JP2012202906A - 角度検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】故障に対する冗長性が高く、絶対角度の検出を高い精度で行える技術を提供する。
【解決手段】シャフト103にVRレゾルバ120とMRセンサ114を取付け、両者の軸倍角を2以上とし、且つ、両者の軸倍角の差を1とする。VRレゾルバ120の出力から算出される角度とMRセンサ114の出力から得られる角度の差からシャフト103の絶対角が算出される。ここで、VRレゾルバとMRセンサ114の故障モードが異なるので、故障に対する冗長性を確保することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、絶対角度の検出が可能で安全性および信頼性の高い角度検出装置に関する。
角度検出装置において、同じタイプの2つの角度検出装置を組み合わせることで、故障時の冗長性を高めた構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、角度検出には、絶対角度を検出できる機能が求められている。絶対角度というのは、回転角の検出対象となる回転軸の角度そのものの値のことである。例えば、軸倍角が2Xのレゾルバは、回転軸の1回転に対応して2周期分の信号を出力するので、得られる特定の回転角の情報は、実際の回転軸の回転角の2点(この場合は、180°異なる角度位置)において得られ、そのどちらが実際の角度(つまり絶対角度)であるかは、軸倍角2Xのレゾルバの出力だけからは判らない。この場合のような、角度検出手段から得られる角度情報が1:1で実際の角度と対応しない場合に、両者を区別するために、実際の回転軸の回転角を絶対角度と呼ぶ。
絶対角度を検出できる角度検出装置として、軸倍角が1Xのレゾルバが知られている。軸倍角が1Xのレゾルバは、1回転で1周期のサイン出力およびコサイン出力が得られるので、絶対角度の検出が行える。
特開2006−250864号公報
ところで、同じタイプの角度検出装置を組み合わせた場合、故障のモードが同じであるので、一方が故障した場合に他方も故障する可能性が高くなる。このため、故障時の冗長性を高めたとはいえ、信頼性に不安がある。また、1Xのレゾルバを採用した場合、絶対角度の検出はできるが、原理的に検出誤差が大きく、高精度で角度を検出する用途には向いていない。
このような背景において、本発明は、故障に対する冗長性が高く、エラーが検出できて機能安全を実現でき、絶対角度の検出を高い精度で行える技術を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、回転軸の角度を検出する第1の角度検出器と第2の角度検出器を備えた角度検出装置において、前記第1の角度検出器と前記第2の角度検出器は、異なる種類の角度検出器であることを特徴とする角度検出装置である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1の角度検出器は2X以上の軸倍角を有するレゾルバであり、前記第2の角度検出器は2X以上の軸倍角を有するMRセンサであることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記第1の角度検出器の軸倍角と前記第2の角度検出器の軸倍角との差が1であることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記レゾルバの出力から算出される第1の角度と前記MRセンサの出力から算出される第2の角度の差に基づき、前記回転軸の回転角の絶対角度を算出する算出部を更に備えることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記算出部は、2つのマイコンでお互いの動作を監視していることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の発明において、前記算出部は、前記2つのマイコンからの信号のいずれかの信号、もしくは両方の信号に異常があった場合にエラー信号を出力することを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項4乃至6のいずれか一項に記載の発明において、前記算出部は、前記第1の軸倍角が前記第2の軸倍角よりも大きい場合に、前記第1の角度から前記第2の角度を差し引く第1の処理を行い、前記第2の軸倍角が前記第1の軸倍角よりも大きい場合に、前記第2の角度から前記第1の角度を差し引く第2の処理を行い、前記第1の処理および前記第2の処理において、得られた値が0および正である場合にその値を前記回転軸の回転角の絶対角度とし、前記第1の処理および前記第2の処理において、得られた値が負である場合にその値に360°を加えた値を前記回転軸の絶対角度とすることを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の発明において、前記算出部は、高精度な絶対角度をA、得られた絶対角度をa、相対的に高精度な角度検出器の軸倍角をn、その角度検出器の検出角度をb、除算の商の小数値を切り捨てて整数のみを表す関数をQUOTIENTとして、下記数1の演算を行うことを特徴とする。
Figure 2012202906
請求項8に記載の発明によれば、更に精度の高い絶対角度を得ることができる。
本発明によれば、故障に対する冗長性が高く、エラーが検出できて機能安全を実現でき、絶対角度の検出を高い精度で行える技術が提供される。
実施形態の角度検出装置の断面図である。 電気系の構成を示すブロック図である。 マイコン内部のブロック図である。 軸角度とコンバータで算出された算出角度との関係を示すグラフである。 軸角度とコンバータで算出された算出角度との関係を示すグラフである。
図1には、実施形態の角度検出装置100が示されている。角度検出装置100は、軸倍角が3XのVRレゾルバ120と、軸倍角が2XのMRセンサ114とを組み合わせた構造を有している。角度検出装置100は、ケース101に収められている。ケース101には、軸受102を介して、シャフト103が回転自在な状態で保持されている。シャフト103は、回転角の検出対象となる回転軸である。シャフト103には、レゾルバロータ104が取り付けられている。レゾルバロータ104は、磁性材料により構成され、軸方向から見て等角な周囲の3箇所に磁極となる凸部を備えた断面形状を有している。これは、軸倍角が3Xであることに対応している。レゾルバロータ104の構造は、通常の軸倍角が3XのVRレゾルバのものと同じである。
レゾルバロータ104と隙間を隔てた対向する位置にレゾルバステータ105が配置されている。レゾルバステータ105は、軟磁性材料によって構成され、複数の極歯がレゾルバロータ104に向かって延在した構造を有し、インシュレータ106に保持された状態で、ケース101の内側に固定されている。レゾルバステータ105の各極歯には、コイル107が巻かれている。コイル107には、励磁巻線、sin出力用巻線、cos出力用巻線が含まれる。ここで、sin出力用巻線とcos出力用巻線とは、出力する電圧値変化の位相が90°ずれるように巻き方が設定されている。これらステータ側の構造は、通常の3XのVRレゾルバにおけるステータ側の構造と同じである。シャフト103、レゾルバロータ104、レゾルバステータ105、インシュレータ106、コイル107によりVRレゾルバ120が構成されている。
コイル107の巻線は、回路基板108に接続されている。回路基板108は、ケース101の内側に取り付けられており、後述するマイコン109およびその他の回路を搭載している。また、回路基板108は、コネクタ端子111を備え、コネクタ端子111はケース101外部に露出したコネクタ112に接続されている。コネクタ112から回路基板108に電力が供給され、またコネクタ112から各種の出力信号が、外部に出力される。この出力信号には、シャフト103の回転角に関する情報が含まれる。
シャフト103の先端には、軸方向から見て円形で図示する方向から見て扁平したマグネット113が取り付けられている。マグネット113は、軸方向から見て半円径形状のN極とS極とを有した2極構造を有している。軸方向においてマグネット113と対向した回路基板108側に2つのMRセンサ素子110が配置されている。この2つのMRセンサ素子110およびマグネット113によって、軸倍角が2XのMRセンサ114が構成されている。
図2には、角度検出装置100の電気的の構成を示すブロック図である。図2に示す増幅器201、監視マイコン202、OR回路203は、図1には図示省略されているが、回路基板108上に搭載されている。マイコン109は、レゾルバ109からのsin相出力とcos相出力とが入力され、更にMRセンサ114の出力が入力される。マイコン109はこれらの入力信号に基づき、後述する処理を行い、シャフト103の角度データを算出する。
マイコン109は、励磁電流を出力し、それを増幅器201で増幅してレゾルバ120に供給し、レゾルバからのsin相、cos相の出力を取り込む。また、MRセンサの出力も取り込む。監視マイコン202は、MRセンサ114の出力を取り込む。マイコン109と監視マイコン202は相互に動作を監視する。OR回路203は、マイコン109からのレゾルバ120の正常な動作を知らせる信号と監視マイコンからのMRセンサの正常な動作を知らせる信号とが入力され、いずれかの信号もしくは両方の信号に異常があった場合にエラー信号を出力する。
以下、図1および図2のマイコン109について説明する。図3は、マイコン109の概要を示すブロック図である。マイコン109は、プログラム可能なコンピュータとしての機能を有する回路である。マイコン109の内部では、ソフトウェア的にRDコンバータ部121、MRセンサ出力コンバータ部122、絶対角度算出部123が構成されている。これらの機能部の一部または全部は専用のハードウェアによって構成されていてもよい。また、FPGAのようなプログラマブルロジックデバイスにより構成されていてもよい。またマイコン109は、メモリ部124と励磁電流発生部125を備えている、メモリ部124には、上記機能部を機能させるためのプログラムおよびマイコン109での演算に必要な各種の情報が格納されている。また、メモリ部124は、マイコン109で演算に必要なメモリ領域を提供し、さらにその演算の結果を記憶する。励磁電流発生部125は、励磁電流となる周期波形を発生し、それを図2の増幅器201に出力する。
RDコンバータ部121は、コイル107のsin出力用巻線およびcos出力用巻線から得られるsin相の出力信号およびcos相の出力信号に基づき、シャフト103の回転角の角度情報を算出する。この機能は、通常の軸倍角3XのVRレゾルバの信号処理と同じである。
以下、簡単にRDコンバータ部121において行われる処理の概要を説明する。まず、励磁巻線に数KHz〜数百KHzの励磁電流を流した状態とする。この状態において、レゾルバロータ104が回転すると、レゾルバロータ104の回転角の変化に従って、ステータ側の極歯とレゾルバロータ104との間のギャップが変化する。これは、レゾルバロータ104が軸方向から見て3箇所の凸部を有しているからである。この際、レゾルバロータの回転角をθとすると、sinωtの励磁電流に対して、sin出力用巻線からsinθsinωtの波形が得られ、cos出力用巻線からcosθsinωtの波形が得られる。RDコンバータ121は、この2つの波形sinθsinωtおよびcosθsinωtに基づいてθを算出する。なお後述するように、軸倍角3XのVRレゾルバの場合、シャフト103が1回転する間に3周期分の出力が得られるので、RDコンバータ121において算出されるθの値は、実際の軸の回転角(絶対角度)に一致しない。
MRセンサ出力コンバータ部122は、MRセンサ素子110の抵抗値の変化に基づき、シャフト103の回転角の角度情報を算出する。MRセンサ出力コンバータ部122で行われる処理は、通常の軸倍角2XのMRセンサの信号処理と同じである。
以下、簡単にMRセンサ出力コンバータ部122において行われる処理の概要を説明する。マグネット113が回転すると、マグネット113の磁極と2つのMRセンサ素子110のそれぞれとの位置関係が変化する。この変化は、MRセンサ素子110の抵抗値の変化として検出される。この抵抗値の変化は、2つのMRセンサ素子110において異なり、VRレゾルバ120の場合と同様に、位相のずれた2種類の周期波形となる。この2つの周期波形は、マグネット113の回転角に関する情報を含んでおり、MRセンサ出力コンバータ部122は、この2つの周期波形に基づきマグネット113の回転角を算出する。ただし、軸倍2XのMRセンサ114は、シャフト103が1回転する間に2周期分の出力が得られるので、MRセンサ出力コンバータ部122において算出される角度の値は、実際の軸の回転角(絶対角度)に一致しない。
図4には、軸角度とコンバータで算出された算出角度との関係が示されている。図4の横軸は、シャフト103の回転角の絶対角度に対応する。図4の縦軸は、RDコンバータ部121から出力されるシャフト103の回転角の角度情報(3Xと表示)、MRセンサ出力コンバータ部から出力されるシャフト103の回転角の角度情報(2Xと表示)、絶対角度算出部123から出力されるシャフト103の回転角の角度情報(3X−2Xと表示)である。
図4に示されるように、軸倍角3Xのレゾルバ120から得られる角度情報(3X)は、レゾルバロータ104が1回転する間に3周期分が得られる。すなわち、レゾルバロータ104が1回転すると、3周期分のsin波形およびcos波形が得られ、それらからレゾルバロータの回転角が算出される。この際、横軸で示す実際の軸角度(絶対角度)に対応する算出値が、レゾルバロータ104の1回転あたり3回出てくるので、その絶対角度は軸倍角3Xのレゾルバの出力だけからは判らない。
例えば、軸倍角3Xのレゾルバ120の出力に基づき、RDコンバータ121において180°が算出された場合、図4に示されるように、実際の軸角度(シャフト103の回転角の絶対角)は、60°、180°、300°の3点のいずれかである。ここで、RDコンバータ121の出力からだけでは、この3点のいずれが実際の角度(つまり絶対角度)であるかは判らない。なお、絶対角度は、ある角度位置を基準としてそこからの回転角として検出される。この基準となるある角度位置は予め定めておいたものが採用される。
また、図4に示されるように、軸倍角2XのMRセンサから得られる角度情報(2X)は、マグネット113が1回転する間に2周期分が得られる。この際、横軸で示す実際の軸角度(絶対角度)に対応する算出値が、マグネット113の1回転あたり2回出てくるので、その絶対角度は軸倍角2XのMRセンサの出力だけからは判らない。
例えば、軸倍角2XのMRセンサ素子110の出力に基づき、MRセンサ出力コンバータ部122において240°が算出された場合、図4に示されるように、実際の軸角度(シャフト103の回転角の絶対角)は、120°、300°の2点のどちらかにある。ここで、MRセンサ出力コンバータ部122の出力からだけでは、この2点のどちらが実際の角度(つまり絶対角度)であるかは判らない。
図3の絶対角度算出部123は、RDコンバータ部121から出力されるシャフト103の回転角の算出値(3X)とMRセンサ出力コンバータ部から出力されるシャフト103の回転角の算出値(2X)との差を算出し、その結果に基づいてシャフト103の回転角の絶対角度を算出する。この処理においては、3X−2Xを計算し、その値が0以上の値の場合は、それをシャフト103の回転角の絶対角度として算出し、3X−2Xの結果が負の場合は、その値に360°を加え、その結果をシャフト103の回転角の絶対角度として算出する。この処理は、メモリ部124に格納された動作プログラムに従って行われる。この動作プログラムを、適当な記憶媒体に格納させ、そこからダウンロードされて実行される形態も可能である。
以下、絶対角度算出部123において行われる処理の具体例を説明する。例えば、RDコンバータ部121から出力されるシャフト103の回転角の算出値(3X)が180°であり、MRセンサ出力コンバータ部122から出力されるシャフト103の回転角の算出値(2X)が120°であるとする。この場合、3X―2X=60°がシャフト103の回転角の絶対角度として算出される。
例えば、RDコンバータ部121から出力されるシャフト103の回転角の算出値(3X)が90°であり、MRセンサ出力コンバータ部122から出力されるシャフト103の回転角の算出値(2X)が300°であるとする。この場合、3X−2X=−210°であるので、この値に360°を加えた150°がシャフト103の絶対角度として算出される。
例えば、RDコンバータ部121から出力されるシャフト103の回転角の算出値(3X)が180°であり、MRセンサ出力コンバータ部122から出力されるシャフト103の回転角の算出値(2X)は240°であるとする。この場合、3X−2X=−60°であるので、この値に360°を加えた300°がシャフト103の絶対角度として算出される。なお、本発明の実施形態では、MRセンサを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、ホール素子を用いた磁気センサを用いても良いし、光学素子を用いたセンサでもよい。
(故障時の処理)
例えば、MRセンサ素子110の破壊等に起因してMRセンサ114に故障が発生した場合、MRセンサ出力コンバータ部122からの算出値(2X)は出力されなくなるか、回転角を正しく反映しない値を出力する。この場合、MRセンサ出力コンバータ部122からの算出値(2X)の出力が停止する寸前の絶対角度のデータ(つまり、絶対角度算出部123の出力)を基準として、RDコンバータ部121から出力される算出値(3X)から絶対角度を算出する。また、何らかの理由で、RDコンバータ部121からの3X角度情報が出力されなくなった場合は、同様の考え方で、MRセンサ出力コンバータ部122からの2X角度情報に基づいて絶対角度の算出が行われる。
以下この処理の一例を詳細に説明する。まず正常動作時に、過去の一定期間における絶対角度算出部123の出力をメモリ部124に記憶させておく。そして、一方のコンバータ部からの出力が途絶えた際(あるいは異常な値の信号が出力された場合)に、その直前の絶対角度をメモリ部124から読み出し、その値を基準として、以後の正常なコンバータ部からの算出値を絶対角に読み替える。この方法によれば、一方のコンバータ部からの出力が途絶える直前の絶対角度が判っているので、正常な他方のコンバータからの算出値に対応する絶対角を知ることができる。このようにすることで、MRセンサ110が故障した場合の冗長性が確保される。この処理は、絶対角度算出部123において行われる。
また、一方のコンバータの出力が途絶えた場合や一方のコンバータからの信号が異常な値であった場合に、図2のOR回路203からエラー信号を出力する。こうすることで、角度検出機構に異常が生じたことを外部に報知することができる。
(優位性)
本実施形態では、レゾルバとMRセンサという異なる動作原理に基づく角度検出装置を組み合わせているので、故障時の冗長性に優れた絶対角度の検出が可能となる。すなわち、レゾルバとMRセンサとは動作原理が異なるので、故障時のモードが異なり、ある特定の状況において、同時に故障する確率は小さい。言い換えると、一方が故障する状況において、その状況は他方の故障原因とならない確率が高い。したがって、レゾルバとMRセンサとが同時に故障する確率を低くでき、角度情報が全く取得できない状況が突然生じる確率を下げることができる。また、1Xに比較して検出精度に優れた2X以上の角度検出装置の出力に基づくので、1Xの角度検出装置の検出精度よりも高い精度の絶対角度の情報が得られる。また、2つの角度検出器からの出力には定まった関係があり、マイコンなどによる演算装置で角度検出器に異常があるかを検知でき、それによるエラー信号を利用して機能安全を実現できる。要求される故障率によっては演算装置にも冗長性を持たせる場合がある。
(その他)
軸倍角の組み合わせとしては、レゾルバを5Xとし、MRセンサを4Xとしてもよい。
すなわち、レゾルバの軸倍角をn、MRセンサの軸倍角をmとした場合に、nとmの差が1となるように軸倍角を設定すればよい。また、レゾルバとMRセンサを比べると、レゾルバのほうが高精度で検出できるため、MRセンサが4Xの場合は、レゾルバの軸倍角が5Xになるよう選択することが望ましい。すなわち、より高精度の角度検出が行える角度検出器の方を軸倍角が大きい方に割り当てることが望ましい。
図5には、軸倍角5Xのレゾルバと軸倍角4XのMRセンサとを組み合わせた場合の軸角度と算出角度との関係が示されている。ここで軸倍角5Xのレゾルバの出力に基づくRDコンバータ部121における算出値は、実際の1回転に対応して5周期分の出力となる。また、軸倍角4XのMRセンサの出力に基づくMRセンサ出力コンバータ部122における算出値は、実際の1回転に対応して4周期分の出力となる。この場合、絶対角度算出部123において、5X−4Xの演算が行われる。
以下、この場合における絶対角度算出部123における処理の一例を説明する。例えば、RDコンバータ部121から出力されるシャフト103の回転角の算出値(5X)が300°であり、MRセンサ出力コンバータ部122から出力されるシャフト103の回転角の算出値(4X)が240°であるとする。この場合、5X―4X=60°がシャフト103の絶対角度として算出される。
例えば、RDコンバータ部121から出力されるシャフト103の回転角の算出値(5X)が60°であり、MRセンサ出力コンバータ部122から出力されるシャフト103の回転角の算出値(4X)が120°であるとする。この場合、5X−4X=−60°であるので、この値に360°を加えた300°がシャフト103の絶対角度として算出される。
この絶対角度には第1角度検出器、第2角度検出器両方の誤差が含まれるが、角度検出器のどちらかがより高精度の場合は、下記の数2にて誤差成分の少ない絶対角度(高精度な絶対角度)に計算し直すことができる。数2において、マイコン109より得られた絶対角度をa、高精度な角度検出器の軸倍角をn、その角度検出器の検出角度をb、高精度な絶対角度をAとする。但しQUOTIENTは除算の商の小数値を切り捨てて整数のみを表す関数とする。また、この演算は、絶対角度算出部123において行われる。
Figure 2012202906
また、MRセンサとして、シャフトが貫通したリング状マグネットと、その側面にMRセンサ素子を配置した構造を採用することもできる。また、マイコン109をケース101の外部に配置する構成や、その処理を外部の制御コンピュータによって実行する構成も可能である。
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
本発明は、回転角の角度を検出する技術に利用することができる。
100…角度検出装置、101…ケース、102…軸受、103…シャフト、104…レゾルバロータ、105…レゾルバステータ、106…インシュレータ、107…コイル、108…回路基板、109…マイコン、110…MRセンサ素子、111…コネクタ端子、112…コネクタ、113…マグネット、114…MRセンサ。

Claims (8)

  1. 回転軸の角度を検出する第1の角度検出器と第2の角度検出器を備えた角度検出装置において、
    前記第1の角度検出器と前記第2の角度検出器は、異なる種類の角度検出器であることを特徴とする角度検出装置。
  2. 前記第1の角度検出器は2X以上の軸倍角を有するレゾルバであり、前記第2の角度検出器は2X以上の軸倍角を有するMRセンサであることを特徴とする請求項1に記載の角度検出装置。
  3. 前記第1の角度検出器の軸倍角と前記第2の角度検出器の軸倍角との差が1であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の角度検出装置。
  4. 前記レゾルバの出力から算出される第1の角度と前記MRセンサの出力から算出される第2の角度の差に基づき、前記回転軸の回転角の絶対角度を算出する算出部を更に備えることを特徴とする請求項3に記載の角度検出装置。
  5. 前記算出部は、2つのマイコンでお互いの動作を監視していることを特徴とする請求項4に記載の角度検出装置。
  6. 前記算出部は、前記2つのマイコンからの信号のいずれかの信号、もしくは両方の信号に異常があった場合にエラー信号を出力することを特徴とする請求項5に記載の角度検出装置。
  7. 前記算出部は、
    前記第1の軸倍角が前記第2の軸倍角よりも大きい場合に、前記第1の角度から前記第2の角度を差し引く第1の処理を行い、
    前記第2の軸倍角が前記第1の軸倍角よりも大きい場合に、前記第2の角度から前記第1の角度を差し引く第2の処理を行い、
    前記第1の処理および前記第2の処理において、得られた値が0および正である場合にその値を前記回転軸の回転角の絶対角度とし、
    前記第1の処理および前記第2の処理において、得られた値が負である場合にその値に360°を加えた値を前記回転軸の絶対角度とすることを特徴とする請求項4乃至6のいずれか一項に記載の角度検出装置。
  8. 前記算出部は、高精度な絶対角度をA、得られた絶対角度をa、相対的に高精度な角度検出器の軸倍角をn、その角度検出器の検出角度をb、除算の商の小数値を切り捨てて整数のみを表す関数をQUOTIENTとして、
    A={QUOTIENT(a/360/n)×360+b}/n
    に示す演算を行うことを特徴とする請求項7に記載の角度検出装置。
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