CN107421569A - 一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置及方法，装置包括光电编码盘、电机、双光电读数器和细分差值模块，光电编码盘的旋转主轴与旋转电机进行同轴固定，电机带动光电编码盘的旋转，双光电读数器的发光装置发出的光线被光电编码盘的狭缝进行斩波，感光装置将形成的透光和挡光的信号转换成对应的正弦模拟电信号，细分插值模块对其进行高倍细分，利用两路光电编码信号的相位关系的差别进行采样，同时进行编码信号的抖动补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置及方法。
背景技术
莫尔条纹对栅距起到了放大作用，传感器运动一个栅距的大小，光电接收电路就会产生一个正弦波电信号，通过插值获得优于一个栅距的分辨率，提高测量系统的分辨率，这是研究莫尔条纹细分技术的根本出发点。二十世纪六七十年代以来，随着栅式位移传感器的广泛应用，莫尔条纹细分技术成为国内外栅式位移传感器生产厂商和相关领域专家的研究热点，各式各样的细分方法层出不穷，主要包括光学细分、机械细分和电子细分三大类。其中光学细分、机械细分对机械制造精度和硬件要求较高，所以工艺难度大，这对于位移测量系统的小型化、成本控制和提高可靠性等都是不利的。常用的电子细分方法有：移相电阻链法、幅值分割细分法、载波调制鉴相细分法、锁相细分法等。
基于硬件实现的幅值分割细分方案是仅仅依靠电压比较实现幅值分割，在高倍细分时细分电路复杂，需要很多电压比较芯片和复杂的后续处理电路，系统的测量精度受电子器件精度影响大，不适于高倍细分的场合。
载波调制鉴相细分法的本质是利用信号中包含的相位信息。将莫尔条纹信号经相位调制处理加载到载波上，通过与基准信号比相，测得时间信号相位，根据相位角大小确定细分脉冲个数，最终推算出位移量载波调制鉴相细分法可以获得较高的细分倍数，通常可以实现细分数200-1000，该方法既可以进行动态测量，也可用于静态测量，对运动的恒速性要求较低。通过调节系统参数改变测量的精度和分辨率，提高系统的灵活性，扩大了细分方案的应用范围。但是该细分方法对莫尔条纹质量要求较高，一般要求对信号进行预处理再进行细分，否则测量误差较大。另外，细分方法要求引入的载波信号高于最大光栅输出信号频率一定倍数，因此会受限制于传感器最大运动速度。
锁相倍频细分同样利用是信号包含的相位信息。锁相环由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器组成，分频器是细分环节，细分倍数由分频系数决定。锁相环路实现对输入莫尔条纹信号的n倍频，即输入莫尔条纹信号相位变化2π/n，增量式光电编码器莫尔条纹信号细分方法研究压控振荡器输出一个周期信号，实现n倍细分。锁相细分用简单的电路获得高倍细分，并且环路滤波器对信号噪声有良好的抑制能力，因此对信号的质量要求不高。但锁相环路对输入信号锁相细分用简单的电路获得高倍细分，并且环路滤波器对信号噪声有良好的抑制能力，因此对信号的质量要求不高。但锁相环路对输入信号的频率稳定性要求较高，即要求传感器匀速运动。另外，锁相环输出信号是标量，不能判别运动方向，并且只能应用于动态测量，因此该细分方法在应用上受到很大限制。
高频时钟脉冲细分法，时钟脉冲细分方法的研究对象是方波信号，思想是“利用空间脉冲对高频时间脉冲进行瞬时标定，再利用采样时刻高频时间脉冲完成对空间脉冲的实时细分”。依据运动过程中速度连续性特征，结合高精度定时方法，对空间信号脉宽进行前瞻和预测，将位移测量转化为对时间的精确测量。这种方法的问题在于对速度的精确估计，尤其是第一个莫尔条纹信号周期没有可供预测的历史数据，细分方法失效。因此，时钟脉冲细分方法只适合应用于速度连续性较好的场合，应用受到很大限制。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置及方法，本发明具有工艺难度小、分辨率高、精度高、成本低和集成度高的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，包括光电编码盘、电机、双光电读数器和细分差值模块，光电编码盘的旋转主轴与旋转电机进行同轴固定，电机带动光电编码盘的旋转，双光电读数器的发光装置发出的光线被光电编码盘的狭缝进行斩波，感光装置将形成的透光和挡光的信号转换成对应的正弦模拟电信号，细分插值模块对其进行高倍细分，利用两路光电编码信号的相位关系的差别进行采样，同时进行编码信号的抖动补偿。
所述双光电读数器固定在光电编码盘的中心对称的两侧。
所述正弦模拟电信号，通过传输线连传输给细分插值模块。
利用双路ADC模块同时采样两路光电编码信号，实现同时检测。
所述光电编码盘转动调制双光电读数器发射端的信号，双光电读数器的接收端检测调制信号，并将转换后的光电信号发送给细分差值模块。
所述细分差值模块接收到双光电探测信号后，首先利用细分差值模块中的偏置调整模块调整光电编码器输出的正弦信号的偏置，进行调整幅值，使得其幅值关系满足最佳的采集范围，正弦信号经过相位调整模块，保证双路光电编码器的信号具有固定的相位关系，经过调偏、调幅、调相之后的信号进入到ADC模块。
利用ADC模块的采样结果进行查表编码，完成所需要的插值编码；最终将细分的结果传输给处理器。
当编码盘随电机转动后，双光电编码器的检测到转动信号，产生双路编码输入信号，经过滤波器模块的噪声处理后，利用偏置处理模块完成编码信号的调零，通过相位处理模块完成两路编码器信号的相位关系调整，通过稳幅处理实现模拟信号的幅值稳定，利用双路ADC实现完成编码信号的数字化，数字化之后的信号进入DSP，通过将接收到的信号与事先存储的双路编码器信号补偿存储表和量化存储表进行运算处理，通过以上处理后实现细分输出，并最终传输给处理器或接收器。
一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分方法，利用光电编码盘的狭缝对光线进行斩波，将形成的透光和挡光的信号转换成对应的正弦模拟电信号，对其进行高倍细分，利用两路光电编码信号的相位关系的差别进行采样，同时进行编码信号的抖动补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明具有工艺难度小的优点，机械结构上采用双光电编码器的补偿细分方案，解决光学细分、机械细分对机械制造精度和硬件要求较高，而要求工艺难度大的问题；
(2)本发明具有高分辨率的优点，采用软硬件结合的方式，利用硬件进行相位、幅值和偏置做优化处理，利用软件实现高细分插值的细分，最高细分数可以达到2048以上；
(3)本发明具有高精度的优点，采用双光电编码器补偿细分法和软硬件结合的方式，利用硬件对相位、幅值和偏置进行精调，利用软件实现高细分插值的细分，实测细分精度高于2角秒；
(4)本发明具有成本低的优点，在原有基础上只需要额外增加一路光电编码器读数头即可，使得物料、装配和工艺成本大大较低。
(5)本发明具有集成度高的优点，本发明装置及方法可以作为专业的旋转位置细分检测装置，用于旋转的轨迹控制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的细分差值流程图。
其中：1、光电编码盘；2、双光电读数头；3、旋转主轴；4、细分插值板。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的软件和硬件的细分法均具有缺点：
硬件电路细分法：
移相电阻链法在高倍细分时电路复杂，使用受到很大限制。针对方波信号的细分研究主要是四倍频细分法和高频时钟脉细分方案，其中直接四倍频细分法简单易于实现，使用广泛，但细分数小。
载波调制鉴相细分法对莫尔条纹质量要求较高，一般要求对信号进行预处理再进行细分，否则测量误差较大。另外，细分方法要求引入的载波信号高于最大光栅输出信号频率一定倍数，因此会受限制于传感器最大运动速度。
锁相倍频细分，锁相环路对输入信号的频率稳定性要求较高，即要求传感器匀速运动。另外，锁相环输出信号是标量，不能判别运动方向，并且只能应用于动态测量，因此该细分方法在应用上受到很大限制。
高频时钟脉冲细分法的问题在于对速度的精确估计，尤其是第一个莫尔条纹信号周期没有可供预测的历史数据，细分方法失效。因此，时钟脉冲细分方法只适合应用于速度连续性较好的场合，应用受到很大限制。
软件细分法：该方法的细分份数是由光电信号质量及A/D转换器的位数及精度来决定的，难以实现高精度的高倍细分。
因此，本发明提供一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置及方法，利用机械结构上的双光电编码器装配方案，通过软硬件相互结合细分补偿的方式实现高精度、高分辨率、低工艺要求、低成本的细分插值方案。
本发明提出了一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，如图1所示，主要包括1光电编码盘，2双光电读数头，3旋转主轴，4细分插值板四部分组成；将光电编码盘的3旋转主轴与旋转电机进行同轴固定，电机转动将会带动编码盘的旋转；将2双光电读数头固定到编码盘的中心对称的两侧。
本发明提出了一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，工作原理是：当1光电编码盘的3旋转主轴随同电机主轴同时旋转时，2双光电读数头的发光装置发出的光线就会被1光电编码盘的狭缝进行斩波，出现挡光和透光两种情况，这样在编码盘另一端的感光装置就会感应到相应的有光和无光状态，感光装置中的光电探测器将透光和挡光的信号转换成对应的正弦模拟电信号，通过传输线连传输给细分插值模块进行硬件的预处理和软件的高倍细分，同时因为是两路光电编码信号的同时检测，利用其相位关系的差别，同时利用双路ADC同时采样，根据不同相位时的两路编码器的采样结果完成编码信号的抖动补偿。
1光电编码盘转动调制2双光电读数头发射端的信号，2双光电读数头的接收端检测调制信号，并将转换后的光电信号发送给细分插值板；细分插值板接收到双光电探测信号后，首先利用插值板中的偏置调整模块调整光电编码器输出的正弦信号的偏置；然后调整幅值，使得其幅值关系满足最佳的采集范围；同时信号要经过相位调整模块，保证双路光电编码器的信号具有固定的相位关系；经过调偏、调幅、调相之后的信号进入到ADC模块，利用ADC的采样结果进行查表编码，完成所需要的插值编码；最终将细分的结果传输给处理器作相应的操作。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，其特征是：包括光电编码盘、电机、双光电读数器和细分差值模块，光电编码盘的旋转主轴与旋转电机进行同轴固定，电机带动光电编码盘的旋转，双光电读数器的发光装置发出的光线被光电编码盘的狭缝进行斩波，感光装置将形成的透光和挡光的信号转换成对应的正弦模拟电信号，细分插值模块对其进行高倍细分，利用两路光电编码信号的相位关系的差别进行采样，同时进行编码信号的抖动补偿。
2.如权利要求1所述的一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，其特征是：所述双光电读数器固定在光电编码盘的中心对称的两侧。
3.如权利要求1所述的一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，其特征是：所述正弦模拟电信号，通过传输线连传输给细分插值模块。
4.如权利要求1所述的一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，其特征是：利用双路ADC模块同时采样两路光电编码信号，实现同时检测。
5.如权利要求1所述的一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，其特征是：所述光电编码盘转动调制双光电读数器发射端的信号，双光电读数器的接收端检测调制信号，并将转换后的光电信号发送给细分差值模块。
6.如权利要求1所述的一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，其特征是：所述细分差值模块接收到双光电探测信号后，首先利用细分差值模块中的偏置调整模块调整光电编码器输出的正弦信号的偏置，进行调整幅值，使得其幅值关系满足最佳的采集范围，正弦信号经过相位调整模块，保证双路光电编码器的信号具有固定的相位关系，经过调偏、调幅、调相之后的信号进入到ADC模块。
7.如权利要求6所述的一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分装置，其特征是：利用ADC模块的采样结果进行查表编码，完成所需要的插值编码；最终将细分的结果传输给处理器。
8.一种高分辨率高精度双光电编码器补偿细分方法，其特征是：利用光电编码盘的狭缝对光线进行斩波，将形成的透光和挡光的信号转换成对应的正弦模拟电信号，对其进行高倍细分，利用两路光电编码信号的相位关系的差别进行采样，同时进行编码信号的抖动补偿。
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