JP5822008B1 - 角度検出装置、この角度検出装置を備えるモータ、トルクセンサ、電動パワーステアリング装置及び自動車 - Google Patents
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Abstract
【課題】多極角度検出器の出力する角度情報に含まれる誤差を補正するのに好適な角度検出装置、この角度検出装置を備えるモータ、トルクセンサ、電動パワーステアリング装置及び自動車を提供する。【解決手段】逓倍回路12で多極光学式エンコーダ11から出力されるアナログ角度情報からデジタル電気角情報(θed)を生成し、この電気角θedを第1微分器30で微分して電気角速度ωedを演算し、この電気角速度ωedに対して第1不連続補正回路31で角速度の時間変化の不連続性を補正する処理を行い、第1不連続補正回路31を経た電気角速度ωedcに対して、デジタルフィルタ32で高周波ノイズ成分を低減する補正処理を行う。【選択図】 図5
Description
本発明は、多極の角度検出器を用いて検出した角度情報を補正する技術に関する。
従来、角度検出器を用いて検出した角度情報を補正する技術として、例えば、特許文献1に記載された技術がある。この技術は、レゾルバで検出された信号から角度信号を検出し、検出した角度信号を微分して速度信号を検出し、検出した速度信号を用いて誤差を推定する。そして、推定した誤差を用いて速度信号を補正し、補正後の速度信号を積分して誤差の補正された角度信号を得るものである。
しかしながら、上記特許文献1の従来技術は、多極レゾルバに適用した場合、多極レゾルバは、機械角の1回転に対して電気角が複数回転するため、レゾルバからは、各極に対応する電気角1周期毎の信号が順次出力されることとなる。従って、多極レゾルバで検出した信号から角度信号を検出すると、電気角1周期(0度〜360度)毎の角度信号が検出される。特に、電気角1周期毎のデジタル角度信号を検出する場合、このデジタル角度信号に対して微分により速度信号の検出を行うと、極を跨ぐところで360度から0度へと角度信号が急変するため、この時点での速度信号も急変(ステップ状に変化)する。このような速度信号を用いて誤差を推定した場合、誤差の推定精度が悪化することになる。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、多極角度検出器の出力する角度情報に含まれる誤差を補正するのに好適な角度検出装置、この角度検出装置を備えるモータ、トルクセンサ、電動パワーステアリング装置及び自動車を提供することを目的としている。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、多極角度検出器の出力する角度情報に含まれる誤差を補正するのに好適な角度検出装置、この角度検出装置を備えるモータ、トルクセンサ、電動パワーステアリング装置及び自動車を提供することを目的としている。
〔形態1〕 上記目的を達成するために、形態1の角度検出装置は、複数の極を有し、極毎に電気角の1周期に対応するアナログの角度情報信号を出力する多極角度検出器と、多極角度検出器から出力される角度情報信号を、電気角1周期あたりのデジタル角度信号である第1角度信号に変換する変換部と、第1角度信号を微分して第1角速度信号を検出する第1角速度信号検出部と、第1角速度信号検出部で検出した第1角速度信号の示す角速度のうち、第1角速度信号の時間変化が不連続となる角速度の値を、連続性を有する値に補正する第1不連続補正部と、第1不連続補正部で補正処理後の第1角速度信号に含まれる誤差成分を低減する補正処理を行う角速度信号補正部と、角速度信号補正部で補正後の第1角速度信号を積分して第2角度信号を検出する第2角度信号検出部と、を備える。
このような構成であれば、変換部によって、多極角度検出器から出力されるアナログの角度情報を、デジタルの角度信号(第1角度信号)に変換し、第1角速度信号検出部によって、第1角度信号を微分して第1角速度信号を検出することが可能である。更に、第1不連続補正部によって、第1角速度信号検出部で検出した第1角速度信号の示す角速度のうち、第1角速度信号の時間変化が不連続となる角速度の値を、連続性を有する値に補正することが可能である。なお更に、角速度信号補正部によって、第1不連続補正部で補正処理後の第1角速度信号に含まれる誤差成分を低減することが可能であり、第2角度信号検出部によって、誤差成分を低減後の第1角速度信号を積分して第2角度信号を検出することが可能である。
これによって、第1角速度信号が不連続であるために生じる誤差の発生を防ぐことができるという効果が得られる。
これによって、第1角速度信号が不連続であるために生じる誤差の発生を防ぐことができるという効果が得られる。
〔形態2〕 更に、形態2の角度検出装置は、形態1の構成に対して、第1不連続補正部は、第1角速度信号の示す角速度が予め設定した速度閾値以上となる場合に、該速度閾値以上となる角速度の値を、連続性を有する値へと補正する。
ここで、多極角度検出器の適用対象によって角速度の上限速度が決まる。また、極を跨ぐところで、電気角が例えば360°→0°へと急変するため、電気角の微分結果の絶対値が極めて大きい値となる。この極めて大きな微分値が、第1角速度信号の時間変化に不連続を生じさせる。
このことに基づき、速度閾値を、例えば、上限速度よりも十分大きな値に設定することで、不連続の原因となる微分値が急変するときの角速度を適切に検出することが可能となる。
これによって、不連続の発生原因となる角速度の値を適切に補正することが可能となり、不連続性の補正精度を向上することができるという効果が得られる。
ここで、多極角度検出器の適用対象によって角速度の上限速度が決まる。また、極を跨ぐところで、電気角が例えば360°→0°へと急変するため、電気角の微分結果の絶対値が極めて大きい値となる。この極めて大きな微分値が、第1角速度信号の時間変化に不連続を生じさせる。
このことに基づき、速度閾値を、例えば、上限速度よりも十分大きな値に設定することで、不連続の原因となる微分値が急変するときの角速度を適切に検出することが可能となる。
これによって、不連続の発生原因となる角速度の値を適切に補正することが可能となり、不連続性の補正精度を向上することができるという効果が得られる。
〔形態3〕 更に、形態3の角度検出装置は、形態1又は2の構成に対して、角速度信号補正部は、デジタルフィルタを用いて第1角速度信号に含まれる高周波ノイズ成分を低減する補正処理を行う。
このような構成であれば、デジタルフィルタによって、第1角速度信号に含まれる高周波ノイズ成分を低減することが可能となる。
これによって、高周波ノイズ成分を低減した第1角速度信号を積分して第2角度信号を検出することが可能となるので、第2角度信号の検出精度を向上することができるという効果が得られる。
このような構成であれば、デジタルフィルタによって、第1角速度信号に含まれる高周波ノイズ成分を低減することが可能となる。
これによって、高周波ノイズ成分を低減した第1角速度信号を積分して第2角度信号を検出することが可能となるので、第2角度信号の検出精度を向上することができるという効果が得られる。
〔形態4〕 更に、形態4の角度検出装置は、形態1乃至3のいずれか1の構成に対して、第2角度信号検出部で検出した第2角度信号に含まれる誤差成分を低減する補正処理を行う角度信号補正部を備える。
ここで、多極角度検出器は、例えば、装置固有の再現性を有する実位置からの誤差を有している。
このことに基づき、角度信号補正部によって、第2角度信号に含まれる誤差成分を低減する補正処理を行うようにした。
これによって、第2角度信号の検出精度を、より向上することができるという効果が得られる。
ここで、多極角度検出器は、例えば、装置固有の再現性を有する実位置からの誤差を有している。
このことに基づき、角度信号補正部によって、第2角度信号に含まれる誤差成分を低減する補正処理を行うようにした。
これによって、第2角度信号の検出精度を、より向上することができるという効果が得られる。
〔形態5〕 更に、形態5の角度検出装置は、形態4の構成に対して、前記第2角度信号検出部は、前記第1角速度信号を積分して電気角1周期あたりの第2角度信号を検出するように構成されており、前記角度信号補正部で補正後の前記電気角1周期あたりの第2角度信号を微分して第2角速度信号を検出する第2角速度信号検出部と、前記第2角速度信号検出部で検出した前記第2角速度信号の示す角速度のうち、前記第2角速度信号の時間変化が不連続となる角速度の値を、連続性を有する値に補正する第2不連続補正部と、前記第2不連続補正部で補正処理後の前記第2角速度信号を積分して、予め設定した分解能の機械角1周期あたりの第3角度信号を検出する第3角度信号検出部と、前記第3角度信号検出部で検出した前記第3角度信号を機械角信号に変換する角度信号変換部と、を備える。
このような構成であれば、第2角度信号検出部によって、電気角1周期あたりの電気角信号である第2角度信号を検出することが可能であり、第2角速度信号検出部によって、電気角1周期あたりの第2角度信号を微分して第2角速度信号を検出することが可能である。更に、第2不連続補正部によって、第2角速度信号検出部で検出した第2角速度信号の示す角速度のうち、第2角速度信号の時間変化が不連続となる角速度の値を、連続性を有する値に補正することが可能である。なお更に、第3角度信号検出部によって、第2不連続補正部で補正処理後の第2角速度信号を積分して機械角1周期あたりの第3角度信号を検出することが可能であり、角度信号変換部によって、第3角度信号を機械角信号に変換することが可能である。
これによって、電気角1周期あたりの第2角度信号を、予め設定した分解能の機械角信号に変換することができるという効果が得られる。
これによって、電気角1周期あたりの第2角度信号を、予め設定した分解能の機械角信号に変換することができるという効果が得られる。
〔形態6〕 更に、形態6の角度検出装置は、形態5の構成に対して、第2角度信号検出部は、第1角速度信号を積分して第2角度信号に変換する積分器を有し、電気角1周期分の第1角速度信号を積分する毎に前記積分器の累積値をクリアするように構成されており、第3角度信号検出部は、第2角速度信号を積分して第3角度信号を検出する積分器を有し、予め設定した分解能の機械角1周期分の第2角速度信号を積分する毎に積分器の累積値をクリアするように構成されており、角度信号変換部は、分解能を多極角度検出器の極数で除算した値を、第3角度信号に乗算することで、第3角度信号を機械角信号に変換する。
このような構成であれば、第2角度信号検出部によって、電気角1周期あたりの電気角信号である第2角度信号を検出することが可能であり、第3角度信号検出部によって、機械角1周期あたりの第3角度信号を検出することが可能であり、角度信号変換部によって、第3角度信号を予め設定した分解能の機械角信号に変換することが可能である。
これによって、電気角1周期あたりの第2角度信号を、予め設定した分解能の機械角1周期あたりの角度信号(機械角信号)に変換することができるという効果が得られる。
これによって、電気角1周期あたりの第2角度信号を、予め設定した分解能の機械角1周期あたりの角度信号(機械角信号)に変換することができるという効果が得られる。
〔形態7〕 更に、形態7の角度検出装置は、形態1乃至6のいずれか1の構成に対して、多極角度検出器は、多極の光学式エンコーダである。
このような構成であれば、多極角度検出器を多極の光学式エンコーダとした場合において、形態1乃至6のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果を得ることができる。
〔形態8〕 更に、形態8の角度検出装置は、形態1乃至6のいずれか1の構成に対して、多極角度検出器は、多極のレゾルバである。
このような構成であれば、多極角度検出器を多極のレゾルバとした場合において、形態1乃至6のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果を得ることができる。
このような構成であれば、多極角度検出器を多極の光学式エンコーダとした場合において、形態1乃至6のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果を得ることができる。
〔形態8〕 更に、形態8の角度検出装置は、形態1乃至6のいずれか1の構成に対して、多極角度検出器は、多極のレゾルバである。
このような構成であれば、多極角度検出器を多極のレゾルバとした場合において、形態1乃至6のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果を得ることができる。
〔形態9〕 更に、形態9の角度検出装置は、形態1乃至8のいずれか1の構成に対して、多極角度検出器及び前記変換部以外の各構成部を、プログラマブル論理回路によって構成した。
このような構成であれば、多極角度検出器及び前記変換部以外の各構成部をプログラマブル論理回路によって構成できるので、バージョンアップや設計値の修正等の設計変更等を容易にできるという効果が得られる。
このような構成であれば、多極角度検出器及び前記変換部以外の各構成部をプログラマブル論理回路によって構成できるので、バージョンアップや設計値の修正等の設計変更等を容易にできるという効果が得られる。
〔形態10〕 一方、上記目的を達成するために、形態10のモータは、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置を備えている。
このような構成であれば、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果が得られる。
〔形態11〕 一方、上記目的を達成するために、形態11のトルクセンサは、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置を備えている。
このような構成であれば、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果が得られる。
このような構成であれば、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果が得られる。
〔形態11〕 一方、上記目的を達成するために、形態11のトルクセンサは、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置を備えている。
このような構成であれば、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果が得られる。
〔形態12〕 一方、上記目的を達成するために、形態12の電動パワーステアリング装置は、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置を備えている。
このような構成であれば、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果が得られる。
〔形態13〕 一方、上記目的を達成するために、形態13の自動車は、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置を備えている。
このような構成であれば、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果が得られる。
このような構成であれば、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果が得られる。
〔形態13〕 一方、上記目的を達成するために、形態13の自動車は、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置を備えている。
このような構成であれば、形態1乃至9のいずれか1の角度検出装置と同等の作用及び効果が得られる。
(第1実施形態)
(構成)
第1実施形態に係る第1の角度検出装置1は、図1に示すように、検出対象の角度情報(位置情報)を検出する多極光学式エンコーダ11と、多極光学式エンコーダ11からのアナログの電気角情報を予め設定した分解能のデジタルの電気角情報に変換する逓倍回路12とを含んで構成される。
第1の角度検出装置1は、更に、逓倍回路12からのデジタルの電気角情報(θed)に基づき、該電気角情報θedに含まれる誤差成分を補正すると共に、検出対象のデジタル機械角情報(θmd)を演算する演算回路13と、角度補正データ(後述)が格納されたメモリ19とを含んで構成される。
(構成)
第1実施形態に係る第1の角度検出装置1は、図1に示すように、検出対象の角度情報(位置情報)を検出する多極光学式エンコーダ11と、多極光学式エンコーダ11からのアナログの電気角情報を予め設定した分解能のデジタルの電気角情報に変換する逓倍回路12とを含んで構成される。
第1の角度検出装置1は、更に、逓倍回路12からのデジタルの電気角情報(θed)に基づき、該電気角情報θedに含まれる誤差成分を補正すると共に、検出対象のデジタル機械角情報(θmd)を演算する演算回路13と、角度補正データ(後述)が格納されたメモリ19とを含んで構成される。
(多極光学式エンコーダ11)
多極光学式エンコーダ11は、図2(a)に示すように、光源141と、被検出領域を挟んで光源141からの光源光を検出する検出部135と、光源141及び検出部135が設けられる基板150と、を備えている。
更に、多極光学式エンコーダ11は、モータ等の回転機械に連結されるシャフト112と、シャフト112の端部に取り付けられた光学スケール111とを有するロータ110と、ステータ120とを備えている。ステータ120は、開口部121a及び切欠部121bを有するボディ121と、基板150が設けられるシャシ122と、開口部121aを覆うカバー123とを備えている。
多極光学式エンコーダ11は、図2(a)に示すように、光源141と、被検出領域を挟んで光源141からの光源光を検出する検出部135と、光源141及び検出部135が設けられる基板150と、を備えている。
更に、多極光学式エンコーダ11は、モータ等の回転機械に連結されるシャフト112と、シャフト112の端部に取り付けられた光学スケール111とを有するロータ110と、ステータ120とを備えている。ステータ120は、開口部121a及び切欠部121bを有するボディ121と、基板150が設けられるシャシ122と、開口部121aを覆うカバー123とを備えている。
基板150が設けられたシャシ122は、開口部121aを介してボディ121に取り付けられ、基板150のハーネス部154及びコネクタCNTは、切欠部121bを介して外部へと延出する構成となっている。ハーネス部154は、光源141、検出部135及び基板150に設けられた各種の回路に接続される信号線及び電力線を有している。コネクタCNTは、ハーネス部154に接続されており、多極光学式エンコーダ11と他の装置(第1実施形態では逓倍回路12)とを接続するものである。
また、シャフト112は、軸受126a及び126bを介してボディ121に回転可能に支持されている。また、ボディ121は、軸受126a及び126bと、シャフト112と、光学スケール111と、検出部135とを囲む円筒形状に構成され、かつ遮光性の部材から構成されている。
検出部135は、検出領域における光学スケール111の変化(回転)により生じる光源光の変化を検出し、この検出結果の変化に応じた出力を行うセンサである。即ち、多極光学式エンコーダ11は、ロータ110に回転動作を伝達するよう接続された回転駆動体の角度位置を検出するロータリーエンコーダとして機能する。
検出部135は、検出領域における光学スケール111の変化(回転)により生じる光源光の変化を検出し、この検出結果の変化に応じた出力を行うセンサである。即ち、多極光学式エンコーダ11は、ロータ110に回転動作を伝達するよう接続された回転駆動体の角度位置を検出するロータリーエンコーダとして機能する。
検出部135は、図2(b)に示すように、第1偏光層PP1を有する第1受光部PD1と、第2偏光層PP2を有する第2受光部PD2と、第3偏光層PP3を有する第3受光部PD3と、第4偏光層PP4を有する第4受光部PD4とを含む。
図2(b)に示すように、これら第1受光部PD1、第2受光部PD2、第3受光部PD3及び第4受光部PD4のそれぞれから配置中心S0までの距籬を等しくすることが好ましい。
図2(b)に示すように、これら第1受光部PD1、第2受光部PD2、第3受光部PD3及び第4受光部PD4のそれぞれから配置中心S0までの距籬を等しくすることが好ましい。
光源141は、例えば、発光ダイオード、垂直共振器面発光レーザ等の半導体レーザ、フィラメント等から構成される。図2(b)に示すように、光源141から照射される光源光71は、光学スケール111を透過して、透過光73として、第1偏光層PP1、第2偏光層PP2、第3偏光層PP3及び第4偏光層PP4を透過し、第1受光部PD1、第2受光部PD2、第3受光部PD3及び第4受光部PD4に入射する。
ここで、第1偏光層PP1が分離する偏光軸と、第2偏光層PP2が分離する偏光軸とは相対的に45°異なっており、第2偏光層PP2が分離する偏光軸と、第3偏光層PP3が分離する偏光軸とは相対的に45°異なっている。加えて、第3偏光層PP3が分離する偏光軸と、第4偏光層PP4が分離する偏光軸とは相対的に45°異なっており、第4偏光層PP4が分離する偏光軸と、第1偏光層PP1が分離する偏光軸とは相対的に45°異なっている。
光学スケール111は、図3に示すように、円板形状の部材であり、例えば、シリコン、ガラス、高分子材料などで形成されている。なお、光学スケール111は、円板形状に限らず、多角形形状、円輪形状(円環形状)など他の形状としてもよい。
光学スケール111は、図3に示すように、一方の板面に信号トラックT1を有している。この信号トラックT1は、ワイヤーグリッドパターンと呼ばれる金属細線(ワイヤー)gの配列によって構成されている。具体的に、ワイヤーグリッドパターンは、図3に示すように、直線状の金属細線gを、隣り合う金属細線間が平行かつ等間隔となるように配置したパターンとなる。そのため、光学スケール111は、光源光71が照射される位置によらず同じ偏光軸となり、面内における偏光子の偏光方向が一方向を向いている。
光学スケール111は、図3に示すように、一方の板面に信号トラックT1を有している。この信号トラックT1は、ワイヤーグリッドパターンと呼ばれる金属細線(ワイヤー)gの配列によって構成されている。具体的に、ワイヤーグリッドパターンは、図3に示すように、直線状の金属細線gを、隣り合う金属細線間が平行かつ等間隔となるように配置したパターンとなる。そのため、光学スケール111は、光源光71が照射される位置によらず同じ偏光軸となり、面内における偏光子の偏光方向が一方向を向いている。
以上説明した構成によって、多極光学式エンコーダ11は、ロータ110のシャフト112が回転すると、図2(b)に示すように、光学スケール111が、例えばR方向に検出部135に対して相対的に移動する。これにより、光学スケール111の信号トラックT1が検出部135に対して相対的に移動する。光学スケール111は、面内における偏光子の偏光方向Pmが所定の方向を向いており、かつ偏光方向Pmが回転により変化する。検出部135は、光源141の光源光71が光学スケール111を透過して入射する入射光(透過光)73を受光して、図3に示す光学スケール111の信号トラックT1を読み取ることができる。
透過光73の偏光方向Pmは、第1の偏光方向の成分の光強度PI(−)と、第1の偏光方向とは90°異なる第2の偏光方向の成分の光強度PI(+)とで表現することができる。これら、検出部135の検出信号である、光強度PI(−)と、光強度PI(+)とに対応する、第1受光部PD1、第2受光部PD2、第3受光部PD3及び第4受光部PD4のそれぞれの出力は、図4に示すように、光学スケール111の回転に応じて、位相がずれた光強度I1、I2、I3及びI4となる。
また、光学スケール111は、図2(a)に示すように、角度情報演算回路160を備えている。
角度情報演算回路160は、図示しないが、プリアンプAMPと、差動演算回路DSと、フィルタ回路NRとを備えている。そして、プリアンプAMPで、検出部135から出力された検出信号I1、I2、I3及びI4を増幅し、差動演算回路DSで、増幅したI1、I2、I3及びI4を用いて、下式(1)及び(2)に示す差動信号Vc及びVsの演算処理を行う。更に、フィルタ回路NRで、差動信号Vc及びVsからノイズを除去する。このノイズ除去後の差動信号Vc及びVsがアナログの角度情報として、逓倍回路12に出力される。
Vc=(I1−I3)/(I1+I3)…(1)
Vs=(I2−I4)/(I2+I4)…(2)
角度情報演算回路160は、図示しないが、プリアンプAMPと、差動演算回路DSと、フィルタ回路NRとを備えている。そして、プリアンプAMPで、検出部135から出力された検出信号I1、I2、I3及びI4を増幅し、差動演算回路DSで、増幅したI1、I2、I3及びI4を用いて、下式(1)及び(2)に示す差動信号Vc及びVsの演算処理を行う。更に、フィルタ回路NRで、差動信号Vc及びVsからノイズを除去する。このノイズ除去後の差動信号Vc及びVsがアナログの角度情報として、逓倍回路12に出力される。
Vc=(I1−I3)/(I1+I3)…(1)
Vs=(I2−I4)/(I2+I4)…(2)
(逓倍回路12)
逓倍回路12は、角度情報演算回路160から入力された差動信号Vc及びVsからリサージュパターンを演算し、初期位置から回転したロータ110の回転角度のデジタルの角度情報を演算する。ここで、差動信号Vc及びVsは、λ/4位相がずれた差動信号であるため、差動信号Vcのコサインカーブを横軸へ、差動信号Vsのサインカーブを縦軸にとったリサージュパターンを演算し、ロータ110の回転角度に応じて、リサージュ角(電気角)を決定する。第1実施形態では、ロータ110(機械角)が1回転すると電気角が2周するように構成されている。即ち、第1実施形態の多極光学式エンコーダ11は、2極の光学式エンコーダとなる。
逓倍回路12は、角度情報演算回路160から入力された差動信号Vc及びVsからリサージュパターンを演算し、初期位置から回転したロータ110の回転角度のデジタルの角度情報を演算する。ここで、差動信号Vc及びVsは、λ/4位相がずれた差動信号であるため、差動信号Vcのコサインカーブを横軸へ、差動信号Vsのサインカーブを縦軸にとったリサージュパターンを演算し、ロータ110の回転角度に応じて、リサージュ角(電気角)を決定する。第1実施形態では、ロータ110(機械角)が1回転すると電気角が2周するように構成されている。即ち、第1実施形態の多極光学式エンコーダ11は、2極の光学式エンコーダとなる。
従って、逓倍回路12は、ロータ110の回転角度に応じて、極毎に、電気角1周期(0°〜360°)あたりのデジタルの角度情報を演算回路13に出力する。即ち、ロータ110が1回転する間に、電気角2周期分のデジタルの角度情報を演算回路13に出力する。
また、逓倍回路12は、入力された信号の分解能(例えば、12ビット)を、予め設定した分解能(例えば、16ビット)へと電気的に分解能を上げる機能を有している。
従って、逓倍回路12は、予め設定した分解能のデジタルの電気角情報を、演算回路13に出力する。
また、逓倍回路12は、入力された信号の分解能(例えば、12ビット)を、予め設定した分解能(例えば、16ビット)へと電気的に分解能を上げる機能を有している。
従って、逓倍回路12は、予め設定した分解能のデジタルの電気角情報を、演算回路13に出力する。
(演算回路13)
演算回路13は、図5に示すように、第1微分器30と、第1不連続補正回路31と、デジタルフィルタ32と、第1積分器33と、1極補正回路34と、第2微分器35と、第2不連続補正回路36と、第2積分器37と、第1乗算器38と、第2乗算器39とを含んで構成される。
なお、第1実施形態の演算回路13は、FPGAから構成されている。即ち、演算回路13は、各構成回路が、ハードウェア記述言語によって設計(プログラミング)された回路となっている。
また、図5に示すように、演算回路13には、不図示の水晶発振器からクロック信号CLK(以下、単に「CLK」と称する場合がある)が供給されている。
演算回路13は、図5に示すように、第1微分器30と、第1不連続補正回路31と、デジタルフィルタ32と、第1積分器33と、1極補正回路34と、第2微分器35と、第2不連続補正回路36と、第2積分器37と、第1乗算器38と、第2乗算器39とを含んで構成される。
なお、第1実施形態の演算回路13は、FPGAから構成されている。即ち、演算回路13は、各構成回路が、ハードウェア記述言語によって設計(プログラミング)された回路となっている。
また、図5に示すように、演算回路13には、不図示の水晶発振器からクロック信号CLK(以下、単に「CLK」と称する場合がある)が供給されている。
第1微分器30は、図6(a)に示すように、第1減算器30aと、第1バッファレジスタ30bとを含んで構成されている。第1減算器30aの2本の入力端子の一方と第1バッファレジスタ30bの入力端子とは電気的に接続されており、第1減算器30aと第1バッファレジスタ30bとには、逓倍回路12からのデジタル電気角情報θed(t)(以下、単に「電気角θed(t)」と称する場合がある)がCLKに同期して入力される。また、第1バッファレジスタ30bは、その出力端子が、第1減算器30aの他方の入力端子と接続されており、第1バッファレジスタ30bの出力が第1減算器30aに入力されるように構成されている。第1バッファレジスタ30bは、遅延素子として働き、先に入力された電気角θed(t)を、次の電気角θed(t+1)が入力されるまで遅延(例えば1クロック遅延)してから第1減算器30aの他方の入力端子に入力する。
かかる構成によって、第1減算器30aでは、現在の電気角θed(t)から、1つ前に入力された電気角θed(t−1)が減算されることとなる。即ち、第1微分器30では、電気角θed(t)の時間変化であるデジタル電気角速度ωed(t)(以下、単に「電気角速度ωed(t)」と称する場合がある)が演算されることになる。第1微分器30は、演算結果である電気角速度ωed(t)を、第1不連続補正回路31へと出力する。
第1不連続補正回路31は、極を跨ぐタイミングで不連続となる電気角速度ωed(t)を、連続性を維持するように補正する回路である。
第1不連続補正回路31は、極を跨ぐタイミングで不連続となる電気角速度ωed(t)を、連続性を維持するように補正する回路である。
ここで、逓倍回路12から入力される電気角θed(t)は、極毎に0〜360°変化する角度情報であり、かつ、多極光学式エンコーダ11は、2極の光学式エンコーダであることから、ロータ110が1回転する間に、電気角が2周することになる。従って、電気角1周目と2周目との変わり目において、デジタル電気角θed(t)が、例えば360°から0°へと急変することになる。この急変は、大きな電気角速度ωed(t)として出力されることになる。
第1実施形態の第1不連続補正回路31は、ロータ110の最大回転速度(最大角速度)が既知であることから、最大回転速度を大幅に超えるような電気角速度ωed(t)が入力された場合に、電気角θed(t)が折り返したと判断して、このときの電気角速度ωed(t)を補正する。
具体的に、第1実施形態の第1不連続補正回路31は、図7(a)に示すように、第1コンパレータ31aと、第2コンパレータ31bと、第1加減算器31cとを含んで構成される。
具体的に、第1実施形態の第1不連続補正回路31は、図7(a)に示すように、第1コンパレータ31aと、第2コンパレータ31bと、第1加減算器31cとを含んで構成される。
第1コンパレータ31aは、電気角速度ωed(t)の分解能を「2m」(mは2以上の自然数)とした場合に、電気角速度ωed(t)と「2(m-1)」とを比較し、電気角速度ωedが「2(m-1)」以上の場合に、論理値「1」の第1比較信号CP1を第1加減算器31cに出力し、電気角速度ωed(t)が「2(m-1)」未満の場合に、論理値「0」の第1比較信号CP1を第1加減算器31cに出力する。
第2コンパレータ31bは、電気角速度ωed(t)と「−2(m-1)」とを比較し、電気角速度ωed(t)が「−2(m-1)」以下の場合に、論理値「1」の第2比較信号CP2を第1加減算器31cに出力し、電気角速度ωed(t)が「−2(m-1)」より大きい場合に、論理値「0」の第2比較信号CP2を第1加減算器31cに出力する。
第1加減算器31cは、第1比較信号CP1が「1」でかつ第2比較信号CP2が「0」である場合、電気角速度ωed(t)から「2m」を減算する。そして、減算結果の電気角速度ωedc(t)を、デジタルフィルタ32に出力する。
第1加減算器31cは、第1比較信号CP1が「1」でかつ第2比較信号CP2が「0」である場合、電気角速度ωed(t)から「2m」を減算する。そして、減算結果の電気角速度ωedc(t)を、デジタルフィルタ32に出力する。
また、第1加減算器31cは、第1比較信号CP1が「0」でかつ第2比較信号CP2が「1」である場合、電気角速度ωed(t)に「2m」を加算する。そして、加算結果の電気角速度ωedc(t)を、デジタルフィルタ32に出力する。
一方、第1加減算器31cは、第1比較信号CP1が「0」でかつ第2比較信号CP2が「0」である場合、入力された電気角速度ωed(t)をそのままデジタルフィルタ32に出力する。なお、この場合も出力信号は電気角速度ωedc(t)と称することとする。
一方、第1加減算器31cは、第1比較信号CP1が「0」でかつ第2比較信号CP2が「0」である場合、入力された電気角速度ωed(t)をそのままデジタルフィルタ32に出力する。なお、この場合も出力信号は電気角速度ωedc(t)と称することとする。
なお、電気角の分解能の情報は、メモリ19に予め記憶されているものとする。
デジタルフィルタ32は、デジタルローパスフィルタから構成され、第1不連続補正回路31からの電気角速度ωedc(t)に含まれる高周波ノイズ成分を低減する機能を有する。デジタルフィルタ32は、フィルタ処理後の電気角速度ωedf(t)を、第1積分器33に出力する。
デジタルフィルタ32は、デジタルローパスフィルタから構成され、第1不連続補正回路31からの電気角速度ωedc(t)に含まれる高周波ノイズ成分を低減する機能を有する。デジタルフィルタ32は、フィルタ処理後の電気角速度ωedf(t)を、第1積分器33に出力する。
第1積分器33は、図8(a)に示すように、第1加算器33aと、第3バッファレジスタ33bと、第1レジスタ制御回路33cとを含んで構成される。
第1加算器33aの2つの入力端子の一方は、デジタルフィルタ32の出力端子と電気的に接続され、第1加算器33aの2つの入力端子の他方は、第3バッファレジスタ33bの出力端子と電気的に接続されている。
第1加算器33aの2つの入力端子の一方は、デジタルフィルタ32の出力端子と電気的に接続され、第1加算器33aの2つの入力端子の他方は、第3バッファレジスタ33bの出力端子と電気的に接続されている。
かかる構成によって、第1加算器33aの一方の入力端子には、デジタルフィルタ32からの電気角速度ωedf(t)が入力され、他方の入力端子には、第3バッファレジスタ33bからの電気角θedf(t−1)が入力される。
第1加算器33aは、電気角速度ωedf(t)を、電気角θedf(t−1)に加算して、電気角θedf(t)を演算し、演算結果を1極補正回路34に出力する。
第1加算器33aは、電気角速度ωedf(t)を、電気角θedf(t−1)に加算して、電気角θedf(t)を演算し、演算結果を1極補正回路34に出力する。
第3バッファレジスタ33bは、入力端子が、第1加算器33aの出力端子と電気的に接続されており、第1加算器33aからの加算結果(電気角θedf(t))が入力される。第3バッファレジスタ33bは、遅延素子の機能を有しており、先に入力された電気角θedf(t)を、次の電気角θedf(t+1)が入力されるまで遅延(例えば1クロック遅延)してから第1加算器33aの他方の入力端子に入力する。即ち、第3バッファレジスタ33bは、入力された電気角速度ωedf(t)の累積値を保持する。
第1レジスタ制御回路33cは、電気角1周期あたりmビット(0〜2m−1)の電気角速度ωedf(t)が入力される場合に、第3バッファレジスタ33bの保持する累積値が「2m−1」となったときに、この累積値を「0」にクリアする機能を有している。即ち、第1実施形態の第1積分器33は、電気角1周期あたりの電気角θedf(t)を演算するように構成されている。
1極補正回路34は、多極光学式エンコーダ11の各極に対応する電気角1周期毎の電気角θedf(t)を補正する機能を有している。
具体的に、メモリ19には、極毎に事前に取得した誤差成分を加味した繰り返し性(再現性)を有する角度補正データが記憶されている。1極補正回路34は、入力される電気角θedf(t)に対して、対応する極の角度補正データを用いた補正処理を行う。そして、補正後の電気角TR(t)を、第2微分器35に出力する。
具体的に、メモリ19には、極毎に事前に取得した誤差成分を加味した繰り返し性(再現性)を有する角度補正データが記憶されている。1極補正回路34は、入力される電気角θedf(t)に対して、対応する極の角度補正データを用いた補正処理を行う。そして、補正後の電気角TR(t)を、第2微分器35に出力する。
第2微分器35は、図6(b)に示すように、第2減算器35aと、第2バッファレジスタ35bとを含んで構成される。
第2減算器35aの2本の入力端子の一方と第2バッファレジスタ35bの入力端子とは電気的に接続されており、第2減算器35aと第2バッファレジスタ35bとには、1極補正回路34からの電気角TR(t)が入力される。また、第2バッファレジスタ35bは、その出力端子が、第2減算器35aの他方の入力端子と接続されており、第2バッファレジスタ35bの出力が第2減算器35aに入力されるように構成されている。
第2減算器35aの2本の入力端子の一方と第2バッファレジスタ35bの入力端子とは電気的に接続されており、第2減算器35aと第2バッファレジスタ35bとには、1極補正回路34からの電気角TR(t)が入力される。また、第2バッファレジスタ35bは、その出力端子が、第2減算器35aの他方の入力端子と接続されており、第2バッファレジスタ35bの出力が第2減算器35aに入力されるように構成されている。
第2バッファレジスタ35bは、遅延素子として働き、先に入力された電気角TR(t)を、次の電気角TR(t+1)が入力されるまで遅延(例えば1クロック遅延)してから第2減算器35aの他方の入力端子に入力する。
かかる構成によって、第2減算器35aでは、現在の電気角TR(t)から、1つ前に入力された電気角TR(t−1)が減算されることとなる。即ち、第2微分器35では、電気角TR(t)の時間変化である電気角速度ωTR(t)が演算されることになる。第2微分器35は、演算結果である電気角速度ωTR(t)を、第2不連続補正回路36へと出力する。
かかる構成によって、第2減算器35aでは、現在の電気角TR(t)から、1つ前に入力された電気角TR(t−1)が減算されることとなる。即ち、第2微分器35では、電気角TR(t)の時間変化である電気角速度ωTR(t)が演算されることになる。第2微分器35は、演算結果である電気角速度ωTR(t)を、第2不連続補正回路36へと出力する。
第2不連続補正回路36は、上記第1不連続補正回路31と同様に、極を跨ぐタイミングで不連続となる電気角速度ωTR(t)を、連続性を維持するように補正する回路である。
具体的に、第1実施形態の第2不連続補正回路36は、図7(b)に示すように、第3コンパレータ36aと、第4コンパレータ36bと、第2加減算器36cとを含んで構成される。
具体的に、第1実施形態の第2不連続補正回路36は、図7(b)に示すように、第3コンパレータ36aと、第4コンパレータ36bと、第2加減算器36cとを含んで構成される。
第3コンパレータ36aは、電気角速度ωTR(t)と「2(m-1)」とを比較し、電気角速度ωTR(t)が「2(m-1)」以上の場合に、論理値「1」の第3比較信号CP3を第2加減算器36cに出力し、電気角速度ωTR(t)が「2(m-1)」未満の場合に、論理値「0」の第3比較信号CP3を第2加減算器36cに出力する。
第4コンパレータ36bは、電気角速度ωTR(t)と「−2(m-1)」とを比較し、電気角速度ωTR(t)が「−2(m-1)」以下の場合に、論理値「1」の第4比較信号CP4を第2加減算器36cに出力し、電気角速度ωTR(t)が「−2(m-1)」より大きい場合に、論理値「0」の第4比較信号CP4を第2加減算器36cに出力する。
第4コンパレータ36bは、電気角速度ωTR(t)と「−2(m-1)」とを比較し、電気角速度ωTR(t)が「−2(m-1)」以下の場合に、論理値「1」の第4比較信号CP4を第2加減算器36cに出力し、電気角速度ωTR(t)が「−2(m-1)」より大きい場合に、論理値「0」の第4比較信号CP4を第2加減算器36cに出力する。
第2加減算器36cは、第3比較信号CP3が「1」でかつ第4比較信号CP4が「0」である場合、電気角速度ωTR(t)から「2m」を減算する。そして、減算結果の電気角速度ωTRc(t)を、第2積分器37に出力する。
また、第2加減算器36cは、第3比較信号CP3が「0」でかつ第4比較信号CP4が「1」である場合、電気角速度ωTR(t)に「2m」を加算する。そして、加算結果の電気角速度ωTRc(t)を、第2積分器37に出力する。
また、第2加減算器36cは、第3比較信号CP3が「0」でかつ第4比較信号CP4が「1」である場合、電気角速度ωTR(t)に「2m」を加算する。そして、加算結果の電気角速度ωTRc(t)を、第2積分器37に出力する。
一方、第2加減算器36cは、第3比較信号CP3が「0」でかつ第4比較信号CP4が「0」である場合、入力された電気角速度ωTR(t)をそのまま第2積分器37に出力する。なお、この場合も出力信号は電気角速度ωTRc(t)と称することとする。
第2積分器37は、図8(b)に示すように、第2加算器37aと、第4バッファレジスタ37bと、第2レジスタ制御回路37cとを含んで構成される。
第2積分器37は、図8(b)に示すように、第2加算器37aと、第4バッファレジスタ37bと、第2レジスタ制御回路37cとを含んで構成される。
第2加算器37aの2つの入力端子の一方は、第2不連続補正回路36の出力端子と電気的に接続され、第2加算器37aの2つの入力端子の他方は、第4バッファレジスタ37bの出力端子と電気的に接続されている。
かかる構成によって、第2加算器37aの一方の入力端子には、第2不連続補正回路36からの電気角速度ωTRc(t)が入力され、他方の入力端子には、第4バッファレジスタ37bからの積分値TRi(t−1)が入力される。
第2加算器37aは、電気角速度ωTRc(t)を、電気角TRc(t−1)に加算して、積分値TRi(t)を演算し、演算結果を、第4バッファレジスタ37b及び第2乗算器39にそれぞれ出力する。
かかる構成によって、第2加算器37aの一方の入力端子には、第2不連続補正回路36からの電気角速度ωTRc(t)が入力され、他方の入力端子には、第4バッファレジスタ37bからの積分値TRi(t−1)が入力される。
第2加算器37aは、電気角速度ωTRc(t)を、電気角TRc(t−1)に加算して、積分値TRi(t)を演算し、演算結果を、第4バッファレジスタ37b及び第2乗算器39にそれぞれ出力する。
第4バッファレジスタ37bは、入力端子が、第2加算器37aの出力端子と電気的に接続されており、第2加算器37aからの加算結果(積分値TRi(t))が入力される。第4バッファレジスタ37bは、遅延素子の機能を有しており、先に入力された積分値TRi(t)を、次の積分値TRi(t+1)が入力されるまで遅延(例えば1クロック遅延)してから第2加算器37aの他方の入力端子に入力する。即ち、第4バッファレジスタ37bは、入力された電気角速度ωTRc(t)の累積値を保持する。
第1レジスタ制御回路33cは、予め設定された機械角の分解能がn(nは2以上の自然数)ビット(数値範囲0〜2n−1)である場合に、第4バッファレジスタ37bの保持する累積値が「2n−1」となったときに、この累積値を「0」にクリアする機能を有している。なお、分解能nは、第4バッファレジスタ37bのレジスタ幅をNビットとした場合、「n<N」となる。
即ち、第1実施形態の第2積分器37は、機械角1周期あたりの電気角速度ωTRc(t)の積分値TRi(t)(デジタル情報)を演算するように構成されている。
即ち、第1実施形態の第2積分器37は、機械角1周期あたりの電気角速度ωTRc(t)の積分値TRi(t)(デジタル情報)を演算するように構成されている。
第1乗算器38は、2つの入力端子の一方に、予め設定された機械角の分解能「2m」が入力され、2つの入力端子の他方に「1/極数」が入力される。そして、「2m」と「1/極数」とを乗算して、乗算結果「2m/極数」を、第2乗算器39に出力する。第1実施形態の多極光学式エンコーダ11は2極となるので、乗算結果は「2m-1」となる。なお、機械角の分解能の情報及び極数の情報は、メモリ19に予め記憶されているものとする。
第2乗算器39は、2つの入力端子の一方に、第2積分器37の出力端子が電気的に接続され、2つの入力端子の他方に、第1乗算器38の出力端子が電気的に接続されている。かかる構成によって、第2乗算器39は、2つの入力端子の一方に積分値TRi(t)が入力され、2つの入力端子の他方に第1乗算器38の乗算結果「2m-1」が入力される。
第2乗算器39は、積分値TRi(t)に、「2m-1」を乗算して、機械角1周期あたりのデジタルの角度情報θmd(以下、「機械角θmd」と称する場合がある)を演算する。そして、演算した機械角θmdを後段の回路(不図示)へと出力する。
第2乗算器39は、積分値TRi(t)に、「2m-1」を乗算して、機械角1周期あたりのデジタルの角度情報θmd(以下、「機械角θmd」と称する場合がある)を演算する。そして、演算した機械角θmdを後段の回路(不図示)へと出力する。
(動作)
次に、図1〜図8を参照しつつ、図9及び図10に基づき第1実施形態の第1の角度検出装置1の動作例を説明する。
電源が投入されると、第1の角度検出装置1の各バッファレジスタが初期化される。その後、ロータ110に接続された回転駆動機構が駆動すると、ロータ110が回転し、ロータ110の端部に取り付けられた光学スケール111が回転する。
次に、図1〜図8を参照しつつ、図9及び図10に基づき第1実施形態の第1の角度検出装置1の動作例を説明する。
電源が投入されると、第1の角度検出装置1の各バッファレジスタが初期化される。その後、ロータ110に接続された回転駆動機構が駆動すると、ロータ110が回転し、ロータ110の端部に取り付けられた光学スケール111が回転する。
このとき、検出部135は、光源141の光源光71が光学スケール111を透過して入射する透過光73を受光して、光学スケール111の信号トラックT1を読み取る。これにより、第1受光部PD1、第2受光部PD2、第3受光部PD3及び第4受光部PD4のそれぞれから、光学スケール111の回転に応じて、位相がずれた光強度I1、I2、I3及びI4が角度情報演算回路160へと出力される。
角度情報演算回路160は、プリアンプAMPで、検出部135から出力された検出信号I1、I2、I3及びI4を増幅し、差動演算回路DSで、増幅したI1、I2、I3及びI4を用いて、上式(1)及び(2)に示す差動信号Vc及びVsの演算処理を行う。そして、フィルタ回路NRで、演算した差動信号Vc及びVsからノイズを除去し、ノイズ除去後の差動信号Vc及びVsを、逓倍回路12に出力する。
逓倍回路12は、差動信号Vc及びVsが入力されると、これらVc及びVsからリサージュパターンを演算し、ロータ110の回転角度に応じたデジタル電気角θedを演算する。このとき、電気角θedの分解能を、予め設定した分解能(ここでは16ビットとする)へと電気的に上げて、16ビットの電気角θedを、演算回路13に出力する。
逓倍回路12は、差動信号Vc及びVsが入力されると、これらVc及びVsからリサージュパターンを演算し、ロータ110の回転角度に応じたデジタル電気角θedを演算する。このとき、電気角θedの分解能を、予め設定した分解能(ここでは16ビットとする)へと電気的に上げて、16ビットの電気角θedを、演算回路13に出力する。
第1微分器30では、入力される電気角θed(t)を微分して、微分結果である電気角速度ωed(t)を、第1不連続補正回路31に出力する。
第1不連続補正回路31は、入力された電気角速度ωed(t)と、数値「32768」及び「−32768」とを比較する。そして、電気角速度ωed(t)が「32768」以上である場合は、入力された電気角速度ωed(t)から「65536」を減算し、減算結果である電気角速度ωedc(t)をデジタルフィルタ32に出力する。
第1不連続補正回路31は、入力された電気角速度ωed(t)と、数値「32768」及び「−32768」とを比較する。そして、電気角速度ωed(t)が「32768」以上である場合は、入力された電気角速度ωed(t)から「65536」を減算し、減算結果である電気角速度ωedc(t)をデジタルフィルタ32に出力する。
一方、第1不連続補正回路31は、電気角速度ωed(t)が「−32768」以下である場合は、入力された電気角速度ωed(t)に「65536」を加算し、加算結果である電気角速度ωedc(t)をデジタルフィルタ32に出力する。
また、第1不連続補正回路31は、電気角速度ωed(t)が「32768」未満であり、かつ「−32768」より大きい場合は、入力された電気角速度ωed(t)を電気角速度ωedc(t)としてデジタルフィルタ32に出力する。
即ち、電気角θedが極を跨ぐところで急変すると、電気角速度ωed(t)が最大回転速度を大幅に超えた速度となる。これによって、電気角速度ωed(t)が不連続となるため、この不連続を生じる電気角速度ωed(t)を連続性が維持されるように補正する。
また、第1不連続補正回路31は、電気角速度ωed(t)が「32768」未満であり、かつ「−32768」より大きい場合は、入力された電気角速度ωed(t)を電気角速度ωedc(t)としてデジタルフィルタ32に出力する。
即ち、電気角θedが極を跨ぐところで急変すると、電気角速度ωed(t)が最大回転速度を大幅に超えた速度となる。これによって、電気角速度ωed(t)が不連続となるため、この不連続を生じる電気角速度ωed(t)を連続性が維持されるように補正する。
ここでは、電気角速度ωed(t)の分解能を16ビットとしたので、最大角速度を「32768」及び「−32768」に設定し、不連続となる角速度の値を、「32768」以上又は「−32768」以下の値とした。なお、プラスとマイナスの違いは、ロータ110の回転方向に応じて、例えば、時計回りの回転方向をプラス、反時計回りの回転方向をマイナスとしている。
デジタルフィルタ32は、不連続性が補正された電気角速度ωedc(t)に対してデジタルローパスフィルタによるフィルタ処理を行い、電気角速度ωedc(t)に含まれる高周波ノイズ成分を低減する。そして、ノイズ低減後の電気角速度ωedf(t)を、第1積分器33に出力する。
ここで、従来の角度検出装置として、例えば、図9(a)に示す構成のものがある。かかる角度検出装置301は、多極光学式エンコーダ310から出力されるアナログ電気角情報を、逓倍回路312でデジタルの電気角θed(t)に変換し、この変換後の電気角θedに対してデジタルフィルタ313を用いて高周波ノイズの低減処理を行っている。
ここで、従来の角度検出装置として、例えば、図9(a)に示す構成のものがある。かかる角度検出装置301は、多極光学式エンコーダ310から出力されるアナログ電気角情報を、逓倍回路312でデジタルの電気角θed(t)に変換し、この変換後の電気角θedに対してデジタルフィルタ313を用いて高周波ノイズの低減処理を行っている。
既に述べたように、多極光学式エンコーダ310の場合、機械角1周に対して電気角が2周するため、電気角θed(t)が360°から0°となる極の変わり目において電気角θedが不連続となる。これにより、デジタルフィルタ313の入力信号が、極を跨ぐところでステップ状に変化するため、物理角度に対する誤差が大きくなる。その結果、フィルタ処理後の電気角θedf(t)は、図9(b)に示すように、極を跨ぐところで大きな誤差を生じることになる。この誤差は、回転速度によってフィルタの応答時間が異なることから再現性の無い角度データとなり、補正をするのは非常に困難となる。そのため、第1実施形態の第1の角度検出装置1では、不連続部分を予め補正して、フィルタ処理により、再現性の無い角度データが生じるのを防いでいる。
続いて、第1積分器33は、入力されたノイズ低減後の電気角速度ωedf(t)を積分して、電気角θedf(t)を演算し、演算した電気角θedf(t)を1極補正回路34に出力する。
ここで、第1積分器33は、電気角速度ωedf(t)が16ビットのデータであるため、第1レジスタ制御回路33cにおいて、第3バッファレジスタ33bの保持する累積値が「6553」になった時点で、累積値を「0」にクリアする。即ち、第1積分器33は、入力される電気角速度ωedf(t)を、電気角1周期あたりの角度情報へと変換する。
ここで、第1積分器33は、電気角速度ωedf(t)が16ビットのデータであるため、第1レジスタ制御回路33cにおいて、第3バッファレジスタ33bの保持する累積値が「6553」になった時点で、累積値を「0」にクリアする。即ち、第1積分器33は、入力される電気角速度ωedf(t)を、電気角1周期あたりの角度情報へと変換する。
なお、第1積分器33から出力されるデジタル電気角θedf(t)は、第1不連続補正回路31において、不連続性の解消されたデジタル電気角速度ωedf(t)を積分したものとなる。そのため、図10の一点鎖線に示すように、フィルタ処理後のデジタル電気角θedf(t)について、極を跨ぐところでの不連続性が要因で生じる再現性の無い誤差が発生しない。
1極補正回路34は、極毎に予め用意した角度補正データを用いて、入力される電気角θedf(t)を補正する。そして、補正後の電気角TR(t)を、第2微分器35に出力する。
第2微分器35は、入力される電気角TR(t)を微分して、微分結果である電気角速度ωTR(t)を、第2不連続補正回路36に出力する。
第2微分器35は、入力される電気角TR(t)を微分して、微分結果である電気角速度ωTR(t)を、第2不連続補正回路36に出力する。
第2不連続補正回路36は、第1不連続補正回路31と同様に、入力される電気角速度ωTR(t)と、数値「32768」及び「−32768」とを比較する。そして、電気角速度ωTR(t)が、「32768」以上又は「−32768」以下の値である場合に、第1不連続補正回路31と同様の補正を行い、補正後の電気角速度ωTRc(t)を、第2積分器37に出力する。また、電気角速度ωTR(t)が、「32768」未満かつ「−32768」より大きい値である場合に、入力された電気角速度ωTR(t)を電気角速度ωTRc(t)として、第2積分器37に出力する。
第2積分器37は、入力された不連続性の解消された電気角速度ωTRc(t)を積分して、積分値TRi(t)を演算し、演算した積分値TRi(t)を第2乗算器39に出力する。
ここで、第2積分器37は、予め設定した機械角の分解能(ここでは19ビットとする)に基づき、第2レジスタ制御回路37cにおいて、第4バッファレジスタ37bの保持する累積値が「524288(219−1)」になった時点で、累積値を「0」にクリアする。即ち、第2積分器37は、入力される電気角速度ωTRc(t)を、機械角1周期あたりのデジタル情報(積分値)TRi(t)へと変換する。
ここで、第2積分器37は、予め設定した機械角の分解能(ここでは19ビットとする)に基づき、第2レジスタ制御回路37cにおいて、第4バッファレジスタ37bの保持する累積値が「524288(219−1)」になった時点で、累積値を「0」にクリアする。即ち、第2積分器37は、入力される電気角速度ωTRc(t)を、機械角1周期あたりのデジタル情報(積分値)TRi(t)へと変換する。
一方、第1乗算器38は、機械角の分解能「219」と「1/2(極数)」とを乗算し、乗算結果である「262144」を、第2乗算器39に出力する。
第2乗算器39は、第2積分器37から入力される19ビットの積分値TRi(t)と、第1乗算器38から入力される「262144」とを乗算して、機械角1周期あたりのデジタル電気角θmdを演算する。そして、演算した機械角θmdを、後段の回路に出力する。即ち、第1の角度検出装置1は、予め設定した任意の分解能(19ビット)の機械角θmdを後段の回路へと出力する。
第2乗算器39は、第2積分器37から入力される19ビットの積分値TRi(t)と、第1乗算器38から入力される「262144」とを乗算して、機械角1周期あたりのデジタル電気角θmdを演算する。そして、演算した機械角θmdを、後段の回路に出力する。即ち、第1の角度検出装置1は、予め設定した任意の分解能(19ビット)の機械角θmdを後段の回路へと出力する。
以上、第1実施形態の第1の角度検出装置1は、第1不連続補正回路31において、第1微分器30で電気角θed(t)を微分してなる電気角速度ωed(t)における不連続性を補正する処理を行うことが可能である。
これによって、デジタルフィルタ32で電気角速度ωed(t)が不連続であるために生じる再現性を有さない誤差の発生を防ぐことが可能となる。
更に、第1実施形態の第1の角度検出装置1は、第1積分器33及び1極補正回路34において、電気角1周期毎に電気角θedf(t)を補正することが可能である。これによって、極毎に適切な角度補正データを用いた補正処理を行うことが可能となり、補正精度を向上することが可能となる。
これによって、デジタルフィルタ32で電気角速度ωed(t)が不連続であるために生じる再現性を有さない誤差の発生を防ぐことが可能となる。
更に、第1実施形態の第1の角度検出装置1は、第1積分器33及び1極補正回路34において、電気角1周期毎に電気角θedf(t)を補正することが可能である。これによって、極毎に適切な角度補正データを用いた補正処理を行うことが可能となり、補正精度を向上することが可能となる。
更に、第1実施形態の第1の角度検出装置1は、第2不連続補正回路36において、第2微分器35で電気角TR(t)を微分してなる電気角速度ωTR(t)における不連続性を補正する処理を行うことが可能である。加えて、第2積分器37において、不連続性の解消された電気角速度ωTRc(t)を、機械角の分解能で積分して、機械角1周期あたりの積分値TRi(t)を演算することが可能である。更に、第2乗算器39において、積分値TRi(t)に、機械角の分解能「2m」と「1/極数」とを乗算した乗算結果「2m/極数」を乗算することが可能である。
これによって、多極光学式エンコーダ11の電気角周期で入力される電気角TR(t)を、任意分解能(mビット)の機械角θmdへと変換することが可能となる。
更に、第1実施形態の第1の角度検出装置1は、演算回路13を、FPGAで構成するようにしたので、機能追加等のバージョンアップや設計値の修正等の設計変更等を容易に行うことが可能となる。
更に、第1実施形態の第1の角度検出装置1は、演算回路13を、FPGAで構成するようにしたので、機能追加等のバージョンアップや設計値の修正等の設計変更等を容易に行うことが可能となる。
ここで、第1実施形態において、多極光学式エンコーダ11が多極角度検出器に対応し、逓倍回路12が変換部に対応し、第1微分器30が第1角速度信号検出部に対応し、第1不連続補正回路31が第1不連続補正部に対応する。
また、第1実施形態において、デジタルフィルタ32が角速度信号補正部に対応し、第1積分器33が第2角度信号検出部に対応し、1極補正回路34が角度信号補正部に対応する。
また、第1実施形態において、第2微分器35が第2角速度信号検出部に対応し、第2不連続補正回路36が第2不連続補正部に対応し、第2積分器37が第3角度信号検出部に対応し、第1乗算器38及び第2乗算器39が角度信号変換部に対応する。
また、第1実施形態において、デジタルフィルタ32が角速度信号補正部に対応し、第1積分器33が第2角度信号検出部に対応し、1極補正回路34が角度信号補正部に対応する。
また、第1実施形態において、第2微分器35が第2角速度信号検出部に対応し、第2不連続補正回路36が第2不連続補正部に対応し、第2積分器37が第3角度信号検出部に対応し、第1乗算器38及び第2乗算器39が角度信号変換部に対応する。
(第2実施形態)
(構成)
第2実施形態に係る第2の角度検出装置2は、図11に示すように、上記第1実施形態の第1の角度検出装置1において、多極光学式エンコーダ11を多極レゾルバ14に変更し、逓倍回路12を、RDC(レゾルバ/デジタル・コンバータ)15に変更した以外は、第1の角度検出装置1と同様の構成となる。即ち、演算回路13及びメモリ19の構成は、上記第1実施形態と同様となる。
(構成)
第2実施形態に係る第2の角度検出装置2は、図11に示すように、上記第1実施形態の第1の角度検出装置1において、多極光学式エンコーダ11を多極レゾルバ14に変更し、逓倍回路12を、RDC(レゾルバ/デジタル・コンバータ)15に変更した以外は、第1の角度検出装置1と同様の構成となる。即ち、演算回路13及びメモリ19の構成は、上記第1実施形態と同様となる。
以下、上記第1実施形態と同様の構成部分については、同じ符号を付して適宜説明を省略し、異なる部分のみ詳細に説明する。
多極レゾルバ14は、図12に示すように、レゾルバロータ14aと、レゾルバステータ14bとを備えている。そして、レゾルバロータ14aとレゾルバステータ14bとの間隙のリラクタンスがレゾルバロータ14aの回転角度位置により変化し、レゾルバロータ14aの1回転でリラクタンス変化の基本波成分が複数周期となる構造となっている。
多極レゾルバ14は、図12に示すように、レゾルバロータ14aと、レゾルバステータ14bとを備えている。そして、レゾルバロータ14aとレゾルバステータ14bとの間隙のリラクタンスがレゾルバロータ14aの回転角度位置により変化し、レゾルバロータ14aの1回転でリラクタンス変化の基本波成分が複数周期となる構造となっている。
レゾルバロータ14aの内周面には等間隔に径方向に向けて内歯状に凸設された極歯14eが計24個形成されている。レゾルバステータ14bの外周面にはA相、B相及びC相が120[°]の電気角でずれるように計18個のステータポール14cが等間隔に径方向に向けて外歯状に凸設されている。
各々のステータポール14cには、予めステータコイルCa〜Ccが巻回されたコイルボビン14dが装着されている。ステータコイルCa〜Ccの共通線に励磁信号が供給されると、レゾルバロータ14aが1回転する間に各相毎に24サイクルの交流信号(アナログ電気角情報)が出力される。
各々のステータポール14cには、予めステータコイルCa〜Ccが巻回されたコイルボビン14dが装着されている。ステータコイルCa〜Ccの共通線に励磁信号が供給されると、レゾルバロータ14aが1回転する間に各相毎に24サイクルの交流信号(アナログ電気角情報)が出力される。
また、第2実施形態の多極レゾルバ14は、図示していないが、正弦波信号からなる交流信号(励磁信号)をステータコイルCa〜Ccに供給する励磁回路と、多極レゾルバ14の出力する3相の電流信号を3相の電圧信号に変換するI/V変換回路とを備えている。多極レゾルバ14は、更に、3相の電圧信号を2相の電圧信号(sin信号,cos信号)に変換する相変換回路を備えている。そして、相変換回路は、2相の電圧信号(アナログ電気角情報)を、RDC15に出力する。
RDC15は、mビットのA/D変換器を有しており、アナログ電気角情報を、mビットのデジタルの電気角θedに変換する。RDC15は、レゾルバロータ14aの回転速度が予め設定された最大速度を超えない範囲において、多極レゾルバ14からのアナログ電気角情報(sin信号,cos信号)を、mビットの精度で分解してデジタルの電気角θedを生成する。
具体的に、分解能が16ビットの場合、レゾルバロータ14aの1回転あたり、65536(216)×24(極歯14eの総数)=1572864パルスのデジタル角度信号θedに変換される。つまり、アナログ電気角情報は、多極レゾルバ14が一回転する間に、0から65535までのカウントアップが24回繰り返されたデジタル値となる。
RDC15は、生成した電気角θedを、演算回路13に出力する。
RDC15は、生成した電気角θedを、演算回路13に出力する。
なお、演算回路13及びメモリ19の構成は、第1乗算器38で乗算する「1/極数」が「1/24」となる以外は、上記第1実施形態と同様となるので説明を省略する。また、動作についても、多極レゾルバ14の出力するアナログ電気角情報(sin信号,cos信号)を、RDC15でデジタルの電気角θedに変換して、このデジタルの電気角θedを演算回路13に入力する点が異なるのみで、これ以外の動作については、上記第1実施形態と同様となるので説明を省略する。
以上、多極光学式エンコーダ11及び逓倍回路12に代えて、多極レゾルバ14及びRDC15を採用した第2の角度検出装置2についても、上記第1実施形態の第1の角度検出装置1と同等の作用及び効果を得ることが可能である。
ここで、第2実施形態において、多極レゾルバ14が多極角度検出器に対応し、RDC15が変換部に対応し、第1微分器30が第1角速度信号検出部に対応し、第1不連続補正回路31が第1不連続補正部に対応する。
ここで、第2実施形態において、多極レゾルバ14が多極角度検出器に対応し、RDC15が変換部に対応し、第1微分器30が第1角速度信号検出部に対応し、第1不連続補正回路31が第1不連続補正部に対応する。
また、第2実施形態において、デジタルフィルタ32が角速度信号補正部に対応し、第1積分器33が第2角度信号検出部に対応し、1極補正回路34が角度信号補正部に対応する。
また、第2実施形態において、第2微分器35が第2角速度信号検出部に対応し、第2不連続補正回路36が第2不連続補正部に対応し、第2積分器37が第3角度信号検出部に対応し、第1乗算器38及び第2乗算器39が角度信号変換部に対応する。
また、第2実施形態において、第2微分器35が第2角速度信号検出部に対応し、第2不連続補正回路36が第2不連続補正部に対応し、第2積分器37が第3角度信号検出部に対応し、第1乗算器38及び第2乗算器39が角度信号変換部に対応する。
(第3実施形態)
(構成)
第3実施形態に係る自動車3は、電動パワーステアリング装置を備えており、電動パワーステアリング装置を構成するトルクセンサが上記第1実施形態の第1の角度検出装置1を備え、操舵アシスト用のモータが上記第2実施形態の第2の角度検出装置2を備えている。
具体的に、自動車3は、図13に示すように、左右の転舵輪となる前輪4FR及び4FLと後輪4RR及び4RLを備えている。前輪4FR及び4FLは、電動パワーステアリング装置5によって転舵される。
(構成)
第3実施形態に係る自動車3は、電動パワーステアリング装置を備えており、電動パワーステアリング装置を構成するトルクセンサが上記第1実施形態の第1の角度検出装置1を備え、操舵アシスト用のモータが上記第2実施形態の第2の角度検出装置2を備えている。
具体的に、自動車3は、図13に示すように、左右の転舵輪となる前輪4FR及び4FLと後輪4RR及び4RLを備えている。前輪4FR及び4FLは、電動パワーステアリング装置5によって転舵される。
電動パワーステアリング装置5は、ステアリング機構として、図13に示すように、ステアリングホイール211と、ステアリングシャフト212と、トルクセンサ6と、第1のユニバーサルジョイント214と、ロアシャフト215と、第2のユニバーサルジョイント216と、を備える。
電動パワーステアリング装置5は、更に、ステアリング機構として、ピニオンシャフト217と、ステアリングギヤ218と、タイロッド219と、ナックルアーム220とを備える。
電動パワーステアリング装置5は、更に、ステアリング機構として、ピニオンシャフト217と、ステアリングギヤ218と、タイロッド219と、ナックルアーム220とを備える。
ステアリングホイール211に運転者から作用された操舵力は、ステアリングシャフト212に伝達される。このステアリングシャフト212は、入力軸212aと出力軸212bとを有する。入力軸212aの一端はステアリングホイール211に連結され、他端はトルクセンサ6を介して出力軸212bの一端に連結されている。
そして、出力軸212bに伝達された操舵力は、第1のユニバーサルジョイント214を介してロアシャフト215に伝達され、さらに、第2のユニバーサルジョイント216を介してピニオンシャフト217に伝達される。このピニオンシャフト217に伝達された操舵力はステアリングギヤ218を介してタイロッド219に伝達される。さらに、このタイロッド219に伝達された操舵力はナックルアーム220に伝達され、転舵輪としての前輪4FRおよび4FLを転舵させる。
そして、出力軸212bに伝達された操舵力は、第1のユニバーサルジョイント214を介してロアシャフト215に伝達され、さらに、第2のユニバーサルジョイント216を介してピニオンシャフト217に伝達される。このピニオンシャフト217に伝達された操舵力はステアリングギヤ218を介してタイロッド219に伝達される。さらに、このタイロッド219に伝達された操舵力はナックルアーム220に伝達され、転舵輪としての前輪4FRおよび4FLを転舵させる。
ここで、ステアリングギヤ218は、ピニオンシャフト217に連結されたピニオン218aとこのピニオン218aに噛合するラック218bとを有するラックアンドピニオン形式に構成されている。したがって、ステアリングギヤ218は、ピニオン218aに伝達された回転運動をラック218bで車幅方向の直進運動に変換している。
また、ステアリングシャフト212の出力軸212bには、操舵補助力を出力軸212bに伝達する操舵補助機構221が連結されている。
操舵補助機構221は、出力軸212bに連結した例えばウォームギヤ機構で構成される減速ギヤ222と、この減速ギヤ222に連結された操舵補助力を発生する電動モータを備えるモータ装置7と、モータ装置7を覆うハウジングの外周部に固定支持されたEPS制御ユニット224とを備えている。
また、ステアリングシャフト212の出力軸212bには、操舵補助力を出力軸212bに伝達する操舵補助機構221が連結されている。
操舵補助機構221は、出力軸212bに連結した例えばウォームギヤ機構で構成される減速ギヤ222と、この減速ギヤ222に連結された操舵補助力を発生する電動モータを備えるモータ装置7と、モータ装置7を覆うハウジングの外周部に固定支持されたEPS制御ユニット224とを備えている。
(トルクセンサ6)
第3実施形態のトルクセンサ6は、ステアリングホイール211に付与されて入力軸212aに伝達された操舵トルクを検出する。
このトルクセンサ6は、図14に示すように、第1の角度検出装置1ATと、第1の角度検出装置1BTと、トーションバー229と、トルク演算回路60とを備えている。なお、第3実施形態のトルクセンサ6は、上記第1実施形態の第1の角度検出装置1を2つ備えているため、これらを区別するために符号の末尾にAT及びBTを付している。以下、他の符号についても末尾にAT及びBTを付して区別することとする。
第3実施形態のトルクセンサ6は、ステアリングホイール211に付与されて入力軸212aに伝達された操舵トルクを検出する。
このトルクセンサ6は、図14に示すように、第1の角度検出装置1ATと、第1の角度検出装置1BTと、トーションバー229と、トルク演算回路60とを備えている。なお、第3実施形態のトルクセンサ6は、上記第1実施形態の第1の角度検出装置1を2つ備えているため、これらを区別するために符号の末尾にAT及びBTを付している。以下、他の符号についても末尾にAT及びBTを付して区別することとする。
図14に示すように、トーションバー229は、一端が入力軸212aに取り付けられ、他端が出力軸212bに取り付けられている。入力軸212aの外周部には、回転軸Zr方向に平面視して円環状に径方向外側に突出する光学スケール111ATが設けられ、出力軸212bの外周部には、回転軸Zr方向に平面視して円環状に径方向外側に突出する光学スケール111BTが設けられている。これにより、入力軸212aが回動することに伴って光学スケール111ATが回動し、出力軸212bが回動することに伴って光学スケール111BTが回動する。
加えて、図14に示すように、光学スケール111ATを間に挟んだ上側には検出部135ATが設けられており、下側には光源141ATが設けられている。かかる構成によって、光源141ATから照射された光源光71ATは、光学スケール111ATを透過し、この透過光73ATが検出部135ATで受光される。
一方、図14に示すように、光学スケール111BTを挟んだ上側には光源141BTが設けられており、下側には検出部135BTが設けられている。かかる構成によって、光源141BTから照射された光源光71BTは、光学スケール111BTを透過し、この透過光73BTが検出部135BTで受光される。
一方、図14に示すように、光学スケール111BTを挟んだ上側には光源141BTが設けられており、下側には検出部135BTが設けられている。かかる構成によって、光源141BTから照射された光源光71BTは、光学スケール111BTを透過し、この透過光73BTが検出部135BTで受光される。
上記構成によって、トルクセンサ6は、入力軸212aの回転変位を、光学スケール111ATを介した光強度変化として検出し、出力軸212bの回転変位を、光学スケール111BTを介した光強度変化として検出する。そして、検出部135ATで検出した光強度変化から、角度情報演算回路160ATにおいて、差動信号VcAT及びVsATを生成し、後段の逓倍回路12ATへと出力する。また、検出部135BTで検出した光強度変化から、角度情報演算回路160BTにおいて、差動信号VcBT及びVsBTを生成し、後段の逓倍回路12BTへと出力する。
これにより、演算回路13ATにおいて、入力軸212aの回転変位に応じた機械角θmdATが演算され、演算回路13BTにおいて、出力軸212bの回転変位に応じた機械角θmdBTが演算される。これら機械角θmdBTは、トルク演算回路60に出力され、トルク演算回路60において、機械角θmdATと、機械角θmdBTとの差分値(トーションバー229の捩れ)に基づき、操舵トルクTsが演算される。この操舵トルクTsは、EPS制御ユニット224に出力される。
(モータ装置7)
第3実施形態のモータ装置7は、図15に示すように、第2の角度検出装置2と、電動モータ300とを含んで構成される。
電動モータ300は、3相ブラシレスモータであり、図示しない環状のモータロータと環状のモータステータとを備えている。モータステータは、径方向外側に突出する複数の極歯を円周方向に等間隔に備えて構成され、各極歯には励磁用コイルが巻き回されている。そして、モータステータの外側に、モータロータが同軸に配設されている。モータロータは、モータステータの極歯と僅かの空隙(エアギャップ)をもって対向しかつ内周面に円周方向に等間隔に設けられた複数の磁石を備えて構成されている。
第3実施形態のモータ装置7は、図15に示すように、第2の角度検出装置2と、電動モータ300とを含んで構成される。
電動モータ300は、3相ブラシレスモータであり、図示しない環状のモータロータと環状のモータステータとを備えている。モータステータは、径方向外側に突出する複数の極歯を円周方向に等間隔に備えて構成され、各極歯には励磁用コイルが巻き回されている。そして、モータステータの外側に、モータロータが同軸に配設されている。モータロータは、モータステータの極歯と僅かの空隙(エアギャップ)をもって対向しかつ内周面に円周方向に等間隔に設けられた複数の磁石を備えて構成されている。
モータロータはモータ回転軸に固定されており、モータステータのコイルにEPS制御ユニット224を介して3相交流電流を流すことでモータステータの各歯が所定の順序に励磁されてモータロータが回転し、この回転に伴ってモータ回転軸が回転する。
第3実施形態では、多極レゾルバ14のレゾルバロータ14aと、モータロータとが接続されており、モータロータの回転に伴ってレゾルバロータ14aが回転するように構成されている。
第3実施形態では、多極レゾルバ14のレゾルバロータ14aと、モータロータとが接続されており、モータロータの回転に伴ってレゾルバロータ14aが回転するように構成されている。
従って、第2の角度検出装置2では、モータロータの回転に伴って、多極レゾルバ14のレゾルバロータ14aが回転し、この回転に応じて、多極レゾルバ14から3相の電流信号が出力される。この3相の電流信号は、I/V変換回路で3相の電圧信号に変換される。引き続き、3相の電圧信号は、相変換回路で2相の電圧信号(sin信号,cos信号)に変換され、2相の電圧信号(アナログ電気角情報)が、RDC15に出力され、RDC15で、アナログ電気角情報がデジタル電気角θedに変換される。更に、演算回路13で、デジタル電気角θedが、不連続補正処理、高周波ノイズ低減処理、角度補正処理を経て、電動モータ300の回転角度位置に対応するデジタル機械角θmdに変換される。このデジタル機械角θmdは、EPS制御ユニット224に出力される。
(EPS制御ユニット224)
EPS制御ユニット224は、図示しないが、電流指令演算回路と、モータ駆動回路とを備えている。また、EPS制御ユニット224には、図1に示すように、車速センサ230で検出された車速Vと、直流電圧源としてのバッテリ231から直流電流が入力されている。
電流指令演算回路は、車速センサ230からの車速Vと、トルクセンサ6からの操舵トルクTsと、モータ装置7からの機械角θmdとに基づき、電動モータ300を駆動するための電流指令値を演算する。
モータ駆動回路は、例えば3相インバータ回路から構成され、電流指令値演算回路からの電流指令値に基づき電動モータ300を駆動する。
EPS制御ユニット224は、図示しないが、電流指令演算回路と、モータ駆動回路とを備えている。また、EPS制御ユニット224には、図1に示すように、車速センサ230で検出された車速Vと、直流電圧源としてのバッテリ231から直流電流が入力されている。
電流指令演算回路は、車速センサ230からの車速Vと、トルクセンサ6からの操舵トルクTsと、モータ装置7からの機械角θmdとに基づき、電動モータ300を駆動するための電流指令値を演算する。
モータ駆動回路は、例えば3相インバータ回路から構成され、電流指令値演算回路からの電流指令値に基づき電動モータ300を駆動する。
以上、第3実施形態のトルクセンサ6は、第1の角度検出装置1AT及び1BTによって、トーションバーに連結した入力軸212a及び出力軸212bの回転変位を検出することが可能である。これによって、不連続補正処理によって高調波ノイズ成分や繰り返し誤差が適切に低減された回転変位に基づき操舵トルクTsを演算することが可能となるので、操舵トルクTsの検出精度を向上することが可能となる。
また、第3実施形態のモータ装置7は、第2の角度検出装置2によって、電動モータ300の回転角度位置を検出することが可能である。これによって、不連続補正処理によって高調波ノイズ成分や繰り返し誤差が適切に低減された回転角度位置を検出することが可能となる。
ここで、第3実施形態において、多極光学式エンコーダ11AT及び11BT並びに多極レゾルバ14が多極角度検出器に対応し、逓倍回路12AT及び12BT並びにRDC15が変換部に対応する。
ここで、第3実施形態において、多極光学式エンコーダ11AT及び11BT並びに多極レゾルバ14が多極角度検出器に対応し、逓倍回路12AT及び12BT並びにRDC15が変換部に対応する。
また、第3実施形態において、第1微分器30が第1角速度信号検出部に対応し、第1不連続補正回路31が第1不連続補正部に対応し、デジタルフィルタ32が角速度信号補正部に対応し、第1積分器33が第2角度信号検出部に対応し、1極補正回路34が角度信号補正部に対応する。
また、第3実施形態において、第2微分器35が第2角速度信号検出部に対応し、第2不連続補正回路36が第2不連続補正部に対応し、第2積分器37が第3角度信号検出部に対応し、第1乗算器38及び第2乗算器39が角度信号変換部に対応する。
また、第3実施形態において、第2微分器35が第2角速度信号検出部に対応し、第2不連続補正回路36が第2不連続補正部に対応し、第2積分器37が第3角度信号検出部に対応し、第1乗算器38及び第2乗算器39が角度信号変換部に対応する。
(変形例)
(1)上記各実施形態では、デジタルフィルタ32がデジタルローパスフィルタを用いて高周波ノイズ成分を低減する構成としたが、この構成に限らない。例えば、ノッチフィルタ等の高周波ノイズ成分を低減可能なフィルタであれば他のデジタルフィルタを用いて高周波ノイズ成分を低減する構成としてもよい。
(2)上記各実施形態では、第1積分器33を電気角1周期分の累積値で折り返す構成とし、1極補正回路34で電気角1周期あたりの電気角θedfに対して角度補正処理を行う構成としたが、この構成に限らない。例えば、第1積分器33を電気角1周期×極数分の累積値で折り返す構成として、その積分結果に対して角度補正処理を行う構成としてもよい。この場合は、第2微分器35以降の後段の回路を不要とすることが可能となる。
(3)上記第3実施形態では、トルクセンサ6を2つの第1の角度検出装置1から構成し、モータ装置7を第2の角度検出装置2から構成したが、この構成に限らない。例えば、トルクセンサ6を2つの第2の角度検出装置2から構成し、モータ装置7を第1の角度検出装置1から構成するなど他の構成としてもよい。
(1)上記各実施形態では、デジタルフィルタ32がデジタルローパスフィルタを用いて高周波ノイズ成分を低減する構成としたが、この構成に限らない。例えば、ノッチフィルタ等の高周波ノイズ成分を低減可能なフィルタであれば他のデジタルフィルタを用いて高周波ノイズ成分を低減する構成としてもよい。
(2)上記各実施形態では、第1積分器33を電気角1周期分の累積値で折り返す構成とし、1極補正回路34で電気角1周期あたりの電気角θedfに対して角度補正処理を行う構成としたが、この構成に限らない。例えば、第1積分器33を電気角1周期×極数分の累積値で折り返す構成として、その積分結果に対して角度補正処理を行う構成としてもよい。この場合は、第2微分器35以降の後段の回路を不要とすることが可能となる。
(3)上記第3実施形態では、トルクセンサ6を2つの第1の角度検出装置1から構成し、モータ装置7を第2の角度検出装置2から構成したが、この構成に限らない。例えば、トルクセンサ6を2つの第2の角度検出装置2から構成し、モータ装置7を第1の角度検出装置1から構成するなど他の構成としてもよい。
また、上記各実施形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、上記の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、上記の説明で用いる図面は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
また、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
また、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
1…第1の角度検出装置、2…第2の角度検出装置、3…自動車、5…電動パワーステアリング装置、6…トルクセンサ、7…モータ装置、11…多極光学式エンコーダ、12…逓倍回路、13…演算回路、14…多極レゾルバ、15…RDC、19…メモリ、30…第1微分器、31…第1不連続補正回路、32…デジタルフィルタ、33…第1積分器、34…1極補正回路、35…第2微分器、36…第2不連続補正回路、37…第2積分器、38…第1乗算器、39…第2乗算器、300…電動モータ
Claims (13)
- 複数の極を有し、極毎に電気角の1周期に対応するアナログの角度情報信号を出力する多極角度検出器と、
前記多極角度検出器から出力される前記角度情報信号を、電気角1周期あたりのデジタル角度信号である第1角度信号に変換する変換部と、
前記第1角度信号を微分して第1角速度信号を検出する第1角速度信号検出部と、
前記第1角速度信号検出部で検出した前記第1角速度信号の示す角速度のうち、前記第1角速度信号の時間変化が不連続となる角速度の値を、連続性を有する値に補正する第1不連続補正部と、
前記第1不連続補正部で補正処理後の前記第1角速度信号に含まれる誤差成分を低減する補正処理を行う角速度信号補正部と、
前記角速度信号補正部で補正後の前記第1角速度信号を積分して第2角度信号を検出する第2角度信号検出部と、を備えることを特徴とする角度検出装置。 - 前記第1不連続補正部は、前記第1角速度信号の示す角速度が予め設定した速度閾値以上となる場合に、該速度閾値以上となる角速度の値を、連続性を有する値へと補正することを特徴とする請求項1に記載の角度検出装置。
- 前記角速度信号補正部は、デジタルフィルタを用いて前記第1角速度信号に含まれる高周波ノイズ成分を低減する補正処理を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の角度検出装置。
- 前記第2角度信号検出部で検出した第2角度信号に含まれる誤差成分を低減する補正処理を行う角度信号補正部を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の角度検出装置。
- 前記第2角度信号検出部は、前記第1角速度信号を積分して電気角1周期あたりの第2角度信号を検出するように構成されており、
前記角度信号補正部で補正後の前記電気角1周期あたりの第2角度信号を微分して第2角速度信号を検出する第2角速度信号検出部と、
前記第2角速度信号検出部で検出した前記第2角速度信号の示す角速度のうち、前記第2角速度信号の時間変化が不連続となる角速度の値を、連続性を有する値に補正する第2不連続補正部と、
前記第2不連続補正部で補正処理後の前記第2角速度信号を積分して、予め設定した分解能の機械角1周期あたりの第3角度信号を検出する第3角度信号検出部と、
前記第3角度信号検出部で検出した前記第3角度信号を機械角信号に変換する角度信号変換部と、を備えることを特徴とする請求項4に記載の角度検出装置。 - 前記第2角度信号検出部は、前記第1角速度信号を積分して第2角度信号に変換する積分器を有し、電気角1周期分の前記第1角速度信号を積分する毎に前記積分器の累積値をクリアするように構成されており、
前記第3角度信号検出部は、前記第2角速度信号を積分して第3角度信号を検出する積分器を有し、予め設定した分解能の機械角1周期分の前記第2角速度信号を積分する毎に前記積分器の累積値をクリアするように構成されており、
前記角度信号変換部は、前記分解能を前記多極角度検出器の極数で除算した値を、前記第3角度信号に乗算することで、前記第3角度信号を前記機械角信号に変換することを特徴とする請求項5に記載の角度検出装置。 - 前記多極角度検出器は、多極の光学式エンコーダである請求項1乃至6のいずれか1項に記載の角度検出装置。
- 前記多極角度検出器は、多極のレゾルバである請求項1乃至6のいずれか1項に記載の角度検出装置。
- 前記多極角度検出器及び前記変換部以外の各構成部を、プログラマブル論理回路によって構成したことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の角度検出装置。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の角度検出装置を備えたモータ。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の角度検出装置を備えたトルクセンサ。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の角度検出装置を備えた電動パワーステアリング装置。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の角度検出装置を備えた自動車。
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