JP2007010329A - 回転角検出装置及びこれを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 信号の強度への依存を低減し、異常の判定時間を短縮した角度検出装置及びこれを用いた電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】回転体１の回転に伴って発生する正弦波信号sinθ及び余弦波信号cosθの少なくとも一方の信号を用いて前記回転体の回転角度を検出する回転角検出装置１０であって、前記信号の単位時間あたりの変化量に基づいて前記回転角検出装置の異常を判定することを特徴とする。また、この回転角検出装置１０を用いて電動パワーステアリング装置のモータ角度を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、角度に対して正弦波信号あるいは余弦波信号を出力する回転角検出装置及びこれを用いた電動パワーステアリング装置に関する。

モータを用いて位置制御、速度制御を行う際にモータ軸の回転位置を検出することが行われる。この位置検出を行うセンサとして、ロータリーエンコーダ、ポテンショメータ等が知られ、特に、正弦波信号を出力するセンサとして、半導体の磁気抵抗効果を用いた非接触型ポテンショメータが知られている（非特許文献１参照）。

また、電動パワーステアリング装置は、モータで発生させた補助トルクをステアリング系に伝達して操舵トルクの軽減化を図る装置であり、レゾルバを用いてモータ軸の回転角を検出してモータの制御を行っている。レゾルバの例として、正弦波電流を流した１次巻線に２次巻線を結合させて、回転角の変化を正弦波電流の角度変調信号として出力させたものが開示されている（特許文献１）。この技術では、正弦波出力の上下の振幅の対称性から、レゾルバの出力異常を判定している。また、正弦波出力の最大値と最小値との差分を用いてセンサの出力がある値に固定されてしまう張り付き故障を検知することも開示されている。さらに、正弦波信号と余弦波信号の二乗和を計算して断線を検出することも記載されている（特許文献１参照）。
小柳栄次著 ロボットセンサ入門 株式会社 オーム社 平成１６年 ４月２０日発行 ｐ．５８ 特開２０００−３９３３６号公報 （請求項１，２、段落番号０００５）

ところが、正弦波信号、余弦波信号の値を用いて異常判定を行う特許文献１の技術は、信号にノイズが重畳するおそれがあることから、ある程度の検出マージンが必要となり、異常状態が長く進行しないと判定することができなくなるという問題があった。
また、二乗和を算出して検出する場合には、正弦波信号及び余弦波信号の値が或る程度大きく変化しなければ信頼度の高い判定を行うことができなかった。
さらに、正弦波信号、余弦波信号の値は「０」であることがあるため、出力が或る値に固定される張り付き故障か否かを判定するためには、或る程度の経過時間が必要であるという問題もある。

そこで、本発明は、信号の強度への依存を低減し、出力異常の判定時間を短縮した角度検出装置及びこれを用いた電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の回転角検出装置は、回転体の回転に伴って発生する正弦波信号及び余弦波信号の少なくとも一方の信号を用いて前記回転体の回転角度を検出する回転角検出装置であって、前記信号の単位時間あたりの変化量に基づいて前記回転角検出装置の異常を判定することを特徴とする。

正弦波信号あるいは余弦波信号の単位時間あたりの変化量すなわち微分値に基づいて判定しているので、正弦波信号あるいは余弦波信号の強度に依存しない。そのため、正弦波信号、余弦波信号の何れの時点でも回転角検出装置の異常を判定することができる。

前記の回転角検出装置において、前記変化量が所定範囲外の状態が設定時間以上累積したときに前記異常を判定することを特徴とする。これにより、ノイズの影響による誤動作を回避することができる。

前記の回転角検出装置において、前記正弦波信号及び前記余弦波信号を用いて異常を判定する場合において、前記正弦波信号の単位時間あたりの変化量と前記余弦波信号の単位時間あたりの変化量との何れか一方が第１の所定値以下であるとき、他方が第２の所定値以上であるかを検出することを特徴とする。

３６０度を１周期とした場合の９０度近傍では、正弦波信号の単位時間あたりの変化量は小さいが、余弦波信号の単位時間あたりの変化量は大きい。また、０度近傍では、余弦波信号の変化量は小さいが正弦波信号の変化量は大きい。すなわち、正弦波信号あるいは余弦波信号の何れか一方の変化量が小さいときに他方を用いることにより大きな変化量を検出することができる。これにより、張り付き故障との区別が困難な出力値０近傍での検出が可能となる。ここで、正弦波信号及び余弦波信号は、例えば、互いに直交する二つのコイルに回転体の回転に伴って回転する回転磁界を印加することによって生成される。

また、本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵入力に応じてモータを駆動して車両の補助操舵を行う電動パワーステアリング装置において、前記モータの回転角を検出する回転角検出手段として前記の回転角検出装置を用いることを特徴とする。

本発明によれば、信号強度への依存を低減し、判定時間を短縮した回転角検出装置及びこれを用いた電動パワーステアリング装置を提供することができる。

（第１実施形態）
電動パワーステアリング装置の操舵力補助に使用されるモータの回転角を検出するレゾルバ（回転角検出装置）１０のハードウェア構成について図１（ａ）を参照して説明する。
レゾルバ１０は、モータの回転軸に連動しているロータ１と、１次コイル２及び二つの２次コイル３，４と、１次コイル２を駆動する発振器５と、２次コイル３，４の出力を増幅する増幅器６，７とを主要構成とし、平均化回路８及びＣＰＵユニット９を備えている。
ロータ１の周辺部には１次コイル２が設置されており、発振器５を用いて角周波数ωの正弦波電流sinωｔが流れている。一方、レゾルバ１０の固定軸には二つのソレノイド状の２次コイル３，４が設けられ、ソレノイドの軸は互いに直交している。

ロータ１の回転角θの変化に伴って、１次コイル２が発生する磁界が回転し、この回転磁界によって、２次コイル３に接続されている増幅器６にはsinθsinωｔの変調信号が出力され、２次コイル４に接続されている増幅器７にはcosθsinωｔの変調信号が出力される。これらの変調信号を平均化回路８，８を用いて時間平均すれば、正弦波信号sinθ及び余弦波信号cosθが得られる。ここで、発振器の角周波数ωはロータ１の回転角周波数よりも非常に大きいとする。なお、ＣＰＵユニット９には、ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ、Ａ／Ｄ変換器が含まれている。

この正弦波信号あるいは余弦波信号が、ＣＰＵユニット９を用いて、逐次Ａ／Ｄ変換され、演算処理される。この処理の概要を図１（ｂ）のアルゴリズム構成図を用いて説明する。このアルゴリズム構成図は、メモリ内に記憶されたプログラムの構成及びデータの移動を表現する図である。

信号読み込み手段４１によって、正弦波信号sinθあるいは余弦波信号cosθの値がＡ／Ｄ変換器を用いて読み込まれる。読み込まれた信号の値は、記憶手段４２に記憶され、一定時間経過した後に、信号読み込み手段４１によって読み込まれた正弦波信号sinθあるいは余弦波信号cosθの値と、記憶手段４２に記憶された正弦波信号sinθあるいは余弦波信号cosθの値が比較され、単位時間あたりの変化量が変化量算出手段４３により算出される。そして、ＮＧカウンタ４４がこの変化量が所定値以下である場合を周期的にカウントして、このカウント数が設定値よりも少ない場合が正常状態である。一方、このカウント数が設定値よりも多い場合に故障と判断される。なお、これらの処理は、タイマ割り込み４５を用いて周期的に実行される。

図２のフローチャートを参照して、レゾルバ（回転角検出装置）の異常を判定する動作について説明する。メモリには、前回に読み込まれた正弦波信号sinθの値およびＮＧカウンタ４４の値が記憶されており、タイマ割り込み４５により、１ｍSECの周期で図２のフローが起動する。

ステップＳ１においては、正弦波信号sinθ及び余弦波信号cosθのサンプリングが可能であるか否かが判定される。例えば、二次コイルの出力値であるsinθsinωｔ、cosθsinωｔが他の機器からのスパイクノイズにより所定範囲外となった場合には、二次コイルからの出力のサンプリングをキャンセルする。サンプリングが正常に行われた場合には、「ＹＥＳ」と判定され、処理はステップＳ２に進む。

ステップＳ２においては、新たに正弦波信号sinθの読み込みが行われる。Ａ／Ｄ変換器を用いて、２５０μsec毎の４点の正弦波信号sinθが連続してデジタル信号に変換される。そして、処理はステップＳ３に進み、モータ回転速度が設定範囲内であるか否かが判定される。例えば、モータが高速回転であり、所定角度回転する時間がサンプル間隔よりも短い場合には、回転角の変化量の測定精度が低下する。一方、モータが停止している場合には、時間変化を検出することができない。そのため、モータ回転速度が設定範囲内であるか否かを判定して、これらの状態を排除する。モータ回転速度が設定範囲外である場合には、「ＹＥＳ」と判定され、処理はステップＳ４に進む。

ステップＳ４においては、sinθ＝０付近であるか否かが判定される。正弦波信号sinθが「０」付近である場合には、正常な状態であるのか、出力がある値に固定される張り付き故障であるのかを区別できないので、この場合を回避する必要がある。ここで、「０」付近とは、例えば、振幅が±５Ｖの正弦波信号sinθで±３００ｍＶの範囲内の場合をいう。正弦波信号sinθが「０」付近でなければ「ＮＯ」と判定され、処理はステップＳ５に進む。

ステップＳ５においては、正弦波信号sinθの変化量が所定値以下であるか否かが判定される。この変化量は、前回のステップＳ３で読み込まれたサンプリング時刻ｔ０の正弦波信号sinθの値と、今回のステップＳ３で読み込まれたサンプリング時刻ｔ１の正弦波信号sinθの値との差の絶対値を算出すればよいが、ノイズの影響を考慮して、移動平均値が使用される。例えば、前回のステップＳ３で読み込まれた２５０μSEC毎の４点のデータ（Ｓ１〜Ｓ４）の和を４で除した値を前回値とし、今回のステップＳ３で読み込まれた２５０μSEC毎の４点のデータ（Ｓ５〜Ｓ８）の和を４で除算した値を今回値とし、（前回値−今回値）の絶対値を算出して変化量とする。すなわち、この変化量は、単位時間あたりの変化量を求めていることになる。この変化量が所定値以下であれば、「ＹＥＳ」と判定され、処理はステップＳ６に進む。

ステップＳ６においては、ＮＧカウンタを増加させ、ＮＧ＝ＮＧ＋１に設定する。そして、処理はステップＳ７に進み、ＮＧカウンタが設定値以下であるか否かが判定される。これにより、単位時間あたりの変化量が設定時間以上累積したか否かが判定される。ＮＧカウンタが設定値を超えていれば、「ＮＯ」と判定され、装置の故障が確定される。故障確定により、ＥＰＳ機能を停止し、ウォーニングランプ（ＷＬＰ）を点灯する。

一方、ＮＧカウンタが設定値以下であれば、「ＹＥＳ」と判定され、元のルーチンに戻り、処理が繰り返される。また、ステップＳ１，Ｓ３，Ｓ５において、「ＮＯ」と判定された場合、ステップＳ４において「ＹＥＳ」と判定された場合も元のルーチンに戻り、処理が繰り返される。

次に、前記したレゾルバ（回転角検出装置）１０を用いた電動パワーステアリング装置について図を参照して説明する。
図３は、電動パワーステアリング装置２０の構成図である。ステアリングホイール２３に一体的に設けられたステアリング軸２４は、自在継ぎ手２５ａ、２５ｂを有する連結軸２５を介して、ステアリング・ギアボックス２６内にあるラック＆ピニオン機構２７のピニオン２７ａと連結され、手動操舵力発生手段２２を構成している。さらに、ピニオン２７ａにかみ合うラック歯２７ｂと、これらのかみ合いにより往復運動するラック軸２９は、その両端のタイロッド３１、３１を介して転舵輪Ｗ、Ｗを転動させるように構成されている。なお、ステアリングホイール２３、ステアリング軸２４、連結軸２５、ラック＆ピニオン機構２７、ラック軸２９、モータ２８、転舵輪Ｗ等の機構的部分をステアリング系と総称する。

また、電動パワーステアリング装置２０は、制御装置３０には電動機駆動手段３３が含まれ、電動機駆動手段３３がモータ２８を駆動して補助トルク（補助操舵力）を発生させ、手動操舵力発生手段２２による手動操舵力をアシストするように構成されている。

制御装置３０には、トルク信号Ｔを出力する操舵トルクセンサＴＳ、角度信号ＡＮＧＬＥを出力するレゾルバ１０の各センサが接続され、制御装置３０は、これらの信号に基づいてモータ２８にかける電流の大きさおよび方向を決定している。また、電動機駆動手段３３からモータ２８に流れる電流を検出する電流センサ３４が接続され、検出した信号が制御装置３０に入力されている。

操舵トルクセンサＴＳは、ステアリング・ギアボックス２６内に配設され、ドライバによる手動の操舵トルクの大きさおよび方向を検出する。そして、操舵トルクセンサＴＳは、検出した操舵トルクに対応したアナログ電気信号をトルク信号Ｔとして制御装置３０に送信する。なお、トルク信号Ｔは、大きさを示す操舵トルクとトルクの向きを示すトルク方向の情報を含む。トルク方向は操舵トルクのプラス値／マイナス値で表され、プラス値は操舵トルク方向が右方向であり、マイナス値は操舵トルク方向が左方向である。

制御装置３０に含まれている電動機駆動手段３３は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号のデューティに応じて電動機駆動手段３３内のプリドライブ回路およびＦＥＴブリッジを介してモータ２８の各巻線に電流を通電して制御を行う。

以上説明したように、本実施形態の回転角検出装置（レゾルバ）によれば、正弦波信号あるいは余弦波信号の強度に依存しないので、正弦波信号、余弦波信号のどのポイントでも早期に異常の判定をすることができる。また、この回転角検出装置を電動パワーステアリング装置２０に用いることにより、早期にレゾルバ出力の異常判断が行われ、振動等の異常動作を防止することができる。

（第２実施形態）
前記第１実施形態は、正弦波信号（あるいは、余弦信号の何れか一方）を用いて、出力異常を判定したが、正弦波信号及び余弦波信号の双方の信号を用いて出力異常を判定することができる。
図４（ａ）に正弦波信号sinθ及び余弦波信号cosθの信号を示す。横軸は、モータ２８の回転角であり、０度から５４０度までを記載している。縦軸は出力値を示し、±５Ｖの振幅である。モータ２８は回転しているので、横軸は時間に対応する。なお、基点をθ₀＝９０度の点に設定している。すなわち、sinθ₀＝１，cosθ₀＝０の点を基点にしている。

ハードウェア構成は第１実施形態と同様であるので説明を省略し、図４（ｂ）に第２実施形態のアルゴリズム構成図を示す。正弦波信号読み込み手段５１及び余弦波信号読み込み手段５２により、正弦波信号sinθ及び余弦波信号cosθが読み込まれ、記憶手段５３に双方が記憶される。また、基点設定手段５５により、sinθ＝１である基点が設定され、基点であると判断された時刻から一定時間経過した後に、正弦波信号読み込み手段５１によって新たに読み込まれた正弦波信号sinθ₁と、記憶手段５３に記憶されていた正弦波信号sinθ₀と、が変化量算出手段５４により比較される。なお、基点は、sinθ＝１の近傍に設定されればよく、＋５Ｖのピーク値に対して±３００ｍＶの範囲内の値に設定される。

正弦波信号sinθの変化量であるΔsinθが２５ｍＶから１００ｍＶであるときの余弦波信号の変化量Δcosθが変化量算出手段５６により算出され、その値が５０ｍＶ未満であるときにＮＧカウンタ５７を増加させる。さらに、このＮＧカウンタ５７の値が設定値を超えたら「異常」と判定する。例えば、１ｍSEC間隔で読み込みが繰り返され、設定値が１５に設定されていれば、変化量Δcosθが５０ｍＶ未満であるときが１５ｍSEC連続した場合に異常と判定される。すなわち、正弦波信号sinθの変化が少ない区間で余弦波信号cosθの変化が少ないときに異常と判定される。

以上説明したように、本実施形態によれば、正弦波信号sinθが基点近くで張り付き故障が生じても余弦波信号cosθを用いることにより異常の判定を短時間で行うことができる。また、第１実施形態と同様に、本実施形態のレゾルバ（回転角検出装置）は電動パワーステアリング装置２０に使用することもできる。

（変形例）
本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、正弦波電流を流した１次巻線に互いに９０度交差させた二つの２次巻線を結合させて、回転角を変調させた正弦波信号あるいは余弦波信号を得たが、固定軸に取り付けられた磁気抵抗素子と、ロータに取り付けられた半円状の永久磁石とを用いて正弦波信号を得ることができる。例えば、非特許文献１に記載されているように、図５（ａ）のような非接触型ポテンショメータを用いても、永久磁石の回転による磁界の変動に応じて磁気抵抗素子の電気抵抗が変化し、図５（ｂ）に示すような正弦波信号が得られる。また、この非接触型ポテンショメータを９０度回転させて取り付ければ、余弦波信号が得られる。
（２）前記第１実施形態は、ステップＳ３においてモータ回転速度が設定範囲以内であるか否かを判定し、ステップＳ４においてsinθ＝０付近であるか否かを判定したが、これらの判定を削除することもできる。例えば、定常的にモータが回転する場合にはステップＳ３を削除することができ、sinθ＝０付近を使用しない場合にはステップＳ４を削除することができる。
（３）前記第２実施形態は、正弦波信号の変化が小さいときに余弦波信号の変化が大きい点を利用して、異常の判定を行ったが、正常時においては変化の大小関係が繰り返される点を利用して異常を判定することもできる。
（４）前記各実施形態は、回転角を正弦波信号あるいは余弦波信号に変換するために、正弦波電流を流した１次巻線に互いに９０度交差させた二つの２次巻線を結合させたが、回転運動を直線運動に変換するクランク機構を用いて、位置の変化を信号に変換しても、正弦波信号あるいは余弦波信号を得ることができる。
（５）本発明の電動パワーステアリング装置には、ステアリングホイール２３と転舵輪Ｗとが機械的に切り離されたステアバイワイヤ（Steer＿By＿Wire）が含まれる。

本実施形態の角度検出装置のハードウェア構成図及び第１実施形態のアルゴリズム構成図である。 第１実施形態の角度検出装置のフローチャートである。 本実施形態の電動パワーステアリング装置の構成図である。 第２実施形態の正弦波信号及び余弦波信号を示す図及び第２実施形態のアルゴリズム構成図である。 永久磁石及び磁気抵抗素子を用いた非接触式ポテンショメータを示す図及び出力特性図である。

符号の説明

１ ロータ
２ １次コイル
３，４ ２次コイル
５ 発振器
６，７増幅器
８ 平均化回路
９ ＣＰＵユニット
１０ レゾルバ（回転角検出装置）
２０ 電動パワーステアリング装置
２２ 手動操舵力発生手段
２３ ステアリングホイール
２４ ステアリング軸
２５ 連結軸
２５ａ，２５ｂ 自在継ぎ手
２６ ステアリング・ギアボックス
２７ ラック＆ピニオン機構
２７ａ ピニオン
２７ｂ ラック歯
２８ モータ
２９ ラック軸
３０ 制御装置
３１ タイロッド
３３ 電動機駆動手段
３４ 電流センサ
４１ 信号読み込み手段
４２，５３ 記憶手段
４３，５４，５６ 変化量算出手段
４４，５７ ＮＧカウンタ
４５ タイマ割り込み
５１ 正弦波信号読み込み手段
５２ 余弦波信号読み込み手段
５５ 基点設定手段
５６ 変化量算出手段
５７ ＮＧカウンタ

ＴＳ 操舵トルクセンサ
Ｔ トルク信号
ＡＮＧＬＥ 角度信号
Ｗ 転舵輪

Claims (4)

1. 回転体の回転に伴って発生する正弦波信号及び余弦波信号を用いて前記回転体の回転角度を検出する回転角検出装置であって、
   前記正弦波信号もしくは前記余弦波信号の単位時間あたりの変化量に基づいて前記回転角検出装置の異常を判定することを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記変化量が所定範囲外の状態が設定時間以上累積したときに前記異常を判定することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記正弦波信号及び前記余弦波信号を用いて異常を判定する場合において、
   前記正弦波信号の単位時間あたりの変化量と前記余弦波信号の単位時間あたりの変化量との何れか一方が第１の所定値以下であるとき、他方が第２の所定値以上であるかを検出することを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載の回転角検出装置。
4. 操舵入力に応じてモータを駆動して車両の補助操舵を行う電動パワーステアリング装置において、
   前記モータの回転角を検出する回転角検出手段として請求項１ないし３の何れかに記載の回転角検出装置を用いる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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