JP2005345192A - 移動速度検出器及びその検出回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】1つの速度センサで移動速度及び移動方向を検出し、しかも高精度で確実に速度検出及び移動方向を検出できる簡易な構成で、かつコストの安価な極めてユニークな移動速度検出器を得る。
【解決手段】移動速度検出器A1 は、移動体の移動速度を磁気の作用により検出する速度センサ3と、このセンサの磁気の作用に影響を与える能動化素子2を回転ロータ1の外周に所定の間隔で複数組設けて成る。速度センサ3はホール素子を用いて磁気の変化をホール電圧の変化として検出するセンサであり、能動化素子2は鋸歯状の非対称な形状で、かつホール電圧の出力波形に非正弦波状の非対称な出力変動を与える素子である。出力波形の1サイクル変動から移動速度及び移動方向をその波形処理により検出するように構成される。
【選択図】図1A
【解決手段】移動速度検出器A1 は、移動体の移動速度を磁気の作用により検出する速度センサ3と、このセンサの磁気の作用に影響を与える能動化素子2を回転ロータ1の外周に所定の間隔で複数組設けて成る。速度センサ3はホール素子を用いて磁気の変化をホール電圧の変化として検出するセンサであり、能動化素子2は鋸歯状の非対称な形状で、かつホール電圧の出力波形に非正弦波状の非対称な出力変動を与える素子である。出力波形の1サイクル変動から移動速度及び移動方向をその波形処理により検出するように構成される。
【選択図】図1A
Description
この発明は、移動物体や回転体等の移動速度及び移動方向を1つの検出器で検出できる移動速度検出器及びその検出回路に関する。
車輪等の回転体の回転速度を検出する回転検出器は、電磁発電方式、ホール素子や磁気抵抗素子を用いる方式、あるいは光センサによる方式など種々の方式のものが知られているが、アナログ信号として検出される方式であっても、一般にその信号を二値化してディジタル信号として検出し、回転速度が変化するとそのパルス数、周期の変化からその瞬間の回転速度を計測し、検出が行なわれる。その一例として、特許文献1による「回転速度及び回転方向の検出システム (Rotational velocity and direction sensing system) 」が知られている。
この検出システムは、車軸のような回転部材の回転速度と回転方向とを検出するものであり、回転部材にはトーンリングと、このトーンリングに近接して互いに所定距離を置いて取付けられた一対の能動センサを備え、このセンサは作動時にはトーンリングの動きに応答して電気信号を発生する。処理部は、このセンサからの電気信号を受け、回転部材の回転速度と回転方向の信号を表示し、又出力信号は矩形波を用いて異なる増幅レベルで回転方向による高、低の信号として発生されるというものである。即ち、回転速度と回転方向を検出するために2つのセンサが用いられており、具体例のセンサとしてはホール素子による磁気センサが用いられている。
回転速度と回転方向とを検出する他の方式による手段の一例として、特許文献2に開示されたものが知られている。この公報の装置は、車両加減速装置に関しており、車両の加減速制御を操作する手段としてステアリングホイールに回転式操作スイッチが設けられ、この操作スイッチは光学式エンコーダを用いたスイッチの回転速度と回転方向をパルス信号に基づいて検出し、その信号の演算により車両の加減速制御を行なうというものである。
操作スイッチは、ステアリングホイールを手で握る際の親指位置付近に設けられ、回転に応じたパルス信号を出力する光学式エンコーダが設けられている。操作スイッチの操作円盤にはA列、B列の2つのスリット列が1/4ピッチずつずらして設けられ、各スリット列に対応して設けられた光電素子の前をスリットが通過中はエンコーダon、それ以外はoffとなり、そのon/offの状態をA列、B列の組合わせに対応して組合わせ、加速、減速の制御が行なわれる。
上記2つの特許文献1、2から分かるように、回転体の回転速度と回転方向を検出する手段では、必ず2つのセンサが用いられており、かつそれぞれのセンサからの検出信号をパルス状のディジタル信号として演算処理部で処理して回転速度と回転方向が検出される。このため、2つのセンサ及び関連する部材を半減させることは不可能であり、又2つのセンサの検出信号を用いるために関連する構成が複雑となり、センサのコストを低減することには限界がある。
さらに、従来の一般的な回転検出器は、回転ロータの外周の歯形を出来るだけ多く設け、1つの歯形に対応する正弦波状のアナログ信号を二値化処理器でパルス信号に変換し、そのパルス信号の立上がりエッジの時間タイミングと位相角の関係から速度を得るという方式であるため、その所定の歯形ピッチで可能な分解能以下の微低速域では速度検出精度が低下し、信頼性が失われる。
米国特許明細書第6,498,474号
特開2000−45800号公報
この発明は、上記の問題に留意して、1つの速度センサで移動速度及び移動方向を検出し、しかも高精度で確実に速度検出及び移動方向を検出できる簡易な構成、かつコストの安価な極めてユニークな移動速度検出器を提供することを課題とする。
又、これにより得られた移動速度検出器を用いて移動速度及び移動方向を演算により高精度で検出し得る移動速度検出回路を提供することをもう1つの課題とする。
この発明は、上記の課題を解決する手段として、直線移動又は回転移動する移動体の移動速度を磁気又は光の作用により検出する速度センサと、上記センサに近接して設けられ、かつこのセンサの磁気又は光の作用に影響を与えてセンサ出力を変化させる能動化素子を移動体の側辺、外周、又は内部に所定間隔で複数組有する被測定用移動体とを備え、各能動化素子は所定方向への移動による作用変化に基づく出力波形への影響が能動化素子毎の所定の各サイクル毎に非正弦波状で出力増加の割合と減少の割合が異なり非対称に連続する波形となるように形成し、この非対称の出力波形に基づいて速度センサが回転速度と回転方向を検出し得る信号を出力するように構成した移動速度検出器としたのである。
上記の構成としたこの発明の移動速度検出器は、速度センサに近接して移動自在に設置された被測定用移動体が移動すると、この移動体の側辺、外周、又は内部に設けられた能動化素子の影響により速度センサの検出信号に変化が生じる。この出力変化は能動化素子の形状が移動方向に非対称な形状とされているため、各能動化素子との反応で生じる各サイクル毎の波形は正弦波状の規則的な波形とならず非正弦波状であり、1サイクルの位相角(又は時間)の進みの間に出力電圧の最大値(上ピーク)と最小値(下ピーク)の生じる位置が異なり非対称な波形となる。このような非正弦波状の非対称な出力波形の特徴から、カウンタやパルス信号を発生する信号回路などを用いることにより、移動速度と移動方向を検出することができる。
上記の第1の発明の移動速度検出器により検出された出力信号は、次の移動速度検出回路へ送られる。この検出回路は、上記に記載の移動速度検出器の出力信号をパルス信号変換部を介して送り、その入力信号に基づいて移動体の移動速度及び移動方向を検出する論理演算回路から成り、この論理演算回路が、上記入力信号のパルスエッジのタイミング周期に基づいて移動速度を演算する移動速度演算部と、入力信号の各サイクル毎の非対称な連続波形の増加の割合と減少の割合の大小関係を判定し、その判定結果に基づいて移動方向を検出する移動方向検出部とを備えた移動速度検出回路とすることができる。
あるいは、検出回路として、上記に記載の移動速度検出器から送り出された出力信号をパルス信号に変換する信号回路と、この信号回路で上記出力信号の波形変化に基づいて生成されたパルス信号が入力され、このパルス信号に基づいて移動体の移動速度及び移動方向を検出する論理演算回路から成り、この論理演算回路が、上記入力信号のパルスエッジのタイミング周期に基づいて移動速度を演算する移動速度演算部と、入力信号の各サイクル毎の非対称な連続波形の増加の割合と減少の割合の大小関係を判定し、その判定結果に基づいて移動方向を検出する移動方向検出部とを備えた移動速度検出回路とすることもできる。
上記第2又は第3の発明の移動速度検出回路では、入力信号に基づいて上記検出器で検出された波形の特徴を利用して移動速度及び移動方向が検出される。移動速度は、所定のパルス信号の立上りエッジを各能動化素子に対応させ、隣接する能動化素子までの時間と距離により演算して求めることができ、これは通常のパルス計測法による移動速度の計測法に基づくものである。
上記能動化素子による出力波形への影響は、1つの能動化素子毎に、出力波形が非正弦波状に変動するように与えられ、その変動波形を1サイクルとして捉え、各サイクル毎にその非正弦波状の出力波形の同じ値の出力電圧が異なる移動位置(時間)に対応するという特性を利用して移動方向を特定することができる。異なる位相位置はカウンタを所定のパルス信号の立上りエッジ信号で起動させて計時するタイマを異なる位相位置に対応させておき、その計時時間の差の正、負により移動方向が特定される。
この発明の移動速度検出器は、移動体の移動速度を検出する速度センサと、能動化素子を有する被測定用移動体とを備え、非正弦波状の非対称な出力波形を出力するようにしたから、その特徴的な出力波形を利用して高精度で移動速度と移動方向を1つの速度センサで検出し得る信号を出力でき、かつ簡易な構成であるためコストも安価で、速度センサへの接続ラインも半減するため接続配線がシンプルになるという顕著な効果が得られる。
又、移動速度検出回路では上記検出器からの出力信号に基づいて移動速度演算部で移動速度を演算し、かつ移動方向検出部で移動方向を検出できるようにしたから、簡単なプログラムにより1つの速度センサの信号で移動速度と移動方向とを検出できるという効果が得られる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1Aは第1実施形態の移動速度を検出する移動速度検出器の概略構成図を示す。この実施形態の移動速度検出器A1 は、移動体の移動速度を検出する速度センサ3と、この速度センサ3に非接触で作動状態に変化を与える能動化素子2を外周に所定の間隔で有する回転ロータ1とを互いに所定の近接した位置に設けた回転速度検出器として構成されている。従って、図1Aの例では被測定用移動体は能動化素子2を有する回転ロータ1であり、移動速度は回転速度として検出される。1X は回転ロータ1の軸、OX は軸心である。
回転ロータ1は所定厚さの磁性体による回転板であり、能動化素子2も同じく磁性体を用いて回転ロータ1に一体に形成されている。又、能動化素子2は、図示のように、回転ロータ1の外周に鋸歯状の突出片として設けられ、1つの鋸歯状の突出片はこの突出片のない外周長さdO を置いて外周長さdl の間に亘って直線状に突出量が変化する略三角状の移動方向の前後で非対称な形状の突出片として形成され、このような鋸歯状の能動化素子2が複数箇所(図示の例では8箇所であるが、これは例示であり、数は任意である)所定の間隔で設けられている。なお、能動化素子2の外周辺は直線状としたが、ゆるやかな曲線状であってもよく、外周辺の突出量が連続的に変化し、1つの素子の移動方向の前後で突出量が非対称であればよい。
速度センサ3はホール素子による磁気センサが用いられており、この磁気センサを能動化するため、その背面には永久磁石4が接合して設けられている。この速度センサ3には電源回路5より所定の電流が送られ、能動化素子2を有する回転ロータ1が正転方向(CW;時計方向)又は逆転方向(CCW;反時計方向)に回転すると、その鋸歯状の能動化素子2の影響により出力電圧が変動し、その変動を検出して1組の移動速度検出器A1 (回転速度検出器)により回転速度と回転方向とを検出するための出力信号を出力することができる。
図1Bは第2実施形態の移動速度検出器の概略構成図である。この移動速度検出器A2 は、図1Aの移動速度検出器A1 に対し磁石4を省略し、かつ能動化素子2’の移動方向の前後端寄りをそれぞれS極、N極として磁化したものを回転ロータ1の外周に一体に設けた点が異なる。速度センサ3への磁気の影響の変化により回転速度と回転方向を検出し得る点は図1Aの例と同じであり、速度センサ3による検出レベルに差異があるだけで、基本的な作用は同じである。従って、以下では主として図1Aの例について検出方法を説明する。
図2に信号検出回路の全体概略構成(ハード構成)を示す。図示のように、移動速度検出回路10は、前述した移動速度検出器A1 により検出した信号Q(アナログ信号)をパルス信号に変換する信号回路11と、そのパルス信号に基づいて回転速度V及び回転方向(CW,CCW)を演算により検出する演算回路12(マイクロコンピュータ、以下マイコンと略称する)を備えている。接続ラインLDIは信号回路で検出された各種パルス信号、タイマ信号を必要に応じ複数の接続ラインLDIを演算回路12の入力端子DIに接続している。又、接続ラインLA/D は、信号回路11にA/D変換器を接続せずに、マイコンのA/D変換機能を利用することもできるようにする場合を想定したラインであり、ラインLDIでパルス信号を送る限り必ずしも設ける必要はない。
タイマ13は、後述する回転速度及び回転方向を演算するインターバル割込みプログラムを開始させるための割込端子に接続されている。10aは基準クロック、10bは電源回路であり、マイコンのリセットは電源起動時のマイコンプログラムのリセット用である。又、演算回路12の出力端子DO は表示器14、制御部15へ接続されており、表示器14には回転速度や回転方向が表示され、演算された回転速度信号を用いて、制御部15からの制御信号により、例えばABS制御などが行なわれる。なお、演算回路12内のプログラムには、回転速度Vや回転方向の検出だけでなく、ABS制御プログラムも内蔵されているが、図示は省略している。
図3、図4に信号回路11の概略図及び詳細図を示す。この信号回路11は、移動速度検出器A1 により検出されたアナログの検出信号Qを論理回路の組合わせによりハード的に処理することができる場合を示すためのものであり、A/D変換器11A を経由するディジタル化された信号SV を用いて演算回路12のマイコン内のプログラムで信号回路11(A/D変換器11A を除く)による処理機能と同じ処理をするようにしてもよいが、以下では分かり易く説明するため上記信号回路11のハード構成により処理をする場合について説明する。
図3に示すように、信号QはA/D変換器11A 、シュミットトリガ・フリッププロップ(以下トリガ・フロップと略記する)から成るパルス信号部11S 、回転ロータ1の位相や停止状態を検出するための位相・停止判別回路11P へそれぞれ分岐して送られ、ディジタル信号SV 、SU 、SD 、T、Phaseの信号がそれぞれの端子から送り出される。パルス信号部11S では、後述するように、シュミットトリガ回路でアナログの入力信号の電圧波形に対し、閾値電圧を越えたり、閾値電圧内に戻るとその立上り、立下り信号によりパルス波形を生じさせ、かつフリップフロップでは閾値電圧が指定方向に変化すると出力を「1」にセットし、自分自身以外の回路がセットされると出力を「0」にリセットする。
又、パルス信号部11S のパルス信号は、分岐されてタイマ11T 、バッファメモリ11B に送られ、所定のタイミングでタイマ値Tの信号が端子から送り出される。さらに、位相・停止判別回路11P では回転に対応する位相や停止状態が判別され、その情報に基づいて現在停止状態にあるのか、そして移動(回転)している場合は出力電圧からその回転位相がどの位相位置にあるのか、又位相変化が回転のいずれの方向に変化しているのかを判別して回転方向を検出する。
図4は、図3の信号回路11の具体例の1つである。図3で説明した構成部、機能に対応してさらに詳しく説明する。A/D変換器11A については既に説明したので省略する。SV は端子であり、かつその出力電圧をも表す。パルス信号部11S のトリガ・フロップ11S1〜11S4は、図5の(a)図に示す出力電圧波形に対応して矩形波の出力信号S1U、S2U、S1D、S2Dを端子から出力する。例えば、S1Uについて見れば、検出電圧が閾値S1 を越えて上昇(−側)すると、トリガ・フロップ11S1の立上り信号でフリップフロップの出力が1にセットされ、かつその立上り信号によりタイマ11T1も時間の計測を始め、信号Qの電圧が+側の閾値S2 を越えるまでその状態が保持される。
次に、信号Qの電圧がS2 を越えた瞬間にトリガ・フロップ11S2がトリガされてその出力がセットされ、その立上り信号によりトリガ・フロップ11S1は反転されてリセット状態となり、タイマ11T1の計時も終了し、これにより信号Qの出力がS1 からS2 に上向きに変化するのに要した時間TUPをS2 に達した時点でその値をバッファBff1 に転送し、タイマ11T1はリセットされる。さらに、信号Qの電圧が下降して再び+側の閾値S2 となった瞬間にトリガ・フロップ11S3がセットされ(トリガ・フロップ11S2はリセット)、タイマ11T2が計時を始め、−側の閾値S1 となるまで持続される。
そして、電圧がS1 になるとトリガ・フロップ11S4がセット状態となり、その出力信号でトリガ・フロップ11S3、タイマ11T2がそれぞれリセットされる。その間の出力がS2 からS1 へ下向きに変化するのに要する時間TDWN を計時して、電圧S1 に達した時点でその値をバッファBff2 に転送する。以上により、図5の(a)図による信号Qの入力電圧の変化に対応して各端子S1U、S2U、S1D、S2Dから(c)図の矩形波の信号
、端子TUP、TDWN から(b)図のタイマ信号TUP、TDWN がそれぞれ得られる。これらの信号は次の演算回路12へ送られ、後述する種々の演算に用いられる。
、端子TUP、TDWN から(b)図のタイマ信号TUP、TDWN がそれぞれ得られる。これらの信号は次の演算回路12へ送られ、後述する種々の演算に用いられる。
又、位相・停止判別回路11P では、まず信号Qから微分器11P1によりその瞬時の微分値S’が検出され、さらにその微分信号は2次微分器11P2により2回微分される。そして、微分値S’がゼロ、つまりSV が時間的に変化せず、かつ微分値S”がゼロ、つまりその状態が変化しない場合は回転が停止していることを示しており、Stop にはゼロが出力されている。上記微分器11P1の微分信号S’はスロープ検出器11P3でその値S’が+(出力増加中)か、あるいは−(出力減少中)かを検出し、出力端子Slopeから出力される。又、微分値S’の値が増加方向及び減少方向の両方でゼロを横切るたびに出力が反転するフリップ・フロップ11P4により図5の(a)図中の出力電圧が+側又は−側にあるかを表す信号(0又は1)を端子Cphase より出力する。但し、上記判別回路11P はアナログ回路とディジタル回路を混合して表示しているが、微分量11P2、フリップフロップ11P4について必要に応じてディジタル信号とするための2値化回路が含まれるとする。
図6は演算回路12のマイコン内でのメインルーチン(プログラム)を示すフローチャートである。実際の演算処理は、この例では後述するように、インターバル割込みメインルーチン(割込みプログラム)で行なわれるため、このメインルーチンでは各パラメータ値の初期化と割込み許可を与える状態のみを行なう。即ち、電源投入により起動するメインルーチンでは、ステップSS1 、SS2 で回転方向RD 、前回の回転速度Vpn-1、今回の回転速度Vpn、タイマ値TUP、TDWN の初期値にそれぞれ0を代入する初期化の処理を行なう。そして、ステップSS3 で割込みメインルーチンのタイマ割込み許可を行なう。
その後は無限ループでよいが、ステップSS4 の点線で示すように、システムの自己監視機能など非定時性のルーチンを置いて繰返し実行する処理を組込んでもよい。又、電源投入後にシステム全体の自己診断を行うことは、マイコンを用いる機器ではイニシャルチェックとして一般に行なわれる機能であり、図示省略しているが、この機能を設ける場合はステップSS1 の前に入れて行なう。
次に、図7A、図7Bにインターバル割込みメインルーチン(割込みプログラム)のフローチャートを示し、一般的な回転速度、回転方向、及び微低速域速度を検出する方法について説明する。まず、ステップS1 では例えば前述のパルス信号S1Uを用いた通常のパルス計測法により回転速度Vpnを演算する。通常のパルス計測法とは、ABS制御の分野等では周知の方法であり、各種の方法が提案されているから、詳細な説明は省略するが、簡単に説明すると、ここでは非対称な波形であってもパルス信号S1Uについてパルス間隔時間又は一定時間内のパルス数を計算し、この計算結果とロータの歯数とからロータの回転速度Vpnを計算することにより得られるものである。
なお、このパルス計測法としては、例えば特開昭50−46176号公報、特開昭49−128770号公報、特公平3−2106号公報、特開平2−44258号公報など各種の公報で提案されており、そのいずれを用いてもよい。
ステップS2 では前述の端子Stop の信号をチェックし、この値が0であるかを判断する。この場合、Vpnは初期化処理で0にセットされているが、Vsn(微低速域速度)も0にセットするのが好ましい(但し、Vpn,Vsnの値に拘らずStop が0であることにより完全停止を識別することは可能)。Stop の信号が0であれば完全に回転を停止している。但し、一般には停止していない状態で回転速度を検出することに意味があり、まずStop =0でない場合(NO)について説明する。従ってステップS3 へ進み、回転方向確定フラグRD =1?を判断し、回転方向が確定しているかを確認する。
回転方向が確定していない場合(NO)、新たに回転方向を確定できるかどうか判断するため、パルス情報(例S1U)に基づいて演算された回転速度VpnとVpn-1から回転速度の変化率(加速度、減速度)をチェックする。このとき、|Vpn−Vpn-1|>Aの比較の基準値Aは、0(等速回転)でなくてもよく、出力波形により決まるその加減速でTUP、TDWN の大小が瞬時に逆転しない範囲での所定の加減速度値とすることができ、回転方向の判別を行うことができる(YES)。そうでない場合(NO)は未だ回転方向を特定できない。
なお、図示省略しているが、パルスを用いた車輪速演算において特に微低速域においては数サイクルインターバルに亘って回転速度データを更新できない場合があるため、図示のフローチャートでは|Vpn−Vpn-1|を計算するとしているが、n−1を直前のサイクルインターバルの値とすると、上記のような演算では実際には加減速が行われているにも拘らず、見かけ上加減速が小さいと判定され、誤判断となる可能性があり、このような不都合を避けるため十分なサイクル数を隔てて変化率を評価するのが好ましい。
加減速値がAより小さい(NO)場合は、ステップS5 で時間TUPとTDWN を比較する。この場合、TUP≠0、TDWN ≠0でないことが前提であり、加減速度の値のチェックと同時にチェックする。そして、この例で示した歯形では正転時(CW)にTUPがTDWN より小さくなるパターン(形状)を採用しているので、TUP>TDWN であれば(YES)回転方向フラグDを1(正転)にセットし(S6 )、NOであればDを0(逆転)にセットする(S7 )。さらに、ステップS8 で回転方向確定フラグRD に1(確定)をセットする。
その後ステップS9 で回転方向Dをチェックし、正転中又は逆転中であるかを確認する。正転中(D=1)(YES)であれば、ステップS10で図4のSlope端子からのSlope信号をチェックし、Slope=+であればA相、Slope=−であればB相と判定される。又、ステップS9 の判定で逆転中(D≠1)(NO)であれば、ステップS11でSlope信号によりSlope=+であればB相、Slope=−であればA相と判定される。従って、正転、逆転いずれの場合もA相であれば、ステップS12でPn に1をセットし、B相であればステップS13でPn に0をセットする。
上記判定及び相の設定をした後ステップS1 で演算された回転速度Vpnが、十分な精度を持つと考えられるほど高速かどうかを、ステップS14でVpn<VH ?の判定によりチェックする。十分な高速であればステップS15でVpnの値を回転速度Vとしてセットする。高速であるかの基準値VH は、後述する微低速域速度Vsnの演算をするプログラムのフローチャートの説明で定義する。
ステップS14での判定で、パルス情報による回転速度Vpnの値が基準値VH 以下であり、十分な精度でない値と判断されると、ステップS17でセンサアナログ出力値SV を用いた微低速域速度Vsnの演算を行う。この処理については後で図7Cのフローチャートに基づいて別途詳述する。微低速域の場合はステップS18で回転速度VにVsnをセットする。その後、ステップS16で上記出力電圧の+、−を表すCphase の値が次回に反転したかどうかをチェックするために記憶する変数Cpnにその瞬時のCphase の値を代入する。
さて、上記処理の始まり付近のステップS3 の判定で回転方向確定フラグRD が確定していた場合(RD =1)、ステップS20へ進み、前回のサイクル処理において停車中であったかをVsn-1=0?の判断により判定し、停車中でない限り、回転方向確定フラグRD は確定しているから、図7Aの記号(A)を経て図7BのステップS9 へ進み、ステップS8 以降の処理と同じ処理が行なわれる。しかし、ステップS20での判定で停車中であった場合(YES)、記号(B)を経て図7BのステップS21へ進み、ここで前回停車中であった場合は今回正転で起動したのか、逆転で起動したのかを判別する必要があり、まず停車した時の位相Pをチェックする。
ステップS21での判定でP=1である場合(YES)、又P≠1の場合(NO)のいずれの場合も、それぞれステップS22、S23でCphase =Cpnであるかを判定する。ステップS22、S23での判定は、停車前の最後に観測されたCphase の値が格納されているCpnと、今回の回転開始後に初めて観測したCphase の値が反転していないかをチェックすることを意味する。これは、上死点近く又は下死点近くで停止した場合、サイクルインターバルの間の回転で上死点又は下死点を通過している可能性があるためである。
上記ステップS22、S23の判定で、A相のまま相変化がないか(S22)、停車前はB相であったが起動後相変化が確認された場合(S23)、いずれもA相にあるから、ステップS24でPに1をセットする。又B相のまま相変化がないか(S23)、停車前はA相であったが起動後相変化が確認された場合(S22)、いずれもB相にあるから、ステップS25でPに0をセットする。そして、ステップS26、S27へ進み、ステップS10、S11の場合と同様に各相のSlopeをチェックする。ステップS26でA相のSlope=+であれば正転、Slope=−であれば逆転、ステップS27でB相のSlope=+であれば逆転、Slope=−であれば正転となるので、逆転の判定ではステップS28でDに0、正転の判定ではステップS29でDに1をセットする。以後の処理はステップS14へ進み、以降は同じ処理が行なわれる。
さらに、上記処理の第2のステップS2 の判定でStop 信号の判定がYES、即ち完全に回転を停止していた場合、ステップS30、S31へ進み、ここでVpn、Vsnに0をセットし、かつTUP、TDWN に0をセットする。そして、ステップS32、S33で回転停止位置の出力(電圧)が上死点VUDP 、又は下死点VBDP であるかをそれぞれ判定する。この判定で、上死点又は下死点で回転が停止していると判定されると、次の回転時に即座に回転方向を特定したり、パルス情報を用いずに微低速域速度Vsnを求めることはできないから、ステップS34で回転方向特定フラグRD を0にリセットする。
実際には、センサの取付の誤差を考慮してVUDP 、VBDP は若干の余裕を持って設定することになるため、完全な上死点、下死点での停止だけでなく、その近傍で停止した場合もRD が0にリセットされるが、大勢に影響はない。上記判定で上死点、又は下死点でない場合(NO)も、完全に回転を停止している場合であるから、その出力情報は全てのパラメータが0として出力され、ABS制御プログラム等の他のプログラムにその旨のデータが送られ、所定のサイクルインターバルでフローチャートの先頭に戻り、上記のプログラム処理が繰返されることとなる。
次に、図7Cに上述したプログラム中のステップS17における微低速域速度Vsnの演算をするプログラムのフローチャートを示す。なお、微低速とは、微速+低速の意であり、微速とは従来のパルス信号による速度センサでは測定できなかった程の低速域であって、低速とは従来のパルス信号による速度センサからの信号により速度演算は可能であったが、トーンホイールによる多数の歯を有する従来の速度センサから歯数を大きく減少させた場合に従来の速度センサでは演算できなくなる程の低速域であると定義する。数式でこの例でのその限界値を示すと次の通りである。
即ち、サイクルインターバルの間に1歯進行しない最大の速度は、次式で得られる。
(2×π×R×1000)/(N×T) (m/sec)
ここで、T;サイクルインターバル(msec)
N;回転運動の場合のロータの歯数
R;車輪タイヤの有効半径
従って、上式で得られる回転速度が上記微低速の最大速度であり、前述した図7BのフローチャートのステップS14での基準速度VH として取扱うものとする。但し、1サイクルインターバルの間に1歯以上進行するような場合であっても、それを考慮して位相計算するようにすれば上記を必ずしも微低速の最大速度と定義する必要はないが、ここではプロセスの簡略化のため上記定義に沿って説明するものとする。1サイクルインターバルに1歯以上進行する場合は、Vpnで十分な精度が得られると考えられるからである。
(2×π×R×1000)/(N×T) (m/sec)
ここで、T;サイクルインターバル(msec)
N;回転運動の場合のロータの歯数
R;車輪タイヤの有効半径
従って、上式で得られる回転速度が上記微低速の最大速度であり、前述した図7BのフローチャートのステップS14での基準速度VH として取扱うものとする。但し、1サイクルインターバルの間に1歯以上進行するような場合であっても、それを考慮して位相計算するようにすれば上記を必ずしも微低速の最大速度と定義する必要はないが、ここではプロセスの簡略化のため上記定義に沿って説明するものとする。1サイクルインターバルに1歯以上進行する場合は、Vpnで十分な精度が得られると考えられるからである。
上記Vsnの演算は図4 の端子SV からのアナログ信号SV を用いて行なわれる。まず、上記アナログ信号SV が送られて来ると、ステップST1 で現在の相P(A相かB相のいずれに属するか)のデータ、及びSV の値に基づいてSV に相当する位相角θn を演算する。ステップST2 では正転中かをD=1?により判定し、正転中であれば(YES)ステップST3 で位相角差TH =θn −θn-1 、即ち今回の位相角θn から前回の位相角θn-1 を差引いた値を演算し、逆転中であれば(NO)ステップST4 で位相角差TH =θn-1 −θn 、即ち前回の位相角θn-1 から今回の位相角θn を差引いた値を演算する。
そして、いずれの場合も結果が負であれば、位相角位置が0°又は360°の位相を跨いだ回転であるため、360°を加算して正の値とし、正であれば位相角差TH の値をそのまま用いて、ステップST7 で示す演算式に基づいて回転速度Vsnを演算により求めることができる。この演算式では、アナログ信号SV の値に位相角を対応させ、サイクルインターバル×歯数は1歯分の時間であるから、この値を用いてTH /(サイクルインターバル×歯数×360°)の演算をすることにより回転速度(rps)が求められることとなる。但し、この場合サイクルインターバル中に1歯分進行しないような微低速域速度を求めている。
図8Aは第3実施形態の移動速度検出器の概略構成図を示す。図示の移動速度検出器A3 では、移動体1’として直線状の帯板で磁性材が用いられている。この移動体1の内側には所定の間隔で不等辺三角形状の窓(切欠き)が能動化素子2’として設けられ、移動方向(長さ方向)に非対称に形成されている。これに対し、速度センサ3には第1実施形態と同じホール素子の磁気センサが用いられ、かつ永久磁石4がセンサに一体に接合して設けられているが、速度センサ3の取付方向はホール素子の磁気センサを透過する磁束の方向が移動体1’の面と直交する方向とされている点が第1実施形態と異なる。5は電源回路であり、速度センサ3の出力波形から移動速度及び移動方向を検出し得るように出力される点は第1実施形態と同じである。
この実施形態の移動速度検出器A3 は、三角形状の窓の能動化素子2’が移動体1’と共に正方向(F)へ移動することによりホール素子の磁気センサへの磁束の分布は窓の高さが高いほど弱く、窓の高さが低くなるにつれて強くなり、非正弦波状の連続する非対称な出力波形を生じる点は第1実施形態と同じである。従って、作用の説明は省略する。なお、この例では移動速度、移動方向を移動体1’が直線方向に移動する場合でも検出できることを示すため直線移動する移動体1’を直線状の帯板形状の例として示したが、第1、第2実施形態A1 、A2 の場合と同様に移動体として回転ロータを用いて回転速度、回転方向を検出することもできる。
図8Bは第4実施形態の移動速度検出器の概略構成図を示す。この実施形態の移動速度検出器A4 は、第2実施形態の検出器A2 と同様であり、回転ロータ1に代えて直線状の移動体1’の側辺に永久磁石片2”をゆるやかな曲板状に形成した点が異なる。作用は第1、第2実施形態と同様であるから説明を省略する。
上述した各実施形態では速度センサ3としてホール素子による磁気センサを用いたが、ホール素子に代えて磁気抵抗素子による磁気センサを用いることもできる。又、発光、受光の一対の光センサを用いることもできる。ホール素子による検出は磁気の変化をホール電圧の変化として検出する方式であるが、磁気抵抗素子による検出は磁気の変化を磁気抵抗の変化として検出する方式である。さらに、上記光センサ方式は第3実施形態に適用可能であり、移動体1’の一面側に発光部、他面側に受光部を置いた光量センサを用いて検出できる。
又、第1実施形態以下の各実施形態の能動化素子2の数は複数個設けるとしているが、従来のパルス計測法(後述する)によるトーンホイールを用いる形式では歯数は出来るだけ多い方が高精度であるとされているのに対し、以下の各実施形態では複数であっても出来るだけ数を少なくするのが好ましい。又、歯数を大きくする必要がないため、パルス割込みを用いる場合も高速での処理負担が大きくならず、又出力波形を正弦波から大きくずらした設計が可能となる。
さらに、移動速度、移動方向の検出は、各実施形態では速度センサ3を固定し、移動体1、1’、1”が移動することを前提として説明したが、各移動体に対して速度センサ3を相対的に移動させるようにしてもよい。又、移動には直線移動と回転移動が含まれることも明らかであろう。
この発明の移動速度検出器は、1つの移動速度検出器で移動速度と移動方向を検出可能であるから、車両の車輪速検出センサや工作機械、搬送装置など移動速度と移動方向を検出する必要のある各種装置に広く利用可能である。
1 回転ロータ
2 能動化素子
3 速度センサ
4 永久磁石
5 電源回路
10 速度検出回路
11 信号回路
11A A/D変換器
11S パルス信号部
11P 位相・停止判別回路
11T タイマ
11B バッファメモリ
12 演算回路
13 タイマ
14 表示器
15 制御部
2 能動化素子
3 速度センサ
4 永久磁石
5 電源回路
10 速度検出回路
11 信号回路
11A A/D変換器
11S パルス信号部
11P 位相・停止判別回路
11T タイマ
11B バッファメモリ
12 演算回路
13 タイマ
14 表示器
15 制御部
Claims (8)
- 直線移動又は回転移動する移動体の移動速度を磁気又は光の作用により検出する速度センサと、上記センサに近接して設けられ、かつこのセンサの磁気又は光の作用に影響を与えてセンサ出力を変化させる能動化素子を移動体の側辺、外周、又は内部に所定間隔で複数組有する被測定用移動体とを備え、各能動化素子はこの素子の所定方向への移動による上記作用の変化に基づく出力波形への影響が能動化素子毎の所定の各サイクル毎に非正弦波状で出力増加の割合と減少の割合が異なり非対称に連続する波形となるように形成し、この非対称の出力波形に基づいて速度センサが回転速度と回転方向を検出し得る信号を出力するように構成した移動速度検出器。
- 前記速度センサを磁気作用の変化で速度を検出する磁気センサとし、被測定用移動体を回転ロータとし、能動化素子を回転ロータの外周に所定の間隔で複数組設け、かつ鋸歯状の非対称形状に形成したことを特徴とする請求項1に記載の移動速度検出器。
- 前記磁気センサとしてホール素子により磁気の変化をホール電圧の変化として検出するセンサを用い、この磁気センサに一体に磁石を設け、かつ回転ロータとその能動化素子に非磁性体を用いたことを特徴とする請求項2に記載の移動速度検出器。
- 前記磁気センサとしてホール素子により磁気の変化をホール電圧の変化として検出するセンサを用い、回転ロータを非磁性体とし、磁石で形成された能動化素子を回転ロータの外周に所定の間隔で複数組設けたことを特徴とする請求項2に記載の移動速度検出器。
- 前記磁気センサとして磁気抵抗素子により磁気の変化を磁気抵抗の変化として検出するセンサを用いたことを特徴とする請求項3又は4に記載の移動速度検出器。
- 前記請求項1乃至5のいずれかに記載の移動速度検出器の出力信号をパルス信号変換部を介して送り、その入力信号に基づいて移動体の移動速度及び移動方向を検出する論理演算回路から成り、この論理演算回路が、上記入力信号のパルスエッジのタイミング周期に基づいて移動速度を演算する移動速度演算部と、入力信号の各サイクル毎の非対称な連続波形の増加の割合と減少の割合の大小関係を判定し、その判定結果に基づいて移動方向を検出する移動方向検出部とを備えた移動速度検出回路。
- 前記請求項1乃至5のいずれかに記載の移動速度検出器から送り出された出力信号をパルス信号に変換する信号回路と、この信号回路で上記出力信号の波形変化に基づいて生成されたパルス信号が入力され、このパルス信号に基づいて移動体の移動速度及び移動方向を検出する論理演算回路から成り、この論理演算回路が、上記入力信号のパルスエッジのタイミング周期に基づいて移動速度を演算する移動速度演算部と、入力信号の各サイクル毎の非対称な連続波形の増加の割合と減少の割合の大小関係を判定し、その判定結果に基づいて移動方向を検出する移動方向検出部とを備えた移動速度検出回路。
- 前記論理演算回路が、移動速度演算部により移動速度を演算した結果、移動速度が所定の微低速域以下の場合、移動速度検出器によるアナログの出力信号から微低速域速度を位相角データに基づいて演算する微低速域速度演算部を備えたことを特徴とする請求項6又は7に記載の移動速度検出回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004163315A JP2005345192A (ja) | 2004-06-01 | 2004-06-01 | 移動速度検出器及びその検出回路 |
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