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TWI500907B - 多圈旋轉絕對旋轉角之檢測裝置及該旋轉角之檢測方法 - Google Patents

多圈旋轉絕對旋轉角之檢測裝置及該旋轉角之檢測方法 Download PDF

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TWI500907B
TWI500907B TW101100277A TW101100277A TWI500907B TW I500907 B TWI500907 B TW I500907B TW 101100277 A TW101100277 A TW 101100277A TW 101100277 A TW101100277 A TW 101100277A TW I500907 B TWI500907 B TW I500907B
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rotation angle
nmax
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TW101100277A
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Inventor
Akihiko Houda
Original Assignee
Oriental Motor Co Ltd
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Publication date
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Priority claimed from JP2011106368A external-priority patent/JP5473984B2/ja
Application filed by Oriental Motor Co Ltd filed Critical Oriental Motor Co Ltd
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Description

多圈旋轉絕對旋轉角之檢測裝置及該旋轉角之檢測方法
本發明係關於檢測旋轉軸的旋轉角之裝置，更詳言之，係關於即使不使用電池之備份等的手段，也可檢測出轉了多圈之旋轉軸的絕對旋轉角之旋轉角檢測裝置。
旋轉角檢測裝置，係檢測出例如馬達旋轉軸的旋轉角，然後依據該檢測出的值來控制由該馬達所驅動之工作機械等的移動體的位置。為了廣範圍且高精度地控制移動體的位置，希望旋轉角檢測裝置能夠檢測出轉了多圈之馬達旋轉軸的絕對旋轉角。
日本特開2010-44055號公報(對應美國專利申請案之第12/168,151號)中揭示的感應性多圈式編碼器(inductive multi-turn type encoder)即為這樣的旋轉角檢測裝置。此感應性多圈式編碼器10係具備有串接且連接成多段之帶有齒輪的圓盤41至46，且藉由檢測出該等中的圓盤42,44,46的旋轉角來實現多圈之角度檢測。此先前技術文獻中揭示的感應性多圈式編碼器所可檢測出的多圈角度的範圍，係由最終段的圓盤46之相對於輸入旋轉軸的減速比所決定。作為輸入旋轉軸之旋轉軸20，係以1：4之齒輪減速比與圓盤41做機械性的連接，後續的帶有齒輪的圓盤41”與42、42”與43、43”與44、44”與45、45”與46也分別以1：4之齒輪減速比做機械性的連接。該多圈式編碼器10藉由執行六段如此的1：4之齒輪減速，而 可得到4096圈之多圈的檢測範圍。
〔先前技術文獻〕 [專利文獻]
(專利文獻1)日本特開2010-44055號公報
(專利文獻2)日本特開2002-107178號公報
(專利文獻3)日本特許第3967963號說明書
(專利文獻4)日本特公平05-38243號公報
[非專利文獻]
(非專利文獻1)林幸一、及其他4名、「多回転検出方式超高分解能小型‧ 開発」、精密工学会誌、2000年、Vol. 66、No. 8、pp1177-1180
上述的感應性多圈式編碼器，係從經過減速的圓盤的旋轉角來直接求出多圈旋轉角，因此為了將多圈檢測範圍設定得較廣，必須採用較大的減速比。結果，就會有：如此的感應性多圈式編碼器其機構會變複雜且變大，而且成本會上昇之課題。
為了改善上述課題，「多回転検出方式超高分解能小型‧開発」(精密工学会誌、2000年、Vol.66、No.8、pp1177-1180)中介紹的編碼器、以及日本特開2002-107178號公報中揭示的分解器(resolver)，針對相對於旋轉輸入軸並列連接且以 不同的變速比與旋轉輸入軸連接之各個旋轉軸，分別設置用來檢測旋轉軸的旋轉角之角度檢測器，並根據從各角度檢測器得到的旋轉角資訊來檢測出多圈絕對位置。
然而，在從並列且以不同的變速比連接之複數軸的旋轉角的關係來求出多圈資訊之方式中，多圈之角度檢測範圍，一般係由處理各軸的角度檢測訊號而得到的周期訊號的最小公倍數所決定。如上述先前文獻中所記載之檢測多圈絕對旋轉角的方式，為了將多圈之角度檢測範圍設定得較廣，必須選擇互質的變速比，結果，就會有齒輪的種類變多之問題。此外，因為互質的數有限，所以還有可設計的多圈角度檢測範圍的自由度受到限制之問題。再者，由於要應付其他應用(application)之多圈的角度檢測範圍有各式各樣，因此會有實際可實現的多圈的角度檢測範圍限定於互質的值的最小公倍數之特殊的值之不便。又，上述之方式係從各軸的旋轉角資訊來求出多圈絕對位置，會有其演算很複雜之問題。
為了應付上述之求多圈絕對位置的演算變複雜之問題，日本特開2002-107178號公報揭示一種：預先將表示從各旋轉軸的旋轉角求出之值與主旋轉軸的旋轉圈數的關係之表(table)(圖9)記憶於記憶體中，然後從該表中選出與從各旋轉軸的旋轉角求出之值對應之主旋轉軸的旋轉圈數之絕對位置檢測方法。不過，卻存在有：為了將多圈檢測範圍設定得較廣，要用到與該多圈檢測範圍(0至20357)對應之很多的記憶體之問題。
另外，日本特許第3967963號公報揭示一種：只將兩個周期中的一個周期的演算結果記憶於記憶體中，來節省所用的記憶體之演算方法。然而，此一方法在使用記憶體方面，也具有與上述的檢測方法一樣的問題。
又，關於求多圈絕對旋轉角之演算方法，日本特公平05-38243號公報曾提出：擬出複數個角度檢測器的檢測值相對於軸的旋轉角之關係式，且使用將同時滿足各軸的檢測值之軸的旋轉角逐次代入以進行判別之程式，來搜尋出多圈絕對旋轉角。但若多圈檢測範圍變廣，就會有要搜尋的組合變多而在計算上花很多時間之問題。
本案申請專利範圍第1項之發明，係特徵在於：為了解決上述課題而完成，且適用於多圈旋轉絕對旋轉角檢測裝置者，其中，該多圈旋轉絕對旋轉角檢測裝置係具備有：傳遞機構，將旋轉從第1旋轉軸傳遞至第nmax旋轉軸、以及旋轉角檢測器，檢測前述第1旋轉軸至前述第n旋轉軸之各旋轉軸的旋轉角，該傳遞機構係相對於第1旋轉軸的旋轉角θ 1 ，第n旋轉軸的旋轉角θ n 滿足 之關係者。其中，nmax及m為3以上之整數，且n的範圍為1≦n≦nmax。
申請專利範圍第2項之發明，係具有如下之特徵者：在設由角度檢測器所檢測出的第1旋轉軸至第nmax旋轉軸 的角度檢測值為p1 ,p2 ,…,pnmax ，且各旋轉軸的一周期的角度檢測量為u之情況，第1旋轉軸之旋轉角計算值θ c ，係以θ c =mod((k1 ×p1 +k2 ×p2 +…+kn ×pnmax ),u)×mnmax-1 之式子來求出。其中，mod(x,a)係為求出x除以a時的餘數之餘數演算，且係數k1 ,…,knmax 係為包含0之正或負的整數。
申請專利範圍第3項之發明，係具有如下之特徵者：係數k1 ,…,knmax 分別與將數式(x+1)nmax-1 展開時之x的(n-1)次項的係數相對應。
申請專利範圍第4項之發明，係具有如下之特徵者：將旋轉從第1旋轉軸傳遞至第n旋轉軸之傳遞機構，係在鄰接的旋轉軸間以(m±1)/m之變速比傳遞旋轉而形成者。
申請專利範圍第10項之發明，係具有如下之特徵者：傳遞機構係具備有以固定在第1旋轉軸至第n旋轉軸之各旋轉軸上的齒輪係連續地相嚙合之形態形成之齒輪機構，且此齒輪機構係由相嚙合成讓連續的兩個旋轉軸間的旋轉速度的變速比為(m±1)/m之複數個齒輪對所構成。
申請專利範圍第15項之發明，係具有如下之特徵者：利用安裝於各旋轉軸之角度檢測器來檢測第n旋轉軸的一圈內的角度檢測值pn ，並根據檢測出的角度檢測值pn 來決定係數Rn-2 ，再將該決定出的係數Rn_2 代入以下的旋轉角計算式而求出旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’。旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’係表示第1旋轉軸的多圈旋轉旋轉角，旋轉角的檢測範圍為0至mn-1 圈者。
使上述的旋轉角計算式的數值n重複從2到nmax，來依序決定係數R0 到係數Rnmax-2 之值，然後求出第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角計算值θ c =θ 1 (mnmax-1 )’。其中，係數R0 至Rnmax-2 為包含0及m-1之從0到m-1之整數，u為基本單位量，及旋轉角計算值θ 1 (m0 )’為第1旋轉軸的角度檢測值p1 。
申請專利範圍第16項之發明，係具有如下之特徵者：上述係數Rn-2 ，在旋轉軸數為n之情況，係決定成讓用來求第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’之旋轉角計算式的計算結果近似於以下所示的第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )者。旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )，係將利用以下的式子而從到第n旋轉軸之角度檢測值p1 至pn 求出的周期訊號S(mn-1 )乘以mn-1 而求出。旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )的旋轉角檢測範圍為0至mn-1 圈。
利用此式就可求出周期訊號S(mn-1 )，其中，k1 ,k1 ,…,kn 為(x+1)n-1 的展開式k1 ×x0 +k2 ×x1 +k3 ×x2 …+kn ×xn-1 中之x的n-1次項的係數，mod(x,a)係為求出x除以a時的餘數之餘數演算，J為在鄰接的旋轉軸間的變速比為-(m-1)/m時，J=1，變速比為-(m+1)/m時，J=-1之符號調整項。又，角度修正值pn ’可將計算出的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’代入下式的角度修正值計算式來加以計算出。
申請專利範圍第17項之發明，係具有如下之特徵者：係數Rn-2 係藉由決定出最近似於下式的計算結果之整數來求出。
申請專利範圍第18項之發明，係具有如下之特徵者：係數Rn-2 可藉由下式之演算來求出，其中INT(x)為將數值x的小數點以下予以捨棄之演算。
申請專利範圍第31項之發明，係具有如下之特徵者：將上述係數Rn-2 決定成讓以下的式子所示的角度修正值pn ’最近似於第n旋轉軸的角度檢測值pn 者，來求出旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’。
使上述的角度修正值計算式的數值n重複從2到nmax，來依序決定係數R0 到係數Rnmax-2 之值。
將此等決定出的係數R0 至Rnmax-2 代入以下之旋轉角計算式，來求出第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角計算值θ 1 (mnmax-1 )’。
其中，係數R0 至Rnmax-2 為包含0及m-1之從0到m-1之整數，u為基本單位量，及角度修正值p1 ’為第1旋轉軸的角度檢測值p1 。
申請專利範圍第32項之發明，係具有如下之特徵者：上述係數Rn-2 可藉由決定出最近似於下式的計算結果之整數來求出。
以及，係數Rn-2 可藉由下式的演算來求出。
其中，INT(x)為將數值x的小數點以下予以捨棄之演算。
申請專利範圍第33項之發明，係具有如下之特徵者：設置複數個系列的上述傳遞機構，並從各個系列求出周期訊號、角度修正值，來演算出多圈旋轉絕對旋轉角。而且，特別將m設定成讓周期訊號的周期會互質之值。
根據本發明，傳遞機構係在鄰接的旋轉軸間以相同的變速比傳遞旋轉而形成(例如，使得齒輪的齒數為m,m±1這兩種而形成)，部件的共用化很容易，而且若以一體成型的方式製作該部件，則用一種類的部件就可設計傳遞機構。
又，本發明具有：由於多圈之檢測範圍並不限定於複 數個值的最小公倍數，所以可任意設計該檢測範圍之特徵。舉例來說，本發明可容易地實現mn-1 /N之多圈的檢測範圍，所以可容易地設計諸如2n ,10n 之多圈的檢測範圍、或適合於其他的應用之多圈的檢測範圍。
又，由於只用各檢測值的積和演算就可求出多圈的絕對位置，所以可簡單且高速地進行計算處理。此外，無須預先將各旋轉軸的檢測值及演算結果儲存於表中，所以還具有不用使用記憶體就可做到之優點。
根據本發明，即使角度檢測器的檢測值會含有誤差，也可將在角度檢測器產生的檢測誤差壓低，而計算出高精度的多圈旋轉旋轉角計算值。尤其，藉由此計算，可將在安裝於第2旋轉軸及以後的旋轉軸上之角度檢測器產生的檢測誤差予以抵消，將誤差抑制在第1旋轉軸的角度檢測器產生的檢測誤差內。結果，即使多圈旋轉旋轉角的檢測範圍由於旋轉軸增多而擴大，也可將計算出的多圈旋轉旋轉角計算值抑制在第1旋轉軸的檢測誤差內。
又，本發明之角度檢測器所被要求要有的精度，只要有進行係數Rn-2 之判別所必需的精度即可。與直接計算各軸的檢測值來得到多圈旋轉角度之作法相比較，可使所需的精度較低所以可減低多圈旋轉角度檢測裝置的成本。
再者，採用本發明之多圈旋轉角度檢測裝置無須要有互質關係之變速，所以使用的齒輪的種類很少即可構成。而且，可自由設計多圈旋轉旋轉角之檢測範圍。以及，在多圈旋轉之周期計算中，無須進行記憶體參照，所以不會 有使用很多記憶體而招致記憶體元件的成本之上昇及尺寸之增大。
以下，參照圖式來說明本發明之實施例，惟圖式及對應於該圖式之說明，都只是用來說明實施本發明的例子之記述，並非用意在將請求項所請求之發明限定在該實施例者。本發明只受請求項中定義的用語所限定，該用語係依其一般的意義來解釋者。
以下，參照第1圖來說明根據本發明的第一實施例之求多圈旋轉絕對旋轉角的原理。在第1圖所示之旋轉角檢測裝置的傳遞機構10的構成方塊圖中，結合至馬達輸出軸之第1旋轉軸11係連接至角度檢測器S1，由角度檢測器S1來檢測出表示與第1旋轉軸11之涵蓋多圈的角度之旋轉角θ 1 對應之一圈內的角度之角度檢測值p1 。同樣的，角度檢測器S2至Sn分別檢測出表示與第2至第n旋轉軸12至15之涵蓋多圈的角度之旋轉角θ 2 至θ n 對應之一圈內的角度之角度檢測值p2 至pn 。第1至第n旋轉軸11至15上分別固定有齒數m-1(或m+1)及齒數m之齒輪，且第1旋轉軸11之齒輪11a與第2旋轉軸12之齒輪12b相嚙合，固定在第2旋轉軸12上之齒輪12a與第3旋轉軸13之齒輪13b相嚙合。以此類推而構成為傳遞機構10，亦即傳遞機構10係為在鄰接的旋轉軸間，形成具有齒數m-1(或m+1)之齒輪與具有齒數m之齒輪相嚙合之齒輪機構者。
本發明的實施例雖然使用齒輪機構作為傳遞機構來進 行說明，但本發明之傳遞機構並不限定於齒輪，還包含可傳遞旋轉軸的旋轉力之任何構件。在如上述配置之齒輪機構中，第1旋轉軸11之多圈旋轉絕對旋轉角，係利用由角度檢測器S1至Sn所檢測出之第1至第n旋轉軸11至15的角度檢測值p2 至pn 而套用以下的計算式來算出。
假想第1圖中第1至第n旋轉軸11至15間相嚙合的分別為齒數m-1及齒數m的齒輪之情形，則齒輪變速比可用(m-1)/m來加以表示。在呈串接配置到第1旋轉軸11至第n旋轉軸15之齒輪機構中，相嚙合之齒輪對都具有相同的齒輪變速比(m-1)/m，所以若將第1旋轉軸11的旋轉角表示成θ 1 ，則第n旋轉軸15的旋轉角θ n 可用式(1)來加以表示。
式(1)中，(m-1)/m前面的符號為負號，此處，正負號的定義如下：第1旋轉軸11的旋轉方向以正號(+)來表現，與該旋轉相反的方向則以負號(-)加以表現。
假設第1圖中所示的傳遞機構係為由第1旋轉軸至第4旋轉軸所形成之齒輪機構，且將結合至馬達輸出軸之第1旋轉軸的旋轉角表示成θ 1 ，則第2旋轉軸的旋轉角θ 2 、第3旋轉軸的旋轉角θ 3 、及第4旋轉軸的旋轉角θ 4 可依據式(1)而分別如以下各式般求出。
此外，角度檢測器S1至Sn係為檢測出第1至第n旋轉軸11至15的旋轉角度(檢測出表示成例如0(°)至360(°)的檢測值)之檢測器，所以若第n旋轉軸旋轉了θ n ，則角度檢測器Sn的檢測值pn 可用式(6)來加以表現。
p n =mod(θ n ,u ) (6)其中，式y=mod(x,a)一般係定義為算出x除以a時的餘數y之餘數演算。亦即，假設某一旋轉軸的旋轉角的單位為度(°)，表示一周期的旋轉角之數值(基本單位量)u為360(°)，則檢測值pn 係對應於旋轉角而表示成0至360(°)間之值。例如，旋轉角θ n 為90(°),510(°)之情況，檢測值pn 分別為90(°),150(°)。又，旋轉角θ =-1(°)之情況，並不將檢測值p表示成-1(°)，而是將之表示成359(°)。旋轉角θ n 及u的單位只要一致即可，可採用任何單位。例如，若令單位量為1(圈)，則檢測值pn 係對應於旋轉角而表示成0至1之間的值。
進一步說明角度檢測器的檢測值，則用來檢測出第1旋轉軸11至第n旋轉軸15的旋轉角之角度檢測器S1至 Sn，係在旋轉軸轉一圈的期間輸出一周期之檢測值。例如，角度檢測器S1至Sn在一周期的單位量為u之情況，係輸出：先隨著旋轉軸之旋轉角的增加而線性地從檢測值0增大到檢測值u，然後在旋轉軸旋轉達一圈時回到檢測值0之鋸齒狀的檢測訊號。單位量u之單位，係為表示每一周期的旋轉角之數值，且如上所述，只要與旋轉角的單位相同即可，可為任何單位。
接著，將式(2)至式(5)所示之旋轉角θ 1 至θ 4 代入式(6)，就可利用式(7)至(10)而從第1旋轉軸的旋轉角θ 1 算出角度檢測器S1至S4的角度檢測值p1 至p4 。
p 1 =mod(θ 1 ,u ) (7)
若假想周期訊號為以第1旋轉軸之轉m圈為一周期之周期訊號，則表示該周期訊號S(m1 )之餘數式可表示成下式： ，所以從mod(a+b,u)=mod(mod(a,u)+mod(b,u),u)之關係，就可利用第1旋轉軸的檢測值p1 及第2旋轉軸的檢測值p2 ，而將上述表示周期訊號S(m1 )之餘數式變形成如式 (11)的式子。
又，若假想周期訊號為以第1旋轉軸之轉m2 圈為一周期之周期訊號，則表示該周期訊號S(m2 )之餘數式可表示成下式： ，所以可利用第1至第3旋轉軸的檢測值p1 ,p2 ,p3 而將上述表示周期訊號S(m2 )之餘數式變形成如式(12)的式子。
再者，若假想周期訊號為以第1旋轉軸之轉m3 圈為一周期之周期訊號，則表示該周期訊號S(m3 )之餘數式可表示成下式： ，所以可利用第1至第4旋轉軸的檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 而將上述表示周期訊號S(m3 )之餘數式變形成如式(13)的 式子。
以此類推，若假想周期訊號為以第1旋轉軸之轉mn-1 圈為一周期之周期訊號，則表示該周期訊號之餘數式可表示成下式： ，所以當從式(11)演繹式(13)時，就可將周期訊號S(mn-1 )表示成式(14)之周期訊號的計算式。
其中，n為旋轉軸的數目。而且，k1 ,k1 ,…,kn 係對應於(x+1)n-1 的展開式的係數。亦即，根據二項式定理可將(x+1)n-1 展開成k1 ×x0 +k2 ×x1 +…+kn ×xn-1 。
因此，第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )，可藉由對式(14)之周期訊號乘以mn-1 而表示成式(15)。
如式(15)所示，將各旋轉軸之角度檢測器的檢測值p1 至pn 代入，就可求出第1旋轉軸的多圈旋轉旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )。其中，n為導入計算之旋轉軸的軸數。令軸數n為nmax時，就可算出最終所要求出之多圈旋轉絕對旋轉角計算值θ c =θ 1 (mnmax-1 )。
上述的計算，係假想傳遞機構為齒輪變速比為(m-1)/m之齒輪機構而進行，惟本發明對於齒輪變速比為(m+1)/m之齒輪機構也適用。上述的周期函數可藉由導入如以下所說明的符號調整項來進行該兩者之區別。
與上述一樣，傳遞機構為齒輪變速比為(m+1)/m之齒輪機構之情況的周期函數，可如下而求出。亦即，第n旋轉軸的角度檢測值pn 可表示成如下的式子： 因此，可如以下所示般求出第1至第4旋轉軸的角度檢測值p1 至p4 。
p 1 =mod(θ 1 ,u )
然後，可如以下所示般求出周期訊號S(m1 )至S(m3 )。
上式中，由於p1 +p2 的演算結果為-(1/m)，所以將之乘以-1。
上式中，由於p1 +3p2 +3p3 +p4 演算結果為-(1/m3 )，所以將之乘以-1。如上所述，由於在齒輪變速比為(m+1)/m之情況，n為偶數之情況，餘數式內的演算結果會變為負，所以將J=-1之符號調整項Jn-1 導入周期函數內。亦即，可將周期函數S(mn-1 )表示成如下式的式子： 其中，J在相鄰接之旋轉軸間的變速比為-(m-1)/m時係為1(亦即J=1)，在相鄰接之旋轉軸間的前述變速比為-(m+1)/m時係為-1(亦即J=-1)。
此處，在第1圖所示的齒輪機構中，若假設例如：旋轉軸的軸數為4，齒數m為32(令驅動側旋轉軸的齒數為m-1，被驅動側旋轉軸的齒數為m)，單位量u為131072(此u係對應於角度檢測器S1的檢測值p1 具有17位元(=217 )的解析度之情況)，則式(14)會變成如下的式子： 第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (m3 )，可藉由式(16)求出。
因此，檢測出表示第1至第4旋轉軸的旋轉角之旋轉檢測值p1 至p4 ，就能夠套用上述式(15)，以131072之解析度來進行以32768(=323 )圈為一周期之第1旋轉軸的多圈旋轉角度檢測。
根據上述的原理，針對檢測多圈旋轉絕對旋轉角之實施例來進行以下的詳細說明。
實施例1
第2圖係本發明的第一實施例之用來檢測多圈旋轉絕對旋轉角之旋轉角檢測裝置20的構成圖。於設於伺服馬達21之與 輸出旋轉軸(未圖示)相反的一側之第1旋轉軸23，係連結有光學式絕對編碼器22，並固定有具有齒數31之齒輪23a。齒輪23a與固定在第2旋轉軸24上之具有齒數32之齒輪24b相嚙合。此外，固定在第2旋轉軸24上之具有齒數31之齒輪24a與固定在第3旋轉軸25上之具有齒數32之齒輪25b相嚙合。以及，固定在第3旋轉軸25上之具有齒數31之齒輪25a與固定在第4旋轉軸26上之具有齒數32之齒輪26b相嚙合。齒輪24a與齒輪24b、齒輪25a與齒輪25b、以及齒輪26a與齒輪26b，係為一體成型之相同形狀的樹脂製齒輪，且亦可與旋轉軸一體成型。旋轉角檢測裝置20即如上述，具有透過串接的齒輪機構而 將伺服馬達21的旋轉從第1旋轉軸23傳遞至第4旋轉軸26之構造。
光學式絕對編碼器22，係以17位元的解析度(217 =131072 P/Rev)來檢測第1旋轉軸23之一圈內的絕對角度θ 1 。光學式絕對編碼器22與安裝於印刷電路基板27之訊號處理電路28電性連接，光學式絕對編碼器22所檢測出之作為第1旋轉軸23的旋轉角資訊之角度檢測值p1 係傳送至訊號處理電路28。
又，在第2至第4旋轉軸24,25,26的軸端，分別安裝有在與齒輪24a,25a,26a的徑向相同之方向形成磁的兩極之磁鐵29a,29b,29c，此磁鐵29a,29b,29c隨著軸之旋轉而旋轉。在印刷電路基板27之與磁鐵29a,29b,29c相向之位置上安裝有使用MR(magnetic resonance)元件之MR旋轉角感測器30a,30b,30c。磁鐵29a,29b,29c轉一圈，MR旋轉角感測器30a,30b,30c輸出一周期之相位相差90°之兩個正弦波形的電壓。利用MR旋轉角感測器30a,30b,30c而檢測出之檢測電壓都傳送至訊號處理電路28。
使用間隔器(spacer)31而形成之樹脂製的構造體32將上述的第2至第4旋轉軸24至26保持住。第2圖中的第1至第4旋轉軸23至26係為了簡化說明而顯示成在構造體32內保持成直線狀，但為了有效利用構造體32內的空間，亦可將第1至第4旋轉軸23至26的中心軸配置在曲線上。
第3圖顯示用來算出伺服馬達21的多圈旋轉絕對旋轉角θ c之旋轉角檢測裝置30的方塊圖。第3圖中，與第2圖所示的元件相同或類似的元件都標以相同的符號。
第3圖中，表示屬於伺服馬達21的旋轉軸之第1旋轉軸23的一周期的旋轉角之檢測值p1 係由編碼器22加以檢測出，然後經由訊號線33而傳送至訊號處理電路28內的通訊埠34。編碼器22輸出的檢測值p1 係具有17位元之解析度。經由通訊埠34接收進來之檢測值p1 係為了要算出第1旋轉軸23的絕對角度而再傳送至多圈旋轉演算電路35。
第1旋轉軸23之旋轉係透過齒輪機構而傳遞至第2至第4旋轉軸24至26。第1至第4旋轉軸23至26的旋轉角θ 1 至θ 4 ，在假設例如m為32，以及以旋轉圈數來表示旋轉角之情況，第1旋轉軸的旋轉圈數與第1至第4旋轉軸之旋轉角θ 1 至θ 4 的關係會為如第4圖所示的形態。第4圖的橫軸係表示第1旋轉軸的旋轉圈數，縱軸係表示各軸的旋轉角θ 1 至θ 4 。縱軸之負號係表示軸的旋轉方向與第1旋轉軸相反。舉例來說，若第1旋轉軸的旋轉圈數為32，則從圖可知第2旋轉軸的θ 2 =-31，表示與第1旋轉軸的方向相反地轉了31圈。圖中所示的各關係與式(2)至(5)所示者一樣。
回到第3圖，第1至第4旋轉軸23至26的旋轉角，係由MR元件角度感測器30a,30b,30c分別加以檢測出，且將相位相差90°之兩個正弦波形的檢測電壓(sine成分、cosine成分)分別經由訊號線33a,33b,33c而傳送 至AD轉換器37。兩個檢測電壓經由AD轉換器37將之從類比值轉換為例如12位元之數位值，並分別將之傳送至RD轉換演算電路38。RD轉換演算電路38從接收到的兩個數位值(sine成分、cosine成分)算出角度。此角度雖具有12位元的解析度，但為了與編碼器22的角度檢測值p1 的解析度相一致，故所求出的是擴張為17位元之角度檢測值p2 ,p3 ,p4 。具體而言，係在12位元的下位加上都為0之5個位元，而做成17位元之角度檢測值。又，因為MR元件角度感測器30a,30b,30c的檢測電壓中會因MR元件本身品質的參差、及磁性、電路、機械精度等各種原因而包含有誤差，所以並不直接將檢測電壓轉換為角度，而是先對於檢測電壓施加電壓訊號的偏移校正、振幅校正，以及施加相對於實際的旋轉角之誤差修正、及與各旋轉軸的檢測值相關的修正等各種精度修正。經施加過如此的處理之角度檢測值p2 ,p3 ,p4 ，係傳送至多圈旋轉演算電路35。第5圖中顯示以上述方式求出的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 之相對於第1旋轉軸的旋轉圈數之變化。多圈旋轉演算電路35接收到的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 具有17位元的解析度，所以如第5圖的縱軸所示，各軸每轉一圈，各軸的檢測值在0與131072之間變化。
多圈旋轉演算電路35可從通訊埠34及RD轉換演算電路38接收角度檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 ，將該等值代入式(15)就可算出m為32、解析度為17位元(217 =131072)、及多圈旋轉範圍為15位元(215 =32768)之情況的多圈旋轉絕對旋 轉角θ c ，並將之輸出。
第6圖係顯示以式(11)至(13)求出的各個周期訊號之圖表。其中，橫軸表示第1旋轉軸23的旋轉圈數，旋轉圈數係從0到32768，但為了簡化圖示而將其中間的一部份予以省略。第6圖下段的圖，係為對應於式(11)，以32旋轉單位為一周期之周期訊號。將第1、2旋轉軸23,24的檢測值p1 ,p2 代入式(11)而求出的周期訊號，係表示可檢測出第1旋轉軸23的旋轉圈數從0到32之絕對旋轉角。第6圖中段的圖，係為對應於式(12)，以1024旋轉單位為一周期之周期訊號。將第1至3旋轉軸23至25的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 代入式(12)而求出的周期訊號，係表示可檢測出第1旋轉軸23的旋轉圈數從0到1024之絕對旋轉角。第6圖上段的圖，則是對應於式(13)，以32768旋轉單位為一周期之周期訊號。將第1至4旋轉軸23至26的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 代入式(13)而求出的周期訊號，係表示可檢測出第1旋轉軸23的旋轉圈數從0到32768之絕對旋轉角。
實施例2
上述的多圈旋轉絕對旋轉角檢測裝置，可藉由增加旋轉軸而達成很廣的多圈旋轉檢測範圍，但如以下所述，為了算出正確的多圈旋轉的旋轉角計算值，對於量測旋轉軸的檢測值之各角度檢測器有精度要很高之要求。一般而言，各角度檢測器所量測出的檢測值包含有誤差。因此，為了使第1旋轉軸的多圈旋轉旋轉角的計算值保有一定的 精度，而做了以下之各角度檢測器可容許何種程度的誤差之探討。例如，由n個軸構成之多圈旋轉絕對旋轉角檢測裝置的第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )，係如式(15)所示，在旋轉軸數n為2,3,4之情況，藉由將式(11)至(13)所示之周期訊號S(m1 )至(m3 )分別乘以旋轉角檢測範圍m1 ,m2 ,m3 而算出，如式(17)至(19)所示。
軸數為2之情況，軸數為3之情況， 軸數為4之情況， 其中，m為第1旋轉軸的齒數，且式(11)至(13)中的單位量u為1。亦即，各周期函數係對應於第1旋轉軸的旋轉角而取0到1之值。
假設各旋轉軸的檢測誤差的絕對值為en ，則第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )為了保持一圈(±0.5rev)以下的精度，必須滿足以下的式(20)至(22)。
軸數為2之情況， 軸數為3之情況， 軸數為4之情況，
假設各旋轉軸的檢測誤差大致等於e，則檢測誤差必須在以下的範圍內。
軸數為2之情況， 軸數為3之情況， 軸數為4之情況，
從式(23)至(25)來推導軸數n之情況的誤差範圍，可得到如式(26)的式子。
如同從式(26)即可理解的，軸數n增加，多圈旋轉檢測範圍會變廣，但隨著軸數n之增加，對於各旋轉軸之角度檢測器所要求的檢測精度也會呈指數性變高。要求角度檢測器要有所要求的高檢測精度，會成為使多圈旋轉檢測裝置的成本上昇之原因。因此，需要一種演算處理來達成：雖然壓低對於各旋轉軸之角度檢測器所要求的檢測精度，但仍能求出減低了角度檢測器的檢測誤差所造成的影響之多圈旋轉旋轉角。
因此，以下使用第1圖所示之傳遞機構10來說明：求出減低了角度檢測器的檢測誤差所造成的影響之多圈旋轉角度計算值的計算方法。一般而言，整數I可展開成m的乘方mn 的數列。具體而言，假設i為0至n之整數，且ai 為範圍0≦ai <m內之整數，則I可表示成下式：I=a0 m0 +a1 m1 +a2 m2 +…ai mi +…+an mn 例如，若m=10，則整數1056可展開成6×100 +5×101 +0×102 +1×103 。此種表現稱為10進數。在以下的說明中，多圈旋轉絕對旋轉角的旋轉圈數的部份，係利用如此之m進數的展開。
第1圖中，第1旋轉軸11的多圈旋轉絕對旋轉角，可數學性地將之表現成第1旋轉軸11的一圈內的角度檢測值p1 與第1旋轉軸11的多圈旋轉旋轉圈數之和。以m進數來表現該多圈旋轉旋轉圈數(理由如下述)，則第1旋轉軸的多圈旋轉旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’(有時亦將之表示成θ c )可用下式(27)之旋轉角計算式來加以表現。
其中，m係對應於第1旋轉軸的齒數，n為軸數，係數R0 至Rn-2 為包含0及m-1之0到m-1之整數(0≦R0 至Rn-2 <m)，u為基本單位量。就第1圖所示的傳遞機構10的構造而言，因為旋轉軸每增加1軸，可檢測出多圈旋轉之範圍會擴大 m倍，所以利用m進數來表現式(27)的多圈旋轉旋轉圈數部之作法很合適。
第1旋轉軸11的多圈旋轉旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )可藉由將在各旋轉軸檢測出之各檢測值p1 至pn 代入式(15)來求出，但本質上，旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )與旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’可藉由適當地選擇係數R0 至Rn-2 來使之大致相等。亦即，適當地選擇係數R0 至Rn-2 來使旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’的多圈旋轉旋轉圈數的部份與旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )的旋轉圈數的部份成為相等，就可使旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’中包含的旋轉角計算值的誤差只有起因於第1旋轉軸的檢測值p1 之檢測誤差。以下，針對為了從各旋轉軸的檢測器所檢測出的檢測值p1 至pn 來求出旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’而算出係數R0 至Rn-2 之方法進行說明。
在為了簡化說明而假設第1圖所示的傳遞機構10中，旋轉軸數nmax為4，第1旋轉軸的齒數m為4，基本單位量u為1之情況，第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’可從式(27)表示成下式(28)。
在上述的條件之下，針對係數R0 至Rn-2 之算出方法進行說明。
首先，第1旋轉軸的旋轉角θ 1 及第2、第3、第4旋轉軸的旋轉角θ 2 ,θ 3 ,θ 4 ，係如同從式(1)所示的關係即可清楚瞭解地，分別具有下式(29)至(31)所示的關係。
因此，相對於第1旋轉軸的旋轉角θ 1 之第2、第3、第4旋轉軸的旋轉角θ 2 ,θ 3 ,θ 4 係如第7圖所示。
其次，由於檢測值pn 係表示在第n旋轉軸的一圈內的檢測值(在本例中，因為基本單位量u為1，所以為0到1之值)，因此第n旋轉軸的旋轉角θ n 與檢測值pn 的關係，嚴格地說雖係如式(6)所示，但實際上因角度檢測器包含有誤差，所以兩者具有pn 大致等於mod(θ n ,u)之關係(亦即pn mod(θ n ,u))。因此，各旋轉軸的檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 係當於各旋轉軸的旋轉角θ 2 ,θ 3 ,θ 4 代入上述式(29)至(31)時，第1旋轉軸的旋轉角θ 1 與各旋轉軸的檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 的關係成為如下式(32)至(35)所示。
因此，相對於第1旋轉軸的旋轉角θ 1 之各旋轉軸的檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 係如第8圖所示。
周期訊號S(mn-1 )在角度檢測值pn 中未含有誤差之情況，具有式(14)所示之關係。若使用含有誤差之角度檢測值pn 來求周期訊號S(mn-1 )，則該等誤差就會影響演算而擴大。因此，由於利用式(27)求出之旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’其第1旋轉軸的角度檢測值p1 以外的項並未含有誤差，所以使用以下式(36)之角度修正值計算式計算出之未含有誤差的角度修正值pn ’代替含有誤差的角度檢測值pn 來算出周期訊號S(mn-1 )。
各旋轉軸的角度修正值與周期訊號的關係，係如下式(37)所示： 其中，角度修正值p2 ’至pn-1 ’為相對於角度檢測值p2 至pn-1 之修正值，J為鄰接的旋轉軸間的變速比為-(m-1)/m時其值為1(J=1)，變速比為-(m+1)/m時其值為-1(J=-1)之符號調整項。
將角度修正值pn ’列入考慮，而從式(11)至(13)來求分別以第1旋轉軸之4(=m1 )、16(=m2 )、64(=m3 )圈為一周期之周期訊號S(m1 )、S(m2 )、S(m3 )時，可做如下式(38)至(41)之表現。由於第1旋轉軸之周期訊號S(m0 )即為角度檢測值p1 本身，而且就餘數運算而言，mod(a,c)+mod(b,c)=mod((a+b),c)、及b×mod(a,c)=mod(a×b,c)之關係成立， 所以可將周期訊號S(m1 )至S(m3 )變形成如下式(38)至(41)的樣子。
因此，將周期訊號S(m1 )、S(m2 )、S(m3 )與第1旋轉軸的旋轉角θ 1 之關係顯示於第9圖中。如第9圖所示，周期訊號S(m1 )為第1旋轉軸每轉4旋轉角都從0線性增大至1之鋸齒形波，周期訊號S(m2 )為第1旋轉軸每轉16旋轉角都從0線性增大至1之鋸齒形波，周期訊號S(m3 )係為第1旋轉軸每轉64旋轉角都從0線性增大至1之鋸齒形波。
由於上述的周期訊號的性質，因此如下式(42)所示，將周期函數S(mn-1 )乘以mn-1 ，就可算出到mn-1 之第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )。
因此，n從1到4之情況的周期函數與第1旋轉軸的旋轉角θ 1 (mn-1 )之關係，可用式(43)至(46)來加以表現：
式(44)表示第1旋轉軸每轉4旋轉都從0變化至4之鋸齒形波。式(45)表示第1旋轉軸每轉16旋轉都從0變化至16之鋸齒形波。式(46)表示第1旋轉軸每轉64旋轉都呈線性地從0增大至64之鋸齒形波。
接著，說明從上述的關係式來算出式(27)所示的係數R0 至Rn-2 之算出方法。式(27)所示的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’與式(42)所示的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )，因為式(42)中的係數R0 至Rn-2 只能取自然數，所以並不完全一致，只是近似。亦即，以下之式(47)成立。
將式(27)代入式(47)中之旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’，可導出下式(48)。
n為1至4之情況，旋轉角計算值θ 1 (m0 )’、θ 1 (m1 )’、θ 1 (m2 )’、θ 1 (m3 )’可分別表示成如下式(49)至(52)。
歸納整理式(49)至(52)所示之關係，可將旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’表示成下式(53)。
由於旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’與旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )大致相等，故從上式(47)、(53)的關係得到下式(54)。藉由選擇滿足式(54)的關係之係數Rn-2 ，而如以下所述般決定出係數Rn-2 。
首先，將式(54)右邊的θ 1 (mn-2 )’移到左邊，而得到式(55)。
此處，假設n為2，基本單位量u為1，就得到下式(56)。
又，若基於式(44)所示之關係而將mod(θ 1 ,4)代入θ 1 (m1 )，以及因θ 1 (m0 )’係如式(47)所示與θ 1 (m0 )大致相等之故而將式(56)代入式(43)所示之mod(θ 1 ,1)，則以下之式(57)成立。
R 0 ×m 0 =R 0 =mod(θ 1 ,4)-mod(θ 1 ,1) (57)其中，m為4。
式(57)中之mod(θ 1 ,4)，係為高度從0上升至4之周期為4之鋸齒形波，以及mod(θ 1 ,1)為高度從0上升至1之周期為1之鋸齒形波，故式(57)之係數R0 會如第10圖之下段所示，形成周期為4且有三段高度為1的階梯之階梯狀波形。
另外，在式(54)中，假設u為1，n為3，實施與上述一樣的處理，則以下之式(58)成立。
式(58)中之mod(θ 1 ,16)，係高度為16且周期為16之鋸齒形波，以及mod(θ 1 ,4)為高度為4且周期為4之鋸齒形波，故式(58)所示之係數R1 會如第10圖之中段所示，形成周期為16且有三段高度為1的階梯之階梯狀波形。
另外，在式(54)中，假設u為1，n為4，實施與上述一樣的處理，則以下之式(59)成立。
式(59)中之mod(θ 1 ,64)，係高度為64且周期為64之鋸齒形波，以及mod(θ 1 ,16)為高度為16且周期為16之鋸齒形波，故式(59)中之係數R2 會如第10圖之上段所示，形成周期為64且有三段高度為1的階梯之階梯狀波形。
以式(28)來計算之旋轉角計算值θ 1 (m3 )’的整數部份，係為將係數R0 至Rn-2 分別乘以1,4,16然後相加的總和，故其波形會為如第11圖所示的樣子。亦即，旋轉角計算值θ 1 (m3 )’可藉由將此整數部份與第1旋轉軸的角度檢測值p1 相加而求出。
此處，從式(54)將係數Rn-2 導出，而會變形成以下之式(60)。
而u為1，n為2至4之情況，係數R0 至R2 分別如下式所示：
由於係數R0 至Rn-2 為整數，所以如例如以下之式(64) 所示，在式(60)的右邊加0.5，然後將小數點以下予以捨棄，就可計算出係數Rn-2 之整數。然後，將S(mn-1 )×mn-1 (式(42))代入式(64)中之θ 1 (mn-1 )，就得到下式(65)。
其中，INT(x)表示將數值x之小數點以下予以捨棄之演算。另外，進行單位量為m之餘數演算，係為了得到係數Rn-2 的有效範圍在0至m-1之間之計算結果。如此，便得到利用式(65)來計算係數R0 至Rn-2 之一般式。
接著，利用用來算出係數R0 至Rn-2 之式(65)來具體地求出第1旋轉軸的多圈旋轉旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’。此處，為了簡化計算步驟之說明，係假設旋轉軸的軸數nmax為4，變速比為3/4(m=4)，基本單位量u為1，來求第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (m3 )’。要算出第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (m3 )’之際，最初係求出第1旋轉軸的旋轉角θ 1 為53.5(rev)之情況的各旋轉軸的理論的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 。
相對於第1旋轉軸的旋轉角θ 1 之第2、3、4旋轉軸的旋轉角θ 2 ,θ 3 ,θ 4 ，可根據式(1)而表示成下式：
又，在使用軸倍角1的角度檢測器(旋轉軸轉一圈之情況，角度檢測器輸出一周期的檢測訊號)之情況，各旋轉軸 的角度檢測值pn ，可用pn =mod(θ n ,1)來加以表示，所以各旋轉軸的理論的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 為如下式般求出的數值。
p 1 =mod(θ 1 ,1)=mod(53.5,1)=0.5
不過，因為實際從角度檢測器輸出來的訊號中含有誤差，所以假設檢測出的是在上述理論的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 上再加上例如0.05(rev)的誤差而得到之以下的角度檢測值，來算出旋轉角計算值θ 1 (m3 )’。
P1 =0.500+0.05=0.550
P2 =0.875+0.05=0.925
P3 =0.094+0.05=0.144
P4 =0.430+0.05=0.480
假設旋轉軸的軸數nmax為4，m=4，基本單位量u為1，則從式(27)就可清楚得知將旋轉角計算值θ 1 (m3 )’表示成如下的式(66)： 因此，為了求出旋轉角計算值θ 1 (m3 )’，而將n=2,3,4代入式(37)、式(65)、式(27)、式(36)，來依序計算出係數 R0 ,R1 ,R2 。
算出係數R0 ,R1 ,R2 用之步驟，係如以下所述。如第12圖之流程圖所示，首先，設定旋轉軸數nmax(在以下的例中為4)，以及將計數值n設定為2(步驟121)。計數值n為2時，利用式(39)而從角度檢測值p1 ,p2 來算出周期訊號值S(m1 )(步驟122)。接著，利用式(65)來求出與該周期訊號值S(m1 )對應之係數R0 (步驟123)。將係數R0 儲存在記憶體中，以在要算出下一旋轉角計算值之際使用。係數R0 求出後，就利用式(50)來從該係數R0 算出計數值n為2時之旋轉角計算值θ 1 (m1 )’，並將之儲存在記憶體中(步驟124)。接著，使計數值n增加1，並判斷n是否比nmax大，若是，則結束求旋轉角計算值之計算，若否，則前進到步驟126(步驟125)。由於算出的旋轉角計算值θ 1 (m1 )’其在式(50)中之角度檢測值p1 以外的項(此情況為R0 ×m0 之項)中並不含有檢測誤差，所以利用式(36)來求與該算出的旋轉角計算值θ 1 (m1 )’對應之角度修正值p2 ’，並將之儲存於記憶體中(步驟126)。此角度修正值p2 ’將使用於算出下一個旋轉角計算值θ 1 (m2 )’之際。針對旋轉軸數n為3,4也重複進行以上的步驟，來依序求出係數R1 ,R2 。最後，算出旋轉角計算值θ 1 (m3 )’(步驟124)，本流程便結束(步驟125)。以上，概略說明的雖然是旋轉軸數為4的情況之計算旋轉角計算值的各步驟，但對於旋轉軸數超過4的情況也一樣，重複進行同樣的處理，來依序求出係數R0 至Rn-2 ，最後計算出旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’。以下，更詳細地說明 上述的各步驟。
首先，係將旋轉軸數nmax設定為4，以及使計數值n為2(步驟121)。此時，周期訊號S(m1 )若是將p1 =0.550,p2 =0.925代入以下之式(67)，則經過以下的計算求出之周期訊號S(m1 )的值為0.475(步驟122)。
此處，k1 ,k2 為1。
接著，係數R0 若是將S(m1 )=0.475,m=4,θ 1 (m0 )’=p1 =0.550代入以下之式(68)，則經過以下的計算求出之係數R0 為1(步驟123)。
此係數R0 因為要在算出最終所要求出的旋轉角計算值之際使用，所以將之儲存在記憶體中。
求出係數R0 後，就根據式(50)而如下式(69)般求出旋轉角計算值θ 1 (m1 )’(步驟124)。
接著，使計數值n增加1，並在該計數值n並未達到4之情況，前進到下一步驟(步驟125)。在步驟126中，利用式(36)來求出與該旋轉角計算值θ 1 (m1 )’對應之第2旋轉軸的角度修正值p2 ’(步驟126)。
此角度修正值p2 ’將在要算出計數值n為3之情況的係數R1 之際使用。
接著，處理流程從步驟126回到步驟122，重複與上述一樣之處理。亦即，計數值n為3之時，周期函數S(m2 )係根據式(37)而以如下方式求出(步驟122)。
此處，k1 =1,k2 =2,k3 =1。
以及，係數R1 係將S(m2 )=0.370,m=4,θ 1 (m1 )’=1.55代入式(65)而算出。如以下之計算，算出之係數R1 為1(步驟123)。
求出係數R1 後，就根據式(51)而如下式般求出旋轉角 計算值θ 1 (m2 )’(步驟124)。
與此旋轉角計算值θ 1 (m2 )’對應之第3旋轉軸的角度修正值p3 ’係根據式(36)而如以下般求出，並記憶於記憶體中(步驟126)。此角度修正值p3 ’將在要算出計數值n為4之情況的係數R2 之際使用。
接著，旋轉軸數n為4之時，周期函數S(m3 )係根據式(37)而以如下方式求出(步驟122)。
此處，k1 =1,k2 =3,k3 =3,k4 =1。
以及，係數R2 係將S(m3 )=0.91,m=4,θ 1 (m2 )’=5.55代入式(65)而算出。如以下之計算，算出之係數R2 為3(步驟123)。
求出係數R2 後，就根據式(52)而如下式般求出旋轉角計算值θ 1 (m3 )’(步驟124)。
然後，因為計數值n為4，所以求旋轉角計算值之處理結束(步驟125)。從以上的計算，算出第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (m3 )’為53.55。如在前面說明過的，計算係以第1旋轉軸的旋轉角等於53.5(rev)為前提而進行者，所以計算出的旋轉角計算值θ 1 (m3 )’相對於第1旋轉軸的角度檢測值之誤差，係只有0.05，第2旋轉軸及以後的旋轉軸的角度檢測器的檢測誤差並未累積。
實施例3
接著，說明求式(27)中的係數R0 至Rn-2 之別的計算方法。本方法係為：求出根據各旋轉軸的角度檢測值pn 及以式(27)求出的多圈旋轉旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’而求出之各旋轉軸的修正過的角度修正值pn ’(式(36))，然後以角度檢測值pn 與角度修正值pn ’會大致相等為前提，來決定出使角度修正值pn ’最近似角度檢測值pn 的係數R0 至Rn_2 之方法。
第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’，如上述，可如式(27)所示般數學性地將之表現成第1旋轉軸的角度檢測值p1 與第1旋轉軸的多圈旋轉旋轉圈數之和。將式(27)代入式(36)中的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’，則角度修正值pn ’可用下式(74)來加以表現。而且，角度修正值pn ’近似於角度檢測值pn 。
上式(74)中之餘數計算中的右邊的括弧內的部份，係相當於式(27)之旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’。
在上述式(74)中，角度檢測值pn 係為由安裝於各旋轉軸之角度檢測器所檢測出之一圈內的角度，且係數R0 至Rn-2 係為包含0及m-1之0到m-1之整數，所以適當地選擇會最近似角度檢測值pn 的係數R0 至Rn-2 ，就可決定角度修正值pn ’。例如，第2旋轉軸的角度修正值p2 ’可如以下所述般從角度檢測值p2 決定出。亦即，只要從式(74)將角度修正值計算式表示成如下的式子， 然後適當地選擇使該角度修正值計算式的計算結果會最近似角度檢測值p2 之在0≦R0 <m的範圍內之整數的係數R0 即可。將以此方式決定出的係數R0 代入式(74)，來求出角度修正值p2 ’。以此方式，重複從n=2進行到n=nmax，來決定出係數R0 至Rnmax-2 ，並將之代入式(27)，就可在最後求出第1旋轉軸的多圈旋轉旋轉角計算值θ 1 (mnmax-1 )’。
接下來，以下述方式求出用來從式(74)計算出係數R0 至Rnmax-2 之方程式。將以式(53)表示之變形代入式(74)，就將角度修正值pn ’表示成以下之式(75)所示之角度修正值計算式。
再將式(75)內予以展開，就將角度修正值pn ’表示成如以下之式(76)。
再將式(76)予以變形，就將角度修正值pn ’表示成如以下之式(77)。
在餘數演算中，即使加上或減去除數的整數倍的數值，餘數演算的結果也不受影響，因此可將該數值從餘數演算去除掉。亦即，假設b為整數，則y=mod(a+b×c,c)=mod(a,c)之關係成立。因而，在式(77)中，Rn-2 ,mn-2 皆為自然數，所以可將-1×Rn-2 ×mn-2 ×u之項予以刪除掉。於是，可將式(77)變形成如以下之式(78)。
由於角度檢測值pn 與角度修正值pn ’大致相等，因此角度檢測值pn 可表示成如以下之式(79)。
如上式(79)，將角度檢測值pn 與係數Rn-2 之關係導出，因此按照餘數演算之定義，就可如以下所述般求出係數Rn-2 。一般而言，求a±b除以c時的餘數y之餘數演算，可表示成y=mod(a±b,c)，所以數式a±b=n×c+y成立。其中，n為整數，y的範圍為0≦y<c。將a移動到右邊，則上述數式就變成±b=n×c+y-a。求將此數式的兩邊都除以c時的餘數之餘數演算，可表現成mod(±b,c)=mod(n×c+y-a,c)。如在前面說明過的，括弧內的n×c之項可刪除掉，因此可將上式整理成mod(±b,c)=mod(y-a,c)。其中，b的範圍為0≦b<c之情況，b=mod(±(y-a),c)成立。利用此關係，就可如以下所述般導出從式(79)來求出係數Rn-2 的式子。
式(79)中的係數Rn-2 ，如在前面說明過的，在0≦Rn-2 <c之範圍內，因此0≦(1/m)×Rn-2 ×u<u成立。因而，在式(79)中，以y代表pn ’，以a代表(-(m±1)/m)n-1 ×θ 1 (mn-2 )’，以b代表(1/m)×Rn-2 ×u，以c代表u，則如上所述，mod(±b,c)=mod(y-a,c)在b的範圍為0≦b<c之情況，可將之當作是b=mod(±(y-a),c)來演算。亦即，式(79)之餘數演算內的(1/m)×Rn-2 ×u可用下式(80)來求出。
在餘數演算中，因為mod(a,c)×b=mod(a×b,c×b)成立，所以上式(80)的右邊可再變形成如以下之式(81)。
係數Rn-2 可利用式(81)來求出，但係數Rn-2 為整數，所以要將上式(81)的演算結果四捨五入。此整數化可如以下之式(82)所示，藉由將演算結果加上0.5，然後以餘數演算進行進位處理來達成。其中，INT(X)係為將X的小數點以下予以捨棄之演算子。
實際上，因為mod(mod(a,c)+b,c)=mod(a+b,c)成立，所以式(82)可變形成如以下之式(83)，而削減一次餘數演算。
藉由上式(83)可獲得算出係數Rn-2 之計算式，所以使用與實施例2一樣之各旋轉軸的檢測值(p1 =0.550,p2 =0.925,p3 =0.144,p4 =0.480)，代入式(83)來求出R0 ,R1 ,R2 ，再將R0 ,R1 ,R2 代入式(27)來算出第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (m3 )’。在以下的計算例中，假設基本單位數u=1000，各旋轉軸的檢測值p1 =550,p2 =925,p3 =144, p4 =480。
算出係數R0 ,R1 ,R2 用之步驟，係如以下所述。如第13圖之流程圖所示，首先，設定旋轉軸數nmax(在以下的例中為4)，以及將計數值n設定為2(步驟131)。計數值n為2時，將旋轉角計算值θ 1 (m0 )’(=p1 )及角度檢測值p2 代入式(83)，來算出係數R0 ，且將此係數R0 儲存在記憶體中，以在要算出下一旋轉角計算值之際使用(步驟132)。係數R0 求出後，就將角度檢測值p1 及係數R0 代入式(27)來算出旋轉角計算值θ 1 (m1 )’，並將之儲存在記憶體中(步驟133)。接著，使計數值n增加1，然後回到步驟132(步驟134)。針對計數值n為3,4也重複進行以上的計算處理，來求出係數R1 ,R2 。最後，算出旋轉角計算值θ 1 (m3 )’(步驟133)。在計數值n比nmax大之情況，求旋轉角計算值之計算便結束(步驟134)。以上，概略說明的雖然是旋轉軸數為4之情況的各步驟，但旋轉軸數超過4的情況也一樣，重複進行同樣的處理，來依序求出係數R0 至Rn-2 ，最後計算出第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’。以下，更詳細地說明上述的各步驟。
最初，係將旋轉軸數nmax設定為4，以及使計數值n為2(步驟131)。將n=2代入式(83)，就藉由以下之式(84)求出係數R0 (步驟132)。
然後，假想旋轉軸間的齒輪為減速，並將p2 =925,θ 1 (m0 )’= 550(=p1 ),m=4,u=1000代入上式(84)，則成為以下之式(85)。
算出的係數R0 因為要在後續的處理中使用所以將之儲存在記憶體中。
然後，由於旋轉角計算值θ 1 (m1 )’可根據式(50)而表示成如下的式子： 所以將p1 =550,R0 =1,m=4,u=1000代入上式(86)，就可如以下的式子般計算出旋轉角計算值θ 1 (m1 )’，並將之儲存於記憶體中(步驟133)。
接著，使計數值n增加1(n=3)，然後處理回到步驟132(步驟134)。將n=3代入式(83)，就可利用下式(87)來求係數R1 (步驟132)。
將p3 =144,θ 1 (m1 )’=1550,m=4,u=1000代入上式，就藉由 以下之式(88)求出係數R1 的值(步驟132)。
係數R1 的值為1，且因為要在後續的處理中使用所以將之儲存在記憶體中(步驟132)。
然後，由於旋轉角計算值θ 1 (m2 )’可根據式(51)而表示成如下的式子： 所以將θ 1 (m1 )’=1550,R1 =1,m=4,u=1000代入上式(89)，就可如以下的式子般計算出旋轉角計算值θ 1 (m2 )’(步驟133)。
接著，使計數值n增加1(n=4)，然後處理回到步驟132(步驟134)。將n=4代入式(83)，就可利用下式(90)來求係數R2 (步驟132)。
將p4 =480,θ 1 (m2 )’=5550,m=4,u=1000代入上式，就藉由以下之式(91)求出係數R2 的值(步驟132)。
係數R2 的值為3，且因為該值要在後續的處理中使用所以將之儲存在記憶體中(步驟132)。
然後，由於θ 1 (m3 )’可根據式(52)而表示成如下的式子： 所以將θ 1 (m2 )’=5550,R2 =3,m=4,u=1000代入上式(92)，就可如以下的式子般計算出旋轉角計算值θ 1 (m3 )’(步驟133)。
結果，利用實施例3之方法所計算出之第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (m3 )’為53550(基本單位量u=1000)。此旋轉角計算值與實施例2中求出的第1旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (m3 )’=53.55(基本單位量u=1)為同等。
實施例4
接著，說明本發明之第4實施例。第14圖顯示用來檢測馬達141的輸出旋轉軸142的多圈旋轉絕對旋轉角之角 度檢測裝置140的方塊圖。求輸出旋轉軸142的多圈旋轉絕對旋轉角之原理，基本上與第1實施例相同，在說明其原理之前，先說明角度檢測裝置140的構成。
第14圖中，結合至馬達141之與輸出旋轉軸142相反的一側之第1旋轉軸143上，係固定有具有齒數21之齒輪143a，以及安裝有4倍角之分解器(resolver)S1，來檢測第1旋轉軸143的旋轉角θ 1 。4倍角之分解器S1係輸出與第1旋轉軸143的旋轉角度對應之正弦波電壓，且在第1旋轉軸143每轉一圈的期間輸出4周期的正弦波電壓。
齒輪143a與固定於第2旋轉軸144上之具有齒數20之齒輪144a相嚙合。第2旋轉軸144上安裝有1倍角之分解器S2，來檢測第2旋轉軸144的旋轉角θ 2 。第2旋轉軸144上還固定有具有齒數21之齒輪144b，此齒輪144b與固定於第3旋轉軸145上之具有齒數20之齒輪145a相嚙合。第3旋轉軸145上，安裝有1倍角之分解器S3，來檢測第3旋轉軸145的旋轉角θ 3 。固定於第2旋轉軸144上之齒輪144a與齒輪144b，係為一體成型之樹脂製齒輪，且亦可與旋轉軸一體成型。
如上述構成之角度檢測裝置140，係藉由例如固定在三個旋轉軸上之齒輪來傳遞馬達的旋轉，然後從各旋轉軸的旋轉角來算出馬達旋轉軸的絕對旋轉角。藉由選擇各齒輪的齒數來使得相嚙合的齒輪的變速比成為(m±1)/m，就可用以下的演算式來算出馬達旋轉軸的絕對旋轉角。
假設相鄰接的旋轉軸間的變速比為(m+1)/m，則各旋轉 軸的旋轉角θ n ，可用以下的式子來求出：
另外，角度檢測器S1至S3檢測出第1至第3旋轉軸143至145的旋轉角，所以如同第1實施例中所用的式(6)所示，可用式(93)至(95)來表現角度檢測器S1至S3的檢測值p1 至p3 。由於角度檢測器S1係為在旋轉軸轉一圈的期間輸出4周期的檢測值之4倍角的檢測器，因此將第1旋轉軸73的每一周期的檢測量u1 設定為0.25。角度檢測器S2,S3則為1倍角的檢測器，因此將每一周期的檢測量u2 ,u3 設定為1。
p 1 =mod(1×θ 1 ,u 1 )=mod(1×θ 1 ,0.25) (93)
由於要計算第1旋轉軸143的絕對旋轉角，必須使各旋轉軸的每周期的檢測量u相互一致，因此如式(96)、(97)般將第2、3旋轉軸144,145的檢測值換算成4倍角。
然後，因為u=0.25，所以若將周期訊號假想為以第1旋轉軸的m/4轉作為一周期之周期訊號，則表示該周期訊 號之餘數式可表現成： 因此可使用第1、2旋轉軸143,144的檢測值p1 ,p2 ’而將上式變形成如式(98)的式子：
另外，若將周期訊號假想為以第1旋轉軸的m2 /4轉作為一周期之周期訊號，則表示該周期訊號之餘數式可表現成： 因此可使用第1至3旋轉軸143至145的檢測值p1 ,p2 ’,p3 ’而將上式變形成如式(99)的式子：
將m=20代入式(99)，則得到如式(100)的式子： 再將兩邊都乘以400，則成為如式(101)的式子： θc =mod(θ 1 ,100)=mod(p 1 +2p 2 '+p 3 ',0.25)×400 (101)
從式(101)得到以第1旋轉軸143轉100圈為一周期之訊號，而可進行100圈之絕對旋轉角的檢測。如第14圖所示，馬達141的輸出旋轉軸142連接有將輸出旋轉軸142的轉速減速為100分之一之齒輪146。於是，齒輪減速比 與角度檢測裝置140的多圈旋轉檢測範圍一致，所以角度檢測裝置140可檢測出齒輪輸出軸147之一圈的絕對旋轉角。
第14圖所示的實施例，可得到如上述之式(101)所示的關係，因此可檢測出100圈之絕對旋轉角。一般而言，使用N倍角的角度檢測器之情況，可得到以mn-1 /N表示之多圈旋轉檢測範圍。
又，因為可藉由計算而從1倍角檢測值來求出N倍角檢測值，所以即使並未實際使用N倍角的角度檢測器，也可將多圈旋轉檢測範圍縮小為1/N，使之符合使用旋轉角檢測裝置之應用(application)所需的多圈旋轉檢測範圍。
又，依變速比(m±1)/m的取法而定，不使用二項式(x+1)n-1 的展開式的係數k1 至kn 也可進行下式之計算：
舉一個例子，在假設m=3，m-1=2之情況，使用第4旋轉軸的檢測訊號來檢測出到m3 =27圈之旋轉角時，不僅可用θ c=mod(p1 +3p2 +3p3 +p4 ,1)×m3 來計算，亦可用θ c=mod(p1 +p2 +p4 ,1)×m3 來計算。
各旋轉軸的檢測值pn 不僅包含直接處理來自檢測器之訊號而得到之值，也包含換算為不同周期的訊號而得到之值。在上述的實施例中，關於第2、3旋轉軸檢測值，係進行從周期較長的訊號(1倍角訊號)換算到周期較短的訊號(4倍角訊號)之處理，但亦可如上述日本特許第3967963 號公報中所記載的：將從第1軸的n倍角檢測器、與變速比不同之第2軸的1倍角檢測器之組合來產生第1軸的1倍角的訊號之方法應用於本發明。又，上述的說明，係以第奇數個旋轉軸的旋轉角為正，以第偶數個旋轉軸的旋轉角為負，而以相加的方式進行處理，但將旋轉角都取為正，然後依旋轉方向而予以相加或相減的方式進行處理，其結果也一樣。
接著，第15圖顯示根據第14圖所示之第4實施例來算出馬達141的多圈旋轉絕對旋轉角θ c之旋轉角檢測裝置150的方塊圖。第15圖中，與第14圖所示的元件相同或類似的元件都標以相同的參照符號。
第15圖所示的第4實施例，除了旋轉軸的軸數為3，角度檢測器為分解器，馬達141的輸出軸結合有1/100齒輪之點外，基本上都與第3圖所示之第1實施例相同。
第15圖中，結合至馬達141之與輸出軸142相反的一側之第1旋轉軸143上，係固定有齒數21之齒輪143a，以及安裝有4倍角之分解器S1。齒輪143a與固定於第2旋轉軸144上之齒數20之齒輪144a相嚙合。齒輪143a與齒輪144a之變速比為21/20。另外，第2旋轉軸144上固定有齒數21之齒輪144b，此齒輪144b與固定於第3旋轉軸145上之齒數20之齒輪145a相嚙合。第2、3旋轉軸上分別安裝有1倍角之分解器S2,S3。
第16圖顯示第1旋轉軸的旋轉角與其他的旋轉軸的旋轉角之關係。如第16圖所示，由於齒輪143a與齒輪144a、 及齒輪144b與齒輪145a之變速比皆為21/20，所以第2、3旋轉軸的旋轉角係相對於第1旋轉軸的旋轉角而增加。
回到第15圖，來自分解器S1至S3之兩個正弦波形的檢測電壓(sine成分、cosine成分)經由訊號線151a,151b,151c而分別傳送至訊號處理電路152的AD轉換器153。AD轉換器153將各檢測電壓轉換為數位值，並分別將之傳送至RD轉換演算電路154。RD轉換演算電路154從接收到的兩個數位值(sine成分、cosine成分)算出角度，以及與第1實施例中之RD轉換演算電路38一樣實施對於檢測電壓之各種精度修正。經施加過如此的處理之角度檢測值p1 ,p2 ,p3 ，係輸送至多圈旋轉演算電路155，以套用式(101)來算出多圈旋轉絕對旋轉角θ c。
第17圖顯示相對於第1旋轉軸的旋轉圈數之在RD轉換演算電路154求出的第1至3旋轉軸的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 。第17圖的下段顯示4倍角分解器所檢測出之第1旋轉軸的旋轉角的檢測值。由於4倍角分解器係在檢測軸轉一圈的期間輸出4周期的檢測電壓，所以會在第1旋轉軸轉一圈的期間輸出4波鋸齒波形的檢測電壓。第17圖的中段及上段分別顯示：表示第2、3旋轉軸的旋轉角之來自分解器S2,S3之檢測電壓。由於分解器S2,S3為1倍角分解器，因此在旋轉軸轉一圈的期間，各分解器輸出1周期的檢測電壓。
第18圖顯示相對於第1旋轉軸的旋轉圈數之以式(98)及(99)求出的周期訊號。第18圖下段之訊號波，係顯示以 第1旋轉軸轉5圈為1周期之套用式(98)求出的周期訊號。亦即，此周期訊號係以分解器S1,S2所檢測出的角度檢測值p1 ,p2 為基礎而計算出者。第18圖上段之訊號波，係顯示以第1旋轉軸轉100圈為1周期之套用式(99)求出的周期訊號。亦即，此周期訊號係以分解器S1,S2,S3所檢測出的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 為基礎而計算出者。以此方式，就可套用式(101)而從分解器S1,S2,S3所分別檢測出的角度檢測值p1 ,p2 ,p3 來求出第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角θ c。
在上述實施例1中，第1旋轉軸的角度檢測器係採用光學式編碼器，第2旋轉軸至第4旋轉軸的角度檢測器係採用使用MR元件之MR旋轉角感測器。實施例4中則是使用分解器，但實施本發明所需之角度檢測器的類型並不限於此。而且，雖然使用齒輪來作為傳遞機構，但使旋轉角變速之手段，並不限於齒輪，亦包含皮帶、鍊條、牽引驅動器(traction drive)等之變速機。此外，上述的(m±1)/m係表示變速比的意思，因為在實施例中係使用齒輪作為傳遞機構來進行說明，所以m、m±1係對應於齒輪的齒數，但並不只限於做齒輪的齒數之解釋。
實施例5
第19圖係本發明的第5實施例之旋轉角檢測裝置的傳遞機構190的構成方塊圖。此傳遞機構190係為將第1圖所示的傳遞機構10予以並列設置而成的傳遞機構，係由第1系列的齒輪機構191與第2系列的齒輪機構192所形成。 安裝在馬達193的馬達旋轉軸194上之齒輪194a，係與安裝在第1旋轉軸195上之齒輪195a相嚙合，且馬達旋轉軸194與第1旋轉軸195的齒輪比為1：N。在第19圖所示的實施例中，第1旋轉軸195係為第1、2系列的齒輪機構191,192所共有的齒輪機構，但並非一定要共有。
第1系列的齒輪機構191係將馬達的旋轉從第1旋轉軸195傳遞至第2、3旋轉軸196,197。第1旋轉軸195的齒輪195b與第2旋轉軸196的齒輪196a相嚙合，第2旋轉軸196的齒輪196b與第3旋轉軸197的齒輪197a相嚙合。第1至第3旋轉軸的旋轉角度係分別由角度檢測器S1至S3加以檢測出。第1系列的齒輪機構191的相嚙合的齒輪的變速比係設定為(m1 ±1)/m1 。
第2系列的齒輪機構192，係如圖所示，在第4、5旋轉軸198,199上安裝有齒輪198a,198b,199a，使得馬達193的旋轉從第1旋轉軸195的齒輪195c經由齒輪198a,198b而傳遞至齒輪199a。第4、5旋轉軸的旋轉角度係分別由角度檢測器S4、S5加以檢測出。第2系列的齒輪機構192的相嚙合的齒輪的變速比係設定為(m2 ±1)/m2 。
馬達193的旋轉，係經由齒輪194a及齒輪195a而減速成1/N，再傳遞至第1旋轉軸195。第1旋轉軸195的旋轉，係從齒輪195b傳遞至第1系列的齒輪機構191，以及從齒輪195c傳遞至第2系列的齒輪機構192。根據第1系列的齒輪機構191的角度檢測器S1至S3、及第2系列的齒輪機構192的角度檢測器S1,S4,S5所檢測出的角度檢 測值而求出的周期訊號，係與在第1實施例中說明過的周期訊號的算出方法相同。如同在日本特開2002-107178號公報、日本特許第3967963號公報中所記載的，在各系列求出的周期為互質之情況，可檢測出該等周期的最小公倍數的周期的旋轉圈數。因此，例如第1、2系列的周期訊號分別為C1 ,C2 周期，則藉由產生C1 ,C2 的最小公倍數的周期訊號，就可實現該最小公倍數的多圈旋轉檢測。
在第19圖的傳遞機構190中，假設m1 為15，m2 為16，N為10，則傳遞機構190可檢測出的多圈旋轉旋轉圈數，係如以下所述。亦即，第1系列的齒輪機構191及第2系列的齒輪機構192係由三段之旋轉軸所形成，因此如前面所記載的，可分別製作出m1 2 =225周期，m2 2 =256周期之周期訊號。由於兩者的周期互質，因此兩者的最小公倍數為225周期×256周期=57,600周期。又，第1旋轉軸195係減速為馬達旋轉軸194的轉速的1/10，所以馬達旋轉軸的可檢測的多圈旋轉檢測範圍會為其10倍之576,000圈。
如以上所述，上述第5實施例係藉由將第1實施例的的傳遞機構並列設置，而且使從並列設置的各傳遞機構求出的旋轉圈數的檢測範圍或周期訊號的周期互質，而可容易地擴大旋轉角檢測裝置的多圈旋轉檢測範圍。上述第5實施例雖設置兩個並列的傳遞機構，但藉由再設置並列的傳遞機構，就可實現具有更廣的多圈旋轉旋轉角檢測範圍之旋轉角檢測裝置。
又，在上述實施例中，第1旋轉軸的角度檢測器係採 用光學式編碼器，第2旋轉軸至第4旋轉軸的角度檢測器係採用使用MR元件之MR旋轉角感測器，但實施本發明所需之角度檢測器的類型並不限於此。而且，雖然使用齒輪來作為傳遞機構，但使旋轉角變速之手段，並不限於齒輪，亦包含皮帶、鍊條、牽引驅動器等之變速機。此外，上述的(m±1)/m係表示變速比的意思，因為在本實施例中係使用齒輪作為傳遞機構來進行說明，所以m、m±1係對應於齒輪的齒數，但並不只限於做齒輪的齒數之解釋。
又，在上述實施例中，揭示的雖然是使檢測出旋轉角所需的基本單位量u=1(REV)或u=1000(Pulse/REV)之例，但只要使各旋轉軸的基本單位量一致，亦可使用u=360(°)或任何其他的單位量。
再者，在上述本實施例中，揭示的雖然是使用軸倍角1X的檢測器(旋轉軸轉一圈，輸出一周期的訊號者)之情況之例，但即使是使用軸倍角nX的檢測器(旋轉軸轉一圈，輸出n周期的訊號者)之情況也一樣可進行多圈旋轉旋轉角之計算。在該情況，多圈旋轉旋轉角之檢測範圍會變為1/n。又，即使使用軸倍角不同之檢測器，只要進行的是使基本單位量一致之計算處理，則即使使用軸倍角不同之檢測器也可計算多圈旋轉旋轉角。
11至15、23至26、143至145、194至199‧‧‧旋轉軸
11a、12a、12b、13a、13b、14a、14b、23a、24a、24b、25a、25b、26a、26b、143a、144a、144b、145a、194a、195a、195b、196a、196b、197a、198a、198b、199a‧‧‧齒輪
21、141、193‧‧‧馬達
22‧‧‧光學式絕對編碼器
27‧‧‧印刷電路基板
28、152‧‧‧訊號處理電路
29a、29b、29c‧‧‧磁鐵
30a、30b、30c‧‧‧MR旋轉角感測器
31‧‧‧間隔器
32‧‧‧構造體
33、33a、33b、33c、151a、151b、151c‧‧‧訊號線
34‧‧‧通訊埠
35、155‧‧‧多圈旋轉演算電路
37、153‧‧‧AD轉換器
38、154‧‧‧RD轉換演算電路
S1至Sn‧‧‧角度檢測器
第1圖係用來說明根據本發明的第一實施例之求多圈旋轉絕對旋轉角的原理之旋轉角檢測裝置的傳遞機構之構成方塊圖。
第2圖係本發明的第一實施例之用來檢測多圈旋轉絕對旋轉角之旋轉角檢測裝置的構成圖。
第3圖係顯示在本發明的第一實施例中，用來算出馬達旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角之旋轉角檢測裝置的方塊圖。
第4圖係顯示在本發明的第一實施例中，第1旋轉軸的旋轉圈數與第1至第4旋轉軸之旋轉角的關係之圖表。
第5圖係顯示在本發明的第一實施例中，第1旋轉軸的旋轉圈數與各軸的檢測值p1 ,p2 ,p3 ,p4 的關係之圖表。
第6圖係顯示在本發明的第一實施例中，周期訊號相對於第1旋轉軸的旋轉圈數的關係之圖表。
第7圖係顯示在本發明的第二實施例中，第1旋轉軸的旋轉角與各軸的旋轉角的關係之圖表。
第8圖係顯示在本發明的第二實施例中，相對於第1旋轉軸的旋轉角之各軸的角度檢測器所輸出的角度檢測值。
第9圖係顯示在本發明的第二實施例中，周期訊號相對於第1旋轉軸的旋轉角的關係之圖表。
第10圖係顯示在本發明的第二實施例中，第1旋轉軸的旋轉角與係數R0 至R2 的關係之圖表。
第11圖係用來說明在本發明的第二實施例中，第1旋轉軸的旋轉角計算值中之整數部份的構成之圖表。
第12圖係顯示在本發明的第二實施例中，計算第1旋轉軸的旋轉角計算值之處理的順序之流程圖。
第13圖係顯示在本發明的第三實施例中，計算第1旋轉軸的旋轉角計算值之處理的順序之流程圖。
第14圖係用來說明根據本發明的第四實施例之求多圈旋轉絕對旋轉角的原理之旋轉角檢測裝置的傳遞機構之構成方塊圖。
第15圖係顯示在本發明的第四實施例中，用來算出馬達旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角之旋轉角檢測裝置的方塊圖。
第16圖係顯示在本發明的第四實施例中，第1旋轉軸的旋轉圈數與第1至第3旋轉軸之旋轉角的關係之圖表。
第17圖係顯示在本發明的第四實施例中，第1旋轉軸的旋轉圈數與各軸的檢測值p1 ,p2 ,p3 的關係之圖表。
第18圖係顯示在本發明的第四實施例中，周期訊號相對於第1旋轉軸的旋轉圈數的關係之圖表。
第19圖係顯示本發明的第五實施例之旋轉檢測裝置的傳遞機構的構成方塊圖。
11至15‧‧‧旋轉軸
11a、12a、12b、13a、13b、14a、14b‧‧‧齒輪
S1至Sn‧‧‧角度檢測器

Claims (34)

  1. 一種旋轉角檢測裝置，係檢測第1旋轉軸的絕對旋轉角之旋轉角檢測裝置，包括：將旋轉從前述第1旋轉軸傳遞至第nmax旋轉軸之傳遞機構、以及檢測前述第1旋轉軸至前述第n旋轉軸之各旋轉軸的旋轉角之角度檢測器，其中，該傳遞機構係為：設nmax及m為3以上之整數，且n的範圍為1≦n≦nmax，則相對於前述第1旋轉軸的旋轉角θ 1 ，第n旋轉軸的旋轉角θ n 滿足 之關係者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角檢測裝置，其中，在設前述角度檢測器所檢測出的前述第1旋轉軸至前述第nmax旋轉軸的角度檢測值為p1 ,p2 ,…,pnmax ，且各旋轉軸的一周期的角度檢測量為u之情況，若mod(x,a)係為求出x除以a時的餘數之餘數演算，且係數k1 ,…,knmax 為包含0之正或負的整數，則前述第1旋轉軸之旋轉角計算值θ c ，係以θ c =mod((k1 ×p1 +k2 ×p2 +…+knmax ×pnmax ),u)×mnmax-1 之式子來求出者。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之旋轉角檢測裝置，其中，前述係數k1 ,…,knmax 係分別與將數式(x+1)nmax-1 展開時之x的(n-1)次項的係數相對應者。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角檢測裝置，其中，前述傳遞機構係為在鄰接的旋轉軸間以(m±1)/m之變速比來傳遞旋轉者。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角檢測裝置，其中，前述傳遞機構係為在鄰接的旋轉軸間使齒數m之齒輪與齒數(m±1)之齒輪相嚙合者。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之旋轉角檢測裝置，其中，固定於同一旋轉軸之前述齒數m之齒輪與前述齒數(m±1)之齒輪係為由樹脂所一體成型者。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角檢測裝置，其中，前述第1旋轉軸的旋轉角係以光學式絕對編碼器加以檢測出，前述第2旋轉軸至前述第n旋轉軸的旋轉角係以磁性角度檢測器加以檢測出。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角檢測裝置，其中，前述第1旋轉軸至前述第n旋轉軸的旋轉角係以分解器加以檢測出。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之旋轉角檢測裝置，其中，檢測前述第1旋轉軸的旋轉角之分解器係為4倍角之分解器。
  10. 一種旋轉角檢測裝置，係檢測連結至馬達之第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角之旋轉角檢測裝置，包含：以固定在前述第1旋轉軸至第n旋轉軸之各旋轉軸上的齒輪係連續地相嚙合之形態形成之齒輪機構、以及分別檢測前述第1旋轉軸至前述第n旋轉軸之旋轉角之角度檢測 器，其中，該齒輪機構係由相嚙合成讓連續的兩個旋轉軸間的旋轉速度的變速比為(m±1)/m之複數個齒輪對所構成，前述n及m為3以上之整數。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之旋轉角檢測裝置，其中，在設前述角度檢測器所檢測出的前述第1旋轉軸至前述第nmax旋轉軸的角度檢測值為p1 ,p2 ,…,pnmax ，且各旋轉軸的一周期的角度檢測量為u之情況，若mod(x,a)係為求出x除以a時的餘數之餘數演算，且係數k1 ,…,knmax 為包含0之正或負的整數，則前述第1旋轉軸之旋轉角計算值θ c ，係以θ c =mod((k1 ×p1 +k2 ×p2 +…+knmax ×pnmax ),u)×mnmax-1 之式子來求出者。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之旋轉角檢測裝置，其中，前述係數k1 ,…,knmax 係分別為將(x+1)nmax-1 展開時之x的(n-1)次項的係數。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之旋轉角檢測裝置，其中，前述齒輪對係為在同一旋轉軸上併設齒數m之齒輪及齒數(m±1)之齒輪，且使齒數(m±1)之齒輪與所連續的旋轉軸之齒數m之齒輪相嚙合者。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之旋轉角檢測裝置，其中，固定於同一旋轉軸上之前述齒數m之齒輪與前述齒數(m±1)之齒輪係為由樹脂所一體成型者。
  15. 一種計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，係在具有：將旋轉從第1旋轉軸傳遞至第nmax旋轉軸之傳遞機構、以及檢測前述第1旋轉軸至前述第nmax旋轉軸的一圈內的角度檢測值p1 至pnmax 之角度檢測器之多圈旋轉絕對旋轉角檢測裝置中，計算第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，前述傳遞機構係為：假設數值nmax及m為3以上之整數，且數值n的範圍為1≦n≦nmax時，則相對於前述第1旋轉軸的旋轉角θ 1 ，第n旋轉軸的旋轉角θ n 滿足下式之關係者， 前述方法係包含：使前述數值n從2到nmax而重複進行包含：(1)利用前述角度檢測器來檢測出第n旋轉軸的一圈內的前述角度檢測值pn 之步驟；(2)從旋轉角計算值θ 1 (mn-2 )’及前述角度檢測值pn 來決定係數Rn-2 之步驟；及(3)將前述決定出的係數Rn-2 代入下述之旋轉角計算式 來求出旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’之步驟之計算旋轉角的步驟，藉此，依序決定出係數R0 至係數Rnmax-2 之值，以求出第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角計算值θ 1 (mnmax-1 )’之步驟，其中，係數R0 至Rnmax-2 為包含0及m-1之從0到m-1之整數，u為基本單位量，及旋轉角計算值θ 1 (m0 )’為第1旋轉軸的角度檢測值p1 。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，前述決定係數Rn-2 之步驟，係包含：利用下式來求出從n軸的檢測值求出的周期訊號S(mn-1 )之步驟， 其中，係數k1 ,k2 ,…kn 為(x+1)n-1 的展開式k1 ×x0 +k2 ×x1 +k3 ×x2 +…+kn ×xn-1 中之x的n-1次項的係數，mod(x,a)係為求出x除以a時的餘數之餘數演算，J為在鄰接的旋轉軸間的變速比為-(m-1)/m時，J=1，前述變速比為-(m+1)/m時，J=-1之符號調整項；將前述第n旋轉軸的周期訊號S(mn-1 )乘以mn-1 ，來求出旋轉角檢測值θ 1 (mn-1 )之步驟；及決定出使得求出第n旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’之前述旋轉角計算式的計算結果近似於前述旋轉角檢測值θ 1 (mn-1 )之係數Rn-2 之步驟，其中，前述第n旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’，係將前述決定出的係數Rn_2 代入前述旋轉角計算式來求出，以及角度修正值pn ’，係將前述求出的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’代入下式 來求出。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，前述決定係數Rn-2 之步驟，係包含： 決定出最近似於上式的計算結果之整數之步驟。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，前述決定係數Rn-2 之步驟，係包含： 進行上式之演算之步驟，其中，INT(x)為將數值x的小數點以下予以捨棄之演算。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，還包含與前述傳遞機構並列設置之複數個傳遞機構，該方法還包含根據前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構的角度檢測器所檢測出的角度檢測值來計算多圈旋轉絕對旋轉角之步驟。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，還包含與前述傳遞機構並列設置之複 數個傳遞機構，該方法還包含根據前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構的角度檢測器所檢測出的角度檢測值來計算前述周期訊號之步驟。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，從前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構求出之前述周期訊號的周期，係互質。
  22. 如申請專利範圍第19項至第21項中任一項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構的第1旋轉軸，係為同一旋轉軸。
  23. 一種計算多圈旋轉絕對旋轉角之裝置，其係包含：將旋轉從第1旋轉軸傳遞至第nmax旋轉軸之傳遞機構、檢測前述第1旋轉軸至前述第nmax旋轉軸的一圈內的角度檢測值p1 至pnmax 之角度檢測器、以及根據前述角度檢測值p1 至pnmax ，來計算出第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角計算值θ 1 (mnmax-1 )’之演算裝置，其中，該傳遞機構係為：設數值nmax及m為3以上之整數，且數值n的範圍為1≦n≦nmax，則相對於前述第1旋轉軸的旋轉角θ 1 ，第n旋轉軸的旋轉角θ n 滿足 之關係者，前述演算裝置係使數值n從2到nmax而重複進行：從旋轉角計算值θ 1 (mn-2 )’及第n旋轉軸的角度檢測值pn 來決定出係數Rn-2 ，再根據前述決定出的係數Rn-2 而用下述的旋轉角計算式來計算出旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’， 藉此，依序決定出係數R0 至係數Rnmax-2 之值，以求出第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角計算值θ 1 (mnmax-1 )’，其中，係數R0 至Rnmax-2 為包含0及m-1之從0到m-1之整數，u為基本單位量，及旋轉角計算值θ 1 (m0 )’為前述第1旋轉軸的角度檢測值p1 。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之裝置，其中，前述演算裝置係包含：利用下式來演算出從n軸的檢測值求出的周期訊號S(mn-1 )之手段， 其中，係數k1 ,k2 ,…kn 為(x+1)n-1 的展開式k1 ×x0 +k2 ×x1 +k3 ×x2 +…+kn ×xn-1 中之x的n-1次項的係數，mod(x,a)係為求出x除以a時的餘數之餘數演算，J為在鄰接的旋轉軸間的變速比為-(m-1)/m時，J=1，前述變速比為-(m+1)/m時，J=-1之符號調整項；將前述第n旋轉軸的周期訊號S(mn-1 )乘以mn-1 ，來求出旋轉角檢測值θ 1 (mn-1 )之手段；以及決定出使得求第n旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’之前述旋轉角計算式的計算結果近似於前述旋轉角檢測值θ 1 (mn-1 )之係數Rn-2 之手段；將前述決定出的係數Rn-2 代入前述旋轉角計算式來求出第n旋轉軸的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’之手段；以及將前述求出的旋轉角計算值θ 1 (mn-1 )’代入下式 來求出角度修正值pn ’之手段。
  25. 如申請專利範圍第23項或第24項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之裝置，其中，前述決定係數Rn-2 之手段，係包含： 決定出最近似於上式的計算結果之整數之手段。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之裝置，其中，前述決定係數Rn-2 之手段，係進行下式之演算來決定前述係數Rn-2 ， 其中，INT(x)為將數值x的小數點以下予以捨棄之演算。
  27. 如申請專利範圍第23項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉 角之裝置，還包含與前述傳遞機構並列設置之複數個傳遞機構，且根據前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構的角度檢測器所檢測出的角度檢測值來計算多圈旋轉絕對旋轉角。
  28. 如申請專利範圍第24項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之裝置，還包含與前述傳遞機構並列設置之複數個傳遞機構，且根據前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構的角度檢測器所檢測出的角度檢測值來計算前述周期訊號。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之裝置，其中，從前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構求出之前述周期訊號的周期，係互質。
  30. 如申請專利範圍第27項至第29項中任一項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之裝置，其中，前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構的第1旋轉軸，係為同一旋轉軸。
  31. 一種計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，係在具有：將旋轉從第1旋轉軸傳遞至第nmax旋轉軸之傳遞機構、以及檢測前述第1旋轉軸至前述第nmax旋轉軸的一圈內的角度檢測值p1 至pnmax 之角度檢測器之多圈旋轉絕對旋轉角檢測裝置中，計算第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角計算值θ 1 (mnmax-1 )’之方法，其中，前述傳遞機構係為：設數值nmax及m為3以上之整數，且數值n的範圍為1≦n≦nmax時，則相對於前述第1旋轉軸的旋轉角θ 1 ，第n旋轉軸的旋轉角θ n 滿足下式之關係者， 前述方法係包含：利用前述角度檢測器來檢測出前述第1旋轉軸至前述第nmax旋轉軸的一圈內的前述角度檢測值p1 至pnmax 之步驟；決定出係數R0 至係數Rnmax-2 之值之步驟，此步驟係從第n旋轉軸的旋轉角修正值pn ’來決定出係數Rn-2 ，且前述決定出的係數Rn-2 係經決定成讓利用下述的角度修正值計算式 而求出的角度修正值pn ’最近似第n旋轉軸的角度檢測值pn ，以此方式在前述角度修正值計算式中使數值n從2到nmax而重複進行來依序決定出前述係數R0 至前述係數Rnmax-2 之值；以及將前述決定出的係數R0 至Rnmax-2 代入下述之旋轉角計算式 來求出第1旋轉軸的多圈旋轉絕對旋轉角計算值θ 1 (mnmax-1 )’之步驟，其中，係數R0 至Rnmax-2 為包含0及m-1之從0到m-1之整數，u為基本單位量，及角度修正值p1 ’為第1旋轉軸的角度檢測值p1 。
  32. 如申請專利範圍第31項之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，前述決定係數Rn-2 之步驟，係包含： 決定出最近似於上式的計算結果之整數之步驟。
  33. 如申請專利範圍第31項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，還包含與前述傳遞機構並列設置之複數個傳遞機構，該方法還包含根據前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構的角度檢測器所檢測出的角度檢測值來計算多圈旋轉絕對旋轉角之步驟。
  34. 如申請專利範圍第31項至第33項中任一項所述之計算多圈旋轉絕對旋轉角之方法，其中，前述傳遞機構及前述複數個傳遞機構的第1旋轉軸，係為同一旋轉軸。
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