時(shí)偉，丁洪昌，曹國華

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

光電軸角編碼器基于光電檢測原理，是非接觸角度測量領(lǐng)域中一種應(yīng)用廣泛的傳感技術(shù)，在傳感器測量領(lǐng)域有著不可比擬的地位。根據(jù)編碼方式的不同[1]，大體可分為增量式、絕對(duì)式和準(zhǔn)絕對(duì)式光電編碼器三大類。其中絕對(duì)式光電軸角編碼器具有絕對(duì)零點(diǎn)、絕對(duì)位置測量、斷電信號(hào)不丟失、測量可靠性高、無累計(jì)誤差等優(yōu)越性，與多圈測量方式相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)直線位移、電機(jī)轉(zhuǎn)速、大量程角度的精確測量，應(yīng)用于智能機(jī)器、遙控、自動(dòng)測量等各個(gè)行業(yè)，受到了廣大使用者的青睞。

為了實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式編碼器的高可靠性、高精度、小型化、大量程測量，本文設(shè)計(jì)了基于十六矩陣的矩陣碼編碼方法，通過讀數(shù)頭位置的選擇，2圈碼道實(shí)現(xiàn)了19位信息的編碼。其中第一圈實(shí)現(xiàn)了高4位格雷碼，第二圈實(shí)現(xiàn)了低15位格雷碼，該碼盤構(gòu)造極大的縮小了碼盤空間。配合組合式機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用齒輪直接讀圈計(jì)數(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了16圈計(jì)數(shù)，多級(jí)擴(kuò)展，大量程測量的功能。下面就其碼盤編碼、讀數(shù)頭放置及譯碼原理，多圈機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及齒輪讀圈方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 十六矩陣碼盤設(shè)計(jì)

圖1 12位四矩陣編碼器碼盤圖案Fig.1 Twelve bit and fourmatrix encoder disc design

圖2 四矩陣粗碼狹縫圖案Fig.2 Four-matrix C/A code slit pattern

圖3 11位八矩陣碼盤器粗碼碼盤圖案Fig.3 Eleven bit and eightmatrix encoder disc design

圖4 八矩陣粗碼狹縫圖案Fig.4 Eight-matrix C/A code slit pattern

矩陣式碼盤設(shè)計(jì)的編碼原理是根據(jù)格雷碼的編碼規(guī)則，將碼盤圓周劃分為若干個(gè)扇形區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域上根據(jù)位數(shù)關(guān)系，將幾個(gè)不同位數(shù)的碼道刻劃在同一圈內(nèi)，與狹縫盤相配合，將光電讀數(shù)頭接收到的電信號(hào)，經(jīng)過放大比較、細(xì)分、譯碼、校正等信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化成表征碼盤旋轉(zhuǎn)位置信息的自然二進(jìn)制碼，進(jìn)而獲得對(duì)應(yīng)的絕對(duì)角度[2]。

目前廣泛應(yīng)用的矩陣式光電編碼器大多為四矩陣、八矩陣編碼盤[3]，如圖1 圖4所示，將碼盤圓周劃分為4或8個(gè)區(qū)間，可以同時(shí)將四位、八位碼道刻在同一圈上。

根據(jù)矩陣碼道的編碼方式[4]及應(yīng)用結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)十六矩陣編碼方式的碼盤圖案如圖5所示，其中2為各扇形區(qū)域的刻線數(shù)。

圖5 十六矩陣碼盤圖Fig.5 Sixteen-matrix encoder disc design

碼道展開圖如圖6所示。碼盤刻劃規(guī)則:設(shè)計(jì)刻劃兩圈碼道，實(shí)現(xiàn)粗碼19位分辨率。內(nèi)圈碼道均分透光和不透光兩個(gè)區(qū)域：0°～ 180°為通光區(qū)(亮區(qū))，180°～360°為不通光區(qū)；外圈碼道以22.5°為間隔劃分為16個(gè)扇形區(qū)間，從0°逆時(shí)針方向依次記為第1、2、…、16區(qū)，包含15位不同周期碼值。其中 1區(qū)設(shè)計(jì)成 0°到 45°之間，11.25°到 22.5°之間為通光區(qū)，其余各區(qū)均按照矩陣編碼的方式進(jìn)行。

編碼盤需要與相應(yīng)的狹縫盤配合構(gòu)成光柵副結(jié)構(gòu)，才能精準(zhǔn)定位。狹縫布局分內(nèi)外兩圈，內(nèi)圈設(shè)置8個(gè)狹縫，從0°開始間隔45°依次排列，分別用標(biāo)記；外圈設(shè)置16個(gè)狹縫，從0°開始間隔22.5°依次排列，分別用1，2，…，16標(biāo)記，可以得到16路電信號(hào)，且每路信號(hào)包含15種不同周期的信息。

圖6 十六矩陣碼道展開圖Fig.6 Sixteen-matrix encoder disc expansion view

2 信號(hào)處理

由粗碼狹縫得到的19路電信號(hào)需經(jīng)過放大、比較整形、譯碼、校正[5]、顯示等環(huán)節(jié)，得到表征位置信息的自然二進(jìn)制碼及角度值。其傳統(tǒng)電路與矩陣式絕對(duì)式編碼器的部分相類似，不再詳述，其中譯碼電路相對(duì)復(fù)雜，由狹縫內(nèi)外圈得到的格雷信號(hào)如表1所示。

表1 內(nèi)圈8狹縫獲得碼道信號(hào)Tab.1 Code channel signal from inner ring eight slit

表2 外圈16狹縫獲得碼道信號(hào)Tab.2 Code channel signal from outer ring sixteen slit

內(nèi)圈8路信號(hào)中，A表示通光區(qū)域，與格雷碼編碼關(guān)系為：

外圈16路信號(hào)如表2所示。

表中各位均不是單一周期的二進(jìn)制格雷碼，需根據(jù)譯碼原理[6]，通過內(nèi)圈碼道 A1、A2、A3、A4將單周期信號(hào)分別分離出來。得到16路單周期信號(hào)與二進(jìn)制碼的關(guān)系為：

按照上述公式組(1)譯碼后，得到19位粗碼道信號(hào)。擴(kuò)展外圈可刻劃2條精碼道，2條校正碼道，對(duì)徑相加后，經(jīng)單片機(jī)細(xì)分，選取適當(dāng)?shù)牟逖a(bǔ)系數(shù)，得到準(zhǔn)精碼信息，通過校正碼校正處理后與粗碼共同構(gòu)成高精度單圈角度測量值。

3 多圈傳動(dòng)原理及實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的多圈光電軸角編碼器通常采用雙碼盤結(jié)構(gòu)[7]，一個(gè)用于標(biāo)記單圈角度信息，一個(gè)用于記錄主軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。或者采用多單圈編碼器組合測量多圈的系統(tǒng)測量方法，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。本設(shè)計(jì)兩級(jí)齒輪傳動(dòng)系[8]，通過末級(jí)齒輪與狹縫架組合結(jié)構(gòu)，獲得圈數(shù)的絕對(duì)信息，實(shí)現(xiàn)多圈絕對(duì)測量。二級(jí)齒輪組傳動(dòng)如圖7所示。

采用二級(jí)齒輪組結(jié)構(gòu)，選用相同的小齒輪 14齒，大齒輪28齒，模數(shù)為0.5的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩級(jí)傳動(dòng)，24=16系統(tǒng)傳動(dòng)比為 1:16，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)過 16圈時(shí)，II末級(jí)齒輪轉(zhuǎn)過1圈。通過簡單譯碼電路及校正關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)多圈精確測量。其末級(jí)齒輪結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖7 二級(jí)齒輪組傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Two-stage gearing structure diagram

圖8 讀圈結(jié)構(gòu)原理圖Fig.8 The structure diagram of obtaining number of turns

圖9 末級(jí)齒輪圖案Fig.9 Last stage gear design

每一組末級(jí)齒輪的狹縫架上間隔90°的雙狹縫輸出2位圈數(shù)信息，可記錄16圈信息。通過齒輪與狹縫架的疊加信息，經(jīng)譯碼，校正處理后，即可得到相應(yīng)的圈數(shù)。

4 結(jié)論

十六矩陣碼盤設(shè)計(jì)2圈粗碼道，經(jīng)譯碼可得到19位粗碼的位置信息，加上精碼細(xì)分、校正后高位碼值，為矩陣式光電軸角編碼的高精度、小型化提供了一種新的方法，具有巨大的理論和應(yīng)用價(jià)值。

多圈測量方式采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)的組合式結(jié)構(gòu)，通過各級(jí)末端齒輪上狹縫架得到的多圈絕對(duì)位置的計(jì)數(shù)，該齒輪計(jì)數(shù)裝置可實(shí)現(xiàn)分級(jí)計(jì)數(shù)，多級(jí)擴(kuò)展，可以單圈編碼器分離配合使用，通過對(duì)齒輪個(gè)數(shù)及齒輪組數(shù)的增減，實(shí)現(xiàn)多圈圈數(shù)的計(jì)量。該思想為多圈編碼器的發(fā)展提供了新的方法，具有較好的市場前景。

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