目次

1. ロータリエンコーダとは
2. ロータリエンコーダの概要
3. 回転に関する働き
4. パルス弁別回路
5. ロータリエンコーダモジュール
6. 仕様

ロータリエンコーダとは

　 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。 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は、回転子の回転数の検出、 更に、回転子の速度の検出である。

ロータリエンコーダの概要

　ロータリエンコーダというものは、アナログ量であるモータの回転数をディジタル量としてカウントするものである。 これによって、モータの回転数からMIRSが自己位置を認識できるようになる。 MIRSのロータリエンコーダ部は大きく分けて2つの部分から構成される。 一つ目は、モータの回転数を90度位相がずれた矩形波に変換させるマイクロエンコーダ、そしてその回転数をカウントするFPGA内に構成されるロータリエンコーダモジュールである。
　その二つを組み合わせることによってアナログ量であるモータの回転数をディジタル量でカウントしている。MIRSでは、光学式のロータリエンコーダを用いている。



光学式ロータリエンコーダの概要


fig.1　光学式ロータリエンコーダの概要
　fig.1に光学式ロータリエンコーダの概略図を示す。 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。
　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する。 fig.2にその波形の変化を示す。
fig.2 波形の変化図

回転に関する働き

回転量の検出


fig.3 検出方法
　パルスのカウント法は、上図のよう に1,2,4逓倍の数え方がある。 MIRSではA相、B相が0のときにどちらが立ち上るかを判別している1逓倍を使っている。MIRS標準のマイクロエンコーダでは1回転するのに100パルス発生する。 また、ギヤで回転を1/16に落としているので回転数を求める場合は、以下の式で求められる。

（タイヤの回転数）=（ロータリエンコーダカウント値）/1600

回転方向（正転/逆転）の判別

　パルス整形回路からの出力信号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。
fig.4 回転方向の判別方法
　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"になっているときと2の場合のようなB信号の立ち上がり時にＡ信号は"L"になっている場合の二つによって回転方向が判別できる。



回転速度の検出

　 Ａ、Ｂ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毎にカウントし回転数をデータ化する。 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

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る事で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。
fig.5 パルス弁別回路

ロータリエンコーダモジュール

　ATLMIRSでは、回転数をカウントするロータリエンコーダモジュールをFPGAボード内のFPGAチップで構成する。 FPGAボードについてはFPGAボード技術資料参照。

機能概要

　 MIRSATLM FPGAボード モジュールはモータの回転数をカウントし、移動した距離の計測や自己位置を認識する行うためのものであり、FPGAボード内のFPGAチップに構成される。 この機能を実現するためにMIRSATLM FPGAボード モジュールでは以下のような機能構成を持つ。
fig.6 FPGAボード モジュールの機能構成図
1. カウント回路
   　モータからの信号からモータの回転数をカウントする回路。
2. カウント制御回路
   　データ呼出し命令がきた時にをISAバスにカウントデータを送る機能を持つ回路。
3. リセット制御回路
   　リセット命令がきた時に実際にカウンタをリセットさせる信号を制御する回路 。

機能詳細

　ロータリエンコーダモジュールでは、自己位置認識のためのモータの回転数をカウントする。 モータのロータリエンコーダ部からA相、B相の90度ずれた矩形波が発生する。 それをカウントすることによってモータの回転数を調べる。 以下では、機能構成図fig.5に示した各機能ブロックの詳細説明を行う。
1. カウント回路
   　モータのロータリエンコーダ部からの信号から回転数を実際にカウントする回路。 回転方向は、90度ずれた矩形波の変化する順番によって見分ける。(回転方向の判別)
   　カウントの方法には、fig.3に示すように1、2、4逓倍のカウントの方法があるがこの回路では1逓倍でカウントする。 また、負の数は補数表示となる。 カウンタは16bitカウンタである。
2. カウント制御回路
   　この回路は、アドレスが指定されかつ、読み取り命令がきたときバスにアドレスで指定されたカウンタの値を出力する働きを持つ。 　それ以外の場合は、ハイインピーダンスを出力しておく。
3. リセット制御回路
   　この回路はアドレスが指定され、リセット命令がバスから書きこまれるとアドレスで指定されたカウンタがリセットされる。



インターフェース


table 5 ロータリエンコーダモジュールのインターフェース

信号名	方　向	対　象	概　要
RE_X	IN	アドレスデコーダ	モジュールセレクタ信号(Xカウンタ選択用）
RE_Y	IN	アドレスデコーダ	モジュールセレクタ信号(Yカウンタ選択用）
SD 0 to 15	INOUT	ISA-Bus	16bit データバス
IOR	IN	ISA-Bus	I/Oリード・ストローブ
IOW	IN	ISA-Bus	I/Oライト・ストローブ
RESET	IN	ISA-Bus	システム・リセット
CLK	IN	ISA-Bus	システム・クロック 8MHz デューティ50%
X_A,X_B	IN	ドーターボード	Xカウンタ用2相信号入力端子
Y_A,Y_B	IN	ドーターボード	Yカウンタ用2相信号入力端子

仕様

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  マイクロエンコーダ

  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す。 詳しくはモータ技術資料参照。

  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℃
  コード・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

• MIRS0101技術調査一覧(MIRS0101-PROJ-0001)