高分辨率絕對式編碼器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高分辨率編碼器裝置，用以量測轉軸的絕對轉動角度，包括固定于轉軸的轉盤，多個不同尺寸以及極性的永久磁鐵設置于圓形軌跡上，多個固定于編碼器裝置的靜態(tài)組件的霍爾效應傳感器設置于圓形路徑上，傳感器鄰近轉盤的磁性組件軌跡并且產(chǎn)生正相關于磁場強度(磁性組件所形成)的電氣信號，所述電氣信號用以計算低分辨率絕對角度位置的編碼特性；根據(jù)預定的查詢表格數(shù)值，使兩個模擬信號關聯(lián)于所述編碼；具有最接近于零值的關聯(lián)模擬信號作為預先記錄查詢表格的元素，其包含轉軸的相對應角度位置。
【專利說明】高分辨率絕對式編碼器
[0001]【申請案有關的交互參考】
[0002]本發(fā)明是一非臨時的發(fā)明專利申請案，其主張美國第61/580,668號臨時案之優(yōu)先權，于2011年12月28日提出申請，其揭露內容納入本發(fā)明作為參考。
【【技術領域】】
[0003]本發(fā)明涉及一種決定移動物體位置的位移量的裝置，且特別是涉及一種編碼器裝置(encoders)。
【【背景技術】】
[0004]編碼器用于量測轉動組件的角度位置(angular posit1n)或是滑動組件的相對性位移量。這些編碼器主要是應用于控制系統(tǒng)，通常稱為伺服(servo)系統(tǒng)，此處一運動控制器(mot1n controller)用以使一運動組件(moving element)依循(follow) —個精密(precise)的預訂路徑而產(chǎn)生運動。為達此目的，編碼器裝置包括電子接口以允許編碼器連接置所述運動控制器。
[0005]編碼器包括兩種型式:旋轉式與線性式，旋轉式編碼器用以量測轉動組件的角度位置，例如是馬達的轉軸(shaft)或是任何的轉動裝置。線性式編碼器用以量測兩個滑動組件之間的相對移動量(movement)，例如是量測設置于線性軸承上的滑動臺架(carriage)與靜止機臺之間的相對位移。
[0006]在現(xiàn)有的一應用實施中，旋轉式編碼器固定于電動馬達轉軸的后端部(rearend)，并且提供轉軸轉動角度的位置信息給所述電動馬達控制器。所述電動馬達控制器輸出適當?shù)碾娏髦榴R達，使得馬達朝向預定的位置進行轉動。
[0007]在另一應用實施中，線性式編碼器固定于一線性馬達的運動組件并且連接所述線性馬達控制器。
[0008]本發(fā)明所述的編碼器包括旋轉式與線性式編碼器。
[0009]在自動機械的運作中，運動組件需要以高精密度以及高速度依循一路徑進行運動控制。為達到此功能，編碼器必須具有高精密度的特性，并且能夠以高速率方式傳送位置信息。例如，現(xiàn)有商用的旋轉式編碼器可以提供0.01度的精度，其旋轉角度數(shù)據(jù)傳輸至運動控制器的速率介于每秒8000?30000次的數(shù)據(jù)傳輸量(data transfers)。
[0010]另一個編碼器所需要的質量要求是分辨率(resolut1n)，所述分辨率表示在一個旋轉周期(revolut1n)或是一個單位長度之內所述編碼器所能夠量測的位置個數(shù)(number of posiitons)。分辨率通常高于精密度,其指編碼器可以提供比精密度需求還要高的有效數(shù)字的位置信息，即使位置信息輸出因為某種程度的誤差而不同于實際的位置，這些誤差低于編碼器精密度特性所定義的誤差。高分辨率可使運動控制器(或是稱為伺服控制器)達到緊密(tight)且順暢的移動組件的控制。
[0011]編碼器可為絕對式(absolute)或是增量式(incremental),絕對式編碼器能夠量測相對于固定參考位置的角度(angular)位置或是線性(linear)位置，增量式編碼器能夠量測其操作位置的起點算起的角度位移量或是線性位移量。因此，若是自動機械使用增量式編碼器，在機械運作的每次起始時，用以搜尋一參考位置(reference posit1n),所述搜尋是在一已知的方向以低速方式進行，直至在參考位置的一極限開關或是其他裝置被致能(activated) 0此種搜尋程序增加系統(tǒng)的復雜度，并且延遲機械的一開始的運作流程。盡管如此的缺點，增量式編碼器因為結構簡單極低成本而廣為使用。此外，在許多的應用中，機械制造廠經(jīng)常使用絕對式編碼器，但是現(xiàn)有的絕對式編碼器成本較高。
[0012]絕對式編碼器的絕對分辨率受限于傳感器的數(shù)量，使用數(shù)量η個傳感器的編碼器，其最大絕對分辨率是2η，例如8個傳感器的旋轉式編碼器無法提供絕對分辨率256。為了獲得較高的分辨率，絕對式編碼器的通常是結合高分辨率的增量式編碼器，以形成較高的絕對式編碼器，然而此種結構較復雜、尺寸較大且成本較高。
[0013]因此需要提供具簡單結構、高精密度、高分辨率以及低成本的絕對式編碼器。
[0014]在美國第2010/0140463號專利公開案(Villaret所提出)中，其描述一個絕對式編碼器的簡單結構，此結構使用多個傳感器等距離設置于靜態(tài)組件的周緣。在一轉盤在一圓形軌跡(track)上具有多個交替特性配置的區(qū)段(sect1ns)，所述轉盤的設置使得傳感器可以感測鄰近軌跡的區(qū)段特性。當轉盤轉動期間，轉盤的不同區(qū)段鄰近于每個傳感器，每個傳感器的電氣信號數(shù)字化提供位值(bit value) I或是0，所有傳感器的位值組合形成一字組(word),以建立一唯一的編碼值(code value),每個唯一的編碼值對應于轉盤的角度位置，Villaret專利案的優(yōu)點是具有單的編碼器結構，因為傳感器等距離地分布在圓形線徑上，每個傳感器之間的距離相對較大并且可使用現(xiàn)有的一般尺寸的傳感器。
[0015]在所述專利案中，當轉動編碼器的轉盤轉動一整圈時，絕對分辨率或是N是編碼值的數(shù)量因而形成。編碼器轉盤角度軌跡的區(qū)段(Sectors)角度部分由該專利案定義，區(qū)段的數(shù)量等于N，編碼器的絕對分辨率以及全部的區(qū)段具有相同的角度尺寸。根據(jù)預定的圖案，軌跡上的每個區(qū)段是由第一特性與第二特性的材質制造而成。例如許多光學編碼器的圓形軌跡包括透明以及非透明區(qū)段。光源發(fā)射器(light emitter)設置于轉盤的一側面，光傳感器設置于轉盤的另一側面，使得當光源穿過透明的區(qū)段時，所述光傳感器可感測該光源。每當光傳感器感測光源時，光傳感器輸出代表一數(shù)字值為I的信號，所述信號對應于透明區(qū)段；并且，當光傳感器沒有感測光源時，光傳感器輸出代表一數(shù)字值為O的信號。
[0016]為理解該現(xiàn)有技術，所述現(xiàn)有技術具有較低的分辨率，特定數(shù)量的區(qū)段數(shù)量N以及傳感器數(shù)量S被使用，其他區(qū)段數(shù)量N以及傳感器數(shù)量S亦可被使用。
[0017]美國第5，068，529號專利前案(Ohno所提出)揭示一種絕對編碼器，其使用第一圖案化軌跡來量測增量位置(incremental posit1n)以及第二圖案化軌跡來量測絕對位置(absolute posit1n)。
[0018]在圖1中，其為依據(jù)第一現(xiàn)有技術所制造的編碼器，其提供32個絕對位置分辨率。轉盤101設置于轉軸102上并且包括以虛線107標示形成的圓形軌跡107，所述圓形軌跡107是由數(shù)量為N = 32的區(qū)段所組成，如標號103所式，全部的區(qū)段的尺寸相同。根據(jù)定義的圖案，每個區(qū)段包括第一特性以及第二特性，其中第一特性例如是透明狀態(tài)并且第二特性例如是非透明狀態(tài)。
[0019]傳感器(105a?105e)的數(shù)量為S = 5，其設置于圓形路徑上，所述圓形路徑鄰近轉盤圓形軌跡，使得傳感器(105a?105e)感測最接近的區(qū)段的特性并且輸出數(shù)字訊號S (bo?b4)，其依據(jù)最接近區(qū)段的特性表示出數(shù)值O或是數(shù)值I。然后將這些數(shù)字訊號S結合成為一個字組106，所述字組106的數(shù)值表示轉盤101在所述角度位置的特性。
[0020]依據(jù)所述專利案，區(qū)段位置(sector posit1n)表示轉盤的角度位置，當轉盤位于一角度位置時，所述轉盤具有區(qū)段位置P，使得轉盤圓形軌跡101的區(qū)段位置P最接近一參考傳感器，例如傳感器105a，故所述轉盤具有N個可能的區(qū)段位置。
[0021]區(qū)段的特性圖案之設計可使得在一已知區(qū)段位置所獲得的字組106的每個值不會在轉盤的不同區(qū)段位置生成。美國第5，117，105號專利前案(Nagase所提出)揭示一種設計區(qū)段特性圖案的方法。
[0022]上述現(xiàn)有技術的第一缺點是用于量測絕對位置的傳感器必須以〃角度距離等于區(qū)段角度尺寸"的方式來設置，此是指一傳感器的尺寸需要小于一區(qū)段的尺寸。舉例來說，轉盤的直徑是30公厘(mm)，絕對分辨率是256，則每個傳感器的尺寸必須小于0.36mm，但是現(xiàn)有商用的傳感器無法適用所述狀況而必須要訂做傳感器并且將傳感器整合在芯片上。
[0023]上述方式可以使用光學感測裝置，即將多個測裝置形成于一半導體裝置上，然而此方式的成本較高且缺乏模塊化的功能。每個編碼器的尺寸必須設計成具有不同整合裝置，若是使用磁性傳感器，這樣小尺寸的整合裝置更為復雜且價格更昂貴。
[0024]上述方式的第二缺點是分辨率受限制，因為傳感器尺寸以及區(qū)段尺寸的考慮，區(qū)段的數(shù)量受到限制因而限制了編碼器的分辨率。當需要高分辨率的編碼器時，通常是結合絕對是編碼器以及增量式編碼器，如美國第5，252，825號專利案(Imai所提出)所述，惟，此方式增加編碼器的成本以及復雜度。
[0025]美國第2010/0140463號專利公開案(Villaret所提出)消除上述的第一缺點，參考圖2，固定于轉軸203的轉盤201包括劃分成N= 20的區(qū)段202a，202b的圓形軌跡，每個區(qū)段包括第一特性以及第二特性，如圖2所示，黑色區(qū)段202a表示第一特性且白色區(qū)段202b表示第二特性，數(shù)量S = 5的傳感器205a?205e設置于固定組件上，并鄰近于圓形軌跡的上方且輸出數(shù)字訊號(位)BO?B4，S = 5的字節(jié)合形成數(shù)字字組206，所述字組206選擇N = 20的數(shù)值其中之一進行顯示。由于傳感器S等分地設置于周緣，故這些傳感器可以使用現(xiàn)有商用的傳感器，因而簡化傳感器的結構并且降低成本。
[0026]雖然上述Villaret所提出的前案解決第一缺點，但是由于區(qū)段的尺寸被局限之故，故仍有分辨率受限制的問題。當區(qū)段變得更小時，傳感器必須以小距離靠近轉盤圓形軌跡，使的傳感器對最接近的區(qū)段更為容易感測。但是當區(qū)段的數(shù)量N太大時，所述小距離低于編碼器組件的機構容許尺寸，使得上述的編碼器不易實施。
[0027]因此需要發(fā)展一種具有簡單結構、小尺寸、低成本以及高分辨率的絕對式編碼器，其中以現(xiàn)有的商用傳感器可用于所述絕對式編碼器并且不需要額外的圖案化軌跡。
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【發(fā)明內容】
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[0028]有監(jiān)于此，本發(fā)明的目的在于提供一種簡單結構、小尺寸、低成本以及高分辨率的絕對式編碼器裝置，其中以現(xiàn)有的商用傳感器可用于所述絕對式編碼器裝置并且不需要額外的圖案化軌跡。
[0029]本發(fā)明的另一目的在于提供一種簡具有在圓形線徑上等距離分布多個傳感器的絕對式編碼器裝置，使得現(xiàn)有商用的傳感器可應于所述絕對式編碼器裝置。所述絕對式編碼器裝置通過所述多個傳感器提供模擬信號輸出，并且包括內存以及處理裝置(如中央處理單元)，以獲得高分辨率，但是不受限于傳感器的數(shù)量。
[0030]本發(fā)明使用多個傳感器，在優(yōu)選實施例中，等距離分布于周緣(如圓形線徑)上，轉盤設有在圓形軌跡上形成兩種不同特性的多個區(qū)段，當傳感器鄰近這些區(qū)段時，使得所述多個傳感器可感測這些區(qū)段的特性。當轉盤轉動期間，轉盤的不同區(qū)段鄰近于每個傳感器。根據(jù)本發(fā)明，從當所述傳感器鄰近所述轉盤的第一特性區(qū)段形成一最小值變動至當所述傳感器鄰近所述轉盤的第二特性區(qū)段形成一最大值，以及當所述多個傳感器鄰近所述轉盤的過渡位置時形成一中間值。
[0031]在編碼器裝置運作之前，于一預先處理步驟中，計算以及量測編碼器裝置的多個特性，并且儲存這些特性于編碼器裝置的內存中。這些特性是以多個數(shù)值的查詢表格形式存在，并且這些特性是多個預先定義編碼，用以定義傳感器對于轉盤軌跡特性的響應。
[0032]在第一處理步驟中，對每個傳感器信號的模擬信號值進行正規(guī)化步驟?！ˋn〃表示編號η傳感器的模擬信號值，"Hn"表示傳感器信號η的最大值，以及"Ln"表示傳感器信號η的最小值，正規(guī)化信號NAn是將模擬信號利用下列方程式計算獲得:
[0033]NAn= [An- (Hn+Ln) /2] / (Hn-Ln)
[0034]上述正規(guī)化步驟的目的是在于降低特定傳感器特性的變異性的影響。
[0035]其中在第二處理步驟中，每個傳感器的正規(guī)化信號與一臨限值作比較，所述臨限值例如是正規(guī)化信號的最大值以及最小值之間的中間(median)值，并且每個傳感器的位值"O"或是〃1〃是根據(jù)比較結果作設定的。全部的位值組合形成一數(shù)字字組，以建立所述轉盤位置的編碼編號的特性(code number characteristic)。利用轉盤轉動一整圈產(chǎn)生的編碼來定義絕對分辨率，例如Villaret使用7個傳感器獲得98個編碼。
[0036]所述轉盤區(qū)段的圖案特性之設計可使得一系列的編碼形成一灰階編碼(Graycode)。上述是指在轉盤轉動期間，從一個編碼到下一個編碼的過渡期間只包括一個傳感器，換言之，只有一個傳感器正規(guī)化信號將會從比臨限值大/小的數(shù)值過渡到比臨限值小/大。所述灰階編碼技術可以避免在轉盤轉動期間造成量測位置的誤差(errors)以及不連續(xù)性(discontinuity)。
[0037]當轉盤從一已知位置以順時針或逆時針轉動時，將所述已知位置所獲得的每個編碼關聯(lián)于兩個第一變動位。由于通過比較一傳感器模擬信號值與一預定臨限值來決定每個位值，故關聯(lián)位的編號也定義了兩個關聯(lián)的傳感器。
[0038]〃過零(zero crossing) 〃位置是指當轉盤位置的一模擬信號從較小值/較大值(相較于臨限值)分別過渡到較大值/較小值(相較于臨限值)。
[0039]在預先處理步驟期間，記錄每個編碼的兩個函數(shù)，其中所述函數(shù)表示了關聯(lián)傳感器的正規(guī)化信號值在過零位置的變異量并且所述函數(shù)是轉盤位置的函數(shù)。"傳感器函數(shù)(sensor funct1ns) 〃參考上述記錄的函數(shù)，
[0040]編碼器的傳感器以及轉盤區(qū)段特性的設計使得正規(guī)化信號從最小值過渡到最大值，以擴展轉盤位置的范圍大于一個區(qū)段(sector)。因此在一個區(qū)段尺寸之內，一傳感器函數(shù)是單調函數(shù)并且是可逆的，換言之，絕對轉盤位置可由正規(guī)化信號的模擬信號值來決定。傳感器函數(shù)在高分辨率時可記錄成查詢表格數(shù)值的方式，并且利用一參考編碼器以理論推算、模擬或是量測方式計算所述查詢表格數(shù)值。所述傳感器函數(shù)可表示為以參數(shù)式數(shù)學函數(shù)(parametric mathematical funct1ns)來近似所述正規(guī)化信號值，并且將數(shù)學函數(shù)的參數(shù)記錄于查詢表格數(shù)值中。
[0041]在最后的處理步驟中，比較兩個傳感器(關聯(lián)于編碼)的兩個正規(guī)化信號值，并且選取具有最接近臨限值的正規(guī)化信號值。反向傳感器函數(shù)(用于所述選取的正規(guī)化信號值)可提供所述轉盤的絕對式高分辨率位置的值。
[0042]由于本發(fā)明不需要額外結合增量式編碼器，并且以低成本的組件而不需要客制化的半導體芯片，故本發(fā)明的編碼器裝置具有簡單的結構配置之優(yōu)點。
[0043]本發(fā)明的其他目的、特征以及優(yōu)點將以下列詳細說明以及后附圖式作清楚表示。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0044]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0045]圖1:為第一現(xiàn)有技術中絕對式編碼器，其中傳感器設置于覆蓋鄰近區(qū)段的一整口O
[0046]圖2:為第二現(xiàn)有技術中絕對式編碼器，其根據(jù)美國第2010/0140463號專利公開案(Villaret所提出)，其中傳感器等距離地分布在圓形線徑上并且提供數(shù)字信號。
[0047]圖3:為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例中多個傳感器等距離地分布在圓形線徑上并且提供模擬信號以及一處理裝置用以計算高分辨率對位置。
[0048]圖4:為根據(jù)本發(fā)明實施例的一曲線圖，其顯示一模擬信號An及其相對應的正規(guī)化信號NAn的偏移狀態(tài)。
[0049]圖5:為根據(jù)本發(fā)明實施例的一曲線圖，其顯示在轉盤的轉動一圈中絕對編碼器的正規(guī)化(normalized)信號的各種偏移狀態(tài),其使用5個傳感器。
[0050]圖6:為根據(jù)本發(fā)明實施例的圖5的放大視圖。
[0051]圖7:為根據(jù)本發(fā)明實施例的方塊圖，其摘錄處理步驟的順序，以計算高分辨率轉盤絕對位置。
[0052]圖8:為根據(jù)本發(fā)明實施例中的圖表，用以儲存編碼器特性于編碼器的內存中。
[0053]圖9:為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例中編碼器使用永久磁鐵以及磁性傳感器的剖面圖。
【【具體實施方式】】
[0054]本發(fā)明說明書提供不同的實施例來說明本發(fā)明不同實施方式的技術特征。實施例中的各組件的配置是為了清楚說明本發(fā)明揭示的內容，并非用以限制本發(fā)明。
[0055]圖3為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例中多個傳感器等距離地分布在圓形線徑上并且提供模擬信號以及一處理裝置用以計算高分辨率對位置。本發(fā)明的編碼器改善Villaret專利案，其中數(shù)量S = 5模擬傳感器305a?305e取代了圖2的數(shù)量S = 5傳感器205a?205e，數(shù)量S = 5模擬傳感器305a?305e產(chǎn)生模擬信號AO?A4，并以模擬/數(shù)字轉換單元306將模擬信號數(shù)字化，然后傳送到中央處理器307，上述編碼器的新式結構設計提供高分辨率而節(jié)省額外的增量式編碼器之設置。
[0056]圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的一曲線圖，其顯示一模擬信號An及其相對應的正規(guī)化信號NAn的偏移狀態(tài)。所述模擬信號An是由圖3的若干模擬傳感器305a?305e其中之一產(chǎn)生，如連續(xù)曲線An所示。數(shù)量η傳感器輸出(感測信號410)的模擬信號為轉盤的角度位置的函數(shù)。水平軸以區(qū)段角度大小的區(qū)段單位為量測基準，例如圖4所示，20個區(qū)段以區(qū)段角度大小為單位(轉軸角度量測區(qū)段411)，轉盤的角度位置從O至20。當鄰近第一特性的區(qū)段，所述模擬信號An具有最大的值Ηη，當鄰近第二特性的區(qū)段，所述模擬信號Ln具有最小的值Ln。當轉盤轉動期間，不同特性的區(qū)段接近傳感器或是從傳感器遠離，使得傳感器產(chǎn)生的模擬信號是依據(jù)距離不同轉盤區(qū)段的遠近而獲得中間值，較佳實施例中，是依據(jù)距離兩個接近區(qū)段的遠近而獲得中間值。
[0057]由于傳感器等距離分布于圓形軌跡上，全部的傳感器信號Sn具有類似的信號波形曲線，在水平軸(511)形成一移位(shifted)值的輸出(510)，其表示這些信號在圓形軌跡上的相對位置。如圖5所示，5個傳感器的正規(guī)化(normalized)信號NAl?NA5，如圖5的曲線圖的箭號標示501?505。
[0058]圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例的圖5的放大視圖。
[0059]圖7為根據(jù)本發(fā)明實施例的方塊圖，其摘錄處理步驟的順序，以計算高分辨率轉盤絕對位置。
[0060]在步驟701中，量測傳感器產(chǎn)生的N個電氣信號，并且利用模擬/數(shù)字轉換單元306 (圖3)將這些電器信號的模擬值傳送至中央處理器307 (圖3)。
[0061]在步驟702中，將模擬信號正規(guī)化，其是通過最大值Hn以及最小值Ln進行的。如圖4所示，正規(guī)化信號NAn是將模擬信號利用下列方程式計算獲得:
[0062]NAn= [An- (Hn+Ln) /2] / (Hn-Ln)
[0063]其中最大值Hn以及最小值Ln是在一預先的步驟中記錄于編碼器的內存308 (圖3)，例如在編碼器的制造過程中先進行記錄。上述正規(guī)化信號的目的是在于一信號值與傳感器的敏感度不相關、與編碼器的結構誤差不相關，所述結構誤差造成傳感器的間距偏離于理論值一小部分。根據(jù)特定的正規(guī)化程序，正規(guī)化信號NAn介于[_1，+1]，信號NAn具有較佳的近似值，只與傳感器的敏感度的自然法則相對于區(qū)段特性有關。
[0064]應注意的是本發(fā)明適用于各種正規(guī)化方程式，此處僅為列舉一種方式，并非用以限定本發(fā)明。
[0065]繼續(xù)參考圖4，表是正規(guī)化信號NAn變異(variat1n)的函數(shù)具有多個過零值(zero crossing values),例如在區(qū)段位置1、3、10、16分別對應4個過零值(zero crossingvalues),如圖4的標號405?408所示。在一個區(qū)段角度尺寸從過零值轉盤位置起算之內以及對所有的轉盤位置值的范圍而言，所述函數(shù)表示轉盤位置的信號變異。進一步如下所述，〃感興趣區(qū)(range of interest, R0I) 〃用語定義為參照轉盤位置值的范圍，故一個ROI具有一個角度尺寸，所述角度尺寸至少是兩倍的區(qū)段(sector)的尺寸大小。
[0066]如圖4所示，正規(guī)化信號所定義的ROI如虛線矩形標記區(qū)域401?404所示，在一 ROI環(huán)繞NAn的過零位置內代表正規(guī)化信號NAn的函數(shù)，其可看出所述函數(shù)為單調(monotonous)函數(shù),亦即持續(xù)增加或是持續(xù)減少的函數(shù)型態(tài)。如圖6所示,傳感器編號4的信號NA4(504)可視為在ROI 601從區(qū)段SlO至Sll形成單調性的型態(tài)，將傳感器測定在離轉盤足夠的長度，以決定上述的特性。
[0067]每個區(qū)段位置可關聯(lián)兩個ROI，其中所述兩個ROI環(huán)繞兩個最接近過零值區(qū)域，并且過零值發(fā)生在兩個正規(guī)化信號，如圖5所示的數(shù)量N = 5的正規(guī)化信號，例如虛線510所指出的區(qū)段位置，兩個R0I(508、509)關聯(lián)并且環(huán)繞正規(guī)化信號NA5 (505)及NA3 (503)的過零值，所述正規(guī)化信號NA5 (505)及NA3(503)的過零值是由傳感器編號5、3計算獲得。
[0068]在圖7的步驟703中，對于已知的轉盤位置,計算產(chǎn)生編碼編號(code number)或是編碼(code)，其表示轉盤區(qū)段位置的特性。為了建立編碼編號，數(shù)量N = 5的正規(guī)化信號與一臨限值(threshold)進行比較，較佳實施例中，臨限值為這些正規(guī)化信號中最大值與最小值得中間數(shù)值。如圖5所示的正規(guī)化信號501?505的臨限值設為零值。每當信號值NAn大于臨限值，則數(shù)值(value) I設定至位Bn，否則數(shù)值O設定至位Bn，然后N個字節(jié)合形成一個字組，以建立轉盤的區(qū)段位置的編碼特性，如下列的查詢表格所述，以計算產(chǎn)生虛線510標式的轉盤位置的編碼。
[0069]
[70]信號NAn [69]位值[68]數(shù)值[67]編碼(十進制數(shù)值)
[74]NAnl
[73]O[72]< O[71] 14
(501)
[78]NAn2
[77]I[76]> OL7^J
(502)____
[82]NAn3
[81]I[80]> O[79]
(503)
[0070]
[86]NAn4
[85]I[84]> O[83]
(504)____
[90]NAn5
[89]0[88]< O[87]
(505)
[0071]設計轉盤區(qū)段特性的圖案的每個編碼具有唯一區(qū)段特性，圖案的設計如Villaret所述，在本發(fā)明的實施例中，每次編碼數(shù)值的變動使位值被更改，并且使正規(guī)化信號的過零(zero cross)情形產(chǎn)生，使得每個區(qū)段以轉盤位置的范圍方式延伸，其中所述轉盤位置是當正規(guī)化信號的過零情形產(chǎn)生時的兩個位置所界定(delimited)出來。對于每個轉盤位置，位值BI?Bn可估算產(chǎn)生并且計算獲得相對應的編碼(code)。
[0072]如上所述，傳感器響應所述轉盤位置的特性被記錄于編碼器內存308(圖3)中，這些特性是在一預先步驟中計算或是量測所產(chǎn)生的，這些特性可在編碼器的設計期間執(zhí)行并且在編碼器的制造期間進行校正。
[0073]這些特性包括兩個傳感器編號以及關聯(lián)每個編碼的ROI的兩個傳感器函數(shù)，所述傳感器函數(shù)是將傳感器正規(guī)化模擬信號變異量表示為在兩個ROI關聯(lián)對應區(qū)段的轉盤位置之函數(shù)，在一較佳實施例中，傳感器函數(shù)以反向形式儲存內存中，使得每個反向傳感器將一轉盤位置關聯(lián)于正規(guī)化信號的每一個值。
[0074]反向傳感器函數(shù)是以數(shù)值表記錄于內存中，并且一正規(guī)化信號值與一轉盤位置的對應關系可利用現(xiàn)有的內插(interpolat1n)技術計算獲得。
[0075]反向傳感器函數(shù)也可以用數(shù)學函數(shù)近似來產(chǎn)生，此處所述的反向傳感器函數(shù)的若干參數(shù)是預先記錄于內存中而非實際的值。
[0076]此外，每個傳感器的最大值Hn以及最小值Ln是在預先執(zhí)行的步驟中記錄于編碼器內存308 (圖3)。
[0077]圖8為根據(jù)本發(fā)明實施例中的圖表，用以儲存編碼器特性于編碼器的內存中。
[0078]查詢表格801為每個模擬信號的最大值與最小值的記錄內容，所述查詢表格801用于計算正規(guī)化信號，如圖7的步驟703。
[0079]查詢表格802關聯(lián)每個編碼兩個傳感器以及兩個感測函數(shù)，當轉盤分別以逆時針(CCW)轉動或是順時針轉動(CW)時，CCW過零傳感器或是CW過零傳感器參考正規(guī)化信號過零發(fā)生時的第一傳感器編號。CCW或是CW傳感器函數(shù)參考若干指標，所述指標指向用以記錄相對應傳感器函數(shù)的若干查詢表格的數(shù)值，如圖3的實施例具有5個傳感器以及20個區(qū)段、40個查詢表格來表示反向傳感器函數(shù)預先儲存于編碼器內存308。
[0080]如圖7的步驟704，找出兩個傳感器編號nl，n2，以及兩個關聯(lián)反向傳感器函數(shù)Fl, F2關聯(lián)于編碼(由步驟703找出)，其使用預先記錄的特性，例如使用圖8的查詢表格802。在一實施例中，若是找出的編碼是6，在CCW過零傳感器編號以及在CW過零傳感器編號分別為nl = 3以及n2 = 5 ;在CCW傳感器函數(shù)指標以及CW傳感器函數(shù)指標中，指標Pt_l以及Pt_6分別指向兩個反向函數(shù)IF1，IF2。
[0081]如圖7的步驟705，比較傳感器nl，n2的正規(guī)化信號的值NAnl以及NAn2，依據(jù)比較結果，選取信號NAn中最接近臨限值的數(shù)值，其中n = nl或是n = n2 ;選取一個反向傳感器函數(shù)IFn(IFnl或是IFn2);當CCW過零傳感器編號以及在CW過零傳感器編號分別被選取，其利用在CCW過零傳感器的指標以及在CW過零傳感器的指標。
[0082]在最后的步驟706中，將記錄的反向傳感器函數(shù)IFn帶入下列的正規(guī)化信號Mn，即，alfa = IFn(NAn)，將可找出高分辨率轉盤位置” alfa”。
[0083]然后將找到的高分辨率轉盤位置傳送到外部的控制器供使用。
[0084]處理步驟701?706是以無限循環(huán)方式的高速率方式執(zhí)行，如標示線段707所述。
[0085]本發(fā)明的高分辨率絕對式編碼器獨立于傳感器的型式以及轉盤材質特性，即，與傳感器的型式以及轉盤材質特性不相關。本發(fā)明適用于光學編碼器，其中編碼器的特性為透明或是不透明，本發(fā)明亦可適用于磁性編碼器，其中不同方向的永久磁鐵(例如兩個以同中心列配置的所述永久磁鐵)固定于轉盤，并且使用磁場感應傳感器如霍爾(Hall)效應組件。
[0086]圖9為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例中編碼器使用永久磁鐵以及磁性傳感器(霍爾效應組件)的剖面圖。本發(fā)明的實施例對于轉盤的固定經(jīng)度具有較低敏感度(即不易受影響)。上述剖面圖與轉動軸共平面。
[0087]編碼器固定于馬達(未圖示)的凸緣(flange)908,凸緣(flange)908帶動轉軸904。
[0088]轉盤包括結構盤907以及兩個永久磁鐵901a，901b的磁性感測組件固定于結構盤907，兩個永久磁鐵901a，901b的環(huán)形組件在彼此之間產(chǎn)生徑向磁場；根據(jù)預先定義的圖案，磁性感測組件的各種角度區(qū)段產(chǎn)生不同的向內或是向外磁場方向，轉盤利用結構盤907固定于轉軸904。
[0089]數(shù)量N的霍爾效應組件909，910以靜態(tài)方式設置于兩個磁性感測組件的環(huán)狀線徑上，所述環(huán)狀線徑精密地設置于磁性感測組件之間的中間位置，所述環(huán)狀線徑的軸線位置例如是精密地設置于磁性感測組件的半高度，數(shù)量N的霍爾效應組件等角度距離方式分布于所述環(huán)狀線徑并且固定于印刷電路板905。所述印刷電路板905利用圓柱形組件906固定于馬達的凸緣908。中央處理器902以及內存903焊接于所述印刷電路板905上，編碼器其他的電子組件也焊接于所述印刷電路板905。
[0090]根據(jù)上述編碼器的配置，霍爾效應組件輸出一電氣信號正比于磁場的振幅，所述電氣信號具有一符號已表不磁場向內或是向外。當轉盤轉動時，即，當轉盤從向內/向外環(huán)形區(qū)段朝著向外/向內區(qū)段產(chǎn)生移動時，磁場持續(xù)地改變方向。磁場方向的改變速率可以依據(jù)設計、設定所述磁性感測組件的幾何尺寸來達成。如前所述，磁場方向的改變速率的設定可使得霍爾效應組件的信號持續(xù)地從最小值/最大值改變至最大值/最小值，而將角度范圍擴展至大于一個區(qū)段(sector)。
[0091]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中其優(yōu)點是編碼器的固定精度并不敏感(即不易受影響)，是因為霍爾效應組件的中間位置，是將磁場強度表示為空間坐標的函數(shù)具有區(qū)域性的極值(最大值或是最小值)以及一零梯度(zero gradient)。
[0092]雖然本發(fā)明已用較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視后附的權利要求范圍所界定者為準。
【權利要求】
1.一種高分辨率編碼器裝置，用以量測轉動組件的角度位置，其特征在于，所述高分辨率編碼器裝置包括: (a)一轉盤，固定于所述轉動組件，所述轉盤包括一圓形軌跡，依據(jù)一已知圖案，所述圓形軌跡具有多個第一特性區(qū)段以及多個第二特性區(qū)段； (b)固定的多個傳感器，鄰近設置于所述圓形軌跡，當所述每個傳感器鄰近所述第一特性區(qū)段，每個傳感器輸出的一電氣信號具有一最大值，當所述每個傳感器鄰近所述第二特性區(qū)段，每個傳感器輸出的所述電氣信號具有一最小值，并且所述多個傳感器連續(xù)地且單調性地改變多個中間值，當所述轉盤從所述傳感器鄰近所述第一特性區(qū)段或是第二特性區(qū)段的一位置分別轉動至所述傳感器鄰近所述第二特性區(qū)段或是第一特性區(qū)段的另一位置； (C) 一內存，用以儲存預先記錄的數(shù)據(jù)；以及 (d) 一處理裝置，用以處理所述多個傳感器的所述電氣信號的多個數(shù)值； 其中在第一處理步驟中，通過比較所述傳感器的所述電氣信號與儲存在所述內存的一預定臨限值，以設定每個傳感器的一位，所述多個傳感器的多個字節(jié)合形成一字組，所述字組的數(shù)值定義一編碼，其中每兩個電氣信號關聯(lián)于所述編碼的值； 其中在第二處理步驟中，對關聯(lián)所述編碼的所述每兩個電氣信號進行比較，并且選取最接近所述臨限值的所述電氣信號；以及 其中在第三處理步驟中，從所述編碼以及所述選取的電氣信號產(chǎn)生所述轉盤的一高分辨率角度位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的高分辨率編碼器裝置，其特征在于，所述多個第一特性區(qū)段以及多個第二特性區(qū)段相對應包括多個永久磁鐵，以于兩個不同方向產(chǎn)生磁場，并且所述傳感器用以感測所述兩個不同方向的磁場。
3.根據(jù)權利要求2所述的高分辨率編碼器裝置，其特征在于，所述轉盤的所述圓形軌跡包括兩個以同中心列配置的所述永久磁鐵，建立向內以及向外的徑向磁場，并且所述傳感器設置于兩個同中心列配置的中間線的位置。
4.一種絕對式編碼器裝置，包括多個傳感器等距離地分布于一靜態(tài)組件的周緣，一轉盤在一圓形軌跡上具有多個交替特性配置的區(qū)段，所述轉盤的設置使得所述多個傳感器可感測鄰近圓形軌跡的區(qū)段的特性，其特征在于，每個傳感器提供一模擬信號的輸出，所述絕對式編碼器裝置還包括一內存，用以儲存所述絕對式編碼器裝置的特性；以及一處理裝置，用以處理每個傳感器的一模擬信號，并且組合每個傳感器的多個位值以形成數(shù)字字組，所述數(shù)字字組的數(shù)值表示所述轉盤的位置特性。
5.根據(jù)權利要求4所述的絕對式編碼器裝置，其特征在于，所述多個傳感器連續(xù)獲取多個模擬信號的值，所述獲取多個模擬信號的值包括從當所述傳感器鄰近所述轉盤的第一特性區(qū)段形成一最小值變動至當所述傳感器鄰近所述轉盤的第二特性區(qū)段形成一最大值，以及當所述多個傳感器鄰近所述轉盤的過渡位置時形成一中間值。
6.根據(jù)權利要求4所述的絕對式編碼器裝置，還包括一模擬/數(shù)字轉換單元，用以數(shù)字化所述多個傳感器的多個模擬信號，并且傳送所述數(shù)字化的多個模擬信號至所述處理裝置。
7.根據(jù)權利要求5所述的絕對式編碼器裝置，還包括一模擬/數(shù)字轉換單元，用以數(shù)字化所述多個傳感器的多個模擬信號，并且傳送所述數(shù)字化的多個模擬信號至所述處理裝置。
8.根據(jù)權利要求4所述的絕對式編碼器裝置，其特征在于，所述多個傳感器等距離分布于所述圓形軌跡上。
9.根據(jù)權利要求8所述的絕對式編碼器裝置，其特征在于，所述多個傳感器的多個模擬信號具有類似的信號波形，所述類似的信號波形在所述圓形軌跡上以一相對位置的值彼此形成移位(shifted)。
10.根據(jù)權利要求6所述的絕對式編碼器裝置，其特征在于，所述多個傳感器的多個模擬信號具有類似的信號波形，所述類似的信號波形在所述圓形軌跡上以一相對位置的值彼此形成移位。
11.根據(jù)權利要求7所述的絕對式編碼器裝置，其特征在于，所述多個傳感器的多個模擬信號具有類似的信號波形，所述類似的信號波形在所述圓形軌跡上以一相對位置的值彼此形成移位。
12.根據(jù)權利要求4所述的絕對式編碼器裝置，其特征在于，所述轉盤包括所述多個永久磁鐵的環(huán)形組件，以于所述環(huán)形組件彼此之間產(chǎn)生徑向磁場，其中所述多個傳感器包括霍爾效應傳感器，設置于所述多個永久磁鐵的環(huán)形組件之間的圓形線徑上。
13.根據(jù)權利要求6所述的絕對式編碼器裝置，其特征在于，所述轉盤包括所述多個永久磁鐵的環(huán)形組件，以于所述環(huán)形組件彼此之間產(chǎn)生徑向磁場，其中所述多個傳感器包括霍爾效應傳感器，設置于所述多個永久磁鐵的環(huán)形組件之間的圓形線徑上。
14.根據(jù)權利要求7所述的絕對式編碼器裝置，其特征在于，所述轉盤包括所述多個永久磁鐵的環(huán)形組件，以于所述環(huán)形組件彼此之間產(chǎn)生徑向磁場，其中所述多個傳感器包括霍爾效應傳感器，設置于所述多個永久磁鐵的環(huán)形組件之間的圓形線徑上。
15.根據(jù)權利要求10所述的絕對式編碼器裝置，其特征在于，所述轉盤包括所述多個永久磁鐵的環(huán)形組件，以于所述環(huán)形組件彼此之間產(chǎn)生徑向磁場，其中所述多個傳感器包括霍爾效應傳感器，設置于所述多個永久磁鐵的環(huán)形組件之間的圓形線徑上。
【文檔編號】G01D5/12GK104169685SQ201280065242
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2012年4月30日 優(yōu)先權日:2011年12月28日
【發(fā)明者】亞斯·維勒特 申請人:伺服圣斯有限公司