专利名称：可光编程的编码器装置和方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种光学编码器装置和方法，更确切地说，涉及这样一种光学编码器，其将电动机械装置的物理运动转变为可用于控制和驱动该机械的有一定意义的电信号。这种装置和方法的一种重要应用是控制电动机的运行。
与本发明最相关的背景技术可在电动机控制和转换的领域内找到。然而，应理解，本发明并不局限在这一领域。由于本发明最重要的应用与电动机运行的控制相关，故如下的讨论将主要针对这一领域。
本发明可以按照交流电动机的简单变速控制装置和方法来实施，其能进一步改进或提高电动机的正常运行效率。这种实施包含单相和多相交流感应电动机的直接的光——电转换，而且还可适应于其它交流和无刷直流电动机。
通常，交流感应电动机的换相涉及利用交流供电的频率以在适当的定子绕组中提供感性电流，产生磁通，接着又在电枢绕组中感应电流并形成磁通。当在两种磁通之间严格同步或一致时产生转矩或作用力，使转子运动。
转子的运动或电动机的速度直接与处在规定电压数值下的输入电源的频率成正比。通常交流电动机输入电压和频率是固定的，这又使转子速度是固定的。在交流感应电动机中，在定子和转子频率之间存在一定数值的“滑差频率”。即，转子的速度小于定子旋转磁场的速度。通过适当地调节各不相同的频率、电压、极数、绕组数或相数、滑差量值等可以实现对转子速度的控制。
现时改变和控制交流电动机(或无刷直流电动机)速度的方法通常涉及某种与电动机相关联的速度检测装置、其向一微处理器、逆变器或矢量控制器和驱动器提供反馈或输入信号，对该信号进行分析，调节、改变、整形等，以便与电动机所需的频率、电压和功率相适应。来自微处理器、逆变器或矢量控制器的信号控制频率、电源脉冲宽度、电流和电压数值、相位或者这些参数的各种组合。这些现有的方法通常是复杂、成本高以及不便的。通常它们需要速度检测输入装置或方法，单独的分析和控制信号整形装置以及用于功率输出的驱动器，所有这一切都必须正确地连接并彼此同步。
本发明不同于上述方法，其使用单一的装置来进行检测、分析和速度控制，同时能利用较少能量提高转矩和功率输出。与其它方法相类似，本发明也是使电动机速度与输入电源的频率和电压相联系的，但实现这种联系并没有使用其它可变速方法使用的大多数元件。本发明的编码器采用关于“可光编程”的新颖概念经过直接转换实现选配、调准、仿形变换和控制电动机的速度、方向、滑差、相位以及利用较少的能量提高转矩和功率。
已有其它人公开了用于直流电动机换向控制的光编码器。然而，在这些方法中，所使用的光学元件如光发射器、检测器以及编码器盘简单地正像电阻式、磁方式或电方式变化元件作用一样。这是因为这些方法仅涉及一维的光“快速开闭”作用，即增减光的强度、挡或不挡光的通道，产生正弦波或方波输出。这些波形可以利用非光学元件以相似的方式产生。
如下的专利公开了采用一种结合固定盘、掩光层或调制盘工作的旋转编码器来产生正弦信号波形授予Seward的3193744号美国专利、授予Imamura的4160200号美国专利、授予Terrell的4224515号美国专利、授予Veale的4429267号美国专利、授予Ho的4599547号美国专利和授予Dolan等人的5103225号美国专利。如下的专利公开了仅采用编码盘或轮而无静止的掩光层或调制盘的光编码器的使用情况，该编码器产生在换向和转速领域中采用的方形脉冲，计有授予Born的4353016号美国专利、授予Lee的4882524号美国专利以及授予Blaster等人的5198738号美国专利。最后授予Webber的5177393号美国专利公开了一种用于直流无刷电动机换向的光编码器，其采用印有正弦图形的反射式编码器盘。
在这些专利中公开的所有编码器的局限性在于，它们都不能以光学方式将电动机整流信号的波形整形为所需的波形，以便以最优方式控制电动机的速度、方向、滑差、相位、转矩和功率输出。换句话说，它们不是“可光编程”的。此外，在这些专利中所提出的很多编码器需要附加的转换“控制”元件，以便产生方波驱动信号并使它们与电动机的磁极和绕组相匹配。此外，所有上述取得专利的编码器都与全部光学元件的物理布局、尺寸、形状以及相互作用相关。最后，这些专利的编码器在设计、或实际的和可能的实施方面缺乏灵活性。
本发明的装置和方法采用的光编码器，其本身作为一种“可光编程的”器件可直接对电机的机械运动进行检测、整理和变换为编程的电信号，该信号与该电机或其它控制元件相配合。编码器进行光编程，在于其体现预定的光特征函数以及包含的光转换元件可以按曲线图形方式或几何图形方式成形，以表示几乎任何数学或代数表示的波形函数。编码器可以产生至少一种具有预定波形作为光特征函数变换形式的电信号。由于电信号是与编码器耦合的机械的“循环性的”运动的直接结果，因而，可以用于控制(如一般编码器)、整形和放大(如微处理器)、调节和变换(如变换器)以及变化(如放大器)。术语“循环性的”对于本申请意指包括但不局限于再现的、重复的、周期性的、旋转的、往复式的以及谐振荡运动形式。
本发明的装置和方法能够通过光编程方式来形成、整形、调节和控制几乎所有的数字或代数(函数)的电输出波形图形，这一点使本发明能与迄今所提出的方法和装置相区别。
在发明人看来，关于编码器和编码方法的方案和观点是与电子学和电路十分类似的。具体地说，发明人认为光编码器(OE)目前的情况与三、四十年前集成电路对于电子学来说的情况相类似。IC在很多方面仅不过是已有电子电路的重新封装。这种重新封装起始阶段只不过是将已有的电子电路、元件等集成到一个单一的、较小的、更经济有效的可用器件中。然而，这种简单的“重新封装”很快发展甚至产生革命性的变化，即不仅是重新封装已有的电路而且确实形成了新的市场、产业和电子电路。在产生IC之前，很多这样的电路仅是概念性的或是用数学表示的，并且在某些情况下甚至是不可想象的。通过这种“重新封装”或合并到一个单一的产品结构中，使得实现这个种电路成为可能。
本发明人相信，本发明人的编码方法，具体地说光编码方法处于相似的关键阶段。今天已经有各种各样的光编码技术，但如本发明人的总的方案构成一样，这种“重新封装”到单一的或微缩的经济有效的紧凑产品中的技术有可能实现相似的前景。
为了进一步说明这种相似性，本发明人现已用一种单一的OE封装，发展一种“光编程”方法，利用这种“单一产品方法”提供了新的光编码应用的可能性，这些应用迄今绝未被使用，在某些情况下，甚至是未想象到的。
与IC相似，在某些情况下，很多这些应用已经以其它形式或利用其它多个元件已经实现。本发明人的方法和方案已将这些合并到单一的产品中。然而，如同IC一样，本发明人也能够将迄今仅利用数学方式表示的原理或者说经济上不可行或不可能实际构成的原理化为现实。
此外，本发明人认为，本发明人同样已经提出和发明另外的新的原理和应用，这些在本发明人的新的“IC方案”以前是从未出现或预见的。由本发明人结合光编码器(OE)开发的这种“光编程能力”(OP)可以和一种微处理器(micro或μp)一样，其中微处理器是电子线路的独特序列，这些呈现各种能力、适应性和“编程能力”的电子电路通常位于一块集成电路芯片上。
同样，本发明人已经开发了像μp或微处理器(微机)一样的“编程能力”或各种应用能力和处理能力，但是这些已归并到单一的有结合力的封装件中(像IC一样)。正是这种新颖独特的关于编码器、光编码、光编程的原理总体实现于一个封装件中，使本发明人的方法与集成电路和微机相似，正像IC有助于产生和发展微机，而微机又开发了电子技术应用的新原理、能力甚至产业一样，光编码和光编程能力也可以/应当这样。
因此，本发明人的论点是，本发明和关于光编码和光编程的原理所处地位正是约30到40年前集成电路和微处理器所处地位。本发明人的方案仅不过是现在对于其能力、可能性、产品和产业的规模和范围的初步探索。
正是这种本发明人对光编程的编码器的总的普遍预想，才使这一原理和产品那样激动人心、独特以及在应用可能性方面有无限前景。
因此，本发明的目的是提供光编码器装置和方法，其能避免与现有光编码器相关的局限性和问题。
本发明的另一个目的是提供这样一种光编码器装置和方法，其采用光编程能力的原理，以便为各特定应用产生各种不同的电信号波形。
本发明的再一个目的是提供这样一种光编码器装置，它的元件可以按光学方式编程，以产生所需的电信号波形。
本发明的再一个目的是提供这样一种光编码器装置和方法，用于直接驱动和控制单相和多相交流电动机以及直流无刷电动机。
本发明的再一个目的是提供这样一种光编码器装置和方法，其根据单一的光电器件来检测、分析和控制电动机速度。
本发明的再一个目的是提供这样一种光编码器装置和方法，其使控制电动机运行所需的电气和电子器件最少。
本发明的再一个目的是提供能提高效率、转矩和功率输出的光编码器装置和方法。
本发明的再一个目的是单独地或结合电动机驱动电路的相关的电子技术能力，利用编码器装置的光编程能力，以便明显提高功率因数并减少或消除电力线路的谐波失真。
本发明的再一个目的是提供这样一种光编码器装置和方法，其普遍适用于交流感应电机、、交流同步电机、AC异步电机、直流无刷电机、直流步进电机、单相、多相、少极、多极电机各实施例，以及其它运动控制课题。
本发明的再一个目的是在一简单和完全的封装件中构成光编码装置，其可简单地装在大多数电动机轴上，无须改变每一电动机或采用沉重繁复的固定安装件。
根据本发明提供一种光编码装置，用于将电动机械的循环运动变换为至少一种具有预定波形的电信号，从而可实现这些和其它目的。该装置包含至少一个响应于入射光能分布图形(pattern)的光检测器，由其产生电信号。
光编程装置在光路上与光检测器对准且其构成由于机械的循环运动而起作用。光编程装置沿多个方向变换在光检测器处的至少一个入射光能的分布图形，这种变换按照包括以几何图形或曲线图形表示的函数的光特征函数进行，该几何图形或曲线图形表示的函数可以转变为等效的波形函数。
光编程装置包括——光转换元件，例如，包含至少一种可光检测的分布图形的光编码器盘。该分布图形包括至少一个周期循环的图形并且可以包含部分数量的这种周期循环的图形。该编程装置还包括一含有至少一个一定图形形状的孔的掩光层，这些孔使按分布图形入射的光能从其间通过并到达光检测器。
首先利用盘上的分布图形和掩光层上的孔的对于光的综合作用来体现图形表示的函数，这种作用是根据机械的循环运动，同时盘与掩光层一个相对于另一个扫描来实现的。光检测器产生光电响应，这种响应和光特征函数的乘积定义了预定波形。在光检测器处的经变换的按照一定图形分布的入射光能变换为具有预定波形的电信号。
本光编程装置还可以包括至少一个发射入射光能的光发射器。由光发射器提供的入射光能经过按照呈一定曲线图形或几何图形的光通道与光检测器相耦合。
本发明的光编码器装置通过产生专门与特定电动机相配合和同步的信号波形特别适用于有效地控制电动机的运行。例如，编码器可用作使驱动信号的频率与电动机速度同步的可变速控制器。在这种情况下，控制器包含一用于对由编码器产生的电信号放大的放大器，并且提供一调节驱动信号电压电平以使速度变化开始的装置。
本发明的光编码器装置可以实现将N相电动机的旋转运动变成n个电信号，每个都具有适用于驱动电机的预定的相位关系。在这种情况下，编码器包含N个光通道，每个光通道包含一光发射器、盘上的分布图形、掩光层孔和检测器。在一优选实施例中，该盘上分布图形同心地排列在随电动机轴旋转的编码器盘上，实现各信号间的相位差的一种方式是按角位置连续地移动在编码器盘上的分布图形。每个信号的相对相位由在电动机轴一周旋转中的特定点处的分布图形和相关的掩光层孔的相对位置确定。
将电动机械的循环运动变换为至少一个具有预定波形电信号的方法也在本发明的考虑之中。此外，本发明包含控制电动机的操作包括速度在内的方法。
根据本发明的一种控制交流感应电动机运行的特定方法，包含如下的步骤(1)将光编码器耦合到电动机轴上，该编码器按照一种波形函数实现光编程，该函数具有的电信号周期数大于在电动机的额定速度和电源电压下产生额定的电源频率所需的周期数；(2)产生一对于电动机轴每周旋转基本上重复的波形函数；(3)将编码器输出信号放大到产生电动机额定速度所需的电压电平；(4)将放大的编码器输出信号向电动机馈送。此外，按照这种方法，可以改变编码器输出信号的电压电平，以改变电动机的速度及因此将编码器信号的频率变化到规定的数值。
由参照附图对优选实施例的如下介绍将会使本发明的其它目的变得更加明显，其中
图1是表示耦合到单相交流感应电动机上的根据本发明构成的单通道光编码器的示意图；图2是表示图1中的光编码器的光检测器元件的示意图，表示入射到检测器的光响应表面上的光能的瞬时分布图形；图3是表示耦合到三相交流感应电动机上的根据本发明构成的三通道光编码器的示意图；图4A-B分别表示根据本发明构成的具有用于产生正弦波形的分布图形的光编码器盘和相应的波形函数；图5A-C分别表示本发明的具有用于产生梯形波形的分布图形的光编码器盘、相应的波形函数，以及图5A中的循环分布图形以及对应的掩光层孔的按(X-Y)的等效的线性表示图；图6是按照本发明构成的掩光层的顶平面图，该掩光层与图4A、5A和7A中的编码器盘结合使用，以产生与图4B、5B和7B中的波形函数相对应的波形的信号；图7A-C分别表示根据本发明的具有用于产生正弦波形的分布图形的光编码器盘、相应的波形函数、以及图7A中的循环分布图形和相应的掩光层孔的按(X-Y)的等效线性表示图；图8A-C分别表示本发明的具有均匀和不均匀的分布图形的另一种光编码器盘、与不均匀的分布图形对应的波形函数，以及图8A中表示的不均匀分布图形和相应的掩光片层的按(X-Y)的等效线性表示图；图9分别表示一个电信号周期的梯形波形函数以及对应的编码器掩光层和盘的形态；图10分别表示一个电信号周期的三角形波形函数和相应的编码器掩光层和盘的形态；图11A-F分别表示一种特定的波形函数，以及按面积填充原理的代数方程计算的编码器掩光层和编码器盘的形态；图12A-C分别表示本发明的具有三个分布图形的光编码器盘，这些分布图形分别按0°、40°和80°整体移动，以便分别产生相位移0°、120、240电角度的三个信号；与图12A中的编码器盘结合使用的编码器掩光层；以及与图12A中的分布图形对应的三个相位移的波形函数；
图13A-C分别表示本发明的具有三个分布图形的光编码器盘，它们分别按0、40和80的物理角度角位移；一个与图13A中的编码器盘结合使用的编码器掩光层，其具有的三孔按0、-10、和-20的物理角度角位移；以及相位移0、90和180电角度的三个相应的波形函数；图14A-D分别表示本发明的具有包含6个孔的分布图形的光编码器盘、一包含其形状用于产生正弦波的孔的掩光层；相应的波形函数；以及图14A中的分布图形和相应的掩光层孔的按(X-Y)的等效线性表示图；图15A-D分别表示本发明的具有包含三个孔的分布图形的光编码器盘；一个包含一对其形状用于产生正弦波形的孔的掩光层；相应的波形函数；及以图15A中的分布图形和相应的掩光层孔的按(X-Y)的等效线性表示图；图16A-F是波形曲线图，表示对于由非整数个周期的波形函数产生的信号的间断区按图形校正的方法；图17A-D分别表示本发明的经校正的分布图形的光编码器盘，用于产生一重复的非均匀的波形并表示该校正的放大图；相应的经校正的和未校正的函数波形；未校正的分布图形的按(X-Y)的等效线性表示图；以及经校正的分布图形的按(X-Y)的等效线性表示图；图18是根据本发明构成的光编码器的部分分解图；图19是图18中的编码器的断面图；图20-22是一系列的表示将本发明的光编码器安装到电动机上的方法的示意图；图23A-B分别是防旋转的卡簧的侧立面图和顶平面图，该卡簧用于将本发明的光编码器壳体固定，并相对电动机轴调节其角位置；图24是本发明的固定到电动机轴上并且利用一防旋转卡簧以可调节方式固定到电动机轴上的编码器的顶平面图；图25A-B是分别表示本发明的具有与非整数波形函数对应的分布图形的编码器盘的顶平面图；以及与图25A中的分布图形对应的非整数波形函数的图示曲线；图26A-B是分别表示本发明的另一种编码器盘的顶平面图；以及与图26A中的编码器盘对应的连续波形输出的图示曲线；
图27A-B是表示通过电信号波形合成进行波形成形的电路示意图；以及图28是概略表示本发明方法的优选实施例的流程图。
下面参照图1，该图示有示意表示的本发明的基本元件。一单相三对极的交流感应电动机10包括定子组件12和转子组件14。定子12包含3对绕组。一对绕组16a和16b一起串联在地与交流输入端A之间。另二对绕组以相似的方式连接，如图所示，所有各对绕组并联在一起。当绕组利用交流输入信号作电激磁时，在定子12中形成6个磁极，这些磁极在转子14中感应相应数量的磁极。电动机10可以利用任何已知的方法例如利用起动绕组(未表示)起动。
转子14包含绕中心轴线20旋转的轴18。根据本发明构成的光编码器22耦合到轴18上。编码器22包含至少一个最好是红外发光二极管(LED)的发光器件24。光检测器件26与光发射器件24对准，并响应于由发光器件24发出的入射光能。检测器26产生的电信号与入射到光检测器26上的入射光能的量值成比例。检测器26最好是一光敏晶体三极管。发光器24和检测器26位置上是固定的，沿一光通道28对准。一个以编码器盘30形式的光转换元件耦合到轴18上并使之与轴18一起旋转。编码器盘30包含一个其中至少有一个周期循环图形34的可以光学方式检测的分布图形32。在该优选实施例中，周期循环图形34是以透光窗口的形式实现的。在包含控制电动机的很多应用中，周期循环图形34的数量等于在转子中的极对数。此外，循环图形34在物理上(按角度)与该成对的极对准。在某些应用中，正如下面要介绍的，这种使循环图形与磁极匹配对应的条件不必遵循。此外，由下面的讨论可以清楚地看出，循环图形34并不总是按照分散的透光窗口来实现。在某些情况，一个循环图形可以逐渐地转换到另一个。此外，循环图形34可以利用在透明的(或半透明的)编码器盘上的不透明区来实现。在另一实施例中，循环图形34可以按照在反射型编码器实施例中的反射的分布图形来实现。
继续参照图1，编码器盘30的中心轴线31与转子18的轴线20对准。盘30绕中心轴线31旋转。编码器22还包含一最好为盘形的掩光层36。掩光层36包含楔形孔38。掩光层36的中心轴线37实际上与编码器盘30的中心轴线31对准。掩光层36没有耦合到转子轴18上，而是在编码器22的工作过程中保持静止。
由于轴18的旋转运动使分布图形32扫描通过光通道28，编码器盘30产生作用。在这种意义下，盘30与光通道28形成光耦合。如图1所示，分布图形32沿着一假想的扫描轨迹围绕中心轴线31同轴排列。
如图1所示，掩光层36中的孔38与光通道28和分布图形32对准。孔38的功能是使受到限制的按图形控制量值的光能到达检测器26。孔38的“Y”方向尺寸等于分布图形32的最大“Y”方向尺寸(见图1)。例如在图5C和7C中表示了这种尺寸关系。图8C中表示出，掩光层孔(360)的“Y”方向尺寸和至少某些周期循环图形(364b和364c)的最大“Y”方向尺寸可以是不同的。
孔38的尺寸最好小于检测器26的光响应表面。孔38的形状和尺寸在于保证在检测器26的光响应表面上形成确定的入射光能分布图形。下面参照图2将进一步介绍这种要求。
如图1所示，电位计40电连接到电源Vcc和地之间。检测器26的输出端电连接到电位计40的可调滑触头42上。滑触头42直接连接到功率放大器44。放大器44必须能够将检测器26的低压输出放大到与驱动电动机10的绕组相适应的电压电平。在很多应用场合下，放大器44将检测器输出放大到至少120V(有效值)的量级。放大器44或者可以是专门设计、实现最优化的器件，或者可以是标准的市售功率放大器。当变换信号预期是正弦信号时，甚至可以可采用较高效率的“C”类(经常调谐电感)放大器。最好放大器具有增益调节，以使其输出可以调节。
在某些应用中，通过改变向发射器24和/或检测器26供电的电源电压，可以调节编码器22的信号输出电平。利用这种方案，编码器输出电平可以改变，例如在1.5V-12V之间变化。电平调节可以自动实现，例如响应于系统控制信号进行调节。
为了构成编码器反馈回路，放大器44的输出连接到电动机10的输入端A。由编码器22产生的信号波形直接提供到电动机10的绕组。相应地，本发明能够对电动机10的直接变换控制。
应理解，本发明的光编码器是可光编程的。编码器的所有光转换元件都被认为是参数可编程的，包括但不局限于，光发射器和其辐射光能输出、编码器盘、掩光层孔、透镜、、快门、棱镜以及任意其它光学元件或器件，它们的采用在于修正入射到光检测中元件或编码器元件的光能分布图形。对在编码器中采用的各光学元件的特性要选择、组合或调节(即编程)，以使编码器能产生预定电信号波形输出。这些光学元件的综合的光响应特性(按照在编码器中形状构成的)，可以称为一光特征函数。因此，根据光特征函数变换入射到编码器中的光检测器上的入射光能的分布图形，以及这一函数代表作用于在光检测器装置处的入射分布图形的可光编程元件的综合的光响应特性。
在该优选实施例中，光特征函数包括至少一个“图形函数”，其代表包含在编码器盘上的分布图形的光响应特性，或者分布图形和掩光层孔的综合响应特性。应理解，光特征函数可以包含由于在编码器中的光路中的其它元件作用形成的其它图形函数。下面进一步限定术语“图形函数”。
再来参阅图1，编码器盘30和掩光层36两者进行光编程在于，它们的光响应特征(例如循环图形34和孔38)是按照图形函数定位，确定形状和尺寸的。术语“图形函数”对于本申请来说包括但不局限于以数学方式定义的几何的、代数的和按维表示的函数；以及由经验得到的、可以是也可以不是以数学方式定义的图形表示。
在该优选实施例中，所选择的图形函数是电信号波形函数的变换。在电动机控制应用场合，规定电信号波形是为了在预期负载状态下以最优方式驱动电动机。例如，驱动一在空调机中的压缩机的电动机对于电动机轴每转一周将经历不均匀的负载状态。在这种情况下，可以按最优方式规定驱动信号的相应的不均匀的波形。这种波形的一个实例表示在图8B中。一旦确认最佳波形函数，可以利用面积填充原理的代数方程(下文介绍)产生它的图形或代数式的等效物。在编码器22中，当编码器盘30随电动机轴18旋转，使分布图形32由孔38扫描时，通过分布图形32和孔38的综合光作用以物理方式形成该图形函数。
由发射器24辐射的光能沿着光通道28照射直到入射到检测器26的光响应检测表面。入射的光能在检测器26的光响应检测表面上形成分布图形。这一表面表示在图2中，用参考标号46来识别。入射光能的分布图形由表面46的整体尺寸所界定。然而，最好由孔38限定该分布图形的最大尺寸。如图2所示(仅用于描述)，孔38限定了一有限的区域48。应理解，根据所需的图形函数，区域48可为任何形状。
进一步参阅图2可以理解盘30和掩光层36的综合的光作用。在区域48内，非阴影区50代表在表面46上的入射光能的瞬时分布图形。阴影区52代表在限定边界的区域48内没有入射光能。在反射式编码器系统中，区域50和52代表在复杂的干扰分布图形中入射光能强度的变化程度。
为便于介绍，在表面46上画出了X、Y坐标系统。对于指定的瞬时，入射光能的分布图形50由在X、Y坐标域内的特定的图形形状来确定。由图2可以理解，分布图形50在二维空间内沿各个不同的方向是变化的。当分布图形32由孔38扫描时，入射光能分布图形50沿多个方向经过变换或重新成形。在图2中的箭头示意表示分布图形可能被变换的方向。入射光分布图形50根据确定的图形函数进行变换，在这种情况下，通过孔38扫描分布图形32来实现。
光敏晶体管26响应于该瞬时的光能分布图形50，并产生与在分布图形50中所示入射光能量值成比例的电信号。检测器26特性在于产生光电响应，当呈线性关系时，产生的电信号的波形与原来规定的波形函数相一致。该光电响应不一定是线性的。实际上，该响应可被用作一附加的可编程的设计参数，以便产生预期的波形。在这一实施例中，检测器26的光电响应和规定的波形函数的乘积将确定在检测器26的输出端产生的电信号波形。
下面参阅图3，该图示有以三通道实施的本发明的光编码器。这里该编码器用于驱动三相三对极的交流感应电动机100。电动机100具有定子组件102和转子组件104。电动机为常规结构，不再详细介绍。定子组件102每相包含3对绕组106a和106b(图中每相仅示出一对)。电动机100具有用于各自的三相输入信号的3个交流输入端。每对绕组106a、106b在转子104中感应出一对磁极(即每相三对磁极)。在图3所示的示意图中，在转子104中所示的每对磁极(N-S)代表实际的三对磁极。
如在图3中所示，三通道式编码器110耦合到转子轴108上并以与对图1中所示编码器22所介绍的相同方式与轴108的旋转轴线112机械上对准。编码器110包括三个红外LED发光器件114a-c。发光器件114a-c沿着在发光器件114a-c和相应数量的光敏晶体管116a-c之间的各个光通道发出红外光能。编码器110包含一其构成便于围绕中心轴线119旋转的一个多轨迹的光编码器盘118。盘118包含三个同轴排列的可用先检测的分布图形120a-c。编码器110还包括一形状为盘形、含有3个孔124a-c的掩光层122。与图1中的编码器22一样，当编码器盘118由于轴108的旋转运动而旋转时掩光层122保持静止。以与对图1中的编码器22所介绍的相同的方式，掩光层孔124a-c与分布图形120a-c分别与光通道对准。
如图3中所示，三个电位计126a-c电连接在电源电压Vcc与地之间。检测器116a-c的输出引线分别连接到电位计126a-c的可调滑触头上。电位计126a-c的可调滑触头连接到各自的功率放大器128a-c的输入端。如对图1中的实施方案的介绍相同，检测器116a-c的低压输出信号被放大到足以直接驱动电动机100的电平。放大器128a-c的输出A、B和C直接连接到电动机100的输入端A、B、C。编码器110以与参照图1和图2所介绍的相同的方式产生电信号输出。
检测器116a-c的输出信号的相对相位由在转轴108的特定旋转角度下的分布图形120a-c相对于它们各自对应的孔124a-c的位置来确定。在图3中，编码器100的输出信号的相对相位为0、120、240电角度，以便适当驱动电动机100。通过使每一分布图形的位置旋转的物理角度数等于由分布图形中的周期循环图形数去除所需电角度相位移(例如120或240电角度)所得结果，可以形成这种相位关系。
对于图3所示的实施例，分布图形120b的位置相对于分布图形120c旋转40的物理角度以便产生预期120电角度相位移。与之相似，分布图形120a相对分布图形120c旋转80物理角度，以便产生预期的240电角度相位移。在图3中，孔124a-c的角位置是对准的，因而不对相位移产生影响。下面参照图12A-C以及13A-C再介绍其它多通道相位移的实例。
现在参照两个电动机控制实例解释本发明的光编码器的设计。首先，分析一包含如图1中所示的三对极的单相交流电动机按同步方式的实例。这一电动机按1200RPM(转数/分)或20RPS(转数/秒)的同步速度运转。该按照同步速度运转的电动机要求60HZ(赫)和120V(伏)。编码器盘直接耦合到电动机转轴上，这一频率可以通过光编程的编码器盘和掩光层的综合作用来形成。在编码器盘上包含的可光检测的分布图形必须包含3个周期循环图形，以便产生转子轴每旋转一周的3个相应的电信号波形周期。在图4A中表示了用于产生正弦波形的配置。
在图4A中，编码器盘200包含的分布图形202含有三个周期循环图形204a-c。在图6中示出与盘200结合使用的掩光层孔。当盘200按照20RPS转动时，由编码器产生60HZ的正弦交流信号(20RPS乘以该每转一周3个电信号周期)。如图4B中所示，编码器盘200旋转一周(0-360°)产生3个电信号周期206a-c。这是对于这个实例的所需的波形函数。
首先利用矢量数据表形式表达预期的波形函数，形成编码器盘200的分布图形202以及如图6中所示的掩光层孔。在这一正弦波实例中，利用如下表达式Y＝Sin(电角度)得到矢量表数值。在360°机械角度(物理旋转一周)范围内具有三个完整的电信号周期。固此，盘旋转一周，电信号角度为1080°。为了提供形象化数据可以画出矢量数据，以便了解最终的波形是怎样的(图4B既表示所画出的输入波形又表示所形成的光敏晶体管电信号输出)。
下一个步骤是确定在光分布图形202中的周期循环图形204a-c的形状。通过利用面积填充原理的代数方程可以实现这一点。将由上述方程计算的矢量值代入如下的方程Vn→p=(Vn+1-Vn)·V/8+Vn-m64·2]]>其中V为盘面积填充矢量W为波形输入数据集合中的波形起点P为波形输入数据集合中的点数mi为作为输入参数的掩光层宽度m为所标定的掩光层宽度n＝1，2，3……PV＝作为输入参数的矢量标定系数表达式(Wn+1-Wn)-V/8以及Vn-m，如果各个计算结果为负，则设该数值为0。
掩光层孔的形状要适合于光信号的适当衰减。在这一实例中，该方程为
m＝mi，如P/2＞mim＝p/2，如P/2＜mi其中P为波形输入数据集合中的点数mi为作为输入参数的掩光层宽度m为标定的掩光层宽度以及mi≥2上述方程仅是对于盘的分布图形相对于掩光层的水平移动的x，y面积填充的实例。对于旋转运动，采用极坐标下的数值。应当理解，为了形成以光学方式产生的所需波形，有很多方程、算法或其它方法来实现适当的盘/掩光层组合。在最后步骤，按照由上述方程得到的面积填充代数值(适合于径向相对水平移动)，对盘和掩光层进行印刷加工。
下面分析非同步方式实例。首先，由频率和电动机的正常运行速度确定每旋转一周需要多少周期。例如，60HZ的电动机的正常运行速度为1050RPM，在120V交流电压下每旋转一周需要3.428电信号周期。在已确定所需电信号周期数以后，并发现它是一个非整数，对这一数字进行四舍五入，或者进到下一最接近的整数周期或一些更大一些的整数周期。例如，如果电动机需要每旋转一周3.428个电信号周期，为了设计编码器盘，则可以选择每旋转一周4个周期(或5或6个周期)。(如果对于指定的速度，较低的驱动电压是优选的，则这种舍入到下一整数周期的方法是一种选择)。
下一步，利用上述面积填充方程根据编码器盘每旋转一周的较高周期数进行光编程。当在负载状态下的电动机上装有经编程的盘时，该盘可以产生一种信号，使电动机(在直接放大之后)运行在比处于120V交流电压下的正常运行速度为高的速度下，因为每旋转一周的周期数较高。在这种情况下，电动机的性能将改进(即在相同的负载和输入功率时达到较高的速度)。通过降低输入到电动机上的电压，电动机和编码器盘减慢到60HZ的正常运行速度。利用小于规定电压(120V-AC)按其(60HZ)正常运行速度驱动电动机，因此，降低了使电动机运行在相同负载下所需的能量。如果负载需要更多的能量(即电动机未升速)，则不需要降低电压，因为编码器没有超过60HZ的速度，从而使输入的能量与电动机所需负载相一致。
图28表示概略介绍上述电动机运行方法的一个实施例的流程图。这种方法适合于整数或非整数周期用于计算电动机的额定速度、频率和电压的情况。在步骤1，将本发明的光编码器耦合到电动机轴上。按照具有比所需电信号周期数更高的波形函数，对编码器进行光编程，所需电信号周期数为在电动机的额定速度和电源电压下产生额定电源频率的数值。在步骤2，电动机每旋转一周产生一基本上重复波形函数的编码器输出信号，在步骤3，将编码器输出信号放大到使电动机达到额定速度的电压电平，最后，在步骤4，利用经放大的编码器输出信号向电动机供电。此外，根据这一方法，可以改变编码器输出信号，以改变电动机的速度并因此将编码器信号的频率改变到规定值。
在上述同步和非同步方式的实例中，一旦将编码器速度校准到电动机运行频率，仅调节输入到电动机上的电压就可以控制电动机的速度，经校准的编码器将保证该速度总是与频率谐调一致。
在图4A-B、图5A-C、图7A-C、图8A-C、图9、图10、图11A-F、图12A-C以及图13A-C中表示了编码器盘以及用于以图示方式对该盘编码的波形函数的一些实例。在图5A中，编码器盘250包含的分布图形包含3个周期循环波形252a-c。在这个实例中，周期循环波形252a-c是透光的窗口。图6表示要与盘250结合使用的掩光层254，其包含一掩光层孔256。在图5B中表示波形函数258，其用于确定循环波形252a-c以及掩光层孔256的形状。波形函数258还代表由编码器输出的实际的电信号。在图5C中表示周期循环波形252a-c和掩光层孔256的按(X-Y)的等效线性表示图。掩光层孔260对应于孔256，周期循环图形262a-c对应于循环图形252a-c。
图7A-C表示另外一种正弦波实例，其中希望编码器盘每旋转一周形成6个电信号周期。在图7A中，编码器300包含的分布图形具有6个周期循环图形。该循环图形是透光的窗口。在这一实例中，掩光层孔256(图6)与盘300结合使用。图7B中表示波形函数304，其用以确定分布图形302和掩光层孔256的形状。波形函数304还代表编码器输出的实际的电信号。在图7C中表示分布图形302和掩光层孔256的按(X-Y)的等效线性表示图。掩光层孔306对应于孔256，分布图形308对应于分布图形302。图12B、13B、14B和15B表示另外的掩光层孔实例的几何形状。
图8A-C表示不均匀(分布)波形的实例。在图8A中，透明的编码器盘350包含一均匀分布的图形351和不均匀分布的图形353。如图所示，分布图形351包含4个均匀分布的循环图形，分布图形353包含3个不均匀分布的循环图形352a-c。分布图形351中的循环图形和分布图形353中的循环图形352a-c是不透明的光调制盘，印制在透明的编码器盘350上(在透明部分上的不透明部分)。图8A还表示一对掩光层孔354a和354b，其形状和尺寸分别适合于与分布图形351和353结合使用。在这一实例中没有用到分布图形351，由图8A和8B可以理解，非均匀分布的循环图形352a-c的尺寸分别对应于预定波形356中的电信号周期358a-c的非均匀幅值的循环图形。波形356代表用于确定循环图形352a-c和掩光层孔354b形状的波形函数。波形函数356还代表例如驱动一可变电动机负载所需的编码器输出信号。在图8C中表示分布图形353和掩光层孔354b的按(x-y)的等效线性表示图。如在图8C中所示，掩光层孔360对应于354b，分布图形362对应于分布图形353，循环图形364a-c对应于循环图形352a-c。
在图9、10和11A-F表示波形函数，以及对应的编码器盘和掩光层的另一些实例。在图9中，所示梯形波形函数400为每个物理运动周期中一个电信号周期。(即每转一圈360°电角度)。由波形函数400确定分布图形402和掩光层孔404的形状。在图10中所示的三角波波形函数为每旋转一周具有一个电信号周期。由波形函数500确定分布图形502和掩光层孔504的形状。
下面参照图11A-F，该图表示特定的波形函数以及对应的编码器掩光层和编码器盘的形状结构。利用上述按面积填充的代数方程计算编码器掩光层和盘的形状。图11A和11B表明一特定的三角形波形550可以由两个完全不同的掩光层和盘的图形产生。如在图11A中所示，掩光层孔552与分布图形554结合使用以便产生三角形波形550。在图11B中，掩光层孔556结合分布图形558使用，以便产生相同的三角波波形550。
与之相似，图11C和11D表明一特定的正弦波波形560可以利用两个不同的掩光层和盘的图形构成。在图11C中，掩光层孔562与分布图形564结合使用，以产生正弦波波形560。在图11D中，掩光层孔566结合分布图形568使用以产生相同的波形560。
图11E和11F表示另一些掩光层和盘的图形组合，以产生另一些所需波形。在图11E中，利用掩光层孔572和分布图形574产生一底部圆滑的梯形波形570。在图11F中，利用掩光层孔578和分布图形580产生复杂的波形576。
下面参阅图12A-C，该图表示三相编码器实施。如在图12A中所示，图形编码器盘600包含3个同轴排列并有角位移的分布图形602a-c。在这一实例中，分布图形602a-c每个包含3个相同的循环图形，以便电动机轴每旋转一周产生三个均匀分布的电信号周期。应当理解，分布图形可以按很多不同的方式构成，例如在图8、9、10和11A-F中所表示的。
602a-c中每个分布图形沿在盘600上的一个360°(物理角度)的圆形轨迹排列。在每个分布图形中的每个循环图形对应于在相关的波形函数中的360°(电角度)。由于每个分布图形含三个均匀分布的循环图形，602a-c中每个分布图形代表3倍的360°(电角度)，即等于1080°(电角度)。因此，为了实现波形中的所需电信号相位移，必须按角度将相应的分布图形移动一定的物理角度，该角度等于用在该分布图形中的周期循环图形的数目去除所需电信号的相位移(按电角度)。因此，在这个实例中，如果需要120°相位移，分布图形必须按角度位置移动120°/3周期＝40°(物理角度)。
参照图12A，分布图形602a相对于分布图形602c角位移40°，以实现120°的相位移。分布图形602a相对分布图形602c角位移80°，以实现相位移240°。如在图12B中所示，掩光层604包含三组掩光层孔603a-c。在603a中的各孔径向上彼此对准并隔开，以与各自的分布图形602a-c对准。图12C是用于形成分布图形602a-c的相位移的各波形函数的曲线图，其还代表由编码器输出的相位移的电信号。波形606a由波形606c移动240°(电角度)，而波形606b由波形606c移动120°(电角度)。
在图13A-C中表示另一种三相实例。如在图13A中所示，编码器盘610包含三个分布图形612a-c，它们与在编码器盘600(图12)上包含的相同。在这一实例中，需要0°、90°、180°的相位移的波形。利用相同的编码器盘，如果掩光层604(图12B)为利用该组孔603c而改变或物理旋转，则可以得到这种不同组的相移。如图13B所示，掩光层614与掩光层604相同，但顺时针旋转90°(物理角度)。在掩光层614上一组孔603c包含3个分别角位移0°、-10°和-20°的三个孔612a-c。
在这一实例中，孔616b滞后孔616a 10°(物理角度)，对应于-30°(电角度)的相位移，-30°的相位移叠加到由于分布图形612b(图13A)形成的+120°相位移，得到+90°的相位移。孔616c滞后孔616a为20°(物理角度)，对应于-60°(电角度)的相位移。-60°的相位移叠加到由于分布图形612c(图13A)形成的+240°相位移，得到所需的180°相位移。孔616a并不形成任何相位移，因此，分布图形612a产生所需的0°相位移。
图13C表示与分布图形612a-c和一组孔603c(图13A和13B)对应的相位移的波形函数。波形618c对应于分布图形612c和孔616c，且由波形618a移动180°(电角度)；波形618b对应于分布图形612b和孔616b，且由波形618a移动90°(电角度)；以及波形618a对应于分布图形612a和孔616a。
正如所表示的掩光层可以是多功能的，包含多个不同组别的孔，对于特定的应用可以选择其中的每一组。例如，图12B和13B中的各组孔603a-c可使单一的编码器产生不同组别的相位移信号，如在图12C和13C中所示。通过手动调节各组掩光层孔603a-c的位置，通过在两组光敏三极管之间进行电子方式切换，或者通过输出来自多组检测器的信号，可以选择每一组信号。
在图14A-D和15A-D中表示出另外的说明怎样可以形成具有按图示图形的孔的掩光层的实例。在图14A中，编码器盘620包含的分布图形具有6个均匀隔开的孔(60°物理上的间隔)。盘620是旋转盘。图14B表示静止的掩光层624。掩光层624包含一根据面积填充方程计算成形以便产生正弦波的长孔626。在掩光层624后面是光检测器628阵列，它们跨过整个孔626。另外，可利用单一的细长光检测器来替代阵列628。在采用阵列的情况下，阵列628的输出可以按不同的方式组合，以产生单一的波形信号或一系列信号波形。编码器盘620相对掩光层624旋转，每个孔622扫描经过孔626，产生呈正弦波形的一个周期信号(如果使用单一的检测器或一串联的检测器阵列)。图14C表示与图14A和14B中的编码器盘/掩光板配置对应的6个周期的波形函数630。图14D表示在图14A和14B中所示的编码器盘和掩光层配置的按(x-y)的等效线性表示。孔632对应于图14A中的编码器盘620中的孔622，孔634对应于图14B中的掩光层624中的孔626。
图15A-D表示与图14A-D等效的配置。在图15A中，编码器盘640包含的分布图形具有三个均匀隔开的孔642(120°间隔)。如在图15B中所示，掩光层644包含一对按180°分开的图示成形的光646和648。在掩光层644之后，是光检测器650的阵列(或单一细长的检测器)，其跨过整个孔646且其输出可联成一体。与之相似，光检测器652的阵列(或单一的检测器)位于孔648之后，阵列652的输出联络在一起且阵列650的组合输出可产生单一电信号输出。图15C表示与图15A-B中所示的编码器盘/掩光层配置对应的6个周期的波形函数654。图15D表示在图15A-B中所示的图形编码器盘和掩光层配置的按(x-y)的等效线性表示图。孔656对应于在图15A中所示的编码器盘640中的孔642，孔658对应于在图15B中的掩光层644的孔646和648。
在希望在编码器盘每周旋转中产生非整数的电信号周期的这样一些应用中，可能需要对按面积填充方程得到的图形形状进行某些图形校正。当要形成对于非均匀分布波形函数(例如在图17B中所示)的图形形状时，可能也需要图形校正。需要进行校正是因为作为非均匀分布或包含非整数周期的波形函数可能在每一段重复时间(即编码器盘每周旋转)产生间断区。图16A-F表示该问题，以及对该问题校正的一种方案。
在图16A中，正弦波函数700为每旋转一周3.428个周期。图16B中表示重复三次(代表三周)的这种函数，以及表示在每周旋转终点处产生的间断区702。为对此进行校正，将波形函数700约相位移-90°(精确地说一0.428个周期)，如图16C所示(相位移的波形704)。在图16D中相位移的波形704重复3次。如图所示，在每周旋转终点处的间断区706被消除。然而，每周旋转终点处仍存在明显的尖峰信号。这种尖峰信号可以通过以经验方式对光编码器盘和/或掩光层的最终形状进行图形整形来消除。图16E表示以经验方式调节编码器盘和掩光层的图形形状得到的波形函数708。应指出，与波形704比较，波形708的起点和终点已圆整化。在图16F中，波形708重复三次，以表示在图16B和16D中所示的间断区已消除。通过校正图形函数得到的电信号波形类似在图16F中的重复的曲线。应指出，上述校正方法需要通过对在编码器盘上包含的分布图形和/或掩光层孔进行适当的位置调节来实现波形相位移。
在图17A中表示为了校正间断区已经按图形调节编码器盘的实例。编码器盘750包含的分布图形含有三个周期循环图形752a-c。在盘750上波形函数754(见图17B)被编码。如图17B中所示，波形754是具有起始点756和终止点758的非均匀分布的函数。如图所示，这些点处于不同的数值下，当该函数重复形成时将产生间断区。在这种情况下，不能采用参照图16A-F上面介绍的方法中的相位移步骤是因为波形的不均匀性。然而，可以调节起始点756或终止点758，或二者均调以使间断区变为最小。
在“Y”方向(见图2)进行的对入射光能分布图形的调节将影响所需的校正。在这一实例中，如在图17A中的放大图所示，通过变换在盘750上的分布图形可实现这种调节。在图17A的放大图中，用实线表示在周期循环图形752a和752c之间的点LC处的未校正的结合部。以虚线表示经图形校正的结合部。在一实例中，图形校正包含将周期循环图形752a和752c的离散的端部合并到一个连续的图形数值过渡部Y1。这种校正使起始点756(见图17B)数值提升，更接近终止点758使之一致。图17C为在编码器盘750上的未经校正的分布图形的按(X-Y)的等效线性表示。图17D为经校正的分布图形的按(X-Y)的等效线性表示。应注意，在图17C中(在点756和758)的分布图形与在图17D中(在点Y1，Y1)的分布图形之间的差别。在图17D中的点Y1，Y1是一致的。
在图18和19中表示本发明的光编码器的优选结构。所示的结构是优选的，因为它提供一种重量轻、外形小的编码器，可以直接耦合到电动机轴上而无需另外的(外部)支承件。一圆套筒形的耦合件802其尺寸适于滑配合装到需利用编码器800控制的电动机的轴803上(见图19)。利用一组螺钉804使耦合件802固定就位。耦合件802可利用重量轻但强度高的金属制成。耦合件802包含一尺寸适于紧配合装到轴803上的膛805。耦合件802的另一端或者利用另一组螺钉(未表示)或者利用丙烯酸类聚合物、粘胶等连接到旋转心轴806上。
继续参阅图18和19，旋转心轴806是包括轴承组件808的心轴系统的一部分。由图19可更清楚地看出，轴承组件808包含两个相邻的轴承元件810和812。这些元件分别包含内部滚道811和813。每个轴承元件包含围绕该内部滚道周边均匀间隔的10个轴承滚珠(对于每个元件表示其中的两个)。轴承元件810和812每个包含一外部滚道816。
在图18中，表示作为分解的元件的轴承组件808。然而，在该优选实施例中，轴承组件808整体模压到编码器壳体818中。根据应用场合，轴承组件808可以用套筒或塑料轴瓦来代替。编码器壳体818由模压塑料或其它适合模压的材料制成。
将轴承组件808与壳体818整体模压的技术使心轴系统能够更精确、小巧和重量轻。该整体模压的装置不再需要机加工的套筒、垫环、垫片以及其它用于轴承组件的支承件。这种技术不需要将轴承装置到壳体中的套筒中的组装步骤，因此，避免了对准的问题以及不需要采用另外的高精度机加工的转轴轴套元件。
继续参照图18和19，介绍编码器800的内部元件。圆盘形LED或光发射器电路板820以紧密配合安装在壳体818内侧并包含同心形成的孔821。LED发射器元件822，最好为红外型，安装在板820上与透镜823对准(见图19)。在别的实施例中，可使用一个以上的光发射器元件822。如果需要，在板820上还可安装其它元件。在图18和19所示的实施例中，串联在直流电压电源和LED之间的电阻安装在板820上。
使用一法兰824来托住编码器盘826，用以一起旋转运动。在组装过程中利用定中的定位销使编码器盘826定中安装在法兰824上。法兰824和编码器盘826的这一组件在心轴806通过轴承组件808的内部滚道压配合安装之后再安装在转轴806的自由端上。编码器盘826可以由与透光材料或膜保持接触的透明基板构成，可由很多来源从市场上购得。利用在集成电路板技术领域公知的常规接触式光学处理工艺将按图形成形的透光窗口式分布图形印制在盘826的膜上。实质上，是除了透光窗口分布图形部分之外，编码器盘826的其余整个表面涂黑色乳胶。相反的成像方式也可以采用(即在透明表面上形成不透明部分)，如在图8A中所示。对于大多数应用场合，最好印制图形的分辨率为每英寸1000点以上。然而，利用激光打印机使每英寸达到300点的分辨率，在三个周期式编码器盘中实现的性能是合格的。
如在图18和19中所示，隔环828夹入靠住电路板820。环828也可以是模压的，但可以在壳体中按辅助的齿槽方式固定。掩光层830呈圆盘形，安装在掩光层基板832上。掩光层830由与用作编码器盘826的相同的薄层材料制成。像对编码器盘826上面介绍的一样，掩光层也是印刷形成的。掩光层基板832包含孔833，以形成通过掩光层的所需光通道。通常基板832可包含多个孔以适应多个光通道的要求。掩光层830也在预组装阶段与心轴806对正。在该复合式组件中，隔环823位于在电路板820和掩光层830之间。在编码器盘826和掩光层830之间的物理分开距离通常为0.004到0.02英寸，主要取决于在盘826上印刷的周期循环图形的数目以及光通道形成元件。
在基板832的另一侧安装第二电路板834，板834包含的孔835与在基板832中的孔833对准。在多通道实施方案中，在板834中将有与基板832中的多个孔833数量一致的多个孔835。包含一个透镜837的光敏晶体管836安装在板834的空白侧并与孔835对准。一电位计(未表示)也安装在板834上。在一实施例中，光敏晶体管836的发射极接地，将集电极用作电信号输出端。电位计连接在地与直流电压电源之间。电位计的可动触头接到该集电极输出端。利用与壳体818相同的模压材料制成的盖板838完成编码器的封装。
如在图18和19所示，一对锚定用凸舌840和842分别由壳体818和盖板838伸出，并可利用一防旋转卡簧(下文介绍)锚定到壳体上。将参照图20-24介绍这一特征。
参照图20-24，介绍将光编码器安装到电动机上的方式。在图20中，根据本发明构成的光编码器900包括一与电动机906的后轴904对准的耦合件902。在耦合件902中所含内孔的直径经机加工与轴904的外径按滑配合方式相一致。在需要时，位于在编码器900内侧的编码器盘的角位置可通过将耦合件902(其旋转编码器盘)在轴904上旋转到适当的角位置与电动机的磁极对准。耦合件902利用一组螺钉908固定地安装到轴904上。
如图21-22所示，防旋转卡簧910勾到由编码器900伸出的其中一个锚定凸舌上。卡簧910的另一端可以压紧到一已直接固定到电动机906上的已有的螺钉或螺栓上。然而，最好定做一安装到电动机906上的卡簧910。如图21-22所示通过将一固定件912利用螺钉安装在电动机906上可以实现这一点。如图22所示，固定件912应当以与编码器900相切的方式定位。这种安装结构可因防止编码器的“角移动误差”，使之更精确。
如在图21中所示，编码器900可容纳在用螺栓固定在电动机上的盖914的内部，盖914可以是“增强型”、带通风孔等等型式的，且以很多不会冲击或改变电动机编码器对准和性能的方式安装到电动机上。作为一种选择，功率放大器916可以安装在盖914的内壁上，用以放大编码器的输出信号。
图23A-B分别是防旋转卡簧910的侧视立面和顶平面图。卡簧910例如可以由直径0.037英寸弹性适中的302SS细丝制成。如在图23A中所示，卡簧910包含一用于将卡簧910安装到电动机、固定件或支架上的安装环911a。如在图23b中所示，卡簧910还包含一勾到由编码器900壳体伸出的锚定凸舌上的锚定环911b。
如在图24中所示，防旋转卡簧910还可以用作一调节臂，用于调节编码器壳体的角位置，因此亦即调节掩光层相对于编码器盘的位置。在已对准和固定编码器900之后为了精密地调整掩光层相对于电动机绕组的位置可能需要这种调节。这种调节使得编码器信号经过适当的调准而领先或滞后于电动机绕组，以实现最优转矩和功率调节。如图24所示，固定件912由一直立的支架912a代换。螺栓918插入通过支架912a的远端，以及螺母920将防旋转卡簧910的端部锁住。通过简单地转动螺栓918使卡簧910沿着相对编码器900的切线方向的通道移动，从而按角度调节编码器900。
如上所述，在某些应用场合可能希望利用一对电动机轴每旋转一周具有非整数个周期的信号来驱动交流电动机。在上面讨论的实例中，为了实现当电动机按其额定速度(小于同步转速)运行时由编码器输出60HZ频率的功率信号，可能需要每旋转一周具有3.428个周期的信号。已建议可将该具有3.428个周期的波形函数经编码处理反映在编码器盘上。图25A-B表示一包含分布图形952的编码器盘950的顶平面图。分布图形952代表具有2.6电信号周期的光编码的波形函数。图25B表示按照分布图形952以图形方式在盘950上编码的波形函数。点La、Pa、Lb、Pb、Lc、Pc标志沿分布图形952的各个角位置(见图25A)，并且对应的点La、Pa、Lb、Pb、Lc、Pc标志在波形函数954上(见图25B)。如图25B所示，波形函数954的起点A与该函数的终点B一致。
下面参阅图26A-B， 它们表示产生非整数波形的另一种方式。在图26A中，编码器盘956具有两个分布图形957a和957b以及一定位用孔957c。每个分布图形957a-b代表具有3.5个电信号周期的波形函数。编码器盘956的每一360°的物理旋转，由于定位用孔957c产生的作用产生一个转换信号，利用基本电路组合的每个转换信号使输出的编码器波形在分布图形957a和957b之间交替变化。按这种方法的连续波形输出表示在图26B中。由其明显看出，这一实例对于盘956的每两个完整的360°的物理旋转，产生七个完整的电信号周期，或每旋转一周3.5个电信号周期。通过改变同心的分布图形的数目和在每个分布图形中的周期循环图形的数目，利用这种方法可以产生其它非整数波形周期。
图27A-B表示产生每旋转一周具有非整数周期的信号的另外的方法。按照这种另外的方法，通过简单地将两个或多个波形以电方式进行综合产生所需的波形。例如如图27A所示，在输入端A的信号960具有(每旋转一周)N1个周期，形成频率F1。在输入端B的信号962具有(每旋转一周)N2个周期，形成频率F2。信号960和962可以按各种方式综合以产生另一种频率Fn信号。这些各种“新的”频率合成信号Fn可以由现有技术的多个标准频率混合的方法派生。然而，由于利用本发明的编码器产生的某些输出信号的非线性特性(即可变幅值、相位、空周数等)，在一个电信号周期内或在“N”个周期范围内这两种情况，应可以得到另外的新的频率合成信号。
此外，根据本发明，这些频率(周期或波形)可以为编码器的内部或外部所“分享”。图27A-B表示一种仅将两个信号综合的简单方法。这两个信号利用一电位器964综合，并且电位器964的输出A/B将产生一具有新的周期(频率)的信号，如在图27A中所示，由图27A中的网络可以得到信号960和962的不同综合结果。
如在图27A中所示的对电信号综合、变换和求和技术还可以用于进一步对由本发明的编码器的输出信号整形。如在图27A中所示，三角形波形966可以与正弦波波形962综合在输出端B/C产生一不同形状的波形。图27A表示的是一种简单的“无源式”的变换波形函数的方法。然而，波形类型和数学求解可以按照很多其它方式进行成形、放大、综合，但是迄今，没有这种波形生成的独特方法就不可能实现。
图27B表示一种类似的波形综合网络，其表示将在输入端D的幅值变化的波形函数968与在输入端E的任意的波形函数970进行综合的能力，在D/E产生一独特的波形输出。此外，如在图27B中所示，D/E输出的波形可以与频率变化的波形972相综合，产生一输出F/(D/E)。
上面已通过说明具体介绍了在说明书和附图中表示的本发明的优选实施例，应当理解，本发明并不局限于此。对于本技术领域的熟练人员来说很明显在不脱离按照在所提出的权利要求限定的本发明的构思和范围的前提下可进行很多改进、等效替换和修改。
权利要求
1.一种光编码器装置，用于将电动机械的周期性运动变换为至少一个具有预定波形的电信号，所述装置包含光检测装置，用于响应于入射光能的分布图形，由所述入射光能产生电信号；可光编程装置，光路上与所述光检测装置对准，以及形状构成使得该机械的周期运动才使该装置起作用，用于按照光特征函数沿多个方向对在所述光检测装置处的入射光能分布图形进行转换，其中所述可编程装置包含一含可光检测的分布图形的光转换元件，以及有孔装置，用于使按一定分布图形的入射光能通到所述光检测装置，所述光特征函数包含一种图形函数，当所述分布图形和所述有孔装置按照机械的周期性运动，一个相对另一个扫描时，由于它们的综合光作用产生该图形函数，以及其中所述光检测装置具有一种光电响应，并且所述响应和所述光特征函数的乘积定义一预定波形，因此，利用所述光检测装置将所述经转换的入射光能分布图形变换为具有所述预定波形的电信号。
2.如权利要求1所述的，光编码器装置还包含第二光检测装置，用于响应于入射光能的分布图形，由所述入射光能产生所述电信号；以及其中所述可光编程装置光路上与所述第二光检测装置对准，并且其作用是按第二光特征函数沿多个方向对在所述第二光检测装置处的入射光能的第二分布图形进行转换；以及其中所述可光编程装置中的光转换元件包含第二可光检测的分布图形，以及所述可光编程装置还包含第二有孔装置，用于使按一定分布图形的入射光能通到所述第二光检测装置，所述第二光特征函数包括第二图形函数，当按照该机械的周期性运动，所述第二分布图形和所述第二有孔装置一个相对另一个扫描时，利用它们的综合的光作用产生该第二波形函数；以及其中所述第二光检测装置具有光电响应，以及所述光电响应和所述第二光特征函数的乘积定义了第二预定波形，因此，利用所述第二光检测装置将所述入射光能分布图形变换为具有所述第二预定波形的第二电信号。
3.如权利要求1所述的光编码器装置，其中所述可光编程装置还包含光发射器装置，用于发射入射光能，所述入射光能耦合到所述光检测装置，在其上形成至少一种入射光能的分布图形。
4.如权利要求2所述的光编码器装置，还包含第三光检测装置，用于响应于入射光能的分布图形，由所述入射光能产生电信号；以及其中所述可光编程装置光路上与所述第三光检测装置对准，并且其作用是按照第三光特征函数沿多个方向对在所述第三光检测装置处的入射光能的第三分布图形进行转换；以及其中所述可光编程装置中的光转换元件包含第三可光检测的分布图形，并且所述可光编程装置还包含第三有孔装置，用于使按一定分布图形的入射光能通到所述第三光检测装置，所述第三光特征函数包含一图形函数，按照该机械的周期性运动当所述第三分布图形和所述第三有孔装置一个相对另一个扫描时利用它们的综合对光作用形成该图形函数；以及其中所述第三光检测装置具有光电响应，并且所述响应和所述第三光特征函数的乘积基本上定义第三预定波形，因此，利用所述第三光检测装置将所述入射光能的经转换的分布图形变换为具有所述第三预定波形的第三电信号。
5.如权利要求3所述的光编码器装置，其中所述光转换元件包含至少一个可光检测的周期循环图形。
6.如权利要求3所述的光编码器装置，其中所述光转换元件包含多个可光检测的周期循环图形区域。
7.如权利要求3所述的光编码器装置，其中所述图形函数是一种等效的波形函数的变换形式，并且其中所述的光转换元件的分布图形限定所述等效波形函数。
8.如权利要求3所述的光编码器装置，其中所述图形函数是一种等效的波形函数的变换形式，并且其中有孔装置限定所述等效波形函数。
9.如权利要求3所述的光编码器装置，其中所述图形函数是一种在一个机械运动周期内定义的周期性的波形函数的变换形式。
10.如权利要求3所述的光编码器装置，其中在机械运动周期中的一特定点由所述分布图形相对所述有孔装置位置的位置确定所述电信号的相位。
11.如权利要求3所述的光编码器装置，其中电动机械的周期运动是旋转运动。
12.如权利要求4所述的光编码器装置，其中第一、第二和第三预定波形是周期性波形；并且其中在机械的运动周期中的一特定点，所述第一、第二和第三分布图形分别相对所述第一、第二和第三有孔装置位置的位置确定所述第一、第二和第三电信号的相对相位，因此，由所述第一到所述第二和由所述第二到所述第三分布图形的所述分布图形位置的连续移动，导致所述第一、第二和第三电信号的相对相位的对应的连续移动。
13.如权利要求5所述的光编码器装置，其中所述至少一个周期循环图形是允许入射光能能从中通过的透光窗口。
14.如权利要求8所述的光编码器装置，其中所述有孔装置包含一具有预定图形形状的孔，所述图形形状的孔大致限定所述等效波形函数。
15.如权利要求9所述的光编码器装置，其中的由所述编码器装置产生的所述电信号具有至少一个频率分量。
16.如权利要求15所述的光编码器装置，其中所述等效波形函数包含至少一个周期；并且其中所述电信号具有的频率等于所述等效波形函数的周期数乘以机械周期性运动的频率的乘积。
17.如权利要求16所述的光编码器装置，其中在所述等效波形函数中的周期数为大于1的非整数。
18.一种光编码器装置，用于将电动机械的周期性运动变换为至少一个具有预定波形的电信号，所述装置包含光检测装置，用于响应于入射光能的分布图形，由其产生电信号；可光编程装置，光路上与所述光检测装置对准，形状构成使得利用该机械周期性运动才使该装置起作用，用于对在所述光检测器处的多个入射光能的分布图形进行转换，每一分布图形按照一光特征函数沿多个方向进行转换，其中所述可光编程装置包含光转换元件，其包含一可光检测的分布图形；以及有孔装置，用于使按多个一定分布图形的入射光能通到所述光检测装置，所述光特征函数包含一图形函数，通过按照机械的周期性运动，当所述分布图形和所述有孔装置一个相对另一个扫描时，它们对光的作用的综合形成该图形函数，以及其中所述光检测装置具有光电响应，并且所述响应和所述光特征函数的乘积定义一预定波形，其中利用所述光检测装置将所述入射光能经转换的分布图形变换为具有所述预定波形的电信号.
19.一种光编码器装置，用于将电动机械的周期性运动变换为多个分别具有预定波形的电信号，所述装置包含多个光检测装置，每个响应于入射光能的一种分布图形，并由其产生电信号；可光编程装置，光路上与所述多个光检测装置对准，其形状构成使得利用机械的周期性运动使该装置起作用，用于按照相应的光特征函数和沿多个方向，对在每个所述光检测装置处的入射光能的分布图形进行转换，其中所述可光编程装置包含一含有多个可光检测的分布图形的光转换元件以及对应的多个有孔装置，每个所述有孔装置的形状构成允许按至少一种分布图形的入射光能通到各不同的一个所述光检测装置，以及其中每个所述光特征函数包含一与各不同的其中一个所述分布图形和所述对应的有孔装置相应的图形函数，通过按照该机械的周期性运动当所述相关的分布图形和所述对应的有孔装置一个相对另一个扫描时，它们的对光的综合作用形成每一个所述图形函数，因此，利用所述多个光检测装置分别将所述经转换的入射光能的分布图形变换为各自具有预定波形的多个电信号。
20.一种光编码器装置，用于通过由电动机的转动产生的电信号来控制电动机的运行，所述信号用于向电动机绕组供电，具有预定的波形、频率和相位关系，所述装置包含光检测装置，响应于其上的入射光能的分布图形，用于由所述入射光能产生电信号，可光编程装置，光路上与所述光检测装置耦合，用于按照一种光特征函数沿多个方向对在所述光检测装置处的入射光能的分布图形进行转换，其中所述可光编程装置包括光发射器装置，通过一光通道光耦合到所述光检测器装置，用于发射光能，光转换元件，包含一可用光检测的分布图形，按一定形状构成的所述光转换元件相对于所述光检测装置运动，利用电动机的轴旋转使之起作用，以便分布图形扫描通过所述光通道。所述光特征函数包含一图形函数，按照电动机轴的旋转，当所述分布图形相对所述光检测装置扫描时，利用所述分布图形对光的作用形成该图形函数，以及其中所述光检测装置具有光电响应，并且所述响应和所述光特征函数的乘积定义一预定波形，因此，利用所述光检测装置将所述经转换的入射光能分布图形变换为具有预定波形和频率关系的电信号。
21.如权利要求20所述的光编码器装置，其中所述的可光编程装置还包含有孔装置，耦合到在所述光转换元件和所述光检测装置之间的所述光通道，用于使经转换的按一定分布图形的入射光能通过其间并到达所述光检测装置，按照电动机轴的旋转运动，当所述分布图形相对所述有孔装置扫描时，利用所述分布图形和所述有孔装置对光的综合作用形成该图形函数。
22.如权利要求21所述的光编码器装置，其中所述的图形函数是包含至少一个波形周期的等效波形函数的变换形式，并且其中所述波形函数的波形周期数等于所述电动机转子中的极对数。
23.如权利要求21所述的光编码器装置，其中所述图形函数是包含多个波形周期的等效波形函数的变换形式，并且其中所述波形函数的波形周期大于所述电动机转子的极对数。
24.根据权利要求21所述的光编码器装置，其中在电动机轴旋转的一特定角度下利用所述分布图形相对所述有孔装置位置的位置，来确定所述电信号的相对相位。
25.如权利要求21所述的光编码器装置，其中所述的光转换元件是一光编码器盘，其形状构成使得按照电动机轴的旋转能围绕其中心轴线旋转，所述的光转换元件上的分布图形以同心方式围绕中心轴线分布在所述盘上。
26.如权利要求22所述的光编码器装置，其中所述光转换元件上的所述分布图形包含至少一个可用光识别的循环图形周期，并且其中所述至少一个循环图形周期通过图形变换大体限定所述波形函数的所述至少一个波形周期。
27.如权利要求24所述的光编码器装置，还包含一用于调节所述有孔装置相对所述分布图形的位置的装置。
28.如权利要求25所述的光编码器装置，还包含心轴装置，用于将所述电动机轴的旋转力传递到所述光编码器盘，所述转轴装置包含一具有第一端和第二端的旋转心轴，所述编码器盘接近第一端耦合到所述旋转轴上，并且其中所述有孔装置按掩光盘形式构成包含以图形形状体现的孔，所述掩光盘邻近该第一端，它的中心轴线与所述旋转心轴的纵向轴线基本对准。
29.如权利要求28所述的光编码器装置，还包含用于将电动机的旋转力耦合到所述心轴装置的轴上的装置，所述耦合装置安装在所述轴的第二端处的所述心轴上。
30.一种用于电动机的可变速控制装置，耦合到电动机轴上，产生具有适于向电动机供电的波形和频率的电信号，所述装置包含光检测装置，响应于入射到其上的入射光能的分布图形，用于由所述入射光能产生电信号；可光编程装置，光耦合到所述光检测装置，用于按照一种光特征函数沿多个方向对所述光检测装置处的入射光能的分布图形进行转换，其中所述可光编程装置包含一具有可用光检测的分布图形的光转换元件，所述光转换元件相对所述光检测装置运动，由于电动机轴旋转以便分布图形扫描通过所述光通道，所述光特征函数包含一图形函数，按照电动机轴的旋转运动当所述分布图形相对所述光检测装置扫描时，利用所述分布图形对光的作用形成该图形函数，所述图形函数是等效波形函数的变换形式，所述波形函数的构成在于产生具有预定的波形以及在信号频率和电动机轴速度之间具有预定关系的电信号，其中所述光检测装置具有光电响应，并且所述响应和所述光特征函数的乘积定义一预定波形，因此，利用所述光检测装置将所述经转换的入射光能分布图形变换成具有预定波形的电信号；以及调节装置，用于调节所述电信号的幅值，以便对电动机的轴速进行相应的调节，因此，所述电信号的频率将按照所述预定的关系与轴速一起变化。
31.一种控制交流电动机的方法，该电机具有额定供电频率、额定转速和额定供电电压，该方法采用了一个其构成可耦合到马达轴上的光编码器装置，其中所述装置包含光检测装置，响应于其上的入射光能的分布图形，用于由所述入射光能产生电信号，一装置，光耦合到所述光检测装置，并且由于电动机轴的旋转而起作用，用于按照一包含图形函数的光特征函数对在所述光检测装置处的入射光能的分布图形进行转换，所述图形函数是一种等效的波形函数的变换形式，利用电动机轴旋转一周时的预定的波形周期数限定所述波形函数，所述预定的波形周期数大于在电动机的额定速度和电源电压下产生额定电源频率所需的周期数；其中所述光检测装置具有光电响应，并且所述响应和该光特征函数的乘积定义一预定波形，因此，利用所述光检测装置将经转换的按一定分布图形的入射光能变换为具有所述预定波形的电信号；以及一装置，用于调节所述电信号的幅值以便对电动机的轴速进行相应的调节，因此，所述电信号的频率是按照所述预定关系与轴速一起变化的；其中所述方法包含步骤(a)将所述编码器装置耦合到电动机轴上；(b)产生一编码器输出信号，该信号电动机轴每旋转一周大体重复所述波形信号；(c)将所述编码器输出信号放大到一能产生电动机额定速度的电压电平；以及(d)利用经放大的编码器输出信号向电动机供电。
32.如权利要求31所述的控制交流电动机的方法，其中还包含步骤(e)改变编码器输出信号的电压电平以改变电动机速度，并且因此将编码器信号的频率改变到一规定值。
全文摘要
提供一种光学编码装置和方法,用于将例如电动机的电动机械装置转动变换为至少一种具有预定波形的电信号。该装置可包含:至少一个响应于至少一种入射的光能分布图形的光检测器(26),至少一个发射光能的光发射器(24),该光能通过光通道与光检测器相耦合;以及一种可光编程系统,其包含一含有至少一个可光检测的分布图形(32)的光编码器盘(30)以及掩光层(36),该掩光层至少含有一个孔,孔用来使分布图形的光能通过其中到达检测器。
文档编号G01D5/34GK1209200SQ96180100
公开日1999年2月24日 申请日期1996年2月27日 优先权日1996年2月27日
发明者O·G·杜尔哈姆三世 申请人:奥普托普通装置有限公司