JP2005043228A - Digital angle measurement system - Google Patents

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Shigeki Okatake
茂樹 岡武
Masanobu Sato
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve high-precision angular resolution and high angular precision without using an expensive analog to digital converter. <P>SOLUTION: By controlling each amplitude to be supplied to analog to digital converters 8, 9 so as to be constant, each resolution of the converters 8, 9 necessary for making their errors within their permissible values can be made larger. Accordingly, the errors of the converters 8, 9 can be corrected, and a circuit can be miniaturized. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、デジタル角度測定システムに関し、より詳細には、複数個の磁気センサを用い、その出力同士を演算することにより、磁気センサの位置に関する情報を出力するデジタル角度測定システムであって、回路の小型化が可能で、且つ高精度な測定が可能なデジタル角度測定システムに関する。   The present invention relates to a digital angle measurement system, and more specifically, a digital angle measurement system that outputs information about the position of a magnetic sensor by using a plurality of magnetic sensors and calculating their outputs. The present invention relates to a digital angle measurement system that can be miniaturized and can perform highly accurate measurement.

図1は、従来のデジタル角度測定装置としての回転角度センサーの動作原理を説明する図であって、回転体の回転にあわせて磁石から発生する磁場が回転し、回転体の回転中心に対して、2つの磁気センサーがなす角度が90度であるとき、2つの磁気センサーが出力する信号(Vx, Vy)と、回転体の回転角度(矢印で示す)との間の関係を示したものである。2つの磁気センサーがなす角度は必ずしも90度でなくてもよいが、ここでは一つの好適な例として、2つの磁気センサーがなす角度が90度の場合について説明する。図2は回転体の回転角度に対して信号(Vx, Vy)が変化する様子を示したものである。図2に示したのは、磁場の回転中心が回転体の回転中心と一致しており、なおかつ磁石の着磁にずれがない理想的な場合の磁気センサー出力信号である。この場合、2つの磁気センサーの出力信号は互いに位相が90度ずれた正弦波となる(例えば、特許文献1参照)。   FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of operation of a rotation angle sensor as a conventional digital angle measuring device, in which a magnetic field generated from a magnet rotates in accordance with the rotation of a rotating body, with respect to the rotation center of the rotating body. When the angle formed by the two magnetic sensors is 90 degrees, the relationship between the signals (Vx, Vy) output by the two magnetic sensors and the rotation angle (indicated by the arrows) of the rotating body is shown. is there. The angle formed by the two magnetic sensors may not necessarily be 90 degrees, but here, as one preferred example, a case where the angle formed by the two magnetic sensors is 90 degrees will be described. FIG. 2 shows how the signals (Vx, Vy) change with respect to the rotation angle of the rotating body. FIG. 2 shows an output signal of the magnetic sensor in an ideal case where the rotation center of the magnetic field coincides with the rotation center of the rotating body and there is no deviation in the magnetization of the magnet. In this case, the output signals of the two magnetic sensors are sine waves whose phases are shifted from each other by 90 degrees (see, for example, Patent Document 1).

特開昭54−18768号公報JP-A-54-18768

実際に回転角度センサーを製造する場合、組み立て時の誤差のため磁場の回転中心が回転体の回転中心からずれてしまう。また磁石についても着磁ずれがあり、2つの磁気センサーは磁場に対する感度が揃っていない。図3はこうした組み立て誤差、磁石の着磁ずれ、磁気センサー感度のばらつき等があるときに、2つの磁気センサーから出力される信号の一例である。この場合、磁気センサーからの出力信号を、互いに90度位相がずれた正弦波とみなして回転角度を計算する限り、検出された回転角度は無視できない誤差を含むことになる。上記の誤差を防ぐためには、回転角度センサーの組み立て工程においては高精度の組み立て加工技術を利用する必要があり、使用する磁石については着磁ずれが無い磁石を利用する必要があり、磁気センサーについては2つの磁気センサーの感度が揃う様、予め選別された磁気センサーを使用する必要がある。その結果として、回転角度センサーの製造コストを下げることは困難になる。   When the rotation angle sensor is actually manufactured, the rotation center of the magnetic field is shifted from the rotation center of the rotating body due to an error during assembly. Magnets are also misaligned, and the two magnetic sensors do not have the same sensitivity to magnetic fields. FIG. 3 shows an example of signals output from two magnetic sensors when there is such an assembly error, magnet magnetization deviation, magnetic sensor sensitivity variation, and the like. In this case, as long as the output angle from the magnetic sensor is regarded as a sine wave whose phases are shifted by 90 degrees and the rotation angle is calculated, the detected rotation angle includes an error that cannot be ignored. In order to prevent the above errors, it is necessary to use high-precision assembly technology in the assembly process of the rotation angle sensor, and it is necessary to use a magnet with no magnetization deviation for the magnet to be used. Must use a pre-screened magnetic sensor so that the two magnetic sensors have the same sensitivity. As a result, it is difficult to reduce the manufacturing cost of the rotation angle sensor.

そこで本発明の目的は、以上のような問題を解消し、回転角度センサーを製造する上での上記の各種誤差要因による影響を較正することができるデジタル角度測定システムを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a digital angle measurement system that can solve the above-described problems and can calibrate the influence of the above-described various error factors in manufacturing a rotation angle sensor.

請求項1の発明は、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力し、磁束の検出方向を表す感磁軸同士が所定角度を保持している少なくとも2個の磁気センサーと、前記少なくとも2個の磁気センサーの各出力値の間の関係に対応した前記磁界に対する前記磁気センサーの回転角変位データを記憶した記憶手段と、前記少なくとも2個の磁気センサーの出力信号の振幅を一定範囲内に制御する自動利得制御手段と、前記自動利得制御手段によって振幅が制御された前記少なくとも2個の磁気センサーの出力信号をデジタルデータに変換するAD変換手段と、前記AD変換手段からのデジタルデータに基づいて前記少なくとも2個の磁気センサーの各出力値の間の関係に対応する前記記憶手段内の回転角変位データを抽出して出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。   The invention according to claim 1 outputs at least a value corresponding to the rotational angular displacement from the reference position in the magnetic field, and at least two magnetic sensors in which the magnetosensitive axes representing the magnetic flux detection directions hold a predetermined angle; Storage means for storing rotational angular displacement data of the magnetic sensor with respect to the magnetic field corresponding to a relationship between the output values of the at least two magnetic sensors, and amplitudes of output signals of the at least two magnetic sensors. Automatic gain control means for controlling within a certain range, AD conversion means for converting the output signals of the at least two magnetic sensors whose amplitudes are controlled by the automatic gain control means into digital data, and from the AD conversion means Based on the digital data, rotational angular displacement data in the storage means corresponding to the relationship between the output values of the at least two magnetic sensors is extracted and output. Characterized by comprising an output means for.

請求項2の発明は、請求項1において、前記自動利得制御回路は、前記AD変換器からの前記磁気センサーの出力信号の二乗和のデータに基づいて、前記制御を実行することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the automatic gain control circuit executes the control based on data of a sum of squares of an output signal of the magnetic sensor from the AD converter. .

請求項3の発明は、請求項1において、前記記憶手段に記憶された回転角変位データは、前記少なくとも2個の磁気センサーの感磁軸同士がなす角度の実測値と前記所定角度とのずれを補償する値であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the rotational angle displacement data stored in the storage means is a deviation between the measured value of the angle formed by the magnetosensitive axes of the at least two magnetic sensors and the predetermined angle. It is a value which compensates.

請求項4の発明は、請求項1において、前記記憶手段に記憶された回転角変位データは、前記少なくとも2個の磁気センサーからの出力値に基づいて求められた値であることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the rotational angular displacement data stored in the storage means is a value obtained based on output values from the at least two magnetic sensors. .

請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれかにおいて、前記少なくとも2個の磁気センサーの感磁軸同士が保持している所定角度は、ほぼ直角であることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the predetermined angle held by the magnetosensitive axes of the at least two magnetic sensors is substantially a right angle.

請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれかにおいて、前記少なくとも2個の磁気センサーは、相対的に回転運動をする固定部及び移動部のいずれか一方に取り付けられ、他方には磁石または周囲の磁界を変化させる磁性体が取り付けられていることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, the at least two magnetic sensors are attached to one of a fixed portion and a moving portion that relatively rotate, and the other is a magnet. Or the magnetic body which changes the surrounding magnetic field is attached, It is characterized by the above-mentioned.

請求項7の発明は、請求項1〜6のいずれかにおいて、前記出力手段は、前記記憶手段から少なくとも2つの前記回転角変位データを抽出し、該抽出された少なくとも2つの回転角変位データ間を補完することを特徴とする。   A seventh aspect of the present invention provides the method according to any one of the first to sixth aspects, wherein the output unit extracts at least two rotation angle displacement data from the storage unit, and the at least two rotation angle displacement data are extracted. It is characterized by complementing.

本発明のデジタル角度測定システムにおいては、高価なAD変換器を用いることなく高精度な角度分解能、角度精度を達成することができる。   In the digital angle measurement system of the present invention, highly accurate angle resolution and angle accuracy can be achieved without using an expensive AD converter.

図4は、2つの磁気センサの配置の一例を示す図で、(a)は斜視図、(b)は正面図である。図4において、白抜き矢印は、磁石401とヨークが回転可能な方向を示す。支持部材400は磁石401が生成する磁界の内部に固定されている。101、111は磁気センサ(ホール素子)であり、互いに直交する磁界を測定し、その各々が検出する磁束の方向を表す軸(以下、「感磁軸」という)同士が直交するように支持部材400に取り付けられている。   4A and 4B are diagrams showing an example of the arrangement of two magnetic sensors, where FIG. 4A is a perspective view and FIG. 4B is a front view. In FIG. 4, a white arrow indicates a direction in which the magnet 401 and the yoke can rotate. The support member 400 is fixed inside the magnetic field generated by the magnet 401. Reference numerals 101 and 111 denote magnetic sensors (Hall elements), which measure magnetic fields orthogonal to each other, and support members so that axes indicating the directions of magnetic flux detected by each of the magnetic sensors (hereinafter referred to as “magnetic sensitive axes”) are orthogonal to each other. 400 is attached.

なお、本発明を適用したデジタル角度測定システムは、磁気センサが相対的に回転運動をする固定部及び移動部のいずれか一方に取り付けられ、他方に磁石または周囲の磁界を変化させる磁性体が取り付けられることにより、実用に供することが可能となる。従って、図4に示す例では、磁界を回転可能とし、この磁界の内部で固定された部材に取り付けられている磁気センサの例を示しているが、これとは逆に、磁石を固定しておき、その磁界の内部で回転可能な支持部材に磁気センサを取り付けることとしてもよい。   In the digital angle measurement system to which the present invention is applied, a magnetic sensor is attached to one of a fixed part and a moving part that relatively rotate, and a magnet or a magnetic body that changes a surrounding magnetic field is attached to the other. As a result, it can be put to practical use. Therefore, the example shown in FIG. 4 shows an example of a magnetic sensor that can rotate a magnetic field and is attached to a member fixed inside the magnetic field. On the contrary, a magnet is fixed. Alternatively, a magnetic sensor may be attached to a support member that can rotate within the magnetic field.

図5は、本発明を適用した回転角度センサー(IC構造)の一例を示す。回転角度センサー1は、2つの磁気センサー(ホール素子)101,111の出力信号(ホール起電力信号)を入力し、入力された信号を後述するように処理してデジタル角度測定データを出力する。13は外部の回転角度センサー較正装置であって、例えば、コンピュータシステムによって構成することができる。回転角度センサー1においては、2つの磁気センサー101,111からの出力信号がチョッパースイッチ2,3に入力される。チョッパースイッチ2.3は磁気センサー(ホール素子)が持つオフセットを除去する目的で使用され、磁気センサーを電気的に駆動する方向を縦方向と横方向の間で切り替える。チョッパースイッチ2,3の作用により磁気センサー101,111からの出力信号(ホール起電力信号)は、チョッパースイッチを動作させるAC周波数で変調される。変調されたホール起電力信号は可変増幅器4,5で信号増幅された後、チョッパー復調器6,7において復調されて、AD変換器8,9に入力される。   FIG. 5 shows an example of a rotation angle sensor (IC structure) to which the present invention is applied. The rotation angle sensor 1 receives the output signals (Hall electromotive force signals) of the two magnetic sensors (Hall elements) 101 and 111, processes the input signals as described later, and outputs digital angle measurement data. Reference numeral 13 denotes an external rotation angle sensor calibration device, which can be configured by a computer system, for example. In the rotation angle sensor 1, output signals from the two magnetic sensors 101 and 111 are input to the chopper switches 2 and 3. The chopper switch 2.3 is used for the purpose of removing the offset of the magnetic sensor (Hall element), and switches the direction in which the magnetic sensor is electrically driven between the vertical direction and the horizontal direction. Due to the action of the chopper switches 2 and 3, the output signals (Hall electromotive force signals) from the magnetic sensors 101 and 111 are modulated at an AC frequency for operating the chopper switch. The modulated Hall electromotive force signal is amplified by variable amplifiers 4 and 5, demodulated by chopper demodulators 6 and 7, and input to AD converters 8 and 9.

AD変換器8,9の出力は、回転角度センサー較正装置13と、振幅計算増幅率制御回路10と、回転角度計算デジタル回路11とに供給される。回転角度計算デジタル回路11は、AD変換器8,9からの出力データを、不揮発性メモリ12内の角度計算テーブル(詳細は後述)を参照して較正済みの回転角度検出データーに変換し、出力する。   Outputs of the AD converters 8 and 9 are supplied to the rotation angle sensor calibration device 13, the amplitude calculation gain control circuit 10, and the rotation angle calculation digital circuit 11. The rotation angle calculation digital circuit 11 converts the output data from the AD converters 8 and 9 into calibrated rotation angle detection data with reference to an angle calculation table (details will be described later) in the nonvolatile memory 12 and outputs the data. To do.

回転角度センサー較正装置13、振幅計算増幅率制御回路10の動作等は後述する。   The operations of the rotation angle sensor calibration device 13 and the amplitude calculation gain control circuit 10 will be described later.

図6に本発明の回転角度センサーに対する較正手順のフローを示す。   FIG. 6 shows a flow of a calibration procedure for the rotation angle sensor of the present invention.

この手順は、S1〜S7からなり、以下に詳細を順次説明する。まず、例えば、図4に示す如き磁石と、磁気センサーと、回転角度計算信号処理を行う図5に示す如きICからなる回転角度センサーを組み立てて、回転体に取り付ける工程が終了した後(図6、S1)、回転角度センサーを較正する目的で回転体を回転させる(図6、S2)。この時の回転範囲は、回転角度センサーの所定の回転範囲を含んだ範囲にとる。   This procedure consists of S1 to S7, and details will be sequentially described below. First, for example, after assembling the rotation angle sensor including the magnet, the magnetic sensor, and the IC as shown in FIG. 5 for performing the rotation angle calculation signal processing as shown in FIG. , S1), the rotating body is rotated for the purpose of calibrating the rotation angle sensor (FIG. 6, S2). The rotation range at this time is a range including a predetermined rotation range of the rotation angle sensor.

前記の回転操作の間に、回転角度が所定の回転角度ステップサイズθSTEPの整数倍のところで回転角度センサーのなかでAD変換された磁気センサー出力信号(Vx(n), Vy(n))を回転角度センサー較正装置13に読み出す。   During the rotation operation, the magnetic sensor output signals (Vx (n), Vy (n)) converted by the AD are rotated in the rotation angle sensor when the rotation angle is an integral multiple of the predetermined rotation angle step size θSTEP. Read out to the angle sensor calibration device 13.

回転角度センサー較正装置13では、測定された(Vx(n), Vy(n))について次のように象限分割を行って、各象限においてテーブルデータを計算する。その結果、回転角度センサーの回転範囲が360°の場合には4つの象限に対応して4つのテーブルが作成される(図6、S5)。   The rotation angle sensor calibration device 13 performs quadrant division on the measured (Vx (n), Vy (n)) as follows, and calculates table data in each quadrant. As a result, when the rotation range of the rotation angle sensor is 360 °, four tables are created corresponding to the four quadrants (FIG. 6, S5).

Figure 2005043228
Figure 2005043228

ここで、磁気センサーのオフセット、磁気センサー出力信号をAD変換するまでの一連の信号処理回路のオフセットが予めわかっているときには、表 1の象限判定条件、テーブルデータ計算式を変更して、次の表 2のようにテーブルデータを作成してもよい。   Here, when the offset of the magnetic sensor and the offset of a series of signal processing circuits until the AD conversion of the magnetic sensor output signal is known in advance, change the quadrant judgment conditions and the table data calculation formula in Table 1 to Table data may be created as shown in Table 2.

Figure 2005043228
Figure 2005043228

回転角度センサー較正装置13において、テーブルデータの計算が完了した後、回転角度センサー較正装置13から回転角度センサーに内蔵された不揮発性メモリ12にテーブルデータが書き込まれる(図6、S6)。   After the calculation of the table data is completed in the rotation angle sensor calibration device 13, the table data is written from the rotation angle sensor calibration device 13 to the nonvolatile memory 12 built in the rotation angle sensor (FIG. 6, S6).

以上のように、測定された(Vx(n), Vy(n))をもとにしてテーブルデータQ(n)を計算することにより、Q(n)の絶対値をすべて1以下にすることが出来る。   As described above, by calculating the table data Q (n) based on the measured (Vx (n), Vy (n)), all the absolute values of Q (n) should be 1 or less. I can do it.

表1および表2で与えられるテーブルデータの定義では、象限番号の2,4におけるQ(n)の符号を反転している。このように象限2,4における符号の反転を行わないで作成した場合のテーブルデータを図7に示す。   In the definition of the table data given in Tables 1 and 2, the sign of Q (n) in quadrant numbers 2 and 4 is inverted. FIG. 7 shows the table data in the case where the table is created without reversing the sign in the quadrants 2 and 4 as described above.

図7を見てわかるように、この場合、象限1,3においてはテーブルデータが回転角度に対して単調増加となり、象限2,4においてはテーブルデータが回転角度に対して単調減少となる。このように象限によって、テーブルデータが単調増加であったり、単調減少であったりすると、回転角度センサー内部の回転角度計算デジタル回路11が不揮発性メモリ12に記憶されたテーブルデータを参照する上で比較操作が複雑になり、その結果としてデジタル回路11の規模が大きくなる。   As can be seen from FIG. 7, in this case, the table data monotonically increases with respect to the rotation angle in the quadrants 1 and 3, and the table data monotonously decreases with respect to the rotation angle in the quadrants 2 and 4. Thus, when the table data monotonously increases or decreases monotonically depending on the quadrant, the rotation angle calculation digital circuit 11 in the rotation angle sensor compares the table data stored in the nonvolatile memory 12 with reference to the table data. The operation becomes complicated, and as a result, the scale of the digital circuit 11 increases.

本発明においては、表1、表2に示したように象限2,4においてQ(n)の符号を反転しているため、図8に示すように各象限に対応したテーブルの内部は全て単調増加関数となる。   In the present invention, since the sign of Q (n) is inverted in quadrants 2 and 4 as shown in Tables 1 and 2, the interior of the table corresponding to each quadrant as shown in FIG. Increase function.

ついで、本発明の較正手順により、較正が完了した回転角度センサーにおいて、2つの磁気センサーからの出力信号をもとに回転角度を計算する方法について説明する(図6、S7)。   Next, a method of calculating the rotation angle based on the output signals from the two magnetic sensors in the rotation angle sensor that has been calibrated by the calibration procedure of the present invention will be described (S7 in FIG. 6).

AD変換されたホール起電力信号のX,Y成分から予め測定されており不揮発性メモリ12に記憶されているオフセット値を引き算する。   The offset value that is measured in advance from the X and Y components of the Hall electromotive force signal that has been AD converted and stored in the nonvolatile memory 12 is subtracted.

Figure 2005043228
Figure 2005043228

X,Y成分の絶対値の大小関係に基づいて商Q = Y/Xを計算するか商Q = X/Yを計算するか判定する。   Whether the quotient Q = Y / X or the quotient Q = X / Y is calculated is determined based on the magnitude relationship between the absolute values of the X and Y components.

Figure 2005043228
Figure 2005043228

Vx, Vyの符号と絶対値の大小関係をもとに4象限のうちから対応する象限を選択する。各象限のなかでは一定の角度θSTEPごとにQの値が記憶されている。選択された象限について テーブルを参照して下記の関係を満たすQ1, Q2を見つける。ここで2つの商の値Qn, Qn-1には角度の値θn、θn-1がそれぞれ対応している。   The corresponding quadrant is selected from the four quadrants based on the magnitude relationship between the sign of Vx and Vy and the absolute value. Within each quadrant, a Q value is stored for each constant angle θSTEP. For the selected quadrant, refer to the table and find Q1 and Q2 that satisfy the following relationship. Here, the angle values θn and θn−1 correspond to the two quotient values Qn and Qn−1, respectively.

Figure 2005043228
Figure 2005043228

テーブル参照の結果得られたQ1, Q2をもとに線形補間により角度θを計算する。線型補間の様子を図9に示す。このとき選択された象限の始まりの角度θQUADを加算する。   The angle θ is calculated by linear interpolation based on Q1 and Q2 obtained as a result of the table reference. The state of linear interpolation is shown in FIG. At this time, the angle θQUAD at the start of the selected quadrant is added.

Figure 2005043228
Figure 2005043228

一定の角度間隔で測定されたVx,Vyの比を不揮発性メモリぬふに記憶させる方法においては、象限切り替えの発生する角度で必ずしも|Vx|=|Vy|(tanθ=cotθ)とならない。そこで図10に示すように象限領域の境界においては各象限領域のテーブルを隣の象限領域に延長することによって|Vx|=|Vy|となる角度位置まで線形補間による角度計算を可能にしている。   In the method of storing the ratio of Vx and Vy measured at a constant angular interval in the nonvolatile memory device, | Vx | = | Vy | (tan θ = cot θ) is not necessarily obtained at the angle at which quadrant switching occurs. Therefore, as shown in FIG. 10, by extending the table of each quadrant area to the adjacent quadrant area at the boundary of the quadrant area, it is possible to perform angle calculation by linear interpolation up to an angular position where | Vx | = | Vy |. .

本発明は、以上に説明した回転角度の計算方式を用いて角度分解能が0.1度を上回る高精度回転角度センサーを実現した。以下、その構成について説明する。   The present invention has realized a high-accuracy rotational angle sensor having an angular resolution exceeding 0.1 degrees by using the rotational angle calculation method described above. Hereinafter, the configuration will be described.

回転角度の計算方式を用いて角度分解能が0.1度を上回る高精度回転角度センサーを実現する場合、AD変換器のビット数は10ビット以上の高精度なものが必要となる。一般に半導体集積回路においてビット数が10ビット以上のAD変換器を実現する場合、AD変換器の積分非直線性誤差(INL)が0.5LSB以下にするための方法として、半導体製造後に固体差を較正する手段を用意する方法、AD変換器に自己較正機能を持たせる方法、オーバーサンプリングを用いたΔΣ方式を利用する方法などが用いられる。こうした方法によってAD変換器のINLを抑制することは可能であるが、こうした方法ではAD変換器のコスト増になり、その結果として高精度AD変換器を使用した回転角度センサーを安価に製造することが困難になる。(MR素子を使用した回転角度センサーである、フィリップス社製KMZ41,UZZ9000においては128倍オーバーサンプリングΔΣ方式の14ビットAD変換器が用いられている。)   In order to realize a high-precision rotation angle sensor with an angular resolution exceeding 0.1 degrees using the rotation angle calculation method, the AD converter needs to have a high precision of 10 bits or more. Generally, when realizing an AD converter with 10 or more bits in a semiconductor integrated circuit, the solid-state difference is calibrated after the semiconductor is manufactured as a method to make the AD converter's integral nonlinearity error (INL) less than 0.5LSB. For example, a method of preparing a means for performing the above, a method of providing an AD converter with a self-calibration function, a method of using a ΔΣ method using oversampling, and the like are used. Although it is possible to suppress the INL of the AD converter by such a method, this method increases the cost of the AD converter, and as a result, inexpensively manufactures a rotation angle sensor using a high-precision AD converter. Becomes difficult. (The Philips KMZ41 and UZZ9000, which are rotational angle sensors using MR elements, use a 128-bit oversampling ΔΣ 14-bit AD converter.)

本発明においては、先に説明した回転角度計算方法において高ビット数のAD変換器を用意することによるコスト増を回避しながらも、高精度の回転角度検出を実現する。   In the present invention, highly accurate rotation angle detection is realized while avoiding an increase in cost due to the preparation of a high-bit AD converter in the rotation angle calculation method described above.

先に説明した回転角度計算方式において、AD変換器のINL誤差が角度検出精度に与える影響を見るために行ったコンピューターシミュレーションの結果を以下に示す。このコンピューターシミュレーションにおいては、図11に示したINL特性を持つ12ビットのAD変換器を仮定した。またこのコンピューターシミュレーションにおいて、回転角度センサーの較正(角度計算テーブルの作成)は、信号増幅された磁気センサーの振幅がAD変換器入力信号レベルフルスケールの70%になるところで行った。   In the rotation angle calculation method described above, the results of a computer simulation performed to see the effect of the INL error of the AD converter on the angle detection accuracy are shown below. In this computer simulation, a 12-bit AD converter having the INL characteristic shown in FIG. 11 was assumed. In this computer simulation, the rotation angle sensor was calibrated (an angle calculation table was created) when the amplitude of the signal-amplified magnetic sensor was 70% of the AD converter input signal level full scale.

上記のAD変換器INL誤差モデルを用いて、回転角度検出性能をコンピュータシミュレーションする際、回転角度の計算は360度範囲を128点に分割して得られるテーブルデータを用いた。この場合、テーブルデータのステップ幅QSTEPは、2.8125°(360°/128)となる。 When the rotation angle detection performance was computer simulated using the above AD converter INL error model, the rotation angle was calculated using table data obtained by dividing the 360 degree range into 128 points. In this case, the step width Q STEP of the table data is 2.8125 ° (360 ° / 128).

図12は信号増幅後の磁気センサー出力信号レベルがAD変換器フルスケールレベルの70%の時の回転角度検出誤差をコンピューターシミュレーションした結果である。この結果から判るように、回転角度検出時にAD変換器に入力される磁気センサー出力信号レベルが較正を行ったときと同じレベルにある限りは、AD変換器が持つINL誤差は不揮発性メモリに記憶された角度計算テーブルによって補正されてしまう。その結果としてAD変換器が持つINL誤差は回転角度検出精度に影響しない。   FIG. 12 shows the result of computer simulation of the rotation angle detection error when the magnetic sensor output signal level after signal amplification is 70% of the AD converter full scale level. As can be seen from this result, the INL error of the AD converter is stored in the nonvolatile memory as long as the magnetic sensor output signal level input to the AD converter at the time of rotation angle detection is the same level as when calibration was performed. Is corrected by the calculated angle calculation table. As a result, the INL error of the AD converter does not affect the rotation angle detection accuracy.

図13、図14に示した回転角度検出誤差のシミュレーション結果は、AD変換器に入力される磁気センサー出力信号レベルがそれぞれ60%と50%に減衰したときのものである。こうした磁気センサー出力レベルの減衰は、温度の上昇にともなって磁気センサーの磁場感度が低下することや磁石の磁力が低下することにより現実に発生する。図15はAD変換器に入力される磁気センサー出力信号レベルがAD変換器フルスケールレベルの90%になったときのシミュレーション結果であり、磁気センサー出力レベルが較正を実施したときのレベルと比較して増大した場合にも、AD変換器のINL誤差の影響が回転角度検出精度が低下することがわかる。   The simulation results of the rotation angle detection error shown in FIGS. 13 and 14 are obtained when the magnetic sensor output signal level input to the AD converter is attenuated to 60% and 50%, respectively. Such attenuation of the output level of the magnetic sensor actually occurs as the magnetic field sensitivity of the magnetic sensor decreases and the magnetic force of the magnet decreases as the temperature increases. FIG. 15 is a simulation result when the magnetic sensor output signal level input to the AD converter becomes 90% of the AD converter full-scale level, and is compared with the level when the magnetic sensor output level is calibrated. It can be seen that the rotational angle detection accuracy decreases due to the influence of the INL error of the AD converter.

そこで本発明においては、図5に示すように、可変増幅器4,5の利得を、振幅計算増幅率制御回路10によって、AD変換器から出力されるX,Y成分のホール起電力信号をもとに計算した振幅レベルが一定範囲内になるように制御する。これによって、AD変換器8,9に入力される磁気センサー出力信号レベルを温度変化によらず一定範囲内にすることができ、図13、図14、図15のコンピューターシミュレーション結果に見られるような回転角度検出誤差を解消することができる。   Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 5, the gains of the variable amplifiers 4 and 5 are determined based on the Hall electromotive force signals of the X and Y components output from the AD converter by the amplitude calculation amplification factor control circuit 10. Control is performed so that the amplitude level calculated in the above is within a certain range. As a result, the magnetic sensor output signal level input to the AD converters 8 and 9 can be kept within a certain range regardless of the temperature change, as shown in the computer simulation results of FIGS. The rotation angle detection error can be eliminated.

図16は、回転角度センサーの別の例を示したものであって、2つの磁気センサー101,111の出力を時分割処理するものである。すなわち、2つの磁気センサー101,111の出力を2つのチョッパースイッチ2,3に入力し、2つのチョッパースイッチ2,3の出力をX,Y切替スイッチ14で切替えて交互に出力する。この出力信号を処理してデジタル回路11からセンサー出力を得るまでの処理は、図5のそれと同様であるが、各処理は1つの可変増幅器15、1つのチョッパー復調器16、1つのAD変換器17を使用して行われ、回転角度センサー較正装置13、回転角度計算デジタル回路11、および振幅計算増幅率制御回路10に供給される。   FIG. 16 shows another example of the rotation angle sensor, in which the outputs of the two magnetic sensors 101 and 111 are time-division processed. That is, the outputs of the two magnetic sensors 101 and 111 are input to the two chopper switches 2 and 3, and the outputs of the two chopper switches 2 and 3 are switched by the X and Y changeover switches 14 and alternately output. The processing from processing this output signal to obtaining the sensor output from the digital circuit 11 is the same as that of FIG. 5, but each processing is one variable amplifier 15, one chopper demodulator 16, one AD converter. 17 is supplied to the rotation angle sensor calibration device 13, the rotation angle calculation digital circuit 11, and the amplitude calculation gain control circuit 10.

以上のような自動利得制御のためにホール起電力信号の振幅(X,Y成分の2乗和)を計算する必要があるが、ホール起電力信号の振幅を計算することは、回転角度センサーの故障をセンサー自身が自己診断するうえでも有用な操作であるため、本発明の自動利得制御を実現することにより回転角度センサーICの回路規模を増大させることにはならない。   For the automatic gain control as described above, it is necessary to calculate the amplitude of the Hall electromotive force signal (the sum of squares of X and Y components), but calculating the amplitude of the Hall electromotive force signal is Since this is a useful operation for self-diagnosis of a failure by the sensor itself, the circuit scale of the rotation angle sensor IC is not increased by realizing the automatic gain control of the present invention.

このようにAD変換器に入力される信号レベルを一定値に保つ自動利得制御を使用することにより、本発明の回転角度センサーにおいて使用されるAD変換器には単調性だけを要求すればよいことになり、AD変換器の自己較正回路、または、レーザトリミング調整工程などが不要となる。したがって本発明の回転角度センサーにおいては、高価なAD変換器を用いることなく高精度な角度分解能、角度精度を達成することができる。   In this way, by using automatic gain control that keeps the signal level input to the AD converter at a constant value, the AD converter used in the rotation angle sensor of the present invention only needs to be monotonous. Thus, the self-calibration circuit of the AD converter or the laser trimming adjustment process is not necessary. Therefore, in the rotation angle sensor of the present invention, highly accurate angle resolution and angle accuracy can be achieved without using an expensive AD converter.

従来のデジタル角度測定装置としての回転角度センサーの動作原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of operation of the rotation angle sensor as the conventional digital angle measuring device. 回転体の回転角度に対して信号(Vx, Vy)が変化する様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that signal (Vx, Vy) changed with respect to the rotation angle of a rotary body. 2つの磁気センサーから出力される信号の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the signal output from two magnetic sensors. 2つの磁気センサの配置の一例を示す図で、(a)は斜視図、(b)は正面図である。It is a figure which shows an example of arrangement | positioning of two magnetic sensors, (a) is a perspective view, (b) is a front view. 本発明にかかる回転角度センサーの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the rotation angle sensor concerning this invention. 本発明の回転角度センサーに対する較正手順のフローを示す図である。It is a figure which shows the flow of the calibration procedure with respect to the rotation angle sensor of this invention. 象限2,4における符号の反転を行わないで作成した場合のテーブルデータを示す図である。It is a figure which shows the table data at the time of producing without performing inversion of the code | symbol in quadrants 2 and 4. 象限2,4における符号を反転して作成した場合のテーブルデータを示す図である。It is a figure which shows the table data at the time of creating by inverting the sign in quadrants 2 and 4. 線形補間の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of linear interpolation. 象限領域の境界における線形補間の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the linear interpolation in the boundary of a quadrant area | region. シミュレーションにおいて用いられた12ビットAD変換器のINLモデルを示す図であるIt is a figure which shows the INL model of the 12-bit AD converter used in the simulation 振幅がフルスケールの70%の時の角度検出誤差を示す図である。It is a figure which shows the angle detection error when an amplitude is 70% of full scale. 振幅がフルスケールの60%の時の角度検出誤差を示す図である。It is a figure which shows the angle detection error when an amplitude is 60% of full scale. 振幅がフルスケールの50%の時の角度検出誤差を示す図である。It is a figure which shows the angle detection error when an amplitude is 50% of full scale. 振幅がフルスケールの90%の時の角度検出誤差を示す図である。It is a figure which shows the angle detection error when an amplitude is 90% of full scale. 本発明にかかる回転角度センサーの他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the rotation angle sensor concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 回転角度センサー
2,3 チョッパースイッチ
4,5 可変増幅器
6,7 チョッパー復調器
8,9 AD変換器
10 振幅計算増幅率制御回路
12 不揮発性メモリ
13 回転角度センサー較正回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotation angle sensor 2, 3 Chopper switch 4, 5 Variable amplifier 6, 7 Chopper demodulator 8, 9 AD converter 10 Amplitude calculation gain control circuit 12 Non-volatile memory 13 Rotation angle sensor calibration circuit

Claims (7)

磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力し、磁束の検出方向を表す感磁軸同士が所定角度を保持している少なくとも2個の磁気センサーと、
前記少なくとも2個の磁気センサーの各出力値の間の関係に対応した前記磁界に対する前記磁気センサーの回転角変位データを記憶した記憶手段と、
前記少なくとも2個の磁気センサーの出力信号の振幅を一定範囲内に制御する自動利得制御手段と、
前記自動利得制御手段によって振幅が制御された前記少なくとも2個の磁気センサーの出力信号をデジタルデータに変換するAD変換手段と、
前記AD変換手段からのデジタルデータに基づいて前記少なくとも2個の磁気センサーの各出力値の間の関係に対応する前記記憶手段内の回転角変位データを抽出して出力する出力手段と
を備えたことを特徴とするデジタル角度測定システム。
A value corresponding to the rotational angular displacement from the reference position in the magnetic field, and at least two magnetic sensors in which the magnetosensitive axes representing the magnetic flux detection direction hold a predetermined angle;
Storage means for storing rotational angular displacement data of the magnetic sensor with respect to the magnetic field corresponding to the relationship between the output values of the at least two magnetic sensors;
Automatic gain control means for controlling the amplitude of output signals of the at least two magnetic sensors within a certain range;
AD conversion means for converting output signals of the at least two magnetic sensors whose amplitudes are controlled by the automatic gain control means into digital data;
Output means for extracting and outputting rotational angular displacement data in the storage means corresponding to the relationship between the output values of the at least two magnetic sensors based on the digital data from the AD conversion means. A digital angle measurement system characterized by that.
前記自動利得制御回路は、前記AD変換器からの前記磁気センサーの出力信号の二乗和のデータに基づいて、前記制御を実行することを特徴とする請求項1に記載のデジタル角度測定システム。   2. The digital angle measurement system according to claim 1, wherein the automatic gain control circuit executes the control based on data of a square sum of an output signal of the magnetic sensor from the AD converter. 前記記憶手段に記憶された回転角変位データは、前記少なくとも2個の磁気センサーの感磁軸同士がなす角度の実測値と前記所定角度とのずれを補償する値であることを特徴とする請求項1に記載のデジタル角度測定システム。   The rotation angle displacement data stored in the storage means is a value that compensates for a deviation between an actual measurement value of an angle formed by magnetosensitive axes of the at least two magnetic sensors and the predetermined angle. Item 2. The digital angle measurement system according to Item 1. 前記記憶手段に記憶された回転角変位データは、前記少なくとも2個の磁気センサーからの出力値に基づいて求められた値であることを特徴とする請求項1に記載のデジタル角度測定システム。   2. The digital angle measurement system according to claim 1, wherein the rotational angle displacement data stored in the storage means is a value obtained based on output values from the at least two magnetic sensors. 前記少なくとも2個の磁気センサーの感磁軸同士が保持している所定角度は、ほぼ直角であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のデジタル角度測定システム。   The digital angle measurement system according to any one of claims 1 to 4, wherein the predetermined angle held by the magnetosensitive axes of the at least two magnetic sensors is substantially a right angle. 前記少なくとも2個の磁気センサーは、相対的に回転運動をする固定部及び移動部のいずれか一方に取り付けられ、他方には磁石または周囲の磁界を変化させる磁性体が取り付けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のデジタル角度測定システム。   The at least two magnetic sensors are attached to one of a fixed part and a moving part that relatively rotate, and a magnet or a magnetic body that changes a surrounding magnetic field is attached to the other. The digital angle measurement system according to any one of claims 1 to 5. 前記出力手段は、前記記憶手段から少なくとも2つの前記回転角変位データを抽出し、該抽出された少なくとも2つの回転角変位データ間を補完することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のデジタル角度測定システム。
The output means extracts at least two rotation angle displacement data from the storage means, and complements between the extracted at least two rotation angle displacement data. The described digital angle measurement system.
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