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(pán)是光電軸角編碼器的核心元件[1-3]，由刻畫(huà)一定圖案(碼道)的碼盤(pán)和與之相配合的狹縫盤(pán)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(xiàn)的圓分度元件，具有抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)累積誤差、掉電重啟后無(wú)須重新對(duì)零等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。隨著工業(yè)現(xiàn)代化、軍工、國(guó)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(mǎn)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(pán)及狹縫盤(pán)的徑向尺寸;② 改變碼盤(pán)上的碼道編排方式[6-7]。但是，碼盤(pán)與狹縫的尺寸縮小后，會(huì)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(duì)減小編碼器尺寸的貢獻(xiàn)很??；而保證碼道寬度不變，只能是減少碼道數(shù)量，這樣又會(huì)造成編碼器分辨率降低。因此，在碼盤(pán)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(pán)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(duì)式編碼盤(pán)，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(pán)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(pán)設(shè)計(jì)

新型的四矩陣編碼盤(pán)解決技術(shù)問(wèn)題的方案包括碼盤(pán)和狹縫盤(pán)。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(pán)隨編碼器主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，狹縫盤(pán)相對(duì)于編碼器主軸固定不轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤(pán)與狹縫盤(pán)之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出代碼記錄著編碼器主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移位置。

1.1 碼盤(pán)的碼道布局[8-11]

碼盤(pán)的碼道布局如圖1所示：在碼盤(pán)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(gè)扇形區(qū)域，每個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)圓周上等間距地設(shè)有16個(gè)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(gè)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(xiàn)跨一個(gè)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(gè)扇形區(qū)域，每個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)通光區(qū)段的外側(cè)還各有一個(gè)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(pán)碼道的布局結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 狹縫盤(pán)的碼道布局

在圖3所示的狹縫盤(pán)上，有三圈狹縫，第一圈狹縫設(shè)有8個(gè)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(gè)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(gè)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(pán)上狹縫布局結(jié)構(gòu)示意圖。

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

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

2 編碼盤(pán)的譯碼原理

碼盤(pán)的三圈碼道分別與狹縫盤(pán)的三圈狹縫相匹配，當(dāng)碼盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三圈狹縫盤(pán)在遇到碼盤(pán)上相對(duì)應(yīng)的碼道的通光區(qū)段時(shí)，呈現(xiàn)高電平狀態(tài)，則有信號(hào)輸出。遇到不通光區(qū)段時(shí)，呈現(xiàn)低電平狀態(tài)，沒(méi)有信號(hào)輸出[12-15]。利用光敏原件接收信號(hào)，光敏原件與狹縫盤(pán)相對(duì)應(yīng)，在第一圈分布8個(gè)，第二圈2個(gè)，第三圈4個(gè)，然后將14個(gè)光敏元件集成一個(gè)讀數(shù)頭。

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

A1、A2、A3、A4不是傳統(tǒng)的周期碼，通過(guò)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(duì)應(yīng)16個(gè)狀態(tài)。

表1 第一圈狹縫接收到的光電信號(hào)

第二圈狹縫b1和b2各自輸出了單一的A5碼和A6碼，無(wú)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(hào)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(hào)與傳統(tǒng)格雷碼的關(guān)系

經(jīng)過(guò)處理后，得出10位格雷碼，見(jiàn)圖5。

圖5 碼道工作圖

3 檢測(cè)、試驗(yàn)分析

根據(jù)以上理論制作出小型編碼器，對(duì)其進(jìn)行誤碼檢測(cè)，利用數(shù)據(jù)采集軟件，將勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的編碼器實(shí)時(shí)輸出進(jìn)行采集，編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)1周即360°得到一組數(shù)據(jù)，每隔360°/1 024角度進(jìn)行測(cè)量，利用相鄰位置的角度差恒等于分辨率，進(jìn)行檢測(cè)。查看差值的規(guī)律，如果存在誤碼，讀數(shù)差有誤，在曲線(xiàn)上能看到有突跳點(diǎn)。經(jīng)多次通過(guò)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(pán)的絕對(duì)式光電軸角編碼器具有可行性。其測(cè)角精度能夠達(dá)到±0.351 562 5°。由于需采集1 024個(gè)數(shù)據(jù)，故截取其中一段曲線(xiàn)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(cè)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新型的四矩陣式絕對(duì)編碼器，與現(xiàn)有的四矩陣式碼盤(pán)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(cè)角分辨率為1.406 25°，4個(gè)讀數(shù)頭。本設(shè)計(jì)的編碼盤(pán)可輸出十位碼，測(cè)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(pán)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(jiǎn)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。

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