CN1773220A - 编码器输出信号校正设备和方法 - Google Patents

Abstract

安装三阶谐波失真校正器，用于校正包含在从编码器输出的具有相差的两相正弦信号中的三阶谐波失真。三阶谐波计算器/检测器基于从r－θ转换器中输出的李萨如波形半径的变化，使用傅立叶分析计算三阶谐波的振幅a₃和相位φ₃。三阶谐波失真校正器基于所计算出的三阶谐波的振幅a₃和相位φ₃，校正两相正弦信号A4、B4的三阶谐波失真。

Description

编码器输出信号校正设备和方法

技术领域

本发明涉及编码器输出信号校正设备和方法，其用于校正从探测位置、角度、速度、角速度等的编码器输出的两相正弦信号。

本申请以2004年10月13日提出的申请号为2004-298954的在先日本专利申请为基础，并要求其优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此。

背景技术

形成在编码器中标尺上的栅格之间的间距受加工的限制。为了测量比标尺栅格之间的间距更精细的间距，从该编码器输出的正弦信号的相变化的空间周期应当被划分得更加精细，并且被内插。在现有技术中已经应用了多种内插器。例如，数字化内插器包括A/D转换器和存储器。该A/D转换器用于接收从该编码器输出的具有90°相差的A、B相正弦信号，并以一定频率对所述信号采样，以将它们转换成数字数据。所述存储器被用来存储查询表，该查询表用于基于所述A/D转换器获得的所述数字数据DA、DB在每个采样点处搜索相位角数据PH。使用反正切(ATAN)函数，基于PH＝ATAN(DA/DB)产生所述查询表。

从所述编码器输出的所述A、B相正弦信号通常不是完全的正弦波，并且通常可以在正交坐标系中被表示为描述椭圆形李萨如(Lissajous)波形。当所述A、B相正弦波具有不同的电压振幅时，所述李萨如波就成为椭圆形。每个信号电压的偏移值将李萨如波形转变成偏离原点的圆形或椭圆形波形。相位误差的存在使椭圆的长轴和短轴处于不与坐标轴平行而是接近45°的状态。内插器是在假定A、B相正弦信号是正弦波的情况下制造的。因而，相对理想正弦波的偏差对插值精度产生副作用。为了校正振幅误差、相位误差和在A、B相正弦信号中的偏移，已在例如JP-A10-311741和JP-A2003-222534中提出针对此目的的设备。

然而，在这样的振幅误差等被校正之后的所述两相正弦信号中，相对理想正弦信号波形的偏差或波形失真较大，并且特别是当主尺(main scale)和索引尺(index scale)之间的间隔波动时失真系数剧烈波动。该波形失真主要是由奇数阶的较高谐波分量(第三阶、第五阶等等)引起的。当在测量中采用具有这样波动失真系数的两相正弦信号时，会产生大的测量误差。

已经提出一些技术来提供从中消除了这些较高谐波分量的正弦信号。例如，JP-A3-48122提出一项技术，该技术在刻度尺上为两个矩形栅格测试图提供轻微相差，并且将其输出相加以正好消除较高谐波分量。日本专利No.2695623号提出另一项技术，其中将具有均匀栅格的标尺和具有不均匀栅格的标尺结合以提供消除了这些较高谐波分量的正弦信号。

虽然所述精度不足以应用到精细加工等中的位置测量，但JP-A3-48122的技术将该波形失真降低到了一定程度。日本专利No.2695623的系统需要亮区和暗区之间占空因数的精确创建，而在精密标度中的精确创建是困难的。

本发明的目的是提供一种能够使用相对简单的数字计算消除包含在正弦信号中的三阶谐波分量从而改进内插器中的插值精度的编码器输出信号校对设备和方法。也有可能改进针对由于编码器中标尺的不均匀和对准的不一致引起的偏移误差、振幅误差、相位误差或较高谐波分量误差的鲁棒性(robustness)。

发明内容

为了实现上述目的，在一方面本发明提供了一种编码器输出信号校正设备，用于校正从编码器输出的具有相差的两相正弦信号。该设备包括：三阶谐波计算器，其基于所述两相正弦信号的李萨如波形半径的变化，计算包含在所述两相正弦信号中的三阶谐波分量的振幅和相位中的至少一个；和校正器，其基于所述三阶谐波计算器计算出的振幅和相位中的至少一个，校正所述两相正弦信号中的三阶谐波失真。

该三阶谐波计算器可以计算所述李萨如波形半径的最大值和最小值，并且基于所述最大值和所述最小值计算所述三阶谐波分量的振幅。可选择地，该三阶谐波计算器可以在所述李萨如波形半径达到所述最大值和所述最小值时检测相位，并且基于检测结果计算所述三阶谐波分量的相位。

该三阶谐波计算器可以通过对所述李萨如波形的半径变化的傅立叶分析导出频率信号分量，以计算三阶谐波分量的振幅和相位中的至少一个。

同时，该校正器可以基于所述三阶谐波分量的相位是0度或90度时所述两相正弦信号的值和所述三阶谐波分量的值之间的相关性，导出与所述两相正弦信号的每个值相对应的所述三阶谐波分量的值，并且所述设备包括振幅校正器，其从所述两相正弦信号中减去所述三阶谐波分量的所述值以校正振幅。可以将表示相关性的数据保存在查询表中，并且该振幅校正器可以参考该查询表导出所述三阶谐波分量的值。该校对器还可以包括：坐标旋转器，其将包括三阶谐波分量的所述两相正弦信号的所述李萨如波形旋转所述三阶谐波计算器中计算出的相位，以达到所述三阶谐波分量的相位为0度或90度的状态；和坐标反向旋转器，其将从所述振幅校正器输出的所述两相正弦信号的李萨如波形反向旋转与在所述坐标旋转器中旋转的角度相同的角度。

另一方面，本发明提供一种编码器输出信号校正设备，用于校正从编码器输出的具有相差的两相正弦信号。该编码器包括：存储器，其存储包含在所述两相正弦信号中的三阶谐波分量的振幅和相位中的至少一个；校正器，其基于存储在所述存储器中的所述振幅和所述相位中的至少一个，校正所述两相正弦信号中的所述三阶谐波失真；所述存储器存储由基于所述两相正弦信号的李萨如波形半径的变化计算所述振幅和所述相位中的至少一个的外部电路写入其中的所述振幅和所述相位中的至少一个。

在本发明中，基于李萨如波形半径中的变化导出三阶谐波分量的振幅和相位，然后基于该振幅和相位校正该两相正弦信号中的三阶谐波失真。因此，有可能改进内插器中的插值精度。也有可能改进针对由于编码器中的刻度不均匀和对准不一致引起的较高谐波分量误差的鲁棒性。

附图说明

图1表示根据本发明实施例的编码器输出信号校正装置1的基本结构的结构图；

图2表示偏移/振幅/相位校正器30和三阶谐波失真校正器40的特定电路的电路图；

图3是用于说明图2中描述的坐标旋转器401的功能的图；

图4表示存储图2中描述的振幅校正器402中的查询表402T中的相关数据；

图5图解说明三阶谐波中的振幅a1、a3的计算方法；

图6A和6B图解说明r-θ转换器50中的半径r和相位θ的计算方法；

图7A和7B是表示根据本实施例的装置在执行包括三阶谐波失真校正的校正之前和之后的李萨如波形变化的一个例子；和

图8是表示根据本发明另一个实施例的编码器输出信号校正装置2的基本结构的结构图。

具体实施方式

现在将参照附图对本发明实施例进行详细地描述。

图1表示是根据本发明实施例的编码器输出信号校正装置1的基本结构的结构图。该编码器输出信号校正装置1包括：A/D转换器20、21、偏移/振幅/相位校正器30、偏移/振幅/相位检测器31、三阶谐波失真校正器40、三阶谐波计算器/检测器41和r-θ转换器50。这个装置可以工作来校正该编码器10的输出信号A0、B0，从而消除来自其中的三阶谐波失真。

例如该编码器10可以是检测原理没有区别的光电类型或磁类型。从该编码器10中输出的A和B相正弦信号A0、B0通常可能包含振幅误差、相位误差、偏移等。

A/D转换器20、21以一定频率采样信号A0、B0，并将它们转换成数字信号A1、B1，将这些数字信号供给偏移/振幅/相位校正器30。基于在偏移/振幅/相位检测器31中计算出的校正系数，偏移/振幅/相位校正器30校正数字信号A1、B1的偏移、振幅和相位，并提供输出信号A4、B4。基于输出信号A4、B4，偏移/振幅/相位检测器31计算在偏移/振幅/相位校正器30中使用的校正系数。由于用来计算该校正系数的方法与上面列出的现有技术参考文件相同，因此对其的详细说明可以省略。

输出信号A4、B4是振幅、相位和偏移校正过的正弦输出信号，但仍然含有包括三阶谐波的较高谐波分量。

可以假定三阶谐波具有相同的振幅和相位。在这种情况下，如果基谐波具有振幅a₁，三阶谐波具有振幅a₃，并且三阶谐波具有相位φ₃，那么输出信号A4、B4可以由下列表达式表示。

[公式1]

A4＝a₁cosu+a₃cos3(u-φ₃)

B4＝a₁cos(u-π/4)+a₃cos3(u-π/4-φ₃)

注意u＝2*π*x/λ，λ(lambda)表示信号间距，x表示位移。

因此，可以依据下列表达式将与信号A4、B4相关的李萨如半径r计算出来。

[公式2]

r²＝A4²+B4²

＝a₁ ²+a₃ ²+2a₁a₃cos(4u-3φ₃)

正如从上述表达式显而易见的，李萨如半径r以λ/4的周期3φ₃的相位在最大值r_max＝a₁+a₃和最小值r_min＝a₁-a₃之间变化。因此，确定a₁、a₃和φ₃可以校正三阶谐波失真。

三阶谐波失真校正器40校正输出信号A4、B4中的三阶谐波分量，并提供输出信号A7、B7。基于由三阶谐波计算器/检测器41给出的校正系数(基谐波振幅a₁，三阶谐波振幅a₃和三阶谐波相位φ₃)执行该校正。

r-θ转换器50根据输出信号A7、B7产生李萨如波形，并在李萨如波形的每个相位θ处计算半径r。三阶谐波计算器/检测器41基于这些r、θ计算校正系数(基谐波振幅a₁，三阶谐波振幅a₃和三阶谐波相位φ₃)。

参照附图2描述偏移/振幅/相位校正器30和三阶谐波失真校正器40的特定电路。

偏移/振幅/相位校正器30包括偏移校正器301、振幅校正器302和相位校正器303。偏移校正器301包括加法器310、311，并执行偏移校正，从而将由偏移/振幅/相位检测器31给出的加法系数da1、db1分别加到信号A1、B 1。振幅校正器302包括乘法器320、321，并且执行振幅校正，从而将信号A2、B2分别与由偏移/振幅/相位检测器31给出的乘法系数ka1、kb1相乘。相位校正器303包括乘法器330-333和加法器340、341，并且执行相位校正，从而使用由偏移/振幅/相位检测器31给出的乘法系数kph1、kph2来把信号A3、B3转换成输出信号A4、B4。

[公式3]

A4＝kph1·A3+kph2·B3

B4＝kph2·A3+kph1·B3

如图2中所示，三阶谐波失真校正器40包括坐标旋转器401、振幅校正器402和坐标反向旋转器403。坐标旋转器401包括乘法器410-413和加法器414、415。通过执行下面公式4中所示的计算，坐标旋转器401以对应于三阶谐波相位的角度φ₃逆时针旋转如图3的左侧所示的信号A4、B4的李萨如波形L4，以产生如图3的右侧中所示的对应于信号A5、B5的李萨如波形L5。

执行角度φ₃的旋转，使得三阶谐波在李萨如波形上具有0°或90°的相位，在这种状态下，执行下一级的振幅校正器402中的处理。

[公式4]

$\left(\begin{array}{c}A5\\ B5\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\φ}}_3& -{\sin \mathrm{\φ}}_3\\ {\sin \mathrm{\φ}}_3& \cos {\mathrm{\φ}}_3\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}A4\\ B4\end{array}\right)$

振幅校正器402使用在三阶谐波计算器/检测器41中计算出以进行校正的基谐波振幅a₁和三阶谐波振幅a₃，来从相位为0°或90°的三阶谐波的输出信号A5、B5中消除三阶谐波分量。

也就是，当相位φ₃为0°或90°时，输出信号A5(或B5)的电压(值)Va₁和它的三阶谐波分量的电压(值)Va₃之间的曲线相关性提供了由图4所示曲线图所描述的关系。该曲线图由下面等式表示。

[公式5]

${\mathrm{Va}}_3=\frac{{4a}_3}{{a_1}^3}{{\mathrm{Va}}_1}^3-\frac{{\mathrm{Va}}_3}{a_1}{\mathrm{Va}}_1$

输出信号A5、B5包括如在公式5中被表示为Va₃的三阶谐波分量。因此，通过从输出信号A5、B5中减去由公式5计算出的Va₃，在振幅校正器402中可以执行用于减去三阶谐波分量的校正，从而获得输出信号A6、B6。可以通过在振幅校正器402中设置查询表402T来实现这个计算，查询表402T存储由公式5表示的Va₁和Va₃之间的关系、或Va₁和(Va₁-Va₃)之间的关系。总之，可以通过为输出信号A5(或B5)的每个采样值(Va₁)建立对查询表402T的索引，并通过读出作为输出的三阶谐波分量值Va₃从而从Va₁中减去它，来获得输出信号A6(或B6)。可选择地，从查询表402T中输出(Va₁-Va₃)使得直接获得输出信号A6、B6。

坐标反向旋转器器403包括乘法器430-433和加法器434、435，并且以在坐标旋转器401旋转的角度φ₃顺时针或反向地(以角度-φ₃)旋转信号A6、B6的李萨如波形，从而通过下面的计算产生信号A7、B7。旋转了角度-φ₃的李萨如波形，或输出信号A7、B7，包含与原始输出信号A4、B4的基谐波相同的基谐波，并且从中减去了三阶谐波分量。

[公式6]

$\left(\begin{array}{c}A7\\ B7\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos (-{\mathrm{\φ}}_3)& -\sin (-{\mathrm{\φ}}_3)\\ \sin (-{\mathrm{\φ}}_3)& \cos \left({-\mathrm{\φ}}_3\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}A6\\ B6\end{array}\right)$

r-θ转换器50将输出信号A7、B7转换成表示李萨如波形的半径r和相位θ。根据下面的等式执行该转换。

[公式7]

$\mathrm{\θ}=\∠(A7,B7)={\tan }^{-1}\left(\frac{B7}{A7}\right)$

$r=\mathrm{ABS}(A7,B7)=\sqrt{{A7}^2+{B7}^2}$

接下来，将基于三阶谐波计算器/检测器41中的半径r和相位θ，详细地说明计算振幅a₁、振幅a₃、和相位φ₃的方法。

(方法1)

首先，介绍更加简单的第一方法。如上所述，由于三阶谐波失真，所以李萨如波形的半径r以λ/4的周期变化，并且具有最大值r_max＝a₁+a₃和最小值r_min＝a₁-a₃(参见图5)。因此，可以如下使用r_max、r_min计算出a₁、a₃。

[公式8]

a₁＝(r_max+r_min)/2

a₃＝(r_max-r_min)/2

当半径r处于最大值或最小值时，可以使用u的值(图5：多值)导出相位φ₃。

(方法2)

尽管方法1简单，并且需要更少的计算机工作量，但是当三阶谐波分量的振幅变小的时候，有可能面临相位φ₃的较低的检测灵敏度的问题。接下来介绍的方法2是一种使得能够更加精确地计算出φ₃的方法。该方法2将在此后被介绍。在该方法2中，使用傅立叶分析计算振幅a₁、振幅a₃和相位φ₃。

也就是，假定包含在李萨如波形中的具有λ/4波长(空间频率为4·2π/λ)的信号分量被傅立叶变换成实部Re和虚部Im。为了动态校正中使用，从在校正后的波形中检测到的实部和虚部中，导出由[表达式9]和[表达式10]表示的dRe和dIm，以依据由[表达式11]表示的递推公式更新Re和Im。重复更新几次以将Re、Im收敛到一定值。从而，确定这些值为Re、Im。

[公式9]

$\mathrm{dRe}=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{4}{N}i\right)$

[公式10]

$\mathrm{dIm}=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{4}{N}i\right)$

[公式11]

Re＝Re+dRe

Im＝Im+dIm

依据下面表示的[表达式12]，获得a₁。另外，基于由上述[表达式11]确定的Re和Im，依据下列[表达式13]和[表达式14]获得a₃和φ₃，作为在由Re、Im确定的复数空间中相对于坐标原点的距离和角度。因为通过傅立叶变换获得的信号大小是有效值并且振幅是该值的

倍，所以在[表达式13]中使用了乘法系数

[公式12]

$a_1=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i$

[公式13]

$a_3=\frac{1}{2N}\sqrt{2({\mathrm{Re}}^2+{\mathrm{Im}}^2)}$

[公式14]

φ₃＝tan^-1(Im/Re)

当执行傅立叶分析时，需要沿旋转方向以等间距对半径r_i进行采样。这样，李萨如波形的一转(基谐波的1个循环)被均匀地分成N块扇形区。那么，使用求平均法或数字过滤器法等计算与相同间距的θ_i(i＝0到N-1)对应的每个区i的半径代表值r_i。当使用求平均法时，如图6所示，导出存在于扇形区i(θ_i+(或-)Δθ/2)(这里Δθ/2＝2π/N)中的多个(M个)点的半径r_m。然后，由下列等式导出代表值r_i。

[公式15]

$r_i=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_m$

如上所述，三阶谐波计算器/检测器41计算a₁、a₃和φ₃，它们用于在三阶谐波失真校正器40中的校正。重复几次三阶谐波失真校正器40中的校正、r-θ转换器50中的r-θ转换、和三阶谐波计算器/检测器41中对校正系数的计算，以进一步从输出信号A7、B7中消除三阶谐波分量。结果，输出信号A7、B7可以被近似为理想的正弦波。图7A用于比较校正之前的信号A1、B 1的李萨如波形和信号A7、B7的李萨如波形。图7B用于比较信号A1、B 1的一个周期期间半径r的变化和信号A7、B7的一个周期期间半径r的变化。

尽管在上面已经描述了本发明的实施例，但本发明不限于这些实施例，而是可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下，将其设计为提供各种修改和增加。例如，在上述实施例中，首先对从编码器输出的A和B相正弦信号进行偏移、振幅和相位校正，然后进行三阶谐波校正，但这种顺序是可以改变的。也就是，可以首先执行三阶谐波校正，然后可以在其后执行偏移、振幅和相位校正。在上述实施例中，振幅和相位校正是在数字电路中执行的，但可以使用DSP或软件来执行相同的过程。

可选择地，如图8所示，偏移/振幅/相位检测器31和三阶谐波计算器/检测器41可以是编码器输出信号校正装置2的外部电路。可以以适当的方式将在这些外部电路中检测到的各种检测参数存储在存储器60中。

在这些结构中，在从工厂发货或维护的适当时间，将检测器31和41连接到编码器输出信号校正装置2。然后，由这些检测器31和41执行检测。随后，将检测器31和41从编码器输出信号校正装置2断开连接。这样，可以通过读取存储在存储器60中的检测参数执行校正。

Claims (12)

1、一种编码器输出信号校正设备，用于校正从编码器输出的具有相差的两相正弦信号，包括：

三阶谐波计算器，其基于所述两相正弦信号的李萨如波形半径的变化，计算包含在所述两相正弦信号中的三阶谐波分量的振幅和相位中的至少一个；和

校正器，其基于所述三阶谐波计算器计算出的振幅和相位中的至少一个，校正所述两相正弦信号中的三阶谐波失真。

2、根据权利要求1所述的编码器输出信号校正设备，其中所述三阶谐波计算器计算所述李萨如波形半径的最大值和最小值，并且基于所述最大值和所述最小值计算所述三阶谐波分量的振幅。

3、根据权利要求1所述的编码器输出信号校正设备，其中所述三阶谐波计算器在所述李萨如波形半径达到所述最大值和所述最小值时检测相位，并且基于检测结果计算所述三阶谐波分量的相位。

4、根据权利要求1所述的编码器输出信号校正设备，其中所述三阶谐波计算器计算所述李萨如波形半径的最大值和最小值，并基于所述最大值和所述最小值计算所述三阶谐波分量的振幅，并且进一步在所述李萨如波形半径达到所述最大值和所述最小值时检测相位，并基于检测结果计算所述三阶谐波分量的相位。

5、根据权利要求1所述的编码器输出信号校正设备，其中所述三阶谐波计算器通过对所述李萨如波形的半径变化的傅立叶分析导出频率信号分量，以计算三阶谐波分量的振幅和相位中的至少一个。

6、根据权利要求5所述的编码器输出信号校正设备，其中所述三阶谐波计算器使用递归方程计算傅立叶变换的实部和虚部。

7、根据权利要求5所述的编码器输出信号校正设备，其中所述三阶谐波计算器将所述李萨如波形的一转划分为相同的扇形区，并且导出每个所述扇形区半径的代表值。

8、根据权利要求1所述的编码器输出信号校正设备，其中所述校正器基于所述三阶谐波分量的相位是0度或90度时所述两相正弦信号的值和所述三阶谐波分量的值之间的相关性，导出与所述两相正弦信号的每个值相对应的所述三阶谐波分量的值，

并且所述设备包括振幅校正器，其从所述两相正弦信号中减去所述三阶谐波分量的所述值以校正振幅。

9、根据权利要求8所述的编码器输出信号校正设备，其中所述校正器包括：

坐标旋转器，其将包括三阶谐波分量的所述两相正弦信号的所述李萨如波形旋转所述三阶谐波计算器中计算出的相位，以达到所述三阶谐波分量的相位为0度或90度的状态；和

坐标反向旋转器，其将从所述振幅校正器输出的所述两相正弦信号的李萨如波形反向旋转与在所述坐标旋转器中旋转的角度相同的角度。

10、根据权利要求8所述的编码器输出信号校正设备，其中所述校正器还包括保存指示所述相关性的数据的查询表，

其中所述振幅校正器参照所述查询表导出与所述两相正弦信号的每个值对应的所述三阶谐波分量的值。

11、根据权利要求10所述的编码器输出信号校正设备，其中所述校正器包括：

坐标旋转器，其将包括三阶谐波分量的所述两相正弦信号的所述李萨如波形旋转所述三阶谐波计算器中计算出的相位，以达到所述三阶谐波分量的相位为0度或90度的状态；和

坐标反向旋转器，其将从所述振幅校正器输出的所述两相正弦信号的李萨如波形反向旋转与在所述坐标旋转器中旋转的角度相同的角度。

12、一种编码器输出信号校正设备，用于校正从编码器输出的具有相差的两相正弦信号，包括：

存储器，其存储包含在所述两相正弦信号中的三阶谐波分量的振幅和相位中的至少一个；

校正器，其基于存储在所述存储器中的所述振幅和所述相位中的至少一个，校正所述两相正弦信号中的所述三阶谐波失真；

所述存储器存储由基于所述两相正弦信号的李萨如波形半径的变化计算所述振幅和所述相位中的至少一个的外部电路写入其中的所述振幅和所述相位中的至少一个。

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