JP2011220848A - 回転角検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回転角演算装置20は、第1〜第3のセンサ21〜23の出力信号V1〜V3に基づいて、回転角を検出する。評価値Q1は、出力信号V1と出力信号V2とに基づいて演算される。評価値Q2は、出力信号V1と出力信号V3とに基づいて演算される。評価値Q3は、出力信号V2と出力信号V3とに基づいて演算される。回転角演算装置20は、3つの評価値Q1,Q2,Q3と基準値との比較結果に応じて、3つの出力信号V1〜V3のうちの2つの出力信号に基づいて、回転角を演算する。
【選択図】図1
Description
θ=tan−1(sinθ/cosθ)
=tan−1(V1/V2) …(1)
このようにして、求められたロータ角θを使って、ブラシレスモータを制御する。
請求項3に記載の発明では、第1〜第3の評価値に、基準値に近いものから順に順位が付けられる。そして、基準値に最も近い順位1の評価値と基準値から最も遠い順位3の評価値との差の絶対値が第1の所定値未満であるときには、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて回転体の回転角が演算される。
第1判別手段によって第1条件を満たしていると判別されたときには、順位1の評価値の演算に使用されていない1つのセンサが故障していると判定できる。そこで、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて回転体の回転角が演算される。これにより、センサが故障したことを検出できるとともに、故障したセンサ以外の2つのセンサの出力信号に基づいて、回転体の回転角を演算することができる。また、故障したセンサを特定することができる。
第2判別手段によって第2条件を満たしていると判別されたときには、順位3の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号の絶対値のうちの大きい方に対応するセンサが故障していると判定できる。そこで、当該故障していると考えられるセンサ以外の2つのセンサの正弦波信号に基づいて前記回転体の回転角が演算される。これにより、センサが故障したことを検出できるとともに、故障したセンサ以外の2つのセンサの出力信号に基づいて、回転体の回転角を演算することができる。また、故障したセンサを特定することができる。
順位1の評価値と順位3の評価値との差が第1の所定値以上である場合には、順位1の評価値と順位2の評価値との差の絶対値が第2の所定値以上であるという第1条件を満たしているか否かが、第3判別手段によって判別される。
図1〜図4に基づき、第1の実施形態に係る回転角検出装置を説明する。図1は、ブラシレスモータのロータの回転角を検出するための回転角検出装置に適用した場合の構成を示す模式図である。
図3に示すように、検出用ロータ(以下、単に「ロータ1」という)は、ブラシレスモータ10のロータ50に設けられている磁極対に相当する磁極対を有する円筒状の磁石2を含んでいる。この例では、磁石2は、2つの磁極N,S(一組の磁極対)を有している。ロータ1の周囲には、第1の磁気センサ21、第2の磁気センサ22および第3の磁気センサ23が、ロータ1の周方向に間隔をおいて配置されている。磁気センサとしては、たとえば、ホール素子、磁気抵抗素子(MR素子)等、磁界の作用により電気的特性が変化する特性を有する素子を備えたものを用いることができる。
以下、回転角演算装置20の動作について説明する。第1の磁気センサ21の出力信号V1と第2の磁気センサ22の出力信号V2とに基づいて、ロータ角θに相当する第1のロータ角θ1を演算することができる。また、第1の磁気センサ21の出力信号V1と第3の磁気センサ23の出力信号V3とに基づいて、ロータ角θに相当する第2のロータ角θ2を演算することができる。さらに、第2の磁気センサ22の出力信号V2と第3の磁気センサ23の出力信号V3とに基づいて、ロータ角θに相当する第3のロータ角θ3を演算することができる。
V12=√2×V2−V1 …(3)
このようにして生成された信号V12(=φ・cosθ)と第1の出力信号V1(=φ・sinθ)とから、第1のロータ角θ1が、次式(4)に基づいて演算される。
第2のロータ角θ2の求め方について説明する。まず、第1の出力信号V1(=φ・sinθ)および第3の出力信号V3(=φ・sin(θ+β))から、φ・cosθ(=φ・sin(θ+90°))に相当する信号V13が、次式(5)に基づいて生成される。
V13=V3…(6)
このようにして生成された信号V13(=φ・cosθ)と第1の出力信号V1(=φ・sinθ)とから、第2のロータ角θ2が、次式(7)に基づいて演算される。
第3のロータ角θ3の求め方について説明する。まず、第2の出力信号V2(=φ・sin(θ+α))を三角関数の加法定理により展開することによって、次式(8)が得られる。
V2=φ・sinθ・cosα+φ・cosθ・sinα …(8)
同様に、V3=φ・sin(θ+β)を三角関数の加法定理により展開することによって、次式(9)が得られる。
これらの式(8),(9)をsinθ,cosθを未知数とする連立方程式とみなして、その連立方程式を解くことにより、φ・sinθに相当する演算値V23Sと、φ・cosθに相当する演算値V23Cとが求められる。演算値V23S,V23Cは、それぞれ次式(10),(11)で表される。
V23S =φ・sinθ
=√2×V2−V3 …(12)
V23C=φ・cosθ
=V3 …(13)
このようにして得られたφ・sinθと、φ・cosθとから、第3のロータ角θ3が、次式(14)に基づいて演算される。
図4は、回転角演算装置20の動作を示すフローチャートである。図4に示される処理は、所定の演算周期毎に実行される。
まず、回転角演算装置20は、第1〜第3の磁気センサ21〜23の出力信号V1〜V3に基づいて、第1,第2,第3のロータ角θ1,θ2,θ3をそれぞれ評価するための評価値Q1,Q2,Q3を演算する(ステップS1)。ただし、この時点では、第1,第2,第3のロータ角θ1,θ2,θ3は演算されない。
Q1=(φ・sinθ)2+(φ・cosθ)2
=V12+V12 2
=V12+(√2×V2−V1)2 …(15)
また、回転角演算装置20は、第1の出力信号V1と第3の出力信号V3とに基づいて、第2のロータ角θ2を評価するための第2の評価値Q2を演算する。すなわち、回転角演算装置20は、次式(16)に基づいて、第2の評価値Q2を演算する。
=V12+V13 2
=V12+V32 …(16)
また、回転角演算装置20は、第2の出力信号V2と第3の出力信号V3とに基づいて、第3のロータ角θ3を評価するための第3の評価値Q3を演算する。すなわち、回転角演算装置20は、次式(17)に基づいて、第3の評価値Q3を演算する。
=V23S 2+V23C 2
=(√2×V2−V3)2 +V32 …(17)
これら3つの評価値Q1,Q2,Q3が求められると、回転角演算装置20は、3つの評価値Q1,Q2,Q3のうち、振幅φの二乗値φ2(基準値)に最も近い評価値を特定する(ステップS2)。そして、基準値φ2に最も近い評価値の演算に使用された2つの出力信号に基づいて、ロータ角θを演算する(ステップS3)。
まず、回転角演算装置20は、第1〜第3の磁気センサ21〜23の出力信号V1〜V3に基づいて、第1,第2,第3のロータ角θ1,θ2,θ3をそれぞれ評価するための評価値Q1,Q2,Q3を演算する(ステップS11)。この処理は、前述した図4のステップS1の処理と同じである。この時点では、第1,第2,第3のロータ角θ1,θ2,θ3は演算されない。
前記ステップS15おいて、「故障センサ判定用の第1条件」を満たしていないと判別された場合(|X1−X2|<K1)には(ステップS15:NO)には、回転角演算装置20は、「故障センサ判定用の第2条件」を満たしているか否かを判別する(ステップS17)。
前記式(18)の左辺は、|(|VA|−|VC|)|と変形できるので、「故障センサ判定用の第2条件」を満たしているか否かを判別することは、順位3の評価値X3の演算に使用された2つのセンサA,Cの出力値VA,VCの絶対値の差がしきい値K2以上であるか否かを判別することになる。つまり、「故障センサ判定用の第2条件」を満たしている場合には、センサAの出力の絶対値|VA|とセンサCの出力の絶対値|VC|との差がしきい値K2以上であることを意味する。センサが故障した場合にはそのセンサ出力は振幅値φまたは−φに固定されると考えられるので、センサAおよびセンサCのうち、その出力の絶対値が大きい方のセンサが故障していると判断することができる。
ステップS17において、「故障センサ判定用の第2条件」を満たしていないと判別された場合には(ステップS17:NO)、回転角演算装置20は、故障が発生したセンサを特定できないと判断し、次のようにして、ロータ角を求める。まず、回転角演算装置20は、順位1の評価値X1の演算に使用された2つの磁気センサの出力信号に基づいて、ロータ角θを演算する(ステップS19)。次に、回転角演算装置20は、ロータ角θを補正するための補正角δを決定する(ステップS20)。具体的には、回転角演算装置20は、順位3の評価値X3の演算に使用された2つのセンサA,C(図6参照)のなす角の1/2を、補正角δの絶対値として決定する。また、回転角演算装置20は、順位1の評価値X1の演算に使用された2つのセンサの組み合わせに基づいて、補正角δの符号(正負)を決定する。
図7は、各磁気センサ21,22,23が故障していない場合の、各磁気センサ21,22,23の出力信号V1,V2,V3の波形を示す波形図である。図7の縦軸が電圧を示し、横軸がロータ角(電気角:0°〜360°)を示している。
図8(b)は、ロータ角θに対する各評価値Q1,Q2,Q3を示している。第2の磁気センサ22および第3の磁気センサ23は正常であるため、これらの出力信号V2,V3に基づいて演算される評価値Q3は、図8(b)に示すように1(=φ2)となる。
図9(a)は、ロータ角θに対する各磁気センサ21,22,23の出力信号を示している。この例では、故障した第2の磁気センサ22の出力信号V2は、−1(=−φ)に固定されている。
図5のステップS15の「故障センサ判定用の第1条件」は、順位1の評価値X1と順位2の評価値X2との差の絶対値|X1−X2|がしきい値K1以上であるという条件である。前述したようにK1=0.05とすると、図9(b)においては、順位1の評価値が1であり、順位2の評価値X2が1.05以上となる電気角領域においては、「故障センサ判定用の第1条件」を満たすことになる。
図9(d)は、実際のロータ角(実角度)と演算によって求められるロータ角との差(角度誤差)を表している。この場合、正常な2つの磁気センサ21,23の出力信号V1,V3から演算される第2のロータ角θ2が、実角度θactを示す。曲線S1は、実角度θactと第1のロータ角θ1(V1,V2から演算されるロータ角)との差(θact−θ1)を示している。曲線S2は、実角度θactと第2のロータ角θ2(V1,V3から演算されるロータ角)との差(θact−θ2)を示している。曲線S3は、実角度θactと第3のロータ角θ3(V2,V3から演算されるロータ角)との差(θact−θ3)を示している。
図10(a)は、ロータ角θに対する各磁気センサ21,22,23の出力信号波形を示している。この例では、故障した第3の磁気センサ23の出力信号V3は、−1(=φ)に固定されている。
図5のステップS15の「故障センサ判定用の第1条件」は、順位1の評価値X1と順位2の評価値X2との差の絶対値|X1−X2|がしきい値K1以上であるという条件である。前述したように、K1=0.05とすると、図10(b)においては、順位1の評価値が1であり、順位2の評価値X2が1.05以上となる電気角領域においては、「故障センサ判定用の第1条件」を満たすことになる。
図11は、第1の磁気センサ21が故障した場合に、実際のロータ角が特定不能領域W2(図8参照)に属しているときの、ブラシレスモータ10のロータ50の状態を図解的に示している。
特定不能領域W2において評価値Q3が順位1の評価値X1として選択されたときには、図5のステップS19においては、正常な2つの磁気センサ22,23の出力信号V2,V3から第3のロータ角θ3が演算される。したがって、ステップS19で演算された第3のロータ角θ3は、図11に示すように、ブラシレスモータ10のロータ50の実際の回転角θMと等しくなる。第3のロータ角θ3から推定される制御上のd軸候補およびq軸候補を、それぞれ「第1のd軸候補d1」および「第1のq軸候補q1」と定義する。そうすると、特定不能領域W2においては、「第1のd軸候補d1」および「第1のq軸候補q1」は、それぞれ実際のd軸およびq軸と一致する。
図12は、第3の磁気センサ23が故障した場合に、実際のロータ角が特定不能領域W8(図10参照)に属しているときの、ブラシレスモータ10のロータ50の状態を図解的に示している。
特定不能領域W8において評価値Q1が順位1の評価値X1として選択されたときには、図5のステップS19においては、正常な2つの磁気センサ21,22の出力信号V1,V2から第1のロータ角θ1が演算される。したがって、ステップS19で演算された第1のロータ角θ1は、図12に示すように、ブラシレスモータ10のロータ50の実際の回転角θMと等しくなる。この場合、ステップS19で演算された第1のロータ角θ1から推定される制御上のd軸候補(「第2のd軸候補d2」)およびq軸候補(「第2のq軸候補q2」)は、それぞれ実際のd軸方向およびq軸方向と一致する。
以上のような補正が行われると、図11に示すように、正常な2つのセンサ信号に基づいて第3のロータ角θ3が演算されたときにも、第3のロータ角θ3が補正されることになる。具体的には、第3のロータ角θ3に+45°が加算されることにより、第3のロータ角θ3が補正される。そうすると、補正後のロータ角によって推定される制御上のq軸候補は、図11に示すように、第1のq軸候補q1より45°進んだ軸の方向となる。図11から明らかなように、補正後のq軸候補は、角度範囲η内に収まるため、モータ10の回転方向は正しい方向となる。
図13の動作においては、「故障センサ判定用の第2条件」の内容が図5の動作と異なっている。つまり、図6を参照して、「順位2の評価値X2の演算に使用された2つの磁気センサB,Cの出力値の絶対値の和」を「順位1の評価値X1の演算に使用された2つの磁気センサA,Bの出力値の絶対値の和」で除算した値をJ1とする。また、「順位3の評価値X3の演算に使用された2つの磁気センサA,Cの出力値の絶対値の和」を「順位1の評価値X1の演算に使用された2つの磁気センサA,Bの出力値の絶対値の和」で除算した値をJ2とする。J1およびJ2は、それぞれ次式(19),(20)で表される。
J2=|(|VA|+|VC|)/(|VA|+|VB|)…(20)
「故障センサ判定用の第2条件」は、「J1およびJ2の両方がしきい値K3以上という第3条件」ならびに「J2がしきい値K2以上でかつJ1がしきい値K3未満であるという第4条件」のいずれか一方を満たしているという条件である。K3は、たとえば、(1+0.05)φに設定される。
図5または図13に示す動作では、3つの磁気センサ21,22,23のうちの1つの磁気センサが故障したときには、いずれかのセンサに故障が発生したことを検出することができる。また、1つの磁気センサが故障したときに、実際のロータ角が特定の比較的小さな電気角領域(特定不能領域W2,W8)内に属していない場合には、故障したセンサを特定することができるとともに、故障したセンサ以外の正常な2つのセンサによってロータ角を演算することができる。また、1つの磁気センサが故障したときに、実際のロータ角が特定の領域内に属しているために、故障したセンサを特定できない場合にも、モータ10を正常な方向に回転させることができる。さらに、1つの磁気センサが故障したときに、実際のロータ角が特定の領域に存在していために故障したセンサを特定できないときでも、ロータ1が回転して実際のロータ角が前記特定の領域から外れると、故障したセンサを特定できるようになる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
Claims (5)
- 回転体の回転に応じて、互いに位相差を有する第1、第2および第3の正弦波信号をそれぞれ出力する第1、第2および第3のセンサを含み、これらのセンサの出力信号に基づいて前記回転体の回転角を検出する回転角検出装置であって、
前記第1の正弦波信号と前記第2の正弦波信号とに基づいて、第1の評価値を演算する第1演算手段と、
前記第1の正弦波信号と前記第3の正弦波信号とに基づいて、第2の評価値を演算する第2演算手段と、
前記第2の正弦波信号と前記第3の正弦波信号とに基づいて、第3の評価値を演算する第3演算手段と、
前記第1〜第3の評価値と所定の基準値との比較結果に応じて、前記第1〜第3の正弦波信号のうちの2つの正弦波信号に基づいて前記回転体の回転角を演算する第4演算手段と、
を含む回転角検出装置。 - 前記第4演算手段は、前記第1〜第3の評価値のうち、前記基準値に最も近い評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて、前記回転体の回転角を演算するものである、請求項1に記載の回転角演算装置。
- 前記第4演算手段は、
前記第1〜第3の評価値に、前記基準値に近いものから順に順位を付ける手段と、
前記基準値に最も近い順位1の評価値と前記基準値から最も遠い順位3の評価値との差の絶対値が第1の所定値未満であるときには、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて前記回転体の回転角を演算する手段と、
順位1の評価値と順位3の評価値との差が前記第1の所定値以上である場合に、順位1の評価値と順位2の評価値との差の絶対値が第2の所定値以上であるという第1条件を満たしているか否かを判別する第1判別手段と、
前記第1判別手段によって前記第1条件を満たしていると判別されたときには、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて前記回転体の回転角を演算する手段と、
前記第1判別手段によって前記第1条件を満たしていないと判別されたときには、順位3の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号の絶対値の差が第3の所定値以上であるという第2条件を満たしているか否かを判別する第2判別手段と、
前記第2判別手段によって前記第2条件を満たしていると判別されたときには、順位3の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号の絶対値のうちの大きい方に対応するセンサ以外の2つのセンサの正弦波信号に基づいて前記回転体の回転角を演算する手段と、
前記第2判別手段によって前記第2条件を満たしていないと判別されたときには、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて回転角を演算し、得られた回転角をその演算に使用されたセンサの組み合わせに応じて補正することにより、前記回転体の最終的な回転角を演算する手段と、
を含む請求項1または2に記載の回転角検出装置。 - 前記第4演算手段は、
前記第1〜第3の評価値に、前記基準値に近いものから順に順位を付ける手段と、
前記基準値に最も近い順位1の評価値と前記基準値から最も遠い順位3の評価値との差の絶対値が第1の所定値未満であるときには、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて前記回転体の回転角を演算する手段と、
順位1の評価値と順位3の評価値との差が前記第1の所定値以上である場合に、順位1の評価値と順位2の評価値との差の絶対値が第2の所定値以上であるという第1条件を満たしているか否かを判別する第3判別手段と、
前記第3判別手段によって前記第1条件を満たしていると判別されたときには、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて前記回転体の回転角を演算する手段と、
前記第3判別手段によって前記第1条件を満たしていないと判別されたときには、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号の絶対値の和に対する、順位3の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号の絶対値の和の比を第1の比とし、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号の絶対値の和に対する、順位2の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号の絶対値の和の比を第2の比として、前記第1の比および前記第2の比の両方が第3の所定値以上であるという第3条件を満たしているか、前記第1の比が前記第3の所定値未満でかつ前記第2の比が前記第3の所定値以上であるという第4条件を満たしているか、または前記第3条件および前記第4条件の両方を満たしていないかを判別する第4判別手段と、
前記第4判別手段によって前記第3条件を満たしていると判別されたときには、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて前記回転体の回転角を演算する手段と、
前記第4判別手段によって前記第4条件を満たしていると判別されたときには、順位2の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて前記回転体の回転角を演算する手段と、
前記第4判別手段によって前記第3条件および前記第4条件の両方を満たしていないと判別されたときには、順位1の評価値の演算に使用された2つの正弦波信号に基づいて回転角を演算し、得られた回転角をその演算に使用されたセンサの組み合わせに応じて補正することにより、前記回転体の最終的な回転角を演算する手段と、
を含む請求項1または2に記載の回転角検出装置。 - 前記第1のセンサは、前記回転体の回転角θに対して、V1=φ・sinθで表される第1の正弦波信号V1を出力するものであり、
前記第2のセンサは、前記回転体の回転角θに対して、前記第1および第2の正弦波信号の位相差αを用いてV2=φ・sin(θ+α)で表される第2の正弦波信号V2を出力するものであり、
前記第3のセンサは、前記回転体の回転角θに対して、前記第1および第3の正弦波信号の位相差βを用いてV3=φ・sin(θ+β)で表される第3の正弦波信号V3を出力するものであり、
前記基準値がφ2であり、
前記第1演算手段は、前記第1の正弦波信号V1と前記第2の正弦波信号V2とに基づいて、{(φ・sinθ)2+(φ・cosθ)2}に相当する第1の評価値Q1を演算するものであり、
前記第2演算手段は、前記第1の正弦波信号V1と前記第3の正弦波信号V3とに基づいて、{(φ・sinθ)2+(φ・cosθ)2}に相当する第2の評価値Q2を演算するものであり、
前記第3演算手段は、前記第2の正弦波信号V2と前記第3の正弦波信号V3とに基づいて、{(φ・sinθ)2+(φ・cosθ)2}に相当する第3の評価値Q3を演算するものである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転角検装置。
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