CN101371105B - 旋转编码器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种旋转编码器装置(2)，其包括编码器刻度或旋转环(30)以及编码器刻度读取器。该编码器刻度包括增量刻度和一个或多个参考标记(32、34)。该编码器刻度读取器包括至少第一读取头(4)和第二读取头(6)，它们在经过编码器刻度的参考标记时，各自产生参考标记信号。所述装置还包括参考位置设置器(40)，随着所述编码器刻度读取器相对于所述编码器刻度旋转，利用所述第一读取头产生的第一参考标记信号和第二读取头产生的第二参考标记确定所述编码器刻度相对于所述编码器刻度读取器的至少一个角度可重复的参考位置。

Description

旋转编码器装置和方法
技术领域
本发明涉及旋转编码器和操作该编码器的方法。具体来说，本发明涉及包括多个读取头并具有刻度的旋转编码器，该刻度包括增量标记和至少一个参考标记。
背景技术
包括刻度和一个或多个读取头的旋转编码器是已知的。例如，刻度可以形成在环的外圆周上，该环可以相对于读取头转动。刻度通常包括周期性的一系列增量标记(通常称为增量刻度)，且每个读取头布置成在其相对于增量标记移动时，产生周期性的信号。由每个读取头产生的周期性信号通常转化为一系列增量脉冲，对这些脉冲计数，以产生读取头和增量刻度之间任何相对运动的精确测量值。
虽然计数增量脉冲给出了读取头和增量刻度之间相对运动的精确测量值，但是不能给出有关读取头相对于关联的刻度的绝对位置的任何信息。绝对位置信息在这种增量系统中通常如下所述来确定：利用包括一个或多个参考标记的刻度，提供带传感器的读取头来读取这种参考标记。当读取头经过参考标记时，增量计数可以联系到刻度上的起始位置或参考(即，绝对)位置。
对于单读取头旋转编码器而言，失调和/或承载件漂移已知会在增量计数中引入误差。这会将不精确性引入刻度相对于读取头的测量绝对位置。一种克服增量计数中这种承载件漂移影响的已知方式是提供多于一个读取头。例如，提供成对的读取头，它们径向对置在旋转环的周围。任何承载件漂移导致一个读取头增量脉冲计数减少而另一个读取头的增量脉冲计数相应增加。因此，将这一对读取头的增量脉冲计数进行平均，就可消除承载件漂移的影响。
在其他地方以前已经存在对双读取头增量编码器的说明，例如，参见US2003/173956，US4181884和US2002/0153479。WO2004/094957说明了提供一种组合的绝对和增量编码系统，具体而言，每个读取头包括像素化的CCD，用于同时检测关联的编码器刻度上的多个标记，所述编码器刻度包括临近(绝对)编码刻度的增量刻度。WO2004/094957还说明了如何借助一对径向对置的读取头在同一时间点上获得的两个绝对角度测量值进行平均以给出绝对角度测量值。但是，这种设备相对来说生产复杂，因此成本可观。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转编码器，以及操作该旋转编码器的相应方法，该旋转编码器具有改善的部件，用来从包括一个或多个参考标记的刻度确定绝对位置。具体来说，本发明的发明人认识到虽然已知双读取头旋转编码器装置可以从增量计数中消除承载件漂移影响，但是这种装置仍然受制于读取参考标记时存在的绝对角度误差，所以提出需要提供确定绝对位置的替代部件。因此，本发明进一步的目的是提供一种旋转编码器装置，其中在利用至少一个参考标记确定绝对位置时，能缓解任何与承载件漂移或类似情形关联的不利影响。
根据本发明第一方面，一种旋转编码器装置包括：编码器刻度，其包括增量刻度和一个或多个参考标记；和编码器刻度读取器，其包括至少第一和第二读取头，它们在经过编码器刻度的参考标记时，各自产生参考标记信号(例如，脉冲)，其特征在于，该装置包括参考位置设置器，随着编码器刻度读取器相对于编码器刻度旋转，利用第一读取头产生的第一参考标记信号和接下来由第二读取头产生的第二参考标记信号，确定编码器刻度相对于编码器刻度读取器的至少一个角度可重复的参考位置。
因此，本发明的旋转编码器装置将编码器刻度和编码器读取器之间的相对运动的增量测量与编码器刻度读取器相对于编码器刻度的至少一个绝对角度取向的测量相组合。具体来说，根据本发明，确定绝对角度取向借助参考标记设置器(诸如以下更为详细说明的电子单元)来进行，该参考位置设置器利用了第一和第二读取头依次经过参考标记时产生的第一和第二参考标记信号。使用分开特定时间或角度间隔的第一和第二参考标记信号，能确定不受承载件漂移等情形影响的绝对位置或“起始”位置。
因此，与US2003/173956和US4181884中所述的现有技术编码器从单个读取头经过参考标记时产生的参考标记信号确定参考位置或起始位置相比，本发明提供了更为可靠的绝对位置测量值。此外，需要强调的是，本发明的装置使用了先于第二参考标记信号而产生的第一参考标记信号。换句话说，编码器刻度相对于编码器刻度读取器旋转，以使参考标记初始经过第一读取头，从而产生第一参考标记信号。然后进一步旋转编码器，导致参考标记(与经过第一读取头的参考标记相同或不同)经过第二读取头，从而随后产生第二参考标记信号。这样可以看出，与WO2004/094957中所述的利用内含像素化CCD阵列的一对读取头从(绝对)编码轨迹同时读取两个绝对角度测量值的方案相比，存在显著不同。具体地说，本发明的技术可以在不牵扯提供绝对位置编码设备这样的复杂方案的情况下，进行实施，即本发明不需要将编码位置轨迹设置在增量轨迹附近，也不需要WO2004/094957中所述设备采用的复杂的基于CCD的检测器阵列和信号处理布置。而是，本发明可以使用复杂程度相对较低的编码器刻度(例如，在最简单的情况下，该刻度可以包括增量刻度以及仅一个参考标记或者一对参考标记)和复杂程度相对较低的参考标记检测器(例如，缝隙元件检测器)。
具有优势的是，编码器刻度读取器的第一和第二读取头各自产生指示编码器刻度与编码器刻度读取器之间的相对运动的增量信号，其中所述的增量信号还被参考位置设置器用来确定所述至少一个绝对角度参考位置。这样，参考位置设置器利用第一和第二参考标记信号，并结合来自第一和第二读取头的增量信号，建立了所述至少一个绝对角度参考位置。
在优选实施例中，读取头提供指示读取头相对于编码器刻度的运动量的增量脉冲。因此，该装置具有优势地布置成产生一系列指示第一读取头和增量刻度之间的相对运动的第一增量脉冲。第一读取头可以包括增量传感器，其布置成：当读取头移动经过增量刻度时，产生包括同相位(I)和正交相位(Q)正弦波分量的信号。第一插值器可以用来将I和Q正弦波信号转化为数字正交(方波)信号。第一解码器然后用来将数字正交信号转化为一系列第一增量脉冲。所述装置可以方便地包括第一计数器来清点所述第一增量脉冲。第一计数方向信号也可以由第一解码器提供，以指示第一读取头相对于增量刻度的旋转方向，从而让第一计数器适当地增加或减少计数。
具有优势的是，所述装置布置成产生一系列指示第二读取头与增量刻度之间的相对运动的第二增量脉冲。第二读取头可以包括增量传感器，其布置成：当该读取头经过增量刻度时产生包括同相位(I)和正交相位(Q)正弦波分量的信号。第二插值器可以用来将I和Q正弦波信号转化为数字正交(方波)信号。第二解码器然后用来将数字正交信号转化为一系列第二增量脉冲。所述装置还可以包括第二计数器来清点所述第二增量脉冲。第二计数方向信号也可以由第二解码器提供，以指示第二读取头相对于增量刻度的旋转方向，从而让第二计数器适当地增加或减少计数。
第一和第二读取头类型和/或结构可以相同也可以不同。每个读取头可以输出未处理的同相位和正交相位信号，它们被送往关联的插值器、解码器和计数器。或者，每个读取头可以包括插值器、解码器和计数器中的任何一个或多个。具有优势的是，从第一和第二读取头获得的增量计数具有相同的分辨率。例如，第一和第二插值器可以方便地使用相同插值因子。
从两个或更多个读取头获得的增量计数可以相组合，以产生对承载件漂移具有抗性的合成增量计数。这种承载件漂移抗性的由来，以下有更为详细的说明：承载件漂移的影响是增加一个读取头的计数，而将另一个读取头的计数减少相同的量。因此，所述装置优选包括增量信号混合器，其中所述的增量信号混合器包括加法器，用来将第一和第二计数器的计数相加，以产生合成增量计数。
应该注意，增量信号混合器可以实施简单计数相加功能之外的功能。增量刻度混合器可以方便地布置成相对于成分增量计数的总和来改变合成增量计数的比例。例如，增量信号混合器可以提供合成增量计数，也就是说，第一和第二计数总和的一半。此外，信号混合器可以方便地包括第三计数器来存储合成增量计数。换句话说，第一和/或第二计数器的计数可以转化为中间数字正交信号(例如，同相位和正交相位的方波信号)，它们被解码成一系列脉冲，然后由第三计数器清点。如以下更为详细地说明，额外的计数器可以与所述第一和第二计数器并行使用，以产生这种中间数字正交信号，这种布置提供了一种简单的技术来克服与第一和第二计数器翻转和重置有关的影响。
方便使用的是，参考位置设置器布置成使得合成增量计数与所述角度可重复位置直接关联。换句话说，当产生增量计数以使合成增量计数值与编码器刻度相对于编码器刻度读取器的绝对角度位置产生关联时，可以应用某种校正值或偏移量。例如，在编码器刻度处于由参考位置设定部件确定的角度可重复的参考位置时，合成增量计数可以布置成取“零”值。
通过有选择地将第一和/或第二计数器的计数重置，可以在合成增量计数和角度可重复的位置之间建立直接的关系。具有优势的是，参考位置设置器布置成在第一读取头提供第一参考标记信号时将第二计数器归零。方便使用的是，参考位置设置器布置成在第二读取头提供第二参考标记信号时将第二计数器归零。此外，参考标记设置器可以方便地布置成在第一读取头提供第一参考标记信号时将第一计数器归零。参考位置设置器还可以具有优势地布置成在第二读取头提供第二参考标记信号时将第一计数器归零。
在优选实施例中，参考标记设置器布置成在第一参考标记信号产生时将第一和第二计数器归零，并在第二参考标记信号产生时(再次)将第二计数器归零。这样，在产生第二参考标记信号的时刻，第二计数器将存储零值，而第一计数器存储的值将等于第一和第二读取头观察到参考标记之间产生的第一增量脉冲数目。该合计的计数值将产生联系到角度可重复(防承载件漂移)的参考位置的计数值。
取代实际校正合成增量计数，可以确定计数校正值使装置启动之间的合成增量计数可以联系到相同的角度可重复的参考位置。因此，参考位置设置器可以方便地布置成确定计数校正值，该计数校正值提供合成增量计数与参考位置设置部件建立的角度可重复的参考位置之间的关系。
具有优势的是，参考位置设置器布置成在编码器刻度读取器相对于编码器刻度旋转时，在产生第一和第二参考标记信号之间，确定第一计数器和第二计数器至少其中之一的计数差值。这可以按如下方式来实现：提供一个或多个电子存储器，用于在第一和/或第二读取头产生参考标记信号时，存储第一和/或第二计数器的值。
因此，可以根据本发明提供一种旋转编码器装置，其包括具有增量刻度和一个或多个参考标记的编码器刻度；和具有至少两个读取头的编码器刻度读取器，其中所述编码器刻度读取器布置成产生一系列增量脉冲，以指示刻度读取器与刻度之间的运动，其中设置参考位置设置器，在编码器刻度读取器相对于编码器刻度旋转时，在检测参考标记的第一读取头与检测第二参考标记的第二读取头之间建立增量计数数目。
上述参考位置设置器可以在任何需要的时候建立角度可重复的参考位置。虽然可以连续建立，但是通常仅在需要的时候这样做。例如，可以周期性地产生，在操作者需要的时候产生，或者如果检测到某种操作误差时产生(例如，增量计数丢失或者计数存在误差)。
具有优势的是，参考位置设置器(也称为参考位置设置部件)布置成仅在设置过程中建立角度可重复的参考位置。设置过程具有优势地布置成在装置上电时开始，在第一读取头和第二读取头都产生参考标记信号后结束。换句话说，角度可重复的位置可以仅在设备每次通电时建立。这样便于使用，因为增量计数通常在装置断电后丢失。在启动时，使用者可以迅速旋转编码器，以允许产生需要的参考标记信号。LED或者其他指示器可以设置在装置上，指示需要进行设置程序和/或设置程序已经完成。例如，在设置之前，LED可以闪烁，而在设置程序完成之后，可以常亮。也可以设置输出线，或可替代地设置输出线来指示设置状态。
具有优势的是，所述装置包括在编码器刻度读取器相对于关联的编码器刻度处于预定绝对角度时输出合成参考标记脉冲的部件。换句话说，所述装置可以布置成输出以下将称为合成参考标记的内容。具体来说，合成参考标记脉冲可以在合成增量计数到达特定值(例如，零)时产生，该特定值已知对应于由位置设置部件确定的绝对角度。从合成增量计数产生合成参考标记脉冲克服了从编码器刻度上的单个参考标记来产生参考标记脉冲相关的问题，并且能产生角度可重复的合成参考标记输出。
由于合成参考标记并不直接从参考标记检测结果中产生，所以根据需要可以由使用者来限定。因此，预定的绝对参考角度也可以由使用者限定。例如，可以在合成增量计数到达选定的值的任何时候产生合成参考标记，该选定的值对应于编码器刻度和编码器刻度读取器的第一读取头和第二读取头的光学中心线之间的特定角度关系。
使用者可以以多种方式选择产生合成参考标记脉冲的预定绝对角度。例如，所述装置可以布置成让使用者可以在旋转编码器处于希望的参考角度时按压按钮或类似物。在希望的参考角度时的合成增量计数可以由所述装置存储。优选任何这种值存储在非易失性存储器(例如，闪存器)中，以使其在断电后能保存下来。这样，可以根据需要产生使用者可限定的、角度可重复的合成参考标记。还应该注意，根据需要，编码器每转一圈可以产生多于一个合成参考标记。例如，根据需要，所述装置可以布置成产生合成的伪随机标记、距离编码标记或并行输出标记。
所述编码器刻度方便地包括一个参考标记。或者，编码器刻度可以包括至少两个参考标记。两个或更多个参考标记可以偏移任意角度，当然参考标记之间的偏移角度优选不同于读取头之间的角度间隔。便于使用的是，编码器刻度包括不超过5个、或不超过10个、或不超过50个、或不超过100个参考标记。具有优势的是，参考标记隔离，并且彼此无区别。参考标记还优选位于编码器刻度周围多个离散隔开的位置。换句话说，参考标记可以非连续地位于编码器刻度周围，即参考标记方便地并不形成任何类型的连续编码轨迹，这种连续编码轨迹通常用于提供绝对位置测量。
编码器刻度的参考标记可以由使用者选择。例如，编码器刻度可以提供多个候选的参考标记。使用可查找的粘贴物或类似物则可以仅放置在那些被每个读取头认为是参考标记的候选参考标记附近。参考标记可以是可光学读取的(例如.，它们包括亮背景上的暗线条或线条图案)，在这种情况下，每个读取头包括适当的光学参考标记传感器。可以替代性地提供非光学式参考标记(例如，磁性参考标记、电容性参考标记、感应性参考标记、导电性参考标记等)以及相应类型的参考标记传感器。
编码器刻度可以是任何已知的类型。便于使用的是，设置携带编码器刻度的环。例如，该环具有直接标注在其上的编码器刻度。光学编码器刻度可以借助激光脉冲而标注在环上，如WO03/061891所述。刻度可以标注在环的外边缘上，或者可以设置径向刻度标记。便于使用的是，参考标记嵌在增量刻度内。以光学刻度为例，内嵌参考标记可以包括加粗的增量刻度线条。这样，就不需要设置相邻的增量刻度和参考标记刻度，从而减小编码器刻度的尺寸。
具有优势的是，第一和第二读取头基本上径向对置。换句话说，第一和第二读取头沿着编码器刻度角度分开约180°。从径向对置的读取头混合增量计数能提供对承载件漂移最优的容许限度，以下将详述。
虽然提供两个读取头(即，第一和第二读取头)能补偿任何奇次谐波(即，第一、第三、第五次谐波等)，但是不能消除与偶次谐波有关的影响。但是，可以通过提供额外的、基本上围绕编码器刻度均匀隔开的成对读取头来消除偶次谐波的影响。编码器刻度读取头因此可以具有优势地包括一对或多对额外的读取头。提供一对额外的读取头，并且将从其而来的增量计数与第一和第二读取头的增量计数混合，所提供的合成增量计数还消除了二次谐波的影响。提供两对额外的读取头(即，总共六个读取头)额外消除了四次谐波，而提供三对额外的读取头(即，总共八个读取头)额外消除了六次谐波的影响，等等。虽然增加读取头的数目能改善装置的总体精度，但是应该理解，与提供4个以上读取头有关的额外好处仅仅对于超高精度的编码器设备才有价值。
虽然提供径向对置的成对读取头通常优选用于数学简化，但是编码器刻度读取器可以包括一个或多个额外的读取头。例如，编码器读取器可以包括3个读取头，它们角度隔开120°。具有优势的是，编码器刻度读取器的全部读取头保持固定的间隔关系。例如，全部读取头(例如，第一、第二和任何额外的读取头)可以附加到共用支撑构件。
具有优势的是，编码器刻度可以相对于编码器刻度读取器旋转的角度超过180°。例如，旋转编码器可以完全自由旋转超过360°的角度。这样，如果第一和第二读取头径向对置，则编码器刻度可以包括仅一个参考标记，它可以由两个读取头来读取。但是，应该注意，根据需要，可以提供多于一个的参考标记，从而减小为了使参考标记经过每个读取头所需要旋转的量。
或者，编码器刻度相对于编码器刻度读取器旋转的角度可小于180°。例如，旋转编码器可以是所谓的局部旋转设备，其中旋转运动有些受到限制。如果旋转量小于180°，则在编码器刻度上提供足够多的参考标记，以使旋转时每个读取头能读取至少一个参考标记。在这种情况下，参考标记偏移的角度优选小于读取头之间的角度间隔。例如，如果第一和第二读取头径向对置，则参考标记可以隔开160°左右。旋转编码器则仅需旋转最小20°，以使参考标记经过每个读取头。
根据本发明，设备(例如，机床、加工中心、坐标测量设备等)可以包括上述旋转编码装置。编码器刻度读取器和设备床体可以方便地具有固定间隔关系。换句话说，编码器刻度读取器的读取头可以相对于设备的不可移动部分(例如，床体或框架)具有固定位置。在这样的示例中，可以提供承载件以使编码器刻度相对于编码器刻度读取器旋转，因此相对于设备床体旋转。编码器刻度可以相对于设备的可旋转(移动)部分处于固定间隔关系。或者，编码器刻度可以相对于设备床体具有固定间隔关系。这样，编码器刻度读取器的读取头可以相对于编码器刻度旋转。例如，支撑读取头的构件可以连接到设备的可旋转部分。正如本领域技术人员所理解的那样，旋转编码器测量编码器刻度与编码器刻度读取器之间的相对转动，而与如何提供这种旋转无关。
根据本发明的第二方面，提供了用于旋转编码器的接口。旋转编码器包括至少第一和第二读取头，每个读取头布置成在经过关联的编码器刻度的参考标记时产生参考标记信号。所述接口布置成利用第一读取头产生的第一参考标记信号和第二读取头产生的第二参考标记信号建立编码器刻度相对于编码器刻度读取器的角度可重复的参考位置。这种接口可以用于翻新现有(例如，双读取头)编码器装置，或者可以设置在包括两个或多个读取头的工具套装中。
根据本发明的第三方面，一种操作旋转编码器的方法包括以下步骤：(a)取旋转编码器，其具有相对于编码器刻度读取器可以移动的编码器刻度，所述编码器刻度读取器包括至少第一和第二读取头，所述编码器刻度包括一系列增量标记和至少一个参考标记；(b)相对于所述编码器刻度读取器旋转所述编码器刻度，以使参考标记经过第一读取头，从而产生第一参考标记信号；(c)进一步相对于所述编码器刻度读取器旋转所述编码器刻度，以使参考标记经过第二读取头，从而产生第二参考标记信号；和(d)从所述第一参考标记信号和所述第二参考标记信号建立编码器刻度相对于编码器刻度读取器的至少一个绝对角度参考位置。具有优势的是，步骤(c)包括相对于所述编码器刻度读取器旋转所述编码器刻度至少1°、至少5°、至少10°、至少15°、至少30°或至少45°。当编码器旋转时，第一和第二参考标记信号并非同时产生。
便于使用的是，编码器刻度读取器布置成产生指示所述第一和第二读取头相对于编码器刻度旋转的增量信号(例如，增量计数)，其中步骤(d)包括在建立绝对角度参考位置时使用该增量信号。具有优势的是，编码器刻度读取器布置成提供增量计数，而步骤(d)包括确定产生第一参考标记信号与第二参考标记信号之间的增量计数的数目。
编码器刻度读取器可以方便地包括第一增量计数器，其存数指示第一读取头相对于编码器刻度运动的增量计数；和第二增量计数器，其存储指示第二读取头相对于编码器刻度转动的增量计数，其中步骤(d)包括在第一读取头经过参考标记时，将第一和第二计数器重置。具有优势的是，步骤(d)包括在第二读取头经过参考标记时，将第一和第二计数器其中之一重置。便于使用的是，所述方法进一步包括步骤：相对于编码器刻度读取器旋转所述编码器刻度至少一个整圈。随后可以方便地实施确定线条计数的步骤。
附图说明
参照附图，将仅作为示例来说明本发明，其中：
图1图示了承载件漂移对编码器装置增量计数的影响；
图2图示了承载件漂移对确定编码器装置参考标记位置的影响；
图3定义了带有承载件漂移的旋转编码器的几何关系；
图4图示了用于本发明旋转编码器的编码器电路布图；
图5示出了各种旋转编码器计数与环取向的函数关系；
图6图示了使用距离编码的参考标记布置。
具体实施方式
参照图1，示出编码器装置2包括第一读取头4和第二读取头6。第一和第二读取头相对于旋转环8径向对置，旋转环8具有刻画在其圆周上的刻度。旋转环8安装在承载件(未示出)上，并名义上围绕中点12旋转。还示出了读取头光学中心线10。
形成在旋转环8上的刻度是增量幅值刻度，包括周期性重复的亮暗线条。线条宽度取决于要求的位置分辨率，数量级通常为2-100μm。虽然这里说明为幅值刻度，但是也可以替代地设置相位刻度。也可以使用非光学布置。
第一读取头4和第二读取头6各自包括增量式光学传感器。每个增量式光学传感器布置成当刻度经过读取头时检测增量刻度的线条并产生正交的正弦输出信号(即，正弦和余弦信号)。提供正交信号能够确定读取头的移动量以及该移动的方向。通常，正交信号转化为一系列增量式脉冲，对该增量式脉冲的数目进行计数，以提供读取头相对于增量刻度的相对运动测量值。这种类型的增量刻度读取装置是已知的，并且在其他地方有说明(例如，参见EP514081和EP543513)。
旋转编码装置中所用的承载件具有一定量的随着时间或随着使用而增大的失调和固有漂移。因此，在旋转编码器使用期间，旋转环8的旋转轴线以一种不可预测的方式变化。如果编码器只包含一个读取头，由于承载件漂移导致经过读取头的旋转环发生线性平移以及旋转环旋转，则无法发现增量刻度的线条是否经过读取头。但是，提供双读取头系统，使得从第一和第二读取头的增量计数获得的平均增量计数(Cu)不受承载件漂移的影响。该平均增量计数(Cu)由下式给出：
Cu＝(Ca+Cb)/2                    (1)
其中Ca和Cb分别为第一读取头4和第二读取头6的瞬时增量计数。虽然等式(1)包括分母2，但是应该理解，分母可以取任何值(例如，可以为大于或等于1的任何整数)。
现在依次参照图1a至1c中的每一幅图，说明平均增量脉冲计数(Cu)对于承载件漂移的抗性。换句话说，将概述平均增量脉冲计数(Cu)对旋转环8旋转轴线离开名义中心点12的回复性。图1a图示了承载件漂移的第一示例，其中沿着基本上垂直于读取头光学中心线10的方向移动了“x”μm。在该示例中，第一读取头4的计数增加“x”μm，而第二读取头6的计数减小“x”μm。因此，可以看出，第一和第二读取头的平均计数不受这种承载件漂移的影响。参照图1b，示出了承载件漂移的第二示例，其中沿着基本上平行于读取头光学中心线10的方向发生“x”μm的移动。因此，每个读取头的增量计数都不受影响。参照图1c，示出了承载件漂移的第三示例。在该示例中，相对于读取头光学中心线10在ψ度角处发生“x”μm的移动。则第一读取头4的增量计数减小xSinψμm，而第二读取头6的计数减小xSinψμm。第一和第二读取头的平均增量计数(C)再一次为零，即不受承载件漂移的影响。
如上所述，增量计数(包括平均增量计数Cu)提供了读取头和增量刻度之间相对运动的信息。但是，增量计数无法提供有关读取头相对于刻度绝对位置的信息。因此，已知提供至少一个参考标记来指示绝对位置或“起始”位置。因此，除了增量刻度之外，编码器装置可以包括至少一个参考标记，其用作绝对位置的指示器。读取头则包括参考标记检测器，当读取头经过参考标记的时候，提供参考标记信号(例如，参考标记脉冲)。这样能确定读取头相对于刻度的绝对位置。虽然只需要一个参考标记，但是根据需要可以提供许多这种参考标记。例如，使用者可选的参考标记或角度编码的参考标记可以置于旋转环的周围。此外，根据需要，参考标记可以结合或嵌入增量刻度，如EP1360461所述。
已经认识到，虽然使用来自两个读取头的平均增量计数能从增量计数中消除承载件漂移影响，但是不能克服承载件漂移对参考标记角度测量位置的影响。这意味着，所能确定的绝对角度参考位置的精度受制于承载件漂移量。换句话说，对于承载件漂移量较大的旋转编码器来说，确定的“零”参考位置存在显著误差。
现在参照图2，示出了承载件漂移对参考标记角度测量位置的影响。
图2a图示的旋转编码器具有第一读取头4、第二读取头6和其上带有参考标记20的旋转环8。还示出了第一和第二读取头的光学中心线10。当旋转环8相对于读取头4和6旋转时，参考标记20将每一圈一次地经过每个读取头。因此可以看出，参考标记经过一个读取头并不伴随着与此同时在另一个读取头处发生的对应事件。因此，不能将上述用于增量计数的均值机制用于参考标记。因此可以看出，参考标记的角度位置受到承载件漂移的影响。
为了更好地理解承载件漂移对参考标记角度测量位置的影响，考虑在名义中心点12处安装激光器，即安装在旋转环8的真实旋转中心。在不存在承载件漂移的情况下，参考标记和激光器都将精确指向单个远点22，即远处(例如，接近无限远)，在图2a中示出这种情况。现在参照图2b，如果承载件漂移量为x，则第一读取头4将相对于名义中心点12在不同于前述的角度检测到参考标记20。因此，激光器将不再指向点22，偏离(经过)远点22较大的距离Y。在该示例中，Y为距离点22的距离(接近无限远)乘以Tanθε，其中θε为角度变化值。这种问题也称为角度不可重现性。
随后，可以看出，已知旋转编码器借助简单地读取刻度上参考标记的物理位置，不能确定角度可重复的取向。使用这种参考标记来限定绝对位置或参考位置，将总是引入角度不可重复性因素。这可能导致系统在每次重新归零或上电等情况下，读取头产生的参考标记信号发生在不同的角度处。这将导致旋转编码器提供的角度测量值从绝对的意义上来说无法重复。
与仅依靠单个读取头产生的参考标记信号来指示绝对位置不同，已经发现，利用两个读取头产生的参考标记信号能将合成(抗承载件漂移)增量计数与绝对角度取向关联起来。一旦将合成增量计数与绝对角度关联起来，则可以从合成增量计数产生合成参考标记信号。这样，可以产生角度可重复的合成参考标记信号。
以上述示例为例，在旋转环上的标记无论何时指向特定远点时，都能产生合成参考标记。接下来无论承载件发生什么事，输出的合成参考标记都相同。即使整个系统的偏移量等于承载件漂移量，旋转环的角度还是精确地与以往相同。这样对于指向远点的假想激光器的影响在于，将激光点移动了一个可忽略的量，该移动量等于承载件漂移量x。
参照图3，图示了利用两个读取头产生的参考标记信号来提供角度可重复的合成参考标记。
图3a示出的旋转编码器包括第一读取头4、第二读取头6和半径为R且具有第一参考标记32和第二参考标记34的旋转环30。第一读取头4和第二读取头6基本上径向对置(忽略视差和其他安装误差)，有利于如上所述的包容承载件漂移的增量计数。第一参考标记32和第二参考标记34并不是完全径向对置，它们从180°偏离了角度θε，或者更准确地说，偏离了增量计数Cs。
图3b示出了图3a中的装置在承载件漂移以使旋转中心现在位于光学中心线10右侧xμm处之后的情况。可以看出，当旋转环顺时针旋转时，由第一读取头4检测第一参考标记32，而旋转环并不是像不存在承载件漂移(即，如图3a所示)那样处于相同的角度。换句话说，第一读取头4“提前”θε角度检测到第一参考标记。角度θε也可以由增量计数Cε表示。应该注意，由于x是未知的，所以不能从几何上计算θε。
如果不存在承载件漂移(即，如图3a所示)，则在第一参考标记32经过第一读取头4之后增量计数为Cs时，第二参考标记34将经过第二读取头6。但是，如果承载件如图3b所示那样移动，则第二参考标记34将在多于Cs的计数之后才经过第二读取头6。因此，可以看出，如图3b所示的承载件漂移影响在于，旋转环必须再额外旋转等于θε角两倍的角度。第一读取头4观察到的第一参考标记32和第二读取头6观察到的第二参考标记34之间总的增量计数限定为Ct。如果在与图3b所示的方向相反的方向发生承载件漂移，则θε角为负值。
根据其定义，计数Cs是定值，并且对于任何给定的旋转环是已知的。此外，计数Ct容易测量(不管承载件以何种方式漂移)。因此，由承载件漂移导致的额外计数值(即，Cε)可以通过下式计算：
Cε＝(Ct-Cs)/2                            (2)
因此，等式(2)能确定可重复的“零”角度或合成参考标记，该“零”角或参考标记能防止因承载件漂移导致的角度误差。
使用中，旋转编码器装置可以布置成在系统每次上电时确定Ct值。从Ct值减去Cs值(对于给定的旋转环Cs为定值)，所得结果除以2，得到Cε。然后计数Cε用于校正读取头(例如，第一读取头4)确定的未处理零位置，以消除任何承载件漂移影响，从而获得可重复的参考角度(例如，防漂移零角或合成参考标记)。应该注意，Cε与第二参考标记34经过第二读取头6时存在的承载件漂移量无关。Ct值仅取决于第一参考标记32经过第一读取头4时存在的漂移感生误差。换句话说，第一参考标记32经过第一读取头4之后，无论承载件发生什么事都没有关系，因为到达第二参考标记34之前，必须经过第二读取头6的刻度量保持不变，而与承载件漂移的任何变化无关。
第一读取头4和第二读取头6具有关联的第一和第二增量脉冲计数器(图3中未示出)。这些计数器用来清点沿着增量刻度经过每个读取头时产生的增量脉冲数目。如果在第一参考标记32经过第一读取头4时，第一和第二计数器重置为零，则由于计数器重置，系统转过的真实角度由上述等式(1)给出。当计数器重置时，“真实”零度和旋转环角度之间的计数误差则由上述等式(2)给出。从等式(1)的未校正平均增量计数中减去等式(2)给出的计数误差并重新整理，给出相对于绝对零位置的经校正的合成增量计数(C)如下：
C＝(Ca+Cb-Ct+Cs)/2                                (3)
如果在第一读取头4经过第一参考标记32时，第一和第二增量脉冲计数器两者都归零，则在第二读取头观察到第二参考标记34的那个时刻，Cb值等于Ct值。Ct值可以存在存储器中，并且不断地用来调节增量计数，或者更简单一点，在第二读取头6经过第二参考标记34时，第二读取头上的计数(Cb)可以重置为零。如果选择后一种方案，则计数Cb将内在包含分量-Ct。
对于任何给定的旋转环，增量计数值Cs为定值。此外，由于要求在多次启动之间具有角度重复性，而不要求在不同设置下存在这种性质，所以该项基本上可以忽略。实践中，这意味着，在真实零度位置和计算的C＝0的计数位置之间总是相差一个定值，即Cs的一半。
应该注意，如果读取头失调，则等式(2)中限定的关系还将包括与失调导致的计数有关的项(Ch)。但是，和Cs一样，Ch的值对于给定的设备为定值，因此可以忽略。同样，这一项将导致C的零位置偏差一个定值，即Ch的一半。
任何安装误差，由于为定值，所以易于借助包含额外的项Cr来消除。Cr的值还可以设置为使用者限定的偏移量，存储在非易失性存储器中，并且在初始化之后，将所述旋转环转到希望的位置然后例如按下开关来产生该值。在该希望的点处，则可以使用增量计数的值，以使合成增量计数(C)以后在该点总是为零。这样，给出合成增量计数的等式可以总结为：
C＝(Ca+Cb-Ct+Cs+Ch+Cr)/2                    (4)
虽然上述在旋转环上使用两个参考标记，但是实际上只需要一个参考标记。
对于完美安装的编码器来说，其中该编码器具有第一和第二读取头以及带有单个参考标记的旋转环，则通过旋转所述旋转环，例如，沿着顺时针方向，以使参考标记经过第一读取头然后经过第二读取头，从而将系统初始化。如果在参考标记经过第一读取头时，与两个读取头关联的计数器设置为零，而在参考标记经过第二读取头时，与第二读取头关联的计数器重置为零，则可重复的零点总是位于90°。应该注意，也可以如下所述那样布置编码器，从而即使在参考标记以不同顺序经过读取头或者旋转环以相反方向旋转的情况下，也能确定该可重复的零点。
这些读取头的任何失调将导致所确定的零点在90°的任意一侧移动相当于Ch一半的计数量。使用者可限定的偏移量Cr也可以用来将零点移动到任何要求的角度。这样，可以由使用者来限定零度角，并且如果设备保持不变，则该零度角的位置将真正可以角度重复。根据需要，编码器可以布置成在C每次旋转达到零(或任何其他值或多个值)时输出合成参考标记信号。对于使用者，合成参考标记信号可以布置成类似于单个读取头的参考标记传感器所产生的那种参考标记信号。
现在参照图4，将说明用于参照图3所述的那种旋转编码器设备的电子单元40。单元40包括第一插值器42和第二插值器44，它们布置成从第一读取头46和第二读取头48分别接收未处理(模拟)的正交信号(即，正弦和余弦信号)。第一和第二插值器产生数字化的正交(方波)信号(即，信号QA_1，QB_1，QA_2和QB_2)，它们分别送往第一解码器50和第二解码器52。第一解码器50和第二解码器52各自产生计数信号和方向信号。
第一4位计数器54和第二4位计数器56分别从第一和第二解码器接收计数信号和方向信号。加法器58将第一和第二4位计数器的4位数字输出相加，给出合计输出。合计输出的[1]和[2]位送往专用的OR门60，产生正交信号(Quad A)的第一部分，而[2]位提供正交信号(Quad B)的第二部分。根据需要，可以从单元40输出“Quad A”和“Quad B”信号(例如，送往解码器/计数器单元)。
第一32位计数器62和第二32位计数器64也分别从第一解码器50和第二解码器52接收计数信号和方向信号。加法器66将第一和第二32位计数器输出的32位计数值相加，给出合计输出(Cz)。除法器68布置成将输出(Cz)除以2，得到Cz/2值。
来自第一读取头46和第二读取头48的参考标记脉冲也分别馈送给第一32位计数器62和第二32位计数器64。在初始设置程序中，在第一读取头46经过参考标记时，第一32位从计数器62重置为零，从而产生参考标记信号。而且在初始设置程序中，在第二读取头经过参考标记时，第二32位计数器64设置为零。换句话说，在关联的读取头第一次检测到参考标记时，第一和第二32位计数器都被重置。
单元40还包括状态机70。状态机70布置成接收计数值Cz/2、第一32位计数器62产生的32位计数值CA和第二32位计数器64产生的32位计数值CB、以及第一读取头46和第二读取头48各自产生的参考标记脉冲。状态机70还布置成向第三32位计数器72输出32位脉冲计数值(Cp)、32位计数值C’以及装载指令。第三解码器72还设置成接收加法器58产生的“QuadA”和“Quad B”信号。第三解码器74产生的计数信号和方向信号还被送往第三32位计数器72。
第三32位计数器72从第三解码器72提供的计数信号和方向信号产生主增量计数C，该计数C送往比较器76。第三32位计数器72还具有并行装载功能，允许其装载来自状态机70的32位数字。这种并行装载能力使得计数值C’装载到第三计数器72中，以使主增量计数C在初始化过程之后联系到来自计数Cz的绝对角度值。根据需要，增量计数值C还可以从所述设备连续输出，或者应要求输出。
第三32位计数器72还布置成比较主增量计数C和总计数Cp，并且布置成在C等于Cp时，将第三32位计数器72重置为零。这样防止了赋予C的值无限增加下去。在启动时，通过清点编码器完整一圈增量计数值Ca产生的脉冲数目，可以产生Cp的值一次。应该注意，系统安装之后，只需要确定Cp值一次，然后存在存储器中，以后使用。
除了主增量计数C之外，比较器76从存储器接收参考标记计数值(CI)。当计数C等于存储的计数值CI时，由控制器产生并输出合成参考标记脉冲。如果需要，存储的计数器CI可以是用户能够限定的。换句话说，CI的值可以应使用者的需要而设置。然后无论何时主增量计数C匹配存储的CI值，则产生合成参考标记。该单元因此提供了一种客户可调节的或者说使用者可限定的参考标记输出，也可以称其为合成参考标记。
一种设定CI的方式是更新存储的CI值，使其等于主增量计数C，无论何时按下开关。这意味着，初始化之后，客户可以将所述旋转环转到任何角度，按下开关，并且在无论所述旋转环何时处于该角度，都能由编码器输出合成参考标记信号。然后，如果再次按下开关，则将在新的角度输出该脉冲。但是，由于这些脉冲取决于合成增量计数C，所以它们当然是角度可重复的，无论承载件如何漂移。
状态机70还可以布置成确保在初始化程序中不会引入误差，例如，这种状态机可以确保所述装置对于初始化程序中发生的中断具有回复性，并且确保所述装置能借助在任一方向转动旋转编码器而进行初始化。一旦状态机确定Cz的值联系到绝对角度取向，则第三解码器72可以装载适当的计数值。
应该注意，第一计数器62、第二计数器64和第三计数器72布置成使它们能清点值得增量计数的至少一个完整旋转。如果32位计数器如文中所述那样设置，则所述装置可以包括直径达1米且刻度分辨率达1nm的旋转环。如果分辨率提高或降低，则计数器的容量可以相应改变。
应该记得，参照图4所示的电路仅仅作为如何实施本发明的一个示例。对于本领域技术人员而言，显然存在许多变形和/或替代电路布图。例如，并不是必须要设置第三32位计数器72，因为可以从加法器66直接获取32位计数值(即，Cz)。此外，4位计数器54和56也可以省略，并且混合的数字化正交信号(即，“Quad A”和“Quad B”)可以从第一32位计数器62和第二32位计数器64中获取。但是，上述布置确保避开了与第一32位计数器62和第二32位计数器64的“翻转”和重置有关的任何影响。换句话说，已经证明图4中的布置提供可靠的操作。
应该注意，如果设置局部弧形编码器或局部旋转编码器，则根据定义，可能的旋转量少于360°。在这种应用中，将不会存在计数器“翻转”影响，并且不需要且通常也不可能确定总的线条计数值(Cp)。用于所述装置的电子单元可以布置成使增量计数在沿着不同方向转离零位置时，可以取负值和正值。例如，从确定的零位置沿顺时针方向转，可以产生正的增量计数，而从零位置沿逆时针方向转，则产生负的增量计数。所述装置中使用的增量计数优选能存储至少两次该线条计数(即，在可用的角度范围内计数)，以可靠地实施这种计数。
单元40还可以布置成给出需要补偿的承载件漂移误差的幅值指示。这可以通过测量两个计数Ca和Cb之间的差异以及Ca或Cb与组合计数C之间的差异来实现。产生的计数与θε的瞬时计数(即，Cε)成正比，并且可以以数字或模拟形式输出。这种输出给出了被补偿的误差的瞬时幅值。但是，应该注意，对于双读取头系统来说，该误差仅仅表示承载件漂移和奇次谐波误差，任何偶次谐波误差都无法包含在这种误差信号中。
随时间进行观察，所述误差输出信号将具有可重复的分量和随机分量AC两者。可重复的分量源于旋转环设备的奇次谐振质量，其RMS应该保持不变。但是，在该信号上会存在一些“随机”噪声，这完全是由承载件漂移的瞬时量引起的。随机噪声的幅值可以随时间取平均值和采样。如果发现随机噪声增大，则承载件可能发生了磨损。可以在承载件的使用寿命过程中监测这种磨损指示。
可以设置单元40的变形方案，用于不同场合。例如，单元40可以布置成提供混合的数字化正交信号(例如，“Quad A”和“Quad B”)以及合成参考标记。这些信号然后馈送给最初设计成接受来自单个读取头的正交信号和参考标记信号的电子单元40。作为可选方案，单元40可以布置成提供合成的正弦和余弦正交输出和合成参考标记。单元40可以包括一系列通信链路。在这样的示例中，可以将接口布置成无论何时接受设备控制器查询时，都输出位置指示(例如，计数值C)。换句话说，单元40可以布置成根据需要实现任何一种或多种已知的通信协议。
单元40的各种部件也可以根据需要在空间上分开。例如，第一插值器42和第二插值器44可以与读取头集成，或者位于单独的控制接口中。此外，单元40可以与旋转编码器装置的其他控制部件集成。
参照图5，示出了参照图4所述的装置的操作。该图示出了该编码器装置启动之后处于9个不同取向(100至116)时的情形。该装置类似于图3所示的装置，具有第一读取头4、第二读取头6和带有参考标记32的旋转环30。而且如图所示，对于每种取向，示出了Ca值(来自第一读取头的计数)、Cb(来自第二读取头的计数)、Cz(第一和第二计数的合计)、Cz半值、Cdiff(Ca和Cb之间差异)、Cp(旋转环的总计数)、CI(可调节的合成参考标记计数)和C(主增量计数)。
编码器在任意的第一取向100处激活，全部计数值初始为零。参考标记位于任意位置，且通过顺时针转动编码器的旋转环进行初始化程序。随着参考表标记经过第一读取头4(即，当其到达第二取向102时)，与第一读取头4关联的计数Ca重新归零。进一步转动旋转环，导致参考标记经过第二读取头6(即，到达第三取向104)，此时与第二读取头6关联的计数Cb重新归零。然后，参考标记行至第四取向106，该取向设置为合成参考标记。第五取向108示出了参考标记第二次到达第一读取头4之前的该装置。第六取向110示出了向第五取向108增加承载件漂移。可以看出，承载件漂移导致Ca增加，而Cb减小，但是对主增量计数C没有影响。Cdiff的值也增加，从而给出存在承载件漂移的指示。
参考标记第二次经过第一读取头(即，第七取向112)给出了旋转环的总计数测量值。换句话说，Cp设置为等于旋转环转动完整一圈之后的Ca值。应该注意，该值是独立于承载件漂移的，可以从第六取向110和第七取向112时Ca值的比较结果看出来。现在对该装置进行初始化，主计数C无论何时到达10000(例如，在第八取向114时)，Cp值用来将主计数C重置为零。然后无论C何时等于CI，例如在第九取向116时，均输出合成参考标记。
虽然以上示例主要涉及能完全旋转360°的旋转编码器，但是应该记得，该技术也适用于部分圆弧和局部旋转系统。但是，对于自由旋转少于180°的装置而言，一个参考标记通常来说不够用。在各种情况下，每个读取头必须能看见至少一个参考标记。对于自由旋转少于180°的装置而言，因此需要设置两个或更多个参考标记。
所需的参考标记可以预制在刻度上，或者可以设置使用者可以选择的参考标记。但是，应该注意，物理上可以选择的标记(即，可以由使用者选择的物理参考标记)与可以如上述那样产生的使用者可限定的合成参考标记之间是存在区别的。编码器刻度的参考标记根据需要可以对增量刻度进行距离编码。
简要参照图6，图示了距离编码或者角度编码的旋转编码器的操作。编码器刻度包括一系列增量刻度线条(未示出)和4对参考标记RM1-RM4和RM1’-RM4’。根据需要，可以设置更多或更少的成对参考标记。这些参考标记为距离编码，即它们相互分开不同距离(例如，特定数目的增量刻度线条)。还示出了第一读取头150和第二读取头152。
可以通过上述方式，利用任何一对参考标记获得绝对角度位置。例如第一参考标记对(RM1和RM1’)可以用来建立第一绝对角度位置(θ1)，该位置可以任意定义为零位置或起始位置。然后第二、第三和第四对参考标记可以分别给出第二、第三和第四绝对取向(θ2、θ3和θ4)。在这种布置中，相邻绝对角度取向之间的相对角度间隔(图6中示为Δθ1、Δθ2和Δθ3)因参考标记对的角度编码情况而不同(即，独特)。但是，如果每个相邻绝对角度取向之间的相对角度间隔是已知的(例如，预先测量并存储在查找表中)，则任何一个绝对角度取向都可以回溯到基础角度(θ1)。这样，可以从两个绝对角度取向测量值确定绝对角度。因此可以减少编码器为建立可重复的参考位置而需要的旋转量。
虽然上述装置具有两个读取头，但是可以向旋转环增加更多读取头，优选表现为成对径向对置。提供两个读取头能补偿由奇次谐波，包括承载件漂移引起的全部影响。提供4个读取头将可以消除因奇次谐波以及2次、6次和10次等偶次谐波引起的全部影响。提供6个读取头将消除全部奇次谐波加上2次、4次、8次、10次、14次和16次偶次谐波等的影响。增加另外4对读取头，围绕旋转环均匀隔开，将消除与第四次谐波有关的影响。最后，完美的解决方案是让成对的读取头覆盖所述旋转环，当然这样的做的成本让人望而却步。而且，提供4个以上的读取头带来的改善可以忽略，可能仅对于超高精度的装置才是值得的。

Claims (31)

1.一种旋转编码器装置，包括：
编码器刻度，其包括增量刻度和一个或多个参考标记；和
编码器刻度读取器，其包括至少第一读取头和第二读取头，
所述第一读取头和所述第二读取头被布置成读取所述增量刻度并且产生增量信号，当所述编码器刻度相对于所述编码器刻度读取器旋转时所述增量信号周期地改变，所述增量信号提供编码器刻度相对于编码器刻度读取器的旋转量的测量，
在所述编码器刻度相对于所述编码器刻度读取器旋转期间，所述第一读取头和所述第二读取头的每一个还在经过编码器刻度的所述一个参考标记或多个参考标记的其中之一时产生参考标记信号；
其特征在于，所述装置包括参考位置设置器，随着编码器刻度读取器相对于编码器刻度旋转，所述参考位置设置器用于确定所述编码器刻度相对于所述编码器刻度读取器的至少一个角度可重复的参考位置，其中利用第一读取头产生的第一参考标记信号和随后第二读取头产生的第二参考标记信号，确定每个角度可重复的参考位置，在产生第一参考标记信号与随后产生第二参考标记信号之间所述编码器刻度已经相对于所述编码器刻度读取器旋转。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一读取头和所述第二读取头各自产生指示所述编码器刻度和所述编码器刻度读取器之间相对运动的增量信号，其中所述增量信号也由所述参考位置设置器用来确定所述至少一个角度可重复的参考位置。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置布置成产生指示所述第一读取头和所述增量刻度之间的相对运动的一系列第一增量脉冲，所述装置进一步包括第一计数器来清点所述第一增量脉冲。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置布置成产生指示所述第二读取头和所述增量刻度之间的相对运动的一系列第二增量脉冲，所述装置进一步包括第二计数器来清点所述第二增量脉冲。
5.如权利要求4所述的装置，包括增量信号混合器，所述增量信号混合器包括加法器，用于将所述第一计数器和所述第二计数器的计数相加，以产生合成增量计数。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述增量信号混合器包括第三计数器来存储所述合成增量计数。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述参考位置设置器布置成使所述合成增量计数直接关联所述角度可重复的参考位置。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述参考位置设置器布置成在所述第一读取头产生所述第一参考标记信号时将所述第二计数器归零。
9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述参考位置设置器布置成在所述第二读取头产生所述第二参考标记信号时将所述第二计数器归零。
10.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述参考位置设置器布置成在所述第一读取头产生所述第一参考标记信号时，将所述第一计数器归零。
11.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述参考位置设置器布置成在所述第二读取头产生所述第二参考标记信号时将所述第一计数器归零。
12.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述参考位置设置器布置成确定计数校正值，该确定的计数校正值提供所述合成增量计数和所述角度可重复的参考位置之间的关系。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述参考位置设置器布置成：确定所述第一计数器和所述第二计数器中的至少之一在产生第一参考标记信号与产生第二参考标记信号之间的计数差值。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考位置设置器布置成仅在设置过程中建立所述角度可重复的参考位置。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述设置过程在所述装置上电时开始，在所述第一读取头和所述第二读取头都产生参考标记信号时结束。
16.如权利要求1-15中的任意一项所述的装置，包括在所述编码器刻度读取器相对于所述编码器刻度处于预定绝对角度时输出合成参考标记脉冲的部件。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，使用者可以限定所述预定绝对角度。
18.如权利要求1-15中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述编码器刻度仅包括一个参考标记。
19.如权利要求1至15中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述编码器刻度包括至少两个参考标记。
20.如权利要求1-15中的任意一项所述的装置，其特征在于，环具有所述编码器刻度。
21.如权利要求1-15中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一读取头和所述第二读取头基本上径向对置。
22.如权利要求1-15中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述编码器刻度读取器包括一对或多对额外的读取头。
23.如权利要求1-15中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述编码器刻度读取器的读取头保持固定间隔关系。
24.如权利要求1-15中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述编码器刻度相对于所述编码器刻度读取器可旋转的角度超过180°。
25.如权利要求1至15中的任一项所述的装置，其特征在于，所述编码器刻度相对于所述编码器刻度读取器可旋转的角度小于180°。
26.如权利要求1-15中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述编码器刻度读取器相对于设备床体具有固定间隔关系。
27.一种操作旋转编码器的方法，包括以下步骤：
(a)取旋转编码器，其具有相对于编码器刻度读取器可以移动的编码器刻度，所述编码器刻度读取器包括至少第一读取头和第二读取头，所述编码器刻度包括一系列增量标记和至少一个参考标记，其中所述第一读取头和所述第二读取头布置成读取所述增量刻度并且产生增量信号，随着所述编码器刻度相对于所述编码器刻度读取器旋转所述增量信号周期地改变，所述增量信号提供所述编码器刻度相对于所述编码器刻度读取器的旋转量的测量，所述第一读取头和所述第二读取头的每一个还在经过所述编码器刻度的所述一个参考标记或多个参考标记的其中之一时产生参考标记信号；
(b)相对于所述编码器刻度读取器旋转所述编码器刻度，以使参考标记经过第一读取头，从而产生第一参考标记信号；
(c)进一步相对于所述编码器刻度读取器旋转所述编码器刻度，以使参考标记经过第二读取头，从而产生第二参考标记信号；和
(d)建立编码器刻度相对于编码器刻度读取器的至少一个绝对角度参考位置，其中从所述第一参考标记信号和所述第二参考标记信号两者建立所述绝对角度参考位置的每一个。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述编码器刻度读取器布置成产生指示所述第一读取头和所述第二读取头相对于所述编码器刻度运动的增量信号，其中步骤(d)包括在建立所述绝对角度参考位置时使用所述增量信号。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述编码器刻度读取器布置成产生增量脉冲，且步骤(d)包括确定产生第一参考标记信号和产生第二参考标记信号之间的增量脉冲数目。
30.如权利要求28或29所述的方法，其中所述编码器刻度读取器包括第一增量计数器，其存储指示所述第一读取头相对于所述编码器刻度运动的第一增量计数；和第二增量计数器，其存储指示所述第二读取头相对于所述编码器刻度运动的第二增量计数，其中步骤(d)包括在所述第一读取头产生所述第一参考标记时将所述第一增量计数器和所述第二增量计数器重置。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括在所述第二读取头产生所述第二参考标记时，将所述第一增量计数器和所述第二增量计数器其中之一重置。
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7973941B2 (en) * 2007-07-24 2011-07-05 Mitutoyo Corporation Reference signal generating configuration for an interferometric miniature grating encoder readhead using fiber optic receiver channels
US7965393B2 (en) * 2007-07-24 2011-06-21 Mitutoyo Corporation Reference signal generating configuration for an interferometric miniature grating encoder readhead using fiber optic receiver channels
DE102007036271A1 (de) * 2007-07-31 2009-02-05 Baumer Hübner GmbH Drehgeber mit Überwachung des Lagerverschleißes sowie Verfahren hierzu
GB0819767D0 (en) 2008-10-28 2008-12-03 Renishaw Plc Absolute encoder setup indication
JP4984269B2 (ja) 2009-11-09 2012-07-25 独立行政法人産業技術総合研究所 複合自己校正機能付き角度検出器
EP2369313B1 (de) * 2010-03-23 2014-12-31 Mettler-Toledo AG Kalibrieranordnung für eine elektronische Waage
CN102822636B (zh) * 2010-04-02 2015-03-18 株式会社安川电机 编码器、驱动装置以及绝对位置计算方法
DE102010063521B4 (de) * 2010-12-20 2013-07-18 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Ermitteln einer Lageänderung der Rotationsachse eines rotierenden Körpers innerhalb der Rotationsebene
JP5798824B2 (ja) * 2011-07-22 2015-10-21 株式会社ミツトヨ 目盛誤差算出装置、目盛誤差校正装置、及び目盛誤差算出方法
DE102011079961A1 (de) * 2011-07-28 2013-01-31 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Winkelmessung
CN102494711B (zh) * 2011-12-12 2013-09-25 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光电编码器绝对角位移测量装置
US8922144B2 (en) 2012-06-25 2014-12-30 Chrysler Group Llc Method of processing sensor signals for determining motion of a motor shaft
DE102012222997A1 (de) * 2012-12-13 2014-07-03 Siemens Aktiengesellschaft Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator
US9759583B2 (en) * 2014-05-12 2017-09-12 Faro Technologies, Inc. Method of obtaining a reference correction value for an index mark of an angular encoder
US9436003B2 (en) 2014-05-12 2016-09-06 Faro Technologies, Inc. Robust index correction of an angular encoder in a three-dimensional coordinate measurement device
US9689986B2 (en) * 2014-05-12 2017-06-27 Faro Technologies, Inc. Robust index correction of an angular encoder based on read head runout
EP2995910B1 (de) * 2014-09-11 2016-11-16 Baumüller Nürnberg GmbH Absolutlage-Messsystem und -Verfahren
JP6595755B2 (ja) * 2014-12-02 2019-10-23 日本電産サンキョー株式会社 補正テーブル作成装置、エンコーダ、及び補正テーブル作成方法
CN105450101A (zh) * 2015-12-29 2016-03-30 西安中科光电精密工程有限公司 一种永磁同步电机驱动方法及电路
US10462542B2 (en) 2016-02-09 2019-10-29 Balluff Gmbh Method for data transmission by means of an absolute position measurement system, absolute position measurement system and computing device
JP7539314B2 (ja) * 2017-11-15 2024-08-23 ユニバーサル ロボッツ アクツイエセルスカプ 歪み波動歯車、歪み波動歯車駆動体、及びロボット関節
CN110998244B (zh) * 2018-05-11 2022-06-17 株式会社三共制作所 角度检测器
JP6601587B1 (ja) * 2019-07-26 2019-11-06 フジテック株式会社 エレベーターのエンコーダー診断システム及び診断方法
DK180930B1 (en) 2021-03-25 2022-06-29 Universal Robots As Strain wave gear with encoder integration
EP4116038A1 (de) * 2021-07-07 2023-01-11 Kistler Holding AG Simulationseinrichtung für die schraubfallsimulation eines drehschraubers
CN115683177B (zh) * 2022-08-30 2024-07-09 苏州萨沙迈半导体有限公司 正余弦编码器的解码装置和微控制单元
EP4414664A1 (en) 2023-02-09 2024-08-14 Renishaw PLC Rotary encoder apparatus

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0718599A1 (en) * 1994-12-22 1996-06-26 Kabushiki Kaisha Topcon Incremental encoder

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5826339Y2 (ja) 1977-07-20 1983-06-07 株式会社デンソー 回転基準位置検出装置
JP3080375B2 (ja) * 1989-08-31 2000-08-28 株式会社トプコン インクリメンタル式エンコーダ
GB9110598D0 (en) 1991-05-16 1991-07-03 Renishaw Transducer Syst Setting up of quadrature signals
EP0843159A3 (en) 1991-11-06 1999-06-02 Renishaw Transducer Systems Limited Opto-electronic scale-reading apparatus
JP3564000B2 (ja) * 1999-04-28 2004-09-08 ペンタックス株式会社 エンコーダ
JP4428781B2 (ja) * 1999-12-28 2010-03-10 キヤノン株式会社 光学式ロータリエンコーダ及びモータ制御装置
GB0103582D0 (en) 2001-02-14 2001-03-28 Renishaw Plc Position determination system
GB0201101D0 (en) 2002-01-18 2002-03-06 Renishaw Plc Laser marking
JP2003269475A (ja) 2002-03-15 2003-09-25 Ntn Corp 原点検出可能回転センサ付軸受
SE0301164D0 (sv) * 2003-04-22 2003-04-22 Trimble Ab Improved high accuracy absolute optical encoder
JP4908764B2 (ja) * 2005-02-04 2012-04-04 キヤノン株式会社 光学式エンコーダ

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0718599A1 (en) * 1994-12-22 1996-06-26 Kabushiki Kaisha Topcon Incremental encoder

Also Published As

Publication number Publication date
US20090072130A1 (en) 2009-03-19
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