CN102331269B

CN102331269B - 多路绝对式轴角传感器

Info

Publication number: CN102331269B
Application number: CN201110279277.9A
Authority: CN
Inventors: 周岗; 陈永冰; 刘勇; 陈阳; 习喜龙; 王度桥; 李文魁
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN102331269A

Abstract

本发明公开了一种多路绝对式轴角传感器，利用一个机械式光栅码盘实现多路电气独立的轴角信号采集，提供多路电气独立的绝对式角度信号，并能够实现各轴角信号采集通道输出的角度值相同，具有制造成本低、机械结构和装调工艺简单、可靠性高等特点。

Description

多路绝对式轴角传感器

技术领域

本发明涉及一种多路绝对式轴角传感器，具体为利用同一个光电轴角传感器的机械结构，实现多路电气独立的轴角信号采集，属传感器行业光电传感器技术领域。

背景技术

船舶自动操舵仪控制系统中的舵叶角度信号的采集是一个典型的同轴多路轴角信号采集问题，其轴角传感器是控制系统中常用的传感器设备。实际应用中，经常需要解决控制系统中多个子系统（如显示子系统、控制子系统、报警子系统等）或多个不同控制系统需要同一个轴角信号的问题，即同轴多路轴角信号采集问题。针对该问题，一种解决方法是所有子系统共用一个轴角传感器输出的角度信号，该方法的优点是系统结构简单、调试方便、成本低，缺点是系统的可靠性较低，因为当轴角传感器出现故障时会导致所有系统不能正常工作；另一种解决方法是采用多个轴角传感器独立完成各系统的轴角信号采集，该方法的优点是系统的可靠性高，其缺点是系统结构复杂，调试难度大、成本高。

船舶自动操舵仪控制系统中的多个子系统（控制、显示、报警等）均需要舵叶角度信号，舵叶角度信号采集由安装舵角传感器的舵角反馈机构完成，为保证船舶自动操舵仪的可靠性，操舵仪中要求具备两套完全独立的控制系统和一套独立的舵角复示系统，因此舵角反馈机构中通常安装有两个相互独立的舵角传感器和一个独立的舵角复示传感器。根据《国家标准》（GJB5743-94）要求，这三个舵角传感器在电气上必须完全独立，其公共部分只能是机械传动机构。目前常见的舵角传感器及信号反馈输出机构，主要采用自整角机、旋转变压器、电位器和绝对式光电编码器作为角度传感器。

采用自整角机或旋转变压器作为角度传感器的主要缺点是实现多路舵角信号测量时需多个电机，因此机械结构复杂，并且将其输出的信号转换为舵角数字量时需采用专用的模数转换模块，如中国发明专利《高精度CMOS集成电路自整角机/旋转变压器-数字转换技术》（申请号：200810023441.8 申请日：2008-04-14）所采用的方案，其不足之处主要是成本高。

采用电位器作为角度传感器的主要缺点同样是实现多路舵角信号测量时需多个电位器，因此机械结构复杂且成本较高，并且电位器存在机械磨损，长期使用后，其电气特性会出现较大变化，进而影响角度测量的线性度、灵敏度和准确性。

光电编码器是目前采用较多的一种非接触式角度测量方法，其优点是使用寿命长，抗干扰能力强，可靠性高。其主要缺点为：

（1）已有的绝对式光电编码器通常只能完成单路轴角信号采集，如中国发明专利《一种绝对式光电轴角编码器精码信号幅值自动调整方法》（申请号：200910218058.2 申请日：2009-12-22）、《绝对式轴角编码器设计方法及编码器》（申请号：90107279.6 申请日：1990-08-25）及实用新型专利《密窄码道绝对式轴角光电编码器》（申请号：200420025915.X 申请日：2004-04-01）、《模块化高位单圈绝对式光电编码器》（申请号：200520140334.5 申请日：2005-12-21），因此采用常见绝对式光电编码器作为船舶舵角传感器，需要多个光电编码器，机械结构复杂且成本高。

（2）另一方面，常见的光电编码器通常采用光学玻璃制作码盘，如实用新型专利《密窄码道绝对式轴角光电编码器》所公开的码盘等，玻璃码盘的不足之处是抗震性能差。

针对船舶自动操舵仪控制系统中涉及的同轴多路轴角信号采集，给出一种利用一个轴角传感器实现多路电气独立的轴角信号采集装置，既符合《国家标准》要求，又可显著的降低轴角传感器设备成本和机械结构的复杂程度，而且提高了系统的可靠性，无疑是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术所述不足，提供一种多路绝对式轴角传感器，利用一个机械式光栅码盘实现多路电气独立的轴角信号采集，提供多路电气独立的绝对式角度信号，并能够实现各轴角信号采集通道输出的角度值相同，具有制造成本低、机械结构和装调工艺简单、可靠性高等特点。

本发明的技术方案是：多路绝对式轴角传感器，包括红外光发射装置、光栅码盘装置、红外光接收装置、转角输出装置、电源及信号输出装置；所述光栅码盘装置包括光栅码盘、固连在上主轴上的圆形压盘、固连在下主轴上的圆形托盘，光栅码盘位于圆形托盘与圆形压盘之间，所述圆形托盘中间沿轴线方向固连有螺杆，所述圆形压盘中间沿轴线方向有螺孔，所述螺杆旋接在所述螺孔内锁紧定位；其特征在于：所述光栅码盘装置是一个机械式的与轴角同步的旋转码盘，有至少二路相互独立的红外光发射装置、红外光接收装置及转角输出装置，所述各路转角输出装置输出的轴角信号是轴角的绝对角度值，各路之间相互独立的实现轴角信号采集与处理，且输出的轴角绝对角度值相同；所述红外光发射装置位于所述的旋转码盘一侧，红外光接收装置及转角输出装置对称的位于所述的旋转码盘的另一侧。其有益效果是：多路红外光发射装置、红外光接收装置及转角输出装置，通过旋转码盘进行轴角信号的发射与接收，实现轴角信号的多路独立采集及输出，克服了常规的轴角信号采集方法需要多个光电编码器或多个自整角机和复杂的齿轮装置的不足，简化了机械结构，降低了轴角信号采集的硬件成本。

所述主轴包括上主轴和下主轴，所述下主轴上固连有一个圆形托盘，所述的圆形托盘中间沿轴线方向上固连有一个螺杆；所述上主轴上有一个圆形压盘，所述圆形压盘中间沿轴线方向开有一个螺孔；所述光栅码盘位于圆形托盘和圆形压盘之间，通过下主轴圆形托盘上的螺杆与上主轴圆形压盘的螺孔螺旋压接紧固，还有一个锁紧螺母将螺杆锁紧定位。

所述光栅码盘是由高透光性的附铜环氧玻璃纤维板材通过腐蚀加工工艺制成的同心的圆弧形码道，圆弧形码道上被腐蚀掉附铜膜的区域为透光区域，保留附铜的区域为不透光区域。其有益效果是：红外光发射与接收装置可通过各码道中的透光或不透光区域，完成同盘多路角度信号采集时的红外光发射与接收，配合转角输出装置上的接收电路完成同盘多路轴角信号采集。

本发明的有益效果是：

⑴采用光电技术实现了轴角信号的无接触测量，传感器在使用过程中无机械磨损，具有可靠性高，使用寿命长的优点。

⑵采用一个光电码盘实现了轴角信号的同盘多路采集，简化了机械结构，显著降低了轴角信号采集的硬件成本。

⑶采用绝对式编码方式采集轴角信号，与增量式编码方式相比，该传感器的输出不受断电影响，可随时提供轴角信号的准确值，无积累误差，抗干扰能力强。

⑷光栅码盘采用高透光性的附铜环氧玻璃纤维材料通过腐蚀加工工艺制成，克服了玻璃光栅码盘易碎的缺点，提高了装置的抗震性。

附图说明

附图1为多路绝对式轴角传感器总体结构示意图；

附图2 为多路绝对式轴角传感器构造图；

附图3为同盘两路轴角采集示意图；

附图4为同盘两路轴角采集的原理结构图；

附图5为同盘两路轴角采集的光栅码盘的码道图；

附图6为同盘四路轴角采集示意图；

附图7为同盘四路轴角采集的光栅码盘的码道图；

附图8为同盘n路轴角采集原理示意图；

附图9为同盘n路轴角采集通道原理结构图；

附图10为同盘n路轴角采集通道中的程序流程图。

具体实施方式

附图中的标记：

附图1中，S—红外光发射装置，R—红外光接收及轴角输出装置，D—光栅码盘装置。

附图2中，D1—下主轴，D2—上主轴，D3—光栅码盘，D4—紧固螺丝；E1、E2—半圆形隔板，E3、E4—紧固螺丝；R1—红外光接收电路板，R2—透光隔板，R3—滚珠轴承，R4—轴承压板，R5—轴承安装板；S1—红外光发射电路板，S2—透光隔板，S3—滚珠轴承，S4—轴承压板，S5—轴承安装板。

附图3中，S11、S12—红外光发射器件，R11、R12—红外光接收器件。

附图4中，R15、R22—电源电路，R16、R19—整形电路，R17、R20—处理电路，R18、R21—输出电路。

附图5中，D30、D31、D32、D33—光栅码盘上的码道。

以下结合附图对发明实施例作进一步说明：

参照附图1，本发明的多路绝对式轴角传感器装置由红外光接收装置及轴角输出装置R、光栅码盘装置D和红外光发射装置S构成，所述红外光发射装置S输出的红外光经光栅码盘装置D后被红外光接收装置及转角输出装置R接收，红外光接收装置及转角输出装置R接收到红外光信号后解算得到光栅码盘装置D当前的转角位置，并向外部接口输出光栅码盘装置D的绝对角度值。红外光发射装置S的电源由红外光接收装置及转角输出装置R提供。

参见附图2，光栅码盘装置D由一个下主轴D1，一个上主轴D2，一个光栅码盘片D3和一个紧固螺丝D4相互紧固构成。下主轴D1上加工有一个圆形托盘，在该托盘中间沿轴线方向加工有一个螺杆，上主轴D2上加工有一个圆形压盘，该圆形压盘中间沿轴线方向加工有一个螺孔。将光栅码盘D3置于圆形托盘和圆形压盘之间，将下主轴上D1的螺杆旋入上主轴D2的螺孔中，紧固后光栅码盘D3和上下主轴被固联在一起，然后再用一个锁紧螺母D4将螺杆锁紧。光栅码盘D采用高透光性的附铜环氧玻璃纤维材料，通过腐蚀加工工艺制成的同心的圆弧形码道，圆弧形码道上被腐蚀掉附铜膜的区域为透光区域，保留附铜的区域为不透光区域。

参见附图2，红外光发射装置S由一个红外光发射电路板S1，一个透光隔板S2，一个滚珠轴承S3，一个轴承压板S4，一个轴承安装板S5 构成。各部分通过4个紧固螺丝E4紧固在一起，其中滚珠轴承S3镶嵌在轴承安装板S5中，用于支撑光栅码盘的下主轴D1。

参见附图2，红外光接收装置及轴角输出装置R由一个红外光接收电路板R1，透光隔板R2，一个滚珠轴承R3，一个轴承压板R4，一个轴承安装板R5 构成；各部分通过另外4个紧固螺丝E4紧固在一起，其中滚珠轴承R3镶嵌在轴承安装板R5中，用于支撑光栅码盘的上主轴D2。

上述透光隔板S2和R2的功能是增加红外光发射装置S和轴角输出装置R的强度，其在红外光经过的地方加工了细缝，该细缝在透光的同时也用于限制光线的发散角，避免产生误码。

参见附图2，在红外光接收及轴角输出装置R与红外光发射装置S之间安装有两个半圆形隔板E1和E2，其功能是在装置R和S之间形成一个可供光栅码盘D3自由转动的空间。

参见附图2，将红外光接收装置及轴角输出装置R、红外光发射装置S和光栅码盘装置D三部分通过紧固螺丝E3紧固在一起。紧固螺丝E3的另一个功能是为红外光发射装置S提供电源，外部电源首先连接到红外光接收及轴角输出装置R后，然后通过紧固螺丝E3为红外光发射装置S提供电源，紧固螺丝E3是导电性能良好的铜螺丝。

参见附图3，为本发明实施例之一的轴角采集示意图，该实施例为同盘两路轴角采集。其包含有两组红外光发射和接收器件，其中，红外光发射器件S11和接收器件R11位于光栅码盘的0°位置，红外光发射器件S12和接收器件R12位于光栅码盘的180°位置，外部旋转轴与光栅码盘D3固联在一起，当外部旋转轴转动并带动光栅码盘D3转动时，两组红外光发射和接收器件分别独立完成光栅码盘轴角值的采集。

参见附图4，为本发明实施例光电工作原理，图中两组光电轴角采集电路A和B完全独立，两组红外光发射器件S11和S12安装在红外光发射电路板S1上，相互之间相差180°；红外光接收器件R11和R12安装在红外光接收电路板R1上，该电路板上包含有两路独立的电源电路R15和R22、整形电路R16和R19，处理电路R17和R20，输出电路R18和R21。

上述红外光发射器件为IR91_21B，红外光接收器件为PT91_21B。整形电路R16和R19采用斯密特触发器40106芯片对红外光接收器件R11和R12输出的信号进行整形处理。电源电路采用直流电源模块24S05提供5V电源，该电源模块的输入电压范围为18V至36V。

本实施例中的光栅码盘采用格雷（Gray）编码方式的码道，设计的码道将360度轴角分为

份，

，其中，

为码道数。

本实施例以10码道为例进行说明，设计的码道结构见附图5，自圆心向外分别为码道D30、D31…D39，其将360度轴角分为768份，图中黑色部分为透光区域，白色区域为不透光区域，圆心黑色部分为圆形开孔，该孔用于安装旋转轴。为实现同盘两路轴角采集，并且保证每路轴角采集得到的轴角值相同，需设计相应信号处理电路与图5所示光栅码盘相配合。

参见附图4，两个相互独立的光电轴角采集电路在空间上相差180°，因此红外光接收器件R11和R12输出的轴角信号必然不同，为使两组光电轴角采集电路输出的轴角信号相同，需对信号进行处理。

参见附图5光栅码盘的码道结构，在0°和180°位置根据码盘遮光和透光区域的不同采集轴角码值时，具有如下特点：

（1）在0°和180°位置读取D30码道的码值相反；

（2）在0°位置读取D31码道的码值和在180°位置读取D32码道的码值相反；

（3）在0°和180°位置读取D33码道的码值相反；

（4）在0°和180°位置读取的其它码道的码值相同；

参见附图4，设计轴角采集通道A安装在光栅码盘的0°位置，轴角采集通道B安装在光栅码盘的180°位置。由内圈至外圈依次定义各采集通道中红外光接收器件输出的信号分别为A₀，A₁…A₉和B₀，B₁…B₉，各通道接口电路输出的信号为S₀，S₁…S₉。根据上述码值采样的特点，信号经整形电路R16和R19处理后，在信号处理电路R17和R20中采用逻辑门电路芯片74HC04完成如下逻辑，可以保证各轴角信号采集通道输出的码值相同。

A通道中逻辑关系为：

B通道中逻辑关系为：

输出电路R18和R21可根据需要设计为串行、并行和总线方式输出。串行和总线信号一般采用CPU将信号进行处理然后再输出，并行信号输出可采用芯片74HC573作为并口输出器件。

参见附图6，是本发明实施例之二轴角采集示意图，该实施例实现了同盘四路轴角采集。其包含有四组红外光发射和接收器件（A、B、X、Y），其中，红外光发射器件S11和接收器件R11位于光栅码盘的0°位置，红外光发射器件S12和接收器件R12位于光栅码盘的90°位置，红外光发射器件S13和接收器件R13位于光栅码盘的180°位置，红外光发射器件S14和接收器件R14位于光栅码盘的270°位置，外部旋转轴与光栅码盘D3固联在一起，当外部旋转轴转动时带动光栅码盘D3转动，此时四组红外光发射和接收器件分别独立完成光栅码盘轴角值的采集。

实施例二中的光栅码盘采用格雷（Gray）编码方式的码道，设计的码道将360°轴角分为

份，

，其中，

为码道数。

实施例二以10码道为例进行说明，设计的码道结构见附图7，其将360°轴角分为1024份。为实现同盘四路轴角采集，并且保证每路轴角采集得到的轴角值相同，需设计相应信号处理电路与附图7所示光栅码盘相配合。

参见附图6，四个相互独立的光电轴角采集电路在空间上相差90°，因此各采集通道中红外光接收器件输出的轴角信号必然不同，为使四组光电轴角采集电路输出的轴角信号相同，需对信号进行处理。

参见附图7中光栅码盘的码道结构，在0°、90°、180°、270°位置根据码盘遮光和透光区域的不同采集轴角码值时，具有如下特点：

（1）在0°和180°位置读取D30和D31码道的码值相反；

（2）在90°和270°位置读取D30和D31码道的码值相反；

（3）在0°位置读取D30码道的码值和在270°位置读取D31码道的码值相同；

（4）在0°和270°位置读取D32码道的码值相反；

（5）在0°、90°、180°和270°位置读取其它码道的码值相同；

设计轴角采集通道A安装在光栅码盘的0°位置，轴角采集通道B安装在光栅码盘的180°位置，轴角采集通道X安装在光栅码盘的270°位置，轴角采集通道Y安装在光栅码盘的90°位置。由内圈至外圈依次定义各通道中红外光接收器件输出的信号分别为A₀、A₁…A₉；B₀、B₁…B₉；X₀、X₁…X₉；Y₀、Y₁…Y₉，各通道接口电路输出的信号为S₀，S₁至S₉。根据上述码值采样的特点，信号经整形电路处理后，在信号处理电路中采用逻辑门电路74HC04完成如下逻辑，可以保证各轴角信号采集通道输出的码值相同。

A通道中逻辑关系为：

B通道中逻辑关系为：

X通道中逻辑关系为：

Y通道中逻辑关系为：

本发明实施例三为同盘n路轴角采集，n为大于4的值。

参见附图8，是同盘n路轴角采集的原理示意图，图中光栅码盘既可采用实施例一也可采用实施例二中的码盘，本实施例中，光栅码盘与实施例二相同，其中轴角采集通道A安装在光栅码盘的0°位置，轴角采集通道N安装在顺时针a度的位置，其它采集通道安装其它角度位置，采集通道数可根据需要设计，其数量主要受光栅码盘以及轴角传感器机械尺寸的限制。

由于本发明采用的是绝对式光栅码盘，显然，同一时刻，安装在不同角度位置的轴角采集通道采集得到的轴角码值不同，由附图8可知，光栅码盘转动到任何角度时，采集通道N采集得到的码值与0°位置采集通道A采集得到的码值之间存在固定偏差，定义其对应的值为e。如果能在每个采集通道中均消除该固定偏差，则可以使各采集通道输出的码值相同。

同盘n路轴角采集通道原理结构见附图9。该电路中的轴角信号采集N1、信号整形电路N2和接口电路N5与第一、第二实施例相同，轴角信号处理电路N4采用单片机89C4051完成信号处理。为保证各采集通道中单片机软件的一致性，本实施例中增加了采集通道设置电路N3，该电路采用8位拨码开关设置通道序号，轴角信号处理电路N4中的单片机读取到该序号后根据事先存储的轴角零位偏差量e自动补偿轴角信号的固定偏差。

参见附图10，是轴角信号处理电路N4中的单片机程序流程图，采集通道上电后，首先进入开始子函数N6，完成必须的初始化工作，然后读取通道设置值N7，通过查表N8获得已预先存储到程序中的轴角偏差量e，同时定时读取轴角采样值N9，再然后消除轴角采样值的固定偏差量N10，最后输出经过补偿后的轴角码值N11，该值与轴角采集通道A输出的轴角码值相同。

Claims

1.多路绝对式轴角传感器，包括红外光发射装置、光栅码盘装置、红外光接收装置、转角输出装置、电源及信号输出装置；所述光栅码盘装置包括光栅码盘、固连在上主轴上的圆形压盘、固连在下主轴上的圆形托盘，光栅码盘位于圆形托盘与圆形压盘之间，所述圆形托盘中间沿轴线方向固连有螺杆，所述圆形压盘中间沿轴线方向有螺孔，所述螺杆旋接在所述螺孔内锁紧定位；其特征在于：所述光栅码盘装置是一个机械式的与轴角同步的旋转码盘，有至少二路相互独立的红外光发射装置、红外光接收装置及转角输出装置，所述各路转角输出装置输出的轴角信号是轴角的绝对角度值，各路之间相互独立的实现轴角信号采集与处理，且输出的轴角绝对角度值相同；所述红外光发射装置位于所述的旋转码盘一侧，红外光接收装置及转角输出装置对称的位于所述的旋转码盘的另一侧。