JP5170837B2

JP5170837B2 - 回転角度検出方法及び装置

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Publication number: JP5170837B2
Application number: JP2008189285A
Authority: JP
Inventors: 雄一高濱; 真山口; 強寺内; 伸郎武井; 寿夫中村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: JP2010025830A

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出方法及び装置に関する。

例えば過給機などの高速回転機械の製造においては、製品の高速回転時のバランス性能を検査・修正するために、高速回転バランス試験を実施してアンバランス量を測定し、アンバランス修正を行う。従来のアンバランス修正方法と装置を開示するものとして、下記特許文献１がある。

図５は、下記特許文献１に開示されたアンバランス修正装置４０の構成を示す図である。このアンバランス修正装置４０は、過給機４１用の修正装置として構成されており、振動台４２の上にタービン車室取付板４３を介して固定されたタービン車室４４と、タービン車室取付板４３に取り付けられた加速度センサ４５と、過給機４１のコンプレッサインペラ４６の先端近傍に配置される回転検出器４７と、加速度センサ４５と回転検出器４７からの検出信号に基づいてアンバランス量を演算する演算器４８とを備える。

上記のアンバランス修正装置４０によりアンバランス修正を行う場合、タービン車室４４に空気を導入して過給機４１のタービンインペラ４９を回転させることで、タービンインペラ４９、シャフト５０及びコンプレッサインペラ４６からなる過給機ロータを回転させ、アンバランス計測のための所定の回転速度に達したら、加速度センサ４５で加速度（振動）を検出するとともに回転検出器４７で回転角度を検出し、その検出信号に基づいて演算器４８により、アンバランス量を演算する。

演算器４８によりアンバランス量が算出されたら、このアンバランス量に基づいて、コンプレッサインペラ４６の先端部に設けられたナット５１の一部を除去加工することで、アンバランスを修正する。

ところで、上記の回転検出器４７として、磁気抵抗素子を用いた磁気センサが知られている（例えば非特許文献１を参照）。図６は磁気センサによる回転角度検出の原理を説明する模式図である。図６（Ａ）において、回転体５３の回転軸５４の端面はＳ極とＮ極に磁化されており、回転軸端面に対面する位置に磁気センサ５６が配置される。磁気センサ５６の検出面には、磁界によって抵抗値が変化する複数の磁気抵抗素子５６ａ、５６ｂが、面内の一の方向（Ｘ方向とする）とＸ方向に垂直な他の方向（Ｙ方向とする）にそれぞれ配置されている。

磁化された軸が回転することで、図６（Ｂ）に示すような２つの正弦波状のＡ相信号とＢ相信号が得られる。それぞれの信号は、位相が９０°ずれており、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号として扱うことができる。Ａ相信号とＢ相信号からｓｉｎθ、ｃｏｓθ（θ：回転角度）のデータを取得し、下記の（１）式により回転角度を算出する。
θ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）・・・（１）

特開２００２−３９９０４号公報インターネットＵＲＬｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｔｅｒｎｉｘ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｕｂｌｉｓｈ／ｎｅｗｓｌｅｔｔｅｒ／ｎｌ８８＿ｐｄｆ／ｎｌ８８ｈａｍａｍａｔｓｕ．ｐｄｆ

しかしながら、実際の計測においては、回転体５３ごとに着磁のばらつきがあり、また、磁気センサ５６と計測対象（図示例では回転軸端面）との相対位置にばらつきがあることにより、図６（Ｂ）に示すように、Ａ相信号とＢ相信号にオフセット（振幅中心のずれ）及びゲイン（振幅１に対する大きさ）にばらつきがある。したがって、従来の回転角度検出方法では、上記のようにばらつきのあるＡ相信号とＢ相信号に基づいて回転角度を算出するため、精度が悪いという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、Ａ相信号とＢ相信号を適正に補正することで、回転角度を正確に検出することができる回転角度検出方法及び装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の回転角度検出方法及び装置は、以下の技術的手段を採用する。
（１）本発明は、回転体を回転させて互いに位相が９０°ずれた正弦波状のＡ相信号とＢ相信号を取得し、Ａ相信号及びＢ相信号をそれぞれの信号の平均値が０となるように補正し、Ａ相信号及びＢ相信号を振幅が互いに等しくなるように補正し、補正されたＡ相信号及びＢ相信号に基づいて回転体の回転角度を演算する、ことを特徴とする。

（２）上記の回転角度検出方法において、Ａ相信号及びＢ相信号の振幅が等しくなるように補正する際に、Ａ相信号を、Ａ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算し、Ｂ相信号を、Ｂ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算する。

（３）また、本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記回転体が回転することで互いに位相が９０°ずれた正弦波状のＡ相信号とＢ相信号を生成するセンサと、該センサからの信号を補正して回転体の角度を演算する角度演算器とを備え、該角度演算器は、Ａ相信号及びＢ相信号をそれぞれの信号の平均値が０となるように補正するとともに、Ａ相信号及びＢ相信号を振幅が互いに等しくなるように補正し、補正されたＡ相信号及びＢ相信号に基づいて回転体の回転角度を演算する、ことを特徴とする。

（４）上記の回転角度検出装置において、前記角度演算器は、Ａ相信号及びＢ相信号の振幅が等しくなるように補正する際に、Ａ相信号を、Ａ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算し、Ｂ相信号を、Ｂ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算する。

上記の本発明の方法及び装置によれば、Ａ相信号及びＢ相信号をそれぞれの信号の平均値が０となるように補正することで、Ａ相信号とＢ相信号のオフセットがゼロとなる。また、Ａ相信号及びＢ相信号を振幅が互いに等しくなるように補正することで、Ａ相信号とＢ相信号のゲインが同じになる。そして、オフセット補正・ゲイン補正をしたＡ相信号とＢ相信号を使用して演算することで、正確な回転角度を算出することができる。

また、Ａ相信号及びＢ相信号の振幅が等しくなるように補正する際に、例えばデータの最小値と最大値を使用して算出すると、特異なデータがあった場合にその影響を受けやすいが、本発明では、Ａ相信号とＢ相信号のそれぞれの標準偏差を用いて算出することにより、特異なデータがあった場合でもその影響を受けにくい。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第実施形態にかかる回転角度検出装置１０の構成を示す図である。以下では、回転角度検出方法及び装置１０を、回転体７のアンバランス量を計測するアンバランス計測装置１に適用した例について説明するが、本発明はこれに限定されず、他の回転体の回転角度検出において広く適用することが可能である。

アンバランス計測装置１は、床面などに固定されたベース２と、ベース２上に固定されバネとして機能する棒状の複数（図示例で４本）のバネ部材３と、バネ部材３の上部にて固定及び支持されたマウント４と、振動を検出する振動センサ１２と、回転体７に近接して配置されたセンサ１１と、回転体７のアンバランス量を演算する演算装置１３とを備える。

バネ部材３の本数及びバネ定数は、バネ部材３の材質（硬さ）やアンバランス計測を行う周波数（回転数）に応じて適切な数及び値に設定される。
マウント４は、回転体７を備えた回転機械６を装着し、しっかりと固定できるように構成されている。アンバランス計測の対象となる回転機械６は、例えば、過給機、圧縮機、タービン、モータなどである。

アンバランス計測を行う際の回転体７の回転駆動は、図示しない外部駆動装置で行う場合と、回転機械６自体が備えるモータ等の駆動源で行う場合とがある。

振動センサ１２は、図示例ではマウント４に取り付けられているが、回転機械６に取り付けることも可能である。振動センサ１２は、従来のアンバランス計測において用いられていたのと同様に、振動を検出できる各種センサであればよく、例えば、加速度センサ、速度センサ、変位センサを単独で、あるいは組み合わせて用いることが可能である。

図１の構成例において、センサ１１は磁気センサ１１Ａであり、回転体７の回転軸８の端面はＳ極とＮ極に磁化されており、回転軸端面に対面する位置に磁気センサ１１Ａが配置される。磁気センサ１１Ａの検出面には、磁界によって抵抗値が変化する複数の磁気抵抗素子１１ａ、１１ｂが、面内の一の方向（Ｘ方向とする）とＸ方向に垂直な他の方向（Ｙ方向とする）にそれぞれ配置されている。この構成により、回転体７が回転することで互いに位相が９０°ずれた正弦波状のＡ相信号とＢ相信号が生成される。

なお、センサ１１としては、磁気センサ１１Ａを使用する上記の構成に代えて、回転体７が回転することで互いに位相が９０°ずれた正弦波状のＡ相信号とＢ相信号が生成される限りで、他の形態のセンサを使用してもよい。

演算装置１３は、角度演算器１３ａと、アンバランス量演算器１３ｂとを備える。角度演算器１３ａは、センサ１１からの信号を補正して回転体７の角度を演算する。本発明の回転角度検出装置１０は、上記のセンサ１１と角度演算器１３ａとにより構成されている。

ここで、センサ１１により生成されたＡ相信号とＢ相信号が図２に示すような波形であったとする。この場合、Ａ相信号とＢ相信号にオフセット（振幅中心のずれ）及びゲイン（振幅１に対する大きさ）にばらつきがある。これは、回転体７ごとの着磁のばらつきや、センサ１１と計測対象（図示例では回転軸端面）との相対位置にばらつきに起因するものである。このようにばらつきのあるＡ相信号とＢ相信号をそのまま使用して回転角度を算出すると、精度が悪くなる。

そこで、本発明では、角度演算器１３ａにより、Ａ相信号とＢ相信号について以下に説明するオフセット補正とゲイン補正を行い、補正されたＡ相信号及びＢ相信号に基づいて回転体７の回転角度を演算する。

オフセット補正では、Ａ相信号及びＢ相信号をそれぞれの信号の平均値が０となるように補正する。具体的には、Ａ相信号のオフセット補正では、Ａ相信号から、Ａ相信号の平均値（ＤＣ成分）を減算する。また、Ｂ相信号のオフセット補正では、Ｂ相信号から、Ｂ相信号の平均値（ＤＣ成分）を減算する。

ゲイン補正では、Ａ相信号及びＢ相信号を振幅が互いに等しくなるように補正する。ゲイン補正の一例として、データの最小値と最大値を使用して振幅を算出し、算出した振幅でデータを除算すれば、Ａ相信号、Ｂ相信号ともに振幅を１に補正することができる。しかし、ゲイン補正では、以下に説明するように、Ａ相信号とＢ相信号のそれぞれの標準偏差を用いて算出するのが好ましい。

データがｘ_ｉ＝Ａｓｉｎθ_ｉのサイン波の場合、ゲイン補正をするには振幅Ａでデータを除算すれば振幅１のサイン波に補正できる。よって、振幅Ａを算出するために、標準偏差ｓを求める。
ｘ_ｉの標準偏差ｓは、下記の［数１］によって求めることができる。

よって、Ａ＝ｓ×（２の平方根）である。したがって、データを、標準偏差×（２の平方根）で除算することで、振幅１のサイン波にゲイン補正することができる。具体的には、角度演算器１３ａにより、Ａ相信号を、Ａ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算し、Ｂ相信号を、Ｂ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算する。

上記のようにオフセット補正及びゲイン補正をすることにより、図３に示すような補正されたＡ相信号とＢ相信号が得られる。
角度演算器１３ａは、補正されたＡ相信号及びＢ相信号に基づいて回転体７の回転角度を演算する。Ａ相信号とＢ相信号は、位相が９０°ずれており、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号として扱うことができる。Ａ相信号とＢ相信号からｓｉｎθ、ｃｏｓθ（θ：回転角度）のデータを取得し、下記の（８）式により回転角度を算出する。
θ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）・・・（８）

アンバランス量演算器１３ｂは、角度演算器１３ａで算出された回転角度と、振動センサ１２からの信号に基づいて、回転体７のアンバランス量を算出する。

上述した本発明の回転角度検出方法及び装置１０によれば、Ａ相信号及びＢ相信号をそれぞれの信号の平均値が０となるように補正することで、Ａ相信号とＢ相信号のオフセットがゼロとなる。また、Ａ相信号及びＢ相信号を振幅が互いに等しくなるように補正することで、Ａ相信号とＢ相信号のゲインが同じになる。そして、オフセット補正・ゲイン補正をしたＡ相信号とＢ相信号を使用して演算することで、正確な回転角度を算出することができる。

また、Ａ相信号及びＢ相信号の振幅が等しくなるように補正する際に、例えばデータの最小値と最大値を使用して算出すると、特異なデータがあった場合にその影響を受けやすいが、上述したようにＡ相信号とＢ相信号のそれぞれの標準偏差を用いて算出することにより、特異なデータがあった場合でもその影響を受けにくい。

図４に、標準偏差を用いてサイン波Ｓ１を振幅１のサイン波Ｓ２に補正した例を示す。図４に示すように、サイン波Ｓ１の２箇所のデータにはサイン波と異なるデータが含まれているが、振幅１のサイン波Ｓ２に補正できていることが分かる。
なお、ゲイン補正において、Ａ相信号及びＢ相信号の振幅が等しくなれば、補正後の振幅は必ずしも１でなくてもよい。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の第実施形態にかかる回転角度検出装置の構成を示す図である。センサにより生成されたＡ相信号とＢ相信号の波形の一例を示す図である。角度演算器により補正されたＡ相信号とＢ相信号の波形の一例を示す図である。標準偏差を用いてサイン波Ｓ１を振幅１のサイン波Ｓ２に補正した例を示す図である。特許文献１に開示されたアンバランス計測装置の構成図である。磁気センサによる回転角度検出の原理を説明する模式図である。

符号の説明

１アンバランス計測装置
２ベース
３バネ部材
４マウント
６回転機械
７回転体
８軸
１０回転角度検出装置
１１センサ
１１Ａ磁気センサ
１１ａ、１１ｂ磁気抵抗素子
１２振動センサ
１３演算装置
１３ａ角度演算器
１３ｂアンバランス量演算器

Claims

回転体を回転させて互いに位相が９０°ずれた正弦波状のＡ相信号とＢ相信号を取得し、
Ａ相信号及びＢ相信号をそれぞれの信号の平均値が０となるように補正し、
Ａ相信号及びＢ相信号を振幅が互いに等しくなるように補正し、
補正されたＡ相信号及びＢ相信号に基づいて回転体の回転角度を演算し、
Ａ相信号及びＢ相信号の振幅が等しくなるように補正する際に、
Ａ相信号を、Ａ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算し、これにより、Ａ相信号を補正し、
Ｂ相信号を、Ｂ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算し、これにより、Ｂ相信号を補正する、ことを特徴とする回転角度検出方法。
回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記回転体が回転することで互いに位相が９０°ずれた正弦波状のＡ相信号とＢ相信号を生成するセンサと、
該センサからの信号を補正して回転体の角度を演算する角度演算器とを備え、
該角度演算器は、Ａ相信号及びＢ相信号をそれぞれの信号の平均値が０となるように補正するとともに、Ａ相信号及びＢ相信号を振幅が互いに等しくなるように補正し、補正されたＡ相信号及びＢ相信号に基づいて回転体の回転角度を演算し、
前記角度演算器は、Ａ相信号及びＢ相信号の振幅が等しくなるように補正する際に、Ａ相信号を、Ａ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算し、これにより、Ａ相信号を補正し、Ｂ相信号を、Ｂ相信号の標準偏差に２の平方根を乗算して得た値で除算し、これにより、Ｂ相信号を補正する、ことを特徴とする回転角度検出装置。