CN102042839B - 两个不同周期测量传感器组合成绝对式角度编码器的原理 - Google Patents

Abstract

本发明属于绝对式编码器技术领域，应用于几何量的长度和角度测量的绝对编码部件的设计制造。为了制造出绝对式编码器，一个实用的方法是利用两个不同周期的传感器进行组合。本发明给出了N个周期与M个周期传感器的组合原则和绝对式编码的计算方法。为绝对式编码器的制造增加途径。组合原则是：两个不同周期的传感器进行组合的充分必要条件是N和M没有公约数。

Description

两个不同周期测量传感器组合成绝对式角度编码器的原理

所属技术领域：

本发明属于绝对式编码器(空间位置固定地对应一个测量值，一个测量值只对应一个位置)技术领域，应用于几何量的长度和角度测量的绝对编码部件的设计制造。

背景技术：

目前，利用粗精组合原理制造的绝对式角度编码器在各种仪器和设备上有着广泛的应用，绝对式角度编码器实现方法很多，制造出的高分辨力的绝对式角度编码器主要代表是德国HEIDENHAIN(海德汉)公司生产的多码道的光电绝对式角度编码器和美国CARCO公司生产的粗精组合式感应同步器。后一种为电磁角度传感器。

为了使感应同步器具有大量程绝对角度编码和高分辨力，通常需要有两个相对独立的电磁角度传感器同时使用。以电磁角度传感器为例，测量范围绝大多数是360°，由于分辨力与测量范围成反比，所以，要将360°等分为N个小区域，精传感器(分辨力较高的一个)可以测量出小区域内的角度值，超出这个小区域，进入下一个区域，则测量值为周期函数，共有N个周期。为了实现360°范围内绝对编码，则需另加一个角度传感器来测量出是哪一个区间，一般可选用精度较低的传感器，称为粗传感器，通过计算，即可得到绝对编码。

以绝对式编码的圆感应同步器测角系统为例，现有两种类型，其一是N个周期的角度传感器和(N-1)个周期的角度传感器组合，其二是N个周期和1个周期的角度传感器组合，第一类是两个结构相似周期差一个的组合，第二类是采用平面阿基米德螺线形的激磁线圈和接收线圈制造一个平面360°对应1个周期的角度传感器，此传感器与N个周期的角度传感器组合。

发明内容：

本发明给出了不同于N个周期与(N-1)个周期、N个周期与1个周期传感器的组合，而是N个周期与M个周期传感器的组合的设计原则，即N和M没有公约数就可组合成绝对式编码器。为绝对式编码器的制造增加途径。

要解决的技术问题：

1、给出形成绝对编码的实用方法。

2、理论上证明N和M没有公约数即可实现绝对式编码。

技术方案：

首先，举一个简单的360°角度测量系统设计的例子。在此测量仪上有两个角位置传感器，可以得到两个带有角位置信息的电信号，经硬件和软件的处理，我们可以得到两个自变量为角度θ的周期函数为：

$Y1=\left(\frac{\mathrm{\θ}-\frac{(i-1)\·S}{N}}{\frac{S}{N}}\right)\·A1$ $\mathrm{\θ}\∈[\frac{(i-1)\·S}{N},\frac{i\·S}{N})$

$Y2=\left(\frac{\mathrm{\θ}-\frac{(j-1)\·S}{M}}{\frac{S}{M}}\right)\·A2$ $\mathrm{\θ}\∈[\frac{(j-1)\·S}{M},\frac{j\·S}{M})$

N＝8，i∈(1，2，…N)，S＝360，A1＝4000

M＝3，j∈(1，2，…M)，S＝360，A2＝1600

函数图像参看图1。

函数1将360°(测量区域)等分为8个区域，每个区域内为实际位置的直线递增函数，可以得到4000个等差函数值，在360°内的36000个不同位置对应着36000个函数值，所以，可以得到0.01°的测量分辨力。问题是：根据已知的函数值Y1不可能确定此函数值对应的位置属于8个区域中的哪一个区域，为此，需要加入函数值Y2，一起考虑，才能确定Y1对应的位置属于哪一个区域。

首先，从Y1＝0对应的8个位置入手，参看图2可得表1

Y1	0	0	0	0	0	0	0	0
									Y2	0	600	1200	200	800	1400	400	1000
θ	0°	45°	90°	135°	180°	225°	270°	315°

表1

如果Y1和Y2是表内的数值时，我们马上可以知道θ的数值。当Y1和Y2不是表内的数值时，设想如果将实际位置左移，使Y1的数值减小到0时，Y2也要根据函数关系变化，可得到新的数值，再根据表1内的数据即可确定原来的实际位置属于哪个区域，举两个例子说明计算方法。

例1：Y1＝2000，Y2＝900，参看图2中θ1所在的位置，

当θ1左移到使Y1^*＝0的θ1^*时，应有：

$Y{2}^{*}=900-\frac{600}{4000}\×2000=600$

由表1可知θ1^*＝45°，于是，

例2：Y1＝3000，Y2＝250，参看图-1中θ2所在的位置，

当θ2左移到使Y1^*＝0的θ2^*时，应有：

$Y{2}^{*}=250-\frac{600}{4000}\×3000+1600=1400$

上式中加上1600的理由很简单，在此略去。由表1可知θ2^*＝225°，于是，

以上是理想状态，在实际情况中Y1和Y2的数值都有-定的微小误差，可以将表-1中的Y2只换成小区间，即可变为察看Y2*属于哪个小区间，从而得到θ^*。参看表2，当Y2^*不属于表2中所有小区间时，说明Y1和Y2的数值的误差太大，应该进行出错处理。

Y1	Y2	θ
			0	[1510，1599]U[0，90]	0°
0	[510，690]	45°
			0	[1110，1290]	90°
0	[110，290]	135°
			0	[710，890]	180°
0	[1310，1490]	225°
			0	[310，490]	270°
0	[910，1090]	315°

表2

本发明的核心问题是N和M满足什么条件时，上述方法是可行的，即可以得到对实际位置的绝对编码。答案是：N和M没有公约数是充分必要条件。以下给出证明。

设：S表示实际位置的空间范围，N为第一路信号经变换后得到的周期函数的周期数，M为第二路信号经变换后得到的周期函数的周期数，N和M没有公约数。T1为第一路函数的周期，T2为第二路函数的周期，θ为某一空间位置。

在第一路函数的函数值为Y1＝0时，对应N个空间位置，

${\mathrm{\θ}}_i=(i-1)\×T1=(i-1)\×\frac{S}{N},i\∈(\mathrm{1,2},...N)$

$\frac{{\mathrm{\θ}}_i}{T2}=\frac{(i-1)\×T1}{T2}=\frac{(i-1)\×S}{N}\÷\frac{S}{M}=\frac{(i-1)\×M}{N}=Q_i+d_i$

i∈(1，2，...N)

Q_i为整数，d_i为正真分数，因为N和M没有公约数，(i-1)＜N，所以，只有当i＝0时，d_i＝0，i≠0时，d_i＝K_i/N，K_i是小于N的非负整数。由于两个传感器同步转动与周期函数的性质，此时得到的第二路函数值Y2应该是：

Y2_i＝d_i×T2

如果i≠j，i∈(1，2，…N)，j∈(1，2，…N)，考虑下式

$d_i-d_j=\frac{(i-1)\×M}{N}-\frac{(j-1)\×M}{N}-Q_i+Q_j=\frac{(i-j)M}{N}-Q_i+Q_j$

由于|i-j|＜N，M和N没有公约数，所以，上式的值不可能为整数，且

|d_i-d_j|×T2小于一个Y2的周期，所以有：

Y2_i-Y2_j＝(d_i-d_j)T2≠0

即θ_i对应的Y2_i是相互不等的。N个不等的d_i，且又都是‘K_i/N’形式的分数，所以有：

$d_i\∈(0,\frac{1}{N},\frac{2}{N},...\frac{N-1}{N})$

结论是：N和M没有公约数时，即可存在θ_i和Y2_i一一对应关系，且Y2_i属于N个等差数列的集合。

以下论证必要性。

如果N和M有公约数Z，即，N＝N1×Z，M＝M1×Z，(i-j)可以是1至N-1中的任何一个数，于是此数有可能将N1约掉，导致：

$\frac{(i-j)M}{N}=\frac{(i-j)\×M1\×Z}{N1\×Z}=\frac{(i-j)\×M1}{N1}=Q$

Q为整数，此时，

Y2_i-Y2_j＝(d_i-d_j)T2＝(Q_i-Q_j+Q)T2

差是整周期，又Y2是周期函数，所以，Y2_i＝Y2_j，由Y2_i将不能确定与其对应的空间位置是θ_i还是θ_j，将发生错误编码。综上所述，N和M没有公约数也是上述方法的必要条件。

有益效果：

本发明的有益效果是提供了两个不同周期的测量传感器组合成绝对式编码器的方法和理论依据，根据实际应用的需求和制造能力，适当选择两个不同周期的测量传感器，使粗精组合得更为合理，并降低制造难度和成本。

附图说明：

图1为函数图像。

图2为两个函数的函数值Y1和Y2通过空间角位置θ建立对应关系的图形表示。

Claims (1)

1.一种制造绝对式角度编码器的方法，其特征在于利用周期分别为M和N的两个角度传感器组合成绝对式角度编码器，其中周期M与N互质，并且该组合不包括：1个周期和N个周期的角度传感器的组合以及N±1个周期与N个周期的角度传感器的组合。

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