JP6921245B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転軸の回転角度を算出するための回転角度検出装置、特に磁気強度の変化を利用した回転角度検出装置に関するものである。

近年、車両の環境負荷低減のため、車両の駆動に電動モータを用いた車両の電動化が進められている。このような電動車両では、電動モータの回転角度を正確に検出し、車両の駆動性能を確保する必要がある。回転角度検出装置には、組み付けばらつきがあった場合でも高い回転角度精度を維持することが求められる。
回転角度検出装置の組み付け後の出力信号の校正処理を行うことなく、安価かつ正確に電動モータの回転軸の回転角度を検出する回転角度検出方法として、例えば、特許文献１では、回転体の回転角度に応じて出力が変化するとともに、それぞれ位相の異なる検出信号を出力する状態で配設されている複数の回転検出手段の出力する複数の前記検出信号の振幅値を合わせる補正を行って補正信号として出力する振幅調整手段と、複数の前記補正信号のうち、２つを相互に加減算して、相互に直交する２つのベクトル成分信号を生成するベクトル生成手段と、２つの前記ベクトル成分信号の振幅を合わせる補正を行って補正後ベクトル成分信号として出力する振幅補正手段と、２つの前記補正後ベクトル成分信号によって表されるベクトルに基づいて、前記回転体の回転角度を探索して検出角度を出力する回転角度探索手段と、を備えた回転角度検出装置が開示されている。

特開２０１４−２２８４１３号公報

特許文献１の回転角検出装置にあっては、回転体の回転角度に応じて出力が変化するとともに、それぞれの位相の異なる検出信号の振幅値を合わせる補正を行って補正信号とし、前記補正信号のうち、２つを相互に加減算して、相互に直交する２つのベクトル成分信号を生成し、前記２つのベクトル成分信号の振幅を合わせる補正を行った補正後ベクトル成分信号を用いて回転角度を算出するようにしている。このため、特許文献１の回転角検出装置をそのまま電動車両に適用した場合には、車両内部の電動モータ、電動モータを駆動するインバータ等の電気部品等による電磁気ノイズが前記検出信号に重畳するため、振幅値を合わせるための補正値、補正後ベクトル成分信号に電磁気ノイズによる誤差の影響が残り、正確な回転角度が得られないという問題点があった。

この発明は，上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電動車両の電気部品等による電磁気ノイズが回転角度検出装置の検出信号に重畳しても、正確に回転角度を検出する回転角度検出装置を得ることを目的としている。

この発明に係る回転角度検出装置は、回転体の回転角度に応じて回転検出部が出力する複数の検出信号を変換して二相信号として出力する多相二相変換部と、二相信号を相互に加減算して、和差信号を生成する加減算部と、和差信号の振幅を振幅補正値で補正して補正後和差信号を出力する振幅補正部と、補正後和差信号に基づいて、角度を演算し、角度信号を出力する角度演算部と、を備えたものである。

この発明によれば、電動車両の電気部品等による電磁気ノイズが回転角度検出装置の検出信号に重畳しても、正確に回転角度を検出することができる。

この発明の実施の形態１における回転角度検出装置を示す概略図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置における理想的な検出信号の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置における信号処理部の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置の多相二相変換部における三相座標系と直交座標系の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置の信号補正部、振幅補正部における補正値を算出するフローチャートの一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置の信号補正部における補正値を算出するフローチャートの一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置の信号補正部における補正値を算出するフローチャートの一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置の振幅補正部における補正値を算出するフローチャートの一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置の多相二相変換部における二相信号の波形の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置のフィルタ演算部の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置のフィルタ演算部の周波数特性の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置における検出信号の高周波ノイズ含む信号波形を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る回転角度検出装置における信号処理部の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る回転角度検出装置における信号処理部の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る回転角度検出装置における信号処理部の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３、４に係る回転角度検出装置における信号補正部の補正値を算出するフローチャートの一例を示す図である。 この発明の実施の形態３、４に係る回転角度検出装置における信号補正部の補正値を算出するフローチャートの一例を示す図である。 この発明の実施の形態３、４に係る回転角度検出装置における信号補正部の補正値を算出するフローチャートの一例を示す図である。 この発明の実施の形態における信号処理部のハードウエア構成の一例を示す図である。

以下、この発明に係る回転角度検出装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における回転角度検出装置１の構成を示す概略図である。電動機７は図示省略する軸受を有するハウジング８により支持されつつ回転する回転体９を有する。回転体９上には回転子２が設けられており、回転体９の回転角度に応じて回転子２の外周には磁気検出素子を用いた回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃ（これらを総称して回転検出部ともいう）の検出信号が正弦波となるように曲線的に変化する形状を有する凹凸部２ａが設けられている。図１では、凹凸部２ａが１２個（ｘ＝１２）であることから回転子２が機械角で３６０度すなわち１回転すると、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃからはそれぞれ１２周期分の波形が得られる。図１では、凹凸部２ａの１周期当り、例えば３個の回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃが設けられている。また、凹凸部２ａの１周期に対して、３個（ｂ＝３）の回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃがおおよそ同じまたは同じ間隔で配置されていることから、凹凸部２ａの１周期を３６０度とすると１２０度の位相差の信号が３個の回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃから出力される。なお、凹凸部２ａは機械角３６０度に対してｘ周期分あればよく、ｘは１以上の整数である。また、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃは凹凸部２ａの１周期に対してｂ個設ければよく、ｂは３以上の整数である。各回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃはそれぞれ、固定子５側に図示省略するバイアス磁界発生部を設けている。バイアス磁界発生部は、本実施の形態１では、永久磁石を用いている。
回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃからの検出信号ｕ、ｖ、ｗは信号処理部６に入力され、信号処理部６で検出信号ｕ、ｖ、ｗが処理されて、信号処理部６から図示省略した電動機駆動装置に角度信号θが出力される。

永久磁石であるバイアス磁界発生部の着磁ばらつきがなく、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの感度にばらつきがなく、さらに回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの取り付け誤差等の誤差要因がない理想的な場合には、図２、および、式（１）に示すような理想の検出信号を出力される。

ここで、Ａは永久磁石であるバイアス磁界発生部の着磁ばらつきがなく、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの感度にばらつきがなく、さらに回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの取り付け誤差等の誤差要因がない理想的な場合の検出信号ｕ、ｖ、ｗの理想振幅、θｒは回転体９の角度、ｄは永久磁石であるバイアス磁界発生部の着磁ばらつきがなく、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの感度にばらつきがなく、さらに回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの取り付け誤差等の誤差要因がない理想的な場合の検出信号ｕ、ｖ、ｗの理想ＤＣオフセット値である。

図３は本実施の形態１における回転角度検出装置１の信号処理部６の概略ブロック図である。図３において、信号処理部６は、多相二相変換部１０、信号補正部１１、加減算部１２、振幅補正部１３、角度演算部１４、フィルタ演算部１５を有する。

以下では、回転検出部３が３個で、凹凸部２ａの１周期に対して、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃが１２０度の位相差の信号を出力する場合について、より具体的には、式（２）に示す実際の検出信号ｕ、ｖ、ｗが出力される場合について説明する。

ここで、ΔＡｕ、ΔＡｖ、ΔＡｗは検出信号ｕ、ｖ、ｗの振幅誤差、Δθｖ、Δθｗはそれぞれ検出信号ｕに対する検出信号ｖの１２０度の位相差からのずれ、検出信号ｕに対する検出信号ｖの２４０度の位相差からのずれ、Δｄｕ、Δｄｖ、Δｄｗはそれぞれ検出信号ｕ、ｖ、ｗの理想ＤＣオフセット値からのずれ、ξは検出信号ｕ、ｖ、ｗに重畳する電磁気ノイズである。なお、本実施の形態１の図１における回転角度検出装置１を車載用電動機に載せた場合には、検出信号ｕ、ｖ、ｗに重畳する電磁気ノイズは、同符号の同相ノイズが支配的であり、その大きさはおおよそ同程度である。このため、式（２）では電磁気ノイズをξとして、検出信号ｕ、ｖ、ｗに重畳させている。

＜多相二相変換部１０＞
まず、多相二相変換部１０について説明する。多相二相変換部１０は、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃからの検出信号ｕ、ｖ、ｗを入力として、式（３）により演算処理することで、二相信号ａ０、ｂ０を算出し、信号補正部１１に出力する。

なお、式（３）の演算処理は、図４（ａ）に示す１２０度の等間隔に軸を取った3相座標系u-v-wを、図４（ｂ）の直交座標系a0-b0に変換することを意味している。
なお、後述の信号補正部１１では、ａ０、ｂ０の振幅補正を行うため、式（３）のａ０およびｂ０は右辺の任意の係数倍（固定値）であってもよく、任意の係数ｋ０、ｋ１を用いて、式（４）のように計算してもよい。

例えば、ｋ０＝２、ｋ１＝１とした場合には、式（５）のような簡素な演算とすることができ、マイコンなどの演算処理装置や電気回路上で本演算を構成する場合に好適である。

次に、多相二相変換部１０において、多相の信号を二相の信号に変換する効果を説明する。式（２）の検出信号を式（３）に代入すると、式（６）のようになる。

多相二相変換部１０において、式（３）（もしくは、式（４）、式（５））を用いて多相の信号を二相の信号に変換することで、式（６）のように電磁気ノイズξの項がキャンセルされて零にできることがわかる。

これにより、電動車両の電気部品等による電磁気ノイズが回転角度検出装置の検出信号に重畳しても、多相二相変換部１０において多相の信号を二相の信号に変換することで、電磁気ノイズの影響が極めて小さい二相信号を得られることがわかる。
また、本実施の形態１では、回転検出部を3個としているが、３個以上であっても、多相の信号を二相の信号に変換することで、同様の電磁気ノイズの低減が可能である。

＜信号補正部１１＞
信号補正部１１は、前記多相二相変換部１０からの二相信号ａ０、ｂ０を入力として、二相信号ａ０のＤＣオフセット補正値ｄａ０、二相信号ｂ０のＤＣオフセット補正値ｄｂ０、二相信号ａ０、ｂ０の振幅補正係数ｋａｂ０を用いて、式（７）、式（８）により演算処理することで、補正後二相信号ａ２、ｂ２を出力する。

ここで、式（７）は二相信号ａ０、ｂ０のＤＣオフセット値を補正する演算、式（８）はＤＣオフセット値を補正した後の振幅を、ａ２とｂ２で揃えるための振幅を補正する演算である。
式（７）において、二相信号ａ０のＤＣオフセット補正値ｄａ０、二相信号ｂ０のＤＣオフセット補正値ｄｂ０は、例えば、式（９）により算出するようにしたものである。

ここで、ｋはｋ番目のデータ、Δｔはサンプリング周期（本実施の形態では任意の固定した周期）であり、ｋ・Δｔはデータ取得開始から時間、ｎは算出に用いたデータの総数を表す。なお、「任意の固定した周期」とは、信号の取得は一定の周期（サンプル周期が一定）であり、その周期はあらかじめ適宜設定し得る周期のことである。
式（８）において、二相信号ａ０、ｂ０の振幅補正係数ｋａｂ１は、例えば、式（１０）の二相信号ａ０の振幅補正係数ｋａ１、二相信号ｂ０の振幅補正係数ｋｂ１より算出するようにしたものである。

なお、式（１０）では、振幅補正係数ｋａ１、ｋｂ１を二相信号ａ０、ｂ０を用いた絶対値の加算平均として求めているが、二相信号ａ０、ｂ０を用いて二乗平均平方根で求めてもよい。

図９に、回転体９を一定回転数でまわしたときの、機械角1回転分の二相信号ａ０、ｂ０の波形の一例を示す。二相信号ａ０、ｂ０については、機械角１回転あたり１周期のうねり成分が、機械角１回転あたり１２周期、すなわち前記回転子２の凹凸部２ａの１周期を３６０度に相当する信号に重畳している。このため、前記二相信号ａ０、ｂ０のデータの総数ｎは、前記回転子２の凹凸部２ａの１周期を３６０度として、１周期分以上、かつ、３６０度の整数倍にできるだけ近い周期の範囲となるようにデータ総数ｎを決定することで、変動周期１周期分のデータを用いた平均値とできるため、例えば、回転数の異なる条件であっても、ばらつきの小さいＤＣオフセット補正値ｄａ０、ｄｂ０、振幅補正係数ｋａｂ０の演算が可能である。
以上により、前記回転子２の凹凸部２ａの凹凸の形状ばらつきや、回転子２と回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃとの相対位置の変化により生じるＤＣオフセット補正値ｄａ０、ｄｂ０、振幅補正係数ｋａ０のばらつきによる角度誤差の増加を抑えることができ、安定した角度検出値の角度信号θを得ることができる。

次に、式（６）から式（１１）を用いて、信号補正部１１の動作をより詳細に説明する。
式（６）を式（９）に適用すると、ｓｉｎの含まれる項の整数倍の周期の平均値が零になることから、ｄａ０、ｄｂ０は式（１１）のように求まる。

式（６）と式（７）と式（１１）より、ａ１、ｂ１は式（１２）のようになる。

式（１２）は同じ周期で変化する正弦波の加減算である。よく知られているように、同じ周期で変化する正弦波の加減算の結果は、同じ周期で変化する１つの正弦波となるため、式（１２）は式（１３）のように表すことができる。

ここで、Ａａ１、Ａｂ１はａ１、ｂ１の振幅、Δθａ１、Δθｂ１は検出信号ｕからの位相差である。
次に、式（１３）と式（１０）より、振幅補正値ｋａｂは式（１４）のようになる。

式（８）、式（１３）、式（１４）より、補正後二相信号ａ２、ｂ２は式（１５）のようになる。補正後二相信号ａ２、ｂ２は、振幅が同じで、位相の異なる２つの信号となることがわかる。

＜加減算部１２＞
加減算部１２は、前記信号補正部１１からの補正後二相信号ａ２、ｂ２を入力として、式（１６）によって和差信号ａ３、ｂ３を出力する。

次に、式（１５）、式（１６）を用いて、加減算部１２の動作を説明する。式（１５）と式（１６）より、和差信号ａ３、ｂ３は式（１７）のようになる。

ここで、Ａａ３、Ａｂ３は和差信号ａ３、ｂ３の振幅である。
式（１７）より、ａ３、ｂ３は互いに直交する振幅の異なる信号となることがわかる。

＜振幅補正部１３＞
振幅補正部１３は、加減算部１２からの和差信号ａ３、ｂ３を入力として、式（１８）により、振幅補正係数ｋａｂ３４を用いて、補正後和差信号ａ４、ｂ４を算出し、出力する。

式（１８）において、振幅補正係数ｋａｂ３４は、例えば、式（１９）により算出したものである。

ここで、ｋはｋ番目のデータ、Δｔはサンプリング周期（本実施の形態では任意の固定した周期）であり、ｋ・Δｔはデータ取得開始から時間、ｎは振幅補正係数ｋａ３、ｋｂ３の算出に用いたデータの総数を表す。

なお、式（１９）では、振幅補正係数ｋａ３、ｋｂ３を和差信号ａ３、ｂ３を用いた絶対値の加算平均として求めているが、和差信号ａ３、ｂ３を用いて二乗平均平方根で求めてもよい。
なお、和差信号ａ３、ｂ３のもととなる二相信号ａ０、ｂ０は、前述のように、機械角１回転あたり１周期のうねり成分と機械角１回転あたり１２周期、すなわち前記回転子２の凹凸部２ａの１周期を３６０度に相当するうねり成分が重畳しているため、前記振幅補正値ｋａ３、ｋｂ３を算出するためのデータの総数ｎは、前記回転子２の凹凸部２ａの１周期を３６０度として、１周期分以上、かつ、３６０度の整数倍にできるだけ近い周期の範囲となるようにデータ総数ｎを決定すればよい。

次に、式（１７）と式（１８）と式（１９）を用いて、振幅補正部１３の詳細な動作を説明する。式（１７）と式（１８）と式（１９）から、振幅補正係数ｋａｂ３４は式（２０）となる。

式（１７）、式（１８）、式（２０）より、式（２１）が得られる。

式（２１）に示すように、ａ４、ｂ４は振幅が同じで互いに直交した二相の信号になることがわかる。

＜角度演算部１４＞
角度演算部１４は、振幅補正部１３からの補正後和差信号ａ４、ｂ４を入力として、式（２２）により、角度信号θ０を算出し、出力する。

次に、式（２１）、式（２２）を用いて、角度演算部１４の動作について説明する。式（２１）、式（２２）より、角度信号θ０は式（２３）のように得られ、角度信号θ０は回転体９の角度θｒと概略一定のオフセットをもって変化することがわかる。

なお、式（２３）に示すように、角度信号θ０は概略一定のＤＣオフセット値（式（２３）の右辺第２項目以降）を持つ。電動機の制御では、一般にはソフトウェア上であらかじめ設定したオフセット値を補正して用いられるため、式（２４）のように、ＤＣオフセット値を次式でソフトウェア補正することで、角度信号θ０は、回転体９の角度θｒに一致することがわかる。ここで、θ０’は補正後角度信号である。

＜フィルタ演算部１５＞
フィルタ演算部１５は、角度演算部１４からの角度信号θ０を入力として、角度信号θ０をローパスフィルタ演算処理して、フィルタ後角度信号θを算出し、出力する。
フィルタ演算部１５の具体的な処理のブロック図を図１０に示す。図１０において、位相誤差検出部１７は前記角度信号θ０、および、フィルタ後角度信号θを入力として、その差から角度誤差Δθを算出する。比例・積分演算部１８は前記角度誤差Δθを入力として比例積分演算により角速度推定値ωを出力する。積分演算部１９は前記角速度推定値ωを積分演算してフィルタ後角度信号θを出力する。

図１１は、フィルタ演算部１５の周波数特性の一例を示す図であり、横軸が周波数、縦軸が振幅である。図の角度検出領域は振幅1倍であり、周波数が高い高周波ノイズ領域では振幅が減衰する特性である。
図１２に示すように、実際の検出信号ｕ、ｖ、ｗには、電気信号のＡＤ変換時の量子化誤差や、電気回路のＧＮＤに流れる高周波ノイズ成分など、前述の回転体９の角度に依存しない高周波ノイズ領域の周波数を含むようなノイズ成分が含まれる。このため、フィルタ演算部１５が無い場合には、ノイズによる角度精度が大きくなる。図１１の周波数特性をもつフィルタ演算部１５で角度信号θ０をフィルタ処理することにより、高周波ノイズ成分の周波数を減衰させることで、フィルタ処理しない角度信号θ０に比較して、さらに角度精度を向上できることがわかる。

次に、前記二相信号ａ０のＤＣオフセット補正値ｄａ０、二相信号ｂ０のＤＣオフセット補正値ｄｂ０、二相信号ａ０の振幅補正係数ｋａ１、二相信号ｂ０の振幅補正係数ｋｂ１、振幅補正係数ｋａ３、振幅補正係数ｋｂ３を算出するフローチャートの一例を図５から図８に示す。なお、図５から図８は、電動車両の電動モータに取り付けたときや、電動車両が稼働中や、製造ライン上での工程内でプログラムを実行させてもよい。また、図５から図８は、本実施の形態１では、所定の周期でプログラムが実行され、プログラムの開始、終了が所定の時間間隔で繰り返されるようにしている。

まず、図５のフローチャートを説明する。
信号補正部１１のＤＣオフセット学習判定フラグ、信号補正部１１の振幅学習判定フラグ、振幅補正部１３の振幅学習フラグを読み込み（ステップＳＴ１０１）、ステップＳＴ１０２に進む。次に、信号補正部１１のＤＣオフセット学習判定フラグ、信号補正部１１の振幅学習判定フラグ、振幅補正部１３の振幅学習フラグにより、前記振幅補正部１３が振幅学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ１０２）。振幅補正部１３が振幅学習済みである場合はステップＳＴ１０３に進み、二相信号ａ０のＤＣオフセット補正値ｄａ０、二相信号ｂ０のＤＣオフセット補正値ｄｂ０、二相信号ａ０の振幅補正係数ｋａ１、二相信号ｂ０の振幅補正係数ｋｂ１、振幅補正係数ｋａ３、振幅補正係数ｋｂ３に、後述の図６から図８で求めた値を代入し、処理を終える。振幅補正部１３の振幅学習が未だの場合は、ステップＳＴ１０４に進む。

信号補正部１１の振幅学習フラグにより、信号補正部１１が振幅学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ１０４）。信号補正部１１が振幅学習済みである場合はステップＳＴ１０５に進み、二相信号ａ０のＤＣオフセット補正値ｄａ０、二相信号ｂ０のＤＣオフセット補正値ｄｂ０、二相信号ａ０の振幅補正係数ｋａ１、二相信号ｂ０の振幅補正係数ｋｂ１に、後述の図６から図７で求めた値を代入し、振幅補正係数ｋａ３、振幅補正係数ｋｂ３にそれぞれ「１」を代入して処理を終える。信号補正部１１の振幅学習が未だの場合は、ステップＳＴ１０６に進む。

信号補正部１１のＤＣオフセット学習フラグにより、信号補正部１１がＤＣオフセット学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ１０６）。信号補正部１１がＤＣオフセット学習済みである場合はステップＳＴ１０７に進み、二相信号ａ０のＤＣオフセット補正値ｄａ０、二相信号ｂ０のＤＣオフセット補正値ｄｂ０に、後述の図６で求めた値を代入し、二相信号ａ０の振幅補正係数ｋａ１、二相信号ｂ０の振幅補正係数ｋｂ１、振幅補正係数ｋａ３、振幅補正係数ｋｂ３にそれぞれ１を代入して処理を終える。信号補正部１１のＤＣオフセット学習が未だの場合は、ステップＳＴ１０８に進み、二相信号ａ０のＤＣオフセット補正値ｄａ０、二相信号ｂ０のＤＣオフセット補正値ｄｂ０にそれぞれ「０」を代入し、二相信号ａ０の振幅補正係数ｋａ１、二相信号ｂ０の振幅補正係数ｋｂ１、振幅補正係数ｋａ３、振幅補正係数ｋｂ３にそれぞれ「１」を代入して処理を終える。

次に、図６のフローチャートを説明する。
信号補正部１１のＤＣオフセット学習判定フラグを読み込み（ステップＳＴ２０１）、ステップＳＴ２０２に進む。次に、信号補正部１１のＤＣオフセット学習判定フラグにより、前記信号補正部１１がＤＣオフセット学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ２０２）。信号補正部１１がＤＣオフセット学習済みである場合は処理を終了する。信号補正部１１がＤＣオフセット学習が未だの場合はステップＳＴ２０３に進み、ステップＳＴ２０３では、次式（２５）の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ２０４に進む。

ここで、ｋはＤＣオフセット学習を始めてからのデータ数、ｓｕｍ＿ａ０，ｓｕｍ＿ｂ０は信号加算用の変数であり、図６のフローチャートに示した信号補正部１１のＤＣオフセット学習の開始時（ｋ＝０時）のｓｕｍ＿ａ０、ｓｕｍ＿ｂ０はそれぞれ零にリセットされるようにしている。
次に、ｋを１加算して、ｋに代入して、ステップＳＴ２０５に進む。データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達した場合にはステップＳＴ２０６に進み、データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達していない場合には処理を終了する（ステップＳＴ２０５）。ステップＳＴ２０６では、次式（２６）の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ２０７に進む。

ステップＳＴ２０７では、信号補正部１１のＤＣオフセット学習判定に「１」（本実施の形態１では、ＤＣオフセット学習判定フラグに代入する「１」は学習完了、「０」は学習未を意味するようにプログラム内で定義している。）を代入して処理を完了する。

次に、図７のフローチャートを説明する。
信号補正部１１の振幅補正学習判定フラグを読み込み（ステップＳＴ３０１）、ステップＳＴ３０２に進む。次に、信号補正部１１の振幅補正学習判定フラグにより、前記信号補正部１１が振幅補正学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ３０２）。信号補正部１１が振幅補正学習済みである場合は処理を終了する。信号補正部１１の振幅補正学習が未だの場合はステップＳＴ３０３に進み、ステップＳＴ３０３では、次式（２７）の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ３０４に進む。

ここで、ｓｕｍ＿ａ１，ｓｕｍ＿ｂ１は信号加算用の変数であり、図７のフローチャートに示した信号補正部１１の振幅補正学習の開始時（ｋ＝０時）のｓｕｍ＿ａ１、ｓｕｍ＿ｂ１はそれぞれ零にリセットされるようにしている。
次に、ステップＳＴ３０４でｋを１加算して、ｋに代入して、ステップＳＴ３０５に進む。データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達した場合にはステップＳＴ３０６に進み、データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達していない場合には処理を終了する（ステップＳＴ３０５）。ステップＳＴ３０６では、次式の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ３０７に進む。

ステップＳＴ３０７では、信号補正部１１の振幅補正学習判定フラグに「１」（本実施の形態１では、振幅補正学習判定フラグに代入する「１」は学習完了、「０」は学習未を意味するようにプログラム内で定義している。）を代入して処理を完了する。

次に、図８のフローチャートを説明する。
振幅補正部１３の振幅補正学習判定フラグを読み込み、ステップＳＴ４０２に進む（ステップＳＴ４０１）。次に、振幅補正部１３の振幅補正学習判定フラグにより、前記振幅補正部１３が振幅補正学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ４０２）。振幅補正部１３が振幅補正学習済みである場合は処理を終了する。振幅補正部１３の振幅補正学習が未だの場合はステップＳＴ４０３に進み、ステップＳＴ４０３では、次式の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ４０４に進む。

ここで、ｓｕｍ＿ａ３，ｓｕｍ＿ｂ３は信号加算用の変数であり、図８のフローチャートに示した振幅補正部１３の振幅補正学習の開始時（ｋ＝０時）のｓｕｍ＿ａ３、ｓｕｍ＿ｂ３はそれぞれ零にリセットされるようにしている。
次に、ステップＳＴ４０４でｋを１加算して、ｋに代入して、ステップＳＴ４０５に進む。データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達した場合にはステップＳＴ４０６に進み、データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達していない場合には処理を終了する（ステップＳＴ４０５）。ステップＳＴ４０６では、次式（３０）の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ４０７に進む。

ステップＳＴ４０７では、振幅補正部１３の振幅補正学習判定フラグに「１」（本実施の形態１では、振幅補正学習判定フラグに代入する「１」は学習完了、「０」は学習未を意味するようにプログラム内で定義している。）を代入して処理を完了する。

本実施の形態で記載した二相信号ａ０のＤＣオフセット補正値ｄａ０、二相信号ｂ０のＤＣオフセット補正値ｄｂ０、二相信号ａ０の振幅補正係数ｋａ１、二相信号ｂ０の振幅補正係数ｋｂ１、振幅補正係数ｋａ３、振幅補正係数ｋｂ３の各係数、各値は回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの出力信号から一度の処理で各値を精度よく求めることは困難である。上述のようなフローチャートに基づいた所定の手順でプログラム処理を行うことで、本実施の形態で記載した前記二相信号ａ０のＤＣオフセット補正値ｄａ０、二相信号ｂ０のＤＣオフセット補正値ｄｂ０、二相信号ａ０の振幅補正係数ｋａ１、二相信号ｂ０の振幅補正係数ｋｂ１、振幅補正係数ｋａ３、振幅補正係数ｋｂ３の各係数、各値を段階的に求めることで算出した値の精度を向上することができる。これにより、フィルタ後角度信号θ、および、角度信号θ０の精度を向上することができる。

〔その他の実施の形態〕
この発明のその他の実施の形態について説明する。以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

実施の形態２．
図１３は実施の形態２における回転角度検出装置１の信号処理部６の概略ブロック図である。実施の形態１においては、多相二相変換部１０、信号補正部１１、加減算部１２、振幅補正部１３、角度演算部１４、フィルタ演算部１５を備えて構成されている場合を例として説明した。しかし、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃのＤＣオフセットのばらつきがなく、回転体９の回転角度に対する回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの振幅の特性がそろっている場合には、信号補正部１１を除いた図１３のような構成としてもよく、これにより、実施の形態１の回転角度検出装置１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図１４は実施の形態３における回転角度検出装置１の信号処理部６の概略ブロック図である。実施の形態１における信号処理部６に多相信号補正部１６を追加して構成したものである。多相二相変換部による電磁気ノイズξのキャンセル効果が落ちるものの、図１４のように、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの各信号に対して、あらかじめＤＣオフセット値と振幅値をそろえるように、後述の多相信号補正部１６を設けた構成としても、実施の形態１の回転角度検出装置１とほぼ同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図１５は実施の形態４における回転角度検出装置１の信号処理部６の概略ブロック図である。実施の形態３における信号処理部６の構成から信号補正部１１を除いて構成したものである。図１５のように、回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃの各信号に対して、あらかじめＤＣオフセット値と振幅値をそろえるように実施の形態３と同様に多相信号補正部１６を設けたものにおいて、信号補正部１１を削除した構成としても、実施の形態１の回転角度検出装置１と同様の効果が得られる。

実施の形態５．
また、実際の検出信号ｕ、ｖ、ｗに含まれる高調波ノイズが小さい場合には、上記すべての実施の形態において、フィルタ演算部１５がない構成とし、θ０を角度出力としても、実施の形態１の回転角度検出装置１と同様の効果が得られる。

次に、多相信号補正部１６について説明する。
＜多相信号補正部１６＞
多相信号補正部１６は、前記回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃからの検出信号ｕ、ｖ、ｗを入力として、検出信号ｕのＤＣオフセット補正値ｄｕ０、検出信号ｖのＤＣオフセット補正値ｄｖ０、検出信号ｗのＤＣオフセット補正値ｄｗ０、検出信号ｕ、ｖ、ｗの振幅補正係数ｋｕｖ１、ｋｕｗ１を用いて、式（３１）、式（３２）により演算処理することで、補正後検出信号ｕ１、ｖ１、ｗ１を出力する。

ここで、式（３１）は検出信号ｕ、ｖ、ｗのＤＣオフセット値を補正する演算、式（３２）はＤＣオフセット値を補正した後の振幅を、ｕ、ｖ、ｗ間で揃えるための振幅を補正する演算である。
式（３１）において、検出信号ｕ、ｖ、ｗのＤＣオフセット値ｄｕ０、ｄｖ０、ｄｗ０は、例えば、式（３３）により算出するようにしたものである。

ここで、ｋはｋ番目のデータ、Δｔはサンプリング周期（本実施の形態では任意の固定した周期）であり、ｋ・Δｔはデータ取得開始から時間、ｎは算出に用いたデータの総数を表す。
式（３２）において、検出信号ｕ、ｖ、ｗの振幅補正係数ｋｕｖ１、ｋｕｗ１は、例えば、式（３４）より算出するようにしたものである。

なお、式（３４）では、振幅補正係数ｋｕｖ１、ｋｕｗ１を検出信号ｕ、ｖ、ｗを用いた絶対値の加算平均として求めているが、検出信号ｕ、ｖ、ｗを用いて二乗平均平方根で求めてもよい。

次に、検出信号ｕのＤＣオフセット補正値ｄｕ０、検出信号ｖのＤＣオフセット補正値ｄｖ０、検出信号ｗのＤＣオフセット補正値ｄｗ０、検出信号ｕ、ｖ、ｗの振幅補正係数ｋｕ１、ｋｖ１、ｋｗ１を算出するフローチャートの一例を図１６から図１８に示す。なお、図１６から図１８は、電動車両の電動モータに取り付けたときや、電動車両が稼働中や、製造ライン上での工程内でプログラムを実行させてもよい。また、図１６から図１８は、実施の形態２〜５では、所定の周期でプログラムが実行され、プログラムの開始、終了が所定の時間間隔で繰り返されるようにしている。

まず、図１６のフローチャートを説明する。
多相信号補正部１６のＤＣオフセット学習判定フラグ、多相信号補正部１６の振幅学習判定フラグを読み込み（ステップＳＴ５０１）、ステップＳＴ５０２に進む。次に、多相信号補正部１６の振幅学習判定フラグにより、多相信号補正部１６が振幅学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ５０２）。多相信号補正部１６が振幅学習済みである場合はステップＳＴ５０３に進み、検出信号ｕのＤＣオフセット補正値ｄｕ０、検出信号ｖのＤＣオフセット補正値ｄｖ０、検出信号ｗのＤＣオフセット補正値ｄｗ０、検出信号ｕ、ｖ、ｗの振幅補正係数ｋｕ１、ｋｖ１、ｋｗ１に、後述の図１７から図１８で求めた値を代入し、処理を終える。多相信号補正部１６の振幅学習が未だの場合は、ステップＳＴ５０４に進む。
多相信号補正部１６のＤＣオフセット学習フラグにより、多相信号補正部１６がＤＣオフセット学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ５０４）。多相信号補正部１６がＤＣオフセット学習済みである場合はステップＳＴ５０５に進み、検出信号ｕのＤＣオフセット補正値ｄｕ０、検出信号ｖのＤＣオフセット補正値ｄｖ０、検出信号ｗのＤＣオフセット補正値ｄｗ０に、後述の図１７で求めた値を代入し、検出信号ｕ、ｖ、ｗの振幅補正係数ｋｕ１、ｋｖ１、ｋｗ１にそれぞれ「１」を代入して処理を終える。多相信号補正部１６のＤＣオフセット学習が未だの場合は、ステップＳＴ５０６に進み、検出信号ｕのＤＣオフセット補正値ｄｕ０、検出信号ｖのＤＣオフセット補正値ｄｖ０、検出信号ｗのＤＣオフセット補正値ｄｗ０にそれぞれ「０」を代入し、検出信号ｕ、ｖ、ｗの振幅補正係数ｋｕ１、ｋｖ１、ｋｗ１にそれぞれ１を代入して処理を終える。

次に、図１７のフローチャートを説明する。
多相信号補正部１６のＤＣオフセット学習判定フラグを読み込み（ステップＳＴ６０１）、ステップＳＴ６０２に進む。次に、多相信号補正部１６のＤＣオフセット学習判定フラグにより、前記多相信号補正部１６がＤＣオフセット学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ６０２）。多相信号補正部１６がＤＣオフセット学習済みである場合は処理を終了する。多相信号補正部１６のＤＣオフセット学習が未だの場合はステップＳＴ６０３に進み、次式（３５）の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ６０４に進む。

ここで、ｋはＤＣオフセット学習を始めてからのデータ数、ｓｕｍ＿ｕ、ｓｕｍ＿ｖ、ｓｕｍ＿ｗは信号加算用の変数であり、図１７のフローチャートに示した多相信号補正部１６のＤＣオフセット学習開始時（ｋ＝０時）のｓｕｍ＿ｕ、ｓｕｍ＿ｖ、ｓｕｍ＿ｗはそれぞれ零にリセットされるようにしている。
次に、ｋを１加算して、ｋに代入して、ステップＳＴ６０５に進む。データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達した場合にはステップＳＴ６０６に進み、データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達していない場合には処理を終了する。ステップＳＴ６０６では、次式の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ６０７に進む。

ステップＳＴ６０７では、多相信号補正部１６のＤＣオフセット学習判定に「１」（本実施の形態１では、ＤＣオフセット学習判定フラグに代入する「１」は学習完了、「０」は学習未を意味するようにプログラム内で定義している。）を代入して処理を完了する。

次に、図１８のフローチャートを説明する。
多相信号補正部１６の振幅補正学習判定フラグを読み込み（ステップＳＴ７０１）、ステップＳＴ７０２に進む。次に、多相信号補正部１６の振幅補正学習判定フラグにより、前記多相信号補正部１６が振幅補正学習済みかどうかを判定する（ステップＳＴ７０２）。多相信号補正部１６が振幅補正学習済みである場合は処理を終了する。多相信号補正部１６の振幅補正学習が未だの場合はステップＳＴ７０３に進み、次式（３７）の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ７０４に進む。

ここで、ｓｕｍ＿ｕ１、ｓｕｍ＿ｖ１、ｓｕｍ＿ｗ１は信号加算用の変数であり、図１８のフローチャートに示した多相信号補正部１６の振幅補正学習開始時（ｋ＝０時）のｓｕｍ＿ｕ１、ｓｕｍ＿ｖ１、ｓｕｍ＿ｗ１はそれぞれ零にリセットされるようにしている。

次に、ｋを１加算して、ｋに代入して、ステップＳＴ７０５に進む（ステップＳＴ７０４）。データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達した場合にはステップＳＴ７０６に進み、データ数ｋがあらかじめ設定したデータ数ｎに達していない場合には処理を終了する。ステップＳＴ７０６では、次式（３８）の演算処理と代入処理を行い、ステップＳＴ７０７に進む。

ステップＳＴ７０７では、多相信号補正部１６の振幅補正学習判定フラグに「１」（本実施の形態１では、振幅補正学習判定フラグに代入する「１」は学習完了、「０」は学習未を意味するようにプログラム内で定義している。）を代入して処理を完了する。

なお、データの総数ｎは、前記回転子２の凹凸部２ａの１周期を３６０度として、１周期分以上、かつ、３６０度の整数倍にできるだけ近い周期の範囲となるようにデータ総数ｎを決定すればよい。

以上のように構成したことにより、前記回転子２の凹凸部２ａの凹凸の形状ばらつき等の変動周期１周期分のデータを用いた平均値とできるため、回転子２の凹凸部２ａの凹凸の形状ばらつきや、回転子２と回転検出部３ａ、３ｂ、３ｃとの相対位置の変化により生じるＤＣオフセット補正値ｄｕ０、ｄｖ０、ｄｗ０振幅補正係数ｋｕｖ１、ｋｕｗ１のばらつきによる角度誤差の増加を抑えることができ、安定した角度検出値の角度信号θを得ることができる。

この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

なお、信号処理部６は、ハードウエアの一例を図１９に示すように、プロセッサ１００と記憶装置１０１から構成される。記憶装置は図示していないが、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。

１ 回転角度検出装置、６ 信号処理部、１０ 多相二相変換部、１１ 信号補正部、１２ 加減算部、１３ 振幅補正部、１４ 角度演算部、１５ フィルタ演算部、１６ 多相信号補正部

Claims (8)

1. 回転体の回転角度に応じて回転検出部が出力する複数の検出信号を変換して二相信号として出力する多相二相変換部と、
   前記二相信号を相互に加減算して、和差信号を生成する加減算部と、
   前記和差信号の振幅を振幅補正値で補正して補正後和差信号を出力する振幅補正部と、
   前記補正後和差信号に基づいて、角度を演算し、角度信号を出力する角度演算部と、
   を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記回転体の回転角度に応じて回転検出部が出力する複数の検出信号の１周期以上の信号に基づいて算出した、ＤＣオフセット値、振幅値の少なくとも何れか一つを用いて前記複数の検出信号を補正し、この補正した検出信号を、前記多相二相変換部の入力として出力する多相信号補正部を有することを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記二相信号の１周期以上の信号に基づいて算出した、ＤＣオフセット値、振幅値の少なくとも何れか一つを用いて前記二相信号を補正し、この補正した二相信号を、前記加減算部の入力として出力する信号補正部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記二相信号の１周期以上の信号に基づいて算出したＤＣオフセット値は、前記二相信号の１周期以上の信号の加算平均値としたことを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。
5. 前記二相信号の１周期以上の信号に基づいて算出した振幅値は、前記ＤＣオフセット値を前記二相信号から差し引いた信号の絶対値の１周期以上の信号の加算平均値、または、前記ＤＣオフセット値を前記二相信号から差し引いた信号の１周期以上の信号の２乗平均値としたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転角度検出装置。
6. 前記振幅補正部の前記振幅補正値は、前記和差信号の１周期以上の信号の加算平均値の比、または、前記和差信号の１周期以上の信号の２乗平均値の比としたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
7. 前記１周期以上の信号は、あらかじめ設定されている固定した周期ごとに取得した信号であることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
8. 前記角度演算部からの角度信号をフィルタ処理したものをフィルタ後角度信号として出力するフィルタ演算部を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。

Images