JP5006270B2 - Absolute encoder device and its operation method - Google Patents
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Description
この発明は絶対型エンコーダ装置とその操作方法に関し、特に電源故障状態における絶対位置情報、及びその操作方法を提供する高精度絶対型エンコーダ装置に関する。 The present invention relates to an absolute encoder device and an operation method thereof, and more particularly to a high-precision absolute encoder device that provides absolute position information in a power failure state and an operation method thereof.
従来のACサーボモータは、一般にロータの角度情報を検出するための光エンコーダを備え、この角度情報を使用してステータ駆動電流を決定することができる。そのため、ACサーボモータの速度を正確に制御することができる。 Conventional AC servo motors generally include an optical encoder for detecting rotor angle information, and the stator drive current can be determined using this angle information. Therefore, the speed of the AC servo motor can be accurately controlled.
図1は従来技術のACサーボモータの概略図を示す。モータ10のロータ角度位置は光エンコーダ12により検出され、そして角度情報を得るため、信号処理装置20により処理される。角度情報は推定モータ回転速度を得るため、速度推定装置14により処理される。速度制御装置30は、制御モジュール32を制御するための推定モータ回転速度と速度指令、及びモータ速度制御信号を発生するためのIGBTモジュール34を受ける。モータ速度制御信号を使用して、モータ10の回転速度を精密に制御することができる。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a prior art AC servomotor. The rotor angular position of the
特にサーボモータでは、モータ軸へ取り付けられる位置センサは光エンコーダ12である。サーボモータの位置精度は光エンコーダの分解能に依存し、光エンコーダ12は増分型エンコーダと絶対型エンコーダに分類することができる。
Particularly in the servo motor, the position sensor attached to the motor shaft is the
増分型エンコーダは前の位置に対する情報を提供でき、そしてそのエンコーダホイールの絶対位置は、それがリセットされない限り電源故障の後に知ることができる。従って、増分型エンコーダは、電源が故障の後、再度復旧した直後に、そのエンコーダホイールの絶対位置(即ち、絶対角度)を知ることはできない。これに対して、絶対型エンコーダは電源故障に悩まされることなく、常に出力軸の絶対位置を知ることができる。電源故障からの復帰後において、リセット操作は必要なく、操作は単純化されている。 The incremental encoder can provide information about the previous position, and the absolute position of the encoder wheel can be known after a power failure unless it is reset. Therefore, the incremental encoder cannot know the absolute position (that is, the absolute angle) of the encoder wheel immediately after the power supply is restored and then restored again. On the other hand, the absolute encoder can always know the absolute position of the output shaft without suffering from a power failure. After the recovery from the power failure, the reset operation is not necessary and the operation is simplified.
図2は光エンコーダの概略図を示す。光源260からの光は、回転ホイール200と固定マスク220を通過後、光センサ240へ到達する。光センサ240により受信された信号は回転ホイール200の位置変化により変動する。従って、回転ホイール200の位置変化は光センサ240の信号強度を検出することにより知ることができる。
FIG. 2 shows a schematic diagram of an optical encoder. The light from the
図3は、6ビットエンコーダホイールの絶対型エンコーダホイール300の概略図を示す。絶対型エンコーダホイール300は、円形ホイール本体302と複数の格子304を備える。格子304には最も内側軌道にあり、円周の1/2を占める第1格子304A、第2の内側軌道にあり、夫々が円周の1/4を占める2つの第2格子304B、第3格子304C、第4格子304D、第5格子304E、及び最も外側軌道にあり、夫々が円周の1/64を占める32の第6格子304Fが含まれる。強度変化信号は半径方向に沿って得ることができ、26=64の位置分解能は円周方向に沿って達成することができる。しかし、図3に示す絶対型エンコーダホイール300で、1ビット分解能を向上させる場合、もう1ビットの起動が必要である。分解能がより要求される場合、絶対型エンコーダホイール300は、図3より多くの空間を占有する。
FIG. 3 shows a schematic diagram of an absolute encoder wheel 300 of a 6-bit encoder wheel. The absolute encoder wheel 300 includes a
図4Aは、円形ホイール本体402と複数の格子を備える、増分型光エンコーダ用エンコーダホイール400の概略図を示す。格子には、主格子404A、第1下位格子404B及び第2下位格子404Cが含まれ、第1下位格子404Bと第2下位格子404Cは主格子404Aの対向する2か所に配置される。図4Bは4列の格子420Aを備える、エンコーダホイール400に関連するマスク420を示す。
FIG. 4A shows a schematic diagram of an
図4Cは、主格子404Aに対応する主センサ装置442A、444A、442B,444B(A+/B+/A−/B−とラベルを付けた)を備える、エンコーダホイール400に関連する光センサ装置440を示す。エンコーダホイール400が回転すると、主センサ装置442A、444A、442B、444B(A+/B+/A−/B−とラベルを付けた)は4つの正弦波のような信号を発生する。4つの正弦波のような信号は、夫々0/90/180/270度の位相を有する。180度の位相差を有するA+/A−信号は、コモンモードノイズのない正弦波信号Aを得るため、減算操作される。180度位相差を有するB+/B−信号はコモンモードノイズのない余弦波信号Bを得るため減算操作される。90度位相差を有する正弦波信号Aと余弦波信号Bを使用して、前進回転か後進回転を判断することができる。
FIG. 4C shows an
増分型光エンコーダは正弦波信号Aと余弦波信号Bに基づき増分位置情報を得ることができる。絶対位置情報を得るため、原点センサ装置446A、446B(Z+/Z−)は付加的に備えられる。しかし、電源故障から電源復帰の後、増分型エンコーダ上の原点マークは、絶対位置情報を得るため、原点センサ装置により検出されるべきである。この処理は時間を要し、原点マークへ戻ることを要求しない用途には適していない。
The incremental optical encoder can obtain incremental position information based on the sine wave signal A and the cosine wave signal B. In order to obtain absolute position information,
電源故障の際の絶対位置の問題を解決するため、従来技術では2つの試みが提案されている。
1.機械式カウント:
複数の相互係合ギヤーを備えるギヤーセットが回転数をカウントするため備えられる。図5は機械式エンコーダの例を示し、ここではスピンドルは第1ギヤーと連結し、第1ギヤーは第2ギヤーと連結する。
In order to solve the problem of the absolute position at the time of a power failure, two attempts have been proposed in the prior art.
1. Mechanical count:
A gear set comprising a plurality of interengaging gears is provided for counting the number of rotations. FIG. 5 shows an example of a mechanical encoder, in which the spindle is connected to the first gear and the first gear is connected to the second gear.
絶対コードは各ギヤーにマークされ、ギヤーは1回転後、n個の絶対位置を提供すると想定される。別々のレーザダイオードとフォトダイオードを使用して、絶対コードを検出する。更に、ギヤーセットはスピンドルのn×n×n回転を識別することができる。 An absolute code is marked on each gear, and the gear is assumed to provide n absolute positions after one revolution. A separate laser diode and photodiode are used to detect the absolute code. In addition, the gear set can identify n × n × n rotations of the spindle.
2.電池を備える回転をカウントする絶対エンコーダ
電源故障状態で、電池は専用チップへ電力を供給する。専用チップは所定時間でレーザダイオードをトリガし、そしてフォトダイオードは絶対位置情報を検出でき、次に前進と後退方向の回転数をカウントする。
2. In an absolute encoder power failure condition that counts the rotation with the battery, the battery supplies power to the dedicated chip. The dedicated chip triggers the laser diode at a predetermined time, and the photodiode can detect absolute position information and then counts the number of revolutions in the forward and backward directions.
正常電源が再度エンコーダへ供給された後、専用チップは累積回転数と現在の絶対位置情報を知る。絶対位置情報は内挿により改良することができる。しかし、絶対位置情報は境界で誤差を有する。更にエンコーダホイール上の粉末は測定誤差を生じさせる。従って、正確な絶対位置情報は特定の較正点でチェックされるべきである。換言すると、正確な絶対位置情報は正常電源が回復した後、直ちに得ることはできない。 After normal power is supplied to the encoder again, the dedicated chip knows the accumulated rotational speed and the current absolute position information. Absolute position information can be improved by interpolation. However, absolute position information has an error at the boundary. Furthermore, the powder on the encoder wheel causes measurement errors. Therefore, accurate absolute position information should be checked at a specific calibration point. In other words, accurate absolute position information cannot be obtained immediately after normal power is restored.
この発明の目的は電源故障状況で絶対位置情報を提供する高精度絶対型エンコーダ装置とその操作方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a high-precision absolute encoder device that provides absolute position information in a power failure situation and an operation method thereof.
従って、この発明の高精度絶対型絶対型エンコーダ装置には、増分型エンコーダへ電気接続され、増分型エンコーダへ制御信号を発生させる制御装置、増分型エンコーダ出力へ電気接続され、第1パルス信号を発生させる比較器、比較器出力へ電気接続され、発生する第1パルス信号をラッチすることにより、第2パルス信号を発生させるラッチ装置が含まれる。電源故障が発生すると、制御装置は、ラッチ装置と増分型エンコーダを駆動するため、所定時間の連続するパルスとして制御信号を発生させる。従って、制御装置は第2パルス信号をカウントすることにより、増分型エンコーダの角度情報を知る。絶対型情報は、電源故障の角度情報と最初の位置を組み合わせることにより得ることができる。 Therefore, the high-precision absolute type absolute encoder device of the present invention is electrically connected to the incremental type encoder, and is electrically connected to the incremental type encoder output, the control unit for generating the control signal to the incremental type encoder, and the first pulse signal A comparator for generating, a latch device electrically connected to the comparator output, and generating a second pulse signal by latching the generated first pulse signal is included. When a power failure occurs, the control device generates a control signal as a continuous pulse of a predetermined time in order to drive the latch device and the incremental encoder. Therefore, the control device knows the angle information of the incremental encoder by counting the second pulse signal. The absolute type information can be obtained by combining the power failure angle information and the initial position.
新規性があると思われる本発明の特徴は、付属の特許請求の範囲の特異性により説明される。しかし本発明自身は、付属図面と合わせて、本発明の典型的実施例を記載する、本発明の以下の詳細説明を参照することにより最もよく理解される。 The features of the invention believed to be novel are illustrated by the specificity of the appended claims. However, the invention itself is best understood by reference to the following detailed description of the invention, which, along with the accompanying drawings, describes exemplary embodiments of the invention.
この発明で、絶対位置情報の分解能は、回転数をカウントする代わりに、増分型エンコーダのそれに類似するA、Bパルスを発生させることにより向上する。従って、絶対位置情報は分解能を向上させるため、電源故障期間及び正常電源期間の両方の期間でA、Bパルスをカウントすることにより得られる。 In this invention, the resolution of the absolute position information is improved by generating A and B pulses similar to those of the incremental encoder instead of counting the number of rotations. Therefore, the absolute position information is obtained by counting the A and B pulses in both the power supply failure period and the normal power supply period in order to improve the resolution.
図6はこの発明の高精度、絶対型エンコーダ装置60の概略図を示す。エンコーダ装置60には、制御装置100、電源スイッチ120、増分型エンコーダ140、比較器160、ラッチ装置180、及び電池(表示なし、Vccを提供する)が含まれ、ここで電池は図6に示す他の構成要素へ電力を提供することができる。増分型エンコーダ140は図2に示すそれのような従来の増分型エンコーダであり、レーザダイオードLD、フォトダイオードPD、及びエンコーダホイール(ラベルなし)を備える。制御装置100は電源スイッチ120へ電気接続され、そして電源スイッチ120へ制御信号SWを提供し、これにより、レーザダイオードLDが連続して点灯するように(後に詳述するように、正常モード又は疑似モード)、又はパルス方式(電池モード)で連続して、そして断続して点灯するように選択的に制御する。更に、制御装置100は比較器160とラッチ装置180へも電気接続される。フォトダイオードPDは0/180相信号(A+、A−)及び90/270相信号(B+、B−)を発生させる;そして比較器160は、第1パルス信号A1とB1を発生させるため、フォトダイオードPDから出力される信号を処理する。第1パルス信号A1とB1は第2パルス信号A2とB2を発生させるため、ラッチ装置180により処理される。第2パルスA2とB2は、増分位置情報を得るため、制御装置100のカウンタ102により処理される。従って、制御装置100は、電源故障後の増分位置情報と電源故障直前の初期位置情報を参照してエンコーダホイールの絶対位置情報を知る。
FIG. 6 shows a schematic diagram of a high-precision,
図7は図5のエンコーダ装置60に関連する波形を示す。制御装置100は図7に示す制御信号SWを発生させるためのファームウェア設計または論理設計を有する。制御信号SWは、その状態が“高”の場合、レーザダイオードLDを点灯する。フォトダイオードPDはエンコーダ装置60のエンコーダホイールとマスクを通過する光に応じて、パルス信号を発生させる。フォトダイオードPDのパルス信号(A+/B+/A−/B−)は第1パルス信号A1とB1を得るため、比較器160により差動処理される。ラッチ装置180は第2パルス信号A2とB2を発生させるため、制御信号SWの制御の下で、第1パルス信号A1とB1を処理する。第2パルス信号A2とB2は、レーザダイオードLDが連続点灯中は第1パルス信号A1とB2と同等である。第2パルス信号A2とB2は、エンコーダホイールが後述するより速い回転速度を有する場合、より短い幅を有する。
FIG. 7 shows waveforms associated with the
制御信号SWを使用して第1パルス信号A1とB1を発生させ、従って、制御信号SWは電池を備える回転をカウントする絶対エンコーダのそれより短い幅を有する。例えば、もしエンコーダホイールの回転が512pprで、そして回転速度が60rpmの場合、第1パルス信号A1とB1の幅は60sec/60/512=(1/512)sec=2msecである。制御信号SWの幅は、第1パルス信号A1とB1を正確にカウントするため、2/5msec=0.4msec以下である。制御信号SWのオンタイム(論理的“高”)はレーザダイオードLDとフォトダイオードPDの応答特性に依存する。正常電源が供給されると、制御信号SWは位置情報(正常モード)を得るため、連続してオンである。電源が故障すると、制御装置100は回転速度が例えば30rpm以下のように十分低い限り、電池モードへ切替える。電池モードでは、制御装置100は0.4msec幅のパルス状に連続して、断続してオンにするように制御信号SWをトリガするため、電池により電源が供給される。制御装置100は、回転速度を計算するため、そのカウンタ102を使用する。エンコーダホイールの回転速度が電源故障状態で30rpmより高ければ、制御装置100は、連続してオンになるように制御信号SWをトリガするため、電池により電源が供給される。従って、位置情報は精密に知ることができる。エンコーダホイールの回転速度が、電源故障状態で再度30rpmより低くなると、制御装置100は続いて0.4msec幅のパルス状で連続して、断続して、そしてオンにするため、再度制御信号SWをトリガする。図7に示すように、エンコーダホイールの回転速度は、電源故障状態では一般に高くなく、0.4msec幅のパルス状で続いてオンになる制御信号SWは、88、87、86、85のカウント結果を発生させるのに十分である。従って、制御装置100は電源故障後の増分位置情報と電源故障前の最初の位置情報を参照して、絶対位置を知ることができる。
The control signal SW is used to generate the first pulse signals A1 and B1, so that the control signal SW has a shorter width than that of the absolute encoder that counts the rotation with the battery. For example, if the rotation of the encoder wheel is 512 ppr and the rotation speed is 60 rpm, the widths of the first pulse signals A1 and B1 are 60 sec / 60/512 = (1/512) sec = 2 msec. The width of the control signal SW is 2/5 msec = 0.4 msec or less in order to accurately count the first pulse signals A1 and B1. The on-time (logical “high”) of the control signal SW depends on the response characteristics of the laser diode LD and the photodiode PD. When normal power is supplied, the control signal SW is continuously on to obtain position information (normal mode). When the power supply fails, the
図8はこの発明による高精度絶対型エンコーダ装置の動作を説明するフローチャートを示す。電源状態はステップS100でチェックされ、そして制御装置100は、電源状態が正常(S102)である場合、連続オン状態で制御信号SWを駆動する。電源が故障すると(例えば、モータへ供給される三相電源が異常である)、エンコーダホイールの回転速度は高くなく、制御装置100は、電池モード(S104)へ動作を切り替え、ここで制御装置100は連続パルス状で制御信号SWを駆動する。その後、制御装置100はエンコーダホイールの回転速度が30rpm(S110)より大きいかどうかを検出する。もしエンコーダホイールの回転速度が30rpmより大きければ、制御装置100は疑似正常モード(S112)へ動作を切り替え、ここで制御装置100は連続オン状態で制御信号SWを駆動するため、電池により電源が供給される。従って、エンコーダホイールの位置情報を精密に知ることができる。もし、エンコーダホイールの回転速度が30rpmより低い値ならば、制御装置100は電池モード(S104)に動作を保持する。
FIG. 8 is a flowchart for explaining the operation of the high-precision absolute encoder device according to the present invention. The power state is checked in step S100, and the
要約すると、この発明による高精度絶対型エンコーダ装置は以下の特徴を有する:
1.レーザダイオードは電源故障状態で、パルス状に駆動され、そしてエンコーダホイールの回転は絶対位置を参照して計算されない。従って、この発明による絶対型エンコーダ装置は位置情報を計算し、そして正常な電源状態と同様に生成されるパルス信号A、Bにより回転数を維持できる。
2.パルス制御信号により発生するパルス信号A、Bは連続オン制御信号により発生するパルス信号をまねるようにラッチされる。従って、カウンタは電源故障状態で正常動作を行う。
3.制御信号の幅は異なる回転速度により発生するパルスをカウントするように変更することができる。
In summary, the high-precision absolute encoder device according to the present invention has the following features:
1. The laser diode is driven in pulses under power failure conditions, and the rotation of the encoder wheel is not calculated with reference to absolute position. Therefore, the absolute encoder apparatus according to the present invention calculates the position information and can maintain the rotation speed by the pulse signals A and B generated similarly to the normal power supply state.
2. The pulse signals A and B generated by the pulse control signal are latched so as to imitate the pulse signal generated by the continuous on control signal. Therefore, the counter operates normally in a power failure state.
3. The width of the control signal can be changed to count pulses generated at different rotational speeds.
60:エンコーダ装置
140:増分型エンコーダ
200:回転ホイール
220:固定マスク
240:光センサ
260:光源
300:絶対型エンコーダホイール
302、402:円形ホイール本体
304A〜F,420A:格子
400:エンコーダホイール
404A:主格子
404B〜C:下位格子
420:マスク
440:光センサ装置
442A〜B、444A〜B:主センサ装置
446A〜B:原点センサ装置
60: Encoder device
140: Incremental encoder
200: Rotating wheel
220: Fixed mask
240: Light sensor
260: Light source
300: Absolute encoder wheel
302, 402: Circular wheel body
304A-F, 420A: Lattice
400: Encoder wheel
404A: Main lattice
404B-C: Lower lattice
420: Mask
440: Optical sensor device
442A-B, 444A-B: Main sensor device
446A-B: Origin sensor device
Claims (8)
前記増分型エンコーダに電気接続され、前記増分型エンコーダへ制御信号を供給する制御装置と;
前記増分型エンコーダへ電気接続され、第1パルス信号を発生させるため、前記増分型エンコーダの出力を処理する比較器と;
前記制御装置と前記比較器へ電気接続され、第2パルス信号を発生させるために前記第1パルス信号を処理するように、前記制御信号により制御されるラッチ装置と;を備え、
前記制御装置は、電源が、絶対型エンコーダ装置へ正常に供給される場合、第1パルス信号を参照して、角度情報を決定するように構成され、および電源故障状態では、前記制御装置は、第2パルス信号と電源故障発生前の前記角度情報との計算により、電源故障状態において前記絶対位置情報を知るために、連続するパルスの制御信号を伝送し、そして第2パルス信号を計算するように構成され、正常電源状態での第1パルス信号と、電源故障状態での第2パルス信号は同一波形を有し、これにより前記制御装置は、正常電源状態および電源故障状態で統一したカウント動作原理を有することを特徴とする、絶対型エンコーダ装置。 An absolute encoder device that obtains absolute position information in a power failure state by using a laser diode, an incremental encoder including an encoder wheel and a photodiode, and a battery,
A controller electrically connected to the incremental encoder and supplying a control signal to the incremental encoder;
A comparator electrically connected to the incremental encoder and processing an output of the incremental encoder to generate a first pulse signal;
A latch device electrically connected to the controller and to the comparator and controlled by the control signal to process the first pulse signal to generate a second pulse signal;
The control device is configured to determine angle information with reference to the first pulse signal when power is normally supplied to the absolute encoder device, and in a power failure state, the control device In order to know the absolute position information in the power failure state by calculating the second pulse signal and the angle information before the occurrence of the power failure, the control signal of the continuous pulse is transmitted and the second pulse signal is calculated. The first pulse signal in the normal power supply state and the second pulse signal in the power supply failure state have the same waveform, whereby the control device counts in the normal power supply state and the power supply failure state. An absolute encoder device having an operation principle .
正常電源状態において、第1パルス信号を得るため、前記増分型エンコーダ出力を比較し、
前記増分型エンコーダの回転速度が、電源故障状態において所定の閾値より低い場合、連続するパルスの制御信号により前記増分型エンコーダを駆動し、前記増分型エンコーダは前記制御信号の駆動により、電源故障状態における第1パルス信号を発生させ;
第2パルス信号を発生させるため、前記制御信号の制御の下に電源故障状態における第1パルス信号をラッチし;
第2パルス信号と電源故障発生前の角度情報に基づき前記増分型エンコーダの位置情報を計算し、
正常電源状態での第1パルス信号と、電源故障状態での第2パルス信号は同一波形を有し、これにより前記制御信号は、正常電源状態および電源故障状態で統一したカウント動作原理を有することを特徴とする方法。 A method for obtaining absolute position information in a power failure condition using an incremental encoder and battery comprising a laser diode, an encoder wheel and a photodiode, comprising:
In normal power condition, to obtain the first pulse signal, compare the incremental encoder output,
When the rotational speed of the incremental encoder is lower than a predetermined threshold in a power failure state, the incremental encoder is driven by a continuous pulse control signal, and the incremental encoder is driven by the control signal to cause a power failure state. to generate a first pulse signal in;
Latching the first pulse signal in a power failure state under the control of the control signal to generate a second pulse signal;
Positional information of the incremental type encoder calculated based on the second pulse signal and the power failure before the angle information,
The first pulse signal in the normal power supply state and the second pulse signal in the power supply failure state have the same waveform, so that the control signal has the same counting operation principle in the normal power supply state and the power supply failure state. A method characterized by.
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