JP5529666B2

JP5529666B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP5529666B2
Application number: JP2010170840A
Authority: JP
Inventors: 太志嶋田; 康一林
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-07-29
Also published as: JP2012032230A; ITRM20110397A1; US9140581B2; CN102401664B; US20120029868A1; DE102011079912A1; CN102401664A

Description

本発明は、測定変位に対して正弦波状に変化するとともに互いに９０度位相が異なる２つの信号を出力する位置センサからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置に関する。

測定変位に対応して正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力する位置センサからの出力信号に含まれるオフセット成分を、前記２つの信号の自乗和の平方根を演算する半径演算手段を用いて求め、前記オフセット成分を自動的に除去し、高精度な位置情報に変換する位置検出装置としては、例えば、特許文献１などに開示されている。

図４は特許文献１を引用した図であり、本発明に関して必要性がない装置等に関しては省略している。図４のロータ１は、外周部に波長λ＝１０度のピッチで１回転内に３６個の凹凸を有する磁性体からできており、回転軸に固定されている。そして回転軸が回転するとロータ外周部の凹凸によるリラクタンス変化により、２種類の検出コイル２と３では、回転変位θ／３６の余弦波アナログ信号ＡＣと正弦波アナログ信号ＡＳが発生する。これらの信号は、それぞれＡＤ変換器４，５により、デジタル信号ＤＣ，ＤＳに変換される。電源投入時、記憶器６と７には、位置検出装置製造時に測定されたオフセット成分が記憶されており、減算器８，９により、デジタル信号ＤＣ，ＤＳに含まれるオフセット成分を除去した信号ＤＣＡ，ＤＳＣが出力される。内挿演算器１２で、信号ＤＣＡ，ＤＳＣは２変数を入力とする逆正接演算が行われ、回転軸の１／３６回転内の回転量を示す位置信号ＩＰに変換される。

電源投入後、オフセット成分を除去した信号ＤＣＡ，ＤＳＣは、半径演算器１０により、式１の計算が行われ、半径量ＲＤが出力される。なお、ＳＱＲＴは平方根、＾２は２乗を表す。
ＲＤ＝ＳＱＲＴ（ＤＣＡ＾２＋ＤＳＣ＾２）・・・式１

フーリエ解析器（ＦＦＴ）１１では、回転位置がλ変化するごとに、内挿演算器１２が出力した内挿値ＩＰと、λ／２^ｎ（ｎは３以上の整数）の位置変化ごとの半径量ＲＤに相当する値に基づき、フーリエ解析が行われる。そして、フーリエ解析結果の１次成分である余弦成分Ｃ１，正弦成分Ｓ１と記憶器６，７が記憶するオフセット成分ＣＯ，ＳＯとが加算器１３，１４により加算され、フーリエ解析器１１から出力される記憶指令信号ＳＥＴが記憶器６，７に入力されるタイミングで、記憶器６，７に記憶されているオフセット成分ＣＯ，ＳＯが随時更新される。なお、フーリエ解析結果の１次成分がオフセット変位量に相当する原理は特許文献１に記載されているため、ここでは説明を省略する。

特開２００８−２３２６４９号公報

特許文献１に記載されている半径量ＲＤより、オフセット成分を演算する方法では、フーリエ解析を行うために波長λピッチ内で１／２^ｎの位置変化ごとの半径量ＲＤに相当する値を、算出しなければならない。そのため、ＡＤサンプル周期あたり、λ／２^ｎ以上位置が変化する速度では、フーリエ解析を行うことが出来ないため、オフセット成分を抽出することが出来ないという問題がある。

本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、測定変位に対して正弦波状に変化するとともに互いに９０度位相が異なる２つの信号に含まれる、内挿精度を悪化させるオフセット成分を高速回転時でも同定し、内挿精度を向上させることにある。また、これによって、位置検出装置の高精度化と高速化を両立させることにある。

本発明の位置検出装置は、測定変位に応じた位置情報を出力する位置検出装置において、測定対象物の変位に伴い正弦波状に変化するとともに互いに位相が９０度異なる２つの信号を出力する位置センサと、前記位置センサからの出力信号に含まれるオフセット成分を、当該出力信号から除去するオフセット成分除去手段と、前記オフセット成分除去後の２つの信号を位置情報に変換する内挿演算手段と、前記位置センサからの２つの信号又は、前記オフセット成分除去後の２つの信号の自乗和の平方根を演算する半径演算手段と、前記半径演算手段の出力の変動成分と前記オフセット成分除去後の２つの信号とをそれぞれ乗算する相関演算手段と、前記相関演算手段の出力値のＤＣ成分を抽出するＤＣ成分抽出手段と、前記ＤＣ成分抽出手段の出力値に基づいて、オフセット変位分を含んだオフセット成分を出力する手段と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、さらに、前記内挿演算手段からの位置情報を微分して、速度信号に変換する速度変換手段と、前記オフセット成分を記憶するオフセット記憶手段と、を有し、前記ＤＣ成分抽出手段は前記相関演算手段の出力を入力とする低域通過フィルタから成り、前記オフセット記憶手段は、前記速度信号の値が規定の閾値より大きい場合に、前記オフセット変位分を含んだオフセット成分を新たなオフセット成分として記憶する。

他の好適な態様では、前記位置センサの出力信号の１サイクル変化する移動量をλとすると、前記ＤＣ成分抽出手段は、前記位置情報がλ／ｍ（ｍは２以上の整数)変化するごとの前記相関演算手段の出力値を入力とし、前記位置情報がλ移動する間に入力されたｍ個の前記相関演算手段の出力値の平均値に基づきＤＣ成分を抽出する。

他の好適な態様では、さらに、前記相関演算手段は、前記半径演算手段の出力値のＤＣ成分を出力する低域通過フィルタと、前記半径演算手段の出力値から前記低域通過フィルタから出力されたＤＣ成分を除去する減算器と、を備え、前記減算器からの出力が前記半径演算手段の出力の変動成分として前記相関演算手段に入力される。

本発明によれば、フーリエ変換を用いずとも、半径演算手段の出力と位置センサの２つの信号の相関演算により、オフセット成分に相当する成分を抽出できるため、特許文献１記載の技術と同様にオフセットを高精度に同定することが可能である。またＡＤ変換器のサンプル周期あたり、λ／２^ｎ以上位置が変化する回転速度の場合でも高精度にオフセットを同定することが可能である。したがって、高速回転でもオフセットの経時変化を、正確に同定し、かつ精度悪化成分を除去し、内挿精度を大幅に向上させることが可能である。これによって、位置検出装置の高精度化と高速化を両立させることができる。

本発明の第一実施形態を示す位置検出装置のブロック図である。本発明の第二実施形態を示す位置検出装置のブロック図である。本発明の第三実施形態を示す位置検出装置のブロック図である。従来の位置検出装置の構成を示すブロック図である。

（第一実施形態）
以下、図面に基づいて本発明の第一実施形態を説明する。図１は、本発明の第一実施形態である位置検出装置の構成を示すブロック図である。同図で図４と同じ機能のものは同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１に示すとおり、２種類の検出コイル２，３から出力されたアナログ信号ＡＣ，ＡＳは、ＡＤ変換器４，５によりデジタル信号ＤＣ，ＤＳに変換される。このデジタル信号ＤＣ，ＤＳから、製造時に測定されたオフセット成分ＣＯ，ＳＯが減算器８，９により減算された信号ＤＣＡ，ＤＳＣが半径演算器１０に入力される。半径演算器では、式１の計算が行われ、半径量ＲＤが出力される。

半径演算器１０から出力される半径量ＲＤは低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１５に入力され、半径量ＲＤのＤＣ成分である信号ＲＤＤが出力される。そして半径ＲＤから信号ＲＤＤが減算器１６により減算され、半径ＲＤの変動成分である信号ＲＤＡが出力される。乗算器１７，１８は信号ＲＤＡとデジタル信号ＤＣ，ＤＳからオフセット成分ＣＯ，ＳＯを除去した信号ＤＣＡ，ＤＳＡを、それぞれ乗算する相関演算をし、信号ＣＯＭ，ＳＯＭを出力する。

ＤＣ成分抽出手段である低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１９，２０に信号ＣＯＭ，ＳＯＭが入力され、信号ＣＯＭ，ＳＯＭのＤＣ成分ＣＯＭＤＣ，ＳＯＭＤＣが出力される。位置センサ出力信号ＡＣ，ＡＳの変化周波数が、低域通過フィルタ１９，２０のカットオフ周波数より十分高い回転速度では、この信号ＣＯＭＤＣ，ＳＯＭＤＣは信号ＣＯＭ，ＳＯＭのＤＣ成分に相当する。また、信号ＣＯＭＤＣ，ＳＯＭＤＣは信号ＤＣＡ，ＤＳＡの振幅成分に比例しているため、演算器２１，２２にて、信号ＤＣＡ，ＤＳＡの振幅成分と同等である半径のＤＣ成分ＲＤＤで除算し、２倍することにより信号ＤＣＡ，ＤＳＣに含まれるオフセット変位分ＣＯＤＦ，ＳＯＤＦが出力される。

加算器１３，１４では、記憶器６，７が記憶する信号ＤＣ，ＤＳのオフセット成分を除去するための信号ＣＯ，ＳＯと、演算器２１，２２により出力されたオフセット変位分ＣＯＤＦ，ＳＯＤＦが加算される。そして、記憶器６，７には、加算器１３，１４が出力するオフセット変位分を含んだオフセット成分が設定される。このオフセット成分の設定により、位置センサ出力信号ＡＣ，ＡＳの変化周波数が、低域通過フィルタ１９，２０のカットオフ周波数より十分高い回転速度では、適切なオフセット成分が得られることになる。

ここで、位置センサ出力信号ＡＣ，ＡＳの変化周波数が、低域通過フィルタ１９，２０のカットオフ周波数よりも低い回転速度では、低域通過フィルタ１９，２０はＤＣ成分を抽出できない。そのため、低速回転ではオフセットの設定を止める必要がある。そこで、内挿演算器１２が出力した内挿値ＩＰの差分演算により、速度変換器２３では速度信号ＶＥＬを出力する。速度信号ＶＥＬは記憶器２４に記憶されている設定速度と比較器２５にて比較され、速度信号ＶＥＬが設定速度よりも大きい速度の場合、比較器２５は記憶指令信号ＳＥＴを出力する。記憶器６，７では記憶指令信号ＳＥＴが入力された時、加算器１３，１４が出力するオフセット変位分を含んだオフセット成分を記憶器６，７に設定する。逆に、記憶指令信号ＳＥＴが入力されない場合、記憶器６，７は、オフセット変位分を含んだオフセット成分の設定を行わない。これにより、低域通過フィルタ１９，２０のカットオフ周波数より十分高い回転速度の場合のみ、オフセット成分ＣＯ，ＳＯが更新されることになる。

（第二実施形態）
次に第二実施形態について説明する。図２は、第二実施形態である位置検出装置の構成を示す図である。第一実施形態では、半径演算器１０の入力として、オフセット成分除去後の信号ＤＣＡ，ＤＳＡを使用したが、本実施形態では、図２に示すように半径演算器１０の入力として、オフセット成分除去前の信号ＤＣ，ＤＳを入力としている。この場合、演算器２１，２２が出力する値は、信号ＤＣ，ＤＳのオフセット成分ＣＯ，ＳＯとなるため、図１記載の加算器１３，１４は不要となる。ただし、この構成では、位置センサ出力信号に含まれるオフセット成分が大きい場合に、オフセットの同定精度が低下する可能性がある。

（第三実施形態）
次に第三実施形態について説明する。図３は、第三実施形態である位置検出装置の構成を示す図である。第一実施形態ではでは、乗算器１７，１８より出力される信号ＣＯＭ，ＳＯＭのＤＣ成分を抽出する手段として低域通過フィルタ１９，２０を使用したが、第三実施形態では、図３に示すように、位置センサの出力信号が１サイクル変化した時の平均値をＤＣ成分として抽出している。

より具体的に説明すると、平均化処理器２６，２７は、内挿演算器１２より出力される内挿値ＩＰがλ／ｍ（λはロータ１の１ピッチの移動量、ｍは２以上の整数)変化するごとの乗算器１７，１８より出力される信号ＣＯＭ，ＳＯＭの値のｍ個分を平均化した信号ＡＣＯＭＤＣ，ＡＳＯＭＤＣを出力する。この信号ＡＣＯＭＤＣ，ＳＯＭＤＣはＣＯＭ，ＳＯＭのＤＣ成分となる。演算器２１，２２はＡＣＯＭＤＣ，ＳＯＭＤＣを入力として、第一実施形態と同様の演算を行い、信号ＤＣＡ，ＤＳＣに含まれるオフセット変位分ＣＯＤＦ，ＳＯＤＦを出力する。

そして内挿値ＩＰの移動量がλである時に、平均化処理器２６，２７は記憶指令信号ＳＥＴを出力し、第一実施形態と同様の原理で記憶器６，７に記憶されているオフセット成分ＣＯ，ＳＯが随時更新される。

以上の説明から明らかなように、上述の三種類の実施形態の構成により、信号ＤＣ，ＤＳのオフセット成分を高精度に同定し、信号ＤＣ，ＤＳから除去することが可能である。なお、上述の説明では、半径ＲＤのＤＣ成分を除去し変動成分を抽出するために低域通過フィルタ１５を使用したが、あらかじめ位置検出装置製造時に半径量のＤＣ成分を測定し、不揮発性メモリに値を記憶させ、減算器１６により、半径量ＲＤの変動成分を抽出することも可能である。また、第一実施形態または第二実施形態と、第三実施形態と、を組み合わせ、低速では第三実施形態、高速では第一実施形態または第二実施形態と切り替えてオフセット成分を同定することも可能である。

１ロータ、２，３検出コイル、４，５ＡＤ変換器、６，７，２４記憶器、８，９，１６減算器、１０半径演算器、１１フーリエ解析器、１２内挿演算器、１３，１４加算器、１５，１９，２０低域通過フィルタ、１７，１８乗算器、２１，２２演算器、２３速度変換器、２５比較器、２６，２７平均化処理器。

Claims

測定変位に応じた位置情報を出力する位置検出装置において、
測定対象物の変位に伴い正弦波状に変化するとともに互いに位相が９０度異なる２つの信号を出力する位置センサと、
前記位置センサからの出力信号に含まれるオフセット成分を、当該出力信号から除去するオフセット成分除去手段と、
前記オフセット成分除去後の２つの信号を位置情報に変換する内挿演算手段と、
前記位置センサからの２つの信号又は、前記オフセット成分除去後の２つの信号の自乗和の平方根を演算する半径演算手段と、
前記半径演算手段の出力の変動成分と前記オフセット成分除去後の２つの信号とをそれぞれ乗算する相関演算手段と、
前記相関演算手段の出力値のＤＣ成分を抽出するＤＣ成分抽出手段と、
前記ＤＣ成分抽出手段の出力値に基づいて、オフセット変位分を含んだオフセット成分を出力する手段と、
を備えることを特徴とする位置検出装置。
請求項１に記載の位置検出装置であって、さらに、
前記内挿演算手段からの位置情報を微分して、速度信号に変換する速度変換手段と、
前記オフセット成分を記憶するオフセット記憶手段と、
を有し、
前記ＤＣ成分抽出手段は前記相関演算手段の出力を入力とする低域通過フィルタから成り、
前記オフセット記憶手段は、前記速度信号の値が規定の閾値より大きい場合に、前記オフセット変位分を含んだオフセット成分を新たなオフセット成分として記憶する、
ことを特徴とする位置検出装置。
請求項１または２に記載の位置検出装置であって、
前記位置センサの出力信号の１サイクル変化する移動量をλとすると、
前記ＤＣ成分抽出手段は、前記位置情報がλ／ｍ（ｍは２以上の整数)変化するごとの前記相関演算手段の出力値を入力とし、前記位置情報がλ移動する間に入力されたｍ個の前記相関演算手段の出力値の平均値に基づきＤＣ成分を抽出する、
ことを特徴とする位置検出装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の位置検出装置であって、さらに、
前記相関演算手段は、前記半径演算手段の出力値のＤＣ成分を出力する低域通過フィルタと、
前記半径演算手段の出力値から前記低域通過フィルタから出力されたＤＣ成分を除去する減算器と、
を備え、
前記減算器からの出力が前記半径演算手段の出力の変動成分として前記相関演算手段に入力される、
ことを特徴とする位置検出装置。