JP2006349561A - レゾルバ位置検出器、電気式動力舵取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レゾルバの地絡、短絡を高精度で検出することができるレゾルバ位置検出器を提出する。
【解決手段】 サンプリングされたレゾルバsin信号、cos信号の振幅値に対してレゾルバの回転による誤差分を補正する（Ｓ２２）。振幅値の１周期中の平均値から振幅中央値を求める（Ｓ２４）。補正を行うことで、振幅中央値が所定閾値範囲内にあるかにより地絡、短絡を検出する際に（Ｓ２６）、レゾルバの回転分がsin信号、cos信号に重畳することによる誤検出が無くなり、レゾルバの地絡、短絡を高精度で検出することが可能となる。これにより、地絡、短絡を確実に検出するため、閾値範囲を狭く設定しても、誤って地絡、短絡と判断することがなくなる。
【選択図】 図５

Description

この発明は、レゾルバで回転位置を検出するレゾルバ位置検出器、及び、該レゾルバ位置検出器により検出したモータの位置、又は、操舵トルクに基づき操舵をアシストする電気式動力舵取装置に関するものである。

車両の重要部品である電気式動力舵取装置には、高い信頼性が求められる。このため、電気式動力舵取装置の操舵トルク、及び、モータの位置検出用に、機械的信頼性の高いレゾルバ式の位置検出器が多く用いられている。係る電気式動力舵取装置では、万一のレゾルバの故障に備えて、レゾルバの出力ラインの地絡、短絡を検出しフェイルセイフを行っている。
特許文献１には、レゾルバの出力ラインの短絡を基準電位との比較で検出する測定値検出装置が開示されている。

レゾルバの出力ラインの地絡と短絡とを同時に検出する方法として、レゾルバからのsin信号、cos信号の振幅の平均値（中央値）が、所定の閾値範囲内かを検出、例えば、閾値範囲を超える際に地絡、下回る際に短絡と判断する方法も実用化されている。ここで、sin信号の振幅の平均値（中央値）を求めるために、図４中に示すように、１波長２００μsのsin信号に対して、１／４周期（５０μs）でサンプリングして１周期中における４点（サンプリングタイミングＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）での振幅値を求め、４個の振幅値の平均からsin振幅の平均値（中央値）を求めている。これにより、レゾルバのsin信号とサンプリング周期とを非同期、即ち、sin信号のゼロクロス点とタイミングを合わせることなくサンプリングを行い、sin信号の振幅の平均値（中央値）を得ている。
特開２００３−３１５１８１号公報

しかしながら、上述したレゾルバからのsin信号、cos信号の振幅の平均値（中央値）が、所定の閾値範囲内から地絡、短絡を検出する方法を採用したレゾルバ位置検出器を用いる電気式動力舵取装置では、閾値設定が困難であった。即ち、閾値範囲を狭くすると誤って地絡、短絡を検出してしまい、反対に、閾値範囲を広くすると、実際に地絡、短絡が発生してもこれを検出できない場合が生じた。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、レゾルバの地絡、短絡を高精度で検出することができるレゾルバ位置検出器、及び、電気式動力舵取装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のレゾルバ位置検出器１５は、レゾルバ１５Ｓと、該レゾルバに励磁信号を与えるレゾルバ励磁回路５０と、該レゾルバから得られるsin信号又はcos信号から位置を演算する演算処理回路３４とを備えるレゾルバ位置検出器であって、
前記sin信号又はcos信号を１／（４以上の偶数）周期でサンプリングして振幅値を求めるサンプリング手段３８Ｓと、
前記振幅値に対して、前記レゾルバの回転による誤差分を補正する補正手段３６Ｓと、
前記補正された振幅値の前記sin信号又はcos信号１周期中における前記４以上の偶数個の合計値又は平均値が所定閾値範囲内にあるかを検出する故障検出手段３２と、を備えることを技術的特徴とする。

本発明の電気式動力舵取装置は、レゾルバ１５Ｓと、該レゾルバ１５Ｓに励磁信号を与えるレゾルバ励磁回路５０と、該レゾルバから得られるsin信号又はcos信号から位置を演算する演算処理回路３４とを備え、当該位置検出器からの位置信号に基づきモータにより操舵をアシストする電気式動力舵取装置１０であって、
前記sin信号又はcos信号を１／（４以上の偶数）周期でサンプリングして振幅値を求めるサンプリング手段３８Ｓと、
前記振幅値に対して、前記レゾルバの回転による誤差分を補正する補正手段３６Ｓと、
前記補正された振幅値の前記sin信号又はcos信号１周期中における前記４以上の偶数個の合計値又は平均値が所定閾値範囲内にあるかを検出する故障検出手段３２と、
前記４以上の偶数個の合計値又は平均値が所定閾値範囲から外れた際に前記モータによる操舵アシストを禁止するアシスト禁止手段２１とを備えることを技術的特徴とする。

本発明のレゾルバ位置検出器は、サンプリングされたsin信号、cos信号の振幅値に対してレゾルバの回転による誤差分を補正するため、振幅値の１周期中における４個の合計値又は平均値が所定閾値範囲内にあるかにより地絡、短絡を検出する際に、レゾルバの回転分がsin信号、cos信号に重畳することによる誤検出が無くなり、レゾルバの地絡、短絡を高精度で検出することが可能となる。

本発明の電気式動力舵取装置は、サンプリングされたレゾルバsin信号、cos信号の振幅値に対してレゾルバの回転による誤差分を補正するため、振幅値の１周期中における４個の合計値又は平均値が所定閾値範囲内にあるかにより地絡、短絡を検出する際に、レゾルバの回転分がsin信号、cos信号に重畳することによる誤検出が無くなり、レゾルバの地絡、短絡を高精度で検出することが可能となる。
本発明者は、レゾルバ位置検出器で高精度に地絡、短絡を検出できない原因が、レゾルバの回転による誤差分が出力信号（sin信号、cos信号）に重畳していることにあるとの知見を持ち、これを補正することを案出した。これにより、地絡、短絡を確実に検出するため閾値範囲を狭く設定しても、誤って地絡、短絡と判断することがなくなる。即ち、レゾルバ異常の際にモータの操舵アシストを禁止するフェイルセイフを確実に行いながら、レゾルバ故障の誤検出による誤フェイルセイフを無くすことが可能となった。

以下、本発明のレゾルバ位置検出器を用いる電気式動力舵取装置の実施形態について図を参照して説明する。まず、第１実施形態に係る電気式動力舵取装置１０の主な構成を図１に基づいて説明する。
図１に示すように、電気式動力舵取装置１０は、主に、ステアリングホイール１１、ステアリング軸１２、ピニオン軸１３、トーションバー１４、第１、第２レゾルバ１５ｓ、１６ｓ、減速機１７、ラックピニオン１８、モータ回転レゾルバ１９ｓ、モータＭ、ＥＣＵ２０等から構成されており、ステアリングホイール１１による操舵状態を検出し、その操舵状態に応じたアシスト力をモータＭにより発生させて操舵をアシストするものである。

即ち、ステアリングホイール１１にはステアリング軸１２の一端側が連結され、このステアリング軸１２の他端側にはトーションバー１４の一端側が連結されている。またこのトーションバー１４の他端側にはピニオン軸１３の一端側が連結され、このピニオン軸１３の他端側にはラックピニオン１８のピニオンギアが連結されている。またステアリング軸１２およびピニオン軸１３には、それぞれの回転角（ステアリング角θ１、θ２）を絶対的に検出可能な第１、第２レゾルバ１５ｓ、１６ｓがそれぞれ設けられており、各々がＥＣＵ２０に電気的に接続されている。なおこれらの第１、第２レゾルバ１５ｓ、１６ｓとしては、レゾルバ式の絶対レゾルバが用いられる。

これにより、ステアリング軸１２とピニオン軸１３とをトーションバー１４により相対回転可能に連結することができるとともに、ステアリング軸１２の回転角（ステアリング角θ１）を第１レゾルバ１５ｓにより、またピニオン軸１３の回転角（ステアリング角θ２）を第２レゾルバ１６ｓにより、それぞれ検出することができる。そのため、ステアリング軸１２の回転角を第１レゾルバ１５ｓによってステアリング角θ１として検出することができるとともに、第１レゾルバ１５ｓによるステアリング軸１２のステアリング角θ１と第２レゾルバ１６ｓによるピニオン軸１３のステアリング角θ２との角度差（偏差）や角度比等からトーションバー１４のねじれ量（操舵トルクに対応する）をねじれ角として検出することができる。

また、このピニオン軸１３の途中には、モータＭにより発生する駆動力を所定の減速比で伝達する減速機１７が図略のギアを介して噛合されており、当該減速機１７を介してモータＭの駆動力、つまりアシスト力をピニオン軸１３に伝え得るように構成されている。さらにこのモータＭにも、その回転角を検出し得るモータ回転レゾルバ１９ｓが設けられており、このモータ回転レゾルバ１９ｓもＥＣＵ２０に電気的に接続されている。このモータ回転レゾルバ１９ｓにもレゾルバ式の絶対レゾルバが用いられる。

これにより、第１、第２レゾルバ１５ｓ、１６ｓ、モータ回転レゾルバ１９ｓにより検出された回転角信号をＥＣＵ２０に送出することができるため、ＥＣＵ２０ではこれらの各回転角信号に基づいてモータＭにより発生させるアシスト力を次述するように決定することができる。なお、ラックピニオン１８の両側には、それぞれタイロッド等を介して図略の車輪が連結されている。

次に、電気式動力舵取装置１０を構成するＥＣＵ２０等の電気的構成および動作を図２に基づいて説明する。
図２に示すように、ＥＣＵ２０は、主に、第１位置検出手段１５、第２位置検出手段１６、アシストトルク決定手段２１、電流制御手段２３、回転検出手段１９等により構成されており、具体的にはＣＰＵ（マイクロコンピュータ）、メモリ素子、各種インタフェイス回路等から構成されている。

第１位置検出手段１５は、図１に示す第１レゾルバ１５ｓの出力に基づきステアリング角θ１を検出する。同様に、第２位置検出手段１６は、第２レゾルバ１６ｓの出力に基づきステアリング角θ２を検出する。アシストトルク決定手段２１は、第１位置検出手段１５により検出されたステアリング角θ１と第２位置検出手段１６により検出されたステアリング角θ２とに基づいて、モータＭにより発生させるアシスト力を決定するものである。例えば、ステアリング角θ１、θ２の角度差（偏差）や角度比等に対応して予め設定されたアシスト電流指令ＩＡ＊のマップや所定の演算処理等によって、アシスト電流指令ＩＡ＊を求めている。

電流制御手段２３は、アシストトルク決定手段２１により決定されたアシスト電流指令ＩＡ＊をモータＭに流れる実電流ＩＡ、及び、回転検出手段１９にて検出されたモータＭの回転に基づいて電圧に変換して電圧指令Ｖ＊を出力するものである。即ち、電流制御手段２３では、モータ電流検出手段２７により検出されたモータＭに流れる実電流ＩＡを負帰還させることによって目標とする電圧指令Ｖ＊を出力するように制御している。

モータ駆動手段２５は、ＰＷＭ回路２４とスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４とにより構成されている。ＰＷＭ回路２４は、ＥＣＵ２０とは異なるハードウェアにより実現されるパルス幅変調回路で、電流制御手段２３から出力される電圧指令Ｖ＊に応じたパルス幅をもつパルス信号をＵ相、Ｖ相ごとに出力し得るように構成されている。これにより、出力側に接続されるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の各ゲートに対応するＵ相、Ｖ相のパルス信号を与えることができるので、パルス幅に応じてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオンオフ動作させることにより、任意にモータＭを駆動制御することができる。

回転検出手段１９は、モータ回転レゾルバ１９ｓからの出力によりモータＭの回転角を検出し、電流制御手段２３へフィードバック信号として出力する。

また、第１位置検出手段１５は、第１レゾルバ１５ｓの地絡、短絡を監視しており、地絡、短絡を検出すると異常検出信号をアシストトルク決定手段２１へ出力する。この異常検出信号により、アシストトルク決定手段２１は、モータＭを停止するフェイルセイフを行う。同様に、第２位置検出手段１６は、第２レゾルバ１６ｓの地絡、短絡を監視しており、回転検出手段１９は、モータ回転レゾルバ１９ｓの地絡、短絡を監視しており、地絡、短絡を検出すると異常検出信号をアシストトルク決定手段２１へ出力する。この異常検出信号により、アシストトルク決定手段２１は、モータＭを停止するフェイルセイフを行う。

第１位置検出手段１５の構成について、図３を参照して説明する。ここでは、第１位置検出手段１５を代表として説明するが、同様に第２位置検出手段１６及び回転検出手段１９は構成されている。
第１位置検出手段１５は、第１レゾルバ１５ｓにＡ0sinωｔの励磁信号を与える本発明のレゾルバ励磁回路を構成し得る励磁信号出力回路５０と、該第１レゾルバ１５ｓから得られるsin相信号（Ａ0sinθcosωｔ）をサンプリングしＡ／Ｄ変換するsin相Ａ／Ｄ変換サンプリング部３８Ｓと、該第１レゾルバ１５ｓから得られるcos相信号（Ａ0cosθsinωｔ）をサンプリングしＡ／Ｄ変換するcos相Ａ／Ｄ変換サンプリング部３８Ｃと、sin相Ａ／Ｄ変換サンプリング部３８Ｓからのsin相振幅値を補正するsin相振幅値補正部３６Ｓと、cos相Ａ／Ｄ変換サンプリング部３８Ｃからのcos相振幅値を補正するcos相振幅値補正部３６Ｃと、sin相振幅値補正部３６Ｓ及びcos相振幅値補正部３６Ｃからの出力からレゾルバの電気角を演算する電気角演算部３４と、電気角演算部３４により演算された電気角からレゾルバ回転速度を演算するレゾルバ回転速度演算部４０と、電気角演算部３４により演算された電気角からステアリング角θ１を出力するＣＰＵ３２とを備える。

更に、第１位置検出手段１５は、sin相振幅値補正部３６Ｓの出力からsin相の振幅中央値を演算するsin相振幅中央値演算部４２Ｓと、cos相振幅値補正部３６Ｃの出力からcos相の振幅中央値を演算するcos相振幅中央値演算部４２Ｃとを備える。ＣＰＵ３２は、後述するようにsin相振幅中央値演算部４２Ｓにより演算されたsin相の振幅中央値、cos相振幅中央値演算部４２Ｃにより演算されたcos相の振幅中央値が所定閾値の範囲内かを判断し、範囲外のときは第１レゾルバ１５ｓに地絡、短絡が生じたことを出力するための異常検出信号を出力する。

ここで、sin相の振幅中央値について、図４を参照して説明する。
図４中で、実線は停止中の第１レゾルバ１５ｓのsin相の出力を示している。ここで、第１レゾルバ１５ｓへ印加される励磁信号Ａ0sinωｔの１周期は、即ち、出力されるsin信号の１周期は２００μsである。第１位置検出手段１５は、この２００μsの間に均等に４個の振幅値が検出できるように、５０μsの周期でサンプリングを行っている。

１波長２００μsのsin信号に対して、１／４周期（５０μs）でサンプリングして１周期中における４点（サンプリングタイミングＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）での振幅値を求め、４個の振幅値の平均（又は合計値）からsin振幅の平均値（中央値）を求めている。これにより、レゾルバのsin信号とサンプリング周期とを非同期、即ち、sin信号のゼロクロス点とタイミングを合わせることなくサンプリングを行い、sin信号の振幅の平均値（中央値）を得ている。図中にあるように、ゼロクロス点から時間ｔｄ（μs）、サンプリングが遅れても、適正に振幅の平均値（中央値）を求めることができる。第１レゾルバ１５ｓが回転していない状態では、sin信号の振幅は一定である。

図４中で点線は、第１レゾルバ１５ｓが回転状態、即ち、ステアリングが切られている状態のsin信号の振幅を示している。回転により第１レゾルバ１５ｓの振幅が変化する。このように、振幅が変化すると、上述したように振幅中央値に基づいてレゾルバの地絡、短絡を検出する場合には、誤差となり検出精度が低下することになる。このため、実施形態では、回転により生じる振幅の変化分を補正する処理を行う。

まず、図４中のＡ点でのサンプリングデータＡ、Ｂ点でのサンプリングデータＢ、Ｃ点でのサンプリングデータＣ、Ｄ点でのサンプリングデータＤは、サンプリングデータＡを基準として以下のように表すことができる。

ここで、ω0：レゾルバの励磁角速度[deg/s]、ａ：信号の最大振幅値[V]、ωr：レゾルバ回転速度[deg/s]、Ｐ：レゾルバ軸倍角である。

サンプリングデータは、レゾルバ回転速度分が誤差となっている。このため、第１位置検出手段１５は、サンプリングデータＡに対して、レゾルバの角回転速度に於けるsin（ωr・ｔｄ・Ｐ＋０）の補正値をマップにして保持している。同様に、サンプリングデータＢに対しては、sin（ωr・ｔｄ・Ｐ＋９０×１）の補正値を、サンプリングデータＣに対しては、sin（ωr・ｔｄ・Ｐ＋９０×２）の補正値を、サンプリングデータＤに対しては、sin（ωr・ｔｄ・Ｐ＋９０×３）の補正値をマップにして保持している。

第１位置検出手段１５での異常検出処理について、当該処理のフローチャートである図５を参照して説明する。
まず、５０μs周期で第１レゾルバ１５ｓからのsin信号及びcos信号をＡ／Ｄサンプリングする（Ｓ１２）。そして、サンプリング数が４に達したかを判断する（Ｓ１４）。４個のサンプリングデータが取得されると（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、sin信号及びcos信号からレゾルバの電気角を演算し（Ｓ１６）、演算した電気角を記憶すると共に（Ｓ１８）、前回記憶した電気角と今回演算した電気角の差分からレゾルバの回転速度を演算する（Ｓ２０）。引き続き、レゾルバ回転速度に対応する４個のサンプリングデータの補正値をマップから検索し、それぞれのサンプリングデータの補正を行う（Ｓ２２）。次に、４個のサンプリングデータを加算することで、振幅中央値を演算する（Ｓ２４）。ここでは、単純に加算を行ったが、この代わりに、４個のサンプリングデータの平均値を求めることも可能である。そして、演算した振幅中央値が、設定されている正常値の範囲、即ち、閾値範囲内かを判断する（Ｓ２６）。閾値範囲内である際には（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、レゾルバが正常であるとしてＳ１２の処理に戻り監視を続ける。一方、閾値範囲未満、又は、閾値範囲を越える場合には（Ｓ２６：Ｎｏ）、異常検出信号を出力する（Ｓ２８）。これに応じて、図２を参照して上述したように、モータＭによる電動アシストを停止するフェイルセイフが実行される。

本発明の電気式動力舵取装置は、サンプリングされたレゾルバsin信号、cos信号の振幅値に対してレゾルバの回転による誤差分を補正するため、振幅値の１周期中における４個の合計値又は平均値が所定閾値範囲内にあるかにより地絡、短絡を検出する際に、レゾルバの回転分がsin信号、cos信号に重畳することによる誤検出が無くなり、レゾルバの地絡、短絡を高精度で検出することが可能となる。これにより、地絡、短絡を確実に検出するため閾値範囲を狭く設定しても、誤って地絡、短絡と判断することがなくなる。即ち、レゾルバ異常の際にモータの操舵アシストを禁止するフェイルセイフを確実に行いながら、レゾルバ故障の誤検出による誤フェイルセイフを無くすことが可能となる。

上述した実施形態では、レゾルバ位置検出器が電気式動力舵取装置に用いられる場合を例に挙げたが、本発明のレゾルバ位置検出器は、種々の装置に適用可能であることは言うまでもない。また、上述した実施形態では、レゾルバからのsin信号、cos信号のそれぞれについて振幅中央値を求め、異常検出したが、sin信号、cos信号のいずれか一方のみから異常検出することも可能である。更に、上述した実施形態では、sin信号、cos信号を１／４周期でサンプリングしたが、サンプリング周期は１／６、１／８等の１／（４以上の偶数）であれば、サンプリングした４以上の偶数個の値から適正に合計値又は平均値を求めることが可能である。

本発明の第１実施形態に係る電気式動力舵取装置の主な構成を示すブロック図である。 図１に示すＥＣＵおよびモータ駆動回路の主な電気的構成を示すブロック図である。 図２に示す第１位置検出手段の構成を示すブロック図である。 第１レゾルバ１５ｓのsin相の出力を示すグラフである。 第１位置検出手段での異常検出処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 電気式動力舵取装置
１１ ステアリングホイール
１２ ステアリング軸
１３ ピニオン軸
１４ トーションバー
１５ 第１位置検出手段
１５ｓ 第１レゾルバ
１６ｓ 第２位置検出手段
１６ 第２レゾルバ
１８ ラックピニオン
１９ｓ モータ回転角レゾルバ
１９ 回転検出手段
２１ アシストトルク決定手段
３２ ＣＰＵ
３４ 電気角演算部
３６Ｓ sin相振幅値補正部
３８Ｓ sin相Ａ／Ｄ変換サンプリング部
４２Ｓ sin相振幅中央値演算部
５０ 励磁信号出力回路

Claims (2)

1. レゾルバと、該レゾルバに励磁信号を与えるレゾルバ励磁回路と、該レゾルバから得られるsin信号又はcos信号から位置を演算する演算処理回路とを備えるレゾルバ位置検出器であって、
   前記sin信号又はcos信号を１／（４以上の偶数）周期でサンプリングして振幅値を求めるサンプリング手段と、
   前記振幅値に対して、前記レゾルバの回転による誤差分を補正する補正手段と、
   前記補正された振幅値の前記sin信号又はcos信号１周期中における前記４以上の偶数個の合計値又は平均値が所定閾値範囲内にあるかを検出する故障検出手段と、を備えるレゾルバ位置検出器。
2. レゾルバと、該レゾルバに励磁信号を与えるレゾルバ励磁回路と、該レゾルバから得られるsin信号又はcos信号から位置を演算する演算処理回路とを備え、当該位置検出器からの位置信号に基づきモータにより操舵をアシストする電気式動力舵取装置であって、
   前記sin信号又はcos信号を１／（４以上の偶数）周期でサンプリングして振幅値を求めるサンプリング手段と、
   前記振幅値に対して、前記レゾルバの回転による誤差分を補正する補正手段と、
   前記補正された振幅値の前記sin信号又はcos信号１周期中における前記４以上の偶数個の合計値又は平均値が所定閾値範囲内にあるかを検出する故障検出手段と、
   前記４以上の偶数個の合計値又は平均値が所定閾値範囲から外れた際に前記モータによる操舵アシストを禁止するアシスト禁止手段とを備えることを特徴とする電気式動力舵取装置。

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