JP5569512B2 - 角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、「電動モータ」、「電動アクチュエータ」あるいは「駆動対象物」の作動量を検出する角度検出装置に関し、特に回転角センサを用いないセンサレスの角度検出装置に関する。

（従来技術）
センサレスの角度検出装置に関連する技術として、特許文献１に開示される技術が知られている。
特許文献１は、
・電動モータ（具体的には直流モータ）のロック電流Ｉｓ、
・無負荷時における電動モータの最大回転数（回転速度）Ｎ０、
・現在、電動モータに流れる電流Ｉ、
とした場合、
ｘ＝（Ｎ０／Ｉｓ）∫（Ｉｓ−Ｉ）ｄｔ ・・・（Ｂ）
よりなる導出式（移動量推定式）を用いて「駆動対象物の作動量ｘ」を求める技術である。

（従来技術の問題点）
電動モータの通電開始時に突入電流が発生する駆動方式がある。
具体的には、ＭＯＳ−ＦＥＴやリレー等によるスイッチのＯＮ−ＯＦＦ（通電と非通電の切替え）によって電動モータを駆動する場合、通電を開始してから電圧が立ち上がるまでの間｛図１（ａ）の実線Ａ参照｝、電動モータには突入電流（過渡電流）が発生する｛図１（ａ）の実線Ｂ参照｝。

突入電流はピーク電流であり、この突入電流によって電動モータには多くの電流が流れる。
しかし、突入電流が上昇を開始しても、電動モータは動いていない。
即ち、実際の作動量ｘは、図１（ａ）の破線Ｃに示すように、通電開始Ｔ０から瞬時に増加するのではなく、モータ回転開始Ｔ１（電動モータが実際に回転を開始するタイミング）から増加する。

このため、通電開始Ｔ０からの電流値を用いて作動量ｘを求めると、図１（ａ）の実線Ｄに示すように、電動モータが動いていない期間の電流を用いて作動量ｘを推定してしまう。
その結果、従来技術では、通電開始Ｔ０からモータ回転開始Ｔ１までの電流値によって推定誤差が発生してしまう。

特開昭６３−１１０８６号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流値に基づいて算出される作動量の推定誤差を小さくできるセンサレスの角度検出装置の提供にある。

〔請求項１の手段〕
請求項１の角度検出装置は、電動モータの通電開始から電動モータの回転開始までの期間の電流値に基づいて作動量を算出するのではなく、電動モータの通電開始時に発生する突入電流が上昇から下降に転じて電動モータが回転を開始してからの電流値に基づいて作動量を算出する。
これにより、通電開始からではなく、モータ回転開始からの電流値に基づいて作動量を算出する。このため、通電開始からモータ回転開始までの計測誤差を無くすことができ、電流値に基づいて算出される作動量の推定誤差を小さくすることができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２の手段は、突入電流が上昇から下降に転じたことを検出する手段として、電流値のサンプリング値の比較を用いたものである。
具体的には、突入電流の計測中に計測した電流値（今回のサンプリング値）が、直前で計測した前回値（前回のサンプリング値）より下回った後の電流値に基づいて作動量を算出するものである。

〔請求項３の手段〕
請求項３の手段は、突入電流が上昇から下降に転じたことを検出する手段として、電流値の微分値を用いたものである。
具体的には、突入電流の計測中の電流値を微分し、微分値がプラス値からマイナス値に転じた後の電流値に基づいて作動量を算出するものである。

〔請求項４の手段〕
電流値を用いて作動量を求める方法は限定するものではないが、その一例として請求項４の角度検出装置は、通電計測時間（計測に用いる通電時間：必要通電時間）における電流値の平均値を用いて作動量を求めるものである。
通電計測時間における電流値の平均値を用いて作動量を推定することで、推定値のバラツキ誤差を抑えることができる。

（ａ）従来技術のタイムチャート、（ｂ）実施例のタイムチャートである。 電流検出手段の概略図である。 （ａ）時間軸に対するモータ電流、モータ回転数、作動角の説明図、（ｂ）Ｔｒ−Ｉ特性図、（ｃ）Ｎ−Ｔｒ特性図である。 電流値を用いて作動角を求めるフローチャートである。

図面を参照して［発明を実施するための形態］を説明する。
角度検出装置は、
・電動モータ１を流れた電流値を検出する電流検出手段２（電流センサ）と、
・マイコンを搭載する制御装置３と、
を備えて構成される。

制御装置３は、
・電動モータ１の作動量（ロータの作動量）、
・または、電動モータ１を搭載する電動アクチュエータの作動量（出力軸の作動量）、
・あるいは、電動アクチュエータによって駆動される駆動対象物の作動量（移動量や回転量等）、
のいずれかの作動量を、電動モータ１に流れた電流値（即ち、電流検出手段２によって検出された電流値）に基づいて算出する。

また、制御装置３は、電動モータ１の通電開始時に発生する突入電流が上昇から下降に転じたことを検出する手段を備える。
この手段は、
（ｉ）突入電流の計測中（突入電流が発生する期間中）に計測した電流値（今回のサンプリング値）が、直前で計測した前回値（前回のサンプリング値）より下回った時に、突入電流が上昇から下降に転じたと判断する比較判断手段であっても良いし、
（ｉｉ）突入電流の計測中の電流値を微分し、微分値がプラス値からマイナス値に転じた時に、突入電流が上昇から下降に転じたと判断する微分判断手段であっても良い。
そして、制御装置３は、突入電流が上昇から下降に転じた後の電流値に基づいて作動量を算出する。

以下において本発明の具体的な一例（実施例）を、図面を参照して説明する。この実施例は、具体的な一例を示すものであって、本発明が実施例に限定されないことはいうまでもない。
なお、以下の実施例において、上記「発明を実施するための形態」と同一符号は関連物を示すものである。

例えば自動車には、駆動対象物を駆動するための電動アクチュエータが搭載されている。
この電動アクチュエータは、
・通電により回転力を発生する電動モータ１と、
・この電動モータ１の回転を減速（トルク増幅）する減速機と、
を備えて構成される。

電動モータ１は、通電方向の切替えにより回転方向の反転が可能な直流モータ（例えば、ブラシ付きのＤＣモータ等）である。
減速機は、電動モータ１の発生する回転トルクを減速して出力軸へ伝達する減速手段である。この減速機は、「複数の歯車を組み合わせた歯車減速機」や「プーリ比により減速を行うプーリ減速機」など、適宜適用可能なものである。

電動モータ１は、駆動回路４によって駆動される。この駆動回路４は、電動モータ１の通電状態の切替えを行うもの（電動モータ１の通電のＯＮ−ＯＦＦの切替えを行うもの）であり、電動モータ１の通電を開始すると、電動モータ１に突入電流が発生するものである。

一方、自動車には、上述した電動アクチュエータの制御または監視等を行う制御装置３（ＥＣＵ等）が搭載されている。
この制御装置３は、ＣＰＵを搭載した周知のコンピュータ（マイコン）であり、電動モータ１に流れた電流値に基づいて「電動アクチュエータの作動量ｘ（以下、電動アクチュエータの作動角θａ）」を算出する「作動角モニタ手段（プログラム）」が搭載されている。
即ち、この実施例では、電動アクチュエータに回転角センサを搭載せずに、電動モータ１に流れた電流値から電動アクチュエータの作動角θａを求めるものである。

この「作動角モニタ手段」は、
（ｉ）通電開始Ｔ０からモータ回転開始Ｔ１までの計測誤差をキャンセルする「誤差キャンセル手段（プログラム）」と、
（ｉｉ）通電計測時間（必要通電時間）における電流値の平均値Ｉａを用いて作動角θａを求める「作動角算出手段（プログラム）」と、
を備える。

上記の「誤差キャンセル手段」は、電動モータ１の通電開始時に発生した突入電流が上昇から下降に転じるまでの期間に亘って電流値の計測をキャンセルさせるものである。
具体的にこの実施例では、「電動モータ１の通電開始時に発生する突入電流が上昇から下降に転じたこと」を検出する手段の一例として、「突入電流の計測中（突入電流が発生する期間中）に計測した電流値（今回のサンプリング値）が、直前で計測した前回値（前回のサンプリング値）より下回った時に、突入電流が上昇から下降に転じたと判断する比較判断手段」を用いるものである。

上記の「作動角算出手段」は、上述したように、「通電計測時間（必要通電時間）における電流値の平均値Ｉａ」を用いて作動角θａを推定するものであり、
θａ＝（ｋ×Ｉａ＋ｇ）×Ｔ／ｒ ・・・（Ａ）
よりなる導出式を用いて作動角θａを求める。

ここで、電動モータ１の駆動回路４には、図２に示すように、電動モータ１を流れる電流を検出する電流検出手段２が設けられている。
具体的な電流検出手段２の一例は、
・駆動回路４とグランド（ＧＮＤ）の間に介在させたシャント抵抗２ａと、
・このシャント抵抗２ａによって検出される電圧信号からノイズを除去するフィルタ回路２ｂと、
・このフィルタ回路２ｂを通過した信号を増幅する増幅回路２ｃと、
を備えて構成される。
そして、増幅回路２ｃで増幅された信号は、制御装置３に設けられたＡ／Ｄ変換器（アナログからデジタルへの変換器）によりデジタル信号に変換された後、制御装置３に読み取られる。

次に、上記導出式（Ａ）を図３を参照して説明する。
なお、以下の説明において、
Ｉはモータ電流（電動モータ１を流れる電流）、
Ｔｒはモータトルク（電動モータ１の出力トルク）、
Ｎはモータ回転数（電動モータ１の回転速度）、
θｍはモータ回動角（電動モータ１の回動角）、
θａはＡＣＴ作動角（電動アクチュエータの作動角）、
ｒは減速機の減速比、
ｔは作動時間、
Δｔは一定間隔（１回のサンプリング間隔）、
Ｉｎは一定間隔Δｔでサンプリングしたモータ電流、
Δθｎは一定間隔ΔｔでサンプリングしたＡＣＴ作動角、
Ｉａはモータ電流の平均値、
Ｔは電動アクチュエータを一端から他端まで作動させた際の総通電時間、
α、β、γ、δ、ｋ、ｇは定数、
である。

（モータ電流Ｉから作動角θａを導出する方法）
電動モータ１のＩ−Ｔｒ特性（電流とトルクの関連性）から、モータ電流ＩとモータトルクＴｒの関係を、下記（１）式とし、
Ｉ＝α×Ｔｒ＋β」 ・・・（１）
電動モータ１のＮ−Ｔｒ特性（回転数とトルクの関連性）から、モータ回転数ＮとモータトルクＴｒの関係を、下記（２）式とすると、
Ｎ＝γ×Ｔｒ＋δ ・・・（２）
上記（１）、（２）式からモータ電流Ｉとモータ回転数Ｎの関係は、下記（３）式で表される。
Ｎ＝ｋ×Ｉ＋ｇ ・・・（３）

ここで、ｋ＝γ／α、ｇ＝δ−（γ×β／α）である。
モータ回転角θｍは、モータ回転数Ｎと作動時間ｔから、下記（４）式のように表される。
θｍ＝Ｎ×ｔ ・・・（４）
また、ＡＣＴ作動角θａは、モータ回転角θｍと減速比ｒから、下記（５）式のように表される。
θａ＝θｍ／ｒ ・・・（５）
そして、上記（３）、（４）、（５）式から、ＡＣＴ作動角θａは、モータ電流Ｉを使って下記（６）式のように表される。
θａ＝（ｋ×Ｉ＋ｇ）×ｔ／ｒ ・・・（６）

（モータ電流Ｉが変動する場合）
総通電時間Ｔにおいてサンプリング間隔Δｔでサンプリングしたモータ電流Ｉｎ、そのサンプリング間隔Δｔに作動したＡＣＴ作動角Δθｎとすると、ＡＣＴ作動角θａは、上記（６）式から、下記（７）式のように表される。
θａ＝Σθｎ＝Σ｛（ｋ×Ｉｎ＋ｇ）×Δｔ／ｒ｝
∴θａ＝（ｋΣＩｎ＋ｇ×ｎ）×Δｔ／ｒ｝ ・・・（７）

また、サンプリングしたモータ電流Ｉｎの平均値をＩａとすると、下記（８）式が得られる。
ΣＩｎ＝ｎ×Ｉａ ・・・（８）
そして、上記（７）、（８）式と、Ｔ＝ｎ×Δｔの関係から、ＡＣＴ作動角θａは、下記（Ａ）式で表すことができる。
θａ＝（ｋ×Ｉａ＋ｇ）×Ｔ／ｒ ・・・（Ａ）

（作動角θａの算出作動の説明）
「作動角モニタ手段（誤差キャンセル手段＋作動角算出手段）」の制御例を、図４のフローチャートを参照して説明する。
電動アクチュエータの作動角θａを求める作動量測定ルーチンに侵入すると（スタート）、ステップＳ１〜Ｓ４において「誤差キャンセル手段」を実施する。
先ず、モータ電流Ｉｎをサンプリング取得する（ステップＳ１）。
次に、カウンタ値ｎが予め設定した上限値（通電計測時間）に対応したカウンタ値ｎに達したか否かの判断を行う（ステップＳ２）。

このステップＳ２の判断結果がＮＯの場合は、カウンタ値ｎを１つカウントアップする（ステップＳ３）。
続いて、今回サンプリングしたモータ電流Ｉｎ（今回のサンプリング値）が、１回前にサンプリングしたモータ電流Ｉｎ−１（前回のサンプリング値）より小さいか否かの判断を行う（ステップＳ４）。

このステップＳ４の判断結果がＮＯの場合は、突入電流が上昇中であると判断し、ステップＳ１へ戻る。
一方、ステップＳ４の判断結果がＹＥＳの場合は、突入電流が上昇から下降に転じたと判断し、続くステップＳ５以降において「作動角算出手段」を実施して作動角θａを求める。

具体的には、ステップＳ４の判断結果がＹＥＳの場合は、サンプリング電流Ｉｓｕｍの積み上げを開始する（ステップＳ５）。
次に、ステップＳ１と同様、モータ電流Ｉｎをサンプリング取得する（ステップＳ６）。続いて、カウンタ値ｎが予め設定した上限値（通電計測時間）に対応したカウンタ値ｎに達したか否かの判断を行う（ステップＳ７）。

このステップＳ７の判断結果がＮＯの場合は、カウンタ値ｎを１つカウントアップし（ステップＳ８）、サンプリング電流Ｉｓｕｍを積み上げ（ステップＳ９）、その後ステップＳ６へ戻る。

上記ステップＳ２、Ｓ７の判断結果がＹＥＳの場合は、積み上げたサンプリング電流Ｉｓｕｍをカウント値ｎで割り、通電計測時間（必要通電時間）におけるモータ電流の平均値Ｉａを算出する（ステップＳ１０）。
そして、ステップＳ１０により得た「平均値Ｉａ」を、
θａ＝（ｋ×Ｉａ＋ｇ）×Ｔ／ｒ ・・・（Ａ）
に代入して作動角θａを求め（ステップＳ１１）、この作動量測定ルーチンを終了する（終了）。

（実施例の効果１）
この実施例の角度検出装置は、上述した「誤差キャンセル手段」を用いることにより、「作動角算出手段」が「電動モータ１の通電開始時に発生する突入電流が上昇から下降に転じた後の電流値」に基づいて作動量を算出する。
これにより、図１（ｂ）の実線Ｄに示すように、通電開始Ｔ０からではなく、モータ回転開始Ｔ１からの電流値に基づいて作動量ｘ（電動アクチュエータの作動角θａ）を推定することができる。
このため、制御装置３の推定する作動量ｘ｛図１（ｂ）の実線Ｄ｝を、実際の作動量ｘ｛図１（ｂ）の破線Ｃ｝に近づけることができる。

このように、通電開始Ｔ０からモータ回転開始Ｔ１までの計測誤差を無くすことができ、制御装置３が算出する作動量ｘの推定誤差を小さくすることができる。
即ち、この実施例では、制御装置３による電動アクチュエータの作動角θａの推定誤差を小さくすることができる。

（実施例の効果２）
この実施例の角度検出装置は、上述したように、「今回のサンプリング値」と「前回のサンプリング値」を比較するだけで、「電動モータ１の通電開始時に発生する突入電流が上昇から下降に転じたこと」を検出するため、制御装置３の演算負荷を軽くすることができる。

（実施例の効果３）
この実施例の角度検出装置は、上述したように、通電計測時間（必要通電時間）における電流値の平均値を用いて電動アクチュエータの作動角θａを求めている。
通電計測時間（必要通電時間）における電流値の平均値を用いて作動角θａを推定することで、ロック電流に対する依存度を減らすことができ、電流値から求めた作動角θａのバラツキ誤差を抑えることができる。

上記の実施例では、「電動モータ１の通電開始時に発生する突入電流が上昇から下降に転じたこと」を検出する手段として、「今回のサンプリング値」と「前回のサンプリング値」を比較することで判断する例を示したが、限定されるものではなく、他の手段を用いても良い。
具体的には、「電動モータ１の通電開始時に発生する突入電流が上昇から下降に転じたこと」を検出する手段として、「突入電流の計測中の電流値を微分し、微分値がプラス値からマイナス値に転じた時に、突入電流が上昇から下降に転じたと判断する微分判断手段｛図１（ｂ）の実線Ｅ参照｝」を用いても良い。

上記の実施例では、
（ｉ）電動モータ１に流れた電流値に基づいて「電動アクチュエータによって駆動される駆動対象物の作動量（具体的には電動アクチュエータの作動角θａ）」を求める例を示したが、限定されるものではなく、
（ｉｉ）電動モータ１に流れた電流値に基づいて「電動モータ１の作動量（即ち、ロータの回転量）」を求めても良いし、
（ｉｉｉ）電動モータ１に流れた電流値に基づいて「電動アクチュエータによって駆動される駆動対象物の作動量（電動アクチュエータからリンク装置等の伝達手段を介して作動する駆動対象物の作動量）」を求めても良い。

１ 電動モータ
２ 電流検出手段
３ 制御装置

Claims (4)

1. 通電により回転力を発生する電動モータの作動量、
   または、前記電動モータを搭載する電動アクチュエータの作動量、
   あるいは、前記電動アクチュエータによって駆動される駆動対象物の作動量、
   のいずれかの作動量を、前記電動モータに流れた電流値に基づいて算出する角度検出装置において、
   この角度検出装置は、前記電動モータの通電開始から前記電動モータの回転開始までの期間の電流値に基づいて作動量を算出するのではなく、前記電動モータの通電開始時に発生する突入電流が上昇から下降に転じて前記電動モータが回転を開始してからの電流値に基づいて作動量を算出することを特徴とする角度検出装置。
2. 請求項１に記載の角度検出装置において、
   この角度検出装置は、突入電流の計測中に計測した電流値が、直前で計測した前回値より下回った後の電流値に基づいて作動量を算出することを特徴とする角度検出装置。
3. 請求項１に記載の角度検出装置において、
   この角度検出装置は、突入電流の計測中の電流値を微分し、微分値がプラス値からマイナス値に転じた後の電流値に基づいて作動量を算出することを特徴とする角度検出装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の角度検出装置において、
   この角度検出装置は、通電計測時間における電流値の平均値を用いて作動量を求めることを特徴とする角度検出装置。

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