KR101135733B1 - 자극 위치 검출 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

2개의 자기 센서를 임의의 간격으로 배치해도 자극 위치를 올바르게 취득할 수 있는 자극 위치 검출 장치를 얻는 것을 목적으로 하여, 모터의 자극 배열 방향을 따라서 소정의 간격 L을 두고 배치되는 2개 자기 센서의 각 센서 출력 a, b와, 2개 센서 출력 a, b 사이의 위상차 φ를 입력으로 하고, sinφ＞δ인 경우는 aㆍsinφ를 b－aㆍcosφ로 나누어 tanθ를 구하고, 자극 위치 θ=tan^－1｛aㆍsinφ/(b－aㆍcosφ)｝를 출력한다. 또, sinφ

δ인 경우는 a=sinθ, b=sin(θ＋φ)이기 때문에, 자극 위치 θ=｛sin^－1(a)＋cos^－1(b)－φ｝/2를 출력한다. φ=2π×L/(자극 피치 또는 극수)이기 때문에, φ를 2개의 센서 출력 a, b에 대한 보정 계수로서 이용하는 것에 의해, 간격 L이 이론값과 다른 경우에도 자극 위치 오차를 상쇄시킬 수 있다. 즉, 2개의 자기 센서를 임의의 간격으로 배치할 수 있다.

Description

자극 위치 검출 장치 및 방법{MAGNETIC POLE POSITION DETECTOR AND METHOD FOR DETECTING MAGNETIC POLE POSITION}

본 발명은 모터의 가동부(可動部)가 위치하는 자극(磁極) 위치를 검출하는 자극 위치 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.

모터의 자극 구조는, 리니어 모터에서는 임의 길이(자극 피치)의 자석에 대해 서로의 극성을 다르게 하여 직선 형상으로 복수 배열한 구조이고, 회전 모터(브러쉬리스 모터 등)에서는 소정의 극수(極數)를 구성하도록 서로 다른 극성의 자극을 고리 형상으로 소정수 배열한 구조이다.

리니어 모터나 회전 모터(브러쉬리스 모터 등)에서는 가동부가 위치하는 자극 위치에서의 자기(磁氣)를 검출하기 위해, 자극이 발생하는 자속의 거리에 따른 변화량을 검출하는 2 이상의 자기 센서가 모터의 자극 배열 방향을 따라서 임의 간격을 두고 배치된다.

자극 위치 검출 장치는 상기한 2 이상의 자기 센서 중에서, 2개 자기 센서의 센서 출력 사이의 위상차에 기초하여, 가동부가 위치하는 자극 위치를 연산 검출하는 장치이다.

리니어 모터에서는 자석 배열 방향으로 이동할 때에, 자극 피치 내의 어느 위치(자극 위치)에 위치하고 있는지의 위치 정보를 얻기 위해, 자극 위치 검출 장치를 탑재하고 있다. 즉, 리니어 모터에 이용하는 자극 위치 검출 장치는 2개의 자기 센서를 장치 내에 구비하고 있다. 한편, 회전 모터에서, 2 이상의 자기 센서는 당해 모터의 구성 부분의 일부가 되고, 자극 위치 검출 장치는 당해 모터의 외부에 마련되는 구성이 된다.

그런데 2개 자기 센서의 배치 간격에 관해, 종래에서는 센서 출력 사이의 위상차가 90도로 되도록, 2개의 자기 센서를 배치하고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1, 2 등).

그렇게 하면, 리니어 모터의 예로 말하면, 2개 자기 센서의 배치 간격 L과 자극 피치 PIT 사이에,

L=PIT/4ㆍㆍㆍ(1)

의 관계가 성립된다. 또한, 배치 간격 L은 회전 모터에서 전기각에 의해 표현되어,

L=180°/극수

이다.

각 자기 센서의 출력 파형은 정현파(正弦波) 형상을 하고 있으므로, 이 식 (1)의 제약 조건을 만족하도록 2개의 자기 센서를 배치한 경우, 앞선 위상측의 센서 출력을 a로 하고, 지연 위상측의 센서 출력을 b로 하면, 센서 출력 a는 정현파로 볼 수 있고, 센서 출력 b는 여현파(余弦波)로 볼 수 있다. 자극 위치는 센서 출력 a, b의 탄젠트값을 연산하는 것에 의해 구할 수 있다.

즉, 자극 위치를 θ로 하면 tanθ=a/b 이므로, 자극 위치 θ는

θ=tan^-1(a/b) ㆍㆍㆍ(2)

로 구할 수 있다.

이 경우의 처리 블록은, 즉 종래의 자극 위치 검출 장치는 a/b를 구하는 나눗셈기와, 나눗셈기가 구한 탄젠트값 tanθ로부터 역탄젠트값을 구하는 tan^-1의 각도 연산기로 구성된다.

특허 문헌 1 : 일본 특개소 60-180468호 공보(도 3)

특허 문헌 2 : 일본 특개 2001-78392공보(도 1)

그러나 종래의 자극 위치 검출 장치에서 2개 자기 센서의 배치 간격은 임의로 정하지 못하고, 식 (1)의 제약 조건으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 리니어 모터에서는 자극 피치에 의해 정해진다고 하는 제약이 있고, 회전 모터에서는 극수에 의해 정해진다고 하는 제약이 있다.

그러므로, 자기 센서의 장착 위치에 오차가 있는 경우에는, 귀찮은 보정 처리가 필요하게 되어 있다. 그리고 리니어 모터에 탑재하는 자극 위치 검출 장치에서는 당해 장치의 크기가 자극 피치에 의해 정해지므로 소형화가 곤란하다. 또, 자극 위치 검출 장치를 자극 피치가 다른 리니어 모터 사이에서 공용화할 수 없다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 2개의 자기 센서를 임의의 간격으로 배치해도 자극 위치를 올바르게 취득할 수 있는 자극 위치 검출 장치 및 방법을 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 자극 위치 검출 장치는, 모터의 자극 배열 방향을 따라서 소정의 간격을 두고 배치되는 2 이상의 자기 센서 중 2개 자기 센서의 센서 출력 사이의 위상차에 기초하여, 가동부가 위치하는 자극 위치를 연산 검출하는 자극 위치 검출 장치로서, 상기 2개의 센서 출력 중 진상측(進相側) 센서 출력을 a, 지상측(遲相側) 센서 출력을 b로 하고, 상기 위상차를 φ로 할 때, 상기 위상차의 정현값(正弦値)이 판정 문턱값보다 큰 경우의 자극 위치 θ를, θ=tan^-1{(aㆍsinφ/(b-aㆍcosφ)}의 연산을 행하여 검출하는 제1 연산계와; 상기 위상차의 정현값이 판정 문턱값보다 작은 경우의 자극 위치 θ를, θ={sin^-1(a) +sin^-1(b)-φ}/2의 연산을 행하여 검출하는 제2 연산계를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 2개의 자기 센서를 임의의 간격으로 배치해도 자극 위치를 올바르게 취득할 수 있는 자극 위치 검출 장치가 얻어진다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 자극 위치 검출 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 리니어 모터에 탑재하는 자극 위치 검출 장치의 본 발명에 의한 자극 위치 검출의 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타내는 자극 위치 검출 장치가 구비하는 2개 자기 센서의 출력 파형을 나타내는 파형도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 구성에 있어서, 배치 간격을 5mm, 자극 피치를 30mm로 한 경우의 자극 위치 검출 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4에 나타낸 조건 하에서의 시뮬레이션 결과를 종래 수법과 비교하여 나타내는 도면이다.
도 6은 도 2에 나타낸 구성에 있어서, 배치 간격을 5mm, 자극 피치를 20mm로 한 경우의 자극 위치 검출 동작을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6에 나타낸 조건 하에서의 시뮬레이션 결과를 종래 수법과 비교하여 나타내는 도면이다.
도 8은 도 2에 나타낸 구성에 있어서, 배치 간격이 이론값으로부터 어긋나 있는 경우에, 보정 계수를 산출하여 구한 자극 위치의 시뮬레이션 결과를 종래 수법과 비교하여 나타내는 도면이다.
도 9는 3개의 자기 센서를 이용하여 자극 위치 검출을 행하는 방법을 설명하는 도면이다.

이하에 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 자극 위치 검출 장치 및 방법의 바람직한 실시 형태를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 자극 위치 검출 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 또한, 이 실시 형태에서는 리니어 모터에 탑재하여 이용하는 것으로 하여 설명하지만, 회전 모터에서도 이용할 수 있는 것이다.

도 1에 나타나는 바와 같이, 이 실시 형태에 의한 자극 위치 검출 장치는 2개 자기 센서의 센서 출력 a, b와, 센서 출력 a, b 사이의 위상차 φ를 입력으로 하고, 그것들에 기초하여 자극 위치 θ를 연산 출력하는 장치이다.

도 1에 나타나는 자극 위치 검출 장치는 승산기(20, 21), 선택 회로(22, 23), 감산기(24), 나눗셈기(25), 각도 연산기(26, 27, 28), 감산기(29), 가산기(30), 승산기(31), 및 선택 회로(32)를 구비하고 있다. 또, 도시하고 있지 않지만, 위상차 φ를 하기의 식 (3)에 의해 구하는 위상차 연산부를 구비하고 있다.

이 자극 위치 검출 장치는 다음과 같은 원리에 기초하여 구성한 것이다. 도 2와 도 3을 참조하여 설명한다. 또한, 도 2는 리니어 모터에 탑재하는 자극 위치 검출 장치의 본 발명에 의한 자극 위치 검출의 원리를 설명하는 도면이다. 도 3은 도 2에 나타나는 자극 위치 검출 장치가 구비하는 2개 자기 센서의 출력 파형을 나타내는 파형도이다.

도 2에 있어서, 자극 위치 검출 장치(1)을 탑재하는 리니어 모터(2)는 가이드(3)에 안내되어 임의 길이(자극 피치)를 가지는 자석(4)의 배열 방향으로 움직일 수 있다. 자극 위치 검출 장치(1)에는 2개의 자기 센서(11, 12)가 자석(4)의 배열 방향에 있어서 간격 L로 배치되어 있다. 따라서, 자극 위치 검출 장치(1)가 임의 위치에 위치할 때의 자기 센서(11, 12)의 출력값은 N극으로부터의 거리가 다르기 때문에 다른 값이 된다.

자극 위치 검출 장치(1)가 가이드(3)를 따라서 이동하는 경우, 자기 센서(11, 12)의 출력(센서 출력) a, b는, 도 3에 나타나는 바와 같이, 자극 위치 검출 장치(1)의 이동 위치에 따라 일정한 위상차 φ[rad]를 가지는 정현파 형상으로 된다. 센서 출력 a, b의 위상차 φ는 자극 피치 PIT와 자기 센서(11, 12)의 배치 간격 L에 의해 정해지고,

φ=2π×L/PIT[rad] ㆍㆍㆍ(3)

으로 표현된다.

여기서, 센서 출력 a는 진상측에 배치되는 자기 센서(11)의 출력이고, 센서 출력 b는 지상측에 배치되는 자기 센서(12)의 출력이라고 하면, 자기 센서(11)의 출력 a에 비해 자기 센서(12)의 출력 b는 φ=2π×L/PIT[rad]만큼 위상이 지연되게 된다. 이 때의 자극 위치를 θ로 하여 탄젠트값 tanθ=a/b를 구하면,

a/b=sinθ/sin(θ+φ)=a/(aㆍcosφ+cosθsinφ)

가 된다. 따라서, 자극 위치 θ의 여현값 cosθ는

cosθ=(b-aㆍcosφ) /sinφ ㆍㆍㆍ(4)

로 계산할 수 있다.

종래의 자극 위치 검출 수법에서, 자기 센서(11, 12)의 출력 a, b는 90도의 위상차를 가지고 있으므로 φ=90°로 되고, 식 (4)에 적용하면 cosθ=b가 된다. 이와 같이, 식 (4)은 종래 수법의 확장이 되고 있다.

자극 위치 θ를 종래 수법과 동일하게 탄젠트값 tanθ로부터 산출하면,

tanθ=sinθ/cosθ=a/cosθ=aㆍsinφ/(b-aㆍcosφ)

가 되므로, 자극 위치 θ는

θ=tan^-1{aㆍsinφ/(b-aㆍcosφ)} ㆍㆍㆍ(5)

로 산출할 수 있다.

식 (5)는 자극 피치와, 자기 센서(11, 12)의 배치 간격으로부터 얻어지는 위상차 φ를 센서 출력 a, b에 대한 보정 계수로서 이용하여, 센서 출력 a, b로부터 자극 위치의 탄젠트값 tanθ를 구하면, 자극 위치 θ가 얻어진다는 것을 나타내고 있다.

단, 식 (5)에 있어서, sinφ=0으로 되는 조건에서는 tanθ=0으로 되기 때문에, 식 (4)로부터 cosθ를 구할 수 없다. 실제로, sinφ?1일 때는 자기 센서(11, 12)의 배치 간격 L이 자극 피치 PIT에 비해 극히 작고, 자기 센서(11, 12)의 센서 출력 a, b의 값이 거의 일치하기 때문에, 식 (5)로부터 tanθ를 구하여 자극 위치 θ를 구하는 것은 곤란하게 된다. 또, 자기 센서(11, 12)의 배치 간격 L이 자극 피치 PIT의 정수배인 경우에도 동일하게 sinφ=0 으로 되므로, 식 (5)로부터 tanθ를 구하여 자극 위치 θ를 구하는 것은 곤란하게 된다.

여기서, 이와 같은 경우는 센서 출력 a, b로부터 직접값 sinθ를 구하여 자극 위치 θ를 산출하기로 한다. 즉, a=sinθ, b=sin(θ+φ)의 관계로부터,

θ=sin^-1(a)

θ=sin^-1(b)-φ

가 되므로, 이 두 식에 있어서 자극 위치 θ를, 2개의 센서 출력 a, b를 이용하여 산출할 수 있도록,

θ={sin^-1(a) +sin^-1(b)-φ}/2 ㆍㆍㆍ(6)

으로 변형한다. 이와 같이 하면, sinφ가 작은 경우에는, 센서 출력 a, b로부터 직접 sinθ를 계산하는 것에 의해 자극 위치 θ를 산출할 수 있다.

또한, 회전 모터의 경우는 자극 피치 PIT를 극수로 하고, 배치 간격 L과 위상차 φ와 자극 위치 θ를 각각 전기각으로 생각하는 것에 의해, 상기와 같은 순서로 자극 위치를 산출할 수 있다.

도 1은 이상의 내용을 처리 블록의 형태로 정리하여 나타낸 것이다. 도 1에 있어서, 값 δ은 sinφ=sin(2π×L/PIT)의 크기에 따라, 식 (5)에 의해 tanθ를 산출하여 자극 위치 θ를 산출하는지, 식 (6)에 의해 sinθ로부터 자극 위치 θ를 산출하는지를 결정하는 판정 문턱값이다. 이 판정 문턱값 δ은 0<δ?1의 범위 내로 정해지는 설계값이다.

승산기(20)는 센서 출력 a에 sinφ를 곱한 「aㆍsinφ」를 선택 회로(22)의 일방의 입력단(15a)에 출력한다. 승산기(21)는 센서 출력 a에 cosφ를 곱한 「aㆍcosφ」를 선택 회로(23)의 일방의 입력단(16a)에 출력한다. 선택 회로(22)의 타방의 입력단(15b)에는 센서 출력 a가 직접 입력된다. 선택 회로(23)의 타방의 입력단(16b)에는 값 0이 입력된다.

선택 회로(22)의 출력은 나눗셈기(25)의 일방의 입력단과 각도 연산기(27)에 입력된다. 선택 회로(23)의 출력은 감산기(24)의 일방의 입력단에 입력된다. 감산기(24)는 타방의 입력인 센서 출력 b로부터 선택 회로(23)의 출력을 뺀 값을 나눗셈기(25)의 타방의 입력단과 각도 연산기(28)에 출력한다.

각도 연산기(26)는 나눗셈기(25)의 출력 「tanθ」에 「tan^-1」의 각도 연산을 실시하여 역탄젠트값(자극 위치) θ를 구하고, 선택 회로(32)의 일방의 입력단(17a)에 출력한다.

각도 연산기(28)은 감산기(24)의 출력에 「sin^-1」의 각도 연산을 실시하고, 구한 역정현값을 감산기(29)의 일방의 입력단에 출력한다. 감산기(29)는 각도 연산기(28)의 출력으로부터 타방의 입력인 위상차 φ를 뺀 값을 가산기(30)의 일방의 입력단에 출력한다.

각도 연산기(27)는 선택 회로(22)의 출력에 「sin^-1」의 각도 연산을 실시하고, 구한 역정현값을 가산기(30)의 타방의 입력단에 출력한다. 승산기(31)는 가산기(30)가 출력하는 「(감산기(29)의 출력)+(각도 연산기(27)의 출력)」에 1/2를 곱한 값을 선택 회로(32)의 타방의 입력단(17b)에 출력한다.

이상의 구성에 있어서, 선택 회로(22, 23, 32)는 각각, sinφ>δ인 경우 일방의 입력단(15a, 16a, 17a)을 선택하고, sinφ

δ인 경우 타방의 입력단(15b, 16b, 17b)을 선택한다.

그렇게 하면, sinφ>δ인 경우, 선택 회로(22)의 출력은 aㆍsinφ이고, 선택 회로(23)의 출력은 aㆍcosφ이다. 감산기(24)의 출력은 b-aㆍcosφ이다. 나눗셈기(25)의 출력은 aㆍsinφ/(b-aㆍcosφ)=tanθ가 된다. 따라서, 각도 연산기(26)의 출력에는 식 (5)의 연산에 의한 자극 위치 θ가 얻어진다.

한편, sinφ

δ인 경우, 선택 회로(22)의 출력은 센서 출력 a이고, 선택 회로(23)의 출력은 값 0이다. 감산기(24)의 출력은 센서 출력 b이다. 각도 연산기(27)의 출력은 θ=sin^-1(a)이다. 각도 연산기(28)의 출력은 θ=sin^-1(b)이다. 감산기(29)의 출력은 θ=sin^-1(b)-φ이다. 가산기(30)의 출력은 2θ={sin^-1(a) +sin^-1(b)-φ}이다. 따라서, 승산기(31)의 출력에는 식 (6)의 연산에 의한 자극 위치 θ가 얻어진다.

도 1에 나타나는 구성에 의해, 임의의 배치 간격 L에 있어서 자극 위치 θ를 산출할 수 있게 된다는 것을 알 수 있다. 그리고 자기 센서(11, 12)의 장착에 있어서, 배치 간격 L이 이론값으로부터 어긋난 경우에도, 위상차 φ를 보정 계수로서 이용하는 것에 의해, 특별한 보정 처리를 하지 않고 장착에 기인하는 배치 간격 L의 오차를 보정할 수 있다.

즉, 자기 센서(11, 12)의 장착에 있어서, 배치 간격 L이 이론값으로부터 어긋난 경우는, 실제의 배치 간격 L을 실측하거나, 자극 위치 오차 파형의 관측으로부터 장착 위치의 오차를 산출하여 실제의 배치 간격 L을 추정하고, 배치 간격 L의 실제값을 구하고, 그것을 식 (3)에 적용하여 구한 위상차 φ를 보정 계수로서 도 1에 있어서 φ에 적용하면 좋다. 즉, 배치 간격 L에 오차가 있어도, 보정 계수 φ를 상기와 같이 적절히 구하여 도 1의 구성에 적용하면, 자동적으로 올바른 자극 위치가 얻어진다. 이하에, 실시예로서 각종 구체적인 형상을 나타낸다.

(실시예 1)

도 4는 도 2에 나타낸 구성에 있어서, 배치 간격을 5mm, 자극 피치를 30mm로 한 경우의 자극 위치 검출 동작을 설명하는 도면이다. 도 5는 도 4에 나타낸 조건 하에서의 시뮬레이션 결과를 종래 수법과 비교하여 나타내는 도면이다.

배치 간격 L이 5mm, 자극 피치 PIT가 30mm인 경우의 보정 계수 φ는 식 (3)으로부터, φ=2π×5/30=π/3[rad]가 된다. 이 보정 계수 φ=π/3를 도 1에 나타나는 구성에 적용하여 자극 위치 θ를 산출한다.

도 5에서는 횡축이 실자극 위치[mm]이고, 종축이 자극 위치 오차[mm]이다. 도 5에 있어서, 부호 35는 도 1에 나타나는 구성을 이용하는 본 수법에 따라 자극 위치 검출을 행한 경우의 특성을 나타내고, 부호 36은 식 (2)의 조건에 의한 종래 수법에 따라 자극 위치 검출을 행한 경우의 특성을 나타낸다.

도 5에 나타나는 바와 같이, 보정 계수 φ를 π/3로 설정했을 때에는 본 수법에 의하면, 자극 위치 오차는 제로가 되어, 자극 위치를 올바르게 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 종래 수법에서는 자극 위치에 오차를 발생시키고 있어, 올바른 자극 위치를 얻을 수 없다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 종래 수법에서는 자극 피치와 배치 간격의 관계가 식 (2)의 제약 조건을 만족하고 있지 않기 때문이다.

이 경우, 종래 수법으로 올바르게 자극 위치를 검출할 수 있도록 하려면, 배치 간격 L을 자극 피치 PIT의 1/4인 7.5mm로 할 필요가 있다. 즉, 본 수법을 이용하는 것에 의해, 배치 간격이 7.5mm보다 짧은 5mm에서도 자극 위치 검출이 가능하게 되므로, 자극 위치 검출 장치(1)의 소형화를 도모할 수 있다.

(실시예 2)

도 6은 도 2에 나타낸 구성에 있어서, 배치 간격을 5mm, 자극 피치를 20mm로 한 경우의 자극 위치 검출 동작을 설명하는 도면이다. 즉, 도 6은 자극 피치만을 실시예 1과 다르게 한 경우를 나타낸다. 도 7은 도 6에 나타난 조건 하에서의 시뮬레이션 결과를 종래 수법과 비교하여 나타내는 도면이다.

배치 간격 L이 5mm, 자극 피치 PIT가 20mm인 경우의 보정 계수 φ는 식 (3)으로부터, φ=2π×5/20=π/2[rad]가 된다. 이 보정 계수 φ=π/2를 도 1에 나타나는 구성에 적용하여 자극 위치 θ를 산출한다.

도 7에서는 횡축이 실자극 위치[mm]이고, 종축이 자극 위치 오차[mm]이다. 도 7에 있어서, 부호 37은 도 1에 나타나는 구성을 이용하는 본 수법에 따라 자극 위치 검출을 행한 경우와 식 (2)의 조건에 의한 종래 수법에 따라 자극 위치 검출을 행한 경우의 특성을 나타낸다.

도 7에 나타나는 바와 같이, 본 수법에 의하면, 보정 계수 φ를 π/2로 설정했을 때도 자극 위치 오차는 제로가 되어, 자극 위치를 올바르게 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 종래 수법으로도 올바르게 자극 위치 검출을 할 수 있어, 자극 위치 오차는 제로가 되어 있다. 이것은, 도 6에 나타나는 조건은 배치 간격이 자극 피치의 1/4로 되고 있고, 종래 수법에서 이용하는 식 (2)의 제약 조건을 만족하기 때문이다.

이와 같이, 본 수법에서는, 도 4와 도 6에 나타나는 바와 같이, 자극 피치가 달라도 보정 계수 φ를 적절히 설정하면, 자극 위치 오차를 제로로 할 수 있다. 이에 대해, 종래 수법에서, 도 4의 조건에서는 식 (2)의 제약 조건을 만족하지 않기 때문에, 올바르게 자극 위치를 산출하지 못하고, 자극 위치 오차가 발생한다.

따라서, 본 수법에서는 자극 피치가 다른 리니어 모터의 사이에서도 보정 계수 φ를 적절히 설정하는 것에 의해, 공통의 자극 위치 검출 장치를 이용하여 자극 위치를 검출할 수 있게 된다.

(실시예 3)

도 8은 도 2에 나타낸 구성에 있어서, 배치 간격이 이론값으로부터 어긋나 있는 경우에, 보정 계수를 산출하여 구한 자극 위치의 시뮬레이션 결과를 종래 수법과 비교하여 나타내는 도면이다. 도 8에서, 배치 간격 L의 이론값은 도 6에 나타나는 5mm이지만, 실제의 배치 간격이 4.9mm인 경우에, 본 수법에 따라 보정을 행한 경우의 특성 38과, 식 (2)의 조건에 의한 종래 수법에 따라 자기 센서(11, 12)의 센서 출력 a, b로부터 자극 위치 검출을 행한 경우의 특성 39가 나타나 있다. 또한, 도 8에서는 횡축이 실자극 위치[mm]이고, 종축이 자극 위치 오차[mm]이다.

도 6에 나타나는 조건의 경우, 이론적으로는 종래 수법에서도 식 (2)의 제약 조건을 만족하고 있으므로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 올바르게 자극 위치 검출을 행할 수 있다. 지금의 예는 실제의 장착 오차가 있는 경우이므로, 실제는 식 (2)의 제약 조건을 만족하지 않은 경우에 상당한다.

따라서, 종래 수법인 식 (2)에 의해 자극 위치를 산출한 경우, 센서 출력 b가 실제로는 이론값보다 위상이 앞서고 있음에도 불구하고, 센서 출력 b는 cosθ로서 취급하기 때문에, 특성 39에 나타나는 바와 같이, 최대 5.0-4.9=0.1mm 정도의 오차가 발생한다.

이에 대해, 본 수법에서는 장착 후 자기 센서의 배치 간격을 실측하거나, 자극 위치 오차 파형의 진폭값으로부터 장착 후 자기 센서의 배치 간격을 추정하여, 실제의 배치 간격을 취득하고, 그것을 식 (3)에 적용하여 보정 계수 φ를 산출하고, 도 1의 구성에 적용하면, 장착에 기인하는 오차를 보정할 수 있다. 지금의 예에서는 보정 계수 φ에 φ=2π×4.9/20=1.53938을 주는 것에 의해, 장착 오차가 보정되므로, 특성 38에 나타나는 바와 같이, 자극 위치 오차가 제로로 된다.

이와 같이, 자기 센서의 배치 간격이 이론값으로부터 어긋나 있는 경우는, 본 수법에 의해 보정 계수 φ를 적절히 설정하는 것에 의해, 오차가 상쇄된다는 것을 알 수 있다.

(실시예 4)

도 9는 3개의 자기 센서를 이용하여 자극 위치 검출을 행하는 방법을 설명하는 도면이다. 본 수법을 이용한 경우, 자기 센서의 위치에 관한 제약이 없기 때문에, 3개 이상의 자기 센서를 이용하여 자극 위치 검출을 행할 수 있다.

예를 들어, 도 9에 나타나는 바와 같이, 제3 자기 센서(13)를 추가하여, 자기 센서(11, 12)를 간격 L1=2.5mm의 위치에 배치하고, 자기 센서(12, 13)를 간격 L2=2.5mm의 위치에 배치한다. 자극 위치의 검출은 3개 자기 센서의 조합으로 행해진다.

즉, 자기 센서(11)와 자기 센서(12)를 이용하여 자극 위치 θ12를 계산하고, 자기 센서(11)와 자기 센서(13)를 이용하여 자극 위치 θ13을 계산하고, 자기 센서(12)와 자기 센서(13)를 이용하여 자극 위치 θ23 계산하고, 자극 위치 θ를,

θ=(θ12+θ13+θ23)/3

으로 산출한다.

이와 같이, 예를 들어, 3개의 자기 센서를 조합하여 이용할 수 있으므로, 노이즈 등에 의한 영향을 완화시켜, 검출 정밀도를 상승시킬 수 있다. 또, 3개의 자기 센서 중 1개가 고장난 경우에도 나머지 2개에 의해 자극 위치 검출을 행하므로, 자극 검출 장치의 신뢰성을 상승시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 이 실시 형태에 의하면, 2개 자기 센서의 배치 간격과 자극 피치(회전 모터에서는 극수)의 관계를 규정하는 식 (3)에 의해 산출한 위상차 φ를 보정 계수로 하여, 2개 센서 출력의 각 값을 보정하도록 했으므로, 자극 피치(회전 모터에서는 극수)와 자기 센서의 배치 간격 사이에 제약이 없는 자극 위치 검출 장치를 실현할 수 있다.

또, 자극 위치 검출 장치는 2개의 센서 출력과 보정 계수인 위상차 φ를 입력으로 하여 자극 위치 θ를 연산 검출하는 구성으로서, 위상차 φ의 정현값이 1?δ>0의 범위 내로 정한 판정 문턱값 δ보다 큰 경우는 식 (5)에 의해 자극 위치 θ를 연산 검출하고, 위상차 φ의 정현 sinφ가 판정 문턱값 δ보다 작은 경우는 식 (6)에 의해 자극 위치 θ를 연산 검출하도록, 위상차 φ의 정현값의 크기에 따라 적절히 전환하는 구성으로 했으므로, 2개 자기 센서의 임의의 배치 간격에 있어서 자극 위치를 검출할 수 있다.

따라서, 2개 자기 센서의 장착에 오차가 있어 실제의 배치 간격이 이론값으로부터 어긋나 있는 경우에도, 계측한 실제의 배치 간격을, 또는 자극 위치 오차 파형의 진폭값으로부터 장착 오차를 찾아내어 추정한 실제의 배치 간격을 식 (3)에 적용하여 산출한 보정 계수 φ를 이용하는 것에 의해, 장착 오차를 없앨 수 있다. 종래와 같이 귀찮은 보정 처리는 하지 않고 끝나게 된다.

또, 종래와 같은 자극 피치(회전 모터에서는 극수)에 의한 제약이 없어져, 2개의 자기 센서는 임의의 간격으로 자유롭게 배치할 수 있다. 따라서, 리니어 모터에 탑재하는 용도의 자극 위치 검출 장치에서는 장치의 소형화가 가능하게 되고, 또 자극 피치가 다른 리니어 모터 사이에서의 공용화가 가능하게 된다.

추가로, 자기 센서의 배치의 자유도가 상승하기 때문에, 리니어 모터에 탑재하는 용도의 자극 위치 검출 장치에서는 3 이상의 자기 센서를 탑재하는 것이 용이하게 되고, 자기 센서에 신뢰성을 갖게 할 수 있다. 이로 인해, 검출 정밀도를 향상시키거나 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 자극 위치 검출 장치는 2개의 자기 센서를 임의의 간격으로 배치해도 자극 위치를 올바르게 취득할 수 있는 자극 위치 검출 장치로서 유용하며, 특히 리니어 모터에 탑재하는 용도에 적합하다.

1 자극 위치 검출 장치
2 리니어 모터
3 가이드
4 자석
11, 12, 13 자기 센서
20, 21, 31 승산기
22, 23, 32 선택 회로
24, 29 감산기
25 나눗셈기
26, 27, 28 각도 연산기
30 가산기
a, b 센서 출력
φ 위상차(보정 계수)

Claims (6)

1. 모터의 자극(磁極) 배열 방향을 따라서 소정의 간격을 두고 배치되는 2 이상의 자기 센서 중 2개 자기 센서의 센서 출력 사이의 위상차에 기초하여, 가동부가 위치하는 자극 위치를 연산 검출하는 자극 위치 검출 장치로서,
   상기 2개의 센서 출력 중 진상측(進相側) 센서 출력을 a, 지상측(遲相側) 센서 출력을 b로 하고, 상기 위상차를 φ로 할 때, 상기 위상차의 정현값(正弦値)이 판정 문턱값보다 큰 경우의 자극 위치 θ를,
   θ=tan^-1{(aㆍsinφ/(b-aㆍcosφ)}
   의 연산을 행하여 검출하는 제1 연산계와,
   상기 위상차의 정현값이 판정 문턱값보다 작은 경우의 자극 위치 θ를,
   θ={sin^-1(a) +sin^-1(b)-φ}/2
   의 연산을 행하여 검출하는 제2 연산계를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 자극 위치 검출 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 연산계는 상기 2개의 센서 출력 중 진상측 센서 출력에 상기 위상차의 정현값을 곱하는 제1 승산기와, 상기 진상측 센서 출력에 상기 위상차의 여현값(余弦値)을 곱하는 제2 승산기와, 상기 2개의 센서 출력 중 지상측 센서 출력으로부터 상기 제2 승산기의 출력값을 빼는 제1 감산기와, 상기 제1 승산기의 출력값을 상기 감산기의 출력값으로 나누는 나눗셈기와, 상기 나눗셈기가 출력하는 탄젠트값의 역탄젠트값을 구하여, 그것을 상기 자극 위치로서 출력하는 제1 각도 연산기를 구비하고,
   상기 제2 연산계는 상기 진상측 센서 출력의 역정현값을 구하는 제2 각도 연산기와, 상기 지상측 센서 출력의 역정현값을 구하는 제3 각도 연산기와, 제3 각도 연산기의 출력값으로부터 상기 위상차를 빼는 제2 감산기와, 상기 제2 각도 연산기의 출력값과 상기 제2 감산기의 출력값을 더하는 가산기와, 상기 가산기의 출력값에 1/2를 곱한 값을 상기 자극 위치로서 출력하는 제3 승산기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 자극 위치 검출 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 위상차를 (2π×상기 2개 자기 센서의 배치 간격)/(자극 피치 또는 극수(極數))의 연산을 행하여 구하는 위상차 연산부를 구비하고, 상기 배치 간격은 상기 연산 검출한 자극 위치에 오차가 있는 경우에, 실제로 측정한 배치 간격, 또는 자극 위치 오차 파형의 진폭값으로부터 추정한 배치 간격이 적용되는 것을 특징으로 하는 자극 위치 검출 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 2개의 자기 센서에 1 이상의 자기 센서를 더하고, 그러한 복수의 자기 센서의 조합에 의해 상기 자극 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 자극 위치 검출 장치.
5. 모터의 자극 배열 방향을 따라서 소정의 간격을 두고 배치되는 2 이상의 자기 센서 중 2개 자기 센서의 센서 출력 사이의 위상차를 (2π×상기 2개 자기 센서의 배치 간격)/(자극 피치 또는 극수)의 연산을 행하여 구하는 제1 공정과,
   상기 위상차의 정현값과 판정 문턱값의 대소 관계를 판정하는 제2 공정과,
   상기 제2 공정에서의 판정 결과, 상기 위상차의 정현값이 판정 문턱값보다 큰 경우에, 상기 2개 자기 센서의 센서 출력 중 진상측 센서 출력에 상기 위상차의 정현값을 곱한 값을 분자로 하고, 상기 진상측 센서 출력에 상기 위상차의 여현값을 곱한 값을 상기 2개 자기 센서의 센서 출력 중 지상측 센서 출력으로부터 뺀 값을 분모로 하는 탄젠트값의 역탄젠트값을 제1 자극 위치로서 연산 검출하는 제3 공정과,
   상기 제2 공정에서의 판정 결과, 상기 위상차의 정현값이 판정 문턱값보다 작은 경우에, 상기 진상측 센서 출력의 역정현값과 상기 지상측 센서 출력의 역정현값의 합으로부터 상기 위상차를 뺀 값의 반 값을 제2 자극 위치로서 연산 검출하는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자극 위치 검출 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 연산 검출한 자극 위치에 오차가 있는 경우에, 상기 2개 자기 센서의 배치 간격을 실제로 측정하거나, 또는 자극 위치 오차 파형의 진폭값으로부터 추정하는 공정과,
   상기 실제로 측정한 배치 간격을, 또는 상기 추정한 배치 간격을 상기 제1 공정에 적용하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자극 위치 검출 방법.

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