JPH02213717A - 位置計測装置 - 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】 ［発明の産業上の利用分野］ 本発明は、ロータリエンコーダ、リニアエンコーダ等の
位置計測装置に関し、特にＡ相、Ｂ相の２相の三角関数
状の位置計測信号を発生させ、これらを電気的に処理し
て、より高い分解能で、移動体（回転体、直線移動体な
ど）の移動位置く回転角などの情報も含む）を極めて簡
単且つ安価にして尚且つ細かく精度良好に計測できるよ
うにした位置計測装置に関する。

［従来技術］ 最近のロボット、自動工作機、各種ＯＡ機器などには９
位置決め用としてエンコーダ等の位置計測装置が使用さ
れている。

かかる位置計測装置２例えば、以下、エンコーダを主に
して説明していくと、このエンコーダは９通常、移動体
の移動位置（例えば回転角）変化に伴って２相の人相、
Ｂ相の矩形波信号を出力させ、これらの波形パルス数を
計測することで、極めて容易に移動体の移動位置を求め
ることができるものとなっている。

しかしながら、従来この種の移動体の移動位置計測方法
によると、上記矩形波のエンコーダ信号の周期により９
分解能が制約されるという問題点があった。

ここに、エンコーダの分解能を上げるために電気的な手
段を用いた方法としては、従来においては、エンコーダ
から２相の三角波状のサイン波信号Ａ　（Ａ＝ｓ　ｉ　
ｎθ）、コサイン波信号Ｂ（Ｂ＝ｃｏｓθ）を出力させ
て、これら２つの信号ｓｉｎθ及びｃｏｓθをアナログ
的に処理して移動体の位置θをより細かく求めるように
しな位置計測装置が知られている。

［発明が解決しようとする！ＩＩＩ！［］しかしながら
、かかる従来のアナログ的処理を行う位置計測装置は、
電気的分解能処理回路が複雑になり、適用製品が非常に
大型且つ高価になり、その適用装置に大きな制限が加え
られる問題点があり、従来の位置計測装置の普及が充分
に進行しない問題点があった。

また従来の位置計測装置は、上記の問題以外にアナログ
処理を行っているなめに、各種の温度特性が悪く、また
経年変化がある等種々の問題点があった。

この問題は９例えば、以下９位置計測装置としてエンコ
ーダを例にして示すと、エンコーダから出てくるＡ相、
Ｂ相のエンコーダ信号をアナログへデジタル（Ａ／Ｄ）
変換器によってデジタル化し、その後の電気的処理をデ
ジタル演算によって行うことで回避できるが、この方法
によれば、更に電気的処理回路が複雑になりコストを増
大し１本課題の前段に示した問題点を増長する欠点があ
った。

［本発明の解決しようとする手段］ 本発明は、従来の課題を解決するために、エンコーダ等
の位置計測装置から発生する移動体の位置信号、即ち移
動体の位置θに対応してｓｉｎθに比例する出力信号Ａ
と、移動体の位置θに対応してｃｏｓθに比例する出力
信号Ｂをそれぞれデジタル化し、マイクロプロセッサ等
の演算処理手段を用いてアークタンジェント（以下、ａ
ｒｃｔａｎという）（Ｂ／Ａ）を計算することにより、
簡素な構成で安価且つ安定に移動体の位置θを求めるこ
とができる。

［発明の作用］ 位置計測装置１例えばエンコーダ（以下１位置計測装置
としてエンコーダについて説明する）より、移動体の位
置θに応じて次式のように変化するエンコーダ出力信号
Ａ、Ｂ Ａ＝に−ｃｏｓθ　　　　（１） Ｂ＝に一５ｉｎθ　　　　（２） 但し、に：定数 より１位置θは次式で求めることができる。

Ｂ／Ａ＝ｓｉｎθ／　ｃ　ｏ　ｓθ ＝ｔａｎθ　　　　　（３） 上式（３）より。

θ＝ａｒｃｔａｎ　（Ｂ／Ａ）　　　　（４）上式（４
）より、移動体の位置θは。

ａｒｃｔａｎを適宜な装置により計算することで、極め
て容易に求めることができる。

尚１式（４）において、ａｒｃｔａｎは、関数アークタ
ンジェント（ｊａｎの逆関数）を示している。

また後に説明する実施例で詳細に説明するが、実際の実
施例における演算は、０による除算を防ぐためと、テー
ブルサイズを減少させるため、エンコーダ出力信号Ａ、
Ｂの符号と大小関係により、８種類の場合に分け、それ
ぞれ異なる計算式により、上式（４）の計算を行ってい
る。

またａｒｃｔａｎ（Ｂ／Ａ）の計算は、マイクロプロセ
ッサを用いることで、安価且つ容易に行うことが可能で
ある。

更にまた。Ａ／Ｄ変換器やプログラム格納用のメモリー
、計算結果の通信機能などを１つのチップに内蔵したマ
イクロプロセッサを用いることで、少ない部品点数で、
上記機能を実現させることが可能であり９機器の小型化
、コストダウンが可能である。

［発明の一実施例］ 第１図は１本発明の一実施例を示す位置計測システムブ
ロック図で、主に本発明はｓｉｎθ、ＣＯＳθに比例し
たアナログのエンコーダ出力信号Ａ、Ｂを出力するエン
コーダ１と、該エンコーダ１からのアナログのエンコー
ダ出力信号をデジタル化してａｒｃ　ｔａｎを計算して
エンコーダ１の位置θを求めるシングルチップマイクロ
プロセッサ２と、エンコーダ出力信号Ａ、Ｂを入力比較
してアップ・ダウン（Ｕ／Ｄ）信号を生成するコンパレ
ータ及びＵ／Ｄ（アップ・ダウン）信号生成回路３と、
該コンパレータ及びＵ／Ｄ信号生成回路３から出力され
る信号をアップ・ダウンカウントしたカウンタ信号を上
記シングルチップ（ワンチップ）マイクロプロセッサ２
に出力するＵ／Ｄ　（アップ・ダウン〉カウンタ４と２
通信用バッファＩＣ５及び電源装置６から構成される。

尚、これらのほかシングルチップマイクロプロセッサ２
の周囲には２図示しない水晶発振器、コンデンサ、抵抗
などの幾つかの部品が配設されている。

第２図は第１図に対応した内部回路のブロック図である
。

第１図及び第２図を参照して、エンコーダ１からは、そ
れぞれＡ相、Ｂ相のアナログのエンコーダ出力信号をな
す源のエンコーダ出力信号１−ａ、１−ｂが出力されて
、当該エンコーダ１内のアンプ回路１−３．１−４に入
力される。

上記人相、Ｂ相のエンコーダ出力信号１−ａ、１−ｂは
、当該エンコーダ１として磁気抵抗素子を磁気センサと
して用いた磁気エンコーダである場合には、その磁気抵
抗素子１−１゜１−２（尚、磁気抵抗素子１−１．１−
２は。

２つの素子に分割されたものであっても、１つの素子に
形成されたものであったら良い）の磁気抵抗素子エレメ
ントによって得られる。

磁気抵抗素子１−１．１−２から得られたＡ相、Ｂ相の
エンコーダ出力信号１−ａ、　　１−ｂは、各々アンプ
回路１−３．１−４によって増幅されて１次式で示すｓ
ｉｎ信号Ａ及びｃｏｓ信号Ｂ Ａ＝に−ｃｏｓθ　　　　（１） Ｂ＝に一５ｉｎθ　　　　（２） 但し、に：定数 を形成し、これら式く１）及び（２）に示すエンコーダ
出力信号Ａ、Ｂは、シングルチップマイクロプロセッサ
２のＡ／Ｄ変換入力端子に出力されデジタル変換されて
、当該マイクロプロセッサ２によってデジタル値（整数
）として収り込、まれる。

上記シングルチップマイクロプロセッサ２は、上記エン
コーダ１からのＡ相、Ｂ相のエンコーダ信号、即ち、ｓ
ｉｎθ及びｃｏｓθをアナログ入力端Ａ−Ｉから入力し
、それにに比例するデジタル化された２つの信号からａ
ｒｃｔａｎを計算してエンコーダ１の位置θを求める移
動体位置計測手段である。

上式（１）及び（２）より１位置θを次式で求める。

Ｂ／Ａ＝ｓｉｎθ／　ｃ　ｏ　ｓθ ＝ｔａｎθ　　　　　（３） 上式（３）より。

θ＝ａｒｃｔａｎ　　（Ｂ／Ａ）　　　　　　（４）上
式（４）より、移動体の位置θは、極めて容易に求める
ことができる。

尚１式（４）において、ａｒｃｔａｎは、関数アークタ
ンジェントを示している。

ここで、シングルチップマイクロプロセッサ２は、上式
（４）によって位置θを求めるに当たって、当該マイク
ロプロセッサ２内に取り込まれた上記エンコーダ出力信
号Ａ、ＢをＯによる除算を防ぐためためと、除算結果の
けたずれを防止して計算精度の向上を測るため、テーブ
ルサイズを減少させて、エンコーダ出力信号Ａ、Ｂの符
号と大小関係により２分類分けが簡単なように以下に示
すように８種類の場合に分け、移動体の位置θを求める
ように演算を行っている。

信号Ａ〉０．信号Ｂ＞０．　ＩＡＩ＞ＩＢＩのときθ＝
ａ　ｒ　ｃ　ｔ　ａ　ｎ　（ＩＢＩ／ＩＡＩ　）信号Ａ
〉０．信号Ｂ＞Ｏ，ＩＡＩ＜ＩＢＩのときθ＝９０°−
ａ　ｒｃ　ｔ　ａｎ　（ＩＡＩ／ＩＢＩ　）信号Ａく０
．信号Ｂ＞Ｏ，ＩＡＩ＜ＩＢＩのときθ＝９Ｑ＠＋ａｒ
ｃｔａｎ　（ＩＡＩ／ＩＢＩ　）信号Ａく０．信号Ｂ＞
Ｏ，ＩＡＩ＞ＩＢＩのときθ＝１８０°−ａｒｃｔａｎ
　（ＩＢＩ／ＩＡＩ　）信号Ａく０．信号Ｂ＞Ｏ，ＩＡ
Ｉ＞ＩＢＩのときθ＝１８０”　＋ａｒｃｔａｎ　（Ｉ
ＢＩ／ＩＡＩ　）信号Ａく０．信号Ｂ　＜　Ｏ、ＩＡＩ
＜ＩＢＩのときθ＝２７０°−ａｒｃｔａｎ　（ＩＡＩ
／ＩＢＩ　）信号Ａ〉０．信号Ｂｏｏ、　ＩＡＩ＜ＩＢ
Ｉのときθ＝２７０°＋ａｒｃｔａｎ　（ＩＡＩ／ＩＢ
Ｉ　）信号Ａ〉０．信号Ｂ＜０．　ＩＡＩ＞ＩＢＩのと
きθ＝３６０°−ａ　ｒ　ｃ　ｔ　ａ　ｎ　（ＩＢＩ／
ＩＡＩ　）尚、加減算、絶対値の演算、符号無し整数の
除算等は、現在、容易に利用できる１６ビツトのプロセ
ッサでは、基本命令として予め組み込まれているため、
極めて高速に演算できる。

またａｒｃｔａｎの演算は、数値計算を行うと、計算時
間を多く費やすので１表を引くことで行うと便宜である
。

上記方法を用いれ、ば、Ｏｏから４５°までのａｒｃｔ
ａｎ表のみを用意すればよく、かかる表を格納するため
のメモリスペースも節約できて有用である。

このテーブルは、処理手段を規定するプログラムと共に
、シングルチップマイクロプロセッサ２内のり−ドオン
メモリ（尚、使用するマイクロプロセッサによっては、
この外部に配置することも可能である）に格納している
。

またエンコーダ１のエンコーダ出力信号Ａ及びＢは、ア
ンプ回路１−３．１−４を介してコンパレータ及びＵ／
Ｄ信号生成回路３にも出力される。まずそれぞれのＡ相
、Ｂ相のエンコーダ出力信号Ａ、Ｂは、当該コンパレー
タ及びＵ／Ｄ信号生成回路３内のコンパレータ回路３−
１．３−２に入力される。ここて′、アナログ信号であ
るエンコーダ１のＡ相２Ｂ相の出力信号Ａ、Ｂは、２値
信号Ｅ、Ｆに変換される。

該信号Ｅ、Ｆは、それぞれＵ／Ｄ信号生成回路３−５に
出力される。Ｕ／Ｄ信号生成回路３−５を経た信号Ｅ、
Ｆは、アップ（ｕｐ）パルス信号Ｇ、ダウン（ＤＮ）パ
ルス信号Ｈに変換される。ここで、ＵＰパルス信号Ｇ、
ＤＮパルス信信号は、共にコンパレータ回路３−１゜３
−２の出力信号Ｅ、Ｆの立ち上がり、立ち下がりを検出
しているが、ＵＰパルス信号Ｇは。

エンコーダ１がＣＷ（時計）方向に回転している時のみ
出力され、ＤＮパルス信信号は、エンコーダ１がＣＣＷ
（反時計）方向に回転している時のみ出力されるように
当該Ｕ／Ｄ信号生成回路３−５を設定している。

ここで、コンパレータ回路３−１．３−２の出力信号Ｅ
、Ｆの立ち上がりから立ち下がりまで、あるいは立ち下
がりから立ち上がり迄の周期ｔは、エンコーダ１の出力
信号Ａ、Ｂの一周期に一致しているため、ＵＰパルス信
号Ｇ及びＤＮパルス信信号をＵ／Ｄカウンタ４によって
カウントすることにより、第３図のエンコーダの出力信
号波形７に示すようにその上位桁（位置θの一周期ｔに
対する１カウント）を知ることができる。

Ｕ／Ｄカウンタ４のカウンタ信号は、シングルチップマ
イクロプロセッサ２の入力ボートを介して、このシング
ルチップマイクロプロセッサ２によって、上式（１）〜
（１２〉に示した移動体の位置θの位置計測方法により
求めた移動体の位置θ値と合成すればよい、尚、１周期
に対する１カウントの不一致は、カウンタを２倍にする
などして公知の同じところでカウントするように補正す
るなどの手段にて精度良好にして尚且つ高分解能の位置
計測信号を得ることができる。

尚、計測結果を外部に出力伝達させる方法は２種々のも
のが考えられるので、適宜なものを採用すれば良い。こ
の実施例では、信号線の本数の少ないシリアル転送方式
を採用している。これは、多数のビットで構成される移
動体の位置θを表す２進数値を１本のケーブル上に１ビ
ツトづつ順次送り出す方式であり、シングルチップマイ
クロプロセッサ２には２このための機能が予め内蔵され
ていることが多いことによる。

例えば、この実施例では、長距離用の転送用に一般的に
採用されているバッファ５内のライントライバ５−２．
ラインレシーバ５−１を使用して位置データが欲しいと
きに位置データ要求信号５−ａ、５−ｂをシングルチッ
プマイクロプロセッサ２に出力して当該マイクロプロセ
ッサ２から位置データを受は取るという方法を採用して
いる。

ラインレシーバ５−１に入力されたデータ要求信号５−
ａ、５−ｂは、ラ　インレシーバ５−１を介したデータ
要求信号Ｃとなってシングルチップマイクロプロセッサ
２のシリアル入力端子ＩＲＴに入力される。上記データ
要求信号Ｃによってラッチされた位置データは、マイク
ロプロセッサ２を介して、そのシリアル出力端子Ｓ−Ｄ
からシリアルデータラインＤによってバッファ５のライ
ントライバ５−２を通してエンコーダ計測位置信号５−
ｃ、５−ｄを２例えばモータの制御回路やエンコーダの
移動位置表示部に出力される。

尚、６はコンパレータ及びＵ／Ｄ生成信号回路３．Ｕ／
Ｄカウンタ４及びバッファ５に電源を供給する為の電源
である。

［発明の効果］ 上記から明らかなように１本発明の位置計測制御方法に
よれば、極めて単純な構成で移動体の位置を計測するこ
とが可能であり、装置の小型化、コストの低減が可能と
なる。

またエンコーダ等の位置計測装置の移動体の位置計測信
号処理は、大部分がデジタルで行われるため、調整が極
めて容易であり、極めて信頼性の高いものを得ることが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す位置計測システムプロ
ッタ図、第２区は第１図に対応する内部回路のブロック
図、第３図はエンコーダ出力信号波形である。 ［記号及び符号の説明］ Ａ・・・Ａ相エンコーダ出力信号、Ｂ・・・Ｂ相エンコ
ーダ出力信号、Ｃ・・・データ要求信号、Ｄ・・・シリ
アルデータライン。 Ｅ、Ｆ・・・信号、Ｇ・・・アップ（ＵＰ）パルス信号
、Ｈ・・・ダウン（ＤＮ）パルス信号。 １・・・エンコーダ、１−１．１−２・・・磁気抵抗素
子、１−ａ、１−ｂ・・・エンコーダ出力信号、１−３
．１−４・・・アンプ回路、２・・・シングルチップマ
イクロプロセッサ、３・・・コンパレータ及びＵ／Ｐ　
（アップダウン）信号生成回路。 ３−１．３−２・・・コンパレータ回路。 ３−５・・・Ｕ／Ｄ　（アップダウン）。 ４・・・Ｕ／Ｐ　（アップダウン）カウンタ。 ５・・・通信用バッファ。 ５−ａ、５−ｂ・・・位置要求データ。 ５−ｃ、５−ｄ・・・エンコーダ計測位置データ信号、
６・・・電源装置。 ＊／図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）移動体の移動位置θに対応してサインθに比例す
   る信号及びコサインθに比例する信号を発生するサイン
   θ・コサインθ比例信号発生装置と、該サインθ・コサ
   インθ比例信号発生装置から発生するサインθ及びコサ
   インθに比例する２つの信号をデジタル化してアークタ
   ンジェントを計算して移動体の位置θを求める移動体位
   置計測手段を有する、位置計測装置。
2. （２）上記移動体のアークタンジェントを計算して移動
   体の位置θを求める移動体位置計測手段は、マイクロプ
   ロセッサである、特許請求の範囲第（１）項記載の位置
   計測装置。