JP4923730B2 - レゾルバ角度検出における補償方法及びこれを用いた角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、レゾルバを用いてレゾルバ信号から回転機の回転角度を検出するときに、回路の精度、経時劣化や温度ドリフト等に起因して、時間の経過とともに徐々に変化する、基準交流信号の周期変化やオフセットの発生に基づく誤差を補償する方法及びこれを用いた回転角度検出装置に関する。

従来から、自動車のパワーステアリングや産業ロボットの関節にサーボモータ等の回転機が使用されているが、かかる回転機の回転角度を検出するセンサとして、レゾルバが知られている。かかるレゾルバを利用した電動機の効率を高めたり、検出誤差を補正して検出精度を高めたりするために、種々の工夫がなされている。

例えば、レゾルバ等の正弦波出力方式の磁極センサにより電動機のロータ磁極位置を検出して電動機を駆動する制御装置において、電動機の効率を最大にするために、磁極センサの出力である正弦波波形のゼロクロス点をロータ磁極の切り替わり位置に合わせるべく、磁極センサ出力の極性が変わる各ゼロクロス点間の時間幅を測定し、各時間幅が均等になるように磁気センサのオフセットレベルを調整する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、レゾルバ装置において、励磁信号とレゾルバ出力信号の位相ズレ量と測定し、この位相ズレ量をオフセット値として励磁信号の位相をシフトして自動調整する技術が知られている。（例えば、特許文献２参照）。
特開平６−２５３５８３号公報 特開２００４−７７２８８号広報

しかしながら、上述の特許文献１に記載の構成では、ゼロクロス点間の時間幅を固定値として利用しており、レゾルバ信号を取得する際の、ゼロクロス点からレゾルバ信号頂点までの時間も固定値として設定しているため、温度ドリフトや、励磁発振回路の精度の問題又は経時劣化等により、ゼロクロス点間の時間幅が徐々に変化している場合には、オフセットレベルを調整しても信頼性の無いものとなってしまう。

また、上述の特許文献２に記載の構成では、励磁信号とレゾルバ信号の位相ズレについては言及しているが、励磁信号のゼロクロス点の変化とオフセット電圧の補償については、全く考慮されていない。

そこで、本発明では、励磁信号から生成される基準交流信号が、温度ドリフトや発振回路等の精度又は経時劣化等の影響により周期が変化したり、オフセットが重畳されてしまった場合でも、これらの変化を補償し、レゾルバ信号を適切な頂点のタイミングでサンプリングして出力正弦波及び余弦波の包略線を取得し、これに基づいて回転機の回転角度を検出する方法及びこれを用いた回転角度検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る回転角度検出方法は、基準交流信号をレゾルバに入力してレゾルバ信号を生成し、該レゾルバ信号を所定のタイミングでサンプリングした値に基づいて回転機の回転角度を検出する方法であって、
前記所定のタイミングは、正波は正波半周期同士、負波は負波半周期同士で、所定周期前までの前記基準交流信号の波形中のゼロクロス点間の時間の半分、又はゼロクロス点間の時間平均の半分に基づいて定めることを特徴とする。これにより、レゾルバ信号をサンプリングするタイミングを常に最近の所定周期内の基準交流信号の履歴に基づいて定めるので、経時的に徐々に影響を受ける基準交流信号の周期の変化又はオフセットの発生に対応した補償が可能となる。

第２の発明は、第１の発明に係る回転角度検出方法において、
前記所定のタイミングは、１周期前の前記基準交流信号の波形中のゼロクロス点間の時間の半分のタイミングであることを特徴とする。これにより、レゾルバ信号の頂点のタイミングでレゾルバ信号値を取得でき、適切なタイミングのレゾルバ信号値に基づいて回転角度を検出できる。また、レゾルバ信号をサンプリングするタイミングを常に最新の基準交流信号の履歴に基づいて定め、１周期前の基準交流信号の波形情報を正確に利用してレゾルバ信号の値を特定することができるので、経時的に徐々に影響を受ける基準交流信号の周期の変化又はオフセットの発生に対応した補償が可能となる。

第３の発明に係る回転角度検出装置は、基準交流信号を生成する基準交流信号生成手段と、基準交流信号を入力することによりレゾルバ信号を生成するレゾルバと、レゾルバ信号を所定のタイミングでサンプリングし、該サンプリング値に基づいて回転角度を検出する信号処理手段、とを備えた回転機の回転角度検出装置であって、
前記信号処理手段は、前記所定のタイミングを、正波は正波半周期同士、負波は負波半周期同士で、所定周期前までの前記基準交流信号の波形中のゼロクロス点間の時間の半分、又はゼロクロス点間の時間平均の半分に基づいて定めることを特徴とする。これにより、レゾルバ信号をサンプリングするタイミングを常に最近の所定の周期内の基準交流信号の履歴に基づいて定めるので、経時的に徐々に影響を受ける基準交流信号の周期の変化に対応した補償が可能となる。

第４の発明に係る回転角度検出装置は、第３の発明に係る回転角度検出装置において、
前記信号処理手段は、前記所定のタイミングを、１周期前の前記基準交流信号の波形中のゼロクロス点間の時間の半分のタイミングに定めてサンプリングを行うことを特徴とする。これにより、レゾルバ信号をサンプリングするタイミングを常に最新の基準交流信号の履歴に基づいて定めるので、経時的に徐々に影響を受ける基準交流信号の周期の変化に対応した補償が可能となる。

本発明によれば、回転機の回転角度を検出するレゾルバにおいて、温度ドリフト、回路の精度又は経時劣化により発生する、レゾルバ入力用の基準交流信号の周期変化やオフセットの付加に起因するレゾルバ信号のサンプリングのタイミング誤差を補償し、適切なタイミングでサンプリングしたレゾルバ信号の値に基づいて、高い精度で回転角度を検出できる方法及び装置を提供できる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、一般的なレゾルバによる回転機の回転角度を検出する回転角度検出装置の機能ブロック図を示す。回転角度検出装置は、基準交流信号生成手段１０と、レゾルバ７０と、信号処理手段３０とを備えている。

基準交流信号生成手段１０は、レゾルバに入力する基準となる交流信号を生成しており、該基準となる交流信号は、一般的には正弦波が用いられる。レゾルバ７０に入力した基準交流信号１１は、検出しようとする回転機の回転角度に応じて振幅変調されたレゾルバ信号２１に変換されて出力される。得られたレゾルバ信号２１の頂点をサンプリングし、その値をデジタル変換して包絡線を作ると、回転角度θに依存する正弦波ｓｉｎθが得られる。一方で、レゾルバ信号は位相を正弦波よりπ／２進めた余弦波も出力するように構成されている。これも同様に頂点をサンプリングし、その値をデジタル変換して包絡線を作ると、回転角度に依存した包絡線ｃｏｓθが得られる。これからｔａｎθを求め、アークタンジェントを求めることにより、回転角度θを算出することができる。

図２は、一般的なレゾルバ信号の取得方法を、波形を並べて図示して説明したものである。即ち、横軸は時間ｔの関数であり、縦軸はｓｉｎθの大きさを示している。図の最下段には、基準交流信号１１が示され、中央には、レゾルバ信号の出力として該基準交流信号１１が振幅変調された波形２１と、そのレゾルバ信号波形２１の頂点の値を結んで作成された正弦波の包略線３１とが示されている。

基準交流信号１１は、一般的には振幅及び周期が一定の正弦波交流信号である。この基準交流信号１１の振幅がゼロとなる点、即ち図２において１２、１３、１４、１５及び１６をゼロクロス点と呼ぶが、この点は符号が正から負、負から正に転換する点であるため、検出し易く便利なので、この点を基準として周期的なタイミングを定めることが一般的に行われている。ここで、基準交流信号とレゾルバ信号２１との関係を見ると、基準交流信号１１におけるゼロクロス点１２、１３、１４、１５及び１６は、レゾルバ信号２１においても対応してゼロクロス点２２、２３、２４、２５及び２６を示している。同様に、基準交流信号１１のゼロクロス点からπ／２位相を進ませた、振幅の頂点である点１７、１８、１９及び２０は、出力レゾルバ信号２１において対応する点においても、振幅の頂点２７、２８、２９、及び１３０を示している。ここで、更にレゾルバ信号２１と正弦波の包略線３１の関係を見ると、レゾルバ信号２１の振幅の頂点２７、２８、２９、１３０はいずれも包絡線３１上に乗っている。従って、レゾルバ信号２１の頂点の値を結ぶことにより、包絡線３１を作成することが出来ることになる。この正弦波ｓｉｎθのθは、検出しようとしている回転機の回転角度であり、また上述のようにレゾルバ７０は同じ基準交流信号１１からｃｏｓθのレゾルバ信号も出力するように構成されているから、このｓｉｎθとｃｏｓθの２相から回転機の回転角度θを求めることができる。従って、回転角度θをより精密に求めるためには、包絡線３１を形成するレゾルバ信号の頂点の値２７、２８、２９及び１３０をどれだけ精密に求めるかが重要となり、それ故その取得タイミングを定めている基準交流電圧１１の頂点１７、１８、１９及び２０をどれだけ精密に設定できるかが重要となる。

図３は、包絡線のイメージを分かり易くするために、図２よりも広い範囲で、レゾルバ信号２１と、その頂点を結んで得られた回転角度θに依存する正弦波の包絡線３１との関係を示す図である。図３より、レゾルバ信号２１の頂点のタイミングを正確に捉えることが正確な角度検出に大切であることが理解できる。

図４は、従来のレゾルバ信号２１のサンプリングのタイミングと、本実施例に係るサンプリングのタイミングを示した図である。図４（Ａ）は、従来のレゾルバを用いた回転角度検出方法のＡＤ変換（アナログ・デジタル変換）のサンプリングのタイミングを示した図である。図２と同様の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。図４において、交流信号波形の最初の１周期の頂点１７及び１８をサンプリングのタイミングとして設定したときに、波形のゼロクロス点１２から頂点１７に達するまでの時間幅を固定値Ｔ_１、波形のゼロクロス点１３から頂点１８に達するまでの時間幅を固定値Ｔ_２として把握し、その後の交流信号波形に関しても、最初に設定した固定値の時間幅をサンプリングのタイミングとして設定する。そうすると、例えば第２周期の信号波形で周波数が変化し、周期が短くなったときには、本来の頂点の１９、２０からずれた、少し頂点より位相の進んだ１９´、２０´の点を頂点として設定してしまう。次の交流信号波形も同じような周波数の波形が来たときには、また同じように頂点３３、３４からずれた点を頂点３３´、３４´として認識し、このずれた点をサンプリングし、これをデジタル変換した値に基づいて包絡線を作成するので、波形の周期が徐々に経時的に変化してしまっているような場合には、回転角度θの検出精度もその変化につれて低くなってしまう。

一方、図４（Ｂ）は、本実施例に係る回転角度検出方法におけるレゾルバ信号のサンプリングのタイミングを示した図である。本実施例に係る回転角度検出方法においては、サンプリングの対象となる波形の頂点のサンプリング・タイミングを、前の周期の基準交流信号の波形の頂点タイミングに基づいて定める点に特徴がある。

図４（Ｂ）で説明すると、まず、基準交流信号４０のｎ−１番目の正波のゼロクロス点４１、４２の間の時間幅をＴ_ｎ−１、ｎ番目の正波のゼロクロス点４３、４４の間の時間幅をＴ_ｎ、ｎ＋１番目の正波のゼロクロス点４５、４６の間の時間幅をＴ_ｎ＋１とすると、Ｔ_ｎのサンプリングのタイミングはＴ_ｎの最初のゼロクロス点４３からＴ_ｎ−１の１／２の時間幅の点５０に設定され、同様にＴ_ｎ＋１のサンプリングのタイミングはＴ_ｎ＋１の最初のゼロクロス点４５からＴ_ｎの１／２の時間幅の点５２に設定される。

ここで、ｎ−１番目の波形は正しい頂点タイミング４８でサンプリングされ、次のｎ番目の波形において、前のｎ−１番目の波形から周波数が変化し、更に次のｎ＋１番目の波形において、前のｎ番目の波形とほぼ同じ周波数の波形が来た場合を考える。ｎ番目の波形においては、前の周期のｎ−１番目の波形よりも周波数が高くなる変化をしたため、周期Ｔ_ｎがＴ_ｎ−１よりも短くなり、Ｔ_ｎ−１の１／２の時間幅分、Ｔ_ｎの最初のゼロクロス点４３から経過した点をサンプリングのタイミングに設定すると、頂点の位相π／２のタイミングよりも進んだ位相のタイミングの点５０で実際にはサンプリングをすることになってしまう。しかし、次のｎ＋１番目の波形において、ゼロクロス点４５からＴ_ｎの１／２時間が経過した点にサンプリングのタイミングを設定すると、Ｔ_ｎとＴ_ｎ＋１は周期が等しいため、正しく頂点５２でサンプリングできることになる。これは、常に１周期前の波形の周期からサンプリングのタイミングを定めているため、急激に周期に変動があったときはその変化にすぐには対応できないが、周期が比較的安定していて、少しずつしか変化しないような場合には、その変化に十分対応して正しく振幅の頂点のタイミングでサンプリングができることを意味する。例えば、温度ドリフトや回路の精度又は経時劣化等から来る基準交流信号の周期の変化は、急激に起こることは少ないが、じわりじわりと徐々に変化が起こり、時間がかなり長期間経過したときには、元々の周期と大きく異なっていることが起こりうる。このような場合に、図４（Ａ）に示す従来の方法のように、サンプリングのタイミングを固定とすると、変化に対応できずに時間の経過とともに検出する回転角度の精度が落ちてしまうが、本実施例のように、１周期前の波形の周期に基づいて頂点のサンプリング・タイミングを定めていれば、そのようなじわりじわりとした長期的な変化に、頂点のサンプリング・タイミングの方もじわりじわりと変化させて対応でき、常に正しい頂点のタイミングでサンプリングすることができる。従って、サンプリングした値から得られる回転角度θに依存する包略線ｓｉｎθ及びｃｏｓθも精度が高くなり、時間の経過に伴って基準交流信号の周期が変化したとしても、常に劣化することなく精度良く回転機の回転角度θを検出することができる。

同様に、図４（Ｂ）において、負波の場合も、ｍ番目の波形の頂点のサンプリングのタイミングを、１周期前のｍ−１番目の波形のゼロクロス点４２から頂点４９の間の時間であるＴ_ｍ−１／２と設定すれば、周波数の変化したｍ番目の波形では頂点より少し進んだタイミングの点５１でサンプリングすることになってしまうが、ｍ＋１番目の波形において、ｍ番目の波形のゼロクロス点４４から頂点までの時間であるＴ_ｍ／２を頂点タイミングに設定すれば、正しい頂点タイミングの点５３でサンプリングが可能となる。ｍ−１番目の波形とｍ番目の波形の間には周波数の変化があるが、その後波形が安定してｍ番目の波形とｍ＋１番目の波形は周波数が等しいので、補正をかけたサンプリングが可能となるからである。

また、本実施例の場合、一時的に急激に周期が変化し、その後、変化の影響を受けて周期自体は変更されているものの、その後の信号の周期はあまり変動なく安定しているような場合にも、有効である。即ち、急激な変化があったとき、その変化自体には対応できないが、その後波形が安定すれば、常に１周期前の波形に基づいて頂点のサンプリング・タイミングを定めているので、安定した波形自体の全体的な周期変動には十分対応可能だからである。

なお、本実施例は、１周期前の波形のみならず、波形の周期の変化が殆ど無ければ、所定の数周期前の波形に基づいて頂点のサンプリング・タイミングを定めることも可能である。徐々に基準交流信号の周期が変化する場合を対象としているので、変化が見えてこない範囲で所定周期前までの基準交流信号に基づいてサンプリングのタイミングを定めても、経時的な変化を補償するという本実施例の目的は達成できるからである。所定周期前の基準交流信号の波形を対象とすることにより、メモリ、バッファ等の記憶手段を利用して演算速度に余裕を持たせることができるようになる。また、所定周期前の１つの波形に基づかずに、所定周期前までの基準交流信号のゼロクロス点間の時間の平均を取るようにして、その値に基づいてサンプリングのタイミングを定めるようにしてもよい。

図５は、本実施例に係る回転検出方法を、基準交流信号にオフセットが発生したときに適用する場合の説明図である。図５（Ａ）は、１周期分の基準交流信号電圧の波形を示している。図５（Ａ）において、基準交流信号４０の１周期分を中央に示し、下方に該基準交流信号のゼロクロスのタイミングを作る基準ゼロクロス信号５４を示す。基準交流信号４０の、オフセットのかかっていない状態では、正波半周期と負波半周期が同じ時間幅となっている。ここで、図５（Ａ）中では破線で示されたオフセット電圧Ｖ_ｏｆｓｈがかかった場合を考える。オフセット電圧Ｖ_ｏｆｓｈが基準交流信号電圧にかかることにより、見かけ上、基準交流信号電圧波形は下にずれたような形となり、２Ｔ_θ分だけ正波の半周期Ｔ_Hは短くなり、負波の半周期Ｔ_Lは長くなる。この状態で、従来のように、ゼロクロス点５５から単に固定設定した１／４周期の時間幅でサンプリングのタイミングをとると、正波の場合はＴ_θ分だけ頂点から遅れた点１２１が誤って頂点と判断され、一方、負波の方は、ゼロクロス点５６から１／４周期分進ませたタイミングを頂点と推定してサンプリングすると、逆に頂点より２Ｔ_θ分手前の点１２２が頂点と誤って判断されてしまう。それぞれの点のタイミングでレゾルバ信号電圧をサンプリングし、デジタル変換し、これに基づいて回転角度を検出すると、包略線のトレースする点のタイミングが頂点から少しずつずれているので、非常に精度の悪い回転角度の検出がなされてしまう。

一方、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すオフセットがかかった基準交流電圧波形の２周期分を示している。図５（Ｂ）において、オフセットがかかった隣接する２周期の波形を、正波同士及び負波同士で比較すると、１周期目の正波形のゼロクロス点５５と５６との間の半周期のＴ_H1と、２周期目の正波形のゼロクロス点５７と５８との間の半周期Ｔ_H2の長さは同じである。同様に、１周期目の負波形のゼロクロス点５６と５７との間の半周期のＴ_L1と、２周期目の負波形のゼロクロス点５８と５９との間の半周期Ｔ_L2の長さは同じである。即ち、たとえ基準交流信号にオフセットがかかっても、オフセットにより周期が短くなった波形同士及び長くなった波形同士で１周期前の波形と周期を比較するならば、前後の波形で同じ周期を保っている限り、ゼロクロス点間の時間幅は同一である。従って、正波のゼロクロス点間の時間Ｔ_Ｈ１及びＴ_Ｈ２は、オフセットの影響により、オフセットのかかっていない通常のゼロクロス点１２５と１２６との間及び１２７と１２８との間の時間より短くなっているが、１周期目の正波のＴ_Ｈ１／２の時間幅を、２周期目の正波のゼロクロス点５７に加えたタイミングでサンプリングを行えば、２周期目の正波は頂点１２３のタイミングで正しくサンプリングができる。

同様に、負波についても、オフセット電圧がかかった波形のゼロクロス点間の時間Ｔ_Ｌ１及びＴ_Ｌ２の時間は、オフセットがかかっていない波形のゼロクロス点１２６と１２７との間の時間及び１２８と１２９との間の時間よりそれぞれ長くなっているが、Ｔ_Ｌ１＝Ｔ_Ｌ２と考えてよいので、１周期目の負波のゼロクロス点間時間の半分のＴ_Ｌ１／２が２周期目の負波の最初のゼロクロス点１２８から経過した点１２４でサンプリングを行えば、頂点のタイミングとなっている。このように、本実施例の回転検出方法によれば、オフセットがかかった場合であっても、同じようにオフセットがかかった１周期前の波形の周期に基づいてゼロクロス点から頂点までの時間幅を算出しているので、頂点の位置自体はオフセットの程度に関わらず精度高く特定できるのである。なお、このような演算は、サンプリングを行う信号処理手段において行えばよく、通常はマイクロ・コンピュータ等の演算器で実行される。

次に、オフセット電圧Ｖ_ｏｆｓを直接的に数値として求めて補償する方法について説明する。上述のように、図５（Ａ）において、基準交流電圧４０にオフセット電圧Ｖ_ｏｆｓｈがかかることにより、見かけ上、基準交流電圧波形４０は下に下がることになり、正波のゼロクロス点５５と５６との間の時間幅Ｔ_Ｈが短くなり、負波のゼロクロス点５６と５７との間の時間幅Ｔ_Ｌが長くなる。ここで、オフセット電圧Ｖ_ｏｆｓｈを、符号を逆にして、元々の基準ゼロ点を基準として負側に取ると、負電圧側にＶ_ｏｆｓｌのラインを引くことが出来るが、そのラインと負側の基準交流電圧波形４０との交点間の線分が、正電圧側の波形におけるＴ_Ｈとの長さと等しくなる。即ち、図５（Ａ）中で言えば、Ｔ_H＝Ｔ_H´となる。これは、オフセットのかかっていない元々の基準のＸ軸と基準交流電圧信号４０との波形とのゼロクロス点に関して正波と負波は点対称であるので、正波を１８０度回転させて負波に重ねて考えてもよい。

このとき、オフセットによるゼロクロス点間の時間の変化分は、元々のゼロクロス点間の半周期時間に対して、短くなった正波の方は２Ｔ_θ減少し、長くなった負波の方は２Ｔ_θ増加するので、両者の差分は、｜Ｔ_Ｌ−Ｔ_H｜＝｜Ｔ_Ｌ−Ｔ_H´｜＝２Ｔ_θ−（−２Ｔ_θ）＝４Ｔ_θとなる。一方、基準交流電圧信号４０の周期はオフセットがかかろうとかかるまいと常に一定で、Ｔ_H＋Ｔ_Ｌであるから、Ｔ_θを角度θに換算して表現すると、θ＝Ｔ_θ＊２π／（Ｔ_H＋Ｔ_Ｌ）となる。この差分を表すθから電圧の差分、即ちオフセット電圧を求めれば、Ｖ_ｏｆｓｈ＝ｓｉｎθとなる。以上より、オフセット電圧は、Ｖ_ｏｆｓｈ＝ｓｉｎ［（｜Ｔ_Ｌ−Ｔ_H｜）／４＊{２π／（Ｔ_H＋Ｔ_Ｌ）}］＝ｓｉｎ{（｜Ｔ_Ｌ−Ｔ_H｜π）／２（Ｔ_H＋Ｔ_Ｌ）}となる。

このようにして求まったオフセット電圧Ｖ_ｏｆｓｈは、基準交流電圧を作るときに、補償することができる。補償は、基準交流信号がレゾルバに入力するまでになされていればよく、基準交流信号の生成のときに、オフセット量を考慮する演算をマイクロ・コンピュータ等で行って反映させるようにしてもよいし、単純な発振回路等からオフセットを考慮せずに基準交流信号の源となる正弦波交流をまず作り、その後にオフセット調整回路等のオフセット補償手段を設けて補償し、最終的な基準交流信号を作成し、レゾルバに入力するようにしてもよい。求まったオフセット電圧Ｖ_ｏｆｓｈをどのように補償するかは、種々の形式・方法が好適に用いられてよい。

次に、本実施例を実現する回転角度検出装置の構成について説明する。図６は、本実施例に係る回転角度検出装置の一例を示す。本実施例に係る回転角度検出装置は、基準交流信号生成手段６０と、レゾルバ７０と、信号処理手段８０とから構成されている。このうち、基準交流信号生成手段６０及び信号処理手段８０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｏｒｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｕｎｉｔ）の内部に内蔵され、レゾルバ７０は回転機に外部センサとして取り付けられている。

基準交流信号生成手段６０は、発振回路６１と、増幅回路６２と、ゼロクロス信号発生回路６３と、マイクロ・コンピュータ６４とを含む。発振回路６１では、励磁発振して励磁交流信号を発生させる、基準交流信号の信号源としての役割を果たす。発振回路６１で生成された励磁交流信号は、一方は増幅回路６２に送られ、他方は並列結線されたゼロクロス信号発生回路６３に送られる。ゼロクロス信号発生回路６３は、正弦波の励磁交流信号を、該正弦波がゼロとなる点で反転する矩形波に波形整形してデジタル信号とし、マイクロ・コンピュータ６４に送る。マイクロ・コンピュータ６４は、基準交流信号を生成するために、タイミングやオフセット等の種々の調整を行い、増幅回路６２に送る。増幅回路６２は、発振回路６１から送られてきた励磁信号に、マイクロ・コンピュータ６４から送られてきた調整信号を付加して調整を行い、増幅して最終的な基準交流信号としてレゾルバ７０に出力する。ここで、図示しないが、基準交流信号生成手段６０のいずれかの箇所に、時間計測手段が設けられる。時間計測手段は、基準交流信号のゼロクロス点間の時間幅を計測するためのものである。基準交流信号のゼロクロス点間の時間を計測できる箇所であればどこに設けても良いが、例えば、好適には、マイクロ・コンピュータ６４においてゼロクロス点間の時間幅を用いてサンプリングするタイミングを算出したり、オフセット量を算出するのに用いるために、発振回路６１で生成した励磁信号のゼロクロス点間の時間を測定するために発振回路６１内からゼロクロス信号発生回路６３までの間に設けるか、又はゼロクロス信号のゼロクロス点間の時間幅を測定できるようにゼロクロス信号発生回路６３自体かそれ以降のマイクロ・コンピュータ６４の内部の間に設けられてよい。

レゾルバ７０は、回転機のシャフトに取り付けられた回転角度を検出するためのセンサであり、回転機のロータ磁界に合わせて調整されている。図７に、レゾルバ７０の概略構造の一例を示す。ステータ１次コイル７１と、ロータ７２と、２組の２次コイル７３、７４とからなる。ステータ１次コイル７１は、ロータ７２と２次コイル７３、７４を内包するように全体を取り囲んでおり、２組の２次コイル７３、７４は２個のコイルを差動結線してある。また、２組の２次コイル７３、７４は互いに電気角で位相がπ／２ずれた角度に配置してある。一方、ロータ７２は正弦波カーブを円周上につないだ形状の磁性体が用いられ、２次コイル７３、７４の上を正弦波カーブが回転するように取り付けられている。１次コイルを基準交流信号で励磁し、誘起される交流磁界内で磁性体のロータ７２を回転させると、２組の２次コイル７３、７４に、ロータの回転角度θに応じた交流鎖交磁束により、それぞれ電圧を誘起する。ここで、励磁基準交流電圧信号をＡｓｉｎωｔ（Ａは定数）とすると、２次コイル７３に発生するレゾルバ信号電圧はＶ１＝ａｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ（ａは定数）となり、もう一方の２次コイル７４に発生するレゾルバ信号電圧は、Ｖ１と電気的に位相がπ／２ずれたＶ２＝ａｓｉｎωｔ・ｃｏｓθとなる。この２つのレゾルバ信号は、信号処理手段８０に送られる。なお、ここでは一般的なレゾルバ７０の構成を一例として説明したが、本実施例は種々の形式のレゾルバに適用可能であり、複数の相の回転角度に依存する関数を出力することができ、その相の関係から回転角度を検出できるように構成されている磁気センサであれば、その型式や種類は問わない。

図６において、信号処理手段８０は、入力回路８１と、マイクロ・コンピュータ６４とから構成されている。入力回路８１は、２つのレゾルバ信号を、サンプリングし、デジタル変換するコンバータである。一般的に、ＡＤＣ（アナログ・デジタル・コンバータ）又はＲＤＣ（レゾルバ・デジタル・コンバータ）と呼ばれる、アナログのレゾルバ出力信号をデジタル変換する手段が好適に利用される。入力回路８１において、レゾルバ信号出力をサンプリングした値についてデジタル変換を行うが、そのサンプリングを行うタイミングは、上述のように１周期前の基準交流信号に基づいて定められる。そのサンプリングを行うタイミングの演算は、マイクロ・コンピュータ６４で行われるようにしてよい。マイクロ・コンピュータ６４は、基準交流信号生成手段６０の一部としても利用されている。基準交流信号を生成する際に、マイクロ・コンピュータ６４で調整を行うので、そのときに算出した１周期前の基準交流信号に基づく頂点のタイミング、即ち、ゼロクロス点からπ／２だけずらした点に達する時間の情報を、マイクロ・コンピュータ６４から入力回路８１に送って指令するようにする。上述のように、温度ドリフトや入力回路の経時劣化により周期自体又はオフセットにより見かけ上の周期が徐々に変化したときでも、常に１周期前の波形のゼロクロス点間の時間に基づいて頂点のタイミングが定められるから、その変化に追従して頂点のサンプリングのタイミングを適切に変化させることができる。なお、温度ドリフトや回路の経時劣化は、入力回路８１を始めとして、他に発振回路６１、増幅回路６２等の総ての回路について発生しうるが、いかなる要因に起因しても、結果が基準交流信号の徐々の変化又はオフセット量の付加による見かけ上の周期変化であれば、総て１周期前の交流信号の波形に基づいて、レゾルバ信号のサンプリングのタイミングを定める本実施例により解決できる。

また、本実施例では、１周期前の基準交流信号に基づいてサンプリングのタイミングを定めている例を説明しているが、例えば演算の速度に余裕が無い場合には、数周期前の基準交流信号に基づいてサンプリングのタイミングを定めるようにしてもよい。本実施例では、経時的な比較的長期に渡る周期等の変化に対応できることを目的としているので、数周期に渡っても周期やオフセット量の変化が検出されない程度の変化であれば、必ずしも１周期前でなくても、数周期前の波形を対象としても十分であろうと考えられるからである。

なお、本実施例においては、マイクロ・コンピュータ６４を、基準交流信号生成手段６０に用いられているものと兼ねる例について説明したが、サンプリングのタイミングの演算を専用で行う、信号処理手段専用のコンピュータを設けるようにしてもよい。この場合は、基準交流信号発生手段６０のマイクロ・コンピュータから、データを送るように構成してもよいし、まだデジタル変換されていないレゾルバ出力信号の周期も基準交流信号の周期と同じであるので、レゾルバ信号から１周期前の信号のゼロクロス点間の時間幅を求め、これよりサンプリングのタイミングを求めるようにしてもよい。

次に、図６において、補償すべきオフセット量を基準交流信号の波形から求めて、基準交流信号生成の際に、オフセット量の補償を反映させる場合の実施例について説明する。上述のように、オフセット電圧は、Ｖ_ｏｆｓ＝ｓｉｎ{（｜Ｔ_Ｌ−Ｔ_H｜π）／２（Ｔ_H＋Ｔ_Ｌ）}で求められるが、この演算及び補償は、マイクロ・コンピュータ６４で行うようにしてよい。即ち、発振回路６１又はゼロクロス信号発生回路６３で発生したオフセットは、マイクロ・コンピュータ６４で基準交流信号の調整を行うときに算出できるので、この調整のときに、オフセット量を補償するような調整を同時に行うようにすればよい。このように、オフセット量の補償をマイクロ・コンピュータ６４内で基準交流信号の生成の際に行えば、新たな補償用の回路等の手段を設ける必要が無く、装置をより小型化して構成することができる。

図８は、図６とは異なる態様の本実施例に係る回転角度検出装置の構成を示した図であり、図６で示した基準交流信号生成手段６０内に、新たにオフセット調整回路６５を設けた点のみが図６と異なっている。なお、図６と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して、説明を省略する。オフセット調整回路６５は、オフセット量が算出されたときに、オフセット量を補償する制御を行う回路である。図６においては、マイクロ・コンピュータ６４で基準交流信号生成の際にオフセット量の補償を行うようにしたが、マイクロ・コンピュータ６４の演算量が多くなると、負担が偏ることから、オフセット調整回路を別回路として設けて、マイクロ・コンピュータ６４の負担を軽減したものである。

なお、オフセット量の補償手段については、図６で示したように、省スペースの点を重視してマイクロ・コンピュータ６４内で総て演算し切ってもよいし、図８で示したように、マイクロ・コンピュータ６４の負担を軽減し、固定回路として素早く並行処理で演算を進めるようにしてもよい。ユーザーの目的と用途に応じて、適宜適切な手段を選択することができる。

図９は、実施例２に係る回転機の回転角度検出方法及び装置を、自己診断機能を有するレゾルバとして自動車に搭載した適用例を示す全体構成図である。本実施例は、自動車のモータに利用されるのが好ましく、特に、ハイブリッドカーのモータ制御に好適に利用される。図９において、自己診断レゾルバ装置は、電源ＩＣ９０と、レゾルバ７０と、ＲＤＣ（レゾルバ・デジタル・コンバータ）８２と、ＣＰＵ１００とから構成される。電源ＩＣ９０と、ＲＤＣ８２と、ＣＰＵ１００とはＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｏｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の内部に設置され、レゾルバは外部センサとして自動車のモータに設置される。

電源ＩＣ９０は、電源から送り出される電気エネルギーの電圧を制御し、機器内の各部品に安定した電圧を送るための半導体チップであり、波形生成部９１と、波形整形部９２とからなる。波形生成部９１は、発振回路で構成され、正弦波の基準交流信号を生成する。生成された基準交流信号は、一方は電源ＩＣ内の波形整形部９２に送られ、もう一方はレゾルバ７０、更にもう一方はＲＤＣ８２に出力される。波形整形部９２は、波形生成部９１で生成された正弦波の基準交流信号から、矩形波のゼロクロス信号の波形整形を行い、基準ゼロクロス信号を生成する。ここで、基準ゼロクロス信号とは、例えば正弦波の基準交流信号をｙ＝Ｂｓｉｎωｔ（Ｂは定数）とすれば、ｙ＝０となる点で反転する矩形波を意味する。波形整形後の基準ゼロクロス信号は、電源ＩＣ９０から出力されてＣＰＵ１００に送られる。

レゾルバ７０は、電源ＩＣ９０から出力された基準交流信号が入力されると、モータのロータの回転角度φに応じた２つのレゾルバ信号、Ｖ１´＝ｂｓｉｎωｔ・ｓｉｎφ及びＶ２´＝ｂｓｉｎωｔ・ｃｏｓφ（ｂは定数）を出力する。出力された２つのレゾルバ信号は、一方はＲＤＣ８２に入力され、他方はＣＰＵ１００に入力される。

ＲＤＣ８２は、入力された基準交流信号ｙ＝Ｂｓｉｎωｔと、レゾルバ出力信号Ｖ１´＝ｂｓｉｎωｔ・ｓｉｎφ及びＶ２´＝ｂｓｉｎωｔ・ｃｏｓφとから、ωｔ＝π／２となる頂点のタイミングでレゾルバ信号Ｖ１´及びＶ２´をサンプリングし、このサンプリング値をデジタル変換することにより、Ｖ１´＝ｓｉｎφ及びＶ２´＝ｃｏｓφの包絡線を取得し、これより回転角度φを求める。求めた回転角度φは、２相エンコーダパルスとしてＣＰＵ１００に出力する。ここで、２相エンコーダパルスとは、Ａ相、Ｂ相の位相の異なるパルスと、エンコーダゼロ点時に出力するＮＭ相（Ｚ相ともいう）の３つの信号を指し、Ａ相とＢ相の位相差は９０°である。

ＣＰＵ１００は、カウンタ１０１と、ディレイタイマ１０２と、ＡＤＣ（アナログ・デジタル・コンバータ）１０３と、角度算出手段１０４と、角度比較器１０５と、診断結果出力手段１０６とから構成される。

カウンタ１０１は、ＲＤＣ８２から入力されてきた２相エンコーダパルスから、回転角度φを算出する。即ち、図１０（Ａ）に示すように、正転時の場合の、Ｂの立ち上がり時にＡがＨｉｇｈのときは、出力はＨｉｇｈとなってカウントアップし、図１０（Ｂ）に示すように、逆転時の場合の、Ｂの立ち上がり時にＡがＬｏｗのときは、出力はＬｏｗとなり、カウントダウンするが、このパルスをカウンタ１０１で回転方向を含めてカウントすれば、モータの回転角度の累積値、すなわち現在の角度Φを求めることができる。なお、カウンタ１０１は、ＮＭ入力時にリセットされるようになっている。カウンタ１０１で得られた角度Φは、角度比較器１０５に送られる。

ディレイタイマ１０２は、電源ＩＣ９０から入力される矩形波の基準ゼロクロス信号の入力タイミングで起動する。ディレイタイマ１０２は、矩形波のゼロクロス基準信号を９０°遅らせてトリガを発し、このトリガによりＡＤＣ１０３を起動する。ＡＤＣ１０３は、レゾルバ７０の出力信号として送られてきたＶ１´＝ｂｓｉｎωｔ・ｓｉｎφ及びＶ２´＝ｂｓｉｎωｔ・ｃｏｓφを、ディレイタイマ１０２から送られてくるトリガのタイミングでデジタル値に変換するが、このとき、サンプリングのタイミングｔ＝π／２ω＝Ｔ／４は（Ｔは周期）は、実施例１において説明したのと同様に、1周期前又は数周期前の基準交流信号を用いて、温度ドリフトや回路劣化の経時変化による周期変化を補償するように定めてよい。この変換したデジタル値に基づいて、角度算出手段１０４により、回転角度φを求める。求めた回転角度φは、角度比較器１０５に出力する。

角度比較器１０５では、カウンタ１０１から入力された回転角度Φと、角度算出手段１０４から入力された回転角度φとを比較する。そして比較結果が、所定の閾値を超えたときに、「レゾルバ角度異常」と判定し、診断結果出力手段１０６に出力する。診断結果出力手段１０６は、「レゾルバ角度異常」との結果が出れば、車両内の表示器により異常をユーザーに知らせる警告出力を行う。異常が特に無ければ、特に何も表示しなくてもよい。この自己診断結果は、ＲＤＣ、レゾルバ及びその入出力回路系の故障を表しているので、ユーザーは「レゾルバ角度異常」の出力により、故障箇所の系統を特定することができる。

なお、本実施例では、レゾルバ信号出力を利用してモータの回転角度を検出する系統が２つあるが、実際にモータを制御するモータ制御システムとして利用するのは、ＲＤＣ８２を経てカウンタ１０１から出力される角度を用いるのが好適である。カウンタ１０１は、モータ制御システムが欲する時に、その角度をリアルタイムで、ＲＤＣ８２の分解能で保持しているので、モータ制御に使用可能であるが、ＡＤＣ１０３から出力される角度は、そのサンプリング周期は基準交流信号の周期に依存し、基準交流信号の周波数は約１０ｋＨｚであるのに対し、モータ制御システムにおいて必要とされる周波数は、基準交流信号とは非同期な１．２５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚであるため、ＡＤＣ１０３から出力される角度は分解能的に使用できないからである。

また、本実施例に係る自己診断機能を有するレゾルバにおいて、自己診断時の閾値は、診断している系及びそれら回路の誤差を総て含み十分なマージンで設計されているが、今後、モータ制御及びフェールセーフ性能の向上が考えられ、自己診断精度の向上が求められる可能性がある。この場合において、各種信号の源である基準交流信号の精度向上は必須であるが、精度向上のためには、誤差を取り除く演算又はフィードバックによる補償が必要である。本実施例では、誤差を取り除く演算について説明したが、誤差を取り除く演算をフィードバックに適用することも可能である。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、回転機としては、自動車のパワーステアリングのアシスト・モータや、車輪の駆動系のモータ等に好適に適用可能である。

一般的なレゾルバによる回転機の回転角度を検出する回転角度検出装置の機能ブロック図である。 一般的なレゾルバ信号の取得方法を、波形を並べて図示して説明した図である。 レゾルバ信号２１と、その頂点を結んで得られた回転角度θに依存する正弦波の包絡線３１との関係を示す図である。 従来のレゾルバ信号２１のサンプリングのタイミングと、本実施例に係るサンプリングのタイミングを示した図である。 本実施例に係る回転検出方法を、基準交流信号にオフセットが発生したときに適用する場合の説明図である。図５（Ａ）は、１周期分の基準交流信号電圧の波形を示した図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すオフセットがかかった基準交流電圧波形の２周期分を示した図である。 本実施例に係る回転角度検出装置の構成の一例を示す図である。 レゾルバ７０の概略構造の一例を示した図である。 図６とは異なる態様の本実施例に係る回転角度検出装置の構成を示した図である。 実施例２に係る回転機の回転角度検出方法及び装置を、自己診断機能を有するレゾルバとして自動車に搭載した適用例を示す全体構成図である。 図１０（Ａ）は、正転時の、カウンタ１０１がカウントアップする場合を示した図である。図１０（Ｂ）は、逆転時の、カウンタ１０１がカウントダウンする場合を示した図である。

符号の説明

１０ 従来の基準交流信号生成手段
１１ 基準交流信号
１２、１３、１４、１５、１６ 基準交流信号のゼロクロス点
１７、１８、１９、２０ 基準交流信号の頂点
１８´、１９´ 基準交流信号の頂点からずれた点
２１ レゾルバ信号
２２、２３、２４、２５ レゾルバ信号のゼロクロス点
２６、２７、２８、２９ レゾルバ信号の頂点
３０ 従来の信号処理手段
３１ サインカーブ
３２ コサインカーブ
３３、３４ 基準交流信号の頂点
３３´、３４´ 基準交流信号の頂点からずれた点
４０ 基準交流電圧波形
４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７ ゼロクロス点
４８、４９、５０、５１、５２、５３ 頂点
５４ 基準ゼロクロス信号
５５、５６、５７ ゼロクロス点
６０ 基準交流信号生成手段
６１ 発振回路
６２ 増幅回路
６３ ゼロクロス信号発生回路
６４ マイクロ・コンピュータ
６５ オフセット調整回路
７０ レゾルバ
７１ ステータ１次コイル
７２ ロータ
７３、７４ ステータ２次コイル
８０ 信号処理手段
８１ 入力回路
８２ ＲＤＣ（レゾルバ・デジタル・コンバータ）
９０ 電源ＩＣ
９１ 波形生成部
９２ 波形整形部
１００ ＣＰＵ
１０１ カウンタ
１０２ ディレイタイマ
１０３ ＡＤＣ（アナログ・デジタル・コンバータ）
１０４ 角度算出手段
１０５ 角度比較器
１０６ 診断結果出力手段
１２１、１２２ 基準交流信号の頂点からずれた点
１２３、１２４ 基準交流信号の頂点
１２５、１２６、１２７、１２８、１２９ ゼロクロス点
１３０ レゾルバ信号の頂点

Claims (4)

1. 基準交流信号をレゾルバに入力してレゾルバ信号を生成し、該レゾルバ信号を所定のタイミングでサンプリングした値に基づいて回転機の回転角度を検出する方法であって、
   前記所定のタイミングは、正波は正波半周期同士、負波は負波半周期同士で、所定周期前までの前記基準交流信号の波形中のゼロクロス点間の時間の半分、又はゼロクロス点間の時間平均の半分に基づいて定めることを特徴とする回転角度検出方法。
2. 前記所定のタイミングは、１周期前の前記基準交流信号の波形中のゼロクロス点間の時間の半分のタイミングであることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出方法。
3. 基準交流信号を生成する基準交流信号生成手段と、基準交流信号を入力することによりレゾルバ信号を生成するレゾルバと、レゾルバ信号を所定のタイミングでサンプリングし、該サンプリング値に基づいて回転角度を検出する信号処理手段、とを備えた回転機の回転角度検出装置であって、
   前記信号処理手段は、前記所定のタイミングを、正波は正波半周期同士、負波は負波半周期同士で、所定周期前までの前記基準交流信号の波形中のゼロクロス点間の時間の半分、又はゼロクロス点間の時間平均の半分に基づいて定めることを特徴とする回転角度検出装置。
4. 前記信号処理手段は、前記所定のタイミングを、１周期前の前記基準交流信号の波形中のゼロクロス点間の時間の半分のタイミングに定めてサンプリングを行うことを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。

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