CN103557878A - 一种绝对光栅尺的多轨道编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种绝对光栅尺的多轨道编码方法。为了解决微纳加工测量中，增量编码的累积误差和绝对编码的硬件复杂等问题，本发明使用一种基于单、多轨道适用的p元M序列伪随机码的绝对编码方式，本编码方式适用于直线绝对位置编码器、圆盘绝对角度编码器，可以在任何时候定位，不需要开机返零。并且带增量编码条，可以使用相位细分法提高测量精度。本编码是一种易于生成、复制和加工、编码容量大、解码成本低、宏微复合的绝对位置编码方法。本编码包括普通单轨二元M序列绝对光栅尺直线编码、M序列圆盘编码器、扩码方式多码道伪随机码直线编码、扩码方式p元M序列伪随机码，结合上述编码得到的最大编码方式。

Description

一种绝对光栅尺的多轨道编码方法

技术领域

本发明是一种绝对光栅尺的多轨道编码方法，本编码方式适用于直线绝对位置编码器、圆盘绝对角度编码器，属于高精密绝对光栅尺位置编码和角度编码的一种编码方式。 

背景技术  

光栅尺，也称光栅尺位移传感器或光栅尺传感器，是一种利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置 光栅尺可用作直线位移或角位移的检测，常用于数控机床的闭环伺服系统中。

    目前光栅尺主要分为三大类：增量光栅尺、绝对光栅尺及带距离码参考标记增量光栅尺。光栅尺的位置检测信号分增量计数输出与绝对值输出两类，前者需要通过外部控制器(如CNC)计算输出脉冲的数量来确定实际位置，称增量光栅尺(Incremental Liner Encoders) ; 后者的输出信号可直接反映实际位置，称绝对光栅尺(Absolute Liner Encoders )。带距离码参考标记的增量光栅尺增加位于零点标记间的距离码参考标记刻度， 

随着工业加工的精密化，光栅尺在加工反馈中的作用越发的明显，同时，为了提高加工精度、减少累积误差、避免开机定位的繁琐步骤等，绝对光栅尺的优势也越来越明显。但是目前，国际上绝对光栅尺没有一套优良的编码方式，使得光栅尺结构复杂、编码长度不够、解码速度低、精度低等缺点限制着绝对光栅尺的发展。

伪随机码(pseudo random code)简称PN码，是一种具有类似白噪声性质的码。他的瞬态值服从整台分布，功率谱在很宽的频带内是均匀的，而且有良好的相关特性。 

发明内容

本发明针对增量编码的累积误差和绝对光栅尺结构复杂、编码长度不够、解码速度低、精度低等缺点,设计一套基于单、多轨道适用的p元M序列伪随机码的绝对编码方式，使得编码方式适用于直线绝对位置编码器、圆盘绝对角度编码器，可以在任何时候定位，不需要开机返零。并且带增量编码条，可以使用相位细分法提高测量精度。本编码是一种易于生成、复制和加工、编码容量大、解码成本低、宏微复合的绝对位置编码方法。 

发明内容

本发明针对增量编码的累积误差和绝对光栅尺结构复杂、编码长度不够、解码速度低、精度低等缺点, 提供一种易于生成、复制和加工、编码容量大、解码成本低、宏微复合的绝对光栅尺的多轨道编码方法。本发明基于单、多轨道适用的p元M序列伪随机码的绝对编码方式，使得编码方式适用于直线绝对位置编码器、圆盘绝对角度编码器，可以在任何时候定位，不需要开机返零。并且带增量编码条，可以使用相位细分法提高测量精度。 

为解决以上问题，本发明绝对光栅尺的多轨道编码方法，包括如下编码方式： 

1）单轨伪随机编码方式，光栅尺尺体上具有增量码道和单轨绝对码道，该单轨绝对码道为M序列伪随机码，光栅尺读数头上有增量码道读数头，用于生成读码同步信号，有单轨绝对码读数头，用于解码单轨绝对码道上的绝对编码；

2）多轨二元伪随机码编码方式，是在单轨伪随机编码方法基础上，光栅尺尺体上增加多道伪随机码，且每条码道比上一伪随机码码道周期少1，光栅尺读数头增加相应码道读数头；

3）多轨p元伪随机码编码方式，是在单轨伪随机编码方法基础上，每一个绝对编码位由原先的1位编码变成多位编码，光栅尺尺体上增加相应绝对编码码道，用于表示增加的编码位，光栅尺读数头增加相应码道读数头。

上述单轨伪随机编码方式对应的光栅尺尺体有增量码道和单轨M序列码道，读数头有增量读数头和单轨绝对码读数头，增量读数头和增量码道给解码电路产生同步的解码脉冲，同时增量码道作为增量光栅尺的增量码，用相位细分法进一步提高光栅尺精度,增量码道包含黑色条纹和白色条纹，黑白编码条纹宽度均为△，单轨M序列码道的编码“1”和“0”宽度均为△，编码“1”为黑色条纹，编码“0”为白色条纹，并且增量码道和单轨M序列码道对齐，无相位差，单轨绝对码读数头排列间隔均为△，增量读数头和单轨绝对码读数头的第一个读数头在编码垂直方向上对齐，无相位差。 

上述多轨二元伪随机码编码方式, 是在单轨伪随机编码方法基础上，光栅尺尺体上增加多道伪随机码，如增加多轨二元编码第二码道，且比上一伪随机码码道多轨二元编码第一码道周期少1，光栅尺读数头增加相应码道读数头，多轨二元编码第一码道5使用M序列码道其周期为 L_M，多轨二元编码第二码道使用m序列码道，其周期为Lm，第k码道使用周期为Lk=2ⁿ-k的伪随机序列。 

上述多轨p元伪随机码编码方式，包含多码道用于表示增加的编码位，如多轨p元编码第一码道表示多轨p元伪随机码编码的低位编码，多轨p元编码第二码道表示多轨p元伪随机码编码的高位编码，其中多轨p元编码第一码道、多轨p元编码第一码道读数头、p元编码第二码道、多轨p元编码第二码道读数头，要求多轨p元编码第一码道的编码“1”和“0”宽度均为△，编码“1”为黑色条纹，编码“0”为白色条纹，多轨p元编码第二码道的编码“1”和“0”宽度均为△，编码“1”为黑色条纹，编码“0”为白色条纹,并且多轨p元编码第一码道、多轨p元编码第一码道读数头、p元编码第二码道、多轨p元编码第二码道读数头对齐，无相位差。 

上述单轨伪随机编码周期L_M=2ⁿ，多轨二元伪随机码编码周期Ll= ，多轨p元伪随机码编码Lp=pⁿ，最大周期Lmax=

。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)属于绝对位置编码和绝对角度编码，应用于光栅测量系统中，可以在开机和运行中实时定位，不需要开机定位。

2)读码过程不会因为丢失脉冲产生没有累积误差。 

3)支持单、多轨道使用。 

4)支持直线位移编码器和圆盘角度编码器。 

5)带脉冲生成码道，同时可以作为增量码道，与现有的增量编码系统无缝结合，可以完美利用现有完善的增量编码方式来提高测量精度。 

6)可以自由选择读数头行数和每行的读数头个数，编码长度可以自由调整，有利于降低短行程测量机构的成本。 

7)编码容量接近指数增长、编码容量大、编码利用率大。单轨编码有最大编码利用率。 

8)不使用增量编码条的情况下，编码精度△与光栅精度△相等，不是一个编码的长度。大大提高了编码精度。 

9)编码由反馈网络生成，易于生成和复制、生产。 

附图说明

              图1为本发明线性反馈移位寄存器的示意图； 

图2为本发明M序列逻辑示意图； 

图3为本发明单轨伪随机编码方式的示意图； 

图4为本发明多轨二元伪随机码编码方式的示意图： 

图5为本发明多轨p元伪随机码编码方式的示意图；

图6为本发明读数头读到的数据示意图。 

具体实施方式

m序伪随机序列的产生： 

如图1，假设初始状态为(a _n-４ a _n-３ a _n-2 a _n-1)＝ (1000)，其反馈逻辑为：

a_n-1=a_n-３⊕a_n-４。

则可以得到一组伪随机序列：

  

m序列伪随机码反馈级数为n，则编码长度为

L_m=2ⁿ-1

m序列线性反馈移位寄存器的递推关系式：

   若经k次移位，则第l级的输出为： 

m序列线性反馈移位寄存器的特征多项式：

m序列线性反馈移位寄存器的本源多项式：

一个n级线性反馈移位寄存器能产生m序列的充要条件是它的特征多项式为一个n次本原多项式。若一个n次多项式f(x)满足下列条件，则称f(x)为本原多项式：

    (1) f(x)为既约多项式(即不能分解因式的多项式)；

    (2) f(x)可整除(xp+1), p=2ⁿ-1；

    (3) f(x)除不尽(xq+1),q<p。

M序列伪随机码产生： 

M序列的构造可以在m序列基础上实现。因为m序列包含了 L_m 个非零状态，仅缺一个0状态，因此，只要在m序列适当的位置上插入一个0状态， 即可完成码长为2n-1的m序列向码长为2n的M序列转换。图2中的000状态检测器可检测到1000和0000两个状态。 当检测到1000状态时，检测器输出为1，这个1与反馈输入a _n （此时为1）模二加得到0，输入到a _n-1，使后续状态成为0状态；在0状态时检测器继续输出1，此1与反馈输入a _n  此时为0）模二加得到1， 输入到a _n-1，使0状态的后续状态保持原来的循环状态0001。 这样就把0状态插进原始序列之中便产生M序列伪随机编码：

M序列伪随机码反馈级数为n，则编码长度为

L_M=2ⁿ

单轨伪随机编码绝对光栅尺直线编码方式：

按上述生成的伪随机序列，刻制绝对光栅如图3。其中码道有增量码道2和单轨M序列码道3。读数头有增量读数头1和单轨绝对码读数头4。增量读数头1和增量码道2给解码电路产生同步的解码脉冲，同时增量码道2可以作为增量光栅尺的增量码，可以用相位细分法进一步提高光栅尺精度,增量码道2包含黑色条纹和白色条纹，黑白编码条纹宽度均为△。单轨M序列码道3的编码“1”和“0”宽度均为△，编码“1”为黑色条纹，编码“0”为白色条纹，并且增量码道2和单轨M序列码道3对齐，无相位差，单轨绝对码读数头4排列间隔均为△，增量读数头1和单轨绝对码读数头4的第一个读数头在编码垂直方向上对齐，无相位差。其中单轨M序列码道3排列规则为：

a₀a₁a₂a₃=

a_n=mod(2),（3<n）

多轨二元伪随机码编码直线编码方式： 

       在读数头沿编码方向尺寸限制时，可以使用多码道编码。第k码道使用周期为Lk的伪随机序列。其中Lk为：

Lk=2ⁿ-k

利用上述性质，列出2码道2元3反馈逻辑的伪随机码其中一种编码状态，并且使用八进制表示一个脉冲，读数头读到的数据如图6：

进过Ll=8×7=56个编码脉冲后，将恢复起始编码：44。由于k码道比k+1码道编码容量少1，全部编码经过

个脉冲后将回到初始编码，所以总编码周期Ll:

Ll= 

将上述编码刻制成光栅如图4。包含读数头有增量读数头1、增量码道2、多轨二元编码第一码道5、多轨二元编码第一码道读数头6、多轨二元编码第二码道7、多轨二元编码第二码道读数头8,。多轨二元编码第二码道7上一伪随机码码道多轨二元编码第一码道5周期少1。

      多轨p元伪随机码编码方式 

       二元M序列元素为{0，1},p元M序列元素为{0,1，……，p-2,p-1},按上述方法生成一个4元2反馈的M序列码表如下：

刻制成4元2反馈的M序列伪随机码道如图5，包含增量读数头1、增量码道2、多轨p元编码第一码道9、多轨p元编码第一码道读数头10、p元编码第二码道11、多轨p元编码第二码道读数头12。其中多轨p元编码第一码道9表示多轨p元伪随机码编码的低位编码，多轨p元编码第二码道11表示多轨p元伪随机码编码的高位编码。编码其周期 Lp:

Lp=pⁿ

由上述，一个k轨道、p元、n反馈伪随机序列可以生成最大序列周期为:

Lmax=

。

Claims (5)

1.一种绝对光栅尺的多轨道编码方法，其特征在于所述编码方法包括如下编码方式：

1）单轨伪随机编码方式，光栅尺尺体上具有增量码道和单轨绝对码道，该单轨绝对码道为M序列伪随机码，光栅尺读数头上有增量码道读数头，用于生成读码同步信号，有单轨绝对码读数头，用于解码单轨绝对码道上的绝对编码；

2）多轨二元伪随机码编码方式，是在单轨伪随机编码方法基础上，光栅尺尺体上增加多道伪随机码，且每条码道比上一伪随机码码道周期少1，光栅尺读数头增加相应码道读数头；

3）多轨p元伪随机码编码方式，是在单轨伪随机编码方法基础上，每一个绝对编码位由原先的1位编码变成多位编码，光栅尺尺体上增加相应绝对编码码道，用于表示增加的编码位，光栅尺读数头增加相应码道读数头。

2.根据权利要求1所述绝对光栅尺的多轨道编码方法，其特征在于上述单轨伪随机编码方式对应的光栅尺尺体有增量码道和单轨M序列码道，读数头有增量读数头和单轨绝对码读数头，增量读数头和增量码道给解码电路产生同步的解码脉冲，同时增量码道作为增量光栅尺的增量码，用相位细分法进一步提高光栅尺精度,增量码道包含黑色条纹和白色条纹，黑白编码条纹宽度均为△，单轨M序列码道的编码“1”和“0”宽度均为△，编码“1”为黑色条纹，编码“0”为白色条纹，并且增量码道和单轨M序列码道对齐，无相位差，单轨绝对码读数头排列间隔均为△，增量读数头和单轨绝对码读数头的第一个读数头在编码垂直方向上对齐，无相位差。

3.根据权利要求1所述绝对光栅尺的多轨道编码方法，其特征在于上述多轨二元伪随机码编码方式, 是在单轨伪随机编码方法基础上，光栅尺尺体上增加多道伪随机码，如增加多轨二元编码第二码道，且比上一伪随机码码道多轨二元编码第一码道周期少1，光栅尺读数头增加相应码道读数头，多轨二元编码第一码道5使用M序列码道其周期为 L_M，多轨二元编码第二码道使用m序列码道，其周期为Lm，第k码道使用周期为Lk=2ⁿ-k的伪随机序列。

4.根据权利要求1所述绝对光栅尺的多轨道编码方法，其特征在于上述多轨p元伪随机码编码方式，包含多码道用于表示增加的编码位，如多轨p元编码第一码道表示多轨p元伪随机码编码的低位编码，多轨p元编码第二码道表示多轨p元伪随机码编码的高位编码，其中多轨p元编码第一码道、多轨p元编码第一码道读数头、p元编码第二码道、多轨p元编码第二码道读数头，要求多轨p元编码第一码道的编码“1”和“0”宽度均为△，编码“1”为黑色条纹，编码“0”为白色条纹，多轨p元编码第二码道的编码“1”和“0”宽度均为△，编码“1”为黑色条纹，编码“0”为白色条纹,并且多轨p元编码第一码道、多轨p元编码第一码道读数头、p元编码第二码道、多轨p元编码第二码道读数头对齐，无相位差。

5.根据权利要求1所述绝对光栅尺的多轨道编码方法，其特征在于上述单轨伪随机编码周期L_M=2ⁿ，多轨二元伪随机码编码周期Ll=                                                

，多轨p元伪随机码编码Lp=pⁿ，最大周期Lmax=

。

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