JPH0346530A - トルク検出装置を用いた制御装置 - 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〕 本発明は電動式パワーステアリング装置等に好適なトル
ク検出装置を用いた制御装置及びトルク検出装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、信頼性の高い非接触式トルク検出装置としては、
特開昭６２−２３９０３１８・公報に記載のように、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
回転角度を求めて、軸ねしれによる回転角度差でトルク
を検出する方法がとられていた。

ここで、回転角度の求め方は、まず、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得る。

次に、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。この結果として得られる除算の商は回転
角度に対応した正接値となる。そこで、その商を変数と
して、正接弧（ｊａｎ−１）関数を演算すれば、逆に回
転角度を得ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は回転角度が電気角で９０度付近になると
きの点での配慮がされていない。つまり、電気角で９０
度付近のとき、余弦波信号はＯに近い値となり、正弦波
信号は最大値近傍となるので、除算により得られる正接
値は非常に大きい値となる。そのため、これをディジタ
ル演算装置で行う場合にはオーバーフローを生じ、アナ
ログ演算袋置で行う場合には飽和してしまう。つまり、
９０度付近の精度が得られないという問題点があった。

また、ディジタル演算装置の場合、ｊａｎ−”関数をメ
モリテーブルで記憶させようとした場合、９０度付近の
データのため、非常に記憶容量の大きいメモリが必要と
なる問題もあった。

本発明の目的は回転角度９０度付近で生じる除算による
オーバーフローや飽和をなくし、常に高精度のトルク検
出ができるトルク検出装置を用いた制御装置を提供する
ことにある。

また１本発明の第２の目的は信頼性が要求される電動式
パワーステアリング装置等において、高信頼性と操舵フ
ィーリングの良い制御システムを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、回転角度を求めるときの除
算を行う前に、除算で用いる変数の大きさを調べ、それ
がオーバーフローや飽和を生じない演算方法の結果を用
いて回転角度を得るようにしたものである。

４ また、上記の第２の目的に達成するために、位相の異な
る２つの正弦波状信号を非接触式で得られる信号発生器
を用いてトルク検出装置を構成し、このトルクにより制
御するようにしたものである。

〔作用〕

信号発生器の正弦波信号と余弦波信号は回転角度に対応
した信号が得られる。これらの信号は演算手段に入力さ
れる。演算手段では、まず、正弦波信号Ｖ５の絶対値と
余弦波信号Ｖｃの絶対値を比較する。ｌｖ５じ＜１ｖｃ
Ｉのときには、除算はＶ　５　／　Ｖ　（を計算する。

このときの商の絶対値は必ず１以下となる。また、１ｖ
ｓＩ＞１ｖｃｌのときには、除算はＶ　ｃ　／　Ｖ　ｓ
を計算する。そのため、このときの商の絶対値も１以下
である。したがって、これを考慮すれば、ディジタル演
算装置のオーバーフローやアナログ演算回路の飽和が発
生することはない。次に、ＩＶｓ卜＜１ｖｃＩのときに
はＶ　５　／　Ｖ　（が正接値なので、ｔａｎ−”（ｖ
ｓ／　ｖｃ）の関数を用いれば、回転角度を得ることが
できる。また、１ｖｓｌ＞Ｉｖｃｌのときには１．　ｃ
ｏｔ−’（ｖ（／ｖ５）の関数を用いて回転角度を得ら
れる。同様にして、同じ回転軸上の他の信号発生器につ
いても、回転角度を得る。そして、その回転角度差、つ
まり、軸のねじれからトルクを算出できる。以上の方法
でトルクを得るので、除算によるオーバーフロー等を防
止でき、常に精度の良いトルク演算を行うことができる
。

また、上記の手法を用いた非接触式のトルク検出装置を
有することで、従来の接触により生ずる摩耗現象をなく
せるので、信頼性を向」ニさせることができる。したが
って、高い信頼性と精度の良いトルク検出が要求される
電動パワーステアリング装置を非接触式のトルク検出装
置により構成できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第上
図は電動式パワーステアリング装置に適用した実施例で
ある。運転者がホイール１を操舵すると、回転軸である
ステアリング軸２に取付けたトルク信号発生器３からス
テアリング軸２の回転角度（電気角）に応じた４つの正
弦波状の信号ＶＳ１＋　Ｖｃｌｌ　ＶＳ２＋　Ｖｃ２が
第２図、第３図のように発生する。これらの信号はトル
ク演算装置４に入力され、ステアリング軸の操舵力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
操舵力τはトルク制御装置５に入力される。このトルク
制御装置５は、操舵力τに対して最適な補助力を発生す
る電流指令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により駆動装置８では即動源
であるモータ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。

１、　Ｏｂを通して、タイヤｌｌａ、１１．ｂを転向す
る補助力を発生している。なお、電流検出器１２はモー
タ電流ｊＨを検出して電流制御回路７に出力している。

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、運転者が軽い力でホイール１を操舵して
も、自由にタイヤ１１ａ。

１１ｂを転向できる。

一般に電動式パワーステアリング装置では、信頼性を向
上させるため、できるだけ接触等による摩耗する箇所を
なくすことが重要である。そこで、トルク信号発生器３
は第２図に示すような非接触式の装置を用いている。こ
の構成はホイール側のステアリング軸２ａとステアリン
グ機構部材側のステアリング軸２ｂのそれぞれの回転角
度ｏ１゜θ２に対応した磁気信号を着磁した磁気ドラム
１３ａ、１３ｂと、磁気ドラム１３ａ、１３ｂの磁気信
号によりそれぞれの回転角度θ１．θ２に対応した正弦
波状の信号を非接触で出方する磁気抵抗効果素子１４ａ
、１４ｂと、２つの磁気ドラム１３ａ、１３ｂを接続し
、操舵力に対応してねじれを坐しる１・−ジョンバー１
５からなる。磁気抵抗効果素子１４ａからは回転角度０
１に対応して２つの正弦波状の信号ＶＳＩ、、ＶＣ１が
出方される。

ここでは、Ｖｓｌ、　Ｖｃｌをそれぞれ第１の正弦波。

第１の余弦波とよぶ。同様に、磁気抵抗効果素子１４ｂ
から出力される正弦波状の信号を第２の正弦波ＶＳ２＋
第２の余弦波Ｖｃ２とよぶ。なお、それぞれの信号は基
本的には次式で与えられる。

ｙｓｌ：　Ｖｔ５ｉｎ　ｆ）　１　　　　　　　　　　
　°°（Ｊ）ｖ　ｃ１＝　Ｖ　ｔｃｏｓ　０１　　　　
　　　　　　　・−（２）ｖｓｚ＝Ｖ２ｓｉｎθ２　　
　　　　　　　　−（３）Ｖｃｚ＝Ｖ２ｃｏｓθ２　　
　　　　　　　　　°（４）では、本発明の特徴の一つ
であるトルク演算装置４について詳細に説明する。第１
図のトルク演算装置４において、４つの信号ＶＳＩＨＶ
ｃｌ、　Ｖｓ２゜Ｖｃ２を入力するため、それぞれＡ／
Ｄ変換器１６ａ。

↓６ｂ、１６ｃ、１６ｄでディジタル量に変換している
。次に、第１の正弦波ＶＳＩと第１の余弦波ＶＣＩは期
間判断回路１７ａと角度演算回路１８ａに入力される。

期間判断回路１７ａでは、ＶＳＩの絶対値とＶｃｌの絶
対値の大きさ、Ｖｓｌ、　Ｖｃｌの符号により４つの期
間を判定する。

第３図に正弦波ＶＳ１．余弦波ＶＣＩと４つの期間の関
係を示す。本発明の特徴は除算を行った際のオーバーフ
ローや飽和を防ぐことであり、第３図を用いて説明する
。一般に、正弦波ＶＳＩと余弦波Ｖｃｌから回転角度ｅ
ｘ　を求めるには、ＶＳＩ／ＶＣＩにより正接値を計算
し、次に、正接’Ｊｔａｎ−”（ｖｓｚ／ｖｃ１）を演
算すればよい。そのため、第３図において、Ｖ　ｓ１／
　Ｖ　ｃｓ、つまり、ｔａｎθ１を計算すると、回転角
度０１が９０’　、２７０°付近で非常に大きい値とな
る。そのとき、その逆数ＭＣＩ／Ｖｓｌ、つまり、ｃｏ
ｔｏ工はＯ付近の値をとる。そこで、９０°、２７００
では、ｔａｎθ工でなく、ｃｏｔｏ１で計算する。また
ｏ’、ｉｓｏ°付近では逆にｃｏｔ　０１が大きい値と
なり、オーバーフロー等で精度低下となる恐れがあるの
で、ｔａｎθ１により計算する。この期間を判断するの
に、ここでは、除算の商の絶対値が１を超えない点で期
間を分けた。つまり、Ｉｖｓ１１≦Ｉ　Ｖｃｌ　ｌのと
きはｔａｎθ工（＝　ｖｓ１／　ｖｃｔ）で計算する期
間１　、ＩＩＩ、　ｌ　ＶＳＩ〉１ｖｃ１１のときには
ｃｏｔｏ（＝ｖｃｔ／ｖｓｔ）で計算する期間■、■と
じた。なお、 ｊａｎ（ｌｔ＝ｊａｎ　（Ｏｓ＋　１．８０１）　　　
　　＝−（５）ｃｏｔｏ１＝ｃｏｔ（θｔ＋　１８００
）　　　　　・・’（６）となるので、期間■と期間■
の区別はＭＣＩの符号で判断できる。つまり、ＭＣＩが
正のときには期間Ｉ、ｖ（１が負のときには期間■であ
る。同様に、期間■と期間■の区別はｖ−，１の符号で
判断すればよい。期間判断回路１７ａで判断された期間
の信号Ｓ１は角度演算回路１８ａに入力され、その期間
の信号Ｓ工により次の演算が行われる。

この演算により、角度演算回路１８ａからホイール側回
転角度θ１が出力される。なお、ｊａｎ−’（ｘ）、　
ｃｏｔ　”（ｘ）の関数（Ｘは変数）を高速に求めるた
め、第４図に示したリードオンリメモリ（ＲＯＭ）のテ
ーブルを用いる方法をとっている。

ＲＯＭにはあらかじめ、ｔａｎ−”（ｘ）あるいはｃｏ
ｔ−”（Ｘ）の結果を変数Ｘに対応するアドレスに記憶
しておく。そして、アドレスバスに除算の商Ｖ　ｓｔ／
ＶＣＩ、あるいはｖｃｓ／ｖｓ】を入力すれば、ＲＯＭ
のデータバスからｔａｎ−”　（ｖｓ工／　ｖｅｘ）あ
るいは１− ｃｏｔ−”（ｖｃｔ／　ｖｓｔ）の値を読み取ることが
できる。

従って、高速に回転角度０１が得られる。なお、ｖｓｔ
／Ｖｃｔあるいはｖｃｔ／ｖｓｔは必ず１以下なので、
ＲＯＭテーブルは小さくてよい。

同様に、第２の正弦波Ｖｓ２．第２の余弦波Ｖｃ２につ
いても、期間判断回路１７ｂ、角度演算回路１８ｂで演
算が行われ、ステアリング機構部材側回転角度θ２が出
力される。次に、トルク演算回路１９に０１と０２が入
力され、第５図のフローチャートに示す処理が行われる
。ステップ１０１では、θ１と０２の角度差Δθが演算
される。回転角度ｏ１．ｏ２はいずれも電気角で３６０
度以内しか判断できない。例えば、１０’　、３７０゜
７３０°はいずれも１０°と計算する。そこで、トルク
演算を行う上で難しいので、第２図のトーションバー１
５の剛性は最大トルクがかった状態でも最大±１８００
　（電気角）しかねじれないように設計しておく。そし
て、ステップ１０２において、Δ０が１８０°を超える
ときはステップ１０３にとぶ。ステップ１０３では、Δ
θ−３６０゜２ を真の角度差Δθとみなす。また、ステップ１０２でΔ
Ｏが一１８０°より小さいときには、ステップ１０４に
とび、Δ０＋３６０’をΔθとする。

そのような修正を行った後、ステップ１０５でトーショ
ンバー１５の剛性で決まる定数ＫＴをΔＯに乗すること
で、トルクτを算出している。

以上のように、この実施例を用いることにより、ディジ
タル演算回路における除算によるオーバーフローを防ぐ
ことができるので、回転角度によらず、常に精度の良い
トルク検出を行うことができる。特に、電動式パワース
テアリング装置では非接触式で正弦波出力が得られる磁
気抵抗効果素子を用いることにより、信頼性と精度の向
上を図ることができる。また、ＲＯＭテーブルを用いた
場合には、本実施例では、変数ｘ　（ｖｓｚ／ｖｃｔあ
るいはＶＣＩ／ＶＳＩ）が１以下なので、テーブルの大
きさはｔａｎ−”　ｘが一４５°から４５°、　ｃｏｔ
−’ｘが４５″から１３５°の範囲がよい。

第６図はトルク演算装置４を除算ができるマイクロコン
ピュータで置き換えたときの他の実施例を示すフローチ
ャートである。ＤＢ　Ｏ２について同し処理を行うので
、ここでは（ｌｔ（ｉ＝１．２）として説明する。まず
、ステップ２０１では、ＶＳＩＩと１ｖｃｔｌを比較す
る。）ｖｓ、ｌ＜ｌｖｃ。

のときには、期間■あるいは期間■なのでステップ２０
２に飛び、ｌ　ｖｓｔ　ｌ　＞　ｌ　Ｖ、、　ｌのとき
には期間Ｉ？あるいは期間■なのでステップ２０３に飛
ぶ。次に、ステップ２０２において、ＶＣＩの符号を判
断し、ｖｃ＋＞０のとき、期間Ｉの処理を行うステップ
２０４に移る。■ｃ１くＯのときには、期間■の処理を
行うため、ステップ２０５に飛び。

ステップ２０４．ステップ２０５の処理は（７）式に示
した演算をマイクロコンピュータで行うもので、ＲＯＭ
テーブルを用いて容易に演算できる。

また、ステップ２０３では、ｖｓ、の符号を判断して、
ｖ　ｓ　Ｉ＞　Ｏのとき、期間Ｈの処理を行うため、ス
テップ２０６に移り、ｖ　ｓ　Ｉ＜　Ｏのとき、期間■
の処理をするステップ２０７に移る。ステップ２０６で
は、 ＤＩ＝９０°　ｔａｎ’（ｖｓｔ／ｖｃｔ）　　　−（
８）ＩＩ′Ｉ　− を演算している。これは、正接と合接の間に、ｃｏｔｏ
＋＝ｊａｎ　（９０”　−０１）　　　　　’　−（９
）が戊立つため、ｃｏｔ”のかわりに、ｊａｎ−’で演
算している。同様に、期間■の処理をするステップ２０
７では、次式を回転角度Ｏ８を演算している。

Ｏｌ＝　２７００−ｊａｎ−’（ｖｃ＋／　ｖｓｔ）　
　　−（１０）以上の処理により、同転角度を演算した
場合、ＲＯＭテーブルは一４５°から４５°までのｔａ
ｎ　’関数を用いればよ（、ｃｏｔ　’関数のテーブル
が不要となるため、ＲＯＭの記憶容量をさらに小さくで
きる。また、正接には次式が成立つ。

ｔａｎ　Ｏ＝　−ｔａｎ　（−０）　　　　　　　　　
　−（１１）そこで、ＲＯＭテーブルはＯｏから４５°
までのｔａｎ−１関数だけでも演算することも可能であ
り、これにより、さらにＲＯＭの記憶容量を半減できる
。

第７図は回転角度の計算方法が第６図と異なる他の実施
例である。第７図では、期間判断を行うステップ２０１
からステップ２０３を行う前に、ステップ３０工の処理
を行う。ステップ３０１では、Ｖ　Ｓ　ｌ　／　Ｖ　Ｃ
ｌの最大値■１をＶ＋＝　Ｖｓ＋２＋Ｖｃ＋２　　　　
　　　　”’（１２）で計算しておく。次に、期間判断
を行った後、回転角度０．を次の方法で計算する。

期間Ｉの処理をするステップ３１０では、ｊａｎ　’で
なく、５ｉｎ−’関数を用いる。ｓｉｎ　”関数は０．
７０７　のとき−４５°、０．７０７のとき４５°とな
るので、この間のデータをＲＯＭテーブルに記憶してお
けばよい。期間■の処理を行うステップ３１１も５ｉｎ
−’関数で演算できる。期間Ｈのステップ３１２につい
ては、ｃｏｓ””関数やｊａｎ””’関数のかわりに、
ｃｏｔ−’関数を用いる。

Ｃ０９−”関数は０．７０７　のとき４５　”　、　−
０，７０７のとき１３５°となる関数をＲＯＭテーブル
に記憶しておけばよい。期間■についても、ステップ３
１３でｃｏｓ−’関数で回転角度Ｏ５を演算できる。

この実施例では、ｊａｎ　”関数やｃｏｔ−”関数を用
いないため、期間をｖｓｔとＶＣＩの大きさにより分け
なくても、オーバーフローなどは生じない。しかし、例
えば、ｓｉｎ関数は９０’付近では変数に対する変化量
が少なく、ｓｉｎ　’関数から回転角度を得ようとした
場合、精度が悪くなってしまう。

そのとき、ｃｏｓ関数の９０°付近における変化量は最
大となるので、５ｕｎ−”関数でなく、ｃｏｓ−’関数
を用いたほうが高い精度を保つことができる。

したがって、本発明の特徴である正弦波信％　Ｖ　５　
ｌと余弦波信号ｖｃＩの大きさ、符号等で期間を分ける
方法はｊａｎ−”関数で演算する場合だけでなく、ｓｉ
ｎ”””関数、　ｃｏｓ−’関数を用いるときにも有効
であることがわかる。

また、ｃｏｓ−’関数は５ｉｎ−”関数を用いて表すこ
とができるので、ｃｏｓ−’関数のＲＯＭテーブルを省
略できることは明らかである。さらに、最大値Ｖ＋　が
あらかじめわかっている場合には、ステップ３０１は省
略できる。

以上が実施例の説明であるが、電動式パワーステアリン
グ装置以外のトルク検出装置に適用できることはもちろ
ん、複数の正弦波信号を発生する位置検出装置にも適用
できることは容易に理解できる。また、ディジタル演算
回路だけでなく、アナログ回路でも利用できることはい
うまでもない。

さらに、期間の分は方もオーバーフローや精度低下がな
い範囲であれば、正弦波と余弦波が一致する点で分ける
ことに限定する必要はないことも当然である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、正弦波信号と余弦波信号からオーバー
フロー、飽和が起こらない演算方法を常にとることがで
きるので、高精度のトルク検出を行うことができる。ま
た、電動式パワーステアリング装置等に非接触式の磁気
抵抗効果素子を用いることにより、高信頼性とフィーリ
ングの良さを兼ね備えたシステムを構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電動式パワーステアリング装置に適用した本発
明の一実施例の構成図、第２図は非接触式トルク信号発
生器の構成図、第３図は本発明の特徴である期間分けを
説明する三角関数の特性図、第４図はｊａｎ−’及びｃ
ｏｔ−’関数を得るためのメモリーテーブル、第５図は
トルク検出回路の処理を表すフローチャート、第６図は
ｔａｎ−”関数だけを用いた他の実施例を示すフローチ
ャート、第７図はｓｉｎ””及びＣＯ３−”関数を用い
た他の実施例を示すフローチャー１−である。 １・・・ステアリングホイール、２・・・ステアリング
軸、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、９・・・駆動回路、９・・・モータ、１
０・・・ステアリング機構部材、１１・・・タイヤ、１
２・・・電流検出器、１３・・・磁気ドラム、１４・・
・磁気抵抗効果素子、１５・・・トーションバー、１６
　・Ａ／Ｄ変換器、１７・・・期間判断回路、１８・・
・角度演算回路、２２９−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入力側と負荷側とを結ぶ回転軸上に所定の間隔で配
   置された一対の角度検出器、該検出器によつて検出され
   た角度の相対的な角度差により負荷トルクを検出し、該
   負荷トルクに応じた補助負荷駆動信号を駆動源に供給し
   てなるトルク検出装置を用いた制御装置において、位相
   の異なる複数の正弦波状信号を回転軸の回転角度に対応
   して出力する一対のトルク信号発生器と、前記正弦波状
   信号から除算を用いて前記信号発生器を取付けた箇所に
   おけるそれぞれの回転角度を演算すると共に、前記除算
   の商が設定した一定値以下の値となるように演算する手
   段と、前記回転角度の差から負荷トルクを演算して補助
   負荷駆動力を駆動源に供給する制御手段とを備えてなる
   トルク検出装置を用いた制御装置。 ２、請求項１において、前記正弦波状信号の位相が９０
   度異なる正弦波信号と余弦波信号であることを特徴とし
   たトルク検出装置。 ３、請求項１において、前記信号発生器が磁気抵抗効果
   素子で構成されることを特徴としたトルク検出装置。 ４、請求項２において、前記正弦波信号の絶対値が前記
   余弦波信号の絶対値あるいはそれ以上の時、前記正弦波
   信号を除数、余弦波信号を被除数とし、それ以外の時に
   は前記正弦波信号を被除数、余弦波信号を除数とするこ
   とを特徴としたトルク検出装置。 ５、請求項２において、前記回転角度を得るために正接
   弧（ｔａｎ＾−＾１）あるいは余接弧（ｃｏｔ＾−＾１
   ）を用いた演算を行うことを特徴としたトルク検出装置
   。 ６、ステアリングホィールとタイヤの駆動軸を結ぶステ
   アリング軸上に所定の間隔で配置された一対の角度検出
   器、該検出器によつて検出された角度の相対的な角度差
   により負荷トルクを検出し、該負荷トルクに応じた補助
   負荷駆動信号を駆動モータに供給してなるトルク検出装
   置を用した制御信号において、位相の異なる複数の正弦
   波状信号をステアリング軸の回転角度に対応して出力す
   る一対の信号発生器と、前記正弦波状信号から除算を用
   いて前記信号発生器を取付けた箇所におけるそれぞれの
   回転角度を演算すると共に、前記除算の商が設定した一
   定値以下の値となるように演算する手段と、前記回転角
   度の差から負荷トルクを演算して負荷トルクに応じて駆
   動モータに信号を供給してなるトルク検出装置を用いた
   制御装置。 ７、請求項６において、前記ステアリング軸はトーショ
   ンバーであることを特徴とするトルク検出装置を用いた
   制御装置。