ロータリーエンコーダの調査研究

１．ロータリーエンコーダとは

　ロータリーエンコーダは、タイヤの回転量をパルス数に変換する機能を持つ。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用いる。
　また出力パルスの形式により、インクリメント型（変位のみの情報を出力）とアブソリュウト型（絶対位置を出力）の２つに大きく分けられるが、ここでは、安価で構造も小さいインクリメント型を使用する。

２．機能性能

　このボードは、ロータリ・エンコーダからの信号を取り込み、カウンタでカウントし、ＣＰＵの要求に応じてカウント値を出力するものである。また、タッチセンサの信号を取り込みスイッチの状態を調べ、スイッチ割込みの割込み信号を発生させるのも、このボードである。

３．光電式ロータリーエンコーダの概要

　（１）回転量の検出

　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）を挟んで発光ダイオード（ＬＥＤ）と受光素子（フォトトランジスタ）が取り付けられてあり、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・遮断する。この光を受光素子で検出し、信号（パルス）に変換して回転したか否か判断する。出力信号を２相にするため、固定スリット（Ｂ）はスリットが２つに分かれていて、それぞれ９０度位相がずれている。
　ロータリーエンコーダからの出力信号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にへんかんする。

　（２）回転方向（正転・逆転）の判別

　ロータリーエンコーダからの出力信号は、波形整形回路によりパルス信号Ａ、Ｂに変換されその組み合わせは、回転方向により２つのパターンになる。



　図のようにパルス信号Ａ、Ｂは９０度位相がずれているが、回転方向によってずれ方が異なる。これを利用して回転方向を検出する。

　図１（正転）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、方向検出信号は方向検出回路により”Ｈ”になる。
　図２（逆転）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、方向検出信号は方向検出回路により”Ｌ”になる。

　（３）回転速度の検出

　Ａ、Ｂ信号の周波数と回転数は比例しているから、そのパルスを一定時間間隔にカウントし回転数をもとめれば、回転速度を検出できる。

　（４）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。通常、このＡ、Ｂ相の動きよりｕｐ/ｄｏｗｎパルスを作りだし、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る事で回転量を知る事が出来る。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。

　下にパルス弁別回路を示す。

４．信号処理のブロック

　（１）波形整形回路

　ロータリーエンコーダからの出力信号は近似正弦波形なので、これをパルス波形に変換する。ＯＰアンプをコンパレータとして使用し、スレッショルド電圧によりＨレベルとＬレベルに分けられる。また、ＨからＬとＬからＨの場合のスレッショルド電圧の違いを利用すれば、多少のノイズにも耐えられる。

　（２）方向検出回路

　波形整形回路から出力された信号Ａ，信号Ｂはそれぞれ９０度位相がずれている。正転の場合は信号Ａが信号Ｂに対して位相が進み、逆転の場合は信号Ａが遅れる。ここでは、この位相差を利用して方向を検出する。
　正転の場合、信号Ｂが立ち上がるとき、信号ＡはＨレベルであり、逆転の場合、信号ＡはＬレベルである。信号Ａのエッジ検出と信号Ｂの論理積で方向検出回路は作られる。

　（３）カウンタ回路

　パルス信号Ａをカウントする。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、リセット信号によってリセットされる

　（４）ラッチ回路

　Ｉ/Ｏで値を引き渡す場合には一定時間、値を変化させないようにする必要がある。しかし、カウンタを止めてしまうと値が不正確になるため、ラッチを利用する。リセット信号の立ち上がりでラッチする。

参考文献