JP2004150931A - モータの回転角度検出装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度を低下させることなく、構造をより簡素化することができるモータの回転角度検出装置、及びその回転角度検出装置を備えた電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】モータの回転軸端部に設けら得たマグネット５５、磁気抵抗センサ５７、及び回転角度演算部６１により、回転角度θ０が検出される。回転角度θ０に基づいて、回転速度Ｄθ及び回転加速度ＤＤθが算出される（Ｓ１２，Ｓ１３）。回転速度Ｄθ及び回転加速度ＤＤθに応じて、速度補正値θＣ１及び加速度補正値θＣ２が算出される（Ｓ１４，Ｓ１５）。速度補正値θＣ１及び加速度補正値θＣ２により、検出回転角度θ０が補正され、補正回転角度θが算出される。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの回転角度を検出する回転角度検出装置、及びその回転角度検出装置を備え、モータによりステアリングの操舵補助を行う電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、ブラシレスモータによりステアリングの操舵補助を行う電動パワーステアリング装置が示されている。この電動パワーステアリング装置はブラシレスモータの回転軸の回転角度検出装置を備え、その回転角度検出装置は、ブラシレスモータの回転軸に固定され、表面及び周面に複数対の磁極が設けられた円板と、この円板に対向する位置に設けられた複数の磁気検出素子とを有する。この回転角度検出装置では、複数の磁気検出素子の出力に基づいて、ブラシレスモータの回転軸の回転角度が検出される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３４３２０６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記回転角度検出装置は、従来より周知の回転角度検出装置であるレゾルバに比べて構造が簡素化されているが、さらに簡素化する余地が残されている。ただし、構造の簡素化によって回転角度の検出精度が低下することは、避けなければならない。
【０００５】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、検出精度を低下させることなく、構造をより簡素化することができるモータの回転角度検出装置を提供すること、及びその回転角度検出装置を備えた電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、モータの回転角度を検出する回転角度検出装置において、前記モータの回転軸の端部に設けられ、１対の磁極を有するマグネットと、該マグネットに対向する位置に設けられ、前記マグネットが発生する磁界に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、該回転角度検出手段の出力に基づいて、前記回転軸の回転速度及び該回転加速度を算出する速度算出手段と、該速度算出手段により算出される回転速度及び回転加速度に応じて、前記回転角度検出手段により検出される回転角度を補正する補正手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、モータの回転軸の端部に設けられ、１対の磁極を有するマグネットが発生する磁界に基づいて回転軸の回転角度が検出される。したがって、従来に比べてより簡単な構成で回転角度を検出することができる。さらに、検出された回転角度が、モータの回転速度及び回転加速度に応じて補正されるので、正確な回転角度を得ることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータ及びその回転角度検出装置を備え、前記モータによりステアリングの操舵補助を行うことを特徴とする電動パワーステアリング装置を提供する。
この電動パワーステアリング装置は、検出精度を維持しながら、構造が簡素化された回転角度検出装置を備えるので、コスト低減及び装置のコンパクト化が可能となり、しかもこの回転角度検出装置により検出される回転角度に基づくモータ駆動制御を行うことにより、良好な操舵フィーリングを得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の一実施形態にかかる電動パワーステアリング装置を模式的に示す図である。電動パワーステアリング装置１０は、操舵機構２３と、この操舵機構２３に補助トルクを加える補助トルク機構２４とを備えている。
【００１０】
操舵機構２３は、ステアリングハンドル１１、ステアリングシャフト１２、自在軸継手１３、ラックアンドピニオン機構３１、ボールジョイント３６，３６、及びタイロッド３７，３７を備えている。ラックアンドピニオン機構３１は、ピニオン軸３２に形成したピニオン３３に、ラック軸３４に形成したラック３５を噛み合わせて構成されている。
【００１１】
ステアリングハンドル１１は、ステアリングシャフト１２及び自在軸継手１３，１３を介してラックアンドピニオン機構３１のピニオン軸３２に連結されている。ラックアンドピニオン機構３１のラック軸３４は、左右のボールジョイント３６，３６及び左右のタイロッド３７，３７を介して左右の操舵輪（車輪）２１，２１を連結する。
【００１２】
運転者がステアリングハンドル１１を操舵すると、この操舵トルクによりラックアンドピニオン機構３１及び左右のタイロッド３７，３７を介して、左右の操舵輪２１，２１が操舵される。
【００１３】
補助トルク機構２４は、操舵トルクセンサ４０、制御部４１、モータ５０、トルクリミッタ４２、及び歯車式減速機構４３を備えている。ステアリングハンドル１１に加えられた操舵トルクが操舵トルクセンサ４０により検出され、この検出信号に基づき制御部４１がモータ５０の駆動信号を出力する。モータ５０は、この駆動信号により駆動され、操舵トルクに応じた補助トルクを発生する。モータ５０が発生する補助トルクは、トルクリミッタ４２並びに歯車式減速機構４３を介してピニオン軸３２に伝達される。
【００１４】
以上を要約すれば、電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングハンドル１１に加えた操舵トルクをラックアンドピニオン機構３１のピニオン軸３２に伝達するとともに、操舵トルクに応じてモータ５０が発生する補助トルクを歯車式減速機構４３を介してピニオン軸３２に伝達し、ラックアンドピニオン機構３１によって操舵輪２１，２１を操舵する。したがって、運転者の操舵トルクにモータ５０の補助トルクを加えた複合トルクによって、操舵輪２１，２１が操舵される。
【００１５】
モータ５０は、より詳細にはブラシレスモータであり、図２に示すように構成されている。すなわち、モータ５０は、回転軸５１と、回転軸５１に固定された磁石５２と、磁石５２に対向する位置に設けられた巻線５３と、ケース５４と、回転軸５１の端部に取り付けられた１対の磁極を有するマグネット５５と、磁気抵抗センサ５７が搭載された回転角度検出用回路基板５６と、巻線５３及び回転角度検出用回路基板５６を制御部４１と接続するためのコネクタ５８とを備えている。磁気抵抗センサ５７は、マグネット５５に対応する位置に、マグネット５５と適宜の距離を隔てて固定されている。
【００１６】
図３は、モータ５０及び制御部４１の構成を示すブロック図である。制御部４１は、モータ５０の駆動制御を行うマイクロコンピュータ６２と、駆動回路６３とにより構成される。回転角度演算部６１は、図２に示す回転角度検出用回路基板５６上の回路により構成される。回転角度演算部６１は、演算により得られる回転角度θ０をマイクロコンピュータ６２に入力する。マイクロコンピュータ６２は、回転角度θ０及び他のセンサの検出信号に応じて、モータ５０の駆動信号を出力し、駆動回路６３を介してモータ５０の巻線５３に駆動電流を供給する。
【００１７】
磁気抵抗センサ５７は、２個の検出素子ユニットを備え、各検出素子ユニットは、４つの磁気抵抗素子がホイートストンブリッジを構成するように接続されて構成されている。２つの検出素子ユニットは、互いに４５度の角度をなすように配置されている。なお、このような磁気抵抗センサは、市販されている。
【００１８】
図４は、これらの２つの検出素子ユニットの出力信号Ｖ１，Ｖ２を示す。この図に示すように、回転軸５１の回転角度に応じて、正弦波状に変化する出力信号が得られるので、この２つの出力信号Ｖ１，Ｖ２に基づく演算処理が、回転角度演算部６１で実行され、回転角度θ０が算出される。
【００１９】
図５は、マイクロコンピュータ６２による演算処理で実現される機能を示す機能ブロック図である。
回転角度補正部８４は、回転角度演算部６１から入力される回転角度θ０の補正を行い、補正回転角度θを算出する。相電流検出部８１は、モータ５０に供給されるＵ相の電流Ｉｕ及びＷ相の電流Ｉｗを検出する。交流／直流変換部８２は、補正回転角度θにより、検出電流Ｉｕ及びＩｗを実効値に変換し、電流補正演算部８３に供給する。
【００２０】
電流補正演算部８３は、検出電流Ｉｕ及びＩｗの実効値を、回転角度θに応じて補正する。より具体的には、予めメモリに格納されている電流補正マップを、回転速度及び回転角度θに応じて検索し、電流補正率ＲＣＩを算出する。そして、電流補正率ＲＣＩを検出電流Ｉｕ及びＩｗの実効値に乗算することにより、補正電流値ＩＱＡＣＴ及びＩＤＡＣＴを算出する。
【００２１】
トルク電流指令部７１及び界磁電流指令部７２は、操舵トルクセンサ４０により検出される操舵トルクに応じて、トルク電流指令値ＩＱＴ及び界磁電流指令値ＩＤＴを算出する。
減算部７３は、トルク電流指令値ＩＱＴと、補正電流値ＩＱＡＣＴとの偏差（ＩＱＴ−ＩＱＡＣＴ）を算出し、該偏差をフィードバック演算部７５に入力する。減算部７４は、界磁電流指令値ＩＤＴと、補正電流値ＩＤＡＣＴとの偏差（ＩＤＴ−ＩＤＡＣＴ）を算出し、該偏差をフィードバック演算部７６に入力する。フィードバック演算部７５は、偏差（ＩＱＴ−ＩＱＡＣＴ）を「０」に収束させるように、トルク電流制御信号Ｖｑを生成し、フィードバック演算部７６は、偏差（ＩＤＴ−ＩＤＡＣＴ）を「０」に収束させるように、界磁電流制御信号Ｖｄを生成する。
【００２２】
直流／交流変換部７７は、トルク電流制御信号Ｖｑ及び界磁電流制御信号Ｖｄを、補正回転角度θにより、交流のＵ相制御信号Ｖｕ、Ｗ相制御信号Ｖｗに変換する。加算部７８は、Ｕ相制御信号Ｖｕ及びＷ相制御信号Ｖｗの符号を反転させて加算し、Ｖ相制御信号Ｖｖを生成する。ＰＷＭタイマ７９は、Ｕ相制御信号Ｖｕ、Ｗ相制御信号Ｖｗ及びＶ相制御信号Ｖｖに応じて、駆動回路６３に供給する駆動信号を生成する。
【００２３】
このようにしてモータ５０（巻線５３）に供給するＵ相、Ｖ相及びＷ相の電流が制御され、モータ５０が所望のトルクを発生する。
【００２４】
図６は、回転角度補正部８４の演算処理を示すフローチャートである。この処理は、マイクロコンピュータ６２により所定時間毎に実行される。
ステップＳ１１では、回転角度演算部６１で演算された回転角度θ０を読み込み、次いで下記式（１）により、回転速度Ｄθを算出する（ステップＳ１２）。
Ｄθ＝θ０（ｎ）−θ０（ｎ−１） （１）
ここでｎは、図６に示す処理の演算周期で離散化したサンプリング時刻である。
【００２５】
ステップＳ１３では、下記式（２）により、回転加速度ＤＤθを算出する。
ＤＤθ＝Ｄθ（ｎ）−Ｄθ（ｎ−１） （２）
ステップＳ１４では、回転速度Ｄθに応じて図７（ａ）に示すθＣ１テーブルを検索し、速度補正値θＣ１を算出する。θＣ１テーブルは、回転速度Ｄθが高くなるほど、速度補正値θＣ１が増加するように設定されている。
【００２６】
ステップＳ１５では、回転加速度ＤＤθの絶対値に応じて図７（ｂ）に示すθＣ２テーブルを検索し、加速度補正値θＣ２を算出する。θＣ２テーブルは、回転加速度ＤＤθが正の値をとるときは、絶対値｜ＤＤθ｜が増加するほど、加速度補正値θＣ２（＞０）が増加するように設定されており（ラインＬ１）、また、回転加速度ＤＤθが負の値をとるときは、絶対値｜ＤＤθ｜が増加するほど、加速度補正値θＣ２（＜０）が減少するように設定されている（ラインＬ２）。
【００２７】
ステップＳ１６では、下記式（３）により、補正回転角度θを算出する。
θ＝θ０＋θＣ１＋θＣ２ （３）
このように、回転速度Ｄθに応じた（ほぼ比例する）速度補正値θＣ１により、検出回転角度θ０を補正することにより、磁気抵抗センサの回転角度の検出遅れを補正することができる。すなわち、磁気抵抗センサによる検出回転角度θ０には検出遅れθＥＲ（＝真の値−θ０）が含まれており、この検出遅れθＥＲは、図８にラインＬ１１で示すように回転速度Ｄθが増加するほど増加する。したがって、速度補正値θＣ１を検出回転角度θ０に加算することにより、この検出遅れθＥＲの影響を無くし、正確な回転角度を得ることができる。
【００２８】
また回転加速度ＤＤθに応じた加速度補正値θＣ２により検出回転角度θ０を補正することにより、回転速度の変化が生じた場合においても回転角度の検出遅れを補正することができる。
【００２９】
以上のように本実施形態では、１対の磁極を有するマグネット５５をモータ５０の回転軸５１の端部に設け、このマグネット５５に対向する位置に磁気抵抗センサ５７を設ける構成を採用したので、マグネット５５を従来に比べて小さく、かつ構造の簡易なものとすることができる。さらに、回転速度Ｄθ及び回転加速度ＤＤθに応じて、検出回転角度θ０を補正するようにしたので、正確な回転角度を得ることができる。その結果、モータ５０の回転を適切に制御し、トルクリップルのない滑らかな操舵補助を行うことができる。
【００３０】
本実施形態では、磁気抵抗センサ５７及び回転角度演算部６１が回転角度検出手段に相当し、マイクロコンピュータ６２が速度算出手段及び補正手段を構成する。具体的には、図６のステップＳ１２及びｓ１３が速度算出手段に相当し、ステップＳ１４〜Ｓ１６が補正手段に相当する。
【００３１】
（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態のブラシレスモータ５０を、ブラシ付きモータ１００に代え、制御部４１を制御部４１ａ（図１０及び図１１参照）に代えたものであり、それ以外の構成は第１の実施形態と同一である。
【００３２】
図９は、モータ１００の構成を示す断面図である。モータ１００は、回転軸１０１と、回転軸１０１に固定された巻線１０３と、巻線１０３に対向する位置に設けられた磁石１０２と、ケース１０４と、回転軸１０１に取り付けられた整流子１０８と、整流子１０８に接触するブラシ１０９と、回転軸１０１の端部に取り付けられ、１対の磁極を有するマグネット５５と、磁気抵抗センサ５７が搭載された回転角度検出用回路基板５６と、巻線５３及び回転角度検出用回路基板５６を制御部４１ａと接続するためのコネクタ１１０とを備えている。
回転角度を検出するための構成は、第１の実施形態のブラシレスモータ５０と同一である。
【００３３】
図１０は、モータ１００及び制御部４１ａの構成を示すブロック図である。制御部４１ａは、モータ１００の駆動制御を行うマイクロコンピュータ６２ａと、駆動回路６３ａとにより構成される。回転角度演算部６１は、図２に示す回転角度検出用回路基板５６上の回路により構成される。回転角度演算部６１は、演算により得られる回転角度θ０をマイクロコンピュータ６２ａに入力する。マイクロコンピュータ６２ａは、回転角度θ０及び他のセンサの検出信号に応じて、モータ１００の駆動信号を出力し、駆動回路６３ａを介してモータ１００の巻線１０３に駆動電流を供給する。
【００３４】
図１１は、マイクロコンピュータ６２ａによる演算処理で実現される機能を示す機能ブロック図である。
回転角度補正部９７は、図５の回転角度補正部８４と同一の機能を有する。すなわち、図６に示す処理により、回転角度演算部６１から入力される回転角度θ０の補正を行い、補正回転角度θを算出する。電流値検出部９５は、モータ１００に供給される直流電流ＩＤＣを検出する。
【００３５】
電流補正演算部９６は、検出電流ＩＤＣを、補正回転角度θに応じて補正する。より具体的には、電流補正演算部９６は、予めメモリに格納されている電流補正マップを、回転速度及び回転角度θに応じて検索し、電流補正率ＲＣＩを算出する。そして、電流補正演算部９６は、電流補正率ＲＣＩを検出電流ＩＤＣに乗算することにより、補正電流値ＩＱＡＣＴを算出する。
【００３６】
トルク電流指令部９１は、操舵トルクセンサ４０により検出される操舵トルクに応じて、トルク電流指令値ＩＱＴを算出する。
減算部９２は、トルク電流指令値ＩＱＴと、補正電流値ＩＱＡＣＴとの偏差（ＩＱＴ−ＩＱＡＣＴ）を算出し、該偏差をフィードバック演算部９３に入力する。フィードバック演算部９３は、偏差（ＩＱＴ−ＩＱＡＣＴ）を「０」に収束させるように、目標電圧ＶＯＢＪを生成する。
【００３７】
ＰＷＭ変換部９４は、ＰＷＭタイマ９４ａを有し、目標電圧ＶＯＢＪに応じた駆動制御信号を生成し、駆動回路６３ａに供給する。
このようにしてモータ１００のブラシ１０９に供給する直流電流が制御され、モータ１００が所望のトルクを発生する。
【００３８】
本実施形態においては、ブラシ付きモータ１００を回転させるために回転軸１０１の回転角度を検出する必要はないが、トルクリップルを低減するためには、回転角度に応じた電流制御を行うことが有効である。すなわち、正確な回転角度を用いて電流補正演算部９６により、電流補正演算を行うことにより、トルクリップルを低減し、良好な操舵フィーリングを得ることができる。
【００３９】
本実施形態では、磁気抵抗センサ５７及び回転角度演算部６１が回転角度検出手段に相当し、マイクロコンピュータ６２ａが速度算出手段及び補正手段を構成する。具体的には、図６のステップＳ１２及びＳ１３が速度算出手段に相当し、ステップＳ１４〜Ｓ１６が補正手段に相当する。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、モータの回転軸の端部に設けられ、１対の磁極を有するマグネットが発生する磁界に基づいて回転軸の回転角度が検出される。したがって、従来に比べてより簡単な構成で回転角度を検出することができる。さらに、検出された回転角度が、モータの回転速度及び回転加速度に応じて補正されるので、正確な回転角度を得ることができる。
【００４１】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載のモータ及びその回転角度検出装置を備え、前記モータによりステアリングの操舵補助を行うことを特徴とする電動パワーステアリング装置が提供される。この電動パワーステアリング装置は、検出精度を維持しながら、構造が簡素化された回転角度検出装置を備えるので、コスト低減及び装置のコンパクト化が可能となり、しかもこの回転角度検出装置により検出される回転角度に基づくモータ駆動制御を行うことにより、良好な操舵フィーリングを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる電動パワーステアリング装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】操舵補助のためのトルクを発生するブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図３】モータの制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】磁気抵抗センサによる回転角度検出方法を説明するための図である。
【図５】モータの制御系の構成をより詳細に示すブロック図である。
【図６】回転角度の補正演算を行う処理のフローチャートである。
【図７】図６の処理で使用されるテーブルを示す図である。
【図８】回転角度の補正の効果を説明するための図である。
【図９】操舵補助のためのトルクを発生するブラシ付きモータの構成を示す断面図である。
【図１０】ブラシ付きモータの制御系の構成を示すブロック図である。
【図１１】ブラシ付きモータの制御系の構成をより詳細に示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 電動パワーステアリング装置
４１ 制御部
５０ モータ
５１ 回転軸
５５ マグネット（回転角度検出手段）
５７ 磁気抵抗センサ（回転角度検出手段）
６１ 回転角度演算部（回転角度検出手段）
６２，６２ａ マイクロコンピュータ
８４，９７ 回転角度補正部（速度算出手段、補正手段）
１００ モータ
１０１ 回転軸

Claims (2)

1. モータの回転角度を検出する回転角度検出装置において、
   前記モータの回転軸の端部に設けられ、１対の磁極を有するマグネットと、
   該マグネットに対向する位置に設けられ、前記マグネットが発生する磁界に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   該回転角度検出手段の出力に基づいて、前記回転軸の回転速度及び該回転加速度を算出する速度算出手段と、
   該速度算出手段により算出される回転速度及び回転加速度に応じて、前記回転角度検出手段により検出される回転角度を補正する補正手段とを備えることを特徴とする回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載のモータ及びその回転角度検出装置を備え、前記モータによりステアリングの操舵補助を行うことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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