JP2006125853A

JP2006125853A - 位置検出方式

Info

Publication number: JP2006125853A
Application number: JP2004310500A
Authority: JP
Inventors: Masao Kojima; 正雄小島
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】監視カメラ等の小型機器に使用される２相正弦波信号を生じるエンコーダを有するサーボモータにおいて、エンコーダの高速処理と高分解能化のトレードオフを解決し、低コストのハードウェア構成でのエンコーダの高速処理と高分解能化との両立、並びにパルスカウントと内挿処理の整合性を取る上での信頼性を向上させることを目的とする。
【解決手段】アップダウンカウンタポートとＡ/Ｄ変換ポートを有するマイクロコンピュータを用いて、アップダウンカウンタポートを介した高速処理部と、Ａ/Ｄ変換ポートを介した内挿処理部とを備え、また２相正弦波信号と中点電位との大小関係で決まる４象現の状態と、アップダウンカウンタ値との相関をとる補正機能を設け、正弦波信号とパルス信号の相関を常時監視し、パルスエッジ付近における位置検出の誤差の補正をすることにより、低コストでパルスカウントと内挿処理の整合性を取る上での信頼性を向上。
【選択図】図１

Description

本発明は、２相正弦波信号を生じるエンコーダを有するサーボモータの位置検出方式に関するものである。

従来、位置検出方式は分解能を向上させるために、エンコーダのパルスカウントをするだけでなく、内挿方式としてアナログ正弦波信号を内挿処理して分解能を高める工夫を凝らしている（例えば、特許文献１参照）。

図７に従来の位置検出方式の構造を示す。図７において、２５はアップダウンカウンタであり、２６は内挿位置演算部である。合成位置演算部２７にてパルスカウント値と内挿位置とを加算している。
特許第３５１３３８３号公報（第６頁、図１）

しかしながら、上記従来の構成では、パルスカウントが２逓倍であり、パルスだけでの分解能が粗いということと、内挿処理との整合性を取る上での信頼性が不足しているという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、９０度の位相差を持つ２相正弦波信号を生じるエンコーダを有するサーボモータにおいて、アップダウンカウンタポートとＡ／Ｄ変換ポートを有するマイクロコンピュータを用いて、アップダウンカウンタポートを介した高速処理部と、Ａ／Ｄ変換ポートを介した内挿処理部とを備えた位置検出方式、ならびに２相正弦波信号と中点電位との大小関係で決まる４象現の状態と、アップダウンカウンタ値との相関をとる補正機能を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、９０度位相差を持つ２相正弦波信号を生じるエンコーダを有するサーボモータにおいて、アップダウンカウンタポートとＡ／Ｄ変換ポートを有するマイクロコンピュータを用いて、アップダウンカウンタポートを介した高速処理部と、Ａ／Ｄ変換ポートを介した内挿処理部とを備えた位置検出方式としたものである。

請求項１記載の発明によれば、低コストのハードウェア構成で、エンコーダの高速処理と高分解能化を両立できるという有利な効果が得られる。

また、請求項２記載の発明によれば、低コストでパルスカウントと内挿処理の整合性を取る上での信頼性向上が得られるものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、９０度位相差を持つ２相正弦波信号を生じるエンコーダを有するサーボモータにおいて、アップダウンカウンタポートとＡ／Ｄ変換ポートを有するマイクロコンピュータを用いて、アップダウンカウンタポートを介した高速処理部と、Ａ／Ｄ変換ポートを介した内挿処理部とを備えた位置検出方式としたものであり、低コストのハードウェア構成で、エンコーダの高速処理と高分解能化を両立できるという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、２相正弦波信号と中点電位との大小関係で決まる４象現の状態と、アップダウンカウンタ値との相関をとる補正機能を備えた請求項１記載の位置検出方式としたものであり、低コストでパルスカウントと内挿処理の整合性を取る上での信頼性が向上できるという作用を有する。

（実施の形態１）
以下本発明のより具体的な実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１において本発明である位置検出方式は、モータ７、エンコーダ６、およびマイコンにより機能を構成した位置検出部１により構成される。位置検出部には内挿処理部２と高速処理部３と位置補正部９を有する。エンコーダ原信号は、２相正弦波信号４である。その信号に中点電位基準のコンパレータを介することにより、エンコーダ２相パルス信号５を形成する。

上記構成により、低コストのハードウェア構成で、エンコーダの高速処理と高分解能化を両立できる。

エンコーダ信号について図２を用いて説明する。エンコーダ原信号は、アナログ信号１０に示すように正弦波形状である。その信号に中点電位基準のコンパレータを介することにより、エンコーダパルス信号１１を形成する。信号１０、１１は２相エンコーダ信号のうちＡ相のみを表示した。実際には９０度だけ位相のずれたＢ相と組み合わせた２相の情報より位置を検出する。その様子を示したものが図３である。このように正弦波信号Ａ相１２、正弦波信号Ｂ相１３、パルス信号Ａ相１４、パルス信号Ｂ相１５の４信号を用いて、高速、高精度に位置検出を行う。

モータの回転角度をエンコーダ出力により位置検出するにあたり、パルスエッジでのカウントにより４逓倍までは高速でカウントが可能である。ただし、システムとしての要求分解能が４逓倍で実現可能な分解能を超える場合には、正弦波の原信号をさらに活用して、内挿分割処理により分解能を上げることが、性能／コスト比の向上において有効である。

システムのコストやサイズの制約上、エンコーダの原信号のパルス数を増やせない場合、数１００パルスの信号を４逓倍するだけではシステムが必要とする分解能を達成できない場合がある。その場合、正弦波信号をＡ／Ｄ変換ポートで読み取り、角度を推定する。例えば、ソフトウェアにｓｉｎ関数のデータテーブルを持ち、測定値とデータテーブルとの比較により位相を算出し、モータ角度を求める。その際、パルスカウント値も加算して絶対位置を算出する。

なお、内挿分割の方法としては、本方法以外にも２相信号からｔａｎθ値を求めて、ｔａｎ逆関数から算出する方法や、高周波を用いて専用回路により演算する方法等がある。

パルスカウントはマイコン内蔵のアップダウンカウンタにて行う。マイコンが有するハードウェア機能であり、かつ機能の実現がソフトウェア設定のみであり、低コストで実現可能である。さらに、検出の応答性が高く、モータの高速回転への追従が可能である。

さらに、正弦波信号をＡ／Ｄ変換ポートで測定し、内挿分割処理を行う場合、マイコン処理能力の限界のため、測定周期の短縮には限界がある。モータが高速回転して、エンコーダ信号周波数が測定周期を上回る高周波域に達した場合には、正弦波信号だけを用いるのでは原理的に位置の検出が不可能になる。そこで、正弦波信号とパルス信号との併用に
て、高速検出と分解能向上を両立する必要がある。正弦波信号のサンプリング追従可能な周期が、エンコーダ信号周期よりも長い場合でも、パルス信号の方はアップダウンカウンタのハードウェア構成にてＡ／Ｄ変換ポートより十分速い周期までカウント可能である。そのため、正弦波信号だけでの測定とは異なり、正弦波信号とパルス信号を組み合わせれば内挿処理しながらでも原信号の数周期分を読み誤ることなく、位置検出することが可能である。

また、汎用マイコンのハードウェア機能とソフトウェア機能のバランスを取ることで、ハードウェアの追加によるコストアップを抑えて、位置検出機能を高精度化できる利点を有する。

（実施の形態２）
図１において位置検出部は、エンコーダ信号を検出するマイクロコンピュータのアップダウンカウンタポートとＡ／Ｄ変換ポートから信号を受け取るようハードウェア構成された上で、ソフトウェア機能による位置補正部９から構成されている。

この実施の形態によれば２相正弦波信号を、中点電位基準で区分した４象現の状態と、アップダウンカウンタ値との相関をとり信頼性を高める補正機能を備えた請求項１記載の位置検出方式を実現することができる。

理想的にはエンコーダ波形の中点電位位置とエンコーダパルスエッジは完全に一致しなければならない。その時、パルス信号のＨｉｇｈ状態とＬｏｗ状態の幅の比率は１対１となる。

図４に示すように信号１６、１７は２相エンコーダ信号のうちＡ相のみを表示した。実際には若干のオフセット１８が発生し、微小なパルス幅の変動１９が生じる。そのため、２相信号の状態を図５で説明すると、理想状態でのパルスの第１象現の幅２０はΔθ１であるが、実測でのパルス幅の第１象現の幅２１はΔθ２のようになり、Δθ１より狭くなる。この現象のように、パルス幅が変動する可能性を考慮して補正するアルゴリズムを追加する必要がある。

パルスカウント値とアナログ値の相関を取って異常値を排除することで、エンコーダ処理の信頼性を高めることができる。そのためには、パルスカウント値とアナログ値の正規対応を確認するために、電源投入直後に初期化処理をする必要がある。仮に、エンコーダにＺ相がある場合には、２相エンコーダの位相とＺ相エッジの相関を機構設計にて組立時に確立することも可能である。

しかしながら、Ｚ相がない場合、電源投入直後にはインクリメンタル型エンコーダの絶対角度は不明である。電源投入時に正弦波信号の象現のどこを原点としてパルスカウントがカウント開始されるのかが不確定である。そのため、絶対位置の再現のためには、初期化処理としてパルスカウント値とアナログ値のゼロ点の相関をとる何らかの原点検出処理が必要である。

例えば目標位置がエンコーダにとってパルスエッジと近接し、パルスエッジ付近でサーボロックする場合、システムの分解能からみてモータ角の実際の変化がほぼ０とみなせる場合でも、パルスカウント値が１だけ変化する可能性が存在する。この際、モータ動作角が極微小にもかかわらずパルスカウント値が違ってくるので、単純にパルスカウント値と正弦波信号内挿位置をそれぞれ算出して加算するだけでは、絶対位置を算出する際に誤差が生じる可能性がある。

そこで、正弦波信号も組み合わせた補正が必要であり、その補正によりカウンタのＲＡＭを必要に応じ±１だけ補正することで、常時整合性のとれた角度検出が可能となる。

そのために、エンコーダの初期化処理として、モータを低速で定常回転させる。Ａ相、Ｂ相が共にＨｉｇｈになった状態、つまりエンコーダ波形が第１象現にある時にパルスカウント値が（４ｎ＋α）（ただし、ｎ：整数）とした場合の、α＝｛０，１，２，３｝の値を算出する。その数値α毎の計測用カウンタを測定毎に１ずつ加算して記録する。

正弦波エンコーダ信号の位相を９０ｄｅｇずつ４象現に区切ると、計測用カウンタが加算されるのは、ある機体にとっての理想状態では、αがある１つの値の時だけである。つまり、正弦波信号の位相が、０〜９０度、９０〜１８０度、１８０〜２７０度、２７０〜３６０度の４パターンのどこか１つの領域に分類できる。パルスカウント開始点は、アナログ正弦波信号にとって４象現のどこかを認識することが必要である。

実際にはパルスエッジの発生位置の誤差が生じるので、一定時間継続した記録をして、計測カウンタの最頻値となるカウント値α＝｛０，１，２，３｝を確定させることで、パルスカウント値とアナログ値の正確な相関をとる基準とすることができる。

その基準用パラメータαを用いて、ノイズによる誤検出の影響を排除できる。その際、αをより正確に検出するための工夫が必要であり、それを以下に述べる。Ａ相、Ｂ相が共にＨｉｇｈである状態の境界での整合性をとるためには、第１象現を規定する電圧について、ΔＶ［Ｖ］の計測オフセットを設け、Ａ相、Ｂ相共に、(中点電位＋ΔＶ)［Ｖ］を超えた際に計測用カウンタを＋１加算する方法が有効である。

この方法により、ノイズによる影響や回路定数誤差等よる誤検出の可能性を減らした確実な初期化処理ができる。図６に示すようにＡ相、Ｂ相に対し、ともにΔＶ[Ｖ]の計測オフセット２２、２３を持たせて第１象現を区切ることで、太線で示した領域２４の領域を取り出すことが出来る。

エンコーダ２相両方が（中点電位＋ΔＶ）［Ｖ］以上のレベルにある時の、パルスカウント値について、α＝｛０，１，２，３｝の数値を確定させることで、その後の正弦波信号とパルス信号の相関を常時監視し、パルスエッジ付近における位置検出の誤差の補正を確実にする。

本発明の位置検出方式は、エンコーダ機構および位置検出回路の小型化、低コスト化が必要なサーボモータとして有用である。
（その他の例１）
本発明に係る位置検出方式は、低コストのハードウェア構成で、エンコーダの高速処理と高分解能化を両立できるという有利な効果、並びに低コストでパルスカウントと内挿処理の整合性を取る上での信頼性向上が得られるという有利な効果を有し、２相正弦波信号を生じるエンコーダを有するサーボモータ、例えば高い制御性能が求められる監視カメラ台駆動用サーボモータ等として有用である。

本発明の実施の形態１における位置検出方式を示すシステム構成図本発明の実施の形態１におけるエンコーダ信号の説明図本発明の実施の形態１におけるエンコーダ信号２相の説明図本発明の実施の形態２におけるエンコーダオフセット発生時の説明図本発明の実施の形態２におけるエンコーダオフセット発生時の２相の状態説明図本発明の実施の形態２における位置検出方式を示すエンコーダ２相の２次元表示図従来の位置検出方式のシステム構成図

符号の説明

１位置検出部
２内挿処理部
３高速処理部
４２相正弦波
５２相パルス
６エンコーダ
７モータ
８負荷
９位置補正部
１０、１２、１６エンコーダ正弦波信号Ａ相
１１、１４、１７エンコーダパルス信号Ａ相
１３エンコーダ正弦波信号Ｂ相
１５エンコーダパルス信号Ｂ相
１８エンコーダ正弦波信号オフセット
１９エンコーダパルス信号ズレ
２０エンコーダパルス信号幅Δθ１
２１エンコーダパルス信号幅Δθ２（オフセットズレの場合）
２２エンコーダＡ相閾値電圧
２３エンコーダＢ相閾値電圧
２４第１象現の中央部
２５従来例のアップダウンカウンタ
２６従来例の内挿位置演算部
２７合成位置演算部

Claims

９０度位相差を持つ２相正弦波信号を生じるエンコーダを有するサーボモータにおいて、アップダウンカウンタポートとＡ／Ｄ変換ポートを有するマイクロコンピュータを用いて、アップダウンカウンタポートを介した高速処理部と、Ａ／Ｄ変換ポートを介した内挿処理部とを備えた位置検出方式。
２相正弦波信号と中点電位との大小関係で決まる４象現の状態と、アップダウンカウンタ値との相関をとる補正機能を備えた請求項１記載の位置検出方式。