CN103703345A - 编码器 - Google Patents
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Abstract
为了不必增设位置检测信号就尽可能高精度地检测故障，编码器具有：多个系统的位置检测信号产生系统（光源（1）、码道（3a～3c）、受光元件单元（4a～4c）），它们分别产生作为周期不同的位置检测信号的电信号；作为第1运算部起作用的电角第1计算部（8）以及旋转一周内位置数据第1生成部（9），它们基于多个系统的位置检测信号产生系统分别产生的位置检测信号，计算第1位置数据；作为第2运算部起作用的电角第2计算部（11）以及旋转一周内位置数据第2生成部（12），它们基于系统比第1运算部少的位置检测信号产生系统所产生的电信号，计算第2位置数据；以及作为故障判定部的比较部（10），其基于对第1位置数据和第2位置数据的比较，对本编码器是否发生了故障进行判定。
Description
技术领域
本发明涉及一种对旋转体的旋转1周内的位置进行运算的编码器。
背景技术
作为用于检测编码器故障的技术，在专利文献1中公开了下述技术：对根据位置检测信号PA、PB的脉冲数量和电动机极数P推定出的磁极位置、和实际的磁极位置数据PU、PV、PW进行比较，如果该位置差落在容许范围外，则判定为故障。
专利文献1：日本特开平9－105644号公报
发明内容
但是，由于磁极位置数据不是用于位置检测这一目的的数据，所以通常与位置检测信号相比分辨率低。因此，上述现有的技术存在故障检测精度低的问题。
另外，还可以考虑为了故障检测这一目的而增设位置检测信号的结构，但如果采用这种结构，则需要针对每个增设的位置检测信号追加检测系统等硬件，并且，需要针对增设的位置检测信号设定用于将振幅和偏差值校正为理想值的校正系数，因此，存在制造上的缺点变大的问题。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，得到一种编码器，其不必增设位置检测信号就可以尽可能高精度地检测故障。
为了解决上述课题，实现目的，本发明为一种编码器，其对旋转体的旋转一周内位置进行运算，其特征在于，具有：多个系统的位置检测信号产生系统，它们分别产生周期不同的与所述旋转体对应的位置检测信号；第1运算部，其基于所述多个系统的位置检测信号产生系统分别产生的位置检测信号，计算第1旋转一周内位置；第2运算部，其基于系统比所述第1运算部少的位置检测信号产生系统所产生的位置检测信号，计算第2旋转一周内位置；以及故障判定部，其基于对所述第1旋转一周内位置和所述第2旋转一周内位置的比较，对本编码器是否发生了故障进行判定。
发明的效果
本发明所涉及的编码器可以基于已有的多个位置检测信号中的一部分位置检测信号，生成用于故障检测的比较用位置数据，因此，具有不必增设位置检测信号就可以尽可能高精度地检测故障的效果。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的编码器的结构例的图。
图2是对光源、码道（track）、受光元件单元之间的位置关系进行说明的图。
图3是对受光元件单元基于来自码道的透过光生成的电信号进行说明的图。
图4是表示码道所示的机械角和电角第1计算部生成的电角之间的关系的图。
图5是对旋转一周内位置数据第1生成部合成电角的情况进行说明的图。
图6是表示旋转一周内位置数据第2生成部生成第2位置数据的情况的图。
图7是表示本发明的实施方式的编码器的其它结构例的图。
具体实施方式
下面，基于附图，详细说明本发明所涉及的编码器的实施方式。此外，本发明并不受本实施方式限定。
实施方式.
图1是表示本发明的实施方式的编码器的结构的图。如图所示，实施方式的编码器具有：光源1；作为电动机旋转体的旋转轴2；旋转板3，其安装在旋转轴2上，具有形成有3个码道（码道3a、3b、3c）的刻度盘；以及受光元件单元4a～4c。光源1例如采用LED，光源1所放射的光分别入射至码道3a～3c中。入射至各个码道3a～3c中的光，通过各个码道3a～3c而被调制，分别入射至受光元件单元4a～4c。受光元件单元4a～4c通过光电变换将入射的光变换为电信号（位置检测信号）。
图2是对光源1、码道3a～3c、受光元件单元4a～4c之间的位置关系进行说明的图。此外，在这里，为了避免繁琐，针对码道3a～3c以码道3a为代表而进行说明，针对受光元件单元4a～4c以受光元件单元4a为代表而进行说明。如图所示，在光源1的光轴上配置码道3a以及受光元件单元4a，来自码道3a的透过光入射至受光元件单元4a。码道3a构成为，沿旋转方向交替地设置使光透过的透光部和对光进行遮挡的遮光部。透光部和遮光部基于例如PWM（PulseWidth Modulation）方式配置，以使得随着刻度盘的旋转，透过光的强度按照sin波进行变化，受光元件单元4a根据入射的光，生成按照sin波变化的电信号。
从码道3a～3c通过刻度盘旋转1周而生成的电信号的周期彼此不同。图3是对受光元件单元4a～4c基于来自码道3a～3c的透过光生成的电信号进行说明的图。如图所示，受光元件单元4a可以在刻度盘每旋转1周时生成1个周期（1个波）的信号。受光元件单元4b可以在刻度盘每旋转1周时生成16个周期（16个波）的信号。受光元件单元4c在刻度盘每旋转1周时生成256个周期（256个波）的信号。
即，对于由光源1、码道3a以及受光元件单元4a构成的位置检测信号产生系统、由光源1、码道3b以及受光元件单元4b构成的位置检测信号产生系统、由光源1、码道3c以及受光元件单元4c构成的位置检测信号产生系统，它们各自产生的位置检测信号的周期不同。在这里，将由光源1、码道3a以及受光元件单元4a构成的位置检测信号产生系统定义为1个系统，将由光源1、码道3b以及受光元件单元4b构成的位置检测信号产生系统、以及由光源1、码道3c以及受光元件单元4c构成的位置检测信号产生系统，分别定义为其它系统。
回到图1，来自受光元件单元4a～4c的电信号由放大电路5a～5c分别进行放大，放大后的各个电信号输入至微型计算机单元（MCU）6中。MCU6具有电角第1计算部（电角计算部）8、旋转一周内位置数据第1生成部（旋转一周内位置生成部）9、比较部（故障检测部）10、阈值存储部13、以及通信控制部14。此外，MCU6具有CPU（Central Processing Unit）、ROM（Read Only Memory）、RAM（Random Access Memory）、以及I/O，通过使CPU执行在ROM内存储的规定程序，从而实现上述的功能结构部（电角第1计算部8、旋转一周内位置数据第1生成部9、比较部10以及通信控制部14）的功能。此外，也可以将阈值存储部13设置于ROM上，在阈值存储部13中预先设定阈值（后述）。另外，也可以在RAM上预留阈值存储部13，在动作开始时等规定的定时（timing）从外部向阈值存储部13输入阈值。
电角第1计算部8基于经由放大电路5a～5c输入的来自受光元件单元4a～4c的电信号，对每个码道的电角进行计算。在这里，所谓电角，是指在正弦波1个周期中成为360度（即，2π弧度）的信号。例如在为16个波的信号的情况下，在刻度盘每次以机械角旋转360/16＝22.5度时，生成与1个周期对应的电角。
图4是表示码道3a～3c所示的机械角和电角第1计算部8生成的电角之间的关系的图。如图所示，根据与码道3a对应的电信号，生成与机械角一对一地对应的电角。根据与码道3b对应的电信号，在机械角旋转1周的期间，生成旋转16周的电角。根据与码道3c对应的电信号，在机械角旋转1周的期间，生成旋转256周的电角。
此外，为了电角第1计算部8可以高精度地求出电角，也可以在各个码道3a～3c上分别形成2种图案，以能够生成sin波（PA）以及cos波（PB），在受光元件单元4a～4c上设置受光元件阵列，以能够分别根据2种图案的透过光生成2个电信号。由此，电角第1计算部8可以通过向与sin波对应的电信号的值除以与cos波对应的电信号的值后得到的值，应用arctan函数，从而求出电角，相比于向与sin波对应的电信号应用arcsin函数而求出电角的情况，可以高精度地求出电角。
另外，如上述所示，各个位置检测信号产生系统需要设定用于将振幅和偏差值校正为理想值的校正系数，但假设每个位置检测信号产生系统的校正系数已经预先设定在电角第1计算部8中。此外，后述的电角第2计算部11对与码道3b对应的电角进行运算，但假设在电角第2计算部11中也已经预先设定有与码道3b对应的校正系数。当然，与码道3b对应的校正系数可以被电角第1计算部8和电角第2计算部11共用。
旋转一周内位置数据第1生成部9对电角第1计算部8生成的与码道3a～3c对应的电角进行合成，生成旋转1周内的位置数据。
图5是对旋转一周内位置数据第1生成部9合成电角的情况进行说明的图。在这里，作为一个例子，与码道3a～3c对应的电角分别以10位的分辨率进行记述，通过电角的合成而得到18位分辨率的位置数据。
如图5所示，与码道3a对应的电角、与码道3b对应的电角、与码道3c对应的电角，分别具有将位置数据的MSB、从MSB起第5位、从MSB起第9位分别作为首位的合计10位的数据。旋转一周内位置数据第1生成部9从与码道3a对应的电角中取得MSB至第4位，从与码道3b对应的电角中取得第5位至第8位，从与码道3c对应的电角中取得第9位至第18位，从而生成位置数据。对于与各个码道对应的电角，高位比低位的检测精度高。如上述所示，最终可以得到高分辨率且任何位均保证高检测精度的位置数据。
回到图1，与码道3a对应的放大后的电信号被分支为2个，分别输入至作为分支目标的MCU6以及MCU7。输入至MCU6的电信号，如上述所示，用于由旋转一周内位置数据第1生成部9生成位置数据。输入至MCU7的电信号用于生成与上述位置数据不同的故障检测用的位置数据。下面，将旋转一周内位置数据第1生成部9生成的位置数据称为第1位置数据，将由MCU7生成的位置数据称为第2位置数据。
MCU7具有电角第2计算部11以及旋转一周内位置数据第2生成部12。此外，MCU7与MCU6相同地具有CPU、ROM、RAM、以及I/O，通过使CPU执行在ROM内存储的规定程序，从而实现电角第2计算部11以及旋转一周内位置数据第2生成部12的功能。
电角第2计算部11根据从放大电路5b发送来的与码道3b对应的电信号，计算与码道3b对应的电角。与码道3b对应的电角既可以和电角第1计算部8计算出的与码道3b对应的电角相同，也可以以和电角第1计算部8计算出的与码道3b对应的电角不同的位数（例如14位）进行记述。
旋转一周内位置数据第2生成部12基于与码道3b对应的电角，生成第2位置数据。
图6是表示旋转一周内位置数据第2生成部12根据与码道3b对应的电角生成第2位置数据的情况的图。如上述所示，与码道3b对应的电角旋转16周相当于机械角旋转1周。因此，如图所示，电角第2计算部11对电角的旋转累积数进行计数，生成计数值，基于计数值和根据输入的电信号生成的与码道3b对应的电信号，生成第2位置数据。即，电角第1计算部8从与码道3a对应的电角中取得高4位，生成第1位置数据，但电角第2计算部11通过对与码道3b对应的电角的旋转数进行计数，从而取得第2位置数据的高4位。此外，电角第2计算部11既可以在计数值达到16后，将计数值复位为零，也可以不将计数值复位为零而仅使用计数值的低4位。
MCU6所具有的比较部10基于第1位置数据和第2位置数据的差值，与在阈值存储部13中预先存储的阈值之间的比较，进行本编码器的故障检测。具体地说，比较部10在第1位置数据和第2位置数据的差值没有超过所述阈值的情况下，向通信控制部14发出没有检测到故障的通知，在第1位置数据和第2位置数据的差值超过所述阈值的情况下，向通信控制部14发出检测到故障的通知。
通信控制部14向第1位置数据中附加从所述比较部10接收到的通知，生成串行通信数据，将生成的串行通信数据发送至外部的控制设备。接收到串行通信数据的控制设备通过对在该接收到的数据中包含的通知进行参照，从而可以对本编码器是否发生了故障进行判定。
此外，在以上的说明中，对将第2位置数据用于故障检测，将第1位置数据发送至外部的控制设备的例子进行了说明，但也可以将第1位置数据用于故障检测，将第2位置数据向外部发送。另外，也可以生成多个故障检测用的位置数据，基于第1位置数据和多个故障检测用的位置数据之间的比较来检测故障。在生成多个故障检测用的位置数据的情况下，比较部10可以构成为只要故障检测用的位置数据和第1位置数据之间的差值中有1个超过阈值，就发出检测到故障的通知，也可以构成为在大于或等于2个故障检测用的位置数据和第1位置数据之间的差值超过阈值时，发出检测到故障的通知。另外，也可以构成为，在大于或等于2个故障检测用的位置数据彼此一致，该大于或等于2个故障检测用的位置数据与第1位置数据的差值大于或等于阈值的情况下，将该2个故障检测用的位置数据向外部发送。
另外，构成为，利用不同的MCU分别实现用于生成第1位置数据的功能结构部（电角第1计算部8、旋转一周内位置数据第1生成部9）、以及用于生成第2位置数据的功能结构部（电角第2计算部11、旋转一周内位置数据第2生成部12），但也可以如图7所示，使用同一个MCU6实现。由于利用不同的MCU分别实现用于生成第1位置数据的功能结构部、以及用于生成第2位置数据的功能结构部，所以可以使各个位置数据的可靠性提高，其结果，可以提高故障判定结果的可靠性。另外，使用MCU实现实施方式的编码器的功能结构部，但也可以通过硬件电路实现功能结构部的一部分或者全部。
另外，对基于与码道3b对应的电信号而生成第2位置数据的例子进行了说明，但也可以基于与码道3a或者码道3c对应的电信号而生成。在基于与码道3a对应的电信号而生成的情况下，旋转一周内位置数据第2生成部12也可以将电角第2计算部11生成的电角直接作为第2位置数据输出。另外，也可以通过对与码道3a～3c对应的电信号中的某2个进行合成，从而生成第2位置数据。
另外，对码道3a～3c具有能够得到sin波电信号的图案的例子进行了说明，但也可以构成为，具有能够得到M系列随机码等由0、1这样的2值代码表示的串行码的图案。在此情况下，电角第1计算部8以及电角第2计算部11也可以构成为，对接收到的电信号进行译码而分别计算电角。
另外，对具备具有1个波、16个波、256个波这样的周期的码道的例子进行了说明，但码道的数量以及周期并不限定于上述说明。
另外，说明了位置检测信号（电信号）的生成方式采用使用光源1和受光元件单元4a～4c的光学式生成方式的例子，但也可以采用磁式或电磁感应式的生成方式。另外，也可以针对每个码道利用不同的生成方式而生成位置检测信号。例如磁式的生成方式在抵抗与温度相关的干扰方面优异，光学式的生成方式在抵抗与磁场相关的干扰方面优异。通过针对每个码道采用不同的生成方式，从而可以将各自的优点进行组合，可以使可靠性进一步提高。
另外，对于利用比较部10进行的第1位置数据和第2位置数据的比较的频度，没有特别地提及，但也可以每隔第1位置数据（或者第2位置数据）的运算周期进行比较，也可以每隔多个运算周期进行比较。
另外，将第1位置数据和第2位置数据作为旋转一周内位置，利用比较部10实施比较，但旋转一周内位置数据第1生成部9、旋转一周内位置数据第2生成部12也可以通过对旋转数量的累积数进行计数，从而对多个旋转数量进行比较。
另外，在通信控制部14中，将从比较部10接收到的通知附加在第1数据中而生成串行通信数据，但也可以将从比较部10接收到的通知附加在第2数据中而生成串行通信数据，另外，也可以构成为，生成不包含第1数据或者第2数据而包含从比较部10接收到的通知的串行通信数据。
如上述所示，根据本发明的实施方式，具有下述部分而构成：多个系统的位置检测信号产生系统（光源1、码道3a～3c、受光元件单元4a～4c），它们分别产生作为周期不同的位置检测信号的电信号；作为第1运算部起作用的电角第1计算部8以及旋转一周内位置数据第1生成部9，它们基于多个系统的位置检测信号产生系统分别产生的位置检测信号，计算第1位置数据；作为第2运算部起作用的电角第2计算部11以及旋转一周内位置数据第2生成部12，它们基于系统比第1运算部少的位置检测信号产生系统所产生的电信号，计算第2位置数据；以及作为故障判定部的比较部10，其基于第1位置数据和第2位置数据的比较，对本编码器是否发生了故障进行判定，因此，可以基于用于位置检测的信号，生成用于故障检测的比较用位置数据，并且，根据已有的多个位置检测信号，就可以进行故障检测，不必新增设位置检测信号。因此，不必增设位置检测信号，就可以尽可能高精度地检测故障。
另外，第2运算部构成为，针对在刻度盘每旋转1周时产生多个周期（16个周期）的位置检测信号的位置检测信号产生系统（光源1、码道3b以及受光元件单元4b）所产生的位置检测信号，以该位置检测信号的1个周期为单位进行计数，基于该位置检测信号所表示的电角和与该位置检测信号对应的计数值，对上述第2旋转一周内位置进行计算，因此，可以基于对分别利用不同的方法生成的位置数据的比较来进行故障检测，因此，可以提高故障检测的可靠性。
此外，第2运算部可以基于在刻度盘每旋转1周时产生1个周期的位置检测信号的位置检测信号产生系统（光源1、码道3a以及受光元件单元4a）所产生的位置检测信号，生成第2位置数据。由此，不需要以该位置检测信号的1个周期为单位进行计数，因此，相比于基于在刻度盘每旋转1周时产生多个周期的位置检测信号的位置检测信号产生系统所产生的位置检测信号，计算第2位置数据的情况，可以利用简单的结构进行故障检测。
另外，比较部10构成为，在第1位置数据和第2位置数据的差值超过预先设定的阈值的情况下，判定为本编码器发生了故障，在所述差值没有超过所述阈值的情况下，判定为本编码器没有发生故障，因此，可以高精度地检测故障。
符号的说明
1 光源
2 旋转轴
3 旋转板
3a～3c 码道
4a～4c 受光元件单元
5a～5c 放大电路
6、7 MCU
8 电角第1计算部
9 旋转一周内位置数据第1生成部
10 比较部
11 电角第2计算部
12 旋转一周内位置数据第2生成部
13 阈值存储部
14 通信控制部
Claims (8)
1.一种编码器，其对旋转体的旋转一周内位置进行运算，
其特征在于，具有：
多个系统的位置检测信号产生系统，它们分别产生周期不同的与所述旋转体对应的位置检测信号；
第1运算部，其基于所述多个系统的位置检测信号产生系统分别产生的位置检测信号，计算第1旋转一周内位置；
第2运算部，其基于系统比所述第1运算部少的位置检测信号产生系统所产生的位置检测信号，计算第2旋转一周内位置；以及
故障判定部，其基于对所述第1旋转一周内位置和所述第2旋转一周内位置的比较，对本编码器是否发生了故障进行判定。
2.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，
所述第2运算部针对在所述旋转体每旋转1周时产生多个周期的位置检测信号的位置检测信号产生系统所产生的位置检测信号，以该位置检测信号的1个周期为单位进行计数，基于该位置检测信号所表示的电角和与该位置检测信号对应的计数值，计算所述第2旋转一周内位置。
3.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，
所述多个系统的位置检测信号产生系统，包含在所述旋转体每旋转1周时产生1个周期的位置检测信号的位置检测信号产生系统，
所述第2运算部基于在所述旋转体每旋转1周时产生1个周期的位置检测信号的位置检测信号产生系统所产生的位置检测信号，计算所述第2旋转一周内位置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的编码器，其特征在于，
所述故障判定部在所述第1旋转一周内位置和所述第2旋转一周内位置之间的差值超过规定阈值的情况下，判定为本编码器发生了故障，在所述差值没有超过所述规定阈值的情况下，判定为本编码器没有发生故障。
5.根据权利要求4所述的编码器，其特征在于，
对于所述多个系统的位置检测信号产生系统中的2个位置检测信号产生系统，它们的位置检测信号的产生方式彼此不同。
6.根据权利要求4所述的编码器，其特征在于，
所述第1运算部具有：
电角计算部，其基于所述多个系统的位置检测信号产生系统分别产生的位置检测信号，对每个系统的电角进行运算；以及
旋转一周内位置生成部，其对所述电角计算部运算出的每个系统的电角进行合成，计算所述第1旋转一周内位置。
7.根据权利要求4所述的编码器，其特征在于，
所述规定阈值记录在非易失性存储器中。
8.根据权利要求4所述的编码器，其特征在于，
所述规定阈值是从外部输入的。
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