TW202027428A - 一種旋轉編碼器偏心校正裝置 - Google Patents

Abstract

一種旋轉編碼器偏心校正裝置，包括：一控制器，根據一使用者預設定一旋轉電機的一轉速產生一伺服速度命令；一伺服驅動器，與該控制器訊號連接，將上述伺服速度命令轉化為一電流控制命令以控制該旋轉電機產生之該轉速；一旋轉編碼器，與該旋轉電機電性連接，量測該旋轉電機的運轉軸心後產生一速度回授，並將該速度回授傳至該伺服驅動器及該控制器；其中該控制器接收該速度回授，根據該伺服速度命令產生一速度誤差，其中該速度誤差之誤差模型為一正弦波，該控制器根據該速度誤差計算一位置偏心誤差，並將其該位置偏心誤差作為一校正表以使該旋轉編碼器可根據該校正表進行偏心自我校正。

Description

一種旋轉編碼器偏心校正裝置

本發明提供一種旋轉編碼器，特別是具有偏心校正功能的旋轉編碼器。

旋轉編碼器要具備良好的精度，不外乎精準的感測原理選定、良好的硬體、軟體設計與高度重複性的量產製造。然而，即使上述皆由供應商保證，旋轉編碼器依舊會因為現場安裝造成的偏心誤差(error)致使精度不如預期。所謂安裝偏心誤差的闡述如下所述，並請一併參考圖1。圖1表示既有技術中，旋轉編碼器配置之示意圖。其中，伺服驅動器100會驅動旋轉電機101運轉，旋轉編碼器102會即時(in time)的補償旋轉電機101的位置與轉速以供伺服驅動器100在下一時間驅動訊號發出的參考。然而，由於旋轉編碼器102安裝時的安裝軸心與旋轉電機101運轉時運轉軸心在第一平面上不共點，造成旋轉編碼器102補償旋轉電機101的轉速與位置等資料會有偏心誤差，此誤差會被旋轉編碼器102所偵測，並會被送進伺服驅動器100進行運算。後續伺服驅動器100運算時，就會參考包含這些誤差的資料，進而生成錯誤的下一時間驅動訊號，這些誤差就會影響驅動訊號的準度，且此些誤差會累積，對於長時間運轉的旋轉電機就會造成失準控制(distorted-operation)。

請繼續參考圖1。為了後續說明方便，我們將此偏心誤差量化。我們定義旋轉編碼器的感測點C與安裝軸心A所形成的探測光線AC與旋轉編碼器的感測點C與運轉軸心A’所形成的探測光線A’C所夾角度θ為精度誤差，此精度誤差是一個數值，單位是度。當運轉軸心A’的X座標大於安裝軸心A的X座標時，精度誤差θ為正；反之，當運轉軸心A’的X座標小於安裝軸心A的X座標時，精度誤差θ為負。精度誤差θ的範圍是在-90到90度的範圍內。精度誤差θ為0時，代表安裝軸心A與運轉軸心A’共點，為伺服驅動器最精確安裝的狀況下。精度誤差θ的絕對值愈大，代表伺服驅動器安裝較不精準；而精度誤差θ的絕對值愈小，代表伺服驅動器較為精準。一般業界對於精度誤差θ所能容忍的範圍是-0.05到+0.05度之間的任一個數字。

為解決此問題，供應商通常透過嚴格的安裝規範來限制旋轉編碼器在現場安裝時所造成的實體的(physical)偏心誤差，例如增加多種額外的輔助設備。舉例來說，對於為了校正旋轉機械而安裝的多個感測器到旋轉編碼器中，形成校正模組即是增加輔助設備的一種實施方式。或是經由多道驗證程序來確保每個旋轉編碼器的配件所造成的偏心安裝誤差低於某個定值，藉以確保整體旋轉編碼器的精度品質。此種偏心誤差的減少方式雖然有效，但是需要安裝體積較大的校正模組，此舉會使整個旋轉編碼器模組體積增加。另外，增加多道驗證程序不僅會讓安裝旋轉編碼器時耗費許多時間，大幅減少產品使用的友善性，取得驗證程序的合格證書更需要花費額外的開銷，使得校正偏心誤差所需要的時間以及金錢成本上升。

再者，使用傳統的校正模組，由於其內部的運算方式仍無法固定旋轉電機或是機械的精度誤差，使得精度誤差變成時間的函數，造成旋轉電機或是機械運轉軸心飄動，讓伺服驅動器無法依照一個固定運轉軸心進行估算，使得旋轉電機控制時無所適從。

鑒於上述缺點，本發明提供一種旋轉編碼器偏心校正裝置，能夠在不需要裝設額外的位置感測器或是外部精度量測設備等等校正設備下，僅藉由此旋轉編碼器偏心校正裝置接收速度回授並且運算後，就能預測偏心誤差，並根據此偏心誤差生成回授補償，此回授補償會讓伺服驅動器生成下一時間的控制命令，且不帶有偏心誤差，並藉此固定精度誤差，就能即時提升旋轉電機運轉時的精度表現，讓旋轉電機有較好的運轉品質。

根據上述目的，本發明提供一種旋轉編碼器偏心校正裝置，包括：一控制器，根據一使用者預設定一旋轉電機的一轉速產生一伺服速度命令；一伺服驅動器，與該控制器訊號連接，將上述伺服速度命令轉化為一電流控制命令以控制該旋轉電機產生之該轉速；一旋轉編碼器，與該旋轉電機電性連接，量測該旋轉電機的運轉軸心後產生一速度回授，並將該速度回授傳至該伺服驅動器及該控制器；其中該控制器接收該速度回授，根據該伺服速度命令產生一速度誤差，其中該速度誤差之誤差模型為一正弦波，該控制器根據該速度誤差計算一位置偏心誤差，並將其該位置偏心誤差作為一校正表以使該旋轉編碼器可根據該校正表進行偏心自我校正。

為使貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如後。以下將參照圖式來描述為達成本發明目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利貴審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。

在本發明中，所述的X軸、Y軸與Z軸係採用右旋的卡式坐標系。X軸、Y軸與Z軸與原點的詳細方向在本發明中依照各個圖式內容所標示，其中X軸正向為第一方向、Y軸正向為第二方向、Z軸正向為第三方向。又定義X軸與Z軸所構成的平面為第一平面，Y軸與Z軸所構成的平面為第二平面，X軸與Y軸所構成的平面為第三平面。再者，在本發明的圖式中，除了流程圖外，若是兩個元件有箭號相連接，代表此兩個元件是電性或訊號連接。

首先請參考圖2，圖2表示本發明所提供之旋轉編碼器偏心校正裝置1之一實施例的系統架構圖。本發明所提供的一旋轉編碼器偏心校正裝置1包括一控制器99、一伺服驅動器100、一旋轉電機101以及一旋轉編碼器102，該控制器99根據一使用者預設定該旋轉電機101的一轉速而產生一伺服速度命令VCMD；該伺服驅動器100，與該控制器99訊號連接，該訊號連接的方式可以是有線或無線連接。並且，該伺服驅動器100將上述伺服速度命令VCMD轉化為一電流控制命令ICMD，用以控制該旋轉電機101產生使用者預設定之轉速；以及該旋轉編碼器102，與該旋轉電機101電性連接，該旋轉編碼器102量測該旋轉電機101的運轉軸心後，會產生一速度回授VIBD，該旋轉編碼器102將該速度回授VIBD傳至該伺服驅動器100及該控制器99中；其中該控制器99接收該速度回授VIBD後，根據該伺服速度命令VCMD以及該速度回授VIBD產生一速度誤差Verror，其中該速度誤差Verror之誤差模型為一正弦波模型，故該速度誤差Verror包括一弦波振幅值以及一弦波相位，因速度誤差Verror之誤差模型為一正弦波模型下，則該控制器99即可根據該速度誤差Verror去快速計算一位置偏心誤差ECCDerror，計算方法會於下述實施例中說明，並將其該位置偏心誤差ECCDerror作為一校正表以使該旋轉編碼器102可根據該校正表進行偏心自我校正，另外，該旋轉編碼器102可為磁性、光學、電磁誘導旋轉編碼器，但不限於此。

請參考圖3，圖3表示本發明所提供之旋轉編碼器偏心校正裝置1中的控制器99之系統架構圖。該控制器99更包括一減法器991、一運算單元992以及一位置偏心誤差資料儲存裝置993，並且，該減法器991、該運算單元992以及該位置偏心誤差資料儲存裝置993三者訊號或電性連接。該控制器99係透過內部之該減法器991將該伺服速度命令VCMD與該速度回授VIBD相減得該速度誤差Verror，該運算單元992，根據該減法器991之運算結果所得到的速度誤差Verror產生對應之該位置偏心誤差ECCDerror；該位置偏心誤差資料儲存裝置993，將其該位置偏心誤差ECCDerror儲存於該位置偏心誤差資料儲存裝置993中作為該校正表，以使該旋轉編碼器102後續即可根據該校正表確認目前的伺服速度命令VCMD以及速度回授VIBD的數據為何，即可對應找出位置偏心誤差ECCDerror的大小並根據校正表中的位置偏心誤差ECCDerror直接自我進行偏心校正，其中該位置偏心誤差資料儲存裝置993於該本次實施例中位於該控制器99中，但該位置偏心誤差資料儲存裝置993亦可在該旋轉編碼器102中以便該旋轉編碼器102之後可直接根據該旋轉電機101的該速度回授VIBD進行偏心自我校正或補償，換句話說，該校正表可儲存於控制器99或旋轉編碼器102中。

在本實施例中，此運算單元992被設定成可程式控制的(programmable)，亦即使用者可通過輸入程式，改變此運算單元992的運算手段，在此狀況下，運算單元992可由數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)所構成。

請參考圖4，圖4表示本發明所提供之控制器99中的該運算單元992之系統架構圖。該旋轉編碼器偏心校正裝置1中的該控制器99之該運算單元992更包括一反轉函數單元9921、一鎖相放大器9922以及一積分器9923，該反轉函數單元9921、該鎖相放大器9922以及該積分器9923三者訊號或電性相連，該反轉函數單元9921會根據該伺服驅動器100本身的一伺服驅動器參數C、該旋轉電機101本身的一旋轉電機參數G以及該旋轉編碼器102本身的一旋轉編碼器參數H以及該速度誤差Verror先計算一速度偏心誤差ECCVerror，其中該伺服驅動器100的該伺服驅動器參數C、該旋轉電機101的該旋轉電機參數G以及該旋轉編碼器102的該旋轉編碼器參數H皆為已知參數，此技藝人士熟知該伺服驅動器參數C會與伺服器驅動器100的頻寬有關，該旋轉電機參數G則與該旋轉電機101中的電感與與電阻有關，在此實施例中，該伺服驅動器參數C數值為62.8+(394.596/s)、該旋轉電機參數G數值為1/(0.833+0.006485s)以及該旋轉編碼器參數H數值為1，該反轉函數單元9921會透過公式一的計算模式進行計算該速度偏心誤差ECCVerror，公式一請參考如下：公式一：ECCVerror＝Verror   *  (1+C*G*H)/H ； 其中，該速度誤差Verror之誤差模型為一正弦波模型，故該速度誤差Verror包括一弦波振幅值以及一弦波相位，該反轉函數單元9921即可根據該公式一快速計算該速度偏心誤差ECCVerror；並透過該鎖相放大器9922根據該速度偏心誤差ECCVerror去計算該速度偏心誤差ECCVerror之振幅與相位，意味透過該鎖相放大器9922即可得知該速度偏心誤差ECCVerror之振幅值與相位值，該積分器9923再根據該速度偏心誤差ECCVerror之該振幅與該相位透過一般數學積分的方式即可計算出該位置偏心誤差ECCDerror，換句話說，亦從該速度偏心誤差ECCVerror即可得到位置偏心誤差ECCDerror，將其該位置偏心誤差ECCDerror儲存於該位置偏心誤差資料儲存裝置993中作為該校正表以使該旋轉編碼器102後續即可根據該校正表確認目前的伺服速度命令VCMD以及速度回授VIBD的數據為何，即可對應找出位置偏心誤差ECCDerror的大小並根據校正表中的位置偏心誤差ECCDerror直接自我進行偏心校正，校正表如表一所示。於其他實施例中，則可根據不同的伺服驅動器參數、旋轉電機參數以及旋轉編碼器參數透過該公式一進行不同校正表的製作，並將該校正表儲存於控制器99或旋轉編碼器102中以便後續快速校正旋轉電機101以及旋轉編碼器102的偏心誤差。          其中，該伺服驅動器參數C=62.8+(394.596/s)、該旋轉電機參數G=1/(0.833+0.006485s)以及該旋轉編碼器參數H=1。     表一 校正表

上述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之權利範圍；同時以上的描述，對於相關技術領域之專門人士應可明瞭及實施，因其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。

1:旋轉編碼器偏心校正裝置 99:控制器 991:減法器 992:運算單元 993:位置偏心誤差資料儲存裝置 9921:反轉函數單元 9922:鎖相放大器 9923:積分器 100:伺服驅動器 101:旋轉電機 102:旋轉編碼器 VCMD:伺服速度命令 ICMD:電流控制命令 VIBD:速度回授 Verror:速度誤差 ECCDerror:位置偏心誤差 ECCVerror:速度偏心誤差 PI:伺服驅動器參數 G:旋轉電機參數 H:旋轉編碼器參數

圖1表示先前技術中旋轉編碼器配置之示意圖； 圖2根據本發明所揭露的技術，表示本發明所提供之旋轉編碼器偏心校正裝置第一實施例的系統架構圖； 圖3根據本發明所揭露的技術，表示本發明所提供之旋轉編碼器偏心校正裝置中的控制器之系統架構圖；以及 圖4根據本發明所揭露的技術，表示本發明所提供之控制器中的該運算單元之系統架構圖。

1:旋轉編碼器偏心校正裝置

99:控制器

100:伺服驅動器

101:旋轉電機

102:旋轉編碼器

Claims (10)

1. 一種旋轉編碼器偏心校正裝置，包括： 一控制器，根據一使用者預設定一旋轉電機的一轉速產生一伺服速度命令； 一伺服驅動器，與該控制器訊號連接，將該伺服速度命令轉化為一電流控制命令以控制該旋轉電機產生之該轉速；及 一旋轉編碼器，與該旋轉電機電性連接，量測該旋轉電機的一運轉軸心後產生一速度回授，並將該速度回授傳至該伺服驅動器及該控制器； 其中該控制器接收該速度回授，根據該伺服速度命令產生一速度誤差，其中該速度誤差的誤差模型為一正弦波，該控制器根據該速度誤差計算一位置偏心誤差，並將其該位置偏心誤差作為一校正表，以使該旋轉編碼器可根據該校正表進行一偏心自我校正。
2. 如請求項1所述的旋轉編碼器偏心校正裝置，其中該控制器包括一減法器，透過該減法器將該伺服速度命令與該速度回授相減得該速度誤差。
3. 如請求項1所述的旋轉編碼器偏心校正裝置，其中該控制器更包括一運算單元，根據該速度誤差產生對應之該位置偏心誤差。
4. 如請求項3所述的旋轉編碼器偏心校正裝置，其中該運算單元包括一反轉函數單元、一鎖相放大器以及一積分器，該反轉函數單元根據該伺服驅動器的一伺服驅動器參數、該旋轉電機的一旋轉電機參數以及該旋轉編碼器的一旋轉編碼器參數以及該速度誤差，計算一速度偏心誤差，並透過該鎖相放大器根據該速度偏心誤差計算該速度偏心誤差之一振幅與一相位，該積分器根據該速度偏心誤差之該振幅與該相位計算出該位置偏心誤差。
5. 如請求項4所述的旋轉編碼器偏心校正裝置，其中該伺服驅動器的該伺服驅動器參數、該旋轉電機的該旋轉電機參數以及該旋轉編碼器的該旋轉編碼器參數為已知參數。
6. 如請求項4所述的旋轉編碼器偏心校正裝置，其中該速度偏心誤差是由該反轉函數單元根據一公式所計算，該公式如下： 該速度偏心誤差的數值＝該速度誤差的數值  *  (1+C*G*H)/H ，其中C為該伺服驅動器參數，G為該旋轉電機參數以及H為該旋轉編碼器參數。
7. 如請求項1所述的旋轉編碼器偏心校正裝置，其中該控制器更包括一位置偏心誤差資料儲存裝置，並將該位置偏心誤差儲存於該位置偏心誤差資料儲存裝置中作為該校正表，以使該旋轉編碼器可根據該校正表進行該偏心自我校正。
8. 如請求項7所述的旋轉編碼器偏心校正裝置，其中該位置偏心誤差資料儲存裝置可位於該控制器或該旋轉編碼器中，以便該旋轉編碼器可直接根據該旋轉電機的該速度回授進行該偏心自我校正或一補償。
9. 如請求項1所述的旋轉編碼器偏心校正裝置，其中該速度誤差包括弦波振幅值以及弦波相位值。
10. 如請求項1所述的旋轉編碼器偏心校正裝置，其中該旋轉編碼器為磁性、光學或電磁誘導旋轉編碼器。

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