CN108106647B - 一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法 - Google Patents
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Abstract
一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法，属于电机控制领域。所述方法为通过编程，在已知探头数和分辨率的条件下，首先构造出一个码字个数为k的单轨道格雷码，并用所构造的码字个数为k的单轨道格雷码来构造码字个数为n×k的单轨道格雷码，在构造出对应的码字后，通过一个探头在一个周期内读取的脉冲来计算出码盘的遮光光栅与透光光栅所占的角度，从而设计码盘，进而完成对编码器的设计。本发明的优点是：设计的编码器由于码字是角度的单值函数，使得二者之间有着对应关系，由码字可直接得出对应的角度，省去了计算过程，而且掉电无需对编码器进行重新设置，并改善了绝对式编码器计数过程中由于分辨率增加带来的尺寸增大、误差积累等问题。
Description
技术领域
本发明属于电机控制领域，具体涉及一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法。
背景技术
光电轴角编码器，也被称为光电角位置传感器，是在电力传动领域中用于测量电机的位置与转子转速的核心部件，其以高精度计量光栅为检测元件，通过光电转换，将所得到的角位置信息转换为数字信号，并与CPU相连接，从而计算出相应的位置信息与速度信息。光电编码器的精度直接决定了控制系统的控制效果与控制精度。
目前广泛在电机控制系统中使用的光电编码器可主要分为两类，分别是增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器的码盘如图1所示，其刻线间距均等，即在每个刻线间的分辨区间都可以输出一个计数脉冲信号。其优点在于较为小型化且其结构简单，但是掉电后有数据损失，且其误差会积累。而绝对式光电编码器可以使轴角位置为输出编码的单值函数，从而避免了掉电后再标定与积累误差的存在，其码盘如图2所示，但是由图2可知，绝对式编码器的结构较为复杂，随着分辨率的升高轨道数也升高，较难实现小型化。因而现阶段光电编码器很难同时满足结构简单、容错率高、随机误差小、无累积误差的特点，因而光电编码器也成为了一个限制电机控制精度的关键因素。
单轨道格雷码也被称作反射二进制码（RBC），是一种基于二进制系统的编码方式。其相对于传统编码方式的特点是相邻的编码有且只有一位不同，这为减小读数误差与判断是否出现读数错误提供了很大的便利。单轨道格雷码（single track grey code）是一种基于格雷码的编码方式，其基本思想是通过旋转多轨道格雷码编码器的一条轨道与对应的探头来使得两条轨道的遮光区域与透光区域相同，从而将这两条轨道合并为一条，从而减少轨道数。对于其实现方式，现有数学理论给出了一种长格雷码可由其初始码字与一个相对短的格雷码的构造方式，但是对于如何寻找短的格雷码以及如何寻找初始码字没有进行解释，这也限制了单轨道编码器的发展。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统编码器无法同时满足结构简单、容错率高、随机误差小、无累计误差，单轨道格雷码存在着理论难度难以在实际中应用的问题，提供一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法，为具体说明，提供了一种分辨率为0.5度的单轨道绝对式编码器的设计方法，该方法在保留简单结构的同时增强了数据的准确性并避免了积累误差的产生，并且在掉电后无需重新配置。涉及的是电机控制领域中依据检测量对电机转子位置与转速进行计算的测量装置，具体涉及一种通过所选择的一个合适的编码器分辨率与探头数，利用所编写的程序来构造码盘的单轨道绝对式编码器实现方式，可以解决编码器尺寸与分辨率之间的矛盾，并大幅度减小出现错码的几率，并可手动调整分辨率，具有极高的应用价值与经济价值。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法，所述方法为：通过编程，在已知探头数为n，分辨率为n×k的条件下，首先构造出一个码字个数为k的单轨道格雷码，并用所构造的码字个数为k的单轨道格雷码来构造码字个数为n×k的单轨道格雷码，在构造出对应的码字后，通过一个探头再提取全部的n×k个码字中的同一码位的数据来计算出码盘的遮光光栅与透光光栅所占的角度，从而设计码盘，进而完成对编码器的的格雷码设计。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
（1）相对于增量式编码器，所设计的编码器由于码字是码盘位置的单值函数，使得二者之间有着对应关系，由码字可直接得出对应的角度，省去了计算过程，而且掉电无需对编码器进行重新设置，并改善了绝对式编码器计数过程中由于误差积累带来的问题。
（2）相对于传统使用多轨道格雷码的绝对式编码器，所设计的编码器随着分辨率的增加，探头数可能会相应变化，但是编码器的尺寸保持不变，降低编码器所占体积，优化了结构并且降低了成本。由于不再存在不同码道之间的相对运动的干扰，其计数精度得到了提升。
（3）对于现有编码器，一旦制造完成后，其分辨率、编码方式就不可更改。由于所设计编码器为单轨道，且码盘的设计可以由所编写的程序实现，因而若想改变编码器的分辨率，只需由程序重新计算出新分辨率下码盘的遮光光栅与透光光栅所占的角度，再对码盘进行更改即可。
（4）使用方便，对于探头数n与码字个数m=n×k，只需满足2×n<m<2n，均可代入程序进行符合条件的单轨道格雷码的搜寻。
附图说明
图1为增量式编码器的拓扑图，其中，径向实线为遮光光栅，黑色方块为探头；
图2为绝对式编码器的拓扑图，其中，径向黑色部分为遮光光栅，白色部分为透光光栅，黑色圆为探头；
图3 为单轨道格雷码编码器设计流程图；
图4 为短格雷码设计流程图；
图5 为目标格雷码设计流程图；
图6 为所设计的探头数18，分辨率0.5度的单轨道格雷码编码器图，其中，径向黑色部分为遮光光栅，白色部分为透光光栅，黑色圆为探头，从水平位置开始，各个光栅的角度分别为22，3，6，1，12.5，3，5.5，1，12.5，3，5，1，32，3，5.5，1，12.5，3，5.5，1，1，1，10.5，3，28，1，10.5，3，9，10.5，3，2，5.5，1，10.5，5，5.5，1，110。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，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。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法，所述方法为：通过编程，在已知探头数为n，分辨率为n×k的条件下，首先构造出一个码字个数为k的单轨道格雷码，并用所构造的码字个数为k的单轨道格雷码来构造码字个数为n×k的单轨道格雷码，在构造出对应的码字后，再通过一个探头提取全部的n×k个码字中的同一码位的数据来计算出码盘的遮光光栅与透光光栅所占的角度（每一码位对应的光栅角度为360/（n×k）度），从而设计码盘，进而完成对编码器的的格雷码设计。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法，对于已经设计好的探头数为n，分辨率为n×k的编码器，若想改变其分辨率，在确定其分辨率t满足2×n＜t＜2n的条件下，将n，t代入程序，寻找满足探头数为n，分辨率为t的新格雷码，算出并改变相应的遮光光栅与透光光栅的角度（每一码位对应的光栅角度为360/t度），从而在不更换编码器的条件下改变分辨率。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法，对于任意的给定探头数n与分辨率n×k，当满足2×n＜n×k＜2n时，通过此程序判断对于给定的探头数与分辨率是否存在单轨道格雷码，即给定探头数与分辨率的设计可行性，若存在，则构造具有n个探头及n×k个码字的编码器；若不存在，则微调探头数或者编码器数，代入程序再次进行寻找，从而找到能够进行替代的方案。
单轨道格雷码编码器的总体设计流程如图3所示，此类编码器的设计可以分成两部分，即码盘的角度计算与探头的角度分配，而码盘的构造，即透光光栅与遮光光栅的分布又取决于在一个周期内的码字，从而构造符合条件的单轨道格雷码是编码器设计的核心部分。针对于如何通过给定的码字长度与码字个数来得到符合条件的格雷码，本发明中利用程序来实现。构造短格雷码的流程图如图4所示，依据短格雷码来构造长格雷码的流程图如图5所示。
在构造短格雷码的程序中，首先应输入短格雷码的字长与分辨率，创建以码字个数为维度的方阵，并确定码位与空位，即确定同一时刻哪些码位是能够被读取的，接下来采用枚举法，利用if循环搜索符合条件的格雷码，一旦找到后即终止此段程序。为方便观察程序的试探次数与所需格雷码的接近程度，每执行5000步程序便输出当前的执行次数与不符合格雷码规范的最小码字数。每次试探都采用一个不同的初始码字，并通过循环移位得到在此初始位置下，不同位置不同时刻的数据，计算同一探头下相邻码字不同元素的数量，若不同元素的数量大于1，则说明相邻码字间不同元素数量不止1个，非格雷码，跳出此次循环。若不同元素数量为1，则需要进一步检查是否有重复元素，将一周期内各个探头所获数据由二进制转换成十进制，并降次排序，从而判断一周期内是否有重复码字，若有，记录重复数字个数，用来记录此次试验与所需格雷码的接近程度，然后跳出循环。若没有，则输出’data found’，以及此时的码字。并得到相应的权位序列(coordinate sequence)，其含义是两个连续码字不同的那一位的位置，与发生向量(occurance vector)，其含义是权位序列中每个元素出现的次数，用于后面所需格雷码的构造。
在由所构造的短格雷码构造长格雷码的过程中，首先结合上一步得到的权位序列、新字长与新分辨率构造目标单轨格雷码的权位基序列，然后利用枚举法与if循环搜索符合条件的初向量，一旦找到后即终止此段程序，为方便观察程序的试探次数，每执行500步程序便输出当前的执行次数。枚举方式是使用累加器，将其转换成二进制数后提取各位的值作为初始时刻的码字，并利用创建的权位向量补出整个周期内的各个码字。接下来对所得到的码字进行检验，依次检验其在一个周期内是否有重复码字，检验其相邻的两个码字之间是否有且只有一位不同，检验方法与短格雷码中的方法相同，若未通过检验，则跳出此次循环；若通过检验，则输出’final data found’，并输出此时一个探头在一个码字周期之内的全部码字。在得到完整的格雷码之后，需要对码盘的透光光栅与遮光光栅进行划分，在本发明中，认为探头读入为1时为透光光栅，探头读入为0时为遮光光栅，可以观察一个探头在一个码字周期之内的全部读数，并按照0与1的比例来分配角度。
对于探头的分配，采用均布式探头，每两个探头之间所隔角度为360/探头个数，对于18探头，分辨率为0.5度的编码器，其拓扑图如图6所示。
若想改变本编码器的分辨率，只需将新的分辨率代入此程序中，通过程序找出一种符合新条件的单轨格雷码，再通过计算与码字对应的码盘角度来改变遮光光栅与透光光栅的分布即可。
Claims (3)
1.一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法，其特征在于：所述方法为：通过编程，在已知探头数为n，分辨率为n×k的条件下，首先构造出一个码字个数为k的单轨道格雷码，并用所构造的码字个数为k的单轨道格雷码来构造码字个数为n×k的单轨道格雷码，在构造出对应的码字后，通过一个探头再提取全部的n×k个码字中的同一码位的数据来计算出码盘的遮光光栅与透光光栅所占的角度，从而设计码盘，进而完成对编码器的格雷码设计。
2.根据权利要求1所述的一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法，其特征在于：对于已经设计好的探头数为n，分辨率为n×k的编码器，若想改变其分辨率，在确定其分辨率满足2×n＜t＜2n的条件下，将n，t代入程序，寻找满足探头数为n，分辨率为t的新格雷码，算出并改变相应的遮光光栅与透光光栅的角度，从而在不更换编码器的条件下改变分辨率。
3.根据权利要求1所述的一种单轨道绝对式光电编码器的码盘构造方法，其特征在于：对于任意的给定探头数n与分辨率n×k，当满足2×n＜n×k＜2n时，通过此程序判断对于给定的探头数与分辨率是否存在单轨道格雷码，即给定探头数与分辨率的设计可行性，若存在，则构造具有n个探头及n×k个码字的编码器；若不存在，则微调探头数，代入程序再次进行寻找，从而找到能够进行替代的方案。
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