JP5209707B2

JP5209707B2 - 角度位置センサ

Info

Publication number: JP5209707B2
Application number: JP2010511214A
Authority: JP
Inventors: ザック、マーク
Original assignee: ハイドロエアーインコーポレイテッド
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: CA2687057C; CA2687057A1; EP2170664A1; BRPI0812593A2; WO2008153976A1; JP2010529456A; US8169214B2; CN101707879B; BRPI0812593B1; ES2676508T3; BRPI0812593B8; EP2170664B1; CN101707879A; US20090315541A1

Description

（関連出願の相互参照）
この出願は、２００７年６月６日に出願された米国仮特許出願第６０／９３３，３４０号の優先権を主張し、参照によりその全体が援用される。

（発明の分野）
本発明は、一般に角度位置センサに関し、より詳細には非常に厳しい環境でも極めて正確な角度位置を求めることができるセンサに関する。

ある部品の別の部品に対する角度位置の正確な測定が重要となる多くの適用形態が存在する。さらに、角度位置の正確な測定により、角速度および角加速度の正確な算出が可能になる。これは、例えば高性能のアンチロックブレーキシステムやアンチスキッド（横滑り防止）ブレーキシステムを有効に動作させるのに不可欠である。ブレーキシステムの部品は、高温、振動および衝撃荷重、水分や泥による汚染を含む、非常に厳しい状況下にさらされることがある。航空機への適用では、このような状況がさらに拡大される。

ある既知の航空機用アンチスキッドシステムは、ブレーキおよび車輪の直近に存在する厳しい状況から比較的壊れやすいセンサを遠ざけるために、ドライブシャフトに頼っていた。このような構成により、信頼性が高く正確なインデューサを用いて、所望の車輪速データを生成することが可能である一方、このようなシステムの重量、容積および複雑さが不利な点であった。ホールセンサの使用も従来から提案されているが、考えられていた構成では、センサが特に熱損傷を受けやすく、また所望の精度を達成するためにとてつもない数の磁石とセンサを必要とするものであった。

例えば角速度および／または角加速度の計算に使用される極めて正確な位置データを生成可能である角度位置センサが必要とされている。

本発明は、既知の角度位置センサに特有の欠点を克服し、極めて厳しい状況下で高精度の位置データを提供する。この装置は堅牢であり、また回転部品との間で直接に結合する必要がない。したがって、航空機への適用時に車輪速データを生成するのに理想的である。

本発明にしたがった装置は、一般に、回転部品に取り付けられるアレイ状に配列された複数の永久磁石を含む。ホールセンサの固定配列がそれに隣接し間隔を空けて配置される。好ましくは、ホールセンサの数は磁石の数を上回る。ホールセンサのそれぞれは、磁石への近接度を表すアナログ信号を生成する。各ホールセンサによって生成される信号を同時にサンプリングすることで、センサ配列に対する磁石配列の角度位置を極めて正確に求めることができる。

本発明のこれらの利点および他の利点は、図面とともに、以下に述べる本発明の原理を例示する好適な実施形態の詳細な説明から明らかになるだろう。

本発明による角度位置センサの模式図である。ターゲット板の模式図である。センサボードの模式図である。

本発明は、例えば車輪に容易に適用可能であり、そのような車輪のアンチロックブレーキシステムまたはアンチスキッドブレーキシステムの制御に使用可能である角度位置センサを対象にする。システム１２は、非常に一般的かつ模式的に図１に示されている。車輪１４はターゲット板１６を有し、ターゲット板は車輪に関連づけられており車輪と一体に回転する。一方、非回転軸２０または他の支持部材には固定されたセンサボード１８が取り付けられる。好適な実施形態では、円形のターゲット板と円形のセンサボードの中心が共通軸２２に合わされており、両者の間には小さな空隙２４がある。一つ以上のプロセッサ２６が、センサボードにより生成されたデータを、角度位置、回転率または車輪速等の有用な出力に変換する。

図２に模式的に示される好適な実施形態では、ターゲット板１６は全体で１８箇所の磁石位置３０を有しており、これらは２０度の増分でその周囲に等距離で配置されている。この位置のうち１６箇所は、Ｎ極とＳ極の順序が交互になるように配置された磁石３２によって占有されている。二箇所の磁石位置３０ａおよび３０ｂは占有されておらず、互いに１８０度になるように配置される。

図２は全体で７２個のホール効果検出素子３４を支持するセンサボード１８を模式的に示す。ホール効果検出素子は、５度の増分でその周囲に等距離に配置される。各ホールセンサは、自身がさらされている磁界強度に比例するアナログ信号を生成する。ターゲット板およびセンサボードは、約１／２インチの空隙２４が両者の間に存在するように配置される。

全部で７２個のホールセンサの同時読み取りが周期的に行われ、このデータを、センサボードとターゲットボードの間の相対的な回転角度すなわち車輪の回転角度に変換するために、アルゴリズムが利用される。二つのこのような読み取り、既知の時間間隔により、その間隔の間の平均車輪速度を算出する。１秒当たり２００回の完全な速度読み取りに対する公称時間間隔は５ミリ秒である。

ホールセンサは、各ホールセンサ位置における磁界の強度に比例して０から５ボルトの電圧を出力する。２．５ボルトの信号は、ヌル値すなわち磁界がないことである。５ボルト側への高いレベルはＳ極の磁界であり、０ボルト側へのレベルはＮ極の磁界である。磁石強度およびホールセンサのギャップ間隔は、５ボルトまたは０ボルトに決して到達しないように（センサの飽和がないように）設定される。

センサボード上に配置されても配置されなくてもよいプロセッサは、正確な瞬間に全てのホールセンサ電圧の瞬間値を保存（フリーズ）する電気回路を有しており、各電圧がデジタル数に変換可能となるまでそれらの値を保持する。これは、ホール電圧データセットすなわちホールセンサがフリーズされた瞬間にとられた「スナップショット」になる。１ミリ秒未満で行われるこの変換の後、ホール回路は再びホールセンサ出力を追跡し、次回のサンプリングの準備をすることができる。ホールセンサからのデータは、０から４０９６カウントまでの１２ビットの符号無し数であり、４０９６が５ボルトに対応する。ヌル値は公称カウント２０４８である。

各ホールセンサにはデバイス毎に数パーセントの不揃いのゲインとＤＣオフセットの分散があるので、ホールセンサ出力の正規化が必要である。この正規化に使用されるアルゴリズムは、磁石リング内の磁石の不均等に対しては非常に許容度があるが、ホールセンサ間のゲインの相違は許容しない。正規化の目的は、個々のホールセンサのゲインとオフセットを動的に見つけ、ソフトウェア内の補正係数を維持してホールデバイスの均等な一致したセットを作り出すことである。正規化手順は、ハードウェアのマルチプレクサ、オペアンプおよびＡ／Ｄコンバータにおけるあらゆるバイアスまたは相違を自動的に処理する。ホールセンサは磁界無しに対して２．５ボルトを出力し、Ｓ極に対しては５ボルト側に２．５ボルトよりも大きな電圧を出力し、Ｎ極に対しては０ボルト側に２．５ボルトよりも小さな電圧を出力する。出力は、磁界に比例した線形電圧である。磁石および機械的ギャップは、センサが決して飽和しない（すなわち、出力が決して０ボルトまたは５ボルトに達しない）ような大きさにされる。ソフトウェア側からは、０のＡＤＣカウントはフルのＮ極磁界であり、カウント２０４８がゼロ磁界であり、カウント４０９６がフルＳ極磁界である。実際の動作では、磁界強度はフルスケールに対して約１／２または２／３以上には決してならない。７２個のホールセンサそれぞれについて、全てのホール電圧値の移動平均がソフトウェアメモリ内で保持される。カウント値のこの平均電圧は、ホールセンサの公称ＤＣオフセット電圧のそれと等しい。この平均は、使用される特定の磁石リング内の磁石によりいくらか影響を受ける。所与のリングにおいて使用されるＳ極磁石がＮ極磁石よりも強い場合、リングとしてのカウント平均値は２０４８カウントよりも大きくなるだろう。しかし、全ての磁石が全部で７２個のホールセンサを通り過ぎて回転するので、目的はセンサを互いに一致させることであり、それらの真の電圧出力とガウスとの関係を設定することではない。特定の磁石リングに関してホールセンサについてこの平均「ゼロ」点が求められると、その後も全ての新たなサンプルを使用してこの平均を更新する。加えて、新たなホール値のそれぞれが、ホールセンサの特定の平均値との単純な比較によって「Ｓ極」値または「Ｎ極」値に分類される。例えば、ホールセンサの特定の「ゼロ」値が２０５０カウントであり、新たなカウントが２０５１である場合、それは「Ｓ極」値である。２０４９である場合、それは「Ｎ極」値である。続いて、Ｎ極値とＳ極値が平均されて、それぞれの移動平均が求められる。結果として、７２個のホールセンサそれぞれについて、三つの移動平均（Ｓ極平均、ヌル値平均、Ｎ極平均）が保存される。実際の平均値の変わりに、調整可能な時定数を持つ単純なソフトウェア一次フィルタに値を供給してもよい。これらフィルタの出力は、ヌルフィルタ出力がホールセンサの特定のＤＣオフセット値であるように使用される。Ｓ極フィルタマイナスＮ極フィルタは相対的なホールセンサ特定ゲインである。全てのホールセンサ特定ＤＣオフセットが加算され平均される。これは、所与のホールセンサデータボードおよび磁石リングの組合せに対する全体システムのＤＣオフセット平均である。全てのホールセンサ特定ゲインが同様に平均され、システムゲイン平均が求められる。特定ホールセンサオフセットのそれぞれがこの平均と比較され、そのホールセンサについてのオフセット正規化ファクタが得られる。同様にして、そのホールセンサについてのゲイン正規化ファクタが得られる。続いて、これらのゲインおよびオフセット正規化ファクタが全ての生のホールデータに適用されて、ホールセンサが互いに正規化され、その後、車輪の角度位置を求めるためのフーリエアルゴリズムにこのデータが供給される。正規化フィルタへの入力のために生のホール値のみが用いられる。

実際には、車輪の動きがないとこの正規化を実行することができず、事実これが試みられた場合フィルタは大きなゲインおよびオフセット誤差を生み出すので、正規化フィルタには低速カットオフが存在する。この好適な実施形態では、正規化フィルタ積分は６ノット未満で一時停止され、出力値をその最後の値で維持する。フィルタ出力値は周期的にＮＶＭに保存され、その結果、車輪回転速度が無いままシステムの電源が入ったときに、全てのホールセンサはベースライン正規化を有する。一次フィルタは約３０秒の時定数（最適な性能を得るために調整可能）を有し、ヌルフィルタは、その積分速度が二倍であるのでＮ極またはＳ極フィルタの二倍の時定数を有する。この正規化により、システムの速度の正確さはほぼ三倍になる。

続いて、単純なフーリエ法を使用して、車輪上の回転する磁石ターゲットと非回転のホールセンサボードとの間の回転角度を求める。回転する車輪に取り付けられたターゲット板上の永久磁石は、Ｎ極とＳ極が交互になるパターンで配置されており、固定点（すなわちホールセンサ）から見たとき粗いサイン波の磁石パターンをシミュレートする。１８箇所の磁石位置があるので、磁石サイン波パターンは、３６０度の車輪回転一回につき９つの完全なサイン波を有することになる。磁石リングの周りの７２点で、ホールセンサにより磁石パターンがサンプリングされる。これは、繰り返される周期波形のそれぞれで７２の時間増分でサンプリングされる周期的な時間関数に類似している。７２個の磁石サンプルにおけるそれぞれの値は真のサイン関数値で乗じられ、それらが合計される。これは、コサイン関数についても繰り返される。二つの合計が除算されタンジェント関数項を求める。この項のアークタンジェントは、基準サイン波形および基準コサイン波形と比較したテスト波形（磁石リングパターン）の位相角である。これは、基本周波数の位相のみが興味の対象であることを除いて、サイン／コサインフーリエ変換と同様である。磁石により生成されたパターンの非サインの変動は、基本波のより高次の高調波として考慮すればよく、計算から抜け落ちる。これは、不連続の磁石により生成される不完全なサイン波パターンに対する高い許容度をこの方法に与える。

このアルゴリズムの疑似コード例は以下の通りである。

所与のホールセンササンプル空間（一つのホールセンサボードキャプチャ）について、
Hall(n) 但し、ｎ＝１から７２
サイン基準波およびコサイン基準波について、ボードの周りに７２個のホールセンサがあり、一回転当たり磁石パターンが９回繰り返されるとき、７２／９すなわち８つのサインサンプルが存在する。これら８つのサンプルは三つの決まった＋／−値しか有さず、それらは０、１／SORT(2)および１である。
Sin(l) = 0 Cos(l) = 1
Sin(2) = 0.707 Cos(l) = 0.707
Sin(3) = 1 Cos(l) = 0
Sin(4) = 0.707 Cos(l) = -0.707
Sin(5) = 0 Cos(l) = -1
Sin(6) = -0.707 Cos(l) = -0.707
Sin(7) = -1 Cos(l) = 0
Sin(8) = -0.707 Cos(l) = 0.707
SinSum = 0
CosSum = 0
Do for m = 1 to 9
Do for n = 1 to 8
SinSum = SinSum + Sin(n) x Hall[n + (m-l) x 8]
CosSum = CosSum + Cos(n) x Hall[n + (m-l) x 8]
end Do n
end Do m
Flip = 1
If CosSum = 0
Then: Ratio = 0
Flip = -1
end Then
Else: Ratio = SinSum / CosSum
If Absolute value (Ratio) > 1
Then: Flip = -1
Ratio = CosSum / SinSum
end Then
end Else
If Flip = -1 and SinSum < 0 then: Quadrant = 0
If Flip = 1 and CosSum < 0 then: Quadrant = 1
If Flip = -1 and SinSum > 0 then Quadrant = 2
If Flip = 1 and CosSum > O then: Quadrant = 3
W_Angle = - Flip x Arctan [Ratio]
Inter_Angle = 90 x Quadrant + W_Angle

一回転ごとにこれが９回繰り返されるので、得られる値は単に中間の角度計算からなり、車輪位置の単一の０度から３６０度の出力を直接求めることはできない。したがって、二箇所の磁石位置に磁石が存在しないという事実により、９つの区画のうち特定の区画を識別することができる。これら二つの磁石を省くことがフーリエ位相角結果の精度に及ぼす影響は無視できるほど小さいことが分かっている。

このアルゴリズムの目的は、回転の９つの区画のうち、いずれの区画に現在車輪が位置するかを見つけることである。これが必要とされるのは、ホール磁石パターンが一回転につき９回繰り返され、０度から３６０度の出力が必要であるからである。４０度の増分で区画すなわち「グループ」番号に加えられる０度から４０度のフーリエ出力を用いて、前回のサンプルからの履歴を必要とすることなく、各サンプルについて真の０度から３６０度の出力結果が得られる。この方法は、磁石リングにおいて１８個の磁石のうち１８０度だけ離れた二つが失われているという事実を利用する。これらの穴の両方がこのアルゴリズムにより検出され、ホールグループ番号１〜９を検出する。

８つのホールセンサからなる９つのグループがそれぞれ合計され、Hall #1で連続して始まり昇順で並ぶグループ合計１〜９ｎが得られる。グループ＃１はHall １〜８の合計である。８つのホールセンサからなるグループについてホールセンサを４つオフセットした状態で、９つのサブグループが合計される。その結果、サブグループ１はHall ５〜１２の合計である。

磁石の交互に並んだ極性とホールセンサの間隔のために、各グループの合計は、平均してヌル磁石値である２０４８カウント、すなわちホールセンサ公称出力の１／２になる傾向がある。合計される８つのホールセンサのグループに失われた磁石が含まれる場合、失われたＮ極磁石に対しては、合計がこのヌル値よりも著しく大きくなり、失われたＳ極磁石に対しては、合計がこのヌル値よりも著しく小さくなる。この方法は、最大の堅牢性およびノイズ除去のために、Ｎ極およびＳ極の失われた磁石の両方を同時に探す。

グループが９という奇数のために、グループ１の中央に失われた磁石の一方が含まれる場合、１８０度離れている他方の失われた磁石はグループ５とグループ６の正確な中間に存在するが、この第２の失われた磁石は、合計の際に４つのホールセンサをオフセットしたので、サブグループ５のちょうど中央に位置することになる。失われた磁石が二つのグループの境界近傍にあるときの境界条件を考慮するために、フーリエ演算から「四分の一（Quadrant）」変数を、グループ検出ロジックの中で再利用する。したがって、グループ合計について９つの合計１〜９が、サブグループ合計について９つの合計１〜９が得られる。

続いて、これらの結果は以下のようにして減算される。
For a Angle result in Quadrant 2 or 3:
Result(x) = Group(x) - Subgroup(x + 4)
For an angle in quadrant 1 or 4:
Result(x) = Subgroup(x) - Group(x + 5)
最後のグループ（Group）番号が、正の最大結果（Result）番号である。
最後に、Quadrant = 4の場合、Groupが１だけ増分される。
このアルゴリズムは、以下の疑似コードにより記述される。
Normalized Hall voltage counts (0 to 4096) equal HallNorm(l to 72)
Do for m = 1 to 9
Do for n = 1 to 8
Groupsum(m) = Groupsum(m) + HallNorm( n + ( 8 x ([m - l]) )
end DO n
end DO m
上記の結果９つのグループ合計（Groupsum）が得られる。
続いて、サブグループに対して以下が行われる。
Do for m = 1 to 9
Do for n = 1 to 8
If ( n + ( 8 x [m - 1] ) + 4 ) > 72
Then: Over = 72
Else: Over = 0
SubGroupsum(m) = SubGroupsum(m) + HallNorm( n + ( 8 x [m - l] ) + 4 - Over )
End DO n
End DO m
上記の「If」文は、円形のボード上でHall #72の次のホールセンサがHall # 1であるためである。
Case: Quadrant is 2 or 3:
GroupMax = 0
Do n = 1 to 9
m = n + 4
If m > 9
Then: m = m - 9
Result(n) = Group(n) - SubGroup(m)
If Result(n) > GroupMax
Then: Group Number = n
GroupMax = Result(n)
End Then
End DO n
Group = Group Number
End Case
Case: Quadrant is 1 or 4:
Do n - 1 to 9
m = n + 5
If m > 9
Then: m = m - 9
Result(n) = SubGroup(n) - Group(m) j If Result(n) > GroupMax
Then: Group Number = n
GroupMax = Result(n)
End Then
End DO n
If Quadrant = 4 then: Group = Group Number
If Quadrant = 1 then: Group = Group Number + 1
If Group = 10 then: Group = 1
End Case
項「Group」は、今では正しいグループ番号１〜９を含む。
最終的な合成角度位置：
今や「Group」が分かっているので、０度から３６０度の最終的な合成車輪角度は、以下のようになる。
Angle = ( 40 x Group ) + ( Inter Angle / 9 )
車輪速度:
車輪速度は、次式で与えられるサンプル時間間隔にわたる速度の単純な平均である。
Degrees/second = ( Angle(new) - Angle(last) ) / ( time difference between new and last)
Feet/second = ( Wheel/diameter x PI x Degrees/second) / 360

反転速度を検出可能であり、負の速度を示すことに注意する。

説明した角度位置センサにより、非常に正確な角度を求めることが可能であり、結果として、非常に正確な角速度を求めることができる。これは、アンチスキッドブレーキシステムまたはアンチロックブレーキシステムでの使用時に特に望ましい。上述のデバイスの堅牢な特性により、航空機への適用に特に適している。また、ホールデバイスおよび磁石の円形配列について説明したが、当業者は、ホールデバイスおよび磁石配列の他の構成が特定の応用形態においては有利になりうることを理解するだろう。また、ホールデバイスおよび磁石の円形配列について説明したが、当業者は、ホールデバイスおよび磁石配列の他の構成が特定の応用形態においては有利になりうることを理解するだろう。

本発明の特定の形態を例示し説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく様々な修正をなしうることは上記記載から明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲によるものを除き、本発明を限定することは意図していない。

Claims

複数のホールセンサの固定された円形配列を含む円形センサボードであって、前記ホールセンサのそれぞれがある半径を有し軸の周りに中心を合わされており、前記ホールセンサは、５度の増分で前記円形センサボードの周囲に等距離で配置されており、前記複数のホールセンサのそれぞれが、磁石への近接度の関数としてアナログ信号を発生するように構成されている、円形センサボードと、
前記軸の周りに中心が合わされ、前記固定された円形配列から離間された複数の磁石位置からなる回転可能な配列を含む円形ターゲット板であって、前記複数の磁石位置が２０度の増分で前記円形ターゲット板の周囲に等距離で配置され、前記複数の磁石位置のうち互いに１８０度離れた二箇所に磁石が存在せず、残りの磁石位置がＮ極とＳ極の順序が交互になるように配置された磁石で占有されており、磁石の存在しない二箇所の磁石位置が、該磁石位置の両側の磁石位置を占有する磁石を４０度の増分で分離している、円形ターゲット板と、
前記複数のホールセンサにより同時に生成された信号を、フーリエ変換に基づいて前記固定された円形配列に対する前記回転可能な配列の角度位置に関連づけるように構成されたプロセッサと、
を備えることを特徴とする角度位置センサ。
前記複数のホールセンサは、所与の磁界強度により全てのホールセンサが実質的に同一のアナログ信号を発生するように正規化されていることを特徴とする請求項１に記載の角度位置センサ。
前記角度位置が周期的に決定され角速度を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の角度位置センサ。
前記回転可能な配列を含む前記円形ターゲット板が車輪に取り付けられており、前記固定された円形配列を含む前記円形センサボードが前記車輪に隣接する非回転部品に取り付けられており、前記求められた角速度を用いて横滑りを防止することを特徴とする請求項３に記載の角度位置センサ。
角度位置を求める方法であって、
複数のホールセンサの固定された配列を含む円形センサボードを設けるステップであって、前記ホールセンサのそれぞれがある半径を有し軸の周りに中心を合わされており、前記ホールセンサは、５度の増分で前記円形センサボードの周囲に等距離で配置されており、前記複数のホールセンサのそれぞれが、磁石への近接度の関数としてアナログ信号を発生するように構成されている、ステップと、
実質的に同じ半径を有し、前記軸の周りに中心が合わされ、前記センサの配列から離間された複数の等距離の磁石位置からなる回転可能な配列を含む円形ターゲット板を設けるステップであって、複数の磁石位置が２０度の増分で前記円形ターゲット板の周囲に等距離で配置され、前記複数の磁石位置のうち互いに１８０度離れた二箇所に磁石が存在せず、残りの磁石位置がＮ極とＳ極の順序が交互になるように配置された磁石で占有されており、磁石の存在しない二箇所の磁石位置が、該磁石位置の両側の磁石位置を占有する磁石を４０度の増分で分離している、ステップと、
磁石の存在しない前記二箇所の磁石位置に基づいて、前記ホールセンサにより同時に生成されたアナログ信号を、前記固定された配列に対する前記回転可能な配列の角度位置に関連づけるステップであって、前記同時に生成された信号を角度位置に変換するためにフーリエ変換を利用するステップと、
を含む方法。
前記ホールセンサを正規化することをさらに含み、
前記複数の磁石のそれぞれが隣接するとき各ホールセンサにより生成される平均信号が、前記複数の磁石のそれぞれが隣接するとき前記複数のホールセンサの他の全てにより生成される平均信号と等しくなるように、前記複数のホールセンサのそれぞれにより生成される前記信号が調節されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記ホールセンサにより同時に生成される前記信号を周期的にサンプリングすることで、前記固定された配列に対する前記回転可能な配列の角速度を決定することをさらに含む請求項５または６に記載の方法。
前記サンプリングが５ミリ秒毎に行われることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の方法。