專利名稱：經(jīng)改進(jìn)的內(nèi)插編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及經(jīng)改進(jìn)的內(nèi)插編碼器。
背景技術(shù)：
編碼器提供對(duì)系統(tǒng)中的組件相對(duì)于某個(gè)預(yù)定參考點(diǎn)的位置的測(cè)量。編碼器一般被用來向電動(dòng)機(jī)或其他致動(dòng)器提供閉環(huán)反饋系統(tǒng)。例如，軸編碼器輸出指示旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)于某個(gè)不移動(dòng)的已知參考位置的位置的數(shù)字信號(hào)。線性編碼器在可移動(dòng)車架沿預(yù)定路徑移動(dòng)時(shí)測(cè)量可移動(dòng)車架的當(dāng)前位置和相對(duì)于可移動(dòng)車架固定的參考位置之間的距離。
絕對(duì)軸編碼器一般使用連接到軸的盤上的多個(gè)軌道。每個(gè)軌道包括被檢測(cè)器查看的一系列暗條帶和亮條帶，該檢測(cè)器根據(jù)檢測(cè)器所查看的區(qū)域是亮還是暗輸出數(shù)字值1或0。N位二進(jìn)制編碼器一般使用N個(gè)這樣的軌道，對(duì)于每一位有一個(gè)軌道。增量編碼器一般使用被檢測(cè)器查看的單個(gè)軌道，該檢測(cè)器確定經(jīng)過檢測(cè)器的條帶的方向和數(shù)目。通過在每個(gè)條帶經(jīng)過檢測(cè)器時(shí)增加或減小計(jì)數(shù)器來確定位置。
在兩類編碼器中，最終分辨率都由條帶圖樣和用于查看條帶圖樣的檢測(cè)器的大小確定。為了提供更高的分辨率，必須增大條帶密度。例如，在軸編碼器中，必須增大每旋轉(zhuǎn)度的條帶數(shù)目。類似地，在線性編碼器中，必須增大線性運(yùn)動(dòng)的限度之間的條帶數(shù)目。但是，對(duì)于條帶密度存在實(shí)際限制，該限制是由光學(xué)和成本約束所設(shè)置的。
用于提供更高的分辨率的一種方法是利用內(nèi)插方案來提供對(duì)在檢測(cè)到條帶邊緣的點(diǎn)之間的光電檢測(cè)器和代碼條帶的相對(duì)位置的估計(jì)。在一種方案中，來自軌道的光被兩組檢測(cè)器查看。檢測(cè)器的形狀和位置被設(shè)置為提供相位相差90度的兩個(gè)正弦信號(hào)。通過測(cè)量基于這些正弦波的兩個(gè)信號(hào)交叉的點(diǎn)，可以提供中間位置測(cè)量結(jié)果。中間點(diǎn)確定的精確度取決于正弦波的頻率，而正弦波的頻率又由代碼條帶或盤中的條帶數(shù)目設(shè)置。從而，這類系統(tǒng)只能使分辨率增大有限的量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種編碼器，其具有檢測(cè)器和在檢測(cè)器上生成代碼條帶的圖像的光學(xué)系統(tǒng)。該圖像包括多個(gè)亮條帶和暗條帶，該檢測(cè)器在代碼條帶相對(duì)于檢測(cè)器移動(dòng)時(shí)生成彼此相位不同的多個(gè)正弦信號(hào)。當(dāng)代碼條帶相對(duì)于檢測(cè)器移動(dòng)等于一個(gè)亮條帶和一個(gè)暗條帶的距離時(shí)，每個(gè)正弦信號(hào)循環(huán)經(jīng)過一個(gè)周期。該編碼器包括頻率倍增器，該頻率倍增器生成多個(gè)頻率倍增的信號(hào)，每個(gè)頻率倍增的信號(hào)對(duì)應(yīng)于所述正弦信號(hào)之一，并且具有是該相應(yīng)正弦信號(hào)的頻率的整數(shù)倍的頻率。該編碼器使用信號(hào)內(nèi)插器，該信號(hào)內(nèi)插器利用頻率倍增的信號(hào)限定多個(gè)位置，相應(yīng)于代碼條帶相對(duì)于檢測(cè)器移動(dòng)等于一個(gè)亮條帶和一個(gè)暗條帶的距離，至少有5個(gè)這樣的點(diǎn)。信號(hào)內(nèi)插器可以生成具有第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的信號(hào)，其中，每當(dāng)頻率倍增的信號(hào)之一經(jīng)過預(yù)定值時(shí)，該信號(hào)改變狀態(tài)。


圖1示出透射性編碼器。
圖2示出反射性編碼器。
圖3示出成像編碼器。
圖4示出利用正弦內(nèi)插的2信道編碼器。
圖5示出提供信道A信號(hào)的組合A和A’信號(hào)，所述信道A信號(hào)是正弦波。
圖6是光電檢測(cè)器40的頂視圖。
圖7是光電檢測(cè)器40的沿圖6所示的線7-7的截面圖。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的編碼器100。
圖9是線性編碼器90的一部分的頂視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的編碼器80的頂視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參考圖1-3，這些圖示出了某些典型編碼器設(shè)計(jì)。編碼器可以被劃分成發(fā)射器/檢測(cè)器模塊15和代碼輪或代碼條帶。模塊15包括發(fā)射器11，發(fā)射器11照射代碼條帶12的一部分。被照射的代碼條帶被檢測(cè)器13查看。發(fā)射器一般利用LED作為光源。檢測(cè)器一般基于一個(gè)或多個(gè)光電二極管。圖1示出透射性編碼器。在透射性編碼器中，來自發(fā)射器的光被作為發(fā)射器的一部分的準(zhǔn)直光學(xué)器件(例如透鏡)校準(zhǔn)成平行光束。代碼條帶12包括不透明條帶16和透明條帶17。當(dāng)代碼條帶12在發(fā)射器11和檢測(cè)器13之間移動(dòng)時(shí)，光束被代碼條帶上的不透明條帶打斷。檢測(cè)器中的光電二極管接收光的閃現(xiàn)。所產(chǎn)生的信號(hào)隨后被用來生成在邏輯1和邏輯0之間轉(zhuǎn)換的邏輯信號(hào)。
圖2示出反射性編碼器。在反射性編碼器中，代碼條帶包括反射性條帶18和吸收性條帶19。同樣，發(fā)射器包括準(zhǔn)直光學(xué)器件，例如透鏡。來自發(fā)射器的光被代碼條帶上的條帶反射或吸收。反射光被成像到檢測(cè)器中的光電二極管上。來自光電檢測(cè)器的輸出再次被轉(zhuǎn)換成邏輯信號(hào)。
圖3示出成像編碼器。成像編碼器的操作基本上與上述反射性編碼器相同，只不過模塊15包括成像光學(xué)器件，其在檢測(cè)器14上形成被照射的代碼條帶的圖像。
在這些類型的編碼器中的每一類中，在光電二極管陣列中的光電二極管的光敏區(qū)域上生成條帶圖樣的一部分的圖像。為了簡(jiǎn)化以下論述，將利用示出代碼條帶的圖像和其上形成圖像的光電二極管的表面區(qū)域的圖。在每幅圖中，代碼條帶的圖像將被顯示在光電二極管陣列旁邊，以簡(jiǎn)化附圖。但是，要理解，在實(shí)踐中，代碼條帶的圖像會(huì)被投影到光電二極管陣列的表面上。此外，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化附圖，圖中省略了光源和任何準(zhǔn)直或成像光學(xué)器件。
現(xiàn)參考圖4和圖5，這些圖示出了利用正弦內(nèi)插的2信道編碼器。內(nèi)插器20包括將圖像21投影到光電二極管陣列22上的代碼條帶。該圖像具有交替的亮帶和暗帶，分別在24和25處示出。光電二極管陣列包括4個(gè)標(biāo)注為A、B、A’、B’的光電二極管。A’和B’光電二極管分別相對(duì)于A和B光電二極管偏移了一段距離，以便這些光電二極管分別生成來自A和B光電二極管的信號(hào)的補(bǔ)充信號(hào)。A和B光電二極管彼此偏移一定量，這個(gè)量導(dǎo)致B光電二極管信號(hào)相對(duì)于A光電二極管信號(hào)有90度的相位差。
A和A’信號(hào)被電路31組合以提供信道A信號(hào)，該信道A信號(hào)是正弦波，如圖5所示。類似地，B和B’信號(hào)被電路32組合以提供信道B信號(hào)，該信道B信號(hào)是相對(duì)于信道A信號(hào)有90度相位差的正弦波。在一個(gè)傳播方向上，信道A信號(hào)將會(huì)領(lǐng)先信道B信號(hào)。在另一個(gè)傳播方向上，信道B信號(hào)將會(huì)領(lǐng)先信道A信號(hào)。從而，通過觀察這兩個(gè)信號(hào)之間的關(guān)系，可以確定傳播方向。
兩個(gè)信道信號(hào)被內(nèi)插器23組合以生成輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)是周期小于代碼條帶圖像的周期的方波。即，當(dāng)代碼條帶圖像的2D部分經(jīng)過光電二極管之一時(shí)，輸出信號(hào)將會(huì)經(jīng)歷多于一個(gè)周期。輸出信號(hào)的周期取決于內(nèi)插器23所使用的特定算法。由于這些算法是本領(lǐng)域中公知的，并且對(duì)于理解本發(fā)明并不重要，因此這里將不會(huì)詳細(xì)論述這些算法。對(duì)于本論述的目的，注意到以下這一點(diǎn)就足夠了2D周期內(nèi)的中間點(diǎn)的數(shù)目可以通過確定正弦之一與通過用整數(shù)乘以另一正弦波而生成的曲線相交叉的點(diǎn)來限定。
如上所述，光電二極管中的每一個(gè)生成一個(gè)輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)是正弦波?，F(xiàn)參考圖6和圖7，這些圖示出了提供這種信號(hào)的光電二極管。圖6是光電檢測(cè)器40的頂視圖，圖7是光電檢測(cè)器40的沿圖6所示的線7-7的截面圖。光電檢測(cè)器40是由光電二極管43和屏幕41構(gòu)造成的，所述光電二極管43具有活動(dòng)區(qū)域46，所述屏幕41中具有一個(gè)或多個(gè)開口。示例性的開口在42處示出。光電二極管生成輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)與入射在光電二極管上的光量成比例。在代碼條帶圖像以恒定速度移動(dòng)經(jīng)過光電二極管時(shí)，光圖樣移動(dòng)越過開口。假定在光圖樣移動(dòng)跨過開口時(shí)，亮帶內(nèi)的光強(qiáng)度保持恒定。開口的形狀被確定成使得作為時(shí)間函數(shù)的光強(qiáng)度為正弦波。
本發(fā)明利用了信道A信號(hào)和信道B信號(hào)來生成一對(duì)新的信號(hào)，這對(duì)新信號(hào)是正弦波并且具有更高的頻率。隨后可以在進(jìn)行或不進(jìn)行進(jìn)一步內(nèi)插的情況下使用更高頻率的信號(hào)來提供比起從原始信道A信號(hào)和信道B信號(hào)獲得的分辨率來級(jí)別更高的分辨率。現(xiàn)參考圖8，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的編碼器100。為了簡(jiǎn)化以下論述，編碼器100中提供與以上參考圖4描述的元件類似的功能的那些元件被賦予相同的標(biāo)號(hào)，并且在這里將不被詳細(xì)論述。
編碼器100利用頻率倍增電路101來將以上所述的正弦信道A信號(hào)和信道B信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)新的信號(hào)，信道A’信號(hào)和信道B’信號(hào)，這兩個(gè)新信號(hào)的頻率是信道A信號(hào)和信道B信號(hào)的倍數(shù)。這些頻率倍增的信號(hào)隨后被輸入到內(nèi)插器電路102，以提供最終的輸出信號(hào)。對(duì)于本論述，將假定信道A＝sin(θ)，信道B＝cos(θ)。本發(fā)明基于以下觀察cos(nθ)和sin(nθ)可以根據(jù)sin(θ)和cos(θ)計(jì)算。例如sin(2θ)＝2sin(θ)cos(θ)，以及cos(2θ)＝cos2(θ)-sin2(θ)。
類似地，sin(3θ)＝3sin(θ)-4sin3(θ)，以及cos(3θ)＝4cos3(θ)-3cos(θ)。
這些信號(hào)的更高階倍數(shù)可以通過使用原始信號(hào)或通過對(duì)cos(2θ)、sin(2θ)、cos(θ)、sin(θ)等的各種組合進(jìn)行乘法和加法來計(jì)算。這些計(jì)算可以用模擬或數(shù)字電路來執(zhí)行。將兩個(gè)信號(hào)乘起來以及將兩個(gè)信號(hào)加在一起的模擬電路是本領(lǐng)域中公知的，從而在這里將不會(huì)詳細(xì)論述。對(duì)于便宜的編碼器，模擬電路是優(yōu)選的。
原則上，任何可用于原始信道A信號(hào)和信道B信號(hào)的內(nèi)插算法都可以用于新的信道A’信號(hào)和信道B’信號(hào)。內(nèi)插的最簡(jiǎn)單的形式測(cè)量信道A’信號(hào)或信道B’信號(hào)經(jīng)過零的點(diǎn)。在這種情況下，每當(dāng)任一信號(hào)經(jīng)過零時(shí)，輸出信號(hào)就在0和1之間切換。在頻率倍增之前，在代碼條帶移動(dòng)距離2D的時(shí)段中，存在4個(gè)這樣的點(diǎn)。從而，當(dāng)使用通過使頻率加倍而生成的信號(hào)時(shí)，可以限定8個(gè)這樣的點(diǎn)，從而相對(duì)于只使用原始信道A信號(hào)和信道B信號(hào)的系統(tǒng)，分辨率可以額外增加2倍。類似地，如果新信號(hào)是通過將原始頻率乘以3倍而生成的，則當(dāng)代碼條帶移動(dòng)經(jīng)過2D距離時(shí)可以限定12個(gè)這樣的點(diǎn)。
上述實(shí)施例利用了代碼條帶來調(diào)制來自發(fā)射器檢測(cè)器模塊的光。術(shù)語(yǔ)代碼條帶通常用來指線性編碼器，即沿著一條線的一系列交替的矩形條帶，這些條帶用于測(cè)量一個(gè)組件相對(duì)于另一個(gè)的線性位移?，F(xiàn)參考圖9，該圖是線性編碼器90的一部分的頂視圖，該線性編碼器90具有代碼條帶91，該代碼條帶91包括分別沿線96排列的反射性和吸收性條帶92和93。發(fā)射器檢測(cè)器模塊95被放置在代碼條帶的一部分之下。代碼條帶沿著平行于線96的方向相對(duì)于發(fā)射器檢測(cè)器模塊95移動(dòng)。發(fā)射器檢測(cè)器模塊包括多個(gè)具有以上形式的光電檢測(cè)器。每個(gè)光電檢測(cè)器包括一個(gè)窗口和一個(gè)光電二極管，該光電二極管在代碼條帶圖樣相對(duì)于檢測(cè)器移動(dòng)時(shí)生成正弦信號(hào)。光電二極管的數(shù)目將取決于檢測(cè)器中實(shí)現(xiàn)的信道的數(shù)目。
但是，將會(huì)意識(shí)到，利用本發(fā)明教導(dǎo)還可以構(gòu)造利用代碼盤來測(cè)量軸相對(duì)于固定位置的角位移的軸編碼器?，F(xiàn)參考圖10，該圖是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的編碼器80的頂視圖。編碼器80對(duì)軸86的角位置進(jìn)行編碼。編碼器80與上述編碼器的類似之處在于發(fā)射器檢測(cè)器模塊85照射代碼圖樣并且測(cè)量被代碼圖樣的反射性部分所反射的光。上述代碼條帶被代碼盤81所取代，該代碼盤包括沿著一個(gè)圓的交替的截餅狀扇形82和83，該圓的圓心與軸86的一致。每個(gè)扇形由圓心位于軸86的圓心處的圓89的兩條半徑以及圓88和89限定。光電檢測(cè)器包括在圓的半徑上對(duì)準(zhǔn)的代碼窗口，從而光電二極管生成彼此相位有偏移的正弦信號(hào)。光源和發(fā)射器檢測(cè)器模塊85的光電檢測(cè)器在圓89的半徑84上對(duì)準(zhǔn)。為了簡(jiǎn)化這里使用的術(shù)語(yǔ)，術(shù)語(yǔ)“代碼條帶”被定義為既包括線性代碼條帶，也包括圓形代碼盤。
上述實(shí)施例利用了相位相差90度的兩個(gè)正弦信號(hào)。但是，也可以構(gòu)造使用不同數(shù)目的正弦信號(hào)的實(shí)施例。例如，編碼器可以利用生成相位相差60度的三個(gè)正弦信號(hào)的三個(gè)檢測(cè)器。這些信號(hào)隨后將被組合以提供頻率倍增的信號(hào)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員從前述描述和附圖中將明顯看出對(duì)本發(fā)明的各種修改。因此，本發(fā)明只應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求書的范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種編碼器，包括檢測(cè)器；光學(xué)系統(tǒng)，用于在所述檢測(cè)器上生成代碼條帶的圖像，所述圖像包括多個(gè)亮條帶和暗條帶，所述檢測(cè)器在所述代碼條帶相對(duì)于所述檢測(cè)器移動(dòng)時(shí)生成彼此相位不同的多個(gè)正弦信號(hào)，當(dāng)所述代碼條帶相對(duì)于所述檢測(cè)器移動(dòng)等于一個(gè)亮條帶和一個(gè)暗條帶的距離時(shí)，每個(gè)正弦信號(hào)循環(huán)經(jīng)過一個(gè)周期；頻率倍增器，其生成多個(gè)頻率倍增的信號(hào)，每個(gè)頻率倍增的信號(hào)對(duì)應(yīng)于所述正弦信號(hào)之一，并且具有是該相應(yīng)正弦信號(hào)的頻率的整數(shù)倍的頻率，所述整數(shù)倍大于1；以及信號(hào)內(nèi)插器，其利用所述頻率倍增的信號(hào)限定多個(gè)位置，相應(yīng)于所述代碼條帶相對(duì)于所述檢測(cè)器移動(dòng)等于一個(gè)亮條帶和一個(gè)暗條帶的距離，至少有5個(gè)這樣的點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述檢測(cè)器生成相位相差90度的所述正弦函數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述信號(hào)內(nèi)插器生成具有第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的信號(hào)，其中，每當(dāng)所述頻率倍增的信號(hào)之一經(jīng)過預(yù)定值時(shí)，所述信號(hào)改變狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求2所述的編碼器，其中所述整數(shù)倍是2的整數(shù)倍。
5.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述檢測(cè)器包括多個(gè)光電檢測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種經(jīng)改進(jìn)的內(nèi)插編碼器。公開了一種編碼器，其具有檢測(cè)器和在檢測(cè)器上生成代碼條帶的圖像的光學(xué)系統(tǒng)。該圖像包括多個(gè)亮條帶和暗條帶，該檢測(cè)器在代碼條帶相對(duì)于檢測(cè)器移動(dòng)時(shí)生成彼此相位不同的多個(gè)正弦信號(hào)。當(dāng)代碼條帶相對(duì)于檢測(cè)器移動(dòng)等于一個(gè)亮條帶和一個(gè)暗條帶的距離時(shí)，每個(gè)正弦信號(hào)循環(huán)經(jīng)過一個(gè)周期。頻率倍增器生成多個(gè)頻率倍增的信號(hào)。該編碼器使用信號(hào)內(nèi)插器，該信號(hào)內(nèi)插器利用頻率倍增的信號(hào)限定多個(gè)位置，相應(yīng)于代碼條帶相對(duì)于檢測(cè)器移動(dòng)等于一個(gè)亮條帶和一個(gè)暗條帶的距離，至少有5個(gè)這樣的點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/347GK1975339SQ20061008690
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者傅相隆 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司