JPH03105225A - 角度センサ及びトルクセンサ、そのセンサの出力に応じて制御される電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は軸ねじれを正確に検出する回転角センサまたは
この回転角センサを使用したトルクセンサと、このトル
クセンサを使用した電動式パワーステアリング装置に関
する。

〔従来の技術〕

従来、磁気抵抗効果素子を用いて、正弦波信号と余弦波
信号から回転角度を求め、軸ねじれによる回転角度差で
トルクを検出する方法は特開平１−　９７８２６号公報
等で知られている。

なお、上記発明の回転角度は、回転角度に対応して変化
する正弦波信号と余弦波信号を検出し、この正弦波信号
を被除数，余弦波信号を除数とする除算を行う。この結
果から得られる除算の商は正接値（　ｔａｎθ）となる
ので、その商を変数として逆正接関数（ｊａｎ−ｌｘ　
）を演算することにより回転角度を求めている。この方
法は非接触式でトルクを検出する方法なので、摩擦等に
よる経年変化を心配すること無く信頼性の点で有利であ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし，上記従来技術ではセンサ出力の誤差は考慮され
ていなかった。この誤差はいろいろな原因で生じる。例
えば、その原因としては、微少信号を増幅するオペアン
プのオフセット電圧の変化，振幅の変化，磁気抵抗効果
素子に対するドラムの着磁量の不均一、センサの取付け
位置のずれ等があった。

上記の原因で生じるセンサ出力の変化は回転角度を求め
る際に誤差となるので，センサの精度が低下するという
問題点があった。

例えば、トルク脈動が操舵フィーリングに大きく影響す
る電動パワーステアリング装置においては、トルクセン
サを高精度を保持しなければならない。そのため、電動
パワーステアリング装置にこのトルクセンサを適用する
場合には，所定のオフセット電圧と振幅電圧になるよう
にオペアンプ等を用いた信号調整回路が必要になり、制
御回路が複雑になるという問題点もあった。

本発明の目的は、検出信号の変動があった場合にも常に
高精度を保持できる角度センサあるいはトルクセンサを
提供することにある。

本発明の他の目的は、操舵フィーリングの良好な電動パ
ワーステアリング装置を無調整システムとして提供する
ことにある。

本発明の更に他の目的は，トルクセンサの出力誤差をソ
フト的に処理し、出力誤差を小さく押さえる点１こある
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば，回転角度を得るための複数の正弦波あ
るいは三角波状信号等の波状信号の最大値，最小値，位
相差をそれらの波形だけを用いて自動的に検出し、それ
らの値により、複数の波状信号から演算する回転角度を
補正するもので精度の高いトルクセンサが提供される。

また、本発明によれば、位相の異なる複数の波状信号を
非接触式で得られるトルクセンサを用いて、このトルク
信号によりトルク制御する電動パワーステアリングを構
或し、これらの波状信号からだけで自動的に回転角度を
補正することで、無調整で常に精度の高いトルク制御装
置が提供される。

〔作用〕

本発明によれば、回転角度を得るための複数の正弦波状
信号の最大値，最小値，位相差をそれらの波形から自動
的に検出し、次に、それらの値を用いてそれぞれの正弦
波状信号の中心電圧及び振幅電圧を演算し、この中心電
圧，振幅電圧，位相差により、複数の正弦波状信号から
演算する回転角度を補正する。このような回転角度を検
出する装置を同一の回転軸上に設け、その回転角度の差
を演算することにより、精度の高いトルク検出が可能と
なる。

ここで、正弦波状信号の最大値と最小値は次の方法によ
り検出する。正弦波信号と余弦波信号の２相信号を用い
る場合，次のステップで得られる正弦波信号と余弦波信
号の中心電圧をそれぞれ仮の中心電圧とみなし、一方の
信号がその仮の中心電圧のとき、他方の信号は最大値あ
るいは最小値として検出する。そこで得られた値でその
中心電圧を修正していく。次のときには、修正した中心
電圧を用いて上記の要領で最大値あるいは最小値を検出
する。このようにすることで、正弦波状信号の真の最大
値及び最小値を収束させながら得られる。

また、その次のステップで得られる回転角度から一定方
向に回転していることを判断し、そのときにだけ正弦波
の一周期間のデータを比較することによっても、正弦波
状信号の最大値と最小値を算出することができる。さら
に、デイジタル制御装置を用いて検出する場合は、回転
角度速度が所定の値を越えたときには正弦波状信号の最
大値と最小値を検出しないようにすることで、精度が低
下することを防止できる。

位相差については、正弦波信号と余弦波信号の２相信号
を用いる場合、正弦波信号とその中心電圧の差が余弦波
信号とその中心電圧の差に等しいときの値と、正弦波信
号とその中心電圧の差が余弦波信号とその中心電圧と余
弦波信号の差に等しいときの値とを比較することにより
検出できる。

つまり，位相差が９０度のときにはその両者の絶対値は
等しくなり，位相差が９０度から変化すると、それに応
じてその両者の複対値は異なってくる。この方法により
、位相差を検出できるので、位相ずれによる回転角度誤
差を補償し、常に高精度のトルクセンサを提供できる。

また、上記の手法を用いた非接触式トルクセンサで電動
パワーステアリング装置を構或することにより、ステア
リング軸にかかるトルクの大きさや経年変化で変動しや
すい正弦波状信号にもかかわらず、常に自動的に中心電
圧，振幅電圧，位相差を計測できる。そのため、複雑な
信号調整回路を用いることなく、無調整で精度の良いト
ルク検出が行え，操舵フィーリングの良い電動パワース
テアリング装置を低コストで提供できる。

尚、本明細書で正弦波及びこの正弦波に対し位相のこと
なる信号波全てを総括して波状信号と呼ぶ。

〔実施例〕

以下，本発明の一実施例を第１図乃至第４図により説明
する６ 第１図が自動車用電動パワーステアリング装置に適用し
たときの実施例である。

運転者がハンドル１を操舵すると、ステアリングシャフ
ト２に取付けたトルク信号発生器３により取付けた場所
のステアリングシャフト２の回転角度（電気角）に応じ
た４つの正弦波状信号ＶＳＩ，Ｖ　Ｃ　１　，　Ｖ　ｓ
　ｚ　＋　Ｖ　ｃ　ｚが発生する。これの信号はトルク
演算装置４に入力され、ステアリングシャフ１−２の操
舵トルクτを算出するのに用いられる。トルク演算装置
４で得られた操舵トルクτはとルク制御装置５に入力さ
れる。このトルク制御装置５は，操舵トルクτに対して
最適な補助トルクτＳを発生するための電流指令ｉＲを
演算する電流指令回路６と、その電流指令ｉＲとモータ
電流ｉＭを用いて印加電圧指令ＶＲを演算する電流制御
回路７とから構成されている．ここで得られた印加電圧
指令ＶＲにより駆動回路８ではモータ９に印加する電圧
ＶＭを発生している。これにより，モータ９はステアリ
ング機構部材１０ａ，１０ｂを通して、タイヤｌｌａ，
ｌｌｂを転向する補助トルクτＳを発生している。なお
，電流検出器１２はモータ電流ｉＭを検出して、電流制
御回路７に出力し、これで電流フィードバック制御を行
っている。この一連の動作により、運転者が軽い操舵力
でハンドル１を回転しても、タイヤ１１ａ，１ｌｂは自
由に転向する。

ここで、トルク演算装置４の動作について説明する。ト
ルク信号発生器３で得られた４つの正弦波状信号Ｖ　ｓ
　１，　Ｖ　ｃ　ｓ　ｅ　Ｖ　ｓ　ｚ　＊　Ｖ　ｅ　ｚ
はステアリングシャフト２の２つの場所の角度を検出す
るために用いる。この構造の詳細については後述する。

Ｖ　ｓ　１，　Ｖ　ｃ　ｔはハンドル側角度（駆動側角
度）θｌを、Ｖ　Ｓ　２　，　Ｖ　ｃ　ｚは機構部側角
度（非駆動側角度）θ２を得るための信号である。なお
、それぞれの信号は基本的には次式で与えられる。

Ｖｓｉ＝　Ｖｓｔｈｓｉｎθｔ＋Ｖｓｚｏ　　　　　　
　−（１）ＶＣＬ＝　Ｖｃｔｈｃｏｓ　ｅ　ｔ＋　Ｖｃ
ｔｏ　　　　　　　゜−（２）Ｖｓｘ＝　Ｖｓｚｈｓｉ
ｎθｚ＋　Ｖｓｚｏ　　　　　　　−　（３）Ｖｅｚ＝
　Ｖｅｚｈｃｏｓθ！＋Ｖｃｚｏ　　　　　　　　・（
４）ココテ、Ｖｓｉｏ，　Ｖｅｔｏ，　Ｖｓｚｏ，　Ｖ
ｃｚｏはそれぞれの中心電圧．　Ｖｓ１ｂ，　Ｖｃｔｈ
，　Ｖｓｚｈ，　Ｖｃｚｈはそれぞれの振幅電圧を示す
． まず、Ｖ　ｓ　ｉ　ｅ　Ｖ　Ｃ　１　ｔ　Ｖ　Ｓ　２　
，　Ｖ　ｃ　ｔはトルク演算装置４のＡ／Ｄ変換器１３
ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにそれぞれ入力される。次
に、Ｖ　！ｌ　１　，　Ｖ　ｃ　ｉは中心・振幅検出回
路１４ａと角度演算回路１５ａに入力される．中心・振
幅検出回路１４ａでは，ＶｓｚｅＶ　ｃ　ｌの中心電圧
Ｖｇｚｏ＊Ｖｃｔｏと振幅電圧Ｖ　ｓ　ｉ　ｈ　ｅＶ　
ｃ　１ｈが演算され、その結果を角度演算回路１５ａに
出力する。角度演算回路１５ａでは，ｓ　ｓ＝　（ｖｓ
ｔ　−　ｖｓｚｏ）　／　Ｖｓｔｈ　　　　　　−（５
）ｃｘ＝（ｖｃｔ　　ｖｅｔｏ）　／Ｖｃｔｈ　　　　
　　−（６）を演算する。正弦値８１はｓｉｎθ１，余
弦値ＱｌはＣＯＳθｌに相当するので、 θｚ＝ｔａｎ−’（ｓ　ｔ／　ｃ　ｔ）　　　　　　　
　　　・＝（７）という計算を行うことによりハンドル
側角度θｌが得られる。

同様にして、Ｖｓ２，　Ｖｃｌと中心・振幅検出回路１
４ｂで算出された中心電圧Ｖｓｘｏ，　Ｖｃｚｏ、振幅
電圧Ｖｓｘｈ＊　Ｖｃｚｈを用いて、角度演算回路１５
ｂでは、 ｓｚ＝（ｖｓ２Ｖ５２Ｇ）　／Ｖｓｚｈ　　　　　　−
（８）Ｑ２＝（ＶＣ２　　ＶＣ２０）　／Ｖｃｚｈ　　
　　　　−（９）θ２　：　ｔａｎ″″”　（　Ｓ　２
／　ｃ　ｚ）　　　　　　　　　−　（１０）という計
算式により機構部側角度θ２を演算する。

トルク算出回路１６では、ハンドル側角度θ１と機構部
側角度θ２の差により操舵トルクτを算出している． 次に、第２図を用いて，トルク信号発生器３と本実施例
の特徴である中心・振幅検出回路１４の説明をする． 電動パワーステアリング装置の信頼性を向上するため，
トルク信号発生器３は非接触式磁気センサとしている．
この構成はハンドル側ステアリングシャフト２ａと機構
部側ステアリングシャフト２ｂのそれぞれに、そのハン
ドル側角度θ１、機構部側角度θ２に対応した磁気信号
を着磁した磁気ドラム１７ａ，１７ｂを配置している。

磁気ドラム１７ａ，１７ｂはトーションバ−１８の両端
に取付けられている。また、トーションバ−１８は操舵
トルクτに応じて捩れるようになっている．磁気抵抗効
果素子１９ａは磁気ドラム１７ａの磁気信号を非接触で
検出し，ハンドル側角度θｌに対応した正弦波状信号Ｖ
ｓｌ，　Ｖｃｌを出力するように構成している．同様に
磁気抵抗効果素子１９ｂは磁気ドラム１７ｂの磁気信号
を非接触で検出し、機構部側角度θ２に対応した正弦波
状信号ＶｓＱ．ｖｃｚを出力する． この方法により、無接触型の電動パワーステアリング装
置用トルク検出装置が得られる。

上記で、正弦波状信号ｖｓｔ．　ｖｅｘから中心電圧Ｖ
ｓｉｏ＋　Ｖｃｉｏと振幅電圧Ｖ　ｓ　１ｈ　ｔ　Ｖ　
Ｃ　Ｌ　ｈを得る方法について述べる。中心・振幅検出
回路１４ａはＡ／Ｄ変換器１３ａ，１３ｂを通して得ら
れた正弦波状信号Ｖｓｌ）　Ｖｃｌを入力する。比較器
２０ａでは、ｖｓｔと後述する方法で得るＶｓｌの中心
電圧Ｖ　ｓ　１ｏを比較し，切替回路２１ａがｖ　ｓ　
ｔ　＞　Ｖ　ｓ　１ｏのときホールド回路２２ａに接続
され，Ｖ５１＞Ｖｓ１ｏのときホールド回路２２ｂに接
続されるように信号を発生する．また．ＶＣＩがほぼＶ
　１：１０になったときに、つまり、 Ｖ　ｃ　１ｏ−ΔＶ≦Ｖｃｌ≦Ｖｃｔｏ＋ΔＶ　　　　
・（１１）但し，ΔＶは同定電圧 が成立するときに、ホールド信号発生回路２３ａは、ホ
ールド回路２２ａ，２２ｂがホールド状態になるように
信号を発生する。このとき、ｖｓｔ＞Ｖｓｔｏであれば
、そのときのｖｓ１をＶＳ１の最大値ＶｓｌＭ＾Ｘとみ
なしてホールド回路２２ａでホールドする。Ｖ５１＞Ｖ
５１０であれば、そのときにＶｉ１をｖｓｔの最小値Ｖ
　Ｓ　Ｉ　Ｍ　Ｉ　Ｎとみなしてホールド回路２２ｂで
ホールドする。なお、切替回路２１ａで指定されていな
いほうのホールド回路は以前の値をホールドするように
しておく、この手法により最大値Ｖ５１Ｍ＾Ｘと最小値
ＶＳＩＭＩＮを得ることができる。そこで、ＶＳＬの中
心電圧Ｖ．Ｓ１０は加算器２４ａと増幅器２５ａを用い
て、次の演算を行うことで算出する。

Ｖｓｔｏ：　（ＶｓｔＭ＾ｘ＋Ｖｓｕ＋ｒＮ）　／　２
　　　　−（１２）また、Ｖ　Ｓ　１の振幅電圧Ｖ　Ｓ
　１　ｈは減算器２６ａと増幅器２５ｂにより、 Ｖｓｌｈ＝　（ＶｓｔＭ＾ｘ＋ＶｓｘＭｔＮ）　／　２
　　　−（１３）で計算できる。

Ｖｃｌについても同様の演算をする。比較器２０ｂでは
．ＶＣＩとＶｃｌの中心電圧Ｖ　Ｃ　１０　を比較し、
切替回路２ｌｂがｖｃ１＞Ｖｃｚｏのときホールド回路
２２ｃに接続され、ｖ　Ｃ　１　＜　Ｖ　ｃ　ｔ　ｏの
ときホールド回路２２ｄに接続されるように信号を発生
する。

また、ＶｓｌがほぼＶ　ｓ　ｔ　ｏになったときに、つ
まり，ＶＳ１Ｇ−ΔＶ≦Ｖｓｌ≦Ｖ５１０＋ΔＶ　　　
　・（１４）が成立するときに，ホールド信号発生回路
２３ｂは、ホールド回路２２ｃ，２２ｄがホールド状態
になるように信号を発生する。これにより、ホールド回
路２２ｃで’ｔ／Ｃ１の最大値Ｖ　ｃ　ｓ　Ｍ＾Ｘを、
ホールド回路２２ｄでＭＣＩのＶＣＩＭＩＮをホールド
する。

そこで、ｖｃｔの中心電圧ＶＣＩＯと振幅電圧Ｖ　ｃ　
ｔ　ｈは加算器２４ｂ，増幅器２５ｃ，２５ｄ、減算器
２６ｂを用いて、次の演算を行うことで算出する。

ＶＣ１０＝　　（Ｖｃｔｌ４Ｚｌｘ＋ＶＣＩＮＩＮ）　
／　２　　　　゜−（１５）Ｖｃ１ｈ＝　（ＶｃｚＭ＾
ｘ＋ＶｃｔＭｒＮ）　／　２　　　　・＝（１６）なお
、正弦波状信号ｖｓｚｔｖｃｚの中心電圧Ｖ　ｓ　ｚ　
Ｏ　ｔＶｃｘｏと振幅電圧Ｖｓｚｈ，　Ｖｃｚｈを得る
には、中心・振幅検出回路１４ｂを用いて同様の演算を
行えばよい。

第３図は第２図の手法で最大値Ｖｓｚ＋＾Ｘ．ＶＣＩＭ
＾Ｘと最小値Ｖｓｎｕｓ＋　ＶＣＩＭＩＮを同定する過
程を説明したものであり、横軸にハンドル側角度θ１を
、縦軸にそれに対する正弦波状信号Ｖ５１，　Ｖ（：１
を表している。第３図（ａ）はＶ５１の真の中心電圧が
仮に定められた中心電圧値よりも低く、Ｖｃｌの真の中
心電圧が所定の値よりも高くなったときの状態を示す。

そのとき、検出した最大値Ｖ　ｓ　ｔ　ｎ＾Ｘ，■ＣＩ
ＨＡＸ＋最小値ＶｓｔｓｒＮ，　ＶｃｔＩＩＩｒＮは第
３図（ａ）からわかるように真の最大値，最小値と異な
っている。このときの最大値Ｖｓｘ＋Ａｘ＋　ＶＣＩＭ
ＡＸ，最小値ＶｓｔＭｕｉｅ　ＶＣＩＨＩＮを用いて振
幅電圧Ｖｓｔｈ＋Ｖ　ｌ：　１　ｈ、中心電圧Ｖｓｔｏ
，　Ｖｃｔｏを計算すると、振幅電圧は真の値よりの小
さい値になっているものの、中心電圧はほぼ真の中心電
圧になっている。そこで、その中心電圧Ｖ　ｓ　１０　
，　Ｖ　Ｃ　１０により再度最大値ＶｓｘＭ＾ｘｔ　Ｖ
ｃｔＭ＾ｘｔ最小値ＶｓｔＭｒＮ＋　ＶｃｕｕＮを検出
する様子を第３図（ｂ）に示す。最大値ＹＳ１１４ＡＸ
，Ｖ　Ｃ　ＩＭＡＸ　ｌ最小値ＶＳＩＭＩＮＴ　ＶＣＩ
ＭＩＮがほぼ真の値になっていることがわかる。したが
って、センサ特性の変化やステアリングシャフトにかか
るトルクの大きさにより中心電圧や振幅電圧が変化した
場合にもその変化を自動的に検出できるので，常に高精
度のトルク検出演算を行うことができる。特に、電動パ
ワーステアリング装置においては、トルクセンサの精度
が直接運転者の操舵フイーリングに影響するため，この
方式を採用することにより、調整回路なしに一定の操舵
力でステアリングホイール操作が出来，操舵フィーリン
グの良い電動パワーステアリング装置を提供できる。

第４図は中心・振幅検出回路１４をマイクロコンピュー
タのソフトウエア処理に置き換えたときの実施例である
。具体的には、中心・振幅検出回路１４ａの部分だけを
示しており，中心・振幅検出回路１４ｂについても同じ
処理をする。ステップ１０１では、ｖ　ｓｔ　，　ｖ　
ｅｌと現在得られている中心電圧Ｖ　Ｓ　１０　ｔ　Ｖ
　Ｃ　１０の電圧差ΔｖｓｘｔΔｖｃｔをそれぞれ計算
している．次のステップ１０２は、電圧差の絶対値１Δ
ＶＣＩＩと同定電圧ΔＶを比較する。その結果、ＩΔｖ
ｃｉｌが同定電圧Δ■以上のときはステップ１０３に、
１ΔＶＣＩＩが同定電圧ΔＶより小さい場合はステップ
１０４に飛ぶ。ステップ１０４に飛んだときには電圧差
Δｖｓｔの正負を判断し、ΔＶｓｔ）Ｏのときにはステ
ップ１０５でＶｓｌＭ＾Ｘの計算をし、Δｖｓｌ＜Ｏの
ときにはステップ１０６でＶ　ｓ　Ｉ　Ｍ　！　Ｎの計
算をする。そのとき用いる計算法は次式にする。

ＶｓｉＭ＾ｘ＝（（Ｎ　−　１）ＶｓｔＭ＾ｘ＋Ｖｓｉ
）／Ｎ　　　　・−（ｉ７）ＶｘｉＭｕｉ＝　（（Ｎ−
１　）Ｖｘｕｏ＋ｖ＋　Ｖｓｚ）／　Ｎ　　　　・・・
（１８）但し、Ｎは重付け定数で整数とする。

そのあと、ステップ１０７で（１２），　（１３）式の
演算により中心電圧Ｖｓｔｏｐ振幅電圧Ｖ　ｓ　ｓ　ｈ
を求める。

ステップ１０３に飛んだときは、電圧差の絶対値１Δｖ
ｓｚｌと同定電圧Δ■を比較する。１ΔＶＳＩＩ≧ΔＶ
のときは検出対象外のなのでそのまま終了する．１Δｖ
ｓｓ　Ｉ　＜ΔＶのときはステップ１０８に飛ぶ．ステ
ップ１０８では、電圧差ΔＶＣ１の正負を判断する。Δ
ＶＣＩが正のときはステップ１０９でＶＣＩＭＡＸを、
ΔＶＣＩが負のきとはＶＣＩＭＩＮ　をそれぞれ ＶＣＩＭ八ｚ＝　（（Ｎ−１　）ＶＣＩＭＡＸ＋　Ｖｅ
ｔｏ／　Ｎ　　　　・・・（１９）ＶｃｔＭＩＮ＝　（
（Ｎ−１　）ＶＣＩＭＩＮ＋ＶＣＩ）／　Ｎ　　　　−
　（２０）で計算する．さらに、ステップ１１１で（１
５）　，　（１６）式の演算により中心電圧Ｖ　ｃ　ｔ
　ｏ　ｖ振幅電圧Ｖ　ｃ　ｓ　ｈを求める．この実施例
を適用した場合、重付け定数Ｎのソフトウエア処理によ
り中心電圧，振幅電圧の同定の速度を任意に変えられ、
正弦波状信号のノイズの影響を低減できるので、安定し
たセンサ特性を確保することができる。

第５図は第１の実施例（第１図）に角度演算回路１５で
演算したハンドル側角度θｌ、機構部側角度θ２を中心
・振幅検出回路１４に帰還する点は付加したものである
。上記，以外は第ｌ図と同じ動作をする。ハンドル側角
度θ１、機構部側角度θ２を帰還した中心・振幅検出回
路ｌ４の動作は第６図に示す。第６図はマイクロコンピ
ュータのソフトウエ処理を行った場合の中心・振幅検出
回路１４ａの動作を示している。つまり、第４図に対応
するように記述してある．第４図と異なるのはステップ
２０１からステップ２０４までで、ステップ１０５から
ステップ１０７までと、ステップ１０９からステップ１
１１までは第４図と同一である。まず，ステップ２０１
ではハンドル側角度θ１が９０゜±Δθ（Δθ：同定角
度）以内であるかを判断している。範囲内であれば、ス
テップ１０５でｖｓＩＭ＾Ｘの計算をし、そうでなげれ
ば，ステップ２０２に飛ぶ．ここでは，ハンドル側角度
θｌが２７０゜±Δθ以内であるかを判断し，範囲内の
ときはステップ１０６でＶｓｘＭ■ｈ　を計算し、それ
以外のときはステップ２０３に移行する。ステップ２０
３はハンドル側角度θ１が１８０゜±Δθ以内であるか
を判断し、範囲内のときはステップ１１０に、それ以外
のときはステップ２０４に飛ぶ。ステップ１１０はＶＣ
ＩＭＩＮを計算するためのものである。次に、ステップ
２０４では、ハンドル側角度が±Δθ以内であるかを判
断している．θ１が±Δθ以内であれば、ステップ１０
９に飛び，Ｖｃｚｓ＾Ｘの計算をする。いずれの条件に
も該当しないときは同定動作は行わない。

以上の方法によれば、同定角度Δθが許容できる角度誤
差そのものになるので、トルクセンサの精度の設計が容
易にできる。

第７図は角度演算回路１５の演算方法が第ｌ図で説明し
た方法と異なる他の実施例である。第７図は角度演算回
路１５をマイクロコンピュータで設計し、そのうち角度
演算回路１５ａ分のソフトウエア処理内容を示したもの
である。ステップ３０１では、（５）　，　（６）式を
演算し、正弦値８１，余弦値ｃ１を得る。ステップ３０
２では，正弦値ＳＬ．余弦値ｃ１のそれぞれの絶対値を
比較する。

８１１≦１０１１のときにはステップ３０３に、８１１
＞ｆｅｌ＋のときにはステップ３０４に飛ぶ。

ステップ３０３に飛んだ場合、余弦値Ｃ１の正負を判断
し、ａＬ＞Ｏのときにはステップ３０５に、それ以外は
ステップ３０６に飛ぶ。上記の方法でステップ３０５に
飛ぶ場合は、ｃｏｓθｔ＞Ｏで，しかも、ｌ　ｓｉｎθ
ｌ１≦ｌ　ｃｏｓθ１１なので、ハンドル側角度０１は
−４５°と４５゜の範囲内である。

そこで，ステップ３０５では、 θ＊＝ｓｉｎ−’（ｓ　ｔ）　　　　　　　　　　−（
２１）で演算して、ハンドル側角度θ１を得ている。同
様に，ステップ３０６に飛ぶのは，ハンドル側角度θ工
が１３５゜と２２５”の範囲内のときである。したがっ
て、ステップ３０６では、次式でハンドル側角度θ１を
計算する。

θ１＝　ｙｃ　−ｓｉｎ−’（　ｓ　ｔ）　　　　　　
　　　−（２２）また、ステップ３０４に飛んだ場合は
．正弦値８１の正負を判断し、８１＞Ｏ　　のときステ
ップ３０７に、それ以外のときはステップ３０８に飛ぶ
。ステップ３０７に飛ぶ場合は．　ｓｊ−ｎ　Ｏ　ｓ＞
　Ｏで、しかも．　ｓｉｎθ１＞Ｃｏｓθ１なので，ハ
ンドル側角度ＯＬは４５＠と１３５６の範囲内である。

したがって、ステップ３０７では， θｓ　＝　ｃｏｓ−’　（　ｃ　ｚ）　　　　　　　　
　　−　（２３）でハンドル側角度θｌを計算する。ス
テップ３０８の場合は、ハンドル側角度θ１は−１３５
゜と−４　５”の範囲内なので、 θ１＝−ｃｏｓ−”（ｃ　ｔ）　　　　　　　　　　−
（２４）で得られる。

本実施例を用いることにより、（７）式で表されるｔａ
ｎ−”（ｓ　ｔ／　ｃ　ｔ）を用いた場合よりも除算が
少なくでき、計算の高速化が図れる。また、ｓｉｎθｌ
，ｃｏｓθ１はいずれも１に近づくと、ハンドル側角度
θ１に対する値の変化率は小さくなるので、ｓｉｎ−’
（ｓ１）あるいはｃｏｓ−’　（　ｃ　ｔ）の精度は劣
化する。

そのため，本実施例では．４つの区間に分けてｓｉｎ−
’（ｓ　１）あるいはｃｏｓ−’（　ｃ　１）のうち、
常に精度の良い演算方法を採用することで、トルク検出
を高精度にすることができる。

第８図は第７図の角度検出方法と異なる他の実施例であ
る。基本的な考え方は第７図と同じであるが、ステップ
４０１では除算を行わないで、ｓｌ，Ｃ１は ｓ　ｓ＝　（Ｖ　ｓ　ｔ−　Ｖ　ｓ　１０）　　　　　
　　　　−（２５）ｃ　ｔ＝　（Ｖ　ｃ　ＩＶ　ｃ　１
ｏ）　　　　　　　　　−（２６）としている。ステッ
プ４０２からステップ４０４までは、第７図のステップ
３０２からステップ３０４までと同じ処理をしている。

次に、ステップ４０５からステップ４０８は第７図のス
テップ３０５からステップ３０８までに対応している。

つまり、これらのステップでＶ　５１　ｈあるいはＶＣ
１ｈを除数とする除算を行っている。このことから，第
７図の場合よりさらに除算の回数を低減することができ
る。なお、ステップ４０５からステップ４０８までの区
間分けはＶｓｒｈ　とＶ　ｃ　１ｈの大きさにより変化
するので、第７図の場合のように、一４５＠，４５°　
１３５’　，２２５°で常に分けられるとは限らない。

また、ステップ４０７ではｃｏｓ−”　（　ｃ　ｉ／　
Ｖｃｓｈ）の代りにｘ　／　２　−　ｓｉｎ−”（　ｃ
　ｒ／　Ｖｃｔｈ）を，ステップ４０８ではｃｏｓ−’
（ｃｉ／Ｖｃｚｈ）の代りに３　ｔｃ　／　２　＋ｓｉ
ｎ−”　（　ａ　ｓ／Ｖ　Ｃ　１　ｈ　）を用いて計算
している。ここで、−９０゜は２７００と同じ値とみな
している。なお、この方法では、逆正弦関数だけを予め
計算結果をＲｏｌｌテーブルに格納しておき、テーブル
ピックアップ方式で得ている。したがって、本実施例を
用いれば、演算速度が速くなるだけでなく、逆余弦関数
を用いないのでメモリ容量も小さいシステムにでき、小
型で安価な制御装置の電動パワーステアリング装置を構
成できる。

第９図は正弦波状信号の最大値，最小値の求め方が第４
図と異なる他の実施例を示すソフトウエアの流れ図であ
る。ステップ５０上では、前匝と同一方向に回転してい
るかを判断する。違う方向になったときはこの方法では
検出できないので、ステップ５０６に飛ぶ。同一方向に
回転しているときは、ステップ５０２で回転速度のチェ
ックをする。予め決めた設定速度ω０以上のときはステ
ップ５０６に飛ぶ。この理由は，回転速度が速すぎると
最大値や最小値をサンプリングしないことがあるためで
ある。回転速度が設定速度ω０以下のときには、ステッ
プ５０３の処理をする．ここでは、ハンドル側角度θ１
が連続して同一方向に設定速度以内で３６０’　　（電
気角）回転したかを判断している。３６０′回転してい
ない場合は，ステップ５１０以降の処理をする。まず、
ステップ５１０では現在のＶｓｌとＶＳＬＭ＾Ｘを比較
し、Ｖ５１≦ＶｓｔＭＡＸのときはステップ５１１に、
ｖｓｔ＞Ｖ５１Ｍ＾Ｘのときはステップ５１２に飛んで
いる．ステップ５１２に飛んだ場合は，現在の’ＪＩＩ
ＩＭＡＸを更新し．ＶｓｌをＶＳＩＭ＾Ｘにする。ステ
ップ５１１のときには現在のｖｓｔとｖＳＩＨＩＮを比
較し、ＶＲ１＜ｖｓｓＭｘｎと判断した場合，ステップ
５１３で現在のＶＳＩＭＩＮをＶｓｚで更新する．ｖｉ
ｌ≦ＶｉｉＭＩＮのときには更新動作は行わない。Ｖｃ
ＩＭ＾χとＶｃｌＭＩＮについても，ステップ５１４か
ら５１７までで同様に更新していく。このように更新し
ていった結果、ハンドル側角度θ１が連続して同一方向
に３６０’回転したときにはステップ５０３からステッ
プ５０４に飛ぶ、そこでは，　ＶｓｌＭ八ＸをＶＳＩＭ
ＡＸ，ＶｓｌＭＩＮ　　をＶｓＩＭＩＮ，　　ＶｃｌＭ
ＡＸとＶＣＩＭＡＸ，ｖｃｕ＋ｔｓｔ７ｔＶＣＩＭＩＮ
とする。次のステップ５０５は（１２），　（１３），
　（１５），　（１６）式を計算する。この方法により
、各中心電圧，振幅電圧を得ることができる．ステップ
５０６はＶ　ｓｌ）４ＡＸ　Ｉ　Ｖ　ｓｌｌ４ＩＮを初
期設定値ｖｓｔｏに．　ＶｅｌＭＡＸ，　ＶＣＩＮＩＮ
を初期設定値ＶｅｌＯに初期設定するために用いる。本
実施例によれば、中心電圧，振幅電圧を同定するまでの
過渡状態がないので，電源を供給し、ハンドルを回転し
たときから精度の良いトルクセンサとして動作するので
，初期状態から操舵フィーリングの優れた電動パワース
テアリング装置を構成できる。

第１０図は正弦波状信号の位相差が９０’から変化した
ときの補償を行う他の実施例をソフトウエアの流れ図で
ある。一般にトルクセンサの取付け誤差などにより、正
弦波状信号の位相差が９０゜から変化することがある．
そこで、ＶＳ１に対してＭＣＩの位相差が９０’からα
ｌだけ変化した場合について、その検出原理を述べる。

そのとき，Ｖ　３１　Ｈ　Ｖ　ｃｌは次式で与えられる
。

Ｖ　ｓｌ　”　Ｖ　ｓｌｈｓｉｎθｔ＋ｖｓｔｏ　　　
　　　　　”・（２７）Ｖｃｌ＝Ｖｃｌｈｅ０８（θｔ
＋αｔ）＋ｖｃｘｏ　　　−（２８）（２７），　（２
８）式から、ｓｉｎθ１とｃｏｓ（　０　１＋　ａ　ｔ
）はｓ工＝ｓｉｎθｉ＝（ｖｓｚ−　ｖｓｉｏ）／　ｖ
ｓｔｈ　　−（２９）ｃｔ＝ｃｏｓ（θ１＋ａｘ）＝（
ｖｃｔ　−　ｖｅｔｏ）／　ＶＣ１ｈ・・・（３０） という式になる。そこで、（２９），　（３Ｇ）式にお
いて、ｓｔ＝ｃｔとなるときの正弦値ｓｔ、余弦値Ｃ１
の絶対値をＶａ　，Ｓ１＝　　Ｑｌとなるときの正弦値
８１、余弦値ｃｔの絶対値をＶｂとすると，位相ずれα
ｌと、Ｖａ．Ｖｂの関係は（２９），　（３０）式より
（１＋ｓｉｎａｚ）／ｃｏｓａｔ＝ｖｂ／ｖａ　　　・
・・（３１）となる。したがって，ｖ＆，ｖｂを検出す
れば、位相ずれαｌが（３１）式により一義的に計算で
きることがわかる。

では、第１０図により、その方法を説明する。

？テップ６０１で第２図，第９図などに示した方法によ
り中心電圧ＶｓｔＯ＊　Ｖｅｔｏ．振幅電圧Ｖ　ｓ　ｔ
■ｖＣ１ｈ　を計算する。位相ずれαｌがあった場合に
も、これらの方法に対する位相ずれα１の影響は非常に
少ない，特に、第９図の方法は位相ずれα１の影響を受
けない。次に、ステップ６０２で、（２９），　（３０
）式により正弦値８１，余弦値ｃ１を計算する．ステッ
プ６０３においては、正弦値ｓ１と余弦値ｃ１の差が検
出範囲ΔＶｏ以内である場合、ステップ６０４で（ｓｌ
＋ｃｔ）の絶対値の１７２をｖａとし，正弦値ｓ１と余
弦値Ｃ１の差が検出範囲ΔＶｏを超える場合ステップ６
０５に飛ぶ。ステップ６０５ではｓ１と−ｃ１の差が検
出範囲ΔＶｏ以内かを判断し、そのときはステップ６０
６に飛ぶ．それ以外のときは、位相ずれα１の演算はし
ない。ステップ６０６に飛んだときは、（ｓ１−Ｑｌ）
の絶対値の１／２をＶｂとする。ステップ６０４あるい
はステップ６０６を計算した後は、ステップ６０７にお
いて、Ｖａ，Ｖｂを用いて、位相ずれαｌが（３１）式
を満足するように演算する。

第１ｌ図は位相ずれα工を考慮した角度演算回路１５の
ソフトウエアの流れ図である。ステップ７０１からステ
ップ７０４までは第７図のステップ３０１からステップ
３０４までと同じである。

ステップ７０５，ステップ７０６についても第７図のス
テップ３０５，ステップ３０６と同じであるが、これは
位相の基準をｓｉｎθ１としたためである。したがって
、ステップ７０７，ステップ７０８において、位相ずれ
αｌ分を減算するこれによりハンドル側角度θ１を求め
ている。なお、第１２図に位相ずれα１とＶｌ，Ｖｂの
関係を表した波形を示す。第１２図（ａ）が位相ずれα
１＝Ｏ　のときのＶａｌＶｂの大きさを示しているが、
Ｖ　ａ　＝　Ｖ　ｂになっていることがわかる。また、
第１２図（ｂ）が位相ずれα１＝　−　３　０　”のと
きのＶａｐＶｂの大きさである。Ｖ　ａ　＞　ｖ　ｂに
なっているので，位相ずれαｌが負の値であることが（
３１）式からわかる。

第１３図にＶａ，Ｖｂの大きさから位相ずれα１を求め
る具体的な方法を示す。除算器２７はＶａ，Ｖｂ　を入
力するとｖｂ／ｖａを計算し、それをり一ドオンリーメ
モリ（ＲＯＭ）２８に出力する。

Ｖ　ｂ／　Ｖ　ａの値はＲＯＭ２８のアドレスバスに入
力する。ＲＯＭ２８には予め（３１）式で与えられる位
相ずれα１のデータをｖｂ／ｖａの値をアドレスとする
番地に記憶しておく。すると、Ｖｂ／Ｖａの値がアドレ
スバスに入力されたとき，データパスにはＶ　ｂ　／　
Ｖ　ａに対応した位相ずれαｌのデータが出力される。

この方法により、複雑な演算を行うことなく、位相ずれ
α１を演算することができる。

したがって，本実施例によれば、中心電圧，振幅電圧だ
けでなく、位相ずれも検出して補償するので，さらに、
高精度のトルク制御を行うことができる８また．ＲＯＭ
テーブルによる方法でなくても（３１）式を変形してい
くことにより計算だけで位相ずれを得ることもできるの
で、ＲＯＭの容量を低減したい場合は，マイクロコンピ
ュータのソフトウエア処理だけでも演算できる。なお、
機構部側角度θ２についても同じ処理を行えばよいので
、ここでは省略した。

以上が本発明の一実施例であるが、電動パワーステアリ
ング装置以外のトルクセンサに適用できることはもちろ
ん、位置センサとしても適用できることは明らかである
６上記の説明では，デイジタル回路としていたが、アナ
ログ回路でも実現できる。また、トルク演算装置，トル
ク制御装置をワンチップのマイクロコンピュータで設計
し、そのソフトウエ処理によっても、本発明を実施でき
る。さらに、トルクセンサとしては、磁気式でなく、光
学式センサの場合にも適用できることはいうまでもない
。

〔発明の効果〕

本発明によれば，波状信号を利用した非接触式のトルク
センサにおいて，信号の変動があった場合にも、その変
動状態を自動的に検出できるので，常に高精度のトルク
センサを提供できる。これを用いた電動パワーステアリ
ング装置においては、信号調整回銘を省略でき、無調整
で、しかも、低コストで操舵フィーリングの良い電動式
パワーステアリング装置を構或できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の自動車用電動パワーステアリング装置
に適用したときの一実施例を示す構戒図，第２図は第工
図のトルク信号発生器と中心・振幅検出回路の詳細な構
或を示すブロック図、第３図はトルク信号の最大値・最
小値を同定する過程を説明した正弦波状信号の一特性図
、第４図は中心・振幅検出回路をマイクロコンピュータ
のソフトウエアに置き換えたときの実施例を示す流れ図
，第５図はハンドル側角度と機構側角度を中心・振幅検
出回路に帰還する点が第１図と異なる他の実施例の構戒
図、第６図は第５図における中心・振幅検出回路の動作
を表した流れ図、第７，図は他の実施例における角度演
算回路の演算方法の流れ図、第８図は更に他の実施例に
おける角度演算回路の演算方法の流れ図、第９図は他の
実施例におけるトルク信号の最大値・最小値の求め方の
流れ図、第１０図は正弦波状信号の位相ずれを検出する
流れ図、第１１図は第１０図で検出した位相ずれを補償
する角度演算方法の流れ図、第ｌ２図は位相ずれの検出
原理を表した正弦波状信号の時性図、第１３図は位相ず
れを検出する検出方法のハードウエア構或図である。 １・・・ハンドル、２・・・ステアリングシャフト，３
・・・トルク信号発生器、４・・・トルク演算装置、５
・・・トルク制御装置、６・・・電流指令回路、７・・
・電流制御回路，８・・・駆動装置、９・・・モータ、
１０・・・ステアリング機構部材、１１・・・タイヤ、
１２・・・電流検出器、１３・・・Ａ／Ｄ変換器、１４
・・・中心・振幅検出回路、１５・・・角度演算回路，
１６・・・トルク算出回路、１７・・・磁気ドラム，１
８・・・トーションバー１９・・・磁気抵抗効果素子、
２０・・・比較器、２１・・・切替回路、２２・・・ホ
ールド回路、２３・・・ホールド信号発生回路、２４・
・・加算器，２５・・・増幅器、２６・・・減算器，２
７・・・除算器，２８・・・リードオン第 ７ 図 第 ８ 図 第 ９ 図 第 １０ 図 第 １１ 図 第 １ ２ 図 （ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、角度信号発生器からの、位相の異なる波状信号を基
   に求められた両者の位相関係を修正して回転角度を検出
   する角度センサ。 ２、請求項１において、波状信号は正弦波状信号である
   ことを特徴とする角度センサ。 ３、請求項１又は２のいずれかにおいて、前記角度セン
   サを複数個配置し、その回転角度差からトルクを検出す
   ることを特徴とするトルクセンサ。 ４、請求項３において、前記トルクセンサの出力に応じ
   て電動パワーステアリング用モータを駆動することを特
   徴とするセンサの出力に応じて制御される電動パワース
   テアリング装置。 ５、回転軸上に所定間隔で配置された複数の角度検出器
   と、この複数の角度検出器によつて検出された角度差に
   より回転軸に作用しているトルクを検出するものであつ
   て、前記角度検出器の少なくとも１つは、位相が異なる
   ２つの正弦波状信号を発生し、該信号の最大値又は最小
   値を検出して、前記信号の中心電圧又は振幅電圧を演算
   し、その中心電圧又は振幅電圧より正規の回転角を演算
   することを特徴とするトルクセンサ。 ６、請求項５において、一方の正弦波状信号がその仮の
   中心電圧に一致した時に他の正弦波状信号を最大あるい
   は最小値とみなして前記他の正弦波状信号の中心電圧と
   して角度を検出することを特徴とするトルクセンサ。 ７、回転軸と、該回転軸に取付けられて、それぞれ位相
   の異なる複数の正弦波状信号が前記回転軸の取付けられ
   た場所の回転角度に応じて出力する複数の信号発生器と
   、前記正弦波状信号から前記信号発生器の取付けた場所
   におけるそれぞれの回転角度を演算する角度検出手段と
   、該角度検出手段から得られるそれぞれの回転角度演算
   結果の差からトルクを算出するトルク演算手段から構成
   されるトルクセンサであつて、前記角度検出手段は、そ
   れぞれの前記正弦波状信号の波形に基づき、前記回転角
   度の補正演算を行ない、前記回転角度演算結果を得るこ
   とを特徴とするトルクセンサ。 ８、請求項７において、上記正弦波状信号は位相差が９
   ０度異なるように設定した正弦波信号と余弦波信号であ
   ることを特徴とするトルクセンサ。 ９、請求項８において、上記角度検出手段は、上記正弦
   波信号と上記余弦波信号の位相差を前記正弦波信号と前
   記余弦波信号から検出する位相検出装置と、前記位相差
   により上記回転角度の補正演算を行う角度演算装置とか
   ら構成されることを特徴とするトルクセンサ。 １０、ステアリングホイール、該ステアリングホイール
   の操舵トルクを検出するトルクセンサ、該トルクセンサ
   の出力信号に応じて操舵補助トルクを発生するモータと
   を有し、前記操舵トルクを検出して前記モータの発生す
   る操舵補助トルクを制御し、転舵を補助する電動式パワ
   ーステアリング装置であつて、前記センサは、それぞれ
   位相の異なる複数の波状信号を前記回転体の取付け場所
   の回転角度に応じて出力する２つの信号発生器と、前記
   波状信号のそれぞれの波形に基づき、前記回転角度の補
   正演算を行う角度演算装置とを備えてなることを特徴と
   する電動式パワーステアリング装置。