JP6204000B2

JP6204000B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP6204000B2
Application number: JP2012117945A
Authority: JP
Inventors: 聡一川村
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: JP2013245959A

Description

本発明は、工作機械の主軸等の回転位置や回転速度等の検出に利用される位置検出装置の改良に関する。

従来から特許文献１に記載されているような位置検出装置が知られている。図３は特許文献１に開示された位置検出装置の検出原理を示すブロック線図である。

回転軸等の被検出体に取付けられたギア１は、鉄などの磁性体で構成されている。磁気抵抗素子およびバイアスマグネットから成るセンサ２は、ギア１が回転することによって、その歯に基づいて発生する磁束変化が電気信号ｘおよびｙとして出力される。これらの電気信号ｘおよびｙは一般的に２相交流信号であり、次の式１，２のように表わされる。
ｘ＝Ｖ・ｓｉｎθ＋Ｖａ・・・式１
ｙ＝Ｖ・ｃｏｓθ＋Ｖｂ・・・式２

ここで、Ｖは２相信号の振幅、Ｖａは信号ｘに含まれる直流成分であり、Ｖｂは信号ｙに含まれる直流成分である。θは２相信号の位相であり、ギア１の回転角度をΦ、ギア１の歯数をｍとすると、位相θは、θ＝ｍ・Φとなる。

これら２相信号ｘおよびｙは、それぞれＡ／Ｄコンバータ３ａおよび３ｂによって瞬時値（ｘ，ｙ）に変換され、減算器１９ａ，１９ｂ、および、瞬時値保持部９に入力される。瞬時値保持部９では、次の条件１、または、条件２を満たす４組の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）を抽出し、４個のバッファに保持する。
＜条件１＞
（ｘ１，ｙ１）はｘ≧０かつｙ≧０かつ｜ｘ｜≧｜ｙ｜
（ｘ２，ｙ２）はｘ≧０かつｙ＜０かつ｜ｘ｜＜｜ｙ｜
（ｘ３，ｙ３）はｘ＜０かつｙ＜０かつ｜ｘ｜≧｜ｙ｜
（ｘ４，ｙ４）はｘ＜０かつｙ≧０かつ｜ｘ｜＜｜ｙ｜
＜条件２＞
（ｘ１，ｙ１）はｘ≧０かつｙ≧０かつ｜ｘ｜＜｜ｙ｜
（ｘ２，ｙ２）はｘ≧０かつｙ＜０かつ｜ｘ｜≧｜ｙ｜
（ｘ３，ｙ３）はｘ＜０かつｙ＜０かつ｜ｘ｜＜｜ｙ｜
（ｘ４，ｙ４）はｘ＜０かつｙ≧０かつ｜ｘ｜≧｜ｙ｜

直流成分検出部１０は、前記瞬時値保持部９で抽出し、保持された４組の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）から直流成分の演算を行う。すなわち、２相信号の振幅Ｖが一定であり、ｘ相およびｙ相の位相θが常に一致している場合、２相信号（ｘ，ｙ）の軌跡は一つの円を描き、その円の中心座標は（Ｖａ，Ｖｂ）となる。この中心座標（Ｖａ，Ｖｂ）は、点（ｘ１，ｙ１）と点（ｘ３，ｙ３）を結ぶ線分、および、点（ｘ２，ｙ２）と点（ｘ４，ｙ４）を結ぶ線分それぞれの垂直二等分線の交点として演算で求めることができる。

このように演算した直流成分Ｖａ，Ｖｂを、減算器１９ａ，１９ｂにおいて２相信号から減算すると直流成分を含まない理想的な２相交流信号、ｘ＝Ｖ・ｓｉｎθ、および、ｙ＝Ｖ・ｃｏｓθが得られる。この理想的な２相交流信号を除算器６に入力すると出力は、ｘ／ｙ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθとなる。

除算器６の出力ｔａｎθは、変換器７によってｔａｎ関数の逆変換がなされ、位相θ＝ｔａｎ^−１（ｘ／ｙ）＝ｔａｎ^−１（ｔａｎθ）が検出される。そして、この得られた位相θに基づいて、回転角度Φの演算が行われる。

特許第３３９１６４６号公報

ここで、上述した技術は、２相信号の振幅Ｖが一定、かつ、ｘ相とｙ相で位相差が生じておらず、２相信号の軌跡が円となる場合を前提としている。一方、位置検出装置においては、検出装置の取付時の傾きなどによって前記２相信号の振幅Ｖが回転に伴い変化する場合がある。例えば、図３のセンサ２において矢印２ａ方向にセンサ２が傾いている場合はｘの振幅は小さく、ｙの振幅は大きくなるため、横軸ｘ縦軸ｙとした平面上の前記２相信号の軌跡は縦長の楕円となる。また、検出素子の配置ずれなどによって前記２相信号の位相θがずれた場合、例えば、図３のセンサ２において矢印２ｂ方向にｙ側の検出素子がずれている場合はｙの位相θが遅れるため、横軸ｘ縦軸ｙとした平面上の前記２相信号の軌跡は４５°または−４５°傾いた楕円となる。そして、２相信号に振幅誤差と位相誤差の両方がある場合、その軌跡は図４に示すようなある傾きを持った楕円となる。このように、振幅誤差や位相誤差により、信号の軌跡が楕円形状となる２相信号の場合、上述した従来の方法では、正確な直流成分を得ることはできない。楕円上の４点の瞬時値から垂直二等分線の交点として楕円の中心を求めるためには、楕円の長軸、短軸との交点など、限定された点で抽出した瞬時値が必要となる。

条件１，２を満たす４組の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）は、前記軌跡の楕円上のある抽出領域の瞬時値と中心に対して対向する領域の瞬時値の位置が１８０°から±４５°の範囲でずれる可能性がある。かかる瞬時値によって計算される位置は図４に示すように楕円の中心位置からの誤差が大きくなる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明は検出器の取付時の傾きなどによる２相信号の振幅誤差や検出器の素子の配置のずれなどによる２相信号の位相誤差があるような場合においても、常に精度よく直流成分を検出することができ、その結果、精度のよい位置検出を行うことができる誤差補正機能付き位置検出装置の提供を目的とする。

本発明の位置検出装置は、被検出体の変動に応じて変動し、互いに９０度位相が異なる２相信号ｘ＝Ｖ・ｃｏｓθ＋Ｖａ、ｙ＝Ｖ・ｓｉｎθ＋Ｖｂに基づいて被検出体の位置を検出する位置検出装置であって、φを任意の角度、αを微小角度とした場合、前記２相信号の瞬時値（ｘ，ｙ）のうち、φ−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋αを満たす瞬時値を（ｘ１，ｙ１）、φ＋９０−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋９０＋αを満たす瞬時値を（ｘ２，ｙ２）、φ＋１８０−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋１８０＋αを満たす瞬時値を（ｘ３，ｙ３）、φ＋２７０−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋２７０＋αを満たす瞬時値を（ｘ４，ｙ４）、として保持する瞬時値保持部と、前記２相信号の軌跡が描く円または楕円の中心と一致する前記直流成分（Ｖａ，Ｖｂ）の値を、前記４組の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）に基づいて算出する直流成分検出部と、前記直流成分検出部で算出された直流成分（Ｖａ，Ｖｂ）と前記２相信号（ｘ，ｙ）との差信号に基づいて、前記被検出体の位置を検出する位置検出部と、を具備したことを特徴とする。

本発明の位置検出装置によれば、検出装置が２相信号に振幅誤差、位相誤差を持つように取り付けられた場合においても、２相信号に含まれる直流成分を精度よく検出し、補正して位置を検出することができ、高精度な位置検出装置を実現できる。

本発明の実施形態である位置検出装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。本発明の実施形態における直流成分検出動作を説明するための図である。従来の位置検出装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。従来技術による、直流成分検出動作を説明するための図である。

本実施形態の位置検出装置においては、振幅、位相の異なる２相信号の軌跡である楕円上の相異なる４点の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）の抽出の際における抽出領域を限定することで、直流成分の検出の精度を高めている。より具体的に説明すると、φを任意の角度とすると、φ，φ＋９０°，φ＋１８０°，φ＋２７０°の各位置から±α°の微小角度の範囲だけを抽出領域として限定している。換言すれば、本実施形態では、ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）が、９０°ずつ、ずれるように、（ｘ１，ｙ１）〜（ｘ４，ｙ４）を抽出している。以下、図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態である位置検出装置のシステム構成の一例を示すブロック線図である。図２は、本実施形態における直流成分検出動作を説明するための図である。

図１において、１は回転軸等の被検出体に取付けられたギアであり、一般的に鉄などの磁性体で構成されている。２は、センサであり、磁気抵抗素子およびバイアスマグネットから成り、ギア１が回転することによって、その歯に基づいて発生する磁束変化が電気信号ｘおよびｙとして出力される。これらの電気信号ｘおよびｙは一般的に２相交流信号であり、ｘ＝Ｖ・ｃｏｓθ＋Ｖａ、ｙ＝Ｖ・ｓｉｎθ＋Ｖｂと表される。

ここで、Ｖは２相信号の振幅、Ｖａは信号ｘに含まれる直流成分であり、Ｖｂは信号ｙに含まれる直流成分である。θは２相信号の位相であり、ギア１の回転角度をΦ、ギア１の歯数をｍとすると、位相θはθ＝ｍ・Φとなる。

これら２相信号ｘおよびｙは、それぞれＡ／Ｄコンバータ３ａ，３ｂによって瞬時値（ｘ，ｙ）に変換され、減算器１９ａ，１９ｂ、および、瞬時値保持部９に入力される。

瞬時値保持部９は、Ａ／Ｄコンバータ３ａ，３ｂの出力である各２相信号の瞬時値（ｘ，ｙ）から、ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）を順次算出する。そして、算出されたｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）が、下記条件３を満たす際の４組の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）を抽出し、４個のバッファに保持する。なお、バッファは具体的な実施例においては、データレジスタやマイクロプロセッサ等を用いる場合にはメモリなどを用いる。
＜条件３＞
（ｘ１，ｙ１）は、φ−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋α
（ｘ２，ｙ２）は、φ＋９０−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋９０＋α
（ｘ３，ｙ３）は、φ＋１８０−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋１８０＋α
（ｘ４，ｙ４）は、φ＋２７０−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋２７０＋α

ここで、上記条件３の各角度領域において少なくとも１点の瞬時値を抽出するための微小角度αの下限は、図１のギア１の回転数をｎ（ｍｉｎ−１）とすると、θの角速度は３６０×ｍ×ｎ／６０＝６ｍｎ（°／ｓｅｃ）となり、瞬時値抽出周期をＴ（ｓｅｃ）とすると、瞬時値抽出周期１周期あたりの回転角は６ｍｎＴ°となるため、この回転角が瞬時値抽出角度領域±α°内に収まるためには、６ｍｎＴ≦２α、つまり、３ｍｎＴ≦αとなる。また、瞬時値の抽出領域が重複しないαの上限は４５°であるが、αは微小角のため、α≪４５°となる。これよりαの範囲は、３ｍｎＴ≦α≪４５°と表すことができる。また、より誤差を低減するためには、αの値は極力小さいことが望ましく、一つの角度領域において２点以上の瞬時値が存在しないことが望ましい。そのためには、αは６ｍｎＴより小さい（α＜６ｍｎＴ）ことが望ましい。

上記条件３によって抽出された瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）は、２相信号の軌跡である円周上の点として図２のように表される。図２中の斜線は瞬時値を抽出する角度範囲を表す。瞬時値保持部９に保持された瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）を用いて、直流成分検出部１０は下記式３および式４の演算に基づいて２相信号に含まれる直流成分Ｖａ，Ｖｂを演算する。
Ｖａ＝１／２・［｛（ｘ１^２−ｘ３^２）（ｙ２−ｙ４）−（ｘ２^２−ｘ４^２）（ｙ１−ｙ３）＋（ｙ１−ｙ３）（ｙ２−ｙ４）（ｙ１＋ｙ３−ｙ２−ｙ４）｝／｛（ｘ１−ｘ３）（ｙ２−ｙ４）−（ｘ２−ｘ４）（ｙ１−ｙ３）｝］・・・式３
Ｖｂ＝１／２・［｛（ｙ１^２−ｙ３^２）（ｘ２−ｘ４）−（ｙ２^２−ｙ４^２）（ｘ１−ｘ３）＋（ｘ１−ｘ３）（ｘ２−ｘ４）（ｘ１＋ｘ３−ｘ２−ｘ４）｝／｛（ｙ１−ｙ３）（ｘ２−ｘ４）−（ｙ２−ｙ４）（ｘ１−ｘ３）｝］・・・式４

上記演算は図２において、点（ｘ１，ｙ１）と点（ｘ３，ｙ３）を結ぶ線分、および点（ｘ２，ｙ２）と点（ｘ４，ｙ４）を結ぶ線分それぞれの垂直二等分線の交点座標を求める演算である。得られた座標点（Ｖａ，Ｖｂ）は、図２の楕円の中心点に近い点であり、２相信号の直流成分に類似する。

ここで、この交点（Ｖａ，Ｖｂ）の算出に用いられる（ｘ１，ｙ１）〜（ｘ４，ｙ４）は、上述した通り、上記条件３に基づいて抽出された瞬時値である。この場合、瞬時値（ｘ１，ｙ１）と（ｘ３，ｙ３）、および、（ｘ２，ｙ２）と（ｘ４，ｙ４）は、常に、原点を挟んでほぼ１８０°反対側に位置することになる。換言すれば、従来技術のように、±４５°近くずれることがない。その結果、最終的に得られる交点（Ｖａ，Ｖｂ）は、常に、楕円の中心に類似した値にすることができる。

演算で得られた直流成分Ｖａ，Ｖｂを、減算器１９ａおよび１９ｂにおいて２相信号から減算することによって補正すると、直流成分を含まない理想的な２相交流信号を得ることができる。この理想的な２相交流信号を除算器６に入力すると出力は、ｘ／ｙ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθとなる。除算器６の出力ｔａｎθは、変換器７によってｔａｎ関数の逆変換がなされ、位相θ＝ｔａｎ^−１（ｘ／ｙ）＝ｔａｎ^−１（ｔａｎθ）が検出される。そして、この得られた位相θに基づいて、回転角度Φの演算が行われる。

すなわち、検出された回転位置θは、ギア１の歯の１個分を１周期とする微小な位置である。一方、２相信号ｘおよびｙはコンパレータ４ａおよび４ｂによってパルス信号化されてカウンタ回路５に入力される。このカウンタ回路５では、パルス信号ｘａおよびｙａをカウントすることによって上記回転位置θの１周期を越える範囲の回転位置上位桁ｕｄが検出される。この回転位置上位桁ｕｄと上記の回転位置θは加算器８において加算され、ギア１の全周にわたる回転位置検出値Φが得られる。なお、一般的に図１の破線で示される部分はマイクロプロセッサ等を用いてソフトウェア処理される。

以上、本発明の実施形態を磁気式回転位置検出装置を例に挙げて説明したが、本発明の原理は磁気式回転位置検出装置に限定されず、直線移動型の位置検出装置でも全く同様に適用できる。また、ギアを利用した磁気式に限らず、例えば着磁されたドラムを利用した検出器、光学式の検出器など２相正弦波信号を利用したものでも同様に適用できる。

１ギア、２センサ、３Ａ/Ｄコンバータ、４コンパレータ、５カウンタ回路、６除算器、７変換器、８加算器、９瞬時値保持部、１０直流成分検出部、１１振幅変動検出部、１８直流成分保持部、１９減算器。

Claims

被検出体の変動に応じて変動し、互いに９０度位相が異なる２相信号ｘ＝Ｖ・ｃｏｓθ＋Ｖａ、ｙ＝Ｖ・ｓｉｎθ＋Ｖｂに基づいて被検出体の位置を検出する位置検出装置であって、
φを任意の角度、αを微小角度とした場合、前記２相信号の瞬時値（ｘ，ｙ）のうち、φ−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋αを満たす瞬時値を（ｘ１，ｙ１）、φ＋９０−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋９０＋αを満たす瞬時値を（ｘ２，ｙ２）、φ＋１８０−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋１８０＋αを満たす瞬時値を（ｘ３，ｙ３）、φ＋２７０−α≦ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）≦φ＋２７０＋αを満たす瞬時値を（ｘ４，ｙ４）、として保持する瞬時値保持部と、
前記２相信号の軌跡が描く円または楕円の中心と一致する前記直流成分（Ｖａ，Ｖｂ）の値を、前記４組の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）に基づいて算出する直流成分検出部と、
前記直流成分検出部で算出された直流成分（Ｖａ，Ｖｂ）と前記２相信号（ｘ，ｙ）との差信号に基づいて、前記被検出体の位置を検出する位置検出部と、
を具備した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、
前記被検出体が歯数ｍ、回転数ｎ（ｒｐｍ）のギヤであり、前記瞬時値の抽出周期がＴの場合、前記微小角度αは、３ｍｎＴ≦α≪４５°である、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、
前記直流成分検出部は、
Ｖａ＝１／２・［｛（ｘ１^２−ｘ３^２）（ｙ２−ｙ４）−（ｘ２^２−ｘ４^２）（ｙ１−ｙ３）＋（ｙ１−ｙ３）（ｙ２−ｙ４）（ｙ１＋ｙ３−ｙ２−ｙ４）｝
／｛（ｘ１−ｘ３）（ｙ２−ｙ４）−（ｘ２−ｘ４）（ｙ１−ｙ３）｝］、
Ｖｂ＝１／２・［｛（ｙ１^２−ｙ３^２）（ｘ２−ｘ４）−（ｙ２^２−ｙ４^２）（ｘ１−ｘ３）＋（ｘ１−ｘ３）（ｘ２−ｘ４）（ｘ１＋ｘ３−ｘ２−ｘ４）｝
／｛（ｙ１−ｙ３）（ｘ２−ｘ４）−（ｙ２−ｙ４）（ｘ１−ｘ３）｝］、
の式に基づいて、直流成分検出値Ｖａ，Ｖｂを演算する、ことを特徴とする位置検出装置。