用于自校准旋转编码器的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及测量装置，并且具体地设及用于测量旋转的绝对角度的绝对旋转编码 器。
【背景技术】
[0002] 对线性位置和旋转角的准确估计是在工业自动化W及类似的应用中的重要任务。 诸如数控（CNC)机器、钻头、机器臂或激光切割器的装置W及装配线都需要精确的测量。反 馈控制通常用于精确测量。
[0003] 典型的编码器包括刻度盘和读取头。光学编码器通常用于测量绝对或相对的线性 位置或者旋转角。相对编码器在刻度盘的周期内测量相对位置或角度，并且需要对所经历 的刻度盘周期的数量进行计数，W确定绝对位置或角度。绝对值编码器不需要存储器或电 源来存储当前位置或角度，并且可W在任何时间尤其在启动时获取运些。
[0004] 光学编码器可W是线性的或旋转的。线性编码器测量位置，并且旋转编码器测量 角度。传统绝对旋转编码器通常使用多轨道并应用基于正弦-余弦的内插方法来实较高分 辨率。 阳0化]在母案申请中描述了使用单个刻度盘和单个CCD/CM0S传感器的单轨道绝对线性 编码器。该编码器不使用传统的基于正弦-余弦的内插方法。相反，该编码器检测扫描线 中的边缘或零交叉，并将模型拟合到边缘位置W获得高分辨率绝对位置信息。该编码器利 用线性读取头获取线性刻度盘的1D图像。
[0006] 在精密加工及制造设备中需要高精度旋转编码器。然而，一些误差可能在旋转编 码器的制造过程中被引入。运些误差包括刻度盘图案误差、旋转轴上的刻度盘的安装误差、 读取头对齐误差W及电路中的噪声。
[0007] 对于旋转编码器，刻度线之间的间距由于刻度盘的圆形性质而不同。误差的另一 个来源是当旋转盘上的刻度盘被布置在旋转轴上时所诱发的离屯、率。另外，面外运动（摆 动）和安装未对准也可能导致读取头与刻度盘之间的距离的变化。运些因素影响旋转编码 器的整体精度。编码器可W校正制造变化、刻度盘图案的误差、旋转轴上的刻度盘的安装的 误差、读取头对齐的误差W及电路中的噪声。在操作期间，溫度变化和机械振动可W引起进 一步失真，进一步降低了精度。
[0008] 由于更靠近光源，传感器的中屯、相比于侧边接收到更多的光。运导致渐晕 (vignetting)，其中所获取的1D图像是中屯、较亮而侧边较暗。渐晕导致所检测到的零交叉 点（边缘）的误差，从而降低了整体精度。
[0009] 许多W前的方法需要多个附加读取头，W抵消因离屯、率所引起的误差。例如，参 见专利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 述了一种等分平均巧DA)方法。使用多个读取头W减少离屯、误差的旋转编码器增加了系统 的成本并且使系统设计繁琐。
[0010] 传统的方法还需要旋转部件的精确运动W便自校准。例如，美国专利 U.S. 5, 138, 564公开了一种W慢速和快速移动编码器W便校准的方法。U.S. 6, 598, 196在 预定的轨迹上驱动伺服系统，使得编码器误差W-定频率出现在伺服反馈回路之外。运样 的要求增加了校准的精力和时间。
[0011]U.S. 7, 825, 367描述了一种自校准旋转编码器，其中，角度偏差被确定为傅立叶级 数。基于正弦-余弦内插的旋转编码器可W如U.S. 8, 250, 901中所述进行校准。对应于旋 转角的正弦和旋转的电压数据被拟合成楠圆。通过将楠圆转换成圆来获取线性校准参数。
[0012]U.S. 7, 825, 367描述了一种能够自校准的旋转编码器。该旋转编码器包括具有 角度码的旋转盘、光源和读取角度码的线性传感器（CCD)。处理单元获取针对预定的角度 的读数值f(0)。在线性传感器上读取范围内的读数值f( 0+4)和f(0)之间的差值是 g(e，）。该差值被确定为傅立叶级数。运里，通过分析CCD图像来获得某一位置处的旋转 角0。该自校准是基于找到在两个不同的位置处的旋转角，并且分析差值W在自校准中使 用。
【发明内容】
[0013] 本发明的实施方式提供了一种自校准、单轨、单读取头的绝对旋转编码器。该编码 器经完全旋转（360° )或完全旋转的部分获取测量。因此，该编码器补偿在制造期间W及 后期随环境或机械条件改变使用而引入的任何误差或崎变。该编码器还可W补偿由于光照 变化而产生的渐晕。
[0014] 所述实施方式不需要多个读取头来消除离屯、误差。运显著降低了编码器的成本和 复杂性。另外，实施方式不需要W多种速度或者用于校准的预先确定的轨迹来移动电机。此 夕F，本发明还校正诸如间隙改变和轴摆动的其它安装错误。
【附图说明】
[0015] 图1A是根据本发明的实施方式的旋转编码器的示意图；
[0016] 图1B是根据本发明的实施方式的扇形区的圆形刻度盘的示意图；
[0017] 图1C是根据本发明的实施方式的圆形刻度盘和线性读取头的示意图；
[0018] 图1D是根据本发明的实施方式用于校准图1A的编码器的框图；
[0019] 图2是根据本发明的实施方式的空间频率F( 0 )相对于旋转角的曲线图；
[0020]图3是根据本发明的实施方式的由于噪声所引起的空间频率变化的曲线图；
[0021] 图4是根据本发明的实施方式的空间崎变参数a( 0 )相对于旋转角的变化的曲 线图；
[0022] 图5是根据本发明的实施方式的空间崎变参数P( 0相对于旋转角的变化的曲线 图；
[0023] 图6是根据本发明的实施方式的拟合成a( 0 )的四次多项式的曲线图；
[0024]图7是通过1D传感器获得的扫描线的曲线图，并且描述了渐晕；
[00巧]图8是根据本发明的实施方式的比例因子的曲线图；
[00%] 图9是根据本发明的实施方式的偏移因子的曲线图；W及
[0027]图10是根据本发明的实施方式的应用了渐晕修正之后的修正的传感器值的曲线 图。
【具体实施方式】
[0028] 本发明的实施方式提供了一种单轨绝对旋转编码器。读取头可W是线性电荷禪合 装置（CCD)或者互补金属氧化物半导体（CM0巧W获得旋转的圆形刻度盘的1D图像。该1D 图像包括像素的线性阵列。刻度盘包括根据de化uUn序列布置的反射区域和不反射区域。 de化uUn序列非常适合，因为该模式本身在本质上是圆形的。
[0029] 绝对圆形刻度盘
[0030] 图1示出了我们的发明的一个实施方式的绝对编码器的圆形刻度盘100的一小部 分。刻度盘的细节在美国申请13/100092中被描述。该刻度盘被用于确定高分辨率相位P 120。
[0031] 刻度盘可W包括交替的光反射101和非反射102标记或位。标记也可W根据光源 相对于读取头的相对位置在不透明和透明之间交替。每个标记为B微米宽，运是刻度盘分 辨率。每个标记的宽度B是半间距。在一个实施方式中，B是20微米。由于标记的相对较 小的尺寸，该示例标记在图中未按比例示出。
[0032] 读取头110W某一距离平行于刻度盘安装。读取头包括传感器111、（LED)光源 112和可选透镜。传感器可W是N个传感器的检测器阵列，例如，N可W是512。该阵列可 W是互补金属氧化物半导体（CM0巧或者电荷禪合器件（CCD)。读取头还与连接到传感器和 存储器的数字信号处理器115相关联。应当理解的是，可W使用其它类型的处理器。
[0033] 示例刻度盘100上的标记或位可W被布置在可旋转的圆盘130或者轴上。唯一的 要求是，标记被顺序地布置成特定码或者非周期序列。
[0034] 如图1B和图1C所示，标记被布置为刻度盘130上的圆的扇形区。读取头111包括 传感器114的线性阵列。此处，读取头相对于旋转中屯、116W偏移量115切向居中。因此， 值得注意的是，邻近线性读取头的任一端的传感器像素相比靠近读取头的中屯、的传感器观 察到扇形区的更宽的部分。运导致1D传感器上的信号的崎变。 W对校准
[0036] 如图1D中所示，DSP执行编码器的校准。该校准可W在编码器的操作期间离线地、 周期性地或连续地执行。
[0037] 校准期间，对于360°完全旋转或者某一部分旋转，针对圆形刻度盘101的旋转 角，通过读取头111获取校准样本150。在刻度盘环形震荡而不进行完全旋转时，部分旋转 可W是有用的。注意，也可W多次旋转来获取校准样本。
[0038] 根据校准样本对频率FW及崎变参数a和P161进行估计160。频率FW及崎变 参数a和P可W被直接存储在存储器中（例如，作为查找表）并且足W在操作期间精确 地确定编码器的相位。如果查找比对参数函数进行估计更快或者需要更少时间和存储器， 则查找表可W是有利的。
[0039] 为方便起见，利用参数函数171对频率FW及崎变参数a和P的变化进行建模 170,并将该变化存储在存储器中W在编码器在线实时操作期间使用。 W40] 实时操作
[0041] 在实时操作期间，根据测试样本151和频率FW及崎变参数a和P的建模的变 化来确定190编码器的相位195。应当理解的是，运些变化可W在操作期间从作为查找表被 存储在存储器中的原始参数获得。应当理解的是，运些参数也可W在编码器的实时操作期 间获取。
[0042] 现在对编码器结构和校准的细节进行更详细的描述。
[0043]DeE5;ru;ijn序列 W44] 为了在刻度盘上实现100 %的信息密度，使用了比特序列。每个序列都具有有限的 长度并且是唯一的，例如，De化uUn序列103。各个唯一的序列对应于粗相位角。本发明 的目的在于自校准编码器W便获得精准或精确的角度。
[0045] n阶k元de化uijn序列B(k,n)是大小为k的给定字母（角度数）的循环序列， 对于该序列，字母表中长度为n的每个可能的子序列恰好作为连续字符的序列出现一次。 如果每个B(k，n)都具有长度k。，则存在化！k(nU)/