KR101123918B1

KR101123918B1 - 회전각도검출장치 및 회전제어장치

Info

Publication number: KR101123918B1
Application number: KR1020040035032A
Authority: KR
Inventors: 사이토마사시
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2012-03-26
Also published as: EP1480004A3; JP4260544B2; EP1480004B1; EP1480004A2; JP2004340873A; US20040232908A1; US7116099B2; KR20040100943A

Abstract

본 발명은 히스테리시스특성의 영향을 받는 일 없이, 각도 검출치의 오차가 저감된 비접촉식 회전각도검출장치를 제공하는 것에 있다.

출력축(140)을 구동하는 모터(130)와, 출력축(140)과 동기하여 회전하는 자석(150)의 자계의 변화를 검출하는 센서소자(165)를 가진다. 제어기(110)는 출력축(140)이 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에, 센서소자(150)의 출력을 다른 다차 함수를 사용하여 보정하고, 보정된 회전각도가 목표 회전각도가 되도록 모터(130)를 제어한다.

Description

회전각도검출장치 및 회전제어장치{APPARATUS FOR DETECTING ROTATION ANGLE AND ROTATION CONTROL}

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치의 구성을 나타내는 블록도,

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 출력축(140)의 회전각도(θr)와 출력회로(160)의 출력전압(Vout)의 관계를 나타내는 특성도,

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 사용하는 캘리브레이션장치의 구성을 나타내는 시스템구성도,

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 사용하는 캘리브레이션장치의 로터리 인코더의 출력 펄스의 파형도,

도 5는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 사용하는 캘리브레이션장치의 동작을 나타내는 플로우차트,

도 6은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 캘리브레이션처리시의 정규화된 출력의 파형도,

도 7은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 캘리브레이션처리시의 정규화된 출력의 파형도,

도 8은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 사용하는 모터 드라이 버의 블록도,

도 9는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 각도 보정처리의 내용을 나타내는 플로우차트,

도 10은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 각도 보정처리의 구체예의 설명도,

도 11은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 각도 편차의 설명도,

도 12는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 제 3의 각도보정처리의 설명도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 시프트제어기 110 : 제어기

120 : 모터 드라이버 130 : 모터

140 : 출력축 150 : 자석

160 : 출력회로 165 : 센서소자

170 : EEPROM

본 발명은 회전체의 회전각도를 검출하는 회전각도검출장치 및 이 검출장치를 사용하는 회전제어장치에 관한 것이다.

종래의 비접촉식 회전각도검출장치에 있어서는, 예를 들면 일본국 특개2002-213993호 공보에 기재된 바와 같이 전자유도에 의해 비검출부재에 발생하는 자화의 영향을 자기검출소자가 직접 검지하는 일이 없도록 비검출부재에 흐르는 자력선의 흐름과 자기검출소자에 흐르는 자력선의 흐름을 독립으로 하는 것이 알려져 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2002-213993호 공보

그러나 일본국 특개2002-213993호 공보에 기재된 것에서는, 비검출부재의 회전방향이 다름으로써 발생하는 히스테리시스를 고려하고 있지 않은 것이었다. 히스테리시스특성을 가지는 경우, 검출되는 각도치가 회전방향에 따라 다르기 때문에, 각도 검출치의 오차가 생긴다는 문제가 있었다. 여기서, 히스테리시스는 비검출부재의 회전방향의 상위에 의해, 1) 비검출부재를 회전구동하기 위한 전류가 흐르는 방향이 다름으로써, 2) 피검출부재와 자기검출소자의 상대위치가 다름으로써, 3) 자기검출소자의 자계변화에 대한 저항변화가 다름으로써 발생한다.

또, 비접촉식 회전각도검출장치를 사용하여 회전각도를 검출하고, 이 검출된 각도에 의거하여 비회전체를 제어하는 회전제어장치에 있어서는, 검출 각도치에 오차가 생기면, 회전각 제어 정밀도가 저하한다는 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은, 히스테리시스특성의 영향을 받는 일 없이, 각도 검출치의 오차가 저감된 비접촉식 회전각도검출장치를 제공하는 것에 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 각도 검출치의 오차가 저감된 비접촉식 회전각도검출장치를 사용하여 제어 정밀도가 향상된 회전제어장치를 제공하는 것에 있다.

(1) 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전체와 동기하여 회전하는 자석의 자계의 변화를 검출하는 센서소자를 가지고, 상기 회전체의 회전각도를 검출하는 회전각도검출장치에 있어서, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에, 상기 센서소자의 출력을 다르게 보정하는 보정수단을 구비하도록 한 것이다.

이러한 구성에 의해, 히스테리시스특성의 영향을 받는 일 없이, 각도 검출치의 오차를 저감할 수 있게 된다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 보정수단은 상기 센서소자의 출력을, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에 다른 함수로 근사한 경우의 보정계수를 사용하여 보정하도록 한 것이다.

(3) 상기 (2)에 있어서, 바람직하게는 상기 보정수단은 상기 센서소자의 출력을, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에 다른 함수로 근사한 경우의 보정계수를 사용하여 보정하도록 한 것이다.

(4) 상기 (3)에 있어서, 바람직하게는 상기 보정수단은 상기 센서소자의 출력을, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에 다른 3차 곡선을 사용하여 근사한 경우의 보정계수를 사용하여 보정하도록 한 것이다.

(5) 상기 (3)에 있어서, 바람직하게는 상기 보정수단은 상기 센서소자의 출 력을, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에, 1차 직선을 사용하여 근사한 경우의 보정계수를 사용하여 보정하도록 한 것이다.

(6) 상기 (3)에 있어서, 바람직하게는 상기 센서소자는 2계통의 출력을 가지고 있고, 상기 보정수단은, 상기 센서소자의 출력을 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에, 상기 2계통의 출력을 제산(除算)한 다음에 함수를 사용하여 근사한 경우의 보정계수를 사용하여 보정하도록 한 것이다.

(7) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 보정수단은 상기 센서소자의 출력을, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에 동일한 함수로 근사한 경우의 보정계수 및 회전방향마다 다른 보정치를 사용하여 보정하도록 한 것이다.

(8) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 제어수단은 상기 회전체를 회전구동하는 모터에 대한 지령전압에 의해 회전방향을 판별하도록 한 것이다.

(9) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 제어수단은 상기 회전체를 회전, 구동하는 모터를 구동하는 구동회로의 출력전류에 의해 회전방향을 판별하도록 한 것이다.

(10) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 제어수단은 상기 회전체를 회전구동하는 모터를 구동하는 구동회로의 출력전압에 의해 회전방향을 판별하도록 한 것이다.

(11) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 제어수단은 상기 센서소자의 출력신호의 시간변화에 의해 회전방향을 판별하도록 한 것이다.

(12) 상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전체를 구동하는 모터와, 이 회전체와 동기하여 회전하는 자석의 자계의 변화를 검출하는 센서소자와, 이 센서소자에 의해 검출된 상기 회전체의 회전각도가 목표 회전각도가 되도록 상기 모터를 제어하는 제어수단을 가지는 회전제어장치에 있어서, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에, 상기 센서소자의 출력을 다르게 보정하는 보정수단을 구비하고, 상기 제어수단은 이 보정수단에 의해 보정된 회전각도가 목표 회전각도가 되도록 상기 모터를 제어하도록 한 것이다.

이러한 구성에 의해 회전제어의 제어 정밀도를 향상할 수 있게 된다.

이하, 도 1 내지 도 12를 사용하여 본 발명의 일 실시형태에 의한 비접촉식 회전각도검출장치 및 이 검출장치를 사용하는 회전제어장치의 구성에 대하여 설명한다.

제일 먼저 도 1을 사용하여 본 실시형태에 의한 회전제어장치의 구성에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

본 실시형태에서는, 회전제어장치를 2륜 구동/4륜 구동 전환용 시프트제어기에 적용한 예에 대하여 설명한다. 시프트제어기란, 차의 구동상태를 전환하는 트랜스퍼 케이스의 제어장치이다. 시프트제어기는, 운전자나 외부의 제어기로부터 입력되는 4륜 구동이나 2륜 구동 등의 구동상태의 지령치에 의거하여 시프트제어기 내의 모터를 구동하여 시프트 레일을 회전시키고, 트랜스퍼 케이스 내의 기어를 전환하는 기능을 가진다.

시프트제어기(100)는, 제어기(CONT)(110)와, 모터 드라이버(DRV)(120)와, 모터(M)(130)와, 출력축(0A)(140)과, 자석(MAG)(150)과, 출력회로(OC)(160)와, 센서소자(S)(165)와, EEPROM(170)을 구비하고 있다.

제어기(110)는 출력축(150)의 회전각도가 외부로부터 지령된 목표 회전각도(θT)가 되도록 모터 구동지령(Sm)을 모터 드라이버(120)에 출력한다. 모터 구동지령치의 계산방법에는, On-Off제어, P제어, PID제어, H∞제어, H2제어 등이 있다. 이 지령치의 물리량으로서는, 모터(130)를 구동하는 전류이거나, PWM 제어의 듀티비이다.

모터 드라이버(120)는 입력한 모터 구동지령(Sm)에 따른 모터전류(Im)를 모터 (130)에 출력한다. 모터 드라이버(120)는 MOSFET로 구성된 H 브리지회로나, 또는 릴레이회로로 구성된다. 모터(130)는 모터전류(Im)에 의하여 회전하고, 그 회전출력은 도시 생략한 감속기구를 거쳐 출력축(140)에 전달된다. 출력축(140)은 예를 들면 0°내지 360°의 범위에서 정역회전한다. 회전각도가, 예를 들면 0°일 때 2륜 구동이 선택되고, 90°일 때 고속 4륜 구동이 선택되고, 180°일 때 저속 4륜 구동이 선택된다. 이렇게 하여 출력축(140)의 회전각도를 바꿈으로써 2륜 구동/4륜 구동의 전환이 행하여진다.

출력축(140)이 회전하면 그 회전에 동기하여, 자석(Mag)(150)이 회전한다. 자석(150)의 근방에는, 비접촉식의 자기검출소자인 홀소자와 같은 센서소자(165)가 배치되어 있다. 자석(150)의 회전에 의해 센서소자(165) 근방의 자속밀도가 변화하고, 이 자속밀도의 변화에 의해 센서소자(165)의 저항치가 변화한다. 자석(150)의 재료로서는, 사마륨?코발트나 네오디뮴, SmFeN 등을 생각할 수 있으나, 재료형상과 아울러, 자기센서소자(165)의 특성에 의하여 결정된다. 본 실시형태에서는 자석(150)의 온도특성이나 자속밀도를 고려하여 SmFeN 자석을 사용하고 있다.

출력회로(160)는, 센서소자(165)의 저항치 변화에 대응하는 출력전압(Vout)을 출력한다. 센서소자(165)는, 예를 들면 4개의 바이어스자계를 가진 거대 자기저항소자[GMR(Giant Magneto Resister)소자]로 구성되어 있다. 출력회로(160)는, 제 1과 제 2의 GMR 소자에 의해 제 1의 출력(V0)을 출력하고, 제 3과 제 4의 GMR 소자에 의해 제 2의 출력(V1)을 출력한다. 출력회로(160)는, 브리지회로와, 증폭기를 구비하고 있다. 브리지회로의 제 1 변과 제 2 변에 각각 제 1과 제 2의 GMR 소자가 배치되고, 제 3 변과 제 4 변에 고정저항을 배치함으로써 GMR 소자의 저항치 변화를 전압변화로 변환할 수 있다. 변환된 전압값은 증폭기에 의해 증폭되어 출력전압 (Vout)이 된다.

여기서, 도 2를 사용하여 출력축(140)의 회전각도(θr)와 출력회로(160)의 출력전압(Vout)의 관계에 대하여 설명한다.

도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 출력축 (140)의 회전각도(θr)와 출력회로(160)의 출력전압(Vout)의 관계를 나타내는 특성도이다.

도 2에 있어서, 가로축은 출력축(140)의 회전각도(θr)를 나타내고, 세로축은 출력회로(160)의 출력전압(Vout)을 나타내고 있다.

출력전압(V0)은, 출력축(140)이 0°내지 360°까지 변화할 때, 도시하는 바와 같이 정현파상으로 변화한다. 출력축(140)의 360°의 1 회전이 출력전압(V0)의 1주기에 상당한다. 여기서 출력전압(V0)은, 회전각도(θr)가 0°일 때 극대치를 나타내고 회전각도(θr)가 180°일 때 극소치를 나타낸다. 출력전압(Vl)도, 출력전압(V0)과 마찬가지로 출력축(140)이 0°내지 360°까지 변화할 때, 정현파상으로 변화된다. 출력축(140)의 360°의 1 회전이 출력전압(V0)의 1주기에 상당한다. 여기서, 출력전압(V0)은, 회전각도(θr)가 90°일 때 극대치를 나타내고, 회전각도(θr)가 270°일 때 극소치를 나타낸다. 비접촉식 자기검출소자로서, 바이어스자계를 가진 GMR를 사용함으로써 도시한 바와 같이 90°위상이 어긋난 2종류의 출력전압(Vout)을 얻을 수 있다. 또 바이어스자계를 가지지 않은 GMR소자, 또는 자기저항(MR)소자를 사용한 경우는, 자석(150)의 1 회전에 대하여, 2주기의 파형이 관측되는 일도 있다. 센서소자로서는 자기에 반응하는 소자이면 되고, 홀소자를 사용할 수도 있다.

다시, 도 1에 나타내는 바와 같이 출력회로(160)가 출력하는 출력전압(Vout)은, 제어기(110)에 입력한다. 제어기(110)는, 이 출력전압(Vout)에 의거하여 출력축 (140)의 회전각도(θr)를 구한다. 그리고, 제어기(110)는, 검출된 출력축(150)의 회전각도(θr)가 목표 회전각도(θT)가 되도록 모터 구동지령(Sm)을 모터 드라이버 (120)에 출력한다. 여기서 후술하는 바와 같이 출력축(140)의 회전각도(θr) 와 출력회로(160)의 출력전압(Vout)의 사이에는 히스테리시스특성을 가진다. 즉, 출력축 (140)이 정회전하였을 때와 역회전하였을 때에는, 출력축(140)의 동일한 회전각도(θr)에 대하여 출력전압(Vout)이 다른 현상이 된다.

따라서 본 실시형태에 있어서는, EEPR0M(170)은, 센서소자(165)의 히스테리시스특성을 보정하기 위한 보정계수를 가지고 있다. 제어기(110)는 EEPR0M(170)으로부터 보정계수를 판독하고, 이 보정계수를 사용하여 출력전압(Vout)을 보정하고, 히스테리시스의 영향을 저감한 출력축(140)의 회전각도(θr)를 구하여 모터(130)를 구동하도록 하고 있다.

센서소자의 출력전압이 히스테리시스특성을 일으키는 요인으로서는, 다음의 3가지 외란을 들 수 있다. 즉, 도 1에 나타낸 1) 모터 구동전류에 의한 외란 자계에 의한 외란(D1), 2) 출력축의 슬라이딩부의 간극에 의한 외란(D2), 3) 센서소자 자신의 히스테리시스에 의한 외란(D3)이다. 이하, 각각의 외란에 대하여 간단하게 설명한다.

외란(D1)은, 모터 구동전류에 의해 생기는 것이다. 도 1에 나타낸 제어기 (CONT)(110)와, 모터 드라이버(DRV)(120)와, 출력회로(OC)(160)와, 센서소자(S)(165)와, EEPROM(170)은, 동일 배선 기판 상에 배치되어 있다. 모터 드라이버(120)로부터 출력되는 모터 구동전류(Im)는, 이 기판의 외부단자로부터 리드선을 거쳐, 모터(150)에 공급된다. 여기서 모터(150)를 정회전시키는 경우와, 역회전시키는 경우에는 기판 상을 흐르는 모터 구동전류(Im)의 흐르는 경로가 다르고, 또 흐르는 방향도 반대가 된다. 따라서 정회전시에 발생하는 모터 구동전류의 전자유도에 의한 자계의 방향과, 역회전시에 발생하는 모터 구동전류의 전자유도에 의한 자계의 방향은 다르기때문에, 자기센서소자(165)의 출력도 출력축(1140)의 회전방향에 따라 다르다. 이 결과, 센서소자(165)에 대한 출력전압에 히스테리시스특성을 가지게 된다.

외란(D2)은, 구동부의 간극에 의해 생기는 것이다. 출력축(140)과, 이 출력축을 회전 지지하는 슬라이딩부의 사이에는, 간극을 설치할 필요가 있다. 이 간극의 존재에 의해 출력축이 축방향으로 상하 이동하거나, 출력축의 회전축이 반경방향으로 평행 이동하거나, 출력축이 슬라이딩부의 중심축에 대하여 경사지거나 하는 변동상태가 생긴다. 이들 변동상태는 모터(130)로부터의 외력이나 감속기어의 형상이나 출력축(140)에 끼워 맞춰진 피회전체로부터의 외력에 의해 결정된다. 또 이들 변동상태는 회전방향에 따라 다르나, 회전방향이 정해지면 일의적으로 결정된다. 그 결과, 출력축이 동일한 각도를 통과하는 경우에도 자기센서소자와 자석의 상대위치가 회전방향에 따라 다르기 때문에, 히스테리시스특성을 가지게 된다.

외란(D3)은, 자기센서소자(165)의 자계에 대한 히스테리시스에 의한 것이다. MR, AMR이나 GMR 등의 자기저항소자의 저항변화는 자계변화에 대하여 히스테리시스를 가지고 있다. 특히 GMR 소자는, MR 소자에 비하여 고감도인 한편, 히스테리시스가 큰 것이다. 따라서 자기센서소자의 출력도 자석의 회전각도에 대하여 히스테리시스특성을 가지게 된다.

다음에, 도 3 내지 도 8을 사용하여 히스테리시스의 보정법에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 사용하는 캘리브레이션장치의 구성을 나타내는 시스템 구성도이다. 도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 사용하는 캘리브레이션장치의 로터리 인코더의 출력펄스의 파형도이다.

대좌(臺座)의 위에는 시프트제어기(100)와 로터리 인코더(210)가 설치된다. 여기서 시프트제어기(100)의 출력축과, 로터리 인코더(210)의 회전축이, 동기하여 회전하도록 설치되어 있다. 로터리 인코더(210)는 도 4에 나타내는 바와 같이 출력축이 1 회전하는 동안에 5000 펄스의 위상이 서로 1/2 펄스 다른 신호(A, B)를 출력한다. 또, 출력축이 1 회전하면 1 펄스의 신호(Z)를 출력한다.

시프트제어기(100)와, 호스트 컴퓨터(200)는 CAN 통신에 의해 접속되고, 데이터의 송수신을 행하고 있다. 또, 로터리 인코더(210)의 출력은, 시프트제어기(100)를 경유하여 호스트 컴퓨터(200)에 송신되고 있다. 여기서 로터리 인코더(210)의 출력은 직접 호스트 컴퓨터(200)에 접속되어도 좋은 것이다.

호스트 컴퓨터(200)는, 캘리브레이션 개시의 지령을 시프트제어기(100)에 송신한다. 캘리브레이션 개시신호를 수신한 제어기(110)는, 모터 드라이버(120)에 모터 구동신호를 송신하여 모터(130)를 회전시킨다. 모터(130)는, 정회전방향 및 역회전방향으로 회전할 필요가 있다. 모터(130)의 회전에 의해 출력축(140)이 회전하고, 출력축(140)과 동기하여 자석(150)이 회전한다. 자석(150)의 회전에 의해 자기센서소자(165)를 통과하는 자계가 변화되고, 자기센서소자(165)의 출력이 변화된다. 자기센서소자(165)의 출력은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 자석(150)의 회전각도에 대하여 위상이 90도 다른 2계통의 신호(V0, V1)가 출력된다.

한편, 출력축의 절대각도를 산출하기 위하여 시프트제어기(100)는 로터리 인코더(210)의 출력으로부터 출력축(140)의 회전각도를 산출하고, 자기센서소자(165)의 출력과 동기하여, 호스트 컴퓨터(200)에 송신한다. 또 후술하는 회전축의 회전방향을 판정하기 위한 신호도, 자기센서소자(165)의 신호와 동기하여, 호스트 컴퓨터(200)에 송신한다. 이 회전축의 회전방향을 판정하기 위한 신호는 직접 호스트 컴퓨터(200)에 입력하여도 좋은 것이다.

다음에, 도 5를 사용하여 캘리브레이션장치의 동작에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 사용하는 캘리브레이션장치의 동작을 나타내는 플로우차트이다.

단계 S10에 있어서, 호스트 컴퓨터(200)에는 2계통의 자기센서소자(165)의 출력, 로터리 인코더(210)출력으로부터 산출된 회전체의 절대각도, 회전체의 회전방향을 판정하는 신호가 입력된다.

다음에, 단계 S20에 있어서, 호스트 컴퓨터(200)는, 자기센서소자(165)의 출력으로부터 저대역 통과 필터나 FIR이나 IIR 필터에 의해 노이즈를 제거한다.

다음에, 단계 S30에 있어서, 2계통의 출력(V0, V1)의 최대치(V0max, V1max)와 최소치(V0min, V1min)를 산출한다. 산출된 최대치와 최소치는, 호스트 컴퓨터(200)로부터 시프트제어기(100)에 송신되어, EEPROM(170)에 보존된다.

다음에, 단계 S40에 있어서, 호스트 컴퓨터(200)는 단계 S30에서 산출된 최대치와 최소치를 사용하여 출력(V0, V1)을 이하의 수학식 (1) 및 수학식 (2)에 의 해 정규화한다.

여기서, 도 6 및 도 7을 사용하여, 단계 S40의 처리에 의해 정규화된 센서회로(38)의 출력(V0_normalized, V1_normalized)에 대하여 설명한다.

도 6 및 도 7은, 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 캘리브레이션처리시의 정규화된 출력의 파형도이다. 도 6, 도 7에 있어서 가로축은 출력축의 회전각도(θr)를 나타내고, 세로축은 정규화된 출력(Vn)을 나타내고 있다.

예를 들면 도 2에 나타낸 예에서는 출력(Vout)은 최소치가 약 0.5V이고, 최대치가 약 4.5V 이나, 도 6에 나타내는 바와 같이 자기센서소자(165)의 출력의 진폭범위가 ±1.0으로 정규화되어 있다.

다음에, 단계 S50에 있어서, 호스트 컴퓨터(200)는 정규화된 출력 (V0_normalized, V1_normalized)으로부터, 이하와 같이 하여 자석(150)의 회전각도를 4개의 각도영역인 영역 1(area_1), 영역 2(area_2), 영역 3(area_3), 영역 4(area_4)로 나눈다.

즉, 영역 1은, (V0_normalized > Vth)의 범위로 하고, 영역 2는, (V1_normalized > Vth)로 하고, 영역 3은, (V0_normalized ≤ -Vth)의 범위로 하고, 영역 4는, (V1_normalized ≤ -Vth)의 범위로 한다.

또한 도 6에서는 Vth = 0.6으로 하고, ((V0_normalized > 0) 또한 ((V0_normalized = V1_normalized)가 되는 V0_norma1ized보다 작은 값))을 채용하고 있다. 이 때문에, 도 6에 나타내는 바와 같이 각 각도영역이 서로 겹치고, 360도에 걸쳐, 연속적으로 각도를 계산하는 것이 가능하다.

또한 도 6에 나타내는 상태에서는, 영역 1은 0°내지 55°의 범위와, 305°내지 360°의 범위가 되기 때문에, 각도가 불연속으로 되어 있다. 따라서 그대로 수학식 (1), 수학식 (2)를 계산하면 보정계산은 할 수 있으나, 각도 오차가 커진다.

따라서, 인코더로부터 산출된 절대각도의 제로점을 영역 1의 최대 각도로 설정한다. 즉, 영역 1의 최대 각도를 offset라 하고, 로터리 인코더(210)의 출력으로부터 산출된 절대각도(y)를 yoffset = (y - offset)라 한다. 즉, 절대각도를 시프트시켜 보정계산을 행한다. 도 6의 예에서는 offset이 45도로 되어 있다.

도 7은 절대각도를 시프트한 후의, 절대각도와 자기센서소자(165)의 출력의 관계를 나타내고 있다. 또한 이 offset는, 보정계수로부터 각도를 산출하는 과정에서 필요하기 때문에, EEPROM(170)에 보존된다.

다음에, 도 5의 단계 S60에 있어서, 호스트 컴퓨터(200)는 각각의 각도영역에 있어서 자석(150), 즉 출력축(140)의 회전방향을 판정한다. 그리고 자기센서소자(165)의 출력의 상태를 8개의 그룹으로 나눈다.

각 그룹은, 이하의 (표1)에 나타내는 정의에 의해 나뉘어진다. 여기서 출력축(140)의 정회전방향(CW)이란, 인코더출력으로부터 산출된 절대각도가 증가하는 방향으로 하고, 출력축(140)의 역회전방향(CCW)이란, 인코더출력으로부터 산출된 절대각도가 감소하는 방향으로 한다. (표1)을 참조하면, 예를 들면 센서회로(38)의 출력이 영역 1에 있고, 출력축(140)이 정회전방향으로 회전하고 있는 경우는 자기센서소자(165)의 출력의 상태는 그룹 area_1_CW에 속하게 된다.

여기서, 도 8을 사용하여 출력축(140)의 회전방향의 제 1 판정방법에 대하여 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 사용하는 모터 드라이버의 블록도이다.

모터 드라이버(120)는, 2개의 하이 사이드 스위치(H-SW1, H-SW2)와, 2개의 로우 사이드 스위치(L-SW1, L-SW2)로 구성되어 있다. 각 스위치는, 제어기(110)로부터의 공급되는 모터 구동지령 신호(H1, H2, L1, L2)에 의거하여 스위치를 ON 또는 OFF시키고, 모터(130)에 구동전류를 흘려 모터(130)를 정회전 및 역회전방향으로 회전시킨다. 이하에서는 H 및 L을, 각각, 각 스위치가 ON 일 때의 모터 구동지령 신호의 전압, OFF 일 때의 모터 구동지령 신호의 전압이라 한다. 따라서 각 모터 구동지령 신호의 전압이 H일 때, 각 스위치가 온된다.

여기서, 모터 구동지령 신호(H1, H2, L1, L2)에 주목하면 제어기(110)는 이 신호를 모터 드라이버(120)에 출력하고 있기 때문에, 임의의 순간에 이 신호의 상태를 판별할 수 있다. 이 신호의 상태를 판정하여, (표 2)로부터 각 각도영역에서의 자석(150)의 회전각도를 판정할 수 있고, 정회전과 역회전에 의해 다른 데이터의 그룹을 생성할 수 있다.

예를 들면 어느 출력상태에서는, V0_normalized = 0.7이고, 또한 H1 = H, 또한 L2 = L 이라고 한다. 이 경우, (표 2)로부터 영역은「영역 1」이고, 자석(150)은 정회전방향으로 회전하고 있기 때문에 그룹 area_1_CW에 속한다. 다른 경우도 마찬가지로 (표 2)를 기초로 영역과 회전방향을 판정하여 센서회로(38)의 출력상태 를 8개의 그룹으로 나눌 수 있다. 본 실시형태에서는 이 (표 2)를 사용하여 8그룹으로 나누기로 한다.

또한 이하에 다른 회전방향의 판정방법에 대하여 설명한다.

제 2 판정방법에서는, 도 8에 나타내는 바와 같이 하이 사이드 스위치(H-SW)가 전류센서(CS)의 기능을 구비하고 있는 경우, 모터 구동전류에 주목하여 이하의 (표 3)을 사용하여 회전방향의 판정이 가능하다.

예를 들면 어느 출력상태에서는 V0_normalized = 0.7이고, 또한 전류센서(CS)에 의해 검출된 전류(I1)가, I1 = 10A이라 한다. 영역은 「영역 1」이고, I1이 미리 정해진 정수(Ith)보다 크기 때문에, 자석(150)은 정회전방향으로 회전하고 있음을 알 수 있고, 센서회로(38)의 출력상태는 그룹 area_1_CW에 속한다. Ith는, 전류센서(CS)의 노이즈 레벨이나 모터의 권선저항, 전원전압에 의해 결정된다. 다른 경우도 마찬가지로 (표 3)을 기초로 영역과 회전방향을 판정하여, 센서회로(38)의 출력상태를 8개의 그룹으로 나눌 수 있다.

제 3 판정방법에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이 모터 드라이버(120)의 출력전압(VH1, VH2)을 모니터하는 기능을 가지는 경우, 이하의 (표 4)에 따라 회전방향의 판정이 가능하다.

예를 들면 어느 출력상태에서는, V0_normalized = 0.7이고, 또한 VH1 = 12v 인 경우, 영역은「영역 1」이고, VH1이 미리 정해진 정수(VHh)보다 크기 때문에, 자석(150)은 정회전방향으로 회전하고 있음을 알 수 있다. VHth는 모니터기능의 전압검출범위나 배터리 전압에 의해 결정되고, 10[v]이거나, 5[v]이다. 다른 경우도 마찬가지로 (표 4)를 기초로 영역과 회전방향을 판정하여, 센서회로(38)의 출력상태를 8개의 그룹으로 나눌 수 있다.

또, 제 4 판정방법에서는 자기센서소자(165)의 출력을 시간으로 미분하고, 그 조합으로부터 자석(150)의 회전방향을 판정한다. 도 7을 참조하면 영역 1에서 는 자석(150)이 정회전방향으로 회전하면 V1_normalized가 증가하는, 즉 양(+)의 기울기를 가지고 있다. 또 영역 2에서는, 자석(150)이 정회전방향으로 회전하면 V0_normalized가 감소하는, 즉 음(-)의 기울기를 가지고 있다. 이들 V1_normalized와 V0_normalized의 변화량, 즉 시간미분에 주목하고, 이하의 (표 5)에 의해 회전방향의 판정이 가능하다. 단, (표 5)에 있어서 dV0는 V0_normalized의 시간미분이고, dV1은 V1_ normalized의 시간미분이다.

예를 들면 어느 출력상태에서는 V0_normalized = 0.7이고, 또한 dV1 = +1인 경우, 영역은「영역 1」이고, dV1가 양의 값을 가지기 때문에, 자석(150)은 정회전방향으로 회전하고 있음을 알 수 있다. 다른 경우도 마찬가지로 (표 5)를 기초로 영역과 회전방향을 판정하여 센서회로(38)의 출력상태를 8개의 그룹으로 나눌 수 있다.

다음에 각 각도영역마다 보정계산에 사용하는 자기센서소자(165)의 출력(x) 을 선정한다. 예를 들면 (표 6)을 참조하면 영역 1에서는 x = V1_normalized이라 하고, 영역 2에서는 x = V0_normalized이라 한다.

다음에 도 5의 단계 S70에 있어서, 호스트 컴퓨터(200)는 각각의 그룹에 있어서 이하의 수학식 (3)을 최소화하는 보정계수(a, b, c, d)를 산출한다.

여기서, yoffset는, 로터리 인코더(210)의 출력으로부터 산출된 각 그룹의 기준각도(y)를 옵셋한 값이고, x는, 각 그룹에 있어서 보정계산에 사용하는 자기센서소자(165)의 출력이고, θ_start, θ_end는, 각각 각 그룹에 있어서의 최소각도와 최대각도이다.

여기서, (표 6)에 각 그룹에 있어서의 보정계수를 나타낸다. 예를 들면 영역 1 또한 정회전방향으로 회전하고 있는 그룹의 데이터로부터, 수학식 (3)으로 산출된 보정계수(a, b, c, d)는, 각각 a = a_areal_CW, b = b_areal_CW, c = c_areal_CW, d = d_area1_CW라고 기억된다.

또, 영역 1 또한 역회전방향으로 회전하고 있는 그룹의 데이터로부터, 수학식 (3)으로 산출된 보정계수(a, b, c, d)는, 각각 a = a_area1_CCW, b = b_area1_CCW, c = c_area1_CCW, d = d_area1_CCW라고 기억된다.

다음에, 도 5의 단계 S70에 있어서, 호스트 컴퓨터(200)는 산출된 보정계수 및 offset을 시프트제어기(100)에 송신하고, 그룹마다 EEPROM(170)에 기억한다.

다음에, 도 9를 사용하여 제어기(110)가 자기센서소자(165)의 출력으로부터 출력축(140)의 각도를 구할 때의 제 1 보정방법에 대하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 각도 보정처리의 내용을 나타내는 플로우차트이다.

단계 S100에 있어서, 제어기(110)는, 출력축(140)의 회전각도를 계산하는 타이밍이고, 자기센서소자(165)의 출력을 A/D변환하여 도입한다. 이 A/D변환 타이밍은, 일정주기이거나 부정기이다. 한편, 제어기(110)는, 미리 EEPROM(170)에 보존되어 있던 보정계수 등의 캘리브레이션시에 산출된 데이터를 RAM 등의 메모리에 판독한다.

다음에 단계 S110에 있어서, 제어기(110)는 A/D변환된 자기센서소자(165)의 출력에, Low - Pass 필터나 IIR 이나 FIR 필터에 의하여 노이즈를 제거한다.

다음에 단계 S120에 있어서, 제어기(110)는 상기한 수학식 (1), (2)에 의하여 자기센서소자(165)의 출력을 정규화하여 V0_normalized, V1_normalized를 구한다. 여기서 2계통 있는 자기센서소자(165)의 출력(V0, V1)의 최대치(V0max, V1max)와 최소치(V0min, V1min)는, 각각 캘리브레이션시에 EEPROM(170)에 보존되어 있던 자기센서소자(165)의 출력의 최대치와 최소치이다.

다음에 단계 S130에 있어서, 제어기(110)는, 정규화된 출력(V0_normalized, V1_normalized)으로부터 이하와 같이 하여 자석(150)의 회전각도를 4개의 각도영역인 영역 1(area_1), 영역 2(area_2), 영역 3(area_3), 영역 4(area_4)로 나눈다.

다음에 단계 S140에 있어서, 제어기(110)는, 상기한 출력축(140)의 회전방향을 판정하는 방법 중 어느 하나, 또는 그들 조합에 의하여 출력축(140)의 회전방향을 판정하고, 데이터가 어느 그룹에 속하고 있는지를 결정한다. 또한 (표 6)에 의거하여 각도 계산식에 사용하는 자기센서소자(165)의 출력을 결정한다.

다음에, 단계 S150에 있어서, 제어기(110)는 RAM에 기억된 각 그룹마다의 보정계수(a, b, c, d)에 의하여 이하의 수학식 (4)의 다차 함수를 사용하여 각도(θ calculation)를 산출한다.

또한, x는 각 그룹에서 각도계산에 사용되는 자기센서소자(165)의 출력이다. 예를 들면 (표 6)을 참조하면, 영역 1 또한 정회전방향으로 회전하고 있는 경우, 그룹명은 area_1_CW이고, x = v1_normalize가 된다. 또 보정계수(a, b, c, d)는 각각 a_areal_CW, b_area1_CW, c_area1_CW, d_area1_CW가 된다. 단, 캘리브레이션시에 offset이 감산되어 있기 때문에, 실제의 출력축(140)의 회전각도는, (θ calculation + offset)이 된다.

이상에 의하여 회전체의 회전방향에서 다른 보정계수를 사용하고 있기 때문에 자기센서소자(165)의 출력에 나타나는 히스테리시스를 제거하여 높은 정밀도로 각도를 검지하는 것이 가능하다.

다음에, 단계 S160에 있어서, 제어기(110)는 산출된 회전각도가 목표 회전각도(θT)가 되도록, 모터(130)를 회전시키기 위한 토오크 지령치를 구하여 모터 드라이버(120)에 출력한다.

여기서, 도 10을 사용하여 구체적인 각도의 보정예에 대하여 설명한다.

도 10은, 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 각도 보정처리의 구체예의 설명도이다.

도면 중, ×표는 자석(150)을 210로부터 330도까지 정회전방향 및 역회전방향으로 회전시켰을 때의 v0_normalize를 나타내고 있다. 부호 A1로 나타내는 ×표의 열은, 자석(150)을 정회전시킨 경우의 센서출력을 나타내고, 부호 A2로 나타내는 × 표의 열은, 자석(150)을 역회전시킨 경우의 센서출력을 나타내고 있다.

이 회전각도범위에는 영역 4가 포함되고, 영역 4에서는 수학식 (4)를 사용하여 x = V0_normalize로서 각도가 산출된다. 여기서 상기한 회전방향에 의해 다른 보정계수를 사용하여 각도를 산출하는 방법에 의해 정회전시와 역회전시에서 각각 자기센서소자(165)의 출력을 근사한 곡선을 구할 수 있다. 근사곡선 B1은 area4_CW에 속하는 보정계수를 기초로 산출된 정회전방향의 회전각도, 근사곡선 B2는 area4_CCW에 속하는 보정계수를 기초로 산출된 역회전방향의 회전각도이다.

도 11은 본 실시형태에 의해 회전방향에 따라 다른 보정계수를 산출하는 캘리브레이션을 사용하고, 히스테리시스를 보정하여 각도를 계산한 경우의 각도 편차를 나타내고 있다. 회전방향에 의해 다른 보정계수를 산출함으로써 각도 편차는, ± 0.2°까지 감소시킬 수 있다. 또한 보정을 행하지 않은 경우의 각도 편차는, ± 2°정도이다.

시프트제어기(100)에 의해, 2륜 구동으로부터 고속 4륜 구동으로 전환되는 경우에는 출력축의 각도를 0°로부터 90°로 변경하나, 이때 종래와 같이 ± 2°의 각도 오차가 있으면, 전환에 실패하는 경우가 있어 제어 정밀도가 저하하나, 본 실시형태와 같이 각도 오차가 ±0.2°이면, 전환에 성공하여 제어 정밀도를 향상할 수 있다.

다음에, 제어기(110)가 자기센서소자(165)의 출력으로부터 출력축(140)의 각도를 구할 때의 제 2 보정방법에 대하여 설명한다.

예를 들면, 도 7에 나타내는 예에 있어서, 각도영역 2 및 각도영역 4의 범위에서 v0_normalize가 각도에 대하여 1차 직선이라고 간주되는 경우, 또, 각도영역 3 및 각도영역 1의 범위에서 v1_normalize가 각도에 대하여 1차 직선이라고 간주되는 경우, 수학식 (3)을 이하의 수학식 (5), 즉 1차 근사식으로 치환한 것을 사용하여 보정계수(c, d)를 산출한다.

산출된 보정계수(c, d)는, EEPR0M(170)에 보존되고, 자기센서소자(165)의 출력과 이 보정계수(c, d)에 의해 상기한 보정방법과 동일하게 각도가 보정 계산된다. 그러나, 이 경우, 수학식 (4)는 θcalculation = c?x + d로 치환되어 계산된다.

다음에 도 12를 사용하여 제어기(110)가 자기센서소자(165)의 출력으로부터 출력축(140)의 각도를 구할 때의 제 3 보정방법에 대하여 설명한다.

도 12는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전제어장치에 있어서의 제 3 각도보정처리의 설명도이다.

도 12는 자석(150)의 회전각도와 2계통 있는 자기센서소자(165)의 출력을 서로 제산한 값의 관계의 그래프를 나타내고 있다. 상기한 보정방법에 있어서, 수학식 (3)과 수학식 (4)의 x를, 영역 1 및 영역 3에서는 x = (V0_normalize /V1_normalize)라 하고, 영역 2와 영역 4에서는, x =(V1_normalize/V0_normalize)로 치환하여 근사하고, 보정계수를 구하여 보정 계산한다.

다음에, 제어기(110)가 자기센서소자(165)의 출력으로부터 출력축(140)의 각도를 구할 때의 제 4 보정방법에 대하여 설명한다.

이 예는 히스테리시스가 자석(150)의 회전각도에 의하지 않고 일정(θh)하다고 간주되는 경우, 정회전시와 역회전시의 자기센서소자(165)의 출력으로부터 회전 방향을 구별하지 않고, 각 영역에서 1세트의 보정계수를 계산하여 이 보정계수로부터 자석(150)의 회전각도를 산출한다. 이 산출된 각도는 정회전시의 자기센서소자 (165)의 출력과 역회전시의 자기센서소자(165)의 출력을 동시에 보정하고 있기 때문에, 정회전시?역회전시 모두 히스테리시스의 절반의 각도편차가 나타난다. 따라서 계산된 각도(θcalculation)를 정회전시에는 θcalculation = (θcalculation - (θ h/2))라 하고, 역회전시에는 θcalculation = (θcalculation + (θh/2))라 하여 계산된 각도에 히스테리시스의 영향을 감산 또는 가산한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면 회전체의 회전방향에서 다른 보정계수를 사용하여 자기센서소자의 출력에 나타나는 히스테리시스를 제거하여 높은 정밀도로 각도를 검지할 수 있다. 또 높은 정밀도의 각도검출을 할 수 있기 때문에, 각도 제어의 제어 정밀도를 향상할 수 있다.

본 발명에 의하면 히스테리시스특성의 영향을 받는 일 없이, 각도 검출치의 오차를 저감할 수 있다.

또, 회전제어의 제어 정밀도를 향상할 수 있다.

Claims

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회전체와 동기하여 회전하는 자석의 자계의 변화를 검출하는 센서소자를 가지고, 상기 회전체의 회전각도를 검출하는 회전각도검출장치에 있어서,

상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에, 상기 센서소자의 출력을 다르게 보정하는 보정수단을 구비하며,

상기 보정수단은, 상기 센서소자의 출력을, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에 다른 함수로 근사(近似)한 경우의 보정계수를 사용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 회전각도검출장치.
제 3항에 있어서,

상기 보정수단은, 상기 센서소자의 출력을, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에 다른 3차 곡선을 사용하여 근사한 경우의 보정계수를 사용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 회전각도검출장치.
제 3항에 있어서,

상기 보정수단은, 상기 센서소자의 출력을, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에, 1차 직선을 사용하여 근사한 경우의 보정계수를 사용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 회전각도검출장치.
제 3항에 있어서,

상기 센서소자는, 2계통의 출력을 가지고 있고,

상기 보정수단은, 상기 센서소자의 출력을, 상기 회전체가 정회전방향으로 회전하는 경우와 역회전방향으로 회전하는 경우에, 상기 2계통의 출력을 제산(除算)한 다음에, 함수를 사용하여 근사한 경우의 보정계수를 사용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 회전각도검출장치.
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