絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種增量式編碼器，其例如可以是線型的、但尤其也可以是旋轉(zhuǎn)式測(cè) 量系統(tǒng)，也就是旋轉(zhuǎn)編碼器。在已知的增量式編碼器中，也就是說(shuō)，在循環(huán)式絕對(duì)位置編碼 器中，掃描標(biāo)記刻度（標(biāo)記與標(biāo)記的間距），這些標(biāo)記刻度在旋轉(zhuǎn)編碼器中可以構(gòu)造在能轉(zhuǎn) 動(dòng)的、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的刻度標(biāo)記碼盤上，或者在線型的測(cè)量系統(tǒng)中可以構(gòu)造在線型的、能沿縱向 移動(dòng)的刻度標(biāo)記碼盤上?？潭瓤梢匀绻哪菢油ㄟ^(guò)磁性的和非磁性的、光學(xué)上透明的和 不透明的區(qū)段或通過(guò)（在齒輪上或齒桿上）分別交替地彼此跟隨的齒和齒隙來(lái)實(shí)現(xiàn)。編碼 器包含對(duì)刻度標(biāo)記做出反應(yīng)的掃描元件。在相應(yīng)的掃描元件的輸出端上得到輸出信號(hào)，例 如一系列電流脈沖或電壓脈沖，它們的數(shù)量（增量）對(duì)應(yīng)粗略的角度位置值或縱向位置值。
【背景技術(shù)】
[0002] 由DE43 31 151C2已知一種方法，以便在由兩個(gè)相鄰的刻度標(biāo)記在碼盤上形成 的和/或限定的刻度區(qū)段之內(nèi)獲知可運(yùn)動(dòng)的刻度標(biāo)記碼盤的絕對(duì)位置。在微型計(jì)算機(jī)中， 所計(jì)數(shù)的刻度標(biāo)記或刻度區(qū)段的數(shù)量（粗略位置）和所獲知的絕對(duì)位置（精細(xì)位置）按照 已知的、數(shù)學(xué)的關(guān)系可以組合成總位置。在DE43 31 151C2中使用測(cè)量過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 該模型以參數(shù)矢量為基礎(chǔ)并且與正在進(jìn)行的測(cè)量運(yùn)行并行地進(jìn)行計(jì)算并且持續(xù)地進(jìn)行更 新。由此，使參數(shù)矢量與當(dāng)前的測(cè)量過(guò)程相匹配。DE43 31 151C2的內(nèi)容是本專利申請(qǐng)的 一部分并且屬于其公開(kāi)內(nèi)容。
[0003] 由DE10 2004 062 278A1已知的是，為增量式編碼器裝備增量部（刻度區(qū)段）， 它們的周期長(zhǎng)度（長(zhǎng)度）采用不同的值，也就是說(shuō)，是兩兩不一樣。通過(guò)測(cè)量信號(hào)評(píng)估能夠 首先獲知當(dāng)前的刻度區(qū)間（刻度區(qū)段，粗略位置）并且通過(guò)緊接著的借助內(nèi)插法的精細(xì)評(píng) 估獲知在當(dāng)前的間隔之內(nèi)的絕對(duì)位置（在刻度區(qū)段之內(nèi)，精細(xì)位置）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的任務(wù)是，建議一種改良的絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)和方法。
[0005] 該任務(wù)通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法來(lái)解決。這種方法用于獲知增量式編碼器 的刻度標(biāo)記的運(yùn)動(dòng)的碼盤相對(duì)傳感器裝置的絕對(duì)位置（粗略位置和精細(xì)位置，也就是絕對(duì) 式測(cè)量取代僅增量式測(cè)量）。可選地，傳感器裝置可以是位置固定的。在碼盤上存在如下的 刻度區(qū)段，其具有兩兩不同的在刻度標(biāo)記之間的區(qū)段長(zhǎng)度。在步驟a)中，利用傳感器裝置 的第一傳感器產(chǎn)生第一測(cè)量信號(hào)。相應(yīng)地在步驟b)中利用傳感器裝置的第二傳感器產(chǎn)生 第二測(cè)量信號(hào)。第二傳感器與第一傳感器沿著碼盤的運(yùn)動(dòng)方向錯(cuò)開(kāi)地布置。換而言之，第 一和第二傳感器位于各自的相對(duì)用于刻度標(biāo)記的可運(yùn)動(dòng)的碼盤位置固定的第一和第二測(cè) 量位置上。通過(guò)使刻度標(biāo)記導(dǎo)引經(jīng)過(guò)傳感器和在傳感器上探測(cè)刻度標(biāo)記來(lái)生成測(cè)量信號(hào)。 第二傳感器位于沿著碼盤的運(yùn)動(dòng)方向與第一測(cè)量位置錯(cuò)開(kāi)的第二測(cè)量位置上。
[0006] 在步驟C)中，首先假設(shè)傳感器和碼盤的理想的運(yùn)行：以利用第一和第二傳感器的 理想的測(cè)量信號(hào)的理論上理想的研究為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)每個(gè)刻度區(qū)段獲知各自的在理論上理 想的測(cè)量信號(hào)之間的理論上的相位偏差?；趦蓛刹煌膮^(qū)段長(zhǎng)度，刻度區(qū)段的各自的理 論上的相位偏差也兩兩不同。因此，每個(gè)理論上的相位偏差和每個(gè)刻度區(qū)段都可以一對(duì)一 地配屬于彼此。針對(duì)某一刻度區(qū)段而言表征性的并且唯一的在相應(yīng)的第一與第二測(cè)量信號(hào) 之間的相位偏差基于傳感器裝置的傳感器的給定的錯(cuò)位以及相關(guān)的刻度區(qū)段的唯一表征 性的區(qū)段長(zhǎng)度而得出。
[0007] 在步驟d)中產(chǎn)生了第一和第二模型信號(hào)，這些模型信號(hào)以參數(shù)組為基礎(chǔ)或由這 組參數(shù)確定。在此，這些模型信號(hào)中的每一個(gè)分別建模出附屬的或配屬于它的（真實(shí)的） 測(cè)量信號(hào)。為此，首先使用參數(shù)的起始值。緊接著在步驟e)中，重復(fù)執(zhí)行方法的多個(gè)分步 驟：在分步驟aa)中，各自的模型信號(hào)與附屬的（真實(shí)的）測(cè)量信號(hào)相匹配，其方式是：適應(yīng) 性修改確定出模型信號(hào)的參數(shù)。這一點(diǎn)根據(jù)適應(yīng)性修改標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量信號(hào)的當(dāng)前的真實(shí)的值 來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為適應(yīng)性修改標(biāo)準(zhǔn)，所有已知的適應(yīng)性修改標(biāo)準(zhǔn)，例如最小平方差、梯度法等都 在考慮之列。緊接著在分步驟bb)中，在模型中，也就是說(shuō)在模型信號(hào)之間獲知其當(dāng)前的模 型相位偏差。緊接著在步驟cc)中，由上面獲知的理論上的相位偏差中選出（最）相應(yīng)于 當(dāng)前的模型相位偏差的理論上的相位偏差。唯一地屬于所選出的理論上的相位偏差的刻度 區(qū)段被選擇作為針對(duì)碼盤的（當(dāng)前的）絕對(duì)位置的當(dāng)前的刻度區(qū)段。因此，碼盤的粗略位 置確認(rèn)為在所選出的刻度區(qū)段上。最后，在分步驟dd)中，還由當(dāng)前的刻度區(qū)段的已知的位 置（粗略位置）和在當(dāng)前的刻度區(qū)段之內(nèi)的相對(duì)位置(φ?ι)(精細(xì)位置）獲知碼盤相對(duì)傳 感器裝置的絕對(duì)位置（φ)。在當(dāng)前的刻度區(qū)段之內(nèi)的相對(duì)位置又由模型信號(hào)（xm、ym)在當(dāng) 前的刻度區(qū)段之內(nèi)的當(dāng)前的相位（am)來(lái)確定。
[0008] 通過(guò)本發(fā)明直接由測(cè)量信號(hào)獲知碼盤的絕對(duì)位置。無(wú)需對(duì)刻度標(biāo)記或刻度區(qū)段進(jìn) 行計(jì)數(shù)或隨同跟蹤。該方法是防干擾的，因?yàn)樵诖艘阅Ｐ蜑榛A(chǔ)獲知了在刻度區(qū)段之內(nèi)的 絕對(duì)位置?？潭葏^(qū)段的獲知也是防干擾的，因?yàn)檫@種獲知也是基于模型進(jìn)行的。得到了用 于測(cè)量高分辨的編碼器位置的編碼器。因此，關(guān)于粗略位置的信息通過(guò)兩個(gè)測(cè)量信號(hào)的當(dāng) 前的相移來(lái)說(shuō)明。該測(cè)量方法適合于代替僅增量式測(cè)量的應(yīng)用的絕對(duì)式測(cè)量的并且仍然價(jià) 格低廉的應(yīng)用。
[0009] 在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟bb)中，由參數(shù)組獲知當(dāng)前的模型相位偏差。因 為在相應(yīng)的方法中，參數(shù)矢量通?？倸w是明確存在的，例如作為計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中的值矢 量，所以該參數(shù)矢量尤其便于供評(píng)估使用，這使獲知模型相位偏差變得容易。
[0010] 在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，由（真實(shí)的）測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生（真實(shí)的）復(fù)數(shù) 測(cè)量軌跡，在其中，第一測(cè)量信號(hào)用作其實(shí)部而第二測(cè)量信號(hào)用作其虛部。此外還產(chǎn)生如下 的復(fù)數(shù)模型軌跡，其實(shí)部由第一模型信號(hào)形成而其虛部由第二模型信號(hào)形成。于是，在步驟 aa)中，在復(fù)數(shù)平面中，使模型軌跡與測(cè)量軌跡相匹配。這導(dǎo)致了各自的模型信號(hào)與附屬的 測(cè)量信號(hào)的同時(shí)匹配。隨后在步驟dd)中，由模型軌跡的當(dāng)前的相位獲知傳感器裝置的絕 對(duì)位置。在軌跡彼此匹配時(shí)，進(jìn)行模型信號(hào)的各自的實(shí)部和虛部的同步的或彼此相關(guān)的匹 配，這通?？梢员鹊谝缓偷诙Ｐ托盘?hào)與第一和第二測(cè)量信號(hào)的各自的單獨(dú)匹配更簡(jiǎn)單且 更有效地執(zhí)行。
[0011] 在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟d)中，利用參數(shù)組{x0、y0、xc、yc、xd、yd}以xm=x0+(xc+xd)cosa-(yc-yd)sinα形式表達(dá)第一模型信號(hào)而以ym=y0+(yc+yd) cosa+(xc-xd)sinα形式表達(dá)第二信號(hào)。選擇提到的具有相應(yīng)的參數(shù)的模型導(dǎo)致數(shù)學(xué)上特 別簡(jiǎn)單的參數(shù)獲知或參數(shù)適應(yīng)性修改。針對(duì)在步驟d)中選擇起始值，例如提供了參數(shù)xc 為1的選擇和所有其余五個(gè)參數(shù)為〇的選擇。因此，針對(duì)第一模型信號(hào)得到余弦形式而針 對(duì)第二模型信號(hào)得到正弦形式作為要適應(yīng)性修改的輸出信號(hào)形式。因此，通過(guò)就預(yù)期的測(cè) 量信號(hào)來(lái)說(shuō)匹配的第一和第二傳感器相對(duì)于碼盤的定位可以進(jìn)行模型信號(hào)與測(cè)量信號(hào)的 特別廉價(jià)且快速的適應(yīng)性修改。對(duì)于這類模型信號(hào)的全面的描述參考DE43 31 151C2,例 如在那里參見(jiàn)公式（16)和公式（17)以及具有附屬的說(shuō)明的圖2中的"對(duì)比模塊16"。在 那里介紹的關(guān)于局部時(shí)間上的誤差測(cè)量（"偏差值"）的方法的魯棒性也可以轉(zhuǎn)移到本方法 中。
[0012] 在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟c)中，將純余弦形的測(cè)量信號(hào)假定為 理論上理想的測(cè)量值，其具有各自的刻度區(qū)段的