JP4823021B2 - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受 - Google Patents
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Description
このように構成された回転検出装置43では、各辺の磁気センサアレイ45の出力を信号増幅回路、AD変換回路で読み出して前記磁石44の磁界分布を検出し、その検出結果に基づき磁石44の回転角度をデジタル信号処理回路により算出する。
しかし、角度の変化量が小さい場合などにおいては、サンプリング間隔毎に出力されるパルス数が少なくなるので、例えば0.7パルスといった1パルスに満たない出力が必要になる場合などが生じる。この場合には、サンプリング期間毎にパルスを発生させると、各期間のつなぎ目でパルスが不連続に変化してしまい、安定したパルス出力が得られない。
このような回転検出装置から出力されるパルス信号を利用して機器の制御を行う場合には、パルス幅や間隔に基づいて演算処理をすることが多く、上記したような不安定なパルスは好ましくない。
この構成によると、一定期間における角度計算手段6の出力する回転角度のデータを回転状態推定手段11により統計処理することで回転状態を推定し、推定された回転状態から以降の回転角度を回転角度予測処理手段12で予測し、回転角度センサ10により検出される角度データよりも高い分解能で、現在位置カウンタ17が回転角度に対応した数値を連続的にカウントし、そのカウント値をこの回転検出装置の出力角度データとする。このため、サンプリング間隔以下の時間分解能で精度の良い角度データを安定良く得ることができる。
Pn/(T・F0)
とするものであっても良い。
この構成によると、軸受使用機器の部品点数、組立工数の削減、およびコンパクト化が図れる。
この発明の検出装置付き軸受は、この発明の回転検出装置を軸受に組み込んだものであるため、軸受使用機器の部品点数、組立工数の削減、およびコンパクト化が図れる。
磁石2は、図2に示すように、その一対の磁極N,Sから発生する磁気が転がり軸受20の軸心Oの回りの方向性を有するものである。この磁石2は、転がり軸受20の軸心Oが磁石2の中心と一致するように、回転軸30の一端の中央に固定される。磁石2が回転軸30と一体に回転することによって、上記軸受軸心Oの回りをN磁極およびS磁極が旋回移動する。
いま、図4に示す位置X1とX2に磁気センサアレイ5A〜5Dの検出磁界のN磁極とS磁極の境界であるゼロクロス位置があるとする。この状態で、各磁気センサアレイ5A〜5Dの出力は、図5(A)〜(D)に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置X1,X2は、磁気センサアレイ5A,5Cの出力から直線近似することで算出できる。
角度計算は、次式(1)で行うことができる。
θ=tan-1(2L/b) ……(1)
ここでθは、磁石2の回転角度を絶対角度(アブソリュート値)で示した値である。2Lは、矩形に並べられる各磁気センサアレイ5A〜5Dより構成される四角形の1辺の長さである。bは、ゼロクロス位置X1,X2間の横方向長さである。
ゼロクロス位置X1,X2が磁気センサアレイ5B,5Dにある場合にも、それらの出力から得られるゼロクロス位置データにより、上記と同様にして回転角度θが算出される。
回転角度予測処理手段12は、前記回転状態推定手段11で推定された回転状態から前記角度計算手段6での計算遅延時間の補償を行うとともに、次回サンプリング時刻tn+1 における予測角度θn+1 を求める手段である。
回転角度予測処理手段12では、回転状態推定手段11で求められた回帰直線を延長して、次のサンプリング時刻tn+1 における予測角度θn+1 を求める。この処理は、処理対象期間mT内の平均回転速度を用いて外挿処理することに相当し、角度データのばらつきが約1/√mに低減されることになる。すなわち、この処理は、検出された角度θn よりも高い精度で実行される。したがって、例えば検出角度θn のデータ精度が10ビットであった場合、予測角度θn+1 は16ビットで扱われる。
出力パルス数計算手段13は、現在位置カウンタ17で計数される現在角度θn に対応する計数値Cn と回転角度予測処理手段12から出力される予測角度θn+1 との差P(=θn+1 −Cn )を、次のサンプリングまでの期間Tに必要な角度変化量に相当する出力パルス数として算出する回路である。
分周回路16は、発振器15から出力される現在位置カウンタ17の動作クロックよりも高速な原クロック(周波数F0)を分周して生成した動作ロック(周波数f)で現在位置カウンタ17を動作させる回路である。
分周比計算手段14は、前記出力パルス数計算手段13が算出する出力パルス数Pに応じて、前記分周回路16の分周比を変化させる手段である。現在位置カウンタ17のサンプリング間隔をT、発振器15から出力される原クロックの周波数をF0、出力パルス数計算手段13で算出する角度の変化量(出力パルス数)をPnであるとすると、分周比計算手段14は、分周回路16の分周比Wを、
W=Pn/(T・F0) ……(2)
として算出する。
現在位置カウンタ17は、発振器15の原ロック(周波数F0)を分周回路16で分周(分周比W)して得られる動作クロック(周波数f=F0・W=P/T)に応じて出力パルス数Pだけ動作して、カウント値を更新するカウンタである。これにより、現在位置カウンタ17は、サンプリング期間T内に角度の変化量に相当する必要なクロック数Pをカウントできる。現在の出力角度データは、現在位置カウンタ17のカウント値Cn となっているので、前記出力パルス数計算手段13で予測角度θn+1 との差Pを算出すると、次のサンプリング期間Tの予想変化角度が求められる。現在位置カウンタ17も、前記補正手段7での演算精度に合わせて高い精度に設定される。例えば検出角度θn のデータ精度が10ビットであった場合、補正手段7の演算精度と同じ16ビットで扱われる。
ビットを選択することで、回転パルス生成回路18の出力パルス分解能を設定する手段である。
図8(a)のように、サンプリング間隔T毎に出力パルス数計算手段13では出力パルス数P(=θn+1 −Cn )が計算され、その値に基づき図8(b)のように分周回路16からT’(=T/P)の周期でカウンタ動作クロックが生成される。現在位置カウンタ17の値は図8(c)のように常に1ずつしか変化しないので、回転パルス生成回路18によるパルス信号の生成では、必要な精度に応じてカウンタ使用ビット指定手段19によりカウンタデータの2ビットを選択し、その信号状態から図8(d),(e)のように通常のエンコーダで用いられるA相およびB相の2相パルス信号が生成される。図8(d),(e)では、現在位置カウンタ17のカウント値の最下位の2ビットを使用した例を示す。この場合、選択する2つのビット位置を変えると、出力されるAB相信号のパルス数が変わるので、検出角度の出力分解能を変化させることができる。例えば、現在位置カウンタ17での1回転の角度カウント値が16ビットデータで構成されている場合、最下位4ビットを除いた下位ビットの2つをビットC5,C4として、図7に示す論理回路によって、AB相の信号を生成することができる。この場合には、AB各相1024パルス/1回転のパルス出力となり、4逓倍すると4096/1回転の角度分解能の信号が出力されることになる。選択するビットをC7,C6とすると出力分解能は4分の1になり、AB各相256パルス/1回転の出力パルス数となる。
2…磁石
3…回転センサ
4…半導体チップ
5…磁気センサ
5a…磁気センサ素子
5A〜5D…磁気センサアレイ
6…角度計算手段
8…カウンタ動作速度変化手段
10…回転角度センサ
11…回転状態推定手段
12…回転角度予測処理手段
14…分周比計算手段
16…分周回路
17…現在位置カウンタ
18…回転パルス生成回路
19…カウンタ使用ビット指定手段
Claims (8)
- 回転体に設けられた磁石の磁界強度を計測する複数の磁気センサ素子、およびこれら磁気センサ素子の計測値から前記磁石の回転角度を演算する角度計算手段を有する回転角度センサを備えた回転検出装置であって、
一定期間における前記角度計算手段の出力する回転角度のデータを統計処理することにより回転状態を推定する回転状態推定手段と、この回転状態推定手段で推定された回転状態から以降の回転角度を予測する回転角度予測処理手段と、前記回転角度センサにより検出される角度データの分解能よりも高い分解能を持ちカウント値がこの回転検出装置の出力角度データとされる現在位置カウンタと、この現在位置カウンタの動作速度を、前記回転角度予測処理手段の予測値と現在のカウント値との差に応じて変化させるカウンタ動作速度変化手段とを備えた回転検出装置。 - 請求項1において、前記現在位置カウンタを、この現在位置カウンタよりも高速な原クロックを分周して生成した動作クロックで動作させる分周回路を有し、前記カウンタ動作速度変化手段が、前記回転角度予測処理手段の予測値に応じて前記分周回路の分周比を変化させる分周比計算手段である回転検出装置。
- 請求項2において、前記分周比計算手段は、分周比を、現在位置カウンタのサンプリング期間をT、原クロック周波数をF0、角度の変化量をPnとしたとき、
Pn/(T・F0)
とするものである回転検出装置。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、前記現在位置カウンタの出力を、互いに90°位相の異なるA相およびB相の2つのパルス信号と、1回転に1度のインデックス信号とでなる回転パルス信号として出力する回転パルス生成手段を設けた回転検出装置。
- 請求項4において、前記回転パルス生成手段で回転パルス信号を生成するときに使用する出力角度データのビットを選択することで、出力パルス分解能を設定するカウンタ使用ビット指定手段を設けた回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項において、前記回転状態推定手段、回転角度予測処理手段、現在位置カウンタ、およびカウンタ動作速度変化手段が、前記回転角度センサの角度算出手段と同じ半導体チップ上に集積された回路である回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか1項において、前記回転角度センサが、磁気アレイセンサからなる回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の回転検出装置を軸受に組み込んだ回転検出装置付き軸受。
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