JP5333863B2 - 回転角検出装置 - Google Patents
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Description
θ=tan−1(sinθ/cosθ)
=tan−1(V1/V2)…(1)
また、この発明の目的は、2つのセンサの相対的な配置を任意に決定することが可能となる回転角検出装置を提供することである。
請求項4記載の発明は、前記配置位相差は、前記目標位相差より小さい、請求項2または3に記載の回転角検出装置である。請求項4記載の発明によれば、2つのセンサを実装するための基板を小さくすることが可能となる。たとえば、目標位相差が90°である場合には、配置位相差を90°より小さくできる。この場合には、2つのセンサ間の角度間隔を90°より小さい角度間隔にできるので、2つのセンサ間の角度間隔が90°である場合に比べて、2つのセンサを実装するための基板を小さくできる。
図1は、この発明の第1の実施形態に係る回転角検出装置の構成を示す模式図である。
この回転角検出装置は、たとえば、電動パワーステアリングのブラシレスモータのロータの回転角を検出するために用いることができる。回転角検出装置は、たとえば、ブラシレスモータの回転に応じて回転する検出用ロータ1を有している。ロータ1は、複数の磁極対を有する円筒状の磁石を含んでいる。この例では、磁石は、1対の磁極対を有している。つまり、磁石は、等間隔に配置された2つの磁極N,Sを有している。
両磁気センサ11,12は、ロータ1の回転中心軸を中心として、予め設定された所定の位相差(以下、「目標位相差」という)に対応する角度間隔をおいて配置されることが好ましい。この実施形態では、目標位相差は90°に設定されている。しかし、実際には、製造誤差等により、両磁気センサ11,12間の角度間隔は、目標位相差に対応する角度間隔とならない場合がある。この実施形態では、両磁気センサ11,12間の実際の角度間隔が、製造誤差等により、目標位相差に対応した90°ではなく、(90°+α)となっているものとする。αは、目標位相差に対する位相差誤差である。両磁気センサ11,12間の実際の角度間隔に対応した位相差(この例では、(90°+α))を、配置位相差ということにする。各位相差は、電気角である。
位相差誤差演算部21は、信号和演算部31と、第1の振幅演算部32と、信号差演算部33と、第2の振幅演算部34と、振幅差演算部35と、誤差演算部36と、メモリ37とを含んでいる。
信号和演算部31は、2つの磁気センサ11,12の出力信号V1,V2の和を演算する。出力信号V1,V2の和に相当する信号(以下、「和信号」という)は、次式(2)で表される。
前記式(7)において、Kは比例定数である。この比例定数Kは、図3に示すサインカーブのうち、横軸の値が−(π/6)/2〜(π/6)/2である範囲内の部分を直線とみなした場合に、その直線の傾きy/xに相当する。したがって、比例定数Kは、次式(8)で表される。
出力信号補正部22は、次式(11)に基づいて、出力信号V2(=cos(θ+α))を補正することにより、位相差誤差αが補正された信号V2’(=cosθ)を得る。つまり、出力信号補正部22は、出力信号V1(=sinθ)と、出力信号V2(=cos(θ+α))と、sinαと、cosαとから、補正された信号V2’(=cosθ)を求める。なお、式(11)は、cos(θ+α)を三角関数の加法定理により展開した式に基づいて、導出することができる。
θ=tan−1(sinθ/cosθ)
=tan−1(V1/V2’)…(12)
なお、回転角演算部23は、式(12)を用いる方法とは異なる方法を用いて、信号V2’(=cosθ)および出力信号V1(=sinθ)から回転角θを求めるようにしてもよい。たとえば、特開2001-264114号公報に開示されている方法を用いて、信号V2’(=cosθ)および出力信号V1(=sinθ)から回転角θを求めるようにしてもよい。
回転角演算処理は、所定の演算周期毎に繰り返し行なわれる。まず、回転角演算装置20は、磁気センサ11,12の出力信号V1(=sinθ),V2(=cos(θ+α))を取り込む(ステップS1)。そして、回転角演算装置20の出力信号補正部22は、ステップS1で取り込まれた出力信号V1,V2とメモリに格納されている位相差誤差αとを用い、前記式(11)に基づいて、第2の出力信号V2を補正する(ステップS2)。これにより、位相差誤差αが補正された信号V2’(=cosθ)が得られる。
前記第1の実施形態によれば、2つの磁気センサ11,12間の角度間隔(両センサ11,12の相対的な配置)に誤差がある場合でも、正確な回転角θを検出することができるようになる。
図5は、この発明の第2の実施形態に係る回転角検出装置の構成を示す模式図である。
V2=sin(θ+φ)=sinθ・cosφ+cosθ・sinφ…(13)
この式(13)を変形することにより、信号V2を信号V2’に補正するための式(14)が得られる。
θ=tan−1(sinθ/cosθ)=tan−1(V1/V2’)…(15)
なお、回転角演算部42は、式(15)を用いる方法とは異なる方法で、信号V2’(=cosθ)および出力信号V1(=sinθ)から回転角θを求めるようにしてもよい。たとえば、特開2001-264114号公報参照に開示されている方法を用いて、信号V2’(=cosθ)および出力信号V1(=sinθ)から回転角θを求めるようにしてもよい。
回転角演算処理は、所定の演算周期毎に繰り返し行なわれる。まず、回転角演算装置40は、磁気センサ11,12の出力信号V1(=sinθ),V2(=sin(θ+φ))を取り込む(ステップS11)。そして、回転角演算装置40の出力信号補正部41は、ステップS11で取り込まれた出力信号V1,V2と、メモリに格納されている“配置位相差φ”または“sinφおよびcosφ”の値を用い、前記式(14)に基づいて、第2の出力信号V2を補正する(ステップS12)。これにより、出力信号V1に対する位相差が90°(目標位相差)となる補正信号V2’(=cosθ)が得られる。
前記第2の実施形態によれば、2つの磁気センサ11,12の出力信号V1,V2の配置位相差にかかわらず、それらの信号のうちの一方の出力信号を、それらの信号間の位相差がロータ1の回転角θを演算するのに適した目標位相差(たとえば90°)となるように、補正することができる。このため、2つの磁気センサ11,12の出力信号V1,V2の配置位相差にかかわらず、ロータ1の回転角θを演算することが可能となるので、2つの磁気センサ11,12間の角度間隔(両センサ11,12の相対的な配置)を任意に決定することができるようになる。
sin(θ+φ+α)=sinθ・cos(φ+α)+cosθ・sin(φ+α)…(21)
この式(21)を変形すると、次式(22)が得られる。
図7は、この発明の第3の実施形態に係る回転角検出装置の構成を示す模式図である。
ロータ1は、2つの磁極N,Sを有する磁石を含んでいる。ロータ1の周囲には、第1の磁気センサ11及び第2の磁気センサ12が、ロータ1の回転中心軸を中心として所定の角度間隔φをおいてそれぞれ第1の位置及び第2の位置に配置されている。この角度間隔φは、任意の角度に設定することができる。この実施形態では、両磁気センサ11,12間の角度間隔φは、90度より小さい角度間隔に設定されている。両磁気センサ11,12は、図7に鎖線で示す基板33上に実装されている。
V2=sin(θ+φ)=sinθ・cosφ+cosθ・sinφ…(23)
この式(23)を変形することにより、信号V2を信号V2’に補正するための式(24)が得られる。
θ=tan−1(sinθ/cosθ)=tan−1(V1/V2’)…(25)
なお、回転角演算部62は、式(25)を用いる方法とは異なる方法で、信号V2’(=cosθ)および出力信号V1(=sinθ)から回転角θを求めるようにしてもよい。たとえば、特開2001-264114号公報参照に開示されている方法を用いて、信号V2’(=cosθ)および出力信号V1(=sinθ)から回転角θを求めるようにしてもよい。
図8の処理は、第1の磁気センサ11の出力信号V1(=sinθ)が零に固定されているか否かを判定するために行なわれる。第1の磁気センサ11の出力信号V1が零に固定された場合には、出力信号補正部61によって演算される信号V2’(cosθに相当する信号)は、前記式(24)にV1=0を代入することにより、V2’=V2/sinφとなる。したがって、出力信号補正部61によって演算される信号V2’が演算値(V2/sinφ)と等しいか否かを所定時間(第2の演算周期)毎に判別し、V2’=V2/sinφの状態が所定回数以上継続する場合には、第1の磁気センサ11に故障が発生したと判定することができる。
図8に戻り、第1のV1異常監視部71は、今演算周期で取り込まれた第2の磁気センサ12の出力信号V2が、sinφおよび−sinφのいずれの値にも一致しないか否かを判別する(ステップS1)。第2の磁気センサ12の出力信号V2が、sinφまたは−sinφの値と一致した場合には(ステップS1:NO)、第1のV1異常監視部71は、今演算周期での処理を終了する。
ステップS5では、第1のV1異常監視部71は、第1カウント値cnt1が所定のしきい値A以上であるか否かを判別する。第1カウント値cnt1がしきい値A未満である場合には(ステップS5:NO)、第1のV1異常監視部71は、今演算周期での処理を終了する。一方、第1カウント値cnt1がしきい値A以上であると判別された場合には(ステップS5:YES)、第1のV1異常監視部71は、第1の磁気センサ11に故障が発生したことを検知し、図示しないブラシレスモータのモータ制御装置にモータ停止指令を出力する(ステップS6)。また、第1のV1異常監視部71は、全ての異常監視部71〜74の動作を停止させる(ステップS7)。モータ制御装置は、第1のV1異常監視部71からのモータ停止指令を受信すると、ブラシレスモータの駆動を停止させる。
図9の処理は、第2の磁気センサ12の出力信号V2(=sin(θ+φ))が零に固定されているか否かを判定するために行なわれる。第2の磁気センサ12の出力信号V2が零に固定された場合には、出力信号補正部61によって演算される信号V2’(cosθに相当する信号)は、前記式(24)にV2=0を代入することにより、V2’=−V1・cosφ/sinφとなる。したがって、信号V2’が演算値(−V1・cosφ/sinφ)と等しいか否かを所定時間(第2の演算周期)毎に判別し、V2’=−V1・cosφ/sinφの状態が所定回数以上継続する場合には、第2の磁気センサ12に故障が発生したと判定することができる。
ステップS15では、第1のV2異常監視部72は、第2カウント値cnt2が所定のしきい値A以上であるか否かを判別する。第2カウント値cnt2がしきい値A未満である場合には(ステップS15:NO)、第1のV2異常監視部72は、今演算周期での処理を終了する。一方、第2カウント値cnt2がしきい値A以上であると判別された場合には(ステップS15:YES)、第1のV2異常監視部72は、第2の磁気センサ12に故障が発生したことを検知し、図示しないブラシレスモータのモータ制御装置にモータ停止指令を出力する(ステップS16)。また、第1のV2異常監視部72は、全ての異常監視部71〜74の動作を停止させる(ステップS17)。モータ制御装置は、第1のV2異常監視部72からのモータ停止指令を受信すると、ブラシレスモータの駆動を停止させる。
図10の処理は、第1の磁気センサ11の出力信号V1(=sinθ)が1(上限値)または−1(下限値)に固定されているか否かを判定するために行なわれる。第1の磁気センサ11の出力信号V1が1に固定された場合には、出力信号補正部61によって演算される信号V2’(cosθに相当する信号)は、前記式(24)にV1=1を代入することにより、V2’=(V2−cosφ)/sinφとなる。また、第1の磁気センサ11の出力信号V1が−1に固定された場合には、出力信号補正部61によって演算される信号V2’(cosθに相当する信号)は、前記式(24)にV1=−1を代入することにより、V2’=(V2+cosφ)/sinφとなる。したがって、信号V2’が演算値{(V2−cosφ)/sinφ}または{(V2+cosφ)/sinφ}と等しいか否かを所定時間(第2の演算周期)毎に判別し、V2’=(V2−cosφ)/sinφまたはV2’=(V2+cosφ)/sinφの状態が所定回数以上継続する場合には、第1の磁気センサ11に故障が発生したと判定することができる。
ステップS25では、第2のV1異常監視部73は、第3カウント値cnt3が所定のしきい値A以上であるか否かを判別する。第3カウント値cnt3がしきい値A未満である場合には(ステップS25:NO)、第2のV1異常監視部73は、今演算周期での処理を終了する。一方、第3カウント値cnt3がしきい値A以上であると判別された場合には(ステップS25:YES)、第2のV1異常監視部73は、第1の磁気センサ11に故障が発生したことを検知し、図示しないブラシレスモータのモータ制御装置にモータ停止指令を出力する(ステップS26)。また、第2のV1異常監視部73は、全ての異常監視部71〜74の動作を停止させる(ステップS27)。モータ制御装置は、第2のV1異常監視部73からのモータ停止指令を受信すると、ブラシレスモータの駆動を停止させる。
図11の処理は、第2の磁気センサ12の出力信号V1(=sin(θ+φ))が1(上限値)または−1(下限値)に固定されているか否かを判定するために行なわれる。第2の磁気センサ12の出力信号V2が1に固定された場合には、出力信号補正部61によって演算される信号V2’(cosθに相当する信号)は、前記式(24)にV2=1を代入することにより、V2’=−(V1・cosφ−1)/sinφとなる。また、第2の磁気センサ12の出力信号V2が−1に固定された場合には、出力信号補正部61によって演算される信号V2’(cosθに相当する信号)は、前記式(24)にV2=−1を代入することにより、V2’=−(V1・cosφ+1)/sinφとなる。したがって、信号V2’が演算値{−(V1・cosφ−1)/sinφ}または{−(V1・cosφ+1)/sinφ}と等しいか否かを所定時間(第2の演算周期)毎に判別し、V2’=−(V1・cosφ−1)/sinφまたはV2’=−(V1・cosφ+1)/sinφの状態が所定回数以上継続する場合には、第2の磁気センサ12に故障が発生したと判定することができる。
ステップS35では、第2のV2異常監視部74は、第4カウント値cnt4が所定のしきい値A以上であるか否かを判別する。第4カウント値cnt4がしきい値A未満である場合には(ステップS35:NO)、第2のV2異常監視部74は、今演算周期での処理を終了する。一方、第4カウント値cnt4がしきい値A以上であると判別された場合には(ステップS35:YES)、第2のV2異常監視部74は、第2の磁気センサ12に故障が発生したことを検知し、図示しないブラシレスモータのモータ制御装置にモータ停止指令を出力する(ステップS36)。また、第2のV2異常監視部74は、全ての異常監視部71〜74の動作を停止させる(ステップS37)。モータ制御装置は、第2のV2異常監視部74からのモータ停止指令を受信すると、ブラシレスモータの駆動を停止させる。
以上、この発明をブラシレスモータのロータの回転角を検出するための装置に適用した場合の実施形態について説明したが、ブラシレスモータのロータ以外の回転体の回転角を検出するための装置にもこの発明を適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
Claims (5)
- 回転体の回転角を検出する回転角検出装置において、
前記回転体の周囲である第1の位置に配置され、第1の正弦波信号を前記回転体の回転に応じて出力する、第1のセンサと、
前記第1の位置とは角度間隔を持って前記回転体の周囲である第2の位置に配置され、前記第1の正弦波信号とは前記角度間隔に対応する配置位相差を有する第2の正弦波信号を前記回転体の回転に応じて出力する、第2のセンサと、
前記第1の正弦波信号と前記第2の正弦波信号とに基づき前記回転角を演算する、回転角演算装置と、を備えた回転角検出装置であって、
前記回転角演算装置は、
前記第1の正弦波信号及び前記第2の正弦波信号のうちの一方の正弦波信号を、それらの信号間の位相差である前記配置位相差が、目標位相差となるように補正する、信号補正部と、
前記信号補正部によって補正された一方の正弦波信号と、他方の正弦波信号とに基づいて前記回転角を演算する、回転角演算部と、
前記信号補正部によって補正された一方の正弦波信号と、前記第2の正弦波信号とに基づいて、前記第1の正弦波信号が異常であるか否かを判定する第1の信号異常判定部と、
前記信号補正部によって補正された一方の正弦波信号と、前記第1の正弦波信号とに基づいて、前記第2の正弦波信号が異常であるか否かを判定する第2の信号異常判定部と、
を含む回転角検出装置。 - 前記目標位相差は、前記配置位相差とは異なる、請求項1に記載の回転角検出装置。
- 前記配置位相差には、前記第1のセンサと前記第2のセンサとの相対的な配置誤差に起因して発生する、前記二つの正弦波信号間の位相差誤差が重畳されており、
前記回転角演算装置は、前記位相差誤差を演算する位相差誤差演算部を更に含み、
前記信号補正部は、前記配置位相差及び前記位相差誤差に基づいて、前記一方の正弦波信号を補正する、請求項2に記載の回転角検出装置。 - 前記配置位相差は、前記目標位相差より小さい、請求項2または3に記載の回転角検出装置。
- 前記目標位相差は90度である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
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