翻译的一篇美国专利-US6683461.doc

摘要本文描述了校正位置传感器中可重复性误差所使用的伺服控制校准设备和方法。不像原有的静态直接测量技术，也不像原有的仅在窄带宽的误差信号进行修正的可重复控制技术，目前的伺服系统控制校准设备和方法在一个由动态的、闭环的伺服系统操作的位置传感器中得到了原封不动的实现。这种设备和方法组合了一种原始误差测量以及一套配有标准操作伺服控制闭环机构的校准装置。在校准模式下，现有的伺服控制校准设备和方法测量位置传感器的可重复性误差。在标准模式下，操作伺服控制校准设备和方法时，修正特性得以存储和使用，以此消除相关伺服系统的控制误差。位置传感器可重复性误差的伺服系统控制校准发明领域这项发明涉及到校正设备和方法。发明背景和摘要传感器被广泛应用于诸如位置、压力以及其它的物理、环境特性等测量。例如，位置传感器，能在各种应用场合中探测位移。美国专利号为5965879的位置传感器就是一个典例。它能够进行高敏感度地光学编码（译码），它们可应用于极高精度的双轴扫描镜像机制。当然，高分辨率的位置传感器的初始对准是极其困难的，因为测试设备必须拥有比被测的传感器更高精度。伺服控制系统从应用在位置测量中的分流片(inducer resolver)或者光学编码器（译码器）引入位置反馈，可重复性误差也随之被引入。在设备的运动范围之内，通过在预定位置对位置误差进行直接测量的这样一个校准过程，这些误差通常能被消除或者最小化。在测量持续进行时，伺服系统将此机械装置固定在一个位置，测量其静态误差。因此，误差测量需要将测量系统对这个机械装置进行非常精确的初始对准，并且在大多数情况下，这不能现场实现。 综上所述，高级校准系统（精度更好的系统被认为优先级更高）的直接测量技术是一个静态操作过程。它需要外部设备来测量误差，也就是说，外部设备要有比被测系统更高的精度、对于标准的光学编码译码系统，例如像经纬仪这样的设备常用于提高校准的准确度。最终，那些成本高、体积大又很复杂的设备被用在目标系统进行直接测试，这样的测试设备不仅昂贵而且很难现场实现。另外，直接测量技术也很耗时。当误差有高空间频率特性时，许多测量 不得不超过量程。比如，高分辨率编码译码器的测量。如果有直接测量的数字太小而不能维持最少测试时间，那么就需要进行插值，那样就会引入校正误差。进一步，独立测试设备还需要对人为操作造成的误差进行校正。在其它高级校正过程中，伺服控制系统对于可重复误差的重复测量和控制可以用来消除误差中的低频干扰，这种可重复的校准系统使用多种误差测量方式来逐步修正误差。由于这种重复控制技术可控的带宽是极其窄的，因此，它限制了修正测量误差的能力。在这样一个过程中，为了保持在合适的奈奎斯特控制特性之内（比如稳定性），采样频率必须维持在低频段。因此，这种可重复校准系统并没有准确地修正低频段之外的误差信号。此外，由于信号源的幅值和相位随着频率变化会发生衰减、增大或者相移，所以利用伺服系统对误差进行准确测量是不太可能的。举个例子，测试HIRDLS(高分辨率动态临边探测器)系统的编码译码器时，发现系统响应的峰峰值存在一个0.6角秒的周期性误差。为了找出误差来源并且描述出其特性，NASA引进了一种采用新技术的编码译码器，从中获得独立、高准确度的数据。这项测试建立在同时操作和校准编码译码器的基础之上，花了整整数个月来将它描述清楚HIRDLS编码译码器中的周期误差特点。相反地，一套现有额发明装置能在短短几小时内进行同样的试验而不需要特别地校准。因此，利用现有的发明，为了解决可重复性误差，我们不再需要一套高精度的校正编码译码器，因而可以极大地节约成本。位置传感器的校准能够迅速、低开销的现场实现。相较于直接测量技术或者高级设备的重复控制技术，目前的发明所使用的技术手段，以一种更令人满意的方式对位置传感器的可重复误差进行校准。误差的测量是在闭环伺服系统条件下进行的。与直接测量技术不同的是，这项技术不需要附加性的高精度校准系统就能实现快速、低成本、完好地实实行。与重复控制技术不同的是，这项技术也不会把校准限制在窄带宽上。通过一个例子和目前发明更合意的具体化实现，位置传感器中可重复性误差的校准能够在闭环伺服系统操作下动态地、原封不动地实现。这种闭环伺服系统操作消除了人为环节的影响并且允许对可重复误差进行自动、快速、实时的测量。对图纸的简述图1是一个闭环伺服系统的配置，与目前技术的具体化实现一致。图2是一个典型的敏感函数图像，图1 例样表明了频率的分离特性。图3是一个校准操作的的例样。图4是一个现有校准算法的例样。对于现有高级具体化实现的细节描述相关的闭环伺服系统配置如图1所示。在环10的求和器11中，利用参考信号减去测量设备的输出ym，测得设备11的输出为em，叫做伺服系统误差。然后em输入控制器K中，该控制器由设备输入信号控制。信号经过设备G后再进入求和器12中。干扰信号d经过干扰传递函数Gd调制后也进入求和器12的另一端。两者在其中相加，求和器12的输出就是这个系统的输出y。输出y和一个正的位置传感器误差信号n在求和器13处相加，得到新的输出ym被反馈到求和器11处。利用图1的具体化实现，伺服系统误差em计算如下： 等式1其中S=为敏感方程。通过选择参考r，比如和。等式1变为：其中是随控制输入r变化的微小变化量。是随干扰信号d变化的微小变化量。是随位置传感器可重复误差n变化的微小变化量。因此，以上假设中，就简化为对位置传感器跟踪误差的测量。进一步说，若S=1，就变成了对误差的直接测量，图2表明一个具有理想频率特性的敏感函数。通过对图1和图2的分析，这种高级例样可以从抽象的结论中抽象出来。首先是优先使用一个有足够窄带宽的控制器。这样在位置传感器测量时，S函数在频率最低时响应值就约为1，相位约为180。其次，优先选择一个常速位置控制（参考输入r），使得误差频率在处显示。例如：选择r时，应使和。如果这两个假设都被满足，那么测得的误差就是这个位置传感器测量误差的准确结果。第一个假设关于窄带宽控制器，允许在伺服系统误差信号中，出现联合增益和将近180的相移。第二个假设关于常速位置控制，保证和，从而使得位置传感器测量误差是的主要部分。如图3和图4所示，这是利用以上两个假设的具体化实现。在图3中，位置传感器26是一个已知的位置传感器，利用现有技术手段得到的例样，由校正系统对其进行校正。这样的位置传感器可能就是第879号专利项描述的那种。在系统20中，数字处理器27包括一个校正算法，能够实现之前讨论的那种测试。不管操作是位置传感器26的正常模式或者是校正模式下，伴随设备25和位置传感器26，它都能很好地实现功能。通过拨动放置在标准控制位置处的开关28A和28B，选择标准模式。在这种状态下，标准指令输入求和器22中，与屈从于私服系统误差的设备输出ym进行相加，伺服系统误差 信号输入标准控制器24中，由开关28B选择，再将得到的输出分别送入装置25和位置传感器26,。根据已知的方法论，标准控制器24、设备25和位置传感器26相互配合保证标准控制的连续性。现有的技术附加一个现场校准方式，使得位置传感器在环中就可能被校准。在这种情况下，开关28A和28B被拨到校准位置上，把依赖于校准算法的校准控制连接到求和器22。在求和器22中，将校准指令和测量设备的输出ym，得到的结果作为伺服系统的误差信号。然后分别送到校准控制器23中和校准算法21中。校准控制器23的输出进入设备25中，受制于设备输出信号ym位置传感器26又被反馈到求和器22中。当选择校准后，校准算法控制排序和处理步骤。当选择校准路径后，标准控制器24被特殊校准控制器23替换。然后校准算法进行误差修正。校准算法存储了被测的伺服系统误差和相应位置传感器的输出ym。当校准完成后，通过操作开关28A和28B，这个环被重置为标准控制模式。校准算法的细节如图4所示。图4所示的步骤在开关28A和28B拨到校准位置后开始执行。例如第30步中控制环配置从标准控制器24换为特殊校准控制器23，来自于校准算法的常速校准控制轮廓继而在第31步被注入环中（图4）。对于那些行程有限制的系统来说，控制轮廓可能本身就是三角形的（前后运动）。对于那些可旋转360度的系统来说，控制轮廓可能就是一个常速位置控制。正如在第31步所示，控制轮廓被校准算法21注入环中，伺服系统误差和传感器输出ym在第32步被记录下来作为被测位置ym的函数。因此，当伺服系统设定恒速运行时，伺服系统误差和位置传感器输出会被同时采样和记录。当位置传感器前后摆或者旋转所需的数据被取得后，这个算法在第33步中求出这些数据的均值。故可以通过求平均值的方法来减少测量过程中不必要噪声的影响。在平均化过程完成之后，被测位置传感器误差在第34步作为一个位置传感器输出的函数被存到一个表格中。尽管表格在第34步中被描述出来，但如果恰当的话，数据可能会可代替性地被绘制成合适的曲线。然后正常控制器24在第35步被转换到原环中。最后，在第36步时，校准算法使用位置传感器输出作为表格查询的输入。查询结果用来作为误差修正值（图3），并且通过求和器22由校准算法注入环中没，以此来补偿由校准算法测得的原始误差。可以从图3和图4的分析中看到，相比于控制误差纠正器件中优先直接测量设备和优先重复测量方法，高精度的光学编码译码器能够以低成本、短测试时间、原封不动地得以实现，这是一种很好的误差纠正方法。目前这种发明的具体化实现也能够以高准确度来校准可重复误差，甚至是相对较宽的带宽。尽管这项已被描述成目前最实用的首选方案。有一点仍需指明的是，它不仅限于公开的具体化实现，而且相反地，本着附加声明的精神和眼界，它打算涵盖各种各样的修正方法，也包括了等价的配置方案。声明如下：1、 针对伺服系统控制的机构，校准系统包括一个伴有可重复性误差的位置传感器，并且被外部干扰所影响。干扰信号包括：一个既有标准操作也有校准操作的闭环；一个闭环的输入，在标准常规操作时输入为一个标准指令，在校准操作时输入为一个校准指令；一个校准系统产生校准指令，在校正操作执行时测量可重复性误差，在标准操作时存储测量的可重复误差，并根据它把校准量注入到闭环系统中。一个控制器，有一个敏感函数，能够近似在闭环中的位置传感器可重复误差的频率对应的真值。但是在标准指令输入和外部干扰的条件下，绝对值会变小。2、 一个如声明1所述的系统，其中伺服系统控制的机械装置包括一个位置传感器；3、 一个如声名1所述的系统，其中控制器包括了一个标准控制器和和一个校准控制器，它们可以根据操作模式的选择来决定；4、 一个如声明1所述的系统，其中校准系统和至少是控制器的一部分被涵盖在一个常见的数字处理器中；5、 一个如声明3所述的系统，在校准系统中，标准控制器和校准控制器被包括在一个常见的数字处理器中；6、 一个如声明3所述的系统，进一步增加了一个可以同时选择的开关，比如在标准输入和校准输入之间的输入，又比如在标准控制器课校准控制器之间的控制器；7、 一个如声明1所述的系统，其中位置传感器可重复性误差在频率最低时敏感函数的值约等于1；8、 一种校准方法，在伺服系统环中，一个显示可重复误差的位置传感器，包括以下步骤：提供一个闭环；在一项校准操作中：将一个校准参考信号输入到这个闭环中；通过伺服系统控制机构反馈回来的信号去调节这个校准参考信号；测量位置传感器的可重复性误差，在某些状况下，比如调节信号由可重复性误差的测量决定；存储被测的可重复性误差的特性；在标准操作中：将一个标准参考信号输入到一个闭环中；将一个基于存储特性的位置传感器校准量输入到一个闭环中；通过细微校准和反馈信号共同调节参考信号，为伺服系统控制机构提供标准参考信号的可控版本；9、 一个如声明8所述的方法，在标准操作阶段将细微校准调节量输入到闭环的步骤中，包括了输入基于存储特性的位置传感器的误差测量量；10、一个如声明8所述的方法，进一步包括：在校准操作中，对于环中的校准控制器，要在被调节的校准标准参考信号输入伺服系统控制的机构之前进行控制；11、一个如声明10所述的方法，其中校准控制器展示了一个敏感函数，能在位置传感器可重复误差的频率下近似真值，并且比起上述频率，它在标准参考信号下的频率的绝对值要更小；12、 一个如声明11所述的方法，进一步包括：在标准操作中，对于环中的标准控制器，要在被调节的标准参考信号输入伺服系统控制的机构之前进行控制；13、 一种如声明8所述的方法，进一步包括：在校准操作中，对于环中的校准控制器，要在被调节的校准标准参考信号输入伺服系统控制的机构之前进行控制；在标准操作中，对于环中的标准控制器，要在被调节的标准参考信号输入伺服系统控制的机构之前进行控制；在以上两种操作之间，分时循环.14、一种如声明13所述的方法，其中校准控制器展示了一个敏感函数，能在位置传感器可重复误差的频率下近似真值，并且比起上述频率，它在标准参考信号下的频率的绝对值要更小；15、一种如声明14所述的方法，一个如声明1所述的系统，其中位置传感器可重复性误差在频率最低时敏感函数的值约等于1；16、一个针对位置传感器的现场校准系统展示了可重复误差的来