沼津高専 電子制御工学科
ロータリーエンコーダ調査報告書
MIRS0102-TECH-0011
改訂記録
版数 作成日 作成者 承認 改訂内容 提出先
A01 2001.12.17 木下 増田 初版

1 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。

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。

2 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。
 
光電式ロータリエンコーダの概要　　　　　　
fig1.光電式ロータリエンコーダの概要

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。 

パルス　　　　　　 
fig2.パルス
 　

2.2 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。
 
パルスパターン　　　　　　 
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”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 回転数のカウント


fig.4 カウント法

　パルスのカウント法は、右図のよう 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

2.4 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

3 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。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。 
fig5.パルス弁別回路
 　

４ 信号処理のブロック

4.1 信号処理のブロック

 
fig6.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。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相式のロータリエンコーダを２つまで取付可能であるということ。μＰＤ４７０１Ａを利用すればＩＣ１チップで２つのロータリエンコーダの信号処理が行え、回路の小型化が容易にできる。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。μＰＤ４７０１Ａのカウンタは、２相のパルスの立上がり、立下がり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。
    •  
    fig7.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した。 
    fig8.カウンタリセットサイクル
     　

    4.4 ロータリエンコーダ接続回路

      ロータリエンコーダ接続回路はロータリ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、使用するロータリエンコーダに合わせて設計する必要がある。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エンコーダと同じものを使用したため、ロータリエンコーダ接続回路は新しくは設計せずこれまでのものをそのまま用いた。図２にロータリエンコーダ接続回路を示す。 
    fig9.ロータリエンコーダ接続回路
     　

    ５ ロータリエンコーダモジュール

    5.1概要

    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。

    5.2機能説明

    ６ マイクロエンコーダ

    6.1 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す。 
    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

    fig11 ロータリーエンコーダの特性

    6.2外形


    fig12 ロータリーエンコーダの外形