專利名稱：分度誤差估計裝置、分度誤差校準裝置和分度誤差估計方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及分度誤差估計裝置、分度誤差校準裝置和分度誤差估計方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)編碼器是分度誤差校準裝置，其檢測旋轉(zhuǎn)機械的旋轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)編碼器包括圓光柵盤和檢測器作為其的基本結(jié)構(gòu)，例如，光柵盤蝕刻有包括在外圍部分輻射方向上的幾百到幾十萬個分度線的分度圖形，檢測器布置 在光柵盤上并計數(shù)光柵盤轉(zhuǎn)動時經(jīng)過的分度線。提供這樣的旋轉(zhuǎn)編碼器從而光柵盤參與到被測對象的旋轉(zhuǎn)部分。與被測對象的旋轉(zhuǎn)相關(guān)的通過檢測器的分度線的數(shù)量被計數(shù)以檢測被測對象的旋轉(zhuǎn)角度(即，光柵盤的旋轉(zhuǎn)角度)。通常，上面描述的光柵盤具有人工標記的分度線。因此，分度線并不是以均勻的角度距離標記的，并且因此偏離了理想分度線位置(具有均勻的角度距離)。因此，由檢測器基于上面描述的分度線檢測的檢測值包含誤差(此處稱為分度誤差)。為校準這樣的分度誤差，傳統(tǒng)地會使用等分平均(equaldivision averaging)方法(參見，例如，WATANABE 等人的 “Automatic HighPrecision Calibration System for RotaryEncoder(First Issue),，，Journal of thejapan Society for Precision Engineering,Vol. 67No. 7(2001),1091-1095)。圖4示出了校正分度誤差的傳統(tǒng)方法。如圖4所示，傳統(tǒng)分度誤差校正裝置100采用同軸旋轉(zhuǎn)軸220上提供的、用于校正的光柵盤200A;并采用用于參考的光柵盤200B。用于校正的光柵盤200A的外圍提供有與光柵盤200A的分度圖形210相對的第一檢測器300A。用于參考的光柵盤200B的外圍提供有多個(圖4示出的示例中有6個)第二檢測器300B，該第二檢測器300B與光柵盤200B的分度圖形210相對，每個檢測器具有沿著光柵盤200B的圓周方向的均勻角度距離。配置分度誤差校正裝置100的計算裝置(圖中未示出)計算第一檢測器300A的檢測值和第二檢測器300B的每個檢測值之間的差值；通過平均所計算的差值獲得分度誤差；并用該分度誤差校正第一檢測器300A的檢測值。附帶地，等分平均法通常具有當傅里葉分量是檢測器數(shù)量的倍數(shù)時不可能識別分度誤差的傅里葉分量的缺點。因此，為了估計高準確度的分度誤差(該高精確分度誤差不缺少包括更高階分量的分量)，需要增加以均勻角度距離布置的檢測器(第二檢測器300B)的數(shù)量。然而，由于光柵盤的尺寸限制，可以布置的檢測器的數(shù)量同樣受到限制，從而使得在實際應用中難以識別更高階分量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種分度誤差估計裝置、分度誤差校正裝置和分度誤差估計方法，其可以在將檢測器數(shù)量保持在最小的同時估計高準確度的分度誤差。根據(jù)本發(fā)明的一個方面的分度誤差估計裝置被用于分度誤差校準裝置，該分度誤差校準裝置具有由旋轉(zhuǎn)軸支撐的光柵盤和布置在光柵盤上的至少四個檢測器。該分度誤差估計裝置包括檢測值合成器，其通過將從至少四個檢測器的每個獲得的每個檢測值乘以預定的系數(shù)計算線性和；和傅里葉分量識別器，其使用線性和的傅里葉分量并識別分度誤差的傅里葉分量。根據(jù)本發(fā)明的分度誤差估計裝置包括上述檢測值合成器和傅里葉分量識別器。因此，分度誤差估計裝置可以比較分度誤差的傅里葉分量和線性和的傅里葉分量，該線性通過從至少四個檢測器的每個中獲得的每個檢測值乘以預定的系數(shù)計算。該分度誤差估計裝置可以隨后識別該分度誤差的傅里葉分量。因此，在最小化檢測器數(shù)量的同時，可以估計高準確度的分度誤差，該高準確度的分度誤差不缺少包括更高階分量的任何分量。使用根據(jù)本發(fā)明的方面的分度誤差估計裝置，優(yōu)選地定義所述預定的系數(shù)從而移除包含在線性和中的旋轉(zhuǎn)角和運動誤差(kinematic error)。附帶地，檢測器的檢測值除了分度誤差以外還包括當旋轉(zhuǎn)光柵盤時與光柵盤的旋轉(zhuǎn)角相關(guān)的光柵盤的偏差(此處稱為 運動誤差)。也就是說，用與光柵盤的旋轉(zhuǎn)角相關(guān)的項、與分度誤差相關(guān)的項和與運動誤差相關(guān)的項配置由檢測值合成器計算的線性和。因此，當簡單地比較線性和的傅里葉分量和分度誤差的傅里葉分量時，分度誤差的傅里葉分量無法識別，因為線性和包含與光柵盤的旋轉(zhuǎn)角相關(guān)的項和與運動誤差相關(guān)的項。然而，根據(jù)本發(fā)明的方面，如上所述地定義系數(shù)。所以，可以從線性和中移除與光柵盤的旋轉(zhuǎn)角和運動誤差相關(guān)的項，并通過比較線性和的傅里葉分量和分度誤差的傅里葉分量，可以識別分度誤差的傅里葉分量。根據(jù)本發(fā)明的方面的分度誤差校準裝置包括由旋轉(zhuǎn)軸支撐的光柵盤；和布置在光柵盤上的至少四個檢測器。分度誤差校準裝置包括上述分度誤差估計裝置。因為根據(jù)本發(fā)明的方面的分度誤差校準裝置包括上述分度誤差估計裝置，可以獲得如上所述的分度誤差估計裝置的類似效果和優(yōu)點。進一步，通過使用估計的高準確度的分度誤差，可以優(yōu)選地估計光柵盤的旋轉(zhuǎn)角作為沒有分度誤差的角度。附帶地，借助于傳統(tǒng)分度誤差估計裝置100，當旋轉(zhuǎn)用于參考的光柵盤200B時的偏差(運動誤差)可通過使用多個第二檢測器300B的每個檢測值來移除。然而，對用于校準的光柵盤200A來說，僅提供第一檢測器300A。所以，第一檢測器300A的檢測值除了分度誤差以外還包括當用于校準的光柵盤200A旋轉(zhuǎn)時的偏差(運動誤差)。所以，即使當使用分度誤差校準第一檢測器300A的檢測值時，運動誤差依然存在。因此，沒有優(yōu)選地估計用于校準的光柵盤200A的旋轉(zhuǎn)角。相反地，根據(jù)本發(fā)明，向光柵盤提供至少四個檢測器。所以，分別使用從該至少四個檢測器獲得的每個檢測值，可以優(yōu)選地估計光柵盤的旋轉(zhuǎn)角作為沒有分度誤差的角度。所以，光柵盤的旋轉(zhuǎn)機械不要求極其準確，從而減少了制造分度誤差校準裝置的成本。根據(jù)本發(fā)明一個方面的分度誤差估計方法被用于分度誤差校準裝置，該分度誤差校準裝置包括由旋轉(zhuǎn)軸支撐的光柵盤；和在光柵盤上布置的至少四個檢測器。分度誤差估計方法包括合成檢測值以計算線性和，該線性和通過將從所述至少四個檢測器的每個獲得的每個檢測值乘以預定的系數(shù)來計算；并通過使用線性和的傅里葉分量識別分度誤差的傅里葉分量。進一步，因為根據(jù)本發(fā)明的分度誤差估計方法是由上述分度誤差校準裝置使用的方法，可以獲得如上所述的分度誤差校準裝置的類似效果和優(yōu)點。


參考記錄的作為本發(fā)明的實施例的非限制性例子的多個附圖，在隨后的詳細描述中對本發(fā)明進一步描述，在附圖中，相同的附圖標記代表貫穿若干附圖的視圖的類似部分，并且其中圖I是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的分度誤差校準裝置的配置的示意圖；圖2是圖示根據(jù)實施例的分度誤差估計方法的流程圖；圖3圖示了根據(jù)實施例的分度誤差估計方法；和圖4圖示了傳統(tǒng)分度誤差校準方法。
具體實施方式
此處示出的細節(jié)僅是舉例說明本發(fā)明的實施例并且僅用于本發(fā)明的實施例的示例性討論，并且為提供被認為是最有用的和最易于理解的、本發(fā)明的原理和概念性方面的描述。在這點上，為了對本發(fā)明的，未試圖示出比本發(fā)明的基本理解所需更詳細的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細節(jié)，結(jié)合附圖進行描述使得本發(fā)明的形式如何在實際中具體化對本領域技術(shù)人員來說是顯然的。 下面參考

本發(fā)明的實施例。(分度誤差校準裝置的配置)圖I是圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的分度誤差校準裝置I的配置的示意圖。如圖I所示，分度誤差校準裝置I配置有包括光柵盤2的旋轉(zhuǎn)編碼器、檢測器3、計算裝置4等。該光柵盤2形成為圓盤形狀，在其上沿著外部邊界蝕刻有分度圖形21。該光柵盤2由旋轉(zhuǎn)軸22可繞軸地且可旋轉(zhuǎn)地支撐。分度圖形21在圖中未詳細示出，但是配置有在光柵盤2的輻射方向上延伸的精細的分度線。檢測器3相對分度圖形21地布置并且當光柵盤2旋轉(zhuǎn)時，該檢測器3輸出具有對應于通過檢測器3的分度線的正弦波形的檢測信號。在此實施例中，如圖I所示，四個檢測器3沿著光柵盤2的外部邊界布置。來自四個檢測器3的輸出經(jīng)由四組插值器5和計數(shù)器6傳送到計算裝置4。進一步，該計數(shù)器6從來自外部源的鎖存信號和初始化信號6A接收輸入，并且每個計數(shù)器6進行當前計數(shù)的掃描和重置計數(shù)器至零。計算裝置4經(jīng)由插值器5和計數(shù)器6處理來自檢測器3的檢測信號輸入，并估計光柵盤2的旋轉(zhuǎn)角、變化量、旋轉(zhuǎn)速度等。計算裝置4配置有計算機系統(tǒng)，該計算機系統(tǒng)基于特定的程序執(zhí)行處理。該計算裝置4從外部輸入設備(圖中未示出)操作并且向輸出設備輸出信號和/或視頻圖像。在圖I所示的計算裝置4之中，僅圖示用于進行本發(fā)明的主要部分的功能性。例如，該計算裝置4作為根據(jù)本發(fā)明的分度誤差估計裝置，并包括圖I中所示的檢測值合成器41和傅里葉分量識別器42。該檢測值合成器41通過將從每個檢測器3中獲得的每個檢測值乘以預定系數(shù)來計算線性和。傅里葉分量識別器42使用由檢測值合成器41計算的線性和的傅里葉分量并識別分度誤差的傅里葉分量。(分度誤差估計方法)接下來，描述使用計算裝置4的分度誤差估計方法。圖2是圖示分度誤差估計方法的流程圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的分度誤差估計方法。為了說明的方便，如圖3所示，下列示例將四個檢測器3稱為第一至第四檢測器3A-3D。此外，在與旋轉(zhuǎn)軸22正交的平面上，互相垂直相交的兩軸命名為X軸和Y軸。如圖3中所示，在此例中在X軸上提供第一檢測器。第二至第四檢測器3B-3D在光柵盤2的外部邊界從第一檢測器3A的位置起以不等間距(不等角度距離)布置。在此例中，為了說明第一至第四檢測器3A-3D的位置關(guān)系，相對X軸的每個角度被分別定義為α1-α4。因為在X軸上提供第一檢測器3Α，第一檢測器3Α的位置(角度α I)是“O”。首先，當旋轉(zhuǎn)光柵盤2時，計算裝置4 (檢測值合成器41)經(jīng)由通過插值器5和計數(shù)器6處理來自第一至第四檢測器3A-3D的檢測到的信號輸入。然后，計算裝置4 (檢測值合成器41)將由第一至第四檢測器3A-3D檢測到的每個檢測值乘以預定系數(shù)，并獲得線性和(步驟STl :檢測值合成步驟)。在此例中，從第一至第四檢測器3A-3D獲得的每個檢測值1111(0)-1]14(0)由下列的表達式I表示·
(表達式I)Θ ) = Θ 十 ω ( Θ +Ct1)十q! = [-sin ( a J cos ( α ) ]，α ι = 0
r
Q ■ C ( θ )m2( θ ) 二 θ 十 ω ( θ +α2)十^-，q2 = [-sin ( α 2) cos ( α 2)]
r
G * C (θ^m3( θ ) =θ 十 ω ( θ +α3)十-，q3 = [—sin ( α 3) cos ( α 3)]
rm4( θ ) = θ + ω (θ+α4)十·^~q4 = [—sin ( α 4) cos ( α 4) ]... (I)
r在以上表達式中，“ θ ”是光柵盤2的旋轉(zhuǎn)角，“r”是光柵盤2的半徑?！癱(9)”是光柵盤2旋轉(zhuǎn)時該光柵盤2的偏差(運動誤差)(在圖3中，當光柵盤2的旋轉(zhuǎn)角為O時，光柵盤2的中心位置在“O”處，當旋轉(zhuǎn)角為Θ時，中心位置在“O”處)。如圖3所示，“qi”是第一至第四檢測器3A-3D的敏感方向向量(切線向量)(參考圖3)。此外，“i”是第一至第四檢測器3A-3D的檢測器號碼(1-4依次表示第一至第四檢測器3A-3D的檢測器號碼)?！唉?φ)”是分度誤差。該分度誤差ω(φ)由下面的表達式2表示。(表達式2)ω (φ) = 2]_^Ck expiik φ ) ... ( 2 )具體地，在步驟ST1，計算裝置4將從第一至第四檢測器3A-3D獲得的每個檢測值ml ( Θ ) -m4 ( Θ )(表達式I)乘以各自的系數(shù)al_a4，以便于計算如下面的表達式3表示的線性和 πιτ(θ)。(表達式3)mT( Θ ) =Θ ) + a2m2( θ ) + a3m3( θ ) +a4m4(0)= ( E1+a2+a3+a4) Θ十 S1Co ( Θ ) + a 2ω ( Θ + a 2)十 a3co ( Θ + a 3) + a4oj ( Θ 十 ct 4)十(aWi+asqz+asqs+adq」·-~...(3)
r定義上面描述的系數(shù)al_a4以移除在表達式3中所表示的線性和mT ( Θ )中包括的旋轉(zhuǎn)角Θ和運動誤差c(0)的項。具體地，定義系數(shù)al_a4以滿足下面的表達式4。此外，來自表達式4的系數(shù)al_a4不是一致的，并且因此系數(shù)al可被定義為，例如，“al = _1”，以確保系數(shù)al_a4不全為“O”。(表達式4)
權(quán)利要求
1.一種用于分度誤差校準裝置的分度誤差估計裝置，所述分度誤差校準裝置具有由旋轉(zhuǎn)軸支撐的光柵盤和布置在光柵盤上的至少四個檢測器，所述估計裝置包括 檢測值合成器，被配置以通過將從所述至少四個檢測器的每個獲得的每個檢測值乘以預定系數(shù)來計算線性和；以及 傅里葉分量識別器，其使用所述線性和的傅里葉分量并且其被配置以識別所述分度誤差的傅里葉分量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分度誤差估計裝置，其中定義所述預定系數(shù)從而移除包含在所述線性和中的旋轉(zhuǎn)角和運動誤差。
3.一種分度誤差校準裝置，包括 光柵盤，由旋轉(zhuǎn)軸支撐； 至少四個檢測器，布置在所述光柵盤上；和 分度誤差估計器，包括 檢測值合成器，被配置以通過將從所述至少四個檢測器的每個獲得的每個檢測值乘以預定系數(shù)來計算線性和；以及 傅里葉分量識別器，其使用所述線性和的傅里葉分量并且其被配置以識別所述分度誤差的傅里葉分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分度誤差校準裝置，其中定義所述預定系數(shù)從而移除包含在所述線性和中的旋轉(zhuǎn)角和運動誤差。
5.一種用于分度誤差校準裝置的分度誤差估計方法，所述分度誤差校準裝置具有由旋轉(zhuǎn)軸支撐的光柵盤和布置在光柵盤上的至少四個檢測器，所述估計方法包括 合成檢測值以通過將從所述至少四個檢測器的每個獲得的每個檢測值乘以預定系數(shù)來計算線性和；以及 通過使用所述線性和的傅里葉分量識別所述分度誤差的傅里葉分量。
全文摘要
分度誤差估計裝置、分度誤差校準裝置和分度誤差估計方法。用于分度誤差校準裝置的分度誤差估計裝置，所述分度誤差校準裝置具有由旋轉(zhuǎn)軸支撐的光柵盤和布置在光柵盤上的至少四個檢測器，所述分度誤差估計裝置包括檢測值合成器，其通過將從所述至少四個檢測器的每個獲得的每個檢測值乘以預定系數(shù)來計算線性和；以及傅里葉分量識別器，其使用所述線性和的傅里葉分量并識別所述分度誤差的傅里葉分量。
文檔編號G01D18/00GK102954815SQ20121038746
公開日2013年3月6日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者奈良正之 申請人:株式會社三豐