CN104567956B - 一种相对式旋转编码器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相对式旋转编码器及其测量方法，该旋转编码器包括圆编码盘、转动轴、数据处理模块、外壳、多个光源系统以及多个光电传感器，圆编码盘的外侧面设有一相对码道以及一基准零位码道，相对码道包括多个宽度相同且均匀地刻画在圆编码盘外侧面的一圆周上的光栅条纹，基准零位码道包括两个宽度不同的光栅条纹；多个光源系统均安装在外壳上且多个光源系统均分别位于圆编码盘的一径向上，多个光电传感器均分别安装在一光源系统的外侧，多个光电传感器均与数据处理模块连接。本发明可避免因径向跳动而导致的测量误差，测量精度高，而且抗干扰、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

一种相对式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，特别是涉及一种相对式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。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。

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相对式旋转编码器及其测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种相对式旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，包括圆编码盘、转动轴、数据处理模块、外壳、多个光源系统以及多个光电传感器，所述转动轴通过联轴器与伺服电机连接，所述圆编码盘垂直地安装在转动轴上，所述外壳固定在伺服电机的机架上且所述转动轴及圆编码盘均位于机架内；

所述圆编码盘的外侧面设有一相对码道以及一基准零位码道，所述基准零位码道设置在相对码道旁边，所述相对码道包括多个宽度相同且均匀地刻画在圆编码盘外侧面的一圆周上的光栅条纹，所述基准零位码道包括两个宽度不同的光栅条纹；

所述多个光源系统均安装在外壳上且多个光源系统均分别位于圆编码盘的一径向上，所述多个光电传感器均分别安装在一光源系统的外侧，所述多个光电传感器均与数据处理模块连接。

进一步，所述光源系统包括平行光源、棱镜系统以及光学放大透镜结构，所述平行光源发出的光线经棱镜系统折射后扫描照射到圆编码盘的外侧面上并经相对码道及基准零位码道的光栅条纹反射后依次通过棱镜系统及光学放大透镜结构后照射到光电传感器上。

进一步，所述转动轴在伺服电机的带动下转动，使得所述光源系统发出的光线扫描照射到圆编码盘外侧面的相对码道及基准零位码道上，光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后照射到光电传感器上，所述光电传感器采集相对码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的时序脉冲信号，同时采集基准零位码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的过零点信号，所述数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度。

进一步，所述数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，其具体为：

所述数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后，对过零点信号进行解析获得旋转编码器的旋转方向，同时从零开始计数，若检测到时序脉冲信号的上升沿，则计数值加1，最后得到计数总值K后，根据下式计算获得伺服电机的旋转角度：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示相对码道的光栅条纹的总数。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种相对式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，使得光源系统发出的光线扫描照射到圆编码盘外侧面的相对码道及基准零位码道上；

S3、光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后照射到光电传感器上；

S4、光电传感器采集相对码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的时序脉冲信号，同时采集基准零位码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的过零点信号；

S5、数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度。

进一步，所述步骤S5，其具体为：

数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后，对过零点信号进行解析获得旋转编码器的旋转方向，同时从零开始计数，若检测到时序脉冲信号的上升沿，则计数值加1，最后得到计数总值K后，根据下式计算获得伺服电机的旋转角度：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示相对码道的光栅条纹的总数。

进一步，所述步骤S2，其具体为：

旋转编码器的转动轴在伺服电机的带动下转动，使得平行光源发出的光线经棱镜系统折射后扫描照射到圆编码盘外侧面的相对码道及基准零位码道上。

进一步，所述步骤S3，其具体为：

光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后依次通过棱镜系统及光学放大透镜结构后照射到光电传感器上。

本发明的有益效果是：本发明的一种相对式旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，包括圆编码盘、转动轴、数据处理模块、外壳、多个光源系统以及多个光电传感器，转动轴通过联轴器与伺服电机连接，圆编码盘垂直地安装在转动轴上，外壳固定在伺服电机的机架上且所述转动轴及圆编码盘均位于机架内；圆编码盘的外侧面设有一相对码道以及一基准零位码道，基准零位码道设置在相对码道旁边，相对码道包括多个宽度相同且均匀地刻画在圆编码盘外侧面的一圆周上的光栅条纹，基准零位码道包括两个宽度不同的光栅条纹；多个光源系统均安装在外壳上且多个光源系统均分别位于圆编码盘的一径向上，多个光电传感器均分别安装在一光源系统的外侧，多个光电传感器均与数据处理模块连接。本旋转编码器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：本发明的一种相对式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，使得光源系统发出的光线扫描照射到圆编码盘外侧面的相对码道及基准零位码道上；S3、光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后照射到光电传感器上；S4、光电传感器采集相对码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的时序脉冲信号，同时采集基准零位码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的过零点信号；S5、数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度。本测量方法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是本发明的一种相对式旋转编码器的第一结构示意图；

图2是本发明的一种相对式旋转编码器的第二结构示意图；

图3是图1中的I部分的局部放大图；

图4是图1中到达光电传感器处的相对码道的光栅图像示意图；

图5是光电传感器对图4中的图像进行明暗感应后输出的时序脉冲示意图；

图6是光电传感器对图3中的基准零位码道的图像进行明暗感应后输出的过零点信号示意图。

具体实施方式

参照图1~图4，本发明提供了一种相对式旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，包括圆编码盘1、转动轴8、数据处理模块6、外壳、多个光源系统以及多个光电传感器5，所述转动轴8通过联轴器与伺服电机连接，所述圆编码盘1垂直地安装在转动轴8上，所述外壳固定在伺服电机的机架上且所述转动轴8及圆编码盘1均位于机架内；

所述圆编码盘1的外侧面设有一相对码道以及一基准零位码道，所述基准零位码道设置在相对码道旁边，所述相对码道包括多个宽度相同且均匀地刻画在圆编码盘1外侧面的一圆周上的光栅条纹，所述基准零位码道包括两个宽度不同的光栅条纹；

所述多个光源系统均安装在外壳上且多个光源系统均分别位于圆编码盘1的一径向上，所述多个光电传感器5均分别安装在一光源系统的外侧，所述多个光电传感器5均与数据处理模块6连接。

图3中附图标记9表示平行光源2发出的光线照射到圆编码盘1外侧面时的照射区域，附图标记10表示相对码道的多个光栅条纹之间的间距△，附图标记11表示基准零位码道，由图3中可以看出，基准零位码道是由两个宽度不同的光栅条纹构成的。

进一步作为优选的实施方式，所述光源系统包括平行光源2、棱镜系统3以及光学放大透镜结构4，所述平行光源2发出的光线经棱镜系统3折射后扫描照射到圆编码盘1的外侧面上并经相对码道及基准零位码道的光栅条纹反射后依次通过棱镜系统3及光学放大透镜结构4后照射到光电传感器5上。图1中附图标记7表示平行光源2所发出的光线。

进一步作为优选的实施方式，所述转动轴8在伺服电机的带动下转动，使得所述光源系统发出的光线扫描照射到圆编码盘1外侧面的相对码道及基准零位码道上，光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后照射到光电传感器5上，所述光电传感器5采集相对码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的时序脉冲信号，同时采集基准零位码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的过零点信号，所述数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度。

进一步作为优选的实施方式，所述数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，其具体为：

所述数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后，对过零点信号进行解析获得旋转编码器的旋转方向，同时从零开始计数，若检测到时序脉冲信号的上升沿，则计数值加1，最后得到计数总值K后，根据下式计算获得伺服电机的旋转角度：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示相对码道的光栅条纹的总数。

测量过程中，若再次检测到过零点信号，则表示已经旋转了360度。此时，也可以对计数总值K进行验证。

本发明还提供了一种相对式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8在伺服电机的带动下转动，使得光源系统发出的光线扫描照射到圆编码盘1外侧面的相对码道及基准零位码道上；

S3、光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后照射到光电传感器5上；

S4、光电传感器5采集相对码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的时序脉冲信号，同时采集基准零位码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的过零点信号；

S5、数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5，其具体为：

数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后，对过零点信号进行解析获得旋转编码器的旋转方向，同时从零开始计数，若检测到时序脉冲信号的上升沿，则计数值加1，最后得到计数总值K后，根据下式计算获得伺服电机的旋转角度：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示相对码道的光栅条纹的总数。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S2，其具体为：

旋转编码器的转动轴8在伺服电机的带动下转动，使得平行光源2发出的光线经棱镜系统3折射后扫描照射到圆编码盘1外侧面的相对码道及基准零位码道上。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3，其具体为：

光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后依次通过棱镜系统3及光学放大透镜结构4后照射到光电传感器5上。

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4，一种相对式旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，包括圆编码盘1、转动轴8、数据处理模块6、外壳、多个光源系统以及多个光电传感器5，所述转动轴8通过联轴器与伺服电机连接，所述圆编码盘1垂直地安装在转动轴8上，所述外壳固定在伺服电机的机架上且所述转动轴8及圆编码盘1均位于机架内；

所述圆编码盘1的外侧面设有一相对码道以及一基准零位码道，所述基准零位码道设置在相对码道旁边，所述相对码道包括多个宽度相同且均匀地刻画在圆编码盘1外侧面的一圆周上的光栅条纹，所述基准零位码道包括两个宽度不同的光栅条纹；

所述多个光源系统均安装在外壳上且多个光源系统均分别位于圆编码盘1的一径向上，所述多个光电传感器5均分别安装在一光源系统的外侧，所述多个光电传感器5均与数据处理模块6连接。

图3中附图标记9表示平行光源2发出的光线照射到圆编码盘1外侧面时的照射区域，附图标记10表示相对码道的多个光栅条纹之间的间距△，如图中所示，相对码道的任意两个光栅条纹之间的间距均相等。附图标记11表示基准零位码道，由图3中可以看出，基准零位码道是由两个宽度不同的光栅条纹构成的。

本实施例中，光源系统包括平行光源2、棱镜系统3以及光学放大透镜结构4，所述平行光源2发出的光线经棱镜系统3折射后扫描照射到圆编码盘1的外侧面上并经相对码道及基准零位码道的光栅条纹反射后依次通过棱镜系统3及光学放大透镜结构4后照射到光电传感器5上。图1中附图标记7表示平行光源2所发出的光线。平行光源2优选采用激光光源。

参照图3，所述转动轴8在伺服电机的带动下转动，使得所述光源系统发出的光线扫描照射到圆编码盘1外侧面的相对码道及基准零位码道上，例如图3中的照射区域，光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后照射到光电传感器5上，所述光电传感器5采集相对码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的时序脉冲信号，同时采集基准零位码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的过零点信号，所述数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度。

当转动轴8转动使得光线照射到基准零位码道时，基准零位码道将检测到过零点信号，数据处理模块6接收到过零点信号后，旋转编码器才正式进入工作状态。这里，基准零位码道的设置使得本旋转编码器可以简单高效地确定零点位置。而通过设置多个光源系统多个光电传感器5构成多组角度测量系统，可以保证测量开始时，有一组角度测量系统可以迅速地检测到过零点信号从而进行角度测量。

光电传感器5采集的光栅条纹的图像如图4所示。本实施例中，光电传感器5对图4中的图像进行明暗感应后输出的时序脉冲信号如图5所示，该信号为方波信号，通过对方波脉冲进行计数，可以计算获得旋转角度。光电传感器5对图3中的基准零位码道的图像进行明暗感应后输出的过零点信号如图6所示，当数据处理模块6接收到如图6所示的宽度不一样的两个脉冲信号时，进行解析，若该两脉冲的顺序是先检测到宽度较细的脉冲再检测到宽度较长的脉冲，则表示正向旋转，反之表示反向旋转，在最后输出旋转角度时，也输出伺服电机的旋转方向。

“数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度”的具体过程为：

所述数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后，对过零点信号进行解析获得旋转编码器的旋转方向，同时从零开始计数，若检测到时序脉冲信号的上升沿，则计数值加1，最后得到计数总值K后，根据下式计算获得伺服电机的旋转角度：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示相对码道的光栅条纹的总数。

测量过程中，若再次检测到过零点信号，则表示已经旋转了360度。此时，也可以对计数总值K进行验证。

本发明通过设置多个光源系统以及多个光电传感器5进行测量，可以对每个光电传感器5测量的数据进行单独处理，即每个光源系统和对应的光电传感器5构成一个单独的角度测量系统，数据处理模块6最后可以综合多个角度测量系统的测量结果合成计算获得更准确的角位移值。

本发明通过在圆编码盘1的外侧面均匀地刻画多个光栅条纹作为相对码道，而且光源系统采用径向布置的方式，通过光电传感器5检测光栅条纹反射回的光线，从而结合数据处理模块6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8的径向跳动出现的微小位移而造成的测量误差，增强了旋转编码器的抗干扰、抗污染能力，提高了可靠性。

实施例二

实施例一的一种相对式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8在伺服电机的带动下转动，使得光源系统发出的光线扫描照射到圆编码盘1外侧面的相对码道及基准零位码道上；

S3、光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后照射到光电传感器5上；

S4、光电传感器5采集相对码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的时序脉冲信号，同时采集基准零位码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的过零点信号；

S5、数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度。

步骤S5具体为：

数据处理模块6采集时序脉冲信号以及过零点信号后，对过零点信号进行解析获得旋转编码器的旋转方向，同时从零开始计数，若检测到时序脉冲信号的上升沿，则计数值加1，最后得到计数总值K后，根据下式计算获得伺服电机的旋转角度：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示相对码道的光栅条纹的总数。

步骤S2，具体为：

旋转编码器的转动轴8在伺服电机的带动下转动，使得平行光源2发出的光线经棱镜系统3折射后扫描照射到圆编码盘1外侧面的相对码道及基准零位码道上。

步骤S3，具体为：

光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后依次通过棱镜系统3及光学放大透镜结构4后照射到光电传感器5上。

关于本实施例中细节的具体说明可参照实施例一的描述。

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所述实施例，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 (8)

1.一种相对式旋转编码器，用于测量伺服电机的旋转角度，其特征在于，包括圆编码盘、转动轴、数据处理模块、外壳、多个光源系统以及多个光电传感器，所述转动轴通过联轴器与伺服电机连接，所述圆编码盘垂直地安装在转动轴上，所述外壳固定在伺服电机的机架上且所述转动轴及圆编码盘均位于机架内；

所述圆编码盘的外侧面设有一相对码道以及一基准零位码道，所述基准零位码道设置在相对码道旁边，所述相对码道包括多个宽度相同且均匀地刻画在圆编码盘外侧面的一圆周上的光栅条纹，所述基准零位码道包括两个宽度不同的光栅条纹；

所述多个光源系统均安装在外壳上且多个光源系统均分别位于圆编码盘的一径向上，所述多个光电传感器均分别安装在一光源系统的外侧，所述多个光电传感器均与数据处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种相对式旋转编码器，其特征在于，所述光源系统包括平行光源、棱镜系统以及光学放大透镜结构，所述平行光源发出的光线经棱镜系统折射后扫描照射到圆编码盘的外侧面上并经相对码道及基准零位码道的光栅条纹反射后依次通过棱镜系统及光学放大透镜结构后照射到光电传感器上。

3.根据权利要求1所述的一种相对式旋转编码器，其特征在于，所述转动轴在伺服电机的带动下转动，使得所述光源系统发出的光线扫描照射到圆编码盘外侧面的相对码道及基准零位码道上，光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后照射到光电传感器上，所述光电传感器采集相对码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的时序脉冲信号，同时采集基准零位码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的过零点信号，所述数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度。

4.根据权利要求3所述的一种相对式旋转编码器，其特征在于，所述数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度，其具体为：

所述数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后，对过零点信号进行解析获得旋转编码器的旋转方向，同时从零开始计数，若检测到时序脉冲信号的上升沿，则计数值加1，最后得到计数总值K后，根据下式计算获得伺服电机的旋转角度：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示相对码道的光栅条纹的总数。

5.如权利要求1所述的一种相对式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，使得光源系统发出的光线扫描照射到圆编码盘外侧面的相对码道及基准零位码道上；

S3、光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后照射到光电传感器上；

S4、光电传感器采集相对码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的时序脉冲信号，同时采集基准零位码道反射的光栅条纹的图像并进行明暗感应后输出对应的过零点信号；

S5、数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后进行计数，进而计算获得伺服电机的旋转角度。

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

数据处理模块采集时序脉冲信号以及过零点信号后，对过零点信号进行解析获得旋转编码器的旋转方向，同时从零开始计数，若检测到时序脉冲信号的上升沿，则计数值加1，最后得到计数总值K后，根据下式计算获得伺服电机的旋转角度：

其中，θ表示伺服电机的旋转角度，N表示相对码道的光栅条纹的总数。

7.根据权利要求5所述的一种相对式旋转编码器的测量方法，其特征在于，所述步骤S2，其具体为：

旋转编码器的转动轴在伺服电机的带动下转动，使得平行光源发出的光线经棱镜系统折射后扫描照射到圆编码盘外侧面的相对码道及基准零位码道上。

8.根据权利要求7所述的一种相对式旋转编码器的测量方法，其特征在于，所述步骤S3，其具体为：

光线分别经相对码道和基准零位码道的光栅条纹反射后依次通过棱镜系统及光学放大透镜结构后照射到光电传感器上。