CN101162139B - 光栅尺信号误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光栅尺信号误差补偿方法，该误差补偿方法包括以下步骤：使光栅尺的光栅尺带相对光栅尺的读数头连续运动并将经细分电路细分的输出位置信号作为原始位置数据；基于原始位置数据计算光栅尺带相对读数头的精确运动轨迹；基于精确运动轨迹和原始位置数据确定光栅尺的细分位置所对应的误差补偿数据；基于误差补偿数据对光栅尺的后续位置数据进行补偿。通过采用上述方法，无需任何其他的更高精度的位置测量系统，仅通过对装配在实际运动系统中的光栅尺的输出位置信号进行分析，便可得出该系统的位置误差补偿数据。并且可以根据位置误差补偿数据生成误差补偿表，在实际测量时通过读取误差补偿表对光栅尺读出的位置数据进行补偿，获得高精密的位置信息。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种精密位置检测装置的误差补偿方法，更具体涉及一种光栅尺输出的细分位置信号进行误差补偿的方法。
【背景技术】
在工业界，光栅尺广泛应用在精密运动系统中。当运动系统对控制精度要求不高时，如物料传送系统和机械粗加工系统，普通的低分辨率的光栅尺即能满足要求。但当新技术不断涌现的时候，越来越多的场合要用到高精度的运动控制系统。如半导体加工、IC封装、生物医药。这时候提高光栅尺的分辨率显得十分必要。
为了获得高分辨率的输出，人们通常对光栅尺读数头中传感器输出的两路正弦信号进行细分。理论上，细分倍数越多就可以获得越高的分辨率。但是，由于光栅尺传感器输出的两路正弦信号不能保证幅值绝对相等，也不能严格保持相位差为90度，因而细分倍数大时，其相对误差会增大，使增大细分倍数失去其意义。
为了同时获得高分辨率和高精度的测量结果，人们采用了各种方法。有的通过调节电路或算法尽量使细分前的两路正弦信号保持等幅值和90度的相位差；有的通过精度更高的测量系统(如激光干涉仪)来校正光栅尺读数。但是由于原始信号的误差及信号噪声的影响，通过正弦信号的调整获得的精度提高非常有限，一般很难达到100倍细分。而通过精度更高的测量系统来校正光栅尺读数的方法，由于设备成本高、测量难度大及数据采集量大等原因大大限制了其应用推广。
【发明内容】
为了解决现有技术中光栅尺读数头输出的两路正弦信号的幅值和相位差无法满足高精度测量的需要因而导致存在测量误差的技术问题。本发明提出了一种基于光栅尺输出的细分位置信号的误差补偿方法。
本发明解决现有技术中光栅尺读数头输出的两路正弦信号的幅值和相位差无法满足高精度测量的需要因而导致存在测量误差的技术问题所采用的技术方 案是：提供一种光栅尺信号误差补偿方法，该误差补偿方法包括以下步骤：a.使光栅尺的光栅尺带相对光栅尺的读数头连续运动并将经细分的输出位置信号作为原始位置数据；b.基于原始位置数据计算光栅尺带相对读数头的精确运动轨迹；c.基于精确运动轨迹和原始位置数据确定光栅尺的细分位置所对应的误差补偿数据；步骤c包括：c1.将精确运动轨迹中的计算值与原始位置数据中的对应数据相减并提取相减结果中的高频分量；c2.从高频分量中提取与原始位置数据中的角度值相对应的数据并经过滑动平均和等间隔取数后获取误差补偿数据；d.基于误差补偿数据对光栅尺的后续位置数据进行补偿。
根据本发明一优选实施例，细分位置为光栅尺带中各栅距内的角度值。
根据本发明一优选实施例，在步骤a中，以固定频率对细分后的光栅尺输出信号进行采样来获取原始位置数据。
根据本发明一优选实施例，在步骤b中，利用曲线拟合方式对原始位置数据进行拟合以获取精确运动轨迹。
根据本发明一优选实施例，在步骤c1中，利用快速傅立叶变换提取高频分量。
根据本发明一优选实施例，步骤d包括：d1.以原始位置数据中的角度值或角度值的二进制值的最高预定位为索引地址并根据误差补偿数据建立误差补偿表；d2.利用光栅尺的后续位置数据的角度值或后续角度值的二进制值的最高预定位从误差补偿表中检索对应误差补偿数据并通过相加来对后续角度值进行补偿。
通过采用上述方法，无需任何其他的更高精度的位置测量系统，仅通过对装配在实际运动系统中的光栅尺的输出位置信号进行分析，便可得出该系统的位置误差补偿数据。并且可以根据位置误差补偿数据生成误差补偿表，在实际测量时通过读取误差补偿表对光栅尺读出的位置数据进行补偿，获得高精密的位置信息。
图1是利用本发明的光栅尺信号误差补偿方法生成误差补偿数据的流程图；
【附图说明】
图2是在生成误差补偿数据过程中所采集的原始位置数据；
图3是对图2中原始位置数据做曲线拟合后得到的精确运动轨迹；
图4是精确运动轨迹中的计算值与原始位置数据中的对应数据的相减结果；
图5是对图4所示的相减结果进行高通滤波后所得到的误差数据；
图6是从原始位置数据分离出细分角度值后得到的角度数据；
图7是以图6所示的角度数据为X轴并以图5所示的误差数据为Y轴得到的离散的误差补偿数据；
图8是对图9所示的离散误差补偿数据做滑动平均再等间距取点后得到的光栅尺误差补偿数据；
图9是采用本发明光栅尺信号误差补偿方法的系统的示意框图；
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，图1是利用本发明的光栅尺信号误差补偿方法生成误差补偿数据的流程图。众所周知，在光栅尺信号的细分过程中，检测装置(读数头)输出两路正弦信号VA和VB，其中：
VA＝KA×Sin(θ)+Va (1)
VB＝KB×Cos(θ+α)+Vb (2)
在理想情况下，KA＝KB，α＝0，Va＝Vb＝0。所以细分电路可以根据公式：
θ′＝arctg(VA/VB) (3)
计算出读数头相对于光栅尺带所处的细分角度值θ′。但在实际情况中，通过电路可以保证Va＝Vb＝0，但是却很难保证KA＝KB和α＝0。这时细分电路计算出的细分角度值θ′便带有误差Δθ。由于VA、VB都是以2π为周期的周期函数，可以通过简单的证明得到θ′也是周期函数，且它与真实值θ之间的误差Δθ也是周期函数。其周期为2π，对应到光栅尺带上即为一个栅距。本发明便是基于此实事来补偿其误差的。
误差补偿数据的生成过程中，首先，使用外力或系统本身的动力推动装有光栅尺带的运动系统或读数头的运动部件，光栅尺带相对光栅尺的读数头连续运动。运动的形式可以因采用的精确运行轨迹的估计算法而有所不同。例如，该运动可以是匀速运动、匀加速度运动或者变加速度运动，甚至是用手推动的 不规则运动。在本实施例中，采用以恒电流驱动系统本身的电机使光栅尺带和读数头之间产生相对运动。
在光栅尺带和读数头进行相对运动的同时，一组经过细分电路细分的光栅尺输出位置信号被采集到信号分析单元。信号采集是固定频率的，采样频率需满足下式：
fs>2×V/D (4)
其中，V是读数头相对于光栅尺带的运动速度，D是光栅尺带上的栅距。在本实施例中，所采用的采样频率fs为80KHz。采样的数据长度需要足以覆盖多个栅距，例如在本实施例中，采样的数据长度为4096点。为了更精确地估计光栅尺的位置误差，在对光栅尺输出信号进行采样的同时还可以对驱动电流、力和力矩等信号进行采样。图2是在本实施例中所采集的原始位置数据。
随后，在原始位置数据的基础上计算光栅尺带相对读数头的精确运动轨迹。根据上述运动的特点和采集的数据，可以利用不同的算法(如卡尔曼观测器等)计算出对应于原始位置数据的光栅尺带的精确运动轨迹。在本实施例中，采用简单的曲线拟合的方式对上述运动过程中采集到原始位置数据进行拟合，计算出该运动的精确运动轨迹。由于该运动是由恒电流驱动产生的，所以其运动为恒加速度运动，轨迹应为二次曲线。但考虑到运动过程中有不连续的摩擦力和其他阻力的影响，实际采用了七次曲线进行拟合。图3为经七次曲线拟合后得到的精确运动轨迹。
随后，利用计算出的精确运动轨迹中的计算值减去对应的原始采样数据中的对应数据得出光栅尺在各采样点的误差。但从图4所示的相减结果可以看出，在相减结果中还包含有很大部分的低频分量。利用适当的方法去除该低频分量，提取相减结果中的高频分量。在本实施例中，利用快速傅立叶变换(FFT)进行高通滤波可以很容易地去除低频分量。图5是对图4所示的相减结果进行高通滤波后所得到高频分量，可以看出其呈很严格的周期性。
接着，从原始位置数据中分离出细分的角度值，即二进制表示的位置数据的低N位，其中2N为细分倍数。如图6所示，图6为是从原始位置数据分离出细分角度值后得到的角度数据，在本实施例中，其细分倍数为8192(N＝13)。从上述高频分量中提取与原始位置数据中的细分角度值相对应的误差补偿数 据。如图7所示，以图6所示的细分角度值为X轴并以从图5所示的高频分量中提取出的与各细分角度值对应的误差数据为Y轴，可以得到与光栅尺带的一个栅距内的细分位置(角度值)所对应的离散的误差补偿数据。将其做滑动平均，并等间距取数可以得出如图8所示的精确误差补偿数据。
由于光栅尺的细分角度误差成周期性变化，所以基于通过上述方式所获得的误差补偿数据可以对后续读出的光栅尺输出位置信号的角度值进行补偿。如图9所示，图9是采用本发明光栅尺信号误差补偿方法的系统的示意框图。在本系统中，首先，利用原始位置数据中的细分角度值或角度值的二进制值的最高M位为索引地址并根据误差补偿数据建立误差补偿表并将该误差补偿表存储在运动系统或检测装置的存储单元4内。该存储单元4要能通过地址数据寻址。存储时，将第一个数据存入地址0，第二个数据存入地址1，这样依次存储即可。
在后续的正常使用时，读数头2读取光栅尺带1所反映的相对位置信号，并通过细分电路3算出读数头2相对光栅尺带1的原始位置数据，从中提取角度值θ′，以该角度值θ′或角度值的二进制的高M位(M由补偿表的大小决定)为地址从存储误差补偿表的存储器4中查出其对应的误差补偿数据Δθ，再利用补偿电路5与原始数据相加，即可得到经过修正的精确的光栅尺角度位置数据θ＝θ′+Δθ。
综上所述，通过采用上述方法，无需任何其他的更高精度的位置测量系统，仅通过对装配在实际运动系统中的光栅尺的输出位置信号进行分析，便可得出该系统的位置误差补偿数据。并且可以根据位置误差补偿数据生成误差补偿表，在实际测量时通过读取误差补偿表对光栅尺读出的位置数据进行补偿，获得高精密的位置信息。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围和精神的情况下，可根据不同的实际需要设计出各种实施方式。
Claims (6)
1.一种光栅尺信号误差补偿方法，所述误差补偿方法包括以下步骤：
a.使光栅尺的光栅尺带相对所述光栅尺的读数头连续运动并将经细分的输出位置信号作为原始位置数据；
b.基于所述原始位置数据计算所述光栅尺带相对所述读数头的精确运动轨迹；
c.基于所述精确运动轨迹和所述原始位置数据确定所述光栅尺的细分位置所对应的误差补偿数据；所述步骤c包括：
c1.将所述精确运动轨迹中的计算值与所述原始位置数据中的对应数据相减并提取相减结果中的高频分量；
c2.从所述高频分量中提取与所述原始位置数据中的细分角度值相对应的数据并经过滑动平均和等间隔取数后获取所述误差补偿数据；
d.基于所述误差补偿数据对所述光栅尺的后续位置数据进行补偿。
2.根据权利要求1所述的误差补偿方法，其特征在于：所述细分位置为所述光栅尺带中各栅距内的角度值。
3.根据权利要求1所述的误差补偿方法，其特征在于：在所述步骤a中，以固定频率对细分后的光栅尺输出信号进行采样来获取所述原始位置数据。
4.根据权利要求1所述的误差补偿方法，其特征在于：在所述步骤b中，利用曲线拟合方式对所述原始位置数据进行拟合以获取所述精确运动轨迹。
5.根据权利要求1所述的误差补偿方法，其特征在于：在所述步骤c1中，利用快速傅立叶变换提取所述高频分量。
6.根据上述权利要求1-5任意一项所述的误差补偿方法，其特征在于：所述步骤d包括：
d1.以所述原始位置数据中的细分角度值或所述角度值的二进制值的最高预定位为索引地址并根据所述误差补偿数据建立误差补偿表；
d2.利用所述光栅尺的后续位置数据的细分角度值或所述后续角度值的二进制值的最高预定位从所述误差补偿表中检索对应误差补偿数据并通过相加来对所述后续角度值进行补偿。
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