CN108106646A - 一种反射式绝对值光电编码器 - Google Patents

一种反射式绝对值光电编码器 Download PDF

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Abstract

一种反射式绝对值光电编码器，主要由支座、反射式码盘、电路板和外壳组成；反射式码盘含有两个增量码道；反射式码盘的外圈码道的反射式条纹数为2n组，内圈码道的反射式条纹数为2n‑1组；编码器所使用的电路板含有读数头，该读数头包括漫反射光源、狭缝盘及光电检测器，光电检测器输出的正余弦信号经过处理电路及微处理器可求得相位角、、的m位二进制码信号，微处理器将m位二进制码信号与m位二进制码信号进行纠错和组合，即可输出n+m位分辨率绝对机械角度。本发明实现反射式编码器的绝对位置输出，反射式码盘仅由两圈码盘组成，码盘尺寸小；读数头的光源为漫反射光源，位于两个码道中间，易于装配。

Description

一种反射式绝对值光电编码器
技术领域
本发明是属于光机电一体化技术领域，具体涉及到一种反射式绝对值编码器。
背景技术
光电编码器主要基于莫尔条纹原理，传统的透射式光电编码器是通过码盘和狭缝盘叠加形成莫尔条纹，采用透射式获取的光电信号随着码盘刻线的宽度的减小，要求码盘和狭缝盘的间隙呈平方减小，这样导致高分辨率的透射式光电编码器装配难度成倍提高。而反射式光电编码器是通过码盘的像与狭缝盘叠加形成莫尔条纹，因此反射式编码器对码盘和狭缝盘的间隙变化不敏感，且可使用漫射光照明。但由于传统编码方式的绝对值码盘的码道多达十圈以上，此时使用反射方式获取莫尔条纹不易控制反射角度，且码盘及狭缝盘的体积成倍增大，导致反射式光电编码器只有增量式的应用而无绝对式的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对传统反射式绝对值光电编码器的不足，提出一种采用双码道的反射式绝对值光电编码器，实现反射式编码器的绝对位置输出。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种反射式绝对值光电编码器，其特点是：该编码器主要由支座、反射式码盘、电路板和外壳组成；反射式码盘含有两个增量码道；所述的反射式码盘的外圈码道的反射式条纹数为2n组，内圈码道的反射式条纹数为2n-1组，n为正整数；
编码器所使用的电路板含有一个读数头，该读数头包括一个漫反射光源、一个狭缝盘及 m个光电检测器，m≥n+2；读数头中的漫反射光源发出的光经过反射式码盘反射到狭缝盘形成莫尔条纹，光电检测器检测莫尔条纹的变化产生电信号；
支座转动一圈时，m/2个光电检测器接收外圈反射的光信号并产生2n个周期的正、余弦信号，另外m/2个光电检测器接收内圈反射的光信号并产生2n-1个周期的正、余弦信号；
光电检测器输出的正余弦信号经过处理电路及微处理器可求得相位角、、的m位二进制码信号，为外圈正余弦信号当前周期的相位角，为内圈正余弦信号当前周期的相位角，为内外圈的正、余弦信号相位角、的差值；微处理器将m位二进制码信号与m位二进制码信号进行纠错和组合，即可输出n+m位分辨率绝对机械角度。
本发明所述的一种反射式绝对值光电编码器，其进一步优选的技术方案是：
所述的读数头设有八个光电检测器；八个光电检测器检测莫尔条纹的变化产生电信号，支座转动一圈时，四个光电检测器接收外圈反射的光信号并产生64个周期的正、余弦信号，另外四个光电检测器接收内圈反射的光信号并产生63个周期的正、余弦信号，通过正余弦信号经过处理电路和微处理器，得到内、外圈当前周期的8位数字角，通过内、外圈的数字角的差值，获得编码器绝对值位置的8位数字信号，为了进一步提高编码器的分辨率，把绝对值位置的8位数字信号作为粗角数据、外圈的8位数字角作为精角数据，通过微处理器进行数据组合与纠错，获得编码器绝对位置的14位数字信号。
本发明所述的一种反射式绝对值光电编码器，其进一步优选的技术方案是：所述的反射式码盘的内外两圈的条纹的起始点一致。
本发明所述的一种反射式绝对值光电编码器，其进一步优选的技术方案是：所述的读数头位于反射式码盘的上方，所述的狭缝盘由内、外两圈狭缝组成，每圈狭缝都由若干组狭缝组成；光电检测器分为两组，分别位于内、外两圈狭缝的下方，漫反射光源位于两组光电检测器的中间，且漫反射光源与光电检测器件之间含有隔板防止光线直接从光源传到光电检测器。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：（1）实现反射式编码器的绝对位置输出。（2）编码器的反射式码盘仅由两圈码盘组成，码盘尺寸小；（3）读数头的光源为漫反射光源，位于两个码道中间，易于装配。
附图说明
图1为本发明的编码器结构示意图；
图2是本发明的反射式光码盘图；
图3是本发明的读数头结构示意图；
图4是本发明的狭缝盘图；
图5是本发明的读数头正面示意图；
图6是本发明中的光线传播示意图；
图7是本发明中光电传感器输出波形与机械角度关系；
图8是本发明的转换电路；
图9 为14位分辨率组合框图；
图10为 n+m位分辨率组合框图。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，参照图1、图3、图10，一种反射式绝对值光电编码器：该编码器主要由支座1、反射式码盘2、电路板3和外壳4组成；反射式码盘2含有两个增量码道；所述的反射式码盘2的外圈码道的反射式条纹数为2n组，内圈码道的反射式条纹数为2n-1组，n为正整数；
编码器所使用的电路板3含有一个读数头5，该读数头5包括一个漫反射光源6、一个狭缝盘7及 m个光电检测器8，m≥n+2；读数头5中的漫反射光源6发出的光经过反射式码盘2反射到狭缝盘7形成莫尔条纹，光电检测器8检测莫尔条纹的变化产生电信号；
支座1转动一圈时，m/2个光电检测器8接收外圈反射的光信号并产生2n个周期的正、余弦信号，另外m/2个光电检测器8接收内圈反射的光信号并产生2n-1个周期的正、余弦信号；
光电检测器8输出的正余弦信号经过处理电路及微处理器可求得相位角、的m位二进制码信号，为外圈正余弦信号当前周期的相位角，为内圈正余弦信号当前周期的相位角，为内外圈的正、余弦信号相位角、的差值；微处理器将m位二进制码信号与m位二进制码信号进行纠错和组合，即可输出n+m位分辨率绝对机械角度。
实施例2，参照图1，一种反射式绝对值光电编码器：该编码器主要由支座1、反射式码盘2、电路板3和外壳4组成；反射式码盘2含有两个增量码道；
电路板3含有差分信号处理电路、微处理器及一个读数头5；反射式码盘2固定在支座1上，电路板3位于反射式码盘2的上方，读数头5安装在电路板3上靠近反射式码盘2的一侧，见图2。反射式码盘2外圈码道刻画有64组明暗相交的反射式条纹，码盘内圈码道刻画有63组明暗相交的反射式条纹，且内外两圈的条纹的起始点一致。
编码器所使用的电路板3含有一个读数头5，该读数头5包括一个漫反射光源6、一个狭缝盘7及 8个光电检测器8，见图3。其中狭缝盘7由内、外两圈狭缝A、B构成，每圈狭缝都由四组狭缝组成，且四组狭缝按照四裂相指示光栅排列，见图4。8个光电检测器8分为两组，分别位于内、外两圈狭缝A、B的下方，读数头5正面示意图见图5。漫反射光源6位于两组光电检测器8的中间，且漫反射光源6与光电检测器8之间含有隔板9防止光线直接从漫反射光源6传到光电检测器8。
上述的支座1转动时，读数头5的漫反射光源6发出的光经过反射式码盘2反射到狭缝盘7，与狭缝盘7形成莫尔条纹，光线传播示意图见图6。两组光电检测器8根据莫尔条纹的周期变化分别产生八路的正余弦变化的电压信号。
光电检测器8输出波形与机械角度关系见图7，当转轴转动角度时，外圈光电检测器输出的4路正、余弦信号，分别为、、、，内圈光电检测器输出的4路正、余弦信号分别为、、、，其中为信号的幅值，U 1、U 2为直流电平。编码器转换电路示意图见图8，8路正、余弦信号经过差分处理电路后转化为4路正、余弦信号，其中外圈为和，内圈信号和。由于正、余弦信号是一个以360°为周期的函数，其相位角存在下列关系：
式中：为外圈当前周期的相位角；
为内圈当前周期的相位角；
为外圈转过的圈数；
为内圈转过的圈数。
因此，外圈正、余弦信号变换为、，内圈正、余弦信号变换为、。
内、外圈的圈数存在下列关系：
则编码器转过的角度α为：
编码器转换电路示意图见图8，差分处理电路输出4路正、余弦信号，经微处理器进行AD转换和解算，得到外圈8位数字角和内圈8位数字角，通过计算内、外圈数字角、的差值，获得编码器绝对位置信号的8位数字信号。
为了提高编码器的分辨率，把8位数字信号作为粗角数据、8位数字角作为精角数据，通过粗精组合与纠错，组合成编码器绝对位置信号的14位数字角，其组合框图见图9。

Claims (4)

1.一种反射式绝对值光电编码器，其特征在于：该编码器主要由支座、反射式码盘、电路板和外壳组成；反射式码盘含有两个增量码道；所述的反射式码盘的外圈码道的反射式条纹数为2n组，内圈码道的反射式条纹数为2n-1组，n为正整数；
编码器所使用的电路板含有一个读数头，该读数头包括一个漫反射光源、一个狭缝盘及 m个光电检测器，m≥n+2；读数头中的漫反射光源发出的光经过反射式码盘反射到狭缝盘形成莫尔条纹，光电检测器检测莫尔条纹的变化产生电信号；
支座转动一圈时，m/2个光电检测器接收外圈反射的光信号并产生2n个周期的正、余弦信号，另外m/2个光电检测器接收内圈反射的光信号并产生2n-1个周期的正、余弦信号；
光电检测器输出的正余弦信号经过处理电路及微处理器可求得相位角、、的m位二进制码信号，为外圈正余弦信号当前周期的相位角，为内圈正余弦信号当前周期的相位角，为内外圈的正、余弦信号相位角、的差值；微处理器将m位二进制码信号与m位二进制码信号进行纠错和组合，即可输出n+m位分辨率绝对机械角度。
2.根据权利要求1所述的一种反射式绝对值光电编码器，其特征在于：
所述的读数头设有八个光电检测器；八个光电检测器检测莫尔条纹的变化产生电信号，支座转动一圈时，四个光电检测器接收外圈反射的光信号并产生64个周期的正、余弦信号，另外四个光电检测器接收内圈反射的光信号并产生63个周期的正、余弦信号，通过正余弦信号经过处理电路和微处理器，得到内、外圈当前周期的8位数字角，通过内、外圈的数字角的差值，获得编码器绝对值位置的8位数字信号，为了进一步提高编码器的分辨率，把绝对值位置的8位数字信号作为粗角数据、外圈的8位数字角作为精角数据，通过微处理器进行数据组合与纠错，获得编码器绝对位置的14位数字信号。
3.根据权利要求1所述的一种反射式绝对值光电编码器，其特征在于：所述的反射式码盘的内外两圈的条纹的起始点一致。
4.根据权利要求1所述的一种反射式绝对值光电编码器，其特征在于：所述的读数头位于反射式码盘的上方，所述的狭缝盘由内、外两圈狭缝组成，每圈狭缝都由若干组狭缝组成；光电检测器分为两组，分别位于内、外两圈狭缝的下方，漫反射光源位于两组光电检测器的中间，且漫反射光源与光电检测器件之间含有隔板防止光线直接从光源传到光电检测器。
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