CN1188662C - 测量绝对旋转角度的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种测量绝对旋转角度的装置及其方法。具体来讲，该装置适用于对旋转传动及绝对旋转角度测量要求有高精度的测量与伺服系统。该装置包括：具有与旋转变压器相连的传动器旋转部分、与传动器旋转部分结合的传动器固定部分以及检测传动器旋转部分的旋转状态的传感器的旋转机构；用于响应旋转控制来驱动旋转机构的执行部分；用于将来自旋转变压器的旋转检测信号转换为数字的旋转变压器数据的旋转变压器接口；以及用于向执行部分提供旋转控制信号、接收数字旋转变压器数据和旋转检测信号以设置旋转机构的初始旋转参考位置、以及在数字的旋转变压器数据突然改变时补偿旋转角度以计算绝对旋转角度的控制器。

Description

测量绝对旋转角度的装置及其方法
技术领域
本发明涉及用以测量绝对旋转角度的装置及其方法。具体来讲，该测量装置适用于对旋转传动及绝对旋转角度测量有高精度要求的测量与伺服系统。
背景技术
在许多用于进行旋转传动的测量与伺服系统中，对旋转传动和绝对旋转角度测量要求有较高精度。并且，这类旋转传动系统大多需要进行绝对旋转角度的实时测量。目前，一种根据已测旋转角度来测量相对或绝对旋转角度的旋转角传感器包括：编码器、旋转变压器、同步机等。近来，常常用多速旋转变压器来提高精度。但是，在用多速旋转变压器和普通RDC(旋转变压器数字转换器)测量旋转角度时，只能测量在限定角度以内的绝对旋转角，而超出该限定角度的范围就只能得到相对旋转角度，这是个问题。
图1示出一种常用旋转变压器的结构，图2示出一种常用旋转变压器的输入-输出信号和一种RDC的数字输出。
参见图1，旋转变压器具有一个转子12和两个定子14与16。当用图2所示的交流(AC)方波激励转子12时，从定子14与16得到正弦和余弦信号。在图1所示的单速旋转变压器中，可利用将旋转变压器的输出数字化的RDC容易地测量绝对旋转角度。另一方面，多速旋转变压器如双速旋转变压器具有相对较高的精度。但是，多速旋转变压器具有象图2所示的双速输出E1与E2那样的输出波形，因此，当绝对旋转角度值被规定在限定角度内时，便不能得到超出该限定角度范围的相对旋转角度。
发明内容
因而，本发明的一个目的是提供一种适用于数字测量与伺服系统的装置和方法，用以非常精确地测量绝对旋转角度的值。
按照要达到上述目的的本发明的实施例，本发明提供了一种测量绝对旋转角度的装置，它包括：具有与旋转变压器相连的传动器旋转部分、与所述传动器旋转部分旋转结合的传动器固定部分、以及检测所述传动器旋转部分的旋转状态的传感器的旋转机构；用于响应旋转控制信号、驱动所述旋转机构的执行部分；用于将来自所述旋转变压器的旋转检测信号转换为数字的旋转变压器数据的旋转变压器接口；以及用于向所述执行部分提供所述旋转控制信号，用于接收所述数字旋转变压器数据和所述旋转检测信号以设置所述旋转机构的初始旋转参考位置，并且用于在所述数字的旋转变压器数据改变时计算所述绝对旋转角度的控制器。
其中，所述传动器旋转部分围绕旋转轴转动，并且所述旋转轴被固定在所述传动器旋转部分的凹处内；所述传动器旋转部分还包括用以固定所述旋转变压器、具有与所述旋转轴的下部结合的旋转变压器旋转部分的旋转变压器固定部分，和装在所述传动器旋转部分的一侧的突出件；以及所述传感器被固定地安装在所述传动器固定部分被固定的位置，以检测所述突出件的经过。
所述传感器可以是光开关。
所述测量绝对旋转角度的装置还可以包括用以驱动所述光开关发光二极管的发光二极管驱动器和用于从所述光开关提供信号的光接口。
所述执行部分包括用以将来自所述控制器的所述旋转控制信号转换成模拟信号的转换器、用以对所述转换的模拟信号进行滤波的低通滤波器以及响应所述滤波后的信号转动所述旋转机构的所述传动器旋转部分的执行器。
所述旋转变压器接口包括用于向所述旋转变压器中的转子提供方波的旋转变压器振荡器，以及用于将来自所述旋转变压器中的所述转子的模拟波数字化而把所述数字化后的波提供给所述控制器的转换器。
本发明还提供了一种测量绝对旋转角度的方法，其中旋转机构与多速旋转变压器结合并且具有用以检测借助执行器的驱动而旋转的旋转部分的旋转状态的传感器，并且旋转变压器数字转换器将所述旋转变压器测得的信号转换成数字信号，所述方法包括以下步骤：(a)设置初始旋转参考点，这包括如下步骤：(i)驱动所述执行器以从所述旋转变压器数字转换器读取输出值；(ii)当检测所述传感器的所述输出值时，关掉所述执行器以设置关于以前设定的信号值的角度补偿值；(iii)将所述角度补偿值加到所述旋转变压器数字转换器的所述输出值上以设置初始绝对位置；以及(b)计算所述绝对旋转角度，这包括如下步骤：(i)读取并存储所述旋转变压器数字转换器的所述输出值以获得所述数字信号与所述先前设定的信号值之间的差值；(ii)如果在所述旋转变压器数字值与所述旋转变压器数字转换器的分辨率之间检测到数据差，则把所述分辨率加到所述角度补偿值上以计算所述绝对旋转角度。
附图说明
图1表示一种普通旋转变压器的结构；
图2表示一种普通旋转变压器的输入-输出信号和RDC的数字输出；
图3表示按照本发明的实施例的绝对旋转角度的测量装置；
图4是按照本发明的实施例的绝对旋转角度测量装置的电子线路框图；
图5和图6是控制图4中所示的控制器的工作的流程图。
具体实施方式
下面，按照本发明的最佳实施例来描述绝对旋转角度测量装置及其方法。并且，还将详细描述与按照本发明的实施例的结构有关的特定部分，以便在后续说明中提供对本发明更全面的理解。但是，对于本领域的技术人员，显然能够不用这些特定部分而做出本发明。
图3表示按照本发明的实施例的绝对旋转角度测量装置，把该装置设置为与旋转变压器的旋转部分结合、用于检测旋转变压器的绝对旋转状态的机构。
参见图3，该装置配备有：带有用于安装旋转机构的空腔或凹处的传动器固定部分26；传动器旋转部分28，它具有安放于传动器旋转部分的凹处内的旋转轴24，该旋转轴装在传动器旋转部分上与其一起旋转；以及与旋转轴24的下部旋转结合的旋转变压器旋转部分20，并且其上装有用于固定旋转变压器的旋转变压器固定部分22。而且，在传动器旋转部分28的一侧装有突出件30，并且在固定传动器固定部分26的部分上固定地装有光开关32。
具有上述构造的机构检测传动器旋转部分28的转动，以得到绝对位置，并且用旋转变压器检测相对旋转角度。这里，应通过固定多速旋转变压器的磁极对(pole pair)来设定光开关机构的尺寸。
图4示出按照本发明的实施例的绝对旋转角度测量装置，把该装置设置为用于控制图3中所示光开关22及机构、并通过检测旋转变压器的输出获得绝对和相对角度的电子线路。这一装置主要包括：控制单元、旋转变压器接口、光开关接口和驱动单元。这里，控制单元包括：包括微处理器(MPU)或数字信号处理器(DSP)的处理器或控制器34以及存储器36。驱动单元包括：DAC(数模转换器)38、低通滤波器(LPF)40、执行器驱动器42以及执行器44。旋转变压器接口包括：旋转变压器46、旋转变压器振荡器、旋转变压器数字转换器(RDC)50以及用于RDC的稳压器。光开关接口包括：用以驱动光开关22中的发光二极管(LED)的LED驱动器52、用于匹配光开关的输出的光接口54以及缓冲器56。
图5和图6表示用于控制图4中所示的控制器34的工作的算法，其中，图5是用于设置初始绝对位置的流程图，而图6是用于计算绝对旋转角度的流程图。
以下，参照图3至图6，对按照本发明的绝对旋转角度的测量装置的工作进行详细描述。
当如图4中所示构成的绝对旋转角度测量装置工作时，控制器34输出控制数据至DAC38以驱动图3中所示的传动器。这里，DAC38把该驱动控制数据转换为模拟信号，并且把这些模拟信号送至LPF40，而LPF40对转换的模拟信号进行低通滤波以供给执行器驱动器42。执行器驱动器42按照滤波后信号的电压驱动执行器44，以转动图3中所示的传动器旋转部分28。这里，所述旋转变压器振荡器产生如关于图2提到的旋转变压器驱动信号，并将该信号送至旋转变压器46，而LED驱动器52驱动光开关32中的那些LED。
当传动器旋转部分28转动时，装在其一侧的突出件30每转动大约360°经过光开关32一次，并且旋转所述旋转变压器的旋转部分20以转动在旋转变压器46中的转子。结果，正如关于图2所提到的，从旋转变压器46中的多个定子产生多速输出，并送至RDC50。经由光开关接口54把传动器旋转部分28的旋转检测信号输入缓冲器56。
RDC50对来自旋转变压器的多速检测信号进行转换，并将转换后的信号提供给控制器34，缓冲器56把光开关32的输出提供给控制器34。这里，控制器34分析从缓冲器56输出的光开关32的开/关检测信号和RDC50的输出值以设置初始位置，并且计算绝对旋转角度值。从下列描述中，会更清楚地理解初始绝对位置的这种设置和绝对旋转角度值的计算。
如图5中所示，控制器34在步骤60读取RDC50的输出，并且在步骤62中读取缓冲器56的输出以判断光开关32是否“接通”。如果在步骤62中判定光开关为“断开”，则控制器34输出驱动控制数据至DAC38以向前驱动执行器44。如果光开关为“接通”，在步骤64中，控制器34中断驱动控制数据的输出以关掉执行器44。换言之，使受驱动的执行器44停在光开关32检测到突出件30的位置，而控制器34将角度补偿值设为“0”。在步骤68中，控制器将角度补偿值加在RDC50的输出数据上，并且把相加后的值设为绝对旋转角度值。正如从前文可看出的，图3中所示的传动器被缓慢地驱动到一个方向，在该方向上，旋转变压器的值被设为在光开关接通的时刻旋转角的初始值的参考值。
正如从图5中可见，控制器34根据某个控制过程来设置初始位置，并且如下计算旋转传动器的绝对旋转角度值。
绝对旋转角度的计算开始，这时在图6的步骤72中，控制器34读取RDC50的输出值而将该输出值存入内存储器。刚一读取RDC50的输出值，在图6中所示的步骤74中，控制器34从当前RDC50中读取的当前RDC数据(P_RDC)中减去以前存储在内存储器中的旧RDC数据(O_RDC)，计算RDC数据之差(RDCDD)。
控制器34判断RDC数据差(RDCDD)是否大于RDC分辨率与系数a的乘积，其中系数a被设置为近似于1的值并且大约在0.7到0.8之间(参见图6中的步骤76)。如果RDC数据差或RDCDD大于系数a与RDC分辨率的乘积，则控制器34将角度补偿值减去RDC分辨率所得的差值作为角度补偿值，通过后者来对角度进行补偿(参见步骤78)。
如果判定RDCDD小于系数a与RDC分辨率的乘积，则在步骤80中，控制器34将RDC分辨率加到前面所设置的角度补偿值上以对角度进行补偿。在完成步骤80后，在步骤82中，控制器34将角度补偿值加到当前RDC50中读取的当前RDC数据(P_RDC)上、以计算绝对旋转角度。在步骤84中，控制器34用当前RDC50中读取的当前RDC数据(P_RDC)取代存储在存储器中的旧的RDC数据(O_RDC)，结束绝对旋转角度的计算。
因此，当RDC50的输出相对于初始旋转参考点或参考值改变时，把旋转角度与绝对旋转角度比较，从而能正确地计算绝对旋转角度。
按照上面描述的本发明，检测驱动部分的旋转状态以设置初始绝对位置，并且当RDC输出相对于初始旋转参考点突然改变时，对该角度进行补偿以测定绝对旋转角度。由此，在连续旋转系统中可高精度地测量旋转角度。并且，利用多速旋转变压器可以容易地测量绝对旋转角度。

Claims (7)

1.一种测量绝对旋转角度的装置，它包括：
具有与旋转变压器相连的传动器旋转部分、与所述传动器旋转部分旋转结合的传动器固定部分、以及检测所述传动器旋转部分的旋转状态的传感器的旋转机构；
用于响应旋转控制信号、驱动所述旋转机构的执行部分；
用于将来自所述旋转变压器的旋转检测信号转换为数字的旋转变压器数据的旋转变压器接口；以及
用于向所述执行部分提供所述旋转控制信号，用于接收所述数字旋转变压器数据和所述旋转检测信号以设置所述旋转机构的初始旋转参考位置，并且用于在所述数字的旋转变压器数据改变时计算所述绝对旋转角度的控制器。
2.权利要求1的测量绝对旋转角度的装置，其特征在于：
所述传动器旋转部分围绕旋转轴转动，并且所述旋转轴被固定在所述传动器旋转部分的凹处内；
所述传动器旋转部分还包括用以固定所述旋转变压器、具有与所述旋转轴的下部结合的旋转变压器旋转部分的旋转变压器固定部分，和装在所述传动器旋转部分的一侧的突出件；以及
所述传感器被固定地安装在所述传动器固定部分被固定的位置，以检测所述突出件的经过。
3.权利要求2的测量绝对旋转角度的装置，其特征在于：所述传感器是光开关。
4.权利要求3的测量绝对旋转角度的装置，其特征在于：它还包括用以驱动所述光开关发光二极管的发光二极管驱动器和用于从所述光开关提供信号的光接口。
5.权利要求1的测量绝对旋转角度的装置，其特征在于：所述执行部分包括用以将来自所述控制器的所述旋转控制信号转换成模拟信号的转换器、用以对所述转换的模拟信号进行滤波的低通滤波器以及响应所述滤波后的信号转动所述旋转机构的所述传动器旋转部分的执行器。
6.权利要求1的测量绝对旋转角度的装置，其特征在于：所述旋转变压器接口包括用于向所述旋转变压器中的转子提供方波的旋转变压器振荡器，以及用于将来自所述旋转变压器中的所述转子的模拟波数字化而把所述数字化后的波提供给所述控制器的转换器。
7.一种测量绝对旋转角度的方法，其中旋转机构与多速旋转变压器结合并且具有用以检测借助执行器的驱动而旋转的旋转部分的旋转状态的传感器，并且旋转变压器数字转换器将所述旋转变压器测得的信号转换成数字信号，所述方法包括以下步骤：
(a)设置初始旋转参考点，这包括如下步骤：
(i)驱动所述执行器以从所述旋转变压器数字转换器读取输出值；
(ii)当检测所述传感器的所述输出值时，关掉所述执行器以设置关于以前设定的信号值的角度补偿值；
(iii)将所述角度补偿值加到所述旋转变压器数字转换器的所述输出值上以设置初始绝对位置；以及
(b)计算所述绝对旋转角度，这包括如下步骤：
(i)读取并存储所述旋转变压器数字转换器的所述输出值以获得所述数字信号与所述先前设定的信号值之间的差值；
(ii)如果在所述旋转变压器数字值与所述旋转变压器数字转换器的分辨率之间检测到数据差，则把所述分辨率加到所述角度补偿值上以计算所述绝对旋转角度。
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