JP2790862B2 - 信号校正装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、元信号がコサイン，サイン関数状である
ものにおいて、ゼロ点，振幅の変動を検出し、自動的に
補償する信号校正装置に関し、特に前記コサイン，サイ
ン関数状の信号が位置の関数であるエンコーダ信号から
逆正接演算により微細な角度を検出する際に好適な信号
の前処理装置に関するものである。

〔従来の技術〕

コサイン，サイン関数状の信号は計測装置などにおい
てしばしば用いられる。この代表的な例は微細な角度を
計測するための装置であって、エンコーダのアナログ出
力が１回転をＮ周期（Ｎは一般に数百〜数千）とするコ
サイン，サイン関数状であることを利用して逆正接演算
により１周期をさらに細分化することが行われている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような装置において、元信号のゼロ点の変動や振
幅の不一致があると計測結果に誤差を含む。従来はアナ
ログ部分に温度特性のよい特別な部品を使用すること、
温度の影響を受けにくい回路構成とすること等により、
ゼロ点，振幅が一定に保たれるように配慮されている
が、アナログ信号を取り扱う限りこれらの変動を完全に
抑えることは難しいという問題があった。また、このよ
うな装置は高価であり調整も難しいという問題があっ
た。

この発明は、このような問題点を解決するためになさ
れたもので、ゼロ点，振幅の変動を自動的に補償する信
号校正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〕

この発明にかかる信号校正装置は、正規化手段と、逆
正接演算手段と、ピーク値検出手段と、振幅・ゼロ点演
算手段と、制御手段とからなるものである。

〔作用〕

この発明においては、元信号を x₀＝g₀・cosθ＋z₀ x₁＝g₁・sinθ＋z₁ で近似するとき、振幅（g₀,g₁）およびゼロ点（z₀,z₁）
に初期値を与え、振幅，ゼロ点の値を用いて次式 cosθ＝（x₀−z₀）/g₀、sinθ＝（x₁−z₁）/g₁により
cosθ,sinθの近似値を得て前記cosθ,sinθの近似値か
らθを得る。（以下θを−π〜＋πの範囲で表す）。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図
である。第１図において、１は正規化手段で、90゜位相
の異なる２つの信号 x₀＝g₀・cosθ＋z₀ x₁＝g₁・sinθ＋z₁ を入力とし、振幅，ゼロ点の値を用いてcosθ,sinθの
近似値を得るものである。２は逆正接演算手段で、cos
θ,sinθからθを求めるものである。３はピーク値検出
手段で、 −δ≦θ≦δのときx₀の最大値max x₀ のとき X₁の最大値max x₁ とき x₁の最小値min x₁ π−δ≦θ≦π−δのとき x₀の最小値min x₀ を求めるものである。４は振幅・ゼロ点演算手段で、ピ
ーク値検出手段３で求めた最大値，最小値からg₀,g₁,
z₀,z₁を求め更新するものである。５は前記各部を制御
する制御手段である。

この発明の信号校正装置は、実用的にはマイクロプロ
セッサを用いて構成される。入力信号x₀,x₁はそれぞれ
アナログディジタル変換されて、マイクロプロセッサに
入力される。マイクロプロセッサはメモリ（普通はROM:
リードオンリーメモリ）に書かれたプログラムに従って
正規化，逆正接演算，ピーク値検出，振幅・ゼロ点演算
を繰り返し実行する。

プログラムフローチャートの一例を第２図に示す。こ
の図で、（１）〜（16）は各ステップを示す。

第３図はこの発明の原理を示すもので、コサイン，サ
イン関数状である２つの信号x₀,x₁をそれぞれＸ座標,Y
座標として直交座標上にプロットした時の図を示してい
る。図では振幅の変動を強調して示している。

第１図の実施例の動作を第２図，第３図を用いて説明
する。

まず、正規化手段１において、z₀,z₁を用いて原点・
振幅補正を行ってsinθ,cosθを求める（１）〜
（５）。これから逆正接演算手段２によりθを求める
（６）。この演算に際しては、単にサインとコサインの
比を先に計算してアークタンジェントを求めるのではな
く、サインとコサインの符号関係により−π〜＋πの範
囲でθを求めることが必要である。このような関数は、
例えばＣ言語ではatan2として知られている。求めたθ
が0,π/2,π，−π/2付近である時のx₀,x₁の値から
（７）〜（10）、図のようにmax x₀,min x₀,max x₁,min
x₁を求める（11）〜（14）。最大値と最小値の差の1/2
が振幅g₀,g₁となり、最大値と最小値の平均値が新しい
ゼロ点z₀,z₁となる。平均値の計算は最小値に振幅を加
えてもよい。次回からの信号補正は新しく求められた振
幅，ゼロ点を用いて行えばよい。ゼロ点が大幅にずれて
いる場合には正しい振幅は求められない。しかしなが
ら、このような場合もゼロ点の補正は正しく行われるの
で、繰り返し補正を行うことで徐々に正確な振副が求め
られる。実際にはゼロ点の変動はごく僅かであるため、
常に正確な振幅が与えられる。θが0,π/2,π，−π/2
となることは滅多にないため、これらの付近（±δの範
囲）でmax x₀,max x₁,min x₀,min x₁の更新を行う。δ
は1/10回転から1/1000回転の範囲、好ましくは1/50回転
から1/200回転の範囲で適宜選択する。δの範囲を大き
くすると更新の行われる頻度は増加するが誤差が増え
る。誤差は1/50回転で約0.8％、1/200回転で0.05％であ
る。次に述べるように、最大値，最小値の更新を単一の
値を用いるのではなく、重み付き平均により行うことで
実際の誤差はさらに少なくなる。

最大値，最小値の更新は指数平滑フィルタによって行
うのがよい。これは、実質的に過去に向かって指数関数
的に重み係数が減少する加重平均を求めることに相当す
る。計算式は、元信号の値をｘ、更新すべき値をｍとす
るとき、式 ｍ＝ｍ′＋ｐ・（ｘ−ｍ′） で与えられる。ここでｐは小さな定数であり、この値を
2^-nとすることで乗算をシフト演算に置き換えることが
できる。ここで、ｎは４〜20程度で、更新の速度と値の
安全性の兼ね合から適宜選択すればよい。ｎの値を小さ
くすると、補正は急速に行われるが、ノイズの影響を受
け易くなる。

衝撃その他の原因で振幅が急激に変化することもあろ
う。このような場合、もしθがある補正の行われる範囲
で停止していると、最大値か最小値の一方のみが補正さ
れてゼロ点がずれる。ゼロ点の誤差は一般に振幅の誤差
より害が大きいためこのような動作は好ましくない。こ
れを避けるためには、最大値と最小値の一方を補正した
後は他方が補正されるまで補正を中断すればよい。マイ
クロプロセッサではメモリ中に補正フラグを設けること
で、この機能は容易に実現できる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、この発明は正規化手段，
逆正接演算手段，ピーク値検出手段，振幅・ゼロ点演算
手段および制御手段とで信号校正装置を構成したので、
計測装置などにおいてしばしば用いられるコサイン，サ
イン関数状の信号のゼロ点、振幅の変動が自動的に除去
され、安価な部品を用い単純な構成の回路で誤差を低減
することが可能であり、また、精密な調整も不要であり
精度の高い計測装置を安価に構成することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図、
第２図は、第１図の実施例の動作を説明するためのフロ
ーチャート、第３図はこの発明の原理を示す図である。 図中、１は正規化手段、２は逆正接演算手段、３はピー
ク値検出手段、４は振幅・ゼロ点演算手段、５は制御手
段である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コサイン，サイン関数で近似される90゜位
   相の異なる x₀＝g₀・cosθ＋z₀ x₁＝g₁・sinθ＋z₁ で近似する２つの信号からcosθ,sinθに近似される信
   号もしくはθに相当する信号を得る装置であって、 振幅、ゼロ点の値を用いて次式 cosθ＝（x₀−z₀）/g₀、sinθ＝（x₁−z₁）/g₁ によりcosθ,sinθの近似値を得る正規化手段と、 前記cosθ,sinθの近似値からθを得る逆正接演算手段
   と、 δを微小角度とするときθが−δ以上であり、 かつ＋δ以下であるときx₀の値からx₀の最大値max x₀を
   求め、θがπ/2＋δ以下であるとき、x₁の値からx₁の最
   大値max x₁を求め、θが−π/2−δ以上であり、かつ−
   π/2＋δ以下であるときx₁の値からx₁の最小値min x₁を
   求め、θがπ−δ以上であるかまたは−π−δ以下であ
   るとき、x₀の値からx₀の最小値min x₀を求めるピーク値
   検出手段と、 これらの最大値、最小値から振幅およびゼロ点を次式 g₀＝（max x₀−min x₀）/2 g₁＝（max x₁−min x₁）/2 z₀＝min x₀＋g₀ z₁＝min x₁＋g₁ によりそれぞれ求め、更新する振幅・ゼロ点演算手段
   と、 信号x₀、x₁が得られる毎に上記各手段の演算を繰り返し
   行わせる制御手段と、 を備えたことを特徴とする信号校正装置。