(57)【要約】      （修正有）【課題】少容量メモリでもリアルタイムかつ高精度に角度検出が可能な角度補正曲線取得方法及び角度検出装置を提供する。【解決手段】角度検出装置で検出される全角度に対し、各角度において得られる磁気の強さを検知しその対応関係を角度補正曲線として取得する角度補正曲線取得ステップと、前記角度補正曲線から所定次数以下で近似した近似基本多項式を求める近似基本多項式取得ステップと、前記近似基本多項式と前記角度補正曲線の差曲線の近似誤差多項式を求める近似誤差多項式取得ステップと、前記近似誤差多項式と前記差曲線の誤差が所定値以上になる角度範囲を含む所定の角度範囲を求める角度範囲特定ステップと、前記角度範囲について前記差曲線を近似する近似誤差多項式を取得する近似誤差多項式取得ステップと、前記近似基本多項式とその基本係数及び前記所定角度範囲とその範囲内の近似誤差多項式とその誤差係数を記憶する記憶ステップとを有する。【選択図】図１
2009180522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気の強さを検知し対応する回転角度を検出する角度検出装置の、磁気に対する角度の補正曲線を得る角度検出装置の角度補正曲線取得方法であって、
この角度検出装置により検出される全角度に対し、各角度において得られる磁気の強さを検知しその対応関係を角度補正曲線として取得する角度補正曲線取得ステップと、
前記角度補正曲線から所定次数以下で近似した近似基本多項式を求める近似基本多項式取得ステップと、
前記近似基本多項式と前記角度補正曲線の差曲線の近似誤差多項式を求める近似誤差多項式取得ステップと、
前記近似誤差多項式と前記差曲線の誤差が所定値以上になる角度範囲を含む所定の角度範囲を求める角度範囲特定ステップと、
前記角度範囲について前記差曲線を近似する近似誤差多項式を取得する近似誤差多項式取得ステップと、
前記近似基本多項式とその基本係数及び前記所定角度範囲とその範囲内の近似誤差多項式とその誤差係数を記憶する記憶ステップと
を有することを特徴とする、角度検出装置の角度補正曲線取得方法。
【請求項２】
磁気の強さを検知し対応する回転角度を検出する角度検出装置であって、
この角度検出装置により検出される全角度に対し、各角度において得られる磁気の強さを検知して求められた対応関係の角度補正曲線から所定次数以下で近似した近似基本多項式及びその基本係数、前記近似基本多項式と前記角度補正曲線の差曲線を近似する近似誤差多項式及びその誤差係数をこの誤差が所定値以上になる角度範囲を含む所定の角度範囲と共に記憶する補正データ記憶部と、
この補正データ記憶部に記憶された近似基本多項式とその基本係数及び近似誤差多項式とその誤差係数を用いて補正角度を計算する補正角度計算部と、
を有することを特徴とする角度検出装置。
【請求項３】
磁気の強さを検知し対応する回転角度を検出し補正する角度検出装置であって、
補正用のアナログの角度を検出する補正用角度検出器と、
この補正用角度検出器により検出されたアナログ角度をデジタルに変換する補正用角度検出回路と、
前記補正用角度検出器により検出される全角度に対し、各角度において得られる磁気の強さを検知して求められた対応関係の角度補正曲線から所定次数以下で近似した近似基本多項式及びその基本係数、前記近似基本多項式と前記角度補正曲線の差曲線を近似する近似誤差多項式及びその誤差係数をこの誤差が所定値以上になる角度範囲を含む所定の角度範囲と共に記憶する補正データ記憶部と、
この補正データ記憶部に記憶された近似基本多項式とその基本係数及び近似誤差多項式とその誤差係数を用いて補正角度を計算する補正角度計算部と、
を有することを特徴とする角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型モータの位置制御やロボット関節の絶対角度検出など、各種の機器において回転角度を検出するための角度検出装置の角度補正曲線取得方法及び角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転角度を検出するためには、例えば回転角度検出器の被検出部として、磁気特性を円周方向に周期的に変化させた環状部品（磁気発生部材）を用い、これに磁気センサを近接して設け、磁気センサにより磁気を検知して回転角度を検出する。
【０００３】
したがって、磁気発生部材を有する被検出部として、例えば正確な正弦波状の着磁分布を有するものが用いられないと正確な検知角度が得られない。ところが、この着磁分布は通常、理想的な正弦波から外れている。そこで、正確な回転角度が得られるように、回転角度に対する着磁分布の特性を補正することが行われている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
この磁気特性に対する補正（磁気角度特性補正）は、最終的にはメモリに記憶されているルックアップテーブルにおいてなされる。しかしその前に、角度特性の補正曲線を例えば補正多項式としてその係数を求めておき、検知された磁気から角度を求め、この角度に対して上記補正曲線に従った補正量を加えて適切な補正角度を求める。
【０００５】
この補正前角度に対する補正後角度の角度補正曲線は、従来、広い全角度に対して求めていた。したがって、上記角度補正曲線の次数が低いと高精度の角度検出がなされず、一方高精度の角度を得ようとすると、高次の補正曲線が必要になり補正のための記憶容量が大きくなると共に角度検出までに時間がかかりリアルタイムに検出できないという問題があった。
【特許文献１】特開２００４−３５３６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述のように、従来の角度検出装置における、補正のためのメモリ容量の増大、検出時間の増大などの問題点に鑑みてなされたもので、メモリ容量が少なくてもリアルタイムでしかも高精度に角度検出が可能な角度検出装置の角度補正曲線取得方法及び角度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１によれば、磁気の強さを検知し対応する回転角度を検出する角度検出装置の、磁気に対する角度の補正曲線を得る角度検出装置の角度補正曲線取得方法であって、この角度検出装置により検出される全角度に対し、各角度において得られる磁気の強さを検知しその対応関係を角度補正曲線として取得する角度補正曲線取得ステップと、前記角度補正曲線から所定次数以下で近似した近似基本多項式を求める近似基本多項式取得ステップと、前記近似基本多項式と前記角度補正曲線の差曲線の近似誤差多項式を求める近似誤差多項式取得ステップと、前記近似誤差多項式と前記差曲線の誤差が所定値以上になる角度範囲を含む所定の角度範囲を求める角度範囲特定ステップと、前記角度範囲について前記差曲線を近似する近似誤差多項式を取得する近似誤差多項式取得ステップと、前記近似基本多項式とその基本係数及び前記所定角度範囲とその範囲内の近似誤差多項式とその誤差係数を記憶する記憶ステップとを有することを特徴とする、角度検出装置の角度補正曲線取得方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、メモリ容量が少なくリアルタイムでしかも高精度に角度検出が可能な角度検出装置の角度補正曲線取得方法及び角度検出装置が得られる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明一実施形態の角度検出装置１０と、この角度検出装置１０により得られる角度の補正を行う角度補正データを作成する角度補正データ作成装置１１を示す図である。角度検出装置１０は予め角度補正データ作成装置１１に接続され、角度補正データが補正データ記憶部１６に記憶される。その後、角度検出装置１０は角度補正データ作成装置１１から切り離されて、角度検出装置１０が本来の用途である角度検出のために用いられる。
【００１０】
角度検出装置１０は、後述するように補正対象となる角度をアナログ的に電圧として検出する補正用角度検出器１２と、この補正用角度検出器１２において取得されたアナログの補正用角度をデジタルデータとして出力する補正用角度検出回路１３と、補正演算記憶部１４とを有する。
【００１１】
補正演算記憶部１４は、補正用角度データを用いて計算を行う補正角度計算部１５と、この補正角度計算部１５により計算された結果の角度を入力され、角度補正データ作成装置１１により予め得られ、記憶している角度補正データテーブルに基づいて補正角度のデータを補正角度計算部１５に出力する補正データ記憶部１６とを有する。
【００１２】
角度補正データ作成装置１１は、回転角度を変えてそのときの磁気の強さを求めるため回転部を回転駆動する駆動部１７（例えばモータ）と、そのときの基準用の角度をアナログ的に電圧として検出する高精度の基準用角度検出器１８と、基準用のアナログ角度データをデジタルデータに変換して出力する基準用角度検出回路１９と、この回路出力の基準用角度データと補正用角度データからその対応関係である角度補正データを作成する補正データ作成部２０と、を有する。
【００１３】
補正データ作成部２０の構成例を図２に示す。補正データ作成部２０は、基準用角度データと補正用角度データから全角度範囲で基本となる多項式の係数を決める基本多項式係数決定部２３と、この基本多項式係数決定部２３により決められた係数を代入して得られた基本多項式と、角度に対して基準となる式との、各角度での誤差を求める角度誤差算出部２４と、予め決められている許容誤差電圧の範囲を超える角度範囲があるか否かを比較回路により判定する誤差判定部２５と、誤差判定部２５により許容誤差を超える範囲があると判定された場合にその範囲を含む一定の角度範囲を特定する許容外誤差範囲特定部２６と、この特定された角度範囲で、許容誤差を超える誤差量の近似誤差多項式を求めその係数を決定する誤差多項式係数決定部２７と、を有する。
【００１４】
図１において、補正用角度検出器１２、駆動部１７及び基準用角度検出器１８は、同軸上にカップリングされており、補正用角度検出器１２と基準用角度検出器１８は駆動回転に同期して特定の角度に回転させることができる。即ち、両角度検出器１２，１８の回転角度を同一にしたときの電圧値は本来同一であるべきであるが、両角度検出器の精度の差により必ずしも同一とならない。この差に基づいて補正用角度検出器１２により得られた補正用角度を補正することになる。
【００１５】
補正用角度検出器１２は通常、安価かつ小型であるので、高価かつ大型の基準用角度検出器１８に比べて精度が劣る。それゆえ、両角度検出器が検知しようとする角度が同一であっても異なる電圧を出力し、検知角度として異なる結果となる。そこで、基準用角度検出器１８で検出された角度（基準用角度）を基準として、補正用角度検出器１２で得られる角度（補正用角度）を、複数の角度状態において補正する。実際にこの補正は、補正用角度検出回路１３で得られた補正用角度データと基準用角度検出回路１９で得られた基準用角度データを補正データ作成部２０に取り込み、角度の対応関係をデジタル的に処理して、角度補正データを取得し、角度補正データテーブルとして補正演算記憶部１４の補正データ記憶部１６に記憶する。
【００１６】
角度補正データテーブルが作成記憶された後は、補正用角度検出器１２を角度補正データ作成装置１１の駆動部１７から取り外して角度検出を行いたい対象物に取り付けて運用する。運用時には、補正用角度検出器１２において検出された角度に対する電圧信号（アナログ）は、補正用角度検出回路１３に送られて角度に対するデジタルデータに変換される。変換されたデジタルデータは、補正演算記憶部１４の補正角度計算部１５に送られる。
【００１７】
補正角度計算部１５は、送られてきた角度データを補正データ記憶部１６に送り、補正データ記憶部１６に有する角度補正データテーブルからその角度に対する補正された角度（実際には、先に得られた基本多項式における各係数値、あれば更に近似誤差多項式の各係数値）が補正角度計算部１５に送られる。補正角度計算部１５は先の近似基本多項式及び近似誤差多項式に係数値を代入して補正角度を計算し出力する。
【００１８】
次に本発明のこの実施形態において、角度検出装置１０に角度補正データ作成装置１１を接続し、補正データ作成部２０から出力された角度補正データを補正データ記憶部１６に記憶させる動作を、図３に基づいて説明する。
【００１９】
まず、角度補正データ作成装置１１の駆動部１７は、角度検出装置１０の補正用角度検出器１２に結合（カップリング）され、補正用角度検出器１２と基準用角度検出器１８の角度が同一になるように駆動される。そして、ステップＳ３０１において、駆動部１７は角度測定がなされる全範囲で角度を変えていき、そのときの補正用角度検出器１２と基準用角度検出器１８にアナログ電圧出力を得る。これらの電圧信号は、補正用角度検出回路１３及び基準用角度検出回路１９において各々デジタルデータに変えられ、ステップＳ３０２で補正データ作成部２０に取得される。
【００２０】
このようにして得られた、角度毎の基準用角度データと補正用角度データからカーブフィッティング、すなわち具体的には、基本多項式、例えば３次式が仮定され、その係数が、例えば最小二乗法により求められる（ステップＳ３０３）。そして、ステップＳ３０４では、求められた基本多項式と基準用角度データから得られた理想式（理想的な角度補正曲線）から、その間の角度誤差を検出する。
【００２１】
図面を用いてこのステップを具体的に説明する。図４（ａ）は補正前後の角度関係を示す図であり、図４（ｂ）は、測定角度範囲全体で多項式近似した角度誤差が、所定範囲において予め定めた誤差を超えたことを示す図である。
【００２２】
図４（ａ）において横軸は補正前の角度θｂであり縦軸は補正後の角度θａである。曲線ｆ１は理想的な角度補正曲線を表し、曲線ｆ２は測定角度範囲全体で多項式近似したときの補正曲線を表す。理想的な角度補正曲線ｆ１と三次多項式で近似した近似補正曲線ｆ２は次の式（１）、式（２）のように表わすことができる。
【００２３】
θａ＝ｆ１（θｂ）＝ａ１＋ａ２・θｂ＋ａ３・θｂ２＋ａ４・θｂ３＋ａ５・θｂ４＋ａ６・θｂ５＋・・・・          …（１）
θａ＝ｆ２（θｂ）＝ａ１＋ａ２・θｂ＋ａ３・θｂ２＋ａ４・θｂ３    …（２）
本来、多項式近似の近似補正曲線ｆ２を理想的な角度補正曲線ｆ１と一致させられることが好ましい。しかし、現実には、多項式の次数が予め定められ有限であるので、角度補正曲線ｆ１と近似補正曲線ｆ２の間には誤差を生ずる場合もある。
【００２４】
そして、ステップＳ３０５では、角度補正曲線ｆ１と近似補正曲線ｆ２の差の曲線（差曲線）を求める。ステップＳ３０６では、その曲線差（角度誤差）が所定誤差値Ｅ１を超える角度範囲があるか否かを検知し、ステップＳ３０７ではその所定誤差値を超える角度を含む補正角度範囲を特定する。所定誤差値を超える角度範囲の検知は、最小区間単位α毎に、角度誤差が所定誤差値Ｅ１を超える角度があるかによりなされる。この最小区間単位αは、角度誤差が所定誤差値Ｅ１を超えている角度範囲の中心角度を中心に最小区間単位αを取り、これらの最小区間単位αが重複するときにはそれらの角度範囲を連結する。
【００２５】
図４（ｂ）は、この最小区間単位α１内に角度誤差が所定誤差値Ｅ１を超えている角度範囲Ａがあること、また最小区間単位α２内に角度誤差が所定誤差値Ｅ１を超えている角度範囲Ｂがあることを示している。この場合、最小区間単位α１とα２は重複しているのでこれらの区間単位を統合して、例えば補正角度範囲βとする。これら一連の処理は補正データ作成部２０においてなされる。
【００２６】
ステップＳ３０７で補正角度範囲が特定されると、次のステップＳ３０８において、その角度範囲における誤差曲線の近似誤差多項式の係数を、例えば最小二乗法により決定する。
【００２７】
近似誤差多項式は例えば次の式（３）により表すことができる。
【００２８】
Δθａ＝ｇ１（θｂ）＝ｂ１＋ｂ２・θｂ＋ｂ３・θｂ２＋ｂ４・θｂ３    …（３）
ここで補正区間はβ（例えばθｂｍ〜θｂｎ）となる。
【００２９】
次にステップＳ３０９で、補正データ作成部２０において求められた近似基本多項式の係数即ち基本係数（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）、近似誤差多項式の補正区間（β）、その近似誤差多項式の係数即ち誤差係数（ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４）などは、角度補正データとして補正データ記憶部１６に送られる。
【００３０】
一方、ステップＳ３０６において、基本多項式と理想式の差の曲線(差曲線)で所定誤差値Ｅ１を超える角度範囲がなければステップＳ３０９に移り、近似基本多項式の係数（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）などが角度補正データとして補正データ記憶部１６に送られる。
【００３１】
上述のように角度補正データが補正データ記憶部１６に記憶された後、角度検出装置１０が角度補正データ作成装置１１から取り外された後の、実際の運用の動作を、図５を用いて次に説明する。
【００３２】
電源がＯＮされた後、ステップＳ５０１では、角度検出装置１０の補正用角度検出器１２により、補正前の角度θｂが検知され、補正用角度検出回路１３でデジタルデータに変えられ補正演算記憶部１４の補正角度計算部１５に送られる。次のステップＳ５０２では、補正角度計算部１５において、補正データ記憶部１６に記憶されている角度補正データから、その検出角度θｂが、近似誤差多項式の必要な角度範囲内にあるか検知される。
【００３３】
上記検出角度θｂが近似誤差多項式の必要な角度範囲内にあることが検知されると、補正角度計算部１５は、補正データ記憶部１６に記憶されている上記式（３）の近似誤差多項式にその誤差係数ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４（補正データ記憶部１６に記憶されている）を入れ、更に上記検出角度θｂを代入して誤差角度Δθａを算出する（Ｓ５０３）。
【００３４】
次のステップＳ５０４では、補正角度計算部１５は補正データ記憶部１６に記憶されている基本多項式にその基本係数を入れ、上記検出角度θｂを代入して、角度θａを算出する。次にステップＳ５０５では、角度θａ＋Δθａを補正後の角度として出力する。
【００３５】
一方、ステップＳ５０２において、検出角度θｂが近似誤差多項式の必要な角度範囲内にない場合には、ステップＳ５０４に移り、近似基本多項式に基本係数を入れた式に上記検出角度θｂを代入して角度θａを算出し、ステップＳ５０５でその角度を補正後の角度として補正角度計算部１５から出力する。
【００３６】
本発明のこの実施形態によれば、基本的には予め定められた次数の近似基本多項式により、理想的な角度補正曲線を近似し、これにより近似値が所定値を超える部分では、その角度範囲で近似誤差多項式により近似する。したがって、近似基本多項式も近似誤差多項式も比較的単純となり、メモリの記憶容量は少なくてすみ、計算時間も短くしかも高精度に、角度補正曲線を近似することが可能となる利点がある。
【００３７】
上記実施形態では、最小二乗法により角度補正曲線を補正していたが、他の方法により近似してもよい。
【００３８】
上記実施形態では、所定値を超える角度範囲の中心値を求めその角度を中心にして最小角度単位として補正角度範囲を決めたがこのようにしなくてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、角度補正曲線を近似基本多項式で近似しその差が所定値を超える場合には近似誤差多項式で近似させて誤差係数を求めていた。しかし。この近似誤差多項式でも角度補正曲線との差が所定値を超える場合には更に第２の近似誤差多項式を作成して、その差の角度を近似するようにしてもよい。同様にして、第３の近似誤差多項式などを生成することが可能となる。このようにすると更に高精度の角度補正が可能となる利点がある。
【００４０】
本発明はその技術思想の範囲内で種々変形して実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明一実施形態の角度検出装置及び角度補正データ作成装置の構成を示す図。
【図２】本発明一実施形態の角度補正データ作成装置における補正データ作成部の構成例を示す図。
【図３】本発明一実施形態の角度検出装置及び角度補正データ作成装置において角度補正データを作成する動作を説明するための図。
【図４】本発明一実施形態において近似基本多項式及び近似誤差多項式の作成を説明するための図。
【図５】本発明一実施形態の角度検出装置の運用時の動作を説明するための図。
【符号の説明】
【００４２】
１０・・・角度検出装置、
１１・・・角度補正データ作成装置、
１２・・・補正用角度検出器、
１３・・・補正用角度検出回路、
１４・・・補正演算記憶部、
１５・・・補正角度計算部、
１６・・・補正データ記憶部、
１７・・・駆動部、
１８・・・基準用角度検出器、
１９・・・基準用角度検出回路、
２０・・・補正データ作成部、
２３・・・基本多項式係数決定部、
２４・・・角度誤差算出部、
２５・・・誤差判定部、
２６・・・許容外誤差範囲特定部、
２７・・・誤差多項式係数決定部。
【図１】
2009180522.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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