TWI482985B - Magnetic pole detection system and magnetic pole detection method - Google Patents

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Description

磁極檢測系統及磁極檢測方法
本發明係關於使用在移動體的位置檢測等的磁極檢測系統及磁極檢測方法。
發明人等開發出一種將直線狀配置複數磁極的磁極陣列、及由複數線圈所構成的線圈陣列加以組合，來檢測磁極陣列基準的位置的系統(例如專利文獻1：JP2009-276827A)。在該系統中，磁極係以等節距被配置成N、S的極性交替反轉，線圈陣列係檢測以磁極為基準的相位。在該方法中，由線圈陣列並無法求出磁極陣列內的磁極的節距編號。因此，利用線圈陣列的訊號按每個磁極呈周期性改變的情形，將來自線圈陣列的訊號已改變的周期數進行計數，而求出磁極的節距編號。但是，如此一來，因瞬時停電等而失去磁極的節距編號資料時，會變得難以重新起動。
磁極陣列中的磁極的節距編號、及相對磁極的相位的檢測，係除了移動體的位置檢測以外，可使用在線性馬達的控制等。例如將線性馬達設為線性同步馬達，檢測磁極陣列中的磁極的節距編號及相對磁極的相位，來對線性馬達進行反饋控制。無論線性馬達的控制、或是移動體的位置檢測，若均未將訊號周期進行計數即可得知磁極陣列中的磁極的節距編號時，可對不良情形更強力控制。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本2009-276827A
本發明之課題在不依存於必須記憶周期之反覆次數等的資料，而可特定磁極陣列中的磁極節距。
本發明係一種磁極檢測系統，係具備配列有複數磁性感測器的磁性感測器陣列，和交替配置有N極與S極之磁極的磁極陣列，該磁極檢測系統之特徵為：設置有：相位檢測頭，其係檢測以前述磁極陣列中的1個磁極為基準的相位；及節距特定單元，其係不依存於過去的檢測資料，而僅根據現在的檢測資料來特定磁性感測器陣列現在正在檢測的1個磁極為磁極陣列中的第幾個節距的磁極。
在本發明中，不依存於將磁極計數幾個周期份等過去的檢測資料，而特定磁極節距。因此，可確實檢測磁極陣列內的磁極的節距，不會受到停電等影響。
較佳為，設置有：複數個標記，其係與前述磁極陣列呈平行配置，而且以磁極陣列的磁極單位產生變化；及標記感測器陣列，其係由與磁性感測器陣列呈平行配置的複數個標記檢測感測器所構成，並且前述節距特定單元係根據來自前述複數個標記檢測感測器的訊號列，來特定出為磁極陣列中的第幾個節距的磁極。如此一來，可藉由來自與磁極陣列呈平行的複數個標記的訊號列，來特定磁極的節距。接著，藉由訊號列來進行特定，而不是僅以1個標記訊號來進行特定，因此來自各個標記的資訊量較少亦可。因此，可以資訊量較少的簡便標記來特定磁極節距。
尤其較佳為，前述複數個標記係藉由至少磁極陣列的磁極是否朝向與磁極陣列的配列方向呈直角的方向延長所構成。如此一來，可藉由是否延長磁極來構成標記。其中，在實施例中，將是否延長磁極、及磁極的極性加以組合，將各磁極形成為區分為3種的標記，但是亦可忽略磁極的極性，而形成為是否延長磁極的2種標記。如此一來，可與磁極陣列呈一體而且可更為簡單構成標記。其中，將在磁極陣列中的磁性感測器陣列所檢測出的部分稱為第1磁極陣列，在標記感測器陣列中所檢測到的部分稱為第2磁極陣列，可視為該等與磁極陣列的長邊方向呈平行配置。
較佳為，磁極檢測系統係另外具備有偏移補正單元，其係將為磁極陣列中的第幾個節距的磁極的資料轉換成每個磁極的基準位置，且將前述相位轉換成離基準位置的移位，藉此輸出絕對位置。
此外，本發明係一種磁極檢測方法，係藉由配列有複數磁性感測器的磁性感測器陣列，來檢測交替配置有N極與S極之磁極的磁極陣列中的磁極，該磁極檢測方法之特徵為：執行以下步驟：藉由相位檢測頭來檢測以磁極陣列中的1個磁極為基準的相位的步驟；及不依存於過去的檢測資料，而僅根據現在的檢測資料，藉由節距特定單元來特定磁性感測器陣列現在正在檢測的1個磁極為磁極陣列中的第幾個節距的磁極的步驟。在本說明書中，磁極檢測系統相關記載亦直接適用於磁極檢測方法。
較佳為，設有：複數個標記，其係與前述磁極陣列呈平行配置，而且以磁極陣列的磁極單位產生變化；及標記感測器陣列，其係由與磁性感測器陣列呈平行配置的複數個標記檢測感測器所構成，在前述進行特定的步驟中，係根據來自前述複數個標記檢測感測器的訊號列，來特定出為磁極陣列中的第幾個節距的磁極。
以下顯示用以實施本發明的最適實施例。本發明之範圍應根據申請專利範圍之記載，參酌說明書之記載及該領域中的周知技術，按照熟習該項技術者的理解所決定。
[最適實施例]
在第1圖～第6圖中顯示實施例及其應用。第1圖係顯示磁極檢測器2，磁極檢測器2係由：檢測相對磁極陣列的各個磁極的相位的相位檢測頭4；不依存過去的檢測資料來判別、亦即特定正在檢測磁極陣列中的第幾個節距的磁極的節距判別電路6；及偏移補正單元8所構成。相位檢測頭4係具備有：交流電源10、及由複數個(例如4個)線圈11～14所構成的線圈陣列，在各線圈11～14連接有電阻R1～R4。線圈陣列係與第3圖的磁極陣列30相對向，檢測在磁極陣列的磁極基準的相位。P1、P2係運算放大器，如第1圖所示取出訊號。將相對磁極陣列的各個磁極的相位設為α，將交流電源10的輸出電流以sinωt表示時，可由運算放大器P1、P2取得sinα‧sinωt與cosα‧sinωt等2個訊號。以運算放大電路16處理該等訊號，將例如訊號sinα‧sinωt使ωt的相位延遲π/2，而形成為sinα‧cosωt。接著，若將sinα‧cosωt與sinα‧sinωt進行加算時，藉由加法定理可得sin(α+ωt)。線圈陣列為磁性感測器陣列之例，節距判別電路6為節距特定單元之例。
計數器20係將未圖示的時脈訊號進行計數，若藉由例如零交叉檢測器18等來檢測來自交流電源10的輸出電流的相位成為0的情形時，即重置計數器20。為了說明電路的作用，而提及零交叉檢測器18，但是不具有物理性涵義下的零交叉檢測器18亦可。例如若以DA轉換器等來構成交流電源10時，若在對DA轉換器的輸入為0的時點重置計數器20即可。根據sinωt=0、sin(α±ωt)=0等，而以計數器20來對由ωt=0至α±ωt=0的時間等進行計數時，即求出α。接著，α為相對1個磁極的相位，在線圈陣列14的中心面向磁極的一端時為0，面向另一端時為例如2π，表示相對磁極的線圈陣列的中心位置。
在實施例中，為了檢測磁極相位而設置線圈11～14，但是亦可為將霍爾元件、磁電阻效應感測器、磁阻抗效應感測器等其他磁性感測器配列成複數陣列狀的磁性感測器陣列。接著，若將例如4組或2組等的磁性感測器配置成磁極陣列下的1個磁極份的寬幅(1節距)時，可檢測相對各個磁極的相位。此外，第1圖的驅動電路僅為例子，從線圈陣列檢測相對磁極的相位的電路係除此之外亦已知有各種。
邏輯電路24係具備有複數個霍爾元件22，霍爾元件22的數量為例如5個，亦可為3個、7個、9個、1個…等。其中，為了說明起見，藉由記號A…E來區分各個霍爾元件。霍爾元件22係以與磁極陣列的磁極相同的節距而被配置複數個成直線狀，按照磁極陣列上的位置，輸出單義決定的訊號組合。霍爾元件22係設為可區分N、S、無磁極等3種狀態者，但是亦可為區分有無磁極等2種狀態者。此外，亦可為線圈、磁電阻效應感測器、磁阻抗效應感測器等磁性感測器，來取代霍爾元件。其中，若將霍爾元件22等磁性感測器，比磁極陣列更為精細地配置成磁極陣列中的磁極的配列節距的1/2節距等時，在通過磁極與磁極的交界時等，不會有節距編號暫時不清楚的情形。
由霍爾元件A～E的5元件的訊號組合係按照磁極陣列上的位置而單義決定。邏輯電路24係將記載有個別霍爾元件A～E的訊號組合、與磁極陣列上的位置的關係的表格等加以記憶，且輸出磁極陣列上的節距編號、亦即磁極節距的編號。表格係將霍爾元件A～E的訊號組合轉換成磁極節距之手段之例，邏輯電路24係將霍爾元件A～E的訊號組合轉換成磁極節距的手段。將磁極節距編號輸入至第6圖所示之線性馬達42的控制部44。
偏移補正單元8係將：正在檢測哪一個磁極陣列的資料(磁極陣列有複數個時)、及在磁極陣列內的磁極的節距編號，轉換成各個磁極內的基準位置、例如磁極的一端的絕對位置。將該轉換在實施例中稱為偏移補正，例如偏移補正單元8係按每個磁極記憶其偏移，或記憶每個磁極陣列的偏移，在磁極陣列內係假定各磁極以等節距予以配置，而記憶磁極的寬幅。磁極內的相位α係將現在檢測中的磁極相對基準位置的現在位置的移位與該磁極的寬幅的比換算成0°～360°來表示。此外，磁極的寬幅係由現在檢測中的磁極與下一個磁極的偏移的差等來判明。偏移補正單元8係由磁極陣列的ID(磁極陣列有複數個時，正在檢測哪一個磁極陣列的資料)、與檢測中的磁極的節距編號、及磁極內的相位α的組合，來輸出絕對位置。其中，若僅進行線性馬達的控制時，則不需要偏移補正單元8。
在第2圖中顯示磁極陣列30中的磁極的配列、與來自相位檢測頭的輸出的關係。磁極陣列30係由例如20個磁極所構成，以N、S按每個磁極作反轉的方式，以等節距予以配置，各個磁極係沿著配列方向的長度為一定。將磁極與磁極的節距、亦即鄰接磁極的中心線間的間隔稱為磁極的節距。相位檢測頭並無法得知現在正在檢測哪一個磁極，將相對現在正在檢測中的磁極的相位輸出為0°～360°等相位。
在第3圖中顯示磁極陣列30的構成。磁極陣列30係由與陣列30的長邊方向呈直角的方向中的長度較長的長磁石36、及在該方向中的長度較短的短磁石38的組合所構成。磁石36、38的數量合計例如20個，將磁極的各節距區分為：長磁石且極性為N、長磁石且極性為S、及由於為短磁石而在長磁石突出的位置並沒有極性等3種。該3種的區分成為磁性標記，霍爾元件為檢測該標記的標記感測器。若將5節距份的節距種類以節距判別電路的5個霍爾元件進行檢測時，可能的訊號組合為35 ，若從其中去除不適當者時，可區分至例如數十～100種程度的磁極節距的配列。因此，藉由來自5個霍爾元件的輸出的組合，可單義特定磁極陣列30上的節距編號。其中，若增加霍爾元件的數量時，即使增加磁極陣列30的節距數，亦可單義特定節距編號。
在磁極陣列30中係N、S的極性作反轉的方式配置有相鄰磁石36、38等。此外，長磁石36、短磁石38係沿著陣列30的長邊方向的長度為共通，不同的是與長邊方向呈直角的方向中的長度。接著，磁極陣列30係可將第1磁極陣列32與第2磁極陣列34與移動體的移動方向呈平行配置者。第1磁極陣列32係成為線性馬達的2次側，而且用以藉由相位檢測頭來檢測磁極內相位者。第2磁極陣列34係用以藉由霍爾元件等磁性感測器，來特定磁極陣列內的節距編號者。比第3圖之箭號所示之交界線更為下側的部分為第1磁極陣列32，比該交界線更為上側的部分為第2磁極陣列34。
如以上所示，與第1磁極陣列32呈平行地構成第2磁極陣列34，藉由例如5個霍爾元件來檢測第2磁極陣列34中的N、S的極性與無磁極的3種狀態。之所以利用長磁石36與短磁石38的組合來構成第2磁極陣列34，是為了使陣列30的構成更為容易之故，亦可將第2磁極陣列34所使用的磁極形成為與第1磁極陣列32在物理性上為不同者。
此外，若磁極陣列30變得更長時，若將第2磁極陣列34如第3圖所示構成為1列陣列時，會有不易判別磁極節距編號的情形。若為如上所示之情形，將第2磁極陣列34配置成例如2列以上即可。例如將所使用的磁石形成為長、中、短等3種，將第2磁極陣列34形成為2列平行的磁極的列。接著，在與第1磁極陣列32相鄰接的列中，將磁極的長度為長與中形成為相同者，來與短的磁石作區分。在接下來的列中，則區分長的磁石、與中及短的磁石。其中，在實施例中，磁極陣列30係線性馬達的2次側，但是亦可與線性馬達的2次側個別設置。此外，亦可與線性馬達無關係地使用在移動體的位置辨識。
在第4圖中顯示根據磁極陣列30上的節距編號的霍爾元件A~E的輸出模式。輸出模式係以相位檢測頭的中心面於第幾個節距的磁極來表示，藉由第3圖的第2磁極陣列34的配置，如第4圖所示，可得單義決定相位檢測頭4正在檢測的磁極的訊號。
在第5圖中顯示實施例中的處理，藉由霍爾元件陣列來檢測磁極陣列內的磁極的節距編號。在線圈陣列中係求出相對檢測中的磁極的相位，且將該等加以組合而求出移動體的絕對位置。此外，藉由相對第幾個節距的磁極位於哪一個相位，即會發生對線性馬達的控制訊號。
第6圖係顯示利用實施例的移動體40，沿著移動體40的行走路徑，配置複數個磁極陣列30，線性馬達42係由線性同步馬達等所構成，將磁極陣列30中的第1磁極陣列的部分作為2次側加以利用。接著，藉由磁極檢測器2，求出相對磁極陣列30的相對位置，藉由控制部44來控制線性馬達42，並且求出移動體40的絕對位置。此外，將正在檢測哪一個磁極陣列的資料記憶在快閃記憶體等，俾以不會因停電而消失。其中，若求出任意位置中的絕對位置時，以更窄間隔來配置磁極陣列30。此外，若僅以控制線性馬達42為目的時，並不需要算出絕對位置。在實施例中，係在移動體40側配置線性馬達42與磁極檢測器2，但是亦可在地上側配置該等，在移動體側配置磁極陣列30。移動體係除了高架行走車、有軌道台車等搬送台車以外，亦可為移載裝置、工作機械的頭部、工件的搬送裝置等。
在實施例中可得以下效果。
(1)求出正在檢測磁極陣列30的第幾個節距的磁極，可反饋成線性馬達的控制。
(2)若以長磁石36與短磁石38的組合來構成第1磁極陣列32與第2磁極陣列34時，可簡單構成磁極陣列30。
(3)為了對更長的磁極陣列求出磁極陣列中的節距編號，若將第2磁極陣列34例如平行配置2列以上、或增加霍爾元件等磁性感測器的數量即可。
其中，亦可將霍爾元件A...E配置成與磁極陣列的配列方向呈直角，配置按各磁極具有相當5位元的資料量的磁性標記、或光學標記等。但是，如此一來，衍生出以例如20種標記來實現在實施例中以長磁石36與短磁石38的組合所實現的標記的必要性，故較沒有效率。此外，運算電路16、計數器20、邏輯電路24、偏移補正單元8等係可由離散電路所構成，亦可由硬體與軟體所成之電腦所構成。
2．．．磁極檢測器
4．．．相位檢測頭
6．．．節距判別電路
8．．．偏移補正單元
10．．．交流電源
11～14．．．線圈
16．．．運算電路
18．．．零交叉檢測器
20．．．計數器
22．．．霍爾元件
24．．．邏輯電路
30．．．磁極陣列
32．．．第1磁極陣列
34．．．第2磁極陣列
36．．．長磁石
38．．．短磁石
40．．．移動體
42‧‧‧線性馬達
44‧‧‧控制部
R1~R4‧‧‧電阻
P1、P2‧‧‧運算放大器
第1圖係實施例的磁極檢測器之區塊圖。
第2圖係以模式顯示實施例中磁極陣列與相位檢測頭的輸出的圖。
第3圖係實施例中的磁極陣列的平面圖。
第4圖係顯示相位檢測頭之行走方向中心位置的判別圖。
第5圖係顯示實施例中的絕對位置的檢測演算法的示意圖。
第6圖係利用實施例的移動體系統的區塊圖。
30．．．磁極陣列
32．．．第1磁極陣列
34．．．第2磁極陣列
36．．．長磁石
38．．．短磁石

Claims (3)

  1. 一種磁極檢測系統，係具備配列有複數磁性感測器的磁性感測器陣列、和交替配置有N極與S極之磁極的磁極陣列，該磁極檢測系統之特徵為：設置有：複數個標記，其係藉由至少前述磁極陣列的磁極是否朝向與前述磁極陣列的配列方向呈直角的方向延長所構成，與前述磁極陣列呈平行配置，而且以前述磁極陣列的磁極單位產生變化；及標記感測器陣列，其係由與前述磁性感測器陣列呈平行配置的複數個標記檢測感測器所構成，並且設置有：相位檢測頭，其係檢測以前述磁極陣列中的1個磁極為基準的相位；及節距特定單元，其係根據來自前述複數個標記檢測感測器的訊號列，不依存於過去的檢測資料，而僅根據現在的檢測資料來特定前述磁性感測器陣列現在正在檢測的1個磁極為磁極陣列中的第幾個節距的磁極。
  2. 如申請專利範圍第1項之磁極檢測系統，其中，另外具備有偏移補正單元，其係將為前述磁極陣列中的第幾個節距的磁極的資料轉換成每個磁極的基準位置，且將前述相位轉換成離基準位置的移位，藉此輸出絕對位置。
  3. 一種磁極檢測方法，係磁極檢測系統之磁極檢測方法，該磁極檢測系統係具備配列有複數磁性感測器的磁性 感測器陣列、和交替配置有N極與S極之磁極的磁極陣列，而且設置有：複數個標記，其係藉由至少前述磁極陣列的磁極是否朝向與前述磁極陣列的配列方向呈直角的方向延長所構成，與前述磁極陣列呈平行配置，而且以前述磁極陣列的磁極單位產生變化；及標記感測器陣列，其係由與前述磁性感測器陣列呈平行配置的複數個標記檢測感測器所構成，該磁極檢測方法之特徵為：執行以下步驟：藉由相位檢測頭來檢測以前述磁極陣列中的1個磁極為基準的相位的步驟；及根據來自前述複數個標記檢測感測器的訊號列，不依存於過去的檢測資料，而僅根據現在的檢測資料，藉由節距特定單元來特定前述磁性感測器陣列現在正在檢測的1個磁極為磁極陣列中的第幾個節距的磁極的步驟。
TW100112325A 2010-04-12 2011-04-08 Magnetic pole detection system and magnetic pole detection method TWI482985B (zh)

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