JP5763420B2

JP5763420B2 - レゾルバの駆動装置

Info

Publication number: JP5763420B2
Application number: JP2011120254A
Authority: JP
Inventors: 良樹坂本
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: JP2012247344A

Description

本発明は、省電力化が可能なレゾルバの駆動装置に関する。

車載用として使用されるセンサは、車載電気機器の増加や、電気自動車化などにより低消費電力化が求められてきている。例えば、車両のステアリング軸の回転角を検出する装置として、レゾルバを用いたものが知られている。通常のレゾルバは、励磁電流として、常時５ＫＨｚ〜２０ＫＨｚの正弦波が入力されている。このため、他の回転角度センサと比べて消費電力が大きくなる傾向がある。これは、従来使われてきたサーボ方式のＲ／Ｄコンバータでは、安定にサーボを掛けるために、セットリング・タイムが必要であり、常時励磁を行う方式が一般的であるという点にも原因がある。なお、セットリング・タイム（settling time）というのは、入力デジタル信号にステップ出力が得られるような変化を与えた場合の出力応答に関わる値を考えた場合に、入力データが変化した後、出力値が目標値の許容範囲に到達するまでの時間のことである。

特許文献１には、バッテリによるバックアップ時の消費電力を低減することを目的としたレゾルバの駆動回路が開示されている。この技術では、レゾルバからの出力値は、ＡＭＰ、微分回路を通りパルス検出回路に入力される。そして、微分回路の出力の増減（すなわちレゾルバ出力の増減）により、パルス検出回路の出力値を増減させ、この出力に応じてパルス数が変動する信号で励磁を行う構成が記載されている。

特開２００４−２２６２００号公報

特許文献１に記載された構造では、可動子の回転状態に応じてサンプリングパルスのパルスレートを増減させることで励磁回数を増減させることが可能となるとされているが、角度データが必要でない場合に励磁が停止されるわけではなく、常時励磁が行われていることには変わりがない。このため、角度データの検出が不要な状態においても励磁電流が消費される。このような背景において、本発明は、レゾルバの角度データを必要とするタイミングでレゾルバの励磁を行うことで、省電力化したレゾルバの駆動を可能とすることを目的とする。

請求項１に記載の発明は、車両に搭載されるレゾルバの駆動装置であって、常時励磁信号を出力する常時励磁モードおよび間欠的に励磁信号を出力する間欠励磁モードの一方を選択可能な励磁信号出力部と、前記励磁信号出力部から出力される励磁信号に応答して得られたｓｉｎ相検出信号およびｃｏｓ相検出信号に基づいて角度情報の算出を行う演算部とを備え、当該車両が移動中である場合に前記常時励磁モードが選択され、当該車両が停車中である場合に前記間欠励磁モードが選択されることを特徴とするレゾルバの駆動装置である。

請求項１に記載の発明によれば、角度検出の要求信号を受け付けた場合、特定の期間の間において励磁信号が出力される。このため、角度検出が不要な場合にレゾルバの励磁が行われず、レゾルバの励磁に要する消費電力を削減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記励磁信号がパルス信号であり、このパルス信号はコンデンサが並列に接続された励磁巻線に供給されることを特徴とする。一般にプログラム可能な各種のマイクロ・コンピュータは、各種の制御信号として利用可能なパルス信号を決められたタイミングで出力する機能を有している。請求項２に記載の発明によれば、この機能を利用してレゾルバの励磁を行うことができる。このため、請求項２に記載の構成によれば、特別な部品を必要とせずに発明を実現することができる。また、励磁巻線に並列にコンデンサを接続し、共振回路を構成することで、パルス信号の波形をサイン波形に類似な波形に変え、得られる出力波形を理想的な波形に近付けることができる。なお、パルス信号の波形は方形波に限らず階段波、三角波などが使用される。

本発明によれば、レゾルバの角度データを必要とするタイミングでレゾルバの励磁を行うことで、省電力化したレゾルバの駆動が可能となる。

実施形態のブロック図である。実施形態のタイミングチャートである。実施形態のフローチャートである。

（構成）
図１には、本発明を利用したシステムの一例が示されている。ここでは、車両の電動パワーステアリングシステムに本発明を利用する場合の例を説明する。図１には、レゾルバ１００が示されている。レゾルバ１００は、通常のＶＲ型レゾルバであり、励磁巻線１０１、ｓｉｎ相検出巻線１０２、ｃｏｓ相検出巻線１０３を備えている。レゾルバ１００は、通常のＶＲ型レゾルバと同じ構造であるので、その詳細な説明は省略する。ここでレゾルバ１００の回転軸は、車両のステアリング軸の回転を検出する構成とされている。

レゾルバ１００には、Ｒ／Ｄコンバータ演算部内蔵マイコン１０４が接続されている。Ｒ／Ｄコンバータ演算部内蔵マイコン１０４は、レゾルバ１００の駆動信号を生成し、ＩＦ回路（インターフェース回路）（１０９）を介してレゾルバ１００に励磁信号を出力し、またレゾルバ１００が検出した信号に基づく角度演算を行うＲ／Ｄコンバータとしての機能を有している。Ｒ／Ｄコンバータ演算部内蔵マイコン１０４は、励磁パルス出力回路１０５、Ａ／Ｄコンバータ１（１０６）、Ａ／Ｄコンバータ２（１０７）、Ｒ／Ｄコンバータ演算部１０８を備えている。なお、Ｒ／Ｄコンバータ演算部はソフトウェアだけで実現することもできる。

励磁パルス出力回路１０５は、後述する角度検出の要求信号が入力された場合に、レゾルバ１００の励磁巻線１０１への励磁信号となる励磁パルス信号を出力する。励磁パルス出力回路１０５から出力された励磁パルス信号は、例えばリニア増幅器により構成されるＩＦ回路１０９で増幅され、レゾルバ１００の励磁巻線１０１に供給される。

Ａ／Ｄコンバータ１（１０６）は、ｓｉｎ相検出巻線１０２が検出したｓｉｎ相検出信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ２（１０７）は、ｃｏｓ相検出巻線１０３が検出したｃｏｓ相検出信号をデジタル信号に変換する。Ｒ／Ｄコンバータ演算部１０８は、Ａ／Ｄ変換されたｓｉｎ相検出信号とｃｏｓ相検出信号とに基づき、レゾルバ１００の回転軸の回転角を算出し、それを角度データとして出力する。この例において、レゾルバは、車両のステアリング軸の回転角を検出する。このステアリング軸の角度データは、例えばステアリング軸の回転をモータによってアシストする電動パワーステアリングシステムに利用される。なお、ここでは、対象となる車両として、公道を走行可能な乗用車を想定しているが、車両はそれに限定されるものではない。

励磁巻線１０１には並列にコンデンサ１１０が挿入され、励磁巻線１０１とコンデンサ１１０とで共振回路１１１が形成されている。共振回路１１１は、ＩＦ回路１０９から出力されるデジタル信号の波形を鈍らせ、励磁巻線１０１に流れる電流が正弦波に似せた波形となるようにする機能を発揮する。コンデンサ１１０の容量の値は、共振回路１１１の共振周波数が、励磁パルス出力回路１０５から出力される励磁パルス信号の周波数（この場合は、１０ｋＨｚ）となる値とされている。

励磁パルス出力回路１０５は、車両制御用マイコン１１２から出力される角度検出の要求信号に基づいて、励磁パルス信号を出力する。具体的にいうと、励磁パルス出力回路１０５は、角度検出の要求信号の入力がある場合に、励磁パルス信号を出力し、角度検出の要求信号の入力がない場合は、励磁パルス信号の出力を行わない。車両制御用マイコン１１２は、車両の状態に関する情報を取得し、それに基づきステアリング軸の回転角を検出する必要がある状態であるか否か、を判定し、その結果に基づき角度検出の要求信号を励磁パルス出力回路に出力する。

励磁パルス信号はＩＦ回路１０９で適切なレベルに増幅され、励磁巻線１０１に供給される。この際、共振回路１１１の作用により、波形がなまりサイン波形に似せた波形が励磁信号として励磁巻線１０１に供給される。励磁巻線１０１に励磁信号が流れることで、励磁巻線が磁束を生成し、それがｓｉｎ相検出巻線１０２およびｃｏｓ相検出巻線１０３で検出され、ｓｉｎ相検出信号とｃｏｓ相検出信号とが得られる。この応答は、巻線のインダクタンスの影響で励磁パルス信号の供給タイミングに対して少し遅れる。

Ａ／Ｄコンバータ１（１０６）とＡ／Ｄコンバータ２（１０７）は、ｓｉｎ相検出巻線１０２から得られるｓｉｎ相検出信号とｃｏｓ相検出巻線１０３から得られるｃｏｓ相検出信号とを取り込み、それらをデジタル信号に変換する。このデジタル信号に変換されたｓｉｎ相検出信号とｃｏｓ相検出信号とがＲ／Ｄコンバータ演算部１０８に取り込まれる。Ｒ／Ｄコンバータ演算部１０８は、取り込んだｓｉｎ相検出信号とｃｏｓ相検出巻線１０３とに基づき、レゾルバ１００が検出した角度データの算出を行う。

図２には、各種信号および処理の関係を示すタイミングチャートが示されている。図２には、レゾルバ１００への励磁パルス信号の供給が間欠的に行われる間欠励磁モードが示されている。図２に示すように、車両制御用マイコン１１２から角度検出の要求信号が出力され、それが励磁パルス出力回路１０５に入力すると、励磁パルス出力回路１０５は、励磁パルス信号を出力する。図２には、角度検出の要求信号がＴ_１の期間で出力され、それに応答して励磁パルス出力回路１０５から励磁パルス信号が期間Ｔ_１の間出力される場合が示されている。励磁パルス信号は、１０ｋＨｚの周期で繰り返すパルス信号（矩形波形）である。なお、励磁パルス信号の繰り返し周波数は、例えば５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲から選択可能である。

図２には、角度検出の要求信号がＴ_１の期間で出力され、その後期間Ｔ_２の間出力されず、その後に再びＴ_１の期間で出力が行われ、といった動作が繰り返され、このタイミングに応答して同様のタイミングで励磁パルス出力回路１０５から励磁パルス信号が出力される状態が示されている。すなわち、車両制御用マイコン１１２からの角度検出の要求信号に対応して、Ｔ_１の期間における励磁パルス信号の出力、その後のＴ_２の期間における励磁パルス信号の出力の停止、更にその後のＴ_１の期間における励磁パルス信号の出力が行われる状態が示されている。なお、図２では、図示されていないが、角度検出の要求信号の繰り返しが、同様に行われている間、このサイクルは繰り返し行われる。ここでは、期間Ｔ_１における励磁パルス信号の出力→期間Ｔ_２における励磁パルス信号の出力の休止→期間Ｔ_１における励磁パルス信号の出力→・・・の繰り返しの状態を、励磁パルス信号が間欠的に出力される状態と呼ぶ。そしてこの状態で励磁を行うモードを間欠励磁モードと呼ぶ。

図２において、Ｔ_３は、間欠励磁モードにおける角度検出の要求信号の間隔である。ここで、Ｔ_１とＴ_２の和がＴ_３となる関係にある。またこの例において、Ｔ_１＝０．３秒、Ｔ_２＝１秒、Ｔ_３＝１．３秒と設定されている。これらの数値の設定は、一例であり、この値に限定されるものではない。

図２に示すように、励磁パルス出力回路１０５からの励磁パルス信号が出力されると、励磁パルス出力回路１０５からの励磁パルス信号の出力タイミングに少し遅れて、ｓｉｎ相検出信号およびｃｏｓ相検出信号が出力される。これは、巻線のインダクタンス成分に起因して応答が少し遅れるためである。ｓｉｎ相検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ１（１０６）により取り込まれ、ｃｏｓ相検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ２（１０７）によって取り込まれ、それぞれデジタル信号に変換される。ここで取り込まれたｓｉｎ相検出信号およびｃｏｓ相検出信号に基づく演算がＲ／Ｄコンバータ演算部１０８で行われ、レゾルバ１００が検出するステアリング軸の角度データの算出が行われる。この角度データは、Ｒ／Ｄコンバータ内臓マイコン１０４から出力され、他の機器に取り込まれる。図２には、この角度演算と他の機器における角度データの取込のタイミングが示されている。

図２の間欠励磁モードでは、励磁パルス信号が出力されていない期間Ｔ_２が周期的にあり、常時励磁を行う場合（つまり休止期間Ｔ_２なしの場合）に比較して励磁に必要な電力が削減されている。なお、この場合、励磁が間欠的であるので、図２に例示されるように、ｓｉｎ相検出信号およびｃｏｓ相検出信号の取り込みも間欠的に行われ、角度検出の処理も間欠的に行われる。

（動作の一例）
以下、図１のシステムで行われる処理の一例を説明する。図３には、図１のシステムで行われる処理の手順の一例が示されている。なお、以下において便宜上エンジンと記載するが、ここでエンジンに相当するものとしては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、電動モータ、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンと電動モータとのハイブリッド仕様等が挙げられる、また、ここでは、オートマチック車の場合を例に挙げ説明を行う。

エンジンキーが差し込まれＯＮの位置に回されると、処理が開始される（ステップＳ２０１）。処理が開始されると、まずギアのシフトレバーがパーキングの位置にあるか否か、が判定される（ステップＳ２０２）。ここで、ギアのシフトレバーがパーキングに入っていれば、ステップＳ２０３に進み、そうでなければステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０３に進んだ場合、車両制御用マイコン１１２からの角度検出の要求信号の出力は行わない。この場合、励磁パルス出力回路１０５は、励磁パルス信号を出力せず、レゾルバ１００の励磁は行われない。

ステップＳ２０４に進んだ場合、当該車両が停車中であるか否か、の判定が車両制御用マイコン１１２において判定される。ここで、当該車両が停車中であれば、ステップＳ２０５に進み、図２に示す間欠励磁モードでの励磁が行われる。また、ステップＳ２０４の判定において、当該車両が停車中でなければ（つまり動いていれば）、ステップＳ２０７に進む。

また、ステップＳ２０５の間欠励磁モードが実行されている状態において、レゾルバ１００が検出対象としている軸（この場合は、ステアリング軸）の角度変化を検出したか否か、の判定が行われる（ステップＳ２０６）。この判定は、車両状態用マイコン１１２において行われる。ステップ２０６において角度変化が検出されると、ステップＳ２０７に進み、角度変化が検出されない場合はステップＳ２０２以下の処理が再度実行される。

ステップＳ２０７では、車両制御用マイコン１１２からの角度検出の要求信号の出力が連続して途切れることなく行われる。この場合、励磁パルス出力回路１０５からの励磁パルスの出力は、図２に例示するような、出力期間Ｔ_１と出力休止期間Ｔ_２とを交互に繰り返す間欠的なものではなく、連続して行われる。このモードでは、レゾルバ１００は休みなく連続して励磁され、常時角度検出処理が行われ、Ｒ／Ｄコンバータ演算部１０８からは当該車両のステアリング軸の角度情報が途切れなく出力され続ける。

ステップＳ２０３およびステップＳ２０７の処理が実行されている状態において、エンジンキーが抜かれると、ステップＳ２０８の判定がＹＥＳとなり、処理は終了する（ステップＳ２０９）。処理が終了した場合、システムの電源がＯＦＦとなるので、車両制御用マイコン１１２もＯＦＦとなり、角度検出の要求信号の出力も行われない。また、ステップＳ２０３およびステップＳ２０７の処理が実行されている状態において、エンジンキーが抜かれていない場合、ステップＳ２０２以下の処理が再度実行される。

図３に示す処理によれば、エンジンキーがキー穴に差し込まれ、ＯＮ動作が行われた後であっても、ステアリング軸の角度検出が必要のないパーキングモードにおいては、励磁電流の出力が行われず、励磁を行うための消費電流の消費は生じない（ステップＳ２０３）。また、ブレーキをかけて停車中の場合、間欠的に励磁が行われるモードが実行され（ステップＳ２０５）、励磁に必要な消費電力が抑えられる。例えば、赤信号により停車中でエンジンを停止している状態では、間欠励磁モードとなる（ステップＳ２０５）。この場合、間欠的ではあるがステアリング軸の回転角の検出が行われる。このように、必要とされる角度検出を行いつつ、レゾルバの励磁に要する電力を削減することができる。

（優位性）
本実施形態において、励磁パルス出力回路１０５は、角度検出の要求信号を受けて励磁パルス信号を出力する。ここで、車両制御用マイコン１１２は、車両の状態を判定し、ステアリング軸の角度検出が必要な状況と判定された場合に角度検出の要求信号を出力する。このため、励磁パルス出力回路１０５は、常時励磁パルス信号を出力する場合に比較して、励磁に要する消費電力を抑えることができる。

従来使われてきたサーボ方式のＲ／Ｄコンバータでは、安定にサーボを掛けるために、セットリング・タイムが必要とされる。これに対して、本実施形態で示すマイクロ・コンピュータによる関数演算を主体としたアルゴリズムでは、サーボ方式の様なセトリング・タイムを必要としない。このため、レゾルバのインダクタンス成分や共振回路で主に起こる僅かな過渡応答時間の後にｓｉｎ相，ｃｏｓ相をサンプリングし、その後直ちに励磁を切ることが可能となる。

図３に例示する処理の手順によれば、エンジンキーが差し込まれている状態であっても、車両の状況に応じて、レゾルバ１００の励磁を行わないのか、励磁を常時行うのか、励磁を間欠的に行うのか、が選択される。また、ステップＳ２０６→ステップＳ２０７の処理の例で示されるように、角度検出を常時行いたい状況となった場合には、車両制御用マイコン１１２から角度検出の要求信号が連続して出力され、連続的な励磁が行われるモードに移行する。このため、角度データを必要とするタイミングで励磁パルス信号の供給が行われ、励磁に必要な電力の消費を、励磁を車両の状態に関係なく常時行う場合に比較して低減することができる。また、状況に応じて、励磁の状態を切り替えるので、安全性に悪影響を与えずに励磁に係る消費電力の低減が行える。

励磁巻線１０１に並列にコンデンサを接続し、共振回路１１１を形成することで、励磁巻線１０１に供給される励磁電流の波形をサイン波形に近付けることができる。こうすることで、ｓｉｎ相検出信号およびｃｏｓ相検出信号を理想的な波形に近付けることができ、低コストで得られる構成でありながら、Ｒ／Ｄコンバータ演算部１０８で行われる角度演算の精度を高めることができる。

ところで、安全性の確保のためにレゾルバを多重に配置し、故障に際しての冗長性を持たせる構成がある。本発明を利用した場合、レゾルバ一つ当たりの消費電力が削減されるので、レゾルバを多重に配置した構成であっても、多重化による安全性の確保と、低消費電力化を両立させることができる。

（その他）
図３の例では、間欠励磁モードが一種類であるが、間欠的に励磁が行われる間隔（図２の場合の期間Ｔ₂）を複数設定することで、角度検出の頻度と励磁に必要な消費電力との組み合わせとを複数用意し、状況に応じてその中の一つを選択するようにしてもよい。又、常時励磁モードの代わりにＴ_２の短い間欠励磁モードを選択してもよい。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

実施形態では、一例として電動パワーステアリングの制御システムに本発明を利用する場合の例を説明したが、ある部分の回転角を検出し、その検出結果を用いて何らかの制御を行うシステムに本発明は利用することができる。この時、当該回転角の検出を必要としない状況において、励磁パルスが出力されない構成とすることで、省電力化したレゾルバの駆動を行う構成が提供される。

本発明は、レゾルバを駆動する技術に利用することができる。

１００…レゾルバ、１０１…励磁巻線、１０２…ｓｉｎ相検出巻線、１０３…ｃｏｓ相検出巻線、１０４…Ｒ／Ｄコンバータ内蔵マイコン、１０５…励磁パルス出力回路、１０６…Ａ／Ｄコンバータ１、１０７…Ａ／Ｄコンバータ２、１０８…Ｒ／Ｄコンバータ演算部、１０９…ＩＦ（インターフェース）回路、１１０…コンデンサ、１１１…共振回路、１１２…車両制御用マイコン。

Claims

車両に搭載されるレゾルバの駆動装置であって、
常時励磁信号を出力する常時励磁モードおよび間欠的に励磁信号を出力する間欠励磁モードの一方を選択可能な励磁信号出力部と、
前記励磁信号出力部から出力される励磁信号に応答して得られたｓｉｎ相検出信号およびｃｏｓ相検出信号に基づいて角度情報の算出を行う演算部と
を備え、
当該車両が移動中である場合に前記常時励磁モードが選択され、
当該車両が停車中である場合に前記間欠励磁モードが選択されることを特徴とするレゾルバの駆動装置。
前記励磁信号がパルス信号であり、このパルス信号はコンデンサが並列に接続された励磁巻線に供給されることを特徴とする請求項１に記載のレゾルバの駆動装置。