CN102597707B - 带复合自校正功能的角度检测器 - Google Patents

Abstract

将传感器头的个数抑制到最少，并且获得到高次分量为止没有频率分量的遗漏的高精度的校正值。一种带自校正功能的角度检测器，在固定于旋转轴的刻度盘的周围具备刻度读取用的传感器头，由在相同刻度盘的周围等间隔地配置的第1传感器头、以及在该第1传感器头的1个位置替换第1传感器头而配置的第2传感器头构成，通过求出第2传感器头与各第1传感器头的测量差并获得平均值来进行自校正，用将第1传感器头以及第2传感器头等间隔地配置了L个的第1组、以及等间隔地配置了M个的第2组进行校正，当设置在刻度盘上的全部刻度的数量设为P时，使通过第2组求出的校正值的相位各错开j*P/L（j=1~L-1）刻度，求出通过第2组求出的校正值、和移动后的校正值的平均值，将该平均值与通过第1组求出的校正值相加并作为校正值而输出。

Description

带复合自校正功能的角度检测器

技术领域

本发明涉及一种检测旋转角度的旋转编码器等的角度检测器，特别是涉及一种带自校正功能的角度检测器的改良，通过具备自校正功能，能够求出还包含由于在角度检测器所输出的角度信息中包含的使用环境下的安装轴偏心、角度检测器的老化的影响等而产生的角度误差的刻度的校正值。

背景技术

旋转编码器等的角度检测器的一般原理是在圆形的刻度盘的周围刻有刻度、并通过由刻度读取用的传感器头数出该刻度根数来输出角度信息的装置，使用了各种装置。角度检测器人工地写入刻度，因此刻度线没有被等角度间隔地写入，在从该刻度线的位置中获得的角度信息中产生误差。图1的放射状的直线L1是理想的刻度线位置（等角度间隔线），放射状的短的虚线L2是实际的刻度线位置，描绘了离理想位置的差的曲线成为图1中右图的曲线。

图1右图的点成为角度检测器的刻度线的校正值，在图中描绘为具有36根刻度线，但是实际的角度检测器有数千~数10万根的刻度线。作为校正这些线的方法，有几种相互比较两个角度检测器的刻度来进行自校正的方法。在该方法中即使两个角度检测器没有被校正也能够同时地进行校正，因此不需要上位的高精度的角度检测器。此外，自校正的意思是即使比较角度误差为未知数的两个角度检测器也同时知道作为双方的角度误差的校正值。

在角度的国家标准器（角度测量器）中，使用基于等分割平均法的自校正方法来校正位于角度测量器的内部的角度检测器和设置于其上部的被校正角度检测器。

使用图2将等分割平均法简化而简单地进行说明。该方法是：测量配置在下部的第1角度检测器11的刻度盘上的第1传感器头12、12···之一、与配置在上部的第2角度检测器13的刻度盘上的第2传感器头14的刻度信号的差(SA1)；接着，同样地测量下部相邻的其它传感器头12与上部的第2传感器头14的差(SA2)；同样地测量其它第1传感器头12与第2传感器头14的差，求出这些（SA1、SA2、SA3、SA4、SA5）的平均值SAV时，求出上部的第2角度检测器13的校正曲线。

当将从下部的第1角度检测器11输出的角度误差设为a_i、从上部的第2角度检测器13输出的角度误差设为b_i时，差成为SAj=b_i-a_i+(j-1)P/N，平均值SAV成为

[式1]

${\mathrm{SAV}}_i=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SA}{j}_i$

$=b_i-\frac{1}{N}(a_i+a_{i+P/N}+\·\·\·+a_{i+(j-1)P/N}+\·\·\·+a_{i+(N-1)P/N})$

。这里，i=1、2、3、...、P是刻度线的编号，P是设置在刻度盘上的刻度的总数。

第1传感器头12在设置了5个位置的情况下以一圈360°的5分之1的角度间隔来进行配置。在配置N个角度检测器的情况下，同样地配置为N分之1的等角度间隔。这被叫做等分割平均法。

申请人如下述专利文献1所示那样为了解除在角度检测器的校正时由于与校正装置内的角度检测器的旋转轴的连接时所产生的轴偏心导致的误差，提出了如下带自校正功能的角度检测器：通过获得还包含轴偏心的影响、角度检测器的老化等的刻度的校正值，使角度检测器自身始终能够进行正确的校正、并且能够小型化。

根据下述专利文献1的方案，在固定于旋转轴的刻度盘的周围具备了传感器头的角度检测器中，在相同刻度盘的周围具备多个第1传感器头、以及1个第2传感器头，求出前述第2传感器头与各第1传感器头的测量差而获得平均值，通过根据该平均值来进行自校正，还能够在检测刻度的校正值的同时还检测旋转轴的连接造成的误差等，另外在该角度检测器的使用过程中能够无需旋转轴的连接操作而在需要时容易地进行校正作业，能够长时间稳定地进行正确的测量。

先行技术文献

专利文献1：日本专利第3826207号公报

发明内容

（发明要解决的问题）

在上述先行技术中，如图3所示那样在旋转编码器的刻度盘（刻度的数量P=36000）的周围等角度间隔（360°/7）地配置了7个刻度读取用的传感器头的情况下，获得的校正值表示在图4中，该校正值的频率分量分析结果表示在图5中。

相同地，如图6所示那样在旋转编码器的刻度盘的周围等角度间隔地配置了12个传感器头的情况下，获得的校正值表示在图7中，该校正值的频率分量分析结果表示在图8中。

根据以上的频率分量分析结果可以明确，在配置了7个的情况下不计算7的倍数次的分量，在配置了12个的情况下不计算12的倍数次的分量。

即，在等角度间隔地配置了N个传感器头的情况下不计算N的倍数次的频率分量。

这是因为：当使用能够对任意的周期曲线通过数学的方式进行证明的性质、“当任意的周期曲线对任意的正的整数N采取使其曲线的相位各错开周期的1/N而得到的N个曲线的平均时，获得在原来的曲线的频率分量中只具有N的整数倍次的频率分量的曲线”时，由上述专利文献1的[式3]来表示的校正值SAV与右边第2项具有N的倍数次的频率分量的曲线相对应，因此在左边不计算N的倍数次的频率分量。

即，在由段落0005表示的式中，b_i=a_i，因此得到下式。

[式2]

${\mathrm{SAV}}_i=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SA}{j}_i$

$=a_i-\frac{1}{N}(a_i+a_{i+P/N}+\·\·\·+a_{i+(j-1)P/N}+\·\·\·+a_{i+(N-1)P/N})$

这里，i=1、2、3、...、P为刻度线的编号，右边第2项成为将a_i各错开了周期的1/N而得到的N个曲线的平均值，因此左边成为从a_i减去a_i的N的整数倍次的频率分量的校正值。

一般旋转编码器的角度误差具有低次分量大、随着变成高次分量而变小的倾向，因此为了求出到更高次分量为止没有分量的遗漏的、精度高的校正值，不得不加大等角度间隔地配置的传感器头的数量N，将增加昂贵的传感器头，导致大幅度的成本上升。

因此，本发明的目的在于将传感器头的个数抑制到最少，并且获得到远高于在先行技术中以该个数获得的次数的高次分量为止没有频率分量的遗漏的高精度的校正值。

（解决问题的方案）

为了解决该问题，本发明的带自校正功能的角度检测器，在固定于旋转轴的刻度盘的周围具备刻度读取用的传感器头，由在相同刻度盘的周围等间隔地配置的第1传感器头、以及在该第1传感器头的1个位置替换第1传感器头而配置的第2传感器头构成，通过求出前述第2传感器头与各第1传感器头的测量差并获得平均值来进行自校正，该带自校正功能的角度检测器的特征在于，前述第1传感器头以及第2传感器头由等间隔地配置了L个的第1组、以及等间隔地配置了M个的第2组构成，该带自校正功能的角度检测器具备：相移单元，当将设置在前述刻度盘上的全部刻度的数量设为P时，使通过前述第2组求出的校正值的相位各错开j*P/L（j=1~L-1）刻度；以及运算单元，将通过前述第2组求出的校正值、和通过前述相移单元求出的（L-1）个移动后的校正值的平均值，将该平均值与通过前述第1组求出的校正值相加来作为校正值而输出。

其中，j为自然数，且L和M设为两者的最小公倍数比两者之和大的自然数。

也可以是，将等间隔地配置在相同刻度盘的周围的第1组和前述第2组的传感器头中的一个设为共有。

（发明的效果）

本发明的带自校正功能的角度检测器使用第1传感器头以及第2传感器头的第1组为L个（例如4个）、第2组为M个（例如7个）共计（M+N）个传感器头，当将设置在刻度盘上的刻度的数量设为P时，使通过第2组求出的校正值的相位各移动j*P/L（j=1~L-1）刻度，求出通过第2组求出的校正值、和通过相移单元求出的（L-1）个移动后的校正值的平均值，通过将该平均值与通过第1组求出的校正值相加而作为校正值进行输出，对无法通过第1组求出的L的倍数次的频率分量进行插补，能够获得到M和N的最小公倍数为止、即与使用了M和N的最小公倍数的传感器头的情况同等的精度。

如果将等间隔地配置在相同刻度盘的周围的第1组和第2组的传感器头中的一个设为共有，则能够进一步减少一个所需的传感器头。

附图说明

图1是表示旋转编码器的原理的图。

图2是表示使用了等分割平均法的角度检测器的图。

图3是在等间隔地配置了7个传感器头的情况下的配置图。

图4是表示在等间隔地配置了7个传感器头的情况下获得的校正值的图。

图5是表示在等间隔地配置了7个传感器头的情况下获得的校正值的频率分量分析结果的图。

图6是在等间隔地配置了12个传感器头的情况下的配置图。

图7是表示在等间隔地配置了12个传感器头的情况下获得的校正值的图。

图8是表示在等间隔地配置了12个传感器头的情况下获得的校正值的频率分量的图。

图9是表示本发明的实施例的等间隔地配置了4个传感器头的第1组和等间隔地配置了7个传感器头的第2组的配置的图。

图10是表示在等间隔地配置了4个传感器头的情况下获得的校正值的图。

图11是表示在等间隔地配置了4个传感器头的情况下获得的校正值的频率分量分析结果的图。

图12是将本发明的实施例的等间隔地配置了7个传感器头的第2组的校正值（最上方的曲线）在全刻度数设为36000时各相移9000刻度来制作第2、第3、第4个曲线、而且将求出了这4根曲线的平均值的值用第5个曲线表示的图。

图13是表示本发明的实施例的等间隔地配置了7个传感器头的第2组的校正值、和各移动9000刻度的3个曲线的平均值的频率分量分析结果的图。

图14是表示将通过本发明的实施例的等间隔地配置了7个图12所示的传感器头的第2组获得的从上方数起的第5个曲线和通过等间隔地配置了4个图10所示的传感器头的第1组获得的校正值相加而获得的校正值的图。

图15是表示本发明的实施例的校正值的频率分量分析结果的图。

具体实施方式

[实施例]

图9表示以刻度盘（刻度的数量P=36000）的1的位置作为起点、以每360°/4为1/4~4/4的4个传感器头作为第1组、另外以每360°/7为1/7~7/7的7个传感器头作为第2组而进行配置、并且相同地以刻度盘的1的位置作为起点而进行配置的例子，在刻度盘的1的位置，每90°为1/4和每360°/7为1/7能够共用，因此整体上使用了10个传感器头。

此外，在该例子中，角度检测器具有在第1组、第2组各自中如上述专利文献1所述那样求出1个传感器头与其它传感器头的测量差来进行自校正的自校正功能。

在将传感器头每360°/7配置了1/7~7/7的7个传感器头的情况下，上述专利文献1所述的自校正功能的校正值及其校正值的频率分量分析结果如作为以往技术所说明的图4以及图5所示，因此在将传感器头以刻度盘的1为起点每90°配置了4个传感器头的情况下，获得的校正值表示在图10中，该校正值的频率分量分析结果表示在图11中。

如从前述的说明中明确那样，在这种情况下无法求出4的倍数次的频率分量（4、8、12····）。

另一方面，在以刻度盘的1的位置作为起点每360°/7配置了1/7~7/7的7个传感器头的情况下，如前述那样在配置了7个的情况下不计算7的倍数次的分量，在配置了12个的情况下无法求出12的倍数次的分量。

因此，根据本发明，说明根据在刻度盘中等间隔地配置了M个传感器头（在图9的例子中为7个）时所获得的校正值、和等间隔地配置了L个传感器头（在图9的例子中为4个）时所获得的校正值求出校正值的过程。

这里，将通过配置M个所获得的校正值设为通过配置L个所获得的校正值设为此外，（-M）表示没有包含M的倍数次的频率分量。（-L）也相同。

另外，i为刻度盘的刻度编号，i=1,2，3，...P，P表示刻度盘的1圈的刻度总数。

首先，制作将各错开而得到的L个数据

此外，j=1,2，3，...L。

接着，求出L个数据的平均值

即，

一般，能够对任意的周期曲线通过数学的方式进行证明的性质、“当任意的周期曲线对任意的正的整数N采取使其曲线的相位各错开周期的1/N而得到的N个曲线的平均时，获得在原来的曲线的频率分量中只具有N的整数倍次的频率分量的曲线”被通过数学的方式证明。

即，成为具有L的倍数次的频率分量、其中没有M的倍数次的频率分量的值。

因此，计算与之和。

即，

这样，通过将不足的L的倍数次的频率分量以进行补充，能够以M和L的最小公倍数的倍数次来获得不计算频率分量的校正值

在上述的例子中，如图12所示那样将刻度盘的总刻度数设为36000（每0.01°的刻度）时，将各移动36000/4、即9000刻度，制作（j=1、2、3、4）(i=1、2、...36000)。

各自的值以图12的上部4根曲线来表示，其平均值成为图12的最下部的曲线。

当计算该的频率分量时，如图13所示那样只具有4的倍数次的频率分量。但是，不包含7的倍数次分量。因而，不包含28的倍数次分量。

因此，通过计算该平均值和图10所示的的简单和，就能够求出图14所示的校正值，不利用在刻度盘等角度间隔地配置了7个传感器头时所获得的校正值、以及等角度间隔地配置了4个传感器头时所获得的校正值进行傅里叶变换、逆傅里叶变换等的频率分析，不利用各校正值通过四则运算计算作为7和4的最小公倍数的28的倍数次频率。频率分量分析结果是，能够将如图15那样1次~27次为止的分量作为校正值而求出。

即，

这样，如图6那样在使用了12个传感器头的情况下，以往也不可能求出12次、24次…的频率分量，但是在上述的例子中能够以10个传感器头来求出1~27次为止的频率分量。

此外，在上述的例子中，在刻度盘的1的位置，每90°为1/4和每360°/7为1/7能够共用，因此能够进一步减少一个传感器头。

（产业上的可利用性）

本发明能够减少昂贵的传感器头的使用个数、且到高次分量为止进行旋转角度检测，因此能够特别是在需要进行精密的旋转角度测量的产业领域中广泛且有效地利用，而不会导致大幅度的成本上升。

（附图标记说明）

11：第1角度检测器；12：配置在第1角度检测器上的第1传感器头；13：第2角度检测器；14：配置在第2角度检测器上的第2传感器头。

Claims (2)

1.一种带自校正功能的角度检测器，在固定于旋转轴的刻度盘的周围具备刻度读取用的传感器头，由在相同刻度盘的周围等角度间隔地配置的第1传感器头、以及在该第1传感器头的1个位置替换第1传感器头而配置的第2传感器头构成，通过求出前述第2传感器头与各第1传感器头的测量差并获得平均值来进行自校正，该带自校正功能的角度检测器的特征在于，

前述第1传感器头由等角度间隔地配置了L个的第1组构成，前述第2传感器头由等角度间隔地配置了M个的第2组构成，

该带自校正功能的角度检测器具备：

相移单元，当将设置在前述刻度盘上的全刻度的数量设为P时，使通过前述第2组求出的校正值的相位各错开j＊P/L刻度；以及

运算单元，求出通过前述第2组求出的校正值、和通过前述相移单元求出的L-1个移动后的校正值的平均值，将该平均值与通过前述第1组求出的校正值相加并作为校正值而输出，

其中，j＝1～L-1，j为自然数，且L和M设为两者的最小公倍数比两者之和大的自然数。

2.根据权利要求1所述的带自校正功能的角度检测器，其特征在于，

将前述第1组和前述第2组的传感器头之一设为共有。