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分度误差估计装置、分度误差校准装置和分度误差估计方法

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分度误差估计装置、分度误差校准装置和分度误差估计方法。用于分度误差校准装置的分度误差估计装置，所述分度误差校准装置具有由旋转轴支撑的光栅盘和布置在光栅盘上的至少四个检测器，所述分度误差估计装置包括检测值合成器，其通过将从所述至少四个检测器的每个获得的每个检测值乘以预定系数来计算线性和；以及傅里叶分量识别器，其使用所述线性和的傅里叶分量并识别所述分度误差的傅里叶分量。

著录项

公开/公告号CN102954815A

专利类型发明专利
公开/公告日2013-03-06

原文格式PDF
申请/专利权人株式会社三丰;
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申请/专利号CN201210387462.4
发明设计人奈良正之;
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申请日2012-07-23
分类号G01D18/00;
代理机构北京市柳沈律师事务所;
代理人郭定辉
地址日本神奈川县
入库时间 2024-02-19 17:18:13

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2016-12-21

授权

授权
2014-05-21

实质审查的生效 IPC(主分类):G01D18/00 申请日:20120723

实质审查的生效
2013-03-06

公开

公开

说明书

技术领域

本发明涉及分度误差估计装置、分度误差校准装置和分度误差估计方法。

背景技术

旋转编码器是分度误差校准装置，其检测旋转机械的旋转角。旋转编码器包括圆光栅盘和检测器作为其的基本结构，例如，光栅盘蚀刻有包括在外围部分辐射方向上的几百到几十万个分度线的分度图形，检测器布置在光栅盘上并计数光栅盘转动时经过的分度线。提供这样的旋转编码器从而光栅盘参与到被测对象的旋转部分。与被测对象的旋转相关的通过检测器的分度线的数量被计数以检测被测对象的旋转角度(即，光栅盘的旋转角度)。

通常，上面描述的光栅盘具有人工标记的分度线。因此，分度线并不是以均匀的角度距离标记的，并且因此偏离了理想分度线位置(具有均匀的角度距离)。因此，由检测器基于上面描述的分度线检测的检测值包含误差(此处称为分度误差)。为校准这样的分度误差，传统地会使用等分平均(equaldivision averaging)方法(参见，例如，WATANABE等人的“Automatic HighPrecision Calibration System for Rotary Encoder(First Issue)，”Journal of theJapan Society for Precision Engineering，Vol.67No.7(2001)，1091-1095)。

图4示出了校正分度误差的传统方法。如图4所示，传统分度误差校正装置100采用同轴旋转轴220上提供的、用于校正的光栅盘200A；并采用用于参考的光栅盘200B。用于校正的光栅盘200A的外围提供有与光栅盘200A的分度图形210相对的第一检测器300A。用于参考的光栅盘200B的外围提供有多个(图4示出的示例中有6个)第二检测器300B，该第二检测器300B与光栅盘200B的分度图形210相对，每个检测器具有沿着光栅盘200B的圆周方向的均匀角度距离。配置分度误差校正装置100的计算装置(图中未示出)计算第一检测器300A的检测值和第二检测器300B的每个检测值之间的差值；通过平均所计算的差值获得分度误差；并用该分度误差校正第一检测器300A的检测值。

附带地，等分平均法通常具有当傅里叶分量是检测器数量的倍数时不可能识别分度误差的傅里叶分量的缺点。因此，为了估计高准确度的分度误差(该高精确分度误差不缺少包括更高阶分量的分量)，需要增加以均匀角度距离布置的检测器(第二检测器300B)的数量。然而，由于光栅盘的尺寸限制，可以布置的检测器的数量同样受到限制，从而使得在实际应用中难以识别更高阶分量。

发明内容

本发明提供一种分度误差估计装置、分度误差校正装置和分度误差估计方法，其可以在将检测器数量保持在最小的同时估计高准确度的分度误差。

根据本发明的一个方面的分度误差估计装置被用于分度误差校准装置，该分度误差校准装置具有由旋转轴支撑的光栅盘和布置在光栅盘上的至少四个检测器。该分度误差估计装置包括检测值合成器，其通过将从至少四个检测器的每个获得的每个检测值乘以预定的系数计算线性和；和傅里叶分量识别器，其使用线性和的傅里叶分量并识别分度误差的傅里叶分量。

根据本发明的分度误差估计装置包括上述检测值合成器和傅里叶分量识别器。因此，分度误差估计装置可以比较分度误差的傅里叶分量和线性和的傅里叶分量，该线性通过从至少四个检测器的每个中获得的每个检测值乘以预定的系数计算。该分度误差估计装置可以随后识别该分度误差的傅里叶分量。因此，在最小化检测器数量的同时，可以估计高准确度的分度误差，该高准确度的分度误差不缺少包括更高阶分量的任何分量。

使用根据本发明的方面的分度误差估计装置，优选地定义所述预定的系数从而移除包含在线性和中的旋转角和运动误差(kinematic error)。附带地，检测器的检测值除了分度误差以外还包括当旋转光栅盘时与光栅盘的旋转角相关的光栅盘的偏差(此处称为运动误差)。也就是说，用与光栅盘的旋转角相关的项、与分度误差相关的项和与运动误差相关的项配置由检测值合成器计算的线性和。

因此，当简单地比较线性和的傅里叶分量和分度误差的傅里叶分量时，分度误差的傅里叶分量无法识别，因为线性和包含与光栅盘的旋转角相关的项和与运动误差相关的项。然而，根据本发明的方面，如上所述地定义系数。所以，可以从线性和中移除与光栅盘的旋转角和运动误差相关的项，并通过比较线性和的傅里叶分量和分度误差的傅里叶分量，可以识别分度误差的傅里叶分量。

根据本发明的方面的分度误差校准装置包括由旋转轴支撑的光栅盘；和布置在光栅盘上的至少四个检测器。分度误差校准装置包括上述分度误差估计装置。因为根据本发明的方面的分度误差校准装置包括上述分度误差估计装置，可以获得如上所述的分度误差估计装置的类似效果和优点。进一步，通过使用估计的高准确度的分度误差，可以优选地估计光栅盘的旋转角作为没有分度误差的角度。

附带地，借助于传统分度误差估计装置100，当旋转用于参考的光栅盘200B时的偏差(运动误差)可通过使用多个第二检测器300B的每个检测值来移除。然而，对用于校准的光栅盘200A来说，仅提供第一检测器300A。所以，第一检测器300A的检测值除了分度误差以外还包括当用于校准的光栅盘200A旋转时的偏差(运动误差)。所以，即使当使用分度误差校准第一检测器300A的检测值时，运动误差依然存在。因此，没有优选地估计用于校准的光栅盘200A的旋转角。

相反地，根据本发明，向光栅盘提供至少四个检测器。所以，分别使用从该至少四个检测器获得的每个检测值，可以优选地估计光栅盘的旋转角作为没有分度误差的角度。所以，光栅盘的旋转机械不要求极其准确，从而减少了制造分度误差校准装置的成本。

根据本发明一个方面的分度误差估计方法被用于分度误差校准装置，该分度误差校准装置包括由旋转轴支撑的光栅盘；和在光栅盘上布置的至少四个检测器。分度误差估计方法包括合成检测值以计算线性和，该线性和通过将从所述至少四个检测器的每个获得的每个检测值乘以预定的系数来计算；并通过使用线性和的傅里叶分量识别分度误差的傅里叶分量。进一步，因为根据本发明的分度误差估计方法是由上述分度误差校准装置使用的方法，可以获得如上所述的分度误差校准装置的类似效果和优点。

附图说明

参考记录的作为本发明的实施例的非限制性例子的多个附图，在随后的详细描述中对本发明进一步描述，在附图中，相同的附图标记代表贯穿若干附图的视图的类似部分，并且其中：

图1是图示根据本发明的实施例的分度误差校准装置的配置的示意图；

图2是图示根据实施例的分度误差估计方法的流程图；

图3图示了根据实施例的分度误差估计方法；和

图4图示了传统分度误差校准方法。

具体实施方式

此处示出的细节仅是举例说明本发明的实施例并且仅用于本发明的实施例的示例性讨论，并且为提供被认为是最有用的和最易于理解的、本发明的原理和概念性方面的描述。在这点上，为了对本发明的，未试图示出比本发明的基本理解所需更详细的本发明的结构细节，结合附图进行描述使得本发明的形式如何在实际中具体化对本领域技术人员来说是显然的。

下面参考附图说明本发明的实施例。

(分度误差校准装置的配置)

图1是图示了根据本发明的实施例的分度误差校准装置1的配置的示意图。如图1所示，分度误差校准装置1配置有包括光栅盘2的旋转编码器、检测器3、计算装置4等。该光栅盘2形成为圆盘形状，在其上沿着外部边界蚀刻有分度图形21。该光栅盘2由旋转轴22可绕轴地且可旋转地支撑。分度图形21在图中未详细示出，但是配置有在光栅盘2的辐射方向上延伸的精细的分度线。

检测器3相对分度图形21地布置并且当光栅盘2旋转时，该检测器3输出具有对应于通过检测器3的分度线的正弦波形的检测信号。在此实施例中，如图1所示，四个检测器3沿着光栅盘2的外部边界布置。来自四个检测器3的输出经由四组插值器5和计数器6传送到计算装置4。进一步，该计数器6从来自外部源的锁存信号和初始化信号6A接收输入，并且每个计数器6进行当前计数的扫描和重置计数器至零。

计算装置4经由插值器5和计数器6处理来自检测器3的检测信号输入，并估计光栅盘2的旋转角、变化量、旋转速度等。计算装置4配置有计算机系统，该计算机系统基于特定的程序执行处理。该计算装置4从外部输入设备(图中未示出)操作并且向输出设备输出信号和/或视频图像。

在图1所示的计算装置4之中，仅图示用于进行本发明的主要部分的功能性。例如，该计算装置4作为根据本发明的分度误差估计装置，并包括图1中所示的检测值合成器41和傅里叶分量识别器42。该检测值合成器41通过将从每个检测器3中获得的每个检测值乘以预定系数来计算线性和。傅里叶分量识别器42使用由检测值合成器41计算的线性和的傅里叶分量并识别分度误差的傅里叶分量。

(分度误差估计方法)

接下来，描述使用计算装置4的分度误差估计方法。图2是图示分度误差估计方法的流程图。图3示出了根据本发明的分度误差估计方法。为了说明的方便，如图3所示，下列示例将四个检测器3称为第一至第四检测器3A-3D。此外，在与旋转轴22正交的平面上，互相垂直相交的两轴命名为X轴和Y轴。如图3中所示，在此例中在X轴上提供第一检测器。第二至第四检测器3B-3D在光栅盘2的外部边界从第一检测器3A的位置起以不等间距(不等角度距离)布置。在此例中，为了说明第一至第四检测器3A-3D的位置关系，相对X轴的每个角度被分别定义为α1-α4。因为在X轴上提供第一检测器3A，第一检测器3A的位置(角度：α1)是“0”。

首先，当旋转光栅盘2时，计算装置4(检测值合成器41)经由通过插值器5和计数器6处理来自第一至第四检测器3A-3D的检测到的信号输入。然后，计算装置4(检测值合成器41)将由第一至第四检测器3A-3D检测到的每个检测值乘以预定系数，并获得线性和(步骤ST1：检测值合成步骤)。在此例中，从第一至第四检测器3A-3D获得的每个检测值m1(θ)-m4(θ)由下列的表达式1表示：

(表达式1)

$m_{1} (θ) = θ + ω (θ + α_{1}) + \frac{q_{1} \cdot c (θ)}{r},$ q₁＝[-sin(α₁)cos(α₁)],α₁＝0

$m_{2} (θ) = θ + ω (θ + α_{2}) + \frac{q_{2} \cdot c (θ)}{r},$ q₂＝[-sin(α₂)cos(α₂)]

$m_{3} (θ) = θ + ω (θ + α_{3}) + \frac{q_{3} \cdot c (θ)}{r},$ q₃＝[-sin(α₃)cos(α₃)]

$m_{4} (θ) = θ + ω (θ + α_{4}) + \frac{q_{4} \cdot c (θ)}{r},$ q₄＝[-sin(α₄)cos(α₄)]…(1)

在以上表达式中，“θ”是光栅盘2的旋转角，“r”是光栅盘2的半径。“c(θ)”是光栅盘2旋转时该光栅盘2的偏差(运动误差)(在图3中，当光栅盘2的旋转角为0时，光栅盘2的中心位置在“O”处，当旋转角为θ时，中心位置在“O”处)。如图3所示，“qi”是第一至第四检测器3A-3D的敏感方向向量(切线向量)(参考图3)。此外，“i”是第一至第四检测器3A-3D的检测器号码(1-4依次表示第一至第四检测器3A-3D的检测器号码)。“ω(φ)”是分度误差。该分度误差ω(φ)由下面的表达式2表示。

(表达式2)

$ω (φ) = Σ_{- N}^{N} C_{k} \exp (ikφ) \cdot \cdot \cdot (2)$

具体地，在步骤ST1，计算装置4将从第一至第四检测器3A-3D获得的每个检测值m1(θ)-m4(θ)(表达式1)乘以各自的系数a1-a4，以便于计算如下面的表达式3表示的线性和m_T(θ)。

(表达式3)

$m_{T} (θ) = a_{1} m_{1} (θ) + a_{2} m_{2} (θ) + a_{3} m_{3} (θ) + a_{4} m_{4} (θ)$

$= (a_{1} + a_{2} + a_{3} + a_{4}) θ$

$+ a_{1} ω (θ) + a_{2} ω (θ + α_{2}) + a_{3} ω (θ + α_{3}) + a_{4} ω (θ + α_{4})$

$+ (a_{1} q_{1} + a_{2} q_{2} + a_{3} q_{3} + a_{4} q_{4}) \cdot \frac{c (θ)}{r} \cdot \cdot \cdot (3)$

定义上面描述的系数a1-a4以移除在表达式3中所表示的线性和m_T(θ)中包括的旋转角θ和运动误差c(θ)的项。具体地，定义系数a1-a4以满足下面的表达式4。此外，来自表达式4的系数a1-a4不是一致的，并且因此系数a1可被定义为，例如，“a1＝-1”，以确保系数a1-a4不全为“0”。

(表达式4)

$(\begin{matrix} a_{1} + a_{2} + a_{3} + a_{4} = 0 \\ a_{1} q_{1} + a_{2} q_{2} + a_{3} q_{3} + a_{4} q_{4} = 0 \end{matrix}) \cdot \cdot \cdot (4)$

因为系数a1-a4如上所述地定义，旋转角θ和运动误差c(θ)的项被从表达式3移除，并且线性和m_T(θ)由下面的表达式5表示。

(表达式5)

m_T(θ)＝a₁ω(θ)+a₂ω(θ+α₂)+a₃ω(θ+α₃)+a₄ω(θ+α₄)

…(5)

接下来，计算装置4(傅里叶分量识别器42)基于线性和m_T(θ)的傅里叶分量G_K识别分度误差ω(φ)的傅里叶分量C_K(步骤ST2：傅里叶分量识别步骤)。具体地，计算装置4进行表达式5中表示的线性和m_T(θ)的傅里叶序列展开，并获得下列的表达式6。

(表达式6)

$m_{T} (θ) = Σ_{- N}^{N} {G_{k} \cdot \exp (ikθ)} \cdot \cdot \cdot (6)$

此外，计算装置4使用下面的表达式8识别分度误差ω(φ)的傅里叶分量C_K，该表达式8从表达式6和下面的表达式7获得，该表达式7通过将表达式2代入表达式5获得。

(表达式7)

$m_{T} (θ) = Σ_{- N}^{N} {C_{k} \cdot \exp (ikθ) (a_{1} + a_{2} \exp (ik α_{2}) + a_{3} \exp (ik α_{3}) + a_{4} \exp (ik α_{4}))} \cdot \cdot \cdot (7)$

(表达式8)

$C_{k} = \frac{G_{k}}{a_{1} + a_{2} \exp (ik α_{2}) + a_{3} (\exp) (ik α_{3}) + a_{4} \exp (ik α_{4})} \cdot \cdot \cdot (8)$

然而，当用以上的方法识别分度误差ω(φ)的傅里叶分量C_K时，一阶傅里叶分量Cl无法被识别。具体地，当表达式4的第二个表达式展开时，建立下面的表达式9。所以，当k＝±1时，表达式8的分母为“0”，这使得不可能识别一阶傅里叶分量Cl。

(表达式9)

$a_{1} q_{1} + a_{2} q_{2} + a_{3} q_{3} + a_{4} q_{4} = 0$

$\Rightarrow a_{1} (\begin{matrix} - {\sin α}_{1} \\ \cos α_{1} \end{matrix}) + a_{2} (\begin{matrix} - {\sin α}_{2} \\ \cos α_{2} \end{matrix}) + a_{3} (\begin{matrix} - {\sin α}_{3} \\ \cos α_{3} \end{matrix}) + a_{4} (\begin{matrix} - {\sin α}_{4} \\ \cos α_{4} \end{matrix}) = (\begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix})$

$\Rightarrow a_{1} (\begin{matrix} \pm i {\sin α}_{1} \\ \cos α_{1} \end{matrix}) + a_{2} (\begin{matrix} \pm i {\sin α}_{2} \\ \cos α_{2} \end{matrix}) + a_{3} (\begin{matrix} \pm i {\sin α}_{3} \\ \cos α_{3} \end{matrix}) + a_{4} (\begin{matrix} \pm i {\sin α}_{4} \\ \cos α_{4} \end{matrix}) = (\begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix})$

$\Rightarrow a_{1} \exp (\pm {iα}_{i}) + a_{2} \exp (\pm i α_{2}) + a_{3} \exp (\pm i α_{3}) + a_{4} \exp (\pm i α_{4}) \cdot \cdot \cdot (9)$

当第一至第四检测器3A-3D布置在由K分割的角度上时(当光栅盘2的圆周用K分割时)，不可能识别分度误差ω(φ)的第nK±1(n＝1,2,...)阶的傅里叶分量C_nK±1和第nK(n＝1,2,...)阶的傅里叶分量C_nK。具体地，当第一至第四检测器3A-3D布置在由K分割的角度上时，第一至第四检测器3A-3D的布置位置α1-α4在下面的表达式10中表示。如上所述，第一检测器3A的布置位置α1为“0”。

(表达式10)

(L2，L3，L4每个都是整数)...(10)

当k＝nK±1时，表达式8的分母基于表达式10如下面的表达式11所示地展开。与表达式9类似，分母变为“0”，从而使得无法识别第nK±1阶的傅里叶分量C_nK±1。

(表达式11)

$a_{1} + a_{2} \exp (i (nK \pm 1) α_{2}) + a_{3} \exp (i (nK \pm 1) α_{3}) + a_{4} \exp (i (nK \pm 1) α_{4})$

$= a_{1} + a_{2} \exp (i (nK \pm 1) \cdot \frac{L_{2} \cdot 2 π}{K}) + a_{3} \exp (i (nK \pm 1) \cdot \frac{L_{3} \cdot 2 π}{K})$

$+ a_{4} \exp (i (nK \pm 1) \cdot \frac{L_{4} \cdot 2 π}{K})$

$= a_{1} + a_{2} \exp (i (\pm \frac{2 π L_{2}}{K})) + a_{3} \exp (i (\pm \frac{2 π L_{3}}{K})) + a_{4} \exp (i (\pm \frac{2 π L_{4}}{K}))$

$= a_{1} + a_{2} \exp (\pm i α_{2}) + a_{3} \exp (\pm i α_{3}) + a_{4} \exp (\pm i α_{4})$

$= 0 \cdot \cdot \cdot (11)$

类似地，当k＝nK时，表达式8的分母基于表达式10如下面的表达式12所示地扩展。在表达式4中的第一表达式的分母变为“0”，从而，使得无法识别第nK阶的傅里叶分量C_nK。

(表达式12)

$a_{1} + a_{2} \exp (inK α_{2}) + a_{3} \exp (inK α_{3}) + a_{4} \exp (inK α_{4})$

$= a_{1} + a_{2} \exp (inK \cdot \frac{L_{2} \cdot 2 π}{nK}) + a_{3} \exp (inK \cdot \frac{L_{3} \cdot 2 π}{nK})$

$+ a_{4} \exp (inK \cdot \frac{L_{4} \cdot 2 π}{nK})$

$= a_{1} + a_{2} \exp (i \cdot 2 π L_{2}) + a_{3} \exp (i \cdot 2 π L_{3}) + a_{4} \exp (i \cdot 2 π L_{4})$

$= 0 \cdot \cdot \cdot (12)$

因此，在本发明中，在分度误差ω(φ)的傅里叶分量C_K内，提供第一至第四检测器3A-3D从而所要求的阶的分量不变成无穷大。

根据上述的实施例，可能获得下列效果。根据本实施例，计算装置4提供有检测值合成器41和傅里叶分量识别器42。因此，计算装置4分别将从第一至第四检测器3A-3D获得的每个检测值m1(θ)-m4(θ)乘以预定系数a1-a4，以便于计算线性和mT(θ)。然后，比较线性和mT(θ)的傅里叶分量G_K和分度误差ω(φ)的傅里叶分量C_K以识别分度误差ω(φ)的傅里叶分量C_K。因此，在最小化检测器3的数量的同时，可以估计高准确度的分度误差ω(φ)，该高准确度的分度误差ω(φ)不缺少包括更高阶分量的任何分量。

进一步，因为系数a1-a4如上所述地定义，所以可以移除包括在线性和mT(θ)中的旋转角θ的项和运动误差c(θ)的项，并且通过比较线性和mT(θ)的傅里叶分量G_K和分度误差ω(φ)的傅里叶分量C_K，可以识别分度误差ω(φ)的傅里叶分量C_K。

然后，通过使用估计的高准确度的分度误差ω(φ)，可以优选地估计光栅盘2的旋转角θ作为不具有分度误差ω(φ)的角度。此外，四个检测器3A-3D 被提供给光栅盘2。所以，使用从各自的四个检测器3A-3D获得的每个检测值m1(θ)-m4(θ)，优选地估计光栅盘2的旋转角θ作为不含运动误差c(θ)的角度。所以，光栅盘2的旋转机械不要求极其精确，从而减少制造分差校准装置1的成本。

本发明不限于上面描述的实施例，并且在本发明的范围内可包括任何变形和/或改进。例如，虽然在本实施例中检测器3的数量为四，但是检测器3的数量不限于四个。可能提供五个或更多的检测器3。当提供五个或更多的检测器3时，可以进行类似于本发明所示的提供四个检测器3的情况的分析。从而，增加数据的冗余以获得更准确的光栅盘2的旋转角θ。此外，当提供五个或更多的检测器3时并且当每个检测器3置于在由大数值K分割的角度上时，甚至可以将不定的傅里叶分量移位到更高阶。在本实施例中，本发明使用具有圆盘形状的旋转编码器。然而，本发明不限于此并且本发明可采用鼓形的旋转编码器。

分度误差校准装置可利用本发明，该分度误差校准装置具有由旋转轴支撑的光栅盘，和在光栅盘上提供的至少四个检测器。

注意，仅仅是为了说明而提供前述的示例，而不构建为限制本发明。虽然参考示例性实施例已经描述了本发明，理解的是此处已经使用的词语只是描述性和说明性的词语，而不是限制性词语。不脱离本发明的方面的范围和精神，在所附权利要求的条款内，可能做出作为目前声明的和作为改正的改变。尽管参考具体结构、材料和组成已经描述本发明，但是本发明的目的不趋于受限于此处公开的详情；相反，本发明扩展到所有功能性等价的结构、方法和用法，正如在所附权利要求的范围内的。

本发明不限于上面描述的实施例，并且各种变型和改进而不脱离本发明的范围是可能的。

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