JP4235456B2 - エンコーダの作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダの作動方法に関する。

位置データをエンコーダから直列接続された評価ユニット又は順次電子機器にシリアル伝送する方法が、ヨーロッパ特許発明第660 209 号明細書から公知である。この場合、データ線上の双方向のデータ伝送は、１つのクロック信号によってパラレルクロック伝送線上の特定の伝送クロック周波数に同期される。位置データ及び場合によってはその他のデータがこのようにして増大すると共に、伝送速度又は伝送すべきデータ量に関する要求も高まる。伝送速度に加えてエンコーダと評価ユニットとの間の伝送区間がさらに拡張した場合、データ線上の伝送されるデータの信号経過時間が最終的にかなり長くなる。こうして発生する遅延時間は、いろいろなデータを正しく再処理するために考慮しなくてはならない。いろいろなデータを正しく再処理することを保証するため、データ線上で伝送されるデータビットを、評価ユニット側でクロック信号のクロックエッジに対して一義的に常に割り当てなくてはならないことが、これに対する理由である。したがって新たな措置を講じないと、最大許容伝送距離又はケーブル長さ及び最大許容伝送速度又は伝送クロック周波数が明らかに制限される。最大許容伝送クロック周波数ｆ_C とケーブル長さＬ_K との間の関係が、図３中に具体的に示されている。例えばケーブル長さが100mの場合、最大許容伝送クロック周波数はｆ_C =500kHz にすぎないことがこのグラフから分かる。

本発明の課題は、長い伝送距離にわたっても高い伝送速度によってシリアル方式のデータをエンコーダと直列接続された評価ユニットとの間で伝送することを可能にするエンコーダの作動方法を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴を備えた方法によって解決される。

この発明の方法の好適な実施形は、請求項１の従属請求項中に説明されている手段から得られる。

この発明の方法を実施するために適したエンコーダは、請求項１４に記載されている。

本発明によれば、エンコーダ，伝送区間及び評価ユニットから成るその都度の構成に固有の信号所要時間が、実際の測定動作の前に算出される。引き続き、こうして算出された信号所要時間は、位置データ及び場合によってはさらなるデータの再処理時に適切に使用される。すなわち、本発明にしたがって算出された信号所要時間を適用することによって、データ線上で伝送される二進データ語とクロック線上のクロック信号のクロックエッジとの間の正確な同期が実行できる。より長い伝送区間にわたっても高い伝送速度でデータをエンコーダと評価ユニットとの間で確実に伝送可能であることが、最終的にこの方法で保証され得る。例えば、データが、100 ｍにわたって４ＭＨｚ以上の伝送クロック周波数で伝送され得る。これは、従来の技術に比べて８倍程度の伝送クロック周波数である。

特に、信号所要時間が何回も算出される。その結果、信号所要時間が確実に算定される。そのため、不正確な値が、データ伝送区間上の場合によっては起こり得る一時的なノイズによって算出されない。

本発明の方法は基本的にはエンコーダ，データ伝送区間及び評価ユニットから成る構成の変更ごとに並びに／又はエンコーダ及び／若しくは評価ユニットの給電の中断ごとに新たに実施されることが特に有益であることが実証されている。特にこの場合、信号所要時間の新たな算出が自動的に実行される。

以下に、本発明のその他の利点及び詳細を添付した図面に基づく実施の形態から説明する。

図１中には、概略的なブロック図が示されている。このブロック図は、エンコーダ１０と直列接続された評価ユニット２０とから構成されたシステムの基本的な構成を具体的に示す。このエンコーダ１０とこの評価ユニット２０とは、異なる信号線３０．１，３０．２，３１．１，３１．２を通じて伝送区間に沿って互いに接続されている。具体的な用途では、エンコーダ１０が、例えば電動機ハウジング４０内に配置されていて、電動機の横側で電動機の回転子の相対位置及び／又は絶対位置に関する位置データを記録する。この目的に対して、例えば回転割出し板上に配置された測定目盛を光電式に走査してもよい。この場合、位相のずれた走査信号が、インクリメンタル信号の形態で生成される。これらのインクリメンタル信号は、エンコーダ１０側で絶対位置データに再処理され、適切に評価してデータ線３１．１，３１．２を通じて評価ユニット２０に２進データ語としてシリアル式に伝送される。評価ユニット２０又は順次電子機器の場合、この評価ユニット２０又はこの順次電子機器は、例えば電動機の制御を伝送されるデータに基づいて請け負う通常の電動機の制御部又は電動機の調整部である。

このような用途とは別に、例えば加工すべき加工品に対する工具の精確な位置を測定し、対応する位置データを再処理のために工作機械の数値制御部として構成された評価ユニットに伝送するため、エンコーダを工作機械内で使用してもよい。例えば測長器，シャフトエンコーダ又は測角器が、エンコーダとして使用され得る。

さらに本発明は、位置データを物理的に生成する上述した方法に明らかに限定されない。別の走査原理に基づくエンコーダを稼働させることも可能である。

エンコーダ１０と直列接続された評価ユニットとの間のデータ伝送の方法は、ヨーロッパ特許発明第 660 209号明細書から公知の双方向同期シリアルデータ伝送にほぼ一致する；この双方向同期シリアルデータ伝送は、さらにいわゆる EnDat-Interfaceとしても関連して公知である。

データを実際に伝送するため、データ線３１．１，３１．２及びクロック線３０．１，３０．２が、データ伝送に必要なトランシーバー構成要素に接続している。これらのトランシーバー構成要素は、図１中ではそれぞれ符号ＲＳ４８５で付記されている。この図示した例では、データ線３１．１，３１．２及びクロック線３０．１，３０．２が２つずつ設けられている。クロック信号及びデータが、安全上の理由から反転した形態でこれらのデータ線３１．１，３１．２及びクロック線３０．１，３０．２上で伝送される。しかしながら基本的には、１本のデータ線と１本のクロック線だけで済む；それ故に以下では、クロック線だけか又はデータ線だけについて説明する。

二進データ語が、データ線３１．１，３１．２を通じてエンコーダと評価ユニットとの間で双方向にシリアル伝送される一方で、クロック線３０．１，３０．２上では、高周波クロック信号が評価ユニット２０からエンコーダ１０の方向に所定の伝送クロック周波数ｆ_C で伝送される。全てのデータ伝送が、この伝送クロック周波数ｆ_C によって公知の方法で最終的に同期される。

既に上述したように、伝送区間又はケーブル長が長く、同時に高い伝送速度が要求される場合、重要な意味をもつ信号所要時間が、データ線３１．１，３１．２上で取り交わされたデータに対して生じるので、クロック線及びデータ線３０．１，３０．２，３１．１，３１．２上で伝送されるデータに対する所定の信号所要時間ｔ_D が、実際の測定動作前に本発明にしたがって算出される。以下で説明する例では、信号所要時間ｔ_D は、信号が評価ユニット２０からエンコーダ１０に伝送され、再び返送されるために必要とする時間に一致する。この信号所要時間ｔ_D は、エンコーダ１０，伝送区間及び評価ユニット２０から成る特定の構成に対してその都度固有である。その都度の構成に対する値ｔ_D が確実に既知である場合、この値ｔ_D が、評価ユニット２０側でエンコーダ１０から受信されたデータの再処理時に考慮され得る。

以下に、信号所要時間ｔ_D を算出する本発明の方法を図２ａ−２ｂに基づいて１つの例に対して説明する。これらの図中に示された実際の測定動作前の期間は、ここでは本発明の方法の一部だけを示す。

これらの両図２ａ，２ｂ中では、クロック線３０．１，３０．２上のクロック信号の経時変化が示されている。図２ａは、時点ｔ₀ 以降の評価ユニットからエンコーダ又は測定機器に伝送されるクロック信号の経時変化を示す。その一方で図２ｂは、エンコーダでの時点ｔ₁₀以降のクロック信号の経時変化を示す。図２ａ，２ｂから分かるように、エンコーダと評価ユニットとの間の伝送区間上のクロック信号の最終的な所要時間によって引き起こされる特定の時間のずれが、両時点ｔ₀ とｔ₁₀との間に存在する。

エンコーダと評価ユニットとの間のデータ伝送を同期するクロック信号に関しては、対応する伝送クロック周波数ｆ_C が本発明を実施するために特にｆ_C ≒100 - 200 kHz の大きさ内で選択される点に注意する必要がある。すなわち、本発明の方法を実施するために必要な伝送クロック周波数ｆ_C は、実際の測定動作中の例えばｆ_C ＝４ＭＨｚに達し得る伝送クロック周波数ｆ_C よりも明らかに低く選択される。

基本的には、予測される信号所要時間ｔ_D が伝送クロック周波数ｆ_C で伝送されるクロック線上のクロック信号のクロック周期ｔよりも小さいように、本発明の方法を実施する伝送クロック周波数ｆ_C が選択されることが好ましいと実証されている：

ｔ_D ＜１／ｆ_C ＝ｔ （方程式１）

以下で説明する例では、信号所要時間ｔ_D が実際に正しく実施されることがこの条件を維持しつつ保証され得る。

両図２ｃ，２ｄは、データ線上の信号の経時変化を具体的に示す；この場合、図２ｃは、エンコーダでの信号の推移を示す。その一方で図２ｄ中には、評価ユニット又は順次電子機器での信号の推移が示されている。ここでもまた、伝送区間上の信号所要時間によって引き起こされる時間のずれが、エンコーダでのデータ信号と評価ユニットでのデータ信号との間に存在する。すなわち、６ビットのモード命令の形態をした１つの二進データ語が、例えば時点ｔ₂₀に対して評価ユニットからエンコーダに伝送される。しかしこの二進データ語は、時点ｔ₃₀に初めてこのエンコーダに遅れて到着する。

次いで、データ、例えば対応する二進データ語の形態の位置データの伝送が、伝送されたモード命令を通じて評価ユニットによって要求される。シリアル伝送に対応するこれらのデータの評価後に、エンコーダは、時点ｔ₄₀に対して二進データ語の形態のデータの伝送を開始する。信号時間の所要時間が伝送区間にわたって発生するために、対応するデータ語は、時点ｔ₅₀に初めて評価ユニットに到着する。

時点ｔ₅₀とクロック線上のクロック信号の最後の立ち上がりクロックエッジとの間の時間が、伝送区間によって引き起こされる算定すべき信号経過時間ｔ_D,i として規定される。この例では、クロック線上の評価ユニット側に対応する立ち上がりクロックエッジが、開始ビットを認識する前の最後の時点ｔ₃₅に対して存在する。

図２ｅ中に具体的に示されているように、信号経過時間ｔ_D,i を算出するため、カウンタが、最初に時点ｔ₃₁に対して評価ユニット側で開始する；このカウンタは、図１のブロック図中では符号２１で概略的に示されている。このカウンタは、プリセットされているカウンタ周波数ｆ_Z で昇順に計数する。この場合、選択されるカウンタ周波数ｆ_Z は、測定動作中に使用されるクロック線上のクロック信号の伝送クロック周波数ｆ_C よりも明らかに高く選択される。特にこの場合、カウンタ周波数ｆ_Z は、測定動作中に使用される伝送クロック周波数ｆ_C よりも少なくとも８倍大きく選択される。すなわち、

ｆ_Z ≧８＊ｆ_C （方程式２）

例えば伝送クロック周波数ｆ _C ＝４ＭＨｚが測定動作中に設定されている場合、カウンタ周波数ｆ_Z ＝３２ＭＨｚが選択される。

信号所要時間ｔ_D の十分に正確でかつノイズに強い算出を保証するため、選択されたカウンタ周波数ｆ_Z を最大で±10％程度変えてもよい。したがってｆ_Z ＝３２ＭＨｚの上の例では、最大で±3.2 ＭＨｚの周波数変化がさらに許容しうる。

時点ｔ₃₁に対してクロック線上のクロック信号の１つの立ち上がり切替えエッジによって最初に開始するカウンタが、クロック信号の新たな立ち上がり切替えエッジによって新たに開始するか又は実際のカウンタ状態Ｚの伝送されるデータ語の到着する開始ビットの立ち上がりエッジによって検出されるか若しくは記憶されるまで、このカウンタはその都度昇順に計数する。したがってこの例では、カウンタが、図２ｅにしたがって時点ｔ₃₁〜ｔ₃₅に対してクロック信号の立ち上がり切替えエッジによって新たに開始する；時点ｔ₅₀に対してエンコーダＺによって伝送される実際のカウンタ状態Ｚのデータ語の到着する開始ビットの上昇するサイクルエッジによって検出され記憶される。

引き続き、信号所要時間ｔ_D,i が、評価ユニット側で既知のカウンタ周波数ｆ_Z と検出したカウンタ状態とから算定され得る、すなわち、ｔ_D,i ＝Ｚ＊１／ｆ_Z 。

このようにして、信号所要時間ｔ_D,i （ｉ＝２）が、引き続き少なくとももう１回算定され、これらの個々の信号所要時間ｔ_D,1 ，ｔ_D,2 から平均の信号所要時間ｔ_D を算出する。本発明の方法のこの例では、信号所要時間ｔ_D,1 が、この説明した方法で全部で３回算定される（ｉ＝１，２，３）。引き続き、平均の信号所要時間ｔ_D が、算術的な平均値として個々の信号所要時間ｔ_D,i から算出される、すなわち、

ｔ_D ＝（ｔ_D,1 ＋ｔ_D,2 ＋ｔ_D,3 ）／３ 方程式（３）

信号所要時間ｔ_D,i のこの何回もの算出は、これらの信号所要時間ｔ_D,i の算出時の場合によっては発生する誤差が排除され得ること、及び算出したこれらの個々の値ｔ_D,i の持続する検査が可能であることを保証する。明らかに、３つよりも多いこれらの個々の値ｔ_D,i も、算定され得、平均の信号所要時間ｔ_D も、算術的な平均値を求めることによってこれらの個々の値ｔ_D,i から導き出され得る。

個々の信号所要時間ｔ_D,i から平均値を求めた後に、これらの個々の信号所要時間ｔ_D,i がどの程度Δｔ_D,i 平均の信号所要時間ｔ_D からずれているかをさらに検査することが有益であることが実証されている。すなわち、個々に算出した信号所要時間ｔ_D,i の平均値ｔ_D からの最大に可能なずれΔｔ_D,i が、測定動作中の伝送クロック周波数ｆ_C のクロック期間Ｔの最大で１／８でもよいことが例えば提唱され得る、すなわち、

Δｔ_D,i ＜（１／８）＊（１／ｆ_C ） 方程式（４）

許容できないより大きなずれの場合、エラーメッセージが評価ユニット側から出力され、そして信号所要時間ｔ_D,i の算定が繰り返される。

こうして信号所要時間ｔ_D が算定された後に、これらの値が、エンコーダによって受信されたデータの処理時に評価ユニット側で後で考慮され得る。

最後に、エンコーダと直列接続された評価ユニットとの間のシリアルデータ伝送のもう１つの構成を説明する。特に伝送区間が長く、そこから生じる信号所要時間が長い場合、この構成は、信号所要時間ｔ_D が本発明の方法にしたがって前もって算定してあるときに有益であることが実証されている。

すなわちこの場合、エンコーダからのデータの要求ごとの測定動作中に、エンコーダが評価ユニットの方向にデータをもはや送信しないことが第１に提唱される。このようにして、さもなければ起こり得るデータ線上での衝突を回避しなければならない。この目的のため、まず最初に論理ＬＯＷレベルの遅延信号が、データ要求時に評価ユニットからエンコーダに伝送クロック線上で伝送される。この遅延信号は、プリセットされた特定の期間ｔ_STを有する。その都度の伝送周波数ｆ_C を呈する実際のクロック信号が、この期間ｔ_ST後になって初めて従来の方法で伝送され、このデータ伝送が進行する。したがって、伝送されるこのクロック信号の最初の周期が、論理ＬＯＷレベルと期間ｔ_STを呈する遅延信号の伝送並びに引き続く伝送クロック期間ｔ／２を呈する論理ＨＩＧＨレベルから構成される。遅延信号の期間ｔ_STは、例えばｔ_ST＝1.5 μs に選択される。

この説明した例に加えて、本発明の方法のその他の実施の形態が明らかに存在する。

エンコーダ，伝送区間及び評価ユニットから構成されたシステムの概略的なブロック図である。 本発明の方法を説明するための信号ダイアグラムである。 最大許容クロック周波数ｆ_C とケーブル長さＬ_K との間の関係を示す。

符号の説明

１０ エンコーダ
２０ 評価ユニット
２１ カウンタ
３０．１ 信号線
３０．２ 信号線
３１．１ 信号線
３１．２ 信号線
４０ 電動機ハウジング

Claims (14)

1. エンコーダ（１０）と位置データを再処理するこのエンコーダ（１０）に直列接続されている評価ユニット（２０）との間の信号所要時間（ｔD ）を算出する方法において、
   −データのシリアル伝送が、エンコーダ（１０）から評価ユニット（２０）方向に要求され、
   −プリセットされているカウンタ周波数（ｆZ ）で昇順に計数するカウンタ（２１）が、所定の開始時点（ｔ31−ｔ35）に対して評価ユニット（２０）側で始動し、
   −エンコーダ（１０）によって要求された後に伝送されるデータ語が評価ユニット（２０）側で検出された直後に、実際のカウンタ状態（Ｚ）が時点（ｔ50）に対して検出され、−信号所要時間（ｔD,j ）が、この検出されたカウンタ状態（Ｚ）から算出されることによって、測定動作前にエンコーダ（１０）と評価ユニット（２０）との間の信号所要時間（ｔD ）が算出され、
   −この場合、プリセットされているカウンタ周波数（ｆ Z ）は、測定動作中に使用されるクロック線（３０．１，３０．２）上のクロック信号の伝送クロック周波数（ｆ C ）よりも明らかに高く選択され、データ線（３１．１，３１．２）上のデータの伝送が、このクロック信号によってクロックされ、及び
   −信号所要時間（ｔ D,i ）を算出する間のクロック線（３０．１，３０．２）上のクロック信号の選択された伝送クロック周波数（ｆ C ）は、測定動作中のクロック線（３０．１，３０．２）上のクロック信号の伝送クロック周波数（ｆ C ）よりも明らかに低く選択されることを特徴とする方法。
2. 信号所要時間（ｔD,i ）は、何回も算出され、平均の信号所要時間（ｔD ）が、再処理のためにこれらの個々の信号所要時間（ｔD,i ）から算定される請求項１に記載の方法。
3. カウンタ（２１）は、クロック線（３０．１，３０．２）上の１つのクロック信号の立ち上がり切替えエッジによってその都度再び新たに開始し、データ線（３１．１，３１．２）上のデータの伝送が、このクロック信号によってクロックされる請求項１に記載の方法。
4. −個々の信号所要時間（ｔD,i ）から平均値を求めた後に、これらの個々の信号所要時間（ｔD,i ）が平均の信号所要時間（ｔD ）からどの程度ずれているかがさらに検査され、−許容できない大きいずれの場合、エラーメッセージが出力される請求項２に記載の方法。
5. 二進データ語としての位置データが、信号所要時間（ｔD,i ）を算定するためのデータとして伝送され、１つの二進データ語の１つの開始ビットの立ち上がりエッジが評価ユニット（２０）側で検出された直後に、実際のカウンタ状態（Ｚ）が検出される請求項１に記載の方法。
6. 信号所要時間（ｔD,i ）を算出する間のクロック線（３０．１，３０．２）上の伝送クロック周波数（ｆC ）は、測定動作中のクロック線（３０．１，３０．２）上の伝送クロック周波数（ｆC ）よりも明らかに低く選択される請求項１に記載の方法。
7. 信号所要時間（ｔD ）は、エンコーダ（１０），伝送区間及び評価ユニット（２０）から成るシステムの構成の変化ごとに算出される請求項１に記載の方法。
8. 信号所要時間（ｔD ）は、エンコーダ（１０）及び／又は評価ユニット（２０）の給電の中断ごとに算出される請求項１に記載の方法。
9. 信号所要時間（ｔD ）は、その都度新たに自動的に算出される請求項７又は８に記載の方法。
10. 最初に所定の期間（ｔST）を有する論理ＬＯＷレベルの遅延信号が、データ要求時のクロック線（３０．１，３０．２）上の後続する測定動作中に評価ユニット（２０）から位置測定装置（１０）に伝送される請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 算出された信号所要時間（ｔD ）は、エンコーダ（１０）によって受信されたデータの再処理時に評価ユニット（２０）によって考慮されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. カウンタ（２１）は、クロック線（３０．１，３０．２）上の１つのクロック信号の立ち上がり切替えエッジによってその値度再度新たに開始し、データ線（３１．１，３１．２）上のデータの伝送が、このクロック信号によってクロックされる請求項１に記載の方法。
13. １本のクロック線（３０．１，３０．２）上で評価ユニット（２０）からエンコーダ（１０）に伝送される１つのクロック信号の１つの特定の切替えエッジと１本のデータ線（３１．１，３１．２）上でエンコーダ（１０）から評価ユニット（２０）に伝送される１つの位置データ語の１つの切替えエッジとの間の時間差が、信号所要時間（ｔD,i ）として算定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法を実施するために適する評価ユニット。

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