绝对式光编码轮、绝对式编码器及其检测绝对位置的方法

摘要

本发明涉及一种绝对式光编码轮、绝对式编码器及其检测绝对位置的方法。该绝对式编码器包含绝对式光编码轮，且该绝对式光编码轮包含主光栅单元及两个副光栅单元；该两个副光栅单元分别位于该主光栅单元两侧且光栅数目比该主光栅单元少一个。在该绝对式编码器作绝对位置检测时，可以转动该绝对式光编码轮以找出该副光栅单元的检光信号零点，并找出该主光栅单元对应该零点的数值，借此即可推算绝对位置。由于该绝对式编码器可以同时提供增量位置及绝对位置计算，因此可以增加使用弹性。

说明书

技术领域

本发明有关于一种绝对式编码器及其操作方法，特别是有关于一种利用增量式编码器架构的绝对式光编码轮、绝对式编码器及其检测绝对位置的方法。

背景技术

公知交流伺服马达通常内含一个光学编码器，该光学编码器提供转子的角度以获知马达转速信息，该转速信息可反馈至相关速度控制单元以精确控制马达转速。

图1为公知交流伺服马达控制系统的方框图，马达10的转子的角度位置由光学编码器12检测并经信号处理单元20处理以得到角度信息。该角度信息送至控制器14处理以得到马达估计转速，然后速度控制器30接收该马达估计转速及速度命令，借以控制控制器模块32及绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块34产生控制马达转速信号，以精确控制马达10转速。

更明确而言，在伺服马达中，安装在马达转轴上的位置传感器便是光学编码器12，伺服马达的定位精度取决于编码器的分辨率高低，光学编码器(或称旋转编码器)12又分为增量式编码器和绝对式编码器。

增量式编码器只能提供位置相对于前一位置的信息，所以电源中断后，位置的信息变化必须重新归零才可确认。在断电后再重新上电的瞬间，增量式编码器无法立即知道目前机构所在位置。绝对式的位置编码器，能随时输出轴角度或位置的绝对值且不会因为电源中断而丧失位置的信息，因此断电再上电后无需进行归零程序，简化了控制系统的运作。

参见图2，为光学式编码器的基本构造的示意图，光源260发出的光线经过旋转码盘200及一个固定不动的副编码盘220到达光感测组件240，光感测组件240接收到的光线强度随着旋转码盘200位置不同而有不同的强度变化，通过光感测组件240上的信号变化便可检知位置信息。

参见图3，为公知绝对式编码器的旋转码盘300的示意图，其中该旋转码盘300为6位(6bit)二进制代码的码盘设计。该旋转码盘300包含圆形主体302及多数个光栅304。该光栅304包含位于最内圈编码轨道且占有1/2圆周的1个第一光栅304A、在内侧第二圈编码轨道且各占有1/4圆周的2个第二光栅304B、第三光栅304C、第四光栅304D、第五光栅304E及在最外侧编码轨道且各占有1/64圆周的32个第六光栅304F。因此沿着辐射(radial)方向可以产生不同的明暗信号，并可沿着圆周方向实现2⁶＝64的分辨率。然而在如图3所示的绝对式编码器架构，分辨率每增加一个位(bit)码盘便必须增加圈的编码轨道，分辨率越高编码轨道数便越多，编码器的体积就越大。在一些有体积限制的场合，绝对式编码器的精度便有所限制了。

参见图4A，为增量式编码器的旋转码盘400示意图，该旋转码盘400包含圆形主体402及多数个光栅。这些光栅包含主光栅404A、第一副光栅404B及第二副光栅404C，该第一副光栅404B及第二副光栅404C分别在主光栅404A两侧，且在圆形主体402特定位置上。参见图4B，其为副编码盘420的示意图；该副编码盘420包含四排光栅420A。

参见图4C，为光感测组件440的示意图，该光感测组件440包含对应于主光栅404A的主感测单元442A、444A、442B、444B，也即标示为A+/B+/A-/B-的区域。当旋转码盘400旋转时，在光感测组件440的四个单元(A+/B+/A-/B-)会产生类似弦波的信号。这四个弦波的相位分别为0/90/180/270度，取0/180信号(A+/A-)作差动放大后可得到消除共模噪声(common mode noise)的正弦信号A；同样的取90/270信号(B+/B-)作差动放大后可得到消除共模噪声的余弦信号B；A、B两个信号的相位差90度，可以用来判断正转或反转。

增量式编码器基本上只须A、B信号就可以检知位置信息，但由于此位置信息只提供相对于前一位置的信息，因此还需另外设置原点信号感测单元446A，446B(Z+/Z-)，在每次系统上电时先回原点归零后才可得到绝对位置信息。增量式编码器的优点是只需六个信号便可得到高分辨率的位置信息，其缺点则是每次开机上电都须执行回原点动作，不但浪费时间且在某些不容许回原点程序的应用场合，增量式编码器就无法符合需求而需增设绝对式编码器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种以增量式编码器架构实现绝对寻址功能的绝对式光编码轮、绝对式编码器及其操作方法，无需每次开机上电执行回原点动作，简化控制系统的动作。

为了达成上述目的，本发明提供了一种绝对式光编码轮，其包含编码轮主体，该编码轮主体包含：

主光栅单元，其具有第一数目的主光栅，且该主光栅沿着该编码轮主体的圆周方向排列；及

至少一个副光栅单元，其具有第二数目的副光栅，且该副光栅沿着该编码轮主体的圆周方向排列，其中该第二数目较该第一数目少一个。

本发明还提供了一种绝对式编码器，其包含编码轮主体，且该绝对式编码器可以判断该编码轮主体与光源的绝对位置，该绝对式编码器包含：

主光栅单元，其具有第一数目的主光栅，且该主光栅沿着该编码轮主体的圆周方向排列；

至少一个副光栅单元，其具有第二数目的副光栅，且该副光栅沿着该编码轮主体的圆周方向排列，该第二数目较该第一数目少一个；

多数个主感测单元，其对应于该主光栅单元设置，且接收该光源发射的光线；

至少一个调制轨道感测单元，其对应于该至少一个副光栅单元设置，且接收该光源发射的光线；及

控制器，电连接到该主感测单元及该至少一个调制轨道感测单元，并可由多数个该主感测单元及该至少一个调制轨道感测单元的感测结果判断该编码轮主体对于该光源的绝对位置。

另外，本发明还提供了一种使用绝对式编码器检测绝对位置的方法，该方法包含：

提供光源；

提供绝对式光编码轮，其包含：

编码轮主体；

主光栅单元，其具有第一数目的主光栅，且该主光栅沿着该编码轮主体的圆周方向排列；及

至少一个副光栅单元，其具有第二数目的副光栅，且该副光栅沿着该编码轮主体的圆周方向排列，该第二数目较该第一数目少一个；

驱动该绝对式光编码轮转动一个光栅的转动量，并检测对应于该副光栅单元检光信号的一个零点；

找出该主光栅单元对应于该零点的检光数值，并计算该绝对式光编码轮的绝对位置。

该绝对式编码器包含绝对式光编码轮，且该绝对式光编码轮包含主光栅单元及两个副光栅单元；该两个副光栅单元分别位于该主光栅单元两侧且光栅数目比该主光栅单元少一个。在该绝对式编码器作绝对位置检测时，可以转动该绝对式光编码轮以找出该副光栅单元的检光信号零点，并找出该主光栅单元对应该零点的数值，借此即可推算绝对位置。由于该绝对式编码器可以同时提供增量位置及绝对位置计算，因此可以增加使用弹性。

由以上技术方案可以看出，本发明以增量式编码器的轨道数实现输出绝对位置的功能；绝对式编码器可以交互使用增量信号与内插绝对位置信号以提升位置精确度；主信号与调制信号采用差动放大方式消除共模噪声。

附图说明

图1为公知交流伺服马达控制系统的方框图；

图2为光学式编码器的基本构造示意图；

图3为公知绝对式编码器的旋转码盘的示意图；

图4A为公知增量式编码器的旋转码盘的示意图；

图4B为公知副编码盘的示意图；

图4C为公知光感测组件的示意图；

图5A为本发明编码器的旋转码盘的示意图；

图5B为本发明副编码盘的示意图；

图5C为本发明光感测组件的示意图；

图6为说明主信号轨道及调制轨道感测单元的检光信号。

附图标记说明

马达              10      光学编码器        12

控制器            14      信号处理单元      20

速度控制器        30      控制器模块        32

绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块     34

旋转码盘          200     旋转码盘          300    旋转码盘   400

副编码盘          220     副编码盘          420

光感测组件        240     光感测组件        440    光源       260

圆形主体          302     圆形主体          402

光栅              304

第一光栅          304A    第二光栅          304B

第三光栅          304C    第四光栅          304D

第五光栅          304E    第六光栅          304F

主光栅            404A    第一副光栅        404B

第二副光栅        404C    光栅              420A

主感测单元        442A    主感测单元        444A

主感测单元        442B    主感测单元        444B

原点信号感测单元  446A    原点信号感测单元  446B

旋转码盘          100     圆形主体          102

副编码盘          120     光栅              120A

光感测组件        140

主光栅单元        104A    第一副光栅单元    104B

第二副光栅单元    104C

主感测单元        142A    主感测单元        144A

主感测单元        142B    主感测单元        144B

调制轨道感测单元  146A    调制轨道感测单元  146B

具体实施方式

目前绝对式编码器大都采用实体的位置编码方式来提供绝对位置信息，常用的编码方式有二进制代码(Binary Code)及格雷码(Gray Code)两种方式，不论是二进制代码或格雷码，编码器的解析精度取决于感测组件的数量，感测组件的数量越多编码器的体积越大成本也就越高。本发明的主要目的是利用增量式编码器的架构来实现绝对式编码器的功能，只需在增量式编码器原有的码盘中增加一组调制信号(modulating signal)，便可产生周期360度的一组正弦及余弦信号，利用这组正弦及余弦信号便可内插出任一时刻的绝对位置信息。

参见图5A，为本发明的绝对式编码器的旋转码盘100(也即为绝对式光编码轮)示意图，该旋转码盘100包含圆形主体(即绝对式光编码轮的编码轮主体)102及该圆形主体包含多数个光栅。这些光栅包含位于主信号轨道的主光栅单元104A，位于至少一个调制轨道(图示为两个)的第一副光栅单元104B及第二副光栅单元104C，其中第一副光栅单元104B及第二副光栅单元104C的光栅数目(第二数目)比该主光栅单元104A数目(第一数目)少1个。例如该主光栅单元104A的光栅数目可以为2500个，则第一副光栅单元104B及第二副光栅单元104C的光栅数目均为2499个。

参见图5B，为副编码盘120的示意图；该副编码盘120与旋转码盘100及光感测组件140的相对位置关系与公知技术相似(参见图2)，且该副编码盘120包含四排分别对应于光感测组件(容后详述)的光栅120A。参见图5C，为光感测组件140的示意图，该光感测组件140包含对应于主光栅单元104A的主感测单元142A、主感测单元144A、主感测单元142B、主感测单元144B，也即标示为A+/B+/A-/B-的区域。再者该光感测组件140还包含对应于第一副光栅单元104B及第二副光栅单元104C的调制轨道感测单元146A及调制轨道感测单元146B。

本发明的主要目的为在增量式编码器的精简架构下实现绝对寻址的功能，参考图5A所示的旋转码盘设计，利用增量式Z+/Z-的区域设置了比A+/A-/B+/B-主信号轨道少一个光栅的调制轨道(M+/M-)。为方便图示起见，此处假设主光栅单元104A具有16个光栅，而第一副光栅单元104B及第二副光栅单元104C具有15个光栅。参见图6，主信号轨道转一圈在A+/A-光感测单元(主感测单元142A及142B)上差动产生16个正弦波(主信号为实线部分)，用调制轨道感测单元146A及146B(M+/M-)所差动出来的信号(副信号为虚线部分)作取样可以得到周期360度的正弦信号。如图6所示，若控制器(图中未示出，可利用如图1所示的控制器14，且控制器电连接到该主感测单元142A，142B及该至少一个调制轨道感测单元146A或146B)推动该旋转码盘100移动一个光栅的旋转量θ(对应于2度的角度变换)，则可找出对应于调制轨道感测单元146A及146B信号为360度(2π)零点(A点)时的A+/A-主感测单元(主感测单元142A及142B)的对应数值(对应于圆圈点的数值)。因为利用调制轨道感测单元146A及146B信号为360度(2π)零点取样的A+/A-光感测组件的数值为一个周期360度的正弦信号，因此可以利用该A点对应的数值找出该旋转码盘100的绝对位置。借由上述的绝对式光编码轮、上述的副编码盘120、及控制器判断即可构成本发明之绝对式编码器。

上述说明以具有16个光栅的主光栅单元104A为例，如果主光栅单元104A的光栅数目越多，则一个光栅的旋转量就越小。

同样的B+/B-主感测单元，即主感测单元144A及144B产生16个余弦波与调制轨道的信号M作取样可以得到周期360度的余弦信号，利用正余弦信号便可内插出绝对位置信号，这种新的架构由于仍然保留16个光栅的增量式信号，内插出来的绝对位置仍保有增量式的基本精度，同时如果原始正弦信号与余弦信号的高阶谐波分量够小的话，内插绝对位置精度还可向上提升。

本发明的优点可以概述如下：

1、以增量式编码器的轨道数实现输出绝对位置的功能；

2、绝对式编码器可以交互使用增量信号与内插绝对位置信号以提升位置精确度；

3、主信号与调制信号采用差动放大方式消除共模噪声。

本发明的实施例虽然以光学式编码器的架构为例，但所提出的绝对寻址方式适用于以其它物理原理如电磁、电容等信号方式的编码器。