CN1012654B - 用于测量可动部件之速度的设备 - Google Patents

Abstract

用于测量速度的设备，利用由传感器提供的正交输入信号，并用一个信号的导数除以另一个值来得到测量速度，该设备可以是数字或模拟的。该设备尤其适合于测量由一个光栅和传感器装置提供的正交信号的速度。

Description

本发明涉及一种用于测量在诸如计量仪之类的高精密仪器中可相对于第二部件移动的第一部件速度的设备。

用转速计来测量速度这是大家都知道的，但是，这种装置增加了系统的费用，相对来说也不太可靠，而且在低速时精度不高。

大家也都知道，测量速度的设备其传感器响应于被测速部件的移动而产生一个其频率与速度成比例的信号。从而可以从传感器获得一个与信号频率成比例的控制信号，例如，在一个预定的固定时间周期中对来自传感器的信号周数进行计数，或测量来自传感器的信号周期。这类系统的分辨率是比较低的，对于诸如计量仪这样的精密仪器中的低速控制，就不能提供足够的精度。

在英国专利说明书1，290，090中公开了一种伺服系统，该系统的一个电磁传感器装置产生频率与速度成比例的输出信号。这些信号经过微分并与整流器一起提供一个代表速度但包含脉动分量的直流控制信号。为了消除脉动，从来自传感器的未经微分的信号中导出一个基准信号，-把控制信号与这个基准信号进行比较产生一个误差信号。然而，在这个专利中所说明的装置仅仅消除了在速度误差为零时的脉动。由于脉动出现在其它时间的误差信号上，故对于诸如计量设备中可旋转工件固定台的控制这类高精度应用是不适当的。

本发明根本的目的是提供一种介决上述问题的速度测量设备，这种设备特别适用于以高分辨率进行低速的测量。

本发明通过提供用于测量在诸如计量仪之类的高精密仪器中可相对于第二部件移动的第一部件速度并具备下述特点的设备来解决上述问题。这些特点在于：相对于所述部件之一固定的光栅;相对于另一部件固定的传感器装置，该装置为接收来自光栅的光，从而产生两个基本正交，且其频率取决于所述速度的信号而配置;以及用于接收所述两信号作为 其输入信号的计算装置，所述计算装置工作时提供取决于对该输入信号之第一信号导数的第一值，提供取决于对该输入信号之第二信号幅度的第二值，以便将所述值之一个除以另一个而获得一个为所述速度的一个函数的第三值。

这样，由于本发明能在输入信号各周期中的任何点范围或连续范围内测量速度，因此能达到非常高的分辨率。这对于先有技术中例如靠对周期进行计算来获得速度的测量装置来说是做不到的。而且，本发明还避免了脉动问题。

本发明的改进为测量两个可动部件的相对速度提供了保证。

根据本发明的设备，可以是数字式的或模拟的，也可以是二者相结合的。

本发明通过参照附图的例子，将作进一步说明，就附图：

图1是根据本发明用于测量和控制可旋转轴速度的一个实施例的伺服系统的方块图;

图2是说明其上装有传感器装置的轴的示意图;

图3是说明图1和2所示设备工作的波形图;

图4是说明图1和2设备的工作流程图;

图5是表示本发明另一种实施例的方块图。

参照图1至4，一个计量设备（没示出）包括用2概略表示的安装在轴4上的工件固定转台，轴4由电动机6驱动，电动机6和转轴4之间的连接机构由图1中的虚线表示。光栅和传感器装置8检测转轴4的转速，并在输出10，12上产生第一和第二交变信号，两个信号具有相同的频率（该频率与转轴4的角速度成比例），并具有相同的幅度，而相位相差90°。典型的角速度可以从零到几转/分，频率可以高达1000HZ，例如在200HZ左右。输出10和12上的信号通过开关14被多路传输到模-数转换器16。微处理器18由贮存在ROM    20中的程序所控制使开关14动作，把来自A/D转换器16的数字信号以并行方式通过数据总线24 传送到RAM22，并通过总线24把并行的数字速度控制信号加到数-模转换器26，转换器26把速度控制信号转换成模拟形式，并把得到的模拟信号加到控制电动机6的功率放大器28。微处理器18有一个用来接收串行数字速度指令信号的输入30，并利用速度指令信号和由模-数转换器16加来的信号计算加到数-模转换器26的控制信号。输出31用于允许处理器18输出数字数据，诸如用来指示转轴4正在指令速度下旋转。

在图2中更详细地表示了传感器和光栅装置8。从图中可以见到，该装置包括一个光栅34，该光栅由等角度间隔地分布在围绕盘7周边上的多个径向延伸的反射和非反射线条构成，而盘7被固定在转轴4上。光源36向光栅34射出一束光38，从光栅34反射的光束通过一个固定的并具有和光栅34同样扇形形状的分度光栅39而到达定位的第一和第二传感器40，41，从而在输出10，12上产生前述各自的正交信号。

图3中即示出了这样的两个信号，在图中，出现在输出10上的信号A可以用下面的方程式来表示：

V_sin＝V_osin Nft ……（1）

信号B可以由方程式：

V_cos＝V_ocos Nft ……（2）

来表示，其中：

V_sin是信号A的瞬时值;

V_cos是信号B的瞬时值;

V_o是信号A和B的幅度;

N是光栅34的线条数;

f是转轴4的角速度;

t是时间。

信号B的导数为：

（dV_cos/dt）＝-V_oNf sin Nft ……（3）

把方程式3除以方程式1：

(（dV_cos/dt）)/(V_sin) ＝-Nf……（4）

同样地

(（dV_sin/dt）)/(V_cos) ＝Nf……（4a）

从方程式（4）可以看到，在一个特定的时间上，用信号B的导数除以同一时间上信号A的值，可以得到一个与信号A和B的频率Nf成比例（从而也和转轴4的角速度成比例）的值。同样，从方程式（4a）中可看到，用某一特定瞬时的信号A的导数除以同一瞬时的信号B的值，也能产生一个和频率Nf成比例（从而和转轴4的角速度成比例），但符号与由方程式（4）获得的值相反的值，为了获得这个值，由微处理器18进行这类运算。

这样，作为例子，如果a和c是信号A在图3中所示的时间t₁和t₃的瞬时值，b和d是信号B在时间t₂和t₄的瞬时值，时间t₁至t₄用相等的间距T隔开，从而信号A在时间t₂的导数为：

（dV_sin/dt）＝ (c-a)/(2T) ……（5）

信号B在时间t的导数为：

（dV_cos/dt）＝ (d-b)/(2T) ……（6）

从上式得到

在时间t₂fα (c-a)/(2T) · 1/(b) ……（7）

在时间t₃fα (b-d)/(2T) · 1/(c) ……（8）

这样，微处理器18交替地贮存波形A和B在顺序瞬时t₁，t₂等等的瞬时值，这些瞬时时间相隔一个由微处理器确定的间隔T。微处理器18从所贮存的数值，计算方程式7或8而得到一个与频率成正比，从而也和转轴或测量轴4的角速度f成正比的值。

当信号A处在峰值时，其导数为零，这时信号B的瞬时值也为零。同样，当信号B在其峰值时，其导数为零，同时，信号A的瞬时值为零。因此，信号A在其峰值时就不能用方程式7，而当信号B在其峰值时就不能用方程式8。这样，为了确保计算的速度信息不中断，微处理器18在根据方程式7的计算和根据方程式8的计算之间转换。这种转换是通过比较两个信号的瞬时值来实现的，并根据两个信号中具有较大瞬时值的信号在方程式7和8之间进行选择。这样，在图示说明的例子中，是将量b与量c比较。如果b的值大于c的值就选择方程式7，如果c的值大于b的值就选择方程式8。

微处理器18根据贮存于ROM    20中的程序计算方程式7和8，这些程序表示于图4的流程图中。程序开始于100。在步骤101，对信号A值取样并贮存以获得值a，在步骤102，系统等待一段时间间隔T，然后在步骤103对信号B取样以获得量b。在步骤104，系统再次等待间隔T，然后在步骤105对信号A取样，得到量c，步骤106等待间隔T，在步骤107再次对信号B取样得到量d。在108，确定量b的值是否大于量c。如果是， 就计算如109a所示的方程式7，如果不是，则计算如109b所示的方程式8。由图4可见，在109a和109b进行计算时，略去了方程式7和8分母中的量2T，这是由于这个量是常数。在步骤110，把在109a或109b得到的值（该值代表了转轴4的角速度）与需要的角速度比较，利用所得到的差值，把一个适当的校正信号加到供给数模转换器26的数字信号上，从而使电动机6的速度作必要的增加或减小。在变换数据步骤111，前面的取样a和b被除去，并由取样c和d来代替，该c程d变成了a和b的新值，程序返回到步骤104，以获得量c和d获得的新值。这样，在图4中由步骤111执行的变换数据，使其有可能在每隔一次取样操作后来计算速度。

图5示出了本发明的另一个实施例。在图5中，与图1中对应的部件用相同的标号来表示。

图5的实施例利用模拟电路代替了图1中的数字电路。由传感器装置8输出到线10和12上的正弦和余弦信号A和B被分别加到非反向和反向模拟微分电路50和52。电路50和52的一个或另一个输出通过选择开关54加到模拟除法电路58的分子输入端56。电路58的分母输入端60通过另一个选择开关62接收信号A或信号B。转换电路63也接收信号A和B，并控制开关54，62以及模拟除法电路58，以使电路58根据方程式（4）或（4a）计算与f成比例的信号值。开关54和62的位置决定了用哪一个方程式，这种确定是由电路63来控制的，以便避免当上述的信号A和B在一个为其峰值，另一个在其零值时，把零值加到输入端56和60上。

电路58的输出通过导线68加到放大和滤波电路66，该电路还接收导线70上的速度要求信号。电路66比较导线68和70上的信号，并在线72上输出一个通过功率放大器28控制电动机6速度的适当信号。

在本发明的范围内可能作出各种变化。例如，虽然本发明已经描述了有关角速度的测量，但也可用来测量线速度。虽然在所描述的实施例中，为方程式4和4a或7和8之间的转换提供了一定的措施，但也有可 能没有转换的情况下来实施本发明，在这种情况下，装置可以避免由于这样的事实而引入的误差：在每周中，所选择的方程式的分子和分母要有一次变为零。例如，这种误差可以在这些时刻用短周期的不连续计算来避免。

为了使本发明付诸实践，虽然在列举的一个实施例中包含了一个编程的微计算机，在另一个实施例中包含了一个模拟计算机，但也有可能用其它的装置，诸如硬线连接的数字电路使本发明付诸实践。

虽然在列举的实施例中产生的是连续的正弦和余弦信号，但不用说，速度不必连续地测量或监视，因此并不需要产生连续的正交波形。所必需的只是在执行速度计算时产生每个正交信号的适当部分。在下面权项中参照的第一和第二正交信号应作相应的介释。在另一个实施例中，只需要间歇地计算速度，就能连续地产生正交波形，而取样只是发生在计算速度的瞬时。

上述的用一个信号的导数除以另一个值的除法，可以用各种不同的方法来实现。例如，可以用分子乘以分母的倒数来实现这种除法，这种倒数（例如）可用查表获得。名词“除法”或“除”也将作出相应的介释。

虽然在列举的实施例中是测量相对于一个固定部件的转轴速度，但也可使用本发明来测量两个组件的相对速度。如果两个部件被安装在同一轴线上，然后在一个部件上装上光栅，而传感器头装在另一个上，这是测量相对速度最容易的方法。然而这并不是经常可用的。一种改型装置采用两个带有各自独立光栅和传感器装置的部件，与部件1有关的输出为：

Vsin₁＝V_osin N₁f₁t

Vcos₁＝V_ocos N₁f₁t

同样地，对于部件2的有关输出为：

Vsin₂＝V_osin N₂f₂t

Vcos₂＝V_ocos N₂f₂t

这些信号可以用三角学等式获得及处理：

sin（A-B）＝sin    A    cos    B-cos    A    sin    B

cos（A-B）＝cos    A    cos    B+sin    A    sin    B

以形成混合信号：

这里

是或相当于正交信号，这些信号的频率代表了两个部件之间的速度差。

如上面的方程式（4）和（4a）一样，把这些信号微分（求导）并相除，由下式给出测量的相对速度：

$\frac{{\mathrm{(dV}}_{{\sin }_3}\mathrm{/dt)}}{V_{{\cos }_3}}{\mathrm{=N}}_{1}f{}_1\mathrm{-N}{}_{2}f{}_1$

以及

$\frac{{\mathrm{-(dV}}_{{\cos }_3}\mathrm{/dt)}}{V_{{\sin }_3}}{\mathrm{=N}}_{1}f{}_1\mathrm{-N}{}_{2}f{}_2$

当控制环中所用的误差信号为零时，即N₁f₁＝N₂f₂时，速度f₁和f₂的比例即为N₂∶N₁。对于更常见的N₂＝N₁的情况，零误差状态总是与两个部件速度相等有关。这样，在本文中名词“速度”也包括“相对速度”。

到目前为止虽然对与正交输入信号有关的本发明作了描述，但在本发明的范围内，也可用于正交关系的相位误差补偿。任何这样的相位误 差将会引起一个波动（其形式可预测）出现在输出上（即“速度”信号上）。如果相位误差是已知的，例如是由最佳实施例中的微处理器自动测量的，则通过调节取样之间的时间，使其在正确的点上实际取样，就可以消除相位误差的影响。例如，如果余弦信号是偏离正交+5°，正弦和余弦取样之间的时间将在实际额定速度上作减去移动5°时间的调节，而余弦和正弦取样之间的时间将被调节成在实际额定速度上加上移动5°的时间，这样在同一通道上的取样之间的时间仍旧保持不变，而这些连续取样点之间的时间已被调节成适应这种相位误差。在其范围的低限频率上，将产生一定的缺陷：在这些频率上，必要的时间会引起取样点超出正常序列。

本发明也可应用于两个输入信号基本上不是正交的场合。在这种情况下，使用非正交输入信号来产生基本上正交的信号，并把后者信号用作本发明的输入信号。正交信号可以由微处理器内部或外部来产生，但是需要一些附加的外部电路。输入信号要具有正交分量，然后通过加入按照输入信号相位的比例合在一起的两个输入来分离。例如，如果φ是相位误差，则输入信号可以定义为：

V₁＝V_osin｛（2πX/X）+（φ/2）｝

V₂＝V₀cos｛（2πX/X）-（φ/2）｝

经过某些处理后，可以表示为：

V_sin＝（V₁-a_sinV₂）b_sin＝V₀sin（2πX/X₀）

V_cos＝（V₁-a_cosV₂）b_cos＝V₀cos（2πX/Xo）

这里

a_sin＝tan φ/2

b_sin＝1/｛cos φ/2-（tan φ/2 sin φ/2）｝

a_cos＝coth φ/2

b_cos＝1/｛cos φ/2-（coth φ/2 sin φ/2）｝

这样，如果相位误差是已知的，则就能从非正交输入信号导出正交信号。

Claims (21)

1、用于测量在一诸如计量仪之类的高精密仪器中可相对于第二部件移动的第一部件速度的设备，该设备的特征在于

-相对于所述部件(4)之一固定的光栅(34)；

-相对于另一部件固定的传感器装置(40，41)，该装置为接收来自光栅(34)的光，从而产生两个基本正交、且其频率取决于所述速度的信号(A，B)而配置；以及

-用于接收所述两信号(A，B)作为其输入信号的计算装置(18，20或50至63)，所述计算装置(18，20或50至63)工作时提供取决于对该输入信号之第一信号(A或B)导数的第一值，提供取决于对该输入信号之第二信号(B或A)幅度的第二值，以便将所述值之一个除以另一个而获得一个为所述速度的函数的第三值。

2、根据权利要求1的设备，其特征在于所述计算装置包括为将所述第一值除以所述第二值获得所述第三值而编程的数字处理装置（18）。

3、根据权利要求2所要求的设备，特征在于：所述数字处理装置（18）具有借助程序从所述第一信号在间隔时间（t至t）上的幅度差中获得所述第一值的功能。

4、根据权利要求2或3所要求的设备，特征在于包括用于以模拟形式接收所述输入信号的装置（14）;以及用于把所述信号转换数字形式，以便加到所述数字处理装置（18）的模-数转换装置（16）。

5、根据基于权利要求3的权利要求4所要求的设备，特征在于包括用于对所述输入信号交替取样的取样装置（14）;所述数字处理装置（18）具有借助编程，从一组三个连续取样（a，b，c）获得第一（a）和第三（c）取样之间的差值以获得所述第一值以及利用其作为所述第二值的第二次取样（b），的功能。

6、根据权利要求5所要求的设备，特征在于其中所述数字处理装置（18）具有通过编程来利用所述组中的第一取样（a）和前面的所述组的第三取样（c）的功能。

7、根据权利要求5或6所要求的设备，特征在于其中所述取样装置包括一个可把所述输入信号交替地加到所述模-数转换装置（16）的模拟开关（14）。

8、根据权利要求2或3的设备，特征在于其中所述数字处理装置（18）具有借助编程，在一个输入信号为峰值另一个为零时，取峰值信号作为第二信号，而把零信号作为第一信号的功能。

9、根据权利要求8所要求的设备，特征在于其中数字处理装置（18）具有借助编程，交替地利用每个输入信号作为所述第一信号和所述第二信号的功能。

10、根据权利要求9的设备，特征在于其中所述数字处理装置（18）是通过编程来确定较小瞬时值的输入信号，并利用该信号作为第一信号：

11、根据权利要求2或3的设备，特征在于其中所述数字处理装置（18）具有借助编程在所述信号的每个周期中重复地获得所述第三值的功能。

12、根据权利要求1的设备，特征在于其中所述计算装置包括为获得所述第一第二和第三值而配置的模拟计算机（50至63）。

13、根据权利要求12的设备，特征在于其中所述模拟计算机包括对所述输入信号敏感的装置（63），该装置在一个输入信号为峰值另一个为零时，通过利用输入信号在零时的导数和输入信号在其峰值时的值，使所述模拟计算机获得所述第三值。

14、根据权利要求2或3的设备，特征在于其中所述除法装置（58）被安排成把所述第一值除以所述第二值。

15、根据权利要求2或3的设备，特征在于其中加到所述计算装置（18，20或50至63）的所述输入信号（A，B）是未经规格化的。

16、根据权利要求1至3的任一设备，特征在于被安排成测量所述部件的角速度。

17、根据权利要求1至3的任一设备，特征在于被安排成测量所述部件（4）的线速度。

18、用于测量高精密仪器中的第一和第二可动部件相对速度的设备，其特征在于：

-第一光栅和与所述第一可动部件相联系的传感器装置，该装置为产生其频率取决于所述第一可动部件速度的第一对初始正交信号而工作;

-第二光栅和与所述第二可动部件相联系的传感器装置，该装置为产生其频率取决于所述第二可动部件速度的第二对初始正交信号而工作;

-处理装置，该装置用于处理所述第一和所述第二对初始正交信号以便从中导出基本正交并其频率取决于所述第一和第二可动部件的相对速度的第三对信号;及

-计算装置，该装置为接收所述第三对信号而配置并为提供视所述第三对信号之一的导数而定的第一值，提供视所述第三对信号之另一个的幅度而定的第二值，并为将所述值之一个除以另一个以获得第三值而工作，该第三值是所述第一和第二可动部件的所述相对速度的一个函数。

19、根据权利要求1或18的设备，特征在于还包括响应所述第三值用于控制所述速度的装置。

20、根据权利要求1或18的设备，特征在于其中所述信号的频率不大于200Hz。

21、根据权利要求1或18的设备，特征在于其中所述信号的频率不大于1KHz。

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