JP4929189B2 - レゾルバ異常検出回路 - Google Patents

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Description

本発明は電動機の回転角度の検出装置及びその方法に係り、特に信頼性,安全性確保のために不可欠なレゾルバの異常検出装置及びその方法に関する。
サーボ制御系では回転角を検出しフィードバック制御を実施するために回転角度センサが必要である。またブラシレスモータ制御においてはモータの回転角に応じてモータのコイルに電流を通電させる必要があるために、サーボ制御系に限らず回転角度センサが必要である。回転角度センサとして従来からレゾルバが、その単純な構成に起因する堅牢さ、耐環境性から広く用いられている。
これらの回転角度センサを用いたシステムが、電動パワーステアリング,電動ブレーキ,電子制御スロットル、さらにはステアリング系,ブレーキ系を統合的に制御して自動車の車体の挙動を制御するx−by−Wireなどに適用される場合には、高い安全性及び故障検出機能が求められる。レゾルバの異常検出に関しては特開2006−23164号公報に示される技術が出願されている。
特開2006−23164号公報
上記した従来技術に示される図に基づけば、特にレゾルバ信号線の断線発生時にはレゾルバ信号の中心電圧(バイアス電圧)が正常時とは異なるためにレゾルバの回転角度に依存せずに異常を検出できる。さらに天絡故障時にも同様にしてレゾルバの回転角度に依存せずに異常を検出できる。
しかし、地絡故障時の検出についてさらなる考慮がなされることが望ましい。従来技術によれば通常、Rp≫(レゾルバの巻線の直流抵抗)であるため、地絡故障時、即ち(レゾルバの巻線の直流抵抗)=0となったときに発生する中心電圧と正常時の中心電圧に大きな差異がない。そのために地絡故障の検出が困難である。
そこで本発明は地絡故障を含めて、レゾルバの故障を検出できる方法を提供することを第1の目的とする。
さらに従来技術は信号に重畳される雑音の除去についてさらなる考慮がなされることが望ましい。従来技術ではレゾルバ信号のうち片側を接地してあるため、対地インピーダンスが不平衡となり、CMRR(コモンモード除去比)の悪化が懸念される。そのため、機器が置かれるノイズ環境と要求される計測精度によっては結線に安価なツイステドペア線を使用できず、高価なシールドケーブルを使用しなければならなくなる。一方、差動入力とすると、レゾルバ信号に重畳されたバイアス電圧の変化は、差動入力回路の原理から相殺されるため検出ができない。
そこで本発明は信号に重畳される雑音の除去が容易なレゾルバ故障検出手段を提供することを第2の目的とする。
上記第1の目的を達成するために、本発明ではレゾルバ巻線の一端にマーカ信号(例えば所定のバイアス電圧)を印加し、レゾルバ巻線の他端に該マーカ信号(例えば該所定のバイアス電圧)が観測されることをもって、正常とみなす第1の手段を講じる。
上記第1の手段によれば、レゾルバ信号の断線時には、一端に印加されたマーカ信号が他端に現れないため検出ができる。マーカ信号として所定のバイアス電圧を用いる場合、回路方式によっては他端の電位が不定となるので、バイアス電圧のインピーダンスに比べて十分大きなインピーダンス(抵抗)でプルアップ、またはプルダウンして電位を確定させることが望ましい。レゾルバ信号の天絡時には他端には天絡した電源電圧が現れるため検出ができる。地絡時には他端にはグランド電位(0V)が現れるために検出ができる。
更に上記第2の目的を達成するために、本発明ではノーマルモード成分であるレゾルバ信号にマーカ信号をコモンモード成分として重畳し、マーカ信号の周波数をシングルエンドで受け、レゾルバ励磁信号の周波数成分は差動で受ける入力インタフェースとする第2の手段を講じる。マーカ信号として所定のバイアス電圧を用いる場合には、低い周波数成分、特に直流成分をシングルエンドで受け、高い周波数成分は差動で受ける入力インタフェースとすればよい。
上記第2の手段によれば、マーカ信号の周波数のみをシングルエンドで受けるためレゾルバ励磁信号の周波数成分は、差動成分のみが増幅され、同相成分は相殺されノイズの影響を低減する事ができる。
地絡故障を含めて、レゾルバの故障を検出するレゾルバ故障検出装置を提供し、高信頼かつ高精度なモータ制御手段を提供することができる。また、雑音の除去が容易なレゾルバ故障検出手段を提供することができる。
図1を用いて、本発明の最良の形態について説明する。
レゾルバ信号巻線102は、その両端子からレゾルバ信号101、すなわち回転子の回転角度に応じた回転角度信号が出力する。レゾルバ信号入力回路11は、回転子の回転角度に応じて、レゾルバ信号巻線102から出力された回転角度信号を取得する。信号源12は、レゾルバ巻線の一方の端子に所定信号を印加する。そして、回転角度信号及び信号源12の所定信号を取得したレゾルバ信号入力回路11は、マイクロコンピュータ等の演算装置に、回転角度信号及び信号源12の所定信号を重畳した信号を出力する。マイクロコンピュータ等の演算装置は、レゾルバ信号入力回路11からの出力信号に基づいて前記回転角度信号に該所定信号が重畳されているか否かを判定する判定回路部と、前記判定回路部からの該判定結果に基づいて前記レゾルバ巻線の異常を検出する異常検出回路部とを備える。
以下図に従い、本発明の実施例を説明する。
図1は本発明の基本的な実施例を示す。レゾルバ100のレゾルバ信号巻線102は、図示しない励磁巻線と図示しない鉄心を介して磁気的に結合されている。従って、励磁巻線に所定の波形の信号(励磁信号)である電流を通電または電圧を印加すると、励磁信号と相似な波形の信号がレゾルバ信号巻線102に現れる。レゾルバの中心軸の回転角度により図示しない励磁巻線とレゾルバ信号巻線102との間の磁気結合の度合いが変化し、その結果として励磁信号の振幅とレゾルバ信号巻線102に現れる信号の振幅との比はレゾルバの中心軸の回転角度に依存する。従って、レゾルバ信号巻線102に現れる信号の振幅からレゾルバの中心軸の回転角度を知ることができる。以上がレゾルバによる回転角度計測の原理である。
レゾルバ信号巻線102から出力されるレゾルバ信号101は、レゾルバ信号入力回路11(本実施例では増幅回路を用いる。)の+及び−入力端子に入力される。増幅回路11の−入力端子とレゾルバ信号巻線102とを接続する配線にはマーカ信号源12が直列に接続され、さらに増幅回路11の−入力端子とマーカ信号源12とを接続する配線は、電位を確定するためにグランドに接続される。なお、マーカ信号源12は電圧源であり、レゾルバ信号101に対するインピーダンスは理想的にはゼロ、実際的には小さく無視しえるものでなければならない。さらに、増幅回路11の+入力端子とレゾルバ信号巻線102とを接続する配線は、抵抗器Ropenを介して所定の電位Vbopenに接続する。
以上の回路によれば、正常時には増幅回路11の出力端子には図2に示すようにレゾルバ信号101とマーカ信号源12の出力信号が重畳された信号を増幅した信号が得られる。図2において、レゾルバ信号101は点線で示され、マーカ信号源12は実線で示される。
レゾルバ信号101を伝達する配線が断線した場合にはVbopenをK倍に増幅した信号が得られ、この値が増幅回路11の出力範囲を超える場合には出力範囲の上限電圧の信号が得られる。
レゾルバ信号101を伝達する配線が地絡した場合には0Vの信号が得られる。レゾルバ信号101を伝達する配線がバッテリ電圧VBATに短絡、即ち天絡した場合にはVBATをK倍に増幅した信号が得られ、この値が増幅回路11の出力範囲を超える場合には出力範囲の上限電圧の信号が得られる。
なお、レゾルバ信号101とマーカ信号源12の信号とを分離するためにはレゾルバ信号101の周波数または逆にマーカ信号源12の信号の周波数のみを通過させるフィルタを用いればよい。また、レゾルバ信号101またはマーカ信号源12の信号と同じ周波数の参照信号との相関をとる、または同期検波を施すことによっても分離することができる。
また、図1には図示されていないが、増幅回路11の出力信号は、マイクロコンピュータ等の演算装置に入力される。当該マイクロコンピュータは、増幅回路11からの出力信号に基づいて、前記回転角度信号に該所定信号が重畳されているか否かを判定する判定回路部と、前記判定回路部からの該判定結果に基づいて、前記レゾルバ巻線の異常を検出する異常検出回路部を備える。
図3はレゾルバ信号101にマーカ信号源12の信号を時分割で重畳した実施例である。本実施例ではレゾルバ信号101が上下の最大振幅を示すタイミングのところでマーカ信号源12の信号の印加を停止し、それ以外のタイミングで印加している。本実施例は特にレゾルバ信号101が上下の最大振幅を示すタイミングでサンプリングしてレゾルバ信号101の振幅を求める方式で特に有効で、容易にレゾルバ信号101とマーカ信号源12の信号とを分離することができる。
図1に示す実施例をさらに簡単に実現するためには、図4に示すように所定の直流電圧Vbnormalを出力する直流電圧源をマーカ信号源12として用いればよい。以上の回路によれば、正常時には増幅回路11の出力端子には図5に示すようにレゾルバ信号101とマーカ信号源12の出力信号である所定の直流電圧Vbnormalが重畳された信号を増幅した信号が得られる。
図6にこのときの正常時,天絡時,地絡時,断線時のそれぞれの場合に増幅回路11の出力端子に現れるレゾルバ信号101の振幅範囲と中心電圧(バイアス電圧)とを示す。図中、T字型の棒でレゾルバ信号101の振幅範囲を示し、白丸で中心電圧(バイアス電圧)を示している。
レゾルバ信号101が断線した場合にはVbopenをK倍に増幅した信号が得られ、この値が増幅回路11の出力範囲を超える場合には出力範囲の上限電圧の信号が得られる。レゾルバ信号101が地絡した場合には0Vの信号が得られる。レゾルバ信号101がバッテリ電圧VBATに短絡、即ち天絡した場合にはVBATをK倍に増幅した信号が得られ、この値が増幅回路11の出力範囲を超える場合には出力範囲の上限電圧の信号が得られる。
レゾルバ信号の天絡時には他端には天絡した電源電圧が現れるため、故障が検出できる。地絡時には他端にはグランド電位(0V)が現れるために故障が検出できる。
図4の実施例のさらに詳細な実施例を図7に示す。R1,R2,Cは所定の直流電圧Vbnormalを出力するマーカ信号源12を構成する。R1,R2はVrefを分圧しVbnormalを生成するもので、
Vbnormal=R2/(R1+R2)
の関係にある。
Cはレゾルバ信号101をバイパスさせて、レゾルバ信号101に対するインピーダンスを実際的には小さく無視しえるものとする。演算増幅器110,Ri,Rfは増幅回路11を構成し、Ri,Rfは増幅回路11のゲインKを決定し、
K=(R1+Rf)/Ri
の関係にある。Riiは原理的にはなくともよいが、実際的にはオフセットを小さくするためのものである。
なお、図7には図示されていないが、増幅回路11の出力信号は、マイクロコンピュータ等の演算装置に入力される。当該マイクロコンピュータは、増幅回路11からの出力信号に基づいて、前記回転角度信号に該所定信号が重畳されているか否かを判定する判定回路部と、前記判定回路部からの該判定結果に基づいて、前記レゾルバ巻線の異常を検出する異常検出回路部を備える。
図8は入力回路に周波数分割入力手段106を用いた実施例である。周波数分割入力手段106は差動入力とシングルエンド入力とを周波数によって切り替えている。図1の実施例と同様に、該周波数分割入力手段106の1つの入力端子に接続するレゾルバ信号101の配線とGND電位の間にはマーカ信号源12が接続している。
なお、マーカ信号源12がレゾルバ信号101の配線に直列に接続されていないのでマーカ信号源12のインピーダンスは必ずしも、図1のように0Ωに近づける必要はなく、Ropenに対して十分に小さければ問題とならない。
マーカ信号源12が出力するマーカ信号の周波数がレゾルバ信号101より高い場合には、図9に示すように周波数分割入力手段106はレゾルバ信号101が含まれる低い周波数成分では差動で入力し、マーカ信号が含まれる高い周波数成分ではシングルエンドで入力する。
このときのゲイン特性を図10に示す。レゾルバ信号101が含まれる低い周波数成分では差動ゲイン(ノーマルモードゲイン)が高く、同相ゲイン(コモンモードゲイン)は低くなり、マーカ信号が含まれる高い周波数成分では差動ゲイン(ノーマルモードゲイン)が低く、同相ゲイン(コモンモードゲイン)は高くなっている。
また、図11に示すように周波数分割入力手段106はマーカ信号が含まれる周波数成分ではシングルエンドで入力し、レゾルバ信号101が含まれるそれ以外の周波数成分では差動で入力してもよい。このときのゲイン特性を図12に示す。マーカ信号が含まれる高い周波数成分では差動ゲイン(ノーマルモードゲイン)が低く、同相ゲイン(コモンモードゲイン)は高くなり、レゾルバ信号101が含まれるそれ以外の周波数成分では差動ゲイン(ノーマルモードゲイン)が高く、同相ゲイン(コモンモードゲイン)は低くなっている。
図8に示す実施例をさらに簡単に実現するためには、図13に示すように所定の直流電圧Vbnormalを出力する直流電圧源をマーカ信号源12として用いればよい。
この場合には、マーカ信号源12が出力するマーカ信号の周波数がレゾルバ信号101より低いので図14に示すように周波数分割入力手段106はレゾルバ信号101が含まれる高い周波数成分では差動で入力し、マーカ信号が含まれる低い周波数成分ではシングルエンドで入力する。
このときのゲイン特性を図15に示す。レゾルバ信号101が含まれる高い周波数成分では差動ゲイン(ノーマルモードゲイン)が高く、同相ゲイン(コモンモードゲイン)は低くなり、マーカ信号が含まれる低い周波数成分では差動ゲイン(ノーマルモードゲイン)が低く、同相ゲイン(コモンモードゲイン)は高くなっている。
図13〜図15に示すような周波数特性の周波数分割入力手段106の実施例を図16〜図18に示す。なお、周波数分割入力手段106の実現方法は発明者らにより出願された特願2005−315840号により提供されている。また演算増幅器のオフセットを補正するための機能(オートゼロ機能,オートヌル機能など)の副作用としてこのような特性を有する演算増幅器もあるので、これらの演算増幅器を使用してもよい。
図16は演算増幅器110の−入力端子への入力信号に直列にコンデンサCcを挿入した実施例である。図16のコンデンサCcを仮想的にショートすれば交流領域での等価回路となる。この等価回路での入出力の関係は次式のとおりとなる。
Vo=Rf(Vin+−Vin-)/Ri+Vbnormal
続いて、図16のコンデンサCcを仮想的にオープンにすれば直流領域での等価回路となる。この等価回路での入出力の関係は次式のとおりとなる。
Vo=(RfVin++RiVbnormal)/(Ri+Rf)
なお、Vbnormalはマーカ信号源12である直流電圧源の出力電圧で、R1,R2により次式で決定される。
Vbnorma=R1/(R1+R2)・Vcc
またマーカ信号源12である直流電圧源のインピーダンスRbは次式で現される。
Rb=R1//R2=R1・R2/(R1+R2)
さらに、図17は直流領域のゲインを1とした実施例である。図17のコンデンサCcを仮想的にショートすれば交流領域での等価回路となる。この等価回路での入出力の関係は図16と同じである。
一方、直流領域では、コンデンサCcがあるため入力されたVinpは分圧されずにそのままオペアンプの+入力端子に印加され、オペアンプの−入力端子がVin+となるようにVoが制御される。
つまり、
Vin+=(Rf・Vin-+Ri・Vo)/(Ri+Rf)
直流領域ではVin+=Vin-であるため
Vo=Vin+
となる。
以上により交流領域では差動入力として動作し、直流領域ではゲイン1のシングルエンド入力として動作することがわかる。本実施例によれば、直流領域のゲインを1にすることが出来るために、周波数分割入力手段106、後段に接続されるA/D変換器での信号の中心値を最大振幅を扱うための最適点、即ち回路の動作電源電圧の1/2に設定することができる。
図18は同様に演算増幅器110の+入力端子への入力信号に直列にコンデンサCcを挿入した実施例である。図18のコンデンサCcを仮想的にショートすれば交流領域での等価回路となる。この等価回路での入出力の関係は図16と同じである。
続いて、図18のコンデンサCcを仮想的にオープンにすれば直流領域での等価回路となる。この等価回路での入出力の関係は次式のとおりとなる。
Vo=Rf(Vbnormal−Vin-)/Ri+Vbnormal
以上により交流領域では差動入力として動作し、直流領域ではシングルエンド入力として動作することがわかる。従って本実施例により図14,図15の周波数特性を実現することができ、相間短絡検出機能とノイズ耐性とを両立させることができる。
図19,図20は本発明による入力インタフェースを用いたモータ制御システムの実施例である。レゾルバ100のsinθに比例した振幅のレゾルバ信号巻線102−1,cosθに比例した振幅のレゾルバ信号巻線102−2によるレゾルバ信号101−1、101−2は本発明の抵抗する入力インタフェース10−1,10−2を経て、図19に示すようにマイクロプロセッッシングユニット20内部のA/D変換器21−1,21−2に入力される。A/D変換器21−1,21−2で得られた変換結果により基づき、角度演算機能22ではsinθ,cosθに比例したレゾルバ信号101−1,101−2の振幅からレゾルバ100の回転角度θが得られる。レゾルバとモータ600とは同じ回転軸で接続されているのでレゾルバ100の回転角度θはモータ600の回転角度θである。
モータ600の回転角度θに基づいてモータ制御機能23ではモータ600に流す電流の大きさ,位相を決定し、図20に示すようにインバータ30はマイクロプロセッッシングユニット20からの指令に基づきモータ600に所定の位相,大きさの電流を流す。それとともに図19に示すように異常検出機能24では中心電圧の変化からレゾルバの天絡,地絡,断線などの故障を検出し、異常検出信号200を出力する。
出力された異常検出信号200により図21に示すようにメインリレー50や相リレー60を制御したり、論理積40によりインバータ30へのマイクロプロセッッシングユニット20からの指令を制御したりすることにより、異常検出時にはモータ600への電流を遮断してシステムの動作の安全性を確保する。
本発明を電動パワーステアリングに適用した実施例を図22に示す。モータ600の回転軸には減速機構4が取り付けられ、減速機構により車輪5及びハンドル2を駆動する。運転者の操作トルクはトルクセンサ3により検出され、検出された操作トルクに応じたアシストトルクをモータ600が発生するようにマイクロプロセッッシングユニット20は制御をする。
以上、本発明の実施例について説明を加えたが、図23のようにすれば特開2000−131096号により開示されている中心電圧(バイアス電圧)の印加方法についても本発明の提供する周波数分割入力手段106を適用することができる。
以上の回路によれば、正常時には増幅回路11の出力端子にはレゾルバ信号101とマーカ信号源12の出力信号である所定の直流電圧Vbnormalが重畳された信号を増幅した信号が得られる。レゾルバ信号101が地絡した場合には0Vの信号が得られる。レゾルバ信号101バッテリ電圧VBATに短絡、即ち天絡した場合にはVBATをK倍に増幅した信号が得られ、この値が増幅回路11の出力範囲を超える場合には出力範囲の上限電圧の信号が得られる。また、レゾルバ信号101が断線した場合にはVbopenをK倍に増幅した信号が得られ、この値が増幅回路11の出力範囲を超える場合には出力範囲の上限電圧の信号が得られる。
また、図24に示すように周波数分割入力手段106により信号を受けることも可能である。
本発明の基本的実施例。 図1の実施例の信号波形。 マーカとして信号直流電圧を用いた実施例。 図3の実施例の信号波形。 図3の実施例による故障時の出力。 マーカとして時分割を用いた実施例。 図3の実施例の詳細な実施例。 周波数分割入力手段を用いた実施例。 図8の実施例の周波数特性の例。 図8の実施例の周波数特性の例。 図8の実施例の周波数特性の例。 図8の実施例の周波数特性の例。 マーカとして信号直流電圧を用いた実施例。 図13の実施例の周波数特性。 図13の実施例の周波数特性。 図13の実施例さらに詳細な実施例。 図13の実施例さらに詳細な実施例。 図13の実施例さらに詳細な実施例。 モータ制御系の実施例。 モータ制御系の実施例。 モータ制御系の実施例。 電動パワーステアリングの実施例。 バイアス回路の実施例。 バイアス回路の実施例。
符号の説明
2 ハンドル
3 トルクセンサ
4 減速機構
5 車輪
11 レゾルバ信号入力回路
12 信号源
20 マイクロプロセッッシングユニット
21 A/D変換器
22 角度演算機能
23 モータ制御機能
24 異常検出機能
30 インバータ
40 論理積
50 メインリレー
60 相リレー
100 レゾルバ
101 レゾルバ信号
102 レゾルバ信号巻線
106 周波数分割入力手段
110 演算増幅器
600 モータ

Claims (9)

  1. 回転子の回転角度に応じた回転角度信号をレゾルバ巻線から出力するレゾルバの異常検出回路であって、前記レゾルバ巻線の一方の端子に直列に接続された交流電圧源から前記レゾルバ巻線に所定信号を印加し、該レゾルバ巻線の他方の端子から出力される前記回転角度信号に該所定信号が重畳されているか否かを判定し、該判定結果に基づいて前記レゾルバ巻線断線、地絡、天絡のうちいずれかの異常を検出するレゾルバ異常検出回路。
  2. 回転子の回転角度に応じ、レゾルバ巻線から出力される回転角度信号を入力するレゾルバ信号入力回路と、前記レゾルバ巻線の一方の端子に直列に接続され、所定信号を印加する、交流電圧源と、前記レゾルバ信号入力回路からの出力信号に基づいて、前記回転角度信号に該所定信号が重畳されているか否かを判定する判定回路部と、前記判定回路部からの該判定結果に基づいて、前記レゾルバ巻線の断線、地絡、天絡のうちいずれかの異常を検出する異常検出回路部とを備えるレゾルバ異常検出回路。
  3. 請求項2に記載のレゾルバ異常検出回路であって、前記レゾルバ巻線の両端は前記レゾルバ信号入力回路に接続されるレゾルバ異常検出回路。
  4. 請求項3に記載のレゾルバ異常検出回路であって、前記交流電圧源は、前記レゾルバ信号入力回路に対して直列に接続されるレゾルバ異常検出回路。
  5. 請求項4記載のレゾルバ異常検出回路であって、前記交流電圧源と前記レゾルバ信号入力回路との接続点は、グランド電位と接続されるレゾルバ異常検出回路。
  6. 請求項1から5いずれか一項記載のレゾルバ異常検出回路であって、前記判定回路部は、前記回転角度信号の周波数領域では差動で信号を受け、前記所定信号の周波数領域ではシングルエンドで信号を受けるレゾルバ異常検出回路。
  7. 請求項1から6いずれか一項記載のレゾルバ異常検出回路を有するモータ制御装置であって、前記異常検出回路部がレゾルバの異常を検出した場合にはモータの駆動電流を停止するモータ制御装置。
  8. 請求項5記載のレゾルバ異常検出回路であって、前記他方の端子と前記レゾルバ信号入力回路とを接続する配線は抵抗を介して所定の電位に接続されていることを特徴とするレゾルバ異常検出回路。
  9. 請求項1から8いずれか一項記載のレゾルバ異常検出回路であって、前記回転角度信号と前記交流電圧源の信号とを分離するための分離手段を備えることを特徴とするレゾルバ異常検出回路。
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