JP2005215912A - Encoder system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多関節ロボットや電動射出成形機、数値制御工作機械等(以下機械装置という)の被駆動体をサーボモータを用いて駆動制御する際に要求される位置フィードバック信号を生成するエンコーダシステムに係り、特に前記被駆動体を高速・高精度に駆動制御するのに適したエンコーダシステムに関する。 The present invention relates to an encoder system for generating a position feedback signal required when driving a driven body of an articulated robot, an electric injection molding machine, a numerical control machine tool or the like (hereinafter referred to as a mechanical device) using a servo motor. In particular, the present invention relates to an encoder system suitable for driving and controlling the driven body at high speed and with high accuracy.
エンコーダ、例えばロータリー・エンコーダは、デジタル信号をその出力として生成する機能を有しているので機械装置における被駆動体を駆動制御する際に要求される位置フィードバック信号を生成するために多用されている。同エンコーダには、インクリメンタル・タイプのほか分解能が高く得られる調歩同期通信方式を用いるシリアルアブソリュート・エンコーダなどがある。 An encoder, for example, a rotary encoder, has a function of generating a digital signal as an output thereof, so that it is frequently used to generate a position feedback signal required when driving a driven body in a mechanical device. . The encoder includes an incremental type and a serial absolute encoder that uses an asynchronous communication system that provides high resolution.
図3は調歩同期通信を用いるシリアルアブソリュート・エンコーダの構成を示す。機械装置側に配置される前記シリアルアブソリュート・エンコーダ100は、図3に示すようにその回転部に形成したスリットを介してその検出部を構成する複数対の発光素子及び受光素子112により、通常各A,B,Z相の相信号(アナログ信号)を生成し、これらのアナログ信号電圧をA/D変換器113でA/D変換し、このA/D変換された出力であるパルス列をアップダウン・カウンタ114により計数せしめることにより、カウンタの値として前記回転部110の1回転内位置を検出するものである。ここで前記回転部110は機械装置の駆動機構に配設されるサーボモータの駆動軸(図示せず)に結合されている。従って、カウンタ114の値はサーボモータの1回転内の位置に対応する。
FIG. 3 shows the configuration of a serial absolute encoder using asynchronous communication. As shown in FIG. 3, the serial
前記カウンタ114の値は、通信プロトコールのうちハードウェア的な処理を行うLSI(以後、シリアル通信MAC(Media Access Controller)と記す)115によりシリアル信号列に変換され、RS422トランシーバ116を介して伝送路300に与えられる。
一方、制御装置側のセンサ処理部200では、伝送路300にて伝達されたシリアル信号列はRS422トランシーバ118を介してシリアル通信MAC120に与えられて前記カウンタ114の値が再現され、検出位置として位置検出部122に与えられる。さらに、同位置検出部122の出力は速度算出部124に与えられ検出位置の時間微分として速度が算出されるようになっている。速度算出部124の出力は制御装置内で前記サーボモータの駆動制御用の信号処理に用いられる。ここでは一括して処理X126と表示されている。
The value of the counter 114 is converted into a serial signal sequence by an LSI (hereinafter referred to as serial communication MAC (Media Access Controller)) 115 that performs hardware processing in the communication protocol, and is transmitted through the
On the other hand, in the
また、図4に示す調歩同期通信においては、センサ処理部200からエンコーダ100に対しリクエストが発せられると、エンコーダ100から複数の応答フレームが発信されるようになっている。前記リクエスト及び応答フレームの信号は前記シリアル通信MAC115により予め定められた通信規則(プロトコール)に従って形成されるようになっている。前記センサ処理部200からエンコーダ100に対しリクエストを与え、エンコーダから応答データが返送され、次にセンサ処理部200がリクエストを発することが可能となるまでの時間は1サンプリング周期と呼ばれ、これはエンコーダ100自体の応答速度でもある。
1サンプリング周期内に回転部110が半回転以上回転した場合、センサ処理部200では回転部110の回転方向を検出できないので、エンコーダ回転部110の1回転に要する時間は少なくともサンプリング周期の2倍以上必要である。
Further, in the asynchronous communication shown in FIG. 4, when a request is issued from the
When the
しかしながら、前記エンコーダと結合されているサーボモータへの高速回転は、例えばNC工作機械における主軸スピンドルの高速回転化やロボットのアーム速度の高速化などの要求が高分解能化とともに強まっており、前述した調歩同期通信を用いるシリアルアブソリュート・エンコーダの構成ではこのような要求に対応できないという問題がある。 However, the high-speed rotation to the servo motor coupled with the encoder, for example, demands such as high-speed rotation of the spindle spindle and high-speed of the arm speed of the robot in NC machine tools has become stronger along with higher resolution. There is a problem that the configuration of the serial absolute encoder using asynchronous communication cannot cope with such a request.
本願発明者は、上記問題点を解決せんとして、鋭意検討を重ねた結果、図3、図4に示される調歩同期通信を用いるシリアルアブソリュート・エンコーダの構成では、エンコーダ側においてアップダウン・カウンタにより一旦検出位置を生成しながら、制御装置側への伝送のために前記検出位置に関する信号をシリアル信号に変換し、制御装置側でこれを再生するという手順を踏んでおり、さらに予め定めたプロトコールに従ってリクエスト及び応答データの授受をエンコーダ側と制御装置側で行うという方式のため、1サンプリング周期という制約が生じることに着眼し、検出位置をエンコーダ側と制御装置側のセンサ処理部とで2重に生成することを回避することによりプロトコールにも依存せず(プロトコールレス)伝送することで前記問題点が解決できることを突き止めた。
従って、本発明の目的は被駆動体を高速・高精度に駆動制御するのに適したエンコーダシステムを提供することにある。
The inventor of the present application has made extensive studies to solve the above problems, and as a result, in the configuration of the serial absolute encoder using asynchronous communication shown in FIGS. 3 and 4, the encoder side temporarily uses an up / down counter. While the detection position is generated, the signal related to the detection position is converted into a serial signal for transmission to the control device side, and this is reproduced on the control device side. Further, the request is made according to a predetermined protocol. Also, because the method of transmitting and receiving response data on the encoder side and the control device side, paying attention to the restriction of one sampling period, the detection position is generated twice by the sensor processing unit on the encoder side and the control device side. By avoiding the transmission, the protocol is not dependent on the protocol (protocolless). Problems were found that can be resolved.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an encoder system suitable for driving and controlling a driven body at high speed and with high accuracy.
前記目的を達成するため、本発明によるエンコーダシステムは、
被駆動体の駆動手段へ駆動指令を与える制御装置と前記駆動手段の駆動位置を検出し、その検出信号を前記制御装置へフィードバックするエンコーダを含む検出手段とからなり、同検出手段は、
前記駆動手段に結合されている検出部と、
同検出部からの検出信号を変調するデルタシグマ変調部と、
同デルタシグマ変調部の出力を前記制御装置へ伝送するための送信及び受信用ドライバを含む伝送手段と、
前記制御装置側において受信信号のデジタル処理を行い、前記検出信号を前記駆動位置に対応するパルス列に変換するデジタルフィルタを含むセンサ処理部と、
を備えて構成される。
その場合、前記伝送手段はプロトコールレスの伝送路により構成することができる。
また、前記駆動手段はサーボモータにより構成することができる。
In order to achieve the above object, an encoder system according to the present invention comprises:
A control device that gives a drive command to the drive means of the driven body and a detection means that includes an encoder that detects the drive position of the drive means and feeds back the detection signal to the control device.
A detector coupled to the drive means;
A delta-sigma modulation unit that modulates a detection signal from the detection unit;
Transmission means including transmission and reception drivers for transmitting the output of the delta-sigma modulation unit to the control device;
A sensor processing unit including a digital filter that performs digital processing of a reception signal on the control device side and converts the detection signal into a pulse train corresponding to the drive position;
It is configured with.
In that case, the transmission means can be constituted by a protocolless transmission path.
The driving means can be constituted by a servo motor.
本発明によるエンコーダシステムは、低速回転時は高精度で、高速回転時は精度は低下するものの、追従できる限界回転数を従来のものより高められる性質がある。従って、高分解能のエンコーダを従来より高速回転させて使用することが可能となる。 The encoder system according to the present invention has the property that the limit rotational speed that can be followed is higher than the conventional one, although the accuracy is low during low-speed rotation and the accuracy is low during high-speed rotation. Therefore, it becomes possible to use a high-resolution encoder rotated at a higher speed than before.
以下図1、図2により本発明の実施例について詳細に説明する。
図1において、機械装置側に配置されたエンコーダ1の回転部10は図示しない駆動機構に設けられたサーボモータの出力軸に結合されている。
回転部10は円盤状ガラスであって、その表面に回転部10の回転中心を中心とする円の円周上に沿って法線方向に切られたスリットが設けられている。そのスリットにLED(発光素子)の光が当たったときに光がスリットを透過する。そこで、円盤状ガラスを挟んでLEDと受光素子(フォトトランジスタ)を向き合わせておき、LEDの光を当てながら回転部10を回転すると、透過光がスリットを横切る度に起こる光の強弱により受光素子を含む検出部12側で電気信号のSIN波が得られる。このスリットは一周内に何回か透過光の強弱を繰り返すよう形成されている。その繰り返しの回数は、最高回転数で回転しても受光素子が強弱を識別可能な限界として定義される。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to FIGS.
In FIG. 1, a
The rotating
参照符号14は、デルタシグマ変調器であって、1ビットA/Dコンバータ、即ち、デルタシグマ型のA/Dコンバータで構成される。デルタシグマ型のA/Dコンバータの出力は、1ビットの1又は0のビット列であり、通常この出力を高次のデジタルフィルタに入力することにより変換結果を得る。前記デジタルフィルタは公知のものであり、その詳細は省略する。
なお、前記デルタシグマ変調器の詳細な説明については、例えばCQ出版社発刊「トランジスタ技術」2003年12月号の「FPGAによるΔΣ型A−Dコンバータの実験」に説明されている。
A detailed description of the delta-sigma modulator is described, for example, in “Experiment of ΔΣ Type A / D Converter Using FPGA” in the December 2003 issue of “Transistor Technology” published by CQ Publisher.
参照符号16は前記デルタシグマ変調器14の出力を制御装置側のセンサ処理部2へ伝送路3を介して伝送する送信ドライバであり、センサ処理部2の受信レシーバ18で受信される。受信レシーバ18の出力はデジタルフィルタ20に与えられ、さらに同デジタルフィルタ20の出力がパルス列として位置検出部22へ与えられる。位置検出部22はカウンタを含みその計数値は前記回転部10の1回転内の位置即ち、サーボモータの1回転内の駆動位置に対応している。速度検出部24では位置検出部22の出力を差分演算することによりエンコーダ1の回転部10の回転速度を算出する。
処理26は図3の処理Xと同様の処理を遂行する。
The
図2は図1のデルタシグマ変調器14の詳細制御ブロックを示しており、入力されたアナログ電圧を積分器14Aにより積分し、この値を基準電圧と比較して量子化器14Bにより量子化する。その結果得られた2値信号がΔΣ変調信号となる。さらにこのΔΣ変調信号を遅延器14Cにより遅延させたものを前記アナログ入力電圧から差し引くようなフィードバック系を構成することにより、出力のデューティー比が入力信号に比例するような構成となっている。さらに、前記ΔΣ変調信号は高次のデジタルフィルタ20を介してデジタル信号が形成される。
FIG. 2 shows a detailed control block of the delta-
従って、図3、図4に示される従来のエンコーダシステムでは、センサ処理部からのリクエストに対してデータを応答するため、その性能は通信の仕様にも依存するが、図1に示す本発明のエンコーダシステムにおいてはΔΣ変調信号そのものを通信で随時伝送するので、通信仕様には全く依存せず、所謂プロトコールレスのシステムを構成するものであり、エンコーダ側にはカウンタやシリアル通信MACを必要としないので装置を簡素化し、コストを低下させることも可能となる。 Therefore, in the conventional encoder system shown in FIG. 3 and FIG. 4, since the data is responded to the request from the sensor processing unit, its performance depends on the communication specifications, but the performance of the present invention shown in FIG. In the encoder system, the ΔΣ modulation signal itself is transmitted at any time by communication, so it does not depend on the communication specifications at all and constitutes a so-called protocol-less system, and no encoder or serial communication MAC is required on the encoder side. Therefore, the apparatus can be simplified and the cost can be reduced.
1 エンコーダ部
2 センサ処理部
3 伝送路
10 回転部
12 検出部
14 デルタシグマ変調器
14A 積分器
14B 量子化器
14C 遅延器
16 送信ドライバ
18 受信レシーバ
20 デジタルフィルタ
22 位置検出部
24 速度算出部
26 処理
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Encoder part 2 Sensor processing part 3
Claims (4)
前記駆動手段に結合されている検出部と、
同検出部からの検出信号を変調するデルタシグマ変調部と、
同デルタシグマ変調部の出力を前記制御装置へ伝送するための送信及び受信用ドライバを含む伝送手段と、
前記制御装置側において受信信号のデジタル処理を行い、前記検出信号を前記駆動位置に対応するパルス列に変換するデジタルフィルタを含むセンサ処理部と、
を備えたことを特徴とするエンコーダシステム。 A control device that gives a drive command to the drive means of the driven body and a detection means that includes an encoder that detects the drive position of the drive means and feeds back the detection signal to the control device.
A detector coupled to the drive means;
A delta-sigma modulation unit that modulates a detection signal from the detection unit;
Transmission means including transmission and reception drivers for transmitting the output of the delta-sigma modulation unit to the control device;
A sensor processing unit including a digital filter that performs digital processing of a reception signal on the control device side and converts the detection signal into a pulse train corresponding to the drive position;
An encoder system comprising:
Priority Applications (1)
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2004
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