JP5953965B2 - 回転角センサの異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の回転角を検出するレゾルバを２つ備える回転角センサの異常検出装置に関する。

回転角センサの一つとして、回転軸の回転角に応じた複数相の信号を出力するレゾルバが知られている。レゾルバは、回転軸と一体となって回転するロータ、及びロータの周囲を囲むように配置されるステータを備えている。レゾルバには、励磁巻線及び複数相の検出巻線が設けられている。レゾルバでは、励磁巻線への励磁信号の入力により磁界が形成される。この磁界が複数相の検出巻線に付与されることで、各相の検出巻線に誘起電圧が発生する。これにより、各相の検出巻線から位相の異なる正弦波状の信号が出力される。また、ロータの回転に伴って各相の出力巻線に付与される磁界が変化することにより、各相の検出巻線に発生する誘起電圧が変化する。よって、各相の検出巻線から出力される信号の振幅がロータの回転角に応じて変化する。そして、各相の検出巻線から出力される信号はＲ／Ｄ（レゾルバ／デジタル）変換器に取り込まれる。Ｒ／Ｄ変換器は、各相の出力信号に基づいてロータの回転角、換言すれば回転軸の回転角を演算する。

一方、こうしたレゾルバを２つ備える回転角センサとしては、特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載の回転角センサでは、Ｒ／Ｄ変換器から共通の入力線を介して２つのレゾルバに励磁信号が入力される。また、２つのレゾルバは、共通の接地線を介してＲ／Ｄ変換器の接地端子に接続されることにより接地されている。

特開２００３−３１５１８１号公報

ところで、特許文献１の回転角センサでは、共通の入力線及び接地線のいずれか一方の配線が断線すると、２つのレゾルバが共に停止してしまう。このような不都合を解消するためには、入力線及び接地線をそれぞれ複数設ける二重系化（冗長設計）を行うことが望ましい。

しかしながら、入力側及び接地側の配線系を二重系化しても、例えば回転角センサの製造時に二重系化した配線の一方が断線してしまうと、結局、実際の使用時に二重系化の効果を得ることができない。このため、配線系を二重系化しつつ、更にその断線を検出できることが望ましい。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、２つのレゾルバの配線系を二重系化した回転角センサにおける配線系の断線を検出することの可能な回転角センサの異常検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転角センサの断線異常を検出する回転角センサの異常検出装置であって、前記回転角センサとして、第１の接地線を介して接地され、第１の回転軸の回転角に応じて変化する複数相の信号を出力する第１のレゾルバと、前記第１の接地線とは別の第２の接地線を介して接地され、第２の回転軸の回転角に応じて変化する複数相の信号を出力する第２のレゾルバと、前記第１の接地線及び前記第２の接地線の間を接続する抵抗とを備える回転角センサが用いられ、前記第１のレゾルバは、前記複数相の信号として、前記第１の回転軸の回転角に応じて振幅が変化する複数相の正弦波状の信号を出力するものであり、前記第２のレゾルバは、前記複数相の信号として、前記第２の回転軸の回転角に応じて振幅が変化する複数相の正弦波状の信号を出力するものであり、前記第１のレゾルバから出力される各相信号の振幅の中央値、及び前記第２のレゾルバから出力される各相信号の振幅の中央値をそれぞれ監視し、それらの中央値の変化に基づいて前記第１の接地線及び前記第２の接地線のいずれが断線したかを判断することを要旨とする。

同構成の回転角センサの場合、仮に第１の接地線が断線しても、第１のレゾルバは抵抗を介して第２の接地線に接続されることにより、接地状態を維持することができる。このため、第１のレゾルバは動作を継続することができる。同様に、第２の接地線が断線した場合にも、第２のレゾルバは動作を継続することができる。よって、２つのレゾルバの接地側の配線系を二重系化することができる。
一方、第１のレゾルバが抵抗を介して接地されるようになると、第１のレゾルバの接地電位が変化する。これにより、第１のレゾルバの出力が変化するため、その変化に基づいて第１の接地線の断線を検出することができる。同様に、第２の接地線の断線も第２のレゾルバの出力の変化に基づいて検出可能である。よって、２つのレゾルバの接地側の配線系を二重系化しつつ、その配線系の断線を検出することができる。
特に、第１の接地線の断線により第１のレゾルバの接地電位が変化した場合、第１のレゾルバから出力される各相信号の振幅の中央値が変化する。また、第２の接地線の断線により第２のレゾルバの接地電位が変化した場合、第２のレゾルバから出力される各相信号の振幅の中央値が変化する。よって、上記構成によれば、第１の接地線及び第２の接地線の断線を容易に検出することができる。

本発明の回転角センサの異常検出装置によれば、２つのレゾルバの配線系を二重系化した回転角センサにおける配線系の断線を検出することができる。

回転角センサ及びその異常検出装置を利用したトルクセンサの一実施形態についてその構成を示すブロック図。 実施形態のトルクセンサについてその第１の入力線の断線の検出原理を説明するためのブロック図。 実施形態のトルクセンサについてその第１の接地線の断線の検出原理を説明するためのブロック図。 実施形態のトルクセンサによる断線検出処理の手順を示すフローチャート。

以下、回転角センサ及びその異常検出装置をトルクセンサに適用した一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、このトルクセンサは、第１の回転軸Ｓ１の回転角θ１及び第２の回転軸Ｓ２の回転角θ２を検出する回転角センサ１、及び回転角センサ１の出力に基づき各回転軸Ｓ１，Ｓ２に作用するトルクを演算するトルク演算部２を備えている。第１の回転軸Ｓ１及び第２の回転軸Ｓ２は図示しないトーションバーを介して互いに連結されている。

回転角センサ１は、第１の回転軸Ｓ１の回転角θ１を検出する第１のレゾルバ１０、及び第２の回転軸Ｓ２の回転角θ２を検出する第２のレゾルバ２０を備えている。
第１のレゾルバ１０は、第１の回転軸Ｓ１と一体となって回転するロータ１１、及びロータ１１の周囲を囲むように配置される図示しないステータを備えている。ステータには、励磁巻線１２、及び第１相〜第３相の検出巻線１３ａ〜１３ｃが設けられている。すなわち、第１のレゾルバ１０は一相励磁三相出力の構造からなる。

励磁巻線１２の一端は第１の入力線Ｗｅｘ１を介してトルク演算部２の出力端子Ｔｅｘ１に接続されている。励磁巻線１２の他端は第１の接地線Ｗｇｄ１を介してトルク演算部２の接地端子Ｔｇｄ１に接続されている。この接地端子Ｔｇｄ１はトルク演算部２内の接地ラインに接続されている。すなわち、励磁巻線１２の他端は接地電位となっている。

第１相〜第３相の検出巻線１３ａ〜１３ｃのそれぞれの一端は信号線Ｗ１ａ〜Ｗ１ｃを介してトルク演算部２の入力端子Ｔ１ａ〜Ｔ１ｃに接続されている。第１相〜第３相の検出巻線１３ａ〜１３ｃのそれぞれの他端は第１の接地線Ｗｇｄ１を介してトルク演算部２の接地端子Ｔｇｄ１に接続されている。すなわち、第１相〜第３相の検出巻線１３ａ〜１３ｃのそれぞれの他端は接地電位となっている。

第１のレゾルバ１０では、トルク演算部２の出力端子Ｔｅｘ１から交流電圧からなる励磁信号Ｖｅｘが第１の入力線Ｗｅｘ１を介して励磁巻線１２に入力されると、励磁巻線１２が磁界を生成する。この磁界がロータ１１とステータとの間に形成された磁路を通じて各相の検出巻線１３ａ〜１３ｃに付与されることで、検出巻線１３ａ〜１３ｃに誘起電圧が発生する。これにより、各相の検出巻線１３ａ〜１３ｃから位相の異なる正弦波状の信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃが出力される。また、ロータ１１の回転に伴って各相の検出巻線１３ａ〜１３ｃに付与される磁界が変化することで、各相の検出巻線１３ａ〜１３ｃに発生する誘起電圧が変化する。これにより、各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの振幅がロータ１１の回転角に応じて変化する。各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃは信号線Ｗ１ａ〜Ｗ１ｃを介してトルク演算部２の入力端子Ｔ１ａ〜Ｔ１ｃに入力される。

第２のレゾルバ２０は第１のレゾルバ１０と基本的に同様の構造を有している。すなわち、第２のレゾルバ２０は、第２の回転軸Ｓ２と一体となって回転するロータ２１、及びロータ２１の周囲を囲むように配置される図示しないステータを備えている。ステータには、励磁巻線２２、及び第１相〜第３相の検出巻線２３ａ〜２３ｃが設けられている。

励磁巻線２２の一端は第２の入力線Ｗｅｘ２を介してトルク演算部２の出力端子Ｔｅｘ２に接続されている。励磁巻線２２の他端は第２の接地線Ｗｇｄ２を介してトルク演算部２の接地端子Ｔｇｄ２に接続されている。この接地端子Ｔｇｄ２もトルク演算部２内の接地ラインに接続されている。すなわち、励磁巻線２２の他端は接地電位となっている。

第１相〜第３相の検出巻線２３ａ〜２３ｃのそれぞれの一端は信号線Ｗ２ａ〜Ｗ２ｃを介してトルク演算部２の入力端子Ｔ２ａ〜Ｔ２ｃに接続されている。第１相〜第３相の検出巻線２３ａ〜２３ｃのそれぞれの他端は第２の接地線Ｗｇｄ２を介してトルク演算部２の接地端子Ｔｇｄ２に接続されている。すなわち、第１相〜第３相の検出巻線２３ａ〜２３ｃのそれぞれの他端は接地電位となっている。

この第２のレゾルバ２０の動作は、上述した第１のレゾルバ１０の動作と同様であるため、その詳細は割愛する。第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃは信号線Ｗ２ａ〜Ｗ２ｃを介してトルク演算部２の入力端子Ｔ２ａ〜Ｔ２ｃに入力される。

トルク演算部２はマイコンなどを中心に構成されている。トルク演算部２は、出力端子Ｔｅｘ１，Ｔｅｘ２から第１の入力線Ｗｅｘ１及び第２の入力線Ｗｅｘ２に同一の励磁信号をそれぞれ出力する。また、トルク演算部２は、入力端子Ｔ１ａ〜Ｔ１ｃに入力される各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃに基づいて第１の回転軸Ｓ１の回転角θ１を演算する。また、トルク演算部２は、入力端子Ｔ２ａ〜Ｔ２ｃに入力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃに基づいて第２の回転軸Ｓ２の回転角θ２を演算する。このようにトルク演算部２は、Ｒ／Ｄ（レゾルバ／デジタル）変換器としての機能を有している。トルク演算部２は、演算した第１の回転軸Ｓ１の回転角θ１、及び第２の回転軸Ｓ２の回転角θ２の差分値を演算することでトーションバーの捻れ量を求める。そして、求めた捻れ量にトーションバーのばね定数を乗算するなどして各回転軸Ｓ１，Ｓ２に作用するトルクを演算する。

一方、回転角センサ１には、２つのレゾルバ１０，２０の入力側の配線系を二重系化すべく、２つの入力線Ｗｅｘ１，Ｗｅｘ２の間を接続する抵抗Ｒ１が設けられている。また、回転角センサ１には、２つのレゾルバ１０，２０の接地側の配線系を二重系化すべく、２つの接地線Ｗｇｄ１，Ｗｇｄ２の間を接続する抵抗Ｒ２が設けられている。このような構造により、トルク演算部２は、第１のレゾルバ１０から出力される各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃを監視することにより、第１の入力線Ｗｅｘ１及び第１の接地線Ｗｇｄ１の断線を検出することができる。また、第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃを監視することにより、第２の入力線Ｗｅｘ２及び第２の接地線Ｗｇｄ２の断線を検出することができる。

次に、配線系の二重系化の原理、並びにトルク演算部２による断線の検出原理について説明する。
例えば図２に示すように、第１の入力線Ｗｅｘ１が断線したとする。この場合、図中に矢印で示すように第２の入力線Ｗｅｘ２から抵抗Ｒ１を介して第１の入力線Ｗｅｘ１に励磁信号が入力される。よって、この励磁信号Ｖｅｘが励磁巻線１２に入力されるため、第１のレゾルバ１０は動作を継続することができる。同様に、第２の入力線Ｗｅｘ２が断線した場合にも、第１の入力線Ｗｅｘ１から抵抗Ｒ１を介して第２の入力線Ｗｅｘ２に入力される励磁信号Ｖｅｘにより第２のレゾルバ２０は動作を継続することができる。よって、２つのレゾルバ１０，２０の入力側の配線系を二重系化することができる。

また、第１の入力線Ｗｅｘ１の断線により第１のレゾルバ１０の励磁巻線１２に抵抗Ｒ１を介して励磁信号Ｖｅｘが入力されるようになると、抵抗Ｒ１の電圧降下分だけ励磁巻線１２の印加電圧が低下する。これにより、第１のレゾルバ１０の出力が低下する。ところで、励磁巻線１２への印加電圧のピーク間の電位差Ｖｐｐと、各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの二乗和Ｓとの間には以下の式（１）に示す相関関係が成立する。なお、「Ｋ」は第１のレゾルバ１０の変圧比を示す。

Ｓ＝１．５×（Ｋ×Ｖｐｐ／２）^２・・・（１）
よって、各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの二乗和Ｓが小さくなることをもって第１の入力線Ｗｅｘ１が断線したと判断することができる。同様に、第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの二乗和が小さくなることをもって第２の入力線Ｗｅｘ２が断線したと判断することができる。

一方、図３に示すように、第１の接地線Ｗｇｄ１が断線したとする。この場合、図中に矢印で示すように、第１のレゾルバ１０は、抵抗Ｒ２を介して第２の接地線Ｗｇｄ２に接続されるため、接地状態を維持することができる。よって、第１のレゾルバ１０は動作を継続することができる。同様に、第２の接地線Ｗｇｄ２が断線した場合にも、第２のレゾルバ２０は、抵抗Ｒ２及び第１の接地線Ｗｇｄ１を介して接地状態を維持することができるため、その動作を継続することができる。よって、２つのレゾルバ１０，２０の接地側の配線系を二重系化することができる。

また、第１の接地線Ｗｇｄ１の断線により第１のレゾルバ１０が抵抗Ｒ２を介して第２の接地線Ｗｇｄ２に接続されるようになると、抵抗Ｒ２により第１のレゾルバ１０の接地電位が上昇する。すなわち、励磁巻線１２、及び第１相〜第３相の検出巻線１３ａ〜１３ｃのそれぞれの接地電位が上昇する。これにより、第１相〜第３相の検出巻線１３ａ〜１３ｃから出力される各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの振幅の中央値が増加する。よって、各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの振幅の中央値が増加することをもって第１の接地線Ｗｇｄ１が断線したと判断することができる。同様に、第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの振幅の中央値が増加することをもって第２の接地線Ｗｇｄ２が断線したと判断することができる。

本実施形態のトルク演算部２は、こうした原理を利用して２つの入力線Ｗｅｘ１，Ｗｅｘ２及び２つの接地線Ｗｇｄ１，Ｗｇｄ２の断線を検出する断線検出処理を実行する。次に、図４を参照して、この断線検出処理の具体的な手順についてその作用とともに説明する。なお、トルク演算部２は図４に示す処理を所定の演算周期をもって繰り返し実行する。

図４に示すように、トルク演算部２は、まず、第１のレゾルバ１０から出力される各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの二乗和が第１の判定値よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ１）。本実施形態では、第１の入力線Ｗｅｘ１及び第１の接地線Ｗｇｄ１が断線していない正常時に第１のレゾルバ１０から出力される各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの二乗和の値が予め求められている。そしてその正常時の二乗和の値が第１の判定値に設定されている。なお、演算誤差を考慮して、第１の判定値を正常時の二乗和よりも所定値だけ小さい値に設定してもよい。トルク演算部２は、各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの二乗和が第１の判定値よりも小さい場合には（ステップＳ１：ＹＥＳ）、第１の入力線Ｗｅｘ１が断線していると判断する（ステップＳ２）。

トルク演算部２は、各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの二乗和が第１の判定値以上である場合（ステップＳ１：ＮＯ）、あるいはステップＳ２の処理を実行した場合には、第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの二乗和が第２の判定値よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ３）。第２の判定値は、第１の判定値と同様に、正常時に第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの二乗和に基づいて設定されている。トルク演算部２は、各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの二乗和が第１の判定値よりも小さい場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、第２の入力線Ｗｅｘ２が断線していると判断する（ステップＳ４）。

トルク演算部２は、各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの二乗和が第２の判定値以上である場合（ステップＳ３：ＮＯ）、あるいはステップＳ４の処理を実行した場合には、第１のレゾルバ１０から出力される各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの振幅の中央値が第３の判定値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ５）。本実施形態では、第１の入力線Ｗｅｘ１及び第１の接地線Ｗｇｄ１が断線していない正常時に第１のレゾルバ１０から出力される各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの振幅の中央値が予め求められている。そしてその正常時の振幅の中央値が第３の判定値に設定されている。なお、演算誤差などを考慮して、第３の判定値を正常時の振幅の中央値よりも所定値だけ大きい値に設定してもよい。トルク演算部２は、各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの振幅の中央値が第３の判定値よりも大きい場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、第１の接地線Ｗｇｄ１が断線していると判断する（ステップＳ６）。

トルク演算部２は、各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの振幅の中央値が第３の判定値以下である場合（ステップＳ５：ＮＯ）、あるいはステップＳ６の処理を実行した場合には、第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの振幅の中央値が第４の判定値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ７）。第４の判定値は、第３の判定値と同様に、正常時に第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの振幅の中央値に基づいて設定されている。トルク演算部２は、各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの振幅の中央値が第４の判定値よりも大きい場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、第２の接地線Ｗｇｄ２が断線していると判断する（ステップＳ８）。また、トルク演算部２は、各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの振幅の中央値が第４の判定値以下である場合（ステップＳ７：ＮＯ）、一連の処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態のトルクセンサによれば、以下のような効果が得られる。
（１）回転角センサ１には、第１のレゾルバ１０に励磁信号を入力するための入力線Ｗｅｘ１と、第２のレゾルバ２０に励磁信号を入力するための入力線Ｗｅｘ２との間を接続する抵抗Ｒ１を設けた。これにより、２つのレゾルバ１０，２０の入力側の配線系を二重系化しつつ、２つの入力線Ｗｅｘ１，Ｗｅｘ２の断線を検出することができる。

（２）回転角センサ１には、第１のレゾルバ１０の接地線Ｗｇｄ１と、第２のレゾルバ２０の接地線Ｗｇｄ２との間を接続する抵抗Ｒ２を設けた。これにより、２つのレゾルバ１０，２０の接地側の配線系を二重系化しつつ、２つの接地線Ｗｇｄ１，Ｗｇｄ２の断線を検出することができる。

（３）トルク演算部２では、第１のレゾルバ１０から出力される各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの二乗和、及び第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの二乗和をそれぞれ監視した。そして、それらの二乗和の変化に基づいて２つの入力線Ｗｅｘ１，Ｗｅｘ２の断線を検出した。これにより、それらの断線を容易に検出することができる。

（４）トルク演算部２では、第１のレゾルバ１０から出力される各相信号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃの中央値、及び第２のレゾルバ２０から出力される各相信号Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃの中央値をそれぞれ監視した。そして、それらの中央値の変化に基づいて２つの接地線Ｗｇｄ１，Ｗｇｄ２の断線を検出した。これにより、それらの断線を容易に検出することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・抵抗Ｒ１を削除し、抵抗Ｒ２だけを設けてもよい。逆に、抵抗Ｒ２を削除し、抵抗Ｒ１だけを設けてもよい。

・一相励磁三相出力のレゾルバを２つ備える回転角センサ１に限らず、各種レゾルバに適用することができる。例えば一相励磁二相出力のレゾルバを２つ備える回転角センサに適用することもできる。

・トルクセンサに限らず、２つのレゾルバを備える適宜の回転角センサ及びその異常検出装置に適用することができる。

Ｒ１，Ｒ２…抵抗、Ｓ１…第１の回転軸、Ｓ２…第２の回転軸、Ｗｅｘ１…第１の入力線、Ｗｅｘ２…第２の入力線、Ｗｇｄ１…第１の接地線、Ｗｇｄ２…第２の接地線、１…回転角センサ、１０…第１のレゾルバ、１２…第１の励磁巻線、２０…第２のレゾルバ、２２…第２の励磁巻線。

Claims (1)

1. 回転角センサの断線異常を検出する回転角センサの異常検出装置であって、
   前記回転角センサとして、
   第１の接地線を介して接地され、第１の回転軸の回転角に応じて変化する複数相の信号を出力する第１のレゾルバと、
   前記第１の接地線とは別の第２の接地線を介して接地され、第２の回転軸の回転角に応じて変化する複数相の信号を出力する第２のレゾルバと、
   前記第１の接地線及び前記第２の接地線の間を接続する抵抗と
   を備える回転角センサが用いられ、
   前記第１のレゾルバは、前記複数相の信号として、前記第１の回転軸の回転角に応じて振幅が変化する複数相の正弦波状の信号を出力するものであり、
   前記第２のレゾルバは、前記複数相の信号として、前記第２の回転軸の回転角に応じて振幅が変化する複数相の正弦波状の信号を出力するものであり、
   前記第１のレゾルバから出力される各相信号の振幅の中央値、及び前記第２のレゾルバから出力される各相信号の振幅の中央値をそれぞれ監視し、それらの中央値の変化に基づいて前記第１の接地線及び前記第２の接地線のいずれが断線したかを判断する
   ことを特徴とする回転角センサの異常検出装置。