JP5827812B2 - 角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶対角度の検出が可能で安全性および信頼性の高い角度検出装置に関する。

角度検出装置において、同じタイプの２つの角度検出装置を組み合わせることで、故障時の冗長性を高めた構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、角度検出には、絶対角度を検出できる機能が求められている。絶対角度というのは、回転角の検出対象となる回転軸の角度そのものの値のことである。例えば、軸倍角が２Ｘのレゾルバは、回転軸の１回転に対応して２周期分の信号を出力するので、得られる特定の回転角の情報は、実際の回転軸の回転角の２点（この場合は、１８０°異なる角度位置）において得られ、そのどちらが実際の角度（つまり絶対角度）であるかは、軸倍角２Ｘのレゾルバの出力だけからは判らない。この場合のような、角度検出手段から得られる角度情報が１：１で実際の角度と対応しない場合に、両者を区別するために、実際の回転軸の回転角を絶対角度と呼ぶ。

絶対角度を検出できる角度検出装置として、軸倍角が１Ｘのレゾルバが知られている。軸倍角が１Ｘのレゾルバは、１回転で１周期のサイン出力およびコサイン出力が得られるので、絶対角度の検出が行える。

特開２００６−２５０８６４号公報

ところで、同じタイプの角度検出装置を組み合わせた場合、故障のモードが同じであるので、一方が故障した場合に他方も故障する可能性が高くなる。このため、故障時の冗長性を高めたとはいえ、信頼性に不安がある。また、１Ｘのレゾルバを採用した場合、絶対角度の検出はできるが、原理的に検出誤差が大きく、高精度で角度を検出する用途には向いていない。

このような背景において、本発明は、故障に対する冗長性が高く、エラーが検出できて機能安全を実現でき、絶対角度の検出を高い精度で行える技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、回転軸の角度を検出する第１の角度検出器と第２の角度検出器を備えた角度検出装置において、前記回転軸の回転角を計算するように構成され、前記第１の角度検出器の出力から算出される第１の角度と前記第２の角度検出器の出力から算出される第２の角度との差に基づき、前記回転軸の回転角の絶対角度を算出する算出部を備え、前記第１の角度検出器と前記第２の角度検出器とは異なる動作原理であり、前記第１の角度検出器から検出される角度の精度と前記第２の角度検出器から検出される角度の精度の一方は、他方に対してより高精度であり、前記第１の角度検出器と前記第２の角度検出器は、２Ｘ以上の軸倍角を有し、前記算出部は、前記第１の角度検出器の出力から算出される第１の角度と前記第２の角度検出器の出力から算出される第２の角度との差に基づいて算出された前記回転軸の回転角の前記絶対角度をａ、前記ａよりも高精度な絶対角度をＡ、相対的に高精度な角度検出器の軸倍角をｎ、その角度検出器の検出角度をｂ、除算の商の小数値を切り捨てて整数のみを表す関数をQUOTIENTとして、Ａ＝｛QUOTIENT（ａ／３６０／ｎ）×３６０＋ｂ｝／ｎの演算を行うことを特徴とする角度検出装置である。

本発明によれば、故障に対する冗長性が高く、エラーが検出できて機能安全を実現でき、絶対角度の検出を高い精度で行える技術が提供される。

実施形態の角度検出装置の断面図である。 電気系の構成を示すブロック図である。 マイコン内部のブロック図である。 軸角度とコンバータで算出された算出角度との関係を示すグラフである。 軸角度とコンバータで算出された算出角度との関係を示すグラフである。

図１には、実施形態の角度検出装置１００が示されている。角度検出装置１００は、軸倍角が３ＸのＶＲレゾルバ１２０と、軸倍角が２ＸのＭＲセンサ１１４とを組み合わせた構造を有している。角度検出装置１００は、ケース１０１に収められている。ケース１０１には、軸受１０２を介して、シャフト１０３が回転自在な状態で保持されている。シャフト１０３は、回転角の検出対象となる回転軸である。シャフト１０３には、レゾルバロータ１０４が取り付けられている。レゾルバロータ１０４は、磁性材料により構成され、軸方向から見て等角な周囲の３箇所に磁極となる凸部を備えた断面形状を有している。これは、軸倍角が３Ｘであることに対応している。レゾルバロータ１０４の構造は、通常の軸倍角が３ＸのＶＲレゾルバのものと同じである。

レゾルバロータ１０４と隙間を隔てた対向する位置にレゾルバステータ１０５が配置されている。レゾルバステータ１０５は、軟磁性材料によって構成され、複数の極歯がレゾルバロータ１０４に向かって延在した構造を有し、インシュレータ１０６に保持された状態で、ケース１０１の内側に固定されている。レゾルバステータ１０５の各極歯には、コイル１０７が巻かれている。コイル１０７には、励磁巻線、ｓｉｎ出力用巻線、ｃｏｓ出力用巻線が含まれる。ここで、ｓｉｎ出力用巻線とｃｏｓ出力用巻線とは、出力する電圧値変化の位相が９０°ずれるように巻き方が設定されている。これらステータ側の構造は、通常の３ＸのＶＲレゾルバにおけるステータ側の構造と同じである。シャフト１０３、レゾルバロータ１０４、レゾルバステータ１０５、インシュレータ１０６、コイル１０７によりＶＲレゾルバ１２０が構成されている。

コイル１０７の巻線は、回路基板１０８に接続されている。回路基板１０８は、ケース１０１の内側に取り付けられており、後述するマイコン１０９およびその他の回路を搭載している。また、回路基板１０８は、コネクタ端子１１１を備え、コネクタ端子１１１はケース１０１外部に露出したコネクタ１１２に接続されている。コネクタ１１２から回路基板１０８に電力が供給され、またコネクタ１１２から各種の出力信号が、外部に出力される。この出力信号には、シャフト１０３の回転角に関する情報が含まれる。

シャフト１０３の先端には、軸方向から見て円形で図示する方向から見て扁平したマグネット１１３が取り付けられている。マグネット１１３は、軸方向から見て半円径形状のＮ極とＳ極とを有した２極構造を有している。軸方向においてマグネット１１３と対向した回路基板１０８側に２つのＭＲセンサ素子１１０が配置されている。この２つのＭＲセンサ素子１１０およびマグネット１１３によって、軸倍角が２ＸのＭＲセンサ１１４が構成されている。

図２には、角度検出装置１００の電気的の構成を示すブロック図である。図２に示す増幅器２０１、監視マイコン２０２、ＯＲ回路２０３は、図１には図示省略されているが、回路基板１０８上に搭載されている。マイコン１０９は、レゾルバ１０９からのｓｉｎ相出力とｃｏｓ相出力とが入力され、更にＭＲセンサ１１４の出力が入力される。マイコン１０９はこれらの入力信号に基づき、後述する処理を行い、シャフト１０３の角度データを算出する。

マイコン１０９は、励磁電流を出力し、それを増幅器２０１で増幅してレゾルバ１２０に供給し、レゾルバからのｓｉｎ相、ｃｏｓ相の出力を取り込む。また、ＭＲセンサの出力も取り込む。監視マイコン２０２は、ＭＲセンサ１１４の出力を取り込む。マイコン１０９と監視マイコン２０２は相互に動作を監視する。ＯＲ回路２０３は、マイコン１０９からのレゾルバ１２０の正常な動作を知らせる信号と監視マイコンからのＭＲセンサの正常な動作を知らせる信号とが入力され、いずれかの信号もしくは両方の信号に異常があった場合にエラー信号を出力する。

以下、図１および図２のマイコン１０９について説明する。図３は、マイコン１０９の概要を示すブロック図である。マイコン１０９は、プログラム可能なコンピュータとしての機能を有する回路である。マイコン１０９の内部では、ソフトウェア的にＲＤコンバータ部１２１、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２、絶対角度算出部１２３が構成されている。これらの機能部の一部または全部は専用のハードウェアによって構成されていてもよい。また、ＦＰＧＡのようなプログラマブルロジックデバイスにより構成されていてもよい。またマイコン１０９は、メモリ部１２４と励磁電流発生部１２５を備えている、メモリ部１２４には、上記機能部を機能させるためのプログラムおよびマイコン１０９での演算に必要な各種の情報が格納されている。また、メモリ部１２４は、マイコン１０９で演算に必要なメモリ領域を提供し、さらにその演算の結果を記憶する。励磁電流発生部１２５は、励磁電流となる周期波形を発生し、それを図２の増幅器２０１に出力する。

ＲＤコンバータ部１２１は、コイル１０７のｓｉｎ出力用巻線およびｃｏｓ出力用巻線から得られるｓｉｎ相の出力信号およびｃｏｓ相の出力信号に基づき、シャフト１０３の回転角の角度情報を算出する。この機能は、通常の軸倍角３ＸのＶＲレゾルバの信号処理と同じである。

以下、簡単にＲＤコンバータ部１２１において行われる処理の概要を説明する。まず、励磁巻線に数ＫＨｚ〜数百ＫＨｚの励磁電流を流した状態とする。この状態において、レゾルバロータ１０４が回転すると、レゾルバロータ１０４の回転角の変化に従って、ステータ側の極歯とレゾルバロータ１０４との間のギャップが変化する。これは、レゾルバロータ１０４が軸方向から見て３箇所の凸部を有しているからである。この際、レゾルバロータの回転角をθとすると、ｓｉｎωｔの励磁電流に対して、ｓｉｎ出力用巻線からｓｉｎθｓｉｎωｔの波形が得られ、ｃｏｓ出力用巻線からｃｏｓθｓｉｎωｔの波形が得られる。ＲＤコンバータ１２１は、この２つの波形ｓｉｎθｓｉｎωｔおよびｃｏｓθｓｉｎωｔに基づいてθを算出する。なお後述するように、軸倍角３ＸのＶＲレゾルバの場合、シャフト１０３が１回転する間に３周期分の出力が得られるので、ＲＤコンバータ１２１において算出されるθの値は、実際の軸の回転角(絶対角度)に一致しない。

ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２は、ＭＲセンサ素子１１０の抵抗値の変化に基づき、シャフト１０３の回転角の角度情報を算出する。ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２で行われる処理は、通常の軸倍角２ＸのＭＲセンサの信号処理と同じである。

以下、簡単にＭＲセンサ出力コンバータ部１２２において行われる処理の概要を説明する。マグネット１１３が回転すると、マグネット１１３の磁極と２つのＭＲセンサ素子１１０のそれぞれとの位置関係が変化する。この変化は、ＭＲセンサ素子１１０の抵抗値の変化として検出される。この抵抗値の変化は、２つのＭＲセンサ素子１１０において異なり、ＶＲレゾルバ１２０の場合と同様に、位相のずれた２種類の周期波形となる。この２つの周期波形は、マグネット１１３の回転角に関する情報を含んでおり、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２は、この２つの周期波形に基づきマグネット１１３の回転角を算出する。ただし、軸倍２ＸのＭＲセンサ１１４は、シャフト１０３が１回転する間に２周期分の出力が得られるので、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２において算出される角度の値は、実際の軸の回転角(絶対角度)に一致しない。

図４には、軸角度とコンバータで算出された算出角度との関係が示されている。図４の横軸は、シャフト１０３の回転角の絶対角度に対応する。図４の縦軸は、ＲＤコンバータ部１２１から出力されるシャフト１０３の回転角の角度情報（３Ｘと表示）、ＭＲセンサ出力コンバータ部から出力されるシャフト１０３の回転角の角度情報（２Ｘと表示）、絶対角度算出部１２３から出力されるシャフト１０３の回転角の角度情報（３Ｘ−２Ｘと表示）である。

図４に示されるように、軸倍角３Ｘのレゾルバ１２０から得られる角度情報（３Ｘ）は、レゾルバロータ１０４が１回転する間に３周期分が得られる。すなわち、レゾルバロータ１０４が１回転すると、３周期分のｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形が得られ、それらからレゾルバロータの回転角が算出される。この際、横軸で示す実際の軸角度（絶対角度）に対応する算出値が、レゾルバロータ１０４の１回転あたり３回出てくるので、その絶対角度は軸倍角３Ｘのレゾルバの出力だけからは判らない。

例えば、軸倍角３Ｘのレゾルバ１２０の出力に基づき、ＲＤコンバータ１２１において１８０°が算出された場合、図４に示されるように、実際の軸角度（シャフト１０３の回転角の絶対角）は、６０°、１８０°、３００°の３点のいずれかである。ここで、ＲＤコンバータ１２１の出力からだけでは、この３点のいずれが実際の角度（つまり絶対角度）であるかは判らない。なお、絶対角度は、ある角度位置を基準としてそこからの回転角として検出される。この基準となるある角度位置は予め定めておいたものが採用される。

また、図４に示されるように、軸倍角２ＸのＭＲセンサから得られる角度情報（２Ｘ）は、マグネット１１３が１回転する間に２周期分が得られる。この際、横軸で示す実際の軸角度（絶対角度）に対応する算出値が、マグネット１１３の１回転あたり２回出てくるので、その絶対角度は軸倍角２ＸのＭＲセンサの出力だけからは判らない。

例えば、軸倍角２ＸのＭＲセンサ素子１１０の出力に基づき、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２において２４０°が算出された場合、図４に示されるように、実際の軸角度（シャフト１０３の回転角の絶対角）は、１２０°、３００°の２点のどちらかにある。ここで、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２の出力からだけでは、この２点のどちらが実際の角度（つまり絶対角度）であるかは判らない。

図３の絶対角度算出部１２３は、ＲＤコンバータ部１２１から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（３Ｘ）とＭＲセンサ出力コンバータ部から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（２Ｘ）との差を算出し、その結果に基づいてシャフト１０３の回転角の絶対角度を算出する。この処理においては、３Ｘ−２Ｘを計算し、その値が０以上の値の場合は、それをシャフト１０３の回転角の絶対角度として算出し、３Ｘ−２Ｘの結果が負の場合は、その値に３６０°を加え、その結果をシャフト１０３の回転角の絶対角度として算出する。この処理は、メモリ部１２４に格納された動作プログラムに従って行われる。この動作プログラムを、適当な記憶媒体に格納させ、そこからダウンロードされて実行される形態も可能である。

以下、絶対角度算出部１２３において行われる処理の具体例を説明する。例えば、ＲＤコンバータ部１２１から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（３Ｘ）が１８０°であり、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（２Ｘ）が１２０°であるとする。この場合、３Ｘ―２Ｘ＝６０°がシャフト１０３の回転角の絶対角度として算出される。

例えば、ＲＤコンバータ部１２１から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（３Ｘ）が９０°であり、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（２Ｘ）が３００°であるとする。この場合、３Ｘ−２Ｘ＝−２１０°であるので、この値に３６０°を加えた１５０°がシャフト１０３の絶対角度として算出される。

例えば、ＲＤコンバータ部１２１から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（３Ｘ）が１８０°であり、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（２Ｘ）は２４０°であるとする。この場合、３Ｘ−２Ｘ＝−６０°であるので、この値に３６０°を加えた３００°がシャフト１０３の絶対角度として算出される。なお、本発明の実施形態では、ＭＲセンサを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、ホール素子を用いた磁気センサを用いても良いし、光学素子を用いたセンサでもよい。

（故障時の処理）
例えば、ＭＲセンサ素子１１０の破壊等に起因してＭＲセンサ１１４に故障が発生した場合、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２からの算出値（２Ｘ）は出力されなくなるか、回転角を正しく反映しない値を出力する。この場合、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２からの算出値（２Ｘ）の出力が停止する寸前の絶対角度のデータ（つまり、絶対角度算出部１２３の出力）を基準として、ＲＤコンバータ部１２１から出力される算出値（３Ｘ）から絶対角度を算出する。また、何らかの理由で、ＲＤコンバータ部１２１からの３Ｘ角度情報が出力されなくなった場合は、同様の考え方で、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２からの２Ｘ角度情報に基づいて絶対角度の算出が行われる。

以下この処理の一例を詳細に説明する。まず正常動作時に、過去の一定期間における絶対角度算出部１２３の出力をメモリ部１２４に記憶させておく。そして、一方のコンバータ部からの出力が途絶えた際（あるいは異常な値の信号が出力された場合）に、その直前の絶対角度をメモリ部１２４から読み出し、その値を基準として、以後の正常なコンバータ部からの算出値を絶対角に読み替える。この方法によれば、一方のコンバータ部からの出力が途絶える直前の絶対角度が判っているので、正常な他方のコンバータからの算出値に対応する絶対角を知ることができる。このようにすることで、ＭＲセンサ１１０が故障した場合の冗長性が確保される。この処理は、絶対角度算出部１２３において行われる。

また、一方のコンバータの出力が途絶えた場合や一方のコンバータからの信号が異常な値であった場合に、図２のＯＲ回路２０３からエラー信号を出力する。こうすることで、角度検出機構に異常が生じたことを外部に報知することができる。

（優位性）
本実施形態では、レゾルバとＭＲセンサという異なる動作原理に基づく角度検出装置を組み合わせているので、故障時の冗長性に優れた絶対角度の検出が可能となる。すなわち、レゾルバとＭＲセンサとは動作原理が異なるので、故障時のモードが異なり、ある特定の状況において、同時に故障する確率は小さい。言い換えると、一方が故障する状況において、その状況は他方の故障原因とならない確率が高い。したがって、レゾルバとＭＲセンサとが同時に故障する確率を低くでき、角度情報が全く取得できない状況が突然生じる確率を下げることができる。また、１Ｘに比較して検出精度に優れた２Ｘ以上の角度検出装置の出力に基づくので、１Ｘの角度検出装置の検出精度よりも高い精度の絶対角度の情報が得られる。また、２つの角度検出器からの出力には定まった関係があり、マイコンなどによる演算装置で角度検出器に異常があるかを検知でき、それによるエラー信号を利用して機能安全を実現できる。要求される故障率によっては演算装置にも冗長性を持たせる場合がある。

（その他）
軸倍角の組み合わせとしては、レゾルバを５Ｘとし、ＭＲセンサを４Ｘとしてもよい。
すなわち、レゾルバの軸倍角をｎ、ＭＲセンサの軸倍角をｍとした場合に、ｎとｍの差が１となるように軸倍角を設定すればよい。また、レゾルバとＭＲセンサを比べると、レゾルバのほうが高精度で検出できるため、ＭＲセンサが４Ｘの場合は、レゾルバの軸倍角が５Ｘになるよう選択することが望ましい。すなわち、より高精度の角度検出が行える角度検出器の方を軸倍角が大きい方に割り当てることが望ましい。

図５には、軸倍角５Ｘのレゾルバと軸倍角４ＸのＭＲセンサとを組み合わせた場合の軸角度と算出角度との関係が示されている。ここで軸倍角５Ｘのレゾルバの出力に基づくＲＤコンバータ部１２１における算出値は、実際の１回転に対応して５周期分の出力となる。また、軸倍角４ＸのＭＲセンサの出力に基づくＭＲセンサ出力コンバータ部１２２における算出値は、実際の１回転に対応して４周期分の出力となる。この場合、絶対角度算出部１２３において、５Ｘ−４Ｘの演算が行われる。

以下、この場合における絶対角度算出部１２３における処理の一例を説明する。例えば、ＲＤコンバータ部１２１から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（５Ｘ）が３００°であり、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（４Ｘ）が２４０°であるとする。この場合、５Ｘ―４Ｘ＝６０°がシャフト１０３の絶対角度として算出される。

例えば、ＲＤコンバータ部１２１から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（５Ｘ）が６０°であり、ＭＲセンサ出力コンバータ部１２２から出力されるシャフト１０３の回転角の算出値（４Ｘ）が１２０°であるとする。この場合、５Ｘ−４Ｘ＝−６０°であるので、この値に３６０°を加えた３００°がシャフト１０３の絶対角度として算出される。

この絶対角度には第１角度検出器、第２角度検出器両方の誤差が含まれるが、角度検出器のどちらかがより高精度の場合は、下記の数２にて誤差成分の少ない絶対角度（高精度な絶対角度）に計算し直すことができる。数２において、マイコン１０９より得られた絶対角度をａ、高精度な角度検出器の軸倍角をｎ、その角度検出器の検出角度をｂ、高精度な絶対角度をＡとする。但しQUOTIENTは除算の商の小数値を切り捨てて整数のみを表す関数とする。また、この演算は、絶対角度算出部１２３において行われる。

また、ＭＲセンサとして、シャフトが貫通したリング状マグネットと、その側面にＭＲセンサ素子を配置した構造を採用することもできる。また、マイコン１０９をケース１０１の外部に配置する構成や、その処理を外部の制御コンピュータによって実行する構成も可能である。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、回転角の角度を検出する技術に利用することができる。

１００…角度検出装置、１０１…ケース、１０２…軸受、１０３…シャフト、１０４…レゾルバロータ、１０５…レゾルバステータ、１０６…インシュレータ、１０７…コイル、１０８…回路基板、１０９…マイコン、１１０…ＭＲセンサ素子、１１１…コネクタ端子、１１２…コネクタ、１１３…マグネット、１１４…ＭＲセンサ。

Claims (1)

1. 回転軸の角度を検出する第１の角度検出器と第２の角度検出器を備えた角度検出装置において、
   前記回転軸の回転角を計算するように構成され、前記第１の角度検出器の出力から算出される第１の角度と前記第２の角度検出器の出力から算出される第２の角度との差に基づき、前記回転軸の回転角の絶対角度を算出する算出部
   を備え、
   前記第１の角度検出器と前記第２の角度検出器とは異なる動作原理であり、
   前記第１の角度検出器から検出される角度の精度と前記第２の角度検出器から検出される角度の精度の一方は、他方に対してより高精度であり、
   前記第１の角度検出器と前記第２の角度検出器は、２Ｘ以上の軸倍角を有し、
   前記算出部は、
   前記第１の角度検出器の出力から算出される第１の角度と前記第２の角度検出器の出力から算出される第２の角度との差に基づいて算出された前記回転軸の回転角の前記絶対角度をａ、前記ａよりも高精度な絶対角度をＡ、相対的に高精度な角度検出器の軸倍角をｎ、その角度検出器の検出角度をｂ、除算の商の小数値を切り捨てて整数のみを表す関数をQUOTIENTとして、
   Ａ＝｛QUOTIENT（ａ／３６０／ｎ）×３６０＋ｂ｝／ｎ
   の演算を行うことを特徴とする角度検出装置。

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