JP6375507B2

JP6375507B2 - アブソリュートエンコーダ

Info

Publication number: JP6375507B2
Application number: JP2013157369A
Authority: JP
Inventors: 隆宏増田; 太郎岸部
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2033-07-30
Also published as: JP2015028428A

Description

本発明は、Ｍ系列信号パターンを用いてアブソリュートデータを生成するアブソリュートエンコーダに関するものである。

一般にサーボモータ制御装置で使用されているエンコーダには、インクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダがある。インクリメンタルエンコーダは比較的シンプルな構成で高分解能化が可能なため多くのＦＡ装置で使用されている。一方でインクリメンタルエンコーダは起動時やタクトの切替え時等に装置の原点位置を検出する原点復帰動作が必要となるため、設置場所に制約があり原点復帰動作が容易に行えないロボット装置等の用途やタクトアップのため切替え時の原点復帰を省略したい用途等では原点復帰動作が不要となるアブソリュートエンコーダが用いられている。

アブソリュートエンコーダの構成の１つとして、アブソリュートデータを生成するための信号としてＭ系列信号を使用し、直交する二相アナログ正弦波信号によりアブソリュートデータを内挿分割することで高分解能なエンコーダ絶対位置データを出力するものがある。

このような構成のアブソリュートデータの生成方法として、絶対位置を検出するアブソリュートコードと、相対位置を検出するインクリメンタル信号を有し、電源投入時にのみ前記絶対位置を表す信号をシリアル送信し、その後はインクリメンタルエンコーダとして動作し、インクリメンタル信号による計数値とアブソリュートコードからの絶対位置信号とを比較して不一致のときにアラーム信号を出力する構成がある（例えば、特許文献１参照）。

また、インクリメンタル信号の乱れの補正と比較を同時に行うことでより正確なエンコーダ信号を出力するために、インクリメンタル信号で積算したインクリメンタル積算値とアブソリュートコードによる絶対値との差を演算部に戻し、演算部にてインクリメンタル積算値を絶対値で補正すると共に、インクリメンタル積算値と絶対値とを比較して得た差が予め設定した比較設定値以上又は比較設定値以下の時にフラグを出力する構成がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２５３３９３号公報特開平１０−１４１９９５号公報

しかしながら前記従来の構成では、アブソリュートコードにビット飛びが発生した場合、インクリメンタル信号による積算値が正常であっても比較した結果が不一致となるためアラーム信号が出力されたり、あるいはビット飛びにより間違ったアブソリュートコードによる絶対値で積算値が補正される位置ずれが発生したりする。そのため、特にノイズ環境下でビット飛びの発生頻度が上がる場合には頻繁なアラーム発生による装置の停止、または位置ずれによる動作不良や装置の破損を引き起こすため、信頼性を低下させるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、Ｍ系列信号から生成される絶対位置変換データの遷移量により絶対位置変換データとインクリメンタルカウントデータを切替えて出力することで、ノイズ環境下でも信頼性の高いアブソリュートデータを得ることができるアブソリュートエンコーダを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために本発明のアブソリュートエンコーダは、モータ可動子の位置に応じて検出されるアナログＭ系列信号からアブソリュートデータとして絶対位置変換データを生成し、前記アナログＭ系列信号と同期する直交した二相アナログ正弦波信号により生成される内挿データを用いて前記アブソリュートデータを補間して高分解能のエンコーダ絶対位置データを出力するアブソリュートエンコーダにおいて、前記二相アナログ正弦波信号を２値化して２相パルス信号を出力する正弦波信号パルス変換部と、初期化時に前記絶対位置変換データで内部カウンタを設定してからは前記２相パルス信号によりアップダウンカウントしてインクリメンタルカウントデータを生成するインクリメンタルカウント部と、前記絶対位置変換データと前記インクリメンタルカウントデータとを選択してアブソリュートデータを出力するセレクタと、前記絶対位置変換データの遷移量から前記セレクタの切替信号を生成するデータ遷移量判定部とを備え、前記データ遷移量判定部において、前記絶対位置変換データの遷移量が±１の範囲内のときは絶対位置変換データを選択し、範囲外のときは前記インクリメンタルカウントデータを選択する前記切替信号を生成する構成としたものである。

これによって、ノイズの影響で絶対位置変換データにビット飛びが発生した場合においても切替信号によりインクリメンタルカウントデータに切替えることで正確なアブソリュートデータを出力することができる。

また、本発明のアブソリュートエンコーダは、インクリメンタルカウント部において、初期化以降に前記アブソリュートデータで前記内部カウンタを補正してからアップダウンカウントをしてインクリメンタルカウントデータを生成する構成としたものである。
これによって、二相アナログ正弦波信号がノイズの影響を受けてインクリメンタルカウント部の内部カウンタにカウントミスが発生した場合でもアブソリュートデータで補正することができる。

本発明のアブソリュートエンコーダは、ノイズの影響で絶対値変換データにビット飛びが発生した場合でも出力を切替えて異常なデータを出力することを防ぐことができ、信頼性の高いアブソリュートデータを出力することができる。

本発明の実施の形態１におけるアブソリュートエンコーダの構成図本発明の実施の形態１における５ビットＭ系列パルス信号変換表を示す図

第１の発明はモータ可動子の位置に応じて検出されるアナログＭ系列信号からアブソリュートデータとして絶対位置変換データを生成し、前記アナログＭ系列信号と同期する直交した二相アナログ正弦波信号により生成される内挿データを用いて前記アブソリュートデータを補間して高分解能のエンコーダ絶対位置データを出力するアブソリュートエンコーダにおいて、前記二相アナログ正弦波信号を２値化して２相パルス信号を出力する正弦波信号パルス変換部と、初期化時に前記絶対位置変換データで内部カウンタを設定してからは前記２相パルス信号によりアップダウンカウントしてインクリメンタルカウントデータを生成するインクリメンタルカウント部と、前記絶対位置変換データと前記インクリメ
ンタルカウントデータとを選択してアブソリュートデータを出力するセレクタと、前記絶対位置変換データの遷移量から前記セレクタの切替信号を生成するデータ遷移量判定部とを備え、前記データ遷移量判定部において、前記絶対位置変換データの遷移量が±１の範囲内のときは絶対位置変換データを選択し、範囲外のときは前記インクリメンタルカウントデータを選択する前記切替信号を生成することにより、ノイズの影響で絶対位置変換データにビット飛びが発生した場合においても切替信号によりインクリメンタルカウントデータに切替わるので、信頼性の高いアブソリュートデータを出力することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のアブソリュートエンコーダのインクリメンタルカウント部において、初期化以降に前記アブソリュートデータで前記内部カウンタを補正してからアップダウンカウントをしてインクリメンタルカウントデータを生成することにより、二相アナログ正弦波信号がノイズの影響を受けてインクリメンタルカウント部の内部カウンタにカウントミスが発生した場合でも、アブソリュートデータで補正することができるので、より信頼性の高いアブソリュートデータを出力することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるアブソリュートエンコーダの構成図を示すものである。

図１においてアブソリュートエンコーダは、Ｍ系列信号検出部１、Ｍ系列信号パルス変換部２、Ｍ系列信号変換部３、正弦波信号検出部４、正弦波信号パルス変換部５、インクリメンタルカウント部６、セレクタ７、データ遷移量判定部８から成り、セレクタより出力されるアブソリュートデータを図示しない内挿演算部と通信部により高分解能化してからＲＳ４８５等のシリアル通信でモータ制御装置にデータを送出する。

Ｍ系列信号検出部１は赤外線ＬＥＤ等の光源とスリット板と受光素子とからなる光学回路で構成されている。スリット板にはＬＥＤの光を透過あるいは遮断するスリットパターンがあり、スリット板の移動により受光素子が受ける光が変化することでアナログ信号が出力される。一般にアブソリュートエンコーダでは絶対位置を検出するため、スリットパターンに絶対番地を判別できるコードの１つであるＭ系列を使用し、受光素子からはアナログＭ系列信号１Ａが出力される。なお、光学回路ではなく磁気回路で構成して同様のアナログＭ系列信号１Ａを出力してもよい。

Ｍ系列信号パルス変換部２はコンパレータ等の比較増幅器で構成され、アナログＭ系列信号を２値化してＭ系列パルス信号２Ａを出力する。一般にアブソリュートエンコーダでは多数の比較演算器が必要となるため専用のカスタムアナログＩＣを使用する。

Ｍ系列信号変換部３はＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）やマイクロコンピュータのソフトウェアあるいはＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）のロジック回路で構成され、Ｍ系列パルス信号２Ａを演算処理やＲＯＭテーブルにより絶対位置変換データ３Ａを出力する。

正弦波信号検出部４はＭ系列信号検出部１と同様に光学回路で構成され、スリット板のスリットパターンにより受光素子からアナログＭ系列信号１Ａに同期した直交する二相アナログ正弦波信号４Ａが出力される。高分解能なアブソリュートデータを得るため、通常、二相アナログ正弦波信号４ＡをＡＤコンバータ等によりディジタル変換し、ソフトウェ
アあるいはロジック回路による内挿演算部からの内挿データでアブソリュートデータを補間して高分解能なエンコーダ絶対位置データ生成する方法が一般的である。

正弦波信号パルス変換部５はコンパレータ等の比較増幅器で構成され、二相アナログ正弦波信号４Ａを２値化して９０度位相差の２相パルス信号５Ａを出力する。汎用ＩＣで構成してもＭ系列信号パルス変換部２と合わせて１つのカスタムアナログＩＣで構成してもよい。

インクリメンタルカウント部６はソフトウェアあるいはロジック回路で構成され、絶対位置変換データ３Ａと同じ幅を持つ内部カウンタを持ち、起動時などの初期化時にＭ系列信号変換部３から出力される絶対位置変換データ３Ａを初期値として内部カウンタに設定し、それ以降は絶対位置信号変換データの変化タイミングと同期するように２相パルス信号５Ａで内部カウンタをアップダウンカウントしてインクリメンタルカウントデータ６Ａを出力する。

セレクタ７はソフトウェアあるいはロジック回路で構成され、データ遷移量判定部８から出力される切替信号８ＡのＨｉｇｈ／Ｌｏｗレベルにより入力を切替えてアブソリュートデータ７Ａを出力する。切替信号がＨｉｇｈレベルの場合は絶対位置変換データ３Ａを出力し、Ｌｏｗレベルの場合はインクリメンタルカウントデータ６Ａを出力する。

データ遷移量判定部８はソフトウェアあるいはロジック回路で構成され、数十ｎｓ〜数μｓの判定周期で絶対位置変換データ３Ａのデータを保持し、前回の保持データのとの差分値を判定して切替信号８Ａを出力する。絶対位置変換データは整数値であるためその差分値も整数値となり、絶対位置変換データが正常なデータ遷移内にあれば＋１、０、−１のいずれかの値をとる。したがって、差分値が±１の範囲内にあれば絶対位置変換データは正常であると判断し切替信号にＨｉｇｈレベルを出力する。また、差分値が±１の範囲外すなわち＋２以上または−２以下であれば絶対位置変換データは異常であると判断し切替信号にＬｏｗレベルを出力する。

次に、図２のＭ系列パルス信号２Ａを絶対位置変換データ３Ａに変換する例を用いてＭ系列信号検出部１とＭ系列信号変換部３のＲＯＭテーブルとビット飛びが発生した場合の動作について説明する。図２は全ビット＝０を除く５ビットのＭ系列パルス信号から１〜３１の絶対位置変換データを出力する変換表であり、Ｍ系列パルス信号が初期値ｂ０＝Ｈ、ｂ１＝ｂ２＝ｂ３＝ｂ４＝Ｌから特性多項式（式１）に従い生成されるパターンの順に１〜３１を割り当てる。

Ｍ系列の性質よりＭ系列パルス信号には同じパターンとなるものはないため、Ｍ系列変換部３ではＭ系列パルス信号をアドレス、順に割り当てた１〜３１をデータとしたＲＯＭを使用して絶対位置変換データを出力する。

Ｍ系列信号検出部１は（式１）に従いＨを透過、Ｌを遮蔽としてスリットパターンを構成すればスリット板の位置により絶対位置変換データ３Ａは決まり、エンコーダの絶対位置を検出することができる。

ここで、例えばｂ０＝ｂ１＝Ｈ、ｂ２＝ｂ３＝ｂ４＝Ｌの場合、絶対位置変換データ３
Ａは１９となり、正常時であればスリット板が停止状態では１９のまま、一方に動いた場合は２０、もう一方に動いた場合は１８となる。このとき差分値は１９−１９＝０、２０−１９＝＋１、１８−１９＝−１となり切替信号８ＡはＨｉｇｈレベル、セレクタ７によりアブソリュートデータ７Ａとして絶対位置変換データが出力される。しかし、ノイズの影響を受けビット飛びが発生しｂ２がＨに反転した場合、絶対位置変換データは１２と異常値となる。このとき差分は１２−１９＝−７となり切替信号はＬｏｗレベル、アブソリュートデータとしてインクリメンタルカウントデータが出力される。

以上の構成により、ノイズの影響で絶対位置変換データにビット飛びが発生した場合においても切替信号によりインクリメンタルカウントデータに切替わるので、異常な絶対位置変換データが出力されることなく信頼性の高いアブソリュートデータを出力することができる。

さらにインクリメンタルカウント部６において、絶対位置変換データ３Ａによる初期化後、アブソリュートデータ７Ａで内部カウンタを補正してからアップダウンカウントをすることにより、正弦波信号検出部４あるいは正弦波パルス変換部５でノイズの影響で誤ってアップダウンカウントしてもアブソリュートデータで補正することができる。
以上の構成により、ノイズの影響を受けてインクリメンタルカウント部の内部カウンタにカウントミスが発生しても補正されるため、より信頼性の高いアブソリュートデータを出力することができる。

以上のように、本発明にかかるアブソリュートエンコーダは、ノイズ環境下でもアブソリュートデータの信頼性を向上させることが可能となるので、Ｍ系列を使用するリニアスケール等の用途にも適用できる。

１Ｍ系列信号検出部
１ＡアナログＭ系列信号
２Ｍ系列信号パルス変換部
２ＡＭ系列パルス信号
３Ｍ系列信号変換部
３Ａ絶対位置変換データ
４正弦波信号検出部
４Ａ二相アナログ正弦波信号
５正弦波信号パルス変換部
５Ａ２相パルス信号
６インクリメンタルカウント部
６Ａインクリメンタルカウントデータ
７セレクタ
７Ａアブソリュートデータ
８データ遷移量判定部
８Ａ切替信号

Claims

モータ可動子の位置に応じて検出されるアナログＭ系列信号からアブソリュートデータとして絶対位置変換データを生成し、前記アナログＭ系列信号と同期する直交した二相アナログ正弦波信号により生成される内挿データを用いて前記絶対位置変換データを補間して高分解能のエンコーダ絶対位置データを出力するアブソリュートエンコーダであって、
前記二相アナログ正弦波信号を２値化して２相パルス信号を出力する正弦波信号パルス変換部と、前記絶対位置変換データを出力するＭ系列信号変換部と、初期化時に前記絶対位置変換データで内部カウンタを設定してからは前記２相パルス信号によりアップダウンカウントしてインクリメンタルカウントデータを生成するインクリメンタルカウント部と、前記絶対位置変換データと前記インクリメンタルカウントデータとを選択してアブソリュートデータを出力するセレクタと、前記絶対位置変換データの遷移量から前記セレクタの切替信号を生成するデータ遷移量判定部とを備え、
前記データ遷移量判定部は、前記絶対位置変換データの遷移量が±１の範囲内のときは前記絶対位置変換データを選択し、前記遷移量が±１の範囲外のときは前記インクリメンタルカウントデータを選択する前記切替信号を前記セレクタに出力することにより、前記アブソリュートデータを出力し続けることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
前記インクリメンタルカウント部の前記内部カウンタでカウントミスが発生した場合は、前記初期化以降に前記アブソリュートデータで前記内部カウンタを補正してからアップダウンカウントをして前記インクリメンタルカウントデータを生成し、前記アブソリュートデータを出力し続けることを特徴とする請求項１のアブソリュートエンコーダ。