巻線3b、3cの出力信号Esin、Ecosを測定し、角度誤差波形を求めた。得られた角度誤差波形を図11に示す。図11は、従来例による角度誤差波形についての説明図であり、その横軸はロータ2の回転角度を機械角で表わす。波形Aは、元の角度誤差波形であり、この波形Aは出力信号Esin、Ecosに補正処理を行なわず、そのまま角度情報に変換し、真の角度との差を取ったものである。ロータ2の1回転で4回脈動する成分が見られている。これが角度誤差N次成分(Nは軸倍角、ここではN=4)である。
まず、この角度誤差N次成分の低減を目的として、出力信号Esin、Ecosの0次成分(直流成分)だけに対応して、リサージュ波形の中心ずれを原点に移動させる処理を行なった。その結果が図11の角度誤差波形Bであり、この角度誤差波形Bは、従来例に対応する波形であり、単に図6に示すリサージュ波形の中心ずれだけを原点に移動させる処理を行なった場合の波形である。角度誤差波形Bでは、誤差波形に変化が見られるものの、4次成分がほとんど低減できておらず、角度誤差の振幅があまり変化していない。これは、リサージュ波形に歪みが生じていて、出力信号Esin、Ecosに図5に示すように0次成分のほか、8次(2N次)成分が含まれているからである。リサージュ中心を原点に移動させることで、出力信号Esin、Ecosの0次成分に起因する角度誤差4次成分(角度誤差N次成分)は低減できたものの、出力信号Esin、Ecosの8次(2N次)成分に起因する角度誤差4次成分を低減できなかったことが原因である。すなわち、出力信号Esin、Ecosの0次成分(直流成分)だけに対応して、リサージュ中心ずれを補正するだけでは、角度誤差を十分低減できない。
次に、図10に示すように、この発明により、出力信号Esin、Ecosの0次成分(直流成分)、およびその8次成分(2N次成分)の両方の成分に起因する角度誤差を考慮して、リサージュ波形の中心をずらす手法を適用した。結果を図12に示す。図12は、この発明の実施の形態1による角度誤差波形についての説明図である。角度誤差波形Cが、この発明の実施の形態1に対応する波形である。角度誤差4次成分が大幅に低減され、角度誤差のピークからピーク値(p−p値)が約1/2まで低減できている。
効果を詳しく確認するため、角度誤差の周波数分析を行なった結果を図13に示す。図13は、実施の形態1による角度誤差波形の周波数分析結果を示す説明図であり、図13の横軸は、角度誤差の次数であり、縦軸は、0値からピーク値までの角度誤差(0−p)である。この図13において、白い棒グラフは、元の角度誤差波形Aに対応する角度誤差を示し、ハッチングを付けた棒グラフは、従来例の角度誤差波形Bに対応する角度誤差を示し、黒い棒グラフは、この発明の実施の形態1による角度誤差波形Cに対応する角度誤差である。角度誤差4次(N次)成分が、従来例では低減できていないのに対し、この発明の実施の形態1では、大幅に低減できている。この発明の実施の形態1では、元の角度誤差波形Aの4次成分が、僅か3%にまで低減できている。今回の例では角度誤差8次成分があるため、角度誤差のp−p値では約半分となっているが、角度誤差の8次成分のほとんどないレゾルバであれば、この発明の効果をさらに発揮できることになる。
さて、図14は、実施の形態1の回転角度検出装置100に使用される信号処理ユニット300の具体例を示すブロック図である。この図14では、信号処理ユニット300は、信号処理ユニット310として構成される。この信号処理ユニット310は、信号発生装置200、例えばレゾルバ210と組み合わせて使用される。この信号処理ユニット310は、信号抽出手段15、補正手段16と、角度演算手段17と、リサージュ中心の補正量出力手段18と含む。これらの信号抽出手段15、補正手段16と、角度演算手段17と、リサージュ中心の補正量出力手段18は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成される。軸倍角Nのレゾルバ210の出力巻線3b、3cの出力電圧E1、E2は、信号抽出手段15に入力される。信号抽出手段15は、出力電圧E1、E2から2相の出力信号Esin、Ecosを抽出し、この出力信号Esin、Ecosを補正手段16へ出力する。リサージュ波形中心の補正量出力手段18では、出力信号Esin、Ecosに含まれる0次成分と2N次成分からリサージュ中心の補正用のベクトル量を演算し、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを演算し、これらの補正量を補正手段16へ出力する。補正手段16では、補正量出力手段18により得られた補正値Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを受けて、出力信号Esin、Ecosに、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを加算し、リサージュ波形の中心を移動させる。換言すれば、出力信号Esin、Ecosに0次成分として、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηをそれぞれ加える。
言い換えれば、レゾルバ210の角度誤差ε(rad)を、
ε=E_N×sin(Nθ+η) (10) (再掲)
としたとき、補正手段16は、出力信号Esin、Ecosに、
Esin0×E_N×cosη (単位:V)、
−Ecos0×E_N×sinη (単位:V)
をそれぞれ加算する。ただし、Esin0、Ecos0(単位:V)はレゾルバ信号の基本波信号(ロータ2の1回転を1周期とする成分を1次としたときのN次成分)の振幅とした。なお、出力信号Esin、Ecosに加算する補正値Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηは、リアルタイムに出力信号Esin、Ecosをモニタしながら演算してもよいし、予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値を記憶装置に記憶しておく方式でもよい。そして、補正手段16から出力される出力信号、すなわち補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを加算した出力信号Esin、Ecosは、角度演算手段17によってロータ2の回転角度θに変換される。角度演算手段17は、例えば、補正手段16から出力される出力信号Esin、Ecosからその逆正接、tan-1(Esin/Ecos)を求めることで回転角度θを演算する。
特許文献1の第1図においては、信号波形の0次に起因する角度誤差と2N次に起因する角度誤差に対して、ゼロ点パラメータ算出手段と正規化手段、さらに第二高調波誤差補正用パラメータ算出手段と第二高調波除去手段を設けている。これでは、角度誤差低減のプロセスが複雑であり、信号波形の0次成分と2N次成分(特許文献1では第二高調波としている)を別々に対処する必要が生じ、演算負荷が大きくなってしまうという課題があった。しかしながら、この発明の構成では、リサージュ波形の中心を移動させる処理だけで信号波形の0次成分に起因する角度誤差と2N次成分に起因する角度誤差の両方に対応できる。すなわち、簡単な構成で複数の要因によって発生している角度誤差を同時に低減できるのである。したがって、角度誤差低減のプロセスが単純化され、演算負荷も小さくできるという効果がある。演算負荷が小さくなるので、レゾルバ210を搭載したモータを駆動する場合、コントローラに使われるCPUのコスト低減ができるという効果もある。
また、出力信号Esin、Ecosの2N次成分の位相をも考慮できるので、2N次成分の影響をほぼ完全に除去できるという効果もある。さらに、リサージュ波形に中心ずれがなく,原点と一致している場合、特許文献1では検出できないという課題があったが、この発明では問題なく角度検出可能となる。
なお、実施の形態1では、軸倍角N=4のレゾルバ210について示したが、当然これに限らない。任意の軸倍角N(Nは正の整数)で適用可能である。
以上により、軸倍角がN(Nは正の整数)であり、互いに位相のずれた正弦波状の2相の出力信号を用いて回転角度を表わす回転角度信号を出力する回転角度検出装置100であって、
前記2相の出力信号をそれぞれEsin、Ecosとしたとき、Esin、Ecosの直流成分、およびEsin、EcosのN次成分を基本波成分としたときの第2高調波成分の振幅と位相に依存して発生する、機械角360度周期の角度誤差を1次としたときの角度誤差N次成分を打ち消す手段として、前記回転角度に対して一定となる補正値を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段16を有することにより、角度誤差N次成分を大幅に低減でき、角度誤差の小さい回転角度検出装置100を得ることができる。
また、実施の形態1では、信号発生装置200としてバリアブルリラクタンス型のレゾルバ210を使用したが、これに限ったことではない。ブラシレスレゾルバでも同様の効果が得られるし、その他の構成でも角度演算のための信号がSIN、COSの関係となっている回転角度検出装置であれば、同様の効果が得られることは言うまでもない。
また、信号処理ユニット310のリサージュ中心の補正量出力手段18は、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを演算し、これらの補正量を補正手段16へ出力するように構成したが、リサージュ中心の補正量出力手段18が、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを構成する個々の補正要素Esin0、E_N、sinηおよびcosηを演算し、補正手段16がこれらの個々の補正要素に基いて、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを演算し、これらの補正量を出力信号Esin、Ecosに加算するようにすることもできる。
実施の形態2.
図15は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態2で使用される磁気式センサ220を示す斜視図である。この磁気式センサ220は、信号発生装置200を構成し、実施の形態1におけるレゾルバ210に代わって使用される。この磁気式センサ220では、N極とS極が、一定の領域(図15では、円周を二分する180度の領域)で切替わるように着磁された円筒状の永久磁石20が、シャフト21に機械的に接続されていて、永久磁石20とシャフト21はともに自在に回転可能となっている。永久磁石20にギャップを介して対向するように、ホールセンサ22が配置されている。このホールセンサ22は、シャフト21の回転方向に互いに90度だけ異なる回転位置に配置された2つのホール素子を含む。永久磁石20が回転することにより、ホールセンサ22付近の磁界が変化し、ホールセンサ22の各ホール素子のホール電圧が正弦波状に変化する。
この磁気式センサ220では、レゾルバ210のように励磁巻線3aを使用しないので、図14の信号抽出手段15を使用せずに、ホールセンサ22から、直接出力信号Esin、Ecosを出力することができる。したがって、この磁気式センサ220を使用する場合には、信号処理ユニット300の信号抽出手段15が省略される。ホールセンサ22の各ホール素子の出力信号の波形を図16に示す。2相の正弦波状の出力信号7b、9bが、互いに90度位相がずれた波形となっている。出力信号7bがSIN信号、すなわちEsinであり、出力信号9bがCOS信号、すなわちEcosである。出力信号7b、9bに0次成分や第2高調波成分が含まれると角度誤差N次成分が発生するが、このような磁気式センサ220に、図14に示す信号抽出手段15を削除した信号処理ユニット300を組合わせた回転角度検出装置においても、この発明は同じ効果を得ることができる。
実施の形態3.
実施の形態1では、軸倍角がNのレゾルバ210において、出力信号Esin、Ecosの0次成分と2N次成分に起因する角度誤差N次成分を除去するため、リサージュ波形の中心を移動する手法および構成について述べた。この実施の形態1では、角度誤差N次成分は低減できるが、その他の成分が大きい場合には角度誤差のp−p値を十分低減できない。例えば、Esin、Ecosの基本波成分の振幅が異なる場合には、2N次の角度誤差成分が発生するので、この角度誤差2N次成分を補正する手段を設ければよい。
図17は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態3で使用される信号処理ユニット320を示すブロック図である。この信号処理ユニット320は、信号処理ユニット300を構成し、例えば実施の形態1で使用されたレゾルバ210と組み合わせて使用される。この信号処理ユニット320は、実施の形態1で使用された信号処理ユニット310に、振幅補正量出力手段19を追加したものである。
この信号処理ユニット320では、軸倍角Nのレゾルバ210の出力巻線3b、3cの出力電圧E1、E2から、信号抽出手段15で抽出した2相の出力信号Esin、Ecosは、補正手段16に送られる。リサージュ波形中心の補正量出力手段18では、出力信号Esin、Ecosに含まれる0次成分と2N次成分からリサージュ中心の補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを演算し、これらの補正量を補正手段16へ出力する。補正手段16では、補正量出力手段18により得られた補正値Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを受けて、出力信号Esin、Ecosに、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを加算し、リサージュ波形の中心を移動させる。換言すれば、出力信号Esin、Ecosに0次成分として、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηをそれぞれ加える。
言い換えれば、レゾルバ210の角度誤差ε(レゾルバの電気角のrad)を、
ε=E_N×sin(Nθ+η) (10) (再掲)
としたとき、補正手段16は、出力信号Esin、Ecosに、
Esin0×E_N×cosη (単位:V)、
−Ecos0×E_N×sinη (単位:V)
をそれぞれ加算する。ただし、Esin0、Ecos0(単位:V)は、出力信号Esin、Ecosの基本波成分(ロータ2の1回転を1周期とする成分を1次としたときのN次成分)の振幅とした。なお、出力信号Esin、Ecosに加算する補正量は、リアルタイムに出力信号Esin、Ecosをモニタしながら演算してもよいし、予め測定しておいた出力信号から計算した補正量を記憶装置に記憶しておく方式でもよい。
さらに、信号処理ユニット320では、出力信号の振幅補正量出力手段19を設けている。この振幅補正量出力手段19は、出力信号Esin、Ecosの基本波成分の振幅がEsinとEcosで異なっている場合に、それらの出力信号Esin、Ecosいずれか一方、あるいは両方の信号に乗算される振幅補正量を演算し、この振幅補正量を補正手段16へ出力する。この振幅補正量は、出力信号Esin、Ecosのいずれか一方、あるいは両方に乗算される定数である。補正手段16は、出力信号Esin、Ecosに補正量Esin0×E_N×cosη(単位:V)、−Ecos0×E_N×sinη(単位:V)を加算する処理を行なうとともに、出力信号Esin、Ecosにいずれか一方、あるいは両方に、前記振幅補正量を乗じて、出力信号Esin、Ecosの基本波成分の振幅を一致させる処理を行なう。そして、補正手段16から出力された信号Esin、Ecosは、角度演算手段17によってロータの回転角度θに変換される。角度演算手段17は、例えば、補正手段16から出力される信号Esin、Ecosから、それらの逆正接、tan-1(Esin/Ecos)を求めることで回転角度θを演算する。なお、信号処理ユニット320が磁気式センサ220に組合される場合には、信号抽出手段15は省略される。
このような構成の信号処理ユニット320を使用することによって、角度誤差2N次成分を除去することが可能となり、実施の形態1よりも、角度検出誤差の低減効果が大きい。また、特許文献1の第1図よりも簡単な構成で角度誤差低減が可能となり、角度誤差低減のプロセスが単純化され、演算負荷も小さくできるという効果がある。演算負荷が小さくなるので、レゾルバ210を搭載したモータを駆動する場合、コントローラに使われるCPUのコスト低減ができるという効果もある。
図18は、実施の形態3の効果を説明するために、角度誤差を比較して示した図であ る。図18の縦軸は角度誤差のp−p値を、図11、12の波形Aで示す元の角度誤差波形で規格化した値である。棒グラフaは、元の角度誤差波形を示す波形Aに対応する角度誤差であり、規格化され、大きさは1.000である。棒グラフbは、従来例を示す図11の波形Bに対応し、リサージュの中心ずれを原点に移動させた場合の角度誤差であり、大きさは、0.997である。棒グラフcは、実施の形態1で述べた出力信号の0次成分と2N次成分を考慮してリサージュ中心を移動させた場合の角度誤差であり、大きさは、0.554である。棒グラフdは、実施の形態3で述べた、出力信号の0次成分と2N次成分を考慮してリサージュ中心を移動させる手法と、出力信号Esin、Ecosの振幅を合せる手法の両方を適用した場合の角度誤差であり、大きさは0.357である。実施の形態1では角度誤差が約1/2に低減されており、また実施の形態3では角度誤差が約36%にまで低減されていることがわかる。
実施の形態4.
図19は、この発明による回転電機装置の実施の形態4を示す。この実施の形態4の回転電機装置400は、回転電機410にコントローラ430を一体に組合わせて構成される。回転電機410は、具体的には永久磁石型モータであり、信号発生装置200、例えばレゾルバ210または磁気式センサ220を組込で構成される。コントローラ430は、信号処理ユニット300と記憶装置350を含む。信号処理ユニット300は、実施の形態1における回転角度信号処理ユニット310または実施の形態3における信号処理ユニット320を使用して構成される。記憶装置350は、信号処理ユニット300とともに、コントローラ430に組込まれる。この記憶装置350は、信号処理ユニット300におけるリサージュ中心の補正量出力手段18が出力する補正量を記憶し、補正手段16に供給する。信号処理ユニット300が、実施の形態3の信号処理ユニット320で構成される場合には、記憶装置350は、リサージュ中心の補正量出力手段18が出力する補正量とともに、振幅補正量出力手段19が出力する振幅補正量を記憶し、補正手段16に供給する。信号発生装置200と、信号処理ユニット300と、記憶装置350は、回転角度検出装置100を構成する。
図20は、回転電機410として使用される永久磁石型モータ420を示す断面図である。この図20は、永久磁石型モータ420について、回転軸に平行な平面上の断面図を示したものである。永久磁石型モータ420は、回転子430と、固定子440と、信号発生装置200を備えている。信号発生装置200は、例えばレゾルバ210である。回転子430の回転子鉄心431の表面に、永久磁石432が設けられている。回転子鉄心431にシャフト433が圧入されており、このシャフト433は、軸受441、442を介して固定子440により、回転自在となるように支持されている。回転子430には、2相の出力電圧E1、E2を発生するレゾルバ210が設けられている。
このレゾルバ210は、ステータ1を固定子440に固定し、ロータ2は、シャフト433に固定される。ステータ1には、巻線3が配置される。固定子440の固定子鉄心443は、永久磁石432にギャップを介して対向するように設けられる。固定子鉄心443は、例えば電磁鋼板を積層して構成されたり、圧粉鉄心によって構成されていてもよい。固定子鉄心443には電機子巻線444が巻回されている。固定子440は、フレーム450に圧入や焼きばめなどによって固定され、さらにフレーム450は、ハウジング460に固定されている。
このような永久磁石型モータ420においては、電機子巻線444に通電することにより、回転子430が回転駆動される。レゾルバ210に角度誤差が発生すると、ロータ2の回転角度が正しく検出できず、電機子巻線444に通電される電流位相が理想的な位相からずれてしまう。角度誤差は脈動するので、電流の位相もそれに応じて脈動し、結果としてトルク脈動になる。軸倍角Nのレゾルバ210では、ロータ2の機械角360度周期の角度誤差を1次成分としたときの角度誤差N次成分があり、トルク脈動もN次成分や倍の次数2N次成分が現れる。トルク脈動が発生すると、騒音や振動が大きくなるため、静粛性が要求される電動パワーステアリング装置に使用する場合にはトルク脈動を小さくする必要がある。
このような構成にしておけば、レゾルバ210に角度誤差が生じても、出力信号Esin、Ecosの少なくとも一方に補正量を加えることができるので、角度誤差N次成分を十分に低減することができ、結果として、永久磁石型モータ420のトルク脈動を低減し、低振動、低騒音の永久磁石型モータ420を得ることができる。
記憶装置350に記憶させる補正値Esin0×E_N×cosη(単位:V)、−Ecos0×E_N×sinη(単位:V)は、リアルタイムに出力信号Esin、Ecosをモニタしながら補正量出力手段18により演算してもよいし、予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値でもよい。予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値を記憶しておけば、角度演算の計算負荷を減らすことができ、演算装置を安価にできるという効果もある。特許文献1の構成よりも簡単な構成により、複数の要因によって発生する角度誤差を、大幅に低減することが可能となる。
また、永久磁石型モータ420とコントローラ430が一体となっているので、永久磁石型モータ420に搭載されたレゾルバ210の角度誤差にばらつきが生じても、予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値を記憶しておけば、ばらつきの影響を低減し、トルク脈動の小さいモータを得ることができるという効果もある。
実施の形態5.
図21は、この発明による電動パワーステアリング装置の実施の形態5を示す構成図である。この実施の形態5の電動パワーステアリング装置500は、実施の形態4による回転電機装置400を使用して構成される。
図21において、電動パワーステアリング装置500には、自動車のステアリングホイール502から操舵力を伝えるためのコラムシャフト503が設けられている。コラムシャフト503には、例えばウォームギヤで構成されるギヤ504(図では詳細は省略し、ギヤボックスのみ示している)が接続されており、コントローラ430によって駆動される永久磁石型モータ420の出力(トルク、回転数)を、回転方向を直角に変えながら伝達し、同時に減速し、アシストトルクを増加させる。ハンドルジョイント505は、操舵力を伝えると共に、回転方向も変える。ステアリングギヤ506(図では詳細は省略し、ギヤボックスのみ示している)は、コラムシャフト503の回転を減速し、同時にラック507の直線運動に変換し、所要の変位を得る。このラック507の直線運動により車輪を動かし、車両の方向転換等を可能とする。
このような電動パワーステアリング装置500においては、永久磁石型モータ420の回転角度検出装置100として、光学式エンコーダに比べて低コストで耐環境性に優れたレゾルバ210が用いられることが多い。しかしながら、レゾルバ210に角度誤差が発生すると、角度誤差の次数に応じた次数のトルク脈動が発生し、騒音、振動の原因になったり、良好な操舵感覚を得ることができないという課題があった。
軸倍角がN(Nは正の整数)であるレゾルバ210の第1出力巻線3bと第2出力巻線3cの出力信号をそれぞれEsin、Ecosとしたとき、レゾルバ210の機械角360度周期の角度誤差を1次としたときの角度誤差N次成分を打ち消す手段として、レゾルバ210の回転角度に対して一定となる補正値Esin0×E_N×cosη(単位:V)、−Ecos0×E_N×sinη(単位:V)をEsin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段16を備えており、この一定となる補正値は、これまでの実施の形態で述べたようにEsin、Ecosの直流成分、およびEsin、EcosのN次成分を基本波成分としたときの第2高調波の振幅と位相から決定されるとした。さらに、コントローラ430には記憶装置350が具備され、この記憶装置350は、出力信号Esin、Ecosに加算する前記補正値を記憶することとした。
このような構成とすることで、複数の要因によって発生する角度誤差を、簡単な構成により大幅に低減することが可能となる。また、回転角度検出装置100の角度誤差が大幅に低減できるので、永久磁石型モータ420のトルク脈動が小さくなり、良好な操舵感覚を得ることができる。実施の形態1の信号処理ユニット310を使用する場合、記憶装置350には、2つの補正値、すなわちレゾルバ210の回転角度に対して一定となる補正値Esin0×E_N×cosη(単位:V)、−Ecos0×E_N×sinη(単位:V)を記憶するだけでよいので、従来と比べて必要な記憶容量が小さくてすむという効果もある。
さらに、永久磁石型モータ420とコントローラ430を車両に組み付ける前に、角度誤差低減のための補正量Esin0×E_N×cosη(単位:V)、−Ecos0×E_N×sinη(単位:V)を記憶させる場合、永久磁石型モータ420に備えられた回転角度検出装置100の角度誤差にばらつきが生じても、予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値を記憶しておけば、ばらつきに影響されず、トルク脈動の小さい電動パワーステアリング装置を得ることができるという効果もある。
この発明による回転角度検出装置は、例えば回転電機の回転角度検出装置として利用することができ、またこの発明による回転電機装置は、例えば車両用の電動パワーステアリング装置に利用することができ、また、この発明による電動パワーステアリング装置は、車両に利用することができる。
100:回転角度検出装置、200:信号発生装置、210:レゾルバ、
220:磁気式センサ、300、310、320:信号処理ユニット、
350:記憶装置400、回転電機装置、410:回転電機、
420:永久磁石型モータ、430:コントローラ、
500:電動パワーステアリング装置、
1:ステータ、2:ロータ、3a:励磁巻線、3b:第1出力巻線、
3c:第2出力巻線、3:巻線、4:励磁電源、5:励磁電圧波形、
6:第1出力巻線の電圧波形、7:第1出力巻線の出力信号、
16:補正手段、17:角度演算手段、18:リサージュ中心の補正量出力手段、
19:振幅補正量出力手段。

Claims (10)

  1. 軸倍角がN(Nは正の整数)であり、互いに位相のずれた正弦波状の2相の出力信号を用いて回転角度を表わす回転角度信号を出力する回転角度検出装置であって、
    前記2相の出力信号をそれぞれEsin、Ecosとしたとき、Esin、Ecosの直流成分、およびEsin、EcosのN次成分を基本波成分としたときの第2高調波成分の振幅と位相に依存して発生する、機械角360度周期の角度誤差を1次としたときの角度誤差N次成分を打ち消す手段として、前記回転角度に対して一定となる補正量を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段を有することを特徴とする回転角度検出装置。
  2. 請求項1記載の回転角度検出装置であって、信号発生装置と信号処理ユニットを備え、前記信号発生装置は、励磁巻線と2相の出力巻線を有するステータと、前記ステータとの間のギャップパーミアンスを回転角度に応じて変動させるロータとを有し、前記2相の出力巻線が、2相の出力電圧を発生し、前記信号処理ユニットは、前記2相の出力電圧に基づいて、前記2相の出力信号Esin、Ecosを発生し、また、前記ロータの回転角度を表わす回転角度信号を出力することを特徴とする回転角度検出装置。
  3. 請求項1記載の回転角度検出装置であって、前記2相の出力信号Esin、Ecosから得られる角度誤差N次成分を、
    ε=E_N×sin(Nθ+η)(単位は電気角のラジアン)
    ただし、E_Nは任意の実数、ηは任意の実数、θは回転角度(機械角ラジアン)とし、
    前記2相の出力信号Esin、Ecosの基本波の振幅をEsin0、Ecos0(単位(V))としたとき、前記補正手段が、前記2相の出力信号Esin、Ecosに、前記補正量として、
    Esin0×E_N×cosη (単位(V))、
    −Ecos0×E_N×sinη (単位(V))
    をそれぞれ加算することを特徴とする回転角度検出装置。
  4. 請求項1記載の回転角度検出装置であって、前記2相の出力信号Esin,Ecosから得られる角度誤差N次成分を、
    ε=E_N×sin(Nθ+η)(単位は電気角のラジアン)
    ただし、E_Nは任意の実数、ηは任意の実数、θは回転角度(機械角ラジアン)とし、
    前記2相の出力信号Esin、Ecosの基本波成分の振幅をEsin0、Ecos0(単位は(V))とし、
    前記2相の出力信号Esin、Ecosを、前記基本波成分の振幅をEsin0、Ecos0でそれぞれ規格化したときに、前記補正手段が、前記2相の出力信号Esin、Ecosに、前記補正量として、
    E_N×cosη、
    −E_N×sinη
    をそれぞれ加算することを特徴とする回転角度検出装置。
  5. 請求項1記載の回転角度検出装置であって、前記2相の出力信号Esin、Ecosの直流成分をes、ec(es、ecは任意の実数)とし、前記2相の出力信号Esin、Ecosの第2高調波成分の振幅をes2N、ec2N(es2N、ec2Nは任意の実数)とし、前記第2高調波成分の位相をα2N、β2N(α2N、β2Nは任意の実数)としたときに、前記補正量が、前記直流成分es、ecと、前記振幅es2N、ec2Nと、前記位相α2N、β2Nとから演算されることを特徴とする回転角度検出装置。
  6. 請求項1記載の回転角度検出装置であって、信号処理ユニットを備え、この信号処理ユニットは、前記補正手段とともに、補正量出力手段と、回転角度演算手段を有し、
    前記2相の出力信号Esin、Ecosの直流成分に起因する角度誤差N次成分を表わす第1ベクトルと前記2相の出力信号Esin、Ecosの第2高調波成分に起因する角度誤差N次成分を表わす第2ベクトルとのベクトルの和を、前記角度誤差N次成分を表わす第3ベクトルとしたとき、
    前記補正量出力手段は、前記第3ベクトルを反転させた第4ベクトルから、リサージュ中心を移動させる誤差補正ベクトルを前記補正量として求め、
    前記補正手段は、前記誤差補正ベクトルを前記2相の出力信号Esin、Ecosに加算してリサージュ中心の補正を行ない、
    前記回転角度演算手段は、前記誤差補正ベクトルが加算された前記2相の出力信号Esin、Ecosに基づいて、前記回転角度信号を出力することを特徴とする回転角度検出装置。
  7. 請求項1記載の回転角度検出装置であって、さらに、前記2相の出力信号Esin、Ecosの振幅を合わせる振幅補正量出力手段を有することを特徴とする回転角度検出装置。
  8. 請求項1記載の回転角度検出装置を含む回転電機装置であって、回転電機と、この回転電機と一体に組合されたコントローラを備え、
    前記コントローラは、前記補正手段と記憶装置を有し、前記回転電機を駆動制御し、
    前記補正手段が、前記2相の出力信号Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正量は、前記コントローラと前記回転電機を組合わせた状態で測定された前記出力信号Esin、Ecosに基づいて演算され、
    前記記憶装置は、前記補正量を記憶することを特徴とする回転電機装置。
  9. 回転電機と、この回転電機の回転子の回転角度を表わす回転角度信号を発生する回転角度検出装置と、前記回転電機を駆動制御するコントローラとを備え、前記回転電機の回転子を車両のステアリングホイールに結合した車両用の電動パワーステアリング装置であって、
    前記回転角度検出装置は、軸倍角がN(Nは正の整数)であり、互いに位相のずれた正弦波状の2相の出力信号を用いて前記回転子の回転角度を表わす回転角度信号を出力する信号処理ユニットを有し、
    この信号処理ユニットは、前記2相の出力信号をEsin、Ecosとしたとき、
    機械角360度周期の角度誤差を1次としたとしたときの角度誤差N次成分を打ち消す手段として、前記回転子の回転角度に対して一定となる補正量を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段を有し、
    前記補正量は、前記2相の出力信号Esin、Ecosの直流成分、および前記2相の出力信号Esin、EcosのN次成分を基本波成分としたときの第2高調波成分の振幅と位相から決定され、
    前記コントローラは記憶装置を有し、前記記憶装置は、前記補正量を記憶することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  10. 請求項9記載の電動パワーステアリング装置であって、前記記憶装置には、前記補正量が、車両に組み付ける前に記憶されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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