三相光學編碼器的角度計算裝置及角度計算方法
2023-10-05 11:34:49 2
專利名稱：三相光學編碼器的角度計算裝置及角度計算方法
技術領域：
本發明涉及一種光學編碼器的角度計算裝置及角度計算方法，特別是涉及一種三相光學編碼器的角度計算裝置及角度計算方法。
背景技術：
公知的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馬達轉速信息，該轉速信息可反饋給相關速度控制單元以精確控制馬達轉速。
圖1為現有技術的交流伺服馬達控制系統的方框圖。馬達10的轉子的角度位置由光學編碼器12檢測並經信號處理單元20處理以得到角度信息。該角度信息被送至速度估測單元14處理以得到估計的馬達轉速，然後速度控制器30接收該估計的馬達轉速及速度命令，藉以控制控制器模塊32及絕緣柵雙極電晶體(IGBT)模塊34產生控制馬達轉速的信號，以精確控制馬達10的轉速。
如果光學編碼器所提供的解析度越高，則定位越準確，馬達噪音也會降低。以傳統光柵型編碼器而言，常見的增加解析度的方法有三種一、增加編碼盤條形碼數；二、電子細分割；三、採用不同的光學原理。其中方法一受到製造工藝及衍射現象的限制，其增加的解析度有限；方法二毋需改變本體架構，其運用的方法較多，隨著電子信號處理速度的提高，其可增加的解析度也持續增加；方法三需改變原有架構，配合使用雷射二極體及適當的光路設計，運用光學衍射或幹涉原理以達成增加解析度的需求。
從現有的光學編碼器細分割產品來看，可大概區分成四種形式一、包含於編碼器內，如GPI 9220、DRC 25D，RSF MS6X series；二、獨立的產品，如RENISHAW RGE series，HEIDENHAIN EXE 605及SONY MJ100/110、MJ500/600/700Series Interpolation Module；三、依附於控制卡或其它產品內，如MMI200-PC/104；四、整合於馬達內，如Fanuc、Mitsubishi。細分割技術的解析度從常用的4倍到2048倍，甚至更高的倍數，其可靠度大多取決於原始信號的質量及信號的補償技術，而可達到的解析度則受限於使用的原理。
細分割原理主要可分為相位細分法及振幅細分法。編碼器的A、B信號輸出的近似正弦波信號可表示為 A＝U0sinα B＝U0cosα 例如美國專利6355927號利用幾個振幅不同的A、B信號相減，再透過邏輯比較而達到細分的效果。
再者，隨著科技的發展，數位訊號處理器(DSP)及微處理器(MPU)的運算速度也不斷提高。為符合高速多樣化的需求，高速高解析模擬數字轉換器(ADC)配合DSP或MPU的細分割技術不斷的推陳出新。圖2及圖3示出了電子細分割電路方框圖及流程圖。由編碼器12a輸出的角度信息Sin ω及Cos ω經過模擬數字轉換器22a處理成數位訊號SIN X及COS X；且由編碼器12a輸出的角度信息Sin ω及Cos ω經過相位數位化裝置(phase digitizer)處理成數位訊號M。該數位訊號M經過高速信號處理部分(high speed signal processing portion)26a來產生圈數信號N及相位信號PH，以提供象限及比對的信息給DSP28a參考。參見圖3，DSP 28a可以利用數位訊號SIN X及COS X、及圈數信號N與相位信號PH來判斷轉子角度。
由於玻璃片的蝕刻技術無法滿足高解析光學編碼器的需求，只能以光源進入玻璃片的光柵所產生的近似正弦波信號來進行插補，以得到更高的解析度。公知技術皆以正弦波及與其相差90°的餘弦波為源信號，通過正切(Tan)的反函數或鎖相迴路等方式來計算對應的角度值。因為這些方法需要使用到全幅(full-amplitude)的信號，因而對源信號的正弦度(pure sinusoidal)的要求很高。當源信號有正弦波以外的諧波分成分時，通過運算所得的角度就會有明顯的誤差。
例如用上述方法以相差90°的正弦信號來推算受諧波(harmonic)影響的差補角度(interpolation angle) 依據圖2及圖3的電子細分割方法通過計算插補角度θ；因為受諧波影響，計算出的插補角度θ與原來直線角度變化有±2.5％變化的周期性誤差。由上述說明可以看出，公知的利用光學編碼器的馬達角度計算裝置存在無法達到高解析度且不具有強健性的缺點。
發明內容
因此本發明的目的在於提供具有計算強健性及高解析度的三相光學編碼器的角度計算裝置及角度計算方法。
為達到上述目的，本發明提供一種三相光學編碼器的角度計算裝置，其可接收光學編碼器產生的相位差120度的三相正弦波信號，以計算馬達轉子角度。所述三相光學編碼器的角度計算裝置包括模擬數字轉換器、數位訊號處理器、相位數位化單元及數字計數器。模擬數字轉換器將來自光學編碼器的三相模擬信號轉換成三相數位訊號；所述相位數位化單元將來自光學編碼器的三相模擬信號轉換成三相相位數位訊號；所述數字計數器對所述三相相位數位訊號計數並產生計數結果。所述數位訊號處理器接收所述三相數位訊號，並且對三相數位訊號中的較為線性區域進行反三角函數運算，以獲得馬達轉子角度；藉由所述計數結果，所述數位訊號處理器可以得知馬達轉子旋轉方向。其中三相數位訊號中的較為線性區域是在三相信號上下交點(crosspoint)為界線的中間區域，以降低不正弦性對於插補角度計算的影響。
圖1是現有技術的交流伺服馬達控制系統的方框圖； 圖2是說明電子細分割電路的方框圖； 圖3是說明電子細分割電路的流程圖； 圖4是依據本發明的三相光學編碼器的角度計算裝置的方框圖； 圖5說明了本發明三相信號的中間部分為插補運算可用區； 圖6A及6B說明本發明對角度做插補計算的區域劃分； 圖7說明了編碼器的示意圖； 圖8A至8C是本發明產生三相信號的編碼器內部組件示意圖； 圖9A及9B說明了相位數位化裝置的比較器輸出結果； 圖10A及10B說明了使用狀態機(state machine)方式進行計數的方式； 圖11說明了另一種三相信號計數的方式。
附圖中，各標號所代表的部件列表如下 公知技術主要組件符號說明 10馬達 12光學編碼器 20信號處理單元 14速度估測單元 30速度控制器 32控制器模塊 34IGBT模塊 12a光學編碼器 22a模擬數字轉換器24a相位數位化裝置 26a高速信號處理部分 28a數位訊號處理器 本發明主要組件符號說明 16三相光學編碼器 22模擬數字轉換器 24相位數位化裝置 26計數器 28數位訊號處理器
具體實施例方式 不同於以往所慣用的兩相正弦(sin)及餘弦(cos)的作法，本發明提出一種採取三相信號(相位彼此差120度)的三相光學編碼器及其角度計算裝置，其中本發明的三相信號(A信號、B信號、及C信號)表示如下 A＝U0sinθ 圖8A至8C為本發明產生三相信號的編碼器內部組件示意圖。圖8A所示為光柵輪(Optical disk)的示意圖，該光柵輪與公知的光柵輪類似。在本發明的編碼器中罩片(mask)及光檢測器(photo diode，PD)與公知的編碼器有所不同。圖8B所示為本發明光柵輪的光檢測器構造圖，其中中間的部分為A、B、C三相光源的接受區。圖8C所示為本發明的光柵輪的罩片蝕刻圖；中間部分分成左中右三個小區間，分別對應A、B、C的屏蔽。由圖7及圖8A至8C可以了解光柵輪、罩片和光檢測器三者間的搭配可產生三相各差120°的信號(A信號、B信號、及C信號)。
參見圖5，本發明以三相信號的中間部分來進行插補運算，該部分對信號的正弦度的要求有較強的強健性(robustness)。在圖5中可看到A、B、C三相信號的波形，在上下交點(cross point)為界線的中間區域，稱為插補可用區(Interpolation feasible region)。插補可用區對A、B、C三相信號的不正弦性較不敏感，因此可大幅降低插補的誤差。
假設A、B、C三相信號有偏移量及大小變化，並表示如下 A＝U0sinθ+Va 為了簡化說明，將V0＝Va＝Vb＝Vc。三相插補程序如下 當瞬間得到A、B、C值時，假設 V0＝(A+B+C)/3 (1) 為了利用三相信號較為線性的區域進行角度計算，因此本發明依據ABC三相信號相對的大小而將2π相位區間切割成12個部分，以ABC三相信號較為線性的部分來計算角度，參見圖6A及6B，其判斷式如下 IF C>A>0， (區域1) θ＝asin((A-V0)/U0) ELSEIF A>C>0， (區域2) θ＝π/3-asin((C-V0)/U0) ELSEIF B<C<0，(區域3) θ＝π/3+asin((V0-C)/U0) ELSEIF C<BB>0，(區域5) θ＝2π/3+asin((B-V0)/U0) ELSEIF B>A>0，(區域6) θ＝π-asin((A-V0)/U0) ELSEIF C<A<0，(區域7) θ＝π+asin((V0-A)/U0) ELSEIF A<CC>0，(區域9) θ＝4π/3+asin((C-V0)/U0) ELSEIF C>B>0，(區域10) θ＝5π/3-asin((B-V0)/U0) ELSEIF A<B<0，(區域11) θ＝5π/3+asin((V0-B)/U0) ELSEIF B<A<0，(區域12) θ＝2π-asin((V0-A)/U0) 在實際應用中，反正弦函數(asin)以查表來完成。通過(1)、(2)式，可用A、B、C三相信號的瞬間取樣值來獲得它們的平均偏移(offset)及大小。現有技術中sin、cos兩相信號利用atan來解決信號大小變化的問題，但是偏移無法計算。經過實驗的證明，即使在A、B、C三相信號有不同正負方向的偏移時，所得到的差補誤差也會比sin、cos兩相信號有顯著的優越。
對於本發明的三相光學編碼器的角度計算裝置，同樣可以用之前所舉的例子來評估諧波對於插補角度的影響 利用上述的插補程序，插補角度θ與原來直線角度變化僅有±0.6％的周期性誤差，因此可以驗證本發明的三相光學編碼器的角度計算裝置具有較低的誤差。
若以一圈有2500刻度的玻璃片轉動一圈後，光感測晶片可以產生2500個A、B、C三相相差120°的正弦信號。經過磁滯比較器及三相信號計數器(六倍頻)，則轉動一圈後會有2500*6脈波。而由上述說明，θ可由查表的技巧獲得。如果θ＝sin-1A的表從0～π/6構建分成90格。那麼整個合成的解析度就可達到2700000ppr。
圖4為依據本發明的三相光學編碼器的角度計算裝置20的方框圖。角度計算裝置20接收來自編碼器12的三相角度信號A、B和C，並計算出旋轉角度信號。角度計算裝置20包括模擬數字轉換器22以將來自編碼器12的三相模擬信號A、B、C(即sin(x)，sin(x-2π/3)，sin(x-4π/3))轉換成三相數位訊號SIN X、SIN Y及SIN Z。角度計算裝置20還包括相位數位化單元24及數字計數器26，以利用來自編碼器12的三相模擬信號A、B、C(即sin(x)，sin(x-2π/3)，sin(x-4π/3))而得到計數信號。再將上述的三相數位訊號SIN X、SIN Y及SIN Z與計數信號N送到數位訊號處理器(DSP)28，以得到轉子的旋轉角度。
上述的計數信號N可以由下列方式產生。
三相編碼器信號A、B、C各相差120度，經過相位數位化單元24的比較器之後的信號分別以Ca、Cb、Cc表示，可得如圖9A及9B所示的圖形。圖10A和10B所示，數字計數器26可以採用狀態機(state machine)方式進行計數，依據三相編碼器的運作，共可得到6種不同的Ca、Cb、Cc狀態組合，將此6種狀態組合用二進位來編碼，再根據狀態機的運作方式即可以正確做出三相信號的計數。
參見圖10A，狀態編碼方式說明如下 當Ca為高電平，Cb為低電平，Cc為低電平，編碼為狀態1(State1)。
當Ca為低電平，Cb為高電平，Cc為低電平，編碼為狀態2(State2)。
當Ca為高電平，Cb為高電平，Cc為低電平，編碼為狀態3(State3)。
當Ca為低電平，Cb為低電平，Cc為高電平，編碼為狀態4(State4)。
當Ca為高電平，Cb為低電平，Cc為高電平，編碼為狀態5(State5)。
當Ca為低電平，Cb為高電平，Cc為高電平，編碼為狀態6(State6)。
參見圖10B，對狀態機的運作進行如下說明 假如狀態機的當前狀態為狀態5(Ca為高電平，Cb為低電平，Cc為高電平)，編碼器往正方向運動，當接收到編碼器的輸入狀態為狀態1(Ca為高電平，Cb為低電平，Cc為低電平)的狀態時，此時計數器值往上增加一，狀態機的當前狀態也由狀態5變成狀態1。
倘若狀態機的當前狀態為狀態5(Ca為高電平，Cb為低電平，Cc為高電平)，編碼器往負方向運動，當接收到編碼器的輸入狀態為狀態4(Ca為低電平，Cb為低電平，Cc為高電平)的狀態時，此時計數器值往下遞減一，狀態機的當前狀態也由狀態5變成狀態4。
假若狀態機的初始狀態在狀態5，當接收到編碼器的輸入狀態並非狀態1或狀態4時，代表有幹擾信號進入，此時計數器值不做任何增加或遞減，狀態機的狀態也維持在原狀態狀態5不變動。
圖11示出了另一種三相信號計數的方式，其是將Ca、Cb、Cc信號轉變成脈衝序列與方向信號。編碼器運動時，編碼器的各相輸入信號(Ca、Cb、Cc)一有狀態變化時，就產生脈衝。當正轉方向的脈衝產生時，方向信號重置為低電平；反轉方向的脈衝產生時，方向信號設定為高電平。計數器即可根據脈衝序列與方向信號來處理計數值的遞增或遞減。
本發明的三相光學編碼器的角度計算裝置及角度計算方法的優點可以綜述如下 1)對原始信號的非正弦度具有強健性； 2)比現有技術有更優秀的插補線性度、更低的插補誤差； 3)可提高整體解析度。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此即限制本發明的專利範圍，凡是在本發明特徵範圍內所作的其它等效變化或修飾，均應包括在本發明的專利範圍內。
權利要求
1.一種三相光學編碼器的角度計算裝置，可接收光學編碼器所產生的相位差120度的三相模擬正弦波信號，並利用所述三相模擬信號上下交點為界線的中間較為線性區域計算馬達的瞬時轉子角度。
2.如權利要求1所述的角度計算裝置，包括
模擬數字轉換器，將來自光學編碼器的三相模擬弦波信號轉換成三相數位訊號；以及
數位訊號處理器，接收所述三相數位訊號，並且對所述三相數位訊號中的較為線性區域進行反三角函數運算，以獲得馬達轉子角度。
3.如權利要求2所述的角度計算裝置，還包括
相位數位化單元，將來自光學編碼器的三相模擬弦波信號轉換成三相相位數位訊號；以及
數字計數器，可以對所述三相相位數位訊號計數並產生計數結果；
藉由所述計數結果，所述數位訊號處理器可以得知馬達轉子旋轉方向。
4.如權利要求1所述的角度計算裝置，其中所述三相數位訊號中的較為線性區域是在三相數位訊號上下交點為界線的中間區域。
5.如權利要求3所述的角度計算裝置，其中所述數字計數器以狀態機方式進行計數。
6.如權利要求2所述的角度計算裝置，其中所述三相數位訊號分別以A、B及C表示，則數位訊號處理器以下列判斷式來判斷馬達轉子角度
IF C>A>0，
θ＝asin((A-V0)/U0)
ELSEIF A>C>0，
θ＝π/3-asin((C-V0)/U0)
ELSEIF B<C<0，
θ＝π/3+asin((V0-C)/U0)
ELSEIF C<B<0，
θ＝2π/3-asin((V0-B)/U0)
ELSEIF A>B>0，
θ＝2π/3+asin((B-V0)/U0)
ELSEIF B>A>0，
θ＝π-asin((A-V0)/U0)
ELSEIF C<A<0，
θ＝π+asin((V0-A)/U0)
ELSEIF A<C<0，
θ＝4π/3-asin((V0-C)/U0)
ELSEIF B>C>0，
θ＝4π/3+asin((C-V0)/U0)
ELSEIF C>B>0，
θ＝5π/3-asin((B-V0)/U0)
ELSEIF A<B<0，
θ＝5π/3+asin((V0-B)/U0)
ELSEIF B<A<0，
θ＝2π-asin((V0-A)/U0)
其中
V0＝(A+B+C)/3
7.一種三相光學編碼器的角度計算方法，依據光學編碼器所產生的相位差120度的三相模擬弦波信號計算馬達轉子角度，所述方法包括下列步驟
對所述三相模擬弦波信號進行模擬數字轉換處理，以得到三相數位訊號；以及
對所述三相數位訊號中的較為線性區域進行反三角函數運算，以獲得馬達轉子角度。
8.如權利要求7所述的角度計算方法，進一步包括
將來自光學編碼器的三相模擬正弦波信號轉換成三相相位數位訊號；
對所述三相相位數位訊號計數並產生計數結果；以及
藉由所述計數結果，得知馬達轉子旋轉方向。
9.如權利要求7所述的角度計算方法，其中所述三相數位訊號中的較為線性區域是在三相數位訊號上下交點為界線的中間區域。
10.如權利要求7所述的角度計算方法，其中
所述三相數位訊號分別以A、B及C表示，則數位訊號處理器以下列判斷式來判斷馬達轉子角度
IF C>A>0，
θ＝asin((A-V0)/U0)
ELSEIF A>C>0，
θ＝π/3-asin((C-V0)/U0)
ELSEIF B<C<0，
θ＝π/3+asin((V0-C)/U0)
ELSEIF C<B<0，
θ＝2π/3-asin((V0-B)/U0)
ELSEIF A>B>0，
θ＝2π/3+asin((B-V0)/U0)
ELSEIF B>A>0，
θ＝π-asin((A-V0)/U0)
ELSEIF C<A<0，
θ＝π+asin((V0-A)/U0)
ELSEIF A<C<0，
θ＝4π/3-asin((V0-C)/U0)
ELSEIF B>C>0，
θ＝4π/3+asin((C-V0)/U0)
ELSEIF C>B>0，
θ＝5π/3-asin((B-V0)/U0)
ELSEIF A<B<0，
θ＝5π/3+asin((V0-B)/U0)
ELSEIF B<A<0，
θ＝2π-asin((V0-A)/U0)
其中
V0＝(A+B+C)/3
11.一種馬達轉子角度計算系統，包括
光學編碼器，可以依據轉子旋轉角度產生相位差120度的三相模擬正弦波信號；以及
角度計算裝置，可接收所述光學編碼器所產生的相位差120度的三相模擬正弦波信號，以計算馬達轉子角度。
12.如權利要求11所述的馬達轉子角度計算系統，其中所述角度計算裝置包括
模擬數字轉換器，將來自光學編碼器的三相模擬弦波信號轉換成三相數位訊號；以及
數位訊號處理器，接收所述三相數位訊號，並且對所述三相數位訊號中的較為線性區域進行反三角函數運算，以獲得馬達轉子角度。
13.如權利要求12所述的馬達轉子角度計算系統，還包括
相位數位化單元，將來自光學編碼器的三相模擬正弦波信號轉換成三相相位數位訊號；以及
數字計數器，可以對所述三相相位數位訊號計數並產生計數結果；
藉由所述計數結果，所述數位訊號處理器可以得知馬達轉子旋轉方向。
14.如權利要求11所述的馬達轉子角度計算系統，其中三相數位訊號中的較為線性區域是在三相數位訊號上下交點為界線的中間區域。
15.如權利要求13所述的馬達轉子角度計算系統，其中所述數字計數器以狀態機方式進行計數。
全文摘要
一種三相光學編碼器的角度計算裝置，可接收光學編碼器產生的相位差120度的三相正弦信號，以計算馬達轉子角度。三相光學編碼器的角度計算裝置包括模擬數字轉換器、數位訊號處理器、相位數位化單元及數字計數器。模擬數字轉換器將來自光學編碼器的三相模擬信號轉換成三相數位訊號；相位數位化單元將來自光學編碼器的三相模擬信號轉換成三相相位數位訊號；數字計數器對三相相位數位訊號計數產生計數結果。數位訊號處理器接收三相數位訊號，並且對三相數位訊號中的較為線性區域進行反三角函數運算，以獲得馬達轉子角度。藉由該計數結果，可以得知馬達轉子旋轉方向。其中三相數位訊號中的較為線性區域是在三相信號上下交點(cross point)為界線的中間區域，以降低不正弦性對於插補角度計算的影響。
文檔編號G01D5/26GK101363742SQ20071014014
公開日2009年2月11日 申請日期2007年8月6日 優先權日2007年8月6日
發明者蔡清雄, 林正平, 林孟璋, 蔡明典, 陳博銘 申請人:臺達電子工業股份有限公司