JP2012255696A - モータの回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レゾルバを使用してモータの回転角度を検出する回転角度検出装置において、電源電圧が多少低くても、モータの回転角度の検出精度を確保する。
【解決手段】回転角度検出装置は、励磁信号を発生させる励磁信号発生器４００と、発生された励磁信号を増幅するオペアンプ４１０と、増幅された励磁信号の直流成分を除去するコンデンサ４２０と、直流成分が除去された励磁信号を入力し、モータの回転角度に応じたレゾルバ信号を出力するレゾルバ２８０と、を有する。また、レゾルバ２８０とコンデンサ４２０とによりＬＣ回路を構成し、レゾルバ２８０に入力される励磁信号の周波数が共振周波数となるように、コンデンサ４２０の静電容量を設定する。そして、ＬＣ回路における直列共振で励磁信号の振幅を大きくし、レゾルバ２８０から出力されるレゾルバ信号のＳＮ比の向上を通して、モータの回転角度の検出精度を確保する。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータの回転角度を検出する技術に関する。

レゾルバを使用してモータの回転角度を検出する技術として、特開２００４−１７７２７３号公報（特許文献１）に記載された回転角度検出装置が知られている。かかる回転角度検出装置では、オペアンプで増幅した励磁信号をレゾルバの励磁コイルに印加し、励磁コイルに対してトランス結合された２つのコイルから出力される正弦波及び余弦波の信号（レゾルバ信号）から、モータの回転角度を検出している。

特開２００４−１７７２７３号公報

ところで、オペアンプは、電源から供給される電圧を用いて励磁信号を増幅するため、何らかの原因で供給電圧が低下すると、レゾルバの励磁コイルに印加する励磁信号の振幅（電圧）が小さくなってしまう。そして、レゾルバに印加する励磁信号の振幅が小さくなると、レゾルバから出力されるレゾルバ信号に歪みが生じ、モータの回転角度の検出精度が低下してしまう。

そこで、本発明は従来の問題点に鑑み、オペアンプに印加する電圧が多少低くても、モータの回転角度の検出精度を確保した、モータの回転角度検出装置（以下「回転角度検出装置」という）を提供することを目的とする。

このため、角度検出装置は、励磁信号を発生させる信号発生手段と、信号発生手段により発生された励磁信号を増幅する増幅手段と、増幅手段により増幅された励磁信号の直流成分を除去するコンデンサと、コンデンサにより直流成分が除去された励磁信号を入力し、モータの回転角度に応じたレゾルバ信号を出力するレゾルバと、を備える。そして、レゾルバとコンデンサとによりＬＣ回路を構成し、レゾルバに入力される励磁信号の周波数が共振周波数となるように、コンデンサの定数を設定する。

供給電圧が多少低くても、ＬＣ回路における直列共振で励磁信号の振幅が大きくなるので、モータの回転角度の検出精度を確保することができる。

回転角度検出装置が適用される電動式ブレーキ倍力装置の側面図である。 同上の部分断面図である。 角度検出装置の説明図である。 レゾルバに対する入出力信号を示し、（Ａ）は入力される励磁信号、（Ｂ）及び（Ｃ）は出力されるレゾルバ信号の説明図である。 ＬＣ回路の直列共振による効果の説明図である。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、本実施形態に係る回転角度検出装置が適用される、車両の電動式ブレーキ倍力装置の一例を示す。

ブレーキ倍力装置１００は、ブレーキペダルの操作量に基づいて制動を行うための作動油の液圧を発生する油圧制御機構１５０と、作動油の液圧を制御するモータＭと、モータＭを制御する制御ユニット３００と、作動油を貯蔵するリザーバ７００と、を備えている。油圧制御機構１５０は、ボルト１５２により、エンジンルームＲ１と車室Ｒ２とを仕切る隔壁Ｗに固定されている。

油圧制御機構１５０は、軸方向前方（車両前方）にマスタシリンダ２５０及びリザーバ７００を有している。リザーバ７００は、作動油に空気が混入するのを避けるため、また、作動油に混入している空気を抜き易くするために、マスタシリンダ２５０に対して車両の前方かつ上方に設けられている。

電動モータＭは、油圧制御機構１５０のハウジング１６０の内部に収納されている。電動モータＭは、複数相のモータ、例えば、３相のブラシレスモータである。
ハウジング１６０の外周、本実施形態ではリザーバ７００側に、保持台１７０を形成し、この保持台１７０に制御ユニット３００のケース３０２が固定されている。

制御ユニット３００は、直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電動モータＭに供給して駆動を制御する。制御ユニット３００のケース３０２には、金属製の蓋３０４が設けられ、ケース３０２の底部及び外周には、冷却のためのフィン３１２が多数形成されている。

次に、図２を参照し、油圧制御機構１５０及び電動モータＭの構造を説明する。
油圧制御機構１５０の車両後方側は、隔壁Ｗを貫通して車室Ｒ２内に突出し、入力ロッド１８０が、図示しないブレーキペダルに機械的に接続している。そして、入力ロッド１８０は、ブレーキペダルが踏み込まれると、車両後方側（車室Ｒ２側）から車両前方側（リザーバ側）へと移動する。また、入力ロッド１８０の車両前方への移動に伴って、入力ロッド１８０に直列連結された入力ピストン１８２が車両前方へと移動する。

マスタシリンダ２５０は、ハウジング２６０を有し、その内部に形成された円筒状のシリンダにフリーピストン２６６が嵌挿され、フリーピストン２６６の車両後方側に圧力室２６２、フリーピストン２６６の車両前方側に圧力室２６４が画成されている。フリーピストン２６６は、基本的には圧力室２６２と圧力室２６４との圧力が同一となるように移動する。圧力室２６２の作動油が図１の吐出口２５２から供給され、圧力室２６４の作動油が図１の吐出口２５４から供給されるので、吐出口２５２と吐出口２５４からは同一圧力の作動油が供給される。

ブレーキペダルの踏み込みによって入力ピストン１８２が車両前方に移動すると、その移動に応じて圧力室２６２の圧力が増加する。この圧力増加によってフリーピストン２６６が圧力室２６４の方向に移動し、圧力室２６４の作動油の圧力が増加する。圧力が増加した作動油は、吐出口２５２及び２５４から液圧制御装置（図示省略）に送られ、液圧制御装置から各車輪に取り付けられたブレーキのホイールシリンダＷＣに分配される。

ブレーキペダルの操作力だけでは十分な作動油の圧力を発生することが困難であることを踏まえ、操作力の倍力制御を行う制御ピストン１９０が設けられ、制御ピストン１９０の移動を制御するための電動モータＭ及び直動機構が設けられる。

電動モータＭは、固定子２９０と回転子２９６を有し、回転子２９６はカバー１６２に保持された軸受と移動機構２００のハウジング１６０に保持された軸受とによって回転自在に支持されている。制御ユニット３００から交流電力が固定子２９０に供給されると、その交流電力によって回転子２９６が回転する。固定子２９０は、固定子鉄心２９２と、固定子鉄心２９２に巻き回された固定子巻線２９４と、を有している。回転子２９６は、固定子鉄心２９２に対向して永久磁石を有しており、この永久磁石が回転子２９６の磁極を形成する。

電動モータＭの回転子２９６は中空形状をなし、回転子２９６の内側にモータ回転力を軸方向の力に変える移動機構２００が設けられ、電動モータＭの発生トルクに基づいて制御ピストン１９０が軸方向に移動する。移動機構２００は中空の回転子２９６に固定されたナット部材２０２とボール２０４とネジ部材２０６とを有し、電動モータＭの回転子２９６が回転するとナット部材２０２が回転する。ナット部材２０２の回転方向に従って、ボール２０４を介して噛み合っている中空のネジ部材２０６が軸方向において車両前方又は車両後方へと移動する。制御ピストン１９０の制御方法は色々あるが、代表的な制御方法を次に説明する。

ブレーキペダルの踏み込みにより入力ピストン１８２が車両前方へと移動すると、入力ピストン１８２と制御ピストン１９０との位置関係の差が生じる。この差をなくすように電動モータＭを制御すると、電動モータＭの回転トルクによってナット部材２０２が回転し、ナット部材２０２と噛み合っているネジ部材２０６が軸方向に沿って車両前方へと移動する。

すると、マスタシリンダ２５０の圧力室２６２に入力ピストン１８２と制御ピストン１９０の両方の力が加わり、圧力室２６２の圧力が増加し、フリーピストン２６６の作用により圧力室２６４の圧力も同様に増加する。圧力室２６２及び圧力室２６４の圧力（油圧）に基づいて制動力が発生する。圧力室２６２及び圧力室２６４には、入力ピストン１８２，制御ピストン１９０及びフリーピストン２６６を常時後退方向へ付勢する戻しばねが夫々配設されている。

ブレーキペダルの踏み込みを解放すると、油圧の力に加えて、戻しばねにより入力ピストン１８２及び制御ピストン１９０は元の位置である、軸の車両後方側（車室Ｒ２側）に戻され、作動油の圧力が制動制御前の状態に戻る。

入力ピストン１８２及び制御ピストン１９０を同じ速度で軸方向に沿って車両前方に移動したとすると、作動油の圧力により作用する力は軸に垂直の面積に比例するので、入力ピストン１８２の軸に垂直の面積に対して制御ピストン１９０の軸に垂直の面積を大きくすれば、入力ピストン１８２を押す力に対して何倍もの大きな力で作動油の圧力を高めることができ、大きな制動力を発生することができる。

また、入力ピストン１８２の移動速度に対して制御ピストン１９０を速い速度で車両前方に移動させると、わずかな操作量に対して大きな制動力を発生することができる。一方、入力ピストン１８２の移動速度に対して制御ピストン１９０をゆっくり移動する、又は、逆方向に移動させると、入力ピストン１８２の移動量に対して制動力の発生を低く抑えることができる。

例えば、ブレーキペダルの踏み込みに応じて、車両の走行を行う車両走行用モータで回生制動を行い車両の運動エネルギーを電力に変換する場合には、車両走行用モータにより制動力が発生する。この場合、作動油の圧力による制動力が小さくてよい、又は、不要となるので、制御ピストン１９０を入力ピストン１８２の移動に比べてゆっくり動かすか、又は、入力ピストン１８２の移動と逆方向に動かすこととなる。

ブレーキペダルが踏み込まれていない状態、即ち、ブレーキの非作動時では、入力ピストン１８２は非作動状態の位置にあり、マスタシリンダ２５０の作動油の液圧を制御するための制御ピストン１９０は非作動状態の位置にある。制御ピストン１９０及び入力ピストン１８２が非作動状態の位置にあるので、フリーピストン２６６は非作動状態の位置にある。制御ピストン１９０及びフリーピストン２６６は、前述したとおり非作動状態の位置である車両後方すなわちブレーキペダル側にあるので、圧力室２６２及び２６４のリリーフポート２５６及び２５８は開状態となり、圧力室２６２及び２６４はリリーフポート２５６及び２５８を介してリザーバ７００と連通し、リザーバ７００の作動油によって各圧力室２６２及び２６４は充たされている。

ブレーキペダルが踏み込まれ、前述のとおり入力ピストン１８２及び制御ピストン１９０が図２の左方に移動すると、圧力室２６２及び２６４と各リリーフポート２５６及び２５８とを連通する通路は制御ピストン１９０及びフリーピストン２６６により遮断され、前述のとおり、入力ピストン１８２及び制御ピストン１９０の移動に応じて圧力室２６２の作動油の圧力が上昇し、これに伴ってフリーピストン２６６が図２の左方へと移動し、圧力室２６４の作動油の圧力が上昇する。この圧力に応じて制動力が発生する。入力ピストン１８２と制御ピストン１９０との間には一対の付勢手段であるばねが配設されており、ブレーキの非作動状態で入力ピストン１８２と制御ピストン１９０との相対位置関係が中立位置に保持されるように作用する。

また、電動モータＭをフィードバック制御するために、回転子２９６にはレゾルバ２８０が取り付けられ、電動モータＭの回転角度に応じたレゾルバ信号が信号線１７４を介して制御ユニット３００の出力される。レゾルバ２８０は、図３に示すように、電動モータＭと一体的に回転する回転子２８２と、励磁信号が印加される励磁コイル２８４と、回転子２８２を介して励磁コイル２８４の磁力により起電力を発生する一対の検出コイル２８６及び２８８と、を有する。ここで、一対の検出コイル２８６及び２８８は、正弦波及び余弦波の交流電圧(レゾルバ信号）を発生させるために、９０°の位相差をもって配置されている。

レゾルバ２８０の励磁コイル２８４に、図４（Ａ）に示すような正弦波の励磁信号を印加するために、制御ユニット３００には、励磁信号を発生する励磁信号発生器４００、励磁信号を増幅するオペアンプ４１０、及び、増幅した励磁信号の直流成分を除去するコンデンサ４２０が備えられる。励磁信号発生器４００及びオペアンプ４１０は、例えば、車載バッテリなどの共通した電源４３０により駆動される。なお、励磁信号発生器４００は、ブレーキ倍力装置１００の制御ユニット３００に組み込むようにしてもよい。

ここで、励磁信号発生器４００は、信号発生手段の一例として挙げられる一方、オペアンプ４１０は、増幅手段の一例として挙げられる。
そして、電動モータＭに伴って回転子２８２が回転すると、回転子２８２の回転角度に応じて、検出コイル２８６及び２８８から、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、正弦波及び余弦波の電圧Ｖ₁及びＶ₂が夫々出力される。電動モータＭの回転角度は、この２つの電圧Ｖ₁及びＶ₂の逆正接（アークタンジェント）をとることで演算できる。

また、レゾルバ２８０の励磁コイル２８４のインダクタンスをＬ[H]、コンデンサ４２０の静電容量をＣ[F]、励磁コイル２８４に印加される励磁信号の周波数をｆ[Hz]とすると、これらの間には、次式のような関係が成り立つ。

即ち、励磁コイル２８４及びコンデンサ４２０で直列共振が起こるＬＣ回路を構成し、レゾルバ２８０に印加される励磁信号の周波数が共振周波数ｆとなって、この励磁信号の振幅（電圧）が増大するように、コンデンサ４２０の静電容量（定数）が設定される。

そして、図５に示すように、オペアンプ４１０から破線のような励磁信号が出力されると、ＬＣ回路で直列共振が起こるため、レゾルバ２８０に振幅が増大した実線のような励磁信号が印加されることとなる。ある条件下でシミュレーションを行ったところ、図５に示すように、レゾルバ２８０に印加される励磁信号の振幅Ａ₂は、オペアンプ４１０から出力される励磁信号の振幅Ａ₁の約３倍程度となった。

従って、オペアンプ４１０への供給電圧を小さくしても、コンデンサ４２０とレゾルバ２８０の励磁コイル２８４との直列共振により励磁信号の振幅が大きくなるので、供給電圧より高い電圧の励磁信号を励磁コイル２８４に印加することができる。このため、レゾルバ２８０から出力されるレゾルバ信号の歪みが小さくなり、ＳＮ比の向上を通して、電動モータＭの回転角度の検出精度を確保することができる。

そして、オペアンプ４１０への供給電圧を低電圧化させることが可能となるので、消費電力を減少させることができる。また、ＬＣ回路による直列共振で励磁信号の振幅が大きくなるので、ＳＮ比が向上して、ノイズの影響を低減することができる。さらに、励磁信号発生器４００及びオペアンプ４１０の駆動電源が共通化されるので、安定した１つの電源でモータＭの回転角度を検出できるようになり、例えば、コスト削減などを図ることができる。

このような角度検出装置を車両に搭載した場合、例えば、クランキング，バッテリ劣化などにより電源４３０から供給される電圧が低下しても、レゾルバ２８０から電動モータＭの回転角度の検出精度を確保できる程度のレゾルバ信号を出力させることができる。

なお、回転角度検出装置は、車両の電動式ブレーキ倍力装置だけではなく、例えば、電動式パワーステアリング装置，産業用ロボットなど、アクチュエータとしての電動モータの回転角度を高精度に検出する必要がある各種機器に適用することができる。また、レゾルバ２８０は、励磁コイル２８４が電動モータＭと一体的に回転するものでもよい。

２８０ レゾルバ
４００ 励磁信号発生器
４１０ オペアンプ
４２０ コンデンサ
４３０ 電源

Claims (2)

1. 励磁信号を発生させる信号発生手段と、
   前記信号発生手段により発生された励磁信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段により増幅された励磁信号の直流成分を除去するコンデンサと、
   前記コンデンサにより直流成分が除去された励磁信号を入力し、モータの回転角度に応じたレゾルバ信号を出力するレゾルバと、
   を備え、
   前記レゾルバと前記コンデンサとによりＬＣ回路を構成すると共に、前記レゾルバに入力される励磁信号の周波数が共振周波数となるように、前記コンデンサの定数が設定されたことを特徴とするモータの角度検出装置。
2. 前記信号発生手段及び前記増幅手段は、共通する電源により駆動されることを特徴とする請求項１に記載のモータの回転角度検出装置。