蓋竹秋

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033；2.長春理工大學(xué)，長春 130022）

光電軸角編碼器是一種數(shù)字式測角裝置，它把軸角信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接后可實(shí)現(xiàn)角度信息的動態(tài)測量和對系統(tǒng)姿態(tài)的實(shí)時控制。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們對深空探測設(shè)備、高精度雷達(dá)、數(shù)字經(jīng)緯儀等儀器設(shè)備的測量、定位精度提出了更高的要求，高精度的角度傳感器是這些儀器的關(guān)鍵部件，它的定位精度的提升對整機(jī)性能的提高起到了關(guān)鍵性的作用。尤其在一些大型軍用設(shè)備和高技術(shù)裝置中得到了更為廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)高精度的絕對式編碼器，目前還是采用60年代技術(shù)，即在圓盤平面內(nèi)光刻上同心環(huán)（碼道），并行讀出格雷碼，輸出的位數(shù)越高碼道數(shù)越多，高精度碼盤碼道數(shù)為二十三圈，它占用了軸端面很大的尺寸。為了減少碼盤碼道數(shù)，80年代研發(fā)了矩陣式絕對式編碼器，碼道數(shù)減少僅1/4。

為提高測角的精度，一味的增加碼道數(shù)，勢必受到碼盤尺寸的限制，對碼盤的刻劃工藝和信號的提取技術(shù)都提出了相當(dāng)高的要求，不易實(shí)現(xiàn)。因此提出采用距離編碼的方案，在不損失測角精度的前提下以減小碼盤尺寸為目的開發(fā)新的準(zhǔn)絕對式編碼方法，并以此為基礎(chǔ)為基地大型光電經(jīng)緯儀開發(fā)高精度角位移測量技術(shù)，也可為天基觀測設(shè)備提供超小型、高分辨率的角度測量技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用開展前期預(yù)研工作具有重要的意義。

1 距離碼編碼的工作原理

碼盤是編碼器的核心部件，它是一塊具有若干同心碼道的玻璃或金屬圓盤，每條碼道由若干透明與不透明相間的線條構(gòu)成，每條碼道的線條寬度及碼道線條間的相互位置按一定規(guī)律排列，以滿足編碼器輸出碼制及分辨率的要求。常見的有絕對式碼盤和增量式碼盤兩種。絕對式編碼器直接輸出位置的絕對值，但是由于碼道多，尺寸大，電路處理復(fù)雜；增量式編碼器輸出的是上電時刻的相對位置，要輸出絕對位置，必須尋到唯一的一個零位標(biāo)記點(diǎn)。

準(zhǔn)絕對式編碼器采用距離碼碼盤。它是兼顧絕對式和增量式碼盤特點(diǎn)的一種新型編碼方式，僅有兩圈碼道，一圈為增量圓光柵，另一圈為標(biāo)記不同角距離的標(biāo)記點(diǎn)N，相鄰標(biāo)記點(diǎn)的距離在全周的位置是單一的，它將測角分成了N個區(qū)，通過移動掃描兩個相鄰標(biāo)記點(diǎn)間的距離，則可讀出區(qū)，從而判斷出碼盤絕對位置。如圖1所示為距離碼碼盤圖案示例：

圖1 距離碼碼盤示意圖Fig.1 Schematic diagram of interval encoder

其中外圈為主光柵，整周刻線為28800對線，內(nèi)圈為200個零位標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)將主光柵分成100個區(qū)（N=100），每個區(qū)為288對線。距離碼編碼方案碼道少，電路處理簡單，可靠性高。N值越大，移動掃描的距離越小。輸出絕對角度位置所需要轉(zhuǎn)動的角度越小。

2 碼盤信號的提取與譯碼實(shí)現(xiàn)

2.1 碼盤信號的提取

采用刻劃中徑為137mm，光柵密度為28800對線的高密度光柵，光柵節(jié)距14.9m。整周編制200個絕對零點(diǎn)，距離最近的兩個零點(diǎn)圓周距離為0.6mm。常規(guī)的零點(diǎn)信號提取方法無法避免距離很近的兩個零點(diǎn)信號的相互影響。采用單刻線零點(diǎn)提取方法，刻線寬度為增量光柵節(jié)距的一半，采用激光聚焦照亮單縫刻線的方法，提取寬度適宜的絕對零點(diǎn)信號。

準(zhǔn)絕對式距離碼編碼器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由光源發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后變成平行光，平行光透過碼盤和指示光柵（指示光柵也稱作狹縫）。當(dāng)碼盤與指示光柵產(chǎn)生相對運(yùn)動時，將透過的光線切割成強(qiáng)弱變化的莫爾條紋光信號，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換成相位相差90°的G0、G90、G180和G270四路電信號。這些電信號包含了轉(zhuǎn)動軸與不動基礎(chǔ)間的相對角度位移信息，如圖3所示，這些信號由電路系統(tǒng)采集，并經(jīng)過軟件計(jì)數(shù)，莫爾條紋的電子學(xué)插值細(xì)分，校正處理等環(huán)節(jié)得到二進(jìn)制角度代碼輸出。

圖2 準(zhǔn)絕對式編碼器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of semi-absolute encoder

圖3 碼盤信號處理原理圖Fig.3 Schematic diagram of sampling encoder's signals

2.2 距離碼譯碼

由圖1可看出，兩個相鄰零位點(diǎn)之間的主光柵線對數(shù)是不同的，當(dāng)讀數(shù)頭掃描兩個相鄰零位標(biāo)記點(diǎn)時，通過判斷相鄰標(biāo)記點(diǎn)之間的主光柵脈沖數(shù)可以斷定碼盤的絕對位置。所以在硬件設(shè)計(jì)上需要既要實(shí)現(xiàn)獲取零位點(diǎn)的到來時刻，同時又要有計(jì)數(shù)邏輯電路來記錄主光柵的脈沖數(shù)，在軟件中編制位置表確定當(dāng)前的絕對位置。

如圖4所示，接收器輸出的相位相差90°的G0、G90、G180、G270四路信號經(jīng)過差分放大形成SINQ和COSQ兩路正弦信號，經(jīng)過計(jì)數(shù)邏輯單元，對SINQ脈沖采用軟件中斷方式進(jìn)行計(jì)數(shù)；同時，將另一路脈沖信號COSQ送入單片機(jī)，根據(jù)信號的狀態(tài)判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。

當(dāng)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時，其計(jì)數(shù)原理如圖 5所示，每當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入中斷計(jì)數(shù)的時候，SINQ和COSQ 要么同為“+”，要么同為“-”，即 SINQ和COSQ的高低電平狀態(tài)總是相同：

圖4 脈沖計(jì)數(shù)處理示意圖Fig.4 Schematic diagram of counting impulse

圖5 正轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)原理Fig.5 Schematic diagram of counting while rotating clockwise

當(dāng)編碼器反向旋轉(zhuǎn)時，其計(jì)數(shù)原理如圖 6所示：每當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入中斷計(jì)數(shù)的時候，SINQ和COSQ一個為“+”，另一個為“-”，即SINQ和COSQ的高低電平狀態(tài)總是相反：

圖6 反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)原理圖Fig.6 Schematic diagram of counting while rotating counter-clockwise

通過以上的計(jì)數(shù)方法，很容易確定兩個相鄰標(biāo)記點(diǎn)之間的主光柵的脈沖數(shù)，從而確定角度的絕對位置。再將SINQ和COSQ兩路正弦信號通過A/D轉(zhuǎn)換器采集到單片機(jī)，進(jìn)行軟件電子學(xué)插值細(xì)分，細(xì)分8192份，可得到更高的角度分辨力，提高角度傳感器的探測能力。由公式（1）可以得出：角度分辨力約為0.005″。

3 測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)傳感器的特點(diǎn)，采用對徑相加數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以消除碼盤偏心和軸系晃動對測角精度的影響，系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of data processing system

角位移傳感器由4個讀數(shù)頭組成，每個讀數(shù)頭都包括4路相位互差90度的正弦信號及零位標(biāo)記點(diǎn)信號，這四個讀數(shù)頭分別由4塊獨(dú)立的電路處理系統(tǒng)完成編碼功能，并通過RS485串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PCI板卡，PC機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過PCI總線讀取4個頭的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對徑數(shù)據(jù)相加技術(shù)，完成具有0.005″分辨率的角度編碼。

四個讀數(shù)頭的電路處理系統(tǒng)是相同的。具有ARM7TDMI核的微處理器對量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行電子學(xué)插值細(xì)分處理，細(xì)分出8192份；同時，差分放大后的兩路信號 SINQ、COSQ在計(jì)數(shù)邏輯單元中經(jīng)過整形，送入計(jì)數(shù)電路產(chǎn)生光柵線計(jì)數(shù)脈沖，送入ARMTDMI的中斷計(jì)數(shù)程序中完成計(jì)數(shù)，最后將插值細(xì)分后的數(shù)據(jù)對中斷計(jì)數(shù)校正完成編碼輸出到PCI總線上。

對于輸送到計(jì)算機(jī)PCI總線上的4個讀數(shù)頭的數(shù)據(jù)，采用VC++6.0的多線程技術(shù)，為每一個讀數(shù)頭創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)采集線程，以保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性要求，同時在另一線程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

對采集到的讀數(shù)頭1、3的數(shù)據(jù)進(jìn)行對徑相加處理，形成數(shù)據(jù)A，同樣對采集到的讀數(shù)頭2、4的數(shù)據(jù)進(jìn)行對徑相加處理，形成數(shù)據(jù) B，再對 A、B兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對徑相加處理，形成最后的數(shù)據(jù)用燈排顯示，并將結(jié)果計(jì)算為度分秒顯示在軟件界面中。其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 Experimental system

3.2 檢測結(jié)果

編碼器的精度檢測采用光管和23面棱體組合檢測法，如圖9所示。

圖9 精度檢測原理圖Fig.9 Schematic diagram of measure angle precision

將 DLT-23型多面體棱鏡安放在編碼器的回轉(zhuǎn)中心上，其一個反射面的法線應(yīng)與編碼器的零位大致重合，然后將自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)這一反射面，用微動裝置調(diào)到零位轉(zhuǎn)換點(diǎn)，從自準(zhǔn)直儀的數(shù)顯箱讀取一個數(shù)，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動編碼器至第二個檢測點(diǎn)，讀取第二個數(shù)。以此類推，讀取23個面的數(shù)據(jù)，它們與理論值的差，就是編碼器的測角誤差。誤差曲線如圖10所示。

圖10 誤差曲線Fig.10 Curve of error

4 結(jié)論

對于28800線的主光柵，分100個區(qū)，上電后碼盤輸出絕對位置信息需要轉(zhuǎn)過的最小尋零角度為：0.575°，角度測量分辨力約為：0.005″，精度可達(dá)到0.26″。可以滿足目前大型經(jīng)緯儀的使用要求。

準(zhǔn)絕對式距離碼編碼器的2碼道的編碼方案，兼顧了絕對式和增量式碼盤的特點(diǎn)，既縮小了碼盤的尺寸，又可快速輸出絕對角度位置，而且通過改變主光柵的線對數(shù)，可以達(dá)到更大的測量范圍，具有很好的工程應(yīng)用前景。

碼盤分區(qū)越多，即N值越大，移動掃描的距離越小。距離編碼減小了碼盤刻劃區(qū)，同時碼道的數(shù)目減少，光電器件數(shù)減少數(shù)倍，提高了編碼器的可靠性。

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