JP6394399B2 - 回転角検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転電機の回転角度を精度よく検出可能な回転角検出装置を提供することにある。
センサ部は、シャフトと一体に回転する被検出部の磁界の変化を検出する。
補正前角度演算手段は、センサ部の検出値に基づいて補正前機械角を演算する。
第1補正演算手段は、被検出部とセンサ部との組み付け誤差により生じる角度誤差を補正する第1補正値に基づいて補正前機械角を補正する。
第2補正演算手段は、巻線への通電による漏れ磁束により生じる角度誤差を補正する第2補正値に基づいて補正前機械角を補正する。
第1態様では、巻線と接続される接続線(35、45)は、センサ部が実装される実装面上に配置される。第2補正値は、センサ部と接続線との距離、および、接続線に流れる電流に係る情報に基づく値である。
第2態様では、ロータは、n極対の磁極を有する。第2補正値は、(n−1)次および(n+1)次の三角関数の合成関数で表される磁界強度に基づく値である。
第3態様では、第2補正値は、所定のq軸電流を通電したときの角度誤差である基準第2補正値、および、巻線に通電されるq軸電流に基づく値である。
第4態様では、第2補正値は、d軸電流に応じた位相ずれに基づく値である。
センサ部が実装される実装面上に接続線が配置される場合、漏れ磁束の影響が比較的大きくなるので、第2補正値による補正を行うことは特に有効である。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による回転角検出装置を図1〜図13に基づいて説明する。
図1〜図8に示すように、本実施形態の回転角検出装置1は、回転電機としてのモータ10の回転角度を検出するものである。モータ10は、運転者によるステアリング操作を補助するための電動パワーステアリング装置2に適用される。
図1は、電動パワーステアリング装置2を備えるステアリングシステム90の構成を示す。ステアリングシステム90は、操舵部材であるハンドル(ステアリングホイール)91、ステアリングシャフト92、ピニオンギア96、ラック軸97、車輪98、および、電動パワーステアリング装置2等から構成される。
これにより、運転者がハンドル91を回転させると、ハンドル91に接続されたステアリングシャフト92が回転する。ステアリングシャフト92の回転運動は、ピニオンギア96によってラック軸97の直線運動に変換され、ラック軸97の変位量に応じた角度に一対の車輪98が操舵される。
モータ10は、バッテリ8(図2参照)から電力が供給されることにより駆動し、減速ギア89を正逆回転させる。
図2に示すように、モータ10は、3相ブラシレスモータであって、第1巻線組30および第2巻線組40を有する。本実施形態では、第1巻線組30および第2巻線組40が「巻線」に対応し、以下適宜、「巻線30、40」という。本実施形態では、第1巻線組30の通電制御に係る構成を第1系統101とし、第2巻線組40の通電制御に係る構成を第2系統102とする。
第1モータ線35は、U1モータ線36、V1モータ線37、および、W1モータ線38から構成される。U1モータ線36は、U相の高電位側に接続されるスイッチング素子61と低電位側に接続されるスイッチング素子64との接続点と、U1コイル31とを接続する。V1モータ線37は、V相の高電位側に接続されるスイッチング素子62と低電位側に接続されるスイッチング素子65との接続点と、V1コイル32とを接続する。W1モータ線38は、W相の高電位側に接続されるスイッチング素子63と低電位側に接続されるスイッチング素子66との接続点と、W1コイル33とを接続する。
第2モータ線45は、U2モータ線46、V2モータ線47、および、W2モータ線48から構成される。U2モータ線46は、U相の高電位側に接続されるスイッチング素子71と低電位側に接続されるスイッチング素子74との接続点と、U2コイル41とを接続する。V2モータ線47は、V相の高電位側に接続されるスイッチング素子72と低電位側に接続されるスイッチング素子75との接続点と、V2コイル42とを接続する。W2モータ線48は、W相の高電位側に接続されるスイッチング素子73と低電位側に接続されるスイッチング素子76との接続点と、W2コイル43とを接続する。
本実施形態では、モータ線35、45が「接続線」に対応する。
マイコン85は、モータ10全体の制御を司るものであり、トルクセンサ94から入力されるトルク検出値や、回転角センサ86から入力される検出値等に基づいて各種演算を行うマイクロコンピュータである。
機械角θmの検出方法については、後述する。
ステータ12は、ステータコアを有し、ステータコアには、第1巻線組30および第2巻線組40(図3参照)が巻回される。第1巻線組30は、第1モータ線35と接続され、第2巻線組40は、第2モータ線45と接続される。第1モータ線35および第2モータ線45は、リアフレームエンド20に形成されるモータ線取出部25に挿通されてコントロールユニット50側に取り出され、基板51と接続される。
ロータ14は、ステータ12と同軸となるように、ステータ12の径方向内側に回転可能に設けられる、ロータ14は、略円筒状に形成され、外周面にはN極とS極とが交互になるように、着磁される。本実施形態では、N極およびS極が5対(計10極)である5極対モータとする。
リアフレームエンド20の軸中心には、孔部21が形成される。孔部21には、軸受18が設けられ、シャフト15の他端152が挿通される。
また、リアフレームエンド20には、2つのモータ線取出部25が形成される。一方のモータ線取出部25には、第1モータ線35が挿通され、他方のモータ線取出部25には、第2モータ線45が挿通される。
カバー部材29は、有底筒状に形成され、コネクタ55の突出部555よりも開口側を露出した状態にて、コントロールユニット50を覆い、リアフレームエンド20に固定される。
基板51のモータ10側の面である第1面52には、スイッチング素子61〜66、71〜76、回転角センサ86、および、ASIC87が表面実装される。スイッチング素子61〜66、71〜76、および、ASIC87は、リアフレームエンド20に対して図示しない放熱ゲルを介して背面放熱可能に設けられる。すなわち、本実施形態では、リアフレームエンド20が、モータ10の外郭としての機能、および、ヒートシンクとしての機能を兼ね備えている。これにより、ヒートシンクを別途に設ける場合と比較して部品点数が低減される。
また、本実施形態では、スイッチング素子61〜66、71〜76、チョークコイル80、コンデンサ81、82、マイコン85、回転角センサ86、および、ASIC87を1枚の基板51に実装しているので、複数の基板にこれらの電子部品を実装する場合と比較し、部品点数を低減可能であるとともに、小型化が可能である。
AD値補正演算部851は、AD変換されて入力された回転角センサ86の検出値を補正し、補正後AD値を演算する。
補正前角度演算部852では、補正後AD値に基づき、補正前機械角θm_sを演算する。
マグネット19の中心と回転角センサ86の中心とが共にモータ軸線O上にあり、かつ、マグネット19の回転角センサ86側の面と、回転角センサ86のマグネット19側の面とが平行である場合、検出誤差が生じない。しかしながら、組み付け誤差により、マグネット19および回転角センサ86の中心ずれ、および、マグネット19および回転角センサ86の傾きの少なくとも一方があると、補正前機械角θm_sは、実際の機械角θmと異なる値となる。
なお、第1補正値Δθ1の導出に係り、モータ10を外力により駆動することに替えて、漏れ磁束が無視できる程度の微少電流を通電することにより、モータ10を一定駆動させてもよい。
第1補正機械角θm_1は、式(1)で表される。
θm_1=θm_s−Δθ1 ・・・(1)
漏れ磁束に起因する角度誤差を補正するための第2補正値Δθ2の演算方法については後述する。
信号生成部856では、電気角θeに基づき、電流フィードバック制御等により、巻線組30、40に印加する電圧指令値を演算し、電圧指令値に基づき、スイッチング素子61〜66、71〜76のオンオフ作動を制御する制御信号を生成、出力する。これにより、モータ10の駆動が制御される。
本実施形態では、マグネット19および回転角センサ86の径方向外側にモータ線35、45が配置される。より詳細には、回転角センサ86が実装される実装面上において、径方向外側には、モータ線35、45が配置される。そのため、モータ線35、45に電流が流れることにより生じる漏れ磁束の影響により、補正前機械角θm_sは、実際の機械角θmと異なる値となる。
基準q軸電流Iq_bを通電したときの相電流の実効値Ieは、式(2)で表される。
Ie=Iq_b/(√3) ・・・(2)
また、相電流の最大値は、(√2)×Ieであり、片系統の相電流の最大値は、{(√2)/2}×Ieである。
Iu1={(√2)/2}×Ie×sin(θe −a)
・・・(3−1)
Iv1={(√2)/2}×Ie×sin(θe−120°−a)
・・・(3−2)
Iw1={(√2)/2}×Ie×sin(θe+120°−a)
・・・(3−3)
Iu2={(√2)/2}×Ie×sin(θe +a)
・・・(3−4)
Iv2={(√2)/2}×Ie×sin(θe−120°+a)
・・・(3−5)
Iw2={(√2)/2}×Ie×sin(θe+120°+a)
・・・(3−6)
モータ線35、45が無限に長いとみなすと、ビオ・サバールの法則より、磁界強度Hは、式(4)と表される。
H=I/(2πr) ・・・(4)
式中の記号は、以下の通りである。
H:磁界強度
I:電流
r:距離
Hu1=Iu1/(2π×ru1) ・・・(5−1)
また、回転角センサ86と、V1モータ線37、W1モータ線38、U2モータ線46、V2モータ線47、または、W2モータ線48との間の距離をrv1、rw1、ru2、rv2、rw2とし、回転角センサ86におけるV1モータ線37、W1モータ線38、U2モータ線46、V2モータ線47、または、W2モータ線48に流れる電流による磁界強度Hv1、Hw1、Hu2、Hv2、Hw2は、式(5−2)〜式(5−6)で表される。
Hw1=Iw1/(2π×rw1) ・・・(5−3)
Hu2=Iu2/(2π×ru2) ・・・(5−4)
Hv2=Iv2/(2π×rv2) ・・・(5−5)
Hw2=Iw2/(2π×rw2) ・・・(5−6)
B=μ×H ・・・(6)
式中の記号は、以下の通りである。
B:磁束密度
μ:真空の透磁率(=1.257×10-6[H/m])
H:磁界強度
Bv1=μ×Hv1=μ×Iv1/(2π×rv1) ・・・(7−2)
Bw1=μ×Hw1=μ×Iw1/(2π×rw1) ・・・(7−3)
Bu2=μ×Hu2=μ×Iu2/(2π×ru2) ・・・(7−4)
Bv2=μ×Hv2=μ×Iv2/(2π×rv2) ・・・(7−5)
Bw2=μ×Hw2=μ×Iw2/(2π×rw2) ・・・(7−6)
図10に示すように、本実施形態では、回転角センサ86の中心を原点し、回転角センサ86の長手方向をx軸、短手方向をy軸とし、固定座標であるx−y座標を基準座標とする。また、x−y座標において、原点とU1モータ線36とを結ぶ直線とx軸とのなす角度をθu1とする。なお、図10に示す通り、θu1は、原点とU1モータ線36とを結ぶ直線の垂線とy軸とのなす角度と捉えることもできる。同様に、原点とV1モータ線37とを結ぶ直線とx軸とのなす角度をθv1、原点とW1モータ線38とを結ぶ直線とx軸とのなす角度をθw1、原点とU2モータ線46とを結ぶ直線とx軸とのなす角度をθu2、原点とV2モータ線47とを結ぶ直線とx軸とのなす角度をθv2、原点とW2モータ線48とを結ぶ直線とx軸とのなす角度をθw2とする。本実施形態では、V1モータ線37が正側のx軸上に配置されているので、θv1=0[°]であり、V2モータ線47が負側のx軸上に配置されているので、θv2=180[°]である。
本実施形態では、α軸がx軸と一致しているときを基準位置とし、このときの機械角θmを0とし、y軸とβ軸とがなす角度を機械角θmとする。
U1モータ線36に電流が流れると、図11にて二点鎖線で示すような磁界が形成される。また、マグネット19の磁界強度Hmg、および、U1モータ線36に流れる電流による磁界強度Hu1は、図11に示す如くのベクトルとして表される。また、磁界強度Hu1は、α軸方向のベクトルHu1_αとβ軸方向のベクトルHu1_βとに分解することができる。他のモータ線に流れる電流による磁界強度についても同様に、α軸方向とβ軸方向に分解可能である。
なお、マグネット19の磁束密度Bmg(例えば30[mT])と比較し、電流の漏れ磁束成分は十分に小さいので、マグネット19の磁界に平行するβ軸方向の漏れ磁束成分については、考慮しない。
Bu1_α=Bu1×cos(θm_s+θu1) ・・・(8−1)
Bv1_α=Bv1×cos(θm_s+θv1) ・・・(8−2)
Bw1_α=Bw1×cos(θm_s+θw1) ・・・(8−3)
Bu2_α=Bu2×cos(θm_s+θu2) ・・・(8−4)
Bv2_α=Bv2×cos(θm_s+θv2) ・・・(8−5)
Bw2_α=Bw2×cos(θm_s+θw2) ・・・(8−4)
Bi_α=Bu1_α+Bv1_α+Bw1_α
+Bu2_α+Bv2_α+Bw2_α ・・・(9)
基準q軸電流Iq_bを通電したときの角度誤差である基準第2補正値Δθ2_bは、式(10)で表される。なお、式中のBmgは、マグネット19の磁束密度である。
Δθ2_b=DEGREES(ATAN(Bi_α/Bmg)) ・・・(10)
第2補正演算部854では、モータ線35、45に通電されるq軸電流である検出q軸電流Iq_d、および、第1補正機械角θm_1に応じた基準第2補正値Δθ2_bに基づき、第2補正値Δθ2を演算する。第2補正値Δθ2は、式(11)で表される。第2補正値Δθ2は、図13に破線で示す如くとなる。
Δθ2=Δθ2_b×(Iq_d/Iq_b) ・・・(11)
θm_2=θm_1−Δθ2 ・・・(12)
これにより、第2補正機械角θm_2は、実際の機械角θmと略一致する。
演算された第2補正機械角θm_2は、電気角演算部855に出力され、電気角θeの演算に用いられる。また、演算された電気角θeは、各種演算に用いられる。
回転角センサ86は、シャフト15と一体に回転するマグネット19の磁界の変化を検出する。
マイコン85は、補正前角度演算部852と、第1補正演算部853と、第2補正演算部854と、を備える。
補正前角度演算部852は、回転角センサ86の検出値に基づいて、補正前機械角θm_sを演算する。
第2補正演算部854は、巻線30、40への通電による漏れ磁束により生じる角度誤差を補正する第2補正値Δθ2に基づいて補正前機械角θm_sを補正する。なお、本実施形態では、第1補正値Δθ1に基づいて補正された第1補正機械角θm_1を第2補正値Δθ2で補正する例を説明したが、第1補正機械角θm_1を第2補正値Δθ2で補正することも、「第2補正値に基づいて補正前機械角を補正する」という概念に含まれるものとする。
本実施形態では、回転角センサ86が実装される実装面上にモータ線35、45が配置されており、漏れ磁束の影響が比較的大きくなるので、第2補正値Δθ2による補正を行うことは特に有効である。
また、第2補正値Δθ2は、所定のq軸電流を通電したときの角度誤差である第2基準補正値、および、巻線30、40に通電されるq軸電流に基づいて演算される値である。これにより、q軸電流Iqに応じた漏れ磁束に起因する角度誤差を適切に補正することができる。
これにより、組み付け誤差に起因する誤差を適切に補正することができる。
第1補正値Δθ1は、モータ10と減速ギア89とを組み付けた後に一定駆動させたときの検出角θsと理想機械角θm_rとの差に基づく値である。これにより、モータ10の回転を出力する出力対象との組み付け誤差を考慮して、より適切に組み付けに起因する角度誤差を補正することができる。
なお、これらの手段は、予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよいものとする。
本発明の第2実施形態を図14に基づいて説明する。
本実施形態では、第2補正値Δθ2の演算方法が上記実施形態と異なる。
モータ線35、45に流れる電流が作る漏れ磁束は、ロータ14の磁極数によって位相が変化するので、本実施形態では、ロータ14の磁極数を考慮して第2補正値Δθ2を演算する。
第1系統101および第2系統102全体としてU相に流れるU相電流をIu、磁極対数をnとすると、U1電流Iu1は、式(13)で表される。なお、式中のnθmは、機械角θmを電気角θeに換算した換算値である。
Iu1=−Iu×sin(nθm+a) ・・・(13)
第2補正値Δθ2は、(n−1)次および(n+1)次の三角関数の合成関数で表される磁界強度に基づいて演算される値である。
これにより、ロータ14の磁極数に応じ、漏れ磁束に起因する角度誤差を適切に補正することができる。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第3実施形態について説明する。
上記実施形態では、d軸電流Idの影響による位相ずれを考慮して第2補正値Δθ2を算出する。
式(14)の相電流Iuの変換式を式(15)とする。
D=ATAN(Id/Iq) ・・・(16)
式(15)、(16)を用い、式(14)を変換すると、式(17)となる。
本実施形態では、第2補正値Δθ2は、d軸電流Idに応じた位相ずれDに基づいて演算される値である。これにより、特に高回転領域にてd軸電流Idが流れた場合における磁束漏れに起因する角度誤差を適切に補正することができる。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(ア)回転角センサ
上記実施形態では、回転角センサは、MR素子である。他の実施形態では、回転角センサは、MR素子に限らず、例えばレゾルバやホールIC等の磁束を検出するセンサに適用できる。また、上記実施形態では、被検出部はマグネットである。他の実施形態では、回転角センサに応じ、回転角センサにてシャフトおよびロータの回転位置を検出可能なものであれば、被検出部には、どのようなものを用いてもよい。
第1実施形態では、基準第2補正値が予め演算されてマップとして記憶され、マップに記憶された基準第2補正値を用いて第2補正値を演算する。他の実施形態では、第2補正演算手段は、上記実施形態にて説明した演算式を実装しておき、実際の電流情報(例えば実際に通電されるq軸電流に係る情報)から第2補正値を第2補正演算手段にて都度演算するようにしてもよい。また、第2実施形態または第3実施形態の演算結果をマップ化しておき、第2補正値演算手段では、マップ演算により求められた第2補正値により補正してもよい。
なお、基準第2補正値を予め演算してマップ化しておく場合、マップ化に係る演算等は、第2補正手段にて行ってもよいし、第2補正値演算手段とは他の手段にて行ってもよい。第1補正値についても同様である。
上記実施形態では、駆動装置の回転電機は、巻線組およびインバータを2つずつ有しており、2系統で構成される。他の実施形態では、系統数は1系統としてもよいし、3系統以上としてもよい。上記実施形態の回転電機は、3相ブラシレスモータである。他の実施形態では、回転電機は3相ブラシレスモータに限らず、どのような電動機であってもよいし、発電機であってもよい。
また、上記実施形態では、位相差±15°の位相差通電を行っている。他の実施形態では、系統間の位相差は、15°に限らずいくつであってもよく、また、位相差をゼロとし、位相差通電を行わなくてもよい。
上記実施形態では1枚の基板に電子部品が実装される。他の実施形態では、電子部品を複数の基板に実装してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
10・・・モータ(回転電機)
19・・・マグネット(被検出部)
85・・・マイコン(回転角検出装置)
852・・・補正前角度演算部(補正前角度演算手段)
853・・・第1補正演算部(第1補正演算手段)
854・・・第2補正演算部(第2補正演算手段)
86・・・回転角センサ(センサ部)
Claims (9)
- シャフト(15)、前記シャフトと一体に回転するロータ(14)、および、巻線(30、40)が巻回されるステータ(11)を有する回転電機(10)の回転角度を検出する回転角検出装置であって、
前記シャフトと一体に回転する被検出部(19)の磁界の変化を検出するセンサ部(86)と、
前記センサ部の検出値に基づいて補正前機械角を演算する補正前角度演算手段(852)、前記被検出部と前記センサ部との組み付け誤差により生じる角度誤差を補正する第1補正値に基づいて前記補正前機械角を補正する第1補正演算手段(853)、および、前記巻線への通電による漏れ磁束による角度誤差を補正する第2補正値に基づいて前記補正前機械角を補正する第2補正演算手段(854)を有する制御部(85)と、
を備え、
前記巻線と接続される接続線(35、45)は、前記センサ部が実装される実装面上に配置され、
前記第2補正値は、前記センサ部と前記接続線との距離、および、前記接続線に流れる電流に係る情報に基づく値であることを特徴とする回転角検出装置。 - 前記ロータは、n極対の磁極を有し、
前記第2補正値は、(n−1)次および(n+1)次の三角関数の合成関数で表される磁界強度に基づく値であることを特徴とする請求項1に記載の回転角検出装置。 - シャフト(15)、前記シャフトと一体に回転するロータ(14)、および、巻線(30、40)が巻回されるステータ(11)を有する回転電機(10)の回転角度を検出する回転角検出装置であって、
前記シャフトと一体に回転する被検出部(19)の磁界の変化を検出するセンサ部(86)と、
前記センサ部の検出値に基づいて補正前機械角を演算する補正前角度演算手段(852)、前記被検出部と前記センサ部との組み付け誤差により生じる角度誤差を補正する第1補正値に基づいて前記補正前機械角を補正する第1補正演算手段(853)、および、前記巻線への通電による漏れ磁束による角度誤差を補正する第2補正値に基づいて前記補正前機械角を補正する第2補正演算手段(854)を有する制御部(85)と、
を備え、
前記ロータは、n極対の磁極を有し、
前記第2補正値は、(n−1)次および(n+1)次の三角関数の合成関数で表される磁界強度に基づく値であることを特徴とする回転角検出装置。 - 前記第2補正値は、所定のq軸電流を通電したときの角度誤差である基準第2補正値、および、前記巻線に通電されるq軸電流に基づく値であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
- シャフト(15)、前記シャフトと一体に回転するロータ(14)、および、巻線(30、40)が巻回されるステータ(11)を有する回転電機(10)の回転角度を検出する回転角検出装置であって、
前記シャフトと一体に回転する被検出部(19)の磁界の変化を検出するセンサ部(86)と、
前記センサ部の検出値に基づいて補正前機械角を演算する補正前角度演算手段(852)、前記被検出部と前記センサ部との組み付け誤差により生じる角度誤差を補正する第1補正値に基づいて前記補正前機械角を補正する第1補正演算手段(853)、および、前記巻線への通電による漏れ磁束による角度誤差を補正する第2補正値に基づいて前記補正前機械角を補正する第2補正演算手段(854)を有する制御部(85)と、
を備え、
前記第2補正値は、所定のq軸電流を通電したときの角度誤差である基準第2補正値、および、前記巻線に通電されるq軸電流に基づく値であることを特徴とする回転角検出装置。 - 前記第2補正値は、d軸電流に応じた位相ずれに基づく値であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
- シャフト(15)、前記シャフトと一体に回転するロータ(14)、および、巻線(30、40)が巻回されるステータ(11)を有する回転電機(10)の回転角度を検出する回転角検出装置であって、
前記シャフトと一体に回転する被検出部(19)の磁界の変化を検出するセンサ部(86)と、
前記センサ部の検出値に基づいて補正前機械角を演算する補正前角度演算手段(852)、前記被検出部と前記センサ部との組み付け誤差により生じる角度誤差を補正する第1補正値に基づいて前記補正前機械角を補正する第1補正演算手段(853)、および、前記巻線への通電による漏れ磁束による角度誤差を補正する第2補正値に基づいて前記補正前機械角を補正する第2補正演算手段(854)を有する制御部(85)と、
を備え、
前記第2補正値は、d軸電流に応じた位相ずれに基づく値であることを特徴とする回転角検出装置。 - 前記第1補正値は、前記回転電機を一定駆動させたときの検出角と実際の機械角との差に基づく値であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
- 前記第1補正値は、前記回転電機と出力対象(89)とを組み付けた後に一定駆動させたときの前記検出角と前記実際の機械角との差に基づく値であることを特徴とする請求項8に記載の回転角検出装置。
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