CN101984328A - 一种单码道光电编码器 - Google Patents

Abstract

一种单码道光电编码器，它的码道由编码段和非编码段交替排列组成，编码段和非编码段均由弧度为θ的透光和不透光的扇区排列构成，其中：非编码段由大于K+2个透光和不透光的扇区交替排列组成，且两端的扇区均为透光扇区，K为大于等于3的奇数；编码段由K+2个扇区排列组成，且两端的扇区也为透光扇区；编码段非端部的K个扇区的排列方式为：该K个扇区对应于一组K位二进制编码；且任意两个编码段的K位二进制编码均不相同；码道上的两发光元件相间的弧度d为θ/2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2)θ。该编码器能输出旋转物体的转角，也能输出转动物体的转速；只有一条码道，发光元件和光敏元件数目少，结构简单，成本低。

Description

一种单码道光电编码器

技术领域

本发明涉及一种光电编码器，尤其涉及一种单码道光电编码器。

背景技术

光电编码器用于确定旋转物体的转速和位置，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器由编码盘即光栅盘、发光元件、光敏元件及数据处理装置等组成。发光元件和光敏元件分布在编码盘的两侧。编码盘上有规则地分布有透光和不透光的扇区。工作时，编码盘与旋转物体的电动机同轴，电动机旋转时，编码盘与电动机同速旋转，此时发光元件发出的光规律地穿过编码盘，光敏元件接收的光通量随透光扇区同步变化，光敏元件输出的波形经过数据处理装置整形后变为脉冲，根据脉冲的形状、数目确定出旋转物体的转速、转向及位置等信息。

光电编码器的核心部件是编码盘，编码盘上沿同心圆布置的透光和不透光的扇区组成码道。光电编码器的编码盘上有多条码道，每条码道均对应有相应的发光元件和光敏元件。现有的光电编码器主要为增量式、绝对式两种。

增量编码器的编码盘有三条码道。最外圈的码道上相间分布有弧度相同的透光与不透光的扇形区，用来产生计数脉冲；扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多，分辨率越高。中间一圈码道上有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇形区，作为辨向码道。第三圈码道上只有一条透光的窄扇区(窄缝)，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲信号将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号。增量式编码器利用光电转换原理，通过编码盘的三条码道输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，用于判断旋转方向和转速。Z相为每旋转一圈输出一个脉冲，用于基准点定位。增量式编码器所需的光敏元件数量少，码道的数量也少，因此其构造简单，寿命长，抗干扰能力强，可靠较高。但增量式编码器无法输出轴转动的绝对位置信息和旋转角度，需要进行基准点定位脉冲；若在物体旋转过程中出现漏计或错计脉冲信号，则该误差对旋转角度检测结果的影响一直存在，并会进一步产生累积误差，直到得到基准点定位信号后才能得以修正。因此增量式光电编码器每次使用之前都必须先定基准点。

绝对式编码器的编码盘有N条同心码道，每一条码道由透光和不透光的扇区组成，每一码道对应一光敏元件。工作时，当码盘旋转于不同位置时，各光敏元件根据该位置处的码道的扇形区透光与否转换出相应的高、低电平信号，形成数字二进制码，二进制数码的位数与码盘上的码道数对应；不同角度上各码道形成的二进制编码不同，从而绝对式编码器用在空间位置上标注的方式，将转动物体的位置转换为数字二进制码，使之在转轴的任意位置都可读出一个固定的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘有N条码道。其特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失。但是绝对式编码器的码道数多，其编码盘的结构复杂，精度要求高，制作困难；且随着分辨率的增加，其成本与制作难度相应增加，限制了其应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种单码道光电编码器，该编码器能输出旋转物体的转角，也能输出转动物体的转速；编码盘上只有一条码道，发光元件和光敏元件数目少，结构简单，成本低。

本发明实现其目的所采用的技术方案是：一种单码道光电编码器，包括圆形的编码盘，编码盘上设有码道，码道由透光扇区和不透光扇区组成，编码盘两侧还设有位置相对的发光元件和光敏元件；光敏元件与数据处理装置相连，其结构特点是：所述的码道由编码段和非编码段交替排列组成，编码段和非编码段均由弧度为θ的透光和不透光的扇区排列构成，其中：

所述的非编码段由大于K+2个透光和不透光的扇区交替排列组成，且两端的扇区均为透光扇区，K为大于等于3的奇数；

所述的编码段由K+2个透光和不透光的扇区排列组成，且两端的扇区也为透光扇区；编码段非端部的K个扇区的排列方式为：透光扇区对应的逻辑值0，不透光扇区对应的逻辑值1，一个编码段的中间扇区对应于K位二进制编码；且任意两个编码段位二进制编码均不相同；

所述的码道上的发光元件和光敏元件分别为两个，两发光元件相间的弧度d为θ/2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2)θ

本发明的工作过程和原理是：

由于非编码段由交替排列的透光和不透光扇区组成，且两发光元件相间的弧度d为θ/2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2)θ，所以只可能出一个光敏元件处于编码段而另一个处于非编码段或者两个光敏元件都位于非编码段的两种情况；即在任一时刻，总有一个光敏元件处于非编码段。

随着物体的旋转，将任意一个处于非编码段的光敏元件的输出信号进行处理，可得到连续的高、低电平交替变化的脉冲信号，由于每个扇区的弧度θ是确定的，根据特定时间内所检测到的脉冲个数可计算得物体的转速以及当前时刻的相对旋转角度。

当两个光敏元件位于非编码段时，由于两光敏元件相间的弧度d为θ/2的奇数倍，因此两个光敏元件获得的两相脉冲信号相差1/4周期，根据该相位差的方向即可判断出物体的旋转方向。

由于每段编码段的两端及与编码段紧邻的非编码段的两端均是透光扇区，当二个光敏元件中的一个的输出脉冲信号发生两次跳变，即0-1-0或1-0-1，而相差1/4周期的另一个输出信号为00时，表明后者已进入编码段；随即在非编码段的光敏元件输出脉冲信号的每个跳变时刻，读取已进入编码段的光敏元件的输出信号，读出的K个信号即被作为K位二进制码；读完K位码以后，该光敏元件再次连续输出00信号时，表明该光敏元件离开编码段进入非编码段。由于任意两个编码段的K位二进制编码均不相同，每一个编码段有唯一的编码值，该编码值与该处位置一一对应。数据处理装置根据光敏元件读出的当前编码段的编码值，即可准确地确定出物体的绝对旋转角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在一条码道上依次分布非编码段和编码段，用二个光敏元件读取编码信息。与现有的增量式编码器相比，由于本发明中的编码段相当于在非编码段中设置的多个定位基准点，能够明显减小出现定位脉冲信号的漏计或错计及由此产生的累积误差，提高检测精确；同时配合编码段的使用，本发明装置也能在编码段的位置检测出旋转物体的绝对位置。因此，本发明装置兼有现有的增量式和绝对式编码器的功能。与绝对式编码器相比，本发明只需要一个码道，二组发光、光敏元件，较之绝对编码器的K个编码码道，本发明的码道数和发光元件、光敏元件均仅为绝对编码器的1/K，其数量大大减少，结构明显简化，成本更低，可靠性高。

下面结合附图和具体实施方式对发明进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例一的编码盘的结构示意图。

图2是为图1中的编码盘顺时针旋转80°后的示意图。

图3为图1的侧视图。

具体实施方式

实施例一

图1、2、3示出，本发明的一种具体实施方式为：

一种单码道光电编码器，包括圆形的编码盘1，编码盘1上设有码道，码道由透光扇区3a和不透光扇区3b组成，编码盘1两侧还设有位置相对的发光元件4和光敏元件5；光敏元件5与数据处理装置相连。码道由编码段2a和非编码段2b交替排列组成，编码段2a和非编码段2b均由弧度为θ的透光和不透光的扇区排列构成，其中：

所述的非编码段2b由大于K+2个透光和不透光的扇区交替排列组成，且两端的扇区均为透光扇区3a，K为大于等于3的奇数；

所述的编码段2a由K+2个透光和不透光的扇区排列组成，且两端的扇区也为透光扇区3a；编码段非端部的K个扇区的排列方式为：透光扇区3a对应的逻辑值为0，不透光扇区3b对应的逻辑值为1，一个编码段的中间扇区对应于一组K位二进制编码；且任意两个编码段的K位二进制编码均不相同；

所述的码道上的发光元件4和光敏元件5分别为两个，两发光元件4相间的弧度d为θ/2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2)θ。

图1示出，本例中K的具体值为3，非编码段2b由13(大于5)个透光和不透光的扇区交替排列组成。编码段2a由K+2＝5个透光和不透光的扇区排列组成。非编码段2b、编码段2a均为四个，编码盘上的扇区总数为(13+5)*4＝72个，每个扇区弧度为5°。

编码段非端部的K＝3个扇区的排列方式为：透光扇区3a对应的逻辑值为0，不透光扇区3b对应的逻辑值为1，一个编码段的中间扇区的3个逻辑值对应于一组3位二进制编码；且任意两个编码段的3位二进制编码均不相同；图1中，从右边开始、沿逆时针方向排列的四个编码段)的编码分别是000、001、010、011。

本例中，二个光敏元件的间距为32.5°，此间距大于一个编码段的弧度25°，而小于非编码段弧度65°，保证了两个光敏元件5只能同时都位于非编码段2b，或一个处于非编码段2b而另一个处于编码段2a，不会出现二个光敏元件5都位于编码段2a的情况。

非编码段2b的光敏元件5输出连续变化的高、低电平交替变化的脉冲信号，由于每个扇区的弧度θ是确定的，根据特定时间内所检测到的脉冲个数可计算得物体的转速以及当前时刻的相对旋转角度。

设物体顺时针方向旋转，从图1的当前位置开始，下方的光敏元件5处于非编码段，将依次输出101，即发生1-0-1两次跳变，而上方的光敏元件5输出连续的00，表示上方光敏元件5进入编码段。随之在下方光敏元件5输出信号的3个跳变时刻读上方光敏元件5的输出，读出的3个信号000即被作为3位二进制码000。设此刻物体的绝对旋转角度是0°，根据以上分析，从图1中可以得出，上方的光敏元件5过各编码段读出的编码信号及其对应的绝对转角见表1。

表1

上方光敏元件5	绝对转角
		000	0°
001	90°
		010	180°
011	270°

同样可以得出，物体按顺时针方向旋转，下方光敏元件5过编码段时读出的编码信号及其对应的绝对转角见表2。

表2

下方光敏元件5	绝对转角
		000	32.5°
001	122.5°
		010	212.5°
011	302.5°

图2则示出，当编码盘1从图1的位置沿顺时针方向旋转80°后，两个光敏元件5均在非编码段2b上。由于两个光敏元件5获得的两相脉冲信号相差1/4周期，根据该相位差的方向即可判断出物体的旋转方向。

本例中的扇区的宽度为5°。实际应用时，扇区的宽度越窄，扇区数越多，编码段的编码位数也越多，检测精度就越高。

本发明在实际应用时，增加编码位数K和编码段的段数，则可以减小绝对角度的间隙，进一步提高检测绝对角度的精度和准确性。

将透光扇区和不透光扇区更换为非金属材料扇区和金属材料扇区，相应的发光元件换为高频信号发射器，光敏元件换为电磁感应传感器，也完全能实现本发明的目的，为本发明的等同技术方案，属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种单码道光电编码器，包括圆形的编码盘(1)，编码盘(1)上设有码道，码道由透光扇区(3a)和不透光扇区(3b)组成，编码盘(1)两侧还设有位置相对的发光元件(4)和光敏元件(5)；光敏元件(5)与数据处理装置相连，其特征在于：所述的码道由编码段(2a)和非编码段(2b)交替排列组成，编码段(2a)和非编码段(2b)均由弧度为θ的透光和不透光的扇区排列构成，其中：

所述的非编码段(2b)由大于K+2个透光和不透光的扇区交替排列组成，且两端的扇区均为透光扇区(3a)，K为大于等于3的奇数；

所述的编码段(2a)由K+2个透光和不透光的扇区排列组成，且两端的扇区也为透光扇区(3a)；编码段非端部的K个扇区的排列方式为：透光扇区(3a)对应的逻辑值为0，不透光扇区(3b)对应的逻辑值为1，一个编码段的中间扇区对应于一组K位二进制编码；且任意两个编码段的K位二进制编码均不相同；

所述的码道上的发光元件(4)和光敏元件(5)分别为两个，两发光元件(4)相间的弧度d为θ/2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2)θ。

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