專利名稱：編碼器輸出信號校正設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及編碼器輸出信號校正設(shè)備和方法，其用于^f交正從探測位置、 角度、速度、角速度等的編碼器輸出的兩相正弦信號。
本申請以2004年10月13日4是出的申請?zhí)枮?004-298954的在先日本 專利申請為基礎(chǔ)，并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容通過引用合并于此。
背景技術(shù)：
形成在編碼器中標尺上的柵格之間的間距受加工的限制。為了測量比標 尺柵格之間的間距更精細的間距，從該編碼器輸出的正弦信號的相變化的空 間周期應當被劃分得更加精細，并且被內(nèi)插。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)應用了多種 內(nèi)插器。例如，數(shù)字化內(nèi)插器包括A/D轉(zhuǎn)換器和存儲器。該A/D轉(zhuǎn)換器用 于接收從該編碼器輸出的具有90°相差的A、 B相正弦信號，并以一定頻率 對所述信號采樣，以將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)。所述存儲器被用來存儲查詢表， 該查詢表用于基于所述A/D轉(zhuǎn)換器獲得的所述數(shù)字數(shù)據(jù)DA、 DB在每個采 樣點處搜索相位角數(shù)據(jù)PH。使用反正切(ATAN)函數(shù)，基于PH=ATAN(DA/DB) 產(chǎn)生所述查詢表。
從所述編碼器輸出的所述A、 B相正弦信號通常不是完全的正弦波，并 且通?？梢栽谡蛔鴺讼抵斜槐硎緸槊枋鰴E圓形李薩如(Lissajous)波形。當 所述A、 B相正弦波具有不同的電壓振幅時，所述李薩如波就成為橢圓形。 每個信號電壓的偏移值將李薩如波形轉(zhuǎn)變成偏離原點的圓形或橢圓形波形。 相位誤差的存在使橢圓的長軸和短軸處于不與坐標軸平行而是接近45°的狀 態(tài)。內(nèi)插器是在假定A、 B相正弦信號是正弦波的情況下制造的。因而，相 對理想正弦波的偏差對插值精度產(chǎn)生副作用。為了校正振幅誤差、相位誤差 和在A、 B相正弦信號中的偏移，已在例如JP-A 10-311741和JP-A2003-222534中提出針對此目的的設(shè)備。
然而，在這樣的振幅誤差等祐j交正之后的所述兩相正弦信號中，相對理 想正弦信號波形的偏差或波形失真較大，并且特別是當主尺(main scale)和索 引尺(index scale)之間的間隔波動時失真系數(shù)劇烈波動。該波形失真主要是由 奇數(shù)階的較高諧波分量(第三階、第五階等等)引起的。當在測量中采用具有 這樣波動失真系數(shù)的兩相正弦信號時，會產(chǎn)生大的測量誤差。
已經(jīng)提出 一些技術(shù)來提供從中消除了這些較高諧波分量的正弦信號。例 如，JP-A 3-48122提出一項技術(shù)，該技術(shù)在刻度尺上為兩個矩形柵格測試圖 提供輕微相差，并且將其輸出相加以正好消除.較高諧波分量。日本專利 No.2695623號提出另一項技術(shù)，其中將具有均勻柵格的標尺和具有不均勻柵 格的標尺結(jié)合以提供消除了這些較高諧波分量的正弦信號。
雖然所述精度不足以應用到精細加工等中的位置測量，但JP-A3-48122 的技術(shù)將該波形失真降低到了一定程度。日本專利No.2695623的系統(tǒng)需要 亮區(qū)和暗區(qū)之間占空因數(shù)的精確創(chuàng)建，而在精密標度中的精確創(chuàng)建是困難 的。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠使用相對簡單的數(shù)字計算消除包含在正 弦信號中的三階諧波分量從而改進內(nèi)插器中的插值精度的編碼器輸出信號 校對設(shè)備和方法。也有可能改進針對由于編碼器中標尺的不均勾和對準的不 一致引起的偏移誤差、振幅誤差、相位誤差或較高諧波分量誤差的魯棒性 (robustness)。
EP0412825公開了 一種信號補償器，用于補償由包括在電源信號中的各 個誤差成分引起的誤差，該電源信號是由測量裝置(如解碼器或編碼器)獲 得的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)來近似的。檢測這些信號的各種組合的各個最大 值，并且基于這些最大值來確定與各個誤差分量對應的系數(shù)。
EP0877464描述了 一種可變^茲組解碼器，其中處理正弦和余弦值以獲得 位置的數(shù)字值，其精度與傳統(tǒng)解碼器的精度相似。
DE10163504公開了 一種用于反復補償正弦/余弦位置測量系統(tǒng)的偏移、 幅度和相位誤差。該方法基于迭代傅立葉分析。
US6029363公開了一種自校準位置變頻器系統(tǒng)，其中基于傅立葉分析技 術(shù)來確定諧波分量的幅度。
US2001/0045824公開了一種基于多個傳感器元件來補償傳感器輸出信
4號中的周期性誤差信號的方法。使用多個定標系數(shù)來獲得適當創(chuàng)建的傳感器 輸出信號。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，在一方面本發(fā)明提供了一種編碼器輸出信號校正設(shè) 備，用于校正從編碼器輸出的具有相差的兩相正弦信號，包括三階諧波計 算器，其基于所述兩相正弦信號的李薩如波形半徑的變化，計算包含在所述 兩相正弦信號中的三階諧波分量的振幅和相位中的至少一個；和校正器，其 基于所述三階諧波計算器計算出的振幅和相位中的至少一個，校正所述兩相 正弦信號中的三階諧波失真。其中所述三階諧波計算器通過對所述李薩如波 形的半徑變化的傅立葉分析導出頻率信號分量，以計算三階諧波分量的振幅 和相位中的至少一個。
所述三階諧波計算器使用遞歸方程計算傅立葉變換的實部和虛部。
所述三階諧波計算器將所述李薩如波形的一轉(zhuǎn)劃分為相同的扇形區(qū)，并 且導出每個所述扇形區(qū)半徑的代表值。
另一方面，本發(fā)明提供一種編碼器輸出信號校正設(shè)備，用于校正從編碼
器輸出的具有相差的兩相正弦信號，包括存儲器，其存儲包含在所述兩相 正弦信號中的三階諧波分量的振幅和相位中的至少一個；校正器，其基于存 儲在所述存儲器中的所述振幅和所述相位中的至少一個，校正所述兩相正弦 信號中的所述三階諧波失真；所述存儲器存儲由基于所述兩相正弦信號的李 薩如波形半徑的變化計算所述振幅和所述相位中的至少一個的外部電路寫 入其中的所述振幅和所述相位中的至少一個。其中所述外部電路通過對所述 李薩如波形的半徑變化的傅立葉分析導出頻率信號分量，以計算三階諧波分 量的振幅和相位中的至少 一個。
因此，可以改進內(nèi)插器中的插值精度。也可以改進針對由于編碼器中的 刻度不均勻和對準不 一致引起的較高諧波分量誤差的魯棒性。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明實施例的編碼器輸出信號校正裝置1的基本結(jié)構(gòu)的 結(jié)構(gòu)圖2表示偏移/振幅/相位校正器30和三階諧波失真校正器40的特定電路的電^各圖3是用于說明圖2中描述的坐標旋轉(zhuǎn)器401的功能的圖； 圖4表示存儲圖2中描述的振幅校正器402中的查詢表402T中的相關(guān) 數(shù)據(jù)；
圖5圖解說明三階諧波中的振幅al、 a3的計算方法；
圖6A和6B圖解說明r-e轉(zhuǎn)換器50中的半徑r和相位e的計算方法；
圖7A和7B是表示根據(jù)本實施例的裝置在執(zhí)行包括三階諧波失真校正
的^f交正之前和之后的李薩如波形變化的一個例子；和
圖8是表示根據(jù)本發(fā)明另 一個實施例的編碼器輸出信號校正裝置2的基
本結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明實施例進行詳細地描述。
圖1表示是根據(jù)本發(fā)明實施例的編碼器輸出信號校正裝置1的基本結(jié)構(gòu) 的結(jié)構(gòu)圖。該編碼器輸出信號校正裝置1包括A/D轉(zhuǎn)換器20、 21、偏移/ 振幅/相位校正器30、偏移/振幅/相位檢測器31、三階諧波失真校正器40、 三階諧波計算器/檢測器41和r-0轉(zhuǎn)換器50。這個裝置可以工作來校正該編 碼器10的輸出信號A0、 BO,從而消除來自其中的三階諧波失真。
例如該編碼器10可以是^r測原理沒有區(qū)別的光電類型或-茲類型。從該 編碼器10中輸出的A和B相正弦信號AO、 BO通?？赡馨穹`差、相 位誤差、偏移等。
A/D轉(zhuǎn)換器20、 21以一定頻率采樣信號AO、 BO,并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號A1、 Bl，將這些數(shù)字信號供給偏移/振幅/相位校正器30。基于在偏移/ 振幅/相位檢測器31中計算出的校正系數(shù)，偏移/振幅/相位校正器30校正數(shù) 字信號Al、 Bl的偏移、振幅和相位，并提供輸出信號A4、 B4。基于輸出 信號A4、 B4，偏移/振幅/相位檢測器31計算在偏移/振幅/相位校正器30中 使用的校正系數(shù)。由于用來計算該4交正系數(shù)的方法與上面列出的現(xiàn)有技術(shù)參 考文件相同，因此對其的詳細說明可以省略。
輸出信號A4、 B4是振幅、相位和偏移校正過的正弦輸出信號，但仍然 含有包括三階諧波的較高諧波分量。
可以假定三階諧波具有相同的振幅和相位。在這種情況下，如果基諧波具有振幅aP三階諧波具有振幅a3,并且三階諧波具有相位cj)3,那么輸出信號A4、 B4可以由下列表達式表示。[公式1 ]
乂4 = a! cos w + <33 cos 3(w U
54 = a, cos(w — ;r / 4) + fl3 cos 3(w — 7r / 4 - -3)
注意11 = 2*兀*^人，Wlambda)表示信號間距，x表示位移。因此，可以依據(jù)下列表達式將與信號A4、 B4相關(guān)的李薩如半徑r計算出來。
=04 + "3 + 2，3 cos(4m — 3^3)
正如從上述表達式顯而易見的，李薩如半徑r以A74的周期3小3的相位在最大值rma^a,+a3和最小值r^n-a廣a3之間變化。因此，確定a,、 33和({)3可以校正三階諧波失真。
三階諧波失真校正器40校正輸出信號A4、 B4中的三階諧波分量，并提供輸出信號A7、B7?；谟扇A諧波計算器/檢測器41給出的校正系數(shù)(基諧波振幅a。三階諧波振幅a3和三階諧波相位小3)執(zhí)行該校正。
r-e轉(zhuǎn)換器50才艮據(jù)輸出信號A7、 B7產(chǎn)生李薩如波形，并在李薩如波形的每個相位9處計算半徑r。三階諧波計算器/檢測器41基于這些r、 e計算校正系數(shù)(基諧波振幅三階諧波振幅a3和三階諧波相位c])3)。
參照附圖2描述偏移/振幅/相位校正器30和三階諧波失真校正器40的特定電路。
偏移/振幅/相位校正器30包括偏移校正器301、振幅校正器302和相位校正器303。偏移校正器301包括加法器310、 311,并執(zhí)行偏移校正，從而將由偏移/振幅/相位檢測器31給出的加法系數(shù)dal、 dbl分別加到信號Al、Bl。振幅校正器302包括乘法器320、 321，并且執(zhí)行振幅校正，從而將信號A2、 B2分別與由偏移/振幅/相位檢測器31給出的乘法系數(shù)kal、 kbl相乘。相位校正器303包括乘法器330-333和加法器340、 341，并且執(zhí)行相位校正，從而使用由偏移/振幅/相位檢測器31給出的乘法系數(shù)kphl、 kph2來把信號A3、 B3轉(zhuǎn)換成輸出信號A4、 B4。[公式3 ]爿4 = 一l 爿3 + 一2 5354 = ^ &2 A3 + ^ /zl 53
如圖2中所示，三階諧波失真校正器40包括坐標旋轉(zhuǎn)器401、振幅校正器402和坐標反向旋轉(zhuǎn)器403。坐標旋轉(zhuǎn)器401包括乘法器410-413和加法器414、 415。通過執(zhí)行下面公式4中所示的計算，坐標旋轉(zhuǎn)器401以對應于三階諧波相位的角度(h逆時針旋轉(zhuǎn)如圖3的左側(cè)所示的信號A4、 B4的李薩如波形L4,以產(chǎn)生如圖3的右側(cè)中所示的對應于信號A5、 B5的李薩如波形L5。
執(zhí)行角度(h的旋轉(zhuǎn)，使得三階諧波在李薩如波形上具有0?；?0°的相位，在這種狀態(tài)下，執(zhí)行下一級的振幅校正器402中的處理。[公式4 ]
、仍J ^sin^3cos*人_84>
振幅校正器402使用在三階諧波計算器/檢測器41中計算出以進行校正的基諧波振幅a!和三階諧波振幅a3,來從相位為0°或90°的三階諧波的輸出信號A5、 B5中消除三階諧波分量。
也就是，當相位小3為0?；?0。時，輸出信號A5(或B5)的電壓(值)Vat和它的三階諧波分量的電壓(值)Va3之間的曲線相關(guān)性^是供了由圖4所示曲線圖所描述的關(guān)系。該曲線圖由下面等式表示。[公式5 ]
&=^3—
輸出信號A5、 B5包括如在公式5中^皮表示為Va3的三階諧波分量。因此，通過從輸出信號A5、 B5中減去由公式5計算出的Va3，在振幅校正器402中可以執(zhí)行用于減去三階諧波分量的校正，從而獲得輸出信號A6、 B6?？梢酝ㄟ^在振幅校正器402中設(shè)置查詢表402T來實現(xiàn)這個計算，查詢表402T存儲由公式5表示的Va!和Va3之間的關(guān)系、或Va,和(Va廣Va3)之間的關(guān)系?？傊梢酝ㄟ^為輸出信號A5(或B5)的每個采樣值(Va,)建立對查詢表402T的索引，并通過讀出作為輸出的三階諧波分量值Va—人而從Vai中減去它，來獲得輸出信號A《或B6)。可選擇地，從查詢表40ZT中輸出(Va廣Va3)使得直接獲得輸出信號A6、 B6。
坐標反向旋轉(zhuǎn)器器403包括乘法器430-433和加法器434、 435，并且以在坐標旋轉(zhuǎn)器401旋轉(zhuǎn)的角度(J)3順時針或反向地(以角度-小3)旋轉(zhuǎn)信號
A6、 B6的李薩如波形，從而通過下面的計算產(chǎn)生信號A7、 B7。旋轉(zhuǎn)了角度
-cj)3的李薩如波形，或輸出信號A7、 B7，包含與原始輸出信號A4、 B4的
基諧波相同的基諧波，并且從中減去了三階諧波分量。
'cos(—03) — sin(-少3 )丫 J6、、sin(Dcos(D人56^
r-0轉(zhuǎn)換器50將輸出信號A7、 B7轉(zhuǎn)換成表示李薩如波形的半徑r和相位e。才艮據(jù)下面的等式執(zhí)行該轉(zhuǎn)換。[公式7 ]<formula>formula see original document page 9</formula>
接下來，將基于三階諧波計算器/檢測器41中的半徑r和相位e,詳細地說明計算振幅a"振幅a3、和相位小3的方法。(方法1)
首先，介紹更加簡單的第一方法。如上所述，由于三階諧波失真，所以李薩如波形的半徑r以X74的周期變化，并且具有最大值rm^a!+a3和最小值r^-a廣a3(參見圖5)。因此，可以如下使用rmax、 r^計算出a,、 a3。<formula>formula see original document page 9</formula>
"3 =0隨"min)/2
當半徑r處于最大值或最小值時，可以使用u的值(圖5:多值)導出相位
<j>3。
(方法2)
盡管方法l簡單，并且需要更少的計算機工作量，但是當三階諧波分量的振幅變小的時候，有可能面臨相位c1)3的較低的檢測靈敏度的問題。接下來介紹的方法2是一種使得能夠更加精確地計算出cj)3的方法。該方法2將在此后被介紹。在該方法2中，使用傅立葉分析計算振幅a,、振幅&3和相位
也就是，假定包含在李薩如波形中的具有A/4波長(空間頻率為4.2;r/A)的信號分量被傅立葉變換成實部Re和虛部Im。為了動態(tài)校正中使用，從在校正后的波形中檢測到的實部和虛部中，導出由[表達式9 ]和[表達式10 ]
表示的dRe和dim,以依據(jù)由[表達式11 ]表示的遞推7>式更新Re和Im。重復更新幾次以將Re、 Im收斂到一定值。從而，確定這些值為Re、 Im。[公式9 ]<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 10</formula>
<formula>formula see original document page 10</formula>
依據(jù)下面表示的[表達式12],獲得^。另外，基于由上述[表達式ll]確定的Re和Im，依據(jù)下列[表達式13 ]和[表達式14 ]獲得&3和<))3，作為在由Re、 Im確定的復數(shù)空間中相對于坐標原點的距離和角度。因為通過傅立葉變換獲得的信號大小是有效值并且振幅是該值的V^倍，所以在[表達式13]中使用了乘法系數(shù)V^。[公式12 ]
<formula>formula see original document page 10</formula>[公式13 ]
<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 10</formula>
當執(zhí)行傅立葉分析時，需要沿旋轉(zhuǎn)方向以等間距對半徑r,進行采樣。這樣，李薩如波形的一轉(zhuǎn)(基諧波的1個循環(huán))被均勻地分成N塊扇形區(qū)。那么，使用求平均法或數(shù)字過濾器法等計算與相同間距的《(i=0到N-l)對應的每個區(qū)i的半徑代表值。。當使用求平均法時，如圖6所示，導出存在于扇形區(qū)i(《十(或-)Ae/2)(這里A0/2二2兀/N)中的多個(M個)點的半徑rm。然后，由下列等式導出代表值ri。[公式15 ]
<formula>formula see original document page 10</formula>如上所述，三階諧波計算器/檢測器41計算ai、 a3和(h,它們用于在三階諧波失真校正器40中的校正。重復幾次三階諧波失真校正器40中的校正、r-e轉(zhuǎn)換器50中的r-0轉(zhuǎn)換、和三階諧波計算器/檢測器41中對校正系數(shù)的計算，以進一步從輸出信號A7、 B7中消除三階諧波分量。結(jié)果，輸出信號A7、 B7可以被近似為理想的正弦波。圖7A用于比較校正之前的信號Al、Bl的李薩如波形和信號A7、 B7的李薩如波形。圖7B用于比較信號Al、Bl的一個周期期間半徑r的變化和信號A7、 B7的一個周期期間半徑r的變化。
盡管在上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明不限于這些實施例，而是可以在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，將其設(shè)計為提供各種修改和增加。例如，在上述實施例中，首先對從編碼器輸出的A和B相正弦信號進行偏移、振幅和相位校正，然后進行三階諧波校正，但這種順序是可以改變的。也就是，可以首先執(zhí)行三階諧波校正，然后可以在其后執(zhí)行偏移、振幅和相位校正。在上述實施例中，振幅和相位校正是在數(shù)字電路中4丸行的，但可以使用DSP或軟件來執(zhí)行相同的過程。
可選擇地，如圖8所示，偏移/振幅/相位檢測器31和三階諧波計算器/檢測器41可以是編碼器輸出信號校正裝置2的外部電路?？梢砸赃m當?shù)姆绞綄⒃谶@些外部電路中檢測到的各種檢測參數(shù)存儲在存儲器60中。
在這些結(jié)構(gòu)中，在從工廠發(fā)貨或維護的適當時間，將檢測器31和41連接到編碼器輸出信號校正裝置2。然后，由這些檢測器31和41執(zhí)行檢測。隨后，將檢測器31和41從編碼器輸出信號校正裝置2斷開連接。這樣，可以通過讀取存儲在存儲器60中的檢測參數(shù)執(zhí)行校正。
ii
權(quán)利要求
1、一種編碼器輸出信號校正設(shè)備，用于校正從編碼器輸出的具有相差的兩相正弦信號，包括三階諧波計算器，其基于所述兩相正弦信號的李薩如波形半徑的變化，計算包含在所述兩相正弦信號中的三階諧波分量的振幅和相位中的至少一個；和校正器，其基于所述三階諧波計算器計算出的振幅和相位中的至少一個，校正所述兩相正弦信號中的三階諧波失真，其中所述三階諧波計算器通過對所述李薩如波形的半徑變化的傅立葉分析導出頻率信號分量，以計算三階諧波分量的振幅和相位中的至少一個。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器輸出信號校正設(shè)備，其中所述三階諧 波計算器使用遞歸方程計算傅立葉變換的實部和虛部。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器輸出信號校正設(shè)備，其中所述三階諧 波計算器將所述李薩如波形的一轉(zhuǎn)劃分為相同的扇形區(qū)，并且導出每個所述 扇形區(qū)半徑的代表值。
4、 一種編碼器輸出信號校正設(shè)備，用于校正從編碼器輸出的具有相差 的兩相正弦信號，包括存儲器，其存儲包含在所述兩相正弦信號中的三階諧波分量的振幅和相 位中的至少一個；校正器，其基于存儲在所述存儲器中的所述振幅和所述相位中的至少一 個，校正所述兩相正弦信號中的所述三階諧波失真；所述存儲器存儲由基于所述兩相正弦信號的李薩如波形半徑的變化計 算所述振幅和所述相位中的至少 一個的外部電i 各寫入其中的所述振幅和所 述相位中的至少一個，其中所述外部電路通過對所述李薩如波形的半徑變化的傅立葉分析導 出頻率信號分量，以計算三階諧波分量的振幅和相位中的至少 一個。
全文摘要
本發(fā)明提供一種編碼器輸出信號校正設(shè)備，用于校正從編碼器輸出的具有相差的兩相正弦信號。該設(shè)備包括三階諧波失真校正器，用于校正包含在從編碼器輸出的具有相差的兩相正弦信號中的三階諧波失真。三階諧波計算器/檢測器基于從r-θ轉(zhuǎn)換器中輸出的李薩如波形半徑的變化，使用傅立葉分析計算三階諧波的振幅a₃和相位φ₃。三階諧波失真校正器基于所計算出的三階諧波的振幅a₃和相位φ₃，校正兩相正弦信號A4、B4的三階諧波失真。
文檔編號G01D18/00GK101672665SQ20091015174
公開日2010年3月17日 申請日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者吉中敏郎, 小磯隆一, 桐山哲郎 申請人:三豐株式會社