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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Absolutkodierer
zum Erkennen des absoluten Rotationswinkels und der Anzahl der Rotationen
einer rotierenden Welle, wie z. B. einer rotierenden Motorwelle
oder Ähnlichem, und bezieht sich insbesondere auf einen
magnetischen Absolutkodierer, der ein Backup-Mittel mit niedrigem
Energieverbrauch aufweist, das während des Backup-Betriebes
aktiviert ist, wenn die Hauptenergieversorgung unterbrochen ist.
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Magnetische
Absolutkodierer weisen einen mit mehreren Polen magnetisierten Rotor
oder magnetischen Zylinder und ein Paar Magnet-Erkennungselemente
auf. Der mit mehreren Polen magnetisierte Rotor oder magnetische
Zylinder ist in einer koaxialen Anordnung an der rotierenden Motorwelle, die
das zu erkennende Objekt bildet, befestigt. Das Paar magnetischer
Erkennungselemente ist in Winkelpositionen angebracht, die räumlich
um 90° getrennt sind, so dass im Zusammenhang mit der Rotation
der rotierenden Motorwelle sinuswellenförmige Signale,
die sich in der Phase um 90° unterscheiden, ausgegeben
werden. Die Ausgangswerte des Paares der Magnet-Erkennungselemente
werden erkannt und die absolute Winkelposition der rotierenden Motorwelle
innerhalb einer Rotation (Einzelrotations-Absolutwert) und die Anzahl
der Rotationen der rotierenden Motorwelle von einem vorgegebenen Startpunkt
(Mehrfachrotationswert) werden berechnet.
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Weiterhin
ist das System so ausgebildet, dass auf eine interne oder externe
Backup-Energieversorgung umgeschaltet wird, wenn die Hauptenergieversorgung
unterbrochen wird, so dass verschiedene Bereiche mit Energie versorgt
werden, um so jegliche Unterbrechung des Erkennungsvorgangs selbst
im Falle eines Notfalls, wie z. B. einer Unterbrechung der Energieversorgung
oder Ähnlichem, zu vermeiden. Da die Backup-Energieversorgung
eine begrenzte Kapazität hat, wird die Energieversorgung an
die verschiedenen Bereiche periodisch durchgeführt und
der Erkennungsvorgang wird mit niedrigem Energieverbrauch im Backup-Betrieb
durchgeführt.
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Hier
ist in der Berechnungsschaltung eine Hochgeschwindigkeitsrechenkapazität
erforderlich, um die Erkennung bei hoher Geschwindigkeit mit hoher
Präzision durchzuführen, wogegen während
des Backup-Betriebes ein niedriger Energieverbrauch erforderlich
ist. Hochgeschwindigkeit und niedriger Energieverbrauch stehen in
einer gegenläufigen ("trade-off") Beziehung und es ist
schwierig, diese beiden Anforderungen mit einem einzigen Erkennungssystem
zu befriedigen.
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Unter
diesem Gesichtspunkt wird im Patentdokument 1 eine Erkennungsvorrichtung
offenbart, in der zwei Erkennungssysteme bereitgestellt werden, und
ein langfristiges Backup wird dadurch ermöglicht, dass
während des Backup ein Erkennungssystem mit niedrigem Energieverbrauch
aktiviert wird.
- Patentdokument 1: JP-A 5-233064
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Jedoch
wird in einem konventionellen magnetischen Absolutkodierer, der
mit zwei Erkennungssystemen ausgestattet ist, Gegenmaßnahmen
gegen Erkennungsfehler, die in dem Haupterkennungssystem auftreten,
das Hochgeschwindigkeitserkennung mit hoher Präzision durchführt,
keine Beachtung geschenkt.
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Angesichts
dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hochzuverlässigen magnetischen
Absolutkodierer zur Verfügung zu stellen, der so gestaltet
ist, dass Erkennungsfehler im Haupterkennungssystem durch Benutzen
des Backup-Erkennungssystems erkannt werden können.
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Um
das zuvor genannte Problem zu lösen, weist der magnetische
Absolutkodierer der vorliegenden Erfindung auf:
einen Magnetsensor,
der im Zusammenhang mit der Rotation des mit mehreren Polen magnetisierten
Rotors wenigstens ein Paar regulärer sinuswellenförmiger
Signale ausgibt, die sich in der Phase um 90° unterscheiden;
ein
Hauptberechnungsmittel, das den Ausgangswert des Magnetsensors während
einer ersten Erkennungsperiode erkennt und das einen Einzelrotations-Absolutwert
AW1, der die absolute Position des Rotors innerhalb einer ein zelnen
Rotation ausdrückt, und einen Mehrfachrotationswert MW1,
der die Anzahl der Rotationen des Rotors von einem vorgegebenen
Startpunkt ausdrückt, berechnet;
ein Backup-Berechnungsmittel,
das den Ausgangswert des Magnetsensors während einer zweiten
Erkennungsperiode, die länger als die erste Erkennungsperiode
ist, erkennt und das einen Einzelrotations-Absolutwert AW2, der
den absoluten Wert des Rotors innerhalb einer einzelnen Rotation
ausdrückt, und einen Mehrfachrotationswert AW2, der die
Anzahl der Rotationen des Rotors von dem zuvor genannten Startpunkt
ausdrückt, berechnet;
ein Energieversorgungs-Steuermittel,
welches das Hauptberechnungsmittel und das Backup-Berechnungsmittel
mit Energie betreibt, die von der Hauptenergieversorgung geliefert
wird, und das in Fällen, in denen die Hauptenergieversorgung
unterbrochen ist, nur das Backup-Berechnungsmittel mit Energie,
die von der Backup-Energieversorgung geliefert wird, betreibt;
und
ein Abnormalitäten-Diagnosemittel, das den Einzelrotations-Absolutwert
AW1 der einzelnen Rotation und den Einzelrotations-Absolutwert AW2
der einzelnen Rotation, die jeweils von dem Hauptberechnungsmittel
und dem Backup-Berechnungsmittel, das mit Energie, die von der Hauptenergieversorgung
geliefert wird, betrieben wird, vergleicht, und das in Fällen,
in denen ein Zustand, in dem die Differenz zwischen diesen Werten
gleich oder größer einer vorgegebenen Differenz
ist, über eine vorgegebene Anzahl von Rotationen andauert,
urteilt, dass eine Abnormalität aufgetreten ist.
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In
der vorliegenden Erfindung können während des
normalen Betriebes der Einzelrotations-Absolutwert AW1 und der Mehrfachrotationswert
MW1 unter Benutzung des Hauptberechnungsmittels, das einen Erkennungsvorgang
bei hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit ausführen
kann, berechnet werden. Während des Backup kann unter Benutzung
des wenig Energie verbrauchenden Backup-Berechnungsmittels wenigstens
der Mehrfachrotationswert MW2 berechnet werden und der Erkennungsbetrieb
kann im Backup-Betrieb durchgeführt werden.
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Weiterhin
werden während des regulären Betriebes der Einzelrotations-Absolutwert
AW2 und der Mehrfachrotationswert MW2 unter Benutzung des Backup-Berechnungsmittels
berechnet. Im Abnormalitäten-Erkennungsmittel werden der
Einzelrotations-Absolutwert AW1 und der Einzelrotations-Absolutwert
AW2, die von dem Hauptberechnungsmittel und dem Backup-Berechnungsmittel
berechnet worden sind, miteinander verglichen und das Übereinstimmen
der beiden Erkennungssysteme wird bestätigt. Dementsprechend
kann eine automatisch Beurteilung vorgenommen werden, ob eine Abnormalität, wie
z. B. eine Störung oder Ähnliches, aufgetreten
ist, und die Zuverlässigkeit des magnetischen Absolutkodierers
kann erhöht werden.
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Hier
vergleicht das Abnormalitäten-Diagnosemittel vorzugsweise
den Mehrfachrotationswert MW1 und den Mehrfachrotationswert MW2,
die jeweils von dem Hauptberechnungsmittel und dem Backup-Erkennungsmittel,
das mit Energie von der Hauptenergieversorgung betrieben wird, berechnet worden
sind. Durch Bestätigen des Übereinstimmens der
Mehrfachrotationswerte beider Erkennungssysteme ist es möglich,
eine genaue Beurteilung vorzunehmen, ob eine Abnormalität,
wie z. B. eine Störung oder Ähnliches, aufgetreten
ist.
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Als
Nächstes ist es, anstatt den Erkennungsausgangswert des
Magnetsensors gemeinsam sowohl für das Haupterkennungsmittel
als auch das Backup-Erkennungsmittel zu verwenden, auch möglich,
jedem dieser Mittel einen eigenen Magnetsensor zuzuordnen. Insbesondere
können ein erster Magnetsensor, der im Zusammenhang mit
der Rotation des Rotors ein Paar sinuswellenförmiger Signale,
die sich in der Phase um 90° unterscheiden, ausgibt, und ein
zweiter Magnetsensor, der im Zusammenhang mit der Rotation des Rotors
ein Paar sinuswellenförmiger Signale, die sich in der Phase
um 90° unterscheiden, ausgibt, vorgesehen sein und das
System kann so gestaltet sein, dass das Hauptberechnungsmittel während
der zuvor genannten ersten Erkennungsperiode den Ausgangswert des
ersten magnetischen Sensors erkennt und den Einzelrotations-Absolutwert
AW1 und den Mehrfachrotationswert MW1 berechnet, und dass das Backup-Berechnungsmittel während
der zuvor benannten zweiten Erkennungsperiode den Ausgangswert des
zweiten Magnetsensors erkennt und den Einzelrotations-Absolutwert AW2
und den Mehrfachrotationswert MW2 berechnet.
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In
diesem Fall kann das Hauptberechnungsmittel den Ausgangswert des
zweiten Magnetsensors während des zuvor genannten ersten
Erkennungszeitraums erkennen und kann einen Einzelrotations-Absolutwert
AW3 berechnen, der die absolute Position des Rotors innerhalb einer
Rotation ausdrückt, und das Abnormalitäten-Diagnosesystem kann
den Einzelrotations-Absolutwert AW1 und den Einzelrotations-Absolutwert
AW3, die jeweils auf der Basis der Ausgangswerte des ersten Magnetsensors und
des zweiten Magnetsensors berechnet worden sind, vergleichen.
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Stattdessen
wäre es auch möglich, einen dritten Magnetsensor
vorzusehen, der im Zusammenhang mit der Rotation des Rotors sinuswellenförmige
Signale ausgibt, die sich in der Phase um 90° unterscheiden,
und das System so zu gestalten, dass das Hauptberechnungsmittel
während der zuvor genannten ersten Erkennungsperiode den
Ausgangswert des dritten Magnetsensors erkennt und einen Einzelrotations-Absolutwert
AW3 berechnet, der die absolute Position des Rotors innerhalb einer
Rotation ausdrückt, und so, dass das Abnormalitäten-Diagnosemittel
den Einzelrotations-Absolutwert AW1 und den Einzelrotations-Absolutwert
AW3, die jeweils auf der Basis der Ausgangswerte des ersten Magnetsensors
und des zweiten Magnetsensors berechnet worden sind, vergleicht.
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Als
Nächstes ist in Fällen, in denen die Energieversorgung
durch die Hauptenergieversorgung wieder gestartet wird, die Berechnung
des Einzelrotations-Absolutwertes AW1 in dem Hauptberechnungsmittel
möglich; jedoch ist die Berechnung des mit Unterbrechung
behafteten (verfälschten) Mehrfachrotationswertes unmöglich.
Dementsprechend ist es ratsam, während des Antriebs durch
Energie, die von der Backup-Energieversorgung geliefert wird, wenigstens
den Mehrfachrotationswert MW2 zu berechnen und in einem Speicher
zu speichern.
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Weiterhin
wird vorzugsweise zu dem Zeitpunkt, zu dem die Energieversorgung
von der Hauptenergieversorgung wieder gestartet wird und das Hauptberechnungsmittel
in einen Betriebszustand zurückkehrt, der Mehrfachrotationswert
MW2, der von dem Backup-Berechnungsmittel berechnet worden ist,
als der Mehrfachrotationswert MW1 gesetzt, als wenn er zu diesem
Zeitpunkt von dem Hauptberechnungsmittel ermittelt worden wäre.
Durch Setzen des Mehrfachrotationswertes in dem Hauptberechnungsmittel
ist es möglich, den Berech nungsvorgang des Mehrfachrotationswertes
durch das Hauptberechnungsmittel sofort wieder zu starten.
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Weiterhin
ist das System vorzugsweise so eingerichtet, dass in Fällen,
in denen eine Abnormalität erkannt wird, ein Bericht über
diesen Effekt an das übergeordnete System gegeben wird.
Insbesondere hat das System vorzugsweise ein Warnmittel, das in
Fällen, in denen von dem Abnormalitäten-Diagnosemittel
geurteilt wird, dass eine Abnormalität aufgetreten ist,
eine Warnung ausgibt.
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Im
magnetischen Absolutkodierer der vorliegenden Erfindung werden der
Einzelrotations-Absolutwert und der Mehrfachrotationswert während
des normalen Betriebes vom Hauptberechnungsmittel berechnet und
der Einzelrotations-Absolutwert und der Mehrfachrotationswert werden
auch von dem Backup-Berechnungsmittel berechnet. Dementsprechend
ist es durch Vergleichen der beiden berechneten Werte möglich,
automatisch zu beurteilen, ob eine Störung oder Ähnliches
aufgetreten ist oder nicht. Dementsprechend kann die Zuverlässigkeit des
Kodierers erhöht werden.
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1 ist
eine schematische Strukturzeichnung eines magnetischen Absolutkodierers
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Zeitflussdiagramm, das den Energieversorgungs-Schaltbetrieb
des in der 1 gezeigten magnetischen Absolutkodierers
zeigt; und
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3 ist
eine schematische Strukturzeichnung eines magnetischen Absolutkodierers
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsbeispiele
eines magnetischen Absolutkodierers gemäß der
vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine schematische Strukturzeichnung, die einen magnetischen Absolutkodierer
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
zeigt. Der magnetische Ab solutkodierer weist einen runden, insbesondere
kreisförmigen, scheibenförmigen Rotor 3 auf,
der in einer koaxialen Anordnung an einer rotierenden Welle 2,
wie z. B. einer Motorwelle oder Ähnlichem befestigt ist.
Dieser Rotor 3 ist ein Permanentmagnet, der zweipolig in
Winkelabständen von 180° entlang der Umfangsrichtung
magnetisiert ist. Ein Paar Magnet-Erkennungselemente S1 und S2 sowie ein
Paar Magnet-Erkennungselementen S3 und S4 sind in einem festen Abstand
auf der äußeren Umfangsoberfläche des
Rotors 3 angeordnet. Das Paar Magnet-Erkennungselemente
S1 und S2 ist in einem Winkelabstand von 90° in Umfangsrichtung
angeordnet und gibt im Zusammenhang mit der Rotation des Rotors 3 sinuswellenförmige
Erkennungssignale a und b aus, die sich in der Phase um 90° unterscheiden. Ähnlich
ist das andere Paar Magnet-Erkennungselemente S3 und S4 auch in
einem Winkelabstand von 90° angeordnet und gibt im Zusammenhang
mit der Rotation des Rotors 3 sinuswellenförmige
Erkennungssignale c und d aus, die sich in der Phase um 90° unterscheiden.
Hallelemente, MR-Elemente, Magnetwiderstandselemente oder ähnliche können
als Magnet-Erkennungselemente benutzt werden. Durch den zweipolar
magnetisierten Rotor 3 und die zwei Paare Magnet-Erkennungselemente
S1 bis S4 wird ein magnetischer Sensor aufgebaut.
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Weiterhin
weist der magnetische Absolutkodierer 1 eine Regulärbetrieb-Schaltung 5 (Hauptberechnungsmittel),
die den Einzelrotations-Absolutwert AW1 und den Mehrfachrotationswert
MW1 auf der Basis der Erkennungssignale der Magnet-Erkennungselemente
S1 und S2 berechnet, und eine Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 (Backup-Berechnungsmittel)
auf, die den Einzelrotations-Absolutwert AW2 und den Mehrfachrotationswert
MW2 auf der Basis der Erkennungssignale der Magnet-Erkennungselemente
S3 und S4 berechnet.
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Die
Regulärbetrieb-Schaltung 5 weist einen Verstärkerbereich 51,
der die Erkennungssignale a und b der Magnet-Erkennungselemente
S1 und S2 verstärkt, einen A/D-Umwandler 52, der
die verstärkten Erkennungssignale in digitale Signale umwandelt,
einen DSP (z. B. einen digitalen Signalprozessor) 53, der
den Einzelrotations-Absolutwert AW1 und den Mehrfachrotationswert
MW1 durch Ausführen von Winkelberechnungen unter Benutzung
des digitalen Erkennungssignals berechnet, und einen Datenumwandler 54 auf,
der die berechneten Positionsdaten (Einzelrotations-Absolutwert
AW1 und Mehrfachrotations wert MW1) in serielle Übertragungsdaten
umwandelt. Die umgewandelten Daten werden an ein übergeordnetes
System 70 übertragen. Im übergeordneten
System 70 kann die Rotationsposition der Rotationswelle 2 auf
der Basis dieser Information in einem absoluten Format erkannt werden.
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Auch
die Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 ist ähnlich
aufgebaut und weist einen Verstärkerbereich 61,
der die Erkennungssignale c und d der Magnet-Erkennungselemente
S3 und S4 verstärkt, einen A/D-Umwandler 62, der
die verstärkten Erkennungssignale in digitale Signale umwandelt
und eine CPU 63 auf, die den Einzelrotations-Absolutwert AW2,
die Position des Startpunktes und den Mehrfachrotationswert MW2
berechnet, indem sie unter Benutzung der digitalisierten Erkennungssignale Winkelberechnungen
durchführt.
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Hier
sind die Einzelrotations-Absolutwerte AW1 und AW2 absolute Werte
der Rotationswelle 2 innerhalb einer einzelnen Rotation,
wie sie durch die Winkelberechnungen bestimmt werden. Die Mehrfachrotationswerte
MW1 und MW2 sind die Anzahl der Rotationen, gezählt von
einem vorgegebenen Startpunkt, wie sie durch die Winkelberechnungen bestimmt
werden. Die Erkennungssignale a bis d der Magnet-Erkennungselemente
S1 bis S4 werden wie unten gezeigt ausgedrückt und die
Einzelrotations-Absolutwerte AW1 und AW2 werden durch Winkelberechnungen
als die Absolutwinkel θ1 und θ2 wie im Folgenden
gezeigt berechnet. a = Va sin(θ – α) b = Vb cos(θ – α) c = Vc sin(θ – β) d = Vd cos(θ – β) θ1 = tan–1((b/Vb)/(a/Va))
+ α θ2 = tan–1((d/Vd)/(c/Vc))
+ β
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Weiterhin
führt die Regulärbetrieb-Schaltung 5 Berechnungen
bei einer hohen Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit aus. Z.
B. tastet die Erkennungsschaltung die Erkennungssignale a und b
der Magnet-Erkennungselemente S1 und S2 mit einer Erkennungsperiode
von 11 μs ab. Die Regulär-/Backup-Be trieb-Schaltung 6 führt
Berechnungen mit einem geringeren Energieverbrauch als die Regulärbetrieb-Schaltung 5 aus
und hat auch eine geringere Geschwindigkeit und eine geringere Genauigkeit
als die Regulärbetrieb-Schaltung 5. Zum Beispiel
tastet diese Schaltung die Erkennungssignale c und d der Magnet-Erkennungselemente
S3 und S4 mit einer Erkennungsperiode von 2,2 ms ab.
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Als
Nächstes weist der magnetische Absolutkodierer 1 eine
Energieversorgungs-Steuerschaltung 7 auf. Während
des regulären Betriebes liefert die Energieversorgungs-Steuerschaltung 7 Energie von
der Regulärbetrieb-Energieversorgung (Hauptenergieversorgung) 8 des übergeordneten
Systems 70 sowohl zu der Regulärbetrieb-Schaltung 5 als auch
zu der Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 und
aktiviert diese Schaltungen. In Fällen, in denen die Versorgung
mit Energie von der Regulärbetrieb-Energieversorgung 8 unterbrochen
wird, wird die Energieversorgung auf die Backup-Energieversorgung
(interne Backup-Energieversorgung 9a oder externe Backup-Energieversorgung 9b)
umgeschaltet und Energie von der Backup-Energieversorgung wird nur
an die Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 geliefert.
Dementsprechend wird während des Backup-Betriebes nur die
Schaltung für Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 betrieben
und nur der Mehrfachrotationswert MW2 wird berechnet.
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Weiterhin
umfasst der magnetische Absolutkodierer 1 eine Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 10,
die den Einzelrotations-Absolutwert AW1, der von der Regulärbetrieb-Schaltung 5 berechnet
worden ist, und den Einzelrotations-Absolutwert AW2, der von der
Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 während
des regulären Betriebes berechnet worden ist, vergleicht
und die in Fällen, in denen ein Zustand, in dem die Differenz
zwischen diesen Werten über eine vorgegebene Anzahl von
Rotationen andauert, urteilt, dass eine Abnormalität aufgetreten
ist, und eine Schaltung 11 zur Ausgabe einer Warnung, die
in Fällen, in denen diese Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 10 entschieden
hat, dass eine Abnormalität aufgetreten ist, eine Warnung
ausgibt. In der Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 10 werden
die beiden berechneten Werte z. B. mit einer Periode von 2,2 ms verglichen
und es wird in Fällen, in denen zehnmal ununterbrochen
festgestellt wird, dass die Differenz zwischen den zwei berechneten
Werten in einem abweichenden Zustand ist, der Probleme erzeugen würde,
ent schieden, dass eine Abnormalität aufgetreten ist. In
diesem Fall wird von der Schaltung 11 zur Ausgabe einer
Warnung eine Warnung an das übergeordnete System 70 ausgegeben.
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Zusätzlich
weist der magnetische Absolutkodierer 1 eine Mehrfachrotationswert-Setz-Schaltung 12 auf.
Die Mehrfachrotationswert-Setz-Schaltung 12 zum Setzen
eines Mehrfachrotationswertes hat die Funktion, zu dem Zeitpunkt,
zu dem die Versorgung mit Energie von der Regulärbetrieb-Energieversorgung 8 wieder
gestartet wird und der Betriebszustand von dem Backup-Zustand in
den Regulärbetrieb-Zustand zurückkehrt, den Mehrfachrotationswert
MW2, der in der Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 gesichert
worden ist, an die Regulärbetrieb-Schaltung 5 zu übertragen
und diesen Wert zu diesem Zeitpunkt als den Mehrfachrotationswert
MW1 zu setzen. Da die Regulärbetrieb-Schaltung 5 während
des Backup-Betriebes nicht arbeitet, ist der Mehrfachrotationswert
MW1 zu dem Zeitpunkt, zu dem der Betriebszustand vom Backup- zum
regulären Betrieb zurückkehrt, verloren. Durch
Setzen des Mehrfachrotationswertes MW2 zu dem Zeitpunkt, zu dem
der Betrieb zum regulären Betrieb zurückkehrt,
ist es möglich, die folgende Berechnung des Mehrfachrotationswertes
MW1 wieder zu starten.
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Als
Nächstes ist 2 ein Zeitdiagramm, das den
Betrieb der Energieversorgungssteuerung zeigt, die von der Energieversorgungs-Steuerschaltung 7 in
dem magnetischen Absolutkodierer 1 ausgeführt
wird. Der Energieversorgungs-Schaltbetrieb wird in Bezug auf dieses
Diagramm beschrieben. Zuerst, wenn die Regulärbetrieb-Energieversorgung eingeschaltet
wird (Zeitpunkt t1), steigt die Versorgungsspannung und, wenn z.
B. 3,0 V, die der untere Grenzwert der Backup-Betriebsspannung sind, überschritten
werden (Zeitpunkt t2), beginnt Energie jeweils an die Bereiche 61 bis 63 der
Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 geliefert
zu werden. Dann, z. B. wenn die Versorgungsspannung 4,2 V übersteigt, die
der untere Grenzwert der Regulärbetrieb-Spannung sind,
(Zeitpunkt t3) wird die Energieversorgung an die Regulärbetrieb-Schaltung 5 gestartet
und in den beiden Schaltungen 5 und 6 wird die
Berechnung der Einzelrotations-Absolutwerte AW1 und AW2 und der
Mehrfachrotationswerte MW1 und MW2 gestartet.
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Hier
wird die Energieversorgung auf die Backup-Energieversorgung (9a oder 9b)
umgeschaltet, wenn die Versorgung mit Energie von der Regulärbetrieb-Energieversorgung 8 unterbrochen
wird (Zeitpunkt t4). Wenn die Versorgungsspannung von der Betriebsspannung
von 5,0 V abfällt und unter den unteren Grenzwert von 4,2
V (Zeitpunkt t5) fällt, wird der Betriebszustand vom regulären
Betriebszustand auf den Backup-Betrieb-Zustand A1 umgeschaltet, die
Energieversorgung an die Regulärbetrieb-Schaltung 5 wird
gestoppt und es wird in einen Modus mit niedrigem Energieverbrauch
eingetreten, in dem Energie periodisch an die jeweiligen Bereiche 61 bis 63 der
Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 geliefert wird.
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Im
Backup-Betrieb-Zustand A1 wird der folgende Ablauf wiederholt. Zunächst
wird Energie an die Magnet-Erkennungselemente S3 und S4, den Verstärker 61,
den A/D-Umwandler 62 und die CPU 63 geliefert
und, nachdem die Erkennungssignale einer A/D-Umwandlung ausgesetzt
worden sind, wird die Energieversorgung an die Magnet-Erkennungselemente
S3 und S4, den Verstärker 61 und den A/D-Umwandler 62 unterbrochen.
Als nächstes, nachdem die Winkelberechnungen abgeschlossen worden
sind, wird der berechnete Mehrfachrotationswert MW2 in einem internen
Speicher (der in den Abbildungen nicht gezeigt ist) gespeichert
und darauf folgend wird die Energieversorgung an die CPU 63 unterbrochen.
Daraufhin wird die Energieversorgung an die jeweiligen Bereiche
für einen festen Zeitraum in einem unterbrochen Zustand
gehalten.
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Als
nächstes wird, wenn die Versorgung mit Energie von der
Regulärbetrieb-Energieversorgung 8 wieder gestartet
wird (Zeitpunkt t6), zu dem Zeitpunkt, zu dem die Versorgungsspannung
4,2 V übersteigt (Zeitpunkt t7), der Betriebszustand von
dem Backup-Betrieb-Zustand in den Regulärbetrieb-Zustand
umgeschaltet und die kontinuierliche Energieversorgung an die Regulärbetrieb-Schaltung 5 und an
die Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 wird wieder
gestartet.
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In
diesem Fall wird der Mehrfachrotationswert MW2, der in der Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 berechnet
worden ist, durch die Mehrfachrotationswert-Setz-Schaltung 12 an
die Regulärbetrieb-Schaltung 5 übertragen
und wird als der Mehrfachrotationswert MW1 der Regulärbetrieb-Schaltung 5 gesetzt.
Im Ergebnis kann die Regulärbetrieb-Schaltung 5 wieder
mit der Berechnung des Mehrfachrotationswertes MW1 beginnen.
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Gleichzeitig
wird, nachdem die Energieversorgung von der Regulärbetrieb-Energieversorgung 8 unterbrochen
worden ist und der Betriebszustand von dem Regulärbetrieb-Zustand
in den Backup-Betrieb-Zustand (z. B. zum Zeitpunkt t11) umgeschaltet worden
ist, der Backup-Betrieb-Zustand A2 fortgesetzt und, wenn die Spannung
der Backup-Energieversorgung (z. B. zum Zeitpunkt t12) unter 3,0
V fällt, die der untere Grenzwert der Backup-Betriebsspannung
sind, wird in einen Abschaltzustand (Shutdown-Zustand) B eingetreten
und der Betrieb der jeweiligen Bereiche wird gestoppt. Daraufhin
wird, wenn die Versorgung mit Energie von der Regulärbetrieb-Energieversorgung 8 wieder
gestartet wird, eine Fehlerinformation an das übergeordnete
System 70 übertragen.
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Hier
im Regulärbetrieb-Zustand werden z. B. alle 2,2 ms, was
der Berechnungszeittakt des Einzelrotations-Absolutwertes AW2 ist,
der Einzelrotations-Absolutwert AW1, der in der Regulärbetrieb-Schaltung 5 berechnet
wird, und der Einzelrotations-Absolutwert AW2, der in der Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 berechnet
wird, in der Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 10 verglichen.
In Fällen, in denen die Differenz zwischen diesen Werten so
ist, dass eine große Differenz, die in der Steuerung Probleme
verursachen würde, ununterbrochen zehn Mal erzeugt wird,
wird entschieden, dass eine Abnormalität aufgetreten ist.
Weiterhin wird von der Schaltung 11 zur Erzeugung einer
Warnung eine Warnung an das übergeordnete System 70 ausgegeben,
die anzeigt, dass eine Abnormalität aufgetreten ist. Aus dieser
Warnung kann bestimmt werden, dass in dem magnetischen Absolutkodierer 1 eine
Abnormalität aufgetreten ist.
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Im
magnetischen Absolutkodierer 1, wie er zuvor beschrieben
worden ist, ist ein Absolutwertdetektor für eine rotierende
Welle aufgebaut, der zwei Paare Magnet-Erkennungselemente S1 bis
S4 benutzt. Der reguläre Betrieb, in dem die Erkennung
bei einer hohen Geschwindigkeit und mit einer hohen Zuverlässigkeit
durchgeführt wird, wird von der Regulärbetrieb-Schaltung 5 unter
Benutzung der Erkennungsausgangswerte der Magnet-Erkennungselemente
S1 und S2 ausgeführt und regulärer Betrieb und
Backup-Betrieb werden mit niedrigem Energieverbrauch durch die Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 unter
Benutzung der Erkennungsausgangswerte der Magnet-Erkennungselemente
S3 und S4 ausgeführt. Im Ergebnis kann eine hohe Zuverlässigkeit
während des regulären Betriebes und ein geringer
Energieverbrauch während des Backup-Betriebes realisiert
werden.
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Weiterhin
werden während des regulären Betriebs in der Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 10 der
Einzelrotations-Absolutwert AW1 und der Einzelrotations-Absolutwert
AW2 verglichen und ihre Übereinstimmung wird bestätigt.
Dementsprechend kann die Erkennung von Abnormalitäten von
dem Kodierer selbst erreicht werden, was effektiv ist, um die Zuverlässigkeit
des Kodierers zu verbessern.
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Weiterhin
werden in dem vorliegenden Beispiel zwei Paare Magnet-Erkennungselemente
benutzt, es wäre jedoch auch möglich, nur ein
Paar Magnet-Erkennungselemente zu installieren und die Erkennungsausgangswerte
dieser Elemente an die Regulärbetrieb-Schaltung 5 und
an die Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 6 zu
liefern.
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3 ist
eine schematische Strukturzeichnung, die einen magnetischen Absolutkodierer
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
zeigt. Der magnetische Absolutkodierer 100 weist einen
runden, insbesondere kreisförmigen, scheibenförmigen Rotor 103 auf,
der in einer koaxialen Anordnung an einer rotierenden Welle 102,
wie z. B. einer rotierenden Motorwelle oder Ähnlichem befestigt
ist. Dieser Rotor 103 ist ein Permanentmagnet, der zweipolar mit
Winkelabständen von 180° entlang der Umfangsrichtung
magnetisiert ist. Ein Paar Magnet-Erkennungselemente S11 und S12
sowie ein Paar Magnet-Erkennungselemente S13 und S14 sind in einem festen
Abstand auf der äußeren Umfangsoberfläche des
Rotors 103 angeordnet. Das Paar Magnet-Erkennungselemente
S11 und S12 ist in einem Winkelabstand von 90° in Umfangsrichtung
angeordnet und gibt im Zusammenhang mit der Rotation des Rotors 103 sinuswellenförmige
Erkennungssignale a1 und b1 aus, die sich in der Phase um 90° unterscheiden. Ähnlich
ist das andere Paar Magnet-Erkennungselemente S13 und S14 in einem
Winkelabstand von 90° angeordnet und gibt im Zusammenhang mit
der Rotation des Rotors 103 sinuswellenförmige Erkennungssignale
c1 und d1 aus, die sich in der Phase um 90° unterscheiden.
Als magnetische Erkennungselemente können Hallelemente,
MR-Elemente, Magnetwiderstandselemente oder ähnliche benutzt
werden. Durch den zweipolar magnetisierten Rotor 103 und
die zwei Paare magnetischer Erkennungselemente S11 bis S14 wird
ein magnetischer Sensor aufgebaut.
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Weiterhin
weist der magnetische Absolutkodierer 100 eine Regulärbetrieb-Schaltung 105 (Hauptberechnungsschaltung)
und eine Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 (Backup-Berechnungsmittel)
auf. Die Regulärbetrieb-Schaltung 105 berechnet
den Einzelrotations-Absolutwert AW1 und den Mehrfachrotationswert
MW1 auf der Basis der Erkennungssignale der Magnet-Erkennungselemente
S11 und S12. Weiterhin wird der Einzelrotations-Absolutwert AW3
auf der Basis der Erkennungssignale der Magnet-Erkennungselemente
S13 und S14 berechnet. Gleichzeitig berechnet die Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 auf
der Basis der Erkennungssignale der Magnet-Erkennungselemente S13
und S14 den Einzelrotations-Absolutwert AW2 und den Mehrfachrotationswert
MW2.
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Die
Regulärbetrieb-Schaltung 105 weist einen Verstärkerbereich 151,
der die Erkennungssignale a1 bis d1 der Magnet-Erkennungselemente
S11 bis S14 verstärkt, einen A/D-Umwandler 152,
der die verstärkten Erkennungssignale in digitale Signale umwandelt,
einen DSP (z. B. einen digitalen Signalprozessor) 153,
der den Einzelrotations-Absolutwert AW1 und den Mehrfachrotationswert
MW1 durch Ausführen von Winkelberechnungen unter Benutzung
der digitalen Erkennungssignale berechnet, und einen Datenumwandler 154 auf,
der die berechneten Positionsdaten (Absolutwert AW1 und Mehrfachrotationswert
MW1) in serielle Übertragungsdaten umwandelt. Die umgewandelten
Daten werden an das übergeordnetes System 170 übertragen.
Die Rotationsposition der Rotationswelle 102 kann auf der
Basis dieser Information in einem absoluten Format bestätigt
werden.
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Auch
die Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 ist ähnlich
aufgebaut und weist einen Verstärkerbereich 161,
der die Erkennungssignale c1 und d1 der Magnet-Erkennungselemente
S13 und S14 verstärkt, einen A/D-Umwandler 162,
der die verstärkten Erkennungssignale in digitale Signale umwandelt
und eine CPU 163 auf, die den Einzelrotations-Absolutwert
AW2, die Position des Startpunktes und den Mehrfachrotationswert
MW2 berechnet, indem sie unter Benutzung der digitalisierten Erkennungssignale
Winkelberechnungen durchführt.
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Hierbei
sind die Einzelrotations-Absolutwerte AW1, AW2 und AW3 absolute
Werte der Rotationswelle 102 innerhalb einer einzelnen
Rotation, wie sie durch die Winkelberechnungen bestimmt werden. Die
Mehrfachrotationswerte MW1 und MW2 sind die Anzahl der Rotationen
gezählt von einem vorgegebenen Startpunkt, wie sie durch
die Winkelberechnungen bestimmt werden. Die Erkennungssignale a1
bis d1 der Magnet-Erkennungselemente S11 bis S14 werden wie unten
gezeigt ausgedrückt und die Einzelrotations-Absolutwerte
AW1, AW2 und AW3 werden durch Winkelberechnungen als die Absolutwinkel θ1, θ2
und θ3 wie im Folgenden gezeigt berechnet. a1
= Va1 sin(θ – α) b1
= Vb1 cos(θ – α) c1
= Vc1 sin(θ – β) d1
= Vd1 cos(θ – β) θ1
= tan–1((b/Vb)/(a/Va)) + α θ2 = θ3 = tan–1((d/Vd)/(c/Vc))
+ β
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Weiterhin
führt die Regulärbetrieb-Schaltung 105 Berechnungen
bei einer hohen Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit aus. Z.
B. tastet die Erkennungsschaltung die Erkennungssignale a1 und b1 der
Magnet-Erkennungselemente S11 bis S14 mit einer Erkennungsperiode
von 11 μs ab. Die Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 führt
Berechnungen mit einem geringeren Energieverbrauch als die Regulärbetrieb-Schaltung 105 aus
und hat auch eine geringere Geschwindigkeit und eine geringere Genauigkeit
als die Regulärbetrieb-Schaltung 105. Z. B. tastet
diese Schaltung die Erkennungssignale c1 und d1 der Magnet-Erkennungselemente
S13 und S14 mit einer Erkennungsperiode von 2,2 ms ab.
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Als
Nächstes weist der magnetische Absolutkodierer 100 eine
Energieversorgungs-Steuerschaltung 107 auf. Während
des regulären Betriebs liefert die Energieversorgungs-Steuerschaltung 107 Energie
von der Regulärbetrieb-Energieversorgung 108 (Hauptenergieversorgung)
des übergeordneten Systems 170 sowohl an die Regulärbetrieb-Schaltung 105 als
auch an die Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 und
betreibt diese Schaltungen. In Fällen, in denen die Versorgung
mit Energie von der Regulärbetrieb-Energieversorgung 108 unterbrochen
wird, schaltet die Energieversorgung auf die Backup-Energieversorgung
(interne Backup-Energieversorgung 109a oder externe Backup-Energieversorgung 109b)
um, und Energie von der Backup-Energieversorgung wird nur an die
Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 geliefert.
Dementsprechend wird während des Backup-Betriebes nur die
Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 betrieben und nur
der Mehrfachrotationswert MW2 wird berechnet.
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Weiterhin
umfasst der magnetische Absolutkodierer 100 eine Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110,
die automatisch beurteilt, ob während des regulären
Betriebes ein Erkennungsfehler aufgetreten ist, und eine Schaltung 111 zur
Ausgabe einer Warnung, die eine Warnung ausgibt, die anzeigt, dass
eine Abnormalität aufgetreten ist. Die Warnung wird an
das übergeordnete System 170 übertragen.
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Die
Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110 weist einen
ersten Abnormalitäten-Diagnosebereich 110A auf,
der den Einzelrotations-Absolutwert AW1 und den Einzelrotations-Absolutwert
AW3, die von der Regulärbetrieb-Schaltung 105 berechnet
worden sind, vergleicht und der in Fällen, in denen ein
Zustand, in dem die Differenz zwischen diesen Werten für
eine vorgegebene Anzahl von Rotationen (z. B. zehn Rotationen) ununterbrochen
gleich oder größer als eine vorgegebene Differenz
ist, entscheidet, dass eine Abnormalität aufgetreten ist.
Weiterhin weist die Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110 eine
zweiten Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110B auf,
die den Einzelrotations-Absolutwert AW1, der von der Regulärbetrieb-Schaltung 105 berechnet
worden ist, und den Einzelrotations-Absolutwert AW2, der von der
Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 berechnet
worden ist, vergleicht, und die in Fällen, in denen ein
Zustand, in dem die Differenz zwischen diesen Werten gleich oder
größer als eine vorgegebene Unterschied ist, über
eine vorgegebene Anzahl von Rotationen (z. B. zehn Rotationen),
andauert, entscheidet, dass eine Abnormalität aufgetreten
ist. Weiterhin umfasst die Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110 eine
dritte Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110C, die
den Mehrfachrotationswert MW1, der von der Regulärbetrieb-Schaltung 105 berechnet
worden ist, und den Mehrfachrotationswert MW2, der von der Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung
106 berechnet worden ist, vergleicht, und in Fällen, in
denen ein Zustand, in dem die Differenz zwischen diesen Werten gleich
oder größer als eine vorgegebene Differenz ist, über
eine vorgegebene Anzahl von Rotationen (z. B. zehn Rotationen) andauert,
entschiedet, dass eine Abnormalität aufgetreten ist.
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In
der ersten Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110A werden
die beiden berechneten Werte mit der gleichen Arbeitsgeschwindigkeit
verglichen, wie in der Regulärbetrieb-Schaltung 105,
d. h., mit einer Periode von 11 μs. In Fällen,
in denen für zehn Rotationen ununterbrochen erkannt wird,
dass die Differenz zwischen den beiden berechneten Werten in einem
nicht übereinstimmenden Zustand ist, der im Bezug auf die
Steuerung Probleme verursachen würde, wird entschieden,
dass eine Abnormalität aufgetreten ist. In der zweiten
Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110B und in der
dritten Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110C werden
die beiden berechneten Werte mit einer Periode verglichen, die die
gleiche ist, wie die Betriebsgeschwindigkeit der Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106,
z. B. mit einer Periode von 2,2 ms, und es wird in Fällen,
in denen für zehn Rotationen ununterbrochen erkannt wird, dass
die Differenz zwischen den beiden berechneten Werten in einem nicht übereinstimmenden
Zustand ist, der Probleme im Bezug auf die Steuerung verursachen
würde, entschieden, dass eine Abnormalität aufgetreten
ist. In den Fällen, in denen in irgendeiner der Abnormalitäten-Diagnoseschaltungen
eine Abnormalität erkannt wird, wird von der Schaltung 111 zur
Ausgabe einer Warnung eine Warnung ausgegeben.
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Weiterhin
führt die dritte Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110C während
des regulären Betriebes ununterbrochen Vergleiche aus (erkennt
Abnormalitäten), nachdem die Energieversorgung eingeschaltet
worden ist. In einem Zustand, in dem die absolute Rotationsposition
des Rotors 102 instabil ist, wie z. B. während
der ersten Rotation, nachdem die Energieversorgung eingeschaltet worden
ist, und ähnlichen Fällen, werden die erste und
die zweiten Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110A und 110B nicht
betrieben.
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Zusätzlich
weist der magnetische Absolutkodierer 100 eine Mehrfachrotationswert-Setz-Schaltung 112 auf.
Die Mehrfachrotationswert-Setz-Schaltung 112 hat die Funktion,
zu dem Zeitpunkt, zu dem die Versorgung mit Energie von der Regulärbetrieb-Energieversorgung 108 wieder
gestartet wird und der Betriebszustand vom Backup-Zustand in den Regulärbetrieb-Zustand
zurückkehrt, den in der Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 gespeicherten Mehrfachrotationswertes
MW2 an die Regulärbetrieb-Schaltung 105 zu übertragen
und diesen Wert zu diesem Zeitpunkt als den Mehrfachrotationswert MW1
zu setzen. Da die Regulärbetrieb-Schaltung 105 während
des Backup-Betriebes nicht in Betrieb ist, geht der Mehrfachrotationswert
MW1 zu dem Zeitpunkt, zu dem der Betriebszustand vom Backup- in
den regulären Betrieb zurückkehrt, verloren. Durch Setzen
des Mehrfachrotationswertes MW2 zu dem Zeitpunkt, zu dem der Betrieb
in den regulären Betrieb zurückkehrt, ist es möglich,
die darauf folgende Berechnung des Mehrfachrotationswertes MW1 wieder
zu starten.
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Der
Betrieb der Energieversorgungs-Umschaltsteuerung, die von der Energieversorgungs-Steuerschaltung 107 in
dem magnetischen Absolutkodierer 100 ausgeführt
wird, der auf diese Weise aufgebaut ist, ist ähnlich dem
in 2 gezeigten des magnetischen Absolutkodierers
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
und daher wird auf eine Beschreibung verzichtet.
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In
dem magnetischen Absolutkodierer 100, wie er zuvor beschrieben
worden ist, ist ein Detektor zum Erkennen eines Einzelrotations-Absolutwertes einer
rotierenden Welle unter Benutzung von zwei Paaren von Magnet-Erkennungselementen
S11 bis S14 aufgebaut und regulärer Betrieb, in dem die
Erkennung mit hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit ausgeführt
ist, wird von der Regulärbetrieb-Schaltung 105 unter
Benutzung der Erkennungssignale der Magnet-Erkennungselemente S11 und
S12 ausgeführt. Weiterhin werden regulärer Betrieb
und Backup-Betrieb bei niedrigem Energieverbrauch von der Regulär-/Backup-Betrieb-Schaltung 106 unter
Benutzung der Erkennungsausgangswerte der Magnet-Erkennungselemente
S13 und S14 durchgeführt. Im Ergeb nis kann hohe Geschwindigkeit
während des regulären Betriebs und niedriger Energieverbrauch
während des Backup-Betriebs verwirklicht werden.
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Weiterhin
können während des regulären Betriebs
der Einzelrotations-Absolutwert AW1 und der Einzelrotations-Absolutwert
AW3 mit hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit berechnet werden
und durch Vergleichen dieser Werte in der Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110A kann Übereinstimmung
bestätigt werden. Dementsprechend können Fehler
sofort erkannt werden und Zuverlässigkeit bei kleinen Rotationswinkeln
kann erreicht werden. Im Falle eines Wechselstrom-Servomotors tritt
das Problem einer Unfähigkeit, Drehmoment zu erzeugen,
auf, wenn der Wert der Abweichung von der Anregung mit idealer Phase
groß ist. Im vorliegenden Beispiel können jedoch,
da Fehler sofort bemerkt werden können, Abnormalitäten
erkannt werden, bevor es unmöglich wird, Drehmoment zu
erzeugen, und auch die Sicherheit kann verbessert werden.
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Weiterhin
ist die Geschwindigkeit in der Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110B und
der Abnormalitäten-Diagnoseschaltung 110C während
des regulären Betriebes gering; jedoch werden der Vergleich
des Einzelrotations-Absolutwertes AW1 und des Einzelrotations-Absolutwertes
AW2, die von verschiedenen Winkelberechnungssystemen berechnet worden
sind, und der Vergleich des Mehrfachrotationswertes MW1 und des
Mehrfachrotationswertes MW2 durchgeführt, und die Übereinstimmung
wird bestätigt. Dementsprechend kann die Fehlererkennung
redundant gemacht werden und die Zuverlässigkeit und Sicherheit
können erhöht werden.
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Weiterhin
werden in dem vorliegenden Beispiel zwei Paare Magnet-Erkennungselemente
benutzt. Es wäre jedoch auch möglich, ein Paar
Magnet-Erkennungselemente zur ausschließlichen Benutzung
für die Berechnung des Einzelrotations-Absolutwertes AW3
zu installieren und insgesamt drei Paare von Magnet-Erkennungselementen
zu benutzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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