CN106248115B - 定光栅、动光栅及光电编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种定光栅，应用于光电编码器，包括定光栅绝对码道和定光栅细分码道，定光栅绝对码道和定光栅细分码道同心设置，定光栅绝对码道数量为M，M为大于等于2的整数，定光栅细分码道包括标准细分码道，标准细分码道的透光面积随着动光栅转动成三角函数正半周期变化，通过对三角函数进行插值，细分动光栅的旋转角度。本发明实施例通过在定光栅上设置标准细分码道，使得标准细分码道的透光面积随着动光栅的转动成三角函数正半周期变化，这样就使得光电转换后的电信号也成相应的三角函数正半周期变化，利用具有正弦特性的电信号作为电子细分的源信号，有效提高了光电编码器的精度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光电数字化检测领域，尤其涉及一种定光栅、动光栅及光电编码器。
背景技术
光电编码器是一种集光、机、电于一体的测角设备，通过机械结构和信号处理电路将光学信号转换成电信号，从而实现对角位移、位置和速度等多种物理量的直接或间接测量。光电编码器包括增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式光电编码器。
在绝对式光电编码器中，通过动光栅的绝对编码可实现一圈内每一个角度的编码都是唯一的。光电编码器的分辨率和解析分度由定光栅的通或暗刻线决定，但由于定光栅的面积和加工工艺的限制，光栅的通或暗刻线不能无限制增加，即光电编码器的分辨率和解析分度只能在一定范围内，精度较低，无法满足精度的需要。
发明内容
本发明实施例提出一种定光栅、动光栅及光电编码器，以有效提高光电编码器的电子细分精度，进而提高光电编码器精度。
为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种定光栅，应用于光电编码器，包括定光栅绝对码道和定光栅细分码道，定光栅绝对码道和定光栅细分码道同心设置，定光栅绝对码道数量为M，M为大于等于2的整数，定光栅细分码道包括标准细分码道，标准细分码道的透光面积随着动光栅转动成三角函数正半周期变化，通过对三角函数进行插值，细分动光栅的旋转角度。
上述定光栅中，可选地，标准细分码道的数量至少为1个，当存在多个标准细分码道时，相邻两个标准细分码道的中心线夹角为的正整数倍。
上述定光栅中，可选地，定光栅细分码道还包括：第一参考细分码道，第一参考细分码道与标准细分码道对应设置，在对应的标准细分码道透光面积变化成三角函数正半周期变化时，第一参考细分码道透光面积变化成第一参考三角函数正半周期变化，且第一参考三角函数与标准细分码道透光面积变化的三角函数的相位差为第一预设相位差。
上述定光栅中，可选地，第一预设相位差大于0°且小于等于90°。
上述定光栅中，可选地，第一参考细分码道的数量至少为1个，当存在多个第一参考细分码道时，相邻两个第一参考细分码道的中心线夹角为的正整数倍。
上述定光栅中，可选地，定光栅细分码道还包括：第二参考细分码道，第二参考细分码道与第一参考细分码道对应设置，在对应的第一参考细分码道透光面积变化成三角函数正半周期变化时，第二参考细分码道透光面积变化成第二参考三角函数正半周期变化，且第二参考三角函数与第一参考三角函数的相位差为第二预设相位差。上述定光栅中，可选地，第二预设相位差为180°。
上述定光栅中，可选地，第二参考细分码道的数量至少为1个，当存在多个第二参考细分码道时，相邻两个第二参考细分码道的中心线夹角为的正整数倍。
上述定光栅中，可选地，定光栅细分码道还包括：校正细分码道，校正细分码道与标准细分码道对应设置，在对应的标准细分码道透光面积变化成三角函数正半周期变化时，校正细分码道透光面积变化成校正三角函数正半周期变化，且校正三角函数与标准细分码道透光面积变化的三角函数的相位差为第三预设相位差。
上述定光栅中，可选地，第三预设相位差为180°。
上述定光栅中，可选地，校正细分码道的数量至少为1个，当存在多个校正细分码道时，相邻两个校正细分码道的中心线夹角为的正整数倍。
上述定光栅中，可选地，标准细分码道为Σ形状码道，且Σ形状码道的弧长对应的圆心角为
上述定光栅中，可选地，第一参考细分码道和第二参考细分码道为Σ形状码道且与标准细分码道同心设置，第一参考细分码道和标准细分码道的中心线夹角为其中N为大于等于0的整数，第一参考细分码道和第二参考细分码道的中心线夹角为其中P为大于等于0的整数。
上述定光栅中，可选地，校正细分码道为Σ形状码道且与标准细分码道同心设置，校正细分码道和标准细分码道的中心线夹角为其中Q为大于等于0的整数。
第二方面，本发明实施例提供一种动光栅，应用于光电编码器，包括动光栅绝对码道和动光栅细分码道，动光栅绝对码道和动光栅细分码道同心设置，动光栅细分码道为围绕动光栅圆心设置的明暗相间条纹，明条纹用于透光，暗条纹用于挡光，明条纹的弧长与暗条纹的弧长相等，明条纹和暗条纹弧长对应的圆心角均为明条纹个数与暗条纹的个数相同，均为2M个，在动光栅和定光栅圆心重合时，动光栅细分码道完全覆盖定光栅细分码道。
第三方面，本发明实施例提供一种光电编码器，包括本发明任意实施例所提供的的定光栅和动光栅，定光栅圆心和动光栅圆心在同一条轴线上，还包括结构体、信号处理电路、发光单元和感光单元。
本发明实施例通过在定光栅上设置标准细分码道，使得标准细分码道的透光面积随着动光栅的转动成三角函数正半周期变化，这样就使得光电转换后的电信号也成相应的三角函数正半周期变化，由于三角函数都可以由正弦函数变化而来，具有正弦性，利用具有正弦特性的电信号作为电子细分的源信号，有效提高了光电编码器的电子细分精度，进而提高了光电编码器的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1a是本发明实施例一提供的定光栅示意图；
图1b是本发明实施例一提供的定光栅细分码道Σ形状码道示意图；
图1c是本发明实施例一提供的定光栅细分码道阶梯状码道示意图；
图2是本发明实施例一提供的定光栅细分码道透光面积变化三角函数正周期变化示意图；
图3a是本发明实施例二提供的定光栅示意图；
图3b是本发明实施例二提供的定光栅细分码道示意图；
图4是本发明实施例三提供的动光栅局部示意图；
图5是本发明实施例四提供的光电编码器示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
为解决现有技术精度较低问题，本发明实施例提供了一种定光栅，请参考图1a，其是本发明实施例一提供的一种定光栅示意图。
本发明实施例一提供一种定光栅，应用于光电编码器，可以包括定光栅绝对码道和定光栅细分码道19，定光栅绝对码道数量可以为M，M为大于等于2的整数。在本实施例中，定光栅绝对码道数量为8，包括定光栅绝对码道一11、定光栅绝对码道二12、定光栅绝对码道三13、定光栅绝对码道14、定光栅绝对码道五15、定光栅绝对码道六16、定光栅绝对码道七17和定光栅绝对码道八18。定光栅绝对码道数量设置为8个，可以实现的分辨率。8个定光栅绝对码道之间以及8个定光栅绝对码道和定光栅细分码道19同圆心设置，定光栅细分码道可以包括标准细分码道191，标准细分码道191的透光面积随着动光栅转动时，所述透光面积成三角函数正半周期变化，由于透光面积成三角函数正周期变化，所以感光单元通过光电转换得到的电信号也成相应的三角函数正周期变化，可以通过对三角函数进行插值来细分动光栅的旋转角度。
具体地，定光栅绝对码道和定光栅细分码道为透光部分，定光栅的其他部分不透光，不透光部分如图1a中阴影线部分所示。标准细分码道的形状可以是如图1b所示的Σ形状，也可以是如图1c所示的阶梯状，还可以是其他形状的码道，实现的功能是当与之配合的动光栅转过标准细分码道的透光面积变化成一个周期的三角函数正周期变化。三角函数由很多点构成，通过标准细分码道的形状设计，可以使得标准细分码道透光面积三角函数的的一个周期内包含不同个数的点。图1b所示的Σ形状标准细分码道，对应的三角函数如图2所示，图2中包含了两个周期的三角函数正周期变化，每个周期设计包含有21个点，与两个正周期对应的是：动光栅转过了2.8°。通过对三角函数的插值运算，可以实现对动光栅转过分辨率角度的细分，即可以对动光栅转过的1.4°进行细分，如图2所示，一个三角函数的正周期包括21个点，则动光栅经过细分后的分辨率达到可以进一步确认动光栅转过的是4′，36′，56′或1.2°等具体的角度。通过定光栅绝对码道可以将动光栅的位置精确定位到1.4°，再通过定光栅细分码道进一步将1.4°进行细分到4′，两者结合，可以得到动光栅的具体位置，精度可以达到4′。如果三角函数的一个周期包括更多的点，细分后的角度可以更小，精度还可以更高，这里不再举例说明。
本技术方案中，通过在定光栅上设置标准细分码道，使得标准细分码道的透光面积随着动光栅的转动成三角函数正半周期变化，这样就使得光电转换后的电信号也成相应的三角函数正半周期变化，由于三角函数都可以由正弦函数变化而来，具有正弦性，利用具有正弦特性的电信号作为电子细分的源信号，有效提高了光电编码器的电子细分精度，进而提高了光电编码器的精度。
上述定光栅中，可选地，定光栅的材质可以是光学玻璃。光学玻璃是通用材质，利于取材，降低成本。
实施例二
本发明实施例提供了一种定光栅，请参考图3a和图3b，其是本发明实施例二提供的一种定光栅示意图和定光栅细分码道示意图。
在上述实施例一的基础上，本发明实施例二提供一种定光栅，定光栅细分码道19还可以包括：第一参考细分码道192，第一参考细分码道192与标准细分码道191对应设置，在对应的标准细分码道191透光面积变化成三角函数正半周期变化时，第一参考细分码道192透光面积变化成第一参考三角函数正半周期变化，且第一参考三角函数与标准细分码道透光面积变化的三角函数的相位差为第一预设相位差。
具体地，第一参考细分码道192的形状可以是如图1b所示的Σ形状，也可以是如图1c所示的阶梯状，还可以是其他形状的码道，实现的功能是当与之配合的动光栅转过1.4°，第一参考细分码道的透光面积变化成一个周期的三角函数正周期变化，即第一参考三角函数，第一参考三角函数的波形可以参考图2，图2中包含了两个周期的三角函数正周期变化。第一参考三角函数与标准细分码道191透光面积变化对应的三角函数有着相位差，相位差为第一预设相位差。通过增加第一参考细分码道，得到一个与标准细分码道191透光面积变化三角函数有着第一预设相位差的第一参考三角函数，通过两个三角函数进行插值运算，运算结果更精确，得到的细分角度也就更精确。
上述定光栅中，可选地，第一预设相位差可以大于0°且小于等于90°。第一相位差大于0°且小于等于90°，利于后续软件编码及硬件电路的实现。
上述定光栅中，可选地，第一参考细分码道的数量可以为1个，也可以为多个，当存在多个第一参考细分码道时，相邻两个第一参考细分码道的中心线夹角可以为1.4°的正整数倍，即相邻两个第一参考细分码道的中心线夹角可以为1.4°、2.8°以及4.2°等角度。通过设置多个第一参考细分码道，可以增加透光面积，使得光电感应得到的电信号得以加强。
上述定光栅中，可选地，定光栅细分码道19还可以包括：第二参考细分码道194，第二参考细分码道194与第一参考细分码192道对应设置，在对应的第一参考细分码道192透光面积变化成三角函数正半周期变化时,第二参考细分码道194透光面积变化成第二参考三角函数正半周期变化，且第二参考三角函数与第一参考三角函数的相位差为第二预设相位差。
具体地，第二参考细分码道194的形状可以是如图1b所示的Σ形状，也可以是如图1c所示的阶梯状，还可以是其他形状的码道，实现的功能是当与之配合的动光栅转过1.4°，第二参考细分码道的透光面积变化成一个周期的三角函数正周期变化，即第二参考三角函数，第二参考三角函数的波形可以参考图2，图2中包含了两个周期的三角函数正周期变化。第二参考三角函数与第一参考三角函数有着相位差，相位差为第二预设相位差。通过增加第二参考细分码道，得到一个与第一参考函数有着第二预设相位差的第二参考三角函数，通过第二参考三角函数，可以对第一参考函数进行校正，使得第一参考函数更准确，得到的细分角度也就更准确。
上述定光栅中，可选地，第二预设相位差可以为180°。第二预设相位差设置为180°，利于对第一参考三角函数校正的实现。
上述定光栅中，可选地，第二参考细分码道的数量可以为1个，也可以为多个，当存在多个第二参考细分码道时，相邻两个第二参考细分码道的中心线夹角可以为1.4°的正整数倍，即相邻两个第二参考细分码道的中心线夹角可以为1.4°、2.8°以及4.2°等角度。通过设置多个第二参考细分码道，可以增加透光面积，使得光电感应得到的电信号得以加强。
上述定光栅中，可选地，定光栅细分码道19还可以包括：校正细分码道193，校正细分码道193与标准细分码道对应191设置，在对应的标准细分码道191透光面积变化成三角函数正半周期变化时，校正细分码道193透光面积变化成校正三角函数正半周期变化，且校正三角函数与标准细分码道透光面积变化的三角函数的相位差为第三预设相位差。
具体地，校正细分码道193的形状可以是如图1b所示的Σ形状，也可以是如图1c所示的阶梯状，还可以是其他形状的码道，实现的功能是当与之配合的动光栅转过1.4°，第二参考细分码道的透光面积变化成一个周期的三角函数正周期变化，即校正三角函数，校正三角函数的波形可以参考图2，图2中包含了两个周期的三角函数正周期变化。校正三角函数与与标准细分码道191透光面积变化对应的三角函数有着相位差，相位差为第三预设相位差。通过增加校正细分码道，得到一个与标准细分码道191透光面积变化三角函数有着第三预设相位差的校正三角函数。通过校正三角函数，可以对标准细分码道191透光面积变化三角函数进行校正，使得标准细分码道191透光面积变化三角函数更准确，得到的细分角度也就更加准确。
上述定光栅中，可选地，第三预设相位差可以为180°。第三预设相位差设置为180°，利于校正的实现。
上述定光栅中，可选地，校正细分码道的数量可以为1个，也可以为多个，当存在多个校正细分码道时，相邻两个校正细分码道的中心线夹角可以为1.4°的正整数倍，即相邻两个校正细分码道的中心线夹角可以为1.4°、2.8°以及4.2°等角度。通过设置多个校正细分码道，可以增加透光面积，使得光电感应得到的电信号得以加强。
上述定光栅中，可选地，标准细分码道191可以为Σ形状码道，如图1b和图3b所示，且Σ形状码道的弧长对应的圆心角可以为标准细分码道191为Σ形状码道，利于提高光电转换的准确性。
上述定光栅中，可选地，第一参考细分码道192和第二参考细分码道194可以为Σ形状码道且与标准细分码道191同心设置，Σ形状码道，如图1b和图3b所示，且Σ形状码道的弧长对应的圆心角可以为第一参考细分码道192和标准细分码道191的中心线夹角可以为0.35°、1.75°、3.15°以及4.55°等角度，第一参考细分码道和第二参考细分码道的中心线夹角可以为0.7°、2.1°3.5°以及4.9°等角度。
上述定光栅中，可选地，校正细分码道193为Σ形状码道且与标准细分码道191同心设置，Σ形状码道，如图1b和图3b所示，且Σ形状码道的弧长对应的圆心角可以为校正细分码道193和标准细分码道191的中心线夹角可以为0.7°、2.1°3.5°以及4.9°等角度。
上述定光栅中，标准细分码道的数量可以为1个，也可以为多个，当存在多个标准细分码道时，相邻两个标准细分码道的中心线夹角可以为1.4°的正整数倍，即相邻两个标准细分码道的中心线夹角可以为1.4°、2.8°以及4.2°等角度。通过设置多个标准细分码道，可以增加透光面积，使得光电感应得到的电信号得以加强。
上述定光栅中，可选地，定光栅上还可以设置定位安装标识10，用于定光栅的定位安装，定位安装标识10可以是孔，也可以是凹陷或者其他形式，数量可以是3个，也可以是更多个。定光栅设置定位安装标识10便于生产时的装配。
实施例三
本发明实施例提供了一种动光栅，请参考图4，其是本发明实施例三提供的一种动光栅局部示意图。
本发明实施例提供一种可以与上述定光栅配合使用的动光栅，动光栅可以是圆盘形状，可以包括动光栅绝对码道和动光栅细分码道29，动光栅绝对码道数目可以与定光栅绝对码道数目相同，可以为8个。动光栅绝对码道可以包括动光栅绝对码道一21、动光栅绝对码道二22、动光栅绝对码道三23、动光栅绝对码道四24、动光栅绝对码道五25、动光栅绝对码道六26、动光栅绝对码道七27以及动光栅绝对码道八28。动光栅绝对码道和动光栅细分码道同心设置，动光栅细分码道29为围绕动光栅圆心设置的明暗相间条纹，明条纹291用于透光，暗条纹292用于挡光，明条纹291的弧长与暗条纹292的弧长相等，明条纹291和暗条纹292弧长对应的圆心角均可以为明条纹291个数与暗条纹292的个数相同，均可以为28＝256个，在动光栅2和定光栅1圆心重合时，动光栅细分码道29完全覆盖定光栅细分码道19。图4中黑色和白色可以为码道部分，其中黑色表示不透光，白色表示透光，码道包括动光栅绝对码道和动光栅细分码道，阴影线表示动光栅非码道部分，为不透光区域。
本技术方案中，通过在动光栅上设置动光栅细分码道，与上述定光栅配合使用，使得定光栅的标准细分码道的透光面积随着动光栅的转动成三角函数正半周期变化，这样就使得光电转换后的电信号也成相应的三角函数正半周期变化，由于三角函数都可以由正弦函数变化而来，具有正弦性，利用具有正弦特性的电信号作为电子细分的源信号，有效提高了光电编码器的电子细分精度，进而提高了光电编码器的精度。
实施例四
本发明实施例提供了一种光电编码器，请参考图5，其是本发明实施例四提供的一种光电编码器示意图。
本发明实施例提供一种光电编码器，包括本发明任意实施例所提供的的定光栅1和动光栅2，定光栅1圆心和动光栅2圆心在同一条轴线上，还包括结构体、信号处理电路5、发光单元3和感光单元4。具体的，定光栅1、动光栅2、发光单元3、感光单元4和信号处理电路5设置于结构体内，结构体未在光电编码器示意图5中画出。
本技术方案中，通过采用上述动光栅上和定光栅，使得光电转换后的电信号成相应的三角函数正半周期变化，由于三角函数都可以由正弦函数变化而来，具有正弦性，利用具有正弦特性的电信号作为电子细分的源信号，有效提高了光电编码器的电子细分精度，进而提高了光电编码器的精度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (12)
1.一种定光栅，应用于光电编码器，包括定光栅绝对码道和定光栅细分码道，所述定光栅绝对码道和所述定光栅细分码道同心设置，所述定光栅绝对码道数量为M，M为大于等于2的整数，其特征在于，所述定光栅细分码道包括标准细分码道，所述标准细分码道的透光面积随着动光栅转动成三角函数正半周期变化，通过对所述三角函数进行插值，细分所述动光栅的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的定光栅，其特征在于，所述定光栅细分码道还包括：第一参考细分码道，所述第一参考细分码道与所述标准细分码道对应设置，在对应的所述标准细分码道透光面积变化成三角函数正半周期变化时，所述第一参考细分码道透光面积变化成第一参考三角函数正半周期变化，且所述第一参考三角函数与所述标准细分码道透光面积变化的三角函数的相位差为第一预设相位差。
3.根据权利要求2所述的定光栅，其特征在于，所述第一预设相位差大于0°且小于等于90°。
4.根据权利要求2所述的定光栅，其特征在于，所述定光栅细分码道还包括：第二参考细分码道，所述第二参考细分码道与所述第一参考细分码道对应设置，在对应的所述第一参考细分码道透光面积变化成三角函数正半周期变化时，所述第二参考细分码道透光面积变化成第二参考三角函数正半周期变化，且所述第二参考三角函数与所述第一参考三角函数的相位差为第二预设相位差。
5.根据权利要求4所述的定光栅，其特征在于，所述第二预设相位差为180°。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的定光栅，其特征在于，所述定光栅细分码道还包括：校正细分码道，所述校正细分码道与所述标准细分码道对应 设置，在对应的所述标准细分码道透光面积变化成三角函数正半周期变化时，所述校正细分码道透光面积变化成校正三角函数正半周期变化，且所述校正三角函数与所述标准细分码道透光面积变化的三角函数的相位差为第三预设相位差。
7.根据权利要求6所述的定光栅，其特征在于，所述第三预设相位差为180°。
8.根据权利要求1所述的定光栅，其特征在于，所述标准细分码道为Σ形状码道，且所述Σ形状码道的弧长对应的圆心角为。
9.根据权利要求4所述的定光栅，其特征在于，所述第一参考细分码道和所述第二参考细分码道为Σ形状码道且与所述标准细分码道同心设置，所述第一参考细分码道和所述标准细分码道的中心线夹角为其中N为大于等于0的整数，所述第一参考细分码道和所述第二参考细分码道的中心线夹角为其中P为大于等于0的整数。
10.根据权利要求6所述的定光栅，其特征在于，所述校正细分码道为Σ形状码道且与所述标准细分码道同心设置，所述校正细分码道和所述标准细分码道的中心线夹角为其中Q为大于等于0的整数。
11.用于与权利要求1～10中任一项所述的定光栅相配合的动光栅，应用于光电编码器，包括动光栅绝对码道和动光栅细分码道，其特征在于，所述动光栅绝对码道和所述动光栅细分码道同心设置，所述动光栅细分码道为围绕动光栅圆心设置的明暗相间条纹，所述明条纹用于透光，所述暗条纹用于挡光，所述明条纹的弧长与所述暗条纹的弧长相等，所述明条纹和暗条纹弧长对应的 圆心角均为所述明条纹个数与所述暗条纹的个数相同，均为2M个，在所述动光栅和所述定光栅圆心重合时，所述动光栅细分码道完全覆盖所述定光栅细分码道。
12.一种光电编码器，包括权利要求1～10中任一项所述的定光栅和权利要求11所述的动光栅，所述定光栅圆心和所述动光栅圆心在同一条轴线上，其特征在于，还包括结构体、信号处理电路、发光单元和感光单元。
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