TWI403699B - 光編碼輪、絕對式編碼器及檢測絕對位置之方法 - Google Patents

Description

光編碼輪、絕對式編碼器及檢測絕對位置之方法

本發明係有關於一種絕對式編碼器及其操作方法，特別是有關於一種利用增量式編碼器架構之絕對式編碼器及其操作方法。

習知交流伺服馬達通常內含一個光學編碼器，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。

第一圖為一習知交流伺服馬達控制系統之方塊圖，馬達10之轉子的角度位置係由一光學編碼器12偵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，然後一速度控制器30接收該馬達估計轉速及一速度命令，藉以控制一控制器模組32及一絕緣柵雙極電晶體(IGBT)模組34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，在伺服驅動馬達中，鎖附在馬達轉軸上的位置感測器便是光學編碼器12，伺服馬達的定位精度取決於編碼器的解析度高低，光學編碼器(或稱旋轉編碼器)12又分為增量型編碼器和絕對型編碼器。

增量型編碼器只能提供位置相對於前一位置的資訊，所以電源中斷後，位置的資訊變化必須重新歸零才可確認。在斷電後再重新上電的瞬間，增量型編碼器無法立即知道目前機構所在位置。絕對型的位置編碼器，能隨時輸 出軸角度(位置)的絕對值且不會因為電源中斷而喪失位置的資訊，因此斷電再上電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200及一個固定不動的副編碼片220到達一光感測元件240，光感測元件240接收到的光線強度隨著旋轉碼盤200位置不同而有不同的強度變化，透過光感測元件240上的訊號變化便可檢知位置訊息。

參見第三圖，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300為一6位元(6 bit)二進位碼的碼盤設計。該旋轉碼盤300包含一圓形主體302及多數之光柵304。該光柵304包含在最內圈編碼軌道且佔有1/2圓周之1個第一光柵304A、在內側第二圈編碼軌道且各佔有1/4圓周之2個第二光柵304B..及在最外側編碼軌道且各佔有1/64圓周之32個光柵304F。因此沿著輻射(radial)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400示意圖，該旋轉碼盤400包含一圓形主體402及多數之光 柵。該些光柵包含主光柵404A、第一副光柵404B及第二副光柵404C，該第一副光柵404B及第二副光柵404C係在主光柵404A兩側，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包含四排光柵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包含對應於主光柵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446A,446B(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。增量式編碼器的優點是只需六個訊號便可得到高解析度的位置訊息，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合，増量式編碼器就無法符合需求而需增設使用絕對式編碼器。

因此本發明之目的即在於提供一種增量式編碼器架構之絕對式編碼器及其操作方法。

為了達成上述目的，本發明提供一種絕對式編碼器及檢測絕對位置之方法，該編碼器包含一光編碼輪，且該光編碼輪包含一主光柵單元及兩個副光柵單元；該兩個副光柵單元分別位在主光柵單元兩側且光柵數目比主光柵單元少一個。在該編碼器做絕對位置偵測時，可以轉動編碼輪以找出副光柵單元的檢光訊號零點，並找出主光柵單元對應該零點之數值，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。

目前絕對型編碼器大都採用實體的位置編碼方式來提供絕對位置訊息，常用的編碼方式有二進位碼(Binary Code)及格雷碼(Gray Code)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功能，只需在增量式編碼器原有的碼盤中增加一組調制訊號(modulating signal)，便可產生週期360度的一組正弦及餘弦訊號，對此組正弦及餘弦訊號便可內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100包含一圓形主體102 及多數之光柵104。該些光柵104包含位在主訊號軌道之主光柵單元104A，位在至少一個調制軌道(圖示為兩個)之第一副光柵單元104B及第二副光柵單元104C，其中第一副光柵單元104B及第二副光柵單元104C之光柵數目比該主光柵單元104A數目少1個。例如該主光柵單元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；該副編碼盤120包含四排分別對應於光感測元件(容後詳述)之光柵120A。參見第五C圖，為光感測元件140之示意圖，該光感測元件140包含對應於主光柵單元104A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柵單元104B及第二副光柵單元104C之調制軌道感測單元146A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，利用增量式Z＋/Z－的區域設置了比A＋/A－/B＋/B－主訊號軌道少一光柵的調制軌道(M＋/M－)。為方便圖示起見，此處假設主光柵單元104A具有16個光柵，而第一副光柵單元104B及第二副光柵單元104C具有15個光柵。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146A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 如第一圖之示之控制器14)推動該旋轉碼盤100移動一個光柵之旋轉量(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)。因為利用調制軌道感測單元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360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100之絕對位置。

上述說明係以具有16個光柵之主光柵單元104A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144A及144B)產生16個餘弦波與調制軌道的訊號(M)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內插出絕對位置訊號，此新的架構由於仍然保留16個光柵的增量式訊號，內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，內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.以增量式編碼器的軌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內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 訊。

本專利的說明例雖然以光學式編碼器的架構為例，但所提出的絕對定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。

綜上所述，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。

【習知】

馬達‧‧‧10

光學編碼器‧‧‧12

控制器‧‧‧14

訊號處理單元‧‧‧20

速度控制器‧‧‧30

控制器模組‧‧‧32

絕緣柵雙極電晶體(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

第四光柵‧‧‧304D

第五光柵‧‧‧304E

第六光柵‧‧‧304F

主光柵‧‧‧404A

第一副光柵‧‧‧404B

第二副光柵‧‧‧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

主光柵單元‧‧‧104A

第一副光柵單元‧‧‧104B

第二副光柵單元‧‧‧104C

主感測單元‧‧‧142A,144A,142B,144B

調制軌道感測單元‧‧‧146A,146B

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。

第三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。

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軌道及調制軌道感測單元之檢光訊號。

旋轉碼盤‧‧‧100

圓形主體‧‧‧102

主光柵單元‧‧‧104A

第一副光柵單元‧‧‧104B

第二副光柵單元‧‧‧104C

Claims (7)

1. 一種絕對式光編碼器，可以判斷一編碼輪主體與一光源之絕對位置，包含：一主光柵單元，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柵，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，係對應於該主光柵單元設置，且接收該光源發射之光線；；至少一調制軌道感測單元，係對應於該至少一副光柵單元設置，且接收該光源發射之光線；及一控制器，可由多數之主感測單元及該至少一調制軌道感測單元之感測結果判斷該編碼輪主體對於該光源之絕對位置；其中該控制器驅動該絕對式光編碼輪轉動一個光柵之轉動量，並得知對應於副光柵單元檢光訊號的一個零點，該控制器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；其中該主光柵單元對應於該零點之檢光數值為周期360度的正弦或是餘弦訊號。
2. 如申請專利範圍第1項之絕對式光編碼器，其中該絕對式光編碼輪具有一個副光柵單元，且該副光柵單元位於該主光柵單元內側。
3. 如申請專利範圍第1項之絕對式光編碼器，其中該絕對式光編碼輪具有一個副光柵單元，且該副光柵單元位於該主光柵單元外側。
4. 如申請專利範圍第1項之絕對式光編碼器，其中該絕對式光編碼輪具有兩個副光柵單元，且該兩個副光柵單元分別位於該主光柵單元之內側及外側。
5. 如申請專利範圍第1項之絕對式光編碼器，其中該主感測元件包含感測相位相差為90度之4個感測單元。
6. 如申請專利範圍第1項之絕對式光編碼器，其中該調制軌道感測元件包含感測相位相差為180度之2個感測單元。
7. 一種使用光編碼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；一主光柵單元，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；及 至少一副光柵單元，具有第二數目之副光柵，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，並偵測對應於副光柵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；其中該主光柵單元對應於該零點之檢光數值為周期360度的正弦或是餘弦訊號。