TWI390183B

TWI390183B - 高解析絕對型編碼裝置及其操作方法

Info

Publication number: TWI390183B
Application number: TW97115709A
Authority: TW
Inventors: Ching Hsiung Tsai; Cheng Ping Lin; Po Ming Chen; meng chang Lin
Original assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2013-03-21
Also published as: TW200944762A

Description

高解析絕對型編碼裝置及其操作方法

本發明係有關於一種高解析絕對型編碼裝置及其操作方法，特別是有關於一種可在斷電時提供高解析絕對型編碼裝置及其操作方法。

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偵測並經一信號處理單元20處理以得到一角度資訊θ。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產生控制馬達轉速信號，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。伺服馬達的定位精確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(incremental encoder)和絕對型編碼器(absolute encoder)。

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，為一光學編碼器的基本構造，一光源(例如一雷射二極體LD)260發出的光線經過一旋轉碼盤(disk)200及一個固定不動的副編碼片(mask)220到達一光感測元件(例如一光二極體PD)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上的信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(6bit)二進位角度碼(Gray code)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。該光柵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、第三光柵304C、第四光柵304D、第五光柵304E及在最外側編碼軌道且各佔有1/64圓周之32個第六光柵304F。因此沿著輻射(radial)方向可以產生不同的明暗信號，並可沿著圓周方向達成=64的解析度。然而在如第三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。

參見第四A圖，為一増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。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的四個單元主感測單元442A,444A,442B,444B(A+,B+,A-,B-)會產生類似弦波的信號。這四個弦波的相位分別為0/90/180/270度，取0/180信號(A+,A-)作差動放大後可得到消除共模雜訊(common mode noise)的正弦信號A；同樣的取90/270信號(B+,B-)作差動放大後可得到消除共模雜訊的餘弦信號B，AB兩個信號的相位差90度，可以用來判斷正轉或反轉。

増量式編碼器基本上只須AB脈波信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信號感測單元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信號，及利用兩相差距90∘的正弦信號和餘弦信號進行插補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。此種做法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。

為了解決斷電時的多圈的絕對定址問題，相關技術中圈數的計數有兩種作法： (1)機械齒輪式為了圈數的計數，齒輪組的每一個齒輪互相咬合，形成有編碼器軸心來帶動第一個齒輪，再由第一個齒輪來帶動第二個齒輪(如第五圖所示)。

在每個齒輪上刻有絕對碼，設為一圈有n個絕對定址，利用分散式雷射二極體LD和光二極體PD來讀取。同時，這齒輪組可以記錄編碼器軸心轉動n*n*n圈

(2)單圈絕對型配合電池計數圈數在斷電下，以電池供電給專用晶片，專用晶片只以間隔觸發雷射二極體(LD)，使得光二極體(PD)產生間隔時間的一圈絕對定址的資料信號。藉由這絕對定址的資料信號資料，可以判斷是否正轉或反轉一圈，進而累計圈數。

當復電時，編碼器的晶片會讀已累積的圈數，同時也讀取碟片上的角度碼目前的數值，最後再做插補來得到更精細的角度值。然而在讀取角度碼時，有時會有臨界數值問題，或者粉塵在碟片上導致與真實位置有一些偏差，此時需要一些校正點來修正這些偏差。一般而言，剛上電時，編碼器所傳回的數值還有些偏差，等到通過一些校正點後，角度值才會變正確。換言之，復電時，一開始只得接近角度值；待轉至校正點後，才有正確角度值。

因此本發明之目的即在於提供一種高解析絕對型編碼器及其操作方法，可以在斷電時精確且省電地計算旋轉角度，以利復電後迅速啟動。

為了達成上述目的，本發明提供一種高解析絕對型編碼裝置，係利用一増量式編碼器及一電池而在斷電時進行絕對角度量測，包含：一控制器，係電連接到該増量式編碼器，並產生一控制信號至該増量式編碼器；一比較器，電連接到該増量式編碼器之輸出，以對該増量式編碼器輸出作操作而得到第一脈波信號；一閂鎖單元，電連接到該比較器之輸出，以對該比較器之輸出作閂鎖操作而得到第二脈波信號；其中該控制器在斷電時，驅動該控制信號為斷續導通之脈波信號，且計算由第二脈波信號產生之計數而得知一絕對角度資訊。

為了克服前述所產生的問題，本發明以在斷電時如何造出正確A、B脈波來計數為主要內容，而不是計數圈數。如此，斷電與復電間，對於A、B脈波計數是一致的，沒有任何區別，圈數的計數也從A、B脈波計數來進位。

參考第六圖，為依據本發明之高解析絕對型編碼裝置60之方塊圖，該高解析絕對型編碼裝置60包含一控制器100、一電力開關120、一増量式編碼器140、一比較器160、一個閂鎖單元(latch)180及一個電池(未圖示，供應電力Vcc)，該電池供應上述單元之電力。該増量式編碼器140為一習知之增量式編碼器，且包含一雷射二極體LD、一光二極體PD及對應之旋轉碼盤(未標號)。該控制器100電連接到該電力開關120，並提供一控制信號SW至該電力開關120，以選擇性地控制雷射二極體LD電源為持續點亮(正常供電模式，或是類正常模式(quasi-normal mode))或是脈波式操作(電池模式)。再者，該控制器100亦電連接到該比較器160及該閂鎖單元180，以提供該控制信號SW至該比較器160及該閂鎖單元180。由光二極體PD接收到的0/180信號(A+,A-)及90/270信號(B+,B-)經過比較器160處理後可以得到第一脈波信號A1及B1；而第一脈波信號A1及B1經過閂鎖單元180處理後可以得到第二脈波信號A2及B2。第二脈波信號A2及B2由控制器100之計數器102處理即可知道旋轉角度，該控制器100可由斷電前之角度與斷電後角度的累加而知道目前之絕對角度。

第七圖所示為在第六圖之高解析絕對型編碼裝置60中部份信號之波形圖，由控制器100的韌體設計或邏輯設計可產生如第七圖的控制信號SW。此控制信號SW在導通(High)狀態來點亮雷射二極體LD，也因此在這同時光二極體PD也產生感光信號。感光信號由旋轉碼盤(disk)和副編碼片(mask)是否遮蔽而決定。雷射二極體LD的輸出信號經過放大及比較後，而產生第一脈波信號A1及B1。該第一脈波信號A1及B1透過控制信號SW控制該閂鎖單元 180進行閂鎖，以得到第二脈波信號A2及B2。該第二脈波信號A2及B2信號和雷射二極體LD一直持續開啟(On)所得到的信號是相同的。只是隨著轉動速度加快，間隔時間也越短(詳見後述)。

由於計數A1、B1脈波，相較於計數圈數，控制信號SW的間隔時間需要比較短。舉例而言，若旋轉碼盤(disk)之解析度為512ppr，那麼轉速為60rpm時，第一脈波信號A1及B1的脈波週期為60/60/512=1/512s=:2ms。控制信號SW的間隔時間至少需要2/5ms=0.4ms，才能正確計數脈波數。至於控制信號SW的持續開啟(On)時間由雷射二極體LD及光二極體PD的反應時間測量決定。當正常供電時，控制信號SW信號一直處於持續開啟(On)狀態。因此當斷電被檢測時，控制器100會依據角度計算轉速，並等到轉速到足夠低(例如小於30rpm)時，才切換到電池模式，此時控制信號SW的間隔時間以0.4ms來進行。透過計數器102的累加，可以估算目前的轉速。當轉速超過30rpm時，則控制信號SW信號將設於持續開啟(On)狀態，讓高轉速可以安全計數。當轉速又夠低時，控制信號SW的間隔時間以0.4ms(亦即每0.4ms導通一次)來進行。如第七圖所示，在斷電時，一般而言編碼器旋轉速度不會很快，因此用斷續導通之控制信號SW配合閂鎖即可精確得知旋轉角度計數。如此圖所示，計數器計數結果為88,87,86,85，而控制器100即可依據計數器計數結果及斷電前角度資訊而精確得知目前之絕對位置。

參見第八圖，為本發明之高解析絕對型編碼裝置操作方法，首先偵測是否正常供電(S100)，若是正常供電，則由控制器100驅動控制信號SW持續導通(正常模式)，以持續偵測旋轉碼盤(disk)轉速(S102)；若非為正常供電(例如馬達的三相電力失常時)，則以電池電力供電且間隔方式供應控制信號SW，以在節電狀態下估計轉速(電池模式)(S104)。隨後控制器100判斷轉速是否超過30rpm(S110)，若轉速超過，則控制器100控制控制信號SW持續開啟(On)，以持續偵測旋轉碼盤(disk)轉速，此時雖然係用電池電力，但是為了偵測較為高速的旋轉碼盤旋轉，因此還是送出持續開啟之控制信號SW，此模式稱為類正常模式(quasi normal mode)(S112)；若轉速未超過，則由控制器100以間隔方式供應控制信號SW，以在節電狀態下估計轉速(電池模式)(S104)。

本專利的技術特徵有下列 1)斷電時，不以單圈絕對位置來計數圈數，而是以間隔時間來觸發雷射二極體LD，得到脈波信號A、B來計數角度位置資料，也同時包括圈數進位累計。

2)利用閂鎖方式還原間隔的脈波信號A、B成為正常連續的脈波，使得計數器在斷電時依然保持正常計數。

3)利用不同切換週期來正常計數不同轉速的脈波數。

上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

【習知】

馬達‧‧‧10

光學編碼器‧‧‧12

控制器‧‧‧14

信號處理單元‧‧‧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

原點信號感測單元‧‧‧446A,446B

【本發明】

高解析絕對型編碼裝置‧‧‧60

控制器‧‧‧100

電力開關‧‧‧120

増量式編碼器‧‧‧140

比較器‧‧‧160

閂鎖單元‧‧‧180

計數器‧‧‧102

控制信號‧‧‧SW

電池電力‧‧‧Vcc

第一脈波信號‧‧‧A1、B1

第二脈波信號‧‧‧A2、B2

步驟‧‧‧S100-S112

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。

第五圖為機械齒輪示意圖。

第六圖為依據本發明之高解析絕對型編碼裝置之方塊圖。

第七圖所示為在第六圖之高解析絕對型編碼裝置中部份信號之波形圖。

第八圖為本發明之高解析絕對型編碼裝置操作方法。