TWI723520B

TWI723520B - 旋轉編碼器精度估測裝置及應用其之估測方法

Info

Publication number: TWI723520B
Application number: TW108131344A
Authority: TW
Inventors: 陳佳旻; 黃莉婷
Original assignee: 新代科技股份有限公司
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-04-01
Also published as: TW202108986A

Abstract

一種旋轉編碼器精度估測裝置，包括旋轉編碼器、伺服單元以及計算單元，旋轉編碼器包含感測件與被測體；伺服單元電性連接感測件，用以將位置訊號轉換為速度回授訊號；計算單元係電性連伺服單元，以取得速度回授訊號並應用快速傅立葉變換，將時域下的速度回授訊號的資料，以至少一頻率、至少一振幅、至少一相位的弦波擬合為頻域結果，再剔除頻域結果中的非編碼器精度誤差特徵頻率，得到旋轉編碼器精度造成的速度誤差，並將該旋轉編碼器精度造成的速度誤差經單位轉換成旋轉編碼器精度造成的位置誤差，本發明另包含旋轉編碼器精度估測方法。

Description

旋轉編碼器精度估測裝置及應用其之估測方法

本發明係有關於一種旋轉編碼器精度估測裝置及應用其之估測方法，特別是有關於一種利用旋轉編碼器本身的回授訊號即可提供其安裝精度予使用者，供其作為重裝或校正的參考之旋轉編碼器精度估測裝置及應用其之估測方法。

編碼器分為兩個部件，其中一個為被測體，主要裝配在旋轉軸上，另一個為感測件，為不動定件，用來感測被測體目前位置。當被測體與測量體進行裝配時，兩者之間的偏心、歪斜皆會導致編碼器輸出的位置與實際位置產生週期性誤差，一般稱之為精度誤差。

目前現場多以試加工或第三方檢測工具進行精度檢測，惟採用試加工方式需花費額外的加工時間及試作材料，而採用第三方檢測工具的方式則需要購置該檢測工具儀器成本，且同樣需要花費額外的第三方檢測工具架設時間。

本發明之一目的在於提供一種應用旋轉編碼器作動時的回授訊號以及伺服單元的回授訊號，加以進行旋轉編碼器的精度估測計算的裝置。

本發明之另一目的在於提供一種應用旋轉編碼器作動時的回授訊號以及伺服單元的回授訊號，加以進行旋轉編碼器的精度估測計算，並提供給使用者作為是否需要重裝旋轉編碼器或者是執行旋轉編碼器校正流程的依據。

本發明之再一目的在於提供一種旋轉編碼器精度估測方法，僅利用旋轉編碼器本身的回授訊號，即可進行旋轉編碼器的精度估測。

為達成本發明上述之目的，本發明提出一種旋轉編碼器精度估測裝置；旋轉編碼器精度估測裝置包含旋轉編碼器、伺服單元及計算單元；旋轉編碼器包含一裝配於一旋轉軸上的被測體與一檢測該被測體的旋轉位移訊號並轉換為一位置訊號的感測件，該位置訊號包括一編碼器精度誤差訊號；伺服單元用以驅動該旋轉軸，並電性連接該感測件，其包含一速度回授計算模型，用以將該位置訊號經由該速度回授計算模型轉換為一速度回授訊號；計算單元電性連該伺服單元，以取得根據該速度回授訊號，並應用快速傅立葉變換將時域下的該速度回授訊號的資料，以至少一頻率、至少一振幅、至少一相位的弦波擬合為頻域結果，再剔除該頻域結果中的非編碼器精度誤差特徵頻率，得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差，並將該旋轉編碼器精度造成的速度誤差經單位轉換成旋轉編碼器精度造成的位置誤差。

在一估測裝置的實施態樣中，上述旋轉編碼器精度估測裝置，更包含：一顯示單元，係與該計算單元電性連接，用以顯示該旋轉編碼器精度造成的位置誤差，且該顯示單元為一人機介面或一LED燈號。

在一估測裝置的實施態樣中，上述該剔除該頻域結果中的非編碼器精度誤差特徵頻率，係透過將頻域輸出結果在非編碼器精度誤差特徵頻率段的部分，將該些頻率之振幅設為0。

在一估測裝置的實施態樣中，上述該編碼器精度誤差訊號係來自於編碼器感測訊號的畸變，其造成編碼器感測訊號的畸變可能來自於感測件與被測體的安裝偏心、感測件的製作誤差、被測體的製作誤差、感測件與該被測體的安裝偏斜或電子元件的非線性特性。

在一估測裝置的實施態樣中，上述該旋轉編碼器的感測原理係為光學式、電磁感應式或主磁式。

為達成上述之估測方法之目的，本發明提供之旋轉編碼器精度估測方法，其步驟包含：提供旋轉編碼器精度估測裝置；該伺服單元驅動該旋轉軸，並由該外部設備提供該旋轉軸一穩定轉速旋轉，該伺服單元並依據該位置訊號輸出一速度回授訊號；應用快速傅立葉變換對該速度回授訊號的資料進行擬合，並剔除其非編碼器精度誤差特徵頻率，得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差；並將該旋轉編碼器精度造成的速度誤差經單位轉換成旋轉編碼器精度造成的位置誤差；以及提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差。

為達成上述之估測方法之目的，本發明提供另一旋轉編碼器精度估測方法，其步驟包含：提供一旋轉編碼器精度估測裝置；該伺服單元驅動該旋轉軸，並將該旋轉編碼器之該位置訊號加入旋轉控制而驅動該旋轉軸保持該穩定轉速旋轉，該伺服單元依據該位置訊號輸出一速度回授訊號；應用快速傅立葉變換對該速度回授訊號的資料進行擬合，並剔除其非編碼器精度誤差特徵頻率；利用反伺服系統模型(Inverse Transfer Function)進行運算，以得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差；並將該旋轉編碼器精度造成的速度誤差經單位轉換成旋轉編碼器精度造成的位置誤差；以及提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差。

在一估測方法的實施態樣中，上述該提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差係以一人機介面顯示之。該人機介面可為一顯示螢幕或一LED燈號。

本發明之特點包含：本發明之旋轉編碼器精度估測裝置或方法，僅利用旋轉編碼器本身的回授訊號，即可進行旋轉編碼器的精度估測，並不需要第三方檢測工具，或是以試加工的方法進行旋轉編碼器的精度檢測。另外，本發明之整體架構主要由旋轉編碼器輸出位置訊號至伺服單元，伺服單元輸出速度回授至計算單元，以進行旋轉編碼器的精度估算，其檢測流程涵蓋「欲檢測之旋轉編碼器自身回授訊號為控制源」以及「欲檢測之旋轉編碼器自身回授訊號非控制源」兩大類，多類型配置之適用性佳。本發明可應用於各種感測原理的編碼器，如光學、電磁感應、主磁式…等。

1,1’‧‧‧旋轉編碼器精度估測裝置

11‧‧‧旋轉軸

12‧‧‧旋轉編碼器

121‧‧‧被測體

122‧‧‧感測件

123‧‧‧位置訊號

1231‧‧‧編碼器精度誤差訊號

124‧‧‧旋轉控制

13,13’‧‧‧伺服單元

131,131’‧‧‧速度回授計算模型

1311,1311’‧‧‧速度回授訊號

132‧‧‧控制推導模型

14,14’‧‧‧計算單元

15‧‧‧顯示單元

2‧‧‧外部設備

步驟S11~S15‧‧‧為第一實施例之旋轉編碼器精度估測方法流程圖

步驟S21~S26‧‧‧為第二實施例之旋轉編碼器精度估測方法流程圖

圖1為本發明之旋轉編碼器精度估測技術之整體運算架構的系統方塊圖；圖2為本發明之旋轉編碼器精度估測裝置的第一實施例之系統方塊圖；圖3為本發明之旋轉編碼器精度估測方法的第一實施例之步驟流程圖；圖4為本發明之旋轉編碼器精度估測裝置的第二實施例之系統方塊圖；圖5為本發明之旋轉編碼器精度估測方法的第二實施例的步驟流程圖；圖6A~圖6D為本發明第一、第二實施例之系統及方法實施例的計算單元的運作示意圖。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

請參照圖1所示。本發明之旋轉編碼器精度估測裝置所應用的架構主要係由旋轉編碼器12作動後所輸出的位置訊號123輸入至伺服單元13，伺服單元13輸出速度回授訊號1311後提供給計算單元14，由計算單元14進行旋轉編碼器12的精度估側計算。基於上述技術內容，本發明之旋轉編碼器精度估測方式包含兩類：一是欲檢測之旋轉編碼器自身回授訊號非控制源；一是欲檢測之旋轉編碼器自身回授訊號為控制源。茲詳述如下。

關於旋轉編碼器精度估測裝置的第一實施例

請參照圖2之本發明的旋轉編碼器精度估測裝置的第一實施例之系統方塊圖所示。本實施例之旋轉編碼器精度估測裝置1，包含：一旋轉編碼器12、一伺服單元13以及一計算單元14；旋轉編碼器12包含一裝配於旋轉軸11上的被測體121與一檢測該被測體121的旋轉位移訊號並轉換為一位置訊號123的感測件122，該位置訊號123包括一編碼器精度誤差訊號1231；伺服單元13係用以驅動該旋轉軸11，並電性連接該感測件122，其包含一速度回授計算模型131，用以將該位置訊號123經由該速度回授計算模型131轉換為一速度回授訊號1311；計算單元14係電性連伺服單元13，以取得根據速度回授訊號1311，並應用快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)演算法，將時域下的該速度回授訊號1311的資料(如圖6A所示)，以至少一頻率、至少一振幅、至少一相位的弦波擬合為頻域結果(如圖6B所示)，再剔除該頻域結果中的非編碼器精度誤差特徵頻率，得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差(如圖6C、圖6D所示)，並將該旋轉編碼器精度造成的速度誤差經單位轉換成旋轉編碼器精度造成的位置誤差。

值得一提的是，上述實施例中，編碼器精度誤差特徵頻率與感測件122的感測訊號週期相關，例如：若旋轉編碼器12感測訊號週期頻率為50，得到訊號有0.3、1、3倍頻，故剔除0.3倍頻訊號，但編碼器精度誤差特徵頻率並非一定為感測訊號週期頻率的整數倍頻訊號。

在一實施例中，旋轉編碼器精度估測裝置1，更包含：一顯示單元15，係與計算單元14電性連接，用以顯示該旋轉編碼器精度造成的位置誤差(如圖2所示)。

在一實施例中，上述該顯示單元15可為一人機介面或一LED燈號。

在一實施例中，如圖2所示，該旋轉軸11係由一外部設備2提供一穩定轉速旋轉-本檢測方式即為前述之「欲檢測之旋轉編碼器自身回授訊號非控制源」一類，而外部設備2係指非該次精度估算之旋轉編碼器以外的設備。

關於旋轉編碼器精度估測裝置的第二實施例

請參照圖4所示的本發明之旋轉編碼器精度估測裝置的第二實施例之系統方塊圖。本實施例中，旋轉編碼器精度估測裝置1’之伺服單元13’包含一速度回授計算模型131’，用以將該位置訊號123經由該速度回授計算模型131’轉換為一速度回授訊號1311’；以及一控制推導模型132，用以接收該旋轉編碼器12之該位置訊號123並加入旋轉控制而驅動該旋轉軸11保持一該穩定轉速旋轉-本檢測方式即為：前述之「欲檢測之旋轉編碼器自身回授訊號為控制源」一類；該計算單元14’於剔除該頻域結果中的非編碼器精度誤差頻率後，再利用反伺服系統模型(Inverse Transfer Function)的運算，以得到該旋轉編碼器12精度造成的速度誤差。

在上述一實施例中，該剔除該頻域結果中的非編碼器精度誤差特徵頻率，係透過將頻域輸出結果在非編碼器精度誤差特徵頻率段的部分，將該些頻率之振幅設為0。

在上述一實施例中，上述的編碼器精度誤差訊號1231係來自編碼器感測訊號的畸變，其造成編碼器感測訊號的畸變可能來自於感測件122與被測體 121的安裝偏心、感測件122的製作誤差、被測體121的製作誤差、感測件122與該被測體121的安裝偏斜或電子元件的非線性特性。

在上述一實施例中，該旋轉編碼器12的感測原理包括光學式、電磁感應式或主磁式等。

關於旋轉編碼器精度估測方法的第一實施例

請參照圖2及圖3所示。在本實施例中，該旋轉編碼器精度估測方法，其步驟包含：步驟S11，提供前述如圖2之旋轉編碼器精度估測裝置1；步驟S12，該伺服單元13驅動該旋轉軸11，並由該外部設備2提供該旋轉軸11一穩定轉速旋轉，該伺服單元13並依據該位置訊號123輸出一速度回授訊號1311；步驟S13，該計算單元接收該速度回授訊號1311，並應用快速傅立葉變換對該速度回授訊號1311的資料進行擬合，並剔除其非編碼器精度誤差特徵頻率，得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差；步驟S14，轉換該旋轉編碼器12精度造成的速度誤差之單位為該旋轉編碼器12精度造成的位置誤差之單位；以及步驟S15，提示使用者該旋轉編碼器12精度造成的位置誤差。

在上述一實施例中，該提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差係包含以一人機介面顯示之，且該人機介面為一顯示螢幕或一LED燈號。

關於旋轉編碼器精度估測方法的第二實施例

請參照圖4及圖5所示。在本實施例中，該旋轉編碼器精度估測方法，其步驟包含：步驟S21，提供前述如圖4之旋轉編碼器精度估測裝置1’；步驟S22，該伺服單元13’驅動該旋轉軸11，並將該旋轉編碼器12之該位置訊號123加入旋轉控制124而驅動該旋轉軸11保持該穩定轉速旋轉，該伺服單元13’依據該位置訊號123輸出一速度回授訊號1311’；步驟S23，應用快速傅立葉變換對該速度回授訊號的資料進行擬合，並剔除其非編碼器精度誤差特徵頻率；步驟S24，利用反伺服系統模型(Inverse Transfer Function)進行運算，以得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差；步驟S25，並將該旋轉編碼器精度造成的速度誤差經單位轉換成旋轉編碼器精度造成的位置誤差；以及步驟S26，提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差。

在上述一實施例中，該提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差係以一人機介面顯示之。上述該人機介面可為一顯示螢幕或一LED燈號。

上述實施形態僅例示性說明本發明創作之原理、特點及其功效，並非用以限制本創作之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本創作之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本創作所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

1’‧‧‧旋轉編碼器精度估測裝置

11‧‧‧旋轉軸

12‧‧‧旋轉編碼器

121‧‧‧被測體

122‧‧‧感測件

123‧‧‧位置訊號

124‧‧‧旋轉控制

1231‧‧‧編碼器精度誤差訊號

13’‧‧‧伺服單元

131’‧‧‧速度回授計算模型

1311’‧‧‧速度回授訊號

132‧‧‧控制推導模型

14’‧‧‧計算單元

15‧‧‧顯示單元

Claims

一種旋轉編碼器精度估測裝置，包含：一旋轉編碼器，其包含裝配於一旋轉軸上的一被測體與檢測該被測體的旋轉位移訊號並轉換為一位置訊號的一感測件，該位置訊號包括一編碼器精度誤差訊號；一伺服單元，係用以驅動該旋轉軸，並電性連接該感測件，其包含一速度回授計算模型，用以將該位置訊號經由該速度回授計算模型轉換為一速度回授訊號；該伺服單元包含一控制推導模型，用以接收該旋轉編碼器之該位置訊號並加入旋轉控制而驅動該旋轉軸保持一穩定轉速旋轉；以及一計算單元，係電性連該伺服單元，以取得根據該速度回授訊號，並應用快速傅立葉變換將時域下的該速度回授訊號的資料，以至少一頻率、至少一振幅、至少一相位的弦波擬合為頻域結果，再剔除該頻域結果中的非編碼器精度誤差特徵頻率，得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差，並將該旋轉編碼器精度造成的速度誤差經單位轉換成旋轉編碼器精度造成的位置誤差；且該計算單元於剔除該頻域結果中的非編碼器精度誤差頻率後，再利用反伺服系統模型的運算，以得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差。
如請求項1所述的旋轉編碼器精度估測裝置，更包含：一顯示單元，係與該計算單元電性連接，用以顯示該旋轉編碼器精度造成的位置誤差。
如請求項2所述的旋轉編碼器精度估測裝置，其中該顯示單元為一人機介面或一LED燈號。
如請求項1所述的旋轉編碼器精度估測裝置，其中該旋轉軸係由一外部設備提供一穩定轉速旋轉。
如請求項1所述的旋轉編碼器精度估測裝置，其中該剔除該頻域結果中的非編碼器精度誤差特徵頻率，係透過將頻域輸出結果在非編碼器精度誤差特徵頻率段的部分，將該些頻率之振幅設為0。
如請求項1所述的旋轉編碼器精度估測裝置，其中該編碼器精度誤差訊號係來自於旋轉編碼器感測訊號的畸變。
如請求項1所述的旋轉編碼器精度估測裝置，其中該編碼器感測訊號的畸變包含感測件與被測體的安裝偏心、感測件的製作誤差、被測體的製作誤差、感測件與該被測體的安裝偏斜或電子元件的非線性特性。
如請求項1所述的旋轉編碼器精度估測裝置，其中該旋轉編碼器的感測原理係為光學式、電磁感應式或主磁式。
一種旋轉編碼器精度估測方法，其步驟包含：提供如請求項第4項所述的旋轉編碼器精度估測裝置；該伺服單元驅動該旋轉軸，並由該外部設備提供該旋轉軸一穩定轉速旋轉，該伺服單元並依據該位置訊號輸出一速度回授訊號；應用快速傅立葉變換對該速度回授訊號的資料進行擬合，並剔除其非編碼器精度誤差特徵頻率，得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差；轉換該旋轉編碼器精度造成的速度誤差之單位為該旋轉編碼器精度造成的位置誤差之單位；以及提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差。
如請求項9所述的旋轉編碼器精度估測方法，其中該提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差係以一人機介面顯示之。
如請求項10所述的旋轉編碼器精度估測方法，其中該人機介面為一顯示螢幕或一LED燈號。
一種旋轉編碼器精度估測方法，其步驟包含：提供如請求項第5項所述的旋轉編碼器精度估測裝置；該伺服單元驅動該旋轉軸，並將該旋轉編碼器之該位置訊號加入旋轉控制而驅動該旋轉軸保持該穩定轉速旋轉，該伺服單元依據該位置訊號輸出一速度回授訊號；應用快速傅立葉變換對該速度回授訊號的資料進行擬合，並剔除其非編碼器精度誤差特徵頻率；利用反伺服系統模型(Inverse Transfer Function)進行運算，以得到該旋轉編碼器精度造成的速度誤差；並將該旋轉編碼器精度造成的速度誤差經單位轉換成旋轉編碼器精度造成的位置誤差；以及提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差。
如請求項12所述的旋轉編碼器精度估測方法，其中該提示使用者該旋轉編碼器精度造成的位置誤差係以一人機介面顯示之。
如請求項13所述的旋轉編碼器精度估測方法，其中該人機介面為一顯示螢幕或一LED燈號。