JP2018128321A - 回転角度検出装置および回転角度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の回転角度を正確に検出する回転角度検出装置および回転角度検出方法を提供すること。【解決手段】実施形態に係る回転角度検出装置は、第１算出部と、第２算出部と、第３算出部と、第４算出部と、出力部とを備える。第１算出部は、回転体に取り付けられた回転角度検出用の磁石の磁界を検出する磁気式角度センサから出力された信号に基づいて回転体の第１回転角度を算出する。第２算出部は、第１回転角度と、前回算出された第２回転角度との偏差がゼロとなるようなフィードバック制御により推定角速度を算出する。第３算出部は、推定角速度に基づいて回転角度変化量を算出する。第４算出部は、前回算出された第２回転角度に回転角度変化量を加算して第２回転角度を算出する。出力部は、第４算出部によって算出された第２回転角度を、回転体回転角度として出力する。【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、回転角度検出装置および回転角度検出方法に関する。

従来、磁気式角度センサを用いてモータの回転体の回転位置、すなわち回転角度を検出する回転角度検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記回転角度検出装置では、磁気式角度センサによって検出した値から回転体の回転速度を積分し、回転体の回転角度を算出している。また、センサで検出した値（ｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号）から角度を算出し、角度の微分で角速度を求める手法も取られている。

特開２０１２−１０５８９号公報

しかしながら、上記回転角度検出装置では、モータに流れる電流によって生じる磁界の影響によって、算出された回転体の回転角度に誤差が生じるおそれがある。すなわち、回転体の回転角度を正確に算出することができない。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、回転体の回転角度を正確に検出する回転角度検出装置および回転角度検出方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る回転角度検出装置は、第１算出部と、第２算出部と、第３算出部と、第４算出部と、出力部とを備える。第１算出部は、回転体に取り付けられた回転角度検出用の磁石の磁界を検出する磁気式角度センサから出力された信号に基づいて回転体の第１回転角度を算出する。第２算出部は、第１回転角度と、前回算出された第２回転角度との偏差がゼロとなるようなフィードバック制御により推定角速度を算出する。第３算出部は、推定角速度に基づいて回転角度変化量を算出する。第４算出部は、前回算出された第２回転角度に回転角度変化量を加算して新たな第２回転角度を算出する。出力部は、第４算出部によって算出された第２回転角度を、回転体回転角度として出力する。

実施形態の一態様によれば、回転体の回転角度を正確に検出することができる。

図１は、実施形態に係る回転角度検出の概要を示す図である。 図２は、モータ、磁気式角度センサおよび回転角度検出装置の関係を示す概略図である。 図３は、ロータおよび検出用永久磁石を軸方向から見た場合の概略構成を示す図である。 図４は、回転角度検出装置の概略ブロック図である。 図５は、第２算出部、第３算出部および第４算出部における処理を伝達関数で示した図である。 図６は、カットオフ周波数を有するフィルタのゲイン−角周波数特性を示す図である。 図７は、本実施形態に係る回転角度検出処理を説明するフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する回転角度検出装置および回転角度検出方法を説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

ここでは、交流電流が流れるモータの回転体であるロータの回転角度を検出する場合について説明するが、これに限られることはなく、発電機などの回転体の回転角度を検出するものであればよい。

＜回転角度検出の概要＞
本実施形態に係る回転角度検出の概要について図１を参照し説明する。図１は、本実施形態に係る回転角度検出の概要を示す図である。

回転角度検出装置は、モータ（外部部材）の回転軸に取り付けられた磁石の磁気を検出する磁気式角度センサから出力される信号に基づいて第１回転角度θを算出する（Ｓ１）。

回転角度検出装置は、算出した第１回転角度θと、前回算出された第２回転角度θ’との偏差Δθを算出する（Ｓ２）。

回転角度検出装置は、偏差Δθがゼロとなるようにフィードバック制御、例えば、ＰＩ制御（比例積分）により推定角速度ω’を算出する（Ｓ３）。なお、フィードバック制御は、ＰＩＤ（比例積分微分）制御であってもよい。

回転角度検出装置は、算出された推定角速度ω’に制御周期Δｔを乗算し、回転角度変化量ｄθを算出し、前回算出された第２回転角度θ’に回転角度変化量ｄθを加算し、新たな第２回転角度θ’を算出する（Ｓ４）。すなわち、第２回転角度θ’が更新される。更新された第２回転角度θ’は、次回の演算時に偏差Δθを算出する際に用いられる。

回転角度検出装置は、新たに算出した第２回転角度θ’をモータの回転角度（回転体回転速度）として出力する。

このように、磁気式角度センサによって算出された第１回転角度θと前回算出された第２回転角度θ’との偏差Δθがゼロとなるようにフィードバック制御により推定角速度ω’を算出し、さらに推定角速度ω’に基づいて算出される回転角度変化量ｄθを前回算出された第２回転角度θ’に加算することで、モータに流れる交流電流の磁界によって生じる周波数成分（ノイズ）の影響を低減した回転角度を算出することができる。

＜回転角度検出装置１０の概要＞
まず、モータ１、磁気式角度センサ２０および回転角度検出装置１０の関係について図２を参照し説明する。図２は、モータ１、磁気式角度センサ２０および回転角度検出装置１０の関係を示す概略図である。

モータ１は、埋込磁石同期モータである。モータ１は、回転軸２に取り付けられたロータ３と、ハウジング５に取り付けられたステータ４とを備える。なお、モータ１は、埋込磁石同期モータに限られず、表面磁石同期モータなどであってもよい。

回転軸２は、ベアリング６を介してハウジング５に回転自在に支持される。これにより、ロータ３が、回転自在となる。回転軸２は、ハウジング５から外部へ突出する。回転軸２の一方の端部は負荷（不図示）に接続され、もう一方の端部には検出用永久磁石７が取り付けられる。

ロータ３には、図３に示すように、永久磁石３ａが埋め込まれている。図３は、ロータ３および検出用永久磁石７を軸方向から見た場合の概略構成を示す図である。ロータ３には、６つの永久磁石３ａが埋め込まれており、ロータ３の極対数は３である。なお、ロータ３の極対数はこれに限られることはなく、極対数は、４、６などであってもよい。

ハウジング５から外部へ突出する回転軸２の先端には、検出用永久磁石７が取り付けられている。検出用永久磁石７の極対数は１である。なお、検出用永久磁石７の極対数はこれに限られることはなく、複数の極対数であってもよく、ロータ３の極対数よりも少ない極対数である。

図２に戻り、ステータ４は、例えば、電磁鋼板を積層して形成されるステータコアにコイルが巻回されて構成される。コイルには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流が流れる。また、コイルには、ロータ３の極対数および回転速度に対応した周波数の交流電流が流れる。

磁気式角度センサ２０は、ロータ３の回転軸２に取り付けられた検出用永久磁石７に向かい合うように配置される。磁気式角度センサ２０は、磁気抵抗素子やホール素子などを用いて検出用永久磁石７により発生する磁界を検出し、磁界に基づくロータ３の回転角度（回転位置）に関する信号を出力する。

次に、回転角度検出装置１０について図４を参照し説明する。図４は、回転角度検出装置１０の概略ブロック図である。

回転角度検出装置１０は、受信部１１と、検出部１２とを備える。受信部１１は、磁気式角度センサ２０からの信号を受信する。

検出部１２は、第１算出部１３と、第２算出部１４と、第３算出部１５と、第４算出部１６と、出力部１７とを備える。

第１算出部１３は、受信部１１によって受信した信号に基づいてロータ３の第１回転角度θを算出する。

ロータ３が１回転すると、ロータ３と共に回転する検出用永久磁石７による磁界が変化し、１周期分の正弦波（余弦波）が現れる。

しかし、磁気式角度センサ２０からの信号に基づいて算出される第１回転角度θは、モータ１（磁界発生部）のコイルに流れる交流電流によって生じる磁界の影響を受ける。そのため、磁気式角度センサ２０によって検出される第１回転角度θには、コイルに流れる交流電流によって生じる磁界の周波数成分が重畳される。コイルに流れる交流電流によって生じる磁界の周波数成分は、ロータ３の極対数および回転速度に応じた成分である。つまり、ロータ３の極対数に応じて、検出用永久磁石７によって生じる磁界の周波数成分の３倍の周波数成分が、第１回転角度θには含まれる。

第２算出部１４は、第１回転角度θと前回算出された第２回転角度θ’との偏差Δθを算出する。

第３算出部１５は、第２算出部１４によって算出された偏差Δθがゼロとなるようにフィードバック制御を行い、偏差Δθに応じた推定角速度ω’を式（１）により算出する。第３算出部１５は、ＰＩ制御によって推定角速度ω’を算出する。

「Ｋｐ」は、比例項のゲインであり、ここでは、「２ζωｃ」である。「ζ」は、減衰係数であり、０．５〜１．５程度に設定される。「ωｃ」はカットオフ周波数であり、前回算出された推定角速度ω’に対応する角周波数に、検出用永久磁石７の極対数よりも大きく、かつロータ３の極対数よりも小さい値が乗算された値である。

「Ｋｉ」は、積分項のゲインであり、ここでは、「ωｃ^２」である。

また、第３算出部１５は、算出した推定角速度ω’に応じてカットオフ周波数ωｃを更新する。

第４算出部１６は、第３算出部１５によって算出された推定角速度ω’に制御周期Δｔを乗算して回転角度変化量ｄθを算出する。そして、第４算出部１６は、回転角度変化量ｄθを前回算出された第２回転角度θ’に加算し、新たな第２回転角度θ’を算出する。

第２回転角度θ’は、詳しくは後述するが、第２算出部１４〜第４算出部１６までの処理により、コイルに流れる交流電流によって生じる周波数成分の影響が低減された値となる。

出力部１７は、第２算出部１４によって算出された偏差Δθに基づいて第１回転角度θまたは第２回転角度θ’をロータ３の回転角度として出力する。出力部１７は、偏差Δθが所定値以下の場合には第２回転角度θ’をロータ３の回転角度として出力する。尚、偏差を所定値以下か、所定値より大きいかを判断する場合は偏差の絶対値を使用する。以下も同様である。また、出力部１７は、偏差Δθが所定値よりも大きい場合には第１回転角度θをロータ３の回転角度として出力する。所定値は、予め設定された値であり、第２回転角度θ’に基づいてモータ１の交流電流が制御される場合に脱調が発生しない値である。

＜フィルタ処理＞
回転角度検出装置１０は、上記構成によりカットオフ周波数ωｃを有するローパスフィルタと同等の機能を発揮させて第２回転角度θ’を算出する。すなわち、第４算出部１６は、カットオフ周波数ωｃを有するローパスフィルタと同等の機能により、カットオフ周波数ωｃよりも大きい周波数が低減（カット）された新たな第２回転角度θ’を算出する。ここで、これらのフィルタ機能について説明する。

上記した回転角度検出装置１０の第２算出部１４、第３算出部１５および第４算出部１６における処理を伝達関数で示すと図５のようになる。図５は、第２算出部１４、第３算出部１５および第４算出部１６における処理を伝達関数で示した図である。

第３算出部１５のフィードバック制御による処理は、図５（ａ）に示すように、伝達関数では「Ｋｐ＋（Ｋｉ／ｓ）」となり、第４算出部１６における処理は、伝達関数では、「１／ｓ」となる。

図５（ａ）をまとめると、図５（ｂ）に示すように伝達関数は、「（Ｋｐｓ＋Ｋｉ）／（Ｓ^２＋ＫｐＳ＋Ｋｉ）」となり、ローパスフィルタとして機能していることがわかる。

そして、ゲイン「Ｋｐ」を「２ζωｃ」、およびゲイン「Ｋｉ」を「ωｃ^２」とすると、「ωｃ」は、ローパスフィルタと同等の機能を発揮させるカットオフ周波数となる。

このようなカットオフ周波数ωｃを有するフィルタのゲイン−角周波数特性は、図６のようになる。図６は、カットオフ周波数ωｃを有するフィルタのゲイン−角周波数特性を示す図である。

本実施形態では、カットオフ周波数ωｃは、検出用永久磁石７の極対数よりも大きく、かつロータ３の極対数よりも小さい値を、前回算出された推定角速度ω’に乗算した角速度に対応する角周波数である。すなわち、カットオフ周波数ωｃは、検出用永久磁石７によって生じる周波数よりも大きく、かつコイルに流れる交流電流によって生じる周波数よりも小さい値である。

これにより、コイルに流れる交流電流の磁界によって生じる周波数成分である、前回算出された推定角速度ω’にロータ３の極対数を乗算した角速度に対応する角周波数が低減される。一方、検出用永久磁石７の磁界によって生じる周波数成分である、前回算出された推定角速度ω’に対応する角周波数は低減されない。そのため、ロータ３の回転角度を正確に検出することができる。

なお、カットオフ周波数ωｃを大きくすると、コイルに流れる交流電流の磁界によって生じる周波数成分の低減量が小さくなり、ロータ３の回転角度を正確に検出できなくなる。そのため、カットオフ周波数ωｃは、小さくすることが望ましい。

しかし、カットオフ周波数ωｃを小さくし過ぎると、コイルに流れる交流電流の磁界によって生じる周波数成分を十分に低減させることができるが、ロータ３の回転速度の変化量が大きくなった場合に、検出用永久磁石７の磁界によって生じる周波数成分が低減されるおそれがある。

そのため、カットオフ周波数ωｃは、これらの点を考慮し、コイルに流れる交流電流の磁界によって生じる周波数成分を低減しつつ、ロータ３の回転速度の変化量が大きくなった場合でも、ロータ３の回転角度を正確に検出可能となるように設定される。

なお、推定角速度ω’が小さくなりゼロ付近となった場合に、推定角速度ω’に応じたカットオフ周波数ωｃを用いると、カットオフ周波数ωｃがゼロ付近となり、第２回転角度θ’を用いたロータ３の回転角度を検出できなくなるおそれがある。

そのため、推定角速度ω’が所定の低角速度以下となった場合には、カットオフ周波数ωｃは、所定周波数に設定される。所定周波数は、予め設定された値である。

＜回転角度検出処理＞
次に、本実施形態に係る回転角度検出処理について、図７のフローチャートを用いて説明する。図７は、回転角度検出処理を説明するフローチャートである。

第１算出部１３は、磁気式角度センサ２０からの信号に基づいて第１回転角度θを算出する（Ｓ１０）。第２算出部１４は、第１回転角度θと、前回算出された第２回転角度θ’との偏差Δθを算出する（Ｓ１１）。

第３算出部１５は、偏差Δθがゼロとなるようにフィードバック制御を行い、推定角速度ω’を算出し（Ｓ１２）、算出したω’に応じてカットオフ周波数ωｃを更新する（Ｓ１３）。

第４算出部１６は、推定角速度ω’に制御周期Δｔを乗算し、回転角度変化量ｄθを算出する（Ｓ１４）。また、第４算出部１６は、前回算出された第２回転角度θ’に回転角度変化量ｄθを加算し、新たな第２回転角度θ’を算出する（Ｓ１５）。

出力部１７は、偏差Δθと所定値とを比較し（Ｓ１６）、偏差Δθが所定値以下の場合（Ｓ１６：Ｎｏ）には、第２回転角度θ’をロータ３の回転角度として出力する（Ｓ１７）。また、出力部１７は、偏差Δθが所定値よりも大きい場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）には、第１回転角度θをロータ３の回転角度として出力する（Ｓ１８）。

＜実施形態の効果＞
磁気式角度センサ２０からの信号に基づいて算出された第１回転角度θと、前回算出された第２回転角度θ’との偏差Δθに基づいてフィードバック制御により、偏差Δθがゼロとなるように推定角速度ω’が算出される。また、推定角速度ω’に基づいて回転角度変化量ｄθが算出され、前回算出された第２回転角度θ’に回転角度変化量ｄθを加算して第２回転角度θ’が算出される。そして、算出された第２回転角度θ’がロータ３の回転角度として出力される。

これによりコイルに流れる交流電流の磁界によって生じる周波数成分の影響を低減した回転角度を算出することができる。そのため、例えば、算出されたロータ３の回転角度に応じて、コイルに流れる交流電流を正確に制御することができ、モータ１の効率を向上させ、また脱調の発生を抑制することができる。

また、磁気式角度センサ２０をモータ１に近づけて配置した場合でも、コイルに流れる交流電流によって生じる周波数成分の影響を低減した回転角度を算出することができ、回転角度検出装置１０およびモータ１を含むシステムを小型化することができる。

また、前回算出された推定角速度ω’に基づいてカットオフ周波数ωｃが設定され、カットオフ周波数ωｃよりも大きい周波数を低減された新たな第２回転角度θ’が算出される。そして、この第２回転角度θ’がロータ３の回転角度として出力される。

これにより、コイルに流れる交流電流の磁界によって生じる周波数成分を低減した第２回転角度θ’を算出することができ、ロータ３の回転角度を正確に算出することができる。

また、カットオフ周波数ωｃは、検出用永久磁石７の磁界によって生じる周波数よりも大きく、かつコイルに流れる交流電流の磁界によって生じる周波数よりも小さい周波数に動的に設定される。

これにより、検出用永久磁石７の磁界によって生じる周波数成分が低減されることを抑制することができる。また、コイルに流れる交流電流の磁界によって生じる周波数成分を低減することができる。そのため、ロータ３の回転角度を正確に検出することができる。

また、偏差Δθが所定値よりも大きい場合には、第１回転角度θがロータ３の回転角度として出力される。

これにより、偏差Δθが大きい場合には、磁気式角度センサ２０によって検出された第１回転角度θに基づいて、例えば、コイルの交流電流が制御されることで、モータ１で脱調が生じることを抑制することができる。

＜変形例＞
上記実施形態では、出力部１７は、偏差Δθが所定値よりも大きい場合には、第１回転角度θをロータ３の回転角度として出力したが、偏差Δθが第１所定値よりも大きく、かつ第２所定値以下の場合には、第１回転角度θと、第２回転角度θ’との間の回転角度をロータ３の回転角度として出力してもよい。第１所定値および第２所定値は、予め設定された値であり、例えば、第１所定値が所定値に対応する。

これにより、例えば、出力された回転角度に基づいてコイルに流れる交流電流が制御される場合に回転角度の切り替えによる電流の急激な変化によりモータ１の電流制御が不安定になることを抑制することができる。

この場合、出力部１７は、偏差Δθが第２所定値よりも大きくなると第１回転角度θをロータ３の回転角度として出力する。

また、出力部１７は、偏差Δθが第１所定値よりも大きく、かつ第２所定値以下の場合には、偏差Δθが大きくなるにつれて回転角度を第１回転角度θに近い値としてもよい。これにより、偏差Δθが大きくなるにつれて回転角度が徐々に第１回転角度θに近い値になり、電流の急激な変化により電流制御が不安定になることをより抑制することができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ ：モータ(磁界発生部)
２ ：回転軸
３ ：ロータ（回転体）
４ ：ステータ
７ ：検出用永久磁石（磁石）
１０ ：回転角度検出装置
１２ ：検出部
１３ ：第１算出部
１４ ：第２算出部
１５ ：第３算出部
１６ ：第４算出部
１７ ：出力部
２０ ：磁気式角度センサ

Claims (7)

1. 回転体に取り付けられた回転角度検出用の磁石の磁界を検出する磁気式角度センサから出力された信号に基づいて前記回転体の第１回転角度を算出する第１算出部と、
   前記第１回転角度と、前回算出された第２回転角度との偏差がゼロとなるようなフィードバック制御により推定角速度を算出する第２算出部と、
   前記推定角速度に基づいて回転角度変化量を算出する第３算出部と、
   前回算出された前記第２回転角度に前記回転角度変化量を加算して新たな前記第２回転角度を算出する第４算出部と、
   前記第４算出部によって算出された前記第２回転角度を、回転体回転角度として出力する出力部と
   を備えることを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記第４算出部は、
   前回算出された前記第２回転角度に基づいたカットオフ周波数よりも大きい周波数が低減された新たな前記第２回転角度を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記第４算出部は、
   前記磁石の磁界によって発生する周波数よりも大きく、かつ前記磁石以外の磁界発生部の磁界によって発生する周波数よりも小さい周波数である前記カットオフ周波数よりも大きい周波数が低減された新たな前記第２回転角度を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記出力部は、
   前記偏差が所定値よりも大きい場合には、前記第１回転角度を前記回転体回転角度として出力すること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転角度検出装置。
5. 前記出力部は、
   前記偏差が第１所定値よりも大きく、かつ第２所定値以下の場合には、前記第１回転角度と前記第４算出部によって算出された前記第２回転角度との間の回転角度を前記回転体回転角度として出力し、
   前記偏差が前記第２所定値よりも大きい場合には、前記第１回転角度を前記回転体回転角度として出力すること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転角度検出装置。
6. 前記出力部は、
   前記偏差が第１所定値よりも大きく、かつ前記第２所定値以下の場合には、前記偏差が大きくなるにつれて前記第１回転角度に近い値を前記回転体回転角度として出力すること
   を特徴とする請求項５に記載の回転角度検出装置。
7. 回転体に取り付けられた回転角度検出用の磁石の磁界を検出する磁気式角度センサから出力された信号に基づいて前記回転体の第１回転角度を算出する第１算出工程と、
   前記第１回転角度と、前回算出された第２回転角度との偏差がゼロとなるようなフィードバック制御により推定角速度を算出する第２算出工程と、
   前記推定角速度に基づいて回転角度変化量を算出する第３算出工程と、
   前回算出された前記第２回転角度に前記回転角度変化量を加算して新たな前記第２回転角度を算出する第４算出工程と、
   前記第４算出工程によって算出された前記第２回転角度を、回転体回転角度として出力する出力工程と
   を含むことを特徴とする回転角度検出方法。

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