JPWO2006051590A1

JPWO2006051590A1 - 回転検出装置

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Publication number: JPWO2006051590A1
Application number: JP2006544695A
Authority: JP
Inventors: 斎藤　博之; 博之斎藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2008-05-29
Also published as: WO2006051590A1

Abstract

同種複数の回転検出手段を２群に分けて設置し、各群の回転検出器を、特定の電気角に相当する角度を維持し隣接して設置する。回転検出手段の各群にある検出器が断線などで故障して信号を発生しない場合でも、他の検出器信号を用いて通常の回転検出信号を出力することができる。

Description

本発明は、回転検出装置、特に電動ブレーキに用いられるＤＣブラシレスモータに適した回転検出装置に関するものである。

モータを用いる電動キャリパは、車両用ブレーキシステムにおいて良く知られていることである。電動キャリパは、ブレーキキャリパの動作用動力源を油圧の代わりに、モータ、特に、大電流低慣性のＤＣブラシレスモータを用いられることが多い。電動キャリパ用モータを制御する場合、制動力の立ち上がり時の応答性確保と制動時のブレーキ力を緻密に制御するため、モータロータの回転を検出する回転検出器（レゾルバまたはホールＩＣ）を用いたベクトル制御が用いられる。

回転検出器に断線などの故障が発生した場合、制動力制御が不能となるため、ブレーキが作動しないおそれがある。このため、特許文献１（特開２０００−２０９８８９号公報）および特許文献２（特開平１０−１７０３０７号公報）に記載されているように、ロータリーエンコーダーと磁極位置検出装置を組み合わせて、磁極位置検出装置が断線した場合でも、磁極位置を推定する方式が提案されている。しかしながら、単に独立したセンサを複数個用いて回転検出装置を構成しているので、実装スペースの制約を受け易く、実現には困難を伴う。また、センサの断線時には、磁極位置を推定するため、制御精度の悪化が懸念される。

特開２０００−２０９８８９号公報特開平１０−１７０３０７号公報

本発明の目的は、実装スペースの制約が受け難く、かつ、一つのセンサの故障時にも、正常時と同様な回転検出信号を生成することが可能な回転検出装置を提案することである。

本発明は、同種複数の回転検出器を２群に分けて設置し、各群の回転検出器を、特定の電気角に相当する角度を維持し隣接して設置する。回転検出器の各群にある検出器が断線などで故障して信号を発生しない場合でも、他の検出器信号を用いて通常の回転検出信号を出力することができる。

上記手段により、少ない実装スペースで回転検出装置を構成することが可能となる。また、回転検出器群のうちのいずれか一つが故障した場合でも、正常時と同様な回転検出信号を発生させることができる。

本発明における回転検出装置の配置例を示した略線図である。各群のホールＩＣの出力波形を示す図である。本発明を利用した電動ブレーキキャリパの構成を示す縦断面図である。コントローラおよび電動キャリパの内部構成を示すブロックダイアグラムである。ホールＩＣのインタフェース回路の動作について説明した波形図である。ホールＩＣ群の出力がＣＰＵに入力されたときの処理内容を示す波形図である。逆位相のセンサ出力群の両方が故障した場合を説明する波形図である。ＣＰＵの内部処理機能を示すブロック線図である。電動キャリパ内にインタフェース回路部を設置したブロック図である。回転検出装置の他の配置例を示す概略図である。

符号の説明

１０…磁石、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…ホールＩＣ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…ホールＩＣ、１６…ステータコイル、１８…コントローラ、２０…ロータ、２２…出力軸、２４，２６…ベアリング、２８…回転−直動変換機構、３２…シール、３４…ピストン、３６…パッド、３８…ロータ、４０…キャリパボディ、４２…パッド、４４…押し付け力センサ、４６…マグネット、４８…回転検出センサ群、５０…多重通信線、５２…電源線、５６…電動キャリパ、５８…ＤＣブラシレスモータ、７８…電源回路、６４…インタフェース回路部。６６…ＣＰＵ、６８…インタフェース回路部、７６，８０…インタフェース回路、８４インターフェース部、９０…制動力サーボブロック、９２…トルクー電流変換ブロック、１００…インタフェース回路部、１０２、１０４…電源ＩＣ、８２…電源回路。

図１は、本発明の一実施形態を示す回転検出装置の概略配置図である。回転検出装置としてはホールＩＣが用いられている。ホールＩＣに磁界変化を検出させるため、図示しないＤＣブラシレスモータのロータに磁石１０が取り付けられている。磁石１０は、ロータの円周方向に沿って配置された、４組の単位Ｎ／Ｓ磁石から構成されているので、モータの機械角と電気角の関係は、機械角＝電気角／４で表わされる。すなわち、モータが１／４回転（９０度）する毎に、電気角は３６０度進むことになる。

したがって、モータが、機械角で３０度回転すると、電気角で１２０度回転する。磁石１０に対向するホールＩＣ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ（これらを群１とする）は、電気角で１２０度の位相差となるように、それぞれ円周方向に沿って設置されている。ホールＩＣ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ（これらを群２とする）も同様に、電気角で１２０度の位相差となるよう、それぞれ円周方向に沿って設置されている。ホールＩＣ１２ａ、１２ｂ、１２ｃの出力は、それぞれ、ａ、ｂ、ｃ、ホールＩＣ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの出力は、それぞれ、ａ０、ｂ０、ｃ０である。ロータが回転し、それに固定された磁石１０が回転すると、磁石１０と対向した位置にあるホールＩＣには出力が発生する。

群１のホールＩＣ１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、群２のホールＩＣ１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、電気角で６０度の位相差となるように円周方向に沿って設置される。この実施形態では、群１のホールＩＣ１２ａ〜１２ｃと、群２のホールＩＣ１４ａ〜１４ｃを交互に等間隔で円周方向に並べることにより、６０度の位相差を保った設置を実現している。しかし、必ずしもこのような構成でなくても良く、図１０に示すように、群１と群２のホールＩＣ１２ａ１〜１２ｃ，１４ａ〜１４ｃの設置領域がオーバーラップがないようにして円周方向に設置することも可能である。

図２は、各群のホールＩＣ１２ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃの出力波形を示す図である。群１のホールＩＣ１２ａ〜１２ｃの出力ａ、ｂ、ｃ、群２のホールＩＣ１４ａ〜１４ｃの出力ａ０、ｂ０、ｃ０は、それぞれ６０度の位相差を持っている。この波形から明らかなように、ホールＩＣ１４ｂの出力ｂ０は、ホールＩＣ１２ａの出力ａの逆位相、ホールＩＣ１４ｃの出力ｃ０は、ホールＩＣ１２ｂの出力ｂの逆位相、ホールＩＣ１４ａの出力ａ０は、ホールＩＣ１２ｃの出力ｃの逆位相となる。この実施形態では、上記の互いに逆位相の出力同士を組み合わせて、故障時のバックアップ信号を構成する。これによって、回転検出器群のうちのいずれか一つが故障した場合でも、正常時と同様な回転検出信号を容易に発生させることができる。

図３は、本発明の実施形態の電動ブレーキキャリパの構成を示す縦断面図である。モータのステータコイル１６への通電電流をが制御し、の出力トルクを制御する。モータの出力軸２２は、によって支持され、その一端（図中左）は、減速およびの入力軸に結合される。回転−直動変換機構２８の出力軸２２がシール３２、出力軸２２で支持されたピストン３４を押すことにより、パッド３６がロータ３８に押し付けられる。その反作用でキャリパボディ４０が右方向への力を受ける。もう片側のパッド４２もロータ３８に押し付けられる。

押し付け力を制御するため、出力軸３０の終端には押し付け力センサ４４が設置されている。モータのトルクおよび回転数を制御するため、モータ出力軸２２の他方（図中左）にマグネット４６と回転検出センサ群４８が設置されている。マグネット４６は、出力軸２２の回転によって移動し、対抗する回転センサ群４８に出力が発生する。

回転検出センサ群４８の出力を用いて、コントローラ１８によってモータ電流制御を実行する。さらに、上位システムからの押し付け力指令値が、多重通信線５０を介してコントローラ１８に入力されるとともに、押し付け力センサ４４の出力値がコントローラ１８へフィードバックされ、押し付け力制御を実行する。コントローラ１８には、モータへ電源を供給するための電源線５２が接続される。

図４は、コントローラ１８および電動キャリパ５６の内部構成を示すブロックダイアグラムである。キャリパ５６を構成する電気部品は、ＤＣブラシレスモータ５８、押し付け力センサ４４および回転検出用ホールＩＣ群１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃからなっている。点線で囲まれた電動キャリパ５６は、ばね下（車輪側）に位置し、点線で囲まれたコントローラ１８は、ばね上（車体側）に位置している。

コントローラ１８は、システムへの電源供給のための電源線５２および上位システムからの押し付け力指令値を入力するための多重通信線５０を備えている。電源線５２は、へ入力される。電源ＩＣ６４は、モータ電流制御、押し付け力制御ならびに故障診断などを実行するＣＰＵ６６の電源に用いられる。多重通信（例えばＣＡＮ通信など）は、多重通信線５０、インタフェース回路部６８を通して上位システムから指令を受ける。

ＤＣブラシレスモータ５８を駆動する駆動用モータドライバ（インバータ）７０は、ＣＰＵ６６からの駆動信号に基づいて、モータ電流をＣＰＵ６６へフィードバックしながらモータを駆動する。押し付け力センサ４４の出力は、インタフェース回路７２を介してＣＰＵ６６へ入力される。回転検出用ホールＩＣ群１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、群１（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）、群２（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）に分けられる。

ホールＩＣ１２ａおよび１４ｂは、その出力信号が互いに逆位相の関係になっており、電源回路７４から電源供給を受ける。これらの出力信号は、インタフェース回路７６に入力され、ＣＰＵ６６の割込入力Ｚとなる。同様に、ホールＩＣ１２ｃおよび１４ａは、電源回路７８から電源供給を受け、出力信号はインタフェース回路８０に入力されて、ＣＰＵ６６の割込入力Ｙとなる。ホールＩＣ１２ｂおよび１４ｃは、電源回路８２から電源供給を受け、出力信号はインタフェース回路８４に入力されて、ＣＰＵ６６の割込入力Ｘとなる。

物理的配置で分けられたホールＩＣの群１および群２の出力は、互いに逆位相の出力同士で独立している３系統に分けられ、各々のＣＰＵ６６の割込入力Ｘ、Ｙ、Ｚとなる。ばね下（車輪側）に位置するホールＩＣ１２ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃの出力信号ａ〜ｃ、ａ０〜ｃ０は、１２本の配線（ハーネス）を介して、ばね上（車体側）に位置するインターフェース７６，８０、８４、電源７４、８２、７８と接続されている。

図５は、上記ホールＩＣのインタフェース回路７６，８０，８４の動作を説明する波形図である。ホールＩＣ１２ａ、１４ｂのそれぞれの出力ａおよびｂｏは、互いに逆位相になっている。ここではセンサの故障を出力が変化しない場合と規定することとする。

両者が正常で出力が変化する場合は、インターフェース回路７６は、センサ出力ａを選択する。センサ出力ａが異常で、出力が変化しない場合は、インターフェース部７６は、センサ出力ｂ０の反転信号を選択する。逆に、センサ出力ｂ０が異常で出力が変化しない場合には、インターフェース回路７６は、センサ出力ａを選択する。両者が異常で出力が変化しない場合は、インターフェース回路７６は、センサ出力を０とする。

ホールＩＣ１２ｃ，１４ａが正常で出力が変化する場合は、インターフェース回路８０は、センサ出力ｃを選択する。センサ出力ｃが異常で、出力が変化しない場合は、インターフェース部８０は、センサ出力ａ０の反転信号を選択する。逆に、センサ出力ａ０が異常で出力が変化しない場合には、インターフェース回路８０は、センサ出力ｃを選択する。両者が異常で出力が変化しない場合は、インターフェース回路８０は、センサ出力を０とする。

ホールＩＣ４１２ｂ，１４ｃが正常で出力が変化する場合は、インターフェース回路８４は、センサ出力ｂを選択する。センサ出力ｂが異常で、出力が変化しない場合は、インターフェース部８４は、センサ出力ｃ０の反転信号を選択する。逆に、センサ出力ｃ０が異常で出力が変化しない場合には、インターフェース回路４１８は、センサ出力ｂを選択する。両者が異常で出力が変化しない場合は、インターフェース回路８４は、センサ出力を０とする。

図６は、これらホールＩＣ群の出力Ｘ，Ｙ，ＺがＣＰＵ６６に入力されたときの処理内容を示す動作説明図である。ホールＩＣ群の出力が正常な場合、インタフェース回路の出力波形ｘ、ｙ、ｚは図のような電気角で１２０度づつ位相差のある矩形波となる。矩形波の立ち上がりおよび立ち下がりでＣＰＵ６６に割込がかかる。信号Ｘで割込がかかってから、順次信号ｚ、信号ｙの繰り返しで割込がかかる。フリーランタイマＴを用いて、各割込ごとにその値を読み込み、割込間の周期とする。例えば、割込Ｚから割込Ｙまでの時間Ｔａは、
Ｔａ＝Ｘ３−Ｘ２
となる。電気角は６０度なので、モータの回転速度ωは、
ω＝６０／（Ｘ３−Ｘ２）＊変換定数
となる。ここで変換定数とは、フリーランタイマ値を実時間に変換するとともに、回転速度を所要の単位に変換する係数である。センサ出力の一つが故障しても、これらのＣＰＵ６６への割込入力は変化しないので、回転速度計算は正常に動作する。

図７に、逆位相のセンサ出力群の両方が故障した場合の波形図を示す。この例では、出力Ｚが一定値（＝０）となっている。この場合、割込Ｚが発生しないので、割込ｘおよび割込Ｙを用いてモータ回転速度を推定する。
例えば、割込Ｙから割込Ｘまでの時間は、
Ｔａ＝Ｘ４−Ｘ３
となる。電気角は６０度なので、モータの回転速度ω１は、
ω１＝６０／（Ｘ４−Ｘ３）＊変換定数
となる。
例えば、割込Ｘから割込Ｙまでの時間は、
Ｔａ＝Ｘ６−Ｘ４
となる。電気角は１２０度なので、モータの回転速度ω２は、
ω２＝１２０／（Ｘ６−Ｘ４）＊変換定数となる。このω１、ω２を交互に繰り返して、一系統故障時のモータ回転速度を推定することができる。

図８は、ＣＰＵ６６の内部処理機能を説明するブロックダイアグラムである。多重通信で送られてきた制動力指令と、押し付け力センサ４４にて計測された実制動力の偏差を、制動力サーボブロック９０に入力し、制動力サーボ制御を行う。制動力サーボ９０で決定されたモータトルク指令値を、トルクー電流変換ブロック９２にて変換して、モータ電流指令値を作成する。モータ電流フィードバックブロック９４では、モータ実電流とモータ回転数でフィードバック制御を行い、モータ５８への電流を制御する。

図９は、電動キャリパ内にインタフェース回路部を設置した具体例を示すブロックダイアグラムである。インタフェース回路部１００、１０２、１０４をばね下（車輪側）に位置するキャリパ５６に取り込むことにより、キャリパ５６とばね上（車体側）に位置するコントローラ１８間を連絡する電線（Ｌ１〜Ｌ９の本数が、１２本（図４）から９本に削減される。ホールＩＣ１２ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃ、押付力センサ４４、ＤＣブラシレスモータ５８の機能は図４と同じである。

電動ブレーキの他、この回転検出器を用いてＤＣブラシレスモータを制御する機器に利用可能である。

Claims

回転体の円周方向に沿って設けられた少なくとも一組のＮ極、Ｓ極を含む磁石と、前記回転体が回転したとき前記磁石と互いに対向するように配置され、前記磁石と対向したとき、所定の出力を発生する複数群の位置検出ユニットと、前記複数群の位置検出ユニットに電源を供給する独立した複数の電源装置と、前記複数群の位置検出ユニットの出力信号を処理する信号処理装置を備え、前記複数群の位置検出ユニットは、それぞれ複数の位置検出器を備え、前記磁石の回転に伴って多相信号を発生し、前記複数の電源装置は、互いに位相の反転する信号を発生する位置検出器へそれぞれ電源を供給するように接続され、前記複数の信号処理装置は、互いに位相の反転する信号を発生する位置検出器の出力信号を処理することを特徴とする回転検出装置。
請求項１に記載の回転検出装置において、前記位置検出ユニットは、二つの群を備え、各群は、電気角で１２０度毎の位相を検出する３つの回転検出器により構成され、各々の前記位置検出ユニット群を位相差が６０度になるように物理的に配置する回転検出装置。
請求項１に記載の回転検出装置において、前記位置検出ユニットは、二つの群を備え、各群は、電気角で１２０度毎の位相を検出する３つの回転検出器により構成され、各々の前記位置検出ユニット群が位相差が６０度になるように物理的に配置され、相互に円周上に並んで配置される回転検出装置。
請求項１に記載の回転検出装置において、前記各群の位置検出ユニットの設置領域がオーバーラップしている回転検出装置。
請求項１に記載の回転検出装置において、前記各群の位置検出ユニットの設置領域がオーバーラップしていない回転検出装置。
請求項１に記載の回転検出装置において、前記ホールＩＣおよび信号処理装置は、ばね下（車輪側）に位置するキャリパ内に設置され、前記電源装置は、ばね上（車体側）に位置するコントローラ内に設置される回転検出装置。
回転体の円周方向に沿って設けられた少なくとも一組のＮ極、Ｓ極を含む磁石と、前記回転体が回転したとき前記磁石と互いに対向するように配置され、前記磁石と対向したとき、所定の出力を発生する複数の位置検出器と、前記複数の位置検出器に電源を供給する独立した複数の電源装置と、前記複数の位置検出器の出力信号を処理する信号処理装置を備え、前記複数の位置検出器は、前記磁石の回転に伴って多相信号を発生し、前記複数の電源装置は、互いに位相の反転する信号を発生する位置検出器へそれぞれ電源を供給するように接続され、前記複数の信号処理装置は、互いに位相の反転する信号を発生する位置検出器の出力信号を処理することを特徴とする回転検出装置。