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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren des Erkennens
einer Rotationsposition, durch das eine Rotationsposition einer
sich drehenden Achse durch Benutzen eines Paars von Hallelementen,
um auf die gleiche Weise, wie es ein Drehmelder tut, Erkennungssignalen
zu erzeugen, erkannt wird, und auf einen Hallelement-Drehmelder bzw.
Hallelement-Resolver, der das gleiche Verfahren benutzt.
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Als
ein Mechanismus zum Erkennen einer Rotationsposition einer sich
drehenden Achse, wie z. B. einer sich drehenden Welle eines Motors
o. ä., ist ein Hallelementsensor vom Sinus-Cosinus-Ausgabetyp,
der ein Paar Hallelemente hat, allgemein bekannt. Wie in den 1A und 1B gezeigt,
umfasst ein Erkennungsbereich des Sensors einen magnetischen Rotationszylinder 2,
der mit zwei Polen magnetisiert und koaxial an einer sich drehenden Achse 1 eines
zu erkennenden Objektes befestigt ist, und ein Paar Hallelemente 3 und 4,
die so angeordnet sind, dass sie Erkennungssignale erzeugen, die eine
Phasendifferenz von 90° haben, wenn der magnetische Rotationszylinder 2 rotiert.
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Die
Hallelemente 3 und 4 werden für einen Antriebsbetrieb
von einem Konstant-Spannungsschaltkreis oder einem Konstant-Stromschaltkreis 5 mit
einem Steuerstrom Ic versorgt, der einen konstanten Wert hat, wie
in 2 gezeigt. Daher wird, wie in 3 gezeigt,
jeweils ein Erkennungssignal (Hallspannungswerte VH1 und
VH2), die sinusförmig sind und
eine Phasendifferenz von 90° haben, von jedem der Hallelemente 3 und 4 ausgegeben,
wenn der magnetische Rotationszylinder 2 rotiert. Die Erkennungssignale,
die zwei Phasen haben, werden durch eine Übertragungsleitung
an eine Signalverarbeitungsschaltung 6 übertragen.
Dann werden die Erkennungssignale in der Signalverarbeitungsschaltung 6 verstärkt
und digitalisiert und danach wird an den Erkennungssignalen eine
arithmetische Operation durchgeführt, um eine absolute
Position innerhalb einer Umdrehung, die Anzahl der Umdrehungen unter
Bezugnahme auf eine Ausgangsposition als einen Standard usw. zu
berechnen.
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Nebenbei
bemerkt ist ein magnetischer Codierer, der ein Paar von Hallelementen
umfasst, z. B. in den Patentdokumenten 1 bis 3 offenbart.
- Patentdokument
1: JP-A 2006-208025
- Patentdokument 2: JP-A
2005-140737
- Patentdokument 3: JP-A
2005-172720
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Leider
hat ein Sensor mit einem zuvor beschriebenen Aufbau die im Folgenden
beschriebenen Probleme. Da ein Erkennungssignal jedes Hallelementes
ein analoger Ausgangswert ist, wird zunächst nämlich
leicht eine Störung in das Signal gemischt, so dass es
unmöglich ist, das Signal-Rausch-Verhältnis zu
verbessern. Weiterhin kann aus demselben Grund die Übertragungsdistanz zwischen
dem Hallelement und einem Digitalwandler, der das Erkennungssignal,
das von dem Hallelement ausgegeben wird, zur Signalverarbeitung
digitalisiert, nicht verlängert werden. Darüber
hinaus kann die Auflösung nicht verbessert werden, wenn das
Erkennungssignal des Hallelementes, so wie es ist, A/D-umgewandelt
wird.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren des Erkennens einer Rotationsposition vorzuschlagen,
das Hallelemente benutzt, das widerstandsfähig gegenüber
Störungen ist und das ein Erkennungssignal beschafft, das
geeignet ist, die Übertragungsdistanz zu verlängern,
so wie es durch die Benutzung eines Drehmelders getan wird.
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Um
die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, beinhaltet ein
Verfahren des Erkennens einer Rotationsposition durch Benutzen von
Hallelementen gemäß der vorliegenden Erfindung:
Anordnen
eines Paares von Hallelementen derart, dass sie Erkennungssignale
erzeugen, die eine Phasendifferenz von 90° aufweisen und
sinusförmig sind, wenn ein Rotor, der mit mehreren Polen
magnetisiert ist, rotiert;
Bereitstellen von elektrischen Wechselströmen,
die eine Phasendifferenz von 1/4 Zyklus aufweisen und die gleiche
Frequenz haben, als Steuerströme zum Betreiben der Hallelemente;
Ausgeben
symmetrischer Modulationssignale, die eine Phasendifferenz von 90° aufweisen
und sinusförmig sind, als Erkennungssignale aus den Hallelementen,
wenn der Rotor rotiert; und
Berechnen einer Rotationsposition
des Rotors gemäß den symmetrischen Modulationssignalen.
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Bei
dieser Gelegenheit kann eine Rotationsscheibe, die mit zwei Polen
magnetisiert ist, als Rotor benutzt werden.
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In
der vorliegenden Erfindung können die Erkennungssignale
der Hallelemente symmetrische Modulationssignale sein, die sinusförmig
sind, da elektrische Wechselströme, die eine vorgegebene Frequenz
haben, als Steuerströme für die Hallelemente benutzt
werden. Daher ist es möglich, ein Verfahren zum Erkennen
einer Rotationsposition unter der Benutzung von Hallelementen zu
verwirklichen, das den Vorteil hat, dass das Verfahren widerstandsfähig
gegenüber Störungen ist und die Übertragungsdistanz
mit dem Verfahren verlängert werden kann, so wie es mit
einem Drehmelder getan wird.
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1A und 1B sind
Strukturzeichnungen, die einen Erkennungsbereich eines Hallelementsensors
mit einer Ausgabe vom Sinus-Cosinus-Typ zeigen.
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2 ist
eine schematische Entwurfszeichnung eines konventionellen Hallelementsensors
mit einem Ausgangssignal vom Sinus-Cosinus-Typ.
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3 ist
eine Zeichnung von Signalwellen, die Erkennungssignale von Hallelementen
zeigt.
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4 ist
eine erläuternde Zeichnung eines Hallelement-Drehmelders,
in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird.
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5 ist
eine Zeichnung von Signalwellen bei verschiedenen Positionen des
in 4 gezeigten Hallelement-Drehmelders.
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6 ist
eine Zeichnung von Signalwellen, die Ausgangswerte von Hallelementen
des in 4 gezeigten Hallelement-Drehmelders zeigt.
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7 ist
eine Zeichnung einer Signalwelle, die eine Beziehung zwischen einem
Differenzsignal und einer Wechselspannung eines Ausgangswertes eines
Hallelementes zeigt.
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Unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird im Folgenden
ein Ausführungsbeispiel beschrieben, in dem die vorliegende
Erfindung eingesetzt wird.
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4 ist
eine Überblicksstrukturzeichnung, die einen Erkennungsbereich
eines Hallelement-Drehmelders zeigt, in dem das Verfahren der vorliegenden
Erfindung eingesetzt wird. Auf die gleiche Weise, wie in 1 gezeigt, umfasst ein Hallelement-Drehmelder 10 einen
magnetischen Rotationszylinder, der mit zwei Polen magnetisiert
und koaxial an einer sich drehenden Achse eines zu erkennenden Objektes
befestigt ist, und ein Paar Hallelemente 13 und 23,
die so angeordnet sind, dass sie Erkennungssignale erzeugen, die
eine Phasendifferenz von 90° haben, wenn der magnetische
Rotationszylinder rotiert.
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Ein
Steuerstrom Ic1, der dem Hallelement 13 zugeführt
wird, ist ein Wechselstrom, der die Stromrichtung mit einer bestimmten
Frequenz "f" wechselt. D. h., ein Hallelement-Ansteuerschaltkreis 14 umfasst
einen analogen Schalter 15 und ein Paar Konstantstrom-Schaltkreise 16 und 17.
Dann führt der analoge Schalter 15 eine Schalttätigkeit
mit einer Wechselspannung Vc1 aus, die eine
bestimmte Frequenz "f" (= ω/2π) hat, so dass das
Hallelement 13 mit einem Wechselstrom versorgt wird, der
wechselweise mit der Frequenz "f" zwischen positiv und negativ umschaltet.
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Ein
Steuerstrom Ic2, der dem Hallelement 23 zugeführt
wird, ist ebenso ein Wechselstrom, der die Stromrichtung mit einer
bestimmten Frequenz "f" wechselt. D. h., ein Hallelement-Ansteuerschaltkreis 24 umfasst
einen analogen Schalter 25 und ein Paar Konstantstrom-Schaltkreise 26 und 27.
Dann führt der analoge Schalter 25 eine Schaltfunktion
mit einer Wechselspannung Vc2 aus, die eine
bestimmte Frequenz "f" (= ω/2π) hat, so dass das
Hallelement 23 mit ei nem Wechselstrom versorgt wird, der
wechselweise mit der Frequenz "f" zwischen positiv und negativ umschaltet.
Somit werden der Steuerstrom Ic1 und der
Steuerstrom Ic2, die jeweils dem Hallelement 23 und
dem Hallelement 24 zugeführt werden, mit einer
Phasendifferenz von 1/4 Zyklus bereitgestellt.
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In 5 werden
Wellenformen der Wechselspannungen (Steuerspannungen) Vc1 und Vc2 sowie der
Steuerströme Ic1 und Ic2 gezeigt, die an die analogen Schalter 15 und 25 angelegt
werden.
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Durch
Anlegen der Wechselströme, die mit der Frequenz "f" wechselweise
zwischen positiv und negativ umschalten, als Steuerströme
werden die Erkennungssignale VH1 und VH2 der Hallelemente 13 und 23 symmetrische
Modulationssignale, wie in 6 gezeigt.
Dann wird als Ergebnis einer Subtraktion des Erkennungssignals VH1 (= sinωt·cosθ)
und des Erkennungssignals VH2 (= cosωt·sinθ)
ein Signal erhalten, das die gleiche Frequenz wie die Steuerspannung
Vc1 hat und dessen Phase für einen
Rotationswinkel θ des magnetischen Rotationszylinders wie
in 7 gezeigt verschoben ist: VH1 – VH2 =
sinωt·cosθ – cosωt·sinθ
=
sin(ωt – θ)
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Daher
kann der Rotationswinkel θ durch Zählen des Winkelintervalls θ mit
einem Taktsignal als digitaler Wert erhalten werden. Im Gegensatz dazu
kann der Rotationswinkel θ durch Phasenerkennung des Winkelintervalls θ als
analoge Spannung erhalten werden.
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Wie
zuvor beschrieben, werden in dem Hallelement-Drehmelder 10 des
vorliegenden Beispiels die Steuerströme Ic1 und
Ic2 der Hallelemente 13 und 23 mit
hoher Frequenz (von einigen tausend Hz bis zu einigen zehntausend
Hz) umgeschaltet, so dass die Erkennungssignale VH1 und
VH2 der Hallelemente 13 und 23 symmetrische
Modulationssignale werden, die eine Sinuswellenform und eine Cosinuswellenform
haben. Als Ergebnis sind die erhaltenen Erkennungssignale äquivalent
zu dem, was ein Standard-Drehmelder zur Verfügung stellt,
und es ist daher möglich, den Effekt zu erhalten, dass
die Erkennungssignale widerstandsfähig gegenüber
Störungen sind und die Übertragungsdistanz verlängert werden
kann, wie es mit einem Drehmelder getan wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-208025
A [0004]
- - JP 2005-140737 A [0004]
- - JP 2005-172720 A [0004]