DE112012005836B4

DE112012005836B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE112012005836B4
Application number: DE112012005836.4T
Authority: DE
Inventors: c/o Mitsubishi Electric Research L Agrawal Amit; c/o Mitsubishi Electric Research La Thornton Jay
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: TW201346225A; KR20140117500A; US20130204574A1; JP2015500457A; JP5837201B2; WO2013118423A1; TWI519766B; CN104105951B; CN104105951A; DE112012005836T5

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Position, umfassend die Schritte:Messen (110) eines Signals (201) entsprechend einer Teilfolge von Markierungen (101, 102) in einer nicht-periodischen Sequenz von Markierungen (101, 102) auf einer Skala (100);Bestimmen (115) einer groben Position Pdurch Abgleichen der Teilfolge mit allen möglichen Teilfolgen der nicht-periodischen Sequenz;Erfassen (115) von Nulldurchgängen entsprechend zu ansteigenden Flanken des Signals (201) und Nulldurchgängen entsprechend zu abfallenden Flanken des Signals (201);Berechnen (115) einer inkrementellen Position Punter Verwendung eines Abstands (D) vom Start des Signals (201) bis zu einem ReferenzNullpunktdurchgang (501), gewählt von den erfassten Nulldurchgängen; undSummieren (120) der groben und inkrementellen Position zum Erhalten der Position, wobei die Schritte in einem digitalen Signalprozessor (115) ausgeführt werden, wobei die grobe Position Pin einem Abstand von einem Beginn (300) der Skala (100) liegt,dadurch gekennzeichnet, dass die inkrementelle Position Pist, wobei eine Breite B jeder Markierung (101, 102) ein Halbschritt ist, D der Abstand von dem Start des Signals (201) bis zu dem Referenz-Nullpunktdurchgang (501) des Signals (201) in Pixeln, und F die Pixel pro Halbschritt sind.

Description

[Technisches Gebiet]
Die Erfindung betrifft allgemein Positionsmessvorrichtungen, insbesondere um Positionen mit Absolutwertgebern zu messen.
[Technischer Hintergrund]
Positionsschätzung ist eine wichtige Aufgabe in der industriellen Automatisierung und ähnlicher Anwendungen. Geräte wie computernumerisch gesteuerte (Computerized Numerically Controlled, CNC) Maschinen, Bohrerspitzen, Roboterarme oder Laserschneider und Montagelinien erfordern Positionsmessungen. Für Präzisionspositionsmessungen wird oft eine Regelung verwendet. Es ist erwünscht, Positionen bei hohen Abtastraten zu bestimmen, um eine genaue Regelung zu ermöglichen.
Optische Wertgeber werden in der Regel verwendet, um inkrementelle oder relative Positionen zu messen. Eine Skala mit regelmäßig beabstandeten Markierungen zusammen mit einem Lesekopf, der Sensoren einschließt, wird verwendet, um die relative Position zwischen den Markierungen abzuschätzen. Inkrementelle Linearwertgeber können nur die relative Position innerhalb einer Teilung der Skala messen. Ein relativer Positionswertgeber erfasst eine Anzahl von überlaufenen Skalenteilungen, um die absolute Position zu bestimmen.
Ein absoluter Positionswertgeber kann die absolute Position direkt bestimmen. Absolute Positionswertgeber werden bevorzugt, weil sie keinen Speicher und keine Leistung erfordern, um die aktuelle Position zu speichern. Darüber hinaus bieten absolute Wertgeber beim Start eine absolute Position, während relative Positionswertgeber in der Regel einen Anfangspunkt finden müssen, um beim Start eine aktuelle Position zu bestimmen, was Zeit braucht und für manche Anwendungen nicht möglich sein kann.
Mehrere lineare Wertgeber sind bekannt. In einer einfachsten Form kann ein relativer linearer Wertgeber eine Linearposition durch optisches Erfassen der Markierungen auf der Skala messen, die parallel zu dem Lesekopf befestigt ist. Allerdings ist die Auflösung der relativen Position durch die Auflösung der Markierungen auf der Skala begrenzt. Zum Beispiel kann eine Skala mit einer Auflösung von 40 Mikrometern nicht eine Auflösung von 0,5 Mikrometern erreichen.
Bei einem herkömmlichen Absolutwertgeber wird ein einheitliches Muster von Marken, die Codes von Ein und Null Bits repräsentieren, für jede Position verwendet. Mit einer Skala wird eine Positionsänderung bestimmt, wenn sich das Bit-Muster in dem erfassten Code ändert. In diesem Fall ist die Auflösung der Positionsschätzung die gleiche wie die von dem Muster auf der Skala, und kann unzureichend sein.
Um die Auflösung zu verbessern, verwendet eine Methode mehrere in der Detektionsrichtung ausgerichtete Skalen mit periodischen Skalenmustern, einschließlich opaken und transparenten Markierungen. Die Skalen sind von einer Seite beleuchtet wird und eine Photodiode erfasst das Licht, das durch die Skalen auf die andere Seite gelangt. Da die Skalen sich relativ zueinander und dem Lesekopf bewegen, variiert das Signal der Fotodiode zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert. Ein Demodulationsverfahren kann dann die Phase 0 des Signals bestimmen, das in die relative Positionsschätzung transformiert wird. Die relative Position kann mit einer höheren Auflösung als die Skalenauflösung gewonnen werden. In einigen Wertgebern kann eine der Skalen durch ein Raster in dem Lesekopf ersetzt werden.
Allerdings bieten solche Wertgeber nur eine relative Position. Für die absolute Positionierung benötigen Linearwertgeber zusätzliche Skalen, was die Kosten des Systems erhöht. Solche Hybridwertgeber verwenden getrennte Skalen, um auf inkrementelle und absolute Positionen zurückzuschließen. Bei solchen Designs kann eine Gierbewegung des Lesekopfes zu Fehlern führen. Darüber hinaus erfodern solche Wertgeber zwei Leseköpfe, einen zum Erfassen inkrementeller Positionen, und einen anderen zum Erfassen absoluter Positionen.
Eine kleine Anzahl von Photodioden in dem Lesekopf von Linearwertgebern erfordern eine präzise radiometrische Kalibrierung des abgetasteten Signals. Oft führt eine Nichtlinearität in den Signalen zu einer systematischen Messabweichung und zyklischen Wellenfehlern (sub-divisional ripple errors) bei der Phasenschätzung.
Ein absoluter Linearwertgeber verwendet eine Skala und einen einzigen Lesekopf. Er verfügt über zwei separate Mechanismen zum Lesen inkrementeller und absoluter Positionen. Die inkrementellen Positionen werden unter Verwendung einer Filterlesekopf-Technik erhalten, die ein Raster im Inneren des Lesekopfes zur Erzeugung von Mustern nutzt, welche in einem Photodiodenfeld erfasst werden. Die absoluten Positionen werden unter Verwendung eines anderen Mechanismus erfasst, der eine Abbildungslinse und einen Detektor verwendet, das heißt einen linearen Bildsensor.
Um die Kosten eines absoluten Linearwertgebers zu reduzieren, verwenden einige Systeme nur eine Skala und nur einen Lesekopf mit einem einzigen Erfassungsmechanismus. Ein solches System ist in der verwandten Anmeldung beschrieben. Das System vermeidet zwei Erfassungsmechanismen für das Lesen von inkrementeller und absoluter Position. Für eine Echtzeit-Implementierung ist ein schnelles Verfahren erforderlich, um die Position aus den erfassten Daten zu dekodieren. Die verwandte Anmeldung beschreibt ein System und ein Verfahren zum Messen von Positionen, die ein Verfahren basierend auf einer Korrelation des abgetasteten Signals mit einem Referenzsignal verwenden, das unter Nutzung eines zugrunde liegenden absoluten Codes erzeugt wird. Dies erfordert die Erzeugung des Referenzsignals für jede Position. Allerdings sind korrelationsbasierte Verfahren langsam und können keine Taktraten von mehreren kHz mit standardisierten, kostengünstigen digitalen Signalprozessoren (Digital Signal Processors , DSPs) erreichen.
Einige Verfahren interpolieren die Sinus- oder Cosinus-Signale von einem relativen optischen Wertgeber in ein hochauflösendes Positionssignal. Doch diese Verfahren arbeiten auf Sinus- oder Cosinus-Signal basierten Relativwertgebern, und können nicht direkt auf Absolutwertgeber angewandt werden, wo das gemessene Signal nicht periodisch ist.
Speziell entworfene Hardware wie feldprogrammierbare Gate-Arrays (Field Programmable Gate Arrays , FPGA) und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits , ASICs) kann verwendet werden, um die Positionsinformation aus dem erfassten Signal zu bestimmen, was allerdings mit höheren Kosten verbunden ist.
Die DE 102 96 644 T5 beschreibt eine absolute Positionsmessung mit einer absoluten Messskala, welche eine inkrementelle Skala aufweist, bei der absolute Daten in der Form diskreter Codeworte in der inkrementellen Skala eingebettet sind. Dabei wird eine Nachschlagetabelle dazu verwendet, eine grobe absolute Position zu bestimmt, indem absoluten Positionsdaten, die aus der Skala extrahiert werden, mit absoluten Codeworten in der Nachschlagetabelle verglichen werden. Die absolute Position wird bestimmt, indem die grobe absolute Position mit der Position des Stabs des ersten Codewortes in den extrahierten Daten kombiniert wird. Dabei kann die absolute Position auch innerhalb einer Skalenteilung bestimmt werden, indem die absolute Position mit der inkrementellen Position kombiniert wird.
Die US 2012 / 0 007 980 A1 beschreibt einen Positions-Kodier-Apparat mit einer Skala, welche eine Reihe von Positionsmerkmalen aufweist, und einem Lesekopf zum Lesen der Reihe von Positionsmerkmalen mittels einem Schnappschuss-Erfassungsprozess.
Die US 2012 / 0 072 169 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Positions-Kodier-Apparates mit einer Skala, welche Positionsinformationen definiert, und mit einem Lesekopf zum Auslesen der Skala. Dabei wird eine extrapolierte Position mit einer berechneten Position verglichen und eine etwaige Diskrepanz zwischen diesen bestimmt.
Die DE 10 2008 022 027 A1 gibt eine Positionsmesseinrichtung an, bei der aus einem seriellen Code einerseits ein die Absolutposition definierendes Codewort sowie andererseits ein periodisches Inkrementsignal abgeleitet wird. Zur Erzeugung des Inkrementsignals ist eine Anordnung vorgesehen, welche die Abtastsignale derart wandelt, dass durch Summierung der gewandelten Abtastsignale das Inkrementalsignal entsteht.
Es ist wünschenswert, nur standardisierte DSPs zu nutzen. Daher ist ein Verfahren gefordert, das hochpräzise Positionsinformationen mit hoher Geschwindigkeit liefern und auf standardisierten DSPs implementiert werden kann.
[Zusammenfassung der Erfindung]
Die Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Verfahren zum Bestimmen hochpräziser Positionsschätzungen für einspurige Absolutwertgeber. Die hohe Genauigkeit des Verfahrens erreicht absolute Genauigkeiten in Mikrometern. Die hohe Geschwindigkeit des Verfahrens erreicht Taktraten von mehreren KHz unter Verwendung eines herkömmlichen digitalen Signalprozessors (DSP).
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Skala gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung eines erfassten Signals und eines Codes unter Verwendung der Skala von 1.
3 ist eine schematische Darstellung der Dekodierung einer Bit-Sequenz, um eine Position gemäß den Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten.
4 zeigt ideale relative und absolute Wellenformen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines gemäß Ausführungsformen der Erfindung erfassten Nulldurchgangspunktes.
6 zeigt eine schematische Darstellung von der Anzahl von Bits zwischen jedem von zwei Nulldurchgängen.
7 ist eine schematische Darstellung vom Anbringen von Linien an ansteigenden und abfallenden Flanken der Wellenform entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung.
8 ist eine schematische Darstellung vom Anbringen von Linien an ansteigenden und abfallenden Flanken der Wellenform entsprechend den Ausführungsformen der Erfmdung.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
Die Ausführungsformen unserer Erfindung stellen ein Verfahren zum Bestimmunen von hochpräzisen Positionsschätzungen für einspurige lineare Absolutwertgeber zur Verfügung.
Absolute Skala
1 zeigt eine Skala 100 eines Absolutwertgebers für eine Ausführungsform unserer Erfmdung. Details der Skala sind in der verwandten US-Anmeldung 13/100092 beschrieben, hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Skala wird verwendet, um eine hochauflösende Position P = P_A + P_i 120 zu bestimmen.
Die Skala kann alternierend lichtreflektierende 101 und nicht-reflektierende Markierungen 102 enthalten. Jede Markierung ist B Mikrometer breit, was die Skalenauflösung ist.
Die Breite B jeder Markierung ist ein Halbschritt. In einer Ausführungsform ist B 20 Mikrometer. Ein Lesekopf 110 ist in einigem Abstand und parallel zu der Skala angebracht. Der Lesekopf schließt einen Sensor 111, eine (Light Emitting Diode, LED)-Lichtquelle 112 und eine optionale Linse ein. Der Sensor kann ein Erfassungsfeld von N Sensoren sein, zum Beispiel kann N 2048 sein. Das Feld kann komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (Complementary Metal-Oxideemiconductor, CMOS) oder eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (Charge Coupled Device, CCD) ein. Der Lesekopf schließt auch einen herkömmlichen digitalen Signalprozessor 115 ein, der mit einem Sensor verbunden ist.
Die Markierungen können auch abwechselnd opak und transparent sein, abhängig von einer relativen Position der Lichtquelle in Bezug auf den Lesekopf.
Um eine 100% Informationsdichte auf der Skala zu erhalten, wird eine Bitfolge (bit sequence) verwendet. Jede Teilfolge hat eine endliche Länge und ist eindeutig, zum Beispiel eine de Bruijn-Sequenz 103. Eine k-stufige de Bruijn-Sequenz B(k, n) der Ordnung n ist eine zyklische Sequenz eines gegebenen Alphabets mit Größe k, für welche jede mögliche Teilfolge der Länge n im Alphabet als eine Sequenz von aufeinanderfolgenden Zeichen genau einmal auftritt. Wenn jedes B (k, n) eine Länge kⁿ aufweist, dann gibt es (k!^k(n-1))/kⁿ eindeutige de Bruijn-Sequenzen B (k, n). Wenn die Sequenz von vorn oder hinten abgeschnitten ist, hat die resultierende Sequenz auch die Eindeutigkeitseigenschaft mit demselben n.
Für eine Skala mit einem Meter Länge mit Halbschritt (half-pitch) B = 20 Mikrometern ist eine 50.000 Bit lange Sequenz erforderlich. Eine längere Sequenz der Länge 2¹⁶ = 65536 mit einer Ordnung von 16 kann ebenfalls verwendet werden. Diese Sequenz kann von der Vorder- oder Rückseite abgeschnitten werden, um eine 50.000-Bit-Sequenz zu erhalten. Es sei daraufhingewiesen, dass jede nicht-periodische Sequenz mit sich nicht wiederholenden Sequenzen verwendet werden kann.
Das Erfassungsfeld benötigt ein Sichtfeld (Field Of View, FOV) von mindestens n Bits, damit ein Dekodieren möglich ist. Für den Halbschritt B = 20 Mikrometer und unter Verwendung der de Bruijn-Sequenz einer Ordnung 16 ist auf der Skala ein Sichtfeld von 16 × 20 = 320 Mikrometer erforderlich. In einer Ausführungsform wird das Sichtfeld auf 1-2 mm ausgelegt, um die gewünschte Genauigkeit zu haben.
Bei einer Nyquist-Abtastung ist jedes Bit der Sequenz, das heißt jeder Halbschritt der Skala mindestens zwei Pixeln in dem linearen Erfassungsfeld zugeordnet. Dies erfordert zumindest 16 × 2 = 32 Pixel, was deutlich unterhalb der Anzahl der Pixel in herkömmlichen Sensoren liegt. Um optische Abbildungsfehler, wie Defokussierungsunschärfe handzuhaben, kann die Anzahl der Pixel pro Halbschritt erhöht werden.
Die Markierungen auf der beispielhaften Skala sind linear angeordnet. Andere Konfigurationen der Markierungen auf der Skala sind ebenfalls möglich, beispielsweise kreisförmig, oval, schlangenförmig und dergleichen. Die einzige Voraussetzung ist, dass die Markierungen sequentiell für einen bestimmten Code oder eine nicht-periodische Sequenz angeordnet sind.
2 zeigt ein abgetastetes Signal 201, bis zu einem Bit (Halbschritt), und eine entsprechend dekodierte Sequenz 202. Eine Nachschlagetabelle der Länge 2" kann verwendet werden, um die positionsdekodierte Sequenz innerhalb der gesamten de Bruijn-Sequenz zu bestimmen.
3 zeigt eine de Bruijn-Sequenz 301, eine Dekodierfolge, ein Ergebnis eines Codeabgleichs mit einer Nachschlagtabelle, und eine grobe Position P_A 310 entsprechend einem Bit in der Sequenz. Die Nachschlagetabelle speichert alle möglichen Unterfolgen der nicht-periodischen Sequenz, und deren Abstand P_A von dem Anfang 300 der Skala.
Um Bitfehler zu handhaben, können Encodierungsschemata wie Manchester-Encodierung auf die de Bruijn-Sequenz angewandt werden. Dies verdoppelt die für die Dekodierung benötigten Bits. In einer anderen Ausführungsform kann die de Bruijn-Sequenz ausgelegt werden, um schnelles Positionsdekodieren mit einer kleineren Nachschlagetabelle zu ermöglichen.
In einigen Anwendungen sollte die erlangte Auflösung der Position wesentlich höher als die Halbschrittauflösung B sein. Zum Beispiel könnte die erforderliche Genauigkeit 0,5 Mikrometer sein, 40-mal kleiner als B (20 Mikrometer). Daher benötigen wir ein Super-Auflösungsverfahren, das die Position innerhalb jeder Marke auf der Skala auflösen kann. Dies wird als Hochpräzisions (Fein-) Positionierung bezeichnet.
Es ist wichtig, dass die Hochpräzisionspositionierung mit jedem Skalenmuster arbeiten kann, wie beispielsweise der absoluten Skala. Dies ermöglicht es, den Wertgeber in einer Vielzahl von Anwendungen zu nutzen.
Verfahrensbeschreibung
Bei einem 1D-Sensor mit N Pixeln ist ein ID-repräsentatives Signal der Skala erforderlich. Die Länge eines Blocks von Pixeln entsprechend jeder schwarzen oder weißen Markierung auf der Skala ist F, wobei F optional von einer Linsenvergrößerung abhängt. Die Frequenz oder Pixel pro Halbschritt ist F.
Idealerweise ist die Intensität (Amplitude) des reflektierenden (oder transparent) Bereichs der Skala groß, zum Beispiel 200 für eine Grauskala von 255 Stufen für einen 8-Pixel-Sensor, und die Intensität des nicht-reflektierenden Bereichs der Skala ist klein, zum Beispiel Null auf der Grauskala.
Wie in 4(A) als ideal gezeigt, entspricht das Signal einer relativen Skala an dem Sensor einer quadratischen Wellenform, und ist hoch für F Pixel, und dann niedrig für F Pixel etc.
Wie in 4 (B) für die absolute Skala gezeigt, ist das erfasste Signal aus irgendeinem ganzzahligen Vielfachen von F hoch, niedrig für irgendein ganzzahliges Vielfaches von F, und so weiter. Die ganzzahlige Vielfache hängt von dem zugrundeliegenden absoluten Code ab, oder ist immer eins für die relative Skala.
In der Praxis führen mehrere Faktoren zur Abweichung des Skalenabbildes. Diese umfassen, sind aber nicht beschränkt auf:

(a) Rauschen des Sensors;
(b) Gamma-und andere Nichtlinearitäten;
(c) Festmusterrauschen des Sensors;
(d) optische Unschärfe;
(e) relative Winkelfehler der Skalen-Positionierung in Bezug auf den Sensor;
(f) Skalenvergrößerung aufgrund von Hitze; und
(g) Bewegungsunschärfe aufgrund relativer Bewegung zwischen der Skala und dem Sensor.
(h) optischen Verzerrungen wegen Linse

Zum genauen Positionieren ist es wichtig, dass das Verfahren belastbar gegenüber diesen Faktoren ist.
Ein bekanntes Verfahren zur Positionsschätzung unter Verwendung einer inkrementellen Skala basiert auf einem Schätzen einer Phase θ des Signals mit einer Demodulationstechnik, zum Beispiel einem Arcustangens-Verfahren. Das erfasste Signal wird mit einer Sinuswelle und einer Kosinuswelle mit der gleichen Frequenz multipliziert. Das Ergebnis wird tiefpassgefiltert und gemittelt. Dann wird der Arcustangens des Verhältnisses der beiden Werte verwendet, um die Phase des erfassten Signals zu bestimmen. Die Phase kann unter Verwendung der Skalenaufflösung B nach $P = \frac{θ \times B}{π}$
in die Position umgewandelt werden.
Allerdings funktioniert dieses Verfahren nur auf einer inkrementellen (periodischen) Skala, und kann nicht auf eine absolute Skala unter Verwendung einer nicht-periodischen Sequenz angewandt werden. Die nicht-periodische Sequenz ändert die Phase und fügt Signale zusätzlicher Frequenzen im Vergleich zu der periodischen Sequenz ein. Dies führt zu Fehlern.
Deshalb ist ein Hochpräzisionspositionierungsverfahren erforderlich, das für absolute Skalen mit nicht-periodischen de Bruijn-Sequenzen verwendet werden kann.
Phasendefinition für absolute Skala
Für absolute Skalen kann die Phase mit einem Referenz-Nullpunkt-Durchgangsabstand D 501 des Signals mit Bezug auf den Start des Signals 502 definiert werden, wie in 5 gezeigt. Die inkrementelle Phase $θ = \frac{D π}{F}$
und die inkrementelle Position P_i ist $P_{i} = \frac{θ B}{π} = \frac{D B}{F} .$
Die grobe Position P_A wird durch Abgleich der zugrunde liegenden Code-Sequenz mit der bekannten nicht-periodischen Sequenz gewonnen. Die grobe Position kann unter Verwendung einer vorbestimmten Nachschlagtabelle erhalten werden. Die letzte absolute Position P ist die Summe der Grobposition P_A und der inkrementellen Position P_i , P = (P_A +P_i).
Um die absolute Position zu schätzen, schätzen wir D, F und die zugrunde liegende Sequenz aus der erfassten ID-Signal S.
Erfassung von Nulldurchgängen
Ein Schwellenwert m kann von S abgezogen werden, und die Nulldurchgänge des resultierenden Signals entsprechen den Flanken der Originalskala. Der Schwellenwert kann vorbestimmt werden, zum Beispiel für 128 der Graustufen oder von dem erfassten Signal S geschätzt werden, zum Beispiel ein mittlerer Grauwert von S. Der Schwellenwert kann fest oder mit Phasen- und Frequenz verfeinert sein. Das Signal kann vor der Erfassung der Nulldurchgänge gefiltert sein, um den Effekt von Rauschen wie in herkömmlichen Flanken-Erfassungstechniken zu reduzieren.
Zuerst wird der allgemeine Fall beschrieben, bei dem m aus dem Signal S gewonnen und zu einer höheren Auflösung mit D und F verfeinert wird.
Der Anfangswert von m wird aus dem Signal S geschätzt. Weil die Verstärkung des Signals S nicht bekannt ist, ist der vorbestimmte Wert, zum Beispiel 128 nicht korrekt. Daher wird der Anfangswert von m als eine mittlere Intensität (Amplitude) des Signals S $m = \frac{\sum_{p = 1}^{N} S (p)}{N}$
gewählt, wobei N die Anzahl der Abtastwerte des Signals S ist.
Erfassung von ansteigenden Flanken
Pixelintensitäten werden so bestimmt, dass die Signalwert S kleiner als m für das aktuelle Pixel ist, und größer als m für das nächste Pixel. Sei p solch ein Pixel, so gilt
S(p) < m, und S(p+1) > m.
Dann entsprechen die Pixel P den ansteigenden Flanken des Signals.
Wie in 7 gezeigt, ist eine Linie 701 auf einer ansteigende Flanke angebracht, und eine Steigung a und ein Achsenabschnitt b der Linie werdem bestimmt. Der erste Nulldurchgang z 702 ist die räumliche Lage entsprechend der Intensität von m auf der Linie und ist $z = a \times m + b .$
Die Steigung a und der Achsenabschnitt b sind entsprechend $a = \frac{1}{S (p + 1) - S (p)}, b = p - \frac{S (p)}{S (p + 1) - S (p)},$
z wird bei Subpixel-Auflösung unter Verwendung der obigen Gleichung bestimmt.
Erfassung der abfallenden Flanken
Wie in 8 gezeigt, werden Nulldurchgänge für die abfallenden Flanken durch Auffinden von Pixeln bestimmt, so dass der Signalwert größer als m für aktuelle Pixel und kleiner als m für das nächste Pixel ist. Sei p ein Pixel, so dass $S (p) > m, und S (p + 1) < m .$
Das Pixel p entspricht den abfallenden Flanken des Signals.
Unter Verwendung der zwei Pixelwerte S (p) und S (p + 1) wird eine Linie 801 an der abfallenden Flanke angebracht, und die Steigung a und der Achsenabschnitt b von der Linie bestimmt. Der Nulldurchgang z 802 ist die räumliche Lage entsprechend der Intensität von m auf der Linie $z = a \times m + b .$
Die Steigung a und der Achsenabschnitt b für abfallende Flanken sind die gleichen wie oben.
Wenn es K Nulldurchgänge gibt, dann bezeichnet z (i) den i-ten Nulldurchgang. Ebenso bezeichnen a (i) und b (i) die Steigung und den Achsenabschnitt für den i-ten Nulldurchgang $z (i) = a (i) \times m + b (i), für i = 1 bis K .$
Es sei dz(i) = z(i+1) - z(i), für i = 1 bis K - 1 der Unterschied zwischen nachfolgenden Nulldurchgängen. Unter Verwendung der Differenz von Nulldurchgängen ist ein grober Wert F durch das Minimum von dz (i) gegeben. In ähnlicher Weise wird ein grober Wert von D als der erste Nulldurchgang D = z(1) = a(1)m + b(1) erhalten.
Gemeinsame Verfeinerung von D, F und m
Nach dem Schätzen grober Werte von D und F werden Informationen von allen Nulldurchgängen verwendet, um die groben Werte auf eine höhere Auflösung zu verfeinern.
Die Phase θ ist abhängig von der Position des ersten Nulldurchgangs D. Eine gemeinsame Schätzung von D, F und m wird durchgeführt, um den Wert dieser Variablen zu verfeinern. Diese Schätzung nutzt die Idee, dass die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen dz(i) ein ganzzahliges Vielfaches von F $d z (i) = k (i) F,$
wobei k(i) eine ganze Zahl ist.
Für die relative Skala ist k(i) immer eins, da jeder Nulldurchgang nach jeweils F Pixeln auftritt. Jedoch hängt für die absolute Skala der Wert von k(i) von der nicht-periodischen Sequenz ab, und ändert sich mit jeder Position des Lesekopfes, wie in 6 gezeigt. Die Anzahl der Bits zwischen zwei Nulldurchgängen wird durch k(i) dargestellt.
Um die gemeinsame Verfeinerung von D, F und m durchzuführen, wird k(i) unter Verwendung des groben Werts von F und Nulldurchgängen $k (i) = \frac{d z (i)}{F}$
bestimmt.
Es wird ein lineares System zum Verfeinern von D, F und m gebildet. Idealerweise ist jeder Nulldurchgang ein ganzzahliges Vielfaches von F ab dem ersten Nulldurchgang D.
Jeder Nulldurchgang kann in Form von D, F und m als $z (i) = D + F (\sum_{j = 1}^{i - 1} k (j))$
geschrieben werden.
Mit $c (i) = \sum_{j = 1}^{i - 1} k (j)$
ist die Anzahl von Bits zwischen dem i-ten und dem ersten Nulldurchgang c(i). Somit ist der i-te Nulldurchgang c(i)-mal F ab dem ersten Nulldurchgang $z (i) = D + F c (i) .$
Beim Schreiben von z(i) in Form von a(i) und b(i) erhalten wir $a (i) m + b (i) = D + F c (i),$
und $D + F c (i) - a (i) m = b (i) .$
Beim Schreiben der vorstehenden Gleichung für alle Nulldurchgänge können wir K durch ein dreifaches lineares System erhalten $\begin{matrix} [\begin{matrix} 1 & c (1) & - a (1) \\ 1 & c (2) & - a (2) \\ 1 & c (3) & - a (3) \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ 1 & c (K) & - a (K) \end{matrix}] & [\begin{matrix} D \\ F \\ m \end{matrix}] \end{matrix} = [\begin{matrix} b (1) \\ b (2) \\ b (3) \\ ⋮ \\ b (K) \end{matrix}] .$
Ein Lösen des linearen Systems stellt die verfeinerten Werte von D, F und m zur Verfügung. Das lineare System kann unter Verwendung herkömmlicher Techniken gelöst werden.
Mit den verfeinerten Werten von D und F kann die inkrementelle Position Pi bestimmt werden. Die Sequenz k(i) stellt den zugrunde liegenden Code in dem gegenwärtigen Signal zur Verfügung und kann verwendet werden, um die absolute Position P_A unter Verwendung der Nachschlagtabelle der nicht-periodischen Sequenz zu bestimmen. Die endgültige Position P ist P_A + P_i.
Variationen
Das Verfahren kann über die Stufen der Nulldurchgangserfassung hinweg iterieren, und das lineare System lösen. Das verfeinerte m kann die Nulldurchgänge, die Steigungen a(i) und Achsenabschnitte b(i) der angepassten Linien neu bestimmen, gefolgt von der Verfeinerung von D, F und m, und so weiter.
Statt m als Mittelwert des Signals S zu initialisieren, kann m durch separate Mittelung von Pixeln hoher Intensität und Pixeln niedriger Intensität bestimmt werden, gefolgt vom Aufnehmen ihrer Mittelwerte. Jede andere Art der Bestimmung von m unter Verwendung des Signals S liegt innerhalb des Umfangs der Erfindung.
Andere Flankenerfassungsverfahren wie der Sobel-Operator, Canny-Operator oder jedes andere Flankenerfassungsverfahren können verwendet werden, um die Nulldurchgänge des Signals zu bestimmen, ohne die Notwendigkeit der Bestimmung von m. Die ermittelten Nulldurchgänge können verwendet werden, um D und F durch Lösen eines K durch zwei lineare Systeme $[\begin{matrix} 1 & c (1) \\ 1 & c (2) \\ 1 & c (3) \\ ⋮ & ⋮ \\ 1 & c (K) \end{matrix}] [\begin{array}{l} D \\ F \end{array}] = [\begin{matrix} z (1) \\ z (2) \\ z (3) \\ ⋮ \\ z (K) \end{matrix}]$
zu verfeinern.
In diesem Fall werden nur D und F verfeinert.
Während die obige Ausführungsform die Verfeinerung von D, F und m zu höheren Auflösungen beschreibt, legt eine andere Ausführungsform m auf den Anfangswert fest, und verfeinert nur D und F. In diesem Fall werden die Nulldurchgänge z(i) unter Verwendung des Anfangswerts von m als a(i)m + b(i) bestimmt. Die Verfeinerung von D, F erfordert die Lösung eines K durch ein 2 lineares System, wie vorstehend beschrieben. Dies ist nützlich, wenn der Anfangswert von m genügt, oder weniger Berechnungen erwünscht sind.
Bei den obigen Ausführungsformen wird die Phase in Bezug auf den ersten Nulldurchgang defmiert. Allerdings kann die Phase in Bezug auf jeden Nulldurchgang bestimmt werden. Insbesondere kann der am nächsten zum Zentrum des Signals liegende Nulldurchgang verwendet werden, um die Phase zu beschreiben und das lineare Gleichungssystem zu lösen. Generell könnte sich der Nulldurchgang, der die Phase definiert, mit jeder neuen Position ändern.
In einigen Fällen kann die Ebene der Skala in Bezug auf den Lesekopf gedreht werden. In solchen Fällen kann das von der Skala erfasste Signal einen gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Skalierungsfaktor von einem Ende des Sensors zu dem anderen Ende haben. Dieser Skalierungsfaktor kann in das oben beschriebenen Verfahren durch geeignetes Kompensieren der ermittelten Nulldurchgänge einbezogen werden.
Optische Verzerrungen, wie beispielsweise radiale Verzerrung aufgrund der Linse verursachen eine Verschiebung der Nulldurchgänge. Solche Verzerrungen können durch einen Kalibrierungsschritt gehandhabt werden, bei dem die geschätzten Nulldurchgänge vor der Lösung des linearen Gleichungssystems in geeigneter Weise verschoben werden, um die radiale Verzerrung zu kompensieren.
Optische Verzerrungen können auch durch die Erweiterung des linearen Systems um zusätzliche Parameter gehandhabt werden. Zum Beispiel kann die Gleichung um Terme abhängig von Quadrat c(i) $a (i) m + b (i) = D + F c (i) + α_{1} c {(i)}^{2} + α_{2} c {(i)}^{3}$
erweitert werden.
Unter Verwendung dieser Gleichung kann ein lineares System mit fünf Variablen (m, D, F, α₁, und α₂) aufgesetzt werden. Die Parameter α₁ , und α₂ bilden die Abweichung der Nulldurchgänge von dem ursprünglichen linearen Modell ab und können optische Verzerrungen in dem aufgenommenen Bild handhaben. Zusätzliche Parameter abhängig von Potenzen von c(i) oder a(i) können abhängig von der spezifischen Anwendung hinzugefügt werden.
Eine Wärmeausdehnung der Skala führt zu einer Änderung in Pixeln pro Halbschritt F. Eine variierende Ausdehnung über das Sichtfeld hinweg verschiebt die Nulldurchgänge entsprechend dem Ausdehnungskoeffizient. Die Verschiebung der Nulldurchgänge kann bei der Kalibrierung bestimmt werden. Während der Laufzeit können Nulldurchgänge vor Lösen des linearen Systems geeignet verschoben werden.
Es versteht sich, dass andere praktische Erfassungsprobleme durch geeignete Modifikation des vorstehend beschriebenen Verfahrens gehandhabt werden können, und innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen. Zum Beispiel können andere Nichtlinearitäten in dem Signal zu Verschiebungen in Nulldurchgängen führen, und können geeignet kompensiert werden.
Ausführungsformen der Erfindung gelten auch für eine relative Skala, um die inkrementelle Position P_i zu erhalten. Im Falle von Relativwertgebern kann das Verfahren verwendet werden, um P_i zu erhalten und die grobe Position P_A kann mit anderen bekannten Verfahren erhalten werden, wie der Verwendung einer zweiten Skala.
Die Erfindung ist auch auf einspurige Drehwertgeber anwendbar. Wenn die nicht-periodische de Bruijn-Sequenz verwendet wird, dann können andere Konfigurationen der Skala verwendet werden, zum Beispiel eine kreisförmige, schlangenförmige oder beliebige andere Formen, die den zu bestimmenden Positionen entsprechen.
Wirkung der Erfindung
Bekannte Verfahren basieren in der Regel auf Demodulationstechniken und erfordern ein Referenz-Sinus- und Cosinus-Signal zur Demodulation bei Relativwertgebern oder eine Referenz-Wellenform anhängig von einem unterliegenden Code für Absolutwertgeber, wie in der verwandten Anmeldung. Diese Erfindung erfordert keine Erzeugung eines solchen Referenzsignals.
Einige Verfahren nach dem Stand der Technik verwenden ein zweistufiges Verfahren. Im ersten Schritt wird die Grundfrequenz abgeschätzt. Im zweiten Schritt werden die Referenzsignale unter Verwendung der Grundfrequenz erzeugt. Die Referenzsignale werden für Demodulation oder Positionsdekodierung verwendet. Jedoch führen die Fehler in dem ersten Schritt zu Frequenzfehlanpassung zwischen dem erfassten Signal und dem Referenzsignal. Dies kann zu erheblichen Phasenfehlern führen.
Diese Erfindung erfordert keine Referenzsignale. Darüber hinaus werden die Grundfrequenz und Phase gemeinsam geschätzt, wodurch die Phasenfehler deutlich reduziert werden.
Die Erfindung arbeitet unabhängig von der Verstärkung des erfassten Signals und kann die Positionsschätzung ohne Wissen um die Verstärkung des erfassten Signals herstellen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Position, umfassend die Schritte: Messen (110) eines Signals (201) entsprechend einer Teilfolge von Markierungen (101, 102) in einer nicht-periodischen Sequenz von Markierungen (101, 102) auf einer Skala (100); Bestimmen (115) einer groben Position P_A durch Abgleichen der Teilfolge mit allen möglichen Teilfolgen der nicht-periodischen Sequenz; Erfassen (115) von Nulldurchgängen entsprechend zu ansteigenden Flanken des Signals (201) und Nulldurchgängen entsprechend zu abfallenden Flanken des Signals (201); Berechnen (115) einer inkrementellen Position P_i unter Verwendung eines Abstands (D) vom Start des Signals (201) bis zu einem ReferenzNullpunktdurchgang (501), gewählt von den erfassten Nulldurchgängen; und Summieren (120) der groben und inkrementellen Position zum Erhalten der Position, wobei die Schritte in einem digitalen Signalprozessor (115) ausgeführt werden, wobei die grobe Position P_A in einem Abstand von einem Beginn (300) der Skala (100) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die inkrementelle Position P_i $\frac{D B}{F}$
ist, wobei eine Breite B jeder Markierung (101, 102) ein Halbschritt ist, D der Abstand von dem Start des Signals (201) bis zu dem Referenz-Nullpunktdurchgang (501) des Signals (201) in Pixeln, und F die Pixel pro Halbschritt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Nulldurchgänge bezüglich eines Schwellenwerts m bestimmt sind.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein anfänglicher Wert von m des Signals (201) S als eine mittlere Intensität des Signals (201) S geschätzt wird $m = \frac{\sum_{p = 1}^{N} S (p)}{N},$
wobei N eine Anzahl von Abtastwerten des Signals (201) S ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Erfassen Linien an jede ansteigende Flanke und die abfallende Flanke anbringt, wobei jede Linie eine Steigung a und einen Achsenabschnitt b aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Steigung und der Achsenabschnitt entsprechend $a = \frac{1}{S (p + 1) - S (p)}, b = p - \frac{S (p)}{S (p + 1) - S (p)}$
sind, und der i-te Nulldurchgang z(i) eine räumliche Lage entsprechend der Intensität von m auf der Linie $a (i) \times m + b (i)$
ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Nulldurchgänge bezüglich eines Schwellenwerts m bestimmt sind, und D, F und m unter Verwendung eines linearen Systems verfeinert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das lineare System $\begin{matrix} [\begin{matrix} 1 & c (1) & - a (1) \\ 1 & c (2) & - a (2) \\ 1 & c (3) & - a (3) \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ 1 & c (K) & - a (K) \end{matrix}] & [\begin{matrix} D \\ F \\ m \end{matrix}] \end{matrix} = [\begin{matrix} b (1) \\ b (2) \\ b (3) \\ ⋮ \\ b (K) \end{matrix}] .$
ist, wobei c(i) die Anzahl der Bits zwischen dem ersten und dem i-ten Nulldurchgang ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das lineare System a(i)m+b(i) = D + Fc(i)+α₁c(i)² + α₂c(i)³ ist, wobei c(i) die Anzahl der Bits zwischen dem ersten und dem i-ten Nulldurchgang ist und α₁ und α₂ Parameter, welche Abweichungen der Nulldurchgänge von einem ursprünglichen linearen Modell abbilden.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Position, umfassend: einen Lesekopf (110), der zum Messen eines Signals (201) entsprechend einer Teilfolge von Markierungen (101, 102) in einer nicht-periodischen Sequenz der Markierungen (101, 102) auf einer Skala (100) ausgebildet ist; und einen digitalen Signalprozessor (Digital Signal Processor, DSP) (115), der zum Bestimmen einer groben Position P_A durch Abgleichen der Teilfolge mit allen möglichen Teilfolgen der nicht-periodischen Sequenz ausgebildet ist, und zum Erfassen von Nulldurchgängen entsprechend ansteigenden Flanken des Signals (201) und Nulldurchgängen entsprechend abfallenden Flanken des Signals (201), und der DSP (115) eine inkrementelle Positon P_i unter Verwendung eines Abstands vom Beginn des Signals (201) bis zu einem Referenz-Nullpunktdurchgang (501), gewählt von den gewählten Nulldurchgängen, berechnet, und wobei eine Summe der groben und inkrementellen Position die Position ist, dadurch gekennzeichnet, dass der DSP (115) ausgebildet ist, die inkrementelle Position P_i als $\frac{D B}{F}$
zu berechnen, wobei eine Breite B jeder Markierung (101, 102) ein Halbschritt ist, D der Abstand von dem Start des Signals (201) bis zu dem Referenz-Nullpunktdurchgang (501) des Signals (201) in Pixeln, und F die Pixel pro Halbschritt sind.