JP2014025871A

JP2014025871A - エンコーダ出力信号補正装置

Info

Publication number: JP2014025871A
Application number: JP2012168099A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kiriyama; 哲郎桐山
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-02-06

Abstract

【課題】エンコーダから出力される２相正弦波の補正値を効率よく且つ信号の変動に対する変化を抑えて検出可能なエンコーダ出力信号補正装置を提供する。
【解決手段】エンコーダ出力信号補正装置は、２相正弦波状信号によって形成されるリサージュ波形に含まれるオフセット誤差、振幅誤差、及び２相正弦波信号の位相誤差の補正値を検出する検出手段を有する。検出手段は、補正した後の２相正弦波状信号によって形成されるリサージュ波形の位相角をＮ（Ｎは８以上の整数）等分する。更に、検出手段は、位相角毎のリサージュ波形の半径によって表される正弦波状の変化を求め、この変化の振幅及び位相からリサージュ波形に含まれるオフセット誤差の補正値の変化分、振幅誤差の補正値の変化分、及び位相誤差の補正値の変化分を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、位置、角度、速度、角速度等の検出を行うエンコーダの２相正弦波状信号を補正するエンコーダ出力信号補正装置に関する。

エンコーダのスケールに形成される格子の間隔には加工限界があるため、スケール格子より細かい間隔を測定するには、エンコーダが出力する正弦波状信号の位相変化の空間周期を更に細分して内挿する必要がある。このため、従来より種々の内挿回路が用いられている。ディジタル処理による内挿回路は例えば、エンコーダから出力される９０°位相が異なるＡ、Ｂ相正弦波状信号を所定の周波数でサンプリングしてディジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータと、このＡ／Ｄコンバータにより得られたディジタルデータＤＡ、ＤＢに基づいて各サンプル点の位相角データＰＨを求めるルックアップテーブルを記憶したメモリとから構成される。ルックアップテーブルは、逆正接関数（ＡＴＡＮ）を用いた、ＰＨ＝ＡＴＡＮ（ＤＢ／ＤＡ）に基づいて作成される。

エンコーダが出力するＡ、Ｂ相正弦波状信号は、通常完全な正弦波ではなく、これを直交座標で表すと、一般に楕円状のリサージュ波形を描く。Ａ、Ｂ相正弦波状信号電圧の振幅が異なると、リサージュ波形は楕円となり、また各信号電圧のオフセット誤差により、リサージュ波形は原点からずれた円又は楕円の波形となる。また、位相誤差が存在すると、楕円の長軸及び短軸が座標軸と平行でなくなる。内挿回路はＡ、Ｂ相正弦波状信号を正弦波と仮定して作られているため、理想的な正弦波からのズレは内挿精度に悪影響を与える。このため、Ａ、Ｂ相正弦波状信号におけるオフセット誤差、振幅誤差、及び位相誤差を補正するための装置が、例えば特許文献１により提案されている。

この特許文献１に記載の装置においては、リサージュ波形をプロットしたＸＹ座標のＸ＝０、Ｙ＝０、Ｙ＝Ｘ、Ｙ＝−Ｘの各直線とリサージュ波形との８つの交点に基づき補正値が算出される。しかし、このような補正値の算出方法では、検出ヘッドの送り速度が大きい場合、サンプリング位置がデータ取得位置に一致せず、データを取逃すことが多く、データが取得できなければ補正値を更新することができない。すなわち、特許文献１の方法では、補正値の更新の機会は少なく、動的補正を効率よく実行できない。また、特許文献１の方法により求められる補正値は、ノイズやスケール上の欠陥などに起因する信号の変動に対して大きく変化する。

特開２００６−１１２８６２

本発明は、エンコーダから出力される２相正弦波の補正値を効率よく且つ信号変動に対する変化を抑えて取得可能なエンコーダ出力信号補正装置を提供することを目的とする。

本発明に係るエンコーダ出力信号補正装置は、エンコーダから出力される位相のずれた２相正弦波状信号を補正する。エンコーダ出力信号補正装置は、検出手段、及び補正手段を有する。検出手段は、２相正弦波状信号によって形成されるリサージュ波形に含まれるオフセット誤差、振幅誤差、及び２相正弦波信号の位相誤差の補正値を検出する。補正手段は、検出手段で検出されたオフセット誤差、振幅誤差、及び位相誤差の補正値で２相正弦波状信号を補正する。検出手段は、補正手段で補正した後の２相正弦波状信号によって形成されるリサージュ波形の位相角をＮ（Ｎは８以上の整数）等分する。更に、検出手段は、位相角毎のリサージュ波形の半径によって表される正弦波状の変化を求め、この変化の振幅及び位相からリサージュ波形に含まれるオフセット誤差の補正値の変化分、振幅誤差の補正値の変化分、及び位相誤差の補正値の変化分を検出する。そして、検出手段は、検出されたそれらの補正値の変化分を累積演算して新たな補正値とすることで、動的に補正値を更新する。

本発明によれば、エンコーダから出力される２相正弦波の補正値を効率よく且つ信号の変動に対する変化を抑えて検出可能なエンコーダ出力信号補正装置を提供できる。

この発明の実施の形態に係るエンコーダ出力信号補正装置１０の基本構成を示すブロック図である。同補正装置１０の処理を示すフローチャートである。観測されるリサージュ波形の一例を示す図である。図２のオフセット補正、振幅補正及び位相補正の詳細を示すフローチャートである。リサージュ波形、及び位相角θと径Ｒの変化を示す図である。リサージュ波形、及び位相角θと径Ｒの変化を示す図である。リサージュ波形、及び位相角θと径Ｒの変化を示す図である。リサージュ波形、及び位相角θと径Ｒの変化を示す図である。リサージュ波形、及び位相角θと径Ｒの変化を示す図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係るエンコーダ出力信号補正装置１０の基本構成を示すブロック図である。エンコーダ出力信号補正装置１０は、Ａ／Ｄコンバータ２０、２１、オフセット・振幅・位相補正部３０、オフセット・振幅・位相検出部３１、及びＲ−θ変換部４０を備え、これによりエンコーダ５０の出力信号Ａ０、Ｂ０を補正するものである。

エンコーダ５０はその検出原理は問わないが、例えば光電式或いは磁気式である。エンコーダ５０から出力されるＡ相正弦波状信号、Ｂ相正弦波状信号Ａ０、Ｂ０は、通常、オフセット誤差、振幅誤差、位相誤差等を含んでいる。

信号Ａ０、Ｂ０は、それぞれＡ／Ｄコンバータ２０、２１により、所定の周波数でサンプリングされてディジタル信号Ａ１、Ｂ１に変換され、オフセット・振幅・位相補正部３０に入力される。オフセット・振幅・位相補正部３０は、オフセット・振幅・位相検出部３１により演算された補正値に基づいて、ディジタル信号Ａ１、Ｂ１のオフセット、振幅及び位相を補正して出力信号Ａ４、Ｂ４を出力する。

出力信号Ａ４、Ｂ４は、振幅、位相、及びオフセットが補正された正弦波状の出力信号である。Ｒ−θ変換部４０は、出力信号Ａ４、Ｂ４から適宜、補間処理を行ってリサージュ波形を生成し、このリサージュ波形の位相角θごとの半径Ｒを演算する。オフセット・振幅・位相検出部３１は、Ｒ−θ変換部４０から出力される位相角θごとの半径Ｒを内部のＲ−θレジスタ３１ａに保管し、このＲ−θレジスタ３１ａに基づいてオフセット・振幅・位相補正部３０における補正値を演算する。

次に、エンコーダ出力信号補正装置１０を用いた補正処理の詳細について図２を参照して説明する。図２は、補正処理を示すフローチャートである。

エンコーダ５０から出力されるＡ相正弦波状信号、Ｂ相正弦波状信号Ａ０、Ｂ０は、まずＡＤ変換され（Ｓ１１）、ディジタルのＡ相正弦波状信号、Ｂ相正弦波状信号Ａ１、Ｂ１となる。この信号Ａ１，Ｂ１は、下記数１のように表すことができる。

ここで、ａ_０，ｂ_０はＡ相及びＢ相のオフセット誤差、ａ_１，ｂ_１はＡ相及びＢ相の振幅誤差、φ_１はＡ相に対するＢ相の位相誤差、ｕ＝２πｘ／λ、ｘは変位、λは信号ピッチをそれぞれ示している。これらの誤差のうちオフセット誤差、振幅誤差及び位相誤差は、オフセット・振幅・位相補正部３０及びオフセット・振幅・位相検出部３１により実行されるオフセット補正処理ステップ（Ｓ１２）、振幅補正処理ステップ（Ｓ１３）及び位相補正処理ステップ（Ｓ１４）で順次除去される。最後に、誤差が除去された２相正弦波状信号Ａ４，Ｂ４を用いてＲ−θ変換部４０で位相角θが求められる。

この実施形態では、上述した各補正処理ステップ（Ｓ１２〜Ｓ１４）において、それぞれ漸化式を用いた動的補正を行う。

次に、図３及び図４を参照して、補正処理ステップを詳細に説明する。図３は補正処理ステップに用いられるリサージュ波形を示し、図４は補正処理ステップ（Ｓ１２〜Ｓ１４）のフローチャート図を示す。まず、図３に示すように、Ａ相及びＢ相の正弦波状信号Ａ４，Ｂ４から補間処理を行って一周分のリサージュ波形が得られる。そして、リサージュ波形の位相角をＮ等分するように、リサージュ波形上の点を２π／Ｎ毎にサンプル点Ｐｉ（ｉ＝０〜Ｎ−１）として取得する。リサージュ波形をＮ等分しているので、サンプル点ＰｉはＡ／Ｄコンバータ２０、２１のサンプル点と一致する必要はない。なお、Ｎは８以上の整数であることが望ましい。Ｎが大きいほど演算時間は増えるが、補正値演算精度は向上する。図３では、Ｎ＝３２の例を示す。

そして、図４に示すように、それらサンプル点Ｐｉから、Ｘ軸及びＹ軸方向のオフセット誤差の補正値の変化分Δｄａ１，Δｄｂ１が次のように求められる（Ｓ１１１）。なお、以下の式において、それぞれのサンプル点Ｐｉにおける位相角を２πθｉ／Ｎ (ｉ＝０〜Ｎ−１，θｉ＝−０．５〜０．５)とし、それぞれのサンプル点Ｐｉにおける原点からの径をＲｉ (ｉ＝０〜Ｎ−１)とし、重み係数をｗｄとする。

ここで求められたΔｄａ１，Δｄｂ１は、オフセット誤差ａ０，ｂ０に近いが、振幅誤差及び位相誤差があるため、完全には一致していない。そこで、フィードバック処理を数回繰り返すことにより、この誤差を徐々に収束させていく。すなわち、補正値ｄａ１，ｄｂ１を累積加算値として、以下のように求める（Ｓ１１２）。

そして、以下の式により信号Ａ１，Ｂ１からオフセット誤差を除去するための補正処理が実行される（Ｓ１１３）。

上記と同様に、リサージュ波形上のサンプル点ＰｉからＸ軸方向の振幅に対するＹ軸方向の振幅誤差の補正値の変化分Δｋａｂが次の式のように求められる（Ｓ１２１）。なお、以下の式において、それぞれのサンプル点Ｐｉにおける位相角を２πθｉ／Ｎ (ｉ＝０〜Ｎ−１，θｉ＝−０．５〜０．５)とし、それぞれのサンプル点における原点からの径をＲｉ (ｉ＝０〜Ｎ−１)とし、重み係数をｗｋとする。

この場合にも、フィードバック処理を数回繰り返すことにより、誤差を徐々に収束させていく。すなわち、補正値ｋｂ１を累積積算値として、以下の式のように求める（Ｓ１２２）。なお、補正値ｋａ１はｋａ１＝１に固定する。

そして、以下の数式により信号Ａ２，Ｂ２から振幅誤差を除去するための補正処理が実行される（Ｓ１２３）。

上記と同様に、リサージュ波形上のサンプル点ＰｉからＡ相及びＢ相の位相誤差の補正値の変化分Δｋｐ１が次の式のように求められる（Ｓ１３１）。なお、以下の式において、それぞれのサンプル点Ｐｉにおける位相角を２πθｉ／Ｎ (ｉ＝０〜Ｎ−１，θｉ＝−０．５〜０．５)とし、それぞれのサンプル点における原点からの径をＲｉ (ｉ＝０〜Ｎ−１)とし、重み係数をｗｋｐ１とする。

この場合にも、フィードバック処理を数回繰り返すことにより、誤差を徐々に収束させていく。すなわち、補正値ｋｐ１を累積乗算値として、以下の式のように求める（Ｓ１３２）。

そして、次の式により信号Ａ３，Ｂ３から位相誤差を除去するための補正処理が実行される（Ｓ１３３）。

以上、本実施の形態は、Ａ／Ｄコンバータ２０、２１のサンプル点ではなく、リサージュ波形の位相角をＮ等分（Ｎは８以上の整数）して検出されたサンプル点Ｐｉに基づき２相正弦波状信号を補正可能である。したがって、本実施の形態によれば、従来よりも補正値の検出・更新機会が増え、補正値を効率よく取得できる。特に、サンプリング速度が小さい場合、検出ヘッドの送り速度が大きい場合、信号ピッチ周期が小さい場合に本実施の形態は有効である。また、本実施の形態によれば、全サンプル点Ｐｉを用いて正弦波関数及び余弦波関数の加算演算によって補正値を求めているので、スケール上の目盛りの不均一性や、スケールの取り付けアライメントの不均一性、及びスケールの部分的な汚染に対するロバスト性を向上させることができる。また、本実施の形態によれば、ノイズなどに起因する短時間（短距離）の信号変動に対するロバスト性を向上させることができる。

次に、図５〜図９を参照して、オフセット誤差の補正値の算出で用いた（数２）の式、振幅誤差の補正値の算出で用いた（数５）の式、及び位相誤差の補正値の算出で用いた（数８）の式について説明する。図５〜図９はリサージュ波形、及び位相角θと径Ｒの変化を示す図である。

図５に示すように、リサージュ波形が理想的な真円状であると共にその中心が原点に重なる場合、位相角θの変化に対して径Ｒは一定となる。これに対して、図６に示すように、リサージュ波形がＸ軸方向のオフセット誤差を含む場合、径Ｒは位相角θに対して余弦波状に変化する。すなわち、この変化は以下の近似比例式で示される。

したがって、Ｒとcos2πθとの相関係数に基づき適切な重み係数を乗ずれば、（数２）のΔｄａ１の式が求められる。

また、図７に示すように、リサージュ波形がＹ軸方向のオフセット誤差を含む場合、径Ｒは位相角θに対して正弦波状に変化する。すなわち、この変化は以下の近似比例式で示される。

したがって、Ｒとsin2πθとの相関係数に基づき適切な重み係数を乗ずれば、（数２）のΔｄｂ１の式が求められる。

図８に示すように、リサージュ波形が振幅誤差を含む場合、径Ｒは位相角θに対して余弦波状に変化する。すなわち、この変化は以下の近似比例式で示される。

したがって、Ｒとcos4πθとの相関係数に基づき適切な重み係数を乗ずれば、（数５）の式が求められる。

図９に示すように、リサージュ波形が位相誤差を含む場合、径Ｒは位相角θに対して正弦波状に変化する。すなわち、この変化は以下の近似比例式で示される。

したがって、Ｒとsin4πθとの相関係数に基づき適切な重み係数を乗ずれば、（数８）の式が求められる。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記の実施の形態では、振幅や位相等の補正をディジタル回路により実行したが、ＤＳＰやソフトウエア等により同様の処理を行ってもよい。

１０…エンコーダ出力信号補正装置、２０、２１Ａ…Ａ／Ｄコンバータ、３０…オフセット・振幅・位相補正部、３１…オフセット・振幅・位相検出部、４０…Ｒ−θ変換部、５０…エンコーダ。

Claims

エンコーダから出力される位相のずれた２相正弦波状信号を補正するエンコーダ出力信号補正装置において、
前記２相正弦波状信号によって形成されるリサージュ波形に含まれるオフセット誤差、振幅誤差、及び２相正弦波信号の位相誤差の補正値を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された前記オフセット誤差、前記振幅誤差、及び前記位相誤差の補正値で前記２相正弦波状信号を補正する補正手段とを備え、
前記検出手段は、前記補正手段で補正した後の２相正弦波状信号によって形成されるリサージュ波形の位相角をＮ（Ｎは８以上の整数）等分し、位相角毎の前記リサージュ波形の半径によって表される正弦波状の変化を求め、この変化の振幅及び位相から前記リサージュ波形に含まれる前記オフセット誤差の補正値の変化分、前記振幅誤差の補正値の変化分、及び前記位相誤差の補正値の変化分を検出し、検出されたそれらの補正値の変化分を累積演算して新たな補正値とすることで、動的に前記補正値を更新する
ことを特徴とするエンコーダ出力信号補正装置。
前記検出手段は、位相角毎の前記リサージュ波形の半径によって表される正弦波関数又は余弦波関数の前記リサージュ波形１周分の加算演算によって前記リサージュ波形に含まれる前記オフセット誤差の補正値の変化分、前記振幅誤差の補正値の変化分、及び前記位相誤差の補正値の変化分を検出する
ことを特徴とする請求項１記載のエンコーダ出力信号補正装置。
リサージュ波形における位相角を２πθｉ／Ｎ (ｉ＝０〜Ｎ−１，θｉ＝−０．５〜０．５)とし、それぞれの前記位相角における前記リサージュ波形の半径をＲｉ (ｉ＝０〜Ｎ−１)とし、重み係数をｗｄとすると、
前記検出手段は、前記リサージュ波形が描かれるＸ軸、Ｙ軸に対するオフセット誤差の補正値の変化分Δda1、Δdb1をそれぞれ次の数式を用いて算出する

ことを特徴とする請求項２記載のエンコーダ出力信号補正装置。
リサージュ波形における位相角を２πθｉ／Ｎ (ｉ＝０〜Ｎ−１，θｉ＝−０．５〜０．５)とし、それぞれの前記位相角における前記リサージュ波形の半径をＲｉ (ｉ＝０〜Ｎ−１)とし、重み係数をｗｋとすると、
前記検出手段は、一方の正弦波状信号に対する他方の正弦波状信号の前記振幅誤差の補正値の変化分Δkabを次の数式を用いて算出する

ことを特徴とする請求項２又は請求項３記載のエンコーダ出力信号補正装置。
リサージュ波形における位相角を２πθｉ／Ｎ (ｉ＝０〜Ｎ−１，θｉ＝−０．５〜０．５)とし、それぞれの前記位相角における前記リサージュ波形の半径をＲｉ (ｉ＝０〜Ｎ−１)とし、重み係数をｗｋｐ１とすると、
前記検出手段は、前記位相誤差の補正値の変化分Δkp1を次の数式を用いて算出する

ことを特徴とする請求項２乃至請求項４記載のエンコーダ出力信号補正装置。