[发明专利]采用串联多比特内插子编码器的绝对编码器

说明书

技术领域

本发明涉及位置编码器领域。

背景技术

位置编码器可以是增量式或绝对式的。增量编码器的检测单元检测在特定周期内两个标尺刻度之间的位置，但是却没有关于正在读取标尺的哪个周期的信息。典型地，增量编码器检测单元与电子设备相结合来进行标尺周期的递增/递减计数。因此，一旦已经标识了标尺的起始点，编码器系统就参照递增/递减计数器来测量沿着标尺的位移量。增量编码器在许多应用中是没有用的，因为输入中的任何中断都会使计数器中的位移量估计无效。例如，如果标尺在任一点上被遮挡了(也许由于尘埃)，则计数器就不能对遮挡的远端登记正确值。同样地，在电源中断的情况下，编码器没有关于在中断期间标尺运动的信息。在任一种情况下，都必须执行某些初始化过程来重建编码器的基准。

一些增量编码器采用嵌入标尺中的指示或参考的标记。通常需要分离的检测机构来检测到通过该指示标记。该指示标记典型地用于将计数器重置到一个预定值，例如零。然而，只有通过特意地移动标尺以强迫该指示标记通过该检测机构才能使这种重置起作用。

与增量编码器相反，绝对编码器采用检测单元，该检测单元在标尺移动时对该标尺上的每个点生成完全的或″绝对的″位置指示而不需计数标尺周期。绝对编码器不要求诸如由计数器提供的位置历史记录，因此它们的位置指示不会被电源中断或其他需要参考增量编码器的事件无效。

用于较低分辨率的绝对编码器的传统方案并入多个码轨迹，每个连续的轨迹是2的指数或更粗。因此，如果标尺中有2^N个周期，则有N个轨迹，当这些轨迹结合在一起时提供一个N比特周期识别字。在一个变型中，用Gray编码来保证码值随标尺运动而单调变化。

最近，已经引入了一种伪绝对编码器，其中周期标识码扩展到若干个周期。如果标尺上有2^N个周期，则该码的N个比特扩展到N个相邻周期。因此，为了唯一地识别任意的特定周期，将当前周期的比特值与来自紧挨着的邻近N-1个周期的比特相结合，该N-1个周期的比特必须已经被检测和存储起来。周期识别码是一个伪随机链式码，这意味着沿码的整个长度的比特序列是这样的，一次提取N比特，在2^N个周期内没有序列重复并且每个邻近的N比特码字与它的邻居具有相同的比特序列，除了在该伪随机位置字的最左或最右边的比特外，并且其余的N-1个比特分别左移或右移。

U.S.专利No.5,965,879教导了又一种构造绝对编码器的方法。将增量标尺和相关的周期识别码成像到一个诸如CCD这样的2维阵列检测器上。由此，利用摹拟人读标尺方法的图像处理算法来处理获得的图像。该算法的一个部分跟踪该增量标尺的刻度线在移过视场时的相对位置，而该算法的第二部分则解释周期识别码。该组合算法的输出是绝对位移量，形式为“第M个周期离场边缘10微米，所以绝对位移量是M*P+10微米，其中P是标尺的周期”。

另一类绝对编码器利用多个没有明确的周期识别码的周期标尺轨迹。U.S.专利No.6,366,047举例说明了这些编码器。这些编码器采用许多具有类似周期的精细轨迹。用代数方法组合该精细轨迹以构成较低空间频率(或较长空间周期)的″差频(beat)″轨迹。该差频轨迹用于识别沿着标尺的粗位置，该粗位置可以和来自精细轨迹之一的位置信息结合以得到总体绝对位置指示。

发明内容

上述每个绝对编码器都存在缺陷。基础的N轨迹方法对高分辨率系统(N大的)变得难以使用而且很难对准。码扩展方法，其中N个轨迹的信息被有效地编码成单个轨迹，必须在信号损失后知道它处于何处之前微动几个周期。′879专利的方法受限于图像处理引擎的帧速率，′047专利的多轨迹方法会由于任一精细轨迹中误差的固有扩大而出现显著的误差。需要一种能够避免这些缺点的绝对编码器。

公开的内容是一种具有多轨迹标尺的绝对编码器，所述标尺包括至少两个周期性的轨迹，所述轨迹通过算法连接起来以使编码器能够生成高精密度的绝对位置估计。第二轨迹的周期超过是第一轨迹的周期一轨迹比，这些轨迹具有与不确定度大小的相位关系。例如，两个轨迹之间的相对相位可以变化第一个轨迹的周期的正/负四分之一。这个相位变化在其它东西中由于光栅偏转、偏心(在旋转编码器中)和对准不当引起。