CN101646922B - 绝对旋转位置检测方法 - Google Patents

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Abstract

利用两极侧绝对值编码器(2)、和具有Pp(Pp：3以上的整数)对磁极的多极侧绝对值编码器(3)检测旋转轴(4)旋转一周内的机械角绝对位置θabs之前，先使旋转轴(4)旋转，测定与两极侧绝对值编码器(2)的各绝对值θt对应的多极侧绝对值编码器(3)的临时绝对值θelt，并且对各绝对值θt分配多极磁体的临时磁极对号码Nx。实际检测时，测量两极侧绝对值编码器的绝对值θti和多极侧绝对值编码器的绝对值θelr，基于分配给θti的多极侧绝对值编码器的绝对值θelti和所测量出的绝对值θelr，修正分配给绝对值θti的临时磁极对号码Nx并计算磁极对号码Nr，利用相当于多极侧绝对值编码器的输出信号一个周期的电角度的机械角θelp，根据(Nr×θelp+θelr)/Pp计算θabs。

Description

绝对旋转位置检测方法
技术领域
本发明涉及能够利用两组磁编码器高精度地检测旋转轴旋转一周内的绝对位置的磁式绝对旋转位置检测方法及磁式绝对值编码器。
背景技术
作为用于高精度地检测旋转轴的绝对位置的磁式绝对值编码器，已知有使用两组磁编码器的方式。专利文献1中揭示了利用两极磁编码器和64极磁编码器获得4096分辨率(64×64)的12比特绝对值输出的结构。在此磁编码器中，利用两极磁编码器生成高位的6比特，利用64极磁编码器生成低位的6比特。
专利文献1：日本专利实开平06-10813号公报
然而，在此结构的磁编码器中，需要使两极磁编码器的精度与64极磁编码器的6比特相等。因而，为了获得更高精度的输出，需要进一步提高两极磁编码器的精度，所以高精度化很困难。另外，还需要将两极磁编码器的输出信号与64极磁编码器的输出信号的上升沿点对准，存在需要时间对此进行调节的问题。
发明内容
鉴于以上各点，本发明的目的在于提出一种绝对旋转位置检测方法，该绝对旋转位置检测方法能够在利用两极磁编码器和多极磁编码器检测旋转轴的绝对位置时，不受两极磁编码器的分辨率及精度的影响，进行高精度的绝对值检测。
为了解决上述问题，本发明提供一种利用两极侧绝对值编码器和具有Pp(Pp：2以上的整数)对磁极的多极侧绝对值编码器、来检测旋转轴旋转一周内的各绝对旋转位置的绝对旋转位置检测方法，其特征在于，
所述两极侧绝对值编码器具有：与所述旋转轴一体旋转的磁化成两极的两极磁体；以及随着该两极磁体的旋转、以旋转轴旋转一周为一个周期输出具有90度相位差的正弦波信号的一对磁检测元件，
所述多极侧绝对值编码器具有：与所述旋转轴一体旋转的磁化成Pp对磁极的多极磁体；以及随着该多极磁体的旋转、以旋转轴旋转一周为Pp个周期输出具有90度相位差的正弦波信号的一对磁检测元件，
在进行所述旋转轴的旋转位置的检测动作之前，先使该旋转轴旋转，对所述两极侧绝对值编码器的各绝对值θt测定并分配所述多极侧绝对值编码器的绝对值θelt，并且对所述两极侧绝对值编码器的各绝对值θt分配所述多极磁体的临时磁极对号码Nx，
在所述旋转轴的旋转位置的检测动作中，
测量基于所述两极侧绝对值编码器的所述旋转轴的绝对值θti，
测量基于所述多极侧绝对值编码器的所述旋转轴的绝对值θelr，
基于分配给测量出的所述绝对值θti的所述绝对值θelti、和所测量出的所述绝对值θelr，修正分配给所述绝对值θti的临时的所述磁极对号码Nxi，计算磁极对号码Nr，
利用相当于多极侧绝对值编码器的输出信号一个周期的电角度的机械角θelp，根据下式计算所述旋转轴旋转一周内的机械角绝对位置θabs。
θabs＝(Nr×θelp+θelr)/Pp
在此，若设所述两极侧绝对值编码器的分辨率为Rt，则在所述两极侧绝对值编码器的精度或角度再现性X满足下式时，能够按照如下所述根据临时磁极对号码Nxi确定正确的磁极对号码Nr。
X＜2×((θelp/2)-(Pp×θelp/Rt))/Pp
即，当θelt≥θelp/2时，
若θelr≥(θelt-θelp/2)，则修正磁极对号码Nr＝Nx，
若θelr＜(θelt-θelp/2)，则修正磁极对号码Nr＝Nx+1。
相反，当θelt＜θelp/2时，
若θelr＜(θelt+θelp/2)，则修正磁极对号码Nr＝Nx，
若θelr≥(θelt+θelp/2)，则修正磁极对号码Nr＝Nx-1。
此外，在与所述多极侧绝对值编码器的各磁极对对应的所述两极侧绝对值编码器的分辨率的最小值为Rtmin时，所述两极侧绝对值编码器的角度再现性X满足下式即可。
X＜2×((θelp/2)-(θelp/Rtmin))/Pp
在此，在所述两极侧绝对值编码器的精度或角度再现性X满足下式时，其中M为2以上的整数，一般能够按照如下所述根据临时磁极对号码Nxi确定正确的磁极对号码Nr。
X＜2×((θelp/M)-(Pp×θelp/Rt))/Pp
当θelt≥θelp/M时，
若θelr≥(θelt-θelp/M)，则修正磁极对号码Nr＝Nx，
若θelr＜(θelt-θelp/M)，则修正磁极对号码Nr＝Nx+1。
当θelt＜θelp/2时，
若θelr＜(θelt+θelp/M)，则修正磁极对号码Nr＝Nx，
若θelr≥(θelt+θelp/M)，则修正磁极对号码Nr＝Nx-1。
另外，在与所述多极侧绝对值编码器的各磁极对对应的所述两极侧绝对值编码器的分辨率的最小值为Rtmin时，所述两极侧绝对值编码器的角度再现性X满足下式即可。
X＜2×((θelp/M-(θelp/Rtmin))/Pp
根据本发明的绝对旋转位置检测方法，若设多极侧绝对值编码器的分辨率为Rm，则由Pp×Rm来规定用于检测旋转轴的绝对位置的分辨率，检测精度仅取决于多极侧绝对值编码器的分辨率。两极侧绝对值编码器的分辨率及精度与绝对位置检测的分辨率及精度无关，仅用于获取磁极对号码。因而，根据本发明，不用提高两极侧绝对值编码器的分辨率、精度，就能实现高分辨率的磁式绝对值编码器。
附图说明
图1是应用了本发明的磁式绝对值编码器的简要结构图。
图2是表示图1的两极侧绝对编码器及多极侧绝对值编码器的输出波形的波形图、以及在使其一部分沿时间轴方向拉伸了的状态下表示的说明图。
图3是表示机械角绝对位置的计算处理流程的流程图。
图4是表示从图3中的步骤ST13至步骤ST19的处理动作的说明图。
图5是表示从图3中的步骤ST13至步骤ST21的处理动作的说明图。
图6是表示机械角绝对位置的计算处理流程的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图，说明应用了本发明的磁式绝对值编码器的实施方式。
图1是表示利用本发明的绝对位置检测方法检测旋转轴旋转一周内的绝对旋转位置用的磁式绝对值编码器的简要框图。磁式绝对值编码器1具有：两极侧绝对值编码器2；Pp(Pp：2以上的整数)对磁极的多极侧绝对值编码器3；以及基于这些绝对值编码器的检测输出计算测定对象的旋转轴4旋转一周内的绝对旋转位置的控制处理部5。
两极侧绝对值编码器2具有：与旋转轴4一体旋转的磁化成两极的两极磁环21；以及随着该两极磁环21的旋转、以旋转轴旋转一周为一个周期输出具有90度相位差的正弦波信号的一对磁检测元件，例如，霍尔元件Ao、Bo。
多极侧绝对值编码器3具有：与旋转轴4一体旋转的磁化成Pp对磁极的多极磁环31；以及随着该多极磁环31的旋转、以旋转轴旋转一周为Pp个周期输出具有90度相位差的正弦波信号的一对磁检测元件，例如，霍尔元件Am、Bm。
控制处理部5具有：计算电路51；保存有对应表52的非易失性存储器53；以及向上位驱动控制装置(未图示)输出计算出的绝对旋转位置θabs的输出电路54。
在控制处理部5的计算电路51中，根据从两极侧绝对值编码器2的一对霍尔元件Ao、Bo输出的有90度相位差的正弦波信号，计算分辨率Rt，即机械角0～360度的绝对位置θt。另外，在计算电路51中，根据从多极侧绝对值编码器3的一对霍尔元件Am、Bm输出的有90度相位差的正弦波信号，计算分辨率Rm，即电角度0～360度(机械角0～360/Pp)的绝对位置θelr。还利用θelp(＝360度/Pp)和如下文描述的那样计算的磁极对号码Nr，根据下式计算旋转轴4旋转一周内的机械角绝对位置θabs。
θabs＝(Nr×θelp+θelr)/Pp    (1)
在此，为了正确地计算磁极对号码Nr，设定两极侧绝对值编码器2的精度或角度再现性X满足下式。
X＜2×((θelp/2-(Pp×θelp/Rt))/Pp(2)
在图2(a)中，以细线表示从霍尔元件Ao输出的两极波形，以粗线表示从霍尔元件Am输出的多极波形。图2(b)将其一部分在横轴(时间轴)方向上放大表示。
接下来，图3是表示磁极对号码Nr的计算程序的流程图，图4及图5是表示Nr计算动作的说明图。下面罗列各符号的意义。
Rm：多极侧绝对值编码器的分辨率
Rt：两极侧绝对值编码器的分辨率
θelr：多极侧绝对值编码器的实际绝对值(0～(θelp-1))
θelt：多极侧绝对值编码器的临时绝对值(0～(θelp-1))
θti：两极侧绝对值编码器的绝对值(0～(θtp-1))
Pp：多极磁环的磁极对数
Nr：多极磁环的实际磁极对号码(0～(Pp-1))
Nx：多极磁环的临时磁极对号码(0～(Pp-1))
首先，在磁式绝对值编码器1中进行实际的检测动作之前，先在一定的温度下以一定的旋转振摆、速度旋转驱动旋转轴4，测定两极侧绝对值编码器2及多极侧绝对值编码器3的输出。即，测定与两极侧绝对值编码器2的绝对值θti对应的多极侧绝对值编码器3的临时绝对值θelt。接着，对两极侧绝对值编码器2的各个绝对值θti分配多极磁环31的临时磁极对号码Nx。将这些信息置于对应表52，并存储保存在非易失性存储器53中(图3的步骤ST11)。
在实际的检测动作开始时，测量基于两极侧绝对值编码器2的旋转轴4的绝对值θti(图3的步骤ST12)。利用此绝对值θti参照对应表52，读出分配给该绝对值θti的多极侧绝对值编码器3的临时绝对值θelt、和多极磁环31的临时磁极对号码Nx(图3的步骤ST13)。而且，在此动作的同时或其前后，测量基于多极侧绝对值编码器3的旋转轴4的绝对值θelr(图3的步骤ST14)。
在此，与实际绝对值θelr对应的两极侧绝对值编码器2的绝对值θti随温度、旋转振摆、速度等动作状况而变化，而没有固定的关系。从而，在对应表52中相对应的绝对值θti与绝对值θelt，在实际的旋转状态下经常不对应。即，在上述式(2)所规定的角度再现性X的范围内变动。
因此，通过以下来修正临时磁极对号码Nx并计算正确的磁极对号码Nr。
首先，判别临时分配的绝对值θelt是否在值θelp/2以上(图3的步骤ST15)。
当θelt＜θelp/2时，判别测量出的绝对值θelr是否比(θelt+θelp/2)小(图3的步骤ST16)。基于此判别结果，确定磁极对号码Nr如下。
若θelr＜(θelt+θelp/2)，则磁极对号码Nr＝Nx(图3的步骤ST19)。相反，若θelr≥(θelt+θelp/2)，则磁极对号码Nr＝Nx-1(图3的步骤ST18)。
图4表示从图3的步骤ST13至步骤ST18、19的处理程序。如此图所示，由于旋转轴4的轴振摆等旋转状况，在两极侧绝对值编码器2的绝对值为θti时，多极侧绝对值编码器3的绝对值θelt以变动幅度Δ变动。在向旋转轴4的旋转量少的一方振摆时，该旋转轴4的实际旋转位置落在分配了磁极对号码Nx-1的角度范围内。在此情况下，由于实际绝对值θelr取比(θelt+θelp/2)还大的值，所以基于此能够判别出实际磁极对号码Nr为Nx-1。
另一方面，当θelt≥θelp/2时，判别测量出的绝对值θelr是否比(θelt-θelp/2)小(图3的步骤ST17)。基于此判别结果，确定磁极对号码Nr如下。
若θelr≥(θelt-θelp/2)，则磁极对号码Nr＝Nx(图3的步骤ST20)。相反，若θelr＜(θelt-θelp/2)，则磁极对号码Nr＝Nx+1(图3的步骤ST21)。
图5表示从图3的步骤ST13至步骤ST2θ、21的处理程序。如此图所示，由于旋转轴4的轴振摆等旋转状况，在两极侧绝对值编码器2的绝对值为θti时，多极侧绝对值编码器3的绝对值θelt以变动幅度Δ变动。在向旋转轴4的旋转量多的一方振摆时，该旋转轴4的实际旋转位置落在分配了磁极对号码Nx+1的角度范围内。在此情况下，由于实际绝对值θelr取比(θelt-θelp/2)还小的值，所以基于此能够判别出实际磁极对号码Nr为Nx+1。
通过这样计算磁极对号码Nr，并基于上述式(1)计算旋转轴4的机械角绝对位置θabs。之后，基于多极侧绝对值编码器3的绝对值θelr的增减，能依次检测旋转轴4的机械角绝对位置θabs。
如上所述，若利用本例的磁式绝对值编码器1，则检测出的分辨率、精度由多极侧绝对值编码器3规定，检测出的分辨率、精度不受两极侧绝对值编码器2的分辨率、精度的制约。另外，不需要将两极侧绝对值编码器2及多极侧绝对值编码器3的检测信号的上升沿点对准的调整操作。
此外，与多极侧绝对值编码器3的各磁极对对应的两极侧绝对值编码器2的分辨率大小Rti中存在偏差也没关系。只要与各磁极对对应的两极侧绝对值编码器的分辨率Rti的总和为Rt即可。当各分辨率Rti的最小值为Rtmin时，为了正确地计算磁极对号码Nr，按下式设定两极侧绝对值编码器2的精度或角度再现性X即可。
X＜2×((θelp/2-(θelp/Rtmin))/Pp(2A)
另外，如果设定两极侧绝对值编码器2的精度或角度再现性X满足下式，其中M为2以上的整数，那么本发明的方法一般可以按照图6所示的流程，计算出机械角绝对位置θabs。
X＜2×((θelp/M-(Pp×θelp/Rt))/Pp  (2B)
在此情况下同样，当与多极侧绝对值编码器3的各磁极对对应的两极侧绝对值编码器2的分辨率大小Rti的最小值为Rtmin时，为了正确地计算磁极对号码Nr，设定两极侧绝对值编码器2的精度或角度再现性X满足下式即可。
X＜2×((θelp/M-(θelp/Rtmin))/Pp(2C)

Claims (6)

1.一种绝对旋转位置检测方法，利用两极侧绝对值编码器和具有Pp对磁极的多极侧绝对值编码器，检测旋转轴旋转一周内的各绝对旋转位置，Pp为2以上的整数，其特征在于，
所述两极侧绝对值编码器具有：与所述旋转轴一体旋转的磁化成两极的两极磁体；以及随着该两极磁体的旋转、以旋转轴旋转一周为一个周期输出具有90度相位差的正弦波信号的一对磁检测元件，
所述多极侧绝对值编码器具有：与所述旋转轴一体旋转的磁化成Pp对磁极的多极磁体；以及随着该多极磁体的旋转、以旋转轴旋转一周为Pp个周期输出具有90度相位差的正弦波信号的一对磁检测元件，
在所述旋转轴的旋转位置的检测动作之前，先使该旋转轴旋转，对所述两极侧绝对值编码器的各绝对值θt测定并分配所述多极侧绝对值编码器的绝对值θelt，并且对所述两极侧绝对值编码器的各绝对值θt分配所述多极磁体的临时磁极对号码Nx；
在所述旋转轴的旋转位置的检测开始时，
测量基于所述两极侧绝对值编码器的所述旋转轴的绝对值θti，
测量基于所述多极侧绝对值编码器的所述旋转轴的绝对值θelr，
基于分配给测量出的所述绝对值θti分配的所述绝对值θelt、和所测量出的所述绝对值θelr，修正分配给所述绝对值θti的临时的所述磁极对号码Nx，计算磁极对号码Nr；
利用相当于多极侧绝对值编码器的输出信号一个周期的电角度的机械角θelp，根据下式计算所述旋转轴旋转一周内的机械角绝对位置θabs
θabs＝(Nr×θelp+θelr)/Pp。
2.如权利要求1所述的绝对旋转位置检测方法，其特征在于，
若设所述两极侧绝对值编码器的分辨率为Rt，M为2以上的整数，则设定该两极侧绝对值编码器的角度再现性X，使其满足：
X＜2×{((θelp/M)-(Pp×θelp/Rt))/Pp}，
当θelt≥θelp/M时，
若θelr≥(θelt-θelp/M)，则磁极对号码Nr＝Nx，
若θelr＜(θelt-θelp/M)，则磁极对号码Nr＝Nx+1，
当θelt＜θelp/2时，
若θelr＜(θelt+θelp/M)，则磁极对号码Nr＝Nx，
若θelr≥(θelt+θelp/M)，则磁极对号码Nr＝Nx-1。
3.如权利要求2所述的绝对旋转位置检测方法，其特征在于，
若设与所述多极侧绝对值编码器的各磁极对对应的所述两极侧绝对值编码器的分辨率的最小值为Rtmin，则设定所述两极的绝对值编码器的角度再现性X，使其满足：
X＜2×{((θelp/M)-(θelp/Rtmin))/Pp}。
4.一种磁式绝对值编码器，其特征在于，具有：
两极侧绝对值编码器；
具有Pp对磁极的多极侧绝对值编码器，Pp为2以上的整数；
旋转轴；以及
控制处理部，
所述两极侧绝对值编码器具有：与所述旋转轴一体旋转的磁化成两极的两极磁体；以及随着该两极磁体的旋转、以旋转轴旋转一周为一个周期输出具有90度相位差的正弦波信号的一对磁检测元件，
所述多极侧绝对值编码器具有：与所述旋转轴一体旋转的磁化成Pp对磁极的多极磁体；以及随着该多极磁体的旋转、以旋转轴旋转一周为Pp个周期输出具有90度相位差的正弦波信号的一对磁检测元件，
所述控制处理部通过执行以下步骤来检测所述旋转轴旋转一周内的绝对旋转位置：
在所述旋转轴的旋转位置的检测动作之前，先使该旋转轴旋转，对所述两极侧绝对值编码器的各绝对值θt测定并分配所述多极侧绝对值编码器的绝对值θelt，并且对所述两极侧绝对值编码器的各绝对值θt分配所述多极磁体的临时磁极对号码Nx；
在所述旋转轴的旋转位置的检测开始时，
测量基于所述两极侧绝对值编码器的所述旋转轴的绝对值θti，
测量基于所述多极侧绝对值编码器的所述旋转轴的绝对值θelr，
基于分配给测量出的所述绝对值θti分配的所述绝对值θelt、和所测量出的所述绝对值θelr，修正分配给所述绝对值θti的临时的所述磁极对号码Nx，计算磁极对号码Nr；
利用相当于多极侧绝对值编码器的输出信号一个周期的电角度的机械角θelp，根据下式计算所述旋转轴旋转一周内的机械角绝对位置θabs
θabs＝(Nr×θelp+θelr)/Pp。
5.如权利要求4所述的磁式绝对值编码器，其特征在于，
若设所述两极侧绝对值编码器的分辨率为Rt，M为2以上的整数，则设定该两极侧绝对值编码器的角度再现性X，使其满足：
X＜2×{((θelp/M)-(Pp×θelp/Rt))/Pp}，
当θelt≥θelp/M时，
若θelr≥(θelt-θelp/M)，则磁极对号码Nr＝Nx，
若θelr＜(θelt-θelp/M)，则磁极对号码Nr＝Nx+1，
当θelt＜θelp/2时，
若θelr＜(θelt+θelp/M)，则磁极对号码Nr＝Nx，
若θelr≥(θelt+θelp/M)，则磁极对号码Nr＝Nx-1。
6.如权利要求5所述的磁式绝对值编码器，其特征在于，
若设与所述多极侧绝对值编码器的各磁极对对应的所述两极侧绝对值编码器的分辨率的最小值为Rtmin，则设定所述两极的绝对值编码器的角度再现性X，使其满足：
X＜2×{((θelp/M)-(θelp/Rtmin))/Pp}。
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