sensor:encoder:index.html

センサ

エンコーダ

回転,移動体の移動方向,移動量,角度を検出するセンサ.
計測方式,出力方式によって多くの分類がある. この手のセンサはパルス数が精度に影響してくる.一般的に要求される機械精度の1/2~1/4とあるが,根拠の数字がよくわかっていないので要調査

これは位置決め精度についてのはなしであるので速度が非常に小さい場合の議論である.
取得できるパルス数のことを考えると,この議論は速度制御において周期を短くしていく場合にも同様のことが起きると考えられる.制御周期が短くなるほど,取得できるパルス数が減る.
以上を考えると,制御の安定性は単位時間あたりパルス数が制御の安定性に影響している?
ここでの単位時間とは制御周期のことを指す.
数学的に紐解いていけばちゃんと分かる気がするが全くわからない.
パルス数は離散値なのでデジタル制御の話をちゃんとしないといけない?

瞬時速度オブザーバ

エンコーダは検出遅れを持つとして速度制御系を構成すればいい感じになるのか?
検出遅れ時間$T_d$,エンコーダパルス間隔$T_s$がほぼ等しいらしい?
低分解能エンコーダによる電動機の低速度駆動
最小次元の負荷トルクオブザーバを用いた極低速域の速度制御特性改善法
低精度エンコーダを用いるサーボモータの高性能制御-瞬間速度オブザーバと慣性モーメントの同定-
低分解能エンコーダと速度オブザーバを併用したPMモータの一速度制御法
瞬時速度オブザーバとマルチレートPWMによる電気自動車のスリップ率制御法の提案
センサが遅い系のデュアルレートサンプリングオブザーバを用いた状態推定
外乱トルク・速度推定オブザーバを用いた制御系のディジタル化
An Instantaneous Speed Observer for Low Speed Control of ac Machine

分解能が小さいほど量子化誤差によって精度が低下する.

計測した角度からsin,cosに分解(xy平面にプロット)→sin,cosの平均値を算出→atan2で角度に戻す.
メリット
角度の境界(0,360)の境界の処理を考えなくて良い.

計測方向

回転体の角度を検出する角度分解能を示す.メーカによって定義が異なったりするが,

  • line per revolution (LPR)
  • count per revolution (CPR)
  • pulse per revolution (PPR)

等がある. 大抵は分解能を高めるため,2相のエッジを検出して使う.この2相のエッジを読み取るとぶんかいのうを最大4倍まで高める(逓倍する)事が可能.
メーカによって逓倍する前か後かは変わるので,データシートをよく確認すること.
インクリメント・エンコーダーのPPR、CPR、LPRのそれぞれの違いは何ですか?

平行な移動体の移動量を検出する.工作機械などのステージに組み合わせて使うことが多い.

計測方式

光学式エンコーダ製品

回転板にスリットがあり,LEDからの光を通したり遮ったりしてこの個数を検出する.

磁気式エンコーダ製品
複数のホールセンサが円周方向に配置されている.それらのセンサの検出した磁気の強度をアナログ量として算出し,合算することでレゾルバのような位相のずれた2つの正弦波が検出されるので,それを元に角度を算出する.

外部磁場により抵抗値が変化する磁気抵抗効果(Magnetoresistance effect)を利用する.
これらはMR素子と呼ばれる.このMR素子にも種類があリ,

  • AMR(異方性磁気抵抗効果:Anisotropic magnetoresistance effect)
  • GMR(巨大磁気抵抗効果:Giant magnetoresistance effect)
  • TMR(トンネル磁気抵抗効果:Tunnel magnetoresistance effect)

と進化をしてきた.AM→GMR→TMRと新しい素子が開発された.
信号のゲイン(MR比),安定性などがTMR素子が最も良い性能を示す.
テックノートTMRセンサ

周期が異なる2つの正弦波から位相差を求め,この位相差より絶対角度を求める方式もある.
Study of a system for the absolute position measurement
A Method for Measurement of Absolute Angular Position and Application in a Novel Electromagnetic Encoder System

正弦波状パターンが刻まれた金属パターンが回転することで静電容量が変化し,この変化をアプリケーション特定集積回路(ASIC)がカウント,保管して正確なパルスとして出力する.

出力方式

位相の90°ずれた2相のパルス信号を出力する.マイクロコントローラーによってはこのパルスをハードウェア的にカウントしてくれる.
それぞれの立ち上がり,立ち下がりエッジを検出することで理論上パルス数の分解能を4倍まで高めることができる.(逓倍ともよぶ,パルス数の4倍の場合を4逓倍という)
時間あたりのパルス数を計測することで,回転数,移動速度を計測可能,しかし速度が極端に遅くなると分解能が低下するので制御的に不安定になりやすい.
また,2相のみでは絶対的な角度の計測は不可能である.これを解消するため,ロータリーエンコーダによっては1回転につき1パルスのみ出力する相が存在する,このパルスを原点として基準を設定すれば,絶対的な角度の計測も可能,2相のパルスを出力する相をA,B相と呼ぶことが多く,1回転につき1パルスを出力するするものをZ相,I相と呼ぶ(メーカによって呼び方はまちまち)

絶対角度が検出可能.インクリメンタル式はパルスの変化が生じて初めて検出できるが,アブソリュート式は電源投入時ただちに現在の絶対位置が認識できる.
単回転ABSエンコーダにおける偏差計算

信号のパターンにM系列を用いる. M系列(Maximum Length Sequence)は最大周期系列という意味
バーコードパターンのような,不規則な「0」と「1」によって形成されている. このパターンを長手方向に読み取った場合,エンコーダが1回転する間,すべての位置でパターンが異なる.このことから,任意のパターンによって角度が一意に定まる=角度の絶対位置が検出可能という仕組み.

工業用途としての実装

n個のシフトレジスタで表現できるM系列信号のパターンは$2^n-1$通りである.マイコンなど電子回路で扱うことを考えると,組合わてパターンは$2^n $通りであるほうが便利なことが多い.このため,M系列では原理上とり得ることのないデータを1種類加えることで,$2^n$通りの組み合わせを実現する.
生成多項式の原理上,全ビットが「ゼロ」となるデータは存在しない.よって,M系列信号中にあえて「0」のビットを挿入することで電子回路で扱いやすい $2^n$通りの組み合わせを実現することができる.
アブソリュート・エンコーダ-センサの紹介と今後の動向について-

富士時報 Vo.72 No.4 1999 最新のエンコーダ技術
第8章 順序回路の応用(その2) -疑似ランダムパターン発生回路-
車載モータ応用を目的とした超高分解能エンコーダと異なるサンプリング周期を組み合わせた角加速度検出手法
M系列信号

2進バイナリコードとは異なり,符号が同時に2つ以上変化しないコード.

製品

基本的に差動出力があるものはそちらを採用したい.
RS422差動レシーバをかませる基板があるのでそれでよい
ボックスコネクタ10Pのものを表面実装のものに変えたいけどライブラリ作りからになりそう.
Digikey検索メモ

参考文献

  • sensor/encoder/index.html.txt
  • 最終更新: 2022/09/19
  • by yuqlid