季 英 瑜

(衢州學(xué)院 機(jī)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(qiáng)、無累積誤差、掉電重啟后無須重新對零等優(yōu)點(diǎn)[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(jìn)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(xiàn)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(jì)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(jì)

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(shí)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(dāng)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(jì)算出十進(jìn)制數(shù)字，然后按照規(guī)定編譯成0～15的四位二進(jìn)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(jìn)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(yàn)分析

根據(jù)以上理論制作出小型編碼器，對其進(jìn)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(shí)時輸出進(jìn)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(jìn)行測量，利用相鄰位置的角度差恒等于分辨率，進(jìn)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(diǎn)。經(jīng)多次通過試驗(yàn)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(dá)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(yàn)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(jì)的編碼盤可輸出十位碼，測角分辨率為0.351 562 5°(360/210)?，F(xiàn)有技術(shù)狹縫窗口在360°圓周上四等分分布，本設(shè)計(jì)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(jìn)編碼器小型化發(fā)展，擴(kuò)大了編碼器的應(yīng)用范圍。

[1] 陳 贊．單圈絕對式光電軸角編碼器原理的研究[D]．長春：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2006：l2-15．

[2] Sugiyma Y，Matsui Y，Toyoda H，etal． A 3.2 kHz，14.bit Optical Absolute Rotary Encoder with a CMOS Profile Sensor[J]．IEEE Sensors Journal，2008，8(8)： 1320-1326．

[3] 陳 赟，孫承浦，何惠陽．單圈絕對式碼盤編碼方法的研究[J]．光子學(xué)報，2006，35(3)： 460-463．

CHEN Yun,SUN Cheng-pu,He Hui-yang. Research on coding principle of the Single-ring Absolute Encoding disc [J]. Acta Photonica Sinica,2006,35(3) 460-463.

[4] 董莉莉，熊經(jīng)武，萬秋華．光電軸角編碼器的發(fā)展動態(tài)[J]．光學(xué)精密工程，2000，8(2 )：198-202.

DONG Li-li，XIONG Jing-wu．Development of photoe-lectrie rotary encoder[J].Optics Precision Engineering, 2000,8(2):198-202．

[5] 湯天瑾，曹向群，林 斌．光電軸角編碼器發(fā)展現(xiàn)狀分析及展望[J]．光學(xué)儀器，2005，2(1 )：90-95．

TANG Tian-jing,CAO Xiang-qun,LIN Bin. Analysis and Prospect of the development of photoelectric shaft encoder [J]. Optical Instruments,2005,2(1):90-95.

[6] 趙志巍，陳 赟．一種基于金屬碼盤的新型絕對式光電軸角編碼器[J]．傳感器技術(shù)學(xué)報，2010，23(5)：656-659．

ZHAO Zhi-wei,CHEN Yun.A new type of absolute shaft photoelectric encoder based on metal code disc [J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2010,23(5):656-659.

[7] 楊 鵬，艾 華，劉長順．超小型準(zhǔn)絕對式編碼器的研制[J]．光電工程,2008，35(12)：141-144．

YANG Peng,AI Hua,LIU Chang-shun. Super Miniature virtual absolute encoder and its applications[J]. Opto Electronic Engineering, 2008,35(12):141-144.

[8] 萬秋華，佘容紅，梁立輝．一種雙組讀數(shù)的絕對式光電編碼盤[P]：中國專利，CN200810051099.2．2009-1-4.

[9] 萬秋華，孫 瑩，王樹潔,等． 雙讀數(shù)系統(tǒng)的航天級絕對式光電編碼器設(shè)計(jì)[J]．光學(xué)精密工程，2009,17(1)：52-57．

WAN Qiu-hua,SUN Ying,WANG Shu-jie,etal.Design for spaceborne absolute photoelectric encoder of dual numerical system[J]. Optics.Precision Engineering, 2009,17(1)：52-57．

[10] 王 瀅，張昆侖，劉國請,等．一種光電編碼器[P]：中國專利，CN201010258351.4．2010-10-22.

[11] 趙志巍，陳 赟．一種新型的絕對式矩陣式編碼盤[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2010,26(7):93-94.

ZHAO Zhi-wei,CHEN Yun.A new kind of absolute matris code disc[J].Micro-computer information, 2010,26(7)：93-94.

[12] 郁有文，常 ?。^對碼編碼器中一種新型的編碼方法[J]．儀器儀表學(xué)報，2004，25(4)：541-544.

YU You-wen,CHANG Jian. A Modern Coding Way of Absolute Encoder[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2004,25(4):541-544.

[13] 劉長順，王顯軍，韓旭東,等．八矩陣超小型絕對式光電編碼器[J].光學(xué)精密工程,2010,18(2:)326-333.

LIU Chang-shun,WANG Xian-jun,HAN Xu-dong,etal. Ultra miniature absolute optical encoders based Oil eight-matrix coding[J]. Optics Precision Engineering,2010,18(2):326-333.

[14] 耿立明，曹國華，王雯雯,等．一種新型矩陣編碼器的研究[J].光電工程,2011,38(2):138-143．

GENG Li-ming,CAO Guo-hua,WANG Wen-wen,etal.The study of a new style matris encoder[J].Opto Electronic Engineering, 2011,38(2):138-143.

[15] 陳興林，劉 楊，呂恒毅．一種新型光電軸角編碼器譯碼方法的研究[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2011,29(2):19-21．

CHEN Xing-lin,LIU Yang,LU Heng-yi.Research on new decode method of photoelectrical encoder[J].Transducer and Microsystem Technologies, 2011,29(2):19-21.