CN108426587B - 旋转编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种旋转编码器，其高精度地检测旋转体的旋转位置。旋转编码器(10)具有设置于旋转体上的磁体(20、30)、设置于固定体上的磁传感器部(40、50、60)、基于来自磁传感器部(40、50、60)的输出信号计算旋转体的旋转位置的控制部(70)。控制部(70)通过测量有关旋转体的旋转位置的计算的来自外部的请求信号的接收间隔，计算旋转体当前的旋转速度，基于算出的当前的旋转速度和基准旋转速度之比，将在基准旋转速度下与输出信号重叠的误差信号成分相关的参数换算成当前的旋转速度下的值，基于换算的值，修正来自磁传感器部(40、50、60)的输出信号，使用修正后的输出信号计算旋转体的旋转位置。

Description

旋转编码器
技术领域
本发明涉及一种旋转编码器，特别是涉及一种磁旋转编码器。
背景技术
作为检测旋转体相对于固定体的旋转位置的装置，已知有利用磁阻效应(MR)元件或霍尔元件等磁敏元件的磁旋转编码器。在这样的旋转编码器中，存在如下问题：因伴随旋转体(磁体)的旋转而产生的磁场变化，会在配线或电路等中产生感应电压，而该信号成分将与来自磁敏元件的输出信号重叠，从而导致检测精度变差。
在专利文献1中记载有利用上述感应电压与旋转体的旋转速度成比例地与输出信号重叠这一情况，修正感应电压导致的误差的方法。在该方法中，预先存储有在特定的旋转速度下用于抵消感应电压的修正量，根据该修正量，基于特定的旋转速度和使用时的旋转速度之比，换算出在使用时的旋转速度下用于抵消感应电压的修正值。由此，能够根据使用时的旋转速度换算出与旋转速度成比例地增加的修正值来进行计算，能够高精度地检测旋转体的旋转位置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016－99164号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在专利文献1记载的修正方法中，由于使用时的旋转速度的计算精度不够，因此用于抵消感应电压的修正值的计算精度也不够，其结果是，难以实现高的检测精度。另外，不能消除伴随旋转体的旋转而与输出信号重叠的误差成分，不足于维持高的检测精度。
于是，本发明的目的在于，提供一种高精度地检测旋转体的旋转位置的旋转编码器。
用于解决技术问题所采用的方案
为了实现上述的目的，本发明提供一种旋转编码器，其检测旋转体相对于固定体的旋转位置，其中，具有：磁体，其设置于固定体及旋转体中的一方；磁传感器部，其设置于固定体及旋转体中的另一方，检测来自磁体的磁场变化，其具有与磁体的磁化面对置配置且伴随旋转体的旋转而输出正弦波状的A相信号的第一磁敏元件、和与磁体的磁化面对置配置且伴随旋转体的旋转而输出与A相信号具有90°相位差的正弦波状的B相信号的第二磁敏元件；以及控制部，其在接收到来自外部的请求信号时，基于A相信号及B相信号计算旋转体的旋转位置，控制部具有：存储部，其存储与基准旋转速度时的误差信号成分相关的多个参数，该误差信号成分是与旋转体的旋转速度成比例地分别重叠在A相信号及B相信号上的误差信号成分；以及旋转速度计算部，其测量来自外部的请求信号的接收间隔，根据该测量的接收间隔中旋转体的旋转位移量，计算旋转体当前的旋转速度，控制部基于基准旋转速度和由旋转速度计算部算出的当前的旋转速度之比，将存储于存储部的多个参数中至少一个参数换算成当前的旋转速度下的值，基于该换算的值执行修正A相信号及B相信号的修正处理，使用该修正后的A相信号及B相信号计算旋转体的旋转位置。
根据这样的旋转编码器，通过使用与旋转速度对应的误差信号成分相关的参数的换算值修正输出信号，不管旋转速度多大，都能够获得大致恒定的输出信号，能够维持高的检测精度。另外，由于测量了控制部实际进行旋转位置计算的周期，因此能够计算正确的旋转速度，能够提高输出信号的修正精度。
在本发明的一方式中，理想的是所述误差信号成分是伴随旋转体的旋转而在磁传感器部产生的感应电压信号，所述多个参数包含该感应电压信号的振幅及相位，控制部仅将所述多个参数中的振幅换算成当前的旋转速度，基于换算后的振幅和存储于存储部的相位，生成用于消除感应电压信号的修正信号，通过减去该修正信号而修正输出信号，或者，将多个参数中的振幅及相位这两者换算成当前的旋转速度下的值，基于换算后的振幅及相位，生成用于抵消感应电压信号的修正信号，通过减去该修正信号而修正输出信号。
该情况下，理想的是所述振幅及相位是在使旋转体以恒定的旋转速度作为基准旋转速度进行旋转，从A相信号及B相信号分别减去规定信号成分而计算旋转体的旋转速度时，算出的旋转速度的波动为最小时的规定信号成分的振幅及相位。虽然难以将与输出信号重叠的感应电压信号直接分离，但通过这样的方法，能够简单地求出误差信号成分即感应电压信号。另外，理想的是所述基准旋转速度是与旋转体连结的电机的瞬时最大旋转速度，由此，作为参数，能够设定感应电压为最大时的振幅及相位，能够高分辨率地进行输出信号的修正。
另外，本发明的旋转编码器也可以具有多个磁体和多个磁传感器部，控制部也可以基于来自多个磁传感器部的多个A相信号及多个B相信号，计算旋转体的旋转位置，此时，对多个磁传感器部分别执行所述修正处理。该情况下，理想的是多个磁体包含在旋转体的周向上N极和S极各配置一极的第一磁体、和在所述旋转体的周向上交替配置有多个N极和S极的第二磁体，多个磁传感器部包含与第一磁体对应的至少一个磁传感器部、和与第二磁体对应的磁传感器部。根据这样的结构，不管旋转速度多大，都能够提高旋转体的旋转位置的检测精度。
另外，理想的是各磁敏元件具有磁阻效应元件。由此，能够自一个元件简单地获得A相信号及B相信号。
另外，为了实现上述的目的，本发明提供一种旋转编码器，其检测旋转体相对于固定体的旋转位置，其中，具有：磁体，其设置于固定体及旋转体中的一方；磁传感器部，其设置于固定体及旋转体中的另一方，检测来自磁体的磁场变化，其具有与磁体的磁化面对置配置且伴随旋转体的旋转而输出正弦波状的A相信号的第一磁敏元件、和与磁体的磁化面对置配置且伴随旋转体的旋转而输出与A相信号具有90°相位差的正弦波状的B相信号的第二磁敏元件；以及控制部，其基于A相信号及B相信号计算旋转体的旋转位置，控制部具有：存储部，其存储与基准旋转速度时的信号成分相关的多个参数、及表示旋转体的旋转速度相对于基准旋转速度之比和多个参数的变化率的关系的数据，该基准旋转速度时的信号成分是A相信号及B相信号各自所包含的信号成分中伴随旋转体的旋转速度的增加而呈非线性下降的信号成分；以及旋转速度计算部，其计算旋转体当前的旋转速度，控制部基于由旋转角度计算部算出的当前的旋转速度相对于基准旋转速度之比和多个参数的变化率，将存储于存储部的多个参数中至少一个参数换算成当前的旋转速度下的值，基于该换算的值补偿减少的信号成分，由此，执行修正A相信号及B相信号的修正处理，且使用该修正后的A相信号及B相信号计算旋转体的旋转位置。
根据这样的旋转编码器，通过使用与根据旋转速度而减少的信号成分相关的参数的换算值修正输出信号，不管旋转速度多大，都能够获得大致恒定的输出信号，能够维持高的检测精度。
在本发明的一方式中，理想的是，所述减少的信号成分是A相信号及B相信号各自的谐波成分，所述多个参数包含该谐波成分的振幅及相位，控制部将多个参数中的振幅及相位这两者换算成当前的旋转速度下的值，基于换算后的振幅及相位，补偿减少的信号成分。
该情况下，理想的是所述振幅及相位是在使旋转体以恒定的旋转速度作为基准旋转速度进行旋转，使A相信号及B相信号上分别重叠规定信号成分而计算旋转体的旋转速度时，算出的旋转速度的波动为最小时的规定信号成分的振幅及相位。通过这样的方法，就能够简单地求得减少的信号成分，不必进行频率分析等解析处理。另外，理想的是所述基准旋转速度是与旋转体连结的电机的瞬时最大旋转速度，由此，作为参数能够设定要进行补偿的减少的信号成分的变化最大时的振幅及相位，能够高分辨率地进行输出信号的修正。另外，所述振幅及相位的计算通过使旋转体以比基准旋转速度更低的速度旋转时进行了校准的旋转编码器进行，由此能够简化计算处理。另外，所述谐波成分为11次及13次谐波成分，该情况下，理想的是各磁敏元件输出消除了3次、5次及7次谐波成分后的A相信号及B相信号。由此，上述的修正处理仅应用于11次及13次谐波成分，不需要应用于3次、5次及7次谐波成分，因此，能够简化运算处理。
另外，在本发明的一方式中，在磁传感器部和控制部之间设置有低通滤波器。由此，能够容易地求得所述参数的变化率。
另外，理想的是控制部在接收到来自外部的请求信号时，计算旋转体的旋转位置。该情况下，旋转速度计算部测量来自外部的请求信号的接收间隔，根据测量的接收间隔中旋转体的旋转位移量，计算旋转体当前的旋转速度即可。由此，测量了控制部实际进行旋转位置计算的周期，因此能够计算正确的旋转速度，能够提高输出信号的修正精度。或者，旋转速度计算部也可以根据在其与外部之间预先设定的请求信号的接收间隔中旋转体的旋转位移量，计算旋转体当前的旋转速度。由此，能够简化关于旋转速度的计算的运算处理。
另外，本发明的旋转编码器也可以具有多个磁体和多个磁传感器部，多个磁体也可以包含在旋转体的周向上N极和S极各配置一极的第一磁体、和在旋转体的周向上交替配置有多个N极和S极的第二磁体，多个磁传感器部也可以包含与第一磁体对应的至少一个磁传感器部、和与第二磁体对应的磁传感器部。该情况下，理想的是控制部基于来自多个磁传感器部的多个A相信号及多个B相信号，计算旋转体的旋转位置，此时，对与第二磁体对应的磁传感器部执行所述修正处理。具体而言，理想的是多个磁传感器部包含检测来自第一磁体的磁场变化的第一磁传感器部和第二磁传感器部、以及检测来自第二磁体的磁场变化的第三磁传感器部，减少的信号成分是从第三磁传感器部输出的A相信号及B相信号各自的谐波成分，多个参数包含谐波成分的振幅及相位。根据这样的结构，不管旋转速度多大，都能够提高旋转体的旋转位置的检测精度。
另外，理想的是各磁敏元件具有磁阻效应元件。由此，能够自一个元件简单地获得A相信号及B相信号。
发明效果
根据本发明，能够提供高精度地检测旋转体的旋转位置的旋转编码器。
附图说明
图1(a)和图1(b)是表示本发明实施方式1的旋转编码器的结构的概略图。
图2(a)和图2(b)是用于说明本实施方式的旋转编码器的旋转体的绝对角度位置的检测原理的图。
图3(a)和图3(b)是表示本发明实施方式2的旋转编码器的结构的概略图。
符号说明
10 旋转编码器
20 第一磁体
21 磁化面
30 第二磁体
31 磁化面
32a、32b 磁道
40 第一磁传感器部
41～44 磁阻图案
50 第二磁传感器部
51 第一霍尔元件
52 第二霍尔元件
60 第三磁传感器部
61～64 磁阻图案
70 控制部
71A/D 转换部(ADC)
72 角度计算部
73 修正处理部
74 存储部
75 通信周期测量部
76 旋转速度计算部
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。本发明的旋转编码器检测旋转体相对于固定体的旋转位置。在本说明书中，本发明以在旋转体上设置有磁体、在固定体上设置有磁传感器部(磁敏元件)的旋转编码器为例进行说明，但旋转编码器的结构不限于此，也可以是相反的。即，本发明也可以应用于在旋转体上设置有磁敏元件、在固定体上设置有磁体的旋转编码器。
[实施方式1]
图1(a)和图1(b)是表示本发明实施方式1的旋转编码器的结构的概略图。图1(a)是本实施方式1的旋转编码器的概略立体图，图1(b)是本实施方式1的旋转编码器的框图。
如图1(a)及图1(b)所示，本实施方式1的旋转编码器10具有第一磁体20、第二磁体30、第一磁传感器部40、第二磁传感器部50、第三磁传感器部60、控制部70。第一磁体20和第二磁体30设置于以旋转轴L为中心进行旋转的旋转体2上，可与旋转体2一起旋转。第一磁传感器部40、第二磁传感器部50以及第三磁传感器部60设置于固定体1上。例如，旋转体2与电机的输出轴连结，固定体1固定于电机的框架上。第一～第三磁传感器部40、50、60分别经由放大电路(未图示)与控制部70连接。
第一磁体20由配置于旋转体2的旋转轴L上且其中心与旋转轴L一致的圆盘状的永久磁体(例如粘结磁铁)构成，具有在周向上N极和S极各配置一极的磁化面21。另一方面，第二磁体30由以包围第一磁体20的半径方向外侧的方式配置且其中心与旋转轴L一致的圆筒状的永久磁体(例如粘结磁铁)构成，具有在周向上交替配置有多个N极和S极的环状的磁化面31。在第二磁体30的磁化面31上形成有沿旋转体的半径方向平行配置的多个(图示的实施方式中为两个)磁道32a、32b。在各磁道32a、32b上，沿着周向分别形成有由N极和S极构成的合计n个(n为2以上的整数、例如n＝64)磁极对。在半径方向相邻的两个磁道32a、32b在周向上错开配置，在本实施方式中，在周向上错开一个极而配置。
第一磁传感器部40和第二磁传感器部50检测来自第一磁体20的磁场变化，分别与第一磁体20的磁化面21对置配置。第三磁传感器部60检测来自第二磁体30的磁场变化，与第二磁体30的磁化面31对置配置。
第一磁传感器部40具备由分别包括两个磁阻效应(MR)元件的四个磁阻图案41～44构成的两个传感器(磁敏元件)。具体而言，第一磁传感器部40具备伴随旋转体2的旋转而输出正弦波状的A相信号(sin)的A相传感器(第一磁敏元件)40A、和伴随旋转体2的旋转而输出与A相信号具有90°相位差的正弦波状的B相信号(cos)的B相传感器(第二磁敏元件)40B。A相传感器40A具有输出正弦波状的+a相信号(sin+)的磁阻图案43和输出与+a相信号具有180°的相位差的正弦波状的－a相信号(sin－)的磁阻图案41。各磁阻图案43、41由串联连接的两个MR元件构成，这两个磁阻图案43、41并联连接，构成桥接电路。B相传感器40B具有输出正弦波状的+b相信号(cos+)的磁阻图案44和输出与+b相信号具有180°的相位差的正弦波状的－b相信号(cos－)的磁阻图案42。各磁阻图案44、42由串联连接的两个MR元件构成，与A相传感器40A同样，这两个磁阻图案44、42并联连接，构成桥接电路。
第二磁传感器部50具有第一霍尔元件51和第二霍尔元件52，第二霍尔元件52配置于以旋转轴L为中心相对于第一霍尔元件51分开90°的位置。
第三磁传感器部60具备由分别包括两个MR元件的四个磁阻图案61～64构成的两个传感器(磁敏元件)。具体而言，第三磁传感器部60具备伴随旋转体2的旋转而输出正弦波状的A相信号(sin)的A相传感器(第一磁敏元件)60A、和伴随旋转体的旋转而输出与A相信号具有90°相位差的正弦波状的B相信号(cos)的B相传感器(第二磁敏元件)60B。A相传感器60A具有输出正弦波状的+a相信号(sin+)的磁阻图案64和输出与+a相信号具有180°的相位差的正弦波状的－a相信号(sin－)的磁阻图案62。各磁阻图案64、62由串联连接的两个MR元件构成，这两个磁阻图案64、62并联连接，构成桥接电路。B相传感器60B具有输出正弦波状的+b相信号(cos+)的磁阻图案63和输出与+b相信号具有180°的相位差的正弦波状的－b相信号(cos－)的磁阻图案61。各磁阻图案63、61由串联连接的两个MR元件构成，这两个磁阻图案63、61并联连接，构成桥接电路。
控制部70由具备中央运算处理装置(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等的微机构成，基于从第一～第三磁传感器部40、50、60输出的输出信号，计算旋转体2的旋转位置(绝对角度位置)。
在此，参照图2(a)和图2(b)，对本实施方式的旋转体的绝对角度位置的检测原理进行说明。图2(a)表示相对于旋转体2的机械角自特定的基准位置起的变化，第一磁体20的磁极及强度、来自第一磁传感器部40的输出信号、来自第一霍尔元件51的输出信号及来自第二霍尔元件52的输出信号。图2(b)表示该输出信号和电角度θ的关系。在此，所谓机械角是指几何学或机械学上确定的角度，所谓电角度是指根据来自磁敏元件的输出信号的相位确定的角度。此外，在图2(a)中，来自第一及第二霍尔元件的输出信号用经由比较器获得的H或L的二进制信号来表示。
如果旋转体2旋转一周，则第一磁体20也旋转一周(以机械角计，旋转360°)。因此，如图2(a)所示，从第一磁传感器部40分别输出两个周期的、即以电角度(由输出信号的相位确定的角度)计为720°的A相信号(sin)及B相信号(cos)。根据这些A相信号及B相信号，如图2(b)所示，使用θ＝tan－1(sin/cos)这样的关系式计算电角度θ。但是，在旋转体2以机械角计旋转360°的期间，以电角度计旋转720°，因此，仅计算电角度θ，不能求得旋转体2的绝对角度位置。于是，利用配置于以旋转轴L为中心彼此分开90°的位置的两个霍尔元件51、52。即，根据自两个霍尔元件51、52输出的输出信号，判别第一磁体20产生的磁场的极性，由此，如图2(a)的点划线所示，判别以机械角计的旋转位置位于平面坐标系的哪个象限。这样，能够计算旋转体2的绝对角度位置。
另一方面，每当旋转体2旋转过第二磁体30的周向上的一对磁极的量时，与图2(a)所示的情况同样，从第三磁传感器部60分别输出两个周期(即以电角度计为720°)的A相信号(sin)及B相信号(cos)。因此，根据自第三磁传感器部60输出的A相信号及B相信号，按照与上述的第一磁传感器部40同样的原理，也可计算旋转体在相当于第二磁体30的一对磁极的角度内的绝对角度位置。由于第三磁传感器部60实现的绝对角度位置的检测分辨率比第一磁传感器部40实现的检测分辨率高，所以通过将他们组合，能够高分辨率地计算旋转体的绝对角度位置。
在本实施方式的旋转编码器10中，由于伴随旋转体2的旋转而产生的磁场变化，会在配线或电路等中产生感应电压，且其信号成分与来自磁敏元件的输出信号重叠。例如，在第一磁传感器部40，对于旋转体2旋转1个周期的情况，A相信号及B相信号上会分别重叠相同的1个周期的正弦波状的感应电压信号。另外，在第三磁传感器部60，如果沿周向形成有n个(n为2以上的整数，例如为n＝64)磁极对，则对于旋转体2旋转1个周期的情况，会重叠n周期和2n周期这两种正弦波状的感应电压信号。这样的感应电压信号如果换算成旋转体的旋转位置，则表现为周期性的成分。即，如果将基于包含感应电压信号的输出信号算出的旋转角度相对于实际的旋转角度进行绘图，则相对于理想的直线表现为周期性的波动。此外，本发明人等确认，在第一磁传感器部40，该周期是旋转体旋转1个周期的1倍和3倍的周期，在第三磁传感器部60，如果沿周向形成有n个(n为2以上的整数，例如为n＝64)磁极对，则该周期为n倍、3n倍以及4n倍的周期。如果旋转体的旋转速度加快，则感应电压信号与之成比例地增大振幅但维持大致相同的相位并与输出信号重叠，因此，如上所述的检测误差伴随旋转体的旋转速度的增加而增加。
因此，在本实施方式中，控制部70具有修正与旋转速度成比例地与来自各磁传感器部40、50、60的输出信号重叠的上述感应电压信号导致的误差的功能，使得不管旋转体2的旋转速度多大，都可维持稳定的检测精度。具体而言，控制部70对于来自各磁传感器部40、50、60的输出信号，存储与基准旋转速度时的感应电压信号(误差信号成分)相关的参数，基于基准旋转速度和当前的旋转速度之比，将该参数换算成当前的旋转速度下的值，基于换算的值修正输出信号。这样，通过减去与旋转速度成比例的感应电压信号(误差信号成分)的成分，不管旋转速度多大，都能够获得大致恒定的输出信号，能够维持高的检测精度。
以下，再次参照图1(b)，主要着眼于有关该修正处理的功能，对控制部70的功能性结构进行说明。
控制部70具有A/D转换部(ADC)71、角度计算部72、修正处理部73，修正处理部73具有存储部74、通信周期测量部75、旋转速度计算部76。
ADC71将自第一～第三磁传感器部40、50、60输出的模拟信号转换成数字信号，并输出到角度计算部72及修正处理部73。角度计算部72基于在ADC71进行了数字转换的来自第一～第三磁传感器部40、50、60的输出信号，计算上述的旋转体2的旋转位置。此时，角度计算部72从修正处理部73取得用于抵消与第一～第三磁传感器部40、50、60的各输出信号重叠的感应电压信号(误差信号成分)的修正信息。然后，角度计算部72基于所取得的修正信息修正上述输出信号，通过上述的计算方法，使用所修正后的输出信号计算旋转体2的旋转位置。
修正处理部73基于基准旋转速度和由旋转速度计算部76算出的当前的旋转速度之比，将存储于存储部74的与基准旋转速度时的感应电压信号(误差信号成分)相关的参数换算成当前的旋转速度下的值。
存储部74存储与基准旋转速度时的感应电压信号(误差信号成分)相关的参数，具体而言，存储该感应电压信号的振幅及相位。在此，感应电压信号的振幅伴随旋转速度而变化，但不管旋转速度多大，相位都大致恒定。因此，在进行修正处理时，存储于存储部74的基准旋转速度时的相位被直接发送到角度计算部72，而振幅经修正处理部73换算成当前的旋转速度下的振幅，之后，被发送到角度计算部72。然后，在角度计算部72，根据经修正处理部73换算后的振幅和自存储部74发送来的相位，生成用于抵消感应电压信号的修正信号，通过减去该修正信号来修正输出信号。此外，关于感应电压信号的相位，不管旋转速度多大，都设为大致恒定，将存储于存储部74的值直接发送到角度计算部72，但也可以作为伴随旋转速度而变化的值，从而与振幅同样地进行处理。
通信周期测量部75测量旋转编码器10的外部的上位控制装置(未图示)和控制部70的通信周期。例如，控制部70在接收到来自上位控制装置的请求信号时，计算旋转体的旋转速度，而通信周期测量部75测量控制部70接收到请求信号的时刻，从该时刻起测量请求信号的接收间隔。
这样，旋转速度计算部76基于通信周期测量部75测量的接收间隔和自角度计算部72取得的旋转体的旋转位置的信息，计算规定时间间隔中的旋转体的旋转位移量，由此计算旋转体当前的旋转速度。此外，由于控制部70从上位控制装置接收请求信号的周期被预先设定，所以为了简化运算处理，也可以像专利文献1记载的那样，使用该设定值计算旋转速度。但是，在实际的通信周期变动的情况下，难以计算正确的旋转速度，结果是难以维持修正精度。与之相反，在本实施方式中，由于测量了控制部70实际进行旋转位置计算的周期，因此，能够计算正确的旋转速度，其结果是，能够提高修正处理部73的修正精度。
存储于存储部74的参数的设定是在旋转编码器10从工厂出货之前如下进行。首先，使与旋转体连结的电机以恒定的旋转速度旋转。在此，由于旋转速度为恒定，所以当输出信号包含误差不是理想的信号时，则据此算出的旋转体的旋转速度将会出现波动，而如果是没有误差的理想的输出信号，则不会出现波动。于是，根据从重叠有感应电压信号的A相信号及B相信号分别减去规定信号成分所得的值，计算旋转体的旋转速度。然后，将规定信号成分的振幅及相位调整为最佳的值以抵消感应电压信号，使算出的旋转速度的波动为最小。设定此时的振幅及相位，将其作为参数。虽然难以将与输出信号重叠的感应电压信号直接分离，但通过这样的方法，能够简单地求出误差信号成分即感应电压信号。此外，也可以不是减去规定信号成分，而是使规定信号成分与输出的A相信号及B相信号各自重叠，设定使算出的旋转速度的波动为最小时的信号成分相位反转后的信号成分，将其作为参数。
此外，如上所述，由于即使在算出旋转体2的旋转位置时也会出现周期性的误差成分，所以也可以调整规定信号成分的振幅及相位，使该误差成分为最小。但是，该运算处理复杂，进而，如果误差成分的频率变高，则需要非常高的采样频率来抑制混叠，有时采样点数非常庞大。因此，实际上优选使用计算旋转速度的方法来设定参数。另外，设定参数时的电机的旋转速度优选为瞬时最大旋转速度(例如6000rpm)。由此，作为参数，能够设定感应电压为最大时的振幅及相位，能够高分辨率地进行输出信号的修正。
[实施方式2]
图3(a)和图3(b)是表示本发明实施方式2的旋转编码器10的结构的概略图。图3(a)是本实施方式2的旋转编码器10的概略立体图，图3(b)是本实施方式2的旋转编码器10的框图。图3(a)所示的旋转编码器10的概略结构与已说明的实施方式1相同，所以省略其说明。
在本实施方式2的旋转编码器10中，如图3(b)所示，在各磁传感器部40、50、60和控制部70的ADC71之间设置有模拟的低通滤波器(LPF)80a、80b、80c。来自各磁传感器部40、50、60的输出信号中包含谐波成分，但通过该LPF8a、80b、80c，特别是来自第三磁传感器部60的A相信号及B相信号各自的谐波成分根据旋转体的旋转速度而减少，这已经被本发明人确认。具体而言，已经确认第三磁传感器部60的A相信号的11次及13次谐波成分和B相信号的11次及13次谐波成分的振幅伴随旋转速度的增加而呈非线性下降，以对应LPF80c的增益频率特性。根据此时获得的A相信号及B相信号而算出的利萨茹波形(参照图2(b)的虚线)从包含11次及13次谐波成分时的十二边形接近理想的圆形，所以认为，理想的是这些谐波成分被衰减。但是，在本实施方式中，在制造之后立即使旋转体以非常低的速度(例如60rpm)旋转，进行用于去除设计误差或组装误差等的旋转编码器10的校准。因此，在用于校准的A相信号及B相信号中大多分别包含11次及13次谐波成分。因此，如果伴随旋转体的旋转速度的增加使11次及13次谐波成分衰减，那么此时获得的输出波形相比于校正时的波形将发生变形，结果是，检测误差增加。
于是，在本实施方式中，为了不管旋转体的旋转速度多大都维持稳定的检测精度，控制部70具有通过补偿伴随旋转速度的增加而呈非线性下降的信号成分来修正来自第三磁传感器部60的输出信号的功能。具体而言，控制部70存储有与基准旋转速度时的来自第三磁传感器部60的A相信号及B相信号各自的谐波成分相关的参数、及表示旋转速度的变化率(基准旋转速度和旋转体的旋转速度之比)和参数的变化率的关系的数据。而且，基于当前的旋转速度相对于基准旋转速度之比和上述数据，将所存储的参数换算成当前的旋转速度下的值，基于换算的值来修正A相信号及B相信号。这样，通过补偿伴随旋转速度的增加而呈非线性下降的谐波成分，不管旋转速度多大，都能够获得大致恒定的输出信号，能够维持高的检测精度。
以下，参照图3(b)，主要着眼于有关该修正处理的功能，对控制部70的功能性的结构进行说明。
与实施方式1同样，控制部70具有A/D转换部(ADC)71、角度计算部720、修正处理部730，修正处理部730具有存储部740、通信周期测量部75、旋转速度计算部76。
ADC71将自第一～第三磁传感器部40、50、60输出的模拟信号转换成数字信号并输出到角度计算部720及修正处理部730。角度计算部720基于在ADC71进行了数字转换的来自第一～第三磁传感器部40、50、60的输出信号，计算上述的旋转体2的旋转位置。此时，角度计算部720从修正处理部730取得用于补偿在第三磁传感器部60的A相信号及B相信号中各自减少的信号成分的修正信息。然后，角度计算部720基于所取得的修正信息修正上述输出信号，通过上述的计算方法，使用修正后的输出信号计算旋转体的旋转位置。
修正处理部730从存储部740取得与基准旋转速度时的A相信号及B相信号各自的谐波成分相关的参数、和表示旋转速度的变化率(基准旋转速度和旋转体的旋转速度之比)与上述参数的变化率的关系的数据。然后，修正处理部730基于该数据和由旋转速度计算部76算出的当前的旋转速度相对于基准旋转速度之比，将上述参数换算成当前的旋转速度下的值。
存储部740存储有关上述谐波成分的参数，具体而言，存储基准旋转速度时的A相信号的11次及13次谐波成分各自的振幅及相位、和B相信号的11次及13次谐波成分各自的振幅及相位。在此，如上所述，谐波成分的振幅伴随旋转速度呈非线性变化，但相位例如对应LPF80a～80c的相位频率特性，伴随旋转速度也呈非线性变化。于是，存储部740存储旋转体的旋转速度和各振幅的关系，具体而言，存储表示旋转速度的变化率(基准旋转速度和旋转体的旋转速度之比)和各振幅的变化率的关系的数据(表等)。另外，存储部740还存储表示旋转体的旋转速度的变化率(基准旋转速度和旋转体的旋转速度之比)和各相位的变化率的关系的数据(表等)。因此，在进行修正处理时，存储于存储部740的基准旋转速度时的振幅及相位在基于同样存储于存储部740的各自的变化率的数据经修正处理部730换算成当前的旋转速度下的振幅及相位之后，被发送到角度计算部720。然后，在角度计算部720，由经修正处理部73换算后的振幅及相位生成补偿衰减的信号成分的修正信号，通过将其相加，修正输出信号。与谐波成分的振幅及相位的变化率相关的数据例如能够基于LPF80a～80c的增益频率特性及相位周波数特性分别求出。此外，为了简化运算处理，对于谐波成分的相位，也可以不管旋转速度多大都设为恒定(即将变化率设为零)而进行修正处理。
通信周期测量部75测量处于旋转编码器10的外部的上位控制装置(未图示)与控制部70的通信周期。例如，控制部70在接收到来自上位控制装置的请求信号时，计算旋转体的旋转速度，而通信周期测量部75测量控制部70接收到请求信号的时刻，并从该时刻起测量请求信号的接收间隔。
这样，旋转速度计算部76基于通信周期测量部75测量的接收间隔和自角度计算部720取得的旋转体的旋转位置的信息，计算在规定的时间间隔中的旋转体的旋转位移量，据此计算旋转体当前的旋转速度。因此，由于测量了控制部70实际进行旋转位置计算的周期，所以在实际的通信周期变动的情况下，旋转速度计算部76也能够计算正确的旋转速度，其结果是，能够提高修正处理部73的修正精度。此外，因为控制部70自上位控制装置接收请求信号的周期(接收间隔)被预先设定，所以为了简化运算处理，也可以像专利文献1记载的那样，使用固定的设定值来计算旋转速度。
存储于存储部740的参数的设定是在旋转编码器10从工厂出货之前，使用在低速(例如60rpm)下进行了校准的旋转编码器10如下来进行。首先，使与旋转体连结的电机以恒定的旋转速度旋转，输出A相信号及B相信号。在此，因为旋转速度为恒定，所以如果输出信号包含误差不是理想的信号，则据此算出的旋转体的旋转速度中将会出现波动，但如果是没有误差的理想的输出信号，则不会出现波动。于是，使包含伴随旋转速度而减少的信号成分的A相信号及B相信号分别重叠规定的信号成分，据此计算旋转体的旋转速度。而且，为了补偿减少的信号成分，将重叠的信号成分的振幅及相位调整为最佳的值，使算出的旋转速度的波动为最小。设定此时的各振幅及相位，将其作为参数。通过这样的方法，能够简单地求得减少的信号成分，不必进行频率分析等解析处理。此外，设定参数时的电机的旋转速度优选为瞬时最大旋转速度(例如6000rpm)。由此，作为修正参数，能够设定要进行补偿的减少的信号成分最大时的振幅及相位，能够高分辨率地进行输出信号的修正。
因为磁敏元件具有温度特性，所以在输出信号发生温度变化时，谐波成分的振幅也同样发生温度变化。于是，也可以使用温度检测单元监视第三磁传感器部60的温度变化，基于该监视结果进行谐波成分的修正处理。或者，也可以使用温度检测单元和加热单元调节第三磁传感器部60的温度，使其温度恒定。
此外，在本实施方式中，关于上述的11次及13次以外的奇数次的谐波成分、例如3次、5次及7次谐波成分，通过调整配线图案等的公知的方法来消除。即，第三磁传感器部60的A相传感器及B相传感器构成为分别输出3次、5次及7次谐波成分被消除的A相信号及B相信号。由此，上述的修正处理仅应用于11次及13次谐波成分，不需要应用于3次、5次及7次谐波成分，因此，能够简化运算处理。

Claims (29)

1.一种旋转编码器，其检测旋转体相对于固定体的旋转位置，其特征在于，具有：
磁体，其设置于所述固定体及所述旋转体中的一方；
磁传感器部，其设置于所述固定体及所述旋转体中的另一方，检测来自所述磁体的磁场变化，其具有与所述磁体的磁化面对置配置且伴随所述旋转体的旋转而输出正弦波状的正弦波信号的第一磁敏元件、和与所述磁体的磁化面对置配置且伴随所述旋转体的旋转而输出与所述正弦波信号具有90°相位差的正弦波状的余弦波信号的第二磁敏元件；以及
控制部，其在接收到来自外部的请求信号的定时，基于所述正弦波信号及所述余弦波信号计算所述旋转体的旋转位置，
所述控制部具有：
存储部，其存储与基准旋转速度时的误差信号成分相关的多个参数，所述误差信号成分是与所述旋转体的旋转速度成比例且与所述正弦波信号及所述余弦波信号分别重叠的误差信号成分；以及
旋转速度计算部，其测量来自所述外部的请求信号的接收间隔，根据该测量的接收间隔中所述旋转体的旋转位移量，计算所述旋转体当前的旋转速度，
所述控制部基于所述基准旋转速度和由所述旋转速度计算部算出的所述当前的旋转速度之比，将存储于所述存储部的所述多个参数中至少一个参数换算成所述当前的旋转速度下的值，基于该换算的值执行修正所述正弦波信号及所述余弦波信号的修正处理，使用该修正后的正弦波信号及余弦波信号计算所述旋转体的旋转位置。
2.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，
所述误差信号成分是伴随所述旋转体的旋转而在所述磁传感器部产生的感应电压信号，所述多个参数包含所述感应电压信号的振幅及相位。
3.根据权利要求2所述的旋转编码器，其特征在于，
所述控制部仅将所述多个参数中所述感应电压信号的所述振幅换算成所述当前的旋转速度下的值，基于该换算后的振幅和存储于所述存储部的所述相位，生成用于抵消所述感应电压信号的修正信号。
4.根据权利要求2所述的旋转编码器，其特征在于，
所述控制部将所述多个参数中所述振幅及相位这两者换算成所述当前的旋转速度下的值，基于该换算后的振幅及相位，生成用于抵消所述感应电压信号的修正信号。
5.根据权利要求2所述的旋转编码器，其特征在于，
所述振幅及相位是在使旋转体以恒定的旋转速度作为所述基准旋转速度进行旋转，从所述正弦波信号及所述余弦波信号分别减去规定信号成分而计算所述旋转体的旋转速度时，该算出的旋转速度的波动为最小时的所述规定信号成分的振幅及相位。
6.根据权利要求5所述的旋转编码器，其特征在于，
所述基准旋转速度是与所述旋转体连结的电机的瞬时最大旋转速度。
7.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，
具有多个所述磁体和多个所述磁传感器部，
所述控制部基于来自所述多个磁传感器部的多个所述正弦波信号及多个所述余弦波信号，计算所述旋转体的旋转位置，此时，对所述多个磁传感器部分别执行所述修正处理。
8.根据权利要求7所述的旋转编码器，其特征在于，
所述多个磁体包含在所述旋转体的周向上N极和S极各配置一极的第一磁体、和在所述旋转体的周向上交替配置有多个N极和S极的第二磁体，所述多个磁传感器部包含与所述第一磁体对应的至少一个磁传感器部、和与所述第二磁体对应的磁传感器部。
9.根据权利要求8所述的旋转编码器，其特征在于，
所述误差信号成分是伴随所述旋转体的旋转而在所述磁传感器部产生的感应电压信号，所述多个参数包含所述感应电压信号的振幅及相位。
10.根据权利要求9所述的旋转编码器，其特征在于，
所述控制部仅将所述多个参数中所述感应电压信号的所述振幅换算成所述当前的旋转速度下的值，基于该换算后的振幅和存储于所述存储部的所述相位，生成用于抵消所述感应电压信号的修正信号。
11.根据权利要求9所述的旋转编码器，其特征在于，
所述控制部将所述多个参数中所述振幅及相位这两者换算成所述当前的旋转速度下的值，基于该换算后的振幅及相位，生成用于抵消所述感应电压信号的修正信号。
12.根据权利要求9所述的旋转编码器，其特征在于，
所述振幅及相位是在使旋转体以恒定的旋转速度作为所述基准旋转速度进行旋转，从所述正弦波信号及所述余弦波信号分别减去规定信号成分而计算所述旋转体的旋转速度时，该算出的旋转速度的波动为最小时的所述规定信号成分的振幅及相位。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，各所述磁敏元件具有磁阻效应元件。
14.一种旋转编码器，其检测旋转体相对于固定体的旋转位置，其特征在于，具有：
磁体，其设置于所述固定体及所述旋转体的一方；
磁传感器部，其设置于所述固定体及所述旋转体的另一方，检测来自所述磁体的磁场变化，其具有与所述磁体的磁化面对置配置且伴随所述旋转体的旋转而输出正弦波状的正弦波信号的第一磁敏元件、和与所述磁体的磁化面对置配置且伴随所述旋转体的旋转而输出与所述正弦波信号具有90°相位差的正弦波状的余弦波信号的第二磁敏元件；以及
控制部，其基于所述正弦波信号及所述余弦波信号计算所述旋转体的旋转位置，
所述控制部具有：
存储部，其存储与基准旋转速度时的信号成分相关的多个参数、及表示所述旋转体的旋转速度相对于所述基准旋转速度之比和所述多个参数的变化率的关系的数据，所述基准旋转速度时的所述信号成分是所述正弦波信号及所述余弦波信号各自所包含的信号成分中伴随所述旋转体的旋转速度的增加呈非线性减少的信号成分；以及
旋转速度计算部，其计算所述旋转体当前的旋转速度，
所述控制部基于由所述旋转角度计算部算出的所述当前的旋转速度相对于所述基准旋转速度之比和所述多个参数的变化率，将存储于所述存储部的所述多个参数中至少一个参数换算成所述当前的旋转速度下的值，基于该换算的值补偿所述减少的信号成分，由此，执行修正所述正弦波信号及所述余弦波信号的修正处理，使用该修正后的所述正弦波信号及所述余弦波信号计算所述旋转体的旋转位置。
15.根据权利要求14所述的旋转编码器，其特征在于，
所述减少的信号成分是所述正弦波信号及所述余弦波信号各自的谐波成分，所述多个参数包含所述谐波成分的振幅及相位。
16.根据权利要求15所述的旋转编码器，其特征在于，
所述控制部将所述多个参数中所述振幅及相位这两者换算成所述当前的旋转速度下的值，基于该换算后的振幅及相位，补偿所述减少的信号成分。
17.根据权利要求15所述的旋转编码器，其特征在于，
所述振幅及相位是在使旋转体以恒定的旋转速度作为所述基准旋转速度进行旋转，使所述正弦波信号及所述余弦波信号分别重叠规定信号成分而计算所述旋转体的旋转速度时，该算出的旋转速度的波动为最小时的所述规定信号成分的振幅及相位。
18.根据权利要求17所述的旋转编码器，其特征在于，
所述基准旋转速度是与所述旋转体连结的电机的瞬时最大旋转速度。
19.根据权利要求17所述的旋转编码器，其特征在于，
所述振幅及相位的计算通过使所述旋转体以比所述基准旋转速度低的速度旋转时进行了校准的所述旋转编码器进行。
20.根据权利要求15所述的旋转编码器，其特征在于，
所述谐波成分为11次及13次谐波成分。
21.根据权利要求20所述的旋转编码器，其特征在于，
各所述磁敏元件以输出消除了3次、5次及7次谐波成分的所述正弦波信号及所述余弦波信号的方式构成。
22.根据权利要求14所述的旋转编码器，其特征在于，
在所述磁传感器部和所述控制部之间设置有低通滤波器。
23.根据权利要求22所述的旋转编码器，其特征在于，
所述减少的信号成分是所述正弦波信号及所述余弦波信号各自的谐波成分，所述多个参数包含所述谐波成分的振幅及相位。
24.根据权利要求23所述的旋转编码器，其特征在于，
所述控制部将所述多个参数中所述振幅及相位这两者换算成所述当前的旋转速度下的值，基于该换算后的振幅及相位，补偿所述减少的信号成分。
25.根据权利要求14～24中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，
所述控制部在接收到来自外部的请求信号时，计算所述旋转体的旋转位置，
所述旋转速度计算部测量来自所述外部的请求信号的接收间隔，根据该测量的接收间隔中所述旋转体的旋转位移量，计算所述旋转体当前的旋转速度。
26.根据权利要求14～24中任一项所述的旋转编码器，其中，
所述控制部在接收到来自外部的请求信号时计算所述旋转体的旋转位置，
所述旋转速度计算部根据在其与外部之间预先设定的所述请求信号的接收间隔中的所述旋转体的旋转位移量，计算所述旋转体当前的旋转速度。
27.根据权利要求14～24中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，
具有多个所述磁体和多个所述磁传感器部，
所述多个磁体包含在所述旋转体的周向上N极和S极各配置一极的第一磁体、和在所述旋转体的周向上交替配置有多个N极和S极的第二磁体，
所述多个磁传感器部包含与所述第一磁体对应的至少一个磁传感器部、和与所述第二磁体对应的磁传感器部，
所述控制部基于来自所述多个磁传感器部的多个所述正弦波信号及多个所述余弦波信号，计算所述旋转体的旋转位置，此时，对与所述第二磁体对应的磁传感器部执行所述修正处理。
28.根据权利要求27所述的旋转编码器，其特征在于，
所述多个磁传感器部包含检测来自所述第一磁体的磁场变化的第一磁传感器部和第二磁传感器部以及检测来自所述第二磁体的磁场变化的第三磁传感器部，
所述减少的信号成分是从所述第三磁传感器部输出的所述正弦波信号及所述余弦波信号各自的谐波成分，所述多个参数包含所述谐波成分的振幅及相位。
29.根据权利要求14～24中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，
各所述磁敏元件具有磁阻效应元件。
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