專利名稱：光柵尺信號誤差補償方法
專利說明光柵尺信號誤差補償方法 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密位置檢測裝置的誤差補償方法，更具體涉及一種光柵尺輸出的細分位置信號進行誤差補償?shù)姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
在工業(yè)界，光柵尺廣泛應(yīng)用在精密運動系統(tǒng)中。當運動系統(tǒng)對控制精度要求不高時，如物料傳送系統(tǒng)和機械粗加工系統(tǒng)，普通的低分辨率的光柵尺即能滿足要求。但當新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的時候，越來越多的場合要用到高精度的運動控制系統(tǒng)。如半導(dǎo)體加工、IC封裝、生物醫(yī)藥。這時候提高光柵尺的分辨率顯得十分必要。
為了獲得高分辨率的輸出，人們通常對光柵尺讀數(shù)頭中傳感器輸出的兩路正弦信號進行細分。理論上，細分倍數(shù)越多就可以獲得越高的分辨率。但是，由于光柵尺傳感器輸出的兩路正弦信號不能保證幅值絕對相等，也不能嚴格保持相位差為90度，因而細分倍數(shù)大時，其相對誤差會增大，使增大細分倍數(shù)失去其意義。
為了同時獲得高分辨率和高精度的測量結(jié)果，人們采用了各種方法。有的通過調(diào)節(jié)電路或算法盡量使細分前的兩路正弦信號保持等幅值和90度的相位差；有的通過精度更高的測量系統(tǒng)(如激光干涉儀)來校正光柵尺讀數(shù)。但是由于原始信號的誤差及信號噪聲的影響，通過正弦信號的調(diào)整獲得的精度提高非常有限，一般很難達到100倍細分。而通過精度更高的測量系統(tǒng)來校正光柵尺讀數(shù)的方法，由于設(shè)備成本高、測量難度大及數(shù)據(jù)采集量大等原因大大限制了其應(yīng)用推廣。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中光柵尺讀數(shù)頭輸出的兩路正弦信號的幅值和相位差無法滿足高精度測量的需要因而導(dǎo)致存在測量誤差的技術(shù)問題。本發(fā)明提出了一種基于光柵尺輸出的細分位置信號的誤差補償方法。
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中光柵尺讀數(shù)頭輸出的兩路正弦信號的幅值和相位差無法滿足高精度測量的需要因而導(dǎo)致存在測量誤差的技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種光柵尺信號誤差補償方法，該誤差補償方法包括以下步驟a.使光柵尺的光柵尺帶相對光柵尺的讀數(shù)頭連續(xù)運動并將經(jīng)細分的輸出位置信號作為原始位置數(shù)據(jù)；b.基于原始位置數(shù)據(jù)計算光柵尺帶相對讀數(shù)頭的精確運動軌跡；c.基于精確運動軌跡和原始位置數(shù)據(jù)確定光柵尺的細分位置所對應(yīng)的誤差補償數(shù)據(jù)；d.基于誤差補償數(shù)據(jù)對光柵尺的后續(xù)位置數(shù)據(jù)進行補償。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，細分位置為光柵尺帶中各柵距內(nèi)的角度值。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，在步驟a中，以固定頻率對細分后的光柵尺輸出信號進行采樣來獲取原始位置數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，在步驟b中，利用曲線擬合方式對原始位置數(shù)據(jù)進行擬合以獲取精確運動軌跡。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，步驟c包括c1.將精確運動軌跡中的計算值與原始位置數(shù)據(jù)中的對應(yīng)數(shù)據(jù)相減并提取相減結(jié)果中的高頻分量；c2.從高頻分量中提取與原始位置數(shù)據(jù)中的角度值相對應(yīng)的數(shù)據(jù)并經(jīng)過滑動平均和等間隔取數(shù)后獲取誤差補償數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，在步驟c1中，利用快速傅立葉變換提取高頻分量。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，步驟d包括d1.以原始位置數(shù)據(jù)中的角度值或角度值的二進制值的最高預(yù)定位為索引地址并根據(jù)誤差補償數(shù)據(jù)建立誤差補償表；d2.利用光柵尺的后續(xù)位置數(shù)據(jù)的角度值或后續(xù)角度值的二進制值的最高預(yù)定位從誤差補償表中檢索對應(yīng)誤差補償數(shù)據(jù)并通過相加來對后續(xù)角度值進行補償。
通過采用上述方法，無需任何其他的更高精度的位置測量系統(tǒng)，僅通過對裝配在實際運動系統(tǒng)中的光柵尺的輸出位置信號進行分析，便可得出該系統(tǒng)的位置誤差補償數(shù)據(jù)。并且可以根據(jù)位置誤差補償數(shù)據(jù)生成誤差補償表，在實際測量時通過讀取誤差補償表對光柵尺讀出的位置數(shù)據(jù)進行補償，獲得高精密的位置信息。


圖1是利用本發(fā)明的光柵尺信號誤差補償方法生成誤差補償數(shù)據(jù)的流程圖； 圖2是在生成誤差補償數(shù)據(jù)過程中所采集的原始位置數(shù)據(jù)； 圖3是對圖2中原始位置數(shù)據(jù)做曲線擬合后得到的精確運動軌跡； 圖4是精確運動軌跡中的計算值與原始位置數(shù)據(jù)中的對應(yīng)數(shù)據(jù)的相減結(jié)果； 圖5是對圖4所示的相減結(jié)果進行高通濾波后所得到的誤差數(shù)據(jù)； 圖6是從原始位置數(shù)據(jù)分離出細分角度值后得到的角度數(shù)據(jù)； 圖7是以圖6所示的角度數(shù)據(jù)為X軸并以圖5所示的誤差數(shù)據(jù)為Y軸得到的離散的誤差補償數(shù)據(jù)； 圖8是對圖9所示的離散誤差補償數(shù)據(jù)做滑動平均再等間距取點后得到的光柵尺誤差補償數(shù)據(jù)； 圖9是采用本發(fā)明光柵尺信號誤差補償方法的系統(tǒng)的示意框圖； 具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
如圖1所示，圖1是利用本發(fā)明的光柵尺信號誤差補償方法生成誤差補償數(shù)據(jù)的流程圖。眾所周知，在光柵尺信號的細分過程中，檢測裝置(讀數(shù)頭)輸出兩路正弦信號VA和VB，其中 VA＝KA×Sin(θ)+Va (1) VB＝KB×Cos(θ+α)+Vb(2) 在理想情況下，KA＝KB，α＝0，Va＝Vb＝0。所以細分電路可以根據(jù)公式 θ′＝arctg(VA/VB) (3) 計算出讀數(shù)頭相對于光柵尺帶所處的細分角度值θ′。但在實際情況中，通過電路可以保證Va＝Vb＝0，但是卻很難保證KA＝KB和α＝0。這時細分電路計算出的細分角度值θ′便帶有誤差Δθ。由于VA、VB都是以2π為周期的周期函數(shù)，可以通過簡單的證明得到θ′也是周期函數(shù)，且它與真實值θ之間的誤差Δθ也是周期函數(shù)。其周期為2π，對應(yīng)到光柵尺帶上即為一個柵距。本發(fā)明便是基于此實事來補償其誤差的。
誤差補償數(shù)據(jù)的生成過程中，首先，使用外力或系統(tǒng)本身的動力推動裝有光柵尺帶的運動系統(tǒng)或讀數(shù)頭的運動部件，光柵尺帶相對光柵尺的讀數(shù)頭連續(xù)運動。運動的形式可以因采用的精確運行軌跡的估計算法而有所不同。例如，該運動可以是勻速運動、勻加速度運動或者變加速度運動，甚至是用手推動的不規(guī)則運動。在本實施例中，采用以恒電流驅(qū)動系統(tǒng)本身的電機使光柵尺帶和讀數(shù)頭之間產(chǎn)生相對運動。
在光柵尺帶和讀數(shù)頭進行相對運動的同時，一組經(jīng)過細分電路細分的光柵尺輸出位置信號被采集到信號分析單元。信號采集是固定頻率的，采樣頻率需滿足下式 fs＞2×V/D (4) 其中，V是讀數(shù)頭相對于光柵尺帶的運動速度，D是光柵尺帶上的柵距。在本實施例中，所采用的采樣頻率fs為80KHz。采樣的數(shù)據(jù)長度需要足以覆蓋多個柵距，例如在本實施例中，采樣的數(shù)據(jù)長度為4096點。為了更精確地估計光柵尺的位置誤差，在對光柵尺輸出信號進行采樣的同時還可以對驅(qū)動電流、力和力矩等信號進行采樣。圖2是在本實施例中所采集的原始位置數(shù)據(jù)。
隨后，在原始位置數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算光柵尺帶相對讀數(shù)頭的精確運動軌跡。根據(jù)上述運動的特點和采集的數(shù)據(jù)，可以利用不同的算法(如卡爾曼觀測器等)計算出對應(yīng)于原始位置數(shù)據(jù)的光柵尺帶的精確運動軌跡。在本實施例中，采用簡單的曲線擬合的方式對上述運動過程中采集到原始位置數(shù)據(jù)進行擬合，計算出該運動的精確運動軌跡。由于該運動是由恒電流驅(qū)動產(chǎn)生的，所以其運動為恒加速度運動，軌跡應(yīng)為二次曲線。但考慮到運動過程中有不連續(xù)的摩擦力和其他阻力的影響，實際采用了七次曲線進行擬合。圖3為經(jīng)七次曲線擬合后得到的精確運動軌跡。
隨后，利用計算出的精確運動軌跡中的計算值減去對應(yīng)的原始采樣數(shù)據(jù)中的對應(yīng)數(shù)據(jù)得出光柵尺在各采樣點的誤差。但從圖4所示的相減結(jié)果可以看出，在相減結(jié)果中還包含有很大部分的低頻分量。利用適當?shù)姆椒ㄈコ摰皖l分量，提取相減結(jié)果中的高頻分量。在本實施例中，利用快速傅立葉變換(FFT)進行高通濾波可以很容易地去除低頻分量。圖5是對圖4所示的相減結(jié)果進行高通濾波后所得到高頻分量，可以看出其呈很嚴格的周期性。
接著，從原始位置數(shù)據(jù)中分離出細分的角度值，即二進制表示的位置數(shù)據(jù)的低N位，其中2N為細分倍數(shù)。如圖6所示，圖6為是從原始位置數(shù)據(jù)分離出細分角度值后得到的角度數(shù)據(jù)，在本實施例中，其細分倍數(shù)為8192(N＝13)。從上述高頻分量中提取與原始位置數(shù)據(jù)中的細分角度值相對應(yīng)的誤差補償數(shù)據(jù)。如圖7所示，以圖6所示的細分角度值為X軸并以從圖5所示的高頻分量中提取出的與各細分角度值對應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)為Y軸，可以得到與光柵尺帶的一個柵距內(nèi)的細分位置(角度值)所對應(yīng)的離散的誤差補償數(shù)據(jù)。將其做滑動平均，并等間距取數(shù)可以得出如圖8所示的精確誤差補償數(shù)據(jù)。
由于光柵尺的細分角度誤差成周期性變化，所以基于通過上述方式所獲得的誤差補償數(shù)據(jù)可以對后續(xù)讀出的光柵尺輸出位置信號的角度值進行補償。如圖9所示，圖9是采用本發(fā)明光柵尺信號誤差補償方法的系統(tǒng)的示意框圖。在本系統(tǒng)中，首先，利用原始位置數(shù)據(jù)中的細分角度值或角度值的二進制值的最高M位為索引地址并根據(jù)誤差補償數(shù)據(jù)建立誤差補償表并將該誤差補償表存儲在運動系統(tǒng)或檢測裝置的存儲單元4內(nèi)。該存儲單元4要能通過地址數(shù)據(jù)尋址。存儲時，將第一個數(shù)據(jù)存入地址0，第二個數(shù)據(jù)存入地址1，這樣依次存儲即可。
在后續(xù)的正常使用時，讀數(shù)頭2讀取光柵尺帶1所反映的相對位置信號，并通過細分電路3算出讀數(shù)頭2相對光柵尺帶1的原始位置數(shù)據(jù)，從中提取角度值θ′，以該角度值θ′或角度值的二進制的高M位(M由補償表的大小決定)為地址從存儲誤差補償表的存儲器4中查出其對應(yīng)的誤差補償數(shù)據(jù)Δθ，再利用補償電路5與原始數(shù)據(jù)相加，即可得到經(jīng)過修正的精確的光柵尺角度位置數(shù)據(jù)θ＝θ′+Δθ。
綜上所述，通過采用上述方法，無需任何其他的更高精度的位置測量系統(tǒng)，僅通過對裝配在實際運動系統(tǒng)中的光柵尺的輸出位置信號進行分析，便可得出該系統(tǒng)的位置誤差補償數(shù)據(jù)。并且可以根據(jù)位置誤差補償數(shù)據(jù)生成誤差補償表，在實際測量時通過讀取誤差補償表對光柵尺讀出的位置數(shù)據(jù)進行補償，獲得高精密的位置信息。
在上述實施例中，僅對本發(fā)明進行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明所保護的范圍和精神的情況下，可根據(jù)不同的實際需要設(shè)計出各種實施方式。
權(quán)利要求
1.一種光柵尺信號誤差補償方法，所述誤差補償方法包括以下步驟
a.使光柵尺的光柵尺帶相對所述光柵尺的讀數(shù)頭連續(xù)運動并將經(jīng)細分的輸出位置信號作為原始位置數(shù)據(jù)；
b.基于所述原始位置數(shù)據(jù)計算所述光柵尺帶相對所述讀數(shù)頭的精確運動軌跡；
c.基于所述精確運動軌跡和所述原始位置數(shù)據(jù)確定所述光柵尺的細分位置所對應(yīng)的誤差補償數(shù)據(jù)；
d.基于所述誤差補償數(shù)據(jù)對所述光柵尺的后續(xù)位置數(shù)據(jù)進行補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的誤差補償方法，其特征在于所述細分位置為所述光柵尺帶中各柵距內(nèi)的角度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的誤差補償方法，其特征在于在所述步驟a中，以固定頻率對細分后的光柵尺輸出信號進行采樣來獲取所述原始位置數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的誤差補償方法，其特征在于在所述步驟b中，利用曲線擬合方式對所述原始位置數(shù)據(jù)進行擬合以獲取所述精確運動軌跡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的誤差補償方法，其特征在于所述步驟c包括
c1.將所述精確運動軌跡中的計算值與所述原始位置數(shù)據(jù)中的對應(yīng)數(shù)據(jù)相減并提取相減結(jié)果中的高頻分量；
c2.從所述高頻分量中提取與所述原始位置數(shù)據(jù)中的細分角度值相對應(yīng)的數(shù)據(jù)并經(jīng)過滑動平均和等間隔取數(shù)后獲取所述誤差補償數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的誤差補償方法，其特征在于在所述步驟c1中，利用快速傅立葉變換提取所述高頻分量。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求1-6任意一項所述的誤差補償方法，其特征在于所述步驟d包括
d1.以所述原始位置數(shù)據(jù)中的細分角度值或所述角度值的二進制值的最高預(yù)定位為索引地址并根據(jù)所述誤差補償數(shù)據(jù)建立誤差補償表；
d2.利用所述光柵尺的后續(xù)位置數(shù)據(jù)的細分角度值或所述后續(xù)角度值的二進制值的最高預(yù)定位從所述誤差補償表中檢索對應(yīng)誤差補償數(shù)據(jù)并通過相加來對所述后續(xù)角度值進行補償。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光柵尺信號誤差補償方法，該誤差補償方法包括以下步驟使光柵尺的光柵尺帶相對光柵尺的讀數(shù)頭連續(xù)運動并將經(jīng)細分電路細分的輸出位置信號作為原始位置數(shù)據(jù)；基于原始位置數(shù)據(jù)計算光柵尺帶相對讀數(shù)頭的精確運動軌跡；基于精確運動軌跡和原始位置數(shù)據(jù)確定光柵尺的細分位置所對應(yīng)的誤差補償數(shù)據(jù)；基于誤差補償數(shù)據(jù)對光柵尺的后續(xù)位置數(shù)據(jù)進行補償。通過采用上述方法，無需任何其他的更高精度的位置測量系統(tǒng)，僅通過對裝配在實際運動系統(tǒng)中的光柵尺的輸出位置信號進行分析，便可得出該系統(tǒng)的位置誤差補償數(shù)據(jù)。并且可以根據(jù)位置誤差補償數(shù)據(jù)生成誤差補償表，在實際測量時通過讀取誤差補償表對光柵尺讀出的位置數(shù)據(jù)進行補償，獲得高精密的位置信息。
文檔編號G01B11/02GK101162139SQ200610063130
公開日2008年4月16日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者高云峰, 廖有用, 王光能, 付曉輝 申請人:深圳市大族精密機電有限公司