JP2839340B2 - 位置信号の校正装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、sinθ、cosθで近似される信号から歪み
成分を取り除き、θの値を精度良く求める装置に関し、
特にエンコーダ，レゾルバ等のアナログ出力を電気的に
処理する装置に応用することにより、微細な位置を精度
良く計測することを可能にした信号校正装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

自動制御などに用いられる位置計測手段として、エン
コーダ，レゾルバ等のコサイン，サイン信号を出力する
装置が広く用いられている。これらの信号を二値化して
得られるパルス列をカウントする装置、または逆正接演
算を行う装置に入力し、位置を表す信号を得ることが行
われる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前者の方法は、一回転当たり数百から数千周期の信号
が得られるエンコーダに広く用いられ、後者は、一回転
当たり一から数周期の信号が得られるレゾルバに一般的
に用いられているが、近年、位置計測装置の分解能向上
が求められるようになると、一回転当りの周期の多いエ
ンコーダ信号を逆正接演算処理して微細な角度を計測す
ることも行われるようになった。

ところで、逆正接演算による位置の計測はエンコーダ
から出力されるコサイン，サイン信号に歪みが含まれる
と誤差が生じるという問題点があった。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされた
もので、歪を含む信号をディジタル的に処理して歪を除
去するようにした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〕

この発明にかかる請求項（１）に記載の発明は、COS
θを含むコサイン信号ｘ及びSinθを含むサイン信号ｙ
からなる位置計測信号から、前記２つの信号に含まれる
歪み成分である第三高調波及びクロストークを除去する
位置信号の校正装置であって、前記コサイン信号ｘ及び
サイン信号ｙ及びこれらの信号の和及び差のそれぞれの
最大値と最小値を下記d₀乃至d₇として検出するピーク値
検出手段、 d₀＝max（ｘ）d,d₁＝max（ｘ＋ｙ）,d₂＝max（ｙ）,d
₃＝min（ｘ−ｙ）， d₄＝min（ｘ）,d₅＝min（ｘ＋ｙ）,d₆＝min（ｙ）,d₇
＝max（ｘ−ｙ）， パラメータg_x,g_y,z_x,z_y,h,kの値を下式で算出するパラ
メータ算出手段、 g_x＝（d₀＋d₄）/2 g_y＝（d₂＋d₆）/2 z_x＝（d₀−d₄）/2 z_y＝（d₂−d₆）/2 及び前記算出されたパラメータ値を用いて下式 ｘ＝g_x｛cosθ＋hcos（３θ）＋ksinθ｝＋z_x ……（１） ｙ＝g_y｛sinθ−hsin（３θ）＋kcosθ｝＋z_y ……（２） を解いて歪みの除去された位置信号cosθ及びsinθを求
める補正手段を備えたものである。

さらに、請求項（２）に記載の発明は、前記d₀＝max
（ｘ）,d₁＝max（ｘ＋ｙ）,d₂＝max（ｙ）,d₃＝min（ｘ
−ｙ）,d₄＝min（ｘ）,d₅＝min（ｘ＋ｙ）,d₆＝min
（ｙ）,d₇＝max（ｘ−ｙ）を検出するピーク値検出手段
が、θがｉπ/4に近いとき、下記の値をd_iとして取り込
むことを特徴とする請求項（１）記載の位置信号の校正
装置。

ただし、ｉは０から７までの整数、ｐは１より小さい
正の定数とする。

d₀＝d₀＋ｐ（ｘ−d₀） d₁＝d₁＋ｐ（ｘ＋ｙ−d₁） d₂＝d₂＋ｐ（ｙ−d₂） d₃＝d₃＋ｐ（−ｘ＋ｙ−d₃） d₄＝d₄＋ｐ（−ｘ−d₄） d₅＝d₅＋ｐ（−ｘ−ｙ−d₅） d₆＝d₆＋ｐ（−ｙ−d₆） d₇＝d₇＋ｐ（ｘ−ｙ−d₇） としたものである。

〔作用〕

この発明にかかる請求項（１）に記載の発明は、ピー
ク値検出手段によりd₀＝max（ｘ）,d₁＝max（ｘ＋ｙ）,
d₂＝max（ｙ）,d₃＝min（ｘ−ｙ）,d₄＝min（ｘ）,d₅＝
min（ｘ＋ｙ）,d₆＝min（ｙ）,d₇＝max（ｘ−ｙ）を検
出し、このピーク値を用いて補正手段により第（１）
式，第（２）式の元信号の補正が行われる。

また、補正に用いるピーク値の検出を行うのにピーク
値検出手段が、θがｉπ/4に近いとき、各ピーク値d₀〜
d₇を順次取り込み、これに基づいて元信号の補正が行わ
れる。

〔実施例〕

はじめに、この発明の動作原理について説明する。

元信号中のコサイン，サイン関数からのズレとして、
主として増幅回路に起因するゼロ点、振幅のズレと記
録、検出部に起因するクロストークと高調波によるもの
がある。

第３図（ａ）〜（ｄ）は各種歪み成分が混入した際の
元信号を一方をｘ軸、他方をｙ軸に取り、二次元的にプ
ロットしたものである。

第３図（ａ）は信号ｘのゼロ点０が０′に移動した場
合を示している。これは、図より明らかなように、ｘの
最大値と最小値の平均によりゼロ点の移動量を検出する
ことができ、これを元信号から差し引くことで補正を行
うことができる。

第３図（ｂ）は信号ｘの振幅が大きくなった場合を示
している。振幅はｘの最大値と最小値の差の1/2で求ま
り、元信号を振幅で除算することにより補正を行うこと
ができる。

第３図（ｃ）はｘとｙの位相差がπ/2からズレた場合
を示している。これは、それぞれの信号が他方に混入す
る「クロストーク」として表される。すなわち、 となり、位相差がπ/2より小さいことと、正のクロスト
ークがあることは同じことを意味する。

クロストークの検出はｘとｙの和と差の振幅を比較す
ることで行うことができる。クロストークがない場合は
両者は等しく、正のクロストークがある場合は和の振幅
は差の振幅よりも大きくなる。クロストークの混入量が
わかれば、それぞれの信号から他方の信号にクロストー
ク混入量を掛けたものを引くことで補正することができ
る。この補正は正確ではないが、クロストーク混入量が
小さい場合はk²が無視できることから、十分良い近似を
与える（大きなクロストークがある場合には高次の項ま
で考慮する必要がある）。

波形の歪みは一般に各種の高次成分の混入により表す
ことができる。この中で偶数次の高調波は装置が対称に
作られていれば極めて少なく、問題となることは少な
い。また、一般的に次数の高い成分は量が少なく、主と
して第三高調波が問題となる。

第３図（ｄ）は第三高調波が混入したときの信号をxy
プロットしたもので、各軸の部分での半径とこれからπ
/4移動した点での半径が異なっていることがわかる。こ
のことから、次式により第三高調波の混入量を算出す
る。

第三高調波の補正は、（ｉ）三倍角の公式により元信
号からcos3θ,sin3θを求め、混入量を差し引くことに
よって行うことができるが、（ii）逆正接演算を先に行
い、この中に含まれる第三高調波に起因する誤差を補正
する方法が計算量が少なく有利である。第三高調波によ
る誤差は量が少ない場合、一h sin4θで近似することが
でき、逆正接演算で得た値からこれを差し引くことで第
三高調波による誤差を補正される。

さて、コサイン，サインに近似した第三高調波成分を
含む２つの信号を次式で近似する。

ｘ＝g_x｛cosθ＋h cos（３θ）＋ksinθ｝＋Z_x …（１） ｙ＝g_y｛sinθ−hsin（３θ）＋kcosθ｝＋Z_y …（２） ただし、Z_x,Z_yはゼロ点、g_x,g_yは振幅、ｈは第三高調
波混入量、ｋは定数で、ｋ＝０の場合を含む ピーク値検出手段によりd₀＝max（ｘ）,d₁＝max（ｘ
＋ｙ）,d₂＝max（ｙ）,d₃＝min（ｘ−ｙ）,d₄＝min
（ｘ）,d₅＝min（ｘ＋ｙ）,d₆＝min（ｙ）,d₇＝max（ｘ
−ｙ）を検出することにより、下式により，第（１），
（２）式のパラメータを推定することができる。

g_x＝（d₀＋d₄）/2 z_x＝（d₀−d₄）/2 g_y＝（d₂＋d₆）/2 z_y＝（d₂−d₆）/2 前記パラメータを用いて下式より元信号を補正信号ｘ
^＊,y^＊に変換することができる。

（ｉ）まず、３倍角の公式を用いる場合 ｘ′＝（ｘ−Z_x）/g_x ｙ′＝（ｙ−Z_y）/g_y ｘ^＊＝ｘ′−hx′（4x′^２−３） ｙ^＊＝ｙ′−hy′（4y′^２−３） 前記補正信号ｘ^＊,y^＊より符号を考慮した逆正接演算
によりθを求める。

（ii）θを先に求めて補正する場合 ｘ^＊＝（ｘ−z_x）/g_x ｙ^＊＝（ｙ−z_y）/g_y 高調波（係数ｈの項）の影響を除去するためには上記
（ｉ）で述べたように三倍角の公式を用いても良いが、
前記補正信号より符号を考慮した逆正接演算によりθを
求めた後、得られたθを次式より補正することによって
除去するのが効率的である。

θ^＊＝θ＋h sin4θ また、元信号の位相差が正確にπ/2でない場合（クロ
ストークが含まれているｋ≠０）のときには、 によりクロストークの混入量を求め、 ｘ^＊＝ｘ−ky ｙ^＊＝ｙ−kx によりこれを除去することも可能である。

また、各信号のピーク値を求めるに際して、下記のよ
うにして行うこともできる。

信号x,x＋y,y,−ｘ＋y,−x,−ｘ−y,−y,x−ｙの各々
のピーク値は、θはｉπ/4に近いとき、次の値を新たな
d_iとして取り込むことで得ることができる。

d₀＝d₀＋ｐ（ｘ−d₀） d₁＝d₁＋ｐ（ｘ＋ｙ−d₁） d₂＝d₂＋ｐ（ｙ−d₂） d₃＝d₃＋ｐ（−ｘ＋ｙ−d₃） d₄＝d₄＋ｐ（−ｘ−d₄） d₅＝d₅＋ｐ（−ｘ−ｙ−d₅） d₆＝d₆＋ｐ（−ｙ−d₆） d₇＝d₇＋ｐ（ｘ−ｙ−d₇） 〔実施例１〕 第１図はこの発明による信号校正装置の第１の実施例
のブロック図を示すもので、実際の処理はマイクロプロ
セッサによってディジタル的に行われる。

この図で、１−1,1−２は正規化手段、２−1,2−２は
クロストーク除去手段、３は、逆正接演算手段、４は補
正手段、５−１はゼロ点パラメータ算出手段、５−２は
振幅補正パラメータ算出手段、６はクロストーク補正パ
ラメータ算出手段、７は第三高調波誤差補正用パラメー
タ算出手段、10はピーク値検出手段である。

次に、動作について説明する。

入力信号x,yは正規化手段１−1,1−２によりゼロ点お
よび振幅を正規化され、ついでクロストーク除去手段２
−1,2−２によりクロストークが除去される。なお、元
信号の位相差が正確にπ/2であることが明らかな場合
は、クロストーク除去手段２−1,22は不要である。

これらの信号は、逆正接演算手段３に入力されθの値
に変換される。ここで用いられる逆正接演算は一般的な
サインとコサインの比のみの関数ではなく、これらの符
号を考慮してθを０から２πにわたる範囲で求める。こ
のような関数はＣ言語では標準関数atan2として広く知
られている。マイクロプロセッサでこの処理を行う場合
は、メモリ中に逆三角関数表を持ち、これを牽引するこ
とで高速処理が可能である。

このようにして得られたθの値は、補正手段４により
第三高調波による誤差を補正して出力される。sin4θの
演算もメモリ中の表を牽引することで高速に行われる。

〔実施例２〕 第２図はこの発明の第２の実施例のブロック図を示す
もので、８−１〜８−８は角度範囲判定手段、９−１〜
９−８はピーク値更新手段であり、その他は第１図と同
じである。

角度範囲判定手段８−１〜８−８はθがいずれもピー
ク値検出範囲にあるかどうかを判定するものであり、θ
がいずれも範囲にある場合は、該当するピーク値更新手
段９−１〜９−８が作動してピーク値を更新する。この
ピーク値からゼロ点パラメータ算出手段５−1,振幅補正
パラメータ算出手段５−２によりゼロ点Z_x,Z_y、振幅補
正用のパラメータg_x,g_yが、また、クロストーク補正パ
ラメータ算出手段６によりクロストーク補正用のパラメ
ータｋが、第三高調波誤差補正用パラメータ算出手段７
により第三高調波誤差補正用のパラメータｈがそれぞれ
算出される。

この発明では、作動中にピーク値が検出される毎に自
動的な補正が行われるため、温度変化などにより元信号
の歪みの状態が変化してもこれに追随して、常に最適な
校正が行われる。電源投入直後のピーク値の初期値は、
設計値（これに合うように信号発生部が調整される）を
用いても、あるいは装置毎に実測した値を書き込んでも
良い。

〔発明の効果〕 この発明は、以上詳細に説明したように、 COSθを含むコサイン信号ｘ及びSinθを含むサイン信
号ｙからなる位置計測信号から、前記２つの信号に含ま
れる歪み成分である第三高調波及びクロストークを除去
する位置信号の校正装置であって、前記コサイン信号ｘ
及びサイン信号ｙ及びこれらの信号の和及び差のそれぞ
れの最大値と最小値を下記d₀乃至d₇として検出するピー
ク値検出手段、 d₀＝max（ｘ）,d₁＝max（ｘ＋ｙ）,d₂＝max（ｙ）,d₃
＝min（ｘ−ｙ）， d₄＝min（ｘ）,d₅＝min（ｘ＋ｙ）,d₆＝min（ｙ）,d₇
＝max（ｘ−ｙ）， パラメータg_x,g_y,z_x,z_y,h,kの値を下式で算出するパ
ラメータ算出手段、 g_x＝（d₀＋d₄）/2 g_y＝（d₂＋d₆）/2 z_x＝（d₀−d₄）/2 z_y＝（d₂−d₆）/2 及び前記算出されたパラメータ値を用いて下式 ｘ＝g_x｛cosθ＋hcos（３θ）＋ksinθ｝＋z_x ……（１） ｙ＝g_y｛sinθ−hsin（３θ）＋kcosθ｝＋z_y ……（２） を解いて歪みの除去された位置信号cosθ及びsinθを求
めるようにしたので、元信号がクロストークをはじめ歪
を含む信号であってもこれを補正して正しい信号とする
ことができ、求めるθの値を高精度に検出でき、１回転
当たりの周期の多いエンコーダ信号の微細な角度の計測
が可能である。

また、この発明は、ピーク値の検出に際しθがｉπ/4
に近いとき、それぞれのピーク値をd_iとして取り込むよ
うにしたので、常に最新のピーク値を使用でき、高精度
の補正が可能となる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
はこの発明の他の実施例を示すブロック図、第３図
（ａ）〜（ｄ）は各種歪成分が混入した際の元信号を、
一方をｘ軸，他方をｙ軸にとって二次元的にプロットし
た図である。 図中、x,yは元信号、θは求める角度、１−１、１−２
は正規化手段、２−1,2−２はクロストーク除去手段、
３は逆正接演算手段、４は補正手段、５−１はゼロ点パ
ラメータ算出手段、５−２は振幅補正パラメータ算出手
段、６はクロストーク補正パラメータ算出手段、７は第
三高調波誤差補正用パラメータ算出手段、８−１〜８−
８は角度範囲判定手段、９−１〜９−８はピーク値更新
手段、10はピーク値検出手段である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】COSθを含むコサイン信号ｘ及びSinθを含
   むサイン信号ｙからなる位置計測信号から、前記２つの
   信号に含まれる歪み成分である第三高調波及びクロスト
   ークを除去する位置信号の校正装置であって、前記コサ
   イン信号ｘ及びサイン信号ｙ及びこれらの信号の和及び
   差のそれぞれの最大値と最小値を下記d₀乃至d₇として検
   出するピーク値検出手段、 d₀＝max（ｘ）d,d₁＝max（ｘ＋ｙ）,d₂＝max（ｙ）,d₃
   ＝min（ｘ−ｙ）， d₄＝min（ｘ）,d₅＝min（ｘ＋ｙ）,d₆＝min（ｙ）,d₇＝
   max（ｘ−ｙ）， パラメータg_x,g_y,z_x,z_y,h,kの値を下式で算出するパラ
   メータ算出手段、 g_x＝（d₀＋d₄）/2 g_y＝（d₂＋d₆）/2 z_x＝（d₀−d₄）/2 z_y＝（d₂−d₆）/2 及び前記算出されたパラメータ値を用いて下式 ｘ＝g_x｛cosθ＋hcos（３θ）＋ksinθ｝＋z_x ……（１） ｙ＝g_y｛sinθ−hsin（３θ）＋kcosθ｝＋z_y ……（２） を解いて歪みの除去された位置信号cosθ及びsinθを求
   める補正手段を備えたことを特徴とする位置信号の校正
   装置。
2. 【請求項２】前記d₀＝max（ｘ）,d₁＝max（ｘ＋ｙ）,d₂
   ＝max（ｙ）,d₃＝min（ｘ−ｙ）,d₄＝min（ｘ）,d₅＝mi
   n（ｘ＋ｙ）,d₆＝min（ｙ）,d₇＝max（ｘ−ｙ）を検出
   するピーク値検出手段が、θがｉπ/4に近いとき、下記
   の値をd_iとして取り込むことを特徴とする請求項（１）
   記載の位置信号の校正装置。 ただし、ｉは０から７までの整数、ｐは１より小さい正
   の定数とする。 d₀＝d₀＋ｐ（ｘ−d₀） d₁＝d₁＋ｐ（ｘ＋ｙ−d₁） d₂＝d₂＋ｐ（ｙ−d₂） d₃＝d₃＋ｐ（−ｘ＋ｙ−d₃） d₄＝d₄＋ｐ（−ｘ−d₄） d₅＝d₅＋ｐ（−ｘ−ｙ−d₅） d₆＝d₆＋ｐ（−ｙ−d₆） d₇＝d₇＋ｐ（ｘ−ｙ−d₇）