エンコーダ測定入門

更新しました May 23, 2021

このドキュメントでは、エンコーダ理論、エンコーダ測定の基本、およびエンコーダを測定するためのオプションについて説明します。NIハードウェアを使用します。

エンコーダーとアプリケーションの概要

エンコーダは、動きや位置を測定できる電気機械装置です。ほとんどのエンコーダは、光センサーを使用してパルス列の形で電気信号を提供します。パルス列は、動き、方向、または位置に変換できます。

ロータリーエンコーダは、シャフトの回転運動を測定するために使用されます。図1は、発光ダイオード(LED)、ディスク、およびディスクの反対側にある光検出器で構成されるロータリーエンコーダの基本コンポーネントを示しています。回転シャフトに取り付けられたディスクには、ディスクにコード化された不透明および透明セクターのパターンがあります。ディスクが回転すると、不透明なセグメントが光を遮断し、ガラスが透明な場所では、光が通過できるようになります。これにより方形波パルスが生成され、位置または動きに解釈できます。

エンコーダーには通常、1回転あたり100から6,000のセグメントがあります。これは、これらのエンコーダーが100セグメントのエンコーダーに3.6度の分解能を提供し、6,000セグメントのエンコーダーに0.06度の分解能を提供できることを意味します。

リニアエンコーダは、回転ディスクの代わりに、表面に透明なスリットが付いた静止した不透明なストリップがあり、LED検出器アセンブリが移動体に取り付けられていることを除いて、ロータリーエンコーダと同じ原理で動作します。

図1. 光学式エンコーダコンポーネント
1セットのパルスを備えたエンコーダは、回転方向を示すことができません。90度位相がずれて配置された2つのコードトラックを使用することで、直交エンコーダーの2つの出力チャネルは回転の位置と方向の両方を示します(図2)。たとえば、AがBに先行する場合、ディスクは時計回りに回転しています。 BがAに先行する場合、ディスクは反時計回りに回転しています。したがって、パルス数と信号AとBの相対位相の両方を監視することにより、回転の位置と方向の両方を追跡できます。

図2. 直交エンコーダAおよびBの出力信号
さらに、一部の直交エンコーダには、ゼロまたは基準信号と呼ばれる3番目の出力チャネルが含まれています。このチャネルは1回転あたり1つのパルスを供給します。この単一パルスを使用して、基準位置を正確に決定できます。ほとんどのエンコーダでは、この信号はZ端子またはインデックスと呼ばれます。

これまでのところ、このドキュメントではいわゆるシングルエンドインクリメンタル直交エンコーダについてのみ説明してきました。 A信号とB信号は両方ともグランドを基準としているため、これらはシングルエンド信号と呼ばれ、信号ごとに1本のワイヤ(または端)があります。別の一般的に使用されるタイプのエンコーダは、差動エンコーダであり、A信号とB信号ごとに2本のラインがあります。 A信号の2本の線はA 'とAであり、B信号の2本の線はB'とBです。このタイプの構成は、4本の線すべてが常に既知の電圧(またはVccの0Vのいずれか)を供給しているため、プッシュプルとも呼ばれます。AがVccの場合、A 'は0Vであり、Aが0 Vの場合、A'はVccです。シングルエンドエンコーダの場合、AはVccであるか浮動のいずれかです。差動エンコーダは、電気的にノイズの多い環境でよく使用されます。これは、差動測定を行うことで信号の整合性が保護されるためです。

インクリメンタルエンコーダでは、位置の変化(速度と加速度)のみを測定できますが、オブジェクトの絶対位置を決定することはできません。アブソリュートエンコーダと呼ばれる3番目のタイプのエンコーダは、オブジェクトの絶対位置を決定できます。このタイプのエンコーダには、インクリメンタルエンコーダのように不透明なセグメントと透明なセグメントが交互にありますが、アブソリュートエンコーダは、ダーツボードのブルズアイのようなエンコーダホイールに同心円を形成するセグメントの複数のグループを使用します。同心円はエンコーダホイールの中央から始まり、リングがリングの外側に向かって出ていくにつれて、それぞれのセグメントの数は前の内側のリングの2倍になります。最も内側のリングである最初のリングには、1つの透明セグメントと1つの不透明セグメントがあります。中央から出た2番目のリングには2つの透明セグメントと2つの不透明セグメントがあり、3番目のリングには各セグメントが4つあります。エンコーダーに10個のリングがある場合、その最も外側のリングには512セグメントがあり、16個のリングがある場合、最も外側のリングには32,767個のセグメントがあります。

アブソリュートエンコーダの各リングには前のリングの2倍のセグメント数があるため、値はバイナリカウントシステムの数値を形成します。このタイプのエンコーダーでは、エンコーダーホイールのすべてのリングに光源とレシーバーがあります。これは、10個のリングを備えたエンコーダーには10セットの光源とレシーバーがあり、16個のリングを備えたエンコーダーには16個の光源とレシーバーがあることを意味します。

アブソリュートエンコーダの利点は、ギアを下げることによって機械の全長にわたってエンコーダホイールが1回転するように調整することができることです。機械の移動距離が10インチで、エンコーダの解像度が16ビットの場合、機械の分解能は10 / 65,536、つまり0.00015インチです。もしも機械の移動距離が6フィートなどの長い場合、コアースリゾルバーで1フィートごとの移動距離を追跡し、ファインリゾルバーと呼ばれる2番目のリゾルバーで1フィート以内の位置を追跡するようにします。つまり、粗いエンコーダーを6フィートで1回転させ、精密用エンコーダーの分解能が1フィート(12インチ)をカバーするようにギヤ比を調整します。

エンコーダ測定の方法

エンコーダの測定を行うには、カウンタと呼ばれる基本的な電子部品が必要です。基本的なカウンターは、そのいくつかの入力に基づいて、カウントされたエッジの数(波形の低から高への遷移)を表す値を出力します。ほとんどのカウンタには、ゲート、ソース、およびアップ/ダウンの3つの関連する入力があります。カウンタは、ソース入力に登録されているイベントをカウントし、アップ/ダウンラインの状態に応じて、カウントをインクリメントまたはデクリメントします。たとえば、アップ/ダウンラインが「High」の場合、カウンターはカウントをインクリメントし、「Low」の場合、カウンターはカウントをデクリメントします。図3は、カウンターの簡略図を示しています。

図3. カウンターの簡略化されたモデル
エンコーダーには通常、機器に接続するために必要な5本のワイヤーがあり、エンコーダーによって、これらのワイヤーの色は異なります。これらのワイヤを使用して、エンコーダに電力を供給し、A、B、およびZ信号を読み取ることができます。図4に、インクリメンタルエンコーダの一般的なピン配置表を示します。

図4. インクリメンタルエンコーダのピン配列
次のステップは、これらの各ワイヤをどこに接続するかを決定することです。上記のカウンタを考慮すると、信号Aはソース端子に接続されており、これがパルスのカウント元となる信号になります。信号Bはアップ/ダウン端子に接続されており、+ 5 VDCおよびグランド信号を任意の電源に接続できます。ほとんどの場合、データ収集デバイスカードのデジタルラインで十分です。

考慮する必要がある次の概念は、エッジがカウントされたらそれらの値がどのように位置に変換されるかです。エッジカウントが位置に変換されるプロセスは、使用されるエンコーディングのタイプによって異なります。エンコーディングには、X1、X2、およびX4の3つの基本的なタイプがあります。

X1エンコーディング

図5は、直交サイクルと、X1エンコーディングの結果のインクリメントとデクリメントを示しています。チャネルAがチャネルBに先行する場合、インクリメントはチャネルAの立ち上がりエッジで発生します。チャネルBがチャネルAに先行する場合、デクリメントはチャネルAの立ち下がりエッジで発生します。

図5. X1エンコーディング
X2エンコーディング

X2エンコーディングについても同じ動作が当てはまりますが、チャネルAの各エッジで、どちらのチャネルが他のチャネルよりも進んでいるかに応じて、カウンタがインクリメントまたはデクリメントします。図6に示すように、各サイクルは2つの増分または減分になります。

図6. X2エンコーディング
X4エンコーディング

カウンタは、X4エンコーディングのチャネルAおよびBの各エッジで同様にインクリメントまたはデクリメントします。カウンタがインクリメントするかデクリメントするかは、どのチャネルが他のチャネルをリードしているかによって異なります。図7に示すように、各サイクルで4つの増分または減分が行われます。

図7. X4エンコーディング
エンコードタイプを設定してパルスをカウントしたら、位置への変換は次の式のいずれかを使用するだけです。



回転位置用

回転量は

ここで、N =シャフトの回転ごとにエンコーダによって生成されるパルスの数
 x =エンコーディングタイプ

直線位置の場合

変位量は

ここで、PPI = 1インチあたりのパルス数(各エンコーダーに固有のパラメーター)

エンコーダーを機器に接続する

このセクションでは、NI cDAQ-9178 シャーシおよびNI 9401 CシリーズデジタルI / Oモジュールを使用した例を考えます。この手順は別の測定器や測定器を使用する場合も同様です。


図8. NI cDAQ-9178シャーシとNI9401デジタルI / Oモジュール

必要な機器:

  • NICompactDAQシャーシ
  • NI 9401 8チャンネル、5 V / TTL高速双方向デジタルI / Oモジュール
  • 24パルス/回転 回転直交エンコーダ

NI 9401には、8つのデジタルチャネルへの接続を提供するDSUBコネクタがあります。各チャネルには、デジタル入力または出力デバイスを接続できるデジタルI / Oピンがあります。 CompactDAQシャーシの4つのカウンターへのアクセスは、シャーシのどのスロットでも利用できます。 cDAQ-9172を使用している場合、2つのカウンタへのアクセスはスロット5と6を介してのみ利用できるため、9401をスロット5に挿入します。図9にこの構成のピン配置を示し、表1にデフォルトのカウンタ端子を示します。


図9. NI 9401のピン配列(スロット5)


表1.デフォルトのカウンター端子

これらの仕様によれば、ワイヤAはピン14に接続され、ワイヤBはピン17に接続され、「5 VDC電源」は「High」に設定された未使用のデジタル回線に接続され、「アース」は任意のCOM端子に接続されます。

測定値を確認する

エンコーダを測定デバイスに接続したら、NI LabVIEWグラフィカルプログラミングソフトウェアを使用して、視覚化と分析のためにデータをコンピュータに転送できます。

図10に、LabVIEWプログラミング環境内のエッジカウントと対応する位置増分を表示する例を示します。


図10.測定値を示すLabVIEWフロントパネル