DE102017126610A1

DE102017126610A1 - Vorrichtung zur Positionsprognose und Vorrichtung zur Positionserfassung

Info

Publication number: DE102017126610A1
Application number: DE102017126610.0A
Authority: DE
Inventors: Shinichirou MOCHIZUKI
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2018-10-04
Also published as: CN108662969A; US20190277662A1; US20180283903A1; JP6361769B1; US10697798B2; CN108662969B; JP2018165619A; US10352727B2

Abstract

[PROBLEM] Bereitstellen einer Vorrichtung zur Positionsprognose, die die Position eines kontinuierlich betriebenen, sich bewegenden Körpers zu einem vorgegebenen Zeitpunkt mit extrem hoher Genauigkeit prognostizieren kann, und eine Vorrichtung zur Positionserfassung, die diese Vorrichtung zur Positionsprognose umfasst.[LÖSUNG] Eine Vorrichtung zur Positionsprognose zum Prognostizieren einer Position zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eines kontinuierlich betriebenen, sich bewegenden Körpers wird mit einem Schätzungsteil bereitgestellt, der einen geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers zu einem Zeitpunkt in der Vergangenheit vor dem vorgegebenen Zeitpunkt feststellt, und einem Positionsprognoseteil, der die Position des sich bewegenden Körpers zu dem vorgegebenen Zeitpunkt feststellt, basierend auf dem geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers, der durch den Schätzungsteil geschätzt wurde.

Description

[GEBIET DER ERFINDUNG]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionsprognose während des Betriebs eines sich bewegenden Körpers, und eine Vorrichtung zur Positionserfassung während des Betriebs des sich bewegenden Körpers.
[HINTERGRUND DER ERFINDUNG]
Herkömmlich wird eine Vorrichtung zur Positionserfassung verwendet, die eine Position eines sich bewegenden Körpers wie etwa eines Servomotors oder dergleichen erfasst, der an einem sich bewegenden Maschinenteil einer Werkzeugmaschine oder dergleichen befestigt ist, indem Veränderungen einer physikalischen Größe erfasst werden, die durch eine Drehbewegung oder dergleichen des sich bewegenden Körpers verursacht werden. Durch die Ausgabe dieser Vorrichtung zur Positionserfassung wird die Drehbewegung oder dergleichen des sich bewegenden Körpers kontinuierlich verfolgt, und durch Bereitstellen von Rückmeldungen an den sich bewegenden Körper wird eine Bewegungssteuerung des sich bewegenden Körpers erreicht.
Als diese Art Vorrichtung zur Positionserfassung ist eine Vorrichtung bekannt, die mit einem Magnetfeld-Erzeugungsteil zum Erzeugen eines Magnetfeldes sowie mit einer Vorrichtung zur magnetischen Erfassung versehen ist. Diese Vorrichtung zur magnetischen Erfassung ist im Allgemeinen mit einem magnetischen Erfassungselement versehen, das ein externes Magnetfeld erfasst, das durch den Magnetfeld-Erzeugungsteil erzeugt wird, und ein analoges Signal ausgibt, das eine physikalische Größe angibt, dass sich der Magnetfeld-Erzeugungsteil relativ bewegt hat, und mit einer Berechnungsschaltung, die das analoge Signal in ein digitales Signal umwandeln und die Position des sich bewegenden Körpers zum aktuellen Zeitpunkt basierend auf diesem digitalen Signal berechnen kann. Diese Vorrichtung zur magnetischen Erfassung ist als integrierter Schaltkreis ausgebildet, bei dem das magnetische Erfassungselement und die Berechnungsschaltung auf dem gleichen Halbleiterchip integriert sind.
Die Bewegungssteuerung des sich bewegenden Körpers wird basierend auf der Positionsinformation des sich bewegenden Körpers zum gegenwärtigen Zeitpunkt erreicht, die in der Berechnungsschaltung dieser Vorrichtung zur magnetischen Erfassung berechnet wird. Jedoch können durch den Filterprozess für das analoge Signal, das von dem magnetischen Erfassungselement ausgegeben wird, durch den Prozess des Konvertierens des analogen Signals in ein digitales Signal, durch den Filterprozess zum Entfernen von Rauschen, das in diesem digitalen Signal enthalten ist, und durch den Prozess des Berechnens der Position des sich bewegenden Körpers zum gegenwärtigen Zeitpunkt basierend auf dem digitalen Signal Verzögerungen auftreten. Folglich wird, insbesondere um die Bewegung eines sich bewegenden Körpers, der mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, genau zu steuern und die Verzögerung auszugleichen, ein Verfahren übernommen, das die Position des sich bewegenden Körpers zu einem zukünftigen Zeitpunkt aus den Positionsinformationen des sich bewegenden Körpers prognostiziert und den sich bewegenden Körper basierend auf diesem prognostizierten Wert steuert.
Als Vorrichtung zur Positionserfassung, die in der Lage ist, diese Art von Verfahren umzusetzen, wurde konventionell eine Vorrichtung zur Rotationserfassung vorgeschlagen, die ein Magnetsensorelement umfasst, das die Stärke des Magnetfelds von Magneten misst, die in einem sich drehenden Körper bereitgestellt werden, ein Winkelberechnungsmittel umfasst zur Berechnung des Rotationswinkels der Magneten aus dem gemessenen Wert des Magnetsensorelements, ein Speichermittel umfasst zum Speichern der Daten des Rotationswinkels, der aus dem Winkelberechnungsmittel ausgegeben wird, ein Rotationszustandsschätz-Mittel umfasst zur Schätzung des Rotationszustands durch statistische Verarbeitung der Inhalte, die auf dem Speichermittel gespeichert sind, ein Mittel zur Extrapolationsverarbeitung umfasst zum Prognostizieren späterer Drehwinkel aus dem Rotationszustand, der von dem Rotationszustandsschätz-Mittel geschätzt wurde, und ein Ausgabemittel umfasst zum Berechnen und Ausgeben eines Drehwinkels basierend auf dem Drehwinkel , der durch das Mittel zur Extrapolationsverarbeitung prognostiziert wurde. (siehe Patentschrift 1).
[STAND DER TECHNIK]
[PATENTSCHRIFTEN]
[PATENTSCRIFT 1] JP Offenlegungsschrift Nr. 2008-116292 .
[DARSTELLUNG DER ERFINDUNG]
[DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM]
Bei der in der oben beschriebenen Patentschrift 1 offenbarten Vorrichtung zur Rotationserkennung wird der Winkel zum gegenwärtigen Zeitpunkt durch das Magnetsensorelement mit einer festgelegten Abtastperiode ausgegeben, und wird in dem Speichermittel gespeichert und gesammelt. Des Weiteren wird eine Verarbeitung wie etwa ein Mittelungsfilter oder ähnliches für vergangene Winkeldaten erreicht, die sich auf die aktuellen Winkeldaten erstreckt, die auf dem Speichermittel gespeichert und gesammelt wurden, und wird ein zu prognostizierender Winkel zu einem Abtastzeitpunkt (Prognosewinkel) festgestellt.
Vorgegebenes Rauschen ist in den Winkeldaten der Ausgabe zum gegenwärtigen Zeitpunkt bei einer festgelegten Abtastperiode durch das Magnetsensorelement enthalten. Wenn der Prognosewinkel durch einen linearen Extrapolationsprozess wie in der oben beschriebenen Patentschrift 1unter Verwendung von Winkeldaten, die dieses Rauschen enthalten, festgestellt wurde, besteht ein Problem darin, dass die Genauigkeit des Prognosewinkels abnimmt. Wie aus dem Prognosemodell in 14 deutlich hervorgeht, enthalten der Winkel θ_X zu einem vorgeschrieben Abtastzeitpunkt T_X und der Winkel θ_X-1 zu einem früheren Abtastzeitpunkt T_X-1 jeweils vorgegebenes Rauschen (in 14 zeigt ein Pfeil die Rauschbreite an), und wenn eine lineare Extrapolationsprognose eines Prognosewinkels θ_X+1 zu einem späteren Abtastzeitpunkt T_X+1 als dem vorgegebenen Zeitpunkt T_X unter Verwendung dieser Winkeldaten durchgeführt wird, wird das Rauschen, das in dem Prognosewinkel θ_X+1 enthalten ist, mehr verstärkt als das Rauschen, das in den Winkeln θ_X und θ_X-1 enthalten ist.
Zusätzlich tritt, wenn versucht wird, einen Prognosewinkel durch einen mittelnden Filterprozess oder dergleichen unter Verwendung der oben beschriebenen Winkeldaten festzustellen, eine dadurch verursachte Gruppenverzögerung auf, und es ist erforderlich, den Abtastzeitpunkt, der prognostiziert werden soll, weiter in die Zukunft zu setzen. Wenn der zu prognostizierende Abtastzeitpunkt weiter in die Zukunft gesetzt wird, ist es nicht möglich, die Rauschverstärkung zu steuern, wodurch das Problem entsteht, dass die Genauigkeit des Prognosewinkels abnimmt.
Um die Genauigkeit des Prognosewinkels zu erhöhen, ist es denkbar, mit einer Filterschaltung oder Ähnlichem die Winkeldaten zu verarbeiten, die durch das Magnetsensorelement ausgegeben werden, um das Rauschen zu vermindern, das in den Winkeldaten enthalten ist. Durch das Verarbeiten durch eine Filterschaltung oder dergleichen ist es möglich, das Rauschen zu reduzieren, das in den Winkeldaten enthalten ist. Jedoch treten durch Verarbeitungen durch Filterschaltungen und dergleichen mehr Verzögerungen auf, daher muss der Abtastzeitpunkt, der zu prognostizieren ist, weiter in die Zukunft gesetzt werden. Wenn der zu prognostizierende Abtastzeitpunkt auf diese Weise weiter in die Zukunft gesetzt wird, wird das Rauschen, das durch die Filterschaltung oder dergleichen reduziert wird, wieder verstärkt und in den Prognosewinkel einbezogen. Folglich sinkt die Genauigkeit des Prognosewinkels.
In Anbetracht des oben genannten Problems ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Positionsprognose bereitzustellen, die die Position eines kontinuierlich betriebenen, sich bewegenden Körpers zu einem vorgegebenen Zeitpunkt mit extrem hoher Genauigkeit prognostizieren kann, und eine Vorrichtung zur Positionserfassung, das die Vorrichtung zur Positionsprognose umfasst.
[MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS]
Um das oben genannte Problem zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Positionsprognose zum Prognostizieren einer Position eines kontinuierlich betriebenen, sich bewegenden Körpers zu einem vorgegebenen Zeitpunkt bereit, und die Vorrichtung zur Positionsprognose ist mit einem Schätzungsteil ausgestattet, der einen geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers zu einem ersten Zeitpunkt feststellt, der früher als der vorgegebene Zeitpunkt ist, und einem Positionsprognoseteil, der die Position des sich bewegenden Körpers zu dem vorgegebenen Zeitpunkt prognostiziert, basierend auf dem geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers, der durch den Schätzungsteil geschätzt wurde.
Bevorzugt wird die oben beschriebene Vorrichtung zur Positionsprognose ferner mit einem Berechnungsverarbeitungsteil bereitgestellt, der den Positionszustand des sich bewegenden Körpers auf der Basis von Signalen berechnet, die sich auf die Position des sich bewegenden Körpers beziehen, die von einem Erkennungsteil ausgegeben werden, der ein externes Magnetfeld eines Magnetfelderzeugungsteils erfasst, der in dem sich bewegenden Teil bereitgestellt wird, und mit einem Simulationsteil, der einen simulierten Positionszustand des sich bewegenden Körpers zu dem ersten Zeitpunkt feststellt, basierend auf dem geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers zu einem zweiten Zeitpunkt, der weiter in der Vergangenheit liegt als der erste Zeitpunkt, wobei der geschätzte Positionszustand des sich bewegenden Körpers zu dem zweiten Zeitpunkt durch den Schätzungsteil geschätzt wird und wobei der Schätzungsteil den geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers zum ersten Zeitpunkt basierend auf dem simulierten Positionszustand feststellt, der durch den Simulationsteil festgestellt wird, und dem Positionszustand des sich bewegenden Körpers zu dem ersten Zeitpunkt, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil berechnet wird.
Bei der oben beschriebenen Vorrichtung zur Positionsprognose ist der Positionszustand des sich bewegenden Körpers zu dem ersten Zeitpunkt bevorzugt der aktuellste Positionszustand der Positionszustände des sich bewegenden Körpers, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil berechnet wurde.
Bei der oben beschriebenen Vorrichtung zur Positionsprognose ist der sich bewegende Körper bevorzugt ein drehender sich bewegender Körper, der sich um eine vorgeschriebene Rotationsachse dreht, und der Schätzungsteil stellt Schätzwerte des Rotationswinkels, der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung des sich bewegenden Körpers zu dem Zeitpunkt der Positionsschätzung als den geschätzten Positionszustand fest.
Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung bevorzugt eine Vorrichtung zur Positionserfassung, die die oben beschriebene Vorrichtung zur Positionsprognose hat, und einen Erfassungsteil bereit, der sich gegenüber von einem Magnetfeld-Erzeugungsteil befindet, der in dem sich bewegenden Körper bereitgestellt wird, und die Position des sich bewegenden Körpers erfassen kann. In dieser Vorrichtung zur Positionserkennung umfasst das Erfassungsteil bevorzugt ein Element mit magnetoresistiver Wirkung.
[WIRKUNG DER ERFINDUNG]
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Vorrichtung zur Positionsprognose, die die Position eines kontinuierlich betriebenen, sich bewegenden Körpers zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und mit extrem hoher Genauigkeit vorhersagen kann, und eine Vorrichtung zur Positionserfassung, die die Vorrichtung zur Positionsprognose umfasst, bereitzustellen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Rotationswinkels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Seitenansicht, die eine schematische Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erfassung eines Rotationswinkels gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erfassung eines Rotationswinkels gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch eine Schaltungskonfiguration eines Erfassungsteils in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Ausgestaltung eines MR-Elements als ein magnetisches Erfassungselement in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Schaubild, das Rauschen in Modellen des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1~2 zeigt.
7 ist ein Schaubild, das Ergebnisse der Simulation aus Beispiel 1 zeigt.
8 ist ein Schaubild, das Ergebnisse der Simulation aus Vergleichsbeispiel 1 zeigt.
9 ist ein Schaubild, das Ergebnisse der Simulation aus Vergleichsbeispiel 2 zeigt.
10 ist ein Schaubild, das Rauschen in Modellen des Beispiels 2 und der Vergleichsbeispiele 3~4 zeigt.
11 ist ein Schaubild, das Ergebnisse der Simulation aus Beispiel 2 zeigt.
12 ist ein Schaubild, das Ergebnisse der Simulation aus Vergleichsbeispiel 3 zeigt.
13 ist ein Schaubild, das Ergebnisse der Simulation aus Vergleichsbeispiel 4 zeigt.
14 ist ein Schaubild, um zu erklären, dass Rauschen, das in Prognosewerten enthalten ist, in einem linearen Prognosemodell verstärkt wird, das Winkeldaten verwendet, die Rauschen enthalten.

[DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG]
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird detaillierter in Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erfassen des Rotationswinkels nach dieser Ausführungsform zeigt, 2 ist eine Seitenansicht, die eine schematische Ausgestaltung der Vorrichtung zum Erfassen des Rotationswinkels nach dieser Ausführungsform ist, 3 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Ausgestaltung der Vorrichtung zum Erfassen des Rotationswinkels nach dieser Ausführungsform zeigt, 4 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch eine Schaltungskonfiguration eines Erfassungsteils in dieser Ausführungsform zeigt, und 5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Ausgestaltung eines MR-Elements als magnetisches Erfassungselement in dieser Ausführung zeigt.
Wie in 1 und 2 gezeigt wird, umfasst eine Vorrichtung zur Erfassung des Rotationswinkels 1 nach dieser Ausführungsform einen Magneten 2 und eine Vorrichtung zur magnetischen Erfassung 3, die gegenüber dem Magneten 2 angeordnet ist. Der Magnet 2 ist an einem Ende in der radialen Richtung eines Wellenteils 11 befestigt (beispielsweise eine Motorwelle oder dergleichen eines Servomotors oder Ähnlichem), der sich kontinuierlich um eine Rotationsachse C dreht, und dreht sich um die Rotationsachse C zusammen mit der Drehung des Wellenteils 11.
Der Magnet 2 weist eine Endfläche 21 auf, die orthogonal zu der Rotationsachse C liegt. Der Magnet 2 weist einen N-Pol 22 und einen S-Pol 23 auf, die symmetrisch um eine virtuelle Ebene angeordnet sind, die die Rotationsachse C umfasst. Der Magnet 2 ist in einer Richtung magnetisiert, die orthogonal zu der Rotationsachse C liegt (eine Richtung hin zu dem N-Pol 22 von dem S-Pol 23 aus und orthogonal zu der Grenze zwischen dem N-Pol 22 und dem S-Pol 23). Der Magnet 2 erzeugt ein Magnetfeld basierend auf der Magnetisierung, die dem Magnet 2 zu eigen ist.
Die Vorrichtung zur magnetischen Erfassung 3 ist so angeordnet, dass sie der Stirnseite 21 des Magneten 2 gegenüberliegt, und erfasst das Magnetfeld von dem Magneten 2. Die Vorrichtung zum Erfassen des Rotationswinkels 1 nach dieser Ausführungsform kann den Rotationswinkel des Magneten 2 erfassen, das heißt, den Rotationswinkel des Wellenteils 11, der sich drehend bewegt, basierend auf der Ausgabe der Vorrichtung zur magnetischen Erfassung 3.
Wie in 3 gezeigt wird, weist die Vorrichtung zur magnetischen Erfassung 3 einen Erfassungsteil 31, einen A/D- (Analog-Digital-) Umwandlungsteil 32, einen Berechnungsverarbeitungsteil 33, einen Simulationsteil 34, einen Schätzungsteil 35 und einen Prognoseteil 36 auf. Der Erfassungsteil 31 erfasst das Magnetfeld des Magneten 2 (siehe 1, 2). Der A/D-Umwandlungsteil 32 wandelt das analoge Signal, das von dem Erfassungsteil 31 ausgegeben wird, in ein digitales Signal um. Der Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet das digitale Signal, das durch den A/D-Umwandlungsteil 32 digital umgewandelt wird, und berechnet einen Rotationswinkel θ. Der Simulationsteil 34 simuliert den Rotationswinkel θ_S zu einem vorgeschriebenen Abtastzeitpunkt basierend auf einem Rotationswinkel θ_E, einer Winkelgeschwindigkeit ω_E und einer Winkelbeschleunigung α_E, die von dem Schätzungsteil 35 geschätzt werden. Der Schätzungsteil 35 schätzt den Rotationswinkel θ_E, die Winkelgeschwindigkeit ω_E und die Winkelbeschleunigung α_E zu dem vorgeschriebenen Abtastzeitpunkt basierend auf dem Rotationswinkel θ_S, der von dem Simulationsteil 34 simuliert wird, und dem aktuellsten Rotationswinkel θ unter den Rotationswinkeln θ, die durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet werden. Der Prognoseteil 36 prognostiziert einen Rotationswinkel θ_P zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt, basierend auf den Ergebnissen der Schätzung (Rotationswinkel θ_E, Winkelgeschwindigkeit ω_E und Winkelbeschleunigung α_E) des Schätzungsteils 35. In dieser Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Positionsprognose, die in der Lage ist, die Position (Drehposition) des kontinuierlich betriebenen, sich bewegenden Körpers (beispielsweise die Motorwelle oder dergleichen eines kontinuierlich drehenden Servomotors) zu prognostizieren, mindestens durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33, den Simulationsteil 34, den Schätzungsteil 35 und den Prognoseteil 36 ausgebildet.
Wie in 4 gezeigt wird, umfasst der Erfassungsteil 31 einen ersten Erfassungsteil 31A und einen zweiten Erfassungsteil 31B, und der erste und zweite Erfassungsteil 31A und 31B umfassen jeweils mindestens ein Element zur magnetischen Erfassung. Der Erfassungsteil 31 erzeugt bei einer vorgegebenen Abtastdauer (eine Abtastdauer beträgt beispielsweise jeweils etwa 50~100 µsec) Erfassungssignale (analoge Signale) in Bezug auf den Winkel (Rotationswinkel), der durch die Richtung des Magnetfelds des Magneten 2 in Bezug auf eine vorgegebene Richtung erzeugt wird und gibt diese aus.
Jeder des ersten und zweiten Erfassungsteils 31A und 31B kann ein Paar Elemente zur magnetischen Erfassung umfassen, die als mindestens ein Element zur magnetischen Erfassung in Reihe geschaltet sind. In diesem Fall weist jeder des ersten und zweiten Erfassungsteils 31A und 31B eine Wheatstone'sche Brückenschaltung auf, die ein erstes Paar Elemente zur magnetischen Erfassung umfasst, die in Reihe geschaltet sind, und ein zweites Paar Elemente zur magnetischen Erfassung umfasst, die in Reihe geschaltet sind.
Eine Wheatstone'sche Brückenschaltung 311, die der erste Erfassungsteil 31A besitzt, umfasst einen Energiequellenanschluss V1, einen Masseanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12, ein erstes Paar Elemente zur magnetischen Erfassung R11 und R12, die in Reihe geschaltet sind, und ein zweites Paar Elemente zur magnetischen Erfassung R13 und R14, die in Reihe geschaltet sind. Ein Ende jedes der Elemente zur magnetischen Erfassung R11 und R13 ist mit dem Energiequellenanschluss V1 verbunden. Das andere Ende des Elements zur magnetischen Erfassung R11 ist mit einem Ende des Elements zur magnetischen Erfassung R12 und dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Das andere Ende des Elements zur magnetischen Erfassung R13 ist mit einem Ende des Elements zur magnetischen Erfassung R14 und dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Das andere Ende jedes der Elemente zur magnetischen Erfassung R12 und R14 ist jeweils mit dem Masseanschluss G1 verbunden. Eine Energiequellenspannung vorgegebener Höhe wird an den Energiequellenanschluss V1 eingeprägt, und der Masseanschluss G1 ist geerdet.
Eine Wheatstone'sche Brückenschaltung 312, die der zweite Erfassungsteil 31B besitzt, hat dieselbe Zusammensetzung wie die Wheatstone'sche Brückenschaltung 311 des ersten Erfassungsteils 31A und umfasst einen Energiequellenanschluss V2, einen Masseanschluss G2, zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22, ein erstes Paar Elemente zur magnetischen Erfassung R21 und R22, die in Reihe geschaltet sind, und ein zweites Paar Elemente zur magnetischen Erfassung R23 und R24, die in Reihe geschaltet sind. Ein Ende jedes der Elemente zur magnetischen Erfassung R21 und R23 ist mit dem Energiequellenanschluss V2 verbunden. Das andere Ende des Elements zur magnetischen Erfassung R21 ist mit einem Ende des Elements zur magnetischen Erfassung R22 und dem Ausgangsanschluss E21 verbunden. Das andere Ende des Elements zur magnetischen Erfassung R23 ist mit einem Ende des Elements zur magnetischen Erfassung R24 und dem Ausgangsanschluss E22 verbunden. Das andere Ende jedes der Elemente zur magnetischen Erfassung R22 und R24 ist mit dem Masseanschluss G2 verbunden. Eine Energiequellenspannung vorgegebener Höhe wird an den Energiequellenanschluss V2 eingeprägt, und der Masseanschluss G2 ist geerdet.
In dieser Ausführungsform ist es möglich, MR-Elemente wie TMR-Elemente, GMR-Elemente oder dergleichen für alle Elemente zur magnetischen Erfassung R11~R14 und R21~R24 zu verwenden, die in den Wheatstone'sehen Brückenschaltungen 311 und 312 umfasst sind, und die Verwendung von TMR-Elementen ist insbesondere bevorzugt. Die TMR-Elemente und die GMR-Elemente weisen eine Schicht mit fixierter Magnetisierung auf, in der die Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine freie Schicht, bei der die Magnetisierungsrichtung sich in Übereinstimmung mit der Richtung eines eingeprägten Magnetfeldes verändert, und eine nichtmagnetische Schicht, die zwischen der Schicht mit fixierter Magnetisierung und der freien Schicht angeordnet ist.
Spezifisch weist, wie in 5 gezeigt wird, das MR-Element eine Vielzahl von unteren Elektroden 41, eine Vielzahl von MR-Schichten 50 und eine Vielzahl oberer Elektroden 42 auf. Die Vielzahl unterer Elektroden 41 wird auf einem Substrat (nicht dargestellt) bereitgestellt. Jede der unteren Elektroden 41 weist eine lange, schmale Form auf. Eine Lücke ist zwischen zwei unteren Elektroden 41 gebildet, die in der Längsrichtung der unteren Elektroden 41 aneinander angrenzen. Die MR-Schichten 50 werden jeweils in der Nähe beider Enden in der Längsrichtung auf der oberen Oberfläche der unteren Elektroden 41 bereitgestellt. Die MR-Schichten umfassen jeweils eine freie Schicht 51, eine nichtmagnetische Schicht 52, eine Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 und eine antiferromagnetische Schicht 54, die in dieser Reihenfolge von der Seite der unteren Elektroden 41 her geschichtet sind. Die freie Schicht 51 ist elektrisch mit der unteren Elektrode 41 verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 54 ist durch antiferromagnetische Materialien gebildet und dient durch Verursachen von Austauschkopplung mit der Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 dem Fixieren der Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung 53. Die Vielzahl von oberen Elektroden 42 wird auf der Vielzahl von MR-Schichten 50 bereitgestellt. Jede der oberen Elektroden 42 weist eine lange, schmale Form auf, ist auf zweien der unteren Elektroden 41, die einander in der Längsrichtung der unteren Elektroden 41 angrenzen, angeordnet und verbindet elektrisch die antiferromagnetischen Schichten 54 von zwei angrenzenden MR-Schichten 50 miteinander. Die MR-Schichten 50 können eine Ausgestaltung haben, in der die freie Schicht 51, die nichtmagnetische Schicht 52, die Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 und die antiferromagnetische Schicht 54 in dieser Reihenfolge von der Seite der oberen Elektrode 42 her geschichtet sind. Zusätzlich kann die antiferromagnetische Schicht 54 ausgelassen werden, indem die Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 mit einer sogenannten „Synthetic Ferri Pinned“-Schicht (synthetische ferri-gepinnte Schicht, SFP-Schicht) bereitgestellt wird, die eine laminierte Ferri-Struktur aus einer ferromagnetischen Schicht/nichtmagnetischen Zwischenschicht /ferromagnetischen Schicht aufweist, in der die zwei ferromagnetischen Schichten antiferromagnetisch gekoppelt sind.
In TMR-Elementen ist die nichtmagnetische Schicht 52 eine Tunnelbarriereschicht. In GMR-Elementen ist die nichtmagnetische Schicht 52 eine nichtmagnetische leitfähige Schicht. In TMR-Elementen und GMR-Elementen verändert sich der Widerstandswert in Übereinstimmung mit dem Winkel, der durch die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 51 in Bezug auf die Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 gebildet wird. Der Widerstandswert sinkt auf ein Minimum, wenn dieser Winkel 0° ist (wenn die Magnetisierungsrichtungen zueinander parallel sind), und der Widerstandswert erhöht sich auf ein Maximum, wenn dieser Winkel 180° beträgt (wenn die Magnetisierungsrichtungen zueinander antiparallel sind).
In 4 werden die Richtungen der Magnetisierung der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Elemente zur magnetischen Erfassung R11∼R14 und R21~R24 durch ausgefüllte Pfeile dargestellt, und die Richtungen der Magnetisierung der freien Schichten werden durch nicht ausgefüllte Pfeile dargestellt. In dem ersten Erfassungsteil 31A ist die Richtung der Magnetisierung der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Elemente zur magnetischen Erfassung R11 und R14 eine Richtung, die parallel zu einer ersten Richtung D1 ist, und die Richtung der Magnetisierung der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Elemente zur magnetischen Erfassung R12 und R13 ist eine antiparallele Richtung zu der Richtung der Magnetisierung der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Elemente zur magnetischen Erfassung R11 und R14. In dem ersten Erfassungsteil 31A verändert sich die elektrische Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Übereinstimmung mit der Stärke der Komponente des Magnetfelds des Magneten 2 in der ersten Richtung D1, und ein Signal, das die Stärke des Magnetfelds des Magneten 2 in der ersten Richtung D1 ausdrückt, wird ausgegeben.
Bei dem zweiten Erfassungsteil 31B ist die Richtung der Magnetisierung der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Elemente zur magnetischen Erfassung R21 und R24 eine zweite Richtung D2 (eine Richtung, die orthogonal zu der ersten Richtung D1 ist), und die Richtung der Magnetisierung der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Elemente zur magnetischen Erfassung R22 und R23 ist eine antiparallele Richtung zu der Richtung der Magnetisierung der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Elemente zur magnetischen Erfassung R21 und R24. Bei dem zweiten Erfassungsteil 31B verändert sich die elektrische Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Übereinstimmung mit der Stärke der Komponente des Magnetfelds des Magneten 2 in der zweiten Richtung D2, und ein Signal, das die Stärke des Magnetfelds des Magneten 2 in der zweiten Richtung D2 ausdrückt, wird ausgegeben.
Ein Differenzdetektor 37 gibt ein Signal, das der elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht, an den A/D-Umwandlungsteil 32 als ein erstes Signal S1 aus. Ein Differenzdetektor 38 gibt ein Signal, das der elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht, an den A/D-Umwandlungsteil 32 als ein zweites Signal S2 aus.
Wie in 4 gezeigt, sind die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Elemente zur magnetischen Erfassung R11~R14 bei dem ersten Erfassungsteil 31A und die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Elemente zur magnetischen Erfassung R21~R24 bei dem zweiten Erfassungsteil 31B orthogonal zueinander. In diesem Fall wird die Wellenform des ersten Signals S1 eine Cosinus-Wellenform, abhängig von dem Rotationswinkel θ, und die Wellenform des zweiten Signals S2 wird zu einer Sinus-Wellenform, abhängig von dem Rotationswinkel θ. In dieser Ausführungsform unterscheidet sich die Phase des zweiten Signals S2 von der Phase des ersten Signals S1 um ¼ einer Signalperiode, das heißt, um π/2 (90°).
Der A/D-Umwandlungsteil 32 wandelt das erste und das zweite Signal (analoge Signale in Bezug auf den Rotationswinkel θ) S1 und S2, die von dem Erfassungsteil 31 mit einer vorgegebenen Abtastperiode ausgegeben werden, in digitale Signale um, und diese digitalen Signale werden in den Berechnungsverarbeitungsteil 33 eingegeben.
Der Berechnungsverarbeitungsteil 33 führt die Berechnungsverarbeitung für die digitalen Signale durch, die aus analogen Signalen durch den A/D-Umwandlungsteil 32 umgewandelt wurden, und berechnet den Rotationswinkel θ des Magneten 2. Dieser Berechnungsverarbeitungsteil 33 ist beispielsweise durch einen Mikrocomputer oder dergleichen ausgebildet. Der Rotationswinkel θ des Magneten 2, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wird, wird in einem Speicherteil (nicht dargestellt) gespeichert, der in dem Berechnungsverarbeitungsteil 33 umfasst ist.
Der Rotationswinkel θ des Magneten 2 kann beispielsweise durch eine Berechnung des Arkustangens, die in der nachfolgenden Gleichung gezeigt wird, berechnet werden. $θ = atan (S1/S2)$
Innerhalb eines Bereichs von 360° gibt es 2 Lösungen für den Rotationswinkel θ in der Gleichung oben, die sich um 180° unterscheiden. Jedoch ist es durch die Kombination der Vorzeichen des ersten Signals S1 und des zweiten Signals S2 möglich, zu bestimmen, welche der beiden Lösungen der Gleichung oben der wahre Wert des Rotationswinkels θ ist. Das heißt, wenn das erste Signal S1 einen positiven Wert hat, ist der Rotationswinkel θ größer als 0° und kleiner als 180°. Wenn das erste Signal S1 einen negativen Wert hat, ist der Rotationswinkel θ größer als 180° und kleiner als 360°. Wenn das zweite Signal S2 einen positiven Wert hat, liegt der Rotationswinkel θ im Bereich von 0° oder mehr und weniger als 90° und größer als 270° und 360° oder weniger. Wenn das zweite Signal S2 einen negativen Wert aufweist, ist der Rotationswinkel θ größer als 90° und kleiner als 270°. Der Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet den Rotationswinkel θ innerhalb des Bereichs von 360° basierend auf der Bestimmung der Kombination der Vorzeichen des ersten Signals S1 und des zweiten Signals S2.
Der Simulationsteil 34 simuliert einen Rotationswinkel θ_S des Magneten 2 zu einem vorgegebenen Abtastzeitpunkt aus dem Rotationswinkel θ_E, der Winkelgeschwindigkeit ω_E und der Winkelbeschleunigung α_E des Magneten 2 zu einem früheren Abtastzeitpunkt, der von dem Schätzungsteil 35 geschätzt und in dem Speicherteil gespeichert wurde. Beispielsweise kann der Simulationsteil 34 den Rotationswinkel θ_S des Magneten 2 zu dem vorgegebenen Abtastzeitpunkt beispielsweise durch Durchführen einer Extrapolationsverarbeitung oder Ähnlichem um den Rotationswinkel θ_E des Magneten 2 zu einem früheren Abtastzeitpunkt herum simulieren, der von dem Schätzungsteil 35 geschätzt wurde.
Der Schätzungsteil 35 schätzt den Rotationswinkel θ_E des Magneten 2 zu dem vorgeschriebenen Abtastzeitpunkt und schätzt ebenso die Winkelgeschwindigkeit ω_E und die Winkelbeschleunigung α_E, indem der Rotationswinkel θ des Magneten 2 zu dem vorgeschriebenen Abtastzeitpunkt auf den Rotationswinkel θ_S des Magneten 2 reflektiert wird, der von dem Simulationsteil 34 festgestellt wurde.
Der Prognoseteil 36 prognostiziert einen Rotationswinkel θ_P des Magneten 2 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt basierend auf dem Rotationswinkel θ_E, der Winkelgeschwindigkeit ω_E und der Winkelbeschleunigung α_E des Magneten 2, wie sie durch den Schätzungsteil 35 geschätzt wurden. Beispielsweise berechnet der Prognoseteil 36 den Rotationswinkel θ_P des Magneten 2 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt beispielsweise durch Durchführen einer Extrapolationsverarbeitung oder Ähnlichem um den Rotationswinkel θ_E oder Ähnlichem des Magneten 2 herum, wie er durch den Schätzungsteil 35 geschätzt wurde.
Bei der Vorrichtung zur Erfassung des Rotationswinkels 1, die die oben beschriebene Ausgestaltung aufweist, verändert sich, wenn sich der Magnet 2 zusammen mit der Drehung des Wellenteils 11 dreht, das Magnetfeld des Magneten 2. Die Widerstandswerte der Elemente zur magnetischen Erfassung R11~R14 und R21~R24 des Erfassungsteils 31 verändern sich in Übereinstimmung mit Veränderungen in diesem Magnetfeld, und die Signale S1 und S2, die die Stärke des Magnetfelds des Magneten 2 in der ersten Richtung D1 und in der zweiten Richtung D2 ausdrücken, werden von den Differenzdetektoren 37 und 38 zu einer vorgegebenen Abtastperiode ausgegeben, in Übereinstimmung mit den elektrischen Potentialdifferenzen der jeweiligen Ausgangsanschlüsse E11, E12, E21 und E22 des ersten Erfassungsteils 31A und des zweiten Erfassungsteils 31B. Ferner werden das erste Signal S1 und das zweite Signal S2 der Differenzdetektoren 37 und 38 ausgegeben und werden durch den A/D-Umwandlungsteil 32 in digitale Signale umgewandelt. Danach wird der Rotationswinkel θ des Magneten 2 durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet.
Bei der Vorrichtung zur Erfassung des Rotationswinkels 1 nach dieser Ausführungsform entstehen Verzögerungen durch den Filterprozess überanaloge Signale basierend auf der Ausgabe des Erfassungsteils 31, den Prozess des Umwandelns in digitale Signale durch den A/D-Umwandlungsteil 32, den Filterprozess über die digitalen Signale, den Berechnungsprozess in dem Berechnungsverarbeitungsteil 33 und so weiter. Um diese Verzögerung auszugleichen, wird die Prognose des Rotationswinkels durch den Prognoseteil 36 wichtig.
Beispielsweise entsteht bei der Vorrichtung zur Erfassung des Rotationswinkels 1 nach dieser Ausführungsform eine Verzögerung von drei Abtastzeitpunkten aus diesen verschiedenen Prozessen. Daraufhin wird zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n der Rotationswinkel θ_n-3 des Magneten 2 zum dritten Abtastzeitpunkt T_n-3 vor dem gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 ausgegeben. Andererseits simuliert und stellt der Simulationsteil 34 den Rotationswinkel θ_Sn-3 des Magneten zum dritten Abtastzeitpunkt T_n-3 vor dem gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n fest, basierend auf dem Rotationswinkel θ_En-4, der Winkelgeschwindigkeit ω_En-4 und der Winkelbeschleunigung α_En-4 des Magneten 2 zu dem vierten Abtastzeitpunkt T_n-4 vor dem gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n, die beispielsweise durch den Schätzungsteil 35 geschätzt wurden. Der Schätzungsteil 35 reflektiert den Rotationswinkel θ_n-3 des Magneten, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wurde (den aktuellsten Rotationswinkel des Magneten 2 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n) auf den Rotationswinkel θ_Sn-3 des Magneten 2, der durch den Simulationsteil 34 simuliert wurde, und schätzt den Rotationswinkel θ_En-3 des Magneten 2 zum dritten Abtastzeitpunkt vor T_n-3 und schätzt ebenso die Winkelgeschwindigkeit ω_En-3 und die Winkelbeschleunigung α_En-3. Des Weiteren prognostiziert der Prognoseteil 36 den Rotationswinkel θ_Pn des Magneten 2 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n, basierend auf dem Rotationswinkel θ_En-3, der Winkelgeschwindigkeit ω_En-3 und der Winkelbeschleunigung α_En-3 des Magneten 2, geschätzt durch den Schätzungsteil 35.
Vorgegebenes Rauschen ist in dem Rotationswinkel θ des Magneten enthalten, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wurde. Wenn versucht wird, den Rotationswinkel θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n basierend auf dem Rotationswinkel θ, der dieses Rauschen enthält, zu prognostizieren, wird das Rauschen, das in dem Prognosewert des Rotationswinkel θ_Pn enthalten ist, der prognostiziert wurde, verstärkt, was korrekte Prognosen erschwert. Zusätzlich war in einem Prognoseverfahren, das die Winkelgeschwindigkeit ω und die Winkelbeschleunigung α verwendet, das zuvor durch diesen Erfinder vorgeschlagen wurde ( japanische Patentanmeldung 2015-67498 ), eine Verminderung des Rauschens möglich, das in dem prognostizierten Rotationswinkel θ_Pn enthalten ist, aber es bestand die Möglichkeit, dass der Prognosewert des Rotationswinkels θ_Pn von dem Rotationswinkel θ_n abweicht, der von dem Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wurde. Bei diesem Prognoseverfahren wird bei einem sich bewegenden Körper, der sich drehend bei hoher Geschwindigkeit bewegt, innerhalb extrem kurzer Zeit (beispielsweise etwa 3 Abtastperioden oder weniger vor dem gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n) angenommen, dass die Drehbewegung des Magneten 2 eine Drehbewegung mit konstanter Geschwindigkeit oder eine Drehbewegung mit konstanter Beschleunigung ist. Somit ist es unter Annahme, dass die Winkelgeschwindigkeit ω_n-3 und die Winkelbeschleunigung α_n-3 zum drittletzten Abtastzeitpunkt T_n-3 und die Winkelgeschwindigkeit ω_n und die Winkelbeschleunigung α_n zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n als im Wesentlichen gleich angenommen werden können, und durch Prognose des Rotationswinkels θ_Pn des Magneten 2 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n basierend auf der Winkelgeschwindigkeit ω_n-3 und der Winkelbeschleunigung α_n-3, die von dem tatsächlich gemessenen Wert des Rotationswinkels θ_n-3 des Magneten 2 zum drittletzten Abtastzeitpunkt T_n-3 berechnet wurden (der Rotationswinkel θ_n-3, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil berechnet wurde), möglich, das Rauschen, das in dem Rotationswinkel θ_Pn enthalten ist, zu reduzieren. Jedoch ist der Rotationswinkel θ_n-3 zum drittletzten Abtastzeitpunkt T_n-3, der zur Prognose des Rotationswinkels θ_Pn des Magneten 2 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n verwendet wird, ein tatsächlich gemessener Wert (Rotationswinkel θ_n-3, berechnet durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33), daher wird vermutet, dass das Problem auftritt, dass der Rotationswinkel θ_Pn, der durch den Prognoseteil 36 prognostiziert wird, von dem tatsächlich gemessenen Wert abweichen wird.
An diesem Punkt sind in dieser Ausführungsform der Rotationswinkel θ_En-3, die Winkelgeschwindigkeit ω_En-3 und die Winkelbeschleunigung α_En-3 zum drittletzten Abtastzeitpunkt T_n-3, die verwendet werden, um den Rotationswinkel θ_Pn des Magneten 2 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n zu prognostizieren, geschätzte Werte, so dass es möglich ist, das Problem zu lösen, dass der Rotationswinkel θ_Pn der durch den Prognoseteil 36 prognostiziert wird, von dem Rotationswinkel θ_n abweicht, der von dem Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wird, und es ist möglich, extrem genau den Rotationswinkel θ_Pn des Magneten 2 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n zu prognostizieren.
Auf diese Weise wird der Rotationswinkel θ_Pn des Magneten 2, der mit hoher Genauigkeit durch den Prognoseteil 36 prognostiziert wird, in eine Treiberschaltung oder dergleichen (nicht abgebildet) des sich bewegenden Körpers eingegeben, der das Wellenteil 11 umfasst (beispielsweise ein Servomotor oder dergleichen, der eine Motorwelle umfasst), und eine Bewegungssteuerung des sich bewegenden Körpers wird erreicht. Entsprechend ist es möglich, eine Bewegungssteuerung des sich bewegenden Körpers mit hoher Genauigkeit zu erreichen.
Wie oben beschrieben werden bei der Vorrichtung zur Erfassung des Rotationswinkels 1 nach dieser Ausführungsform der Rotationswinkel θ_En-3, die Winkelgeschwindigkeit ω_En-3 und die Winkelbeschleunigung α_En-3, die verwendet werden, um den Rotationswinkel θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n durch den Prognoseteil 36 zu prognostizieren, festgestellt, indem der Rotationswinkel θ_n-3 zu dem früheren Abtastzeitpunkt, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n berechnet wird, auf den Rotationswinkel θ_Sn-3 reflektiert wird, der durch den Simulationsteil 34 simuliert wurde, so dass es möglich ist, mit extremer Genauigkeit den Rotationswinkel θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n basierend auf dem Rotationswinkel θ_En-3, der Winkelgeschwindigkeit ω_En-3 und der Winkelbeschleunigung α_En-3 zu prognostizieren.
Zusätzlich werden bei der Vorrichtung zur Erfassung des Rotationswinkels 1 nach dieser Ausführungsform der Rotationswinkel θ_En-3, die Winkelgeschwindigkeit ω_En-3 und die Winkelbeschleunigung α_En-3, die durch den Schätzungsteil 35 geschätzt werden, um den Rotationswinkel θ_Pn des Magneten 2 zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n zu prognostizieren, nur unter Verwendung des aktuellsten Rotationswinkels θ_n-3 festgestellt, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wurde, und den Rotationswinkel θ_Sn-3, der durch den Simulationsteil 34 simuliert wurde, so dass eine Wirkung erreicht wird, die das Informationsvolumen (Anzahl der Abtastungen) vermindern kann, das zur Prognose des Rotationswinkels θ_Pn erforderlich ist.
Die oben beschriebene Ausführungsform wurde beschrieben, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern und soll die vorliegende Erfindung nicht einschränken. Entsprechend sollte jedes Element, das in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart wird, so ausgelegt werden, dass es alle Modifikationen des Designs und Äquivalente umfasst, die zu dem technischen Umfang der vorliegenden Erfindung gehören.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Beispiel aufgezeigt, bei dem der Prognoseteil 36 den Rotationswinkel θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n prognostiziert, jedoch soll dies lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend verstanden werden; beispielsweise wäre es in Ordnung, den Rotationswinkel θ_Pn+3 in der Zukunft aus dem gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n (beispielsweise den drittnächsten Abtastzeitpunkt T_n+3) zu prognostizieren.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde der Magnet 2, der an dem Wellenteil 11 befestigt ist, als Magnetfeld-Erzeugungsteil verwendet, dies soll jedoch nur der Veranschaulichung dienen und ist nicht einschränkend zu verstehen. Beispielswäre wäre es in Ordnung, einen Magneten zu verwenden, bei dem mindestens eine Gruppe von N-Elektroden und S-Elektroden alternierend in einer Ringform als Magnetfeld-Erzeugungsteil positioniert ist, und die Vorrichtung zur Erfassung von Magnetismus so zu positionieren, dass sie dem äußeren Umfang des Magneten gegenüberliegt, und es wäre in Ordnung, eine lineare Skala als Magnetfeld-Erzeugungsteil zu verwenden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform bewegt sich der Magnet 2 in Bezug zu der Vorrichtung zur magnetischen Erfassung 3 durch den Wellenteil 11, an dem der Magnet 2 befestigt ist, drehend um die Rotationsachse C, jedoch ist dies veranschaulichend und nicht einschränkend zu verstehen. Beispielsweise können der Magnet 2 (der Wellenteil 11) und die Vorrichtung zur magnetischen Erfassung 3 sich in entgegengesetzten Richtungen drehen, oder die Vorrichtung zur Erfassung von Magnetismus 3 kann sich drehen, während sich der Magnet 2 (der Wellenteil 11) nicht dreht.
[BEISPIELE]
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung detaillierter durch das Zitieren von Beispielen beschrieben, aber die vorliegende Erfindung wird in keiner Weise durch die nachfolgenden Beispiele eingeschränkt.
[BEISPIEL 1]
In Bezug auf die Prognose des Rotationswinkels θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n durch den Prognoseteil 36 in der Vorrichtung zur magnetischen Erfassung 3, der die in 3 und 4 gezeigte Ausgestaltung aufweist, wurden Simulationen unter Verwendung von MATLAB durchgeführt, und es wurde Rauschen festgestellt, das in dem prognostizierten Wert des Rotationswinkels θ_Pn enthalten war. In diesen Simulationen wurde angenommen, dass sich der Magnet 2 mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit von 10.000 °/Sek. dreht, die Abtastperiode durch den Erfassungsteil 31 50 µs beträgt, das Rauschen, das in dem Rotationswinkel θ enthalten ist, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wird, ±0,1° ist (siehe 6), und eine Gruppenverzögerung von drei Abtastzeitpunkten (150 µs) auftritt. Zusätzlich wurde angenommen, dass der Simulationsteil 34 den Rotationswinkel θ_Sn-3 beim drittletzten Abtastzeitpunkt T_n-3 durch Extrapolationsverarbeitung unter Verwendung des Rotationswinkel θ_En-4, der Winkelgeschwindigkeit ω_En-4 und der Winkelbeschleunigung α_En-4 zum viertletzten Abtastzeitpunkt T_n-4 simuliert, der Schätzungsteil 35 den Rotationswinkel θ_En-3, die Winkelgeschwindigkeit ω_En-3 und die Winkelbeschleunigung α_En-3 schätzt, indem der Rotationswinkel θ_n-3 zum drittletzten Abtastzeitpunkt T_n-3 auf den Rotationswinkel θ_Sn-3 reflektiert wird, und der Prognoseteil 36 den Rotationswinkel θ_Pn durch einen linearen Extrapolationsprozess unter Verwendung der geschätzten Werte von θ_En-3, ω_En-3 und α_En-3 prognostiziert. Ergebnisse der Simulation werden in 7 gezeigt.
[VERGLEICHSBEISPIEL 1]
Das Rauschen, das in dem prognostizierten Wert des Rotationswinkels θ_Pn enthalten ist, wurde auf dieselbe Weise festgestellt wie in Beispiel 1, außer dass die Messung durchgeführt wurde. Der Rotationswinkel θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n wurde prognostiziert, indem ein linearer Extrapolationsprozess unter Verwendung der Rotationswinkel θ_n-3 ~ θ_n-5 zu drei verschiedenen Abtastzeitpunkten T_n-3 ~ T_n-5, die durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wurden, durchgeführt wurde. Ergebnisse der Simulation werden in 8 gezeigt.
[VERGLEICHSBEISPIEL 2]
Das Rauschen, das in dem prognostizierten Wert des Rotationswinkels θ_Pn enthalten ist, wurde auf dieselbe Weise festgestellt wie in Beispiel 1, außer dass der Rotationswinkel θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n durch das Durchführen eines gleitenden Mittelwerts-Filterprozesses unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeiten ω_n-3 ~ ω_n-6 prognostiziert wurde, die jeweils die erste Ableitung der Rotationswinkel θ_n-3 ~ θ_n-6 zu den vier Abtastzeitpunkten T_n-3 ~ T_n-6 sind. Ergebnisse der Simulation werden in 9 gezeigt.
Wie es deutlich aus den Ergebnissen von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 (siehe FIGS. 7~9) ersichtlich ist, wurde bestätigt, dass es durch Prognosen unter Verwendung des Rotationswinkels θ_En-3, der Winkelgeschwindigkeit ω_En-3 und der Winkelbeschleunigung α_En-3, die durch den Schätzungsteil 34 geschätzt wurden, möglich ist, extrem genau den Rotationswinkel θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n zu prognostizieren, ohne das Rauschen zu verstärken, auch wenn eine vorgegebene Menge an Rauschen in dem Rotationswinkel θ enthalten ist.
[BEISPIEL 2]
Das Rauschen, das in dem prognostizierten Wert des Rotationswinkels θ_Pn enthalten ist, wurde auf dieselbe Weise festgestellt wie in Beispiel 1. Es wurde angenommen, dass der Magnet 2 sich mit einer konstanten Beschleunigung von 2 × 10⁸ °/Sek² drehend bewegt, und das Rauschen, das in dem Rotationswinkel θ, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wurde, enthalten war, erhöhte sich mit größeren Geschwindigkeiten, wie in 10 gezeigt wird. Ergebnisse werden in 11 gezeigt.
[VERGLEICHSBEISPIEL 3]
Das Rauschen, das in dem prognostizierten Wert des Rotationswinkels θ_Pn enthalten ist, wurde auf dieselbe Weise festgestellt wie in Beispiel 2, außer dass der Rotationswinkel θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n prognostiziert wird, indem ein linearer Extrapolationsprozess unter Verwendung der Rotationswinkel θ_n-3 ~ θ_n-5 zu den drei Abtastzeitpunkten T_n-3 ~ T_n-5 durchgeführt wird, die durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wurden. Die Ergebnisse werden in 12 gezeigt.
[VERGLEICHSBEISPIEL 4]
Das Rauschen, das in dem prognostizierten Wert des Rotationswinkels θ_Pn enthalten ist, wurde auf dieselbe Weise festgestellt wie in Beispiel 2, außer dass der Rotationswinkel θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n durch das Durchführen eines gleitenden Mittelwerts-Filterprozesses unter Verwendung der Winkelbeschleunigungen α_n-3 ~ α_n-6 prognostiziert wurde, die jeweils die zweite Ableitung der Rotationswinkel θ_n-3 ~ θ_n-6 zu den vier Abtastzeitpunkten T_n-3 ~ T_n-6 sind. Die Ergebnisse der Simulation werden in 13 gezeigt.
Wie es deutlich aus den Ergebnissen von Beispiel 2, Vergleichsbeispiel 3 und Vergleichsbeispiel 4 ersichtlich ist (siehe FIG. 11~13), wurde bestätigt, dass es durch Prognosen unter Verwendung des Rotationswinkel θ_En-3, der Winkelgeschwindigkeit ω_En-3 und der Winkelbeschleunigung α_En-3, die durch den Schätzungsteil 34 geschätzt wurden, möglich ist, extrem genau zu prognostizieren, ohne das Rauschen zu verstärken, auch wenn eine vorgegebene Menge an Rauschen in dem Rotationswinkel θ enthalten ist, und ohne, dass der Prognosewert des Rotationswinkels θ_Pn zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt T_n von dem echten Wert abweicht (der Rotationswinkel θ_n, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil 33 berechnet wird).
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Erfassung des Rotationswinkels (Vorrichtung zur Positionserfassung)
2: Magnet (Magnetfeld-Erzeugungsteil)
3: Vorrichtung zur Erfassung von Magnetismus
31: Erfassungsteil
33: Berechnungsverarbeitungsteil
34: Simulationsteil
35: Schätzungsteil
36: Prognoseteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008116292 [0006]
JP 2015067498 [0044]

Claims

Vorrichtung zur Positionsprognose zum Prognostizieren einer Position zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eines kontinuierlich betriebenen, sich bewegenden Körpers (11), wobei die Vorrichtung zur Positionsprognose aufweist: einen Schätzungsteil (35), der einen geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers (11) zu einem ersten Zeitpunkt feststellt, der früher als der vorgegebene Zeitpunkt ist; und einen Positionsprognoseteil (36), der die Position des sich bewegenden Körpers (11) zu dem vorgegebenen Zeitpunkt basierend auf dem geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers (11), der durch den Schätzungsteil (35) geschätzt wurde, prognostiziert.
Vorrichtung zur Positionsprognose nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Berechnungsverarbeitungsteil (33), der den Positionszustand des sich bewegenden Körpers (11) basierend auf Signalen berechnet, die sich auf die Position des sich bewegenden Körpers (11) beziehen, die von einem Erfassungsteil (31) ausgegeben werden, der ein externes Magnetfeld eines Magnetfeld-Erzeugungsteils (2) erfasst, der in dem sich bewegenden Körper (11) bereitgestellt wird; und einen Simulationsteil (34), der einen simulierten Positionszustand des sich bewegenden Körpers (11) zu dem ersten Zeitpunkt feststellt, basierend auf dem geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers (11) zu einem zweiten Zeitpunkt, der weiter in der Vergangenheit liegt als der erste Zeitpunkt, wobei der geschätzte Positionszustand des sich bewegenden Körpers (11) zu dem zweiten Zeitpunkt durch den Schätzungsteil (35) geschätzt wird; wobei der Schätzungsteil (35) den geschätzten Positionszustand des sich bewegenden Körpers (11) zu dem ersten Zeitpunkt basierend auf dem simulierten Positionszustand, der durch den Simulationsteil (34) festgestellt wird, und dem Positionszustand des sich bewegenden Körpers (11) zu dem ersten Zeitpunkt, der von dem Berechnungsverarbeitungsteil (33) berechnet wird, feststellt.
Vorrichtung zur Positionsprognose nach Anspruch 2, wobei der Positionszustand des sich bewegenden Körpers (11) zu dem ersten Zeitpunkt der aktuellste Positionszustand der Positionszustände des sich bewegenden Körpers (11) ist, der durch den Berechnungsverarbeitungsteil (33) berechnet wurde.
Vorrichtung zur Positionsprognose nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der sich bewegende Körper (11) ein sich drehend bewegender Körper ist, der sich um eine vorgegebene Rotationsachse (C) dreht; und der Schätzungsteil (35) geschätzte Werte des Rotationswinkels, der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung (θ_E, ω_E, α_E) des sich bewegenden Körpers (11) zu dem Zeitpunkt der Positionsschätzung als den geschätzten Positionszustand feststellt.
Vorrichtung zur Positionserfassung (1), aufweisend: die Vorrichtung zur Positionsprognose nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und einen Erfassungsteil (31), der positioniert ist, um einem Magnetfeld-Erzeugungsteil (2) zugewandt zu sein, der an dem sich bewegenden Körper (11) bereitgestellt wird, und der die Position des sich bewegenden Körpers (11) erfassen kann.
Vorrichtung zur Positionserfassung (1) nach Anspruch 5, wobei der Erfassungsteil (31) ein Element mit magnetoresistiver Wirkung (R11-R14, R21-R24) umfasst.