DE102004029957A1

DE102004029957A1 - Rotierbarer optischer Kodierer

Info

Publication number: DE102004029957A1
Application number: DE102004029957A
Authority: DE
Inventors: Hong-Cheng Sheu; Der-Seng Liang
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2005-09-29
Also published as: JP2005257664A; US7105803B2; TW200531421A; TWI232631B; US20050199790A1

Abstract

Ein rotierbarer optischer Kodierer wird beschrieben, um die Pol-Position des Rotors in einem Permanent-Magnet-Motor bereitzustellen. Unter Verwendung eines einfachen Öffnungsdesigns der Code-Spuren und unter Verwendung zweier Lichtsensoren zusammen mit einem entsprechenden Verarbeitungsschaltkreis ist nur eine zusätzliche Code-Spur auf dem Code-Rad erforderlich, um Phasenänderungssignale auszugeben. Die Erfindung stellt daher einen billigen, kleinräumigen rotierbaren optischen Kodierer mit Phasenänderungssignalausgabe bereit.

Description

Die Erfindung betrifft einen rotierbaren optischen Kodierer und insbesondere einen rotierbaren optischen Kodierer mit der Funktion des Ausgebens von Phasenänderungssignalen.
Der rotierbare optische Kodierer wird primär verwendet, um die Pol-Position eines Rotors zu detektieren, wobei der rotierbare optische Kodierer einen Lichtemitter, einen Lichtempfänger, ein Code-Rad und dazwischen eine Code-Platte und einen Verarbeitungsschaltkreis aufweist. Mittels genauer Gestaltung des Musters von Code-Spuren auf dem Code-Rad und der Code-Platte kann man auf einfache Weise die erforderliche Signalausgabe erhalten.
Bei dem Design eines normalen Servomotors wird gewöhnlich ein rotierbarer optischer Kodierer verwendet, um seine Rotationsposition, Geschwindigkeit und Richtung zu detektieren. Wenn der Servomotor bürstenlos ist, werden traditionell Hall-Vorrichtungen verwendet, um das erforderliche Rotorpositionssignal bereitzustellen, so dass der Strom an dem Stator die Phase korrekt ändern kann. Um Platz zu sparen und um Kosten zu erniedrigen, integrieren die Hersteller des Kodierers die Phasenänderungsfunktion, welche von dem bürstenlosen Motor verlangt wird, in den Kodierer. Dies kann präzisere Phasenänderungssignale bereitstellen.
Mit Bezug auf 1 hat der normale rotierbare optische Kodierer mit Phasenänderungssignalen gewöhnlich drei zusätzliche Spuren auf dem Code-Rad. Das Code-Rad weist dicht aneinander angeordnete Schlitze 1, welche in gleichem Abstand zu einander verteilt sind, und interpolierende Code-Spuren 2, 3, 4, welche auch in gleichem Abstand zu einander verteilt sind, auf. Die Kombination dieser drei Code-Spuren stellt die Phasenänderungssignale auf dem Strom der Motorspule bereit.
Da es jedoch drei Code-Spuren auf dem Code-Rad gibt, sind drei entsprechende Lichtsensoren erforderlich. Der Beleuchtungsbereich muss vergrößert werden, um alle Lichtsensoren abzudecken. Dies erhöht zwangsläufig den Platz und die Kosten des Kodierers. Deshalb ist es zwingend erforderlich, einen besseren Kodierer mit der erforderlichen Phasenänderungsfunktion zu finden, aber nicht mit den oben dargelegten Problemen.

Eine Aufgabe der Erfindung ist, die Probleme des Vergrößerns des Platzes des Code-Rads, der Lichtsensoren und der Größe der Beleuchtungsquelle zu lösen, um die Phasenänderungssignalausgabe in dem herkömmlichen rotierbaren optischen Kodierer zu erhöhen.

Die Erfindung stellt dazu einen rotierbaren optischen Kodierer bereit, welcher ein Code-Rad, einen Lichtemitter und zwei Lichtsensoren zusammen mit einem entsprechenden Verarbeitungsschaltkreis aufweist. Das Code-Rad weist eine Code-Spur auf, welche mehrere Bereiche aufweist, wobei jeder Bereich eine erste Öffnung, eine zweite Öffnung sowie eine dritte Öffnung aufweist und ferner eine sechste Öffnung, eine fünfte Öffnung und eine vierte Öffnung aufweist, welche symmetrische Relationen mit den oben genannten ersten drei Öffnungen haben. Wenn das Code-Rad mit dem Rotor rotiert, projiziert der Lichtemitter einen Lichtstrahl auf das Code-Rad. Die Lichtsensoren detektieren die Lichtintensität auf dem Code-Rad und wandeln die Intensität unter Verwendung ihrer Verarbeitungsschaltkreise in Phasenänderungssignale für die Ausgabe um.

Das offenbarte Code-Rad weist eine Code-Spur mit einfachen Öffnungen auf. Die Code-Spur weist mehrere Bereiche auf, wobei jeder Bereich eine erste Öffnung, eine zweite Öffnung, eine dritte Öffnung, eine vierte Öffnung, eine fünfte Öffnung und eine sechste Öffnung hat. Die erste Öffnung, die zweite Öffnung und die dritte Öffnung sind entsprechend zu der sechsten Öffnung, zu der fünften Öffnung und zu der vierten Öffnung symmetrisch.

Gemäß dem oben erwähnten rotierbaren optischen Kodierer und dessem Code-Rad, stellt die Erfindung ferner ein Kodierverfahren für den rotierbaren optischen Kodierer bereit. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Projizieren des Lichts des Lichtemitters auf das Code-Rad; Verwenden von zwei Lichtsensoren, um die Lichtintensität auf dem Code-Rad zu detektieren; Empfangen induzierter Ströme, welche gemäß der Lichtintensität, welche mittels der Lichtsensoren detektiert wurde, erzeugt wurden; Umwandeln der induzierten Ströme in Spannungssignale; Umwandeln der Spannungssignale in ein Phasenänderungssignal; und Ausgeben des Phasenänderungssignals.

Die Erfindung löst die Aufgabe des Ausgebens des Phasenänderungssignals unter Verwendung nur einer zusätzlichen Code-Spur auf dem Code-Rad und zweier Lichtsensoren zusammen mit einem entsprechenden Verarbeitungsschaltkreis. Sie erfüllt auch die Anforderungen eines kleinen Kodiererplatz und geringer Produktionskosten.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.

Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht des Code-Rads von einem rotierbaren optischen Kodierer mit Phasenänderungssignalausgabe gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Ansicht eines offenbarten rotierbaren optischen Kodierers, welcher in einem Permanent-Magnet-Motor verwendet wird;
3 eine schematische Ansicht des offenbarten rotierbaren optischen Kodierers;
4 die Unterteilung des Code-Rads für einen Rotor mit zehn Polen und die Verteilung der Phasenänderungssignale, welche die Unterteilung erzielen;
5 eine schematische Ansicht eines Teils des Code-Spur-Musters auf dem Code-Rad der Erfindung;
6 ein Flussdiagramm des offenbarten Kodierverfahrens für einen rotierbaren optischen Kodierer;
7 eine schematische Ansicht des Verarbeitungsschaltkreises in dem offenbarten rotierbaren optischen Kodierer; und
8 die Ausgabedaten der Phasenänderungssignale.
Wie in 2 und 3 gezeigt, wird der offenbarte rotierbare optische Kodierer 100 in einem Permanent-Magnet-Motor 500 verwendet, um die Pol-Position des Rotors 510 bereitzustellen. Der rotierbare optische Kodierer 100 weist einen Lichtemitter 120, ein Code-Rad 110, zwei Lichtsensoren 130, 140 und einen Verarbeitungsschaltkreis 150 auf. Das Code-Rad 110 ist an die Rotationsachse 520 des Permanent- Magnet-Motors 500 gekoppelt. Wenn der Rotor 510 rotiert, wird das Code-Rad 110 in Rotation versetzt. Die dicht aneinander angeordneten Schlitze 111 und die Code-Spur 112, welche in regelmäßiger Anordnung auf das Code-Rad 110 geätzt werden, sind transparent. Beide Seiten des Code-Rads 110 sind mit einem Lichtemitter 120 und zwei Lichtsensoren 130, 140 versehen. Wenn das Code-Rad 110 rotiert, variiert die Lichtintensität, welche mittels der Lichtsensoren 130, 140 empfangen wurde. Der Verarbeitungsschaltkreis 150 wandelt die Lichtintensität in ein Phasenänderungssignal um und gibt es als Referenz zum Ermitteln der Position des Rotors 510 aus.
Allgemein gesagt unterteilt der Kodierer für einen Permanent-Magnet-Motor mit einem Rotor mit p Polen den einen Zyklus des Rotors in 360/3p Bereiche, wobei jeder Bereich einer entsprechenden Phase entspricht. Benachbarte sechs Bereiche bilden eine Gruppe. Die Gruppen werden unabhängigen Codes zugewiesen und werden wiederholt verwendet. Es gibt insgesamt p/2 Gruppen. 4 zeigt einen Rotor mit zehn Polen, die Unterteilung des Code-Rads und die Phasenänderungssignale (U, V, W), welche die Unterteilung erzielen.
Die Mustervariation der Code-Spur wird von dem offenbarten rotierbaren optischen Kodierer 100 benutzt, um nur eine Code-Spur 112 auf dem Code-Rad 110 während des Erzielens äquivalenter Phasenänderungssignale unter Verwendung des herkömmlichen Drei-Code-Spur Code-Rads zu haben.
Mit Bezug auf 5 wird die Code-Spur 112 des Code-Rads 110 begradigt dargestellt und es wird lediglich ein Teil davon dargestellt. Gemäß den erforderlichen Gruppen wird das Code-Rad 110 mit einer ersten Öffnung 5, einer zweiten Öffnung 6 und einer dritten Öffnung 7, und in einem symmetrischen Muster mit einer vierten Öffnung 8, einer fünften Öffnung 9 und einer sechsten Öffnung 10 bereitgestellt. Insbesondere sind die erste Öffnung 5 und die sechste Öffnung 10 geschlossen. Die zweite Öffnung 6 und die fünfte Öffnung 9 sind Öffnungen mit einer Größe von jeweils genau einer Einheit. Die dritte Öffnung 7 und die vierte Öffnung 8 sind Öffnungen mit einer Größe von jeweils zwei Einheiten. Da es keine Möglichkeit gibt, die absoluten Positionen der sechs Öffnungen mit nur einem Lichtsensor zu ermitteln, sind zwei Lichtsensoren 130, 140 erforderlich, welche auf der Einbaufassung als Referenzpunkte fixiert sind.
Nachfolgend wird erklärt, wie die Musteränderung in der Code-Spur 112 des Code-Rads 110 verwendet wird, um eine äquivalente Phasenänderungssignalausgabe zu erzielen. Wie in 6 umrissen, weist das offenbarte Kodierverfahren die folgenden Schritte auf: Zuerst projiziert der Lichtemitter einen Lichtstrahl auf das Code-Rad (Schritt 600). Entweder blockiert das Code-Rad das Licht oder das Code-Rad lässt das Licht hindurch. Die zwei Lichtsensoren detektieren die Lichtintensität (Schritt 610). Das System empfängt danach die induzierten Ströme, welche aufgrund der Lichtintensität erzeugt wurden, welche mittels der Lichtsensoren detektiert wurde (Schritt 620). Die induzierten Ströme werden in Spannungssignale umgewandelt (Schritt 630), welche ferner in ein Phasenänderungssignal umgesetzt werden (Schritt 640). Abschließend gibt das System das Phasenänderungssignal aus (Schritt 650).
Wenn das Code-Rad 110 mit dem Rotor 510 rotiert, können die Lichtsensoren 130, 140 eine Variation in der Lichtintensität, welche von dem Lichtemitter 120 projiziert wurde, detektieren (Schritte 600, 610). Wenn das Code-Rad in die Richtung 13 rotiert, ist die Lichtintensität, welche mittels der Lichtsensoren 130, 140 detektiert wird, in der Reihenfolge (1, 0), (2, 1), (2, 2), (1, 2), (0, 1), (0, 0), (1, 0), .... Mittels Überwachens der zwei Lichtsensoren 130, 140, können die absoluten Positionen von dem Rotor 510 in der Gruppenunterteilung ermittelt werden.
Anschließend wird die Lichtintensität, welche mittels der Lichtsensoren 130, 140 detektiert wird, in ein Phasenänderungssignal umgewandelt. Die Implementierung des Verarbeitungsschaltkreises in der Erfindung wird nachfolgend erklärt.
Mit Bezug auf 7 ist die Variation der Lichtintensität, welche mittels der Lichtsensoren 130, 140 detektiert wird, 0, 1, 2. Um diese drei Zustände effektiv zu unterscheiden, werden zwei Referenzen benötigt. Die erste Referenz wird verwendet, um zu unterscheiden, ob irgendein Licht detektiert wird; die zweite Referenz wird verwendet, um den Fall der Lichtintensität mit einer Größe von jeweils genau einer Einheit und der Lichtintensität mit einer Größe von jeweils zwei Einheiten zu unterscheiden. Es werden die Photodioden PD1, PD2 als die Lichtsensoren 130, 140 verwendet. Induzierte Ströme werden erzeugt, nachdem das Licht empfangen wurde (Schritt 620), und werden in eine Spannung durch die in Serie geschalteten elektrischen Widerstände R1, R2 hindurch als die Quellspannungssignale V1, V2 umgewandelt (Schritt 630). Um die Variation in den Signalen zu unterscheiden, werden zwei Referenzspannungen Vref und V0 eingeführt. Vref muss genau abgestimmt werden, so dass ihr Wert demjenigen Spannungssignal, welches der Situation entspricht, wenn die Photodioden PD1, PD2 1,5 Einheiten von Licht empfangen, annähernd gleich ist. V0 wird ebenfalls genau abgestimmt, um demjenigen Spannungssignal, wenn die Photodioden PD1, PD2 kein Licht (nur den Dunkelstrom) detektieren, annähernd gleich zu sein.
Die Quellspannungssignale V1, V2 werden mit den Referenzspannungen Vref, V0 verglichen, um den Pegelbereich zu erhalten. In der Erfindung werden vier Komparatoren Cp0, Cp1, Cp2 und Cp3 verwendet, deren Ausgangswerte entsprechend S0 = V1 – V2, S1 = V2 – V0, S2 = V1 – Vref und S3 = V2 – Vref sind. Für die Rotation der Code-Spur 112 des Code-Rads 110 in die Richtung 13 wird die Signalausgabe der Komparatoren Cp0, Cp1, Cp2 und Cp3 in 8 gezeigt. Es werden zwei zusätzliche Sätze von Signalen (V1, V2) = (2, 0) und (V1, V2) = (0, 2) aufgeführt, um mögliche Situationen in Betracht zu ziehen, dass die (V1, V2) Signale von (1, 0) zu (2, 1) und von (1, 2) zu (0, 1) umschalten, wenn die Code-Spur 112 rotiert.
Die Position des Code-Rads 110 kann von den internen Signalen (S3, S2, S1, S0) ermittelt werden. Um die gleiche Phasenänderungssignalausgabe wie in dem herkömmlichen rotierbaren optischen Kodierer bereitzustellen, wird ein Umwandlungsschaltkreis zwischen den internen Signalen (S3, S2, S1, S0) und den Phasenänderungssignalen (U, V, W) bereitgestellt. Der Umwandlungsschaltkreis wird mittels eines Code-Konverters 151 bereitgestellt. Die internen Signale (S3, S2, S1, S0) werden mittels des Code-Konverters 151 in die Phasenänderungssignale (U, V, W) für die Ausgabe transferiert (Schritte 640, 650). Die Werte, welche innerhalb des Code-Konverters 151 gespeichert sind, können in der Praxis flexibel eingestellt werden. 8 zeigt die internen Signale (S3, S2, S1, S0), welche von unterschiedlichen (V1, V2) Werten erhalten wurden. Die Signale werden als Speicheradressen des Code-Konverters 151 zum Speichern der Ausgabewerte der entsprechenden Phasenänderungssignale (U, V, W) verwendet.
Der Code-Konverter 151 verwendet einen programmierbaren Festwertspeicher (PROM) für Signalumwandlungen. Dies kann die Flexibilität für die Einstellung gemäß den praktischen Verwendungen des Produkts unter festem Hardwaredesign erhöhen.
Ansonsten weist das Muster auf der Code-Spur des Code-Rads Teile auf, welche keine Öffnung haben. Deshalb ist nicht das ganze Material entfernt. Dies ist insbesondere passend für ein metallisches Code-Rad, weil es keinen extra Träger benötigt. Natürlich kann man ein anderes Code-Spur-Muster auf dem Code-Rad verwenden, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen, so lange die Lichtsensoren die absolute Position von allen Öffnungen auf der Code-Spur ermitteln können.
Zusammengefasst stellt die Erfindung einen rotierbaren optischen Kodierer und dessen Kodierverfahren zum Ausgeben von Phasenänderungssignalen bereit. Mit nur einer zusätzlichen Code-Spur mit Variation in den Öffnungen auf dem Code-Rad zusammen mit zwei Lichtsensoren und einem entsprechenden Verarbeitungsschaltkreis können die erforderlichen Phasenänderungssignale von einem Permanent-Magnet-Motor erhalten werden. Im Vergleich mit dem Stand der Technik kann die Erfindung mittels Bereitstellens eines billigen, kleinräumigen und flexibleren rotierbaren optischen Kodierers den Platz für den Kodierer, die Anzahl von Lichtsensoren und den Platz für die Belichtungsquelle verringern.
Bestimmte Variationen sind für den Fachmann offensichtlich und befinden sich im Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche.

Claims

Rotierbarer optischer Kodierer zum Ausgeben von Phasenänderungssignalen in einem Permanent-Magnet-Motor, welcher eine Rotationsachse und einen daran befestigten Rotor aufweist, wobei der rotierbare optische Kodierer aufweist: • ein Code-Rad, welches an die Rotationsachse gekuppelt ist und welches eine Code-Spur mit einer Mehrzahl von Bereichen aufweist, die mit einer ersten Öffnung, mit einer zweiten Öffnung, mit einer dritten Öffnung, mit einer vierten Öffnung, mit einer fünften Öffnung und mit einer sechsten Öffnung bereitgestellt werden, wobei die erste, die zweite und die dritte Öffnung eine symmetrische Relation mit der sechsten, mit der fünften und mit der vierten Öffnung aufweisen; • ein Lichtemitter, welcher einen Lichtstrahl auf das Code-Rad projiziert; • zwei Lichtsensoren, welche auf einer Seite des Code-Rads entgegengesetzt dem Lichtemitter angeordnet sind, zum Detektieren der Lichtintensität durch das Code-Rad hindurch; und • ein Verarbeitungsschaltkreis, welcher an die Lichtsensoren gekoppelt ist, um die Lichtintensität in ein Phasenänderungssignal für die Ausgabe umzuwandeln.
Rotierbarer optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei die erste und die sechste Öffnung keine Öffnung aufweisen, die zweite und die fünfte Öffnung Öffnungen mit der Größe von jeweils genau einer Einheit sind und die dritte und die vierte Öffnung Öffnungen mit der Größe von jeweils zwei Einheiten sind.
Rotierbarer optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtsensoren Photodioden sind.
Rotierbarer optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei der Verarbeitungsschaltkreis zwei Referenzpegel aufweist, von denen der eine verwendet wird, um zu ermitteln, ob irgendein Licht detektiert wird, und der andere verwendet wird, um die Intensität des empfangenen Lichts zu ermitteln.
Rotierbarer optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei der Verarbeitungsschaltkreis eine Mehrzahl von seriellen Widerständen zum Umwandeln der Lichtintensität in ein Spannungssignal aufweist.
Rotierbarer optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei der Verarbeitungsschaltkreis einen Umwandlungsschaltkreis aufweist, um das Spannungssignal in ein Phasenänderungssignal umzuwandeln.
Rotierbarer optischer Kodierer gemäß Anspruch 6, wobei der Umwandlungsschaltkreis mittels eines Code-Konverters bereitgestellt ist.
Rotierbarer optischer Kodierer gemäß Anspruch 7, wobei der Code-Konverter einen programmierbaren Festwertspeicher (PROM) für Signalumwandlungen verwendet.
Code-Rad, welches eine Code-Spur mit einer Mehrzahl von Bereichen aufweist, welche mit einer ersten Öffnung, mit einer zweiten Öffnung, mit einer dritten Öffnung, mit einer vierten Öffnung, mit einer fünften Öffnung und mit einer sechsten Öffnung bereitgestellt wird, wobei die erste, die zweite und die dritte Öffnung eine symmetrische Relation mit der sechsten, mit der fünften und mit der vierten Öffnung aufweisen.
Code-Rad gemäß Anspruch 9, wobei die erste und die sechste Öffnung keine Öffnung aufweisen, die zweite und die fünfte Öffnung Öffnungen mit der Größe von jeweils genau einer Einheit sind und die dritte und die vierte Öffnung Öffnungen mit der Größe von jeweils zwei Einheiten sind.
Kodierverfahren für einen rotierbaren optischen Kodierer, um Phasenänderungssignale von einem Permanent-Magnet-Motor auszugeben, wobei der rotierbare optische Kodierer ein Code-Rad aufweist, welches eine Code-Spur mit einer Mehrzahl von Bereichen aufweist, welche mit einer ersten Öffnung, mit einer zweiten Öffnung, mit einer dritten Öffnung, mit einer vierten Öffnung, mit einer fünften Öffnung und mit einer sechsten Öffnung bereitgestellt werden, wobei die erste, die zweite, und die dritte Öffnung eine symmetrische Relation mit der sechsten, mit der fünften und mit der vierten Öffnung aufweisen, wobei das Kodierverfahren folgende Schritte aufweist: • Projizieren eines Lichtstrahls von einem Lichtemitter auf das Code-Rad; • Verwenden zweier Lichtsensoren, um die Lichtintensität durch das Code-Rad hindurch zu detektieren; • Empfangen eines induzierten Stroms, welcher mittels der Lichtsensoren gemäß der detektierten Lichtintensität erzeugt wird; • Umwandeln des induzierten Stroms in ein Spannungssignal; • Umwandeln des Spannungssignals in ein Phasenänderungssignal; und • Ausgeben des Phasenänderungssignals.
Kodierverfahren gemäß Anspruch 11, wobei die erste und die sechste Öffnung keine Öffnung aufweisen, die zweite und die fünfte Öffnung Öffnungen mit der Größe von jeweils genau einer Einheit sind und die dritte und die vierte Öffnung Öffnungen mit der Größe von jeweils zwei Einheiten sind.
Kodierverfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Lichtsensoren Photodioden sind.
Kodierverfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Verarbeitungsschaltkreis zwei Referenzpegel aufweist, von denen das eine verwendet wird, um zu ermitteln, ob irgendein Licht detektiert wird, und das andere verwendet, um die Intensität des empfangenen Lichts zu ermitteln.
Kodierverfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Schritt der Umwandlung des induzierten Stroms in ein Spannungssignal ferner aufweist den Schritt des Vergleichens eines Quellspannungssignals mit einer Referenzspannung, um den Pegelbereich des Spannungssignals zu erhalten.
Kodierverfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Schritt des Umwandelns des Spannungssignals in ein Phasenänderungssignal ferner aufweist den Schritt eines Code-Konverters, das Spannungssignal als die Speicheradresse zu verwenden, um den Ausgabewert des entsprechenden Phasenänderungssignals zu speichern.