JP2008304249A - エンコーダ信号処理装置およびその信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２相の入力信号に含まれる高調波の成分が各相で異なっていても高調波歪の誤差を排除でき、高精度の位置信号が得られるエンコーダ位置算出装置および補正方法を提供する
【解決手段】Ａ／Ｄ変換器１によってデジタル化された２相の入力信号と、この２相の入力信号をもとに位置データ算出部３によって算出された位置データを２点以上取得し、３次高調波振幅算出部４にて各入力信号に重畳する３次高調波振幅を算出する。これらの３次高調波振幅をもとに３次高調波補正部５にて入力信号から３次高調波を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ等の回転体の回転角度を検出するロータリエンコーダや、リニアステージ等の変位を検出するリニアエンコーダ等のエンコーダの信号処理装置およびその信号処理方法に関する。

従来、センサ信号検出手段から得られた２相のアナログ信号に重畳している第３次高調波を除去する位置信号の校正装置が開示されている（例えば特許文献１参照）。
図６は従来のエンコーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。
図において２１、２２は図示しないセンサ信号検出手段から得られた２相の入力信号Ｘ、Ｙのゼロ点および振幅を調整する正規化手段、２３は正規化された２相の信号を逆正接演算により位置データとする逆正接演算手段、２４は逆正接演算結果から第３次高調波による誤差を補正する補正手段、２５は２相の入力信号のゼロ点パラメータを算出するゼロ点パラメータ算出手段、２６は２相の入力信号の振幅補正パラメータを算出する振幅補正パラメータ算出手段、２７は２相の入力信号の第３次高調波誤差を算出する第３次高調波誤差補正パラメータ算出手段、２８は２相の入力信号のピーク値を検出するピーク値検出手段である。

次に動作について説明する。
２相の入力信号に対し、ピーク検出手段２８にて２相の入力信号Ｘ、Ｙのそれぞれの最大、最小値および２相信号の和および差についてそれぞれの最大、最小値を検出する。検出されたピーク値を用いて、ゼロ点パラメータ算出手段２５にてゼロ点の補正パラメータを、振幅補正パラメータ算出手段２６にて振幅補正パラメータを、第３次高調波誤差補正パラメータ算出手段２７にて第３次高調波誤差を算出する。ゼロ点補正パラメータ、振幅補正パラメータを用い、正規化手段２１および２２にてゼロ点および振幅を正規化した後、これらの正規化されたデータをもとに逆正接演算手段２３にて位置データを算出する。さらに第３次高調波誤差補正パラメータを用いて第３次高調波による誤差量を位置データから削除することによって、補正された位置データを得る。

このように従来のエンコーダの信号処理装置は２相入力信号の最大、最小値、および和および差の最大、最小値を検出し、これらを用いて入力信号に重畳している第３次高調波による誤差量を求め、これにより位置データを補正していた。
特許第２８３９３４０号

しかしながら、従来のエンコーダ信号処理装置は、２相の入力信号の最大、最小値、および和および差の最大、最小値を検出し、これらを用いて入力信号に重畳している第３次高調波による誤差量を求めているため、結果的に２相の入力信号に含まれる第３次高調波の成分が等しいものとしている。しかし、実際には、各入力信号は、センサの設計組み立て精度や個体差などのために特性が異なり基本波に対する高調波成分の振幅量も異なったものとなっており、入力信号の振幅をもとに正規化を行なっても、２つの信号に含まれる高調波の振幅量は等しくはならない。
このため、３次高調波歪の誤差を完全に排除できず、高精度の位置信号が得られないという問題があった。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、２相の入力信号に含まれる高調波の成分が各相で異なっていても高調波歪の誤差を排除でき、高精度の位置信号が得られるエンコーダ位置算出装置および補正方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、相対変位する２つの物体の位置に応じてセンサ信号検出部から得られる周期的なＡ相およびＢ相の２相の正弦波状のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換し、前記デジタル信号から位置データを算出し、前記位置データから前記物体の位置を得るエンコーダの信号処理方法において、任意の２点の位置における位置データおよび前記２点の位置におけるＡ相デジタル信号から得られたＡ相デジタルデータα₁、α₂からＡ相３次高調波振幅を算出し、任意の２点の位置における位置データおよび前記２点の位置におけるＢ相デジタル信号から得られたＢ相デジタルデータβ₁、β₂からＢ相３次高調波振幅を算出し、前記Ａ相３次高調波振幅およびＢ相３次高調波振幅でＡ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号をそれぞれ補正し、前記補正されたＡ相デジタル信号および前記Ｂ相デジタル信号から位置データを算出することを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３は、ａ_１をＡ相基本波振幅、θ_１、θ_２を任意の２点の位置における位置データとしてＡ相の場合連立方程式
ａ_１Cosθ_１+ａ_３Cos3θ_１= α_１
ａ_１Cosθ_２+ａ_３Cos3θ_２ = α_２
を解くことによって算出し、前記Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３は、ｂ_１をＢ相基本波振幅、θ_１、θ_２を任意の２点の位置における位置データとしてＢ相の場合連立方程式
ｂ_１Sinθ_１ -ｂ_３Sin3θ_１= β_１
ｂ_１Sinθ_２ -ｂ_３Sin3θ_２ = β_２
を解くことによって算出することを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３は、複数組の任意の２点の位置について３次高調波振幅を算出し、算出された前記３次高調波振幅を平均したものであり、前記Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３は、複数組の任意の２点の位置について３次高調波振幅を算出し、算出された前記３次高調波振幅を平均したものであることを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、Ａ相３次高調波振幅およびＢ相３次高調波振幅を算出する高調波振幅算出動作、Ａ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号をそれぞれ補正する高調波補正動作、および位置データを算出する位置データ算出動作を順次繰り返し実行することを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、前記Ａ相３次高調波振幅およびＢ相３次高調波振幅を記憶しておき、電源投入時等の初期データとして使用することを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、相対変位する２つの物体の位置に応じてセンサ信号検出部から得られる周期的なＡ相およびＢ相の２相の正弦波状のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換し、前記デジタル信号から位置データを算出し、前記位置データから前記物体の位置を得るエンコーダの信号処理方法において、Ａ相の５次高調波の振幅が０で３次高調波の振幅が０で無い２点の位置における位置データθ_１、θ_２と前記２点の位置におけるＡ相デジタル信号α₁、α₂からＡ相３次高調波振幅ａ_３を算出し、Ａ相の３次高調波の振幅がともに０で無い２点の位置における位置データθ_３、θ_４と前記２点の位置におけるＡ相デジタル信号α_３、α_４と前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３からＡ相５次高調波振幅ａ_５を算出し、Ｂ相の５次高調波の振幅が０で３次高調波の振幅が０で無い２点の位置における位置データθ_１、θ_２と前記２点の位置におけるＡ相デジタル信号β₁、β₂からＢ相３次高調波振幅ｂ_３を算出し、Ｂ相の３次高調波の振幅がともに０で無い２点の位置における位置データθ_３、θ_４と前記２点の位置におけるＢ相デジタル信号β_３、β_４と前記Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３からＢ相５次高調波振幅ｂ_５を算出し、前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３およびＡ相５次高調波振幅ａ_５でＡ相デジタル信号を補正し、前記Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３およびＢ相５次高調波振幅ｂ_５でＢ相デジタル信号を補正し、前記補正されたＡ相デジタル信号および前記Ｂ相デジタル信号から位置データを算出することを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明は、前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３は、ａ_１をＡ相基本波振幅としてＡ相の場合連立方程式
ａ_１Cosθ_１+ａ_３Cos3θ_１= α_１
ａ_１Cosθ_２+ａ_３Cos3θ_２ = α_２
を解くことによって算出し、前記Ａ相５次高調波振幅ａ_５は、Ａ相の場合連立方程式
ａ_１Cosθ_３+ａ_３Cos3θ_３−ａ_５Cos5θ_５= α_３
ａ_１Cosθ_４+ａ_３Cos3θ_４−ａ_５Cos5θ_４= α_４
を解くことによって算出し、前記Ｂ相３次高調波振幅ａ_３は、ｂ_１をＢ相基本波振幅としてＢ相の場合連立方程式
ｂ_１Sinθ_１ -ｂ_３Sin3θ_１= β_１
ｂ_１Sinθ_２ -ｂ_３Sin3θ_２ = β_２
を解くことによって算出し、前記Ｂ相５次高調波振幅ａ_５は、Ｂ相の場合連立方程式
ｂ_１Sinθ_３ -ｂ_３Sin3θ_３-ｂ_５Sin5θ_３= β_３
ｂ_１Sinθ_４ -ｂ_３Sin3θ_４-ｂ_５Sin5θ_４ = β_４
を解くことによって算出することを特徴としている。

また、請求項８に記載の発明は、相対変位する２つの物体の位置に応じてセンサ信号検出部から得られる周期的なＡ相およびＢ相の２相の正弦波状のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル信号から位置データを算出する演算部を備え、前記位置データから前記物体の位置を得るエンコーダの信号処理装置において、前記演算部は、任意の２点の位置における位置データおよび前記２点の位置におけるＡ相デジタル信号α₁、α₂からＡ相高調波振幅を算出するとともに任意の２点の位置における位置データおよび前記２点の位置におけるＢ相デジタル信号β₁、β₂からＢ相高調波振幅を算出する高調波振幅算出部と、前記Ａ相高調波振幅およびＢ相高調波振幅でＡ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号をそれぞれ補正する高調波補正部と、前記補正されたＡ相デジタル信号および前記Ｂ相デジタル信号から位置データを算出する位置データ算出部を備えたことを特徴としている。

また、請求項９に記載の発明は、前記高調波振幅算出部は、ａ_１をＡ相基本波振幅、θ_１、θ_２を任意の２点の位置における位置データとしてＡ相の場合連立方程式
ａ_１Cosθ_１+ａ_３Cos3θ_１= α_１
ａ_１Cosθ_２+ａ_３Cos3θ_２ = α_２
を解くことによって、Ａ相３次高調波振幅ａ_３を算出し、ｂ_１をＢ相基本波振幅、θ_１、θ_２を任意の２点の位置における位置データとしてＢ相の場合連立方程式
ｂ_１Cosθ_１ +ｂ_３Cos3θ_１=β_１
ｂ_１Cosθ_２ +ｂ_３Cos3θ_２ =β_２
を解くことによって、Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３を算出することを特徴としている。

また、請求項１０に記載の発明は、前記高調波振幅算出部は、ａ_１をＡ相基本波振幅としてＡ相の場合連立方程式
ａ_１Cosθ_１+ａ_３Cos3θ_１= α_１
ａ_１Cosθ_２+ａ_３Cos3θ_２ = α_２
を解くことによって、
Ａ相３次高調波振幅ａ_３を算出し、
Ａ相の場合連立方程式
ａ_１Cosθ_３+ａ_３Cos3θ_３−ａ_５Cos5θ_５= α_３
ａ_１Cosθ_４+ａ_３Cos3θ_４−ａ_５Cos5θ_４= α_４
を解くことによって、
Ａ相５次高調波振幅ａ_５を算出し、
ｂ_１をＢ相基本波振幅としてＢ相の場合連立方程式
ｂ_１Sinθ_１ -ｂ_３Sin3θ_１= β_１
ｂ_１Sinθ_２ -ｂ_３Sin3θ_２ = β_２
を解くことによって、
Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３を算出し、
Ｂ相の場合連立方程式
ｂ_１Sinθ_３ -ｂ_３Sin3θ_３-ｂ_５Sin5θ_３= β_３
ｂ_１Sinθ_４ -ｂ_３Sin3θ_４-ｂ_５Sin5θ_４ = β_４
を解くことによってＢ相５次高調波振幅ｂ_５を算出することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、Ａ相およびＢ相のそれぞれの３次高調波振幅を演算し、これらの情報を使用して３次高調波歪を補正しているので精度の高い位置データが得られる。
請求項２に記載の発明によると、簡単な２つの連立方程式を解くことによってＡ相およびＢ相のそれぞれの３次高調波振幅を得れば、簡単な処理で精度の高い位置データが得られる。
請求項３に記載の発明によると、複数組の任意の２点の位置について３次高調波振幅を算出し、算出された３次高調波振幅を平均化すれば、精度の高い３次高調波振幅が得られる。
請求項４に記載の発明によると、高調波振幅算出動作、高調波補正動作、および位置データ算出動作を順次繰り返し実行すれば、３次高調波振幅を更新され、環境変化による３次高調波歪の変化にも対応できる環境変化に強い位置データが得られる。
請求項５に記載の発明によると、Ａ相３次高調波振幅およびＢ相３次高調波振幅を不揮発性メモリ記憶しておき、電源投入時等の初期データとして使用すれば、電源投入時後すぐに高精度の位置データが得られる。
請求項６に記載の発明によると、Ａ相およびＢ相のそれぞれの３次および５次高調波振幅を演算し、これらの情報を使用して３次および５次高調波歪を補正しているので精度の高い位置データが得られる。
請求項７に記載の発明によると、簡単な４つの連立方程式を解くことによってＡ相およびＢ相のそれぞれの３次および５次高調波振幅を得れば、簡単な処理で精度の高い位置データが得られる。
請求項８に記載の発明によると、前記演算部が、Ａ相高調波振幅およびＢ相高調波振幅を算出する高調波振幅算出部と、前記Ａ相高調波振幅およびＢ相高調波振幅でＡ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号をそれぞれ補正する高調波補正部と、前記補正されたＡ相デジタル信号および前記Ｂ相デジタル信号から位置データを算出する位置データ算出部を備えているので、高精度のエンコーダ信号処理装置が実現できる。
請求項９に記載の発明によると簡単な２つの連立方程式を解くことによってＡ相およびＢ相のそれぞれの３次高調波振幅を得れば、簡単な処理で精度の高い位置データが得られる高精度のエンコーダ信号処理装置が実現できる。
請求項１０に記載の発明によると簡単な４つの連立方程式を解くことによってＡ相およびＢ相のそれぞれの３次および５次高調波振幅を得れば、簡単な処理で精度の高い位置データが得られる高精度のエンコーダ信号処理装置が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例におけるエンコーダの信号処理装置の構成を示すブロック図である。
図１において、１は図示しないセンサ信号検出部から得られる２相の周期的なアナログ信号Ｓa、Ｓbをデジタル信号α、βに変換するＡ／Ｄ変換器、３は位置データを算出する位置データ算出部、４は３次高調波振幅ａ_３、ｂ_３を検出する高調波振幅算出部、５は３次高調波振幅情報に基づいて２相デジタル信号を補正する高調波補正部である。６は演算部で、位置データ算出部３、高調波振幅算出部４および高調波補正部５から構成されている。

センサ信号検出部（図示せず）は、２つの物体が相対的に直線方向に変位する場合は、センサ信号検出部としてリニアエンコーダの検出部を用いればよく、２つの物体が相対的に回転方向に変位する場合は、ロータリエンコーダの検出部を用いればよい。また、センサ信号検出部（図示せず）は、相対変位に応じてアナログ信号の変化が生じるものであれば、磁気式、光学式、静電容量式、レゾルバ方式等いずれの方式であってもかまわない。また、Ａ／Ｄ変換器１の前段に演算増幅器等の信号増幅回路を設けてもかまわない。また、演算部６は、マイコンやＤＳＰ等のデジタル演算機能を有する種々のデバイスを単数または複数個用いて構成することができる。

次に、本実施例における高調波振幅算出動作について説明する。
図２は本実施例における高調波振幅の算出原理を説明するための信号波形図で、センサ信号に含まれる基本波と３次高調波の関係を示す。（Ａ）はＡ相信号における基本波と３次高調波の関係を示し、（Ｂ）はＢ相信号における基本波と３次高調波の関係を示す。

センサ信号Ｓa（Cos信号）およびＳb（Sin信号）に３次高調波が重畳している場合、基本波と３次高調波は図に示すような位相関係を有し、Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号αおよびβは、基本波の振幅をａ_１、ｂ_１、３次高調波の振幅をａ_３、ｂ_３とすると
α =ａ_１Cosθ+ａ_３Cos3θ
β =ｂ_１Sinθ-ｂ_３Sin3θ
で表される。
ただし、θは位置である。
位置データ算出部３では、２相のデジタル信号から逆正接演算（tan-1）を用いて位置データθ_ｉを算出する。

高調波振幅算出部４では、Ａ相、Ｂ相のデジタル信号のそれぞれ２点以上の位置について、位置データθ_iを算出すると共に、この位置におけるデジタルデータα_i、β_iを取得する(i=1〜n)。
これらの関係式は、
Ａ相については、
ａ_１Cosθ_１ +ａ_３Cos3θ_１= α_１
ａ_１Cosθ_２ +ａ_３Cos3θ_２= α_２
・・・・・
ａ₁Cosθ_n+ａ₃Cos3θ_n = α_n
Ｂ相については、
ｂ_１Sinθ_１ -ｂ_３Sin3θ_１= β_１
ｂ_１Sinθ_２ -ｂ_３Sin3θ_２= β_２
・・・・・
ｂ_１Sinθ_ｎ -ｂ_３Sin3θ_ｎ= β_ｎ
で表される。
Ａ相の関係式の未知数はａ₁、ａ_３、Ｂ相の関係式は未知数はｂ_１、ｂ_３でＡ相の関係式もＢ相の関係式も未知数は２つであるため最低２点分のデータを取得すればａ₁、ａ_３およびｂ_１、ｂ_３は求められる。

一組の２点のデータから３次高調波振幅を算出する場合は、
ａ_３= (α_１Cosθ_２- α_２Cosθ_１)/(Cos3θ_１・Cosθ_２- Cos3θ_２・Cosθ_１)
ｂ_３= (β_１Sinθ_２- β_２Sinθ_１)/(Sin3θ_２・Sinθ_１- Sin3θ_１・Sinθ_２)
にて求める。
複数組の２点のデータを用いてそれぞれ３次高調波振幅を算出し、算出された複数の３次高調波振幅平均すれば算出精度を向上させることができる。また、最小二乗近似法を用いて算出精度を向上させることもできる。
なお、Ａ相とＢ相は、お互いに異なる位置でデータ取得をしてもかまわない。また、取得データの条件として、基本波および３次高調波の振幅がともに０となる点、すなわちＡ相ではθ＝π/２、３π/２、Ｂ相では０、πの点は使用しない。さらに、２点のみで算出を行なう場合、Ａ相ではθ＝０、πを対称とした２点、Ｂ相ではθ＝π/２、３π/２を対称とした２点の組は使用しない。

次に、高調波補正動作について説明する。
高調波補正部５では、高調波振幅算出部４によって算出されたＡ相の３次高調波振幅ａ_３およびＢ相の３次高調波振幅ｂ_３を使用して２相のデジタル信号を以下の演算により補正する。
α = α’-ａ_３Cos3θ’
β = β’+ｂ_３Sin3θ’
ただし、α’、β’は補正前のセンサ信号Ｓａ、Ｓｂのデジタル信号、θ’は、位置データ算出部３によって算出される位置データθの前回値である。
なお、位置算出精度を向上させるために、位置データは前回値よりも今回値に少しでも近いデータがよいため、過去数点の位置データを等速変化とした外挿補間による予測値をθ’と使用しても良い。

このように本実施例ではセンサ信号に重畳した３次高調波歪を検出し、これらの歪を除去することができるため高精度な位置データの算出が可能となる。
また、本実施例の高調波振幅算出動作および高調波補正動作を繰り返し実行すれば、温度変化等の環境変化による３次高調波歪の変化にも対応できる。

図３は、本発明の第２実施例におけるエンコーダの信号処理装置の構成を示すブロック図である。
図において２は高調波振幅を記憶する記憶部である。本実施例が第１実施例と異なる点は、演算部が記憶部を備え、予め３次高調波振幅を記憶させる点である。
なお、記憶部２は、演算部６と一体になったものでも良いが、ＲＯＭやフラッシュメモリ等の不揮発性メモリが好ましい。

次に、本実施例の動作について説明する。
本実施例では、エンコーダ信号処理装置を実際に使用する前に第１実施例で示した高調波振幅算出動作および高調波補正動作を実行して３次高調波振幅を求め、記憶部２に記憶する。実際の使用時においては、記憶部２に記憶した３次高調波振幅を用いてＡ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号を補正する。

このように、本実施例では、予め第１実施例で示した高調波振幅算出動作および高調波補正動作を実行して３次高調波振幅を求め、記憶部に記憶しているので、電源投入後、記憶した３次高調波振幅を用いてＡ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号を補正することによって、電源投入後すぐに精度の高い位置信号が得られる。

図４は、本発明の第３実施例におけるエンコーダの信号処理装置の構成を示すブロック図である。
図において、４’は２相デジタルデータおよび位置データからセンサ信号に重畳する３次および５次高調波振幅を算出する高調波振幅算出部、５’は３次および５次高調波振幅情報に基づいて２相デジタルデータを補正する高調波補正部である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、演算部が３次および５次高調波振幅を算出する高調波振幅算出部と３次および５次高調波振幅情報に基づいて２相デジタルデータを補正する高調波補正部を備え、センサ信号に３次高調波だけでなく５次高調波も含まれるとして高調波歪みを除去する点である。

次に、本実施例における高調波振幅算出動作について説明する。
図５は本実施例における高調波振幅の算出原理を説明するための信号波形図で、センサ信号に３次高調波および５次高調波が含まれる場合の関係を示している。（Ａ）はＡ相信号における関係を示し、（Ｂ）はＢ相信号における関係を示す。

センサ信号Ｓa（Cos信号）およびＳb（Sin信号）に３次高調波および５次高調波が重畳している場合、基本波と３次高調波および５次高調波は図に示すような位相関係を有し、Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号αおよびβは、基本波の振幅をａ_１、ｂ_１、３次高調波の振幅をａ_３、ｂ_３、５次高調波の振幅をａ_５、ｂ_５とすると
α=ａ_１Cosθ +ａ_３Cos3θ -ａ_５Cos5θ
β =ｂ_１Sinθ -ｂ_３Sin3θ -ｂ_５Sin5θ
で表される。
ただし、θは位置である。
位置データ算出部３では、２相のデジタル信号を逆正接演算（tan^-1）を用いて位置データをθ_ｉ算出する。

高調波振幅算出部４では、先ず、Ａ相について２点の位置における位置データθ_１およびθ_２を算出すると共に、この位置におけるデジタルデータα_１、α_２を取得する。２点の位置は、５次高調波の振幅が０になると想定される位置であって、このうち３次高調波の振幅が０とならない互いに異なる振幅を有する２点の位置を選ぶ。図５のｐ_１は５次高調波の振幅が０になると想定される位置（２ｎ−１）π／１０（ｎ＝１〜１０）の内３次高調波の振幅（絶対値）がピーク値のｃｏｓ（３π／１０）となる点で、ｐ_２は３次高調波の振幅（絶対値）がピーク値のｃｏｓ（π／１０）となる点で、上記条件を満足する点である。

ｐ_１の位置において算出された位置データθ_１とこの位置におけるデジタルデータα_１、およびｐ_２の位置において算出された位置データθ_２とこの位置におけるデジタルデータα_２から
Ａ相についての関係式
ａ_１Cosθ_１+ａ_３Cos3θ_１= α_１
ａ_１Cosθ_２+ａ_３Cos3θ_２ = α_２
が得られる。
Ａ相の３次高調波の振幅ａ_３は、
ａ_３ = (α_１Cosθ_２- α_２Cosθ_１) / (Cos3θ_１・Cosθ_２ - Cos3θ_２・Cosθ_１)
にて求める。
算出精度を向上させるため、上記のデータ取得位置条件を満たす別の２点の組合せによるデータを用いてそれぞれ３次高調波振幅を算出し、算出された複数の３次高調波振幅平均しても良い。

次に、３次高調波の振幅が０とならないと想定される位置における２点の位置データθ_３およびθ_４と、この位置におけるデジタルデータα_３、α_４を取得する。
これらの関係式は、
ａ_１Cosθ_３ +ａ_３Cos3θ_３-ａ_５Cos5θ_３ = α_３
ａ_１Cosθ_４ +ａ_３Cos3θ_４-ａ_５Cos5θ_４ = α_４
となる。３次高調波の振幅a_３は既知となっているため、
５次高調波の振幅ａ_５は、
ａ_５ = {(α_３-ａ_３Cos3θ_３)Cosθ_４- (α_４-ａ_３Cos3θ_４)Cosθ_３}
/ (Cos5θ_４・Cosθ_３ - Cos5θ_３・Cosθ₄)
で求めることができる。複数組の、２点の位置データとこの位置におけるデジタルデータに対して本処理を行い、それぞれの組で算出された５次高調波振幅を平均化すれば算出精度を向上させることができる。

同様に、Ｂ相について、５次高調波の振幅が０になると想定される位置であって、このうち３次高調波の振幅が０とならない互いに異なる２点の位置、すなわち図５（Ｂ）のｐ_１、ｐ_２の位置においてデータ取得を行なう。ｐ_１の位置において算出された位置データθ_１とこの位置におけるデジタルデータβ_１および、ｐ_２の位置において算出された位置データθ_２とこの位置におけるデジタルデータβ_２から
Ｂ相についての関係式
ｂ_１Sinθ_１ -ｂ_３Sin3θ_１= β_１
ｂ_１Sinθ_２ -ｂ_３Sin3θ_２= β_２
が得られる。
Ｂ相３次高調波の振幅b₃は、
ｂ_３ = (β_１Sinθ_２- β_２Sinθ_１) / (Sin3θ_２・Sinθ_１ - Sin3θ_１・Sinθ_２)
で求めることができる。算出精度を向上させるため、Ａ相の場合と同様に、上記のデータ取得位置条件を満たす別の２点の組合せによるデータを用いてそれぞれ３次高調波振幅を算出し、算出された複数の３次高調波振幅平均しても良い。

次に、３次高調波の振幅が０とならないと想定される位置における２点の位置データθ_３およびθ_４と、この位置におけるデジタルデータβ_３、β_４を取得する。
これらの関係式は、
ｂ_１Sinθ_３ -ｂ_３Sin3θ_３-ｂ_５Sin5θ_３ = β_３
ｂ_１Sinθ_４ -ｂ_３Sin3θ_４-ｂ_５Sin5θ_４ = β_４
となる。３次高調波の振幅ｂ_３は既知となっているため、
５次高調波の振幅ｂ_５は、
ｂ_５ = {(β_３ +ｂ_３Sin3θ_３)Sinθ_４- (β_４+ｂ_３Sin3θ_４)Sinθ_３}
/ (Sin5θ_４・Sinθ_３- Sin5θ_３・Sinθ_４)
で求めることができる。Ａ相の場合と同様に、複数組の、２点の位置データとこの位置におけるデジタルデータに対して本処理を行い、それぞれの組で算出された５次高調波振幅を平均化すれば算出精度を向上させることができる。

高調波補正部５では、高調波振幅算出部４によって算出されたＡ相の３次高調波振幅ａ_３、５次高調波振幅ａ_５およびＢ相の３次高調波振幅ｂ_３、５次高調波振幅ｂ_５を使用して、２相のデジタル信号の３次高調波および５次高調波を以下の式により補正する。
α = α’ -ａ_３Cos3θ’ +ａ_５Cos5θ’
β = β’ +ｂ_３Sin3θ’ +ｂ_５Cos5θ’
ただし、α’、β’は補正前のセンサ信号Ｓａ、Ｓｂのデジタル信号、θ’は、位置データ算出部３によって算出される位置データθの前回値である。
なお、位置算出精度を向上させるために、位置データは前回値よりも今回値に少しでも近いデータがよいため、過去数点の位置データを等速変化とした外挿補間による予測値をθ’と使用しても良い。

このように本実施例ではセンサ信号に重畳した３次高調波歪および５次高調波歪を検出し、これらの歪を除去することができるため高精度な位置データの算出が可能となる。
また、本実施例の高調波振幅算出動作および高調波補正動作を繰り返し実行すれば、温度変化等の環境変化による３次高調波歪および５次高調波歪の変化にも対応できる。
また、予め上記の演算処理によって３次および５次高調波振幅を求め、不揮発性メモリに記憶させ電源投入後、不揮発性メモリに記憶した３次および５次高調波振幅でＡ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号を補正すれば、電源投入後すぐに精度の高い位置信号が得られる。

本発明は、磁気式、光学式、回転型、直動型にとらわれずセンサ信号に再現性のある周期的な３次高調波歪をもつあらゆるタイプのエンコーダ位置検出誤差補正に適用できる。

本発明の第１実施例におけるエンコーダの信号処理装置の構成を示すブロック図 第１実施例における高調波振幅の算出原理を説明するための信号波形図 本発明の第２実施例におけるエンコーダの信号処理装置の構成を示すブロック図 本発明の第３実施例におけるエンコーダの信号処理装置の構成を示すブロック図 第３実施例における高調波振幅の算出原理を説明するための信号波形図 従来のエンコーダ信号処理装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１ Ａ/Ｄ変換器
２ 記憶部
３ 位置データ算出部
４ 高調波振幅算出部
５ 高調波補正部
６ 演算部

Claims (10)

1. 相対変位する２つの物体の位置に応じてセンサ信号検出部から得られる周期的なＡ相およびＢ相の２相の正弦波状のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換し、前記デジタル信号から位置データを算出し、前記位置データから前記物体の位置を得るエンコーダの信号処理方法において、
   任意の２点の位置における位置データおよびＡ相デジタル信号から得られた前記２点の位置におけるＡ相デジタルデータα₁、α₂からＡ相３次高調波振幅を算出し、任意の２点の位置における位置データおよびＢ相デジタル信号から得られた前記２点の位置におけるＢ相デジタルデータβ₁、β₂からＢ相３次高調波振幅を算出し、前記Ａ相３次高調波振幅およびＢ相３次高調波振幅でＡ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号をそれぞれ補正し、前記補正されたＡ相デジタル信号および前記Ｂ相デジタル信号から位置データを算出することを特徴とするエンコーダの信号処理方法。
2. 前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３は、ａ_１をＡ相基本波振幅、θ_１、θ_２を任意の２点の位置における位置データとしてＡ相の場合連立方程式
   ａ_１Cosθ_１+ａ_３Cos3θ_１= α_１
   ａ_１Cosθ_２+ａ_３Cos3θ_２ = α_２
   を解くことによって算出し、
   前記Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３は、ｂ_１をＢ相基本波振幅、θ_１、θ_２を任意の２点の位置における位置データとしてＢ相の場合連立方程式
   ｂ_１Sinθ_１ -ｂ_３Sin3θ_１= β_１
   ｂ_１Sinθ_２ -ｂ_３Sin3θ_２ = β_２
   を解くことによって算出することを特徴とする請求項１記載のエンコーダの信号処理方法。
3. 前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３は、複数組の任意の２点の位置について３次高調波振幅を算出し、算出された前記３次高調波振幅を平均したものであり、前記Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３は、複数組の任意の２点の位置について３次高調波振幅を算出し、算出された前記３次高調波振幅を平均したものであることを特徴とする請求項２記載のエンコーダの信号処理方法。
4. Ａ相３次高調波振幅およびＢ相３次高調波振幅を算出する高調波振幅算出動作、Ａ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号をそれぞれ補正する高調波補正動作、および位置データを算出する位置データ算出動作を順次繰り返し実行することを特徴とする請求項１記載のエンコーダの信号処理方法。
5. 前記Ａ相３次高調波振幅およびＢ相３次高調波振幅を記憶しておき、電源投入時の初期データとして使用することを特徴とする請求項１記載のエンコーダの信号処理方法。
6. 相対変位する２つの物体の位置に応じてセンサ信号検出部から得られる周期的なＡ相およびＢ相の２相の正弦波状のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換し、前記デジタル信号から位置データを算出し、前記位置データから前記物体の位置を得るエンコーダの信号処理方法において、
   Ａ相の５次高調波の振幅が０で３次高調波の振幅が０で無い２点の位置における位置データθ_１、θ_２と前記２点の位置におけるＡ相デジタルデータα₁、α₂からＡ相３次高調波振幅ａ_３を算出し、Ａ相の３次高調波の振幅がともに０で無い２点の位置における位置データθ_３、θ_４と前記２点の位置におけるＡ相デジタルデータα_３、α_４と前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３からＡ相５次高調波振幅ａ_５を算出し、Ｂ相の５次高調波の振幅が０で３次高調波の振幅が０で無い２点の位置における位置データθ_１、θ_２と前記２点の位置におけるＢ相デジタルデータβ₁、β₂からＢ相３次高調波振幅ｂ_３を算出し、Ｂ相の３次高調波の振幅がともに０で無い２点の位置における位置データθ_３、θ_４と前記２点の位置におけるＢ相デジタルデータβ_３、β_４と前記Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３からＢ相５次高調波振幅ｂ_５を算出し、前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３およびＡ相５次高調波振幅ａ_５でＡ相デジタル信号を補正し、前記Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３およびＢ相５次高調波振幅ｂ_５でＢ相デジタル信号を補正し、前記補正されたＡ相デジタル信号および前記Ｂ相デジタル信号から位置データを算出することを特徴とするエンコーダの信号処理方法。
7. 前記Ａ相３次高調波振幅ａ_３は、ａ_１をＡ相基本波振幅としてＡ相の場合連立方程式
   ａ_１Cosθ_１+ａ_３Cos3θ_１= α_１
   ａ_１Cosθ_２+ａ_３Cos3θ_２ = α_２
   を解くことによって算出し、
   前記Ａ相５次高調波振幅ａ_５は、Ａ相の場合連立方程式
   ａ_１Cosθ_３+ａ_３Cos3θ_３−ａ_５Cos5θ_５= α_３
   ａ_１Cosθ_４+ａ_３Cos3θ_４−ａ_５Cos5θ_４= α_４
   を解くことによって算出し、
   前記Ｂ相３次高調波振幅ａ_３は、ｂ_１をＢ相基本波振幅としてＢ相の場合連立方程式
   ｂ_１Sinθ_１ -ｂ_３Sin3θ_１= β_１
   ｂ_１Sinθ_２ -ｂ_３Sin3θ_２ = β_２
   を解くことによって算出し、
   前記Ｂ相５次高調波振幅ａ_５は、Ｂ相の場合連立方程式
   ｂ_１Sinθ_３ -ｂ_３Sin3θ_３-ｂ_５Sin5θ_３= β_３
   ｂ_１Sinθ_４ -ｂ_３Sin3θ_４-ｂ_５Sin5θ_４ = β_４
   を解くことによって算出することを特徴とする請求項６記載のエンコーダの信号処理方法。
8. 相対変位する２つの物体の位置に応じてセンサ信号検出部から得られる周期的なＡ相およびＢ相の２相の正弦波状のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル信号から位置データを算出する演算部を備え、前記位置データから前記物体の位置を得るエンコーダの信号処理装置において、
   前記演算部は、任意の２点の位置における位置データおよびＡ相デジタル信号から得られた前記２点の位置におけるＡ相デジタルデータα₁、α₂からＡ相高調波振幅を算出するとともに任意の２点の位置における位置データおよびＢ相デジタル信号から得られた前記２点の位置におけるＢ相デジタルデータβ₁、β₂からＢ相高調波振幅を算出する高調波振幅算出部と、前記Ａ相高調波振幅およびＢ相高調波振幅でＡ相デジタル信号およびＢ相デジタル信号をそれぞれ補正する高調波補正部と、前記補正されたＡ相デジタル信号および前記Ｂ相デジタル信号から位置データを算出する位置データ算出部を備えたことを特徴とするエンコーダの信号処理装置。
9. 前記高調波振幅算出部は、ａ_１をＡ相基本波振幅、θ_１、θ_２を任意の２点の位置における位置データとしてＡ相の場合連立方程式
   ａ_１Cosθ_１+ａ_３Cos3θ_１= α_１
   ａ_１Cosθ_２+ａ_３Cos3θ_２ = α_２
   を解くことによって、
   Ａ相３次高調波振幅ａ_３を算出し、
   ｂ_１をＢ相基本波振幅、θ_１、θ_２を任意の２点の位置における位置データとしてＢ相の場合連立方程式
   ｂ_１Cosθ_１ +ｂ_３Cos3θ_１=β_１
   ｂ_１Cosθ_２ +ｂ_３Cos3θ_２ =β_２
   を解くことによって、Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３を算出することを特徴とする請求項８記載のエンコーダ処理装置。
10. 前記高調波振幅算出部は、ａ_１をＡ相基本波振幅としてＡ相の場合連立方程式
    ａ_１Cosθ_１+ａ_３Cos3θ_１= α_１
    ａ_１Cosθ_２+ａ_３Cos3θ_２ = α_２
    を解くことによって、
    Ａ相３次高調波振幅ａ_３を算出し、
    Ａ相の場合連立方程式
    ａ_１Cosθ_３+ａ_３Cos3θ_３−ａ_５Cos5θ_５= α_３
    ａ_１Cosθ_４+ａ_３Cos3θ_４−ａ_５Cos5θ_４= α_４
    を解くことによって、
    Ａ相５次高調波振幅ａ_５を算出し、
    ｂ_１をＢ相基本波振幅としてＢ相の場合連立方程式
    ｂ_１Sinθ_１ -ｂ_３Sin3θ_１= β_１
    ｂ_１Sinθ_２ -ｂ_３Sin3θ_２ = β_２
    を解くことによって、
    Ｂ相３次高調波振幅ｂ_３を算出し、
    Ｂ相の場合連立方程式
    ｂ_１Sinθ_３ -ｂ_３Sin3θ_３-ｂ_５Sin5θ_３= β_３
    ｂ_１Sinθ_４ -ｂ_３Sin3θ_４-ｂ_５Sin5θ_４ = β_４
    を解くことによってＢ相５次高調波振幅ｂ_５を算出することを特徴とする請求項８記載のエンコーダ処理装置。

Images