CN102297653A - 旋转角度检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种旋转角度旋转装置(100)。在旋转角度检测装置(100)中，由磁阻元件(101a至101q)检测到的信号在于减法器(105a至105k)中被减去最优校正参数之前被数字化，最优校正参数被预先存储在存储器(104a、104b)中。应当注意的是，在启动时的初始传送期间，由CPU(107c)从控制单元(108)获得的检测目标的数据大小“n”被传递给存储器(104a、104b)，从而选择出对于检测目标的数据大小最优的校正参数。通过上述特征，检测单元(16)能够相对容易地处理机械侧提出的对扩大通孔尺寸等的要求，并且当检测目标(10)的曲率变化时不会降低检测精度而且减小了绝对位置处理中的误差。

Description

旋转角度检测装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年6月23日提交的申请号为2010-142200的日本专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及在工业机械、机床等领域使用的旋转角度检测装置，尤其涉及具有能够对多种尺寸的检测目标进行处理的检测单元的旋转角度检测装置。
背景技术
由于在风力发电、石油钻探等领域中对于加工超大型部件的需求增长，近来超大型机床的数量相应地增加。因此，旋转轴的直径变大，并且因此安装在旋转轴上的旋转角度检测装置的直径也变大。
图3是常规的中空型旋转角度检测装置的一个示例的剖视图，下文将对其构造进行概述。也即是说，狭缝盘202固定地安装在旋转轴201上，旋转轴201具有调节旋转偏转的贯穿其形成的通孔，并且规则的明暗栅格施加在狭缝盘202上。同时，发光器件203和光接收器件204紧固地安装在壳体208上从而一起夹住狭缝盘202。当狭缝盘202通过旋转轴201的旋转而旋转时，光接收器件204检测来自发光器件203的平行光，并将光电转换产生的电压电平发送给处理电路衬底205。处理电路衬底205基于传送的电压值执行插值运算等以计算出旋转轴201的旋转位置。
这个构造具有轴承206a、206b和联轴器207，其中检测单元不与检测目标分离。因此，在机械侧通过通孔插入的部件的尺寸需要小于形成在旋转轴201中的通孔的直径。当要求具有较大通孔的中空型旋转角度检测装置时，需要重新设计整个中空型旋转角度检测装置的构造。在诸如特开2009-258002号日本专利申请中描述了具有集成的检测单元和检测目标的这种构造。
同时，存在其中使用了具有与检测目标分离的检测单元的旋转角度检测装置的情形。例如，特开平11-183201号日本专利申请描述了其中编码器能够与检测单元分离的构造。此外，特开2006-322764号日本专利申请描述了高精度的旋转角度检测装置。图4是示出这种常规的旋转角度检测装置的一个示例的立体图。具体地说，包括检测齿轮301和绝对位置编码盘302的检测目标紧固地安装在机械侧(未示出)的旋转轴等上。检测齿轮301是齿数为360、基本齿距长度为大约1.256mm并且模数为0.4的正齿轮，其中内径是φ100mm。绝对位置编码盘302具有形成在其外周上的不规则切口(cut-off)以使用切口对代码进行二值化。一比特长度等于检测齿轮301的基本齿距长度，即大约1.256mm，并且给出了不规则循环码以使得读出的用于相应的九个连续比特组的每个代码是唯一的。
同时，在机械侧(未示出)固定地安装在诸如凸缘的非旋转构件上的检测单元303包括用于检测将由于检测齿轮301上的不平坦部分而变化的磁通密度的八个磁阻元件，和用于检测将由于绝对位置编码盘302上的切口而变化的磁通密度的九个磁阻元件。
用于检测检测齿轮301的不平坦部分的八个磁阻元件被放置成使得获得正交的两相信号。也即是说，相对于用作基准的第一元件，第二元件、第三元件、第四元件、第五元件、第六元件、第七元件和第八元件分别以1/4齿距(大约为0.314mm)、1/2齿距、3/4齿距、1齿距、5/4齿距、3/2齿距和7/4齿距在测定轴向方向上移置地布置，其中，第一元件和第五元件检测正弦正相，第二元件和第六元件检测余弦正相，第三元件和第七元件检测正弦负相，第四元件和第八元件检测余弦负相。同时，用于检测绝对位置编码盘302的切口的九个磁阻元件布置成使得能够获得对切口的存在或者不存在进行二值化的信号。也即是说，九个元件布置成相互间隔一个齿距长度以使得用于九个连续比特的代码被读出。
这里假设期望将旋转角度检测装置的通孔从φ100mm扩大到φ150mm。图5是具有φ150mm的通孔的旋转角度检测装置的立体图。检测齿轮401是齿数为500、模数为0.4并且基本齿距长度为大约1.256mm长的正齿轮，其中，其内径是φ150mm。类似于图4中所示的示例，绝对位置编码盘402具有形成在其外周上的不规则切口以使用切口对代码进行二值化。一比特长度等于检测齿轮401的基本齿距长度，即大约1.256mm。给出了不规则循环码以使得用于相应的九个连续比特组的每个代码是唯一的。
同时，与图4所示的检测单元303的构造相同的构造被用于检测单元303。因为检测齿轮301和401具有相同的基本齿距长度，所以不需要改变用于检测检测齿轮401的不平坦部分的八个磁阻元件的位置。类似地，因为绝对位置编码盘302和402具有相同的基本齿距长度，所以不需要改变九个磁阻元件的位置。使用相同的工具(带毂刨齿刀)能够实现具有相同的基本齿距长度(模数和圆周率的乘积)但是不同齿数的齿轮的加工。因此，用于制造新的检测齿轮的设计、编程期间等不是问题。也即是说，如上文描述的，只要检测目标与检测单元分离并且检测目标的基本齿距尽管尺寸不同但是一致，检测单元就能够处理各种尺寸的检测目标，因此能够相对容易地处理机械侧提出的对临界孔尺寸的要求。
图6是示出用于处理由图5所示的检测单元获得的信号的电路的示意性构造的图。由用于检测将由于检测齿轮401的不平坦部分而变化的磁通密度的磁阻元件101a至101h所产生的电阻变化电平(转换后的电压电平)被发送给差动放大器102a、102b，以使得相同相位的信号相互连接并且通过利用极性的差被放大，其后，在模/数转换器103a、103b中被数字化。经过数字化的两相信号Sdo、Cdo经减法器105a、105b从其中减去偏移校正值Sofs、Cofs，其中偏移校正值Sofs、Cofs被预先存储在存储器104a中。从其中去除了偏移分量的两相信号Sd、Cd经除法器106转换成正切信号Tan_d，然后由运算单元107a进行反正切运算从而获得基本齿距内的绝对位置θp。
由用于检测将由于绝对位置编码盘402的切口而变化的磁通密度的磁阻元件101i至101q(为了简化，九个元件没有完全示出)所产生的电阻变化电平(转换后的电压电平)，在由模/数转换器103c至103k数字化为数字信号A1do至A9do之前经放大器102c至102k放大。数字信号A1do至A9do经减法器105c至105k从其中减去用于二值化判定的阈值电平(偏移校正值)A1ofs至A9ofs以成为正/负二值化信号A1d至A9d，其中阈值电平A1ofs至A9ofs被预先存储在存储器104b中。
正/负二值化信号A1d至A9d与从连接到旋转角度检测装置的控制单元108获得的表示检测目标的数据大小(检测齿轮401的齿数或者绝对位置编码盘402的绝对位置代码的最大代码长度)的值“500”一起在运算单元107d中经过绝对位置处理，从而获得表示分成500份的一次旋转内的位置的位置θa。此后，基本齿距内的绝对位置θp和表示分成500份的一次旋转内的位置的位置θa通过CPU 107c进行数字调整(结合处理)，从而获得一次旋转内的绝对位置θ。
具有上述检测单元的旋转角度检测装置能够相对容易地处理各种通孔尺寸，即，各种齿轮尺寸(齿数)。然而，虽然能够处理各种检测齿轮301、401或者绝对位置编码盘302、402，但是随着检测目标的尺寸变化，从相对远离检测单元的中心放置的磁阻元件101a至101q到检测目标的距离显著地变化。
关于用于检测将由于检测齿轮401的不平坦部分而变化的磁通密度的磁阻元件101a至101h的图6所示的磁阻元件101a至101q的示例，随着检测齿轮401的尺寸变化，从在测定轴向方向上相对靠近端部放置的磁阻元件101a、101b、101g和101h到检测目标的距离显著地变化，并且信号变化的中间电平即偏移电平也变化。这导致了以下情形：存储在存储器104a中的偏移校正值Sofs、Cofs不是最优的。
相似地，在绝对位置编码侧，随着绝对位置编码盘402的尺寸变化，从相对远离中心位置放置的磁阻元件101i至101q到检测目标的距离显著地改变。因此，信号变化的中间电平，即，阈值电平(偏移电平)也变化。这导致了以下情形：存储在存储器104b中的阈值电平(偏移校正值)不是最优的。
发明内容
根据其中检测目标不与检测单元分离的上述常规的旋转角度检测装置，必须重新设计整个旋转角度检测装置以满足机械侧提出的对更大通孔尺寸的要求。
根据其中检测目标与检测单元分离的设计来解决这个问题的常规的旋转角度检测装置，能够相对容易地处理来自机械侧的对更大通孔尺寸的要求。然而，导致了这样的问题：检测单元中的检测元件受制于误差诱发因素，即由检测目标的曲率变化导致的偏移变化。用于检测将由于检测齿轮的不平坦部分而变化的磁通密度的检测元件的偏移变化可能成为检测精度降低的直接原因，检测精度是旋转角度检测装置最重要的标准，而用于检测将由于绝对位置编码盘的切口而变化的磁通密度的检测元件的偏移变化可能引起二值化判定中可能的误差，其结果可能导致异常的状态，诸如绝对位置处理中的误差。
考虑到上述问题，本发明旨在提供这样一种具有检测单元的旋转角度检测装置：其能够相对容易地处理机械侧提出的对扩大通孔尺寸的要求，同时响应于检测目标的曲率变化使得检测精度的降低较少以及绝对位置处理中的误差减小。
根据本发明的旋转角度检测装置是这样一种旋转角度检测装置：其包括检测目标、增量检测单元和绝对位置检测单元，其中，所述检测目标具有增量盘和绝对位置编码盘，所述增量盘同轴地安装在测定目标的旋转轴上并且具有重复n次的规则图案，而且所述绝对位置编码盘与所述增量盘同轴地安装并且具有包括最大长度为n比特的二元随机数序列的不规则循环码，所述增量检测单元与所述增量盘相对地放置，而且绝对位置检测单元与绝对位置编码盘相对地放置，所述装置包括：存储器，其用于存储根据所述检测目标的重复数据大小n的校正参数；以及计算单元，其用于基于由所述增量检测单元获得的检测数据和由所述绝对位置检测单元获得的检测数据，使用根据所述重复数据大小n的所述校正参数来计算所述测定目标的旋转角度。
在根据本发明的旋转角度检测装置中，在从连接至旋转角度检测装置的控制单元输入的用于启动时的初始化处理的与检测目标的重复数据大小n相当的数据时，预先存储在存储器中的根据检测目标的重复数据大小n的校正参数可被反映在检测处理中。
此外，在根据本发明的旋转角度检测装置中，存储在存储器中的校正参数可以是对于所述绝对位置检测单元的阈值电平的校正参数，并且存储在所述存储器中的校正值可以是对于所述增量检测单元的插值校正参数。
此外，在根据本发明的旋转角度检测装置中，待应用至校正参数的基本表达式被存储在所述存储器中，并且在所述检测目标的数据大小n被输入时，可基于所述基本表达式来推导所述校正参数。
依照根据本发明的旋转角度检测装置，可以通过相对简单的设计和制造来处理机械侧提出的对各种通孔尺寸的要求，同时以高检测精度执行稳定的绝对位置处理，并且可产生减小开发期间和制造成本的优势。此外，由于单一种类的检测单元能够用于各种情形，所以能够显著地减少用于维修的库存。
附图说明
在下文的说明书中，将结合附图说明本发明的这些以及其他目的，其中：
图1是根据本发明的实施例的旋转角度检测装置的立体图；
图2是示出根据本发明的实施例的旋转角度检测装置的信号处理电路的示意性构造的图；
图3是示出常规的中空型旋转角度检测装置的一个示例的剖视图；
图4是示出常规的旋转角度检测装置的一个示例的立体图；
图5是示出与图4所示不同的常规的旋转角度检测装置的一个示例的立体图；以及
图6是示出图5所示的旋转角度检测装置的信号处理电路的示意性构造的图。
具体实施方式
将参照附图描述本发明的实施例。如图1所示，本实施例中的旋转角度检测装置100包括检测目标10和检测单元16，检测目标10包括增量盘11和绝对位置编码盘12。增量盘11具有重复n次的规则图案，并且同轴且紧固地安装在作为测定目标的机械侧(未示出)的旋转轴等上。绝对位置编码盘12与增量盘11同轴地安装，并且具有包括最大长度为n比特的二元随机数序列的不规则循环码。检测单元16紧固地安装在机械侧(未示出)的诸如凸缘等非旋转构件上。
增量盘11是齿数为n的正齿轮，正齿轮的基本齿距长度大约为1.256mm。绝对位置编码盘12具有形成在其外周上的不规则切口以使用所述切口对代码进行二值化，其中，一比特长度等于增量盘11的基本齿距长度，大约为1.256mm。给出了不规则循环码以使得读出的用于相应的九个连续比特组的每个代码是唯一的。
同时，在机械侧(未示出)紧固地安装在诸如凸缘等非旋转构件上的检测单元16包括用于检测将由于增量盘11的不平坦部分而变化的磁通密度的八个磁阻元件101a至101h(示于图2)，和用于检测将由于绝对位置编码盘12的切口13而变化的磁通密度的九个磁阻元件101i至101q(示于图2)。
将用于检测增量盘11的不平坦部分18的八个磁阻元件101a至101h布置成使得能够获得正交的两相信号。也即是说，相对于用作基准的第一元件，第二元件、第三元件、第四元件、第五元件、第六元件、第七元件和第八元件分别以1/4齿距(大约为0.314mm)、1/2齿距、3/4齿距、1齿距、5/4齿距、3/2齿距和7/4齿距在测定轴向方向上移置地定位。第一元件和第五元件检测正弦正相；第二元件和第六元件检测余弦正相；第三元件和第七元件检测正弦负相；并且第四元件和第八元件检测余弦负相。此外，用于检测绝对位置编码盘12的切口13的九个磁阻元件101i至101q布置成使得能够获得对切口的存在或者不存在进行二值化的信号。也即是说，九个元件布置成相互间隔一个齿距长度，以使得用于九个连续比特的代码被读出。
图2是示出用于处理由检测单元16获得的信号的电路的示意性构造的图。在该电路中，运算单元107a、107b和CPU 107c构成了计算单元17。由用于检测将由于增量盘11的不平坦部分18而变化的磁通密度的磁阻元件101a至101h所产生的电阻变化电平(转换后的电压电平)被发送给差动放大器102a、102b以使得相同相位的信号相互连接并且利用极性的差被放大，此后，在模/数转换器103a、103b中被数字化为两相信号Sdo、Cdo。
在图2所示的存储器104a中，存储有根据旋转角度检测装置100的检测目标10的大小排列的偏移校正值。例如，假设根据机械侧的要求需要有检测目标10的四种通孔，因此，构成检测目标10的齿数分别为256、360、420和500的检测齿轮或者增量盘11排成列。在这种情形中，在存储器104a中存储有对于四种齿数中的每一种而言最优的偏移校正值。同时，由运算单元107a从控制单元108获得的检测目标的数据大小“n”在初始通讯时，诸如启动时被传递给存储器104a，以使得选择出对于该齿数n最优的偏移校正值。因此，在存储器104a中选择了待从数字信号Sdo、Cdo去除的偏移校正值Sofs_n、Cofs_n，并且通过减法器105a、106a去除了偏移分量。从其中去除了偏移分量的产生的两相信号Sd、Cd在除法器106中经过正切信号处理成信号Tan_d，然后在运算单元107a中经过反正切运算从而获得基本齿距内的绝对位置θp。
作为对于齿数的最优偏移校正值，诸如Sofs_n或者Cofs_n，为与具有该齿数的检测齿轮的组合而测定的校正值是被预先存储的。用于测定最优偏移校正值的方法包括如下方法：获得信号电平Sdo或者Cdo的最大值和最小值之间的中间值的方法、计算出基本齿距内的所有信号电平的平均值的方法等。然而，本发明不限于用于测定最优偏移校正值的特定方法。在任何情形中，即使当增量盘11或者检测齿轮的齿数变化时，偏移分量也以最优的方式被去除，以使得旋转角度检测装置100的检测精度不会降低。
在下文中，将描述由用于检测将由于绝对位置编码盘12的切口13而变化的磁通密度的磁阻元件101i至101q执行的处理。
由用于检测将由于绝对位置编码盘12的切口13而变化的磁通密度的磁阻元件101i至101q(出于简化，九个元件没有完全示出)输出的电阻变化电平(转换后的电压电平)在模/数转换器103c至103k中被数字化为数字信号A1do至A9do之前经放大器102c至102k放大。
在存储器104b中，存储有根据旋转角度检测装置100的检测目标10的大小排列的用于阈值电平的校正参数。特别地，类似于存储器104a，在存储器104b中存储有用于对于使用中的绝对位置编码盘12的每个最大代码长度的最优阈值电平的校正参数。
此外，由运算单元107a从控制单元108获得的检测目标10的数据大小“n”在初始通讯时，诸如启动时被传递给存储器104b，以使得选择出用于对于绝对位置代码的最大代码长度n的最优阈值电平的校正参数。因此，在存储器104b中选择了最优阈值电平(偏移校正值)A1ofs_n至A9ofs_n，并且在减法器105a、105b中将其从数字信号A1do至A9do去除。
正/负二值化信号A1d至A9d与通过旋转角度检测装置100从连接的控制单元108获得的检测目标10的值或者数据大小“n”一起在运算单元107b中经过绝对位置处理，从而获得表示分成n份的一次旋转内的位置的位置θa。此后，基本齿距内的绝对位置θp和表示分成n份的一次旋转内的位置的位置θa通过CPU 107c进行数字调整(结合处理)，从而获得一次旋转内绝对位置θ。
作为对于与绝对位置代码的最大代码长度对应的阈值电平的校正参数，诸如A1ofs_n至A9ofs_n，为与所述大小的绝对位置编码盘12的组合而测定的最优值是被预先存储的。作为用于确定对于最优阈值电平的校正参数的方法，通常使用用于确定在相应的正负侧具有最低的反差(contrast)的值之间的中间值的方法。然而，本发明不限于用于确定最优校正参数的任何特定方法。在任何情形中，即使当绝对位置编码盘12的绝对位置代码的最大代码长度变化时，因为阈值电平被保持为最优，所以能够减小二值化判定中可能的检测误差。
在下文中，将描述其中能够使用基本表达式来获得校正参数的实施例。然而，在描述之前，作为可能引起作为检测目标10的曲率变化的结果的偏移值和/或阈值电平变化的因素，将描述以下现象。
应当注意的是，作为围绕磁阻元件的构造元件，在检测目标10的相反侧额外地设置有偏置磁体(未示出)，使磁阻元件介于偏置磁体和检测目标10之间。在由偏置磁体产生的磁通中，由于检测目标10的不平坦部分18或者切口13的存在或者不存在造成了具有较高磁通密度的区域和具有较低磁通密度的区域。放置在偏置磁体和检测目标10之间的磁阻元件检测高/低磁通密度。
在上文中，可注意到以下特性：当检测目标10的曲率变小并且由此导致偏置磁体和不平坦部分18或者切口13之间的距离变短时，磁通密度的变化范围(反差)变大，并且因此磁通量密度的偏移量也变大。因此，基于上述关系的实验研究和测定，可获得检测目标10的曲率(数据大小)和偏移分量之间的关系和规律。可选地，能够使用诸如FEM磁场分析工具的分析方法来获得检测目标10的曲率(数据大小)和偏移分量之间的关系和规律。因此获得的关系和规律被表示为包括近似表达式的基本表达式，并且能够基于基本表达式获得校正参数。用于计算对于与用于检测将由于绝对位置编码盘12的切口13而变化的磁通密度的磁阻元件101i相关的阈值电平的校正参数的基本表达式的示例在下文中示为表达式1。
A1ofs_n＝α·n+β    (表达式1)
其中，n指的是表示检测目标10的数据大小的值，所述值与绝对位置代码的最大代码长度相当。也即是说，如表达式1所示，由于线性变化的存在是在检测目标10的曲率和阈值电平的校正参数之间确定出的，因此布置为使得阈值电平的校正值根据检测目标10的数据大小成比例地变化。
在存储器104b中，在检测目标10的数据大小，即n输入时，基于基本表达式推导出阈值电平的校正参数。这种布置的优势在于，尽管在接收到对检测目标10的大小的新要求时通常需要测定对于所述大小的各个校正参数以及将数据输入存储器104a、104b中，但是不需要重新执行测定以获得参数，特别地是在各个校正参数是使用基本表达式而获得时。
应当注意的是，本发明不限于基本表达式的特定构成。相反地，基本表达式的构成可以与检测原理或者检测目标10的材料(导磁系数)的变化一起变化。本发明的特征仅在于：对于检测目标10的数据大小，使用基本表达式来推导各个最优校正值。
上文描述了本发明的实施例。然而，本发明不限于上述内容。特别的是，虽然描述的用于检测原理的是采用磁阻元件的磁体类型，但是本发明的技术能够应用于采用线圈的电磁感应类型。要点是：具有能够对各种大小的检测目标10进行处理的检测单元16并且能够响应于检测目标10的曲率变化而优化检测单元16中的各个校正参数的任何装置能够作为根据本发明的旋转角度检测装置100使用。
此外，在现有技术和本实施例之间的示意性构造图中能够看出将数据大小从CPU 107c或者运算单元传送至存储器104a、106b的方式的差别。然而，这仅仅是示例。虽然各个元件是单独示出的以描述其各自的功能，但是存储器104a、104b、减法器105a至105b、除法器106、运算单元107a、107b和CPU 107c可以使用单个CPU来实现。因此，本装置能够使用不能在外观上与常规的装置相区别的构造来实现。要点是，具有用于响应于检测目标10的曲率变化而在处理期间优化检测单元16中的各个校正参数的功能的任何装置均能够作为根据本发明的旋转角度检测装置100使用。
根据本发明的旋转角度检测装置能够被应用于工业机械和机床。

Claims (8)

1.一种旋转角度检测装置，包括检测目标、增量检测单元和绝对位置检测单元，其中，所述检测目标具有增量盘和绝对位置编码盘，所述增量盘同轴地安装在测定目标的旋转轴上并且具有重复n次的规则图案，而且所述绝对位置编码盘与所述增量盘同轴地安装并且具有包括最大长度为n比特的二元随机数序列的不规则循环码，所述增量检测单元与所述增量盘相对地放置，而且所述绝对位置检测单元与所述绝对位置编码盘相对地放置，所述装置包括：
存储器，其用于存储根据所述检测目标的重复数据大小n的校正参数；以及
计算单元，其用于基于由所述增量检测单元获得的检测数据和由所述绝对位置检测单元获得的检测数据，使用根据所述重复数据大小n的所述校正参数来计算所述测定目标的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的旋转角度检测装置，其中，在从连接至所述旋转角度检测装置的控制单元输入用于启动时的初始化处理的与所述检测目标的所述重复数据大小n相当的数据时，预先存储在所述存储器中的根据所述检测目标的所述重复数据大小n的所述校正参数被反映在检测处理中。
3.根据权利要求1所述的旋转角度检测装置，其中，存储在所述存储器中的所述校正参数是对于所述绝对位置检测单元的阈值电平的校正参数。
4.根据权利要求2所述的旋转角度检测装置，其中，存储在所述存储器中的所述校正参数是对于所述绝对位置检测单元的阈值电平的校正参数。
5.根据权利要求1所述的旋转角度检测装置，其中，存储在所述存储器中的校正值是对于所述增量检测单元的插值校正参数。
6.根据权利要求2所述的旋转角度检测装置，其中，存储在所述存储器中的校正值是对于所述增量检测单元的插值校正参数。
7.根据权利要求1所述的旋转角度检测装置，其中
待推导出所述校正参数的基本表达式被存储在所述存储器中，并且
在所述检测目标的数据大小n被输入时，基于所述基本表达式来推导所述校正参数。
8.根据权利要求2所述的旋转角度检测装置，其中
待推导出所述校正参数的基本表达式被存储在所述存储器中，并且
在所述检测目标的数据大小n被输入时，基于所述基本表达式来推导所述校正参数。
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