CN102341674B - 位置编码器装置 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于位置编码器的扫描装置(150)，其包括用于产生多个传感器信号(S)的多个传感器元件(16；H)。还提供求和单元(34)，用于产生至少第一求和信号(Sin)和第二求和信号(Cos)，所述求和信号提供关于扫描装置与关联标尺(14；152)的相对对准的信息。所述第一求和信号(Sin)由多个传感器信号(S)的第一子集产生，所述第二求和信号(Cos)由多个传感器信号(S)的第二子集产生。所述多个传感器元件(16；H)相对彼此大致均匀地间隔开，并且关联标尺(14)的每一周期(p)设置N个传感器元件，其中N是整数并且是3和4的倍数。以这种方式，抑制了第三谐波对于求和信号(Sin/Cos)的影响。

Description

位置编码器装置
技术领域
本发明涉及位置编码器装置，特别涉及用于位置编码器的扫描装置，所述位置编码器应用改进的技术以结合来自多个(例如磁性)传感器的传感器信号以便获得增量位置信息。
背景技术
已知多种不同类型的位置编码器。例如，已知光学编码器系统，其中通过光学读取头读取包括浅的和深的线条的标尺。还已知磁性编码器，其中通过包括一个或多个磁性(例如，霍尔)传感器的读取头单元读取标尺的变化的磁特性。
一种已知类型的位置编码器系统包括标尺，其形成为标尺记号的有规律重复的图案。包括多个间隔传感器的读取头被用来测量标尺与读取头之间的相对运动。特别地，结合来自读取头中的多个间隔开的传感器的传感器信号，以便产生正弦和余弦(相位正交)信号，所述信号被内插以便为小于一个周期的重复标尺图案提供读取头位置的精确测量。可以选择地将这种增量位置信息与附加的、较粗略的绝对位置测量值结合起来。
美国专利US4949289描述了一种通过适当地结合来自四个传感器的信号产生正弦和余弦增量信号的方法。同时例如从US4595991已知提供一种编码器装置，其中结合六个传感器的输出以产生正弦和余弦信号，所述信号被内插以提供更高分辨率的位置信息。特别地，US4595991描述了一种技术，其中在结合之前利用预定的傅里叶系数加权六个传感器的输出。这种加权据说减少了更高阶(例如，第三)谐波分量对于最终正弦/余弦信号的影响，从而改善了内插过程的分辨率。然而，US4595991的技术实施起来复杂，并且需要在结合传感器信号之前对它们进行精确的加权。这证明对于电子实施是困难的且昂贵的。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种用于位置编码器的扫描装置包括用于产生多个传感器信号的多个传感器元件；用于产生至少第一求和信号和第二求和信号的求和单元，所述至少第一求和信号和第二求和信号提供关于扫描装置与关联标尺的相对对准的信息；其中所述第一求和信号由多个传感器信号的第一子集产生，第二求和信号由多个传感器信号的第二子集产生，其特征在于，所述多个传感器元件相对彼此大致均匀地间隔开，并且关联标尺的每一周期设置N个传感器元件，其中N是整数并且是3和4的倍数。
因此本发明提供了用于位置编码器的读取头或扫描装置。所述扫描装置包括多个传感器元件，用于产生多个传感器信号。例如，所述扫描装置可以包括多个间隔开的霍尔传感器元件，它们均输出电压传感器信号，所述信号表示被感测的磁场强度。还设置求和单元，用于产生至少第一求和信号和第二求和信号，所述信号包含关于扫描装置与关联标尺的相对对准或相位的信息。
所述求和单元由多个传感器信号的第一子集产生第一求和信号，并且由多个传感器信号的第二(不同)子集产生第二求和信号。特别地，所述求和单元可以通过添加和/或减去相应子集的不同传感器信号而产生每个求和信号。应当理解，传感器信号的子集指的是由多个传感器元件产生的传感器信号集的一些但不是所有的群组。正如下面更详细解释的。第一和第二子集可以包括共同传感器信号，即：第一和第二子集优选不彼此排斥。还可以使得由多个传感器元件产生的一个或多个传感器信号不形成所述第一或第二子集的一部分。
因此本发明使用选定的传感器信号子集来产生求和信号。这减轻了与US4595991中所述类型的已知布置相关的各种缺点。特别地，本发明不需要计算傅里叶加权系数，也不使用集成电路，该集成电路具有实施所需傅里叶加权的多个不同数值的电阻器。事实上，本发明使用求和单元，该求和单元结合传感器信号的选定子集来产生所需的求和信号。因此本发明比US4595991中所述类型的现有技术装置实施起来更简单、更便宜。
如上所述，所述扫描单元的多个传感器元件相对彼此大致均匀地间隔开，并且关联标尺的每一周期设置N个均匀间隔的传感器元件，其中N是整数并且是3和4的倍数。提供传感器元件的这种布置使得能选择传感器信号的子集，所述子集基本不受上述第三谐波变量的影响。这比US4949289中所述类型的增量方案更有优势，在US4949289中描述了使用更少的传感器(例如四个或五个)，从而导致第三谐波对于所产生的增量信号有影响。
在大多数实际编码器系统中，根据本发明的第三谐波的抑制提供了充分的测量精度。然而，还可以抑制第五谐波。这可以通过关联标尺的每一周期提供N个传感器元件来实现，其中N是4、3和5的倍数。
有利地，随着扫描装置相对于关联标尺移动，所述第一求和信号和第二求和信号周期地变化。如下所述，这种标尺可以包括标尺记号的周期性重复图案。优选地，所述第一求和信号包括正弦信号，第二求和信号包括余弦信号。换言之，随着所述装置的求和单元相对于关联标尺移动，所述求和单元优选产生一对正弦/余弦(正交相位)信号。可以以已知方式内插这种正弦/余弦信号以便提供扫描装置和关联标尺的相对对准或相位的测量。
所述多个传感器信号的第一子集优选与所述多个传感器信号的第二子集不同但重叠。换言之，从由多个传感器元件产生的传感器信号的集合中，优选使用传感器信号的至少两个重叠子集来产生至少两个求和信号。下面更详细地介绍关于传感器信号的合适子集的选择。
对于磁性编码器，由扫描装置读取的关联磁性标尺可以包括一系列周期性重复的磁性特征。例如，有源磁性标尺可以包括一系列规律重复的北极和南极。这种有源磁性标尺的磁场轮廓通常正弦地改变。除了磁场强度的第一谐波变化之外，更高阶的谐波将对由多个磁性传感器元件感测的磁场有影响。可以通过使用每一标尺周期具有偶数个数目传感器元件的扫描装置来容易地实现对偶数阶谐波的抑制。为了抑制来自求和信号的第三谐波的影响而不必应用傅里叶系数对传感器信号加权，关联标尺每一周期所提供的传感器元件的数目是3和4的倍数。
有利地，扫描装置包括至少12个传感器元件。便利地，所述扫描装置包括至少60个传感器元件。如果扫描装置被布置成读取线性标尺，则传感器元件可以被布置成覆盖标尺的多于一个周期，如下所述。可以有利地提供至少15个传感器元件。
有利地，所述多个传感器的第一子集被选择成使得当通过求和单元将传感器信号累加在一起时，第三谐波分量对第一求和信号的影响大致为零。便利地，所述多个传感器的第二子集被选择成使得当通过求和单元将传感器信号累加在一起时，(例如关联标尺的变化磁场的)第三谐波分量对于第二求和信号的影响大致为零。换言之，对累加在一起以形成第一和第二求和信号的传感器信号的适当选择能被用来抑制或大致减少任何第三谐波对那些求和信号的影响，而不管标尺和扫描装置的相对位置。已经发现，当如上所述关联标尺每一周期所提供的传感器元件的数目是3和4的倍数时，这更容易实现。还应当注意，求和传感器信号指的是传感器信号的添加和/或减去。也可以使用类似的选择过程来抑制第五谐波的影响，尽管如上所述通常需要标尺的每一周期有更多的传感器元件。下面将更详细地描述不同的合适的结合方案。
有利地，利用整数加权，通过累加传感器信号的第一子集，求和单元产生第一求和信号。类似地，利用整数加权，通过累加传感器信号的第二子集，求和单元产生第二求和信号。换言之，第一和/或第二子集的每一个的传感器信号优选在通过求和单元结合之前仅仅利用整数数值加权(例如，1或2)。有利地，所述整数数值是1。换言之，优选在传感器信号通过求和单元进行累加以形成第一和第二求和信号时对传感器信号进行相同的加权(例如，+1或-1)。
所述扫描装置被构造成读取线性标尺。所述线性标尺或标尺轨道可以包括一系列周期性重复的标尺记号，诸如磁性标尺记号，具有周期p。在这个例子中，所述扫描装置优选包括线性阵列的间隔开的传感器元件。有利地，所述传感器元件彼此均匀地间隔开。为了允许从标尺明确地读取正弦和余弦信息，有利地提供充足的传感器元件以便同时读取标尺轨道的多于一个周期。有利地，所述多个传感器元件被布置成覆盖关联标尺的至少1.25、2.5或者3.25个周期。
扫描装置可以构造成作为旋转编码器的一部分而操作。在这种旋转编码器中，旋转标尺可以包括旋转致动器，诸如磁偶极子。在这个例子中，扫描装置优选包括多个传感器元件，它们与旋转轴线大致等距地间隔开并且彼此分离大致相等的角度。这种旋转标尺的周期因此是360度，围绕旋转轴线以相等的角间隔提供N个传感器元件(N是3和4的倍数)。以这种方式，可以确定旋转标尺相对于扫描装置的绝对角度方位。
有利地，扫描装置是磁性扫描装置。换言之，扫描装置优选包括多个磁性传感器元件形式的传感器元件。这种磁性传感器元件可以是磁致电阻磁性元件或霍尔传感器。磁性传感器元件可以用来感测关联磁性标尺的磁场的变化。
本发明的磁性扫描装置可以与所谓的有源磁性标尺一起使用，在所述有源磁性标尺中，一系列磁极(北极/南极)提供所需的标尺记号。优选地，所述磁性扫描装置适于与所谓的无源磁性标尺一起使用，在所述无源磁性标尺中，通过标尺导磁率的局部区别而提供标尺记号。扫描装置优选包括一个或多个磁体。所述一个或多个磁体包括永磁体(例如稀土金属)和/或电磁体。有利地，所述多个传感器元件位于磁体的磁场中。例如，所述多个传感器元件可以毗邻多个磁性传感器元件设置。优选地，关联的无源磁性标尺可以毗邻多个传感器元件设置并且也位于由磁体所产生的磁场中。以这种方式，标尺的磁导率的变化改变由所述多个传感器元件所检测的磁场强度。无源磁性标尺具有以下优势：它们不像有源磁性标尺，它们在使用中不会变得去磁。无源磁性标尺因此通常更适于用在恶劣的环境中。
如上所述，第一求和信号和第二求和信号可以是周期地改变的例如正弦/余弦信号。所述扫描装置便利地包括内插单元，用于插入第一求和信号和第二求和信号以便提供内插的位置输出。可以根据需要设置由内插单元应用的内插因子。
如上所述，可以使用第一和第二求和信号来提供增量或相对位置信息。例如，第一和第二求和信号的内插可以提供扫描装置相对于周期性变化的标尺图案的相对对准或相位。这种信息本身不提供对于线性编码器系统的绝对位置的测量。扫描装置因此便利地还包括绝对标尺读取器，其用于从关联标尺的绝对标尺轨道读取数据位以便提供绝对位置信息。例如，关联的标尺可以包括毗邻绝对标尺轨道的周期性变化的(增量)轨道。所述绝对标尺轨道可以包括一系列代码字，它们唯一地限定绝对位置。所述扫描装置有利地进一步包括位置计算单元，用于结合内插的位置输出与绝对位置信息以便提供增强分辨率的绝对位置信息。换言之，从第一和第二求和信号提供的高分辨率的信息可以与由绝对位置标尺读取器提供的通常较粗略的信息相结合。以这种方式，可以产生更精细分辨率的绝对位置信息。
有利地，求和单元和/或多个传感器元件被设置在共同基片上。例如，单硅晶片可以提供实施求和单元所必需的多个霍尔传感器和电路。所述扫描装置还可以结合在壳体或类似物上以便提供可以附接至机床部件的读取头。
还可以根据本发明设置位置编码器装置，其包括上述类型的扫描装置以及标尺。根据需要还可以提供合适的壳体或外罩。
根据第二方面，本发明提供了一种用于测量位置的方法，所述方法包括以下步骤：(i)从多个传感器元件接收多个传感器信号，以及(ii)从多个传感器信号的第一子集产生第一求和信号，并且从多个传感器信号的第二子集产生第二求和信号，其特征在于，所述多个传感器元件大致均匀地彼此间隔开，并且关联标尺的每一周期提供N个传感器元件，其中N是整数并且是3和4的倍数。
根据本发明的另一方面，提供了用于位置编码器的扫描装置，其包括：用于产生多个传感器信号的多个传感器元件；求和单元，用于产生至少第一求和信号和第二求和信号，所述求和信号提供关于扫描装置与关联标尺的相对对准的信息；其中通过所述多个传感器信号的第一子集产生第一求和信号，并且通过所述多个传感器信号的第二子集产生第二求和信号，其中所述多个传感器信号的第一子集被选择成使得当通过求和单元将传感器信号累加在一起时，第三谐波分量对于第一求和信号的影响大致为零。优选地，多个传感器信号的第二子集被选择成使得当通过求和单元将传感器信号累加在一起时，第三谐波分量对于第二求和信号的影响大致为零。
在这里还描述了一种用于位置编码器的的扫描装置，其包括：用于产生多个传感器信号的多个传感器元件；求和单元，用于产生至少第一求和信号和第二求和信号，所述求和信号提供关于扫描装置与关联标尺的相对对准的信息；其中通过所述多个传感器信号的第一子集产生所述第一求和信号，并且通过所述多个传感器信号的第二子集产生第二求和信号。所述扫描装置还包括上述特征的任何一个或多个。
附图说明
现在将仅仅借助例子并参照附图描述本发明，其中：
图1显示了本发明的磁性位置测量装置；
图2更详细地显示了图1中装置的传感器阵列和磁性标尺；
图3显示了图1和图2所示装置的高程度方框图；
图4显示了根据本发明的用于结合15个传感器信号的方案；
图5显示了用于实施图4中求和方案的电子电路；
图6显示了根据本发明的用于结合传感器信号的另外的方案；
图7显示了本发明的旋转编码器装置；
图8是图7的编码器的另外的视图；
图9概括了与图7和8所示旋转编码器一起使用的求和方案；
图10显示了用于实施图9概括的求和方案的电子电路；
图11显示了图9中的求和方案如何减少第三谐波；
图12显示了用于旋转编码器的另一求和方案；
图13显示了图12中的求和方案如何减少第三谐波；
图14显示了图12中的求和方案如何减少第五谐波；
图15显示了可以沿着具有绝对和增量标尺轨道的线性标尺移动的读取头；
图16是图15的读取头和标尺的横截面视图；
图17显示了使用图16的读取头来产生增量和绝对位置数据；
图18显示了四个另外的求和方案；
图19A-19D显示了应用微分求和方案产生的正弦信号；
图20A-20D显示了应用本发明的求和方案产生的正弦信号；以及
图21A-21D显示了应用本发明的另外的求和方案产生的正弦信号。
具体实施方式
参照图1，提供了本发明的磁性位置测量装置的横截面视图。所述装置包括读取头，所述读取头包括壳体2，所述壳体2通过螺钉连接件6紧固至加工机床的第一部分4。包括15个间隔开的磁性传感器元件的传感器阵列8位于所述壳体2内。传感器阵列的每个磁性传感器提供输出或传感器信号，通过处理电子件10分析所述传感器信号。加工机床的第二部分12可以相对于机床的第一部分4移动并且承载磁性标尺14，所述磁性标尺14包括周期性磁化的橡胶磁体。
位于传感器阵列8与磁性标尺14之间的间隔(通常称为骑跨高度)优选做得尽可能的小以便最大化传感器阵列8中的磁场。还优选最小化当加工机床的第一和第二部分相对于彼此移动时骑跨高度的变化。
参照图2，提供了上述参照图1所述的磁性传感器阵列8与磁性标尺14的示意性视图。传感器阵列8包括15个等距分布的磁性传感器元件16。磁性标尺14具有周期或间距(pitch)p，磁性传感器元件16彼此间隔磁性标尺14的斜度p的因此可见，传感器阵列8的磁性传感器元件16覆盖磁性标尺14的周期。
图2还示出了磁通量密度18的正交分量；这可以看成具有沿着磁性标尺14的(周期p的)正弦变化。为传感器阵列8提供15个磁性传感器元件使得可以在磁性标尺的周期上测量磁通量密度。这允许可以从磁性传感器信号的两个子集产生余弦和正弦信号(即具有90度相位差或周期p的的信号)，如下将要详述。
参照图3，显示了参照图1和2描述的磁性位置测量装置的高程度方块图。产生于磁性标尺14的磁通量密度B的变化由传感器阵列8的15个磁性传感器元件16感测。所述传感器阵列8因此可以被看成扫描单元30的一部分，其产生15个磁性传感器信号S1-S15；即，通过传感器阵列8的每个磁性传感器元件16产生磁性传感器信号。然后将所述磁性传感器信号S1-S15传送给求和单元34。所述求和单元34应用下面参照图4所述的求和方案分别由磁性传感器信号的第一和第二子集产生正弦和余弦信号。诸如已知类型的内插器等评估单元36被用来产生一信号，该信号表示加工机床的第一和第二部分的相对位置的改变。来自评估单元36的信号按照需要被传送给控制器或显示单元38。
图4显示了如何根据本发明结合15个磁性传感器信号(S1-S15)的第一和第二子集以便产生上述所需的正弦和余弦信号。特别地，图4是被结合以分别提供正弦和余弦信号的传感器信号的两个子集的列表。在图4中，“+”表示将各自的传感器信号添加至其它传感器信号以形成正弦或余弦信号，“-”表示从其它传感器信号减去相应的传感器信号以形成最终正弦或余弦信号，“未使用”表示在产生最终正弦或余弦信号中没有使用特定的传感器信号。应当注意，余弦信号的产生方式与正弦信号相同，但是传感器相对于用来产生正弦信号的传感器偏移标尺周期的还应当注意，磁性传感器信号S3和S13实际上没有使用，因此不需要首先物理地产生。
参照图5，显示了适于用来实施图4所概括的求和方案的电子电路。图5所示的15个磁性传感器元件H1-H15相应于上面参照图2所描述的15个等距分布的磁性传感器元件。磁性传感器元件H1-H15分别产生被施加至放大器V1-V15的输入的模拟传感器信号S1-S15。本例子中的放大器V1-V15的每一个具有相同的倍率。放大器V1-V15的选择输出借助电阻器R施加至两个操作放大器A1和A2的倒相输入及非倒相输入。经由另外的电阻器R’将操作放大器A1和A2的输出反馈给它们的倒相输入，同时非倒相输入经由相应的电阻器R”连接至地面。
根据图4所概括的方案选择施加至操作放大器A1和A2的输入上的传感器信号。特别地，结合放大的模拟传感器信号S1、S2、S11和S12并经由相应的电阻器R施加至操作放大器A1的非倒相输入上。所述放大的模拟传感器信号S5、S6、S7和S8被结合并且经由电阻器R施加至操作放大器A1的倒相输入。来自操作放大器A1的输出Ua是正弦信号。所述放大的模拟传感器信号S4、S5、S14和S15被结合并且经由电阻器R施加至操作放大器A2的非倒相输入。所述放大的模拟传感器信号S8、S9、S10和S11被结合并且经由电阻器R施加至操作放大器A2的倒相输入。来自操作放大器A2的输出是Ub，其代表余弦信号。然后将正弦和余弦信号传输至已知类型的内插器。
通过这种内插器内插的结果依赖于许多因素，例如，正弦信号和余弦信号的幅度、偏移、相位和谐波扭曲。通常称作细分误差(SDE)的内插精度的测量是用内插产生的位置与周期内实际位置之间的差别并且通常每个周期p都重复。
已经发现，图4所概括的求和方案可以选择地应用参照图5所述的电路实施，其减少或大致消除了第三谐波扭曲对正弦和余弦信号的影响。当信号被内插以产生位置信息时，正弦/余弦信号质量的这种改进可以极大地改善所获得的内插精度的测量(即，SDE)。
应当注意，之前已经在US4595991中描述了减小第三谐波扭曲的影响，但是在先技术是复杂的，并且需要计算傅里叶系数，所述傅里叶系数被用来在六个传感器信号被结合以提供必须的正弦/余弦信号之前对这些信号进行加权。本发明通过对传感器信号的均匀加权的子集进行加和减而提供了一种产生正弦/余弦信号的简单的方法。均匀加权的传感器信号的结合还具有以下优势：用在电子电路中的不同电阻器R均具有相同的电阻值，从而降低了电路制造的费用以及复杂性。
上述方案允许完全消除或者至少充分地减少第三谐波对于正弦和余弦信号的影响。另外，已经发现，这种方案还减少了一些更高阶谐波的影响。例如，以上方案将还减小第五和第七谐波的幅度大约73％。在大多数实际情况中，参照图1-5描述的方案充分地改进了正弦/余弦信号的质量，以致当它们被内插时，能获得充分精确的位置信息。然而，可能有一些情况还需要完全去除第15谐波。
参照图6，示出了用于产生正弦和余弦信号的传感器信号结合方案，在所述正弦和余弦信号中，显著减少或消除了第13和第15谐波。所述方案每一磁性标尺周期p需要60个均匀间隔开的磁性传感器元件，并且需要充足的磁性传感器以覆盖磁性标尺的周期，从而允许产生正弦和余弦信号。因此需要总共75个磁性传感器元件。图6的结合方案因此包括传感器信号的两个重叠的子集，用于分别产生正弦和余弦信号。
参照图1-6所述的例子与所谓的线性编码器相关，其中读取头沿着磁性标尺的长度移动。然而，本发明同样适用于所谓的旋转编码器。
参照图7，显示了本发明的旋转编码器装置。所述旋转编码器包括读取头，所述读取头包括壳体70，所述壳体能被紧固至加工机床(未示出)的底座。包括12个磁性传感器的传感器阵列72与处理电子件74一起位于壳体70内，所述电子件74用于分析由传感器阵列72的磁性传感器所产生的传感器信号。磁性致动器76设置成毗邻读取头壳体70。磁性致动器76可以包括圆柱形或圆锥形径向极化的磁体。在使用时，所述磁性致动器76被紧固至机床的旋转轴线78并且布置成与其一起旋转。
参照图8，显示了与旋转轴线78一起的图7的旋转编码器的示意性视图。特别地，图8显示了传感器阵列72的12个磁性(霍尔)传感器元件H1-H12相对于磁性致动器76的布置。由磁性致动器76产生的磁通量密度在旋转轴线78上具有正弦分布并且由传感器阵列72的磁性传感器元件H1-H12感测。12个磁性传感器元件H1-H12相对于旋转轴线78均间隔大致相等的距离并且彼此角分离30°。
参照图9，显示了用于由传感器信号S1-S12产生正弦和余弦信号的求和方案，传感器信号S1-S12通过以上参照图8描述的磁性传感器元件H1-H12产生。可见，由传感器信号的结合产生余弦信号，上述结合相对于产生正弦信号的结合偏移90度。还应当注意，用于旋转编码器的图9所示方案类似于图4所示用于线性系统的方案。如上所述，设置在线性编码器实施例中的三个附加的磁性传感器元件H13-H15使得能够从线性标尺产生正弦和余弦信号，所述线性标尺具有磁场变化的多个重复周期。在旋转编码器中，仅仅需要12个磁性传感器元件H1-H12，原因是仅仅测量来自单个可旋转磁体的磁场。
参照图10，显示了电路，其适于实施图9所示的求和方案。磁性传感器元件H1-H12分别产生应用于放大器V1-V12的输入的模拟传感器信号S1-S12。本例子的每个放大器V1-V12具有相同的倍率。借助电阻器R将放大器V1-V12的选择输出应用于两个操作放大器A1和A2的倒相及非倒相输入。借助另外的电阻器R’将操作放大器A1和A2的输出反馈至它们的倒相输入，同时非倒相输入借助相应的电阻器R”连接至地面。
根据图9所概括的方案选择施加于操作放大器A1和A2的输入的传感器信号。特别地，放大的模拟传感器信号S1、S2、S11和S12被结合并且经由相应的电阻器R施加至操作放大器A1的非倒相输入。放大的模拟传感器信号S5、S6、S7和S8被结合并且借助相应的电阻器R施加至操作放大器A1的倒相输入。来自操作放大器A1的输出Ua是正弦信号。放大的模拟传感器信号S2、S3、S4和S5被结合并且经由相应的电阻器R施加至操作放大器A2的非倒相输入。放大的模拟传感器信号S8、S9、S10和S11被结合并且借助相应的电阻器R施加至操作放大器A2的倒相输入。来自操作放大器A2的输出是Ub，其代表余弦信号。然后可以将正弦和余弦信号传送给已知类型的内插器。
参照图11，显示了图9的求和方案如何具有抑制第三谐波的效果。特别地，图11显示了12个磁性传感器元件H1-H12如何检测正弦变化的具有周期p的磁场110。该周期p相应于第一谐波对于磁场轮廓影响的周期。第三谐波影响112通过定义具有的周期为周期p的三分之一。图9概括的用于产生余弦信号的传感器方案被显示在图11中。产生用来产生余弦信号的传感器信号的传感器元件(即，元件H2-H5以及H8-H11)以实心圆显示在图11中，而不用来产生余弦信号的传感器元件被显示为空心圆。在结合来自元件H2-H5以及H8-H11的信号时所使用的信号也被设置成毗邻相应的传感器元件。
以所示方式结合传感器信号具有以下效果，即：不管磁场轮廓的相位或相对位置，第三谐波信号112对余弦信号的影响总是大致为零。所有的偶数谐波以及是3的倍数的奇数谐波(例如，第9谐波，第15谐波等等)也大致被抑制了。第五和第七谐波对余弦信号的影响也充分地减小了(例如减小了大于70％)。对于正弦信号也提供了类似改进，所述正弦信号是通过结合传感器信号的子集产生的，这些传感器信号相对于提供余弦信号的那些传感器信号偏移了90度。
接上，可见，优选磁场变化的每一周期p设置不少于12的等距间隔开的磁性传感器元件。这是因为大致消除第三谐波影响(同时仍然能够测量第一谐波)所需的均匀间隔的传感器元件的数目优选是4和3的倍数。
参照图7-11描述的旋转编码器允许完全消除或者至少充分减少第三谐波对正弦和余弦信号的影响。然而，如上所述，对于相应的线性编码器，存在还需要移除第15谐波的特定情况。
参照图12，显示了用于在旋转编码器中产生正弦和余弦信号的传感器信号结合方案，其中显著地减小或消除了第三和第五谐波。所述方案使用60个磁性传感器元件，所述传感器元件围绕磁性致动器的中心旋转轴线均匀分布。图12的结合方案包括分别用于产生正弦和余弦信号的传感器信号的两个重叠的子集。现在将参照图13和14解释应用该方案的第三和第五谐波的抑制。
图13为清楚起见仅显示了磁性传感器元件的一半，所述传感器元件被用来实施图12所概括的方案。特别地，传感器元件H1-H13在图13中显示为圆。实心圆代表用来产生余弦信号的传感器，而空心圆表示不用于此目的的传感器。因为仅仅显示传感器元件H1-H30，所以图13中的所有传感器元件提供了被加在一起以形成余弦信号的信号；即，它们具有正号(+)。应当注意，求和方案的另一半(即应用传感器元件H31-H60)是相对的，并且与显示的一半对称，并且从其它传感器信号中减去那些选择的传感器信号；即，它们具有负号(-)。
同样如图13所示，其示出了第一谐波132的一半在磁场强度中的变化。也示出了第三谐波134的周期对于磁场的影响。可见，应用传感器元件的选择子集，第三谐波对于结合信号的净影响将总是为零，原因是第三谐波的整个周期被同时感测。
接着参照图14，示出了移除第五谐波对信号的影响。特别地，传感器元件H1-H30在图4中显示为圆，其具有代表用来提供余弦信号的传感器的实心圆。也显示了第一谐波132和第五谐波140对结合信号的影响。第五谐波信号140被细分成三部分A、B和C。部分C超过第五谐波的一个周期，因此平均影响是零。部分B为相反的符号，并且第五谐波的平均影响是零。类似地，部分A为相反符号，因此第五谐波对结合信号的净影响同样是零。
因此正如参照图13和14所解释的，图12所概括的结合方案可以被看作大致消除了来自结合传感器信号的第三和第五谐波的影响。特别地，第三、第五、第九和第15谐波的幅度被大致消除了。第7、第11、第13和第17的幅度(相对于第一谐波而言)也被分别减小至大约12％、23％、24％和20％。应当注意，每一磁场变化周期应用至少420个(即，4×3×5×7)间隔开的传感器元件，可以大致消除第三、第五和第七谐波。然而，在这种系统中，大量的附加磁性传感器元件在成本上是禁止的，因为将获得测量精度的相对小的改进。
如上参照图1-12概述的实施例应用了所谓的有源磁性标尺，所述标尺由磁化(N-S)材料区域形成。然而，本发明还可以应用于编码器系统，所述编码器系统应用所谓的无源磁性标尺。而且，上述线性编码器系统仅仅提供了相对或增量位置信息。换言之，可以分析所述正弦/余弦信号(例如，内插)以便高精度地确定标尺与读取头之间的位置的任何相对改变。正如以下将要描述的，根据本发明确定的这种高分辨率的增量位置信息可以与绝对位置的(例如较粗略的)测量相结合。
参照图15，示出了读取头150，其可以沿着标尺152的长度移动。标尺152由磁性材料(例如钢)形成并且包括与绝对标尺轨道156平行的增量标尺轨道154。所述增量标尺轨道154包括一系列周期性重复的标尺记号，诸如凹槽或凸起。绝对标尺轨道156包括一系列代码化标尺记号，这也可以由凹槽或凸起提供。所述绝对标尺轨道156的标尺记号以已知方式对一系列代码字进行编码，所述代码字限定沿着标尺152的绝对位置。
参照图16，提供了穿过读取头150和标尺152的横截面的示意图。读取头150包括集成电路部分160，所述集成电路部分160承载多个霍尔传感器元件(在图16中未显示)和永磁体162。集成电路部分160位于永磁体162与标尺152之间。集成电路部分160的霍尔传感器元件被用来检测由磁体162产生的磁场的变化，所述变化是由于标尺152的标尺记号产生的。换言之，由标尺记号(例如，凹槽/凸起)提供的标尺轨道152的导磁性的改变通过集成电路部分160的霍尔传感器元件感测。
参照图17，显示了使用读取头150来读取标尺152。特别地，图17显示了集成电路部分160的霍尔传感器元件。所述集成电路部分160包括用于读取增量标尺轨道154的霍尔传感器元件的第一子集170以及用于读取绝对标尺轨道156的霍尔传感器元件的第二子集172。
霍尔传感器元件的第一子集170均匀地间隔开并且所述传感器元件的输出被结合，使得当读取头150沿着标尺152通过时产生正弦和余弦(正交相位)信号174。应用已知技术内插这些正弦和余弦信号174以便提供相对位置的精细增量测量。下面将更详细地描述霍尔传感器元件的第一子集170的布置以及它们产生的信号被结合的方式。
霍尔传感器元件的第二子集172平行地读取在绝对标尺轨道156中编码的一系列数据位并产生信号176。数据位“1”通过标尺记号(例如，凹槽/凸起)的序列和标尺记号的缺少而编码，位“0”由两次缺少标尺记号的序列表示。应当注意，利用第二组172的多个霍尔传感器元件读取来自绝对标尺轨道156的每个信息位，但是同时仅仅使用来自这种霍尔传感器元件的一个选定对的数据。以这种方式，可以更可靠地读取来自绝对标尺轨道156的代码信息。本领域的普通技术人员将意识到各种其它方法，通过这些方法可以将绝对位置数据编码到绝对标尺轨道中以及从其中读取。
由霍尔传感器元件的第二组172确定的粗略的绝对位置信息与由霍尔传感器元件的第一组170确定的精细增量位置信息相结合以提供更精细分辨率的绝对位置信息178。通过这种方式，可以通过由增量测量获得的更精细(子位长度)分辨率来改善由绝对位置测量所提供的粗略分辨率。
虽然图17显示了单个集成电路部分160提供霍尔传感器元件的第一和第二子集，但是这种传感器组可以形成在单独的基片上。用于分析来自霍尔传感器元件的第一和第二组的信号的处理电路也可以设置在集成电路部分160上，或者可以提供单独的处理电子件以执行一些或者全部信号分析。
参照图18，显示了四个方案，可以利用这些方案来结合来自霍尔传感器元件第一组170的信号，从而产生图17的正弦/余弦信号174。所述方案假设增量标尺轨道154的每个周期提供12个霍尔传感器元件。
图18所概括的方案A是基于已知方案(现有技术)，其被用来结合来自39个霍尔传感器的传感器信号，所述传感器读取增量标尺轨道的3.25个周期。在这种结合方案中，由读取标尺的三个周期的霍尔传感器元件产生正弦信号。特别地，依次彼此增加或减去来自六个相邻传感器元件块的传感器信号。余弦信号应用相同的结合图案，但是偏移标尺周期的四分之一。
图18所概括的方案B是基于以上参照图4和图9-11所描述的方案的结合方案，但是延伸至使用来自布置在增量标尺轨道154的3.25个周期上的霍尔传感器元件的信号。
方案C1类似于方案B，但是使用在标尺的2.5个周期上分布的30个磁性传感器元件。方案C2是方案C1的变型并且应用在标尺的周期上分布的18个磁性传感器元件。虽然方案C2使用比方案C1更少的磁性传感器元件，但是已经发现，可以通过对来自这些磁性传感器元件的一些的信号进行两次加权而获得大致类似的性能。在图18中通过“x2”表示方案C2的两次加权的传感器信号。
下面将通过显示由上述结合方案的一些产生的最终正弦信号，参照图19-21显示本发明的优点。另外，已经计算了对于最终波形的每一个的所谓的细分误差(SDE)。所述细分误差实际上是对与任何位置测量有关的误差的测量，所述位置测量通过内插取自相关波形。在下面所概括的例子中，假设标尺间距或周期是4mm。
参照图19A-19D，显示了波形，所述波形通过标尺每个周期有效地利用四个传感器元件差别读取标尺而产生。这种方案类似于图18所示方案A。
图19A显示了正弦信号，其通过与标尺间隔0.3mm并且0度斜度的读取头产生。17μm的细分误差与这样的信号相关。
图19B显示了利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开0.3mm并且斜度为2度。38.5μm的细分误差与这样的信号相关。
图19C显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开1.0mm并且斜度为0度。2μm的细分误差与这样的信号相关。
图19D显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开1.0mm并且斜度为2度。35μm的细分误差与这样的信号相关。
参照图20A-20D，显示了当应用以上述参照图4所示方式布置的15个磁性传感器元件读取标尺时所产生的波形。
图20A显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开0.3mm并且斜度为0度。2.6μm的细分误差与这样的信号相关。
图20B显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开0.3mm并且斜度为2度。37μm的细分误差与这样的信号相关。
图20C显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开1.0mm并且斜度为0度。0.03μm的细分误差与这样的信号相关。
图20D显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开1.0mm并且斜度为2度。35μm的细分误差与这样的信号相关。
参照图21A-21D，显示了当应用根据图18的方案C2布置的18个磁性传感器元件读取标尺时所产生的波形。
图21A显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开0.3mm并且斜度为0度。2.6μm的细分误差与这样的信号相关。
图21B显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开0.3mm并且斜度为2度。8.2μm的细分误差与这样的信号相关。
图21C显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开1.0mm并且斜度为0度。0.03μm的细分误差与这样的信号相关。
图21D显示利用读取头产生的正弦信号，所述读取头与标尺间隔开1.0mm并且斜度为2度。1.3μm的细分误差与这样的信号相关。
从图20A-20D可以看出，参照图4描述的结合方案与图19A-19D所示类型的差别方案相比减小了细分误差。特别地，如果读取头相对于标尺的斜度减小，则这种方案提供了显著的改进。图21A-21D显示了如何应用图18的结合方案C2减小斜度变化的影响。
应当注意，虽然上述例子是磁性的，但是本发明可以应用于其它类型的编码器，例如，光学编码器、电容编码器等等。

Claims (19)

1.一种用于位置编码器的扫描装置，包括：
用于产生多个传感器信号的多个传感器元件；
用于产生至少第一求和信号和第二求和信号的求和单元，所述求和信号提供关于所述扫描装置与关联标尺的相对对准的信息；
其中由所述多个传感器信号的第一子集产生所述第一求和信号，并且由所述多个传感器信号的第二子集产生第二求和信号；
其特征在于，所述多个传感器元件相对彼此大致均匀地间隔开，并且关联标尺的每一周期设置N个传感器元件，其中N是整数并且是3和4的倍数。
2.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，当所述扫描装置相对于关联标尺移动时，所述第一求和信号和所述第二求和信号周期地改变。
3.根据权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，所述第一求和信号包括正弦信号，所述第二求和信号包括余弦信号。
4.根据前面任何一项权利要求所述的扫描装置，其特征在于，所述多个传感器信号的第一子集与所述多个传感器信号的第二子集不同但是重叠。
5.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，包括至少12个传感器元件。
6.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述多个传感器信号的第一子集被选择成使得当所述传感器信号由求和单元累加在一起时，所述第三谐波分量对所述第一求和信号的影响大致是零。
7.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述第一和/或第二子集的每一个的传感器信号在通过所述求和单元结合之前优选仅被加权整数数值。
8.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描装置用于读取线性标尺，所述线性标尺包括一系列周期性重复的标尺记号，其中所述扫描装置包括间隔开的传感器元件的线性阵列。
9.根据权利要求8所述的扫描装置，其特征在于，所述多个传感器元件被布置成覆盖关联线性标尺的多于1个的周期。
10.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描装置用于读取旋转标尺，所述扫描装置包括多个相对于旋转轴线大致等距间隔开的传感器元件，并且所述多个传感器元件彼此分离大致相等的角度。
11.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述多个传感器元件包括多个磁性传感器元件。
12.根据权利要求11所述的扫描装置，其特征在于，包括一磁体，其中所述多个传感器元件位于所述磁体的磁场中。
13.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，包括一内插单元，用于内插所述第一求和信号和所述第二求和信号，以提供内插的位置输出。
14.根据权利要求13所述的扫描装置，其特征在于，进一步包括绝对位置标尺读取器，用于从关联标尺的绝对标尺轨道读取数据位以提供绝对位置信息，所述扫描装置进一步包括位置计算单元，用于结合所述内插的位置输出和所述绝对位置信息以提供增强分辨率的绝对位置信息。
15.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述求和单元和所述多个传感器元件的其中至少之一被设置在公共基片上。
16.一种位置编码器装置，包括根据前面任何一项权利要求所述的扫描装置以及标尺。
17.一种用于测量位置的方法，包括以下步骤：(i)从多个传感器元件接收多个传感器信号，以及(ii)从所述多个传感器信号的第一子集产生第一求和信号，以及从所述多个传感器信号的第二子集产生第二求和信号，其特征在于，所述多个传感器元件相对于彼此大致均匀地间隔开，并且关联标尺的每一周期设置N个传感器元件，其中N是整数并且是3和4的倍数。
18.一种用于位置编码器的扫描装置，包括：
用于产生多个传感器信号的多个传感器元件；
用于产生至少第一求和信号和第二求和信号的求和单元，所述求和信号提供关于所述扫描装置与关联标尺的相对对准的信息；
其中由所述多个传感器信号的第一子集产生所述第一求和信号，并且由所述多个传感器信号的第二子集产生第二求和信号；
其特征在于，所述多个传感器信号的第一子集被选择成使得当所述传感器信号通过求和单元累加在一起时，第三谐波分量对所述第一求和信号的影响大致是零。
19.根据权利要求18所述的扫描装置，其特征在于，所述多个传感器信号的第二子集被选择成使得当所述传感器信号通过求和单元累加在一起时，第三谐波分量对所述第二求和信号的影响大致是零。
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