本发明涉及角度检测装置及使用了该角度检测装置的电动助力转向装置。
背景技术：
以往，已知有如下角度检测装置，即：在转轴端配置传感器磁体，并在转轴上的轴向上以与传感器磁体相对的方式配置磁阻型的半导体传感器(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2013-7731号公报
技术实现要素：
发明所要解决的技术问题
上述专利文献1中，在旋转传感器的角度检测位置可获得传感器磁体的磁场大小固定、空间性磁场失真较小的旋转磁场。磁阻型的半导体传感器利用偏置磁场来增大电阻变化率，并利用磁场的方向检测出旋转角度，因此能通过大小固定且失真较小的旋转磁场实现较高的角度检测精度。因此，作为角度检测的方法，专利文献1所涉及的端部检测的结构是普遍且适当的。
另一方面，在转轴周围配置传感器磁体，并在传感器磁体周围配置磁阻型的半导体传感器的情况下，存在空间性磁场失真变大，角度检测精度恶化的问题。
本发明是为了解决上述技术问题而完成的，其目的在于提供一种空间性磁场失真较小且角度检测精度较高的角度检测装置。
解决技术问题的技术方案
为了达到上述目的，本发明所涉及的角度检测装置包括：传感器磁体，该传感器磁体固定于转轴，产生用于检测旋转角的磁场；传感器，该传感器是与所述传感器磁体相对配置，并输出与所述磁场相对应的正弦信号及余弦信号的多个传感器，所述传感器中的第1及第2传感器配置在对以所述传感器磁体的转轴为中心的圆周进行6等分的3根辐射线中的不同的2根辐射线上；以及角度运算部，该角度运算部进行运算以抵消所述第1及第2传感器输出的所述正弦信号及所述余弦信号各自的奇数谐波分量中的3n次(n为自然数)谐波分量彼此，由此计算所述旋转角。
此外，本发明提供了电动助力转向装置，该电动助力转向装置包括上述角度检测装置以及产生用于辅助驾驶员的转向的辅助转矩的交流旋转电机。
发明效果
本发明中，构成为多个传感器中的第1及第2传感器配置在对以传感器磁体的转轴为中心的圆周进行6等分的3根辐射线中的不同的2根辐射线上，并进行运算以抵消第1及第2传感器所输出的正弦信号及余弦信号各自的奇数谐波分量中的3n次(n为自然数)谐波分量彼此，由此计算旋转角，因此能减少空间性磁场失真即磁场的谐波分量以及由此引起的输出电压的谐波分量，从而能提高角度检测精度。
附图说明
图1是示意性示出了本发明实施方式1所涉及的角度检测装置中的转轴、传感器磁体及磁阻型的半导体传感器的相对位置的侧视图。
图2是示意性示出了本发明实施方式1所涉及的角度检测装置中的转轴、传感器磁体及磁阻型的半导体传感器的相对位置的俯视图。
图3是示出了本发明实施方式1所涉及的角度检测装置中、在一个旋转传感器位置上转轴旋转一周时的磁场的大小与方向的变化的波形图。
图4是将基本波波形重叠于图3的波形图而示出的、将横轴设为旋转角并在纵轴上示出传感器的输出信号的波形图。
图5是表示图4的波形中的大约2次的角度误差分量的波形图。
图6是表示图4的波形中的大约2次以外的4次的角度误差分量的波形图。
图7是相对于图3的余弦信号及正弦信号分别提前了120度相位而得到的余弦信号与正弦信号的波形图。
图8是表示根据图7的余弦信号及正弦信号计算出的旋转角中所包含的大约2次的角度误差分量的波形图。
图9是示出了传感器输出包含奇次谐波分量的情况的曲线图，图9(a)及图9(b)是分别示出了余弦信号及正弦信号包含奇次谐波分量的情况的曲线图。
图10是表示本发明实施方式1所涉及的角度检测装置的结构的框图。
图11是表示图10所示的角度运算部的内部结构例的框图。
图12是表示作为由图11所示的角度运算部获得的旋转角中所包含的角度误差，2次分量基本减为零后主要为4次分量的角度误差的波形图。
图13是表示对图12所示的角度误差进行一次校正从而减为微小的值的状态的波形图。
图14是表示对图12所示的角度误差进行两次校正从而减为更为微小的值的状态的波形图。
图15是表示角度误差校正所使用的旋转角与角度误差校正值的表格的图。
图16是表示利用图15所示的表格来进行高次的角度误差校正后的结果的波形图。
图17是示意性示出了本发明实施方式1所涉及的角度检测装置中、以60度的相位差配置了两个传感器的状态下的转轴、传感器磁体及磁阻型的半导体传感器的相对位置的俯视图。
图18是示意性示出了本发明实施方式2所涉及的角度检测装置中的转轴、传感器磁体及磁阻型的半导体传感器的相对位置的俯视图。
图19是示出了本发明实施方式2中、对计算得到的旋转角进行了一次校正后的旋转角误差的波形图。
图20是示出了图19中的旋转角所包含的角度误差的波形图。
图21是示出了本发明实施方式2所涉及的角度检测装置中的角度校正运算部的内部结构例的框图。
图22是示意性示出了本发明实施方式2所涉及的角度检测装置中、以60度的相位差配置了三个传感器的状态下的转轴、传感器磁体及磁阻型的半导体传感器的相对位置的俯视图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明所涉及的角度检测装置的各实施方式进行说明。另外，各图中，对于相同或相当的构件、部位，标注相同标号。
实施方式1.
图1所示的本发明实施方式1所涉及的角度检测装置中，在永磁体电动机的转轴1的一部分上，传感器磁体2与对传感器磁体2进行固定的支架3一体固定于转轴1。传感器磁体2例如是注射成型粘结钕磁体，与支架3一体成形为环状。传感器磁体2通称为双面四极磁化，轴向上表面4的一半分别被磁化为n极及s极，轴向下表面5被磁化为与所述上表面4相反的极性。
即，传感器磁体2所产生的磁场具有从n极沿着轴向流动，并从轴向流向s极的磁场分布。此处，对在轴向上磁化的磁体进行说明，但在半径方向等其他方向上磁化的磁体也能获得同样的效果。
传感器磁体2经由非磁性材料或磁性材料的支架3利用压入等一体固定于转轴1，与转轴1的旋转同步进行旋转。为了减少磁性材料泄漏至转轴1的漏磁通，将传感器磁体2的内周与转轴1的外周分离配置。
在传感器磁体2的上方以与传感器磁体2的上表面4相对的方式设有磁阻型的传感器10。该传感器10固定于基板11的下表面，与后述的作为角度运算部的cpu13相连接。另外，为了简化附图，省略了构成角度检测装置的其他电子元器件、布线图案、安装孔等。
传感器10检测与转轴1垂直的平面、即与基板11平行的方向的旋转磁场方向12。传感器10内置有多个检测旋转磁场方向的桥式电路(未图示)，检测方向相对于旋转磁场方向12相差90度的桥式电路对为1组或2组。
cpu13基于由传感器10获得的信号计算旋转角。例如，在将本实施方式的角度检测装置搭载于无刷电动机的情况下，基于该旋转角进行电动机控制。
如图2所示，传感器10由在基板11的下表面配置于相对于转轴1错开120度的半径位置的传感器10a及传感器10b构成。另外，图2中省略了支架3与基板11。
图3示出在传感器10a的位置上，转轴1及传感器磁体2旋转一周时的旋转磁场方向12的大小与方向的变化。将半径方向分量设为br，将周向分量设为bθ。此处，在一般的端部检测(设置在转轴上)的情况下，磁场的大小固定，空间性磁场失真较小，因此成为1次的正弦波形状，但在外周检测的情况下，因传感器位置偏离旋转中心而导致成为奇数次的谐波分量重叠于正弦波的空间性磁场分布。另外，以下有时省略“谐波分量”来进行说明。
例如，参照图4对如下情况进行说明：传感器10a是以余弦(cos)信号vcos1来检测br、以正弦(sin)信号vsin1来检测bθ的传感器，传感器10b是以余弦信号vcos2来检测br、以正弦信号vsin2来检测bθ的传感器。另外，图4是将横轴设为旋转角、并将传感器10a的输出信号重叠于图3所示的基本波分量波形来示出的波形图。
关于传感器10a，对于余弦信号vcos1，基本波振幅与余弦信号vcos1的振幅相比要大，对于正弦信号vsin1，基本波振幅与正弦信号vsin1的振幅相比要小。若比较基本波彼此，则余弦信号vcos1与正弦信号vsin1的基本波振幅具有较大差异。即、两基本波的振幅比不是1，因此作为2次的角度误差来呈现。此外，将原始信号与基本波的差异称为误差信号，但根据基本波与原始信号的大小关系可知，旋转一周大小关系交换3次，因此信号误差主要是3次分量较大。此外，余弦信号vcos1所包含的3次分量相比正弦信号vsin1所包含的3次分量，相位基本提前了90度，振幅基本相等，因此它们也作为2次的角度误差来呈现。即，该情况下，如图5所示，基本成为2次的角度误差。
因基本波振幅具有差异而引起的2次的角度误差能通过对振幅进行校正来减少。在利用将基本波振幅的振幅比乘以正弦信号vsin1而得到的值与余弦信号vcos1来计算出角度的情况下(后述式(5)的情况下)，如图6所示，除了2次以外，该角度误差也将产生较大的4次的误差分量。这是由于根据基本波的振幅比对原始信号乘上增益，从而3次以上的谐波分量的振幅比产生偏移而导致的。
另一方面，传感器10b位于相对于传感器10a提前了120度相位的位置，因此，如图7所示，传感器10b的余弦信号vcos2与正弦信号vsin2相对于图4的余弦信号vcos1与正弦信号vsin1分别提前了120度相位。此时，如图8所示，根据余弦信号vcos2与正弦信号vsin2计算出的旋转角所包含的误差基本成为2次的角度误差。
此外，如图9(a)及图9(b)所示，余弦信号vcos1与正弦信号vsin1包含(2n-1)次(n为自然数)、即奇数次的谐波分量。如图4所示，对于基本波即1次分量的振幅，余弦信号较大，对于其他的(2n+1)次分量的振幅，正弦信号较大。
因此，对于传感器10a输出的余弦信号vcos1及正弦信号vsin1，若进行近似，则能如下述的式(1)所示那样以(2n+1)次的奇数次分量的和来呈现。此处，an及dn(n为自然数)为正或0的系数。
[数学式1]
此处，传感器10a与传感器10b相差120度相位，因此对于传感器10b输出的余弦信号vcos2及正弦信号vsin2，若进行近似，则能如下述的式(2)所示那样以(2n+1)次分量的和来呈现。将上述式(1)与式(2)进行比较可知，3m(m为自然数)次分量(式(1)与式(2)的右边第2项)成为同相位。
[数学式2]
图10示出本实施方式1中的角度检测装置的内部结构例。传感器10a以余弦信号vcos1输出br、以正弦信号vsin1输出bθ，传感器10b以余弦信号vcos2输出br、以正弦信号vsin2输出bθ。位于cpu13内的角度运算部14基于从传感器10a及传感器10b获得的余弦信号及正弦信号计算旋转角θ。
图11示出角度运算部14的内部结构例。正弦信号运算部15中，为了抵消3m次分量，如下述式(3)所示，计算获取了正弦信号vsin1与正弦信号vsin2的差分的校正后正弦信号vsin。余弦信号运算部16中，为了抵消3m次分量，如下述式(4)所示，计算获取了余弦信号vcos1与余弦信号vcos2的差分的校正后余弦信号vcos。
[数学式3]
[数学式4]
角度校正运算部17中，基于下述式(5)根据校正后正弦信号vsin及校正后余弦信号vcos计算旋转角θ。另外，由于利用从同相位的信号减去错开120度相位的信号而获得的信号来计算角度，因此偏移30度(deg)相位的角度成为要计算的旋转角θ。
此外，如图9所示，余弦分量与正弦分量的基本波振幅不同，因此校正后正弦信号vsin与校正后余弦信号vcos可以将式(5)中的系数k作为基本波振幅之比。此处使用了单纯的反正切函数，但在各个信号包含偏移误差等误差的情况下，当然也可以使用以公知的方法进行校正后而得到的信号。此外，式(5)中将系数k乘以校正后正弦信号vsin，然而，当然也可以乘以校正后余弦信号vcos。
[数学式5]
由将上述式(5)中的系数k作为基本波振幅的比的角度运算部14获得的旋转角θ所包含的角度误差如图12所示，2次分量基本减为零，主要成为4次分量的角度误差，相对于分别单独使用了传感器10a或传感器10b的情况下的角度误差，能减为足够小的值。
并且，角度校正运算部17如下述式(6)所示那样可以计算对上述旋转角θ实施了减去2n(n为2以上的自然数)次分量的校正后的一次校正后的旋转角θ’。该情况下，由于使用由上述式(5)获得的θ，因此与以角度真值决定校正量的情况相比误差会叠加，但如图12所示，在减少了角度误差的状态下用于校正式(6)，因此θ所包含的误差、以及校正系数k4、k6及k8较微小，因而能获得期待的效果。
[数学式6]
θ′＝θ-k4sin4θ-k6sin6θ-k8sin8θ…式(6)
因此，由角度运算部14获得的一次校正后的旋转角θ’所包含的角度误差能减少为图13所示那样的微小的值。此处，采用将n＝1时的由传感器磁体2与传感器10a、10b决定的初始相位设为0度而得到的校正式，但也可以采用根据实际的误差分量加入初始相位后而得到的校正式。
并且，在即使是由上述式(6)校正后的一次校正后的旋转角θ’也无法获得期待的精度的情况下，可以利用一次校正后的旋转角θ’由下述式(7)进一步计算两次校正后的旋转角θ”。
[数学式7]
θ″＝θ-k4sin4θ′-k6sin6θ′-k8sin8θ′…式(7)
如图14所示，该两次校正后的旋转角θ”所包含的角度误差能进一步减少为微小的值。此处，实施了两次校正，但在原来的误差较大的情况下高次的误差分量会增大，为了降低最大振幅的次数分量，可以实施更多次的校正。
另外，上述式(7)中，采用了针对4次、6次及8次分量的校正式，然而，可以采用针对包含了更高次分量的2n次分量(n为2以上的自然数)的校正式，也可以采用限定为所需次数的校正式。在不利用校正式、而使用图15所示的旋转角与角度校正值误差的表格的情况下，如图16所示，可获得能减少高次的角度误差的效果。
此外，如上所述，对传感器10b位于相对于传感器10a提前了120度相位的位置的情况进行了说明，但在位于延迟了120度相位的位置的情况下，仅传感器10b与传感器10a的相位关系相反，因此当然可获得同样的效果。
并且，如图17所示，在传感器10b位于相对于传感器10a延迟了60度相位的位置的情况下，通过使用正弦信号运算部15a及余弦信号运算部16a也可获得同样的效果。该情况下，对于传感器10b输出的余弦信号vcos2及正弦信号vsin2，若进行近似，则能如下述式(8)那样来呈现。通过比较上述式(2)与下述式(8)可判断出在式(8)的情况下，成为将传感器10b配置于提前了120度的位置时的信号进行反转后而得到的信号。
[数学式8]
因此，图11所示的正弦信号运算部15中为了抵消3m次分量，如下述式(9)所示，能利用式(1)的正弦信号vsin1与式(8)的正弦信号vsin2之和来计算校正后正弦信号vsin。此外，余弦信号运算部16为了抵消3m次分量，如下述式(10)所示，也能利用式(1)的余弦信号vcos1与式(8)的余弦信号vcos2之和来计算校正后余弦信号vcos。
[数学式9]
vsin＝vsin1+vsin2…式(9)
[数学式10]
vcos＝vcos1+vcos2…式(10)
此外，角度校正运算部17中，根据校正后正弦信号vsin及校正后余弦信号vcos基于上述式(5)计算出旋转角θ，从而相对于分别单独使用了传感器10a或传感器10b的情况下的角度误差，能减为足够小的值。另外，可以利用上述式(6)及式(7)、旋转角与角度校正值误差的表格，进一步减少高次的角度误差。
通过将本实施方式1的角度检测装置应用于产生用于辅助驾驶员的转向的辅助转矩的交流旋转电机，从而自然能获得转矩脉动得以减少的电动助力转向装置。
实施方式2.
图18所示的本实施方式2所涉及的角度检测装置中，传感器10b配置在相对于传感器10a提前了120度相位的位置，传感器10c配置在相对于传感器10a延迟了120度相位的位置。
例如，在以上述式(1)来表示传感器10a的正弦信号vsin1及余弦信号vcos1时，能以上述式(2)来呈现传感器10b的正弦信号vsin2及余弦信号vcos2。此时，传感器10c的正弦信号vsin3及余弦信号vcos3以下述式(11)来呈现。
[数学式11]
根据传感器10a与传感器10b计算出旋转角的方法与实施方式1中所阐述的相同，因此省略说明。
为了根据传感器10a与传感器10c计算出旋转角，如下述式(12)所示，提供校正后正弦信号vsin及校正后余弦信号vcos即可。
[数学式12]
使用从相互错开120度相位的信号减去同相位的信号而获得的信号来计算角度，因而偏移了150度相位的角度成为要计算的旋转角。因此，旋转角θ由下述式(13)来提供。
[数学式13]
如图9所示，校正后正弦信号vsin与校正后余弦信号vcos的基本波振幅不同，因此可以将系数k设为基本波振幅之比。该系数k可以设为与根据传感器10a与传感器10b计算出旋转角θ时所使用的系数相同，该情况下，能节约存储器容量或简化处理。此处使用了单纯的反正切函数，但在各个信号包含偏移误差等误差的情况下，当然也可以使用以公知的方法进行校正后而得到的信号。此外，式(13)中将系数k乘以校正后正弦信号vsin，然而，当然也可以乘以校正后余弦信号vcos。
通过上述式(13)获得的旋转角θ所包含的角度误差如图19所示。
为了根据传感器10b与传感器10c计算出旋转角，如下述式(14)所示，提供校正后正弦信号vsin及校正后余弦信号vcos即可。
[数学式14]
由此，使用从提前了120度相位的信号减去延迟了120度相位的信号而获得的信号来计算角度，因而偏移了90度相位的角度成为要计算的旋转角。因此，旋转角θ由下述式(15)来提供。
[数学式15]
如图9所示，校正后正弦信号vsin与校正后余弦信号vcos的基本波振幅不同，因此可以将系数k设为基本波振幅之比。该系数k可以设为与根据传感器10a与传感器10b计算出旋转角θ时所使用的系数相同，该情况下，能节约存储器容量或简化处理。此处使用了单纯的反正切函数，但在各个信号包含偏移误差等误差的情况下，当然也可以使用以公知的方法进行校正后而得到的信号。此外，式(15)中将系数k乘以校正后正弦信号vsin，然而，当然也可以乘以校正后余弦信号vcos。
通过上述式(15)获得的旋转角θ所包含的角度误差如图20所示。
此处，图12与图19中相差120度相位，图19与图20中成为相差120度相位的角度误差，因此可知在对旋转角θ进行校正来计算一次校正后的旋转角θ’或m次校正后的旋转角时使用对相位进行了偏移的校正式即可。即，无论哪一种组合均能应用同样的校正方法。例如，对于由上述式(13)获得的旋转角θ，能通过下述式(16)计算出一次校正后的旋转角θ’及两次校正后的旋转角θ”。此外，对于由上述式(15)获得的旋转角θ，能通过下述式(17)分别计算出一次校正后的旋转角θ及两次校正后的旋转角θ”。
[数学式16]
[数学式17]
如上所述，在3个传感器的任意组合中均能实施同样的校正，因此本实施方式2中，如图21所示，使用角度校正运算部17b。图21中，故障判定部18判定传感器10a～10c的正常及异常，并输出故障判定信号。根据该故障判定信号决定计算旋转角时使用的传感器的组合。
正弦信号运算部15b根据从故障判定部18获得的故障判定信号，以正常的传感器的组合生成校正后正弦信号vsin。在使用传感器10a与传感器10b的情况下由上述式(3)来计算即可，在使用传感器10c与传感器10a的情况下由上述式(12)来计算即可，在使用传感器10b与传感器10c的情况下由上述式(14)来计算即可。
余弦信号运算部16b根据从故障判定部18获得的故障判定信号，以正常的2个传感器的组合生成校正后余弦信号vcos。在使用传感器10a与传感器10b的情况下由上述式(4)来计算即可，在使用传感器10c与传感器10a的情况下由上述式(12)来计算即可，在使用传感器10b与传感器10c的情况下由上述式(14)来计算即可。
角度校正运算部17b根据来自故障判定部18的故障判定信号，根据校正后正弦信号vsin与校正后余弦信号vcos来计算旋转角θ。在使用传感器10a与传感器10b的情况下由上述式(5)来计算即可，在使用传感器10c与传感器10a的情况下由上述式(13)来计算即可，在使用传感器10b与传感器10c的情况下由上述式(15)来计算即可。
此外，也可以计算m次校正后的旋转角，在使用传感器10a与传感器10b的情况下由上述式(6)及式(7)来计算即可，在使用传感器10c与传感器10a的情况下由上述式(16)来计算即可，在使用传感器10b与传感器10c的情况下由上述式(17)来计算即可。另外，此处通过校正式实施了校正，但通过表格进行校正当然也可获得同样的效果。
另外，如图22所示，即使以60度间隔来配置传感器，只要反转从传感器10c获得的输出信号，则成为与从图18所示的传感器10c获得的输出信号相同的信号，因此可获得同样的效果。
由此，通过将输出与磁场相对应的正弦信号及余弦信号的多个传感器中的第1及第2传感器配置在对以传感器磁体的转轴为中心的圆周进行6等分的3根辐射线中的不同的2根辐射线上，从而在任一个传感器发生了故障时，基于剩余的2个传感器输出的正弦信号与余弦信号来运算旋转角，能减少因3n次(n为自然数)的信号误差而产生的角度误差。
此外，由于成为相位分别错开120度的角度误差，因此在任意组合的情况下均能使用同样的校正式或校正表格来进行校正，因此能获得能节约存储器容量这一以往所没有的效果。另外，当然也可以根据传感器特性的偏差及制造偏差等，利用各个组合来实施追加的校正。
通过将本实施方式2的角度检测装置应用于产生用于辅助驾驶员的转向的辅助转矩的交流旋转电机，从而能获得转矩脉动得以减少的电动助力转向装置。