WO2016117430A1 - 回転角度検出装置 - Google Patents
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- G01D5/24471—Error correction
- G01D5/24485—Error correction using other sensors
Definitions
- the present invention relates to a rotation angle detection device including a magnet that rotates together with a rotation shaft, and a magnetic sensor that is provided at a distance from the magnet and detects interlinkage magnetic flux.
- an angle sensor disclosed in Patent Document 1 is provided as a rotation angle detection device that includes a magnet that rotates together with a rotation shaft and a magnetic sensor that is provided at a distance from the magnet and that detects interlinkage magnetic flux. is there.
- This angle sensor includes a magnet and a magnetic field sensor element.
- the magnet is provided on the rotating shaft, rotates with the rotating shaft, and generates a magnetic flux.
- the magnetic field sensor element is provided at a distance from the magnet, detects the interlinkage magnetic flux, and outputs a signal corresponding to the detection result.
- the rotation angle detection target is a motor
- the magnet is provided at the end of the rotation shaft and the magnetic field sensor element is provided near the end of the rotation shaft.
- the field winding of the motor is provided on a rotor core that rotates with the rotating shaft
- magnetic flux may leak from the end of the rotating shaft when a current flows through the field winding.
- the leakage magnetic flux interlinks with the magnetic field sensor element as a disturbance magnetic flux, and the output signal of the magnetic field sensor element changes. That is, a rotation angle error occurs.
- One embodiment provides a rotation angle detection device that can suppress a rotation angle error that occurs even when a magnetic flux changes or a disturbance magnetic flux is applied.
- a rotation angle detection device is provided on a rotating shaft of a rotating body, rotates with the rotating shaft to generate a magnetic flux, and is provided at a distance from the magnet, and detects interlinkage magnetic flux.
- a magnetic sensor includes a magnet flux detection circuit that detects a magnet flux generated by the magnet, a disturbance flux detection circuit that detects a disturbance flux that is a magnetic flux excluding the magnet flux and is linked to the magnetic sensor, and And a correction circuit for correcting the detection result of the magnetic sensor based on the detection result of the magnet magnetic flux detection circuit and the detection result of the disturbance magnetic flux detection circuit.
- the circuit diagram of the motor drive system in a 1st embodiment Explanatory drawing of the data for rotation angle error calculation.
- the rotation angle detection device detects the rotation angle of the motor in the motor drive system.
- a motor drive system 1 shown in FIG. 1 drives a motor to generate torque.
- the motor drive system 1 includes a motor 10, a rotation angle detection device 11, and a motor drive device 12.
- the motor 10 generates torque when a current flows.
- the motor 10 includes a housing 100, a stator 101, and a rotor 102.
- the housing 100 is a member that houses the stator 101 and the rotor 102 and rotatably supports the rotor 102.
- the housing 100 includes bearings 100a and 100b.
- the stator 101 is a member that forms part of a magnetic path and generates a magnetic flux when a three-phase alternating current is supplied to form a rotating magnetic field.
- the stator 101 includes a stator core 101a and a stator winding 101b.
- the stator core 101a is a cylindrical member made of a magnetic material that constitutes a part of the magnetic path and holds the stator winding 101b.
- the stator core 101a includes a plurality of slots (not shown) that accommodate the stator winding 101b.
- the stator core 101 a is fixed to the inner peripheral surface of the housing 100.
- the stator winding 101b is a member that generates a magnetic flux when a three-phase alternating current is supplied to form a rotating magnetic field.
- the stator winding 101b is housed and held in a slot of the stator core 101a.
- the rotor 102 is a member that forms part of a magnetic path and generates a magnetic flux when a direct current is supplied to form a magnetic pole.
- the rotor 102 includes a rotating shaft 102a, a rotor core 102b, and a field winding 102c.
- the rotating shaft 102a is a columnar member made of a magnetic material.
- the rotating shaft 102a is rotatably supported by the housing 100 via bearings 100a and 100b.
- the rotor core 102b is a member made of a magnetic material that constitutes a part of the magnetic path and holds the field winding 102c, and is a so-called Landel-type pole core.
- the rotor core 102b is fixed to the rotating shaft 102a with its outer peripheral surface facing the inner peripheral surface of the stator core 101a, and is rotatably supported by the housing 100.
- the field winding 102c is a member that generates a magnetic flux when a direct current is supplied via a slip ring (not shown) and forms a magnetic pole in the rotor core 102b.
- the field winding 102c is wound around the rotor core 102b in a cylindrical shape.
- the rotation angle detection device 11 is a device that detects the rotation angle of the rotation shaft 102a.
- the rotation angle detection device 11 includes a magnet 110, a magnetic sensor 111, a magnet magnetic flux detection circuit 112, a disturbance magnetic flux detection circuit 113, and a correction circuit 114.
- the magnet 110 is a disk-shaped member that generates magnetic flux. Of the circular surface of the magnet 110, an N pole is formed on one semicircular portion, and an S pole is formed on the other semicircular portion.
- the magnet 110 is fixed to the end of the rotating shaft 102a in a state where the center of the circle coincides with the axis of the rotating shaft 102a.
- the magnetic sensor 111 is an element that detects a magnetic flux interlinking in a predetermined direction. Specifically, the magnetic sensor 111 is an element that detects a magnetic flux interlinking in a direction orthogonal to the thickness direction and outputs a signal corresponding to the detection result.
- the magnetic sensor 111 is provided at a distance from the magnet 110 while being mounted on the wiring substrate 111a.
- the magnetic sensor 111 is provided so that the thickness direction is the axial direction of the rotation shaft 102a and the center is coincident with the axis of the rotation shaft 102a.
- the output end of the magnetic sensor 111 is connected to the correction circuit 114.
- the magnet flux detection circuit 112 detects the magnet flux generated by the magnet 110. Magnet magnetic flux changes with temperature. Specifically, the magnet magnetic flux detection circuit 112 detects the temperature around the magnet 110 having a corresponding relationship with the magnet magnetic flux.
- the magnet magnetic flux detection circuit 112 includes a temperature sensor 112a.
- the temperature sensor 112 a is an element that detects the temperature around the magnet 110.
- the temperature sensor 112 a is mounted on the wiring board 111 a that is a non-rotating part and in the vicinity of the magnetic sensor 111.
- the output terminal of the temperature sensor 112a is connected to the correction circuit 114.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 113 detects a disturbance magnetic flux that is a magnetic flux excluding the magnetic flux generated by the magnet 110 and that links the magnetic sensor 111.
- a disturbance magnetic flux that is a magnetic flux excluding the magnetic flux generated by the magnet 110 and that links the magnetic sensor 111.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 113 detects, as a disturbance magnetic flux, a leakage magnetic flux that leaks from the end of the rotating shaft 102a on the magnet 110 side to the outside of the motor 10 out of the magnetic flux generated when a current flows through the field winding 102c.
- the leakage magnetic flux which is a disturbance magnetic flux, varies depending on the current flowing through the field winding 102c.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 113 detects a current flowing through the field winding 102c having a corresponding relationship with the leakage magnetic flux that is the disturbance magnetic flux.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 113 includes a current sensor 113a.
- the current sensor 113a is an element that detects a current flowing through the field winding 102c.
- the current sensor 113a is provided in a state of being clamped by a wiring 120 (to be described later) that connects the motor driving device 12 and the field winding 102c.
- the output terminal of the current sensor 113a is connected to the correction circuit 114.
- the correction circuit 114 corrects the detection result of the magnetic sensor 111 based on the detection result of the magnet magnetic flux detection circuit 112 and the detection result of the disturbance magnetic flux detection circuit 113. Specifically, the correction circuit 114 converts the detection result of the magnet magnetic flux detection circuit 112, the detection result of the disturbance magnetic flux detection circuit 113, and rotation angle error calculation data indicating the relationship between the magnet magnetic flux, the disturbance magnetic flux, and the rotation angle error. Based on this, a rotation angle error is calculated, and the detection result of the magnetic sensor 111 is corrected.
- the rotation angle error calculation data indicates the relationship among the magnet magnetic flux, the disturbance magnetic flux, and the rotation angle error that has been obtained in advance through experiments and simulations. Specifically, as shown in FIG.
- the difference calculation data indicates the relationship between the temperature around the magnet 110, the current flowing through the field winding 102c, and the absolute value of the rotation angle error.
- the correction circuit 114 includes a storage circuit 114a, a correction amount calculation circuit 114b, and a correction processing circuit 114c.
- the storage circuit 114a stores rotation angle error calculation data.
- the output terminal of the storage circuit 114a is connected to the correction amount calculation circuit 114b.
- the correction amount calculation circuit 114b eliminates the rotation angle error based on the detection result of the magnet magnetic flux detection circuit 112, the detection result of the disturbance magnetic flux detection circuit 113, and the rotation angle error calculation data stored in the storage circuit 114a.
- the correction amount for calculating is calculated. Specifically, the correction amount calculation circuit 114b is stored in the storage circuit 114a, the temperature around the magnet 110 detected by the temperature sensor 112a, the current flowing through the field winding 102c detected by the current sensor 113a, and the storage circuit 114a.
- the correction amount is calculated based on the rotation angle error calculation data indicating the relationship between the temperature around the magnet 110, the current flowing in the field winding 102c, and the absolute value of the rotation angle error.
- the input end of the correction amount calculation circuit 114b is connected to the output end of the temperature sensor 112a, the output end of the current sensor 113a, and the output end of the storage circuit 114a.
- the output terminal of the correction amount calculation circuit 114b is connected to the correction processing circuit 114c.
- the correction processing circuit 114c corrects the detection result of the magnetic sensor 111 based on the calculation result of the correction amount calculation circuit 114b, and outputs the correction result to the motor drive device 12 as the rotation angle of the rotating shaft 102a.
- the input terminal of the correction processing circuit 114 c is connected to the output terminal of the correction amount calculation circuit 114 b and the output terminal of the magnetic sensor 111.
- the output terminal of the correction processing circuit 114 c is connected to the motor driving device 12.
- the motor driving device 12 supplies direct current to the field winding 102c and drives three-phase alternating current to the stator winding 101b based on the rotation angle input from the correction processing circuit 114c in order to drive the motor 10. To do.
- the input end of the motor drive device 12 is connected to the output end of the correction processing circuit 114c.
- the DC output terminal of the motor drive device 12 is connected to the field winding 102c via wires 120 and 121 and a slip ring.
- the AC output terminal of the motor drive device 12 is connected to the stator winding 101b via wires 122 to 124.
- the magnet magnetic flux generated by the magnet 110 changes from the N pole formed in one semicircular portion to the S pole formed in the other semicircular portion of the circular surface of the magnet 110. It flows toward. Therefore, the magnet magnetic flux links the magnetic sensor 111 in a direction orthogonal to the thickness direction.
- the disturbance magnetic flux generated by the current flowing through the field winding 102c flows from the end of the rotating shaft 102a on the magnet 110 side toward the other end.
- the center of the magnetic sensor 111 is provided so as to coincide with the axis C of the rotating shaft 102a, the disturbance magnetic flux does not link the magnetic sensor 111 in a direction perpendicular to the thickness direction. Therefore, only the magnetic flux links the magnetic sensor 111 in the direction orthogonal to the thickness direction.
- the magnetic sensor 111 regards the combined magnetic flux ⁇ c of the magnetic flux ⁇ m and the disturbance magnetic flux ⁇ n linked in the direction orthogonal to the thickness direction as a magnetic flux linked in the direction orthogonal to the thickness direction. Therefore, a rotation angle error occurs.
- the magnet magnetic flux changes as the temperature of the magnet 110 changes. Therefore, as the temperature of the magnet 110 changes, the magnetic flux that links the magnetic sensor 111 in the direction orthogonal to the thickness direction changes. Therefore, a rotation angle error also occurs due to a temperature change of the magnet 110.
- the current sensor 113 a detects a current flowing through the field winding 102 c of the motor 10.
- the motor driving device 12 supplies direct current to the field winding 102c and drives three-phase alternating current to the stator winding 101b based on the rotation angle input from the correction processing circuit 114c in order to drive the motor 10. To do. Thereby, the motor 10 generates torque.
- the rotation angle detection device 11 includes a magnet magnetic flux detection circuit 112, a disturbance magnetic flux detection circuit 113, and a correction circuit 114.
- the magnet magnetic flux detection circuit 112 detects the magnet magnetic flux.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 113 detects a disturbance magnetic flux that is a magnetic flux excluding the magnet magnetic flux and is linked to the magnetic sensor 111.
- the correction circuit 114 corrects the detection result of the magnetic sensor 111 based on the detection result of the magnet magnetic flux detection circuit 112 and the detection result of the disturbance magnetic flux detection circuit 113. Therefore, the detection result of the magnetic sensor 111 can be corrected based on the magnet magnetic flux and the disturbance magnetic flux. Therefore, even if the magnet magnetic flux changes or disturbance magnetic flux is applied, it is possible to suppress the rotation angle error that occurs along with it.
- the correction circuit 114 calculates a rotation angle error based on the detection result of the magnet magnetic flux detection circuit 112, the detection result of the disturbance magnetic flux detection circuit 113, and the rotation angle error calculation data.
- the detection result of the magnetic sensor 111 is corrected.
- the rotation angle error calculation data indicates the relationship among the magnet magnetic flux, the disturbance magnetic flux, and the rotation angle error that has been obtained in advance through experiments and simulations. Therefore, the rotation angle error can be calculated based on the magnet magnetic flux and the disturbance magnetic flux. Therefore, the detection result of the magnetic sensor 111 can be corrected so as to eliminate the rotation angle error. Thereby, even if a magnet magnetic flux changes or disturbance magnetic flux is added, the rotation angle error which arises with it can be suppressed reliably.
- the magnet magnetic flux detection circuit 112 includes the temperature sensor 112a.
- the temperature sensor 112a is an element that detects the temperature around the magnet 110 that has a corresponding relationship with the magnet magnetic flux. Therefore, the magnet magnetic flux can be reliably detected.
- the temperature sensor 112a is mounted on the wiring board 111a and close to the magnetic sensor 111. That is, the temperature sensor 112 a is provided around the magnet 110. Therefore, the temperature around the magnet 110 can be reliably detected.
- the temperature sensor 112a is mounted on the wiring board 111a which is a non-rotating part. For this reason, it is possible to easily perform wiring as compared with the case where the rotating portion is provided. Therefore, the wiring configuration can be simplified.
- the rotating body that is the detection target of the rotation angle detection device 11 is the motor 10 having the field winding 102c. Therefore, when a current flows through the field winding 102 c, the magnetic flux leaks to the outside of the motor 10 and may be applied to the magnetic sensor 111.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 113 detects, as a disturbance magnetic flux, a leakage magnetic flux that leaks to the outside of the motor among magnetic fluxes generated by current flowing through the field winding. Therefore, the disturbance magnetic flux interlinking with the magnetic sensor 111 can be reliably detected.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 113 includes the current sensor 113a.
- the current sensor 113a is an element that detects a current flowing through the field winding 102c having a corresponding relationship with the disturbance magnetic flux. Therefore, the disturbance magnetic flux can be reliably detected.
- the field winding 102c is wound around the rotor core 102b that rotates together with the rotating shaft 102a. Therefore, more magnetic flux may leak from the end of the rotating shaft 102a on the magnet 110 side. That is, more disturbance magnetic flux may be generated.
- the detection result of the magnetic sensor 111 can be corrected based on the magnet magnetic flux and the disturbance magnetic flux. Therefore, even if the configuration is such that more disturbance magnetic flux is applied to the magnetic sensor 111, the rotation angle error can be reliably suppressed.
- the temperature sensor 112a is provided on the wiring board 111a, which is a non-rotating part, and detects the temperature around the magnet 110.
- the temperature sensor 112a may be provided in the rotating portion of the motor 10 and detect the temperature around the magnet 110.
- the temperature sensor 112a may be provided in the magnet 110 which is a rotating part, and may directly detect the temperature of the magnet 110. That is, the temperature sensor 112a only needs to detect the temperature of at least one of the magnet 110 and the periphery of the magnet 110.
- the magnet magnetic flux detection circuit 112 detects the temperature around the magnet 110 having a corresponding relationship with the magnet magnetic flux, but is not limited thereto.
- the magnet magnetic flux detection circuit 112 may directly detect the magnet magnetic flux. Further, the magnet magnetic flux detection circuit 112 may detect another physical quantity having a correspondence relationship with the magnet magnetic flux.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 113 detects the current flowing through the field winding 102c having a corresponding relationship with the disturbance magnetic flux, but the present invention is not limited to this.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 113 may be a magnetic flux excluding the magnet magnetic flux, and may directly detect the disturbance magnetic flux interlinked with the magnetic sensor. Further, the disturbance magnetic flux detection circuit 113 may detect another physical quantity having a correspondence relationship with the disturbance magnetic flux.
- the motor drive system of the second embodiment is obtained by changing the configuration of the magnetic flux detection circuit with respect to the motor drive system of the first embodiment.
- the motor drive system 2 includes a motor 20, a rotation angle detection device 21, and a motor drive device 22.
- the motor 20 and the motor drive device 22 have the same configuration as the motor 10 and the motor drive device 12 of the first embodiment.
- the rotation angle detection device 21 includes a magnet 210, a magnetic sensor 211, a magnet magnetic flux detection circuit 212, a disturbance magnetic flux detection circuit 213, and a correction circuit 214.
- the magnet 210, the magnetic sensor 211, the disturbance magnetic flux detection circuit 213, and the correction circuit 214 have the same configuration as the magnet 110, the magnetic sensor 111, the disturbance magnetic flux detection circuit 113, and the correction circuit 114 of the first embodiment, respectively.
- the magnet flux detection circuit 212 detects the magnet flux generated by the magnet 210. Specifically, the magnet magnetic flux detection circuit 212 detects the temperature around the magnet 210 having a corresponding relationship with the magnet magnetic flux.
- the magnet magnetic flux detection circuit 212 includes a temperature sensor 212a, a current sensor 212b, and a temperature conversion circuit 212c.
- the temperature sensor 212 a is a member that detects the temperature around the magnet 210. Specifically, the temperature sensor 212a includes a field winding 202c provided around the magnet 210, the resistance value of which varies with temperature.
- the current sensor 212b is an element that detects a current flowing through the field winding 202c. Specifically, the current sensor 212b includes a current sensor 213a that constitutes the disturbance magnetic flux detection circuit 213.
- the temperature conversion circuit 212c detects the resistance value of the field winding 202c, which is the temperature sensor 212a, and converts it into temperature.
- the temperature conversion circuit 212c calculates the resistance value of the field winding 202c based on the current flowing through the field winding 202c and the voltage applied to the field winding 202c, and converts it into a temperature.
- the input terminal of the temperature conversion circuit 212c is connected to the output terminal of the current sensor 212b.
- the input terminal of the temperature conversion circuit 212c is connected to wirings 220 and 221 that connect the motor driving device 22 and the field winding 202c in order to detect a voltage applied to the field winding 202c.
- the output terminal of the temperature conversion circuit 212c is connected to the correction amount calculation circuit 214b.
- the temperature conversion circuit 212c calculates the resistance value of the field winding 202c based on the current flowing through the field winding 202c detected by the current sensor 212b and the voltage applied to the field winding 202c detected by itself. Then, the temperature conversion circuit 212c converts the resistance value into a temperature. As a result, the temperature around the magnet 210 can be detected.
- the correction circuit 214 corrects the detection result of the magnetic sensor 211 using the temperature as in the first embodiment.
- the same effect as that of the first embodiment corresponding to the same configuration can be obtained.
- the temperature sensor 212a is a field winding 202c provided around the magnet 210, the resistance value of which varies with temperature. That is, the temperature sensor 212a is configured using the field winding 202c. Therefore, it is not necessary to provide a temperature sensor separately. Therefore, the configuration can be simplified.
- the magnet magnetic flux detection circuit 212 detects the temperature around the magnet 210 having a corresponding relationship with the magnet magnetic flux is described, as in the first embodiment, but is not limited thereto. It is not a thing.
- the magnet flux detection circuit 212 may directly detect the magnet flux. Further, the magnet magnetic flux detection circuit 212 may detect another physical quantity having a correspondence relationship with the magnet magnetic flux.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 213 detects the current flowing through the field winding 202c having a corresponding relationship with the disturbance magnetic flux, but the present invention is not limited to this. It is not a thing.
- the disturbance magnetic flux detection circuit 213 may be a magnetic flux excluding the magnet magnetic flux, and may directly detect the disturbance magnetic flux interlinked with the magnetic sensor. Further, the disturbance magnetic flux detection circuit 213 may detect another physical quantity having a correspondence relationship with the disturbance magnetic flux.
- a rotation angle detection device is provided on a rotating shaft of a rotating body, and rotates with the rotating shaft to generate a magnetic flux (110, 210) and a distance from the magnet. And magnetic sensors (111, 211) for detecting magnetic flux to be detected.
- the rotation angle detection device detects a magnetic flux detection circuit (112, 212) that detects a magnetic flux generated by the magnet and a disturbance magnetic flux that is a magnetic flux excluding the magnetic flux and is linked to the magnetic sensor.
- a correction circuit (114, 214) for correcting the detection result of the magnetic sensor based on the detection result of the disturbance magnetic flux detection circuit and the detection result of the disturbance magnetic flux detection circuit. And having.
- the detection result of the magnetic sensor can be corrected based on the magnet magnetic flux and the disturbance magnetic flux. For this reason, even if the magnet magnetic flux changes or disturbance magnetic flux is applied, the rotation angle error that occurs with the magnetic flux can be suppressed.
- SYMBOLS 1 Motor drive system, 10 ... Motor, 102 ... Rotor, 102a ... Rotary shaft, 102b ... Rotor core, 102c ... Field winding, 11 ... Rotation Angle detection device, 110 ... magnet, 111 ... magnetic sensor, 112 ... magnet magnetic flux detection circuit, 112a ... temperature sensor, 113 ... disturbance magnetic flux detection circuit, 113a ... current sensor, 114 ... Correction circuit
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Abstract
回転角度検出装置は、回転体の回転軸に設けられ、前記回転軸とともに回転し、磁束を発生する磁石と、前記磁石から距離を隔てて設けられ、鎖交する磁束を検出する磁気センサと、を備える。前記回転角度検出装置は、前記磁石の発生する磁石磁束を検出する磁石磁束検出回路と、磁石磁束を除いた磁束であって、前記磁気センサと鎖交する外乱磁束を検出する外乱磁束検出回路と、前記磁石磁束検出回路の検出結果、及び、前記外乱磁束検出回路の検出結果に基づいて、前記磁気センサの検出結果を補正する補正回路と、を有する。
Description
本発明は、回転軸とともに回転する磁石と、磁石から距離を隔てて設けられ、鎖交する磁束を検出する磁気センサとを備えた回転角度検出装置に関する。
従来、回転軸とともに回転する磁石と、磁石から距離を隔てて設けられ、鎖交する磁束を検出する磁気センサとを備えた回転角度検出装置として、例えば特許文献1に開示されている角度センサがある。
この角度センサは、マグネットと、磁場センサ素子とを備えている。マグネットは、回転軸に設けられ、回転軸とともに回転し、磁束を発生する。磁場センサ素子は、マグネットから距離を隔てて設けられ、鎖交する磁束を検出し、検出結果に応じた信号を出力する。
ところで、前述した角度センサにおいて、温度が変化すると、マグネットの発生する磁束が変化する。その結果、磁場センサ素子と鎖交する磁束が変化し、磁場センサ素子の出力信号が変化してしまう。つまり、回転角度誤差が発生してしまう。
前述した角度センサにおいて、回転角度の検出対象がモータである場合、マグネットが回転軸の端部に、磁場センサ素子が回転軸の端部の近くにそれぞれ設けられることになる。モータの界磁巻線が回転軸とともに回転する回転子コアに設けられている場合、界磁巻線に電流が流れると、回転軸の端部から磁束が漏れることがある。その結果、漏れ磁束が外乱磁束として磁場センサ素子と鎖交し、磁場センサ素子の出力信号が変化してしまう。つまり、回転角度誤差が発生してしまう。
一実施形態は、磁石磁束が変化したり、外乱磁束が加わったりしても、それに伴って発生する回転角度誤差を抑えることができる回転角度検出装置を提供する。
一実施形態の回転角度検出装置は、回転体の回転軸に設けられ、前記回転軸とともに回転し、磁束を発生する磁石と、前記磁石から距離を隔てて設けられ、鎖交する磁束を検出する磁気センサと、を備える。前記回転角度検出装置は、前記磁石の発生する磁石磁束を検出する磁石磁束検出回路と、磁石磁束を除いた磁束であって、前記磁気センサと鎖交する外乱磁束を検出する外乱磁束検出回路と、前記磁石磁束検出回路の検出結果、及び、前記外乱磁束検出回路の検出結果に基づいて、前記磁気センサの検出結果を補正する補正回路と、を有する。
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。本実施形態では、回転角度検出装置が、モータ駆動システムにおいて、モータの回転角度を検出する。
(第1実施形態)
まず、図1及び図2を参照して第1実施形態のモータの構成について説明する。図1に示すモータ駆動システム1は、モータを駆動してトルクを発生させる。モータ駆動システム1は、モータ10と、回転角度検出装置11と、モータ駆動装置12とを備えている。
まず、図1及び図2を参照して第1実施形態のモータの構成について説明する。図1に示すモータ駆動システム1は、モータを駆動してトルクを発生させる。モータ駆動システム1は、モータ10と、回転角度検出装置11と、モータ駆動装置12とを備えている。
モータ10は、電流が流れることでトルクを発生する。モータ10は、ハウジング100と、固定子101と、回転子102とを備えている。
ハウジング100は、固定子101及び回転子102を収容するとともに、回転子102を回転可能に支持する部材である。ハウジング100は、軸受100a、100bを備えている。
固定子101は、磁路の一部を構成するとともに、3相交流が供給されることで磁束を発生し、回転磁界を形成する部材である。固定子101は、固定子コア101aと、固定子巻線101bとを備えている。
固定子コア101aは、磁路の一部を構成するとともに、固定子巻線101bを保持する磁性材からなる円筒状の部材である。固定子コア101aは、固定子巻線101bを収容する複数のスロット(図略)を備えている。固定子コア101aは、ハウジング100の内周面に固定されている。
固定子巻線101bは、3相交流が供給されることで磁束を発生し、回転磁界を形成する部材である。固定子巻線101bは、固定子コア101aのスロットに収容され保持されている。
回転子102は、磁路の一部を構成するとともに、直流が供給されることで磁束を発生し、磁極を形成する部材である。回転子102は、回転軸102aと、回転子コア102bと、界磁巻線102cとを備えている。
回転軸102aは、磁性材からなる円柱状の部材である。回転軸102aは、軸受100a、100bを介してハウジング100に回転可能に支持されている。
回転子コア102bは、磁路の一部を構成するとともに、界磁巻線102cを保持する磁性材からなる部材であり、いわゆるランデル型ポールコアである。回転子コア102bは、外周面を固定子コア101aの内周面と対向させた状態で回転軸102aに固定され、ハウジング100に回転可能に支持されている。
界磁巻線102cは、スリップリング(図示略)を介して直流が供給されることで磁束を発生し、回転子コア102bに磁極を形成する部材である。界磁巻線102cは、回転子コア102bに円筒状に巻回されている。
回転角度検出装置11は、回転軸102aの回転角度を検出する装置である。回転角度検出装置11は、磁石110と、磁気センサ111と、磁石磁束検出回路112と、外乱磁束検出回路113と、補正回路114とを備えている。
磁石110は、磁束を発生する円板状の部材である。磁石110の円形状の表面のうち、一方の半円部分にN極が、他方の半円部分にS極がそれぞれ形成されている。磁石110は、円の中心を回転軸102aの軸心と一致させた状態で回転軸102aの端部に固定されている。
磁気センサ111は、所定方向に鎖交する磁束を検出する素子である。具体的には、磁気センサ111は、厚さ方向と直交する方向に鎖交する磁束を検出し、検出結果に応じた信号を出力する素子である。磁気センサ111は、配線基板111aに実装された状態で、磁石110から距離を隔てて設けられている。磁気センサ111は、厚さ方向が回転軸102aの軸方向になるとともに、中心が回転軸102aの軸心と一致するように設けられている。磁気センサ111の出力端は、補正回路114に接続されている。
磁石磁束検出回路112は、磁石110の発生する磁石磁束を検出する。磁石磁束は温度によって変化する。磁石磁束検出回路112は、具体的には、磁石磁束と対応関係を有する磁石110の周辺の温度を検出する。磁石磁束検出回路112は、温度センサ112aを備えている。
温度センサ112aは、磁石110の周辺の温度を検出する素子である。温度センサ112aは、非回転部分である配線基板111a上であって、磁気センサ111の近くに実装されている。温度センサ112aの出力端は、補正回路114に接続されている。
外乱磁束検出回路113は、磁石110の発生する磁束を除いた磁束であって、磁気センサ111を鎖交する外乱磁束を検出する。モータ10の界磁巻線102cに電流が流れた場合、磁束が発生する。回転軸102aが磁性材からなるため、発生した磁束の一部が回転軸102aの磁石110側の端部からモータ10の外部に漏れることがある。外乱磁束検出回路113は、界磁巻線102cに電流が流れることで発生する磁束のうち、回転軸102aの磁石110側の端部からモータ10の外部に漏れる漏れ磁束を外乱磁束として検出する。外乱磁束である漏れ磁束は、界磁巻線102cに流れる電流によって変化する。外乱磁束検出回路113は、具体的には、外乱磁束である漏れ磁束と対応関係を有する界磁巻線102cに流れる電流を検出する。外乱磁束検出回路113は、電流センサ113aを備えている。
電流センサ113aは、界磁巻線102cに流れる電流を検出する素子である。電流センサ113aは、モータ駆動装置12と界磁巻線102cを接続する、後述する配線120にクランプされた状態で設けられている。電流センサ113aの出力端は、補正回路114に接続されている。
補正回路114は、磁石磁束検出回路112の検出結果、及び、外乱磁束検出回路113の検出結果に基づいて、磁気センサ111の検出結果を補正する。具体的には、補正回路114は、磁石磁束検出回路112の検出結果、外乱磁束検出回路113の検出結果、並びに、磁石磁束、外乱磁束及び回転角度誤差の関係を示す回転角度誤差算出用データに基づいて、回転角度誤差を算出し、磁気センサ111の検出結果を補正する。回転角度誤差算出用データは、実験やシミュレーションによって予め求めておいた、磁石磁束、外乱磁束及び回転角度誤差の関係を示す。具体的には、差算出用データは、図2に示すように、磁石110の周辺の温度、界磁巻線102cに流れる電流、及び、回転角度誤差の絶対値の関係を示す。補正回路114は、記憶回路114aと、補正量算出回路114bと、補正処理回路114cとを備えている。
記憶回路114aは、回転角度誤差算出用データを記憶する。記憶回路114aの出力端は、補正量算出回路114bに接続されている。
補正量算出回路114bは、磁石磁束検出回路112の検出結果、外乱磁束検出回路113の検出結果、及び、記憶回路114aに記憶されている回転角度誤差算出用データに基づいて、回転角度誤差をなくすための補正量を算出する。具体的には、補正量算出回路114bは、温度センサ112aの検出した磁石110の周辺の温度、電流センサ113aの検出した界磁巻線102cに流れる電流、並びに、記憶回路114aに記憶されている、磁石110の周辺の温度、界磁巻線102cに流れる電流、及び、回転角度誤差の絶対値の関係を示す回転角度誤差算出用データに基づいて補正量を算出する。補正量算出回路114bの入力端は温度センサ112aの出力端、電流センサ113aの出力端、及び、記憶回路114aの出力端に接続されている。補正量算出回路114bの出力端は補正処理回路114cに接続されている。
補正処理回路114cは、補正量算出回路114bの算出結果に基づいて、磁気センサ111の検出結果を補正し、回転軸102aの回転角度としてモータ駆動装置12に出力する。補正処理回路114cの入力端は補正量算出回路114bの出力端、及び、磁気センサ111の出力端に接続されている。補正処理回路114cの出力端はモータ駆動装置12に接続されている。
モータ駆動装置12は、モータ10を駆動するために、界磁巻線102cに直流を供給するとともに、補正処理回路114cから入力される回転角度に基づいて固定子巻線101bに3相交流を供給する。モータ駆動装置12の入力端は補正処理回路114cの出力端に接続されている。モータ駆動装置12の直流出力端は配線120、121及びスリップリングを介して界磁巻線102cに接続されている。モータ駆動装置12の交流出力端は配線122~124を介して固定子巻線101bに接続されている。
次に、図1~図5を参照して第1実施形態のモータ駆動システムの動作について説明する。
図1に示す磁石110は、磁束を発生する。図3に示すように、磁石110の発生した磁石磁束は、磁石110の円形状の表面のうち、一方の半円部分に形成されたN極から他方の半円部分に形成されたS極に向かって流れる。そのため、磁石磁束が、磁気センサ111を厚さ方向と直交する方向に鎖交する。
界磁巻線102cに電流が流れることで発生する外乱磁束は、回転軸102aの磁石110側の端部から他方の端部に向かって流れる。磁気センサ111の中心が回転軸102aの軸心Cと一致するように設けられている場合、外乱磁束が、磁気センサ111を厚さ方向と直交する方向に鎖交することはない。そのため、磁石磁束だけが、磁気センサ111を厚さ方向と直交する方向に鎖交する。
しかし、磁気センサ111の中心が回転軸102aの軸心Cと一致するように設けようとしても、実際には位置ずれが発生してしまう。図4に示すように、磁気センサ111の中心が回転軸102aの軸心Cからずれた位置に設けられている場合、外乱磁束が、磁気センサ111を厚さ方向と直交する方向に鎖交するようになる。そのため、磁気センサ111は、厚さ方向と直交する方向に鎖交する磁石磁束Φmと外乱磁束Φnの合成磁束Φcを、厚さ方向と直交する方向に鎖交する磁石磁束とみなしてしまう。従って、回転角度誤差が発生してしまう。
磁石磁束は、磁石110の温度が変化すると、それに伴って変化する。そのため、磁石110の温度の変化に伴って、磁気センサ111を厚さ方向と直交する方向に鎖交する磁束が変化してしまう。従って、磁石110の温度変化によっても、回転角度誤差が発生してしまう。
図1に示す温度センサ112aは、磁石110の周辺の温度を検出する。電流センサ113aは、モータ10の界磁巻線102cに流れる電流を検出する。
補正量算出回路114bは、温度センサ112aの検出した磁石110の周辺の温度、電流センサ113aの検出した界磁巻線102cに流れる電流、並びに、記憶回路114aに記憶されている、図2に示す、磁石110の周辺の温度、界磁巻線102cに流れる電流、及び、回転角度誤差の絶対値の関係を示す回転角度誤差算出用データに基づいて補正量を算出する。補正処理回路114cは、補正量算出回路114bの算出結果に基づいて、磁気センサ111の検出結果を補正し、回転軸102aの回転角度としてモータ駆動装置12に出力する。その結果、図5に示すように、回転角度誤差をほとんど0にすることができる。
モータ駆動装置12は、モータ10を駆動するために、界磁巻線102cに直流を供給するとともに、補正処理回路114cから入力される回転角度に基づいて固定子巻線101bに3相交流を供給する。これにより、モータ10がトルクを発生する。
次に、第1実施形態のモータ駆動システムの効果について説明する。
第1実施形態によれば、回転角度検出装置11は、磁石磁束検出回路112と、外乱磁束検出回路113と、補正回路114とを備えている。磁石磁束検出回路112は、磁石磁束を検出する。外乱磁束検出回路113は、磁石磁束を除いた磁束であって、磁気センサ111と鎖交する外乱磁束を検出する。補正回路114は、磁石磁束検出回路112の検出結果、及び、外乱磁束検出回路113の検出結果に基づいて、磁気センサ111の検出結果を補正する。そのため、磁石磁束及び外乱磁束に基づいて磁気センサ111の検出結果を補正することができる。従って、磁石磁束が変化したり、外乱磁束が加わったりしても、それに伴って発生する回転角度誤差を抑えることができる。
第1実施形態によれば、補正回路114は、磁石磁束検出回路112の検出結果、外乱磁束検出回路113の検出結果、及び、回転角度誤差算出用データに基づいて、回転角度誤差を算出し、磁気センサ111の検出結果を補正する。回転角度誤差算出用データは、実験やシミュレーションによって予め求めておいた、磁石磁束、外乱磁束及び回転角度誤差の関係を示す。そのため、磁石磁束及び外乱磁束に基づいて回転角度誤差を算出することができる。従って、回転角度誤差をなくすように磁気センサ111の検出結果を補正することができる。これにより、磁石磁束が変化したり、外乱磁束が加わったりしても、それに伴って発生する回転角度誤差を確実に抑えることができる。
第1実施形態によれば、磁石磁束検出回路112は、温度センサ112aを備えている。温度センサ112aは、磁石磁束と対応関係を有する磁石110の周辺の温度を検出する素子である。そのため、磁石磁束を確実に検出することができる。
第1実施形態によれば、温度センサ112aは、配線基板111a上であって、磁気センサ111の近くに実装されている。つまり、温度センサ112aは、磁石110の周辺に設けられている。そのため、磁石110の周辺の温度を確実に検出することができる。
第1実施形態によれば、温度センサ112aは、非回転部分である配線基板111aに実装されている。そのため、回転部分に設ける場合に比べ、容易に配線することができる。従って、配線の構成を簡素化することができる。
第1実施形態によれば、回転角度検出装置11の検出対象である回転体は、界磁巻線102cを有するモータ10である。そのため、界磁巻線102cに電流が流れると、モータ10の外部に磁束が漏れ、磁気センサ111に加わる可能性がある。外乱磁束検出回路113は、界磁巻線に電流が流れることで発生する磁束のうち、モータの外部に漏れる漏れ磁束を外乱磁束として検出する。そのため、磁気センサ111と鎖交する外乱磁束を確実に検出することができる。
第1実施形態によれば、外乱磁束検出回路113は、電流センサ113aを備えている。電流センサ113aは、外乱磁束と対応関係を有する界磁巻線102cに流れる電流を検出する素子である。そのため、外乱磁束を確実に検出することができる。
第1実施形態によれば、界磁巻線102cは、回転軸102aとともに回転する回転子コア102bに巻回されている。そのため、回転軸102aの磁石110側の端部から、より多くの磁束が漏れる可能性がある。つまり、より多くの外乱磁束が発生する可能性がある。しかし、磁石磁束及び外乱磁束に基づいて磁気センサ111の検出結果を補正することができる。そのため、より多くの外乱磁束が磁気センサ111に加わるような構成であっても、回転角度誤差を確実に抑えることができる。
なお、第1実施形態では、温度センサ112aが、非回転部分である配線基板111aに設けられ、磁石110の周辺の温度を検出する例を挙げているが、これに限られるものではない。温度センサ112aは、モータ10の回転部分に設けられ、磁石110の周辺の温度を検出するようにしてもよい。また、温度センサ112aは、回転部分である磁石110に設けられ、磁石110の温度を直接検出するようにしてもよい。すなわち温度センサ112aは、磁石110及び磁石110の周辺の少なくとも一方の温度を検出できればよい。
第1実施形態では、磁石磁束検出回路112が、磁石磁束と対応関係を有する磁石110の周辺の温度を検出する例を挙げているが、これに限られるものではない。磁石磁束検出回路112は、磁石磁束を直接検出するようにしてもよい。また、磁石磁束検出回路112は、磁石磁束と対応関係を有する他の物理量を検出するようにしてもよい。
第1実施形態では、外乱磁束検出回路113が、外乱磁束と対応関係を有する界磁巻線102cに流れる電流を検出する例を挙げているが、これに限られるものではない。外乱磁束検出回路113は、磁石磁束を除いた磁束であって、磁気センサと鎖交する外乱磁束を直接検出するようにしてもよい。また、外乱磁束検出回路113は、外乱磁束と対応関係を有する他の物理量を検出するようにしてもよい。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態のモータ駆動システムについて説明する。第2実施形態のモータ駆動システムは、第1実施形態のモータ駆動システムに対して、磁石磁束検出回路の構成を変更したものである。
次に、第2実施形態のモータ駆動システムについて説明する。第2実施形態のモータ駆動システムは、第1実施形態のモータ駆動システムに対して、磁石磁束検出回路の構成を変更したものである。
磁石磁束検出回路以外の構成及び動作は、第1実施形態と同一であるため、必要がある場合を除いて説明を省略する。
まず、図6を参照して第2実施形態のモータ駆動システムの構成について説明する。磁石磁束検出回路以外の構成は、第1実施形態と同一であるため、必要がある場合を除いて説明を省略する。
図6に示すように、モータ駆動システム2は、モータ20と、回転角度検出装置21と、モータ駆動装置22とを備えている。モータ20及びモータ駆動装置22は、第1実施形態のモータ10及びモータ駆動装置12と同一構成である。
回転角度検出装置21は、磁石210と、磁気センサ211と、磁石磁束検出回路212と、外乱磁束検出回路213と、補正回路214とを備えている。
磁石210、磁気センサ211、外乱磁束検出回路213及び補正回路214は、それぞれ第1実施形態の磁石110、磁気センサ111、外乱磁束検出回路113及び補正回路114と同一構成である。
磁石磁束検出回路212は、磁石210の発生する磁石磁束を検出する。具体的には、磁石磁束検出回路212は、磁石磁束と対応関係を有する磁石210の周辺の温度を検出する。磁石磁束検出回路212は、温度センサ212aと、電流センサ212bと、温度変換回路212cとを備えている。
温度センサ212aは、磁石210の周辺の温度を検出する部材である。具体的には、温度センサ212aは、磁石210の周辺に設けられている、温度によって抵抗値が変化する界磁巻線202cからなる。
電流センサ212bは、界磁巻線202cに流れる電流を検出する素子である。具体的には、電流センサ212bは、外乱磁束検出回路213を構成する電流センサ213aからなる。
温度変換回路212cは、温度センサ212aである界磁巻線202cの抵抗値を検出し、温度に変換する。温度変換回路212cは、界磁巻線202cに流れる電流、及び、界磁巻線202cに加わる電圧に基づいて界磁巻線202cの抵抗値を算出し、温度に変換する。温度変換回路212cの入力端は、電流センサ212bの出力端に接続されている。また、温度変換回路212cの入力端は、界磁巻線202cに加わる電圧を検出するため、モータ駆動装置22と界磁巻線202cを接続する配線220、221に接続されている。さらに、温度変換回路212cの出力端は、補正量算出回路214bに接続されている。
次に、第2実施形態のモータ駆動システムの動作について説明する。磁石磁束検出回路以外の動作は、第1実施形態と同一であるため、必要がある場合を除いて説明を省略する。
温度変換回路212cは、電流センサ212bの検出した界磁巻線202cに流れる電流、及び、自ら検出した界磁巻線202cに加わる電圧に基づいて界磁巻線202cの抵抗値を算出する。そして、温度変換回路212cは、その抵抗値を温度に変換する。その結果、磁石210の周辺の温度を検出することができる。補正回路214は、その温度を用いて、第1実施形態と同様に、磁気センサ211の検出結果を補正する。
次に、第2実施形態のモータ駆動システムの効果について説明する。
第2実施形態によれば、第1実施形態と同一構成を有することにより、その同一構成に対応した第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
第2実施形態によれば、温度センサ212aは、磁石210の周辺に設けられている、温度によって抵抗値が変化する界磁巻線202cである。つまり、温度センサ212aは、界磁巻線202cを利用して構成されている。そのため、温度センサを別途設ける必要がない。従って、構成を簡素化することができる。
なお、第2実施形態では、第1実施形態と同様に、磁石磁束検出回路212が、磁石磁束と対応関係を有する磁石210の周辺の温度を検出する例を挙げているが、これに限られるものではない。磁石磁束検出回路212は、磁石磁束を直接検出するようにしてもよい。また、磁石磁束検出回路212は、磁石磁束と対応関係を有する他の物理量を検出するようにしてもよい。
第2実施形態では、第1実施形態と同様に、外乱磁束検出回路213が、外乱磁束と対応関係を有する界磁巻線202cに流れる電流を検出する例を挙げているが、これに限られるものではない。外乱磁束検出回路213は、磁石磁束を除いた磁束であって、磁気センサと鎖交する外乱磁束を直接検出するようにしてもよい。また、外乱磁束検出回路213は、外乱磁束と対応関係を有する他の物理量を検出するようにしてもよい。
一実施形態の回転角度検出装置は、回転体の回転軸に設けられ、前記回転軸とともに回転し、磁束を発生する磁石(110、210)と、前記磁石から距離を隔てて設けられ、鎖交する磁束を検出する磁気センサ(111、211)と、を備える。前記回転角度検出装置は、前記磁石の発生する磁石磁束を検出する磁石磁束検出回路(112、212)と、磁石磁束を除いた磁束であって、前記磁気センサと鎖交する外乱磁束を検出する外乱磁束検出回路(113、213)と、前記磁石磁束検出回路の検出結果、及び、前記外乱磁束検出回路の検出結果に基づいて、前記磁気センサの検出結果を補正する補正回路(114、214)と、を有する。
この構成によれば、磁石磁束及び外乱磁束に基づいて磁気センサの検出結果を補正することができる。そのため、磁石磁束が変化したり、外乱磁束が加わったりしても、それに伴って発生する回転角度誤差を抑えることができる。
1・・・モータ駆動システム、10・・・モータ、102・・・回転子、102a・・・回転軸、102b・・・回転子コア、102c・・・界磁巻線、11・・・回転角度検出装置、110・・・磁石、111・・・磁気センサ、112・・・磁石磁束検出回路、112a・・・温度センサ、113・・・外乱磁束検出回路、113a・・・電流センサ、114・・・補正回路
Claims (9)
- 回転体の回転軸に設けられ、前記回転軸とともに回転し、磁束を発生する磁石(110、210)と、
前記磁石から距離を隔てて設けられ、鎖交する磁束を検出する磁気センサ(111、211)と、
を備えた回転角度検出装置において、
前記磁石の発生する磁石磁束を検出する磁石磁束検出回路(112、212)と、
磁石磁束を除いた磁束であって、前記磁気センサと鎖交する外乱磁束を検出する外乱磁束検出回路(113、213)と、
前記磁石磁束検出回路の検出結果、及び、前記外乱磁束検出回路の検出結果に基づいて、前記磁気センサの検出結果を補正する補正回路(114、214)と、
を有する回転角度検出装置。 - 前記補正回路は、前記磁石磁束検出回路の検出結果、前記外乱磁束検出回路の検出結果、並びに、磁石磁束、外乱磁束及び回転角度誤差の関係を示す回転角度誤差算出用データに基づいて、回転角度誤差を算出し、前記磁気センサの検出結果を補正する請求項1に記載の回転角度検出装置。
- 前記磁石磁束検出回路は、前記磁石及び前記磁石周辺の少なくとも一方の温度を検出する温度センサ(112a、212a)を有する請求項1又は2に記載の回転角度検出装置。
- 前記温度センサは、前記磁石及び前記磁石周辺の少なくとも一方に設けられている請求項3に記載の回転角度検出装置。
- 前記温度センサは、前記磁石周辺の非回転部分に設けられている請求項4に記載の回転角度検出装置。
- 前記回転体は、界磁巻線を有するモータ(20)であり、
前記温度センサ(212a)は、前記磁石周辺に設けられている、温度によって抵抗値が変化する前記界磁巻線(202c)である請求項4に記載の回転角度検出装置。 - 前記回転体は、界磁巻線を有するモータ(10、20)であり、
前記外乱磁束検出回路は、前記界磁巻線に電流が流れることで発生する磁束のうち、前記モータの外部に漏れる漏れ磁束を外乱磁束として検出する請求項1~5のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。 - 前記外乱磁束検出回路は、前記界磁巻線に流れる電流を検出する電流センサ(113a、213a)を有する請求項7に記載の回転角度検出装置。
- 前記界磁巻線(102c、202c)は、前記回転軸とともに回転する回転子コアに設けられている請求項6~8のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
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