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        一種新型四矩陣的絕對式編碼盤

        2014-02-09 01:13:28
        實驗室研究與探索 2014年6期
        關(guān)鍵詞:軸角碼盤讀數(shù)

        季 英 瑜

        (衢州學(xué)院 機械工程學(xué)院, 浙江 衢州 324000)

        0 引 言

        碼盤是光電軸角編碼器的核心元件[1-3],由刻畫一定圖案(碼道)的碼盤和與之相配合的狹縫盤組成。它是在玻璃或金屬表面的圓環(huán)區(qū)域上刻有若干圈均勻分布的透光或不透光相間的柵線的圓分度元件,具有抗干擾能力強、無累積誤差、掉電重啟后無須重新對零等優(yōu)點[4-5]。隨著工業(yè)現(xiàn)代化、軍工、國防、科研等領(lǐng)域的發(fā)展,需要光電軸角編碼器也趨向小型化、智能化。若要滿足要求,主要從兩方面進行有效改善:① 縮小其核心元件——碼盤及狹縫盤的徑向尺寸;② 改變碼盤上的碼道編排方式[6-7]。但是,碼盤與狹縫的尺寸縮小后,會影響碼道區(qū)域的有效寬度,即要保證同等分辨率,如果碼道數(shù)量不變,只能減少碼道的寬度,這樣對減小編碼器尺寸的貢獻很?。欢WC碼道寬度不變,只能是減少碼道數(shù)量,這樣又會造成編碼器分辨率降低。因此,在碼盤的徑向尺寸縮小而又不減少編碼器的輸出位數(shù),就要在碼盤的碼道布局上采取新的設(shè)計方法。

        本文提出了一種新型的矩陣絕對式編碼盤,采用全新碼道布局方式和單讀數(shù)頭讀取方式。與傳統(tǒng)三圈8位矩陣碼盤相比,第一圈可讀取4位,第二圈2位,第三圈4位,分辨率大大提高。

        1 新型矩陣編碼盤設(shè)計

        新型的四矩陣編碼盤解決技術(shù)問題的方案包括碼盤和狹縫盤。兩者之間相互平行并保持一定的間隙,分別安裝在編碼器的主軸(轉(zhuǎn)子端)和主體(定子端)上,碼盤隨編碼器主軸轉(zhuǎn)動,狹縫盤相對于編碼器主軸固定不轉(zhuǎn)動,碼盤與狹縫盤之間相對轉(zhuǎn)動,輸出代碼記錄著編碼器主軸轉(zhuǎn)動的角位移位置。

        1.1 碼盤的碼道布局[8-11]

        碼盤的碼道布局如圖1所示:在碼盤上刻劃3條碼道,第一圈碼道分為區(qū)0°~90°、90°~180°、180°~270°、270°~360°四個扇形區(qū)域,每個區(qū)域的通光、不通光區(qū)域的設(shè)置是不同的。0°~90°的區(qū)域內(nèi),全部為非通光區(qū);90°~180°區(qū)域內(nèi),全部為通光區(qū);180°~270°區(qū)域內(nèi),有2個通光區(qū)段,通光區(qū)段和非通光區(qū)段的寬度相等、相間分布,每個通光區(qū)段和非通光區(qū)段的寬度都為90°/4=22.5°;270°~360°區(qū)域內(nèi),有2個通光區(qū)段,通光區(qū)段的寬度為非通光區(qū)段的1/2,寬度為22.5°。

        第二圈碼道為校正碼,是在整個圓周上等間距地設(shè)有16個通光區(qū)段,通光區(qū)段和非通光區(qū)段的寬度相等、相間分布,靠近0°(360°)兩側(cè)各有一個通光區(qū)段,其寬度為通光區(qū)段的1/2,寬度為360°/(16×2)/2=5.625°,也就是0°(360°)線跨一個通光區(qū)段中心。通光區(qū)段和非通光區(qū)段的寬度都為5.625°×2=11.25°。

        第三圈碼道均分為4個扇形區(qū)域,每個區(qū)域的通光區(qū)和非通光區(qū)的設(shè)置是完全相同的。每一寬為90°的扇形區(qū)域中,通光區(qū)段的段數(shù)按2,4,8,16的等比數(shù)列梯次分布在每個寬為22.5°的分區(qū)域中,同一分區(qū)域中的通光區(qū)段和非通光區(qū)段的相間分布,每2個通光區(qū)段間的非通光區(qū)段與通光區(qū)段的等寬,但首、尾2個通光區(qū)段的外側(cè)還各有一個半寬非通光區(qū)段,即其寬度為通光區(qū)段的1/2,以實現(xiàn)通光區(qū)段和非通光區(qū)段各自的總寬度均等于11.25°。圖2是已有技術(shù)中碼盤碼道的布局結(jié)構(gòu)示意圖。

        1.2 狹縫盤的碼道布局

        在圖3所示的狹縫盤上,有三圈狹縫,第一圈狹縫設(shè)有8個狹縫,用a1~a8表示,a1在357.187 5°位置、a2在2.812 5°位置、a3在19.687 5°位置、a4在25.312 5°位置、a5在42.187 5°位置、a6在47.812 5°位置、a7在64.687 5°位置、a8在70.312 5°位置;第二圈狹縫設(shè)有2個狹縫,用b1、b2表示,b1在5.625°位置、b2在11.25°位置;第三圈狹縫設(shè)有4個狹縫,用c1~c4表示,c1在0°(360°)位置、c2在22.5°位置、c3在45°位置、c4在67.5°位置。圖4是已有技術(shù)中狹縫盤上狹縫布局結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖1 碼盤碼道的布局結(jié)構(gòu)圖2 已有技術(shù)中碼盤碼道的布局結(jié)構(gòu)

        圖3 狹縫盤上狹縫布局結(jié)構(gòu)示意圖圖4 現(xiàn)有技術(shù)中狹縫盤上狹縫布局結(jié)構(gòu)示意圖

        2 編碼盤的譯碼原理

        碼盤的三圈碼道分別與狹縫盤的三圈狹縫相匹配,當碼盤順時針轉(zhuǎn)動時,三圈狹縫盤在遇到碼盤上相對應(yīng)的碼道的通光區(qū)段時,呈現(xiàn)高電平狀態(tài),則有信號輸出。遇到不通光區(qū)段時,呈現(xiàn)低電平狀態(tài),沒有信號輸出[12-15]。利用光敏原件接收信號,光敏原件與狹縫盤相對應(yīng),在第一圈分布8個,第二圈2個,第三圈4個,然后將14個光敏元件集成一個讀數(shù)頭。

        第一圈狹縫a1~a8接收到的光電信號如表1所示。其中,Ax代表通光區(qū)高電平信號;空格代表不通光區(qū)低電平信號,信號處理的關(guān)系式為:

        A1、A2、A3、A4不是傳統(tǒng)的周期碼,通過A4×20+A3×21+A2×22+A1×23計算出十進制數(shù)字,然后按照規(guī)定編譯成0~15的四位二進制碼Z1、Z2、Z3、Z4,分別對應(yīng)16個狀態(tài)。

        表1 第一圈狹縫接收到的光電信號

        第二圈狹縫b1和b2各自輸出了單一的A5碼和A6碼,無須經(jīng)特殊處理即已成為傳統(tǒng)的第5位和第6位碼。

        第三圈狹縫c1、c2、c3、c4接收到的光信號如表3所示,這些處理成傳統(tǒng)的周期二進制碼的關(guān)系式為:

        表2 第三圈信號與傳統(tǒng)格雷碼的關(guān)系

        經(jīng)過處理后,得出10位格雷碼,見圖5。

        圖5 碼道工作圖

        3 檢測、試驗分析

        根據(jù)以上理論制作出小型編碼器,對其進行誤碼檢測,利用數(shù)據(jù)采集軟件,將勻速轉(zhuǎn)動的編碼器實時輸出進行采集,編碼器轉(zhuǎn)動1周即360°得到一組數(shù)據(jù),每隔360°/1 024角度進行測量,利用相鄰位置的角度差恒等于分辨率,進行檢測。查看差值的規(guī)律,如果存在誤碼,讀數(shù)差有誤,在曲線上能看到有突跳點。經(jīng)多次通過試驗證明,不存在誤碼現(xiàn)象,因此采用本研究的新型編碼盤的絕對式光電軸角編碼器具有可行性。其測角精度能夠達到±0.351 562 5°。由于需采集1 024個數(shù)據(jù),故截取其中一段曲線如圖6所示,證明其不存在誤碼現(xiàn)象。

        圖6 光電軸角編碼器誤碼檢測試驗結(jié)果

        4 結(jié) 語

        本文提出了一種新型的四矩陣式絕對編碼器,與現(xiàn)有的四矩陣式碼盤相比較,同是三圈碼道與三圈狹縫的匹配,已有技術(shù)只能輸出八位碼,測角分辨率為1.406 25°,4個讀數(shù)頭。本設(shè)計的編碼盤可輸出十位碼,測角分辨率為0.351 562 5°(360/210)。現(xiàn)有技術(shù)狹縫窗口在360°圓周上四等分分布,本設(shè)計狹縫窗口分布在90°范圍內(nèi),采用單頭讀數(shù),狹縫尺寸為已有技術(shù)狹縫尺寸的1/4,有效地解決了編碼盤輸出位數(shù)與尺寸間的矛盾,有利于編碼器的小型化、光電元件的集成化,具有可行性。而且結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)試方便,促進編碼器小型化發(fā)展,擴大了編碼器的應(yīng)用范圍。

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