CN1188663C

CN1188663C - 绝对编码器

Info

Publication number: CN1188663C
Application number: CNB998111120A
Authority: CN
Inventors: 铃木嚆二; 稻永正道
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1998-07-23
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: US6384752B1; KR100611435B1; CN1319176A; WO2000005553A1; KR20010053565A; JP3551252B2

Abstract

本发明提供一种绝对编码器，它能通过完成简单的操作处理来产生绝对值信号。在本发明中，相位信号φ0至φ3用j位数字信号表示，从相位差信号φ01＝c减去用2^K1(式中K₁为整数)除相位信号φ0所得的信号b，产生节距数(a0-a1)的绝对值信号A01＝f，以及从作为高位的φ01和作为低位的φ0减去该信号所得的信号的高k1位的信号，然后从相位差信号φ02＝h减去用2^K2除相位信号A01＝f所得的信号g(式中K2是整数)，产生节距数(a0-a2)的绝对值信号A02＝k，以及从作为高位的φ02和作为低位的f减去该信号而得到的信号的高k2位的信号，并依次执行该过程，以此产生节距较长的绝对值信号，从节距较短的信号到节距较长的信号依次处理信号，以此消除无法确定节距数的状态，并且狭缝间相位误差可取大的允差。还可以通过PLL修正和调整标尺高速旋转时相位差信号的误差。

Description

绝对编码器

技术领域

本发明涉及游标型绝对编码器，更详细地说，涉及有关绝对值信号产生和输入信号(相位信号和相位差信号)的信号处理的游标型绝对编码器，尤其是涉及一种难以受到在简单操作处理中由检测波形的畸变等引起的狭缝串之间相位误差影响并适用于高速旋转的绝对编码器。

发明背景

一般说来，先有技术中的游标型绝对编码器从两对相位信号产生相位差信号，从节距较长的相位差信号确定节距较短的相位差信号的节距数，依次重复这一过程，并最后确定最大节距数的相位信号的节距数。

图13是先有技术中的绝对编码器操作的原理示意图。正如这里表示的，若相位差信号的节距长度是4∶1，则节距较长的相位差信号的相位φa中节距较短的相位差信号的相位预测值φb′和节距数预测值N之间关系是

φb’＝4φa-2Nπ

作为0＜φb’＜2π的值，式中求出N是0，1，2，和3中间一个。

接着，节距数由实际得到的φb求出。

若节距数预测值如图13所示为1和φb’＜π，则

(1)当0＜φb＜φb’+π时，确定节距数等于预测值的1；或

(2)当φb’+π＜φb＜2π时，确定节距数为由预测值减去1而得到的0。

用这样的方法，若信号之间的相位误差用由相位角φa代表的角度表示，在该示例中，在理论上是在±π/4(亦即节距率4除2π所得结果的1/2)以内，则节距数可以正确地确定。

事实上，对数字相位差信号执行以下处理：

令φa和φb分别为4位信号(t3，t2，t1，t0)和4位信号(s3，s2，s1，s0)，首先根据φa的高2位确定临时节距数(节距数预测值)。

临时节距数变为如下：

当φa的高2位(t3，t2)为

(0，0)：0

(0，1)：1

(1，0)：2

(1，1)：3

例如，若φa的位串(t3，t2，t1，t0)为(0，1，0，0)，则节距数预测值为1。

接着，把φa的低2位(t1，t0)与φb的高2位(s3，s2)比较，以此修正临时节距数，并最后求出φb的节距数。

现以φa的低2位(t1，t0)为(0，0)的情况为例讨论节距数的修正。

若φb的高2位(s3，s2)为

(1)(0，0)或(0，1)，则确定节距数为1，等于预测值；

(2)(1，1)，则确定节距数为0，由预测值减去1而得。

(3)但是，若高2位是(1，0)，则当节距数为1或0时从预测值得到的误差变得相等，因而无法求出节距数。

若φa和φb之间的相位误差用由相位角φa代表的角度表示，变得等于或大于π/8，则有可能进入(3)的状态；可以看到，节距数无法确定。在这个例子中，相位误差的允差变为理想情况下的1/2。

但是，在先有技术的上述示例中，涉及以下问题：为了从节距长的相位差信号确定节距短的相位差信号的节距数，要求有计算元件(微处理器)等的确定处理功能。

有一种节距数无法确定而信号之间相位误差的允差减小的情况。

若信号处理中涉及的位数减小，则相位误差的允差减小；若处理中涉及的位数增大以增大相位误差的允差并使该状态接近理想状态，则操作处理变得复杂。这是一个问题。

因此，本发明的一个目的是提供一种低成本、高可靠性的绝对编码器，它难以受检测波形等畸变引起的狭缝串之间的相位误差影响，只需进行简单操作处理而不需要计算元件等的确定处理功能等。

本发明的公开

为此目的，按照本发明的第一方面，提供一种绝对编码器，它包括：具有多个节距数不同的刻度的标尺，其中形成以相同的节距重复的位置信息；多个传感器，用来对标尺做相对移动，以检测位置信息；相位调制部分，用来把来自所述传感器的信号转换成相位信号；数字转换部分，用来把相位信号和任意两个相位信号之间的每一个相位差信号转换成数字信号；和绝对值信号产生部分，用来根据数字化相位信号和数字化相位差信号产生与绝对位置有关的信号，其特征在于，

当相位信号φ0，φ1，φ2，φ3…是表达成

φ0＝2πa0x+b0

φ1＝2πa1x+b1

φ2＝2πa2x+b2

φ3＝2πa3x+b3

……

(式中a0，a1，a2，a3，…每一个都是节距数，

X是标尺和传感器之间的相对位移，

b0，b1，b2，b3，…是每一个初始相位)

的j位数字信号时，绝对值信号产生部分这样设置节距数a0，a1，a2，a3…，使得

φ0和φ1之间的相位差信号φ01的节距数(a0-a1)，

φ0和φ2之间的相位差信号φ02的节距数(a0-a2)，

φ0和φ3之间的相位差信号φ03的节距数(a0-a3)

…

变为

a0/(a0-a1)＝2^K1

(a0-a1)/(a0-a2)＝2^K2

(a0-a2)/(a0-a3)＝2^K3

……

式中k1，k2，k3每一个都是整数，

可以以这样的方式产生节距数(a0-a1)的绝对值信号A01，即，信号A01的高K1位是从φ01减去用2^K1除φ0得到的信号所提供的高K1位，而信号A01的低位是φ0。接着，可以以这样的方式产生节距数(a0-a2)的绝对值信号A02，即，信号A02的高K2位是从φ02减去用2^K2除φ0得到的信号所提供的高K2位，而低位是A01。按照次序执行这些处理过程，能够产生节距较长的绝对值信号。

基于本发明的第一方面，按照本发明的第二方面，这样形成标尺上位置信息的位置或者这样设置相位调整电路，使得φ0的相位π点变为φ01的相位0点、A01的相位π点变为φ02的相位0点、以及A02的相位π点变为φ03的相位0点。

基于本发明的第二方面，按照本发明的第三方面，所述相位调整电路把相位调整信号输入移位寄存器，用根据调整基准时钟依次移位的相位调整信号，产生移位量上不同的多个相位调整信号，用多路转换器选择每一个移位后的相位调整信号，从所选择的信号产生载波，并把载波输入相位调制电路，用以进行相位信号的相位调整。

按照本发明的第四方面，提供一种绝对编码器，它包括：具有多个节距数不同的刻度的标尺，其中以同节距形成位置信息；多个传感器，用来对标尺做相对运动，以便检测位置信息；相位调制部分，用来把来自传感器的信号转换成相位信号；数字转换部分，用来把相位信号和任意两个相位信号之间的每一个相位差信号转换成数字信号；以及绝对值信号产生部分，用来根据数字化相位信号和数字化相位差信号产生与绝对位置有关的信号，其特征在于，数字转换部分把相位信号输入PLL(锁相环)电路，用PLL电路产生一个其频率与相位信号的周期有关地改变的时钟，并根据对所述时钟的计数产生相位差信号。

按照本发明的第五方面，提供一种绝对编码器，它包括：具有节距数不同的多个刻度的标尺，其中形成以相同节距重复的位置信息；多个传感器，用来对标尺做相对运动，以便检测位置信息；相位调制部分，用来把来自传感器的信号转换成相位信号；数字转换部分，用来把相位信号和任意两个相位信号之间的每一个相位差信号转换成数字信号；以及绝对值信号产生部分，用来根据数字化相位信号和数字化相位差信号产生与绝对位置有关的信号，其特征在于，相位调制部分具有相位调制电路，用来把与任意一个传感器信号对应的相位信号输入PLL(锁相环)电路，并且调制根据另一个传感器信号由所述PLL电路产生的载波，由此产生相位差信号。

按照所描述的绝对编码器，需要利用长节距相位差信号确定短节距相位信号的节距数。例如，当按照128节距处的位置变化、以锯齿波信号的形式变化的相位信号φ01用作短节距锯齿波信号，而按照128-96＝32节距处的位置变化、以具有0-2π电平的锯齿波信号的形式变化的第二相位差信号φ01用作长节距锯齿波信号时，在这样的条件下，提供用2^K1(例如，K1＝2)除128节距相位差信号φ0得到的1/4电平信号，并且在所述信号和长节距相位差信号之间执行减法，使得所述相减形成的阶梯型位置检测信号具有4个电平的4个阶梯(包含在长节距信号一个节距内的短节距信号的节距数)，而与短节距信号一个节距对应的周期变为平电平。

若长节距信号的相位0点与短节距信号的相位π点一致，则相减而形成的阶梯型信号的4个电平变为该信号高2位组成的信号的电平中点，而若在这两个信号之间出现某种波动，则高2位的信号不变。

因此，两位信号可以用以识别长节距信号一个节距中短节距信号的4节距位置。所识别的信号变为32节距信号，带有与长节距信号相同的节距。接着，用节距较长信号来识别32节距信号。于是，完成只有位操作的简单操作处理即可产生绝对值信号，而不需要任何复杂的确定功能。短和长的节距之间相位误差的允差可以取大。

提供一种能够利用相位调整电路在电气上移动相位信号的相位的功能，以此抵消诸如狭缝加工精确度误差或传感器安装误差等机械误差引起的相位误差，并针对本发明第二方面所描述的狭缝串之间的相位条件对上述相位误差进行修正。

PLL电路用来产生其频率与相位信号相关地变化的时钟，而所述时钟用来将相位差信号数字化，以此即使在圆盘高速旋转时也能防止相位差信号误差出现。

为了产生两个传感器信号之间的相位差信号，用所述两个传感器中的一个的传感器信号对具有固定频率的载波进行相位调制，PLL电路用以产生其周期变化与该相位调制信号相关的载波，并且用另一传感器的传感器信号对该载波进行进一步的相位调制。以此能够产生不受圆盘转速影响的相位差信号。因此，可以提供适用于高速旋转的绝对编码器。

附图的简单介绍

图1是表示按照本发明第一实施例的绝对编码器的绝对值信号产生部分某些部件的信号的图；

图2是表示图1所示绝对值信号产生部分某些部件的信号波形图；

图3是遵循图2所示绝对值信号产生部分的信号波形图的部件的信号波形图；

图4是表示按照本发明第二实施例的绝对旋转磁编码器的信号处理的方框图；

图5是图4所示的相位调整电路的电路图；

图6是表示图4所示的相位差信号操作的波形图；

图7是描述编码器问题的图；

图8是按照本发明第三实施例的绝对旋转磁编码器信号处理的方框图；

图9是图8所示的PLL电路10的方框图；

图10是按照本发明第四实施例的绝对旋转编码器信号处理的方框图；

图11是图10所示本发明的相位差信号产生时间图；

图12是图10所示的PLL电路9的方框图；

图13是先有技术绝对编码器工作的原理示意图；

图14是绝对旋转磁编码器信号处理的方框图；

图15是相位调制电路组成部分的方框图；

图16是多相信号的波形图；

图17是载波信号和相位调制信号的时间图；而

图18是相位信号的时间图。

对标号的描述如下：

1：旋转圆盘

2：格子图案

3：传感器

4：相位调制部分

5：数字转换部分

6：绝对值信号产生电路

7：振荡器

8，26：分频器

9，10：PLL电路

23：相位比较器

24：LPF

25：VCO

36：相位调整部分

40：相位调整信号

41：移位寄存器

42：多路转换器

43：调整基准时钟

44：开关

45：相位移位后的相位调整信号

46：二进制计数器

a：相位信号φ0

b：除a所得的信号

c：相位差信号φ01

d：c减b所得的信号

e：d的高位信号

f：A01信号

g：除f所得的信号

h：相位差信号φ02

I：h减g所得的信号

J：I的高位信号

K：A02信号

L：除K所得的信号

M：相位差信号φ03

N：m减去I所得的信号

O：n的高位信号

P：绝对值信号

CK：时钟

φ：基准信号

φ0’，φ1’，φ2’，φ3’：相位信号(二进制信号)

φ0：相位信号(数字信号)

φ01’，φ02’，φ03’：相位差信号(二进制信号)

φ01，φ02，φ03：相位差信号(数字信号)

实现本发明的最佳方式

现参照附图，其中示出本发明的实施例。

在图1中，标号6表示绝对值信号产生部分(图14中的6)。a表示相位信号φ0；这里，旋转圆盘1每一转有128个节距。b表示a被4除所得的信号(取数量级)，而c表示相位差信号φ01，这里，有128-96＝32个节距。

d表示c(取数量级)减去b所得的信号，且信号d是逐级变化的，而e表示信号d的高两位信号。f表示把a的高6位信号加到e的低位部分上而得的8位信号；这是与信号c节距相同的信号A01。g表示f除以4所得的信号(取数量级)，而h表示相位差信号φ02；这里，是128-120＝8节距信号。

i表示h(取数量级)减去g所得的信号，而信号i是逐级变化的，而j表示信号i的高两位。k表示与信号h节距相同的信号A02，是把f的高6位信号加到j的低位部分上所得的信号。L表示k被8除所得的信号，m表示相位差信号φ03；这里是1节距信号。n表示m减去1所得的信号，信号n是逐级变化的，而o表示信号n的高3位信号。p表示由a，e，j和o代表的15位绝对值信号。

图2(a)至(g)是图1所示的信号a至g的波形图，而图3(g)至(p)是图1所示的信号g至p的波形图。

图1所示的绝对值信号产生部分6的每一部分的信号的位数，“j”是8，8位数字信号，但为了易于理解该描述，图2和3中的信号波形表示的是通过D/A(数/模转换)看的。

图14表示图1所示的绝对旋转磁编码器的信号处理方框图。标号1表示旋转圆盘，标号2表示在该旋转圆盘上形成的狭缝状格子图案，而标号3表示用MR(磁阻)元件和偏磁形成的磁传感器。图14表示旋转圆盘具有4个狭缝串(2-a0至2-a3)的情况的一个示例。磁传感器3从在旋转圆盘1上形成的格子图案2检测旋转圆盘1的角度位移。

在旋转圆盘1上设置在等节距处节距数不同的4个格子图案(狭缝串2)。

节距数设置如下：

(1)2-a0：128，(2)2-a1：96，

(3)2-a2：120，(4)2-a3：127；

其周期等于狭缝节距的二相正弦信号从磁传感器3输出，并输入相位调制部分4，后者把二相传感器信号转换成相位信号φ0’至φ3’。

相位调制部分4包括4个相位调制电路部分(4-0至4-3)，与4个狭缝串一一对应。图15是相位调制电路部分4-0的方框图。相位调制电路部分4-0包括多相转换部分4-01、多路转换器4-02、低通滤波器(LPF)4-03和比较器4-04。多相转换部分4-01对两相传感器信号加权并相加，以此把两相传感器信号转换成诸如四相或八相多相信号等多相信号。图16表示八相多相信号(s1至s8)的波形。该多相信号是正弦波形，具有关于旋转圆盘的旋转角度的、等于狭缝节距的周期。用多路转换器4-02依次对多相信号进行采样。若多相信号有8相，则采样用的载波信号ms包括3位二进制信号(d0，d1，d2)；载波信号ms由振荡器8分频提供。具有最长周期的d2用作周期基准信号φ。图17是载波信号ms和采样信号(相位调制信号)的时间图。当旋转圆盘1的旋转位置用图16所示的多相信号的电角表示处于0度和45度时，施加图17所示的相位调制信号。虚线波形代表基波分量。

相位调制信号具有谐波含量，用低通滤波器(LPF)4-03滤除，并进一步由比较器转换成方波信号。

二进制相位信号和基准信号φ的边缘位置与相位信号的边缘位置之间的差值提供代表旋转圆盘1角度的信息。

图18是相位信号的时间图。在图18中，当用多相信号的电角表示旋转位置处于0度时，相位信号变为具有由多相转换部分和LPF产生的相位延迟引起的相位延迟φd的信号。接着，当用多相信号的电角表示旋转位置处于45度时，相位信号变为具有由多相转换部分和LPF产生的相位延迟引起的相位延迟φd+45度(上述相位延迟φd加上多相信号的相位45度)的信号，而基准信号一周为360度时，相位信号的相位变化45度。就是说，相位信号变成一个其相位响应多相信号相位改变而改变的信号。

相位信号输入到数字转换部分5。在旋转圆盘1上形成4个狭缝串；狭缝串之一是主狭缝串(2-a0)，而其他是辅助狭缝串(2-a1至2-a3)。数字转换部分5把从主狭缝串获得的相位信号φ0’转换成具有一定位数的数字信号φ0，并产生主狭缝串与辅助狭缝串之间的数字化相位差信号(φ01至φ03)。标号6表示绝对值信号产生部分，用来利用数字化的相位信号和相位差信号产生一个与绝对位置有关的信号。

接着，将参见附图详细地讨论绝对值信号产生部分的工作。

绝对值信号p是一个15位(d0-d14)信号。现将参见图1、图2(a)至(g)和图3(g)至(p)讨论各位的产生方法。

低8位d0至d7从相位信号φ0产生。在图1中，a表示相位信号φ0，而其波形示于图2(a)。a表示128节距信号，在圆盘的一转中从0到2π重复128次。

接着，将讨论如何产生d8和d9。

b表示取出a的高6位并在高位部分加2位0而得到的8位信号。在这个过程中，b变为a的1/4量(相当于φ0/2^K1的过程，K1＝2)。

c表示狭缝串2-a0和2-a1之间的相位差信号φ01，而该信号c变为狭缝串之间节距数差信号，圆盘转一周该节距数差为(128-96)＝32节距(对a的周期比为4∶1)。

d表示c减去b所得的信号，在a的相位为0的位置上信号d是逐级变化的，对于圆盘的位移，b和c的梯度相等，于是在各阶梯之间该信号变为几乎平的信号，尽管它因为检测信号波形畸变的影响而略有波动。

这样确定狭缝的位置，使得c相位的相位0点变为a的π点。这样做的结果是，d的各阶梯之间的电平几乎变为基于d的高2位的电平中心，于是产生了具有d的在各阶梯之间不变的高2位的信号(信号e)。这变为d8和d9。

随后，将讨论如何产生d10和d11。f(A01)表示一个把a的高6位作为低位加到d的高2位上而得的信号，g表示取出f的高6位并在高位部分加上2位0而得的8位信号。在这个过程中，g变为f的1/4量。

接着，参见图3，图3(h)中所示的h表示狭缝串2-a0和2-a2之间的相位差信号φ02，而该信号h变为狭缝串之间节距数差信号，圆盘转一周该节距数差为(128-120)＝8节距。

i表示从h减去g所得的信号，在f的相位为0的位置上信号i是逐级变化的，对于圆盘的位移，g和h的梯度相等，于是该信号在各阶梯之间变成一个几乎平的信号。

这样确定狭缝的位置，使得h相位的相位0点变为f的π点。

这样做的结果是，i的各阶梯之间的电平几乎变为基于i高2位的电平中心，于是产生了具有i的在各阶梯之间不变的高2位的信号(信号j)。这变为d10和d11。

接着，将讨论如何产生d12，d13和d14。

k(A02)表示把f的高6位作为低位加到i的高2位上而得的信号，1表示一个取出k的高5位并在高位部分加上3位0而得的8位信号。在这个过程中，1变为k的1/8量。

m表示狭缝串2-a0和2-a3之间的相位差信号φ03，而该信号m变为狭缝串之间节距数差信号，圆盘转一周节距数差为(128-127)＝1节距。

n表示m减去1所得的信号，在k的相位为0的位置上信号n是逐级变化的，对于圆盘的位移，l和m的梯度相等，于是该信号在各阶梯之间变成一个几乎平的信号。这样确定狭缝的位置，使得m相位的相位0点变为k的π点。这样做的结果是，n的各阶梯之间的电平几乎变为基于n高3位的电平中心，于是产生具有n的在各阶梯之间不变的高3位的信号(信号o)。这变为d12，d13和d14。

于是便产生d0至d14的15位绝对值信号p并确定φ0的节距数。

接着，将以信号“f”和信号“h”之间的相位为例讨论相位误差的影响。

正如从以上的描述中看到的，信号I是根据f和h产生的。若存在相位误差，则I信号平坦部分的电平改变。绝对值信号p的d10和d11是信号I的高2位，而且信号的变化点之前一直存在±π/4的相位余量。事实上，相位余量由于数字处理的分辨率的作用而略微变窄，但是在f和h之间相位误差几乎为±π/4之前，绝对值信号p的d10和d11是不受影响的。这变为在理论上可能的相位余量。因此，与现有技术的示例中的π/8相比，相位余量可以取大一倍。

于是，按照本发明第一实施例，依次处理节距较短的信号，以此排除节距数无法确定的条件，使得狭缝之间允许误差可以采取大的允差，微型计算机的复杂的确定处理变得不再必要了，并且仅完成简单的位处理可以产生绝对值信号。

为了产生某个节距数的相位差信号，在该实施例中采用对φ0的相位差；但是不需要一定要采用对φ0的相位差。例如，在本实施例中8节距相位差信号是128节距相位信号φ0和120节距相位信号φ2之间的相位差信号φ02，但是φ2可以是一个119节距信号，而119节距信号和127节距信号φ3之间的相位差信号可以作为8节距相位差信号采用。

上面已经以旋转编码器作为示例进行了描述，但是，显然本发明也可以应用在线性编码器上；除了磁的形式以外，本发明还可以应用于光学形式、静电形式等。

接着将参照附图讨论本发明的第二实施例。

在本发明第一实施例中利用游标型狭缝的绝对编码器要求把狭缝之间的相位关系放在本发明第二方面所描述的预定条件下。若依每一个狭缝的加工精确度或磁传感器的装配精确度而定，狭缝串之间的相位关系与预定的相位关系差别巨大，就有可能超出完成正常的绝对值信号处理所需的相位余量，使提供正确的绝对值信号成为不可能。随着绝对编码器配置较高的分辨率，狭缝串之间的相位余量可能取得不够，于是难以提供分辨率较高的绝对编码器。这样就有问题了。

本发明的第二实施例打算解决这些问题。在表示第二实施例的图4中，移位寄存器41按照次序把相位调整信号40移位，移位量为调整基准时钟43的一个周期，并把相位移位后的相位调整信号45输入相位调整电路36。图5是相位调整电路36的电路图；它表示4个电路部分中的一个。相位调整信号45输入多路转换器42，通过开关44选择一个其相位被移位了适当移位量的相位调整信号45。二进制计数器46从所选择的信号产生载波信号ms-0至ms-3，送往相位调制部分4，以此可以移动相位信号φ0’至φ3’的相位，于是相位信号φ0和数字转换部分的相位差信号φ01至φ03之间的相位关系可以调整到预定的位置。图6表示狭缝串之间相位关系包含误差的情况；图6(a)表示φ0和φ01之间调整以前的波形图，而(b)表示调整以后的波形图。调整之后，φ0的π点变为φ01的0点(预定条件如本发明第二方面所描述的)。

若狭缝串之间的相位关系依每一个狭缝的加工精确度或磁传感器的装配精确度而不同于预定的相位关系，则相位调整电路就可以矫正它，以便能够提供绝对值信号产生中信号处理的相位余量，并能提供高分辨率的绝对编码器。

增加图4中移位寄存器41的位数就可以增大调整范围，或者改变调整基准时钟43的频率即可改变调整分辨率。

下面将参照附图讨论本发明的第三实施例。

如上所述，本发明第一实施例利用游标型狭缝的绝对编码器使用形成有狭缝节距相等而狭缝长度不同的狭缝串的刻度盘(旋转圆盘)来检测狭缝串之间的相位差，并使用这些信号来产生与绝对位置有关的信号。

但是，本发明第一实施例中利用游标型狭缝的绝对编码器涉及相位差信号φ01至φ03产生中出现的问题。就是说，如上所述，相位转换部分4与旋转圆盘1的旋转位置相应地把传感器信号的相位改变转换成对基准信号φ0而言相位改变了的相位信号φ0’至φ3’。当旋转圆盘1旋转时，相位信号的相位变化大到相对于传感器信号一个节距的角度位移(电角360度)改变基准信号一个节距(2π)的程度。这意味着，若旋转圆盘1以一个速度旋转，则相位信号的节距在旋转圆盘1的该转速下改变；当旋转圆盘1以给定的速度旋转时，相位信号的节距长度等于多相信号的一个节距中的基准信号的节距数加一(出现相位超前时)或减一(出现相位落后时)。因为相位信号的节距这样地依旋转圆盘1的旋转速度而改变，所以相位差信号数值便受到该速度影响，因而无法提供正确的相位差信号；这是个问题。

现将结合图7比较具体地讨论这一点。

φ表示基准信号，而a0和a1表示从狭缝串2-a0和2-a1检测到的传感器信号；其中只示出每一个传感器信号中两相的一相。

2-a0和2-a1之间的狭缝节距数的比率是4∶3。传感器信号的周期随着速度而改变；图7是传感器信号a0一个节距变得刚好等于基准信号φ0的三个节距在这样的速度下的时间图。因为a1信号的节距长度是信号a0节距长度的4/3倍，所以基准信号φ0的4个节距刚好等于信号a1的一个节距。φ0’和φ1’是与传感器信号a0和a1对应的相位信号。若旋转圆盘在a0和a1的相位超前的方向旋转，则a0和a1节距中φ0’和φ1’的节距数变为该节距中φ的每一个节距数加一。

就是说，φ0’的节距数变为3+1＝4，而φ1’的节距数变为4+1＝5。

传感器信号a0的4节距长度等于a1的3节距长度，而该长度变为游标节距长度，其中这两个信号之间的相位差变为2π。游标节距中φ0’和φ1’的节距数变为游标节距中基准信号φ0的节距数，12，加上该节距中a0和a1的节距数，4和3。

就是说，φ0’的节距数变为12+4＝16，而φ1’的节距数变为12+3＝15。

下面，将讨论相位差信号φ01的检测增益。

相位差信号φ01由相位信号φ0’和φ1’上升沿之间的时钟ck计数提供。计数与φ1’同步读出，并提供数字化后的相位差信号φ01。

相邻的第k个和第(k+1)个相位差信号之差，亦即

(φ01_(k+1)-φ01_(k))变为如下：

φ01_(k+1)-φ01_(k)

＝{(φ01’的节距长度/φ的节距长度)-

(φ0’的节距长度/φ的节距长度)}×2π

＝{(12/15)-(12/16)}×2π

游标节距中的φ1’的节距数是15，而

相位差检测增益变为(1/20)×2π×15＝3/4×2π。

可以看出增益降低25％。

类似的，若旋转圆盘沿着φ0’和φ1’相位滞后的方向旋转，则尽管没有详细描述，但可以看出检测增益上升。

于是，相位信号的周期随着速度而改变。所以，在旋转圆盘旋转的状态下，无法提供正确的相位差信号，而且产生绝对值信号中的相位余量减小，而若速度变快，则绝对值信号的产生不能正确进行。这是个问题。

于是，在本发明的第一实施例中，相位信号周期随着圆盘的转速而变化，而且在相位差信号中出现误差。具体地说，若圆盘高速旋转，则误差变大，并变得难以在高速旋转中使用绝对编码器。这是个问题。

于是，在本发明的第三实施例中，提供一种可用于高速旋转的绝对编码器，其中，甚至在高速旋转中也可防止误差出现。

图8所示第三实施例的绝对编码器与图14所示第一实施例的旋转磁编码器的差别在于增加了PLL电路10，用来抑制图8中圆盘高速旋转时相位差信号中误差的出现。在其他点上，图14和图8的该编码器的配置是相同的。

图9表示PLL电路的细节。如所周知，PLL电路包括相位比较器23、低通滤波器LPF 24、振荡器VCO 25和分频器26，是一种利用相位比较器23在被调整的波与基准波之间进行相位偏移比较，把相位偏移比较结果的差值作为通过LPF 24的DC(直流)变化用以控制VCO 25震荡偏置电路，由此调整相位偏移。

因此，图9中所示的PLL电路的输出是一个其频率(相位)变化与相位信号φ0’的周期相关的时钟。在以前参照图7描述的旋转速度的条件下，相位信号φ0’的频率是φ的频率的16/12＝4/3倍，而若PLL是由相位信号φ0’形成的，则时钟频率变为旋转圆盘1静止时频率的4/3倍，而若相位差信号φ01是根据该时钟产生的，则检测增益变为1，便可提供调整得无误差的正确的相位差信号。

旋转圆盘1在相位信号φ0’和φ1’相位超前的方向旋转的情况示于图7；若旋转圆盘1沿着相反的方向旋转，则从至今所做的描述显而易见，可以进行调整以防止检测增益误差出现。

另外，对于基准信号φ和相位信号φ0’之间的数字化相位差信号φ0，从至今所做的描述也显而易见，可以进行调整以防止检测增益误差出现。

于是，按照第三实施例，可以防止标尺(旋转圆盘)高速旋转时或高速移动时出现相位差信号的检测增益误差，于是便有可能产生高精确度的绝对值信号，并能轻易地提供适用于高速旋转的绝对编码器。

接着将参照附图讨论本发明第四实施例。

如前所述，本发明第一实施例涉及以下问题：相位信号周期随着圆盘的转速而变化，在相位差信号中可能出现误差。具体地说，若圆盘高速旋转，则误差变大，而且变得难以在高速旋转下使用绝对编码器。

本发明第四实施例的特征在于以下事实，即绝对编码器包括：形成有多个在等节距处而节距长度不同的格子图案的标尺；多个传感器，用来令其相对于刻度做相对运动，以检测格子图案；相位调制部分，用来把来自传感器的信号转换成相位信号或相位差信号；数字转换部分，用来将相位信号或相位差信号转换成数字信号；以及绝对值信号产生部分，用来根据数字转换部分的输出信号产生一个与绝对位置有关的信号，其中任意两个传感器信号、由一个传感器提供的相位信号或由该相位信号产生的载波信号根据来自另一个传感器的信号进行进一步相位调制，以此产生相位差信号。

这样，按照本发明的第四实施例，若标尺高速移动，则在相位差检测信号中不会出现检测增益误差，于是产生绝对值信号用的相位余量不会缩小。由此，可以提供一种高速绝对编码器。

现将参照附图讨论本发明的第四实施例。

图10是利用本发明的绝对旋转编码器信号处理的方框图。

在相位调制部分4，主狭缝串2-a0的相位信号φ0’的产生方法与现有技术的相同，用分频器8对振荡器7的输出信号进行分频而产生的信号ms(d0，d1，d2)用作相位调制部分4-0的载波信号。而周期变化与φ0’相关的信号ms’用作与辅助狭缝串2-a1，2-a2和2-a3相对应的相位调制电路部分4-1，4-2和4-3的载波信号。信号ms’由PLL电路9产生。根据信号ms’，φ01’，φ02’和φ03’产生的相位调制电路部分4-1，4-2和4-3的输出信号，变为主狭缝串2-a0与辅助狭缝串2-a1，2-a2和2-a3之间的相位差信号(二进制信号)。标号5表示数字转换部分，用来把相位信号φ0’和相位差信号φ01’至φ03’的每一个都转换成一定位数的数字信号。

图11是本发明的相位差信号产生时间图。

主狭缝串2-a0与辅助狭缝串2-a1之间的相位差信号φ01的产生方法将结合图11具体地讨论。这个产生方法也可以应用于主狭缝串和其他辅助狭缝串之间的相位差信号的产生。

图11是旋转圆盘以给定的速度旋转时这些部分的信号时间图。φ表示基准信号，a0和a1表示从主狭缝串2-a0与辅助狭缝串2-a1检测出的传感器信号；图中只表示了两相(a0，b0和a1，b1)中一相(a0和a1)。若2-a0和2-a1之间的狭缝节距数比率设置为4∶3，则a0的4节距长度等于a1的3节距长度，而该长度变为游标长度，其中该两信号之间的相位差变为2π。

首先，讨论相位信号φ0’的节距数和游标节距中的相位差信号φ01’。

传感器信号a0的周期随着旋转圆盘的转速而改变；图11是a0的一节距变得刚好等于φ0的3节距长度时这样的速度下的时间图。因为a1信号的节距长度是a0信号节距长度的4/3倍，所以基准信号φ0的4节距长度刚好等于a1信号的1节距长度。若旋转圆盘在φ0’的相位超前的方向上旋转，则在a0的一个节距中相位信号φ0’的节距数变为该节距中基准信号φ的节距数加一，即4。游标节距中φ0的节距数变为游标节距中基准信号φ0的节距数，12，加上该节距中a0的节距数，4，即16。

产生φ01’用的调制电路4-1的载波信号使用其节距变化与利用PLL电路产生的φ0’相关的信号ms’。图12表示PLL电路的细节。图12中的PLL电路9与图9中的PLL电路10的配置相同，因此不再详细讨论。ms’是一个3位二进制信号，而周期最长的位d2’变为相位比较器9-1的输入信号，并锁定于φ0’。

若在上述旋转方向上φ01’的相位相对于ms’信号处在滞后的方向上，则游标节距中φ01’的节距数变为从该节距中φ0’的节距数减去a1的节距数(＝ms’的节距数)，就是说，13(16-3)。

下面将讨论数字化相位差信号φ01的检测增益。

相位差信号φ01与φ01’同步地读出，并对基准信号φ和φ01’的上升沿之间时钟数进行计数以便求得φ01。基准信号φ一个节距中的时钟数对应相位差2π。

相邻第k和第(k+1)个读出的相位差信号之差(φ01_(k+1)-φ01_(k))变成如下：

φ01_(k+1)-φ01_(k)

＝2π-(φ01’的节距长度/φ的节距长度)×2π

＝2π-(12/13)×2π＝(1/13)×2π

游标节距中φ01’的节距数是13，而游标节距中的相位差变为(1/13)×2π×13＝2π。

可以看出，相位差信号φ01正确地检测到主狭缝串2-a0和辅助狭缝串2-a1之间的相位差。

若旋转圆盘在与该实施例中方向相反的方向上旋转，则类似地可以说，检测增益误差不会出现。对于基准信号φ和相位信号φ0’之间的数字相位信号φ0，同样可以说，检测增益误差不会出现。

工业上的可应用性

如上所述，按照本发明，在绝对编码器中，它包括：标尺具有多个节距数不同的刻度，其中形成以相同的节距重复的位置信息；多个传感器，用来对该标尺做相对运动，以检测位置信息；相位调制部分，用来把来自传感器的信号转换成相位信号，数字转换部分，用来把相位信号和任意两个相位信号之间的每一个相位差信号转换成数字信号；和绝对值信号产生部分，用来根据数字化相位信号和数字化相位差信号产生一个与绝对位置有关的信号，相位信号φ0，φ1，φ2，φ3…用j位数字信号表示，a0，a1，a2和a3的节距数设置得使相位差信号φ01(a0-a1)的节距数、φ02(a0-a2)的节距数、φ03(a0-a3)的节距数变为a0/(a0-a1)＝2^K1，(a0-a1)/(a0-a2)＝2^K2，(a0-a2)/(a0-a3)＝2^K3，式中K1，K2和K3每一个都是整数，φ0除以2^K1，产生节距数(a0-a1)的绝对值信号A01、同时从作为高位的φ01和作为低位的φ0减去用2^K1除φ0得到的信号而提供所述信号的高K1位的信号，类似地，从A01和相位信号φ02产生绝对值信号A02，并依次执行该过程，以此产生一个节距较长的绝对值信号。另外，构造一个绝对编码器，使得φ0的相位π点变成φ01的相位0点，A01的相位π点变成φ02的相位0点，A03的相位π点变成φ03的相位0点。于是，不必复杂计算元件的确定处理函数，完成简单的操作处理，便可提供低成本、高可靠性、难以受检测波形畸变引起的狭缝串之间的相位误差等的影响的绝对编码器。

另外，按照第二实施例，把相位调整信号输入移位寄存器，并根据调整基准时钟进行移位，每一个移位后的相位调整信号输入多路转换器，通过开关来选择相位调整信号的量将该信号用来产生相位调制电路的载波。于是，抵消了每一个狭缝的加工精确度、磁传感器的装配精确度等的机械误差，消除相位差信号误差的出现，便可以低的成本提供高位计数绝对编码器。

按照第三实施例，提供一种设有基于相位信号的PLL(锁相环)电路的绝对编码器，用PLL电路产生一个其时钟频率变化与相位信号的周期相关的时钟。于是，能够提供一种适用于高速旋转的绝对编码器，其中相位差信号的误差即使在标尺高速旋转时或高速移动时也不会出现。

按照第四实施例，在任意两个传感器信号中，从一个传感器获得的相位信号或者从相位信号产生的载波用来自另一个传感器的信号进行进一步的相位调制，以此在标尺高速移动时不会出现相位差检测信号的检测增益误差，使得能够提供适用于高速旋转的绝对编码器。

Claims

1.一种绝对编码器，它包括：标尺，具有多个节距数不同的刻度，其中形成以相同的节距重复的位置信息；多个传感器，用来对所述刻度做相对移动以检测位置信息；相位调制部分，用来把来自所述传感器的信号转换成相位信号；数字转换部分，用来把所述相位信号和任意两个相位信号之间的每一个相位差信号转换成数字信号；和绝对值信号产生部分，用来根据数字化相位信号和数字化相位差信号产生与绝对位置有关的信号，其特征在于，

当相位信号φ_m是表达为φ_m＝2πa_mX+b_m-2Nπ的j位数字信号时，

其中a_m是节距数，

X是标尺和传感器之间的相对位移，

b_m是初始相位，m是大于或等于0的整数，

N是整数，满足0＜φ_m＜2π，

所述绝对值信号产生部分设置节距数a_m，使得

φ₀和φ_n之间的相位差信号φ_0n的节距数(a₀-a_n)变为

(a₀-a_n-1)/(a₀-a_n)＝2^Kn

式中K_n是整数，

n是大于或等于1的整数，当n＝1时，a₀/(a₀-a₁)＝2^K1

用2^K1除φ0，产生节距数(a0-a1)的绝对值信号A01、同时从作为高位的φ01和作为低位的φ0减去用2^K1除φ0得的信号而提供所述信号的高k1位，用2^K2除A01，产生节距数(a0-a2)的绝对值信号A02、同时从作为高位的φ02和作为低位的A01减去用2^K2除A01所得的信号而提供所述信号的高k2位，并依次执行该过程，以此产生节距较长的绝对值信号。

2.权利要求1所要求的绝对编码器，其特征在于，

在所述标尺上形成狭缝串之间的狭缝位置或者设置一个相位调整电路，以便满足以下条件：使φ0的相位π点变为φ01的相位0点，使A01的相位π点变为φ02的相位0点，使A02的相位π点变为φ03的相位0点。

3.权利要求2所要求的绝对编码器，其特征在于：所述相位调整电路把相位调整信号输入移位寄存器，用根据调整基准时钟依次移位的相位调整信号，产生移位量上不同的多个相位调整信号，用多路转换器选择每一个移位后的相位调整信号，从所选择的信号产生载波，并把所述载波输入相位调制部分，用以进行相位信号的相位调整。

4.一种绝对编码器，它包括：标尺，具有节距数不同的多个刻度，其中形成以相同节距重复的位置信息；多个传感器，用来对所述标尺做相对运动以检测位置信息；相位调制部分，用来把来自所述传感器的信号转换成相位信号；数字转换部分，用来把相位信号和任意两个相位信号之间的每一个相位差信号转换成数字信号；以及绝对值信号产生部分，用来根据数字化相位信号和数字化相位差信号产生一个与绝对位置有关的信号，其特征在于，

所述数字转换部分把相位信号输入PLL电路，用PLL电路产生一个其频率改变与相位信号的周期相关的时钟，并根据对所述时钟的计数产生相位差信号。

5.一种绝对编码器，它包括：标尺，具有节距数不同的多个刻度，其中形成以相同节距重复的位置信息；多个传感器，用来对所述标尺做相对运动以检测位置信息；相位调制部分，用来把来自所述传感器的信号转换成相位信号；数字转换部分，用来把相位信号和任意两个相位信号之间的每一个相位差信号转换成数字信号；以及绝对值信号产生部分，用来根据数字化相位信号和数字化相位差信号产生一个与绝对位置有关的信号，其特征在于，

所述相位调制部分具有相位调制电路，用来把与任意一个传感器信号对应的相位信号输入PLL电路，并调制由所述PLL电路根据另一个传感器信号产生的载波，以此产生相位差信号。