专利名称：光学编码器及其控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学编码器及其控制装置，尤其涉及一种以数字信号处理器(DSP)为主、通过将原始模拟信号以反三角函数公式进行插补、同时对磁滞比较后的数字信号进行计数、从而可得到更高分辨率的光学编码器及其控制装置。
背景技术：
交流伺服马达内包含一个光学编码器，该光学编码器提供转子的角度以供定子切换电流来产生对应的电磁场。伺服马达安装在应用机构上，来实现定位或控速的需求。光学编码器提供得越精密，定位就会越精密，噪音也会越小。但是目前市面流通的产品用固定电路作插补的方式已到达到极限。
以传统光栅型编码器而言，常见的增加分辨率的方法有三种。一、增加编码盘条形码数目；二、电子细分割；三、采用不同的光学原理。其中方法一受限于制造工艺及衍射现象，其增加的分辨率有限；方法二不需改变本体架构，其应用的方法较多，随着电子信号处理速度的提升，其可增加的分辨率还能增加；方法三需改变原有架构，配合使用激光二极管及适当的光路设计，应用光学衍射或干涉原理以实现增加分辨率的需求。
从现有的光学编码器细分割产品来看，可概略区分成四种形式一、包含于编码器内，如GPI 9220、DRC 25D，RSF MS 6X系列；二、独立的产品，如雷尼绍(RENISHAW)RGE系列，HEIDENHAIN EXE 605及索尼MJ100/110、MJ500/600/700系列插补模块；三、依附于控制卡或其它产品内，如MMI200-PC/104；四、整合于马达内，如Fanuc、三菱(Mitsubishi)。细分割技术的分辨率从常用的4倍到2048倍，甚至更高的倍数，其可靠度大多取决于原始信号的品质及信号的补偿技术，而可达到的分辨率则受限于使用的原理。
一般而言，在信号品质相同的情况下，细分割的原始输入信号为模拟信号(弦波)，配合数字处理较易获得高倍分割数。
细分割原理可分为相位细分法和振幅细分法，按照功能和特征可分为下列几种一、直接细分法也就是四倍频法(如图1所示)，一般的伺服马达驱动器常提供这项功能。它主要利用编码器的A、B信号配合专用IC、PAL或GAL即可实现四倍频分割。
二、电阻链相移细分法此方法是利用类似弦波的A、B信号配合电阻链造成相差，再应用适当的和差组合，使原来的信号得以均分成n等份。这种方法分割得越细，所需的电阻数量就越多，阻值的精密度的要求也相对提高。常见的细分数在20左右。
三、电阻链组合方式，其可以并联或串联的方式(如图2所示)。由A、B输出的类弦波信号可表示为A＝U0sinαB＝U0cosα经过电阻链组合的信号可以表示为Ui＝Acosβi+Bsinβi＝U0(cosβisinα+sinβicosα)＝U0sin(α+βi)βi＝i*360°/n i＝1，2，3，4.....
A、B两相信号为相差90度的信号，可表示成两个正交的向量(V1，V2)，从中抽头的信号VK可表示成VK=V1+R2R1+R2(V2-V1)]]>=R1R1+R2V1+R2R1+R2V2]]>θ=tan-1(R2R1)]]>
例如美国专利第5920494号就是应用电阻链技术的例子，该专利提出了一种可多段(1X，2X，5X，10X)细分割从而保证在切换之间没有漏掉脉冲数目的方法。
四、幅值细分法顾名思义此方法是将A、B信号的振幅均分成n等份。参见图3，美国专利第6355927号利用几个振幅不同的A、B信号相减，再通过逻辑比较而实现细分的效果。
五、A/D查表细分法以电阻链相移细分法为例，分割倍数为20时将使用120个电阻及40个比较器，分割数越大，则所需的组件就会越多，组件的精密度也需相对提高，于是使用ADC(模拟数字转换器)的方法应运而生，可将A、B相信号的除值再经由电子电路应用泰勒级数展开获得现在的角度。但是，为了减少运算时间，常搭配ROM以查表方式实现(参见图4)。
六、电子运算细分法随着科技的发展，DSP及MPU(微处理器)的运算速度不断提升，为符合高速多样化的需求，高速高解析ADC配合DSP或MPU的细分割技术不断推陈出新。随着细分割数的增加，原始信号的品质要求更高，因此需要主动或被动地调整信号。这种补偿技术，通常包含信号振幅、DC准位及信号的正交性调整。如果DSP或MPU也同时用来作伺服控制，为了减轻其运算负担，部分的运算处理也可搭配查表或电子电路来实现。
图5为电子运算细分割的实例，采用并行处理架构，ADC分辨率为12bit，用来提供角度运算的依据，相位数字化装置(phase digitizer)为3bit，配合高速信号处理部分来产生N和PH，提供象限和比对的信息给DSP参考。当M为0、1、2、3时PH为1，当M为4、5、6、7时PH为0，当M从7变为0时，N增加1。
然而上述的各种已知的光学编码器无法解决高解析要求下的速度问题，即无法有效应用现有数字信号处理器的运算能力来达成更好的性能。
发明内容
因此本发明的一个目的在于提供一种以数字信号处理器为主、通过将原始模拟信号以反三角函数公式进行插补、同时对磁滞比较后的数字信号进行计数、从而得到更高分辨率的光学编码器及其控制装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种光学编码器及其控制装置。该光学编码器的控制装置电连接到光感测芯片，可接收光感测芯片的输出信号以判断玻璃片的位移信息。其中，控制装置包括一对模拟放大器，可将从光感测芯片输出的相位相差90度的周期信号放大；一对模拟数字转换器，其电连接到模拟放大器对，以将模拟放大器的输出转换成数字信号；一对磁滞比较器，其电连接到光感测芯片，可接收光感测芯片的输出信号以作磁滞比较；计数器，其电连接到磁滞比较器对，可以根据磁滞比较器的输出进行向上或向下计数；及固件单元，可以接收模拟数字转换器对及计数器的输出，可以反三角函数公式进行插补，同时对磁滞比较后的数字信号进行计数，从而可得到更高分辨率的光学编码结果。
图1为倍频信号说明图；图2为电阻链相移细分法示意图；图3为幅值细分法波形图；图4为查表细分法示意图；图5为电子运算细分割现有技术方框图；图6为按照本发明优选实施例的光学编码器的示意图；图7为按照本发明优选实施例的控制装置的方框图；图8为本发明控制装置中固件单元的操作流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下10-光学编码器100-控制装置110A-第一模拟放大器 110B-第二模拟放大器120A-第一磁滞比较器 120B-第二磁滞比较器120C-第三磁滞比较器150A-第一模拟数字转换器 150B-第二模拟数字转换器160-计数器 170-固件单元
200-同调光源210-玻璃片220-光罩片 240-光感测芯片具体实施方式
为了使本领域技术人员进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，附图仅提供参考与说明用，并非用来限制本发明。
参见图6，为按照本发明优选实施例的光学编码器10的示意图。光学编码器10包括同调光源200(例如为激光灯)、具有蚀刻记号的玻璃片210、光罩片220、光感测芯片240以及控制装置100(未示出)。玻璃片210为例如一圈有2500刻度的玻璃片，转动一圈后，光感测芯片240可以产生2500个A、B相的相差90°正弦信号。
参见图7，为按照本发明优选实施例的控制装置100的方框图。控制装置100可以接收来自光感测芯片240所检测的信号并加以处理，以得到玻璃片210的位移数据。控制装置100包含连接到光感测芯片240的第一模拟放大器110A和第二模拟放大器110B、连接到光感测芯片240的第一磁滞比较器120A、第二磁滞比较器120B和第三磁滞比较器120C。此外，控制装置100还包含分别连接到第一模拟放大器110A和第二模拟放大器110B的第一模拟数字转换器150A和第二模拟数字转换器150B、连接到第一磁滞比较器120A和第二磁滞比较器120B的计数器160以及连接到第一模拟数字转换器150A、第二模拟数字转换器150B、计数器160以及第三磁滞比较器120C的输出的固件单元170。
其中，第一模拟放大器110A和第二模拟放大器110B分别接收来自光感测芯片240输出的相差为90°的A、B相信号(正弦和余弦信号)，即A＝U0sinθB＝U0cosθ另外，经由第一模拟放大器110A和第二模拟放大器110B放大处理的A、B相信号可以分别经由第一模拟数字转换器150A和第二模拟数字转换器150B数字化后再传送到固件单元170，以进行倍频处理。
AB=tanθ]]>θ=tan-1AB]]>由上式，θ可以查表的方式得到，但由于tanθ的周期为π，从-π/2至π/2，由第一磁滞比较器120A和第二磁滞比较器120B输出的信号Ap、Bp(如图6所示)可进行四分割，从而得出θ的区间在哪一象限，同时Ap、Bp数字信号进入计数器160后，可进行脉波的计数。假设玻璃片210有2500ppr A，B相，表示编码器10可提供每圈有2500ppr*4＝10000ppr的解析。如果θ=tan-1AB]]>的表从0～π/2构建，分成180格，那么整个合成的分辨率就会达到1800000ppr。
在图7所示的方框图中，编码器的高解析要求主要用来解决低转速的位置解析和速度估计的问题。经过磁滞比较器和四倍频法，可得到如图1所示的波形，也就是说转动一圈后会有2500×4脉波。10000ppr对于高转速的估测是足够的，但是对于低转速的估测会产生阶梯化，从而导致电流的突变。为了增加解析，必须以光感测芯片的输出A、B相的相差90°的正弦信号来处理，这部分的工作可以由第一模拟放大器110A、第二模拟放大器110B、第一模拟数字转换器150A以及第二模拟数字转换器150B来完成。另外，在图7右侧所示的第一模拟数字转换器150A、第二模拟数字转换器150B、计数器160以及固件单元170可以由数字信号处理器来实现，利用数字信号处理器的运算能力以实现更好的性能。
参见图8，为本发明控制装置100中固件单元170的操作流程图。固件单元170在固定时间间隔触发(步骤100)，并读取计数器160的输出(步骤102)和判断计数器160的输出是否改变(步骤104)。如果计数器160的输出改变，则设定计数器160的输出Cu为目前计数值n，并且将θ的象限角度归零，即Cd＝0(步骤120)。如果计数器160的输出并未改变，则由第一模拟数字转换器150A和第二模拟数字转换器150B的输出结果可以得到角度θ(步骤110)，接着通过第一磁滞比较器120A和第二磁滞比较器120B输出的信号Ap、Bp可以修正角度θ的象限，即Cd＝θ/90(步骤112)。最后计数器160输出Cu、Cd，将其发送到固件单元170以判断玻璃片210的移动位置。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利范围内。
权利要求
1.一种光学编码器，包含光源；有蚀刻记号的玻璃片；光感测芯片，其接收所述光源照射到所述玻璃片的结果，以产生相位相差90度的周期信号；以及控制装置，其电连接到所述光感测芯片，接收所述光感测芯片的输出信号以判断所述玻璃片的位移信息，其中所述控制装置包括一对模拟放大器，其将从所述光感测芯片输出的所述相位相差90度的周期信号放大；一对模拟数字转换器，其电连接到所述模拟放大器对，以将所述模拟放大器的输出转换成数字信号；一对磁滞比较器，其电连接到所述光感测芯片并接收所述光感测芯片的输出信号以进行磁滞比较；计数器，其电连接到所述磁滞比较器对，根据所述磁滞比较器的输出进行向上或向下计数；以及固件单元，其接收所述模拟数字转换器对和所述计数器的输出，以得到所述玻璃片的位移信息。
2.如权利要求1所述的光学编码器，其中，所述相位相差90度的周期信号为正弦信号和余弦信号。
3.如权利要求1所述的光学编码器，其中，所述固件单元根据所述模拟数字转换器对的输出进行倍频处理。
4.如权利要求1所述的光学编码器，其中，所述固件单元根据所述模拟数字转换器对的输出而得到位移信息的角度θ。
5.如权利要求4所述的光学编码器，其中，所述光学编码器根据所述磁滞比较器对的输出决定所述位移信息的角度θ在哪一象限。
6.一种光学编码器的控制装置，其处理来自光感测芯片的输出信号，所述光感测芯片接收光源照射到有蚀刻记号的玻璃片的结果，以产生相位相差90度的周期信号，所述控制装置包括一对模拟放大器，其将从所述光感测芯片输出的所述相位相差90度的周期信号放大；一对模拟数字转换器，其电连接到所述模拟放大器对，以将所述模拟放大器的输出转换成数字信号；一对磁滞比较器，其电连接到所述光感测芯片，接收所述光感测芯片的输出信号以作磁滞比较；计数器，其电连接到所述磁滞比较器对，根据所述磁滞比较器的输出进行向上或向下计数；以及固件单元，其接收所述模拟数字转换器对和所述计数器的输出，以得到所述玻璃片的位移信息。
7.如权利要求6所述的光学编码器的控制装置，其中，所述相位相差90度的周期信号为正弦信号和余弦信号。
8.如权利要求6所述的光学编码器的控制装置，其中，所述固件单元根据所述模拟数字转换器对的输出进行倍频处理。
9.如权利要求6所述的光学编码器的控制装置，其中，所述固件单元根据所述模拟数字转换器对的输出而得到位移信息的角度θ。
10.如权利要求9所述的光学编码器的控制装置，其中，所述光学编码器根据所述磁滞比较器对的输出决定所述位移信息的角度θ在哪一象限。
全文摘要
一种光学编码器及其控制装置，该光学编码器的控制装置电连接到光感测芯片，可接收光感测芯片的输出信号以判断玻璃片的位移信息。其中，控制装置包括一对模拟放大器，可将从光感测芯片输出的相位相差90度的周期信号放大；一对模拟数字转换器，其电连接到所述模拟放大器对，以将模拟放大器的输出转换成数字信号；一对磁滞比较器，其电连接到光感测芯片，可接收光感测芯片的输出信号以作磁滞比较；计数器，其电连接到所述磁滞比较器对，可根据磁滞比较器的输出进行向上或向下计数；以及固件单元，可以接收所述模拟数字转换器对和计数器的输出，可以反三角函数公式进行插补，同时对磁滞比较后的数字信号进行计数，从而得到更高分辨率的光学编码结果。
文档编号G01D5/26GK1920487SQ20051009099
公开日2007年2月28日 申请日期2005年8月22日 优先权日2005年8月22日
发明者蔡清雄, 陈建达, 林孟璋, 林正平 申请人:台达电子工业股份有限公司