用于自校准旋转编码器的方法技术

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)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于自校准旋转编码器的方法
本专利技术涉及测量装置，并且具体地涉及用于测量旋转的绝对角度的绝对旋转编码器。
技术介绍
对线性位置和旋转角的准确估计是在工业自动化以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以及装配线都需要精确的测量。反馈控制通常用于精确测量。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，以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，并且可以在任何时间尤其在启动时获取这些。光学编码器可以是线性的或旋转的。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。在母案申请中描述了使用单个刻度盘和单个CCD/CMOS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以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。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。这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、读取头对齐误差以及电路中的噪声。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心率。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。这些因素影响旋转编码器的整体精度。编码器可以校正制造变化、刻度盘图案的误差、旋转轴上的刻度盘的安装的误差、读取头对齐的误差以及电路中的噪声。在操作期间，温度变化和机械振动可以引起进一步失真，进一步降低了精度。由于更靠近光源，传感器的中心相比于侧边接收到更多的光。这导致渐晕(vignetting)，其中所获取的1D图像是中心较亮而侧边较暗。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。许多以前的方法需要多个附加读取头，以抵消因离心率所引起的误差。例如，参见专利U.S.6,215,119和U.S.7,143,518。在Masuda等的“Highaccuracycalibrationsystemforangularencoders,”J.Robotics和Mechatronics,5(5),448-452,1993中描述了一种等分平均(EDA)方法。使用多个读取头以减少离心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。传统的方法还需要旋转部件的精确运动以便自校准。例如，美国专利U.S.5,138,564公开了一种以慢速和快速移动编码器以便校准的方法。U.S.6,598,196在预定的轨迹上驱动伺服系统，使得编码器误差以一定频率出现在伺服反馈回路之外。这样的要求增加了校准的精力和时间。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以如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椭圆。通过将椭圆转换成圆来获取线性校准参数。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(θ)。在线性传感器上读取范围内的读数值f(θ+φ)和f(θ)之间的差值是g(θ,)。该差值被确定为傅立叶级数。这里，通过分析CCD图像来获得某一位置处的旋转角θ。该自校准是基于找到在两个不同的位置处的旋转角，并且分析差值以在自校准中使用。
技术实现思路
本专利技术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以及后期随环境或机械条件改变使用而引入的任何误差或畸变。该编码器还可以补偿由于光照变化而产生的渐晕。所述实施方式不需要多个读取头来消除离心误差。这显著降低了编码器的成本和复杂性。另外，实施方式不需要以多种速度或者用于校准的预先确定的轨迹来移动电机。此外，本专利技术还校正诸如间隙改变和轴摆动的其它安装错误。附图说明图1A是根据本专利技术的实施方式的旋转编码器的示意图；图1B是根据本专利技术的实施方式的扇形区的圆形刻度盘的示意图；图1C是根据本专利技术的实施方式的圆形刻度盘和线性读取头的示意图；图1D是根据本专利技术的实施方式用于校准图1A的编码器的框图；图2是根据本专利技术的实施方式的空间频率F(θ)相对于旋转角的曲线图；图3是根据本专利技术的实施方式的由于噪声所引起的空间频率变化的曲线图；图4是根据本专利技术的实施方式的空间畸变参数α(θ)相对于旋转角的变化的曲线图；图5是根据本专利技术的实施方式的空间畸变参数β(θ)相对于旋转角的变化的曲线图；图6是根据本专利技术的实施方式的拟合成α(θ)的四次多项式的曲线图；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；图8是根据本专利技术的实施方式的比例因子的曲线图；图9是根据本专利技术的实施方式的偏移因子的曲线图；以及图10是根据本专利技术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。具体实施方式本专利技术的实施方式提供了一种单轨绝对旋转编码器。读取头可以是线性电荷耦合装置(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)以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deBruijn序列布置的反射区域和不反射区域。deBruijn序列非常适合，因为该模式本身在本质上是圆形的。绝对圆形刻度盘图1示出了我们的专利技术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P120。刻度盘可以包括交替的光反射101和非反射102标记或位。标记也可以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，这是刻度盘分辨率。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。读取头110以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。传感器可以是N个传感器的检测器阵列，例如，N可以是512。该阵列可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)或者电荷耦合器件(CCD)。读取头还可以与连接到传感器和存储器的数字信号处理器117相关联。应当理解的是，可以使用其它类型的处理器。示例刻度盘100上的标记或位可以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。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110的传感器111包括传感器114的线性阵列。此处，读取头相对于旋转中心116以偏移量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心的传感器观察到扇形区的更宽的部分。这导致1D传感器上的信号的畸变。校准如图1D中本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.05.21 US 13/899,0251.一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旋转编码器的空间频率和空间畸变参数，其中，通过考虑由于所述圆形刻度盘上的刻度线的不均匀间隔导致的误差来对所述空间频率和所述空间畸变参数进行建模，其中，通过使用零交叉点和所述零交叉点之间的比特的数量来估计所述空间频率和所述空间畸变参数，其中，所述零交叉点指示所述读取头的扫描线中的边缘位置，该方法还包括：测量所述圆形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c(i)的立方模型其中，z(i)是所述零交叉点，k(i)是两个连续零交叉点z(i)和z(i+1)之间的比特的数量，i是整数参数，P是相位值，F是所述空间频率，并且α和β是所述空间畸变参数。2.一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旋转编码器的空间频率和空间畸变参数，其中，通过考虑由于所述圆形刻度盘上的刻度线的不均匀间隔导致的误差来对所述空间频率和所述空间畸变参数进行建模，使用参数函数对所述空间频率和所述空间畸变参数的变化进行建模；获取所述圆形刻度盘的测试样本；以及使用建模的频率和畸变参数来确定所述旋转编码器的相位角度，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·阿格拉瓦尔，J·桑顿，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP