JP2023041534A - magnetic encoder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気式エンコーダに関する。 The present invention relates to magnetic encoders.
半導体製造、工作機械、ロボットなどのような精密な位置決めを必要とする分野において、エンコーダが位置計測センサとしてよく用いられている。 Encoders are often used as position measurement sensors in fields that require precise positioning, such as semiconductor manufacturing, machine tools, and robots.
エンコーダには、光学式エンコーダ及び磁気式エンコーダなどがある。 Encoders include optical encoders and magnetic encoders.
光学式エンコーダは、発光素子と受光素子とを組み合わせて用いて、位置の変化を検出する。光学式エンコーダには、透過型と反射型がある。透過型は、信号の精度及び耐汚染性を高めやすいという利点があるものの、小型化が難しいという特徴がある。反射型は、小型化が容易であるものの、耐汚染性が低いという特徴がある。 An optical encoder uses a combination of a light-emitting element and a light-receiving element to detect changes in position. Optical encoders are classified into transmissive and reflective types. The transmissive type has the advantage that it is easy to improve signal accuracy and contamination resistance, but it is characterized by the fact that miniaturization is difficult. The reflective type is characterized by its low contamination resistance, although it can be easily miniaturized.
磁気式エンコーダは、測定対象の位置の変化を磁束の変化として検出する。磁気式エンコーダは、基本的に永久磁石と磁気センサで構成されるという簡素な構成である。そのため、磁気式エンコーダは、小型化及び軽量化が容易で、また安価であるという特徴がある。また、磁気式エンコーダは、非常に頑丈であり、過酷な環境下でも使用可能であるという特徴がある。 A magnetic encoder detects changes in the position of an object to be measured as changes in magnetic flux. A magnetic encoder basically has a simple configuration consisting of a permanent magnet and a magnetic sensor. Therefore, the magnetic encoder is characterized by being easy to reduce in size and weight and being inexpensive. Magnetic encoders are also very robust and can be used in harsh environments.
例えば、特許文献1及び特許文献2は、シリンダ内を移動するピストンロッドの位置を検出する磁気式エンコーダを開示している。
For example,
エンコーダはモータの制御にも用いられる。モータを制御するシステムに対しては、小型化が要求されることが多い。そのため、小型化が容易である磁気式エンコーダは、モータ制御の用途に適している。 Encoders are also used to control motors. Systems that control motors are often required to be downsized. Therefore, the magnetic encoder, which can be easily miniaturized, is suitable for use in motor control.
一方、モータに必要な制御技術の複雑化に伴い、モータの回転の角度を高精度で測定することが求められている。 On the other hand, with the increasing complexity of control technology required for motors, there is a demand for highly accurate measurement of the angle of rotation of the motor.
本発明の目的は、角度を高精度で測定することが可能な磁気式エンコーダを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a magnetic encoder capable of measuring angles with high accuracy.
本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダは、
複数の磁極対を有する回転可能な円盤状の磁石と、
前記磁石の周囲に配置された4つの磁気センサと、
前記4つの磁気センサが検出する磁束に基づいて、前記磁石の回転角である機械角を算出する演算装置と、を備え、
前記複数の磁極対は、磁極対ごとに磁化の強さが異なる。
A magnetic encoder according to one embodiment of the present invention comprises:
a rotatable disk-shaped magnet having a plurality of magnetic pole pairs;
four magnetic sensors positioned around the magnet;
a computing device that calculates a mechanical angle, which is the rotation angle of the magnet, based on the magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors;
The plurality of magnetic pole pairs have different magnetization strengths for each magnetic pole pair.
また、本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダにおいて、
前記4つの磁気センサは、2組の磁気センサのペアを構成し、
前記2組の磁気センサのペアの一方の磁気センサのペアと他方の磁気センサのペアとは、前記磁石の回転に伴う磁束の変化を、90度ずれた位相で検出するように配置されていてもよい。
Further, in the magnetic encoder according to one embodiment of the present invention,
The four magnetic sensors constitute two pairs of magnetic sensors,
One magnetic sensor pair and the other magnetic sensor pair of the two pairs of magnetic sensors are arranged so as to detect changes in magnetic flux due to the rotation of the magnet with a phase difference of 90 degrees. good too.
また、本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダにおいて、
前記演算装置は、
前記4つの磁気センサが検出する磁束に基づいて直交信号を生成し、
前記直交信号に基づいて、前記磁石の回転に伴う磁束の変化の位相に対応する電気角を算出し、
前記4つの磁気センサが検出する磁束と、前記電気角とに基づいて、前記電気角を前記機械角に対応づけるためのオフセットを算出し、
前記電気角と前記オフセットとに基づいて、前記機械角を算出してもよい。
Further, in the magnetic encoder according to one embodiment of the present invention,
The computing device is
generating quadrature signals based on the magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors;
calculating an electrical angle corresponding to the phase of change in magnetic flux accompanying rotation of the magnet based on the quadrature signal;
calculating an offset for associating the electrical angle with the mechanical angle based on the magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors and the electrical angle;
The mechanical angle may be calculated based on the electrical angle and the offset.
また、本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダにおいて、
前記演算装置は、下記の式(1)における誤差の2乗和Jnを最小化するnを、前記オフセットとして算出してもよい。
The arithmetic device may calculate n that minimizes the sum of squares of errors J n in the following equation (1) as the offset.
また、本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダにおいて、
前記演算装置は、前記2組の磁気センサにおいて、各磁気センサのペアの2つの磁気センサが検出する磁束を加算することによって、前記直交信号を生成してもよい。
Further, in the magnetic encoder according to one embodiment of the present invention,
The computing unit may generate the quadrature signals by summing magnetic fluxes detected by two magnetic sensors of each magnetic sensor pair in the two sets of magnetic sensors.
また、本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダにおいて、
前記演算装置は、前記4つの磁気センサが検出する磁束に対してニューラルネットワークによる処理を実行し、前記直交信号を生成してもよい。
Further, in the magnetic encoder according to one embodiment of the present invention,
The computing device may generate the quadrature signals by performing neural network processing on the magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors.
また、本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダにおいて、
前記演算装置は、
2つの前記直交信号の大小関係と前記直交信号の正負とに基づいて前記直交信号が4つの区間のどの区間に対応するかを判定し、
前記区間に応じたルックアップテーブルを参照して、2つの前記直交信号のうち絶対値が小さい方の前記直交信号の値をルックアップテーブルと対比して前記電気角を算出してもよい。
Further, in the magnetic encoder according to one embodiment of the present invention,
The computing device is
determining which of the four sections the quadrature signal corresponds to based on the magnitude relationship between the two quadrature signals and the sign of the quadrature signal;
The electrical angle may be calculated by referring to a lookup table corresponding to the interval and comparing the value of the orthogonal signal having the smaller absolute value among the two orthogonal signals with the lookup table.
また、本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダにおいて、
前記演算装置は、PLL法を用いて、下記の式(2)における偏差eが0になるように角度θxを制御して、前記電気角を算出してもよい。
The computing device may calculate the electrical angle by controlling the angle θx so that the deviation e in the following equation (2) becomes 0 using the PLL method.
本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダによれば、角度を高精度で測定することができる。 According to the magnetic encoder according to one embodiment of the present invention, angles can be measured with high accuracy.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダ1の構成例を示すブロック図である。磁気式エンコーダ1は、磁石10の回転角度を検出可能な装置である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a
磁気式エンコーダ1は、磁石10と、4つの磁気センサ20-0~20-3と、演算装置30とを備える。
The
磁石10は、円盤状の永久磁石である。磁石10は、任意の種類の永久磁石であってよいが、例えばネオジム磁石であってよい。
The
磁石10は、中心101を軸として回転可能である。磁石10の中心101には、例えば、モータの回転に伴って回転するシャフトが接続されていてよい。この場合、モータが回転すると、モータの回転に伴って磁石10が回転する。なお、図1においては、磁石10が時計回りに回転する様子を示しているが、磁石10は、反時計回りに回転してもよい。
磁石10は、複数の磁極対を有する。図2を参照して、磁石10の構成について説明する。図2に示す例においては、磁石10は、4つの磁極を有する。磁石10は、4つの扇形の領域に分けられており、N極とS極とが交互に並んでいる。
本実施形態において、1つのN極と1つのS極との組合せを磁極対と称する。図2に示す例においては、磁石10は、磁極対102と磁極対103という2つの磁極対を有する。なお、図2においては、磁石10が2つの磁極対を有する場合を示しているが、磁石10が有する磁極対の数はこれに限定されない。磁石10は複数の磁極対を有していればよく、磁石10は、3つ以上の磁極対を有してもよい。本実施形態においては、磁石10が2つの磁極対を有する場合を例に挙げて説明する。
In this embodiment, a combination of one N pole and one S pole is called a magnetic pole pair. In the example shown in FIG. 2,
磁石10が有する複数の磁極対は、磁極対ごとに異なる強さで磁化されている。例えば、図2に示す磁石10において、磁極対102は、磁極対103に比べて弱く磁化されていてよい。例えば、磁極対102の最大エネルギー積は、磁極対103の最大エネルギー積の70%であってよい。
The plurality of magnetic pole pairs of the
再び図1に戻って説明する。磁気センサ20-0~20-3は、磁石10の周囲に配置されている。図3を参照して、磁気センサ20-0~20-3の配置について説明する。
Returning to FIG. 1 again, description will be made. Magnetic sensors 20 - 0 to 20 - 3 are arranged around
図3に示す角度θは、磁石10の中心101から上方に引いた線を基準にしたときの時計回り方向の角度である。磁気センサ20-0は、θ=0度の位置に配置されている。磁気センサ20-1は、θ=180度の位置に配置されている。磁気センサ20-2は、θ=-45度の位置に配置されている。磁気センサ20-3は、θ=135度の位置に配置されている。
The angle θ shown in FIG. 3 is a clockwise angle with respect to a line drawn upward from the
また、磁気センサ20-0~20-3は、磁石10の中心101からの距離が等しい位置に配置されている。
Further, the magnetic sensors 20-0 to 20-3 are arranged at positions equidistant from the
磁気センサ20-0~20-3について特に区別する必要がないときは、以後、磁気センサ20と総称して説明する場合がある。 When there is no particular need to distinguish between the magnetic sensors 20-0 to 20-3, they may be collectively referred to as the magnetic sensor 20 hereinafter.
磁気センサ20は、磁石10によって生じる磁束を検出する。磁気センサ20は、検出した磁束に応じた電圧信号を出力する。磁気センサ20は、磁束を検出することが可能な任意のセンサであってよいが、例えばホール素子であってよい。
Magnetic sensor 20 detects the magnetic flux generated by
磁気センサ20がホール素子である場合、磁気センサ20は、磁気センサ20を貫く磁束の磁束密度Bに応じて、電圧VHを出力する。電圧VHは、下記の式(3)のように表される。
磁石10が回転すると磁気センサ20が検出する磁束は変化する。磁石10は2つの磁極対を有するため、磁石10が180度回転すると、磁気センサ20が検出する磁束の位相は360度変化する。より一般的には、磁石10が有する磁極対の数がPである場合、磁石が(360/P)度回転すると、磁気センサ20が検出する磁束の位相は360度変化する。
When the
図3に示す例では、磁気センサ20-0と磁気センサ20-2とは、45度ずれた位置に配置されている。磁石10が45度回転すると、磁気センサ20が検出する磁束の位相は90度変化するため、磁気センサ20-0と磁気センサ20-2とは、磁束の変化として90度ずれた位相を検出する。
In the example shown in FIG. 3, the magnetic sensor 20-0 and the magnetic sensor 20-2 are arranged at positions shifted by 45 degrees. When the
磁石10が時計回りに回転すると、磁気センサ20-2は、磁気センサ20-0よりも90度進んだ位相を検出する。そのため、磁気センサ20-2が磁石10の回転に伴って検出した磁束の変化に応じて出力する電圧信号は、Vcos+と表すことができる。また、磁気センサ20-0が磁石10の回転に伴って検出した磁束の変化に応じて出力する電圧信号は、Vsin+と表すことができる。
When the
図3に示すように、磁気センサ20-1は、磁石10の中心101に対して、磁気センサ20-0と対称な位置に配置されている。したがって、磁気センサ20-1が磁石10の回転に伴って検出した磁束の変化に応じて出力する電圧信号は、Vsin-と表すことができる。また、磁気センサ20-3は、磁石10の中心101に対して、磁気センサ20-2と対称な位置に配置されている。したがって、磁気センサ20-3が磁石10の回転に伴って検出した磁束の変化に応じて出力する電圧信号は、Vcos-と表すことができる。
As shown in FIG. 3, the magnetic sensor 20-1 is placed symmetrically with the magnetic sensor 20-0 with respect to the
このように4つの磁気センサ20-1~20-3は、2組の磁気センサ20のペアを構成している。一方の磁気センサ20のペアは、磁気センサ20-0と磁気センサ20-1とを組み合わせたペアである。他方の磁気センサ20のペアは、磁気センサ20-2と磁気センサ20-3とを組み合わせたペアである。 Thus, the four magnetic sensors 20-1 to 20-3 constitute two magnetic sensor 20 pairs. One pair of magnetic sensors 20 is a pair that combines the magnetic sensor 20-0 and the magnetic sensor 20-1. The other pair of magnetic sensors 20 is a pair that combines the magnetic sensors 20-2 and 20-3.
磁気センサ20-0が出力する電圧信号Vsin+と磁気センサ20-1が出力する電圧信号Vsin-とを加算すると、電圧信号Vsinが得られる。また、磁気センサ20-2が出力する電圧信号Vcos+と磁気センサ20-3が出力する電圧信号Vcos-とを加算すると、電圧信号Vcosが得られる。 The voltage signal V sin is obtained by adding the voltage signal V sin+ output by the magnetic sensor 20-0 and the voltage signal V sin- output by the magnetic sensor 20-1. The voltage signal V cos is obtained by adding the voltage signal V cos+ output by the magnetic sensor 20-2 and the voltage signal V cos− output by the magnetic sensor 20-3.
電圧信号Vsinと電圧信号Vcosは、90度位相がずれている直交信号である。すなわち、2組の磁気センサ20のペアの一方の磁気センサ20のペアである磁気センサ20-0と磁気センサ20-1のペアと、他方の磁気センサ20のペアである磁気センサ20-2と磁気センサ20-3のペアとは、磁石10の回転に伴う磁束の変化を、90度ずれた位相で検出するように配置されている。
Voltage signal V sin and voltage signal V cos are quadrature signals that are 90 degrees out of phase. That is, the pair of magnetic sensors 20-0 and 20-1, which is one pair of magnetic sensors 20 of the two pairs of magnetic sensors 20, and the pair of magnetic sensors 20-2, which is the other pair of magnetic sensors 20 The pair of magnetic sensors 20-3 are arranged so as to detect changes in magnetic flux accompanying rotation of the
再び図1に戻って説明する。演算装置30は、制御部31と、記憶部32とを備える。
Returning to FIG. 1 again, description will be made.
制御部31は、少なくとも1つのプロセッサ、少なくとも1つの専用回路、又はこれらの組み合わせを含む。プロセッサは、CPU(Central Processing Unit)若しくはGPU(Graphics Processing Unit)などの汎用プロセッサ、又は特定の処理に特化した専用プロセッサである。専用回路は、例えば、FPGA(Field-Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)である。制御部31は、演算装置30の各部を制御しながら、演算装置30の動作に関わる処理を実行する。
Control unit 31 includes at least one processor, at least one dedicated circuit, or a combination thereof. The processor is a general-purpose processor such as a CPU (Central Processing Unit) or GPU (Graphics Processing Unit), or a dedicated processor specialized for specific processing. The dedicated circuit is, for example, an FPGA (Field-Programmable Gate Array) or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit). The control unit 31 executes processing related to the operation of the
記憶部32は、例えば半導体メモリ、磁気メモリ、又は光メモリ等であるが、これらに限定されない。記憶部32は、例えば主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。記憶部32は、演算装置30の動作に用いられる任意の情報を記憶する。例えば、記憶部32は、システムプログラム、アプリケーションプログラム、及び各種情報等を記憶してもよい。記憶部32の一部は、演算装置30の外部に設置されていてもよい。その場合、外部に設置されている記憶部32の一部は、任意のインタフェースを介して演算装置30と接続されてよい。
The
演算装置30は、4つの磁気センサ20-0~20-3と接続されている。演算装置30は、検出した磁束に応じて磁気センサ20が出力する電圧信号を取得する。演算装置30は、4つの磁気センサ20-0~20-3が検出する磁束に基づいて、磁石10の回転角である機械角を算出する。ここで、「4つの磁気センサ20-0~20-3が検出する磁束に基づいて」との表現は、「4つの磁気センサ20-0~20-3が検出する磁束に応じて4つの磁気センサ20-0~20-3が出力する電圧信号に基づいて」との内容を意味する。
The
機械角について説明する。機械角は、磁石10が中心101を軸として回転したときの実際の回転の角度である。例えば、磁石10が1/4周回転したときの機械角は90度であり、1/2周回転したときの機械角は180度であり、1周回転したときの機械角は360度である。機械角は、磁石10の絶対的な回転の角度を表すため、「絶対角」と称されることもある。
A mechanical angle will be explained. The mechanical angle is the actual rotation angle when the
一方、磁石10の回転に関連する角度として電気角という角度もある。磁石10の回転に伴って磁気センサ20が検出する磁束は変化するが、磁束の変化の位相に対応する角度が電気角である。図1に示す磁石10の場合、磁石10は2つの磁極対を有するため、磁石10が1/4周回転したときの電気角は180度であり、1/2周回転したときの電気角は360度である。
On the other hand, there is also an angle called an electrical angle as an angle related to the rotation of the
機械角と電気角とは、下記の式(4)のように対応づけられる。
式(4)におけるオフセットnは、0~P-1の値をとる整数である。例えば、図1に示す例では磁極対の数P=2である。この場合、nは0又は1である。オフセットnが決まらないと、電気角θeを機械角θmに一意に対応づけることができないが、オフセットnが決まると、電気角θeを機械角θmに一意に対応づけることができる。 The offset n in equation (4) is an integer ranging from 0 to P-1. For example, in the example shown in FIG. 1, the number of magnetic pole pairs is P=2. In this case n is 0 or 1. Unless the offset n is determined, the electrical angle θ e cannot be uniquely associated with the mechanical angle θ m . However, once the offset n is determined, the electrical angle θ e can be uniquely associated with the mechanical angle θ m .
例えば磁極対の数P=2で、電気角θeが90度であるとき、機械角θmは、45度又は225度である。オフセットnが0であるとき機械角θmは45度となり、オフセットnが1であるとき機械角θmは225度となる。オフセットnが0であるか1であるかが特定できれば、機械角θmを特定することができる。 For example, when the number of magnetic pole pairs is P=2 and the electrical angle θ e is 90 degrees, the mechanical angle θ m is 45 degrees or 225 degrees. When the offset n is 0, the mechanical angle θm is 45 degrees, and when the offset n is 1, the mechanical angle θm is 225 degrees. If it is possible to specify whether the offset n is 0 or 1, the mechanical angle θm can be specified.
演算装置30による機械角の算出について図4を参照して説明する。演算装置30は、機能ブロックとして、直交信号生成部310と、コンバータ320と、オフセット算出部330と、機械角算出部340とを備える。
Calculation of the mechanical angle by the
直交信号生成部310、コンバータ320、オフセット算出部330及び機械角算出部340の機能は、図1に示した制御部31によって実行されてよい。
The functions of the
演算装置30は、磁気センサ20-0~20-3が出力する電圧信号を取得する。以後、磁気センサ20-0が出力する電圧信号をVsin+、磁気センサ20-1が出力する電圧信号をVsin-、磁気センサ20-2が出力する電圧信号をVcos+、磁気センサ20-3が出力する電圧信号をVcos-として説明する。
The
図5Aに、Vsin+、Vsin-、Vcos+及びVcos-の一例を示す。図5Aに示すグラフの横軸は、磁石10の機械角である。図5Aに示すグラフの縦軸は、Vsin+、Vsin-、Vcos+及びVcos-の振幅である。
An example of V sin+ , V sin− , V cos+ and V cos− is shown in FIG. 5A. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 5A is the mechanical angle of
図5Aに示すように、Vsin+、Vsin-、Vcos+及びVcos-は、いずれも振幅が一定ではない波形である。これは、磁石10の複数の磁極対が磁極対ごとに磁化の強さが異なる構成となっているため、磁化が強い磁極対が通過するときは振幅が大きくなり、磁化が弱い磁極対が通過するときは振幅が小さくなるためである。
As shown in FIG. 5A, V sin+ , V sin− , V cos+ and V cos− are all waveforms with non-constant amplitudes. This is because the plurality of magnetic pole pairs of the
直交信号生成部310は、下記の式(5)のように、電圧信号Vsin+と電圧信号Vsin-とを加算して電圧信号Vsinを生成する。また、下記の式(6)のように、電圧信号Vcos+と電圧信号Vcos-とを加算して電圧信号Vcosを生成する。
図5Bに、Vsin及びVcosの一例を示す。図5Bに示すグラフの横軸は、磁石10の機械角である。図5Bに示すグラフの縦軸は、Vsin及びVcosの振幅である。
An example of V sin and V cos is shown in FIG. 5B. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 5B is the mechanical angle of
図5Bに示すように、電圧信号Vsinと電圧信号Vcosとは直交する信号である。すなわち、電圧信号Vsin及び電圧信号Vcosは、直交信号である。 As shown in FIG. 5B, voltage signal V sin and voltage signal V cos are orthogonal signals. That is, the voltage signal V sin and the voltage signal V cos are quadrature signals.
コンバータ320は、直交信号生成部310から、直交信号である電圧信号Vsin及び電圧信号Vcosを取得し、電気角θeを算出する。
The
図6~図8を参照して、コンバータ320による電気角θeの算出について説明する。
Calculation of electrical angle θ e by
図6に示すように、コンバータ320は、機能ブロックとして、区間判定部321と、ルックアップテーブル参照部322とを備える。区間判定部321及びルックアップテーブル参照部322の機能は、図1に示した制御部31によって実行されてよい。
As shown in FIG. 6, the
電圧信号Vsinと電圧信号Vcosのうちの絶対値が小さい方の電圧信号を組み合わせて構成される電圧信号を、「線形区間抽出信号」と称する。図7に太線で示すグラフVが、線形区間抽出信号である。 A voltage signal formed by combining a voltage signal having a smaller absolute value between the voltage signal V sin and the voltage signal V cos is referred to as a "linear section extraction signal". A graph V indicated by a thick line in FIG. 7 is a linear section extraction signal.
電気角の区間は、図7に示すように、区間I~区間IVまでの4つの区間に分けられている。区間I~区間IVと電気角とは以下のように対応している。
区間I:電気角が0~45度及び315度~360度
区間II:電気角が45~135度
区間III:電気角が135~225度
区間IV:電気角が225~315度
The electrical angle section is divided into four sections from section I to section IV, as shown in FIG. Sections I to IV correspond to electrical angles as follows.
Interval I: 0 to 45 degrees and 315 to 360 degrees in electrical angle Interval II: 45 to 135 degrees in electrical angle Interval III: 135 to 225 degrees in electrical angle Interval IV: 225 to 315 degrees in electrical angle
電気角と線形区間抽出信号との対応関係は区間毎にルックアップテーブルとして格納されている。このルックアップテーブルは、図1に示す記憶部32に予め格納されていてよい。
The correspondence relationship between the electrical angle and the linear section extraction signal is stored as a lookup table for each section. This lookup table may be stored in advance in the
区間判定部321は、取得した電圧信号Vsin及び電圧信号Vcosに基づいて、取得した電圧信号Vsin及び電圧信号Vcosが、電気角のどの区間に対応するかを判定する。
Based on the obtained voltage signal V sin and voltage signal V cos , the
区間判定部321は、図8に示す条件1及び条件2に基づいて、区間を判定する。条件1は、電圧信号Vsinの絶対値と電圧信号Vcosの絶対値の大小関係に基づく条件である。条件2は、電圧信号Vsin又は電圧信号Vcosの正負に基づく条件である。
The
図8に示すように、区間判定部321は、電圧信号Vsinの絶対値が電圧信号Vcosの絶対値より小さく、電圧信号Vcosが正である場合、区間Iであると判定する。また、区間判定部321は、電圧信号Vsinの絶対値が電圧信号Vcosの絶対値より大きく、電圧信号Vsinが正である場合、区間IIであると判定する。また、区間判定部321は、電圧信号Vsinの絶対値が電圧信号Vcosの絶対値より小さく、電圧信号Vcosが負である場合、区間IIIであると判定する。また、区間判定部321は、電圧信号Vsinの絶対値が電圧信号Vcosの絶対値より大きく、電圧信号Vsinが負である場合、区間IVであると判定する。
As shown in FIG. 8, the
ルックアップテーブル参照部322は、区間判定部321から取得した区間に応じたルックアップテーブルを参照し、電気角θeを算出する。例えば区間判定部321から取得した区間が区間IIである場合、ルックアップテーブル参照部322は、区間IIのルックアップテーブルを参照し、Vcosの値に基づいて電気角θeを算出する。
The lookup
オフセット算出部330は、磁気センサ20-0~20-3から、電圧信号Vsin+、電圧信号Vsin-、電圧信号Vcos+及び電圧信号Vcos-を取得する。また、オフセット算出部330は、コンバータ320から電気角θeを取得する。
The offset
オフセット算出部330は、電圧信号Vsin+、電圧信号Vsin-、電圧信号Vcos+及び電圧信号Vcos-と、電気角θeとに基づいて、オフセットnを算出する。
The offset
オフセット算出部330は、下記の式(7)における誤差の2乗和Jnを最小化するnを、オフセットnとして算出する。
オフセット算出部330は、全てのnについて上記式(7)に基づいてJnを算出し、Jnを最小にするnをオフセットnとして選択する。
The offset
機械角算出部340は、コンバータ320から取得した電気角θeと、オフセット算出部330から取得したオフセットnとに基づいて、機械角θmを算出する。機械角算出部340は、上述の式(4)に、電気角θe及びオフセットnを代入して、機械角θmを算出する。なお、図1に示す例においては、磁極対の数Pは2である。
このように、本実施形態に係る磁気式エンコーダ1は、磁石10が複数の磁極対を有する。そのため、磁気式エンコーダ1は、磁石10の回転に伴う磁束の変化の位相に対応する電気角を高精度で検出することができる。また、磁石10が有する複数の磁極対は、磁極対ごとに磁化の強さが異なる。そのため、磁気センサ20は、強く磁化された磁極対が近傍を通過するときと、弱く磁化された磁極対が近傍を通過するときとで異なる振幅の磁束密度を検出する。そのため、演算装置30はオフセットnを算出することができる。そして、演算装置30は、電気角θeとオフセットnとに基づいて、磁石10の絶対的な回転角である機械角θmを算出することができる。したがって、磁気式エンコーダ1は、磁石10の角度を高精度で測定することができる。
Thus, in the
(第1の変形例)
図9は、第1の変形例に係る演算装置30aの機能ブロックを示す図である。演算装置30aは、機能ブロックとして、直交信号生成部310と、コンバータ320aと、オフセット算出部330と、機械角算出部340とを備える。
(First modification)
FIG. 9 is a diagram showing functional blocks of an
直交信号生成部310、コンバータ320a、オフセット算出部330及び機械角算出部340の機能は、図1に示した制御部31によって実行されてよい。
The functions of the
第1の変形例に係る演算装置30aは、コンバータ320の代わりにコンバータ320aを備えるという点で、図4に示した演算装置30と相違する。第1の変形例に係る演算装置30aの説明においては、図4に示した演算装置30と相違する点について主に説明し、図4に示した演算装置30と共通及び類似する点については適宜説明を省略する。
コンバータ320aは、直交信号生成部310から、直交信号である電圧信号Vsin及び電圧信号Vcosを取得し、PLL法を用いて電気角θeを算出する。コンバータ320aは、PLL法を用いることにより、直交信号の歪みに対してロバスト性を確立することができる。
The
図10に、コンバータ320aがPLL法を実行する様子を示す。
FIG. 10 shows how
図10において、「fsin」は、電圧信号Vsinと電気角θeとを対応づけたルックアップテーブルを示す。また、「fcos」は、電圧信号Vcosと電気角θeとを対応づけたルックアップテーブルを示す。これらのルックアップテーブルは、直交信号の歪みを直接補償することができる。これらのルックアップテーブルは、図1に示す記憶部32に予め格納されていてよい。
In FIG. 10, “f sin ” indicates a lookup table that associates the voltage signal V sin with the electrical angle θ e . “f cos ” indicates a lookup table that associates the voltage signal V cos with the electrical angle θ e . These lookup tables can directly compensate for the distortion of quadrature signals. These lookup tables may be stored in advance in the
図10において、「e」は偏差を示す。fsin及びfcosは、高調波成分が基本波成分よりも十分小さいとすると、それぞれ、正弦波及び余弦波で近似することができる。このとき、偏差eは、下記の式(8)で表すことができる。
コンバータ320aは、式(8)の偏差eが0になるように角度θxを制御する。偏差eが0に近づくと、電気角θeと角度θxとはほぼ等しくなる。これにより、コンバータ320aは、電気角θeを算出することができる。
(第2の変形例)
図11は、第2の変形例に係る演算装置30bの機能ブロックを示す図である。演算装置30bは、機能ブロックとして、直交信号生成部310bと、コンバータ320と、オフセット算出部330と、機械角算出部340とを備える。
(Second modification)
FIG. 11 is a diagram showing functional blocks of an
直交信号生成部310b、コンバータ320、オフセット算出部330及び機械角算出部340の機能は、図1に示した制御部31によって実行されてよい。
The functions of the
第2の変形例に係る演算装置30bは、直交信号生成部310の代わりに直交信号生成部310bを備えるという点で、図4に示した演算装置30と相違する。第2の変形例に係る演算装置30bの説明においては、図4に示した演算装置30と相違する点について主に説明し、図4に示した演算装置30と共通及び類似する点については適宜説明を省略する。
直交信号生成部310bは、磁気センサ20-0~20-3から、電圧信号Vsin+、Vsin-、Vcos+及びVcos-を取得する。直交信号生成部310bは、電圧信号Vsin+、Vsin-、Vcos+及びVcos-に対してニューラルネットワークによる処理を実行し、直交信号であるVsin及びVcosを生成する。
The
直交信号生成部310bは、ニューラルネットワークによる処理を実行することにより、直交信号の歪みを補正することができる。例えば、磁気センサ20-0~20-3の検出感度にばらつきがある場合、単純に、Vsin+とVsin-とを加算してVsinを生成し、Vcos+とVcos-とを加算してVcosを生成すると、直交信号が歪んでしまう場合がある。直交信号生成部310bは、このような磁気センサ20-0~20-3の検出感度にばらつきがある場合であっても、直交信号の歪みを補正することができ、歪みのない直交信号を生成することができる。
The
図12に示すように、直交信号生成部310bは、機能ブロックとして、LSTM(Long Short Term Memory)部311と、Affine部312と、平均二乗誤差部313とを備える。LSTM部311、Affine部312及び平均二乗誤差部313の機能は、図1に示した制御部31によって実行されてよい。
As shown in FIG. 12, the quadrature
LSTM部311は、リカレントニューラルネットワーク(RNN)を改良したニューラルネットワークである。LSTM部311は、Vsin+、Vsin-、Vcos+、Vcos-の時系列情報を取得する。LSTM部311は、平均二乗誤差を小さくするためにパラメータを調整するように動作する。
The
Affine部312は、ニューロンが全て接続されている全結合層である。
平均二乗誤差部313は、ニューラルネットワークの出力と直交信号の平均二乗誤差を算出する。
Mean squared
(シミュレーション結果)
図13は、磁気式エンコーダ1の演算装置30が機械角を算出するシミュレーションを実行した結果を示す図である。横軸は、磁石10の実際の機械角である。左側の縦軸は、演算装置30がシミュレーションにおいて算出した機械角θmである。右側の縦軸は、演算装置30がシミュレーションにおいて算出したオフセットnである。なお、図13に示すシミュレーションは、磁石10が有する磁極対の数を2としてシミュレーションを実行した結果である。
(simulation result)
13A and 13B are diagrams showing results of a simulation performed by the
図13に示すように、演算装置30は、実際の機械角が0~180度の範囲において、オフセットnを0と正しく算出している。また、演算装置30は、実際の機械角が180~360度の範囲において、オフセットnを1と正しく算出している。
As shown in FIG. 13, the
また、図13に示すように、演算装置30は、実際の機械角とほぼ等しい値の機械角を算出している。
Further, as shown in FIG. 13, the
このように、本実施形態によれば、磁気式エンコーダ1は、複数の磁極対を有する回転可能な円盤状の磁石10と、磁石10の周囲に配置された4つの磁気センサ20と、4つの磁気センサ20が検出する磁束に基づいて、磁石10の回転角である機械角を算出する演算装置30とを備える。また、磁石10が有する複数の磁極対は、磁極対ごとに磁化の強さが異なる。このように、磁石10が複数の磁極対を有するため、磁気式エンコーダ1は、電気角を高精度で検出することができる。また、複数の磁極対は、磁極対ごとに磁化の強さが異なるため、磁気センサ20は、強く磁化された磁極対が近傍を通過するときと、弱く磁化された磁極対が近傍を通過するときとで異なる振幅の磁束密度を検出する。そのため、演算装置30はオフセットnを算出することができる。そして、演算装置30は、電気角θeとオフセットnとに基づいて、磁石10の機械角θmを算出することができる。したがって、磁気式エンコーダ1は、磁石10の角度を高精度で測定することができる。
Thus, according to this embodiment, the
本発明を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本発明に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部又はステップなどを1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、本発明について装置を中心に説明してきたが、本発明は装置の各構成部が実行するステップを含む方法、装置が備えるプロセッサにより実行される方法、プログラム、又はプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものである。本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。 Although the present invention has been described with reference to the drawings and examples, it should be noted that various variations and modifications of the present invention will readily occur to those skilled in the art. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included within the scope of the present invention. For example, the functions included in each component and each step can be rearranged so as not to be logically inconsistent, and multiple components or steps can be combined into one or divided. is. In addition, although the present invention has been mainly described with respect to the apparatus, the present invention can be applied to a method including steps executed by each component of the apparatus, a method executed by a processor provided in the apparatus, a program, or a storage medium recording the program. can also be realized. It should be understood that the scope of the present invention includes these.
例えば、本実施形態においては、磁気式エンコーダ1が4つの磁気センサ20を備える場合を例に挙げて説明したが、磁気式エンコーダ1が備える磁気センサ20の数は4つに限定されない。磁気式エンコーダ1は、5つ以上の磁気センサ20を備えていてもよい。
For example, in the present embodiment, the
また、本実施形態においては、磁気式エンコーダ1が磁石10の機械角を算出することを説明したが、磁気式エンコーダ1は、算出した機械角と、機械角を測定した時間とを関連づけて、磁石10の回転の角速度を更に算出してもよい。
Further, in the present embodiment, the
1 磁気式エンコーダ
10 磁石
20 磁気センサ
30、30a、30b 演算装置
31 制御部
32 記憶部
101 中心
102 磁極対
103 磁極対
310、310b 直交信号生成部
311 LSTM部
312 Affine部
313 平均二乗誤差部
320、320a コンバータ
321 区間判定部
322 ルックアップテーブル参照部
330 オフセット算出部
340 機械角算出部
1
Claims (8)
前記磁石の周囲に配置された4つの磁気センサと、
前記4つの磁気センサが検出する磁束に基づいて、前記磁石の回転角である機械角を算出する演算装置と、を備え、
前記複数の磁極対は、磁極対ごとに磁化の強さが異なる、磁気式エンコーダ。 a rotatable disk-shaped magnet having a plurality of magnetic pole pairs;
four magnetic sensors positioned around the magnet;
a computing device that calculates a mechanical angle, which is the rotation angle of the magnet, based on the magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors;
A magnetic encoder, wherein the plurality of magnetic pole pairs have different magnetization strengths for each magnetic pole pair.
前記4つの磁気センサは、2組の磁気センサのペアを構成し、
前記2組の磁気センサのペアの一方の磁気センサのペアと他方の磁気センサのペアとは、前記磁石の回転に伴う磁束の変化を、90度ずれた位相で検出するように配置されている、磁気式エンコーダ。 In the magnetic encoder according to claim 1,
The four magnetic sensors constitute two pairs of magnetic sensors,
One magnetic sensor pair and the other magnetic sensor pair of the two pairs of magnetic sensors are arranged so as to detect changes in magnetic flux due to the rotation of the magnet with a phase difference of 90 degrees. , magnetic encoder.
前記演算装置は、
前記4つの磁気センサが検出する磁束に基づいて直交信号を生成し、
前記直交信号に基づいて、前記磁石の回転に伴う磁束の変化の位相に対応する電気角を算出し、
前記4つの磁気センサが検出する磁束と、前記電気角とに基づいて、前記電気角を前記機械角に対応づけるためのオフセットを算出し、
前記電気角と前記オフセットとに基づいて、前記機械角を算出する、磁気式エンコーダ。 In the magnetic encoder according to claim 2,
The computing device is
generating quadrature signals based on the magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors;
calculating an electrical angle corresponding to the phase of change in magnetic flux accompanying rotation of the magnet based on the quadrature signal;
calculating an offset for associating the electrical angle with the mechanical angle based on the magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors and the electrical angle;
A magnetic encoder that calculates the mechanical angle based on the electrical angle and the offset.
前記演算装置は、下記の式(1)における誤差の2乗和Jnを最小化するnを、前記オフセットとして算出する、磁気式エンコーダ。
The magnetic encoder, wherein the arithmetic unit calculates n that minimizes the sum of squares of errors J n in the following equation (1) as the offset.
前記演算装置は、前記2組の磁気センサにおいて、各磁気センサのペアの2つの磁気センサが検出する磁束を加算することによって、前記直交信号を生成する、磁気式エンコーダ。 In the magnetic encoder according to claim 3 or 4,
A magnetic encoder, wherein the arithmetic unit generates the quadrature signals by adding the magnetic fluxes detected by the two magnetic sensors of each magnetic sensor pair in the two sets of magnetic sensors.
前記演算装置は、前記4つの磁気センサが検出する磁束に対してニューラルネットワークによる処理を実行し、前記直交信号を生成する、磁気式エンコーダ。 In the magnetic encoder according to claim 3 or 4,
A magnetic encoder, wherein the computing device performs neural network processing on the magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors to generate the quadrature signals.
前記演算装置は、
2つの前記直交信号の大小関係と前記直交信号の正負とに基づいて前記直交信号が4つの区間のどの区間に対応するかを判定し、
前記区間に応じたルックアップテーブルを参照して、2つの前記直交信号のうち絶対値が小さい方の前記直交信号の値をルックアップテーブルと対比して前記電気角を算出する、磁気式エンコーダ。 In the magnetic encoder according to any one of claims 3 to 6,
The computing device is
determining which of the four sections the quadrature signal corresponds to based on the magnitude relationship between the two quadrature signals and the sign of the quadrature signal;
A magnetic encoder that calculates the electrical angle by referring to a lookup table corresponding to the section and comparing the value of the quadrature signal having a smaller absolute value among the two quadrature signals with the lookup table.
前記演算装置は、PLL法を用いて、下記の式(2)における偏差eが0になるように角度θxを制御して、前記電気角を算出する、磁気式エンコーダ。
The arithmetic device uses the PLL method to control the angle θx so that the deviation e in the following equation (2) becomes 0, thereby calculating the electrical angle.
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