CN104132684B - 一种增量式光栅编码器零位信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增量式光栅编码器零位信号的检测方法，使用模数转换器对零位信号进行采样，通过零位信号的变化趋势，提取尖峰位置。克服了传统电压比较或电平触发方式易受温度影响的问题，不需要额外增加温控设备，提高了编码器使用的可靠性和环境适应性。

Description

一种增量式光栅编码器零位信号检测方法

技术领域

本发明涉及增量式光栅编码器，尤其涉及一种增量式光栅编码器零位信号检测方法

背景技术

增量式光栅编码器是一种将轴的机械转动模拟量转换成数字量的测角装置，在伺服系统特别是全数字伺服系统的应用很广。其主要部件是计量光栅盘，由标尺光栅和指示光栅构成，光栅的叠合形成叠栅条纹，当标尺光栅和指示光栅发生相对移动时，叠栅条纹就发生相应的移动，在外围信号处理电路配合下，对叠栅条纹进行周期计数，这个数值与轴转动的角位移量成比例。通过对叠栅条纹信号的细分处理，可以实现很高的分辨率。增量式编码器光栅盘上有一个零位光栅刻线图案，每次转动经过零位时，编码器零位输出端会输出一个极大尖峰电压，通过检测该尖峰电压，作为固定的参考零位，每次上电后先使编码器转动经过零位，从零位处开始计数。

目前一般通过电平触发或电压比较方式，提取零位尖峰信息。专利申请号为“201310238865.7”，发明专利名称“一种编码器零位测试方法和测试仪”，专利权人李宗峰，采用电平触发方式手动检测增量型旋转编码器的零位脉冲信号，测试仪中具有触发器，当手动旋转编码器外壳的时候，编码器输出的零位信号将触发器触发，之后对触发信号进行放大，驱动指示器，该发明采用手动方式，不利于系统集成。文献(徐洲，胡晓东，罗长洲，谷林.增量式轴角编码器的电子细分及零位处理[J].光子学报，2002,31(12)：1497-1500)给出了目前使用最广泛的编码器零位尖峰检测方法，使用电压比较器将零位尖峰变成一个窄方波脉冲，用于中断触发，通过调整电压比较器的比较电平来改变方波脉冲的宽度。

采用电平触发和电压比较等检测方式，将零位尖峰转换为窄脉冲信号，作为信号处理电路的中断触发，需要设定一个固定的阈值电压，阈值电压设置过高，有可能检测不到零位尖峰信号，阈值电压设置过低，会造成输出脉冲信号过宽，零位位置检测不准确。对于目前工程上常用的编码器，阈值电压一般设置在零位信号的起跳电压和尖峰电压之间。由于编码器内部光学及电子元件的性能限制，在不同温度下，零位输出电压的变化趋势基本不变，但幅值变化很大，随着温度升高，电压幅值逐渐降低，当高温下的尖峰电压低于低温下的起跳电压时，会出现高温时尖峰电压低于阈值电压，零位信号检测不到的问题。所以采用这种设置固定的阈值电压进行电压比较的方法，无法适应全部温度变化范围，降低了编码器使用的可靠性和环境适应性。为了保证编码器输出零位信号幅值的稳定性，需要额外增加温控设备，这必然增加了系统设计的复杂性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术中存在的不足，提供一种增量式光栅编码器零位信号的检测方法，在不需要额外增加温控设备情况下，提高了编码器使用的可靠性和环境适应性。

本发明的技术方案是：

一种增量式光栅编码器零位信号的检测方法，所述增量式光栅编码器零位信号包括直流段、起跳段和尖峰段，令增量式光栅编码器单方向旋转，增量式光栅编码器单方向旋转过程中输出的零位信号通过信号调理电路进行低通滤波获得模拟电压信号；在信号处理器的控制下模数转换器对信号调理后的零位信号进行模数转换获得数字零位电压；在信号处理器中存储了设定电压Vqt和设定电压差ΔVd；其中所述设定电压Vqt为增量式光栅编码器在低温、高温、常温状态下的起跳电压的最小值，所述设定电压差ΔVd为增量式光栅编码器直流段电压噪声的峰峰值；信号处理器的处理过程如下：

(1)对数字零位电压进行采样获得采样电压；

(2)判断当前时刻采样电压V1与设定电压Vqt的大小；若V1≤Vqt，则表示处于直流段，返回步骤(1)；若V1>Vqt，则表示进入起跳段，进入步骤(3)；

(3)对数字零位电压进行采样获得采样电压，根据当前时刻采样电压V1和前一时刻采样电压V0计算电压差值ΔV，其ΔV＝V1-V0；

(4)判断|ΔV|与设定电压差ΔVd的大小；若|ΔV|≤ΔVd，返回步骤(3)；若|ΔV|>ΔVd，则指示达到尖峰段，即检测到零位位置，编码器停止转动，结束。

信号处理器为DSP。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明使用模数转换器对零位信号进行采样，通过采集零位信号的变化特点，提取零位尖峰位置，解决传统电压比较或电平触发方式易受温度影响的问题；在不需要额外增加温控设备情况下，提高了编码器使用的可靠性和环境适应性。

附图说明

图1为零位光栅图案；

图2为增量式光栅编码器零位信号波形；

图3为零位信号检测硬件电路图；

图4为本发明的信号处理器的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实际工程应用中，增量式光栅编码器的零位光栅一般由一组非等间隔、非等宽度的亮线和暗线所组成，如图1所示。对于这种结构的零位光栅，编码器过零时输出的零位信号波形如图2所示。在零位位置，零位信号幅值最大，达到尖峰电压Vmax；偏离此位置，零位信号幅值逐渐减小到起跳电压Vqt；当完全偏离时，零位信号中无零位信息，只剩下电路的直流偏置量Vdc。本发明为描述方便，将这三段分别称为尖峰段、起跳段、直流段。

如图3所示，本发明的零位信号检测方法所基于的系统包括信号调理电路、A/D转换器和信号处理器。令增量式光栅编码器单方向旋转，信号调理电路对增量式光栅编码器单方向旋转过程中输出的零位信号进行低通滤波获得模拟电压信号，滤除多余毛刺，要求滤波前后信号的相位关系保持一致。A/D转换器在信号处理器的控制下将模拟电压信号转换为数字零位电压。信号处理器例如可以采用DSP芯片。由于零位光栅图案是固定的，所以过零时零位信号的变化趋势不变，可以利用信号处理器对数字零位电压进行采样，通过零位信号的变化趋势，提取尖峰位置。在信号处理器中存储了设定电压Vqt和设定电压差ΔVd；其中所述设定电压Vqt为增量式光栅编码器在低温、高温、常温状态下的起跳电压的最小值，其中增量式光栅编码器在低温、高温、常温状态下的起跳电压为编码器出厂值。所述设定电压差ΔVd为增量式光栅编码器直流段电压噪声的峰峰值；可以通过示波器测量得到。ΔVd例如是300mv,Vqt例如是2.4v。

如图4所示，信号处理器的工作过程如下：

(1)对数字零位电压进行采样获得采样电压；

(2)判断当前时刻采样电压V1与设定电压Vqt的大小；若V1≤Vqt，则表示处于直流段，返回步骤(1)；若V1>Vqt，则表示进入起跳段，进入步骤(3)；

(3)对数字零位电压进行采样获得采样电压，根据当前时刻采样电压V1和前一时刻采样电压V0计算电压差值ΔV，其ΔV＝V1-V0；

(4)判断|ΔV|与设定电压差ΔVd的大小；若|ΔV|≤ΔVd，返回步骤(3)；若|ΔV|>ΔVd，则指示达到尖峰段，此时，信号处理器发出过零中断信号，指示达到零位位置，编码器停止转动，结束。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种增量式光栅编码器零位信号的检测方法，所述增量式光栅编码器零位信号包括直流段、起跳段和尖峰段，其特征在于：

令增量式光栅编码器单方向旋转，增量式光栅编码器单方向旋转过程中输出的零位信号通过信号调理电路进行低通滤波获得模拟电压信号；在信号处理器的控制下模数转换器对信号调理后的零位信号进行模数转换获得数字零位电压；在信号处理器中存储了设定电压Vqt和设定电压差ΔVd；其中所述设定电压Vqt为增量式光栅编码器在低温、高温及常温状态下的起跳电压的最小值，所述设定电压差ΔVd为增量式光栅编码器直流段电压噪声的峰峰值；信号处理器的处理过程如下：

(1)对数字零位电压进行采样获得采样电压；

(2)判断当前时刻采样电压V1与设定电压Vqt的大小；若V1≤Vqt，则表示处于直流段，返回步骤(1)；若V1>Vqt，则表示进入起跳段，进入步骤(3)；

(3)对数字零位电压进行采样获得采样电压，根据当前时刻采样电压V1和前一时刻采样电压V0计算电压差值ΔV，其中ΔV＝V1-V0；

(4)判断|ΔV|与设定电压差ΔVd的大小；若|ΔV|≤ΔVd，返回步骤(3)；若|ΔV|>ΔVd，则指示达到尖峰段，即检测到零位位置，编码器停止转动，结束。

2.根据权利要求1所述的一种增量式光栅编码器零位信号的检测方法，其特征在于：信号处理器为DSP。