[发明专利]光学编码器中的滞后补偿内插电路

说明书

技术领域

本文所述的发明的各种实施例涉及光学编码器的领域，以及与其相关的组件、装置、系统和方法。

背景技术

光学编码器通常在诸如电动机控制系统中的闭环反馈控制的应用中用作动作探测器。举例来说，许多光学编码器被构造为将旋转运动或者直线运动转化为双通道(two-channel)数字输出，以用于位置编码。

许多光学编码器使用LED作为光源。在透射编码器中，通过位于LED上方的透镜等机构将光准直为平行光束。与发射器相对的是通常由光电二极管阵列和信号处理器构成的光探测器。当码尺(code scale)(诸如码盘或码带)在光发射器和光探测器之间移动时，光束被码尺上设置的由条或间隔组成的图案所中断。类似地，在反射或成像编码器中，LED上方的透镜将光聚焦到码尺上。光被反射或者不被反射回布置在光探测器上方的透镜中。随着码尺移动，与条和间隔相对应的明图案和暗图案的交替图案落到光电二极管上。光电二极管探测这些图案并且由信号处理器处理相应的输出以产生数字波形。举例来说，这种编码器输出用于提供与电动机的位置、速度和加速度有关的信息。

典型的反射型光学编码器包括光探测器、光发射器和码盘或码尺。探测器通过处理由光探测器中所包括的光电二极管阵列提供的光电流，生成输出。一般来说，反射型光学编码器包括四个光电二极管通道，即A、A/、B和B/，这些光电二极管通道沿双通道光学编码器中的单一码道(track)布置。光电二极管被布置成使得分隔相邻光电二极管的间隙足够大，以防止或抑制这样的相邻光电二极管之间产生串扰。在现有技术中，随着光学编码器的分辨率提高，相邻光电二极管之间的间距减小，这反过来导致通道之间的串扰增大。

内插电路常被用在增量和绝对数字运动编码系统中，其中，内插电路被构造为产生具有数字脉冲，这些数字脉冲具有比输入到电路的基础正弦模拟信号更高的频率。因为由这种内插电路提供的输出最终确定编码系统的精确性，所以随着电路的内插因子的增加，内插电路的精确性变得更加关键。不幸的是，由于大部分内插电路的架构(通常依靠大量的比较器)，由内插电路所提供的输出趋向于具有噪声并且含有由于比较器中的过多开关而产生的不期望的噪声尖峰。因此，用在运动编码器中的内插电路中的比较器通常采用大量的滞后(hysteresis)来提供对于噪声尖峰的免疫。然而，特别是在高内插因子时，滞后本身可能变为内插电路不精确的来源。

参照图1，示出了现有技术的光学编码器系统10，其包括光发射器20(通常是LED)、设有孔31a-31f的码盘或码带30、以及包括光电二极管41a(A)和41b(A/)的光探测器40。在光学编码器10中，由光发射器20发射的经准直的光束22将光投射到码盘30上。随着码盘或码带30沿着第一方向111或第二方向112旋转，经准直的光束22由设置在孔31a-31f之间的遮蔽性的或光学不透明的部分间断(注意，码盘或码带30基本在由经准直的光束22在光束22从光发射器20朝向光探测器40传播时近似地限定的平面中旋转)。随着码盘或码带30在平面中沿着方向111或112旋转，经准直的光束22的部分50a和50b经过孔31c和31d投射，并且扫描过光探测器40和光电二极管41b(A/)和41a(A)。随着码盘30沿着方向111或112移动，由光束部分50a和50b投射到光探测器40的第一竖直部分70上的光图案变化，并且由光电二极管41a和41b提供的输出信号相应地变化。一般采用这些输出信号来产生一对准三角信号(例如如图2中所示)，该信号之后被用来确定码盘30的位置、速度和方向中的任何一者或多者。

现在参照图2，示出了“三角”信号A和A/，使用对于光学编码器领域的技术人员来说公知的电路和方法将它们相互比较并产生脉冲信号109。通常，也设置另一组光探测器B和B/，其中光探测器B和B/相对于光探测器A和A/定位为异相90度，并且被用来产生另一个脉冲(在图2中未示出)。产生彼此异相90度的光探测器A和A/以及B和B/的脉冲。如图2所示，为了随后的内插处理，伪三角信号A和A/最好在其最大与最小部分之间是直线的或直的，但是它们在顶部或底部附近展现出弯曲的部分。这些弯曲的部分是由于不期望的电容效应，并且相当大地使得随后的内插尝试变得复杂。

在图1中示出的这种类型的编码器中，主要根据终端用户的具体需要而确定和设置装置10的空间分辨率。更具体地，通常根据给定消费者或终端用户的特定需要而确定相邻的光探测器A和A/(分别为41a和41b)之间的距离或间隔。实现这种需求尤其在装置10需要不常见的或者新的空间分辨率时需要对于晶片制作付出时间和努力。