CN102538837B - 用于估值偏心值的旋转编码器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于估值偏心值的旋转编码器和方法。角度检测装置包括：被旋转轴支承的格栅盘；以及沿所述格栅盘的周向等间距地排列成邻近所述格栅盘的前表面的三个或更多个检测器。通过各检测器检测从预定的初始位置旋转了基准角度的格栅盘的旋转角度。从所述旋转角度与所述基准角度之间的差值测量各所述检测器处的角度误差。通过相对于所述旋转中心使各所述检测器的方向矢量旋转90°来获得切向矢量。计算与所述切向矢量的内积为所述角度误差的偏心矢量。

Description

用于估值偏心值的旋转编码器和方法

技术领域

本发明涉及一种角度检测装置以及估算其偏心量的方法。

背景技术

旋转编码器是一种检测旋转机构的旋转角度的角度检测装置。旋转编码器基本上包括圆形格栅盘(gratingdisk)和测量器，例如，所述格栅盘在外周部分蚀刻有刻度图案，所述刻度图案包括沿径向方向的数百至数十万个刻度标记，所述测量器排列成邻近所述格栅盘的刻度图案，并随着格栅盘的旋转对通过的刻度标记进行计数。这种旋转编码器设置成使得格栅盘与待测物体的旋转部接合。随着待测物体的旋转而通过检测器的刻度标记的数量被计数，以检测待测物体的旋转角度。

格栅盘的旋转轴是例如可旋转地支承格栅盘的滚动轴承。滚动轴承的旋转精度为数十微米。总之，旋转轴是以检测器的理想旋转中心为中心，并沿以最大旋转精度为半径的圆周移动。为了固定格栅盘与旋转轴，使用治具等来进行高精确的调节，以使格栅盘的中心与旋转轴的中心一致。因此，格栅盘的中心在与旋转轴的圆周相同的圆周上移动，造成相对于理想旋转中心的偏心。这种偏心在测定的角度中造成误差，例如由于检测器所读取的用于角度检测的刻度图案的径向位置的错位而造成的刻度标记之间的明显间距的变化。

在例如日本专利No.4433240中公开了一种消除格栅盘的偏心误差的常规方法。在该方法中，在刻度图案内设置有格栅盘，所述格栅盘以与刻度图案的节距相同的间距具有若干同心图案。排列有两个检测器，它们是读取刻度图案的测量检测器、和设置在从测量检测器旋转90°的位置处的用于读取同心图案的修正检测器。然后，修正检测器读取同心图案以修正由测量检测器生成的刻度图案的读取信号，从而消除来自刻度图案的读取信号的偏心的影响。

然而，该方法需要特殊的格栅盘，该格栅盘附加有若干同心图案用于修正偏心。此外，只用一个检测器来读取同心图案，不能精确地测量在二维平面上偏心的格栅盘的偏心量。

发明内容

本发明的一个特征是提供一种角度检测装置以及估算其偏心量的方法，能够在不需要特殊格栅盘的情况下精确地测量在二维平面上偏心的格栅盘的偏心量。

本发明的一个方面提供一种角度检测装置，其包括：被旋转轴支承的格栅盘；沿所述格栅盘的周向等间距地排列成邻近所述格栅盘的前表面的三个或更多个检测器；和偏心量估算器，其使各所述检测器检测从预定的初始位置旋转了基准角度的所述格栅盘的旋转角度；从所述旋转角度与所述基准角度之间的差值测量各所述检测器处的角度误差；通过相对于所述旋转轴的旋转中心使各所述检测器的方向矢量旋转90°来获得切向矢量；以及计算与所述切向矢量的内积为所述角度误差的偏心矢量。

本发明的另一方面提供一种估算角度检测装置的偏心量的方法，所述角度检测装置包括被旋转轴支承的格栅盘和沿所述格栅盘的周向等间距地排列成邻近所述格栅盘的前表面的三个或更多个检测器。所述方法包括：使各所述检测器检测从预定的初始位置旋转了基准角度的所述格栅盘的旋转角度；从所述旋转角度与所述基准角度之间的差值测量各所述检测器处的角度误差；通过相对于所述旋转轴的旋转中心使各所述检测器的方向矢量旋转90°来获得切向矢量；以及计算与所述切向矢量的内积为所述角度误差的偏心矢量。

本发明的给出是基于这样一个发现：旋转中心的偏心用作相对于各检测器检测到的旋转角度的偏心矢量，从而发生角度误差，该角度误差相当于偏心矢量与各检测器处的切向矢量的内积。在本发明中，因此能够基于与格栅盘只旋转基准角度相关联的各检测器处生成的角度误差以及各检测器的方向矢量这两个可测量的值，来计算表示旋转中心相对于检测器中心偏心的偏心矢量。因此，能够基于计算出的偏心矢量来修正旋转中心的偏心，从而提高角度检测装置的精度。

在本发明中优选的是，相对于从所述初始位置旋转的不同基准角度对所述偏心矢量进行多次计算；从多个计算出的偏心矢量确定检测器中心；以及从所述偏心矢量和自所述检测器中心至所述初始位置的初始偏心矢量中的一个，计算所述旋转轴的旋转中心相对于所述检测器中心的偏心矢量。

在本发明中，重复地计算偏心矢量，以检测并修正旋转轴的旋转中心相对于检测中心的偏心。

在本发明中优选的是，所述基准角度是各检测器的测定角度的平均值。该平均值可以从全部检测器的测定角度计算出，或者从任意检测器的测定角度计算出。在本发明中对不同位置处的检测器的测定角度的平均化减小了偏心的影响，并提供基准位置的近似值。

在本发明中，基准角度可以由连接至旋转轴的另一角度检测装置检测。虽然这种情况下需要附加的构造，但是能够正确地检测基准位置。

根据本发明的角度检测装置以及估算其偏心量的方法，在不使用特殊格栅盘的情况下，也能正确地测量在二维平面上偏心的格栅盘的偏心量。

附图说明

下面将参照标出的多个附图通过本发明的示例性实施例的非限制性示例来进一步详细描述本发明，在各附图中相似的附图标记表示相似的部件，附图中：

图1是示出本发明一实施例的示意图；

图2是示出上述实施例中在旋转中心处没有偏心的状态的示意图；

图3是示出上述实施例中在旋转中心处有偏心的状态的示意图；

图4是示出上述实施例中在旋转中心处的偏心量的示意图；

图5是示出上述实施例中估算偏心量的程序的流程图；

图6是示出上述实施例中与检测器的角度位置相应的偏心矢量和切向矢量的示意图；

图7是示出偏心矢量以及检测器的方向矢量和切向矢量的示意图；

图8是示出上述实施例中的初始偏心矢量和多个偏心矢量的示意图；而

图9是示出上述实施例中修正偏心的程序的流程图。

具体实施方式

本文所述具体内容是以示例方式给出的且只起示例性地论述本发明的实施例的目的，并且其给出是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用且容易理解的描述。在这点上，不试图以超过基本理解本发明所需的细节来示出本发明的结构详情，描述与附图结合，以使本领域的技术人员明白本发明的形式是如何在实际中实施的。

下面参考附图来说明本发明的实施例。参考图1，角度检测装置10具有格栅盘12，在格栅盘12上沿外周缘设置有刻度图案11。格栅盘12被旋转轴13可旋转地支承。刻度图案11包括沿格栅盘12的径向方向延伸的细微刻度标记(图中未示出)。

检测器14排列成相反于刻度图案11。检测器14输出与伴随格栅盘12的旋转经过检测器14的刻度标记相对应的正弦检测信号。本实施例的角度检测装置10设置有四个检测器14。检测器14的输出经由四个相应的插补器15和计数器16连接至计算装置17。计数器16各自从外部接收闩锁信号(latchsignal)和初始化信号16A，以分别进行当前计数的读取和计数器的归零。

计算装置17处理从检测器14经由插补器15和计数器16输入的检测信号，并获得旋转轴13和格栅盘12的旋转角度位置或变化量和角速度。计算装置17由基于指定程序执行处理的计算机系统组成。计算装置17受到来自输入装置(图中未示出)的外部操作，并向输出装置输出信号或图像。计算装置17，其起着本发明的偏心量估算器的作用，具有执行将在下面描述的本发明的偏心矢量计算(参考图5)和偏心修正(参考图9)的程序。

在角度检测装置10中，旋转轴13在格栅盘12和旋转轴13的旋转中心处经由轴承机构(图中未示出)被角度检测装置10的主体支承；格栅盘12固定至旋转轴13；并且刻度图案11设置在格栅盘12的前表面上。检测器14被角度检测装置10的主体支承。参考图2，在上述部件被理想地构成的情况下，旋转轴13、格栅盘12和刻度图案11的机械中心全部一致在角度检测装置10的主体的旋转中心Oi处。检测器14于是从这个理想的旋转中心Oi沿预定的检测半径Rd以相等距离排列在相等的角度位置。

然而，实际上，旋转轴13由于轴支承物而发生错位，如图3所示。旋转轴13相对于理想的旋转中心偏心地旋转，并且旋转轴13的中心Os(机械中心)形成圆形轨迹Ls。具有偏心中心的旋转轴13的轨迹Ls实际上并不形成正圆，而是形成如图4所示的波状图案。在各图中，偏心被示意性地夸大以便于说明，实际上它相对于旋转轴13的直径是相当小的。

在图4中，由旋转轴13的中心Os形成的轨迹Ls被测量；通过最小二乘法的应用来描绘出理想圆Ls′；并且其中心位置被视为旋转轴13的旋转中心Oa(操作中心)。因此，理想圆Ls′的半径Rs′被当作旋转中心Oa的偏心量。除旋转轴13的中心(机械中心)相对于旋转中心Oa(操作中心)的错位外，由于旋转轴13与格栅盘12的固定时的误差以及相对于格栅盘12形成刻度图案11时的误差，将由检测器14读取的刻度图案11的旋转中心位置可能进一步相对于旋转轴13的实际旋转中心发生偏心。根据本发明的偏心矢量计算或偏心修正能够完全地修正这种偏心。

图5示出了根据本发明的计算偏心矢量的偏心矢量计算。在该偏心矢量计算中，首先将格栅盘12移动至预定的初始位置，在这里使计数器16复原(步骤S11)。然后，将格栅盘12旋转至预定的基准角度θ_N(步骤S12)。在该位置，读取由各检测器14检测到的旋转角度θ_i(检测器编号i＝1-4)(步骤S13)。然后测量相对于基准角度θ_N的角度误差Δθ_i(步骤S14)。随后，测量从旋转中心Oa到各检测器14的方向矢量p_i(检测器编号i＝1-4)(步骤S15)。然后在矢量计算中获得切向矢量q_i(步骤S16)。步骤S15和S16可以在步骤S13和S14前进行。替代地，步骤S13和S15可以在步骤S14和S16前进行。从这样得到的切向矢量q_i和角度误差Δθ_i计算偏心矢量e(步骤S17)。

上述偏心矢量e的计算是基于以下原理。在步骤S11中，在格栅盘12位于初始位置(任意位置均可)的状态下，将各检测器的计数器归零。推定旋转轴13在初始位置也是偏心的。然而，假定偏心矢量在初始位置为0，然后将其设定为偏心矢量的基准位置。

在本实施例中，在步骤S12中使格栅盘12旋转后，将全部检测器14的测量角度θ₁-θ₄的平均值用作基准位置θ_N的实测值。具体说，可在以下表达式(1)中给出基准角度θ_N，其中检测器的总数为n，检测器编号为i的检测器14的测定角度为θ_i。

[表达式1]

${\mathrm{\θ}}_N=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_i---\left(1\right)$

基准位置θ_N可以是检测器14的两个或两个以上测定角度θ_i的平均值，也可以是任意检测器14单独的测定角度θ_i。然而，有效的是使用较多数量的检测器以提高精度。在步骤S14中，在以下表达式(2)中给出基准角度θ_N与具有检测器编号i的检测器14(以下称为检测器i)的测量角度之间由于格栅盘的偏心造成的差值Δθ_i。

[表达式2]

Δθ_i＝θ_N-θ_i(2)

如果格栅盘12的刻度图案11以相等间隔设置有刻度标记，则检测器i的角度误差Δθ_i是由于格栅盘12的偏心造成的误差。角度误差Δθ_i是偏心矢量e与从检测器i的方向矢量p_i旋转90°的矢量的内积。这点在以下说明。

图6是类似于本实施例的示例，但是设置有三个检测器14。格栅盘12逆时针旋转，然后格栅盘中心从点A移动至点B。偏心矢量表示为从点A至点B的e。检测器14各自检测沿刻度图案11的切线方向的位移。假定偏心不影响从旋转中心观察检测器的方向(周缘上的法线方向)上的位移。

各检测器14的测定角度由于偏心而具有角度误差Δθ₁、Δθ₂和Δθ₃。如果由偏心矢量e和检测器i的切向矢量q_i限定出的角度为φ_i，则角度误差Δθ_i为|e|cosφ_i和|q_i|的乘积，其中|e|cosφ_i为偏心矢量e沿切向矢量q_i的大小，而|q_i|为切向矢量q_i的大小。角度误差Δθ_i在以下表达式(3)中给出。

[表达式3]

Δθ_i＝|q_i|×|e|cosφ_i(3)

具体说，由于偏心造成的角度误差Δθ_i是偏心矢量e与检测器i的切向矢量q_i的内积，并在以下表达式(4)中给出。

[表达式4]

Δθ_i＝q_i·e(4)

各检测器i的切向矢量q_i是与从旋转中心Oa至检测器i的方向矢量p_i垂直的矢量。方向矢量p_i能够从角度检测装置10的机械构造获得。因此，在矢量计算中将方向矢量p_i旋转90°，则能将该矢量转换成切向矢量q_i。对于这种90°旋转的矢量计算，能够使用旋转矩阵T，如在以下表达式(5)中示出的，其在二维空间中使一矢量逆时针旋转90°。

[表达式5]

$T=\left(\begin{array}{cc}\cos (\mathrm{\π}/2)& -\sin (\mathrm{\π}/2)\\ \sin (\mathrm{\π}/2)& \cos (\mathrm{\π}/2)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right)---\left(5\right)$

通过这种旋转矩阵T，如以下表达式(6)所示，从方向矢量p_i获得切向矢量q_i。

[表达式6]

q_i＝T·p_i(6)

偏心矢量e、方向矢量p_i和切向矢量q_i的矩阵表示法在以下表达式(7)和(8)中给出。

[表达式7]

$p_i=\left(\begin{array}{c}{p}_{x,i}\\ p_{y,i}\end{array}\right)$

$q_i=\left(\begin{array}{c}{q}_{x,i}\\ q_{y,i}\end{array}\right)$

$e=\left(\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right)---\left(7\right)$

[表达式8]

${\mathrm{\Δ\θ}}_i=q_i\·e=q_{x,i}{e}_x+q_{y,i}{e}_y$

$=\left(\begin{array}{cc}{q}_{x,i}& q_{y,i}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right)$

$={q_i}^{t}e={\left({\mathrm{Tp}}_i\right)}^{t}e=\left({p_i}^t{T}^t\right)e$

$=\left(\begin{array}{cc}{p}_{x,i}& p_{y,i}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}0& 1\\ -1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right)$

$=\left(\begin{array}{cc}-p_{y,i}& p_{x,i}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right)---\left(8\right)$

以上描述了三个检测器14的情况。类似关系在四个或更多个检测器14的情况下也成立。n个检测器14的情况表示为以下表达式(9)，而上述表达式(8)以表达式(10)给出。

[表达式9]

$\mathrm{\Δ\Θ}=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\Δ\θn}\end{array}\right)$

$P=\left(\begin{array}{cc}-p_{y,1}& p_{x,1}\\ -p_{y,2}& p_{x,2}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ -p_{y,n}& p_{x,n}\end{array}\right)---\left(9\right)$

[表达式10]

ΔΘ＝Pe(10)

求解表达式(10)以获得e作为以下表达式(11)给出。

[表达式11]

P^tΔΘ＝P^tPe

∴e＝(P^tP)^-1P^tΔΘ(11)

因此，能够通过使用角度误差Δθ_i和方向矢量p_i，来确定格栅盘12旋转角度θ时的偏心矢量e。

在以上对偏心矢量计算的说明中，假定的是偏心矢量e在初始位置为0。然而，实际上，偏心矢量e并不为0。因此优选的是进行下面描述的偏心修正(参考图8)，以使用偏心矢量e进行实际的修正。

在图7中，即使在本实施例(四个检测器14)的情况下，从旋转中心Oa至检测器i的方向矢量P_i、基准角度θ_N、以及作为基准角度θ_N与每个检测器i的测定角度θ_i之间的差值的角度误差Δθ_i也是可测量的。基于该测量，能够在上述偏心矢量计算(参考图5和6)中获得偏心矢量e。如果相对于获得的偏心矢量e以从旋转中心Oa至初始位置P_初始的初始偏心矢量为e_初始，则从旋转中心Oa至各检测器14的当前位置的修正偏心矢量e_修正在以下表达式(12)中示出。

[表达式12]

e_修正＝e+e_初始(12)

这种初始偏心矢量e_初始能够按如下方式确定。参考图8，上述偏心矢量计算在多个位置P₁、P₂和P₃处执行；在各位置处获得来自初始位置P_初始的偏心矢量e；估算格栅盘12的中心的轨迹(图4中的假想圆Ls′)；从而，得到修正的旋转中心Oa。如果按上述方式确定了从旋转中心Oa至初始位置P_初始的初始偏心矢量e_初始，则能够在任一旋转角度θ处从表达式(12)在实时基础上估算出修正偏心矢量e_修正。

图9示出了根据本发明进行偏心修正的偏心修正步骤。在偏心修正中，首先设定格栅盘12的初始位置P_初始。初始位置可以简单地是当前位置(步骤S21)。然后，设定基准角度θ_N(步骤S22)，并执行上述偏心矢量计算(参考图5)(步骤S23)。因此，格栅盘12从初始位置(图8中初始位置P_初始)移动至旋转了基准角度θ_N的位置(例如，图8中的P₁)。然后计算该位置的偏心矢量e。

以不同基准角度θ_N(例如，图8中的位置P₁-P₃)按指定次数重复进行偏心矢量计算，并在达到指定次数时结束(步骤S24)。在完成重复后，从在相应位置处算出的偏心矢量检测假想圆Ls′和旋转中心Oa(步骤S25)。从检测到的旋转中心Oa和初始位置P_初始计算初始偏心矢量e_初始(步骤S26)。通过这样计算出的初始偏心矢量e_初始，能够从初始偏心矢量e_初始和各位置处的偏心矢量e计算出各位置处的修正偏心矢量e_修正。修正偏心矢量e_修正允许对偏心进行修正(步骤S27)。

本发明并不局限于上述实施例，并被视为包括处于实现本发明优点的范围内的变型和改进。在偏心修正中，从旋转中心Oa至初始位置P_初始的偏心矢量e_初始在初始位置发生变化前是有效的。因此，可以只在一天的操作的开始时获得一次初始偏心矢量e_初始。在以上实施例中，是在多个位置处计算偏心矢量以获得假想圆Ls′和旋转中心Oa的。替代地，可以向旋转轴13或格栅盘12分别添加位置检测器(原点检测器)，以便测量初始化时的初始偏心量，并适当地存储起来，以在需要时从存储器中取得。

在以上实施例中，格栅盘12只从初始位置旋转基准角度θ_N。替代地，可以在适当的角度旋转后从测量获得基准角度θ_N。在本发明中，是基于由于偏心造成的角度误差Δθ_i来估算偏心矢量e的，其中角度误差Δθ_i是各检测器14的检测角度θ_i与基准角度θ_N之间的差值。因此希望将基准角度θ_N设置成使得由于偏心等造成的误差是最小的。例如，基准角度可以是角度检测装置10中的全部检测器14的测定角度θ_i的平均值。或者，基准角度可以是以现有的各种校正/修正方法(包括自我校正)进行校正/修正后的角度。

本发明适合于检测旋转部中的角度位置或角速度的角度检测装置。

请注意，上述示例只为说明目的而提供，绝不能解释为限制本发明。虽然参考示例性实施例描述了本发明，但是应该明白的是本文所用的术语只是描述和示意性的术语，不是限制性的术语。在各方面不背离本发明的范围和精神的情况下，如目前所陈述和如修改那样，在所附权利要求书的范围内能够进行变化。虽然参考特定结构、材料和实施例描述了本发明，但是本发明并非旨在被限制为本文所公开的特定情况；相反，本发明扩展至所有功能上同等的结构、方法和用途，例如在所附权利要求的范围内的。

本发明并不局限于上述实施例，在不背离本发明的范围的情况下能够进行各种变更和变型。

Claims (7)

1.一种角度检测装置，包括：

被旋转轴支承的格栅盘；

至少三个检测器，沿所述格栅盘的周向等间距地定位成相反于所述格栅盘的前表面；和

偏心量估算器，构造成使各检测器：

检测从预定的初始位置旋转基准角度的所述格栅盘的旋转角度；

从所述旋转角度与所述基准角度之间的差值测量所述至少三个检测器中的每一个检测器处的角度误差；

通过相对于所述旋转轴的旋转中心使所述至少三个检测器中的每一个检测器的方向矢量旋转90°来获得切向矢量；以及

计算与所述切向矢量的内积为所述角度误差的偏心矢量。

2.一种估算角度检测装置的偏心量的方法，所述角度检测装置具有被旋转轴支承的格栅盘以及沿所述格栅盘的周向等间距地定位成相反于所述格栅盘的前表面的至少三个检测器，所述方法包括：

使所述至少三个检测器中的每一个检测器检测从预定的初始位置旋转了基准角度的所述格栅盘的旋转角度；

从所述旋转角度与所述基准角度之间的差值测量所述至少三个检测器中的每一个检测器处的角度误差；

通过相对于所述旋转轴的旋转中心使所述至少三个检测器中的每一个检测器的方向矢量旋转90°来获得切向矢量；以及

计算与所述切向矢量的内积为所述角度误差的偏心矢量。

3.如权利要求2所述的估算角度检测装置的偏心量的方法，其中：

相对于从所述初始位置旋转的不同基准角度对所述偏心矢量进行多次计算；

从多个计算出的偏心矢量确定检测器中心；以及

从所述偏心矢量和自所述检测器中心至所述初始位置的初始偏心矢量中的一个，计算所述旋转轴的旋转中心相对于所述检测器中心的偏心矢量。

4.如权利要求2所述的估算角度检测装置的偏心量的方法，其中，所述基准角度是各检测器的测定角度的平均值。

5.如权利要求3所述的估算角度检测装置的偏心量的方法，其中，所述基准角度是各检测器的测定角度的平均值。

6.如权利要求2所述的估算角度检测装置的偏心量的方法，其中，所述基准角度由可操作地连接至所述旋转轴的附加角度检测装置检测出。

7.如权利要求3所述的估算角度检测装置的偏心量的方法，其中，所述基准角度由可操作地连接至所述旋转轴的附加角度检测装置检测出。