[发明专利]自补偿角度编码器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及角度测量装置，并且更具体地涉及被称为角度编码器（或旋转编码器）的装置。

背景技术

角度编码器能够以不同的方式构造。一种类型的角度编码器包括玻璃盘、一个或更多个读头以及处理电子器件。所述一个或更多个读头将光发送至该盘。这种光或者传输通过该盘或者反射远离该盘至光检测器，所述光检测器也是所述读头的一部分。该玻璃盘包括图案，该图案可以简单地是从盘中心径向地向外指向的一组线。当盘旋转时，光的图案也在读头上改变。这种改变的光的图案通过处理电子器件进行估算以找出玻璃盘相对于读头的旋转角度。在大多数情况下，玻璃盘附接至旋转构件，该旋转构件可以是轴，并且，读头附接至该轴在其中旋转的框架。

第二类型的角度编码器将该图案置于圈上而不是盘上。一个或更多个读头将光发送至圈，光触及圈上的图案，反射回读头中的检测器。检测器上的光的变化图案由处理电子器件进行估计以找出该圈的相对于所述读头的旋转角度。在大多数情况下，圈附接至旋转构件，该旋转构件可能为轴，并且，读头附接至该轴在其中旋转的框架。

上述盘和圈可一般地归类为图案元件，因为各自均保持有图案，该图案可以是例以下面将描述的通过读头读出的标记的图案。图案元件被设计成如下面描述的与读头协作，并且这种协作会涉及图案元件与读头之间光学的、磁的、机械的或其它类型的相互作用。

读头是一种读出通过编码器盘、编码器圈或相似结构体反射或传输的信号的装置。最普通的类型的读头产生光学信号并且响应于光学信号。读头被构造成使得能够在盘或圈的两个旋转方向（例如，向前和向后）之间进行区分。提供方向感应的最普通的方法为获得正交电信号，正交电信号为将获得的信号在相位上以九十度分开的信号。正交信号也很有用因为其提高了编码器读数的精度。每个编码器盘或圈可以有多个读头，并且，这些读头中的每个均可产生正交电信号。

角度编码器可以是绝对式的或增量式的。绝对式编码器提供信息以在绝对意义上确定当前的角度，即，不具有对之前角度测量的历史记录。另一方面，增量式编码器需要知晓之前的编码器读数来确定当前读数。通常，增量式编码器在盘上或圈上包含产生光学信号的结构体，该光学信号通过读头变换成指示脉冲。该指示脉冲用于提供基准位置，通常精确到编码器盘或圈上一条线内。在测量环节开始时，包括增量式编码器的仪器可通过执行用于确定指示脉冲的位置的程序而开始。通常，读头将指示脉冲的位置确定至位于编码器盘或圈上的两个线之间的间隔的分数，此后，读头可计算沿向前方向以及向后方向穿过该部分的线的数量。由已知编码器盘线条之间的角度，读头确定当前角度。

角度编码器能够测量的精度变化很大。例如，对于不是很昂贵的编码器而言，角度可以以度的分数进行测量。相反，其它编码器可精确到弧度秒的分数。高精确度编码器对于包括激光跟踪器、全能测量仪、激光扫描仪以及经纬仪的装置的等级而言很重要。这种装置所需要的精确度常常在1微弧度或0.2弧度秒的等级。

在大多数情况下，与角度编码器相关联的最大的误差随着编码器盘或圈每旋转360度而重复一次。通常较小的额外误差可与编码器盘或圈在其上旋转的轴承的旋转相关联。这种轴承误差通常每720度重复一次，如在本领域中已知的。

尽管，这里所描述的方法能够不需要重新组成数学公式而被容易地扩充以应用至具有720度或任何360度的倍数的周期的编码轴承系统中，在本文中，影响角度编码器的最主要的误差仍被假定为具有360度的周期。在本文的其余部分中，将假定误差具有360度的周期使得其能够被分解为具有等于360°/n（其中n=1、2、3、…）的周期的谱（傅立叶）分量。在使用玻璃盘和单一读头的角度编码器的情况下，最大的误差通常每360度发生一次的第一阶次（n=1）误差。这种误差的主要原因在于激光盘的居中误差。去除这种第一阶次误差的有效的方式为使用间隔开180度的两个读头而不是单一读头。通过对所述两个读头的读数进行平均，消除了第一阶次角度误差。事实上，对所述两个读头的读数进行平均消除了阶次1、3、5…（除2的倍数之外的所有阶次）的误差。

对于包含玻璃盘的编码器的情况而言，第二阶次误差会因编码器盘相对于读头的倾斜而引起或者因盘上的标记的图案的椭圆率（非圆性）引起。这些误差能够通过使用三个或更多个对称地放置的读头而消除。将来自读头中的每个的读数进行平均以找出编码器角度。一般地，某个数量m个读头能够去除除了m及其谐函数之外的所有傅立叶误差振型。所以两个读头不能去除阶次为n=2、4、6…的误差。三个读头不能去除阶次为n=3、6、9…的误差。