CN109791058B - 校准旋转编码器的方法和旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准(40)用于检测机器轴(20)的旋转角度位置(21，22)的旋转编码器(10)的方法，其中，所述旋转编码器(10)具有与机器轴(20)旋转固定地连接的至少一个激励单元(11)和与激励单元(11)在功能上协作的固定的传感器单元(12)，所述方法具有以下步骤：‑在存在第一传感器温度(T1)时，将机器轴(20)置于(41)具有预先给定的旋转速度的旋转运动中，‑在存在第一传感器温度(T1)时，在预先给定的旋转角度位置(21，22)处检测(42)第一位置测量值(31.1，32.1)，‑至少将传感器单元(12)加热(43a)或者冷却(43b)到高于或者低于第一传感器温度(T1)的第二传感器温度(T2)，‑在存在第二传感器温度(T2)时，在旋转角度位置(21，22)处检测(44)第二位置测量值(31.2，32.2)，‑确定(45)至少第二位置测量值(31.2，32.2)与额定位置测量值(31.0，32.0)之间的偏差(35)，以及‑在存在第二传感器温度(T2)时，在旋转角度位置(21，22)处将旋转编码器(10)的输出信号校正(46)所确定的偏差(35)。

Description

校准旋转编码器的方法和旋转编码器

技术领域

本发明涉及一种用于校准用于检测机器轴的旋转角度位置的旋转编码器的方法，其中，旋转编码器具有与机器轴抗扭转地(drehfest)连接的至少一个激励单元和与激励单元在功能上协作的固定的传感器单元。此外，本发明涉及一种用于确定校正后的旋转角度位置的旋转编码器。

背景技术

关于机器轴的当前位置的信息对于机器的精确运行是必不可少的。这种位置指示例如在设备的自动化中特别是为了控制在技术上通常是高精度的过程而起着重要的作用。因此，例如为了控制机床、机器人臂或者类似的应用，总是需要进行位置检测的系统。此外，在用于进行速度或者位置调节的电动机中也需要这样的系统，特别是用于知道转子位于哪个位置，以进行线圈控制。

增量旋转编码器用于检测位置变化，并且可以用于测量路程、行进方向或者角度变化。这种增量编码器使得仅能够检测标尺或者条形码的分度(Teilung)内的相对位置。为了确定绝对位置，需要检测一定数量的溢出的标尺分度。

绝对旋转编码器可以直接确定机器轴的绝对位置。这通常通过编码的并且相应地与轴的特定角度位置唯一地关联的扫描来实现。

为了能够实现特别高的测量精度，需要特别精确地定位和校准测量系统，特别是相对于激励单元定位和校准传感器单元。已经表明，传感器单元处的温度、特别是温度变化可能不利地影响测量系统的测量精度。外部环境影响、例如阳光照射、机器的运行或者旋转编码器电子设备本身在旋转编码器运行过程中经常可能引起这种温度变化。

例如，对于在室温下校准的旋转角度传感器，当存在升高的环境温度、例如100℃的温度时，检测到的位置值可能相对于实际的或者在室温下校准的旋转角度位置的位置值出现偏差。在温度升高时，这种与温度相关的偏差、也称为温度漂移的原因例如可能在于在旋转编码器上或者在机器上使用的材料的膨胀和/或为了进行测量而彼此对齐的构件的位置变化。后者特别是可能涉及通常布置在传感器单元中的部件、例如霍尔传感器、基于AMR的传感器、光学传感器、信号放大器和/或A/D转换器。其结果是，例如在使用旋转编码器来控制驱动电机时，错误地识别角度位置可能导致电机中的同心度波动和/或导致构件、例如机器人臂的定位误差。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是提供一种用于校准旋转编码器的方法，其中，在环境和/或传感器温度改变的情况下，也能够以相对小的开销实现旋转编码器的特别高的测量精度。

根据本发明，上述技术问题通过根据本发明的方法和根据本发明的旋转编码器来解决。在说明书和附图中列示了本发明的有利的设计方案和扩展方案。

根据本发明的用于校准用于检测机器轴的旋转角度位置的旋转编码器、特别是绝对值编码器的方法提供以下步骤：

在存在第一传感器温度时，使机器轴处于具有预先给定的、特别是恒定的旋转速度的旋转运动中。第一传感器温度优选对应于室温，即大约21摄氏度。旋转速度可以由旋转编码器本身在驱动电机处或者在控制电子设备处预先给定。对此，例如可以设置大约每分钟1000转的转速。

随后，在存在第一传感器温度、特别是室温时，借助传感器单元在预先给定的旋转角度位置处自动检测第一位置测量值。检测到的第一位置值对应于与第一温度以及旋转角度相关的值。预先给定的旋转角度位置可以是在机器轴上定义的测量点，例如机器轴的所谓的过零点。在预先给定的旋转角度位置处检测第一位置测量值，基本上可以对应于本身已知的、常见的旋转编码器的校准方法。当然，例如通过一连串检测到的测量值，可以检测在第一传感器温度下通过旋转机器轴而形成的角度曲线。

在存在第一传感器温度时检测第一位置测量值之后，现在进行主动的温度校准。为此，改变施加在传感器单元上的传感器温度，特别是将传感器单元加热或者冷却到高于或者低于第一传感器温度的第二传感器温度。原则上，为此，例如可以在气候室等中将整个旋转角度测量系统置于定义的温度。优选仅对旋转角度测量系统的各个部件进行局部加热或者冷却，这明显更有效、更快速且成本更低。特别是，可以对传感器单元进行局部加热或者冷却，使得仅传感器单元的单个区域或者部件的温度改变或者具有第二传感器温度。由此，可以特别真实地还原在运行中在旋转编码器处存在的条件。例如，仅将旋转编码器的微控制器置于第二传感器温度，微控制器由于其运行方式通常相对快速地发热。加热或者冷却可以借助外部的、即与旋转编码器无关的设备进行，例如借助热风吹风机、激光器、红外线辐射器、通风系统、冷却垫等进行。为了加热或者冷却传感器单元，原则上可以将机器轴停止，随后再次使其处于旋转运动中。有利地，机器轴的旋转速度在加热或者冷却传感器单元期间保持恒定，使得校准的开销和时间保持相对低，并且能够特别真实地模拟旋转编码器的运行条件。

在达到第二传感器温度之后，在存在第二传感器温度时的旋转角度位置处，重新检测第二位置测量值。检测到的第二位置值对应于与第二温度和旋转角度相关的值。室温下的第一测量的旋转角度位置以及改变后的温度下的第二测量的旋转角度位置原则上可以不同地布置。优选旋转角度位置布置在机器轴上的相同的位置处，从而第一位置测量值和第二位置测量值的检测分别在相同的旋转角度位置处进行。有利地，传感器单元处的第二传感器温度在检测期间保持恒定。检测又按照常见的方法进行，其中，原则上不仅又可以执行每度或者每转的单值测量，而且又可以检测通过机器轴的整体旋转而形成的角度曲线。

随后，确定至少检测到的第二位置测量值与预先给定的额定位置测量值之间的偏差。特别是，通过计算确定第二位置测量值与额定位置测量值之间的差值，其中，所确定的差值对应于与温度差和旋转角度相关的值。为此，可以激活计算模块，其中，可以将预先给定的额定位置测量值以可调用的方式存储在存储器模块中。额定位置测量值给出在理想情况下能够精确地在定义的旋转角度位置处检测到的测量值。由此，可以进行“理想”的位置指示。因此，偏差应当理解为测量的角度位置相对于前面描述的机器轴的理想角度位置的偏差。可以直接根据偏差确定校正值，在存在相应的温度时，必须以该校正值对测量的位置测量值进行校正。

因此，在接下来的步骤中，在相应的旋转角度位置处并且在存在第二传感器温度时，以所确定的偏差或者以校正值对旋转编码器的输出信号进行校正。有利地，与施加在传感器单元上的传感器温度对应地在每一转对从0°到360°中的每一个角度值进行校正。由此，即使在与室温不同的传感器温度下，也可以利用旋转编码器精确地确定机器轴的旋转角度位置，从而可以特别精确地特别是对驱动电机进行控制和/或定位。

优选在机械轴的每一转在至少两个旋转角度位置处执行前面描述的方法。特别是，可以在存在第一传感器温度时，在机器轴的一转中或者期间，在至少两个预先给定的旋转角度位置处分别检测第一位置测量值，并且在将传感器单元加热或者冷却到第二传感器温度之后，在存在第二传感器温度时，在机器轴的另一转中，在旋转角度位置处分别检测第二位置测量值，然后分别确定第二位置测量值与额定位置测量值的偏差。随后，可以分别在旋转角度位置处并且在存在第二传感器温度时，以所确定的偏差校正旋转编码器的输出信号。特别优选针对分布在360°上的机器轴的每个旋转角度位置执行所述方法，有利地在机器轴的一转中执行所述方法。替换地或者附加地，为了进行控制，也可以借助数学算法近似地计算一转上的偏差。由此，可以在机器轴的整个圆周上对旋转编码器进行特别精确的校准。此外，可以在相对短的时间内执行校准。

优选附加地计算在存在第三传感器温度时在旋转角度位置处预期的至少一个第三位置测量值。原则上，第三传感器温度可以具有与第一和第二传感器温度不同的任意的值。优选第三温度具有处于第一温度和第二温度之间的值。特别是，可以通过对在存在第一和第二温度时已知的测量值进行内插来计算预期的测量值。替换地，也可以在测量的温度区间外部特别是通过外推来计算预期的测量值。特别是，内插或者外推一方面可以在校正表中的两个条目之间的位置测量值处进行，另一方面可以在第一校准温度(例如室温)与第二补偿温度(例如100℃)之间的温度下进行。在此基础上，可以在存在第三传感器温度时，在旋转角度位置处，确定所计算的第三位置测量值与额定位置测量值之间的偏差，并且以所确定的偏差校正旋转编码器的输出信号。由此，可以针对处于第一温度与第二温度之间的任意的温度计算机器轴的角度曲线并且用于校正测量值。

优选由检测到的第一位置测量值形成用于计算的额定位置测量值。因此，第一位置测量值可以对应于额定位置测量值，并且优选是在室温下可检测到的值，该值可以视为理想的参考值。为此，可以将第一位置测量值以可调用的方式存储在存储器中并且用于确定偏差。

优选借助参考值发送器或者借助对应于从第一旋转角度位置到第二旋转角度位置的旋转运动的预先给定的运行时间的递增的时间值来确定额定位置测量值。例如，在DE10 2016 101 965.8中详细描述了这种方法。由此，使得能够对于每个旋转编码器单独进行特别精确的校准。此外，可以利用参考值发送器或者自动地进行校准。

特别优选将至少一个位置测量值和/或偏差存储在存储器中。例如，将所有检测到的位置测量和/或计算的偏差存储在存储器中，并且可以用于运行和校正旋转编码器。优选将不同的、特别是预期的温度的位置测量值和/或偏差值存储在存储器中。此外，可以存储校正表、与温度相关的角度曲线和/或至少一个校正值。由此，对于每个预期的温度，可以确保旋转编码器的特别高的测量精度和旋转角度确定。

有利地，在旋转编码器运行时连续检测传感器温度。由此，旋转编码器本身可以与其它构件无关地连续检测传感器温度，并且针对特定旋转角度位置应用对应于传感器温度的校正值。由此，对于每个预期的温度，可以确保特别高的测量精度和旋转角度确定。

根据本发明的用于确定机器轴的校正后的旋转角度位置的旋转编码器、特别是绝对值编码器，具有与机器轴抗扭转地连接的至少一个激励单元和与激励单元在功能上协作的固定的传感器单元，特别是霍尔传感器和微控制器。为了与温度相关地进行校准，以及为了确定以温度偏差进行校正的旋转角度位置，根据本发明，旋转编码器附加地具有温度传感器。因此，旋转编码器特别是可以被配置为执行上面描述的方法。为此，旋转编码器可以可选地具有用于分析施加在传感器单元上的温度的温度分析模块。温度分析模块例如可以集成在微控制器中。因此，旋转编码器可以独立地执行与温度相关的校准，用于以温度补偿的方式确定旋转角度位置。此外，可以在旋转编码器运行时连续检测传感器温度，并且针对相应的旋转角度位置自动应用相应的校正值。由此，可以提供使得能够与环境和/或传感器温度无关地特别精确地给出旋转角度位置的旋转编码器。

优选旋转编码器具有用于存储至少一个位置测量值和/或偏差的存储器模块。存储器有利地集成在旋转编码器中，从而构件的数量能够相对小。由此，可以在相应的温度下直接在旋转编码器处对检测到的值进行计算和校正，从而不需要单独的分析设备。

优选旋转编码器具有计算模块，用于针对至少一个预先给定的传感器温度计算至少一个位置测量值和/或位置测量值与额定位置测量值之间的偏差。由此，可以在相应的温度下直接在旋转编码器处对检测到的值进行计算和校正，从而不需要单独的分析设备。

优选旋转编码器具有加热和/或冷却设备，用于主动加热或者冷却旋转编码器的至少一个区域。由此，可以利用旋转编码器独立地并且与外部设备无关地执行与温度相关的校准。这在定期执行校准的情况下是特别有利的。在旋转编码器运行期间，优选停用加热和/或冷却设备。

为了加热传感器单元，加热和/或冷却设备可以具有在通电时产生热的至少一个电线。由此，可以以相对简单的方式将传感器单元加热到特定温度，并且执行与温度相关的校准。

附图说明

下面，参照附图借助优选实施例更详细地解释本发明。

图1以截面图示意性地示出了根据本发明的旋转编码器，

图2示意性地示出了根据本发明的方法的流程，以及

图3示意性地示出了分别在不同的温度下检测到的角度曲线。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的旋转编码器10的示例。旋转编码器10布置在机器轴20的轴向端部处，其中，机器轴20在此被构造为驱动电机23的驱动轴。旋转编码器10在此用于精确地控制驱动电机23，并且为此与驱动电机23的控制单元24电连接。

旋转编码器10具有布置在驱动轴20的自由端处并且与驱动轴20抗扭转地连接的磁激励单元11。激励单元11借助布置在圆周上的在此未详细示出的多个永磁体形成可读磁代码轨道、特别是多个可检测的旋转角度位置21、22。原则上，可以仅使用构造为偶极子的磁体，其中，在此只能检测到布置在机器轴的圆周上的两个旋转角度位置21、22。为了读取代码轨道，设置具有至少一个传感器18、特别是霍尔传感器的传感器单元12。为此，霍尔传感器18可以与布置在驱动轴20上的永磁体有效地连接，由此检测驱动轴20的旋转运动。因此，对旋转角度位置21、22的检测42、44，即激励单元11和传感器单元12的协作，可以以本身已知的方式进行。

旋转编码器10适用于在驱动轴20处执行自动校准40，特别是执行温度补偿校准，以避免检测到的测量值的与温度相关的偏差。为此，旋转编码器10，特别是在传感器单元12处，具有微控制器19、温度传感器14和用于主动加热43a或者冷却43b旋转编码器10的至少一个区域的加热/冷却设备15。由此，旋转编码器10可以与外部设备或者影响完全无关地自动执行校准40。温度传感器14被构造为本身已知的、用于温度检测的传感器，并且特别是检测在传感器单元12处存在的温度。可以在未示出的温度模块中对检测到的温度进行分析，温度模块可以集成在微控制器19中。加热/冷却设备15包括电线16，电线16在通电时变热并且可以对相邻的构件、例如传感器单元12进行加热。由此，例如为了校准的目的，可以将传感器温度12从第一温度T1、例如室温置于更高的第二温度T2、例如100℃。替换地，由于加热-冷却设备15还可以对传感器单元12进行冷却，因此即使在非常热的环境温度T1下，也可以针对在室温T2下存在的测量值31.2、32.2进行校准。

为了针对至少一个预先给定的传感器温度T1、T2、T3计算45、47a、47b位置测量值31.3、32.3和/或位置测量值31.1、32.1、31.2、32.2、31.3、32.3与额定位置测量值31.0、32.0之间的偏差35、36，旋转编码器10具有计算模块17。计算模块17可以集成在微控制器19中。

为了存储48位置测量值31.0、32.0、31.1、32.1、31.2、32.2、31.3、32.3的至少一个时间变化和/或未示出的具有偏差值35、36的校正表，旋转编码器10具有存储器模块13。存储器模块13同样可以集成在微控制器19中。

在图2中示出了根据本发明的用于校准旋转编码器10的方法的流程，其中，此外还示出了可以可选地进行的其它方法步骤。

首先，将驱动轴20加速41到预先给定的、优选恒定的转速，特别是每分钟1000转的范围内的转速。这在存在第一传感器温度T1时进行。

然后，在第一轮校准40中，在存在第一传感器温度T1时，在预先给定的两个旋转角度位置21、22处分别检测42第一位置测量值31.1、32.1。这两个旋转角度位置21、22原则上可以自由选择，但是如在所示出的示例中，优选选择180°的角度，即在圆周上看，彼此相对地布置在机器轴20上。可以在机器轴20的一转内检测第一位置测量值31.1、32.1，从而校准40可以相对快速地进行。在检测到第一位置测量值31.1、32.1之后，可以将其以可调用的方式存储在存储器13中，这以附图标记48表示。

根据旋转编码器10的规划的应用，现在可以将传感器单元12加热43a或者冷却43b到第二传感器温度T2。加热43a或者冷却43b借助加热-冷却设备15进行，并且产生高于或者低于第一传感器温度T1的传感器温度T2。在常规运行中，第二温度T2例如可以通过传感器单元12的自发热部件、例如微控制器19、信号放大器和/或AD转换器实现。

一旦传感器单元12达到第二温度T2，则进一步检测44位置测量值，在此在先前已经测量的两个旋转角度位置21、22处分别检测第二位置测量值31.2、32.2。也就是说，在存在第二传感器温度T2时，在相同的旋转角度位置21、22处进行当前的第二测量值的检测44。将检测到的第二位置测量值31.2、32.2又以可调用的方式存储在存储器13中。

在接下来的步骤中，确定45相应的检测到的第二位置测量值31.2、32.2与预先给定的额定位置测量值31.0、32.0之间的偏差35。为此，可以从存储器13调用额定位置测量值31.0、32.0和第二位置测量值31.2、32.2。在此，额定位置测量值31.0、32.0可以对应于在前面的步骤42中在室温T1下检测到的第一位置测量值31.1、32.1。

随后，在存在第二传感器温度T2的情况下，分别在旋转角度位置21、22处以所确定的偏差35校正46旋转编码器10的输出信号。然后，至少将角度偏差35存储在存储器模块13中，用于将来进行计算和分析。可选地，可以附加地计算47a在存在第三传感器温度T3时分别在旋转角度位置21、22处预期的至少一个第三位置测量值31.3、32.3。此外，可以分别针对相应的旋转角度位置21、22确定47b所计算的第三位置测量值31.3、32.3与预先给定的额定位置测量值31.0、32.0之间的偏差36，随后在存在第三传感器温度T3的情况下，分别在旋转角度位置21、22处以所确定的偏差36校正47c旋转编码器10的输出信号。由此，特别是可以针对存在于第一温度T1与第二温度T2之间的温度T3，通过计算，特别是通过对已知的测量值31.0、32.0、31.1、32.1、31.2、32.2进行内插，来确定预期的测量值31.3、32.3。

可以在机器轴20的几转内进行该过程，和/或旋转编码器10可以在一定的时间段内自动重复该过程，从而可以实现旋转编码器10的持续的高测量精度。此外，可以在每一转中多次进行与温度相关的测量，从而对旋转编码器10进行特别精确的校准。

在旋转编码器10的随后的常规运行中，根据当前的温度，以存储在存储器单元13中的偏差或者校正值35、36，校正在相应的旋转角度位置21、22处检测到的位置测量值，从而可以将然后以偏差35、36校正后的旋转角度位置值传输到控制单元24，用于控制和调节驱动电机23。

在图3中示例性地示出了各个不同的传感器温度T1、T2、T3下的三个角度曲线。在此，示出了机器轴20的圆周上、特别是当前检测的旋转角度位置21、22处的各个位置测量值。在此，延伸通过额定位置值31.0、32.0的曲线示出了位置值的理想线，其对应于实际的旋转角度位置的指示。理想或者额定的角度曲线在此基本上对应于一条直线，从而完全不考虑驱动电机的制动力矩或者急冲力矩(Ruckelmomente)。

在第一传感器温度T1下、特别是在大约21摄氏度的温度下检测到的第一位置测量值31.1、32.1在角度曲线中仅示出了相对于理想曲线非常小的偏差。在第二传感器温度T2下、特别是极大升高的温度下检测到的第二位置测量值31.2、32.2在角度曲线中示出了相对于在室温T1下检测到的角度曲线相对大的偏差35。第三角度曲线示出了在处于第一传感器温度T1和第二传感器温度T2之间的第三传感器温度T3下、特别是通过计算确定的第三位置测量值31.3、32.3。由此，可以针对在传感器单元12处存在的特定温度T3，识别出所需的检测到的位置测量值的偏差36，并且对旋转编码器10的输出信号进行相应的校正。

由此，可以在不同的传感器单元温度下，针对每个单独的系统提供具有特别高的精度的旋转编码器。很明显，根据本发明的旋转编码器不限于在此示出的应用示例，而是可以以合适的方式设计为在不同的温度范围内使用。

附图标记列表

10 旋转编码器

11 激励单元

12 传感器单元

13 存储器模块

14 温度传感器

15 加热和/或冷却设备

16 电线

17 计算模块

18 霍尔传感器、AMR传感器

19 微控制器

20 机器轴

21 第一旋转角度位置

22 第二旋转角度位置

23 驱动电机

24 控制单元

31.0 额定位置测量值

32.0 额定位置测量值

31.1 第一位置测量值

32.1 第一位置测量值

31.2 第二位置测量值

32.2 第二位置测量值

31.3 第三位置测量值

32.3 第三位置测量值

35 偏差

36 偏差

40 校准

41 旋转机器轴

42 检测位置测量值

43a 加热

43b 冷却

44 检测位置测量值

45 确定偏差

46 校正输出信号

47a 计算位置测量值

47b 确定偏差

47c 校正输出信号

48 存储

Claims (6)

1.一种用于校准(40)旋转编码器(10)的方法，所述旋转编码器用于检测机器轴(20)的旋转角度位置(21，22)，其中，所述旋转编码器(10)具有与机器轴(20)抗扭转地连接的至少一个激励单元(11)和与激励单元(11)在功能上协作的固定的传感器单元(12)，所述方法具有以下步骤：

-在存在第一传感器温度(T1)时，将机器轴(20)置于(41)具有预先给定的旋转速度的恒定的旋转运动中，

-在存在第一传感器温度(T1)时，检测(42)第一角度曲线，

-对传感器单元(12)进行局部加热(43a)或者冷却(43b)，使得仅所述传感器单元(12)的单个区域或者部件具有高于或者低于第一传感器温度(T1)的第二传感器温度(T2)，

-在存在第二传感器温度(T2)时，检测(44)第二角度曲线，

-确定(45)第二角度曲线的位置测量值与针对第二角度曲线的每个位置测量值的额定位置测量值之间的偏差(35)，以及

-在存在第二传感器温度(T2)时，以所确定的偏差(35)校正(46)旋转编码器(10)的输出信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

附加地计算(47a)在存在第三传感器温度(T3)时预期的第三角度曲线，

确定(47b)所计算的第三角度曲线的位置测量值(31.3，32.3)与针对第三角度曲线的每个位置测量值的额定位置测量值之间的偏差(36)，以及

在存在第三传感器温度(T3)时，以所确定的偏差(36)校正(47c)旋转编码器(10)的输出信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

额定位置测量值(31.0，32.0)由第一角度曲线的位置测量值形成。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

借助参考值发送器确定额定位置测量值(31.0，32.0)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

将至少一个位置测量值(31.0，32.0，31.1，32.1，31.2，32.2，31.3，32.3)和/或偏差(35，36)存储(48)在存储器(13)中。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

在旋转编码器(10)运行时连续检测传感器温度(T1，T2，T3)。

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