CN103930748A - 多旋转绝对旋转角检测装置以及检测绝对旋转角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多旋转绝对旋转角检测装置及检测绝对旋转角的方法，为检测出主轴(10a)的旋转角度，而使用N倍角旋转变压器检测器(RS0)，并且，为检测出第一～第三副轴(11b～13b)的旋转角度，而使用1倍角旋转变压器检测器(RS1～RS3)，从而得到较宽的多旋转检测范围，并且还能实现较高的检测精度。本检测装置由具备与主轴齿轮(10b)进行齿轮接合的第一～第三副轴齿轮的齿轮机构(1)构成，主轴齿轮与第一副轴齿轮的齿数差为2或超过2的整数a，而主轴齿轮与第二副轴齿轮的齿数差为1，第一轴的齿数具有是相对于主轴的齿数差与主轴检测器的轴倍角的积的整数倍的关系。角度检测器(RS0～RS3)的检测值作为经数字化的角度检测值(P_0(4X)，P_1(1X)，P_2(1X)，P_3(1X))提供给多旋转运算电路(25)。通过对主轴的检测值(P_0(4X))的判断区域进行判断，来求得主轴的旋转角度。并且，分别生成表示主轴与第一～第三副轴之间的旋转角度差的周期信号，基于根据各周期信号值求得的第一～第三副轴的相对旋转数的组合来求得主轴的旋转数。通过将主轴的旋转数与旋转角度相加可求得多旋转绝对旋转角。

Description

多旋转绝对旋转角检测装置以及检测绝对旋转角的方法

技术领域

本发明涉及检测多旋转绝对旋转角的装置以及检测该旋转角的方法，更详细而言，涉及通过检测具有不同变速比的多个旋转轴旋转一周内的角度、来检测出多旋转绝对旋转角的装置以及检测该旋转角的方法。

背景技术

在机床、机器人等移动体的位置控制中需要使用旋转驱动源，例如使用连续在多周旋转中对电动机的轴旋转进行控制的旋转驱动源。特别是，在以较高的分辨率检测出旋转一周内的角度，并获得旋转更多周的角度信息的情况下是极其重要的。然而，对于分辨率较高且将角度信息对应于更多周的旋转的旋转角检测装置，以往提出了多种方案。

在日本专利第3665732号公报所揭示的绝对位置检测方法中提出了以下方法，在为了提高旋转一周内的检测分辨率，并扩大多旋转检测范围，而使用不同轴倍角的两个角度检测器来检测一个轴的角度的情况下，角度检测器的数量增加，齿轮机构变得复杂，且齿轮机构变大，为了解决这样的问题，在第一轴上使用4倍角的旋转变压器，在第二轴上使用1倍角的旋转变压器，从而能够将分辨率提高至4倍，并且多旋转检测范围不会缩小，且无需增加旋转变压器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3665732号公报

专利文献2：日本专利特开2009－229396号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在现有的检测方法中存在有以下问题，即：如专利文献2的段落[0006]所描述的那样，为了将最开始的第一级的绝对位置检测器(旋转变压器)RS1用于旋转一周内的区域判别和旋转次数这两种用途，特别对精度有所要求。即，专利文献1的旋转一周内的区域判别以及旋转次数的判别基于图5所示的波形来进行，通过数学式(3)求得的θ10能用于判别旋转一周内的绝对位置(机械角度)(参照段落[0022])，但为了将θ10的计算结果用于26周旋转×4区域的判别，要求具有可耐受104(26×4)次分割的精度。对此，图6的θ20具有27次分割的精度，图7的θ30具有29次分割的精度即可。

专利文献1的结构中，使用了RS1、RS2、RS3这三个1倍角旋转变压器，但仅要求RS1具有与其他旋转变压器相比接近于4倍的较高精度。因此，仅RS1使用具有较高精度的旋转变压器，或者RS1，RS2，RS3使用具有相同精度的旋转变压器，并缩小RS2、RS3的检测范围来使用，而不使用原本根据RS2、RS3所具有的检测精度而应具有的旋转周期。由于设置空间、设计/制造方面的限制，大多数情况下难以仅RS1使用精度特别高的角度检测器。并且从元器件共用的观点来看，在大多数情况下也优选使用相同精度的1倍角旋转变压器作为RS1～RS3。

专利文献2中揭示了一种与专利文献1相同的具有四个角度检测轴的编码器，而齿轮G0和齿轮G1以一比一的齿轮比进行连接，齿轮G1的1倍角检测器仅用于齿轮G0的4倍角检测器的区域判别。专利文献1从26旋转周期、27旋转周期、29旋转周期的三个信号得到20368周旋转的检测范围，与此相对，专利文献2在机械性上限于从27旋转周期、29旋转周期在783周旋转中获得检测范围。

此外，在专利文献1的基于图5的信号波形的判别中，由于混合存在有4周期/旋转和1周期/26旋转的信号，判别两个信号较为繁琐，因此从这方面来看，存在有信号处理方面的问题。并且，在专利文献1中，相对于主轴的旋转角，通过求取以不同的变速比相连接的三个副轴旋转角的差，来求取三个旋转周期信号，获得多旋转信息。副轴的齿轮齿数相对于连接在主轴上的齿轮齿数，设其齿数差为1。在将齿数差设为1的情况下，相对于一个主轴齿轮，能够连接齿数为+1、-1这两个轴，但若有三个以上，则需要在主轴上设置其他齿轮。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明是为解决上述问题而完成的，本发明的多旋转角度检测装置具有以下的齿轮机构，该齿轮机构由安装于主轴的主轴齿轮、与主轴齿轮进行齿轮结合的第一副轴齿轮及第二副轴齿轮、以及分别传递第一及第二副轴齿轮的旋转的第一及第二副轴构成，

具备一组角度检测器，该一组角度检测器由检测主轴的旋转角度的主轴的角度检测器、以及检测第一及第二副轴的旋转角度的第一及第二副轴的角度检测器构成，，主轴每旋转1周，主轴的角度检测器输出N个周期的N倍角检测值P_0(NX)，副轴每旋转一周，第一及第二副轴的角度检测器分别输出1个周期的1倍角检测值P_1(1X)，P_2(1X)，

第一副轴齿轮的齿数具有与主轴齿轮的齿数差为2或超过2的整数a的齿数差，且第一副轴齿轮的齿数是齿数差a与设置于主轴的角度检测器的轴倍角N的积的整数倍，此外，主轴齿轮与第二副轴齿轮的齿数差为1，

该多旋转角度检测装置根据主轴、第一副轴以及第二副轴的旋转角度检测值来求得主轴的多旋转绝对旋转角，该多旋转角度检测装置包括：

主轴旋转角检测单元，在该主轴旋转角检测单元中，将第一副轴的齿数设为M，根据由主轴的角度检测器检测出的N倍角检测值P_0(NX)和由第一副轴的角度检测器检测出的第一副轴的1倍角检测值P_1(1X)，求得将主轴的M/aN周旋转作为一个周期的信号P_0((aN/M)×X)，根据信号P_0((aN/M)×X)得到表示由主轴的角度检测器检测出的N倍角检测值P_0(NX)是所述N个周期内的第几个周期的值的判别值，根据判别值与N倍角检测值P_0(NX)合成以主轴每旋转一周为一个周期的主轴的1倍角检测值P_0(1X)；以及

主轴旋转数检测单元，在该主轴旋转数检测单元中，根据主轴的1倍角检测值P_0(1X)和第一副轴的1倍角检测值P_1(1X)生成表示主轴与第一副轴之间的旋转数之差的第一副轴周期信号，并根据主轴的1倍角检测值P_0(1X)和由第二副轴的角度检测器检测出的第二副轴的1倍角检测值P_2(1X)生成表示主轴与第二副轴之间的旋转数之差的第二副轴周期信号，根据第一副轴周期信号和第二副轴周期信号来求得主轴的旋转数。

此外，本发明的多旋转角度检测装置的特征在于，除了具备所述第一及第二副轴外，还具有第三副轴，主轴齿轮与第三副轴的齿数差为1，根据主轴的1倍角检测值P_0(1X)和由第三副轴的角度检测器检测出的第二副轴的1倍角检测值P_3(1X)进一步生成表示主轴和第三副轴之间的旋转数之差的第三副轴周期信号，主轴旋转数检测单元根据第一副轴周期信号、第二副轴周期信号以及第三副轴周期信号求得主轴的旋转数。

并且，本发明的多旋转角度检测方法具有以下齿轮机构，该齿轮机构包括：由安装于传递旋转驱动源的旋转的主轴上的主轴齿轮、与主轴齿轮进行齿轮结合的第一副轴齿轮及第二副轴齿轮、以及分别传递第一及第二副轴齿轮的旋转的第一及第二副轴，

该齿轮机构具备一组角度检测器，该一组角度检测器由检测主轴的旋转角度的主轴的角度检测器、以及检测第一及第二副轴的旋转角度的第一及第二副轴的角度检测器构成，主轴每旋转1周，主轴的角度检测器输出N个周期的N倍角检测值P_0(NX)，副轴每旋转一周，第一及第二副轴的角度检测器分别输出1个周期的1倍角检测值P_1(1X)，P_2(1X)，

第一副轴齿轮的齿数具有与主轴齿轮的齿数差为2或超过2的整数a的齿数差，且第一副轴齿轮的齿数是齿数差a与设置于主轴的角度检测器的轴倍角N的积的整数倍，此外，主轴齿轮与第二副轴齿轮之间的齿数差为1，

该多旋转角度检测方法根据主轴、第一副轴、以及第二副轴的旋转角度检测值来求得主轴的多旋转绝对旋转角，该本发明的多旋转角度检测方法包括以下步骤：

检测主轴的旋转角度、即主轴每旋转一周时的N个周期的N倍角检测值P_0(NX)，并分别检测第一及第二副轴的旋转角度、即副轴每旋转一周时为1个周期的1倍角检测值P_1(1X)，P_2(1X)的步骤；

将第一副轴的齿数设为M，根据由主轴的角度检测器检测出的N倍角检测值P_0(NX)和由第一副轴的角度检测器检测出的第一副轴的1倍角检测值P_{1 (1X)}，求得将主轴的M/aN周旋转作为一个周期的信号P_0((aN/M)×X)，根据信号P_0((aN/M)×X)得到用于确定由主轴的角度检测器检测出的N倍角检测值P_0(NX)是N个周期内的第几个周期的值的判断值，由此求得主轴的旋转一周内的旋转角度的步骤；以及

根据判别值与N倍角检测值P_0(NX)合成主轴每旋转一周时为1个周期的主轴的1倍角检测值P_0(1X)，此外，根据主轴的1倍角检测值P_0(1X)和第一副轴的1倍角检测值P_1(1X)生成表示主轴与第一副轴之间的旋转数之差的第一副轴周期信号，并根据主轴的1倍角检测值P_0(1X)和由第二副轴的角度检测器检测出的第二副轴的1倍角检测值P_2(1X)生成表示主轴与第二副轴之间的旋转数之差的第二副轴周期信号，根据第一副轴周期信号和第二副轴周期信号求得主轴的旋转数的步骤。

此外，本发明的多旋转角度检测方法的特征还在于，除了具备第一及第二副轴以外，还具有第三副轴，主轴齿轮与第三副轴的齿数差为1，根据主轴的1倍角检测值P_0(1X)和由第三副轴的角度检测器检测出的第二副轴的1倍角检测值P_3(1X)生成表示主轴和第三副轴之间的旋转数之差的第三副轴周期信号，在求得主轴的旋转数的步骤中进一步包含有根据第一副轴周期信号、第二副轴周期信号以及第三副轴周期信号求得主轴的旋转数的步骤。

发明效果

为了得到旋转一周内的检测分辨率，在主轴中使用N倍角检测器，该N倍角检测器在旋转一周时输出N个周期的检测信号，在副轴中使用1倍角检测器，第一副轴的1倍角检测器不需要具有与第二副轴之后的副轴相比特别高的精度，并且即使在使用具有相同精度的角度检测器的情况下，也能够通过最大限度地有效利用各角度检测器所具有的精度，来得到多旋转检测范围。此外，还能够方便地导出相对于主轴的检测值的区域判断和旋转次数。并且，还能够减少主轴中所使用的齿轮的个数。

附图说明

图1表示本发明申请的一实施例所涉及的检测多旋转绝对旋转角的旋转角检测装置的齿轮机构的框图。

图2表示用于计算主轴的多旋转绝对旋转角的旋转角运算部的框图。

图3是根据本发明申请的一实施例，表示从主轴及各副轴的各角度检测器输出的信号波形与主轴旋转数的图。

图4示出了根据本发明申请的一实施例，用于判断主轴的判断区域的信号波形。

图5根据本发明申请的一实施例，示出了用于求出主轴旋转一周内的旋转角度的信号波形。

图6根据本发明申请的一实施例，示出了从各副轴的旋转角度检测器输出的周期信号与主轴旋转数的波形。

图7是根据本发明申请的一实施例，表示主轴旋转数与各副轴的相对旋转数之间关系的表。

图8是说明根据主轴及副轴的旋转角度求出主轴的多旋转绝对旋转角的步骤的流程图。

具体实施方式

本发明申请所涉及的旋转角检测装置的目的在于，提高多旋转绝对旋转角的检测分辨率，并扩大多旋转检测范围。在以下实施例中，基于由具备特定齿数的齿轮构成的旋转角检测装置进行说明，但可根据本发明申请的要点对这些数值进行变更。

图1是表示本发明申请的一实施例所涉及的检测多旋转绝对旋转角的旋转角检测装置的齿轮机构1的框图。在图1中，与电动机10的旋转轴相结合的主轴10a与齿数R为28的主轴齿轮10b结合，在该主轴10a上安装有用于检测主轴10a旋转一周内的旋转角度θ₀的角度检测器即旋转变压器RS0。例如，旋转变压器RS0输出对应于0到360度的旋转角度的角度检测信号。旋转变压器RS0是主轴10a每旋转一周输出N个周期的信号的N倍角(NX)的角度检测器，而在本实施例中使用4倍角的角度检测器。此外，也可以使用旋转变压器之外的角度检测器。另外，在以下的说明中，在提到旋转角度时，指的是旋转一周内的角度(0到360度)，而在表示多旋转角度的情况下，称为多旋转角。

主轴齿轮10b与第一～第三副轴齿轮11b、12b、13b进行齿轮结合，各副轴齿轮的旋转分别传递至第一～第三副轴11a、12a、13a。第一～第三副轴齿轮11b、12b、13b的齿数M、Q、S分别为32、27、29。第一～第三副轴11a、12a、13a的旋转角度θ₀～θ₃通过安装于第一～第三副轴11a、12a、13a的旋转变压器RS1～RS3来检测。旋转变压器RS1～RS3与旋转变压器RS0相同，输出对应于从0到360度的旋转角度的角度检测(值)信号。旋转变压器RS1～RS3是各副轴每旋转一周输出1个周期的信号的1倍角(1X)的角度检测器，但也可以使用旋转变压器之外的角度检测器。

若将a设为2以上的整数，则主轴齿轮10b的齿数R、以及第一～第三副轴齿轮11b、12b、13b的齿数M、Q、S满足下述数学式1，

【数学式1】

M＝R±a、Q＝R±1、S＝R？1成立，

若k设为1以上的整数，N设为2以上的整数，则可通过满足M＝k×a×N的关系来选择第一副轴齿轮的齿数M，在本实施例中，选择为R＝28、Q＝27、S＝29、a＝4、N＝4、k＝2、M＝32。

图1所示的旋转角检测装置1中，由于主轴齿轮10b及第一副轴齿轮11b的齿数R、M分别为28、32，因此在主轴10a旋转8周的情况下，第一副轴齿轮11b旋转7周，主轴齿轮10b与第一副轴齿轮11b的齿轮位置的关系回到原先的状态。即，对于主轴齿轮10b与第一副轴齿轮11b之间，齿轮间的位置以主轴旋转8周的周期，回到原先的位置。此外，由于第二副轴齿轮12b的齿数Q为27，因此在主轴10a每旋转27周的情况下，主轴齿轮10b与第二副轴齿轮12b的齿轮位置的关系回到原先的位置。并且，由于第三副轴齿轮13b的齿数S为29，因此在主轴10a每旋转29周的情况下，主轴齿轮10b与第三副轴齿轮13b的齿轮位置的关系回到原先的位置。

按照上述关系，能够在主轴10a每旋转8周时根据分别检测主轴10a及第一副轴11a的旋转角度的旋转变压器RS0、RS1的检测信号来计算1个周期的周期信号，并且能够在主轴10a每旋转27周时根据旋转变压器RS0的检测信号和检测第二副轴12a的旋转角度的旋转变压器RS2的检测信号来计算1个周期的周期信号，还能够在主轴10a每旋转29周时根据旋转变压器RS0的检测信号和检测第三副轴12a的旋转角度的旋转变压器RS3的检测信号来计算一个周期的周期信号。最后根据这三个周期信号的值求得主轴10a的多旋转绝对旋转角。能够求得该多旋转绝对旋转角的旋转角范围是上述三个周期的最小公倍数即6264(8×27×29)周的旋转，其结果是，若主轴10a在6264周的范围内，就能够求得主轴10a的多旋转绝对旋转角。以下，对根据旋转变压器RS0～RS3的检测信号值来计算主轴10a的多旋转绝对旋转角θ_c的计算方法进行说明。

图2示出了用于计算主轴10a的多旋转绝对旋转角θ_c的旋转角运算部20的框图。主轴10a、以及第一～第三副轴11a、12a、13a的旋转角度分别由旋转变压器RS0～RS3进行检测，并经由信号线21a、21b、21c、21d将相位差为90°的两个正弦波状的检测电压(sin分量、cosin分量)分别发送至AD转换器23。在AD转换器23中将两个检测电压从模拟值转换成例如12比特的数字值，并分别发送到RD转换运算电路24。RD转换运算电路24根据所接收到的两个数字值(sin分量、cosin分量)分别计算出角度检测值P_0(4X)，P_1(1X)，P_2(1X)，P_3(1X)。其中，检测值的标号中所标注的(4X)及(1X)分别表示从4倍角及1倍角的角度检测器中输出的信号值。此外，旋转变压器RS0～RS3的检测电压会因旋转变压器RS0～RS3本身的偏差、磁/电路/机械精度等各种原因而包含有误差，因此不直接将检测电压转换成角度，而先实施电压信号的偏移量校正、振幅校正，并实施对实际旋转角的误差校正、与各旋转轴的检测值相关的校正等各种精度校正。

施加了上述处理的检测值P_0(4X)，P_1(1X)，P_2(1X)，P_3(1X)被发送到多旋转运算电路25。图3示出了通过上述方式求得的检测值P_0(4X)，P_1(1X)，P_2(1X)，P_3(1X)相对于主轴10a的旋转数的变化。图3的横轴表示主轴10a的旋转数、纵轴表示与利用各检测值检测出的值相对应的各轴的电角度，为便于理解，用0°到360°的度数法来表示图3的纵轴，但也可以用从0到1的值来表示。对于图3(a)所示的检测值P_0(4X)，由于角度检测器RS0为4倍角的角度检测器，因此主轴10a每旋转一周、输出4个周期的检测值。此外，图3(b)～(d)分别示出了根据取决于主轴齿轮的齿数和副轴齿轮的齿数而定的变速比来进行变速的副轴的旋转角度的变化。其中，以相对于主轴10a的旋转向正方向单调增加的波形来表示检测值P_0(4X)，而检测值P_1(1X)、P_2(1X)、P_3(1X)向负方向单调减少，这表示第一～第三副轴11a、12a、13a的旋转方向与主轴10a相反。

图2的多旋转运算部25在接受图3所示的检测值P_0(4X)，P_1(1X)，P_2(1X)，P_3(1X)之后，执行以下说明的运算，从而根据这些检测值来最终计算出主轴10a的多旋转绝对旋转角θ_c。首先，由于角度检测器RS0生成N倍角的输出，因此主轴的检测值P_0(NX)是主轴10a的多旋转角θ₀的N倍的角度除以每旋转一周的基本单位量u而得到的余数，可以表示为下式(1)。

【数学式2】

P_0(NX)＝mod(N×θ₀,u)      (1)

其中，在以下的计算式中，mod(x，a)表示求取x除以a时的余数的余数运算，数值N表示角度检测器RS0的倍角数(本实施例中为4)，u表示旋转轴每旋转一周的基本单位量(本实施例中为360°)。

接下来，由于第一～第三副轴11a、12a、13a分别与主轴齿轮10b进行齿轮结合，因此由下式(2)～(4)来表示第一～第三副轴11a、12a、13a的多旋转角θ₁，θ₂，θ₃。其中，在各式的开头所标注的负号表示各副轴相对于主轴进行相反方向的旋转。

【数学式3】

【数学式4】

${\mathrm{\θ}}_2=-\frac{Q+1}{Q}\×{\mathrm{\θ}}_0---\left(3\right)$

【数学式5】

${\mathrm{\θ}}_3=-\frac{S-1}{S}\×{\mathrm{\θ}}_0---\left(4\right)$

由于第一～第三副轴11a、12a、13a的多旋转角θ₁，θ₂，θ₃如式(2)～(4)所示，因此通过1倍角的角度检测器检测出的第一～第三副轴的旋转角度的检测值P_1(1X)、P_2(1X)、P_3(1X)等于各副轴的多旋转角除以基本单位量u后得到的余数，由式(5)～(7)来表示。

【数学式6】

【数学式7】

$P_{2\left(1X\right)}=\mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_2,u)=\mathrm{mod}(-\frac{Q-1}{Q}\×{\mathrm{\θ}}_0,u)---\left(6\right)$

【数学式8】

$P_{3\left(1X\right)}=\mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_3,u)=\mathrm{mod}(-\frac{S-1}{S}\×{\mathrm{\θ}}_0,u)---\left(7\right)$

其中，如上所述，在本实施例中，第一～第三副轴11a、12a、13a的齿数分别为M＝32、Q＝27、S＝29。

安装于主轴的角度检测器RS0是在主轴每旋转一周时输出N个周期的信号的N倍角的角度检测器，因此从该角度检测器输出的检测值如图3(a)的4倍角的波形所示那样，角度检测器RS0的输出值并不是唯一表示主轴的旋转角度的值。因此，在N倍角的角度检测器中，为了确定主轴的旋转角度，需要判断所输出的检测值是主轴中哪个判断区域的值，换言之是判断所输出的检测值是属于第几个锯齿波的检测值。

利用主轴和第一副轴的旋转量之差生成下述判断值。由于主轴的检测值是N倍角，第一副轴的检测值是1倍角，因此无法直接计算出旋转量之差的检测值，因此，首先，如下式(8)所示那样，将第一副轴检测值P_1(1X)乘以N倍后得到的结果除以基本单位量u求得余数，由此根据1倍角的角度检测器的检测值生成N倍角的检测值P_1(NX)。

【数学式9】

第一副轴的4倍角的检测值P_1(4X)相对于主轴的旋转数成为图4(b)所表示的波形。另外，图4(a)表示主轴11a的4倍角的检测值P_0(4X)。

接着求出主轴与第一副轴的检测值的差。在本实施例中，由于主轴的旋转为正时，副轴的旋转为负，因此通过加法运算来求得差值。

在余数计算中，由于mod(a,c)+mod(b,c)＝mod(a+b,c)成立，因此，若在求得第一副轴的N倍角的检测值P_1(NX)后，在该检测值上加上主轴检测值P_0(NX)，则如下式(9)所示，得到M/aN周旋转的周期信号。由此，根据主轴与第一副轴N倍角的加法运算结果，能够得到主轴每旋转M/aN周为一个周期的周期信号P_0((aN/M)×X)。

【数学式10】

$\begin{array}{c}{P}_{0\left(\frac{\mathrm{aN}}{M}X\right)}=P_{0\left(\mathrm{NX}\right)}+P_{1\left(\mathrm{NX}\right)}\\ =\mathrm{mod}(N\×{\mathrm{\θ}}_0,u)+\mathrm{mod}((-N\±\frac{\mathrm{aN}}{M})\×{\mathrm{\θ}}_0,u)\\ =\mathrm{mod}(\±\frac{\mathrm{aN}}{M}\×{\mathrm{\θ}}_0,u)\end{array}---\left(9\right)$

其中，式(9)的周期信号的波形如图4(c)所示。若代入本实施例所选择的数值a＝4，N＝4，M＝32，u＝360，则得到2(＝M/aN)旋转周期的信号。

图4(c)所示的周期信号具有主轴每旋转2周单调增加的锯齿形的波形。此外，图4(a)所示的主轴11a的检测值P_0(4X)的信号波形也是具有锯齿形的波形，检测值P_0(4X)的信号波形在图4(c)的周期信号的一个周期内重复出现8个周期的锯齿波。因此，由式(9)计算出的值可用作进行如下判断的判断值：判断由主轴的角度检测器RS0检测出的角度检测值P_0(4X)是主轴旋转内的四个锯齿波中哪个位置上的锯齿波的值。一般情况下，在图4(c)的周期信号的一个周期内，主轴的角度检测值P_0(NX)的锯齿波重复M/a个周期，通过将图4(c)的周期信号的值分割为M/a个区域，能够判断角度检测值P_0(NX)位于主轴旋转一周内的哪一个判断区域。

并且，如下所述那样，也可以根据图4(a)及图4(c)的周期信号生成阶梯状波形的信号，基于该阶梯状波形来进行检测值P_0(NX)的区域判断。即，通过进行下式(10)所示的计算，能够根据图4(c)所示的周期信号生成图5(a)所示的阶梯状波形R₀。

【数学式11】

$R_0=(P_{0\left(\frac{\mathrm{aN}}{M}\right)}\×\frac{M}{a}-P_{0\left(\mathrm{NX}\right)})\×\frac{1}{u}---\left(10\right)$

若将本实施例所选出的数值a＝4，N＝4，M＝32，u＝360代入式(10)，则如图5(a)所示那样，示出具有((M/a)-1)级(本实施例中为7级)阶梯的阶梯状波形R_(0-7)。

并且，通过实施下式(11)的处理，来求出将式(10)所求得的阶梯状波形R₀除以N后得到的余数，从而能生成(N-1)级的阶梯状波形R₀’。

【数学式12】

R₀'＝mod(R₀,N)             (11)

若将N＝4代入式(11)，则式(11)示出图5(b)所示那样的具有3级(N-1级)阶梯的阶梯状波形R_(0-3)’。由此，通过生成与主轴旋转一周的周期相对应的阶梯状波形，从而能够设定从主轴的4倍角检测器RS0得到的检测信号的区域判断值。

接着，对相对于主轴的各副轴的周期信号的生成进行说明。该周期信号是表示主轴与副轴之间的旋转角度之差的信号。换言之，主轴齿轮和副轴齿轮在周期信号的每一个周期内，在相同位置处相咬合。图6是表示将某时刻的主轴与副轴的齿轮位置设为初始位置(将主轴旋转数记为0的位置)，随着主轴的旋转，副轴的齿轮位置相对于主轴的齿轮位置具有多少度的偏差的图。图6(a)示出了第一副轴的周期信号，该第一副轴的周期信号表示第一副轴的齿轮位置相对于主轴的齿轮位置的偏差角度的变化，图6(b)示出了第二副轴的周期信号，该第一副轴的周期信号表示第二副轴的齿轮位置相对于主轴的齿轮位置的偏差角度的变化，图6(c)示出了第三副轴的周期信号，该第三副轴的周期信号表示第三副轴的齿轮位置相对于主轴的齿轮位置的偏差角度的变化。图6中，主轴从周期信号的值全部为0的组合的初始位置开始旋转，到再次回到初始位置的期间内，周期信号的值的组合均不相同。即，在从初始位置开始到下个初始位置为止的期间内，某个周期信号的值的组合是唯一存在的。因此，如果可以求出周期信号的值的组合，则可以求得从初始位置起的主轴的旋转数。换言之，若将从对应于周期信号的值为0的主轴旋转数起的主轴的旋转数定义为各周期信号的一个周期内的各副轴的相对旋转数(在初始位置，各副轴的相对旋转数均为0)，则根据相对旋转数的组合，能够求出从初始位置起的主轴的旋转数。所有周期信号回到初始位置为止的周期通过各周期信号的周期的最小公倍数来求得。本实施例中，第一～第三副轴的周期分别为8、27、29，因此它们的最小公倍数为6264(＝8×27×29)。因此，通过根据各副轴的周期信号求出各副轴的相对旋转数，从而如以下所要说明的那样，能够求出主轴的多旋转绝对旋转角(本实施例中为到旋转6264周为止的旋转角)。

首先，为了得到周期信号，需要使用从相同倍角的角度检测器输出的检测值。本实施例中，各副轴的角度检测器为1倍角，因此需要将从主轴的角度检测器得到的检测值转换为1倍角的检测值。因此，使用N倍角的主轴的检测值P_0(NX)和上式(11)，并利用下式(12)来合成1倍角的主轴检测值P_0(1X)。

【数学式13】

$P_{0\left(1X\right)}=\frac{{R_0}^{\′}\×u+P_{0\left(\mathrm{NX}\right)}}{N}---\left(12\right)$

若代入本实施例中所选择的数值a＝4，N＝4，M＝32，u＝360，则利用式(12)合成的主轴的1倍角检测值P_0(1X)如图5(c)所示那样，成为主轴每旋转一周单调增加一个周期的锯齿波的波形。

在合成主轴的1倍角检测值P_0(1X)之后，如下式(13)所示那样将主轴的1倍角检测值P_0(1X)和第一副轴的检测值P_1(1X)相加，由此得到主轴每旋转M/a周为一个周期的第一副轴的周期信号。

【数学式14】

$\begin{array}{c}{P}_{1\left(\frac{a}{M}X\right)}=P_{0\left(1X\right)}+P_{1\left(1X\right)}\\ =\mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_0,u)+\mathrm{mod}((-1\±\frac{a}{M})\×{\mathrm{\θ}}_0,u)\\ =\mathrm{mod}(\±\frac{a}{M}\×{\mathrm{\θ}}_0,u)\end{array}---\left(13\right)$

另外，在余数计算中，mod(a,c)+mod(b,c)＝mod(a+b,c)成立。因此，若将本实施例中的数值a＝4，M＝32，u＝360代入式(13)，则如图6(a)所示那样，得到主轴每旋转8周为一个周期的周期信号。

此外，若对主轴的1倍角检测值P_0(1X)加上第二副轴的检测值P_2(1X)，则如下式(14)所示那样，得到主轴每旋转Q周为一个周期的第二副轴的周期信号，在实施例中，如图6(b)所示，得到主轴每旋转27周为一个周期的周期信号，即第二副轴的周期信号。并且，若对主轴的1倍角检测值P_0(1X)加上第三副轴的检测值P_3(1X)，则如下式(15)所示那样，得到主轴每旋转S周为一个周期的第三副轴的周期信号，在实施例中，如图6(c)所示，得到主轴每旋转29周为一个周期的周期信号，即第三副轴的周期信号。

【数学式15】

$\begin{array}{c}{P}_{2\left(\frac{1}{Q}X\right)}=P_{0\left(1X\right)}+P_{2\left(1X\right)}\\ =\mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_0,u)+\mathrm{mod}((-1\±\frac{1}{Q})\×{\mathrm{\θ}}_0,u)\\ =\mathrm{mod}(\±\frac{1}{Q}\×{\mathrm{\θ}}_0,u)\end{array}---\left(14\right)$

【数学式16】

$\begin{array}{c}{P}_{3\left(\frac{1}{S}X\right)}=P_{0\left(1X\right)}+P_{3\left(1X\right)}\\ =\mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_0,u)+\mathrm{mod}((-1\±\frac{1}{S})\×{\mathrm{\θ}}_0,u)\\ =\mathrm{mod}(\±\frac{1}{S}\×{\mathrm{\θ}}_0,u)\end{array}---\left(15\right)$

在求得各副轴的周期信号之后，接着，对各副轴齿轮的相对旋转数进行计算。由于各副轴的周期信号的周期是已知的，因此通过对周期信号的值与基本单位量u的比乘上各周期来求得相对旋转数。下式(16)，(17)，(18)示出了对相对于第一～第三副轴齿轮的相对旋转数m1～m3进行计算的数学式。

【数学式17】

$m1=P_{1\left(\frac{a}{M}X\right)}/u\×\frac{M}{a}---\left(16\right)$

【数学式18】

$m2=P_{2\left(\frac{1}{Q}X\right)}/u\×Q---\left(17\right)$

【数学式19】

$m3=P_{3\left(\frac{1}{S}X\right)}/u\×S---\left(18\right)$

预先对主轴的多旋转旋转数n和各副轴的相对旋转数m1～m3的关系进行计算，然后如图7所示那样作为参照表预先将该关系存储于存储装置(例如，ROM等)，从而通过检索该参照表，能够求得与相对旋转数的组合相一致的主轴的多旋转旋转数。例如，若第一～第三副轴齿轮的相对旋转数为4、18、22，则根据图7的参照表，主轴的旋转数为6228。此外，作为其他实施例，即使在副轴为两个的情况下，也能够求出主轴的多旋转旋转数(若具有与本实施例相同的齿轮数，则能够检测出到216周旋转为止的旋转数)，例如，若第一及第二副轴的相对旋转数为5、24，则根据图7的参照表，主轴的旋转数为213。

主轴的多旋转绝对旋转角可以通过将主轴的多旋转旋转数和主轴旋转一周内的旋转角度相加而求得。主轴旋转一周内的旋转角度能够通过对从主轴的4倍角检测器RS0输出的输出信号P_0(4X)进行区域判断来求得。此外，也可以根据图5(c)所示的合成为1倍角的主轴检测值P_0(1X)来求得。

接着，参照图8所示的流程图80，对根据主轴及副轴的旋转角度求得主轴的多旋转绝对旋转角的步骤进行说明。首先，在步骤81中，安装于图1所示的主轴10a的角度检测器RS0检测出4倍角的检测值P_0(4X)，而安装于第一～第三副轴11a、12a、13a的角度检测器RS1～RS3分别检测出1倍角的检测值P_1(1X)～P_3(1X)。这些检测值相对于主轴的旋转数呈图3所示的波形。

检测出主轴及副轴的检测值之后，前进至步骤82，为了判断主轴的检测值P_0(4X)是属于主轴旋转一周内的哪个判断区域的值，根据式(8)，将第一副轴的1倍角的检测值P_1(1X)转换为4倍角的检测值P_1(4X)。接着，在步骤83中，将该4倍角的检测值P_1(4X)与主轴的4倍角的检测值P_0(4X)相加，生成用于对判断区域进行判断的判断值。该判断值相对于主轴的旋转数呈图4(c)所示的判断波形。因此，根据该判断值，可判断出由主轴的角度检测器RS0检测出的检测值是属于图4(a)所示的锯齿波内的第几个锯齿波的值。通过该判断，从检测值导出主轴的旋转角度。上述判断是通过判断值来确定检测值所属的判断区域的，但如下述所要说明的那样，通过对该判断值进行进一步处理，合成1倍角的主轴检测值，能够求得主轴的旋转角度。

在步骤84中，通过对步骤83中求得的判断值进行式(10)所示的处理，来生成图5(a)所示的阶梯状的波形值。并且，将该阶梯状的波形值代入式(11)，生成图5(b)所示的主轴旋转一周为一个周期的阶梯状波形值。前进至步骤85，将该阶梯状波形值代入式(12)，合成1倍角的主轴检测值。该1倍角的主轴检测值如图5(c)所示那样，示出主轴的旋转角度。

得到图5(c)所示的1倍角的主轴检测值之后，在步骤86中，根据式(13)～式(15)，生成第一～第三副轴的周期信号值。相对于主轴旋转数的这些周期信号值如图6(a)～(c)所示。生成第一～第三副轴的周期信号值之后，在步骤87中，根据式(16)～(18)求出第一～第三副轴相对于主轴的相对旋转数。根据图7所示的参照表来检索与第一～第三副轴的相对旋转数m1～m3相一致的组合，从而输出与该相一致的组合相对应的主轴旋转数n。求得主轴旋转数n之后，前进至步骤88，通过将主轴旋转数n与主轴旋转角度相加，最终得到多旋转绝对旋转角。

最后，在本发明所使用的齿轮机构中，为了准确地执行上述的区域判断，对第一副轴的角度检测器所要求的精度进行讨论。首先，假设主轴及第一副轴检测值每旋转一周的误差的绝对值分别为e₁，e₂。在主轴使用1倍角的角度检测器，并在主轴与第一副轴之间进行M旋转周期的判断的情况下，一般要求e₁+e₂满足下式。

【数学式20】

$e_1+e_2<\frac{1}{2M}$

这里，若设为e₁≈0，则第一副轴的角度检测器所要求的误差需要收敛于下式(19)。

【数学式21】

$e_2<\frac{1}{2M}---\left(19\right)$

接着，如本发明那样，在主轴使用N倍角检测器的情况下，由于要将第一副轴检测值乘以N倍，因此需要满足：

【数学式22】

$e_1+N\&times;e_2<\frac{a}{2M}$

这里，若设为e₁≈0，则

【数学式23】

$e_2<\frac{a}{2\mathrm{NM}}$

成立，当a＝N时，

【数学式24】

$e_2<\frac{1}{2M}---\left(20\right)$

其结果是，式(20)与式(19)相同，因此本发明的第一副轴的角度检测器所要求的精度只要与安装于主轴的1倍角的角度检测器的精度相同即可。

与此相对，在专利文献1所揭示的齿轮结构下，当主轴使用N倍角的角度检测器，并进行该文献所示的处理时，第一从动齿轮所要求的精度需要满足下式。

【数学式25】

$\frac{e_1}{N}+e_2<\frac{1}{2\mathrm{NM}}$

这里，若设为e₁≈0，则

【数学式26】

$e_2<\frac{1}{2\mathrm{NM}}$

由此可知，需具有使用1倍角的角度检测器时的N倍的精度。标号说明

1齿轮机构

10电动机

11a，12a，13a第一～第三副轴

11b，12b，13b第一～第三副轴齿轮

20旋转角运算部

21a，21b，21c，21d信号线

23AD转换器

24RD转换运算电路

25多旋转运算电路

RS0～RS3旋转变压器

θ₀主轴的旋转角度

θ₀～θ₃第一～第三副轴的旋转角度

Claims (10)

1.一种多旋转角度检测装置，该多旋转角度检测装置具有以下齿轮机构：

由安装于主轴的主轴齿轮、与所述主轴齿轮进行齿轮结合的第一副轴齿轮及第二副轴齿轮、以及分别传递所述第一及第二副轴齿轮的旋转的第一及第二副轴构成，

具备一组角度检测器，该一组角度检测器由检测所述主轴的旋转角度的主轴的角度检测器、以及检测所述第一及第二副轴的旋转角度的第一及第二副轴的角度检测器构成，主轴每旋转1周，所述主轴的角度检测器输出N个周期的N倍角检测值P_0(NX)，副轴每旋转一周，所述第一及第二副轴的角度检测器分别输出1个周期的1倍角检测值P_1(1X)，P_2(1X)，

所述第一副轴齿轮的齿数具有与所述主轴齿轮的齿数差为2或超过2的整数a的齿数差，且所述第一副轴齿轮的齿数是齿数差a与设置于所述主轴的角度检测器的轴倍角N的积的整数倍，此外，所述主轴齿轮与所述第二副轴齿轮的齿数差为1，

所述多旋转角度检测装置根据所述主轴、所述第一副轴、以及所述第二副轴的旋转角度检测值来求得主轴的多旋转绝对旋转角，其特征在于，包括以下单元：

主轴旋转角检测单元，在该主轴旋转角检测单元中，将所述第一副轴的齿数设为M，根据由所述主轴的角度检测器检测出的所述N倍角检测值P_0(NX)和由所述第一副轴的角度检测器检测出的所述第一副轴的1倍角检测值P_{1 (1X)}，求得将主轴的M/aN周旋转作为一个周期的信号P_0((aN/M)×X)，根据所述信号P_0((aN/M)×X)得到表示由所述主轴的角度检测器检测出的N倍角检测值P_0(NX)是所述N个周期内的第几个周期的值的判断值，根据所述判断值与所述N倍角检测值P_0(NX)合成以主轴每旋转一周为一个周期的主轴的1倍角检测值P_0(1X)；以及

主轴旋转数检测单元，在该主轴旋转数检测单元中，根据所述主轴的1倍角检测值P_0(1X)和所述第一副轴的1倍角检测值P_1(1X)生成表示所述主轴与所述第一副轴之间的旋转数之差的第一副轴周期信号，并根据所述主轴的1倍角检测值P_0(1X)和由所述第二副轴的角度检测器检测出的第二副轴的1倍角检测值P_2(1X)生成表示所述主轴与所述第二副轴之间的旋转数之差的第二副轴周期信号，根据所述第一副轴周期信号和所述第二副轴周期信号来求得主轴的旋转数。

2.如权利要求1所述的多旋转角度检测装置，其特征在于，

所述齿轮机构还具备与所述主轴齿轮进行齿轮结合的第三副轴齿轮、以及传递所述第三副轴齿轮的旋转的第三副轴，

所述角度检测器在所述第三副轴每旋转一周时输出一个周期的所述第三副轴的1倍角检测值P_3(1X)，

主轴旋转数检测单元根据所述主轴的1倍角检测值P_0(1X)和所述第三副轴的1倍角检测值P_3(1X)进一步生成表示所述主轴与所述第三副轴之间的旋转数之差的第三副轴的周期信号，并根据所述第一副轴的周期信号、所述第二副轴的周期信号、以及所述第三副轴的周期信号求得主轴的旋转数。

3.如权利要求1所述的多旋转角度检测装置，其特征在于，

除了具备所述第一及第二副轴以外，还具有第三副轴，所述主轴齿轮与所述第三副轴的齿数差为1，根据所述主轴的1倍角检测值P_0(1X)和由所述第三副轴的角度检测器检测出的第二副轴的1倍角检测值P_3(1X)生成表示所述主轴和所述第三副轴之间的旋转数之差的第三副轴周期信号，所述主轴旋转数检测单元根据所述第一副轴周期信号、所述第二副轴周期信号以及所述第三副轴周期信号求得主轴的旋转数。

4.如权利要求2所述的多旋转角度检测装置，其特征在于，

若将第三副轴齿轮的齿数设为S，则当第二副轴齿轮的齿数为Q＝R-1时，第三副轴齿轮的齿数为S＝R+1，当第二副轴齿轮的齿数为Q＝R+1时，第三副轴齿轮的齿数为S＝R-1。

5.如权利要求1所述的多旋转角度检测装置，其特征在于，

所述判断值P_0((aN/M)×X)通过以下方式求得，即：将由所述第一副轴的角度检测器检测出的所述第一副轴的1倍角检测值P_1(1X)乘以N倍后得到的值除以一个周期的基本单位量u而计算出余数即第一副轴的N倍角检测值P_1(NX)，然后将所述主轴的N倍角检测值P_0(NX)及所述第一副轴的N倍角检测值P_1(NX)的和或差除以基本单位量u而得到余数即所述判别值P_0((aN/M)×X)。

6.一种多旋转角度检测方法，该多旋转角度检测方法具有如下的齿轮机构：

由安装于传递旋转驱动源的旋转的主轴上的主轴齿轮、与所述主轴齿轮进行齿轮结合的第一副轴齿轮及第二副轴齿轮、以及分别传递所述第一及第二副轴齿轮的旋转的第一及第二副轴构成，

具备一组角度检测器，该一组角度检测器由检测所述主轴的旋转角度的主轴的角度检测器、以及检测所述第一及第二副轴的旋转角度的第一及第二副轴的角度检测器构成，主轴每旋转1周，所述主轴的角度检测器输出N个周期的N倍角检测值P_0(NX)，副轴每旋转一周，所述第一及第二副轴的角度检测器分别输出1个周期的1倍角检测值P_1(1X)，P_2(1X)，

所述第一副轴齿轮的齿数具有与所述主轴齿轮之间的齿数差为2或超过2的整数a的齿数差，且所述第一副轴齿轮的齿数是齿数差a与设置于所述主轴的角度检测器的轴倍角N的积的整数倍，此外，所述主轴齿轮与所述第二副轴齿轮的齿数差为1，

该多旋转角度检测方法根据所述主轴、所述第一副轴以及所述第二副轴的旋转角度检测值来求得主轴的多旋转绝对旋转角，其特征在于，包括以下步骤：

检测所述主轴的旋转角度、即主轴每旋转一周时的N个周期的N倍角检测值P_0(NX)，并分别检测第一及第二副轴的旋转角度、即副轴每旋转一周时的1个周期的1倍角检测值P_1(1X)，P_2(1X)的步骤；

将所述第一副轴的齿数设为M，根据由所述主轴的角度检测器检测出的N倍角检测值P_0(NX)和由所述第一副轴的角度检测器检测出的第一副轴的1倍角检测值P_1(1X)，求得将主轴的M/aN周旋转作为一个周期的信号P_0((aN/M)×X)，根据所述信号P_0((aN/M)×X)得到用于确定由所述主轴的角度检测器检测出的N倍角检测值P_0(NX)是所述N个周期内的第几个周期的值的判断值，由此求得主轴的旋转一周内的旋转角度的步骤；以及

根据所述判断值与N倍角检测值P_0(NX)合成主轴每旋转一周时为1个周期的主轴的1倍角检测值P_0(1X)，此外，根据主轴的1倍角检测值P_0(1X)和第一副轴的1倍角检测值P_1(1X)生成表示主轴与第一副轴之间的旋转数之差的第一副轴周期信号，并根据主轴的1倍角检测值P_0(1X)和由所述第二副轴的角度检测器检测出的第二副轴的1倍角检测值P_2(1X)生成表示所述主轴与所述第二副轴之间的旋转数之差的第二副轴周期信号，根据所述第一副轴周期信号和所述第二副轴周期信号求得主轴的旋转数的步骤。

7.如权利要求6所述的多旋转角度检测方法，其特征在于，

所述齿轮机构还具备与所述主轴齿轮进行齿轮结合的第三副轴齿轮、以及传递所述第三副轴齿轮的旋转的第三副轴，

所述角度检测器在所述第三副轴每旋转一周时输出一个周期的所述第三副轴的1倍角检测值P_3(1X)，

主轴旋转数检测单元根据所述主轴的1倍角检测值P_0(1X)和所述第三副轴的1倍角检测值P_3(1X)进一步生成表示所述主轴与所述第三副轴之间的旋转数之差的第三副轴的周期信号，并根据所述第一副轴的周期信号、所述第二副轴的周期信号、以及所述第三副轴的周期信号求得主轴的旋转数。

8.如权利要求6所述的多旋转角度检测方法，其特征在于，

除了具备所述第一及第二副轴以外，还具有第三副轴，所述主轴齿轮与所述第三副轴的齿数差为1，根据所述主轴的1倍角检测值P_0(1X)和由所述第三副轴的角度检测器检测出的第二副轴的1倍角检测值P_3(1X)生成表示所述主轴和所述第三副轴之间的旋转数之差的第三副轴周期信号，在求得所述主轴的旋转数的步骤中，还包含有根据所述第一副轴周期信号、所述第二副轴周期信号、以及所述第三副轴周期信号求得主轴的旋转数的步骤。

9.如权利要求7所述的多旋转角度检测方法，其特征在于，

若将所述第三副轴齿轮的齿数设为S，则当所述第二副轴齿轮的齿数为Q＝R-1时，所述第三副轴齿轮的齿数为S＝R+1，当所述第二副轴齿轮的齿数为Q＝R+1时，所述第三副轴齿轮的齿数为S＝R-1。

10.如权利要求6所述的多旋转角度检测方法，其特征在于，

所述判别值P_0((aN/M)×X)通过以下方式求得，即：将由所述第一副轴的角度检测器检测出的所述第一副轴的1倍角检测值P_1(1X)乘以N倍后得到的值除以一个周期的基本单位量u而计算出余数即第一副轴的N倍角检测值P_1(NX)，然后将所述主轴的N倍角检测值P_0(NX)及所述第一副轴的N倍角检测值P_1(NX)的和或差除以基本单位量u而得到余数即所述判别值P_0((aN/M)×X)。