JP2004340681A

JP2004340681A - 磁気式エンコーダの回転角度算出方法

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Publication number: JP2004340681A
Application number: JP2003136157A
Authority: JP
Inventors: Koji Kamimura; 浩司上村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP4214466B2

Abstract

【課題】磁界検出素子の選別や温度検出装置が不要で、温度変動による磁気式エンコーダの回転角度の算出誤差を低減することができる方法を提供する。
【解決手段】磁界検出素子から少なくとも２つの出力信号Ｖ_ａ、Ｖ_ｂを取得し（ＳＴ１）、振幅の正規化及び位相補正を行うための演算を実施し（ＳＴ２）、前記位相補正された出力信号を用いて、Ｒ＝（Ｖ_ａ ^２＋Ｖ_ｂ ^２）^１／２の演算を実施し（ＳＴ３）、前記演算により求めたＲ値を用いて、予め記憶しているＲ値に対する温度の比較表に基づいて温度を推定し（ＳＴ４）、前記推定した温度を用いて、予め記憶している温度に対する前記出力信号のオフセット補正値の比較表に基づいてオフセット補正値を推定し（ＳＴ５）、前記推定したオフセット補正値を前記位相補正された出力信号に加える演算を実施し（ＳＴ６）、前記推定オフセット補正値を加えた出力信号を用いて回転角度を算出する（ＳＴ７）。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、産業用ロボット、ＮＣ工作機械等に用いられるモータの回転位置を検出する磁気式エンコーダの回転角度算出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来の磁気式エンコーダであって、（ａ）はその構成図、（ｂ）は磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路のブロック図である（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
国際公開番号ＷＯ９９／１３２９６（明細書第６頁〜７頁、図１〜図２）
【０００４】
図３（ａ）において、１は回転機械、１Ａは回転機械１の回転軸、２は回転軸１Ａの端部に固定された円板状の発磁体を構成する永久磁石で、永久磁石２の表面は回転軸１Ａに垂直な一方向に磁化されている。３は永久磁石２の外周側に設けられたリング状の固定体、７は回転機械１の回転中心に対し同心円状にして設けられ、且つ、固定体３の周方向に互いに等間隔に設置された磁界検出素子であって、４個の磁界検出素子７１、７２、７３、７４から構成されている。この各磁界検出素子は、永久磁石２の外周面に対して空隙を介して対向し、且つ、互いに機械角で９０度位相をずらしてＡ_１相検出素子７１とＢ_１相検出素子７３を設け、さらにＡ_１相検出素子７１に対して機械角で１８０度位相をずらしてＡ_２相検出素子７２を、Ｂ_１相検出素子７３に対して機械角で１８０度位相をずらしてＢ_２相検出素子７４を設けている。なお、回転軸１Ａの偏心量が極めて小さい場合は、磁界検出素子７を互いに周方向に機械角で９０度位相をずらして固定されたＡ_１相検出素子７１と、Ｂ_１相検出素子７３の、２個の検出信号だけを得るようにしてもよい。
次に、磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路について説明する。
図３（ｂ）において、８は信号処理回路であって、Ａ_１相検出素子７１の出力信号Ｖ_７１とＡ_２相検出素子７２の出力信号Ｖ_７２の差動信号Ｖ_ａを出力する差動増幅器８１と、Ｂ_１相検出素子７３の出力信号Ｖ_７３とＢ_２相検出素子７４の出力信号Ｖ_７４の差動信号Ｖ_ｂを出力する差動増幅器８２と、差動信号Ｖ_ａとＶ_ｂとから
ａｒｃｔａｎ（Ｖ_ａ／Ｖ_ｂ）・・・（１）
の演算を行って回転角度を算出する角度演算回路８３とを設けている。
Ａ_１相検出素子７１とＢ_１相検出素子７３の２個の検出信号だけを用いる場合は、差動増幅器８１および差動増幅器８２は差動構成ではなく増幅器とし、Ａ_１相検出素子７１とＢ_１相検出素子７３の２個の検出信号の増幅信号Ｖ_ａとＶ_ｂとから、同様に（１）の演算および回転角度の算出が角度演算回路８３で行なわれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の磁気式エンコーダでは、磁界検出素子の出力は、感度やオフセット値の温度変動により変動していた。すなわち、永久磁石２の磁束密度や、磁界検出素子７の感度の温度変動量は、前記の信号Ｖ_ａおよびＶ_ｂに対し同じ比率で発生するため、角度演算時の式（１）において相殺される。しかしながら、磁界検出素子７のオフセット値の温度変動量は素子によりばらつきがあるため、温度変動により回転角度の算出に誤差が発生する。そこで、磁界検出素子を選別することによりオフセット値の温度変動量の低減を図っていたが、磁界検出素子の選別工程が増えるという問題があった。
さらに、温度変動によるオフセット値の変動量を、あらかじめ記憶し、温度を計測して補正することが考えられる。しかしながら、温度計測のため温度検出素子を磁界検出素子近傍に配置することは、デバイス点数が多くなるため高価になり、大型化する、配線数が増えるなどの問題があり、磁気式エンコーダの適用範囲を狭めていた。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、磁界検出素子の選別や温度検出装置を取り付けることなく、温度変動による磁気式エンコーダの回転角度の算出誤差を低減することができる磁気式エンコーダの回転角度算出方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明に係る磁気式エンコーダの回転角度算出方法は、回転機械１に固定された回転軸１Ａと、垂直方向の一方向に磁化され、前記回転軸１Ａに固定された永久磁石２と、前記永久磁石２に空隙を介して対向し、固定体３に少なくとも２つ取り付けられた磁界検出素子７と、前記磁界検出素子７から出力される信号を処理する信号処理回路を備えた磁気式エンコーダにおいて、前記磁界検出素子７から取得される少なくとも２つの出力信号Ｖ_ａ、Ｖ_ｂから振幅の正規化及び位相補正を行うための演算を実施し、前記位相補正された出力信号を用いて、Ｒ＝（Ｖ_ａ ^２＋Ｖ_ｂ ^２）^１／２の演算を実施し、前記演算により求めたＲ値を用いて、予め記憶しているＲ値に対する温度の比較表に基づいて温度を推定し、前記推定した温度を用いて、予め記憶している温度に対する前記出力信号のオフセット補正値の比較表に基づいてオフセット補正値を推定し、前記推定したオフセット補正値を前記位相補正された出力信号に加える演算を実施し、前記推定オフセット補正値を加えた出力信号を用いて回転角度を算出するようにしたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施例を示す磁気式エンコーダの角度算出に係るフローチャートである。なお、磁気式エンコーダの構成要素及び信号処理回路は前述の図３と同じである。
本発明では、はじめにステップＳＴ１にて、少なくとも２つの磁界検出素子７から温度Ｔ_０における少なくとも２つの出力信号Ｖ_ａ（Ｔ_０）、Ｖ_ｂ（Ｔ_０）を取得する。次にステップＳＴ２にて、（２）式を用いて一方の出力で振幅の正規化と（３）式を用いて位相補正を行う。
Ｖ_ａｘ＝Ｖ_ａ、Ｖ_ｂｘ＝Ｖ_ａ／Ｖ_ｂ・・・（２）
Ｖ_ａｙ＝Ｖ_ａｘ＋Ｖ_ｂｘ、Ｖ_ｂｙ＝Ｖ_ａｘ−Ｖ_ｂｘ・・・（３）
次にステップＳＴ３にて、
Ｒ（Ｔ）＝（Ｖ_ａ（Ｔ）^２＋Ｖ_ｂ（Ｔ）^２）^１／２
を用いてＲ（Ｔ_０）を算出し、ステップＳＴ４にて、予め記憶しているＲ（Ｔ）値に対する温度Ｔの比較表（表１）に基づいて温度Ｔ_０を推定する。このときＲ（Ｔ_０）に等しいＲ（Ｔ）値がない場合は、もっとも近い２つのＲ（Ｔ）値より、比例配分で推定温度Ｔｎを求めればよい。
【０００８】
【表１】

【０００９】
図２はＲ（Ｔ）値より求めた推定温度Ｔｎと計測温度Ｔとの関係を示すグラフである。図２の縦軸は推定温度Ｔｎを、横軸は計測温度Ｔを示しており、両者はほぼ等しいことがわかる。その理由は、磁界検出素子７から得られる回転角度に応じたそれぞれの正弦波信号の振幅値は、温度に対し均一な比率で変動するため、前記のそれぞれの正弦波信号のベクトルの大きさを算出することにより、温度を推定する事ができるからである。
なお、磁界検出素子が１つだけの場合は、回転機械の回転軸の位置により出力の大きさが変動するのでこのような処理は不可能である。
次にステップＳＴ５にて、前記推定した温度Ｔｎを用いて、予め記憶している温度に対する前記出力信号のオフセット補正値の比較表（表１）に基づいてオフセット補正値Ｖ_ａｏｆｆ（Ｔ_ｎ）、Ｖ_ｂｏｆｆ（Ｔ_ｎ）を推定する。
次にステップＳＴ６にて、式
Ｖ_ａｚ＝Ｖ_ａｙ（Ｔ）＋Ｖ_ａｏｆｆ（Ｔ_ｎ）
Ｖ_ｂｚ＝Ｖ_ｂｙ（Ｔ）＋Ｖ_ｂｏｆｆ（Ｔ_ｎ）
よりＶ_ａｚ、Ｖ_ｂｚを導出する。
最後にステップＳＴ７にて、前記ステップＳＴ６で求めた前記推定オフセット補正値を加えた出力信号Ｖ_ａｚ、Ｖ_ｂｚを式（１）に代入し補正された回転角度θ（Ｔ_０）を算出する。
【００１０】
補正の効果を検証するため、本発明と従来例の回転角度算出方式を用いた磁気式エンコーダを各１０ヶ準備した。表２に本発明、及び従来の実施例の絶対角度誤差の結果を示す。
【００１１】
【表２】

【００１２】
温度を室温時と８５℃、−２０℃にしたときの各々の１回転における絶対角度誤差を求めた。永久磁石には希土類磁石を用い、磁界検出素子にはＧａＡｓからなるホール素子を用いた。その結果、従来例では絶対角度誤差が最小のものでも±０．８％であったが、本発明では絶対角度誤差が最大のもので±０．０２％であり、本発明が高精度な磁気式エンコーダになりうることがわかった。
したがって、本発明の実施例に係る磁気式エンコーダの回転角度算出方法は、回転機械１に固定された回転軸１Ａと、垂直方向の一方向に磁化され、前記回転軸１Ａに固定された永久磁石２と、前記永久磁石２に空隙を介して対向し、固定体３に少なくとも２つ取り付けられた磁界検出素子７と、前記磁界検出素子７から出力される信号を処理する信号処理回路を備えた磁気式エンコーダにおいて、前記磁界検出素子７から取得される少なくとも２つの出力信号Ｖ_ａ、Ｖ_ｂから振幅の正規化及び位相補正を行うための演算を実施し、前記位相補正された出力信号を用いて、Ｒ＝（Ｖ_ａ ^２＋Ｖ_ｂ ^２）^１／２の演算を実施し、前記演算により求めたＲ値を用いて、予め記憶しているＲ値に対する温度の比較表に基づいて温度を推定し、前記推定した温度を用いて、予め記憶している温度に対する前記出力信号のオフセット補正値の比較表に基づいてオフセット補正値を推定し、前記推定したオフセット補正値を前記位相補正された出力信号に加える演算を実施し、前記推定オフセット補正値を加えた出力信号を用いて回転角度を算出するようにしているため、磁界検出素子の選別や温度検出装置を取り付けることなく、温度変動による磁気式エンコーダの回転角度の算出誤差を低減することができる。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の磁気式エンコーダの回転角度算出方法によれば、回転機械１に固定された回転軸１Ａと、垂直方向の一方向に磁化され、前記回転軸１Ａに固定された永久磁石２と、前記永久磁石２に空隙を介して対向し、固定体３に少なくとも２つ取り付けられた磁界検出素子７と、前記磁界検出素子７から出力される信号を処理する信号処理回路を備えた磁気式エンコーダにおいて、前記磁界検出素子７から取得される少なくとも２つの出力信号Ｖ_ａ、Ｖ_ｂから振幅の正規化及び位相補正を行うための演算を実施し、前記位相補正された出力信号を用いて、Ｒ＝（Ｖ_ａ ^２＋Ｖ_ｂ ^２）^１／２の演算を実施し、前記演算により求めたＲ値を用いて、予め記憶しているＲ値に対する温度の比較表に基づいて温度を推定し、前記推定した温度を用いて、予め記憶している温度に対する前記出力信号のオフセット補正値の比較表に基づいてオフセット補正値を推定し、前記推定したオフセット補正値を前記位相補正された出力信号に加える演算を実施し、前記推定オフセット補正値を加えた出力信号を用いて回転角度を算出するようにしているため、磁界検出素子の選別や温度検出装置を取り付けることなく、温度変動による磁気式エンコーダの回転角度の算出誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す磁気式エンコーダの角度算出に係るフローチャートである。
【図２】Ｒ（Ｔ）値より求めた推定温度Ｔｎと計測温度Ｔとの関係を示すグラフである。
【図３】従来の磁気式エンコーダであって、（ａ）はその構成図、（ｂ）は磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路のブロック図である。
【符号の説明】
１回転機械
１Ａ回転軸
２永久磁石
３固定体
７、７１、７２、７３、７４磁界検出素子
８信号処理回路
８１、８２差動増幅器
８３角度演算回路

Claims

回転機械に固定された回転軸と、垂直方向の一方向に磁化され、前記回転軸に固定された永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に少なくとも２つ取り付けられた磁界検出素子と、前記磁界検出素子から出力される信号を処理する信号処理回路を備えた磁気式エンコーダにおいて、
前記磁界検出素子から取得される少なくとも２つの出力信号Ｖ_ａ、Ｖ_ｂから振幅の正規化及び位相補正を行うための演算を実施し、
前記位相補正された出力信号を用いて、Ｒ＝（Ｖ_ａ ^２＋Ｖ_ｂ ^２）^１／２の演算を実施し、
前記演算により求めたＲ値を用いて、予め記憶しているＲ値に対する温度の比較表に基づいて温度を推定し、
前記推定した温度を用いて、予め記憶している温度に対する前記出力信号のオフセット補正値の比較表に基づいてオフセット補正値を推定し、
前記推定したオフセット補正値を前記位相補正された出力信号に加える演算を実施し、
前記推定オフセット補正値を加えた出力信号を用いて回転角度を算出するようにしたことを特徴とする磁気式エンコーダの回転角度算出方法。