-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System für einen
Encoder bzw. Geber, der an der Welle eines Motors angebracht ist.
Genauer betrifft die vorliegende Erfindung einen Encoder mit einer
Einrichtung, durch die eine exzentrische Bewegung der Motorwelle
kompensiert werden kann.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Encoder
(oder Resolver) werden in Motorsystemen, wie bürstenlosen Gleichstrommotoren,
verwendet, um den Betrieb des Motorsystems zu steuern. Ein Encoder
wird verwendet, um Informationen über Position und Drehzahl eines
Rotors des Motorsystems zu liefern. Diese Informationen werden von
einer externen Motorsteuervorrichtung mit elektronischen Einrichtungen
verwendet, um den Betrieb des Motorsystems zu steuern.
-
Optische
Drehgeber, wie gehäuste
Encoder, werden allgemein in Motorsystemen verwendet, um die Drehstellung
des Motorsystems zu liefern. Ein optischer Drehgeber schließt in der
Regel ein Gehäuse,
um Präzisionslager
und elektronische Einrichtungen zu stützen, eine Welle mit einer
Platte (z.B. einer optischen Platte) mit abwechselnd klaren und
undurchsichtigen Mustern, eine Lichtquelle (z.B. eine Leuchtdiode)
und eine Anordnung aus einem Photodetektor und einer Maske ein.
Ein Lichtstrahl, der von der Lichtquelle erzeugt wird, wird auf
die optische Platte projiziert, die aus einem klaren Material mit
undurchsichtigen radialen Linien aufgebaut ist. Wenn sich die optische
Platte dreht, geht der Lichtstrahl durch die klaren Bereiche hindurch,
wird aber von den undurchsichtigen Bereichen geblockt, so dass die
optische Platte den Lichtstrahl wirksam moduliert. Der gepulste
Lichtstrahl wird dann von der Masken/Photodetektor-Anordnung empfangen,
wo elektrische Signale erzeugt und einer Motorsteuervorrichtung
mitgeteilt werden.
-
Eine
andere Art von optischem Drehgeber, der so genannte Kit-Encoder,
wird ebenfalls häufig
in Motorsystemen verwendet. Statt eines separaten Gehäuses, einer
separaten Welle und separater Lager für den gehäusten Drehgeber begnügt sich
der Kit-Encoder
mit der Motorwelle, d.h. die Platte ist auf der Welle des Motors
selbst im Kit-Encoder
abgebracht. Andere Elemente des Kit-Encoders, wie die Lichtquelle
und die Masken/Photodetektor-Anordnung sind am Motorgehäuse angebracht.
-
Kit-Encoder
weisen deutliche Vorteile gegenüber
gehäusten
Encodern auf. Insbesondere sind Größe und Herstellungskosten insgesamt
verringert, da zahlreiche Komponenten, wie die Encoder-Welle und
Präzisionslager,
nicht benötigt
werden. Die Genauigkeit des Kit-Encoders leidet jedoch, weil die
Genauigkeit der Motorwelle, an der die optische Welle angebracht
ist, begrenzt ist. Beispielsweise ist die Welle, an der die optische
Platte im Kit-Encoder angebracht ist, besonders einer exzentrischen
Bewegung ausgesetzt. Die Dimensionstoleranzen der Komponenten können eine
exzentrische Bewegung zulassen, beispielsweise wenn die Mitte des
Plattenmusters und die Mitte der Welle nicht lagemäßig übereinstimmen.
Dies kommt bei allen Encodern vor, ist aber bei Kit-Encodern verstärkt, da
die Motorwelle in der Regel eine schlechtere Dimensionssteuerung
hat als die Wellen von gehäusten
Encodern. Die Variierung von seitlichen Belastungen der Welle (d.h.
von Kräften,
die senkrecht zur Motorwelle wirken), können auf die Mitte der Welle übertragen
werden, was ebenfalls eine exzentrische Bewegung erzeugt. Die exzentrische
Bewegung erzeugt Fehler bei der Messung der Drehstellung der Motorwelle.
Die Fehler werden hauptsächlich
bei einer Frequenz von einem Zyklus pro Wellenumdrehung des Motors
erzeugt und sind in ihrer Größe etwa
der Größe der exzentrischen
Bewegung gleich.
-
1A ist
ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen lichtdurchlässigen Encoders 10 und zeigt
vereinfacht Elemente, wie eine Lichtquelle 12, eine Platte 14,
eine Maske 16 und einen Photodetektor 18. 1B ist
eine Planansicht des Encoders 10 von 1A,
bei der die Lichtquelle 12 der Einfachheit halber weggelassen
ist, d.h. es sind nur die Platte 14, die Maske 16 und
der Photodetektor 18 überlappend
dargestellt. Wie in 1B dargestellt, ist eine Platte
mit einem aus abwechselnden klaren Bereichen und lichtundurchlässigen radialen
Linien gebildeten radialen Linienmuster gemustert. Die Maske ist
so entworfen, dass sie ein Linienmuster aufweist, das einem relevanten
Abschnitt der radialen Linien der Platte so ähnlich wie möglich ist.
-
Während sich
die Platte bei auf EIN geschalteter Lichtquelle dreht, geht der
Lichtstrahl durch die klaren Bereich der Platte hindurch und wird
von den lichudurchlässigen
Linien blockiert. Anschließend
kommt das von der Platte nicht-blockierte Licht an der Maske an.
Wenn die klaren Bereiche der Platte sich direkt über den klaren Bereichen der
Maske befinden, gelangen etwa 50 % des in den gemusterten Bereich
einfallenden Lichts bis zum Photodetektor. Wenn jedoch die undurchsichtigen
Linien der Platte sich direkt über
den klaren Bereichen befinden, gelangt fast kein Licht bis zum Photodetektor.
Der Photodetektor erzeugt elektrische Signale proportional zur Stärke des
empfangenen Lichtstrahls, die ungefähr wie eine Sinuswelle variiert,
wenn die Platte sich mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht.
Diese elektrischen Signale werden von einer externen Schaltung verarbeitet,
um die Drehstellung der Platte (d.h. die Rotorstellung) zu berechnen.
Die meisten Encoder tasten eine inkrementale Stellung relativ zu
einem willkürlichen
Startpunkt, der in der Regel die Position der Platte ist, wenn Leistung
angelegt wird. Eine optionale Bezugsmarke kann an der Platte angebracht
sein, um die Position der Platte innerhalb einer einzelnen Umdrehung
anzuzeigen. Die Stellung des Encoders kann dann im Verhältnis zu
diesem Bezug berechnet werden.
-
Die
von einem herkömmlichen
Encoder gelieferte Position wird durch eine exzentrische Bewegung, d.h.
eine kleine exzentrische Bewegung, die bewirkt, dass die Platte
verrückt
bzw. translatiert wird, während sie
sich dreht, korrumpiert. Wie in 1C dargestellt,
gibt es drei Arten der Plattenbewegung, die durch eine Wellenbewegung erzeugt
werden, d.h. Plattendrehung, normale Translation und tangentiale
Translation. Die Plattendrehung ist die primäre Bewegung, die getastet werden
soll, und idealerweise würde
der Encoder nur eine Drehung tasten. Die Platte kann jedoch normal
zur Maske sowie tangential zur Maske verrückt werden. Ebenso wie die
Drehung bewirkt eine tangentiale Translation, dass die radialen
Linien auf der Maske sich relativ zueinander bewegen. Tatsächlich kann
in den meisten Encodern die tangentiale Translation nicht von der Drehung
unterschieden werden. In einem solchen Fall korrumpiert die tangentiale
Translation das Ausgangssignal vom Encoder. Man beachte, dass eine
normale Translation nicht bewirkt, dass sich die Linien in der Platte
und der Maske relativ zueinander bewegen, und daher das Ausgangssignals
vom Encoder nicht korrumpiert. Eine exzentrische Bewegung ist ungefähr kreisförmig und
bewirkt eine sowohl tangentiale als auch normale Translation. Falls
die Platte z.B. um 0,002'' in der normalen
Richtung bei null Grad versetzt würde (z.B. an einer 3 Uhr-Stellung,
wo der Sensor 18 sich befindet), wäre die normale Translation
etwa 0,002 cos(θ)
und die tangentiale Translation wäre etwa 0,002 sin(θ), wobei θ der Winkel
der Platte ist. Die tangentiale Translation wird direkt zum Positionsausgangssignal
addiert, was zu einer Rückmeldungsposition
führt,
die gleich der Summe der aktuellen Position und der tangentialen
Translation, geteilt durch den Radius ist. Einige Anwendungen können diese
Fehler nicht tolerieren, und somit könnte ein Nutzer gezwungen sein,
einen Encoder mit größerer Präzision zu
verwenden, beispielsweise von einem Kit-Encoder zu einem gehäusten Encoder
zu wechseln, oder die Präzision
bei der Herstellung eines gehäusten
Encoders zu erhöhen.
Ein solcher Wechsel kann den Preis oder die Größe des Encoders erhöhen oder
den Nutzer zwingen, eine ungenügende
Qualität des
Positionssensors hinzunehmen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
oben genannten Probleme werden gelöst und es wird ein technischer
Vorteil auf dem Gebiet der Technik erreicht, indem ein Verfahren
und ein System geschaffen werden, welche eine exzentrische Bewegung einer
Motorwelle erfassen und Fehler, die von der exzentrischen Bewegung
bewirkt werden, dynamisch kompensieren.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Encoder geschaffen, der eine Lichtquelle
(z.B. eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode), eine gemusterte Platte
mit sowohl radialen als auch kreisförmigen Linien, um sowohl die
tangentiale Bewegung als auch die normale Bewegung der Platte zu
messen, einer Maske, die einem Abschnitt der gemusterten Platte
mit radialen Linien und kreisförmigen
Linien entspricht, und einen Sensor mit einer Vielzahl von Fühlern zum
Erfassen der Lichtsignale von der Maske, welche die Drehbewegung und
die translationale Bewegung der gemusterten Platte reflektiert,
einschließt,
wobei der Sensor ferner eine elektronische Schaltung einschließt, welche
die Signale, die vom Sensor erzeugt werden, verarbeitet.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung misst der Encoder zwei Positionssignale
mit einem Sensor. Das erste Signal, das so genannte Drehsignal,
ist die Summe der Drehung und der tangentialen Translation. Das
zweite Signal ist die normale Translation. Das normale Translationssignal
kann verwendet werden, um eine tangentiale Translationskomponente
eines Positionssignals zu entfernen, wodurch die Genauigkeit des
Drehsignals verbessert wird, wobei insbesondere die korrumpierenden
Effekte der exzentrischen Bewegung beseitigt werden. Infolgedessen
gibt der Encoder der vorliegenden Erfindung Drehstellungsinformationen
mit verbesserter Genauigkeit aus.
-
Andere
und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Lauf der
folgenden ausführlichen Beschreibung
und durch Bezug auf die beigefügte
Zeichnung deutlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
1A, 1B und 1C stellen
eine vereinfachte Struktur eines lichtdurchlässien Encoders des Standes
der Technik (1A und 1B) und
drei Arten von Plattenbewegung, die von der Wellendrehung bewirkt
werden (1C), dar.
-
2 ist
eine Querschnittsdarstellung eines Motorsystems mit einem eingebauten
Kit-Encoder der vorliegenden
Erfindung als eine Ausführungsform;
-
3A und 3B stellen
eine Platte dar mit Mustern gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
4 stellt
eine Maske mit Mustern gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
-
5 stellt
einen integrierten Sensor gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
-
6 ist
ein Blockschema eines Mikroprozessor-Chips des integrierten Sensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
-
7 ist
ein Ablaufschema, das ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
-
Wie
oben kurz erörtert,
beeinträchtigt
zwar die normale Translation der Platte nicht das Lichtmuster, das
von den radialen Linien der Platte erzeugt wird, und korrumpiert
somit nicht die Drehstellungsinformationen des Encoders, wie sie
von den radialen Linien gefühlt
wird, aber die tangentiale Translation der Platte korrumpiert die
gefühlten
Drehstellungsinformationen des Encoders.
-
Ein
herkömmlicher
Ansatz zur Lösung
dieses Problems wäre
die Verwendung eines zusätzlichen
Sensors, der am Radius des Kreislinienmusters bei einem Winkel von
90 Grad vom Radialliniensensor angeordnet ist. Auf diese Weise kann
die tangentiale Translation der Platte getastet und direkt von den
Stellungsinformationen, die von den radialen Linien gefühlt werden,
abgeleitet werden. Die Verwendung eines zusätzlichen Sensors in einem Encoder
ist jedoch aus mehreren Gründen,
einschließlich
des Preises und der Größe des Motorsystems,
nachteilig.
-
Ein
Aspekt des Encoders der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
eines einzigen integrierten Sensors, der sowohl die ungefähre Drehung
(d.h. die Summe der Drehinformationen und der tangentialen Informationen),
als auch die normale Translation durch Messen der Wirkungen in einem
einzigen Bereich der Platte misst. Die normale Translation wird
zuerst ausgelesen und gespeichert. Diese gespeicherten Informationen
werden verwendet, wenn der Motor sich um 90 ° (angezeigt durch den Radialliniensensor)
aus der Stellung, wo die normale Translation gemessen wurde, gedreht
hat. Die gespeicherte normale Translation wird verwendet, um durch
eine exzentrische Bewegung der Platte erzeugte Fehler in den Positionsinformationen,
die vom Radialliniensensor getastet werden, zu kompensieren. Dies
beruht auf der Annäherung,
dass jegliche Plattentranslation durch eine exzentrische Bewegung
bewirkt wird, so dass die normale Translation als tangentiale Translation
erscheint, nachdem die Platte sich um 90 ° gedreht hat. Der integrierte
Sensor erzeugt dann einen einzelnen korrigierten Drehwert unter
Verwendung der gespeicherten normalen Translation der Platte. Der
einzelne korrigierte Drehwert kann an Motorsteuerelektronik im Standard-Encoderformat
für die
Steuerung des Motorsystems geliefert werden. Der Encoder der vorliegenden
Erfindung erlaubt eine Berechnung des korrigieren Positionswerts
unter Verwendung nur eines einzigen Sensors für die Messung. Die Verwendung
eines einzigen integrierten Sensors der vorliegenden Erfindung kann
im Hinblick auf Kosten- und Raumprobleme von Vorteil sein, da der
Encoder der vorliegenden Erfindung nicht nennenswert teurer oder
größer als
bestehende Encoder sein muss.
-
Der
einzelne integrierte Sensor des Encoders der vorliegenden Erfindung
ist ferner so konstruiert, dass er das ungefähre Drehsignal und das Normaltranslationssignal
kombiniert, um ein einziges korrigiertes Positionssignal der Platte
zu erzeugen. Der korrigierte Positionswert kann in einem Standard-Encoderformat für einen
Nutzer formatiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese
Erörterung
sich zwar auf die Schaffung einer Verarbeitung des einzelnen korrigierten
Positionswerts in einem integrieren Sensor mit einem Prozessorchip
und Photosensoren, der dadurch selbst ein einzelnes korrigiertes
Drehsignal ausgibt, konzentriert, die Erfindung aber ebenso auf
die Verwendung eines Prozessorchips, der von den Photosensoren getrennt
ist, und die Bereitstellung des ungefähren Drehsignals und des normalen
Translationssignals von den Photosensoren an den separaten Prozessorchip
für eine
externe Verarbeitung angewendet werden kann. Die Erfindung ist ferner
so konstruiert, dass sie einen integrierten Sensor nutzt und das
ungefähre
Positionssignal bereitstellt und das normale Translationssignal
speichert und dieses nach einer 90 Grad-Drehung der Platte als ungefähre tangentiale
Translation für
die externe Verarbeitung ausgibt.
-
2 ist
eine Querschnittsdarstellung eines Motorsystems 100 mit
einem eingebauten Kit-Encoder 90 der vorliegenden Erfindung
als eine Ausführungsform.
Das Motorsystem schließt
ein Gehäuse 104 ein,
durch das ein elektrisches Kabel 102 dem Motorsystem Elektrizität zuführt. Das
Bezugszeichen 105 stellt eine gedruckte Schaltung (printed
circuit board, PCB) dar, in der eine Lichtquelle 20, wie
eine LED (Leuchtdiode) oder LD (Laserdiode), des Encoders 90 angeordnet
ist. Die Bezugszeichen 106 und 108 stellen jeweils
eine Nabe und ein Lager 108 des Motorsystems 100 dar,
die an der Mitte einer gemusterten Scheibe 30 befestigt
sind. Die Bezugszeichen 109 und 112 stellen einen
Motorkörper
bzw. eine Welle dar. Das Motorsystem 100 schließt ferner
eine gemusterte Maske 40 und einen integrierten Sensor 70 ein,
an dem eine Vielzahl von Fühlern 50 und
ein Mikroprozessorsystem 60 angeordnet sind. Die Lichtquelle 20,
die gemusterte Platte 30, die gemusterte Maske 40 und
der integrierte Sensor 70 sind auf einem optischen Weg
angeordnet.
-
3A stellt
eine gemusterte Platte 30 dar, die gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entworfen ist. Die Platte ist mit einem
inneren radialen Linienmuster 32 und einem äußeren Kreisringmuster 34 gemustert.
Die Zahl der äußeren Ringe
in dem Muster kann abhängig
von der benötigten
Messgenauigkeit und dem maximalen Gesamtmaß der exzentrischen Bewegung,
die der Encoder tolerieren muss, abhängen. Im einfachsten Fall ist
nur eine Ringlinie nötig.
Die Muster können
mit einer Metallschicht auf einer Glasoberfläche unter Verwendung einer
Vakuumausrüstung (z.B.
einer Sputter-Maschine) und photolithographischen Verfahren (z.B.
Mustern oder Ätzen)
ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine Chromschicht auf einer
gesamten Glasoberfläche
durch eine Sputter-Maschine ausgebildet werden. Anschließend wird
ein Photoresist auf die Chromschicht aufgebracht, und die Glas/Chrom/Photoresist-Anordnung
wird ultraviolettem (UV-) Licht unter Verwendung einer gemusterten
Photomaske mit dem radialen Linienmuster 32 und dem Kreislinienmuster 34 ausgesetzt.
Die belichtete Anordnung kann dann nacheinander in einen Entwickler
und eine Ätzlösung getaucht
werden, um unerwünschte
Teile der Chromschicht auf dem Glas zu entfernen. Dadurch wird ein
Muster gebildet, wo herausgeätzte
Abschnitte der Anordnung klar sind und die übrigen Abschnitte undurchsichtig
bleiben. Photolithographie ist in der Technik bekannt und daher
wird auf die ausführliche
Beschreibung des Verfahrens verzichtet.
-
3B stellt
einen Teil der gemusterten Platte 30 dar, der das radiale
Linienmuster 36 und das Ringmuster 38 von 3A ausführlicher
darstellt. Wie in der Figur dargestellt, schließt die gemusterte Platte abwechselnde
klare Abschnitte 36, 38 und lichtundurchlässige Abschnitte 37, 39 ein.
Ein klarer Abschnitt 36 und ein lichtundurchlässiger Abschnitt 37 der
radialen Linien bilden eine Teilung der radialen Linien (d.h. 360 ° in optischen
Einheiten). Ebenso bilden ein klarer Abschnitt 38 und ein
lichtundurchlässiger
Abschnitt 39 der kreisförmigen
Linien eine Teilung des Kreislinienmusters. Oder die klaren und
lichtundurchlässigen
Abschnitte des Plattenmusters können
auf entgegengesetzte Weise entworfen sein. Jede der radialen Linien
weist in der Regel eine Bogenform auf, da die Linien unmittelbar
nebeneinander auf einer Kreisspur angeordnet sind.
-
4 zeigt
ausführlich
eine Struktur der Maske 40 mit Mustern gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Maskenmuster folgt in der Regel einem Teil der gemusterten
Platte wie oben erörtert
und weist mehrere radiale Linien 43, 45 und eine
Vielzahl von teilkreisförmigen
Linien 47, 49 auf. Die radialen Maskenlinien,
die den radialen Linien auf der Platte entsprechen, werden verwendet,
um die ungefähre
Drehung der Platte zu berechnen. Die teilkreisförmigen Linien der Maske, die
den Kreislinien auf der Platte entsprechen, werden verwendet, um
die normale Translation der Platte zu messen. Da das Lichtsignal
von nur einem der klaren Abschnitte der gemusterten Platte möglicherweise
nicht ausreichend stark ist, ist die Maske so entworfen, dass sie
Lichtsignale von mehreren benachbarten lichtdurchlässigen Abschnitten
der gleichen Phase empfängt
und somit die Erfassungsempfindlichkeit verbessert ist. Das Maskenmuster
kann auch auf ähnliche
Weise wie bei der Plattenmusterung gebildet werden, wie oben erörtert, z.B.
mit einer Metallbeschichtung auf einer Glasoberfläche unter
Verwendung einer Vakuumausrüstung
und anschließend
mit Photolithographietechniken zur Musterung. In einer Ausführungsform
kann das Maskenmuster direkt auf das Glas aufgebracht werden, das den
Sensor 50 umschließt,
d.h. die Maske 40 und der integrierte Sensor 70 sind
in einer Vorrichtung zusammengefasst.
-
Die
Maske 40 ist so entworfen, dass sie Richtungsinformationen über die
Platte, d.h. einen Uhrzeigersinn oder einen Gegen-Uhrzeigersinn
der Drehbewegung und eine positive oder negative Richtung der exzentrischen
Bewegung der Platte, liefert. Wie in der Figur dargestellt, gibt
es zwei Reihen von Anordnungen 42, 44 und jede
der horizontalen Linien 43 der Anordnung 42 ist
um 90 ° optisch
von den horizontalen Linien 45 der Anordnung 44 verschoben,
um ein Zweikanal-Ausgangssignal zu liefern, das die Richtung der
Drehbewegung der Platte liefert. Infolgedessen weisen die übertragenen
Lichtsignale von der Anordnung 42 eine 90 °-Differenz
im Vergleich zu den von der Anordnung 44 übertragenen
Lichtsignalen auf. Der Phasenunterschied der Lichtsignale von den
Anordnungen 42, 44 wird in den Ausgangssignalen
von den entsprechenden Fühlern 52, 54 dargestellt,
wie nachstehend beschrieben, wodurch die Bestimmung der Richtung
der Drehbewegung (d.h. eine Bewegung im Uhrzeigersinn oder entgegen
dem Uhrzeigersinn), ebenso wie die Positionsinformationen über die
Platte möglich
sind.
-
Ebenso
wie die oben beschriebenen Anordnungen 43, 45 gibt
es zwei Reihen von Anordnungen 46, 48 in der Maske 40,
und jede der Teilkreislinien 47 der Anordnung 46 ist
um 90 ° optisch
von den Teilkreislinien 49 der Anordnung 48 verschoben,
um ein Zweikanal-Ausgangssignal, das die Richtung der normalen Translation
der Platte misst, zu liefern. Infolgedessen weisen die übertragenen
Lichtsignale von der Anordnung 46 eine 90 °-Phasendifferenz
im Vergleich zu den übertragenen
Lichtsignalen von der Anordnung 48 auf. Die Phasendifferenz
der Lichtsignale von den Anordnungen 46, 48 wird
in den Ausgangssignalen von den entsprechenden Detektoren 56, 58 dargestellt,
wie nachstehend beschrieben, wodurch eine Bestimmung der Richtung der
exzentrischen Bewegung der Platte (d.h. einer positiven oder negativen
Richtung) möglich
ist. Man beachte, dass, wenn die maximale exzentrische Bewegung
ausreichend gering ist, nicht mehrere Linien nötig sind, um die Richtung der
exzentrischen Bewegung zu bestimmen. In einem solchen Fall kann
die Zahl der Kreislinien auf eine Linie auf der Platte und entsprechen
auf eine Linie auf der Maske reduziert werden.
-
5 stellt
ein Layout des integrierten Sensors 70 dar, der gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entworfen ist. Der integrierte Sensor
schließt
Detektoren 52, 54 ein, die mit den beiden Reihenanordnungen 42, 44 der
Maske 40 assoziiert sind, welche jeweils Lichtsignale von
den beiden Reihenanordnungen erfassen. Der integrierte Sensor schließt auch
Detektoren 56, 58 ein, die mit den beiden Reihenanordnungen 46, 48 der
Maske 40 assoziiert sind und die Lichtsignale von den beiden
Reihenanordnungen erfassen.
-
Der
integrierte Sensor schließt
ferner Mikroprozessorkomponenten ein, die ein bei 60 dargestelltes
Mikroprozessorsystem einschließen,
das die Ausgangssignale von den Detektoren verarbeitet und speichert.
Die Detektoren und das Mikroprozessorsystem können in dem gleichen Chip integriert
sein wie in der Figur dargestellt und werden unter Verwendung von
Standard-Halbleiterfertigungstechniken gebaut. Oder das Mikroprozessorsystem
kann separat von den Detektoren innerhalb oder außerhalb
des Encodersystems gebaut werden.
-
6 ist
ein Blockdiagramm eines Mikroprozessorsystems 60 des integrierten
Sensors 70 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Mikroprozessorsystem (d.h. ein Chip)
schließt
eine CPU 62, einen RAM 64, einen Speicher 66 und
eine Schnittstellenschaltung 68 (z.B. eine ASIC mit analoger und/oder
digitaler Logik), welche durch Systembuslinien verbunden sind, ein.
Nach Empfang der elektrischen Signale von den Detektoren 52, 54, 56, 58 über die
Schnittstellenschaltung verarbeitet der Chip die Signale und gibt
die korrigierten Positions- und/oder Drehzahlinformationen über die
Platte aus, wobei Fehler, die von der exzentrischen Bewegung der
Platte eingeführt
werden, kompensiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese
Erfindung ebenso anwendbar ist, wenn keine, einige oder alle Mikroprozessorkomponenten
mit dem Sensor auf einem einzigen Chip integriert sind.
-
Die
Arbeitsweise des Encoders 90 der vorliegenden Erfindung
wird nun als Implementierung in einem Motorsystem 100 beschrieben.
-
Es
wird angenommen, dass die gemusterte Maske 40 und die integrierte
Sensoranordnung 70 des Encoders 90 der vorliegenden
Erfindung an einer 3 Uhr-Position (0 °) der kreisförmig gemusterten Platte 30 angeordnet
sind und die Drehbewegung ebenso wie die exzentrische Bewegung der
Platte messen. Wenn sich die gemusterte Platte des Motorsystems
entlang der Welle 112 des Motorsystems 100 dreht,
wird Licht von der Lichtquelle 20 durch die klaren Bereiche
der gemusterten Platte gelassen, wodurch Lichtpulse erzeugt werden. Anschließend werden
durchgelassene Lichtpulse mit der gleichen Phase durch die lagemäßig ausgerichtete Maske 40 gehen
gelassen und dann von den Detektoren 52, 54, 56, 58 des
integrierten Sensors 70 erfasst. Das Mikroprozessorsystem 60 des
integrierten Sensors verarbeitet die elektrischen Signale nach deren
Empfang von den Detektoren und gibt die Messung der Drehposition
aus. Die generelle Arbeitsweise eines Encoders zur Erfassung der
Positionsinformationen einer Platte einschließlich der Richtungsinformationenen
ist in der Technik bekannt und auf ihre ausführliche Beschreibung wird verzichtet.
Beispielsweise beschreibt das US-Patent
Nr. 4,476,457, Kondo, deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin
aufgenommen ist, die grundsätzliche
Arbeitsweise eines Drehgebers. Obwohl die Erörterung sich auf Kit-Encoder
konzentriert, sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf
Systeme beschränkt
ist, die Kit-Encoder verwenden. Beispielsweise ist die Arbeitsweise
eines gehäusten
Encoders äquivalent.
-
Wenn
sich die gemusterte Platte 30 dreht, während die Lichtquelle 20 auf
EIN gestellt ist, kann Licht durch die klaren Bereiche des Kreismusters 38 der
Platte hindurch gehen. Falls keine normale Translation der Platte
vorliegt, gibt es keine Variation des Ausgangssignals von den zugehörigen Fühlern 56, 58 des
integrierten Sensors 70. Falls jedoch eine normale Translation
der Platte vorliegt, variiert das Ausgangssignal von den Detektoren
während
sich die Platte dreht, da die überlappenden
Bereiche zwischen den klaren Abschnitten 38 der Kreislinien
und den Maskenmustern 47, 49 das durchgelassene
Licht entsprechend der normalen Translation der Platte variieren.
Die Ausgangssignale von den Detektoren folgen der Intensität (d.h.
der Menge) des durchgelassenen Lichts. Diese Signale werden verarbeitet,
um die Größe und die
Richtung der normalen Translation der gemusterten Platte zu messen.
-
Nach
Messung der normalen Translation der Platte
30 speichert
der Mikroprozessor
60 des integrierten Sensors
70 diese
Daten für
eine spätere
Verwendung. Der Prozessor berechnet die tangentiale Translation der
Platte in der aktuellen Position unter Verwendung der normalen Translation
der Platte, wenn die Platte 90 ° von
der aktuellen Stelle entfernt war. Die Berechnung der tangentialen
Translationen wird unter der Annahme durchgeführt, dass die Translation der
gemusterten Platte exzentrisch ist, d.h. dass sie einer kreisförmigen Spur
folgt. Da er beispielsweise die normale Translation der Platte an
dem Punkt, wenn die Platte bei 0 ° (z.B. an
einer 3 Uhr-Position) ist, kennt, berechnet der Prozessor, dass
die maximale vertikale Translation (d.h. eine tangentiale Translation)
auftritt, wenn die Platte bei 90 ° ist.
Tabelle 1 zeigt eine Beispielsbeziehung zwischen der normalen und
der tangentialen Translation der Platte unter der Annahme einer
Größe von 0,002
Inch. TABELLE
1
-
In
diesem Beispiel folgt die maximale normale Translation der Platte
einer ungefähren
Cosinus-Wellenfunktion, die bei 0 ° beginnt, während die tangentiale Translation
der Platte einer ungefähren
Sinus-Wellenfunktion folgt, die bei 0 ° beginnt. Die Berechnung der
tangentialen Translation kann an mehreren Punkten der kreisförmigen Spur
der Platte (z.B. 0 °,
45 °, 90 °, 135 °, 180 °, 225 °, 270 ° und 315 ° durchgeführt werden, was
eine glattere Kompensation für
jegliche exzentrische Bewegung ermöglicht. Man beachte, dass dieses System
die normale Translation der Platte dynamisch messen kann, während diese
sich dreht, wodurch die tangentiale Translation der Platte aufgrund
der jüngsten
Ablesung der normalen Translation der Platte von 90 ° vor der
aktuellen Position entsprechend korrigiert werden kann. Es kann
auch den Motor oder den gehäusten Encoder
separat drehen, d.h. während
der Herstellung oder der Installation, und dann tangentiale Translationen
aufgrund dieser früheren
Messungen korrigieren.
-
Nach
Berechnung der tangentialen Translation der Platte 30 anhand
der gemessenen normalen Translation korrigiert der Mikroprozessor 60 des
integrierten Sensors 70 die gemessenen Positionsinformationen über die
Wirkungen der exzentrischen Bewegung aus den gemessenen Positionsinformationen.
Der Mikroprozessor kann die beiden Werte (d.h. die ungefähre Position
und die normale Translation der Platte) miteinander kombinieren,
um einen einzigen korrigierten Drehpositionswert für die Platte zu
erzeugen. Als Beispiel kann der korrigierte Positionswert für die Platte
(θOUTPUT) anhand der folgenden Formel berechnet
werden: θOUTPUT = θAQB + sin(θAQB + θOFFSET) × PTT/TRADIUS (1)wobei θAQB die unkorrigierte Drehinformation anzeigt, θOFFSET der Versatzwinkel der exzentrischen
Bewegung in Bezug auf 0 ° auf
der Platte ist, PTT die Größe der tangentialen
Translation, die von der exzentrischen Bewegung der Platte erzeugt
wird, ist und TRADIUS einen Radius des Kreismusters
an der Platte anzeigt.
-
Wie
oben erörtert,
kann der Mikrorechner 60 die Positionsinformationen der
Platte 30 über
die ganze Drehung der Platte dynamisch korrigieren. Beispielsweise
kann der Mikroprozessor, wenn er einer Sinus-Wellenfunktion folgt,
die Informationen über
die errechnete exzentrische Bewegung der Platte (z.B. die tangentiale Bewegung)
zu den gemessenen Positionsinformationen an verschiedenen berechneten
Punkten über
der kreisförmigen
Spur der Platte addieren oder davon subtrahieren, wodurch die Korrektur
auf dynamische Weise durchgeführt
wird, wobei die Korrektur idealerweise sehr schnell (z.B. alle paar
Mikrosekunden) durchgeführt wird.
-
7 stellt
Schritte dar, die vom Kit-Encoder 90 der vorliegenden Erfindung
durchgeführt
werden, um die korrigierten Informationen über die Position der Platte 30 zu
erhalten. Der Encoder misst die ungefähren Drehstellungsinformationen
der Platte (Schritt 710) und die normale Translation der
Platte (Schritt 720). Die gemessenen Informationen können in
einem Speicher gespeichert werden (Schritt 730). Anschließend berechnet
der Encoder die tangentiale Translation der Platte unter Verwendung
der gemessenen normalen Translation der Platte (Schritt 740).
Der Encoder kombiniert dann die in den Schritten 710 und 720 gespeicherten
Informationen (Schritt 750), um einen einzelnen korrigierten
Positionswert zu erzeugen (Schritt 760). Der einzelne korrigierte
Positionswert kann elektronischen Motorsteuerungseinrichtungen im
Standard-Encoderformat mitgeteilt werden, um das Motorsystem 100 weiter
zu steuern. Vorteilhafterweise muss ein Nutzer des Motorsteuersystems
gemäß der Erfindung
keine Signalverarbeitung durchführen,
um die korrekten Positionsinformationen zu erhalten.
-
Obwohl
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung und verschiedene Modifikationen davon hierin
ausführlich
mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben wurden, ist
die Erfindung selbstverständlich
nicht auf diese Ausführungsformen
und die beschriebenen Modifikationen beschränkt, und von einem Fachmann
können
verschiedene Änderungen
und weitere Modifikationen daran vorgenommen werden, ohne vom Bereich
und Gedanken der Erfindung, der in den nachstehend Ansprüchen definiert
ist, abzuweichen. Obwohl beispielsweise ein lichtdurchlässiger Kit-Encoder als Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann die Erfindung leicht
ohne bedeutende Modifikation auch auf einen reflektierenden Encoder
angewendet werden. Obwohl der lichtdurchlässige Encoder eine optische
Interferenz nutzt, um die Drehposition und die exzentrische Bewegung
unter Verwendung einer Lichtquelle, einer gemusterten Platte, einer
gemusterten Maske und eines optischen Sensors zu messen, können auch
andere Arten von Interferenz ebenso im Bereich der Erfindung liegen.
Beispielsweise kann eine magnetische Interferenz unter Verwendung eines
elektromagnetischen Sensors und einer gemusterten Platte, in der
das Plattenmuster durch elektrische Pulse angeregt wird, verwendet
werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
ENCODER FÜR EINE MOTORSTEUERVORRICHTUNG
-
Ein
Encoder in einem Motorsystem misst die radiale Bewegung und die
translationale Bewegung einer Platte mit einem einzelnen integrierten
Sensor, der auf einem Mikroprozessorchip integriert ist. Der Encoder misst
Informationen über
die Position und die exzentrische Bewegung der Platte durch den
integrierten Sensor. Die gemessenen Informationen über die
Position und die Informationen über
die exzentrische Bewegung werden dann kombiniert, wodurch eine einzelne
korrigierte Positionsinformation der Platte erzeugt wird. Die korrigierte
einzelne Positionsinformation kann einem Nutzer in einem Standardformat
für den
Betrieb des Motorsystems zur Verfügung gestellt werden.
