JPH01237413A - 位置検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は位置検出方法に係り、スケール上の定ピツチ内
の局所的位置変化を累積して位置情報を得る検出器に適
用して好適な位置検出方法に関する。

〈従来の技術〉 近年各種機械においては高速高精度化のニーズが強まり
、制細の根本情報である位置信号も時間的、空間的精密
化が求められている。

工作機械等で高精度な検出器としてよく利用されるイン
ダクトシンは、第５図のように２ｍｍのピッチで櫛歯状
にパターンを並べたスケールと、１／４ピツチだけパタ
ーンの位相を変えたスライダ間の電磁的結合度がスケー
ル及びスライダ間の相対位置によって変化することを利
用したものである。この電磁的結合度の変化状況は第６
図のように、１ピッチ内の相対位置によって正弦波的な
信号となることが知られている。実際の検出回路として
は、励振とピックアップをスケール側あるいはスライダ
側のどちらに定めてもよいし、励振信号として一般に用
いる交流信号の周波数も１〜１０キロヘルツ程度の任意
にものを選んでいる。検出回路によって検出方式を大き
く２種に分類すると、一方は振幅方式と呼ばれるもので
、スライダ励振として２つのコイルに流す電流の位相を
同じにしピックアップ信号の振幅を変化させる方式であ
り、他方は位相方式と呼ばれるもので、例えばスライダ
の２つのコイルの出力信号の時間的な位相を外部回路に
より９０°ずらして加え合わせることにより、位置の信
号を位相差として検出する方式である。

現在では検出の精度あるいは応答性の面から位相方式が
優れているので、それが用いられることが多くなってい
るが、第７図のように例えば２キロヘルツの交流信号（
イ）での励振を考えた場合、位相差検出とは励振波形（
イ）の立上りエツジから、ピックアップされたフィード
バック波形（ロ）の立上りエツジ化の時間を計ることを
意味する。

一般には高精度化するためにスケールの１ピツチ（２ｍ
ｍ　）内を２０００個のパルスで分割して１パルスが１
ミクロンとなるようディジタル化し、位相差もこのパル
ス個数で検出する。第７図で分るように位置信号はカウ
ント値の変化量△ｘ、　＝　ｘ、　−ｘ、、を累積して
、ｘ、−ｘ、、＋△ｘ、（ｘ、の初期値はセロ）−ｘｏ
−２＋ｘｏ−１十△Ｘｎ 二Σ△Ｘ　　　　　・・（１） １日０１ として求めるが基本的な考え方である。位相差のカウン
トが終了するタイミングは励振信号立上りエツジから０
〜１ｍ５ｅｃの間で位相関係に応じてバラつくため厳密
に励振周期に同期した位置信号（ｔ”のタイミングの位
置Ｘ″）を得る方法として、次のような時間的外挿補正
演算を行うものが考案されている。

ｔニーｔ＋ （２）式によれば位相検出周期（１ｍ　５ｅｃ）内では
対象の速度変動（ま微小であるとの仮定のもとに、未来
値△ｘ０や、を既知の△Ｘ、で置換えることにより、サ
ンプリング制御周期が励振周期と同期している場合には
理想的な位置信号が得られろことになる。

く本発明が解決しようとする課題〉 ところが実際の検出回路においてはスケールとスライダ
との相対関係が一定の場合、すなわち、位置検出対象が
停止状態であっても位相差を表わすカウント値△ｘｏは
微小な揺らぎを示すのが通例である。

この原因には機械的、電気的にさまざまなものが考えら
れるが、数ミクロンの量になる。

（２）式において△Ｘ、、が数ミクロンの値を持ち、か
つＸが少ないカウンｌ〜数であるときを考えると、ｘ、
には（１）式で既に△ｘ、、が加算されているにも拘ら
ず、第２項目によって分数部が１．０に近い値になるこ
とから、さらに数ミクロンの外挿補正量を付加すること
になる。現実に対象が移動している場合は該処理は何ら
不具合とはならないが、対象が停止していてノイズ的に
揺らぎが生起した場合を考えると、ノイズ分が約２倍に
強調されて扱われることになり、位置決め制御を行わせ
るサーボ系等では安定性に係わる重大な問題を引き起す
。

このように従来法では停止も含む低速移動時の位置信号
算出において、ノイズ的外乱が加わると安定性を損って
しまうという欠点を持っていた。

そこで、本発明は機械的、電気的外乱が加わっても位置
信号算出を乱されない、高精度。

高応答な性能を有する位置検出方法を提供することを目
的とする。

〈上記課題を解決するための手段〉 上述の目的を達成する本発明は、櫛歯状のパターンが並
らべらたスケール及びスライダを相対的に変位させるこ
とによって生じる電磁結合度の変化を位相方式により検
出する方法において、位相差を表わす励振周期２サイク
ル毎のカウントパルス数の変化量△Ｘｎを累積し、ざら
に励振周期タイミングでの位置信号を得るために加える
時間的な外挿補正演算によって求まる補正量Ｋ・△Ｘｎ
１１　’　（をニーｔｎ）／　（ｔｎ４−１　　’ｎ）
を、例えば対象の速度がある値以上の時は重み比率Ｋを
１．０に、またそれ以下の時は速度ゼロで比率０．０に
なるように直線的な比例重み比率Ｋにした係数を乗算し
て新しし補正量に置き換えた後、これを該変化量の累積
Ｘ、□（Ｘ−１ｉ　Ｘ　、　）に加算して位置信号を求
めることによって、ノイズ的外乱を排除して弊害を招か
にようにしようとするものである。

〈実　施　例〉 以下、本発明の一実施例を図面に従って詳細に説明する
。

第１図は本発明方法の実施例を説明するためのブロック
図である。１はクロック発生器、２はタイミングジェネ
レータ、３は正弦波出力回路、４は余弦波出力回路、５
，６は信号増幅用ドライバ、７はインダクトシンのスラ
イダ、８は同スケール、９はピックアップ信号増幅用プ
リアンプ、１０はトランス、１１ばフィードバック信号
を矩形波に変えるゼロクロス検出部、１２は位相差検出
部、１３は系統Ａの位相差パルスカウンタ、１４は系統
Ｂの位相差パルスカウンタ、１５は系統Ａのラッチレジ
スタ、１６は系統Ｂのラッチレジスタ、１７はマイクロ
プロセッサあるいはシグナルプロセッサ等を用いた演算
処理部、１８は位置信号出力レジスタ、２０は励振用の
９０゜位相差を持つ２つの矩形波のうちの正弦波側信号
、２１は同余弦波側信号、２２はフィードバック信号、
２３は励振周期開始信号、２４゜２５はそれぞれＡ系、
Ｂ系のカウンタクリヤ信号、２６，２７はそれぞれＡ系
、Ｂ系の位相差カウントパルス、２８，２９はそれぞれ
Ａ系、Ｂ系のカウンタ出力ラッチ信号、３０は演算処理
部への割込み信号、３１は演算結果位置情報、３２は位
置検出情報である。

第１図でＡ系、Ｂ系の２つの同回路があるが、１回路の
みの構成でもよい。また同図では正弦波出力回路３及び
余弦波出力回路４により、あらかじめ９０°位相をずら
せた信号をスライダの２つのコイルに与えるようにして
いるが、この辺りの回路は種々のものが考えられ、ここ
では第７図のような励振信号とフィードバック信号との
位相差が取り出せるものなら任意のものでよい。

次に第１図の回路による作用について説明する。

クロック発生器１は、位相差検出ディジタル回路のマス
タークロックを発生し、タイミングジェネレータ２は、
乙のり０−ツクに基づき２キロヘルツ励振の場合であれ
ば、０．５ｍ５ｅｃを１サイクルとする基本励振信号と
、１ピッ−８＝ チを２０００分割できるカウントパルス、および１サイ
クルの開始信号を発生する。正弦波出力回路３および余
弦波出力回路４は、基本励振信号をもとに９０°位相差
を有する正弦波信号２０、余弦波信号２１を作成り、そ
れぞれドライバ５，６で増幅変換し、交流信号としてス
ライダ７に与える。インダクトシンの場合には電磁的結
合によってスケール８に位置に応じた信号が惹起され、
プリアンプ９で増幅し、トランス１０を経由してフィー
ドバック４Ｍ号２２を得る。ついで、このフィードバッ
ク信号２２である正弦波状信号２２をゼロクロス検出部
１１に与えて、矩形波信号に変換する。位相差検出部１
２は、励振周忌開始信号２３がアクティブになったタイ
ミングから、フィードバック信号が立上るエツジ迄の間
カウントパルス２６又は２７を出力する。この様子は第
７図のように行われ、位相差をカウントする周期は励振
周波数の２周期分（例では１　ｍ５ｅｃ）とする。Ａカ
ウンタ１３どＡラッチレジスタ１５で構成されるＡ系例
。

Ｂカウンタ１４とＢラッチレジスタ１６で構成されるＢ
系列は、第７図に示したものがＡ系列とすれば、Ｂ系列
の動きばＡ系列のタイムチャー１・を１サイクル（０，
５ｍ　５ｅｃ）だけずらせたものになる。Ａカウンタ１
３及びＢカウンタ１４はそれぞれ、各系列の励振波形の
立上りエツジタイミングでクリア信号２４゜２５を与え
られカウント零にされる。しかるのちフィードバック信
号が立上るエツジ化の期間カウントアツプし、次の位相
検出周期開始直前にカラン１−ラッチ信号２８．２９を
与えられてラッチレジスタ１５，１６にカランｌ−値が
移送される。このラッチされた位相差情報は、Ａ系ある
いはＢ系のラッチタイミング直後に位相差検出部１２か
ら発生される割込み信号３０によって演算処理部１７が
読取る。演算処理部１７ばＡ系、Ｂ系双方の位相差情報
を割込み毎に交互に読出し、後述の演算を加えて演算結
果位置情報３１を出力し、出力レジスタ１８に保持させ
、最終的に位置検出情報３２として例えば制御部に渡す
。

第２図がこれらの２系統の位相差検出処理を示したタイ
ムチャードである。

この図の中で位相検波ＡあるいはＢは、それぞれの系統
で、励振波形の立上りエツジからフィードバック信号が
立上るエツジ化の期間アクティブとなってカウントパル
スをゲートする信号である。さて演算処理部１７で割込
みがかかる度にどちらかの系統から読取るカウント値は
、最新の位相検出周期（１ｍｓｅｃ）での１ピッチ内絶
対位置を示している。第７図にあるＸ、、、　Ｘ、、　
Ｘ、＋、はこの情報を示したものであるが、このデータ
は位相をカウント終了した瞬間の時刻ｔ。−１”ｎ”　
、＋ｔでの位置を表している。制御周期に正確に同期し
た位置、例えば励振波形のタイミングに周期した位置情
報はｘ″であり、その時の時刻はｔ′と考えることがで
きるが、先のＸのデータから、このＸ′を算出するのが
演算処理の役割である。まず１ｍ５ｅｃの間に動いた変
化量（よ次の式で計算される。

△Ｘ　＝Ｘ　−Ｘ　　十Ｔ　　　　　−（ｔｌＸｎ　：
今回カウント値 Ｘ、−、：前回カウント値 Ｉ　　ニゲリッド通過時の補正量 （２０００、又は０、又は−２０００）■は位相検出周
期中に、対象の移動によってグリッドを越えて隣りのピ
ッチに移った場合のカウント値補正量であり、ピッチ内
での絶対位置に２０００カウントを加算した値が、位相
差データとして手に入るとき利用するもので、同一ピッ
チ内での移動に対してはＩ＝０となる。

位置の積算値は毎周期次の計算で得る。

Ｘ、　＝　Ｘ、−、＋△Ｘｎ ７−ｘ、−２＋△ｘ、−、＋△ｘ。

−Σ△Ｘ（４） ここで７図の励振周期に同期した位置は次のように求め
ろ乙とがてきる。

には対象の速度に応して決める重み比率であり、−例と
しては第３図に示すように基準速度４以下のときは速度
に比例して減小するものを与える。この図での速度情報
は△ｘｏでも代用できるし、モータに装着したクコジェ
ネ等別装置から入手することもできる。

（５）式において△Ｘ　ば未来値であるので、位相検出
周期（１ｍ　５ｅｃ）内で（よ対象の速度変動は微小で
あるとの仮定をおけば、△Ｘｎ＋Ｉ→△ｘｏと置換える
ことができ、また時刻ｔばカウント値ｘ、で表現するこ
とが可能であるので、次のように書換えることができる
。

時刻のカウント値への対応は、この例の場合には１ｍ５
ｅｃが４０００カウントに相当している。

（６）式によれば、第３図の重み比率にの性質から、微
分的外挿演算項である第２項は、対象の速度が基準速度
ｌ以下の場合は、速度が低い程過小評価し、基準速度１
以上の場合は演算結果そのままで用いることになる。

以上の演算処理部１７での処理フローをまとめて示した
のが第４図である。フロー中にあるＳフラグは、対象の
速度が高速になると、△Ｘ　が１０００カウント／ｍ５
ｅｃを境界にして２値函数特性となるために、いったん
速度がある値α以上に上った後は、機械の慣性からすぐ
次の周期で移動方向が逆転することはありえないという
物理的性質を利用して、２キロヘルツ励振て１２０ｍ／
分迄の速度で動く対象の位置検出を可能にしている。

重み比率にの設定は、第３図の例であれば基準速度ｌを
変えることによって任意にできる一般的にはノイズ的外
乱が大きい場合にはｌを大きくシ、カウント値にノイズ
的揺らぎのない場合にはｌを小さ（すれば適切な時間的
外挿補正量を得ることができる。

〈発明の効果〉 本発明は上記のように、マイクロブ四セッサ等を用いた
演算処理によって、簡単な回路構成でありながらノイズ
的外乱を排除して安定に動作する高応答、高精度な位置
検出方式を実現でき、極めて優れた効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施例にかかる回路構成を示す
ブロック図、第２図は本発明方法のタイムチャー１・、
第３図は外挿演算による位置補正量における速度に対す
る重み比率の関係を示すグラフ、第４図は演算処理部の
フローチャート、第５図はインダクトシンの基本的構造
を説明する構成図、第６図はインダグ１−シンの原理説
明図、第７図は位相方式を説明するタイムチャートであ
る。 図　　面　　中、 １はクロック発生器、 ２はタイミングジェネレータ、 ７はスライダ、 ８はスケール、 ９はプリアンプ、 １０はトランス、 １１はゼロクロス検出部、 １２は位相差検出部、 １３．１４はカウンタ、 １５．１６はラッチレジスタ、 １７は演算処理部、 １８は出力レジスタである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　櫛歯状のパターンが並らべられたスケール及びスライ
   ダを相対的に変位させることにより生じる電磁気的結合
   度の変化を位相方式により検出する方法において、励振
   信号とフィードバック信号との位相差を、励振周期の２
   サイクル毎にカウントパルスの箇数として計数し、１回
   前のカウント値Ｘ＿ｎ＿−＿１と最新のカウント値Ｘ＿
   ｎとの差を変化量△Ｘ＿ｎとして求めると共に、この変
   化量のＸ＿ｎ（▲数式、化学式、表等があります▼）と
   、変化量ΔＸ＿ｎを励振周期に同期させる時間的な外挿
   補正演算によって求まる補正変化量とを下式に従って加
   算した値Ｘ＾＊＿ｎを位置信号として算出し、外挿補正
   演算における重み比率大を速度情報によって可変にでき
   るようにしたことを特徴とする位置検出方法。 Ｘ＾＊＿ｎ＝Ｘ＿ｎ＋Ｋ・△Ｘ＿ｎ＿＋＿１・（ｔ＾＊
   ＿ｎ−ｔ＿ｎ／ｔ＿ｎ＿−＿１−ｔ＿ｎ）