JP2017129452A

JP2017129452A - エンコーダ

Info

Publication number: JP2017129452A
Application number: JP2016008929A
Authority: JP
Inventors: 宏克奥村; Hirokatsu Okumura; 齋藤　豊; Yutaka Saito; 豊齋藤; 均上甲; Hitoshi Joko
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: JP6668082B2; KR20170087415A; TW201727199A; TWI714699B; CN106989762B; CN106989762A

Abstract

【課題】ＭＲ素子を用いたエンコーダにおいて、オフセットを適切に反映させ精度を向上させる技術を提供する。【解決手段】エンコーダは、ＭＲ素子１０と、制御部２０とを備える。制御部２０は、ＡＤＣ２１と、角度算出部２２と、オフセット制御部２３とを備える。角度算出部２２は、ＡＤＣ２１を介してＭＲ素子１０からＡ相信号及びＢ相信号を取得し、磁石５０の角度位置を算出する。オフセット制御部２３は、Ａ相信号及びＢ相信号からリサージュ波形を算出し、また、円形のリサージュ波形を等分割した所定の候補点から連続する３点を用いて、２点間の垂直二等分線を２つ求め、その交点をオフセットとして算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、エンコーダに係り、例えば、π／２の位相差をもつＡ相信号及びＢ相信号の磁気センサ出力をもとに得られる回転角を算出する磁気式のエンコーダに関する。

被検出物の変位量や変位の絶対値を検出する装置として、磁気式エンコーダが知られている。例えば、磁気式エンコーダとしては、ＮＳの２極に着磁された円盤状の磁石を回転させ、その磁界変化をＭＲ素子で検出し、得られたＳｉｎ信号及びＣｏｓ信号をＡＤ変換してマイコンに取り込み、回転位置の絶対値を検出するものがある。

このような磁気式エンコーダでは、例えば、逆正接信号の位相をパラメータとし、Ｓｉｎ信号を直交座標系のＹ座標、Ｃｏｓ信号を直交座標系のＸ座標としてプロットすると、いわゆるリサージュ波形が得られる。リサージュ波形は、Ｓｉｎ信号とＣｏｓ信号がノイズ等のない理想的な信号と仮定すると、中心ずれや歪のない円形となる。しかし、実際は、センサのばらつき等によって、中心がずれた円形、すなわち、Ｙ座標とＸ座標の交点からリサージュ波形の円周上までの距離が異なる場合がある。そのため、エンコーダを工場から出荷する際には、予めオフセット補正をかけておくのが一般的である。さらに、出荷時（初期）のオフセット調整環境と実際の使用環境、特に温度環境が異なる使用環境との違いを考慮し、オフセット誤差を調整する技術もある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−７８３４０号公報

ところで、Ｙ軸との交点２点とＸ軸との交点２点とによりオフセットを算出する技術では、小さい回転角度しか動かないような場合のアプリケーションでは、オフセット算出に限界があり、そのような状況に於いても精度向上を図ることのできる技術が求められていた。

本発明は、上記の状況に鑑みなされたものであって、ＭＲ素子を用いたエンコーダにおいて、オフセットを適切に反映させ精度を向上させることを目的にしている。

本発明に係るエンコーダは、ＮＳの２極に着磁された磁石と、前記磁石に対向するように配置され、π／２の位相差を持つＡ相信号とＢ相信号を出力する磁気センサと、前記Ａ相信号と前記Ｂ相信号にもとづいて、回転量を算出する回転量算出部と、前記Ａ相信号と前記Ｂ相信号にもとづいて、リサージュ波形を直交座標系上に形成し、前記リサージュ波形をもとに、前記Ａ相信号と前記Ｂ相信号のオフセットを算出するオフセット制御部と、を備え、前記オフセット制御部は、前記リサージュ波形が呈する円周上において、所定の数に均等に分割される候補点のうち、連続する３点から形成される２つの辺の垂直二等分線の交点よりオフセットを検出する。
ここで、π／２の位相差を持つＡ相信号とＢ相信号とは、例えば、Ｓｉｎ信号及びＣｏｓ信号を指す。従来のように、Ｙ軸との交点２点とＸ軸との交点２点とによりオフセットを算出する場合と比較して、小さい回転角度でもオフセットが検出できる。その為、小さい回転角度しか動かないようなアプリケーションでも使用することができる。

前記オフセット制御部は、リサージュ波形に歪がある場合、理想円となるように補正をして前記連続する３点から前記オフセットを算出してもよい。
リサージュ波形が呈する円形に歪があった場合でも、より正確なオフセットを算出できる。

また、前記連続する３点は、前記直交座標系のいずれかの座標軸と前記リサージュ波形との交点を少なくとも１つ含んでもよい。
一般に、リサージュ波形は直交座標系の軸（Ｘ軸、Ｙ軸）との交点での歪は少ない。そこで、軸との交点が含まれることにより、歪補正において軸との交点に関しては補正を行う必要がなく、より早くオフセットを算出することができる。

前記連続する３点は、前記直交座標系のいずれかの座標軸と前記リサージュ波形との交点であってもよい。
３点とも軸との交点とすることで、リサージュ波形の歪が少ない位置から３点を選択しているので、３点とも歪補正が不要になり、より早くオフセットを算出することができる。

前記座標軸上との交点の検出は、前記Ａ相信号または前記Ｂ相信号のいずれか一方がゼロになったときの値と、他方側の値との組み合わせから算出してもよい。
最大値検出や最小値検出をせずに、簡単な方法で軸との交点を検出し、オフセットを算出することができる。

前記オフセット制御部は、前記回転量を算出するために適用する前記オフセットを決定する際に、前回算出されたオフセットと最新に算出されたオフセットとを平滑化して用いてもよい。
最新オフセットに対して１つ前のオフセットに重み付けした値を加え平滑化（フィルタリング）したものを、前記回転量を算出するときに適用することで、環境温度変化、使用時の装置温度上昇などの変化があっても、それら変化に追従して適切なオフセットを検出でき、かつ、フィルタをかけることで、ばたつかないようなオフセットとすることができる。

前記オフセット制御部は、前記回転量を算出するために適用する前記オフセットを決定する際に、最初の３点で検出したオフセットはそのまま使用し、以後に順次検出したオフセットは重み付けして前記最初の３点で検出したオフセットに反映させてもよい。
エンコード回転直後から早くオフセットを算出でき、かつ、上述の様に、ばたつかないオフセットとして算出できる。

本発明によれば、ＭＲ素子を用いたエンコーダにおいて、オフセットを適切に反映させ精度を向上させることができる。

実施形態に係る、エンコーダのハードウェア構成のイメージ図である。実施形態に係る、エンコーダの機能ブロック図である。実施形態に係る、オフセット算出手法を説明するための図である。実施形態に係る、リサージュ波形と候補点の関係を示した図である。実施形態に係る、オフセットの算出工程の概要を示すフローチャートである。

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るオフセット値補正が行われるエンコーダ１のハードウェア構成のイメージ図である。図２は、エンコーダ１の機能ブロックであり、主に、オフセット補正の機能に着目して示している。

エンコーダ１は、回転体の回転に連動して出力信号が変化するＭＲ素子１０と、制御部２０とを有する。本実施形態では、回転体として、Ｓ極とＮ極の磁極が一対着磁された円盤状の磁石５０が用いられている。モータ装置のフレーム等に固定され、磁石５０は、モータ装置の回転出力軸等に連結された状態で使用される。

エンコーダ１では、ＭＲ素子１０から制御部２０に向けて、互いにπ／２の位相差を有するＣｏｓ信号（Ａ相信号）とＳｉｎ信号（Ｂ相信号）とが出力される。より具体的には、ＭＲ素子１０は、磁石５０の位相に対して、互いに９０°の位相差を有するＡ相の磁気抵抗パターンとＢ相の磁気抵抗パターンとを備え、磁石５０の回転に対応してＡ相信号とＢ相信号を出力する。

なお、図示では、Ａ相センサおよびＢ相センサの一構成要素となるＭＲ素子１０しか図示していないが、その他、例えば、整流回路、ローパスフィルタ、差動増幅アンプ、ＭＲ素子１０に励磁電流を供給するドライバなどの各種電気要素によって、Ａ相センサおよびＢ相センサの出力が算出処理される。

制御部２０は、例えば、ＭＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の各種電気要素によって形成されており、機能的にはＡ／Ｄ変換部２１（以下、「ＡＤＣ２１」と表記する。）と、角度算出部２２と、オフセット制御部２３とを備える。

ＡＤＣ２１は、ＭＲ素子１０から出力されたアナログ信号を取得しデジタル化し、角度算出部２２及びオフセット制御部２３へ出力する。角度算出部２２は、ＭＲ素子１０からの出力（Ａ相信号、Ｂ相信号）をもとに磁石５０の角度位置を算出する。

オフセット制御部２３は、リサージュ波形を算出する機能及びオフセット補正機能を有している。角度算出部２２は、磁石５０の角度位置の算出の際に、オフセット制御部２３からオフセットを取得し、適正な角度位置の算出を行う。

オフセット制御部２３は、オフセット算出部２４と、オフセットデータ記憶部２５と、歪補正用データ記憶部２６とを備える。

オフセット算出部２４は、Ａ相信号とＢ相信号のオフセットを算出し、角度算出部２２の角度位置の算出処理へ提供する。具体的なオフセットの算出手順については図４及び図５を参照して後述するが、簡単には、円形のリサージュ波形を等分割した所定の候補点から連続する３点を選択し、さらに連続する２点間の垂直二等分線を２つ求め、その交点をオフセットとして算出する。エンコーダ１の起動後最初のオフセット算出処理にて得られた値は、そのまま角度算出部２２で使用される。以降に得られたオフセットについては、最初のオフセットと平滑化した上で角度算出部２２で使用される。これによって、起動時は極力早く最新のオフセットを反映させ、以降は、ばたつかないオフセットを用いることができる。なお、どのような重み付けをして平滑化するかは、目的に応じて適宜選択されうる。

オフセットデータ記憶部２５は、オフセットのデータを保持する。ここでは、出荷時のオフセットの値と共に、実際に使用状態となった後に算出されたオフセットの値が記憶され、上述の平滑化処理に用いられる。

歪補正用データ記憶部２６は、リサージュ波形において歪みが生じている場合に、歪み補正を行うためのデータを保持する。ＭＲ素子１０及びそれに付随するアンプ、ドライバ等により、ＡＤＣ２１が取得するアナログ信号（Ａ相信号及びＢ相信号）に歪みが生じることがある。また、歪みの原因に、磁石５０とＭＲ素子１０との形状上の問題、すなわち幾何学的要因もある。磁石５０は、円盤状に形成され、各極が半円状となって、半円状の領域から半円状の領域に磁束線が、完全に一様ではなく丸みを持って分布される。また、ＭＲ素子１０に形成されているブリッジ回路の各セグメントに印加される磁束が、場所により少しずつ異なる。これらによりリサージュ波形に歪が生じる。

その様な歪みは、一般には、温度特性によって一様に変化することから、予め正規化するための補正値を記憶しておき、リサージュ波形を作るときに適用することで、歪みの無い（または非常に小さい）円形を得ることができる。なお、本実施形態では、後述のように、オフセットを算出する場合に、予め所定の候補点を決めるため、実際に保持するデータ量及び歪み補正に必要な計算量は小さくてすむ。

図３は、本実施形態において適用するオフセット算出手法を説明するための図である。ここでは、円形のリサージュ波形上において均等に分割された候補点から連続する３点を用いて、それら連続する３点から形成される２つの辺の垂直二等分線の交点よりオフセットを算出する。

ここで、連続する３点として、第１点Ｐ１（Ｘ１、Ｙ１）、第２点Ｐ２（Ｘ２、Ｙ２）、第３点Ｐ３（Ｘ３、Ｙ３）とする。第１点Ｐ１（Ｘ１、Ｙ１）と第２点Ｐ２（Ｘ２、Ｙ２）の第１交点Ｐｍ１（Ｘｍ１、Ｙｍ１）、第２点Ｐ２（Ｘ２、Ｙ２）と第３点Ｐ３（Ｘ３、Ｙ３）の第２交点Ｐｍ２（Ｘｍ２、Ｙｍ２）は次式で得られる。
Ｘｍ１＝（Ｘ１＋Ｘ２）／２
Ｙｍ１＝（Ｙ１＋Ｙ２）／２
Ｘｍ２＝（Ｘ２＋Ｘ３）／２
Ｙｍ２＝（Ｙ２＋Ｙ３）／２

第１交点Ｐｍ１（Ｘｍ１、Ｙｍ１）の垂直二等分線Ｌ１と、第２交点Ｐｍ２（Ｘｍ２、Ｙｍ２）の垂直二等分線Ｌ２との交点Ｐ０（Ｘ０、Ｙ０）は、次式で得られる。この交点Ｐ０（Ｘ０、Ｙ０）の値が新たに算出されたオフセットとなる。
Ｘ０＝（Ｎｒ１×Ｙｓ２−Ｎｒ２×Ｙｓ１）／（Ｎｒ１−Ｎｒ２）
Ｙ０＝（Ｙｓ２−Ｙｓ１）／（Ｎｒ１−Ｎｒ２）
ただし、Ｎｒ１（Ｌ１の傾き）、Ｎｒ２（Ｌ２の傾き）、Ｙｓ１、Ｙｓ２は以下の式とする。
Ｎｒ１＝−（Ｘ２−Ｘ１）／（Ｙ２−Ｙ１）
Ｎｒ２＝−（Ｘ３−Ｘ２）／（Ｙ３−Ｙ２）
Ｙｓ１＝Ｙｍ１−Ｎｒ１×Ｘｍ１
Ｙｓ２＝Ｙｍ２−Ｎｒ２×Ｘｍ２

図４は、リサージュ波形と候補点の関係を示した図であって、図４（ａ）は４等分した例、図４（ｂ）は図４（ａ）を更に等分割し８等分した例を示している。

図４（ａ）に示す様に、リサージュ波形を４等分し、かつ、Ｘ軸及びＹ軸との４つの交点（Ｐ１〜Ｐ４）が候補点となる場合を想定する。ここでは、図３と同様に、第１〜第３点Ｐ１〜Ｐ３を用いて、オフセットとなる交点Ｐ０を算出している。一般に、リサージュ波形と軸上（Ｘ軸上やＹ軸上）との交点では、歪みが少ないため、得られる交点Ｐ０（Ｘ０、Ｙ０）のオフセットとしての値が非常に正確になる。別の観点では、歪み補正を行わなくとも、十分な精度でオフセットを得ることができる。また、円形のリサージュ波形では、中心角１８０度、すなわち、磁石５０の回転では９０度（１８０度／２）でオフセットが検出可能となる。すなわち、素早いオフセットの算出処理が可能となる。

また、図４（ｂ）では、８等分された位置の８つの候補点（Ｐ１〜Ｐ８）のうち、第３点Ｐ３〜第５点Ｐ５を用いて、オフセットとなる交点Ｐ０を算出している。８等分した候補点から連続する３点を選択した場合、必ずＸ軸又はＹ軸上の点が１点又は２点含まれる。また、軸上の点以外の点は、原点に対して±４５度の傾きを持っており、Ａ相信号とＢ相信号との交点に対応する。この位置は、歪が大きいので歪を補正した値を使用する。その結果、得られる交点Ｐ０（Ｘ０、Ｙ０）のオフセットとしての値が非常に正確になる。この場合、円形のリサージュ波形では、中心角９０度、すなわち、磁石５０の回転では４５度でオフセットが検出可能となる。したがって、磁石５０が僅かにしか回転しないような装置に取り付けられた場合でも、オフセットを適切に算出でき、エンコーダ１の検出精度を向上させることができる。

つぎに、図５のフローチャートを用いて、オフセットの算出工程の概要を説明する。制御部２０は、ＭＲ素子１０から出力されたＡ相信号とＢ相信号を取得する（Ｓ１０）。取得されたＡ相信号とＢ相信号は角度算出部２２とオフセット制御部２３に出力される。

オフセット算出部２４は、Ａ相信号とＢ相信号をもとに、リサージュ波形を取得する（Ｓ１２）。このとき、必要に応じて、歪補正用データ記憶部２６を参照して上述した歪み補正を施す。つづいて、オフセット算出部２４は、所定の候補点から連続する３点を特定し（Ｓ１４）、連続する２点を結び得られる辺の垂直二等分線を２つ求め、それらの交点を算出し（Ｓ１６）、最新のオフセットを決定する（Ｓ１８）。

最新のオフセットを決定すると、オフセット算出部２４は、エンコーダ１を起動した後最初のオフセットの算出であったか否かを判断する（Ｓ２０）。

最初のオフセットの算出であれば（Ｓ２０のＹ）、オフセット算出部２４は、その最新のオフセットを角度算出部２２へ通知する（Ｓ２２）。通知後、算出したオフセットがオフセットデータ記憶部２５に保存される。

最初のオフセットの算出で無ければ（Ｓ２０のＮ）、オフセット算出部２４は、その最新のオフセットとオフセットデータ記憶部２５に記録されている過去に算出されたオフセットとを用いて平滑化処理し（Ｓ２６）、平滑化したオフセットを角度算出部２２に通知する（Ｓ２８）。通知後、算出したオフセットがオフセットデータ記憶部２５に保存される（Ｓ２４）。

本発明を、実施の形態をもとに説明したが、この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１エンコーダ
１０ＭＲ素子
２０制御部
２１ＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換部）
２２角度算出部
２３オフセット制御部
２４オフセット算出部
２５オフセットデータ記憶部
２６歪補正用データ記憶部
５０磁石

Claims

ＮＳの２極に着磁された磁石と、
前記磁石に対向するように配置され、π／２の位相差を持つＡ相信号とＢ相信号を出力する磁気センサと、
前記Ａ相信号と前記Ｂ相信号にもとづいて、回転量を算出する回転量算出部と、
前記Ａ相信号と前記Ｂ相信号にもとづいて、リサージュ波形を直交座標系上に形成し、前記リサージュ波形をもとに、前記Ａ相信号と前記Ｂ相信号のオフセットを算出するオフセット制御部と、
を備え、
前記オフセット制御部は、前記リサージュ波形が呈する円周上において、所定の数に均等に分割される候補点のうち、連続する３点から形成される２つの辺の垂直二等分線の交点よりオフセットを検出する
ことを特徴とするエンコーダ。
前記オフセット制御部は、前記リサージュ波形が呈する円形に歪がある場合、理想円となるように補正をして前記連続する３点から前記オフセットを算出することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
前記連続する３点は、前記直交座標系のいずれかの座標軸と前記リサージュ波形との交点を少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダ。
前記連続する３点は、前記直交座標系のいずれかの座標軸と前記リサージュ波形との交点であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のエンコーダ。
前記座標軸上との交点の検出は、前記Ａ相信号または前記Ｂ相信号のいずれか一方がゼロになったときの値と、他方の値との組み合わせから算出することを特徴とする請求項３または４に記載のエンコーダ。
前記オフセット制御部は、前記回転量を算出するために適用する前記オフセットを決定する際に、前回算出されたオフセットと最新に算出されたオフセットとを平滑化して用いることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載のエンコーダ。
前記オフセット制御部は、前記回転量を算出するために適用する前記オフセットを決定する際に、最初の３点で検出したオフセットはそのまま使用し、以後に順次検出したオフセットは重み付けして前記最初の３点で検出したオフセットに反映させることを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載のエンコーダ。