JP2021025840A - General-purpose type rotary encoder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、汎用型のセンサを採用した汎用型ロータリーエンコーダに関する。 The present invention relates to a general-purpose rotary encoder that employs a general-purpose sensor.
ロータリーエンコーダは、電気機器用のエンコーダとして、モータで駆動される回転軸の絶対角度位置を測定するために使用される。例えば、ブラシレスDCモータの制御方法として、Z相、U相、V相、及びW相の位相を検知するロータリーエンコーダと、ロータの磁極位置とを同期させて、モータを完全閉ループのサーボモータとして制御することが行われている。 The rotary encoder is used as an encoder for electrical equipment to measure the absolute angular position of a rotating shaft driven by a motor. For example, as a control method for a brushless DC motor, a rotary encoder that detects the phases of Z-phase, U-phase, V-phase, and W-phase is synchronized with the magnetic pole position of the rotor to control the motor as a completely closed-loop servomotor. Is being done.
特許文献1には、モータの回転軸の回転位相を検知する1組のMRセンサユニットを備え、A相、B相、Z相信号、U相、V相、W相の駆動信号及び絶対原点位置の情報にEEPROMのアドレスを付与し、多回転・アブソリュート信号のデータとしてEEPROMに記録するように構成されたモータ制御装置が開示されている。MRセンサユニットは、軸ずれ補正処理部も備えている。
特許文献2には、円形の基板に設けられたパターンを介した光のうち、所定の受光素子に対して第1方向にずれた位置に配置される受光素子に入射する迷光となる光が、絞りから射出されるのを抑制する抑制部を備える、光学式のロータリーエンコーダが開示されている。
In
特許文献3には、磁気スケールの磁場を検出する磁気センサと、位置検出用スケールからの反射光を検出するフォトセンサと、磁気センサの検出結果に基づいて磁気スケーに対する磁気センサの相対位置と、フォトセンサの検出結果に基づいて位置検出対象の絶対位置とを求めるデータ制御部とを備えたアブソリュートエンコーダであって、フォトセンサと磁気センサとの検出結果に基づいて、データ制御部内の位置検出対象と絶対位置との関係を表すデータを自動的に校正する発明が開示されている。 Patent Document 3 describes a magnetic sensor that detects a magnetic field on a magnetic scale, a photosensor that detects reflected light from a position detection scale, and a relative position of the magnetic sensor with respect to a magnetic scale based on the detection result of the magnetic sensor. An absolute encoder equipped with a data control unit that obtains the absolute position of the position detection target based on the detection result of the photo sensor, and the position detection target in the data control unit based on the detection results of the photo sensor and the magnetic sensor. An invention is disclosed that automatically calibrates data representing the relationship between and absolute position.
各被駆動部材を駆動するモータを、ロータリーエンコーダとして閉ループで制御するためには、モータの回転速度、回転数、回転方向等の正確な情報が必要である。そのため、ロータリーエンコーダを用いた回転角度の検出においては、その検出精度をより向上させるために、様々な技術が提案されている。 In order to control the motor that drives each driven member as a rotary encoder in a closed loop, accurate information such as the rotation speed, rotation speed, and rotation direction of the motor is required. Therefore, in the detection of the rotation angle using the rotary encoder, various techniques have been proposed in order to further improve the detection accuracy.
特許文献1に記載の発明では、回転軸に対するMRセンサのマグネット原点位置の情報を取得し、絶対原点位置を基にZ相信号を設定し、EEPROMのアドレスを付与し、多回転・アブソリュート信号のデータを生成し、ロータリーエンコーダとしての機能を持たせている。この発明では、MRセンサを採用しているため、安価で比較的高精度のロータリーエンコーダを提供できる。一例として、量産される汎用的なGMRを用いたエンコーダは、1台当たりの価格が数百円〜数千円と安価である。
本発明では、この種の、安価でかつ所定の精度を有する汎用的なセンサを、汎用センサと定義する。
In the invention described in
In the present invention, this kind of general-purpose sensor that is inexpensive and has a predetermined accuracy is defined as a general-purpose sensor.
しかし、この種の汎用センサは、本来、自動車用の部品等として、大量かつ安価に供給することを前提として製造されている。そのため、個々の汎用センサの出力特性にはばらつきやひずみがある。すなわち、磁石自体の着磁ずれ、磁気抵抗素子センサの感度のばらつき、磁気抵抗素子センサのモータへの固定時の誤差に起因する位相角のズレ等により、個々の汎用センサは、その出力特性にセンサ固有のばらつきやひずみがあるという課題がある。そのため、汎用型のセンサをロータリーエンコーダのセンサとして用いる場合、このセンサ固有のばらつきやひずみを補正し所定の精度を確保するために、軸ずれ補正処理等の機能が設けられている。しかし、回転軸の絶対原点位置以外の中間の角度におけるばらつきやひずみを高精度に補正するのは困難である。そのため、回転角(機械角)で±1度〜数度の目盛精度しか得られない。このようなロータリーエンコーダを、μmオーダーの精度が必要な機器、例えば、チップマウンタ等に採用することはできない。
また、ロータリーエンコーダのセンサとして用いられているレゾルバに関しても、比較的安価ではあるが、個々のセンサは、固有のばらつきやひずみがあるため、出力特性のばらつきが大きく、±10度程度の目盛精度しか得られていない。
このように、汎用センサを用いて、回転速度や回転方向の判別を高精度に行うのに充分な絶対精度を有する、安価でばらつきのない高精度のロータリーエンコーダを実現するのは難しい。
However, this type of general-purpose sensor is originally manufactured on the premise that it is supplied in large quantities and at low cost as parts for automobiles and the like. Therefore, there are variations and distortions in the output characteristics of individual general-purpose sensors. That is, due to the magnetization deviation of the magnet itself, the variation in the sensitivity of the magnetoresistive element sensor, the phase angle deviation due to the error when the magnetoresistive element sensor is fixed to the motor, etc., each general-purpose sensor has its output characteristics. There is a problem that there are variations and distortions peculiar to the sensor. Therefore, when a general-purpose sensor is used as a sensor for a rotary encoder, a function such as axis misalignment correction processing is provided in order to correct variations and distortions peculiar to the sensor and secure a predetermined accuracy. However, it is difficult to correct variations and strains at intermediate angles other than the absolute origin position of the rotating shaft with high accuracy. Therefore, the rotation angle (mechanical angle) can only be obtained with a scale accuracy of ± 1 degree to several degrees. Such a rotary encoder cannot be used in equipment that requires accuracy on the order of μm, for example, a chip mounter.
In addition, the resolver used as a sensor for rotary encoders is also relatively inexpensive, but each sensor has its own variation and distortion, so the output characteristics vary widely, and the scale accuracy is about ± 10 degrees. Only obtained.
As described above, it is difficult to realize an inexpensive and consistently high-precision rotary encoder having sufficient absolute accuracy to discriminate the rotation speed and the rotation direction with high accuracy by using a general-purpose sensor.
一方、特許文献2に記載されたような、光学式のロータリーエンコーダは、高精度を確保するために、回転軸に固定される基板としてガラス製の基板を採用しているものが多い。そのため、例えば、分解能が1万パルスを超える高分解能の機種では、目盛精度として、±2秒が保証されているものもある。また、分解能(信号周期/回転)が4096の高分解能の機種でも、目盛精度は、±10秒が保証されている。しかし、このような高精度の光学式のロータリーエンコーダは、その価格が数十万円あるいは百万円オーダーとかなり高価格であり、装着しうる機器の対象が、高額な機器に限定されている。
本発明では、この種の、汎用センサと比較して、絶対精度が2桁乃至3桁高精度であり、耐環境性では劣りかつ高価格のセンサを、高精度センサと定義する。
また、特許文献2に記載されたような光学式のロータリーエンコーダは、一般に、基板に特定の光学パターンが形成されており、この光学パターンにより、そのエンコーダの出力方式が一律に決定される。そのため、異なる出力方式が必要な場合には、各出力方式に対応した光学パターンを有する基板を備えた光学式のロータリーエンコーダを用意する必要がある。
On the other hand, many optical rotary encoders as described in
In the present invention, a sensor having an absolute accuracy of 2 to 3 orders of magnitude higher than that of a general-purpose sensor of this type, inferior in environmental resistance, and at a high price is defined as a high-precision sensor.
Further, in an optical rotary encoder as described in
特許文献3に記載のアブソリュートエンコーダは、起動時にフォトセンサからの出力を校正するか否かを判断し(図6のS101)、校正を行う場合は、磁気センサ(本発明における汎用センサに相当)からの出力を利用して、校正用のテーブルを作成し、フォトセンサからの出力を校正している(図6のS102−109)。しかしながら、汎用センサからの出力には上記のような問題がある。そのため、磁気センサの出力でフォトセンサからの出力を高精度に補正できる、アブソリュートエンコーダを実現するのは困難である。 The absolute encoder described in Patent Document 3 determines whether or not to calibrate the output from the photosensor at startup (S101 in FIG. 6), and when calibrating, the magnetic sensor (corresponding to the general-purpose sensor in the present invention). A table for calibration is created using the output from, and the output from the photosensor is calibrated (S102-109 in FIG. 6). However, the output from the general-purpose sensor has the above-mentioned problems. Therefore, it is difficult to realize an absolute encoder that can correct the output from the photo sensor with high accuracy by the output of the magnetic sensor.
本発明の1つの目的は、汎用センサを使用して、高精度センサを具備したのに匹敵する高精度で、耐環境性に優れかつ安価な、ロータリーエンコーダを提供することにある。 One object of the present invention is to provide a rotary encoder using a general-purpose sensor, which has high accuracy comparable to that provided with a high-precision sensor, has excellent environmental resistance, and is inexpensive.
本発明の他の目的は、汎用センサを使用して、高精度センサを具備したのに匹敵する高精度で、耐環境性に優れ、かつ、1台の高精度のロータリーエンコーダで任意の出力形式に対応できる、安価なロータリーエンコーダを提供することにある。 Another object of the present invention is to use a general-purpose sensor with high precision comparable to that provided with a high precision sensor, excellent environmental resistance, and any output format with one high precision rotary encoder. The purpose is to provide an inexpensive rotary encoder that can handle the above.
本発明の1つの態様によれば、汎用型ロータリーエンコーダは、
モータに装着され前記モータの回転軸の回転角度を検出する汎用センサと、
前記汎用センサからの出力信号に基づいて前記モータの回転軸の回転角度の情報を出力する回転角度検出部と、
前記回転角度の情報に基づき、前記モータの駆動のための信号を生成して出力するエンコーダ制御ユニットを備えた汎用型ロータリーエンコーダであって、
前記エンコーダ制御ユニットは、初期設定用のモータを駆動する機能と、
前記汎用センサ固有の初期設定データを取得する初期設定データ取得部と、
前記汎用型ロータリーエンコーダが装着された制御対象のモータが、通常運転される際に使用される通常運転用のデータを取得・生成する通常運転データ取得部と、
エンコーダの出力方式選定部と、
前記汎用センサ固有の初期設定データを校正するための校正データを保持したエンコーダメモリを備えており、
前記校正データは、前記汎用センサに対して絶対精度が2桁若しくは3桁高い高精度が保証されたセンサを標準センサとし、前記汎用センサと前記標準センサを前記初期設定用のモータに同時に連結して少なくとも正逆1回転だけ駆動することにより得られた、前記回転軸の回転角度に関する校正データであり、
前記エンコーダの出力方式選定部は、前記汎用型ロータリーエンコーダの出力方式として、アブソリュートデータ及びインクリメンタルデータのいずれかの出力方式を選定する機能を有し、
前記通常運転データ取得部は、前記選定された出力方式に対応して、前記汎用センサの出力を前記校正データで校正した通常運転用のデータを取得・生成し、前記エンコーダメモリに保持することを特徴とする。
According to one aspect of the invention, the general purpose rotary encoder
A general-purpose sensor mounted on the motor to detect the rotation angle of the rotation axis of the motor,
A rotation angle detection unit that outputs information on the rotation angle of the rotation axis of the motor based on an output signal from the general-purpose sensor, and a rotation angle detection unit.
A general-purpose rotary encoder including an encoder control unit that generates and outputs a signal for driving the motor based on the rotation angle information.
The encoder control unit has a function of driving a motor for initial setting and
An initial setting data acquisition unit that acquires initial setting data unique to the general-purpose sensor,
A normal operation data acquisition unit that acquires and generates data for normal operation used when the motor to be controlled equipped with the general-purpose rotary encoder is normally operated.
Encoder output method selection section and
It is equipped with an encoder memory that holds calibration data for calibrating the initial setting data unique to the general-purpose sensor.
For the calibration data, a sensor whose absolute accuracy is guaranteed to be two or three orders of magnitude higher than that of the general-purpose sensor is used as a standard sensor, and the general-purpose sensor and the standard sensor are simultaneously connected to the motor for initial setting. It is the calibration data regarding the rotation angle of the rotation axis obtained by driving at least one forward and reverse rotation.
The output method selection unit of the encoder has a function of selecting an output method of either absolute data or incremental data as the output method of the general-purpose rotary encoder.
The normal operation data acquisition unit acquires and generates data for normal operation obtained by calibrating the output of the general-purpose sensor with the calibration data in accordance with the selected output method, and holds the data in the encoder memory. It is a feature.
本発明の他の態様によれば、前記エンコーダの出力方式選定部は、前記汎用型ロータリーエンコーダの出力方式として、さらに、モータの駆動信号用のデータも含むか否かを選定する機能を有し、
前記通常運転データ取得部は、前記選定された出力方式に対応して、前記汎用センサの出力を前記校正データで校正した前記通常運転用のデータを取得・生成し、前記エンコーダメモリに保持することを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, the output method selection unit of the encoder has a function of selecting whether or not to include data for a motor drive signal as the output method of the general-purpose rotary encoder. ,
The normal operation data acquisition unit acquires and generates data for the normal operation obtained by calibrating the output of the general-purpose sensor with the calibration data in accordance with the selected output method, and holds the data in the encoder memory. It is characterized by.
本発明のさらに他の態様によれば、前記エンコーダの出力方式選定部は、前記回転軸の多回転の回転角度若しくは1回転の回転角度のいずれかを選定する機能を有し、
前記通常運転データ取得部は、前記選定された出力方式に対応して、前記汎用センサの出力を前記校正データで校正した前記通常運転用のデータを取得・生成し、前記エンコーダメモリに保持することを特徴とする。
According to still another aspect of the present invention, the output method selection unit of the encoder has a function of selecting either a multi-rotation rotation angle or a one-rotation rotation angle of the rotation shaft.
The normal operation data acquisition unit acquires and generates data for the normal operation obtained by calibrating the output of the general-purpose sensor with the calibration data in accordance with the selected output method, and holds the data in the encoder memory. It is characterized by.
本発明のさらに他の態様によれば、前記汎用センサと前記エンコーダメモリとの間に、前記汎用型ロータリーエンコーダの出力であるA,B,Z信号の生成に必要な情報を伝達する1つの情報伝達経路と、前記汎用型ロータリーエンコーダの出力であるU、V、W信号の生成に必要な情報を伝達する他の情報伝達経路とが存在し、前記汎用型ロータリーエンコーダから、前記A,B,Z信号と前記U、V、W信号とが並行して出力されるように構成されていることを特徴とする。 According to still another aspect of the present invention, one piece of information that transmits information necessary for generating A, B, Z signals which are outputs of the general-purpose rotary encoder between the general-purpose sensor and the encoder memory. There is a transmission path and another information transmission path for transmitting information necessary for generating U, V, W signals which are outputs of the general-purpose rotary encoder. From the general-purpose rotary encoder, the A, B, It is characterized in that the Z signal and the U, V, W signals are output in parallel.
本発明によれば、汎用センサを使用して、高精度センサを具備したのに匹敵する高精度で、耐環境性に優れ、1台の高精度のロータリーエンコーダで任意の出力形式に対応できる、安価なロータリーエンコーダを提供することができる。 According to the present invention, a general-purpose sensor is used, and the accuracy is as high as that of a high-precision sensor, the environment resistance is excellent, and one high-precision rotary encoder can handle any output format. An inexpensive rotary encoder can be provided.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施例における、汎用型ロータリーエンコーダのための初期設定装置のシステム構成例を示す図である。
この初期設定装置は、初期設定専用のブラシレスDCモータ200と、その回転軸の一端に固定された絶対精度の高い(標準センサとして機能する)、初期設定専用の光学式ロータリーエンコーダ300と、ユーザ端末(入出力端末)400と、初期設定コントローラ800により、システムが構成される。
初期設定コントローラ800は、汎用型ロータリーエンコーダ100の情報伝達経路を切り替え、絶対精度の高いロータリーエンコーダ(標準センサ)300により初期設定を行う「初期設定機能」810と、初期設定済の汎用型ロータリーエンコーダ100を、通常運転時にロータリーエンコーダとして使用できる状態にする「通常運転用切替機能」820とを実現させるように構成されている。
なお、初期設定コントローラ800の機能の一部若しくは全体を、汎用型ロータリーエンコーダ100の内部に設けても良い。
初期設定を行う際には、初期設定装置に、初期設定の対象となる汎用型ロータリーエンコーダ100が設置される。初期設定を行うために必要な情報は、ユーザが、ユーザ端末400を介して、初期設定コントローラ800や汎用型ロータリーエンコーダ100に設定する。
図1の例では、ブラシレスDCモータ200の回転軸203の他端とハウジングカバー250に固定された基板118との間に、汎用型ロータリーエンコーダ100が設置される。そして、絶対精度の高いロータリーエンコーダ(標準センサ)300のデータを用いて、初期設定に伴う校正用のデータが生成され、汎用型ロータリーエンコーダ100のメモリ等に、初期設記録・保持される。
初期設定済の汎用型ロータリーエンコーダ100は、「通常運転用切替機能」820により、通常運転時にロータリーエンコーダとして使用できる状態に切り替えられた後、初期設定装置から取り外される。
同様にして、この初期設定装置のブラシレスDCモータ200の回転軸203の他端とハウジングカバー250に固定された基板118との間に、順次、新たな汎用型ロータリーエンコーダ100を設置し、そのメモリに、初期設定に伴う校正用のデータを記録・保持する処理を繰り返す。このように、1つの初期設定装置を用いて、多数の汎用型ロータリーエンコーダ100に対して、絶対精度の高いロータリーエンコーダとして機能させるための、初期設定の処理を行うことができる。
FIG. 1 is a diagram showing a system configuration example of an initial setting device for a general-purpose rotary encoder according to the first embodiment of the present invention.
This initial setting device includes a
The
A part or all of the functions of the
When performing the initial setting, the general-
In the example of FIG. 1, a general-
The general-
Similarly, a new general-
汎用型ロータリーエンコーダ100の初期設定に必要な各種の情報は、ユーザ端末400や初期設定コントローラ800から取得される。ブラシレスDCモータ200の回転の状態が、汎用型ロータリーエンコーダ100と光学式ロータリーエンコーダ300とにより同時に取得され、換言すると、同じ回転軸203の回転に関する2組のデータが同期して取得され、それらのデータは、汎用型ロータリーエンコーダ100に記録されると共に、初期設定コントローラ800にも保持される。
Various information necessary for the initial setting of the general-
汎用型ロータリーエンコーダ100は、所定の絶対精度を有するものの厳格に高い精度は有しないが耐環境性に優れ、価格も安い汎用センサ、例えば、磁気式センサを備えている。磁気式センサとしては、例えば、GMR、TMR、AMR等のMRセンサ(磁気抵抗素子センサ)やホール素子を用いることができる。汎用センサとして、容量式センサや光学式センサを使用しても良い。いずれのタイプのセンサであっても、所定の絶対精度を満たさない、例えば、1回転360度における絶対精度が、±3度以上のものは、対象外である。また、耐環境性に劣るものや、高価格なものは対象外である。
一方、初期設定装置の光学式ロータリーエンコーダ300は、初期設定専用の標準センサとして、汎用センサと比較して絶対精度が2桁乃至3桁高精度であるが、耐環境性では若干劣りかつ高価格のセンサ、例えば光学式センサを備えている。本発明における、高精度の光学式センサは、高い絶対精度、例えば±10秒以下の絶対精度を有する。このような条件を満たす、レーザー式センサも、本発明における、高精度の光学式センサに含まれるものとする。
The general-
On the other hand, the optical
以下では、初期設定専用のモータ200として、ブラシレスDCモータを例に挙げて説明する。ブラシレスDCモータ200は、モータハウジング210の内部に固定されたステータとして、界磁鉄心212とこれに絶縁部材213を介して巻かれた界磁コイル211とを備えている。回転軸と一体に形成されマグネットは、ロータヨーク221と、その外周部に固定された8個の永久磁石222を有する、8極のロータである。回転軸203は、モータハウジング210及びエンドカバー214に設けられた軸受け218により保持されている。基板118には、モータのコントローラ240や、インバータ回路等のモータドライバー242等も装着され、これらに信号ライン228や電源ライン(図示略)が接続されている。
Hereinafter, a brushless DC motor will be described as an example of the
なお、初期設定専用のモータは、指令値に応答して一定速度で安定して回転する機能があればよく、ブラシレスDCモータに限定されない。他方、本発明の汎用型ロータリーエンコーダの制御対象も、ブラシレスDCモータに限定されない。すなわち、初期設定専用のモータは、汎用型ロータリーエンコーダ100の制御対象とは異なるタイプのモータ、例えば、ブラシ付直流電動機、あるいは交流の同期電動機であってもよい。
本実施例では、以下、初期設定を終了した汎用型ロータリーエンコーダ100の装着対象、すなわち制御対象のモータがブラシレスDCモータである場合を想定して、汎用型ロータリーエンコーダがブラシレスDCモータ制御用の多回転アブソリュートデータ(Z、U、V、W)を生成する機能も備えている例について、説明する。
The motor dedicated to the initial setting is not limited to the brushless DC motor as long as it has a function of stably rotating at a constant speed in response to a command value. On the other hand, the control target of the general-purpose rotary encoder of the present invention is not limited to the brushless DC motor. That is, the motor dedicated to the initial setting may be a motor of a type different from the control target of the general-
In this embodiment, it is assumed that the general-
初期設定装置の一部を構成する光学式ロータリーエンコーダ300は、同じく初期設定装置の一部を構成するブラシレスDCモータ200の回転軸203に直結されている。すなわち、光学式ロータリーエンコーダ300の回転軸はモータの回転軸203と一体であり、軸受305を介してケーシング304に保持され、この回転軸の一端に回転基板306が固定されている。なお、高精度が確保される条件を満たせるのであれば、光学式ロータリーエンコーダ300の回転軸を、ブラシレスDCモータ200の回転軸203にクラッチを介して接続するようにしても良い。
The optical
回転基板306は、例えば、ガラスや金属、セラミックスなど、回転や衝撃、振動等によって容易に変形しない剛性材料で作られている。回転基板306を挟んで対向する位置で、ケーシング内に、発光素子311、絞り308の開口310、レンズ309、受光素子314、及びコントローラ316等が配置されている。回転基板306には、円周方向に、A相・B相用の1組のスリットパターン(光学パターン)312が形成されている。回転基板306が回転し、スリットパターン312が発光素子311と受光素子314の間を通過することで、発光素子からの光が透過する状態と遮光された状態を交互に繰り返し、受光素子314の出力がA相・B相の信号としてコントローラ316でカウントされる。絞り308は、入射光の領域を規制して受光素子314に余計な光が入射しないように設けられている。また、回転基板306上には、スリットパターン312とは回転半径の異なる位置にZ相用のスリットパターンと受光素子とが設けられ(図示略)、このZ相の信号も、コントローラ316でカウントされる。このような光学式ロータリーエンコーダの構成・作用の詳細は、特許文献2の記載の引用を以て代える。なお、初期設定装置の一部を構成する光学式ロータリーエンコーダは、高精度の光学式センサとして機能するものであれば良く、特許文献2の例に限定されないことは言うまでもない。
The rotating substrate 306 is made of a rigid material such as glass, metal, or ceramics that is not easily deformed by rotation, impact, vibration, or the like. A light emitting element 311, an
次に、図2Aは、第1の実施例に基づく、汎用型ロータリーエンコーダの構成例を示す機能ブロック図である。
汎用型ロータリーエンコーダ100は、マグネットユニット110、センサ出力処理ユニット120、エンコーダ制御ユニット130、エンコーダメモリ160、及び通信インタフェース170を含んでいる。本発明の汎用型ロータリーエンコーダは、初期設定処理装置を用いた初期設定処理時に、ブラシレスDCモータ200のロータリーエンコーダとして機能すると共に、初期設定後は、制御対象となる各種機器のモータや回転体に装着可能な、ロータリーエンコーダとなる。汎用型ロータリーエンコーダ100のマグネットユニット110はモータの回転軸に保持され、マグネットユニット110を除く他の構成要素、例えばセンサ出力処理ユニット120やエンコーダ制御ユニット130等は、回路基板150上に形成され、モータの200固定側、例えばモータハウジングに固定される。以下では、マグネットユニット110とセンサ出力処理ユニット120を含めて、汎用センサと記載することもある。
Next, FIG. 2A is a functional block diagram showing a configuration example of a general-purpose rotary encoder based on the first embodiment.
The general-
汎用センサの一部を構成するマグネットユニット110は、非磁性材料、例えば樹脂製の円筒状のマグネットホルダー111と、このホルダーにモータの回転軸等の回転体を挿入するための中空部112と、マグネットホルダーの端面に固定された平板状のマグネット113と、マグネットホルダーを回転体に固定するための固定手段114とを有している。マグネット113のN極とSN極の境界の1つ、図1の例ではマグネットの上端が回転軸の原点位置Z0となる。なお、原点位置Z0の信号と光学式ロータリーエンコーダのZ信号とは、共に、回転軸の同じ回転角を与えるものであり、以下、特に区別する必要のないときは、「Z信号」と記載する。
The
センサ出力処理ユニット120は、汎用センサの残りの部分を構成する。このセンサ出力処理ユニットは、マグネット113に対向する位置で離間してモータの固定側、例えばモータハウジングに固定される、1対のMRセンサ(磁気抵抗素子センサ)121,122、温度センサ123、及びセンサ出力処理回路部を備えている。マグネット113が角度θ(機械角)だけ回転して各MRセンサに作用する磁界の向きが回転すると、それに対応してMRセンサの電気抵抗値、換言すると汎用センサの出力信号の電圧が変動し、回転軸13の1回転毎に、SIN波、COS波の各々で360度(機械角)、各々1周期分のパルス信号が出力される。
マグネット113は、Siもしくはガラス基板と、その上に形成されたNi,Fe等の強磁性金属を主成分とする合金の薄膜で構成されている。
The sensor
The
センサ出力処理ユニット120のセンサ出力処理回路部は、AD変換器124、パルスカウンタ125、逆正接演算処理部126、軸ずれ補正処理部127、A相・B相信号生成部128、RAMなどのセンサメモリ129の各機能を有している。このセンサ出力処理回路部は、例えば、メモリ付きのマイクロコンピュータ上で所定のプログラムを実行することにより実現される。
The sensor output processing circuit unit of the sensor
センサ出力処理回路部では、1対のMRセンサのアナログ信号が、量子化され、電気角の内挿処理により多分割され、回転軸の1回転あたり、例えば、各々、30000パルスの、A相、B相のデジタル信号に変換される。1対のMRセンサ121、122から得られるA相、B相信号は、各センサ等の制作誤差、設置誤差、温度の影響等により、誤差(主に軸ずれ誤差)を含んでいる可能性があるので、軸ずれ補正処理部127等において、補正処理がなされる。
In the sensor output processing circuit section, the analog signals of the pair of MR sensors are quantized and divided into multiple parts by the insertion processing of the electric angle, and each rotation of the rotation axis, for example, 30,000 pulses, phase A, It is converted into a B-phase digital signal. The A-phase and B-phase signals obtained from the pair of
このA相、B相のデジタル信号は、パルスカウンタ125で累積加算され、その値が逆正接演算処理部126で逆正接演算される。この逆正接演算の値は、回転軸13の1回転毎の角度0の位置に同期して、累積加算値が直線状に増減を繰り返す直角三角形状となる。
A相・B相信号生成部128では、この累積加算値を基に、インクリメンタルなA相信号及びB相信号(以下、A相・B相信号)のパルスのデータが生成され、センサメモリ129に保持される。また、A相・B相信号生成部128では、回転軸13の1回転毎に現われる角度0の位置に同期した、原点位置Z0若しくはZ信号を生成し、出力する。この、Z信号は、回転軸13の回転数を表す情報Zn(Z1,Z2,―,Zn)の生成に利用される。
The A-phase and B-phase digital signals are cumulatively added by the
Based on this cumulative addition value, the A-phase / B-phase
エンコーダ制御ユニット130は、汎用型ロータリーエンコーダ100の初期設定のために、初期設定用のブラシレスDCモータを駆動して必要な情報を取得し、エンコーダメモリ160に記録することで、汎用型ロータリーエンコーダ100に、光学式ロータリーエンコーダに匹敵する高精度のロータリーエンコーダとしての機能を付与する。
The
エンコーダ制御ユニット130は、初期設定用駆動信号生成部131、汎用センサの初期設定時データ取得部132、標準センサの初期設定時データ取得部133、Z相信号生成(A,B,Z)記録部134、原点位置設定部135、スロット・パルス数設定、記録部136、通常運転時のU,V,W信号生成・記録部137、校正用データ生成・記録部138、エンコーダの出力方式選定部139、インクリメンタルデータ生成・記録部1310及び、アブソリュートデータ生成・記録部1320の各機能を有している。
The
初期設定用駆動信号生成部131は、初期設定専用のブラシレスDCモータを正回転及び逆回転方向に駆動するための駆動信号(iu, iv, iw)を生成し、出力する。
汎用センサの初期設定時データ取得部132は、ブラシレスDCモータを駆動信号(iu, iv, iw)により所定の低速度、例えば5〜20rpmの範囲、望ましくは10rpm程度の、一定速度で駆動することにより得られる、汎用センサ固有の初期設定時のA相・B相信号のデータを取得する。
The initial setting drive
The initial setting
標準センサの初期設定時データ取得部133は、汎用型ロータリーエンコーダ100が装着された状態で、ブラシレスDCモータが前記駆動信号により、例えば10rpmの一定速度で駆動される際の、標準センサの初期設定時のA相・B相信号のデータを取得する。
Z相信号生成(A,B,Z)記録部134は、A相・B相信号及びZ信号を基に、Z相の幅の信号やZ相信号(Z1,Z2,―,―,Zn)を生成し、記録する。例えば、A信号の立ち上がりに同期する「Zの幅(1)」の信号や、A信号の立ち上がりに同期し、幅の異なる「Zの幅(2)」の信号を生成する。これらの信号は、各々、306度間隔で繰り返す信号である。同様にして、Z信号を起点とし、B信号の立ち上がりに同期する「Zの幅(3)」、「Zの幅(4)」を生成する。
Initial setting
The Z-phase signal generation (A, B, Z)
原点位置設定部135は、汎用センサを制御対象のブラシレスDCモータに装着する際に、回転軸の原点位置が不明の場合、原点位置Z0を抽出して、マグネットの固定位置を決める機能を有する。なお、回転軸の原点位置Z0が予めわかっている場合には、使用されない。
スロット・パルス数設定、記録部136は、汎用センサが装着される制御対象のモータのタイプ・構成に応じて、ユーザが、必要な情報を入力し、記録する。例えば、ユーザが、制御対象となるブラシレスDCモータの磁極の数若しくは鉄心のスロット数を決定し、記録する。この情報は、電気角に基づくモータの制御信号を生成するのに使用される。
The origin
The slot pulse number setting and
通常運転時のU,V,W信号生成・記録部137は、通常運転用のデータを生成し、記録する。通常運転用のデータは、汎用センサが装着された、制御対象のブラシレスDCモータが、コントローラやドライバーにより制御され通常運転される際に使用されるデータである。例えば、A相・B相信号、原点位置Z0若しくはZ信号のデータや、極数等に基づき、モータをPWM制御するためのU,V,W信号等の駆動信号用のデータを生成し、記録する。
校正用データ生成・記録部138は、汎用センサ固有の初期設定時のデータを、同じ条件で取得された、標準センサの初期設定時のデータで校正するための校正用データを生成する機能を有する。校正用データの生成については、後で説明する。
エンコーダの出力方式選定部139は、エンコーダの出力方式として、ユーザが、ユーザ端末を介して、回転軸の回転角度(若しくは回転位置)に関して、多回転・アブソリュートデータ、1回転・アブソリュートデータ、及び、インクリメンタルデータのいずれかの方式を選定するものである。また、ユーザは、出力方式として、これらの回転軸の回転角度の情報のみか、若しくは、回転角度の情報と共に、モータ、例えば、ブラシレスDCモータが、コントローラにより制御され通常運転される際に使用される、U,V,W信号等、モータの駆動信号生成用のデータも含むかを、選定可能である。この出力方式の例に関しては、後で、出力タイプ1〜3として説明する。
The U, V, W signal generation /
The calibration data generation /
As an encoder output method, the encoder output
インクリメンタルデータ生成・記録部1310は、エンコーダの出力方式選定部139でインクリメンタルデータが選定された場合に、汎用センサにより取得されたA相・B相信号及びZ信号を、校正用データで校正し、インクリメンタルデータを生成してエンコーダメモリに記録し、出力する機能を有する。
アブソリュートデータ生成・記録部1320は、エンコーダの出力方式選定部139でアブソリュートデータが選定された場合に、汎用センサにより取得されたA相・B相信号及びZ信号のデータを、校正用データで校正し、アブソリュートデータを生成してエンコーダメモリに記録し、出力する機能を有する。多回転・アブソリュートデータが選定された場合には、原点位置Z0若しくはZ信号の情報に基づく多回転数のデータも加えた、この多回転・アブソリュートデータが、汎用型ロータリーエンコーダ100の出力として、制御対象のブラシレスDCモータの制御に使用する。
アブソリュートデータとして、モータの1回転毎のアブソリュートデータが要求される場合には、校正用データで校正されたA相・B相信号と、原点位置Z0若しくはZ相信号のデータがあれば良い。
エンコーダの出力方式として、駆動信号用のデータも選定された場合には、スロット・パルス数設定の情報に基づいて、通常運転時のU,V,W信号生成・記録部137で生成・記録されたモータの駆動信号用のデータも生成し、アブソリュートデータやインクリメンタルデータと共に、出力する。
The incremental data generation /
The absolute data generation /
When absolute data for each rotation of the motor is required as the absolute data, it is sufficient that there are A-phase / B-phase signals calibrated by the calibration data and data of the origin position Z0 or Z-phase signal.
When data for a drive signal is also selected as the output method of the encoder, it is generated / recorded by the U, V, W signal generation /
エンコーダメモリ160には、ROM161、RAM162、EPROM163及びEEPROM164が含まれており、バスやメモリコントローラを介してエンコーダ制御ユニットと接続されている。EPROMやEEPROMには、ブラシレスDCモータの運転に関係する、校正用データで校正済の多回転・アブソリュート信号等が、逐次、保持される。
EEPROMの164チップの外部インタフェースにはシリアルバス型とパラレルバス型がある。EEPROMの操作方法はこのインタフェースによって大きく異なる。シリアルバス型のEEPROMで採用しているバス規格の信号線は1本〜4本である。一方、パラレルEEPROMチップは、一般に8個(8ビット)のデータ端子と記憶容量に対応した分のアドレス端子を持つ。本実施例の汎用型ロータリーエンコーダ100は、シリアルバス型とパラレルバス型のいずれにも対応しうるように構成されている。
The
There are a serial bus type and a parallel bus type in the external interface of the 164 chip of EEPROM. The operation method of EEPROM differs greatly depending on this interface. The bus standard signal lines used in the serial bus type EEPROM are 1 to 4 lines. On the other hand, the parallel EEPROM chip generally has eight (8-bit) data terminals and address terminals corresponding to the storage capacity. The general-
図2Bに、第1の実施例の汎用型ロータリーエンコーダ100の、具体的な構成の一例を示す。マグネットユニット110を保持するマグネットホルダー111は、軸受け116を介して、円筒状の函体115に回転可能に保持されている。マグネットホルダー111には、平板状のマグネット113が固定されている。函体115内の空間117に固定された基板118には、1対のMRセンサ121,122、温度センサ123、センサ出力処理ユニット120、エンコーダ制御ユニット130、エンコーダメモリ160、及び通信インタフェース170が実装されている。エンコーダメモリ160には、校正用データで校正済の多回転・アブソリュート信号が保持されている。1対のMRセンサ121,122が所定の磁気感度を確保できるようにするために、マグネット113の表面と1対のMRセンサ121,122との間は、所定の微小間隔、例えば20mm〜30mmの間隙に設定されている。
函体115は、その外周端にばね状の保持部119を有し、中空部112に、モータ200の回転軸203等の回転体が挿入された状態で、ブラシレスDCモータ200のモータハウジング等に固定されるように構成されている。
この構成例によれば、マグネット113と1対のMRセンサ121,122の位置関係はあらかじめ適切な値に設定されている。そのため、函体115をモータハウジング等に固定するのみで、初期設定装置のモータや制御対象のモータに、汎用型ロータリーエンコーダを簡単、かつ精度良く装着することができる。
FIG. 2B shows an example of a specific configuration of the general-
The
According to this configuration example, the positional relationship between the
図2Cに、第1の実施例の汎用型ロータリーエンコーダ100の、具体的な構成の他の構成を示す。この例では、図2Bの例とは異なり、函体が省略されている。マグネット113を保持するマグネットホルダー111は、モータ200の回転軸203に固定される。1対のMRセンサ121,122、温度センサ123、センサ出力処理ユニット120、エンコーダ制御ユニット130、エンコーダメモリ160、及び通信インタフェース170が搭載された基板118は、例えば、図1に示したようなハウジングカバー250に固定される。これにより、DCサーボモータが完成する。
この例は、図2Bの例に比べて、マグネット113に対するMRセンサ121,122の位置決めの作業が必要になる。他方、基板118上に、モータのコントローラ240やモータドライバー242も纏めて設置するなど、ブラシレスDCモータ200全体の設計の自由度は高くなる。
FIG. 2C shows another configuration of the general-
Compared to the example of FIG. 2B, this example requires the work of positioning the
次に、図3は、初期設定装置用のブラシレスDCモータの構成例を示す、図1のA−A断面図である。なお、図3は、制御対象のモータ、すなわち、初期設定済の汎用型ロータリーエンコーダが搭載されるモータがブラシレスDCモータに場合には、そのブラシレスDCモータの構成例を示す図でもある。
ブラシレスDCモータ200は、回転軸203に固定されたロータヨーク221と、その外周に周方向に等間隔に配置された、この例では8個の永久磁石222を含むロータと、界磁鉄心212と各界磁鉄心周りのスロット内に絶縁部材を介して巻かれた9組の界磁コイル211を含むステータとで構成されている。界磁コイルは、モータドライバー242から印加される電圧の位相によって、U相の界磁コイル(211U1〜211U3)、V相の界磁コイル(211V1〜211V3)、及び、W相の界磁コイル(211W1〜211W3)に分類される。
Next, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1 showing a configuration example of a brushless DC motor for the initial setting device. Note that FIG. 3 is also a diagram showing a configuration example of the brushless DC motor when the motor to be controlled, that is, the motor on which the initialized general-purpose rotary encoder is mounted is a brushless DC motor.
The
ブラシレスDCモータ200は、モータのコントローラ240により、上位のコントローラからの指令と汎用型ロータリーエンコーダ100の出力とに基づいて制御される。
モータのコントローラ240は、例えば、CPU、メモリ、発振回路、タイマー、I/Oインタフェース、シリアルI/F等を1つのLSIに集積したシングルチップマイコンで実現される。メモリに保持されたプログラムをCPU上で実行することで、ブラシレスDCモータのBLCDコントローラ240の各機能が実現される。ROMやRAM等のメモリはバスを介してCPUと接続されている。ROMには、電源投入時やリセット時に実行するプログラムやプログラム実行中に変化しない定数が保存されている。ROMとしてフラッシュメモリを採用しても良い。RAMにはプログラムの変数や、外部からの指令値や、多回転・アブソリュート信号のデータ等が保持されている。また、RAMには、ブラシレスDCモータの目標速度(インバータ正弦波駆動信号、PWM制御のduty比)も格納されている。
The
The controller 240 of the motor is realized by, for example, a single-chip microcomputer in which a CPU, a memory, an oscillation circuit, a timer, an I / O interface, a serial I / F, and the like are integrated in one LSI. By executing the program stored in the memory on the CPU, each function of the BLCD controller 240 of the brushless DC motor is realized. Memory such as ROM and RAM is connected to the CPU via a bus. The ROM stores a program to be executed at power-on or reset, and constants that do not change during program execution. A flash memory may be adopted as the ROM. The RAM holds program variables, external command values, multi-rotation / absolute signal data, and the like. In addition, the target speed of the brushless DC motor (inverter sine wave drive signal, PWM control duty ratio) is also stored in the RAM.
次に、図4A〜図4Cは、第1の実施例における、汎用型ロータリーエンコーダ100及び初期設定コントローラ800の機能ブロックの例を示す図である。これらの図は、図2Aに示した汎用型ロータリーエンコーダ100に関して、ユーザがユーザ端末400を介してエンコーダの出力方式選定部139で選定した出力タイプに対応する機能を示したものである。
Next, FIGS. 4A to 4C are diagrams showing examples of functional blocks of the general-
図4Aは、ユーザがユーザ端末400を介して、エンコーダの出力方式選定部139で、アブソリュートデータと、モータの駆動信号用のデータとが選定された場合(出力タイプ1)の、汎用型ロータリーエンコーダ100及び初期設定コントローラ800の機能ブロックを示している。
標準センサ(光学式ロータリーエンコーダ)300と標準センサのデータ記録部181との間には、第1の情報伝達経路が存在し、汎用センサ(110、120)とアブソリュートエンコーダ出力・記録部186との間に、SSC−BUS変換器172やSPI−BUS変換器174及び第1のキャリブレーション176を含む第2の情報伝達経路が存在し、汎用センサ(110、120)とアブソリュートエンコーダ出力・記録部186との間に、第2キャリブレーション182及びU、V、W信号生成・記録部184を含む第3の情報伝達経路が存在する。また、標準センサのデータ記録部181と第1キャリブレーション76及び第2キャリブレーション182との間には、第4の情報伝達経路が存在する。
FIG. 4A shows a general-purpose rotary encoder when the user selects the absolute data and the data for the drive signal of the motor by the output
A first information transmission path exists between the standard sensor (optical rotary encoder) 300 and the
初期設定コントローラ800は、まず、初期設定対象の汎用型ロータリーエンコーダ100に対して、初期設定を行うための「初期設定機能」810(図1参照)を実行できる情報伝達経路を構成させる。この場合、標準センサ(光学式ロータリーエンコーダ)300と標準センサのデータ記録部181とが第1の情報伝達経路を介して接続され、汎用センサ(110、120)とアブソリュートエンコーダ出力・記録部186とが、第2の情報伝達経路を介して接続され、標準センサのデータ記録部181と第2キャリブレーション182とが第4の情報伝達経路を介して接続される。第3の情報伝達経路は、第2キャリブレーション182と、U、V、W信号生成・記録部184及びアブソリュートエンコーダ出力・記録部186の間のみが有効となる。
汎用センサ(110、120)の出力であるA,B,Z信号は、シリアルバス信号としてSSC−BUS変換器172に入力され、さらに、これらの信号は、SPI−BUS変換器174を経て、シリアル信号(デジタル)とパラレル信号(デジタル)となり、汎用型ロータリーエンコーダの第1のデータ記録部180に記録される。
第1のデータ記録部180のデータは、第1のキャリブレーション176において標準センサのデータ記録部181のデータに基づき校正され、校正済のA,B,Z信号が、アブソリュートエンコーダ出力・記録部186に記録される。
また、第2キャリブレーション182において、標準センサのデータに基づくA,B,Z信号が、U、V、W信号生成・記録部184に送られ、スロット・パルス数設定、記録部136の極数等の情報に基づいて、U,V,W信号が生成され、記録される。このU,V,W信号は、アブソリュートエンコーダ出力・記録部186に保持される。
First, the
The A, B, Z signals that are the outputs of the general-purpose sensors (110, 120) are input to the SSC-
The data of the first
Further, in the
初期設定コントローラ800は、汎用型ロータリーエンコーダ100の初期設定が完了すると、「通常運転用切替機能」820(図1参照)により、汎用型ロータリーエンコーダ100を、第1の情報伝達経路が存在せず、第3の情報伝達経路は、汎用センサ(110、120)とアブソリュートエンコーダ出力・記録部186との間が有効になる、通常運転用モードに切り替える。従って、通常運転時には、汎用センサ(110、120)の出力であるA,B,Z信号が、第3の情報伝達経路を介して、汎用型ロータリーエンコーダの第2のデータ記録部178に記録される。このデータは、第2キャリブレーション182において、標準センサのデータ記録部181のデータに基づき校正され、さらに、この校正されたデータに基づき、U、V、W信号生成・記録部184で、U、V、Wのアブソリュートデータ(U、V、W)が生成され、アブソリュートエンコーダ出力・記録部186に保持される。
このアブソリュートエンコーダ出力・記録部186のデータは、メモリ、例えばEEPROM164に記録されると共に、A,B,Z信号とU、V、Wとが並行して、モータのコントローラ240やモータドライバー242へ出力される。校正済のA,B,Z信号とU、V、Wとを並行して供給することにより、モータのコントローラ240は、ブラシレスDCモータの制御に必要な信号を迅速に生成し・ドライバーへ出力することができる。
なお、出力タイプ1の汎用型ロータリーエンコーダ100は、ブラシレスDCモータに適したロータリーエンコーダである。出力方式として、多回転が選択されている場合には、多回転アブソリュートデータ(Z、U、V、W)を生成し、単回転が選択されている場合には、1回転のみのアブソリュートデータ(Z、U、V、W)を生成する。
When the initial setting of the general-
The data of the absolute encoder output /
The
次に、図4Bは、ユーザがインクリメンタルデータを選定した場合(出力タイプ2)の、汎用型ロータリーエンコーダ100の機能ブロックを示している。この出力タイプ2では、第3の情報伝達経路を使用しない。
「初期設定機能」810が動作している場合、標準センサ(光学式ロータリーエンコーダ)300のデータが、標準センサのデータ記録部181に記録される。汎用センサ(110、120)の出力であるA,B,Z信号が、第2の情報伝達経路を介して、汎用型ロータリーエンコーダの第1のデータ記録部180に記録される。この第1のデータ記録部180のデータは、キャリブレーション183において標準センサのデータ記録部181のデータに基づき校正され、校正済のA,B,Z信号が、インクリメンタルエンコーダ出力・記録部190に記録され、さらに、EEPROM164に記録される。
汎用型ロータリーエンコーダ100の初期設定が完了すると、「通常運転用切替機能」820により、汎用型ロータリーエンコーダ100を、第1の情報伝達経路が存在しない、通常運転用モードに切り替える。キャリブレーション183では、標準センサのデータ記録部181に記録されたデータに基づいて、汎用センサの出力であるA,B,Z信号が、校正される。
出力タイプ2の汎用型ロータリーエンコーダ100は、直流整流子モータ等、ブラシレスDCモータ以外のモータに適したロータリーエンコーダである。
出力方式として、多回転が選択されている場合には、多回転インクリメンタルデータ(A,B,Z)を生成し、単回転が選択されている場合には、1回転のみのインクリメンタルデータ(A,B,Z)を生成する。これらのデータは、モータのコントローラ240やモータドライバー242へ出力される。
Next, FIG. 4B shows a functional block of the general-
When the "initial setting function" 810 is operating, the data of the standard sensor (optical rotary encoder) 300 is recorded in the
When the initial setting of the general-
The
When multi-rotation is selected as the output method, multi-rotation incremental data (A, B, Z) is generated, and when single rotation is selected, incremental data (A, B, Z) of only one rotation is generated. B, Z) is generated. These data are output to the controller 240 of the motor and the motor driver 242.
さらに、図4Cは、ユーザがユーザ端末400を介して、エンコーダの出力方式選定部139で、インクリメンタルデータと、モータの駆動信号用のデータとが選定された場合(出力タイプ3)の、汎用型ロータリーエンコーダ100の機能ブロックを示している。この出力タイプ3では、第3の情報伝達経路が、図4Aの例と同じ様に使用される。
「初期設定機能」810が動作している場合、汎用型ロータリーエンコーダ100及び初期設定コントローラ800では汎用センサ(110、120)の出力であるA,B,Z信号が、第2の情報伝達経路を介して、汎用型ロータリーエンコーダの第1のデータ記録部180に記録される。このデータは、第1のキャリブレーション176において標準センサのデータ記録部181のデータに基づき校正され、校正済のA,B,Z信号が、インクリメンタルエンコーダ出力・記録部192に記録される。また、第2キャリブレーション182において標準センサのデータに基づき校正されたA,B,Z信号とスロット・パルス数設定、記録部136の極数等の情報に基づいて、U、V、W信号生成・記録部184で、U、V、Wのインクリメンタルデータ(Z、U、V、W)が生成され、インクリメンタルエンコーダ出力・記録部192に記録される。
Further, FIG. 4C shows a general-purpose type in the case where the user selects the incremental data and the data for the drive signal of the motor by the output
When the "initial setting function" 810 is operating, in the general-
初期設定コントローラ800は、汎用型ロータリーエンコーダ100の初期設定が完了すると、汎用型ロータリーエンコーダ100を、第1の情報伝達経路が存在せず、第3の情報伝達経路の全体が有効となる通常運転用モードに切り替える。この場合、汎用センサ(110、120)の出力であるA,B,Z信号が、直接、汎用型ロータリーエンコーダの第2のデータ記録部178に記録される。第2キャリブレーション182では、標準センサのデータ記録部181に記録されたデータに基づいて、汎用センサの出力であるA,B,Z信号が、校正される。
インクリメンタルエンコーダ出力・記録部192のデータは、校正済のA,B,Z信号とU、V、W信号とが並行して、モータのコントローラ240やモータドライバー242へ出力される。
出力タイプ3の汎用型ロータリーエンコーダ100は、ブラシレスDCモータに適したロータリーエンコーダである。出力方式として、多回転が選択されている場合には、多回転インクリメンタル(Z、U、V、W)を生成し、単回転が選択されている場合には、1回転のみのインクリメンタルデータ(Z、U、V、W)を生成する。
When the initial setting of the general-
The data of the incremental encoder output /
The output type 3 general-
第1の実施例における、初期設定処理について、図5のタイムチャートを参照しながら、さらに説明する。
初期設定は、初期設定コントローラ800から、汎用型ロータリーエンコーダ100、初期設定専用のブラシレスDCモータ200、及び光学式ロータリーエンコーダ(標準センサ)300の初期設定に関係したプログラムを起動し、必要なパラメータを設定することにより、開始される。なお、初期設定時、汎用型ロータリーエンコーダ100、ブラシレスDCモータ200、及び、光学式ロータリーエンコーダ300の環境温度は、常に常温(例えば20℃)に維持される。必要に応じて、ブラシレスDCモータ200、及び、光学式ロータリーエンコーダ300の環境温度を変えた校正データを生成してもよい。
The initial setting process in the first embodiment will be further described with reference to the time chart of FIG.
For initial setting, start the program related to the initial setting of the general-
なお、この例では、初期設定装置を構成するブラシレスDCモータ200のマグネット原点位置Z0は、明確になっているものとする。
まず、汎用型ロータリーエンコーダ100をブラシレスDCモータ200に設置し、双方の回路の電気的な接続を行う(S501)。光学式ロータリーエンコーダ300を初期設定専用のブラシレスDCモータ200の出力軸に直結する(S502)。そして、マグネット113をブラシレスDCモータ200の回転軸203に固定する(S504)。次に、エンコーダ制御ユニット130で生成された初期設定専用の所定の3相駆動信号で、ブラシレスDCモータ200を定速駆動する(S505)。すなわち、ブラシレスDCモータ200の3相のステータコイルに駆動電力を供給し、初期設定のためのデータを取得する間、ブラシレスDCモータ200は、一定の低い回転速度、例えば10rpmで、正回転及び逆回転を維持するように制御される。これに伴いブラシレスDCモータ200ロータ及びMRセンサのマグネット113が回転し、MRセンサにより、汎用型ロータリーエンコーダ固有の少なくとも正逆1回転分(機械角)の出力信号が生成される(S506)。通常は、正逆1回転分で十分であるが、用途によって特に必要な場合、に応じて、正逆方向の回転数を多回転、例えば2−3回転としてもよい。
In this example, it is assumed that the magnet origin position Z0 of the
First, the general-
また、ブラシレスDCモータ200に直結された光学式ロータリーエンコーダ300からも、同じ運転条件に基づく、少なくとも正逆1回転分の出力信号が生成される(SS505、508)。次に、汎用型ロータリーエンコーダ及び光学式ロータリーエンコーダにおいて、夫々、少なくとも正逆1回転分の、絶対原点位置Z0基準のA,Bの出力信号のインクリメンタルな累積加算値を基に、EEPROMのアドレスを付与して、1回転分のA相・B相信号のインクリメンタルなデータが生成される(S507、S509)。なお、測定の精度を高めるために、少なくとも正逆1回転分の出力信号を複数回取得し、それらの平均値を求めるようにしてもよい。
Further, the optical
汎用型ロータリーエンコーダのエンコーダ制御ユニット130では、光学式ロータリーエンコーダのA,Bの出力信号のデータを取得する(S510)。そして、汎用型ロータリーエンコーダ及び光学式ロータリーエンコーダの双方のA,B相信号のデータに基づき、汎用型ロータリーエンコーダの絶対原点位置Z0基準のA,B相信号のデータを、光学式ロータリーエンコーダのA,B相信号,Z信号のデータで校正するテーブルを作成し、メモリに記録する(S511)。なお、汎用型ロータリーエンコーダ及び光学式ロータリーエンコーダの双方で、正逆1回転分のデータを複数回取得し、各々の回転位置における平均値を算出して、校正テーブルの精度を高めるようにしても良
い。この後、光学式ロータリーエンコーダは、モータから分離される(S512)。
The
図6Aは、汎用型ロータリーエンコーダで得られた特性の一例を示す図である。汎用センサの出力特性のばらつきやひずみの要因は種々ある。ここでは、MRセンサのマグネット113がモータの回転軸203に対して偏って固定されている場合を想定している。この例では、マグネットのS極とN極の境界が、本来の位置P1Aから角度Δθだけずれ、位置P1Sとなっている。この設置誤差に起因して、図6A中の右側のグラフに示すように、実線で示したMRセンサの出力角θSと破線で示した実際の軸の回転角θAの間に位相角のズレが生ずる。
FIG. 6A is a diagram showing an example of characteristics obtained by a general-purpose rotary encoder. There are various factors of variation and distortion in the output characteristics of general-purpose sensors. Here, it is assumed that the
図6Bは、汎用型ロータリーエンコーダの特性を、光学式ロータリーエンコーダのデータで校正する一例を示す図である。本発明における光学式ロータリーエンコーダは、汎用センサと比較して、精度が2桁又は3桁高精であることが保証されたものを採用している。汎用型ロータリーエンコーダの、回転軸の正逆1回転の、A相、B相のデジタル信号の各位置のデータを、光学式ロータリーエンコーダの出力データに基づいて、校正する。校正の方法として、絶対原点位置Z0基準の1回転分の全パルスについて、校正量を決定し、その校正データをテーブル化する。
例えば、光学式ロータリーエンコーダの分解能がRE1、汎用型ロータリーエンコーダの分解能がRE2であって、同じモータの回転軸のある時点の回転角のデータが、光学式ロータリーエンコーダでは、回転角45.00度に対応するパルス数QR1であり、一方、汎用型ロータリーエンコーダではパルス数がQG1(46.56度相当)であったとする。この場合、汎用型ロータリーエンコーダのQG1パルスの位置の出力角を、光学式ロータリーエンコーダが示す45.00度に校正する。
FIG. 6B is a diagram showing an example of calibrating the characteristics of a general-purpose rotary encoder with data of an optical rotary encoder. The optical rotary encoder in the present invention employs a sensor whose accuracy is guaranteed to be two or three orders of magnitude higher than that of a general-purpose sensor. The data at each position of the A-phase and B-phase digital signals of the general-purpose rotary encoder for one rotation forward and reverse of the rotation axis is calibrated based on the output data of the optical rotary encoder. As a calibration method, the calibration amount is determined for all pulses for one rotation based on the absolute origin position Z0, and the calibration data is tabulated.
For example, the resolution of the optical rotary encoder is RE1 and the resolution of the general-purpose rotary encoder is RE2, and the rotation angle data at a certain point on the rotation axis of the same motor is the rotation angle of 45.00 degrees in the optical rotary encoder. On the other hand, in the general-purpose rotary encoder, the number of pulses is QG1 (corresponding to 46.56 degrees). In this case, the output angle at the position of the QG1 pulse of the general-purpose rotary encoder is calibrated to 45.00 degrees indicated by the optical rotary encoder.
発明者らの実験によれば、MRセンサの出力の位相角のズレは、機械角360度ごとに同じパターンで繰り返されることが多い。そのため、多回転の機器を対象とする場合でも、1回転(機械角360度)分の精度の高い角度データが得られれば、実用上、かなり信頼度の高い制御が可能になる。
また、MRセンサの出力特性は、環境温度に応じて変化する。しかし、発明者らの実験によれば、常温において得られた、例えば図5Bに破線と実線で示した磁気抵抗素子センサと光学式ロータリーエンコーダの出力特性の関係は、環境温度が変化しても同様な関係が維持される。従って、汎用型ロータリーエンコーダ100の温度センサ123の出力と校正データとに基づいて、MRセンサの出力特性を補正することで、環境温度が変化しても、汎用型ロータリーエンコーダから校正済の精度の高い角度データが得られる。
According to the experiments of the inventors, the deviation of the phase angle of the output of the MR sensor is often repeated in the same pattern every 360 degrees of the mechanical angle. Therefore, even when targeting a multi-rotation device, if highly accurate angle data for one rotation (machine angle of 360 degrees) can be obtained, practically highly reliable control becomes possible.
Further, the output characteristics of the MR sensor change according to the environmental temperature. However, according to the experiments of the inventors, the relationship between the output characteristics of the magnetoresistive sensor and the optical rotary encoder obtained at room temperature, for example, shown by the broken line and the solid line in FIG. 5B, is that even if the environmental temperature changes. A similar relationship is maintained. Therefore, by correcting the output characteristics of the MR sensor based on the output of the
図5に戻り、次に、汎用型ロータリーエンコーダの出力方式を選定する(S513)。エンコーダの出力方式選定部139では、エンコーダの出力方式(出力タイプ)として、多回転・アブソリュートデータ、1回転・アブソリュートデータ、及び、インクリメンタルデータのいずれかの方式を選定する。また、これらの回転軸の回転角度の情報のみか、若しくは、回転角度の情報と共に、駆動信号用のデータも含むかを、選定可能である。
多回転・アブソリュートデータが選択された場合(図4Aの出力タイプ1)には、校正用データに基づき、汎用センサにより取得されたA相・B相信号のデータを校正して、標準アブソリュートデータを生成する(S514)。
次に、エンコーダ制御ユニット130において、メモリから駆動信号に対応するU相、V相、W相のパルス数を取得する。さらに、Z相の幅の信号や、Z信号等に基づき、多回転数のデータを取得し、EEPROMのアドレスを付与して、汎用型ロータリーエンコーダが装着される制御対象のモータの多回転アブソリュートデータ(Z、U、V、W)を生成する(S515)。
Returning to FIG. 5, next, the output method of the general-purpose rotary encoder is selected (S513). The encoder output
When multi-rotation / absolute data is selected (
Next, in the
図7Aは、汎用エンコーダのテーブル140(図4A〜4Cのデータ記録部178、180に相当)、光学式ロータリーエンコーダのテーブル142(図4A〜4Cのデータ記録部181に相当)、及び、校正用テーブル144(図4A〜4Cの第1、第2キャリブレーション176、182に相当)の関係の一例を示す図である。
光学式ロータリーエンコーダのデータに一致するように、汎用エンコーダのデータを校正するための校正用テーブル144が作成される。この例では、校正用テーブル144が、汎用エンコーダの各検知角度の値を、光学式ロータリーエンコーダのデータに置き換えた検知角度値のテーブルとなっている。
図7Bの例では、校正用テーブル144が、汎用エンコーダの各検知角度の値に対して、光学式ロータリーエンコーダのデータに基づく校正/補正置を与えるテーブルとなっている。
なお、図7A、図7Bの校正用テーブル144において、検知角度の代わりに、回転数を表す情報Z0,Znを基準としたインクリメンタル値を、光学式ロータリーエンコーダの角度データに置き換えてもよい。すなわち、角度値の代わりに、Z0,Z1,Z2,―,Zn単位で繰り返される汎用型ロータリーエンコーダの累積加算値と光学式ロータリーエンコーダの累積加算値との関係を利用して、汎用エンコーダの各検知角度の値を校正・補間するようにしてもよい。
FIG. 7A shows a general-purpose encoder table 140 (corresponding to the
A calibration table 144 for calibrating the data of the general purpose encoder is created so as to match the data of the optical rotary encoder. In this example, the calibration table 144 is a table of detection angle values in which the values of each detection angle of the general-purpose encoder are replaced with the data of the optical rotary encoder.
In the example of FIG. 7B, the calibration table 144 is a table that gives calibration / correction positions based on the data of the optical rotary encoder to the values of each detection angle of the general-purpose encoder.
In the calibration table 144 of FIGS. 7A and 7B, the incremental value based on the information Z0 and Zn representing the rotation speed may be replaced with the angle data of the optical rotary encoder instead of the detection angle. That is, instead of the angle value, each of the general-purpose encoders utilizes the relationship between the cumulative addition value of the general-purpose rotary encoder and the cumulative addition value of the optical rotary encoder, which are repeated in units of Z0, Z1, Z2, −, Zn. The value of the detection angle may be calibrated and interpolated.
上記のようにして、汎用型ロータリーエンコーダ基準の多回転アブソリュートデータ(Z、U、V、W)を、光学式ロータリーエンコーダの基準の多回転アブソリュートデータ(Z、U、V、W)に変換し、メモリに記録し(図5のS516)、汎用型ロータリーエンコーダ100を、アブソリュートエンコーダ(出力タイプ1)として完成させる。以上の処理を経て、1個の汎用エンコーダの初期設定が終了する(S517)。
汎用型ロータリーエンコーダの出力方式の選定(S513)において、1回転・アブソリュートデータが選択された場合(出力タイプ4)も、S513〜S517と同様に、1回転・アブソリュートデータを生成して、エンコーダメモリ160に記録する。
As described above, the multi-rotation absolute data (Z, U, V, W) based on the general-purpose rotary encoder is converted into the multi-rotation absolute data (Z, U, V, W) based on the optical rotary encoder. , Recorded in memory (S516 in FIG. 5), and complete the general-
Even when one rotation / absolute data is selected in the selection of the output method of the general-purpose rotary encoder (S513) (output type 4), the one rotation / absolute data is generated and the encoder memory is generated as in S513 to S517. Record at 160.
次に、汎用型ロータリーエンコーダの出力方式の選定(S513)において、インクリメンタルデータが選択された場合(図4Aの出力タイプ2)、校正データに基づき、インクリメンタルデータ(A,B,Z)を生成し(S518)、このインクリメンタルデータをEEPROM164に記録し(S519)、インクリメンタルエンコーダ(出力タイプ2)として完成させる(S520)。
また、汎用型ロータリーエンコーダの出力方式の選定(S513)において、インクリメンタルU、V、W(A、B、Z、U、V、W)が選択された場合(図4Aの出力タイプ3)、校正用データに基づき、汎用センサにより取得されたA相・B相信号のデータを校正して、標準アブソリュートデータを生成する(S521)。
次に、エンコーダ制御ユニット130において、メモリから駆動信号に対応するU相、V相、W相のパルス数を取得する。さらに、Z相の幅の信号や、Z信号等に基づき、多回転数のデータを取得し、EEPROMのアドレスを付与して、汎用型ロータリーエンコーダが装着される制御対象のモータの多回転アブソリュートデータ(Z、U、V、W)を生成する(S522)。
このインクリメンタルデータをEEPROM164に記録し(S523)、インクリメンタルエンコーダ(出力タイプ3)として完成させる(S524)。
その後、この汎用型ロータリーエンコーダ100は、初期設定専用のブラシレスDCモータから、分離される(S525)。
Next, when incremental data is selected in the selection of the output method of the general-purpose rotary encoder (S513) (
Further, when incremental U, V, W (A, B, Z, U, V, W) is selected in the selection of the output method of the general-purpose rotary encoder (S513) (output type 3 in FIG. 4A), calibration is performed. Based on the data for use, the data of the A-phase and B-phase signals acquired by the general-purpose sensor is calibrated to generate standard absolute data (S521).
Next, in the
This incremental data is recorded in EEPROM 164 (S523) and completed as an incremental encoder (output type 3) (S524).
After that, the general-
その後、初期設定専用のブラシレスDCモータには、次の、新たな汎用エンコーダが装着され、上記したのと同様に、この新たな汎用エンコーダの初期設定の処理がなされる。
初期設定装置を構成する光学式ロータリーエンコーダやブラシレスDCモータは、1個の汎用エンコーダの初期設定の処理のために、低速回転でかつ短時間だけ使用される。そのため、初期設定装置を構成するブラシレスDCモータや光学式ロータリーエンコーダを、繰り返し、例えば、1万回〜10万回、使用することは可能である。すなわち、本発明における初期設定装置は、高精度、高価格の光学式ロータリーエンコーダを使用するが、この装置を用いて多数の汎用エンコーダの校正を行うことが可能なので、汎用エンコーダの1個当たりの製造コストを安価なものにできる。
After that, the next new general-purpose encoder is attached to the brushless DC motor dedicated to the initial setting, and the initial setting process of the new general-purpose encoder is performed in the same manner as described above.
The optical rotary encoder and brushless DC motor constituting the initial setting device are used at a low speed and for a short time for the initial setting processing of one general-purpose encoder. Therefore, it is possible to repeatedly use the brushless DC motor and the optical rotary encoder that constitute the initial setting device, for example, 10,000 to 100,000 times. That is, the initial setting device in the present invention uses a high-precision, high-cost optical rotary encoder, but since it is possible to calibrate a large number of general-purpose encoders using this device, each general-purpose encoder can be calibrated. The manufacturing cost can be reduced.
次に、図8〜図11を参照しながら、第1の実施例に基づいて、図4Aに示した出力タイプ1の初期設定がなされた汎用型ロータリーエンコーダによる、制御対象のブラシレスDCモータに対する、通常運転時の処理を説明する。図2Bや図2Cに示したような構成の汎用型ロータリーエンコーダが、制御対象のモータに固定される。なお、ここでは、制御対象のモータはブラシレスDCモータとする。他の形式のモータを対象とする場合には、その形式のモータに必要な駆動回路で同様な処理がなされることは言うまでもない。
制御対象のブラシレスDCモータの汎用型ロータリーエンコーダ100及びBLCDコントローラ240は、初期設定データを取得する初期設定データ取得部と、通常運転モードDCサーボ制御部、通常運転モードモータ制御信号(iu, iv, iw)生成部、及びインバータ駆動信号生成部等の機能を備えている。インバータ駆動信号生成部は、通常運転モードモータ制御信号生成部及びDCサーボ制御部の出力を受けて、ブラシレスDCモータの回転を制御するためのインバータ駆動信号を生成し、モータドライバーのインバータを駆動・制御する。
Next, with reference to FIGS. 8 to 11, the brushless DC motor to be controlled by the general-purpose rotary encoder in which the
The general-
汎用型ロータリーエンコーダ100及びBLCDコントローラ240は、正規の運転処理モードにおいては、外部指令や型ロータリーエンコーダ100の校正処理済のエンコーダメモリ160の情報に基づき、ブラシレスDCモータを、サーボモータとして機能させる。すなわち、汎用型ロータリーエンコーダ100内のソフトウエア(通常運転時のU,V,W信号生成・記録部137)で、U相、V相、W相の駆動信号を生成し(S801)、BLCDコントローラ240へ出力し、ブラシレスDCモータを駆動する。汎用エンコーダの初期設定で標準センサの出力に基づく校正処理済のエンコーダメモリ160から、駆動信号に対応するU相、V相、W相のパルス数/回転を取得し(S802)、さらに、Z相の幅の信号を取得する(S803)。これにより、図9に示したようなZ相信号(Z1,Z2,―,―,Zn)のデータ、すなわち、多回転のデータを取得する(S804)。また、U相の立ち上がりを回転軸の絶対原点位置(Z0)に同期させる(S805)。そして、汎用エンコーダからの校正処理済のA相・B相信号及びZ信号を、RAMを経由して取得し(S806)、そのインクリメンタルな累積加算値を基に、EEPROMのアドレスを付与して、RAMに記録する。
In the normal operation processing mode, the general-
汎用型ロータリーエンコーダ100及びBLCDコントローラ240は、校正用テーブル144を用いて、汎用エンコーダのインクリメンタルなデータの校正を行う(S807)。
この校正済みのデータを用いて、1回転毎のA相・B相信号、Z相信号、U、V、W相信号にEEPROMのアドレスを付与してアブソリュート化を行い、RAMに記録する(S808)。
さらに、Z相信号とA相・B相信号とから、ブラシレスDCモータの回転速度と回転角の情報を含む多回転のアブソリュート信号を生成し(S809)、RAMを介してEEPROMに、多回転・アブソリュートとして記録する(S810)。
すなわち、図10に示したように、汎用型ロータリーエンコーダの汎用エンコーダから得られた出力が、校正用テーブル144を用いて、高精度の多回転・アブソリュートデータに変換される。この多回転・アブソリュートデータは、正逆方向に、Z0,Z1,Z2,―,Zn単位で繰り返されるデータである。
EPROMの、校正処理済の多回転・アブソリュートデータは、A,B,Z信号とU、V、W信号とが並行して、モータのコントローラ240やモータドライバー242へ出力される(S811)。なお、図8では、説明の便宜上、校正処理済のA相・B相信号及びZ信号と、校正処理済のU、V、W信号を一連の連続した処理として説明しているが、実際には、A相・B相信号及びZ信号と、U、V、W信号とが並行して校正され、モータのコントローラ240やモータドライバー242へ出力される。
The general-
Using this calibrated data, EEPROM addresses are assigned to A-phase / B-phase signals, Z-phase signals, U, V, and W-phase signals for each rotation to make them absolute and record them in RAM (S808). ).
Further, a multi-rotation absolute signal including information on the rotation speed and the rotation angle of the brushless DC motor is generated from the Z-phase signal and the A-phase / B-phase signal (S809), and the multi-rotation is performed in EEPROM via RAM. Record as absolute (S810).
That is, as shown in FIG. 10, the output obtained from the general-purpose encoder of the general-purpose rotary encoder is converted into high-precision multi-rotation / absolute data using the calibration table 144. This multi-rotation / absolute data is data that is repeated in the forward and reverse directions in units of Z0, Z1, Z2, −, and Zn.
The calibrated multi-rotation / absolute data of the EPROM is output to the motor controller 240 and the motor driver 242 in parallel with the A, B, Z signals and the U, V, W signals (S811). In FIG. 8, for convenience of explanation, the calibrated A-phase / B-phase signal and Z signal and the calibrated U, V, and W signals are described as a series of continuous processes, but they are actually The A-phase / B-phase signal and the Z signal, and the U, V, and W signals are calibrated in parallel and output to the motor controller 240 and the motor driver 242.
本実施例によれば、ブラシレスDCモータの回転軸の正回転、逆回転に応じて、モータの回転軸の回転角度の情報を逐次校正用テーブル144に基づき校正し、校正済の角度データに基づき、A、B、Z、U、V、Wの各信号がインクリメント、デクリメントされ、ブラシレスDCモータの回転軸の現在位置を高精度に表す情報として、逐次、RAMを経由してEEPROMに記録・更新される。これらの更新情報に基づき、ブラシレスDCモータは、連続的にサーボ制御される(S806)〜(S811)。
この処理を繰り返して、運転を終了する(S812)。
このように、本実施例の汎用エンコーダを採用したブラシレスDCモータは、通常運転時、高精度のロータリーエンコーダの機能を備えたサーボモータとして動作する。
According to this embodiment, the information on the rotation angle of the rotation axis of the motor is calibrated based on the sequential calibration table 144 according to the forward rotation and the reverse rotation of the rotation axis of the brushless DC motor, and based on the calibrated angle data. , A, B, Z, U, V, W signals are incremented and decremented, and are sequentially recorded and updated in the EEPROM via RAM as information representing the current position of the rotation axis of the brushless DC motor with high accuracy. Will be done. Based on these updated information, the brushless DC motor is continuously servo-controlled (S806) to (S811).
This process is repeated to end the operation (S812).
As described above, the brushless DC motor that employs the general-purpose encoder of this embodiment operates as a servomotor having a high-precision rotary encoder function during normal operation.
図11は、汎用型ロータリーエンコーダを用いた通常運転モード時の校正処理の効果を示す図である。
通常運転時、ブラシレスDCモータは、指令値応じて、回転の方向や速度が変化する。校正処理を行っていない、換言すると、絶対精度を厳格に有しない汎用型ロータリーエンコーダの場合、軸の絶対原点位置(Z0)及びZ相信号(Z1,Z2,―,―,Zn)に相当する位置以外の位置(以下、原点以外の位置)の絶対精度は高くない。そのため、原点以外の第1の位置から原点以外の第2の位置へ移動の絶対精度は高くない。例えば、図11において、汎用エンコーダが第1の位置(本来の回転角はθA1、絶対精度を厳格に有しない汎用型ロータリーエンコーダでは軸回転角がθS1)にあると仮定する。この状態から第2の位置(本来の回転角はθA2)へ回転するように指令が出されると、絶対精度を厳格に有しない汎用型ロータリーエンコーダを用いた場合、軸が回転角θS1からθS2へ回転する。本実施例の汎用エンコーダを採用したブラシレスDCモータによれば、このような誤差が累積されることなく、θA1からθA2へ、絶対精度の高い位置決めがなされる。
このように、本実施例の汎用型ロータリーエンコーダ100は、初期設定処理を経た後、製品として、各種機器のモータや回転体に適用される際には、汎用センサが、標準センサに匹敵する高精度センサとして使用される。
FIG. 11 is a diagram showing the effect of the calibration process in the normal operation mode using the general-purpose rotary encoder.
During normal operation, the brushless DC motor changes its rotation direction and speed according to the command value. In the case of a general-purpose rotary encoder that has not been calibrated, in other words, it does not have strict absolute accuracy, it corresponds to the absolute origin position (Z0) of the axis and the Z-phase signal (Z1, Z2,-,-, Zn). The absolute accuracy of positions other than the position (hereinafter, positions other than the origin) is not high. Therefore, the absolute accuracy of movement from the first position other than the origin to the second position other than the origin is not high. For example, in FIG. 11, it is assumed that the general-purpose encoder is in the first position (the original rotation angle is θA1, and the shaft rotation angle is θS1 in the general-purpose rotary encoder that does not have strict absolute accuracy). When a command is issued to rotate from this state to the second position (the original rotation angle is θA2), the axis changes from the rotation angle θS1 to θS2 when a general-purpose rotary encoder that does not have strict absolute accuracy is used. Rotate. According to the brushless DC motor that employs the general-purpose encoder of this embodiment, positioning from θA1 to θA2 with high absolute accuracy is performed without accumulating such errors.
As described above, when the general-
次に、図12を参照しながら、第1の実施例に基づいて、図4Bに示した出力タイプ2の初期設定がなされた汎用型ロータリーエンコーダによる、制御対象のDCモータに対する、通常運転時の処理を説明する。汎用型ロータリーエンコーダで、インクリメンタルA,B、Z信号を取得し(S1201)、このデータを校正データで校正する(S1202)。校正済のデータは、EEPROMに、インクリメンタルデータとして記録・更新される(S1203)。そして、このインクリメンタルA,B、Z信号を、モータへ出力し(S1204)、運転の終了に伴い(S1205)、処理を終了する。
この例でも、本実施例の汎用型ロータリーエンコーダ100は、各種機器のモータや回転体に適用される際には、汎用センサが、標準センサに匹敵する高精度センサとして使用される。
Next, with reference to FIG. 12, the DC motor to be controlled by the general-purpose rotary encoder in which the initial setting of the
In this example as well, when the general-
次に、図13を参照しながら、第1の実施例に基づいて、図4Cに示した出力タイプ3の初期設定がなされた汎用型ロータリーエンコーダによる、制御対象のブラシレスDCモータに対する、通常運転時の処理を説明する。
すなわち、汎用型ロータリーエンコーダ100は、汎用エンコーダからの校正処理済のA相・B相信号及びZ信号を、RAMを経由して取得し(S1301)、標準センサの出力に基づく校正用テーブルを用いて、汎用型ロータリーエンコーダのインクリメンタルなデータの校正を行う(S1302)。汎用エンコーダ100内のソフトウエア(通常運転時のU,V,W信号生成・記録部137)で、U相、V相、W相の駆動信号を生成し(S1303)、BLCDコントローラ240へ出力し、ブラシレスDCモータを駆動する。汎用エンコーダの初期設定で校正処理済のエンコーダメモリ160から、駆動信号に対応するU相、V相、W相のパルス数/回転を取得し(S1304)、さらに、Z相の幅の信号を取得し(S1305)、これにより、図9に示したZ相信号(Z1,Z2,―,―,Zn)のデータ、すなわち、多回転のデータを取得する(S1306)。また、U相の立ち上がりを回転軸の絶対原点位置(Z0)に同期させる(S1307)。そして、そのインクリメンタルな累積加算値を基に、EEPROMのアドレスを付与し(S1308)、RAMを介してEEPROMに、インクリメンタルデータとして記録・更新する(S1309)。このEPROMの、校正処理済のインクリメンタルデータは、A,B,Z信号とU、V、W信号とが並行して、モータのコントローラ240やモータドライバー242へ出力される(S1310)。
この処理を繰り返して、運転を終了する(S1311)。
Next, with reference to FIG. 13, during normal operation of the brushless DC motor to be controlled by the general-purpose rotary encoder in which the initial setting of the output type 3 shown in FIG. 4C is made based on the first embodiment. The processing of is explained.
That is, the general-
This process is repeated to end the operation (S1311).
このように、本実施例の汎用型ロータリーエンコーダを採用したブラシレスDCモータは、通常運転時、高精度のロータリーエンコーダの機能を備えたサーボモータとして動作する。
校正済のA,B,Z信号とU、V、W信号とを並行してモータのコントローラ240等に供給することにより、モータのコントローラ240は、ブラシレスDCモータの制御に必要な信号を迅速に生成し・ドライバーへ出力することができる。
また、1台の高精度のロータリーエンコーダを使用して、任意の出力形式に対応できる、高精度でかつ安価な汎用型ロータリーエンコーダを提供することができる。
As described above, the brushless DC motor that employs the general-purpose rotary encoder of this embodiment operates as a servomotor having a high-precision rotary encoder function during normal operation.
By supplying the calibrated A, B, Z signals and the U, V, W signals in parallel to the motor controller 240, etc., the motor controller 240 can quickly transmit the signals necessary for controlling the brushless DC motor. It can be generated and output to the driver.
Further, it is possible to provide a high-precision and inexpensive general-purpose rotary encoder capable of supporting an arbitrary output format by using one high-precision rotary encoder.
本発明の他の実施例として、絶対精度の高いロータリーエンコーダ(標準センサ)に、A,B,Z相だけでなく、U,V,W相に対応する信号を出力する方式のものを採用することもできる。この例を図14で説明する。
図14は、標準センサ300の出力として、A,B,Z相だけでなく、U,V,W相のデータが得られる場合の、汎用型ロータリーエンコーダ及び初期設定コントローラの、機能ブロックの例を示す図である。
この例では、ユーザが、エンコーダの出力方式選定部139で、図4Aの出力タイプ1に相当するものを選定した場合について説明する。
初期設定コントローラ800は、初期設定に、標準センサのデータ記録部181とU、V、W信号生成・記録部184との間に、第5の情報伝達経路を形成する。そのため、初期設定時のU、V、W信号は、U、V、W信号生成・記録部184で、標準センサ300の出力をそのまま(校正することなく)利用して生成され、そのデータが、アブソリュートエンコーダ出力・記録部186に記録される。
第1のデータ記録部180のデータは、第1キャリブレーション176において標準センサのデータ記録部181のデータに基づき校正され、校正済のA,B,Z信号が、アブソリュートエンコーダ出力・記録部186に記録される。
汎用型ロータリーエンコーダ100の初期設定が完了すると、初期設定コントローラ800は、標準センサ300と標準センサのデータ記録部181との間の情報伝達経路を開放する。この場合、標準センサのデータ記録部181に記録されたU、V、W信号に基づいてU、V、W信号生成・記録部184生成されたU、V、W信号のデータが、第1のキャリブレーション176で校正された汎用センサ(110,120)の出力に基づくA,B,Z相のデータと同期付けられて、通常運転用のU、V、W信号が生成され、アブソリュートエンコーダ出力・記録部186に記録される。
なお、図14の構成を一部変更し、汎用センサ(110、120)の出力であるA,B,Z信号を、図4Aに示したような汎用型ロータリーエンコーダの第2のデータ記録部178に記録し、このA,B,Z信号と、標準センサのデータ記録部181に記録されたれたU、V、W信号に基づいて、U、V、W信号生成・記録部184で、通常運転用の校正済のU、V、W信号を生成し、アブソリュートエンコーダ出力・記録部186に記録しても良い。
このアブソリュートエンコーダ出力・記録部186のデータは、エンコーダメモリに記録されると共に、A,B,Z信号とU、V、W信号とが並行して、モータのコントローラ240やモータドライバー242へ出力される。
As another embodiment of the present invention, a rotary encoder (standard sensor) having high absolute accuracy is used to output signals corresponding to not only A, B, and Z phases but also U, V, and W phases. You can also do it. An example of this will be described with reference to FIG.
FIG. 14 shows an example of a functional block of a general-purpose rotary encoder and an initial setting controller when not only A, B, Z phase data but also U, V, W phase data can be obtained as the output of the
In this example, a case where the user selects the output
The
The data of the first
When the initial setting of the general-
In addition, the configuration of FIG. 14 is partially changed, and the A, B, Z signals which are the outputs of the general-purpose sensors (110, 120) are converted into the second
The data of the absolute encoder output /
なお、ユーザが、他の出力タイプを選定した場合、図4B、図4Cで説明した例のように、所定の情報伝達経路が形成され、汎用型ロータリーエンコーダ100から所定の出力がモータのコントローラ240やモータドライバー242へ出力される。
本実施例によれば、高精度センサを具備したのに匹敵する高精度で、耐環境性に優れかつ安価な、ロータリーエンコーダを提供することができる。
また、1台の高精度のロータリーエンコーダを使用して、任意の出力形式に対応できる、高精度でかつ安価な汎用型ロータリーエンコーダを提供することができる。
When the user selects another output type, a predetermined information transmission path is formed as in the examples described in FIGS. 4B and 4C, and a predetermined output from the general-
According to this embodiment, it is possible to provide a rotary encoder having high accuracy comparable to that provided with a high accuracy sensor, excellent in environmental resistance, and inexpensive.
Further, it is possible to provide a high-precision and inexpensive general-purpose rotary encoder capable of supporting an arbitrary output format by using one high-precision rotary encoder.
なお、前記各実施例では、回転軸の絶対原点位置(Z0)が予めわかっている場合について説明したが、初期設定専用のブラシレスDCモータの回転軸の絶対原点位置(Z0)が不明な場合もある。この場合は、予め、回転軸の仮の原点位置を決めて各種のデータを生成したのち、別途、ブラシレスDCモータの回転軸の絶対原点位置を求め、仮の原点位置と絶対原点位置との角度の位相差を求め、上記各種のデータの補正を行う。この、ブラシレスDCモータの軸の絶対原点位置(Z0)を求める行程や、角度の位相差の処理に関しては、特許文献1の記載の引用により、詳細な説明に代える。他の公知の手段を用いても良いことは言うまでもない。
In each of the above embodiments, the case where the absolute origin position (Z0) of the rotating shaft is known in advance has been described, but there is also a case where the absolute origin position (Z0) of the rotating shaft of the brushless DC motor dedicated to the initial setting is unknown. is there. In this case, after determining the temporary origin position of the rotating shaft in advance and generating various data, the absolute origin position of the rotating shaft of the brushless DC motor is separately obtained, and the angle between the temporary origin position and the absolute origin position is obtained. The phase difference of is obtained, and the above-mentioned various data are corrected. The process of obtaining the absolute origin position (Z0) of the shaft of the brushless DC motor and the processing of the phase difference of angles will be replaced with detailed explanations by quoting the description of
100 汎用型ロータリーエンコーダ
110 マグネットユニット
111 マグネットホルダー
112 中空部
113 マグネット
114 固定手段
120 センサ出力処理ユニット
121,122 1対のMRセンサ(磁気抵抗素子センサ)
130 エンコーダ制御ユニット
139 エンコーダの出力方式選定部
160 エンコーダメモリ
170 通信インタフェース
172 SSC−BUS変換器
174 SPI−BUS変換器
176 第1のキャリブレーション
178 汎用エンコーダの第2のデータ記録部
180 汎用エンコーダの第1のデータ記録部
181 標準センサのデータ記録部
182 第2キャリブレーション
184 U、V、W信号生成・記録部
186 アブソリュートエンコーダ出力・記録部
200 初期設定専用のブラシレスDCモータ
203 回転軸
210 モータハウジング
222 永久磁石
228 信号ライン
240 モータのコントローラ
242 モータドライバー
250 ハウジングカバー
300 初期設定専用の光学式ロータリーエンコーダ
304 ケーシング
305 軸受
306 回転基板
311 発光素子
308 絞り
309 レンズ
312 スリットパターン
314 受光素子
316 コントローラ
400 ユーザ端末(入出力端末)
800 初期設定コントローラ
100 General-
130
800 initialization controller
Claims (6)
前記汎用センサからの出力信号に基づいて前記モータの回転軸の回転角度の情報を出力する回転角度検出部と、
前記回転角度の情報に基づき、前記モータの駆動のための信号を生成して出力するエンコーダ制御ユニットを備えた汎用型ロータリーエンコーダであって、
前記エンコーダ制御ユニットは、初期設定用のモータを駆動する機能と、
前記汎用センサ固有の初期設定データを取得する初期設定データ取得部と、
前記汎用型ロータリーエンコーダが装着された制御対象のモータが、通常運転される際に使用される通常運転用のデータを取得・生成する通常運転データ取得部と、
エンコーダの出力方式選定部と、
前記汎用センサ固有の初期設定データを校正するための校正データを保持したエンコーダメモリを備えており、
前記校正データは、前記汎用センサに対して絶対精度が2桁若しくは3桁高い高精度が保証されたセンサを標準センサとし、前記汎用センサと前記標準センサを前記初期設定用のモータに同時に連結して少なくとも正逆1回転だけ駆動することにより得られた、前記回転軸の回転角度に関する校正データであり、
前記エンコーダの出力方式選定部は、前記汎用型ロータリーエンコーダの出力方式として、アブソリュートデータ及びインクリメンタルデータのいずれかの出力方式を選定する機能を有し、
前記通常運転データ取得部は、前記選定された出力方式に対応して、前記汎用センサの出力を前記校正データで校正した通常運転用のデータを取得・生成し、前記エンコーダメモリに保持することを特徴とする汎用型ロータリーエンコーダ。 A general-purpose sensor mounted on the motor to detect the rotation angle of the rotation axis of the motor,
A rotation angle detection unit that outputs information on the rotation angle of the rotation axis of the motor based on an output signal from the general-purpose sensor, and a rotation angle detection unit.
A general-purpose rotary encoder including an encoder control unit that generates and outputs a signal for driving the motor based on the rotation angle information.
The encoder control unit has a function of driving a motor for initial setting and
An initial setting data acquisition unit that acquires initial setting data unique to the general-purpose sensor,
A normal operation data acquisition unit that acquires and generates data for normal operation used when the motor to be controlled equipped with the general-purpose rotary encoder is normally operated.
Encoder output method selection section and
It is equipped with an encoder memory that holds calibration data for calibrating the initial setting data unique to the general-purpose sensor.
For the calibration data, a sensor whose absolute accuracy is guaranteed to be two or three orders of magnitude higher than that of the general-purpose sensor is used as a standard sensor, and the general-purpose sensor and the standard sensor are simultaneously connected to the motor for initial setting. It is the calibration data regarding the rotation angle of the rotation axis obtained by driving at least one forward and reverse rotation.
The output method selection unit of the encoder has a function of selecting an output method of either absolute data or incremental data as the output method of the general-purpose rotary encoder.
The normal operation data acquisition unit acquires and generates data for normal operation obtained by calibrating the output of the general-purpose sensor with the calibration data in accordance with the selected output method, and holds the data in the encoder memory. A featured general-purpose rotary encoder.
前記エンコーダの出力方式選定部は、前記汎用型ロータリーエンコーダの出力方式として、さらに、モータの駆動信号用のデータも含むか否かを選定する機能を有し、
前記通常運転データ取得部は、前記選定された出力方式に対応して、前記汎用センサの出力を前記校正データで校正した前記通常運転用のデータを取得・生成し、前記エンコーダメモリに保持することを特徴とする汎用型ロータリーエンコーダ。 In the general-purpose rotary encoder according to claim 1,
The output method selection unit of the encoder has a function of selecting whether or not to include data for a motor drive signal as the output method of the general-purpose rotary encoder.
The normal operation data acquisition unit acquires and generates data for the normal operation obtained by calibrating the output of the general-purpose sensor with the calibration data in accordance with the selected output method, and holds the data in the encoder memory. A general-purpose rotary encoder featuring.
前記エンコーダの出力方式選定部は、前記回転軸の多回転の回転角度若しくは1回転の回転角度のいずれかを選定する機能を有し、
前記通常運転データ取得部は、前記選定された出力方式に対応して、前記汎用センサの出力を前記校正データで校正した前記通常運転用のデータを取得・生成し、前記エンコーダメモリに保持することを特徴とする汎用型ロータリーエンコーダ。 In the general-purpose rotary encoder according to claim 2.
The output method selection unit of the encoder has a function of selecting either a multi-rotation rotation angle or a one-rotation rotation angle of the rotation shaft.
The normal operation data acquisition unit acquires and generates data for the normal operation obtained by calibrating the output of the general-purpose sensor with the calibration data in accordance with the selected output method, and holds the data in the encoder memory. A general-purpose rotary encoder featuring.
前記汎用センサと前記エンコーダメモリとの間に、前記汎用型ロータリーエンコーダの出力であるA,B,Z信号の生成に必要な情報を伝達する1つの情報伝達経路と、前記汎用型ロータリーエンコーダの出力であるU、V、W信号の生成に必要な情報を伝達する他の情報伝達経路とが存在し、前記汎用型ロータリーエンコーダから、前記A,B,Z信号と前記U、V、W信号とが並行して出力されるように構成されていることを特徴とする汎用型ロータリーエンコーダ。 In any one of claims 1 to 3,
One information transmission path for transmitting information necessary for generating A, B, Z signals which are outputs of the general-purpose rotary encoder between the general-purpose sensor and the encoder memory, and an output of the general-purpose rotary encoder. There are other information transmission paths for transmitting information necessary for generating U, V, W signals, and the A, B, Z signals and the U, V, W signals are transmitted from the general-purpose rotary encoder. A general-purpose rotary encoder characterized in that is configured to output in parallel.
前記校正データは、
前記A,B,Z信号を伝達する前記1つの情報伝達経路に設けられ、前記標準センサの出力データで、前記A,B,Z信号を校正する第1キャリブレーションと、
前記U、V、W信号の生成に必要な情報を伝達する前記他の情報伝達経路に設けられ、前記標準センサの出力データで、前記U、V、W信号を校正する第2キャリブレーションとを有することを特徴とする汎用型ロータリーエンコーダ。 In any one of claims 1 to 4,
The calibration data is
A first calibration provided in the one information transmission path for transmitting the A, B, Z signals and calibrating the A, B, Z signals with the output data of the standard sensor.
A second calibration provided in the other information transmission path for transmitting information necessary for generating the U, V, W signal and calibrating the U, V, W signal with the output data of the standard sensor. A general-purpose rotary encoder characterized by having.
前記A,B,Z信号の生成に必要な情報を伝達する前記1つの情報伝達経路は、SSC−BUS変換器及びSPI−BUS変換器を含むことを特徴とする汎用型ロータリーエンコーダ。 In any one of claims 1 to 5,
A general-purpose rotary encoder characterized in that the one information transmission path for transmitting information necessary for generating the A, B, and Z signals includes an SSC-BUS converter and an SPI-BUS converter.
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