專利名稱：測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置及其方法。具體來講，該測量裝置適用于對旋轉(zhuǎn)傳動及絕對旋轉(zhuǎn)角度測量有高精度要求的測量與伺服系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在許多用于進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傳動的測量與伺服系統(tǒng)中，對旋轉(zhuǎn)傳動和絕對旋轉(zhuǎn)角度測量要求有較高精度。并且，這類旋轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)大多需要進(jìn)行絕對旋轉(zhuǎn)角度的實時測量。目前，一種根據(jù)已測旋轉(zhuǎn)角度來測量相對或絕對旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)角傳感器包括編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、同步機(jī)等。近來，常常用多速旋轉(zhuǎn)變壓器來提高精度。但是，在用多速旋轉(zhuǎn)變壓器和普通RDC(旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器)測量旋轉(zhuǎn)角度時，只能測量在限定角度以內(nèi)的絕對旋轉(zhuǎn)角，而超出該限定角度的范圍就只能得到相對旋轉(zhuǎn)角度，這是個問題。


圖1示出一種常用旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)，圖2示出一種常用旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入-輸出信號和一種RDC的數(shù)字輸出。
參見圖1，旋轉(zhuǎn)變壓器具有一個轉(zhuǎn)子12和兩個定子14與16。當(dāng)用圖2所示的交流(AC)方波激勵轉(zhuǎn)子12時，從定子14與16得到正弦和余弦信號。在圖1所示的單速旋轉(zhuǎn)變壓器中，可利用將旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出數(shù)字化的RDC容易地測量絕對旋轉(zhuǎn)角度。另一方面，多速旋轉(zhuǎn)變壓器如雙速旋轉(zhuǎn)變壓器具有相對較高的精度。但是，多速旋轉(zhuǎn)變壓器具有象圖2所示的雙速輸出E1與E2那樣的輸出波形，因此，當(dāng)絕對旋轉(zhuǎn)角度值被規(guī)定在限定角度內(nèi)時，便不能得到超出該限定角度范圍的相對旋轉(zhuǎn)角度。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的一個目的是提供一種適用于數(shù)字測量與伺服系統(tǒng)的裝置和方法，用以非常精確地測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的值。
按照要達(dá)到上述目的的本發(fā)明的實施例，提供一種測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置，它包括具有與旋轉(zhuǎn)變壓器相連的傳動器旋轉(zhuǎn)部分、與傳動器旋轉(zhuǎn)部分結(jié)合的傳動器固定部分、以及用于檢測傳動器旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的傳感器的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；響應(yīng)旋轉(zhuǎn)控制來驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部分；用以將來自旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)檢測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)變壓器接口；以及控制器，它用以向執(zhí)行部分提供旋轉(zhuǎn)控制信號，接收數(shù)字的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)檢測信號以設(shè)置所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的初始旋轉(zhuǎn)參考位置，并在數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)相對于初始旋轉(zhuǎn)參考位置突變時補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)角度以計算絕對旋轉(zhuǎn)角度。
具體實施例方式
下面，按照本發(fā)明的最佳實施例來描述絕對旋轉(zhuǎn)角度測量裝置及其方法。并且，還將詳細(xì)描述與按照本發(fā)明的實施例的結(jié)構(gòu)有關(guān)的特定部分，以便在后續(xù)說明中提供對本發(fā)明更全面的理解。但是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，顯然能夠不用這些特定部分而做出本發(fā)明。
圖3表示按照本發(fā)明的實施例的絕對旋轉(zhuǎn)角度測量裝置，把該裝置設(shè)置為與旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)部分結(jié)合、用于檢測旋轉(zhuǎn)變壓器的絕對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的機(jī)構(gòu)。
參見圖3，該裝置配備有帶有用于安裝旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的空腔或凹處的傳動器固定部分26；傳動器旋轉(zhuǎn)部分28，它具有安放于傳動器旋轉(zhuǎn)部分的凹處內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸24，該旋轉(zhuǎn)軸裝在傳動器旋轉(zhuǎn)部分上與其一起旋轉(zhuǎn)；以及與旋轉(zhuǎn)軸24的下部旋轉(zhuǎn)結(jié)合的旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)部分20，并且其上裝有用于固定旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)變壓器固定部分22。而且，在傳動器旋轉(zhuǎn)部分28的一側(cè)裝有突出件30，并且在固定傳動器固定部分26的部分上固定地裝有光開關(guān)32。
具有上述構(gòu)造的機(jī)構(gòu)檢測傳動器旋轉(zhuǎn)部分28的轉(zhuǎn)動，以得到絕對位置，并且用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測相對旋轉(zhuǎn)角度。這里，應(yīng)通過固定多速旋轉(zhuǎn)變壓器的磁極對(pole pair)來設(shè)定光開關(guān)機(jī)構(gòu)的尺寸。
圖4示出按照本發(fā)明的實施例的絕對旋轉(zhuǎn)角度測量裝置，把該裝置設(shè)置為用于控制圖3中所示光開關(guān)22及機(jī)構(gòu)、并通過檢測旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出獲得絕對和相對角度的電子線路。這一裝置主要包括控制單元、旋轉(zhuǎn)變壓器接口、光開關(guān)接口和驅(qū)動單元。這里，控制單元包括包括微處理器(MPU)或數(shù)字信號處理器(DSP)的處理器或控制器34以及存儲器36。驅(qū)動單元包括DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)38、低通濾波器(LPF)40、執(zhí)行器驅(qū)動器42以及執(zhí)行器44。旋轉(zhuǎn)變壓器接口包括旋轉(zhuǎn)變壓器46、旋轉(zhuǎn)變壓器振蕩器、旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)50以及用于RDC的穩(wěn)壓器。光開關(guān)接口包括用以驅(qū)動光開關(guān)22中的發(fā)光二極管(LED)的LED驅(qū)動器52、用于匹配光開關(guān)的輸出的光接口54以及緩沖器56。
圖5和圖6表示用于控制圖4中所示的控制器34的工作的算法，其中，圖5是用于設(shè)置初始絕對位置的流程圖，而圖6是用于計算絕對旋轉(zhuǎn)角度的流程圖。
以下，參照圖3至圖6，對按照本發(fā)明的絕對旋轉(zhuǎn)角度的測量裝置的工作進(jìn)行詳細(xì)描述。
當(dāng)如圖4中所示構(gòu)成的絕對旋轉(zhuǎn)角度測量裝置工作時，控制器34輸出控制數(shù)據(jù)至DAC38以驅(qū)動圖3中所示的傳動器。這里，DAC38把該驅(qū)動控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號，并且把這些模擬信號送至LPF40，而LPF40對轉(zhuǎn)換的模擬信號進(jìn)行低通濾波以供給執(zhí)行器驅(qū)動器42。執(zhí)行器驅(qū)動器42按照濾波后信號的電壓驅(qū)動執(zhí)行器44，以轉(zhuǎn)動圖3中所示的傳動器旋轉(zhuǎn)部分28。這里，所述旋轉(zhuǎn)變壓器振蕩器產(chǎn)生如關(guān)于圖2提到的旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動信號，并將該信號送至旋轉(zhuǎn)變壓器46，而LED驅(qū)動器52驅(qū)動光開關(guān)32中的那些LED。
當(dāng)傳動器旋轉(zhuǎn)部分28轉(zhuǎn)動時，裝在其一側(cè)的突出件30每轉(zhuǎn)動大約360°經(jīng)過光開關(guān)32一次，并且旋轉(zhuǎn)所述旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)部分20以轉(zhuǎn)動在旋轉(zhuǎn)變壓器46中的轉(zhuǎn)子。結(jié)果，正如關(guān)于圖2所提到的，從旋轉(zhuǎn)變壓器46中的多個定子產(chǎn)生多速輸出，并送至RDC50。經(jīng)由光開關(guān)接口54把傳動器旋轉(zhuǎn)部分28的旋轉(zhuǎn)檢測信號輸入緩沖器56。
RDC50對來自旋轉(zhuǎn)變壓器的多速檢測信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號提供給控制器34，緩沖器56把光開關(guān)32的輸出提供給控制器34。這里，控制器34分析從緩沖器56輸出的光開關(guān)32的開/關(guān)檢測信號和RDC50的輸出值以設(shè)置初始位置，并且計算絕對旋轉(zhuǎn)角度值。從下列描述中，會更清楚地理解初始絕對位置的這種設(shè)置和絕對旋轉(zhuǎn)角度值的計算。
如圖5中所示，控制器34在步驟60讀取RDC50的輸出，并且在步驟62中讀取緩沖器56的輸出以判斷光開關(guān)32是否“接通”。如果在步驟62中判定光開關(guān)為“斷開”，則控制器34輸出驅(qū)動控制數(shù)據(jù)至DAC38以向前驅(qū)動執(zhí)行器44。如果光開關(guān)為“接通”，在步驟64中，控制器34中斷驅(qū)動控制數(shù)據(jù)的輸出以關(guān)掉執(zhí)行器44。換言之，使受驅(qū)動的執(zhí)行器44停在光開關(guān)32檢測到突出件30的位置，而控制器34將角度補(bǔ)償值設(shè)為“0”。在步驟68中，控制器將角度補(bǔ)償值加在RDC50的輸出數(shù)據(jù)上，并且把相加后的值設(shè)為絕對旋轉(zhuǎn)角度值。正如從前文可看出的，圖3中所示的傳動器被緩慢地驅(qū)動到一個方向，在該方向上，旋轉(zhuǎn)變壓器的值被設(shè)為在光開關(guān)接通的時刻旋轉(zhuǎn)角的初始值的參考值。
正如從圖5中可見，控制器34根據(jù)某個控制過程來設(shè)置初始位置，并且如下計算旋轉(zhuǎn)傳動器的絕對旋轉(zhuǎn)角度值。
絕對旋轉(zhuǎn)角度的計算開始，這時在圖6的步驟72中，控制器34讀取RDC50的輸出值而將該輸出值存入內(nèi)存儲器。剛一讀取RDC50的輸出值，在圖6中所示的步驟74中，控制器34從當(dāng)前RDC50中讀取的當(dāng)前RDC數(shù)據(jù)(P_RDC)中減去以前存儲在內(nèi)存儲器中的舊RDC數(shù)據(jù)(O_RDC)，計算RDC數(shù)據(jù)之差(RDCDD)。
控制器34判斷RDC數(shù)據(jù)差(RDCDD)是否大于RDC分辨率與系數(shù)a的乘積，其中系數(shù)a被設(shè)置為近似于1的值并且大約在0.7到0.8之間(參見圖6中的步驟76)。如果RDC數(shù)據(jù)差或RDCDD大于系數(shù)a與RDC分辨率的乘積，則控制器34將角度補(bǔ)償值減去RDC分辨率所得的差值作為角度補(bǔ)償值，通過后者來對角度進(jìn)行補(bǔ)償(參見步驟78)。
如果判定RDCDD小于系數(shù)a與RDC分辨率的乘積，則在步驟80中，控制器34將RDC分辨率加到前面所設(shè)置的角度補(bǔ)償值上以對角度進(jìn)行補(bǔ)償。在完成步驟80后，在步驟82中，控制器34將角度補(bǔ)償值加到當(dāng)前RDC50中讀取的當(dāng)前RDC數(shù)據(jù)(P_RDC)上、以計算絕對旋轉(zhuǎn)角度。在步驟84中，控制器34用當(dāng)前RDC50中讀取的當(dāng)前RDC數(shù)據(jù)(P_RDC)取代存儲在存儲器中的舊的RDC數(shù)據(jù)(O_RDC)，結(jié)束絕對旋轉(zhuǎn)角度的計算。
因此，當(dāng)RDC50的輸出相對于初始旋轉(zhuǎn)參考點或參考值改變時，把旋轉(zhuǎn)角度與絕對旋轉(zhuǎn)角度比較，從而能正確地計算絕對旋轉(zhuǎn)角度。
按照上面描述的本發(fā)明，檢測驅(qū)動部分的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)以設(shè)置初始絕對位置，并且當(dāng)RDC輸出相對于初始旋轉(zhuǎn)參考點突然改變時，對該角度進(jìn)行補(bǔ)償以測定絕對旋轉(zhuǎn)角度。由此，在連續(xù)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中可高精度地測量旋轉(zhuǎn)角度。并且，利用多速旋轉(zhuǎn)變壓器可以容易地測量絕對旋轉(zhuǎn)角度。
權(quán)利要求
1.一種測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置，它包括具有與旋轉(zhuǎn)變壓器相連的傳動器旋轉(zhuǎn)部分、與所述傳動器旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)結(jié)合的傳動器固定部分、以及檢測所述傳動器旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的傳感器的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；用于響應(yīng)旋轉(zhuǎn)控制信號、驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部分；用于將來自所述旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)檢測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)變壓器接口；以及用于向所述執(zhí)行部分提供所述旋轉(zhuǎn)控制信號，用于接收所述數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)和所述旋轉(zhuǎn)檢測信號以設(shè)置所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的初始旋轉(zhuǎn)參考位置，并且用于在所述數(shù)字的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)改變時計算所述絕對旋轉(zhuǎn)角度的控制器。
2.權(quán)利要求1的測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置，其特征在于所述傳動器旋轉(zhuǎn)部分圍繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，并且所述旋轉(zhuǎn)軸被固定在所述傳動器旋轉(zhuǎn)部分的凹處內(nèi)；所述傳動器旋轉(zhuǎn)部分還包括用以固定所述旋轉(zhuǎn)變壓器、具有與所述旋轉(zhuǎn)軸的下部結(jié)合的旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)變壓器固定部分，和裝在所述傳動器旋轉(zhuǎn)部分的一側(cè)的突出件；以及所述傳感器被固定地安裝在所述傳動器固定部分被固定的位置，以檢測所述突出件的經(jīng)過。
3.權(quán)利要求2的測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置，其特征在于所述傳感器是光開關(guān)。
4.權(quán)利要求3的測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置，其特征在于它還包括用以驅(qū)動所述光開關(guān)的LED的發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動器和用于從所述光開關(guān)提供信號的光接口。
5.權(quán)利要求1的測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置，其特征在于所述執(zhí)行部分包括用以將來自所述控制器的所述旋轉(zhuǎn)控制信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的轉(zhuǎn)換器、用以對所述轉(zhuǎn)換的模擬信號進(jìn)行濾波的低通濾波器以及響應(yīng)所述濾波后的信號轉(zhuǎn)動所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的所述傳動器旋轉(zhuǎn)部分的執(zhí)行器。
6.權(quán)利要求1的測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)變壓器接口包括用于向所述旋轉(zhuǎn)變壓器中的轉(zhuǎn)子提供方波的旋轉(zhuǎn)變壓器振蕩器，以及用于將來自所述旋轉(zhuǎn)變壓器中的所述轉(zhuǎn)子的模擬波數(shù)字化而把所述數(shù)字化后的波提供給所述控制器的轉(zhuǎn)換器。
7.權(quán)利要求1的測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)變壓器接口包括用于向所述旋轉(zhuǎn)變壓器中的轉(zhuǎn)子提供方波的旋轉(zhuǎn)變壓器振蕩器，以及用于將來自所述旋轉(zhuǎn)變壓器中的所述轉(zhuǎn)子的模擬波數(shù)字化而把所述數(shù)字化的波提供給所述控制器的轉(zhuǎn)換器。
8.一種測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的方法，其中旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與多速旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)合并且具有用以檢測借助執(zhí)行器的驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的傳感器，并且旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)將所述旋轉(zhuǎn)變壓器測得的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述方法包括以下步驟(a)設(shè)置初始旋轉(zhuǎn)參考點，這包括如下步驟(i)驅(qū)動所述執(zhí)行器以從所述RDC讀取輸出值；(ii)當(dāng)檢測所述傳感器的所述輸出值時，關(guān)掉所述執(zhí)行器以設(shè)置關(guān)于以前設(shè)定的信號值的角度補(bǔ)償值；(iii)將所述角度補(bǔ)償值加到所述RDC的所述輸出值上以設(shè)置初始絕對位置；以及(b)計算所述絕對旋轉(zhuǎn)角度，這包括如下步驟(i)讀取并存儲所述RDC的所述輸出值以獲得所述數(shù)字信號與所述先前設(shè)定的信號值之間的差值；(ii)如果在所述旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字值與所述RDC的分辨率之間檢測到數(shù)據(jù)差，則把所述分辨率加到所述角度補(bǔ)償值上以計算所述絕對旋轉(zhuǎn)角度。
全文摘要
公開一種測量絕對旋轉(zhuǎn)角度的裝置及其方法。具體來講,該裝置適用于對旋轉(zhuǎn)傳動及絕對旋轉(zhuǎn)角度測量要求有高精度的測量與伺服系統(tǒng)。該裝置包括:具有與旋轉(zhuǎn)變壓器相連的傳動器旋轉(zhuǎn)部分、與傳動器旋轉(zhuǎn)部分結(jié)合的傳動器固定部分以及檢測傳動器旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的傳感器的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);用于響應(yīng)旋轉(zhuǎn)控制來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部分;用于將來自旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)檢測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)變壓器接口;以及用于向執(zhí)行部分提供旋轉(zhuǎn)控制信號、接收數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)檢測信號以設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的初始旋轉(zhuǎn)參考位置、以及在數(shù)字的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)突然改變時補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)角度以計算絕對旋轉(zhuǎn)角度的控制器。
文檔編號G01D5/12GK1363821SQ0114115
公開日2002年8月14日 申請日期2001年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月30日
發(fā)明者金龍?zhí)?申請人:三星泰利斯株式會社