(57)【要約】【課題】演算負荷を低減しつつ、モータの回転角を検出することのできるモータの回転角検出装置を提供すること。【解決手段】本発明のモータの回転角検出装置は、モータ１の回転位置に関する信号を出力するレゾルバ２と、レゾルバ２の出力信号に基づいてモータ１の回転角を演算する回転角演算手段５とを備え、回転角演算手段５が、エリアジングが生じるサンプリング周波数でサンプリングしたレゾルバ２の出力信号に基づいてモータ１の回転角を演算することを特徴としている。本発明のモータの回転角検出装置によれば、レゾルバ２の出力信号を意図的にエリアジングが生じるサンプリング周波数でサンプリングすることで、モータ１の回転角の検出に悪影響を及ぼすことなく演算負荷を低減させることができる。【選択図】　　　図１
2004077136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転角を検出するモータの回転角検出装置であって、
前記モータの回転位置に関する信号を出力するレゾルバと、前記レゾルバの出力信号に基づいて前記モータの回転角を演算する回転角演算手段とを備え、
前記回転角演算手段が、エリアジングが生じるサンプリング周波数でサンプリングした前記レゾルバの出力信号に基づいて前記モータの回転角を演算することを特徴とするモータの回転角検出装置。
【請求項２】
モータの回転角を検出するモータの回転角検出方法であって、
前記モータの回転位置に関する信号を出力するレゾルバの出力信号をエリアジングが生じるサンプリング周波数でサンプリングし、サンプリングした前記レゾルバの出力信号に基づいて前記モータの回転角を演算することを特徴とするモータの回転角検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの回転角を検出するモータの回転角検出装置及び検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの回転角を検出する装置としては、特開平２００１−８６７８６号公報に記載のものなどが知られている。この公報に記載の検出装置は、レゾルバを備えており、レゾルバが検出するモータの回転位置に基づいてモータの回転角が演算される。レゾルバは、モータのロータと同軸に取り付けられた回転体と、この回転体の周囲に配設された励磁巻線・ｓｉｎ出力巻線・ｃｏｓ出力巻線とを有している。発信機から励磁巻線にリファレンス信号（正弦波電圧）が入力されると、ｓｉｎ出力巻線及びｃｏｓ出力巻線から、回転体との距離に応じたｓｉｎ信号（電圧）及びｃｏｓ信号（電圧）がそれぞれ出力される。上述した公報に記載の発明は、所定のタイミングでサンプリングしたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号をプログラム処理してモータの回転角を演算によって算出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プログラム処理に際して、検出対象となる信号（ここでは、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号）のサンプリングは検出対象信号の最高周波数成分（ここでは、リファレンス信号の周波数になる）の２倍以上の周波数で行うのが一般的である。サンプリング周波数を２倍以上にするのは、エリアジングを回避するためであるが、サンプリング周波数が高いのでサンプリングされるデータ量は多くなり、その分演算負荷が高いという状況があった。従って、本発明の目的は、演算負荷を低減しつつ、モータの回転角を検出することのできるモータの回転角検出装置及び検出方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のモータの回転角検出装置は、モータの回転位置に関する信号を出力するレゾルバと、レゾルバの出力信号に基づいてモータの回転角を演算する回転角演算手段とを備え、回転角演算手段が、エリアジングが生じるサンプリング周波数でサンプリングしたレゾルバの出力信号に基づいてモータの回転角を演算することを特徴としている。
【０００５】
請求項２に記載のモータの回転角検出方法は、モータの回転位置に関する信号を出力するレゾルバの出力信号をエリアジングが生じるサンプリング周波数でサンプリングし、サンプリングしたレゾルバの出力信号に基づいてモータの回転角を演算することを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明のモータの回転角検出装置（方法）の一実施形態について、図面を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の検出装置の機構自体は、従来のものと同様である。本発明の検出装置（方法）は、検出した信号の処理に特徴がある。図１に示されるように、モータ１に付随して、このモータ１の回転位置に関する信号を出力するレゾルバ２が配設されている。レゾルバ２は、モータ１の内部に一体化されていても良い。
【０００７】
本実施形態のモータ１は三相交流モータで、バッテリ３から供給される直流電源がインバータ４で交流電源に変換され、この交流電源でモータ１が駆動される。モータ１の駆動は、インバータ４と接続された制御部５によって制御されている。制御部５は、ＥＣＵやＲＡＭ、ＲＯＭなどからなる電子制御ユニットであり、レゾルバ２が出力する信号を元にモータの回転角を演算によって算出する役割もある。即ち、この制御部５は、回転角演算手段として機能している。
【０００８】
レゾルバ２は、その内部にモータ１の回転軸と連結する回転体２０を有している。回転体２０は、その回転軸に直角な平面において楕円形状を有している。回転体２０の周囲には、励磁コイル２１、ｓｉｎコイル２２、及び、ｃｏｓコイル２３が配設されている。回転体２０の回転軸に対して、ｓｉｎコイル２２の位置とｃｏｓコイル２３の位置とは９０度ずれている。
【０００９】
励磁コイル２１には、交流電源２４によって励磁信号（リファレンス信号）が印可される。リファレンス信号はｓｉｎ波信号（ｓｉｎωｔ）であり、アンプ２５を介して制御部５にも入力されており、制御部５においてもリファレンス信号がモニタされている。励磁コイル２１にリファレンス信号が印可されると、ｓｉｎコイル２２及びｃｏｓコイル２３からは、モータ１の回転に応じて回転する回転体２０との距離に応じたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号がそれぞれ出力される。モータの回転に応じてｓｉｎコイル２２又はｃｏｓコイル２３と回転体２０との距離が変わるので、これらの信号がモータの回転位置を示す信号となる。これらの信号は、それぞれアンプ２６，２７を介して制御部５に入力されている。
【００１０】
制御部５に入力されるｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号は、モータの回転角をθ、各信号の振幅をＡとすれば、それぞれＡ・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ，Ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔと表される。ｓｉｎ信号（Ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ）及びｃｏｓ信号（Ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）を図２（ａ）及び図２（ｂ）にそれぞれ示す。図２（ａ）及び図２（ｂ）から分かるように、ｓｉｎ信号（Ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ）及びｃｏｓ信号（Ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）の包絡線を求めることで、Ａ・ｓｉｎθ及びＡ・ｃｏｓθを求めることが出来る。また、（Ａ・ｓｉｎθ）／（Ａ・ｃｏｓθ）＝ｔａｎθであるから、モータ１の回転角θはθ＝ｔａｎ−１［（Ａ・ｓｉｎθ）／（Ａ・ｃｏｓθ）］として求めることが出来る。
【００１１】
ｓｉｎ信号やｃｏｓ信号は、リファレンス信号（ｓｉｎωｔ）の振幅を、Ａ・ｓｉｎθやＡ・ｃｏｓθに基づいて振幅変調させた信号と言え、リファレンス信号をデータ通信における搬送波として捉えれば、ｓｉｎ信号やｃｏｓ信号はＡＭ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）波であると捉えることができる。制御部５に入力されたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号の処理は、まずＡ／Ｄ変換された後、サンプリングされる。このとき、サンプリング周波数は、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号に対してエリアジングが発生する周波数に設定される。この状況を説明する説明図を図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す。
【００１２】
信号をサンプリングする際、検出しようとする信号の最高周波数成分の２倍以上のサンプリングレートでサンプリングすることでエリアジングを回避するのが通常である。しかし、ここでは、敢えて、エリアジングを生じるサンプリング周波数でサンプリングする。その一例が図３（ａ）である。被検出信号であるｃｏｓ信号に対して、エリアジングを生じるサンプリングレートでサンプリングされた信号値が、グラフ上に●で示されている。サンプリングされた信号（●）に基づいて波形を求めたものが、図３（ａ）中にエリアジングさせたサンプリング信号の波形として示されている。
【００１３】
このように、エリアジングさせた結果、ｃｏｓ信号とサンプリングによって得られた波形との間には相違が生じる。しかし、上で述べたように、ここではモータ１の回転角θを検出するために、ｃｏｓ信号の包絡線であるＡ・ｃｏｓθを求めることとなる。包絡線であるＡ・ｃｏｓθをエリアジングを生じた信号に基づいて求めても、同様の（ノイズのないシステムでは全く等価の）包絡線が得られるので回転角θを求める上で問題ない。エリアジングを生じるサンプリン周波数とすることは、データ量を低減することになる。
【００１４】
すなわち、上述したように敢えてエリアジングを生じるサンプリング周波数でサンプリングしても必要な回転角を算出することができ、その際の演算に用いられるデータ量を少なくすることができる。エリアジングを生じるサンプリング周波数でサンプリングすることで、かえって演算負荷低減というメリットを得られる。なお、図３（ａ）〜図３（ｃ）にはｃｏｓ信号を例に図示したが、ｓｉｎ信号についても同様である。また、ここでは、理想的な波形で検討したが、実際にはノイズ成分なども考慮することとなるが、エリアジングを生じるサンプリング周波数でサンプリングすることで、演算負荷を低減しつつ回転角θの算出が可能となることは上述したとおりである。
【００１５】
図３（ｂ）や図３（ｃ）は、エリアジングを生じさせつつも、図３（ａ）とは異なるサンプリングレートを採用した場合を示している。図３（ａ）では、サンプリングレートの一周期で四点のサンプリングが行われる。これに対して、図３（ｂ）では六点、図３（ｃ）では八点のサンプリングが行われる。演算負荷の低減という意味では、サンプリング数の少ない四点サンプリングの方が好ましい。ノイズなどを考慮してより実際のｃｏｓ信号に近いデータ処理を行おうとした場合はサンプリング数の多い図３（ｃ）の方が好ましいとも言える。
【００１６】
具体的には、図３（ａ）に示される四点サンプリングの場合は、リファレンス信号の周波数が５ｋＨｚ（一周期２００μｓ）の場合、１５０μｓ毎のサンプリングを行う。従来は、２００μｓの半分以上（被検出信号の最高周波数成分の２倍以上）の５０μｓ毎にサンプリングしていたが、これを１５０μｓ毎とする。図３（ａ）〜図３（ｂ）には示されていないが、三点サンプリングの場合は、同様に考えて１３３．３３μｓ毎のサンプリングを行えばよいこととなる。
【００１７】
データの状態やリファレンス信号の周波数などを考慮して、エリアジングを生じさせるためにどの程度のサンプリングレートとするかは適宜決定すればよい。なお、図３（ａ）〜図３（ｃ）のグラフにおいては、横軸の時間軸のスケールが一致していない。何れのグラフも、サンプリングの程度が分かりやすいように、サンプリングレートの一周期分を示してある。
【００１８】
次に、サンプリング後のデータ処理（包絡線を求めることに相当するデータ処理）について説明する。本実施形態では、サンプリングしたデータに基づいて、正規直交基底を用いた処理を行うことで回転角θを算出する。上述したように、回転角θを得るためには、ｓｉｎ信号やｃｏｓ信号の包絡線（振幅の変化）を求めることとなる。ここでは、これらの信号（サンプリングしたデジタル信号）ｆｋを、次式（Ｉ）で表せるとし、正規直交基底を用いた手法によって式（Ｉ）中のＡ，Ｂ，Ｃを求める。
【００１９】
【数１】
2004077136.tif 000003
【００２０】
なお、ここでは、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す３つの基底ベクトルΦ（０），Φ（１），Φ（２）を用いる。一般に、Ｎ次元のベクトルｘ＝｛ｘ０，ｘ１，・・・，ｘＮ−１｝のノルム（ｎｏｒｍ，大きさ）‖ｘ‖は、次元Ｎの大きさに左右されないように、次に示す式（ＩＩ）又は式（ＩＩＩ）のように定義されることが多い。
【００２１】
【数２】
2004077136.tif 000004
【００２２】
【数３】
2004077136.tif 000005
【００２３】
上述した基底ベクトルΦ（０），Φ（１），Φ（２）の各ノルム‖Φ（０）‖，‖Φ（１）‖，‖Φ（２）‖を式（ＩＩ）又は式（ＩＩＩ）を用いて計算すれば、‖Φ（０）‖＝‖Φ（１）‖＝‖Φ（２）‖＝１となり、３つの基底ベクトルは正規性があると言える。
【００２４】
また、一般に、二つのＮ次元のベクトルｘ＝｛ｘ０，ｘ１，・・・，ｘＮ−１｝とｙ＝｛ｙ０，ｙ１，・・・，ｙＮ−１｝との内積＜ｘ，ｙ＞は、次に示す式（ＩＶ）又は式（Ｖ）のように定義される。
【００２５】
【数４】
2004077136.tif 000006
【００２６】
【数５】
2004077136.tif 000007
【００２７】
上述した基底ベクトルΦ（０），Φ（１），Φ（２）の各ベクトルの内積を式（ＩＶ）又は式（Ｖ）を用いて計算すれば、＜Φ（０），Φ（１）＞＝＜Φ（０），Φ（２）＞＝＜Φ（１），Φ（２）＞＝０となることから、３つの基底ベクトルは直交性もあると言える。即ち、Φ（０），Φ（１），Φ（２）は、正規直交基底となる。
【００２８】
データ処理するｓｉｎ信号（又はｃｏｓ信号）の連続する四つ［図３（ａ）の四点サンプリングの場合］のサンプル値ｆ０，ｆ１，ｆ２，ｆ３を有するデジタル信号ｆ＝｛ｆ０，ｆ１，ｆ２，ｆ３｝を、上述した正規直交基底ベクトルΦ（０），Φ（１），Φ（２）を用いて、次式（ＶＩ）のように表した［直交展開した：一次結合の形に合成した］とき、デジタル信号ｆと各正規直交基底ベクトルΦ（０），Φ（１），Φ（２）との各内積をＦ０，Ｆ１，Ｆ２［展開係数］として求めると、式（ＶＩＩ）〜式（ＩＸ）のようになる。
【００２９】
【数６】
2004077136.tif 000008
【００３０】
【数７】
2004077136.tif 000009
【００３１】
【数８】
2004077136.tif 000010
【００３２】
【数９】
2004077136.tif 000011
【００３３】
即ち、上述した展開係数Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２を用いることで、ｓｉｎ信号（又はｃｏｓ信号）ｆｋは次式（Ｘ）のように表される。また、式（ＶＩ）からも、下記式（Ｘ）が成立することは説明するまでもない。
【００３４】
【数１０】
2004077136.tif 000012
【００３５】
この式（Ｘ）に、図４（ａ）〜図４（ｃ）のΦｋ（０），Φｋ（１），Φｋ（２）を表す式を代入すると、次式（ＸＩ）となる。
【００３６】
【数１１】
2004077136.tif 000013
【００３７】
ここで、式（ＸＩ）の右辺第２項と第３項とを、以下に示す「三角関数の合成公式：式（ＸＩＩ）」を用いてまとめると、式（ＸＩ）全体を次式（ＸＩＩＩ）のように書ける。
【００３８】
【数１２】
2004077136.tif 000014
【００３９】
【数１３】
2004077136.tif 000015
【００４０】
ここで、式（Ｉ）と式（ＸＩＩＩ）との比較からＡ，Ｂ，Ｃが求められ、これらのＡ，Ｂ，Ｃに式（ＶＩＩ）〜式（ＩＸ）を代入することで、最終的にＡ，Ｂ，Ｃはサンプリングしたデータによって次式（ＸＩＶ）のように示される。
【００４１】
【数１４】
2004077136.tif 000016
【００４２】
このようにすることで、ｓｉｎ信号（又はｃｏｓ信号）の位相をＣとして、包絡線を描くピーク値（振幅）をＢとして求めることができる。なお、Ａはオフセット値となる。この手法によれば、ｓｉｎ信号やｃｏｓ信号を意図的にエリアジングさせてサンプリングすることで演算負荷を低減しつつ、エリアジングさせなかった場合と等しい包絡線を算出し、これからモータの回転角θを算出することができる。
【００４３】
本発明のモータの回転角検出装置又は検出方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、四点サンプリングを例に説明したが、六点サンプリング［図３（ｂ）］や八点サンプリング［図３（ｂ）］を用いても同様に正規直交基底を用いて回転角θを算出することができる。また、上述した実施形態におけるモータ１は三相交流モータであったが、本発明の検出装置及び検出方法が適用できるモータがこの形式に限定されるというものではない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のモータの回転角検出装置又は検出方法によれば、レゾルバの出力信号を意図的にエリアジングが生じるサンプリング周波数でサンプリングすることで、演算負荷を低減しつつ、モータの回転角を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータの回転角検出装置の一実施形態の構成図である。
【図２】リファレンス信号、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号の様子を示すグラフである。
【図３】エリアジングの様子を示すグラフであり、（ａ）はエリアジングされた波形の一周期あたりに四点のサンプリングがなされる場合、（ｂ）は一周期あたりに六点のサンプリングがなされる場合、（ｃ）は一周期あたりに八点のサンプリングがなされる場合を示している。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、三つの正規直交基底ベクトルを説明する説明図である。
【符号の説明】
１…モータ、２…レゾルバ、３…バッテリ、４…インバータ、５…制御部（回転角演算手段）、２０…回転体、２１…励磁コイル、２２…ｓｉｎコイル、２３…ｃｏｓコイル、２４…交流電源、２５，２６，２７…アンプ。
【図１】
2004077136.tif 000017
【図２】
2004077136.tif 000018
【図３】
2004077136.tif 000019
【図４】
2004077136.tif 000020