JP2007101297A - エンコーダ出力信号の補正回路 - Google Patents

エンコーダ出力信号の補正回路 Download PDF

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Abstract

【課題】経年変化や温度変化、ノイズに強い高分解能のエンコーダを提供する。
【解決手段】補正値演算器12は、A,B相ディジタルデータの中心値以下を反転するデータ変換手段20と、データ変換手段20で生成されたA,B相ディジタルデータの交点を検出して、サンプリング毎にデータの検出を開始するラッチ信号とデータを取り込むイネーブル信号を生成するタイミング生成手段17と、タイミング生成手段17からのラッチ信号でA,B相ディジタルデータの検出を開始し、前回値と今回値を比較して今回値が大きい時にだけデータを更新し、タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込むピーク値検出手段13と、ピーク値検出手段13で取り込んだデータから正弦波信号の振幅値とオフセット値を求める補正値演算手段15からなり、振幅とオフセットが揃ったA,B相のディジタルデータを生成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、90度位相差のあるA,B相の正弦波信号を内挿処理して高分解能を得るエンコーダのオフセット及び振幅補正回路に関する。
回転型(またはリニア型)のエンコーダの位置検出は、一般的に発光素子と受光素子と、その間に格子状のスリットを形成した回転体(または移動体)から形成され、格子状のスリット間隔によって分解能が決定される。従って分解能を上げるために、スリット間隔を小さくすることが行われてきたが、加工精度や光の回折現象が原因でこの手法で分解能を上げるのには限界があった。
そこで近年では、90度位相差のあるA,B相の正弦波信号を内挿処理した信号と上記の信号を合成して分解能を上げる方法が一般的に行われている。しかしA,B相の正弦波信号は経年変化や温度変化によって振幅やオフセットがずれ、位置検出に誤差が生じる。従って、振幅やオフセットの変化を検出し、A,B相の正弦波信号を補正する方法が提案されている。
例えば、正弦波信号の1周期間で検出した正弦波信号の前回値と今回値を比較して、今回値が大きかった場合に最大値を更新し、また今回値が小さかった場合に最小値を更新することで、1周期間の最大値および最小値を求め、これから振幅やオフセットのずれを補正している(例えば、特許文献1参照)。
また、A,B相の正弦波信号から求めた正弦波の一周期信号に着目して、A,B相がそれぞれ最大値および最小値となる点(90度、270度、0度、180度)で正弦波の検出トリガを発生させて、A,B相の正弦波の値を検出して、振幅やオフセットのずれを補正している(例えば、特許文献2参照)。
特開平7−20902号公報 特開2002−372437号公報
しかしながら特許文献1の手法では、正弦波信号にノイズが印加した場合は、その値を保持してしまうため、ノイズに関して弱く位置検出に誤差が生じてしまう。
また、特許文献2の手法では、A,B相の正弦波の位相ずれに関しては補正する手段がないという問題があった。
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、経年変化や温度変化、ノイズに強い高分解能のエンコーダを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明は、エンコーダから出力される90度位相差のあるA,B相の正弦波信号をディジタルデータに変換するAD変換器と、前記A,B相の正弦波信号の振幅ずれやオフセットずれを補正する補正処理手段と、前記AD変換器で生成したA,B相ディジタルデータから前記補正処理手段で補正する補正値を演算する補正値演算器と、補正されたA,B相のディジタルデータを内挿処理して角度信号を生成するエンコーダにおいて、前記補正値演算器は、前記A,B相ディジタルデータの中心値以下を反転するデータ変換手段と、前記データ変換手段で生成されたA,B相ディジタルデータの交
点を検出して、サンプリング毎にデータの検出を開始するラッチ信号とデータを取り込むイネーブル信号を生成するタイミング生成手段と、前記タイミング信号からのラッチ信号とイネーブル信号で最大値を検出する領域と、最小値を検出する領域を生成し、前記最大値を検出する領域では前記タイミング生成手段からのラッチ信号で前記A,B相ディジタルデータの検出を開始し、前回値と今回値を比較して今回値が大きい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込み、前記最小値を検出する領域では前回値と今回値を比較して今回値が小さい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込むピーク値検出手段と、前記ピーク値検出手段で取り込んだデータから正弦波信号の振幅値とオフセット値を求める補正値演算手段からなり、前記補正値演算手段からの振幅値とオフセット値を用いて前記補正処理手段で振幅とオフセットが揃ったA,B相のディジタルデータを生成する構成としている。
また、前記ピーク検出手段は、前記タイミング信号からのラッチ信号とイネーブル信号で最大値を検出する領域と、最小値を検出する領域を生成し、前記最大値を検出する領域では前記タイミング生成手段からのラッチ信号で前記データ変換手段で変換されたA,B相ディジタルデータの検出を開始し、前回値と今回値を比較して今回値が大きい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込み、前記最小値を検出する領域では前回値と今回値を比較して今回値が大きい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込む構成としてもよい。
また、前記補正値演算器は、前記A,B相ディジタルデータの中心値以上を反転するデータ変換手段である構成としてもよい。
さらに、前記ピーク検出手段は、前記タイミング信号からのラッチ信号とイネーブル信号で最大値を検出する領域と、最小値を検出する領域を生成し、前記最大値を検出する領域では前記タイミング生成手段からのラッチ信号で前記データ変換手段で変換されたA,B相ディジタルデータの検出を開始し、前回値と今回値を比較して今回値が小さい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込み、前記最小値を検出する領域では前回値と今回値を比較して今回値が小さい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込む構成としてもよい。
本発明のエンコーダ出力信号の補正回路によれば、経年変化や温度変化、製造上のばらつき、ノイズに強い高分解能のエンコーダを得ることができる。
エンコーダから出力される90度位相差のあるA,B相の正弦波信号をディジタルデータに変換するAD変換器と、前記A,B相の正弦波信号の振幅ずれやオフセットずれを補正する補正処理手段と、前記AD変換器で生成したA,B相ディジタルデータから前記補正処理手段で補正する補正値を演算する補正値演算器と、補正されたA,B相のディジタルデータを内挿処理して角度信号を生成するエンコーダにおいて、前記補正値演算器は、前記A,B相ディジタルデータの中心値以下を反転するデータ変換手段と、前記データ変換手段で生成されたA,B相ディジタルデータの交点を検出して、サンプリング毎にデータの検出を開始するラッチ信号とデータを取り込むイネーブル信号を生成するタイミング生成手段と、前記タイミング信号からのラッチ信号とイネーブル信号で最大値を検出する領域と、最小値を検出する領域を生成し、前記最大値を検出する領域では前記タイミング生成手段からのラッチ信号で前記A,B相ディジタルデータの検出を開始し、前回値と今回
値を比較して今回値が大きい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込み、前記最小値を検出する領域では前回値と今回値を比較して今回値が小さい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込むピーク値検出手段と、前記ピーク値検出手段で取り込んだデータから正弦波信号の振幅値とオフセット値を求める補正値演算手段からなり、前記補正値演算手段からの振幅値とオフセット値を用いて前記補正処理手段で振幅とオフセットが揃ったA,B相のディジタルデータを生成することを特徴とするエンコーダ出力信号の補正回路である。
本発明によるエンコーダ出力信号の補正回路について、図1から図3を用いて説明する。図1は補正回路を含むエンコーダ回路のブロック図、図2は図1の各ブロックにおける信号波形の説明図、図3は補正回路のピーク値検出手段における最大値信号および最小値信号を生成する説明図である。
図1において1a、1bはエンコーダから出力される90度位相差のあるA,B相の正弦波信号である。一般的に発光素子と受光素子とスリット板から構成される。発光素子はLEDやレーザー光、受光素子はフォトダイオードやフォトトランジスタが用いられる。スリット板は光を透過するガラスや樹脂材でできており、スリット板上に光を遮断する格子状のマスクを設けている。発光素子からの光はスリット板を介して受光素子が透過した光を受けるように配置し、スリット板はエンコーダの回転体に設置されているため、回転すると正弦波の波形が受光素子から出力するようにスリット板の格子状の形が形成されている。
増幅器2a、2bは、エンコーダからの出力信号1a、1bの微小な信号を増幅する。エンコーダからの出力信号の振幅は数100mVであり、基準電圧5a、5bでオフセット電圧を加算して増幅器2a、2bで約1〜2Vの振幅に変換し正弦波信号4a、4bを生成する。AD変換器6は、正弦波信号4a、4bのアナログ信号を正弦波ディジタル信号7a、7bに変換する。補正回路12は、正弦波ディジタル信号7a、7bの振幅やオフセットを正規化するための補正信号21a、21bを生成する。
以下、この補正回路12の構成について詳しく説明する。補正回路12は、データ変換手段20とタイミング生成手段17とピーク値検出手段13と補正値演算手段15で構成されており、データ変換手段20は、正弦波ディジタル信号7a、7bの中心値から下半分を反転して図2に示す信号16a、16bを生成する。
タイミング生成手段17は、信号16a、16bの交点を検出して、ラッチ信号18a、18bとイネーブル信号19a、19bを発生させる。
ピーク値検出手段13は、ラッチ信号18a、18bの信号を検出すると、サンプリング周期毎に正弦波ディジタル信号7a、7bの値を検出する。
図3に示すように領域1では、正弦波ディジタル信号7aのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が大きければ信号を更新して保持し領域1の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19aを検出すると保持した信号を取り込み、A相の最大値信号14aとする。
次に領域2では、ディジタル信号7bのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が小さければ信号を更新して保持し領域2の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19bを検出すると保持した信号を取り込み、B相の最小値信号14dとする。
領域3では、正弦波ディジタル信号7aのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が小さければ信号を更新して保持し領域3の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19aを検出すると保持した信号を取り込み、A相の最小値信号14bとする。
領域4では、ディジタル信号7bのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が大きければ信号を更新して保持し領域4の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19bを検出すると保持した信号を取り込みB相の最大値信号14cとする。以下、各領域毎にこの動作を繰り返す。回転方向が反対の場合には、ラッチ信号は19a、19bにイネーブル信号は18a、18bに切り替える。
補正値演算手段15は、最大値信号14aから最小値信号14bを減算することでA相の振幅値21aを求め、最大値信号14aと最小値信号14bを加算して2で除算することでA相のオフセット値21bを得る。また、最大値信号14cから最小値信号14dを減算することでB相の振幅値21cを求め、最大値信号14cと最小値信号14dを加算して2で除算することでB相のオフセット値21dを得る。
補正処理手段8は、正弦波ディジタル信号7aから補正値21bを減算してオフセットを補正し、補正信号21aで除算して正規化振幅値を積算することで正規化されたA相信号9aを得る。また、ディジタル信号7bから補正値21dを減算してオフセットを補正し、補正信号21cで除算して正規化振幅値を積算することで正規化されたB相信号9bを得る。
平均処理手段10は、正規化されたディジタル信号9a、9bを平均処理して、信号11a、11bを生成する。この信号11a、11bを用いてエンコーダの内挿処理を行う。
尚、データ変換手段20で用いた中心値はオフセット値21b、21dを用いてもよく、または基準電圧5a、5bを中心値としてもよい。
以上のような構成とすることで、90度位相差のA,B相信号の位相ずれが発生しても各領域内で最大値、最小値が存在し、領域を限定するためにノイズの影響を受けにくくすることができ、経年変化や温度変化、製造上のばらつきに対してもディジタル信号の補正が可能となるため、エンコーダの精度を高めることができる。
図4、図5を用いて本発明の実施例2について説明する。
実施例1と異なるのはピーク値検出手段13で検出する信号である。実施例1では正弦波ディジタル信号7a、7bを使用していたのに対し、実施例2では図4のようにデータ変換手段20で生成した信号16a、16bを用いて、図5のように信号16a、16bを検出する点であり、この点を中心に説明する。
ピーク値検出手段13は、ラッチ信号18a、18bの信号を検出すると、サンプリング周期毎に信号16a、16bの値を検出する。領域1では信号16aのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が大きければ信号を更新して保持し領域1の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19aを検出すると保持した信号を取り込み、A相の最大値信号14aとする。
次に領域2では、信号16bのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が大き
ければ信号を更新して保持し領域2の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19bを検出すると保持した信号を取り込み、B相の最小値信号14dとする。
領域3では、信号16aのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が大きければ信号を更新して保持し領域3の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19aを検出すると保持した信号を取り込み、A相の最小値信号14bとする。
領域4では、信号16bのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が大きければ信号を更新して保持し領域4の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19bを検出すると保持した信号を取り込みB相の最大値信号14cとする。以下、各領域毎にこの動作を繰り返す。回転方向が反対の場合には、ラッチ信号は19a、19bにイネーブル信号は18a、18bに切り替える。
補正値演算手段15は、最大値信号14aと最小値信号14bを加算したものから中心値を2倍したものを減算することA相の振幅値21aを求め、最大値信号14aから最小値信号14bを減算して中心値を2倍したものを加算して2で除算することでA相のオフセット値21bを得る。また、最大値信号14cから最小値信号14dを加算したものから中心値を2倍したものを減算することでB相の振幅値21cを求め、最大値信号14cから最小値信号14dを減算して中心値を2倍したものを加算して2で除算することでB相のオフセット値21dを得る。
以上のような構成とすることで、90度位相差のA,B相信号の位相ずれが発生しても各領域内で最大値、最小値が存在し、領域を限定するためにノイズの影響を受けにくくすることができ、経年変化や温度変化、製造上のばらつきに対してもディジタル信号の補正が可能となるため、エンコーダの精度を高めることができる。
図6を用いて本発明の実施例3について説明する。
実施例1及び実施例2と異なるのは、データ変換手段20で生成する信号16a、16が実施例1では正弦波ディジタル信号7a、7bの中心値から下半分を反転していたのに対し、実施例3では正弦波ディジタル信号7a、7bの中心値から上半分を反転する点であり、この点を中心に説明する。
データ変換手段20をこのような構成にしても図6に示すようにラッチ信号18a、18bとイネーブル信号19a、19bを発生させることができる。
以上のような構成とすることで、90度位相差のA,B相信号の位相ずれが発生しても各領域内で最大値、最小値が存在し、領域を限定するためにノイズの影響を受けにくくすることができ、経年変化や温度変化、製造上のばらつきに対してもディジタル信号の補正が可能となるため、エンコーダの精度を高めることができる。
図4、図7を用いて本発明の実施例4について説明する。
実施例3と異なるのはピーク値検出手段13で検出する信号である。実施例3では正弦波ディジタル信号7a、7bを使用していたのに対し、実施例4では図4のようにデータ変換手段20で生成した信号16a、16bを用いて、図7のように信号16a、16bを検出する点であり、この点を中心に説明する。
ピーク値検出手段13は、ラッチ信号18a、18bの信号を検出すると、サンプリング周期毎に信号16a、16bの値を検出する。領域1では信号16aのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が小さければ信号を更新して保持し領域1の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19aを検出すると保持した信号を取り込み、A相の最大値信号14aとする。
次に領域2では、信号16bのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が小さければ信号を更新して保持し領域2の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19bを検出すると保持した信号を取り込み、B相の最小値信号14dとする。
領域3では、信号16aのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が小さければ信号を更新して保持し領域3の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19aを検出すると保持した信号を取り込み、A相の最小値信号14bとする。
領域4では、信号16bのサンプリングの前回値と今回値を比較して今回値が小さければ信号を更新して保持し領域4の区間この動作を繰り返し、イネーブル信号19bを検出すると保持した信号を取り込みB相の最大値信号14cとする。以下、各領域毎にこの動作を繰り返す。回転方向が反対の場合には、ラッチ信号は19a、19bにイネーブル信号は18a、18bに切り替える。
補正値演算手段15は中心値を2倍したものから最大値信号14aと最小値信号14bを減算することでA相の振幅値21aを求め、最小値信号14bと中心値を2倍したものを加算した結果から最大値信号14aを減算して2で除算することでA相のオフセット値21bを得る。また、中心値を2倍したものから最大値信号14cと最小値信号14dを減算することでA相の振幅値21cを求め、最小値信号14dと中心値を2倍したものを加算した結果から最大値信号14cを減算して2で除算することでA相のオフセット値21dを得る。
以上のような構成とすることで、90度位相差のA,B相信号の位相ずれが発生しても各領域内で最大値、最小値が存在し、領域を限定するためにノイズの影響を受けにくくすることができ、経年変化や温度変化、製造上のばらつきに対してもディジタル信号の補正が可能となるため、エンコーダの精度を高めることができる。
本発明のエンコーダ出力信号の補正回路は、サーボモータ制御装置に限らず、高分解能の位置情報を得るためにエンコーダを搭載した装置に有用である。
本発明の実施例1におけるエンコーダ回路のブロック図 実施例1の各ブロックにおける信号波形の説明図 実施例1におけるピーク値検出手段の説明図 本発明の実施例2、実施例4におけるエンコーダ回路のブロック図 本発明の実施例2におけるピーク値検出手段の説明図 本発明の実施例3における各ブロックにおける信号波形の説明図 本発明の実施例4におけるピーク値検出手段の説明図
符号の説明
1a A相の正弦波信号
1b B相の正弦波信号
2a、2b 増幅器
3 増幅回路
4a 増幅したA相の正弦波信号
4b 増幅したB相の正弦波信号
5a、5b 基準電圧
6 AD変換器
7a A相の正弦波ディジタル信号
7b B相の正弦波ディジタル信号
8 補正処理手段
9a 正規化されたA相のディジタル信号
9b 正規化されたB相のディジタル信号
10 平均処理手段
11a 平均化されたA相のディジタル信号
11b 平均化されたB相のディジタル信号
12 補正値演算器
13 ピーク値検出手段
14a A相の最大値信号
14b A相の最小値信号
14c B相の最大値信号
14d B層の最小値信号
15 補正値演算手段
16a 変換したA相のディジタル信号
16b 変換したB相のディジタル信号
17 タイミング生成手段
18a A相のラッチ信号
18b B相のラッチ信号
19a A相のイネーブル信号
19b B相のイネーブル信号
20 データ変換手段
21a A相の振幅値
21b A相のオフセット値
21c B相の振幅値
21d B相のオフセット値

Claims (4)

  1. エンコーダから出力される90度位相差のあるA,B相の正弦波信号をディジタルデータに変換するAD変換器と、前記A,B相の正弦波信号の振幅ずれやオフセットずれを補正する補正処理手段と、前記AD変換器で生成したA,B相ディジタルデータから前記補正処理手段で補正する補正値を演算する補正値演算器と、補正されたA,B相のディジタルデータを内挿処理して角度信号を生成するエンコーダにおいて、前記補正値演算器は、前記A,B相ディジタルデータの中心値以下を反転するデータ変換手段と、前記データ変換手段で生成されたA,B相ディジタルデータの交点を検出して、サンプリング毎にデータの検出を開始するラッチ信号とデータを取り込むイネーブル信号を生成するタイミング生成手段と、前記タイミング信号からのラッチ信号とイネーブル信号で最大値を検出する領域と、最小値を検出する領域を生成し、前記最大値を検出する領域では前記タイミング生成手段からのラッチ信号で前記A,B相ディジタルデータの検出を開始し、前回値と今回値を比較して今回値が大きい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込み、前記最小値を検出する領域では前回値と今回値を比較して今回値が小さい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込むピーク値検出手段と、前記ピーク値検出手段で取り込んだデータから正弦波信号の振幅値とオフセット値を求める補正値演算手段からなり、前記補正値演算手段からの振幅値とオフセット値を用いて前記補正処理手段で振幅とオフセットが揃ったA,B相のディジタルデータを生成することを特徴とするエンコーダ出力信号の補正回路。
  2. 前記ピーク検出手段は、前記タイミング信号からのラッチ信号とイネーブル信号で最大値を検出する領域と、最小値を検出する領域を生成し、前記最大値を検出する領域では前記タイミング生成手段からのラッチ信号で前記データ変換手段で変換されたA,B相ディジタルデータの検出を開始し、前回値と今回値を比較して今回値が大きい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込み、前記最小値を検出する領域では前回値と今回値を比較して今回値が大きい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込むことを特徴とする請求項1記載のエンコーダ出力信号の補正回路。
  3. 前記補正値演算器は、前記A,B相ディジタルデータの中心値以上を反転するデータ変換手段であることを特徴とする請求項1記載のエンコーダ出力信号の補正回路。
  4. 前記ピーク検出手段は、前記タイミング信号からのラッチ信号とイネーブル信号で最大値を検出する領域と、最小値を検出する領域を生成し、前記最大値を検出する領域では前記タイミング生成手段からのラッチ信号で前記データ変換手段で変換されたA,B相ディジタルデータの検出を開始し、前回値と今回値を比較して今回値が小さい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込み、前記最小値を検出する領域では前回値と今回値を比較して今回値が小さい時にだけデータを更新して保持し、前記タイミング生成手段からのイネーブル信号によってデータを取り込むことを特徴とする請求項3記載のエンコーダ出力信号の補正回路。
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