CN105229424B - 用于自校准旋转编码器的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于自校准包括单读取头(111)和圆形刻度盘(101)的旋转编码器的方法，该方法包括以下步骤：针对圆形刻度盘的旋转角(θ)通过读取头获取校准样本(150)；以及为了自校准旋转编码器，根据校准样本估计编码器的空间频率(F)和空间畸变参数(α、β)。

Description

用于自校准旋转编码器的方法

技术领域

本发明涉及测量装置，并且具体地涉及用于测量旋转的绝对角度的绝对旋转编码器。

背景技术

对线性位置和旋转角的准确估计是在工业自动化以及类似的应用中的重要任务。诸如数控(CNC)机器、钻头、机器臂或激光切割器的装置以及装配线都需要精确的测量。反馈控制通常用于精确测量。

典型的编码器包括刻度盘和读取头。光学编码器通常用于测量绝对或相对的线性位置或者旋转角。相对编码器在刻度盘的周期内测量相对位置或角度，并且需要对所经历的刻度盘周期的数量进行计数，以确定绝对位置或角度。绝对值编码器不需要存储器或电源来存储当前位置或角度，并且可以在任何时间尤其在启动时获取这些。

光学编码器可以是线性的或旋转的。线性编码器测量位置，并且旋转编码器测量角度。传统绝对旋转编码器通常使用多轨道并应用基于正弦-余弦的内插方法来实较高分辨率。

在母案申请中描述了使用单个刻度盘和单个CCD/CMOS传感器的单轨道绝对线性编码器。该编码器不使用传统的基于正弦-余弦的内插方法。相反，该编码器检测扫描线中的边缘或零交叉，并将模型拟合到边缘位置以获得高分辨率绝对位置信息。该编码器利用线性读取头获取线性刻度盘的1D图像。

在精密加工及制造设备中需要高精度旋转编码器。然而，一些误差可能在旋转编码器的制造过程中被引入。这些误差包括刻度盘图案误差、旋转轴上的刻度盘的安装误差、读取头对齐误差以及电路中的噪声。

对于旋转编码器，刻度线之间的间距由于刻度盘的圆形性质而不同。误差的另一个来源是当旋转盘上的刻度盘被布置在旋转轴上时所诱发的离心率。另外，面外运动(摆动)和安装未对准也可能导致读取头与刻度盘之间的距离的变化。这些因素影响旋转编码器的整体精度。编码器可以校正制造变化、刻度盘图案的误差、旋转轴上的刻度盘的安装的误差、读取头对齐的误差以及电路中的噪声。在操作期间，温度变化和机械振动可以引起进一步失真，进一步降低了精度。

由于更靠近光源，传感器的中心相比于侧边接收到更多的光。这导致渐晕(vignetting)，其中所获取的1D图像是中心较亮而侧边较暗。渐晕导致所检测到的零交叉点(边缘)的误差，从而降低了整体精度。

许多以前的方法需要多个附加读取头，以抵消因离心率所引起的误差。例如，参见专利U.S.6,215,119和U.S.7,143,518。在Masuda等的“High accuracy calibrationsystem for angular encoders,”J.Robotics和Mechatronics,5(5),448-452,1993中描述了一种等分平均(EDA)方法。使用多个读取头以减少离心误差的旋转编码器增加了系统的成本并且使系统设计繁琐。

传统的方法还需要旋转部件的精确运动以便自校准。例如，美国专利U.S.5,138,564公开了一种以慢速和快速移动编码器以便校准的方法。U.S.6,598,196在预定的轨迹上驱动伺服系统，使得编码器误差以一定频率出现在伺服反馈回路之外。这样的要求增加了校准的精力和时间。

U.S.7,825,367描述了一种自校准旋转编码器，其中，角度偏差被确定为傅立叶级数。基于正弦-余弦内插的旋转编码器可以如U.S.8,250,901中所述进行校准。对应于旋转角的正弦和旋转的电压数据被拟合成椭圆。通过将椭圆转换成圆来获取线性校准参数。

U.S.7,825,367描述了一种能够自校准的旋转编码器。该旋转编码器包括具有角度码的旋转盘、光源和读取角度码的线性传感器(CCD)。处理单元获取针对预定的角度的读数值f(θ)。在线性传感器上读取范围内的读数值f(θ+φ)和f(θ)之间的差值是g(θ,)。该差值被确定为傅立叶级数。这里，通过分析CCD图像来获得某一位置处的旋转角θ。该自校准是基于找到在两个不同的位置处的旋转角，并且分析差值以在自校准中使用。

发明内容

本发明的实施方式提供了一种自校准、单轨、单读取头的绝对旋转编码器。该编码器经完全旋转(360°)或完全旋转的部分获取测量。因此，该编码器补偿在制造期间以及后期随环境或机械条件改变使用而引入的任何误差或畸变。该编码器还可以补偿由于光照变化而产生的渐晕。

所述实施方式不需要多个读取头来消除离心误差。这显著降低了编码器的成本和复杂性。另外，实施方式不需要以多种速度或者用于校准的预先确定的轨迹来移动电机。此外，本发明还校正诸如间隙改变和轴摆动的其它安装错误。

附图说明

图1A是根据本发明的实施方式的旋转编码器的示意图；

图1B是根据本发明的实施方式的扇形区的圆形刻度盘的示意图；

图1C是根据本发明的实施方式的圆形刻度盘和线性读取头的示意图；

图1D是根据本发明的实施方式用于校准图1A的编码器的框图；

图2是根据本发明的实施方式的空间频率F(θ)相对于旋转角的曲线图；

图3是根据本发明的实施方式的由于噪声所引起的空间频率变化的曲线图；

图4是根据本发明的实施方式的空间畸变参数α(θ)相对于旋转角的变化的曲线图；

图5是根据本发明的实施方式的空间畸变参数β(θ)相对于旋转角的变化的曲线图；

图6是根据本发明的实施方式的拟合成α(θ)的四次多项式的曲线图；

图7是通过1D传感器获得的扫描线的曲线图，并且描述了渐晕；

图8是根据本发明的实施方式的比例因子的曲线图；

图9是根据本发明的实施方式的偏移因子的曲线图；以及

图10是根据本发明的实施方式的应用了渐晕修正之后的修正的传感器值的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施方式提供了一种单轨绝对旋转编码器。读取头可以是线性电荷耦合装置(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)以获得旋转的圆形刻度盘的1D图像。该1D图像包括像素的线性阵列。刻度盘包括根据de Bruijn序列布置的反射区域和不反射区域。deBruijn序列非常适合，因为该模式本身在本质上是圆形的。

绝对圆形刻度盘

图1示出了我们的发明的一个实施方式的绝对编码器的圆形刻度盘100的一小部分。刻度盘的细节在美国申请13/100092中被描述。该刻度盘被用于确定高分辨率相位P120。

刻度盘可以包括交替的光反射101和非反射102标记或位。标记也可以根据光源相对于读取头的相对位置在不透明和透明之间交替。每个标记为B微米宽，这是刻度盘分辨率。每个标记的宽度B是半间距。在一个实施方式中，B是20微米。由于标记的相对较小的尺寸，该示例标记在图中未按比例示出。

读取头110以某一距离平行于刻度盘安装。读取头包括传感器111、(LED)光源112和可选透镜。传感器可以是N个传感器的检测器阵列，例如，N可以是512。该阵列可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)或者电荷耦合器件(CCD)。读取头还可以与连接到传感器和存储器的数字信号处理器117相关联。应当理解的是，可以使用其它类型的处理器。

示例刻度盘100上的标记或位可以被布置在可旋转的圆盘130或者轴上。唯一的要求是，标记被顺序地布置成特定码或者非周期序列。

如图1B和图1C所示，标记被布置为刻度盘130上的圆的扇形区。读取头110的传感器111包括传感器114的线性阵列。此处，读取头相对于旋转中心116以偏移量115切向居中。因此，值得注意的是，邻近线性读取头的任一端的传感器像素相比靠近读取头的中心的传感器观察到扇形区的更宽的部分。这导致1D传感器上的信号的畸变。

校准

如图1D中所示，DSP执行编码器的校准。该校准可以在编码器的操作期间离线地、周期性地或连续地执行。

校准期间，对于360°完全旋转或者某一部分旋转，针对圆形刻度盘100的旋转角，通过读取头110的传感器111获取校准样本150。在刻度盘环形震荡而不进行完全旋转时，部分旋转可以是有用的。注意，也可以多次旋转来获取校准样本。

根据校准样本对频率F以及畸变参数α和β161进行估计160。频率F以及畸变参数α和β可以被直接存储在存储器中(例如，作为查找表)并且足以在操作期间精确地确定编码器的相位。如果查找比对参数函数进行估计更快或者需要更少时间和存储器，则查找表可以是有利的。

为方便起见，利用参数函数171对频率F以及畸变参数α和β的变化进行建模170，并将该变化存储在存储器中以在编码器在线实时操作期间使用。

实时操作

在实时操作期间，根据测试样本151和频率F以及畸变参数α和β的建模的变化来确定190编码器的相位195。应当理解的是，这些变化可以在操作期间从作为查找表被存储在存储器中的原始参数获得。应当理解的是，这些参数也可以在编码器的实时操作期间获取。

现在对编码器结构和校准的细节进行更详细的描述。

De Bruijn序列

为了在刻度盘上实现100％的信息密度，使用了比特序列。每个序列都具有有限的长度并且是唯一的，例如，De Bruijn序列103。各个唯一的序列对应于粗相位角。本发明的目的在于自校准编码器以便获得精准或精确的角度。

n阶k元de Bruijn序列B(k,n)是大小为k的给定字母(角度数)的循环序列，对于该序列，字母表中长度为n的每个可能的子序列恰好作为连续字符的序列出现一次。如果每个B(k,n)都具有长度kⁿ，则存在(k！^k(n-1))/kⁿ个不同的de Bruijn序列B(k,n)。当序列从前面或后面被截断时，所得到的序列也拥有具有相同的n的唯一性。应当注意的是，可以使用具有非重复子序列的任何非周期序列。

为了能够解码，检测器阵列需要至少n比特的视场(FOV)。对于半间距B＝20微米，使用16阶的de Bruijn序列要求刻度盘上FOV为16×20＝320微米。在一个实施例中，视场被设计为1至2mm以具有所需的精度。

对于奈奎斯特采样，序列的每个比特位(即，刻度盘的每个半节距)映射到线性检测器阵列中的至少两个像素。这需要至少16×2＝32个像素，这远低于传统传感器中的像素的数量。为了处理诸如散焦模糊或衍射的光学像差，每半节距像素的数量。可以增加

由于刻度盘是圆形的，所以当使用线性传感器时，反射区域和不反射区域是等角但不等距离的，参照图1C。由于圆形刻度盘，所以反射区域/不反射区域的宽度在传感器的两端增加。因此，空间频率F沿着传感器不恒定。

令z(i)为所检测到的零交叉点(边缘位置)，P为相位角，并且F为频率。令k(i)为两个连续的零交叉点z(i)和z(i+1)之间的比特数。如果我们定义

则旋转编码器的第i个零交叉点可被写成c(i)的立方模型。

z(i)＝p+Fc(i)+αc(i)²+βc(i)³

其中，立方模型的参数包括相位P、空间频率F以及空间畸变参数α和β。该模型考虑由于圆盘130上的刻度线的不均匀的间隔而导致的误差。使用N个零交叉点，获得N个方程式。例如，如果有N个零交叉点，z(1)，...，z(20)，则对应的c(1)，...，c(20)是已知的。这些方程式描述了未知数P、F、α和β的线性系统。我们求解线性系统以获得P、F、α和β的值。

使用θ＝P/F*360/K+Coarse_Position来获取旋转的角度θ，其中，K是刻度盘中的分级(gradation)的数量，并且Coarse_Position是仅基于图像的底层码子序列的相位角。例如，K可以是1024。

自校准

所估计的参数F、α和β161根据实际的旋转角θ表示为F(θ)、α(θ)和β(θ)。实施方式考虑了三个参数F(θ)、α(θ)、β(θ)的变化。由于成像噪声，在这些参数中都存在较小的变化(正常变化)。

如果不存在安装中的任何机械误差和任何离心误差，这些参数的变化应是一个完全旋转或部分旋转随着θ从0到360度改变的正常变化。然而，由于离心率、摆动或间隙变化(读取头与刻度盘之间的距离)，空间参数F(θ)、α(θ)、β(θ)示出相比可归因于噪声的变化更大的变化。

图2示出了贯穿一个完全旋转相对于旋转角的估计的F(θ)的示例200。

图3更详细地示出了频率变化300。高频率变化301是由于噪声而引起。低频率变化302是由于离心率、摆动和间隙改变而引起。本发明的目的在于修正这些变化。

在自校准期间，使用参数函数对这些变化进行建模。带有刻度盘的轴被完整(360°)或部分旋转(<360°)，并且在多个位置处采样编码器刻度盘。例如，该刻度盘可以每次被旋转2°，并且对应于这些角度的传感器图像被存储在存储器中。对于所有这些角度，频率和畸变参数的估计值连同估计的编码器相位P一起被存储。

曲线拟合

适合的参数函数或样条函数被用于使用最小二乘法拟合对频率和畸变参数的变化进行建模。

图4示出了α(θ)的变化400，其可以相对于旋转角θ利用四次多项式模型来建模。

α(θ)＝t₁+t₂θ+t₃θ²+t₄θ³+t₅θ⁴，

其中t₁、t₂、t₃、t₄和t₅是模型参数。模型参数使用所估计的α(θ)的最小二乘法拟合来估计。图5示出了β(θ)的变化500。注意，对于所有三个参数，模型阶次或形式不必是相同的。例如，频率F(θ)可以使用样条基函数来建模，并且α(θ)和β(θ)可以使用多项式函数来建模。图6示出了针对完全旋转拟合成四次多项式600的估计的α(θ)。曲线拟合之后，模型参数被存储在DSP 115的存储器中。

操作

在编码器操作期间，最后的编码器位置可被用于确定当前位置的频率和空间畸变参数的值。这些值被用来确定相位P。另选地，频率和畸变参数可以连同相位一起来迭代确定。这在启动时是有用的，其中最后的编码器相位未知或无效。当前旋转角、频率和畸变参数的第一次估计可以如上所述被获取。利用估计的旋转角θ，当前位置的参数F、α和β可以使用它们各自的模型重新确定。然后，这些参数的新值被用于重新确定相位P。

在Nakamura的U.S.7,825,367中，自校准是基于两个不同的位置处的旋转角，并为了自校准对偏差进行分析，使用其进行校准。Nakamura没有描述的空间频率和畸变参数。根据本发明的编码器不像Nakamura那样基于实际旋转角，而是基于用于在特定的旋转角对零交叉点进行建模的底层频率和畸变参数。

渐晕校正

如图7所示，渐晕校正也可以通过在刻度盘旋转的期间获取测量700来执行。

如图8所示，针对传感器中的每个像素p，最大像素值m₁(p)为比例因子800，并且如图9所示，最小像素值m₂(p)为偏移因子(offset factor)900。这些因子都被用于如下的渐晕校正。

如图10所示，针对每个位置，传感器值i(p)的被修改1000为

i(p)←255*(i(p)-m₂(p))/(m₁(p)-m₂(p))

该修改确保了随着编码器被旋转每个像素的最小强度被设置为零，并且每个像素的最大强度被设置为255。这消除了渐晕效应。

用来执行自校准和渐晕校正的方法的步骤可以在DSP或者如本领域已知的连接到存储器和输入/输出接口的类似的微处理器中来执行。

Claims (11)

1.一种用于自校准包括单读取头和圆形刻度盘的旋转编码器的方法，该方法包括下列步骤：

针对所述圆形刻度盘的旋转角，通过所述读取头获取校准样本；以及

为了自校准所述旋转编码器，从所述校准样本估计所述旋转编码器的空间频率和空间畸变参数，

其中，通过考虑由于所述圆形刻度盘上的刻度线的不均匀间隔导致的误差来对所述空间频率和所述空间畸变参数进行建模，

其中，通过使用零交叉点和所述零交叉点之间的比特的数量来估计所述空间频率和所述空间畸变参数，其中，所述零交叉点指示所述读取头的扫描线中的边缘位置，

该方法还包括：

测量所述圆形刻度盘上的两个连续零交叉点之间的c个比特；以及

将所述零交叉点建模为c(i)的立方模型

$\begin{array}{c}z\left(i\right)=P+Fc\left(i\right)+\mathrm{\&alpha;}c{\left(i\right)}^2+\mathrm{\&beta;}c{\left(i\right)}^3,\\ c\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{i-1}{\&Sigma;}}k\left(j\right),\end{array}$

其中，z(i)是所述零交叉点，k(i)是两个连续零交叉点z(i)和z(i+1)之间的比特的数量，i是整数参数，P是相位值，F是所述空间频率，并且α和β是所述空间畸变参数。

2.一种用于自校准包括单读取头和圆形刻度盘的旋转编码器的方法，该方法包括下列步骤：

针对所述圆形刻度盘的旋转角，通过所述读取头获取校准样本；以及

为了自校准所述旋转编码器，从所述校准样本估计所述旋转编码器的空间频率和空间畸变参数，其中，通过考虑由于所述圆形刻度盘上的刻度线的不均匀间隔导致的误差来对所述空间频率和所述空间畸变参数进行建模，

使用参数函数对所述空间频率和所述空间畸变参数的变化进行建模；

获取所述圆形刻度盘的测试样本；以及

使用建模的频率和畸变参数来确定所述旋转编码器的相位角度，

其中，所述空间频率和所述空间畸变参数被建模为实际旋转角的函数，

其中，所述空间频率参数是F(θ)，并且所述空间畸变参数是α(θ)和β(θ)，并且其中，四次多项式是

α(θ)＝t₁+t₂θ+t₃θ²+t₄θ³+t₅θ⁴

其中，θ是旋转的角度，并且t₁、t₂、t₃、t₄和t₅是使用最小二乘法拟合估计的所述四次多项式的参数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，该方法还包括：

获取所述圆形刻度盘的测试样本；

使用所述空间频率和所述空间畸变参数来确定所述旋转编码器的相位角度。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述旋转编码器是具有非周期序列的绝对旋转编码器。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述圆形刻度盘是de Bruijn序列的形式。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述圆形刻度盘上的标记被布置成扇形区，并且所述读取头以相对于所述圆形刻度盘的旋转中心的偏移而切向居中。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，针对360度或更少的旋转角来获取所述读取头数据。

8.根据权利要求1或2所述的方法，该方法还包括：

将所述空间频率和所述空间畸变参数作为查找表存储在存储器中。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述空间频率和所述空间畸变参数在所述旋转编码器的实时操作期间被获取。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述读取头包括像素的线性阵列，并且该方法还包括：

测量所述像素的强度以获取最大强度作为比例因子，并且获取最小强度作为偏移因子，

其中，使用所述比例因子和所述偏移因子修改所述像素强度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述像素强度i(p)根据下式来修改

i(p)←255*(i(p)-m₂(p))/(m₁(p)-m₂(p))

其中，m₁(p)是所述最大强度，m₂(p)是所述最小强度。