JP5315212B2 - Rotation angle sensor abnormality detection device, motor control system, electric power steering - Google Patents

Rotation angle sensor abnormality detection device, motor control system, electric power steering Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve availability of a system by not only detecting abnormality of a resolver or a magnetoresistive element but also judging whether or not the influence of the abnormality on the system is serious. <P>SOLUTION: The rotation angle sensor abnormality detector includes a magnetic field sensor 201 and a microcomputer 10. The magnetic field sensor 201 detects a change in magnetic field caused by rotation of a rotary shaft, and outputs signals according to the sine and cosine of a rotation angle of the rotary shaft, respectively. The microcomputer 10 performs determination of a Lissajous trajectory amplitude 121 and determination of a Lissajous trajectory quadrant 122 in an error detection function 12, and thereby detects abnormality of the magnetic field sensor 201 based on the Lissajous waveform of each signal output from the magnetic field sensor 201. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、回転角度センサの異常を検出する装置と、この装置を有するモータ制御システムおよび電動パワーステアリングとに関する。   The present invention relates to a device for detecting an abnormality of a rotation angle sensor, and a motor control system and an electric power steering system having the device.

サーボ制御系では回転角を検出しフィードバック制御を実施するために回転角度センサが必要である。またブラシレスモータ制御においてはモータの回転角に応じてモータのコイルに電流を通電させる必要があるために、サーボ制御系に限らず回転角度センサが必要である。回転角度センサとして従来からレゾルバが、その単純な構成に起因する堅牢さ、耐環境性から広く用いられている。   In the servo control system, a rotation angle sensor is necessary to detect the rotation angle and perform feedback control. Further, in brushless motor control, since it is necessary to energize the motor coil in accordance with the rotation angle of the motor, a rotation angle sensor is required in addition to the servo control system. Conventionally, resolvers have been widely used as rotation angle sensors because of their robustness and environmental resistance resulting from their simple structure.

また電動パワーステアリング、x-by-wire特にsteer-by-wire、fly-by-wireなどに適用するサーボ制御系では安全性、信頼性が要求されるために、故障検出機能が要求される。たとえば特許文献1には、sin2θ+cos2θ=1というレゾルバの出力である三角関数の性質を利用してレゾルバの故障を検出することが記載されている。また特許文献2には、判定域を正多角形として演算を簡略化することが記載されている。さらに特許文献3には、レゾルバの代わりに巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)などの磁気抵抗素子を用いて回転角度を検出することが記載されている。 In addition, a servo control system applied to electric power steering, x-by-wire, especially steer-by-wire, fly-by-wire, etc. requires safety and reliability, and therefore requires a failure detection function. For example, Patent Document 1 describes that a resolver failure is detected by utilizing the property of a trigonometric function that is an output of a resolver of sin 2 θ + cos 2 θ = 1. Patent Document 2 describes that the calculation is simplified by using a determination area as a regular polygon. Furthermore, Patent Document 3 describes that the rotation angle is detected using a magnetoresistive element such as a giant magnetoresistive element (GMR element) instead of the resolver.

特開平9−280890号公報JP-A-9-280890 特開2005−308634号公報JP 2005-308634 A 特開2005−49097号公報JP-A-2005-49097

上記特許文献1、2に開示される従来技術によれば、レゾルバからのあるいはレゾルバへの信号が断線すると、レゾルバからの信号が異常となりsinθ、cosθの間の関係が成立しなくなるためsin2θ+cos2θの値が1よりはずれるため故障として検出しマイクロコンピュータに通知することが可能となる。 According to the prior art disclosed in Patent Documents 1 and 2 above, if the signal from the resolver or to the resolver is disconnected, the signal from the resolver becomes abnormal and the relationship between sinθ and cosθ does not hold, so sin 2 θ + cos Since the value of 2θ deviates from 1, it can be detected as a failure and notified to the microcomputer.

以上述べた従来技術では、異常の検出だけでなくさらにその異常が実際のシステムの動作に及ぼす影響の重軽の判断という面で更なる考慮が望ましい。システムの動作に重大な影響を及ぼす故障であるかどうかの判断は、安全性を確保しながらシステムをすぐには動作停止にせずにシステムの可用性(availability)を高める上で重要である。特に、車重の大きな自動車に適用される電動パワーステアリングでは、制御異常により危険な事象が発生しない限りモータによるアシストを継続することは、安全確保の見地から望ましいことである。しかし、上記従来技術によれば、このような判断を行っていないため、制御を継続した方が好ましい状況であっても故障と判断されてしまい、制御を停止してしまうことがある。特に、特許文献3に開示される従来技術では、たとえば磁気抵抗素子において制御に影響がない程度の僅かな焼損が発生した場合であっても、制御を停止してしまうおそれがある。   In the conventional technology described above, further consideration is desirable not only in detecting an abnormality, but also in determining whether or not the influence of the abnormality on actual system operation is important. The determination of whether or not a failure has a significant effect on the operation of the system is important in increasing the availability of the system without securing the safety and immediately shutting down the system. In particular, in an electric power steering applied to an automobile having a large vehicle weight, it is desirable from the viewpoint of ensuring safety that the assist by the motor is continued unless a dangerous event occurs due to a control abnormality. However, according to the prior art, since such a determination is not made, even if it is preferable to continue the control, it may be determined as a failure and the control may be stopped. In particular, in the related art disclosed in Patent Document 3, for example, even if a slight burnout that does not affect the control occurs in the magnetoresistive element, the control may be stopped.

そこで本発明では、レゾルバや磁気抵抗素子の異常検出に留まらず、そのシステムに及ぼす影響が重大か否かを判断してシステムの可用性を高める技術を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a technique for increasing the availability of the system by determining whether the influence on the system is serious, as well as detecting the abnormality of the resolver and the magnetoresistive element.

本発明による回転角度センサ異常検出装置は、回転軸が回転することにより生じる磁界変化を検出し、前記回転軸の回転角の正弦に応じた正弦信号と、前記回転軸の回転角の余弦に応じた余弦信号とを出力する磁界センサと、前記磁界センサより出力される前記正弦信号および前記余弦信号のリサージュ波形に基づいて、前記磁界センサの異常を検出する異常検出手段とを備えた回転角度センサ異常検出装置であって、前記異常検出手段は、前記リサージュ波形の振幅と、前記リサージュ波形が通過する象限とに基づいて、前記磁界センサの異常の有無を検出する際に、前記リサージュ波形の振幅が所定の第1の検出域内にあり、かつ所定時間内に前記リサージュ波形が通過しない象限がある場合に、前記磁界センサの異常を検出することを特徴とする。
本発明によるモータ制御システムは、上記の回転角度センサ異常検出装置と、前記回転軸と連結されたモータと、前記回転軸に設置された磁石と、前記モータを駆動するモータ駆動回路と、前記回転角の検出結果に基づいて前記モータ駆動回路による前記モータの駆動を制御するモータ駆動制御回路とを備え、前記回転角度センサ異常検出装置が有する前記磁界センサは、前記回転軸の回転に従って前記磁石の回転位置が変化することにより生じる磁界変化を検出し、前記異常検出手段により前記磁界センサの異常が検出されると、その検出結果に応じて前記モータの駆動を禁止することを特徴とする。
本発明による電動パワーステアリングは、上記の回転角度センサ異常検出装置と、前記回転軸と連結されたモータと、前記回転軸に設置された磁石と、前記モータを駆動するモータ駆動回路と、前記モータとコラムシャフトを介して機械的に接続される車輪の舵取り機構と、前記コラムシャフトと機械的に接続されるステアリングホイールと、前記ステアリングホイールを介して入力される操作を検出するトルクセンサと、前記トルクセンサによる前記操作の検出結果と前記回転角の検出結果とに基づいて、前記モータ駆動回路による前記モータの駆動を制御するモータ駆動制御回路とを備え、前記回転角度センサ異常検出装置が有する前記磁界センサは、前記回転軸の回転に従って前記磁石の回転位置が変化することにより生じる磁界変化を検出し、前記異常検出手段により前記磁界センサの異常が検出されると、その検出結果に応じて前記モータの駆動を禁止することを特徴とする。
A rotation angle sensor abnormality detection device according to the present invention detects a magnetic field change caused by rotation of a rotation shaft, and according to a sine signal corresponding to the sine of the rotation angle of the rotation shaft and a cosine of the rotation angle of the rotation shaft. Rotation angle sensor comprising: a magnetic field sensor that outputs a cosine signal; and an abnormality detection means that detects an abnormality of the magnetic field sensor based on the sine signal output from the magnetic field sensor and a Lissajous waveform of the cosine signal. An abnormality detection device, wherein the abnormality detection means detects an abnormality of the magnetic field sensor based on an amplitude of the Lissajous waveform and a quadrant through which the Lissajous waveform passes. Is in a predetermined first detection area, and there is a quadrant in which the Lissajous waveform does not pass within a predetermined time, an abnormality of the magnetic field sensor is detected. And butterflies.
A motor control system according to the present invention includes the rotation angle sensor abnormality detection device, a motor connected to the rotation shaft, a magnet installed on the rotation shaft, a motor drive circuit that drives the motor, and the rotation. A motor drive control circuit that controls driving of the motor by the motor drive circuit based on a detection result of the angle, and the magnetic field sensor of the rotation angle sensor abnormality detection device is configured to detect the magnet according to the rotation of the rotation shaft. A change in the magnetic field caused by a change in the rotational position is detected, and when an abnormality of the magnetic field sensor is detected by the abnormality detection means, the driving of the motor is prohibited according to the detection result.
An electric power steering according to the present invention includes the rotation angle sensor abnormality detection device, a motor coupled to the rotation shaft, a magnet installed on the rotation shaft, a motor drive circuit that drives the motor, and the motor. A steering mechanism for a wheel mechanically connected via a column shaft, a steering wheel mechanically connected to the column shaft, a torque sensor for detecting an operation input via the steering wheel, A motor drive control circuit for controlling the drive of the motor by the motor drive circuit based on the detection result of the operation by the torque sensor and the detection result of the rotation angle, and the rotation angle sensor abnormality detection device has The magnetic field sensor is a magnetic field change caused by a change in the rotational position of the magnet according to the rotation of the rotating shaft. Detecting an abnormality of the magnetic sensor is detected by the abnormality detecting means, and inhibits the driving of the motor according to the detection result.

以上述べたように本発明によれば、安全性を確保しながらシステムの可用性を高めることが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to increase system availability while ensuring safety.

本発明の一実施形態によるレゾルバ異常検出装置の基本的構成例を示す図である。It is a figure which shows the basic structural example of the resolver abnormality detection apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるリサージュ軌跡振幅判定の処理内容を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the processing content of Lissajous locus | trajectory amplitude determination by one Embodiment of this invention. リサージュ軌跡象限判定の検出原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detection principle of Lissajous locus quadrant determination. 本発明の一実施形態によるリサージュ軌跡象限判定の処理内容を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the processing content of the Lissajous locus quadrant determination by one Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態によるリサージュ軌跡振幅判定の処理内容を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the processing content of Lissajous locus | trajectory amplitude determination by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態によるレゾルバ異常検出装置の基本的構成例を示す図である。It is a figure which shows the basic structural example of the resolver abnormality detection apparatus by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態によるリサージュ軌跡振幅判定の処理内容を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the processing content of Lissajous locus | trajectory amplitude determination by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明によるレゾルバ異常検出装置をモータ制御システムに適用した例を示す図である。It is a figure which shows the example which applied the resolver abnormality detection apparatus by this invention to the motor control system. 本発明によるレゾルバ異常検出装置を電動パワーステアリングに適用した例を示す図である。It is a figure which shows the example which applied the resolver abnormality detection apparatus by this invention to electric power steering. 本発明の第4の実施の形態によるリサージュ軌跡象限判定の処理内容を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the processing content of the Lissajous locus quadrant determination by the 4th Embodiment of this invention. リサージュ軌跡が通過した象限ごとの各場合による判定結果をまとめた一覧表である。It is the list which put together the determination result by each case for every quadrant which the Lissajous trajectory passed. 本発明の第4の実施の形態によるリサージュ軌跡象限判定の方法を図1に示した装置に適用した場合のレゾルバ異常の判定結果をまとめた一覧表である。It is the list which put together the determination result of the resolver abnormality at the time of applying the method of the Lissajous locus quadrant determination by the 4th Embodiment of this invention to the apparatus shown in FIG. 本発明の第4の実施の形態によるリサージュ軌跡象限判定の方法を図6に示した装置に適用した場合のレゾルバ異常の判定結果をまとめた一覧表である。It is the list which summarized the determination result of the resolver abnormality at the time of applying the method of the Lissajous locus quadrant determination by the 4th Embodiment of this invention to the apparatus shown in FIG. 本発明の第5の実施の形態による回転角度センサ異常検出装置の基本的構成例を示す図である。It is a figure which shows the basic structural example of the rotation angle sensor abnormality detection apparatus by the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態による回転角度センサ異常検出装置を適用した回転角度検出装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the rotation angle detection apparatus to which the rotation angle sensor abnormality detection apparatus by the 5th Embodiment of this invention is applied. 磁界センサに用いられるGMR素子の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the GMR element used for a magnetic field sensor. GMR素子における自由磁性層、スペーサ層および固定磁性層の断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section of the free magnetic layer in a GMR element, a spacer layer, and a pinned magnetic layer. 磁界センサが有するブリッジ回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the bridge circuit which a magnetic field sensor has. 回転角度検出装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a rotation angle detection apparatus. GMR素子において故障が発生したときの様子を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically a mode when a failure generate | occur | produced in the GMR element. 本発明の第5の実施の形態における磁界センサの出力信号によるリサージュ軌跡を示す図である。It is a figure which shows the Lissajous locus | trajectory by the output signal of the magnetic field sensor in the 5th Embodiment of this invention. 信号上限・下限判定回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a signal upper limit / lower limit determination circuit. 本発明による回転角度センサ異常検出装置をモータ制御システムに適用した例を示す図である。It is a figure which shows the example which applied the rotation angle sensor abnormality detection apparatus by this invention to the motor control system. 本発明による回転角度センサ異常検出装置を電動パワーステアリングに適用した例を示す図である。It is a figure which shows the example which applied the rotation angle sensor abnormality detection apparatus by this invention to electric power steering.

−第1の実施の形態−
本発明の一実施の形態を、本発明の原理とともに、以下に説明する。
(1)レゾルバからの信号の振幅を監視し、sin2θ+cos2θの値が1より外れていないか監視する。
(2)(1)で、sin2θ+cos2θの値が1より外れている場合には、sinθ、cosθをそれぞれ直交座標上に、座標(sinθ,cosθ)をプロットし、所定の時間内に4つの象限すべてに座標(sinθ,cosθ)のプロットが存在する場合には正常、そうでない場合には異常とみなしモータ駆動禁止とする。
-First embodiment-
One embodiment of the present invention will be described below together with the principle of the present invention.
(1) Monitor the amplitude of the signal from the resolver, and monitor whether the value of sin 2 θ + cos 2 θ deviates from 1.
(2) If the value of sin 2 θ + cos 2 θ deviates from 1 in (1), plot sin θ and cos θ on orthogonal coordinates and coordinates (sin θ, cos θ) within a predetermined time. When plots of coordinates (sin θ, cos θ) exist in all four quadrants, it is considered normal, and when it is not, motor driving is prohibited.

レゾルバの異常により起因するシステムへの影響は、モータの磁極位置検出誤差によるトルク変動である。磁極位置検出誤差とトルク変動の関係は次式で示される。   The influence on the system caused by the abnormality of the resolver is torque fluctuation due to the magnetic pole position detection error of the motor. The relationship between the magnetic pole position detection error and the torque fluctuation is expressed by the following equation.

τm=K・iq・cosθe
但し
τm:モータ出力トルク
K:トルク定数
iq:q軸電流
θe:磁極位置検出誤差
この式より、−90°<θe<+90°の範囲内であれば磁極位置検出誤差によりトルク変動が発生しても、制御性、操作性が悪化するに留まることがわかる。さらに、θe<−90°またはθe>+90°となるとcosθeの値が負となり、iqとτmの符号が逆転するため、モータを回転させようとする方向と逆方向に回る状態になることがわかる。フィードバック制御系でこのような状態が発生するとフィードバックの極性が逆転するため、ネガティブフィードバックがポジティブフィードバックとなり制御系が発散してしまうことになる。このような状態が例えば電動パワーステアリング装置で発生すると、勝手にステアリングをまわしてしまうセルフステアなどの現象となる。このような現象は絶対に避けなければならない。
τm = K ・ iq ・ cosθe
However, τm: Motor output torque K: Torque constant iq: q-axis current θe: Magnetic pole position detection error From this equation, torque fluctuation occurs due to the magnetic pole position detection error within the range of −90 ° <θe <+ 90 °. However, it can be seen that controllability and operability are only deteriorated. Further, when θe <−90 ° or θe> + 90 °, the value of cosθe becomes negative and the signs of iq and τm are reversed, so that it turns out that the motor rotates in the opposite direction. . When such a state occurs in the feedback control system, the polarity of the feedback is reversed, so that the negative feedback becomes positive feedback and the control system diverges. When such a state occurs in, for example, an electric power steering apparatus, a phenomenon such as self-steering that turns the steering without permission occurs. Such a phenomenon must be avoided.

レゾルバが正常なときにはsinθ,cosθ直交座標上での座標(sinθ,cosθ)のプロット、すなわちリサージュ軌跡は図3の軌跡Aのように原点Oを中心とした単位円を描き、レゾルバに故障が発生した場合には軌跡B、軌跡Cのように単位円から外れることが知られている。さらにレゾルバの故障解析の結果、−90°<θe<+90°のときにはリサージュ軌跡の内部に原点Oを含み、θe<−90°またはθe>+90°の場合にはリサージュ軌跡の内部に原点Oを含まないことがわかった。   When the resolver is normal, the plot of the coordinates (sinθ, cosθ) on the sinθ, cosθ orthogonal coordinates, that is, the Lissajous locus draws a unit circle with the origin O as the locus A in FIG. In this case, it is known that the unit circle deviates from the unit circle, such as the locus B and the locus C. Further, as a result of the failure analysis of the resolver, the origin O is included in the Lissajous locus when −90 ° <θe <+ 90 °, and the origin O is included in the Lissajous locus when θe <−90 ° or θe> + 90 °. I understood that it does not contain.

ここで、原点Oをリサージュ軌跡の内部に含むということはリサージュ軌跡が4象限すべてを通過することになり、原点Oをリサージュ軌跡の内部に含まないことはリサージュ軌跡が4象限の内いずれかの象限を通過しないことになる。   Here, including the origin O within the Lissajous trajectory means that the Lissajous trajectory passes through all four quadrants, and not including the origin O within the Lissajous trajectory indicates that the Lissajous trajectory is one of the four quadrants. It will not pass through the quadrant.

従って、sinθ,cosθ直交座標上に、座標(sinθ,cosθ)をプロットし、所定の時間内に4つの象限すべてに座標(sinθ,cosθ)のプロットが存在する場合には正常、そうでない場合には異常とみなすことができる。但し、電動パワーステアリングの場合、直進時にはθがほぼ一定で、所定の時間内に座標(sinθ,cosθ)のプロットが4つの象限すべてを通過しない場合が起こりうるので、これだけでは異常と判定できず、他の診断、例えば上記(1)の診断と組み合わせて判定すべきである。   Therefore, when the coordinates (sinθ, cosθ) are plotted on the sinθ, cosθ orthogonal coordinates and the plots of the coordinates (sinθ, cosθ) exist in all four quadrants within a predetermined time, it is normal. Can be considered abnormal. However, in the case of electric power steering, θ may be almost constant when going straight, and the plot of coordinates (sinθ, cosθ) may not pass through all four quadrants within a predetermined time. It should be determined in combination with another diagnosis, for example, the diagnosis of (1) above.

以下図に従い、本発明の一実施形態について説明を加える。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の一実施形態によるレゾルバ異常を検出する装置の基本的構成例を示す図である。レゾルバ1は励磁信号生成部2からの励磁信号f(t)が1次巻線に印加すると、レゾルバ1とモータ5に取り付けられた回転軸7の回転角度θに応じて、信号f(t)sinθ、f(t)cosθが2次巻線に誘起される。なお、励磁信号生成部2、モータ5、回転軸7は図1には図示していないが図8、図9に示してある。レゾルバ1の2次巻線に誘起された信号f(t)sinθ、f(t)cosθはA/D変換器11でデジタル信号に変換され、誤り検出機能12に入力される。誤り検出機能12では他の診断129とともにリサージュ軌跡振幅判定121とリサージュ軌跡象限判定122を実行する。リサージュ軌跡振幅判定121で検出域1と判断されかつリサージュ軌跡象限判定122で異常と判定されたときにはモータ駆動禁止と判断される。また、他の診断129で異常と判断された場合もモータ駆動禁止と判断される。   FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration example of an apparatus for detecting a resolver abnormality according to an embodiment of the present invention. When the excitation signal f (t) from the excitation signal generator 2 is applied to the primary winding, the resolver 1 receives the signal f (t) according to the rotation angle θ of the rotary shaft 7 attached to the resolver 1 and the motor 5. sinθ, f (t) cosθ is induced in the secondary winding. The excitation signal generator 2, the motor 5, and the rotary shaft 7 are not shown in FIG. 1, but are shown in FIGS. The signals f (t) sinθ and f (t) cosθ induced in the secondary winding of the resolver 1 are converted into digital signals by the A / D converter 11 and input to the error detection function 12. The error detection function 12 executes a Lissajous locus amplitude determination 121 and a Lissajous locus quadrant determination 122 together with other diagnoses 129. When the Lissajous locus amplitude determination 121 determines that the detection range is 1 and the Lissajous locus quadrant determination 122 determines that the abnormality is detected, it is determined that motor driving is prohibited. Further, when it is determined that there is an abnormality in the other diagnosis 129, it is determined that the motor drive is prohibited.

また、誤り検出機能12はマイコン10内でソフトウェアで実現され、A/D変換器11もマイコン10内蔵のものを用いるのがハードウェア量を削減できるので望ましい。   In addition, it is desirable that the error detection function 12 is realized by software in the microcomputer 10 and that the A / D converter 11 includes the microcomputer 10 because the amount of hardware can be reduced.

以上述べた装置によれば、システムの動作の安全性に影響を及ぼさないレゾルバの故障と、システムの動作の安全性に影響を及ぼすレゾルバの故障とを区別することができ、システムの動作の安全性に影響を及ぼさないレゾルバの故障の場合には動作継続が可能となり、安全性を確保しながらシステムの可用性を高めることが可能となる。なお、システムの動作の安全性に影響を及ぼさないレゾルバの故障の場合には警告ランプを点灯させたりモータの駆動出力を制限したりすることも可能である。   According to the apparatus described above, it is possible to distinguish between a resolver failure that does not affect the safety of system operation and a resolver failure that affects the safety of system operation. In the case of a resolver failure that does not affect performance, the operation can be continued, and the availability of the system can be increased while ensuring safety. In the case of a resolver failure that does not affect the safety of system operation, it is possible to turn on a warning lamp or limit the motor drive output.

図2はリサージュ軌跡振幅判定121における処理内容を説明するための図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining the processing contents in the Lissajous locus amplitude determination 121.

信号f(t)sinθ、f(t)cosθからsinθ,cosθ直交座標上に、座標(sinθ,cosθ)をプロットし、そのプロットが検出域1にかかった場合には異常とみなす。   When the coordinates (sin θ, cos θ) are plotted on the sin θ, cos θ orthogonal coordinates from the signals f (t) sin θ, f (t) cos θ, and the plot is in the detection area 1, it is regarded as abnormal.

なお、本実施形態において、検出域1は例えば単位円(f(t)の振幅で正規化すれば単位円となる。本実施例ではf(t)の振幅も含めて半径r0の円としている。)の内外に一定の幅を持たせて設定してある。この一定の幅は、レゾルバや電子回路の個体差や、温度特性、経時劣化を考慮して決定すればよい。なお、図2では、正常時の半径の中心値をr0、上限をr1、下限をr2としている。   In the present embodiment, the detection area 1 becomes a unit circle, for example, when normalized by the amplitude of a unit circle (f (t). In this embodiment, the detection region 1 is a circle having a radius r0 including the amplitude of f (t). )) With a certain width inside and outside. This constant width may be determined in consideration of individual differences of resolvers and electronic circuits, temperature characteristics, and deterioration over time. In FIG. 2, the center value of the radius in the normal state is r0, the upper limit is r1, and the lower limit is r2.

図3はリサージュ軌跡象限判定122の検出原理を説明するための図である。レゾルバが正常なときにはsinθ,cosθ直交座標上に座標(sinθ,cosθ)のプロット、すなわちリサージュ軌跡は図3の軌跡Aのように単位円を描き、レゾルバに故障が発生した場合には軌跡B、軌跡Cのように単位円から外れることが知られている。さらにレゾルバの故障解析の結果、−90°<θe<+90°のときにはリサージュ軌跡の内部に原点Oを含み、θe<−90°またはθe>+90°の場合にはリサージュ軌跡の内部に原点Oを含まないことがわかっている。   FIG. 3 is a diagram for explaining the detection principle of the Lissajous locus quadrant determination 122. When the resolver is normal, the plot of the coordinates (sinθ, cosθ) on the sinθ, cosθ orthogonal coordinates, that is, the Lissajous locus draws a unit circle like the locus A in FIG. 3, and when the resolver fails, the locus B, It is known that it deviates from the unit circle like the locus C. Further, as a result of the failure analysis of the resolver, the origin O is included in the Lissajous locus when −90 ° <θe <+ 90 °, and the origin O is included in the Lissajous locus when θe <−90 ° or θe> + 90 °. I know it does n’t.

図4はリサージュ軌跡象限判定122における処理内容を説明するための図である。軌跡AおよびBのように所定の時間内に4つの象限すべてを通過する場合には正常とみなし、軌跡Cのように2つの象限しか通過しない場合には異常とみなす。   FIG. 4 is a diagram for explaining the processing contents in the Lissajous locus quadrant determination 122. When passing through all four quadrants within a predetermined time such as the trajectories A and B, it is considered normal, and when passing only two quadrants as with the trajectory C, it is considered abnormal.

なお、各象限にあるかどうかは、以下のようにsinθ、cosθの正負から判断できる。   In addition, whether it exists in each quadrant can be judged from the positive / negative of sin (theta) and cos (theta) as follows.

第1象限: sinθ>0,cosθ>0
第2象限: sinθ<0,cosθ>0
第3象限: sinθ<0,cosθ<0
第4象限: sinθ>0,cosθ<0
Quadrant 1: sinθ> 0, cosθ> 0
Second quadrant: sinθ <0, cosθ> 0
Third quadrant: sinθ <0, cosθ <0
Quadrant 4: sinθ> 0, cosθ <0

また、所定の時間内に4つの象限すべてを通過しているかの判定は、例えば、各象限を通過した時刻を夫々記憶しておき、現在時刻との差が所定の時間以内であるかどうかで判断することができる。   The determination of whether all four quadrants have been passed within a predetermined time is stored, for example, by storing the time at which each quadrant has passed, and whether or not the difference from the current time is within the predetermined time. Judgment can be made.

以上説明した第1の実施の形態では、リサージュ軌跡象限判定122において、図4に示す軌跡AおよびBのように所定の時間内にリサージュ軌跡が4つの象限すべてを通過した場合はレゾルバ1が正常であるとみなし、軌跡Cのように2つの象限しか通過しない場合は異常であるとみなすこととした。しかし、車両直進時には限られた範囲の電気角でしか回転軸7が回転しないため、正常であるのに異常であるとする誤判定を引き起こす可能性がある。このような誤判定を避けるため、本実施形態では、リサージュ軌跡振幅判定121とリサージュ軌跡象限判定122とを組み合わせている。   In the first embodiment described above, the resolver 1 is normal when the Lissajous trajectory determination 122 determines that the Lissajous trajectory has passed all four quadrants within a predetermined time as shown by the trajectories A and B shown in FIG. In the case where only two quadrants are passed as in the locus C, it is regarded as abnormal. However, since the rotating shaft 7 rotates only in a limited electric angle when the vehicle is traveling straight, there is a possibility of causing an erroneous determination that it is normal but abnormal. In order to avoid such an erroneous determination, in this embodiment, the Lissajous locus amplitude determination 121 and the Lissajous locus quadrant determination 122 are combined.

また、レゾルバ1が異常であると判定してモータ5による操舵アシストを停止した後、リサージュ軌跡が4つの象限すべてを通過した場合には、これを正常とみなして操舵アシストを再開するようにしてもよい。このようにすれば、たとえ誤判定により直進時に操舵アシストが停止されても、その後に人力で操舵を行うことにより、電気角で360°分回転軸7を回転させてリサージュ軌跡が4つの象限すべてを通過すれば、操舵アシストが再開される。   Also, after determining that the resolver 1 is abnormal and stopping the steering assist by the motor 5, if the Lissajous trajectory passes through all four quadrants, this is regarded as normal and the steering assist is resumed. Also good. In this way, even if the steering assist is stopped when traveling straight due to an erroneous determination, the rotating shaft 7 is rotated by 360 ° by an electrical angle after that, and the Lissajous locus has all four quadrants. If the vehicle passes, steering assist is resumed.

−第2の実施の形態−
本実施形態では、図2に示した検出域1に換えて、リサージュ軌跡振幅判定121の検出域を正方形とした場合の例を説明する。図5は本実施形態におけるリサージュ軌跡振幅判定121での処理内容を説明するための図である。本実施形態によれば、sinθ、cosθの絶対値が所定の範囲内にあるかどうかの判定だけで異常を検出することができるので、第1の実施の形態において図3で説明したように検出域を円とする場合よりも演算量を削減することができる。この場合には以下の論理式で判断ができる。
-Second Embodiment-
In the present embodiment, an example will be described in which the detection area of the Lissajous locus amplitude determination 121 is a square instead of the detection area 1 shown in FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining the processing contents in the Lissajous locus amplitude determination 121 in the present embodiment. According to the present embodiment, an abnormality can be detected only by determining whether or not the absolute values of sinθ and cosθ are within a predetermined range. Therefore, detection is performed as described with reference to FIG. 3 in the first embodiment. The amount of calculation can be reduced as compared with the case where the area is a circle. In this case, it can be determined by the following logical expression.

|sinθ|<bかつ|cosθ|<b、
かつ
|sinθ|>aかつ|cosθ|>a
ならば正常、
それ以外ならば異常。
| Sinθ | <b and | cosθ | <b,
And | sinθ |> a And | cosθ |> a
Then normal,
Otherwise, it is abnormal.

同様にして、他に検出域を正多角形にすることも可能である。   Similarly, the detection area can be a regular polygon.

−第3の実施の形態−
本実施形態では、リサージュ軌跡振幅判定121の検出域を検出域1、検出域2と2段階にした場合の例を説明する。図6は本実施形態によるレゾルバ異常を検出する装置の基本的構成例を示す図である。図7は本実施形態におけるリサージュ軌跡振幅判定121での処理内容を説明するための図である。図6ではリサージュ軌跡振幅判定121で検出域2と判定された場合にはリサージュ軌跡象限判定122の結果に関わらずモータ駆動禁止とし、検出域1と判定された場合には、リサージュ軌跡象限判定122でも異常と判定された場合にモータ駆動禁止とする。
-Third embodiment-
In the present embodiment, an example will be described in which the detection range of the Lissajous locus amplitude determination 121 is set in two stages, ie, a detection area 1 and a detection area 2. FIG. 6 is a diagram showing a basic configuration example of an apparatus for detecting a resolver abnormality according to the present embodiment. FIG. 7 is a diagram for explaining the processing contents in the Lissajous locus amplitude determination 121 in the present embodiment. In FIG. 6, if the detection range 2 is determined in the Lissajous locus amplitude determination 121, the motor drive is prohibited regardless of the result of the Lissajous locus quadrant determination 122. However, if it is determined to be abnormal, motor drive is prohibited.

検出域2は図7に示すように検出域1よりも振幅の小さな領域(半径r3の円内)に設定されている。本実施形態では、レゾルバからの信号の振幅が小さくなり、S/Nが低下してθe<−90°またはθe>+90°となる場合にモータ駆動禁止を禁止するようにしている。   As shown in FIG. 7, the detection area 2 is set to an area having a smaller amplitude than that of the detection area 1 (in a circle having a radius r3). In this embodiment, motor drive inhibition is prohibited when the amplitude of the signal from the resolver decreases and S / N decreases to θe <−90 ° or θe> + 90 °.

本実施形態のように検出域を2段階にする方法は、図7に示すようにリサージュ軌跡振幅判定121の検出域を円形とした場合に限らない。第2の実施の形態で説明したようにリサージュ軌跡振幅判定121の検出域を正方形や正多角形とした場合にも同様に適用可能である。   The method of setting the detection area in two steps as in the present embodiment is not limited to the case where the detection area of the Lissajous locus amplitude determination 121 is circular as shown in FIG. As described in the second embodiment, the present invention can be similarly applied to a case where the detection area of the Lissajous locus amplitude determination 121 is a square or a regular polygon.

−第4の実施の形態−
本実施形態では、リサージュ軌跡象限判定122における誤判定の確率をより低くする方法を説明する。図10は本実施形態によるリサージュ軌跡象限判定122における処理内容を説明するための図である。ここでは、リサージュ軌跡が4つの象限のうち1つの象限を通過していない場合に、当該象限に隣接する2つの象限の軌跡同士を直線で結ぶことにより、当該象限の軌跡を補間する。そして、補間した分を加えた軌跡が原点を囲むかどうかでレゾルバの正常、異常を判断する。
-Fourth embodiment-
In the present embodiment, a method for further reducing the probability of erroneous determination in the Lissajous locus quadrant determination 122 will be described. FIG. 10 is a diagram for explaining the processing contents in the Lissajous locus quadrant determination 122 according to the present embodiment. Here, when the Lissajous trajectory does not pass through one quadrant of the four quadrants, the trajectory of the quadrant is interpolated by connecting the trajectories of two quadrants adjacent to the quadrant with a straight line. Then, whether the resolver is normal or abnormal is determined based on whether the locus obtained by adding the interpolated portion surrounds the origin.

具体的には、当該象限に隣接する2つの象限の軌跡同士を結んだ直線をy=ax+bと表すと、この直線のy切片を表すbの正負から、補間分を加えた軌跡が原点を囲むかどうかを判断できる。すなわち、隣接する2つの象限の軌跡をそれぞれP1(x1、y1)、P2(x2、y2)とすると、これらを結ぶ直線の傾きaとy切片bは以下の式(1)、(2)によって求められる。
a=(y2−y1)/(x2−x1) (1)
b=(x2y1−x1y2)/(x2−x1) (2)
Specifically, when a straight line connecting the trajectories of two quadrants adjacent to the quadrant is represented as y = ax + b, the trajectory obtained by adding an interpolation amount from the positive / negative of b representing the y intercept of the straight line surrounds the origin. Can be determined. That is, if the trajectories of two adjacent quadrants are P1 (x1, y1) and P2 (x2, y2), respectively, the slope a and the y-intercept b of the straight line connecting these are expressed by the following equations (1) and (2). Desired.
a = (y2-y1) / (x2-x1) (1)
b = (x2y1-x1y2) / (x2-x1) (2)

図11はリサージュ軌跡が通過した象限ごとの各場合による判定結果を一覧表にまとめたものである。この一覧表の最上段に示すCase 1では、リサージュ軌跡が4象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、リサージュ軌跡を補間することなくレゾルバが正常であると判断できる。   FIG. 11 summarizes the determination results for each quadrant through which the Lissajous trajectory passes in a list. Case 1 shown at the top of the list shows the determination result when the Lissajous trajectory passes through the four quadrants. In this case, it can be determined that the resolver is normal without interpolating the Lissajous trajectory.

2段目に示すCase 2と3段目に示すCase 3では、第1象限以外の3象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、第1象限に隣接する第2象限と第4象限の軌跡を結ぶ直線のy切片bがいずれも正である場合(Case 2)にはレゾルバが正常であるとみなし、そうでない場合(Case 3)にはレゾルバが異常であるとみなす。なお、第2象限と第4象限の軌跡がそれぞれ複数ある場合には、より第1象限に近い軌跡を用いた直線のy切片bにより判定を行う。すなわち第2象限では、y座標が最大の軌跡を用いる。なおここで、x座標が最大(絶対値が最小)の軌跡を用いないのは、座標の絶対値が小さい、つまり信号強度が小さいことによる誤差が大きくなるのを防ぐためである。同様にして、第4象限ではx座標が最大の軌跡を用いる。   Case 2 shown in the second row and Case 3 shown in the third row show the determination results when passing through three quadrants other than the first quadrant. In this case, if the y-intercept b of the straight line connecting the trajectory of the second quadrant and the fourth quadrant adjacent to the first quadrant is both positive (Case 2), the resolver is regarded as normal, otherwise (Case 3) considers the resolver to be abnormal. When there are a plurality of trajectories in the second quadrant and the fourth quadrant, the determination is performed based on a straight y-intercept b using a trajectory closer to the first quadrant. That is, in the second quadrant, the locus having the maximum y coordinate is used. Here, the reason why the locus having the maximum x coordinate (the minimum absolute value) is not used is to prevent an error due to a small absolute value of the coordinate, that is, a small signal intensity, from increasing. Similarly, in the fourth quadrant, the locus having the maximum x coordinate is used.

4段目に示すCase 4と5段目に示すCase 5では、第2象限以外の3象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、第2象限に隣接する第1象限と第3象限の軌跡を結ぶ直線のy切片bがいずれも正である場合(Case 4)にはレゾルバが正常であるとみなし、そうでない場合(Case 5)にはレゾルバが異常であるとみなす。なお、第1象限と第3象限の軌跡がそれぞれ複数ある場合は、より第2象限に近い軌跡を用いた直線のy切片bにより判定を行う。すなわち第1象限ではy座標が最大の軌跡を用いることとし、第3象限ではx座標が最小(絶対値が最大)の軌跡を用いることとする。   Case 4 shown in the fourth row and Case 5 shown in the fifth row show the determination results when passing through three quadrants other than the second quadrant. In this case, if the y-intercept b of the straight line connecting the trajectory of the first quadrant and the third quadrant adjacent to the second quadrant is positive (Case 4), the resolver is regarded as normal, otherwise (Case 5) considers the resolver to be abnormal. When there are a plurality of trajectories in the first quadrant and the third quadrant, the determination is performed based on a straight y-intercept b using a trajectory closer to the second quadrant. That is, the locus with the maximum y coordinate is used in the first quadrant, and the locus with the minimum x coordinate (maximum absolute value) is used in the third quadrant.

6段目に示すCase 6と7段目に示すCase 7では、第3象限以外の3象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、第3象限に隣接する第4象限と第2象限の軌跡を結ぶ直線のy切片bがいずれも負である場合(Case 6)にはレゾルバが正常であるとみなし、そうでない場合(Case 7)にはレゾルバが異常であるとみなす。なお、第4象限と第2象限の軌跡がそれぞれ複数ある場合は、より第3象限に近い軌跡を用いた直線のy切片bにより判定を行う。すなわち第4象限ではy座標が最小(絶対値が最大)の軌跡を用いることとし、第2象限ではx座標が最小(絶対値が最大)の軌跡を用いることとする。   Case 6 shown in the sixth row and Case 7 shown in the seventh row show the determination results when passing through three quadrants other than the third quadrant. In this case, if the y-intercept b of the straight line connecting the fourth quadrant and the second quadrant adjacent to the third quadrant is negative (Case 6), the resolver is regarded as normal, otherwise (Case 7) considers the resolver to be abnormal. When there are a plurality of trajectories in the fourth quadrant and the second quadrant, the determination is performed based on a straight y-intercept b using a trajectory closer to the third quadrant. That is, in the fourth quadrant, the locus with the minimum y coordinate (maximum absolute value) is used, and in the second quadrant, the locus with the minimum x coordinate (maximum absolute value) is used.

8段目に示すCase 8と9段目に示すCase 9では、第4象限以外の3象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、第4象限に隣接する第3象限と第1象限の軌跡を結ぶ直線のy切片bがいずれも負である場合(Case 8)にはレゾルバが正常であるとみなし、そうでない場合(Case 9)にはレゾルバが異常であるとみなす。なお、第3象限と第1象限の軌跡がそれぞれ複数ある場合は、より第4象限に近い軌跡を用いた直線のy切片bにより判定を行う。すなわち第3象限ではy座標が最小(絶対値が最大)の軌跡を用いることとし、第1象限ではx座標が最大の軌跡を用いることとする。   Case 8 shown in the eighth row and Case 9 shown in the ninth row show the determination results when passing through three quadrants other than the fourth quadrant. In this case, if the y-intercept b of the straight line connecting the trajectory of the third quadrant and the first quadrant adjacent to the fourth quadrant is negative (Case 8), the resolver is regarded as normal, otherwise (Case 9) considers the resolver to be abnormal. When there are a plurality of trajectories in the third quadrant and the first quadrant, the determination is performed based on a straight y-intercept b using a trajectory closer to the fourth quadrant. That is, in the third quadrant, the trajectory having the minimum y coordinate (maximum absolute value) is used, and in the first quadrant, the trajectory having the maximum x coordinate is used.

10段目に示すCase 10では、リサージュ軌跡が4象限のうち2つ以上の象限を通過しなかった場合の判定結果を示している。この場合は、リサージュ軌跡を補間することなくレゾルバが異常であると判断できる。   Case 10 shown in the tenth stage shows a determination result when the Lissajous trajectory does not pass through two or more quadrants out of the four quadrants. In this case, it can be determined that the resolver is abnormal without interpolating the Lissajous locus.

図12は、以上説明したような本実施形態によるリサージュ軌跡象限判定122の判定方法を図1に示した装置に適用した場合の、リサージュ軌跡振幅判定121とリサージュ軌跡象限判定122の組合せによるレゾルバ異常の判定結果を一覧表にまとめたものである。なお、リサージュ軌跡振幅判定121は、第1または第2の実施の形態で説明したような判定方法を用いて、レゾルバ1が正常であるか異常であるかを判断するものとする。この一覧表の最上段に示すCase 0では、リサージュ軌跡振幅判定121によりリサージュ軌跡が図2または図5に示す検出域1内にないと判定された場合の判定結果を示している。この場合は、リサージュ軌跡象限判定122の判定結果に関わらず、レゾルバが正常であると判断できる。   12 shows a resolver abnormality caused by a combination of the Lissajous locus amplitude determination 121 and the Lissajous locus quadrant determination 122 when the determination method of the Lissajous locus quadrant determination 122 according to the present embodiment as described above is applied to the apparatus shown in FIG. The judgment results are summarized in a list. Note that the Lissajous locus amplitude determination 121 determines whether the resolver 1 is normal or abnormal by using the determination method described in the first or second embodiment. Case 0 shown at the top of the list shows a determination result when the Lissajous locus amplitude determination 121 determines that the Lissajous locus is not within the detection area 1 shown in FIG. 2 or FIG. In this case, regardless of the determination result of the Lissajous locus quadrant determination 122, it can be determined that the resolver is normal.

2段目に示すCase 1から11段目に示すCase 10では、リサージュ軌跡振幅判定121によりリサージュ軌跡が図2または図5に示す検出域1内にあると判定された場合の、リサージュ軌跡が通過した象限ごとの判定結果をそれぞれ示している。ここでは図11で説明したようなリサージュ軌跡象限判定122の判定結果に従って、レゾルバが正常であるか異常であるかが判断される。すなわち、リサージュ軌跡が通過しなかった象限に隣接する2つの象限を結ぶ直線のy切片bの正負に基づいて、レゾルバが正常であるか異常であるかが判断される。   In Case 1 shown in the second row from Case 1 shown in the second row, the Lissajous locus passes when the Lissajous locus amplitude determination 121 determines that the Lissajous locus is within the detection area 1 shown in FIG. 2 or FIG. The determination results for each quadrant are shown. Here, it is determined whether the resolver is normal or abnormal according to the determination result of the Lissajous locus quadrant determination 122 described with reference to FIG. That is, whether the resolver is normal or abnormal is determined based on the positive / negative of the y-intercept b of the straight line connecting two quadrants adjacent to the quadrant where the Lissajous trajectory has not passed.

また図13は、本実施形態によるリサージュ軌跡象限判定122の判定方法を図6に示した装置に適用した場合の、リサージュ軌跡振幅判定121とリサージュ軌跡象限判定122の組合せによるレゾルバ異常の判定結果を一覧表にまとめたものである。なお、リサージュ軌跡振幅判定121は、第3の実施の形態で説明したような判定方法を用いて、レゾルバ1が正常であるか異常であるかを判断するものとする。この一覧表の最上段に示すCase 0では、リサージュ軌跡振幅判定121によりリサージュ軌跡が図7に示す検出域1内にないと判定された場合の判定結果を示している。この場合は、図12で説明したのと同様に、リサージュ軌跡象限判定122の判定結果に関わらず、レゾルバが正常であると判断できる。   Further, FIG. 13 shows the determination result of the resolver abnormality by the combination of the Lissajous locus amplitude determination 121 and the Lissajous locus quadrant determination 122 when the determination method of the Lissajous locus quadrant determination 122 according to this embodiment is applied to the apparatus shown in FIG. These are summarized in a list. Note that the Lissajous trajectory amplitude determination 121 determines whether the resolver 1 is normal or abnormal by using the determination method as described in the third embodiment. Case 0 shown at the top of the list shows a determination result when the Lissajous locus amplitude determination 121 determines that the Lissajous locus is not within the detection area 1 shown in FIG. In this case, it is possible to determine that the resolver is normal regardless of the determination result of the Lissajous locus quadrant determination 122, as described with reference to FIG.

最下段に示すCase 11では、リサージュ軌跡振幅判定121によりリサージュ軌跡が図7に示す検出域2内にあると判定された場合の判定結果を示している。この場合は、リサージュ軌跡象限判定122の判定結果に関わらず、レゾルバが異常であると判断できる。   Case 11 shown at the bottom indicates the determination result when the Lissajous locus amplitude determination 121 determines that the Lissajous locus is within the detection area 2 shown in FIG. In this case, regardless of the determination result of the Lissajous locus quadrant determination 122, it can be determined that the resolver is abnormal.

2段目に示すCase 1から11段目に示すCase 10では、リサージュ軌跡振幅判定121によりリサージュ軌跡が図7に示す検出域1内にあり、かつ検出域2内にないと判定された場合の、リサージュ軌跡が通過した象限ごとの判定結果をそれぞれ示している。ここでは図12と同様に、図11で説明したようなリサージュ軌跡象限判定122の判定結果に従って、レゾルバが正常であるか異常であるかが判断される。すなわち、リサージュ軌跡が通過しなかった象限に隣接する2つの象限を結ぶ直線のy切片bの正負に基づいて、レゾルバが正常であるか異常であるかが判断される。   In Case 1 shown in the second stage from Case 1 shown in the second stage, when the Lissajous trajectory amplitude determination 121 determines that the Lissajous trajectory is within the detection area 1 shown in FIG. The determination results for each quadrant through which the Lissajous trajectory has passed are shown. Here, similarly to FIG. 12, it is determined whether the resolver is normal or abnormal according to the determination result of the Lissajous locus quadrant determination 122 described with reference to FIG. That is, whether the resolver is normal or abnormal is determined based on the positive / negative of the y-intercept b of the straight line connecting two quadrants adjacent to the quadrant where the Lissajous trajectory has not passed.

図8は、以上説明した第1〜第4の実施の形態によるレゾルバ異常検出装置のいずれかをモータ制御システムに適用した例を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing an example in which any of the resolver abnormality detection devices according to the first to fourth embodiments described above is applied to a motor control system.

マイコン10はモータドライバ4を制御し、モータドライバ4はモータ5を駆動する。モータ5の回転軸7はレゾルバ1と制御対象6に接続されている。レゾルバ1は回転軸7を介してモータ5の回転角度(磁極位置)を検出して、その結果に基づき、マイコン10はモータドライバ4によりモータ5を駆動して制御する。また、モータ5は回転軸7を介して制御対象6を制御する。   The microcomputer 10 controls the motor driver 4, and the motor driver 4 drives the motor 5. A rotating shaft 7 of the motor 5 is connected to the resolver 1 and the controlled object 6. The resolver 1 detects the rotation angle (magnetic pole position) of the motor 5 via the rotating shaft 7, and the microcomputer 10 drives and controls the motor 5 by the motor driver 4 based on the result. Further, the motor 5 controls the control object 6 via the rotating shaft 7.

誤り検出機能12は、第1〜第4の実施の形態において説明したレゾルバ異常検出方法のいずれかを実行する。誤り検出機能12によりモータ駆動禁止停止になった場合には制御システムはモータ5の駆動を停止する。この場合モータ5の駆動を停止する方法はいくつか考えられるが、モータドライバ4への制御信号を遮断する方法、モータドライバ4への電源供給を停止する方法、モータドライバ4からモータ5への出力を遮断する方法などがある。   The error detection function 12 executes any of the resolver abnormality detection methods described in the first to fourth embodiments. When the motor detection prohibition is stopped by the error detection function 12, the control system stops the driving of the motor 5. In this case, there are several methods for stopping the driving of the motor 5, but a method of cutting off the control signal to the motor driver 4, a method of stopping the power supply to the motor driver 4, and an output from the motor driver 4 to the motor 5 There is a way to shut off.

図9は、以上説明した第1〜第4の実施の形態によるレゾルバ異常検出装置のいずれかを電動パワーステアリングに適用した例を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing an example in which any of the resolver abnormality detection devices according to the first to fourth embodiments described above is applied to electric power steering.

モータ5は、減速ギア、コラムシャフト、ピニオン、ラックを介して、制御対象6として作用する車輪の舵取り機構に機械的に接続されている。この舵取り機構において、コラムシャフトはステアリングホイール8、トルクセンサ9に機械的に接続されている。ステアリングホイール8を介しての運転者からの操作入力はトルクセンサ9によって検出され、トルクセンサ9の検出信号はマイコン10に入力され、マイコン10はトルクセンサ9によって検出された運転者の操作トルク(操舵力)に応じてモータ5の出力トルクを制御することにより、運転者の操舵を補助する。   The motor 5 is mechanically connected to a wheel steering mechanism acting as the control target 6 via a reduction gear, a column shaft, a pinion, and a rack. In this steering mechanism, the column shaft is mechanically connected to the steering wheel 8 and the torque sensor 9. An operation input from the driver via the steering wheel 8 is detected by a torque sensor 9, a detection signal of the torque sensor 9 is input to the microcomputer 10, and the microcomputer 10 detects the driver's operation torque detected by the torque sensor 9 ( The driver's steering is assisted by controlling the output torque of the motor 5 in accordance with the steering force.

−第5の実施の形態−
以上説明した各実施の形態では、レゾルバの診断方法について説明したが、回転角度センサの診断方法に対しても本発明を適用することが可能である。その方法を本発明の第5の実施の形態として以下に説明する。図14は、本実施形態による回転角度センサの異常を検出する装置の基本的構成例を示す図である。本装置は、第1の実施の形態として図1に示した装置におけるレゾルバ1の代わりに、回転軸7の回転に応じて発生する磁界変化を回転角度の変化として検出することで回転角度センサとして作用する磁界センサ201を備えている。この磁界センサ201の異常を検出してモータの駆動を禁止する。
-Fifth embodiment-
In each of the embodiments described above, the resolver diagnosis method has been described. However, the present invention can also be applied to a rotation angle sensor diagnosis method. This method will be described below as a fifth embodiment of the present invention. FIG. 14 is a diagram illustrating a basic configuration example of an apparatus for detecting an abnormality of the rotation angle sensor according to the present embodiment. As a rotation angle sensor, this apparatus detects a magnetic field change that occurs according to the rotation of the rotary shaft 7 as a change in the rotation angle instead of the resolver 1 in the apparatus shown in FIG. 1 as the first embodiment. The magnetic field sensor 201 which acts is provided. The abnormality of the magnetic field sensor 201 is detected and the driving of the motor is prohibited.

磁界センサ201は、回転軸7(図23、24参照)に設置された磁石による磁界が回転軸7の回転に応じて変化すると、磁気抵抗効果(magnetoresistance, MR)を利用して、その磁界変化を抵抗値の変化として検出する。磁界センサ201は、余弦センサ201Aと正弦センサ201Bにより構成される。余弦センサ201Aは、回転軸7の回転角度θの余弦成分cosθに応じた電圧信号Vc1、Vc2をマイコン10へ出力する。一方、正弦センサ201Bは、回転軸7の回転角度θの正弦成分sinθに応じた電圧信号Vs1、Vs2をマイコン10へ出力する。   The magnetic field sensor 201 uses a magnetoresistance effect (magnetoresistance, MR) to change the magnetic field when the magnetic field generated by the magnet installed on the rotating shaft 7 (see FIGS. 23 and 24) changes according to the rotation of the rotating shaft 7. Is detected as a change in resistance value. The magnetic field sensor 201 includes a cosine sensor 201A and a sine sensor 201B. The cosine sensor 201A outputs voltage signals Vc1 and Vc2 corresponding to the cosine component cosθ of the rotation angle θ of the rotating shaft 7 to the microcomputer 10. On the other hand, the sine sensor 201 </ b> B outputs voltage signals Vs <b> 1 and Vs <b> 2 corresponding to the sine component sin θ of the rotation angle θ of the rotating shaft 7 to the microcomputer 10.

マイコン10は、余弦センサ201Aからの電圧信号Vc1、Vc2の差分と、正弦センサ201Bからの電圧信号Vs1、Vs2の差分とを検出する。これらの差分はA/D変換器11でデジタル信号にそれぞれ変換された後、回転角度θの正弦成分sinθと余弦成分cosθの値を算出するのに用いられる。なお、sinθ、cosθの算出方法は後で説明する。誤り検出機能12は、算出されたsinθとcosθの値に基づいて、前述の各実施の形態において説明したいずれかの方法によりリサージュ軌跡振幅判定121とリサージュ軌跡象限判定122を実行すると共に、他の診断129も行う。その結果、リサージュ軌跡振幅判定121で検出域1と判断されかつリサージュ軌跡象限判定122で異常と判定されたときにはモータ駆動禁止と判断される。また、他の診断129で異常と判断された場合もモータ駆動禁止と判断される。   The microcomputer 10 detects the difference between the voltage signals Vc1 and Vc2 from the cosine sensor 201A and the difference between the voltage signals Vs1 and Vs2 from the sine sensor 201B. These differences are converted into digital signals by the A / D converter 11 and then used to calculate the values of the sine component sinθ and the cosine component cosθ of the rotation angle θ. A method of calculating sin θ and cos θ will be described later. The error detection function 12 executes the Lissajous trajectory amplitude determination 121 and the Lissajous trajectory quadrant determination 122 based on the calculated values of sin θ and cos θ by any of the methods described in the above-described embodiments. A diagnosis 129 is also performed. As a result, when the Lissajous locus amplitude determination 121 determines that the detection area is 1 and the Lissajous locus quadrant determination 122 determines that there is an abnormality, it is determined that motor driving is prohibited. Further, when it is determined that there is an abnormality in the other diagnosis 129, it is determined that the motor drive is prohibited.

本実施系形態の装置によれば、第1〜第4の実施の形態におけるレゾルバ故障の場合と同様に、システムの動作の安全性に影響を及ぼさない回転角度センサの故障と、システムの動作の安全性に影響を及ぼす回転角度センサの故障とを区別することができる。すなわち、システムの動作の安全性に影響を及ぼさない回転角度センサの故障の場合には動作継続が可能となり、安全性を確保しながらシステムの可用性を高めることが可能となる。なお、システムの動作の安全性に影響を及ぼさない回転角度センサの故障の場合には警告ランプを点灯させたりモータの駆動出力を制限したりすることも可能である。   According to the apparatus of the present embodiment, as in the case of the resolver failure in the first to fourth embodiments, the rotation angle sensor that does not affect the safety of the system operation and the system operation A failure of the rotation angle sensor that affects safety can be distinguished. That is, in the case of a failure of the rotation angle sensor that does not affect the safety of the system operation, the operation can be continued, and the availability of the system can be increased while ensuring the safety. In the case of a failure of the rotation angle sensor that does not affect the safety of the operation of the system, it is possible to turn on a warning lamp or limit the motor drive output.

図15は、上記の回転角度センサ異常検出装置を適用した回転角度検出装置の構成を示す断面図である。この回転角度検出装置は、モータ部100と回転角検出部200とで構成される。   FIG. 15 is a cross-sectional view showing a configuration of a rotation angle detection device to which the rotation angle sensor abnormality detection device is applied. This rotation angle detection device includes a motor unit 100 and a rotation angle detection unit 200.

モータ部100は、複数の固定磁極と複数の回転磁極との間の磁気的作用に応じて複数の回転磁極が回転することにより回転トルクを発生するものであって、複数の固定磁極を構成するステータ110、複数の回転磁極を構成するロータ130および筐体から構成される。ステータ110は、ステータコア111と、ステータコア111に装着されたステータコイル112から構成されている。ロータ130は、ステータ110の内周側に空隙を介して対向配置され、回転可能に支持されている。本実施形態では、モータ100として、三相交流式の表面磁石型同期モータを用いている。   The motor unit 100 generates rotational torque by rotating a plurality of rotating magnetic poles according to a magnetic action between the plurality of fixed magnetic poles and the plurality of rotating magnetic poles, and constitutes the plurality of fixed magnetic poles. A stator 110, a rotor 130 constituting a plurality of rotating magnetic poles, and a casing are formed. The stator 110 includes a stator core 111 and a stator coil 112 attached to the stator core 111. The rotor 130 is opposed to the inner peripheral side of the stator 110 via a gap and is rotatably supported. In the present embodiment, a three-phase AC type surface magnet type synchronous motor is used as the motor 100.

モータ部100の筐体は、円筒状のフレーム101と、フレーム101の軸方向の両端部にそれぞれ設けられた第1ブラケット102および第2ブラケット103から構成されている。第1ブラケット102の中空部には軸受106が、第2ブラケット103の中空部には軸受107がそれぞれ設けられている。これらの軸受は回転軸7を回転可能なように支持している。   The housing of the motor unit 100 includes a cylindrical frame 101 and a first bracket 102 and a second bracket 103 provided at both ends of the frame 101 in the axial direction. A bearing 106 is provided in the hollow portion of the first bracket 102, and a bearing 107 is provided in the hollow portion of the second bracket 103. These bearings support the rotary shaft 7 so as to be rotatable.

フレーム101と第1ブラケット102との間には、シール部材(図示せず)が設けられている。シール部材は、環状に設けられたOリングであり、フレーム101と第1ブラケット102によって軸方向及び径方向にそれぞれ圧縮された状態で挟み込まれている。これにより、フレーム101と第1ブラケット102との間を封止でき、フロント側を防水できる。また、フレーム101と第2ブラケット103との間も、同様のシール部材(図示せず)により防水されている。   A seal member (not shown) is provided between the frame 101 and the first bracket 102. The seal member is an O-ring provided in an annular shape, and is sandwiched between the frame 101 and the first bracket 102 while being compressed in the axial direction and the radial direction, respectively. Thereby, between the flame | frame 101 and the 1st bracket 102 can be sealed, and the front side can be waterproofed. Further, the frame 101 and the second bracket 103 are also waterproofed by a similar seal member (not shown).

ステータ110は、ステータコア111と、ステータコア111に装着されたステータコイル112から構成され、フレーム101の内周面に設置されている。ステータコア111は、複数の珪素鋼板を軸方向に積層して形成した磁性体(磁路形成体)であり、円環状のバックコアと、バックコアの内周部から径方向内側に突出して、周方向に等間隔に配置された複数のティースから構成されている。   The stator 110 includes a stator core 111 and a stator coil 112 attached to the stator core 111, and is installed on the inner peripheral surface of the frame 101. The stator core 111 is a magnetic body (magnetic path forming body) formed by laminating a plurality of silicon steel plates in the axial direction. The stator core 111 protrudes inward in the radial direction from the annular back core and the inner peripheral portion of the back core. It consists of a plurality of teeth arranged at equal intervals in the direction.

複数のティースのそれぞれには、ステータコイル112を構成する巻線導体が集中的に巻回されている。複数の巻線導体は、ステータコイル112の一方のコイルエンド部(第2ブラケット103側)の軸方向端部に並置された結線部材によって相毎に電気的に接続され、さらには3相巻線として電気的に接続されている。なお、3相巻線の結線方式にはΔ(デルタ)結線方式とY(スター)結線方式があるが、本実施形態ではΔ(デルタ)結線方式を採用している。   A winding conductor constituting the stator coil 112 is intensively wound around each of the plurality of teeth. The plurality of winding conductors are electrically connected for each phase by a connecting member juxtaposed in the axial end of one coil end portion (on the second bracket 103 side) of the stator coil 112, and further, a three-phase winding. As electrically connected. In addition, although there are a Δ (delta) connection method and a Y (star) connection method as the connection method of the three-phase windings, the Δ (delta) connection method is adopted in this embodiment.

ロータ130は、回転軸7の外周面上に固定されたロータコアと、ロータコアの外周表面に固定された複数のマグネットと、マグネットの外周側に設けられたマグネットカバーとを備えている。マグネットカバーは、マグネットのロータコアからの飛散を防止するためのものであって、ステンレス鋼などの非磁性体から形成された円筒状または管状の形状を有する部材である。   The rotor 130 includes a rotor core fixed on the outer peripheral surface of the rotating shaft 7, a plurality of magnets fixed to the outer peripheral surface of the rotor core, and a magnet cover provided on the outer peripheral side of the magnet. The magnet cover is for preventing the magnet from scattering from the rotor core, and is a member having a cylindrical or tubular shape formed of a non-magnetic material such as stainless steel.

次に、回転角検出部200の構成を説明する。回転角検出部200は、磁界センサ201、センサ磁石202およびハウジング203で構成されている。回転角検出部200はハウジング203と第2ブラケット103とで囲まれた空間に設置されている。センサ磁石202は回転軸7と連動して回転する軸に設置されており、回転軸7が回転位置を変えると、それに応じて発生する磁界方向が変化する。この磁界方向を磁界センサ201で検出することにより回転軸121の回転角(回転位置)を計測できる。   Next, the configuration of the rotation angle detection unit 200 will be described. The rotation angle detection unit 200 includes a magnetic field sensor 201, a sensor magnet 202, and a housing 203. The rotation angle detection unit 200 is installed in a space surrounded by the housing 203 and the second bracket 103. The sensor magnet 202 is installed on a shaft that rotates in conjunction with the rotation shaft 7, and when the rotation shaft 7 changes its rotation position, the direction of the magnetic field generated changes accordingly. By detecting this magnetic field direction with the magnetic field sensor 201, the rotation angle (rotation position) of the rotating shaft 121 can be measured.

センサ磁石202は、2極に着磁された2極磁石、あるいは4極以上に着磁された多極磁石である。   The sensor magnet 202 is a two-pole magnet magnetized to two poles or a multi-pole magnet magnetized to four or more poles.

磁界センサ201は、磁界の方向に応じて出力信号が変化するものであり、磁気抵抗素子を用いて構成される。磁気抵抗素子は、磁界に応じて抵抗値が変化する現象(磁気抵抗効果)を生じる素子である。このような磁気抵抗効果としては、たとえば、異方性磁気抵抗効果(anisotropic magnetoresisitance, AMR)、トンネル磁気抵抗効果(tunneling magnetoresistance, TMR)、巨大磁気抵抗効果(giant magnetoresistance, GMR)などが知られている。本実施形態では、これらのうち巨大磁気抵抗効果を生じる巨大磁気抵抗素子(GMR素子)を磁界センサ201に用いた例を説明する。   The magnetic field sensor 201 has an output signal that changes according to the direction of the magnetic field, and is configured using a magnetoresistive element. A magnetoresistive element is an element that produces a phenomenon (magnetoresistance effect) in which a resistance value changes according to a magnetic field. As such magnetoresistive effect, for example, anisotropic magnetoresistive effect (anisotropic magnetoresisitance, AMR), tunneling magnetoresistance effect (tunneling magnetoresistance, TMR), giant magnetoresistance effect (giant magnetoresistance, GMR), etc. are known. Yes. In this embodiment, an example in which a giant magnetoresistive element (GMR element) that produces a giant magnetoresistive effect is used for the magnetic field sensor 201 will be described.

磁界センサ201は、予め設定された基準角度を基準として、その設置場所における磁界の方向を検出し、検出結果に応じた信号を出力する。すなわち、回転軸7の回転角度θに対応する信号を出力する。本実施形態で用いた磁界センサ201は、後述するように複数個のGMR素子でそれぞれ構成された2組のブリッジ回路を有している。各ブリッジ回路は、それぞれcosθおよびsinθに比例した信号を出力する。   The magnetic field sensor 201 detects the direction of the magnetic field at the installation location with reference to a preset reference angle, and outputs a signal corresponding to the detection result. That is, a signal corresponding to the rotation angle θ of the rotating shaft 7 is output. The magnetic field sensor 201 used in the present embodiment has two sets of bridge circuits each composed of a plurality of GMR elements as will be described later. Each bridge circuit outputs a signal proportional to cos θ and sin θ.

磁界センサ201はハウジング203に固定されている。ハウジング203は磁束方向に影響を与えないように、その磁化率が所定値以下、たとえばアルミニウムや樹脂などの磁化率が1.1以下の材料で構成するのが好ましい。本実施形態ではアルミニウムで構成した例を説明する。   The magnetic field sensor 201 is fixed to the housing 203. The housing 203 is preferably made of a material having a magnetic susceptibility of a predetermined value or less, for example, a magnetic susceptibility of 1.1 or less, such as aluminum or resin, so as not to affect the direction of magnetic flux. In this embodiment, an example made of aluminum will be described.

磁界センサ201は、モータ部100に対してその位置が固定されるように配置する必要がある。これは、回転軸7の回転角が変化してセンサ磁石202の方向が変化したときに、磁界センサ201で磁界方向の変化を検出することで回転軸7の回転角を検出できるようにするためである。本実施形態では、回転軸7の回転軸中心線226上に磁界センサ201が配置されている。このようにすると、センサ磁石202が形成する磁界の歪みを抑えて回転角度の計測精度を向上できるので好ましい。なお、ハウジング203以外の構成要素に磁界センサ201を固定しても構わない。   The magnetic field sensor 201 needs to be arranged so that its position is fixed with respect to the motor unit 100. This is because the rotation angle of the rotation shaft 7 can be detected by detecting the change in the magnetic field direction by the magnetic field sensor 201 when the rotation angle of the rotation shaft 7 changes and the direction of the sensor magnet 202 changes. It is. In the present embodiment, the magnetic field sensor 201 is disposed on the rotation axis center line 226 of the rotation shaft 7. This is preferable because distortion of the magnetic field formed by the sensor magnet 202 can be suppressed and measurement accuracy of the rotation angle can be improved. Note that the magnetic field sensor 201 may be fixed to components other than the housing 203.

磁界センサ201にはセンサ配線208が接続されている。センサ配線208により磁界センサ201の出力信号を伝送する。   A sensor wiring 208 is connected to the magnetic field sensor 201. An output signal of the magnetic field sensor 201 is transmitted by the sensor wiring 208.

次に磁界センサ201の構成について説明する。磁界センサ201に用いられるGMR素子の基本構成を図16に示す。GMR素子は、自由磁性層21、スペーサ層22および固定磁性層23が図に示すように重なり合って構成されている。自由磁性層21と固定磁性層23は所定の磁化方向θfとθpにそれぞれ磁化された磁性層であるのに対して、スペーサ層22は磁化されていない非磁性層である。スペーサ層22は、自由磁性層21と固定磁性層23の間に挟みこまれている。GMR素子に外部から磁界を印加すると、固定磁性層23の磁化方向は変化せず固定されたままであるのに対して、自由磁性層21の磁化方向θfは符号20に示すように外部磁界の方向に応じて変化する。なお、固定磁性層23はピン磁性層とも呼ばれる。   Next, the configuration of the magnetic field sensor 201 will be described. A basic configuration of the GMR element used in the magnetic field sensor 201 is shown in FIG. The GMR element is formed by overlapping a free magnetic layer 21, a spacer layer 22, and a pinned magnetic layer 23 as shown in the figure. The free magnetic layer 21 and the pinned magnetic layer 23 are magnetic layers magnetized in predetermined magnetization directions θf and θp, respectively, whereas the spacer layer 22 is a non-magnetized nonmagnetic layer. The spacer layer 22 is sandwiched between the free magnetic layer 21 and the pinned magnetic layer 23. When a magnetic field is applied to the GMR element from the outside, the magnetization direction of the pinned magnetic layer 23 does not change and remains fixed, whereas the magnetization direction θf of the free magnetic layer 21 is the direction of the external magnetic field as indicated by reference numeral 20. It changes according to. The pinned magnetic layer 23 is also called a pinned magnetic layer.

GMR素子の両端に電圧を印加すると、所定の素子抵抗に応じた電流が流れる。この素子抵抗の大きさは、固定磁性層23の磁化方向θpと自由磁性層21の磁化方向θfとの差分Δθ=θf−θpに依存して変化する。したがって、固定磁性層23の磁化方向θpが既知であれば、GMR素子の抵抗値を測ることで、この性質を利用して自由磁性層21の磁化方向θf、すなわち外部磁界の方向を検出することができる。   When a voltage is applied across the GMR element, a current corresponding to a predetermined element resistance flows. The magnitude of the element resistance changes depending on the difference Δθ = θf−θp between the magnetization direction θp of the pinned magnetic layer 23 and the magnetization direction θf of the free magnetic layer 21. Therefore, if the magnetization direction θp of the pinned magnetic layer 23 is known, the resistance value of the GMR element is measured to detect the magnetization direction θf of the free magnetic layer 21, that is, the direction of the external magnetic field by utilizing this property. Can do.

GMR素子の抵抗値がΔθ=θf−θpにより変化するメカニズムを以下に説明する。薄膜状の自由磁性層21と固定磁性層23における磁化方向は、各磁性層に含まれる磁性体中の電子のスピン方向と関連している。したがって、Δθ=0の場合は、自由磁性層21中の電子と固定磁性層23中の電子とでは、スピンの向きが同一方向である電子の割合が高い。逆にΔθ=180°の場合は、両磁性層中の電子では、スピンの向きが互いに逆向きの電子の割合が高い。   A mechanism by which the resistance value of the GMR element changes according to Δθ = θf−θp will be described below. The magnetization directions in the thin free magnetic layer 21 and the pinned magnetic layer 23 are related to the spin directions of electrons in the magnetic material included in each magnetic layer. Therefore, when Δθ = 0, the electrons in the free magnetic layer 21 and the electrons in the pinned magnetic layer 23 have a high proportion of electrons having the same spin direction. Conversely, when Δθ = 180 °, the electrons in both magnetic layers have a high proportion of electrons whose spin directions are opposite to each other.

図17は上記のGMR素子における自由磁性層21、スペーサ層22および固定磁性層23の断面を模式的に示したものである。自由磁性層21および固定磁性層23中の各矢印は、それぞれの磁性層において多数を占める電子のスピン方向を模式的に示したものである。   FIG. 17 schematically shows a cross section of the free magnetic layer 21, the spacer layer 22, and the pinned magnetic layer 23 in the GMR element. Each arrow in the free magnetic layer 21 and the pinned magnetic layer 23 schematically shows the spin direction of electrons occupying a large number in each magnetic layer.

図17(a)はΔθ=0の場合であり、自由磁性層21と固定磁性層23のスピンの向きが揃っている。この場合、固定磁性層23から出た右向きスピンの電子は、自由磁性層21中でも同じスピン方向の電子が多数を占めているため、自由磁性層21中での散乱が少ない。その結果、固定磁性層23からの電子は、電子軌跡810のような軌跡を通ってGMR素子内を移動することができる。   FIG. 17A shows a case where Δθ = 0, and the spin directions of the free magnetic layer 21 and the pinned magnetic layer 23 are aligned. In this case, electrons in the rightward spin emitted from the pinned magnetic layer 23 occupy a large number of electrons in the same spin direction in the free magnetic layer 21, so that there is little scattering in the free magnetic layer 21. As a result, electrons from the pinned magnetic layer 23 can move in the GMR element through a locus such as an electron locus 810.

一方、図17(b)はΔθ=180°の場合であり、自由磁性層21と固定磁性層23のスピンの向きが逆向きになっている。この場合、固定磁性層23から出た右向きスピンの電子は、自由磁性層21に入ると逆向きスピンの電子が多いため、散乱を強く受ける。その結果、固定磁性層23からの電子は、電子軌跡820のような軌跡を通ってGMR素子内を移動する。このようにΔθ=180°の場合では電子散乱が増えるため、Δθ=0°の場合と比較して電気抵抗が増加する。   On the other hand, FIG. 17B shows a case where Δθ = 180 °, and the spin directions of the free magnetic layer 21 and the pinned magnetic layer 23 are reversed. In this case, rightward spin electrons emitted from the pinned magnetic layer 23 are strongly scattered when entering the free magnetic layer 21 because there are many reverse spin electrons. As a result, electrons from the pinned magnetic layer 23 move in the GMR element through a locus such as an electron locus 820. Thus, since the electron scattering increases when Δθ = 180 °, the electrical resistance increases as compared with the case where Δθ = 0 °.

Δθが0°と180°の間にある場合は、図17(a)と図17(b)の中間の状態となる。このときの抵抗値は、Δθが0°に近づくほど小さくなり、180°に近づくほど大きくなる。   When Δθ is between 0 ° and 180 °, the state is intermediate between FIG. 17 (a) and FIG. 17 (b). The resistance value at this time decreases as Δθ approaches 0 ° and increases as it approaches 180 °.

GMR素子の抵抗値をRとすると、このRの大きさは以下の式(3)によって表される。式(3)において、R’0、R0およびGはいずれも所定の定数である。 When the resistance value of the GMR element is R, the magnitude of R is expressed by the following equation (3). In the formula (3), R ′ 0 , R 0 and G are all predetermined constants.

Figure 0005315212
(3)
Figure 0005315212
(3)

式(3)によって表される抵抗値Rの変化率、すなわちG/R0は、GMR係数と呼ばれる。このGMR係数の大きさが数%〜数10%程度のものが一般的にGMR素子として知られている。 The rate of change of the resistance value R expressed by Equation (3), that is, G / R 0 is called a GMR coefficient. A GMR element having a GMR coefficient of about several percent to several tens of percent is generally known as a GMR element.

以上説明したように、GMR素子では電子スピンの向きによって電流の流れ方(電気抵抗)を制御できる。このことから、GMR素子はスピンバルブ素子とも呼ばれる。   As described above, in the GMR element, the current flow (electrical resistance) can be controlled by the direction of electron spin. For this reason, the GMR element is also called a spin valve element.

なお、一般的に膜厚が薄い磁性膜(薄膜磁性膜)では、面の法線方向の反磁界係数が極端に大きいため、磁化ベクトルは法線方向(膜厚方向)に立ち上がることはできず、面内に横たわっている。上記のGMR素子を構成する自由磁性層21と固定磁性層23はいずれも十分薄いため、それぞれの磁化ベクトルは面内方向に横たわっている。   In general, a thin magnetic film (thin film magnetic film) has an extremely large demagnetizing factor in the normal direction of the surface, so the magnetization vector cannot rise in the normal direction (thickness direction). , Lying in the plane. Since both the free magnetic layer 21 and the pinned magnetic layer 23 constituting the GMR element are sufficiently thin, the respective magnetization vectors lie in the in-plane direction.

磁界センサ201は、以上説明したようなGMR素子を4個ずつ用いてそれぞれ構成したホイートストン・ブリッジ回路を2組有している。このホイートストン・ブリッジ回路の構成を図18に示す。図18において、左側のブリッジ回路30をCOSブリッジと呼び、右側のブリッジ回路40をSINブリッジと呼ぶ。COSブリッジ30とSINブリッジ40は、図14の余弦センサ201Aと正弦センサ201Bにそれぞれ対応する。   The magnetic field sensor 201 has two sets of Wheatstone bridge circuits each configured by using four GMR elements as described above. The configuration of the Wheatstone bridge circuit is shown in FIG. In FIG. 18, the left bridge circuit 30 is called a COS bridge, and the right bridge circuit 40 is called a SIN bridge. The COS bridge 30 and the SIN bridge 40 correspond to the cosine sensor 201A and the sine sensor 201B in FIG. 14, respectively.

COSブリッジ30は、符号31〜34にそれぞれ示すGMR素子R1〜R4により構成される。素子R1と素子R3の固定磁性層の磁化方向はそれぞれθp=0に設定されており、素子R2と素子R4の固定磁性層の磁化方向はそれぞれθp=180°に設定されている。一方、自由磁性層の磁化方向θfは前述のように外部磁界の方向によって決まるため、外部から磁界が印加されている状態では素子R1〜R4で同一となる。すなわち、回転軸7の回転角度θを外部磁界の方向とすると、素子R1〜R4における自由磁性層の磁化方向はいずれもθf=θと表すことができる。   The COS bridge 30 includes GMR elements R1 to R4 indicated by reference numerals 31 to 34, respectively. The magnetization directions of the pinned magnetic layers of the elements R1 and R3 are respectively set to θp = 0, and the magnetization directions of the pinned magnetic layers of the elements R2 and R4 are respectively set to θp = 180 °. On the other hand, since the magnetization direction θf of the free magnetic layer is determined by the direction of the external magnetic field as described above, it is the same in the elements R1 to R4 when a magnetic field is applied from the outside. That is, if the rotation angle θ of the rotating shaft 7 is the direction of the external magnetic field, the magnetization direction of the free magnetic layer in the elements R1 to R4 can be expressed as θf = θ.

したがって、素子R1、R3における固定磁性層の磁化方向θpと自由磁性層の磁化方向θfとの差分をΔθ1とし、素子R2、R4における固定磁性層の磁化方向θpと自由磁性層の磁化方向θfとの差分をΔθ2とすると、以下の式(4)の関係が成り立つ。
Δθ1=θf−θp=θ,Δθ2=θf−θp=θ+π (4)
Therefore, the difference between the magnetization direction θp of the pinned magnetic layer and the magnetization direction θf of the free magnetic layer in the elements R1 and R3 is Δθ1, and the magnetization direction θp of the pinned magnetic layer and the magnetization direction θf of the free magnetic layer in the elements R2 and R4 are If the difference between the two is Δθ2, the following equation (4) holds.
Δθ1 = θf−θp = θ, Δθ2 = θf−θp = θ + π (4)

前述の式(3)と式(4)に基づいて、素子R1〜R4の抵抗値は以下の式(5)により表される。   Based on the above formulas (3) and (4), the resistance values of the elements R1 to R4 are expressed by the following formula (5).

Figure 0005315212
(n=1,3)

Figure 0005315212
(n=2,4) (5)
Figure 0005315212
(N = 1, 3)

Figure 0005315212
(N = 2, 4) (5)

図18のCOSブリッジ30に励起電圧e0を印加した時の端子V1の電圧Vc1と端子V2の電圧Vc2との差分をΔVc=Vc2−Vc1と表すと、上記の式(5)に基づいてΔVcを以下の式(6)のように表すことができる。   When the difference between the voltage Vc1 at the terminal V1 and the voltage Vc2 at the terminal V2 when the excitation voltage e0 is applied to the COS bridge 30 in FIG. 18 is expressed as ΔVc = Vc2−Vc1, ΔVc is expressed based on the above equation (5). It can be expressed as the following formula (6).

Figure 0005315212
(6)
Figure 0005315212
(6)

ここでn=1〜4についてRn0が等しいとすると、前述の式(5)においてRn0=R0と置き換えることができる。すると、式(6)を以下の式(7)のように書き換えることができる。式(7)により、COSブリッジ30から出力される電圧Vc1と電圧Vc2に基づいて、cosθに比例した信号を得られることが分かる。   Assuming that Rn0 is equal for n = 1 to 4, it can be replaced with Rn0 = R0 in the above equation (5). Then, the equation (6) can be rewritten as the following equation (7). It can be seen from equation (7) that a signal proportional to cos θ can be obtained based on the voltage Vc1 and the voltage Vc2 output from the COS bridge 30.

Figure 0005315212
(7)
Figure 0005315212
(7)

一方、SINブリッジ40は、符号41〜44にそれぞれ示すGMR素子R1〜R4により構成される。素子R1と素子R3の固定磁性層の磁化方向はそれぞれθp=90°に設定されており、素子R2と素子R4の固定磁性層の磁化方向はそれぞれθp=270°に設定されている。このSINブリッジ40に励起電圧e0を印加した時の端子V1の電圧Vs1と端子V2の電圧Vs2との差分をΔVs=Vs2−Vs1と表すと、ΔVsを以下の式(8)のように表すことができる。式(8)により、SINブリッジ40から出力される電圧Vs1と電圧Vs2に基づいて、sinθに比例した信号を得られることが分かる。   On the other hand, the SIN bridge 40 includes GMR elements R1 to R4 indicated by reference numerals 41 to 44, respectively. The magnetization directions of the pinned magnetic layers of the elements R1 and R3 are respectively set to θp = 90 °, and the magnetization directions of the pinned magnetic layers of the elements R2 and R4 are respectively set to θp = 270 °. When the difference between the voltage Vs1 at the terminal V1 and the voltage Vs2 at the terminal V2 when the excitation voltage e0 is applied to the SIN bridge 40 is expressed as ΔVs = Vs2−Vs1, ΔVs is expressed as the following equation (8). Can do. It can be seen from equation (8) that a signal proportional to sin θ can be obtained based on the voltage Vs1 and the voltage Vs2 output from the SIN bridge 40.

Figure 0005315212
(8)
Figure 0005315212
(8)

式(7)、(8)により、2つのブリッジの出力信号の比をとるとtanθになることが分かる。すなわち、回転角度θは以下の式(9)から求めることができる。   From equations (7) and (8), it can be seen that the ratio of the output signals of the two bridges is tanθ. That is, the rotation angle θ can be obtained from the following equation (9).

Figure 0005315212
(9)
Figure 0005315212
(9)

なお、式(9)では、ΔVcの絶対値が小さくなるとArcTan関数内の分母が小さくなるため、ΔVcの誤差の影響が大きくなり、その結果θの算出精度が悪くなるという問題がある。このような問題に対処するため、ΔVcとΔVsの絶対値の大小関係を判定する。その結果、|ΔVc|が|ΔVs|より大きい場合には、上記式(9)により回転角度θを求めることとする。   Note that the equation (9) has a problem that when the absolute value of ΔVc decreases, the denominator in the ArcTan function decreases, so that the influence of the error of ΔVc increases, and as a result, the calculation accuracy of θ decreases. In order to deal with such a problem, the magnitude relationship between the absolute values of ΔVc and ΔVs is determined. As a result, when | ΔVc | is larger than | ΔVs |, the rotation angle θ is obtained by the above equation (9).

一方、|ΔVc|が|ΔVs|より小さい場合には、以下の式(10)を式(9)の代わりに用いて回転角度θを求める。   On the other hand, when | ΔVc | is smaller than | ΔVs |, the following equation (10) is used instead of equation (9) to determine the rotation angle θ.

Figure 0005315212
(10)
Figure 0005315212
(10)

以上説明したように、ΔVcとΔVsの絶対値の大小関係に応じて式(9)と(10)を使い分けることで、ΔVcの絶対値が小さくなることによる計算誤差の拡大を防ぐことができる。   As described above, by properly using the equations (9) and (10) according to the magnitude relationship between the absolute values of ΔVc and ΔVs, it is possible to prevent an increase in calculation error due to a decrease in the absolute value of ΔVc.

また、式(9)ではArcTan関数を用いているため、±90°の範囲でしか回転角度θを求めることができず、0〜360°の全角度範囲にわたって回転角度θを計測することができないという問題がある。このような問題に対処するため、ΔVsとΔVcの符号に基づいて、θが第何象限に入っているかを判定する象限判定を行う。この象限判定の結果と、上記の式(9)と(10)の使い分けとを組み合わせることで、0〜360°の全角度範囲にわたって回転角度θを正しく求めることができる。   In addition, since the ArcTan function is used in Equation (9), the rotation angle θ can be obtained only in the range of ± 90 °, and the rotation angle θ cannot be measured over the entire angle range of 0 to 360 °. There is a problem. In order to deal with such a problem, quadrant determination is performed to determine in which quadrant θ is based on the signs of ΔVs and ΔVc. By combining the result of this quadrant determination and the appropriate use of the above formulas (9) and (10), the rotation angle θ can be correctly obtained over the entire angle range of 0 to 360 °.

図19は磁界センサ201を含む回転角度検出装置の構成を示すブロック図である。回転角度検出装置は、磁界センサ201と、マイコン10、検出回路14Aおよび14B、正極性出力回路15、負極性出力回路16により構成される。   FIG. 19 is a block diagram illustrating a configuration of a rotation angle detection device including the magnetic field sensor 201. The rotation angle detection device includes a magnetic field sensor 201, a microcomputer 10, detection circuits 14A and 14B, a positive output circuit 15, and a negative output circuit 16.

磁界センサ201は、図14で説明したように、上記のCOSブリッジ30とSINブリッジ40を用いてそれぞれ構成される余弦センサ201Aと正弦センサ201Bを有する。これらの各センサには、正極性出力回路15から出力される5Vの直流電圧が前述の励起電圧e0として供給されると共に、負極性出力回路16からのグランド電圧(アース電位)が供給される。これらの供給電圧に基づいて、回転角度θの余弦成分cosθに応じた電圧信号Vc1、Vc2と、回転角度θの正弦成分sinθに応じた電圧信号Vs1、Vs2とが、余弦センサ201Aと正弦センサ201Bから検出回路14A、14Bを介してマイコン10へそれぞれ出力される。なお、磁界センサ201を励起しない期間、すなわち回転角度θを検出しない期間では、正極性出力回路15と負極性出力回路16の出力電圧を等しくしてもよい。   As described with reference to FIG. 14, the magnetic field sensor 201 includes a cosine sensor 201 </ b> A and a sine sensor 201 </ b> B configured using the COS bridge 30 and the SIN bridge 40, respectively. Each of these sensors is supplied with the 5V DC voltage output from the positive output circuit 15 as the excitation voltage e0 and the ground voltage (earth potential) from the negative output circuit 16. Based on these supply voltages, voltage signals Vc1 and Vc2 corresponding to the cosine component cosθ of the rotation angle θ and voltage signals Vs1 and Vs2 corresponding to the sine component sinθ of the rotation angle θ are the cosine sensor 201A and the sine sensor 201B. To the microcomputer 10 via the detection circuits 14A and 14B. Note that the output voltages of the positive output circuit 15 and the negative output circuit 16 may be equal in a period in which the magnetic field sensor 201 is not excited, that is, in a period in which the rotation angle θ is not detected.

検出回路14Aは、余弦センサ201Aからの電圧信号Vc1、Vc2に基づいて、前述の式(7)で表される差分ΔVcを差動検出する。検出回路14Bは、正弦センサ201Bからの電圧信号Vs1、Vs2に基づいて、前述の式(8)で表される差分ΔVsを差動検出する。こうして検出された差分ΔVc、ΔVsはそれぞれ10倍程度に増幅された後、マイコン10へそれぞれ出力される。マイコン10では、入力された差分ΔVc、ΔVsがA/D変換器11A、11Bによりデジタル信号に変換された後、演算部13に入力される。なお、A/D変換器11A、11Bは図14のA/D変換器11に対応するものである。演算部13は、この差分ΔVc、ΔVsに基づいて、前述のように式(9)、(10)を用いて回転角度θを求める。演算部13において求められた回転角度θは、マイコン10より外部へ出力される。   The detection circuit 14A differentially detects the difference ΔVc expressed by the above equation (7) based on the voltage signals Vc1 and Vc2 from the cosine sensor 201A. The detection circuit 14B differentially detects the difference ΔVs expressed by the above equation (8) based on the voltage signals Vs1 and Vs2 from the sine sensor 201B. The detected differences ΔVc and ΔVs are each amplified by about 10 times and then output to the microcomputer 10. In the microcomputer 10, the input differences ΔVc and ΔVs are converted into digital signals by the A / D converters 11 </ b> A and 11 </ b> B and then input to the calculation unit 13. The A / D converters 11A and 11B correspond to the A / D converter 11 in FIG. Based on the differences ΔVc and ΔVs, the calculation unit 13 obtains the rotation angle θ using the equations (9) and (10) as described above. The rotation angle θ obtained by the calculation unit 13 is output from the microcomputer 10 to the outside.

演算部13はまた、図14の誤り検出機能12に対応する処理も実行する。すなわち、差分ΔVc、ΔVsに基づいて、前述の式(7)、(8)を用いてsinθとcosθの値を求める。そして、求めたsinθとcosθの値に基づいて、前述のようなリサージュ軌跡振幅判定とリサージュ軌跡象限判定を実行することにより、モータの駆動を禁止するか否かを判断する。この判断結果は、回転角度θと同様にマイコン10より外部へ出力される。   The calculation unit 13 also executes processing corresponding to the error detection function 12 of FIG. That is, based on the differences ΔVc and ΔVs, the values of sin θ and cos θ are obtained using the above-described equations (7) and (8). Then, based on the calculated values of sin θ and cos θ, it is determined whether or not the motor drive is prohibited by executing the Lissajous locus amplitude determination and the Lissajous locus quadrant determination as described above. This determination result is output to the outside from the microcomputer 10 as with the rotation angle θ.

次に、磁界センサ201のGMR素子を用いた故障検出の原理を説明する。磁界センサ201を構成するGMR素子は、数nm程度の厚さの薄膜により構成されている。そのため、過大な電流が流れたりするとGMR素子の一部が焼損し、故障を生じる可能性がある。このような故障が起きるとGMR素子において局所的な抵抗増大が生じる。このGMR素子の抵抗増大を検出することで、磁界センサ201の故障検出が行われる。   Next, the principle of failure detection using the GMR element of the magnetic field sensor 201 will be described. The GMR element constituting the magnetic field sensor 201 is constituted by a thin film having a thickness of about several nm. For this reason, if an excessive current flows, a part of the GMR element may burn out and cause a failure. When such a failure occurs, a local resistance increase occurs in the GMR element. By detecting this increase in resistance of the GMR element, failure detection of the magnetic field sensor 201 is performed.

図20は、磁界センサ201において前述のようなブリッジ回路を構成している4つのGMR素子のうちの1つにおいて故障が発生したときの様子を模式的に示した図である。配線210はGMR素子によって形成された配線パターンであり、その内部を矢印に示す方向に電流が流れる。図20において、(a)は故障が発生していない正常な状態における配線210の様子を示している。一方(b)は、配線210の一部が焼損して符号211に示すように細くなった様子を示している。この焼損部211が高抵抗化することで、GMR素子において局所的な抵抗増大が生じる。   FIG. 20 is a diagram schematically showing a state in which a failure has occurred in one of the four GMR elements constituting the bridge circuit as described above in the magnetic field sensor 201. The wiring 210 is a wiring pattern formed by a GMR element, and a current flows in the direction indicated by the arrow. In FIG. 20, (a) shows the state of the wiring 210 in a normal state where no failure has occurred. On the other hand, (b) shows a state in which a part of the wiring 210 is burned down and becomes thin as indicated by reference numeral 211. As the burnout portion 211 is increased in resistance, a local increase in resistance occurs in the GMR element.

一例として、図18に示したSINブリッジ40のなかのGMR素子R1において焼損が発生した場合を考える。この場合、焼損部211の配線パターンが図20のように細くなって断面積が減少することで、局部的な抵抗値(バルク抵抗値)が上昇する。その結果、GMR素子R1の全体の抵抗値が上昇する。一方、GMR素子R1における磁気抵抗効果は、配線210全体における各層(自由磁性層21、スペーサ層22および固定磁性層23)間の界面における電子の散乱に起因するものである。そのため、焼損部211において前述のように局部的なバルク抵抗値の増加が起きても、磁気抵抗効果による抵抗値の変化量はあまり影響を受けない。すなわち、配線の焼損により増加する抵抗成分は、磁界方向に依存しない成分である。この磁界方向非依存項の増加率をb倍とすると、前述の式(5)から、GMR素子R1の抵抗値は以下の式(11)のように表すことができる。   As an example, consider the case where burnout occurs in the GMR element R1 in the SIN bridge 40 shown in FIG. In this case, the local resistance value (bulk resistance value) increases because the wiring pattern of the burned-out portion 211 becomes thinner as shown in FIG. 20 and the cross-sectional area decreases. As a result, the overall resistance value of the GMR element R1 increases. On the other hand, the magnetoresistive effect in the GMR element R1 is caused by scattering of electrons at the interface between the layers (the free magnetic layer 21, the spacer layer 22, and the fixed magnetic layer 23) in the entire wiring 210. Therefore, even if the local bulk resistance value increases in the burned portion 211 as described above, the amount of change in resistance value due to the magnetoresistive effect is not significantly affected. In other words, the resistance component that increases due to wiring burnout is a component that does not depend on the magnetic field direction. When the increase rate of the magnetic field direction independent term is b times, the resistance value of the GMR element R1 can be expressed as the following expression (11) from the above expression (5).

Figure 0005315212
(11)
Figure 0005315212
(11)

この場合のSINブリッジ40における端子V1、V2間の差分ΔVs=Vs2−Vs1は、Rn0=R0とすると、以下の式(12)で表される。   In this case, the difference ΔVs = Vs2−Vs1 between the terminals V1 and V2 in the SIN bridge 40 is expressed by the following equation (12), assuming that Rn0 = R0.

Figure 0005315212
(12)
Figure 0005315212
(12)

本実施形態における磁界センサ201の出力信号によるリサージュ軌跡を図21に示す。このリサージュ軌跡は、式(12)により表されるsinθに比例する差分ΔVsと、前述の式(7)により表されるcosθに比例する差分ΔVcとに基づくものである。   FIG. 21 shows a Lissajous locus by the output signal of the magnetic field sensor 201 in the present embodiment. This Lissajous locus is based on the difference ΔVs proportional to sin θ expressed by the equation (12) and the difference ΔVc proportional to cos θ expressed by the above equation (7).

図21のリサージュ軌跡から以下の(a)〜(c)のことが分かる。
(a)b<5 の時は、リサージュ波形は原点を含む。すなわち、角度ズレは90度より小さい。
(b)b=5 の時は、リサージュ波形は原点上を通る。
(c)b>5 の時は、リサージュ波形は原点を通らない。すなわち、角度ズレは90度より大きい。
The following (a) to (c) can be seen from the Lissajous locus in FIG.
(A) When b <5, the Lissajous waveform includes the origin. That is, the angle deviation is smaller than 90 degrees.
(B) When b = 5, the Lissajous waveform passes over the origin.
(C) When b> 5, the Lissajous waveform does not pass through the origin. That is, the angle deviation is larger than 90 degrees.

以上の結果を踏まえて、マイコン10では、(ΔVc、ΔVs)のリサージュ軌跡をモニターし、これが原点を含まなくなった場合に、前述のリサージュ軌跡象限判定122において磁界センサ201が異常であると判定する。   Based on the above results, the microcomputer 10 monitors the Lissajous locus of (ΔVc, ΔVs), and when this does not include the origin, the Lissajous locus quadrant determination 122 determines that the magnetic field sensor 201 is abnormal. .

なお、以上説明した実施の形態において、差分ΔVc、ΔVsが所定の上限と下限から外れているか否かを検知することにより異常を検出する信号上限・下限判定回路を回転角度検出装置内に設けるようにしてもよい。この信号上限・下限判定回路の一例を図22に示す。この図22に示す回路では、分割抵抗391A〜391Cの各抵抗値に応じて設定される異常検出範囲の上限値および下限値と、磁界センサ201のCOSブリッジ30からの差分出力ΔVc=Vc2−Vc1とを、コンパレータ393A、393Bで比較する。コンパレータ393A、393Bの出力は論理和回路(OR回路)394に入力される。論理和回路394は、ΔVcが上限値または下限値のいずれかを越えた場合に異常検出信号を出力する。これにより、ΔVcがある一定範囲(異常検出範囲)を超えていないかを判定する。   In the embodiment described above, a signal upper limit / lower limit determination circuit for detecting an abnormality by detecting whether or not the difference ΔVc, ΔVs deviates from a predetermined upper limit and lower limit is provided in the rotation angle detection device. It may be. An example of this signal upper / lower limit determination circuit is shown in FIG. In the circuit shown in FIG. 22, the upper limit value and the lower limit value of the abnormality detection range set according to the resistance values of the divided resistors 391A to 391C, and the differential output ΔVc = Vc2−Vc1 from the COS bridge 30 of the magnetic field sensor 201. Are compared by the comparators 393A and 393B. The outputs of the comparators 393A and 393B are input to an OR circuit (OR circuit) 394. The OR circuit 394 outputs an abnormality detection signal when ΔVc exceeds either the upper limit value or the lower limit value. Thereby, it is determined whether or not ΔVc exceeds a certain range (abnormality detection range).

上記の説明ではCOSブリッジ30の出力信号ΔVcについて述べたが、SINブリッジ40の出力信号ΔVsについても同様に判定する。このとき信号ΔVc、ΔVsを増幅してからコンパレータ393A、393Bに入力してもよい。この場合は、上限・下限値を増幅率に応じて適切に設定する。   In the above description, the output signal ΔVc of the COS bridge 30 has been described, but the output signal ΔVs of the SIN bridge 40 is similarly determined. At this time, the signals ΔVc and ΔVs may be amplified and then input to the comparators 393A and 393B. In this case, the upper and lower limit values are appropriately set according to the amplification factor.

なお、図22の回路では、たとえば異常検出範囲を、励起電圧e0と各ブリッジ回路のg端子電圧(たとえば0V)との中点電位を中心として±1Vの範囲に設定する。また、励起電圧e0を5Vに、enを−2Vにそれぞれ設定する。   In the circuit of FIG. 22, for example, the abnormality detection range is set to a range of ± 1 V centered on the midpoint potential between the excitation voltage e0 and the g terminal voltage (for example, 0 V) of each bridge circuit. Further, the excitation voltage e0 is set to 5V, and en is set to -2V.

以上説明した信号の上限・下限判定と、図21に示したリサージュ軌跡による象限管理基準(クライテリア)との関係を述べる。上述の通り、リサージュ波形の象限管理基準で異常信号が報知されるのは、b>5の場合、すなわち抵抗値が5倍よりも大きく増加した場合である。一方、抵抗値が5倍になると、差分ΔVcまたはΔVsの変化幅は前述の中点電位より+0.8Vまたは−0.8Vであるため、図28の回路において異常判定されない。すなわち、信号上限・下限判定基準よりもリサージュ波形象限管理基準の方がより厳しく異常を判定する。   The relationship between the upper / lower limit determination of the signal described above and the quadrant management criteria (criteria) based on the Lissajous locus shown in FIG. 21 will be described. As described above, the abnormal signal is notified based on the Lissajous quadrant management criterion when b> 5, that is, when the resistance value increases more than five times. On the other hand, when the resistance value becomes five times, since the change width of the difference ΔVc or ΔVs is +0.8 V or −0.8 V from the above-described midpoint potential, no abnormality is determined in the circuit of FIG. That is, the Lissajous waveform quadrant management standard determines the abnormality more strictly than the signal upper limit / lower limit determination standard.

このように信号上限・下限判定基準とリサージュ波形象限管理基準とを組み合わせることで、早期に回転角検出装置の異常を検出することができるので好ましい。   Thus, it is preferable to combine the signal upper limit / lower limit determination criterion and the Lissajous waveform quadrant management criterion because an abnormality of the rotation angle detection device can be detected at an early stage.

また、図22に示す信号上限・下限判定回路では、前述したように、磁気抵抗素子ブリッジの励起電圧e0を基準電圧として、分割抵抗391A〜391Cにより異常検出範囲の上限値と下限値を設定している。式(7)に示したように、信号電圧ΔVcは励起電圧e0に比例するので、このような構成にすると励起電圧e0が変動した場合もそれに比例した異常検出範囲で異常検出できるので好ましい。   In the signal upper limit / lower limit determination circuit shown in FIG. 22, as described above, the upper limit value and the lower limit value of the abnormality detection range are set by the dividing resistors 391A to 391C using the excitation voltage e0 of the magnetoresistive element bridge as a reference voltage. ing. As shown in the equation (7), the signal voltage ΔVc is proportional to the excitation voltage e0. Therefore, such a configuration is preferable because an abnormality can be detected in an abnormality detection range proportional to the fluctuation of the excitation voltage e0.

以上説明した本実施形態では、磁気抵抗素子としてGMR素子を用いた場合を述べたが、他の磁気抵抗素子、例えば異方性磁気抵抗効果素子(AMR素子)や、トンネル磁気抵抗素子(TMR素子)などの磁気抵抗素子でも本発明が同様に有効であることは言うまでもない。なお、TMRを用いた場合には、磁界センサ201にTMR素子で構成したブリッジ構成を設ける。   In the present embodiment described above, the case where the GMR element is used as the magnetoresistive element has been described. However, other magnetoresistive elements such as anisotropic magnetoresistive elements (AMR elements), tunnel magnetoresistive elements (TMR elements) Needless to say, the present invention is also effective for magnetoresistive elements such as When TMR is used, the magnetic field sensor 201 is provided with a bridge configuration composed of TMR elements.

以上説明したように、本実施形態ではレゾルバ1の代わりに磁界センサ201を用いることとしたので、レゾルバの場合と比べて装置の小型化、軽量化を図ることができる。また、レゾルバの場合に要求される高い製作精度や組立精度が不要になると共に、磁界センサ201の大きさをロータ軸の太さに関わらず一定とすることができるため、装置の低コスト化を実現することができる。   As described above, since the magnetic field sensor 201 is used instead of the resolver 1 in this embodiment, the apparatus can be reduced in size and weight as compared with the resolver. In addition, high manufacturing accuracy and assembly accuracy required in the case of a resolver are not required, and the size of the magnetic field sensor 201 can be made constant regardless of the thickness of the rotor shaft, thereby reducing the cost of the apparatus. Can be realized.

図23は、以上説明した第5の実施の形態による回転角度センサ異常検出装置をモータ制御システムに適用した例を示す図である。また図24は、以上説明した第5の実施の形態による回転角度センサ異常検出装置を電動パワーステアリングに適用した例を示す図である。これらの図に示す例では、図8、9のレゾルバ1、励磁信号生成部2および変換トリガ生成部3を磁界センサ201に変えている点以外は、図8、9と同じである。   FIG. 23 is a diagram illustrating an example in which the rotation angle sensor abnormality detection device according to the fifth embodiment described above is applied to a motor control system. FIG. 24 is a diagram showing an example in which the rotation angle sensor abnormality detection device according to the fifth embodiment described above is applied to electric power steering. The examples shown in these drawings are the same as those in FIGS. 8 and 9 except that the resolver 1, the excitation signal generator 2 and the conversion trigger generator 3 in FIGS.

以上説明した第5の実施の形態によれば、第1の実施の形態において説明したのと同様の作用効果を奏することができる。さらに加えて、レゾルバの代わりに磁界センサを用いているため、装置の小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。   According to the fifth embodiment described above, the same operational effects as those described in the first embodiment can be obtained. In addition, since a magnetic field sensor is used instead of the resolver, the apparatus can be reduced in size, weight, and cost.

なお、以上説明した第5の実施の形態では、第1の実施の形態におけるレゾルバ1の代わりに磁界センサ201を備えた例を説明したが、これと同様に、第2〜第4の実施の形態におけるレゾルバ1を磁界センサ201に置き換えても良い。この場合も、第2〜第4の実施の形態で説明したのと同様の作用効果を奏することができる。その上、レゾルバを用いた第2〜第4の実施の形態と比べて、装置の小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。   In the fifth embodiment described above, an example in which the magnetic field sensor 201 is provided instead of the resolver 1 in the first embodiment has been described. Similarly, the second to fourth embodiments are described. The resolver 1 in the form may be replaced with the magnetic field sensor 201. Also in this case, the same effects as those described in the second to fourth embodiments can be obtained. In addition, the apparatus can be reduced in size, weight, and cost as compared with the second to fourth embodiments using a resolver.

以上説明した各実施の形態および各種の変形例はあくまで一例である。したがって、本発明はこれらの内容や構成に何ら限定されるものではない。   Each embodiment and various modifications described above are merely examples. Therefore, the present invention is not limited to these contents and configurations.

1 レゾルバ
2 励磁信号生成部
3 変換トリガ生成部
4 モータドライバ
5 モータ
6 制御対象
7 回転軸
8 ステアリングホイール
9 トルクセンサ
10 マイコン
11 A/D変換器
12 誤り検出機能
13 演算部
14A,14B 検出回路
15 正極性出力回路
16 負極性出力回路
20 外部磁界方向
21 自由磁性層
22 スペーサ層
23 固定磁性層
30 COSブリッジ
40 SINブリッジ
100 モータ部
101 フレーム
102 第1ブラケット
103 第2ブラケット
106,107 軸受
110 ステータ
111 ステータコア
112 ステータコイル
121 リサージュ軌跡振幅判定
122 リサージュ軌跡象限判定
123 AND(論理積)
124 OR(論理和)
130 ロータ
200 回転角検出部
201 磁界センサ
202 センサ磁石
203 ハウジング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Resolver 2 Excitation signal production | generation part 3 Conversion trigger production | generation part 4 Motor driver 5 Motor 6 Control object 7 Rotating shaft 8 Steering wheel 9 Torque sensor 10 Microcomputer 11 A / D converter 12 Error detection function 13 Calculation part 14A, 14B Detection circuit 15 Positive output circuit 16 Negative output circuit 20 External magnetic field direction 21 Free magnetic layer 22 Spacer layer 23 Fixed magnetic layer 30 COS bridge 40 SIN bridge 100 Motor unit 101 Frame 102 First bracket 103 Second bracket 106, 107 Bearing 110 Stator 111 Stator core 112 Stator coil 121 Lissajous locus amplitude determination 122 Lissajous locus quadrant determination 123 AND (logical product)
124 OR (logical sum)
130 rotor 200 rotation angle detector 201 magnetic field sensor 202 sensor magnet 203 housing

Claims (6)

回転軸が回転することにより生じる磁界変化を検出し、前記回転軸の回転角の正弦に応じた正弦信号と、前記回転軸の回転角の余弦に応じた余弦信号とを出力する磁界センサと、
前記磁界センサより出力される前記正弦信号および前記余弦信号のリサージュ波形に基づいて、前記磁界センサの異常を検出する異常検出手段とを備えた回転角度センサ異常検出装置であって、
前記異常検出手段は、前記リサージュ波形の振幅と、前記リサージュ波形が通過する象限とに基づいて、前記磁界センサの異常の有無を検出する際に、前記リサージュ波形の振幅が所定の第1の検出域内にあり、かつ所定時間内に前記リサージュ波形が通過しない象限がある場合に、前記磁界センサの異常を検出することを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
A magnetic field sensor that detects a magnetic field change caused by rotation of the rotation shaft, and outputs a sine signal corresponding to a sine of the rotation angle of the rotation shaft and a cosine signal corresponding to a cosine of the rotation angle of the rotation shaft;
A rotation angle sensor abnormality detection device comprising abnormality detection means for detecting an abnormality of the magnetic field sensor based on a Lissajous waveform of the sine signal and the cosine signal output from the magnetic field sensor;
The abnormality detecting means detects the presence or absence of abnormality of the magnetic field sensor based on the amplitude of the Lissajous waveform and the quadrant through which the Lissajous waveform passes, and the amplitude of the Lissajous waveform is a predetermined first detection. A rotation angle sensor abnormality detection device that detects an abnormality of the magnetic field sensor when there is a quadrant in which the Lissajous waveform does not pass within a predetermined time.
回転軸が回転することにより生じる磁界変化を検出し、前記回転軸の回転角の正弦に応じた正弦信号と、前記回転軸の回転角の余弦に応じた余弦信号とを出力する磁界センサと、
前記磁界センサより出力される前記正弦信号および前記余弦信号のリサージュ波形に基づいて、前記磁界センサの異常を検出する異常検出手段とを備えた回転角度センサ異常検出装置であって、
前記異常検出手段は、前記リサージュ波形の振幅と、前記リサージュ波形が通過する象限とに基づいて、前記磁界センサの異常の有無を検出する際に、前記リサージュ波形の振幅が所定の第1の検出域内にあり、かつ所定時間内に前記リサージュ波形がいずれか一つの象限を通過しない場合に、当該象限に隣接する二つの象限におけるリサージュ波形に基づいて当該象限のリサージュ波形を補間し、補間後のリサージュ波形が原点を囲まないときに、前記磁界センサの異常を検出することを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
A magnetic field sensor that detects a magnetic field change caused by rotation of the rotation shaft, and outputs a sine signal corresponding to a sine of the rotation angle of the rotation shaft and a cosine signal corresponding to a cosine of the rotation angle of the rotation shaft;
A rotation angle sensor abnormality detection device comprising abnormality detection means for detecting an abnormality of the magnetic field sensor based on a Lissajous waveform of the sine signal and the cosine signal output from the magnetic field sensor;
The abnormality detecting means detects the presence or absence of abnormality of the magnetic field sensor based on the amplitude of the Lissajous waveform and the quadrant through which the Lissajous waveform passes, and the amplitude of the Lissajous waveform is a predetermined first detection. If the Lissajous waveform does not pass through any one quadrant within a predetermined time and interpolates the Lissajous waveform in the quadrant based on the Lissajous waveforms in the two quadrants adjacent to the quadrant, A rotation angle sensor abnormality detecting device, wherein an abnormality of the magnetic field sensor is detected when a Lissajous waveform does not surround the origin.
請求項に記載の回転角度センサ異常検出装置において、
前記異常検出手段は、前記隣接する二つの象限におけるリサージュ波形の軌跡同士を直線で結ぶことにより当該象限のリサージュ波形を補間し、
前記直線のy切片の正負に基づいて前記補間後のリサージュ波形が原点を囲むか否かを判断することを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
In the rotation angle sensor abnormality detection device according to claim 2 ,
The abnormality detection means interpolates the Lissajous waveform of the quadrant by connecting the trajectories of the Lissajous waveforms in the two adjacent quadrants with a straight line,
A rotation angle sensor abnormality detecting device, wherein it is determined whether or not the interpolated Lissajous waveform surrounds the origin based on the positive or negative of the y-intercept of the straight line.
請求項のいずれか一項に記載の回転角度センサ異常検出装置において、
前記異常検出手段は、前記リサージュ波形の振幅が所定の第2の検出域内にある場合は、所定時間内に前記リサージュ波形が通過しない象限があるか否かに関わらず、前記磁界センサの異常を検出することを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
In the rotation angle sensor abnormality detection device according to any one of claims 1 to 3 ,
When the amplitude of the Lissajous waveform is within a predetermined second detection range, the abnormality detecting means detects the abnormality of the magnetic field sensor regardless of whether there is a quadrant in which the Lissajous waveform does not pass within a predetermined time. A rotation angle sensor abnormality detection device characterized by detecting the rotation angle sensor.
請求項1〜のいずれか一項に記載の回転角度センサ異常検出装置と、
前記回転軸と連結されたモータと、
前記回転軸に設置された磁石と、
前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
前記回転角の検出結果に基づいて前記モータ駆動回路による前記モータの駆動を制御するモータ駆動制御回路とを備え、
前記回転角度センサ異常検出装置が有する前記磁界センサは、前記回転軸の回転に従って前記磁石の回転位置が変化することにより生じる磁界変化を検出し、
前記異常検出手段により前記磁界センサの異常が検出されると、その検出結果に応じて前記モータの駆動を禁止することを特徴とするモータ制御システム。
The rotation angle sensor abnormality detection device according to any one of claims 1 to 4 ,
A motor coupled to the rotating shaft;
A magnet installed on the rotating shaft;
A motor drive circuit for driving the motor;
A motor drive control circuit that controls driving of the motor by the motor drive circuit based on the detection result of the rotation angle;
The magnetic field sensor of the rotation angle sensor abnormality detection device detects a magnetic field change caused by a change in the rotational position of the magnet according to the rotation of the rotating shaft,
When an abnormality of the magnetic field sensor is detected by the abnormality detection means, the motor control system prohibits driving of the motor according to the detection result.
請求項1〜いずれか一項に記載の回転角度センサ異常検出装置と、
前記回転軸と連結されたモータと、
前記回転軸に設置された磁石と、
前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
前記モータとコラムシャフトを介して機械的に接続される車輪の舵取り機構と、
前記コラムシャフトと機械的に接続されるステアリングホイールと、
前記ステアリングホイールを介して入力される操作を検出するトルクセンサと、
前記トルクセンサによる前記操作の検出結果と前記回転角の検出結果とに基づいて、前記モータ駆動回路による前記モータの駆動を制御するモータ駆動制御回路とを備え、
前記回転角度センサ異常検出装置が有する前記磁界センサは、前記回転軸の回転に従って前記磁石の回転位置が変化することにより生じる磁界変化を検出し、
前記異常検出手段により前記磁界センサの異常が検出されると、その検出結果に応じて前記モータの駆動を禁止することを特徴とする電動パワーステアリング。
The rotation angle sensor abnormality detection device according to any one of claims 1 to 5 ,
A motor coupled to the rotating shaft;
A magnet installed on the rotating shaft;
A motor drive circuit for driving the motor;
A wheel steering mechanism mechanically connected to the motor via a column shaft;
A steering wheel mechanically connected to the column shaft;
A torque sensor for detecting an operation input via the steering wheel;
A motor drive control circuit for controlling the drive of the motor by the motor drive circuit based on the detection result of the operation by the torque sensor and the detection result of the rotation angle;
The magnetic field sensor of the rotation angle sensor abnormality detection device detects a magnetic field change caused by a change in the rotational position of the magnet according to the rotation of the rotating shaft,
An electric power steering system characterized in that, when an abnormality of the magnetic field sensor is detected by the abnormality detection means, driving of the motor is prohibited according to the detection result.
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