JP2023041534A - magnetic encoder - Google Patents

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秀紀 橋本
Hidenori Hashimoto
裕己 長津
Yuki Nakatsu
翔太 小松崎
Shota Komatsuzaki
耀之 竹山
Akishi Takeyama
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Chuo University
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Abstract

To measure an angle with high accuracy.SOLUTION: A magnetic encoder 1 includes a rotatable disk-shaped magnet 10 having a plurality of magnetic pole pairs, four magnetic sensors 20 arranged on the surroundings of the magnet 10, and a computing device 30 that calculates a mechanical angle, which is a rotation angle of the magnet 10 on the basis of a magnetic flux detected by the four magnetic sensors 20. The plurality of magnetic pole pairs each have a different strength of magnetization.SELECTED DRAWING: Figure 1

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, Patent Documents 1 and 2 disclose magnetic encoders that detect the position of a piston rod that moves within a cylinder.

特開平7-229760号公報JP-A-7-229760 特開平7-260512号公報JP-A-7-260512

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J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。

Figure 2023041534000002
ただし、式(1)において、Jは誤差の2乗和を示し、Vは磁気センサの出力信号を示し、fはルックアップテーブルを示し、θは電気角を示し、Pは磁石における磁極対の数を示し、nはオフセットを示す。 Further, in the magnetic encoder according to one embodiment of the present invention,
The arithmetic device may calculate n that minimizes the sum of squares of errors J n in the following equation (1) as the offset.
Figure 2023041534000002
However, in equation (1), J n indicates the sum of squares of errors, V i indicates the output signal of the magnetic sensor, f i indicates the lookup table, θ e indicates the electrical angle, and P is the magnet indicates the number of magnetic pole pairs in , and n indicates 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θを制御して、前記電気角を算出してもよい。

Figure 2023041534000003
ただし、式(2)において、eは偏差を示し、θは電気角を示し、θはルックアップテーブルに格納されている角度を示す。 Further, in the magnetic encoder according to one embodiment of the present invention,
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.
Figure 2023041534000003
However, in equation (2), e indicates the deviation, θ e indicates the electrical angle, and θ x indicates the angle stored in the lookup table.

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.

本発明の一実施形態に係る磁気式エンコーダの構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration example of a magnetic encoder according to one embodiment of the present invention; FIG. 磁石の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a magnet. 磁石周辺における磁気センサの配置の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of the arrangement of magnetic sensors around a magnet; 演算装置の機能ブロックを示す図である。It is a figure which shows the functional block of an arithmetic unit. 磁気センサの信号を示す図である。It is a figure which shows the signal of a magnetic sensor. 直交信号を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing quadrature signals; コンバータの機能ブロックを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing functional blocks of a converter; 区間判定部による区間の判定を説明する図である。It is a figure explaining the determination of the area by the area determination part. 区間判定部が区間を判定する条件を示す図である。It is a figure which shows the conditions by which an area determination part determines an area. 第1の変形例に係る演算装置の機能ブロックを示す図である。It is a figure which shows the functional block of the arithmetic unit based on a 1st modification. 第1の変形例に係るコンバータの機能ブロックを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing functional blocks of a converter according to a first modified example; 第2の変形例に係る演算装置の機能ブロックを示す図である。It is a figure which shows the functional block of the arithmetic unit based on a 2nd modification. 第2の変形例に係る直交信号生成部の機能ブロックを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing functional blocks of a quadrature signal generator according to a second modification; シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows a simulation result.

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 magnetic encoder 1 according to one embodiment of the present invention. The magnetic encoder 1 is a device that can detect the rotation angle of the magnet 10 .

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 magnetic encoder 1 includes a magnet 10, four magnetic sensors 20-0 to 20-3, and an arithmetic device 30. FIG.

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 magnet 10 is a disk-shaped permanent magnet. Magnet 10 may be any type of permanent magnet, but may be, for example, a neodymium magnet.

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。 Magnet 10 is rotatable around center 101 . A shaft that rotates as the motor rotates may be connected to the center 101 of the magnet 10, for example. In this case, when the motor rotates, the magnet 10 rotates with the rotation of the motor. Although FIG. 1 shows the magnet 10 rotating clockwise, the magnet 10 may rotate counterclockwise.

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。 Magnet 10 has a plurality of magnetic pole pairs. The configuration of the magnet 10 will be described with reference to FIG. In the example shown in FIG. 2, magnet 10 has four magnetic poles. The magnet 10 is divided into four sector-shaped regions with alternating north and south poles.

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, magnet 10 has two pole pairs, pole pair 102 and pole pair 103 . Although FIG. 2 shows the case where the magnet 10 has two magnetic pole pairs, the number of magnetic pole pairs that the magnet 10 has is not limited to this. Magnet 10 may have a plurality of magnetic pole pairs, and magnet 10 may have three or more magnetic pole pairs. In this embodiment, an example in which the magnet 10 has two magnetic pole pairs will be described.

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 magnet 10 are magnetized with different intensities for each magnetic pole pair. For example, in magnet 10 shown in FIG. 2, pole pair 102 may be less magnetized than pole pair 103 . For example, the maximum energy product of pole pair 102 may be 70% of the maximum energy product of pole pair 103 .

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 magnet 10 . The arrangement of the magnetic sensors 20-0 to 20-3 will be described with reference to FIG.

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 center 101 of the magnet 10 . The magnetic sensor 20-0 is arranged at a position where θ=0 degrees. The magnetic sensor 20-1 is arranged at a position of θ=180 degrees. The magnetic sensor 20-2 is arranged at a position of θ=-45 degrees. The magnetic sensor 20-3 is arranged at a position of θ=135 degrees.

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 center 101 of the magnet 10. FIG.

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 magnet 10 . The magnetic sensor 20 outputs a voltage signal according to the detected magnetic flux. The magnetic sensor 20 may be any sensor capable of detecting magnetic flux, and may be, for example, a Hall element.

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Vを出力する。電圧Vは、下記の式(3)のように表される。

Figure 2023041534000004
ここで、Kは磁気センサ20に固有の値である。磁気センサ20-0~20-3においては、Kは全て同じ値であってよい。 When the magnetic sensor 20 is a Hall element, the magnetic sensor 20 outputs a voltage VH according to the magnetic flux density B of the magnetic flux penetrating the magnetic sensor 20 . Voltage VH is represented by the following equation (3).
Figure 2023041534000004
Here, K is a value specific to the magnetic sensor 20 . In magnetic sensors 20-0 to 20-3, K may all have the same value.

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 magnet 10 rotates, the magnetic flux detected by the magnetic sensor 20 changes. Since the magnet 10 has two magnetic pole pairs, when the magnet 10 rotates 180 degrees, the phase of the magnetic flux detected by the magnetic sensor 20 changes by 360 degrees. More generally, when the number of magnetic pole pairs that the magnet 10 has is P, when the magnet rotates (360/P) degrees, the phase of the magnetic flux detected by the magnetic sensor 20 changes by 360 degrees.

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 magnet 10 rotates by 45 degrees, the phase of the magnetic flux detected by the magnetic sensor 20 changes by 90 degrees. Therefore, the magnetic sensors 20-0 and 20-2 detect phase shifts of 90 degrees as changes in the magnetic flux. .

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 magnet 10 rotates clockwise, the magnetic sensor 20-2 detects a phase that leads the magnetic sensor 20-0 by 90 degrees. Therefore, the voltage signal output by the magnetic sensor 20-2 according to the change in the magnetic flux detected by the rotation of the magnet 10 can be expressed as V cos+ . Also, the voltage signal output by the magnetic sensor 20-0 according to the change in the magnetic flux detected by the rotation of the magnet 10 can be expressed as V sin+ .

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 center 101 of the magnet . Therefore, the voltage signal output by the magnetic sensor 20-1 according to the change in the magnetic flux detected by the rotation of the magnet 10 can be expressed as V sin- . Further, the magnetic sensor 20-3 is arranged at a position symmetrical to the magnetic sensor 20-2 with respect to the center 101 of the magnet 10. FIG. Therefore, the voltage signal output by the magnetic sensor 20-3 according to the change in the magnetic flux detected by the rotation of the magnet 10 can be expressed as V cos- .

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 magnet 10 with a 90 degree phase shift.

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. Arithmetic device 30 includes control unit 31 and storage unit 32 .

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 arithmetic device 30 while controlling each part of the arithmetic device 30 .

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 storage unit 32 is, for example, a semiconductor memory, a magnetic memory, an optical memory, or the like, but is not limited to these. The storage unit 32 may function, for example, as a main storage device, an auxiliary storage device, or a cache memory. The storage unit 32 stores arbitrary information used for the operation of the arithmetic device 30 . For example, the storage unit 32 may store system programs, application programs, various types of information, and the like. A part of the storage unit 32 may be installed outside the arithmetic device 30 . In that case, part of the storage unit 32 installed outside may be connected to the arithmetic device 30 via an arbitrary interface.

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 computing device 30 is connected to four magnetic sensors 20-0 to 20-3. The computing device 30 acquires a voltage signal output by the magnetic sensor 20 according to the detected magnetic flux. Arithmetic device 30 calculates a mechanical angle, which is the rotation angle of magnet 10, based on the magnetic fluxes detected by four magnetic sensors 20-0 to 20-3. Here, the expression "based on the magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors 20-0 to 20-3" means "4 magnetic fluxes detected by the four magnetic sensors 20-0 to 20-3. Based on the voltage signals output by the sensors 20-0 to 20-3".

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 magnet 10 rotates about the center 101 as an axis. For example, the mechanical angle when the magnet 10 rotates 1/4 turn is 90 degrees, the mechanical angle when it rotates 1/2 turn is 180 degrees, and the mechanical angle when it rotates 1 turn is 360 degrees. . Since the mechanical angle represents the absolute angle of rotation of the magnet 10, it is sometimes referred to as the "absolute angle."

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 magnet 10 . The magnetic flux detected by the magnetic sensor 20 changes as the magnet 10 rotates, and the angle corresponding to the phase of the change in the magnetic flux is the electrical angle. In the case of the magnet 10 shown in FIG. 1, since the magnet 10 has two magnetic pole pairs, the electrical angle is 180 degrees when the magnet 10 rotates 1/4 turn, and the electrical angle when it rotates 1/2 turn is 360 degrees.

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。

Figure 2023041534000005
ただし、式(4)において、θmは機械角を示し、θeは電気角を示し、Pは磁極対の数を示し、nはオフセットを示す。 The mechanical angle and the electrical angle are associated as shown in the following formula (4).
Figure 2023041534000005
However, in equation (4), θm indicates a mechanical angle, θe indicates an electrical angle, P indicates the number of magnetic pole pairs, and n indicates an offset.

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θを機械角θ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θを機械角θ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θが90度であるとき、機械角θ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θは45度となり、オフセットnが1であるとき機械角θ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θ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 computing device 30 will be described with reference to FIG. Arithmetic device 30 includes a quadrature signal generator 310, a converter 320, an offset calculator 330, and a mechanical angle calculator 340 as functional blocks.

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 quadrature signal generator 310, the converter 320, the offset calculator 330, and the mechanical angle calculator 340 may be executed by the controller 31 shown in FIG.

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 computing device 30 acquires the voltage signals output by the magnetic sensors 20-0 to 20-3. Hereinafter, the voltage signal output by the magnetic sensor 20-0 is V sin+ , the voltage signal output by the magnetic sensor 20-1 is V sin− , the voltage signal output by the magnetic sensor 20-2 is V cos+ , and the voltage signal output by the magnetic sensor 20-3 is V sin− . will be described as V cos− .

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-、cos+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 magnet 10 . The vertical axis of the graph shown in FIG. 5A is the amplitude of V sin+ , V sin−, V cos+ and V cos− .

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 magnet 10 have different magnetization strengths for each magnetic pole pair. This is because the amplitude becomes smaller when

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。

Figure 2023041534000006
Figure 2023041534000007
The quadrature signal generator 310 adds the voltage signal V sin+ and the voltage signal V sin− to generate the voltage signal V sin , as in Equation (5) below. Also, the voltage signal V cos+ and the voltage signal V cos− are added to generate the voltage signal V cos , as in Equation (6) below.
Figure 2023041534000006
Figure 2023041534000007

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 magnet 10 . The vertical axis of the graph shown in FIG. 5B is the amplitude of V sin and V cos .

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θを算出する。 The converter 320 acquires the voltage signal V sin and the voltage signal V cos , which are quadrature signals, from the quadrature signal generator 310, and calculates the electrical angle θe .

図6~図8を参照して、コンバータ320による電気角θの算出について説明する。 Calculation of electrical angle θ e by converter 320 will be described with reference to FIGS.

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 converter 320 includes an interval determination section 321 and a lookup table reference section 322 as functional blocks. The functions of the section determination section 321 and the lookup table reference section 322 may be executed by the control section 31 shown in FIG.

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 storage unit 32 shown in FIG.

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 section determination unit 321 determines to which section of the electrical angle the obtained voltage signal V sin and voltage signal V cos correspond.

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 section determination unit 321 determines a section based on conditions 1 and 2 shown in FIG. Condition 1 is based on the magnitude relationship between the absolute value of the voltage signal V sin and the absolute value of the voltage signal V cos . Condition 2 is based on whether the voltage signal V sin or the voltage signal V cos is positive or negative.

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 section determination unit 321 determines that the section is in section I when the absolute value of the voltage signal V sin is smaller than the absolute value of the voltage signal V cos and the voltage signal V cos is positive. Further, when the absolute value of the voltage signal V sin is greater than the absolute value of the voltage signal V cos and the voltage signal V sin is positive, the section determination unit 321 determines that it is section II. Further, when the absolute value of the voltage signal V sin is smaller than the absolute value of the voltage signal V cos and the voltage signal V cos is negative, the section determination unit 321 determines that it is the section III. Further, when the absolute value of the voltage signal V sin is larger than the absolute value of the voltage signal V cos and the voltage signal V sin is negative, the section determination unit 321 determines that it is the section IV.

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θ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θを算出する。 The lookup table reference unit 322 refers to the lookup table corresponding to the section acquired from the section determination unit 321, and calculates the electrical angle θe . For example, if the section acquired from the section determination unit 321 is section II, the lookup table reference unit 322 refers to the lookup table for section II and calculates the electrical angle θ e based on the value of V cos .

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θを取得する。 The offset calculator 330 acquires the voltage signal V sin+ , the voltage signal V sin− , the voltage signal V cos+ and the voltage signal V cos− from the magnetic sensors 20-0 to 20-3. Offset calculation unit 330 also obtains electrical angle θ e from converter 320 .

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θとに基づいて、オフセットnを算出する。 The offset calculator 330 calculates the offset n based on the voltage signal V sin+ , the voltage signal V sin− , the voltage signal V cos+ and the voltage signal V cos− , and the electrical angle θ e .

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Jを最小化するnを、オフセットnとして算出する。

Figure 2023041534000008
式(7)において、Jは誤差の2乗和を示す。また、式(7)において、Vは磁気センサ20-0~20-3が出力する電圧信号を示す。ここで、iは0~3の整数であり、VはVsin+を示し、VはVsin-を示し、VはVcos+を示し、VはVcos-を示す。また、fは記憶部32に格納されているルックアップテーブルを示す。fはVsin+と機械角θmとの関係を対応づけたルックアップテーブルを示し、fはVsin-と機械角θmとの関係を対応づけたルックアップテーブルを示し、fはVcos+と機械角θmとの関係を対応づけたルックアップテーブルを示し、fはVcos-と機械角θmとの関係を対応づけたルックアップテーブルを示す。Pは磁石における磁極対の数を示す。nはオフセットを示す。 The offset calculator 330 calculates n that minimizes the sum of squares of errors Jn in the following equation (7) as the offset n.
Figure 2023041534000008
In equation (7), Jn denotes the sum of squares of errors. In equation (7), V i represents voltage signals output from the magnetic sensors 20-0 to 20-3. Here, i is an integer from 0 to 3, V 0 indicates V sin+ , V 1 indicates V sin− , V 2 indicates V cos+ , and V 3 indicates V cos− . Also, f i indicates a lookup table stored in the storage unit 32 . f 0 indicates a lookup table that associates the relationship between V sin+ and mechanical angle θm, f 1 indicates a lookup table that associates the relationship between V sin− and mechanical angle θm, and f 2 indicates V cos+. and mechanical angle θm, and f 3 is a lookup table that associates the relationship between V cos− and mechanical angle θm. P indicates the number of magnetic pole pairs in the magnet. n indicates an offset.

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Jを算出し、Jを最小にするnをオフセットnとして選択する。 The offset calculator 330 calculates Jn based on the above equation (7) for all n, and selects the n that minimizes Jn as the offset n.

機械角算出部340は、コンバータ320から取得した電気角θ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θを算出する。機械角算出部340は、上述の式(4)に、電気角θ及びオフセットnを代入して、機械角θ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。 Mechanical angle calculator 340 calculates mechanical angle θ m based on electrical angle θ e obtained from converter 320 and offset n obtained from offset calculator 330 . The mechanical angle calculator 340 calculates the mechanical angle θm by substituting the electrical angle θe and the offset n into the above equation (4). In the example shown in FIG. 1, the number P of magnetic pole pairs is two.

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θ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θ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 magnetic encoder 1 according to this embodiment, the magnet 10 has a plurality of magnetic pole pairs. Therefore, the magnetic encoder 1 can detect with high accuracy the electrical angle corresponding to the phase of the change in magnetic flux accompanying the rotation of the magnet 10 . In addition, the magnetic pole pairs of the magnet 10 have different magnetization strengths for each magnetic pole pair. Therefore, the magnetic sensor 20 detects magnetic flux densities with different amplitudes when a strongly magnetized magnetic pole pair passes nearby and when a weakly magnetized magnetic pole pair passes nearby. Therefore, the arithmetic device 30 can calculate the offset n. Then, the computing device 30 can calculate the mechanical angle θm , which is the absolute rotation angle of the magnet 10, based on the electrical angle θe and the offset n. Therefore, the magnetic encoder 1 can measure the angle of the magnet 10 with high accuracy.

(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 arithmetic device 30a according to the first modification. The arithmetic device 30a includes a quadrature signal generator 310, a converter 320a, an offset calculator 330, and a mechanical angle calculator 340 as functional blocks.

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 quadrature signal generator 310, the converter 320a, the offset calculator 330, and the mechanical angle calculator 340 may be executed by the controller 31 shown in FIG.

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。 Arithmetic device 30a according to the first modification differs from arithmetic device 30 shown in FIG. In the description of the arithmetic device 30a according to the first modification, mainly the points that are different from the arithmetic device 30 shown in FIG. Description is omitted.

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θ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 converter 320a acquires the voltage signal V sin and the voltage signal V cos , which are quadrature signals, from the quadrature signal generator 310, and calculates the electrical angle θe using the PLL method. Converter 320a can establish robustness against distortion of the quadrature signals by using the PLL method.

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 converter 320a performs the PLL method.

図10において、「fsin」は、電圧信号Vsinと電気角θ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θ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 storage unit 32 shown in FIG.

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。

Figure 2023041534000009
In FIG. 10, "e" indicates deviation. f sin and f cos can be approximated by sine and cosine waves, respectively, provided that the harmonic components are sufficiently smaller than the fundamental component. At this time, the deviation e can be expressed by the following equation (8).
Figure 2023041534000009

コンバータ320aは、式(8)の偏差eが0になるように角度θを制御する。偏差eが0に近づくと、電気角θと角度θとはほぼ等しくなる。これにより、コンバータ320aは、電気角θを算出することができる。 Converter 320a controls angle θ x so that deviation e in equation (8) becomes zero. When the deviation e approaches 0, the electrical angle θ e and the angle θ x become substantially equal. Thus, converter 320a can calculate electrical angle θe .

(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 arithmetic device 30b according to the second modification. The arithmetic device 30b includes a quadrature signal generator 310b, a converter 320, an offset calculator 330, and a mechanical angle calculator 340 as functional blocks.

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 quadrature signal generator 310b, the converter 320, the offset calculator 330, and the mechanical angle calculator 340 may be executed by the controller 31 shown in FIG.

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。 Arithmetic device 30b according to the second modification differs from arithmetic device 30 shown in FIG. In the description of the arithmetic device 30b according to the second modification, mainly the points that are different from the arithmetic device 30 shown in FIG. Description is omitted.

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 quadrature signal generator 310b acquires the voltage signals V sin+ , V sin− , V cos + and V cos− from the magnetic sensors 20-0 to 20-3. The quadrature signal generator 310b performs neural network processing on the voltage signals V sin+ , V sin− , V cos+ and V cos− to generate quadrature signals V sin and V cos .

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 quadrature signal generator 310b can correct the distortion of the quadrature signal by executing processing using a neural network. For example, if there is variation in the detection sensitivity of the magnetic sensors 20-0 to 20-3, simply add V sin+ and V sin- to generate V sin , and add V cos+ and V cos- . to generate V cos may distort the quadrature signal. The quadrature signal generation unit 310b can correct the distortion of the quadrature signal even when the detection sensitivity of the magnetic sensors 20-0 to 20-3 varies, and generates a quadrature signal without distortion. can do.

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 signal generation section 310b includes an LSTM (Long Short Term Memory) section 311, an affine section 312, and a mean square error section 313 as functional blocks. The functions of the LSTM unit 311, the affine unit 312, and the mean squared error unit 313 may be performed by the control unit 31 shown in FIG.

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 LSTM unit 311 is a neural network that is an improved recurrent neural network (RNN). LSTM section 311 acquires time-series information of V sin+ , V sin− , V cos+ , and V cos− . LSTM unit 311 operates to adjust the parameters to reduce the mean squared error.

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。 Affine part 312 is a fully connected layer in which all neurons are connected.

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 error unit 313 calculates the mean squared error between the output of the neural network and the orthogonal signal.

(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θ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 calculation device 30 of the magnetic encoder 1 to calculate the mechanical angle. The horizontal axis is the actual mechanical angle of magnet 10 . The vertical axis on the left side is the mechanical angle θm calculated by the calculation device 30 in the simulation. The vertical axis on the right side is the offset n calculated by the calculation device 30 in the simulation. The simulation shown in FIG. 13 is the result of executing the simulation with the number of magnetic pole pairs included in the magnet 10 being two.

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 computing device 30 correctly calculates the offset n as 0 in the range of the actual mechanical angle from 0 to 180 degrees. Further, the calculation device 30 correctly calculates the offset n as 1 in the range of the actual mechanical angle of 180 to 360 degrees.

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 computing device 30 calculates a mechanical angle that is approximately equal to the actual mechanical angle.

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θとオフセットnとに基づいて、磁石10の機械角θ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 magnetic encoder 1 includes a rotatable disc-shaped magnet 10 having a plurality of magnetic pole pairs, four magnetic sensors 20 arranged around the magnet 10, and four and an arithmetic device 30 for calculating a mechanical angle, which is the rotation angle of the magnet 10, based on the magnetic flux detected by the magnetic sensor 20. In addition, the magnetic pole pairs of the magnet 10 have different magnetization strengths for each magnetic pole pair. Thus, since the magnet 10 has a plurality of magnetic pole pairs, the magnetic encoder 1 can detect the electrical angle with high accuracy. In addition, since the plurality of magnetic pole pairs have different magnetization strengths for each magnetic pole pair, the magnetic sensor 20 detects when a strongly magnetized magnetic pole pair passes nearby and when a weakly magnetized magnetic pole pair passes nearby. Detect magnetic flux densities with different amplitudes depending on the time. Therefore, the arithmetic device 30 can calculate the offset n. Then, the computing device 30 can calculate the mechanical angle θm of the magnet 10 based on the electrical angle θe and the offset n. Therefore, the magnetic encoder 1 can measure the angle of the magnet 10 with high accuracy.

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 magnetic encoder 1 includes four magnetic sensors 20, but the number of magnetic sensors 20 included in the magnetic encoder 1 is not limited to four. The magnetic encoder 1 may have five or more magnetic sensors 20 .

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 magnetic encoder 1 calculates the mechanical angle of the magnet 10, but the magnetic encoder 1 associates the calculated mechanical angle with the time at which the mechanical angle was measured, The angular velocity of rotation of magnet 10 may also be calculated.

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 magnetic encoder 10 magnet 20 magnetic sensor 30, 30a, 30b arithmetic unit 31 control unit 32 storage unit 101 center 102 magnetic pole pair 103 magnetic pole pair 310, 310b orthogonal signal generation unit 311 LSTM unit 312 affine unit 313 mean square error unit 320, 320a converter 321 section determination unit 322 lookup table reference unit 330 offset calculation unit 340 mechanical angle calculation unit

Claims (8)

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、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.
請求項1に記載の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.
請求項2に記載の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.
請求項3に記載の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J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。
Figure 2023041534000010
ただし、式(1)において、Jは誤差の2乗和を示し、Vは磁気センサの出力信号を示し、fはルックアップテーブルを示し、θは電気角を示し、Pは磁石における磁極対の数を示し、nはオフセットを示す。
In the magnetic encoder according to claim 3,
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.
Figure 2023041534000010
However, in equation (1), J n indicates the sum of squares of errors, V i indicates the output signal of the magnetic sensor, f i indicates the lookup table, θ e indicates the electrical angle, and P is the magnet indicates the number of magnetic pole pairs in , and n indicates the offset.
請求項3又は4に記載の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.
請求項3又は4に記載の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.
請求項3から6のいずれか一項に記載の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.
請求項3から6のいずれか一項に記載の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θを制御して、前記電気角を算出する、磁気式エンコーダ。
Figure 2023041534000011
ただし、式(2)において、eは偏差を示し、θは電気角を示し、θはルックアップテーブルに格納されている角度を示す。
In the magnetic encoder according to any one of claims 3 to 6,
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.
Figure 2023041534000011
However, in equation (2), e indicates the deviation, θ e indicates the electrical angle, and θ x indicates the angle stored in the lookup table.
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