TWI558983B - 編碼器 - Google Patents

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TWI558983B
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Description

編碼器
本發明係關於一種演算於旋轉體之旋轉1週內的位置之編碼器(encoder)。
作為用以偵測編碼器的故障之技術，於專利文獻1係揭示有以下技術：比較自位置偵測訊號PA、PB的脈衝(pulse)數與電動機(motor)極數P推算之磁極位置及實際的磁極位置資料(data)PU、PV、PW，並於該位置之差落在容許範圍外時則判定為故障。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開平9-105644號公報
然而，由於磁極位置資料之目的並非使用於位置偵測，故一般而言，解析力較位置檢測訊號為低。因此，上述以往之技術，係有故障偵測精確度較低之問題。
再者，為達成故障偵測之目的亦可考慮增設位置偵測訊號之構成，惟採用該種構成時，不僅產生需要對每個增設之位置偵測訊號追加偵測系統等的硬體(hardware)，亦產生需要對增設之位置偵測訊號設定用以將振幅與補償(offset)補正為理想值的補正係數，因此於製造面有缺點(demerit)變大之問題。
本發明為有鑑於前述之問題而研發成者，其目的為獲致不增設位置偵測訊號而可儘可能高精度的偵測出故障之編碼器。
為解決上述問題並達成目的，本發明為一種演算旋轉體旋轉1週內位置之編碼器，係具備以下特徵：複數個系統之位置偵測訊號產生系統，各自產生週期不同之前述旋轉體之位置偵測訊號；第一演算部，依據前述複數個系統的位置偵測訊號產生系統各自產生之位置偵測訊號算出第一旋轉1週內位置；第二演算部，依據較前述第一演算部少之系統的位置偵測訊號產生系統產生之位置偵測訊號算出第二之旋轉1週內位置；以及故障判定部，依據比較前述第一之旋轉一週內位置與前述第二之旋轉一週內位置來判定編碼器自身故障與否。
本發明之編碼器係為，可依據已存在之複數個位置偵測訊號中的一部份之位置偵測訊號產生用以偵測故障之比較用的位置資料，因而可達到不增設位置偵測訊號而可儘可能高精度地偵測出故障之效果。
以下依據圖式詳細說明本發明之編碼器之實施形態。並且，本發明係為不被此實施形態限定者。
(實施形態)
第一圖係為本發明之實施形態之編碼器的構成之示意圖。如圖所示，本實施形態之編碼器係具備：光源1、作為馬達的旋轉體之旋轉軸2、安裝於旋轉軸2之具有形成有三個軌道(軌道3a、3b、3c)之標尺(scale)之旋轉板3、以及受光元件單元(unit)4a至4c。光源1係採用例如LED，光源1放射之光線係入射至各軌道3a至3c。射入各軌道3a至3c之光線，藉由各軌道3a至3c而被調制，並射入至各受光元件單元4a至4c。受光元件單元4a至4c係藉由光電變換將入射之光變換為電訊號(位置偵測訊號)。
第2圖係為說明光源1與軌道3a至3c以及受光元件單元4a至4c之間之位置關係之圖。並且，於此為避免繁雜，係分別舉軌道3a至3c之軌道3a與受光元件單元4a至4c之受光元件單元4a作為代表說明。如圖所式，於光源1之光軸上係配置有軌道3a與受光元件單元4a，並形成為來自軌道3a之透射光入射至受光元件單元4a。軌道3a係構成為，透射光線之透光部與遮蔽光線之遮光部於旋轉方向交互設置。透光部與遮光部係以依標尺之旋轉而使透射光之強度依sin波而產生變化之方式例如依據PWM(脈衝寬度調制，pulse width modulation)方式而配置，受光元件單元4a係自入射光線產生依sin波而變化之電訊號。
自軌道3a至3c因標尺的旋轉1週而產生之電訊號之週期係各不相同。第3圖係為說明受光元件單元4a至4c依據來自軌道3a至3c之透射光線產生之電訊號之圖。如圖所示，受光元件單元4a係可於標尺每旋轉1週產生1週期(1波)之訊號。受光元件單元4b係可於標尺每旋轉1週產生16週期(16波)之訊號。受光元件單元4c係可於標尺每旋轉1週產生256週期(256波)之訊號。
亦即，由光源1、軌道3a、與受光元件單元4a；光源1、軌道3b、與受光元件單元4；以及光源1、軌道3c、與受光元件單元4c分別所構成之位置偵測訊號產生系統各自產生之位置偵測訊號之週期係不相同。於此係定義由光源1、軌道3a、與受光元件單元4a所構成之位置偵測訊號產生系統為一個系統，並定義由光源1、軌道3b、與受光元件單元4b所構成之位置偵測訊號產生系統，以及由光源1、軌道3c、與受光元件單元4c所構成之位置偵測訊號產生系統各自為不同的系統。
回到第1圖，來自受光元件單元4a至4c之電訊號，係藉由放大電路5a至5c各自放大，放大後之各電訊號係輸入至微電腦單元(Micro Computer Unit)(MCU)6。MCU6係具備：電角度第一算出部(電角度算出部)8；旋轉1週內位置資料產生部(旋轉1週內位置產生部)9；比較部(故障偵測部)10；閾值記憶部13；以及通訊控制部14。並且，MCU6係具備，CPU(中央處理單元，Central Processing Unit)，ROM(唯讀記憶體，Read Only Memory)，RAM(隨機存取記憶體，Random Access Memory)，I/O(輸入輸出介面)，並藉由於CPU執行儲存於ROM內之預定程式(program)實現上述的功能構成部(電角度第一算出部8、旋轉1週內位置資料第一產生部9、比較部10以及通訊控制部14)之功能。並且，可於ROM上確保閾值記憶部13，並預先設定閾值(於後述)於閾值記憶部13。再者，可於RAM上確保閾值記憶部13，並於動作開始時等預定之時機(timing)使閾值自外部輸入至閾值記憶部13。
電角度第一算出部8係依據經由放大電路5a至5c輸入之來自受光元件單元4a至4c之電訊號，而算出每個軌道的電角度。於此，所謂電角度，係指於正弦波一週期變為360度(即2π弧度(radian))之訊號。例如16波訊號之情形，標尺每以機械角度為360/16=22.5度旋轉即產生1週期份之電角度。
第4圖係為軌道3a至3c所示之機械角度與電角度第一算出部8產生的電角度之關係之示意圖。如圖所示，係自軌道3a之電訊號產生與機械角度一對一對應之電角度。於機械角度旋轉1週之間係自軌道3b之電訊號產生旋轉16周之電角度。於機械角度旋轉1週之間係自軌道3c產生旋轉256週之電角度。
並且，為使電角度第一算出部8可高精確度地求出電角度係可，於各軌道3a至3c各自形成2種之模式(pattern)俾使sin波(PA)以及cos波(PB)可一同形成，並為於受光元件單元4a至4c自各2種模式之透射光產生2個電訊號，亦可使其具備受光元件行列(array)。據此，電角度第一算出部8使sin波之電訊號之值除以cos波之電訊號之值所得之值作用於arctan函數就可藉此求得電角度，並與使sin波之電訊號作用於arcsin函數來求取電角度之情形相比可高精確度地求電角度。
再者，如前述，各個位置偵測訊號產生系統，雖係需要設定補正振幅與補償為理想值之補正係數，惟每個位置偵測訊號產生系統的補正係數係可預先設定於電角度第一算出部8。並且，後述之電角度第二算出部11雖演算軌道3b之電角度，惟亦可預先設定軌道3b之補正係數於電角度第二算出部11。軌道3b之補正係數可於電角度第一算出部8與電角度第二算出部11共用一事係不復提。
旋轉1週內位置資料第一產生部9係合成電角度第一產生部8產生之軌道3a至3c之電角度，進而產生旋轉1週內之位置資料。
第5圖係為說明旋轉1週內之位置資料第一產生部9合成電角度之態樣之圖。於此作為一例，係假設軌道3a至3c的電角度各記述有10位元(bit)之解析力，藉由電角度合成可得18位元之解析力之位置資料。
如第5圖所示，軌道3a之電角度、軌道3b之電角度以及軌道3c之電角度係各自具有將位置資料的MSB(最大有效位元Most Significant Bit)、自MSB開始的第5位元以及自MSB開始的第9位元作為各最大有效位元之合計10位元之資料。旋轉1週內位置資料第一產生部9，係自軌道3a之電角度取得自MSB至第4位元為止之資料，係自軌道3b之電角度取得自第5位元至第8位元為止之資料，係自軌道3c之電角度取得自第9位元至第18位元為止之資料，並產生位置資料。各軌道之電角度係為上位位元較下位位元之偵測精確度為高。如上述，於最後可獲致保證有具高解析力且不論任何位元皆有高偵測精確度之位置資料。
回到第1圖，軌道3a的放大後之電訊號係被分歧為二個，分歧目的地為各自輸入至MCU6及MCU7。輸入至MCU6之電訊號係如上述，用於旋轉1週內位置資料第一產生部9的產生位置資料。輸入至MCU7之電訊號係有別於前述位置資料，用於產生故障偵測用的位置資料。以下，係將旋轉1週內位置資料第一產生部9所產生之位置資料稱為第一位置資料，將於MCU7所產生之位置資料稱為第二位置資料。
MCU7係具備電角度第二算出部11以及旋轉1週內位置資料第二產生部12。並且，MCU7與MCU6相同具備有CPU、ROM、RAM以及I/O，藉由CPU執行儲存於ROM內之預定程式實現電角度第二算出部11與旋轉1週內位置資料第二產生部12之功能。
電角度第二算出部11係自放大電路5b送來之軌道3b之電訊號算出軌道3b之電角度。軌道3b之電角度係可與電角度第一算出部8算出之軌道3b之電角度相同，亦可記述有與電角度第一算出部8算出之軌道3b之電角度不同之位元數(例如14位元)。
旋轉1週內位置資料第二產生部12係依據軌道3b之電角度產生第二位置資料。
第6圖係為旋轉1週內位置資料第二產生部12自軌道3b之電角度產生第二位置資料之態樣之示意圖。係如前述，軌道3b之電角度旋轉16週相當於機械角度旋轉1週。因此，如圖所示，電角度第二算出部係計數(count)電角度的旋轉累積數而產生計數值，並依據計數值與自輸入之電訊號所產生之軌道3b之電訊號來產生第二位置資料。亦即，電角度第一算出部8雖係自軌道3a之電角度取得上位4位元並產生第1位置資料，惟電角度第2算出部11係藉由計數軌道3b之電角度之旋轉數取得第二位置訊號的上位4位元。並且，電角度第二算出部11可於計數值到達16時零位重置(zero reset)計數值，亦可不零位重置計數值而僅使用計數值的下位4位元。
MCU6所具備之比較部10係依據第一位置資料與第二位置資料之差分以及預先儲存於閾值記憶部13之閾值之比較，執行編碼器自身之故障偵測。具體而言，比較部10於第一位置資料與第二位置資料之差分未超過前述閾值之情形，係通知未偵測出故障之通知內容至通訊控制部14，而於第一位置資料與第二位置資料之差分超過前述閾值之情形，係通知偵測出故障之通知內容至通訊控制部14。
通訊控制部14係於第一位置資料附加自前述比較部10接收到之通知並產生串列通訊資料，且傳送產生出之串列通訊資料至外部的控制機器。接收到串列通訊資料之控制機器，係藉由參照包含於該接收到之訊號之通知，可判定本編碼器故障與否。
並且，於上述之說明，雖係說明了以第二位置資料作為故障偵測用，而第一位置資料作為傳送至外部的控制機器者，惟亦可使之為將第一位置資料作為故障偵測用，而傳送第二位置資料至外部。再者，亦可產生複數個故障偵測用位置資料，並依據比較第一位置資料與複數個故障偵測用之位置資料來偵測故障。於產生複數個故障偵測用的位置資料之情形，比較部10係可為即便有一個故障偵測用的位置資料與第一位置資料之差分超過閾值時，即發佈偵測出故障之通知內容，亦可為於故障偵測用的位置資料與第一位置資料之差分有二個以上超過閾值時發佈偵測出故障之通知內容。再者，亦可構成為，於二個以上之故障偵測用的位置資料一致，且該二個以上故障偵測用的位置資料與第一位置資料之差分為閾值以上之情形，係傳送該二個故障偵測用的位置資料至外部。
再者，用以產生第一位置資料之功能構成部(電角度第一算出部8，旋轉一週內位置資料第一產生部9)與用以產生第二位置資料之功能構成部(電角度第二算出部11，旋轉一週內位置資料第二產生部12)雖各自係構成為以不同之MCU來實現，惟如第7圖所示，亦可用同一之MCU6來實現。用以產生第一位置資料之功能構成部與用以產生第二位置資料之功能構成部藉由各自不同之MCU實現，可使各自的位置資料之信賴性提升，結果係使故障判定結果之可靠性提升。再者，實施形態之編碼器的功能構成部雖為使用MCU而得以實現，惟功能構成部之一部份或全部亦可藉由硬體電路來實現。
再者，雖係以依據軌道3b之電訊號產生第二位置資料之方式來說明，惟亦可為依據軌道3a或軌道3c之電訊號產生。依據軌道3a之電訊號產生之情形，旋轉一週內位置資料第二產生部12可使電角度第二算出部產生之電角度直接作為第二位置資料輸出。再者，亦可藉由合成軌道3a至3c之電訊號中之任二者來產生第二位置資料。
再者，雖係使軌道3a至3c作為具有可得到sin波之電訊號之模式者來說明，惟亦可構成為具備可得到如M序列亂數編碼等之以0、1之二元編碼表示之序列編碼之模式。於該情形，電角度第一算出部8以及電角度第二算出部11亦可構成為解碼接收之電訊號並各自算出電角度。
再者，雖以具備具有1波、16波及256波的週期之軌道來說明，惟軌道之數量及週期係非被以上之說明限定者。
再者，位置偵測訊號(電訊號)之產生方式，雖係以採用使用光源1與受光元件單元4a至4c之光學式產生方式來說明，惟亦可為採用磁力式或電磁感應式之產生方式。再者，亦可使其為依每個軌道以不同之產生方式產生位置偵測訊號。例如磁力式之產生方式不易被溫度干擾，而光學式產生方式不易被磁場干擾。藉由依各軌道採用不同之產生方式，並組合各個優點，係可更進一步的提升可靠性。
再者，雖未特別提及來自比較部10之第一位置資料與第二位置資料之比較頻度，惟可使之為於第一位置資料(或第二位置資料)的每個演算週期執行比較，亦可為於每複數個演算週期執行比較。
再者，雖以第一位置資料與第二位置資料作為旋轉一週內位置資料，並於比較部10實施比較，惟藉由旋轉一週內位置資料第一產生部9與旋轉一週內位置資料第二產生部12皆計數旋轉數之累積數係可達成比較多旋轉數。
再者，於通訊控制部14雖使收信自比較部10的通知附加至第一資料而產生序列通訊資料，惟亦可使收信自比較部10的通知附加至第二資料而產生序列通訊資料，亦或可構成為不包含第一資料或第二資料而產生包含收信自比較部10的通知之序列通訊資料。
如上所述，根據本發明之實施形態，係構成為具備：各自產生作為周期不同位置偵測訊號之電訊號之複數個系統之位置偵測訊號產生系統(光源1，軌道3a至3c，受光元件單元4a至4c)；依據複數個系統的位置偵測訊號產生系統各自產生之位置偵測訊號而算出第一位置資料之發揮第一演算部功能之電角度第一算出部8以及旋轉一週內位置資料第一產生部9；依據較第一演算部為少之系統之位置偵測訊號產生系統所產生之電訊號而算出第二位置資料之發揮第二演算部功能之電角度第二算出部11及旋轉一週內位置資料第二產生部12；以及依據第一位置資料與第二位置資料之比較判定編碼器自身故障與否之作為故障判定部之比較部10，藉此係可依據用以偵測位置之訊號來產生用以偵測故障之比較用之位置資料，且成為可自已存在之複數個位置偵測訊號不另新增設的位置偵測訊號而可執行故障偵測。據此，即成為可不增設位置偵測訊號而儘可能高精確度的偵測故障。
再者，第二演算部係構成為，係對伴隨標尺旋轉一週而產生複數週期(16週期)的位置偵測訊號之位置偵測訊號產生系統(光源，軌道3b、以及受光元件單元4b)所產生之位置偵測訊號於該位置偵測訊號每旋轉一週時計數，依據該位置偵測訊號所示之電角度與該位置偵測訊號之計數值算出前述第二之旋轉一週內位置，因此，可依據比較各個以不同手法所產生之位置資料來執行故障偵測，藉此可提升故障偵測之可靠性。
並且，第二演算部係可依據，伴隨標尺旋轉一週而產生一週期的位置偵測訊號之位置偵測訊號發生系統(光源1、軌道3a、以及受光元件單元4a)所產生之位置偵測訊號來產生第二位置資料。藉此，於該位置偵測訊號就不需要於每旋轉一週即計數，與依據伴隨標尺旋轉一週而產生複數週期的位置偵測訊號之位置偵測訊號產生系統所產生之位置偵測訊號來算出第二位置資料之情形相比可達成以較簡單之構成來執行故障偵測。
再者，比較部10係構成為，於第一位置資料與第二位置資料的差分超過預先設定的閾值之情形，判定編碼器自身為故障，而於前述差分未超過前述閾值之情形，係判定編碼器自身未故障，藉此可高精確度地偵測故障。
1．．．光源
2．．．旋轉軸
3．．．旋轉板
3a、3b、3c．．．軌道
4a、4b、4c．．．受光元件單元
5a、5b、5c．．．放大電路
6、7．．．MCU
8．．．電角度第一算出部
9．．．旋轉一週內位置資料第一產生部
10．．．比較部
11．．．電角度第二算出部
12．．．旋轉一週內位置資料第二產生部
13．．．閾值記憶部
14．．．通訊控制部
第1圖係為本發明的實施形態之編碼器的構成例之示意圖；
第2圖係為說明光源與軌道與受光元件單元之間之位置關係之圖；
第3圖係為說明受光元件單元依據來自軌道的透射光而產生電訊號之圖；
第4圖係為軌道所示的機械角度與電角度第一算出部所產生的電角度之關係之示意圖；
第5圖係為說明旋轉1週內位置資料第一產生部合成電角度之態樣之圖；
第6圖係為旋轉1週內位置資料第二產生部產生第二位置資料之態樣之示意圖；
第7圖係為本發明之實施形態之編碼器之別的構成例之示意圖。
1．．．光源
2．．．旋轉軸
3．．．旋轉板
3a、3b、3c．．．軌道
4a、4b、4c．．．受光元件單元
5a、5b、5c．．．放大電路
6、7．．．MCU
8．．．電角度第一算出部
9．．．旋轉一週內位置資料第一產生部
10．．．比較部
11．．．電角度第二算出部
12．．．旋轉一週內位置資料第二產生部
13．．．閾值記憶部
14．．．通訊控制部

Claims (6)

  1. 一種編碼器，為演算旋轉體之旋轉一週內位置者，係具備：複數系統的位置偵測訊號產生系統，係各自產生有關週期不同之前述旋轉體之位置偵測訊號，並且該複數系統的位置偵測訊號產生系統包含有伴隨前述旋轉體旋轉一週而產生一週期之位置偵測訊號的位置偵測訊號產生系統；第一演算部，依據前述複數系統之位置偵測訊號產生系統各自產生之位置偵測訊號來算出第一之旋轉一週內位置；第二演算部，依據前述複數系統的位置偵測訊號產生系統中一部分之較前述第一演算部為更少之系統數的位置偵測訊號產生系統所產生之位置偵測訊號算出第二之旋轉一週內位置；以及故障判定部，依據比較前述第一之旋轉一週內位置與前述第二之旋轉一週內位置來判定編碼器自身故障與否；其中前述第二演算部係依據伴隨前述旋轉體旋轉一週而產生一週期之位置偵測訊號的位置偵測訊號產生系統所產生之位置偵測訊號來算出前述第二之旋轉一週內位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中，前述故障判定部係為，前述第一之旋轉一週內位 置與前述第二之旋轉一週內位置之差分超過預定之閾值時，判定前述編碼器自身故障，而於前述差分未超過前述預定之閾值時，判定前述編碼器自身未故障。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之編碼器，其中，前述複數系統的位置偵測訊號產生系統中的二個位置偵測訊號產生系統，其各個位置偵測訊號產生方式係不同。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之編碼器，其中，前述第一演算部係具備：電角度算出部，依據前述複數系統之位置偵測訊號產生系統所各自產生之位置偵測訊號來演算每個系統的電角度；以及旋轉一週內位置產生部，係合成前述電角度算出部演算出之每個系統的電角度而算出前述第一之旋轉一週內位置。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之編碼器，其中，前述預定之閾值係紀錄於非揮發性之記憶體。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之編碼器，其中，前述預定之閾值係為由外部輸入。
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