CN103528612B - 一种提高绝对式旋转编码器分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种提高绝对式旋转编码器分辨率的方法，它采用增量/绝对混合编码式的码盘，在不增加码道数量的情况下，通过增量编码进行数字插值，提高绝对式旋转编码器的分辨率。增量编码的两路正、余弦信号被2个8位A/D转换器采样和转换，再经过1个32倍插值电路进行数字插值，输出插值的5位二进制码信号。绝对编码的11位格雷码信号通过格雷码/二进制转换电路，变换成11位二进制码信号。增量编码插值的5位二进制码信号和绝对编码的11位二进制码信号通过组合和输出接口电路,输出一个16位二进制码/格雷码数字信号。本发明方法在不增加码盘上码道数目的情况下，通过增量编码信号进行数字插值，提高绝对式旋转编码器的分辨率。

Description

一种提高绝对式旋转编码器分辨率的方法

技术领域

本发明是属于光机电一体化技术领域，涉及到光电转换技术、信号处理技术。特别是一种基于增量/混合编码技术，通过增量编码进行数字插值，提高绝对式旋转编码器的分辨率的方法。

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，是数控机床、伺服电机、电梯、汽车、纺织、仪器仪表、军工、航空航天等领域进行位置控制的重要自动控制设备。旋转编码器由光源、码盘和光敏二极管接收电路组成，码盘通过光刻技术在玻璃蚀刻适量的同心光栅的图案，形成透明和不透明码区，这种同心的光栅称为码道。光源发出平行光束，经过码盘的光栅调制，通过狭缝后，使光敏二极管接收电路输出透光为“1”而不透光为“0”的二进制输出信号，实现角度a的数字编码。旋转编码器产品按照信号和原理分类，一般分为增量式和绝对式两种，增量式旋转编码器通过轴旋转一定角度，提供一定数量的脉冲，码盘上有固定的码道数，码道的数量与输出脉冲数无关。通过模拟通道，输出交流信号，由于码盘的旋转，输出的模拟信号非常接近正、余弦信号，因此，可以把增量产生的信号近似为正、余弦信号，正、余弦信号的频率随码盘转换速度而定。绝对式旋转编码器把轴细分成规定数量的测量步，为每一个轴的位置提供一个独一无二的编码数字值，与码盘的转速无关，码道的数目等于绝对式旋转编码器分辨率的位数。我国市场销售的旋转编码器以增量式为主，占60%，绝对式占40%。但随着国内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，绝对式旋转编码器的需求量越来越大。随着绝对式旋转编码器国产化程度的提高，价格回落，绝对式旋转编码器的市场占有率有较大提高。

绝对式旋转编码器分辨率的高低，是体现自动控制技术水平的重要标志，随着自动控制技术的发展，对高分辨率的绝对式旋转编码器的需求极其迫切，而绝对式旋转编码器提高分辨率的途径是增加码盘的码道，也就是增量光栅的数量，这直接导致码盘尺寸很大，现有的绢印技术很难实现，同时码盘的增大将导致绝对式旋转编码器体积的增大，不利于用户的使用。这极大地限制绝对式编码器的应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足, 提出了一种新的提高绝对型旋转编码器分辨率的方法，该方法采用增量/绝对混合编码技术，在不增加码盘上码道数目的情况下，通过增量编码信号进行数字插值，提高绝对式旋转编码器的分辨率。

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。本发明是一种提高绝对型旋转编码器分辨率的方法，其特点是，该方法采用增量/绝对混合编码式的码盘，在不增加码道数量的情况下，通过增量信号进行数字插值，提高绝对式旋转编码器的分辨率。其转换电路如图1所示，增量编码的两路正、余弦信号经过2个8位A/D转换器和1个32倍插值电路，输出插值的5位二进制码信号。绝对编码的11位格雷码信号通过格雷码/二进制转换电路，变换成11位二进制码信号。绝对编码的11位二进制码信号和增量编码插值的5位二进制码信号通过组合和接口电路，输出一个16位二进制码/格雷码数字信号,使绝对式旋转编码器输出数字的分辨率由11位提高到16位。

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，以上所述是一种基于增量/绝对混合编码提高绝对型旋转编码器分辨率的方法，其特点是，增量编码的两个正、余弦信号被2个8位A/D转换器采样和转换，变换成8位二进制码信号，其中最高位是符号位，数字化的增量编码信号通过1个32倍插值电路进行数字插值，输出插值的5位二进制码信号。

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，以上所述是一种基于增量/绝对混合编码提高绝对型旋转编码器分辨率的方法，其特点是，增量编码的两路正、余弦信号经过2个8位A/D转换器和1个32倍插值电路，输出5位插值二进制码信号。绝对编码的N位格雷码信号通过格雷码/二进制转换电路，变换成N位二进制码信号。绝对编码的N位二进制码信号和增量编码插值的5位二进制码信号通过组合和输出接口电路,输出一个N+5位二进制码/格雷码数字信号,使绝对式旋转编码器输出数字的分辨率由N位提高到N+5位。

下面进行具体阐述。

码盘

绝对式旋转编码器采用13位增量/绝对混合的码盘，通过光刻技术在玻璃蚀刻结构图案，码盘示意图见图2所示。其中A1～A11为绝对式码道，A12、A13为增量式码道。

绝对式码盘采用格雷码，码道数与位数有关，其分辨率：

码盘的角度分辨率代表着单位数字量的角度值，码盘的码道越多，角度分辨率和数字转换与测量的精度就越高。

由于码盘的旋转，码盘上光栅A12、A13转换成的模拟信号非常接近正余弦信号，因此，可以把A12、A13产生的信号近似为sinx，cosx函数，其波形如图3、4所示,其频率随码盘转换速度而定。

码盘最外层码道A10～A13输出的波形见图5所示，增量编码的频率正好是绝对编码二进制码最低信号（A11）的2倍，增量编码允许最大频率是2048Hz。

转换

A/D转换器采用8位模拟-数字转换器，其电路图见图6所示，时序波形见图7所示。

增量编码输出的正、余弦信号经过2个8位A/D转换器取样和转换，转换成8位二进制码信号，其中最高位为符号位，A/D转换见表1。

表1 A/D转换

1.3 32倍插值电路

增量编码插值成5位二进制信号，每一个[0，2π）基准信号需要32个插值点，最小的间隔插值点为：

通过对增量编码的正、余弦信号变换，可以减少插值点的数量，插值信号inc（4..0）中最高2位通过正、余弦符号位运算产生：

式中sign（A12）为A12通道的符号位；

sign（A13）为A13通道的符号位。

插值信号inc4、inc3按表2控制增量编码的输出正、余弦信号，使输出的正、余弦波形如图8、9所示，其中+S为A12正半周信号，-S为A12负半周取反信号，C为A13正半周信号，-C为A13负半周取反信号。

表2 正、余弦信号输出

经过变换后，A12、A13输出的正、余弦信号区间由[0，2π）变换为区间[0，π/2）。

在区间[0，π/2）范围内插值信号inc2通过正、余弦信号运算产生：

式中chA12为A12通道的数字量；

chA13为A13通道的数字量。

用正、余弦信号模拟一个插值函数ref（x）：

图10是插值函数ref（x）的图形，插值函数ref（x）在[0，π/4）区间和[π/4，π/2）区间波形基本相同，通过插值信号inc2控制插值函数ref（x）的输出信号，使正、余弦信号区间由[0，π/2）变换为区间[0，π/4）。

线性函数：

图11是插值函数ref（x）和线性函数y（x）在[0，π/4）区间波形，两个函数的波形非常接近，可以用线性函数进行近似。

插值函数ref（x）线性化后，引入的最大非线性误差为1.8°,相当于LSB(最低有效位)的1/6，对系统不会产生影响。

这样，插值函数ref（x）在插值点π/16、π/8、3π/16分别对应0.25、0.5、0.75，在区间[0，π/4）范围内插值信号inc1、inc0通过插值函数ref（x）运算产生：

32倍插值电路全部采用逻辑电路，通过可编程控制器实现。图12是增量编码和插值信号的波形。

格雷码/二进制转换电路

绝对编码的11位二进制信号是格雷码，属于无权代码，不能按二进制代码进行运算，需要将格雷码转换成二进制码。

格雷码转换成二进制码公式：

式中：i表示光栅的码道数，i=1表示A1光栅码道。

并行11位格雷码转换成11位二进制码的电路图见图13所示。

组合和接口电路

11位绝对值编码信号b1，b2，…,b11和5位增量插值信号inc4，inc3，inc2，inc1，inc0组合成（b1，b2，…,b11，inc4，inc3，inc2，inc1，inc0）16位二进制数字，输出16位二进制数字，通过B/G信号选择，可以输出16位格雷码数字。

二进制码转换成格雷码公式：

式中：i=0，1…,14。

并行16位（d15，d14，…,d0）二进制码转换成16位（c15，c14，…,c0）格雷码的电路图见图14所示。

位转换电路

N+5位转换电路如图15所示，增量编码的两路正、余弦信号被2个8位A/D转换器采样和转换，变换成8位二进制码信号，经过1个32倍插值电路进行数字插值，输出插值的5位二进制码信号，作为绝对式旋转编码器低5位数字信号。绝对编码的N位格雷码信号通过格雷码/二进制转换电路，变换成N位二进制码信号，作为绝对式旋转编码器高N位数字信号，通过组合和输出接口电路，输出一个N+5位二进制码/格雷码数字信号, 使绝对式旋转编码器输出数字的分辨率由N位提高到N+5位。

附图说明

图1为转换电路图；

图2为13位光栅码盘示意图；

图3、图4为增量输出正、余弦波形图；

图5为码盘最外层A10～A13输出波形图；

图6为A/D转换电路图；

图7为A/D转换时序图；

图8、图9为象限变换后正、余弦波形图；

图10为四分之一周期正、余弦信号和插值函数波形图；

图11为八分之一周期插值函数和线形函数波形图；

图12为增量信号和插值信号输出波形图；

图13为并行格雷码转换成二进制码电路图；

图14为并行二进制码转换成格雷码电路图；

图15为N+5位转换电路原理图。

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15，一种提高绝对型旋转编码器分辨率的方法，该方法采用增量/绝对混合编码式的码盘，在不增加码道数量的情况下，通过增量信号进行数字插值，提高绝对式旋转编码器的分辨率。增量编码的两路正、余弦信号经过2个8位A/D转换器和1个32倍插值电路，输出插值的5位二进制码信号。绝对编码的11位格雷码信号通过格雷码/二进制转换电路，变换成11位二进制码信号。绝对编码的11位二进制码信号和增量编码插值的5位二进制码信号通过组合和输出接口电路,输出一个16位二进制码/格雷码数字信号，使绝对式旋转编码器输出数字的分辨率由11位提高到16位。

实施例2，参照图1～图12，实施例1所述的方法中：增量编码的两个正、余弦信号被2个8位A/D转换器采样和转换，变换成8位二进制信号，其中最高位是符号位，数字化的增量编码信号通过1个32倍插值电路进行数字插值，输出插值的5位二进制码信号。

实施例3，参照图1、图13、图14，实施例1或2所述的方法中：绝对编码的11位格雷码信号通过格雷码/二进制转换电路，变换成11位二进制码信号，作为绝对式旋转编码器的高11位数字信号，增量编码插值的5位二进制码信号作为绝对式旋转编码器的高低5位数字信号，通过组合和输出接口电路，输出一个16位二进制码/格雷码数字信号。

实施例4，参照图3～图15，实施例1或2或3所述的方法中：增量编码的两路正、余弦信号经过2个8位A/D转换器和1个32倍插值电路，输出插值的5位二进制码信号。绝对编码的N位格雷码信号通过格雷码/二进制转换电路，变换成N位二进制码信号。绝对编码的N位二进制码信号和增量编码插值的5位二进制码信号通过组合和输出接口电路,输出一个N+5位二进制码/格雷码数字信号,使绝对式旋转编码器输出数字的分辨率由N位提高到N+5位。

Claims (1)

1.一种提高绝对式旋转编码器分辨率的方法，其特征在于：该方法采用增量/绝对混合编码式的码盘，在不增加码道数量的情况下，通过增量编码进行数字插值，提高绝对式旋转编码器的分辨率；增量编码的两路正、余弦信号经过2个8位A/D转换器和1个32倍插值电路，输出插值的5位二进制码信号；绝对编码的11位格雷码信号通过格雷码/二进制转换电路，变换成11位二进制码信号；绝对编码的11位二进制码信号和增量编码插值的5位二进制码信号通过组合和输出接口电路，输出一个16位二进制码/格雷码信号，使绝对式旋转编码器输出数字的分辨率由11位提高到16位；

具体地：

(1)增量编码的两个正、余弦信号被2个8位A/D转换器采样和转换，变换成8位二进制码信号，其中最高位是符号位；数字化的增量编码信号通过1个32倍插值电路进行数字插值，输出插值的5位二进制码信号；

采用32倍插值电路，增量信号的两路正、余弦信号经过2个8位A/D转换器转换成数字信号，通过32倍插值电路输出5位inc[4..0]二进制编码；

插值信号inc(4..0)中最高3位通过正、余弦符号位和数值的大小运算产生：

inc4＝！sign(A12)

$inc3=sign\left(A12\right)\⊕sign\left(A13\right)$

$inc2=\left\{\begin{array}{cc}0,& IF(chA13>chA12)\\ 1,& IF(chA13\≤chA12)\end{array}\right.$

式中：A12、A13为增量式码道；

sign(A12)为A12通道的符号位；

chA12为A12通道的数字量；

sign(A13)为A13通道的符号位；

chA13为A13通道的数字量；

用正、余弦信号模拟一个插值函数ref(x)：

$ref\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}1-chA13+chA12,x\∈\[0,\mathrm{\π}/4)\\ chA12-chA13,x\∈\[\mathrm{\π}/4,\mathrm{\π}/2)\end{array}\right.$

插值函数ref(x)在[0，π/4)区间和[π/4，π/2)区间波形基本相同，通过插值信号inc2控制插值函数ref(x)的输出信号，使正、余弦信号区间由[0，π/2)变换为区间[0，π/4)；

线性函数：

$y\left(x\right)=\frac{4}{\mathrm{\π}}x,x\∈\[0,\mathrm{\π}/4)$

插值函数ref(x)和线性函数y(x)在[0，π/4)区间波形，两个函数的波形非常接近，用线性函数进行近似；

ref(x)≈y(x)

插值函数ref(x)在插值点π/16、π/8、3π/16分别对应0.25、0.5、0.75，在区间[0，π/4)范围内插值信号inc1、inc0通过插值函数ref(x)运算产生：

$inc1=\left\{\begin{array}{cc}0,& If\left(ref\right(x)<0.5)\\ 1,& If\left(ref\right(x)\&GreaterEqual;0.5)\end{array}\right.$

$inc0=\left\{\begin{array}{cc}0,& If\left(ref\right(x)<0.25OR0.5\&le;ref\left(x\right)<0.75\left)\right)\\ 1,& If(0.25\&le;ref(x)<0.5ORref\left(x\right)\&GreaterEqual;0.75)\end{array}\right.$

32倍插值电路全部采用逻辑电路，通过可编程控制器实现；

(2)格雷码/二进制转换电路：

绝对编码的11位二进制信号是格雷码，需要将格雷码转换成二进制码；格雷码转换成二进制码公式：

$\left\{\begin{array}{c}{b}_1=g_1\\ b_i=g_i\&CirclePlus;b_{i-1}\end{array}\right.$

式中：i表示光栅的码道数，i＝1表示A1光栅码道；

组合和接口电路：

11位绝对值编码信号b1，b2，…，b11和5位增量插值信号inc4，inc3，inc2，inc1，inc0组合成(b1，b2，…，b11，inc4，inc3，inc2，inc1，inc0)16位二进制数字，输出16位二进制数字，通过B/G信号选择，输出16位格雷码数字；

二进制码转换成格雷码公式：

$\left\{\begin{array}{c}{c}_{15}=d_{15}\\ c_i=d_i\&CirclePlus;d_{i+1}\end{array}\right.$

式中：i＝0，1…，14；

(3)位转换电路：

增量编码的两路正、余弦信号被2个8位A/D转换器采样和转换，变换成8位二进制码信号，经过1个32倍插值电路进行数字插值，输出插值的5位二进制码信号，作为绝对式旋转编码器低5位数字信号；绝对编码的N位格雷码信号通过格雷码/二进制转换电路，变换成N位二进制码信号，作为绝对式旋转编码器高N位数字信号，通过组合和输出接口电路，输出一个N+5位二进制码/格雷码数字信号，使绝对式旋转编码器输出数字的分辨率由N位提高到N+5位。