(57)【要約】【課題】従来の回転角度検出の校正装置にあっては第２高調波の大きさが分かるものの、位相を考慮できていないという問題点があり、第２高調波の影響を完全に除去できないことがあった。また、ゼロ点パラメータの補正と第２高調波の補正を別々の手段で行なっているため、構造が複雑となってしまうという課題があった。【解決手段】  互いに位相のずれた正弦波状の２相の出力信号を用いて回転角度を検出する、軸倍角がＮ（Ｎは正の整数）の回転角度検出装置であって、２相の出力信号をそれぞれEsin，Ecosとしたとき、Esin、Ecosの直流成分、およびEsin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの第２高調波成分の振幅と位相に依存して発生する角度誤差Ｎ次成分（機械角360度周期の角度誤差を1次とした）を打ち消す手段として、回転角度に対して一定となる補正値を、２相の出力信号Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段を備える。【選択図】図１４
2011149724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸倍角がＮ（Ｎは正の整数）であり、互いに位相のずれた正弦波状の２相の出力信号を用いて回転角度を表わす回転角度信号を出力する回転角度検出装置であって、
前記２相の出力信号をそれぞれEsin、Ecosとしたとき、Esin、Ecosの直流成分、およびEsin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの第２高調波成分の振幅と位相に依存して発生する、機械角３６０度周期の角度誤差を１次としたときの角度誤差Ｎ次成分を打ち消す手段として、前記回転角度に対して一定となる補正量を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段を有することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の回転角度検出装置であって、信号発生装置と信号処理ユニットを備え、前記信号発生装置は、励磁巻線と２相の出力巻線を有するステータと、前記ステータとの間のギャップパーミアンスを回転角度に応じて変動させるロータとを有し、前記２相の出力巻線が、２相の出力電圧を発生し、前記信号処理ユニットは、前記２相の出力電圧に基づいて、前記２相の出力信号Esin、Ecosを発生し、また、前記ロータの回転角度を表わす回転角度信号を出力することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項３】
請求項１記載の回転角度検出装置であって、前記２相の出力信号Esin、Ecosから得られる角度誤差N次成分を、
ε=E_N×sin(Nθ+η)（単位は電気角のラジアン）
ただし、E_Nは任意の実数、ηは任意の実数、θは回転角度（機械角ラジアン）とし、
前記２相の出力信号Esin、Ecosの基本波の振幅をEsin0、Ecos0（単位（Ｖ））としたとき、前記補正手段が、前記２相の出力信号Esin、Ecosに、前記補正量として、
Esin0×E_N×cosη  （単位（Ｖ））、
−Ecos0×E_N×sinη  （単位（Ｖ））
をそれぞれ加算することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項４】
請求項１記載の回転角度検出装置であって、前記２相の出力信号Esin，Ecosから得られる角度誤差N次成分を、
ε=E_N×sin(Nθ+η)（単位は電気角のラジアン）
ただし、E_Nは任意の実数、ηは任意の実数、θは回転角度（機械角ラジアン）とし、
前記２相の出力信号Esin、Ecosの基本波成分の振幅をEsin0、Ecos0（単位は（Ｖ））とし、
前記２相の出力信号Esin、Ecosを、前記基本波成分の振幅をEsin0、Ecos0でそれぞれ規格化したときに、前記補正手段が、前記２相の出力信号Esin、Ecosに、前記補正量として、
E_N×cosη、
−E_N×sinη
をそれぞれ加算することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項５】
請求項１記載の回転角度検出装置であって、前記２相の出力信号Esin、Ecosの直流成分をes、ec（es、ecは任意の実数）とし、前記２相の出力信号Esin、Ecosの第２高調波成分の振幅をes2N、ec2N（es2N、ec2Nは任意の実数）とし、前記第２高調波成分の位相をα2N、β2Ｎ（α2N、β2Ｎは任意の実数）としたときに、前記補正量が、前記直流成分es、ecと、前記振幅es2N、ec2Nと、前記位相α2N、β2Nとから演算されることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項６】
請求項１記載の回転角度検出装置であって、信号処理ユニットを備え、この信号処理ユニットは、前記補正手段とともに、補正量出力手段と、回転角度演算手段を有し、
前記２相の出力信号Esin、Ecosの直流成分に起因する角度誤差Ｎ次成分を表わす第１ベクトルと前記２相の出力信号Esin、Ecosの第２高調波成分に起因する角度誤差Ｎ次成分を表わす第２ベクトルとのベクトルの和を、前記角度誤差Ｎ次成分を表わす第３ベクトルとしたとき、
前記補正量出力手段は、前記第３ベクトルを反転させた第４ベクトルから、リサージュ中心を移動させる誤差補正ベクトルを前記補正量として求め、
前記補正手段は、前記誤差補正ベクトルを前記２相の出力信号Esin、Ecosに加算してリサージュ中心の補正を行ない、
前記回転角度演算手段は、前記誤差補正ベクトルが加算された前記２相の出力信号Esin、Ecosに基づいて、前記回転角度信号を出力することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項７】
請求項１記載の回転角度検出装置であって、さらに、前記２相の出力信号Esin、Ecosの振幅を合わせる振幅補正量出力手段を有することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項８】
請求項１記載の回転角度検出装置を含む回転電機装置であって、回転電機と、この回転電機と一体に組合されたコントローラを備え、
前記コントローラは、前記補正手段と記憶装置を有し、前記回転電機を駆動制御し、
前記補正手段が、前記２相の出力信号Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正量は、前記コントローラと前記回転電機を組合わせた状態で測定された前記出力信号Esin、Ecosに基づいて演算され、
前記記憶装置は、前記補正量を記憶することを特徴とする回転電機装置。
【請求項９】
回転電機と、この回転電機の回転子の回転角度を表わす回転角度信号を発生する回転角度検出装置と、前記回転電機を駆動制御するコントローラとを備え、前記回転電機の回転子を車両のステアリングホイールに結合した車両用の電動パワーステアリング装置であって、
前記回転角度検出装置は、軸倍角がＮ（Ｎは正の整数）であり、互いに位相のずれた正弦波状の２相の出力信号を用いて前記回転子の回転角度を表わす回転角度信号を出力する信号処理ユニットを有し、
この信号処理ユニットは、前記２相の出力信号をEsin、Ecosとしたとき、
機械角３６０度周期の角度誤差を１次としたとしたときの角度誤差Ｎ次成分を打ち消す手段として、前記回転子の回転角度に対して一定となる補正量を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段を有し、
前記補正量は、前記２相の出力信号Esin、Ecosの直流成分、および前記２相の出力信号Esin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの第２高調波成分の振幅と位相から決定され、
前記コントローラは記憶装置を有し、前記記憶装置は、前記補正量を記憶することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【請求項１０】
請求項９記載の電動パワーステアリング装置であって、前記記憶装置には、前記補正量が、車両に組み付ける前に記憶されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レゾルバなどの回転角度検出装置、それを具備した回転電機装置および電動パワーステアリング装置に関するものである。詳しくは、出力信号に含まれる直流成分や高調波成分の影響を除去して角度誤差を低減し、角度検出の精度を向上することのできる回転角度検出装置、それを具備した回転電機装置および電動パワーステアリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両用モータの回転角度検出の用途などには、光学式エンコーダと比べて安価で耐環境性に優れたレゾルバが一般に用いられている。レゾルバの製造ばらつきなどが原因で、出力信号には高調波成分が含まれ、歪んだ波形となっている場合がある。歪みを含んだ出力信号から角度検出を行なうと、角度誤差が発生し、回転角度検出の精度が低下する。このような課題に対して、歪みを含む出力信号をディジタル的に処理し、歪みを除去するようにした信号校正装置が、例えば特許文献１で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−９６１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の信号校正装置にあっては、第２高調波の大きさが分かるものの、その位相を考慮できていないという問題点があり、第２高調波の影響を完全に除去できないことがあった。また、特許文献１の信号校正装置では、ゼロ点パラメータの補正と第２高調波の補正を別々の手段で行なっているため、構造が複雑となってしまうという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を改善するためになされたものであり、第２高調波の位相をも考慮して角度誤差を低減できる回転角度検出装置、それを具備した回転電機装置および電動パワーステアリング装置を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る回転角度検出装置は、軸倍角がＮ（Ｎは正の整数）であり、互いに位相のずれた正弦波状の２相の出力信号を用いて回転角度を表わす回転角度信号を出力する回転角度検出装置であって、前記２相の出力信号をそれぞれEsin、Ecosとしたとき、Esin、Ecosの直流成分、およびEsin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの第２高調波成分の振幅と位相に依存して発生する、機械角３６０度周期の角度誤差を一次としたときの角度誤差N次成分を打ち消す手段として、前記回転角度に対して一定となる補正量を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段を有することを特徴とする。
【０００７】
また、この発明に係る回転電機装置は、前記回転角度検出装置を含む回転電機装置であって、回転電機と、この回転電機と一体に組合されたコントローラを備え、前記コントローラは、前記補正手段と記憶装置を有し、前記回転電機を駆動制御し、前記補正手段が、前記２相の出力信号Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正量は、前記コントローラと前記回転電機を組合わせた状態で測定された前記出力信号Esin、Ecosに基づいて演算され、前記記憶装置は、前記補正量を記憶することを特徴とする。
【０００８】
また、この発明に係る電動パワーステアリング装置は、回転電機と、この回転電機の回転子の回転角度を表わす回転角度信号を発生する回転角度検出装置と、前記回転電機を駆動制御するコントローラとを備え、前記回転電機の回転子を車両のステアリングホイールに結合した車両用の電動パワーステアリング装置であって、前記回転角度検出装置は、軸倍角がＮ（Ｎは正の整数）であり、互いに位相のずれた正弦波状の２相の出力信号を用いて前記回転子の回転角度を表わす回転角度信号を出力する信号処理ユニットを有し、
この信号処理ユニットは、前記２相の出力信号をEsin、Ecosとしたとき、
機械角３６０度周期の角度誤差を１次としたとしたときの角度誤差Ｎ次成分を打ち消す手段として、前記回転子の回転角度に対して一定となる補正量を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段を有し、
前記補正量は、前記２相の出力信号Esin、Ecosの直流成分、および前記２相の出力信号Esin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの第２高調波成分の振幅と位相から決定され、前記コントローラは記憶装置を有し、前記記憶装置は、前記補正量を記憶することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る回転角度検出装置によれば、機械角３６０度周期の角度誤差を一次としたときの角度誤差N次成分を大幅に低減し、角度検出の精度を大幅に向上できる。また、回転角度に対して一定となる補正量をEsin、Ecosの少なくとも一方に加えるだけで、直流成分、およびEsin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの第２高調波成分の振幅と位相を考慮してその影響を除去できるので、出力信号の第２高調波成分の補正を行なう従来技術と比べて、装置の構成が簡単となるという効果も奏する。
【００１０】
また、この発明に係る回転電機装置によれば、２相の出力信号に角度誤差が生じても、出力信号Esin、Ecosの少なくとも一方に補正量を加えることができるので、角度誤差N次成分を十分に低減することができ、結果として、回転電機のトルク脈動を低減し、低振動、低騒音の回転電機装置を得ることができる。
【００１１】
また、この発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、複数の要因によって発生する角度誤差を、簡単な構成により大幅に低減することが可能となる。また、回転角度検出装置の角度誤差が大幅に低減できるので、回転電機のトルク脈動が小さくなり、良好な操舵感覚を得ることができる。記憶装置には補正量を記憶するだけでよいので、従来技術と比べて必要な記憶容量が小さくてすむという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態１で信号発生装置として使用されるレゾルバの断面図である。
【図２】図２は、実施の形態１で使用されるレゾルバの巻線の説明図である。
【図３】図３は、実施の形態１で使用されるレゾルバの励磁巻線と出力巻線の電圧波形と電圧波形から得られる信号波形を示す説明図である。
【図４】図４は、実施の形態１で使用されるレゾルバの信号波形の説明図である。
【図５】図５は、実施の形態１で使用されるレゾルバの信号波形の周波数分析結果を示す説明図である。
【図６】図６は、実施の形態１によるレゾルバ信号のリサージュ波形の説明図である。
【図７】図７は、実施の形態１によるレゾルバ信号のリサージュ波形の説明図である。
【図８】図８は、実施の形態１によるレゾルバ信号のリサージュ波形の説明図である。
【図９】図９は、実施の形態１による角度誤差をベクトル量として捉え振幅と位相に応じてプロットした図である。
【図１０】図１０は、実施の形態１によるレゾルバ信号のリサージュ波形の中心移動についての説明図である。
【図１１】図１１は、従来例による角度誤差波形についての説明図である。
【図１２】図１２は、実施の形態１による角度誤差波形についての説明図である。
【図１３】図１３は、実施の形態１による角度誤差波形の周波数分析結果を示す説明図である。
【図１４】図１４は、実施の形態１における信号処理ユニットを示すブロック図である。
【図１５】図１５は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態２で信号発生装置として使用される磁気式センサの斜視図である。
【図１６】図１６は、実施の形態２で使用される磁気式センサの出力信号の波形の説明図である。
【図１７】図１７は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態３における信号処理ユニットを示すブロック図である。
【図１８】図１８は、実施の形態１〜３による角度誤差低減効果を示す説明図である。
【図１９】図１９は、この発明による回転電機装置の実施の形態４の構成図である。
【図２０】図２０は、実施の形態４における回転電機の断面図である。
【図２１】図２１は、この発明による電動パワーステアリング装置の実施の形態５の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、この発明による回転角度検出装置、回転電機装置、および電動パワーステアリング装置のいくつかの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
実施の形態１．
この発明による回転角度検出装置の実施の形態１は、回転角度検出装置１００であり、信号発生装置２００と信号処理ユニット３００とを組み合わせて構成される。信号発生装置２００には、レゾルバまたは磁気式センサが使用されるが、実施の形態１では、レゾルバ２１０が使用される。この実施の形態１の回転角度検出装置１００は、レゾルバ２１０を使用して角度誤差を低減するように構成される。まず、信号発生装置２００として使用されるレゾルバ２１０について説明し、その後で、信号処理ユニット３００について説明する。
【００１５】
図１は、実施の形態１の回転角度検出装置１００で、信号発生装置２００として使用されるレゾルバ２１０を示す断面図である。このレゾルバ２１０は、具体的には、バリアブルリラクタンス型のレゾルバである。レゾルバ２１０は、ステータ１と、ロータ２を有する。ステータ１は筒状に構成され、その内周には、複数の磁極１ａが、互いに等しい角度間隔で形成され、各磁極１ａには、それぞれ巻線３が配置される。ロータ２は、各磁極１ａと対向するように、ステータ１の内周に配置され、回転軸２ａに取り付けられる。図１は、回転軸２ａに垂直な平面における断面図であり、巻線３に対するインシュレータや巻線３の結線部、コネクタなどの詳細は省略している。
【００１６】
各磁極１ａに配置された巻線３は、それぞれ励磁巻線３ａと、第１出力巻線３ｂと、第２出力巻線３ｃで構成されている。各磁極１ａに配置された励磁巻線３ａ、第１出力巻線３ｂ、および第２出力巻線３ｃの接続態様には各種の接続態様があるが、例えば、各磁極１ａに配置された励磁巻線３ａは互いに直列に接続され、各磁極１ａに配置された第１出力巻線３ａも互いに直列に接続され、また、各磁極１ａに配置された第２出力巻線３ｂも互いに直列に接続される。ロータ２はステータ１の各磁極１ａとのギャップパーミアンスが、ロータ２の回転角度によって変動するような形状となっている。図１では、機械角で３６０度の回転範囲において、ギャップパーミアンスが４回脈動するような形状にロータ２が形成され、４Ｘレゾルバ、すなわち軸倍角Ｎ＝４のレゾルバとして動作する。
【００１７】
図２は、レゾルバ２１０の巻線３の説明図である。励磁巻線３ａには励磁電源４が接続されており、交流電圧が印加され、励磁電流が流れる。励磁電源４の励磁電圧の周波数は、例えば１０（ｋＨｚ）である。第１出力巻線３ｂと第２出力巻線３ｃは、互いに電気角９０度の位相差を成すように、巻数や配置が決定されている。図２は模式図であり、レゾルバ２１０の巻線構造についての理解を助けるために、第１出力巻線３ｂと第２出力巻線３ｃを、互いに直交する方向に配置して示している。第１出力巻線３ｂと第２出力巻線３ｃが互いに電気角９０度の位相差となっているので、それらの出力電圧E1、E2はSINとCOSの関係となる。以下、第１出力巻線３ｂの出力電圧E1をSIN、第２出力巻線３ｃの出力電圧E2をCOSに対応させるものとする。ロータ２が回転すると、第１出力巻線３ｂと第２出力巻線３ｃには、ロータ２の回転角度に応じた振幅の出力電圧E1、E2が現れることになる。
【００１８】
図３は、励磁巻線３ａと出力巻線３ｂ、３ｃで発生される出力電圧E1、E2を表わす出力電圧波形および出力巻線３ｂ、３ｃの出力電圧波形から抽出される出力信号波形を示す説明図であり、レゾルバ２１０のロータ２がある一定速度で回転しているときに測定した出力電圧波形および出力信号波形である。図３（ａ）は、励磁巻線３ａの励磁電圧波形５を示す。図３（ｂ）は、第１出力巻線３ｂで発生される出力電圧E1を表わす出力電圧波形６と、この出力電圧波形６から抽出される出力信号波形７を示す。図３（ｃ）は、第２出力巻線３ｃで発生される出力電圧E2を表わす出力電圧波形８と、この出力電圧波形８から抽出される出力信号波形９を示す。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）の横軸は、ロータ２の回転角度であり、レゾルバ２１０の電気角で示している。なお、レゾルバ２１０の電気角と機械角の関係は、軸倍角をＮ（Ｎは正の整数）とすると、
（電気角）＝（軸倍角Ｎ）×（機械角）
の関係となる。
【００１９】
図３（ａ）に示した励磁電圧波形５は、励磁電源４から一定の振幅の交流電圧が印加されるので、ロータ２の回転角度によって振幅の変化しない波形となっている。図３（ｂ）に示した出力電圧波形６は、励磁電圧波形５により第１出力巻線３ｂに誘導される誘導電圧波形であり、出力信号波形７は、出力電圧波形６と励磁電圧波形５の周波数に同期させて、出力電圧波形６のピーク値を検出した信号波形である。出力信号波形７は、ちょうど出力電圧波形６の包絡線を抽出した波形となっている。出力信号波形７は、レゾルバ２１０のSIN信号に対応する。図３（ｃ）に示した出力電圧波形８は、励磁電圧波形５により第２出力巻線３ｃに誘導される誘導電圧波形であり、出力信号波形９は、出力電圧波形８と励磁電圧波形５の周波数に同期させて、出力電圧波形８のピーク値を検出した信号波形である。出力信号波形９は、レゾルバ２１０のCOS信号に対応する。出力信号波形７、９は、信号処理手段３００に含まれる図１４、図１７の信号抽出手段１５により、出力電圧E1、E2を表わす出力電圧波形６、８から抽出される。
【００２０】
なお、ここでは、出力信号波形７、９は、出力電圧波形６、８のピーク値を検出するとしたが、これに限らない。ノイズ対策のため時間間隔を置いた複数の検出点から推定した値としてもよいし、出力電圧波形が台形波となるようにして、そのピーク値を検出するなどしてもよい。この出力信号波形７、９、すなわちレゾルバ２１０のSIN信号とCOS信号から回転角度を検出することができ、これは、例えば、SIN信号とCOS信号の逆正接を求めることで実現できる。
【００２１】
次に、出力電圧E1、E2を表わす出力信号波形７、９の具体例として、レゾルバ２１０を４Ｘレゾルバとして構成した場合の出力信号波形を図４に示す。図４は、レゾルバ２１０を４Ｘレゾルバとした場合の出力巻線３ｂ、３ｃの出力信号波形であり、横軸はレゾルバ２１０のロータ２の回転角度を機械角で表わす。第１出力巻線３ｂの出力電圧波形６から得たSIN信号に対応する出力信号波形７ａと、第２出力巻線３ｃの出力電圧波形８から得たCOS信号に対応する出力信号波形９ａは、ともに正弦波状の波形となっていて、機械角３６０度の範囲で、軸倍角Ｎと一致する回数（この例では４回）だけ脈動している。また、これらの出力信号波形７ａと出力信号波形９ａは、互いに位相がずれており、その位相差は、機械角２２．５度、すなわちレゾルバ２１０の電気角で、
４×２２．５＝９０度
である。
【００２２】
理想的なレゾルバであれば、これらの出力信号波形７ａと出力信号波形９ａは、高調波成分を含まない正弦波となっているが、実機では、波形が歪み、この波形の歪みが、角度誤差の原因となることがある。図４のSIN信号に対応する出力信号波形７ａと、COS信号に対応する出力信号波形９ａを周波数分析した結果を図５に示す。レゾルバ２１０が４Ｘレゾルバであるので、４次成分が基本波成分となっているが、その他の次数成分が見られる。ここでは、４次成分以外の大きな成分として、０次成分（直流成分）と８次成分（２Ｎ次成分）に着目する。４次成分が基本波成分であるので、８次成分は、２Ｎ次成分であり、基本波に対する第２高調波成分である。
【００２３】
軸倍角Ｎのレゾルバ２１０から出力される出力信号波形７または７ａ、９または９ａに対応する２相の出力信号をEsin、Ecosとし、その基本波成分であるＮ次成分の振幅で規格化すると、ロータ２の回転角度θの関数で表わした出力信号Esin（θ）、Ecos（θ）は、理想的には、
Esin（θ）=sinNθ  （１）
Ecos（θ）=cosNθ  （２）
と表わすことができる。式（１）（２）において、Ｎは軸倍角である。
【００２４】
２相の出力信号Esin、Ecosが、基本波成分と０次成分（直流成分）を含む出力信号E'sin、E'cosである場合、ロータ２の回転角度θの関数で表わした出力信号E'sin（θ）、E'cos（θ）は、
E'sin（θ）=sinNθ+es  （３）
E'cos（θ）=cosNθ+ec  （４）
と表わすことができる。式（３）（４）の出力信号E'sin、E'cosは、基本波成分（４次成分）と０次成分以外の成分は、含まないとしている。この式（３）（４）において、es、ecは一定の値であり、任意の実数である。この出力信号E'sin、E'cosが、０次成分を含むときには、機械角３６０度周期を１次とした角度誤差Ｎ次成分が発生する。この角度誤差Ｎ次成分をレゾルバ２１０の電気角でε(rad)とすると、式（１）（２）（３）（４）から、角度誤差Ｎ次成分εは、次の式（５）と近似することができる。
【００２５】
【数５】
2011149724.tif 000003
ただし、式（５）のξについて、cosξ、sinξは次の式（６）とした。
【００２６】
【数６】
2011149724.tif 000004
【００２７】
一方、２相の出力信号Esin、Ecosが、基本波成分と２Ｎ次成分（第２高調波成分）を含む出力信号E''sin，E''cosである場合、ロータ２の回転角度θの関数で表わした出力信号E''sin（θ）、E''cos（θ）は、２Ｎ次成分の振幅をes2N、ec2Nとし、その位相をα2N、β2Nとすると、
E''sin（θ）=sinNθ+es2N×sin(2Nθ+α2N)  （７）
E''cos（θ）=cosNθ+ec2N×sin(2Nθ+β2N)  （８）
で表わすことできる。式（７）（８）の出力信号E''sin、E''cosは、基本波成分（４次成分）と２Ｎ次成分（第２高調波成分）以外の成分は、含まないとしている。このとき、角度誤差としては一般にＮ次成分と３Ｎ次成分が発生するが、角度誤差Ｎ次成分は、式（１）、（２）、（７）、（８）から近似的に、次の式（９）と書くことができる。
【００２８】
【数９】
2011149724.tif 000005
【００２９】
ただし、式（９）において、ζは位相であり、振幅es2N、ec2N、位相α2N、β2Nによって決まる値である。このように、レゾルバ２１０の角度誤差Ｎ次成分の原因としては、出力信号Esin、Ecosに含まれる０次成分（直流成分）と２Ｎ次成分（第２高調波成分）がある。
【００３０】
図６は、レゾルバ２１０の第１出力巻線３ｂから抽出したSIN信号、すなわち出力信号Esinを縦軸に、その第２出力巻線３ｃから抽出したCOS信号、すなわち出力信号Ecosを横軸に描いたリサージュ波形である。式（３）（４）のように、出力信号Esin、Ecosが、０次成分（直流成分）を含む出力信号E'sin、E'cosである場合には、図６に示すリサージュ波形１０ａとなる。このリサージュ波形１０ａでは、中心ずれが発生する。図６に示すリサージュ波形１０ａの中心は、原点からずれており、リサージュ中心１１ａの位置にずれている。このようなリサージュ波形１０ａから回転角度を求めると、角度誤差として式（５）で示したように、機械角３６０度周期の角度誤差を１次としたときに、角度誤差Ｎ次成分が含まれる。
【００３１】
次に、式（７）（８）のように、出力信号Esin、Ecosが、２Ｎ次成分（第２高調波成分）を含む出力信号E''sin、E''cosである場合には、図７に示すリサージュ波形１０ｂとなる。図７の縦軸は、図６と同様に、レゾルバ２１０の第１出力巻線３ｂから抽出したSIN信号、すなわち出力信号Esinであり、その横軸は、レゾルバ２１０の第２出力巻線３ｃから抽出したCOS信号、すなわち出力信号Ecosである。リサージュ波形１０ｂが、円形から歪んだ波形となっていることがわかる。ただし、出力信号E''sin、E''cosに０次成分がないため、リサージュ波形１０ｂの中心１１ｂは原点に一致している。このようなリサージュ波形１０ｂから回転角度を求めると、角度誤差として式（９）で示したように、機械角３６０度周期の角度誤差を１次としたときに、角度誤差Ｎ次成分が含まれることになる。
【００３２】
さらに、出力信号Esin、Ecosが、０次成分（直流成分）と２Ｎ次成分（第２高調波成分）の両方を含む場合には、図８に示すリサージュ波１０ｃとなる。この図８では、出力信号Esin、Ecosが、基本波成分と０次成分（直流成分）と２Ｎ次成分（第２高調波成分）を含み、それら以外の成分は含まないとしている。図８のリサージュ波形１０ｃは、円形ではなく歪んでおり、リサージュ波形１０ｃの中心１１ｃは原点からずれている。このようなリサージュ波形１０ｃから回転角度を求めると、式（５）で示した角度誤差Ｎ次成分に加えて、式（９）で示した角度誤差Ｎ次成分を合成した角度誤差となる。実機においては、中心ずれがまったくなかったり、また２Ｎ次成分（第２高調波）がまったくないという状態はほとんどなく、程度の差はあれ、図８のようなリサージュ波形１１ｃとなるのが通常である。したがって、中心ずれを補正して原点に移動するだけでは、角度誤差を低減できないと考えられる。
【００３３】
また、特許文献１の第１図、第２図によると、ゼロ点パラメータ算出手段、第二高調波誤差補正用パラメータ算出手段が別々に設けられ、さらに正規化手段と第二高調波除去手段が別々に設けられていて構成が複雑となっているという課題がある。また、第二高調波の大きさが分かるものの、その位相を考慮できていないという問題点があり、第二高調波の影響を完全に除去できないことがあった。さらに、コサイン信号の中心ずれのない場合はmax(x)=min(x)でgx=0となり、サイン信号の中心ずれのない場合はmax(y)=min(y)でgy=0であるので、この場合、特許文献１に記載された式（１）（２）は定数となってしまい意味を成さず、適切に回転角度が検出できないという課題があった。
【００３４】
この発明は、以上のような課題を改善するためになされたものであり、この発明による回転角度検出装置では、簡単な構成で、複数の要因によって発生している角度誤差を同時に低減できる。以下にその内容を説明する。
【００３５】
図９は、角度誤差Ｎ次成分をベクトル量として捉え、振幅と位相に応じてプロットした図である。図９の横軸をＸ、縦軸をＹ（単位はいずれもレゾルバ電気角のrad）とし、Ｎ次成分の角度誤差ε（rad）が、次の式（１０）で表わされるものとする。
ε=E_N×sin(Nθ+η)  （１０）
ただし、式（１０）において、E_Nは任意の実数、ηは任意の実数、θはロータ２の回転角度（機械角ラジアン）とした。式（１０）の角度誤差εは、式（５）で表わされる出力信号Esin、Ecosの０次成分（直流成分）に起因する角度誤差と、式（９）で表わされる出力信号Esin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの２Ｎ次成分（第２高調波成分）に起因する角度誤差との和に等しい。図９では、角度誤差Ｎ次成分は、ベクトル１２ｃで表わされ、このベクトル１２ｃは、原点から点（Ｘ、Ｙ）までの大きさを持つ。点（Ｘ、Ｙ）のＸ軸に対応するＸ値、Ｙ軸に対応するＹ値を次の式（１１）、（１２）とした。
X＝E_N×cosη  （１１）
Y＝E_N×sinη  （１２）
このベクトル１２ｃの長さはE_Nであり、Ｘ軸と成す角度１３ｃはηに一致する。
【００３６】
既に説明したとおり、レゾルバ２１０の角度誤差Ｎ次成分の原因としては、出力信号Esin、Ecosの０次成分（直流成分）と、出力信号Esin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの２Ｎ次成分（第２高調波成分）がある。角度誤差Ｎ次成分は、これら２つの成分に起因する角度誤差の合成と捉えることができる。出力信号Esin、Ecosの０次成分に起因する角度誤差Ｎ次成分を、Ｘ軸と成す角度１３ａ（式（５）ではξとした）のベクトル１２ａであるとし、出力信号Esin、Ecosの２Ｎ次成分に起因する角度誤差Ｎ次成分を、Ｘ軸と成す角度１３ｂ（式（９）ではζとした）のベクトル１２ｂであるとすると、レゾルバ２１０の角度誤差Ｎ次成分のベクトル１２ｃは、ベクトル１２ａとベクトル１２ｂの和となる。
【００３７】
このベクトル１２ｃで表わされる角度誤差Ｎ次成分を低減するには、ベクトル１２ｃをキャンセルする角度誤差を発生させるようにレゾルバ出力信号Esin、Ecosを補正すればよい。言い換えれば、ベクトル（X、Y）、すなわちベクトル１２ｃを反転させたベクトル（−X、−Y）、すなわちベクトル１２ｄを発生させ、このベクトル１２ｄにより、出力信号Esin、Ecosを補正すればよい。
【００３８】
ここで、角度誤差Ｎ次成分は、出力信号Esin、Ecosの０次成分と２Ｎ次成分から発生するが、式（５）（６）に着目すると、リサージュ中心を移動させることにより、任意の振幅と位相の角度誤差Ｎ次成分を発生させることが可能であることが理解される。この発明は、この理解に基づいて、リサージュ中心を移動させることにより、出力信号Esin、Ecosの０次成分と２Ｎ次成分の両方の成分に起因するベクトル１２ｃで示す角度誤差Ｎ次成分を低減するために、ベクトル１２ｄに対応する補正値を発生し、このベクトル１２ｄに対応する補正値を出力信号Esin、Ecosに加算するものである。そこで、ベクトル（−X、−Y）、すなわちベクトル１２ｄを発生させるための出力信号Esin、Ecosの０次成分を求める。
【００３９】
式（３）（４）の場合について考える。この式（３）（４）の場合は、規格化したCOS、SIN信号の平面を考えると、リサージュ中心が、原点からずれて、点（ec、es）に移動する。このときの角度誤差Ｎ次成分は、式（５）（６）で表されるので、式（１０）（１１）（１２）から、角度誤差Ｎ次成分はベクトル（ec、es）に対応することになる。したがって、角度誤差ベクトル（Xe、Ye）をリサージュ中心のずれ（Xc、Yc）に変換するには、
Xc=−Xe、Yc=Ye  （１３）
とすればよい。式（１３）において、Xeにマイナスが付くのは、式（６）のcosξのマイナスが付いているからである。したがって、角度誤差Ｎ次成分を低減するベクトル（−X、−Y）、すなわちベクトル１２ｄを発生させるためのリサージュ中心のずれ（Xc、Yc）、すなわち出力信号Esin、Ecosの０次成分は、
Xc＝X、  Yc＝−Y  （１４）
となる。以上のことから、リサージュ中心を元のリサージュ中心から（X、−Y）だけ移動させれば、角度誤差Ｎ次成分をキャンセルすることができる。このベクトルを誤差補正ベクトルと呼ぶことにする。
【００４０】
以上のことを、リサージュ波形を用いて説明する。図１０はリサージュ波形を示す。横軸はCOS信号を、縦軸はSIN信号をそれぞれ規格化して示す。簡単にするため、高調波によるリサージュの歪みは省略し、円形で示している。リサージュ波形１０ｄは、出力信号Esin、Ecosに０次成分が含まれていて、そのリサージュ中心１１ｄは原点からずれている。このリサージュ波形１０ｄの中心ずれによって発生する角度誤差は、図９のベクトル１２ａに対応する。さらに、出力信号Esin、Ecosに２Ｎ次成分が含まれてリサージュが歪んでいたとすると、これにより発生する角度誤差は、図９のベクトル１２ｂに対応する。これらのベクトル和であるベクトル１２ｃが角度誤差Ｎ次成分となり、これをキャンセルするためのベクトルが（−X、−Y）、すなわちベクトル１２ｄとなる。このベクトル１２ｄを発生させる出力信号Esin、Ecosの０次成分は式（１４）から求められ、図１０のベクトル１４がそれに相当する。元のリサージュ中心のベクトル１１ｄに誤差補正ベクトル１４を加えたベクトル１１ｅにリサージュ中心を移動させるようにすれば、角度誤差Ｎ次成分を大幅に低減できることになる。
【００４１】
別の表現で説明すると以下のようになる。出力巻線３ｂ、３ｃの出力信号Esin、Ecosから得られる角度誤差N次成分を、式（１０）で表されるとし、出力信号Esin、Ecosの基本波成分（ロータ２の１回転を１周期とする成分を１次としたときのN次成分）の振幅をEsin0、Ecos0（単位：Ｖ）としたとき、
出力信号Esin、Ecosに、ロータ２の回転角度に対して一定となる補正値、すなわち、
Esin0×E_N×cosη  （単位：Ｖ）、
−Ecos0×E_N×sinη  （単位：Ｖ）
をそれぞれ加算すると、出力信号Esin、Ecosの直流成分（０次成分）、およびEsin、Ecosの２次高調波成分（２Ｎ次成分）の振幅と位相に依存する角度誤差Ｎ次成分を大幅に低減できることになる。
【００４２】
出力巻線３ｂ、３ｃの出力信号Esin、Ecosを規格化して議論するなら、出力信号Esin、Ecosを、その基本波成分の振幅Esin0、Ecos0でそれぞれ規格化したとき、出力信号Esin、Ecosに、ロータ２の回転角度に対して一定となる補正値として、
E_N×cosη
−E_N×sinη
をそれぞれ加算することで同様の効果が得られる。
【００４３】
また、式（１０）で表わされる角度誤差Ｎ次成分は、式（５）で表わされる角度誤差Ｎ次成分と、式（９）で表わされる角度誤差N次成分とを加えたものであるので、出力信号Esin、Ecosに加算される、ロータ２の回転角度に対して一定となる補正値は、式（５）で表わされる角度誤差Ｎ次成分と、式（９）で表わされる角度誤差Ｎ次成分の和として、演算することもできる。この場合、２相の出力信号Esin、Ecosの直流成分をes、ec（es、ecは任意の実数）とし、前記２相の出力信号Esin、Ecosの第２高調波成分の振幅をes2N、ec2N（es2N，ec2Nは任意の実数）とし、前記第２高調波成分の位相をα2N、β2Ｎ（α2N、β2Ｎは任意の実数）としたときに、前記補正量は、前記直流成分es、ecと、前記振幅es2N、ec2Nと、前記位相α2N、β2Nとから演算されることとなる。
【００４４】
上記の手法の効果を検証するために、リサージュ波形を用いて角度誤差低減の検討を行なった。４Xレゾルバとして構成されたレゾルバ２１０の出力巻線３ｂ、３ｃの出力信号Esin、Ecosを測定し、角度誤差波形を求めた。得られた角度誤差波形を図１１に示す。図１１は、従来例による角度誤差波形についての説明図であり、その横軸はロータ２の回転角度を機械角で表わす。波形Ａは、元の角度誤差波形であり、この波形Ａは出力信号Esin、Ecosに補正処理を行なわず、そのまま角度情報に変換し、真の角度との差を取ったものである。ロータ２の１回転で４回脈動する成分が見られている。これが角度誤差Ｎ次成分（Ｎは軸倍角、ここではＮ=４）である。
【００４５】
まず、この角度誤差Ｎ次成分の低減を目的として、出力信号Esin、Ecosの０次成分（直流成分）だけに対応して、リサージュ波形の中心ずれを原点に移動させる処理を行なった。その結果が図１１の角度誤差波形Ｂであり、この角度誤差波形Ｂは、従来例に対応する波形であり、単に図６に示すリサージュ波形の中心ずれだけを原点に移動させる処理を行なった場合の波形である。角度誤差波形Ｂでは、誤差波形に変化が見られるものの、４次成分がほとんど低減できておらず、角度誤差の振幅があまり変化していない。これは、リサージュ波形に歪みが生じていて、出力信号Esin、Ecosに図５に示すように０次成分のほか、８次（２Ｎ次）成分が含まれているからである。リサージュ中心を原点に移動させることで、出力信号Esin、Ecosの０次成分に起因する角度誤差４次成分（角度誤差Ｎ次成分）は低減できたものの、出力信号Esin、Ecosの８次（２Ｎ次）成分に起因する角度誤差４次成分を低減できなかったことが原因である。すなわち、出力信号Esin、Ecosの０次成分（直流成分）だけに対応して、リサージュ中心ずれを補正するだけでは、角度誤差を十分低減できない。
【００４６】
次に、図１０に示すように、この発明により、出力信号Esin、Ecosの０次成分（直流成分）、およびその８次成分（２Ｎ次成分）の両方の成分に起因する角度誤差を考慮して、リサージュ波形の中心をずらす手法を適用した。結果を図１２に示す。図１２は、この発明の実施の形態１による角度誤差波形についての説明図である。角度誤差波形Ｃが、この発明の実施の形態１に対応する波形である。角度誤差４次成分が大幅に低減され、角度誤差のピークからピーク値（p−p値）が約１／２まで低減できている。
【００４７】
効果を詳しく確認するため、角度誤差の周波数分析を行なった結果を図１３に示す。図１３は、実施の形態１による角度誤差波形の周波数分析結果を示す説明図であり、図１３の横軸は、角度誤差の次数であり、縦軸は、０値からピーク値までの角度誤差（0−p）である。この図１３において、白い棒グラフは、元の角度誤差波形Ａに対応する角度誤差を示し、ハッチングを付けた棒グラフは、従来例の角度誤差波形Ｂに対応する角度誤差を示し、黒い棒グラフは、この発明の実施の形態１による角度誤差波形Ｃに対応する角度誤差である。角度誤差４次（Ｎ次）成分が、従来例では低減できていないのに対し、この発明の実施の形態１では、大幅に低減できている。この発明の実施の形態１では、元の角度誤差波形Ａの４次成分が、僅か３％にまで低減できている。今回の例では角度誤差８次成分があるため、角度誤差のp−p値では約半分となっているが、角度誤差の８次成分のほとんどないレゾルバであれば、この発明の効果をさらに発揮できることになる。
【００４８】
さて、図１４は、実施の形態１の回転角度検出装置１００に使用される信号処理ユニット３００の具体例を示すブロック図である。この図１４では、信号処理ユニット３００は、信号処理ユニット３１０として構成される。この信号処理ユニット３１０は、信号発生装置２００、例えばレゾルバ２１０と組み合わせて使用される。この信号処理ユニット３１０は、信号抽出手段１５、補正手段１６と、角度演算手段１７と、リサージュ中心の補正量出力手段１８と含む。これらの信号抽出手段１５、補正手段１６と、角度演算手段１７と、リサージュ中心の補正量出力手段１８は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成される。軸倍角Ｎのレゾルバ２１０の出力巻線３ｂ、３ｃの出力電圧E1、E2は、信号抽出手段１５に入力される。信号抽出手段１５は、出力電圧E1、E2から２相の出力信号Esin、Ecosを抽出し、この出力信号Esin、Ecosを補正手段１６へ出力する。リサージュ波形中心の補正量出力手段１８では、出力信号Esin、Ecosに含まれる０次成分と２N次成分からリサージュ中心の補正用のベクトル量を演算し、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを演算し、これらの補正量を補正手段１６へ出力する。補正手段１６では、補正量出力手段１８により得られた補正値Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを受けて、出力信号Esin、Ecosに、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを加算し、リサージュ波形の中心を移動させる。換言すれば、出力信号Esin、Ecosに０次成分として、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηをそれぞれ加える。
【００４９】
言い換えれば、レゾルバ２１０の角度誤差ε（rad）を、
ε=E_N×sin(Nθ+η)  （１０）  （再掲）
としたとき、補正手段１６は、出力信号Esin、Ecosに、
Esin0×E_N×cosη  （単位：Ｖ）、
−Ecos0×E_N×sinη  （単位：Ｖ）
をそれぞれ加算する。ただし、Esin0、Ecos0（単位：Ｖ）はレゾルバ信号の基本波信号（ロータ２の１回転を１周期とする成分を１次としたときのＮ次成分）の振幅とした。なお、出力信号Esin、Ecosに加算する補正値Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηは、リアルタイムに出力信号Esin、Ecosをモニタしながら演算してもよいし、予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値を記憶装置に記憶しておく方式でもよい。そして、補正手段１６から出力される出力信号、すなわち補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを加算した出力信号Esin、Ecosは、角度演算手段１７によってロータ２の回転角度θに変換される。角度演算手段１７は、例えば、補正手段１６から出力される出力信号Esin、Ecosからその逆正接、tan-1(Esin/Ecos)を求めることで回転角度θを演算する。
【００５０】
特許文献１の第１図においては、信号波形の０次に起因する角度誤差と２Ｎ次に起因する角度誤差に対して、ゼロ点パラメータ算出手段と正規化手段、さらに第二高調波誤差補正用パラメータ算出手段と第二高調波除去手段を設けている。これでは、角度誤差低減のプロセスが複雑であり、信号波形の０次成分と２Ｎ次成分（特許文献１では第二高調波としている）を別々に対処する必要が生じ、演算負荷が大きくなってしまうという課題があった。しかしながら、この発明の構成では、リサージュ波形の中心を移動させる処理だけで信号波形の０次成分に起因する角度誤差と２N次成分に起因する角度誤差の両方に対応できる。すなわち、簡単な構成で複数の要因によって発生している角度誤差を同時に低減できるのである。したがって、角度誤差低減のプロセスが単純化され、演算負荷も小さくできるという効果がある。演算負荷が小さくなるので、レゾルバ２１０を搭載したモータを駆動する場合、コントローラに使われるＣＰＵのコスト低減ができるという効果もある。
また、出力信号Esin、Ecosの２Ｎ次成分の位相をも考慮できるので、２Ｎ次成分の影響をほぼ完全に除去できるという効果もある。さらに、リサージュ波形に中心ずれがなく，原点と一致している場合、特許文献１では検出できないという課題があったが、この発明では問題なく角度検出可能となる。
【００５１】
なお、実施の形態１では、軸倍角Ｎ＝４のレゾルバ２１０について示したが、当然これに限らない。任意の軸倍角Ｎ（Nは正の整数）で適用可能である。
【００５２】
以上により、軸倍角がＮ（Ｎは正の整数）であり、互いに位相のずれた正弦波状の２相の出力信号を用いて回転角度を表わす回転角度信号を出力する回転角度検出装置１００であって、
前記２相の出力信号をそれぞれEsin、Ecosとしたとき、Esin、Ecosの直流成分、およびEsin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの第２高調波成分の振幅と位相に依存して発生する、機械角３６０度周期の角度誤差を１次としたときの角度誤差Ｎ次成分を打ち消す手段として、前記回転角度に対して一定となる補正値を、Esin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段１６を有することにより、角度誤差N次成分を大幅に低減でき、角度誤差の小さい回転角度検出装置１００を得ることができる。
【００５３】
また、実施の形態１では、信号発生装置２００としてバリアブルリラクタンス型のレゾルバ２１０を使用したが、これに限ったことではない。ブラシレスレゾルバでも同様の効果が得られるし、その他の構成でも角度演算のための信号がSIN、COSの関係となっている回転角度検出装置であれば、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５４】
また、信号処理ユニット３１０のリサージュ中心の補正量出力手段１８は、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを演算し、これらの補正量を補正手段１６へ出力するように構成したが、リサージュ中心の補正量出力手段１８が、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを構成する個々の補正要素Esin0、E_N、sinηおよびcosηを演算し、補正手段１６がこれらの個々の補正要素に基いて、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを演算し、これらの補正量を出力信号Esin、Ecosに加算するようにすることもできる。
【００５５】
実施の形態２．
図１５は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態２で使用される磁気式センサ２２０を示す斜視図である。この磁気式センサ２２０は、信号発生装置２００を構成し、実施の形態１におけるレゾルバ２１０に代わって使用される。この磁気式センサ２２０では、Ｎ極とＳ極が、一定の領域（図１５では、円周を二分する１８０度の領域）で切替わるように着磁された円筒状の永久磁石２０が、シャフト２１に機械的に接続されていて、永久磁石２０とシャフト２１はともに自在に回転可能となっている。永久磁石２０にギャップを介して対向するように、ホールセンサ２２が配置されている。このホールセンサ２２は、シャフト２１の回転方向に互いに９０度だけ異なる回転位置に配置された２つのホール素子を含む。永久磁石２０が回転することにより、ホールセンサ２２付近の磁界が変化し、ホールセンサ２２の各ホール素子のホール電圧が正弦波状に変化する。
【００５６】
この磁気式センサ２２０では、レゾルバ２１０のように励磁巻線３ａを使用しないので、図１４の信号抽出手段１５を使用せずに、ホールセンサ２２から、直接出力信号Esin、Ecosを出力することができる。したがって、この磁気式センサ２２０を使用する場合には、信号処理ユニット３００の信号抽出手段１５が省略される。ホールセンサ２２の各ホール素子の出力信号の波形を図１６に示す。２相の正弦波状の出力信号７ｂ、９ｂが、互いに９０度位相がずれた波形となっている。出力信号７ｂがSIN信号、すなわちEsinであり、出力信号９ｂがCOS信号、すなわちEcosである。出力信号７ｂ、９ｂに０次成分や第２高調波成分が含まれると角度誤差Ｎ次成分が発生するが、このような磁気式センサ２２０に、図１４に示す信号抽出手段１５を削除した信号処理ユニット３００を組合わせた回転角度検出装置においても、この発明は同じ効果を得ることができる。
【００５７】
実施の形態３．
実施の形態１では、軸倍角がＮのレゾルバ２１０において、出力信号Esin、Ecosの０次成分と２N次成分に起因する角度誤差Ｎ次成分を除去するため、リサージュ波形の中心を移動する手法および構成について述べた。この実施の形態１では、角度誤差N次成分は低減できるが、その他の成分が大きい場合には角度誤差のp−p値を十分低減できない。例えば、Esin、Ecosの基本波成分の振幅が異なる場合には、２Ｎ次の角度誤差成分が発生するので、この角度誤差２Ｎ次成分を補正する手段を設ければよい。
【００５８】
図１７は、この発明による回転角度検出装置の実施の形態３で使用される信号処理ユニット３２０を示すブロック図である。この信号処理ユニット３２０は、信号処理ユニット３００を構成し、例えば実施の形態１で使用されたレゾルバ２１０と組み合わせて使用される。この信号処理ユニット３２０は、実施の形態１で使用された信号処理ユニット３１０に、振幅補正量出力手段１９を追加したものである。
【００５９】
この信号処理ユニット３２０では、軸倍角Ｎのレゾルバ２１０の出力巻線３ｂ、３ｃの出力電圧E1、E2から、信号抽出手段１５で抽出した２相の出力信号Esin、Ecosは、補正手段１６に送られる。リサージュ波形中心の補正量出力手段１８では、出力信号Esin、Ecosに含まれる０次成分と２N次成分からリサージュ中心の補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを演算し、これらの補正量を補正手段１６へ出力する。補正手段１６では、補正量出力手段１８により得られた補正値Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを受けて、出力信号Esin、Ecosに、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηを加算し、リサージュ波形の中心を移動させる。換言すれば、出力信号Esin、Ecosに０次成分として、補正量Esin0×E_N×cosη、およびEcos0×E_N×sinηをそれぞれ加える。
【００６０】
言い換えれば、レゾルバ２１０の角度誤差ε（レゾルバの電気角のrad）を、
ε=E_N×sin(Nθ+η)  （１０）  （再掲）
としたとき、補正手段１６は、出力信号Esin、Ecosに、
Esin0×E_N×cosη  （単位：Ｖ）、
−Ecos0×E_N×sinη  （単位：Ｖ）
をそれぞれ加算する。ただし、Esin0、Ecos0（単位：Ｖ）は、出力信号Esin、Ecosの基本波成分（ロータ２の１回転を１周期とする成分を１次としたときのＮ次成分）の振幅とした。なお、出力信号Esin、Ecosに加算する補正量は、リアルタイムに出力信号Esin、Ecosをモニタしながら演算してもよいし、予め測定しておいた出力信号から計算した補正量を記憶装置に記憶しておく方式でもよい。
【００６１】
さらに、信号処理ユニット３２０では、出力信号の振幅補正量出力手段１９を設けている。この振幅補正量出力手段１９は、出力信号Esin、Ecosの基本波成分の振幅がEsinとEcosで異なっている場合に、それらの出力信号Esin、Ecosいずれか一方、あるいは両方の信号に乗算される振幅補正量を演算し、この振幅補正量を補正手段１６へ出力する。この振幅補正量は、出力信号Esin、Ecosのいずれか一方、あるいは両方に乗算される定数である。補正手段１６は、出力信号Esin、Ecosに補正量Esin0×E_N×cosη（単位：Ｖ）、−Ecos0×E_N×sinη（単位：Ｖ）を加算する処理を行なうとともに、出力信号Esin、Ecosにいずれか一方、あるいは両方に、前記振幅補正量を乗じて、出力信号Esin、Ecosの基本波成分の振幅を一致させる処理を行なう。そして、補正手段１６から出力された信号Esin、Ecosは、角度演算手段１７によってロータの回転角度θに変換される。角度演算手段１７は、例えば、補正手段１６から出力される信号Esin、Ecosから、それらの逆正接、tan-1(Esin/Ecos)を求めることで回転角度θを演算する。なお、信号処理ユニット３２０が磁気式センサ２２０に組合される場合には、信号抽出手段１５は省略される。
【００６２】
このような構成の信号処理ユニット３２０を使用することによって、角度誤差２Ｎ次成分を除去することが可能となり、実施の形態１よりも、角度検出誤差の低減効果が大きい。また、特許文献１の第１図よりも簡単な構成で角度誤差低減が可能となり、角度誤差低減のプロセスが単純化され、演算負荷も小さくできるという効果がある。演算負荷が小さくなるので、レゾルバ２１０を搭載したモータを駆動する場合、コントローラに使われるＣＰＵのコスト低減ができるという効果もある。
【００６３】
図１８は、実施の形態３の効果を説明するために、角度誤差を比較して示した図であ  る。図１８の縦軸は角度誤差のp−p値を、図１１、１２の波形Ａで示す元の角度誤差波形で規格化した値である。棒グラフａは、元の角度誤差波形を示す波形Ａに対応する角度誤差であり、規格化され、大きさは１．０００である。棒グラフｂは、従来例を示す図１１の波形Ｂに対応し、リサージュの中心ずれを原点に移動させた場合の角度誤差であり、大きさは、０．９９７である。棒グラフｃは、実施の形態１で述べた出力信号の０次成分と２N次成分を考慮してリサージュ中心を移動させた場合の角度誤差であり、大きさは、０．５５４である。棒グラフｄは、実施の形態３で述べた、出力信号の０次成分と２Ｎ次成分を考慮してリサージュ中心を移動させる手法と、出力信号Esin、Ecosの振幅を合せる手法の両方を適用した場合の角度誤差であり、大きさは０．３５７である。実施の形態１では角度誤差が約１／２に低減されており、また実施の形態３では角度誤差が約３６％にまで低減されていることがわかる。
【００６４】
実施の形態４．
図１９は、この発明による回転電機装置の実施の形態４を示す。この実施の形態４の回転電機装置４００は、回転電機４１０にコントローラ４３０を一体に組合わせて構成される。回転電機４１０は、具体的には永久磁石型モータであり、信号発生装置２００、例えばレゾルバ２１０または磁気式センサ２２０を組込で構成される。コントローラ４３０は、信号処理ユニット３００と記憶装置３５０を含む。信号処理ユニット３００は、実施の形態１における回転角度信号処理ユニット３１０または実施の形態３における信号処理ユニット３２０を使用して構成される。記憶装置３５０は、信号処理ユニット３００とともに、コントローラ４３０に組込まれる。この記憶装置３５０は、信号処理ユニット３００におけるリサージュ中心の補正量出力手段１８が出力する補正量を記憶し、補正手段１６に供給する。信号処理ユニット３００が、実施の形態３の信号処理ユニット３２０で構成される場合には、記憶装置３５０は、リサージュ中心の補正量出力手段１８が出力する補正量とともに、振幅補正量出力手段１９が出力する振幅補正量を記憶し、補正手段１６に供給する。信号発生装置２００と、信号処理ユニット３００と、記憶装置３５０は、回転角度検出装置１００を構成する。
【００６５】
図２０は、回転電機４１０として使用される永久磁石型モータ４２０を示す断面図である。この図２０は、永久磁石型モータ４２０について、回転軸に平行な平面上の断面図を示したものである。永久磁石型モータ４２０は、回転子４３０と、固定子４４０と、信号発生装置２００を備えている。信号発生装置２００は、例えばレゾルバ２１０である。回転子４３０の回転子鉄心４３１の表面に、永久磁石４３２が設けられている。回転子鉄心４３１にシャフト４３３が圧入されており、このシャフト４３３は、軸受４４１、４４２を介して固定子４４０により、回転自在となるように支持されている。回転子４３０には、２相の出力電圧E1、E2を発生するレゾルバ２１０が設けられている。
【００６６】
このレゾルバ２１０は、ステータ１を固定子４４０に固定し、ロータ２は、シャフト４３３に固定される。ステータ１には、巻線３が配置される。固定子４４０の固定子鉄心４４３は、永久磁石４３２にギャップを介して対向するように設けられる。固定子鉄心４４３は、例えば電磁鋼板を積層して構成されたり、圧粉鉄心によって構成されていてもよい。固定子鉄心４４３には電機子巻線４４４が巻回されている。固定子４４０は、フレーム４５０に圧入や焼きばめなどによって固定され、さらにフレーム４５０は、ハウジング４６０に固定されている。
【００６７】
このような永久磁石型モータ４２０においては、電機子巻線４４４に通電することにより、回転子４３０が回転駆動される。レゾルバ２１０に角度誤差が発生すると、ロータ２の回転角度が正しく検出できず、電機子巻線４４４に通電される電流位相が理想的な位相からずれてしまう。角度誤差は脈動するので、電流の位相もそれに応じて脈動し、結果としてトルク脈動になる。軸倍角Ｎのレゾルバ２１０では、ロータ２の機械角３６０度周期の角度誤差を１次成分としたときの角度誤差Ｎ次成分があり、トルク脈動もＮ次成分や倍の次数２Ｎ次成分が現れる。トルク脈動が発生すると、騒音や振動が大きくなるため、静粛性が要求される電動パワーステアリング装置に使用する場合にはトルク脈動を小さくする必要がある。
【００６８】
このような構成にしておけば、レゾルバ２１０に角度誤差が生じても、出力信号Esin、Ecosの少なくとも一方に補正量を加えることができるので、角度誤差N次成分を十分に低減することができ、結果として、永久磁石型モータ４２０のトルク脈動を低減し、低振動、低騒音の永久磁石型モータ４２０を得ることができる。
【００６９】
記憶装置３５０に記憶させる補正値Esin0×E_N×cosη（単位：Ｖ）、−Ecos0×E_N×sinη（単位：Ｖ）は、リアルタイムに出力信号Esin、Ecosをモニタしながら補正量出力手段１８により演算してもよいし、予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値でもよい。予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値を記憶しておけば、角度演算の計算負荷を減らすことができ、演算装置を安価にできるという効果もある。特許文献１の構成よりも簡単な構成により、複数の要因によって発生する角度誤差を、大幅に低減することが可能となる。
【００７０】
また、永久磁石型モータ４２０とコントローラ４３０が一体となっているので、永久磁石型モータ４２０に搭載されたレゾルバ２１０の角度誤差にばらつきが生じても、予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値を記憶しておけば、ばらつきの影響を低減し、トルク脈動の小さいモータを得ることができるという効果もある。
【００７１】
実施の形態５．
図２１は、この発明による電動パワーステアリング装置の実施の形態５を示す構成図である。この実施の形態５の電動パワーステアリング装置５００は、実施の形態４による回転電機装置４００を使用して構成される。
【００７２】
図２１において、電動パワーステアリング装置５００には、自動車のステアリングホイール５０２から操舵力を伝えるためのコラムシャフト５０３が設けられている。コラムシャフト５０３には、例えばウォームギヤで構成されるギヤ５０４（図では詳細は省略し、ギヤボックスのみ示している）が接続されており、コントローラ４３０によって駆動される永久磁石型モータ４２０の出力（トルク、回転数）を、回転方向を直角に変えながら伝達し、同時に減速し、アシストトルクを増加させる。ハンドルジョイント５０５は、操舵力を伝えると共に、回転方向も変える。ステアリングギヤ５０６（図では詳細は省略し、ギヤボックスのみ示している）は、コラムシャフト５０３の回転を減速し、同時にラック５０７の直線運動に変換し、所要の変位を得る。このラック５０７の直線運動により車輪を動かし、車両の方向転換等を可能とする。
【００７３】
このような電動パワーステアリング装置５００においては、永久磁石型モータ４２０の回転角度検出装置１００として、光学式エンコーダに比べて低コストで耐環境性に優れたレゾルバ２１０が用いられることが多い。しかしながら、レゾルバ２１０に角度誤差が発生すると、角度誤差の次数に応じた次数のトルク脈動が発生し、騒音、振動の原因になったり、良好な操舵感覚を得ることができないという課題があった。
【００７４】
軸倍角がＮ（Ｎは正の整数）であるレゾルバ２１０の第１出力巻線３ｂと第２出力巻線３ｃの出力信号をそれぞれEsin、Ecosとしたとき、レゾルバ２１０の機械角３６０度周期の角度誤差を１次としたときの角度誤差N次成分を打ち消す手段として、レゾルバ２１０の回転角度に対して一定となる補正値Esin0×E_N×cosη（単位：Ｖ）、−Ecos0×E_N×sinη（単位：Ｖ）をEsin、Ecosの少なくとも一方に加算する補正手段１６を備えており、この一定となる補正値は、これまでの実施の形態で述べたようにEsin、Ecosの直流成分、およびEsin、EcosのＮ次成分を基本波成分としたときの第２高調波の振幅と位相から決定されるとした。さらに、コントローラ４３０には記憶装置３５０が具備され、この記憶装置３５０は、出力信号Esin、Ecosに加算する前記補正値を記憶することとした。
【００７５】
このような構成とすることで、複数の要因によって発生する角度誤差を、簡単な構成により大幅に低減することが可能となる。また、回転角度検出装置１００の角度誤差が大幅に低減できるので、永久磁石型モータ４２０のトルク脈動が小さくなり、良好な操舵感覚を得ることができる。実施の形態１の信号処理ユニット３１０を使用する場合、記憶装置３５０には、２つの補正値、すなわちレゾルバ２１０の回転角度に対して一定となる補正値Esin0×E_N×cosη（単位：Ｖ）、−Ecos0×E_N×sinη（単位：Ｖ）を記憶するだけでよいので、従来と比べて必要な記憶容量が小さくてすむという効果もある。
【００７６】
さらに、永久磁石型モータ４２０とコントローラ４３０を車両に組み付ける前に、角度誤差低減のための補正量Esin0×E_N×cosη（単位：Ｖ）、−Ecos0×E_N×sinη（単位：Ｖ）を記憶させる場合、永久磁石型モータ４２０に備えられた回転角度検出装置１００の角度誤差にばらつきが生じても、予め測定しておいた出力信号Esin、Ecosから計算した補正値を記憶しておけば、ばらつきに影響されず、トルク脈動の小さい電動パワーステアリング装置を得ることができるという効果もある。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明による回転角度検出装置は、例えば回転電機の回転角度検出装置として利用することができ、またこの発明による回転電機装置は、例えば車両用の電動パワーステアリング装置に利用することができ、また、この発明による電動パワーステアリング装置は、車両に利用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１００：回転角度検出装置、２００：信号発生装置、２１０：レゾルバ、
２２０：磁気式センサ、３００、３１０、３２０：信号処理ユニット、
３５０：記憶装置４００、回転電機装置、４１０：回転電機、
４２０：永久磁石型モータ、４３０：コントローラ、
５００：電動パワーステアリング装置、
１：ステータ、２：ロータ、３ａ：励磁巻線、３ｂ：第１出力巻線、
３ｃ：第２出力巻線、３：巻線、４：励磁電源、５：励磁電圧波形、
６：第１出力巻線の電圧波形、７：第１出力巻線の出力信号、
１６：補正手段、１７：角度演算手段、１８：リサージュ中心の補正量出力手段、
１９：振幅補正量出力手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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