CN102759324A - 位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简单的位置检测装置，其以简单的结构实现小型化。在基于磁性解算器的检测信号对电动机的旋转位置进行检测的位置检测装置中，具有：解算器定子，其形成的多个齿，它们分别卷绕旋转位置的检测线圈，并以所述电动机的旋转中心轴为中心而配置成圆环状；解算器转子，其具有n个(n为大于或等于2的整数)齿，它们与该解算器定子相对，并与所述旋转中心轴偏心而配置成圆环状；以及运算部，其基于所述检测信号的信号振幅以及相位，计算所述电动机的绝对旋转位置。

Description

位置检测装置

技术领域

本发明涉及一种位置检测装置，其基于磁性解算器的检测信号检测电动机的旋转位置。详细地说，涉及一种位置检测装置，其可以将磁性解算器的磁特性变化变换为电气信号，并基于根据磁性解算器的移动发生周期性变化而各自的相位不同的多个检测信号，检测电动机的旋转位置。

背景技术

作为进行定位动作的致动器，存在将电动机和编码器组合的产品。在该致动器中，由编码器检测电动机的旋转位置，并通过将检测信号作为返回信号而对电动机的旋转位置进行反馈控制，进行定位动作。作为这种致动器，存在使编码器具有绝对旋转位置检测功能的产品。

图5是当前的具有绝对位置检测功能的致动器的概略结构图。

在图5中，500是电动机部，600是作为编码器的磁性解算器部。磁性解算器部600由n×解算器610、和1×解算器620构成。作为1×解算器620，如果转子520旋转一周，则检测信号的相位发生一个周期的变化。作为n×解算器610，如果转子520旋转1/n(n为大于或等于2的整数)周，则检测信号的相位发生一个周期的变化。

在磁性解算器部600中，利用1×解算器620将1/n周旋转作为分辨率而检测绝对旋转位置，利用n×解算器610对所检测出的1/n周旋转内的旋转位置进行检测，从而可以高分辨率地检测绝对旋转位置。

电动机部500、n×解算器610、1×解算器620的任一个均是外转子型，内侧的定子510为中空结构。中空部分作为配线空间等而使用。

图6是磁性解算器600的详细图，图6(a)是n×解算器610的俯视图，(b)是1×解算器620的俯视图。

在图6(a)中，在n×解算器610的解算器转子611上，以一定齿距形成n个齿，它们以电动机500的旋转中心轴为中心而形成圆环状。配置解算器定子612，该解算器定子612与该解算器转子611的齿相对地具有多个凸极，在每个凸极上具有大于或等于1个的齿。如果解算器转子611的齿和解算器定子612的凸极的位置关系发生变化，则卷绕在解算器定子612上的线圈的电感发生变化。利用解算器转子每旋转1/n周而电感发生一个周期的变化，从而检测电动机在旋转1/n周内的旋转位置。

在图6(b)中，1×解算器620在解算器定子622上设置4个凸极。解算器转子621为环状，环宽度随着环每旋转一周而发生一个周期的变化。因此，解算器转子621和解算器定子622之间的间隙，随着解算器转子每旋转一周而发生一个周期的变化。

如果解算器转子和解算器定子之间的间隙发生变化，则卷绕在解算器定子622上的线圈的磁特性发生变化。利用解算器转子每旋转一周而电感发生一个周期的变化，从而检测电动机在旋转中的旋转位置。

在下述的专利文献中记载了具有类似上述的绝对位置检测功能的致动器。

专利文献1：日本实开平05-11776号公报

专利文献2：日本特开平05-324075号公报

发明内容

但是，在上述结构中，因为具有n×解算器610和1×解算器620这2个系统的解算器，所以磁性解算器部600的体积庞大。

另外，为了抑制解算器之间的磁干涉，需要单独或组合实施下述的(1)～(3)的对策，即，(1)使n×解算器610和1×解算器620之间的距离远离，(2)在n×解算器610和1×解算器620之间实施磁屏蔽，(3)对n×解算器610和1×解算器620的励磁进行时间分割，并控制为在对一个进行励磁的期间切断另一个的励磁等，从而使检测部的结构复杂。

本发明的目的在于提供一种简单的位置检测装置，其可以解决当前的问题，并以简单的结构使体积缩小。

为了解决上述问题，本发明具有如下的结构。

(1)一种位置检测装置，其基于磁性解算器的检测信号，对电动机的旋转位置进行检测，其特征在于，具有：解算器定子，其配置为以所述电动机的旋转中心轴为中心的圆环状，该解算器定子形成有多个齿，它们分别卷绕有旋转位置检测线圈；解算器转子，其与该解算器定子相对，并配置为与所述旋转中心轴偏心的圆环状，该解算器转子具有n个齿，n为大于或等于2的整数；以及运算部，其基于所述检测信号的信号振幅以及相位，计算所述电动机的绝对旋转位置。

(2)根据(1)所述的位置检测装置，其特征在于，所述运算部基于所述检测信号的信号振幅变化，计算在所述电动机一周旋转内的位置，所述检测信号的信号振幅随着所述解算器转子和所述解算器定子之间的间隙变化而变化，其中，所述电动机每旋转一周，该间隙发生一个周期的变化。

(3)根据(1)或(2)所述的位置检测装置，其特征在于，所述运算部基于所述检测信号的相位变化，计算所述电动机在1/n周旋转内的位置，其中，所述电动机每旋转1/n周，所述检测信号的相位发生一个周期的变化。

(4)根据(1)～(3)中的任意一项所述的位置检测装置，其特征在于，所述运算部，对于卷绕到所述解算器定子的每个齿上的多个检测线圈群，将彼此接近的各相组合而分割成多个通道，对每个通道计算所述电动机的旋转位置，并将这些计算值平均化。

(5)根据(1)～(4)中的任意一项所述的位置检测装置，其特征在于，在所述解算器定子上形成的齿的总数，为所述通道数×相数的m倍，m为大于或等于2的整数。

发明的效果

根据本发明，可以期待如下的效果。

(1)通过具有：解算器定子，其配置成以电动机的旋转中心轴为中心的圆环状，并且具有多个齿；解算器转子，其与该解算器定子相对，并配置为与上述旋转中心轴偏心的圆环状，该解算器转子具有n个(n为大于或等于2的整数)齿；运算部，其基于磁性解算器的检测信号的信号振幅以及相位，计算上述电动机的绝对位置，从而，可以由单独的解算器检测电动机的绝对旋转位置，可以实现以简单的结构使体积缩小的位置检测装置。

(2)另外，因为使用单独的解算器检测绝对旋转位置，所以不需要考虑当前的多个结构的解算器之间的磁干涉，可以使检测部的结构简单并降低成本。

(3)通过使解算器定子的多个齿为分别卷绕检测线圈的结构，从而可以使齿和线圈的结构小型化，并可以使齿的总数为通道数×相数的m倍(m为大于或等于2的整数)，可以提高各通道的平均运算的精度，并有助于提高位置检测的精度。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的说明图。

图2是表示运算部2的结构的模块图。

图3是表示磁性解算器1的状态和检测信号的示意图。

图4是表示相位检测电路23的动作的示意图。

图5是表示当前的具有绝对位置检测功能的致动器的概略结构图。

图6是磁性解算器部101的详细说明图。

具体实施方式

图1是表示本发明的实施例1的图。图1是本发明的磁性解算器1的俯视图，1a是解算器转子，1b是解算器定子。磁性解算器1是外转子型，内侧的解算器定子1b为中空结构。

解算器定子1b由层叠钢板构成，形成以电动机(未图示)的旋转中心轴为中心的圆环状。在解算器定子1b的前端形成多个齿1b1，在其上分别卷绕检测线圈1b2。

作为齿数，对于将圆周每隔90度分割成4份而成的通道ch0～ch3，在每个通道上形成4相×2(m1，m2)＝8个齿，4个通道总计形成32个齿。在各齿1b1上分别卷绕的检测线圈1b2，与后述的运算部2连接，进行电动机的绝对旋转位置的计算。

解算器转子1a形成由层叠钢板构成的环状，环宽度形成为，随着环每旋转一周而发生一个周期的变化。并且，在该环状内侧的与解算器定子1b的齿相对的位置，以一定的齿距形成n个(在图1中为40个)齿1a1。即，解算器转子1a构成为，形成n个齿，它们与解算器定子1b相对，并形成与电动机的旋转中心轴偏心的圆环状。

磁性解算器1的整体，每隔90度而被分割成4个通道ch0～ch3，解算器定子1b的齿1b1，以彼此接近的sin0相、sinπ相、cos0相、cosπ相这4个相作为1组，与各通道对应。

解算器定子1b的齿1b1，相对于解算器转子1a的齿1a1，在机械角每隔90°的不同位置设置，对于每个彼此接近的相，形成sin0相、sinπ相、cos0相、cosπ相这4相。

卷绕到各齿1b1上的检测线圈1b2，与后述的运算部2连接，进行电动机的绝对旋转位置的计算。

解算器转子1a的齿1a1和解算器定子1b的齿1b1之间的间隙，随着解算器转子1a每旋转一周而发生一个周期的变化。在图1中，使用d0表示在ch0中央附近的间隙，使用d1表示在ch1中央附近的间隙，使用d2表示在ch2中央附近的间隙，使用d3表示在ch3中央附近的间隙。

如果解算器转子1a进行旋转，则解算器转子1a的齿1a1和解算器定子1b的齿1b1之间的间隙以d0→d1→d2→d3→d0→…的方式连续地变化。

因为如果解算器转子1a的齿1a1和解算器定子1b的齿1b1之间的间隙发生变化，则检测信号的振幅与间隙成反比，所以卷绕到解算器定子1b的齿1b1上的检测线圈1b2的磁特性发生变化。随着解算器转子1a每旋转一周，检测信号的振幅发生一个周期的变化。

利用随着该间隙变化的检测信号的振幅变化，检测电动机一周旋转内的旋转位置。此外，电动机一周旋转内的旋转位置，基于检测相当于n个齿的位置关系的位置而确定，将电动机的1/n周旋转作为分辨率而进行检测。

另外，如果解算器转子的齿1a1和解算器定子1b的齿1b1的相对位置发生变化，则卷绕到解算器定子上的检测线圈的磁特性发生变化。随着解算器转子每旋转1/n周，检测信号的相位发生一个周期的变化。利用该检测信号的相位变化，检测在电动机1/n周旋转内的旋转位置。

即，基于检测信号的振幅变化，以分辨率1/n周检测电动机的旋转位置，而且，基于检测信号的相位变化，高精度地求出在该1/n周旋转内的旋转位置。

图2是表示运算部2的结构的模块图，标号200～203是检测电路，标号210～213是相位振幅检测电路，标号22是平均化单元，标号23是相位检测电路。

检测电路200～203分别针对磁性解算器1的各通道ch0～ch3输出励磁信号，并输入来自于各通道的检测信号。检测电路200～203基于检测信号将磁特性的变化作为检测信号的振幅变化得到，并向相位振幅检测电路210～213输出。

具体地说，检测电路200～203基于检测信号进行下面的运算，并将结果向相位振幅检测电路210～213输出。

在检测电路200中

(A+B·sinθ)·sinθ_n0(0-1)

(A+B·sinθ)·cosθ_n0(0-2)

在检测电路201中

(A+B·cosθ)·sinθ_n1(1-1)

(A+B·cosθ)·cosθ_n1(1-2)

在检测电路202中

(A-B·sinθ)·sinθ_n2(2-1)

(A-B·sinθ)·cosθ_n2(2-2)

在检测电路203中

(A-B·cosθ)·sinθ_n3(3-1)

(A-B·cosθ)·cosθ_n3(3-2)

此外，A是磁特性在电动机旋转中的平均值，B是在电动机旋转期间磁特性随着间隙变化而变动的振幅，θ是以分辨率1/n对电动机一周旋转中的旋转位置进行检测的旋转角，θn0～θn3是在各通道ch0～ch3内检测出的电动机1/n周旋转内的旋转角。

相位振幅检测电路210～213基于来自于检测电路200～203的输入，对各通道计算在1/n周旋转内的旋转角θn0～θn3。另外，通过将来自于检测电路200～203的输出进行均方而得出振幅值。

具体地说，相位振幅检测电路210基于公式(0-1)和公式(0-2)，进行tan-1的处理，计算在1/n周旋转内的旋转角θn0。而且，相位振幅检测电路210得到公式(0-1)和公式(0-2)的均方，计算

(A+B·sinθ)(0-3)。

同样地，相位振幅检测电路211基于公式(1-1)和公式(1-2)，进行tan-1的处理，计算在1/n周旋转内的旋转角θn1。而且，相位振幅检测电路211得到公式(1-1)和公式(1-2)的均方，计算

(A+B·cosθ)(1-3)。

相位振幅检测电路212基于公式(2-1)和公式(2-2)，进行tan-1的处理，计算在1/n周旋转内的旋转角θn2。而且，相位振幅检测电路212得到公式(2-1)和公式(2-2)的均方，计算

(A-B.sinθ)(2-3)。

相位振幅检测电路213基于公式(3-1)和公式(3-2)，进行tan-1的处理，计算在1/n周旋转内的旋转角θn3。而且，相位振幅检测电路213得到公式(3-1)和公式(3-2)的均方，计算

(A-B·cosθ)(3-3)。

通过将公式(0-3)与公式(2-3)相减而计算2B·sinθ。另外，通过将公式(1-3)与公式(3-3)相减而计算2B·cosθ。将计算出的2B·sinθ和2B·cosθ输入至相位检测电路23，通过tan-1处理而计算电动机一周旋转内的旋转角θ。

另外，在相位振幅检测电路210～213中计算出的θn0～θn3，向平均化单元22输入。平均化单元22取得θn0～θn3的平均，计算电动机在1/n周旋转内的旋转角θn。而且，将在相位检测电路23中检测出的θ和在平均化单元22中计算出的θn进行组合，高精度地检测出电动机的绝对旋转位置。

图3是表示磁性解算器1的状态和检测信号的示意图。在图3中，(a)～(d)表示磁性解算器1旋转的情况。在图3(a)中，解算器定子1b和解算器转子1a之间的距离在通道ch1中为最小。

随着解算器转子1a旋转，解算器定子1b和解算器转子1a之间的距离为最小的通道进行移动，在图3的(b)中通道ch0的距离最小，在图3的(c)中通道ch3的距离最小，在图3的(d)中通道ch2的距离最小。

另外，在图3的通道ch0～ch3的图中，圆的大小表示在电动机旋转期间检测信号的磁特性随着间隙变化的变动的振幅B的大小，箭头表示在旋转角为θn时公式(0-1)和公式(0-2)、公式(1-1)和公式(1-2)、公式(2-1)和公式(2-2)、公式(3-1)和公式(3-2)的矢量。

在图3(a)中，因为解算器定子1b和解算器转子1a之间的距离在通道ch1为最小，所以通道ch1的圆的大小为最大(即磁特性的振幅B最大)。

另一方面，在与通道ch1相反侧的通道ch3中，解算器定子1b和解算器转子1a之间的距离为最大，通道ch3的圆的大小为最小(即磁特性的振幅B最小)。

在通道ch0、ch2中，解算器定子1b和解算器转子1a之间的距离正好成为中间程度。因此，通道ch0、ch2的圆的大小处于通道1和通道3的中间程度。

在图3(b)中，解算器定子1b和解算器转子1a之间的距离在通道ch0为最小，在通道ch2为最大，在通道ch1、ch3为中间程度。因此，各通道的圆的大小在通道ch0为最大，在通道ch2为最小，在通道ch1、ch3为中间程度。

在图3(c)中，解算器定子1b和解算器转子1a之间的距离在通道ch3为最小，在通道ch1为最大，在通道ch0、ch2为中间程度。因此，各通道的圆的大小在通道ch3为最大，在通道ch1为最小，在通道ch0、ch2为中间程度。

在图3(d)中，解算器定子1b和解算器转子1a之间的距离在通道ch2为最小，在通道ch0为最大，在通道ch1、ch3为中间程度。因此，各通道的圆的大小在通道ch2为最大，在通道ch0为最小，在通道ch1、ch3为中间程度。

这样，因为磁特性的振幅B随着电动机1每旋转一周而发生一个周期的变化，所以通过检测出该变化而可以求得在电动机一周旋转内的旋转位置。此外，图3的各通道ch0～ch3的圆的大小，分别与式(0-3)、式(1-3)、式(2-3)、式(3-3)对应。

图4是相位检测电路23的动作示意图。在图4(a)中，上段的图表示ch0振幅-ch2振幅(2B·sinθ)，下段的图表示ch1振幅-ch3振幅(2B·cosθ)。图4的(b)是用矢量表示旋转角θ和ch0振幅-ch2振幅以及ch1振幅-ch3振幅的关系。

在相位检测电路23中，针对ch0振幅-ch2振幅(2B·sinθ)和ch1振幅-ch3振幅(2B·cosθ)的计算结果，如图4的(b)所示，对矢量所成的角度进行tan^-1处理，从而可以求得电动机在旋转一周内的旋转角θ。

本实施例如上所述构成，具有：解算器定子1b，其配置为以电动机的旋转中心轴为中心的圆环状，该解算器定子具有多个凸极1b3；解算器转子1a，其与该解算器定子1b相对，并配置为与旋转中心轴偏心的圆环状，该解算器转子具有n个齿1a1；运算部2，其基于磁性解算器1的检测信号的信号振幅以及相位，计算电动机的绝对旋转位置，从而可以使用单独的解算器检测电动机的绝对旋转位置，可以以简单的结构实现小型化的位置检测装置。另外，因为使用单独的解算器检测绝对旋转位置，所以不需要考虑解算器之间的磁干涉，由此可以使检测部的结构简单并降低成本。

对于在电动机1/n周旋转内求得旋转角θn的结构，与当前通常的通过n×解算器进行位置检测相同。在本发明中，通过进一步使解算器转子1a相对于解算器定子1b相对地偏心，可以从检测信号的振幅变化中检测出在解算器转子旋转一周内的绝对位置信息，并可以使用单独的磁性解算器检测出分辨率高的绝对位置。

另外，在本实施例中，将磁性解算器分割成4个通道ch0～ch3，但分割数并不限定于4个。如果增加齿1b1的总数，并增加分割数，则可以以更高的分辨率求出旋转角θn。

Claims (5)

1.一种位置检测装置，其基于磁性解算器的检测信号，对电动机的旋转位置进行检测，其特征在于，具有：

解算器定子，其配置为以所述电动机的旋转中心轴为中心的圆环状，该解算器定子形成有多个齿，它们分别卷绕有旋转位置检测线圈；

解算器转子，其与该解算器定子相对，并配置为与所述旋转中心轴偏心的圆环状，该解算器转子具有n个齿，n为大于或等于2的整数；以及

运算部，其基于所述检测信号的信号振幅以及相位，计算所述电动机的绝对旋转位置。

2.根据权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于，

所述运算部基于所述检测信号的信号振幅变化，计算在所述电动机一周旋转内的位置，所述检测信号的信号振幅随着所述解算器转子和所述解算器定子之间的间隙变化而变化，其中，所述电动机每旋转一周，该间隙发生一个周期的变化。

3.根据权利要求1或2所述的位置检测装置，其特征在于，

所述运算部基于所述检测信号的相位变化，计算所述电动机在1/n周旋转内的位置，其中，所述电动机每旋转1/n周，所述检测信号的相位发生一个周期的变化。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的位置检测装置，其特征在于，

所述运算部，对于卷绕到所述解算器定子的每个齿上的多个检测线圈群，将彼此接近的各相组合而分割成多个通道，对每个通道计算所述电动机的旋转位置，并将这些计算值平均化。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的位置检测装置，其特征在于，

在所述解算器定子上形成的齿的总数，为所述通道数×相数的m倍，m为大于或等于2的整数。

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