JP3524225B2 - 二つの周期信号の位相誤差補正方法および位相誤差補正装置 - Google Patents
二つの周期信号の位相誤差補正方法および位相誤差補正装置Info
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Description
うに位置または角度の移動に応じて位相差のある二つの
周期信号を生じる信号発生装置において、位相差を望ま
しい値に補正する位相誤差補正装置に関するものであ
る。
正はアナログ的に行われている。この補正は、例えば、
二つの周期信号のリサージュ波形が真円となるように調
整することで位相差が調節される。
である。
応じて二つの周期信号を発生する信号発生手段、702
は信号発生手段701にて発生した二つの周期信号を位
相差が調節された電気信号に変換するための電気回路、
702aは電気回路702上で抵抗値を調整して位相差
を補正するためのボリューム、703a,703bは電
気信号に変換された二つの周期信号、720は二つの周
期信号703a,703bのそれぞれを縦軸と横軸に取
った波形(以下リサージュ)を表示すための測定器、7
21は測定器720により表示されたリサージュであ
る。
するエンコーダの信号補正は、出荷時にエンコーダの信
号を電気信号に変換する電気回路702上で抵抗値を調
整することで行ってきた。
ュームによって補正する。通常は同一振幅、オフセット
ゼロとしてから位相を調整する。以下に位相を補正する
方法について説明する。
0度を正規の値としているので、二つの周期信号のそれ
ぞれを縦軸および横軸として表示すると、円を描くこと
がわかっている。
周期信号は、電気回路702によって振幅とオフセット
が補正されて信号703a,703bとして取り出され
る。各信号703a,703bは測定器720に入力さ
れ、リサージュ721が描かれる。信号703a,70
3bとリサージュ721の関係を図8に示す。
03a,703bとリサージュ721の関係である。右
上と左下に延びた形になっている。図8(b)は位相誤
差が−5度の時のリサージュで図8(a)とは逆の関係
となっている。
リサージュ721を観測しながら、ボリューム702a
を調整して、リサージュ721が図8(c)に示すよう
に真円になるようにする。このとき、二つの周期信号の
位相差は90度になり、正しく調整されたことになる。
従来はこのようにして位相の補正がなされていた。
により角度検出を行う信号処理装置としては図9および
図10に示すものがある。
「エンコーダ」という)で使用されている信号処理回路
の一例の構成を示すブロック図である。
る。同図において、90A、90Bは周波数増倍器であ
り、夫々入力信号A,Bの周波数を2倍にして出力す
る。92は位相検出器であり、周波数増倍器90A,9
0Bにより増倍された2つの正弦波信号A,Bを取り込
んで両者から位置または角度に官する情報である位相を
検出する。93は積算器であり、位相検出器92からの
位相信号を積算して累積角θを出力する。
から出力される2つの入力信号AおよびBはエンコーダ
の回転角に応じて互いに90゜の位相差の付いた正弦波
信号である。これらの入力信号A,Bはエンコーダの回
転軸が1回転するとp0個の正弦波パルスを出力する。
この入力信号AおよびBは周波数増倍器90A,90Bに
より2倍の周波数(回転軸の1回転当たり2p0)を持
つ信号に変換され、位相検出器92に出力される。
号の位相を所定の精度、例えば1/40周期の精度で検
出し、ディジタル信号化して次段の積算器93に出力す
る。積算器93は入力したディジタル信号をパルス数と
して累積カウントして、その積算カウント数nから次式
によって累積の回転角度θを求め、出力している。
の出力パルス数はエンコーダが出力する信号の80倍、
即ち、80・p0となる。
くなる等の問題点があり、別の方法が考案されている。
図10は上記の方法を採用した信号処理回路のブロック
図である。図中、91A、91Bは、A/D変換器であ
り、アナログ信号A,Bをディジタル信号AD,BDに変
換する。97はDSP、マイクロコンピュータなどの演
算装置(CPU)である。
る2つの入力信号AおよびBは、A/D変換器91A,
91Bによりディジタル信号ADおよびBDに変換され、
CPU97に入力される。そして演算装置(CPU)9
7はディジタル信号ADおよびBDを用いて次式により入
力信号A,Bの1周期内の位相δを求め出力する。
力され、m倍の周波数に増倍された出力は位相検出器9
2に入力される。位相検出器92は入力信号の位相を1
/t周期の精度で検出してディジタル信号化し、積算器
93へ出力する。積算器93は人力ディジタル信号をカ
ウントし、累積カウント数nを得て、 p=n/(m・t) 但しpは整数 により入力信号A,Bの累積パルス数pを出力し、1周
期内の位相δと加算して累積回転角度θを次式の演算よ
り求めて、出力する。
入力信号の位相δを検出することが可能となるが、エン
コーダからの入力信号をA/D変換したディジタル信号
AD,BDから演算により位相δを求めているため、その
計算精度はA/D変換器91A,91Bの精度により決定
される。従ってA/D変換器ヘの入力信号AAおよびBA
は、その信号のピークが揃っており、しかもそれがA/
D変換器のレンジの中でできるだけ大きなものであるこ
とが精度的に望ましい。
される入力信号A,Bの振幅は、エンコーダのスリット
板の回転精度等の影響を受けて変動しているため、A/
D変換の際には入力信号のピーク値が或る値に収まるよ
うにレベルを調整しなければならない。このため、入力
信号に振幅変動が有る場合は、入力信号の或る部分では
A/D変換器への入力ピーク値が小さくなりA/D変換
精度が落ち、全体として位相の検出精度を劣化させてし
まうことがある。
て、物体の変位に応じて出力される、所定の位相差を持
つ2つの正弦波状の入力信号を利用して該物体の変位量
を検出する変位量検出装置において、該入力信号の増幅
ゲインを任意に設定できる増幅手段と、増幅された該入
力信号をディジタル信号に変換するA/D変換手段と、
ディジタル信号に変換された2つの該入力信号から、所
定の関係式によって該入力信号の位相を算出する演算手
段と、該物体の所定の変位範囲にわたって該入力信号を
記憶する波形記憶手段と、該増幅手段の増幅ゲインを設
定するゲイン設定手段とを設け、変位量の検出時に該入
力信号をディジタル信号に変換する際、該所定の変位範
囲を複数の部分に分割し、各分割した部分においてその
最大入力ピーク信号をディジタル信号に変換したときの
ピークレベルを揃えるように該増幅手段の増幅ゲインを
調整する調整手段を設けた変位量検出装置が提案されて
いる。
補正方法では、人間がリサージュ図形を目で見て調整し
ているため、個人差が出ることは避けられない。また、
熟練した作業者が行ったとしても±1度程度の誤差がど
うしても残り、それ以下に調整することは非常に困難で
あった。図9および図10を用いて説明した変位量検出
装置においても、増幅手段のゲイン調整が自動化されて
いるだけで、信号発生装置の出力自体を補正するもので
はなかった。
ための測定器が必要であり、時間の経過等により再補正
が必要となったときにはエンコーダを使用中の状態から
専用の治具に設置し直すなどの手間がかかり、使い勝手
の良いものではなかった。
相補正の手順を自動化する。
グデジタル変換でデジタル化して、デジタル信号処理手
段で自動化した処理手順を実行する。
量であり、これらを電気信号に変換するためにアナログ
電気回路部分はかならず残る。また、デジタル変換に適
用できるレベルに振幅の大きさを揃えるためにもアナロ
グ電気回路は必要である。
路に含まれる調整機能を否定するものではなく、従来の
方法で調整しきれない精度を補うものとして、また、従
来の方法ではどうしても入ってしまう個人差を吸収する
ことを目的として本発明の補正があるわけである。
めの本発明の二つの周期信号の位相誤差補正方法は、位
相差を有する周期が等しい二つの信号が交差する第1の
交点の振幅を検出し、該検出した交点の振幅と各信号が
望ましい位相差であるときの第2の交点の振幅との差を
求め、前記第1の交点および第2の交点間の振幅の差か
ら各信号が望ましい状態にあるときの位相からのずれ量
である位相誤差を求め、前記位相誤差から各信号の位相
差を望ましい位相差に補正するための係数である補正係
数を求め、前記周期の等しい二つの信号を前記補正係数
を用いて位相補正することを特徴とする。
つの周期信号の差の絶対値が予め定められた範囲より小
さなところで行うこととしてもよい。
周期信号の差の絶対値が最小となるところで行うことと
してもよい。
点および第2の交点の振幅の差から位相誤差を求めるこ
とを、各信号の位相差が望ましい状態にあるときの交点
付近で周期信号を線形化し、代数計算で求めることによ
り行うこととしてもよい。
ることを、各信号の位相差が望ましい状態にあるときの
交点付近における逆三角関数のテーブルを参照すること
により行うこととしてもよい。
めることを、逆三角関数の計算によって求めることとし
てもよい。
似計算により求め、前記近似計算は、漸化式の反復計算
を有限回繰り返すこととしてもよい。
の関係のテーブルを参照して求めることとしてもよい。
角関数の計算によって求めることとしてもよい。
数とを用いた位相補正の計算は代数計算で求めることと
してもよい。
置は、位相差を有する周期が等しい二つの信号のそれぞ
れをデジタル化するためのアナログデジタル変換手段
と、前記周期の等しい二つの信号を位相補正するデジタ
ル信号処理手段とを有し、前記デジタル信号処理手段
は、上記のいずれかに記載の方法により位相の補正を行
うことを特徴とする。
は、従来のように目視を用いることなく数値計算によっ
てのみ位相の補正が行われるので、装置化が容易とな
り、装置の調整時における個人差による精度のバラつき
が少なくなる。
して説明する。
周期信号の位相差を望ましい値に補正する装置として、
デジタル変換してデジタル信号処理手段により処理する
構成や振幅を補正する方法は上述したようにすでに提案
されているので、ここでは二つの周期信号の振幅が等し
いことを前提として位相差の補正について説明する。
下に本実施例で用いられる近似計算の方法を含めて説明
する。
て二つの周期信号を発生する信号発生器、2は信号発生
器1の信号を電気信号に変換する電気回路、12a,1
2bは電気回路2の出力信号の振幅を等しく保つための
可変増幅器であり、増幅率可変に構成されている。4
a,4bはA/D変換器(アナログデジタル変換手
段)、3a,3bは電気信号に変換され、デジタル信号
に変換された第2および第1の周期信号、5はデジタル
信号処理手段であり、可変増幅器12a,12bの増幅
率を決定している。
大値と最小値から適切な増幅率となるように各可変増幅
器12a,12b増幅率を決定し、これにより二つの周
期信号の振幅は等しく保たれている。
係を説明する図である、上述したように可変増幅器12
で調整されることから各周期信号の振幅は等しくなって
いる。
期信号3bは、二つの周期信号のうちの基準となるもの
であり、3a−1は位相誤差のないときの第2の周期信
号で第1の周期信号3bとの位相差は90度である。3
a−2は位相誤差がδのときの第2の周期信号、6は位
相誤差がないときの交点で、正規化した場合、すなわち
最大振幅の値を1.0とすると45度における正弦ある
いは余弦の値となる(この値をDEG45とする)。7
は位相誤差δがあるときの交点でこの振幅をCROSS
ABとする。
すフローチャートである。CROSSABを求める第1
の方法について図3を参照して説明する。なお、これら
の処理は一定のサンプリング周期毎にアナログデジタル
変換手段でデジタル信号に変換された値を元にデジタル
信号処理手段5によって実施される。
リング毎に周期信号3のデジタル変換値を得る(ステッ
プS1)。次に、二つの周期信号の値の差の絶対値と予
め定められたしきい値ERRとの差を比較する(ステッ
プS2)。差の絶対値がしきい値ERRより大きなとき
には交点でないとして何も行わなずに終了判定を行う
(ステップS4)。差の絶対値がしきい値ERRより小
さなときにはAまたはBの値の絶対値を交点の値CRO
SSABとし(ステップS3)、終了判定を行う(ステ
ップS4)。以上の操作を交点検出モードを抜けるまで
繰り返し、交点検出モードを抜けたときのCROSSA
Bの値を交点の値とする。
行わない。すなわち、位相誤差0に設定される。
を示すフローチャートである。CROSSABを求める
第2の方法について図4を参照して説明する。
に十分大きな値を設定し(ステップS5)、各サンプリ
ング毎に周期信号のデジタル変換値を得る(ステップS
6)。次に、二つの周期信号の値の差の絶対値とステッ
プS5にて設定したERRMINとを比較する(ステッ
プS7)。差の絶対値がERRMINよりも大きなとき
には交点でないとして何も行わずに終了判定を行う(ス
テップS9)。差の絶対値がERRMINより小さなと
きには、この時の差の絶対値を新しいERRMINの値
とし、AまたはBの値をCROSSABとして(ステッ
プS8)、終了判定を行う(ステップS9)。以上の操
作を交点検出モードを抜けるまで繰り返し、交点検出モ
ードを抜けたときのCROSSABの値を交点の値とす
る。
を求める方法を説明する。
位相誤差δを求める方法を説明する図である。
度における微分係数で直線近似したときの直線をそれぞ
れ9a,9b,10aとする。交点7の値をCROSS
ABとすると直線9a,9b,10aが囲む三角形の底
辺の長さの半分は、 δ/2=(CROSSAB−DBG45)÷DBG45・・・(1) で求めることができる。
の交点を通る線を10bとすると横軸11,直線10
b,直線9bの囲む三角形と直線9a,9b,10aの
囲む三角形は同じものであるから、底辺の長さ、すなわ
ち位相誤差δは式(1)で求めた値を2倍することによ
り求めることができる。
から位相誤差のない周期信号3a−1を求める方法を説
明する。3bをA=cosθ、3a−1をB=sin
θ、3a−2をB’=sin(θ+δ)とする。
測定値B’を位相誤差のないBにすることである。三角
関数の公式からB’は次式のように分解できる。
inδとcosδとを使って次式から求めることができ
る。
の値を求めなければならない。
を求める方法について説明する。
等しいという性質を利用して、sinδをδで近似す
る。
係から、sinδ≒δを代入して、 cosδ=(1−δ2)1/2・・・(4) の計算で求めることができる。平方根の計算はデジタル
信号処理の中の関数でやるか、またはα=1−δ2とお
いて、x2−α=0の解Xをニュートン法の近似計算を
繰り返すことにより求める。繰り返し回数は収束を判定
して打ち切る方法が一般的であるが、平方根の値を求め
るように解の存在と収束性がわかっていて、かつ、サン
プリング周期中に計算を終了したいときはあらかじめ反
復計算の回数を決めておき、その回数だけ計算したら近
似計算を終了させることもできる。
δの近似値を(3)式のsinδとcosδに代入して
位相を補正する。補正係数であるsinδとcosδの
近似値は、補正誤差δを求めた後は一定値であるのでサ
ンプリング中に十分計算することができる。
モリや不揮発性のメモリなどに記憶(保存)しておけば
電源をオフにしても値を失うことなく、電源オンの時に
前回の補正係数で補正することができる。なお、補正は
エンコーダを交換したときや、経時変化が起きたときな
ど必要なときだけでよい。
の方法については実施例1と同じであり、位相誤差δの
求め方のみが実施例1と異なるため、以下には位相誤差
δの求め方について図2を参照して説明する。
交わり、このときの位相はπ/4ラジアンである。位相
誤差δのときの交点の位相をθcとする。
逆三角関数が必要である。このため、デジタル信号処理
手段5(図1参照)には図6(a)に示すような45度
前後の余弦の逆三角関数を示す第1のテーブル格納して
おく。図6(a)に示す第1のテーブルは45度を中心
に±5度の範囲をカバーしている場合を示す。交点CR
OSSABの値を指標にしてテーブル1を参照すると、
交点の位相θcを求めることができる。位相誤差δは以
下の式から求められる。
明する。
の正弦と余弦の関係を示す第2のテーブル,第3のテー
ブルであり、デジタル信号処理手段5に格納されてい
る。図では±5度までの範囲をカバーしている場合を示
している。位相誤差δを指標としてテーブルからsin
δとcosδの値を求めることができる。
うと、0度に対するsinとcosの対称性(sinは
絶対値が等しく符号が異なる、cosはδの符号にかか
わらず同じ値である)を利用してテーブルの容量を半分
にすることもできる。
(3)式に代入して位相を補正する。補正係数の保存に
ついても実施例1と同様にできる。
三角関数計算を直接できない場合について説明したが、
三角関数および逆三角関数を計算できる場合にはもっと
単純にできる。その場合について説明する。
三角関数が計算できれば、交点の位相を、 θc=cos-1(CROSSAB)・・・(6) と計算でき、この値と45度(π/4)との差が求める
位相差の半分に相当するので、式(5)に代入して位相
誤差δを求めることができる。補正計数もsinδとc
osδが計算できるので求めることができる。
を(3)式に適用すれば、位相を補正することができ
る。補正係数の保存についても実施例1と同様にでき
る。
者を近似計算で求める方法について説明し、実施例2で
は両者をテーブル参照で求める方法について説明し、実
施例3では両者を関数で求める方法について説明した
が、位相誤差検出をテーブル参照で行い、補正係数を近
似計算で求めたり、任意に組み合わせて実現することも
もちろん可能である。
のある位相の時の他方の信号の振幅値から位相誤差δを
求める際に、二つの周期信号の交点から位相誤差δを求
める場合について示したが、本実施例では一方の周期信
号を基準としてある位相における他方の振幅から位相誤
差δを求める方法について説明する。
る。第1の周期信号3bを基準信号とする。例として基
準信号である第1の周期信号3bの振幅が1になるとき
の第2の周期信号3aの振幅を測定する方法について述
べる。位相誤差が0のときの第2の周期信号3aの値は
3a−1に示す様に0である。3a−2に示す様に、位
相誤差があるときには振幅の値は13に示す点になる
(この時の振幅をCROSSZとする)。このCROS
SZから位相誤差δを求める方法は実施例1から実施例
3で説明したように3通りの手段がある。
δの時のCROSSZの値はsinδであるから、実施
例1の補正係数の導出で説明した場合とは逆の近似でs
inδの値をδの近似値とする。すなわち、CROSS
Zの値を位相誤差δの近似値とする。
ーブルで持っていて、CROSSZを指標としでテーブ
ルを参照してδの値を求める。テーブルは図6(a)の
テーブル1と同様のもので、テーブル1が45度を中心
とするのに対し、0度を中心とする。図6(d)に±5
度の範囲の第4のテーブルを示す。
誤差δを求める。
めれば、実施例1から3に述べた方法で補正係数を導出
し、位相補正の計算を実行することができる。補正係数
の保存についても実施例1と同様にできる。
いるので、以下に記載するような効果を奏する。
によってのみ行われるので、装置化が容易となり、出来
上がった装置の精度を調整した個人差による精度のバラ
つきが少ないものとすることができる効果がある。
きる。
ることができるので、使用状態から取り外したり測定器
を取付けることなく、実際に使用している状態のまま補
正することが可能。
を入れる度に補正しなければならないという手間が省け
る。
る図である。
示す図である。
を示す図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 位相差を有する周期が等しい二つの信号
が交差する第1の交点の振幅を検出し、該検出した交点
の振幅と各信号が望ましい位相差であるときの第2の交
点の振幅との差を求め、前記第1の交点および第2の交
点間の振幅の差から各信号が望ましい状態にあるときの
位相からのずれ量である位相誤差を求め、前記位相誤差
から各信号の位相差を望ましい位相差に補正するための
係数である補正係数を求め、前記周期の等しい二つの信
号を前記補正係数を用いて位相補正することを特徴とす
る二つの周期信号の位相誤差補正方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の二つの周期信号の位相誤
差補正方法において、第1の交点の振幅の検出は、二つ
の周期信号の差の絶対値が予め定められた範囲より小さ
なところで行うことを特徴とする二つの周期信号の位相
誤差補正方法。 - 【請求項3】 請求項1記載の二つの周期信号の位相誤
差補正方法において、第1の交点の振幅の検出は、二つ
の周期信号の差の絶対値が最小となるところで行うこと
を特徴とする二つの周期信号の位相誤差補正方法。 - 【請求項4】 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載
の二つの周期信号の位相誤差補正方法において、第1の
交点および第2の交点の振幅の差から位相誤差を求める
ことを、各信号の位相差が望ましい状態にあるときの交
点付近で周期信号を線形化し、代数計算で求めることに
より行うことを特徴とする二つの周期信号の位相誤差補
正方法。 - 【請求項5】 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載
の二つの周期信号の位相誤差補正方法において、交点の
振幅の差から位相誤差を求めることを、各信号の位相差
が望ましい状態にあるときの交点付近における逆三角関
数のテーブルを参照することにより行うことを特徴とす
る二つの周期信号の位相誤差補正方法。 - 【請求項6】 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載
の二つの周期信号の位相誤差補正方法において、交点の
振幅の差から位相誤差を求めることを、逆三角関数の計
算によって求めることを特徴とする二つの周期信号の位
相誤差補正方法。 - 【請求項7】 請求項1乃至請求項6のいずれかに記載
の二つの周期信号の位相誤差補正方法において、位相誤
差の検出、補正係数の導出および位相補正は前記二つの
周期信号の振幅を等しくした後に行うことを特徴とする
二つの周期信号の位相誤差補正方法。 - 【請求項8】 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載
の二つの周期信号の位相誤差補正方法において、補正係
数は、位相誤差に基づいた近似計算により求め、前記近
似計算は、漸化式の反復計算を有限回繰り返すことを特
徴とする二つの周期信号の位相誤差補正方法。 - 【請求項9】 請求項1乃至請求項6のいずれかに記載
の二つの周期信号の位相誤差補正方法において、補正係
数は、位相誤差と補正係数との関係のテーブルを参照し
て求めることを特徴とする二つの周期信号の位相誤差補
正方法。 - 【請求項10】 請求項1乃至請求項6のいずれかに記
載の二つの周期信号の位相誤差補正方法において、補正
係数は、位相誤差に基づいた三角関数の計算によって求
めることを特徴とする二つの周期信号の位相誤差補正方
法。 - 【請求項11】 請求項1乃至請求項10のいずれかに
記載の二つの周期信号の位相誤差補正方法において、前
記二つの周期信号の値と補正係数とを用いた位相補正の
計算は代数計算で求めることを特徴とする二つの周期信
号の位相誤差補正方法。 - 【請求項12】 位相差を有する周期が等しい二つの信
号のそれぞれをデジタル化するためのアナログデジタル
変換手段と、前記周期の等しい二つの信号を位相補正す
るデジタル信号処理手段とを有し、前記デジタル信号処
理手段は、請求項1乃至請求項11のいずれかに記載の
方法により位相の補正を行うことを特徴とする二つの周
期信号の位相誤差補正装置。
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JP19034695A JP3524225B2 (ja) | 1995-07-26 | 1995-07-26 | 二つの周期信号の位相誤差補正方法および位相誤差補正装置 |
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JPH0942995A JPH0942995A (ja) | 1997-02-14 |
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