JP4729458B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転体の回転角を検出する回転角検出装置に関する。

従来から、励磁コイルと検知コイルとを有して対象物の位置を磁気的に検出する検出部を複数用いる場合にそれら複数の検出部間における磁気的な干渉を抑制することを目的として、以下のような磁気的位置検出装置が提案されている。設定周波数を有する励磁信号によって励磁コイルを励磁する一方、その励磁コイルの磁気力によって検知コイルに起電される起電信号であってステータと可動子との相対位置に応じて変化するものに基づいて前記可動子の位置を検出する検出部を複数備えた磁気的位置検出装置であって、前記設定周波数の高さが前記複数の検出部間において互いに異なる磁気的位置検出装置（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３６２０号公報

ところで、冗長性を確保するために複数の検出部（角度検出センサ）を設ける場合、上述の如く、複数の検出部間における磁気的な干渉を抑制することも可能であるが、磁気干渉を許容しつつ、当該磁気干渉による誤差を信号処理により取り除くことも有効である。この際、複雑な処理を要することなく簡易な処理で誤差を取り除くことができれば更に有効である。

そこで、本発明は、簡易な信号処理により適切に磁気干渉による誤差を取り除くことが可能な回転角検出装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、回転体の回転角を検出する回転角検出装置であって、
互いに同軸に且つ磁気干渉を起こしうるほど近接して配置され、軸倍角が同一の２つのレゾルバと、
それぞれのレゾルバから出力される出力信号を処理して、回転体の回転角情報を出力する信号処理部とを備え、
前記信号処理部が、それぞれのレゾルバに基づく回転体の回転角を表す信号の平均値を求めて、回転体の回転角情報を生成することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な信号処理により適切に磁気干渉による誤差を取り除くことが可能な回転角検出装置が得られる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明の実施例１による回転角検出装置１００を示すシステム構成図である。本実施例の回転角検出装置１００は、例えばステアリングシャフトの回転角度を検出するために用いられるものであってよい。

回転角検出装置１００は、２つのレゾルバ１０２，１０４を備える。２つのレゾルバ１０２，１０４は、互いに同軸に配置される。例えば、２つのレゾルバ１０２，１０４は、回転角度の検出対象である回転体（例えばステアリングシャフト）の回転軸に対して同軸に配置される。

回転角検出装置１００は、２つのレゾルバ１０２，１０４からの出力信号を処理して、回転体の回転角情報を出力する信号処理部１１０を備える。

信号処理部１１０は、レゾルバデジタルコンバータ１０６，１０８（以下、「Ｒ／Ｄ１０６，１０８」という。）と、加算部１０７と、平均演算部１０９を含む。尚、加算部１０７の機能は、平均演算部１０９の機能と同様、マイクロコンピューターにより実現されてよい。

２つのレゾルバ１０２，１０４は、例えばＶＲ型（可変リラクタンス）レゾルバであり、回転体と共に回転するロータ、ステータ及びコイルを備える。１相入力/２相出力の場合、コイルは、励磁コイルと、２つの検知コイル（ｓｉｎ相及びｃｏｓ相の出力コイル）を備える。ロータの外形輪郭線は、一定の径ではなく、周期的に変化する径により画成される。即ち、ロータの径方向の幅は、ロータの回転角を変数とし軸倍角Ｎにより周期が定まる略正弦波関数に従って、変化するように決定される。径の変化周期を定める軸倍角Ｎは、必要な分解能に応じて適宜決定されてよい。本実施例では、２つのレゾルバ１０２，１０４の軸倍角は、互いに同一に設定される。尚、レゾルバ１０２，１０４は、互いに同軸に配置され、軸倍角が同一であれば、如何なる構成であっても良く、例えば極数が互いに異なっていてもよい。

レゾルバ１０２，１０４は、例えば図２（Ａ）及び図３に示すように、ロータに対して径方向に対向する凸状のステータコア（歯）に巻線（励磁コイル及び検知コイル）を巻き付け、径方向の磁気抵抗の変化を利用して角度検出を行うタイプであってよい。或いは、レゾルバ１０２，１０４は、図２（Ｂ）に示すように、ロータに対して軸方向に対向する凸状のステータコアに巻線（励磁コイル及び検知コイル）を巻き付け、軸方向の磁気抵抗の変化を利用して角度検出を行うタイプであってよい。また、図２（Ｂ）に示す構成の場合、励磁コイル及び検知コイルは、必ずしも巻き線を巻くタイプである必要はなく、フィルム上のコイル（基板上にプリントされたコイル）を用いて薄型化を図ることも可能である。

レゾルバ１０２，１０４は、互いに同軸に配置されると共に、軸方向の互いに近接した位置に配置される。例えば、レゾルバ１０２，１０４は、図３に示すように、互いに隣接した状態で一体的に構成されてよい。これにより、２つのレゾルバ１０２，１０４を、効率的な搭載スペースで搭載でき、また、それぞれのレゾルバ１０２，１０４に対する配線や電気的接続（コネクタ接続）等も効率化することができる。

励磁コイルには、図示しない交流電源に接続される。動作時、交流電源は、例えば４Ｖの交流の入力電圧を、励磁コイルの両端に印加する。励磁コイルが励磁されてそれに磁気力が発生すると、それに伴い、検知コイルが起電する。レゾルバ１０２，１０４のそれぞれに係る励磁コイルには、互いに同相で励磁電圧が印加される。

上述の如く、ロータの外形輪郭線は、一定の径ではなく、周期的に変化する径により画成されている。従って、図２（Ａ）に示す構成では、ロータが回転すると、ロータとステータコア（歯）の径方向の距離が周期的に変化するので、それに伴って、磁束抵抗が変化して、当該コアまわりの検知コイルに誘起される電流（出力電圧）が変化する。図２（Ｂ）に示す構成では、ロータが回転すると、ロータの外周部とステータコアの上面との遮蔽幅が変化し、ステータコアを通る磁束が遮へいされる幅が周期的に変化するので、それに伴って、磁束抵抗が変化して、当該コアまわりの検知コイルに誘起される電流（出力電圧）が変化する。このような現象を利用して、ロータの回転角すなわち回転体の回転角を磁気的に検出される。

２つのレゾルバ１０２，１０４には、それぞれ、Ｒ／Ｄ１０６，１０８が接続される。Ｒ／Ｄ１０６，１０８には、検知コイルからの出力信号が入力される。

Ｒ／Ｄ１０６，１０８は、ｓｉｎ相の出力電圧とｃｏｓ相の出力電圧とに基づいて、ロータの回転角θを表すデジタル信号φを出力する。ロータの回転角θは、例えば、次式の関係を用いて導出される。
θ＝１／Ｎ・ｔａｎ^−１（Ｅ_{ＳＩＮ−ＧＮＤ}／Ｅ_{ＣＯＳ−ＧＮＤ}）
ここで、Ｅ_{ＣＯＳ−ＧＮＤ}は、ｃｏｓ相の出力電圧を表し、Ｅ_{ＳＩＮ−ＧＮＤ}は、ｓｉｎ相の出力電圧を表す。以下では、Ｒ／Ｄ１０６から出力される出力信号を、「φ１」で表し、Ｒ／Ｄ１０３から出力される出力信号を、「φ２」で表す。

Ｒ／Ｄ１０６，１０８から出力される各デジタル信号は、図１に示すように、互いに加算された後、平均される。即ち、Ｒ／Ｄ１０６から出力される出力信号φ１と、Ｒ／Ｄ１０８から出力される出力信号φ２とは、加算部１０７にて加算され（＝φ１＋φ２）、平均演算部１０９にて平均化される（φ_final＝（φ１＋φ２）／２）。

図４は、図１の各ポイントＡ〜Ｄにおける出力状態を示す図である。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）には、Ｒ／Ｄ１０６から出力される出力信号φ１と、Ｒ／Ｄ１０８から出力される出力信号φ２の波形が、実線で示され、理想的な出力信号、即ち磁気干渉による誤差の無い出力信号の波形が、破線で示されている。このように、上述の如く２つのレゾルバ１０２，１０４を近接して配置すると、磁気の漏れに起因した磁気干渉が発生しやすくなり、実際の出力信号（実線）には、理想的な出力信号の波形に対して誤差が含まれる。従って、それぞれの出力信号φ１、φ２をそのまま利用すると、角度検出誤差が大きくなる虞がある。

これに対して、本実施例によれば、上述の如くそれぞれの出力信号φ１、φ２は、互いに足し合わせられる。このとき、図４（Ｃ）に示すように、それぞれの出力信号φ１、φ２に含まれていた誤差成分は、互いに相殺されている。これは、磁気干渉による誤差は互いに逆特性（対称性）を有することに起因する。この結果、当該加算後に平均化すると、図４（Ｄ）に示すように、最終的に回転角情報として出力される出力値φ_finalは、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）にて破線で示す理想的な波形に略対応するようになる。即ち、磁気干渉に起因した誤差の無い精度の良い回転角情報φ_finalが得られる。

以上説明したように、本実施例によれば、とりわけ以下のような効果が奏される。

２つのレゾルバ１０２，１０４を近接して配置した場合に、磁気干渉による影響が、それぞれのレゾルバ１０２，１０４の出力信号φ１、φ２に逆特性で現れることに着目して、それらを相殺することで、磁気干渉に起因した誤差の無い精度の良い回転角情報を得ることができる。これに伴い、個々の出力信号φ１、φ２に対して個別に補正を行う必要がなく、それに伴い、その際に必要とされていた補正用データや複雑な演算も不要となる。また、追加的に必要となる信号処理としては加算処理と平均化処理のみであり、ソフト処理の簡略化が可能である。

図５は、本発明の実施例２による回転角検出装置２００を示すシステム構成図である。実施例２は、上述の実施例１に対して、とりわけ断線検出時にオフセット値の加減算処理が実行されるように構成されている点が、異なる。以下では、実施例２に特有の構成について重点的に説明し、上述の実施例１と同様であってよい構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。

信号処理部２１０は、上述の実施例１と同様のＲ／Ｄ１０６，１０８と、加算部１０７と、平均演算部１０９に加えて、断線検知部２２０と、逆オフセット印加部２２２とを含む。尚、断線検知部２２０の機能は、逆オフセット印加部２２２の機能と同様、マイクロコンピューターにより実現されてよい。

２つのレゾルバ２０２，２０４は、出力信号に、互いに正負逆の一定のオフセットが発生するように構成されている。この点を除き、２つのレゾルバ２０２，２０４は、上述の実施例１と同様であってよい。

具体的には、２つのレゾルバ２０２，２０４は、例えば同一極同士が所定角度（例えば３０度）オフセットして配置される。この場合、所定角度の中間角度が軸角度ゼロ度に対応するように設定すると、レゾルバ２０２は、常に（但し、異常時を除く。以下同じ）、各軸角度で正規値に対して所定角度（例えば１５度）分だけ正方向にオフセットした出力信号を出力し、レゾルバ２０４は、常に、各軸角度で正規値に対して所定角度（例えば１５度）分だけ負方向にオフセットした出力信号を出力する（図６（Ａ）及び図６（Ｂ）参照）。

図６は、図１の各ポイントＥ，Ｆにおける出力状態を示す図である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）には、Ｒ／Ｄ１０６から出力される出力信号φ１と、Ｒ／Ｄ１０８から出力される出力信号φ２の波形が、実線で示され、理想的な出力信号、即ち磁気干渉による誤差及びオフセットの無い出力信号の波形が、破線で示されており、磁気干渉による誤差の無い出力信号（オフセット有り）の波形が、一点鎖線で示されている。

出力信号φ１には、図６（Ａ）に示すように、オフセット分に対応したオフセット値εと、磁気干渉に起因した誤差成分とが、全体の誤差として発生している。同様に、出力信号φ２には、図６（Ｂ）に示すように、オフセット分に対応したオフセット値εと、磁気干渉に起因した誤差成分とが、全体の誤差として重畳される。尚、上述の如く出力信号φ１、φ２にはそれぞれ逆方向のオフセットが付与されているので、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、理想的な出力信号に対してそれぞれ正負逆方向に誤差が生ずる。

実施例１と同様、Ｒ／Ｄ１０６，１０８から出力される各デジタル信号φ１、φ２は、図６に示すように、互いに加算された後、平均される。即ち、Ｒ／Ｄ１０６から出力される出力信号φ１と、Ｒ／Ｄ１０８から出力される出力信号φ２とは、加算部１０７にて加算され（＝φ１＋φ２）、平均演算部１０９にて平均化される（φ_final＝（φ１＋φ２）／２）。このとき、上述の実施例１で図４（Ｃ）を参照して説明したように、それぞれの出力信号φ１、φ２に含まれていた誤差成分は、互いに相殺される。これは、磁気干渉による誤差は互いに逆特性（対称性）を有することに起因する。また、それぞれの出力信号φ１、φ２に乗せられているオフセット値εについても、上述の逆特性により、互いに相殺される。この結果、上述の実施例１で図４（Ｄ）を参照して説明したように、最終的に回転角情報として出力される出力値φ_finalは、磁気干渉及びオフセットに起因した誤差の無い精度の良い回転角情報が得られる。

ここで、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかに断線が発生した場合について説明する。断線とは、典型的には、励磁コイルと交流電源との間の断線であるが、検知コイルとＲ／Ｄ１０６，１０８との間の断線を含んでよい。

２つのレゾルバ２０２，２０４の断線は、図５に示すように、断線検知部２２０により検知される。断線検知部２２０は、Ｒ／Ｄ１０６，１０８からの出力信号φ１、φ２又はＲ／Ｄ１０６，１０８からの断線検知信号を監視して、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかに断線が発生しているか否かを判定する。例えば、断線検知部２２０は、Ｒ／Ｄ１０６，１０８からの出力信号φ１、φ２に含まれるそれぞれのオフセット値の幅２εを監視し、オフセット値の幅２εが所定閾値以下（又はゼロ）となった場合に、断線が発生したと判断することとしてよい。

断線検知部２２０は、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかの断線を検出すると、逆オフセット印加部２２２に対してオフセット印加指令を出力する。逆オフセット印加部２２２は、オフセット印加指令に応答して、断線が発生していない側の出力信号に対して、オフセットに起因した誤差を相殺する逆方向のオフセット値を付与する。例えば、レゾルバ２０２に断線が発生した場合には、レゾルバ２０４からの出力信号φ２に対して、オフセット値εを加算する。これにより、図７（Ｂ）に示すように、レゾルバ２０４からの出力信号φ２から、オフセットに起因した誤差が除去される。同様に、レゾルバ２０４に断線が発生した場合には、レゾルバ２０２からの出力信号φ１に対して、オフセット値εを減算する。これにより、図７（Ａ）に示すように、レゾルバ２０２からの出力信号φ１から、オフセットに起因した誤差が除去される。

ところで、本実施例では、上述の如く、正常時、即ち、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれにも断線が生じていないときには、Ｒ／Ｄ１０６，１０８からの出力信号φ１、φ２を加算・平均することで、磁気干渉による誤差と共に、オフセットに起因した誤差を相殺させて、高い精度の角度検出を実現している。

一方、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかに断線が生じた場合には、断線が生じた側のレゾルバに係る出力信号にオフセットεが現れなくなるので、正常時と同様の角度検出処理を継続すると、少なくともオフセットが相殺されなくなるので、当該オフセットが誤差として残存してしまうことになる。これに対して、本実施例では、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかに断線が生じた場合には、上述の如く断線のないレゾルバに係る出力信号に対して、オフセット値εが減算又は加算される。これにより、オフセットに起因した誤差が除去されるので、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかに断線が生じた場合であっても、高い精度の角度検出を実現することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、とりわけ以下のような効果が奏される。

正常時には、２つのレゾルバ１０２，１０４からの出力信号を加算・平均することで、磁気干渉に起因した誤差の無い精度の良い回転角情報を得ることができる。また、２つのレゾルバ１０２，１０４からの出力信号に逆方向のオフセットを付与することで、レアショートを含む断線検知が容易となる。また、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかに断線が生じた場合には、断線のないレゾルバに係る出力信号を用いて、高い精度の角度検出を実現することができる。即ち、冗長性の意義が発揮されるべき状況下において、角度検出精度を正常時と同等に維持することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、１相入力/２相出力の構成であったが、２相入力/１相出力であってもよいし、相の態様は任意である。

また、上述の実施例では、回転角を相対角で検出しているが、本発明はこれに限定されることは無く、軸倍角の異なる第３のレゾルバを設定して、回転角を絶対角で検出することも可能である。

また、上述の実施例では、２つのレゾルバ１０２，１０４が軸方向にオフセットして配置されているが、例えば図８に概念的に示すように、２つのレゾルバ３０２，３０４を同心円状に配置してもよい。これにより、軸方向の薄型化を図ることができる。この場合、レゾルバ３０２，３０４は、必然的に互いに同軸に配置されることになる。レゾルバ３０２，３０４は、上述の実施例と同様、同一の軸倍角（例えば２Ｘレゾルバ）であってよい。図８に示す構成は、例えば共通のステータを用いて、各ステータコアに対して互い違いにそれぞれのレゾルバ３０２，３０４を構成する検知コイル及び励磁コイルを設けることで実現されてもよい。

また、上述の実施例２において、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかに断線が生じた場合に、断線が生じた側からの出力信号の加算部１０７への入力を遮断すると共に、平均演算部１０９の処理を停止させることとしてもよい。

また、上述の実施例２では、断線検知部２２０は、Ｒ／Ｄ１０６，１０８からの出力信号φ１、φ２を監視して、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかに断線が発生しているか否かを判定しているが、Ｒ／Ｄ１０６，１０８への入力信号、即ち検知コイルの出力信号を監視して、２つのレゾルバ２０２，２０４のいずれかに断線が発生しているか否かを判定してもよい。

また、上述の実施例では、加算部１０７や平均演算部１０９等の処理部は、ＩＣ等を用いてハードウェア的に実現されてもよい。

以上のとおり本発明は、パワーステアリング装置におけるステアリングシャフトの回転角度を検出する回転角検出装置を始めとして、回転体の回転角の検出が必要なあらゆる装置において利用することができる。

本発明の実施例１による回転角検出装置１００を示すシステム構成図である。 レゾルバ１０２，１０４の種類の一例を示す概略図である。 レゾルバ１０２，１０４の近接配置状態の一例を示す図である。 図１の各ポイントＡ〜Ｄにおける出力状態を示す図である。 本発明の実施例２による回転角検出装置１００を示すシステム構成図である。 図５の各ポイントＥ，Ｆにおける出力状態を示す概念図である。 図５の各ポイントＧ，Ｈにおける出力状態を示す図である。 レゾルバ１０２，１０４の近接配置状態のその他の例を示す図である。

符号の説明

１００，２００ 回転角検出装置
１０２，１０４、２０２，２０４、３０２，３０４ レゾルバ
１０６，１０８ Ｒ／Ｄ
１１０，２１０ 信号処理部
２２０ 断線検知部
２２２ 逆オフセット印加部

Claims (1)

1. 回転体の回転角を検出する回転角検出装置であって、
   互いに同軸に且つ磁気干渉を起こしうるほど近接して配置され、軸倍角が同一の２つのレゾルバと、
   それぞれのレゾルバから出力される出力信号を処理して、回転体の回転角情報を出力する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部が、それぞれのレゾルバに基づく回転体の回転角を表す信号の平均値を求めて、回転体の回転角情報を生成することを特徴とする、回転角検出装置。

Images