TWI468649B - 位置檢測器 - Google Patents

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Description

位置檢測器
本發明係關於一位置檢測器，其係將來自位置感測器的輸出信號轉換為位置資訊，該位置感測器輸出兩種信號，這兩種信號相對於測量出位移以波長λ間距做正弦變化，並且具有相互以90度轉換的相位。
在機床轉臺的旋轉軸或其類似物之處，傳統上採用的傳動方案是透過將諸如渦輪的減速齒輪與伺服電動機結合所完成。然而，使用減速齒輪的傳動方案之缺點在於：由於齒隙而出現精確度降低，並且限制轉速的增加。因此，在近幾年來，一種電動機直接傳動方案已經應用到轉軸，該方案是透過合併內置發動機來促使達到高精確度及提高速度所實現。
在機床轉臺或其類似物之中，通常使用高精確度的位置檢測器用於在執行位置控制中提供回饋。為了增加該位置檢測精確度，利用位置感測器來配置這些位置檢測器，該位置感測器輸出兩種信號，該等信號關於測量出的位移以小間距進行正弦變化，並且具有相互以90度轉換的相位。使用這種位置感測器是因為：即使在透過執行關於兩種信號的內插處理所獲得之該間距內的解析精確度(下文中稱為內插精確度)不佳時，只要該間距很小，該內插精確度影響實際的位置檢測精確度的比率就保持很小。
然而，在這類位置檢測器中，當以高速執行圍繞軸的旋轉時，輸出信號的頻率變得非常高。由於這個原因，尚未有可以以高轉速使用的這類位置檢測器。從而，藉由有助於高速旋轉的電動機直接傳動方案來傳動的旋轉軸在高速性能上受到現有位置檢測器的限制。
按照該背景，需要一種位置檢測器，即使在使用回應於測量出的位移而輸出具有長間距信號的位置感測器時，其也能夠提高內插精確度。這種類型的位置檢測器在JP 4－136715 A、JP 2003－14440 A和JP 2005－156348A等等中公開。
根據本發明，基於透過關於與利薩佐斯(Lissajous)圓半徑值對應量之變化執行傅立葉分析所獲得的值，諸如偏移、相位差及振幅比等降低內插精確度分量被定量地確定，該利薩佐斯圓半徑值是兩種信號和的平方根，該兩種信號關於測量出的位移以波長λ的間距進行正弦變化，並且具有相互以90度轉換的相位。關於在存在諸如偏移、相位差及振幅比等降低內插精確度分量的情況下所發生的半徑值之變化，作為利用試算表工具等執行數值分析的結果，發現在等於或至少約為該降低分量1/2的量中發生變化。另外，發現當該兩種信號中的一種包括偏移誤差時，半徑值以波長λ的餘弦波形式改變，並且當兩種信號中的另一種包括偏移誤差時，半徑值以波長λ進行正弦變化。此外，發現當在兩種信號之間存在幅度差時，半徑值以波長λ/2的餘弦波形式改變。還發現當在兩種信號之間存在相位差時，半徑值以波長λ/2進行正弦變化。另外，發現當該兩種信號中的一種包括二次諧波失真時，半徑值分別以具有相同振幅和波長λ及λ/3的兩種正弦波形式變化，並且當該兩種信號中的另一種包括二次諧波失真分量時，半徑值分別以具有相同幅度和波長λ及λ/3的兩種餘弦波形式變化。顯然半徑值中發生係作為變數的變化與以波長λ的間距變化兩種信號的改變量相比較小。
根據本發明，基於少量變化的半徑值，來定量地確定諸如偏移、相位差和振幅比等降低內插精確度的分量。因此，即使當測量出的位移僅為λ或λ/2的輕微改變時，也可以準確地確定偏移、相位差及振幅比。因此，精確地確定在依據位置波動的該等偏移、相位差及振幅比中的改變，消除那些精確度降低分量，以及由此大大地提高內插精確度是可能的。結果，在位置感測器中可同時達到高精確度和高速度。
以下將參考附圖描述本發明的實施方式。
第二圖為顯示位置檢測器基本結構之圖式。第三圖為顯示第二圖中信號處理電路29內插操作之方塊圖。在第二圖中，固定在轉軸1上的轉子21由磁性構件組成，該磁性構件在其外周上具有36個在一次旋轉中以波長λ＝10度間距的凹陷和凸起。在轉子21之36個凸起中一個凸起上，附著有磁性構件製成用於指示起始突出物22。安裝在測量目標(電動機)非旋轉部上的印刷電路板23，位於鄰近轉子21的外表面之一側。在印刷電路板23上形成的是兩種形成正弦導電圖形的檢測線圈24及25，以及用於檢測在轉子21上用來指示起始突出物22的檢測線圈26。此外，電磁體27設置在印刷電路板23之後側。當使用具有100kHz頻率的交流電I．SIN(200000πt)流過磁化線圈28時，電磁體27生成朝向轉子21側之磁化交變通量。
在如上配置的位置感測器中，當轉軸1旋轉時，由在轉子外周上的凹陷及凸起所引起的磁阻變化用於改變該交變通量的大小，從而電動電壓SC及SS在檢測線圈24及25中產生，該電動電壓SC及SS分別被調幅為旋轉位移θ的正弦值及餘弦值。該等信號被輸入到信號處理電路29，分別在放大器3及4中被放大，並作為信號AC及AS輸出。在第二圖的實例中，磁化信號的頻率為100kHz。假設轉軸1的旋轉角為θ，並且輸出信號的振幅為G，信號AC及AS可以透過下面的方程式1及2表示出：AC＝G．COS(36θ)SIN(20000Oπt) (1) AS＝G．SIN(36θ)SIN(200000πt) (2)
透過使用具有10μS的週期並且從與磁化信號同步的定時控制器5輸出脈衝信號TIM，透過定時地對信號AC及AS進行採樣，分別在模數轉換器6及7中將這些信號AC及AS數位化以使SIN(200000πt)＝1保持為真。結果，信號AC及AS被轉換為數值DC及DS，其可以透過下面的方程式3及4表示出：DC＝G．COS(36θ) (3) DS＝G．SIN(36θ) (4)
基於上述內容，可以假設第二圖中所顯示於位置檢測器中的位置檢測感測器輸出兩種信號輸出，這兩種信號用以測量出位移的波長λ(10度)的間距進行正弦變化，並具有彼此以90度變換的相位。
由於轉子21及檢測線圈24、25安裝條件的變化以及信號放大器的特徵變化量等等，該等兩個數位化值DC、DS包括偏移電壓COF及SOF，以及相位差P及兩個信號間之振幅比B。因此，上述方程式3及4由下面的方程式5及6更精確地表達出：DC＝G．COS)36θ)＋COF (5) DS＝B．G．SIN(36θ)＋P．G．COS(36θ)＋SOF (6)
正常地，當使用最初獲得原始資料形式的數值DC、DS執行內插處理時，內插精確度變得很差。相應地，在第二圖之位置檢測器中，偏移值COF、SOF、以及用於校正兩種信號間之相位差及振幅比的相位校正值PHJ(＝P)及振幅比校正值BAJ(＝1/B)，其全都被包括在數值DC及DS中，並在製造該位置檢測器的時候被測量，儲存在設置於位置檢測器中的非易失性記憶體或其類似物中，並在開始位置檢測前接通電源時設定於記憶體單元10、11、12及13中。透過減法器8及9，將儲存在記憶體單元10及11中的偏移校正值COF及SOF從數值DC及DS中減去，從而獲得數值DCA及DSA。在減法器14中，將透過儲存於記憶體單元12中的相位校正值PHJ及數值DCA相乘而獲得的值從數值DSA中減去，得到去除相位誤差分量的數值DSB。此外，在乘法器16中，將數值DSB及儲存於記憶體單元13中的振幅比校正值BAJ相乘，得到具有與值DCA的振幅基本相等振幅之數值DSC。在內插計算器17中，利用兩個輸入的變數，值DCA及DSC被進行反正切計算，以便轉換為指示轉軸1的1/36旋轉中旋轉量的位置信號IP。
雖然由於在本發明中沒有必要描述而未以圖式顯示出來，但是在實際的位置檢測器中，執行一些處理，例如基於位置信號IP中變化的計數處理，以獲得轉軸1的至少一次或多次旋轉的位置資料，並且將所獲得的資料輸出到電動機控制器或其類似物。另外，在轉子21上的指示起始突出物22經過檢測線圈26附近時，用於增量處理的計數值可能被清除為零，並且之後，轉軸1的一次旋轉內的旋轉位置可能被檢測作為絕對位置。
此外，透過將如JP4－136715所公開的具有絕對模式之盤添加到轉子21，並在印刷電路板23上提供多個用於讀取該絕對模式的線圈，可能在啟動檢測器之後立刻檢測到絕對位置。
根據第二圖中所顯示的傳統位置檢測器，可以在某種程度上提高內插精確度。然而，因為該偏移、相位差及振幅比實際上依靠旋轉位置而波動，所以使用恒定的校正值來進一步提供內插精確度是非常困難的。同時，透過採用JP 2003－14440 A等所公開的技術，在某種程度上可以確定依靠旋轉位置而變化的校正變數COF、SOF、PHJ及BAJ，從而使用這些變數可以多少進一步提高內插精確度。然而，根據JP 2003－14440 A的技術，因為該校準變數是基於在旋轉位置的波長λ內顯著變化數值DC或DS之變化而確定，為了增加該確定精確度，有必要消除以波長λ顯著變化的基波分量。在這點上，有必要透過對波長λ的數倍的旋轉位移取平均數，以去除該基波分量。同樣地，這種技術不足以高度精確地確定在小的旋轉位移過程中校正變數。
相反地，在根據本發明實施方式的位置檢測器中，為使每個旋轉位置準確地確定使內插精確度降低的分量，這些分量被包含於該兩種信號中，這兩種信號關於測量出的位移以波長λ的間距進行正弦變化，並且具有相互以90度轉換的相位，並且在每個旋轉位置去除這些降低分量。相應地，可以增加內插精確度，由此使得在位置檢測器中同時達到高精確度和高速度成為可能。
第一圖為顯示根據本發明實施方式的方塊圖。在第一圖中，與第三圖中方塊具有相同功能的方塊被賦以相同的元件符號，並且不再重複對於那些方塊的說明。
在第一圖中，消除了偏移、相位差及振幅比之後的數值DCA及DSC將在半徑計算器18中以下面的方程式7進行計算，並輸出半徑值RD。
RD＝SQRT(DCA2 ＋DCC2 ) (7)
於此，SQRT表示平方根，2 表示平方。
在快速傅立葉變換器(FFT)19中，利用從內插計算器17輸出的內插值IP，在旋轉位置改變λ的全部情況時對從半徑計算器18輸出的半徑值RD進行快速傅立葉計算。在FFT 19中，透過求平均值及內插處理，計算對應於位置信號IP波長λ1/2n之每次位置變化半徑值RD的值(其中n為大於或等於3的整數)。另外，由此所得的2N個的半徑值RD被消除了傾斜改變量，然後進行快速傅立葉計算以計算一次到三次的分量。作為該傅立葉分析的結果，FFT 19輸出：對應於一次分量(first－order component)具有波長λ的餘弦分量及正弦分量，作為C1及S1；對應於二次分量具有波長λ/2的餘弦分量及正弦分量，作為C2及S2；以及對應於三次分量具有波長λ/3的餘弦分量及正弦分量，作為C3及S3。FFT 19還計算每次以λ發生的旋轉位置改變時RD值的平均半徑，並輸出所計算的值作為數值RDA。當在每次以λ發生旋轉位置改變時執行的快速傅立葉計算完成時，FFT 19輸出儲存命令信號SET到記憶體單元30、31、32及33。
在計算器36中，將數值CO及數值C1相加，其中數值CO儲存在記憶體單元30中並用於從數值DC中消除偏移分量，數值C1為在FFT 19中計算出半徑值RD波長λ的餘弦分量，此外，減去是波長λ/3餘弦分量的數值C3。一旦接收到來自FFT 19的儲存命令信號SET，在計算器36中這樣計算出之值被儲存到記憶體單元30中，並被用作數值DC的偏移校正值。在計算器37中，將數值SO及數值S1相加，其中數值SO儲存在記憶體單元31中並用於從數值DS中消除偏移分量，數值S1為在FFT 19中計算出半徑值RD波長λ的正弦分量，此外，加上是波長λ/3的正弦分量之數值S3。一旦接收到來自FFT 19的儲存命令信號SET，在計算器37中這樣計算出之值被儲存到記憶體單元31中，並被用作數值DS的偏移校正值。
利用上述安排，在僅以波長λ的轉動變化過程中，可能準確地確定數值DC及DS的偏移分量，並從數值DC及DS中消除所確定的分量。當二次諧波分量僅以少量包含在數值DC及DS中時，沒有必要根據具有波長λ/3分量利用偏移分量來執行校準。另外，原則上，不僅可以為以波長λ的轉動變化，而且還可以為以波長λ整數倍轉動變化而執行如上所述的偏移分量確定。
在計算器35中，依照下面的方程式8對數值S2執行計算，結果輸出數值DP，該數值S2為在FFT 19中計算出半徑值RD波長λ/2的正弦分量，並且數值RDA為平均半徑。
DP＝2．S2/RDA (8)
在減法器38中，將計算器35輸出的數值DP從數值PJ中減去，其中數值PJ儲存於記憶體32中用於消除包含於數值DSA中的相位差。一旦接收到來自FFT的儲存命令信號SET時，作為減法器38減法的結果而獲得的數值被儲存到記憶體單元32中，並被用作用於數值DSA的相位差校正值。
根據上述配置，在僅以波長λ轉動變化過程中，可能準確地確定數值DSA相對於數值CDA的相位差從90度偏移了多少，即，準確地確定在數值DSA中與數值DCA同相的分量，並從數值DSA中消除所確定的分量。雖然在上述實施方式中，為使每個以波長λ的轉動變化確定相位差，原則上，不僅可以為以波長λ的轉動變化，而且還可以為以波長λ/2整數倍的轉動變化確定相位差分量。
在計算器34中，依照下面的方程式9對數值C2執行計算，結果輸出數值DB，該數值C2為在FFT 19中計算出的半徑值RD的波長λ/2的餘弦分量，並且數值RDA為平均半徑。
DB＝(RDA＋C2)/(RDA－C2) (9)
在乘法器39中，數值BJ與由計算器34輸出的數值DB相乘，該數值BJ儲存在記憶體33中用於消除數值DSB的振幅比。一旦接收到來自FFT的儲存命令信號SET時，作為乘法器39乘法結果所獲得的數值被儲存在記憶體單元33中，並被用作用於數值DSB的振幅比校正值。
根據上述配置，在僅以波長λ轉動變化過程中，可能準確地確定數值DSB相對於數值DSA的振幅比從1偏移的量，並從數值DSB中消除所確定的量。雖然在上述實施方式中，為每個以波長λ的轉動變化確定振幅比降低量，但是原則上，不僅可以為以波長λ的轉動變化，而且還可以為以波長λ/2的整數倍的轉動變化確定振幅比降低量。
1．．．轉軸
3．．．放大器
4．．．放大器
5．．．定時控制器
6．．．模數轉換器
7．．．模數轉換器
8．．．減法器
9．．．減法器
10．．．記憶體單元
11．．．記憶體單元
12．．．記憶體單元
13．．．記憶體單元
14．．．減法器
15‧‧‧乘法器
16‧‧‧乘法器
17‧‧‧內插計算器
18‧‧‧半徑計算器
19‧‧‧快速傅立葉變換器
21‧‧‧轉子
22‧‧‧起始突出物
23‧‧‧印刷電路板
24‧‧‧檢測線圈
25‧‧‧檢測線圈
26‧‧‧檢測線圈
27‧‧‧電磁體
28‧‧‧磁化線圈
29‧‧‧信號處理電路
30‧‧‧記憶體單元
31‧‧‧記憶體單元
32‧‧‧記憶體單元
33‧‧‧記憶體單元
34‧‧‧計算器
35‧‧‧計算器
36‧‧‧計算器
37‧‧‧計算器
38‧‧‧減法器
39‧‧‧乘法器
第一圖為顯示出根據本發明實施方式位置檢測器的方塊圖；第二圖為顯示出位置檢測器的基本結構圖；第三圖為顯示出第二圖中所顯示信號處理電路內插操作的方塊圖。
3．．．放大器
4．．．放大器
5．．．定時控制器
6．．．模數轉換器
7．．．模數轉換器
8．．．減法器
9．．．減法器
14．．．減法器
15．．．乘法器
16．．．乘法器
17．．．內插計算器
18．．．半徑計算器
19．．．快速傅立葉變換器
21．．．轉子
24．．．檢測線圈
25．．．檢測線圈
31．．．記憶體單元
32．．．記憶體單元
33．．．記憶體單元
34．．．計算器
35．．．計算器
36．．．計算器
37．．．計算器
38．．．減法器
39．．．乘法器

Claims (3)

  1. 一種位置檢測器，用於檢測目標之轉軸的旋轉位移，包括：位置感測器，其輸出兩種信號，該信號關於位移以波長λ間距進行正弦變化，並且具有相互以90度轉換的相位；偏移記憶體，其儲存關於從位置感測器輸出該兩種信號的偏移值；偏移消除電路，其從輸出自位置感測器相應的兩種信號中消除儲存在偏移記憶體中的偏移值；內插計算器，其在該偏移消除之後將該兩種信號轉換為位置資料；半徑計算器，其在該偏移消除之後計算該兩種信號和的平方根；及偏移值計算器，其基於當測量出位移以波長λ的整數倍改變時所獲得的位置資料及來自半徑計算器的輸出值，來計算待儲存於偏移記憶體中的偏移值；其中利用在偏移值計算器中獲得的偏移值，來更新儲存在偏移記憶體中的偏移值；其中基於透過關於在半徑計算器輸出值之變化而執行傅立葉分析所獲得具有波長λ之分量及具有波長λ/3的分量，該偏移值計算器計算該偏移值。
  2. 一種位置檢測器，用於檢測目標之轉軸的旋轉位移，包括： 位置感測器，其輸出兩種信號，該信號關於位移以波長λ間距進行正弦變化，並且具有相互以90度轉換的相位；振幅比校正值記憶體，其儲存關於從位置感測器輸出之該兩種信號的振幅比校正值；振幅比校正電路，其依據儲存於振幅比校正值記憶體中的振幅比校正值，來校正從位置感測器輸出之該兩種信號的振幅比；內插計算器，其在該振幅比校正之後將該兩種信號轉換為位置資料；半徑計算器，其在該振幅比校正之後計算該兩種信號和的平方根；及振幅比校正值計算器，其基於當測量出位移以波長λ/2的整數倍改變時所獲得的位置資料及來自半徑計算器的輸出值，來計算待儲存於振幅比校正值記憶體中的振幅比校正值；其中利用在振幅比校正值計算器中獲得的振幅比校正值，來更新儲存在振幅比校正值記憶體中的振幅比校正值；其中基於透過相對於半徑計算器輸出值關於位置資料的變化而執行傅立葉分析所獲得具有波長λ/2的分量以及具有平均半徑的分量，該振幅比校正值計算器計算該振幅比校正值。
  3. 一種位置檢測器，用於檢測目標之轉軸的旋轉位移，包 括：位置感測器，其輸出兩種信號，該信號關於位移以波長λ間距進行正弦變化，並且具有相互以90度轉換的相位；相位差校正值記憶體，其儲存關於從位置感測器輸出之該兩種信號的相位差校正值；相位差校正電路，其依據儲存於相位差校正值記憶體中的相位差校正值，來校正從位置感測器輸出之該兩種信號的相位差；內插計算器，其在該相位差校正之後將該兩種信號轉換為位置資料；半徑計算器，其在該相位差校正之後計算該兩種信號和的平方根；及相位差校正值計算器，其基於當測量出位移以波長λ/2的整數倍改變時所獲得的位置資料及來自半徑計算器的輸出值，來計算待儲存於相位差校正值記憶體中的相位差校正值；其中利用在相位差校正值計算器中獲得的相位差校正值，來更新儲存在相位差校正值記憶體中的相位差校正值；其中基於透過相對於半徑計算器的輸出值關於位置資料的變化而執行傅立葉分析所獲得的具有波長λ/2的分量以及具有平均半徑的分量，該相位差校正值計算器計算相位差校正值。
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