JP3893033B2 - 位置検出装置 - Google Patents
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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９０度位相の異なる２つ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や２つの信号の振幅差又は位相差によって生じる位置検出誤差を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２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２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）
【０００３】
これらの信号ＡＳ，ＡＣは、タイミングコントローラ１３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、それぞれ数値ＤＳ，ＤＣに変換される。したがって数値ＤＳ，ＤＣはそれぞれ下記数３，数４のように表すことができ、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）
【０００４】
上記デジタル化された２つの数値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と振幅差が含まれるため、前記数３，数４は厳密には次の数５，数６となる。
【数５】
ＤＳ＝Ｂ・Ｇ・ＳＩＮ（１００θ）＋ＳＯＦ
【数６】
ＤＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（１００θ）＋ＣＯＦ
【０００５】
これらの数値ＤＳ，ＤＣに含まれるオフセット値ＳＯＦ，ＣＯＦや２つの信号の振幅比を示す振幅修正値ＢＡＪ（＝１／Ｂ）は、位置検出装置の製造時に測定し、位置検出装置に搭載した不揮発性メモリ等に記憶され、位置検出開始前にそれぞれ記憶器６，７，１０に設定される。減算器８，９では数値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、数値ＤＳＡ，ＤＣＡとなる。数値ＤＳＡはさらに乗算器１１で記憶器１０が記憶する振幅修正値ＢＡＪと乗算され、数値ＤＣＡの振幅とほぼ等しい振幅の数値ＤＳＢとなる。
【０００６】
数値ＤＳＢとＤＣＡは、内挿演算器１２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、少なくとも位置センサー１入力軸の１回転以上の位置データが求められる。
【０００７】
【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センサーの出力信号に含まれるオフセットや振幅差は除去できるが、製造後の経時変化や位置センサーの設置環境によって生じる上記オフセットや振幅差の変化に起因する位置検出誤差は除去できない。すなわち、位置検出装置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の変化あるいは位置検出装置を組み込む電動機が発する漏れ磁束等によってオフセットや振幅差は微妙な変化を生じる。このような経時変化や設置環境によるオフセットや振幅誤差の除去は、図２の位置検出装置ではできなかった。
【０００８】
また、従来の位置検出装置では、製造時のオフセットや振幅修正値の測定方法としては、位置センサーからの出力信号の最大値と最小値を測定して、それらの平均と差からオフセットと振幅を求める方法が一般的であった。或いは、特開平５−２５６６３８のように特定条件を満たす複数の位置での位置センサー出力信号の値から演算によりオフセットと振幅を求めていた。これらの方法では、特定の位置での位置センサー出力信号の値を用いるためノイズや波形歪み等の影響を受けやすく、位置検出装置の製造時にオフセットや振幅修正値を精度良く測定できないと言う問題もあった。これらのほか、図２の従来例では説明しなかったが、位置センサー出力信号には、２つの信号の位相差が９０度に対して僅かな位相誤差を含む場合があり、この位相差を修正する場合も、オフセット値や振幅差を修正する場合と同様の問題があった。
【０００９】
通常、オフセットや振幅差あるいは位相差の経時変化または出荷時の測定誤差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、これらの誤差により生じる位置検出誤差は、位置センサーの出力信号の変化と同じサイクル又は２倍の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９０度異なる２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。
【００１０】
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や振幅差や位相差の経時変化又は設置環境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。
【００１１】
【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９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサーからの出力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、オフセット記憶器１８，１９と、前記位置センサーの２つの出力値からそれぞれ前記オフセット記憶器１８，１９が記憶するオフセット値を除去するオフセット減算器８，９と、前記オフセット減算器８，９の２つの出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーによって検出される変位の変化した距離に対応する移動距離を演算する距離演算手段と、前記位置センサーの２つの出力値と前記距離演算手段の出力値に基づきそれぞれ積分する積分手段と、前記積分手段の２つの出力値と前記距離演算手段の出力値に基づきそれぞれオフセット値を演算するオフセット値演算手段と、前記位置センサー出力信号の一周期の整数倍変化後に、前記オフセット値演算手段の出力値を前記オフセット記憶器１８，１９に記憶指令するオフセット記憶指令手段とを具備することによって達成される。
【００１２】
また、本発明の上記目的は、オフセット記憶器１８，１９と、前記位置センサーの２つの出力値からそれぞれ前記オフセット記憶器１８，１９が記憶するオフセット値を除去するオフセット減算器８，９と、前記オフセット減算器８，９の２つの出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ記憶する信号記憶器３７，３８と、前記２つの出力値に対してそれぞれ前記信号記憶器３７，３８の記憶値との差の自乗を演算し、自乗演算後の２つの値を加算した値の平方根を演算する距離演算器３９と、前記距離演算器３９の出力値を積算する距離積算器３５と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ前記距離演算器３９の出力値と乗算する信号乗算器２２，２３と、前記信号乗算器２２，２３の２つの出力値をそれぞれ積算する信号積算器２４，２５と、前記距離演算器３９の出力値が一定値を越えた場合に、前記信号記憶器３７，３８と前記信号積算器２４，２５にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う指令手段と、前記信号積算器２４，２５の２つの出力値それぞれに対して前記距離積算器３５の出力値で除算する除算器２６，２７と、前記位置センサー出力信号の一周期の整数倍変化後に、前記除算器２６，２７の２つの出力値を前記オフセット記憶器１８，１９に記憶指令するオフセット記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、振幅修正値を記憶する振幅修正値記憶器２０と、前記位置センサーの一方の出力信号を前記振幅修正値記憶器２０が記憶する振幅修正値に従って信号振幅を修正する乗算器１１と、前記位置センサーの他方の出力値と前記信号振幅を修正する乗算器１１の出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーによって検出される変位の変化した距離に対応する移動距離を演算する距離演算手段と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ正数化の演算を行う正数化演算器２８，２９と、前記正数化演算器２８，２９の２つの出力値と前記距離演算手段の出力値に基づきそれぞれ積算する正数化積算器３０，３１と、前記正数化積算器３０，３１の出力値と前記距離演算手段の出力値に基づき振幅修正値を演算する振幅修正値演算手段と、前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に、振幅修正値演算手段の出力値を前記振幅修正値記憶器２０に記憶指令する振幅修正値記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１４】
また、本発明の上記目的は、振幅修正値を記憶する振幅修正値記憶器２０と、前記位置センサーの一方の出力信号を前記振幅修正値記憶器２０が記憶する振幅修正値に従って信号振幅を修正する乗算器１１と、前記位置センサーの他方の出力値と前記信号振幅を修正する乗算器１１の出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ記憶する信号記憶器３７，３８と、前記位置センサーの２つの出力値に対してそれぞれ前記信号記憶器３７，３８の記憶値との差の自乗を演算し、自乗演算後の２つの値を加算した値の平方根を演算する距離演算器３９と、前記距離演算器３９の出力値を積算する距離積算器３５と、前記位置センサーの２つの出力値に対してそれぞれ自乗した後に前記距離演算器３９の出力値との積を演算する正数化演算器２８，２９と、前記正数化演算器２８，２９の２つの出力値をそれぞれ積算する正数化積算器３０，３１と、前記距離演算器３９の出力値が一定値を越えた場合に、前記信号記憶器３７，３８と前記正数化積算器３０，３１にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う指令手段と、前記距離積算器３５と前記正数化積算器３０，３１の出力値から振幅修正値を演算する振幅修正値演算手段と、前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に、振幅修正値演算手段の出力値を前記振幅修正値記憶器２０に記憶指令する振幅修正値記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１５】
また、本発明の上記目的は、位相差修正値を記憶する位相差修正値記憶器２１と、前記位相差修正値記憶器２１が記憶する位相差修正値と前記位置センサーの一方の出力信号に応じて、前記位置センサーの他方の出力信号位相を修正する位相修正手段と、前記位置センサーの一方の出力値と前記位相修正手段の出力値から位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーによって検出される変位の変化した距離に対応する移動距離を演算する距離演算手段と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ乗算する相関演算器３３と、前記相関演算器３３の出力値と前記距離演算手段の出力値に基づき積算する相関積算器３４と、前記相関積算器３４の出力値と前記距離演算手段の出力値に基づき前記位相差修正値を演算する位相差修正値演算手段と、前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に、前記位相差修正値演算手段の出力値を前記位相修正値記憶器２１に記憶指令する位相修正値記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１６】
また、本発明の上記目的は、位相差修正値を記憶する位相差修正値記憶器２１と、前記位相差修正値記憶器２１が記憶する位相差修正値と前記位置センサーの一方の出力信号に応じて、前記位置センサーの他方の出力信号位相を修正する位相修正手段と、前記位置センサーの一方の出力値と前記位相修正手段の出力値から位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ記憶する信号記憶器３７，３８と、前記位置センサーの２つの出力値に対してそれぞれ前記信号記憶器３７，３８の記憶値との差の自乗を演算し、自乗演算後の２つの値を加算した値の平方根を演算する距離演算器３９と、前記距離演算器３９の出力値を積算する距離積算器３５と、前記位置センサーの２つの出力値の積に前記距離演算器３９の出力値を乗算する相関演算器３３と、前記相関演算器３３の出力値を積算する相関積算器３４と、前記距離演算器３９の出力値が一定の値を越えた場合に、前記信号記憶器３７，３８と前記相関積算器３４にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う指令手段と、前記距離積算器３５と前記相関積算器３４の出力値から前記位相差修正値を演算する位相差修正値演算手段と、前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に前記位相差修正値演算手段の出力値を前記位相修正値記憶器２１に記憶指令する位相修正値記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１７】
本発明の位置検出装置では、位置センサー出力信号のオフセット値、振幅修正値、位相修正値を位置センサーがさまざまな位置で出力する信号を活用し、自動的に求めるため、信号ノイズや波形歪みの影響を受けにくく、精度の高いオフセット値，振幅修正値，位相修正値を検出することができ、位置センサー出力信号をこれらの値により修正することにより、高精度な位置検出が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、位置センサの回転変位を微小回転変位（増分）ごとに分割して考え、位置センサ出力信号の一周期の整数倍または半周期の整数倍で観察することで、製造後のオフセットや振幅修正値の経時変化がとらえられ演算できるということに基づいている。例えば正弦波の関数である出力信号がその一周期変化したときに、その微小回転変位について出力信号を順次積分すると、オフセットがなければ積分値はゼロになるし、ゼロにならないときはその一周期にわたる積分値がオフセット値になる。同様に正弦波の関数である出力信号がその半周期変化したときに、微小回転変位について出力信号の自乗を順次積分し、先ほど求まったオフセット値に対応する量を差し引いてやれば、その値は実効値になり、二つの出力信号について実効値の比を求めれば、振幅修正値が得られる等である。
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の位置検出装置の実施の形態を、図２に対応させて示すブロック図であり、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。
【００２０】
まず、図１の位置検出装置では、位置センサー１からの出力信号をデジタル化した数値ＤＳ，ＤＣを、平均化処理器１４、１５により数７，数８の演算で示す平均化処理が行われる。
【数７】
ＡＤＳ（ｎ）＝（ＤＳ−ＡＤＳ（ｎ−１））／Ｎ＋ＡＤＳ（ｎ−１）
【数８】
ＡＤＣ（ｎ）＝（ＤＣ−ＡＤＣ（ｎ−１））／Ｎ＋ＡＤＣ（ｎ−１）
数７，数８でｎとＮは信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に０に初期化され、信号ＴＩＭの立ち上がり変化にしたがって１づつインクリメントされる数である。また、Ｎはｎが２５６以上のときＮ＝２５６に固定される。なお、ＡＤＳ（ｎ），ＡＤＣ（ｎ）はｎ回目の数値ＡＤＳ，ＡＤＣを意味し、ＡＤＳ（０）＝ＡＤＣ（０）＝０である。
【００２１】
次に、平均化処理器１４，１５によって平均化された位置センサー１からの出力値ＡＤＳ，ＡＤＣは、それぞれ記憶器３７，３８に信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に記憶され、記憶器３７，３８の記憶値ＤＳＤ，ＤＣＤと数値ＡＤＳ，ＡＤＣは距離演算器３９により数９の演算が行われ数値ＤＳＴが出力される。
【数９】
ＤＳＴ＝ＳＱＲＴ（（ＡＤＳ−ＤＳＤ）＾２＋（ＡＤＣ−ＤＣＤ）＾２）
ここで、数値ＤＳＴは、信号ＳＵＭが入力してから測定変位の変化した距離にほぼ比例した値を示している。数値ＤＳＴは、比較器４１で記憶器４０が記憶する数値ＤＳＣと比較され、数値ＤＳＴが数値ＤＳＣを越えた場合に比較器４１の出力信号ＳＭは０から１に立ち上がり変化する。ここでＤＳＣは位置センサー１の入力軸が軸倍角分の１回転よりも十分小さい回転距離動いたときの数値ＤＳＴに相当する数値が予め設定されている。信号ＳＭが立ち上がり変化すると、論理和回路５２を経由して、信号ＳＵＭとして記憶器３７，３８とすべての積算器にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う。
【００２２】
このようにして、微小回転変位ＤＳＣごとに信号ＳＵＭが立上がり変化するので、信号ＳＵＭを基準にして、以下の微小回転変位ごとの演算を進めることができる。
【００２３】
また、数値ＤＳＴは積算器３５で信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に積算され、積算器３５は信号ＣＬの立ち下がり変化で０に初期化される。したがって、積算器３５が出力する数値ＤＳＴＳは、信号ＣＬの立ち下がり変化から位置センサー１の入力軸が回転した移動距離にほぼ比例した数値となる。
【００２４】
本発明の第一の実施の形態の中心であるオフセット値の演算について説明する。乗算器２２，２３では、それぞれ数値ＡＤＳ，ＡＤＣと数値ＤＳＴが乗算され、数値ＳＯＤ，ＣＯＤとして出力される。数値ＳＯＤ，ＣＯＤはそれぞれ積算器２４、２５で信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に積算されＳＯＳ，ＣＯＳとして出力される。また積算器２４，２５は信号ＣＬの立ち下がり変化で０に初期化される。したがって、積算器２４，２５が出力する数値ＳＯＳ，ＣＯＳは、信号ＣＬの立ち下がり変化後の、位置センサー１の２つの出力信号を移動量で積分した値にほぼ比例した数値となる。次に除算器２６と２７では、それぞれ数値ＳＯＳ，ＣＯＳが数値ＤＳＴＳで除算され、数値ＳＯ，ＣＯとして出力される。そこで数値ＳＯＳ，ＣＯＳを移動量にほぼ比例した数値ＤＳＴＳで除算した数値ＳＯ，ＣＯは、信号ＣＬの立ち下がり変化後の、位置センサー１の２つの出力値ＤＳ、ＤＣの平均値となる。
【００２５】
オフセット値を求めるには、位置センサ１の出力信号の一周期の整数倍にわたって観察が必要である。一周期の整数倍にあたる信号は次のようにして求める。まず記憶器４４，４５では信号ＣＬの立ち上がり変化時に、それぞれ数値ＡＤＳ，ＡＤＣが記憶され、記憶器４４，４５の記憶値ＳＳ，ＳＣと数値ＡＤＳ，ＡＤＣは演算器４６により数１０の演算が行われ数値ＤＬが出力される。
【数１０】
ＤＬ＝（ＡＤＳ−ＳＳ）＾２＋（ＡＤＣ−ＳＣ）＾２
数値ＤＬは、比較器４８で記憶器４７が記憶する数値ＤＬＣと比較され、数値ＤＬが数値ＤＬＣ以下となった場合に比較器４８の出力から１が出力される。ここで数値ＤＬＣは数値ＤＳＣの自乗よりも十分小さな値である。これにより、数値ＡＤＳ，ＡＤＣが周期的に変化して数値ＳＳ，ＳＣにほぼ等しくなるたびに、比較器４８の出力が立ち上がり変化する。
【００２６】
したがって、位置センサー１の入力軸が一定方向に回転している場合、比較器４８の出力は、信号ＡＳ，ＡＣの１周期分の変化ごとに立ち上がり変化する。比較器４８の出力の立ち上がり変化はカウンター４９でカウントアップされカウント値ＣＦが出力される。またカウンター４９は信号ＣＬの立ち上がり変化で０に初期化される。カウント値ＣＦは比較器５１で記憶器５０が記憶する数値Ｍと比較され、カウント値ＣＦが数値Ｍを越えた場合に信号ＳＥＴを立ち上がり変化させる。したがって、信号ＳＥＴは、信号ＣＬの立ち上がり変化してから、位置センサー１の出力信号が一周期の整数Ｍ倍の周期変化後に信号ＳＥＴを立ち上がり変化させることになる。また、信号ＳＥＴが立ち上がり変化すると、論理和回路５２を経由して記憶器３７，３８とすべての積算器に対して、それぞれ記憶指令と積算指令を行う。
【００２７】
このようにして、信号ＣＬの立ち上がり変化を基準として、位置センサ１の出力信号の整数Ｍ倍の周期変化ごとに、信号ＳＥＴが立上がるので、この期間にわたって演算を進めればよいことになる。
【００２８】
逆転検出器４２では数値ＡＤＳ，ＡＤＣの変化から位置センサー１の入力軸の回転方向が変化するのを検出して、信号ＲＶを短いパルスで１に変化させる。論理和回路４３では、信号ＲＶと信号ＳＥＴの論理和により信号ＣＬを出力し、位置センサー１の出力信号が整数Ｍ倍の周期変化するか、入力軸の回転方向が変化した場合に信号ＣＬを短いパルスで１に変化させる。
【００２９】
記憶器１８、１９は、それぞれ数値ＳＯ，ＣＯを信号ＳＥＴの立ち上がり変化によって記憶する。信号ＳＥＴは信号ＣＬの立ち上がり変化してから、位置センサー１の出力信号が一周期の整数倍の周期変化後に立ち上がり変化するため、記憶器１８、１９の出力値ＳＯＦ，ＣＯＦは、位置センサー１の２つの出力値ＤＳ、ＤＣが一周期の整数倍の周期変化した間の平均値となる。したがって、数値ＳＯＦ，ＣＯＦには信号変化分は相殺され、出力値ＤＳ、ＤＣのオフセット成分と同等となる。このようにして、オフセット値が求められる。
【００３０】
数値ＤＳ、ＤＣは従来例と同様に、それぞれ減算器８，９により数値ＳＯＦ，ＣＯＦが減算され、オフセットが除去された数値ＤＳＡ，ＤＣＡとなる。
【００３１】
次に本発明の第二の実施の形態の中心である振幅修正値の演算について説明する。正数化演算器２８，２９ではそれぞれ数値ＡＤＳとＡＤＣを自乗した値に数値ＤＳＴを乗算することにより、数値ＡＤＳとＡＤＣの値の正負に関係なく演算値を正の数に変換し、数値ＳＳＤ，ＣＣＤとして出力する。数値ＳＳＤ，ＣＣＤはそれぞれ積算器３０、３１で信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に積算され、数値ＳＳＳ，ＣＣＳとして出力される。また積算器３０、３１は信号ＣＬの立ち下がり変化で０に初期化される。したがって、数値ＳＳＳ、ＣＣＳは、信号ＣＬの立ち下がり変化後の、位置センサー１の２つの出力信号の自乗を移動量で積分した値にほぼ比例した数値となる。振幅修正値演算器３２では数値ＳＳＳ，ＣＣＳ，ＳＯ，ＣＯ，ＤＳＴＳを入力として、数１１の演算が行われ数値ＢＡが出力される。
【数１１】
ＢＡ＝ＳＱＲＴ（（ＣＣＳ−ＣＯ＾２＊ＤＳＴＳ）／（ＳＳＳ−ＳＯ＾２＊ＤＳＴＳ））
【００３２】
記憶器２０は、数値ＢＡを信号ＳＥＴの立ち上がり変化によって記憶する。これらのことから、記憶器２０の出力値ＢＡＪは、数１１により位置センサー１の２つの出力値ＤＳ、ＤＣの自乗を一周期の整数倍の周期変化した間について移動量で積分した値から、オフセットの成分を除去し平方根に開いてから、両者の比を求めた値である。したがって、数値ＢＡＪは、出力値ＤＳ、ＤＣの実効値の比を示し、これは出力値ＤＳ、ＤＣの振幅比と同等となる。このようにして振幅修正値が求められる。
【００３３】
オフセット除去後の数値ＤＳＡは従来例と同様に、乗算器１１により数値ＢＡＪが乗算され、数値ＤＣＡの振幅とほぼ等しい振幅の数値ＤＳＢとなる。
【００３４】
なお、オフセット除去後の値やオフセットを無視できるセンサー出力値をＡＤＳ，ＡＤＣとして、それぞれ正数化演算器２８，２９に入力した場合は、数値ＳＯ，ＣＯ，ＤＳＴＳの入力は不要となる。また、振幅修正値は、振幅差が大きくなると数１１とは、僅かに異なる値を示すため、予め演算補正量を求めて補正演算を追加してもよい。あるいは、振幅修正後の値を入力として振幅修正値を求める演算を行うことにより、繰り返し修正によって、振幅修正値の精度を高めても良い。
【００３５】
次に本発明の第三の実施の形態の中心である位相修正値の演算について説明する。相関演算器３３では数値ＡＤＳと数値ＡＤＣとの積に数値ＤＳＴを乗算することにより、数値ＲＤを出力する。数値ＲＤは積算器３４で信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に積算され、数値ＲＳとして出力される。また積算器３４は信号ＣＬの立ち下がり変化で０に初期化される。したがって、数値ＲＳは、信号ＣＬの立ち下がり変化後の、位置センサー１の２つの出力信号の積を移動量で積分した値にほぼ比例した数値となる。位相修正値演算器３６では数値ＲＳ，ＤＳＴＳ，ＳＳＳ，ＣＣＳ，ＳＯ，ＣＯを入力として、数１２，１３，１４の演算が行われ数値ＰＨが出力される。
【数１２】
Ｘ＝（ＲＳ／ＤＳＴＳ−ＳＯ＊ＣＯ）
【数１３】
Ｙ＝ＳＱＲＴ（（ＳＳＳ／ＤＳＴＳ−ＳＯ＾２）（ＣＣＳ／ＤＳＴＳ−ＣＯ＾２））
【数１４】
ＰＨ＝Ｘ／Ｙ
【００３６】
記憶器２１は、数値ＰＨを信号ＳＥＴの立ち上がり変化によって記憶する。数１２では位置センサー１の２つの出力値ＤＳとＤＣ積の平均値から、オフセット成分を除去して数値Ｘを求めている。このことから、数値Ｘは出力値ＤＳとＤＣの同位相成分の大きさを示すことになる。また、数１３では出力値ＤＳとＤＣの実効値の積を計算している。このことから、数値Ｙは出力値ＤＳとＤＣの振幅積の半分と同等となる。数１４では、出力値ＤＳとＤＣの同位相成分の大きさから出力値ＤＳとＤＣの振幅積で除算した値を数値ＰＨとしている。したがって、記憶器２１の出力ＰＨＪは出力値ＤＳとＤＣの一方の信号に他方の信号位相成分が含まれる割合を示す位相修正値となり、このようにして位相修正値が求められる。
【００３７】
乗算器１６では、オフセット除去後の数値ＤＣＡを数値ＰＨＪで乗算し、減算器１７では、乗算器１６の出力値ＤＣＪを振幅修正後の数値ＤＳＢから減算することにより、数値ＤＳＢに含まれる数値ＤＣＡと同位相の成分を除去することができる。これにより、減算器１７の出力値ＤＳＰと数値ＤＣＡの位相差は、完全な９０度となる。数値ＤＳＰと数値ＤＣＡは内挿演算器１２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。
【００３８】
なお、位相修正後の数値ＤＳＰの振幅は、数値ＤＣＡの振幅と僅かに異なるため、位相修正量が大きな場合等は、振幅修正値ＢＡＪと位相修正値ＰＨＪを修正後の振幅が一致するように考慮して数値修正する必要がある。また、オフセット除去後の値やオフセットを無視できるセンサー出力値をＡＤＳ，ＡＤＣとして、それぞれ相関演算器３３に入力した場合は、数値ＳＯ，ＣＯは不要となる。また、出力値ＤＳとＤＣの振幅が一定している場合も、相関演算器３３への数値ＳＳＳ，ＣＣＳの入力は不要であり、この場合は、数値Ｘを予め、数値ＤＳとＤＣの振幅から求める必要がある。
【００３９】
上記実施の形態では、乗算器２２、２３や正数化演算器２８，２９や相関演算器３３への入力を数値ＡＤＳ又は数値ＡＤＣとしたが、数値ＡＤＳを数値ＡＤＳと数値ＤＳＢの平均値とし、数値ＡＤＣを数値ＡＤＣと数値ＤＣＢの平均値とすれば、積分演算の精度が向上するため、高精度にオフセット値や振幅修正値及び位相修正値を求めることが可能である。また、数値ＤＳ、ＤＣに含まれるノイズが小さい場合は、平均化処理器を省略しても良い。さらには、本発明の位置検出装置では、オフセット値や振幅修正値及び位相修正値を求める手段を商品として出荷後の位置検出装置の中に持つ必要はなく、製造時の検査装置等にオフセット値や振幅修正値や位相修正値を求める手段を組み込み、製造時に検出した高精度なオフセット値や振幅修正値や位相修正値を位置検出装置の不揮発性メモリ等に設定して実現しても良い。
【００４０】
また、振幅修正値及び位相修正値の演算において、一周期の整数倍にあたる信号ＳＥＴの立ち上がり変化してから出力しているが、半周期の整数倍毎に出力することで十分である。一周期の整数倍としたのは、オフセット値の演算と統一したためである。また、距離積算器３９は位置センサの回転変位を利用し移動距離を求めても良い。
【００４１】
【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センサー出力信号のオフセット値や振幅差或いは位相差等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。また、オフセット値や振幅修正値や位相修正値を、様々な位置での位置センサー出力信号を元に自動的に求めるため、信号ノイズや波形歪みの影響を受けにくく、精度の高いオフセット値，振幅修正値，位相修正値を検出することができる。これらにより、高精度な位置検出が可能となり、工作機械等の可動部の応答性を向上させることができる。
【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】 従来の位置検出装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 位置センサー
２，３ 増幅器
４，５ ＡＤ変換器
６，７，１０，１８，１９，２０，２１，３７，３８，４０，４４，４５，４７，５０ 記憶器
８，９、１７ 減算器
１１，１６，２２，２３ 乗算器
１２ 内挿演算器
１４、１５ 平均化処理器
２４，２５，３０，３１，３４，３５ 積算器
２６，２７ 除算器
２８，２９ 正数化演算器
３２ 振幅修正値演算器
３３ 相関演算器
３６ 位相修正値演算器
３９ 距離演算器
４１，４８，５１ 比較器
４２ 逆転検出器
４３，５２ 論理和回路
４６ 演算器
４９ カウンター
【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９０度位相の異なる２つ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や２つの信号の振幅差又は位相差によって生じる位置検出誤差を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２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２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）
【０００３】
これらの信号ＡＳ，ＡＣは、タイミングコントローラ１３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、それぞれ数値ＤＳ，ＤＣに変換される。したがって数値ＤＳ，ＤＣはそれぞれ下記数３，数４のように表すことができ、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）
【０００４】
上記デジタル化された２つの数値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と振幅差が含まれるため、前記数３，数４は厳密には次の数５，数６となる。
【数５】
ＤＳ＝Ｂ・Ｇ・ＳＩＮ（１００θ）＋ＳＯＦ
【数６】
ＤＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（１００θ）＋ＣＯＦ
【０００５】
これらの数値ＤＳ，ＤＣに含まれるオフセット値ＳＯＦ，ＣＯＦや２つの信号の振幅比を示す振幅修正値ＢＡＪ（＝１／Ｂ）は、位置検出装置の製造時に測定し、位置検出装置に搭載した不揮発性メモリ等に記憶され、位置検出開始前にそれぞれ記憶器６，７，１０に設定される。減算器８，９では数値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、数値ＤＳＡ，ＤＣＡとなる。数値ＤＳＡはさらに乗算器１１で記憶器１０が記憶する振幅修正値ＢＡＪと乗算され、数値ＤＣＡの振幅とほぼ等しい振幅の数値ＤＳＢとなる。
【０００６】
数値ＤＳＢとＤＣＡは、内挿演算器１２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、少なくとも位置センサー１入力軸の１回転以上の位置データが求められる。
【０００７】
【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センサーの出力信号に含まれるオフセットや振幅差は除去できるが、製造後の経時変化や位置センサーの設置環境によって生じる上記オフセットや振幅差の変化に起因する位置検出誤差は除去できない。すなわち、位置検出装置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の変化あるいは位置検出装置を組み込む電動機が発する漏れ磁束等によってオフセットや振幅差は微妙な変化を生じる。このような経時変化や設置環境によるオフセットや振幅誤差の除去は、図２の位置検出装置ではできなかった。
【０００８】
また、従来の位置検出装置では、製造時のオフセットや振幅修正値の測定方法としては、位置センサーからの出力信号の最大値と最小値を測定して、それらの平均と差からオフセットと振幅を求める方法が一般的であった。或いは、特開平５−２５６６３８のように特定条件を満たす複数の位置での位置センサー出力信号の値から演算によりオフセットと振幅を求めていた。これらの方法では、特定の位置での位置センサー出力信号の値を用いるためノイズや波形歪み等の影響を受けやすく、位置検出装置の製造時にオフセットや振幅修正値を精度良く測定できないと言う問題もあった。これらのほか、図２の従来例では説明しなかったが、位置センサー出力信号には、２つの信号の位相差が９０度に対して僅かな位相誤差を含む場合があり、この位相差を修正する場合も、オフセット値や振幅差を修正する場合と同様の問題があった。
【０００９】
通常、オフセットや振幅差あるいは位相差の経時変化または出荷時の測定誤差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、これらの誤差により生じる位置検出誤差は、位置センサーの出力信号の変化と同じサイクル又は２倍の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９０度異なる２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。
【００１０】
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や振幅差や位相差の経時変化又は設置環境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。
【００１１】
【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９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサーからの出力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、オフセット記憶器１８，１９と、前記位置センサーの２つの出力値からそれぞれ前記オフセット記憶器１８，１９が記憶するオフセット値を除去するオフセット減算器８，９と、前記オフセット減算器８，９の２つの出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーによって検出される変位の変化した距離に対応する移動距離を演算する距離演算手段と、前記位置センサーの２つの出力値と前記距離演算手段の出力値に基づきそれぞれ積分する積分手段と、前記積分手段の２つの出力値と前記距離演算手段の出力値に基づきそれぞれオフセット値を演算するオフセット値演算手段と、前記位置センサー出力信号の一周期の整数倍変化後に、前記オフセット値演算手段の出力値を前記オフセット記憶器１８，１９に記憶指令するオフセット記憶指令手段とを具備することによって達成される。
【００１２】
また、本発明の上記目的は、オフセット記憶器１８，１９と、前記位置センサーの２つの出力値からそれぞれ前記オフセット記憶器１８，１９が記憶するオフセット値を除去するオフセット減算器８，９と、前記オフセット減算器８，９の２つの出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ記憶する信号記憶器３７，３８と、前記２つの出力値に対してそれぞれ前記信号記憶器３７，３８の記憶値との差の自乗を演算し、自乗演算後の２つの値を加算した値の平方根を演算する距離演算器３９と、前記距離演算器３９の出力値を積算する距離積算器３５と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ前記距離演算器３９の出力値と乗算する信号乗算器２２，２３と、前記信号乗算器２２，２３の２つの出力値をそれぞれ積算する信号積算器２４，２５と、前記距離演算器３９の出力値が一定値を越えた場合に、前記信号記憶器３７，３８と前記信号積算器２４，２５にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う指令手段と、前記信号積算器２４，２５の２つの出力値それぞれに対して前記距離積算器３５の出力値で除算する除算器２６，２７と、前記位置センサー出力信号の一周期の整数倍変化後に、前記除算器２６，２７の２つの出力値を前記オフセット記憶器１８，１９に記憶指令するオフセット記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、振幅修正値を記憶する振幅修正値記憶器２０と、前記位置センサーの一方の出力信号を前記振幅修正値記憶器２０が記憶する振幅修正値に従って信号振幅を修正する乗算器１１と、前記位置センサーの他方の出力値と前記信号振幅を修正する乗算器１１の出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーによって検出される変位の変化した距離に対応する移動距離を演算する距離演算手段と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ正数化の演算を行う正数化演算器２８，２９と、前記正数化演算器２８，２９の２つの出力値と前記距離演算手段の出力値に基づきそれぞれ積算する正数化積算器３０，３１と、前記正数化積算器３０，３１の出力値と前記距離演算手段の出力値に基づき振幅修正値を演算する振幅修正値演算手段と、前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に、振幅修正値演算手段の出力値を前記振幅修正値記憶器２０に記憶指令する振幅修正値記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１４】
また、本発明の上記目的は、振幅修正値を記憶する振幅修正値記憶器２０と、前記位置センサーの一方の出力信号を前記振幅修正値記憶器２０が記憶する振幅修正値に従って信号振幅を修正する乗算器１１と、前記位置センサーの他方の出力値と前記信号振幅を修正する乗算器１１の出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ記憶する信号記憶器３７，３８と、前記位置センサーの２つの出力値に対してそれぞれ前記信号記憶器３７，３８の記憶値との差の自乗を演算し、自乗演算後の２つの値を加算した値の平方根を演算する距離演算器３９と、前記距離演算器３９の出力値を積算する距離積算器３５と、前記位置センサーの２つの出力値に対してそれぞれ自乗した後に前記距離演算器３９の出力値との積を演算する正数化演算器２８，２９と、前記正数化演算器２８，２９の２つの出力値をそれぞれ積算する正数化積算器３０，３１と、前記距離演算器３９の出力値が一定値を越えた場合に、前記信号記憶器３７，３８と前記正数化積算器３０，３１にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う指令手段と、前記距離積算器３５と前記正数化積算器３０，３１の出力値から振幅修正値を演算する振幅修正値演算手段と、前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に、振幅修正値演算手段の出力値を前記振幅修正値記憶器２０に記憶指令する振幅修正値記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１５】
また、本発明の上記目的は、位相差修正値を記憶する位相差修正値記憶器２１と、前記位相差修正値記憶器２１が記憶する位相差修正値と前記位置センサーの一方の出力信号に応じて、前記位置センサーの他方の出力信号位相を修正する位相修正手段と、前記位置センサーの一方の出力値と前記位相修正手段の出力値から位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーによって検出される変位の変化した距離に対応する移動距離を演算する距離演算手段と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ乗算する相関演算器３３と、前記相関演算器３３の出力値と前記距離演算手段の出力値に基づき積算する相関積算器３４と、前記相関積算器３４の出力値と前記距離演算手段の出力値に基づき前記位相差修正値を演算する位相差修正値演算手段と、前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に、前記位相差修正値演算手段の出力値を前記位相修正値記憶器２１に記憶指令する位相修正値記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１６】
また、本発明の上記目的は、位相差修正値を記憶する位相差修正値記憶器２１と、前記位相差修正値記憶器２１が記憶する位相差修正値と前記位置センサーの一方の出力信号に応じて、前記位置センサーの他方の出力信号位相を修正する位相修正手段と、前記位置センサーの一方の出力値と前記位相修正手段の出力値から位置信号に変換する内挿演算器１２と、前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ記憶する信号記憶器３７，３８と、前記位置センサーの２つの出力値に対してそれぞれ前記信号記憶器３７，３８の記憶値との差の自乗を演算し、自乗演算後の２つの値を加算した値の平方根を演算する距離演算器３９と、前記距離演算器３９の出力値を積算する距離積算器３５と、前記位置センサーの２つの出力値の積に前記距離演算器３９の出力値を乗算する相関演算器３３と、前記相関演算器３３の出力値を積算する相関積算器３４と、前記距離演算器３９の出力値が一定の値を越えた場合に、前記信号記憶器３７，３８と前記相関積算器３４にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う指令手段と、前記距離積算器３５と前記相関積算器３４の出力値から前記位相差修正値を演算する位相差修正値演算手段と、前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に前記位相差修正値演算手段の出力値を前記位相修正値記憶器２１に記憶指令する位相修正値記憶指令手段とを具備することで達成される。
【００１７】
本発明の位置検出装置では、位置センサー出力信号のオフセット値、振幅修正値、位相修正値を位置センサーがさまざまな位置で出力する信号を活用し、自動的に求めるため、信号ノイズや波形歪みの影響を受けにくく、精度の高いオフセット値，振幅修正値，位相修正値を検出することができ、位置センサー出力信号をこれらの値により修正することにより、高精度な位置検出が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、位置センサの回転変位を微小回転変位（増分）ごとに分割して考え、位置センサ出力信号の一周期の整数倍または半周期の整数倍で観察することで、製造後のオフセットや振幅修正値の経時変化がとらえられ演算できるということに基づいている。例えば正弦波の関数である出力信号がその一周期変化したときに、その微小回転変位について出力信号を順次積分すると、オフセットがなければ積分値はゼロになるし、ゼロにならないときはその一周期にわたる積分値がオフセット値になる。同様に正弦波の関数である出力信号がその半周期変化したときに、微小回転変位について出力信号の自乗を順次積分し、先ほど求まったオフセット値に対応する量を差し引いてやれば、その値は実効値になり、二つの出力信号について実効値の比を求めれば、振幅修正値が得られる等である。
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の位置検出装置の実施の形態を、図２に対応させて示すブロック図であり、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。
【００２０】
まず、図１の位置検出装置では、位置センサー１からの出力信号をデジタル化した数値ＤＳ，ＤＣを、平均化処理器１４、１５により数７，数８の演算で示す平均化処理が行われる。
【数７】
ＡＤＳ（ｎ）＝（ＤＳ−ＡＤＳ（ｎ−１））／Ｎ＋ＡＤＳ（ｎ−１）
【数８】
ＡＤＣ（ｎ）＝（ＤＣ−ＡＤＣ（ｎ−１））／Ｎ＋ＡＤＣ（ｎ−１）
数７，数８でｎとＮは信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に０に初期化され、信号ＴＩＭの立ち上がり変化にしたがって１づつインクリメントされる数である。また、Ｎはｎが２５６以上のときＮ＝２５６に固定される。なお、ＡＤＳ（ｎ），ＡＤＣ（ｎ）はｎ回目の数値ＡＤＳ，ＡＤＣを意味し、ＡＤＳ（０）＝ＡＤＣ（０）＝０である。
【００２１】
次に、平均化処理器１４，１５によって平均化された位置センサー１からの出力値ＡＤＳ，ＡＤＣは、それぞれ記憶器３７，３８に信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に記憶され、記憶器３７，３８の記憶値ＤＳＤ，ＤＣＤと数値ＡＤＳ，ＡＤＣは距離演算器３９により数９の演算が行われ数値ＤＳＴが出力される。
【数９】
ＤＳＴ＝ＳＱＲＴ（（ＡＤＳ−ＤＳＤ）＾２＋（ＡＤＣ−ＤＣＤ）＾２）
ここで、数値ＤＳＴは、信号ＳＵＭが入力してから測定変位の変化した距離にほぼ比例した値を示している。数値ＤＳＴは、比較器４１で記憶器４０が記憶する数値ＤＳＣと比較され、数値ＤＳＴが数値ＤＳＣを越えた場合に比較器４１の出力信号ＳＭは０から１に立ち上がり変化する。ここでＤＳＣは位置センサー１の入力軸が軸倍角分の１回転よりも十分小さい回転距離動いたときの数値ＤＳＴに相当する数値が予め設定されている。信号ＳＭが立ち上がり変化すると、論理和回路５２を経由して、信号ＳＵＭとして記憶器３７，３８とすべての積算器にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う。
【００２２】
このようにして、微小回転変位ＤＳＣごとに信号ＳＵＭが立上がり変化するので、信号ＳＵＭを基準にして、以下の微小回転変位ごとの演算を進めることができる。
【００２３】
また、数値ＤＳＴは積算器３５で信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に積算され、積算器３５は信号ＣＬの立ち下がり変化で０に初期化される。したがって、積算器３５が出力する数値ＤＳＴＳは、信号ＣＬの立ち下がり変化から位置センサー１の入力軸が回転した移動距離にほぼ比例した数値となる。
【００２４】
本発明の第一の実施の形態の中心であるオフセット値の演算について説明する。乗算器２２，２３では、それぞれ数値ＡＤＳ，ＡＤＣと数値ＤＳＴが乗算され、数値ＳＯＤ，ＣＯＤとして出力される。数値ＳＯＤ，ＣＯＤはそれぞれ積算器２４、２５で信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に積算されＳＯＳ，ＣＯＳとして出力される。また積算器２４，２５は信号ＣＬの立ち下がり変化で０に初期化される。したがって、積算器２４，２５が出力する数値ＳＯＳ，ＣＯＳは、信号ＣＬの立ち下がり変化後の、位置センサー１の２つの出力信号を移動量で積分した値にほぼ比例した数値となる。次に除算器２６と２７では、それぞれ数値ＳＯＳ，ＣＯＳが数値ＤＳＴＳで除算され、数値ＳＯ，ＣＯとして出力される。そこで数値ＳＯＳ，ＣＯＳを移動量にほぼ比例した数値ＤＳＴＳで除算した数値ＳＯ，ＣＯは、信号ＣＬの立ち下がり変化後の、位置センサー１の２つの出力値ＤＳ、ＤＣの平均値となる。
【００２５】
オフセット値を求めるには、位置センサ１の出力信号の一周期の整数倍にわたって観察が必要である。一周期の整数倍にあたる信号は次のようにして求める。まず記憶器４４，４５では信号ＣＬの立ち上がり変化時に、それぞれ数値ＡＤＳ，ＡＤＣが記憶され、記憶器４４，４５の記憶値ＳＳ，ＳＣと数値ＡＤＳ，ＡＤＣは演算器４６により数１０の演算が行われ数値ＤＬが出力される。
【数１０】
ＤＬ＝（ＡＤＳ−ＳＳ）＾２＋（ＡＤＣ−ＳＣ）＾２
数値ＤＬは、比較器４８で記憶器４７が記憶する数値ＤＬＣと比較され、数値ＤＬが数値ＤＬＣ以下となった場合に比較器４８の出力から１が出力される。ここで数値ＤＬＣは数値ＤＳＣの自乗よりも十分小さな値である。これにより、数値ＡＤＳ，ＡＤＣが周期的に変化して数値ＳＳ，ＳＣにほぼ等しくなるたびに、比較器４８の出力が立ち上がり変化する。
【００２６】
したがって、位置センサー１の入力軸が一定方向に回転している場合、比較器４８の出力は、信号ＡＳ，ＡＣの１周期分の変化ごとに立ち上がり変化する。比較器４８の出力の立ち上がり変化はカウンター４９でカウントアップされカウント値ＣＦが出力される。またカウンター４９は信号ＣＬの立ち上がり変化で０に初期化される。カウント値ＣＦは比較器５１で記憶器５０が記憶する数値Ｍと比較され、カウント値ＣＦが数値Ｍを越えた場合に信号ＳＥＴを立ち上がり変化させる。したがって、信号ＳＥＴは、信号ＣＬの立ち上がり変化してから、位置センサー１の出力信号が一周期の整数Ｍ倍の周期変化後に信号ＳＥＴを立ち上がり変化させることになる。また、信号ＳＥＴが立ち上がり変化すると、論理和回路５２を経由して記憶器３７，３８とすべての積算器に対して、それぞれ記憶指令と積算指令を行う。
【００２７】
このようにして、信号ＣＬの立ち上がり変化を基準として、位置センサ１の出力信号の整数Ｍ倍の周期変化ごとに、信号ＳＥＴが立上がるので、この期間にわたって演算を進めればよいことになる。
【００２８】
逆転検出器４２では数値ＡＤＳ，ＡＤＣの変化から位置センサー１の入力軸の回転方向が変化するのを検出して、信号ＲＶを短いパルスで１に変化させる。論理和回路４３では、信号ＲＶと信号ＳＥＴの論理和により信号ＣＬを出力し、位置センサー１の出力信号が整数Ｍ倍の周期変化するか、入力軸の回転方向が変化した場合に信号ＣＬを短いパルスで１に変化させる。
【００２９】
記憶器１８、１９は、それぞれ数値ＳＯ，ＣＯを信号ＳＥＴの立ち上がり変化によって記憶する。信号ＳＥＴは信号ＣＬの立ち上がり変化してから、位置センサー１の出力信号が一周期の整数倍の周期変化後に立ち上がり変化するため、記憶器１８、１９の出力値ＳＯＦ，ＣＯＦは、位置センサー１の２つの出力値ＤＳ、ＤＣが一周期の整数倍の周期変化した間の平均値となる。したがって、数値ＳＯＦ，ＣＯＦには信号変化分は相殺され、出力値ＤＳ、ＤＣのオフセット成分と同等となる。このようにして、オフセット値が求められる。
【００３０】
数値ＤＳ、ＤＣは従来例と同様に、それぞれ減算器８，９により数値ＳＯＦ，ＣＯＦが減算され、オフセットが除去された数値ＤＳＡ，ＤＣＡとなる。
【００３１】
次に本発明の第二の実施の形態の中心である振幅修正値の演算について説明する。正数化演算器２８，２９ではそれぞれ数値ＡＤＳとＡＤＣを自乗した値に数値ＤＳＴを乗算することにより、数値ＡＤＳとＡＤＣの値の正負に関係なく演算値を正の数に変換し、数値ＳＳＤ，ＣＣＤとして出力する。数値ＳＳＤ，ＣＣＤはそれぞれ積算器３０、３１で信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に積算され、数値ＳＳＳ，ＣＣＳとして出力される。また積算器３０、３１は信号ＣＬの立ち下がり変化で０に初期化される。したがって、数値ＳＳＳ、ＣＣＳは、信号ＣＬの立ち下がり変化後の、位置センサー１の２つの出力信号の自乗を移動量で積分した値にほぼ比例した数値となる。振幅修正値演算器３２では数値ＳＳＳ，ＣＣＳ，ＳＯ，ＣＯ，ＤＳＴＳを入力として、数１１の演算が行われ数値ＢＡが出力される。
【数１１】
ＢＡ＝ＳＱＲＴ（（ＣＣＳ−ＣＯ＾２＊ＤＳＴＳ）／（ＳＳＳ−ＳＯ＾２＊ＤＳＴＳ））
【００３２】
記憶器２０は、数値ＢＡを信号ＳＥＴの立ち上がり変化によって記憶する。これらのことから、記憶器２０の出力値ＢＡＪは、数１１により位置センサー１の２つの出力値ＤＳ、ＤＣの自乗を一周期の整数倍の周期変化した間について移動量で積分した値から、オフセットの成分を除去し平方根に開いてから、両者の比を求めた値である。したがって、数値ＢＡＪは、出力値ＤＳ、ＤＣの実効値の比を示し、これは出力値ＤＳ、ＤＣの振幅比と同等となる。このようにして振幅修正値が求められる。
【００３３】
オフセット除去後の数値ＤＳＡは従来例と同様に、乗算器１１により数値ＢＡＪが乗算され、数値ＤＣＡの振幅とほぼ等しい振幅の数値ＤＳＢとなる。
【００３４】
なお、オフセット除去後の値やオフセットを無視できるセンサー出力値をＡＤＳ，ＡＤＣとして、それぞれ正数化演算器２８，２９に入力した場合は、数値ＳＯ，ＣＯ，ＤＳＴＳの入力は不要となる。また、振幅修正値は、振幅差が大きくなると数１１とは、僅かに異なる値を示すため、予め演算補正量を求めて補正演算を追加してもよい。あるいは、振幅修正後の値を入力として振幅修正値を求める演算を行うことにより、繰り返し修正によって、振幅修正値の精度を高めても良い。
【００３５】
次に本発明の第三の実施の形態の中心である位相修正値の演算について説明する。相関演算器３３では数値ＡＤＳと数値ＡＤＣとの積に数値ＤＳＴを乗算することにより、数値ＲＤを出力する。数値ＲＤは積算器３４で信号ＳＵＭの立ち上がり変化時に積算され、数値ＲＳとして出力される。また積算器３４は信号ＣＬの立ち下がり変化で０に初期化される。したがって、数値ＲＳは、信号ＣＬの立ち下がり変化後の、位置センサー１の２つの出力信号の積を移動量で積分した値にほぼ比例した数値となる。位相修正値演算器３６では数値ＲＳ，ＤＳＴＳ，ＳＳＳ，ＣＣＳ，ＳＯ，ＣＯを入力として、数１２，１３，１４の演算が行われ数値ＰＨが出力される。
【数１２】
Ｘ＝（ＲＳ／ＤＳＴＳ−ＳＯ＊ＣＯ）
【数１３】
Ｙ＝ＳＱＲＴ（（ＳＳＳ／ＤＳＴＳ−ＳＯ＾２）（ＣＣＳ／ＤＳＴＳ−ＣＯ＾２））
【数１４】
ＰＨ＝Ｘ／Ｙ
【００３６】
記憶器２１は、数値ＰＨを信号ＳＥＴの立ち上がり変化によって記憶する。数１２では位置センサー１の２つの出力値ＤＳとＤＣ積の平均値から、オフセット成分を除去して数値Ｘを求めている。このことから、数値Ｘは出力値ＤＳとＤＣの同位相成分の大きさを示すことになる。また、数１３では出力値ＤＳとＤＣの実効値の積を計算している。このことから、数値Ｙは出力値ＤＳとＤＣの振幅積の半分と同等となる。数１４では、出力値ＤＳとＤＣの同位相成分の大きさから出力値ＤＳとＤＣの振幅積で除算した値を数値ＰＨとしている。したがって、記憶器２１の出力ＰＨＪは出力値ＤＳとＤＣの一方の信号に他方の信号位相成分が含まれる割合を示す位相修正値となり、このようにして位相修正値が求められる。
【００３７】
乗算器１６では、オフセット除去後の数値ＤＣＡを数値ＰＨＪで乗算し、減算器１７では、乗算器１６の出力値ＤＣＪを振幅修正後の数値ＤＳＢから減算することにより、数値ＤＳＢに含まれる数値ＤＣＡと同位相の成分を除去することができる。これにより、減算器１７の出力値ＤＳＰと数値ＤＣＡの位相差は、完全な９０度となる。数値ＤＳＰと数値ＤＣＡは内挿演算器１２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。
【００３８】
なお、位相修正後の数値ＤＳＰの振幅は、数値ＤＣＡの振幅と僅かに異なるため、位相修正量が大きな場合等は、振幅修正値ＢＡＪと位相修正値ＰＨＪを修正後の振幅が一致するように考慮して数値修正する必要がある。また、オフセット除去後の値やオフセットを無視できるセンサー出力値をＡＤＳ，ＡＤＣとして、それぞれ相関演算器３３に入力した場合は、数値ＳＯ，ＣＯは不要となる。また、出力値ＤＳとＤＣの振幅が一定している場合も、相関演算器３３への数値ＳＳＳ，ＣＣＳの入力は不要であり、この場合は、数値Ｘを予め、数値ＤＳとＤＣの振幅から求める必要がある。
【００３９】
上記実施の形態では、乗算器２２、２３や正数化演算器２８，２９や相関演算器３３への入力を数値ＡＤＳ又は数値ＡＤＣとしたが、数値ＡＤＳを数値ＡＤＳと数値ＤＳＢの平均値とし、数値ＡＤＣを数値ＡＤＣと数値ＤＣＢの平均値とすれば、積分演算の精度が向上するため、高精度にオフセット値や振幅修正値及び位相修正値を求めることが可能である。また、数値ＤＳ、ＤＣに含まれるノイズが小さい場合は、平均化処理器を省略しても良い。さらには、本発明の位置検出装置では、オフセット値や振幅修正値及び位相修正値を求める手段を商品として出荷後の位置検出装置の中に持つ必要はなく、製造時の検査装置等にオフセット値や振幅修正値や位相修正値を求める手段を組み込み、製造時に検出した高精度なオフセット値や振幅修正値や位相修正値を位置検出装置の不揮発性メモリ等に設定して実現しても良い。
【００４０】
また、振幅修正値及び位相修正値の演算において、一周期の整数倍にあたる信号ＳＥＴの立ち上がり変化してから出力しているが、半周期の整数倍毎に出力することで十分である。一周期の整数倍としたのは、オフセット値の演算と統一したためである。また、距離積算器３９は位置センサの回転変位を利用し移動距離を求めても良い。
【００４１】
【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センサー出力信号のオフセット値や振幅差或いは位相差等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。また、オフセット値や振幅修正値や位相修正値を、様々な位置での位置センサー出力信号を元に自動的に求めるため、信号ノイズや波形歪みの影響を受けにくく、精度の高いオフセット値，振幅修正値，位相修正値を検出することができる。これらにより、高精度な位置検出が可能となり、工作機械等の可動部の応答性を向上させることができる。
【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】 従来の位置検出装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 位置センサー
２，３ 増幅器
４，５ ＡＤ変換器
６，７，１０，１８，１９，２０，２１，３７，３８，４０，４４，４５，４７，５０ 記憶器
８，９、１７ 減算器
１１，１６，２２，２３ 乗算器
１２ 内挿演算器
１４、１５ 平均化処理器
２４，２５，３０，３１，３４，３５ 積算器
２６，２７ 除算器
２８，２９ 正数化演算器
３２ 振幅修正値演算器
３３ 相関演算器
３６ 位相修正値演算器
３９ 距離演算器
４１，４８，５１ 比較器
４２ 逆転検出器
４３，５２ 論理和回路
４６ 演算器
４９ カウンター
Claims (7)
- 測定変位に対応して周期的に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサーからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
オフセット記憶器１８，１９と、前記位置センサーの２つの出力値からそれぞれ前記オフセット記憶器１８，１９が記憶するオフセット値を除去するオフセット減算器８，９と、前記オフセット減算器８，９の２つの出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、
前記位置センサーによって検出される変位の変化した距離に対応する移動距離を演算する距離演算手段と、
前記位置センサーの２つの出力値と前記距離演算手段の出力値に基づきそれぞれ積分する積分手段と、
前記積分手段の２つの出力値と前記距離演算手段の出力値に基づきそれぞれオフセット値を演算するオフセット値演算手段と、
前記位置センサー出力信号の一周期の整数倍変化後に、前記オフセット値演算手段の出力値を前記オフセット記憶器１８，１９に記憶指令するオフセット記憶指令手段と、
を具備したことを特徴とする位置検出装置。 - 測定変位に対応して周期的に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサーからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
オフセット記憶器１８，１９と、前記位置センサーの２つの出力値からそれぞれ前記オフセット記憶器１８，１９が記憶するオフセット値を除去するオフセット減算器８，９と、前記オフセット減算器８，９の２つの出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、
前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ記憶する信号記憶器３７，３８と、前記２つの出力値に対してそれぞれ前記信号記憶器３７，３８の記憶値との差の自乗を演算し、自乗演算後の２つの値を加算した値の平方根を演算する距離演算器３９と、前記距離演算器３９の出力値を積算する距離積算器３５と、
前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ前記距離演算器３９の出力値と乗算する信号乗算器２２，２３と、前記信号乗算器２２，２３の２つの出力値をそれぞれ積算する信号積算器２４，２５と、
前記距離演算器３９の出力値が一定値を越えた場合に、前記信号記憶器３７，３８と前記信号積算器２４，２５にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う指令手段と、
前記信号積算器２４，２５の２つの出力値それぞれに対して前記距離積算器３５の出力値で除算する除算器２６，２７と、
前記位置センサー出力信号の一周期の整数倍変化後に、前記除算器２６，２７の２つの出力値を前記オフセット記憶器１８，１９に記憶指令するオフセット記憶指令手段と、
を具備したことを特徴とする位置検出装置。 - 測定変位に対応して周期的に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサーからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
振幅修正値を記憶する振幅修正値記憶器２０と、前記位置センサーの一方の出力信号を前記振幅修正値記憶器２０が記憶する振幅修正値に従って信号振幅を修正する乗算器１１と、前記位置センサーの他方の出力値と前記信号振幅を修正する乗算器１１の出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、
前記位置センサーによって検出される変位の変化した距離に対応する移動距離を演算する距離演算手段と、
前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ正数化の演算を行う正数化演算器２８，２９と、前記正数化演算器２８，２９の２つの出力値と前記距離演算手段の出力値に基づきそれぞれ積算する正数化積算器３０，３１と、
前記正数化積算器３０，３１の出力値と前記距離演算手段の出力値に基づき振幅修正値を演算する振幅修正値演算手段と、
前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に、振幅修正値演算手段の出力値を前記振幅修正値記憶器２０に記憶指令する振幅修正値記憶指令手段と、
を具備したことを特徴とする位置検出装置。 - 測定変位に対応して周期的に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサーからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
振幅修正値を記憶する振幅修正値記憶器２０と、前記位置センサーの一方の出力信号を前記振幅修正値記憶器２０が記憶する振幅修正値に従って信号振幅を修正する乗算器１１と、前記位置センサーの他方の出力値と前記信号振幅を修正する乗算器１１の出力値を位置信号に変換する内挿演算器１２と、
前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ記憶する信号記憶器３７，３８と、前記位置センサーの２つの出力値に対してそれぞれ前記信号記憶器３７，３８の記憶値との差の自乗を演算し、自乗演算後の２つの値を加算した値の平方根を演算する距離演算器３９と、前記距離演算器３９の出力値を積算する距離積算器３５と、
前記位置センサーの２つの出力値に対してそれぞれ自乗した後に前記距離演算器３９の出力値との積を演算する正数化演算器２８，２９と、前記正数化演算器２８，２９の２つの出力値をそれぞれ積算する正数化積算器３０，３１と、
前記距離演算器３９の出力値が一定値を越えた場合に、前記信号記憶器３７，３８と前記正数化積算器３０，３１にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う指令手段と、
前記距離積算器３５と前記正数化積算器３０，３１の出力値から振幅修正値を演算する振幅修正値演算手段と、
前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に、振幅修正値演算手段の出力値を前記振幅修正値記憶器２０に記憶指令する振幅修正値記憶指令手段と、
を具備したことを特徴とする位置検出装置。 - 測定変位に対応して周期的に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサーからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
位相差修正値を記憶する位相差修正値記憶器２１と、前記位相差修正値記憶器２１が記憶する位相差修正値と前記位置センサーの一方の出力信号に応じて、前記位置センサーの他方の出力信号位相を修正する位相修正手段と、前記位置センサーの一方の出力値と前記位相修正手段の出力値から位置信号に変換する内挿演算器１２と、
前記位置センサーによって検出される変位の変化した距離に対応する移動距離を演算する距離演算手段と、
前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ乗算する相関演算器３３と、前記相関演算器３３の出力値と前記距離演算手段の出力値に基づき積算する相関積算器３４と、
前記相関積算器３４の出力値と前記距離演算手段の出力値に基づき前記位相差修正値を演算する位相差修正値演算手段と、
前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に、前記位相差修正値演算手段の出力値を前記位相修正値記憶器２１に記憶指令する位相修正値記憶指令手段と、
を具備したことを特徴とする位置検出装置。 - 測定変位に対応して周期的に変化する９０度位相の異なる２つの信号を出力とする位置センサーからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
位相差修正値を記憶する位相差修正値記憶器２１と、前記位相差修正値記憶器２１が記憶する位相差修正値と前記位置センサーの一方の出力信号に応じて、前記位置センサーの他方の出力信号位相を修正する位相修正手段と、前記位置センサーの一方の出力値と前記位相修正手段の出力値から位置信号に変換する内挿演算器１２と、
前記位置センサーの２つの出力値をそれぞれ記憶する信号記憶器３７，３８と、前記位置センサーの２つの出力値に対してそれぞれ前記信号記憶器３７，３８の記憶値との差の自乗を演算し、自乗演算後の２つの値を加算した値の平方根を演算する距離演算器３９と、前記距離演算器３９の出力値を積算する距離積算器３５と、
前記位置センサーの２つの出力値の積に前記距離演算器３９の出力値を乗算する相関演算器３３と、前記相関演算器３３の出力値を積算する相関積算器３４と、
前記距離演算器３９の出力値が一定の値を越えた場合に、前記信号記憶器３７，３８と前記相関積算器３４にそれぞれ記憶指令と積算指令を行う指令手段と、
前記距離積算器３５と前記相関積算器３４の出力値から前記位相差修正値を演算する位相差修正値演算手段と、
前記位置センサー出力信号の半周期の整数倍変化後に前記位相差修正値演算手段の出力値を前記位相修正値記憶器２１に記憶指令する位相修正値記憶指令手段と、
を具備したことを特徴とする位置検出装置。 - 前記記憶指令と積算指令を行う指令手段が指令を行うまでの実際の位置センサー出力信号の平均値を前記位置センサーからの出力信号として扱うことを特徴とする請求項２、請求項４、請求項６のいずれか１に記載の位置検出装置。
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