CN104457806B - 一种复合型旋转编码器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型旋转编码器及其测量方法，该旋转编码器包括光学系统、圆编码环、转动轴、数据采集模块以及数据处理单元，光学系统包括多个均匀分布在转动轴表面上的光源模块，圆编码环与转动轴同轴安装，圆编码环在圆环内侧面上依次设有多个相对码道及多个绝对码道组；相对码道的光电传感器间距均相等，每个绝对码道组的多个绝对码道的光电传感器间距均相等，多个绝对码道组的光电传感器间距按位置关系递增；多个相对码道及每个绝对码道均独立地与数据采集模块连接，数据采集模块与数据处理单元连接。本发明可避免因径向跳动而导致的测量误差，测量精度高，且抗干扰、抗污染能力强，具有较高的可靠性，可广泛应用于旋转角度测量领域中。

Description

一种复合型旋转编码器及其测量方法

技术领域

本发明涉及旋转编码器领域，特别是涉及一种复合型旋转编码器及其测量方法。

背景技术

交流伺服电机的马达通常内设一个测量电机旋转角度的光电旋转编码器，该光电旋转编码器可获取转子的旋转角度以获知马达速度信息，该转速信息可反馈至相关速度控制单元以精确控制马达转速，同时可以间接计算出执行器件的运动位移、速度、加速度等信息。伺服马达的定位精度取决于编码器的分辨率高低。光电旋转编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前在旋转角度测量中应用最多的传感器。光电旋转编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的，根据测量方式的不同，光电旋转编码器主要有增量式编码器和绝对式编码器两种。

增量式编码器只能提供当前位置相对于前一位置的信息，在电源中断后，位置的信息变化必须重新归零才可确认，在断电后再重新上电的瞬间，增量式编码器无法立即知道目前机构所在位置。另外，增量式编码器的光栅码盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔的圆光栅盘，绝对式编码器的光栅码盘是在光栅板上沿径向设有若干同心轨道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，两者均采用圆光栅编码盘，由于两者的光栅码盘都刻画在与电机轴线垂直的圆平面上，而电机在运行过程中，不可避免地会因振动产生一定的径向跳动，从而可能造成光栅码盘的码道出现微小位移，当振动造成的径向位移达到一定幅值时，可能导致编码器的读数错误，影响测量结果的准确性。

而且，光电旋转式编码器的编码盘均采用光栅编码，对光栅刻画技术的要求很高，如绝对式二进制编码盘，n位二进制码盘具有2ⁿ 种不同编码，其最小分辨力为θ=360°/2ⁿ，若要提高编码盘分辨力，必须增加n值。但是增大n值，必将给编码盘制作造成很大困难。同时，二进制码盘微小的制作误差，将会导致个别码道提前或延后，这会造成输出信号的误差。另外，对于圆光栅编码盘来说，为了提高对莫尔条纹的细分精度，可以采用提高光栅线的密度或放置更多路光敏元件实现对信号更高倍的细分的方法，目前较普遍的是在1mm的范围内刻画50—100根光栅线，但是这也不可能精确地在保证一定的相位差下放置多路光敏元件。总的来说，目前技术中，由于光栅刻画技术的限制，也大大限制了光电旋转编码器的精度。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种复合型旋转编码器，本发明的另一目的是提供一种复合型旋转编码器的测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种复合型旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，包括光学系统、圆编码环、转动轴、数据采集模块以及数据处理单元，所述光学系统包括多个均匀地分布在转动轴的表面上的光源模块，所述圆编码环固定在伺服电机的机架上，所述转动轴通过电刷与伺服电机连接且位于圆编码环内，所述圆编码环与转动轴是同轴安装的，所述圆编码环在与其轴线平行的圆环内侧面上依次设有多个相对码道以及多个绝对码道组；

所述多个相对码道包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器，每一组围绕圆周分布的光电传感器构成一相对码道，多个相对码道的光电传感器间距均相等；所述多个绝对码道组的每个绝对码道组均包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器，每一组围绕圆周分布的光电传感器构成一绝对码道，每个绝对码道组的多个绝对码道的光电传感器间距均相等，任意两个绝对码道组的光电传感器间距均不同，多个绝对码道组的光电传感器间距按位置关系递增；

所述多个相对码道以及多个绝对码道组中的每个绝对码道均独立地与数据采集模块连接，所述数据采集模块与数据处理单元连接，所述数据处理单元对多个绝对码道组的每个光电传感器均预先进行绝对位置编码。

进一步，所述多个绝对码道组中，每个绝对码道的光电传感器的数量均与任一相对码道的光电传感器的数量成倍数关系。

进一步，所述光源模块的数量为4个，所述光源模块包括激光光源及光学透镜。

进一步，所述转动轴在伺服电机的带动下转动，使得光源模块发出的光线扫描照射到圆编码环上的多个相对码道以及多个绝对码道组上，每个相对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组时序脉冲信号，每个绝对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组编码脉冲信号，所述数据采集模块采集时序脉冲信号以及编码脉冲信号后发送到数据处理单元，所述数据处理单元接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正。

进一步，所述数据处理单元接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正，其具体为：

所述数据处理单元接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，同时在接收到编码脉冲信号后，对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

所述计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器的总数。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种复合型旋转编码器的测量方法，包括：

S1、在待测伺服电机上安装旋转编码器；

S2、旋转编码器的转动轴在伺服电机的带动下转动，使得光源模块发出的光线扫描照射到圆编码环上的多个相对码道以及多个绝对码道组上；

S3、每个相对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组时序脉冲信号，每个绝对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组编码脉冲信号；

S4、数据采集模块采集时序脉冲信号以及编码脉冲信号后发送到数据处理单元；

S5、数据处理单元接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正。

进一步，所述步骤S5，其具体为：

数据处理单元接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，同时在接收到编码脉冲信号后，对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

所述计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器的总数。

进一步，所述步骤S5，其具体为：

数据处理单元接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，进而计算获得伺服电机的旋转速度；

数据处理单元接收到多组编码脉冲信号后，根据计算获得的伺服电机的旋转速度，选择与该旋转速度对应的绝对码道组的编码脉冲信号，进而对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

所述计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器的总数。

进一步，所述数据处理单元接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K的步骤，其具体为：

数据处理单元接收多组时序脉冲信号后将其进行整形得到对应的多组方波信号，然后对方波信号进行计数，若同时检测到两组以上的方波信号的上升沿，则计数值加1，最后获得实时计数总值K。

进一步，所述选择与该旋转速度对应的绝对码道组的编码脉冲信号，进而对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量的步骤，其具体为：

选择与该旋转速度对应的绝对码道组的多组编码脉冲信号，将其进行整形得到对应的多组方波信号，然后对方波信号进行计数，若同时检测到两组以上的方波信号的上升沿，则计数值加1，最后获得实时数量。

本发明的有益效果是：本发明的一种复合型旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，包括光学系统、圆编码环、转动轴、数据采集模块以及数据处理单元，光学系统包括多个均匀地分布在转动轴的表面上的光源模块，圆编码环固定在伺服电机的机架上，转动轴通过电刷与伺服电机连接且位于圆编码环内，圆编码环与转动轴是同轴安装的，圆编码环在与其轴线平行的圆环内侧面上依次设有多个相对码道以及多个绝对码道组；多个相对码道包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器，每一组围绕圆周分布的光电传感器构成一相对码道，相对码道的光电传感器间距均相等；多个绝对码道组的每个绝对码道组均包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器，每一组围绕圆周分布的光电传感器构成一绝对码道，每个绝对码道组的多个绝对码道的光电传感器间距均相等，任意两个绝对码道组的光电传感器间距均不同，多个绝对码道组的光电传感器间距按位置关系递增；多个相对码道以及多个绝对码道组中的每个绝对码道均独立地与数据采集模块连接，数据采集模块与数据处理单元连接，数据处理单元对多个绝对码道组的每个光电传感器均预先进行绝对位置编码。本复合型旋转编码器通过在圆编码环的圆环内侧面设置光电传感器构成相对码道及绝对码道进行旋转角度测量，无需进行光栅刻画，避免了现有技术中由于的光栅刻画的精度限制所导致的光电旋转编码器精度低的情况，而且可避免因径向跳动而导致的测量误差，测量精度高，而且抗干扰、抗污染能力强，具有较高的可靠性。

本发明的另一有益效果是：本发明的一种复合型旋转编码器的测量方法，包括：S1、在待测伺服电机上安装旋转编码器；S2、旋转编码器的转动轴在伺服电机的带动下转动，使得光源模块发出的光线扫描照射到圆编码环上的多个相对码道以及多个绝对码道组上； S3、每个相对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组时序脉冲信号，每个绝对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组编码脉冲信号；S4、数据采集模块采集时序脉冲信号以及编码脉冲信号后发送到数据处理单元；S5、数据处理单元接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正。本测量方法通过采用设置在圆编码环的圆环内侧面的光电传感器构成的相对码道以及绝对码道进行旋转角度测量，无需进行光栅刻画，避免了现有技术中由于的光栅刻画的精度限制所导致的光电旋转编码器精度低的情况，而且可避免因径向跳动而导致的测量误差，测量精度高，而且抗干扰、抗污染能力强，具有较高的可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种复合型旋转编码器的结构示意图；

图2是本发明的一种复合型旋转编码器的主视图；

图3是图2中的I部分的局部放大图；

图4是图2中的II部分的局部放大图；

图5是本发明的一种复合型旋转编码器的多个相对码道以及多个绝对码道组的排列结构示意图；

图6是本发明的实施例一中的时序脉冲信号的示意图；

图7是对图6中的时序脉冲信号进行整形后得到的方波信号示意图。

具体实施方式

参照图1~图5，一种复合型旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，包括光学系统、圆编码环17、转动轴14、数据采集模块15以及数据处理单元16，所述光学系统包括多个均匀地分布在转动轴14的表面上的光源模块1，所述圆编码环17固定在伺服电机的机架上，所述转动轴14通过电刷与伺服电机连接且位于圆编码环17内，所述圆编码环17与转动轴14是同轴安装的，所述圆编码环17在与其轴线平行的圆环内侧面3上依次设有多个相对码道以及多个绝对码道组；

所述多个相对码道包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器4，每一组围绕圆周分布的光电传感器4构成一相对码道，多个相对码道的光电传感器间距均相等；所述多个绝对码道组的每个绝对码道组均包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器4，每一组围绕圆周分布的光电传感器4构成一绝对码道，每个绝对码道组的多个绝对码道的光电传感器间距均相等，任意两个绝对码道组的光电传感器间距均不同，多个绝对码道组的光电传感器间距按位置关系递增；光电传感器间距是指同一圆周分布的多个光电传感器4中相邻的任意两个光电传感器4的间距；

所述多个相对码道以及多个绝对码道组中的每个绝对码道均独立地与数据采集模块15连接，所述数据采集模块15与数据处理单元16连接，所述数据处理单元16对多个绝对码道组的每个光电传感器4均预先进行绝对位置编码。

进一步作为优选的实施方式，所述多个绝对码道组中，每个绝对码道的光电传感器4的数量均与任一相对码道的光电传感器4的数量成倍数关系。

进一步作为优选的实施方式，所述光源模块1的数量为4个，所述光源模块1包括激光光源及光学透镜。

进一步作为优选的实施方式，所述转动轴14在伺服电机的带动下转动，使得光源模块1发出的光线扫描照射到圆编码环17上的多个相对码道以及多个绝对码道组上，每个相对码道上的光电传感器4在光线的照射下先后感光并产生一组时序脉冲信号，每个绝对码道上的光电传感器4在光线的照射下先后感光并产生一组编码脉冲信号，所述数据采集模块15采集时序脉冲信号以及编码脉冲信号后发送到数据处理单元16，所述数据处理单元16接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正。

进一步作为优选的实施方式，所述数据处理单元16接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正，其具体为：

所述数据处理单元16接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，同时在接收到编码脉冲信号后，对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器4的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

所述计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器4的总数。

本发明还提供了一种复合型旋转编码器的测量方法，包括：

S1、在待测伺服电机上安装旋转编码器；

S2、旋转编码器的转动轴14在伺服电机的带动下转动，使得光源模块1发出的光线扫描照射到圆编码环17上的多个相对码道以及多个绝对码道组上；

S3、每个相对码道上的光电传感器4在光线的照射下先后感光并产生一组时序脉冲信号，每个绝对码道上的光电传感器4在光线的照射下先后感光并产生一组编码脉冲信号；

S4、数据采集模块15采集时序脉冲信号以及编码脉冲信号后发送到数据处理单元16；

S5、数据处理单元16接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5，其具体为：

数据处理单元16接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，同时在接收到编码脉冲信号后，对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器4的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

所述计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器4的总数。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5，其具体为：

数据处理单元16接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，进而计算获得伺服电机的旋转速度；

数据处理单元16接收到多组编码脉冲信号后，根据计算获得的伺服电机的旋转速度，选择与该旋转速度对应的绝对码道组的编码脉冲信号，进而对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器4的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

所述计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器4的总数。

进一步作为优选的实施方式，所述数据处理单元16接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K的步骤，其具体为：

数据处理单元16接收多组时序脉冲信号后将其进行整形得到对应的多组方波信号，然后对方波信号进行计数，若同时检测到两组以上的方波信号的上升沿，则计数值加1，最后获得实时计数总值K。

进一步作为优选的实施方式，所述选择与该旋转速度对应的绝对码道组的编码脉冲信号，进而对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量的步骤，其具体为：

选择与该旋转速度对应的绝对码道组的多组编码脉冲信号，将其进行整形得到对应的多组方波信号，然后对方波信号进行计数，若同时检测到两组以上的方波信号的上升沿，则计数值加1，最后获得实时数量。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例一

参照图1~图5，一种复合型旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，包括光学系统、圆编码环17、转动轴14、数据采集模块15以及数据处理单元16，光学系统包括多个均匀地分布在转动轴14的表面上的光源模块1，圆编码环17固定在伺服电机的机架上，转动轴14通过电刷与伺服电机连接且位于圆编码环17内，圆编码环17与转动轴14是同轴安装的，圆编码环17在与其轴线平行的圆环内侧面3上依次设有多个相对码道以及多个绝对码道组；

多个相对码道包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器4，每一组围绕圆周分布的光电传感器4构成一相对码道，多个相对码道的光电传感器间距均相等；多个绝对码道组的每个绝对码道组均包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器4，每一组围绕圆周分布的光电传感器4构成一绝对码道，每个绝对码道组的多个绝对码道的光电传感器间距均相等，任意两个绝对码道组的光电传感器间距均不同，多个绝对码道组的光电传感器间距按位置关系递增；光电传感器间距是指同一圆周分布的多个光电传感器4中相邻的任意两个光电传感器4的间距，图4及图5中任意一个圆周上的多个光电传感器4的光电传感器间距均相同。

多个相对码道以及多个绝对码道组中的每个绝对码道均独立地与数据采集模块15连接，数据采集模块15与数据处理单元16连接，数据处理单元16对多个绝对码道组的每个光电传感器4均预先进行绝对位置编码。

多个绝对码道组中，每个绝对码道的光电传感器4的数量均与任一相对码道的光电传感器4的数量成倍数关系。

图2中附图标记2表示光源模块1发出的光线，光源模块1的数量为4个，光源模块1包括激光光源及光学透镜。

图4中旋转方向指转动轴14的旋转方向。图4及图5中的附图标记7表示多个相对码道中的任一个，图5中的附图标记8、9、10、11、n分别表示多个绝对码道组中的第一绝对码道组、第二绝对码道组、第三绝对码道组、第四绝对码道组以及第n绝对码道组，附图标记13表示任一绝对码道组中的任一绝对码道，附图标记6表示测量时，光源模块1在圆编码环17的圆环内侧面3上的照射区域。第一绝对码道组8、第二绝对码道组9、第三绝对码道组10、第四绝对码道组11及第五绝对码道n中的任意两个绝对码道组，其光电传感器间距均不同，且按照图5中的位置关系往右递增。图3及图5中Δ表示相对码道的光电传感器间距，图5中Δ1、Δ2、Δ3、Δ4及Δn分别表示第一绝对码道组8、第二绝对码道组9、第三绝对码道组10、第四绝对码道组11以及第五绝对码道n的光电传感器间距，Δ <Δ1 <Δ2 <Δ3 <…<Δn。假设每个相对码道上共有N个光电传感器4，第一绝对码道组8、第二绝对码道组9、第三绝对码道组10、第四绝对码道组11以及第五绝对码道n的每个绝对码道分别有K1，K2，K3，K4，...Kn个光电传感器4，则N>K1>K2>K3>K4...>Kn，且N与K1，K2，K3，K4，..Kn成倍数关系。

本旋转编码器工作时，转动轴14在伺服电机的带动下转动，使得光源模块1发出的光线扫描照射到圆编码环17上的多个相对码道以及多个绝对码道组上，每个相对码道上的光电传感器4在光线的照射下先后感光并产生一组时序脉冲信号，每个绝对码道上的光电传感器4在光线的照射下先后感光并产生一组编码脉冲信号，数据采集模块15采集时序脉冲信号以及编码脉冲信号后发送到数据处理单元16，数据处理单元16接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正。

本实施例中，旋转编码器进行测量时的一时序脉冲信号如图6所示，图6中，信号A、B、C、D分别表示在4个光源模块1的照射下，旋转编码器的一相对码道所产生的电信号，图7表示对A、B、C、D四路信号进行整形后，所获得的方波信号a、b、c、d，设置4个光源模块1进行测量，相当于将一信号平均分成四份，使得旋转编码器的分辨率提高到4倍。光源模块1布置的越多，旋转编码器的分辨率将越高。

“数据处理单元16接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正”的具体过程为：

数据处理单元16接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，同时在接收到编码脉冲信号后，对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器4的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器4的总数。需要注意的是，对时序脉冲信号进行计数时，只针对其中一组时序脉冲信号进行计数或者分别对多组时序脉冲信号进行计数后选一组，也可以采用其它方式，总而言之，多组时序脉冲信号实际上均是表示同一旋转角度，不能将多组信号进行叠加计数。

以图6中的信号A为例，对信号A的时序脉冲进行计数，检测到一个时序脉冲，则计数就加1，实时地获得时序脉冲的总数作为实时计数总值K。进行补偿校正时，以第二绝对码道组9为例，设N与K2的关系为N=10K2，若检测到第二绝对码道组9的编码脉冲的实时数量为1，则判断检测到的相对码道的时序脉冲的实时计数总值K是否为10，若是，则需不需要进行补偿校正，否则，要对实时计数总值K进行补偿校正，将其纠正为10。

本发明通过在圆编码环17的圆环内侧面3上设置由光电传感器4构成的多个相对码道以及多个绝对码道组，而且光源模块1采用径向布置的方式，利用光电传感器4元件的特性实现伺服电机的微位移、微角度测量，测量精度高，避免了转动轴14的径向跳动出现的微小位移而造成的测量误差，而且采用光电传感器4替代现有技术中的光栅，增强了旋转编码器的抗干扰、抗污染能力，提高了可靠性。而且无需进行光栅刻画，避免了现有技术中由于的光栅刻画的精度限制所导致的光电旋转编码器精度低的情况。

实施例二

实施例一的一种复合型旋转编码器的测量方法，包括：

S1、在待测伺服电机上安装旋转编码器；

S2、旋转编码器的转动轴14在伺服电机的带动下转动，使得光源模块1发出的光线扫描照射到圆编码环17上的多个相对码道以及多个绝对码道组上；

S3、每个相对码道上的光电传感器4在光线的照射下先后感光并产生一组时序脉冲信号，每个绝对码道上的光电传感器4在光线的照射下先后感光并产生一组编码脉冲信号；

S4、数据采集模块15采集时序脉冲信号以及编码脉冲信号后发送到数据处理单元16；

S5、数据处理单元16接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正。

步骤S5，其具体为：

数据处理单元16接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，同时在接收到编码脉冲信号后，对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器4的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器4的总数。

关于本实施例中细节的具体说明可参照实施例一的描述。

实施例三

本实施例与实施例二基本类似，区别在于步骤S5具体为：

数据处理单元16接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，进而计算获得伺服电机的旋转速度；

数据处理单元16接收到多组编码脉冲信号后，根据计算获得的伺服电机的旋转速度，选择与该旋转速度对应的绝对码道组的编码脉冲信号，进而对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器4的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器4的总数。因为不同绝对码道组具有不同的测量速度及精度，例如，第一绝对码道组8可用于进行瞬间绝对测量或在低速旋转时进行高精度绝对测量，第n绝对码道组12可用于高速旋转时实现快速绝对式测量。本实施例中，通过预先建立起伺服电机的旋转速度与绝对码道组的对应关系，进而在检测过程中，计算出伺服电机的旋转速度后，选择与该旋转速度对应的绝对码道组进行补偿校正，可克服高速旋转时，高精度码道数据量大，后置电路难以处理的问题，可以解决高速度测量和高精度测量之间的矛盾。

另外，计算旋转角度时，通过对编码脉冲信号进行解码获得每个编码脉冲信号对应的光电传感器4的绝对位置后根据任意的前后两个编码脉冲信号对应的光电传感器4的绝对位置关系，可获得伺服电机的旋转方向，例如，前一个编码脉冲对应的绝对位置为X，后一个编码脉冲对应的绝对位置为X+1，则判断伺服电机正转，这样，对时序脉冲进行计数时逐渐加1，实时计数总值K为正，反之，若前一个编码脉冲对应的绝对位置为X，后一个编码脉冲对应的绝对位置为X-1，则判断伺服电机反转，这样，对时序脉冲进行计数时逐渐减1，实时计数总值K为负。最后通过计算出的旋转角度的符号可以得知伺服电机旋转的方向。

另外，上述步骤中“数据处理单元16接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K”的步骤，具体为：

数据处理单元16接收多组时序脉冲信号后将其进行整形得到对应的多组方波信号，然后对方波信号进行计数，若同时检测到两组以上的方波信号的上升沿，则计数值加1，最后获得实时计数总值K。

“选择与该旋转速度对应的绝对码道组的编码脉冲信号，进而对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量的步骤”，具体为：

选择与该旋转速度对应的绝对码道组的多组编码脉冲信号，将其进行整形得到对应的多组方波信号，然后对方波信号进行计数，若同时检测到两组以上的方波信号的上升沿，则计数值加1，最后获得实时数量。

当伺服电机高速旋转时，数据采集模块15在高速的数据采集过程中，可能会遗失掉某些数据，本实施中数据处理单元16对多个相对码道所产生的多组时序脉冲信号并整形得到方波信号后，对多组方波信号进行分析比较，确保不会多读数或遗失数据而导致测量错误。此处以3个相对码道为例进行说明，当数据处理单元16同时检测到三组方波信号的上升沿时，则计数加1（或减1），当同时检测到三组方波信号的上升沿时，同样计数加1（或减1），若只检测到一组方波信号的上升沿或没有检测到方波信号的上升沿时，则不进行计数。本实施例通过对多个相对码道的测量结果进行比较，解决了解决高速度测量和高精度测量的矛盾，可以更为精确地测量出伺服电机的旋转角度。而且，各相对码道之间都是一个单独的角度测量系统，其测量结果不会受其它相对码道相位变化的影响，而且各相对码道之间没有严格的相位要求，提高了旋转编码器的可靠性。本实施例对各个绝对码道组的多个绝对码道也是采用了同样的测量方法，因此也同样可对多个绝对码道的测量结果进行比较，解决了解决高速度测量和高精度测量的矛盾，可以更为精确地对相对码道的测量结果进行补偿校正。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种复合型旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，其特征在于，包括光学系统、圆编码环、转动轴、数据采集模块以及数据处理单元，所述光学系统包括多个均匀地分布在转动轴的表面上的光源模块，所述圆编码环固定在伺服电机的机架上，所述转动轴通过电刷与伺服电机连接且位于圆编码环内，所述圆编码环与转动轴是同轴安装的，所述圆编码环在与其轴线平行的圆环内侧面上依次设有多个相对码道以及多个绝对码道组；

所述多个相对码道包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器，每一组围绕圆周分布的光电传感器构成一相对码道，多个相对码道的光电传感器间距均相等；所述多个绝对码道组的每个绝对码道组均包括多组均匀地围绕圆周分布的光电传感器，每一组围绕圆周分布的光电传感器构成一绝对码道，每个绝对码道组的多个绝对码道的光电传感器间距均相等，任意两个绝对码道组的光电传感器间距均不同，多个绝对码道组的光电传感器间距按位置关系递增；

所述多个相对码道以及多个绝对码道组中的每个绝对码道均独立地与数据采集模块连接，所述数据采集模块与数据处理单元连接，所述数据处理单元对多个绝对码道组的每个光电传感器均预先进行绝对位置编码；

所述多个绝对码道组中，每个绝对码道的光电传感器的数量均与任一相对码道的光电传感器的数量成倍数关系。

2.根据权利要求1所述的一种复合型旋转编码器，其特征在于，所述光源模块的数量为4个，所述光源模块包括激光光源及光学透镜。

3.根据权利要求1所述的一种复合型旋转编码器，其特征在于，所述转动轴在伺服电机的带动下转动，使得光源模块发出的光线扫描照射到圆编码环上的多个相对码道以及多个绝对码道组上，每个相对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组时序脉冲信号，每个绝对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组编码脉冲信号，所述数据采集模块采集时序脉冲信号以及编码脉冲信号后发送到数据处理单元，所述数据处理单元接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正。

4.根据权利要求3所述的一种复合型旋转编码器，其特征在于，所述数据处理单元接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正，其具体为：

所述数据处理单元接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，同时在接收到编码脉冲信号后，对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

所述计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器的总数。

5.如权利要求1所述的一种复合型旋转编码器的测量方法，其特征在于，包括：

S1、在待测伺服电机上安装旋转编码器；

S2、旋转编码器的转动轴在伺服电机的带动下转动，使得光源模块发出的光线扫描照射到圆编码环上的多个相对码道以及多个绝对码道组上；

S3、每个相对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组时序脉冲信号，每个绝对码道上的光电传感器在光线的照射下先后感光并产生一组编码脉冲信号；

S4、数据采集模块采集时序脉冲信号以及编码脉冲信号后发送到数据处理单元；

S5、数据处理单元接收时序脉冲信号以及编码脉冲信号后，对时序脉冲信号进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，同时结合编码脉冲信号对获得的旋转角度进行补偿校正。

6.根据权利要求5所述的一种复合型旋转编码器的测量方法，其特征在于，所述步骤S5，其具体为：

数据处理单元接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，同时在接收到编码脉冲信号后，对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

所述计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器的总数。

7.根据权利要求5所述的一种复合型旋转编码器的测量方法，其特征在于，所述步骤S5，其具体为：

数据处理单元接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K后计算获得伺服电机的旋转角度，进而计算获得伺服电机的旋转速度；

数据处理单元接收到多组编码脉冲信号后，根据计算获得的伺服电机的旋转速度，选择与该旋转速度对应的绝对码道组的编码脉冲信号，进而对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量，并判断该实时数量与实时计数总值K的倍数关系是否和对应的绝对码道与相对码道的光电传感器的数量倍数关系相等，若不相等，则根据该数量倍数关系对实时计数总值K进行补偿校正；

所述计算获得伺服电机的旋转角度，是根据下式进行计算的：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示每个相对码道的光电传感器的总数。

8.根据权利要求7所述的一种复合型旋转编码器的测量方法，其特征在于，所述数据处理单元接收时序脉冲信号后对时序脉冲信号中的时序脉冲进行计数，获得实时计数总值K的步骤，其具体为：

数据处理单元接收多组时序脉冲信号后将其进行整形得到对应的多组方波信号，然后对方波信号进行计数，若同时检测到两组以上的方波信号的上升沿，则计数值加1，最后获得实时计数总值K。

9.根据权利要求7所述的一种复合型旋转编码器的测量方法，其特征在于，所述选择与该旋转速度对应的绝对码道组的编码脉冲信号，进而对编码脉冲信号中的编码脉冲进行计数获得编码脉冲的实时数量的步骤，其具体为：

选择与该旋转速度对应的绝对码道组的多组编码脉冲信号，将其进行整形得到对应的多组方波信号，然后对方波信号进行计数，若同时检测到两组以上的方波信号的上升沿，则计数值加1，最后获得实时数量。