JP3777363B2 - 回転角検出装置および電動パワーステアリング装置 - Google Patents
回転角検出装置および電動パワーステアリング装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの出力軸の回転角をレゾルバの出力信号に基づいて検出する回転角検出装置と、その回転角検出装置を用いた電動パワーステアリング装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
下記特許文献に記載された回転角検出装置のレゾルバは、固定周波数発振器が発生する一定周期の２相正弦波により励磁される一対の励磁巻線と、回転子の回転角に応じた出力を発生する検出巻線とを備えており、検出巻線の出力と前記２相正弦波との乗算値の倍調成分をローパスフィルタで濾波した２相信号の比であるｔａｎθに基づいて回転子の回転角θを検出するようになっている。
【０００３】
【特許文献】
特公昭５９−１３７０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レゾルバの出力信号から算出したｔａｎθからモータの出力軸の回転角θをマップ検索する場合、回転角θの必要な分解能を確保するにはｔａｎθのデータを細かい間隔で持つ必要がある。ｔａｎθのデータを一定の間隔で持つと、回転角θの絶対値が０°に近い領域では分解能が低くなり、回転角θの絶対値が９０°に近い領域では分解能が高くなる。従って、回転角θの絶対値が０°に近い領域で必要な分解能が得られるようにｔａｎθのデータの間隔を設定すると、回転角θの絶対値が９０°に近い領域で分解能が必要以上に高くなり、データ量の増加によりマイクロコンピュータのコストが増加する問題がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、レゾルバの出力信号から算出したｔａｎθからモータの出力軸の回転角θを検索するマップのデータ量を削減することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、モータの出力軸の回転角θに応じてレゾルバが出力するｃｏｓθ信号およびｓｉｎθ信号からｔａｎθを算出し、ｔａｎθの値をｔａｎθ→θ変換マップに適用して回転角θを検索する回転角検出装置において、前記ｔａｎθ→θ変換マップは、回転角θの絶対値が小さい領域ほどｔａｎθの間隔が小さく設定されていることを特徴とする回転角検出装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、リゾルバの出力信号から算出したｔａｎθからモータの出力軸の回転角θを検出するｔａｎθ→θ変換マップが、回転角θの絶対値が小さい領域ほどｔａｎθの間隔が小さく設定されているので、回転角θの全ての領域で必要な分解能を確保しながら、ｔａｎθ→θ変換マップのデータ量を削減してコストダウンに寄与することができる。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、ドライバーのステアリング操作をアシストするブラシレスモータに請求項１に記載の回転角検出装置を設け、回転角検出装置で検出した出力軸の回転角θに基づいてブラシレスモータへの通電を制御することを特徴とする電動パワーステアリング装置が提案される。
【０００９】
上記構成によれば、電動パワーステアリング装置のブラシレスモータへの通電を回転角検出装置で検出した出力軸の回転角θに基づいて制御するので、回転角検出装置のコストダウンにより電動パワーステアリング装置のコストダウンを図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１１】
図１〜図１０は本発明の第１実施例を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置の全体斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は回転角センサの構造を示すブロック図、図４は回転角センサのマイクロコンピュータの計算フローを示すブロック図、図５は回転角θと傾きｔａｎθとの関係を示す図、図６は回転角θと傾きｔａｎθとの関係を示すグラフ、図７は傾きｔａｎθから回転角θを算出する処理の説明図、図８は回転角算出処理のフローチャート、図９は回転角速度ωから回転角θの補正値を検索するマップを示す図、図１０は回転角補正処理のフローチャートである。
【００１２】
図１および図２に示すように、自動車のステアリングホイール１１と一体に回転するステアリングシャフト１２と、ラック・ピニオン式のステアリングギヤボックス１３と一体のギヤケーシング１４から延びるピニオンシャフト１５とが、一対の自在継ぎ手１６，１７および連結軸１８を介して接続される。ステアリングギヤボックス１３から左右に延びるタイロッド１９，１９が、図示せぬナックルを介して左右の前輪ＷＬ，ＷＲに接続される。
【００１３】
ギヤケーシング１４と、その上面にボルト２０…で固定されたカバー２１とに、ボールベアリング２２，２３を介してピニオンシャフト１５が回転自在に支持される。ギヤケーシング１４からステアリングギヤボックス１３の内部に突出するピニオンシャフト１５の下端にピニオン２４が設けられており、このピニオン２４がステアリングギヤボックス１３の内部に左右スライド自在に支持されたステアリングロッド２５に形成したラック２６に噛み合っている。
【００１４】
ギヤケーシング１４にアクチュエータとしてのブラシレスモータ２７が支持されており、ブラシレスモータ２７の出力軸２８に設けたウオーム２９がピニオンシャフト１５に設けたウオームホイール３０に噛み合っている。従って、ブラシレスモータ２７のトルクはウオーム２９およびウオームホイール３０を介してピニオンシャフト１５に伝達される。
【００１５】
パワーステアリング装置の電子制御ユニットＵには、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ３１と、車速を検出する車速センサ３２と、ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角を検出する回転角センサ３３と、ブラシレスモータ２７を流れる実電流を検出する電流センサ３４とが接続され、これらのセンサ３１〜３４からの信号に基づいて電子制御ユニットＵはブラシレスモータ２７の作動を制御する。
【００１６】
具体的には、ドライバーがステアリングホイール１１を操作することにより発生した操舵トルクを操舵トルクセンサ３１が検出すると、その操舵トルクが目標操舵トルクに一致するようにブラシレスモータ２７に目標電流を供給し、ブラシレスモータ２７の出力トルクでドライバーのステアリング操作をアシストする。このとき、車両の低速走行状態ではステアリング操作が軽くなり、車両の高速走行状態ではステアリング操作が重くなるように、車速センサ３２で検出した車速に応じて前記目標操舵トルクが補正される。ブラシレスモータ２７に目標電流を供給するとき、電流センサ３４でブラシレスモータ２７を流れる実電流を検出し、その実電流が目標電流に一致するようにフィードバック制御が行われる。
【００１７】
ブラシレスモータ２７は複数のコイルを有するステータと、永久磁石を有するロータとを備えており、ロータの回転角（つまり永久磁石の磁極位置）に応じて複数のコイルに対する三相交流の供給を切り換える必要があり、そのためにロータの回転角がレゾルバを用いた回転角センサ３３で検出される。ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角が回転角センサ３３により精度良く検出されるほど、ブラシレスモータ２７を効率よく駆動して消費電力の削減、出力トルクの増加、作動音の低減およびトルクリップルの低減が可能になる。
【００１８】
次に、図３〜図１０に基づいて回転角センサ３３の構造を説明する。
【００１９】
ブラシレスモータ２７に設けられた周知のレゾルバ４１は、一次巻線４２と、位相を９０°異ならせて配置した二つの二次巻線４３，４４とを備える。電子制御ユニットＵに設けられたマイクロコンピュータ４５が出力する矩形波は、バンドパスフィルタ４６を通過して正弦波に変換され、更に増幅器４７を通過して正弦波の基準信号Ｅ1 ｓｉｎωｔとなって一次巻線４２に入力される。その結果、二つの二次巻線４３，４４には、ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角θ（つまりロータの回転角）に応じた第１の出力信号Ｅ2 ｓｉｎωｔｃｏｓθと、第２の出力信号Ｅ2 ｓｉｎωｔｓｉｎθとが出力される。
【００２０】
マイクロコンピュータ４５には、基準信号ＥR1-R2 ＝Ｅ1 ｓｉｎωｔが差動アンプ４８を経て入力され、また二つの二次巻線４３，４４の第１の出力信号ＥS1-S3 ＝Ｅ2 ｓｉｎωｔｃｏｓθおよび第２の出力信号ＥS2-S4 ＝Ｅ2 ｓｉｎωｔｓｉｎθがそれぞれ差動アンプ４９，５０を経て入力される。基準信号ＥR1-R2 および第１、第２の出力信号ＥS1-S3 ，ＥS2-S4 は、それぞれ中点補正手段５１，５２，５３で振幅の中点が共通の所定電圧（例えば２．５Ｖ）になるように補正される。
【００２１】
続いて、乗算器５４で基準信号ＥR1-R2 および第１の出力信号ＥS1-S3 を乗算した後に、ローパスフィルタ５５を通過させて倍調成分を除去することで、ｃｏｓ出力電圧Ｅｃｏｓθを出力する（Ｅ＝Ｅ1 Ｅ2 ／２）。同様にして、乗算器５６で基準信号ＥR1-R2 および第２の出力信号ＥS2-S4 を乗算した後に、ローパスフィルタ５７を通過させて倍調成分を除去することで、ｓｉｎ出力電圧Ｅｓｉｎθを出力する（Ｅ＝Ｅ1 Ｅ2 ／２）。そして除算器５８で、ｓｉｎ出力電圧をｃｏｓ出力電圧で除算することで、ｔａｎθ（＝Ｅｓｉｎθ／Ｅｃｏｓθ）を算出する。
【００２２】
続いて、ｔａｎθ（傾き）→θ（回転角）変換マップ５９を用いて、ｔａｎθをそれに対応するブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角θに変換する。
【００２３】
【表１】
【００２４】
表１はｔａｎθ→θ変換マップ５９を示すもので、回転角θの分解能は例えば１０°に設定される。この場合、１０個の回転角θ＝０°，１０°，２０°…８０°，９０°に対応して１０個の傾きｔａｎθが設定されているが、図５および図６から明らかなように、回転角θを０°から９０°まで一定値である１０°間隔で変化させても、傾きｔａｎθの間隔は一定値にならず、回転角θの増加に応じて急激に増加する。例えば、回転角θが１０°の場合と２０°の場合との傾きｔａｎθの差は０．１８に過ぎないが、回転角θが６０°の場合と７０°の場合との傾きｔａｎθの差は１．０２に達している。
【００２５】
従って、ｔａｎθ→θ変換マップ５９において、傾きｔａｎθの間隔が一定値になるように設定すると、回転角θが小さい領域では回転角θの分解能が粗くなって検出精度が低下する問題があり、回転角θが大きい領域では回転角θの分解能が必要以上に細かくなってマップのデータ量が大きくなる問題がある。それに対して、本実施例では回転角θの絶対値が小さい領域では傾きｔａｎθのデータ間隔を細かくし、回転角θの絶対値が大きい領域では傾きｔａｎθのデータを粗くすることで、傾きｔａｎθのデータ量を必要最小限に抑えながら、回転角θの全ての領域で一定の分解能を確保している。
【００２６】
図７から明らかなように、ｔａｎθのグラフは１８０°周期であるため、ブラシレスモータ２７の出力軸２８が１回転する間に、つまり−１８０°≦回転角θ≦１８０°の範囲で、傾きｔａｎθは２度同じ値を取ることになる。例えばｔａｎθ＝１になる回転角θは、θ＝−１３５°およびθ＝４５°の二つになり、回転角θが一義的に決まらないことになる。そこで、ｃｏｓ出力電圧およびｓｉｎ出力電圧の符号の正負に応じて、傾きｔａｎθから回転角θを３６０°の範囲で一義的に決める必要がある。以下、その手順を図７および図８を参照して説明する。
【００２７】
先ず、ステップＳ１でＥｓｉｎθ／Ｅｃｏｓθにより傾きｔａｎθの値を算出する。この傾きｔａｎθの値は−∞＜ｔａｎθ＜∞の範囲内にあり、ステップＳ２でｔａｎθ＜０であれば、つまり図７のＡ領域（９０°＜θ＜１８０°）あるいはＣ領域（−９０°＜θ＜０°）であれば、ステップＳ３で傾きｔａｎθの値を負値から正値に変換し、フラグＧ ＴＡＮを「０」にセットする。一方、前記ステップＳ２で０≦ｔａｎθであれば、つまり図７のＢ領域（０≦θ≦９０°）あるいはＤ領域（−１８０°≦θ＜≦９０°）であれば、ステップＳ４でフラグＧ ＴＡＮを「１」にセットする。そしてステップＳ５でｔａｎθ→θ変換マップ５９を用いて傾きｔａｎθから回転角θを検索する。このように、傾きｔａｎθが負値であれば、それを正値に変換してから回転角θをマップ検索するので、ｔａｎθ→θ変換マップ５９を傾きｔａｎθが正値の領域だけに設定すれば良くなり、ｔａｎθ→θ変換マップ５９のデータ量を小さくすることができる。
【００２８】
続くステップＳ６でフラグＧ ＴＡＮが「０」であってｔａｎθ＜０であれば、ステップＳ７で、ｔａｎθ→θ変換マップ５９から検索した回転角θの符号を反転して実際の符号の回転角θを算出する。続くステップＳ８でｃｏｓθ＞０であば、つまり図７のＢ領域およびＣ領域であれば、ステップＳ１３で回転角θをそのまま出力する。一方、前記ステップＳ８でｃｏｓθ＞０でなく、かつステップＳ９でｓｉｎθ＞０であれば、つまり図７のＡ領域であって回転角θが負値であれば、ステップＳ１０で回転角θ＋πを回転角θとし、ステップＳ１３でその回転角θを出力する。また前記ステップＳ８でｃｏｓθ＞０でなく、かつ前記ステップＳ９でｓｉｎθ＞０でなく、かつステップＳ１１でｓｉｎθ＜０であれば、つまり図７のＤ領域であって回転角θが正値であれば、ステップＳ１２で回転角θ−πを回転角θとし、ステップＳ１３でその回転角θを出力する。このように、ｓｉｎθおよびｃｏｓθの符号に基づいて回転角θが図７のＡ〜Ｄの領域の何れにあるかを考慮することで、傾きｔａｎθの値に基づいて−１８０°≦回転角θ≦１８０°の範囲で回転角θを一義的に決定することができる。
【００２９】
ところで、基準信号ＥR1-R2 および第１の出力信号ＥS1-S3 の乗算値をローパスフィルタ５５で濾波して倍調成分を除去することでｃｏｓ出力電圧Ｅｃｏｓθを生成する際に、ローパスフィルタ５５の作用で回転角θに位相のずれが発生する。同様に、基準信号ＥR1-R2 および第２の出力信号ＥS2-S4 の乗算値を乗算器５６で濾波して倍調成分を除去することでｓｉｎ出力電圧Ｅｓｉｎθを生成する際に、ローパスフィルタ５７の作用で回転角θに位相のずれが発生する。
【００３０】
図９に示すように、ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角速度ωと回転角θの位相のずれとは１対１の関係にあることから、ブラシレスモータ２７の回転速度を検出すれば回転角θの位相の補正値を算出することができる。即ち、図４のモータ回転速度検出手段６０でブラシレスモータ２７の回転速度を検出し、モータ回転方向検出手段６１でブラシレスモータ２７の回転方向を検出し、補正値算出手段６２で図９のマップを用いて回転角θの補正値を算出し、加算器６３でｔａｎθ→θ変換マップ５９が出力する生の回転角θに補正値を加算して補正後の回転角θを出力する。
【００３１】
上記作用を図１０のフローチャートに基づいて更に説明する。
【００３２】
先ず、ステップＳ２１でブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角の前回値θ１を保存し、ステップＳ２２で出力軸２８の回転角の今回値θを算出し、ステップＳ２３で今回値および前回値の差θ−θ１として回転角の変化量を算出する。そしてステップＳ２４で回転角の変化量を制御周期で除算して出力軸の回転角速度ωを算出する。
【００３３】
続くステップＳ２５で回転角速度ωが負値であれば、ステップＳ２６で回転角速度ωの符号を正値に反転するとともに、フラグＧ ωを「０」にセットし、逆に前記ステップＳ２５で回転角速度ωが正値であれば、ステップＳ２７でフラグＧ ωを「１」にセットする。そしてステップＳ２８で回転角速度ωを図９のマップに適用して回転角θの補正値を検索する。このように負値の回転角速度ωを正値に変換することで、図９のマップを正値の回転角速度ωに対してだけ設定すればよくなり、マップのデータ量を削減することができる。
【００３４】
続くステップＳ２９でフラグＧ ωが「１」であって回転角θが正値であれば、ステップＳ３０で補正前の回転角θに補正値を加算して補正後の回転角θを算出し、ステップＳ２９でフラグＧ ωが「０」であって回転角θが負値であれば、ステップＳ３１で補正前の回転角θから補正値を減算して補正後の回転角θを算出する。
【００３５】
以上のように、高価なレゾルバデジタルコンバータを使用することなく、ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角θを精度良く検出できるので、回転角センサ３３のコストダウンに寄与することができる。
【００３６】
次に、図１１および図１２に基づいて本発明の第２実施例を説明する。第２実施例の構成要素のうち、第１実施例の構成要素に対応するものには、第１実施例と同じ符号を付して重複する説明を省略する。
【００３７】
差動アンプ４８から基準信号ＥR1-R2 ＝Ｅ1 ｓｉｎωｔが入力されたサンプルタイミング生成回路６４は、前記基準信号ＥR1-R2 に応じたサンプルタイミング信号を出力する。サンプルタイミング信号が入力されたサンプルホールド回路６５，６６は、二つの二次巻線４３，４４の第１の出力信号ＥS1-S3 ＝Ｅ2 ｓｉｎωｔｃｏｓθおよび第２の出力信号ＥS2-S4 ＝Ｅ2 ｓｉｎωｔｓｉｎθを前記サンプルタイミング信号に同期してサンプルホールドする。そしてサンプルホールド回路６５，６６の出力をそれぞれローパスフィルタ６７，６８で濾波し、高周波成分を除去してＥ2 ｃｏｓθおよびＥ2 ｓｉｎθとした後（図１２参照）、マイクロコンピュータ４５の中点補正手段５２，５３で振幅の中点が共通の所定電圧（例えば２．５Ｖ）になるように補正することで、ｃｏｓ出力電圧Ｅｃｏｓθおよびｓｉｎ出力電圧Ｅｓｉｎθを生成する。その後の作用は、上述した第１実施例と同様である。
【００３８】
この第２実施例によれば、第１実施例の作用効果に加えて、第１実施例でマイクロコンピュータ４５内で行っている処理の一部をマイクロコンピュータ４５外で行うことで、マイクロコンピュータ４５の負荷を軽減することができる。
【００３９】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４０】
例えば、請求項１に記載された発明は、電動パワーステアリング装置以外の任意の用途のモータ適用することができ、しかもそのモータはブラシレスモータに限定されるものではない。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、リゾルバの出力信号から算出したｔａｎθからモータの出力軸の回転角θを検出するｔａｎθ→θ変換マップが、回転角θの絶対値が小さい領域ほどｔａｎθの間隔が小さく設定されているので、回転角θの全ての領域で必要な分解能を確保しながら、ｔａｎθ→θ変換マップのデータ量を削減してコストダウンに寄与することができる。
【００４２】
また請求項２に記載された発明によれば、電動パワーステアリング装置のブラシレスモータへの通電を回転角検出装置で検出した出力軸の回転角θに基づいて制御するので、回転角検出装置のコストダウンにより電動パワーステアリング装置のコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動パワーステアリング装置の全体斜視図
【図２】図１の２−２線拡大断面図
【図３】回転角センサの構造を示すブロック図
【図４】回転角センサのマイクロコンピュータの計算フローを示すブロック図
【図５】回転角θと傾きｔａｎθとの関係を示す図
【図６】回転角θと傾きｔａｎθとの関係を示すグラフ
【図７】傾きｔａｎθから回転角θを算出する処理の説明図
【図８】回転角算出処理のフローチャート
【図９】回転角速度ωから回転角θの補正値を検索するマップを示す図
【図１０】回転角θ補正処理のフローチャート
【図１１】第２実施例に係る回転角センサの構造を示すブロック図
【図１２】第２実施例に係る回転角センサのマイクロコンピュータの回路を示すブロック図
【符号の説明】
２７ ブラシレスモータ（モータ）
２８ 出力軸
４１ レゾルバ
５９ ｔａｎθ→θ変換マップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの出力軸の回転角をレゾルバの出力信号に基づいて検出する回転角検出装置と、その回転角検出装置を用いた電動パワーステアリング装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
下記特許文献に記載された回転角検出装置のレゾルバは、固定周波数発振器が発生する一定周期の２相正弦波により励磁される一対の励磁巻線と、回転子の回転角に応じた出力を発生する検出巻線とを備えており、検出巻線の出力と前記２相正弦波との乗算値の倍調成分をローパスフィルタで濾波した２相信号の比であるｔａｎθに基づいて回転子の回転角θを検出するようになっている。
【０００３】
【特許文献】
特公昭５９−１３７０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レゾルバの出力信号から算出したｔａｎθからモータの出力軸の回転角θをマップ検索する場合、回転角θの必要な分解能を確保するにはｔａｎθのデータを細かい間隔で持つ必要がある。ｔａｎθのデータを一定の間隔で持つと、回転角θの絶対値が０°に近い領域では分解能が低くなり、回転角θの絶対値が９０°に近い領域では分解能が高くなる。従って、回転角θの絶対値が０°に近い領域で必要な分解能が得られるようにｔａｎθのデータの間隔を設定すると、回転角θの絶対値が９０°に近い領域で分解能が必要以上に高くなり、データ量の増加によりマイクロコンピュータのコストが増加する問題がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、レゾルバの出力信号から算出したｔａｎθからモータの出力軸の回転角θを検索するマップのデータ量を削減することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、モータの出力軸の回転角θに応じてレゾルバが出力するｃｏｓθ信号およびｓｉｎθ信号からｔａｎθを算出し、ｔａｎθの値をｔａｎθ→θ変換マップに適用して回転角θを検索する回転角検出装置において、前記ｔａｎθ→θ変換マップは、回転角θの絶対値が小さい領域ほどｔａｎθの間隔が小さく設定されていることを特徴とする回転角検出装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、リゾルバの出力信号から算出したｔａｎθからモータの出力軸の回転角θを検出するｔａｎθ→θ変換マップが、回転角θの絶対値が小さい領域ほどｔａｎθの間隔が小さく設定されているので、回転角θの全ての領域で必要な分解能を確保しながら、ｔａｎθ→θ変換マップのデータ量を削減してコストダウンに寄与することができる。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、ドライバーのステアリング操作をアシストするブラシレスモータに請求項１に記載の回転角検出装置を設け、回転角検出装置で検出した出力軸の回転角θに基づいてブラシレスモータへの通電を制御することを特徴とする電動パワーステアリング装置が提案される。
【０００９】
上記構成によれば、電動パワーステアリング装置のブラシレスモータへの通電を回転角検出装置で検出した出力軸の回転角θに基づいて制御するので、回転角検出装置のコストダウンにより電動パワーステアリング装置のコストダウンを図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１１】
図１〜図１０は本発明の第１実施例を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置の全体斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は回転角センサの構造を示すブロック図、図４は回転角センサのマイクロコンピュータの計算フローを示すブロック図、図５は回転角θと傾きｔａｎθとの関係を示す図、図６は回転角θと傾きｔａｎθとの関係を示すグラフ、図７は傾きｔａｎθから回転角θを算出する処理の説明図、図８は回転角算出処理のフローチャート、図９は回転角速度ωから回転角θの補正値を検索するマップを示す図、図１０は回転角補正処理のフローチャートである。
【００１２】
図１および図２に示すように、自動車のステアリングホイール１１と一体に回転するステアリングシャフト１２と、ラック・ピニオン式のステアリングギヤボックス１３と一体のギヤケーシング１４から延びるピニオンシャフト１５とが、一対の自在継ぎ手１６，１７および連結軸１８を介して接続される。ステアリングギヤボックス１３から左右に延びるタイロッド１９，１９が、図示せぬナックルを介して左右の前輪ＷＬ，ＷＲに接続される。
【００１３】
ギヤケーシング１４と、その上面にボルト２０…で固定されたカバー２１とに、ボールベアリング２２，２３を介してピニオンシャフト１５が回転自在に支持される。ギヤケーシング１４からステアリングギヤボックス１３の内部に突出するピニオンシャフト１５の下端にピニオン２４が設けられており、このピニオン２４がステアリングギヤボックス１３の内部に左右スライド自在に支持されたステアリングロッド２５に形成したラック２６に噛み合っている。
【００１４】
ギヤケーシング１４にアクチュエータとしてのブラシレスモータ２７が支持されており、ブラシレスモータ２７の出力軸２８に設けたウオーム２９がピニオンシャフト１５に設けたウオームホイール３０に噛み合っている。従って、ブラシレスモータ２７のトルクはウオーム２９およびウオームホイール３０を介してピニオンシャフト１５に伝達される。
【００１５】
パワーステアリング装置の電子制御ユニットＵには、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ３１と、車速を検出する車速センサ３２と、ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角を検出する回転角センサ３３と、ブラシレスモータ２７を流れる実電流を検出する電流センサ３４とが接続され、これらのセンサ３１〜３４からの信号に基づいて電子制御ユニットＵはブラシレスモータ２７の作動を制御する。
【００１６】
具体的には、ドライバーがステアリングホイール１１を操作することにより発生した操舵トルクを操舵トルクセンサ３１が検出すると、その操舵トルクが目標操舵トルクに一致するようにブラシレスモータ２７に目標電流を供給し、ブラシレスモータ２７の出力トルクでドライバーのステアリング操作をアシストする。このとき、車両の低速走行状態ではステアリング操作が軽くなり、車両の高速走行状態ではステアリング操作が重くなるように、車速センサ３２で検出した車速に応じて前記目標操舵トルクが補正される。ブラシレスモータ２７に目標電流を供給するとき、電流センサ３４でブラシレスモータ２７を流れる実電流を検出し、その実電流が目標電流に一致するようにフィードバック制御が行われる。
【００１７】
ブラシレスモータ２７は複数のコイルを有するステータと、永久磁石を有するロータとを備えており、ロータの回転角（つまり永久磁石の磁極位置）に応じて複数のコイルに対する三相交流の供給を切り換える必要があり、そのためにロータの回転角がレゾルバを用いた回転角センサ３３で検出される。ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角が回転角センサ３３により精度良く検出されるほど、ブラシレスモータ２７を効率よく駆動して消費電力の削減、出力トルクの増加、作動音の低減およびトルクリップルの低減が可能になる。
【００１８】
次に、図３〜図１０に基づいて回転角センサ３３の構造を説明する。
【００１９】
ブラシレスモータ２７に設けられた周知のレゾルバ４１は、一次巻線４２と、位相を９０°異ならせて配置した二つの二次巻線４３，４４とを備える。電子制御ユニットＵに設けられたマイクロコンピュータ４５が出力する矩形波は、バンドパスフィルタ４６を通過して正弦波に変換され、更に増幅器４７を通過して正弦波の基準信号Ｅ1 ｓｉｎωｔとなって一次巻線４２に入力される。その結果、二つの二次巻線４３，４４には、ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角θ（つまりロータの回転角）に応じた第１の出力信号Ｅ2 ｓｉｎωｔｃｏｓθと、第２の出力信号Ｅ2 ｓｉｎωｔｓｉｎθとが出力される。
【００２０】
マイクロコンピュータ４５には、基準信号ＥR1-R2 ＝Ｅ1 ｓｉｎωｔが差動アンプ４８を経て入力され、また二つの二次巻線４３，４４の第１の出力信号ＥS1-S3 ＝Ｅ2 ｓｉｎωｔｃｏｓθおよび第２の出力信号ＥS2-S4 ＝Ｅ2 ｓｉｎωｔｓｉｎθがそれぞれ差動アンプ４９，５０を経て入力される。基準信号ＥR1-R2 および第１、第２の出力信号ＥS1-S3 ，ＥS2-S4 は、それぞれ中点補正手段５１，５２，５３で振幅の中点が共通の所定電圧（例えば２．５Ｖ）になるように補正される。
【００２１】
続いて、乗算器５４で基準信号ＥR1-R2 および第１の出力信号ＥS1-S3 を乗算した後に、ローパスフィルタ５５を通過させて倍調成分を除去することで、ｃｏｓ出力電圧Ｅｃｏｓθを出力する（Ｅ＝Ｅ1 Ｅ2 ／２）。同様にして、乗算器５６で基準信号ＥR1-R2 および第２の出力信号ＥS2-S4 を乗算した後に、ローパスフィルタ５７を通過させて倍調成分を除去することで、ｓｉｎ出力電圧Ｅｓｉｎθを出力する（Ｅ＝Ｅ1 Ｅ2 ／２）。そして除算器５８で、ｓｉｎ出力電圧をｃｏｓ出力電圧で除算することで、ｔａｎθ（＝Ｅｓｉｎθ／Ｅｃｏｓθ）を算出する。
【００２２】
続いて、ｔａｎθ（傾き）→θ（回転角）変換マップ５９を用いて、ｔａｎθをそれに対応するブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角θに変換する。
【００２３】
【表１】
表１はｔａｎθ→θ変換マップ５９を示すもので、回転角θの分解能は例えば１０°に設定される。この場合、１０個の回転角θ＝０°，１０°，２０°…８０°，９０°に対応して１０個の傾きｔａｎθが設定されているが、図５および図６から明らかなように、回転角θを０°から９０°まで一定値である１０°間隔で変化させても、傾きｔａｎθの間隔は一定値にならず、回転角θの増加に応じて急激に増加する。例えば、回転角θが１０°の場合と２０°の場合との傾きｔａｎθの差は０．１８に過ぎないが、回転角θが６０°の場合と７０°の場合との傾きｔａｎθの差は１．０２に達している。
【００２５】
従って、ｔａｎθ→θ変換マップ５９において、傾きｔａｎθの間隔が一定値になるように設定すると、回転角θが小さい領域では回転角θの分解能が粗くなって検出精度が低下する問題があり、回転角θが大きい領域では回転角θの分解能が必要以上に細かくなってマップのデータ量が大きくなる問題がある。それに対して、本実施例では回転角θの絶対値が小さい領域では傾きｔａｎθのデータ間隔を細かくし、回転角θの絶対値が大きい領域では傾きｔａｎθのデータを粗くすることで、傾きｔａｎθのデータ量を必要最小限に抑えながら、回転角θの全ての領域で一定の分解能を確保している。
【００２６】
図７から明らかなように、ｔａｎθのグラフは１８０°周期であるため、ブラシレスモータ２７の出力軸２８が１回転する間に、つまり−１８０°≦回転角θ≦１８０°の範囲で、傾きｔａｎθは２度同じ値を取ることになる。例えばｔａｎθ＝１になる回転角θは、θ＝−１３５°およびθ＝４５°の二つになり、回転角θが一義的に決まらないことになる。そこで、ｃｏｓ出力電圧およびｓｉｎ出力電圧の符号の正負に応じて、傾きｔａｎθから回転角θを３６０°の範囲で一義的に決める必要がある。以下、その手順を図７および図８を参照して説明する。
【００２７】
先ず、ステップＳ１でＥｓｉｎθ／Ｅｃｏｓθにより傾きｔａｎθの値を算出する。この傾きｔａｎθの値は−∞＜ｔａｎθ＜∞の範囲内にあり、ステップＳ２でｔａｎθ＜０であれば、つまり図７のＡ領域（９０°＜θ＜１８０°）あるいはＣ領域（−９０°＜θ＜０°）であれば、ステップＳ３で傾きｔａｎθの値を負値から正値に変換し、フラグＧ ＴＡＮを「０」にセットする。一方、前記ステップＳ２で０≦ｔａｎθであれば、つまり図７のＢ領域（０≦θ≦９０°）あるいはＤ領域（−１８０°≦θ＜≦９０°）であれば、ステップＳ４でフラグＧ ＴＡＮを「１」にセットする。そしてステップＳ５でｔａｎθ→θ変換マップ５９を用いて傾きｔａｎθから回転角θを検索する。このように、傾きｔａｎθが負値であれば、それを正値に変換してから回転角θをマップ検索するので、ｔａｎθ→θ変換マップ５９を傾きｔａｎθが正値の領域だけに設定すれば良くなり、ｔａｎθ→θ変換マップ５９のデータ量を小さくすることができる。
【００２８】
続くステップＳ６でフラグＧ ＴＡＮが「０」であってｔａｎθ＜０であれば、ステップＳ７で、ｔａｎθ→θ変換マップ５９から検索した回転角θの符号を反転して実際の符号の回転角θを算出する。続くステップＳ８でｃｏｓθ＞０であば、つまり図７のＢ領域およびＣ領域であれば、ステップＳ１３で回転角θをそのまま出力する。一方、前記ステップＳ８でｃｏｓθ＞０でなく、かつステップＳ９でｓｉｎθ＞０であれば、つまり図７のＡ領域であって回転角θが負値であれば、ステップＳ１０で回転角θ＋πを回転角θとし、ステップＳ１３でその回転角θを出力する。また前記ステップＳ８でｃｏｓθ＞０でなく、かつ前記ステップＳ９でｓｉｎθ＞０でなく、かつステップＳ１１でｓｉｎθ＜０であれば、つまり図７のＤ領域であって回転角θが正値であれば、ステップＳ１２で回転角θ−πを回転角θとし、ステップＳ１３でその回転角θを出力する。このように、ｓｉｎθおよびｃｏｓθの符号に基づいて回転角θが図７のＡ〜Ｄの領域の何れにあるかを考慮することで、傾きｔａｎθの値に基づいて−１８０°≦回転角θ≦１８０°の範囲で回転角θを一義的に決定することができる。
【００２９】
ところで、基準信号ＥR1-R2 および第１の出力信号ＥS1-S3 の乗算値をローパスフィルタ５５で濾波して倍調成分を除去することでｃｏｓ出力電圧Ｅｃｏｓθを生成する際に、ローパスフィルタ５５の作用で回転角θに位相のずれが発生する。同様に、基準信号ＥR1-R2 および第２の出力信号ＥS2-S4 の乗算値を乗算器５６で濾波して倍調成分を除去することでｓｉｎ出力電圧Ｅｓｉｎθを生成する際に、ローパスフィルタ５７の作用で回転角θに位相のずれが発生する。
【００３０】
図９に示すように、ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角速度ωと回転角θの位相のずれとは１対１の関係にあることから、ブラシレスモータ２７の回転速度を検出すれば回転角θの位相の補正値を算出することができる。即ち、図４のモータ回転速度検出手段６０でブラシレスモータ２７の回転速度を検出し、モータ回転方向検出手段６１でブラシレスモータ２７の回転方向を検出し、補正値算出手段６２で図９のマップを用いて回転角θの補正値を算出し、加算器６３でｔａｎθ→θ変換マップ５９が出力する生の回転角θに補正値を加算して補正後の回転角θを出力する。
【００３１】
上記作用を図１０のフローチャートに基づいて更に説明する。
【００３２】
先ず、ステップＳ２１でブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角の前回値θ１を保存し、ステップＳ２２で出力軸２８の回転角の今回値θを算出し、ステップＳ２３で今回値および前回値の差θ−θ１として回転角の変化量を算出する。そしてステップＳ２４で回転角の変化量を制御周期で除算して出力軸の回転角速度ωを算出する。
【００３３】
続くステップＳ２５で回転角速度ωが負値であれば、ステップＳ２６で回転角速度ωの符号を正値に反転するとともに、フラグＧ ωを「０」にセットし、逆に前記ステップＳ２５で回転角速度ωが正値であれば、ステップＳ２７でフラグＧ ωを「１」にセットする。そしてステップＳ２８で回転角速度ωを図９のマップに適用して回転角θの補正値を検索する。このように負値の回転角速度ωを正値に変換することで、図９のマップを正値の回転角速度ωに対してだけ設定すればよくなり、マップのデータ量を削減することができる。
【００３４】
続くステップＳ２９でフラグＧ ωが「１」であって回転角θが正値であれば、ステップＳ３０で補正前の回転角θに補正値を加算して補正後の回転角θを算出し、ステップＳ２９でフラグＧ ωが「０」であって回転角θが負値であれば、ステップＳ３１で補正前の回転角θから補正値を減算して補正後の回転角θを算出する。
【００３５】
以上のように、高価なレゾルバデジタルコンバータを使用することなく、ブラシレスモータ２７の出力軸２８の回転角θを精度良く検出できるので、回転角センサ３３のコストダウンに寄与することができる。
【００３６】
次に、図１１および図１２に基づいて本発明の第２実施例を説明する。第２実施例の構成要素のうち、第１実施例の構成要素に対応するものには、第１実施例と同じ符号を付して重複する説明を省略する。
【００３７】
差動アンプ４８から基準信号ＥR1-R2 ＝Ｅ1 ｓｉｎωｔが入力されたサンプルタイミング生成回路６４は、前記基準信号ＥR1-R2 に応じたサンプルタイミング信号を出力する。サンプルタイミング信号が入力されたサンプルホールド回路６５，６６は、二つの二次巻線４３，４４の第１の出力信号ＥS1-S3 ＝Ｅ2 ｓｉｎωｔｃｏｓθおよび第２の出力信号ＥS2-S4 ＝Ｅ2 ｓｉｎωｔｓｉｎθを前記サンプルタイミング信号に同期してサンプルホールドする。そしてサンプルホールド回路６５，６６の出力をそれぞれローパスフィルタ６７，６８で濾波し、高周波成分を除去してＥ2 ｃｏｓθおよびＥ2 ｓｉｎθとした後（図１２参照）、マイクロコンピュータ４５の中点補正手段５２，５３で振幅の中点が共通の所定電圧（例えば２．５Ｖ）になるように補正することで、ｃｏｓ出力電圧Ｅｃｏｓθおよびｓｉｎ出力電圧Ｅｓｉｎθを生成する。その後の作用は、上述した第１実施例と同様である。
【００３８】
この第２実施例によれば、第１実施例の作用効果に加えて、第１実施例でマイクロコンピュータ４５内で行っている処理の一部をマイクロコンピュータ４５外で行うことで、マイクロコンピュータ４５の負荷を軽減することができる。
【００３９】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４０】
例えば、請求項１に記載された発明は、電動パワーステアリング装置以外の任意の用途のモータ適用することができ、しかもそのモータはブラシレスモータに限定されるものではない。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、リゾルバの出力信号から算出したｔａｎθからモータの出力軸の回転角θを検出するｔａｎθ→θ変換マップが、回転角θの絶対値が小さい領域ほどｔａｎθの間隔が小さく設定されているので、回転角θの全ての領域で必要な分解能を確保しながら、ｔａｎθ→θ変換マップのデータ量を削減してコストダウンに寄与することができる。
【００４２】
また請求項２に記載された発明によれば、電動パワーステアリング装置のブラシレスモータへの通電を回転角検出装置で検出した出力軸の回転角θに基づいて制御するので、回転角検出装置のコストダウンにより電動パワーステアリング装置のコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動パワーステアリング装置の全体斜視図
【図２】図１の２−２線拡大断面図
【図３】回転角センサの構造を示すブロック図
【図４】回転角センサのマイクロコンピュータの計算フローを示すブロック図
【図５】回転角θと傾きｔａｎθとの関係を示す図
【図６】回転角θと傾きｔａｎθとの関係を示すグラフ
【図７】傾きｔａｎθから回転角θを算出する処理の説明図
【図８】回転角算出処理のフローチャート
【図９】回転角速度ωから回転角θの補正値を検索するマップを示す図
【図１０】回転角θ補正処理のフローチャート
【図１１】第２実施例に係る回転角センサの構造を示すブロック図
【図１２】第２実施例に係る回転角センサのマイクロコンピュータの回路を示すブロック図
【符号の説明】
２７ ブラシレスモータ（モータ）
２８ 出力軸
４１ レゾルバ
５９ ｔａｎθ→θ変換マップ
Claims (2)
- モータ（２７）の出力軸（２８）の回転角θに応じてレゾルバ（４１）が出力するｃｏｓθ信号およびｓｉｎθ信号からｔａｎθを算出し、ｔａｎθの値をｔａｎθ→θ変換マップ（５９）に適用して回転角θを検索する回転角検出装置において、
前記ｔａｎθ→θ変換マップ（５９）は、回転角θの絶対値が小さい領域ほどｔａｎθの間隔が小さく設定されていることを特徴とする回転角検出装置。 - ドライバーのステアリング操作をアシストするブラシレスモータ（２７）に請求項１に記載の回転角検出装置を設け、回転角検出装置で検出した出力軸（２８）の回転角θに基づいてブラシレスモータ（２７）への通電を制御す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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