(57)【要約】【課題】回転体の回転位置を絶対値で検出でき、しかも広い速度範囲で回転位置を精度良く検出できる。【解決手段】正弦波出力エンコーダは、歯車２，３と歯センサ４，５によって、回転体の軸１の回転に応じて位相差π／２のＡ，Ｂ相、Ｃ，Ｄ相の正弦波信号またはパルス信号を発生し、Ａ，Ｂ相とＣ、Ｄ相では回転体の１回転当たりで発生する正弦波数またはパルス数が１つ異なる。Ａ，Ｂ相のパルス内位相（ＡＢ）とＣ，Ｄ相のパルス内位相（ＣＤ）を検出器８，９で検出し、減算器１０はこれらの位相差（ＢＤ）を回転体の１回転中の回転位置（位相）の絶対値として検出する。  モータの回転位置を１極当たりの電気角（位相）で検出するにはモータの１回転当たりで発生する正弦波数またはパルス数がモータの極対数だけ異なる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転位置検出対象となる回転体の回転に応じて位相差π／２のＡ，Ｂ相の正弦波信号またはパルス信号を発生する第１のインクリメンタルエンコーダと、
前記回転体の回転に応じて位相差π／２のＣ，Ｄ相の正弦波信号またはパルス信号を発生し、前記第１のインクリメンタルエンコーダとは回転体の１回転当たりで発生する正弦波数またはパルス数が１つ異なる第２のインクリメンタルエンコーダと、
前記Ａ，Ｂ相のパルス内位相（ＡＢ）と前記Ｃ，Ｄ相のパルス内位相（ＣＤ）の位相差（ＢＤ）を前記回転体の１回転中の回転位置（位相）の絶対値として検出する回転位置検出回路とを備えたことを特徴とする回転体の回転位置検出装置。
【請求項２】
回転位置検出対象となるモータの回転に応じて位相差π／２のＡ，Ｂ相の正弦波信号またはパルス信号を発生する第１のインクリメンタルエンコーダと、
前記モータの回転に応じて位相差π／２のＣ，Ｄ相の正弦波信号またはパルス信号を発生し、前記第１のインクリメンタルエンコーダとはモータの１回転当たりで発生する正弦波数またはパルス数がモータの極対数だけ異なる第２のインクリメンタルエンコーダと、
前記Ａ，Ｂ相のパルス内位相（ＡＢ）と前記Ｃ，Ｄ相のパルス内位相（ＣＤ）の位相差（ＢＤ）を前記モータの１極当たりの電気角（位相）の絶対値として検出する回転位置検出回路とを備えたことを特徴とする回転体の回転位置検出装置。
【請求項３】
前記回転位置検出回路は、
前記パルス内位相（ＡＢ）、（ＣＤ）と回転体またはモータの磁極位置に対する前記インクリメンタルエンコーダのセンサの取り付け位置補正量（Ｅ）を求める位置補正量演算器と、
前記位相差（ＢＤ）に前記取り付け位置補正量（Ｅ）を加算して前記回転体またはモータの基準位置に絶対値の回転位置検出信号を合わせた補正をする加算器と、
を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の回転体の回転位置検出装置。
【請求項４】
前記回転位置検出回路は、前記回転体またはモータの回転に対して、前記Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ相の信号変化から、少なくとも２つの相までの断線を検出する断線検出部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の回転体の回転位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータなどの回転体の回転位置（位相）をインクリメンタルエンコーダで検出する装置に係り、特に回転体の回転位置を絶対値で検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を使用した同期電動機（ＰＭモータ）をインバータで可変速駆動する場合、トルクを精度よく制御するために磁極（ロータ）の回転位置を絶対値で検出し、かつ広い速度領域で高い精度で検出する必要がある。一般的に、回転体の回転位置（位相）および回転速度を検出するための検出器としては、以下のものが知られている。
【０００３】
（１）絶対値エンコーダ
回転位置を絶対値で検出する場合に使用される絶対値エンコーダである（例えば、特許文献１参照）。このエンコーダの種別には、（ａ）インクリメンタルエンコーダ、（ｂ）シリアルアブソリュートエンコーダ、（ｃ）レゾルバがあり、これらについて以下に詳細に説明する。
【０００４】
（ａ）インクリメンタルエンコーダは、１回転に複数パルスを出力するエンコーダであり、図７に１回転１２パルスの場合の出力波形例を示すように、以下の３種類の信号を出力する。
【０００５】
・９０度（π／２）位相差を持つ複数パルス／回転のＡ相とＢ相で、速度及び回転方向を検出できる。
【０００６】
・１パルス／回転のＺ相パルスで、１回転中の絶対位置を特定できる。
【０００７】
・１回転中に１８０度分ＯＮ／ＯＦＦし、さらに１２０度ずつずれたＵ，Ｖ，Ｗ信号で、インバータ装置の電源起動時に誤差６０度の範囲で回転位置を特定できる。
【０００８】
このインクリメンタルエンコーダのメリットは、検出装置が簡単（パルスのＯＮ／ＯＦＦ状態を調べるだけ）、方形波パルスにすることでフィルタの挿入が容易となりノイズに強い。逆に、デメリットは、一般的に方形波パルス情報になることから、信号の立ち上がりエッジ時しか情報がとれないため、検出に離散化誤差を生じる。また、電源始動時に±３０度もの誤差を生じるため、Ｚ相が検出されるまでは検出位置誤差が大きく、出力トルク精度が悪化する。
【０００９】
（ｂ）シリアルアブソリュートエンコーダは、１回転を１７ビットや２０ビットの分解能で検出し、エンコーダとインバータ装置がシリアル信号で通信することで絶対位置（回転位置）を検出する。
【００１０】
このシリアルアブソリュートエンコーダのメリットは、高分解能で回転位置が検出できる。また、インバータ装置の電源起動時も同様に高分解能で回転位置が検出できる。逆に、デメリットは、一般的に光学式が採用されるため、機械強度の関係上、高回転に対応できない。また、シリアル通信を行うため、リアルタイム性に限界がある。
【００１１】
（ｃ）レゾルバは、変圧器とほぼ同様の原理で、高周波の交流電圧を印加し、回転体の回転位置によって出力電圧振幅が変化するものや、出力位相が変化する。
【００１２】
このレゾルバのメリットは、アナログ検出分解能に依存する分解能で検出できる。また、インバータ装置の電源起動時も同様にアナログ検出分解能に依存する分解能で検出できる。また、構造が強固のため、高回転でも対応可能。逆に、デメリットは、原理が複雑で、検出回路も複雑化する。また、アナログ信号を扱うので、ノイズによる誤動作の影響範囲が広い（１回転（機械角／電気角）単位）。すなわち、ノイズ対策が広い範囲に必要となる。
【００１３】
（２）正弦波出力エンコーダ
回転体の回転周期のｎ倍（ｎは正の整数）に比例した周波数で、９０度位相差のある２相（Ａ／Ｂ相）の正弦波を発生するインクリメンタルエンコーダであり、正弦波の１周期を１パルスとした信号から速度を検出する場合を図８に示す。
【００１４】
この正弦波出力エンコーダは、パルスの正弦波情報をアナログ検出により得ることでパルス間の位相を検出することができ、パルス情報を高精度化することができる。これにより、任意の時刻でパルスの位相が得られ、位相検出及び速度検出を高精度に検出する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１５】
正弦波であるため、瞬時のパルス位相が分かる。よって、位相・速度演算開始時の位相が正確にわかり、今回と前回の位相差が１パルス未満の単位で正確にわかることになる（図８中のθａ及びθｂ）。
【００１６】
図９は、インクリメンタルエンコーダの概略構成を示す。モータなど、回転位置検出対象とする回転体の出力軸ＡＸには歯車ＧＷを軸支し、この歯車ＧＷにはその円周方向に沿って複数の歯Ｔを等間隔で配置または形成しておく。歯センサＳA，ＳBは、歯Ｔに対向する位置で歯車ＧＷの円周方向に配置し、歯車ＧＷの回転によって歯Ｔが歯センサＳA，ＳB位置になるタイミングをエッジまたは頂点とするＡ相およびＢ相のパルス信号（図７）または正弦波信号（図８）を発生する。
【００１７】
歯車の歯Ｔは、例えば、電磁式のエンコーダでは鉄製とし、光学式のエンコーダではスリットを設けた円盤とする。歯センサＳA，ＳBは、電磁式のエンコーダでは歯Ｔの接近による磁気抵抗の変化を電気信号に変換する変換回路構成とし、光学式のエンコーダでは歯Ｔによる光の透光と遮光を電気信号に変換する変換回路構成とする。
【特許文献１】特許第３８５８５９３号公報
【特許文献２】特開２００１−１２４５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ＰＭモータを低回転から高回転まで可変速駆動するインバータ装置など、モータ（回転体）をその電源投入時から精度良くトルク制御するには、回転位置検出器としては低速領域でも回転位置の検出ができるレゾルバを採用している。
【００１９】
しかし、レゾルバは変圧器の原理を利用しているため、励磁用高周波電源を必要とするし、高い精度で検出するには一次／二次巻線を精度良く配置した構造が要求される。よって、複雑、高価な検出器になる。
【００２０】
なお、インクリメンタルエンコーダは、レゾルバに比べて安価であり、広い速度範囲に亘って回転位置検出精度も高いが、Ａ／Ｂ相の２相出力では回転位置（絶対値）の検出まではできないため、上記用途での適用は困難であった。
【００２１】
本発明の目的は、インクリメンタルエンコーダを使用して、回転体の回転位置を絶対値で検出でき、しかも広い速度範囲で回転位置を精度良く検出できる回転体の回転位置検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、前記の課題を解決するため、回転位置検出対象となる回転体の１回転当りに発生する正弦波数またはパルス数が互いに１つまたは回転体の極対数だけ異なる２つのインクリメンタルエンコーダでＡ／Ｂ相信号とＣ／Ｄ相信号を得、Ａ／Ｂ相のパルス内位相とＣ／Ｄ相のパルス内位相の位相差から、１回転中の回転位置（位相）または電気角の絶対値として検出するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００２３】
（１）回転位置検出対象となる回転体の回転に応じて位相差π／２のＡ，Ｂ相の正弦波信号またはパルス信号を発生する第１のインクリメンタルエンコーダと、
前記回転体の回転に応じて位相差π／２のＣ，Ｄ相の正弦波信号またはパルス信号を発生し、前記第１のインクリメンタルエンコーダとは回転体の１回転当たりで発生する正弦波数またはパルス数が１つ異なる第２のインクリメンタルエンコーダと、
前記Ａ，Ｂ相のパルス内位相（ＡＢ）と前記Ｃ，Ｄ相のパルス内位相（ＣＤ）の位相差（ＢＤ）を前記回転体の１回転中の回転位置（位相）の絶対値として検出する回転位置検出回路とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
（２）回転位置検出対象となるモータの回転に応じて位相差π／２のＡ，Ｂ相の正弦波信号またはパルス信号を発生する第１のインクリメンタルエンコーダと、
前記モータの回転に応じて位相差π／２のＣ，Ｄ相の正弦波信号またはパルス信号を発生し、前記第１のインクリメンタルエンコーダとはモータの１回転当たりで発生する正弦波数またはパルス数がモータの極対数だけ異なる第２のインクリメンタルエンコーダと、
前記Ａ，Ｂ相のパルス内位相（ＡＢ）と前記Ｃ，Ｄ相のパルス内位相（ＣＤ）の位相差（ＢＤ）を前記モータの１極当たりの電気角（位相）の絶対値として検出する回転位置検出回路とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
（３）前記回転位置検出回路は、
前記パルス内位相（ＡＢ）、（ＣＤ）と回転体またはモータの磁極位置に対する前記インクリメンタルエンコーダのセンサの取り付け位置補正量（Ｅ）を求める位置補正量演算器と、
前記位相差（ＢＤ）に前記取り付け位置補正量（Ｅ）を加算して前記回転体またはモータの基準位置に絶対値の回転位置検出信号を合わせた補正をする加算器と、
を備えたことを特徴とする。
【００２６】
（４）前記回転位置検出回路は、前記回転体またはモータの回転に対して、前記Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ相の信号変化から、少なくとも２つの相までの断線を検出する断線検出部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
以上のとおり、本発明によれば、回転位置検出対象となる回転体の１回転当りに発生する正弦波数またはパルス数が互いに１つまたは回転体の極対数だけ異なる２つのインクリメンタルエンコーダでＡ／Ｂ相信号とＣ／Ｄ相信号を得、Ａ／Ｂ相のパルス内位相とＣ／Ｄ相のパルス内位相の位相差から、１回転中の回転位置（位相）または電気角の絶対値として検出するようにしたため、２つの安価なインクリメンタルエンコーダを使用して回転体の回転位置を絶対値で検出でき、しかも広い速度範囲で回転位置を精度良く検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（実施形態１）
図１は、本実施形態を示す回転位置検出装置の構成図である。モータなど、回転位置検出対象とする回転体の出力軸１には２つの歯車２，３を軸支し、これら歯車２，３の外周面には半径方向にそれぞれ電磁式または光学式の歯センサ４，５を配置し、これら歯車２，３と歯センサ４，５の組み合わせで２つの正弦波出力エンコーダを構成する。
【００２９】
回転位置検出回路は、歯センサ４、５からのＡ／Ｂ相、Ｃ／Ｄ相の正弦波信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器６，７と、Ａ／Ｄ変換器６、７の変換出力からＡ／Ｂ相パルス内位相（ＡＢ）、Ｃ／Ｄ相パルス内位相（ＣＤ）を検出するパルス内位相検出器８，９と、これらパルス内位相（ＡＢ）と（ＣＤ）の位相差（ＢＤ）を求めて絶対値の回転位置検出信号を得る減算器１０と、パルス内位相（ＡＢ）、（ＣＤ）と回転体の磁極位置に対する歯センサ（インクリメンタルエンコーダのセンサ）４，５の取り付け位置補正量（Ｅ）を求める位置補正量演算器１１と、絶対値の回転位置検出信号（位相差ＢＤ）に取り付け位置補正量（Ｅ）を加算して回転体の磁極位置に絶対値の回転位置検出信号を合わせた補正をする加算器１２で構成する。
【００３０】
ここでは、Ａ相、Ｂ相，Ｃ相、Ｄ相の各出力が正弦波である正弦波出力エンコーダで動作を説明する。歯車２と歯センサ４は歯車の回転に従って９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波信号を発生し、歯車３と歯センサ５は歯車の回転に従って９０度位相差をもつＣ／Ｄ相の正弦波信号を発生する。さらに、Ｃ／Ｄ相用の歯車３の歯数がＡ／Ｂ相用の歯車２と１つだけ異なる構成とする。
【００３１】
Ａ／Ｂ相の歯数をＮとし、１個の歯で３６０度の信号を発生させることができれば、歯センサ４は、軸１の機械的な１回転で３６０×Ｎ度の信号を発生することができる。一方、Ｃ／Ｄ相の歯数をＡ／Ｂ相に比べ１個少ないＮ−１とすれば、機械的１回転で３６０×（Ｎ−１）度の信号を発生できるので、これらの位相差（３６０度）を用いて１回転中の回転位置（位相）を絶対値で検出できる。
【００３２】
例えば、Ａ／Ｂ相を発生する歯車２の歯数を１２個として１回転当たり１２パルスを出力し、Ｃ／Ｄ相を発生する歯車３の歯数を１１個として１回転当たり１１パルスを出力する場合、各部の信号波形は図２に示すようになる。Ａ／Ｂ相から得られる正弦波出力から、歯１個当りで３６０度を出力するＡ／Ｂ相パルス内位相（ＡＢ）を求める。Ａ／Ｂ相から１８０度周期のｔａｎ-1（Ｂ相振幅／Ａ相振幅）を求め、Ａ相が正のときは９０度加算し、負のときは２７０度加算すると、図２に示すＡ／Ｂ相パルス内位相（ＡＢ）を求めることができる。同様に、Ｃ／Ｄ相からもＣ／Ｄ相パルス内位相（ＣＤ）を求めることができる。そして、Ａ／Ｂ相パルス内位相（ＡＢ）とＣ／Ｄ相パルス内位相（ＣＤ）の位相差を求める、図３の位相差（ＢＤ）に示すようになる。
【００３３】
図３に示すパルス内位相の位相差（ＢＤ）波形は、横軸をＸとしてパルス内位相（ＡＢ）と（ＣＤ）の交点を横軸表現でＸ１、Ｘ２、…、Ｘ２１とすると、０度〜３６０度の各期間の検出位相（Ｙ軸）と機械的回転位置（Ｘ軸）を表す式は図表１に示すように、（ＡＢ）＞（ＣＤ）の時は式Ｙ＝Ｘで表すことができ、（ＣＤ）＞（ＡＢ）のときはＹ＝Ｘ−３６０度であらわすことができる。検出位相と機械的１回転の位置は式をＹ＝Ｘとすることが必要で、このため、（ＣＤ）＞（ＡＢ）のときは＋３６０を加算するような補正（Ｅ）をすることで、１回転中の位置が分かり、インクリメンタルエンコーダにおいても、インバータ装置の電源起動時に回転位置が分かる。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
（実施形態２）
モータの位置を検出する場合、１回転で０〜３６０度の機械角を検出したい場合と、モータの極対数当りで、０〜３６０度の電気角を検出したい場合がある。この場合、実施形態１で示したように、極対数だけ歯数を減らすことにより、１回転で（３６０度×極対数）の機械角を検出でき、１極当り０〜３６０度の電気角を検出できる。
【００３６】
本実施形態では、図１における歯車２に対して歯車３の歯数をモータの極対数だけ減らした構成とすることにより、モータの１極当たり０〜３６０度の電気角を検出する。
【００３７】
例えば、モータが４極（＝極対数２）で、Ａ／Ｂ相が歯数１２個の場合の各部波形は図４に示すようになる。この場合、Ａ／Ｂ相の歯数が１２個であるため出力パルスは１２となるのに対し、Ｃ／Ｄ相の歯数は１０個にしてその出力パルスは１０となっている。
【００３８】
また、Ａ／Ｂ相パルス内位相（ＡＢ）とＣ／Ｄ相パルス内位相（ＣＤ）の差をとると、図５に示す位相差（ＢＤ）になる。
【００３９】
したがって、本実施形態では、実施形態１と同じアルゴリズムでパルス内位相差＝回転位置を求めることができる。
【００４０】
（実施形態３）
実施形態１，２では、歯車２，３と歯センサ４，５の２つの検出系統を持つことで、回転体の位置及び速度検出を２系統同時に持つことができる。
【００４１】
本実施形態では、２つの検出系統を利用することにより、図６に示すように、回転位置検出回路に追加する断線検出部１３によって、モータ回転時においてＡ／Ｂ／Ｃ／Ｄ相の信号変化から少なくとも２線までの断線を検出するものである。
【００４２】
モータ回転に対して、４相全てが時々刻々と変化しているため、２線まで断線してもそれ以外の２線で回転していることを検出できるため、断線検出部１３はＡ／Ｂ／Ｃ／Ｄ相のデータから２線までの断線を検出する。この点、Ａ／Ｂ相しか使用しない従来装置の場合には、モータが停止しているか、回転しているか判断つかないため、検出できない場合があるが、本実施形態ではモータの停止／回転にかかわらずに断線を検出できる。
【００４３】
なお、以上まで説明した実施形態１〜３は、Ａ／Ｂ相の歯数１２で説明したが、この歯数は実現可能な任意の正の整数であれば良い。
【００４４】
また、正弦波出力エンコーダの場合を示したが、パルス出力になるインクリメンタルエンコーダを使って同様の作用効果を得ることができる。この場合、Ａ／Ｄ変換器６，７はＡ／Ｂ相信号、Ｃ／Ｄ相信号に対して比較器で二値化することで済む。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態を示す回転位置検出装置の構成図。
【図２】図１における各部の信号波形例。
【図３】図２のパルス内位相の位相差（ＢＤ）波形例。
【図４】モータの１極当り電気角検出の信号波形例。
【図５】図４のパルス内位相の位相差（ＢＤ）波形例。
【図６】断線検出の構成例。
【図７】インクリメンタルエンコーダの出力波形例。
【図８】正弦波出力エンコーダの波形例。
【図９】インクリメンタルエンコーダの概略構成図。
【符号の説明】
【００４６】
１  回転体の出力軸
２、３  歯車
４、５  歯センサ
６、７  Ａ／Ｄ変換器
８、９  パルス内位相検出器
１０  減算器
１１  取り付け位置補正量演算器
１２  加算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010014410.tif 000010
【図８】
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【図９】
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