JP2016109554A - 回転角検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
これらの構成によれば、第1の演算角を第2の演算角を用いてオフセット補正することにより補正角を演算することができる。オフセット補正を実行することにより、補正角は検出対象の1回転の角度である360°の範囲内で機械角と1対1に対応する。そのため、補正角から、検出対象の機械角(回転角)を演算することができる。360°の範囲内で、機械角を演算することができる第2の演算角を用いて第1の演算角を補正すれば、どのような第1センサを用いても機械角を検出することができる。
この構成によれば、たとえば検出対象の極対数などの他の要因によらずに、検出対象の機械角を検出することができる。どのような検出対象に対して第2センサを適用する場合でも、検出対象の1回転である360°の範囲内で機械角と1対1に対応した演算角を得ることができるため、ある検出対象に対して第2センサの適切な軸倍角nを考慮する負担を軽減することができる。また、検出対象が変更されても、たとえば検出対象の極対数を変えたとしても、第2センサを変更することなしに使用できる。
上記の回転角検出装置において、前記第1センサの軸倍角は2Xであり、前記第2センサの軸倍角は1Xであることが好ましい。前記第1の電気信号は、第1の正弦信号および第1の余弦信号を含み、前記第2の電気信号は、第2の正弦信号および第2の余弦信号を含んでいる。前記演算部は、前記異常検出値として、前記第2の余弦信号の2乗と前記第2の正弦信号の2乗の差と、前記第1の余弦信号との差の絶対値である第1差分値と、前記第2の正弦信号と前記第2の余弦信号の積の2倍と、前記第1の正弦信号との差の絶対値である第2差分値と、を演算する。そして、前記第1差分値または前記第2差分値が前記閾値よりも大きい場合に第1の電気信号または第2の電気信号の異常を検出する。
この構成によれば、たとえば検出対象の回転に連動した多極磁石の極対数が奇数の場合には、AMRセンサの第1の演算角は検出対象の1回転である360°の範囲内で1対1に対応しない。これに対して、GMRセンサは検出対象の1回転である360°の範囲内で1対1に対応した第2の演算角を得ることができる。そのため、比較的安価で高性能なAMRセンサから得られる第1の演算角を、GMRセンサの第2の演算角によって補正することで得られる補正角は、検出対象の1回転である360°の範囲内で機械角と1対1に対応する。
図1に示すように、電動パワーステアリング装置(EPS)10は運転者のステアリングホイール21の操作に基づいて転舵輪26を転舵させる操舵機構20、運転者のステアリング操作を補助するアシスト機構30及びアシスト機構30を制御するECU(電子制御装置)40を備えている。
図2に示すように、回転角センサ53は、たとえばモータ31の減速機構32と反対側の端部(図2中の上部)に取り付けられたハウジング61の内部に設けられている。回転角センサ53は、バイアス磁石62と、磁気センサの一例としての異方向性磁気抵抗(AMR)センサ63、および巨大磁気抵抗効果(GMR)センサ64とを有している。AMRセンサ63は軸倍角2Xであり、GMRセンサ64は軸倍角1Xである。バイアス磁石62は、回転軸31aの端部に固定されているため、回転軸31aの回転によってバイアス磁石62も回転する。また、AMRセンサ63は、ハウジング61の底面に固定された基板65に設けられている。AMRセンサ63は回転軸31aの軸m方向において、バイアス磁石62と対向している。また、GMRセンサ64は、基板65のAMRセンサ63と反対側の面に設けられている。AMRセンサ63とGMRセンサ64とは基板65を挟んで対向している。バイアス磁石62、AMRセンサ63およびGMRセンサ64は、回転軸31aの軸m上に位置している。
図4に示すように、AMRセンサ63は、バイアス磁石62から付与されるバイアス磁界の向きに応じて第1および第2の検出信号S11,S12を生成する。AMRセンサ63は、4つのAMR素子71〜74からなるブリッジ回路70を有している。このブリッジ回路70は、2つのAMR素子71,72からなるハーフブリッジ回路70aと、残り2つのAMR素子73,74からなるハーフブリッジ回路70bを有している。2つのハーフブリッジ回路70a,70bの第1の端部は、それぞれ電源端子(電源電圧+Vcc1)に接続されている。電源電圧+Vcc1はAMRセンサ63の駆動に適した電圧に設定されている。2つのハーフブリッジ回路70a,70bの第2の端部はそれぞれ接地されている。ハーフブリッジ回路70aのAMR素子71,72の間の中点はECU40のマイクロコンピュータ41に接続されており、その中点電圧が検出信号S11としてマイクロコンピュータ41へ出力される。また、ハーフブリッジ回路70bのAMR素子73,74の中点はマイクロコンピュータ41に接続されており、その中点電圧が検出信号S12としてマイクロコンピュータ41へ出力される。
S12= Acos2θea …(2)
つぎにGMRセンサ64について説明する。GMRセンサ64は、バイアス磁石62から付与されるバイアス磁界の向きに応じて検出信号S21,S22を生成する。
S22= Acosθeg …(4)
マイクロコンピュータ41は、検出信号S11,S12,S21,S22を規定されたタイミングで取り込む。マイクロコンピュータ41は次式(5)を用いて、2倍の電気角2θeaを演算する。また、マイクロコンピュータ41は次式(6)を用いて、電気角θegを演算する。すなわち、検出信号S11および検出信号S12により逆正接値を演算すること、または検出信号S21および検出信号S22により逆正接値を演算することにより、電気角θea,θegを演算することが可能である。
θeg=arctan(S21/S22) …(6)
ここで、モータ31の機械角θ、モータ31の電気角θsについて定義する。機械角θは、モータ31の回転軸31aの回転する角度と対応する。電気角θsは、回転軸31aが回転したことにより変化するバイアス磁界の変化に対応した角度であり、機械角θが1周期する間(回転軸31aが1回転する間)にバイアス磁石62の極対数Yと同数の周期性を有する。また、回転軸31aが回転することによって生じるバイアス磁界の変化(電気角θs)はAMRセンサ63およびGMRセンサ64にそれぞれ作用する。AMRセンサ63は電気角θsの変化に対応して検出信号S11,S12を生成する。同様にGMRセンサ64は、検出信号S21,S22を生成する。マイクロコンピュータ41は、検出信号S11,S12の電気角θeaおよび検出信号S21,S22の電気角θegを演算する。これらの電気角θea,θegを用いて、モータ31の機械角θは演算される。
つぎに本実施形態の作用について説明する。
本実施形態では、3極対のモータ31を採用している。このため、モータ31が1回転する間、つまり機械角θが0°から360°に達するまでにバイアス磁界が3回切り替わる。すなわち、バイアス磁石62が回転することによって、特定の基準方向に対してN極,S極,N極,S極というようにバイアス磁界の向きが交互に3回変わる。
補正AMR角θc=2θea/2+180° (180°<θ<360°) …(9)
このようにして演算された補正AMR角θcと極対数Yとを積算すると、演算角(演算された電気角)θoを演算することができる。すなわち、演算角θoは次式(10)のように表される。
演算角θoは、図5(c)にも示されるように、機械角θに対して360°の範囲において、1対1で対応する。このため、演算角θoから機械角θを360°の範囲で一義的に検出することができる。たとえば、演算角θoが60°のとき、機械角θは60°と演算できる。また、演算角θoが240°のとき、機械角θは240°と演算することができる。
(1)AMRセンサ63は軸倍角2Xであるため、偶数の極対数のモータ31に対してはAMRセンサ63のみで機械角θを完全に検出することができる。これに対して、3極対のモータ31では、AMRセンサ63が軸倍角2Xであるために機械角θを完全には検出することができない。しかし、軸倍角2XのAMRセンサ63と軸倍角1XのGMRセンサ64を組み合わせて用いることにより、AMRセンサ63単体では検出することができない、3,5,7…などの奇数の極対数Yをもつモータ31の機械角θを検出することができる。そのため、どのような極対数Yのモータ31であれ、その機械角θを求めることができる。また、AMRセンサ63,GMRセンサ64という、より汎用的な組み合わせによって機械角θを検出できるので安価である。
つぎに回転角検出装置の第2実施形態について説明する。ここでは、第1実施形態との違いを中心に説明する。
補正AMR角θc=2θea/2+180° (θt1≦|θea/2−θeg|≦θt2) …(12)
1/2倍の電気角θeaと電気角θegとの差が、上限閾値θt2よりも小さいとき、あるいは下限閾値θt1よりも大きい場合にオフセット補正が行われる。これらの下限閾値θt1および上限閾値θt2は、たとえばセンサ素子の抵抗値のばらつきやセンサ素子の製造ばらつき等の設計上想定できるばらつきを考慮して決定される。この設計上想定できるばらつきを考慮することにより、図7(a)に示すようにオフセット補正を確実にすることができる。AMRセンサ63の出力を補正できるため、AMRセンサ63の電気角θeaに基づき機械角θを検出することができる。
(1)本実施形態では、たとえセンサ素子の出力にばらつきが存在していても、下限閾値θt1および上限閾値θt2を設定することにより、AMRセンサ63の出力(検出信号S11,S12)に対するオフセット補正をより確実に実行することができる。設計上想定できる範囲からGMRセンサ64の電気角θegに帯状の領域を想定し、その領域との間でGMRセンサの出力の電気角θegと、AMRセンサ63の出力の電気角θeaを1/2倍した値との差をとればよい。AMRセンサ63に対するオフセット補正がより確実になされるために、AMRセンサ63による機械角θの検出をより確実に行うことが可能である。
つぎに回転角検出装置の第3実施形態について説明する。ここでも、第1実施形態との違いを中心に説明する。GMRセンサ64が故障した場合には、GMRセンサ64の出力によってAMRセンサ63の出力を補正することができないので、機械角θを求めることができなくなる。本実施形態では、操舵中にGMRセンサ64が故障した場合、AMRセンサ63のみで機械角θを検出するバックアップ制御を実行する。
本実施形態の効果について説明する。
つぎに回転角検出装置の第4実施形態について説明する。ここでも、第1実施形態との違いを中心に説明する。第4実施形態のAMRセンサ63およびGMRセンサ64はそれぞれ冗長化されている。回転角検出装置は、機械角θを検出する機能に加えて、センサ出力の異常検出機能も備えている。
S14=−Acos2θea …(14)
また、各GMR素子91〜94,101〜104の配置をバイアス磁石62に対して調節することにより、検出信号S21〜S24はそれぞれ、つぎのような挙動を示す信号となる。すなわち、検出信号S21は、電気角θegに対して振幅Aのsin信号となる。検出信号S22は、検出信号S21に対して90°だけ位相が遅れた振幅Aのcos信号である。検出信号S23は検出信号S21と180°だけ位相のずれた振幅Aの−sin信号となる。検出信号S24は検出信号S22と180°だけ位相のずれた振幅Aの−cos信号である。そのため、検出信号S21,S22は既出の式(3),(4)のように表すことができる。検出信号S23,S24はつぎの(15),(16)ように表すことができる。
S24=−Acosθeg …(16)
マイクロコンピュータ41は、検出信号S11〜S14,S21〜S24を規定されたタイミングで取り込む。マイクロコンピュータ41は、次式(17)〜(20)に示されるように、検出信号S11と検出信号S13の差分、検出信号S12と検出信号S14の差分、検出信号S21と検出信号S23の差分、および検出信号S22と検出信号S24の差分をそれぞれ演算する。その差分は、検出信号S11〜S14,S21〜S24の2倍の振幅を有する信号である。また、マイクロコンピュータ41は、次式(21),(22)により、前記のそれぞれ2つの差分値に基づいて逆正接値を演算することにより機械角θを演算することができる。
=2Asin2θea …(17)
AMRセンサ63の余弦成分の差分値=S12−S14
=2Acos2θea …(18)
GMRセンサ64の正弦成分の差分値=S21−S23
=2Asinθeg …(19)
GMRセンサ64の余弦成分の差分値=S22−S24
=2Acosθeg …(20)
2θea=arctan(2Asin2θea/2Acos2θea) …(21)
θeg=arctan(2Asinθeg/2Acosθeg) …(22)
マイクロコンピュータ41は次式(23),(24)を用いて、AMRセンサ63の出力に基づく2倍の電気角2θeaを演算することが可能である。また、マイクロコンピュータ41は次式(25),(26)を用いて、GMRセンサ64の出力に基づく電気角θegを演算することが可能である。すなわち、検出信号S11〜S14,S21〜S24により逆正接値を演算することで、電気角θea,θegを演算することが可能である。
2θea=arctan(S13/S14) …(24)
θeg=arctan(S21/S22) …(25)
θeg=arctan(S23/S24) …(26)
マイクロコンピュータ41は、このように各検出信号S11〜14,S21〜24から2倍の電気角2θeaおよび電気角θegを検出する機能に加えて、各検出信号S11〜14,S21〜24に異常が発生しているかどうかを検出する機能を備えている。
S12+S14=0 …(28)
S21+S23=0 …(29)
S22+S24=0 …(30)
式(27)が成立しないときには、検出信号S11または検出信号S13が異常であることが検出できる。式(28)が成立しないときには、検出信号S12または検出信号S14が異常であることが検出できる。同様に、式(29)が成立しないときには、検出信号S21または検出信号S23が異常であることが検出できる。また、式(30)が成立しないときには、検出信号S22または検出信号S24が異常であることが検出できる。
|S12+S14|>閾値 …(28a)
|S21+S23|>閾値 …(29a)
|S22+S24|>閾値 …(30a)
異常検出部43は、誤差の絶対値がある閾値を超える場合には各式に対応した検出信号が異常である旨を判定する。また、異常検出部43は誤差の絶対値がある閾値を超えない場合には各検出信号S11〜S14,S21〜24が正常である旨を判定する。マイクロコンピュータ41は、正常な各検出信号S11〜S14,S21〜24を用いて機械角θを演算することが可能である。
パターンP1は、ブリッジ回路70に異常が発生している場合である。この場合、検出信号S11および検出信号S12の少なくとも一方に異常が発生している。たとえば、ブリッジ回路70が故障しているために検出信号S11,S12の少なくとも一方が出力されない場合や、ブリッジ回路70と電源端子との間の配線に異常が発生し、電源電圧+Vcc1がブリッジ回路70に印加されない場合が考えられる。この場合、AMRセンサ63の正常と思われる検出信号S13,S14を、たとえば式(27a),(28a)に適用したとしても、検出信号S11,S12の異常を検出することはできない。検出信号S11,S12の少なくとも一方に異常が発生しているために、検出信号S13,S14との信号和が閾値より小さくなったとしても検出信号S13,S14が異常でない保証がないためである。たとえば、検出信号S11に異常が発生しているために本来よりも2倍程度大きな値の検出信号S11が出力されていたとしても、検出信号S13にも異常が発生しているために本来よりも2倍程度大きな値の検出信号S13が出力されている場合がある。この場合には、式(27a)によって検出信号S11と検出信号S13の和をとると閾値よりも小さくなりうるため、検出信号S11,S13はそれぞれ異常な値であるにも関わらず、信号和による異常検出方法からは正常な検出信号S11,S13が検出されたと判定される。
|S12−(S22^2−S21^2)|>閾値 …(32)
|S13−(2S23・S24)|>閾値 …(33)
|S14−(S24^2−S23^2)|>閾値 …(34)
パターンP1の場合は、ブリッジ回路70に異常が発生しているために検出信号S11,S12の少なくとも一方は異常な値となっている。そのため、検出信号S11,S12を用いずに、他のブリッジ回路80,90,100から出力される検出信号S13,S14,S21〜24の異常を検出したい。この場合、式(33),(34)を用いることで、検出信号S11,S12を用いることなく、検出信号S13,S14の異常を検出することができる。
パターンP2について説明する。パターンP2はAMRセンサ63のブリッジ回路80に異常が発生している場合である。この場合、検出信号S13または検出信号S14の少なくとも一方に異常が発生しているため、検出信号S13,S14を用いることなく、ブリッジ回路70の異常を検出したい。パターンP2はパターンP1とほぼ同様の処理によって、ブリッジ回路70の検出信号S11,S12の異常を検出することができる。検出信号S11の異常を判定する場合には、式(31)を用いる。同様に、検出信号S12の異常を判定する場合には、式(32)を用いる。検出信号S11,S12がそれぞれ正常である旨が判定された場合、検出信号S11,S12は電気角θeaを求めるための情報として用いられる。
つぎに、パターンP3について説明する。パターンP3はGMRセンサ64のブリッジ回路90に異常が発生している場合である。この場合、検出信号S21または検出信号S22の少なくとも一方に異常が発生しているため、検出信号S21または検出信号S22を用いることなく、ブリッジ回路100の検出信号S23,S24の異常を検出したい。この場合、式(33),(34)を用いることによって、ブリッジ回路100の検出信号S23,S24の異常を検出することができる。式(33),(34)の左辺の値がそれぞれ閾値以下であれば検出信号S23,S24は共に正常であると判定することができる。
つぎに、パターンP4について説明する。パターンP4は、GMRセンサ64のブリッジ回路100に異常が発生している場合である。パターンP4の場合についてもパターンP3と同様の処理をすればよい。すなわち、パターンP4はブリッジ回路100に異常が発生しているため、検出信号S23,S24を用いることなくブリッジ回路90の検出信号S21,S22の異常を検出したい場合である。この場合、式(31),(32)を用いることによって、ブリッジ回路90の検出信号S21,S22の異常を検出することができる。また、その閾値の設定には、AMRセンサ63の出力を補正できるだけの精度が検出信号S23,S24にあればよいことに留意して行われる。
つぎに、パターンP5について説明する。パターンP5は、AMRセンサ63のブリッジ回路70,80の両方に異常が発生しているために、AMRセンサ63の検出信号S11〜14の全ての検出信号が正常である旨の保証がない場合である。たとえば、電源端子の接続不良により、ブリッジ回路70,80から検出信号S11〜14が全く出力されない場合が考えられる。パターンP5の場合、GMRセンサ64の2つのブリッジ回路90,100から得られる検出信号S21〜24については、式(29a),(30a)を用いて、正常時と同様に異常を判定することができる。
ここでは、ブリッジ回路80に異常が発生しているために(パターンP2)、ブリッジ回路80の検出信号S13,S14を用いることなくブリッジ回路70の検出信号S11,S12の異常を検出する場合を想定する。具体的には、たとえばAMRセンサ63のブリッジ回路70の検出信号S11,S12に以下のパターンの異常が発生した場合が想定できる。すなわち、検出信号S11または検出信号S12の振幅に異常が発生した場合、検出信号S11または検出信号S12にオフセット異常が発生した場合、検出信号S11または検出信号S12の位相に異常が発生した場合である。これらのパターンが組み合わさって異常となる場合も存在する。ここでは、パターンPAとして検出信号S12の振幅に異常が発生した場合、パターンPBとしてオフセット異常が発生した場合について具体的に記載する。
センサ素子は製造ばらつきを有することや、接続不良などの異常の発生によって、厳密には式(31),(32)の右辺は0とならないことがありうる。そのため、式(31)の左辺を差分Sと、式(32)の左辺を差分Cと定義する。3信号異常検出方法では、差分Sと差分Cを求めることによって、検出信号S11〜S14,S21〜24の異常を検出する。
差分C=|S12−(S22^2−S21^2)| …(32a)
つぎに、3信号異常検出方法の有意性を示すために、比較例として、従来の2乗和による異常検出方法について説明する。
ここでは、2乗和Pを次式(35a)により定義する。
2乗和P=(S11^2+S12^2)−CONST …(35a)
理想的な状況では2乗和Pは0となるが、センサ素子のばらつきや異常のために2乗和Pは0とならない場合がある。なお、検出信号S11および検出信号S12だけでなく、たとえば検出信号S21および検出信号S22との間で2乗和Pを計算してもよいが、ここではその式の記載を省略する。
電気角誤差Eが生じる場合(値として大きくなっている場合)に、差分Cおよび差分Sを演算することによって、異常であることが判定できればよい。
図10に示すように、異常もなく、理想的なセンサ素子を用いた場合についての差分C,差分S,2乗和P,電気角誤差Eについて説明する。図10(a)に実線で示すように、異常がない場合、検出信号S11は式(1)で表される正弦波を示す。同図に1点鎖線で示すように、式(31)の左辺第2項で示される「2S21・S22」も、検出信号S11と全く同じ軌跡を辿る正弦波を示す。そのため、同図に2点鎖線で示されるように、式(31a)で表される差分Sは、機械角θの値に関わらず常に0となる。また、同図に破線で示される2乗和Pは式(35a)により計算される。検出信号S11およびS12には誤差が含まれないため、それらの値の2乗の和は1となり、2乗和Pは機械角θによらずに常に0となる。
パターンPAはAMRセンサ63の検出信号S12の振幅Aがある係数倍される異常が発生した場合である。検出信号S12は次式(2a)のように記載することができる。ただし、「A」は振幅、「x」は1より大きな値の係数である。
検出信号S12の振幅Aに異常が発生した場合、差分C、差分S、2乗和P、および電気角誤差Eはそれぞれ振幅に応じて変化する。
=(Axcos2θea)^2+(Asin2θea)^2−A^2
=(Axcos2θea)^2+A^2−(Acos2θea)^2−A^2
=(x^2−1)(Acos2θea)^2 …(37)
同図に破線で示される2乗和Pは「(Acos2θea)^2」に比例する、常に正の値をもつ関数である。
=|Axcos2θea−Acos2θea|
=|(x−1)Acos2θea| …(38)
式(38)に示されるように、差分Cは、検出信号S12の振幅Aを(x−1)倍した関数の絶対値によって表される。なお、同図に破線で表される2乗和Pについては、図11(a)の場合と同様であり、式(37)によって表すことができる。
=Y{θ−arctan(sin2θea/2cos2θea)/2} …(39)
たとえば、機械角θが60°のとき、式(39)の第2項の逆正接値「arctan(sin2θea/2cos2θea)」は「arctan{(SQRT(3)/2)/(2・1/2)}」となる。なお、SQRTは、平方根の意味である。逆正接値「arctan(sin2θea/2cos2θea)」を演算すると、その角度はおよそ140°と計算されるため、式(39)から電気角誤差Eは約10°となる。振幅異常が発生していない通常の場合、逆正接値は「arctan((SQRT(3)/2)/(1/2))」であるため、演算すると角度は120°と計算される。そのため、式(39)から電気角誤差Eは0°となる。なお、振幅異常が発生している場合でも、たとえば機械角θが45°のとき、逆正接値は90°と演算されて電気角誤差Eは0°である。式(39)からも明らかなように、機械角θによって電気角誤差Eは変動する。
図12(a)は、検出信号S12の振幅Aに異常が発生した場合に演算される差分Cを図示したグラフである。一例として、振幅Aに0%、40%、80%の誤差が生じた場合について記載する。この場合、差分Cは式(38)によって演算することができる。
図中の1点鎖線は検出信号S12の振幅に80%の誤差が生じた場合を示す。このとき、振幅Aが1.8倍(係数xは1.8)になる。この場合、差分Cは次式(38b)と表すことができる。
図12(b)は、検出信号S12の振幅Aに異常が発生した場合に演算される2乗和Pを図示したグラフである。この場合、2乗和Pは式(37)によって演算することができる。図中の破線は検出信号S12の振幅Aに0%の誤差が生じた場合を示す。このとき、係数xは1であるため、その2乗和Pは常に0である。
図中の1点鎖線は検出信号S12の振幅に80%の誤差が生じた場合を示す。このとき、振幅Aが1.8倍(振幅異常係数xは1.8)になる。この場合、差分Cは次式(37b)のように表すことができる。
簡便に説明するために「(Acos2θea)^2=1」として、3信号異常検出方法と2乗和による異常検出方法とを比較する。誤差が0%の場合は両者には差はない。しかし、誤差が40%の場合には、差分Cは0.4であるのに対して2乗和Pは0.96である。さらに、誤差が80%の場合には、差分Cは0.8であるのに対して2乗和Pは2.24である。すなわち、2乗和による異常検出方法の場合は、振幅Aの誤差が大きくなるほど、2乗和Pの絶対値の増加量は差分Cの増加量と比べてより大きくなる。これは、2乗和Pは誤差を含む検出信号S12を2乗するためである。差分Cおよび2乗和Pは、異常を検出するための指標であり、差分Cおよび2乗和Pの絶対値がある閾値より大きいか否かで異常が判定される。そのため、誤差が生じた場合に、差分Cに比べて2乗和Pの絶対値が大きくなるとすれば、より閾値を大きな値に設定しなければならない。閾値が大きくなるため、2乗和による異常検出方法を採用する場合、より閾値設計が困難となる。逆にいえば、2乗和による異常検出方法を採用する場合と比べて3信号異常検出方法を採用する場合は、閾値設計が容易である。たとえば、誤差を40%まで許容すると設定した場合には、2乗和による異常検出方法では閾値を0.96と設定するが、3信号異常検出方法では閾値を0.4と設定すればよい。
パターンPBは、検出信号S12にオフセット異常が発生した場合である。オフセット異常が発生した場合、検出信号S12は次式(2b)で表すことができる。なお、「Offset」はオフセット値を意味している。
検出信号S12にオフセット異常が発生した場合には、差分C,差分S,2乗和P,電気角誤差Eはそれぞれ変化する。
=Offset^2+2Offset・Acos2θea …(40)
つぎに、図13(b)に示すように、差分Cおよび2乗和Pの変化について説明する。図中に実線で示されるように、検出信号S12は、通常時の検出信号S12にオフセット値Offsetが加算されたものであり、式(2b)で表される。すなわち、ここでの検出信号S12は通常時の検出信号S12をオフセット値Offsetの分だけ縦軸に沿って平行移動させた一定の関数である。図中に2点鎖線で示されるように「S22^2−S21^2」は通常時の検出信号S12と同じ軌跡を辿り、式(2)で表すことができる。この場合、検出信号S12と「S22^2−S21^2」とは、縦軸に沿ってオフセット値Offsetだけ離れた同じ変化を有する関数である。そのため、図中に1点鎖線で示される差分Cは次式(41)で表すことができる。
なお、図中に破線で表される2乗和Pについては、図13(a)に示される場合と同様であり、式(40)によって表すことができる。
この電気角誤差Eは、演算角θoを演算する際の式(39)の逆正接値「arctan{sin2θea/(cos2θea+0.5)}」に、オフセット異常が発生している検出信号S12が用いられるために生じる。すなわち、通常であれば逆正接値は「arctan(sin2θea/cos2θea)」であったものが、「arctan{sin2θea/(cos2θea+0.5)}」であるため、たとえば機械角θが60°の場合には、演算角θoは90°と演算されて電気角誤差Eは15°である。
ここでは、検出信号S22にオフセット異常が発生した場合について記載する。検出信号S22にオフセット異常が発生した場合、検出信号S22は式(4)から次式(4a)へと書き換えることができる。
このように検出信号S22の振幅Aにオフセット異常が発生した場合には、差分C,差分S,2乗和P,電気角誤差Eはそれぞれ変化する。まず、図14(a)を参照しつつ、差分Sおよび2乗和Pの変化について記載する。検出信号S11には異常が発生していないため、同図に実線で示されるように検出信号S11は式(1)で表される正弦波である。同図に1点鎖線で示されるように、式(31)の左辺第2項である「2S21・S22」は、通常の「2S21・S22」に加えて、オフセット値Offsetと検出信号S21との積で表される。そのため、同図に2点鎖線で示される差分Sは、次式(43)で表すことができる。
2乗和Pは、検出信号S11,S12には共に異常が生じていないため、機械角θによらずに常に0である。
なお、同図に破線で表される2乗和Pについては、図14(a)に示される場合と同様に、機械角θによらずに常に0である。
(1)3信号異常検出方法を採用することによって、パターンP1〜P6のように、一部のセンサ素子に異常が発生したために、信号和による異常検出方法を用いることができない場合にも異常を検出することができる。3信号異常検出方法では差分Cおよび差分Sが閾値より小さいか否かを監視することによって、AMRセンサ63およびGMRセンサ64の出力が異常であるか否かを検出することができる。
差分C=|S16−(4S22^3−3S22)| …(46)
なお、検出信号S15,S16は、電気角θetを用いて、次式(47),(48)で表される。
S16=Acos3θet …(48)
・各実施形態では、AMRセンサ63やGMRセンサ64などのMRセンサを採用したが、これに限らない。たとえば、ホール素子であってもよいし、レゾルバであってもよい。
・第2実施形態では、下限閾値θt1および上限閾値θt2を設定したが、どちらか一方のみでも構わない。
・第3実施形態では、GMRセンサ64の故障によって検出信号S21,S22が出力できない場合を想定したが、検出信号S21,S22が出力されていても、検出信号S21,S22が明らかに異常な値である場合にはカウンタ42によるバックアップ制御を行ってもよい。
・第4実施形態において、第2実施形態のバックアップ制御を行う場合は、信号和による異常検出方法に加えて、2乗和による異常検出方法により常時監視することが好ましい。信号和による異常検出方法では異常は検出できても、故障部位を特定することができないためである。両者を併用することで、信号和により異常である旨が検出されて、かつ2乗和による異常検出方法で故障部位を特定することができた場合は、バックアップ制御を行うことができる。また、信号和により異常である旨が検出されたが、2乗和による異常検出方法で故障部位を特定できなかった場合は、正確に機械角θを求めることができないため、アシスト力の付与を停止する。ただし、アシスト力の付与を急に停止すると操舵フィーリングが急激に変化するため、モータ31が急激に停止することは抑制される。
・第4実施形態では、信号和による異常検出方法では異常が発生しているのか否かを判定できない場合に、3信号異常検出方法を適用したがそれに限らない。たとえば、検出信号S11,S13の信号和で異常が検出されたとすると、検出信号S11,S13の両方に対して3信号異常検出方法を適用すればよい。そのため、検出信号S11,S13の一方かあるいは両方に異常が生じていると判定できる。
(イ)前記第1センサと前記第2センサとは、異なる電源経路を介して供給される電圧により駆動する。
Claims (10)
- 検出対象の回転角に応じた第1の電気信号を生成する整数の軸倍角Nを有する第1センサと、前記検出対象の回転角に応じた第2の電気信号を生成する前記軸倍角Nよりも小さな整数の軸倍角nを有する第2センサと、前記第1および前記第2の電気信号から前記回転角を演算する演算部と、を有し、
前記演算部は、前記第1の電気信号から第1の演算角を演算し、前記第2の電気信号から、検出対象の1回転の角度である360°の範囲内で回転角と1対1に対応する第2の演算角を演算し、
前記演算部は、n/N倍した前記第1の演算角と前記第2の演算角との差が、前記n/Nと360°の積を基準として設定される設定値に達したときに、前記n/N倍した第1の演算角に前記設定値に対応したオフセット値を加算する、オフセット補正を実行することにより補正角を演算し、当該補正角に基づき前記回転角を演算する回転角検出装置。 - 請求項1に記載の回転角検出装置において、
前記第1および第2の電気信号は、それぞれ正弦信号と余弦信号とを含む回転角検出装置。 - 請求項1または請求項2に記載の回転角検出装置において、
前記第2センサの軸倍角nは1Xに設定される回転角検出装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の回転角検出装置において、
前記検出対象は、自身と連動して回転する多極磁石を備え、
前記演算部は、前記補正角と前記多極磁石の極対数を積算することにより前記回転角を演算する回転角検出装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転角検出装置において、
前記設定値として、下限閾値および上限閾値の少なくとも一方が設定され、
前記演算部は、n/N倍した前記第1の演算角と、前記第2の演算角との差が前記下限閾値よりも大きいまたは前記上限閾値よりも小さい場合に、前記オフセット補正を実行する回転角検出装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の回転角検出装置において、
前記演算部に動作電源が供給されるとき、前記オフセット補正が実行されたか否かを示すカウンタ値を記憶するカウンタを備え、
前記演算部は、前記第2の演算角が異常な場合には、前記カウンタ値に基づき前記オフセット補正を実行するとともに、前記第1の演算角が1周期進むごとに前記カウンタ値を更新する回転角検出装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の回転角検出装置において、
前記第1センサおよび前記第2センサはそれぞれ2つ設けられ、
前記2つの第1センサは互いに180°位相が異なる電気信号を生成し、
前記2つの第2センサは互いに180°位相が異なる電気信号を生成する回転角検出装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の回転角検出装置において、
前記演算部は異常検出部を備え、
前記異常検出部は、前記第1の演算角と前記第2の演算角とを用いて、加法定理により異常検出値を演算し、
前記異常検出値と閾値との大小関係に基づき異常を検出する回転角検出装置。 - 請求項8に記載の回転角検出装置において、
前記第1センサの軸倍角は2Xであり、前記第2センサの軸倍角は1Xであり、
前記第1の電気信号は、第1の正弦信号および第1の余弦信号を含み、前記第2の電気信号は、第2の正弦信号および第2の余弦信号を含み、
前記演算部は、前記異常検出値として、
前記第2の余弦信号の2乗と前記第2の正弦信号の2乗の差と、前記第1の余弦信号との差の絶対値である第1差分値と、
前記第2の正弦信号と前記第2の余弦信号の積の2倍と、前記第1の正弦信号との差の絶対値である第2差分値と、を演算し、
前記第1差分値または前記第2差分値が前記閾値よりも大きい場合に第1の電気信号または第2の電気信号の異常を検出する回転角検出装置。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の回転角検出装置において、
前記第1センサは軸倍角2XのAMRセンサであり、前記第2センサは軸倍角1XのGMRセンサである回転角検出装置。
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