(57)【要約】【課題】アナログ−デジタル変換した値をサンプリングし、その中から極大値と極小値を選び出した後に、正弦波の真の最大値、最小値に限りなく近い値を得て正弦波の振幅を精密に検出する。【解決手段】任意周波数の正弦波を一定のサンプリング周期でアナログ−デジタル変換し、サンプリングした正弦波のデジタルデータから仮の最大値または最小値を取り出し、前記最大値または最小値のデータを低域通過フィルタに通過させ、前記正弦波の周波数とサンプリング周期に基づいて決定した補正係数Ａを求め、前記低域透過フィルタの出力に前記補正係数Ａを乗じることにより仮の最大値または最小値テータを補正し、正弦波の振幅を検出する【選択図】図１
2008304305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意周波数のアナログ正弦波を一定のサンプリング周期でアナログ−デジタル変換してから、該正弦波の振幅を検出する装置であって、
サンプリングした正弦波のデジタルデータから仮の最大値または最小値を取り出す手段と、
前記最大値または最小値のデータが入力される低域通過フィルタと、
前記正弦波のデジタルデータから該正弦波の周波数を検出する手段と、
前記正弦波の周波数とサンプリング周期に基づいて決定した補正係数Ａを発生する補正係数発生部と、
前記低域透過フィルタの出力に前記補正係数Ａを乗じることにより最大値または最小値のデータを補正し、正弦波の振幅データを出力する補正手段と、
を具備したことを特徴とする正弦波の振幅検出装置。
【請求項２】
前記補正係数Ａは、正弦波デジタルデータのサンプリング周期をｔｓ、正弦波の周期をＴとすると、
【数１】
2008304305.tif 000008
により、与えられることを特徴とする請求項１に記載の正弦波の振幅検出装置。
【請求項３】
前記アナログ正弦波は、工作機械の移動体の位置または角度を検出する検出器の出力であることを特徴とする請求項１に記載の正弦波の振幅検出装置。
【請求項４】
任意周波数のアナログ正弦波を一定のサンプリング周期でアナログ−デジタル変換してから、該正弦波の振幅を検出する方法であって、
任意周波数の正弦波を一定のサンプリング周期でアナログ−デジタル変換し、
サンプリングした正弦波のデジタルデータから仮の最大値または最小値を取り出し、
前記最大値または最小値のデータを低域通過フィルタに通過させ、
前記正弦波の周波数とサンプリング周期に基づいて決定した補正係数Ａを求め、前記低域透過フィルタの出力に前記補正係数Ａを乗じることにより仮の最大値または最小値テータを補正し、正弦波の振幅を検出することを特徴とする正弦波の振幅検出方法。
【請求項５】
前記補正係数Ａは、正弦波デジタルデータのサンプリング周期をｔｓ、正弦波の周期をＴとすると、
【数２】
2008304305.tif 000009
により、与えられることを特徴とする請求項３に記載の正弦波の振幅検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正弦波の振幅検出装置に係り、特に、角度、位置を検出する位置検出器の出力する正弦波信号を処理し、デジタル的にサンプリングして取り出した最大値および最小値のデータを補正し、正弦波の振幅の値を正確に検出できるようにする離散的信号処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械において、ロータリーエンコーダ、リニアスケールといった位置検出器により、移動体の位置、角度を検出する制御技術では、様々な信号処理技術が行われている。通常、エンコーダやリニアスケールの出力信号は、正弦波に近似したアナログ信号であり、アナログ−デジタル変換を行って、線形的に量を表すデジタル信号に変えて信号処理をする必要がある。
【０００３】
この種のアナログ−デジタル変換の前後で行われる正弦波の信号処理技術としては、例えば、エンコーダから出力される２相正弦波信号に含まれるオフセット誤差、振幅誤差、位相誤差、三次高調波成分等の除去する信号補正装置がある（特許文献１）。この特許文献１は、正弦波信号に含まれるオフセットや歪みなどを除去して理想的な正弦波にするための信号補正技術である。
【０００４】
エンコーダによる位置検出の場合、出力される正弦波をアナログ−デジタル変換した後、元の正弦波の振幅を求めるための信号処理が行われる。従来の手法は、一定の周期でサンプリングした後、サンプリングしたデータ同士の大小比較によって、極大値あるいは極小値のデータを選び出し、これらのデータを本来の正弦波の最大値、最小値とみなして扱うというものである。
【０００５】
図４は、正弦波をアナログ−デジタル変換したデータにおける最大値と最小値を示す。この図４において、サンプリング周期ｔｓでデータをサンプリングしながらデータの大小を比較していくと、最大値、最小値のデータを求めることができる。
【特許文献１】特開２００６−１１２８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
こうしてアナログ−デジタル変換によるサンプリングで得られたデータから、極大値、極小値を選び出した場合、正弦波の真の最大値、最小値よりも必ず絶対値が小さくなる方向で誤差を含んでいる。
【０００７】
図４では、サンプリングで得られたデータの中から極大値、極小値を選び出したときに、その極大値、極小値が正弦波の真の最大値、最小値に近い正弦波を示している。アナログの正弦波からサンプリングした最大値、最小値と、真の最大値、最小値の間に生じる誤差は、正弦波の周波数とサンプリング周期とが相関的に関係している。同じ周波数であれば、サンプリング周期が大きくなると、誤差は大きくなる傾向がある。図５に示すように、同じサンプリング周期であれば、正弦波の周波数が高くなる程誤差は大きくなる傾向がある。
【０００８】
さらに、誤差が生じる原因には、正弦波の周期とサンプリングのタイミングとが、必ずしも同期していないということがある。仮に、正弦波の周波数が一定であるとしても、決まった位置でサンプリングできるとは限らない。このため、サンプリングしたデータから選び出した極大値、極小値にバラツキが不可避的に生じる。このバラツキは、選び出したデータにさらにローパスフィルタを介することである程度まで安定させることが可能であるが、その場合でも依然として、正弦波の真の最大値、最小値よりも絶対値が小さくなる方向で誤差を含むという問題点には変わらない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、アナログ−デジタル変換した値をサンプリングし、その中から極大値と極小値を選び出した後に、正弦波の周期、サンプリング周期に応じた補正係数で補正することにより、正弦波の真の最大値、最小値に限りなく近い値を得て正弦波の振幅を精密に検出することができるようにした正弦波の振幅検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、任意周波数のアナログ正弦波を一定のサンプリング周期でアナログ−デジタル変換してから、該正弦波の振幅を検出する装置であって、サンプリングした正弦波のデジタルデータから仮の最大値または最小値を取り出す手段と、前記最大値または最小値のデータが入力される低域通過フィルタと、前記正弦波のデジタルデータから該正弦波の周波数を検出する手段と、前記正弦波の周波数とサンプリング周期に基づいて決定した補正係数Ａを発生する補正係数発生部と、前記低域通過フィルタの出力に前記補正係数Ａを乗じることにより最大値または最小値のデータを補正し、正弦波の振幅データを出力する補正手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、任意周波数のアナログ正弦波を一定のサンプリング周期でアナログ−デジタル変換してから、該正弦波の振幅を検出する方法であって、任意周波数の正弦波を一定のサンプリング周期でアナログ−デジタル変換し、サンプリングした正弦波のデジタルデータから仮の最大値または最小値を取り出し、前記最大値または最小値のデータを低域通過フィルタに通過させ、前記正弦波の周波数とサンプリング周期に基づいて決定した補正係数Ａを求め、前記低域通過フィルタの出力に前記補正係数Ａを乗じることにより仮の最大値または最小値テータを補正し、正弦波の振幅を検出することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明では、前記補正係数Ａは、正弦波デジタルデータのサンプリング周期をｔｓ、正弦波の周期をＴとすると、
【数１】
2008304305.tif 000003
【００１３】
により、与えられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アナログ−デジタル変換した値をサンプリングし、その中から極大値と極小値を選び出した後に、選び出した仮の最大値、最小と、真の最大値、最小値との関係から導き出した補正係数で補正することにより、正弦波の真の最大値、最小値に限りなく近い値を得て正弦波の振幅を高精密に検出する離散的信号処理を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明による正弦波の振幅検出装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。  
図１は、本発明を位置検出器からの正弦波信号を離散的に処理する技術に適用した実施形態の構成を示すブロック図である。この図１において、参照番号１０は、エンコーダあるいはリニアスケールなどの位置検出器を示し、参照番号１２は、位置検出器１０から出力される正弦波を一定のサンプリング周期でアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器を示す（以下、Ａ／Ｄ変換器と略記する）。参照番号１４は、振幅検出装置の全体を示す。
【００１６】
位置検出器１０は、工作機械において、テーブルなどの移動体の位置検出を行うものである。この位置検出器１０からは、アナログの一定周波数の正弦波が出力される。ここでは、正弦波は、公知の信号処理技術によって処理されることによって、オフセットや歪みのない理想的な正弦波になっているものとする。
【００１７】
図１において、Ａ／Ｄ変換器１２から出力されたサンプリングデータは、最大値・最小値検出部１６に導入される。この最大値・最小値検出部１６は、検出した最大値のデータは第１低通過フィルタ１８に出力され、最小値のデータは、第２低通過フィルタ２０に出力される。
【００１８】
他方、周波数検出部２２は、Ａ／Ｄ変換器１２から与えられたサンプリングデータの符号変化間隔を計測することで正弦波の周波数を検出して、補正係数発生部２４に出力する。この補正係数発生部２４は、正弦波の周波数とサンプリング周期に基づいて補正係数Ａを発生する。
【００１９】
最大値補正部２５は、第１低通過フィルタ１８を通過したデータに補正係数Ａが乗じられた正弦波の最大値が出力される。同様に最小値補正部２６は、第２低通過フィルタ２０を通過したデータに補正係数Ａを乗じて正弦波の最小値を出力する。
【００２０】
以上は、振幅検出装置１４の構成の概要であり、次に、各構成要素の具体的な機能について説明する。
【００２１】
最大値・最小値検出部１６での最大値の検出は、従来技術の欄で説明したのと同じであり、Ａ／Ｄ変換器１２でサンプリングしたデータ同士の大小比較によって、極大値あるいは極小値のデータを選び出し、それらが最大値、最小値として検出される。このとき検出された最大値、最小値は、真の最大値、最小値ではなく、誤差が含まれていることは、前述した通りである。
【００２２】
ここで、Ａ／Ｄ変換器１２でのサンプリング周期ｔｓと、真の最大値の関係について説明する（真の最小値の関係も同様である）。  
アナログ正弦波を一定のサンプリング周期ｔｓでサンプリングしたデジタルデータの中から一番大きいデータを仮の最大値とした場合、真の最大値は、仮の最大値をサンプリングしたときを基準にその前後のサンプリングの時間経過の途中で出現している。そうだとすると、仮の最大値データをサンプリングした時刻と、真の最大値が発現した時刻との間の時間間隔は、最小で０（ｓ）、最大でｔｓ（ｓ）である。
【００２３】
次に、正弦波がその周期を何回も繰り返し、最大値のデータを多数検出したとして、真の最大値を基準にした最大値データの関係を考える。このとき、図２に示すように、白抜きの点で表した最大値データは、黒塗りの点で示した真の最大値の時刻を中心に±ｔｓ／２（ｓ）の時間間隔の範囲内に存在している。そして、正弦波とサンプリングの周期は非同期であるので、その分布は確率的に一様になるものと考えられる。
【００２４】
次に、このような最大値データを第１低通過フィルタ１８に通過させる処理の意味を考える。  
上記のように、仮の最大値データは、真の最大値の時刻を中心に±ｔｓ／２（ｓ）の時間間隔の範囲内において確率的に一様な分布で存在しているデータであり、しかも、真の最大値それ自体は決まっている値で変動することはないので、第１低域通過フィルタ１８の出力データはある一定値を示すことが予想される。
【００２５】
正弦波の周波数、正弦波の真の最大値、サンプリング周波数が一定値であるとすると、第１低通過フィルタ１８の出力データは、正弦波の真の最大値の発現時刻を中心に±ｔｓ／２（ｓ）の時間区間に確率的に存在し得るデータの平均値Ｖｌｐであるとみなすことができる。なお、図１のブロック図では省略しているが、計測した正弦波の周期は、急激な変動は望ましくないので、検出した周波数データを低域通過フィルタに通すことにより安定化した値を採用することが好ましい。
【００２６】
そこで、正弦波の真の最大値を中心に±ｔｓ／２（ｓ）の時間区間を無限に分割して、その最大値データの平均値を求めると、式（１）で示すことができる。
【数２】
2008304305.tif 000004
【００２７】
ここで、平均値をＶｌｐ、真の最大値をＰ、正弦波の周期をＴ、サンプリング周期をｔｓとする。
【００２８】
これを真の最大値Ｐについて解くと、
【数３】
2008304305.tif 000005
【００２９】
となる。
【００３０】
次に、式（２）を式（３）のように変形すると、
【数４】
2008304305.tif 000006
【００３１】
この（３）式は、平均値Ｖｌｐに補正係数Ａを乗算すれば、真の最大値が得られることを意味し、この場合の補正係数Ａは、（４）式で計算することができる。
【数５】
2008304305.tif 000007
【００３２】
ここで、図３は、サンプリング周期ｔｓ＝１（μｓ）とした場合に、正弦波の周波数とから補正係数Ａを計算した結果を示すグラフである。  
位置検出器１０として、例えば、１周５１２サイクルの正弦波を発生できるロータリーエンコーダを用いたとする。回転数が１００００ｒｐｍのとき、ロータリーエンコーダの周波数は、８５．３３３ｋＨｚとなる。補正計数発生部２４は、この場合の補正係数Ａを式４から計算してもよいし、あらかじめサンプリング周期別に図３のグラフのようなデータテーブルを記憶しておき、そのときのサンプリング周期と周波数に対応した補正係数Ａをテーブルから読み出すことにより、補正係数Ａを発生するようにしてもよい。
【００３３】
次に、こうして求めた補正係数Ａを使って、最大値補正部２５では、第１低域フィルタ１８を通過した仮の最大値に補正係数Ａを乗じる補正が行われる。これにより、正弦波の真の最大値に限りなく近い値に補正され、この値が正弦波の振幅として検出される。この検出データは、工作機械の数値制御装置に出力される。
【００３４】
以上のようにして、（４）式から決定した補正係数Ａを第１低域通過フィルタ１８を通過した仮の最大値に前記補正計数Ａで補正することにより、正弦波の振幅を限りなく真の値に近い高精度な検出を実現することができる。
【００３５】
以上、本発明に係る正弦波の振幅検出装置について、好適な実施形態を挙げて説したが、本発明は、位置検出器からの信号をデジタル的にサンプリングした正弦波信号を離散的に処理することを目的とする信号処理技術であり、実施形態としては、本発明を構成する機能実現手段は、ソフトフェアプログラム、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどのＬＳＩの論理回路などにより実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態による正弦波の振幅検出装置の構成を示すブロック図。
【図２】アナログ−デジタル変換してサンプリングしたデータの中から取り出した仮の最大値と、真の最大値の関係を示す図。
【図３】補正係数の具体例を示すグラフ。
【図４】正弦波の振幅を検出する従来の信号処理において、アナログ−デジタル変換したサンプルデータと正弦波の関係を示す図。
【図５】従来の信号処理において、取り出した最大値と真の最大値の誤差が周波数の高低によって異なってくる相関関係を示す図。
【符号の説明】
【００３７】
１０  位置検出器
１２  Ａ／Ｄ変換器
１４  振幅検出装置
１６  最大値・最小値検出部
１８  第１低域通過フィルタ
２０  第２低域通過フィルタ
２２  周波数検出部
２４  補正係数発生部
２５  最大値補正部
２６  最小値補正部
【図１】
2008304305.tif 000010
【図２】
2008304305.tif 000011
【図３】
2008304305.tif 000012
【図４】
2008304305.tif 000013
【図５】
2008304305.tif 000014