TW201009303A - Absolute-type encoder and method for detecting absolute position - Google Patents

Description

201009303 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於-種絕對式編媽器及其操作方法，特 別是有關於-種利用增量式編碼器架構之絕對式編碼器及 其操作方法。 【先前技術】 φ 習知交流伺服馬達通常内含一個光學編碼器，該光學 編碼器提供轉子的角度以獲知一馬達轉速資訊，該轉速資 訊可回授至相關速度控制單元以精確控制馬達轉速。 第一圖為-習知交流伺服馬達控制系統之方塊圖，馬 達1〇之轉子的角度位置係由一光學編碼器12摘測並經一訊 號處理單元20處理以得到一角度資訊。該角度資訊送至一 控制器14處理以得到一馬達估計轉速，然後一速 3〇接收該馬達估計轉速及—速度命令，藉讀制-控制器 φ f組32及-絕緣柵雙極電晶體（igbt)模組別產生控制馬達 轉速訊號，以精確控制馬達10轉速。 更明確而言’在飼服驅動馬達中’鎖附在馬 的位置感測器便异#基始_址u u t ^ 飼服馬達的定位精度取 析度高低，光學編碼器（或稱旋轉編碼 器J又/刀為增量型編碼器和絕對型編碼器。 2量型編碼器只能提供位置相對於前—位置的資訊， ，以，源中斷後，位置的資訊變化必須重新歸零才可確 Γ道目=後再重新上電的瞬間，增量型編碼器無法立即 知道目則機構所在位置。絕對型的位置編碼器，能隨時輸 5 201009303 出軸角度（位置）的絕對值且；1 町值立不會因為電源中斷而喪失位

置的資訊，因此斷電再t雷％ & A 电丹上冤後無需進行歸零程序，簡化了 控制系統的運作。 參見第二圖’為光學式編碼器的基本構造，一光源 260發出的光線經過一旋轉碼盤細及一個固定不動的副 編碼片220到達一光感測元件24〇，光感測元件⑽接收 到的光線強度隨著旋轉碼盤2〇〇位置不同而有不同的強度 變化’透過光感測元件24〇上的訊號變化便可檢知位置訊 ，息。 參見第二圖，為一絕對型編碼器之旋轉碼盤300之示 意圖，其中該旋轉碼盤3〇〇為一 ό位元（6bit)二進位碼的 碼盤設計。該旋轉碼盤3〇〇包含一圓形主體3〇2及多數之 光柵304。該光栅3〇4包含在最内圈編碼軌道且佔有 圓周之1個第一光柵3〇4A、在内侧第二圈編碼軌道且各佔 有1/4圓周之2個第二光栅304B··及在最外側編碼軌道且 各佔有1/64圓周之32個光栅3〇4F。因此沿著輻射（radiai)方 向可以產生不同的明暗訊號，並可沿著圓周方向達成=64 的解析度。然而在如圖所示之絕對型編碼器架構，解析度 每增加一個位元（bit)碼盤便必須增加一圈的編碼軌道，解 析度越高編碼軌道數便越多，編碼器的體積就越大。在一 些有體積限制的場合，絕對式編碼器的精度便有所限制 了。 參見第四A圖，為一增量式編碼器之一旋轉碼盤4〇〇 不意圖’該旋轉碼盤400包含一圓形主體402及多數之光 6 201009303 栅。該些光柵包含主光栅404A、第一副光柵404B及第二副 光栅404C，該第一副光栅404B及第二副光栅404C係在主光 柵404A兩侧，且在圓形主體402特定位置上。參見第四B 圖，為副編碼盤420之示意圖；該副編碼盤420包含四排 光栅420A。 參見第四C圖，為光感測元件440之示意圖，該光感 測元件440包含對應於主光栅404A之主感測單元442A， 444A，442B，444B (亦即標示為A+/B+/A-/B-之區域）。當旋轉 φ 碼盤400旋轉時，在光感測元件440的四個單元 (A+/B+/A-/B-)會產生類似弦波的訊號。這四個弦波的相位 分別為0/90/180/270度，取0/180訊號（A+/A-)作差動放大 後可得到消除共模雜訊（common mode noise)的正弦訊號A ; 同樣的取90/270訊號（B+/B-)作差動放大後可得到消除共模 雜訊的餘弦訊號B，AB兩個訊號的相位差90度，可以用 來判斷正轉或反轉。 增量式編碼器基本上只須AB訊號就可以檢知位置訊 ⑩ 息，但由於此位置訊息只提供相對於前一位置的資訊，因 此還需另外設置原點訊號感測單元446人44犯(Z+/Z-)，在每 次系統上電時先回原點歸零後才可得到絕對位置訊息。增 量式編竭器的優點是只需六個訊號便可得到南解析度 置訊息，其缺點則是每次開機上電都須執行回原點動作 不但浪費時間且在某些不容許回原點程序的應用場人 増 量式編蝎器就無法符合需求而需增設使用絕對式編碼器 【發明内容】 7 201009303 之絕的即在於提供一種增量式編碼器架構 I絕對式編碼器及其操作方法。 為了達成上述目的，本發明提供—種絕對式編碼器及 測絕對位置之方法，該編碼ϋ包含-光編碼輪，且該光 :碼輪包含一主光栅單元及兩個副光栅單元；該兩個副光 、单几分職在主光栅單元兩側且光柵數目比主光拇單元 少-個^在該編碼器做絕對位置_時，可以轉動編碼輪 以找出副光栅單元的檢光訊號零點，並找出主光栅單元 應該零點之數值，藉此即可推算絕對位置。由於該編碼器 可以同時提供增量位置及絕對位置計算，因此可以增加使 用彈性。 【實施方式】 目前絕對型編碼ϋ大都採用實體的位置編碼方式來提 供絕對位置m㈣編财式有mVBi卿c〇de) 及格雷碼（GmyCode)兩種方式，不論是二進位碼或格雷 碼，編碼器的解析精度取決於感測元件的數量，感測元件 的數量越多編碼器的體積越大成本也就越高。本專利的主 要目的是利用增量式編碼器的架構來達到絕對式編碼器的 ^能，只需在增量式編碼器原有的碼盤中增加一組調制訊 號（modulatingsignal)，便可產生週期36〇度的一組正弦及餘 弦訊號，對此組正弦及餘弦訊號便可内插出任一時刻的絕 對位置訊息。 參見第五A圖，為依據本發明之絕對式編碼器之一旋 轉碼盤100示意圖，該旋轉碼盤10〇包含一圓形主體1〇2 8 201009303 及多數之光栅104。該些光柵104包含位在主訊號軌道之 主光栅單元104A，位在至少一個調制軌道（圖示為兩個） 之第一副光栅單元104B及第二副光栅單元104C，其中第一 副光柵單元104B及第二副光柵單元104C之光栅數目比該主 光栅單元104A數目少1個。例如該主光栅單元104A之光柵 數目可以為2500個，則第一副光柵104B單元及第二副光柵 單元104C之光柵數目皆為2499個。 參見第五B圖，為副編碼盤120之示意圖；該副編碼 ❹ 盤120包含四排分別對應於光感測元件（容後詳述）之光 栅120A。參見第五C圖，為光感測元件14〇之示意圖，該 光感測元件140包含對應於主光柵單元104八之主感測單元 142A，144A，142B，144B (亦即標示為 A+/B+/A-/B-之區域）。 再者該光感測元件140亦包含對應於第一副光栅單元ι〇4Β 及第二副光栅單元104C之調制軌道感測單元H6A及146B。 本發明的主要目的為在增量式編碼器的精簡架構下達 成絕對定位的功能，參考第五A圖所示的碼盤設計，利用 ® 增量Sz+/z-的區域設置了比A+/A-/B+/B-主訊號執道少一光 柵的調制執道（M+/M-)。爲方便圖示起見，此處假設主光 栅單元104A具有16個光柵，而第一副光栅單元ι〇4Β及第二 副光柵單元104C具有15個光栅。參見第六圖，主訊號軌道 轉一圈在A+/A-光感測單元（主感測單元142A及142B )上 差動產生16個正弦波’用調制軌道感測元件146八及146B (M+/M-)所差動出來的訊號做取樣可以得到周期360度的 正弦訊號。如第六圖所示’若一控制器（未圖示，可利用 9 201009303 如第一圖之示之控制器14 )推動該旋轉碼盤loo移動一個 光栅之旋轉量（對應於2 角度變換），則可找出對應於 調制軌道感測單元146A及146B訊號為零點（A點）時之 A+/A-光感測單元之數值（對應於圓圈點之數值）。因為 利用調制轨道感測單元146A及146B訊號為零點取樣之 A+/A-光感測元件之數值為一個周期36〇度的正弦訊號， 因此可以利用該A點對應之數值找出該旋轉碼盤1〇〇之絕 對位置。 ❹ 上述說明係以具有16個光柵之主光栅單元i〇4A舉例說 明，如果主光柵單元104A之光柵數目越多，則一個光柵之 旋轉量就越小。 同樣的B+/B-光感測單元（主感測單元144入及144B ) 產生16個餘弦波與調制軌道的訊號（μ)做取樣可以得到周 期360度的餘弦訊號，利用正餘弦訊號便可内插出絕對位 置訊號，此新的架構由於仍然保留個光栅的增量式訊 號，内插出來的絕對位置仍保有增量式的基本精度，同時 如果原始正與餘弦訊號的高階諧波分量夠小的話，内插絕 對位置精度還可向上提升。 本發明之優點可以概述如下： 1. 以增量式編碼器的執道數達到輸出絕對位置的功 能。 2. 絕對式編碼器可以交互使用增量訊號與内插絕對 位置訊號以提升位置精確度。 3. 主訊號與調制訊號採差動放大方式消除共模雜 201009303 訊。 本專利的說明例冑然以光學式編碼器的架構為例，但 所k出的絕對疋位方式適用於以其他物理原理如電磁電容 等訊號方式的編碼器。 紅上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與 進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使 用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。 【圖式簡單說明】 ❹ 第一圖為一習知交流伺服馬達控制系統之方塊圖》 第二圖為光學式編碼器的基本構造。 第二圖為一習知絕對型編碼器之旋轉碼盤之示意圖。 第四A圖為一習知增量型編碼器之旋轉碼盤之示意 圖。 第四B圖為一習知副編碼盤之示意圖。 第四C圖為一習知光感測元件之示意圖。 第五A圖為本發明編碼器之旋轉碼盤之示意圖。 ❿ 第五B圖為本發明副編碼盤之示意圖。 第五C圖為本發明光感測元件之示意圖。 第六圖為說明主訊號執道及調制軌道感測單元之檢光 訊號。 【主要元件符號說明】 【習知】 馬達10 光學編碼器12 控制器14訊號處理單元2〇 11 201009303 速度控制器30 控制器模組32 絕緣栅雙極電晶體（IGBT)模組34 旋轉碼盤200,300,400 副編碼片220,420

光感測元件240,440 光源260 圓形主體302,402 第一光柵304A 第二光柵304B 第三光柵304C 第四光栅304D φ 第五光柵304E 第六光栅304F

主光柵404A 第一副光栅404B 第二副光栅404C 光柵420A 主感測單元 442A，444A，442B,444B 原點訊號感測單元446A，446B 【本發明】 旋轉碼盤100 ® 副編碼片120 光感測元件140

主光栅單元104A 第一副光柵單元104B 第二副光栅單元104C 主感測單元 142A, 144A，142B，144B 調制軌道感測單元146A, 146B 12

Claims (1)

1. 201009303 十、申請專利範圍·· h種絕對式光編碼輪，包含·· 一編媽輪主體； -主光栅單元，具有第一數目之主光栅，且該些主光 栅係沿著該編蝎輪主體之一圓周方向排列；及 yt —副光栅單元’具有第二數目之副光栅，且該些 4光栅係沿著職碼輪主體之—圓周方 二數目較該第一數目少一。 具μ第

   2.如申請專利範圍第丨項之絕對式光編碼輪，其中該 絕對式光編錢具有—個副光柵單元，且該副光栅單元位 於該主光拇單元内侧。 3.如申請專利範圍第丨項之絕對式光編碼輪，其中該 絕對式光編碼輪具有—㈣光栅單元，且該副光柵單元位 於該主光栅單元外侧。 4. 如申請專利範圍第1項之絕對式光編碼輪，其中該 絕對式光編碼輪具有兩個副光栅單元，且該兩個副光栅單 元分別位於該主光柵單元之内侧及外侧。 5. 如申請專利範圍第1項之絕對式光編碼輪，其中該 主光柵數目為2500個，該副光柵數目為2499個。 6. 種絕對式編碼器，可以判斷一編瑪輪主體與一光 源之絕對位置，包含·· 一主光栅單元，具有第一數目之主光柵，且該些主光 柵係沿著該編碼輪主體之一圓周方向排列； 至少一副光柵單元，具有第二數目之副光栅，且該些 13 201009303 副光栅係沿著該編碼輪主體之一圓周方向排列，其中該第 二數目較該第一數目少一； 多數之主感測單元，係對應於該主光栅單元設置，且 接收該光源發射之光線；； 至少一調制執道感測單元，係對應於該至少一副光栅 單元設置，且接收該光源發射之光線；及 。一控制器，電連接至該些主感測單元及該調制執道感 ^單兀’可由多數之主感測單元及該至少—調制執道感測 ❹單70之感測結果判斷該編碼輪主體對於該光源之絕對位 置。 ' 、7_如申請專利範圍第6項之絕對式編碼器，其中該絕 對式光編碼輪具有—㈣光栅單元，且該副光柵單元位於 該主光栅單元内侧。 、8.如申請專利範圍第6項之絕對式編碼器，其中該絕 ❷ 對式光編碼輪具有—個副光栅單元，且該副光柵單元位於 該主光橋單元外侧。 、=如申請專利範圍第6項之絕對式編鱗器，其中該絕 對式光編碼輪具有兩個副光栅單元，且-分別位於該主光栅單元之内側及外侧。 ^拇早疋 10.如申請專利範圍帛6項之絕對式編碼器 主感測元件包含感測相位相差為90度之4個感測單一、以 ，，如申請專利範園第6項之絕對式光=二中 :::軌道感測元件包含感測相位相差為⑽度 201009303 12. 種使用光編竭輪檢測絕對位置之方法，包含 提供一光源， 提供一絕對式光編碼輪，包含： 一編碼輪主體； 一主光栅單元，具有第一數目之主光栅，且該些主光 栅係沿著該編碼輪主體之一圓周方向排列；及 至少一副光栅單元，具有第二數目之副光栅，且該些 副光柵係沿著該編碼輪主體之一圓周方向排列，其中該第 癰 二數目較該第一數目少一； 驅動該絕對式光編碼輪轉動一個光柵之轉動量，並偵 測對應於副光栅單元檢光訊號的一個零點； 找出該主光柵單元對應於該零點之檢光數值，並計算 該光編碼輪之絕對位置。 13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該光栅單元 對應於該零點之檢光數值為周期360度的正弦訊號。 參 14.如申請專利範圍第12項之方法，其中該光栅單元 對應於該零點之檢光數值為周期360度的餘弦訊號。 15