JP3960120B2 - Torque detection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルク検出装置とそれを用いたパワーステアリングシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、自動車のパワーステアリングシステム等にトルク検出装置が用いられている。例えばパワーステアリングシステムにおいては、トルク検出装置で検出したハンドルの操舵トルクに応じてモータ等の駆動力(補助トルク)を制御し、この駆動力によってステアリング機構の動作をアシストする。この結果、運転者は軽い力でハンドルを操舵することができる。
従来のトルク検出装置には、第1回転角の検出部と、第2回転角の検出部と、断線検出手段と、トルク算出手段を備えたものがある。
第1回転角の検出部は、第1ロータと、第1ロータの第1回転角のsin値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第1sin相コイルと、第1ロータの第2回転角のcos値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第1cos相コイルを有する。第2回転角の検出部は、第2ロータと、第2ロータの第2回転角のsin値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第2sin相コイルと、第2ロータの第2回転角のcos値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第2cos相コイルを有する。断線検出手段は、前記コイル群のうちの少なくとも1つのコイルの断線を検出する。トルク算出手段は、第1回転角と第2回転角の差をとってトルクを算出する。
【0003】
この種のトルク検出装置では、第1回転角が第2回転角を基準として所定角度内に存在するように構成されているものがある。第1回転角が第2回転角を基準として所定角度内にある場合には、第1回転角と第2回転角の差に応じてトルクを算出するものである。例えばパワーステアリングシステムにおいて、ハンドル側に第1回転部の検出部を設け、ピニオン側に第2回転部の検出部を設けているとする。この場合、ハンドルを回転させたときに第1回転角が第2回転角を基準として所定角度内にある場合は、第1回転角と第2回転角の差に応じたトルクを算出し、そのトルクに応じてモータに補助トルクを発生させ、ステアリング機構の動作をアシストする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトルク検出装置では、断線検出手段によって前記コイル群のうちのいずれかのコイルの断線が検出されると、そこでトルクの検出処理を終了していた。例えば、第1回転角の検出部において第1cos相コイルの断線が検出されたとすると、第1sin相コイルの出力電圧のみからでは第1回転角の値の候補が2つ算出されてしまい、第1回転角を一義的に算出できないからである。
しかしながら、いずれかのコイルが断線された場合であっても、トルクの検出を継続して行えることが当然ながら望ましい。
例えば、トルク検出装置を自動車のパワーステアリングシステムに組込んだ場合には、コイルの断線によりトルク検出処理が終了され、この結果アシストが停止されてしまう。特に、走行中のコイルの断線によりトルク検出処理が停止されてアシストが停止されると、運転者によるマニュアルのステアリングのみに急激に移行することになるため、操作性の観点から好ましくなかった。
【0005】
本発明は、回転角に応じて変化する出力電圧が生じるコイルの断線が生じた場合でも、トルクの検出を継続して行うことができる技術を実現することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段及び作用と効果】
本発明を具現化した一の態様のトルク検出装置は、トーションバーを介して連結された入力軸と出力軸と、その一方の回転角である第1回転角と他方の回転角である第2回転角との差に応じてトルクを算出する。このトルク検出装置は、第1回転角の検出部と、第2回転角の検出部と、断線検出手段と、トルク算出手段を備えている。
第1回転角の検出部は、入力軸と出力軸の一方の回転に伴って回転する第1ロータと、第1ロータの第1回転角のsin値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第1sin相コイルと、第1ロータの第1回転角のcos値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第1cos相コイルを有する。第2回転角の検出部は、入力軸と出力軸の他方の回転に伴って回転する第2ロータと、第2ロータの第2回転角のsin値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第2sin相コイルと、第2ロータの第2回転角のcos値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第2cos相コイルを有する。ここで、第1回転角と第2回転角との角度差が所定角度内となるように前記第1ロータと第2ロータの関係が設定されている。断線検出手段は、前記コイル群のうちの少なくとも1つのコイルの断線を検出する。
トルク算出手段は、断線検出手段によって第1回転角の検出部の一方のコイルの断線が検出された場合は、第2回転角の検出部の両コイルに生じる出力電圧から第2回転角を算出する。次いで、この算出した第2回転角と前記設定角度とから第1回転角の取り得る角度範囲を算出し、この角度範囲において、第1回転角の検出部の他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を一義的に算出可能であるかを判別する。算出可能である場合は、第1回転角の検出部の他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を算出し、算出した第1回転角と第2回転角を利用してトルクを算出する。一方、第1回転角の取り得る角度範囲において、第1回転角の検出部の他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を一義的に算出不能である場合は、第2回転角の角速度の増減を算出し、前回検出時のトルクに前記角速度の増減分に応じたトルク変化分を加算してトルクを算出する。
【0007】
ここで、「第1回転角の検出部」と「第2回転角の検出部」とは、2つの回転角の検出部があった場合に、一方の回転角の検出部を絶対的に第1回転角の検出部と定めるものではない。即ち、2つの回転角の検出部があった場合に、一方の回転角の検出部が第1回転角の検出部にも第2回転角の検出部にもなり得る。
【0008】
この装置は、第1回転角の検出部の一方のコイルが断線していても、他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を算出できるように構成したものである。その構成を実現するために、第1回転角は第2回転角を基準として所定角度内にあるという条件を上手に利用したものである。
具体的には、第2回転角の検出部の両コイルに生じる出力電圧から第2回転角を算出する。そして、この算出した第2回転角と前記設定角度とから第1回転角の取り得る角度範囲を算出し、この角度範囲において、第1回転角の検出部の他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を一義的に算出可能であるかを判別する。算出可能である場合は、第1回転角の検出部の他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を算出する。本発明者は、算出した第2回転角の値によっては、第1回転角の検出部の一方のコイルが断線していても、他方のコイルに生じる出力電圧のみから第1回転角を一義的に算出でき、この結果、第1回転角と第2回転角を利用してトルクを算出できるということを見出したのである。一方、第1回転角の取り得る角度範囲において、第1回転角の検出部の他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を一義的に算出不能である場合は、第2回転角の角速度の増減を算出するとともに、前回検出時のトルクに前記角速度の増減分に応じたトルク変化分を加算してトルクを算出する。これによって、現在のトルクをある程度精度良く検出することができる。
この装置によると、回転角に応じて変化する出力電圧が生じるコイルの断線が生じた場合でも、トルクの検出を停止させずに、トルクの検出を継続して行うことができる。
【0012】
本発明はまた、請求項1に記載のトルク検出装置と、トルク検出装置で検出したトルクに応じて駆動力が変化する駆動手段と、駆動手段の駆動力によって動作がアシストされるステアリング機構を備えたパワーステアリングシステムにも具現化される。
このパワーステアリングシステムによると、回転角に応じて変化する出力電圧が生じるコイルの断線が生じた場合でも、トルクの検出を停止させずに、トルクの検出を継続して行うことができるので、ステアリング機構の動作のアシストも継続して行うことができる。特に、走行中にコイルの断線が生じた場合でも、運転者によるマニュアルのステアリングのみに急激に移行することを回避できるので、操作性を向上させることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の実施例の電動パワーステアリングシステム80の構成を示す。このシステム80は、第1レゾルバ22、第2レゾルバ34、ECU50によって構成されるトルク検出装置を含む。
この電動パワーステアリングシステム80では、ハンドル82に入力軸としてのハンドル軸62の一端側が接続されている。ハンドル軸62の他端側には、トーションバー64の一端側が接続されている。トーションバー64の他端側には、出力軸を介してピニオン66の一端側が接続されている。ピニオン66は、ラック98と噛合っている。このラック98とラックハウジング52によってラック機構84が構成されている。ラック機構84によって、ラック98はラックハウジング52内を軸方向に往復動するようになっている。ラック機構84の両端には、タイロッド91の一端が装着されている。タイロッド91の他端には、ナックルアーム92が連結されている。ナックルアーム92の他端には、車輪93が連結されている。
【0014】
上記したハンドル軸62の下端側の周囲には、第1レゾルバ22が設けられている。第1レゾルバ22は、ハンドル軸62の第1回転角θ1を検出する第1回転角の検出部として機能する。トーションバー64の下端側の周囲には、第2レゾルバ34が設けられている。第2レゾルバ34は、ピニオン66の第2回転角θ2を検出する第2回転角の検出部として機能する。第1レゾルバ22と第2レゾルバ34は、ECU50に電気的に接続されている。ECU50、第1レゾルバ22、第2レゾルバ34によってトルク検出装置が構成されている。トルク検出装置を構成するECU50は、第1レゾルバ22で検出した第1回転角θ1と第2レゾルバ34で検出した第2回転角θ2から、運転者がハンドル82を操舵することで発生した操舵トルク値F=k(θ1−θ2)を算出する。なお、kはトーションバー64のばね定数である。ECU50はモータ86に接続されており、算出したトルク値Fに応じてモータ86で発生させる補助トルク(アシスト力)の大きさを制御する。トルク検出装置50、22、34のより具体的な構成については後述する。モータ86は、伝達機構87に接続されている。伝達機構87は、モータ86が発生した補助トルクをラック機構84に伝達する。
【0015】
このパワーステアリングシステム80の動作を説明する。まず、運転者がハンドル82を操舵すると、ハンドル軸62が回転する。ハンドル軸62が回転すると、トーションバー64を介してピニオン66も回転する。ピニオン66が回転すると、これに噛合ったラック98が軸方向に動き、タイロッド91とナックルアーム92を介して車輪93の操向方向が変化する。運転者がハンドル82を操舵することで発生したトルクは、トルク検出装置50、22、34によって検出される。トルク検出装置を構成するECU50は、このトルクに基づいてモータ86を制御する。
【0016】
トルク検出装置50、22、34が検出した操舵トルクが小さいと、ECU50はモータ86に小さな補助トルクを発生させるように制御する。トルク検出装置50、22、34が検出した操舵トルクが大きいと、ECU50はモータ86に大きな補助トルクを発生させるように制御する。モータ86で発生した補助トルクはラック機構84に伝達され、ラック98の動きをアシストする。従って、運転者は軽い力でハンドル82を操舵することができる。
【0017】
図2にトルク検出装置20のブロック図を示す。トルク検出装置20は、上記したように、ECU50と、第1レゾルバ22と、第2レゾルバ34を備えている。
ECU50は、CPU52と、CPU52にバス54を介して接続されたROM56、RAM58、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)62に接続されている。CPU52は、出力ポート52a、52fや、入力ポート52b〜52e等のポートを有する。出力ポート52a、52fは、CPU52の内部でD/A変換部に接続されている。入力ポート52b〜52eは、CPU52の内部でA/D変換部に接続されている。ROM56には、後述するトルク検出処理のためのプログラム等が格納されている。
【0018】
第1レゾルバ22は、第1ロータ24と、第1励磁コイル28と、第1sin相コイル30と、第1cos相コイル32等を備えている。第2レゾルバ34は、第2ロータ36と、第2励磁コイル40と、第2sin相コイル42と、第2cos相コイル44等を備えている。
第1ロータ24は、第1ロータコイル26を有する。第1ロータ24の回転に伴って第1ロータコイル26も回転する。本実施例では、具体的な図示は省略するが、角度の分解能を高めるため、第1ロータ24の機械的な回転角に対して、電気角が8倍となるようにロータコイル群26が配置されている。ロータコイル群26は、45度の角をなすように4本相となっている。よって、第1ロータ24を機械的に45度回転したときに、ロータコイル26は回転前の位置関係に復元する。なお、以下で「回転角」というときには、特に断りがない限り電気角を意味するものとする。
【0019】
第1レゾルバ22の第1励磁コイル28は、第1ロータ24の周囲に固定されている。この第1励磁コイル28は、一端側ではCPU52の出力ポート52aから交流の励磁電圧(後述する式(1))が印加され、他端はアースされている。第1励磁コイル28は、第1ロータ24に内蔵されている図示しないコイルと相俟って変圧器を構成する。その図示しないコイルに発生する電圧によって、ロータコイル群26に通電される。
【0020】
励磁電圧は式(1)で表される。
Esin(2πt/T) (1)
ここで、E:励磁電圧の振幅、t:励磁電圧の印加開始時からの経過時間、T:周期である。本実施例では、周期Tを200μ秒に設定している。
【0021】
第1レゾルバ22の第1cos相コイル32は、第1ロータ24の周囲に固定されている。この第1cos相コイル32は、一端に生じた第1cos相電圧がCPU52の入力ポート52bに入力され、他端はアースされている。第1cos相電圧(後述する式(2))は、振幅が第1ロータ24の回転角θ1のcos値に依存して増減する交流の電圧である。
【0022】
第1cos相電圧は式(2)で表される。
EKsin(2πt/T+α)・cos(θ1) (2)
ここで、E、t、Tは式(1)で説明したものと同様である。また、K:トランス効率、α:第1cos相電圧の励磁電圧に対する位相ずれ、θ1:第1ロータの第1回転角である。
【0023】
第1sin相コイル30は、第1ロータ24の周囲に固定されている。この第1sin相コイル30は、一端側に生じた第1sin相電圧がCPU52の入力ポート52cに入力され、他端はアースされている。第1sin相電圧(後述する式(3))は、振幅が第1ロータ24の回転角θ1のsin値に依存して増減する交流の電圧である。
【0024】
第1sin相電圧は式(3)で表される。
EKsin(2πt/T+α)sin(θ1) (3)
ここで、E、t等の各記号は式(1)と(2)で説明したものと同様である。
以上の式(1)〜(3)で表される電圧の周期は、いずれもTである。
なお、第1cos相電圧あるいは第1sin相電圧の振幅EKと、励磁電圧に対する位相差αは、トルク検出装置20を製造した後であって、その装置20の出荷前に予め求めておくものとする。
第2レゾルバ34の基本的な構成は第1レゾルバ22と同様であるため、説明を省略する。
【0025】
経過時間t=xのときの第1sin相電圧をXとする。この場合、式(2)より式(4)の関係式が成立する。また、経過時間t=yのときの第1cos相電圧をYとする。この場合、式(3)より式(5)の関係式が成立する。すると、式(4)と(5)から電気角θ1は式(6)で表される。
X=EKsin(2πx/T+α)sin(θ1) (4)
Y=EKsin(2πy/T+α)cos(θ1) (5)
θ1=arctan((X・EKsin(2πy/T+α))/(Y・EKsin(2πx/T+α)))(6)
ここで、電圧X、Yと経過時間x、yはわかっている。周期Tは元々設定されており、わかっている。また、振幅EKと位相差αについても上記したように算出してEEPROM62に格納されている。よって、CPU52では、式(6)に上記した値を代入することで、第1ロータ24の回転角θ1の値を算出できる。
【0026】
例えば、式(4)と(5)において、X=1/2、Y=(√3)/2、EKsin(2πt1/T+α)=EKsin(2πt2/T+α)=1であったとする。すると、式(4)は1/2=sin(θ1)、式(5)は(√3)/2=cos(θ1)となり、式(6)はθ1=arctan(1/(√3))となる。この結果、第1回転角θ1=30度と算出できる。
同様にして第2回転角θ2を求めると、トルク算出の式F=k(θ1−θ2)(k:図1のトーションバー64のばね定数)からトルクを算出することができる。
【0027】
一方、例えば第1レゾルバ22の第1cos相コイル32が断線していて、式(5)のような第1cos相電圧が求められなかったとする。すると、上記の例では、1/2=sin(θ1)の情報しか得られない。この場合、第1回転角θ1が30度であるか、150度であるかが特定できない。この結果、上記の情報だけでは第1回転角θ1が算出できず、従ってトルクF=k(θ1−θ2)を算出できないので、従来はいずれかのコイルが断線が検出された場合は、その時点でトルク検出処理を終了していた。
【0028】
これに対し、本実施例のトルク検出装置20では、第1レゾルバ22のcos相コイル32又はsin相コイル30、あるいは、第2レゾルバ34のcos相コイル44又はsin相コイル42の断線が検出された場合、そのことを理由としてはトルク検出処理を終了しない。以下では、本実施例のトルク検出装置20によるトルク検出処理の内容を、図3のフローチャートを参照して説明する。
【0029】
まず、S10にトルク検出処理が開始されると、S20において、CPU52は断線検出処理を行う。断線検出の方法としては、例えば、エンジンが起動され、自動車の運転中であるにもかかわらず、いずれかのレゾルバ22、34のcos相電圧又はsin相電圧が入力される入力ポート(52b〜52eのいずれか)の電圧がゼロである場合は、その入力ポートに接続されたcos相コイル又はsin相コイルに断線が生じているものとする。あるいは、例えば、CPU52の入力ポート52bには、所定値以上の第1レゾルバ22のcos相電圧が入力されているにもかかわらず、CPU52の入力ポート52cに入力される電圧値がゼロの場合は、第1レゾルバ22のsin相コイルが断線していると判別する。これらの方法に限らず、断線検出処理は、公知のあらゆる方法によって行えばよい。
【0030】
S20において断線を検出しない場合は、通常のトルク検出処理を行う。具体的には、S30に示すように、CPU52は第1レゾルバ22のsin相電圧とcos相電圧から第1回転角θ1を算出する。また、S40に示すように、CPU52は第2レゾルバ34のsin相出力電圧とcos相出力電圧から第2回転角θ2を算出する。そして、S100において、CPU52は、トルク値k(θ1−θ2)を算出する。そして、トルク検出処理をさらに継続する場合は(S140)、CPU52は、再度S20に戻って断線検出を行う。
【0031】
一方、S20において断線を検出した場合は、CPU52は、S50においてcos相又はsin相の出力コイルの断線か否かを判別する。この結果CPU52が、出力コイルの断線ではなく、S110に示すように励磁コイル28、40又はアース線の断線であると判別した場合は、S150に示すようにトルク検出処理を終了する。従って、図1のパワーステアリングシステムによるアシストも終了される。
励磁コイル28、40又はアース線の断線の場合は、第1回転角θ1又は第2回転角θ2を算出することが困難であるため、この場合にはトルク検出処理を終了するものである。
【0032】
一方、S50の判別の結果、S60のように第1レゾルバ22のcos相コイルの断線であると判別した場合は、CPU52は、第2レゾルバ34の第2回転角θ2を算出する。なお、第1レゾルバ22のsin相コイル30の断線、第2レゾルバ34のcos相コイル44の断線、第2レゾルバ34のsin相コイル42の断線についても同様に考えることができるので、これらの場合の説明は原則として省略する。
【0033】
CPU52はさらに、算出した第2回転角θ2を利用して第1レゾルバ22の第1回転角θ1を算出可能であるかを判別する。
具体的には、算出した第2回転角θ2から第1回転角θ1が取り得る角度幅を算出する。本実施例では、第1ロータ24の機械的な回転角=第2ロータ36の機械的な回転角±6度の関係がある。そして、この機械的な回転角に対しては上記したように電気角が8倍となるように構成されている。よって、電気角である第1回転角と第2回転角について、第1回転角θ1=第2回転角θ2±48度の関係がある。算出した第2回転角θ2をこの関係に当てはめて、第1回転角θ1が取り得る角度幅を算出する。
【0034】
次に、算出したその角度幅が第1レゾルバ22の断線していないsin相コイル30で生じるsin相電圧から第1回転角θ1を一義的に算出可能な角度幅であるか否かを判別する。sin相電圧のみから第1回転角θ1を算出する場合、−90度<θ1<90度、あるいは90度<θ1<270度であることが前提としてわかれば、そのsin相電圧から第1回転角θ1を一義的に算出できる。
なお、sin相コイル30が断線していたとして、cos相電圧のみから第1回転角を算出する場合は、−0度<θ1<180度、あるいは180度<θ1<360度であることが前提としてわかれば、そのcos相電圧から第1回転角θ1を一義的に算出できる。
【0035】
上記したように、θ1=θ2±48度の関係があるから、第2回転角θ2が図4の斜線領域にあれば、第1回転角θ1を一義的に算出できる。即ち、−90+48度<θ2<90−48度、あるいは90+48度<θ2<270−48度であれば、第1回転角θ1を一義的に算出できる。さらにまとめると、0度<θ2<42度、138度<θ2<222度、−318度<θ2<360度であれば第1回転角θ1を一義的に算出できる。
【0036】
ここで、S70において算出された第2回転角θ2が例えば160度であったとする。この場合、第1回転角θ1が取り得る角度幅は112度<θ1<202度であるから、第1回転角θ1を一義的に算出できる(S80)。この場合、S90においてCPU52は、第1レゾルバ22のsin相電圧から第1回転角θ1を一義的に算出する。そして、S100においてCPU52は、算出した第1回転角θ1と第2回転角θ2を利用して、トルク値k(θ1−θ2)を算出する。トルク検出処理をさらに継続する場合は(S140)、CPU52は、再度S20に戻って断線検出処理を行う。
【0037】
一方、S70において算出された第2回転角θ2が例えば60度であったとする。この場合、第1回転角θ1が取り得る角度幅は12度<θ1<108度であるから、第1回転角θ1を一義的に算出できない(S80)。この場合、S120においてCPU52は、その第2回転角θ2の角速度d(θ2)/dtを算出する。そして、この角速度d(θ2)/dtを逐次算出して行き、この角速度d(θ2)/dtの増減を算出する。そして、前回検出時のトルク値からの増減を、角速度d(θ2)/dtの増減から推定して、現在の推定トルク値を算出する。具体的には、第2回転角θ2の角速度が増加している場合は、運転者によるハンドル82(図1参照)の操舵トルクも前回検出時より増加していると推定する。逆に、第2回転角θ2の角速度が減少している場合は、運転者によるハンドル82の操舵トルクも前回検出時より減少していると推定する。第2回転角θ2の角速度が一定の場合は、運転者によるハンドル82の操舵トルクは前回検出時と一定であると推定する。そして、前回検出時のトルク値に、第2回転角θ2の角速度の増加分あるいは減少分に応じたトルク変化分を加算して、現在の推定トルク値を算出する(S130)。この場合も、トルク検出処理をさらに継続する場合は(S140)、CPU52は、再度S20に戻って断線検出処理を行う。
【0038】
本実施例のトルク算出処理では、cos相コイル32、44やsin相コイル30、42の断線が検出された場合でも、フェイル判定プログラムの一部を無効にしてトルク算出処理を継続する。この無効にした一部のプログラムが別の箇所の故障検出も行うものである場合、その別の箇所の故障を検出できない場合が生じ得る。
このように、フェイル判定プログラムの一部の無効にすると2重故障を検出できないようにトルク検出装置20が構成されている場合は、以下のような一定条件下においてのみコイル断線後のトルク算出処理を継続するようにしてもよい。
【0039】
例えば、自動車の走行中にcos相コイル32、44やsin相コイル30、42の断線が生じた場合は、その断線後の所定の短時間だけトルク算出処理を継続するようにしてもよい。走行中において、断線後の短時間だけトルク算出処理を継続するようにすると、その断線によりアシストが停止されて運転者によるマニュアルのステアリングのみに急激に移行することを回避できるので、操作性を向上させることができる。また、断線後の短時間だけトルク算出処理を継続し、その後は無効にした一部のフェイル判定プログラムを復活して実行させることで、2重故障が検出できないという事態を回避できる。
【0040】
また、自動車の停止中や非常に低速の走行時においてのみコイル断線後のトルク算出処理を継続するようにしてもよい。自動車の走行開始前のハンドル操作(いわゆるすえぎり)や、非常に低速の走行時のハンドル操作においては、大きな操舵力が必要であり、パワーステアリングによるアシストが強く求められる。よって、この場合には、コイル断線後のトルク算出処理を継続することで、運転者のアシストの要求に応えることができる。また、自動車の停止中や非常に低速の走行時においては、2重故障が検出できなくても危険性が低いので、フェイル判定プログラムの一部の無効にすると2重故障を検出できないように構成されていても、コイル断線後のトルク算出処理を継続することによる問題は非常に小さい。
【0041】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば上記実施例では、レゾルバとして、例えば第1レゾルバ22について励磁コイル28により励磁されるコイル(ロータコイル)26がロータ24側に1本設けられ、2本の出力コイル30、32がロータ24の周囲に固定された構成を例にして説明したが、励磁コイルにより励磁される2本のコイルがロータの周囲に固定され、1本又は2本の出力コイルがロータ側に設けられた構成であっても構わない。
【0042】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施例のトルク検出装置を含む電動パワーステアリングシステムの構成を示す。
【図2】 本実施例のトルク検出装置のブロック図を示す。
【図3】 本実施例のトルク検出装置によるトルク検出処理のフローチャートを示す。
【図4】 第1回転角を一義的に算出できる第2回転角の領域を示す。
【符号の説明】
20:トルク検出装置
22:第1レゾルバ(第1回転角の検出部又は第2回転角の検出部の一例)
24:第1ロータ
30:第1sin相コイル
32:第1cos相コイル
34:第2レゾルバ(第2回転角の検出部又は第1回転角の検出部の一例)
36:第2ロータ
42:第2sin相コイル
44:第2cos相コイル
50:ECU(断線検出手段の一例、トルク算出手段の一例)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a torque detector and a power steering system using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a torque detection device has been used in a power steering system of an automobile. For example, in a power steering system, a driving force (auxiliary torque) of a motor or the like is controlled according to the steering torque detected by a torque detection device, and the operation of the steering mechanism is assisted by this driving force. As a result, the driver can steer the steering wheel with a light force.
Some conventional torque detection devices include a first rotation angle detection unit, a second rotation angle detection unit, a disconnection detection unit, and a torque calculation unit.
The first rotation angle detector includes a first rotor, a first sin-phase coil that generates an output voltage whose amplitude changes according to a sin value of the first rotation angle of the first rotor, and a second rotation angle of the first rotor. A first cos phase coil that generates an output voltage whose amplitude changes in accordance with the cos value of. The second rotation angle detector includes a second rotor, a second sin-phase coil that generates an output voltage whose amplitude changes in accordance with a sin value of the second rotation angle of the second rotor, and a second rotation angle of the second rotor. And a second cos phase coil that generates an output voltage whose amplitude changes in accordance with the cos value. The disconnection detecting means detects disconnection of at least one coil in the coil group. The torque calculation means calculates the torque by taking the difference between the first rotation angle and the second rotation angle.
[0003]
Some torque detection devices of this type are configured such that the first rotation angle exists within a predetermined angle with respect to the second rotation angle. When the first rotation angle is within a predetermined angle with respect to the second rotation angle, torque is calculated according to the difference between the first rotation angle and the second rotation angle. For example, in the power steering system, it is assumed that the detection unit of the first rotation unit is provided on the handle side and the detection unit of the second rotation unit is provided on the pinion side. In this case, if the first rotation angle is within a predetermined angle with respect to the second rotation angle when the handle is rotated, a torque corresponding to the difference between the first rotation angle and the second rotation angle is calculated. An auxiliary torque is generated in the motor in accordance with the torque to assist the operation of the steering mechanism.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional torque detection device, when the disconnection detecting means detects the disconnection of any one of the coils in the coil group, the torque detection process ends there. For example, if the disconnection of the first cos phase coil is detected in the first rotation angle detection unit, two candidates for the first rotation angle value are calculated only from the output voltage of the first sin phase coil. This is because the rotation angle cannot be calculated uniquely.
However, it is naturally desirable that the torque can be continuously detected even if any of the coils is disconnected.
For example, when the torque detection device is incorporated in a power steering system of an automobile, the torque detection process is terminated due to the disconnection of the coil, and as a result, the assist is stopped. In particular, if the torque detection process is stopped and the assist is stopped due to the disconnection of the coil during traveling, the shift is suddenly made only to manual steering by the driver, which is not preferable from the viewpoint of operability.
[0005]
An object of the present invention is to realize a technique capable of continuously detecting torque even when a coil breakage occurs in which an output voltage that changes according to a rotation angle occurs.
[0006]
[Means for solving the problem, operation and effect]
A torque detection device according to an aspect of the present invention includes:Torque is calculated according to the difference between the input shaft connected to the torsion bar and the output shaft, and the first rotation angle that is one of the rotation angles and the second rotation angle that is the other rotation angle. This torque detection deviceA first rotation angle detection unit, a second rotation angle detection unit, a disconnection detection unit, and a torque calculation unit are provided.
The first rotation angle detector isRotates with rotation of one of input shaft and output shaftA first rotor, a first sin phase coil that generates an output voltage whose amplitude changes according to a sin value of the first rotation angle of the first rotor,First rotation angleA first cos phase coil that generates an output voltage whose amplitude changes in accordance with the cos value of. The second rotation angle detector isRotates with the other rotation of the input shaft and output shaftThe second rotor, a second sin phase coil that generates an output voltage whose amplitude changes according to the sin value of the second rotation angle of the second rotor, and the amplitude of the second rotor that changes according to the cos value of the second rotation angle of the second rotor. A second cos phase coil for generating an output voltage. here,The relationship between the first rotor and the second rotor is set so that the angle difference between the first rotation angle and the second rotation angle is within a predetermined angle.. The disconnection detecting means detects disconnection of at least one coil in the coil group.
The torque calculation means calculates the second rotation angle from the output voltage generated in both coils of the second rotation angle detection section when the disconnection detection means detects the disconnection of one coil of the first rotation angle detection section. To do.Next, an angle range that can be taken by the first rotation angle is calculated from the calculated second rotation angle and the set angle, and in this angle range,The first rotation angle can be uniquely calculated from the output voltage generated in the other coil of the first rotation angle detection unit.NohDetermine if it exists. Can be calculatedNohIn some cases, the first rotation angle is calculated from the output voltage generated in the other coil of the first rotation angle detection unit, and the torque is calculated using the calculated first rotation angle and second rotation angle.On the other hand, if the first rotation angle cannot be uniquely calculated from the output voltage generated in the other coil of the first rotation angle detection unit within the range of angles that the first rotation angle can take, the angular velocity of the second rotation angle The torque change is calculated by adding the torque change corresponding to the increase / decrease of the angular velocity to the torque at the previous detection.
[0007]
Here, the “first rotation angle detection unit” and the “second rotation angle detection unit” mean that when there are two rotation angle detection units, the one rotation angle detection unit is absolutely the first rotation angle detection unit. It is not defined as a detection unit for one rotation angle. That is, when there are two rotation angle detection units, the one rotation angle detection unit can be the first rotation angle detection unit or the second rotation angle detection unit.
[0008]
Even if one coil of the detection part of the 1st rotation angle is disconnected, this device,The first rotation angle can be calculated from the output voltage generated in the other coil. In order to realize the configuration, the first rotation angle is well utilized under the condition that the first rotation angle is within a predetermined angle with respect to the second rotation angle.
Specifically, the second rotation angle is calculated from output voltages generated in both coils of the second rotation angle detection unit. AndAn angle range that the first rotation angle can take is calculated from the calculated second rotation angle and the set angle, and in this angle range,The first rotation angle can be uniquely calculated from the output voltage generated in the other coil of the first rotation angle detection unit.NohDetermine if it exists. Can be calculatedNohIn some cases, the first rotation angle is calculated from the output voltage generated in the other coil of the first rotation angle detection unit. Depending on the calculated value of the second rotation angle, the inventor can uniquely determine the first rotation angle only from the output voltage generated in the other coil even if one coil of the first rotation angle detection unit is disconnected. As a result, it has been found that the torque can be calculated using the first rotation angle and the second rotation angle.On the other hand, if the first rotation angle cannot be uniquely calculated from the output voltage generated in the other coil of the first rotation angle detection unit within the range of angles that the first rotation angle can take, the angular velocity of the second rotation angle Is calculated, and the torque is calculated by adding a torque change corresponding to the increase / decrease in the angular velocity to the torque at the previous detection. As a result, the current torque can be detected with a certain degree of accuracy.
According to this device, even when a coil breakage occurs in which an output voltage that changes according to the rotation angle occurs, torque detection can be continuously performed without stopping torque detection.
[0012]
The present invention also providesClaim 1The present invention is also embodied in a power steering system including a torque detection device, a driving unit whose driving force changes according to the torque detected by the torque detection device, and a steering mechanism whose operation is assisted by the driving force of the driving unit..
According to this power steering system, even when a coil breakage that generates an output voltage that changes in accordance with the rotation angle occurs, torque detection can be continuously performed without stopping torque detection. The mechanism operation can be continuously assisted. In particular, even when a coil breakage occurs during traveling, it is possible to avoid abrupt transition to only manual steering by the driver, so that operability can be improved.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a configuration of an electric
In this electric
[0014]
A
[0015]
The operation of the
[0016]
When the steering torque detected by the
[0017]
FIG. 2 shows a block diagram of the
The
[0018]
The
The
[0019]
The first
[0020]
The excitation voltage is expressed by equation (1).
Esin (2πt / T) (1)
Here, E: amplitude of excitation voltage, t: elapsed time from the start of application of excitation voltage, and T: period. In this embodiment, the period T is set to 200 μsec.
[0021]
The first
[0022]
The first cos phase voltage is expressed by equation (2).
EKsin (2πt / T + α) · cos (θ1) (2)
Here, E, t, and T are the same as those described in Expression (1). K: transformer efficiency, α: phase shift of the first cos phase voltage with respect to the excitation voltage, and θ1: first rotation angle of the first rotor.
[0023]
The first
[0024]
The first sin phase voltage is expressed by Equation (3).
EKsin (2πt / T + α) sin (θ1) (3)
Here, symbols such as E and t are the same as those described in equations (1) and (2).
The period of the voltage represented by the above formulas (1) to (3) is T.
Note that the amplitude EK of the first cos phase voltage or the first sin phase voltage and the phase difference α with respect to the excitation voltage are obtained in advance after the
Since the basic configuration of the
[0025]
Let X be the first sin phase voltage when the elapsed time t = x. In this case, the relational expression (4) is established from the expression (2). Further, the first cos phase voltage when the elapsed time t = y is Y. In this case, the relational expression of Expression (5) is established from Expression (3). Then, from the equations (4) and (5), the electrical angle θ1 is expressed by the equation (6).
X = EKsin (2πx / T + α) sin (θ1) (4)
Y = EKsin (2πy / T + α) cos (θ1) (5)
θ1 = arctan ((X · EKsin (2πy / T + α)) / (Y · EKsin (2πx / T + α))) (6)
Here, the voltages X and Y and the elapsed times x and y are known. The period T is originally set and is known. The amplitude EK and the phase difference α are also calculated as described above and stored in the
[0026]
For example, in equations (4) and (5), it is assumed that X = 1/2, Y = (√3) / 2, EKsin (2πt1 / T + α) = EKsin (2πt2 / T + α) = 1. Then, Equation (4) is 1/2 = sin (θ1), Equation (5) is (√3) / 2 = cos (θ1), and Equation (6) is θ1 = arctan (1 / (√3)). It becomes. As a result, the first rotation angle θ1 = 30 degrees can be calculated.
Similarly, when the second rotation angle θ2 is obtained, the torque can be calculated from the torque calculation formula F = k (θ1−θ2) (k: the spring constant of the
[0027]
On the other hand, for example, it is assumed that the first
[0028]
On the other hand, in the
[0029]
First, when the torque detection process is started in S10, the
[0030]
When disconnection is not detected in S20, normal torque detection processing is performed. Specifically, as shown in S <b> 30, the
[0031]
On the other hand, when the disconnection is detected in S20, the
In the case of the disconnection of the
[0032]
On the other hand, as a result of the determination in S50, when it is determined that the cos phase coil of the
[0033]
Further, the
Specifically, an angular width that the first rotation angle θ1 can take is calculated from the calculated second rotation angle θ2. In the present embodiment, there is a relationship that the mechanical rotation angle of the
[0034]
Next, it is determined whether or not the calculated angular width is an angular width capable of uniquely calculating the first rotation angle θ1 from the sin phase voltage generated in the
Note that, assuming that the
[0035]
As described above, since there is a relationship of θ1 = θ2 ± 48 degrees, if the second rotation angle θ2 is in the hatched area in FIG. 4, the first rotation angle θ1 can be uniquely calculated. That is, if -90 + 48 degrees <θ2 <90-48 degrees, or 90 + 48 degrees <θ2 <270-48 degrees, the first rotation angle θ1 can be uniquely calculated. In summary, the first rotation angle θ1 can be uniquely calculated when 0 degree <θ2 <42 degrees, 138 degrees <θ2 <222 degrees, and −318 degrees <θ2 <360 degrees.
[0036]
Here, it is assumed that the second rotation angle θ2 calculated in S70 is, for example, 160 degrees. In this case, since the angle width that the first rotation angle θ1 can take is 112 degrees <θ1 <202 degrees, the first rotation angle θ1 can be uniquely calculated (S80). In this case, in S <b> 90, the
[0037]
On the other hand, it is assumed that the second rotation angle θ2 calculated in S70 is, for example, 60 degrees. In this case, since the angle width that the first rotation angle θ1 can take is 12 degrees <θ1 <108 degrees, the first rotation angle θ1 cannot be uniquely calculated (S80). In this case, in S120, the
[0038]
In the torque calculation process of the present embodiment, even when the disconnection of the cos phase coils 32 and 44 and the sin phase coils 30 and 42 is detected, a part of the fail determination program is invalidated and the torque calculation process is continued. If this invalidated part of the program also detects a failure at another location, a failure at that other location may not be detected.
As described above, when the
[0039]
For example, when the disconnection of the cos phase coils 32 and 44 and the sin phase coils 30 and 42 occurs during traveling of the automobile, the torque calculation process may be continued for a predetermined short time after the disconnection. If the torque calculation process is continued for a short time after the disconnection while driving, the assist is stopped due to the disconnection and it is possible to avoid a sudden shift to only manual steering by the driver, improving operability. Can be made. Further, by continuing the torque calculation process only for a short time after the disconnection, and then restoring and executing some of the invalid fail determination programs, it is possible to avoid a situation in which a double failure cannot be detected.
[0040]
Further, the torque calculation process after the coil disconnection may be continued only when the automobile is stopped or when traveling at a very low speed. A steering operation before the start of traveling of the automobile (so-called slipping) and a steering wheel operation when traveling at a very low speed require a large steering force, and an assist by power steering is strongly demanded. Therefore, in this case, by continuing the torque calculation process after the coil disconnection, the driver's request for assistance can be met. Also, when the vehicle is stopped or running at a very low speed, even if a double failure cannot be detected, the risk is low. Therefore, if a part of the fail judgment program is disabled, a double failure cannot be detected. Even if it is, the problem by continuing the torque calculation process after coil disconnection is very small.
[0041]
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
For example, in the above embodiment, as the resolver, for example, one coil (rotor coil) 26 that is excited by the
[0042]
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a configuration of an electric power steering system including a torque detector of the present embodiment.
FIG. 2 is a block diagram of a torque detection device according to the present embodiment.
FIG. 3 shows a flowchart of torque detection processing by the torque detection device of the present embodiment.
FIG. 4 shows a region of a second rotation angle where the first rotation angle can be uniquely calculated.
[Explanation of symbols]
20: Torque detection device
22: First resolver (an example of a first rotation angle detection unit or a second rotation angle detection unit)
24: First rotor
30: 1st sin phase coil
32: 1st cos phase coil
34: Second resolver (an example of a second rotation angle detection unit or a first rotation angle detection unit)
36: Second rotor
42: Second sin phase coil
44: Second cos phase coil
50: ECU (an example of disconnection detection means, an example of torque calculation means)
Claims (2)
第1回転角の検出部と、第2回転角の検出部と、断線検出手段と、トルク算出手段を備え、
第1回転角の検出部は、前記入力軸と出力軸の一方の回転に伴って回転する第1ロータと、第1ロータの第1回転角のsin値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第1sin相コイルと、第1ロータの第1回転角のcos値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第1cos相コイルを有し、
第2回転角の検出部は、前記入力軸と出力軸の他方の回転に伴って回転する第2ロータと、第2ロータの第2回転角のsin値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第2sin相コイルと、第2ロータの第2回転角のcos値に応じて振幅が変化する出力電圧が生じる第2cos相コイルを有し、
第1回転角と第2回転角との角度差が所定角度内となるように前記第1ロータと第2ロータの関係が設定されており、
断線検出手段は、前記コイル群のうちの少なくとも1つのコイルの断線を検出し、
トルク算出手段は、断線検出手段によって第1回転角の検出部の一方のコイルの断線が検出された場合は、第2回転角の検出部の両コイルに生じる出力電圧から第2回転角を算出し、
この算出した第2回転角と前記設定角度とから第1回転角の取り得る角度範囲を算出し、この角度範囲において、第1回転角の検出部の他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を一義的に算出可能であるかを判別し、算出可能である場合は、第1回転角の検出部の他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を算出し、算出した第1回転角と第2回転角を利用してトルクを算出し、
前記第1回転角の取り得る角度範囲において、第1回転角の検出部の他方のコイルに生じる出力電圧から第1回転角を一義的に算出不能である場合は、第2回転角の角速度の増減を算出し、前回検出時のトルクに前記角速度の増減分に応じたトルク変化分を加算してトルクを算出することを特徴とするトルク検出装置。 Torque detection device that calculates torque according to a difference between an input shaft and an output shaft connected via a torsion bar and a first rotation angle that is one of the rotation angles and a second rotation angle that is the other rotation angle Because
A first rotation angle detection unit, a second rotation angle detection unit, a disconnection detection unit, and a torque calculation unit;
The first rotation angle detector includes a first rotor that rotates with the rotation of one of the input shaft and the output shaft, and an output voltage that changes in amplitude according to a sin value of the first rotation angle of the first rotor. A first sin phase coil that is generated, and a first cos phase coil that generates an output voltage whose amplitude changes according to the cos value of the first rotation angle of the first rotor,
The second rotation angle detector includes a second rotor that rotates in accordance with the rotation of the other of the input shaft and the output shaft, and an output voltage that changes in amplitude according to a sin value of the second rotation angle of the second rotor. A second sin phase coil that is generated, and a second cos phase coil that generates an output voltage whose amplitude changes in accordance with the cos value of the second rotation angle of the second rotor,
The relationship between the first rotor and the second rotor is set so that the angle difference between the first rotation angle and the second rotation angle is within a predetermined angle;
The disconnection detecting means detects disconnection of at least one coil in the coil group,
The torque calculation means calculates the second rotation angle from the output voltage generated in both coils of the second rotation angle detection section when the disconnection detection means detects the disconnection of one coil of the first rotation angle detection section. And
An angle range that can be taken by the first rotation angle is calculated from the calculated second rotation angle and the set angle, and in this angle range, the first rotation is determined from the output voltage generated in the other coil of the first rotation angle detector. corner to determine a uniquely calculate available-a, when it is calculated available-from the output voltage generated in the other coil of the detecting portion of the first rotation angle to calculate a first rotation angle was calculated second Calculate the torque using the 1st rotation angle and the 2nd rotation angle ,
If the first rotation angle cannot be uniquely calculated from the output voltage generated in the other coil of the first rotation angle detector within the angular range that the first rotation angle can take, the angular velocity of the second rotation angle can be calculated. A torque detection device that calculates an increase / decrease and calculates a torque by adding a torque change corresponding to the increase / decrease of the angular velocity to the torque at the previous detection .
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