JP2005043094A

JP2005043094A - 回転角度検出装置及びトルク検出装置

Info

Publication number: JP2005043094A
Application number: JP2003200521A
Authority: JP
Inventors: Naoki Maeda; 直樹前田
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】センサ出力のオフセットの影響を確実に排除することができる回転角度検出装置及びトルク検出装置を提供する。
【解決手段】時間の関数である回転体の回転角度θに応じて、それぞれ関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθを基本とする２信号を出力する回転検出手段と、当該２信号を時間で微分して得た微分係数に相当する量からｔａｎθを求め、その逆関数としてのθに、微分に伴う位相の進みを考慮して回転角度を演算する演算装置とを設ける。また、トーションバーを介した入出力それぞれについて同様に回転角度θ１，θ２を求めることにより、その差に基づいてトルクが検出される。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として自動車のステアリング装置に用いられる回転角度検出装置及びトルク検出装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
【０００３】
電動パワーステアリング装置は、ドライバーが与えた操舵トルクに基づいて、モータにより操舵補助力を生じさせるものであるため、操舵に伴う操舵軸の回転角度を検出する装置や、これに基づいてトルクを検出する装置が併設されている。回転角度検出装置は、例えば歯車状のターゲットと、これに対向する磁気センサとを備えており、ターゲットの凹凸に対応して磁気センサが出力する信号に基づいて、演算処理により回転角度が検出される。磁気センサは互いに９０°の位相差を呈するＡ，Ｂ２相の構成からなり、基本的にｓｉｎθ、ｃｏｓθの２信号を出力する。この出力に基づいて演算装置によりｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθの値から（ｔａｎ^−１）の演算が行われ、θが求められる（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−５０１２５号公報
【特許文献２】
特開２００３−８３８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような従来の回転角度検出装置では、温度変化やセンサ取付位置の誤差等により、Ａ，Ｂ２相のセンサ出力のゲインのばらつきや、オフセットのばらつきが生じる。ここで、ゲインのばらつきはＡ，Ｂ各相の比が揃う傾向にあるので補正しやすく、また、ｔａｎ^−１の演算においては一般に影響が小さい。しかしながら、オフセットの影響は軽視できず、角度検出に誤差を生じる大きな要因となる。角度検出の誤差はトルク検出の誤差につながり、これによって、電動パワーステアリング装置では、適切な操舵補助力を発生させることができなくなる。一方、センサ出力波形の最大値及び最小値を検出してその中点電圧を求め、これによりオフセットの影響を排除することは可能である（例えば、特許文献２参照。）が、回転開始初期には最大値も最小値も判明していないため、確実にオフセットの影響を排除することはできない。このため、回転開始初期の操舵フィーリングが良くない。
【０００６】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明はセンサ出力のオフセットの影響を確実に排除することができる回転角度検出装置及びトルク検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の回転角度検出装置は、時間の関数である回転体の回転角度θに応じて、それぞれ関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθを基本とする２信号を出力する回転検出手段と、前記２信号を時間で微分して得た微分係数に相当する量からｔａｎθを求め、その逆関数としてのθに、微分に伴う位相の進みを考慮して回転角度を演算する演算装置とを備えたものである。
上記のように構成された回転角度検出装置は、回転検出手段の出力信号に含まれているオフセットが、微分により消去される。また、ｔａｎθの逆関数としてのθに、微分に伴う位相の進みを考慮して回転角度が演算される。
【０００８】
上記回転角度検出装置において、微分係数に相当する量とはサンプリング時間Δｔあたりの信号の変化量ΔＶであり、演算装置は回転角度θから角速度ωを求め、ωの大小に応じてΔｔを変化させることが好ましい。
この場合、角速度が速い場合にはサンプリング時間を短くし、角速度が遅い場合にはサンプリング時間を長くすることにより、常に適度な分解能で回転角度を演算し、正確にこれを求めることができる。
【０００９】
また、本発明のトルク検出装置は、時間の関数である入力側回転体の回転角度θ１に応じて、それぞれ関数ｓｉｎθ１及びｃｏｓθ１を基本とする２信号を出力する入力側回転検出手段と、トーションバーを介して前記入力側回転体と接続された関係にある出力側回転体の時間の関数である回転角度θ２に応じて、それぞれ関数ｓｉｎθ２及びｃｏｓθ２を基本とする２信号を出力する出力側回転検出手段と、前記各２信号を時間で微分して得た微分係数に相当する量からｔａｎθ１，ｔａｎθ２を求め、それらの逆関数としてのθ１とθ２との差に基づいて入出力間のトルクを演算する演算装置とを備えたものである。
上記のように構成されたトルク検出装置では、入力側及び出力側の各回転検出手段の出力信号に含まれているオフセットが、微分により消去される。また、ｔａｎθ１，θ２の逆関数としてのθ１とθ２との差に基づいてトルクが演算される。
【００１０】
上記トルク検出装置において、微分係数に相当する量とはサンプリング時間Δｔあたりの信号の変化量ΔＶであり、演算装置は回転角度θ１又はθ２から角速度ωを求め、ωの大小に応じてΔｔを変化させることが好ましい。
この場合、角速度が速い場合にはサンプリング時間を短くし、角速度が遅い場合にはサンプリング時間を長くすることにより、常に適度な分解能で回転角度を演算し、これに基づいて正確にトルクを求めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の回転角度検出装置によれば、オフセットの影響を確実に排除して回転角度を正確に求めることができる。
また、本発明のトルク検出装置によれば、オフセットの影響を確実に排除してトルクを正確に求めることができる。従って、当該トルク検出装置をステアリング装置に採用した場合には、操舵による回転開始初期の操舵フィーリングを改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態によるトルク検出装置を備えたステアリング装置（電動パワーステアリング装置）の構造を示す図である。このトルク検出装置は、同時に、回転角度検出装置でもある。当該ステアリング装置は、例えば自動車に搭載され、操舵部材（ハンドル）１とピニオン２との間に、操舵軸３を介在させたものである。操舵軸３は、その中心に設けられたトーションバー３１と、トーションバー３１の入力側（上方）に固定された入力軸３２と、トーションバー３１の出力側（下方）に固定された出力軸３３と、入力軸３２に外嵌固定された第１ターゲット板３４と、出力軸３３に外嵌固定された第２ターゲット板３５とを備えている。入力軸３２と出力軸３３とは互いに同軸に配置されているが、相互には直接接続されず、トーションバー３１を介して接続されている。また、第１ターゲット板３４と第２ターゲット板３５とは、互いに同軸に配置されている。
【００１３】
上記各ターゲット板３４，３５は、平歯車状の形態を成し、磁性体から成る外周の歯が、入力軸３２、出力軸３３の各軸周りに周方向へ等間隔で凹凸の「ターゲット」を形成している。各ターゲット板３４，３５の歯数は、同数（例えば３６）である。
なお、上記の各ターゲット板３４，３５は、入力軸３２や出力軸３３とは別体であって外嵌される構造であるが、入力軸３２や出力軸３３を磁性体とし、対応するターゲット板３４，３５と一体に形成してもよい。
また、平歯車状のターゲット板３４，３５に代えて、スリット状の多数の孔が周方向に等間隔で形成されたリング状のターゲットや、外周面に磁極のＮ・Ｓを交互に配置したターゲットを用いることもできる。
【００１４】
一方、出力軸３３にはウオームホイール４が取り付けられ、これが、モータ６の出力軸に取り付けられたウオーム５と噛み合っている。モータ６の回転は、ウオーム５及びウオームホイール４を介してピニオン２に伝達され、操舵補助力となる。ピニオン２の回転は、ラック７の直線運動に変換され、左右のタイロッド８を介して操向車輪９が転舵される。
【００１５】
上記各ターゲット板３４，３５の外周の歯に対向して、２段２列に４個の磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２が配置され、これらはセンサボックス１０に収められている。センサボックス１０は車体の所定位置に固定されている。センサＡ１，Ｂ１は、第１ターゲット板３４の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置されている。同様に、センサＡ２，Ｂ２は、第２ターゲット板３５の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置されている。
【００１６】
上記磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２は、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）等、磁界の作用により抵抗が変化する特性を有する素子を用いたもので、対向する各ターゲット板３４，３５の外周の凹凸に応じて周期的に変化する信号電圧を出力する。従って、磁気センサＡ１，Ｂ１の出力は、入力軸３２及び第１ターゲット板３４の角変位に対応したものとなり、磁気センサＡ２，Ｂ２の出力は、出力軸３３及び第２ターゲット板３５の角変位に対応したものとなる。
【００１７】
磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２の出力は、Ａ／Ｄコンバータ（図示せず。）を介して、演算装置２１に入力される。演算装置２１は、ＣＰＵ、メモリ等を内蔵するものである。また、駆動回路２２は、演算装置２１からの指令に基づいて、モータ６を駆動する。
【００１８】
図２は、上記トーションバー３１、入力軸３２、出力軸３３、各ターゲット板３４，３５、及び、磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２を模式的に表した図である。第１ターゲット板３４は、入力軸３２と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ１，Ｂ１の出力信号が変化する。すなわち、第１ターゲット板３４と磁気センサＡ１，Ｂ１とは、入力軸３２の回転に応じた信号を出力する回転検出手段を構成している。ここで、磁気センサＡ１とＢ１との配置の、対向する凹凸に対する電気角における位相差は、π／２であるように設定されている。磁気センサＡ１，Ｂ１からの出力信号（電圧）は、いずれも正弦波（又は余弦波）に近いものであり、互いに位相がπ／２ずれていることにより、各信号は、一方を正弦波とすれば、他方が余弦波である。
【００１９】
同様に、第２ターゲット板３５は、出力軸３３と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ２，Ｂ２の出力信号が変化する。すなわち、第２ターゲット板３５と磁気センサＡ２，Ｂ２とは、出力軸３３の回転に応じた信号を出力する回転検出手段を構成している。また同様に、磁気センサＡ２とＢ２との配置の、対向する凹凸に対する電気角における位相差は、π／２であるように設定されている。
【００２０】
ここで、操舵部材１の中立位置からの第１ターゲット板３４，第２ターゲット板３５の回転角度をそれぞれθ１，θ２とする。磁気センサＡ１，Ｂ１の出力する信号は、一方がｓｉｎθ１、他方がｃｏｓθ１であるから、第１ターゲット板３４が磁気センサＢ１から磁気センサＡ１の方向へ回転する場合、磁気センサＡ１，Ｂ１の各出力Ｖ_Ａ１，Ｖ_Ｂ１は、基本的には、Ｖ_Ａ１＝ｓｉｎθ１、Ｖ_Ｂ１＝ｃｏｓθ１の形をとる。しかしながら、実際には、センサ出力のゲインのばらつきや、オフセットのばらつきが生じるため、磁気センサＡ１，Ｂ１の各出力Ｖ_Ａ１，Ｖ_Ｂ１は、以下のように表される。
Ｖ_Ａ１＝Ｖ_ｍａ・ｓｉｎθ１＋α ．．．（１）
Ｖ_Ｂ１＝Ｖ_ｍｂ・ｃｏｓθ１＋β ．．．（２）
ここで、Ｖ_ｍａ，Ｖ_ｍｂは振幅、α，βはオフセットである。また、θ１は、時間の関数であり、θ１＝ω_１・ｔ（ω_１：角速度、ｔ：時間）と表すことができる。従って、上記各出力Ｖ_Ａ１，Ｖ_Ｂ１は時間の関数である。
【００２１】
上記各出力Ｖ_Ａ１，Ｖ_Ｂ１を連続的に受け取る演算装置２１は、所定のサンプリング時間ΔｔあたりのＶ_Ａ１，Ｖ_Ｂ１の変化量ΔＶ_Ａ１，ΔＶ_Ｂ１を、以下のように演算する。

【００２２】
上記の如く変化量を見ることにより、式（３），（４）に示すように、オフセットα，βは消去される。ここで、Δｔは演算装置２１におけるＣＰＵの処理実行周期であり非常に小さいことを考慮すれば、式（３），（４）の演算の結果は、式（１），（２）を時間で微分して微分係数を求める演算の結果と実質的に同じである。すなわち、

の演算を行うことになり、微分により、オフセットα，βは消去されている。
【００２３】
次に、演算装置２１は、式（５），（６）の比をとり、

を求める。ここで、（−Ｖ_ｍｂ／Ｖ_ｍａ）はセンサ出力のゲイン比であり、これは略一定である。従って、このゲイン比を予め求めておき、その逆数を式（７）に乗じて消去することができる。この結果、ｔａｎθ１＝Ｘを得ることができるので、演算装置２１は、逆関数としてのθ１を求めることができる。なお、ｔａｎθ１からθ１を求めるため、演算装置２１には、ｔａｎ値とそれに対応する角度θとの参照テーブルであるｔａｎ探索テーブルが記憶されている。しかしながら、ここで単に、逆関数としてθ１を求めると、微分に伴って位相がπ／２進んだ関数に基づいてθ１を求めることになり、θ１もπ／２進んだ値となってしまう。そこで、演算装置２１は、
θ１＝ｔａｎ^−１Ｘ −（π／２）．．．（８）
の演算を行い、これをθ１とする。このようにして、実際の回転角度θ１を求めることができる。
【００２４】
同様にして、回転角度θ２を求めることができる。
また、演算装置２１は、回転角度θ１，θ２から、トルクＴを、
Ｔ＝Ｋ１（θ１−θ２）．．．（９）
の演算により求める。但し、Ｋ１は予め求められている定数である。このトルクＴに基づいてモータ６が駆動され、必要な操舵補助力が発生する。
上記のようにして、オフセットα，βの影響を常に確実に排除し、回転角度及びトルクを検出することができる。これにより、回転開始初期の操舵フィーリングが改善される。
なお、トルクのみを求める場合には、式（８）に代えて、
θ１＝ｔａｎ^−１Ｘ．．．（１０）
から求めたθ１と、同様にして求めたθ２とについて、式（９）の演算を行ってトルクを求めてもよい。
【００２５】
また、演算装置２１は、回転角度θ１（又はθ２）を微分して角速度ωを求め、ωの大小に応じてΔｔを変化させる。例えば、図３の（ａ）において、波長の短い方は角速度（操舵速度）が速い場合のセンサ出力波形であり、波長の長い方は角速度が遅い場合のセンサ出力波形である。ここで、両波形について、共通のサンプリング時間Δｔで出力の変化ΔＶを見たとすると、波長の短い方はΔＶが適度に確保され、ΔＶ／Δｔの信頼性があるが、波長の長い方はΔＶの値が小さく、そのため誤差が含まれやすく、ΔＶ／Δｔの信頼性が低い。
そこで、演算装置２１は、（ｂ）に示すように、角速度ωが速い場合にはサンプリング時間を相対的に短くし、角速度が遅い場合には逆にサンプリング時間を相対的に長くする。これにより、角速度ωの大小にかかわらずΔｔあたりのΔＶが適度に確保される。従って、常に適度な分解能で回転角度を演算し、正確にこれを求めることができる。また、これに基づいて正確にトルクを求めることができる。
【００２６】
なお、上記トルク検出装置（回転角度検出装置）は、電動パワーステアリング装置に適用したが、これに限らず、各種の回転角度やトルクの検出を行う装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態によるトルク検出装置を備えたステアリング装置（電動パワーステアリング装置）の構造を示す図である。
【図２】図１におけるトーションバー、入力軸、出力軸、各ターゲット板、及び、磁気センサを模式的に表した図である。
【図３】センサ出力波形とサンプリングの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
２１演算装置
３１トーションバー
３４第１ターゲット板（入力側回転体）
３５第２ターゲット板（出力側回転体）
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２磁気センサ
（３４，Ａ１，Ｂ１）入力側回転検出手段
（３５，Ａ２，Ｂ２）出力側回転検出手段

Claims

時間の関数である回転体の回転角度θに応じて、それぞれ関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθを基本とする２信号を出力する回転検出手段と、
前記２信号を時間で微分して得た微分係数に相当する量からｔａｎθを求め、その逆関数としてのθに、微分に伴う位相の進みを考慮して回転角度を演算する演算装置と
を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
前記微分係数に相当する量とはサンプリング時間Δｔあたりの信号の変化量ΔＶであり、前記演算装置は前記回転角度θから角速度ωを求め、ωの大小に応じてΔｔを変化させる請求項１記載の回転角度検出装置。
時間の関数である入力側回転体の回転角度θ１に応じて、それぞれ関数ｓｉｎθ１及びｃｏｓθ１を基本とする２信号を出力する入力側回転検出手段と、
トーションバーを介して前記入力側回転体と接続された関係にある出力側回転体の時間の関数である回転角度θ２に応じて、それぞれ関数ｓｉｎθ２及びｃｏｓθ２を基本とする２信号を出力する出力側回転検出手段と、
前記各２信号を時間で微分して得た微分係数に相当する量からｔａｎθ１，ｔａｎθ２を求め、それらの逆関数としてのθ１とθ２との差に基づいて入出力間のトルクを演算する演算装置と
を備えたことを特徴とするトルク検出装置。
前記微分係数に相当する量とはサンプリング時間Δｔあたりの信号の変化量ΔＶであり、前記演算装置は前記回転角度θ１又はθ２から角速度ωを求め、ωの大小に応じてΔｔを変化させる請求項３記載のトルク検出装置。