V个不同的de化uUn序列B化，n)。 当序列从前面或后面被截断时，所得到的序列也拥有具有相同的n的唯一性。应当注意的 是，可W使用具有非重复子序列的任何非周期序列。
[0046] 为了能够解码，检测器阵列需要至少n比特的视场（F0V)。对于半间距B= 20微 米，并且使用16阶的de化uUn序列要求刻度盘上F0V为16X20 = 320微米。在一个实 施例中，视场被设计为1至2mmW具有所需的精度。
[0047] 对于奈奎斯特采样，序列的每个比特位（即，刻度盘的每个半节距）映射到线性检 测器阵列中的至少两个像素。运需要至少16X2 = 32个像素，运远低于传统传感器中的像 素的数量。为了处理诸如散焦模糊或衍射的光学像差，每半节距像素的数量。可W增加
[0048] 由于刻度盘是圆形的，所W当使用线性传感器时，反射区域和不反射区域是等角 但不等距离的，参照图1C。由于圆形刻度盘，所W反射区域/不反射区域的宽度在传感器的 两端增加。因此，空间频率F沿着传感器不恒定。 W例令za)为所检测到的零交叉点（边缘位置），p为相位角，并且F为频率。令ka) 为两个连续的零交叉点z(i)和z(i+l)之间的比特数。如果我们定义 阳化0]
[0051] 则旋转编码器的第i个零交叉点可被写成c(i)的立方模型。 阳化2] Z (i) = p+Fc(;〇+ a C(;〇2+P C (i) 3
[0053] 其中，立方模型的参数包括相位P、空间频率FW及空间崎变参数a和P。该模 型考虑由于圆盘130上的刻度线的不均匀的间隔而导致的误差。使用N个零交叉点，获得N 个方程式。例如，如果有N个零交叉点，z(l)，...，z(20)，则对应的c(l)，...，c(20)是已 知的。运些方程式描述了未知数P、F、a和P的线性系统。我们求解线性系统W获得P、 F、a和P的值。
[0054] 使用0 =P/F*360/K+Coarse_Position来获取旋转的角度目，其中，K是刻度盘 中的分级（gradation)的数量，并且Coarse_Position是仅基于图像的底层码子序列的相 位角。例如，K可W是1024。 阳0巧]自校准
[0056]所估计的参数F、a和M61根据实际的旋转角0表示为F(0)、a(0)和 0 (0)。实施方式考虑了S个参数F(0)、a(0)、P(0)的变化。由于成像噪声，在运些 参数中都存在较小的变化（正常变化）。
[0057] 如果不存在安装中的任何机械误差和任何离屯、误差，运些参数的变化应是一个完 全旋转或部分旋转随着0从0到360度改变的正常变化。然而，由于离屯、率、摆动或间隙 变化（读取头与刻度盘之间的距离），空间参数F(0)、a(0)、P(0)示出相比可归因于 噪声的变化大的变化。
[005引图2示出了贯穿一个完全旋转相对于旋转角的估计的F( 0 )的示例200。
[0059] 图3更详细地示出了频率变化300。高频率变化301是由于噪声而引起。低频率 变化302是由于离屯、率、摆动和间隙改变而引起。本发明的目的在于修正运些变化。
[0060] 在自校准期间，使用参数函数对运些变化进行建模。带有刻度盘的轴被完整 (360° )或部分旋转（<360° )，并且在多个位置处采样编码器刻度盘。例如，该刻度盘可 W每次被旋转2°，并且对应于运些角度的传感器图像被存储在存储器中。对于所有运些角 度，频率和崎变参数的估计值连同估计的编码器相位P-起被存储。
[0061] 曲线拟合
[0062] 适合的参数函数或样条函数被用于使用最小二乘法拟合对频率和崎变参数的变 化进行建模。
[0063] 图4示出了a( 0 )的变化400,其可W相对于旋转角0利用四次多项式模型来建 模。
[0064] a(0) =ti+t2目+t3目2+t4 0 3+ts 0 4， 柳尉其中tl、t2、t3、t4和t5是模型参数。模型参数使用所估计的a(0)的最小二乘法 拟合来估计。图5示出了P(0)的变化500。注意，对于所有=个参数，模型阶次或形式不 必是相同的。例如，频率F( 0)可W使用样条基函数来建模，并且a(0)和P(0)可W使 用多项式函数来建模。图6示出了针对完全旋转拟合成四次多项式600的估计的a(0)。 曲线拟合之后，模型参数被存储在DSP115的存储器中。
[0066] 操作
[0067] 在编码器操作期间，最后的编码器位置可被用于确定当前位置的频率和空间崎变 参数的值。运些值被用来确定相位P。另选地，频率和崎变参数可W连同相位一起来迭代确 定。运在启动时是有用的，其中最后的编码器相位未知或无效。当前旋转角、频率和崎变参 数的第一次估计可W如上所述被获取。利用估计的旋转角0，当前位置的参数F、a和0 可W使用它们各自的模型重新确定。然后，运些参数的新值被用于重新确定相位P。
[0068] 在化kamura的U.S. 7, 825, 367中，自校准是基于两个不同的位置处的旋转角，并 为了自校准对偏差进行分析，使用其进行校准。化kamura没有描述的空间频率和崎变参数。 根据本发明的编码器不像化kamura那样基于实际旋转角，而是基于用于在特定的旋转角 对零交叉点进行建模的底层频率和崎变参数。 W例渐晕校正
[0070] 如图7所示，渐晕校正也可W通过在刻度盘旋转的期间获取测量700来执行。
[0071] 如图8所示，针对传感器中的每个像素P，最大像素值叫(P)为比例因子800,并且 如图9所示，最小像素值ni2(p)为偏移因子（offsetfactor)900。运些因子都被用于如下 的渐晕校正。
[0072] 如图10所示，针对每个位置，传感器值i(P)的被修改1000为
[0073]i(p)^ 255*(i(p) -m2 (p)) / 如（p) -m2 (p))
[0074] 该修改确保了随着编码器被旋转每个像素的最小强度被设置为零，并且每个像素 的最大强度被设置为255。运消除了渐晕效应。 阳075] 用来执行自校准和渐晕校正的方法的步骤可W在DSP或者如本领域已知的连接 到存储器和输入/输出接口的类似的微处理器中来执行。
【主权项】
1. 一种用于自校准包括单读取头和圆形刻度盘的旋转编码器的方法，该方法包括下列 步骤： 针对所述圆形刻度盘的旋转角，通过所述读取头获取校准样本；以及 为了自校准所述旋转编码器，从所述校准样本估计所述编码器的空间频率和空间畸变 参数。2. 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括： 获取所述刻度盘的测试样本； 使用所述频率和畸变参数来确定所述编码器的相位。3. 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括： 使用参数函数对所述频率和所述畸变参数的变化进行建模； 获取所述刻度盘的测试样本；以及 使用建模的频率和畸变参数来确定所述编码器的相位。4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述刻度盘上的标记被布置成扇形区，并且所述 读取头以相对于所述刻度盘的旋转中心的偏移而切向居中。5. 根据权利要求1所述的方法，其中，针对360度或更少的旋转角来获取所述读取头数 据。6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数函数是样条函数。7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数函数使用最小二乘法拟合。8. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述参数函数是关于所述旋转角的四次多项式。9. 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括： 将所述频率和畸变参数作为查找表存储在存储器中。10. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率和畸变参数对所述圆形刻度盘的离心 率进行校正。11. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率和畸变参数对所述圆形刻度盘的摆动 进行校正。12. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率和畸变参数对所述读取头与所述圆形 刻度盘之间的距离的变化进行校正。13. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率和畸变参数对所述编码器的操作期间 的温度或机械振动进行校正。14. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率和畸变参数在所述编码器的实时操作 期间被获取。15. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述读取头包括像素的线性阵列，并且该方法 还包括： 测量所述像素的强度以获取最大强度作为比例因子，并且获取最小强度作为偏移因 子。16. 根据权利要求15所述的方法，其中，使用所述比例因子和所述偏移因子修改所述 像素强度。17. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述像素强度i(p)根据下式来修改 i(P) - 255*(i(p) -m2 (p)) / (In1 (p) -m2 (p)) 其中，Hl1 (P)是所述最大强度，Hl2(P)是所述最小强度。18. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述刻度盘是deBruijn序列的形式。19. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述空间频率参数是F( 0 )，并且所述空间畸变 参数是a和P，并且其中，四次多项式是 a( 9 ) =t:+t2 9 +t3 9 2+t4 9 3+t5 9 4 其中，t2、t3、tJP15是使用所述最小二乘法拟合估计的所述四次多项式的参数。20. 根据权利要求19所述的方法，该方法还包括： 测量所述刻度盘上的两个连续零交叉点之间的c个比特；以及 将所述零交叉点建模为 z(i) =P+Fc(i) +ac(i)2+0c(i)3 其中，P是相位值，F是所述空间频率，并且a和P是所述空间畸变参数。
【专利摘要】一种用于自校准包括单读取头(111)和圆形刻度盘(101)的旋转编码器的方法，该方法包括以下步骤：针对圆形刻度盘的旋转角(θ)通过读取头获取校准样本(150)；以及为了自校准旋转编码器，根据校准样本估计编码器的空间频率(F)和空间畸变参数(α、β)。
【IPC分类】G01D5/244, G01D5/347
【公开号】CN105229424
【申请号】CN201480029584
【发明人】A·阿格拉瓦尔, J·桑顿
【申请人】三菱电机株式会社
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2014年5月2日
【公告号】DE112014002505T5, WO2014188894A1