CN101639369B - 检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种检测装置，所述检测装置检测表示对象位置的由余弦函数和正弦函数近似的两个信号(A、B)中所包含的误差分量，该检测装置包含：基于误差预测值减小在信号(A、B)中包含的误差以输出两个误差校正信号(A＊、B＊)的运算部(3、4)；基于误差校正信号(A＊、B＊)计算相位(θ)的相位运算部(5)；存储误差校正信号(A＊、B＊)和相位(θ)的多个采样值的运算存储单元(9、10)；和获得以下两个表达式中的系数αk、βk、γk和δk的傅立叶变换部(11、12) ：A＊＝α0+α1cosθ+β1sinθ+...+αkcoskθ+βksinkθB＊＝γ0+γ1cosθ+δ1sinθ+...+γkcoskθ+δksinkθ(k≥2)其中，运算部(3、4)通过使用这些系数更新误差预测值。

Description

检测装置
技术领域
本发明涉及一种检测装置，所述检测装置检测表示待检测对象的位置的由余弦函数和正弦函数近似的两个位置信号中所包含的误差分量。
背景技术
如下这样的检测装置在工业中被用于诸如编码器或干涉仪之类的宽范围领域，该检测装置检测表示位置或角度的由余弦函数和正弦函数近似的两个位置信号中所包含的误差分量。这些位置信号由例如A＝Gcosθ和B＝Gsinθ的两个表达式近似。
通过使用A/D转换器将这些位置信号转换成数字信号，并且，通过使用微处理单元(MPU)或数字信号处理器(DSP)执行反正切计算。根据这些计算，可以高分辨率获得与位置或角度成比例的值(相位θ)。
从检测器输出的信号中包含偏移误差或幅度误差等。作为校正这些误差以执行检测的检测装置，例如，美国专利第4458322号是已知的。并且，作为另一种用于校正误差的技术，例如，美国专利第5581488号已被提出。美国专利第5581488号公开了除了偏移误差或幅度误差以外还校正由相位差误差、二次畸变和三次畸变导致的误差的方法。
从检测器输出的位置信号包含由与理想的余弦函数和正弦函数不同的各种类型的频率成分构成的误差分量。例如，通过用从检测器头输出的两个位置信号除以幅度G获得的信号由下列表达式1和2表示。稍后将对系数进行说明。
A/G＝cosθ+ZA+gcosθ+hsinθ+...+pkcoskθ+qksinkθ    (1)
B/G＝sinθ+ZB-gsinθ+hcosθ+...+rkcoskθ+sksinkθ    (2)
结果，可以看出，作为获得的位置或角度的位置信号(具有相位θ)包含各种类型的误差分量。常规的检测装置(误差校正技术)对于各误差因素独立地执行校正。因此，存在为了处理大量的误差因素使得检测装置极其复杂的问题。
发明内容
本发明提供了校正由高次分量导致的检测误差的高度精确的检测装置。
作为本发明的一个方面的检测装置被配置为检测表示待检测对象的位置的由余弦函数和正弦函数近似的两个信号中所包含的误差分量。该检测装置包含：运算部，被配置为确定误差预测值以基于该误差预测值减小在所述两个信号中包含的误差，并且输出两个误差校正信号；相位运算部，被配置为基于所述两个误差校正信号计算表示待检测对象的位置的相位；存储部，被配置为存储所述两个误差校正信号和所述两个误差校正信号的在多个相位处的多个采样值；和傅立叶变换部，被配置为通过使用所述多个采样值执行傅立叶变换以获得表示所述两个误差校正信号的两个表达式中的各项的系数αk、βk、γk和δk，该两个表达式被表示如下：
A＊＝α0+α1cosθ+β1sinθ+...+αkcoskθ+βksinkθ
B＊＝γ0+γ1cosθ+δ1sinθ+...+γkcoskθ+δksinkθ
这里，A＊和B＊是两个误差校正信号，θ是信号之间的相位，k大于或等于2。运算部被配置成通过使用这两个表达式中各项的系数迭代地更新误差预测值。
从下文参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征和方面将变得清楚。
附图说明
图1是本实施例中的检测装置的检测框图。
具体实施方式
以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。
本实施例的检测装置是检测表示待测量对象的位置的由余弦函数和正弦函数近似的两个信号中所包含的误差分量的检测装置。本实施例的检测装置抑制由各位置信号中包含的高次分量导致的检测误差。
由于涉及复杂的信号处理，因此优选通过使用数字运算单元构成本发明。因此，首先，作为模拟信号输出的位置信号被A/D转换器转换成数字信号。可根据需要的分辨率选择A/D转换器的位宽度，并且，一般使用宽度为8～18位的A/D转换器。
在本实施例中，当检测器的相位θ在0至2π之间变化时，大量的检测值是必需的。因此，A/D转换器的转换速度(即，采样频率)优选地高得足以检测大部分检测值。一般地，当待检测对象低速移动时，需要高度精确的检测。因此，当A/D转换不能追随移动速度时，即使停止误差校正，实际上也不存在问题。
但是，通常地，优选在更宽的范围内执行误差校正。因此，作为用于本实施例的检测装置的A/D转换器，例如，诸如逐次近似型A/D转换器之类的高速A/D转换器被使用。在本实施例中，A/D转换频率优选地被设定为大于或等于100kHz，但是不限于此。
可使用微处理单元(MPU)或数字信号处理器(DSP)处理从A/D转换器输出的数字信号。但是，通过使用门阵列的流水线处理执行如本实施例那样的高速处理是现实的。
近来，可以获得各种类型的可编程可重写FPGA(现场可编程门阵列)。当使用该FPGA时，即使在小批量生产的情况下也可构成使用门阵列的高速流水线数字信号处理器。
在信号处理之前，去除在数字化后的位置信号中包含的误差分量。这是因为使用傅立叶系数的角度校正是一种近似，因此，如果包含大量的误差，则难以高精度地校正误差。例如通过构建用于计算表达式3和4的逻辑电路执行误差的去除。
A＊＝A/G-ZA-gcosθ-hsinθ  ...(3)
B＊＝B/G-ZB+gsinθ-hcosθ  ...(4)
可以使用适当值作为G、ZA、ZB、g和h(误差预测值)的初始值。如果所述适当值是未知的，那么这些初始值可被设为零。可通过使用稍后描述的一次和二次傅立叶系数校正(更新)这些初始值。
可通过对于先前获得的相位θ使用相位θ的时间回归系数的倾斜度预测在下一采样时间的相位θ的值，给出相位θ。通过使用ROM的表查找来实现正弦函数和余弦函数。
随后，通过使用A＊和B＊(得自上述表达式(3)和(4))执行反正切计算来获得相位θ。在反正切计算中，必须在0到2π的范围内获得值。
这种算法例如作为诸如C语言中的ATAN2函数之类的函数是众所周知的。该算法的概要如下。首先，存储各符号和幅值关系，并且，在较小的信号和较大的信号两者被转换成绝对值之后，将较小的信号除以较大的信号。除法结果被作为索引对待，并且，通过使用反正切表在0～π/4的范围中获得它们之间的角度。基于先前存储的符号和幅值关系，可以构建扩展到0～2π的范围的算法。
由于通过FFT算法执行傅立叶变换，因此优选地，通过在信号的一个周期被等分为2M(M≥3)份的各点处进行采样来计算A＊和B＊。如果与位置信号的波动周期相比，A/D转换器的速度足够高，那么可以使用在最接近理想点的点处的信号值。但是，在本实施例中，为了确实地抑制噪声，优选执行以下的方法。
可通过保持大量(即，一批)先前的值执行用于获得用于校正误差的角度θ的回归计算。但是，为了容易地执行回归计算，优选地使用卡尔曼滤波器。虽然使用卡尔曼滤波器的方法是已知的，但其算法将被简短描述如下。
独立变量θ、A＊和B＊被表示为x。由于这些值可无限制地增大或减小，因此，如果直接使用这些值，那么保持这些值所需要的寄存器的宽度是巨大的。因此，这些值优选地被作为相对于最新值x0的差值而处理。
时间优选被表示为这样的值，即在当前的时间为零的条件下，对于每一先前的采样间隔，该值增加1。通过下列表达式5给出采用这种表示方法的回归表达式，其中，c和b是回归系数。
p(x-x0)＝c+bkp  ...(5)
这里，p是2-N(N：自然数)并且与用于回归的采样的幅值对应。当采样数太大时，该值与要通过回归获得的直线极为不同，因此，回归误差大。在高速移动中产生这种现象。回归计算具有抑制在各值中包含的噪声的效果。但是，当p的值大并且采样数小时，不能充分地产生该效果。当准备p的值相互不同的多个卡尔曼滤波器并且装置被配置为根据移动速度切换要被使用的回归系数时，可以总是用最佳的采样大小执行计算。
每当获得新的数据时通过使用下列表达式6～10执行重复的计算，获得回归系数。
q＝f′x-pΔx  ...(6)
b＝V′x，k+pq  ...(7)
Vx，k＝(1-p)b  ...(8)
fx＝(1-p)q   ...(9)
c＝fx-Vx，k  ...(10)
这里，q是工作信号线或工作寄存器，fx和Vx，k是在装置内保持的滤波器值，附加有撇号(′)的各滤波器值是作为先前计算的结果的滤波器值。
当通过使用表达式6～10的计算获得b和c的值时，可以通过将这些系数应用于以上回归表达式，计算在任意时间的相位θ、A和B的值。还可计算当相位θ表现出特定值时的时间k(在这种情况下，k包含小数值)。
在本实施例中，Aj ＊和Bj ＊被存储，所述Aj ＊和Bj ＊分别是在相位θ的0～2π的范围被等分为2M(M≥3)份的各点处的A＊和B＊的值。在这种情况下，先前存储的值可被完全重写，或者，也可通过使用下列表达式11和12的计算仅改变它们的一部分。可通过执行这种处理提供抑制噪声的影响的检测装置。
Aj ＊＝Aj′+r(Aj-Aj′)...(11)
Bj ＊＝Bj′+r(Bj-Bj′)...(12)
在本实施例中，当采用根据移动速度切换p的值的检测装置的配置时，优选地与p的值的切换同步地改变r的值。换句话说，当移动速度低并且选择大的采样大小时，由于希望充分抑制在Aj和Bj中包含的噪声，因此r的值可被设为大的值。从而，可以提高对于误差变动的追随能力。
在本实施例中，仅必需在0～2π的范围内存储相位θ。但是，如在双反射激光干涉仪的信号中所见，如果对于信号的每两个周期包含一个周期的误差分量，那么优选在0～4π的范围内存储相位θ。因此，除了通常的高次分量以外，可分离地观察1/2周期的误差分量，并且，还可通过与上述算法相同的算法校正误差分量。
可通过对使用上述方法存储的Aj和Bj执行FFT(快速傅立叶变换)计算，获得在下列表达式13和14中用于表示A＊和B＊的傅立叶系数αk、βk、γk和δk的组合。
A＊＝α0+α1cosθ+β1sinθ+α2cos2θ+β2sin2θ+...+αkcoskθ+βksinkθ
                                                           ...(13)
B＊＝γ0+γ1cosθ+δ1sinθ+γ2cos2θ+δ2sin2θ+...+γkcoskθ+δksinkθ
                                                           ...(14)
因此，可通过下列表达式15和16校正在A＊和B＊中包含的误差。
A^＝(A＊-α0-β1′sinθ-α2cos2θ-β2sin2θ-...-αkcoskθ-βksinkθ)/α1
                                                           ...(15)
B^＝(B＊-γ0-γ1′sinθ-γ2cos2θ-δ2sin2θ-...-γkcoskθ-δksinkθ)/δ1
                                                           ...(16)
这里，满足β1′＝γ1′＝(β1+γ1)/2。这是因为，如果β1′-γ1′不为零，那么，从A^和B^计算的相位改变。
如下列表达式17～21所表示，使用上述系数校正(更新)输入级的用于误差校正的系数G、g、ZA、ZB和h(误差预测值)。
G＝G+w(α1+δ1)  ...  (17)
g＝g+w(α1-δ1)  ...  (18)
ZA＝ZA+wα0      ...  (19)
ZB＝ZB+wγ0      ...  (20)
h＝h+w(β1+γ1)/2 ... (21)
这里，w是弛豫系数，并且是0～1的范围内的预定常数。当弛豫系数w的值较大时，输入级的误差校正系数迅速变得合适。但是，在这种情况下，其容易受噪声等影响。由于信号畸变还可在后面的级中被校正，因此输入级的误差校正不必被极好地执行。因此，在本实施例中，弛豫系数w的值优选被设为0.01～0.1的范围。
以下，将描述本实施例的检测装置中的检测误差的校正方法。图1是本实施例中的检测装置的检测框图。
在图1中，附图标记20表示检测待检测对象的位置以输出两个位置信号A和B的检测部。检测部20例如为编码器，并且它输出相位彼此相差90度的两相位置信号。两相位置信号A和B在理想情况下分别被表示为Gcosθ和Gsinθ(G：幅度，θ：相位)。
从检测部20输出的位置信号A和B是模拟信号，并且分别被输入到A/D转换器1和2。A/D转换器1和2将作为模拟信号的位置信号A和B转换成要被输出的数字信号。
这些数字信号分别被输入到运算单元3和4(运算部)。运算单元3和4确定误差预测值，并且基于该误差预测值去除在这些数字信号中包含的误差分量，以产生输出信号A＊和B＊(两个误差校正信号)。
从运算单元3输出的信号A＊(误差校正信号)被输入到第一反正切运算单元5和回归运算单元7。从运算单元4输出的信号B＊(误差校正信号)也被输入到第一反正切运算单元5(其作为相位运算部)和回归运算单元8。
第一反正切运算单元5(相位运算部)基于从运算单元3和4输入的信号A＊和B＊(两个误差校正信号)计算表示待检测对象的位置的相位θ，以输出该相位θ。从第一反正切运算单元5输出的相位θ被输入到回归运算单元6。
回归运算单元6是计算相位θ的回归系数的一次回归运算单元。回归运算单元7和8分别是计算信号A＊和B＊的回归系数的二次回归运算单元。由回归运算单元6和7计算的信号A＊和相位θ的回归系数被输入到运算存储单元9(存储部)。由回归运算单元6和8计算的信号B＊和相位θ的回归系数被输入到运算存储单元10(存储部)。
运算存储单元9执行在相位jπ/8(0≤j≤15)处的信号A＊和相位θ的值的采样，以存储通过采样获得的多个采样值的组合。类似地，运算存储单元10执行在相位jπ/8(0≤j≤15)处的信号B＊和相位θ的值的采样，以存储通过采样获得的多个采样值的组合。
在本实施例中，j被设为0～15的范围，但是本实施例不局限于此。根据需要的精度，j的最大值可被设为小于15的值或者大于或等于16的值。在本实施例中，如稍后描述的那样执行傅立叶变换，并且，在这种情况下，优选在2π被等分为2M(M≥3)份的各相位处执行采样。运算存储单元9和10分别将在预定相位处采样的信号Aj ＊和Bj ＊输出到FFT运算单元11和12(傅立叶变换部)。
FFT运算单元11通过使用从运算存储单元9输入的信号Aj ＊(采样值)执行傅立叶变换，计算上述表达式13中的各次的各项(余弦项和正弦项中的每一个)的系数αk和βk。类似地，FFT运算单元12通过使用从运算存储单元10输入的信号Bj ＊(采样值)执行傅立叶变换，计算上述表达式14中的各次的各项(余弦项和正弦项中的每一个)的系数γk和δk。
因此，FFT运算单元11和12分别通过使用由运算存储单元9和10采样的多个采样值执行傅立叶变换以获得由表达式13和14表示的两个表达式，以获得这两个表达式中的各项的系数αk、βk、γk和δk。A＊(以及B＊)的多个值的获得由图1中的从FFT运算单元11(12)的输出返回到运算单元3(4)的输入的箭头示出。
通过FFT运算单元11计算出的系数被输入到校正运算单元13(校正部)。作为运算单元3的输出信号的信号A＊被输入到校正运算单元13(如图1中的一箭头所示)。校正运算单元13校正信号A＊，使得通过使用由FFT运算单元11计算出的各项的系数减小在信号A＊中包含的误差，以输出校正后的信号A^。
类似地，通过FFT运算单元12计算出的系数被输入到校正运算单元14(校正部)。作为运算单元4的输出信号的信号B＊被输入到校正运算单元14。校正运算单元14校正信号B＊，使得通过使用由FFT运算单元12计算出的各项的系数减小在信号B＊中包含的误差，以输出校正后的信号B^。
因此，校正运算单元13和14分别通过使用系数αk、βk、γk和δk校正两个信号A＊和B＊。
由FFT运算单元11和12计算出的各次的余弦项和正弦项的系数与在信号Aj ＊和Bj ＊中的每一个中包含的误差量相对应。因此，本实施例的检测装置向运算单元3和4中的每一个反馈这些系数以执行控制，以便通过使用这些系数更新在运算单元3和4中保持的误差预测值来减小这些系数。校正系数αk、βk、γk和δk的反馈和迭代改进在图1中由从FFT运算单元11和12中每一个的输出分别返回到运算单元3和4的输入的箭头示出。
由校正运算单元13和14校正的信号A^和B^被输入到第二反正切运算单元15，并且，通过第二反正切运算单元15计算相位θ＊。由第二反正切运算单元15计算出的相位θ＊是检测误差已被校正的相位，并且，本实施例的检测装置通过将校正后的值作为测量值对待而执行待检测对象的位置检测。
当检测位置或角度时，本实施例的检测装置可有效地预测在位置信号中包含的各种类型的误差分量，以校正这些误差分量。因此，它可被用于范围广泛的位置或角度的检测和控制的工业领域中。
如上所述，根据本实施例，由于由高次分量导致的检测误差被校正，因此，可以提供高度精确的检测装置。
此外，根据本实施例，可以自动地检测由余弦函数和正弦函数近似的两个位置信号中包含的信号畸变，以估计由该畸变导致的包含于位置或角度中的误差。因此，可通过减去估计的误差来高度精确地检测位置或角度。
在本实施例中使用的算法是傅立叶变换，并且，可通过选择次数构建对于工业界中的范围广泛的目的最佳的装置。换句话说，虽然可通过使用直到高次的项获得高精度，但是，如果不需要那么高的精度，则也可通过仅使用低次的项构建简单的装置。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有变型以及等同的结构和功能。
例如，本实施例使用校正两个信号A＊和B＊的校正运算单元13和14，但是不限于此。作为其替代，也可使用校正相位θ的校正运算单元。在这种情况下，使用输入从第一反正切运算单元5输出的相位θ和从FFT运算单元11和12输出的各系数的另一校正运算单元。可通过使用从该校正运算单元输出的校正后的相位θ＊检测待检测对象。

Claims (3)

1.一种检测装置，所述检测装置被配置为基于两个信号检测待检测对象的位置，所述两个信号分别由余弦函数和正弦函数近似，所述检测装置包含：
运算部，被配置为基于误差预测值减小在所述两个信号中的每一个中包含的误差，从而输出两个误差校正信号；
相位运算部，被配置为基于所述两个误差校正信号计算表示所述待检测对象的位置的相位；
存储部，被配置为存储所述两个误差校正信号的采样数据，所述两个误差校正信号的采样数据是关于基于所述两个误差校正信号和所计算的相位的多个采样相位中的每一个而被采样的；和
傅立叶变换部，被配置为通过对所述采样数据执行傅立叶变换获得表示所述两个误差校正信号的两个表达式中的各项的系数αk、βk、γk和δk，所述两个表达式被如下表示：
A＊＝α0+α1cosθ+β1sinθ+...+αkcoskθ+βksinkθ
B＊＝γ0+γ1cosθ+δ1sinθ+...+γkcoskθ+δksinkθ
这里，A＊和B＊是所述两个误差校正信号的采样数据，θ是所述两个误差校正信号的采样数据的相位，k不小于2，
其中，所述运算部使用的误差预测值通过使用所获得的系数而被迭代地更新。
2.根据权利要求1的检测装置，其中，
所述多个采样相位是通过将2π等分为2M份而获得的相位，其中M不小于3。
3.根据权利要求1或2的检测装置，还包括：
检测部，被配置为输出所述两个信号；和
校正部，被配置为执行校正以使得通过使用所获得的系数减小在所述两个误差校正信号的每一个中包含的误差。
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