CN102822637B - 信号处理装置、编码器以及电动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于，提供能够减小编码器计算的检测位置与实际位置之间产生的位置偏差的信号处理装置、编码器以及电动机系统。为了解决该课题，信号处理装置具有：AD转换部，其在预定的转换周期Tad中，将检测部根据电动机的位置Q而输出的周期性的模拟信号转换为数字信号；跟踪部，其在运算周期Tc中，根据由AD转换部转换并在转换周期Tad中输出的数字信号，计算电动机的位置P；工作状态确定部，其根据跟踪部计算出的电动机的位置P，确定电动机的工作状态；以及运算周期决定部，其根据工作状态确定部确定的电动机的工作状态，变更跟踪部的运算周期Tc，使得跟踪部计算的电动机的位置P跟随于实际的电动机的位置Q。

Description

信号处理装置、编码器以及电动机系统

技术领域

本发明涉及信号处理装置、编码器以及电动机系统。

背景技术

例如，作为伺服电动机的位置检测单元，使用了编码器。而且，作为编码器的主要结构，具有检测器和信号处理装置。

这里，检测器根据电动机的位置（旋转角度等），输出正弦波和余弦波的模拟信号。此外，信号处理装置采用AD转换将从检测器输出的正弦波和余弦波的模拟信号转换为数字信号，求出电动机的位置。在该信号处理装置中，作为计算位置的方式，存在跟踪方式。如专利文献1记载的编码器那样，跟踪方式的位置计算方法针对将来自检测器的正弦波和余弦波的模拟信号转换为数字信号的AD转换的定时，进行1次跟踪方式的处理，由此求出电动机的位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平4-328410号公报（图1）

发明内容

发明所要解决的课题

然而，该编码器在电动机的位置急剧变化的情况下，信号处理装置中基于跟踪方式的处理无法跟随于实际的电动机位置，从而发生滞后（位置偏差）。

因此，本发明正是鉴于这种问题而完成的，本发明的目的在于，提供能够减小编码器计算的检测位置与实际位置之间产生的位置偏差的信号处理装置、编码器以及电动机系统。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，根据本发明的某个方面，提供一种信号处理装置，该信号处理装置具有：

AD转换部，其在预定的转换周期中，将检测部根据电动机的位置而输出的周期性的模拟信号转换为数字信号；

跟踪部，其在运算周期中，根据由所述AD转换部转换并在所述转换周期中输出的数字信号，计算所述电动机的位置；

工作状态确定部，其根据所述跟踪部计算出的所述电动机的位置，确定所述电动机的工作状态；以及

运算周期决定部，其根据所述工作状态确定部确定的所述电动机的工作状态，变更所述跟踪部的所述运算周期，使得所述跟踪部计算的所述电动机的位置跟随于实际的所述电动机的位置。

发明效果

如以上说明的那样，根据本发明，能够减小编码器计算的检测位置与实际位置之间产生的位置偏差。

附图说明

图1是用于对本发明的实施方式的电动机系统进行说明的说明图。

图2是用于对本实施方式的编码器进行说明的说明图。

图3是用于对本实施方式的跟踪方式的位置运算处理进行说明的说明图。

图4是示出在针对进行AD转换的1个周期进行1次基于跟踪方式的位置运算处理的情况下，编码器检测到的检测位置P与实际位置Q之间的关系的曲线图。

图5是示出在针对进行AD转换的1个周期进行多次基于跟踪方式的位置运算处理的情况下，编码器检测到的检测位置P与实际位置Q之间的关系的曲线图。

图6是示出在本实施方式中，编码器检测到的检测位置P与实际位置Q之间的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在本说明书和附图中，具有实质上相同的功能的结构要素原则上用相同标号进行表示，适当地省略对这些结构要素的重复说明。

实施例1

＜实施方式＞

（1．电动机系统的结构）

首先，参照图1，对本发明的实施方式的电动机系统的结构进行说明。图1是用于对本发明的实施方式的电动机系统进行说明的说明图。

如图1所示，本实施方式的电动机系统10具有电动机100、编码器200以及控制装置300。

电动机100是不包含编码器200的动力产生源的一例。电动机100至少在一侧具有旋转轴101，通过使该旋转轴101绕着旋转轴线旋转来输出旋转力。此外，电动机100也可以是线性电动机。

另外，电动机100只要是根据从编码器200输出的检测位置P而由控制装置300进行控制的电动机即可，没有特别限定。此外，电动机100不限于使用电力作为动力源的电动式电动机部的情况，例如，也可以是液压式电动机部、气动式电动机部、蒸汽式电动机部等使用其他动力源的电动机部。但是，为了便于说明，以下对电动机100是电动式电动机部的情况进行说明。

编码器200配置在电动机100的与旋转轴101相反的一侧，与和该旋转轴101对应地旋转的其他旋转轴（未图示）相连。而且，该编码器200通过检测旋转轴101的位置，来检测输出旋转力的旋转轴101的检测位置P（也称为旋转角度、电动机100的位置等。），并将该检测位置P输出到控制装置300。

不过，编码器200除了电动机100的检测位置P以外，还可以检测旋转轴101的速度（也称为旋转速度、角速度、电动机100的速度等。）和加速度（也称为旋转加速度、角加速度、电动机100的加速度等。）中的至少一方。该情况下，可以通过在时间上对检测位置P进行1次或2次微分等的处理来检测电动机100的速度和加速度。为了便于说明，以下，将编码器200检测的物理量设为检测位置P来进行说明。

另外，编码器200的配置位置没有特别限定。例如，编码器200可以配置为与输出动力的旋转轴101直接连接，还可以经由减速器或旋转方向转换机等其他机构与旋转轴101等旋转体连接。

控制装置300取得从编码器200输出的检测位置P。而且，控制装置300根据该检测位置P，控制电动机100的旋转。因此，在使用电动式电动机部作为电动机100的本实施方式中，控制装置300根据检测位置P，控制施加给电动机100的电流或电压等，由此控制电动机100的旋转。此外，控制装置300还可以从上位控制装置（未图示）取得上位控制信号，控制电动机100，使得从电动机100的旋转軸输出该上位控制信号所指示的位置等。另外，在电动机100采用了液压式、气动式、蒸汽式等其他动力源的情况下，控制装置300可以通过控制这些动力源的供给来控制电动机100的旋转。

（2．编码器的结构）

接着，参照图2对本发明的实施方式的编码器200的结构进行说明。图2是用于对本实施方式的编码器200进行说明的说明图。

如图2所示，本实施方式的编码器200大致区分，具有检测器201和信号处理装置210。

检测器201根据电动机100的位置输出正弦波和余弦波的模拟信号（周期性的模拟信号的一例）。另外，作为该检测器201，可以使用可根据电动机100的位置输出正弦波和余弦波的模拟信号的各种检测原理的检测器，例如光学式/磁式/机械式/解析式/混合式等。

信号处理装置210在电动机100的检测位置P的运算周期Tc（也称为检测周期。）中，将检测器201检测到的正弦波和余弦波的模拟信号转换为电动机100的检测位置P。

更详细地讲，如图2所示，该信号处理装置210具有AD转换部211、基准时钟产生部212、控制时钟产生部213、AD时钟产生部214、工作状态确定部215、控制时钟周期决定部216以及跟踪部220。另外，控制时钟产生部213和控制时钟周期决定部216是运算周期决定部的一例。以下，依次对它们的结构进行说明。

基准时钟产生部212产生作为控制时钟信号CLK1和AD时钟信号CLK2的基准的基准时钟信号CLK0。基准时钟产生部212按照基准周期T0输出基准时钟信号CLK0。另外，由于该基准周期T0是其他周期（运算周期Tc和转换周期Tad）的基准，所以被设定得比其他周期短。

控制时钟产生部213对基准时钟信号CLK0进行计数，当其计数值达到预定的计数阈值Cnt1时，产生控制时钟信号CLK1，并对计数值进行复位（0）。另外，这里也将产生控制时钟信号CLK1的周期称为运算周期Tc。

AD时钟产生部214对基准时钟信号CLK0进行计数，当其计数值达到预定的计数阈值Cnt2时，产生AD时钟信号CLK2，并对计数值进行复位（0）。另外，这里也将产生AD时钟信号CLK2的周期称为转换周期Tad。

AD转换部211按照取得AD时钟信号CLK2的定时，即，在每个上述转换周期Tad中，将从检测器201输出的正弦波和余弦波的模拟信号转换为数字信号。由AD转换部211中使用的AD转换器决定转换定时例如采用基准时钟从Lo电平变化为Hi电平的情况和基准时钟从Hi电平变化为Lo电平的情况中的哪一种情况。

跟踪部220针对来自AD转换部211的输入，执行具有比例增益Kp和积分增益Ki的闭环的PI控制，输出检测位置P。此时，在从控制时钟产生部213产生的控制时钟信号CLK1发生变化的定时，跟踪部220进行基于上述PI控制的检测位置P的运算处理。

此处，参照图3，对跟踪部220的动作进行说明。图3是用于对本实施方式的跟踪方式的位置运算处理进行说明的说明图。

如图3所示，跟踪部220具有延迟器221和225、积分增益乘法器222、比例增益乘法器223、以及转换表224。

由于跟踪部220具有图3所示的结构，因此以如下方式来计算检测位置P等。即，如图3所示，跟踪部220将来自AD转换部211的cosθ及sinθ与根据1个运算周期Tc前的基于转换表224从转换得到的相乘，计算 接着，跟踪部220进行PI控制，以使的值接近0的方式进行运算。具体而言，延迟器221和积分增益乘法器222对该的值进行积分运算，并且，比例增益乘法器223对的值乘以比例增益。由此，跟踪部220通过将积分运算值与比例增益乘法值相加，来进行PI控制。此外，跟踪部220通过在延迟器225中将PI控制的输出值与1个运算周期Tc前的进行加算运算，来计算将该的值作为检测位置P输出到工作状态确定部215和控制装置300。

这里示出了PI控制的跟踪处理，但控制方法也可以是P控制、I控制、PID控制。

工作状态确定部215根据检测位置P的时序数据的差分值，计算电动机100的速度V。而且，工作状态确定部215根据该速度V的时序上的差分值，计算电动机100的加速度a。此外，工作状态确定部215根据加速度a的时序上的差分值，计算电动机100的跃度j。

该电动机100的速度V、加速度a以及跃度j表示检测器201进行检测的时刻处的电动机100的工作状态。因此，工作状态确定部215通过这样地计算加速度a和跃度j，来确定电动机100的工作状态。另外，这里说明了根据加速度a和跃度j来确定工作状态的例子，但是，该工作状态只要至少包含加速度a即可，可以不包含跃度j，相反，也可以包含速度V。但是，有时加速度a由于检测误差等原因而成为紊乱的值，因此，通过这样地将跃度j包含在工作状态中，能够确定更准确的工作状态。

控制时钟周期决定部216根据工作状态确定部215确定的工作状态，决定对于基准时钟信号CLK0的计数阈值Cnt1，所述计数阈值Cnt1表示控制时钟产生部213产生控制时钟信号CLK1的定时，即，表示运算周期Tc。结果，每当基准时钟信号CLK0的计数值达到控制时钟周期决定部216决定的计数阈值Cnt1时，控制时钟产生部213输出控制时钟信号CLK1，使跟踪部220计算检测位置P。即，由该控制时钟周期决定部216和控制时钟产生部213（运算周期决定部的一例）决定跟踪部220在跟踪方式的处理中计算检测位置P的运算周期Tc。

另外，控制时钟周期决定部216根据工作状态，决定控制时钟信号CLK1和AD时钟信号CLK2的周期。具体而言，在静止运转和等速运转中，控制时钟周期决定部216将计数阈值Cnt1与计数阈值Cnt2设定为相同的值，由此使得控制时钟信号CLK1和AD时钟信号CLK2成为相同的周期。此外，在加速运转中，控制时钟周期决定部216将计数阈值Cnt1设定为比计数阈值Cnt2小的值，由此使得控制时钟信号CLK1成为比AD时钟信号CLK2短的周期。

（3．本实施方式的动作的一例）

以上，对本实施方式的电动机系统10等的结构进行了说明。

接着，更详细地例示上述各结构中的处理的例子，对该电动机系统10等的动作的一例进行说明。

参照图4～图6，对在本实施方式的电动机系统10等中，特别是在编码器200中进行的检测位置P输出动作的一例进行说明。

图4是示出在针对进行AD转换的1个周期进行1次基于跟踪方式的位置运算处理的情况下，编码器200检测到的检测位置P与实际位置Q之间的关系的曲线图。图5是示出在针对进行AD转换的1个周期进行多次基于跟踪方式的位置运算处理的情况下，编码器200检测到的检测位置P与实际位置Q之间的关系的曲线图。图6是示出在本实施方式中，编码器200检测到的检测位置P与实际位置Q之间的关系的曲线图。

图4示出了电动机100从静止运转起进行加速运转并成为等速运转时的位置检测结果。如图4所示，在针对AD转换的定时进行1次基于跟踪方式的处理时的位置检测方法、即转换周期Tad与运算周期Tc一致时的位置检测方法中，在包含静止在内的等速运转时，能够不偏离实际位置Q而检测到检测位置P，但是，在加速运转时，由于跟踪方式的处理的性质，输出了比实际位置Q滞后的检测位置P。

为了减小该滞后，通过使跟踪部220比AD转换的周期更高速地进行运算，由此使得检测位置P向电动机100的实际位置Q收敛（转换周期Tad＞＞运算周期Tc）。此时，输出控制时钟信号CLK1的运算周期Tc被设定为比输出AD时钟信号CLK2的转换周期Tad短。在本实施方式中，该调整是通过如下方式实现的：控制时钟周期决定部216将控制时钟产生部213中的基准时钟信号CLK0的计数阈值Cnt1设定为比AD时钟产生部214中的基准时钟信号CLK0的计数阈值Cnt2小的值。在图5中示出了该状态下的位置检测的情况。如图5所示，通过在1个转换周期Tad内反复执行运算，由此，从静止运转起进行加速运转中的位置检测的值完好地收敛，减小了滞后。

但是，在等速运转中，检测到的检测位置P超过实际位置Q而发生过冲，根据情况不同，与跟踪部220的运算周期Tc和AD转换部211的转换周期Tad为相同周期的情况相比，位置误差增加。这是因为，跟踪部220比AD转换更高速地进行运算，因此，向积分增益Ki输入的积分值接近静止运转状态的值。因此，当向跟踪部220输入下一个AD转换值时，跟踪部220出现阶跃响应那样的现象，导致检测位置P发生过冲。

为了避免该现象，本实施方式的编码器200根据作为工作状态确定部215确定的电动机100的工作状态的加速度a的绝对值，使控制时钟周期决定部216调整计数阈值Cnt1，由此，暂时停止跟踪部220以比AD转换的周期更高的速度进行运算。

例如，当加速度a的绝对值是接近0的值时，控制时钟周期决定部216视为电动机100处于等速运转中，使得控制时钟信号CLK1和AD时钟信号CLK2成为相同的周期。即，控制时钟周期决定部216将控制时钟产生部213中的基准时钟信号CLK0的计数阈值Cnt1与AD时钟产生部214中的基准时钟信号CLK0的计数阈值Cnt2设定为相同的值，由此，停止跟踪部220以比AD转换更高的速度进行运算。

相反，例如，当加速度a的绝对值是比0大一定程度的值时，电动机100处于加速运转中，控制时钟周期决定部216使得控制时钟信号CLK1成为比AD时钟信号CLK2小的值。即，控制时钟周期决定部216将控制时钟产生部213中的基准时钟信号CLK0的计数阈值Cnt1设为比AD时钟产生部214中的基准时钟信号CLK0的计数阈值Cnt2小的值，使跟踪部220以比AD转换的周期更高的速度进行运算。

基于此时的加速度a的绝对值对控制时钟产生部213中的计数阈值Cnt1进行变更是把阈值TH作为判断基准。此外，可以在控制时钟周期决定部216中任意地设定该阈值TH。此外，控制时钟产生部213中的计数阈值Cnt1的变更值也可以在控制时钟周期决定部216中任意地设定。

图6示出了该状态下的位置检测结果。如图6所示，在从加速运转向等速运转的切换中，残留有过冲，但在接下来的等速运转中，很好地跟随于实际位置Q。另外，这里说明了与加速度a对应地变更控制时钟产生部213中的计数阈值Cnt1，但是，也可以与速度V或跃度j相关地，进行计数阈值Cnt1的变更。

（4．本实施方式的效果的例子）

以上，对本发明的实施方式的电动机系统10、电动机系统10中包含的编码器200以及编码器200中包含的信号信息处理装置210（电动机系统10等）进行了说明。

根据本实施方式的编码器200，在加速运转中，通过使跟踪部220比AD转换的周期更高速地进行运算，由此使得检测位置P向电动机100的实际位置Q收敛，能够减小相对于电动机100的实际位置Q的滞后或误差引起的位置偏差。此时，可以基于计数阈值Cnt1任意地设定跟踪部220的运算周期，因此，不会限制运算自由度。

在等速运转中，工作状态确定部215根据作为电动机100的工作状态的加速度a或跃度j的值，停止跟踪部220以比AD转换的周期更高的速度进行运算，由此减小检测位置P的过冲，减小误差。可以根据任意设定的阈值TH，进行与此时的加速度a或跃度j的值对应的跟踪部220的运算周期的变更，因此，不会限制运算自由度。

此外，跟踪部220的运算周期的变更仅在信号处理装置210中进行，因此，不必追加部件，能够降低制造成本，并且，不会限制控制装置300的运算自由度。

以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细说明。然而，本发明显然不限于这些实施方式的例子。很明显，具有本发明所属技术领域的公知常识的人员可以在权利要求书所记载的技术思想的范围内，进行各种变更或修正。因此，这些变更后或修正后的技术当然也属于本发明的技术范围。

例如，在上述实施方式中，对信号处理装置210配置在编码器200内部的情况进行了说明，但是，该信号处理装置210也可以分体地形成于编码器200的外部，还可以配置在控制装置300的内部。

在本实施方式中，关于输入到跟踪部220的时钟，对控制时钟产生部213根据运转状态而变更控制时钟信号CLK1的情况进行了说明，但是，也可以是如下方法：根据运转状态对控制时钟信号CLK1和AD时钟信号CLK2进行切换，作为输入到跟踪部220的时钟。

标号说明

10：电动机系统

100：电动机

101：旋转轴

200：编码器

201：检测器

210：信号处理装置

211：AD转换部

212：基准时钟产生部

213：控制时钟产生部

214：AD时钟产生部

215：工作状态确定部

216：控制时钟周期决定部

220：跟踪部

221：延迟器

222：积分增益乘法器

223：比例增益乘法器

224：转换表

225：延迟器

300：控制装置

Claims (4)

1.一种信号处理装置，该信号处理装置具有：

AD转换部，其在预定的转换周期中，将检测部根据电动机的位置而输出的周期性的模拟信号转换为数字信号；

跟踪部，其在运算周期中，根据由所述AD转换部转换并在所述转换周期中输出的数字信号，计算所述电动机的位置；

工作状态确定部，其根据所述跟踪部计算出的所述电动机的位置，确定所述电动机的工作状态；以及

运算周期决定部，其根据所述工作状态确定部确定的所述电动机的工作状态，变更所述跟踪部的所述运算周期，使得所述跟踪部计算的所述电动机的位置跟随于实际的所述电动机的位置，

所述运算周期决定部将所述运算周期决定为小于或者等于所述AD转换部输出所述数字信号的所述转换周期。

2.根据权利要求1所述的信号处理装置，其中，

在所述工作状态确定部确定的电动机的工作状态表示预定程度以上的加速或减速的情况下，所述运算周期决定部将所述运算周期决定为比所述转换周期短的周期，

在所述工作状态确定部确定的电动机的工作状态表示恒速工作的情况下，所述运算周期决定部将所述运算周期决定为与所述转换周期相同的周期。

3.一种编码器，该编码器具有：

检测部，其检测根据电动机的位置而周期性地变化的模拟信号；

AD转换部，其在预定的转换周期中，将所述检测部检测到的模拟信号转换为数字信号；

跟踪部，其在运算周期中，根据由所述AD转换部转换并在所述转换周期中输出的数字信号，计算所述电动机的位置；

工作状态确定部，其根据所述跟踪部计算出的所述电动机的位置，确定所述电动机的工作状态；以及

运算周期决定部，其根据所述工作状态确定部确定的所述电动机的工作状态，变更所述跟踪部的所述运算周期，使得所述跟踪部计算的所述电动机的位置跟随于实际的所述电动机的位置，

所述运算周期决定部将所述运算周期决定为小于或者等于所述AD转换部输出所述数字信号的所述转换周期。

4.一种电动机系统，该电动机系统具有：

电动机；

编码器，其检测所述电动机的位置；以及

控制装置，其根据所述编码器检测到的所述电动机的位置，控制所述电动机，

所述编码器具有：

检测部，其检测根据所述电动机的位置而周期性地变化的模拟信号；

AD转换部，其在预定的转换周期中，将所述检测部检测到的模拟信号转换为数字信号；

跟踪部，其在运算周期中，根据由所述AD转换部转换并在所述转换周期中输出的数字信号，计算所述电动机的位置；

工作状态确定部，其根据所述跟踪部计算出的所述电动机的位置，确定所述电动机的工作状态；以及

运算周期决定部，其根据所述工作状态确定部确定的所述电动机的工作状态，变更所述跟踪部的所述运算周期，使得所述跟踪部计算的所述电动机的位置跟随于实际的所述电动机的位置，

所述运算周期决定部将所述运算周期决定为小于或者等于所述AD转换部输出所述数字信号的所述转换周期。