[发明专利]高解析绝对型编码装置及其操作方法

说明书

技术领域

本发明有关于一种高解析绝对型编码装置及其操作方法，特别是有关于一种可在断电时提供高解析的绝对型编码装置及其操作方法。

背景技术

公知交流伺服马达通常内含一个光学编码器，该光学编码器提供转子的角度以获知马达转速信息，该转速信息可反馈至相关速度控制单元以精确控制马达转速。

图1为公知交流伺服马达控制系统的工作原理示意图，马达10的转子的角度位置由光学编码器12检测并经信号处理单元20处理以得到角度(θ)信息。该角度信息送至控制器14处理以得到马达估计转速，然后速度控制器30接收该马达估计转速及速度命令，借以控制控制器模块32及绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块34产生控制马达转速信号，以精确控制马达10的转速。

更明确而言，在伺服马达中，锁附在马达转轴上的位置传感器便是光学编码器12。伺服马达的定位精确度取决于编码器的解析度高低，光学编码器(或称旋转编码器)12又分为增量型编码器(incremental encoder)和绝对型编码器(absolute encoder)。

增量型编码器只能提供当前位置相对于前一位置的信息，所以电源中断后，位置的信息变化必须重新归零才可确认。在断电后再重新上电的瞬间，增量型编码器无法立即知道目前机构所在位置。绝对型的位置编码器能随时输出轴角度(位置)的绝对值且不会因为电源中断而丧失位置的信息，因此断电再上电后无需进行归零程序，简化了控制系统的运作。

参见图2，为公知光学编码器的基本构造，光源(例如激光二极管(LD))260发出的光线经过旋转码盘(disk)200及一个固定不动的副编码片(mask)220到达光感测组件(例如光二极管(PD))240，光感测组件240接收到的光线强度随着旋转码盘200位置不同而有不同的强度变化，通过光感测组件240上的信号变化便可检知位置信息。

参见图3，为公知绝对型编码器的旋转码盘300的示意图，其中该旋转码盘300为6位(6bit)二进制角度码(Gray code)的码盘设计。该旋转码盘300包含圆形主体302及多数个光栅304。该光栅包含：在最内圈编码轨道且占有1/2圆周的1个第一光栅304A、在内侧第二圈编码轨道且各占有1/4圆周的2个第二光栅304B、在内侧第三圈编码轨道且各占有1/8圆周的4个第三光栅304C、在内侧第四圈编码轨道且各占有1/16圆周的8个第四光栅304D、在内侧第五圈编码轨道且各占有1/32圆周的16个第五光栅304E、及在最外侧编码轨道且各占有1/64圆周的32个第六光栅304F。因此沿着光源的辐射(radial)方向可以产生不同的明暗信号，并可沿着圆周方向达到2⁶＝64的解析度。然而如图3所示的绝对型编码器架构，解析度每增加一个位(bit)，旋转码盘便必须增加一圈的编码轨道。解析度越高编码轨道数便越多，编码器的体积就越大；在一些有体积限制的场合，绝对式编码器的精度便有所限制。

参见图4A，为增量型编码器的旋转码盘400示意图，该旋转码盘400包含圆形主体402及多数个光栅。该些光栅包含主光栅404A、第一副光栅404B及第二副光栅404C。参见图4B，为副编码片420的示意图；该副编码片420包含四排光栅420A。

参见图4C，为光感测组件440的示意图，该光感测组件440包含对应于主光栅404A的主感测单元442A、444A、442B、444B(也即标示为A+、B+、A-、B-的区域)。当旋转码盘400旋转时，在光感测组件440的四个主感测单元442A、444A、442B、444B(A+、B+、A-、B-)会产生类似弦波的信号。这四个弦波的相位分别为0/90/180/270度，取0/180信号(A+、A-)作差动放大后可得到消除共模噪声(common mode noise)的正弦信号A，同样地取90/270信号(B+、B-)作差动放大后可得到消除共模噪声的余弦信号B，两个信号A、B的相位差90度，可以用来判断正转或反转。

增量型编码器基本上只需脉波信号A、B就可以检知位置信息，但由于此位置信息只提供相对于前一位置的信息，因此还需另外在光感测组件440上设置原点信号感测单元446A、446B(Z+、Z-)，在每次系统上电时先回原点归零后才可得到绝对位置信息。增量型编码器的优点是只需六个信号，及利用两个相位差为90°的正弦信号和余弦信号进行插补便可得到高解板度的位置信息，其缺点则是每次开机上电都须执行回原点动作。此种做法不但浪费时间且在某些不容许回原点程序的应用场合，增量型编码器就无法符合需求而需增设使用绝对式编码器。