CN104655156A

CN104655156A - 一种矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法

Info

Publication number: CN104655156A
Application number: CN201410853255.2A
Authority: CN
Inventors: 陈兴林; 崔宁; 耿光晓; 于志亮; 徐川川; 刘杨; 曹开锐; 李松峰
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin University of Technology Robot Group Co., Ltd.
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: CN104655156B

Abstract

一种矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法，涉及光电测量和自动控制领域。本发明解决了绝对式码盘处理误码能力不足的问题。所述方法包括如下步骤：一、利用四象限绝对式码盘读取相应码值；二、采用最外圈相差90度读数头，经过增量式码盘处理电路，读取增量式码盘值；三、给定阈值，计算两个码值的差；四、对于超过预值的绝对式码值用相应的增量式码值来代替。本发明采用实时检测的办法，利用矩阵式编码盘原有的结构，仅增加了增量式码盘的计数电路结构，可以弥补因多种因素造成的码值跳变，融合了绝对式、增量式的优点，一定程度上解决了高位码值译码和码盘尺寸的矛盾，增加的电路简单可靠，方便维护。

Description

一种矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种绝对式码盘的误差补偿方法，涉及光电测量和自动控制领域。

背景技术

在电气自动化程度日益加深的今天，航天等高精度领域对光电编码器的要求正越来越高。绝对式码盘因其可以直接读取角度绝对位置、没有积累误差和断电后位置信息不丢失等优点被广泛应用，但传统的绝对式码盘的码道圈数一般是等于或稍多于对应输出的二进制码的位数，编码位数越多，结构尺寸就越大，因此采用象限式矩阵编码的绝对式码盘在航天等高精度测量领域得到了广泛使用。

绝对式码盘是将整个圆周分成若干个扇形区间，每个区间刻有不同位数的码道，即把若干位排列在同一码道上，然后用若干个读数头读取矩阵编排的光电信号，经矩阵译码处理成与传统编码盘相同的二进制循环周期码。这样的编码减少了码道圈数，缩小了编码器结构尺寸，实现结构尺寸小的高位绝对式编码器。但是由于若干位排列在同一圈上，在外界较大干扰时，如火箭发射引起剧烈震动导致的机械结构变形或外太空高低温等因素造成的码道间圈间位置误差远高于传统码盘，非人为因素造成的误码概率大大提升，影响光电编码器的高精度测。

发明内容

本发明为了解决绝对式码盘处理误码能力不足的问题，提出了一种矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法的实现过程为：

步骤一、利用四象限绝对式码盘读取相应的绝对式码盘值W₁；

步骤二、采用码盘最外圈的精码读数头读取两个相位差为90度的精码电信号，利用增量式码盘处理电路处理后得到两路脉冲：脉冲1和脉冲2，脉冲1和脉冲2有且仅有一路输出，输出的脉冲代表了码盘转过的节距，根据脉冲个数得到节距数目，从而得到最终的增量式码盘值W₂；

步骤三、根据相应工程所用码盘计算出应给定的阈值，并计算两个码值W₁、W₂之差；

步骤四、对于超过阈值的绝对式码盘值W₁用相应的增量式码盘值W₂来代替。

在步骤一中，四象限绝对式码盘通过精码差分电路获得相应的绝对式码盘值W₁；

所述精码差分电路包括定值电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20和R21，包括由电阻R9和R10构成的可变电阻以及可变电阻11，还包括运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3和运算放大器A4；

一路输入电信号同时与电阻R12的一端、电阻R13的一端连接，R12的另一端连接运算放大器A1的正向输入端，电阻R14的一端接地并与电阻R13的另一端连接，电阻R14的另一端同时连接运算放大器A1的反向输入端和电阻R15的一端，电阻R15的另一端同时连接运算放大器A1的输出端和电阻R16的一端，电阻R16的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端同时连接电阻R3的一端和运算放大器A3的正向输入端，电阻R3的另一端接地；

另一路输入电信号同时与电阻R17的一端、电阻R18的一端连接，R17的另一端连接运算放大器A2的正向输入端，电阻R19的一端与电阻R18的另一端连接，电阻R19的另一端同时连接运算放大器A2的反向输入端和电阻R20的一端，电阻R20的另一端同时连接运算放大器A2的输出端和电阻R21的一端，电阻R21的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端同时连接电阻R4的一端和运算放大器A3的反向输入端，电阻R4的另一端连接运算放大器A3的输出端；

电阻R4的另一端还连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接运算放大器A4的正向输入端，电阻R6的一端、电阻R7的一端和电阻R8的一端同时连接运算放大器A4的反向输入端，电阻R6的另一端与可变电阻R11的滑动端连接，可变电阻R11的一个固定端接地，电阻R7的另一端与可变电阻R9和可变电阻R10的公共端连接，可变电阻R9的非公共端连接12V电源的正极，可变电阻R10的非公共端连接12V电源的负极，电阻R8的另一端连接运算放大器A4的输出端；

当所述的一路输入电信号、另一路输入电信号分别为输入电信号E0和输入电信号E180时，运算放大器A4的输出端输出正弦电信号ESIN，

当所述的一路输入电信号、另一路输入电信号分别为输入电信号E90和输入电信号E270时，运算放大器A4的输出端输出余弦电信号ECOS，

ESIN、ECOS的表达式分别如下式：

ESIN = (\frac{R_{8}}{R_{6} + R_{11}} + \frac{R_{8}}{R_{7}} + 1) \cdot (\frac{R_{3} R_{13} (R_{2} + R_{4}) (R_{14} + R_{15} + R_{16})}{R_{2} R_{14} (R_{1} + R_{3})} \cdot E 0 - \frac{R_{4} R_{18} (R_{19} + R_{20} + R_{21})}{R_{2} R_{19}} \cdot E 180) + \frac{R_{8}}{R_{7}} \cdot (12 - u_{T})

ECOS = (\frac{R_{8}}{R_{6} + R_{11}} + \frac{R_{8}}{R_{7}} + 1) \cdot (\frac{R_{3} R_{13} (R_{2} + R_{4}) (R_{14} + R_{15} + R_{16})}{R_{2} R_{14} (R_{1} + R_{3})} \cdot E 90 - \frac{R_{4} R_{18} (R_{19} + R_{20} + R_{21})}{R_{2} R_{19}} \cdot E 270) + \frac{R_{8}}{R_{7}} \cdot (12 - u_{T})

ESIN为由精码差分电路输出的一路正弦电信号，ECOS为由精码差分电路输出的一路余弦电信号；

ESIN和ECOS经过译码处理，得到最终的ELAST电信号，经过AD处理，得到绝对式码盘值W₁。

步骤二中，两个相位差为90度的精码电信号的获得过程为：采用检测窄缝放置的方式来保证输出两个信号的相位差为90度,假设码盘最外圈码道的窄缝是均匀分布的，分布周期为节距d，控制两组检测窄缝的位置相隔(n±1/4)d，n为整数，使输出的两个信号在相位上定相差90度。

步骤三中，进行补偿所提供的阈值的计算过程为：

设定所使用的码盘采用矩阵码编码的内圈码道经过矩阵码信号转化为M位高位信号，利用绝对式的编码方式和最外圈码道进行合成的粗测码值为W₁，最外圈均匀刻画的码道进行光电流信号细分后可以产生N位二进制精测信号，相应码值为W₂，当式(1)成立时，则认为粗测码值因各种因素影响的误差不能满足精度需要，利用增量式码值W₂来代替这个经绝对式算法算出的码值W₁；

W₁-W₂≥2^N (1)。

本发明的有益效果是：本发明以四象限矩阵编码式光电码盘为例，采用复合式比较补偿算法提高其误码处理能力。本发明采用实时检测的办法，利用矩阵式编码盘原有的结构，仅增加了增量式码盘的计数电路结构，可以弥补因多种因素造成的码值跳变，融合了绝对式、增量式的优点，一定程度上解决了高位码值译码和码盘尺寸的矛盾，增加的电路简单可靠，方便维护。本发明适用于航天等高精度光电测量领域。本发明针对在外界较大干扰时，如火箭发射引起剧烈震动导致的机械结构变形或外太空高低温等因素造成的误码具有重要的补偿意义。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2为裂相指示光栅示意图(检测窄缝群)；

图3为8位矩阵式编码盘刻划图案；

图4为矩阵式粗码读数各路信号位置关系图；

图5为为精码差分电路(图5为运用内圈的绝对式编码来进行粗测码值W1的电路，图中，A1，A2，A3，A4是运算放大器，除了R10，R11是可变电阻，其余全是定值电阻，根据需要来确定各个电阻即可，最终的输出的ESIN或ECOS再经过AD显示为码值)；

图6为增量式码盘处理电路(利用最外圈码道的两个相差90度的读数头进行测量W2码值的逻辑电路图)；

图7为内圈码道损坏导致高位粗测码值跳变示意图，图中，横坐标表示时间，纵坐标表示码盘码值；

图8为经过复合式算法补偿后的码值示意图，图中，横坐标表示时间，纵坐标表示码盘码值。

具体实施方式

具体实施方式一：结合附图1说明本实施方式所述的矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法的实现过程为：

四象限绝对式码盘通过精码差分电路获得相应的绝对式码盘值W₁；如图5所示，所述精码差分电路包括定值电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20和R21，包括由电阻R9和R10构成的可变电阻(滑动变阻器)以及可变电阻(滑动变阻器)11，还包括运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3和运算放大器A4；

ESIN、ECOS的表达式分别如下式：

ESIN = (\frac{R_{8}}{R_{6} + R_{11}} + \frac{R_{8}}{R_{7}} + 1) \cdot (\frac{R_{3} R_{13} (R_{2} + R_{4}) (R_{14} + R_{15} + R_{16})}{R_{2} R_{14} (R_{1} + R_{3})} \cdot E 0 - \frac{R_{4} R_{18} (R_{19} + R_{20} + R_{21})}{R_{2} R_{19}} \cdot E 180) + \frac{R_{8}}{R_{7}} \cdot (12 - u_{T})

ECOS = (\frac{R_{8}}{R_{6} + R_{11}} + \frac{R_{8}}{R_{7}} + 1) \cdot (\frac{R_{3} R_{13} (R_{2} + R_{4}) (R_{14} + R_{15} + R_{16})}{R_{2} R_{14} (R_{1} + R_{3})} \cdot E 90 - \frac{R_{4} R_{18} (R_{19} + R_{20} + R_{21})}{R_{2} R_{19}} \cdot E 270) + \frac{R_{8}}{R_{7}} \cdot (12 - u_{T})

ESIN为由精码差分电路输出的一路正弦电信号，ECOS为由精码差分电路输出的一路余弦电信号，u_T表示是滑动变阻器R9、R10上的电压；

步骤二、采用码盘最外圈的精码读数头读取两个相位差为90度的精码电信号：精码1和精码2；利用增量式码盘处理电路处理后得到两路脉冲(脉冲1和脉冲2)，脉冲1和脉冲2有且仅有一路输出，输出的脉冲代表了码盘转过的节距，根据脉冲个数得到节距数目，从而得到最终的增量式码盘值W₂；

如图6所示，给出了增量式码盘处理电路的逻辑电路，图6提供了一个逻辑，凡是符合这个逻辑的电路设计都可以达到增量式码值的读取效果。

步骤二中，两个相位差为90度的精码电信号的获得过程为：采用检测窄缝放置的方式来保证输出两个信号的相位差为90度,假设码盘最外圈码道的窄缝是均匀分布的，分布周期为节距d(如图2所示)，控制两组检测窄缝(码盘最外圈)的位置相隔(n±1/4)d，n为整数，使输出的两个信号在相位上定相差90度。

由于码盘内圈采用了矩阵式的编码方式，相对应最外圈刻划的每一个径向位置的刻划各不相同，这就避免了增量式码盘要事先规定一个基准零点的缺点，避免了增量式码盘的寻零过程，糅合了绝对式和增量式的优点，并且进行了误差校正。

步骤三中，进行补偿所提供的阈值的计算过程为：设定所使用的码盘采用矩阵码编码的内圈码道经过矩阵码信号转化为M位高位信号(不同类型的码盘，阈值大小各不相同)，利用绝对式的编码方式和最外圈码道进行合成的粗测码值为W₁，最外圈均匀刻画的码道进行光电流信号细分后可以产生N位二进制精测信号，相应码值为W₂(不同的工程要求会对以上提到的M和N的值进行严格限定)，当式(1)成立时，则认为粗测码值因各种因素影响的误差不能满足精度需要，利用增量式码值W₂来代替这个经绝对式算法算出的码值W₁；

W₁-W₂≥2^N (1)。

实施例：结合图1～7所示，详细说明所述的矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法的实现过程：

一、矩阵编码式光电码盘读取相应的码值，下面以四象限矩阵编码式光电码盘来分析编码和译出码值w₁的获得过程：

矩阵式编码是格雷码变型，仅用四圈码道就能实现12位码值编码，我们称之为粗码值，再与外圈均匀刻画的码道经过细分后的编码相配合能够实现航天等高精领域的高位数、高分辨率码盘编码。图3为八位“矩阵”码盘，我们以它为例论述编码过程，其最内圈为通常的A1码道，由狭缝分别取出通常的A1，A2码道信号a1、a2，第二圈为通常的A4码道，180°～360°为通常的A3码道，狭缝读取出信号b1、b2配合A1码道信号经逻辑处理可获得通常的A3、A4码，其逻辑式为：

A_{4} = b_{1} {\overset{&OverBar;}{A}}_{1} + b_{2} A_{1} - - - (1)

第三圈在0°～90°刻通常的A8码道，在90°～180°刻通常的A7码道，在180°～270°刻通常的A6码道，在270°～360°刻通常的A5码道，由狭缝取出信号c1、c2、c3、c4。配合A1、A2码信号经逻辑处理可获得通常的A5、A6、A7、A8码，其逻辑式为：

A₈＝c₁y₁+c₂y₄+c₃y₃+c₄y₂

A₇＝c₂y₁+c₃y₄+c₄y₃+c₁y₂

A₆＝c₃y₁+c₄y₄+c₁y₃+c₂y₂

A₅＝c₄y₁+c₁y₄+c₂y₃+c₃y₂ (2)

式(2)中

y_{1} = {{\overset{&OverBar;}{A}}_{1} {\overset{&OverBar;}{A}}_{2}, y}_{2} = A_{1} {\overset{&OverBar;}{A}}_{2},

y₃＝A₁ A₂，

y_{4} = {\overset{&OverBar;}{A}}_{1} A_{2} .

第四圈的刻线和码道编排与上同理。这样一来，它可12条粗测码道减少到仅4条；输出的信号共12路，粗1～粗12，如图4所示。

内圈第一码道有两个读数头，相位相差90°，分别读出粗码-1和粗码-2信号，为矩阵码提供象限判别依据。

第二圈码道有两个读数头，相位相差180°，码道的刻线把原有的A3、A4两路信号压缩进这里的第二圈码道，并各自占有180°的角度，通过两个读数头分别读出粗码-3和粗码-4信号，如图4可知，在[0°，180°]区间内，粗码-3和粗码-4为标准格雷码信号，而在[180°，360°]区间内，由于读数头所读的码道信号切换，所以在译码时，进入该区间后，将两读数头的信号调换次序，即可得到正常的格雷码。

第三圈码道有四个读数头，相位相差90°，码道的刻线把原有的A5、A6、A7、A8四路信号压缩进这里的第三圈码道，并各自占有90°的角度，通过四个个读数头分别读出粗码-5、粗码-6、粗码-7、粗码-8信号。同样的道理，随着码盘的转动，信号在四个象限内不断的切换，除第一个象限外，其他各象限均不是标准的格雷码，但是观察可知，在其他三个象限中均可以通过调换读数头信号次序的方法得到标准的格雷码。

第四圈码道译码原理完全类同第三圈码道。

这样，就产生了一种直观简易的矩阵码译为格雷码的译码方法，仅需要通过在不同象限内调换读数信号顺序即可得到标准的格雷码。

二、采用码盘最外圈两个相差90度的精码读数头读取信号，并且经过处理电路，读取相应的增量式码盘值W₂。

由于零位问题可以参考内圈矩阵式刻划，故我们仅需解决最外圈增量式码盘刻划的计数问题。为了方便计数，我们引入微分装置，即当输入信号由低向高跳变时，输出一个正脉冲。先假设精码读数头1的光强处于中间位置，即检测窄缝群处于半透光位置，精码读数头2的光强处于最弱的位置，即对应于它的检测窄缝群处于零透光位置。显然无论码盘正转还是反转，精码读数头2的信号都将增强，但精码读数头1就会出现两种不同的情况。

将两路信号经过整形后，对精码读数头1的信号和其反相信号进行微分处理，分别与精码读数头2的信号相与，将会得到两路脉冲信号，简单电路分析可知，这两路每发出一个脉冲，就代表转过一个节距d。针对具体的正转还是反转，我们可以通过细分电路后相应的译码软件来判别，我们仅需判断是否经过一个节距。

三、根据相应工程所需精度，计算出相应的阈值，针对超过阈值大小的矩阵绝对式码值进行增量式码值的替换。

利用绝对式的编码方式和最外圈码道进行合成的粗测码值为W₁，最外圈均匀刻画的码道进行光电流信号细分后可以产生N位二进制精测信号，相应码值为W₂，不同的工程对N值要求也不相同。当W₁-W₂≥2^N成立时，则认为粗测码值因各种因素影响的误差已经不能满足精度需要了，可以用我们的增量式码值W₂来代替这个经绝对式算法算出的码值W₁。

本发明方法在第一步骤中需要对如图3所示的矩阵式绝对编码器进行读数，通过如如4所示的粗码编码方式和最外圈均匀刻划的窄缝来计算合成后的码值，这样通过矩阵编码方式可以大大减小高位码盘值所需的码盘尺寸，并且经过相应的校正得到绝对式码值w₁。第二步骤中需要用到相差90度的精码读数头为我们读取相应的增量式码值，检测窄缝群位置安排如图2所示，便可以得到相差90度的两路信号，再经过简单的电路处理和依据绝对式刻划的位置关系，便可以得到我们虚拟的增量式码盘的转向、计数和绝对位置等信息。第三步骤中，我们根据工程要求的不同来计算阈值大小2^N，并计算两种算法的测量码值之差。第四步骤中，对于超出我们阈值大小的绝对式码值w₁，我们有理由相信它的测量精度已经可以被增量式码值w₂代替获得提高，故我们替换掉w₁，对于未超出阈值的w₁，我们可以继续使用。

实验效果：

设定所使用的码盘采用矩阵码编码的内圈码道经过矩阵码信号转化为M位高位信号，N表示N位二进制精测信号。L表示跳变量，比如跳变了1024，L就是10。现假设因剧烈震动和机械变形导致码盘的码值跳变为2^L，其中L>N，经过本发明提供的方法进行补偿，码值未补偿前和补偿后的示波器码值示意图如图7、8所示。显然经过补偿后误码率由(100*2^(N-M))％降低为0，波形平滑，为工程测量和实验提供了良好的前提条件。

综合上述分析，可知本发明提出的针对绝对式码盘误差补偿的复合式码盘算法，对已有的矩阵绝对式码盘算法进行了改良。本发明中提出的码值替代可以有效解决工程应用中因各种因素引起的绝对式码盘的误码问题，具有很大的高精度光电测量的工程实际价值。

本发明的技术方案并不局限于如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

Claims

1.一种矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法，其特征在于，所述方法的实现过程为：

2.根据权利要求1所述的一种矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法，其特征在于，在步骤一中，四象限绝对式码盘通过精码差分电路获得相应的绝对式码盘值W₁；

ESIN、ECOS的表达式分别如下式：

ESIN = (\frac{R_{8}}{R_{6} + R_{11}} + \frac{R_{8}}{R_{7}} + 1) \cdot (\frac{R_{3} R_{13} (R_{2} + R_{4}) (R_{14} + R_{15} + R_{16})}{R_{2} R_{14} (R_{1} + R_{3})} \cdot E 0 - \frac{R_{4} R_{18} (R_{19} + R_{20} + R_{21})}{R_{2} R_{19}} \cdot E 180) + \frac{R_{8}}{R_{7}} \cdot (12 - u_{T})

ECOS = (\frac{R_{8}}{R_{6} + R_{11}} + \frac{R_{8}}{R_{7}} + 1) \cdot (\frac{R_{3} R_{13} (R_{2} + R_{4}) (R_{14} + R_{15} + R_{16})}{R_{2} R_{14} (R_{1} + R_{3})} \cdot E 90 - \frac{R_{4} R_{18} (R_{19} + R_{20} + R_{21})}{R_{2} R_{19}} \cdot E 270) + \frac{R_{8}}{R_{7}} \cdot (12 - u_{T})

ESIN为由精码差分电路输出的一路正弦电信号，ECOS为由精码差分电路输出的一路余弦电信号；ESIN和ECOS经过译码处理，得到最终的ELAST电信号，经过AD处理，得到绝对式码盘值W₁。

3.根据权利要求1或2所述的一种矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法，其特征在于，步骤二中，两个相位差为90度的精码电信号的获得过程为：采用检测窄缝放置的方式来保证输出两个信号的相位差为90度,假设码盘最外圈码道的窄缝是均匀分布的，分布周期为节距d，控制两组检测窄缝的位置相隔(n±1/4)d，n为整数，使输出的两个信号在相位上定相差90度。

4.根据权利要求3所述的一种矩阵式编码方式的绝对式码盘的误差补偿方法，其特征在于，步骤三中，进行补偿所提供的阈值的计算过程为：

W₁-W₂≥2^N (1)。