CN102203562B

CN102203562B - 绝对角度测量装置

Info

Publication number: CN102203562B
Application number: CN200980143337.5A
Authority: CN
Inventors: C.林格克
Original assignee: John Nei Si Heidenhain Doctor Co Ltd
Current assignee: John Nei Si Heidenhain Doctor Co Ltd; Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: CN102203562A; JP2012507014A; EP2342540B1; DE102008053985A1; JP5378531B2; EP2342540A1; WO2010049047A1; ES2389605T3; US20110208475A1

Abstract

一种绝对角度编码（1）被单轨道地构造。在该轨道中交替地布置第一编码序列（A）的一部分和第二编码序列（B）的一部分。这些编码序列（A、B）具有不同的长度，其中两个编码序列（A、B）的长度优选相差1。为了确定角度编码（1）一周内的单义的绝对位置（POS），设置了解码设备（3），该解码设备（3）对于两个编码序列（A、B）中的每一个具有各自的用于解码的表（、）。从在两个编码序列（A、B）内的由此获得的子位置（、）中确定出所述绝对位置。

Description

绝对角度测量装置

背景技术

在许多领域，为了确定两个彼此相对运动的物体的位置，越来越多地使用绝对角度测量装置。绝对角度测量装置相对于纯增量测量的系统所具有的优点是，在每个相对位置中，在供应能量中断以后也可以立即输出正确的位置信息。

在此，绝对位置由角度编码体现。将位置信息布置在具有在测量设备中相继布置的码元的单个的编码轨道中是特别节省空间的。在此，码元以伪随机分布的方式相继布置，使得特定数目的彼此跟随的码元分别形成码字，该码字单义地定义绝对位置。在将扫描设备相对于角度编码移动单个码元时就已经形成新的码字，并且在整个的、要绝对获取的范围（360°）上提供了不同码字的序列。这种连续的或顺序的编码也常常被称为链码或被称为伪随机码（PRC）。

为了从所扫描的码字中确定绝对位置——也称为解码，使用解码表，在该解码表中为每个码字分配一个位置。为了给所扫描的码字分配绝对位置，该码字形成用于解码表的地址，使得在输出端处存在针对该码字所保存的绝对位置并且该绝对位置可用于继续处理。该非易失性的表如今可以以硬布线的方式敷设在ASIC中，以便使得能够进行快速访问。

对角度测量装置的分辨率的要求越来越高，使得在360°的跨度上应该单义地编码许多位置。必须编码的位置越多，后续的解码成本越高。在连续编码时的问题是，对于高的分辨率，必须生成非常多的不同的码字并且必须对这些码字进行解码。如果解码借助于表来进行，则需要大的表，在该大的表中为每个可能的码字都保存了与此有关的绝对位置。如果解码借助于计算机来进行，则这导致相对长的计算时间。

US 6,330,522 B1说明了一种可以如何设置角度编码和角度测量设备以便减小解码成本的措施。在此，第一长度的第一编码序列和第二长度的第二编码序列被在360°的跨度上布置在彼此平行分布的轨道中。第一编码序列被在360°的跨度上布置五次，而第二编码序列被在360°的跨度上布置十四次。第一编码序列的位宽与第二编码序列的位宽不同。解码设备具有用于对第一编码序列进行解码的第一值储备（Wertevorrat）以及用于对第二编码序列进行解码的第二值储备。绝对位置通过两个子位置的组合在360°跨度上的每个位置处是单义的。

平行地布置编码序列的缺点是一方面在扫描时的莫尔波纹（Moiree）敏感性以及在360°跨度上的相对小的绝对可编码位置。

发明内容

因此本发明的任务是说明一种角度测量装置，利用其可以在360°的跨度上单义地编码多个位置，并且利用其使得能够在角度测量装置中简单地解码通过扫描该角度编码所生成的码字的序列。

该任务通过在权利要求1中和在权利要求4中所说明的角度测量装置来解决。

为此所使用的绝对角度编码具有多个布置在360°内的编码序列，这些编码序列以组合方式单义绝对地对360°进行编码。第一编码序列具有第一长度以及被相继跟随地布置次，并且第二编码序列具有第二长度以及被相继跟随地布置次，其中

大于等于2以及是整数的或者非整数的

不等于

和是整数的

不等于。

此外第一编码序列和第二编码序列被布置在共同的轨道中，所通过的方式是分别交替地布置第一编码序列的一部分和第二编码序列的一部分。尤其是在第一编码序列的一个码元之后分别跟随第二编码序列的一个单个的码元并且在第二编码序列的一个码元之后分别跟随第一编码序列的一个单个的码元。

在此，所述编码序列在圆盘上是圆形的并且在圆周上与转动点同心地布置了转筒（Trommel）。编码序列的一部分表示，这可以是该编码序列的一个或多个相继跟随的码元。在下面的实施例中，该部分分别是一个单个的码元。在此，码元分别是角度编码的一个区域，从该区域中可导出位0或1。

编码序列表示多个码元的顺序，该顺序在该编码序列的整个长度上定义码元栅格（Raster）中的不同位置。

循环延续的编码序列表示，在编码序列的末端再次连接了该同一编码序列的开始部分。

编码序列的长度定义编码序列所成的角度扇形。因为所有编码序列的码元分别成相同的角度扇形，因此编码序列的长度等于编码序列内的码元的数目并且由此等于可从中导出的位的数目。

为了生成两个编码序列的位置的差拍（Schwebung），第一编码序列的长度有利地不为第二编码序列的长度的倍数。编码序列的差拍长度在如下情况下是最大的：第一编码序列的长度与第二编码序列的长度相差1，即两个编码序列中的一个比这两个编码序列中的另一个多具有一个单个的码元。

第一个可特别简单地解码的角度编码在360°的跨度上布置次第一编码序列和次第二编码序列时得出，其中和是整数的。

当该可无限地在整个周长（360°）上特别简单地解码的角度编码具有数目为个码元时，该角度编码具有在360°的跨度上的个不同的绝对位置，其中

=和的共同的最小倍数

=第一编码序列（A）的长度；

=第二编码序列（B）的长度。

于是对于有：

当与相差1时，该最大数目的不同位置可实现。于是有如下成立：

。

在对该角度编码扫描时借助于探测器装置所获得的字（位模式）可以借助于在解码设备中可用的值储备来解码。第一值储备被构造用于对码字的第一序列进行解码，该第一序列分别在对第一编码序列及其循环延续进行扫描时产生。第二值储备被构造用于对码字的第二序列进行解码，该第二序列分别在对第二编码序列及其循环延续进行扫描时产生。

对码字的第一序列进行解码的结果是第一编码序列内的第一子位置，并且对码字的另一序列进行解码的结果是第二编码序列内的第二子位置。从这两个子位置中得出总体位置值。

如果在360°的跨度上要求与不同的数目为个绝对位置，尤其是个不同的位置，则在360°的跨度上的第二角度编码的情况下码元的数目为：

，其中

=和的共同的最小倍数

=第一编码序列（A）的长度

=第二编码序列（B）的长度。

在此，第一编码序列被布置次，其中

大于2以及是非整数的，

使得第一编码序列具有中断，和/或第二编码序列被布置次，其中

大于2以及是非整数的，

使得第二编码序列具有中断。

换句话说，两个编码序列中的至少一个有一次在360°内只被部分录入，或者该编码序列的未被录入的部分被切断，并且剩余的部分连接在下一编码序列上。在该连接处该编码序列中断，因为在这里产生接合区域，在该接合区域处在扫描时产生新的码元序列，即产生新的位模式或码字。新的位模式表示，该位模式不是编码序列及其循环延续的组成部分。“切断”或“中断”在两个码元的边界处进行，使得在360°的跨度上始终存在所有编码序列的整数个码元。

为了使得能够在该第二角度编码的情况下良好地利用编码序列以及实现尽可能多数目的位置，有利地在360°的跨度上布置数目

这表示，只有第二编码序列B之一是不完整的，或者

这表示，只有第一编码序列A之一是不完整的。在此，并且是整数的。

第二角度编码现在使得能够在360°的跨度上布置个码元，其中并且是整数的。

为了对在扫描第二角度编码时所获得的字进行解码，现在除了第一和第二值储备之外还需要一个另外的值储备。该另外的值储备被配置用于对第一和/或第二编码序列的循环延续的中断——即接合区域——进行解码，并且现在包含在扫描接合区域时新产生的、即不是第一或第二值储备的组成部分的位模式。

本发明的另外的有利扩展方案在下面被说明。

附图说明

根据附图详细阐述本发明的实施例。

图1以示意图示出具有第一角度编码的第一角度测量装置；

图2示出第一角度测量装置的探测器装置的位模式；

图3示出用于借助于第一角度测量装置来确定位置的流程图和计算规则；

图4示出根据第一角度编码的示例从所读取的位模式（字）中确定位置的图；

图5以示意图示出具有第二角度编码的第二角度测量装置；

图6示出用于借助于第二角度测量装置来确定位置的流程图和计算规则；

图7示出根据第二角度编码的示例从所读取的位模式（字）中确定位置的图。

具体实施方式

在本发明中使用游标原理。为了绝对位置测量使用两个连续的编码序列A、B，这两个编码序列A、B具有不同的长度。在360°测量范围内的每个位置处现在获得由若干连续的编码序列A、B的子位置的组合构成的单义的绝对位置POS。这种编码的优点在于，解码设备3分别只须对相对短的若干连续编码序列A、B及其循环的延续部分进行解码，并且然后可以从所解码的编码序列A、B中通过相对简单的关系确定出在360°的跨度上的单义的位置POS。如果解码借助于表进行，则只需要若干小的表。所需的表录入项比可输出的绝对位置少得多。

在图1中示意性示出根据本发明所构造的第一绝对角度编码1和角度测量装置。该角度编码1被构造为使得其在一整周内、即在360°的跨度上无限地在每个位置处定义单义的绝对位置POS。为此，角度编码1由相继布置的码元A0至A4及B0至B3的序列构成，这些码元分别成相等大小的角度扇形。

位置测量的原理基于不同长度和的两个编码序列A、B的差拍，其中是整数的并且优选是互素的。当与相差1时，得出最大待解码长度。

第一编码序列A以长度的位序列给出，而第二编码序列B通过长度的位序列给出。在此。于是，角度编码1通过交替地布置一位来自编码序列A的位并且然后一位来自编码序列B的位而产生：

。

由于编码序列A和编码序列B的不同长度，导致编码序列A和B之间的差拍。在的情况下，可编码的总长度（即据此重复位模式的长度）通过给出，其中=和的最小共同的倍数。

根据本发明，可以利用具有任意长度差的编码序列来进行角度编码。但是在的情况下，最大可编码长度较小并且评估算法可能成本较高，从而在此只详细阐述与相差1的特别有利的示例。

为了位置测量，角度编码1示例性地被光学扫描，所通过的方式是码元与位置有关地调制光束，使得在扫描设备的探测器装置2的位置处产生与位置有关的光分布，该光分布被探测器装置2转换成电扫描信号。该探测器装置2是行传感器（Zeilensensor），该行传感器具有在测量方向上所布置的探测器元件的序列。这些探测器元件被构造为使得给每个相对位置中的每个码元单义地分配这些探测器元件的至少之一，并且因此从这些码元的每一个中可以获得位0或1。对此在光学扫描原理的情况下，码元是反射的或非反射的，或者不透明的或透明的，其中给反射的码元示例性地分配位值1，而给非反射的码元分配位值0。编码序列A、B内的位的顺序（位模式）针对两个编码序列A、B分别形成码字，其中所述位的数目取决于扫描长度。扫描信号、即码字，被输送给解码设备3，该解码设备3从编码序列A、B之一的每个码字中导出子位置并且从该子位置中然后从中形成绝对位置POS。在相对于角度编码1将探测器装置2移动码元A、B的宽度或长度的情况下，从编码序列A、B的每一个中分别产生新的码字。

为了解码码字，解码设备3具有两个表，表用于编码序列A并且表用于编码序列B。借助于探测器装置2扫描特定数目的码元，以生成码字。两个编码序列A、B的所扫描码元的数目表示扫描长度并且优选是偶数个码元或位。由探测器装置2所生成的位序列（位模式）被分解成两个字和，如在图2中示出的那样。为了解码，在解码设备3的两个表中搜索这两个字和：

以便实现如下分配：

或以及或。

在搜索时存在如下可能性：

在此适用的是：

—是从角度编码1所读取的字

—是编码序列A或B、即表或内的子位置

—解码是从字中确定位置。

在该第一实施例中，两个编码序列A、B分别被在360°内布置以及次，其中和是整数。在每个编码序列A、B处，该编码序列A、B的开始又连接下去，使得在彼此跟随的编码序列A、B的每个交界处，该编码序列A、B循环延续。

在图3中示出的流程图以及要说明的计算规则描述了从位置中计算总体位置POS。如图1示意性示出的那样，计算规则R1、R2在解码设备3中实施，以便借助于从表或中所获得的子位置来确定总体位置POS。

因此，利用在图1中示例性示出的角度编码1得出：

编码序列A的长度：

编码序列A：

编码序列B的长度：

编码序列B：

扫描长度：

用于编码序列A的表：

用于编码序列B的表：

。

这两个表包含总共9个录入项，利用这9个录入项可以单义地解码40个不同的位置，并且更确切地说以对应于码元宽度的角距离在360°的跨度上解码。这种解码的前提条件是，两个编码序列A、B的每一个在360°的跨度上被多次完整地布置，也就是说，在编码序列A、B的末端处该编码序列A、B再次开始并且被完整地布置直到下一编码序列A、B的开始。

在图4中示出根据第一角度编码1的示例来从所读取的位模式（字）中确定位置POS的图。在第二和第三列中示出从根据图2的字中所确定的字和。五个接下来的列示出是否在表或中找到字或的询问。在此，“1”定义找到。用“RV”表示的下一列定义要使用的计算规则R1或R2。在后面的两个列中说明子位置和。下一列包含根据在图3中说明的规则所计算的值“n”。最后一列现在包含根据对应的计算规则R1或R2计算出的位置POS。

如果应进一步分辨通过两个编码序列A、B所确定的位置测量值，则上述角度编码1通过一个或多个另外的轨道用绝对编码或者用增量划分来补充。

有利地还可以是，从绝对角度编码1中附加地导出周期性的增量信号。

附加的增量轨道4的有利布置的示例在图1中示出。在此与编码序列A、B的轨道平行地、即同心地设置增量轨道4。该增量轨道4的划分周期例如是编码序列A、B的码元的宽度的一小部分并且这些码元的边界与增量轨道4的划分周期的边界对齐。因此，在一个码元的角度扇形内布置了整数个、有利地大于1个增量划分周期。通过对增量轨道4的该尺寸确定，可以进一步细分码元的宽度。对此借助于另一未示出的探测器单元来扫描增量划分4，该另一未示出的探测器单元以公知方式产生多个彼此有相移的增量信号。这些增量信号被输送给内插单元，该内插单元对这些增量信号进行进一步细分并且输出码元宽度内的绝对子位置。该从绝对角度编码1中所获得的绝对位置POS和从增量轨道4中所获得的子位置被输送给组合单元，该组合单元从中形成这样的总体位置，即该总体位置在360°的测量范围上是绝对的并且因此是单义的并且具有对应于从增量划分中所确定的内插距离的分辨率。

但是现在对于许多应用来说期望这样的角度编码，即该角度编码在一周上、即在360°内定义个不同的位置。下面，现在根据图5至7描述本发明的第二实施例，其中为了形成角度编码10，在360°内因此有一次不完整地形成至少一个编码序列A、B，以便定义所要求的个不同的位置。角度编码10又通过编码序列A、B的长度和来给出，其中并且和是整数。因此不可能将和选择为使得，其中并且是整数。为了实现此目的，现在从在第一示例中所描述的最大长度为的角度编码1中只接受长度为的范围V。

此外现在给出具有扫描长度的探测器装置20，其中是整数的。对于该系统现在存在两个范围：

第1范围：位置0至：

这是如下范围：其中对于角度编码10来说存在从角度编码1中所接受的范围V并且其中可以借助于第一实施例的计算规则和来计算总体位置POS。

第2范围：位置至：

通过组合所接受的范围V得出新的接合处ST，在该接合处至少编码序列A、B之一或至少编码序列之一（在此为编码序列A）的循环延续被中断。跨过该接合处ST的范围引起利用至少一个附加的值储备来进行分开处理以解码位模式、即分开的表，因为在扫描时所生成的跨过该接合处ST的位模式不存在于表和/或中。

下面根据一个示例来进行进一步阐释：

每周长所需的位的数目：

扫描长度：

。

完整的角度编码1具有长度=个位置并且为了提供所需的角度编码10被切断到或减小到32个位置的长度。在图1和5中用V表示该减小了的范围。

编码序列A或B通过如下给出：

编码序列A：

编码序列B：。

于是，表和通过如下给出：

表：用于编码序列A

表：用于编码序列B

。

现在编码序列A和B在新的接合处ST发生什么？

首先看到，编码序列B恰好在其循环延续处（即在和之间）被切断。如果探测器装置20因此而跨过接合处ST移动，则这不导致关于编码序列B（“B栅（B-Raster）”）和表的任何问题：在位之后又跟随位。因此编码序列B及其循环延续未被中断。

与此相反，编码序列A在接合处ST被中断。在编码序列A的情况下，现在在利用探测器装置20驶过接合处ST时，新的、未存在于表中的位模式出现。在位之后恰好不跟随，而是又是，然后才是。在新表中总结了编码序列A在接合处ST的新位置（“ST”代表接合处；“A”代表编码序列A）。

表：

。

现在可以借助于表以及来确定。附属的计算规则R3和R4在图6中说明。应当注意，该计算规则R3和R4只是示例性地说明的，因为在此也可以使用其它关系。计算规则R1和R2对应于第一实施例（图3）的计算规则R1和R2，其中对于位置31进行特殊处理。

用于确定接合处ST处的位置的另一可能性在于，将相继跟随的位模式以其整体来考虑并且在接合处ST不划分成两个编码序列A和B。对此将接合区域ST的个位模式写入表中，其中该表中的字长度现在是，在该示例中是8。

表：

。

最后为该上面的示例还说明编码和附属的表：

编码序列A：

编码序列B：

角度编码1（长度40位）：

角度编码10（32位的片段V）：

表：对于编码序列A

表：用于编码序列B

表：

。

例如认识到特别有利的是，编码序列长度之一（或）已经是2的幂。在上面的示例中，总长度并且。于是在此的优点是，只须“切断”编码序列A或者B之一（在此即只须“切断”编码序列A）。在其它编码序列（在此为编码序列B）的情况下，所有编码序列及其循环延续完全保留在360°的跨度上的总体中。

对于360°的跨度上的码元的数目有：

这表示，只有编码序列B之一在360°内是不完整的，而所有的编码序列A都被完整录入并且循环延续，或者

这表示，只有编码序列A之一在360°内是不完整的，而所有的编码序列B都被完整录入并且循环延续，其中E是大于0的整数。

在图7中示出根据第二角度编码10的示例来从所读取的位模式（字）中确定位置POS的图。在第二和第三列中示出从根据图2的字中所确定的字和。六个接下来的列示出是否在表、、中找到字或的询问。“1”在此定义找到。下一用“RV”表示的列定义要使用的计算规则R1、R2、R3或R4。在下面的三列中说明子位置、和。下一列包含根据在图6中说明的规则所计算的值“n”。最后一列现在包含根据对应的计算规则R1、R2、R3或R4所计算的位置POS。

解码设备3、30有利地被构造为ASIC，其中所需的表T、即所需的值储备分别在制造ASIC时被固定布线地构造。但是可替换地，表T或值储备也可以保存在固定值存储器、如EPROM中。

在第二角度测量装置的情况下，存储器的混合形式是特别有利的，其中一方面实现对存储器数据、即值储备的快速访问并且另一方面也使得能够快速地适应应用目的。这通过如下方式来实施：一方面用于编码序列A和B及其循环延续的值储备被固定布线地实施并且附加地设置还可根据掩膜制造编程的存储器，其中在该可编程存储器中存入接合处ST的单独所需的值储备、即表或。该可编程存储器是固定值存储器并且例如被构造为EPROM。

如在图5中示意性示出的那样，可以通过增量划分40来补充对应于图1的示例的绝对角度编码。在此，再次在一个码元的角度扇形内布置整数个、有利地大于1个增量划分周期。

本发明在光学扫描原理的情况下可以特别有利地使用，因为具有最多可能不同的在360°（角度编码的一周）跨度上的位置是可复制地制造的并且因此使得能够进行特别高分辨的位置测量。在此，探测器装置2、20和解码设备3、30可以共同安放在光学ASIC中。

但是本发明不限于光学扫描原理，而是也可以在磁的、感应的以及容性的扫描原理的情况下使用。

Claims

1.一种绝对角度测量装置，具有

角度编码（1、10），该角度编码（1、10）具有布置在360°内的多个编码序列（A、B），这些编码序列（A、B）以组合方式单义绝对地对360°进行编码，其中第一编码序列（A）具有第一长度以及被相继跟随地布置次，并且第二编码序列（B）具有第二长度以及被相继跟随地布置次，其中

大于等于2；大于等于2；不等于；

和是整数的；

第一长度不等于第二长度；

并且第一编码序列（A）和第二编码序列（B）被布置在共同的轨道中，所通过的方式是分别交替地布置第一编码序列（A）的一部分和第二编码序列（B）的一部分，以及其中所述多个编码序列的码元分别成相同的角度扇形；

探测器装置（2、20），用于扫描角度编码（1、10）的第一和第二编码序列（A、B）并且用于生成码字（），以及

解码设备（3、30），用于对码字（）进行解码并且用于生成位置值（POS），其中解码设备（3、30）具有用于对码字（）的第一序列进行解码的第一值储备（），该第一序列分别在对第一编码序列（A）及其循环延续进行扫描时产生，并且

解码设备（3、30）具有用于对码字（）的第二序列进行解码的第二值储备（），该第二序列分别在对第二编码序列（B）及其循环延续进行扫描时产生。

2.根据权利要求1所述的绝对角度测量装置，其特征在于，交替地布置第一编码序列（A）的码元和第二编码序列（B）的码元，并且在360°的跨度上布置数目为个码元，其中

=和的共同的最小倍数；

=第一编码序列（A）的长度；

=第二编码序列（B）的长度。

3.根据权利要求2所述的绝对角度测量装置，其特征在于，在360°的跨度上布置数目为个码元，其中

=第一编码序列（A）的长度；

=第二编码序列（B）的长度。

4.一种绝对角度测量装置，具有

大于等于2；大于等于2；不等于；

第一长度不等于第二长度；

第一编码序列（A）被布置次，其中大于2以及是非整数的，使得第一编码序列（A）具有中断（ST），和/或第二编码序列（B）被布置次，其中大于2以及是非整数的，使得第二编码序列具有中断；

解码设备（3、30）具有用于对码字（）的第二序列进行解码的第二值储备（），该第二序列分别在对第二编码序列（B）及其循环延续进行扫描时产生，以及

解码设备（3、30）具有一个另外的值储备，该另外的值储备适于对第一编码序列（A）和/或第二编码序列（B）的中断进行解码。

5.根据权利要求4所述的绝对角度测量装置，其特征在于，在360°的跨度上布置数目，或者

布置数目，

其中E是整数的并且，且=和的共同的最小倍数。

6.根据权利要求4所述的绝对角度测量装置，其特征在于，在360°的跨度上布置个码元，其中并且是整数的。

7.根据权利要求4所述的绝对角度测量装置，其特征在于，所述另外的值储备（、）保存在可编程的固定值存储器中并且第一值储备（）以及第二值储备（）以固定布线的方式存在。

8.根据权利要求4-7之一所述的绝对角度测量装置，其特征在于，与绝对角度编码（1、10）同心地布置至少一个增量轨道（4、40），并且在一个码元内布置整数个增量划分周期。

9.根据权利要求8所述的绝对角度测量装置，其特征在于，与绝对角度编码（1、10）同心地布置一个单个的增量轨道（4、40），并且在一个码元内布置大于1的整数个增量划分周期。