CN102564294A - 旋转角度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供旋转角度检测装置。通过简化励磁电路而降低成本，并且即使在输出信号中产生了偏移时也能够准确地检测出角度。旋转角度检测装置(100a)包括：旋转变压器(1)，具有励磁线圈(L1)、输出线圈(L2、L3)；励磁信号生成电路(53)，生成励磁信号而提供给励磁线圈(L1)；以及CPU(30a)，以规定周期检测输出线圈(L2、L3)的输出信号的振幅，并基于该检测值而计算旋转角度。CPU(30a)具有存储了偏移校正值的偏移校正值存储单元(34)，对于从输出线圈(L2、L3)的各个输出信号得到的两个采样信号，通过偏移校正值进行偏移校正。角度计算单元(33)基于消除了偏移的各个采样信号而计算旋转角度。
Description
技术领域
本发明涉及利用旋转变压器(resolver)对电机等的旋转角度进行检测的装置，特别涉及使用了单一的励磁电路的单励磁方式的旋转角度检测装置。
背景技术
旋转变压器是在与轴连接的转子的周围具备励磁线圈和两个输出线圈的旋转角度传感器。旋转角度传感器中，除了旋转变压器之外也有旋转编码器(rotary encoder)，但由于旋转编码器利用光学元件或磁性电阻元件，因此容易受到温度、噪声、尘埃等的影响，在环境抵抗力(environment resistance)方面较差。相对于此，旋转变压器基本上仅由线圈和铁心构成，不使用上述那样的元件，因此在严酷的环境条件下也能够使用，例如，被用于汽车中的电机或转向的旋转角度的检测。
若对旋转变压器的励磁线圈施加正弦波信号，则各个输出线圈上，根据轴的旋转角度而感应出振幅调制为正弦波状的2相的电压。即，从一个输出线圈输出振幅的峰值以sin函数形式变化的信号，从另一个输出线圈输出振幅的峰值以cos函数形式变化的信号。从而，通过以规定周期检测各个输出信号的振幅并求其tan-1，从而能够算出轴的旋转角度。
图6是利用了旋转变压器的旋转角度检测装置的方框图。旋转角度检测装置100由旋转变压器1和控制单元50构成。旋转变压器1包括初级侧的励磁线圈L1和次级侧的输出线圈L2、L3。这些线圈L1～L3配置在转子(rotor)11的周围。
图7是表示了旋转变压器1的概略结构的图。转子11与轴13连接，从而与轴13一同旋转。轴13是电机等的旋转轴或者与其连接的轴。在转子11的周围设置有定子(stator)12。定子12上沿圆周方向等间隔地形成有磁极(省略图示)，该磁极上缠绕着线圈L(概括L1～L3从而用标号L表示)。
这里所示的旋转变压器1是可变磁阻型的旋转变压器。转子11的形状设计为，转子11和定子12的间隙的磁阻(磁性电阻)根据转子11的旋转角度而周期性地变化，从而在输出线圈L2、L3上感应出振幅调制为正弦波状的电压。这里，转子11是椭圆形，在转子11旋转一次的期间，从输出线圈L2、L3取出振幅调制为正弦波状的两周期量的电压。作为转子11的形状，还有十字形等各种形状。
控制单元50包括CPU51、励磁电路52、信号放大电路55。励磁电路52生成由图8(a)那样的正弦波信号sin(ωt)构成的励磁信号，并将该励磁信号提供给励磁线圈L1。转子11旋转时，从输出线圈L2输出图8(b)那样的振幅的峰值以sin函数形式变化的信号(以下，称为“sin信号”)。该信号表示为α·sin(θ)·sin(ωt)。这里，α是旋转变压器1的信号变压比，θ是转子11(轴13)的旋转角度。此外，从输出线圈L3输出图8(c)那样的振幅的峰值以cos函数形式变化的信号(以下，称为“cos信号”)。该信号表示为α·cos(θ)·sin(ωt)。
从输出线圈L2输出的sin信号通过信号放大电路55放大，成为图8(d)那样的用β·α·sin(θ)·sin(ωt)表示的信号。此外，从输出线圈L3输出的cos信号通过信号放大电路55放大，成为图8(e)那样的用β·α·cos(θ)·sin(ωt)表示的信号。这里，β是信号放大电路55的放大率。放大后的各个信号被输入到CPU51。
在CPU51中，对于所输入的sin信号以及cos信号以规定周期进行采样。其结果，对于sin信号，提取图8(f)那样的用β·α·sin(θ)表示的采样信号，对于cos信号，提取图8(g)那样的用β·α·cos(θ)表示的采样信号。CPU51运算各个采样时刻中的两个采样信号的振幅值之比、即sin(θ)/cos(θ)＝tan(θ)。并且，基于该运算结果，根据θ＝tan-1[sin(θ)/cos(θ)]检测出旋转角度θ。
另外，作为旋转变压器的励磁方式，从以往开始一般为双励磁式。在双励磁式中，对励磁电路52设置用于生成励磁信号的励磁信号生成电路、以及生成与励磁信号的相位相差180°的反转励磁信号的反转励磁信号生成电路(例如，参照专利文献1)。
图9是使用了双励磁式的旋转角度检测装置200的方框图。在9中，对于与图6相同的部分附上相同标号。励磁电路52由励磁信号生成电路53以及反转励磁信号生成电路54构成。由励磁信号生成电路53生成的励磁信号经由端子T1提供给旋转变压器1的励磁线圈L1的一端，由反转励磁信号生成电路54生成的反转励磁信号经由端子T2提供给励磁线圈L1的另一端。励磁信号和反转励磁信号的振幅相同且相位相差180°。励磁线圈L1上施加对这两个信号进行了合成后的信号。
信号放大电路55由sin信号放大电路56以及cos信号放大电路57构成。sin信号放大电路56放大从输出线圈L2输入到端子T3、T4的sin信号。cos信号放大电路57放大从输出线圈L3输入到端子T5、T6的cos信号。关于CPU51中的旋转角度的检测方法，如图6中说明的那样。
[专利文献1](日本)特开2008-304326号公报
[专利文献2](日本)特开平3-56818号公报
[专利文献3](日本)特开2004-45286号公报
在上述的双励磁式的旋转角度检测装置200中，励磁电路52中需要励磁信号生成电路53和反转励磁信号生成电路54的两个电路，因此存在成本提高的问题。此外，上述专利文献2中记载了对于以差动方式缠绕了线圈的励磁双凸极中的两个凸极分别通过相位互不相同的信号进行励磁，并基于从各个线圈的中点输出的合成信号来检测旋转角度的旋转变压器，但即使是在该方式中，也需要用于生成相位不同的信号的多个信号源。
发明内容
本发明鉴于上述问题，其课题在于提供一种通过简化励磁电路而降低了成本的旋转角度检测装置。本发明的另一课题在于提供一种即使在从输出线圈输出的信号中产生了偏移的情况下也能够准确地检测出角度的旋转角度检测装置。
在本发明中，旋转角度检测装置包括：旋转变压器，在与旋转轴连接的转子的周围设置了励磁线圈、第1输出线圈、以及第2输出线圈；励磁信号生成电路，生成励磁信号而提供给励磁线圈；以及旋转角度计算部件，对第1输出线圈以及第2输出线圈的各个输出信号以规定周期进行采样，并基于其结果所得到的两个采样信号而计算旋转轴的旋转角度，在该旋转角度检测装置中，励磁信号生成电路由生成单一的励磁信号的单励磁式的励磁信号生成电路构成。此外，设置偏移校正单元，该偏移校正单元对于各个采样信号，进行在第1输出线圈以及第2输出线圈的各个输出信号中包含的偏移的校正。并且，旋转角度计算部件基于由偏移校正单元对偏移进行了校正之后的各个采样信号，计算旋转角度。
这样，通过使用了一个励磁信号生成电路的单励磁式，电路结构被简化，因此能够降低成本。此外，进行对来自第1输出线圈以及第2输出线圈的输出信号中包含的偏移的校正的结果，即使在采用了单励磁方式的情况下，也能够通过旋转角度计算部件检测出正确的旋转角度而不受偏移的影响。
在本发明中，偏移校正单元也可以具有存储单元，该存储单元预先存储了用于校正偏移的偏移校正值。
这样，由于在存储单元中预先设定好偏移校正值，因此不需要每次进行运算而算出该校正值，减轻旋转角度计算部件中的处理。
此外，取而代之，偏移校正单元也可以具有运算单元，该运算单元对用于校正偏移的偏移校正值进行运算。
这样，由于通过运算求出偏移校正值，因此不需要在存储单元中预先存储校正值。此外，偏移校正值并非固定值而是实时更新，因此能够更有效地消除偏移，角度检测的精度提高。
在本发明的优选实施方式中，偏移校正值是两个采样信号的振幅相等的第1定时中的第1振幅值与该两个采样信号的振幅相等的第2定时中的第2振幅值的平均值。
这样，通过检测两个定时中的各个采样信号的交点，能够简单地算出最佳的偏移校正值。
根据本发明，能够提供如下的旋转角度检测装置：通过采用单励磁式而简化电路结构，因此能够降低成本，并且能够检测出正确的旋转角度而不受偏移的影响。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的旋转角度检测装置的方框图。
图2是表示励磁信号生成电路的具体例的电路图。
图3是表示信号放大电路的具体例的电路图。
图4是表示了采样信号的一周期的变化的曲线图。
图5是本发明的第2实施方式的旋转角度检测装置的方框图。
图6是一般的旋转角度检测装置的方框图。
图7是表示了旋转变压器的概略结构的图。
图8(a)～(g)是表示图6的各个单元中的信号波形的图。
图9是双励磁式的旋转角度检测装置的方框图。
图10是用于说明线间电容的影响的电路图。
图11(a)、(b)是用于说明偏移的波形图。
图12(a)、(b)是说明双励磁式的情况下的角度误差的图。
图13(a)、(b)是说明单励磁式的情况下的角度误差的图。
标号说明
1 旋转变压器
10a、10b 控制单元
11 转子
13 旋转轴
30a、30b CPU (旋转角度计算部件)
32a、32b 偏移校正单元
33 角度计算单元
34 偏移校正值存储单元
37 偏移校正值运算单元
53 励磁信号生成电路
55 信号放大电路
L1 励磁线圈(第1线圈)
L2、L3 输出线圈(第2线圈)
100a、100b 旋转角度检测装置
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。在各个图中对于相同部分或者对应的部分附上相同标号。
图1是本发明的第1实施方式的旋转角度检测装置的方框图。旋转角度检测装置100a由旋转变压器1和控制单元10a构成。关于旋转变压器1，与在图6以及图7中说明的相同，因此这里省略说明，以下说明控制单元10a的细节。
控制单元10a包括励磁信号生成电路53、信号放大电路55和CPU30a。控制单元10a中不设置图9的反转励磁信号生成电路54，而仅设置励磁信号生成电路53。即，该旋转角度检测装置100a是使用一个励磁信号生成电路53来生成单一的励磁信号的单励磁式的旋转角度检测装置。
励磁信号生成电路53的输出(励磁信号)经由端子T1而提供给励磁线圈L1的一端。励磁线圈L1的另一端经由端子T2与地线(ground)连接(即接地)。输出线圈L2的一端经由端子T3输入到信号放大电路55中的sin信号放大电路56。输出线圈L2的另一端经由端子T4与地线连接。输出线圈L3的一端经由端子T5输入到信号放大电路55中的cos信号放大电路57。输出线圈L3的另一端经由端子T6与地线连接。
CPU30a包括采样处理单元31、偏移校正单元32a、角度计算单元33。这些模块作为功能模块来表现，且各个模块的功能实际上是通过CPU30a的软件处理来实现。偏移校正单元32a具有偏移校正值存储单元34、运算器35以及运算器36。CPU30a构成本发明中的旋转角度计算部件。
图2表示励磁信号生成电路53的具体电路的一例。励磁信号生成电路53包括运算放大器OP1、与该运算放大器OP1的反转输入端子(-端子)连接的电阻R1、在运算放大器OP1的输出端子和反转输入端子之间连接的电阻R2、与运算放大器OP1的输出端子连接的电容器C。运算放大器OP1的非反转输入端子(+端子)接地。Vd是运算放大器OP1的直流电源。运算放大器OP1的反转输入端子中从CPU30a经由电阻R1而输入正弦波信号。运算放大器OP1将基于该正弦波信号而生成的励磁信号，经由电容器C输出到励磁线圈L1。
图3表示sin信号放大电路56的具体电路的一例。cos信号放大电路57的结构也与此相同。sin信号放大电路56包括运算放大器OP2、与该运算放大器OP2的反转输入端子(-端子)连接的电阻R3、在运算放大器OP2的输出端子和反转输入端子之间连接的电阻R4。运算放大器OP2的非反转输入端子(+端子)接地。Vd是运算放大器OP2的直流电源。运算放大器OP2的反转输入端子中从输出线圈L2经由电阻R3而输入sin信号。运算放大器OP2放大该sin信号从而输出到CPU30a。
由以上的结构构成的旋转角度检测装置100a的动作除了CPU30a中的旋转角度的检测方法之外，与图6中说明的动作基本相同。关于CPU30a中的旋转角度检测，在后面详细说明。
另外，在采用了单励磁式的情况下，作为励磁电路仅设置励磁信号生成电路53即可，因此电路结构被简化。但是，另一方面，在sin信号以及cos信号中会产生偏移，因此需要用于避免因该偏移而导致检测角度产生误差的对策。以下，对其进行说明。
在单励磁式的情况下，如图1所示，初级侧的励磁线圈L1和次级侧的输出线圈L2、L3与共同的地线连接。如果这样地线相同，则如图10所示，在励磁线圈L1和输出线圈L2、L3之间存在的线间电容Cx成为问题。即，旋转变压器1的初级侧中流过的电流I1的一部分如Ix那样通过线间电容Cx而流向次级侧，对基于次级侧的感应电压的电流I2产生影响。因此，在从输出线圈L2、L3输出的sin信号、cos信号中产生偏移。关于该偏移，基于图11～图13更加详细地进行说明。
图11表示从输出线圈L2输出的sin信号(细实线)和其采样信号(粗实线)的波形。图11(a)表示双励磁式的情况(图9)下的波形、图11(b)表示单励磁式的情况(图1)下的波形。图中的虚线是提供给励磁线圈L1的励磁信号的波形。
在双励磁式的情况下，励磁线圈和输出线圈之间的线间电容不会成为问题，因此sin信号中不会产生偏移。因此，在图11(a)中，A1＝A2，sin信号以及采样信号相对于振幅0在+侧和-侧是对称的。相对于此，在单励磁式的情况下，由于前述的线间电容Cx，导致励磁线圈L1的电流对输出线圈L2的输出产生影响，因此如图11(b)所示，在sin信号和励磁信号(虚线)的振幅方向相同时，sin信号的振幅变大。另一方面，在sin信号和励磁信号的振幅方向相反时，sin信号的振幅变小。因此，在图11(b)中，A1＞A2，sin信号以及采样信号相对于振幅0在+侧和-侧不对称。这时，A1-A2成为偏移。以上内容对于cos信号也成立。
图12是说明双励磁式的情况下的角度误差的图。(a)表示采样信号的波形，(b)表示角度误差。双励磁式时，在采样信号中不产生偏移，因此如图12(b)那样不产生角度误差。
图13是说明单励磁式的情况下的角度误差的图。(a)表示采样信号的波形，(b)表示角度误差。单励磁式时，在采样信号中产生偏移δ，因此如图13(b)那样产生角度误差。该角度误差根据转子11的旋转角度而变化。
如上所述，在单励磁式的旋转角度检测装置中，存在基于在旋转变压器的输出(sin信号、cos信号)中产生的偏移而导致检测角度产生误差的问题。因此，在本实施方式的旋转角度检测装置100a中，即使在旋转变压器1的输出中存在偏移，也通过CPU30a所具备的偏移校正单元32a使得在检测角度中不产生误差。
以下，详细叙述旋转角度检测装置100a中的旋转角度的检测步骤。
励磁信号生成电路53基于来自CPU30a的正弦波信号而生成励磁信号，并将该励磁信号提供给旋转变压器1的励磁线圈L1。这时的励磁信号Vi表示为式(1)。
Vi＝sin(ωt) ...(1)
通过转子11的旋转，从输出线圈L2输出sin信号(设为Vs1)，从输出线圈L3输出cos信号(设为Vc1)，但由于前述的偏移，这些信号Vs1、Vc1如下式那样包含偏移项δ。
Vs1＝G·(sin(θ)+δ)·sin(ωt) ...(2)
Vc1＝G·(cos(θ)+δ)·sin(ωt) ...(3)
这里，G是旋转变压器1的信号变压比，θ是转子11(旋转轴13)的旋转角度。
上述的sin信号Vs1通过信号放大电路55的sin信号放大电路56放大。sin信号放大电路56的输出Vs2成为式(4)。
Vs2＝β·Vs1＝β·G·(sin(θ)+δ)·sin(ωt) ...(4)
β是sin信号放大电路56的放大率。此外，上述的cos信号Vc1通过信号放大电路55的cos信号放大电路57放大。cos信号放大电路57的输出Vc2成为式(5)。
Vc2＝β·Vc1＝β·G·(cos(θ)+δ)·sin(ωt) ...(5)
放大后的各个信号输入到CPU50a的采样处理单元31。
采样处理单元31对于上述信号Vs2、Vc2以规定的周期进行采样，并检测各个采样时刻中的信号的振幅值。其结果，从信号Vs2提取由式(6)表示的采样信号，从信号Vc2提取由式(7)表示的采样信号。这些各个采样信号输入到偏移校正单元32a。
Vs3＝β·G·(sin(θ)+δ) ...(6)
Vc3＝β·G·(cos(θ)+δ) ...(7)
在偏移校正单元32a中，偏移校正值存储单元34中预先存储了用于校正偏移δ的校正值。该校正值在工厂出货时设定在偏移校正值存储单元34中。偏移校正单元32a利用该校正值，通过运算器35进行用于消除从采样处理单元31输出的采样信号Vs3(式(6))中包含的偏移项δ的处理。其结果，运算器35的输出Vs4成为式(8)。
Vs4＝β·G·(sin(θ)) ...(8)
此外，偏移校正单元32a利用上述校正值，通过运算器36进行用于消除从采样处理单元31输出的采样信号Vc3(式(7))中包含的偏移项δ的处理。其结果，运算器36的输出Vc4成为式(9)。
Vc4＝β·G·(cos(θ)) ...(9)
预算器35、36的输出Vs4、Vc4输入到角度计算单元33。
角度计算单元33基于Vs4和Vc4，运算这些信号的振幅比、即Vs4/Vc4＝sin(θ)/cos(θ)＝tan(θ)。并且，基于该运算结果，根据式(10)检测出旋转角度θ。
θ＝tan-1[sin(θ)/cos(θ)] ...(10)
这样，在第1实施方式中，对偏移校正单元32a设置偏移校正值存储单元34，并通过该校正值进行对于从输出线圈L2、L3输出的sin信号、cos信号的偏移校正。因此，输入到角度计算单元33的信号如前述的式(8)以及式(9)那样成为偏移被消除后的信号。因此，即使在采用了单励磁式的情况下，角度计算单元33也能够基于式(10)检测出正确的旋转角度θ而不受偏移的影响。
此外，由于在偏移校正值存储单元34中预先设定偏移校正值，因此不需要每次进行运算而算出该校正值，角度计算单元33中的处理减少。
接着，通过图4说明上述的偏移校正值的决定方法的一例。图4是表示从sin信号得到的采样信号SPs、以及从cos信号得到的采样信号SPc的一周期的变化的曲线图。横轴表示时间，纵轴表示电压(振幅值)。δ是偏移。
由图4可知，各个采样信号SPs、SPc在一周期的期间内交叉两次。该交点是图中的a点以及b点。在a点(第1定时)，采样信号SPs的振幅值和采样信号SPc的振幅值相等，在b点(第2定时)，各个采样信号SPs、SPc的振幅值也相等。在将a点的振幅值设为Va(第1振幅值)，将b点的振幅值设为Vb(第2振幅值)时，偏移δ成为式(11)。
δ＝(Va+Vb)/2 ...(11)
为了消除该偏移δ，将偏移校正值γ设为γ＝δ即可，因此通过式(11)，偏移校正值γ成为式(12)。
γ＝(Va+Vb)/2 ...(12)
从而，通过计算a点以及b点的振幅值Va、Vb的平均值，能够取得用于消除偏移δ的最佳的偏移校正值γ。
为了得到偏移校正值γ，除了上述方法之外，还有计算采样信号的最大值和最小值的平均值的方法等(例如，参照专利文献3)。但是，在该方法中，必须追随信号的变化而检测最大值和最小值，因此运算处理烦杂。此外，最大值和最小值的检测上需要时间，难以进行高速处理。相对于此，根据图4的方法，只要检测各个采样信号SPs、SPc的振幅相等的点即可，因此运算处理简单，能够进行高速处理。
图5是本发明的第2实施方式的旋转角度检测装置的方框图。旋转角度检测装置100b由旋转变压器1和控制单元10b构成。关于旋转变压器1，与在图6以及图7中说明的相同，因此这里省略说明。此外，控制单元10b中的励磁信号生成电路53和信号放大电路55与图1中的分别相同，因此对于它们也省略说明。以下说明CPU30b。
在CPU30b的偏移校正单元32b中，代替图1的偏移校正值存储单元34，设置了偏移校正值运算单元37。CPU30b的其他结构与图1的CPU30a相同。偏移校正值运算单元37基于从采样处理单元31输出的各个采样信号来运算偏移校正值。该偏移校正值也能够通过图4中说明的方法进行运算。并且，将运算后的偏移校正值输出到运算器35以及运算器36。以后的动作与图1的情况相同。
这样，在第2实施方式中，对偏移校正单元32b设置偏移校正值运算单元37，并根据由该偏移校正值运算单元37运算出的校正值，进行对于从输出线圈L2、L3输出的sin信号、cos信号的偏移校正。因此，输入到角度计算单元33的信号如前述的式(8)以及式(9)那样成为偏移被消除后的信号。从而，即使在采用了单励磁式的情况下，角度计算单元33也能够基于式(10)检测出正确的旋转角度θ而不受偏移的影响。
此外，由于偏移校正值是通过偏移校正值运算单元37中的运算而求出，因此不需要在存储单元中预先存储校正值。进而，偏移校正值并非固定值而是基于来自采样处理单元31的输出而实时更新，因此能够更有效地消除偏移，角度检测的精度提高。
在本发明中，除了以上叙述的以外也能够采用各种实施方式。例如，在图1中示出了将偏移校正值存储单元34设置在CPU30a的内部的例子，但也可以将偏移校正值存储单元34设置在CPU30a的外部的存储器中。
此外，在上述实施方式中，例举图2的电路作为励磁信号生成电路52，例举图3的电路作为sin信号放大电路56以及cos信号放大电路57，但这些电路只是一例，也可以采用其他电路。
此外，在图4中，计算采样信号SPs、SPc的两个交点a、b中的各个振幅值的平均值，并将其设为偏移校正值，但这并不妨碍采用前述的根据采样信号的最大值以及最小值而计算偏移校正值的方法。
Claims (4)
1.一种旋转角度检测装置，其特征在于，包括：
旋转变压器，在与旋转轴连接的转子的周围设置了励磁线圈、第1输出线圈、以及第2输出线圈；
励磁信号生成电路，生成励磁信号而提供给所述励磁线圈；以及
旋转角度计算部件，对所述第1输出线圈以及第2输出线圈的各个输出信号以规定周期进行采样，并基于其结果所得到的两个采样信号而计算所述旋转轴的旋转角度，
在所述旋转角度检测装置中，
所述励磁信号生成电路由生成单一的励磁信号的单励磁式的励磁信号生成电路构成，
设置偏移校正单元，该偏移校正单元对于所述各个采样信号，进行在所述第1输出线圈以及所述第2输出线圈的各个输出信号中包含的偏移的校正，
所述旋转角度计算部件基于由所述偏移校正单元对偏移进行了校正之后的所述各个采样信号，计算所述旋转角度。
2.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述偏移校正单元具有存储单元，该存储单元预先存储了用于校正所述偏移的偏移校正值。
3.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述偏移校正单元具有运算单元，该运算单元对用于校正所述偏移的偏移校正值进行运算。
4.如权利要求2或3所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述偏移校正值是，所述两个采样信号的振幅相等的第1定时中的第1振幅值与该两个采样信号的振幅相等的第2定时中的第2振幅值的平均值。
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