專利名稱：編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備和方法，其用于校正從檢測(cè)位置、角度、速度、角速度等的編碼器輸出的兩相正弦信號(hào)。
背景技術(shù)：
形成在編碼器中標(biāo)尺(scale)上的光柵(grating)之間的間距受加工的限制。為了測(cè)量比標(biāo)尺光柵之間的間距更精確的間距，從該編碼器輸出的正弦信號(hào)中的相變化空間周期應(yīng)當(dāng)被劃分得更加精確，并且被內(nèi)插值。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)應(yīng)用了多種內(nèi)插器。例如，數(shù)字化內(nèi)插器包含A/D轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器。該A/D轉(zhuǎn)換器用于接收從該編碼器輸出的具有90°相差的A、B相正弦信號(hào)，并以一定頻率對(duì)該信號(hào)采樣，以將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。將該存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)查尋表，其中根據(jù)該A/D轉(zhuǎn)換器獲得的該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)DA、DB，該查尋表用于在每個(gè)采樣點(diǎn)處搜索相位角數(shù)據(jù)PH。使用反正切(ATAN)函數(shù)，基于PH＝ATAN(DA/DB)創(chuàng)建該查尋表。
從該編碼器輸出的該A、B相正弦信號(hào)通常不是完全的正弦波，并且通?？梢栽谡蛔鴺?biāo)系中被表示為描述橢圓形Lissajous波形。當(dāng)該A、B相正弦波具有不同的電壓幅度時(shí)，該Lissajous波就成為橢圓形。每個(gè)信號(hào)電壓的偏移值使Lissajous波形變成偏離原點(diǎn)的圓形或橢圓形波形。相位誤差的存在使橢圓的長(zhǎng)軸和短軸處于不與坐標(biāo)軸平行而是在那傾斜45°的狀態(tài)。在假定A、B相正弦信號(hào)是正弦波的情況下制造內(nèi)插器。因而，相對(duì)理想正弦波的偏差對(duì)插值精度產(chǎn)生副作用。為了校正幅度誤差、相位誤差和在A、B相正弦信號(hào)中的偏移，例如已在JP-A10-311741和JP-A2003-222534中提出針對(duì)此目的的設(shè)備。
然而，在這樣的幅度誤差等被校正之后的該兩相正弦信號(hào)中，相對(duì)理想正弦信號(hào)波形的偏差或波形失真是大的，并且特別是當(dāng)主尺和索引尺(Index scale)之間的間隔波動(dòng)時(shí)失真度劇烈波動(dòng)。該波形失真主要是由奇數(shù)階的較高諧波分量(第三階、第五階等等)引起的。當(dāng)將帶有這樣波動(dòng)失真度的該兩相正弦信號(hào)應(yīng)用在測(cè)量中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大的測(cè)量誤差。
已經(jīng)提出一些技術(shù)來提供正弦信號(hào)，從這些正弦信號(hào)中已經(jīng)將這些較高諧波分量消除。例如，JP-A3-48122提出一項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)在刻度尺上提供兩個(gè)具有輕微相差的矩形柵格測(cè)試圖，并且將其中的輸出相加以正好消除較高諧波分量。日本專利No.2695623提出另一項(xiàng)技術(shù)，其中將帶有均勻光柵的標(biāo)尺和帶有不均勻光柵的標(biāo)尺結(jié)合以提供正弦信號(hào)，其中從這些正弦信號(hào)中將這些較高諧波分量消除。
雖然該精度不足以應(yīng)用到精確加工等中的位置測(cè)量，但JP-A3-48122的技術(shù)將該波形失真降低到了一定程度。日本專利No.2695623的系統(tǒng)需要精確創(chuàng)建在亮區(qū)和暗區(qū)之間的占空因數(shù)，而在精密標(biāo)度中的精確創(chuàng)建是困難的。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠使用相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)字計(jì)算消除包含在正弦信號(hào)中的第三諧波分量因此改進(jìn)內(nèi)插器中的插值精度的編碼器輸出信號(hào)校對(duì)設(shè)備和方法。也有可能改進(jìn)由于編碼器中標(biāo)尺的不均勻和對(duì)準(zhǔn)的不一致引起的偏移誤差、幅度誤差、相位誤差或較高諧波分量誤差的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面本發(fā)明提供一種編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，用于校正從編碼器輸出的帶有相差的兩相正弦信號(hào)。該設(shè)備包含檢測(cè)器裝置，其用于檢測(cè)來自包含在從該兩相正弦信號(hào)獲得的Lissajous波形中的理想Lissajous波形的誤差；和校正器裝置，其用于根據(jù)在該檢測(cè)器裝置上檢測(cè)到的誤差使用校正系數(shù)校正該兩相正弦信號(hào)。該檢測(cè)器裝置檢測(cè)來自包含在該校正器裝置校正過的該兩相正弦信號(hào)中的理想Lissajous波形的誤差，并且將檢測(cè)到的誤差加到累計(jì)相加的最后值中以產(chǎn)生新的校正系數(shù)，從而動(dòng)態(tài)更新該校正系數(shù)。
一方面本發(fā)明提供一種編碼器輸出信號(hào)校正方法，包含檢測(cè)并校正包含在從編碼器輸出的、帶有相差的兩相正弦信號(hào)中的偏移誤差；檢測(cè)并校正包含在已校正過偏移的兩相正弦信號(hào)中的幅度誤差；檢測(cè)并校正包含在已校正過幅度的兩相正弦信號(hào)中的相位誤差；和檢測(cè)并校正包含在已校正過相位的兩相正弦信號(hào)中的第三諧波失真。每個(gè)校正步驟包括檢測(cè)來自包含在校正過的兩相正弦信號(hào)中的理想Lissajous波形的誤差，和將檢測(cè)到的誤差加到累計(jì)相加的最后值以產(chǎn)生新的校正系數(shù)，從而動(dòng)態(tài)更新該校正系數(shù)。
這里的該檢測(cè)器裝置包括包含在從該兩相正弦信號(hào)中獲得的Lissajous波形中的偏移誤差、幅度誤差、相位誤差和第三諧波失真的至少其中之一。在這種情況下，可以將該檢測(cè)器配置成計(jì)算該Lissajous波形半徑的最大值和最小值，并且根據(jù)該最大值和該最小值之間的差值計(jì)算作為第三諧波失真的該第三諧波分量的幅度。另外，可以將該檢測(cè)器配置成當(dāng)該Lissajous波形半徑達(dá)到該最大值和最小值時(shí)檢測(cè)相位，并且根據(jù)檢測(cè)到的結(jié)果，計(jì)算作為第三諧波失真的該第三諧波分量的相位。
也可以將該檢測(cè)器配置成通過傅立葉分析導(dǎo)出該Lissajous波形半徑的變化量，從而計(jì)算該第三諧波分量的幅度和相位。
另一方面，可以將該校正器配置成以該探測(cè)器計(jì)算出的相位旋轉(zhuǎn)從包含第三諧波分量的該兩相正弦信號(hào)中獲得的該Lissajous波形，使得該第三諧波分量具有0°或90°的相位；導(dǎo)出對(duì)應(yīng)該于兩相正弦信號(hào)的每個(gè)值的該第三諧波分量的值；從對(duì)應(yīng)于被旋轉(zhuǎn)了的Lissajous波形的兩相正弦信號(hào)減去該第三諧波分量的值以校正幅度；并且以與所旋轉(zhuǎn)的角度相同的角度反向旋轉(zhuǎn)從被校正的兩相正弦信號(hào)中獲得的Lissajouos波形。
在本發(fā)明中，檢測(cè)來自包含在該校正器裝置校正過的該兩相正弦信號(hào)中的理想Lissajous波形的誤差，并且將檢測(cè)到的誤差加到累計(jì)相加的最后值中以產(chǎn)生新的校正系數(shù)，從而動(dòng)態(tài)更新該校正系數(shù)。因此，該Lissajous波形誤差參數(shù)的計(jì)算不需要復(fù)雜的步驟并且可以導(dǎo)致快速收斂。因此，可以改進(jìn)在內(nèi)插器中的插值精度。還可以改進(jìn)對(duì)抗由于編碼器中標(biāo)尺的不均勻和對(duì)準(zhǔn)的不一致引起的較高諧波誤差的強(qiáng)度。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的編碼器輸出信號(hào)校正裝置1的基本結(jié)構(gòu)的方框圖；圖2是表示在校正裝置1中處理流程的流程圖；圖3是表示圖2的偏移校正、幅度校正和相位校正的細(xì)節(jié)的流程圖；圖4表示觀測(cè)到Lissajous波形的例子；圖5是表示圖2的第三諧波失真校正細(xì)節(jié)的流程圖(第一方法)；圖6圖解在第三諧波中幅度a1、a3的計(jì)算方法；圖7是表示圖2的第三諧波失真校正細(xì)節(jié)的流程圖(第二方法)；圖8圖解說明在圖7的校正步驟中的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)；圖9是表示在圖7的校正處理中A相(或B相)和第三諧波的電壓之間的關(guān)系圖；圖10表示在動(dòng)態(tài)校正中收斂的校正值的原理圖；圖11是表示偏移/幅度/相位校正器30和第三諧波失真校正器40的特定電路的電路圖；和圖12是表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的編碼器輸出信號(hào)校正裝置2的基本結(jié)構(gòu)的方框圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的編碼器輸出信號(hào)校正裝置1的基本結(jié)構(gòu)的方框圖。該編碼器輸出信號(hào)校正裝置1包含A/D轉(zhuǎn)換器20、21；偏移/幅度/相位校正器30；偏移/幅度/相位檢測(cè)器31；第三諧波失真校正器40；第三諧波計(jì)算機(jī)/檢測(cè)器41和r-θ轉(zhuǎn)換器50。該裝置用于校正來自該編碼器10的輸出信號(hào)A0、B0，以消除那里的第三諧波失真。
例如該編碼器10可以是不存在檢測(cè)原理區(qū)別的光電類型或磁類型。從該編碼器10中輸出的A和B相正弦信號(hào)A0、B0通?？赡馨日`差、相位誤差、偏移和第三諧波失真。
該A/D轉(zhuǎn)換器20、21以一定頻率采樣該信號(hào)A0、B0，并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)A1、B1，將這些數(shù)字信號(hào)供給該偏移/幅度/相位校正器30。根據(jù)在該偏移/幅度/相位檢測(cè)器31中計(jì)算出的校正系數(shù)，該偏移/幅度/相位校正器30校正該數(shù)字信號(hào)A1、B1的偏移、幅度和相位，并提供輸出信號(hào)A4、B4。以該輸出信號(hào)A4、B4為基礎(chǔ)，該偏移/幅度/相位檢測(cè)器31計(jì)算在偏移/幅度/相位校正器30中使用的校正系數(shù)。計(jì)算該校正系數(shù)的方法將在后面描述。
該輸出信號(hào)A4、B4是校正過幅度、相位和偏移的正弦輸出信號(hào)，但仍然含有包括第三諧波的較高諧波分量。因此，該第三諧波失真校正器40校正在輸出信號(hào)A4、B4中的第三諧波分量，并提供輸出信號(hào)A7、B7。根據(jù)由該第三諧波計(jì)算機(jī)/檢測(cè)器41給定的校正系數(shù)(基諧波幅度a1、第三諧波幅度a3、和第三諧波相位φ3，這些將在后面介紹)執(zhí)行該校正。該r-θ轉(zhuǎn)換器50從該輸出信號(hào)A7、B7中產(chǎn)生Lissajous波形，并且計(jì)算在該Lissajous波形的每個(gè)相位θ處的半徑r。該第三諧波計(jì)算機(jī)/檢測(cè)器41根據(jù)r、θ計(jì)算該校正系數(shù)。
下面的介紹是針時(shí)使用這樣配置的該編碼器輸出信號(hào)校正裝置1的校正步驟的細(xì)節(jié)。
圖2是表示該校正步驟的流程圖。
從該編碼器10輸出的A-和B-相正弦信號(hào)A0、B0被AD轉(zhuǎn)換(S11)成數(shù)字A和B相正弦信號(hào)A1、B1。這些信號(hào)A1、B1由下面的表達(dá)式1表示。
A1＝a0+a1cosu+a3cos3(u-φ3)B1=b0+b1cos(u-π4-φ1)+b3cos3(u-π4-φ3)]]>其中a0、b0表示A相和B相的偏移誤差；a1、b1表示A相和B相的幅度誤差；φ1表示B相到A相的相位誤差；a3、b3表示A相和B相第三諧波的幅度；φ3表示第三諧波與基諧波的相位誤差；u＝2πx/λ，x表示位移(displacement)；λ表示信號(hào)間距(signalpitch)。這些誤差中，該偏移誤差、幅度誤差和相位誤差是在由該偏移/幅度/相位校正器30和該偏移/幅度/相位檢測(cè)器31執(zhí)行的偏移校正步驟(S12)、幅度校正步驟(S13)和相位校正步驟(S14)中被順序消除的。第三諧波失真是在由該第三諧波失真校正器40和第三諧波計(jì)算機(jī)/檢測(cè)器41執(zhí)行的第三諧波失真校正步驟(S15)中被消除的。最后，在該r-θ轉(zhuǎn)換器50中使用該消除了誤差的兩相正弦信號(hào)A7、B7，從而提供輸出信號(hào)θ。
在該實(shí)施例中，在上述校正步驟(S12-S15)中，使用遞歸公式來執(zhí)行動(dòng)態(tài)校正。
(偏移校正)圖3表示該校正步驟(S12-S14)的細(xì)節(jié)。
首先，如在圖4中所示，從該A相和B相正弦信號(hào)A1、B1中獲得一輪的Lissajous波形。該Lissajous波形具有四個(gè)穿過X軸和Y軸的交叉點(diǎn)P12、P23、P34、P41，如下從中導(dǎo)出在X軸和Y軸方向上的偏移校正值中的變化量Δda1、Δdb1(S111)。
Δda1＝(x41+x23)/2Δdb1＝(y12+y34)/2這里導(dǎo)出的Δda1、Δdb1接近于該偏移誤差a0、b0，但是由于幅度誤差和相位誤差而不能完全與其相符。因此，重復(fù)幾次反饋步驟以逐漸收斂該誤差。也就是說，依據(jù)下列表達(dá)式3獲得作為累計(jì)相加值的校正值da1、db1(S112)。
da1←da1+Δda1db1←db1+Δdb1然后，依據(jù)下列表達(dá)式4執(zhí)行校正步驟以從該信號(hào)A1、B1中消除偏移誤差(S113)。
A2＝A1-da1B2＝B1-db1(幅度校正)以與上面相同的方式，從在該Lissajous波形上的穿過X軸和Y軸的四個(gè)交叉點(diǎn)P12、P23、P34、P41中，如下導(dǎo)出在X軸和Y軸方向上的幅度校正值中的變化量Δka1、Δkb1(S121)。
Δka1＝(x41-x23)/2Δkb1＝(y12-y34)/2同樣在這種情況下，重復(fù)幾次反饋步驟以逐漸收斂該誤差。也就是說，依據(jù)下列表達(dá)式6獲得作為累計(jì)相除值的校正值ka1、kb1(S122)。
ka1←ka1/Δka1kb1←kb1/Δkb1然后，依據(jù)下列表達(dá)式7執(zhí)行校正步驟以從該信號(hào)A2、B2中消除幅度誤差(S123)。

A3＝A2×ka1B3＝B2×kb1[相位校正]以與上相同的方式，從穿過以45°角相對(duì)于X軸和Y軸傾斜的直線(y＝x，y＝-x)的四個(gè)交叉點(diǎn)P1、P2、P3、P4中，如下導(dǎo)出用于A相和B相的相位校正值中的變化量Δkp1(S131)。
Δkp1＝(x4+y2-x2-y4)/(x1+y1-x3-y3)同樣在這種情況下，幾次重復(fù)反饋步驟以逐漸收斂該誤差。也就是說，依據(jù)下列表達(dá)式9獲得作為累積相乘值的校正值kp1(S132)。
kp1←kp1×Δkp1kph1＝(kp1+1)/2kph2＝(kp1-1)/2然后，依據(jù)下列表達(dá)式10執(zhí)行校正步驟以從該信號(hào)A3、B3中消除相位誤差(S133)。
A4＝kph1·A3+kph2·B3B4＝kph2·A3+kph1·B3(第三諧波失真校正)該輸出信號(hào)A4、B4是校正過幅度、相位和偏移的正弦輸出信號(hào)，但仍然含有包括第三諧波的較高諧波分量。
可以假定該第三諧波具有相同的幅度和相位。既然這樣，如果基諧波具有幅度a1(＝b1)，第三諧波具有幅度a3(＝b3)，第三諧波具有相位φ3，那么該輸出信號(hào)A4、B4可以由下列表達(dá)式表示。
A4＝a1cosu+a3cos3(u-φ3)B4=a1cos(u-π4)+a3cos3(u-π4-φ3)]]>因此，可以依據(jù)下面表達(dá)式能計(jì)算出與該信號(hào)A4、B4相關(guān)的Lissajous半徑r。
r2=A42+B42]]>=a12+a32+2a1a3cos(4u-3φ3)]]>正如從上述表達(dá)式顯而易見的，該Lissajous半徑r以λ/4的周期隨相位3φ3在最大值rmax＝a1+a3和最小值rmin＝a1-a3之間變化。因此，a1、a3和φ3的確定能夠校正該第三諧波失真。
(方法1在φ3＝0的情況下)圖5表示更加簡(jiǎn)單的第一方法。如上所述，由于該第三諧波失真該Lissajous波形的半徑r以λ/4的周期變化，并且具有最大值rmax＝a1+a3和最小值rmin＝a1-a3(參見圖6)。因此，可以如下使用rmax、rmin計(jì)算出a1、a3。
Δa1＝Δb1＝(rmax+rmin)/2Δa3＝Δb3＝(rmax-rmin)/2為了簡(jiǎn)化起見，這里假定該相位被認(rèn)作為φ3＝0。例如，假定該半徑的最小值rmin存在于X、Y軸上，最大值rmax存在于相對(duì)于X、Y軸傾斜45°的線上?？梢匀缦芦@得該值rmin、rmax(S151)。
rmax=28(x1+x4+y1+y2-x2-x3-y3-y4)]]>rmin=14(x41+y12-x23-y34)]]>
同樣在這種情況下，重復(fù)幾次反饋步驟以逐漸收斂該誤差。也就是說，依據(jù)下面表達(dá)式15獲得作為累積相加值的校正值a1、a3(S152)。
a1←a1+Δa1a3←a3+Δa3然后，依據(jù)下面表達(dá)式16執(zhí)行校正步驟以從該信號(hào)A4、B4中消除第三諧波失真(S153)。
A7=A4-(4a3a13A43-3a3a1A4)]]>B7=B4-(4a3a13B43-3a3a1B4)]]>(方法2在φ3是任意值的情況下)圖7表示當(dāng)φ3是任意值時(shí)的第二方法。該方法1簡(jiǎn)單，而且充分提供輕的負(fù)荷到計(jì)算機(jī)。相反地，當(dāng)φ3是任意值時(shí)，該第三諧波分量的幅度a3越小，該相位φ3的檢測(cè)精度就可能越低。下面描述的方法2是一種能夠更加精確地計(jì)算φ3的方法。該方法2在下面得到描述。該方法2使用傅立葉分析來計(jì)算該幅度a1、a3和該相位φ3。也就是說，將包含在Lissajous波形中的具有λ/4波長(zhǎng)(空間頻率為4·2π/λ)的信號(hào)成分傅立葉變換成實(shí)部Re和虛部Im。為了用于動(dòng)態(tài)校正，從在所校正過的波形中檢測(cè)到實(shí)部和虛部中，由[表達(dá)式17]和[表達(dá)式18]導(dǎo)出dRe和dIm(S154)，以根據(jù)由[表達(dá)式19]表示的遞歸公式更新Re和Im(S155)。該更新被重復(fù)幾次，以收斂Re、Im到一定值。從而，將這些值確定為Re、Im。
dRe=Σi=0N-1ricos(2π4Ni)]]>[表達(dá)式18]
dIm=Σi=0N-1risin(2π4Ni)]]>[表達(dá)式19]Re＝Re+dReIm＝Im+dIm依據(jù)下面表示的[表達(dá)式20]，獲得a1。另外，根據(jù)由上述的[表達(dá)式19]確定的Re和Im，依據(jù)下面的[表達(dá)式21]和[表達(dá)式22]獲得作為在由Re、Im確定的復(fù)數(shù)空間中相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的距離和角度的a3和φ3。因?yàn)橥ㄟ^傅立葉變換獲得的信號(hào)大小是有效值，并且該幅度是該值的 倍，所以在[表達(dá)式21]中，使用乘法系數(shù) [表達(dá)式20]a1=1NΣi=0N-1ri]]>[表達(dá)式21]a3=12N2(Re2+Im2)]]>[表達(dá)式22]φ3＝tan-1(Im/Re)如圖8中左側(cè)所示，在該第三諧波失真校正處理中，執(zhí)行在下面[表達(dá)式23]中表示的計(jì)算，從而以對(duì)應(yīng)于該第三諧波相位的角度φ3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)該信號(hào)A4、B4的Lissajous波形L4。在這種情況下，如圖8中右側(cè)所示，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該信號(hào)A5、B5的Lissajous波形L5。角度φ3的旋轉(zhuǎn)是為了使該第三諧波在該Lissajous波形上具有0°或90°的相位，并在這種狀態(tài)下執(zhí)行幅度校正步驟。
A5B5=cosφ3-sinφ3sinφ3cosφ3A4B4]]>在這種狀態(tài)下，根據(jù)圖9中與該第三諧波電壓有關(guān)的A相(或B相)電壓曲線為基礎(chǔ)，使用該基諧波幅度a1和第三諧波幅度a3執(zhí)行校正。該校正是為了依據(jù)下面表達(dá)式從具有相位為0°或90°的第三諧波的輸出信號(hào)A5、B5中消除該第三諧波分量。
A6=A5-(4a3a13A53-3a3a1A5)]]>B6=B5-(4a3a13B53-3a3a1B5)]]>最后，執(zhí)行下面計(jì)算，以反向旋轉(zhuǎn)該信號(hào)A6、B6的Lissajous波形(以角度-φ3)，來產(chǎn)生信號(hào)A7、B7(S156)。以角度-φ3旋轉(zhuǎn)的該Lissajous波形或該輸出信號(hào)A7、B7包含與該原始輸出信號(hào)A4、B4的基諧波相同的基諧波，并且從中減去該第三諧波分量。
A7B7=cos(-φ3)-sin(-φ3)sin(-φ3)cos(-φ3)A6B6]]>在該實(shí)施例中，為了獲得快速收斂，對(duì)ka1、kb1使用了除法遞歸公式，對(duì)kp1使用了乘法遞歸公式，但加法/減法的方法也是可使用的。
在該Lissajous波形旋轉(zhuǎn)了至少一輪或更多輪之后，需要執(zhí)行上述校正步驟。當(dāng)考慮到從該信號(hào)中消除噪音時(shí)，可以考慮獲得N輪平均值。在需要的輪數(shù)期間，在校正計(jì)算中使用以前檢測(cè)的校正值da1、db1、…、Im。因此，校正計(jì)算從初始值狀態(tài)開始(未校正的情況下所有值都為0)。根據(jù)檢測(cè)需要的輪數(shù)，將上述da1、db1、…、Im應(yīng)用到該校正計(jì)算。使用校正值，繼續(xù)該校正計(jì)算直到一定的圈數(shù)。校正過的Lissajous信號(hào)具有更小誤差的值。因此，使用該值作為初始點(diǎn)以用于下一個(gè)校正檢測(cè)。也就是說，得到Δda1、Δdb1、…、ΔIm，并將它們累計(jì)到da1、db1、…、Im中。當(dāng)無限制地重復(fù)上述步驟時(shí)，該校正值da1、db1、…、Im接近各自的真實(shí)值，并且最后在檢測(cè)分辨率上收斂。
關(guān)于該第三諧波失真的校正，舉例說明了兩種方法，并且任何一種方法可以通過加法、減法、乘法和除法中任何一個(gè)的遞歸公式實(shí)現(xiàn)。依據(jù)計(jì)算速度和收斂條件可以選擇最佳的方法。
圖10表示檢測(cè)的校正值在常數(shù)值上收斂的狀態(tài)。
當(dāng)在以這種方式充分收斂后停止該動(dòng)態(tài)校正時(shí)，可以將該值存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中，并且也可以在靜態(tài)校正的自校準(zhǔn)系統(tǒng)中利用該值。
參照附圖11介紹該偏移/幅度/相位校正器30和該第三諧波失真校正器40的特定電路。
偏移/幅度/相位校正器30包含偏移校正器301、幅度校正器302和相位校正器303。該偏移校正器301包括加法器310、311，并且執(zhí)行該偏移校正，從而將由偏移/幅度/相位檢測(cè)器31給定的加法系數(shù)da1、db1分別加到該信號(hào)A1、B1。該幅度校正器302包括乘法器320、321，并且執(zhí)行該幅度校正，從而將由偏移/幅度/相位檢測(cè)器31給定的乘法系數(shù)ka1、kb1分別乘以該信號(hào)A2、B2。該相位檢測(cè)器303包括乘法器330-333和加法器340、341，并且執(zhí)行該相位校正，從而使用由偏移/幅度/相位檢測(cè)器31給定的乘法系數(shù)kph1、kph2將信號(hào)A3、B3轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)A4、B4。
該第三諧波失真校正器40包含坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)器401、幅度校正器402和坐標(biāo)反向旋轉(zhuǎn)器403。該坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)器401包括乘法器410-413和加法器414、415。該坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)器401用于以對(duì)應(yīng)于第三諧波相位的角度φ3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)該信號(hào)A4、B4的Lissajous波形L4，從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該信號(hào)A5、B5的Lissajous波形L5。為了校正，該幅度校正器402使用該基諧波幅度a1和在該第三諧波計(jì)算機(jī)/檢測(cè)器41上計(jì)算出的該第三諧波幅度a3，以從具有相位為0°或90°的第三諧波的輸出信號(hào)A5、B5中消除該第三諧波分量。該計(jì)算可以通過提供查尋表402T實(shí)現(xiàn)，該查尋表存儲(chǔ)了表達(dá)式24中表示的A5和A6之間的關(guān)系或B5和B6之間的關(guān)系。也就是說，輸出信號(hào)A5(或B5)的每個(gè)采樣值實(shí)際上被用作對(duì)查尋表402T的索引，來讀取該第三諧波分量的值，從而提供輸出值A(chǔ)6、B6。
該坐標(biāo)反向旋轉(zhuǎn)器403包括乘法器430-433和加法器434、435，并且以在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)器401處旋轉(zhuǎn)的角度φ3順時(shí)針或反向地(以角度-φ3)旋轉(zhuǎn)該信號(hào)A6、B6的Lissajous波形，從而通過下列計(jì)算產(chǎn)生該信號(hào)A7、B7。以角度-φ3旋轉(zhuǎn)的該Lissajous波形或該輸出信號(hào)A7、B7包含與原始輸出信號(hào)A4、B4的基諧波相同的基諧波，并且從中減去該第三諧波分量。
這樣，該第三諧波計(jì)算機(jī)/檢測(cè)器41計(jì)算a1、a3、φ3，它們用于該第三諧波失真校正器40中的校正。在第三諧波失真校正器40中的該校正、在r-θ轉(zhuǎn)換器50中的r-θ轉(zhuǎn)換和在該第三諧波計(jì)算機(jī)/檢測(cè)器41中校正系數(shù)的計(jì)算被重復(fù)幾次，以進(jìn)一步從該輸出信號(hào)A7、B7中消除該第三諧波分量。結(jié)果，可以將該輸出信號(hào)A7、B7近似為理想的正弦波形。
圖12是表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的編碼器輸出信號(hào)校正裝置2的基本結(jié)構(gòu)的方框圖。本實(shí)施例包含存儲(chǔ)器60，存儲(chǔ)器的提供是用來存儲(chǔ)在該偏移/幅度/相位檢測(cè)器31和該第三諧波計(jì)算機(jī)/檢測(cè)器41上動(dòng)態(tài)校正的校正系數(shù)。校正系數(shù)可以在一些特定時(shí)間被保存在存儲(chǔ)器60中，例如，(1)當(dāng)外部開關(guān)被按下時(shí)，(2)當(dāng)電源被關(guān)掉(被用完)時(shí)，和(3)在任何時(shí)候(與操作時(shí)鐘一致或當(dāng)每個(gè)校正系數(shù)在校正器30、40中被更新時(shí))。在重新開始的時(shí)刻，將校正系數(shù)從該存儲(chǔ)器60中讀取出來，并將其作為初始值存儲(chǔ)在該檢測(cè)器31、41中。接下來的步驟與上述動(dòng)態(tài)校正的步驟類似。可以提供可用來使動(dòng)態(tài)更新校正系數(shù)的操作無效的動(dòng)態(tài)校正無效指示設(shè)備。當(dāng)該動(dòng)態(tài)校正無效指示設(shè)備指示動(dòng)態(tài)校正的無效時(shí)，該校正器30、40可以使用從該存儲(chǔ)器60中讀取出來的校正系數(shù)來校正該兩相正弦信號(hào)。
盡管本發(fā)明的實(shí)施例已經(jīng)在上面得到描述，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，而是可以在不脫離本發(fā)明的范圍和宗旨的情況下，將其設(shè)計(jì)為提供各種修改和增加。例如，在上述實(shí)施例中，首先對(duì)從該編碼器輸出的該A和B相正弦信號(hào)進(jìn)行該偏移、幅度和相位校正，然后進(jìn)行該第三諧波校正，但這種順序是可以被改變的。也就是，可以首先執(zhí)行該第三諧波校正，然后執(zhí)行該偏移、幅度和相位校正。在上述實(shí)施例中，該幅度和相位校正是在數(shù)字電路中執(zhí)行的，但相同的步驟可以使用DSP或軟件來執(zhí)行。
權(quán)利要求
1.一種編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，用于校正從編碼器輸出的帶有相差的兩相正弦信號(hào)，包含檢測(cè)器裝置，其用于檢測(cè)來自包含在從所述兩相正弦信號(hào)獲得的Lissajous波形中的理想Lissajous波形的誤差；和校正器裝置，其使用基于在所述檢測(cè)器裝置上檢測(cè)到的所述誤差的校正系數(shù)，校正所述兩相正弦信號(hào)，其中，所述檢測(cè)器裝置檢測(cè)來自包含在所述兩相正弦信號(hào)中的所述理想Lissajous波形的誤差，并累積計(jì)算所述檢測(cè)誤差以產(chǎn)生新的校正系數(shù)，由此動(dòng)態(tài)更新所述校正系數(shù)，其中該兩相正弦信號(hào)已在校正設(shè)備中校正了。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中所述檢測(cè)器裝置能夠檢測(cè)包含在從所述兩相正弦信號(hào)中獲得的所述Lissajous波形中的偏移誤差、幅度誤差、相位誤差和第三諧波失真中的至少一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中所述檢測(cè)器裝置能夠檢測(cè)包含于從所述兩相正弦信號(hào)中獲得的所述Lissajous波形中的偏移誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中從四個(gè)零交叉點(diǎn)(P12、P23、P34、P41)中，所述檢測(cè)器裝置導(dǎo)出在X軸和Y軸方向上偏移校正值中的變化量(Δda1，Δdb1)，并累積計(jì)算所述變化量來檢測(cè)所述偏移誤差，所述四個(gè)零交叉點(diǎn)在從所述兩相正弦信號(hào)獲得的所述Lissajous波形上穿過X軸和Y軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中所述檢測(cè)器裝置能夠檢測(cè)包含于從所述兩相正弦信號(hào)獲得的所述Lissajous波形中的幅度誤差。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中從四個(gè)零交叉點(diǎn)(P12、P23、P34、P41)中，所述檢測(cè)器裝置導(dǎo)出在X軸和Y軸方向上的幅度校正值中的變化量(Δka1，Δkb1)，并累積計(jì)算所述變化量來檢測(cè)所述幅度誤差，所述四個(gè)零交叉點(diǎn)在從所述兩相正弦信號(hào)獲得的所述Lissajous波形上穿過X軸和Y軸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中所述檢測(cè)器裝置能夠檢測(cè)包含于從所述兩相正弦信號(hào)獲得的所述Lissajous波形中的相位誤差。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中從四個(gè)點(diǎn)(P1，P2，P3，P4)中，所述檢測(cè)器裝置導(dǎo)出用于兩相正弦信號(hào)的相位校正值中的變化量(Δkp1)，并累積計(jì)算所述變化量來檢測(cè)所述相位誤差，所述四個(gè)點(diǎn)在從所述兩相正弦信號(hào)獲得的所述Lissajous波形上穿過與X軸和Y軸傾斜45°的直線(y＝x，y＝-x)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中所述檢測(cè)器裝置能夠檢測(cè)包含于從所述兩相正弦信號(hào)獲得的所述Lissajous波形中的第三諧波失真。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中在所述兩相正弦信號(hào)中的基諧波具有幅度a1，所述第三諧波具有幅度a3，以及所述第三諧波具有相位φ3＝0，其中從四個(gè)點(diǎn)(P1、P2、P3、P4)和穿過X軸和Y軸的四個(gè)零交叉點(diǎn)(P12、P23、P34、P41)中，所述檢測(cè)器裝置導(dǎo)出所述Lissajous波形半徑的最大值(rmax)和最小值(rmin)，并累積計(jì)算兩相正弦信號(hào)中基諧波的變化量(Δa1)和第三諧波校正值中的變化量(Δa3)，所述四個(gè)點(diǎn)(P1，P2，P3，P4)在從所述兩相正弦信號(hào)獲得的所述Lissajous波形上穿過與X軸和Y軸傾斜45°的直線(y＝x，y＝-x)，其中所述兩相正弦信號(hào)在時(shí)間的每個(gè)點(diǎn)具有值Va1，所述第三諧波分量在時(shí)間的每個(gè)點(diǎn)具有值Va3，并且其中所述檢測(cè)器裝置從Va3＝K1·Va13-K2·Va1(這里K1、K2為由a1、a3確定的系數(shù))中導(dǎo)出Va3來檢測(cè)所述第三諧波分量。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中所述兩相正弦信號(hào)中的基諧波具有幅度a1，所述第三諧波具有幅度a3，所述第三諧波具有相位φ3＝0，其中，所述檢測(cè)器裝置通過具有λ/4波長(zhǎng)(空間頻率為4·2π/λ)的信號(hào)成分的傅立葉變換，導(dǎo)出所述幅度a1、a3、φ3，所述具有λ/4波長(zhǎng)的信號(hào)成分包含在從所述兩相正弦信號(hào)獲得的所述Lissajous波形中，其中，所述校正器裝置以φ3旋轉(zhuǎn)所述Lissajous波形，其中，所述兩相正弦信號(hào)在時(shí)間的每個(gè)點(diǎn)具有值Va1，所述第三諧波分量在時(shí)間的每個(gè)點(diǎn)具有值Va3，其中所述校正器裝置從Va3＝K1·Va13-K2·Va1(這里K1、K2是由a1、a3確定的系數(shù))中導(dǎo)出Va3來校正所述第三諧波分量，并且其中所述校正器裝置以φ3反向旋轉(zhuǎn)所述校正過的Lissajous波形。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中所述檢測(cè)器根據(jù)所述最大值和所述最小值之間的差值計(jì)算所述Lissajous波形半徑的最大值和最小值，計(jì)算作為所述第三諧波失真的所述第三諧波分量的幅度。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中所述檢測(cè)器通過傅立葉分析導(dǎo)出所處Lissajous波形半徑中的變化量，從而計(jì)算作為所述第三諧波失真的所述第三諧波分量的幅度和相位。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，其中所述校正器以在所述檢測(cè)器計(jì)算出的相位旋轉(zhuǎn)從包含第三諧波分量的所述兩相正弦信號(hào)中獲得的所述Lissajous波形，因此所述第三諧波分量具有相位0°或90°；導(dǎo)出對(duì)應(yīng)于所述兩相正弦信號(hào)的每個(gè)值的所述第三諧波分量的值；從對(duì)應(yīng)于所述旋轉(zhuǎn)了的Lissajous波形的兩相正弦信號(hào)減去所述第三諧波分量的所述值，來校正幅度；并且以與所述旋轉(zhuǎn)角相同的角反向旋轉(zhuǎn)從所述校正過的兩相正弦信號(hào)中獲得的Lissajous波形。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，進(jìn)一步包含存儲(chǔ)器，其用于存儲(chǔ)所述校正系數(shù)，其中激活的所述檢測(cè)器裝置讀取出存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中用作所述動(dòng)態(tài)更新操作中的初始值的所述校正系數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器輸出信號(hào)校正設(shè)備，進(jìn)一步包含存儲(chǔ)器，其用于存儲(chǔ)所述校正系數(shù)；和動(dòng)態(tài)校正無效指示器設(shè)備，其用于使動(dòng)態(tài)更新所述校正系數(shù)的所述操作無效，其中，當(dāng)所述動(dòng)態(tài)校正無效指示器設(shè)備指示動(dòng)態(tài)校正的無效時(shí)，所述校正器裝置使用從所述存儲(chǔ)器中讀取出的所述校正系數(shù)校正所述兩相正弦信號(hào)。
17.一種編碼器輸出信號(hào)校正方法，包含檢測(cè)并校正包含在從編碼器輸出的帶有相差的兩相正弦信號(hào)中的偏移誤差；檢測(cè)并校正包含在所述校正過偏移的兩相正弦信號(hào)中的幅度誤差；檢測(cè)并校正包含在所述校正過幅度的兩相正弦信號(hào)中的相位誤差；和檢測(cè)并校正包含在所述校正過相位的兩相正弦信號(hào)中的第三諧波失真，其中每個(gè)校正步驟包括檢測(cè)來自包含在所述校正過的兩相正弦信號(hào)中的理想Lissajous波形的誤差，和將所述檢測(cè)到的誤差加到累積相加的最后值以產(chǎn)生新的校正系數(shù)，由此動(dòng)態(tài)更新所述校正系數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的編碼器輸出信號(hào)校正方法，其中通過根據(jù)所述最大值和所述最小值之間的差值計(jì)算所述Lissajous波形半徑的最大值和最小值，和計(jì)算作為所述第三諧波失真的所述第三諧波分量的幅度，來執(zhí)行第三諧波失真的所述檢測(cè)并校正。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的編碼器輸出信號(hào)校正方法，其中通過經(jīng)傅立葉分析導(dǎo)出所述Lissajous波形半徑的變化量來計(jì)算作為所述第三諧波失真的所述第三諧波分量的幅度和相位，執(zhí)行所述第三諧波失真的所述檢測(cè)并校正。
全文摘要
使用相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)字計(jì)算消除包含在兩相正弦信號(hào)中的偏移誤差、幅度誤差、相位誤差和第三諧波分量。檢測(cè)并校正包含在從編碼器輸出的帶有相差的兩相正弦信號(hào)中的偏移誤差。然后，檢測(cè)并校正包含在校正過偏移的兩相正弦信號(hào)中的幅度誤差。接下來，檢測(cè)并校正包含在校正過幅度的兩相正弦信號(hào)中的相位誤差。進(jìn)一步地，檢測(cè)并校正包含在校正過相位的兩相正弦信號(hào)中的第三諧波失真。每個(gè)校正步驟包括檢測(cè)來自包含在該校正過的兩相正弦信號(hào)中的理想Lissajous波形的誤差。并將檢測(cè)到的誤差加到累積相加的最后值中，以產(chǎn)生新的校正系數(shù)，由此動(dòng)態(tài)更新該校正系數(shù)。
文檔編號(hào)G01D18/00GK1769844SQ200510124979
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者桐山哲郎, 小磯隆一, 吉中敏郎 申請(qǐng)人:三豐株式會(huì)社