CN103604447A - 一种高分辨率增量型总线式光电编码器的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高分辨率增量型总线式光电编码器的实现方法，属于光电编码器的实现方法。采用正弦狭缝技术输出方波数字信号同时输出近似理想的两路差分模拟信号，由两路A,B增量信号参与细分运算，同时两路模拟差分信号利用两个模拟器运算放大器件实现模拟放大，将模拟信号放大后进入微处理器进行模数转换，在通过CORDIC算法进行高度细分，将细分后数据与电极控制信号U,V,W组成私有协议帧通过RS485或者RS422接口输出，同时可以兼容多种协议如：Biss，SSI,RS485,CAN，以此实现的电子细分方式，提高编码器的精度同时也提高了抗干扰和高速的要求。

Description

一种高分辨率增量型总线式光电编码器的实现方法
技术领域
本发明涉及一种增量型总线式光电编码器的实现方法。
背景技术
高速、高精度是数控领域的发展方向，如数控机床，纺织机械，电梯，机器人，模切机，精雕机。编码器是电机控制中最常用的速度反馈装置，编码器反馈信号的精度很大程度上决定了电机控制的速度响应和精度。常用的编码器有脉冲型增量式编码器、正余弦编码器和串行总线式绝对值编码器。
常规增量式编码器的信号传输信号的抗干扰能力较差，长线传输时会产生传输误差，逻辑判别复杂，电缆颜色区分不明显，容易接错线。
当伺服电机旋转时需要通过编码器准确的反馈其速度，位置以及分辨度。下面为大家介绍几种现有技术：
一种为增量式光电编码器，现有伺服电机上所用的大多是增量式编码器，其输出方式为脉冲输出，接线复杂，抗干扰能力差，精度误差大分辨率低。
一种为正余弦光电编码器，输出信号为模拟信号，通过细分器高倍细分后输出数字信号。
一种为省线式光电编码器，输出方式与增量式光电编码器相同，与增量式光电编码器不同之处在于不能同时输出A,B,Z，与U,V,W。其输出方式为当编码器上电时先输出U,V,W信号，再输出A,B,Z信号。
一种为绝对式光电编码器，其输出方式为串行总线式输出，并且能够输出绝对位置，能够保持掉电不丢失。
上述现有技术普遍存在以下技术缺陷与不足：
1.增量式光电编码器其出线较多接线复杂，精度较低只能适用与普通伺服系统，不能满足高精度伺服系统。
2.细分器不能实现自动补偿与调整所以对输出的模拟信号与机械安装十分严格，手动调整十分繁琐，一致性差。
3.省线式光电编码器其输出方式为脉冲输出容易受到外界干扰，精度较低。
4.绝对式光电编码器以串行总线输出，其输出为绝对码，其缺陷是调试复杂，对于机械要求严格，成本高。
发明内容
本发明提供一种高分辨率增量型总线式光电编码器的实现方法，来克服上述现有技术的缺陷与不足。
本发明采取的技术方案是包括下列步骤：
发光系统通过光栅盘上的狭缝输出A、B、Z方波数字信号，同时输出差分模拟信号a、/a、b、/b，电极控制信号U,V,W；
由光电接收系统接收，
模拟信号a、/a、b、/b经模拟信号处理器处理后输出两路差分模拟信号Vax、Vbx到微处理器MCU，
光电接收系统将出A、B、Z方波数字信号、电极控制信号U,V,W输出到微处理器MCU；
微处理器MCU细分方法：将两路差分模拟信号Vax、Vbx输入到微处理器MCU，由处理器内部模数转换器AD将模拟信号转换为数字信号，在将两路转换后的数字信号通过CORDIC算法进行精密细分，向量V1旋转角度θ后得到新的向量V2，（Va1，Vb1），（Va2，Vb2）分别代表着向量V1,V2的两个坐标点，根据简单的几何关系有：
Va2=Va1cosθ-Vb1sinθ    (1)
Vb2=Vb1cosθ+Va1sinθ    (2)
式(1)和式(2)整理后，可得：
Va2=(Va1-Vb1tanθ)cosθ    (3)
Vb2=(Vb1+Va1tanθ)cosθ    (4)
由上面的分析可知，假设向量经过i次微小的旋转，每次旋转的角度为θi，旋转的方向为di(取值为1或-1)，经过n次旋转后，总的旋转角度为：
Figure BDA0000421427660000021
在由方波数字信号A,B,Z参与运算，将通过CORDIC算法计算得出的细分数据插入到数字信号A的每个周期内，同时细分位数可调，细分位数越高分辨率越高，当编码器旋转一周产生1024个（M）A,B脉冲时，通过CORDIC算法将每一个脉冲周期内的模拟量进行细分最高可细分至2048位（W），那么当编码器旋转一周后最高就会有Z=1024(M)*2048(W)个数据产生，Z=221，当想要改变编码器位数时可根据细分位数进行调整如果将细分位数调整至128位，256位，512位，1024位，码盘刻有1024脉冲时那么编码器将对应输出217218,219,220，位数据，同时在有数字信号B对A信号进行实时校准，因为数字信号A,B的相位角为90°，当有数字信号Z产生时所有数据清零，代表编码器旋转一周；
将细分后数据与电极控制信号U,V,W组成私有协议帧通过RS485或者RS422总线接口输出，同时可以兼容Biss，SSI,RS485或CAN协议。
本发明光栅盘采用菱形的正弦狭缝，用以获得近似理想的正弦信号。
本发明具有以下有益效果：
1.提供了一种高分辨率增量型总线式光电编码器，以总线数字化输出能够输。并且能够输出绝对位置，装配简单，制造成本低。
2.一种高分辨率增量型总线式光电编码器，实现了自动调试功能而且还能够实现自动逐点补偿功能，自动校准功能，无需人工调试完全实现了自动化生产，很大的提高了生产效率。
3.一种高分辨率增量型总线式光电编码器精度高，，在通过CORDIC算法进行高度细分，可细分至21位，提高编码器的精度同时也提高了抗干扰和高速的要求，可以适用于高精度的伺服控制系统中，如：模切机，精雕机，高级数控机床等。
附图说明
图1是CORDIC算法原理示意图；
图2是本发明的整体系统框图；
图3电路原理框图。
具体实施方式
包括下列步骤：
发光系统通过光栅盘上的狭缝输出A、B、Z方波数字信号，同时输出差分模拟信号a、/a、b、/b，电极控制信号U,V,W；
由光电接收系统接收，
模拟信号a、/a、b、/b经模拟信号处理器处理后输出两路差分模拟信号Vax、Vbx到微处理器MCU，
光电接收系统将出A、B、Z方波数字信号、电极控制信号U,V,W输出到微处理器MCU；
微处理器MCU细分方法：将两路差分模拟信号Vax、Vbx输入到微处理器MCU，由处理器内部模数转换器AD将模拟信号转换为数字信号，在将两路转换后的数字信号通过CORDIC算法进行精密细分，向量V1旋转角度θ后得到新的向量V2，（Va1，Vb1），（Va2，Vb2）分别代表着向量V1,V2的两个坐标点，根据简单的几何关系有：
Va2=Va1cosθ-Vb1sinθ    (1)
Vb2=Vb1cosθ+Va1sinθ    (2)
式(1)和式(2)整理后，可得：
Va2=(Va1-Vb1tanθ)cosθ    (3)
Vb2=(Vb1+Va1tanθ)cosθ    (4)
由上面的分析可知，假设向量经过i次微小的旋转，每次旋转的角度为θi，旋转的方向为di(取值为1或-1)，经过n次旋转后，总的旋转角度为：
Figure BDA0000421427660000041
在由方波数字信号A,B,Z参与运算，将通过CORDIC算法计算得出的细分数据插入到数字信号A的每个周期内，同时细分位数可调，细分位数越高分辨率越高，当编码器旋转一周产生1024个（M）A,B脉冲时，通过CORDIC算法将每一个脉冲周期内的模拟量进行细分最高可细分至2048位（W），那么当编码器旋转一周后最高就会有Z=1024(M)*2048(W)个数据产生，Z=221，当想要改变编码器位数时可根据细分位数进行调整如果将细分位数调整至128位，256位，512位，1024位，码盘刻有1024脉冲时那么编码器将对应输出217218,219,220，位数据，同时在有数字信号B对A信号进行实时校准，因为数字信号A,B的相位角为90°，当有数字信号Z产生时所有数据清零，代表编码器旋转一周；
将细分后数据与电极控制信号U,V,W组成私有协议帧通过RS485或者RS422总线接口输出，同时可以兼容Biss，SSI,RS485或CAN协议。
光栅盘采用菱形的正弦狭缝，用以获得近似理想的正弦信号。
本发明的微处理器MCU，还包括自动逐点补偿功能：采用了两种补偿方法：（一）：是将S（理想的正弦波数据）存到处理器中，再将T（采集到的实时数据）与S(理想的正弦波数据)进行比较，当T(采集到的实时信号)发生较大的波动时，编码器可通过存储的S(理想的正弦波数据)对T(采集到的实时信号)进行修正，修正方法为D(差值数据)=T–S，判断D(差值数据)是否在允许范围内，如果超出规定范围时当D（差值数据）为正数时将T（采集到的实时数据）减去D(差值数据)，当D(差值数据)为负数时将T(采集到的实时数据)加上D（差值数据），然后将补偿过的T(实时数据)进行细分运算；（二）、通过编码器自带的温度传感器对环境温度监测，因为温度的变化与两路模拟信号a，b的变化是线性关系，所以对编码器数据进行温度补偿从而提高了编码器的精度与稳定性。

Claims (2)

1.一种高分辨率增量型总线式光电编码器的实现方法，其特征在于包括下列步骤：
发光系统通过光栅盘上的狭缝输出A、B、Z方波数字信号，同时输出差分模拟信号a、/a、b、/b，电极控制信号U,V,W；
由光电接收系统接收，
模拟信号a、/a、b、/b经模拟信号处理器处理后输出两路差分模拟信号Vax、Vbx到微处理器MCU，
光电接收系统将出A、B、Z方波数字信号、电极控制信号U,V,W输出到微处理器MCU；
其特征在于：
微处理器MCU细分方法：将两路差分模拟信号Vax、Vbx输入到微处理器MCU，由处理器内部模数转换器AD将模拟信号转换为数字信号，在将两路转换后的数字信号通过CORDIC算法进行精密细分，向量V1旋转角度θ后得到新的向量V2，（Va1，Vb1），（Va2，Vb2）分别代表着向量V1,V2的两个坐标点，根据简单的几何关系有：
Va2=Va1cosθ-Vb1sinθ    (1)
Vb2=Vb1cosθ+Va1sinθ    (2)
式(1)和式(2)整理后，可得：
Va2=(Va1-Vb1tanθ)cosθ    (3)
Vb2=(Vb1+Va1tanθ)cosθ    (4)
由上面的分析可知，假设向量经过i次微小的旋转，每次旋转的角度为θi，旋转的方向为di(取值为1或-1)，经过n次旋转后，总的旋转角度为：
Figure FDA0000421427650000011
在由方波数字信号A,B,Z参与运算，将通过CORDIC算法计算得出的细分数据插入到数字信号A的每个周期内，同时细分位数可调，细分位数越高分辨率越高，当编码器旋转一周产生1024个（M）A,B脉冲时，通过CORDIC算法将每一个脉冲周期内的模拟量进行细分最高可细分至2048位（W），那么当编码器旋转一周后最高就会有Z=1024(M)*2048(W)个数据产生，Z=221，当想要改变编码器位数时可根据细分位数进行调整如果将细分位数调整至128位，256位，512位，1024位，码盘刻有1024脉冲时那么编码器将对应输出217218,219,220，位数据，同时在有数字信号B对A信号进行实时校准，因为数字信号A,B的相位角为90°，当有数字信号Z产生时所有数据清零，代表编码器旋转一周；
将细分后数据与电极控制信号U,V,W组成私有协议帧通过RS485或者RS422总线接口输出，同时可以兼容Biss，SSI,RS485或CAN协议。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率增量型总线式光电编码器的实现方法，其特征在于：光栅盘采用菱形的正弦狭缝，用以获得近似理想的正弦信号。
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