JP7165691B2

JP7165691B2 - 角度検出装置

Info

Publication number: JP7165691B2
Application number: JP2020001308A
Authority: JP
Inventors: 光俊伊藤; 博仁井手
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2040-01-08
Also published as: JP2021110583A

Description

本発明は、角度検出装置に関する。

下記特許文献１には、レゾルバの検出誤差を補正する角度検出装置が開示されている。具体的には、上記角度検出装置は、レゾルバからの検出信号によって検出された角度信号から速度信号を求め、モータの一回転分の速度信号に対して周波数解析を行うことで周波数成分毎の検出誤差を算出する。そして、上記角度検出装置は、その検出誤差を合成して得られる推定角度誤差信号を用いて上記角度信号を補正する。

特開２００９－１５６８５２号公報

ところで、モータが低回転状態である場合には、モータの回転方向の切り替わりの箇所でモータが共振する場合がある。したがって、上記共振によって速度信号が変動してしまい、検出誤差の算出精度が低下する。その結果、角度信号の補正精度が低下する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、角度信号の補正精度の低下を抑制する角度検出装置を提供することである。

（１）本発明の一態様は、回転センサから出力された、回転機の回転に応じた検出信号に基づいて前記回転機の回転角度を検出し、前記検出した回転角度を示す角度信号を出力する信号出力部と、前記回転機の角速度を算出し、算出した前記角速度を周波数解析することによって前記検出信号に含まれる検出誤差を算出し、算出した前記検出誤差を用いて前記信号出力部から出力される前記角度信号を補正する誤差補正部と、前記回転機の回転数に基づいて前記回転機が停止状態を含む所定の低回転状態か否かを判定する回転状態判定部と、を備え、前記誤差補正部は、前記回転機が低回転状態である場合には、前記角速度に対する前記周波数解析を行わずに、前回算出した検出誤差を用いて、前記信号出力部から出力される前記角度信号を補正することを特徴とする角度検出装置である。

（２）上記（１）の角度検出装置であって、前記信号出力部は、前記回転機が所定の角度だけ回転するごとに割込み信号を生成し、前記誤差補正部は、前記割込み信号が出力される時間間隔によって前記角速度を算出してもよい。

（３）上記（２）の角度検出装置であって、前記誤差補正部は、前記角速度に対して離散フーリエ変換を行うことによりフーリエ係数を求めるフーリエ変換部と、前記フーリエ係数を用いて前記検出誤差を算出し、算出した検出誤差に基づいて前記信号出力部から出力される前記角度信号を補正する補正処理部と、を備え、前記フーリエ変換部は、前記回転状態判定部により前記回転機が低回転状態であると判定された場合には、前記フーリエ係数の算出を行わずに、前回算出した前記フーリエ係数を前記補正処理部に出力してもよい。

（４）上記（１）から（３）のいずれかの角度検出装置であって、前記回転状態判定部は、前記回転機の回転数が所定の範囲以内である場合は、前記回転機が低回転状態であると判定してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、角度信号の補正精度の低下を抑制することができる。

本実施形態に係る角度検出装置１の概略構成の一例を示す図である。本実施形態に係る角度検出装置１の低回転状態を説明する図である。本実施形態に係る角度検出装置１の低回転状態での補正処理を説明する図である。

以下、本実施形態に係る角度検出装置を、図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る角度検出装置１の概略構成の一例を示す図である。本実施形態に係る角度検出装置１は、レゾルバＲ（回転センサ）から出力される検出信号Ｓｄに基づいて回転機Ｍの回転角度θを検出する。なお、回転機Ｍの回転角度θは、回転機Ｍの回転位置と同義である。

レゾルバＲは、回転機Ｍの回転を検出し、その回転に応じたアナログ信号である検出信号Ｓｄを出力する。ここで、レゾルバＲは、機械的に堅牢であり、耐環境性に優れるため、例えば車両駆動用のモータやパワーステアリング用のモータ等の回転機Ｍの回転角度の検出に広く用いられている。ただし、通常、レゾルバＲにより得られる回転機Ｍの回転角度θには、レゾルバＲ内の巻線のアンバランスや巻線の相互干渉によって検出誤差ＤＥが含まれる。検出誤差ＤＥは、レゾルバＲの固有の交流成分であり、限られた成分（主要次数ｎ）に集中する。したがって、主要次数ｎで復元した信号波形は殆ど、検出誤差ＤＥの実波形と一致する。すなわち、誤差波形ＤＥは、レゾルバＲ固有の決められたｎ次成分から構成されており、再現性がある。検出誤差ＤＥが現れる上記主要次数ｎは既知である。なお、レゾルバＲの構成は公知であるので、詳細な図示や説明を省略する。

角度検出装置１は、例えば、ＣＰＵ又はＭＰＵなどのマイクロプロセッサ、ＭＣＵなどのマイクロコントローラなどにより構成される。角度検出装置１は、例えば、回転機Ｍを制御するＥＣＵ（モータＥＣＵ）である。

図１に示すように、角度検出装置１は、信号出力部２、タイマ３、時刻情報生成部４、回転数演算部５、回転状態判定部６及び誤差補正部７を備える。

信号出力部２は、レゾルバ・デジタル・コンバータ（ＲＤＣ）１０及び割込み信号生成部１１を備える。

ＲＤＣ１０は、レゾルバＲから検出信号Ｓｄを取得し、その取得した検出信号Ｓｄに基づいて回転機Ｍの回転角度θを検出する。そして、ＲＤＣ１０は、その検出した回転角度θを示す角度信号Ｓａを誤差補正部７に出力する。この角度信号Ｓａは、デジタル信号である。

割込み信号生成部１１は、回転機Ｍが所定の角度θ_ｔｈだけ回転するごとに割込み信号Ｗｓを時刻情報生成部４に出力する。所定の角度θ_ｔｈは、０度から３６０度の間であればいくつでもよいが、例えば９０度である。
例えば、割込み信号生成部１１は、検出信号Ｓｄから得られた回転角度θに基づいて、回転機Ｍが所定の角度θ_ｔｈだけ回転したか否かを判定して、回転機Ｍが所定の角度θ_ｔｈだけ回転したと判定した場合には、割込み信号Ｗｓを時刻情報生成部４に出力する。したがって、所定の角度θ_ｔｈが９０度である場合には、割込み信号生成部１１は、回転機Ｍが一回転する間に４つの割込み信号Ｗｓを時刻情報生成部４に出力する。

タイマ３は、角度検出装置１の駆動中に計時する。
時刻情報生成部４は、タイマ３を用いて、割込み信号生成部１１から割込み信号Ｗｓが出力される時間間隔ΔＴを計測する。例えば、時刻情報生成部４は、割込み信号生成部１１から割込み信号Ｗｓが入力されると、その割込み信号Ｗｓが入力されたときのタイマ３の計測値（以下、「タイマ情報」という。）をタイマ３から取得する。そして、時刻情報生成部４は、前回の割込み信号Ｗｓが入力されたときのタイマ情報と、今回の割込み信号Ｗｓが入力されたときのタイマ情報と、の差を求めることで時間間隔ΔＴを計測する。したがって、所定の角度θ_ｔｈが９０度である場合には、時刻情報生成部４は、回転機Ｍが一回転する間に４つの時間間隔ΔＴを計測することになる。
時刻情報生成部４は、時間間隔ΔＴを誤差補正部７に出力する。

回転数演算部５は、レゾルバＲから出力される検出信号Ｓｄに基づいて、回転機Ｍの回転数ＮＥを求める。ただし、回転数演算部５は、回転機Ｍの回転数ＮＥを求めることができれば、その回転機Ｍの回転数を算出する方法には特に限定されない。例えば、回転数演算部５は、回転機Ｍに流れる電流値に基づいて回転数ＮＥを求めてもよい。回転数演算部５は、算出した回転数ＮＥを回転状態判定部６に出力する。

回転状態判定部６は、回転数演算部５が求めた回転数ＮＥに基づいて回転機Ｍが停止状態を含む所定の低回転状態か否かを判定する。例えば、回転状態判定部６は、図２に示すように、回転数ＮＥが所定の範囲Ｈ以内であると判定した場合は、回転機Ｍが低回転状態であると判定する。この所定の範囲Ｈは、第１の閾値ＮＥｔｈ１と第２の閾値ＮＥｔｈ２との間の範囲である。第１の閾値ＮＥｔｈ１が低回転状態での回転数ＮＥの上限値であり、第２の閾値ＮＥｔｈ２が低回転状態での回転数ＮＥの下限値である。ここで、例えば、回転機Ｍが正回転したときには回転数ＮＥは正の値となり、回転機Ｍが逆回転したときには回転数ＮＥは負の値となる。したがって、第１の閾値ＮＥｔｈ１は、回転機Ｍの正回転方向における、低回転状態と判定される回転数ＮＥの最大値である。また、第２の閾値ＮＥｔｈ２は、回転機Ｍの逆回転方向における、低回転状態と判定される回転数ＮＥの最大値である。

回転状態判定部６は、回転機Ｍが低回転状態であると判定した場合には、誤差補正部７に通知する。例えば、回転状態判定部６は、回転機Ｍが低回転状態であると判定した場合には、回転機Ｍが低回転状態であることを示す信号（以下、「低回転信号」という。）Ｓ_Ｌを誤差補正部７に出力する。

誤差補正部７は、時間間隔ΔＴに基づいて回転機Ｍの角速度ωを算出し、その算出した角速度ωを周波数解析することによって検出信号Ｓａに含まれる検出誤差ＤＥを算出する。そして、誤差補正部７は、算出した検出誤差ＤＥを用いて信号出力部２から出力される角度信号Ｓａを補正する。この角度信号Ｓａの補正後の信号を「角度信号Ｓａ´」と称する。
ただし、誤差補正部７は、回転機Ｍが低回転状態である場合には、角速度ωに対する周波数解析を行わずに、前回算出した検出誤差ＤＥを用いて、信号出力部２から出力される角度信号Ｓを補正する。

以下に、本実施形態に係る誤差補正部７の概略構成について説明する。
誤差補正部７は、フーリエ係数算出部１２及び補正処理部１３を備える。

フーリエ係数算出部１２は、回転機Ｍの角速度ωに対して離散フーリエ変換を行うことによりフーリエ係数を求める。
具体的には、フーリエ係数算出部１２は、角速度算出部２０、フーリエ変換部２１及び記憶部２２を備える。

角速度算出部２０は、時刻情報生成部４から出力される時間間隔ΔＴに基づいて、回転機Ｍの角速度ωを求める。

フーリエ変換部２１は、角速度算出部２０が求めた角速度ωのデータ（角速度信号）に対して離散フーリエ変換を行うことによりフーリエ係数を求める。そして、フーリエ変換部２１は、求めたフーリエ係数を誤差補正部７に出力するとともに、当該フーリエ係数を記憶部２２に格納する。例えば、フーリエ変換部２１は、角速度算出部２０が求めた角速度ωのデータ（角速度信号）に対して離散フーリエ変換を行うことによりフーリエ係数を求める。そして、フーリエ変換部２１は、求めたフーリエ係数を誤差補正部７に出力するとともに、当該フーリエ係数を記憶部２２に上書きする。したがって、記憶部２２には、前回のフーリエ係数が常に格納される。
ここで、フーリエ変換部２１は、回転状態判定部６から低回転信号Ｓ_Ｌを受け取った場合、すなわち回転機Ｍが低回転状態であると判定された場合には、フーリエ係数の算出を行わずに、前回算出したフーリエ係数を記憶部２２から読み出して、その読み出したフーリエ係数を補正処理部１３に出力する。

フーリエ変換部２１は、角速度信号に対して離散フーリエ変換を行うことにより、積分範囲を回転機Ｍの一周期分（０から２π）として、主要次数ｎにおけるフーリエ係数（ａ_ｎ,ｂ_ｎ）を求める。例えば、フーリエ変換部２１は、所定の角度θ_ｔｈが９０度である場合には、９０度ごとに角速度ωが得られるため、その９０度ごとに求めた４つの主要次数ｎのフーリエ係数を加算することでフーリエ係数（ａ_ｎ,ｂ_ｎ）を求める。

フーリエ変換部２１は、フーリエ係数（ａ_ｎ,ｂ_ｎ）を補正処理部１３に出力するとともに、記憶部２２に格納する。フーリエ変換部２１は、回転状態判定部６から通知を受け取った場合、すなわち回転機Ｍが低回転状態であると判定された場合には、離散フーリエ変換によるフーリエ係数（ａ_ｎ,ｂ_ｎ）の算出を行わずに、前回算出したフーリエ係数（ａ_ｎ,ｂ_ｎ）を記憶部２２から読み出して、その読み出した前回のフーリエ係数（ａ_ｎ,ｂ_ｎ）を補正処理部１３に出力する。

記憶部２２には、フーリエ変換部２１により算出されたフーリエ係数（ａ_ｎ,ｂ_ｎ）を格納される。

補正処理部１３は、フーリエ変換部２１により出力されたフーリエ係数（ａ_ｎ,ｂ_ｎ）と、信号出力部２から得られた角度信号Ｓａとに基づいて検出誤差ＤＥを算出する。例えば、次数ｎの検出誤差ＤＥは、以下の式（１）で求められる。したがって、補正処理部１３は、フーリエ係数（ａ_ｎ,ｂ_ｎ）に基づいて、α_ｎ及びβ_ｎを求めることで、次数ｎの検出誤差ＤＥを求めることができる。

検出誤差ＤＥ＝α_ｎｓｉｎ（ｎθ＋β_ｎ）…（１）

ここで、検査誤差ＤＥが現れる主要次数ｎが１からＮである場合には、補正処理部１３は、１からＮの各次数の検出誤差ＤＥの波形を生成し、その生成した各検出誤差ＤＥの波形を合成することにより推定角度誤差信号を生成する。
そして、補正処理部１３は、信号出力部２から出力された角度信号Ｓａに対して、推定角度誤差信号を差し引くことで角度信号Ｓａを補正して角度信号Ｓａ´を生成する。

次に、本実施形態に係る角度検出装置１の動作の流れについて説明する。
角度検出装置１は、レゾルバＲからの検出信号Ｓｄに基づいて、回転機Ｍの回転角度θを示す角度信号Ｓａを求める。ただし、角度信号Ｓａには、レゾルバＲ固有の検出誤差ＤＥが含まれるため、角度検出装置１は、検出誤差ＤＥをなくすように角度信号Ｓａを補正して、その補正した角度信号Ｓａ´を生成する。例えば、誤差補正部７は、回転機Ｍの角速度ωを算出し、その算出した角速度角速度ωを周波数解析することによって検出信号に含まれる検出誤差ＤＥを算出することで復元する。そして、誤差補正部７は、その復元した検出誤差ＤＥを用いて角度信号Ｓａを補正する。ただし、誤差補正部７は、回転機Ｍが低回転状態である場合には、角速度ωに対する周波数解析を行わずに、前回算出した検出誤差ＤＥを用いて角度信号Ｓａを補正する。例えば、前回算出した検出誤差ＤＥとは、回転機Ｍが低回転状態ではないときの検出誤差であって、回転機Ｍが低回転状態であると判定される直前の検出誤差である。

具体的には、誤差補正部７は、角速度ωに対して離散フーリエ変換を行うことによりフーリエ係数を求め、そのフーリエ係数を用いて検出誤差ＤＥを算出する。そして、誤差補正部７は、その算出した検出誤差ＤＥに基づいて角度信号Ｓａを補正する補正処理を実行する。ただし、誤差補正部７は、図３に示すように、回転状態判定部６により回転機Ｍが停止状態を含む所定の低回転状態であると判定された場合には（例えば、低回転信号Ｓ_Ｌを取得した場合には）、フーリエ係数の算出を行わずに、前回算出したフーリエ係数を用いて検出誤差ＤＥを算出して、当該検出誤差ＤＥにより補正処理を実行する。例えば、前回算出したフーリエ係数とは、回転機Ｍが低回転状態ではないときのフーリエ係数であって、回転機Ｍが低回転状態であると判定される直前のフーリエ係数である。

これにより、角度検出装置１は、回転機Ｍが低回転状態となり回転機Ｍの回転方向の切り替わりの箇所で回転機Ｍが共振した場合に、その共振により発生する成分を検出誤差の算出に用いない。したがって、角度検出装置１は、上記共振が発生した場合であっても、検出誤差の算出精度の低下を抑制することができ、その結果、角度信号Ｓａの補正精度の低下を抑制することができる。

ここで、従来の角度検出装置は、回転機Ｍが停止している場合には、角速度が０であるため、フーリエ係数の算出を行うことができず、角度信号Ｓａの補正を実施できない。
ただし、本実施形態に係る角度検出装置１は、回転機Ｍが停止状態である場合には、フーリエ係数の算出を行わずに、前回算出したフーリエ係数を用いて検出誤差ＤＥを算出する。したがって、角度検出装置１は、回転機Ｍが停止している場合であっても角度信号Ｓａを補正することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

上記実施形態では、回転状態判定部６は、回転数演算部５が求めた回転数ＮＥに基づいて回転機Ｍが停止状態を含む所定の低回転状態か否かを判定したが、これに限定されない。回転状態判定部６は、回転機Ｍが停止状態を含む所定の低回転状態か否かを判定できればよく、その低回転状態か否かを判定する方法には特に限定されない。例えば、回転状態判定部６は、回転機Ｍに流れる電流に基づいて回転機Ｍが停止状態を含む所定の低回転状態か否かを判定してもよい。

上記実施形態では、誤差補正部７は、回転機Ｍの回転方向の切り替わりが行われる場合に、フーリエ係数の算出を行わずに、前回算出したフーリエ係数を用いて検出誤差ＤＥを算出して、当該検出誤差ＤＥにより補正処理を実行してもよい。例えば、回転状態判定部６は、検出信号Ｓａに基づいて回転機Ｍの回転方向を識別して、その識別結果を誤差補正部７に出力する。誤差補正部７は、前記識別結果に基づいて、回転機Ｍの回転方向が正転から逆転、又は逆転から正転への切り替わりを検出した場合には、フーリエ係数の算出を行わずに、前回算出したフーリエ係数を用いて検出誤差ＤＥを算出して、当該検出誤差ＤＥにより補正処理を実行してもよい。

なお、上述した角度検出装置１の全部または一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。この場合、上記コンピュータは、ＣＰＵ、ＧＰＵなどのプロセッサ及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えてもよい。そして、上記角度検出装置１の全部または一部の機能をコンピュータで実現するためのプログラムを上記コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムを上記プロセッサに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。ここで、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

１角度検出装置
２信号出力部
４時刻情報生成部
５回転数演算部
６回転状態判定部
７誤差補正部
１２フーリエ係数算出部
１３補正処理部

Claims

回転センサから出力された、回転機の回転に応じた検出信号に基づいて前記回転機の回転角度を検出し、前記検出した回転角度を示す角度信号を出力する信号出力部と、
前記回転機の角速度を算出し、算出した前記角速度を周波数解析することによって前記検出信号に含まれる検出誤差を算出し、算出した前記検出誤差を用いて前記信号出力部から出力される前記角度信号を補正する誤差補正部と、
前記回転機の回転数に基づいて前記回転機が停止状態を含む所定の低回転状態か否かを判定する回転状態判定部と、
を備え、
前記誤差補正部は、前記回転機が低回転状態である場合には、前記角速度に対する前記周波数解析を行わずに、前回算出した検出誤差を用いて、前記信号出力部から出力される前記角度信号を補正することを特徴とする角度検出装置。
前記信号出力部は、前記回転機が所定の角度だけ回転するごとに割込み信号を生成し、
前記誤差補正部は、前記割込み信号が出力される時間間隔によって前記角速度を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
前記誤差補正部は、
前記角速度に対して離散フーリエ変換を行うことによりフーリエ係数を求めるフーリエ変換部と、
前記フーリエ係数を用いて前記検出誤差を算出し、算出した検出誤差に基づいて前記信号出力部から出力される前記角度信号を補正する補正処理部と、
を備え、
前記フーリエ変換部は、前記回転状態判定部により前記回転機が低回転状態であると判定された場合には、前記フーリエ係数の算出を行わずに、前回算出した前記フーリエ係数を前記補正処理部に出力することを特徴とする請求項２に記載の角度検出装置。
前記回転状態判定部は、前記回転機の回転数が所定の範囲以内である場合は、前記回転機が低回転状態であると判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の角度検出装置。