CN102829808A

CN102829808A - 一种基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器

Info

Publication number: CN102829808A
Application number: CN2012102784917A
Authority: CN
Inventors: 高文政; 韩彬; 徐磊
Original assignee: Lianyungang Jierui Electronics Co Ltd
Current assignee: Lianyungang Jierui Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: CN102829808B

Abstract

一种基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器，采用机械齿轮、发光二极管和光敏三极管电路，运用钟表齿轮机械的原理，通过齿轮传动带动齿轮组转动，采用光电转换方式实现机械信号到电信号转换。可编程控制器发出控制信号MUX（2..0），经过3-8译码器电路，控制1～8组发光二极管组点亮，中间传动齿轮上留有透光槽，均匀分布，可以阻断或通过光线的照射，光敏三极管通过接收这些光线，感应出8个不同状态，输出1～8组信号C(2..0)，通过可编程控制器进行信号处理，经过逻辑电路进行信号误差纠错处理后，采用级联的方式，输出2～16位二进制格雷码多圈编码信号。由于采用机械位置确定编码，能准确记忆圈数，不受断电的影响。

Description

一种基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器

技术领域

本发明涉及一种机电一体化技术领域，特别是一种基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器。

背景技术

旋转编码器是用来检测角度、位置、速度和加速度的传感器，适用于各种自动化控制系统，主要应用于电梯、数控机床、机械、电力、水利、轨道交通、风电、雷达、卫星等领域。

旋转编码器的技术优势集中在工业发达的欧美，首推德国，其海德汉、倍加福等品牌的旋转编码器占领了绝大部分高端市场，产品主要以多圈旋转编码器为主，亚洲的日韩主要生产小型的旋转编码器，国内限于制造加工工艺及需求，多数厂家仅作代理，少数厂家能够生产低端增量旋转编码器。

目前欧美自动化市场的发展已经非常成熟，旋转编码器产品的市场增长率不会很大，而我国作为发展中国家，工业自动化的可发展性要比欧美地区高很多，旋转编码器的增长市场主要集中在发展中国家。旋转编码器产品按照信号和原理分类，一般分为增量型和绝对型两种，我国市场销售的旋转编码器以增量型为主，占60%，绝对型占40%。主要是由于目前我国自动化水平较低，增量旋转编码器基本能够满足目前大部分工作场合要求，而且增量旋转编码器多年前已实现了国产化，价格优势明显。绝对旋转编码器产品应用比例偏低，主要是由于国内旋转编码器厂商目前仍无法完全跨越产品研发的技术门槛，生产的绝对旋转编码器产品型号少、产量低、价格高、产品性能较差，客户满意度也较差等，这些直接影响了绝对旋转编码器在我国市场应用比例，同时绝对旋转编码器受到信号协议专利因素等限制，国外生产企业如海德汉等，因为拥有较强的技术优势，行业垄断地位不容易被撼动。国内企业也因为技术优势差距较大，开发出具有专利优势的多圈绝对型产品需要较长时间。但随着我国自动化水平不断提高，各个行业都在寻求通过技术改革和产品更新换代来提高产品的附加值，终端行业工作精度要求不断提高，绝对旋转编码器的需求量越来越大。随着绝对旋转编码器国产化程度的提高，价格有所回落，绝对旋转编码器的市场占有率有较大提高。

多圈编码转换电路是多圈绝对旋转编码器的关键技术，是在单圈编码基础上再增加圈数的编码电路，以扩大旋转编码器的测量范围，使旋转编码器的每一个位置实现编码唯一性和不重复性，目前国内多圈编码转换电路多采用电子数据存储器来计圈数，通过软件计算圈数，存储器记忆圈数，这种方法优点是存储圈数简单，圈数可以是无限，断电后可以恢复断电时的信息，但缺点也比较明显，无法记忆断电后运行的圈数，在具有惯性的系统，容易造成断电后记忆圈数不准。国内也有少数生产厂商采用机械计圈数，由于受旋转编码器外型尺寸的限制和技术水平的限制，一般最多只能实现8位圈数的记忆。因此，这极大地限制了多圈绝对旋转编码器的应用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种能准确记忆圈数，不受断电的影响的基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器，其特点是：包括可编程控制器和1～8组光电转换机构，每组光电转换机构包括一个中间传动齿轮、三个发光二极管和与发光二极管一一对应的三个光敏三极管，发光二极管与光敏三极管分设在传动齿轮两侧，在中间传动齿轮的盘面上开有透光槽，透光槽包括同心设置的内环槽和外环槽，内环槽为两段对称设置的90°扇形槽，外环槽为180°半圆形槽，位于外环槽同侧的内环槽的中心与外环槽的中心及传动齿轮的中心三点共一线，所述发光二极管中，其中的两个发光二极管分别设置在外环槽及与外环槽同侧的内环槽的中心处，另一个发光二极管设置在外环槽的端部，可编程控制器发出的控制信号MUX（2..0）经过3-8译码器电路与发光二极管相接并点亮三个发光二极管，中间传动齿轮转动，光敏三极管接收通过透光槽的光线，并将1～8组信号C(2..0)传入可编程控制器进行信号处理，转换成2～16位二进制格雷码多圈编码信号。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方法来进一步实现，所述光电转换机构按顺序排列，前一级光电转换机构的中间传动齿轮的转速与下一能光电转换机构的中间齿轮的转速比为4：1.

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方法来进一步实现，三个光敏三极管感应出8个不同状态，输出8个区间DATA(2..0)信号。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方法来进一步实现，可编程控制器接收光电转换机构输出的8个区间的DATA(2..0)信号，由于光敏三极管在8个区间的相限点不能准确反应信号的变化，则采用逻辑电路进行信号误差纠错处理，经过逻辑电路进行信号误差纠错处理后，采用级联的方式，输出2～16位二进制格雷码多圈编码信号。

本发明与现有技术相比，采用机械齿轮、发光二极管和光敏三极管电路，运用钟表齿轮机械的原理，通过齿轮传动带动齿轮组转动，采用光电转换方式实现机械信号到电信号转换。可编程控制器发出控制信号MUX（2..0），经过3-8译码器电路，控制1～8组发光二极管组点亮（每一组有三个发光二极管），中间传动齿轮上留有透光槽，均匀分布，可以阻断或通过光线的照射，光敏三极管通过接收这些光线，输出1～8组信号C(2..0)，通过可编程控制器进行信号处理，转换成2～16位二进制格雷码多圈编码信号。由于采用机械位置确定编码，能准确记忆圈数，不受断电的影响。

附图说明

图1是本发明的转换电路。

图2是齿轮图。

图3是转换原理图。

图4是转轴与齿轮的时序图。

图5是逻辑电路图。

图6是逻辑单元电路图。

图7是时序电路图。

图8是安装图。

图9是级联电路图。

具体实施方式

一种基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器，包括可编程控制器4和1～8组光电转换机构，每组光电转换机构包括一个中间传动齿轮、三个发光二极管2和与发光二极管一一对应的三个光敏三极管1，发光二极管2与光敏三极管1分设在中间传动齿轮两侧，在中间传动齿轮上开有透光槽，透光槽包括同心设置的内环槽和外环槽，内环槽为两段对称设置的90°扇形槽8、9，外环槽为180°半圆形槽7，位于外环槽同侧的内环槽的中心与外环槽的中心及传动齿轮的中心三点共一线，所述发光二极管中，其中的两个发光二极管分别设置在外环槽及与外环槽同侧的内环槽的中心处，另一个发光二极管设置在外环槽的端部，可编程控制器发出的控制信号MUX（2..0）经过3-8译码器电路3与发光二极管相接并点亮三个发光二极管2，中间传动齿轮转动，光敏三极管1接收通过透光槽的光线，并将1～8组信号C(2..0)传入可编程控制器进行信号处理，转换成2～16位二进制格雷码多圈编码信号。

所述光电转换机构按顺序排列，前一级光电转换机构的中间传动齿轮的转速与下一能光电转换机构的中间齿轮的转速比为4：1.

三个光敏三极管感应出8个不同状态，输出8个区间DATA(2..0)信号。

可编程控制器接收光电转换机构输出的8个区间的信号DATA(2..0)，由于光敏三极管在8个区间的相限点不能准确反应信号的变化，则采用逻辑电路进行信号误差纠错处理，经过逻辑电路进行信号误差纠错处理后，采用级联的方式，输出2～16位二进制格雷码多圈编码信号。

下面进行具体阐述。

1.1 中间传动齿轮

可以采用塑料材料制作中间传动齿轮，与金属材料相比，不需要二次加工，有较高的设计自由度，在成本、设计、加工和性能上具有很多优势，同时比金属齿轮轻、惰性好，适用于高速运行的系统，可用在金属齿轮易腐蚀、退化的环境中。

图2为设计的中间传动齿轮图，中间传动齿轮包括外齿轮6和内齿轮5构成的双联齿轮，外齿轮齿数与内齿轮齿数的比为4:1，透光槽开在外齿轮6的轮面上。

1.2 机械—光电转换

设计原理为将一圈360°分割成8个区间，当齿轮转动时，8个区间会感应出不同的数字编码。

此机械—光电转换电路由光源、中间传动齿轮、光电信息转换器件组成，光源采用发光二极管，中间传动齿轮通过开槽方法在表面上形成透明和不透明区，光电接受器件采用光敏三极管。光源发出的光束，通过中间传动齿轮的透光和不透光部分，使光电接收器输出透光为“0”而不透光为“1”的二进制代码信号，实现圈数的数字信号，通过可编程控制器进行圈数的编码。其转换原理见图3。

发光二极管在上面，光敏三极管在下面，组成一对光电管，按图3安装在A、B、C三处位置，齿轮按45°分界。表1是输出二进制格雷码的编码信号。

表1　输出编码信号

1.3 信号处理

由于透光槽的局限，在齿轮8个区间的相限点附近，齿轮转动未到达相限点时，发光二极管发出的光线已经通过齿轮未全打开的孔，在光敏三极管感应出透光信号，提前转换成下一个状态信号，不能准确反应齿轮区间变化的信号，存在误差，图4是转轴与齿轮的时序图，因此，需要进行误差信号处理。

误差信号处理采用逻辑电路进行纠错处理，其真值表见表2，齿轮变换的八种状态用C0、C1、C2三位表示，SET为前一级的最高位MSB位，输出信号用D0、D1、D2表示。

表2　真值表

Figure 2012102784917100002DEST_PATH_IMAGE003

由真值表可以得到下列逻辑公式：

由上述逻辑公式生成误差处理逻辑电路，如图5所示，逻辑电路采用可编程控制器实现，生成逻辑单元电路如图6所示。

经过误差信号处理后，多圈编码电路的时序如图7所示。

1.4 多圈编码

多圈编码转换电路中的中间传动齿轮，外齿轮齿数与内齿轮齿数的比为4:1，两个齿轮是通过前一级的内齿轮和后一级的外齿轮进行传动，传动比为4:1，也就是说，第一个中间传动齿轮转动4圈，第二个中间传动齿轮转动一圈，因此，多圈编码转换电路的分辨率W与齿轮数N存在下列关系：

例如多圈编码转换电路分辨率14位，也就是W为2¹⁴位，则需要的齿轮为7个，每个齿轮需要3个发光二极管和3个光敏三极管，图8为7个齿轮的安装图。

多圈编码转换电路的编码信号采用级联的方式，把图6逻辑单元电路进行信号级联，SET信号为进位位，D2信号为齿轮的最高位，如果级联时，D2信号为下一级齿轮的进位信号输入，图9是级联电路图，多圈编码转换电路采用可编程控制器实现。

1.5 多圈编码转换电路技术指标

1）分辨率：2位～16位；

2）最大转速：1200RPM；

3）读信号延迟时间：57μs；

4）工作电源：+5V；

5）工作电流：20mA；

6）工作温度：-40℃～+80℃。

Claims

1.一种基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器，其特征在于：包括可编程控制器和1～8组光电转换机构，每组光电转换机构包括一个中间传动齿轮、三个发光二极管和与发光二极管一一对应的三个光敏三极管，发光二极管与光敏三极管分设在中间传动齿轮两侧，在中间传动齿轮上开有透光槽，透光槽包括同心设置的内环槽和外环槽，内环槽为两段对称设置的90°扇形槽，外环槽为180°半圆形槽，位于外环槽同侧的内环槽的中心与外环槽的中心及传动齿轮的中心三点共一线，所述发光二极管中，其中的两个发光二极管分别设置在外环槽及与外环槽同侧的内环槽的中心处，另一个发光二极管设置在外环槽的端部，可编程控制器发出的控制信号MUX（2..0）经过3-8译码器电路与发光二极管相接并点亮三个发光二极管，中间传动齿轮转动，光敏三极管接收通过透光槽的光线，并将1～8组信号C(2..0)传入可编程控制器进行信号处理，转换成2～16位二进制格雷码多圈编码信号。

2.根据权利要求1所述的基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器，其特征在于：所述光电转换机构按顺序排列，前一级光电转换机构的中间传动齿轮的转速与下一能光电转换机构的中间齿轮的转速比为4：1。

3.根据权利要求1所述的基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器，其特征在于：三个光敏三极管感应出8个不同状态，输出8个区间DATA(2..0)信号。

4.根据权利要求3所述的基于机械齿轮组计圈数的多圈编码转换器，其特征在于：可编程控制器接收光电转换机构输出的8个区间的DATA(2..0)信号，由于光敏三极管在8个区间的相限点不能准确反应信号的变化，则采用逻辑电路进行信号误差纠错处理，经过逻辑电路进行信号误差纠错处理后，采用级联的方式，输出2～16位二进制格雷码多圈编码信号。