JP6854841B2 - 角度検出装置 - Google Patents

Description

本願は、角度検出装置に関するものである。

トルクリップルを低減したモータを提供するために、ロータの回転位置の検出精度の向上が求められている。特許文献１の電動パワーステアリング制御装置においては、予めＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only-Memory）などに記憶したレゾルバの正弦信号と余弦信号の中点補正値を用いて検出信号を補正することで、回転０次の信号誤差によって生じる回転１次の角度誤差を低減している。また、中点補正を施されたレゾルバの正弦信号と余弦信号に対して、予めＥＥＰＲＯＭなどに記憶しておいた振幅補正係数を乗じて補正することで、回転１次の信号誤差によって生じる回転２次の角度誤差を低減している（例えば特許文献１を参照）。

特開２００８−２７３４７８号公報

特許文献１による方法を用いれば、正弦信号と余弦信号に含まれるオフセット誤差によって生じる回転１次の角度誤差、あるいは振幅比によって生じる回転２次の角度誤差が低減できるが、正弦信号と余弦信号の位相差がπ／２からずれることによる回転２次の角度誤差は低減できない。

本願は、上述のような問題を解決するためのなされたもので、正弦信号と余弦信号の位相差がπ／２からずれることによる回転２次の角度誤差を低減することが可能となる角度検出装置を提供することを目的とする。

本願に開示された角度検出装置は、
回転機の回転に応じて第１正弦信号と前記第１正弦信号とπ／３だけ位相の異なる第２正弦信号とを検出する角度検出器、
角度検出器で検出された第１正弦信号と第２正弦信号を同一分解能でＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、
第１正弦信号をＡ／Ｄ変換器で変換した第１の値と第２正弦信号をＡ／Ｄ変換器で変換した第２の値との和に基づいた第１検出信号と、第１の値と第２の値との差に基づいた第２検出信号とを出力する検出信号演算部、
第１検出信号と、第２検出信号を√３倍した値に基づいて検出角を演算する角度演算部、を備え、第１正弦信号と第２正弦信号の位相差がπ／２からずれることによって生じる２次の角度誤差および固定小数点演算による誤差の両方を抑制することを特徴とするものである。

本願に開示される角度検出装置によれば、位相の異なる２つの正弦信号の和と差を用いて検出角度を算出することによって、２つの正弦信号の位相差による回転２次の角度誤差の発生を抑制することが可能となる。

実施の形態１に係る角度検出器とセンサマグネットの位置関係を示した模式図である。 実施の形態１における角度検出装置の構成を示すブロック構成図である。 実施の形態１における検出信号演算部および角度演算部のハードウエアの一例を示す図である。 第１正弦信号と第２正弦信号によって検出角θを求めた場合の角度誤差を示す図である。 位相差が−π／３の場合に、０〜５Ｖを１０ビットの分解能でＡ／Ｄ変換して得られた検出角の誤差を示す図である。 位相差が−π／６の場合に、０〜５Ｖを１０ビットの分解能でＡ／Ｄ変換して得られた検出角の誤差を示す図である。 第１正弦信号および第２正弦信号と第１検出信号および第２検出信号とをベクトル図で示した図である。 実施の形態３に係る角度検出装置の構成を示すブロック構成図である。 第１正弦信号と第２正弦信号の位相差がπ／２の場合のセンサ角１周期における角度検出装置の正常範囲を示した図である。 第１正弦信号と第２正弦信号の位相差がπ／３の場合のセンサ角１周期における角度検出装置の正常範囲を示した図である。

以下、本願に係る電力制御装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。

実施の形態１．
本願の角度検出装置に使用する角度検出器１としては、レゾルバ、磁気抵抗素子を利用したセンサ（ＭＲセンサ）、エンコーダ、ホール素子などが挙げられるが、いずれの場合においても同様の効果が得られるため、ここではＭＲセンサを例として説明する。

図１は、実施の形態１に係る角度検出器１とセンサマグネット１０の位置関係を示した模式図である。図１中、（ａ）は上面視、（ｂ）は側面視である。角度検出器１はセンサマグネット１０が生成する磁界を検出して第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2を出力する。センサマグネット１０は図示していないロータとともに回転するため、センサマグネット１０が角度検出器１に生成する磁界は角度に応じて変化していく。

図２は、本願の実施の形態１における角度検出装置の構成を示すブロック構成図である。角度検出器１は、ロータの角度に応じて変化するセンサマグネット１０の磁界に基づいて、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2を出力する。第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2は、以下の式（１）で与えられる位相の異なる正弦波である。θsはセンサ角、ａ1は振幅、γは位相差、Ｖcは角度検出器に供給される直流電圧を表す。ここでは、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の振幅比を１としているが、振幅が異なる場合には振幅比が１となるように補正すればよい。

検出信号演算部２は、角度検出器１で得られた第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2を用いて式（２）によって、第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2を出力する。第１検出信号Ｖsin_det1は、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の和から角度検出器に供給される直流電圧Ｖcを減算して得る。

第２検出信号Ｖsin_det2は第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2を減算して得る。ここでは、いわゆる位相差ずれによる角度誤差を低減する減算項として、第１正弦信号Ｖsin1の中点電圧であるＶc／２の２倍の値、すなわち角度検出器に供給される直流電圧Ｖcを用いたが、中点電圧がＶc／２で無い場合には、それに合わせた値とすれば同様の効果を得られる。環境温度、経年変化などによって変換する場合には、それらを考慮した値としてもよい。また、この値は、オンラインで設定および更新してもよい。

ξ１およびξ２は式（３）をみたし、位相差はπ／２である。

つまり、元信号である第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差γがどのような値であっても、検出信号演算部２によって、直交性を確保した第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2を得ることができる。

角度演算部３は、検出信号演算部２で得られた第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2を用いて、例えば式（４）のように検出角θを算出する。ここでは式で記述したが、予め定めた変換テーブルを用いて算出してもよい。検出信号演算部２の出力結果を用いると式（３）のように本来の零点から零点がずれる。ここではπ／２＋γ／２だけ補正することで第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2から算出する角度と同様の零点とすることができる。

式（２）の振幅比を考慮して係数ｋは式（５）で与えればよい。これにより、振幅ずれによる２次の角度誤差を低減できる。なお、式（４）では第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2の比に係数ｋをかけたものを逆正接関数に通しているが、いずれか一方に振幅比に応じた係数をかけてもよい。

検出信号演算部２および角度演算部３のハードウエアの一例を図３に示す。プロセッサ１００と記憶装置１０１から構成され、図示していないが、記憶装置はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００は、記憶装置１０１から入力されたプログラムを実行することにより、例えば上述した検出信号演算または角度演算を行う。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果等のデータを記憶装置１０１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

つぎに具体例として、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差γが−π／３の場合における本実施の形態１の効果を説明する。このとき式（１）は式（６）となり、式（７）のように、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2によって検出角θを求めた場合、角度誤差は図４のように０次および２ｎ次成分となる。

これに対し、本実施の形態１の角度検出装置の場合には、検出信号演算部２によって式（８）のような第１検出信号Ｖsin_det1および第２検出信号Ｖsin_det2を得る。

角度演算部３によって振幅比および零点ずれを調整した式（９）で検出角θを算出できる。つまり、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差が±π／２では無い場合であっても、直交性を確保した第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2を用いて角度を算出することで、位相差がπ／２からずれることによって生じるセンサ角２次の角度誤差を抑制できる。

ところで、角度検出器から得られる第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2は、多くの場合Ａ／Ｄ変換して使用される。例えば、０〜５Ｖを１０ビットの分解能で変換する場合、最小分解能は４．９ｍＶ程度になる。式（６）と式（８）を比較すると、元信号の振幅がａ1であるのに対して、和と差を用いて演算した信号の振幅は√３ａ1とａ1になっている。

図５は、第１検出信号Ｖsin_det1および第２検出信号Ｖsin_det2の振幅がともに２Ｖ、位相差γが−π／３の場合に、０〜５Ｖを１０ビットの分解能でＡ／Ｄ変換して得られた検出角θ（センサ角）の誤差を示す。

図６は、第１検出信号Ｖsin_det1および第２検出信号Ｖsin_det2の振幅がともに２Ｖ、位相差γが−π／６の場合に、０〜５Ｖを１０ビットの分解能でＡ／Ｄ変換して得られた検出角θ（センサ角）の誤差を示す。位相差γが−π／６の図６の場合には、第２検出信号Ｖsin_det2の振幅が、元信号である第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2の振幅より小さくなり精度が低下することによって角度誤差が大きくなる。
第１検出信号および第２検出信号の振幅が、ともに元信号の振幅以上となるための条件は、式（１）および式（２）より、式（９−１）となる。

これを解くと、式（９−２）が得られる。

つまり、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差をπ／３以上２／３π以下とすることによって、第１検出信号Ｖsin_det1および第２検出信号Ｖsin_det2の振幅が、元信号である第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2よりも小さくなることを防ぐことができ、Ａ／Ｄ変換の分解能による精度低下を抑制できるという従来に無い効果を得ることができる。

これは、図７のようにベクトルで表現すると、振幅と位相の変化がよくわかる。第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2とは、位相がπ／３異なるベクトルなので、ベクトルの差となる第２検出信号Ｖsin_det2は正三角形の一辺となる。これは、元信号である、第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2のベクトルの大きさと等しくなる。第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2の位相差がπ／３より小さい場合には、第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2の和で表現される第１検出信号Ｖsin_det1の振幅は大きくなるが、第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2の差で表現される第２検出信号Ｖsin_det2の振幅は小さくなる。

第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差がπ／３より大きい場合には、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2との和で表現される第１検出信号Ｖsin_det1の振幅は、位相差がπ／３の時よりも小さくなっていくが、元信号である第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2の振幅よりも大きく、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2との差で表現される第２検出信号Ｖsin_det2の振幅は、位相差がπ／３の時よりも大きくなり、元信号である第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2の振幅よりも大きくなる。

また、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差がπ／２のとき、第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2の振幅は等しくなる。さらに、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差がπ／２より大きい場合には、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の差で表現される第２検出信号Ｖsin_det2の振幅はさらに大きくなるが、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2との和で表現される第１検出信号Ｖsin_det1の振幅はさらに小さくなっていく。

そして位相差が２／３πを超えると第１検出信号Ｖsin_det1の振幅は元信号である第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2より小さくなる。

前述の式（４）では固定小数点演算による誤差を考慮せずに説明したが、振幅が大きい信号を振幅が小さい信号の振幅に合わせるように補正係数を掛けると桁落ちが生じて精度が悪化する。振幅が小さい方の信号に対して振幅比に基づく１以上の補正係数を乗じて補正することによって、補正係数をかけた際の精度悪化を防止しながら振幅ずれによる角度誤差を低減できる。

なお、位相差がπ／３または２／３πの場合には、第１検出信号Ｖsin_det1または第２検出信号Ｖsin_det2のいずれかの振幅が元信号である第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2と等しくなるため、振幅の減少によるＡ／Ｄ変換の分解能による精度低下を抑制できる。また、元信号である第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2の位相差はπ／２から大きくずれているものの本実施の形態で説明した直交性のある第１検出信号および第２検出信号による角度演算方法を用いることで、位相差ずれによって生じる２次の角度誤差を簡単な構成で低減できる。例えば図７で示した第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差がπ／３の場合であれば、振幅の小さい第２検出信号に１以上の補正係数を掛ければよい。

実施の形態２．
位相差がπ／２の場合には、第１検出信号Ｖsin_det1および第２検出信号Ｖsin_det2の振幅がともに元信号である第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2の√２倍となるため、Ａ／Ｄ変換の分解能による精度低下を抑制しつつ、元信号である第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2の位相差ずれを第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2の振幅比ずれに置換することができる。この効果について、第１正弦信号Ｖsin1および第２正弦信号Ｖsin2が式（１０）のように与えられた場合を例として説明する。

第１正弦信号Ｖsin1の振幅はａ1だが、第２正弦信号Ｖsin2の振幅は、

であり、振幅比は１では無い。この状態で第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2を算出すると、２つの信号の位相差はπ／２からずれる。

第１検出信号Ｖsin_det1の振幅は、信号の最大値から最小値を減算して２で割るなどすれば算出でき、オフセットａ0は信号１周期の平均値、または信号の最大値と最小値の平均などで算出することができる。同様に、第２検出信号Ｖsin_det2の振幅は、信号の最大値から最小値を減算して２で割るなどすれば算出でき、オフセットｃ0は信号１周期の平均値、または信号の最大値と最小値の平均などで算出することができる。振幅比が１では無い、あるいは２つの信号のオフセットが異なる場合には、検出信号演算部２において、式（１１）のような補正を実施すればよい。これにより、オフセット誤差による１次の角度誤差を低減できる。オフセットａ0およびオフセットｃ0が式（１）のＶc／２のような微小では無い値の場合であっても、振幅補正前にオフセットを調整するので、１次の角度誤差を抑制できる。

式（１１）で算出した補正信号Ｖsin1_hosei、Ｖsin2_hoseiを用いて式（１２）で第１検出信号Ｖsin_det1および第２検出信号Ｖsin_det2を算出することで、位相差がπ／２の２信号を得ることができる。

第１検出信号Ｖsin_det1および第２検出信号Ｖsin_det2の振幅比は１では無いため、第１検出信号Ｖsin_det1の最大値から最小値を減算して得た振幅と第２検出信号Ｖsin_det2の最大値から最小値を減算して得た振幅の比を式（４）の係数ｋとすることで、角度演算部３で検出角θを算出する際に、補正が可能となり２次の角度誤差を抑制できる。

位相差を補正する場合、２つの信号の関係から位相差を算出する必要があるため１つの信号だけでは算出することが困難である。一方、振幅を補正する場合、それぞれの信号から得ることが可能であるため、予めＥＥＰＲＯＭなどに書き込む調整値に限らずオンラインで補正値を容易に更新できる。
なお、式（１１）および式（１２）では第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2でオフセットを補正したが、第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2でオフセットを補正してもよい。この場合、式（１３）で第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の振幅比を１に合わせる。このとき、第１正弦信号Ｖsin1のオフセットａ0に補正係数がかかることになるが、式（１４）のように誤差の積は微小と近似できる。

このため、第１検出信号Ｖsin1と第２検出信号Ｖsin2に対して式（１５）でオフセットを補正することができる。

ここでは、位相差がπ／２の場合において、オフセット補正および振幅比補正の効果を説明したが、他の位相差の場合にも同様の効果が得られることは言うまでも無い。

実施の形態３．
前記実施の形態１では、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の和から得られた第１検出信号Ｖsin_det1と第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の差から得られた第２検出信号Ｖsin_det2を用いて検出角を演算することによって、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差ずれによって生じる２次の角度誤差を抑制する方法について説明したが、本実施の形態３では故障判定方法について説明する。

図８は、本実施の形態３における角度検出装置の構成を示すブロック構成図である。図２に対して故障判定器４が追加されている。故障判定器４は、第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2の二乗和または二乗和平方根を用いて故障を判定する。以下では二乗和を用いた判定について説明するが、二乗和平方根であっても同様の効果を得られる。なお、故障判定器のハードウエア構成は、実施の形態１同様、プロセッサ１００と記憶装置１０１から構成されていてもよい。

第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差がπ／２の場合、横軸を第１正弦信号Ｖsin1、縦軸を第２正弦信号Ｖsin2とすると、理想的にはセンサ角１周期において図９のような破線の円状の軌跡となる。それぞれの信号の振幅は温度変化、あるいは経年変化による変動があるため、ハッチングの範囲内を正常範囲Ｐとし、正常範囲Ｐから外れた場合には故障と判定する。この方法は、２つの信号の直交性が確保されていれば二乗和が一定となる性質を利用したものである。しかし、位相差がπ／２では無い、例えばπ／３の場合には図１０のような斜めに傾いた楕円状の軌跡となる。この斜めに傾いた楕円状の軌跡を温度変化、あるいは経年変化による変動を考慮しつつ正常範囲Ｑを設定すると、図９に比べてかなり広い範囲となり、本来故障と判定したい状態であっても故障と判定できない状況が発生する。

第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2が、実施の形態１で説明した式（６）で与えられる場合について説明する。式（６）より第１正弦信号と第２正弦信号の二乗和Ｖsumは、式（１６）のようにセンサ角２次で変動する。

また、式（８）の第１検出信号Ｖsin_det1および第２検出信号Ｖsin_det2を用いて二乗和Ｖsumを算出すると、式（１７）のようにセンサ角２次で変動する。

式（１６）の変動成分は、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差がπ／２では無いために生じたものであるが、式（１７）の変動成分は、第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2の振幅が異なるために生じたものである。式（１６）で変動成分を抑制するためには位相を変化させる必要があるが、式（１７）で変動成分を抑制するためには式（１８）のように振幅の調整をすればよい。

つまり、第１正弦信号Ｖsin1と第２正弦信号Ｖsin2の位相差に拘らず、第１検出信号Ｖsin_det1と第２検出信号Ｖsin_det2の少なくとも一方の振幅を補正して二乗和を算出することで、位相差がπ／２の場合の図９同様の円状の軌跡を得て故障判定に用いることができるという従来に無い効果を得ることができる。これにより位相差によるずれを考慮しなくてよいため、判定閾値の設計が容易になる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：角度検出器、２：検出信号演算部、３：角度演算部、４：故障判定器、１００：プロセッサ、１０１：記憶装置

Claims (9)

1. 回転機の回転に応じて第１正弦信号と前記第１正弦信号とπ／３だけ位相の異なる第２正弦信号とを検出する角度検出器、
   前記角度検出器で検出された前記第１正弦信号と前記第２正弦信号を同一分解能でＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、
   前記第１正弦信号を前記Ａ／Ｄ変換器で変換した第１の値と前記第２正弦信号を前記Ａ／Ｄ変換器で変換した第２の値との和に基づいた第１検出信号と、前記第１の値と前記第２の値との差に基づいた第２検出信号とを出力する検出信号演算部、
   前記第１検出信号と、前記第２検出信号を√３倍した値に基づいて検出角を演算する角度演算部、を備え、前記第１正弦信号と前記第２正弦信号の位相差がπ／２からずれることによって生じる２次の角度誤差および固定小数点演算による誤差の両方を抑制することを特徴とする角度検出装置。
2. 前記第１検出信号は、前記第１の値と前記第２の値の和から予め定められた値を減算して算出することを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
3. 前記予め定められた値は、前記第１正弦信号の中点電位の２倍であることを特徴とする請求項２に記載の角度検出装置。
4. 前記予め定められた値は、前記角度検出器に供給される直流電圧であることを特徴とする請求項２に記載の角度検出装置。
5. 前記予め定められた値は、オンラインで設定可能であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の角度検出装置。
6. 前記第１の値と前記第２の値の振幅比を１とするように、前記第１の値または前記第２の値を補正することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の角度検出装置。
7. 前記第１の値を第１のオフセット補正値を減算して補正し、前記第２の値を第２のオフセット補正値を減算して補正することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の角度検出装置。
8. 前記角度検出器の故障を判定する故障判定器を更に備え、前記故障判定器は、前記第１検出信号と前記第２検出信号の二乗和または二乗和平方根を用いて故障を判定することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の角度検出装置。
9. 前記角度検出器は、レゾルバ、磁気抵抗を利用したセンサ、エンコーダ、またはホール素子のいずれかであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の角度検出装置。

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