JP6888752B1 - 回転角度算出装置の校正方法、回転角度算出装置の校正装置、回転角度算出装置、モータ制御装置、電動アクチュエータ製品及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents
回転角度算出装置の校正方法、回転角度算出装置の校正装置、回転角度算出装置、モータ制御装置、電動アクチュエータ製品及び電動パワーステアリング装置 Download PDFInfo
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Abstract
Description
このような回転角度算出装置を使用する場合には、センサの出力信号から算出した回転角度と、別途測定した回転体の回転角度の測定データとを比較して、回転角度算出装置を校正することが好ましい。
上記特許文献2のようにタイムスタンプの比較によって同期を確保する場合、回転角度算出装置の計時手段と外部測定装置の計時手段とが同期していないと、回転角度算出装置が算出した回転角度と外部測定装置で得た測定データとの同期を確保できない。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、回転角度算出装置が算出した回転角度と、回転角度算出装置とは別の外部測定装置で測定した回転角度との同期を確保して、回転角度算出装置の校正データを生成することを目的とする。
本発明の更なる他の一形態によれば、上記のモータ制御装置と、モータ制御装置によって制御されるモータと、を備える電動アクチュエータ製品が与えられる。
本発明の更なる他の一形態によれば、上記のモータ制御装置と、モータ制御装置によって制御されるモータと、を備え、モータによって車両の操舵系に操舵補助力を付与することを特徴とする電動パワーステアリング装置が与えられる。
なお、以下に示す本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の構成、配置等を下記のものに特定するものではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
図1を参照する。実施形態の校正システム1は、回転体であるモータ10の回転軸11の回転角度を算出する回転角度算出装置を校正する。なお、本発明の対象は、モータ10の回転軸11の回転角度を算出する回転角度算出装置に限定されない。本発明は、様々な回転体の回転角度を算出する回転角度算出装置に適用できる。
センサユニット20は、回転軸11の回転に応じた検出信号を制御装置30に出力する。図2を参照する。センサユニット20は、磁石21と、回路基板22と、支持部材23とを備える。
回路基板22には磁束を検出するMR(磁気抵抗:Magnetic Resistance)センサ素子(Integrated Circuit)24が実装されている。回路基板22に複数のMRセンサ素子を実装して、各々のMRセンサ素子の検出信号に基づいて回転軸11を別個に算出する冗長系を構成してもよい。
回路基板22が支持部材23に固定される位置と、支持部材23がモータ10に固定される位置は、回路基板22が支持部材23に固定され且つ支持部材23がモータ10に固定されたときに、支持部材23とモータ10との間に回路基板22が配置されて、MRセンサ素子24が磁石21に近接するように決定されている。
例えば、MRセンサ素子24は、モータ10の回転軸11の回転角度θmに応じた正弦信号sinθmと余弦信号cosθmを、モータ10の回転軸11の回転に応じた検出信号として出力する。
なお、本発明の回転角度算出装置が使用するセンサはMRセンサに限定されない。本発明の回転角度算出装置は、MRセンサ以外の方式のセンサによってモータ10の回転軸11の回転角度θmを検出してもよい。
支持部材23は、例えばアルミ合金などの熱伝導性のよい金属で形成されて、ヒートシンクとしての役割を果たしてよい。また、支持部材23はヒートシンクそのものであってもよい。
制御装置30は、MRセンサ素子24による検出信号に基づいてモータ10の回転軸11の回転角度θmを演算し、演算した回転角度θmに応じてパワー半導体スイッチング素子を制御して、モータ10を駆動する。
以下に説明する制御装置30の機能は、例えばプロセッサ31が、記憶装置32に格納されたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。
例えば、制御装置30は、汎用の半導体集積回路中に設定される機能的な論理回路を備えてもよい。例えば制御装置30は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA:Field-Programmable Gate Array)等のプログラマブル・ロジック・デバイス(PLD:Programmable Logic Device)等を有していてもよい。
制御装置30は、ADC33及びADC34によってディジタル信号に変換された正弦信号SIN及び余弦信号COSを読み取る。
制御装置30は、検出角度θcを校正するための校正データDcを、図1に示す校正装置40の外部測定装置43から通信I/F回路36を経由して受信する。
制御装置30は、演算した回転角度θmに応じて駆動回路35(例えばインバータなど)を制御して、モータ10を駆動する。
制御装置30は、回転角度算出部50と、補正部51と、駆動信号生成部52と、計時部53と、送信データ生成部54と、送信部55と、受信部56と、校正データ取得部57を備える。
回転角度算出部50は、ADC33及びADC34によってディジタル信号に変換された正弦信号SIN及び余弦信号COSに基づいて、モータ10の回転軸11の回転角度の検出角度θcを算出する。
演算部62は、加算器60の出力(COS+SIN)と、減算器61の出力(COS−SIN)とに基づいて検出角度θcを算出する。
校正データDcは、検出対象である実際の回転角度θmと検出角度θcとの誤差(いわゆるリニアリティ誤差)を補正するデータである。
校正データDcは、例えば、検出角度θcと基準角度θrの差分(θc−θr)を検出角度θcに対応付けて記憶装置32に格納したデータである。
図4を参照する。補正部51は、検出角度θcに関連付けられて記憶された校正データDc=(θc−θr)を記憶装置32から読み出して、検出角度θcから減じることにより補正後の回転角度θr=θmを算出する。
以上により、制御装置30はモータ10の回転軸11の回転角度θmに応じてモータ10を駆動する。
一方で制御装置30は、モータ駆動モードに加えて、回転角度算出部50により算出され、かつ補正部51によって補正される前の検出角度θcを示すデータを出力するモード(以下「データ出力モード」と表記することがある)を、制御装置30の動作モードの一つとして有する。
データ出力モードでは、回転角度算出部50と、計時部53と、送信データ生成部54と、送信部55が作動する。
送信データ生成部54は、MRセンサ素子24からの検出信号(正弦信号SIN及び余弦信号COS)を制御装置30が取り込んだタイミングを示すタイミング信号Stを受信する。
送信データ生成部54は、タイミング信号Stが示すタイミングで計時部53が計時した時刻を、MRセンサ素子24の検出信号の取り込み時刻tc1として取得する。
送信データのデータフォーマットの一例を図7に示す。送信データは、回転角度データDaと時間差データDtとが同一のフレームに格納されるデータフォーマットを有する。
また例えば、送信データは、回転角度データDaが使用可能なデータであるか否かの状態を示すステータス情報が含んでもよい。なお、ステータス情報は必須ではない。
また、複数のMRセンサ素子にて冗長系を構成する場合、それぞれのMRセンサ素子に対応する回転角度データDa及び時間差データDtを同一のフレームに格納しても良いし、複数のフレームに分割して送信しても良い。また、複数のMRセンサ素子にて冗長系を構成する場合、予め定めたMRセンサ素子の回転角度データDaに対する角度差分として送信して良い。例えば、3系統の冗長系の場合、第1系統の回転角度データを100度、第2系統の回転角度データを102度、第3系統の回転角度データを99度とする。第1系統の回転角度データとして100度を送信し、第2系統及び第3系統の回転角度データとして、第1系統の回転角度データとの差分である+2度及び−1度を回転角度データとして送信しても良い。このようにすることで送信データの圧縮が図れる。
ここで、送信データ生成部54が時間差データDtを送信データに格納する時点は、送信データが送信される時点以前の時点である。したがって、送信データ生成部54は、送信データを生成する時点では、送信データが送信される時点を計時することができない。このため、例えば送信データ生成部54は、取り込み時刻tc1から送信データの生成完了までの時間差を示す時間差データDtを生成してよい。
送信部55が送信データを送信するのに要する処理時間tは、固定された既知の処理時間である。したがって、時間差データDtは、処理時間tが加算されることにより、取り込み時刻tc1から送信データを送信するまでの時間差を間接的に表すことができる。
なお、検出角度θcを受信してから送信データの生成完了までに要する時刻が既知の固定時間である場合には、検出角度θcの受信タイミングで計時部53が計時した時刻を取得して送信データの生成完了時刻を予測してもよい。また、回転角度データDaやステータス情報を送信データに格納してから送信データの生成完了までに要する時刻が既知の固定時間である場合には、これらのデータの格納タイミングで計時部53が計時した時刻を取得して送信データの生成完了時刻を予測してもよい。
なお、送信部55による回転角度データDa及び時間差データDtの送信形態は上記に限定されない。送信データ生成部54は、回転角度データDaを送信した後に時間差データDtを生成し、送信部55は、回転角度データDaを送信した後に時間差データDtを送信してもよい。この場合に送信データ生成部54は、送信部55が回転角度データDaを送信した時点で計時部53が計時した時刻を取得し、MRセンサ素子24から検出信号を取り込んだ取り込み時刻tc1から回転角度データDaを送信するまでの時間差を直接表す時間差データDtを生成してもよい。
校正データ受信モードでは、受信部56と校正データ取得部57が作動する。
受信部56は、校正データDcを外部から受信する。例えば、受信部56は、校正装置40の外部測定装置43から校正データDcを受信する。
校正データ取得部57は、受信部56が受信した校正データDcを、記憶装置32に格納する。
駆動モータ41の回転軸44は、連結部45によりモータ10の回転軸11に連結されている。駆動モータ41は、回転軸44を回転させることにより、モータ10の回転軸11を回転させて回転軸11の回転角度θmを様々な角度に変更する。
なお、回転角度測定部42はエンコーダに限定されるものではなく、他の形式の回転角度測定装置(例えば、校正済の回転角度測定装置)等であってもよい。
外部測定装置43は、CPUやMPU等であるプロセッサ46と、メモリ等である記憶装置47と、通信I/F回路48と、I/F(インタフェース回路)49を備える。
外部測定装置43は、通信I/F回路48を経由して、制御装置30から回転角度データDa及び時間差データDtを受信する。また、通信I/F回路48を経由して校正データDcを制御装置30へ送信する。
外部測定装置43は、I/F49を経由して、回転角度測定部42から基準角度測定信号Srを受信する。
外部測定装置43は、プロセッサ46に加えて又は代えて、以下に説明する各情報処理を実行するための専用のハードウエアにより形成してもよい。
例えば、外部測定装置43は、汎用の半導体集積回路中に設定される機能的な論理回路を備えてもよい。例えば外部測定装置43は、FPGA等のPLDを有していてもよい。
受信部70は、制御装置30から送信される送信データを受信する。受信部70は、送信データに含まれる回転角度データDaを校正データ生成部74へ出力し、送信データに含まれる時間差データDtを取込時刻算出部73に出力する。
計時部72は、時刻を計時する。例えば、計時部72は所定の時点からの経過時間を時刻として計時してもよく、現在時刻を計時してもよい。
または、取込時刻算出部73は、受信部70で送信データを受信したタイミングを高速監視して、送信データが受信されたタイミングで計時部72が計時した時刻を、送信データの通信時刻ttとして取得してもよい。
例えば、取込時刻算出部73は、時間差データDtが示す時間差tdに、送信部55が送信データを送信するのに要する既知の処理時間tを加えた時間長だけ、通信時刻ttから遡った時刻を、取り込み時刻tc2として算出する。
また例えば、上記のように、MRセンサ素子24の検出信号の取り込み時刻tc1から回転角度データDaを送信するまでの時間差を直接表す時間差データDtを、回転角度データDaの後に送信する場合には、時間差データDtが示す時間差に通信時刻ttから遡った時刻を、取り込み時刻tc2として算出する。
すなわち、校正データ生成部74は、取り込み時刻tc2に取り込まれたMRセンサ素子24の検出信号と同期した基準角度θrを検索する。すなわち、回転角度データDaが示す検出角度θcと同期した基準角度θrを検索する。
校正データ生成部74は、回転角度データDaが示す検出角度θcと基準角度θrとの差分(θc−θr)を算出し、差分(θc−θr)を検出角度θcに関連付けて、校正データDcを生成する。また、得られた複数の検出角度θc及び対応する複数の校正データDcから補間手法等を用いて、校正データDcを再構成するようにしてもよい。このようにすることでより細やかな校正データDcとすることができる。
時刻t10において、ADC33及びADC34は、MRセンサ素子24の検出信号(正弦信号SIN、余弦信号COS)の変換を開始する。制御装置30の送信データ生成部54は、時刻t10を取り込み時刻tc1として取得する。
なお、図9の時刻t10〜t19は、制御装置30の計時部53により計時される時間軸上の時刻を表す。また、時刻t20〜t23は、外部測定装置43の計時部72により計時される時間軸上の時刻を表す。
検出角度θcの演算が完了すると、その後の時刻t13において送信データ生成部54は、検出角度θcを示す回転角度データDaと、時間差データDtと、ステータス情報を含んだ送信データの生成を開始し、時刻t14において送信データの生成を完了する。例えば送信データには、取り込み時刻tc1(t10)から送信データの生成完了時刻t14までの時間差td1=(t14−t10)を示す時間差データDtが格納される。
送信データが制御装置30から送信されると、取込時刻算出部73は、外部測定装置43の計時部72で計時される時刻t21において送信データの送信を検出し、送信データが送信された通信時刻ttとして時刻t21を取得する。
そこで、外部測定装置43の取込時刻算出部73は、(図中の「タイミング処理」の欄に示すように)通信時刻t21から、時間差データDtが示す時間差td1に処理時間tを加えた時間長(td1+t)だけ遡った時刻t20を算出する。
これにより、取込時刻算出部73は、計時部72によってMRセンサ素子24の検出信号の取り込み時刻を計時した場合に得られたはずの取り込み時刻tc2(時刻t20)を取得できる。
その後、制御装置30は、時刻t10〜t14における動作と同様に、MRセンサ素子24の検出信号をディジタル信号へ変換し(時刻t15〜t16)、検出角度θcを演算し(時刻t16〜t17)、送信データを生成し(時刻t18〜時刻t19)、送信データを外部測定装置43へ送信する(時刻t19〜(時刻t19+t))。
また外部測定装置43は、通信時刻t23から、時間差データDtが示す時間差td2に処理時間tを加えた時間長(td2+t)だけ遡った時刻t22を、計時部72によってMRセンサ素子24の検出信号の取り込み時刻を計時した場合に得られたはずの取り込み時刻tc2として取得する。
外部測定装置43は、取り込み時刻tc2(t22)に測定された基準角度θrと回転角度データDaが示す検出角度θcとの差分(θc−θr)を検出角度θcに関連付けて、校正データDcを生成する。
これにより、仮に、制御装置30の計時部53が外部測定装置43の計時部72と同期していなくても、回転角度データDaが示す検出角度θcと同期した基準角度θrを取得できる。
このように、時間差(td1+t、td2+t)が送信データによって異なっていても、時間差データDtに基づいて取り込み時刻tc2を算出することにより、回転角度データDaが示す検出角度θcと基準角度θrの同期を確保できる。
図8を参照する。外部測定装置43の送信部75は、校正データ生成部74が生成した校正データDcを制御装置30へ送信する。
このため、制御装置30は、校正データDcに基づいて検出角度θcを補正して得られる校正済角度θccを出力する第2のデータ出力モードを有してもよい。
第2のデータ出力モードでは、MRセンサ素子24から検出信号を再度取り込んで、回転角度算出部50により検出角度θcを算出し、補正部51により校正データDcに基づいて検出角度θcを補正して校正済角度θccを算出する。
すなわち、送信データ生成部54は、校正済角度θccを示す回転角度データDaと、MRセンサ素子24から検出信号を取り込んだ取り込み時刻tc1から送信データを送信するまでの時間差に関するDtを少なくとも含む送信データを生成する。
外部測定装置43では、取り込み時刻tc2に測定された基準角度θrと回転角度データDaが示す校正済角度θccとの誤差(θcc−θr)を算出し、誤差(θcc−θr)が所定の誤差範囲に収まっていない場合には、校正データDcを再度生成する。誤差(θcc−θr)が所定の誤差範囲に収まっている場合には、校正データDcの生成を完了する。
次に、図10を参照して、実施形態の回転角度算出装置の校正方法について説明する。
ステップS1においてADC33及びADC34は、MRセンサ素子24からの検出信号をディジタル信号へ変換することにより、制御装置30に取り込む。制御装置30の送信データ生成部54は、MRセンサ素子24の検出信号の取り込み時刻tc1を、計時部53により取得する。
一方で、外部測定装置43の回転角度測定部71は、基準角度θrを測定する。校正データ生成部74は、基準角度θrの測定時刻tmを計時部72により取得する。
ステップS3において送信データ生成部54は、検出角度θcを示す回転角度データDaと、時間差データDtとを格納した送信データを生成する。上記の通り、時間差データDtは、取り込み時刻tc1から回転角度データDaを送信するまでの時間差に関するデータである。
このとき、外部測定装置43の取込時刻算出部73は、制御装置30が送信データを送信した時刻又は受信部70で送信データを受信した時刻を、計時部72によって、送信データの通信時刻ttとして取得する。
ステップS6において校正データ生成部74は、取り込み時刻tc2に測定された基準角度θrと回転角度データDaが示す検出角度θcとを比較して、校正データDcを生成する。
ステップS8において駆動モータ41を回転させることにより、モータ10の回転軸11の回転角度θmを変更する。その後に処理はステップS1へ戻る。
具体的には、制御装置30の動作モードを第2のデータ出力モードに切り替え、校正データDcに基づいて検出角度θcを補正して得られる校正済角度θccを、制御装置30から外部測定装置43へ送信する。
誤差(θcc−θr)が所定の誤差範囲に収まっていない場合(ステップS9:N)に処理はステップS1に戻り、校正データDcを生成し直す。誤差(θcc−θr)が所定の誤差範囲に収まっている場合(ステップS9:Y)に処理は終了する。
ステップS7では、1周分の校正データDcを収得したかを判定しているが、1周期以上の校正データDcを収得するようにしても良い。この場合、検出角度θcに対して得られた複数の校正データDcを平均処理して校正データDcとして良い。これによりノイズを低減できる。
次に、図11を参照して、本実施形態の回転角度算出装置を、車両の操舵系に付与する操舵補助力を制御する電動パワーステアリング装置に適用した場合の構成例を説明する。
操向ハンドル101のコラム軸102は減速ギア103、ユニバーサルジョイント104A及び104B、ピニオンラック機構105を経て操向車輪のタイロッド106に連結されている。コラム軸102には、操向ハンドル101の操舵トルクThを検出するトルクセンサ110が設けられており、操向ハンドル101の操舵力を補助するモータ10が減速ギア103を介してコラム軸102に連結されている。
制御装置30は、上記のように演算したモータ10の回転角度θmと減速ギア103の減速比Nとに基づいて、操向ハンドル101の操舵角θを演算する。制御装置30は、操舵角θと、操舵トルクThと、車速センサ112で検出された車速Vhとに基づいて、アシストマップ等を用いてアシスト指令の操舵補助指令値の演算を行い、演算された操舵補助指令値に基づいてモータ10に供給する電流Iを制御する。
制御装置30は、MRセンサ素子24の検出信号に基づいて回転体の回転角度を算出し、回転角度を示す回転角度データDaを、制御装置30から校正装置40へ送信する。
また、制御装置30は、MRセンサ素子24から検出信号を取り込んでから回転角度データDaを送信するまでの時間差に関する時間差データDtを、制御装置30から校正装置40へ送信する。
校正装置40は、MRセンサ素子24から検出信号を取り込んでから回転角度データDaを送信するまでの時間差だけ通信時刻ttから遡った時刻tc2に校正装置40が測定した回転角度θrと、回転角度データDaとを比較することにより、回転角度データDaの校正データDcを取得する。
例えば、回転角度算出装置の計時部53が、校正装置40の計時部72と同期していなくても、回転角度算出装置が算出した回転角度と、回転角度算出装置とは別の校正装置40で測定した回転角度との同期を確保できる。
これにより、時間差データDtが示す時間差に既知の処理時間tを加算することにより、MRセンサ素子24から検出信号を取り込んでから送信データを送信するまでの時間長を間接的に表すことができる。この結果、送信データを送信するまでの時間差に関する情報を、この送信データに格納することができる。
これにより、回転体の異なる複数の回転角度における校正データDcを生成できる。
Claims (9)
- 回転体の回転に応じてセンサから出力される検出信号に基づいて前記回転体の回転角度を算出する回転角度算出装置の校正方法であって、
前記回転角度算出装置が、前記検出信号に基づいて前記回転体の回転角度を算出し、
前記回転角度を示す回転角度データを、前記回転角度算出装置から校正装置へ送信し、
前記センサから前記検出信号を取り込んでから前記回転角度データを送信するまでの時間差に関する時間差データを、前記回転角度算出装置から前記校正装置へ送信し、
前記校正装置が、前記回転体の回転角度を測定し、
前記校正装置が前記回転体の回転角度を測定した測定時刻と、前記回転角度データが送信又は受信された通信時刻を、前記校正装置で計時し、
前記通信時刻より前記時間差だけ遡った時刻に前記校正装置が測定した前記回転体の回転角度と、前記回転角度データとを比較することにより、前記回転角度データの校正データを取得する、
ことを特徴とする回転角度算出装置の校正方法。 - 前記回転角度算出装置は、前記回転角度データと前記時間差データとが同一のフレームに格納された送信データを前記校正装置に送信することを特徴とする請求項1に記載の校正方法。
- 前記回転角度算出装置は、
前記センサから前記検出信号を取り込んでから前記送信データの生成完了までの時間差を示す前記時間差データを生成し、
前記送信データの生成完了後に既知の処理時間で前記送信データを前記校正装置へ送信することを特徴とする請求項2に記載の校正方法。 - 前記回転体を回転させて、前記回転体の複数の回転角度における前記校正データを取得することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の校正方法。
- 回転体の回転に応じてセンサから出力される検出信号に基づいて前記回転体の回転角度を算出する回転角度算出装置の校正装置であって、
前記検出信号に基づいて算出された前記回転体の回転角度を示す回転角度データを前記回転角度算出装置から受信するとともに、前記回転角度算出装置が前記検出信号を前記センサから取り込んでから前記回転角度データを送信するまでの時間差に関する時間差データを、前記回転角度算出装置から受信する受信部と、
前記回転体の回転角度を測定する回転角度測定部と、
前記回転角度測定部が前記回転体の回転角度を測定した測定時刻、及び前記回転角度データが送信又は受信された通信時刻を計時する計時部と、
前記通信時刻より前記時間差だけ遡った時刻に前記回転角度測定部が測定した前記回転体の回転角度と、前記回転角度データとを比較することにより、前記回転角度データの校正データを生成する校正データ生成部と、
を備えることを特徴とする校正装置。 - 回転体の回転に応じた検出信号を出力するセンサと、
前記検出信号に基づいて前記回転体の回転角度を算出する回転角度算出部と、
前記回転角度算出部が算出した前記回転体の回転角度を校正する校正データを受信する受信部と、
受信した前記校正データを記憶する記憶部と、
前記回転角度算出部が算出した前記回転体の回転角度を、前記記憶部に記憶した前記校正データで補正する補正部と、
前記回転角度算出部により算出され且つ前記補正部によって補正されていない前記回転角度を示す回転角度データを送信するとともに、前記センサから前記検出信号を取り込んでから前記回転角度データを送信するまでの時間差に関する時間差データを送信する送信部と、
を備えることを特徴とする回転角度算出装置。 - 前記回転体としてモータの回転軸の回転角度を算出する請求項6に記載の回転角度算出装置と、
前記補正部によって補正された前記回転軸の回転角度に応じて前記モータを駆動する駆動部と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項7に記載のモータ制御装置と、
前記モータ制御装置によって制御されるモータと、
を備えることを特徴とする電動アクチュエータ製品。 - 請求項7に記載のモータ制御装置と、
前記モータ制御装置によって制御されるモータと、
を備え、前記モータによって車両の操舵系に操舵補助力を付与することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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