rotery encoder

沼津高専電子制御工学科

	MIRS9903ロータリーエンコーダ調査報告書
	MIRS9903-TECH-0009

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提出先

A01

2000.1.31

菊池

初版

第１章はじめに

1.1 ロータリーエンコーダについて

　製品にコネクタを接続し、タイヤの回転数（アナログ量）をパルス数（デジタル量）に変換する機能がある。その変換方式には光電式、ブラシ式、磁気式などがあるが、ＭＩＲＳでは最も一般的な光電式を使用する。ロータリーエンコーダは、回転軸の回転速度に比例した互いに９０°位相の異なる２相の近似正弦波を出力しているもので、２相の位相関係から回転方向が判別できる。他に、２相の信号をカウントして回転数を求めることができる。
　一般的なロータリーエンコーダの使用方法として、回転子の回転数や速度の検出がある。

第２章光電式ロータリーエンコーダの概要

2.1 回転量の検出

　発光ダイオード（ＬＥＤ）と受光素子（フォトトランジスタ）が、回転軸に取り付けられた回転スリット（Ａ）と固定スリット（Ｂ）をはさみ相対して取り付けられている。回転スリット（Ａ）が回転すると、ダイオードの光がスリットによって通過、遮断を繰り返す。この光を受光素子により検出して、信号（パルス）に変換する。出力信号を２相にするため、固定スリット（Ｂ）のスリットは２つで、９０°位相がずれている。

fig1.光電式ロータリーエンコーダの概要

ロータリーエンコーダからの出力信号aは近似正弦波形であるので、これを波形整形回路でパルス波形bにする。

fig2.パルス

2.2 回転方向（正転/逆転）の判別

　波形整形回路からのパルス信号Ａ，Ｂの組み合わせには、回転方向により２つのパターンがある。



fig3.パルスパターン

　上記のように出力信号Ａ，Ｂの位相差は常に９０°であるが、回転方向により、ずれ方が異なってくる。
①の場合、Ｂ信号の立ち上がり時にＡ信号は必ず”Ｈ”になっているため回転方向検出信号は”Ｈ”になる。
②の場合、Ｂ信号の立ち上がり時にＡ信号は必ず”Ｌ”になっているため回転方向検出信号は”Ｌ”になる。
このようにして回転方向の判別を行う事ができる。

2.3 回転速度の検出

　Ａ、Ｂ信号の周波数は回転数に比例するからＢのパルスを一定時間間隔にカウントし回転数を求めれば、回転速度を検出できる。データの読み込みはタイマー割り込みを使い、そのたびにカウンタはリセットされる。

第３章パルス弁別回路

3.1 パルス弁別回路

　２相パルス出力型のエンコーダ（正転/逆転）を検出するために必要な回路である。通常このＡ、Ｂ相の動きによってｕｐ/ｄｏｗｎパルスを作り出し、必要桁数のｕｐ/ｄｏｗｎカウンタに入力し、カウンタの内容を読み取って回転量を知る事ができる。パルス弁別回路は、このｕｐ/ｄｏｗｎパルスを作り出す回路である。

fig4.パルス弁別回路

第４章信号処理のブロック

4.1 信号処理のブロック

fig5.信号処理のブロック

4.2 カウンタ回路

カウンタ回路はロータリーエンコーダの信号をカウントし、２相の信号の位相差から回転方向を判断する。今まではフリップフロップを使ってカウンタと方向判別回路を設計してきたが、ここではマウス制御用カウンタＩＣ（μＰＤ４７０１Ａ）を利用する。μＰＤ４７０１Ａを利用することのメリットを、次に挙げる。

μＰＤ４７０１Ａがカウンタと方向判別回路の両方の回路を兼ね備えているということ。これにより、カウンタ、方向判別回路の信頼性は高上する。

２相式のロータリーエンコーダを２つまで取り付け可能であるということ。μＰＤ４７０１Ａを利用すればＩＣ１チップで２つのロータリーエンコーダの信号処理ができて、回路の小型化が簡単にできる。回路の小型化については、ボードをＩｎｄｕｓｔｒｙＰａｃｋの形態にするためにも重要になる。

μＰＤ４７０１Ａが２相でカウント動作をするということ。今までは、ロータリーエンコーダの２相の信号のうち、片方の相のパルスの立ち上がりに対してカウンタをアップカウントさせ、方向はカウントとは別に２相の位相差から判別していた。それに対して、μＰＤ４７０１Ａのカウンタは２相のパルスの立上がり、立下がりの全てに対してカウンタを動作させる。そのため、ボードの分解能はこれまでの４倍にまで高めることができる。ちなみにカウンタは２の歩数表示で２相の位相差から常に方向を判断し逆転の時にはダウンカウントする。

μＰＤ４７０１Ａの持つマウスのボタン入力ピンをタッチセンサに応用できるということ。簡単に言うと、パルス信号Ａをカウンタとした時にＩ／Ｏポートは８ビットあるが、１ビットを回転方向を示すのに使うので残る７ビットを使いカウンタを作る。なお、リセット信号によりリセットされる、ということである。

fig6.カウンタリードサイクル

4.3 カウンタリセット回路

カウンタリセット回路は、カウンタのリセット信号を発生させる回路である。
μＰＤ４７０１Ａの２つのカウンタは独立にリセット機能を持つため、回路も２つのカウンタを別々にリセットできるようにする。

fig7.カウンタリセットサイクル

4.4 ロータリーエンコーダ接続回路

ロータリーエンコーダ接続回路はロータリーエンコーダの出力波形が論理回路の“Ｈ”、“Ｌ”レベルを満足するように振幅を設定するためのものである。この回路は使用するロータリーエンコーダに合わせて設計する必要があるが、本研究ではこれまでのＭＩＲＳ開発に用いられてきたロータリーエンコーダと同じものを使用するため、ロータリーエンコーダ接続回路は新しく設計する必要はなく、これまでのものをそのまま用いることができる。fig8.にロータリーエンコーダ接続回路を示す。

fig8.ロータリーエンコーダ接続回路

第５章マイクロエンコーダ

5.1 マイクロエンコーダの仕様

　MIRSでのマイクロエンコーダは、maxonのモータと一体化したものである。

テクニカル・データ
供給電圧	5V(-10/+10%)
出力信号	TTLコンパチブル
立ち上がり時間	200ns
下降時間	50ns
チャンネル数	2
カウント/回転	100
使用温度範囲	-20/+85℃
ｺｰﾄﾞ･ﾎｲｰﾙ慣性モーメント	=<0.05gcm2
最大加速度	250000rads-2
最大出力電流/チャンネル	5maA
位相差	90°e(-45/+45°e)
最大周波数	20kHz

Last up date is 98/12/14

第１章 はじめに