JP3574356B2

JP3574356B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP3574356B2
Application number: JP20416999A
Authority: JP
Inventors: 康一林
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-07-19
Also published as: JP2001033206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定変位に対応して周期的に変化する各々位相の異なる複数の信号を出力とする位置センサーからの信号に含まれるオフセット値の経時変化を自動的に除去することができる高精度な位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の位置検出装置の一例を示すブロック図である。同図において位置センサー１は１相励磁２相出力型の軸倍角１００Ｘのレゾルバであり、入力軸が回転するとレゾルバによって励磁信号が回転量の正弦値と余弦値に振幅変調され、増幅器２，３によって増幅された信号ＡＳ，ＡＣが出力される。図４の例では励磁信号の周波数は５０ＫＨｚであり、位置センサー１の入力軸の回転角をθ、出力信号の振幅をＧとすると、信号ＡＳ，ＡＣは次の数１，数２で表すことができる。
【数１】
ＡＳ＝Ｇ・ＳＩＮ（１００θ）ＳＩＮ（２・π・５００００・ｔ）
【数２】
ＡＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（１００θ）ＳＩＮ（２．π・５００００・ｔ）
これらの信号ＡＳ，ＡＣは、タイミングコントローラ８からの励磁信号に同期して出力される周期２０μＳのパルス信号ＴＩＭによって、それぞれＡＤ変換器４，５によりＳＩＮ（１０００００πｔ）＝１となるタイミングでサンプリングかつデジタル化され、それぞれ信号ＤＳ，ＤＣに変換される。したがって信号ＤＳ，ＤＣはそれぞれ下記数３，数４で表すことができ、位置センサー１からはあたかも測定変位θに対応して周期的に変化する９０度位相の異なる２つの信号が出力されていると見なすことができる。
【数３】
ＤＳ＝Ｇ・ＳＩＮ（１００θ）
【数４】
ＤＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（１００θ）
【０００３】
上記デジタル化された信号ＤＳ，ＤＣには、実際は位置センサーの製品バラツキや信号増幅器等によるオフセット電圧が含まれるため、前記数３，数４は厳密には次の数５，数６となる。
【数５】
ＤＳ＝Ｇ・ＳＩＮ（１００θ）＋ＳＯＦ
【数６】
ＤＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（１００θ）＋ＣＯＦ
これらの信号ＤＳ，ＤＣに含まれるオフセット値ＳＯＦ，ＣＯＦは、予め位置検出装置の製造時に測定され、それぞれ記憶器６，７に設定されている。減算器９，１０では信号ＤＳ，ＤＣからそれぞれ記憶器６，７が記憶するオフセット値ＳＯＦ，ＣＯＦが除去され、信号Ｓ，Ｃとなる。オフセット値除去後の信号Ｓ，Ｃは、内挿手段１１で２変数を入力とする逆正接演算が行われ、位置センサー１の入力軸の１／１００回転内の回転量を示す位置信号ＰＯＳに変換される。この後、本発明の説明上必要性が無いため図示していないが、実際の位置検出装置では、位置信号ＰＯＳの変化を基にしたインクリメンタル処理等により、少なくとも位置検出センサー１の入力軸の１回転以上の位置データが求められる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に工作機械の可動部等を移動させる場合、位置検出装置が検出した位置情報により位置制御を行うだけでなく、位置情報の差分から求めた速度情報をもとに電動機の速度フィードバック制御が行われている。特に、最近では機械の応答性能を上げるため、速度フィードバックのループ利得を高める傾向にある。上述した従来の位置検出装置では製造直後の位置検出センサーの出力信号に含まれるオフセット値は除去できるが、製造後の経時変化によって生じる上記オフセット値の変化に起因する位置検出誤差は除去できなかった。すなわち、製造後にも周囲温度の変化や位置センサーを構成する部材等の変化によりオフセット値は微妙な変化を生じるが、このような経時変化によるオフセット値の除去はできなかった。通常、このオフセット値の経時変化よる工作機械等の加工精度に与える影響はほとんど無視することができるほど小さい。しかし、オフセット値の経時変化により生じる位置検出誤差は、位置検出センサーの出力信号の変化と同じサイクル（図４の例では一回転あたり１００サイクル）をもった誤差となるため、可動部の移動速度によってはこの誤差によって生じる速度リップルの周波数と機械共振周波数とが一致し、共振箇所から異音が発生するという問題があった。特に、この異音は速度フィードバックのループ利得の大きさに比例して大きくなるため、異音のためにループ利得を上げられず機械性能を低下させる原因の一つとなっていた。この問題は従来例に上げたレゾルバに限らず光学式エンコーダや磁気式エンコーダにおいても、測定変位に対応して周期的に変化する各々位相の異なる複数の信号から内挿処理によって位置を求める限り、同様の問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した問題点を解消するためになされたもので、本発明の目的は、測定変位に対応して周期的に変化する各々位相の異なる複数の信号を出力とする位置センサーの出力信号に含まれるオフセット値の経時変化によって生じる周期性のある位置検出誤差を低減させた高精度な位置検出装置を提供し、工作機械等の可動部の応答性を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、測定変位に対応して周期的に変化する各々位相の異なる複数の信号を出力とする位置センサーからの信号を位置情報に変換する位置検出装置に関するものであり、本発明の上記目的は、前記複数の信号のオフセット値を記憶するオフセット記憶器と、前記位置センサーの出力信号から前記オフセット記憶器が記憶するオフセット値を除去するオフセット除去手段と、前記オフセット値除去後の複数のセンサー出力信号を位置信号に変換する内挿手段と、前記位置信号を速度信号に変換する速度変換手段と、前記位置センサーの出力信号を入力とする低域通過フィルターと、前記速度信号の値に応じて前記低域通過フィルターの出力値を前記オフセット記憶器に設定するオフセット設定手段とを具備することによって達成される。
【０００７】
本発明の位置検出装置では、位置センサー出力信号に含まれるオフセット値を低域通過フィルターが有効にはたらく速度で検出し、その検出したオフセット値をオフセット記憶器に設定し、位置センサー出力信号に含まれるオフセットを自動的に除去することが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の位置検出装置の実施形態を、図４に対応させて示すブロック図であり、図４と同じ機能のものは同じ符号とし、その説明を省略する。また、図２は図１のオフセット設定手段１５の内部構造の一例を示すブロック図である。
【０００９】
図１の位置検出装置では、位置検出センサー１からの出力信号をデジタル化した信号ＤＳ，ＤＣを、それぞれカットオフ周波数を１０Ｈｚとする３次のデジタル低域通過フィルター１２，１３に入力している。速度変換器１４では内挿手段１１により求めた位置信号ＰＯＳを差分処理し、さらに絶対値化した速度信号ＶＥＬに変換する。速度変換器１４から出力された速度信号ＶＥＬは、オフセット設定手段１５の内部で、予め記憶器１９に設定されている信号ＤＳ，ＤＣの変化周波数がデジタル低域通過フィルターのカットオフ周波数と同じになる時に対応する速度６ｍｉｎ−１（６０＊１０／１００）よりも高い速度ＶＬＯ＝６０ｍｉｎ−１と、予め記憶器１８に設定されている信号ＤＳ，ＤＣの周波数がデジタル低域通過フィルター１２，１３のサンプル周波数５０ｋＨｚの１／２となる時の速度１５０００ｍｉｎ−１（６０＊５００００／２／１００）よりも小さい速度ＶＨＩ＝１００００ｍｉｎ−１とそれぞれ比較器２１と比較器２０とで比較され、さらに論理和回路２２により、比較器２１と２０の出力の和をとることにより、速度信号ＶＥＬが上記速度ＶＬＯ（６０ｍｉｎ−１）以下、又は上記速度ＶＨＩ（１００００ｍｉｎ−１）以上のとき、設定動作停止用の信号ＣＬが出力される。タイマー２３では信号ＣＬの入力によりクリアされ、クリア後パルス信号ＴＩＭを５００００回カウント後に、設定信号ＳＥＴを信号ＣＬが入力されるまで出力する。すなわち、設定動作停止用の信号ＣＬの入力が無い場合は、タイマー２３から設定信号ＳＥＴが出力され、信号ＣＬの入力がある場合は、タイマー２３からの設定信号ＳＥＴの出力は停止され、信号ＣＬの入力が無くなってから一定時間を経過した後に設定信号ＳＥＴの出力が再開されるようになっている。記憶器１６，１７では、初期データとして図４と同じ予め位置検出装置製造時に測定した信号ＤＳ，ＤＣのオフセット値が設定されているが、オフセット設定手段１５からの設定信号ＳＥＴが入力されると、デジタル低域通過フィルター１２，１３の出力値ＳＤＣ，ＣＤＣがそれぞれに設定される。設定された値はオフセット信号ＳＯＦ，ＣＯＦとして減算器９，１０へ出力され、信号ＤＳ，ＤＣからオフセット値として除去される。
【００１０】
以上の動作により、位置検出センサー１の入力軸が６０ｍｉｎ−１以上のときは、信号ＤＳ，ＤＣの変化周波数は１００Ｈｚ以上となり、カットオフ周波数を１０Ｈｚとする３次のデジタル低域通過フィルター１２，１３を通過後の信号ＤＳ、ＤＣによる変化は、約１／１０００に減衰される。したがって、デジタル低域通過フィルター通過後の信号ＳＤＣ，ＣＤＣは信号ＤＳ，ＤＣの直流成分、つまりオフセット値とほぼ等しいことになる。逆に低い速度で入力軸が回転している時には、信号ＤＳ，ＤＣの変化周波数がデジタル低域通過フィルター１２，１３のカットオフ周波数に近いか又はそれ以下の周波数で変化するため、信号ＳＤＣ，ＣＤＣには信号ＤＳ，ＤＣの信号変化があまり減衰されずに出力されることになる。このような場合、オフセット設定手段１５では記憶器１６，１７への設定動作を停止させているため、信号ＤＳ，ＤＣのオフセット以外の値が記憶器１６，１７へ設定されるのを防止している。また、高い速度で入力軸が回転し信号ＤＳ，ＤＣがデジタル低域通過フィルター１２，１３のサンプリング周波数の１／２以上の周波数で変化している場合は、デジタル低域通過フィルター１２，１３の出力信号ＳＤＣ，ＣＤＣにはサンプリング定理によりデタラメな値が出力されることになる。このような場合でもオフセット設定手段１５では記憶器１６，１７への設定動作を停止させているため、信号ＤＳ，ＤＣのオフセット以外の値が記憶器１６、１７へ設定されるのを防止している。また、低域通過フィルター１２，１３は、入力軸の比較的大きな加減速により記憶器１８，１９と比較器２０，２１と論理和回路２２とで決定される設定動作を停止する速度条件が解除された直後も、まだ過去のデタラメな値が信号ＳＤＣ，ＣＤＣに減衰されずに残っている場合がある。このような場合でもオフセット設定手段１５ではタイマー２３の作用により、記憶器１６，１７への設定動作を一定時間停止させるため、信号ＤＳ，ＤＣのオフセット以外の値が記憶器１６，１７へ設定されるのを防止している。
なお、位置検出センサー１の入力軸の最高回転数が十分低い場合や低域通過フィルター１２，１３がアナログ回路で実現されている場合は、高速回転時の設定動作停止条件は不要である。また、位置検出センサー１の入力軸が加減速の緩やかな動作しかしない場合は、タイマー２３等による一定の時間オフセット記憶器１６，１７への設定動作を停止させる機能も不要である。
【００１１】
図３は、図１の位置検出装置のオフセット設定手段１５の内部構造の他の例を、図２に対応させて示すブロック図である。同図で図２と同じ機能のものは同じ符号とし、その説明を省略する。
【００１２】
図３では、加速度変換器２４は速度変換器１４からの速度信号ＶＥＬを差分処理し、さらに絶対値化された加速度信号ＡＣに変換する。加速度信号ＡＣは、予め記憶器２５に設定されている値ＡＨＩと比較器２６と論理和回路２７により、図２のオフセット設定手段の速度条件とともに加速度が予め設定した一定値ＡＨＩを越えた場合も記憶器１６，１７への設定動作を停止するようになっている。
【００１３】
低域通過フィルターは入力軸の急激な加減速の繰り返し時に信号ＤＳ，ＤＣのオフセット以外の値が出力される場合がある。図３のオフセット設定手段では、このような場合にも、記憶器１６，１７への設定動作を停止させているため、信号ＤＳ，ＤＣのオフセット以外の値が記憶器１６，１７へ設定されるのを防止している。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の位置検出装置によれば、従来問題となっていた位置検出センサー出力信号のオフセット値の経時変化によって生ずる周期性の位置検出誤差を自動的にかつ確実に低減させることができる。特に、機械共振が問題となる一定速度で可動する条件では効果的にオフセット値の経時変化分を除去することができるため、工作機械等の可動部の応答性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置検出装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１のオフセット設定手段１５の詳細を示すブロック図である。
【図３】図１のオフセット設定手段１５の別の詳細例を示すブロック図である。
【図４】従来の検出位置の位置検出装置を示すブロック図。
【符号の説明】
１位置検出センサー
２，３増幅器
４，５ＡＤ変換器
６，７，１６，１７，１８，１９，２５記憶器
８タイミングコントローラ
９，１０減算器
１１内挿手段
１２，１３デジタル低域通過フィルター
１４速度変換器
１５オフセット設定手段
２０，２１，２６比較器
２２，２７論理和回路
２３タイマー
２４加速度変換器

Claims

測定変位に対応して周期的に変化する各々位相の異なる複数の信号を出力とする位置センサーからの信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
前記複数の信号のオフセット値を記憶するオフセット記憶器と、前記位置センサーの出力信号から前記オフセット記憶器が記憶するオフセット値を除去するオフセット除去手段と、前記オフセット値除去後の複数のセンサー出力信号を位置信号に変換する内挿手段と、前記位置信号を速度信号に変換する速度変換手段と、
前記位置センサーの出力信号を入力とする低域通過フィルターと、前記速度信号の値に応じて前記低域通過フィルターの出力値を前記オフセット記憶器に設定するオフセット設定手段とを具備したことを特徴とする位置検出装置。
前記位置センサーの出力信号の周波数が前記低域通過フィルターのカットオフ周波数よりも高い周波数となる速度をＶＬＯとすると、
前記オフセット設定手段は、前記速度変換手段からの速度信号の値が前記ＶＬＯ以下の場合に前記オフセット記憶器への設定動作を停止させることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記低域通過フィルターが一定のサイクルでフィルター処理を行うデジタルフィルターであり、前記センサー出力信号の周波数が前記サイクルの１／２よりも低い周波数となる速度をＶＨＩとすると、
前記オフセット設定手段は、前記速度変換手段からの速度信号の値が前記ＶＨＩ以上の場合に前記オフセット記憶器への設定動作を停止させることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記オフセット設定手段は、前記速度変換手段からの速度信号の値を加速度の絶対値に変換する加速度変換手段を有し、前記加速度の絶対値が一定の加速度を越えた場合に前記オフセット記憶器への設定動作を停止させることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記オフセット設定手段は、前記設定動作を停止させる速度条件が解除された直後の一定の時間、前記オフセット記憶器への設定動作を停止させることを特徴とする請求項２、３又は４に記載の位置検出装置。