CN1609558A

CN1609558A - 传感器信号处理器

Info

Publication number: CN1609558A
Application number: CN200410086503.1A
Authority: CN
Inventors: 热田晓生; 井垣正彦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: CN100498234C; US7099790B2; US7184914B2; US20060247884A1; US20050090998A1; JP2005127762A

Abstract

一种传感器信号处理器，包括一个具有光学或磁性方式的细密刻度的标尺；一个相对于标尺移动，并且与标尺的刻度相关联设置的检测传感器；和一个位置检测单元，以通过使用从检测传感器的输出产生的数字脉冲信号的计数器值和从检测传感器的输出产生的模拟信号，计算位置信息。该传感器信号处理器通过使用数字脉冲信号和模拟信号两者，产生位置信息。

Description

传感器信号处理器

技术领域

本发明涉及一种用于测量的传感器信号处理器。

背景技术

现在光学和磁性编码器广泛用作位置检测传感器。为了增加编码器分辨率，在编码器中的标尺没有较小刻度的情况下，常规系统把从编码器输出的模拟正弦波电学倍增。

图11说明在一个起位置检测传感器作用的光学编码器中所使用的光接收器中，检测光的对比度图形的例子与光电二极管阵列的图形之间的关系。光电二极管阵列S1至S4相对于对比度图形分别以0°、90°、180°和270°异相安排。

图12是一个信号处理器的电路图，用于处理从图11中光电二极管阵列S1至S4供给的信号。参考图12，从各光电二极管阵列S1至S4供给的电流分别供给各电流-电压转换器300a至300d。经受了电流-电压转换的信号相对于对比度图形分别为0°、90°、180°和270°异相。光电二极管阵列S1和S3的信号由一个差动放大器301a差动放大，而光电二极管阵列S2和S4的信号由一个差动放大器301b差动放大，以提供相对于对比度图形分别为0°和90°异相的A相和B相模拟正弦波电压信号A和B。

图13说明在Swiss Patent No.407569中公开的一种已知电阻除法电路的例子，它能够通过使用两相模拟信号把原始信号的节距分成16个刻度。把信号Asinθ和Acosθ供给缓冲放大器20A和20B。放大信号连同一个信号-Asinθ一起，应用于电阻器阵列R1-R4的节点，这里信号-Asinθ通过使用一个反相放大器22把缓冲放大器20A的输出反相而给定。与电阻器阵列的节点相应地设置总计八个比较器24 A至24H。从一个参考电压调节器26向各比较器24A至24H供给一个用于比较的参考电压Vr。比较器24A至24H的输出由异或门28A至28F合成。合成信号从一个方向鉴别器30输出，一个振荡器32与方向鉴别器30连接。

在这种电阻除法电路中，电阻器阵列的电阻器R1至R4的值的比设定为1∶0.707∶0.707∶1。因为将180°分成八，所以将360°分成16。

图14是一个倍增器电路(光学编码器)的例子的方块图。该光学编码器具有一个传感器单元41和一个信号处理器42。传感器单元41包括一个光发射器51，标尺54和55，和一个光接收器52。从光接收器52供给的信号由一个放大器64放大，并且经受算术处理，以提供模拟信号Asinθ和Acosθ。

模拟信号Asinθ和Acosθ供给第一和第二模拟-数字转换器61和62，以转换成数字数据。转换成数字数据的输出信号DA和DB供给一个只读存储器(ROM)63。ROM 63的信号供给一个同步器66和一个同步器与PA/PB转换器67。从同步器66输出与输出信号DA和DB相应的模拟振幅电平(DA)²和(DB)²。从同步器与PA/PB转换器67输出位置信息tan^-1(DA/DB)。时钟发生器65确定数据取样的定时。按照时钟脉冲的定时使数据更新。

当在图14中的倍增器电路中执行电阻除法时，为了增加分辨率而增加倍增器的数，使电路扩大，因而提高成本。作为一个表把模拟-数字转换所给定的值转换成位置信息的系统必须具有一个与该表相应的足够存储器。因此，当增加分辨率时，必须增加存储器空间，因而也使电路扩大。

此外，在图14中的倍增器电路中，传感器单元41通过使用时钟脉冲仅输出在放大之后取样的模拟信号。然而，在编码器的输出具有较高频率的较高移动速度下，模拟-数字转换器61和62的容量不够，所以会不正确地对信号的模拟波数计数。

发明内容

为了解决常规系统的一个或多个缺点，本发明提供一种传感器信号处理器，它能够从一个检测传感器供给模拟信号和数字信号两者，以通过算术运算提供精确的位置信息。

按照本发明的传感器信号处理器包括一个具有光学或磁性方式的细密刻度的标尺；一个相对于标尺移动，并且与标尺的刻度相关联设置的检测传感器；和一个位置检测单元，以通过使用从检测传感器的输出产生的数字脉冲信号的计数器值和从检测传感器的输出产生的模拟信号，计算位置信息。该传感器信号处理器检测标尺与检测传感器的相对位移。

在按照本发明的传感器信号处理器中，提供数字信号和模拟信号两者。通过检测和计算信号的状态，以选择地使用计算结果，能提供精确的位置信息，而与物体的速度无关。例如，当被测量物体以较高速度移动时，可以使用数字信号，而当物体以较低速度移动时，可以使用模拟信号。

由以下参考附图对实施例的描述，本发明的其他特点和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是按照本发明的第一实施例的信号处理器的方块图。

图2是表示图1所示的算术处理器中的算术处理的流程图。

图3是表示供给图1所示的算术处理器的信号的曲线图。

图4是表示A相与B相模拟信号之间的除法结果的曲线图，其中将图3所示的一个波扩大。

图5是表示图3和图4所示的A相和B相模拟信号的tan^-1计算结果的曲线图。

图6是按照本发明的第二实施例的信号处理器的方块图。

图7表示按照本发明的一个实施例的输出数字信号和模拟信号的传感器头的电路配置。

图8是表示在一个算术处理器中处理的波形的曲线图。

图9是表示按照本发明的第三实施例的算术处理器中的算术处理的流程图。

图10时表示在图9的算术处理器中处理的波形的曲线图。

图11说明光电二极管阵列的图形的例子与检测光的图形之间的关系。

图12是一个信号处理器的电路图，用于处理从图11所示的光电二极管阵列供给的信号。

图13说明常规电阻除法电路的例子。

图14是倍增器电路(光学编码器)的例子的方块图。

具体实施方式

第一实施例

图1是按照本发明的第一实施例的信号处理器的方块图。传感器1包括一个标尺(未示出)，例如一个编码器，它具有光学或磁性方式的细密刻度；和一个检测传感器，它相对于标尺移动，并且与标尺的刻度相关联地设置。

与传感器1并联连接一个比较器2，以把传感器1输出的模拟信号A和B转换成数字信号；和一个模拟-数字转换器3。

把比较器2的输出通过一个计数器4连同模拟-数字转换器3的输出一起，供给一个算术处理器5，例如一个中央处理单元(CPU)。模拟-数字转换器3、计数器4和算术处理器5包括在一个微处理器6中。

构成第一实施例的信号处理器，以便从传感器1供给数字信号和模拟信号两者，并且用计数器4对数字信号计数。应用这种结构，即使模拟-数字转换器3错误动作，通过使用计数器4计数的值，传感器1也能检测距离。

图2是表示在按照本发明的一个实施例的算术处理器5中的算术处理的流程图。图3至图5表示在图2所示的算术处理期间产生的波形。现在将参考图2至图5描述第一实施例。

参考图3，供给算术处理器5的输入信号是数字信号DA和DB及模拟信号A和B，它们是位置信息信号。数字信号DA和DB在比较器2中根据模拟信号A和B产生。比中心电压高的数字信号DA和DB认为是在高电平，而在中心电压之下的数字信号DA和DB认为是在低电平。

因为当起动装置时，或当被测量物体在以高速移动时，通常无需检测精确位置，所以对数字信号DA和DB计数以供运算。计数器4提供由数字信号DA和DB的四倍增所给定的计数器值。

在要求更精确位置的方式下，在图2流程图中的步骤A001，启动微型计算机6。在步骤A002，将数字信号DA和DB供给计数器4，并且将模拟信号A和B供给模拟-数字转换器3。在步骤A003，从模拟信号A和B中删除偏置电压。

在步骤A004，根据A相与B相信号之间的以下关系，通过计算确定物体的位置，其中模拟信号用0°至360°的电角度来代表：

(1)A＞＝|B|：45°至135°

(2)B＜＝|A|：135°至225 °

(3)A＜＝|B|：225°至315 °

(4)B＞＝|A|：315°至45°

在步骤A005，在算术处理器5根据A相与B相信号之间的关系(1)至(4)，确定一个对其位置所属于的区域之后，执行A相与B相信号之间的除法。

图4是表示A相和B相信号的除法结果的曲线图，其中将图3所示的一个波扩大。算术处理器5根据A相与B相信号之间的关系，确定分母是相A还是相B。如果分母是一个小值，为了避免产生一个接近无穷大的值，将分母在相A与相B之间转换，以提供1或更小的除法结果。因为除法结果在45°至135°的范围内以及在225°至315°的范围内具有负梯度，所以实际上符号相反。

如图5所示，在步骤A005的tan^-1计算产生与电角度成比例的值。把值分配给分割一个周期所给定的数，提供与分辨率相应的计数器值。

参考图5，一个周期均等地分成1,024个脉冲。计数器4在一个周期内计数1,024次。在图2中步骤A006，算术处理器5确定tan^-1计算产生一个正值还是一个负值。如果tan^-1计算产生一个负值，因为行计数器值属于一个较小区域，所以在步骤A007，算术处理器5加上256个脉冲，它们与一个周期的四分之一相应。当一个周期的正弦波分成1,024个脉冲时，通过计算和数字化正弦波之内的一个位置所给定的值表示为Pls。例如，当Rad定位在180°时，因为Rad＝π，所以Pls＝512。当Rad定位在90°时，Pls＝1024/4＝256。因此，在步骤A008，由[行计数器值]×256+Pls给定一个位置计数器值。

第二实施例

图6是按照本发明的第二实施例的信号处理器的方块图。图1所示的比较器2包括在传感器1’中。图7表示输出数字信号和模拟信号的传感器头的电路配置。图8是表示对于图6的信号处理器，数字信号的区域的转换定时和模拟信号的除法结果的部分的曲线图。本发明的优点是通过从传感器1’输出数字信号DA和DB，使信号处理器的性能改善。

如第一实施例那样，当使传感器1供给的模拟信号A和B二值化，以产生数字信号DA和DB时，如图8所示，因为执行二值化的比较器2具有滞后作用，所以当模拟信号A或B过零时，使脉冲转换的定时延迟一段时间。因此，即使模拟信号A和B已经过零，脉冲的部分也不转换，并且计算结果的计数器值移位256，因而产生一个大误差。

为了处理这样缺点，如图6所示，从传感器1’输出数字信号，以防止延迟。参考图7，示出光电二极管阵列S1至S4。在光电二极管阵列S1至S4的各光电二极管的下游，设置一个电流-电压转换器11。从光电二极管阵列输出相互90°异相的信号。特别地，将相互180°异相并且从光电二极管阵列S1和S3供给的信号供给一个比较器12的正和负端口，而将相互180°异相并且从光电二极管阵列S2和S4供给的信号供给另一个比较器12的正和负端口。使供给信号二值化，以产生数字信号DA和DB。

应用这样结构，因为下游差动放大器13不受DC偏移影响，并且比较器12的输入端口具有推挽式布置，所以从模拟信号A和B产生不延迟的数字信号DA和DB，因而不引起计算结果的误差，如图8信号DA’所示。

第三实施例

图9是按照本发明的第三实施例的算术处理器的算术处理的流程图。步骤B001至B007与图2中的步骤A001至A007类似。图10是表示按照第三实施例的数字信号DA和DB的区域的转换定时，和模拟信号A和B的除法结果的部分的曲线图。

如图10所示，比较器2的滞后作用没有成为零。因此，当以较高分辨率，也就是，以0.2°的节距检测位置时，数字信号DA和DB的转换位置偏离模拟信号A或B过零的点。

如图3所示，当区域0至3按数字信号的一个周期的四倍增所给定的电角度的升序排列时，从区域1到区域2的转换点示于图10。

例如，当使用原位置信号或一个位置的其他类似信号，这个位置在具有模拟信号A与B之间的0°至90°的电角度的各位置之中，不在数字信号DA和DB的转换点附近，以将转换点重新设置在区域0时，实现以下结果：

(1)45°至135°：Pls＜0→区域0(行计数器值＝4×n)，Pls＞0→区域1(行计数器值＝4×n+1)；

(2)135°至225°：Pls＜0→区域1(行计数器值＝4×n+1)，Pls＞0→区域2(行计数器值＝4×n+2)；

(3)225°至315°：Pls＜0→区域2(行计数器值＝4×n+2)，Pls＞0→区域3(行计数器值＝4×n+3)；和

(4)315°至45°：Pls＜0→区域3(行计数器值＝4×n+3)，Pls＞0 →区域0(行计数器值＝4×n)。

在步骤B008，算术处理器比较数字信号DA和DB的相位。如果根据这个关系在Pls的符号与行计数器值之间无一致性，如上所述，算术处理器确定出现了误差，并且在步骤B009，算术处理器校正行计数器值。在步骤B010，由[行计数器值]×256+Pls给定一个位置计数器值。

如图9的流程图所示，当数字脉冲信号与模拟信号之间的关系不一致时，即使当以较高分辨率使用信号处理器时，校正位置检测的计数器值也提供精确的位置信息。

虽然已经参考目前考虑的实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于公开的实施例。相反，本发明打算包含所附权利要求的精神和范围之内包括的各种变更和等效布置。以下权利要求的范围符合最广泛理解，以便包括所有这样的变更及等效结构和功能。

Claims

1.一种传感器信号处理器，包括：

具有光学或磁性方式的细密刻度的标尺；

相对于所述标尺移动，并且与所述标尺的所述光学或磁性方式的细密刻度相关联设置的检测传感器；和

位置检测单元，以通过使用从所述检测传感器的所述输出产生的数字脉冲信号的计数器值和从所述检测传感器的所述输出产生的模拟信号，计算位置信息，

其中所述传感器信号处理器检测所述标尺与所述检测传感器的相对位移。

2.根据权利要求1的传感器信号处理器，其中所述模拟信号包括第一模拟信号和第二模拟信号，它们异相，并且所述位置信息基于它们。

3.根据权利要求2的传感器信号处理器，其中按照所述第一与第二模拟信号之间的关系改变所述计算。

4.根据权利要求2的传感器信号处理器，其中当所述位置信息与所述第一和第二模拟信号之间的所述关系无一致性时，执行校正。

5.根据权利要求2的传感器信号处理器，其中通过使用所述第一和第二模拟信号执行除法和tan^-1运算，计算所述位置信息。

6.一种用于处理传感器信号的系统，包括：

定标装置，用于提供具有光学或磁性方式的细密刻度的标尺；

检测传感器装置，用于提供相对于所述标尺的移动，并且与所述标尺的所述刻度相关联地设置；和

位置检测装置，用于通过使用从所述检测传感器的所述输出产生的数字脉冲信号的计数器值和从所述检测传感器的所述输出产生的模拟信号，计算位置信息，

其中所述传感器信号处理器检测所述标尺与所述传感器检测装置的相对位移。

7.根据权利要求6的系统，

其中所述模拟信号是两相模拟信号，它们用于执行除法和tan^-1运算，用于提供所述位置信息。

8.根据权利要求6的系统，

其中按照所述两相模拟信号之间的所述关系改变所述计算。

9.根据权利要求7的系统，

其中根据所述除法结果所在范围之内的区域，确定所述两相模拟信号之间的所述关系，所述范围具有不大于预定值的值，和

其中通过将所述除法结果的所述tan^-1计算所给定的值加上所述数字信号的所述计数器值，计算所述计数器值。

10.根据权利要求7的系统，

其中当在所述位置信息与所述两相模拟信号之间的关系无一致性时，执行校正。

11.一种位置检测传感器电路，包括：

传感器电路，具有第一数字数据输出端口，第二数字数据输出端口，第一模拟数据输出端口，和第二模拟数据输出端口；

计数器电路，具有与所述传感器电路的所述第一数字数据输出端口耦合的第一数字数据输入端口，并具有与所述传感器电路的所述第二数字数据输出端口耦合的第二数字数据输入端口，及具有数据输出端口；

模拟-数字转换器电路，具有与所述计数器电路的所述第一模拟数据输出端口耦合的第一模拟数据输入端口，并具有与所述传感器电路的所述第二模拟数据输出端口耦合的第二模拟数据输入端口，及具有数据输出端口；和

算术处理器电路，具有与所述计数器电路的所述数据输出端口耦合的第一数据输入端口，并具有与所述模拟-数字转换器电路的所述数据输出端口耦合的第二数据输入端口。

12.根据权利要求5的传感器信号处理器，

其中根据所述除法结果所在范围之内的区域，确定所述第一与第二模拟信号之间的关系，所述范围具有不大于预定值的值，和

其中通过将所述除法结果的tan^-1计算所给定的值加上所述数字信号的所述计数器值，计算所述计数器值。