JP5523571B2 - 角度センサからの複数の信号を評価する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、所定の平面を規定する少なくとも2つのセンサ素子と、この所定の平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子とを備えた角度センサからの複数の信号を評価する方法、ならびに、当該の方法によって駆動されるブラシレスモータに関する。

角度センサは多くの技術領域で必要とされている。特に、自動車産業においては、角度センサは、例えば、調整弁およびスロットル弁の位置、可変のカムシャフト制御部の位置、可変のタービンジオメトリの位置、もしくは、パワーステアリング用の駆動モータの位置を識別するために用いられている。ここで、モータ駆動用の交流電流を転流するブラシレスモータでは、特にブラシレスモータが高い動特性で、つまり種々の回転数領域で(低回転数から高回転数まで)駆動されるうえ、逆方向運動にも用いられるので、回転角度センサが必要である。この場合、モータのあらゆる駆動状態に対して、モータのロータ回転角を正確に検出して、ブラシレスモータを相応に転流される交流電流によって駆動できるようにしなければならない。

角度センサについては種々の測定原理が公知である。一連の測定原理のうち、磁界感応性センサでは、ロータとともに回転する磁界(フィールド)に基づいてロータの位置が評価される。異方性磁気抵抗効果(AMR効果)を技術的基礎とした磁界感応性センサを用いれば、きわめて良好な測定結果が得られる。しかし、こうしたAMRセンサは、全円の半分すなわち180゜ぶんしか一義的に表せないという欠点を有する。180゜を越えるとAMR角度センサの機能に基づいて信号は反復されるので、測定信号を全円におけるロータ位置に一義的に対応させることができなくなるのである。

全円測定は、例えば、いわゆる2Dホール素子、GMRホール素子(巨大磁気抵抗効果素子)、TMR素子(トンネル磁気抵抗効果素子)、誘導性センサなどによって達成される。ただし、残念ながら、本来であれば360゜につき一義的な分解能を有する2Dホール素子、GMRホール素子、TMR素子、誘導性センサのいずれのタイプのセンサも、その測定信号はフィールドを変化させる回転可能素子から測定素子の配置された平面までの距離に強く依存するので、当該の距離を変化させる外的影響があると、測定結果に大きな誤差が重畳され、劣悪な測定結果を生じさせてしまう。こうした外的影響は、例えば、角度センサをシステムへ組み込む際のトレランス、距離を変化させる温度影響、および/または、角度センサの配置されているシステム全体での振動などの総和である。

したがって、本発明の課題は、少なくとも2つのセンサ素子を備えた角度センサの信号評価方法を提供し、全円シミュレーション型のセンサ素子(例えば2Dホール素子、GMR素子、TMR素子、誘導センサ素子など)によって高分解能の測定結果を形成できるようにすることである。この課題は、独立請求項1に記載されている特徴によって解決される。

各センサ素子が、平面に接するフィールドにつき少なくとも1つずつ相互に線形に独立した第1のベクトルおよび第2のベクトルを検出し、さらに、平面から回転可能素子までの距離に基づく別のパラメータを検出し、この別のパラメータの絶対値(大きさ)によって第1のセンサ素子および第2のセンサ素子の複数の信号の振幅を制御することにより、角度センサの動作モード全体にわたって、第1のセンサ素子および第2のセンサ素子の各信号を、平面から回転可能素子までの距離の変化に適合させることができる。これにより、第1のセンサ素子の信号および第2のセンサ素子の信号が、平面から回転可能素子までの距離に対して正規化される。よって、第1のセンサ素子および第2のセンサ素子は、正規化の後、回転可能素子の回転角のみに依存する正弦信号および余弦信号を送出する。これらの信号の振幅は、一貫して、平面から回転可能素子までの距離に対して独立である。平面から回転可能素子までの距離が過度に小さい場合でも、アナログディジタル変換器の過駆動、および、正弦信号および余弦信号のカットを、防止することができる。

本発明の有利な実施形態によれば、第3のベクトルによって検出されたフィールドの絶対値は、ローパスフィルタを介して、平面から回転可能素子までの距離の迅速な変化に関する情報が取り除かれた後に得られる。迅速な変化は例えばブラシレスモータの軸受の遊び、ロータの振動、および/または、ロータの回転方向の突発的変動などに由来する。これらの情報は、ローパスフィルタを介して、第3のベクトルの信号から取り除かれる。ローパスフィルタの後方には、第3のベクトルの信号において、平面から回転可能素子までの距離の緩慢な変化に関する情報のみが生じる。これは、例えば、すべての機械的組み込み許容差の和、および/または、温度に起因するすべての距離変化の和、および/または、センサ素子および/または評価回路でのすべての感度変化の和、および/または、回転可能素子のすべてのフィールド強度の変化の和などである。

本発明の別の有利な実施形態によれば、回転可能素子は、磁石もしくはコイルもしくはヨークもしくは金属板である。これらの素子は、ブラシレスモータのロータにより、きわめて簡単に、磁界を回転させて、ブラシレスモータのロータの回転角を検出することができる。このために、センサ素子は磁界感応性を有するように構成される。各磁界感応性センサ素子がGMRセンサ素子もしくはTMRセンサ素子もしくはホールセンサ素子であると有利である。なぜなら、これらの素子は、磁界を完全な1回転にわたって一義的に検出できるからである。

本発明の別の有利な実施形態によれば、各センサ素子は電磁界(フィールド)を検出する。ここで、各センサ素子は誘導性センサ素子として構成されている。なお、誘導性センサ素子により、ロータの360゜にわたって一義的に検出される。

本発明の別の有利な実施形態によれば、相互に線形に独立した第1のベクトルの信号および第2のベクトルの複数の信号から正弦信号および余弦信号が形成される。これは、有利には、CORDICアルゴリズム(コーディネイトローテーションディジタルコンピュータアルゴリズム)によって行われる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、各ベクトルの各アナログ信号はアナログディジタル変換器を介してディジタル化される。相互に線形に独立した第1のベクトルの信号および第2のベクトルの各信号が、平面から回転可能素子までの距離の信号によって正規化されることにより、アナログディジタル変換器の最高度の分解能をつねに利用でき、その際にも、相互に線形に独立した第1のベクトルの信号および第2のベクトルの各信号がアナログディジタル変換器の過駆動のためにカットされたり、または、過度に振幅の小さい信号がアナログディジタル変換器へ送信されたりする危険が生じない。

本発明では多数の実施例が可能であるが、説明のためにそのうち幾つかの実施例を図示し、以下に説明する。

上部にフィールドを変化させる回転可能素子を配置したロータを備える角度センサを示す図である。 距離一定の場合の第1のセンサ素子および第2のセンサ素子の出力信号を示すグラフであり、aは距離が異なる場合の第1のセンサ素子および第2のセンサ素子の出力信号を示すグラフである。 第1のセンサ素子および第2のセンサ素子におけるフィールドの電磁誘導をベースとして測定を行う角度センサを示す図である。 3Dホール素子を示す図である。 3Dホール素子を有する角度センサの信号評価方法を示す図である。 2Dホール素子を有する角度センサの信号評価方法を示す図である。 誘導式センサ素子を有する角度センサの信号評価方法を示す図である。 システム全体を示す図である。

図1には、ロータ2を備えた角度センサ8、例えばブラシレスモータが示されている。ブラシレスモータ上にフィールドを変化させる回転可能素子3が配置されている。回転可能素子3は、ここではN極およびS極を有する双極子磁石として構成されている。ブラシレスモータに対するロータ2の回転角αに応じて、角度センサ8のセンサチップ9内に、フィールド強度についての、線形に独立した第1のベクトル15(ここではHで示されている)と線形に独立した第2のベクトル16(ここではHで示されている)とが誘導される。当該のベクトル15,16は例えば磁界によって形成されるので、回転角αおよびこれに結びついた回転可能素子3の位置に強く依存している。垂直ホール素子として構成された第1のセンサ素子4、および、同様に垂直ホール素子としてセンサチップ9内に構成された第2のセンサ素子5は、線形に独立した第1の磁界ベクトル15の成分、および、線形に独立した第2の磁界ベクトル16の成分を検出する。線形に独立した磁界ベクトル15,16の絶対値は、特に、第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の配置された平面からフィールドを変化させる回転可能素子3の回転平面までの距離dに強く依存している。回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の配置されているセンサチップ9までの距離dが小さくなれば、センサ素子4,5内に高いホール電圧が形成され、この距離dが大きくなれば、センサ素子4,5内のホール電圧はいちじるしく小さくなる。このため、次のようなケースでは、第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の非制御の出力信号は、部分的にはさらなる信号処理に用いることができない。すなわち、これらの信号が、きわめて小さいために例えばアナログディジタル変換器の全分解能を利用できないか、または、きわめて大きいために例えばアナログディジタル変換器の過駆動によって信号の一部がカットされるケースである。

こうした状況を、以下に、図2aに則して詳細に説明する。

図2には、回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の配置される平面を形成しているセンサチップ9までの距離dが一定である場合の、第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の正弦状および余弦状の各出力信号が示されている。図2では、ホール電圧UHallに対するきれいな正弦特性および余弦特性が見られ、この場合、回転角αの一義的な分解能が−180゜から+180゜までの範囲で得られる。こうして、ここでの角度センサ8によって、360゜にわたって完全かつ一義的に検出可能となる。

図2のaには、回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の平面までの距離がd,d,dのように種々に異なる場合の、第1のセンサ素子4または第2のセンサ素子5の出力信号が示されている。距離dは回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の平面までの最適距離を表しており、距離dは最適距離dより短い距離を表しており、距離dは最適距離dより長い距離を表している。簡単化のために、図2のaでは第1のセンサ素子4の信号の正弦特性のみを示してあるが、第2のセンサ素子5の信号の余弦特性も同様な経過を呈する。回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の平面までの距離が最適距離dである場合、図2のaに記号dで示されている既知の正弦関数が生じる。回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の平面までの距離が大きくなると、図2のaに記号dで示されている著しく平坦な正弦関数特性が生じる。角度センサ8から送出される信号の評価はふつうアナログディジタル変換器によって行われるので、この場合、正弦曲線のきわめて平坦な特性により、アナログディジタル変換器の大きな動特性が利用されないままとなり、このために測定結果が劣化する。これは、ディジタル値の領域が小さいことによって分解能も小さくなってしまうためである。また、回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の平面までの距離が小さいと、図2のaにdで示されている状況が生じる。ここでは識別すべき正弦信号が限界電圧Uでカットされている。なぜなら、後続のアナログディジタル変換器が過駆動され、これにより、広い回転角領域にわたってロータ2の回転角の分解能がそもそも得られなくなってしまうからである。このように、回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の平面までの距離が大きくても(d)小さくても(d)、測定結果はいちじるしく劣化し、自動車技術分野における角度センサ8に適用できなくなってしまうのである。

図3には、第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5のフィールドの電磁誘導の測定原理を基礎とした角度センサ8が示されている。センサ素子4,5はコイル装置として例えば配線板9上に構成されている。ここで、回転可能素子3は電磁界を変化させるように構成されており、ブラシレスモータ1の図示されていないロータ2に接続されている。回転可能素子3が回転すると、第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の電磁界が検出される。各センサ素子はここではセンサ配線板9上のコイル対として構成されている。センサ配線板9上の集積回路21には、第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の信号に対する評価回路が設けられている。当該の評価回路は、増幅器10と、オペアンプとも称される被制御増幅器11と、ローパスフィルタ12と、ハイパスフィルタ13と、インバータ14とから成る。

図4には、基本的に図1から公知の2Dホール素子の構造を3次元へ拡張した3Dホール素子が示されている。センサチップ9には第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5が配置されており、各センサ素子はセンサチップ9とともに磁界を測定するための平面を形成しており、ここでの磁界はフィールドを変化させる回転可能素子3によって誘導される。この場合、回転可能素子3はN極およびS極を有する永久磁石として構成されている。さらにここには、第3のセンサ素子6が配置されており、これにより図示されているセンサチップ9がいわゆる3次元のホール素子(3Dホールエレメント)へ拡張されている。また、センサチップ9には温度センサ素子7が集積されている。当該の温度センサ素子7は角度センサ8内で支配的な温度を測定する。角度センサ8内、特にセンサ素子4,5,6での温度変化は、各センサ素子4,5,6によって形成される信号の大きな変化をもたらすことがあるためである。

なお、本発明は、所定の平面を規定する少なくとも2つのセンサ素子4,5と、この平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子3とを備えた角度センサ8の複数の信号を評価する方法に関しており、これを以下に詳細に説明する。

図5では、センサ素子4,5が、平面に印加されるフィールドH,Hについて、相互に線形に独立した、少なくとも1つの第1のベクトル15および少なくとも1つの第2のベクトル16を検出している。第1のベクトル15および第2のベクトル16に加えて、z方向のフィールドHの絶対値を表す、線形に独立した第3のベクトル17も検出される。ここで、フィールドの絶対値は平面から回転可能素子3までの距離dに応じて変化し、当該の絶対値によってセンサ素子4,5の各信号の振幅が制御される。

第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5は、ここでは、センサチップ9の平面に配置されている。第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5によって検出される磁界ベクトル15,16は、制御可能な増幅器11への電気信号となる。当該の制御可能な増幅器11はふつうオペアンプで構成される。第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5によって検出される信号は、回転可能素子3からセンサチップ9の平面までの距離dに強く依存するので、当該の距離dを、磁界のz成分Hを測定するための第3のセンサ素子6によって検出する。第3のセンサ素子6によって検出された信号は、第1の増幅器10およびローパスフィルタ12を介して、高周波成分を除去されてから、アナログインバータ14へ供給され、これにより制御可能な増幅器11に対する制御量が得られる。当該の制御量により、第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5での信号強度が、回転可能素子3からセンサチップ9の平面までの距離d,d,dにしたがって追従制御される。その後、補正された第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の信号は、つねに分解能および帯域幅の全領域にわたって動作可能なアナログディジタル変換器18へ供給され、その際に過駆動は起こらない。

また、本発明の方法では、温度センサ素子7によって角度センサ8内で支配的な温度Tが検出される。この温度測定値も増幅器10を介して第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の信号の補正に用いられる。本発明の方法によれば、角度センサ8内での距離変動および温度変動が完全に補正され、これにより360゜をカバーする角度センサ素子を自動車分野において低コストに利用できる。

さらに、図5にはハイパスフィルタ13も示されている。ブロック内に図示されているのは得られる信号である。第3のセンサ素子6の信号を増幅(10)およびハイパスフィルタリング(13)した後、回転可能素子3からセンサチップ9の平面までの距離の迅速な変化が検出される。こうした迅速な変化は、例えば、ブラシレスモータ1のロータ2の軸受が故障したことを表す。なお、第3のセンサ素子6の信号のローパスフィルタリングにより、回転可能素子3からセンサチップ9の平面までの距離dの緩慢な変化を表す信号が形成される。こうした緩慢な距離変化は、例えば、システム全体の熱膨張によって引き起こされるものである。

図6には、本発明の別の実施例が示されている。ここでは、距離d,d,d2に依存する別のパラメータ17が、センサ素子4,5によって検出された、相互に線形に独立した第1のベクトル15および第2のベクトル16から、導出される。このために、例えば、計算回路19において、相互に独立した第1のベクトル15および第2のベクトル16から得られた絶対値が、ピタゴラスの定理によって、形成される。相互に線形に独立した個々のベクトル15,16は時間的には正弦信号および余弦信号として表されるが、その各絶対値は、回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の配置された平面までの距離が小さい場合(d)に大きくなり、当該の距離が大きい場合(d)に小さくなる。これにより、計算回路19は、回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の配置された平面までの距離に関する、角度に依存しない情報を一貫して出力することができる。

図7には、本発明の別の実施例が示されている。ここでは、回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の配置された平面までの距離dに依存する別のパラメータ17が、誘導性センサ素子4,5を駆動するための給電電流20から導出される。誘導測定法では、交流電磁界が形成され、これにより回転可能素子3に渦電流が誘導される。当該の渦電流の絶対値は、距離dが小さくなると増大し、距離dが大きくなると低下する。相互に線形に独立した個々のベクトル15,16は時間的には正弦信号および余弦信号として表されるが、その各絶対値は、上述したケースと同様に、距離が小さくなる場合(d)に大きくなり、当該の距離が大きくなる場合に(d)に小さくなる。これにより、計算回路19は、回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の配置された平面までの距離に関する、角度に依存しない情報を一貫して出力することができる。

システム全体の実施例が図8に示されている。ここには、ロータ2を備えたブラシレスモータ1が示されており、ロータ2には磁界変更のための回転可能素子3が配置されている。回転角αにしたがって、回転可能素子3は、センサチップ9内に特徴的な磁界を誘導する。当該の特徴的な磁界が、第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5および第3のセンサ素子6によって記録される。回転可能素子3からセンサチップ9までの距離は種々に変化しうるが、このことは、参照記号d,d,dによって示されている。回転可能素子3から第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5の配置された平面までの距離dのこうした変化が、第3のセンサ素子6によって磁界成分Hを介して検出される。このように、第3のセンサ素子6は補正値Hを出力し、この補正値が第1の増幅器10およびローパスフィルタ12およびインバータ14を介して制御可能な増幅器11へ供給される。

磁界値H,Hは第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5によって検出され、これにより、第1のセンサ素子4は線形に独立した第1のベクトル15を検出し、第2のセンサ素子5は線形に独立した第2のベクトル16を検出する。当該の線形に独立した2つのベクトルを組み合わせることにより、CORDICアルゴリズムを介して、角度αが一義的に結論される。回転可能素子3からセンサチップ9までの距離への依存性が制御可能な増幅器11において補正され、これにより、図示されている角度センサ8による360゜の全円につき、一義的かつ測定技術的に高度な分解能が得られる。

Claims (4)

  1. 所定の平面を規定する少なくとも2つのセンサ素子(4,5)と、前記平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子(3)とを有する角度センサ(8)からの複数の信号を評価する方法において、
    各センサ素子(4,5)は、前記平面にかかるフィールドに関する少なくとも1つの相互に線形に独立した第1のベクトル(15)および第2のベクトル(16)を検出し、さらに、前記平面から前記回転可能素子(3)までの距離に基づく別のパラメータ(17)が検出され、該別のパラメータ(17)の絶対値によって前記第1のセンサ素子(4)および前記第2のセンサ素子(5)の信号の振幅が制御され、
    前記別のパラメータ(17)は相互に線形に独立した前記第1のベクトル(15)および前記第2のベクトル(16)の絶対値から導出される、
    ことを特徴とする角度センサからの複数の信号を評価する方法。
  2. 所定の平面を規定する少なくとも2つのセンサ素子(4,5)と、前記平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子(3)とを有する角度センサ(8)からの複数の信号を評価する方法において、
    各センサ素子(4,5)は、前記平面にかかるフィールドに関する少なくとも1つの相互に線形に独立した第1のベクトル(15)および第2のベクトル(16)を検出し、さらに、前記平面から前記回転可能素子(3)までの距離に基づく別のパラメータ(17)が検出され、該別のパラメータ(17)の絶対値によって前記第1のセンサ素子(4)および前記第2のセンサ素子(5)の信号の振幅が制御され、
    前記別のパラメータ(17)は前記第1のセンサ素子(4)および前記第2のセンサ素子(5)を駆動するための給電電流(20)の絶対値から導出される、
    ことを特徴とする角度センサからの複数の信号を評価する方法。
  3. 所定の平面を規定する少なくとも2つのセンサ素子(4,5)と、前記平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子(3)とを有する角度センサ(8)によって測定されたロータの回転角に基づき駆動されるブラシレスモータ(1)において、
    各センサ素子(4,5)は、前記平面にかかるフィールドに関する少なくとも1つの相互に線形に独立した第1のベクトル(15)および第2のベクトル(16)を検出し、さらに、前記平面から前記回転可能素子(3)までの距離に基づく別のパラメータ(17)が検出され、該別のパラメータ(17)の絶対値によって前記第1のセンサ素子(4)および前記第2のセンサ素子(5)の信号の振幅が制御され、
    前記別のパラメータ(17)は相互に線形に独立した前記第1のベクトル(15)および前記第2のベクトル(16)の絶対値から導出される、
    ことを特徴とする、ブラシレスモータ(1)。
  4. 所定の平面を規定する少なくとも2つのセンサ素子(4,5)と、前記平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子(3)とを有する
    角度センサ(8)によって測定されたロータの回転角に基づき駆動されるブラシレスモータ(1)において、
    各センサ素子(4,5)は、前記平面にかかるフィールドに関する少なくとも1つの相互に線形に独立した第1のベクトル(15)および第2のベクトル(16)を検出し、さらに、前記平面から前記回転可能素子(3)までの距離に基づく別のパラメータ(17)が検出され、該別のパラメータ(17)の絶対値によって前記第1のセンサ素子(4)および前記第2のセンサ素子(5)の信号の振幅が制御され、
    前記別のパラメータ(17)は前記第1のセンサ素子(4)および前記第2のセンサ素子(5)を駆動するための給電電流(20)の絶対値から導出される、
    ことを特徴とする、ブラシレスモータ(1)。
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