JP6842943B2 - Rotary encoder - Google Patents
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Description
本発明は、ロータリエンコーダに関し、特に磁気式のロータリエンコーダに関する。 The present invention relates to a rotary encoder, and more particularly to a magnetic rotary encoder.
固定体に対する回転体の回転位置を検出する装置として、磁気抵抗効果(MR)素子やホール素子などの感磁素子を利用した磁気式のロータリエンコーダが知られている。このようなロータリエンコーダでは、回転体(磁石)の回転に伴う磁界変化により、配線や回路等に誘導電圧が発生し、その信号成分が感磁素子からの出力信号に重畳されることで検出精度が悪化するという問題があることが知られている。 As a device for detecting the rotational position of a rotating body with respect to a fixed body, a magnetic rotary encoder using a magnetoresistive element such as a magnetoresistive effect (MR) element or a Hall element is known. In such a rotary encoder, an induced voltage is generated in wiring, a circuit, etc. due to a change in the magnetic field accompanying the rotation of a rotating body (magnet), and the signal component is superimposed on the output signal from the magnetizing element, so that the detection accuracy is high. Is known to have the problem of worsening.
特許文献1には、上記誘導電圧が回転体の回転速度に比例して出力信号に重畳されることを利用して、誘導電圧による誤差を補正する方法が記載されている。この方法では、特定の回転速度において誘導電圧を打ち消すための補正量が予め記憶されており、この補正量から、特定の回転速度と使用時の回転速度との比率に基づいて、使用時の回転速度において誘導電圧を打ち消すための補正値が換算されている。これにより、回転速度に比例して増加する補正値を使用時の回転速度から換算して算出することができ、回転体の回転位置を精度良く検出することができる。
しかしながら、特許文献1に記載された補正方法だけでは、回転体の回転に伴って出力信号に重畳される誤差成分を取り除くことができず、高い検出精度を維持するには十分ではない。
However, the correction method described in
そこで、本発明の目的は、回転体の回転位置を高精度に検出するロータリエンコーダを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a rotary encoder that detects the rotational position of a rotating body with high accuracy.
上述した目的を達成するために、本発明のロータリエンコーダは、固定体に対する回転体の回転位置を検出するロータリエンコーダであって、固定体および回転体の一方に設けられた磁石と、固定体および回転体の他方に設けられ、磁石からの磁界変化を検出する磁気センサ部であって、磁石の着磁面に対向して配置され、回転体の回転に伴って正弦波状のA相信号を出力する第1の感磁素子と、磁石の着磁面に対向して配置され、回転体の回転に伴ってA相信号と90°の位相差を有する正弦波状のB相信号を出力する第2の感磁素子と、を有する磁気センサ部と、A相信号およびB相信号に基づいて回転体の回転位置を算出する制御部と、を有し、制御部が、A相信号およびB相信号のそれぞれに含まれる信号成分のうち回転体の回転速度の増加に伴って非線形に減少する信号成分であって基準回転速度時の信号成分に関する複数のパラメータと、基準回転速度に対する回転体の回転速度の比率と複数のパラメータの変化率との関係を示すデータと、を記憶する記憶部と、回転体の現在の回転速度を算出する回転速度算出部と、を有し、制御部は、回転角度算出部によって算出された現在の回転速度の基準回転速度に対する比率と、複数のパラメータの変化率とに基づいて、記憶部に記憶されている複数のパラメータのうち少なくとも1つのパラメータを現在の回転速度における値に換算し、換算された値に基づいて減少する信号成分を補償することで、A相信号およびB相信号を補正する補正処理を実行し、補正されたA相信号およびB相信号を用いて回転体の回転位置を算出する。 In order to achieve the above-mentioned object, the rotary encoder of the present invention is a rotary encoder that detects the rotational position of the rotating body with respect to the fixed body, and includes a magnet provided on one of the fixed body and the rotating body, and the fixed body and the rotating body. A magnetic sensor unit provided on the other side of the rotating body to detect a change in the magnetic field from the magnet, which is arranged to face the magnetizing surface of the magnet and outputs a sinusoidal A-phase signal as the rotating body rotates. A second magnetizing element is arranged so as to face the magnetizing surface of the magnet, and outputs a sinusoidal B-phase signal having a phase difference of 90 ° from the A-phase signal as the rotating body rotates. The magnetic sensor unit has a magnetic sensor unit, and a control unit that calculates the rotation position of the rotating body based on the A-phase signal and the B-phase signal, and the control unit has the A-phase signal and the B-phase signal. Of the signal components contained in each of the above, a signal component that decreases non-linearly as the rotation speed of the rotating body increases, and has a plurality of parameters related to the signal component at the reference rotation speed, and the rotation speed of the rotating body with respect to the reference rotation speed. The control unit has a storage unit that stores data indicating the relationship between the ratio of the above and the rate of change of a plurality of parameters, and a rotation speed calculation unit that calculates the current rotation speed of the rotating body. Based on the ratio of the current rotation speed calculated by the calculation unit to the reference rotation speed and the rate of change of the plurality of parameters, at least one of the plurality of parameters stored in the storage unit is set to the current rotation speed. By converting to the value in (1) and compensating for the signal component that decreases based on the converted value, a correction process for correcting the A-phase signal and the B-phase signal is executed, and the corrected A-phase signal and the B-phase signal are obtained. It is used to calculate the rotation position of the rotating body.
このようなロータリエンコーダによれば、回転速度に応じて減少する信号成分に関するパラメータの換算値を用いて出力信号を補正することで、回転速度によらないほぼ一定の出力信号を得ることができ、高い検出精度を維持することができる。 According to such a rotary encoder, by correcting the output signal by using the converted value of the parameter related to the signal component that decreases according to the rotation speed, it is possible to obtain an almost constant output signal regardless of the rotation speed. High detection accuracy can be maintained.
本発明の一態様では、上記減少する信号成分が、A相信号およびB相信号のそれぞれの高調波成分であり、上記複数のパラメータが、その高調波成分の振幅および位相を含み、制御部は、上記複数のパラメータのうち振幅のみを現在の回転速度に換算し、換算された振幅と、記憶部に記憶されている位相とに基づいて、減少する信号成分を補償するか、あるいは、複数のパラメータのうち振幅および位相の両方を現在の回転速度における値に換算し、換算された振幅および位相に基づいて、減少する信号成分を補償することが好ましい。 In one aspect of the present invention, the reduced signal component is a harmonic component of each of the A-phase signal and the B-phase signal, the plurality of parameters include the amplitude and phase of the harmonic component, and the control unit , Only the amplitude of the above-mentioned plurality of parameters is converted into the current rotation speed, and the decreasing signal component is compensated based on the converted amplitude and the phase stored in the storage unit, or a plurality of signals components are compensated. It is preferred to convert both the amplitude and phase of the parameters to the values at the current rotational speed and compensate for the decreasing signal component based on the converted amplitude and phase.
この場合、上記振幅および位相は、基準回転速度として一定の回転速度で回転体を回転させ、A相信号およびB相信号にそれぞれ所定の信号成分を重畳させて回転体の回転速度を算出したときに、算出された回転速度のリップルが最小になるときの所定の信号成分の振幅および位相であることが好ましい。このような方法により、周波数分析などの解析処理を行うことなく、減少する信号成分を簡単に求めることができる。また、上記基準回転速度は、回転体に連結されたモータの瞬時最大回転速度であることが好ましく、これにより、パラメータとして、補償すべき減少する信号成分の変化が最大になるときの振幅および位相を設定することができ、高い分解能で出力信号の補正を行うことができる。また、上記振幅および位相の算出は、基準回転速度よりも低速で回転体を回転させたときに較正されたロータリエンコーダによって行われることで、算出処理を簡単にすることができる。また、上記高調波成分が、11次および13次の高調波成分であり、その場合、各感磁素子は、3次、5次、および7次の高調波成分がキャンセルされたA相信号およびB相信号を出力するように構成されていることが好ましい。これにより、上述した補正処理は、11次および13次の高調波成分にのみ適用し、3次、5次、および7次の高調波成分には適用する必要がないため、演算処理を簡単にすることができる。 In this case, when the amplitude and phase are calculated by rotating the rotating body at a constant rotation speed as a reference rotation speed and superimposing predetermined signal components on the A-phase signal and the B-phase signal, respectively. In addition, it is preferable that the amplitude and phase of a predetermined signal component when the ripple of the calculated rotation speed is minimized. By such a method, the signal component to be reduced can be easily obtained without performing analysis processing such as frequency analysis. Further, the reference rotation speed is preferably the instantaneous maximum rotation speed of the motor connected to the rotating body, whereby, as parameters, the amplitude and phase when the change of the decreasing signal component to be compensated is maximized. Can be set, and the output signal can be corrected with high resolution. Further, the calculation of the amplitude and the phase can be simplified by performing the calculation by the rotary encoder calibrated when the rotating body is rotated at a speed lower than the reference rotation speed. Further, the harmonic components are 11th and 13th harmonic components, and in that case, each magnetizing element has an A-phase signal in which the 3rd, 5th, and 7th harmonic components are cancelled. It is preferably configured to output a B-phase signal. As a result, the above-mentioned correction processing is applied only to the 11th and 13th harmonic components, and does not need to be applied to the 3rd, 5th, and 7th harmonic components, so that the arithmetic processing can be simplified. can do.
また、本発明の一態様では、磁気センサ部と制御部との間にローパスフィルタが設けられている。これにより、上述のパラメータの変化率を容易に求めることができる。 Further, in one aspect of the present invention, a low-pass filter is provided between the magnetic sensor unit and the control unit. Thereby, the rate of change of the above-mentioned parameters can be easily obtained.
また、制御部が、外部からの要求信号を受信したときに回転体の回転位置を算出することが好ましい。この場合、回転速度算出部が、外部からの要求信号の受信間隔を計測し、計測された受信間隔における回転体の回転変位量から、回転体の現在の回転速度を算出するようになっていてよい。これにより、制御部が実際に回転位置の算出を行う周期を計測しているため、正確な回転速度を算出することができ、出力信号の補正精度を向上させることができる。あるいは、回転速度算出部が、外部との間で予め設定された要求信号の受信間隔における回転体の回転変位量から、回転体の現在の回転速度を算出するようになっていてもよい。これにより、回転速度の算出に関する演算処理を簡単にすることができる。 Further, it is preferable that the control unit calculates the rotation position of the rotating body when the request signal from the outside is received. In this case, the rotation speed calculation unit measures the reception interval of the request signal from the outside, and calculates the current rotation speed of the rotating body from the amount of rotational displacement of the rotating body in the measured reception interval. Good. As a result, since the control unit measures the cycle in which the rotation position is actually calculated, the accurate rotation speed can be calculated, and the correction accuracy of the output signal can be improved. Alternatively, the rotation speed calculation unit may calculate the current rotation speed of the rotating body from the amount of rotational displacement of the rotating body at the reception interval of the request signal preset with the outside. This makes it possible to simplify the arithmetic processing related to the calculation of the rotation speed.
また、本発明のロータリエンコーダは、複数の磁石と、複数の磁気センサ部と、を有していてよく、複数の磁石が、回転体の周方向にN極とS極とが1極ずつ配置された第1の磁石と、回転体の周方向にN極とS極とが交互に複数配置された第2の磁石とを含んでいてよく、複数の磁気センサ部が、第1の磁石に対応する少なくとも1つの磁気センサ部と、第2の磁石に対応する磁気センサ部とを含んでいてもよい。この場合、制御部は、複数の磁気センサ部からの複数のA相信号および複数のB相信号に基づいて回転体の回転位置を算出し、その際に第2の磁石に対応する磁気センサ部に対して上記補正処理を実行することが好ましい。このような構成によれば、回転速度によらずに回転体の回転位置の検出精度を向上させることができる。 Further, the rotary encoder of the present invention may have a plurality of magnets and a plurality of magnetic sensor units, and the plurality of magnets have one north pole and one south pole arranged in the circumferential direction of the rotating body. The first magnet may be included, and a second magnet in which a plurality of N poles and S poles are alternately arranged in the circumferential direction of the rotating body may be included, and a plurality of magnetic sensor units may be attached to the first magnet. It may include at least one corresponding magnetic sensor unit and a magnetic sensor unit corresponding to the second magnet. In this case, the control unit calculates the rotation position of the rotating body based on the plurality of A-phase signals and the plurality of B-phase signals from the plurality of magnetic sensor units, and at that time, the magnetic sensor unit corresponding to the second magnet. It is preferable to execute the above correction process. According to such a configuration, it is possible to improve the detection accuracy of the rotation position of the rotating body regardless of the rotation speed.
また、各感磁素子が、磁気抵抗効果素子を有していることが好ましい。これにより、1つの素子からA相信号およびB相信号を簡単に得ることができる。 Further, it is preferable that each magnetic sensing element has a magnetoresistive effect element. Thereby, the A-phase signal and the B-phase signal can be easily obtained from one element.
本発明によれば、回転体の回転位置を高精度に検出するロータリエンコーダを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a rotary encoder that detects the rotational position of a rotating body with high accuracy.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本発明のロータリエンコーダは、固定体に対する回転体の回転位置を検出するものである。本明細書では、本発明について、回転体に磁石が設けられ、固定体に磁気センサ部(感磁素子)が設けられているロータリエンコーダを例に挙げて説明するが、ロータリエンコーダの構成はこれに限定されるものではなく、その逆であってもよい。すなわち、本発明は、回転体に感磁素子が設けられ、固定体に磁石が設けられたロータリエンコーダにも適用可能である。
図1は、本発明の一実施形態に係るロータリエンコーダの構成を示す概略図である。図1(a)は、本実施形態のロータリエンコーダの概略斜視図であり、図1(b)は、本実施形態のロータリエンコーダのブロック図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The rotary encoder of the present invention detects the rotational position of a rotating body with respect to a fixed body. In the present specification, the present invention will be described by taking as an example a rotary encoder in which a magnet is provided in a rotating body and a magnetic sensor unit (magnetic sensor) is provided in a fixed body. It is not limited to, and may be vice versa. That is, the present invention can also be applied to a rotary encoder in which a magnetizing element is provided in a rotating body and a magnet is provided in a fixed body.
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a rotary encoder according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a schematic perspective view of the rotary encoder of the present embodiment, and FIG. 1B is a block diagram of the rotary encoder of the present embodiment.
本実施形態のロータリエンコーダ10は、図1(a)および図1(b)に示すように、第1の磁石20と、第2の磁石30と、第1の磁気センサ部40と、第2の磁気センサ部50と、第3の磁気センサ部60と、制御部70とを有している。第1の磁石20と第2の磁石30は、回転軸Lを中心として回転する回転体(図示せず)に設けられ、回転体と共に回転可能である。第1の磁気センサ部40と第2の磁気センサ部50と第3の磁気センサ部60は、固定体(図示せず)に設けられている。例えば、回転体は、モータの出力軸に連結され、固定体は、モータのフレームに固定されている。第1から第3の磁気センサ部40,50,60は、それぞれ増幅回路(図示せず)やローパスフィルタ(LPF)80a,80b,80cを介して制御部70に接続されている。
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the
第1の磁石20は、回転体の回転軸L上に配置され、その中心が回転軸Lに一致する円盤状の永久磁石(例えばボンド磁石)からなり、周方向にN極とS極とが1極ずつ配置された着磁面21を有している。一方、第2の磁石30は、第1の磁石20の半径方向外側を囲うように配置され、その中心が回転軸Lに一致する円筒状の永久磁石(例えばボンド磁石)からなり、周方向にN極とS極とが交互に複数配置された環状の着磁面31を有している。第2の磁石30の着磁面31には、回転体の半径方向に並列して配置された複数(図示した実施形態では2つ)のトラック32a,32bが形成されている。各トラック32a,32bには、それぞれN極とS極からなる合計n個(nは2以上の整数、例えばN=64)の磁極対が周方向に沿って形成されている。半径方向に隣接する2つのトラック32a,32bは、周方向にずれて配置され、本実施形態では、周方向に1極分ずれて配置されている。
The
第1の磁気センサ部40と第2の磁気センサ部50とは、第1の磁石20からの磁界変化を検出するものであり、それぞれ第1の磁石20の着磁面21に対向して配置されている。第3の磁気センサ部60は、第2の磁石30からの磁界変化を検出するものであり、第2の磁石30の着磁面31に対向して配置されている。
The first
第1の磁気センサ部40は、それぞれが2つの磁気抵抗効果(MR)素子からなる4つの磁気抵抗パターン41〜44から構成された2つのセンサ(感磁素子)を備えている。具体的には、第1の磁気センサ部40は、回転体の回転に伴って正弦波状のA相信号(sin)を出力するA相センサと、回転体の回転に伴ってA相信号と90°の位相差を有する正弦波状のB相信号(cos)を出力するB相センサとを備えている。A相センサは、正弦波状の+a相信号(sin+)を出力する磁気抵抗パターン43と、+a相信号と180°の位相差を有する正弦波状の−a相信号(sin−)を出力する磁気抵抗パターン41とを有している。各磁気抵抗パターン43,41は、直列に接続された2つのMR素子からなり、これら2つの磁気抵抗パターン43,41が並列に接続されてブリッジ回路を構成している。B相センサは、正弦波状の+b相信号(cos+)を出力する磁気抵抗パターン44と、+b相信号と180°の位相差を有する正弦波状の−b相信号(cos−)を出力する磁気抵抗パターン42とを有している。各磁気抵抗パターン44,42は、直列に接続された2つのMR素子からなり、A相センサと同様に、これら2つの磁気抵抗パターン44,42が並列に接続されてブリッジ回路を構成している。
The first
第2の磁気センサ部50は、第1のホール素子51と、回転軸Lを中心として第1のホール素子51に対して90°離れた位置に配置された第2のホール素子52とを有している。
The second
第3の磁気センサ部60は、それぞれが2つのMR素子からなる4つの磁気抵抗パターン61〜64から構成された2つのセンサ(感磁素子)を備えている。具体的には、第3の磁気センサ部60は、回転体の回転に伴って正弦波状のA相信号(sin)を出力するA相センサと、回転体の回転に伴ってA相信号と90°の位相差を有する正弦波状のB相信号(cos)を出力するB相センサとを備えている。A相センサは、正弦波状の+a相信号(sin+)を出力する磁気抵抗パターン64と、+a相信号と180°の位相差を有する正弦波状の−a相信号(sin−)を出力する磁気抵抗パターン62とを有している。各磁気抵抗パターン64,62は、直列に接続された2つのMR素子からなり、これら2つの磁気抵抗パターン64,62が並列に接続されてブリッジ回路を構成している。B相センサは、正弦波状の+b相信号(cos+)を出力する磁気抵抗パターン63と、+b相信号と180°の位相差を有する正弦波状の−b相信号(cos−)を出力する磁気抵抗パターン61とを有している。各磁気抵抗パターン63,61は、直列に接続された2つのMR素子からなり、これら2つの磁気抵抗パターン63,61が並列に接続されてブリッジ回路を構成している。
The third
制御部70は、中央演算処理装置(CPU)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み出し専用メモリ(ROM)などを備えたマイクロコンピュータから構成され、第1から第3の磁気センサ部40,50,60から出力される出力信号に基づいて、回転体の回転位置(絶対角度位置)を算出するものである。
The
ここで、図2を参照して、本実施形態における回転体の絶対角度位置の検出原理について説明する。図2(a)は、特定の基準位置からの回転体の機械角の変化に対して、第1の磁石の磁極および強度、第1の磁気センサ部からの出力信号、第1のホール素子からの出力信号、および第2のホール素子からの出力信号を示している。図2(b)は、その出力信号と電気角θとの関係を示している。ここで、機械角とは、幾何学的または機械的に定められる角度を指し、電気角とは、感磁素子からの出力信号の位相から定められる角度を指す。なお、図2(a)では、第1および第2のホール素子からの出力信号は、コンパレータを介して得られるHまたはLの二値信号で示されている。 Here, with reference to FIG. 2, the principle of detecting the absolute angular position of the rotating body in the present embodiment will be described. FIG. 2A shows the magnetic poles and strengths of the first magnet, the output signal from the first magnetic sensor unit, and the first Hall element with respect to the change in the mechanical angle of the rotating body from a specific reference position. The output signal of the above and the output signal from the second Hall element are shown. FIG. 2B shows the relationship between the output signal and the electric angle θ. Here, the mechanical angle refers to an angle determined geometrically or mechanically, and the electric angle refers to an angle determined from the phase of the output signal from the magnetic sensing element. In FIG. 2A, the output signals from the first and second Hall elements are represented by H or L binary signals obtained via the comparator.
回転体が1回転すると、第1の磁石20も1回転(機械角で360°回転)する。そのため、第1の磁気センサ部40からは、図2(a)に示すように、それぞれ2周期分、すなわち電気角(出力信号の位相によって定まる角度)で720°分のA相信号(sin)およびB相信号(cos)が出力される。これらA相信号およびB相信号から、電気角θは、図2(b)に示すように、θ=tan−1(sin/cos)という関係式を用いて算出される。ただし、回転体が機械角で360°回転する間、電気角では720°回転するため、電気角θが算出されただけでは、回転体の絶対角度位置を求めることができない。そこで、回転軸Lを中心として互いに90°離れた位置に配置された2つのホール素子51,52が利用される。すなわち、2つのホール素子51,52から出力される出力信号から、第1の磁石20が発生する磁界の極性が判別され、そこから、図2(a)の一点鎖線で示すように、機械角による回転位置が平面座標系のどの象限に位置しているのかが判別される。こうして、回転体の絶対角度位置を算出することができる。
When the rotating body makes one rotation, the
一方で、第3の磁気センサ部60からは、回転体が第2の磁石30の周方向における1対の磁極分だけ回転する度に、図2(a)に示したものと同様に、それぞれ2周期分(すなわち電気角で720°分)のA相信号(sin)およびB相信号(cos)が出力される。したがって、第3の磁気センサ部60から出力されるA相信号およびB相信号からも、上述した第1の磁気センサ部40と同様の原理で、第2の磁石30の1対の磁極に相当する角度内での回転体の絶対角度位置が算出される。第3の磁気センサ部60による絶対角度位置の検出分解能は第1の磁気センサ部40によるそれよりも高いため、これらを組み合わせることで、高い分解能で回転体の絶対角度位置を算出することができる。
On the other hand, from the third
本実施形態のロータリエンコーダ10では、図1(b)に示すように、各磁気センサ部40,50,60と制御部70のADC71との間にアナログのローパスフィルタ(LPF)80a,80b,80cが設けられている。各磁気センサ部40,50,60からの出力信号には高調波成分が含まれるが、このLPF8a,80b,80cによって、特に第3の磁気センサ部60からのA相信号およびB相信号のそれぞれの高調波成分が回転体の回転速度に応じて減少することが、本発明者らによって確認されている。具体的には、第3の磁気センサ部60のA相信号の11次および13次の高調波成分とB相信号の11次および13次の高調波成分とは、LPF80cのゲイン周波数特性に対応するように、回転速度の増加に伴って振幅が非線形に減少することが確認されている。このとき得られるA相信号およびB相信号から算出されるリサージュ波形(図2(b)の破線参照)は、11次および13次の高調波成分が含まれるときの12角形から理想的な円形に近づくため、それらの高調波成分は減衰されることが好ましいとも考えられる。しかしながら、本実施形態では、設計誤差や組み付け誤差などを除去するためのロータリエンコーダ10の較正が、製造直後に回転体を非常に低速(例えば60rpm)で回転させて行われる。そのため、較正に用いられるA相信号およびB相信号にはそれぞれ11次および13次の高調波成分がほとんど含まれている。したがって、回転体の回転速度の増加に伴って11次および13次の高調波成分が減衰すると、そのとき得られる出力波形は較正時のものから変形してしまい、結果的に検出誤差が増加することになる。
In the
そこで、本実施形態では、回転体の回転速度によらず安定した検出精度を維持するために、制御部70が、回転速度の増加に伴って非線形に減少する信号成分を補償することで第3の磁気センサ部60からの出力信号を補正する機能を有している。具体的には、制御部70は、基準回転速度時の第3の磁気センサ部60からのA相信号およびB相信号のそれぞれの高調波成分に関するパラメータと、回転速度の変化率(基準回転速度と回転体の回転速度との比率)とパラメータの変化率との関係を示すデータとを記憶している。そして、基準回転速度に対する現在の回転速度の比率と、上記データとに基づいて、記憶されているパラメータを現在の回転速度における値に換算し、換算された値に基づいてA相信号およびB相信号を補正する。こうして、回転速度の増加に伴って非線形に減少する高調波成分を補償することで、回転速度によらないほぼ一定の出力信号を得ることができ、高い検出精度を維持することができる。
Therefore, in the present embodiment, in order to maintain stable detection accuracy regardless of the rotation speed of the rotating body, the
以下では、再び図1(b)を参照しながら、主にこの補正処理に関する機能に着目して、制御部70の機能的な構成について説明する。
Hereinafter, the functional configuration of the
制御部70は、A/D変換部(ADC)71と、角度算出部72と、補正処理部73とを有し、補正処理部73は、記憶部74と、通信周期計測部75と、回転速度算出部76とを有している。
The
ADC71は、第1から第3の磁気センサ部40,50,60から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して角度算出部72および補正処理部73へ出力する。角度算出部72は、ADC71でデジタル変換された第1から第3の磁気センサ部40,50,60からの出力信号に基づいて、上述した回転体の回転位置を算出する。このとき、角度算出部72は、補正処理部73から、第3の磁気センサ部60のA相信号およびB相信号のそれぞれにおいて減少する信号成分を補償するための補正情報を取得する。そして、角度算出部72は、取得した補正情報に基づいて上記出力信号を補正し、上述の算出方法により、補正された出力信号を用いて回転体の回転位置を算出する。
The
補正処理部73は、記憶部74から、基準回転速度時のA相信号およびB相信号のそれぞれの高調波成分に関するパラメータと、回転速度の変化率(基準回転速度と回転体の回転速度との比率)と上記パラメータの変化率との関係を示すデータと取得する。そして、補正処理部73は、そのデータと、回転速度算出部76によって算出された現在の回転速度の基準回転速度に対する比率とに基づいて、上記パラメータを現在の回転速度における値に換算する。
From the
記憶部74は、上述の高調波成分に関するパラメータ、具体的には、基準回転速度時における、A相信号の11次および13次の高調波成分のそれぞれの振幅および位相と、B相信号の11次および13次の高調波成分のそれぞれの振幅および位相とを記憶する。ここで、高調波成分の振幅は、上述の通り、回転速度に伴って非線形に変化するが、位相も、例えばLPF80a〜80cの位相周波数特性に対応して、回転速度に伴って非線形に変化する。そこで、記憶部74は、回転体の回転速度とそれぞれの振幅との関係、具体的には、回転速度の変化率(基準回転速度と回転体の回転速度との比率)とそれぞれの振幅の変化率との関係を示すデータ(テーブルなど)を記憶する。また、記憶部74は、回転体の回転速度の変化率(基準回転速度と回転体の回転速度との比率)とそれぞれの位相の変化率との関係を示すデータ(テーブルなど)も記憶する。したがって、補正処理を行う場合、記憶部74に記憶されている基準回転速度時の振幅および位相は、同様に記憶部74に記憶されているそれぞれの変化率のデータに基づいて、補正処理部73で現在の回転速度での振幅および位相に換算された後、角度算出部72へと送られる。そして、角度算出部72では、補正処理部73で換算された振幅および位相から、減衰した信号成分を補償する補正信号が生成され、これを足し合わせることで出力信号が補正される。高調波成分の振幅および位相の変化率に関するデータは、例えば、LPF80a〜80cのゲイン周波数特性および位相周波数特性に基づいてそれぞれ求めることができる。なお、演算処理を簡単にするために、高調波成分の位相については、回転速度によらず一定であるとして(すなわち変化率をゼロとして)補正処理を行うようになっていてもよい。
The
通信周期計測部75は、ロータリエンコーダ10の外部にある上位の制御装置(図示せず)と制御部70との通信周期を計測する。例えば、制御部70は、上位の制御装置からの要求信号を受信したときに回転体の回転速度を算出するようになっているが、通信周期計測部75は、制御部70が要求信号を受信した時刻を計測し、その時刻から要求信号の受信間隔を計測する。
The communication
回転速度算出部76は、こうして通信周期計測部75が計測した受信間隔と、角度算出部72から取得した回転体の回転位置の情報とに基づいて、所定の時間間隔における回転体の回転変位量を算出し、そこから回転体の現在の回転速度を算出する。したがって、回転速度算出部76は、制御部70が実際に回転位置の算出を行う周期を計測しているため、実際の通信周期が変動した場合にも正確な回転速度を算出することができ、その結果、補正処理部73による補正精度を向上させることができる。なお、制御部70が上位の制御装置から要求信号を受信する周期(受信間隔)は予め設定されているため、演算処理を簡単にするために、特許文献1に記載されているように、固定された設定値を用いて回転速度を算出するようになっていてもよい。
The rotation
記憶部76に記憶されるパラメータの設定は、ロータリエンコーダ10が工場から出荷される前に、低速(例えば60rpm)で較正済みのロータリエンコーダ10を用いて、以下のように行われる。まず、回転体に連結されたモータを一定の回転速度で回転させ、A相信号およびB相信号を出力させる。ここで、回転速度が一定であるため、出力信号が理想的なものでなく誤差を含んでいると、そこから算出される回転体の回転速度にはリップルは現れるが、誤差のない理想的な出力信号であればリップルが現れることはない。そこで、回転速度に伴って減少する信号成分を含むA相信号およびB相信号にそれぞれ所定の信号成分を重畳させ、それらから回転体の回転速度を算出する。そして、減少した信号成分を補償するように重畳させた信号成分の振幅および位相を最適な値に調整して、算出される回転速度のリップルを最小にする。このときのそれぞれの振幅および位相がパラメータとして設定される。このような方法により、周波数分析などの解析処理を行うことなく、減少する信号成分を簡単に求めることができる。なお、パラメータを設定する際のモータの回転速度は、瞬時最大回転速度(例えば6000rpm)であることが好ましい。これにより、補正パラメータとして、補償すべき減少する信号成分が最大になるときの振幅および位相を設定することができ、高い分解能で出力信号の補正を行うことができる。
The parameters stored in the
感磁素子には温度特性があるため、出力信号が温度変化する場合、同様に高調波成分の振幅も温度変化する。そこで、温度検出手段を用いて、第3の磁気センサ部60の温度変化を監視し、その監視結果に基づいて高調波成分の補正処理を行うようになっていてもよい。あるいは、温度検出手段と加熱手段を用いて、第3の磁気センサ部60の温度を一定に調節するようになっていてもよい。
Since the magnetic sensitive element has a temperature characteristic, when the output signal changes in temperature, the amplitude of the harmonic component also changes in temperature. Therefore, the temperature change of the third
なお、本実施形態では、上述した11次および13次以外の奇数次の高調波成分、例えば、3次、5次、および7次の高調波成分については、配線パターンを調整するなどの公知の方法により、キャンセルされるようになっている。すなわち、第3の磁気センサ部60のA相センサおよびB相センサは、3次、5次、および7次の高調波成分がキャンセルされたA相信号およびB相信号をそれぞれ出力するように構成されている。これにより、上述した補正処理は、11次および13次の高調波成分にのみ適用し、3次、5次、および7次の高調波成分には適用する必要がないため、演算処理を簡単にすることができる。
In the present embodiment, it is known that the wiring pattern is adjusted for odd-order harmonic components other than the above-mentioned 11th-order and 13th-order harmonic components, for example, the third-order, fifth-order, and seventh-order harmonic components. It is designed to be canceled by the method. That is, the A-phase sensor and the B-phase sensor of the third
10 ロータリエンコーダ
20 第1の磁石
21 着磁面
30 第2の磁石
31 着磁面
32a,32b トラック
40 第1の磁気センサ部
41〜44 磁気抵抗パターン
50 第2の磁気センサ部
51 第1のホール素子
52 第2のホール素子
60 第3の磁気センサ部
61〜64 磁気抵抗パターン
70 制御部
71 A/D変換部(ADC)
72 角度算出部
73 補正処理部
74 記憶部
75 通信周期計測部
76 回転速度算出部
80a〜80c ローパスフィルタ(LPF)
10
72
Claims (14)
前記固定体および前記回転体の一方に設けられた磁石と、
前記固定体および前記回転体の他方に設けられ、前記磁石からの磁界変化を検出する磁気センサ部であって、前記磁石の着磁面に対向して配置され、前記回転体の回転に伴って正弦波状のA相信号を出力する第1の感磁素子と、前記磁石の着磁面に対向して配置され、前記回転体の回転に伴って前記A相信号と90°の位相差を有する正弦波状のB相信号を出力する第2の感磁素子とを有する磁気センサ部と、
前記A相信号および前記B相信号に基づいて前記回転体の回転位置を算出する制御部と、を有し、
前記制御部が、
前記A相信号および前記B相信号のそれぞれに含まれる信号成分のうち前記回転体の回転速度の増加に伴って非線形に減少する信号成分であって基準回転速度時の前記信号成分に関する複数のパラメータと、前記基準回転速度に対する前記回転体の回転速度の比率と前記複数のパラメータの変化率との関係を示すデータと、を記憶する記憶部と、
前記回転体の現在の回転速度を算出する回転速度算出部と、を有し、
前記制御部は、前記回転角度算出部によって算出された前記現在の回転速度の前記基準回転速度に対する比率と、前記複数のパラメータの変化率とに基づいて、前記記憶部に記憶されている前記複数のパラメータのうち少なくとも1つのパラメータを前記現在の回転速度における値に換算し、該換算された値に基づいて前記減少する信号成分を補償することで、前記A相信号および前記B相信号を補正する補正処理を実行し、該補正された前記A相信号および前記B相信号を用いて前記回転体の回転位置を算出する、ロータリエンコーダ。 A rotary encoder that detects the rotational position of a rotating body with respect to a fixed body.
A magnet provided on one of the fixed body and the rotating body,
A magnetic sensor unit provided on the other side of the fixed body and the rotating body to detect a change in the magnetic field from the magnet, which is arranged so as to face the magnetizing surface of the magnet and accompanies the rotation of the rotating body. The first magnetizing element that outputs a sinusoidal A-phase signal is arranged so as to face the magnetizing surface of the magnet, and has a phase difference of 90 ° from the A-phase signal as the rotating body rotates. A magnetic sensor unit having a second magnetic sensing element that outputs a sinusoidal B-phase signal, and
It has a control unit that calculates the rotation position of the rotating body based on the A-phase signal and the B-phase signal.
The control unit
Among the signal components contained in each of the A-phase signal and the B-phase signal, a signal component that decreases non-linearly with an increase in the rotation speed of the rotating body, and a plurality of parameters relating to the signal component at the reference rotation speed. A storage unit that stores data indicating the relationship between the ratio of the rotation speed of the rotating body to the reference rotation speed and the rate of change of the plurality of parameters.
It has a rotation speed calculation unit for calculating the current rotation speed of the rotating body, and has a rotation speed calculation unit.
The control unit is stored in the storage unit based on the ratio of the current rotation speed calculated by the rotation angle calculation unit to the reference rotation speed and the rate of change of the plurality of parameters. The A-phase signal and the B-phase signal are corrected by converting at least one of the parameters of the above to a value at the current rotation speed and compensating for the decreasing signal component based on the converted value. A rotary encoder that executes a correction process to calculate the rotation position of the rotating body using the corrected A-phase signal and the B-phase signal.
前記回転速度算出部が、前記外部からの要求信号の受信間隔を計測し、該計測された受信間隔における前記回転体の回転変位量から、前記回転体の現在の回転速度を算出する、請求項1から10のいずれか1項に記載のロータリエンコーダ。 When the control unit receives a request signal from the outside, the rotation position of the rotating body is calculated, and the rotation position is calculated.
The claim that the rotation speed calculation unit measures the reception interval of the request signal from the outside, and calculates the current rotation speed of the rotating body from the rotational displacement amount of the rotating body in the measured reception interval. The rotary encoder according to any one of 1 to 10.
前記回転速度算出部が、外部との間で予め設定された前記要求信号の受信間隔における前記回転体の回転変位量から、前記回転体の現在の回転速度を算出する、請求項1から11のいずれか1項に記載のロータリエンコーダ。 When the control unit receives a request signal from the outside, the rotation position of the rotating body is calculated, and the rotation position is calculated.
Claims 1 to 11, wherein the rotation speed calculation unit calculates the current rotation speed of the rotating body from the amount of rotational displacement of the rotating body at a reception interval of the request signal preset with the outside. The rotary encoder according to any one item.
前記複数の磁石が、前記回転体の周方向にN極とS極とが1極ずつ配置された第1の磁石と、前記回転体の周方向にN極とS極とが交互に複数配置された第2の磁石とを含み、
前記複数の磁気センサ部が、前記第1の磁石に対応する少なくとも1つの磁気センサ部と、前記第2の磁石に対応する磁気センサ部とを含み、
前記制御部は、前記複数の磁気センサ部からの複数の前記A相信号および複数の前記B相信号に基づいて前記回転体の回転位置を算出し、その際に前記第2の磁石に対応する磁気センサ部に対して前記補正処理を実行する、請求項1から12のいずれか1項に記載のロータリエンコーダ。 It has a plurality of the magnets and a plurality of the magnetic sensor units.
The plurality of magnets are a first magnet in which one north pole and one south pole are arranged in the circumferential direction of the rotating body, and a plurality of north poles and south poles are alternately arranged in the circumferential direction of the rotating body. Including the second magnet
The plurality of magnetic sensor units include at least one magnetic sensor unit corresponding to the first magnet and a magnetic sensor unit corresponding to the second magnet.
The control unit calculates the rotation position of the rotating body based on the plurality of A-phase signals and the plurality of B-phase signals from the plurality of magnetic sensor units, and at that time, corresponds to the second magnet. The rotary encoder according to any one of claims 1 to 12, which executes the correction process on the magnetic sensor unit.
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