翻译的美国专利US

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1、摘要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。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

2、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。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位置传感器可重复性误差的伺服系统控制校准发明领域发明领域 这项发明涉及到校正设备和方法。发明背景和摘要发明背景和

3、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

4、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

5、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

6、，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，

7、 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

8、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

9、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 11(1)*()*()mmdmddery ryn rnG dGKeGKrnG dSrnG d 其中 S=为敏感方程。1(1)GK通过选择参考 r，比如和。等式 1 变为：SrSndSG dSn()meSn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

10、化SrmedSG dme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Snmeme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，me 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1S SrSndSG dSn都被满足，那么测得的

11、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SrSndSG dSn的主要部分。me 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

12、，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

13、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

14、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

15、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

16、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