JP4987073B2 - 絶対回転位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の１回転内の絶対位置の検出を２組の磁気エンコーダを用いて精度良く行うことのできる磁気式の絶対回転位置検出方法および磁気式絶対値エンコーダに関するものである。

回転軸の絶対位置を精度良く検出するための磁気式絶対値エンコーダとしては、２組の磁気エンコーダを用いたものが知られている。特許文献１には、２極の磁気エンコーダと、６４極の磁気エンコーダを用いて、４０９６分割（６４×６４）の１２ビット絶対値出力を得る構成が開示されている。この磁気エンコーダでは、２極の磁気エンコーダにより上位の６ビットを生成し、６４極の磁気エンコーダにより下位の６ビットを生成している。
実開平０６−１０８１３号公報

しかしながら、この構成の磁気エンコーダでは、２極の磁気エンコーダの精度を、６４極の磁気エンコーダの６ビットに等しいものとする必要がある。したがって、これ以上の高精度の出力を得るためには、２極の磁気エンコーダの精度を更に高める必要があるので、高精度化が困難である。また、２極の磁気エンコーダの出力信号と、６４極の磁気エンコーダの出力信号の立ち上がり点を合わせる必要があり、そのための調整に時間が掛かるという問題点がある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、２極の磁気エンコーダと多極の磁気エンコーダを用いて回転軸の絶対位置を検出するに当り、２極の磁気エンコーダの分解能および精度に影響されることなく高精度の絶対値検出を行うことのできる絶対回転位置検出方法を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、２極側絶対値エンコーダと、磁極対がＰｐ（Ｐｐ：２以上の整数）の多極側絶対値エンコーダとを用いて、回転軸の１回転内の各絶対回転位置を検出する絶対回転位置検出方法において、
前記２極側絶対値エンコーダは、前記回転軸と一体回転する２極着磁された２極マグネットと、当該２極マグネットの回転に伴って９０度の位相差を有する正弦波信号を回転軸１回転につき１周期で出力する一対の磁気検出素子とを備えており、
前記多極側絶対値エンコーダは、前記回転軸と一体回転する磁極対がＰｐとなるように着磁された多極マグネットと、当該多極マグネットの回転に伴って９０度の位相差を有する正弦波信号を回転軸１回転につきＰｐ周期で出力する一対の磁気検出素子とを備えており、
前記回転軸の回転位置の検出動作に先立って、当該回転軸を回転して、前記２極側絶対値エンコーダの各絶対値θｔに対する前記多極側絶対値エンコーダの絶対値θｅｌｔを測定して割り当てておくと共に、前記２極側絶対値エンコーダの各絶対値θｔに対して前記多極マグネットの仮の磁極対番号Ｎｘを割り当てておき、
前記回転軸の回転位置の検出動作においては、
前記２極側絶対値エンコーダによる前記回転軸の絶対値θｔｉを計測し、
前記多極側絶対値エンコーダによる前記回転軸の絶対値θｅｌｒを計測し、
計測した前記絶対値θｔｉに割り当てられている前記絶対値θｅｌｔｉと、計測された前記絶対値θｅｌｒとに基づき、前記絶対値θｔｉに割り当てられている仮の前記磁極対番号Ｎｘｉを補正して、磁極対番号Ｎｒを算出し、
前記回転軸の１回転内の機械角絶対位置θａｂｓを、多極側絶対値エンコーダの出力信号の１周期分の電気角に相当する機械角θｅｌｐを用いて、次式により算出することを特徴としている。
θａｂｓ＝（Ｎｒ×θｅｌｐ＋θｅｌｒ）／Ｐｐ

ここで、前記２極側絶対値エンコーダの分解能をＲｔとすると、前記２極側絶対値エンコーダの精度あるいは角度再現性Ｘが次式を満足する場合には、以下のようにして、仮の磁極対番号Ｎｘｉから正確な磁極対番号Ｎｒを決定することができる。
Ｘ＜２×（（θｅｌｐ／２）−（Ｐｐ×θｅｌｐ／Ｒｔ））／Ｐｐ

すなわち、θｅｌｔ≧θｅｌｐ／２の場合には、
θｅｌｒ≧（θｅｌｔ−θｅｌｐ／２）ならば、補正磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘとし、
θｅｌｒ＜（θｅｌｔ−θｅｌｐ／２）ならば、補正磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘ＋１とする。

逆に、θｅｌｔ＜θｅｌｐ／２の場合には、
θｅｌｒ＜（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／２）ならば、補正磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘとし、
θｅｌｒ≧（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／２）ならば、補正磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘ−１とする。

なお、前記２極側絶対値エンコーダにおける前記多極側絶対値エンコーダの各磁極対に対する分解能の最小値がＲｔｍｉｎの場合には、前記２極側絶対値エンコーダの角度再現性Ｘが次式を満足するようにすればよい。
Ｘ＜２×（（θｅｌｐ／２）−（θｅｌｐ／Ｒｔｍｉｎ））／Ｐｐ

ここで、一般的には、Ｍを２以上の整数とし、前記２極側絶対値エンコーダの精度あるいは角度再現性Ｘが次式を満足する場合には、以下のようにして、仮の磁極対番号Ｎｘｉから正確な磁極対番号Ｎｒを決定することができる。
Ｘ＜２×（（θｅｌｐ／Ｍ）−（Ｐｐ×θｅｌｐ／Ｒｔ））／Ｐｐ

θｅｌｔ≧θｅｌｐ／Ｍの場合には、
θｅｌｒ≧（θｅｌｔ−θｅｌｐ／Ｍ）ならば、補正磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘとし、
θｅｌｒ＜（θｅｌｔ−θｅｌｐ／Ｍ）ならば、補正磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘ＋１とする。

θｅｌｔ＜θｅｌｐ／２の場合には、
θｅｌｒ＜（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／Ｍ）ならば、補正磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘとし、
θｅｌｒ≧（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／Ｍ）ならば、補正磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘ−１とする。

また、前記２極側絶対値エンコーダにおける前記多極側絶対値エンコーダの各磁極対に対する分解能の最小値がＲｔｍｉｎの場合には、前記２極側絶対値エンコーダの角度再現性Ｘが次式を満足すればよい。
Ｘ＜２×（（θｅｌｐ／Ｍ）−（θｅｌｐ／Ｒｔｍｉｎ））／Ｐｐ

本発明の絶対回転位置検出方法によれば、回転軸の絶対位置検出のための分解能は、多極側絶対値エンコーダの分解能をＲｍとすると、Ｐｐ×Ｒｍによって規定され、検出精度は多極側絶対値エンコーダの分解能にのみ依存する。２極側絶対値エンコーダの分解能および精度は、絶対位置検出の分解能および精度には無関係であり、磁極対番号を得るためにのみ使用される。したがって、本発明によれば、２極側絶対値エンコーダの分解能、精度を高めることなく、高分解能の磁気式絶対値エンコーダを実現できる。

本発明を適用した磁気式絶対値エンコーダの概略構成図である。 図１の２極側絶対値エンコーダおよび多極側絶対値エンコーダの出力波形を示す波形図および、その一部を時間軸方向に伸長させた状態で示す説明図である。 機械角絶対位置の算出処理フローを示すフローチャートである。 図３におけるステップＳＴ１３からステップＳＴ１９に到る処理動作を示す説明図である。 図３におけるステップＳＴ１３からステップＳＴ２１に到る処理動作を示す説明図である。 機械角絶対位置の算出処理フローを示すフローチャートである。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した磁気式絶対値エンコーダの実施の形態を説明する。

図１は、本発明による絶対位置検出方法を用いて回転軸の１回転内の絶対回転位置を検出するための磁気式絶対値エンコーダを示す概略ブロック図である。磁気式絶対値エンコーダ１は、２極側絶対値エンコーダ２と、磁極対がＰｐ（Ｐｐ：２以上の整数）の多極側絶対値エンコーダ３と、これらの検出出力に基づき測定対象の回転軸４の１回転内の絶対回転位置を算出する制御処理部５とを有している。

２極側絶対値エンコーダ２は、回転軸４と一体回転する２極着磁された２極マグネットリング２１と、当該２極マグネットリング２１の回転に伴って９０度の位相差を有する正弦波信号を回転軸１回転につき１周期で出力する一対の磁気検出素子、例えばホール素子Ａｏ、Ｂｏとを備えている。

多極側絶対値エンコーダ３は、回転軸４と一体回転する磁極対がＰｐとなるように着磁された多極マグネットリング３１と、当該多極マグネットリング３１の回転に伴って９０度の位相差を有する正弦波信号を回転軸１回転につきＰｐ周期で出力する一対の磁気検出素子、例えばホール素子Ａｍ、Ｂｍとを備えている。

制御処理部５は、演算回路５１と、対応テーブル５２が保持されている不揮発性メモリ５３と、算出された絶対回転位置θａｂｓを上位の駆動制御装置（図示せず）に向けて出力する出力回路５４とを備えている。

制御処理部５の演算回路５１では、２極側絶対値エンコーダ２の一対のホール素子Ａｏ、Ｂｏから出力される９０度の位相差のある正弦波信号から、分解能Ｒｔ、すなわち機械角０〜３６０度の絶対位置θｔを演算する。また、演算回路５１では、多極側絶対値エンコーダ３の一対のホール素子Ａｍ、Ｂｍから出力される９０度の位相差のある正弦波信号から、分解能Ｒｍ、すなわち、電気角０〜３６０度（機械角０〜３６０／Ｐｐ）の絶対位置θｅｌｒを演算する。さらに、θｅｌｐ（＝３６０度／Ｐｐ）と、後述のように算出される磁極対番号Ｎｒとを用いて、回転軸４の１回転内の機械角絶対位置θａｂｓを次式により算出する。
θａｂｓ＝（Ｎｒ×θｅｌｐ＋θｅｌｒ）／Ｐｐ （１）

ここで、磁極対番号Ｎｒを正確に算出するために、２極側絶対値エンコーダ２の精度あるいは角度再現性Ｘが次式を満足するように設定されている。
Ｘ＜２×（（θｅｌｐ／２−（Ｐｐ×θｅｌｐ／Ｒｔ））／Ｐｐ （２）

図２（ａ）には、細線でホール素子Ａｏから出力される２極波形を示し、太線でホール素子Ａｍから出力される多極波形を示してある。図２（ｂ）はその一部を横軸（時間軸）の方向に拡大して示してある。

次に、図３は磁極対番号Ｎｒの算出手順を示すフローチャートであり、図４および図５はＮｒ算出動作を示す説明図である。各記号の意味を以下に列記する。
Ｒｍ：多極側絶対値エンコーダの分解能
Ｒｔ：２極側絶対値エンコーダの分解能
θｅｌｒ：多極側絶対値エンコーダの実際の絶対値（０〜（θｅｌｐ−１））
θｅｌｔ：多極側絶対値エンコーダの仮の絶対値（０〜（θｅｌｐ−１））
θｔｉ：２極側絶対値エンコーダの絶対値（０〜（θｔｐ−１））
Ｐｐ：多極マグネットリングの磁極対数
Ｎｒ：多極マグネットリングの実際の磁極対番号（０〜（Ｐｐ−１））
Ｎｘ：多極マグネットリングの仮の磁極対番号（０〜（Ｐｐ−１））

まず、磁気式絶対値エンコーダ１では、実際の検出動作に先立って、一定の温度、回転振れ、速度にて、回転軸４を回転駆動して、２極側絶対値エンコーダ２および多極側絶対値エンコーダ３の出力を測定する。すなわち、２極側絶対値エンコーダ２の絶対値θｔｉに対する多極側絶対値エンコーダ３の仮の絶対値θｅｌｔを測定する。次に、２極側絶対値エンコーダ２の各々の絶対値θｔｉに対して、多極マグネットリング３１の仮の磁極対番号Ｎｘを割り当てる。これらの情報を対応テーブル５２にして、不揮発性メモリ５３に記憶保持しておく（図３のステップＳＴ１１）。

実際の検出動作の開始時には、２極側絶対値エンコーダ２による回転軸４の絶対値θｔｉを計測する（図３のステップＳＴ１２）。この絶対値θｔｉを用いて対応テーブル５２を参照して、当該絶対値θｔｉに割り当てられている多極側絶対値エンコーダ３の仮の絶対値θｅｌｔと、多極マグネットリング３１の仮の磁極対番号Ｎｘとを読み出す（図３のステップＳＴ１３）。さらに、この動作と同時に、あるいは前後して、多極側絶対値エンコーダ３による回転軸４の絶対値θｅｌｒを計測する（図３のステップＳＴ１４）。

ここで、実際の絶対値θｅｌｒに対する２極側絶対値エンコーダ２の絶対値θｔｉは、温度、回転振れ、速度等の動作状況により変化し、一定の関係ではない。よって、対応テーブル５２において対応付けされている絶対値θｔｉと絶対値θｅｌｔが、実際の回転状態においては対応しないことが多い。すなわち、上記の式（２）で規定される角度再現性Ｘの範囲内で変動する。

そこで、次のようにして仮の磁極対番号Ｎｘを補正して正確な磁極対番号Ｎｒを算出している。

まず、仮に割り当てられている絶対値θｅｌｔが値θｅｌｐ／２以上であるか否かを判別する（図３のステップＳＴ１５）。

θｅｌｔ＜θｅｌｐ／２の場合には、計測された絶対値θｅｌｒが（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／２）より小さいか否かを判別する（図３のステップＳＴ１６）。この判別結果に基づき、次のように磁極対番号Ｎｒを決定する。

θｅｌｒ＜（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／２）ならば、磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘとする（図３のステップＳＴ１９）。逆に、θｅｌｒ≧（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／２）ならば、磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘ−１とする（図３のステップＳＴ１８）。

図４には、図３のステップＳＴ１３からステップＳＴ１８、１９に到る処理手順を示してある。この図に示すように、回転軸４の軸振れなどの回転状況が原因となって、２極側絶対値エンコーダ２の絶対値がθｔｉの場合に、多極側絶対値エンコーダ３の絶対値θｅｌｒが変動幅Δで変動する。回転軸４の回転量が少ない方に振れた場合には、当該回転軸４の実際の回転位置は、磁極対番号Ｎｘ−１が割り当てられた角度範囲内となってしまう。この場合には、実際の絶対値θｅｌｒが（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／２）よりも大きな値をとるので、これに基づき、実際の磁極対番号ＮｒがＮｘ−１であることを判別できる。

一方、θｅｌｔ≧θｅｌｐ／２の場合には、計測された絶対値θｅｌｒが（θｅｌｔ−θｅｌｐ／２）より小さいか否かを判別する（図３のステップＳＴ１７）。この判別結果に基づき次のように磁極対番号Ｎｒを決定する。

θｅｌｒ≧（θｅｌｔ−θｅｌｐ／２）ならば、磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘとする（図３のステップＳＴ２０）。逆に、θｅｌｒ＜（θｅｌｔ−θｅｌｐ／２）ならば、磁極対番号Ｎｒ＝Ｎｘ＋１とする（図３のステップＳＴ２１）。

図５には、図３のステップＳＴ１３からステップＳＴ２０、２１に到る処理手順を示してある。この図に示すように、回転軸４の軸振れなどの回転状況が原因となって、２極側絶対値エンコーダ２の絶対値がθｔｉの場合に、多極側絶対値エンコーダ３の絶対値θｅｌｒが変動幅Δで変動する。回転軸４の回転量が多い方に振れた場合には、当該回転軸４の実際の回転位置は、磁極対番号Ｎｘ＋１が割り当てられた角度範囲内となってしまう。この場合には、実際の絶対値θｅｌｒが（θｅｌｔ−θｅｌｐ／２）よりも小さな値をとるので、これに基づき、実際の磁極対番号ＮｒがＮｘ＋１であることを判別できる。

このようにして磁極対番号Ｎｒを算出して、前述の式（１）に基づき、回転軸４の機械角絶対位置θａｂｓを算出する。なお、この後は、多極側絶対値エンコーダ３の絶対値θｅｌｒの増減に基づき順次、回転軸４の機械角絶対位置θａｂｓを検出できる。

以上説明したように、本例の磁気式絶対値エンコーダ１を用いれば、検出の分解能、精度は多極側絶対値エンコーダ３によって規定され、２極側絶対値エンコーダ２の分解能、精度によって検出の分解能、精度が制約されることがない。また、２極側絶対値エンコーダ２および多極側絶対値エンコーダ３の検出信号の立ち上がりを合わせる調整作業も必要がない。

次に、多極側絶対値エンコーダ３の各磁極対に対応する２極側絶対値エンコーダ２の分解能の大きさＲｔｉにバラツキがあってもよい。各磁極対に対する２極側絶対値エンコーダの分解能Ｒｔｉの総和がＲｔになればよい。各分解能Ｒｔｉの最小値がＲｔｍｉｎの場合には、磁極対番号Ｎｒを正確に算出するためには、２極側絶対値エンコーダ２の精度あるいは角度再現性Ｘを次式のように設定すればよい。
Ｘ＜２×（（θｅｌｐ／２−（θｅｌｐ／Ｒｔｍｉｎ））／Ｐｐ （２Ａ）

また、本発明による方法は、一般的には、Ｍを２以上の整数とした場合に、２極側絶対値エンコーダ２の精度あるいは角度再現性Ｘを次式を満足するように設定すれば、図６に示すフローにしたがって機械角絶対位置θａｂｓを算出することができる。
Ｘ＜２×（（θｅｌｐ／Ｍ−（Ｐｐ×θｅｌｐ／Ｒｔ））／Ｐｐ （２Ｂ）

この場合においても、多極側絶対値エンコーダ３の各磁極対に対応する２極側絶対値エンコーダ２の分解能の大きさＲｔｉの最小値がＲｔｍｉｎの場合には、磁極対番号Ｎｒを正確に算出するためには、２極側絶対値エンコーダ２の精度あるいは角度再現性Ｘを次式を満足するように設定すればよい。
Ｘ＜２×（（θｅｌｐ／Ｍ−（θｅｌｐ／Ｒｔｍｉｎ））／Ｐｐ （２Ｃ）

Claims (4)

1. ２極側絶対値エンコーダと、磁極対がＰｐ（Ｐｐ：２以上の整数）の多極側絶対値エンコーダとを用いて、回転軸の１回転内の各絶対回転位置を検出する絶対回転位置検出方法において、
   前記２極側絶対値エンコーダは、前記回転軸と一体回転する２極着磁された２極マグネットと、当該２極マグネットの回転に伴って９０度の位相差を有する正弦波信号を回転軸１回転につき１周期で出力する一対の磁気検出素子とを備えており、
   前記多極側絶対値エンコーダは、前記回転軸と一体回転する磁極対がＰｐとなるように着磁された多極マグネットと、当該多極マグネットの回転に伴って９０度の位相差を有する正弦波信号を回転軸１回転につきＰｐ周期で出力する一対の磁気検出素子とを備えており、
   前記回転軸の回転位置の検出動作に先立って、当該回転軸を回転して、前記２極側絶対値エンコーダの各絶対値θｔに対する前記多極側絶対値エンコーダの絶対値θｅｌｔを測定して割り当てておくと共に、前記２極側絶対値エンコーダの各絶対値θｔに対して前記多極マグネットの仮の磁極対番号Ｎｘを割り当てておき、
   前記回転軸の回転位置の検出開始時においては、
   前記２極側絶対値エンコーダによる前記回転軸の絶対値θｔｉを計測し、
   前記多極側絶対値エンコーダによる前記回転軸の絶対値θｅｌｒを計測し、
   計測した前記絶対値θｔｉに割り当てられている前記絶対値θｅｌｔと、計測された前記絶対値θｅｌｒとに基づき、前記絶対値θｔｉに割り当てられている仮の前記磁極対番号Ｎｘを補正して、磁極対番号Ｎｒを算出し、
   前記回転軸の１回転内の機械角絶対位置θａｂｓを、多極側絶対値エンコーダの出力信号の１周期分の電気角に相当する機械角θｅｌｐを用いて、次式により算出することを特徴とする絶対回転位置検出方法。
   θａｂｓ＝（Ｎｒ×θｅｌｐ＋θｅｌｒ）／Ｐｐ
2. 請求項１に記載の絶対回転位置検出方法において、
   前記２極側絶対値エンコーダの分解能をＲｔとし、Ｍを２以上の整数とした場合に、当該２極側絶対値エンコーダの角度再現性Ｘを、
   Ｘ＜２×｛（（θｅｌｐ／Ｍ）−（Ｐｐ×θｅｌｐ／Ｒｔ））／Ｐｐ｝
   を満足するように設定し、
   θｅｌｔ≧θｅｌｐ／Ｍの場合には、
   θｅｌｒ≧（θｅｌｔ−θｅｌｐ／Ｍ）ならば磁極対番号ＮｒをＮｘとし、
   θｅｌｒ＜（θｅｌｔ−θｅｌｐ／Ｍ）ならば磁極対番号ＮｒをＮｘ＋１とし、
   θｅｌｔ＜θｅｌｐ／２の場合には、
   θｅｌｒ＜（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／Ｍ）ならば磁極対番号ＮｒをＮｘとし、
   θｅｌｒ≧（θｅｌｔ＋θｅｌｐ／Ｍ）ならば磁極対番号ＮｒをＮｘ−１とすることを特徴とする絶対回転位置検出方法。
3. 請求項２に記載の絶対回転位置検出方法において、
   前記２極側絶対値エンコーダにおける前記多極側絶対値エンコーダの各磁極対に対する分解能の最小値をＲｔｍｉｎとすると、前記２極側絶対値エンコーダの角度再現性Ｘを、
   Ｘ＜２×｛（（θｅｌｐ／Ｍ）−（θｅｌｐ／Ｒｔｍｉｎ））／Ｐｐ｝
   を満足するように設定することを特徴とする絶対回転位置検出方法。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項に記載の絶対回転位置検出方法を用いて回転軸の１回転内の絶対回転位置を検出することを特徴とする磁気式絶対値エンコーダ。

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