專(zhuān)利名稱(chēng)：可光編程的編碼器裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種光學(xué)編碼器裝置和方法，更確切地說(shuō)，涉及這樣一種光學(xué)編碼器，其將電動(dòng)機(jī)械裝置的物理運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜诳刂坪万?qū)動(dòng)該機(jī)械的有一定意義的電信號(hào)。這種裝置和方法的一種重要應(yīng)用是控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。
與本發(fā)明最相關(guān)的背景技術(shù)可在電動(dòng)機(jī)控制和轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域內(nèi)找到。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明并不局限在這一領(lǐng)域。由于本發(fā)明最重要的應(yīng)用與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的控制相關(guān)，故如下的討論將主要針對(duì)這一領(lǐng)域。
本發(fā)明可以按照交流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單變速控制裝置和方法來(lái)實(shí)施，其能進(jìn)一步改進(jìn)或提高電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行效率。這種實(shí)施包含單相和多相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的直接的光——電轉(zhuǎn)換，而且還可適應(yīng)于其它交流和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。
通常，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的換相涉及利用交流供電的頻率以在適當(dāng)?shù)亩ㄗ永@組中提供感性電流，產(chǎn)生磁通，接著又在電樞繞組中感應(yīng)電流并形成磁通。當(dāng)在兩種磁通之間嚴(yán)格同步或一致時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或作用力，使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。
轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)或電動(dòng)機(jī)的速度直接與處在規(guī)定電壓數(shù)值下的輸入電源的頻率成正比。通常交流電動(dòng)機(jī)輸入電壓和頻率是固定的，這又使轉(zhuǎn)子速度是固定的。在交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，在定子和轉(zhuǎn)子頻率之間存在一定數(shù)值的“滑差頻率”。即，轉(zhuǎn)子的速度小于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度。通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)各不相同的頻率、電壓、極數(shù)、繞組數(shù)或相數(shù)、滑差量值等可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子速度的控制。
現(xiàn)時(shí)改變和控制交流電動(dòng)機(jī)(或無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī))速度的方法通常涉及某種與電動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的速度檢測(cè)裝置、其向一微處理器、逆變器或矢量控制器和驅(qū)動(dòng)器提供反饋或輸入信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析，調(diào)節(jié)、改變、整形等，以便與電動(dòng)機(jī)所需的頻率、電壓和功率相適應(yīng)。來(lái)自微處理器、逆變器或矢量控制器的信號(hào)控制頻率、電源脈沖寬度、電流和電壓數(shù)值、相位或者這些參數(shù)的各種組合。這些現(xiàn)有的方法通常是復(fù)雜、成本高以及不便的。通常它們需要速度檢測(cè)輸入裝置或方法，單獨(dú)的分析和控制信號(hào)整形裝置以及用于功率輸出的驅(qū)動(dòng)器，所有這一切都必須正確地連接并彼此同步。
本發(fā)明不同于上述方法，其使用單一的裝置來(lái)進(jìn)行檢測(cè)、分析和速度控制，同時(shí)能利用較少能量提高轉(zhuǎn)矩和功率輸出。與其它方法相類(lèi)似，本發(fā)明也是使電動(dòng)機(jī)速度與輸入電源的頻率和電壓相聯(lián)系的，但實(shí)現(xiàn)這種聯(lián)系并沒(méi)有使用其它可變速方法使用的大多數(shù)元件。本發(fā)明的編碼器采用關(guān)于“可光編程”的新穎概念經(jīng)過(guò)直接轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)選配、調(diào)準(zhǔn)、仿形變換和控制電動(dòng)機(jī)的速度、方向、滑差、相位以及利用較少的能量提高轉(zhuǎn)矩和功率。
已有其它人公開(kāi)了用于直流電動(dòng)機(jī)換向控制的光編碼器。然而，在這些方法中，所使用的光學(xué)元件如光發(fā)射器、檢測(cè)器以及編碼器盤(pán)簡(jiǎn)單地正像電阻式、磁方式或電方式變化元件作用一樣。這是因?yàn)檫@些方法僅涉及一維的光“快速開(kāi)閉”作用，即增減光的強(qiáng)度、擋或不擋光的通道，產(chǎn)生正弦波或方波輸出。這些波形可以利用非光學(xué)元件以相似的方式產(chǎn)生。
如下的專(zhuān)利公開(kāi)了采用一種結(jié)合固定盤(pán)、掩光層或調(diào)制盤(pán)工作的旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)產(chǎn)生正弦信號(hào)波形授予Seward的3193744號(hào)美國(guó)專(zhuān)利、授予Imamura的4160200號(hào)美國(guó)專(zhuān)利、授予Terrell的4224515號(hào)美國(guó)專(zhuān)利、授予Veale的4429267號(hào)美國(guó)專(zhuān)利、授予Ho的4599547號(hào)美國(guó)專(zhuān)利和授予Dolan等人的5103225號(hào)美國(guó)專(zhuān)利。如下的專(zhuān)利公開(kāi)了僅采用編碼盤(pán)或輪而無(wú)靜止的掩光層或調(diào)制盤(pán)的光編碼器的使用情況，該編碼器產(chǎn)生在換向和轉(zhuǎn)速領(lǐng)域中采用的方形脈沖，計(jì)有授予Born的4353016號(hào)美國(guó)專(zhuān)利、授予Lee的4882524號(hào)美國(guó)專(zhuān)利以及授予Blaster等人的5198738號(hào)美國(guó)專(zhuān)利。最后授予Webber的5177393號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種用于直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)換向的光編碼器，其采用印有正弦圖形的反射式編碼器盤(pán)。
在這些專(zhuān)利中公開(kāi)的所有編碼器的局限性在于，它們都不能以光學(xué)方式將電動(dòng)機(jī)整流信號(hào)的波形整形為所需的波形，以便以最優(yōu)方式控制電動(dòng)機(jī)的速度、方向、滑差、相位、轉(zhuǎn)矩和功率輸出。換句話說(shuō)，它們不是“可光編程”的。此外，在這些專(zhuān)利中所提出的很多編碼器需要附加的轉(zhuǎn)換“控制”元件，以便產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)并使它們與電動(dòng)機(jī)的磁極和繞組相匹配。此外，所有上述取得專(zhuān)利的編碼器都與全部光學(xué)元件的物理布局、尺寸、形狀以及相互作用相關(guān)。最后，這些專(zhuān)利的編碼器在設(shè)計(jì)、或?qū)嶋H的和可能的實(shí)施方面缺乏靈活性。
本發(fā)明的裝置和方法采用的光編碼器，其本身作為一種“可光編程的”器件可直接對(duì)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)、整理和變換為編程的電信號(hào)，該信號(hào)與該電機(jī)或其它控制元件相配合。編碼器進(jìn)行光編程，在于其體現(xiàn)預(yù)定的光特征函數(shù)以及包含的光轉(zhuǎn)換元件可以按曲線圖形方式或幾何圖形方式成形，以表示幾乎任何數(shù)學(xué)或代數(shù)表示的波形函數(shù)。編碼器可以產(chǎn)生至少一種具有預(yù)定波形作為光特征函數(shù)變換形式的電信號(hào)。由于電信號(hào)是與編碼器耦合的機(jī)械的“循環(huán)性的”運(yùn)動(dòng)的直接結(jié)果，因而，可以用于控制(如一般編碼器)、整形和放大(如微處理器)、調(diào)節(jié)和變換(如變換器)以及變化(如放大器)。術(shù)語(yǔ)“循環(huán)性的”對(duì)于本申請(qǐng)意指包括但不局限于再現(xiàn)的、重復(fù)的、周期性的、旋轉(zhuǎn)的、往復(fù)式的以及諧振蕩運(yùn)動(dòng)形式。
本發(fā)明的裝置和方法能夠通過(guò)光編程方式來(lái)形成、整形、調(diào)節(jié)和控制幾乎所有的數(shù)字或代數(shù)(函數(shù))的電輸出波形圖形，這一點(diǎn)使本發(fā)明能與迄今所提出的方法和裝置相區(qū)別。
在發(fā)明人看來(lái)，關(guān)于編碼器和編碼方法的方案和觀點(diǎn)是與電子學(xué)和電路十分類(lèi)似的。具體地說(shuō)，發(fā)明人認(rèn)為光編碼器(OE)目前的情況與三、四十年前集成電路對(duì)于電子學(xué)來(lái)說(shuō)的情況相類(lèi)似。IC在很多方面僅不過(guò)是已有電子電路的重新封裝。這種重新封裝起始階段只不過(guò)是將已有的電子電路、元件等集成到一個(gè)單一的、較小的、更經(jīng)濟(jì)有效的可用器件中。然而，這種簡(jiǎn)單的“重新封裝”很快發(fā)展甚至產(chǎn)生革命性的變化，即不僅是重新封裝已有的電路而且確實(shí)形成了新的市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)和電子電路。在產(chǎn)生IC之前，很多這樣的電路僅是概念性的或是用數(shù)學(xué)表示的，并且在某些情況下甚至是不可想象的。通過(guò)這種“重新封裝”或合并到一個(gè)單一的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，使得實(shí)現(xiàn)這個(gè)種電路成為可能。
本發(fā)明人相信，本發(fā)明人的編碼方法，具體地說(shuō)光編碼方法處于相似的關(guān)鍵階段。今天已經(jīng)有各種各樣的光編碼技術(shù)，但如本發(fā)明人的總的方案構(gòu)成一樣，這種“重新封裝”到單一的或微縮的經(jīng)濟(jì)有效的緊湊產(chǎn)品中的技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)相似的前景。
為了進(jìn)一步說(shuō)明這種相似性，本發(fā)明人現(xiàn)已用一種單一的OE封裝，發(fā)展一種“光編程”方法，利用這種“單一產(chǎn)品方法”提供了新的光編碼應(yīng)用的可能性，這些應(yīng)用迄今絕未被使用，在某些情況下，甚至是未想象到的。
與IC相似，在某些情況下，很多這些應(yīng)用已經(jīng)以其它形式或利用其它多個(gè)元件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明人的方法和方案已將這些合并到單一的產(chǎn)品中。然而，如同IC一樣，本發(fā)明人也能夠?qū)⑵駜H利用數(shù)學(xué)方式表示的原理或者說(shuō)經(jīng)濟(jì)上不可行或不可能實(shí)際構(gòu)成的原理化為現(xiàn)實(shí)。
此外，本發(fā)明人認(rèn)為，本發(fā)明人同樣已經(jīng)提出和發(fā)明另外的新的原理和應(yīng)用，這些在本發(fā)明人的新的“IC方案”以前是從未出現(xiàn)或預(yù)見(jiàn)的。由本發(fā)明人結(jié)合光編碼器(OE)開(kāi)發(fā)的這種“光編程能力”(OP)可以和一種微處理器(micro或μp)一樣，其中微處理器是電子線路的獨(dú)特序列，這些呈現(xiàn)各種能力、適應(yīng)性和“編程能力”的電子電路通常位于一塊集成電路芯片上。
同樣，本發(fā)明人已經(jīng)開(kāi)發(fā)了像μp或微處理器(微機(jī))一樣的“編程能力”或各種應(yīng)用能力和處理能力，但是這些已歸并到單一的有結(jié)合力的封裝件中(像IC一樣)。正是這種新穎獨(dú)特的關(guān)于編碼器、光編碼、光編程的原理總體實(shí)現(xiàn)于一個(gè)封裝件中，使本發(fā)明人的方法與集成電路和微機(jī)相似，正像IC有助于產(chǎn)生和發(fā)展微機(jī)，而微機(jī)又開(kāi)發(fā)了電子技術(shù)應(yīng)用的新原理、能力甚至產(chǎn)業(yè)一樣，光編碼和光編程能力也可以/應(yīng)當(dāng)這樣。
因此，本發(fā)明人的論點(diǎn)是，本發(fā)明和關(guān)于光編碼和光編程的原理所處地位正是約30到40年前集成電路和微處理器所處地位。本發(fā)明人的方案僅不過(guò)是現(xiàn)在對(duì)于其能力、可能性、產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和范圍的初步探索。
正是這種本發(fā)明人對(duì)光編程的編碼器的總的普遍預(yù)想，才使這一原理和產(chǎn)品那樣激動(dòng)人心、獨(dú)特以及在應(yīng)用可能性方面有無(wú)限前景。
因此，本發(fā)明的目的是提供光編碼器裝置和方法，其能避免與現(xiàn)有光編碼器相關(guān)的局限性和問(wèn)題。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣一種光編碼器裝置和方法，其采用光編程能力的原理，以便為各特定應(yīng)用產(chǎn)生各種不同的電信號(hào)波形。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種光編碼器裝置，它的元件可以按光學(xué)方式編程，以產(chǎn)生所需的電信號(hào)波形。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種光編碼器裝置和方法，用于直接驅(qū)動(dòng)和控制單相和多相交流電動(dòng)機(jī)以及直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種光編碼器裝置和方法，其根據(jù)單一的光電器件來(lái)檢測(cè)、分析和控制電動(dòng)機(jī)速度。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種光編碼器裝置和方法，其使控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行所需的電氣和電子器件最少。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供能提高效率、轉(zhuǎn)矩和功率輸出的光編碼器裝置和方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是單獨(dú)地或結(jié)合電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的相關(guān)的電子技術(shù)能力，利用編碼器裝置的光編程能力，以便明顯提高功率因數(shù)并減少或消除電力線路的諧波失真。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種光編碼器裝置和方法，其普遍適用于交流感應(yīng)電機(jī)、、交流同步電機(jī)、AC異步電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、直流步進(jìn)電機(jī)、單相、多相、少極、多極電機(jī)各實(shí)施例，以及其它運(yùn)動(dòng)控制課題。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是在一簡(jiǎn)單和完全的封裝件中構(gòu)成光編碼裝置，其可簡(jiǎn)單地裝在大多數(shù)電動(dòng)機(jī)軸上，無(wú)須改變每一電動(dòng)機(jī)或采用沉重繁復(fù)的固定安裝件。
根據(jù)本發(fā)明提供一種光編碼裝置，用于將電動(dòng)機(jī)械的循環(huán)運(yùn)動(dòng)變換為至少一種具有預(yù)定波形的電信號(hào)，從而可實(shí)現(xiàn)這些和其它目的。該裝置包含至少一個(gè)響應(yīng)于入射光能分布圖形(pattern)的光檢測(cè)器，由其產(chǎn)生電信號(hào)。
光編程裝置在光路上與光檢測(cè)器對(duì)準(zhǔn)且其構(gòu)成由于機(jī)械的循環(huán)運(yùn)動(dòng)而起作用。光編程裝置沿多個(gè)方向變換在光檢測(cè)器處的至少一個(gè)入射光能的分布圖形，這種變換按照包括以幾何圖形或曲線圖形表示的函數(shù)的光特征函數(shù)進(jìn)行，該幾何圖形或曲線圖形表示的函數(shù)可以轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У牟ㄐ魏瘮?shù)。
光編程裝置包括——光轉(zhuǎn)換元件，例如，包含至少一種可光檢測(cè)的分布圖形的光編碼器盤(pán)。該分布圖形包括至少一個(gè)周期循環(huán)的圖形并且可以包含部分?jǐn)?shù)量的這種周期循環(huán)的圖形。該編程裝置還包括一含有至少一個(gè)一定圖形形狀的孔的掩光層，這些孔使按分布圖形入射的光能從其間通過(guò)并到達(dá)光檢測(cè)器。
首先利用盤(pán)上的分布圖形和掩光層上的孔的對(duì)于光的綜合作用來(lái)體現(xiàn)圖形表示的函數(shù)，這種作用是根據(jù)機(jī)械的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)盤(pán)與掩光層一個(gè)相對(duì)于另一個(gè)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)的。光檢測(cè)器產(chǎn)生光電響應(yīng)，這種響應(yīng)和光特征函數(shù)的乘積定義了預(yù)定波形。在光檢測(cè)器處的經(jīng)變換的按照一定圖形分布的入射光能變換為具有預(yù)定波形的電信號(hào)。
本光編程裝置還可以包括至少一個(gè)發(fā)射入射光能的光發(fā)射器。由光發(fā)射器提供的入射光能經(jīng)過(guò)按照呈一定曲線圖形或幾何圖形的光通道與光檢測(cè)器相耦合。
本發(fā)明的光編碼器裝置通過(guò)產(chǎn)生專(zhuān)門(mén)與特定電動(dòng)機(jī)相配合和同步的信號(hào)波形特別適用于有效地控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。例如，編碼器可用作使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率與電動(dòng)機(jī)速度同步的可變速控制器。在這種情況下，控制器包含一用于對(duì)由編碼器產(chǎn)生的電信號(hào)放大的放大器，并且提供一調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓電平以使速度變化開(kāi)始的裝置。
本發(fā)明的光編碼器裝置可以實(shí)現(xiàn)將N相電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成n個(gè)電信號(hào)，每個(gè)都具有適用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的預(yù)定的相位關(guān)系。在這種情況下，編碼器包含N個(gè)光通道，每個(gè)光通道包含一光發(fā)射器、盤(pán)上的分布圖形、掩光層孔和檢測(cè)器。在一優(yōu)選實(shí)施例中，該盤(pán)上分布圖形同心地排列在隨電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的編碼器盤(pán)上，實(shí)現(xiàn)各信號(hào)間的相位差的一種方式是按角位置連續(xù)地移動(dòng)在編碼器盤(pán)上的分布圖形。每個(gè)信號(hào)的相對(duì)相位由在電動(dòng)機(jī)軸一周旋轉(zhuǎn)中的特定點(diǎn)處的分布圖形和相關(guān)的掩光層孔的相對(duì)位置確定。
將電動(dòng)機(jī)械的循環(huán)運(yùn)動(dòng)變換為至少一個(gè)具有預(yù)定波形電信號(hào)的方法也在本發(fā)明的考慮之中。此外，本發(fā)明包含控制電動(dòng)機(jī)的操作包括速度在內(nèi)的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一種控制交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的特定方法，包含如下的步驟(1)將光編碼器耦合到電動(dòng)機(jī)軸上，該編碼器按照一種波形函數(shù)實(shí)現(xiàn)光編程，該函數(shù)具有的電信號(hào)周期數(shù)大于在電動(dòng)機(jī)的額定速度和電源電壓下產(chǎn)生額定的電源頻率所需的周期數(shù)；(2)產(chǎn)生一對(duì)于電動(dòng)機(jī)軸每周旋轉(zhuǎn)基本上重復(fù)的波形函數(shù)；(3)將編碼器輸出信號(hào)放大到產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)額定速度所需的電壓電平；(4)將放大的編碼器輸出信號(hào)向電動(dòng)機(jī)饋送。此外，按照這種方法，可以改變編碼器輸出信號(hào)的電壓電平，以改變電動(dòng)機(jī)的速度及因此將編碼器信號(hào)的頻率變化到規(guī)定的數(shù)值。
由參照附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的如下介紹將會(huì)使本發(fā)明的其它目的變得更加明顯，其中

圖1是表示耦合到單相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)上的根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的單通道光編碼器的示意圖；圖2是表示圖1中的光編碼器的光檢測(cè)器元件的示意圖，表示入射到檢測(cè)器的光響應(yīng)表面上的光能的瞬時(shí)分布圖形；圖3是表示耦合到三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)上的根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的三通道光編碼器的示意圖；圖4A-B分別表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的具有用于產(chǎn)生正弦波形的分布圖形的光編碼器盤(pán)和相應(yīng)的波形函數(shù)；圖5A-C分別表示本發(fā)明的具有用于產(chǎn)生梯形波形的分布圖形的光編碼器盤(pán)、相應(yīng)的波形函數(shù)，以及圖5A中的循環(huán)分布圖形以及對(duì)應(yīng)的掩光層孔的按(X-Y)的等效的線性表示圖；圖6是按照本發(fā)明構(gòu)成的掩光層的頂平面圖，該掩光層與圖4A、5A和7A中的編碼器盤(pán)結(jié)合使用，以產(chǎn)生與圖4B、5B和7B中的波形函數(shù)相對(duì)應(yīng)的波形的信號(hào)；圖7A-C分別表示根據(jù)本發(fā)明的具有用于產(chǎn)生正弦波形的分布圖形的光編碼器盤(pán)、相應(yīng)的波形函數(shù)、以及圖7A中的循環(huán)分布圖形和相應(yīng)的掩光層孔的按(X-Y)的等效線性表示圖；圖8A-C分別表示本發(fā)明的具有均勻和不均勻的分布圖形的另一種光編碼器盤(pán)、與不均勻的分布圖形對(duì)應(yīng)的波形函數(shù)，以及圖8A中表示的不均勻分布圖形和相應(yīng)的掩光片層的按(X-Y)的等效線性表示圖；圖9分別表示一個(gè)電信號(hào)周期的梯形波形函數(shù)以及對(duì)應(yīng)的編碼器掩光層和盤(pán)的形態(tài)；圖10分別表示一個(gè)電信號(hào)周期的三角形波形函數(shù)和相應(yīng)的編碼器掩光層和盤(pán)的形態(tài)；圖11A-F分別表示一種特定的波形函數(shù)，以及按面積填充原理的代數(shù)方程計(jì)算的編碼器掩光層和編碼器盤(pán)的形態(tài)；圖12A-C分別表示本發(fā)明的具有三個(gè)分布圖形的光編碼器盤(pán)，這些分布圖形分別按0°、40°和80°整體移動(dòng)，以便分別產(chǎn)生相位移0°、120、240電角度的三個(gè)信號(hào)；與圖12A中的編碼器盤(pán)結(jié)合使用的編碼器掩光層；以及與圖12A中的分布圖形對(duì)應(yīng)的三個(gè)相位移的波形函數(shù)；
圖13A-C分別表示本發(fā)明的具有三個(gè)分布圖形的光編碼器盤(pán)，它們分別按0、40和80的物理角度角位移；一個(gè)與圖13A中的編碼器盤(pán)結(jié)合使用的編碼器掩光層，其具有的三孔按0、-10、和-20的物理角度角位移；以及相位移0、90和180電角度的三個(gè)相應(yīng)的波形函數(shù)；圖14A-D分別表示本發(fā)明的具有包含6個(gè)孔的分布圖形的光編碼器盤(pán)、一包含其形狀用于產(chǎn)生正弦波的孔的掩光層；相應(yīng)的波形函數(shù)；以及圖14A中的分布圖形和相應(yīng)的掩光層孔的按(X-Y)的等效線性表示圖；圖15A-D分別表示本發(fā)明的具有包含三個(gè)孔的分布圖形的光編碼器盤(pán)；一個(gè)包含一對(duì)其形狀用于產(chǎn)生正弦波形的孔的掩光層；相應(yīng)的波形函數(shù)；及以圖15A中的分布圖形和相應(yīng)的掩光層孔的按(X-Y)的等效線性表示圖；圖16A-F是波形曲線圖，表示對(duì)于由非整數(shù)個(gè)周期的波形函數(shù)產(chǎn)生的信號(hào)的間斷區(qū)按圖形校正的方法；圖17A-D分別表示本發(fā)明的經(jīng)校正的分布圖形的光編碼器盤(pán)，用于產(chǎn)生一重復(fù)的非均勻的波形并表示該校正的放大圖；相應(yīng)的經(jīng)校正的和未校正的函數(shù)波形；未校正的分布圖形的按(X-Y)的等效線性表示圖；以及經(jīng)校正的分布圖形的按(X-Y)的等效線性表示圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的光編碼器的部分分解圖；圖19是圖18中的編碼器的斷面圖；圖20-22是一系列的表示將本發(fā)明的光編碼器安裝到電動(dòng)機(jī)上的方法的示意圖；圖23A-B分別是防旋轉(zhuǎn)的卡簧的側(cè)立面圖和頂平面圖，該卡簧用于將本發(fā)明的光編碼器殼體固定，并相對(duì)電動(dòng)機(jī)軸調(diào)節(jié)其角位置；圖24是本發(fā)明的固定到電動(dòng)機(jī)軸上并且利用一防旋轉(zhuǎn)卡簧以可調(diào)節(jié)方式固定到電動(dòng)機(jī)軸上的編碼器的頂平面圖；圖25A-B是分別表示本發(fā)明的具有與非整數(shù)波形函數(shù)對(duì)應(yīng)的分布圖形的編碼器盤(pán)的頂平面圖；以及與圖25A中的分布圖形對(duì)應(yīng)的非整數(shù)波形函數(shù)的圖示曲線；圖26A-B是分別表示本發(fā)明的另一種編碼器盤(pán)的頂平面圖；以及與圖26A中的編碼器盤(pán)對(duì)應(yīng)的連續(xù)波形輸出的圖示曲線；
圖27A-B是表示通過(guò)電信號(hào)波形合成進(jìn)行波形成形的電路示意圖；以及圖28是概略表示本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施例的流程圖。
下面參照?qǐng)D1，該圖示有示意表示的本發(fā)明的基本元件。一單相三對(duì)極的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)10包括定子組件12和轉(zhuǎn)子組件14。定子12包含3對(duì)繞組。一對(duì)繞組16a和16b一起串聯(lián)在地與交流輸入端A之間。另二對(duì)繞組以相似的方式連接，如圖所示，所有各對(duì)繞組并聯(lián)在一起。當(dāng)繞組利用交流輸入信號(hào)作電激磁時(shí)，在定子12中形成6個(gè)磁極，這些磁極在轉(zhuǎn)子14中感應(yīng)相應(yīng)數(shù)量的磁極。電動(dòng)機(jī)10可以利用任何已知的方法例如利用起動(dòng)繞組(未表示)起動(dòng)。
轉(zhuǎn)子14包含繞中心軸線20旋轉(zhuǎn)的軸18。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的光編碼器22耦合到軸18上。編碼器22包含至少一個(gè)最好是紅外發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光器件24。光檢測(cè)器件26與光發(fā)射器件24對(duì)準(zhǔn)，并響應(yīng)于由發(fā)光器件24發(fā)出的入射光能。檢測(cè)器26產(chǎn)生的電信號(hào)與入射到光檢測(cè)器26上的入射光能的量值成比例。檢測(cè)器26最好是一光敏晶體三極管。發(fā)光器24和檢測(cè)器26位置上是固定的，沿一光通道28對(duì)準(zhǔn)。一個(gè)以編碼器盤(pán)30形式的光轉(zhuǎn)換元件耦合到軸18上并使之與軸18一起旋轉(zhuǎn)。編碼器盤(pán)30包含一個(gè)其中至少有一個(gè)周期循環(huán)圖形34的可以光學(xué)方式檢測(cè)的分布圖形32。在該優(yōu)選實(shí)施例中，周期循環(huán)圖形34是以透光窗口的形式實(shí)現(xiàn)的。在包含控制電動(dòng)機(jī)的很多應(yīng)用中，周期循環(huán)圖形34的數(shù)量等于在轉(zhuǎn)子中的極對(duì)數(shù)。此外，循環(huán)圖形34在物理上(按角度)與該成對(duì)的極對(duì)準(zhǔn)。在某些應(yīng)用中，正如下面要介紹的，這種使循環(huán)圖形與磁極匹配對(duì)應(yīng)的條件不必遵循。此外，由下面的討論可以清楚地看出，循環(huán)圖形34并不總是按照分散的透光窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)。在某些情況，一個(gè)循環(huán)圖形可以逐漸地轉(zhuǎn)換到另一個(gè)。此外，循環(huán)圖形34可以利用在透明的(或半透明的)編碼器盤(pán)上的不透明區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在另一實(shí)施例中，循環(huán)圖形34可以按照在反射型編碼器實(shí)施例中的反射的分布圖形來(lái)實(shí)現(xiàn)。
繼續(xù)參照?qǐng)D1，編碼器盤(pán)30的中心軸線31與轉(zhuǎn)子18的軸線20對(duì)準(zhǔn)。盤(pán)30繞中心軸線31旋轉(zhuǎn)。編碼器22還包含一最好為盤(pán)形的掩光層36。掩光層36包含楔形孔38。掩光層36的中心軸線37實(shí)際上與編碼器盤(pán)30的中心軸線31對(duì)準(zhǔn)。掩光層36沒(méi)有耦合到轉(zhuǎn)子軸18上，而是在編碼器22的工作過(guò)程中保持靜止。
由于軸18的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使分布圖形32掃描通過(guò)光通道28，編碼器盤(pán)30產(chǎn)生作用。在這種意義下，盤(pán)30與光通道28形成光耦合。如圖1所示，分布圖形32沿著一假想的掃描軌跡圍繞中心軸線31同軸排列。
如圖1所示，掩光層36中的孔38與光通道28和分布圖形32對(duì)準(zhǔn)。孔38的功能是使受到限制的按圖形控制量值的光能到達(dá)檢測(cè)器26?？?8的“Y”方向尺寸等于分布圖形32的最大“Y”方向尺寸(見(jiàn)圖1)。例如在圖5C和7C中表示了這種尺寸關(guān)系。圖8C中表示出，掩光層孔(360)的“Y”方向尺寸和至少某些周期循環(huán)圖形(364b和364c)的最大“Y”方向尺寸可以是不同的。
孔38的尺寸最好小于檢測(cè)器26的光響應(yīng)表面?？?8的形狀和尺寸在于保證在檢測(cè)器26的光響應(yīng)表面上形成確定的入射光能分布圖形。下面參照?qǐng)D2將進(jìn)一步介紹這種要求。
如圖1所示，電位計(jì)40電連接到電源Vcc和地之間。檢測(cè)器26的輸出端電連接到電位計(jì)40的可調(diào)滑觸頭42上。滑觸頭42直接連接到功率放大器44。放大器44必須能夠?qū)z測(cè)器26的低壓輸出放大到與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)10的繞組相適應(yīng)的電壓電平。在很多應(yīng)用場(chǎng)合下，放大器44將檢測(cè)器輸出放大到至少120V(有效值)的量級(jí)。放大器44或者可以是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的器件，或者可以是標(biāo)準(zhǔn)的市售功率放大器。當(dāng)變換信號(hào)預(yù)期是正弦信號(hào)時(shí)，甚至可以可采用較高效率的“C”類(lèi)(經(jīng)常調(diào)諧電感)放大器。最好放大器具有增益調(diào)節(jié)，以使其輸出可以調(diào)節(jié)。
在某些應(yīng)用中，通過(guò)改變向發(fā)射器24和/或檢測(cè)器26供電的電源電壓，可以調(diào)節(jié)編碼器22的信號(hào)輸出電平。利用這種方案，編碼器輸出電平可以改變，例如在1.5V-12V之間變化。電平調(diào)節(jié)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，例如響應(yīng)于系統(tǒng)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
為了構(gòu)成編碼器反饋回路，放大器44的輸出連接到電動(dòng)機(jī)10的輸入端A。由編碼器22產(chǎn)生的信號(hào)波形直接提供到電動(dòng)機(jī)10的繞組。相應(yīng)地，本發(fā)明能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)10的直接變換控制。
應(yīng)理解，本發(fā)明的光編碼器是可光編程的。編碼器的所有光轉(zhuǎn)換元件都被認(rèn)為是參數(shù)可編程的，包括但不局限于，光發(fā)射器和其輻射光能輸出、編碼器盤(pán)、掩光層孔、透鏡、、快門(mén)、棱鏡以及任意其它光學(xué)元件或器件，它們的采用在于修正入射到光檢測(cè)中元件或編碼器元件的光能分布圖形。對(duì)在編碼器中采用的各光學(xué)元件的特性要選擇、組合或調(diào)節(jié)(即編程)，以使編碼器能產(chǎn)生預(yù)定電信號(hào)波形輸出。這些光學(xué)元件的綜合的光響應(yīng)特性(按照在編碼器中形狀構(gòu)成的)，可以稱(chēng)為一光特征函數(shù)。因此，根據(jù)光特征函數(shù)變換入射到編碼器中的光檢測(cè)器上的入射光能的分布圖形，以及這一函數(shù)代表作用于在光檢測(cè)器裝置處的入射分布圖形的可光編程元件的綜合的光響應(yīng)特性。
在該優(yōu)選實(shí)施例中，光特征函數(shù)包括至少一個(gè)“圖形函數(shù)”，其代表包含在編碼器盤(pán)上的分布圖形的光響應(yīng)特性，或者分布圖形和掩光層孔的綜合響應(yīng)特性。應(yīng)理解，光特征函數(shù)可以包含由于在編碼器中的光路中的其它元件作用形成的其它圖形函數(shù)。下面進(jìn)一步限定術(shù)語(yǔ)“圖形函數(shù)”。
再來(lái)參閱圖1，編碼器盤(pán)30和掩光層36兩者進(jìn)行光編程在于，它們的光響應(yīng)特征(例如循環(huán)圖形34和孔38)是按照?qǐng)D形函數(shù)定位，確定形狀和尺寸的。術(shù)語(yǔ)“圖形函數(shù)”對(duì)于本申請(qǐng)來(lái)說(shuō)包括但不局限于以數(shù)學(xué)方式定義的幾何的、代數(shù)的和按維表示的函數(shù)；以及由經(jīng)驗(yàn)得到的、可以是也可以不是以數(shù)學(xué)方式定義的圖形表示。
在該優(yōu)選實(shí)施例中，所選擇的圖形函數(shù)是電信號(hào)波形函數(shù)的變換。在電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用場(chǎng)合，規(guī)定電信號(hào)波形是為了在預(yù)期負(fù)載狀態(tài)下以最優(yōu)方式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。例如，驅(qū)動(dòng)一在空調(diào)機(jī)中的壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)對(duì)于電動(dòng)機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周將經(jīng)歷不均勻的負(fù)載狀態(tài)。在這種情況下，可以按最優(yōu)方式規(guī)定驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相應(yīng)的不均勻的波形。這種波形的一個(gè)實(shí)例表示在圖8B中。一旦確認(rèn)最佳波形函數(shù)，可以利用面積填充原理的代數(shù)方程(下文介紹)產(chǎn)生它的圖形或代數(shù)式的等效物。在編碼器22中，當(dāng)編碼器盤(pán)30隨電動(dòng)機(jī)軸18旋轉(zhuǎn)，使分布圖形32由孔38掃描時(shí)，通過(guò)分布圖形32和孔38的綜合光作用以物理方式形成該圖形函數(shù)。
由發(fā)射器24輻射的光能沿著光通道28照射直到入射到檢測(cè)器26的光響應(yīng)檢測(cè)表面。入射的光能在檢測(cè)器26的光響應(yīng)檢測(cè)表面上形成分布圖形。這一表面表示在圖2中，用參考標(biāo)號(hào)46來(lái)識(shí)別。入射光能的分布圖形由表面46的整體尺寸所界定。然而，最好由孔38限定該分布圖形的最大尺寸。如圖2所示(僅用于描述)，孔38限定了一有限的區(qū)域48。應(yīng)理解，根據(jù)所需的圖形函數(shù)，區(qū)域48可為任何形狀。
進(jìn)一步參閱圖2可以理解盤(pán)30和掩光層36的綜合的光作用。在區(qū)域48內(nèi)，非陰影區(qū)50代表在表面46上的入射光能的瞬時(shí)分布圖形。陰影區(qū)52代表在限定邊界的區(qū)域48內(nèi)沒(méi)有入射光能。在反射式編碼器系統(tǒng)中，區(qū)域50和52代表在復(fù)雜的干擾分布圖形中入射光能強(qiáng)度的變化程度。
為便于介紹，在表面46上畫(huà)出了X、Y坐標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)于指定的瞬時(shí)，入射光能的分布圖形50由在X、Y坐標(biāo)域內(nèi)的特定的圖形形狀來(lái)確定。由圖2可以理解，分布圖形50在二維空間內(nèi)沿各個(gè)不同的方向是變化的。當(dāng)分布圖形32由孔38掃描時(shí)，入射光能分布圖形50沿多個(gè)方向經(jīng)過(guò)變換或重新成形。在圖2中的箭頭示意表示分布圖形可能被變換的方向。入射光分布圖形50根據(jù)確定的圖形函數(shù)進(jìn)行變換，在這種情況下，通過(guò)孔38掃描分布圖形32來(lái)實(shí)現(xiàn)。
光敏晶體管26響應(yīng)于該瞬時(shí)的光能分布圖形50，并產(chǎn)生與在分布圖形50中所示入射光能量值成比例的電信號(hào)。檢測(cè)器26特性在于產(chǎn)生光電響應(yīng)，當(dāng)呈線性關(guān)系時(shí)，產(chǎn)生的電信號(hào)的波形與原來(lái)規(guī)定的波形函數(shù)相一致。該光電響應(yīng)不一定是線性的。實(shí)際上，該響應(yīng)可被用作一附加的可編程的設(shè)計(jì)參數(shù)，以便產(chǎn)生預(yù)期的波形。在這一實(shí)施例中，檢測(cè)器26的光電響應(yīng)和規(guī)定的波形函數(shù)的乘積將確定在檢測(cè)器26的輸出端產(chǎn)生的電信號(hào)波形。
下面參閱圖3，該圖示有以三通道實(shí)施的本發(fā)明的光編碼器。這里該編碼器用于驅(qū)動(dòng)三相三對(duì)極的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)100。電動(dòng)機(jī)100具有定子組件102和轉(zhuǎn)子組件104。電動(dòng)機(jī)為常規(guī)結(jié)構(gòu)，不再詳細(xì)介紹。定子組件102每相包含3對(duì)繞組106a和106b(圖中每相僅示出一對(duì))。電動(dòng)機(jī)100具有用于各自的三相輸入信號(hào)的3個(gè)交流輸入端。每對(duì)繞組106a、106b在轉(zhuǎn)子104中感應(yīng)出一對(duì)磁極(即每相三對(duì)磁極)。在圖3所示的示意圖中，在轉(zhuǎn)子104中所示的每對(duì)磁極(N-S)代表實(shí)際的三對(duì)磁極。
如在圖3中所示，三通道式編碼器110耦合到轉(zhuǎn)子軸108上并以與對(duì)圖1中所示編碼器22所介紹的相同方式與軸108的旋轉(zhuǎn)軸線112機(jī)械上對(duì)準(zhǔn)。編碼器110包括三個(gè)紅外LED發(fā)光器件114a-c。發(fā)光器件114a-c沿著在發(fā)光器件114a-c和相應(yīng)數(shù)量的光敏晶體管116a-c之間的各個(gè)光通道發(fā)出紅外光能。編碼器110包含一其構(gòu)成便于圍繞中心軸線119旋轉(zhuǎn)的一個(gè)多軌跡的光編碼器盤(pán)118。盤(pán)118包含三個(gè)同軸排列的可用先檢測(cè)的分布圖形120a-c。編碼器110還包括一形狀為盤(pán)形、含有3個(gè)孔124a-c的掩光層122。與圖1中的編碼器22一樣，當(dāng)編碼器盤(pán)118由于軸108的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)時(shí)掩光層122保持靜止。以與對(duì)圖1中的編碼器22所介紹的相同的方式，掩光層孔124a-c與分布圖形120a-c分別與光通道對(duì)準(zhǔn)。
如圖3中所示，三個(gè)電位計(jì)126a-c電連接在電源電壓Vcc與地之間。檢測(cè)器116a-c的輸出引線分別連接到電位計(jì)126a-c的可調(diào)滑觸頭上。電位計(jì)126a-c的可調(diào)滑觸頭連接到各自的功率放大器128a-c的輸入端。如對(duì)圖1中的實(shí)施方案的介紹相同，檢測(cè)器116a-c的低壓輸出信號(hào)被放大到足以直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)100的電平。放大器128a-c的輸出A、B和C直接連接到電動(dòng)機(jī)100的輸入端A、B、C。編碼器110以與參照?qǐng)D1和圖2所介紹的相同的方式產(chǎn)生電信號(hào)輸出。
檢測(cè)器116a-c的輸出信號(hào)的相對(duì)相位由在轉(zhuǎn)軸108的特定旋轉(zhuǎn)角度下的分布圖形120a-c相對(duì)于它們各自對(duì)應(yīng)的孔124a-c的位置來(lái)確定。在圖3中，編碼器100的輸出信號(hào)的相對(duì)相位為0、120、240電角度，以便適當(dāng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)100。通過(guò)使每一分布圖形的位置旋轉(zhuǎn)的物理角度數(shù)等于由分布圖形中的周期循環(huán)圖形數(shù)去除所需電角度相位移(例如120或240電角度)所得結(jié)果，可以形成這種相位關(guān)系。
對(duì)于圖3所示的實(shí)施例，分布圖形120b的位置相對(duì)于分布圖形120c旋轉(zhuǎn)40的物理角度以便產(chǎn)生預(yù)期120電角度相位移。與之相似，分布圖形120a相對(duì)分布圖形120c旋轉(zhuǎn)80物理角度，以便產(chǎn)生預(yù)期的240電角度相位移。在圖3中，孔124a-c的角位置是對(duì)準(zhǔn)的，因而不對(duì)相位移產(chǎn)生影響。下面參照?qǐng)D12A-C以及13A-C再介紹其它多通道相位移的實(shí)例。
現(xiàn)在參照兩個(gè)電動(dòng)機(jī)控制實(shí)例解釋本發(fā)明的光編碼器的設(shè)計(jì)。首先，分析一包含如圖1中所示的三對(duì)極的單相交流電動(dòng)機(jī)按同步方式的實(shí)例。這一電動(dòng)機(jī)按1200RPM(轉(zhuǎn)數(shù)/分)或20RPS(轉(zhuǎn)數(shù)/秒)的同步速度運(yùn)轉(zhuǎn)。該按照同步速度運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)要求60HZ(赫)和120V(伏)。編碼器盤(pán)直接耦合到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，這一頻率可以通過(guò)光編程的編碼器盤(pán)和掩光層的綜合作用來(lái)形成。在編碼器盤(pán)上包含的可光檢測(cè)的分布圖形必須包含3個(gè)周期循環(huán)圖形，以便產(chǎn)生轉(zhuǎn)子軸每旋轉(zhuǎn)一周的3個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)波形周期。在圖4A中表示了用于產(chǎn)生正弦波形的配置。
在圖4A中，編碼器盤(pán)200包含的分布圖形202含有三個(gè)周期循環(huán)圖形204a-c。在圖6中示出與盤(pán)200結(jié)合使用的掩光層孔。當(dāng)盤(pán)200按照20RPS轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由編碼器產(chǎn)生60HZ的正弦交流信號(hào)(20RPS乘以該每轉(zhuǎn)一周3個(gè)電信號(hào)周期)。如圖4B中所示，編碼器盤(pán)200旋轉(zhuǎn)一周(0-360°)產(chǎn)生3個(gè)電信號(hào)周期206a-c。這是對(duì)于這個(gè)實(shí)例的所需的波形函數(shù)。
首先利用矢量數(shù)據(jù)表形式表達(dá)預(yù)期的波形函數(shù)，形成編碼器盤(pán)200的分布圖形202以及如圖6中所示的掩光層孔。在這一正弦波實(shí)例中，利用如下表達(dá)式Y(jié)＝Sin(電角度)得到矢量表數(shù)值。在360°機(jī)械角度(物理旋轉(zhuǎn)一周)范圍內(nèi)具有三個(gè)完整的電信號(hào)周期。固此，盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周，電信號(hào)角度為1080°。為了提供形象化數(shù)據(jù)可以畫(huà)出矢量數(shù)據(jù)，以便了解最終的波形是怎樣的(圖4B既表示所畫(huà)出的輸入波形又表示所形成的光敏晶體管電信號(hào)輸出)。
下一個(gè)步驟是確定在光分布圖形202中的周期循環(huán)圖形204a-c的形狀。通過(guò)利用面積填充原理的代數(shù)方程可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。將由上述方程計(jì)算的矢量值代入如下的方程Vn→p=(Vn+1-Vn)·V/8+Vn-m64·2]]>其中V為盤(pán)面積填充矢量W為波形輸入數(shù)據(jù)集合中的波形起點(diǎn)P為波形輸入數(shù)據(jù)集合中的點(diǎn)數(shù)mi為作為輸入?yún)?shù)的掩光層寬度m為所標(biāo)定的掩光層寬度n＝1，2，3……PV＝作為輸入?yún)?shù)的矢量標(biāo)定系數(shù)表達(dá)式(Wn+1-Wn)-V/8以及Vn-m，如果各個(gè)計(jì)算結(jié)果為負(fù)，則設(shè)該數(shù)值為0。
掩光層孔的形狀要適合于光信號(hào)的適當(dāng)衰減。在這一實(shí)例中，該方程為
m＝mi，如P/2＞mim＝p/2，如P/2＜mi其中P為波形輸入數(shù)據(jù)集合中的點(diǎn)數(shù)mi為作為輸入?yún)?shù)的掩光層寬度m為標(biāo)定的掩光層寬度以及mi≥2上述方程僅是對(duì)于盤(pán)的分布圖形相對(duì)于掩光層的水平移動(dòng)的x，y面積填充的實(shí)例。對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用極坐標(biāo)下的數(shù)值。應(yīng)當(dāng)理解，為了形成以光學(xué)方式產(chǎn)生的所需波形，有很多方程、算法或其它方法來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)谋P(pán)/掩光層組合。在最后步驟，按照由上述方程得到的面積填充代數(shù)值(適合于徑向相對(duì)水平移動(dòng))，對(duì)盤(pán)和掩光層進(jìn)行印刷加工。
下面分析非同步方式實(shí)例。首先，由頻率和電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行速度確定每旋轉(zhuǎn)一周需要多少周期。例如，60HZ的電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行速度為1050RPM，在120V交流電壓下每旋轉(zhuǎn)一周需要3.428電信號(hào)周期。在已確定所需電信號(hào)周期數(shù)以后，并發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)非整數(shù)，對(duì)這一數(shù)字進(jìn)行四舍五入，或者進(jìn)到下一最接近的整數(shù)周期或一些更大一些的整數(shù)周期。例如，如果電動(dòng)機(jī)需要每旋轉(zhuǎn)一周3.428個(gè)電信號(hào)周期，為了設(shè)計(jì)編碼器盤(pán)，則可以選擇每旋轉(zhuǎn)一周4個(gè)周期(或5或6個(gè)周期)。(如果對(duì)于指定的速度，較低的驅(qū)動(dòng)電壓是優(yōu)選的，則這種舍入到下一整數(shù)周期的方法是一種選擇)。
下一步，利用上述面積填充方程根據(jù)編碼器盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周的較高周期數(shù)進(jìn)行光編程。當(dāng)在負(fù)載狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)上裝有經(jīng)編程的盤(pán)時(shí)，該盤(pán)可以產(chǎn)生一種信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)(在直接放大之后)運(yùn)行在比處于120V交流電壓下的正常運(yùn)行速度為高的速度下，因?yàn)槊啃D(zhuǎn)一周的周期數(shù)較高。在這種情況下，電動(dòng)機(jī)的性能將改進(jìn)(即在相同的負(fù)載和輸入功率時(shí)達(dá)到較高的速度)。通過(guò)降低輸入到電動(dòng)機(jī)上的電壓，電動(dòng)機(jī)和編碼器盤(pán)減慢到60HZ的正常運(yùn)行速度。利用小于規(guī)定電壓(120V-AC)按其(60HZ)正常運(yùn)行速度驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，因此，降低了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在相同負(fù)載下所需的能量。如果負(fù)載需要更多的能量(即電動(dòng)機(jī)未升速)，則不需要降低電壓，因?yàn)榫幋a器沒(méi)有超過(guò)60HZ的速度，從而使輸入的能量與電動(dòng)機(jī)所需負(fù)載相一致。
圖28表示概略介紹上述電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。這種方法適合于整數(shù)或非整數(shù)周期用于計(jì)算電動(dòng)機(jī)的額定速度、頻率和電壓的情況。在步驟1，將本發(fā)明的光編碼器耦合到電動(dòng)機(jī)軸上。按照具有比所需電信號(hào)周期數(shù)更高的波形函數(shù)，對(duì)編碼器進(jìn)行光編程，所需電信號(hào)周期數(shù)為在電動(dòng)機(jī)的額定速度和電源電壓下產(chǎn)生額定電源頻率的數(shù)值。在步驟2，電動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一基本上重復(fù)波形函數(shù)的編碼器輸出信號(hào)，在步驟3，將編碼器輸出信號(hào)放大到使電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定速度的電壓電平，最后，在步驟4，利用經(jīng)放大的編碼器輸出信號(hào)向電動(dòng)機(jī)供電。此外，根據(jù)這一方法，可以改變編碼器輸出信號(hào)，以改變電動(dòng)機(jī)的速度并因此將編碼器信號(hào)的頻率改變到規(guī)定值。
在上述同步和非同步方式的實(shí)例中，一旦將編碼器速度校準(zhǔn)到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率，僅調(diào)節(jié)輸入到電動(dòng)機(jī)上的電壓就可以控制電動(dòng)機(jī)的速度，經(jīng)校準(zhǔn)的編碼器將保證該速度總是與頻率諧調(diào)一致。
在圖4A-B、圖5A-C、圖7A-C、圖8A-C、圖9、圖10、圖11A-F、圖12A-C以及圖13A-C中表示了編碼器盤(pán)以及用于以圖示方式對(duì)該盤(pán)編碼的波形函數(shù)的一些實(shí)例。在圖5A中，編碼器盤(pán)250包含的分布圖形包含3個(gè)周期循環(huán)波形252a-c。在這個(gè)實(shí)例中，周期循環(huán)波形252a-c是透光的窗口。圖6表示要與盤(pán)250結(jié)合使用的掩光層254，其包含一掩光層孔256。在圖5B中表示波形函數(shù)258，其用于確定循環(huán)波形252a-c以及掩光層孔256的形狀。波形函數(shù)258還代表由編碼器輸出的實(shí)際的電信號(hào)。在圖5C中表示周期循環(huán)波形252a-c和掩光層孔256的按(X-Y)的等效線性表示圖。掩光層孔260對(duì)應(yīng)于孔256，周期循環(huán)圖形262a-c對(duì)應(yīng)于循環(huán)圖形252a-c。
圖7A-C表示另外一種正弦波實(shí)例，其中希望編碼器盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周形成6個(gè)電信號(hào)周期。在圖7A中，編碼器300包含的分布圖形具有6個(gè)周期循環(huán)圖形。該循環(huán)圖形是透光的窗口。在這一實(shí)例中，掩光層孔256(圖6)與盤(pán)300結(jié)合使用。圖7B中表示波形函數(shù)304，其用以確定分布圖形302和掩光層孔256的形狀。波形函數(shù)304還代表編碼器輸出的實(shí)際的電信號(hào)。在圖7C中表示分布圖形302和掩光層孔256的按(X-Y)的等效線性表示圖。掩光層孔306對(duì)應(yīng)于孔256，分布圖形308對(duì)應(yīng)于分布圖形302。圖12B、13B、14B和15B表示另外的掩光層孔實(shí)例的幾何形狀。
圖8A-C表示不均勻(分布)波形的實(shí)例。在圖8A中，透明的編碼器盤(pán)350包含一均勻分布的圖形351和不均勻分布的圖形353。如圖所示，分布圖形351包含4個(gè)均勻分布的循環(huán)圖形，分布圖形353包含3個(gè)不均勻分布的循環(huán)圖形352a-c。分布圖形351中的循環(huán)圖形和分布圖形353中的循環(huán)圖形352a-c是不透明的光調(diào)制盤(pán)，印制在透明的編碼器盤(pán)350上(在透明部分上的不透明部分)。圖8A還表示一對(duì)掩光層孔354a和354b，其形狀和尺寸分別適合于與分布圖形351和353結(jié)合使用。在這一實(shí)例中沒(méi)有用到分布圖形351，由圖8A和8B可以理解，非均勻分布的循環(huán)圖形352a-c的尺寸分別對(duì)應(yīng)于預(yù)定波形356中的電信號(hào)周期358a-c的非均勻幅值的循環(huán)圖形。波形356代表用于確定循環(huán)圖形352a-c和掩光層孔354b形狀的波形函數(shù)。波形函數(shù)356還代表例如驅(qū)動(dòng)一可變電動(dòng)機(jī)負(fù)載所需的編碼器輸出信號(hào)。在圖8C中表示分布圖形353和掩光層孔354b的按(x-y)的等效線性表示圖。如在圖8C中所示，掩光層孔360對(duì)應(yīng)于354b，分布圖形362對(duì)應(yīng)于分布圖形353，循環(huán)圖形364a-c對(duì)應(yīng)于循環(huán)圖形352a-c。
在圖9、10和11A-F表示波形函數(shù)，以及對(duì)應(yīng)的編碼器盤(pán)和掩光層的另一些實(shí)例。在圖9中，所示梯形波形函數(shù)400為每個(gè)物理運(yùn)動(dòng)周期中一個(gè)電信號(hào)周期。(即每轉(zhuǎn)一圈360°電角度)。由波形函數(shù)400確定分布圖形402和掩光層孔404的形狀。在圖10中所示的三角波波形函數(shù)為每旋轉(zhuǎn)一周具有一個(gè)電信號(hào)周期。由波形函數(shù)500確定分布圖形502和掩光層孔504的形狀。
下面參照?qǐng)D11A-F，該圖表示特定的波形函數(shù)以及對(duì)應(yīng)的編碼器掩光層和編碼器盤(pán)的形狀結(jié)構(gòu)。利用上述按面積填充的代數(shù)方程計(jì)算編碼器掩光層和盤(pán)的形狀。圖11A和11B表明一特定的三角形波形550可以由兩個(gè)完全不同的掩光層和盤(pán)的圖形產(chǎn)生。如在圖11A中所示，掩光層孔552與分布圖形554結(jié)合使用以便產(chǎn)生三角形波形550。在圖11B中，掩光層孔556結(jié)合分布圖形558使用，以便產(chǎn)生相同的三角波波形550。
與之相似，圖11C和11D表明一特定的正弦波波形560可以利用兩個(gè)不同的掩光層和盤(pán)的圖形構(gòu)成。在圖11C中，掩光層孔562與分布圖形564結(jié)合使用，以產(chǎn)生正弦波波形560。在圖11D中，掩光層孔566結(jié)合分布圖形568使用以產(chǎn)生相同的波形560。
圖11E和11F表示另一些掩光層和盤(pán)的圖形組合，以產(chǎn)生另一些所需波形。在圖11E中，利用掩光層孔572和分布圖形574產(chǎn)生一底部圓滑的梯形波形570。在圖11F中，利用掩光層孔578和分布圖形580產(chǎn)生復(fù)雜的波形576。
下面參閱圖12A-C，該圖表示三相編碼器實(shí)施。如在圖12A中所示，圖形編碼器盤(pán)600包含3個(gè)同軸排列并有角位移的分布圖形602a-c。在這一實(shí)例中，分布圖形602a-c每個(gè)包含3個(gè)相同的循環(huán)圖形，以便電動(dòng)機(jī)軸每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生三個(gè)均勻分布的電信號(hào)周期。應(yīng)當(dāng)理解，分布圖形可以按很多不同的方式構(gòu)成，例如在圖8、9、10和11A-F中所表示的。
602a-c中每個(gè)分布圖形沿在盤(pán)600上的一個(gè)360°(物理角度)的圓形軌跡排列。在每個(gè)分布圖形中的每個(gè)循環(huán)圖形對(duì)應(yīng)于在相關(guān)的波形函數(shù)中的360°(電角度)。由于每個(gè)分布圖形含三個(gè)均勻分布的循環(huán)圖形，602a-c中每個(gè)分布圖形代表3倍的360°(電角度)，即等于1080°(電角度)。因此，為了實(shí)現(xiàn)波形中的所需電信號(hào)相位移，必須按角度將相應(yīng)的分布圖形移動(dòng)一定的物理角度，該角度等于用在該分布圖形中的周期循環(huán)圖形的數(shù)目去除所需電信號(hào)的相位移(按電角度)。因此，在這個(gè)實(shí)例中，如果需要120°相位移，分布圖形必須按角度位置移動(dòng)120°/3周期＝40°(物理角度)。
參照?qǐng)D12A，分布圖形602a相對(duì)于分布圖形602c角位移40°，以實(shí)現(xiàn)120°的相位移。分布圖形602a相對(duì)分布圖形602c角位移80°，以實(shí)現(xiàn)相位移240°。如在圖12B中所示，掩光層604包含三組掩光層孔603a-c。在603a中的各孔徑向上彼此對(duì)準(zhǔn)并隔開(kāi)，以與各自的分布圖形602a-c對(duì)準(zhǔn)。圖12C是用于形成分布圖形602a-c的相位移的各波形函數(shù)的曲線圖，其還代表由編碼器輸出的相位移的電信號(hào)。波形606a由波形606c移動(dòng)240°(電角度)，而波形606b由波形606c移動(dòng)120°(電角度)。
在圖13A-C中表示另一種三相實(shí)例。如在圖13A中所示，編碼器盤(pán)610包含三個(gè)分布圖形612a-c，它們與在編碼器盤(pán)600(圖12)上包含的相同。在這一實(shí)例中，需要0°、90°、180°的相位移的波形。利用相同的編碼器盤(pán)，如果掩光層604(圖12B)為利用該組孔603c而改變或物理旋轉(zhuǎn)，則可以得到這種不同組的相移。如圖13B所示，掩光層614與掩光層604相同，但順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°(物理角度)。在掩光層614上一組孔603c包含3個(gè)分別角位移0°、-10°和-20°的三個(gè)孔612a-c。
在這一實(shí)例中，孔616b滯后孔616a 10°(物理角度)，對(duì)應(yīng)于-30°(電角度)的相位移，-30°的相位移疊加到由于分布圖形612b(圖13A)形成的+120°相位移，得到+90°的相位移?？?16c滯后孔616a為20°(物理角度)，對(duì)應(yīng)于-60°(電角度)的相位移。-60°的相位移疊加到由于分布圖形612c(圖13A)形成的+240°相位移，得到所需的180°相位移?？?16a并不形成任何相位移，因此，分布圖形612a產(chǎn)生所需的0°相位移。
圖13C表示與分布圖形612a-c和一組孔603c(圖13A和13B)對(duì)應(yīng)的相位移的波形函數(shù)。波形618c對(duì)應(yīng)于分布圖形612c和孔616c，且由波形618a移動(dòng)180°(電角度)；波形618b對(duì)應(yīng)于分布圖形612b和孔616b，且由波形618a移動(dòng)90°(電角度)；以及波形618a對(duì)應(yīng)于分布圖形612a和孔616a。
正如所表示的掩光層可以是多功能的，包含多個(gè)不同組別的孔，對(duì)于特定的應(yīng)用可以選擇其中的每一組。例如，圖12B和13B中的各組孔603a-c可使單一的編碼器產(chǎn)生不同組別的相位移信號(hào)，如在圖12C和13C中所示。通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)各組掩光層孔603a-c的位置，通過(guò)在兩組光敏三極管之間進(jìn)行電子方式切換，或者通過(guò)輸出來(lái)自多組檢測(cè)器的信號(hào)，可以選擇每一組信號(hào)。
在圖14A-D和15A-D中表示出另外的說(shuō)明怎樣可以形成具有按圖示圖形的孔的掩光層的實(shí)例。在圖14A中，編碼器盤(pán)620包含的分布圖形具有6個(gè)均勻隔開(kāi)的孔(60°物理上的間隔)。盤(pán)620是旋轉(zhuǎn)盤(pán)。圖14B表示靜止的掩光層624。掩光層624包含一根據(jù)面積填充方程計(jì)算成形以便產(chǎn)生正弦波的長(zhǎng)孔626。在掩光層624后面是光檢測(cè)器628陣列，它們跨過(guò)整個(gè)孔626。另外，可利用單一的細(xì)長(zhǎng)光檢測(cè)器來(lái)替代陣列628。在采用陣列的情況下，陣列628的輸出可以按不同的方式組合，以產(chǎn)生單一的波形信號(hào)或一系列信號(hào)波形。編碼器盤(pán)620相對(duì)掩光層624旋轉(zhuǎn)，每個(gè)孔622掃描經(jīng)過(guò)孔626，產(chǎn)生呈正弦波形的一個(gè)周期信號(hào)(如果使用單一的檢測(cè)器或一串聯(lián)的檢測(cè)器陣列)。圖14C表示與圖14A和14B中的編碼器盤(pán)/掩光板配置對(duì)應(yīng)的6個(gè)周期的波形函數(shù)630。圖14D表示在圖14A和14B中所示的編碼器盤(pán)和掩光層配置的按(x-y)的等效線性表示。孔632對(duì)應(yīng)于圖14A中的編碼器盤(pán)620中的孔622，孔634對(duì)應(yīng)于圖14B中的掩光層624中的孔626。
圖15A-D表示與圖14A-D等效的配置。在圖15A中，編碼器盤(pán)640包含的分布圖形具有三個(gè)均勻隔開(kāi)的孔642(120°間隔)。如在圖15B中所示，掩光層644包含一對(duì)按180°分開(kāi)的圖示成形的光646和648。在掩光層644之后，是光檢測(cè)器650的陣列(或單一細(xì)長(zhǎng)的檢測(cè)器)，其跨過(guò)整個(gè)孔646且其輸出可聯(lián)成一體。與之相似，光檢測(cè)器652的陣列(或單一的檢測(cè)器)位于孔648之后，陣列652的輸出聯(lián)絡(luò)在一起且陣列650的組合輸出可產(chǎn)生單一電信號(hào)輸出。圖15C表示與圖15A-B中所示的編碼器盤(pán)/掩光層配置對(duì)應(yīng)的6個(gè)周期的波形函數(shù)654。圖15D表示在圖15A-B中所示的圖形編碼器盤(pán)和掩光層配置的按(x-y)的等效線性表示圖?？?56對(duì)應(yīng)于在圖15A中所示的編碼器盤(pán)640中的孔642，孔658對(duì)應(yīng)于在圖15B中的掩光層644的孔646和648。
在希望在編碼器盤(pán)每周旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生非整數(shù)的電信號(hào)周期的這樣一些應(yīng)用中，可能需要對(duì)按面積填充方程得到的圖形形狀進(jìn)行某些圖形校正。當(dāng)要形成對(duì)于非均勻分布波形函數(shù)(例如在圖17B中所示)的圖形形狀時(shí)，可能也需要圖形校正。需要進(jìn)行校正是因?yàn)樽鳛榉蔷鶆蚍植蓟虬钦麛?shù)周期的波形函數(shù)可能在每一段重復(fù)時(shí)間(即編碼器盤(pán)每周旋轉(zhuǎn))產(chǎn)生間斷區(qū)。圖16A-F表示該問(wèn)題，以及對(duì)該問(wèn)題校正的一種方案。
在圖16A中，正弦波函數(shù)700為每旋轉(zhuǎn)一周3.428個(gè)周期。圖16B中表示重復(fù)三次(代表三周)的這種函數(shù)，以及表示在每周旋轉(zhuǎn)終點(diǎn)處產(chǎn)生的間斷區(qū)702。為對(duì)此進(jìn)行校正，將波形函數(shù)700約相位移-90°(精確地說(shuō)一0.428個(gè)周期)，如圖16C所示(相位移的波形704)。在圖16D中相位移的波形704重復(fù)3次。如圖所示，在每周旋轉(zhuǎn)終點(diǎn)處的間斷區(qū)706被消除。然而，每周旋轉(zhuǎn)終點(diǎn)處仍存在明顯的尖峰信號(hào)。這種尖峰信號(hào)可以通過(guò)以經(jīng)驗(yàn)方式對(duì)光編碼器盤(pán)和/或掩光層的最終形狀進(jìn)行圖形整形來(lái)消除。圖16E表示以經(jīng)驗(yàn)方式調(diào)節(jié)編碼器盤(pán)和掩光層的圖形形狀得到的波形函數(shù)708。應(yīng)指出，與波形704比較，波形708的起點(diǎn)和終點(diǎn)已圓整化。在圖16F中，波形708重復(fù)三次，以表示在圖16B和16D中所示的間斷區(qū)已消除。通過(guò)校正圖形函數(shù)得到的電信號(hào)波形類(lèi)似在圖16F中的重復(fù)的曲線。應(yīng)指出，上述校正方法需要通過(guò)對(duì)在編碼器盤(pán)上包含的分布圖形和/或掩光層孔進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈恢谜{(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)波形相位移。
在圖17A中表示為了校正間斷區(qū)已經(jīng)按圖形調(diào)節(jié)編碼器盤(pán)的實(shí)例。編碼器盤(pán)750包含的分布圖形含有三個(gè)周期循環(huán)圖形752a-c。在盤(pán)750上波形函數(shù)754(見(jiàn)圖17B)被編碼。如圖17B中所示，波形754是具有起始點(diǎn)756和終止點(diǎn)758的非均勻分布的函數(shù)。如圖所示，這些點(diǎn)處于不同的數(shù)值下，當(dāng)該函數(shù)重復(fù)形成時(shí)將產(chǎn)生間斷區(qū)。在這種情況下，不能采用參照?qǐng)D16A-F上面介紹的方法中的相位移步驟是因?yàn)椴ㄐ蔚牟痪鶆蛐?。然而，可以調(diào)節(jié)起始點(diǎn)756或終止點(diǎn)758，或二者均調(diào)以使間斷區(qū)變?yōu)樽钚　?br> 在“Y”方向(見(jiàn)圖2)進(jìn)行的對(duì)入射光能分布圖形的調(diào)節(jié)將影響所需的校正。在這一實(shí)例中，如在圖17A中的放大圖所示，通過(guò)變換在盤(pán)750上的分布圖形可實(shí)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)。在圖17A的放大圖中，用實(shí)線表示在周期循環(huán)圖形752a和752c之間的點(diǎn)LC處的未校正的結(jié)合部。以虛線表示經(jīng)圖形校正的結(jié)合部。在一實(shí)例中，圖形校正包含將周期循環(huán)圖形752a和752c的離散的端部合并到一個(gè)連續(xù)的圖形數(shù)值過(guò)渡部Y1。這種校正使起始點(diǎn)756(見(jiàn)圖17B)數(shù)值提升，更接近終止點(diǎn)758使之一致。圖17C為在編碼器盤(pán)750上的未經(jīng)校正的分布圖形的按(X-Y)的等效線性表示。圖17D為經(jīng)校正的分布圖形的按(X-Y)的等效線性表示。應(yīng)注意，在圖17C中(在點(diǎn)756和758)的分布圖形與在圖17D中(在點(diǎn)Y1，Y1)的分布圖形之間的差別。在圖17D中的點(diǎn)Y1，Y1是一致的。
在圖18和19中表示本發(fā)明的光編碼器的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。所示的結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的，因?yàn)樗峁┮环N重量輕、外形小的編碼器，可以直接耦合到電動(dòng)機(jī)軸上而無(wú)需另外的(外部)支承件。一圓套筒形的耦合件802其尺寸適于滑配合裝到需利用編碼器800控制的電動(dòng)機(jī)的軸803上(見(jiàn)圖19)。利用一組螺釘804使耦合件802固定就位。耦合件802可利用重量輕但強(qiáng)度高的金屬制成。耦合件802包含一尺寸適于緊配合裝到軸803上的膛805。耦合件802的另一端或者利用另一組螺釘(未表示)或者利用丙烯酸類(lèi)聚合物、粘膠等連接到旋轉(zhuǎn)心軸806上。
繼續(xù)參閱圖18和19，旋轉(zhuǎn)心軸806是包括軸承組件808的心軸系統(tǒng)的一部分。由圖19可更清楚地看出，軸承組件808包含兩個(gè)相鄰的軸承元件810和812。這些元件分別包含內(nèi)部滾道811和813。每個(gè)軸承元件包含圍繞該內(nèi)部滾道周邊均勻間隔的10個(gè)軸承滾珠(對(duì)于每個(gè)元件表示其中的兩個(gè))。軸承元件810和812每個(gè)包含一外部滾道816。
在圖18中，表示作為分解的元件的軸承組件808。然而，在該優(yōu)選實(shí)施例中，軸承組件808整體模壓到編碼器殼體818中。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，軸承組件808可以用套筒或塑料軸瓦來(lái)代替。編碼器殼體818由模壓塑料或其它適合模壓的材料制成。
將軸承組件808與殼體818整體模壓的技術(shù)使心軸系統(tǒng)能夠更精確、小巧和重量輕。該整體模壓的裝置不再需要機(jī)加工的套筒、墊環(huán)、墊片以及其它用于軸承組件的支承件。這種技術(shù)不需要將軸承裝置到殼體中的套筒中的組裝步驟，因此，避免了對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題以及不需要采用另外的高精度機(jī)加工的轉(zhuǎn)軸軸套元件。
繼續(xù)參照?qǐng)D18和19，介紹編碼器800的內(nèi)部元件。圓盤(pán)形LED或光發(fā)射器電路板820以緊密配合安裝在殼體818內(nèi)側(cè)并包含同心形成的孔821。LED發(fā)射器元件822，最好為紅外型，安裝在板820上與透鏡823對(duì)準(zhǔn)(見(jiàn)圖19)。在別的實(shí)施例中，可使用一個(gè)以上的光發(fā)射器元件822。如果需要，在板820上還可安裝其它元件。在圖18和19所示的實(shí)施例中，串聯(lián)在直流電壓電源和LED之間的電阻安裝在板820上。
使用一法蘭824來(lái)托住編碼器盤(pán)826，用以一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在組裝過(guò)程中利用定中的定位銷(xiāo)使編碼器盤(pán)826定中安裝在法蘭824上。法蘭824和編碼器盤(pán)826的這一組件在心軸806通過(guò)軸承組件808的內(nèi)部滾道壓配合安裝之后再安裝在轉(zhuǎn)軸806的自由端上。編碼器盤(pán)826可以由與透光材料或膜保持接觸的透明基板構(gòu)成，可由很多來(lái)源從市場(chǎng)上購(gòu)得。利用在集成電路板技術(shù)領(lǐng)域公知的常規(guī)接觸式光學(xué)處理工藝將按圖形成形的透光窗口式分布圖形印制在盤(pán)826的膜上。實(shí)質(zhì)上，是除了透光窗口分布圖形部分之外，編碼器盤(pán)826的其余整個(gè)表面涂黑色乳膠。相反的成像方式也可以采用(即在透明表面上形成不透明部分)，如在圖8A中所示。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，最好印制圖形的分辨率為每英寸1000點(diǎn)以上。然而，利用激光打印機(jī)使每英寸達(dá)到300點(diǎn)的分辨率，在三個(gè)周期式編碼器盤(pán)中實(shí)現(xiàn)的性能是合格的。
如在圖18和19中所示，隔環(huán)828夾入靠住電路板820。環(huán)828也可以是模壓的，但可以在殼體中按輔助的齒槽方式固定。掩光層830呈圓盤(pán)形，安裝在掩光層基板832上。掩光層830由與用作編碼器盤(pán)826的相同的薄層材料制成。像對(duì)編碼器盤(pán)826上面介紹的一樣，掩光層也是印刷形成的。掩光層基板832包含孔833，以形成通過(guò)掩光層的所需光通道。通?；?32可包含多個(gè)孔以適應(yīng)多個(gè)光通道的要求。掩光層830也在預(yù)組裝階段與心軸806對(duì)正。在該復(fù)合式組件中，隔環(huán)823位于在電路板820和掩光層830之間。在編碼器盤(pán)826和掩光層830之間的物理分開(kāi)距離通常為0.004到0.02英寸，主要取決于在盤(pán)826上印刷的周期循環(huán)圖形的數(shù)目以及光通道形成元件。
在基板832的另一側(cè)安裝第二電路板834，板834包含的孔835與在基板832中的孔833對(duì)準(zhǔn)。在多通道實(shí)施方案中，在板834中將有與基板832中的多個(gè)孔833數(shù)量一致的多個(gè)孔835。包含一個(gè)透鏡837的光敏晶體管836安裝在板834的空白側(cè)并與孔835對(duì)準(zhǔn)。一電位計(jì)(未表示)也安裝在板834上。在一實(shí)施例中，光敏晶體管836的發(fā)射極接地，將集電極用作電信號(hào)輸出端。電位計(jì)連接在地與直流電壓電源之間。電位計(jì)的可動(dòng)觸頭接到該集電極輸出端。利用與殼體818相同的模壓材料制成的蓋板838完成編碼器的封裝。
如在圖18和19所示，一對(duì)錨定用凸舌840和842分別由殼體818和蓋板838伸出，并可利用一防旋轉(zhuǎn)卡簧(下文介紹)錨定到殼體上。將參照?qǐng)D20-24介紹這一特征。
參照?qǐng)D20-24，介紹將光編碼器安裝到電動(dòng)機(jī)上的方式。在圖20中，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的光編碼器900包括一與電動(dòng)機(jī)906的后軸904對(duì)準(zhǔn)的耦合件902。在耦合件902中所含內(nèi)孔的直徑經(jīng)機(jī)加工與軸904的外徑按滑配合方式相一致。在需要時(shí)，位于在編碼器900內(nèi)側(cè)的編碼器盤(pán)的角位置可通過(guò)將耦合件902(其旋轉(zhuǎn)編碼器盤(pán))在軸904上旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)慕俏恢门c電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)準(zhǔn)。耦合件902利用一組螺釘908固定地安裝到軸904上。
如圖21-22所示，防旋轉(zhuǎn)卡簧910勾到由編碼器900伸出的其中一個(gè)錨定凸舌上。卡簧910的另一端可以壓緊到一已直接固定到電動(dòng)機(jī)906上的已有的螺釘或螺栓上。然而，最好定做一安裝到電動(dòng)機(jī)906上的卡簧910。如圖21-22所示通過(guò)將一固定件912利用螺釘安裝在電動(dòng)機(jī)906上可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。如圖22所示，固定件912應(yīng)當(dāng)以與編碼器900相切的方式定位。這種安裝結(jié)構(gòu)可因防止編碼器的“角移動(dòng)誤差”，使之更精確。
如在圖21中所示，編碼器900可容納在用螺栓固定在電動(dòng)機(jī)上的蓋914的內(nèi)部，蓋914可以是“增強(qiáng)型”、帶通風(fēng)孔等等型式的，且以很多不會(huì)沖擊或改變電動(dòng)機(jī)編碼器對(duì)準(zhǔn)和性能的方式安裝到電動(dòng)機(jī)上。作為一種選擇，功率放大器916可以安裝在蓋914的內(nèi)壁上，用以放大編碼器的輸出信號(hào)。
圖23A-B分別是防旋轉(zhuǎn)卡簧910的側(cè)視立面和頂平面圖?？ɑ?10例如可以由直徑0.037英寸彈性適中的302SS細(xì)絲制成。如在圖23A中所示，卡簧910包含一用于將卡簧910安裝到電動(dòng)機(jī)、固定件或支架上的安裝環(huán)911a。如在圖23b中所示，卡簧910還包含一勾到由編碼器900殼體伸出的錨定凸舌上的錨定環(huán)911b。
如在圖24中所示，防旋轉(zhuǎn)卡簧910還可以用作一調(diào)節(jié)臂，用于調(diào)節(jié)編碼器殼體的角位置，因此亦即調(diào)節(jié)掩光層相對(duì)于編碼器盤(pán)的位置。在已對(duì)準(zhǔn)和固定編碼器900之后為了精密地調(diào)整掩光層相對(duì)于電動(dòng)機(jī)繞組的位置可能需要這種調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)使得編碼器信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)準(zhǔn)而領(lǐng)先或滯后于電動(dòng)機(jī)繞組，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩和功率調(diào)節(jié)。如圖24所示，固定件912由一直立的支架912a代換。螺栓918插入通過(guò)支架912a的遠(yuǎn)端，以及螺母920將防旋轉(zhuǎn)卡簧910的端部鎖住。通過(guò)簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓918使卡簧910沿著相對(duì)編碼器900的切線方向的通道移動(dòng)，從而按角度調(diào)節(jié)編碼器900。
如上所述，在某些應(yīng)用場(chǎng)合可能希望利用一對(duì)電動(dòng)機(jī)軸每旋轉(zhuǎn)一周具有非整數(shù)個(gè)周期的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。在上面討論的實(shí)例中，為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)電動(dòng)機(jī)按其額定速度(小于同步轉(zhuǎn)速)運(yùn)行時(shí)由編碼器輸出60HZ頻率的功率信號(hào)，可能需要每旋轉(zhuǎn)一周具有3.428個(gè)周期的信號(hào)。已建議可將該具有3.428個(gè)周期的波形函數(shù)經(jīng)編碼處理反映在編碼器盤(pán)上。圖25A-B表示一包含分布圖形952的編碼器盤(pán)950的頂平面圖。分布圖形952代表具有2.6電信號(hào)周期的光編碼的波形函數(shù)。圖25B表示按照分布圖形952以圖形方式在盤(pán)950上編碼的波形函數(shù)。點(diǎn)La、Pa、Lb、Pb、Lc、Pc標(biāo)志沿分布圖形952的各個(gè)角位置(見(jiàn)圖25A)，并且對(duì)應(yīng)的點(diǎn)La、Pa、Lb、Pb、Lc、Pc標(biāo)志在波形函數(shù)954上(見(jiàn)圖25B)。如圖25B所示，波形函數(shù)954的起點(diǎn)A與該函數(shù)的終點(diǎn)B一致。
下面參閱圖26A-B， 它們表示產(chǎn)生非整數(shù)波形的另一種方式。在圖26A中，編碼器盤(pán)956具有兩個(gè)分布圖形957a和957b以及一定位用孔957c。每個(gè)分布圖形957a-b代表具有3.5個(gè)電信號(hào)周期的波形函數(shù)。編碼器盤(pán)956的每一360°的物理旋轉(zhuǎn)，由于定位用孔957c產(chǎn)生的作用產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)，利用基本電路組合的每個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)使輸出的編碼器波形在分布圖形957a和957b之間交替變化。按這種方法的連續(xù)波形輸出表示在圖26B中。由其明顯看出，這一實(shí)例對(duì)于盤(pán)956的每?jī)蓚€(gè)完整的360°的物理旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生七個(gè)完整的電信號(hào)周期，或每旋轉(zhuǎn)一周3.5個(gè)電信號(hào)周期。通過(guò)改變同心的分布圖形的數(shù)目和在每個(gè)分布圖形中的周期循環(huán)圖形的數(shù)目，利用這種方法可以產(chǎn)生其它非整數(shù)波形周期。
圖27A-B表示產(chǎn)生每旋轉(zhuǎn)一周具有非整數(shù)周期的信號(hào)的另外的方法。按照這種另外的方法，通過(guò)簡(jiǎn)單地將兩個(gè)或多個(gè)波形以電方式進(jìn)行綜合產(chǎn)生所需的波形。例如如圖27A所示，在輸入端A的信號(hào)960具有(每旋轉(zhuǎn)一周)N1個(gè)周期，形成頻率F1。在輸入端B的信號(hào)962具有(每旋轉(zhuǎn)一周)N2個(gè)周期，形成頻率F2。信號(hào)960和962可以按各種方式綜合以產(chǎn)生另一種頻率Fn信號(hào)。這些各種“新的”頻率合成信號(hào)Fn可以由現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率混合的方法派生。然而，由于利用本發(fā)明的編碼器產(chǎn)生的某些輸出信號(hào)的非線性特性(即可變幅值、相位、空周數(shù)等)，在一個(gè)電信號(hào)周期內(nèi)或在“N”個(gè)周期范圍內(nèi)這兩種情況，應(yīng)可以得到另外的新的頻率合成信號(hào)。
此外，根據(jù)本發(fā)明，這些頻率(周期或波形)可以為編碼器的內(nèi)部或外部所“分享”。圖27A-B表示一種僅將兩個(gè)信號(hào)綜合的簡(jiǎn)單方法。這兩個(gè)信號(hào)利用一電位器964綜合，并且電位器964的輸出A/B將產(chǎn)生一具有新的周期(頻率)的信號(hào)，如在圖27A中所示，由圖27A中的網(wǎng)絡(luò)可以得到信號(hào)960和962的不同綜合結(jié)果。
如在圖27A中所示的對(duì)電信號(hào)綜合、變換和求和技術(shù)還可以用于進(jìn)一步對(duì)由本發(fā)明的編碼器的輸出信號(hào)整形。如在圖27A中所示，三角形波形966可以與正弦波波形962綜合在輸出端B/C產(chǎn)生一不同形狀的波形。圖27A表示的是一種簡(jiǎn)單的“無(wú)源式”的變換波形函數(shù)的方法。然而，波形類(lèi)型和數(shù)學(xué)求解可以按照很多其它方式進(jìn)行成形、放大、綜合，但是迄今，沒(méi)有這種波形生成的獨(dú)特方法就不可能實(shí)現(xiàn)。
圖27B表示一種類(lèi)似的波形綜合網(wǎng)絡(luò)，其表示將在輸入端D的幅值變化的波形函數(shù)968與在輸入端E的任意的波形函數(shù)970進(jìn)行綜合的能力，在D/E產(chǎn)生一獨(dú)特的波形輸出。此外，如在圖27B中所示，D/E輸出的波形可以與頻率變化的波形972相綜合，產(chǎn)生一輸出F/(D/E)。
上面已通過(guò)說(shuō)明具體介紹了在說(shuō)明書(shū)和附圖中表示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于此。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員來(lái)說(shuō)很明顯在不脫離按照在所提出的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的前提下可進(jìn)行很多改進(jìn)、等效替換和修改。
權(quán)利要求
1.一種光編碼器裝置，用于將電動(dòng)機(jī)械的周期性運(yùn)動(dòng)變換為至少一個(gè)具有預(yù)定波形的電信號(hào)，所述裝置包含光檢測(cè)裝置，用于響應(yīng)于入射光能的分布圖形，由所述入射光能產(chǎn)生電信號(hào)；可光編程裝置，光路上與所述光檢測(cè)裝置對(duì)準(zhǔn)，以及形狀構(gòu)成使得該機(jī)械的周期運(yùn)動(dòng)才使該裝置起作用，用于按照光特征函數(shù)沿多個(gè)方向?qū)υ谒龉鈾z測(cè)裝置處的入射光能分布圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中所述可編程裝置包含一含可光檢測(cè)的分布圖形的光轉(zhuǎn)換元件，以及有孔裝置，用于使按一定分布圖形的入射光能通到所述光檢測(cè)裝置，所述光特征函數(shù)包含一種圖形函數(shù)，當(dāng)所述分布圖形和所述有孔裝置按照機(jī)械的周期性運(yùn)動(dòng)，一個(gè)相對(duì)另一個(gè)掃描時(shí)，由于它們的綜合光作用產(chǎn)生該圖形函數(shù)，以及其中所述光檢測(cè)裝置具有一種光電響應(yīng)，并且所述響應(yīng)和所述光特征函數(shù)的乘積定義一預(yù)定波形，因此，利用所述光檢測(cè)裝置將所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的入射光能分布圖形變換為具有所述預(yù)定波形的電信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的，光編碼器裝置還包含第二光檢測(cè)裝置，用于響應(yīng)于入射光能的分布圖形，由所述入射光能產(chǎn)生所述電信號(hào)；以及其中所述可光編程裝置光路上與所述第二光檢測(cè)裝置對(duì)準(zhǔn)，并且其作用是按第二光特征函數(shù)沿多個(gè)方向?qū)υ谒龅诙鈾z測(cè)裝置處的入射光能的第二分布圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換；以及其中所述可光編程裝置中的光轉(zhuǎn)換元件包含第二可光檢測(cè)的分布圖形，以及所述可光編程裝置還包含第二有孔裝置，用于使按一定分布圖形的入射光能通到所述第二光檢測(cè)裝置，所述第二光特征函數(shù)包括第二圖形函數(shù)，當(dāng)按照該機(jī)械的周期性運(yùn)動(dòng)，所述第二分布圖形和所述第二有孔裝置一個(gè)相對(duì)另一個(gè)掃描時(shí)，利用它們的綜合的光作用產(chǎn)生該第二波形函數(shù)；以及其中所述第二光檢測(cè)裝置具有光電響應(yīng)，以及所述光電響應(yīng)和所述第二光特征函數(shù)的乘積定義了第二預(yù)定波形，因此，利用所述第二光檢測(cè)裝置將所述入射光能分布圖形變換為具有所述第二預(yù)定波形的第二電信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的光編碼器裝置，其中所述可光編程裝置還包含光發(fā)射器裝置，用于發(fā)射入射光能，所述入射光能耦合到所述光檢測(cè)裝置，在其上形成至少一種入射光能的分布圖形。
4.如權(quán)利要求2所述的光編碼器裝置，還包含第三光檢測(cè)裝置，用于響應(yīng)于入射光能的分布圖形，由所述入射光能產(chǎn)生電信號(hào)；以及其中所述可光編程裝置光路上與所述第三光檢測(cè)裝置對(duì)準(zhǔn)，并且其作用是按照第三光特征函數(shù)沿多個(gè)方向?qū)υ谒龅谌鈾z測(cè)裝置處的入射光能的第三分布圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換；以及其中所述可光編程裝置中的光轉(zhuǎn)換元件包含第三可光檢測(cè)的分布圖形，并且所述可光編程裝置還包含第三有孔裝置，用于使按一定分布圖形的入射光能通到所述第三光檢測(cè)裝置，所述第三光特征函數(shù)包含一圖形函數(shù)，按照該機(jī)械的周期性運(yùn)動(dòng)當(dāng)所述第三分布圖形和所述第三有孔裝置一個(gè)相對(duì)另一個(gè)掃描時(shí)利用它們的綜合對(duì)光作用形成該圖形函數(shù)；以及其中所述第三光檢測(cè)裝置具有光電響應(yīng)，并且所述響應(yīng)和所述第三光特征函數(shù)的乘積基本上定義第三預(yù)定波形，因此，利用所述第三光檢測(cè)裝置將所述入射光能的經(jīng)轉(zhuǎn)換的分布圖形變換為具有所述第三預(yù)定波形的第三電信號(hào)。
5.如權(quán)利要求3所述的光編碼器裝置，其中所述光轉(zhuǎn)換元件包含至少一個(gè)可光檢測(cè)的周期循環(huán)圖形。
6.如權(quán)利要求3所述的光編碼器裝置，其中所述光轉(zhuǎn)換元件包含多個(gè)可光檢測(cè)的周期循環(huán)圖形區(qū)域。
7.如權(quán)利要求3所述的光編碼器裝置，其中所述圖形函數(shù)是一種等效的波形函數(shù)的變換形式，并且其中所述的光轉(zhuǎn)換元件的分布圖形限定所述等效波形函數(shù)。
8.如權(quán)利要求3所述的光編碼器裝置，其中所述圖形函數(shù)是一種等效的波形函數(shù)的變換形式，并且其中有孔裝置限定所述等效波形函數(shù)。
9.如權(quán)利要求3所述的光編碼器裝置，其中所述圖形函數(shù)是一種在一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)定義的周期性的波形函數(shù)的變換形式。
10.如權(quán)利要求3所述的光編碼器裝置，其中在機(jī)械運(yùn)動(dòng)周期中的一特定點(diǎn)由所述分布圖形相對(duì)所述有孔裝置位置的位置確定所述電信號(hào)的相位。
11.如權(quán)利要求3所述的光編碼器裝置，其中電動(dòng)機(jī)械的周期運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
12.如權(quán)利要求4所述的光編碼器裝置，其中第一、第二和第三預(yù)定波形是周期性波形；并且其中在機(jī)械的運(yùn)動(dòng)周期中的一特定點(diǎn)，所述第一、第二和第三分布圖形分別相對(duì)所述第一、第二和第三有孔裝置位置的位置確定所述第一、第二和第三電信號(hào)的相對(duì)相位，因此，由所述第一到所述第二和由所述第二到所述第三分布圖形的所述分布圖形位置的連續(xù)移動(dòng)，導(dǎo)致所述第一、第二和第三電信號(hào)的相對(duì)相位的對(duì)應(yīng)的連續(xù)移動(dòng)。
13.如權(quán)利要求5所述的光編碼器裝置，其中所述至少一個(gè)周期循環(huán)圖形是允許入射光能能從中通過(guò)的透光窗口。
14.如權(quán)利要求8所述的光編碼器裝置，其中所述有孔裝置包含一具有預(yù)定圖形形狀的孔，所述圖形形狀的孔大致限定所述等效波形函數(shù)。
15.如權(quán)利要求9所述的光編碼器裝置，其中的由所述編碼器裝置產(chǎn)生的所述電信號(hào)具有至少一個(gè)頻率分量。
16.如權(quán)利要求15所述的光編碼器裝置，其中所述等效波形函數(shù)包含至少一個(gè)周期；并且其中所述電信號(hào)具有的頻率等于所述等效波形函數(shù)的周期數(shù)乘以機(jī)械周期性運(yùn)動(dòng)的頻率的乘積。
17.如權(quán)利要求16所述的光編碼器裝置，其中在所述等效波形函數(shù)中的周期數(shù)為大于1的非整數(shù)。
18.一種光編碼器裝置，用于將電動(dòng)機(jī)械的周期性運(yùn)動(dòng)變換為至少一個(gè)具有預(yù)定波形的電信號(hào)，所述裝置包含光檢測(cè)裝置，用于響應(yīng)于入射光能的分布圖形，由其產(chǎn)生電信號(hào)；可光編程裝置，光路上與所述光檢測(cè)裝置對(duì)準(zhǔn)，形狀構(gòu)成使得利用該機(jī)械周期性運(yùn)動(dòng)才使該裝置起作用，用于對(duì)在所述光檢測(cè)器處的多個(gè)入射光能的分布圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，每一分布圖形按照一光特征函數(shù)沿多個(gè)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中所述可光編程裝置包含光轉(zhuǎn)換元件，其包含一可光檢測(cè)的分布圖形；以及有孔裝置，用于使按多個(gè)一定分布圖形的入射光能通到所述光檢測(cè)裝置，所述光特征函數(shù)包含一圖形函數(shù)，通過(guò)按照機(jī)械的周期性運(yùn)動(dòng)，當(dāng)所述分布圖形和所述有孔裝置一個(gè)相對(duì)另一個(gè)掃描時(shí)，它們對(duì)光的作用的綜合形成該圖形函數(shù)，以及其中所述光檢測(cè)裝置具有光電響應(yīng)，并且所述響應(yīng)和所述光特征函數(shù)的乘積定義一預(yù)定波形，其中利用所述光檢測(cè)裝置將所述入射光能經(jīng)轉(zhuǎn)換的分布圖形變換為具有所述預(yù)定波形的電信號(hào).
19.一種光編碼器裝置，用于將電動(dòng)機(jī)械的周期性運(yùn)動(dòng)變換為多個(gè)分別具有預(yù)定波形的電信號(hào)，所述裝置包含多個(gè)光檢測(cè)裝置，每個(gè)響應(yīng)于入射光能的一種分布圖形，并由其產(chǎn)生電信號(hào)；可光編程裝置，光路上與所述多個(gè)光檢測(cè)裝置對(duì)準(zhǔn)，其形狀構(gòu)成使得利用機(jī)械的周期性運(yùn)動(dòng)使該裝置起作用，用于按照相應(yīng)的光特征函數(shù)和沿多個(gè)方向，對(duì)在每個(gè)所述光檢測(cè)裝置處的入射光能的分布圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中所述可光編程裝置包含一含有多個(gè)可光檢測(cè)的分布圖形的光轉(zhuǎn)換元件以及對(duì)應(yīng)的多個(gè)有孔裝置，每個(gè)所述有孔裝置的形狀構(gòu)成允許按至少一種分布圖形的入射光能通到各不同的一個(gè)所述光檢測(cè)裝置，以及其中每個(gè)所述光特征函數(shù)包含一與各不同的其中一個(gè)所述分布圖形和所述對(duì)應(yīng)的有孔裝置相應(yīng)的圖形函數(shù)，通過(guò)按照該機(jī)械的周期性運(yùn)動(dòng)當(dāng)所述相關(guān)的分布圖形和所述對(duì)應(yīng)的有孔裝置一個(gè)相對(duì)另一個(gè)掃描時(shí)，它們的對(duì)光的綜合作用形成每一個(gè)所述圖形函數(shù)，因此，利用所述多個(gè)光檢測(cè)裝置分別將所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的入射光能的分布圖形變換為各自具有預(yù)定波形的多個(gè)電信號(hào)。
20.一種光編碼器裝置，用于通過(guò)由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，所述信號(hào)用于向電動(dòng)機(jī)繞組供電，具有預(yù)定的波形、頻率和相位關(guān)系，所述裝置包含光檢測(cè)裝置，響應(yīng)于其上的入射光能的分布圖形，用于由所述入射光能產(chǎn)生電信號(hào)，可光編程裝置，光路上與所述光檢測(cè)裝置耦合，用于按照一種光特征函數(shù)沿多個(gè)方向?qū)υ谒龉鈾z測(cè)裝置處的入射光能的分布圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中所述可光編程裝置包括光發(fā)射器裝置，通過(guò)一光通道光耦合到所述光檢測(cè)器裝置，用于發(fā)射光能，光轉(zhuǎn)換元件，包含一可用光檢測(cè)的分布圖形，按一定形狀構(gòu)成的所述光轉(zhuǎn)換元件相對(duì)于所述光檢測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)的軸旋轉(zhuǎn)使之起作用，以便分布圖形掃描通過(guò)所述光通道。所述光特征函數(shù)包含一圖形函數(shù)，按照電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)所述分布圖形相對(duì)所述光檢測(cè)裝置掃描時(shí)，利用所述分布圖形對(duì)光的作用形成該圖形函數(shù)，以及其中所述光檢測(cè)裝置具有光電響應(yīng)，并且所述響應(yīng)和所述光特征函數(shù)的乘積定義一預(yù)定波形，因此，利用所述光檢測(cè)裝置將所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的入射光能分布圖形變換為具有預(yù)定波形和頻率關(guān)系的電信號(hào)。
21.如權(quán)利要求20所述的光編碼器裝置，其中所述的可光編程裝置還包含有孔裝置，耦合到在所述光轉(zhuǎn)換元件和所述光檢測(cè)裝置之間的所述光通道，用于使經(jīng)轉(zhuǎn)換的按一定分布圖形的入射光能通過(guò)其間并到達(dá)所述光檢測(cè)裝置，按照電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)所述分布圖形相對(duì)所述有孔裝置掃描時(shí)，利用所述分布圖形和所述有孔裝置對(duì)光的綜合作用形成該圖形函數(shù)。
22.如權(quán)利要求21所述的光編碼器裝置，其中所述的圖形函數(shù)是包含至少一個(gè)波形周期的等效波形函數(shù)的變換形式，并且其中所述波形函數(shù)的波形周期數(shù)等于所述電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的極對(duì)數(shù)。
23.如權(quán)利要求21所述的光編碼器裝置，其中所述圖形函數(shù)是包含多個(gè)波形周期的等效波形函數(shù)的變換形式，并且其中所述波形函數(shù)的波形周期大于所述電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光編碼器裝置，其中在電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的一特定角度下利用所述分布圖形相對(duì)所述有孔裝置位置的位置，來(lái)確定所述電信號(hào)的相對(duì)相位。
25.如權(quán)利要求21所述的光編碼器裝置，其中所述的光轉(zhuǎn)換元件是一光編碼器盤(pán)，其形狀構(gòu)成使得按照電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)能?chē)@其中心軸線旋轉(zhuǎn)，所述的光轉(zhuǎn)換元件上的分布圖形以同心方式圍繞中心軸線分布在所述盤(pán)上。
26.如權(quán)利要求22所述的光編碼器裝置，其中所述光轉(zhuǎn)換元件上的所述分布圖形包含至少一個(gè)可用光識(shí)別的循環(huán)圖形周期，并且其中所述至少一個(gè)循環(huán)圖形周期通過(guò)圖形變換大體限定所述波形函數(shù)的所述至少一個(gè)波形周期。
27.如權(quán)利要求24所述的光編碼器裝置，還包含一用于調(diào)節(jié)所述有孔裝置相對(duì)所述分布圖形的位置的裝置。
28.如權(quán)利要求25所述的光編碼器裝置，還包含心軸裝置，用于將所述電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)力傳遞到所述光編碼器盤(pán)，所述轉(zhuǎn)軸裝置包含一具有第一端和第二端的旋轉(zhuǎn)心軸，所述編碼器盤(pán)接近第一端耦合到所述旋轉(zhuǎn)軸上，并且其中所述有孔裝置按掩光盤(pán)形式構(gòu)成包含以圖形形狀體現(xiàn)的孔，所述掩光盤(pán)鄰近該第一端，它的中心軸線與所述旋轉(zhuǎn)心軸的縱向軸線基本對(duì)準(zhǔn)。
29.如權(quán)利要求28所述的光編碼器裝置，還包含用于將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)力耦合到所述心軸裝置的軸上的裝置，所述耦合裝置安裝在所述軸的第二端處的所述心軸上。
30.一種用于電動(dòng)機(jī)的可變速控制裝置，耦合到電動(dòng)機(jī)軸上，產(chǎn)生具有適于向電動(dòng)機(jī)供電的波形和頻率的電信號(hào)，所述裝置包含光檢測(cè)裝置，響應(yīng)于入射到其上的入射光能的分布圖形，用于由所述入射光能產(chǎn)生電信號(hào)；可光編程裝置，光耦合到所述光檢測(cè)裝置，用于按照一種光特征函數(shù)沿多個(gè)方向?qū)λ龉鈾z測(cè)裝置處的入射光能的分布圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中所述可光編程裝置包含一具有可用光檢測(cè)的分布圖形的光轉(zhuǎn)換元件，所述光轉(zhuǎn)換元件相對(duì)所述光檢測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)，由于電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)以便分布圖形掃描通過(guò)所述光通道，所述光特征函數(shù)包含一圖形函數(shù)，按照電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)當(dāng)所述分布圖形相對(duì)所述光檢測(cè)裝置掃描時(shí)，利用所述分布圖形對(duì)光的作用形成該圖形函數(shù)，所述圖形函數(shù)是等效波形函數(shù)的變換形式，所述波形函數(shù)的構(gòu)成在于產(chǎn)生具有預(yù)定的波形以及在信號(hào)頻率和電動(dòng)機(jī)軸速度之間具有預(yù)定關(guān)系的電信號(hào)，其中所述光檢測(cè)裝置具有光電響應(yīng)，并且所述響應(yīng)和所述光特征函數(shù)的乘積定義一預(yù)定波形，因此，利用所述光檢測(cè)裝置將所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的入射光能分布圖形變換成具有預(yù)定波形的電信號(hào)；以及調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)所述電信號(hào)的幅值，以便對(duì)電動(dòng)機(jī)的軸速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，因此，所述電信號(hào)的頻率將按照所述預(yù)定的關(guān)系與軸速一起變化。
31.一種控制交流電動(dòng)機(jī)的方法，該電機(jī)具有額定供電頻率、額定轉(zhuǎn)速和額定供電電壓，該方法采用了一個(gè)其構(gòu)成可耦合到馬達(dá)軸上的光編碼器裝置，其中所述裝置包含光檢測(cè)裝置，響應(yīng)于其上的入射光能的分布圖形，用于由所述入射光能產(chǎn)生電信號(hào)，一裝置，光耦合到所述光檢測(cè)裝置，并且由于電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)而起作用，用于按照一包含圖形函數(shù)的光特征函數(shù)對(duì)在所述光檢測(cè)裝置處的入射光能的分布圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所述圖形函數(shù)是一種等效的波形函數(shù)的變換形式，利用電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)的預(yù)定的波形周期數(shù)限定所述波形函數(shù)，所述預(yù)定的波形周期數(shù)大于在電動(dòng)機(jī)的額定速度和電源電壓下產(chǎn)生額定電源頻率所需的周期數(shù)；其中所述光檢測(cè)裝置具有光電響應(yīng)，并且所述響應(yīng)和該光特征函數(shù)的乘積定義一預(yù)定波形，因此，利用所述光檢測(cè)裝置將經(jīng)轉(zhuǎn)換的按一定分布圖形的入射光能變換為具有所述預(yù)定波形的電信號(hào)；以及一裝置，用于調(diào)節(jié)所述電信號(hào)的幅值以便對(duì)電動(dòng)機(jī)的軸速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，因此，所述電信號(hào)的頻率是按照所述預(yù)定關(guān)系與軸速一起變化的；其中所述方法包含步驟(a)將所述編碼器裝置耦合到電動(dòng)機(jī)軸上；(b)產(chǎn)生一編碼器輸出信號(hào)，該信號(hào)電動(dòng)機(jī)軸每旋轉(zhuǎn)一周大體重復(fù)所述波形信號(hào)；(c)將所述編碼器輸出信號(hào)放大到一能產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)額定速度的電壓電平；以及(d)利用經(jīng)放大的編碼器輸出信號(hào)向電動(dòng)機(jī)供電。
32.如權(quán)利要求31所述的控制交流電動(dòng)機(jī)的方法，其中還包含步驟(e)改變編碼器輸出信號(hào)的電壓電平以改變電動(dòng)機(jī)速度，并且因此將編碼器信號(hào)的頻率改變到一規(guī)定值。
全文摘要
提供一種光學(xué)編碼裝置和方法,用于將例如電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)動(dòng)變換為至少一種具有預(yù)定波形的電信號(hào)。該裝置可包含:至少一個(gè)響應(yīng)于至少一種入射的光能分布圖形的光檢測(cè)器(26),至少一個(gè)發(fā)射光能的光發(fā)射器(24),該光能通過(guò)光通道與光檢測(cè)器相耦合;以及一種可光編程系統(tǒng),其包含一含有至少一個(gè)可光檢測(cè)的分布圖形(32)的光編碼器盤(pán)(30)以及掩光層(36),該掩光層至少含有一個(gè)孔,孔用來(lái)使分布圖形的光能通過(guò)其中到達(dá)檢測(cè)器。
文檔編號(hào)G01D5/34GK1209200SQ96180100
公開(kāi)日1999年2月24日 申請(qǐng)日期1996年2月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月27日
發(fā)明者O·G·杜爾哈姆三世 申請(qǐng)人:奧普托普通裝置有限公司