用于自校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)編碼器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及測(cè)量裝置，并且具體地設(shè)及用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)角度的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)線性位置和旋轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確估計(jì)是在工業(yè)自動(dòng)化W及類似的應(yīng)用中的重要任務(wù)。 諸如數(shù)控（CNC)機(jī)器、鉆頭、機(jī)器臂或激光切割器的裝置W及裝配線都需要精確的測(cè)量。反 饋控制通常用于精確測(cè)量。
[0003] 典型的編碼器包括刻度盤和讀取頭。光學(xué)編碼器通常用于測(cè)量絕對(duì)或相對(duì)的線性 位置或者旋轉(zhuǎn)角。相對(duì)編碼器在刻度盤的周期內(nèi)測(cè)量相對(duì)位置或角度，并且需要對(duì)所經(jīng)歷 的刻度盤周期的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，W確定絕對(duì)位置或角度。絕對(duì)值編碼器不需要存儲(chǔ)器或電 源來存儲(chǔ)當(dāng)前位置或角度，并且可W在任何時(shí)間尤其在啟動(dòng)時(shí)獲取運(yùn)些。
[0004] 光學(xué)編碼器可W是線性的或旋轉(zhuǎn)的。線性編碼器測(cè)量位置，并且旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量 角度。傳統(tǒng)絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器通常使用多軌道并應(yīng)用基于正弦-余弦的內(nèi)插方法來實(shí)較高分 辨率。 陽0化]在母案申請(qǐng)中描述了使用單個(gè)刻度盤和單個(gè)CCD/CM0S傳感器的單軌道絕對(duì)線性 編碼器。該編碼器不使用傳統(tǒng)的基于正弦-余弦的內(nèi)插方法。相反，該編碼器檢測(cè)掃描線 中的邊緣或零交叉，并將模型擬合到邊緣位置W獲得高分辨率絕對(duì)位置信息。該編碼器利 用線性讀取頭獲取線性刻度盤的1D圖像。
[0006] 在精密加工及制造設(shè)備中需要高精度旋轉(zhuǎn)編碼器。然而，一些誤差可能在旋轉(zhuǎn)編 碼器的制造過程中被引入。運(yùn)些誤差包括刻度盤圖案誤差、旋轉(zhuǎn)軸上的刻度盤的安裝誤差、 讀取頭對(duì)齊誤差W及電路中的噪聲。
[0007] 對(duì)于旋轉(zhuǎn)編碼器，刻度線之間的間距由于刻度盤的圓形性質(zhì)而不同。誤差的另一 個(gè)來源是當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤上的刻度盤被布置在旋轉(zhuǎn)軸上時(shí)所誘發(fā)的離屯、率。另外，面外運(yùn)動(dòng)（擺 動(dòng)）和安裝未對(duì)準(zhǔn)也可能導(dǎo)致讀取頭與刻度盤之間的距離的變化。運(yùn)些因素影響旋轉(zhuǎn)編碼 器的整體精度。編碼器可W校正制造變化、刻度盤圖案的誤差、旋轉(zhuǎn)軸上的刻度盤的安裝的 誤差、讀取頭對(duì)齊的誤差W及電路中的噪聲。在操作期間，溫度變化和機(jī)械振動(dòng)可W引起進(jìn) 一步失真，進(jìn)一步降低了精度。
[0008] 由于更靠近光源，傳感器的中屯、相比于側(cè)邊接收到更多的光。運(yùn)導(dǎo)致漸暈 (vignetting)，其中所獲取的1D圖像是中屯、較亮而側(cè)邊較暗。漸暈導(dǎo)致所檢測(cè)到的零交叉 點(diǎn)（邊緣）的誤差，從而降低了整體精度。
[0009] 許多W前的方法需要多個(gè)附加讀取頭，W抵消因離屯、率所引起的誤差。例如，參 見專利U.S. 6, 215, 119 和U.S. 7,143,518。在Masuda等的"Hi曲ac州racycalibration systemforangularencoders, "J.Robotics和Mechatronics, 5 巧），448-452, 1993 中描 述了一種等分平均巧DA)方法。使用多個(gè)讀取頭W減少離屯、誤差的旋轉(zhuǎn)編碼器增加了系統(tǒng) 的成本并且使系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣。
[0010] 傳統(tǒng)的方法還需要旋轉(zhuǎn)部件的精確運(yùn)動(dòng)W便自校準(zhǔn)。例如，美國專利 U.S. 5, 138, 564公開了一種W慢速和快速移動(dòng)編碼器W便校準(zhǔn)的方法。U.S. 6, 598, 196在 預(yù)定的軌跡上驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，使得編碼器誤差W-定頻率出現(xiàn)在伺服反饋回路之外。運(yùn)樣 的要求增加了校準(zhǔn)的精力和時(shí)間。
[0011]U.S. 7, 825, 367描述了一種自校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，角度偏差被確定為傅立葉級(jí) 數(shù)?；谡?余弦內(nèi)插的旋轉(zhuǎn)編碼器可W如U.S. 8, 250, 901中所述進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)于旋 轉(zhuǎn)角的正弦和旋轉(zhuǎn)的電壓數(shù)據(jù)被擬合成楠圓。通過將楠圓轉(zhuǎn)換成圓來獲取線性校準(zhǔn)參數(shù)。
[0012]U.S. 7, 825, 367描述了一種能夠自校準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)編碼器。該旋轉(zhuǎn)編碼器包括具有 角度碼的旋轉(zhuǎn)盤、光源和讀取角度碼的線性傳感器（CCD)。處理單元獲取針對(duì)預(yù)定的角度 的讀數(shù)值f(0)。在線性傳感器上讀取范圍內(nèi)的讀數(shù)值f( 0+4)和f(0)之間的差值是 g(e，）。該差值被確定為傅立葉級(jí)數(shù)。運(yùn)里，通過分析CCD圖像來獲得某一位置處的旋轉(zhuǎn) 角0。該自校準(zhǔn)是基于找到在兩個(gè)不同的位置處的旋轉(zhuǎn)角，并且分析差值W在自校準(zhǔn)中使 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種自校準(zhǔn)、單軌、單讀取頭的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器。該編碼 器經(jīng)完全旋轉(zhuǎn)（360° )或完全旋轉(zhuǎn)的部分獲取測(cè)量。因此，該編碼器補(bǔ)償在制造期間W及 后期隨環(huán)境或機(jī)械條件改變使用而引入的任何誤差或崎變。該編碼器還可W補(bǔ)償由于光照 變化而產(chǎn)生的漸暈。
[0014] 所述實(shí)施方式不需要多個(gè)讀取頭來消除離屯、誤差。運(yùn)顯著降低了編碼器的成本和 復(fù)雜性。另外，實(shí)施方式不需要W多種速度或者用于校準(zhǔn)的預(yù)先確定的軌跡來移動(dòng)電機(jī)。此 夕F，本發(fā)明還校正諸如間隙改變和軸擺動(dòng)的其它安裝錯(cuò)誤。
【附圖說明】
[0015] 圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)編碼器的示意圖；
[0016] 圖1B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的扇形區(qū)的圓形刻度盤的示意圖；
[0017] 圖1C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的圓形刻度盤和線性讀取頭的示意圖；
[0018] 圖1D是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式用于校準(zhǔn)圖1A的編碼器的框圖；
[0019] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的空間頻率F( 0 )相對(duì)于旋轉(zhuǎn)角的曲線圖；
[0020]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的由于噪聲所引起的空間頻率變化的曲線圖；
[0021] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的空間崎變參數(shù)a( 0 )相對(duì)于旋轉(zhuǎn)角的變化的曲 線圖；
[0022] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的空間崎變參數(shù)P( 0相對(duì)于旋轉(zhuǎn)角的變化的曲線 圖；
[0023] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的擬合成a( 0 )的四次多項(xiàng)式的曲線圖；
[0024]圖7是通過1D傳感器獲得的掃描線的曲線圖，并且描述了漸暈；
[00巧]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的比例因子的曲線圖；
[00%] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的偏移因子的曲線圖；W及
[0027]圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的應(yīng)用了漸暈修正之后的修正的傳感器值的曲線 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種單軌絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器。讀取頭可W是線性電荷禪合 裝置（CCD)或者互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CM0巧W獲得旋轉(zhuǎn)的圓形刻度盤的1D圖像。該1D 圖像包括像素的線性陣列?？潭缺P包括根據(jù)de化uUn序列布置的反射區(qū)域和不反射區(qū)域。 de化uUn序列非常適合，因?yàn)樵撃Ｊ奖旧碓诒举|(zhì)上是圓形的。
[0029] 絕對(duì)圓形刻度盤
[0030] 圖1示出了我們的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的絕對(duì)編碼器的圓形刻度盤100的一小部 分?？潭缺P的細(xì)節(jié)在美國申請(qǐng)13/100092中被描述。該刻度盤被用于確定高分辨率相位P 120。
[0031] 刻度盤可W包括交替的光反射101和非反射102標(biāo)記或位。標(biāo)記也可W根據(jù)光源 相對(duì)于讀取頭的相對(duì)位置在不透明和透明之間交替。每個(gè)標(biāo)記為B微米寬，運(yùn)是刻度盤分 辨率。每個(gè)標(biāo)記的寬度B是半間距。在一個(gè)實(shí)施方式中，B是20微米。由于標(biāo)記的相對(duì)較 小的尺寸，該示例標(biāo)記在圖中未按比例示出。
[0032] 讀取頭110W某一距離平行于刻度盤安裝。讀取頭包括傳感器111、（LED)光源 112和可選透鏡。傳感器可W是N個(gè)傳感器的檢測(cè)器陣列，例如，N可W是512。該陣列可 W是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CM0巧或者電荷禪合器件（CCD)。讀取頭還與連接到傳感器和 存儲(chǔ)器的數(shù)字信號(hào)處理器115相關(guān)聯(lián)。應(yīng)當(dāng)理解的是，可W使用其它類型的處理器。
[0033] 示例刻度盤100上的標(biāo)記或位可W被布置在可旋轉(zhuǎn)的圓盤130或者軸上。唯一的 要求是，標(biāo)記被順序地布置成特定碼或者非周期序列。
[0034] 如圖1B和圖1C所示，標(biāo)記被布置為刻度盤130上的圓的扇形區(qū)。讀取頭111包括 傳感器114的線性陣列。此處，讀取頭相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中屯、116W偏移量115切向居中。因此， 值得注意的是，鄰近線性讀取頭的任一端的傳感器像素相比靠近讀取頭的中屯、的傳感器觀 察到扇形區(qū)的更寬的部分。運(yùn)導(dǎo)致1D傳感器上的信號(hào)的崎變。 W對(duì)校準(zhǔn)
[0036] 如圖1D中所示，DSP執(zhí)行編碼器的校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)可W在編碼器的操作期間離線地、 周期性地或連續(xù)地執(zhí)行。
[0037] 校準(zhǔn)期間，對(duì)于360°完全旋轉(zhuǎn)或者某一部分旋轉(zhuǎn)，針對(duì)圓形刻度盤101的旋轉(zhuǎn) 角，通過讀取頭111獲取校準(zhǔn)樣本150。在刻度盤環(huán)形震蕩而不進(jìn)行完全旋轉(zhuǎn)時(shí)，部分旋轉(zhuǎn) 可W是有用的。注意，也可W多次旋轉(zhuǎn)來獲取校準(zhǔn)樣本。
[0038] 根據(jù)校準(zhǔn)樣本對(duì)頻率FW及崎變參數(shù)a和P161進(jìn)行估計(jì)160。頻率FW及崎變 參數(shù)a和P可W被直接存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中（例如，作為查找表）并且足W在操作期間精確 地確定編碼器的相位。如果查找比對(duì)參數(shù)函數(shù)進(jìn)行估計(jì)更快或者需要更少時(shí)間和存儲(chǔ)器， 則查找表可W是有利的。
[0039] 為方便起見，利用參數(shù)函數(shù)171對(duì)頻率FW及崎變參數(shù)a和P的變化進(jìn)行建模 170,并將該變化存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中W在編碼器在線實(shí)時(shí)操作期間使用。 W40] 實(shí)時(shí)操作
[0041] 在實(shí)時(shí)操作期間，根據(jù)測(cè)試樣本151和頻率FW及崎變參數(shù)a和P的建模的變 化來確定190編碼器的相位195。應(yīng)當(dāng)理解的是，運(yùn)些變化可W在操作期間從作為查找表被 存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的原始參數(shù)獲得。應(yīng)當(dāng)理解的是，運(yùn)些參數(shù)也可W在編碼器的實(shí)時(shí)操作期 間獲取。
[0042] 現(xiàn)在對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)和校準(zhǔn)的細(xì)節(jié)進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
[0043]DeE5;ru;ijn序列 W44] 為了在刻度盤上實(shí)現(xiàn)100 %的信息密度，使用了比特序列。每個(gè)序列都具有有限的 長(zhǎng)度并且是唯一的，例如，De化uUn序列103。各個(gè)唯一的序列對(duì)應(yīng)于粗相位角。本發(fā)明 的目的在于自校準(zhǔn)編碼器W便獲得精準(zhǔn)或精確的角度。
[0045] n階k元de化uijn序列B(k,n)是大小為k的給定字母（角度數(shù)）的循環(huán)序列， 對(duì)于該序列，字母表中長(zhǎng)度為n的每個(gè)可能的子序列恰好作為連續(xù)字符的序列出現(xiàn)一次。 如果每個(gè)B(k，n)都具有長(zhǎng)度k。，則存在化！k(nU)/