专利名称：编码器信号的校正电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及对正交的2相的正弦信号进行内插处理来得到高分辨率的编 码器中，校正2相的正弦信号的偏移、振幅、相位的电路。
背景技术：
一般由发光元件和受光元件以及在它们之间形成了格子状的缝(slit)的 旋转体(或者移动体)形成旋转型(或者线型)的编码器的位置^r测，分辨 率由格子状的缝间隔而被决定。因此，为了提高分辨率而减小了缝间隔，但 因为加工精度或光的衍射现象，用这个方法提高分辨率存在限制。于是，近年来一^:进行以下方法生成与旋转体(或者移动体)的缝间 的信号同步的具有90度的相位差的A、 B相的正弦模拟信号，将对该模拟信 号进行内插处理后的信号和通过上述的缝而得到的信号进行合成，从而提高 分辨率。为了进一步提高编码器的分辨率，需要提高内插处理的分辨率，即通过 提高将模拟信号变换为数字信号的AD变换器的分辨率，从而可以提高整体 的分辨率。该AD变换器可以内置于微型机(micro computer)或LSI,但被 内置的AD变换器的分辨率再高也是10bit,此外， 一般精度差，尤其，为了 提高分辨率，需要使用单体的AD变换器IC。AD变换器IC和孩i型机或LSI有并行方式和串行方式，但是在小型化或 成本的方面考虑，串行方式较有效。但是，串行方式存在发送数据的采样周 期变长的课题。例如，在AD变换器的采样周期较长的情况下，在2相的正 弦信号的频率变高时，每一周期的检测数减少，很难高精度地进行为了提高 内插处理的精度所需的偏移、振幅、相位的校正。作为解决这些问题的方式，例如在日本专利申请特开平7-218288公报 中，采取这种方法将频率变高时的2相的正弦信号的振幅的衰减系数预先 存储在存储器中，改变振幅校正量以补偿衰减量。但是，虽然可以对2相的 正弦信号的衰减量进行校正，但若采样周期变长、2相的正弦信号的频率变 高时，不能正确地检测最大值或最小值，校正值产生误差。图11是表示在2相的正弦信号Al、 Bl的频率高时的最大值和最小值的 检测波形的图，图12是表示为了检测相位的误差量而检测2相的正弦信号的 交点C45、 C225的波形的图。当频率较高时，因显现出AD变换器的变换采 样周期较长的影响，变换的正弦信号成为如图11以及图12的阶梯状，所以 4艮难正确地^r测最大值/最小值和相位误差。在包括最大值/最小值和相位误差的状态下，对2相的正弦信号进行校正 的波形成为如图13所示的失真的波形。在这样的高的频率的情况下，产生如 下的课题即使进行了振幅衰减系数的校正，也在偏移、振幅、相位的校正 值中产生误差，内插处理的精度恶化。发明内容本发明的编码器信号的校正电路，具有以下结构。位置检测器包括，AD 变换器，将正交的A相和B相的正弦信号变换为数字数据，生成A1信号和 Bl信号；峰值检测器，检测A1信号和B1信号的最大值和最小值；偏移/振 幅校正电路，使用由峰值检测器所检测的最大值和最小值，根据偏移以及振 幅的误差求出偏移以及振幅的校正值，校正偏移和振幅，生成A2信号和B2 信号；相位误差检测器，检测A2信号和B2信号的相位误差量；相位校正电 路，根据由相位误差检测器所检测的相位误差量，求出相位的校正值，生成 相位差成为90度的A3信号和B3信号；位置数据变换电路，从A3信号和 B3信号变换为位置数据，它还包括速度检测器，检测A相和B相的频率； 以及校正判定电路，将偏移以及振幅的校正值和相位的才交正值的更新设为有 效或无效。在通过速度检测器所检测的频率超过了设定频率时，校正判定电 路将偏移以及振幅的校正值和相位的校正值的更新设为无效；在通过速度检 测器所检测的频率成为设定频率以下时，校正判定电路将偏移以及振幅的校 正值和相位的校正值的更新设为有效。根据上述结构，可以得到即使由于时效变化而2相的正弦信号的偏移或 振幅、相位变动，也可以高精度地校正这些偏移量，并且在2相的正弦信号 的频率较高的情况下，也不会因为采样周期的稀疏而受到影响的编码器信号 的校正电路。
图1是在本发明的第一实施方式中的编码器电路的方框图。 图2是第一实施方式中的峰值检测器的动作波形的说明图。 图3是第一实施方式中的相位误差检测器的动作波形的说明图。图4是在正弦信号的一个周期内的采样数为14的情况下，对不使用校正判定部件的正弦信号进行内插处理的结果的说明图。图5是在正弦信号的一个周期内的采样数为14的情况下，对第一实施方 式中的正弦信号进行内插处理的结果的说明图。图6是第二实施方式中的编码器电路的方框图。图7是第二实施方式中的振幅-温度特性的说明图。图8是第二实施方式中的偏移-温度特性的说明图。图9是第三实施方式中的编码器电路的方框图。图IO是第四实施方式中的编码器电路的方框图。图11是在以往例子中的检测正弦信号的最大值/最小值的说明图。图12是在以往例子中的检测相位的误差量的说明图。图13是在以往例子中的校正后的正弦信号的说明图。
具体实施方式
(第一实施方式)使用图1至图8,说明本发明的编码器信号的相位校正电路。图1是表 示包括偏移/振幅校正、相位校正的编码器信号处理电路的方框图，图2是表 示峰值检测器的动作波形，图3是表示相位误差检测器的动作波形，图4和 图5是表示在高频时的峰值检测器和相位误差检测器的动作波形。在图1中，从编码器输出的原信号中模拟的A0信号和B0信号是具有 卯度的相位差的A相和B相的正弦信号。一^:是由发光元件和受光元件和缝 板构成。发光元件使用LED或激光，受光元件使用光电二极管或发光晶体管。缝 板是由透过光的玻璃或树脂材料做成，在缝板上设置截止光的格子状的掩模。 被配置为，受光元件接受来自发光元件的光经由缝板所透过的光，因缝板被 设置在编码器的旋转体上，所以被形成缝板的格子状的形状，使得在旋转时 从受光元件输出正弦波形。
AD变换器2将从编码器输出的模拟信号AO信号、BO信号变换为数字 信号。因从编码器输出的模拟信号的振幅为几百mV,所以使用放大器等放 大十几倍，变换为符合AD变换器2的输入范围(range)的电压后利用，贝'J 可以提高数字信号的精度。
峰值检测器15检测AD变换器2的输出信号即Al信号、Bl信号的最 大值/最小值。图2表示峰值检测器15的动作波形，使用该图说明最大值/最 小值的纟企测方法。
在图2中，IAll信号和pBll信号是分别将Al信号和Bl信号绝对值变换 的信号。检测IA1I信号和IB1I信号的交点，生成交点信号18a、 18b、 18c、 18d。 如图2所示地，该交点信号一个周期内分割为区域1 区域4，在区域l是设 为检测Al信号的最大值的区域，在区域2是设为检测Bl信号的最小值的区 域，在区域3是设为检测Al信号的最小值的区域，在区域4是设为检测B1 信号的最大值的区域。
说明区域l的动作，首先，当检测交点信号18a时，比较A1信号的上 次值和本次值，在本次值大时，更新锁存数据16a(max),在本次值小时， 不更新锁存数据16a (max)。在区域1的区间重复该动作，在检测到交点信 号18b时，确定锁存数据16a (max)作为Al信号的最大值。因区域2、区 域3、区域4的动作与区域1相同，所以省略。这样，可以检测A1信号、Bl 信号的最大值/最小值。
偏移/振幅校正电路4使用由峰值检测器15所检测的最大值/最小值信号 16,对Al信号和Bl信号进行除去偏移和振幅的归一化。
使用最大值/最小值信号16， 4艮据式1可求出Al信号和Bl信号的偏移 (OS—DETa、 OS—DETb)。此外，如果将校正的偏移值设为OS—LEVEL、除 去偏移后的信号设为Ald信号和Bld信号，则可根据式2除去偏移。 O DE7b^(最大值+最小值)/
<formula>formula see original document page 7</formula>
使用最大值/最小值信号16,根据式3还可求出Al信号和Bl信号的振 幅值(PP DETa、 PP DETb)。此外，如果将振幅的归一化大小设为K时，可根据式4，求出校正了偏移和振幅的误差的A2信号和B2信号, <formula>formula see original document page 8</formula>
(式4)
相位校正冲莫块9是由相位校正电路6和相位误差检测器7构成，进行以 下作用由相位误差检测器7检测被校正了偏移/振幅的A2信号、B2信号的 相位误差，根据由相位误差检测器7所检测的误差量，由相位校正电路6使 用对A2信号、B2信号的相位误差进行校正的A校正信号、B校正信号，输 出具有90度的相位差的A3信号、B3信号。
使用图3说明这个动作的细节。图3是以A2信号为基准，仅B2信号的 相位成为超前了a孤度的B2d信号的例子。振幅由偏移/振幅校正电路4归一 化为大小K,所以A2信号、B2d信号的振幅成为K。
相位误差检测器7检测在检测到交点信号18a、 18b、 18c、 18d时的A2 信号、B2d信号的交点的大小，根据该交点值运算处理并导出相位校正量。 A2信号、B2d信号可以如式5那样表示。此时的A2信号、B2d信号的交点 在(71/4-a/2 )孤度、(571/4-a/2 )孤度相交，其交点的大小成为Ksin(兀/4-a/2 )、 Ksin ( 5兀/4-a/2 )。
因相互的大小相等，所以在设为C45二 Ksin (兀/4-a/2 )、 C225= Ksin (5;i/4-a/2)时，可根据式6求出相位误差a/2。此外，因式6是以A2信号 为基准而求出B校正信号，所以根据sin-'的式子计算，但明显也可以B2d信 号为基准，根据cos-'的式子而求出。<formula>formula see original document page 8</formula>式5)
(式6)
此外，相位校正电路6可根据式7、式8来校正相位误差。其中，Kpl、 Kp2是用于得到A校正信号、B校正信号的相位校正增益，设定相位校正增 益，以使A3信号和B3信号的相位差成为90度。<formula>formula see original document page 8</formula>式7)
<formula>formula see original document page 9</formula>式8)
接着，说明Kpl以及Kp2的求出方法。在式7中，因在e二-a/2时， 要使A3信号成为0即可，所以Kpl可根据式9求出。
<formula>formula see original document page 9</formula>(式9)
此外，同样在式8中，因在9=兀/2-oc/2时，只要使B3成为0即可，所以 Kp2可根据式IO求出。
<formula>formula see original document page 9</formula>
因根据式9和式IO所求出的Kpl和Kp2可以由相同式表示，所以计算 处理的负担减半。A2信号、B2信号(B2d信号)根据式6求出a/2,根据式 9或式IO求出相位校正增益，通过使用式7和式8可以得到校正了相位的偏 移量的A3信号、B3信号。
接着，说明校正了相位的A3信号、B3信号的大小。式7和式8的振幅 的最大值分别为e^兀/2—oc/2、 e=—a/2的点，所以把这些带入式7和式8，则A3 信号、B3信号成为式11和式12，可以由如图3所示的相同的大小来进行校 正。在2相信号的一个周期内存在两个交点，所以也可以用各自的交点所求 出的Kp进行平均处理来使用。
<formula>formula see original document page 9</formula>
(式12)
<formula>formula see original document page 9</formula>
接着，说明位置数据变换电路10。使用具有90度的相位差的A3信号、 B3信号，使用式13,则可以容易地变换为内插的角度数据eiP ( 14)。
<formula>formula see original document page 9</formula>式13)
接着，说明本发明的校正值更新电路23。校正值更新电路23由速度检
测器21和校正判定电路22构成。速度检测器21检测2相的正弦信号的频率 信号19。因频率成为由AD变换部件2所检测的Al信号和Bl信号的采样间 的移动量，所以通过计算上次的检测值和本次的检测值的差，可以容易地求 出。
作为其他的方法，通过在各自的正弦波的中心值将2相的正弦信号进行 比较并变换为矩形波，测定变换的矩形波的边缘间的时间，可以求出频率。 校正判定电路22接受由速度检测器21求出的频率信号19的频率信息，将校 正值更新信号20 (例如，将校正值的更新设为无效时是L的信号)输出到峰 值检测器15和相位误差检测器7,使得在频率信号19比某一设定的频率高 时，不进行偏移和振幅、和相位的校正值的更新。
此外，在频率信号19比设定的频率低时，为了进行偏移和振幅、和相位 的校正值的更新，将校正值更新信号20 (例如，使校正值的更新有效时是H 的信号)输出到峰值检测器15和相位误差检测器7。
切换校正值更新信号20的频率设定为能够正确地检测校正值的值。设定 的基准是，将频率设定为在2相的正弦信号的一个周期期间能够检测72分割 (每5度采样)以上，则可以将校正值的误差抑制得较小。在2相的正弦信 号由于温度或电源电压、噪声的影响而容易变动的情况下，虽然编码器的位 置检测精度会恶化，但可以将分割数设定(例如，每10度采样)得较小，。
此外，使更新校正值的频率的设定具有磁滞特性，通过设为从无效切换 为有效的频率的设定低于从有效切换为无效的频率的设定，从而可以成为稳 定的切换动作。
图4以及图5是表示将2相的正弦信号进行内插处理的结果，都是在高 频动作状态下，在正弦波的一个周期期间内，AD变换部件2的采样为14次 的情况。图4是在以往方法中没有校正判定部件的情况，图5是设置了本发 明的校正判定电路，将校正值的更新设为无效的情况下的波形。在以往方法 中校正值的检测不能正常地进行，所以采样间的差存在偏差，但在本发明的 方法中可为大致一定。
如上所述，通过第一实施方式的电路结构和运算处理，可以得到即使由 于时效变化而2相的正弦信号的偏移或振幅、相位变动，也可以高精度地校 正这些偏移量，并且在2相的正弦信号的频率较高的情况下，也不会因为采 样周期的稀疏而受到影响的高分辨率的编码器。 (第二实施方式)-使用图6至图8，说明本发明的第二实施方式。与第一实施方式不同的 是设置温度检测器24来测定电路周围的温度，用温度来校正偏移或振幅的校 正量这一点，对此进行说明。图6是与图l相同地，使用2相的正弦信号A0、 BO,计算角度数据eiP (14)的图，与图1不同，该结构对峰值检测器15输出温度数据33。温度检测器24测定电路周围的温度，通过使用热敏电阻或温度传感器 IC，可以容易地检测温度。在校正判定电路22输出了将校正值的更新设为无 效的信号(校正值更新信号20)时，峰值检测器15存储此时的偏移和振幅 的校正量以及此时的温度。来自温度检测器24的温度数据33被定期地输入到峰值检测器15，并与 存储的温度比较，如果产生温度差，则根据温度进行偏移和振幅的校正值的 校正。图7和图8是分别表示振幅-温度特性、偏移-温度特性的曲线，根据这 些温度特性预先求出温度系数。此外，在数据为非线性的情况下，通过对ROM 设定随着温度的变化率，从而可以容易地进行温度的校正。如上所述，根据第二实施方式的电路结构和运算处理，可以得到即使由 于温度变化、时效变化而2相的正弦信号的偏移或振幅、相位变动，也可以 高精度地校正这些偏移量，并且在2相的正弦信号的频率较高的情况下，也 不会因为采样周期的稀疏而受到影响的高分辨率的编码器。 (第三实施方式)使用图9,说明本发明的第三实施方式。与第二实施方式不同的是，在 生成2相的正弦信号A0、 B0的结构中追加了 LED光量校正电路31,将AO 信号和B0信号的振幅保持为一定而不会受到LED(发光元件)的劣化或LED 和受光元件的温度特性的影响的电路结构，对这个进行说明。LED光量校正电路31是由LED发光电路25和LED受光电路27和LED 光量控制电路29构成。LED发光电路25是由LED (发光元件)和用于调节 流到LED的电流的晶体管构成。通过使流过LED的电流增多，可以将LED发光量26增大。LED受光 电路27是由PD (光电二极管)或PTR (发光晶体管)等的受光元件和运算 力文大器构成。
当接受来自LED的光时，受光元件对应于该光量变换为电压并输出。因为这些电压是几百mV的非常小的电压值，所以由运算放大器放大利用。在 LED受光电路27中，不仅设置用于生成正弦信号的受光元件，还设置有用于 测定光量的受光元件，所测定的光量作为测定光量28而输出。LED光量控制电路29比较测定光量28和预先被决定的基准电压，并通 过比例积分控制等的控制电路来生成光量控制信号30,使得它们相等。生成 的光量控制信号30被输入到LED发光电路25,用于调节流到LED的电流。在LED光量控制电路29中设定的基准电压被设定为，将由LED光量校 正电路31生成的2相的正弦信号AO信号、BO信号的振幅纳入AD变换电路 2的可测定电平内即可。如上所述，根据第三实施方式的电路结构和运算处理，通过设置LED光 量校正电路31,可以减小2相的正弦信号A0信号、BO信号的振幅变动，所 以可以得到抗温度变化、时效变化，并且在2相的正弦信号的频率高的情况 下，不会因为采样周期的稀疏而受到影响的高分辨率的编码器。 (第四实施方式)使用图IO,说明本发明的第四实施方式。与第三实施方式不同的是，在 校正判定电路22具有2种用于判定的设定频率，对这个进行说明。校正判定电路22可以分别单独地设定使偏移和振幅的校正值、和相位的 校正值的更新有效或无效的信号。当2相的正弦信号AO信号和B0信号的频 率变高时，因AD变换电路2的采样周期较长，所以检测间隔稀疏。对于在峰值检测器15检测的2相的正弦信号的Al信号、Bl信号，因 峰值周围的值的大小的变化较小，所以很难受到采样周期的稀疏所产生的影 响。因此，可以在校正判定电路22中，较高地设定用于决定偏移和振幅的校 正值的更新的第l设定频率。例如，即使产生士8度的偏移量，峰值也才衰减1%。在可允许1%的变动 的系统中，将2相的正弦信号的每一周期的采样数可以允许到成为22.5 (360 / 16 )的频率为止。相位的校正值检测2相的正弦信号的A2信号和B2信号 的交点，在该交点值变动1%时，角度的范围成为士0.6度。因此，在校正判定 电路22中与第1设定频率相比，较低地设定用于决定相位的校正值的更新的 第2设定频率。如上所述，通过采用在第四实施方式的校正判定电^各22中设定的频率单
独地设定为偏移和振幅校正用和相位校正用的2种结构，可以减小2相的正弦信号AO信号、BO信号的振幅变动，所以可以得到抗温度变化、时效变化， 并且在2相的正弦信号的频率高的情况下，不会因为采样周期的稀疏而受到 影响的高分辨率的编码器。 (第五实施方式)说明本发明的第五实施方式。与第一至第四实施方式不同的是，校正判 定电路22构成为，判定将偏移和振幅的校正值或者相位的校正值的哪一个校 正值的更新设为有效或者无效，对这个详细进行说明。在2相的正弦信号的 AO信号和BO信号的频率较低的系统中，如前所述，可以忽略振幅的变动， 所以将偏移和振幅的校正值的更新始终设为有效也没有问题。此时，仅检测 相位校正的校正值的更新设为有效还是无效。此外，在线性检测元件(linear scale)等中，存在相位的偏移量由格子状 的缝板的精度决定的情况，此时，相位校正电路6不进行相位校正处理，仅 进行偏移和振幅校正即可。校正判定电路22判定偏移和振幅的校正值的更新 为有岁文和无凌史即可。如上所述，可以得到校正判定电路22也可以构成为判定偏移和振幅的校 正值的更新为有效或无效、相位;f交正值的更新为有效或无效的哪一个更新为 有效或无效，因为可以使电路规模抑制得较小，所以可减少成本，抗温度变 化、时效变化，并且在2相的正弦信号的频率高的情况下，不会因为采样周 期的稀疏而受到影响的高分辨率的编码器。另夕卜，从第一实施方式到第五实施方式，将2相信号作为正弦波来说明， 但也可以用相同的结构对在波形存在失真的伪正弦波、三角波进行相位的校 正。
权利要求
1.一种编码器信号的校正电路，其特征在于，位置检测器包括AD变换电路，将正交的A相和B相的正弦信号变换为数字数据，生成A1信号和B1信号；峰值检测器，检测A1信号和B1信号的最大值和最小值；偏移/振幅校正电路，使用由所述峰值检测器所检测的最大值和最小值，根据偏移以及振幅的误差，求出偏移以及振幅的校正值，校正偏移和振幅，生成A2信号和B2信号；相位误差检测器，检测所述A2信号和B2信号的相位误差量；相位校正电路，根据由所述相位误差检测器所检测的相位误差量，求出相位的校正值，生成相位差成为90度的A3信号和B3信号；位置数据变换电路，从所述A3信号和B3信号变换为位置数据，它还包括速度检测器，检测所述A相和B相的频率；以及校正判定电路，将所述偏移以及振幅的校正值、和所述相位的校正值的更新设为有效或无效，在由所述速度检测器所检测的频率超过了设定频率时，所述校正判定电路将所述偏移以及振幅的校正值、和所述相位的校正值的更新设为无效；在由所述速度检测器所检测的频率成为设定频率以下时，所述校正判定电路将所述偏移以及振幅的校正值、和所述相位的校正值的更新设为有效。
2. 如权利要求1所述的编码器信号的校正电路，还包括用于测定电路周 围的温度的温度检测器， 通过所述校正判定电路将所数偏移以及振幅的校正值、和所述相位的校 正值的更新设为无效的情况下，根据由所述温度检测器所检测的温度和计算 所述偏移以及振幅的校正值时的温度差而预先求出的A相和B相的正弦信号 的温度系数，校正所述偏移以及振幅的校正值。
3. 如权利要求1所述的编码器信号的校正电路，其特征在于，在AD变换部件的前级包括将所述A相和B相的正弦信号的振幅的大小 控制为一定的LED光量校正电路。
4. 如权利要求1所述的编码器信号的校正电路，其特征在于，在由所述速度检测器所检测的频率超过了第1设定频率时，所述校正判 定电路将所述偏移以及振幅的校正值的更新设为无效；在由所述速度检测器 所检测的频率成为第l设定频率以下时，所述校正判定电路将所述偏移以及 振幅的校正值的更新设为有效；在由所述速度检测器所检测的频率超过了第 2设定频率时，所述校正判定电路将所述相位的校正值的更新设为无效；在 由所述速度检测器所检测的频率成为第2设定频率以下时，所述校正判定电 路将所述相位的校正值的更新设为有效。
5.如权利要求1所述的编码器信号的校正电路，其特征在于， 所述校正判定电路将所述偏移以及振幅校正电路、和所述相位4史正电路 的任一个校正电路的校正值的更新设为有效或无效。
全文摘要
一种位置检测精度高的编码器信号的校正电路，在用于内插处理的2相的正弦信号的频率高的情况下，也能用简单的运算处理来校正相位误差。位置检测器包括峰值检测器，检测AD变换器的输出信号即A1信号和B1信号的峰值；偏移/振幅校正电路，使用所检测的峰值，校正偏移以及振幅的误差，生成A2信号和B2信号；相位误差检测器，检测A2信号和B2信号的交点值；相位校正电路，根据由相位误差检测器检测的交点值，运算A2信号和B2信号的校正系数；位置数据变换电路，将A相和B相的正弦信号变换为位置数据，还设置速度检测器，检测A相和B相的正弦信号的频率；校正判定电路，切换为偏移以及振幅、和相位的校正值的更新有效或无效。
文档编号G01D5/26GK101131329SQ200710143780
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月2日 优先权日2006年8月22日
发明者增田隆宏, 岸部太郎, 田上博三 申请人:松下电器产业株式会社