JP3851214B2

JP3851214B2 - 回転位置検出器

Info

Publication number: JP3851214B2
Application number: JP2002121904A
Authority: JP
Inventors: 智寿亀山
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-04-24
Also published as: JP2003315100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸またはモータ等の回転体に装着され、回転体の回転位置を検出する回転位置検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の位置検出器の動作原理について、図４を用いて説明する。位置検出用歯車１は、モータ等の回転体の回転軸等に同軸に取り付けられ、一般的に鉄などの磁性体で構成されている。図５に位置検出用歯車１の全体図を示す。第１の磁気センサ４ａは、位置検出用歯車１の凸部（歯）の間隔のほぼ１／４の距離になるように、歯列近傍に配置された２つの磁気抵抗素子およびバイアスマグネットから成り、位置検出用歯車１が回転することによって、その歯の凹凸に応じて発生する磁束変化が電気信号ＡおよびＢとして出力される。これらの電気信号は一般的にπ／２［ｒａｄ］位相の異なる２相交流信号であり、次の式（１）および式（２）のように表わされる。
【０００３】
【数２】
Ａ＝Ｖ・ｓｉｎθ＋Ｖａ・・・（１）
Ｂ＝Ｖ・ｃｏｓθ＋Ｖｂ・・・（２）
【０００４】
ここで、Ｖは２相信号の振幅、Ｖａは信号Ａに含まれる直流成分であり、Ｖｂは信号Ｂに含まれる直流成分である。θは２相信号の位相であり、位置検出用歯車１の回転角度をφ、歯数をｎとすると、位相θは次の式（３）で表わされる。
【０００５】
【数３】
θ＝ｎ・φ ・・・（３）
【０００６】
この２相信号ＡおよびＢはコンパレータ５ａおよび５ｂによってパルス信号化される。パルス信号化された２相パルス信号ＤＡ、ＤＢは、カウンタ回路７のアップ／ダウン／クリア信号を生成するアップダウン信号生成回路６に入力される。このアップダウン信号生成回路によりアップカウント信号およびダウンカウント信号が生成される条件を図６に示す。前記アップダウン信号生成回路の出力するアップ／ダウン信号に基づきカウンタ回路７では、前記パルス信号をカウントすることによって回転位置が検出される。
【０００７】
上述した位置はインクリメンタル（一方的に増加するのみ）であるため、図４に示される構造のように通常は、円周１ケ所にのみ凹部（歯溝）３を有した円板２を位置検出用歯車１と同軸に密着固定して回転体に取り付ける。円板２の全体図を図７に示す。この円板近傍に配置された磁気抵抗素子およびバイアスマグネットから成る第２の磁気センサ４ｂにより、円板２の凹部３での磁界の変動に応じた電気信号Ｚを検出することにより１回転内の基準位置を検出する。この基準位置を検出する信号は、センサ４ｂの出力をコンパレータ５ｃでパルス化しアップダウン信号生成回路６に入力する。前記センサ４ｂの出力信号であるパルス化信号ＤＺは、前記アップダウン信号生成回路により１ショットのクリアパルス信号化され、前記カウンタ回路７に入力される。前記カウンタ回路７は、前記クリアパルス信号に基づきカウンタリセットを行い、基準位置からのインクリメンタル量をもって１回転内のアブソリュート位置（絶対位置）としている。
【０００８】
前記パルス化されたそれぞれの信号を図８に示す。図８に示すようにＺ相パルス信号ＤＺがＨｉｇｈでＢ相パルス信号ＤＢがＬｏｗのときＡ相パルス信号ＤＡの信号レベルがＬｏｗからＨｉｇｈに変化した場合とＨｉｇｈからＬｏｗに変化した場合に前記アップダウン生成回路７からクリア信号が出力されカウンタ回路７のカウント値がクリアされる。
【０００９】
次に、１回転内のアブソルート位置を算出する例を示す。例えば、位置検出歯車の歯数を３６０とすると、前記位置検出用回転体がカウントアップ方向に１回転するとカウント値は最大１４４０（＝３６０×４）カウントとなる。また、前記位置回転体がカウントダウン方向に１回転すると、カウント値はマイナス最大−１４４０カウントとなる。図４において、前記カウンタ回路７のカウント値を任意のサンプリング周期でＣＰＵ１０がサンプリングする。ＣＰＵ１０がサンプリングしたカウント値をｘとすると１回転内のアブソリュート位置Ｙは、ＣＰＵ１０により次式（４），（５）に基づき算出される。
【００１０】
【数４】
ｘ＞０のとき
Ｙ＝ｘ／１４４０×２π［ｒａｄ］・・・（４）
ｘ＜０のとき
Ｙ＝（ｘ＋１４４０）／１４４０×２π［ｒａｄ］・・・（５）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した回転位置検出器は、主に工作機械の主軸またはモータ等の回転体に装着され使用される。前記モータは、インバータにより駆動されるため、インバータを構成するパワー素子のスイッチングノイズがインバータの周りに存在している。近年、ＣＰＵに代表されるように位置検出器を構成する回路の電源電圧が低電圧化されている。それに伴い、位置検出器を構成する回路の出力信号の電圧レベルが低くなっている。しかし、前記インバータによるスイッチングノイズは、低下していないため図４に示した従来の位置検出器では、Ｓ／Ｎ比が低下しインバータのスイッチングノイズの影響を受け易くなった。そのため、Ｚ相パルス信号ＤＺがノイズにより誤動作をして基準位置以外でカウンタをクリアすることがある。基準位置以外でカウンタがクリアされるため、検出位置を誤って算出するという課題があった。
【００１２】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、ノイズの影響を受けやすい環境化にて使用された場合も、誤動作することなく正確に位置検出することができる位置検出器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明にかかる回転位置検出器は、以下の構成を有する。
【００１４】
被検出体の回転位置が１周において１カ所定められている基準位置となったときに出力される基準信号と、被検出体が所定角度回転するごとに出力される角度信号と、角度信号が出力されるごとに、その出力数を積算し、基準信号が出力されたときクリアされるカウント値と、クリアされる直前のカウント値をラッチした値を用いて、被回転体の回転角度位置を算出する。カウント値は、被検体が正方向に回転するときにはカウントアップし、逆方向に回転するときはカウントダウンされる。
【００１５】
基準信号が正常に出力されていれば、すなわち被検出体の回転位置があらかじめ定められた１カ所（基準位置）となったときに基準信号が出力されていれば、カウント数は、基準位置からの回転角度に１対１で対応する。そして、基準位置となったときのカウント値は、所定の値となる。つまり、被検出体が１回転する間に角度信号が出力される回数をＮ回とすれば、前記正常な出力状態にあっては、基準信号が出力された時点でのカウント値は、＋Ｎ，−Ｎ，＋１，−１の４個の値のいずれかになる。逆に、基準信号が出力されたときにカウント値が上記以外の値となっていれば、この基準信号は、ノイズなどの誤ったものと考えられる。この誤った基準信号を判定したときは、これを用いず、前回の基準信号が出力されたときにラッチしてあるカウント値と、現在のカウント値を用いて回転角度の算出を行う。
【００１６】
基準信号に対するノイズの混入が希である場合、ラッチするカウント値は１個で十分であるが、ノイズの混入が多い環境下では、複数のカウント値を順次ラッチできるようにすることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態を表す図であり、図１に示した本実施の形態の回転位置検出器での位置検出の原理について説明する。図４に示した従来の位置検出器と同一の構成要素には同一符号を付記してあり、その説明は重複するので省略する。
【００１９】
図１のレジスタ９は、アップダウン生成回路６が出力するカウンタクリア信号に基づきカウンタ回路７のカウント値をラッチするものである。カウンタ７のカウント値をクリアするためのクリア信号は、遅延回路８により遅延させられる。よって、レジスタ９には、カウントクリアされる直前のカウント値がラッチされる。
【００２０】
図２は、本発明の実施例である図１の各信号のタイミングチャートである。２相パルス信号ＤＡ，ＤＢに基づき、回転体が所定角度回転するごとに出力されるアップカウント信号（ｕｐ）またはダウンカウント信号（ｄｏｗｎ）が生成される。すなわち、これらのカウント信号は角度信号として機能する。Ｚ相のパルス化信号ＤＺに基づき、カウント値のラッチを指示するラッチ信号（ｌａｔｃｈ）およびカウントされていた値をクリアするクリア信号（ｃｌｅａｒ）が出力される。より具体的には、カウントクリア部直前のカウンタのカウント値をラッチ信号（latch）の立ち上がりエッジでレジスタ９にラッチする。クリア信号は、図１の遅延器９によりラッチ信号(latch)を反転しクリア信号（clear）として出力される。カウンタ回路７はクリア信号(clear)の立ち上がりエッジによりカウントクリアを行う。またアップ(up)／ダウン(down)信号は、カウントクリア信号とアップ(up)／ダウン(down)信号のタイミングを従来と同一にするため従来波形（図８）に対して反転してある。
【００２１】
次に、基準位置におけるＺ相パルス信号ＤＺに基づきクリア信号が出力される場合のレジスタ９にラッチされる値について説明する。例えば、位置検出歯車の歯数を３６０とすると、１歯当たりアップまたはダウンカウント信号は４パルス発生するから、前記位置検出用回転体が基準位置からカウントアップ方向に１回転した場合、レジスタ９にラッチされる値は、１４４０（＝３６０×４）カウントとなる。また、逆に前記位置回転体がカウントダウン方向に１回転した場合、−１４４０カウントとなる。また、カウンタアップ回転方向に一旦回転し、その後カウンタダウン方向に方向反転して基準位置に戻った場合、レジスタ９にラッチされる値は１となる。これと逆にカウンタダウン方向からカウンタアップ方向に方向反転した場合、レジスタ９にラッチされる値は−１となる。したがって、正常に機能している場合、測定対象となる回転体が基準位置となったときには、レジスタ９にラッチされている値は、１回転したときのカウント値（前記の例では±１４４０）、または±１の４個のいずれかである。
【００２２】
しかし、Ｚ相パルス信号ＤＺがノイズにより誤動作をして基準位置以外でカウンタをクリアする場合、前記レジスタ９にラッチされる値は前記の４個以外の値となる。この場合の１回転内の角度位置を算出する例を示す。図１において、前記カウンタ回路７のカウント値を任意のサンプリング周期でＣＰＵ１０がサンプリングする。ＣＰＵ１０がサンプリングしたカウント値をｘとし１周期前にサンプリングしたカウント値をｘ（ｎ−１）とする。また、レジスタ９でラッチされた値をｃとすると１回転内の角度位置Ｙは、サンプリング周波数が回転位置検出体の回転周波数の２倍より速いため、ＣＰＵ１０により次式（６），（７）に基づき算出される。さらに、前記レジスタ９にてラッチされた値ｃが１４４０以上、−１４４０以下（ｃ≧１４４０，ｃ≦−１４４０）であったとき、アップダウン信号の誤動作と判断し、１回転内のアブソリュート位置Ｙを前記式（４），（５）に基づき算出される。
【００２３】
【数５】
（ｃ＋ｘ）≧１４４０のとき、（ｃ＋ｘ）−１４４０＝Ｘとし、
０＜（ｃ＋ｘ）＜１４４０のとき、（ｃ+ｘ）＝Ｘとして
Ｙ＝Ｘ／１４４０×２π［ｒａｄ］・・・（６）
または、
（ｃ＋ｘ）≦−１４４０のとき、（ｃ＋ｘ）＋１４４０＝Ｘとし、
−１４４０＜（ｃ＋ｘ）≦０のとき、（ｃ＋ｘ）＝Ｘとして
Ｙ＝（Ｘ＋１４４０）／１４４０×２π［ｒａｄ］・・・（７）
【００２４】
ここで、前記式（６），（７）は、位置検出用回転体１回転の位置を２πで表現している。
【００２５】
図３は、本発明の別の例を示した図であり、図１、図２に示した位置検出器と同一の構成要素には同一符号を付記してあり、その説明は重複するので省略する。図３のラッチ信号生成回路は、ｎ個（ｎは２以上の整数）のレジスタ９-1〜９-nに対し順次ラッチ信号を出力する。特にノイズの大きな環境下では、回転位置検出器が１回転する間にノイズにより複数回カウンタクリアパルスが発生する。このような場合、複数のレジスタにラッチされたカウント値をそれぞれｃ-1〜ｃ-nとすると１回転内のアブソリュート位置Ｙは、ＣＰＵ１０により次式（８），（９）に基づき算出される。
【００２６】
【数６】
ｘ＋ｃー1＋・・・＋ｃ-n≧１４４０のとき
（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）−１４４０＝Ｘとして
０＜（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）＜１４４０のとき
（ｘ＋ｃー1＋・・・＋ｃ-n）＝Ｘとして
Ｙ＝（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）／１４４０×２π［ｒａｄ］・・・（８）
または
（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）≦−１４４０のとき
（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）＋１４４０＝Ｘとして
−１４４０＜（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）≦０のとき
（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）＝Ｘとして
Ｙ＝（Ｘ＋１４４０）／１４４０×２π［ｒａｄ］・・・（９）
【００２７】
このとき、第１〜第ｎレジスタ９-1〜９-nでラッチしたカウント値とサンプリングしたカウンタ値の合計（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）が±１４４０またはゼロのとき基準位置検出となる。基準位置が検出されると、カウンタおよび各レジスタの値はクリアされる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明による回転位置検出器の回転体は、以上説明したように構成されているため、即ち、カウンタクリア信号に基づきカウントクリアされる直前のカウント値をレジスタにラッチし、このレジスタにラッチされたカウント値により基準位置でのカウントクリアであるか否か判断することができる。また、ノイズによる基準位置でのカウントクリアでない場合は、レジスタにラッチされたカウント値を用いて正常な検出位置を演算できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る位置検出器の一実施例を示す図である。
【図２】本発明に係る位置検出器の一実施例を示す図である。
【図３】従来技術による位置検出器の例を示す図である。
【図４】本発明に係る各信号のタイミングチャートである。
【図５】従来技術による各信号のタイミングチャートである。
【図６】アップダウン信号生成条件を示す図である。
【図７】位置検出用歯車を示す図である。
【図８】位置検出用円板を示す図である。
【符号の説明】
１位置検出用歯車、２円板、３円板基準位置、４コンパレータ、５カウンタ回路、６アップダウン信号生成器、７アップダウンカウンタ、８遅延器、９レジスタ、１０ＣＰＵ、１１ラッチ信号生成回路。

Claims

被検出体の回転角度に関する位置を検出する回転位置検出器であって、
被検出体の回転位置が、１周において１カ所定められている基準位置となったときに、基準信号を出力する基準信号発生手段と、
被検出体の回転位置が所定角度回転するごとに角度信号を出力する角度信号発生手段と、
被検出体の回転方向を検出する回転方向検出手段と、
前記角度信号の出力回数を、被検体の回転方向が正方向のときにはカウントアップし、逆方向のときにはカウントダウンし、さらに前記基準信号が出力された場合、それまでのカウント値をクリアするカウント手段と、
前記カウント値がクリアされる直前に、そのカウント値をラッチするレジスタと、
前記基準信号が出力されたときに、前記カウント値に基づき当該基準信号の正誤を判定する基準信号正誤判定手段と、
前記基準信号が誤判定された後、次回の判定まで、前記レジスタにラッチされている値と現在の前記カウント値に基づき被検出体の回転位置を算出する、回転位置算出手段と、
を有する、
回転位置検出器。
請求項１に記載の回転位置検出器であって、
前記回転位置算出手段は、前記カウント値をｘとし、前記レジスタにラッチされている値をｃとし、１周したときのカウント値をＲとしたとき、被検出体の回転位置Ｙを、

に基づき算出する回転位置検出器。
被検出体の回転角度に関する位置を検出する回転位置検出器であって、
被検出体の回転位置が、１周において１カ所定められている基準位置となったときに、基準信号を出力する基準信号発生手段と、
被検出体の回転位置が所定角度回転するごとに角度信号を出力する角度信号発生手段と、
被検出体の回転方向を検出する回転方向検出手段と、
前記角度信号の出力回数を、被検体の回転方向が正方向のときにはカウントアップし、逆方向のときにはカウントダウンし、さらに前記基準信号が出力された場合、それまでのカウント値をクリアするカウント手段と、
前記カウント値がクリアされる直前に、そのときのカウント値を第１から順にッチする第１〜第ｎレジスタと、
前記基準信号が出力されたときに、前記カウント値と前記レジスタにラッチされた値とに基づき当該基準信号の正誤を判定する基準信号正誤判定手段と、
前記基準信号が誤判定された後、次回の判定まで前記レジスタにラッチされている値と現在の前記カウント値に基づき被検出体の回転位置を算出する、回転位置算出手段と、
前記第１〜第ｎレジスタの値とカウント値の総和を求め、この値が所定の値となったときを基準位置と判定する基準位置判定手段と、
前記基準信号が発生されるか、または基準位置が判定されるかした場合に、前記第１〜第ｎレジスタにラッチされた値をクリアするレジスタクリア手段と、
回転位置検出器。