CN102077217B - 用于控制光扫描设备中的镜运动的方法和装置 - Google Patents

用于控制光扫描设备中的镜运动的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及驱动光扫描设备中的电动机的方法和装置。该方法包括以下步骤：(1)用驱动信号驱动驱动线圈，以使扫描镜和从扫描镜反射的光束振荡；(2)通过接近驱动线圈的反馈线圈，在扫描镜振荡期间生成具有过零的反馈信号；(3)对反馈信号进行积分，以生成积分的反馈信号；以及(4)处理积分的反馈信号，以生成具有与反馈信号相同的时间周期的周期性驱动信号。

Description

用于控制光扫描设备中的镜运动的方法和装置
技术领域
本公开总体上涉及控制扫描镜的运动，扫描镜在用于读取诸如条形码符号的标记的电光读取器或者用于显示图像的图像投影仪中扫描光束。
背景技术
电光读取器在用于将图形标记(被称为符号)的空间图案电光地转换为随着时间改变的电信号(之后，其被解码为数据)的领域中被是公知的。通常，从光源生成的光束通过透镜沿着光路朝向包括符号的目标聚焦。通过移动位于光路中的扫描镜，光束沿着布置在光栅图案中的一条扫描线或一系列扫描线反复地扫描符号。光检测器检测从符号散射或反射的光，并且生成模拟电信号。电子电路将模拟信号转换为数字化信号，该数字化信号具有对应于包括符号的条纹和空间的物理宽度的脉冲宽度，并且解码器将数字化信号解码为描述符号的数据。
光束的反复扫描由驱动器执行，通常为具有关于轴可振荡的转子的电动机。永磁体和扫描镜可与转子共同振荡。电动机由缠绕在物理上接近永磁体设置的线轴上的驱动线圈驱动。反馈线圈也缠绕在同一线轴上。响应于施加至驱动线圈的交流电压驱动信号，由驱动线圈产生的电磁场与磁体的永磁场相互作用，从而共同移动磁体和镜。电动机和镜组件形成共振机械结构，其中，该结构的固有频率确定振荡频率。驱动线圈中的驱动信号的频率与转子运动相同，驱动信号的一个周期对应于转子运动的一个周期。驱动线圈中的驱动信号的幅度与转子运动的速度成比例。驱动线圈中的驱动信号的极性取决于转子运动的方向，使得驱动信号的正半周期表示转子在一个驱动方向上转动，而负半周期表示转子在相反驱动方向上转动。当转子在各个扫描线的每一端达到其最大行程时，出现驱动信号的过零。在每个过零处，转子停留片刻并且反转驱动方向。
反馈线圈可用于多个目的。由于磁体的移动，反馈线圈生成交流电压信号，被称为反馈信号。在反馈线圈中生成的反馈信号的频率和极性对应于移动磁体的频率和极性。通常采用电驱动监控电路来监控反馈信号的幅度，并且例如，如果幅度下降到预定阈值以下，则关闭光源，从而指示驱动器发生故障。通常还采用电气闭环控制电路来处理反馈信号，以决定如何继续驱动电动机。通常被采用的另一电子电路处理反馈信号的过零，以得到表示转子运动并且用于使扫描线同步的扫描开始(SOS)信号。
在一些实现中，电气闭环控制电路用于调整由反馈线圈生成的反馈信号的峰值。如果峰值(正峰或负峰)的幅度小于理想(或目标)值，则为了增加峰值的幅度，电气闭环控制电路将尝试增加施加至驱动线圈的电流。另一方面，如果峰值(正峰或负峰)的幅度大于理想(或目标)值，则为了减小峰值的幅度，电气闭环控制电路将尝试减小施加至驱动线圈的电流。
通过上述电气闭环控制电路，可以将反馈信号的每个峰值保持为接近特定理想(或目标)值。该电气闭环控制电路使扫描镜的峰值速度被调整，这是因为由反馈线圈生成的反馈信号与扫描镜的位移函数的一阶导数成比例。如果电动机的操作频率保持不变，该电气闭环控制电路还可以用于调整扫描镜的扫描幅度。然而，在一些操作环境中，电动机的操作频率由于多种原因而改变。从而，通过上述电气闭环控制电路，即使反馈信号的每个峰值均保持为接近特定理想(或目标)值，扫描镜的扫描幅度也将与电动机频率的任何改变成比例地改变。这种改变引入了幅度误差。扫描镜的扫描幅度可能与理想(或目标)扫描幅度不同，或者可能偏离理想(或目标)扫描幅度。
从而，在一些操作环境中，希望具有能够将扫描镜的扫描幅度保持为接近恒定值的特定电气闭环控制电路，作为仅调整扫描镜的峰值速度的电路的改进。
发明内容
在一个方面，本发明涉及驱动光扫描设备中的电动机的方法。该方法包括以下步骤：(1)用驱动信号驱动驱动线圈，以使扫描镜和从扫描镜反射的光束振荡；(2)通过接近驱动线圈的反馈线圈，在扫描镜振荡期间生成具有过零的反馈信号；(3)对反馈信号进行积分，以生成积分的反馈信号；以及(4)处理积分的反馈信号，以将驱动信号生成为具有分别对应于零的垂直边沿的方波。
在另一方面，本发明涉及光扫描设备中的电动机驱动电路。该电动机驱动电路包括驱动线圈和反馈线圈。驱动线圈由驱动信号驱动，以使扫描镜和从扫描镜反射的光束振荡。反馈线圈在扫描镜振荡期间生成具有过零的反馈信号。电动机驱动电路还包括：用于对反馈信号进行积分以生成积分的反馈信号的电路。电动机驱动电路进一步包括：用于处理积分的反馈信号以将驱动信号生成为具有分别对应于(实际上速度的)过零的垂直边沿的方波的电路。
本发明的实现可以包括以下优点中的一个或多个。扫描镜的扫描幅度可以被直接调整并且维持在接近特定常数。在读取了本发明的以下说明和学习了附图中的多幅图之后，本发明的这些和其他优点对于本领域技术人员将变得明显。
附图说明
附图(其中，在各幅图中，类似参考数字表示相同或功能上类似的元件)和以下详细描述被包含并形成说明书的一部分，并且用于进一步说明包括所要求保护的发明的思想的实施例，以及解释那些实施例的多个原理和优点。
图1是用于电光地读取标记的手持设备的示意图；
图2是图1的设备中的一些组件的框图；
图3是进一步详细描述图2的设备的框图；
图4是在图3的电路中生成的一系列信号；
图5是具有用于图1的设备中的附加组件的图2的设备的框图；以及
图6是在图5的电路中生成的一系列信号。
技术人员将认识到，图中的元件的示出是出于简单和清楚的目的，并且不必须成比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大，以帮助更好地理解本发明的实施例。
已经通过常规符号适当地表示出装置和方法组成，仅示出了与理解本发明的实施例相关的那些具体详情，以免因为本公开具有的某些详情对于受益于这里的描述的本领域技术人员是明显的而模糊本公开。
具体实施方式
图1中的参考数字220标识用于电光地读取位于某一工作距离内诸如条形码符号224的标记的电光读取器。读取器220具有手枪式把手221和可手动促动扳机222，当被按下时，可手动促动扳机222能够使光束223被引向符号224。读取器220包括壳体225，在壳体225中容纳光源226、光检测器227、信号处理电路228、以及电池组229。在壳体的前面的透光窗口230能够使光束223从壳体射出，并且允许从符号散射的光231进入壳体。键盘232和显示器233可以有利地设置在壳体的顶壁上，以方便到那里的使用。
在使用中，持有把手221的操作者使壳体瞄准符号并且按下扳机。光源226发射光束以在符号224上形成束斑，所述光束由光学聚焦组件235光学地更改和聚焦。光束通过光束分离器234到扫描镜236，所述扫描镜236通过电动机驱动器238以每秒扫描至少20次的扫描速率反复地振荡。扫描镜236将入射到其上的光束反射至符号224，并且以扫描图案在跨符号的扫描中扫描束斑。扫描图案可以为在扫描方向上沿着符号纵向延伸的扫描线，或者为沿着互相正交的方向布置的一系列扫描线，或者为全方向图案，仅指出几种可能性。
反射光231在扫描图案上具有可变强度，并且通过窗口230到扫描镜236，在那里被反射到分离器234，并且进而，被反射到光检测器227用于转换到模拟电信号。信号处理电路228数字化并且解码该信号，以提取被编码在符号中的数据。
在图2中更详细地示出驱动电动机238，并且在公共线轴上缠绕驱动线圈240和反馈线圈242。信号处理电路228包括可操作用于将控制信号发送至驱动电路244的控制微处理器246，驱动电路244进而将驱动信号发送至驱动线圈240，以生成与永磁体248相互作用并且驱动电动机238的电磁场。
图5中完整地示出了驱动电路244，并且图6中示出了说明性信号波形。在图3中更详细地示出图5中所示的电动机驱动器前端电路100，并且在图4中示出说明性信号波形。驱动电路244有利地在专用集成电路(ASIC)250中实现，其中，专用集成电路250与微处理器246一起构成信号处理电路228。
如先前所述，方波驱动信号被传导至驱动线圈240，以使扫描镜236振荡。同时，共同装配的磁体248振荡并且在反馈线圈242中生成反馈信号。线圈240、242之间的串扰仅发生在方波驱动信号的幅度改变处，即，在其垂直边沿变换处。所得到的被污染的反馈信号(corruptedfeedback signal)在图4中示出，并且被传导至具有电容器104的跟踪保持电路102。边沿触发的单次触发电路106可操作地连接至跟踪和保持电路中的开关108。跟踪保持电路的输出被传导至可调节增益放大器110，该可调节增益放大器110的输出被传导通过DC电压偏移调节电路112。调节电路112的输出连接至过零检测器114，其中，过零检测器114可操作用于检测反馈信号中的过零并且用于生成前述SOS信号。过零检测器的输出连接至单次触发电路106。
调节电路112的输出还通过缓冲放大器，诸如反相器115，连接至积分电路180。积分电路180包括运算放大器182、电容器184、以及开关186。开关186可以在边沿触发的单次触发电路106的控制下断开或闭合。
在操作中，跟踪保持电路102监控其电压被用于给电容器104充电的被污染的反馈信号。在反馈信号的每个过零处，单次触发电路106被触发，以生成命令信号。命令信号在每个过零处断开开关108，有效地去除了在每个过零处出现的串扰。除了每个过零处的串扰已经被去除之外，图4中所示的未污染的反馈信号具有与被污染的反馈信号相同的大体形状。
在操作中，命令信号还在每个过零处闭合开关186，以重置积分电容器184上的电压。当在每个过零处闭合开关186之后不久重新断开开关186时，积分电路180将开始对从调节电路112接收的未污染的反馈信号进行积分。积分电路180将在积分电路的输出生成积分的反馈信号。积分的反馈信号也在图4中示出。
在理想状态下，如果由反馈线圈242生成的反馈信号不被污染，则在反馈信号被调节特定偏移量之后，该反馈信号可以由积分电路180直接积分。另外，如果在每个过零处闭合开关之后几乎立刻重新断开开关186，以开始对由反馈线圈242生成的反馈信号进行积分，则在积分电路180的输出的积分的反馈信号将与扫描镜的角位移成比例，其中，根据当扫描镜使其扫描方向反转时的最大角位移来测量该角位移。如果将积分的反馈信号的峰值与特定参考电平进行比较，如图5中所示，扫描镜的扫描幅度可以直接用驱动电路244调整。从而，扫描镜的扫描幅度可以被保持为接近特定常量。
在一些实际情况中，即使从反馈线圈242生成的反馈信号被污染，在反馈信号被调节特定偏移量之后，该反馈信号仍可以由积分电路180直接积分。如果从在每个过零处闭合开关开始测量的少量时间延迟之后重新断开开关186，则积分电路的输出处的积分的反馈信号将与理想值偏移少量偏移误差，其中，理想值与根据当扫描镜使其扫描方向反转时的最大角位移来测量的扫描镜的角位移成比例。该少量偏移误差大体与从在每个过零处闭合开关开始测量的少量时间延迟成比例。如果在少量时间延迟的时段期间从反馈线圈242生成的反馈信号的幅度比反馈信号的峰值幅度小很多，则该少量偏移量误差可以被忽略。在少量偏移误差可以被忽略的情况下，即使从反馈线圈242生成的反馈信号不通过跟踪保持电路102，扫描镜的扫描幅度仍然可以用图5中所示的驱动电路244直接调整并且保持为接近特定常量。
还如图4中所示，在驱动电动机的初始化启动期间，即，在达到稳态条件之前，未污染的反馈信号的峰值电压连续增加，同时驱动信号的方波的相应幅度连续减小。方波的幅度仅在SOS边界处改变，即，在过零处改变。
再次返回图5，来自前端电路100的积分的反馈信号连接至正峰值检波器(PPD)116和负峰值检波器(NPD)118。PPD和NPD的峰值输出被传导至误差放大器120、122的负输入。正参考电压和负参考电压被传导至误差放大器的正输入。误差放大器的输出在SOS信号的控制下连接至转接器开关124。开关124的输出经由突跳信号开关(kicksignal swich)126传导回驱动线圈240，并且在一个分支中具有反相器128和放大器130的推挽式驱动器连接至驱动线圈240的一端，并且另一分支中的放大器132连接至驱动线圈240的相反端。如所示，图5的电路包括通过电动机组件(图2)的正反馈配置(经由SOS信号路径)，其中，电动机的固有频率确定回路的振荡频率，并且图5的电路还包括控制电动机的幅度的负反馈配置(经由积分的反馈信号路径)。
定时电路134被用来生成用于突跳开关126的突跳信号、重置NPD118的重置NPD信号、重置PPD 116的重置PPD信号、以及控制转接器开关124的SOS信号。在图6中示出了所有这些信号。
在操作中，处理来自前端电路100的积分的反馈信号，以生成方波驱动信号。更具体地，由PPD和NPD对积分的反馈信号进行峰值检测并且将其与固定参考值进行比较。该比较结果为PPD信号和NPD信号，其非常类似于误差放大器的输出处的方波。开关124与SOS信号同步进行切换，以生成与在先前SOS状态期间由各个误差放大器检测到的幅度误差成比例的更理想方波驱动信号。换句话说，当前SOS状态期间的校正基于在先前SOS状态期间检测到的电压峰值作出。PPD和NPD中的每个均在交替SOS边沿重置，使得可以估计新信息。
再次参考图6，经由突跳开关126传送至驱动线圈的驱动信号的第一脉冲(被标记为“突跳”)由定时电路134生成并且不取决于反馈信息。通过估计在先前SOS时段期间获得的峰值速度信息B1得到被标记为f(B1)的第二脉冲，同时电动机被突跳。f(B1)的幅度由相应误差放大器120或122确定。通过估计在先前SOS时段期间获得的峰值速度信息A1得到被标记为f(A1)的第三脉冲。以相同方式处理相继的脉冲。驱动信号优选具有与SOS信号同步的50％占空因数。
在先前说明书中，已经描述了多个具体实施例。然而，本领域技术人员应该想到，可以在不脱离所附权利要求所述的本发明的范围的情况下，作出多种修改和改变。从而，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这种修改均旨在包括在本教导的范围内。
益处、优点、问题的解决方案及可以引起任何益处、优点或解决方案出现或变为显著的任何元素不应被解释为任何或全部权利要求的关键性的、必需的，或必要的特征或元素。本发明仅由所附权利要求限定，所附权利要求包括在本申请待审期间进行的任何修改，以及公布的权利要求的全部等同物。
在本文件中，关系性术语，诸如第一和第二、顶部和底部、等可以用来唯一地区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不必要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或排序。术语“包括”、“具有”、“包含”或其任何其它变体，旨在涵盖非排他性的包含，以使包含一系列元素的过程、方法、物品或装置不仅包括这些元素，还可以包括其他未明确列出的或对于这样的过程、方法、物品或装置为固有的其它元素。接在“包括...”、“具有...”、“包含...”之后的元素在没有更多约束的情况下，并未排除在包括该元素的过程、方法、物品或装置中存在另外的相同元素。除非在此明确说明，术语“一”被定义为一个或更多。术语“基本上”、“本质上”、“近似地”、“大约”、或其任何其他版本被定义为本领域技术人员所理解的接近，并且在一个非限制性实施例中，该术语被定义为在10％之内，在另一实施例中为5％之内，在另一实施例中为1％，以及在另一实施例中为0.5％之内。在此使用的术语“耦合”被定义为连接，但是不必须是直接地并且不必须是机械地。以特定方式“配置”的装置或结构以至少那种方式配置，但是也可以以未列出的方式进行配置。
应该想到，一些实施例可以包括：一个或多个通用或专用处理器(或“处理装置”)，诸如微处理器、数字信号处理器、定制处理器和现场可编程门阵列(FPGA)；以及控制一个或多个处理器与特定非处理器电路结合实现在此描述的方法和/或装置的一些、多数、或所有功能的唯一存储编程指令(包括软件和固件)。可替换地，一些或所有功能可以通过不存储编程指令的状态机实现，或者在一个或多个专用集成电路(ASIC)中实现，其中，特定功能中的每个功能或一些组合被实现为定制逻辑。当然，可以使用两种方法的组合。
而且，实施例可以实现为在其上存储有计算机可读编码的计算机可读存储介质，该计算机可读编码用于对计算机(例如，包括处理器)进行编程，以执行在此描述和要求保护的方法。这种计算机可读存储介质的实例包括但不限于硬盘、CD-ROM、光学存储设备、磁性存储设备、ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)以及闪存。而且，希望本领域技术人员不经过可能的大量努力和多种设计选择(由于例如可用时间、当前技术和经济考虑方面的原因)，当由在此公开的思想和原理引导时，能够通过最少的试验容易地生成这种软件指令和程序以及IC。
提供本公开的摘要，以允许读者快速地确定技术方案的本质。应该理解，其不用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在前面的具体实施方式中，可以看出，多种特征可以在多个实施例中被组合在一起用于精简本公开。本公开的方法不被解释为反映如下的目的，即，所要求保护的实施例要求比在每个权利要求中明确描述的更多的特征。相反地，所附权利要求反映出，发明主题在于少于单个公开的实施例的所有特征。从而，所附权利要求被结合到具体实施方式中，每个权利要求都依据其本身分别要求保护的主题。

Claims (14)

1.一种光扫描设备中的电动机驱动电路，包括：
a）驱动线圈，由驱动信号驱动，以使扫描镜和从所述扫描镜反射的光束振荡；
b）反馈线圈，用于在所述扫描镜的振荡期间生成具有过零的反馈信号，所述反馈线圈接近所述驱动线圈，并且在每个过零处被所述线圈之间的交叉耦合而污染；
c）用于最小化在每个过零处的所述交叉耦合以生成未污染的反馈信号的电路；
d）用于从所述未污染的反馈信号生成扫描开始信号的电路，以及用于对所述未污染的反馈信号进行积分以生成积分的反馈信号的电路；以及
e）用于处理所述积分的反馈信号和所述未污染的反馈信号以将所述驱动信号生成为具有分别与所述过零对应的垂直边沿的方波的电路。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动电路，其中，所述扫描镜具有装配在其上以用于与其共同振荡的永磁体，并且其中，所述方波驱动信号生成与所述磁体的永磁场相互作用的电磁场，以使所述镜和所述磁体以驱动频率在相反的驱动方向上振荡。
3.根据权利要求1所述的电动机驱动电路，其中，所述的用于处理的电路包括：用于处理所述积分的反馈信号和所述扫描开始信号以将所述驱动信号生成为具有分别与所述过零对应的垂直边沿的方波的电路。
4.根据权利要求1所述的电动机驱动电路，其中，所述的用于对所述未污染的反馈信号进行积分的电路包括：用于对积分电路中的积分电容器充电的电路。
5.根据权利要求4所述的电动机驱动电路，其中，所述的用于对所述未污染的反馈信号进行积分的电路进一步包括：用于在每个过零处将开关驱动至闭合状态以将所述积分电容器放电的电路。
6.根据权利要求1所述的电动机驱动电路，其中，所述处理电路包括：具有输入和输出的正峰值检波器和负峰值检波器，所述积分的反馈信号被传导到所述输入，并且正峰值电压和负峰值电压被从所述输出传导至误差放大器的第一端子，所述误差放大器具有连接至正参考电压和负参考电压的第二端子。
7.根据权利要求6所述的电动机驱动电路，其中，所述误差放大器具有连接至转接器开关的输出，所述转接器开关在所述误差放大器的输出之间切换，以生成所述方波驱动信号。
8.一种驱动光扫描设备中的电动机的方法，包括以下步骤：
a）用驱动信号驱动驱动线圈，以使扫描镜和从所述扫描镜反射的光束振荡；
b）通过接近所述驱动线圈的反馈线圈，在所述扫描镜的振荡期间生成具有过零的反馈信号，所述反馈线圈在每个过零处被所述线圈之间的交叉耦合污染；
c）最小化在每个过零处的所述交叉耦合，以生成未污染的反馈信号；
d）从所述未污染的反馈信号生成扫描开始信号，并且对所述未污染的反馈信号进行积分，以生成积分的反馈信号；以及
e）处理所述积分的反馈信号和所述未污染的反馈信号，以将所述驱动信号生成为具有分别与所述过零对应的垂直边沿的方波。
9.根据权利要求8所述的方法，将永磁体装配在所述扫描镜上以用于与其共同振荡，并且其中，所述方波驱动信号生成与所述磁体的永磁场相互作用的电磁场，以使所述镜和所述磁体以驱动频率在相反的驱动方向上振荡。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述的处理的步骤包括：处理所述积分的反馈信号和所述扫描开始信号，以将所述驱动信号生成为具有分别与所述过零对应的垂直边沿的方波。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述的对所述未污染的反馈信号进行积分的步骤包括对积分电路中的积分电容器充电的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述的对所述未污染的反馈信号进行积分的步骤进一步包括在每个过零处将开关驱动至闭合状态以将所述积分电容器放电的步骤。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，通过检测所述积分的反馈信号中的正电压峰值和负电压峰值，并且通过将所述正电压峰值和所述负电压峰值与参考电压进行比较，以获得正信号和负信号，来执行所述的处理的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过在所述正信号和所述负信号之间切换转接器开关以获得所述方波驱动信号来执行所述的处理的步骤。
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