JP2010236935A - 回転角度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マイクロコンピュータは、周期数iを求めるに際して、関係式(e)が成立する場合には式(c)に基づき周期数iを算出する。関係式(f)が成立する場合には式(c)の「θab−θa」の値に最大制限値θabLimitを加算して、また関係式(g)が成立する場合には式(c)の「θab−θa」の値に最大制限値θabLimitを減算して周期数iを算出する。この算出される周期数iを式(d)に適用して絶対回転角度θrを算出する。
i=(θab−θa)/(mΩ/z)・・・(c)
θr=m(α+iΩ)/z・・・(d)
0≦θab−θa≦θabLimit・・・(e)
θab−θa<0・・・(f)
θab−θa>θabLimit・・・(g)
【選択図】図11
Description
まず、主動歯車の回転角度θは、当該主動歯車の歯数z及び第1の従動歯車の歯数mの比から、次式(A)で表される。「α′」は、主動歯車の回転角度θに対する第1の従動歯車の実際の回転角度である。
また、この第1の従動歯車の回転角度α′は次式(B)で表される。ただし、「α」は、磁気センサ出力の1周期中における第1の従動歯車の回転角度、「i」は、磁気センサからの出力が何周期目のものなのかを示す周期数、「Ω」は、磁気センサの検出範囲(1周期)である。
そして、主動歯車の絶対回転角度θrは、前記式(A)の「α′」に前記式(B)を代入することにより、次式(C)で表される。
特許文献1の装置は、この式(C)に基づき主動歯車の回転角度を絶対値で求める。すなわち、磁気センサ出力の周期数iが分かれば主動歯車の絶対回転角度θrを算出可能であることから、特許文献1のものでは、絶対回転角度θrを算出に際してはまず、この周期数iを算出する。この周期数iの算出手順は、以下の通りである。
ただし、Δabの値は次のようにして算出される値が適用される。
・Δab=α−β (α−β≧0)
・Δab=α−β+Ω (α−β<0)
また、第1及び第2の従動歯車のうち歯数の少ない方の従動歯車、ここでは第1の従動歯車の回転角度αに対する主動歯車の第2の仮絶対回転角度θaを次式(E)に基づき算出する。
次に、前記式(D),(E)により算出される第1及び第2の仮絶対回転角度θab,θaの値を使用して、第1の従動歯車に対応する磁気センサ出力の周期数iを次式(F)に基づき算出する。
そして前記式(F)により算出される周期数iを使用して、主動歯車の絶対回転角度θrを前記式(C)に基づき算出する。そしてこうした絶対角検出方式の回転角度検出装置では、主動歯車の回転方向において設定される基準位置(絶対角0°)を原点とする主動歯車の回転態様を、回転検出対象であるステアリングシャフトの回転態様として、すなわち中立位置(ステアリング操作角度=0°)を基準として正逆両方向に複数回転されるステアリングホイールの回転情報として検出する。
{Δab=α−β (α−β≧0)、Δab=α−β+Ω (α−β<0)}
θa=mα/z・・・(b)
i=(θab−θa)/(mΩ/z)・・・(c)
θr=m(α+iΩ)/z・・・(d)
0≦θab−θa≦θabLimit・・・(e)
θab−θa<0・・・(f)
θab−θa>θabLimit・・・(g)
ただし、m,n,zは第1及び第2の従動歯車並びに主動歯車の歯数である。また、θabLimitは、第1及び第2の従動歯車の回転角度α,βの差が最大となるとき、上記式(a)に基づき算出される第1の仮絶対回転角度θabの値(最大制限値)である。
図1に示すように、回転角度検出装置10は、ステアリングホイールと操舵輪とを連結するステアリングシャフト11の周囲に配設される図示しないステアリングコラム等の構造体に固定される箱体状のハウジング12を備えている。このハウジング12内には、ステアリングシャフト11に一体回転可能に且つ同軸状に外嵌固定された主動歯車13が収容されるとともに、当該主動歯車13に噛合する第1及び第2の従動歯車14,15が回転可能に支持されている。
ここでまず、主動歯車13の回転角度θと、当該回転角度θに対する第1の従動歯車14の回転角度α′との間には、それらの歯数z,mにより、次式(1)で示される関係が成立する。
また、主動歯車13の回転角度θに対する第1の従動歯車14の回転角度α′は次式(2)のようにも表すことができる。
ただし、αは、第1の磁気センサ18の検出範囲(1周期)Ωにおける第1の従動歯車14の回転角度である。iは、第1の磁気センサ18の検出範囲を何回繰り返しているのか、すなわち第1の正弦信号Vs1及び第1の余弦信号Vc1の何周期目かを示す整数値である。以下の説明では、当該整数値を第1の従動歯車14の周期数という。
θ=m(α+iΩ)/z・・・(3)
当該式(3)を展開して整理すると、次式(4)が得られる。
ただし、θaは、第1の磁気センサ18の検出範囲(1周期)Ωにおける第1の従動歯車14の回転角度αに対する主動歯車13の回転角度(絶対値)である。なお、この回転角度(θa)は、次式で表される。
したがって、回転角度(θa)及び第1の従動歯車14の周期数iが分かれば、前記式(4)に基づき回転角度θが算出可能となる。マイクロコンピュータ21は、ROM23に格納された回転角度算出プログラムに基づき、回転角度(θa)、及び第1の従動歯車14の周期数iを求め、これらを前記式(4)に適用することにより、主動歯車13の絶対回転角度θrを算出する。
次に、前述のように構成した回転角度検出装置10によるステアリングシャフト11、すなわち主動歯車13の回転角度θの検出方法として、前述したマイクロコンピュータ21による絶対回転角度θrの算出処理の手順を、図2のフローチャートに従って詳細に説明する。当該算出処理は、ROM23に格納された回転角度算出プログラムに従って実行される。
図2に示されるように、マイクロコンピュータ21は、主動歯車13の絶対回転角度θrを求めるに際して、まず第1及び第2の磁気センサ18,19からの検出信号を図示しないA/D変換器を通じて取得する(ステップS101,S102)。そしてマイクロコンピュータ21は、この取得されるA/D変換後の検出信号に基づき、第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲(1周期)Ωにおける第1及び第2の従動歯車14,15の回転角度α,βを求める(ステップS103,S104)。
次に、マイクロコンピュータ21は、ステップS103,S104で算出された第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲(1周期)Ωにおける第1及び第2の従動歯車14,15の回転角度α,βをRAM24から読み出し、これら回転角度α,βに基づき主動歯車13の第1の仮絶対回転角度θabを求める(ステップS105)。そしてマイクロコンピュータ21は、この算出される第1の仮絶対回転角度θabをRAM24に格納する。この第1の仮絶対回転角度θabは、第1の磁気センサ18の検出範囲(1周期)Ωにおける第1の従動歯車14の回転角度αと、第2の磁気センサ19の検出範囲(1周期)Ωにおける第2の従動歯車15の回転角度βとの差Δab(=α−β)に基づき求められる主動歯車13の回転角度である。そしてこの第1の仮絶対回転角度θabは、前記式(1),(2)、及び第2の磁気センサ19の検出範囲(1周期)Ωにおける第2の従動歯車15の回転角度βについても同様に算出される次式(5),(6)に基づき、次式(7)のように表される。
β′=β+jΩ・・・(6)
ただし、βは、第2の磁気センサ19の検出範囲(1周期)Ωにおける第2の従動歯車15の回転角度である。jは、第2の磁気センサ19の検出範囲を何回繰り返しているのか、すなわち第2の正弦信号Vs2及び第2の余弦信号Vc2の何周期目かを示す整数値である。
ただし、mは第1の従動歯車14の歯数、nは第2の従動歯車15の歯数、zは主動歯車13の歯数、Ωは第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲(周期)である。
・α−β<0のとき 差Δab=(α−β)+Ω
ちなみに、前記式(7)は、次のようにして得られる。すなわちまず、前記式(1),(2),(5),(6)を使用してα−βを表すと次式のようになる。
=(z/m)θ−(z/n)θ−(i−j)Ω
そして当該関係式においてθ=θabとしてθabについて解くと次式が得られる。
ただし、α−β≧0のとき i=j
α−β<0のとき i=j+1
ここで、Δab=(α−β)+(i−j)Ωとすると、前記式(7)が得られる。
前述と同様に、主動歯車13の歯数zを60、第1の従動歯車14の歯数mを25、第2の従動歯車15の歯数nを26、第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲Ωを180°としたとき、第1の仮絶対回転角度θabの算出範囲(周期)Ωxは、1950°となる。
次に、マイクロコンピュータ21は、第1の磁気センサ18の検出範囲(1周期)Ωにおける第1の従動歯車14の回転角度αに対する主動歯車13の第2の仮絶対回転角度θaを次式(9)に基づき算出する(ステップS106)。そしてマイクロコンピュータ21は、この算出される第2の仮絶対回転角度θaをRAM24に格納する。
ちなみに、主動歯車13の実際の回転角度θの変化に対して第2の仮絶対回転角度θaは図5の下側のグラフに示されるように変化する。当該グラフにおいて、横軸は主動歯車13の回転角度θを、また縦軸は第2の仮絶対回転角度θaを示す。当該グラフに示されるように、主動歯車13の回転角度θの増大に伴い、第2の仮絶対回転角度θaは、第1の従動歯車14の歯数mに応じて、所定の周期で立ち上がりと立ち下がりとを繰り返す。すなわち、第2の仮絶対回転角度θaの算出範囲(周期)Ωy(=0°〜y°)は、第1の従動歯車14及び主動歯車13の歯数比により決まるところ、この第2の仮絶対回転角度θaの算出範囲(周期)Ωyは、次式(10)で表される。
前述と同様に、主動歯車13の歯数zを60、第1の従動歯車14の歯数mを25、第2の従動歯車15の歯数nを26、第1の磁気センサ18の検出範囲Ωを180°としたとき、第2の仮絶対回転角度θaの算出範囲(周期)Ωyは、75°となる。
次に、マイクロコンピュータ21は、ステップS105,S106で算出された第1及び第2の仮絶対回転角度θab,θaをRAM24から読み出し、これら第1及び第2の仮絶対回転角度θab,θaに基づき、第1の従動歯車14の周期数iを算出する(ステップS107)。そしてマイクロコンピュータ21は、この算出される周期数iをRAM24に格納する。前述したように、この周期数iは、第1の磁気センサ18の検出範囲を何回繰り返しているのかを示す整数値であり、次式(11)により求められる。この式(11)は、前記式(4)においてθ=θabとして周期数iについて解くことにより得られる。
ただし、mΩ/zは、第1の磁気センサ18の出力1周期当たりの主動歯車13の変化量(回転量)を示す。
最後に、マイクロコンピュータ21は、先のステップS106で算出した第2の仮絶対回転角度θa及びステップS107で算出した周期数iをRAM24から読み出し、これら第2の仮絶対回転角度θa及び周期数iに基づき主動歯車13の正式な絶対回転角度θrを算出する(ステップS108)。
ここで、本例の回転角度検出装置10では、前述したように、主動歯車13に第1及び第2の従動歯車14,15を噛み合わせた構成とされている。このため、実際には主動歯車13と第1及び第2の従動歯車14,15との間のバックラッシ等による誤差起因して、第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲(1周期)Ωにおける第1及び第2の従動歯車14,15の回転角度α,βの値が理論値とずれる。このため、これら第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲(1周期)Ωにおける第1及び第2の従動歯車14,15の回転角度α,βに基づき算出される絶対回転角度θrについても前記誤差の影響を受けたものとなることが懸念される。そこで、この点について、まず、第1及び第2の従動歯車14,15のいずれにも誤差がない場合について説明し、次いで第1及び第2の従動歯車14,15に誤差がある場合について説明する。なお、以下の説明では、主動歯車13の歯数zを60、第1の従動歯車14の歯数mを25、第2の従動歯車15の歯数nを26、第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲Ωを180°とする。
まず、主動歯車13と第1及び第2の従動歯車14,15との間にバックラッシ等による誤差がないとした場合の第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲(1周期)Ωにおける第1及び第2の従動歯車14,15の回転角度α,βについて、図8のグラフを参照しつつ説明する。当該グラフにおいて、横軸は主動歯車13の実際の回転角度θ(ステアリング操作角度)を、左の縦軸は前記式(4)により算出される主動歯車13の絶対回転角度θrを、右の縦軸は第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲(1周期)Ωにおける第1及び第2の従動歯車14,15の回転角度α,βをそれぞれ示している。また、当該グラフでは、絶対回転角度θrの算出範囲Ωrの中点を原点(絶対回転角度0°)としている。ここでは、絶対回転角度θrの算出範囲Ωrが1950°となることから、当該グラフでは、算出範囲Ωrの上限値は+975°、下限値は−975°となる。すなわち、この例では、−975°〜+975°の範囲で絶対回転角度θrが算出される。また、絶対回転角度θrが0°となる原点は、主動歯車13の実際の回転角度θが0°となるステアリング中立位置に対応する。また、当該回転角度θは、ステアリングが左回転操作されたときには減少し、同じく右回転操作されたときには増大するものとする。
次に、第1の従動歯車14に誤差がある場合について説明する。例えば、主動歯車13と第1の従動歯車14との間には+5°の誤差があり、主動歯車13と第2の従動歯車15との間には誤差がない場合を想定する。このとき、実際のステアリング操作角度である回転角度θに対して、主動歯車13の絶対回転角度θr並びに第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲(1周期)Ωにおける第1及び第2の従動歯車14,15の回転角度α,βは、図9のグラフに示されるように変化する。なお、この図9のグラフは、先の図8のグラフに対応するものである。
次に、第2の従動歯車15に誤差がある場合について説明する。例えば、主動歯車13と第1の従動歯車14との間には誤差がなく、主動歯車13と第2の従動歯車15との間には+5°の誤差がある場合を想定する。このとき、実際のステアリング操作角度である回転角度θに対して、主動歯車13の絶対回転角度θr並びに第1及び第2の磁気センサ18,19の検出範囲(1周期)Ωにおける第1及び第2の従動歯車14,15の回転角度α,βは、図10のグラフに示されるように変化する。なお、この図10のグラフも、先の図8のグラフに対応するものである。
ちなみに、ここでは「z=60」、「m=25」、「n=26」、「Ω=180°」とされていることから、これら値を式(12)に代入することにより、最大制限値θabLimitは、1950°として算出される。
次に、周期数iの算出処理について、図11に示すフローチャートに従って詳細に説明する。このフローチャートは、主動歯車13の絶対回転角度θrの算出処理の過程において、図2のフローチャートにおけるステップS107へ処理を移行した際に、ROM23に格納された周期数算出プログラムに従って実行される。
また、マイクロコンピュータ21は、ステップS203において、「θab−θa<0°」で示される関係が成立しない旨判断したとき(ステップS203でNO)には、「θab−θa」の値はθabLimitよりも大きな値であるとして(ステップS205)、ステップS206へ処理を移行する。これは、「θab−θa」の値が、0°以上かつθabLimit以下の値でもなく、また0°よりも小さい値でもない場合には、「θab−θa」の値は必然的にθabLimitよりも大きな値であることが分かるからである。
このようにして算出される周期数iを使用して絶対回転角度θrを演算することにより、理論上検出可能とされる全範囲(絶対回転角度θrの算出範囲Ωrの全範囲)において正確な絶対回転角度θrの算出が可能となる。ここでは、「z=60」、「m=25」、「n=26」、「Ω=180°」としているので、この場合の理論上検出可能とされる範囲である0°〜1950°(±975°)の全範囲にわたって正確な絶対回転角度θrが算出される。
したがって、本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
・第1及び第2の仮絶対回転角度θab,θaの差の値が0より小さい値である旨判断される場合には、当該差の値に最大制限値θabLimitを加算した値を使用して周期数iを算出するようにした。これにより、当該差の値、ひいては周期数iの値が負の値になることはなく、周期数iは正しく演算される。すなわち、主動歯車13の回転角度θが、第1の磁気センサ18の検出範囲(1周期)Ωにおける第1の従動歯車14の回転角度αの値が、第2の磁気センサ19の検出範囲(1周期)Ωにおける第2の従動歯車15の回転角度βの値を追い越す+948°から、理論上検出可能とされる角度範囲の上限値である+975°に達するまでの間においても、周期数iはその最大値である25周期に維持される。したがって、主動歯車13の実際の回転角度θが、第1の従動歯車14の回転角度αの値が第2の従動歯車15の回転角度βの値を追い越す+948°から、理論上検出可能とされる角度範囲の上限値である+975°に達するまでの間においても、正確な絶対回転角度θrを算出することができる。
なお、本実施の形態は、次のように変更して実施してもよい。
・ステップS105及びステップS106の処理順序は、逆にしてもよいし、並行して処理してもよい。
・本例では、第1及び第2の磁気センサ18,19として、その検出範囲Ωが180°とされたものを採用したが、他の検出範囲を有するものを採用してもよい。例えば360°の検出範囲を有するものが考えられる。
Claims (1)
- 回転検出対象と一体回転する主動歯車に連動して回転する歯数の異なる第1及び第2の従動歯車に対応して設けられる第1及び第2のセンサからの出力に基づきこれらセンサの検出範囲Ω中の第1及び第2の従動歯車の回転角度α,βを算出し、これら算出結果に基づき前記主動歯車の回転角度を絶対値で算出する演算手段を備え、前記演算手段は、下記式(a),(b)に基づき前記主動歯車の第1及び第2の仮絶対回転角度θab,θaを算出するとともに、下記式(c)に基づき前記第1のセンサからの出力の周期数iを算出し、下記式(d)に基づき前記主動歯車の絶対回転角度θrを最終的に算出する回転角度検出装置において、
前記演算手段は、前記周期数iを求めるに際して、下記関係式(e)が成立する旨判断される場合には下記式(c)に基づき前記周期数iを算出し、下記関係式(f)が成立する旨判断される場合には下記式(c)における前記第1及び第2の仮絶対回転角度θab,θaの差の値に下記の最大制限値θabLimitを加算して、また下記関係式(g)が成立する旨判断される場合には下記式(c)における前記第1及び第2の仮絶対回転角度θab,θaの差の値に下記の最大制限値θabLimitを減算して前記周期数iを算出する回転角度検出装置。
θab=Δab・mn/z(n−m)・・・(a)
{Δab=α−β (α−β≧0)、Δab=α−β+Ω (α−β<0)}
θa=mα/z・・・(b)
i=(θab−θa)/(mΩ/z)・・・(c)
θr=m(α+iΩ)/z・・・(d)
0≦θab−θa≦θabLimit・・・(e)
θab−θa<0・・・(f)
θab−θa>θabLimit・・・(g)
ただし、m,n,zは第1及び第2の従動歯車並びに主動歯車の歯数である。また、θabLimitは、第1及び第2の従動歯車の回転角度α,βの差が最大となるとき、上記式(a)に基づき算出される第1の仮絶対回転角度θabの値(最大制限値)である。
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