JP2008232649A - 位置検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内挿精度を悪化させる成分を回転位置ごとに除去することによって、内挿精度を向上させる。
【解決手段】位置センサ２４，２５から測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする。記憶器３０，３１には、前記２つの信号についてのオフセット値が記憶されており、減算器８，９において前記２つの信号からオフセット値がそれぞれ除去される。オフセット除去後の２つの信号は、内挿演算器１７において位置データに変換される。また、半径演算器１８は、オフセットを除去後の２つの信号の半径値を演算する。ＦＦＴ１９において前記位置データと半径値に基づいて、オフセット値を演算し、記憶器３０，３１に記憶されているオフセット値を更新する。前記２つの信号の振幅比修正値、位相差修正値についても同様に更新する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置に関する。
従来、工作機械の円テーブル等の回転軸では、サーボモータにウォームギア等の減速機を組み合わせた駆動方式が使用されていた。しかし、減速機を用いた駆動方式では、バックラッシによる精度悪化の問題や回転速度向上に限界があった。このため、最近では高精度化高速化が容易なビルトインモータを組み込んだダイレクトモータ駆動方式が、回転軸に使用されるようになってきた。工作機械の円テーブル等では、これまでも位置制御フィードバック用として高精度な位置検出装置が使用されていた。これらの位置検出装置では、位置検出精度を向上させるために、測定変位に対して短いピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力する位置センサが使用されていた。その理由としては、２つの信号を内挿処理して得られるピッチ内の分割精度（以降内挿精度と呼ぶ）が悪くても、短いピッチであれば実際の位置検出精度に影響する内挿精度の割合が小さくなるためである。
ところが、このような位置検出装置では、高速に軸回転すると、出力信号の周波数が高くなり過ぎるため、高い回転速度で使用できるものがなかった。このため、高速回転が容易なダイレクトモータ駆動方式の回転軸では、位置検出装置によって高速性能が制約を受けていた。このような背景から、測定変位に対応して長いピッチの信号を出力する位置センサでも、内挿精度が向上可能な位置検出装置が望まれていた。
図２は従来の位置検出装置を示す図である。また、図３は、図２の信号処理回路２９の内挿処理動作を示すブロック図である。図２において回転軸１に固定されたロータ２１は、外周部に波長λ＝１０度のピッチで１回転内に３６個の凹凸を有する磁性体からできている。また、ロータ２１の３６個ある凸部の一つには、原点を示す磁性体から成る突起２２が固定されている。また、ロータ２１の外周面に近接する側には、測定対象（モータ）の非回転部に固定されたプリント基板２３が配置され、プリント基板２３には正弦波状の導体パターンから成る２種類の検出コイル２４と検出コイル２５と、原点を示すロータ２１上の突起２２を検出する検出コイル２６が形成されている。また、プリント基板２３の裏側には１００ｋＨｚの交流電流Ｉ・ＳＩＮ（２０００００πｔ）を励磁コイル２８に流すことにより、交流励磁磁束をロータ２１側へ発生する電磁石２７が配置されている。
このような構成の位置センサでは、回転軸１が回転すると、ロータ外周部の凹凸によるリラクタンス変化により、交流磁束の大きさが変化し、検出コイル２４と検出コイル２５では、それぞれ回転変位θの余弦値と正弦値に振幅変調された起電圧ＳＣ，ＳＳが発生する。これらの信号は、信号処理回路２９に入力され、それぞれ増幅器３，４によって信号ＡＣ，ＡＳとして増幅され出力される。図２の例では励磁信号の周波数は１００ＫＨｚであり、回転軸１の回転角をθ、出力信号の振幅をＧとすると、信号ＡＣ，ＡＳは次の数１，数２で表すことができる。
［数１］
ＡＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（３６θ）ＳＩＮ（２０００００πｔ）
［数２］
ＡＳ＝Ｇ・ＳＩＮ（３６θ）ＳＩＮ（２０００００πｔ）
これらの信号ＡＣ，ＡＳは、タイミングコントローラ５からの励磁信号に同期して出力される周期１０μＳのパルス信号ＴＩＭによって、それぞれＡＤ変換器６，７によりＳＩＮ（２０００００πｔ）＝１となるタイミングでサンプリングかつデジタル化され、それぞれ数値ＤＣ，ＤＳに変換される。したがって数値ＤＣ，ＤＳはそれぞれ下記数３，数４のように表すことができる。
［数３］
ＤＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（３６θ）
［数４］
ＤＳ＝Ｇ・ＳＩＮ（３６θ）
以上から、図２に示した位置検出装置内の位置検出センサでは、測定変位の波長λ（１０度）のピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号出力しているとみなすことができる。
ロータ２１や検出コイル２４，２５の設置状態や信号増幅器等特性バラツキによって、上記デジタル化された２つの数値ＤＣ，ＤＳには、オフセット電圧ＣＯＦ，ＳＯＦや、２つの信号の位相差Ｐや振幅比Ｂが含まれるため、前記数３，数４は厳密には次の数５，数６として表すことができる。
［数５］
ＤＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（３６θ）＋ＣＯＦ
［数６］
ＤＳ＝Ｂ・Ｇ・ＳＩＮ（３６θ）＋Ｐ・Ｇ・ＣＯＳ（３６θ）＋ＳＯＦ
通常、数値ＤＣ，ＤＳを現信号のまま内挿処理を行うと、内挿精度が悪化してしまう。このため、図２の位置検出装置では、数値ＤＣ，ＤＳに含まれるオフセット値ＣＯＦ，ＳＯＦや、２つの信号の位相差や振幅比を修正する位相修正値ＰＨＪ（＝Ｐ）と振幅修正値ＢＡＪ（＝１／Ｂ）は、位置検出装置の製造時に測定し、位置検出装置に搭載した不揮発性メモリ等に記憶させ、電源投入時の位置検出開始前にそれぞれ記憶器１０，１１，１２，１３に設定される。減算器８，９では、数値ＤＣ，ＤＳからそれぞれ記憶器１０，１１が記憶するオフセット修正値ＣＯＦ，ＳＯＦが除去され、数値ＤＣＡ，ＤＳＡとなる。また、数値ＤＳＡは減算器１４で、記憶器１２が記憶する位相差修正値ＰＨＪと数値ＤＣＡを乗算した値が減算され、位相誤差成分が除去された数値ＤＳＢとなる。さらに、数値ＤＳＢは、乗算器１６で記憶器１３が記憶する振幅比修正値ＢＡＪと乗算され、数値ＤＣＡと振幅のほぼ等しい数値ＤＳＣとなる。数値ＤＣＡとＤＳＣは、内挿演算器１７で２変数を入力とする逆正接演算が行われ、回転軸１の１／３６回転内の回転量を示す位置信号ＩＰに変換される。
なお、本発明の説明上必要性が無いため図示していないが、実際の位置検出装置では、位置信号ＩＰの変化を基にしたカウント処理等により、少なくとも回転軸１の１回転以上の位置データが求められ、モータ制御装置等へ出力される。また、原点を示すロータ２１上の突起２２が検出コイル２６に近接すると、インクリメンタル処理用のカウント値をクリアし、それ以降は回転軸１の１回転内の回転位置をアブソリュート位置として検出することも可能である。
また、ロータ２１に特許文献１に示されるような、アブソリュートパターンを有する円板を付加し、プリント基板２３にこれらのアブソリュートパターンを読み取る複数のコイルを搭載すれば、起動直後からアブソリュート位置を検出させることも可能である。
特開平４−１３６７１５号公報 特開平２００３−１４４４０号公報 特開２００５−１５６３４８号公報
図２で示した従来の位置検出装置では、内挿精度をある程度までなら改善することが可能である。しかし、内挿精度をさらに向上させようとする場合、オフセットや位相差や振幅比が回転位置で微妙に変化するため、一定の修正値で内挿精度を向上させることは困難であった。また、特許文献２等の技術を適用すれば、回転位置によって変化する修正用の変数ＣＯＦ，ＳＯＦ，ＰＨＪ，ＢＡＪをある程度までは同定し、内挿精度をさらに向上させることは可能である。しかし、特許文献２の技術では、回転位置の波長λ内で大きく変化する数値ＤＣ又は数値ＤＳの変化に基づいて修正用の変数を同定するため、同定精度を高めるためには、波長λの波長で大きく変化する基本成分を除去する必要があった。このため、波長λの数倍の回転変位による平均化によって、基本成分を除去する必要があった。したがって、短い回転変位で修正用の変数を高精度に同定するには、不十分であった。
本発明は，上述のような事情から成されたものであり，本発明の目的は，測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号に含まれる、内挿精度を悪化させる成分を回転位置ごとに高精度に同定し、これらの悪化成分を回転位置ごとに除去することによって、内挿精度を向上させることにある。また、これによって、位置検出装置の高精度化と高速化を両立させることにある。
本発明は、測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、位置センサからの２つの信号についてのオフセット値を記憶するオフセット記憶手段と、前記位置センサの２つの信号から前記オフセット記憶手段が記憶するオフセット値をそれぞれ除去するオフセット除去手段と、オフセット除去後の２つの信号を位置データに変換する内挿演算手段と、前記オフセットを除去後の２つの信号の自乗和の平方根を演算する半径演算手段と、前記測定変位が波長λの整数倍で変化したときの前記位置データと前記半径演算手段の出力値に基づいて、前記オフセット記憶手段に記憶させるオフセット値を演算するオフセット値演算手段と、を具備し、オフセット値演算手段において得られたオフセット値によって前記オフセット記憶手段に記憶されているオフセット値を更新することを特徴とする。
また、前記オフセット値演算手段は、前記半径演算手段の出力値の変化をフーリエ解析した波長λの成分に基づき、オフセット値を演算することが好適である。
また、前記オフセット値演算手段は、前記半径演算手段の出力値の変化をフーリエ解析した波長λの成分と波長λ／３に基づき、オフセット値を演算することが好適である。
また、本発明は、測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、位置センサからの２つの信号についての振幅比修正値を記憶する振幅比修正値記憶手段と、前記位置センサの２つの信号の振幅比を前記振幅比修正値記憶手段が記憶する振幅比修正値に従って、修正する振幅比修正手段と、前記振幅比修正後の２つの信号を位置データに変換する内挿演算手段と、前記振幅比修正後の２つの信号の自乗和の平方根を演算する半径演算手段と、前記測定変位が波長λ／２の整数倍で変化したときの前記位置データと前記半径演算手段の出力値に基づいて、前記振幅比修正値記憶手段に記憶させる振幅比修正値を演算する振幅比修正値演算手段と、を具備し、振幅比修正値演算手段において得られた振幅比修正値によって前記振幅比修正値記憶手段に記憶されている振幅比修正値を更新することを特徴とする。
また、前記振幅比修正値演算手段は、前記位置データに対する前記振幅演算手段の出力値の変化をフーリエ解析した波長λ／２の成分に基づき、振幅比修正値を演算することが好適である。
また、本発明は、測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、位置センサからの２つの信号についての位相差修正値を記憶する位相差修正値記憶手段と、前記位置センサの２つの信号の位相差を前記位相差修正値記憶手段が記憶する位相差修正値に従って、位相差を修正する位相差修正手段と、位相差修正後の２つの信号を位置データに変換する内挿演算手段と、前記位相差修正後の２つの信号の自乗和の平方根を演算する半径演算手段と、前記測定変位が波長λ／２の整数倍で変化したときの前記位置データと前記半径演算手段の出力値に基づいて、前記位相差修正値記憶手段に記憶させる位相差修正値を演算する位相差修正値演算手段と、を具備し、位相差修正値演算手段において得られた位相差修正値によって前記位相差修正値記憶手段に記憶されている位相差修正値を更新することを特徴とする。
また、前記位相差修正値演算手段は、前記位置データに対する前記半径演算手段の出力値の変化をフーリエ解析した波長λ／２の成分に基づき、振幅比修正値を演算することが好適である。
本発明によれば、測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号の自乗和の平方根であるリサージュ円の半径量に相当する変化をフーリエ解析した値に基づき、オフセットや位相差や振幅比等の内挿精度を悪化させる成分を定量的に求めている。オフセットや位相差や振幅比等の内挿精度を悪化させる成分があった場合の半径量の変化について、表計算ツール等で数値解析を行うと、悪化させる成分の量と同じか、少なくとも１／２程度の変化が得られることが判明した。また、２つの信号の一方にオフセット誤差があると、半径量はλの波長で余弦波状に変化し、他方にオフセット誤差があると、半径量はλの波長で正弦波状に変化することが判明した。また、２つの信号に振幅差があると、半径量はλ／２の波長で余弦波状に変化することが判明した。また、２つの信号に位相差があると、半径量はλ／２の波長で正弦波状に変化することが判明した。その他、２つの信号の一方に２次高調波歪みがあると、半径量はλとλ／３の波長を持つ２つの同振幅の正弦波状に変化し、他方に２次高調波歪みがあると、半径量はλとλ／３の波長を持つ２つの同振幅の余弦波状に変化することが判明した。また、波長λのピッチで変化する２つの信号の変化量に比べ、半径量の変化は極めて変動が小さいことは明らかである。
以上から、本発明によれば、変動の小さな半径量をもとに、オフセットや位相差や振幅比等の内挿精度を悪化させる成分を定量的に求めるため、測定変位がλ若しくは、１／２λの僅かな変化でも、高精度にオフセットや位相差や振幅比を同定することが可能である。したがって、位置に依存して微妙に変化するオフセットや位相差や振幅比の変化を、正確に同定し、かつ精度悪化成分を除去し、内挿精度を大幅に向上させることが可能である。これによって、位置検出装置の高精度化と高速化を両立させることができる。
以下，図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態を示すブロック図である。同図で図３と同じ機能のものは同じ符号とし、その説明を省略する。
図１では、オフセットや位相差や振幅比が除去された数値ＤＣＡと数値ＤＳＣは、半径演算器１８により、数７の計算が行われ、半径量ＲＤが出力される。
［数７］
ＲＤ＝ＳＱＲＴ（ＤＣＡ＾２＋ＤＣＣ＾２）
ここで、ＳＱＲＴは平方根、＾２は２乗を表す。
高速フーリエ演算器（ＦＦＴ）１９では、半径演算器１８が出力した半径量ＲＤを、内挿演算器１７が出力した内挿値ＩＰに基づき、回転位置がλ変化するごとに高速フーリエ演算が行われる。ＦＦＴ１９内では、位置信号ＩＰを波長λの２のｎ乗分の１（ｎは３以上の整数）の位置変化ごとの半径量ＲＤに相当する値を、平均化や補間処理によって算出している。また、これによって得られた２のＮ乗個の半径量ＲＤは、傾斜変化成分の除去後、１次から３次成分までを算出する高速フーリエ演算が行われる。これにより、ＦＦＴ１９は、フーリエ解析により得られた、１次成分である波長λの余弦成分と正弦成分を数値Ｃ１，Ｓ１として、２次の成分である波長λ／２の余弦成分と正弦成分を数値Ｃ２，Ｓ２として、３次の成分である波長λ／３の余弦成分と正弦成分を数値Ｃ３，Ｓ４として、それぞれ出力する。また、ＦＦＴ１９では、回転位置がλ変化するごとに、半径量ＲＤの平均半径も演算され、数値ＲＤＡとして出力される。また、ＦＦＴ１９は、回転位置がλの変化するごとに行われる高速フーリエ演算が完了すると、記憶器３０，３１，３２，３３に対して、記憶指令信号ＳＥＴを出力する。
演算器３６では、記憶器３０が記憶する数値ＤＣのオフセット成分を除去するための数値ＣＯと、ＦＦＴ１９が演算した半径量ＲＤの波長λの余弦成分である数値Ｃ１が加算され、さらに、波長λ／３の余弦成分である数値Ｃ３が減算される。演算器３６が演算した数値は、ＦＦＴ１９からの記憶指令信号ＳＥＴにより、記憶器３０に記憶され、数値ＤＣのオフセット修正値として使用される。演算器３７では、記憶器３１が記憶する数値ＤＳのオフセット成分を除去するための数値ＳＯと、ＦＦＴ１９が演算した半径量ＲＤの波長λの正弦成分である数値Ｓ１が加算され、さらに、波長λ／３の正弦成分である数値Ｓ３が加算される。演算器３７が演算した数値は、ＦＦＴ１９からの記憶指令信号ＳＥＴにより、記憶器３１に記憶され、数値ＤＳのオフセット修正値として使用される。
以上の構成により、波長λの回転変化だけで、数値ＤＣ、ＤＳのオフセット成分を高精度に同定し、数値ＤＣ、ＤＳから除去することが可能である。なお、数値ＤＣ、ＤＳに含まれる２次高調波成分が少ない場合は、波長λ／３の成分によるオフセット成分の修正は不要である。また、原理的に波長λの回転変化だけでなく、波長λの整数倍の回転変化でオフセット成分を同定することも可能である。
演算器３５では、ＦＦＴ１９が演算した半径量ＲＤの波長λ／２の正弦成分である数値Ｓ２と、平均半径である数値ＲＤＡに対して、数８の計算が行われ、数値ＤＰが出力される。
［数８］
ＤＰ＝２・Ｓ２／ＲＤＡ
減算器３８では、記憶器３２が記憶する数値ＤＳＡの位相差を除去するための数値ＰＪから演算器３５が出力した数値ＤＰが減算される。減算器３８が減算した数値は、ＦＦＴ１９からの記憶指令信号ＳＥＴにより、記憶器３２に記憶され、数値ＤＳＡの位相差修正値として使用される。
以上の構成により、波長λの回転変化だけで、数値ＤＳＡの数値ＤＣＡに対する位相差が９０度に対してどれだけずれているか、つまり数値ＤＳＡに含まれる数値ＤＣＡと同位相の成分を高精度に同定し、数値ＤＳＡから除去することが可能である。なお、上記実施形態では波長λの回転変化ごとに位相差を同定したが、原理的にλの回転変化だけでなく、λ／２の整数倍の回転変化で位相差成分を同定することも可能である。
演算器３４では、ＦＦＴ１９が演算した半径量ＲＤの波長λ／２の余弦成分である数値Ｃ２と、平均半径である数値ＲＤＡに対して、数９の計算が行われ、数値ＤＢが出力される。
［数９］
ＤＢ＝（ＲＤＡ＋Ｃ２）／（ＲＤＡ−Ｃ２）
乗算器３９では、記憶器３３が記憶する数値ＤＳＢの振幅比を除去するための数値ＢＪと演算器３４が出力した数値ＤＢとが乗算される。乗算器３９が乗算した数値は、ＦＦＴ１９からの記憶指令信号ＳＥＴにより、記憶器３３に記憶され、数値ＤＳＢの振幅比修正値として使用される。
以上の構成により、波長λの回転変化だけで、数値ＤＳＢの数値ＤＣＡに対する振幅比が１に対して異なる量を高精度に同定し、数値ＤＳＢから除去することが可能である。なお、上記実施形態では波長λの回転変化ごとに振幅比の悪化量を同定したが、原理的にλの回転変化だけでなく、λ／２の整数倍の回転変化で振幅比の悪化量を同定することも可能である。
本発明の実施形態を示す位置検出装置のブロック図 従来の位置検出装置を示す図。 図１の信号処理回路の内挿動作を示すブロック図
符号の説明
１ 回転軸、３，４ 増幅器、５ タイミングコントローラ、６，７ ＡＤ変換器、８，９，１４，３８ 減算器、１０，１１，１２，１３，３０，３１，３２，３３ 記憶器、１５，１６，３９ 乗算器、１７ 内挿演算器、１８ 半径演算器、１９ 高速フーリエ演算器、２１ ロータ、２２ 原点を示す突起、２３ プリント基板、２４，２５，２６ 検出コイル、２７ 電磁石、２８ 励磁コイル、２９ 信号処理回路、３６，３７ 演算器。

Claims (7)

  1. 測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
    位置センサからの２つの信号についてのオフセット値を記憶するオフセット記憶手段と、
    前記位置センサの２つの信号から前記オフセット記憶手段が記憶するオフセット値をそれぞれ除去するオフセット除去手段と、
    オフセット除去後の２つの信号を位置データに変換する内挿演算手段と、
    前記オフセットを除去後の２つの信号の自乗和の平方根を演算する半径演算手段と、
    前記測定変位が波長λの整数倍で変化したときの前記位置データと前記半径演算手段の出力値に基づいて、前記オフセット記憶手段に記憶させるオフセット値を演算するオフセット値演算手段と、
    を具備し、
    オフセット値演算手段において得られたオフセット値によって前記オフセット記憶手段に記憶されているオフセット値を更新することを特徴とする位置検出装置。
  2. 前記オフセット値演算手段は、前記半径演算手段の出力値の変化をフーリエ解析した波長λの成分に基づき、オフセット値を演算することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
  3. 前記オフセット値演算手段は、前記半径演算手段の出力値の変化をフーリエ解析した波長λの成分と波長λ／３に基づき、オフセット値を演算することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
  4. 測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
    位置センサからの２つの信号についての振幅比修正値を記憶する振幅比修正値記憶手段と、
    前記位置センサの２つの信号の振幅比を前記振幅比修正値記憶手段が記憶する振幅比修正値に従って、修正する振幅比修正手段と、
    前記振幅比修正後の２つの信号を位置データに変換する内挿演算手段と、
    前記振幅比修正後の２つの信号の自乗和の平方根を演算する半径演算手段と、
    前記測定変位が波長λ／２の整数倍で変化したときの前記位置データと前記半径演算手段の出力値に基づいて、前記振幅比修正値記憶手段に記憶させる振幅比修正値を演算する振幅比修正値演算手段と、
    を具備し、振幅比修正値演算手段において得られた振幅比修正値によって前記振幅比修正値記憶手段に記憶されている振幅比修正値を更新することを特徴とする位置検出装置。
  5. 前記振幅比修正値演算手段は、前記位置データに対する前記振幅演算手段の出力値の変化をフーリエ解析した波長λ／２の成分に基づき、振幅比修正値を演算することを特徴とする請求項４記載の位置検出装置。
  6. 測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
    位置センサからの２つの信号についての位相差修正値を記憶する位相差修正値記憶手段と、
    前記位置センサの２つの信号の位相差を前記位相差修正値記憶手段が記憶する位相差修正値に従って、位相差を修正する位相差修正手段と、
    位相差修正後の２つの信号を位置データに変換する内挿演算手段と、
    前記位相差修正後の２つの信号の自乗和の平方根を演算する半径演算手段と、
    前記測定変位が波長λ／２の整数倍で変化したときの前記位置データと前記半径演算手段の出力値に基づいて、前記位相差修正値記憶手段に記憶させる位相差修正値を演算する位相差修正値演算手段と、
    を具備し、
    位相差修正値演算手段において得られた位相差修正値によって前記位相差修正値記憶手段に記憶されている位相差修正値を更新することを特徴とする位置検出装置。
  7. 前記位相差修正値演算手段は、前記位置データに対する前記半径演算手段の出力値の変化をフーリエ解析した波長λ／２の成分に基づき、振幅比修正値を演算することを特徴とする請求項６記載の位置検出装置。
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