CN108592961B - 一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，包括编码器主轴、轴承、主体、第一垫块、第一带电可擦写可编程读写存储器、第一游标编码器处理芯片MN、第一光敏元件阵列PDA、码盘、第一发光二极管LED、单片机、输出接口电路、第二发光二极管LED、第二光敏元件阵列PDA、第二垫块、第二游标编码器处理芯片MN和第二带电可擦写可编程读写存储器，读数头由垫块、带电可擦写可编程读写存储器、游标编码器处理芯片MN、光敏元件阵列PDA和发光二极管LED组成。本发明减小了码盘安装偏心、轴系晃动、温度变化的影响，消除了对多读数头装调的严格限制，提高了测角精度、工作稳定性、可靠性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及到光电位移测量技术领域，特别涉及一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器。
背景技术
光电编码器是测量角位移的光电传感器。按形成角度代码的方法不同又分为绝对式和增量式。全量程范围内任意位置，光栅编码器输出的每个角度信息与所对应角度为单值函数关系的称为绝对式光电编码器。绝对式编码器启动或掉电后再上电，不用经过光栅零位就可输出角度值，抗干扰强，在自动化领域，尤其是军用仪器中获得广泛应用。绝对式光电编码器为了形成绝对角度代码，都采用一个代码盘，称为码盘。常规码盘一般采用自然二进制或循环二进制(格雷)编码原理，精度、分辨率越高，需刻制的码道就越多。一个20位左右的编码器，一般码道数也接近20来条，不仅码盘径向尺寸大，而且各码道的光电信号之间有严格要求，需要调整，使用电位器多，体积大，调整费时，可靠性差。在高精度绝对式光电编码器中，常采用多读数头平差的方法来提高精度。目前多个读数头合成方法一般采用模拟量相加。理论上可以消除码盘上的部分刻划误差、码盘安装偏心和轴系晃动的影响，获得高质量的光电信号。但模拟量必须是各读数头信号同相等幅相加，才能获得理想效果，当光栅刻线较密时，偏心和轴系晃动以及温度变化会造成幅值的不平衡，直流电平偏移和各信号之间相位的变化，严重降低了细分精度。当这些影响大到最细码道1/4周期时，会造成错码，编码器将无法正常工作。为了提高细分精度，也有采用设置精码道、中精码道和粗码道，并经过多次精对精校正、精对粗校正，以及繁杂的逻辑处理来实现局域的多头数字量相加，以达到平差效果，但各层次码道校正中，都有较严的码道之间的精度要求，也就是±1/4精码周期的校正范围的限定，精码与被校正码道误差超过规定值就要错码，编码器将无法正常工作。
发明内容
发明的目的在于提供一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，采用新的编码原理，减少码道数，缩小绝对式编码器尺寸，采用多读数头全代码相加，避免模拟量相加因码盘安装偏心、轴系晃动、温度变化影响细分精度和导致错码，同时可以大幅度放宽多读数头装调对精度的严酷要求，提高编码器的测角精度、稳定性、可靠性和使用寿命，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，包括编码器主轴、轴承、主体、第一垫块、第一带电可擦写可编程读写存储器、第一游标编码器处理芯片MN、第一光敏元件阵列PDA、码盘、第一发光二极管LED、单片机、输出接口电路、第二发光二极管LED、第二光敏元件阵列PDA、第二垫块、第二游标编码器处理芯片MN和第二带电可擦写可编程读写存储器，所述编码器主轴通过轴承和主体活动连接，编码器主轴通过胶与码盘固定连接；码盘对径设置了两个结构相同的读数头；
其中一个读数头由第一垫块、第一带电可擦写可编程读写存储器、第一游标编码器处理芯片MN、第一光敏元件阵列PDA和第一发光二极管LED组成，第一垫块设置在主体上，第一垫块上设有第一光敏元件阵列PDA，第一发光二极管LED安装在码盘的正上方，第一发光二极管LED发射的平行光垂直照射在码盘上入射至第一光敏元件阵列PDA，第一光敏元件阵列PDA经光电转换产生的光电位移信号加到第一游标编码器处理芯片MN上，第一游标编码器处理芯片MN通过由数据线SDA和时钟信号线SCL构成的I2C总线连接第一带电可擦写可编程读写存储器，第一游标编码器处理芯片MN通过I/O接口连接单片机，单片机电连接输出接口电路；
另一个读数头由第二发光二极管LED、第二光敏元件阵列PDA、第二垫块、第二游标编码器处理芯片MN和第二带电可擦写可编程读写存储器组成，第二读数头和第一读数头分别安装在码盘的对径位置上,第二垫块设置在主体上与第一垫块对称的位置，第二垫块上设有第二光敏元件阵列PDA，第二发光二极管LED安装在所述码盘对径的另一边的正上方，第二发光二极管LED发射的平行光垂直照射在码盘上入射至第二光敏元件阵列PDA，第二光敏元件阵列PDA经光电转换产生的光电位移信号加到第二游标编码器处理芯片MN上，第二游标编码器处理芯片MN通过由数据线SDA和时钟信号线SCL构成的I2C总线连接第二带电可擦写可编程读写存储器，第二游标编码器处理芯片MN通过I/O接口连接单片机。
优选的，输出接口电路角度代码输出。
优选的，码盘由N码道、M码道和S码道组成。
优选的，单片机的型号为STC15F2K60S2-28I。
优选的，读数头由ic-MN芯片对主码道M的光电信号进行10位细分，经对M、S、N的光电信号处理、运算，计算出20位绝对式角度代码值，两读数头数据经单片机同步采集、对径相加，经接口电路串行输出、波特率115200、更新率800Hz、定时发送20位绝对式角度代码。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，采用游标编码原理的多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器大大缩小了体积，减小了码盘安装偏心、轴系晃动、温度变化的影响，消除了对多读数头装调的严格限制，提高了测角精度、工作稳定性、可靠性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器构成原理示意图；
图2为本发明的游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器码盘码道示意图。
图中：1编码器主轴、2轴承、3主体、4第一垫块、5第一带电可擦写可编程读写存储器、6第一游标编码器处理芯片MN、7第一光敏元件阵列PDA、8码盘、9第一发光二极管LED、10单片机、11输出接口电路、12第二发光二极管LED、13第二光敏元件阵列PDA、14第二垫块、15第二游标编码器处理芯片MN、16第二带电可擦写可编程读写存储器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，包括编码器主轴1、轴承2、主体3、第一垫块4、第一带电可擦写可编程读写存储器5、第一游标编码器处理芯片MN6、第一光敏元件阵列PDA7、码盘8、第一发光二极管LED9、单片机10、输出接口电路11、第二发光二极管LED12、第二光敏元件阵列PDA13、第二垫块14、第二游标编码器处理芯片MN15和第二带电可擦写可编程读写存储器16，编码器主轴1通过轴承2和主体3活动连接，编码器主轴1与主体3可相对转动，编码器主轴1通过胶与码盘8固定连接随其旋转；码盘8对径设置了两个结构相同的读数头。
其中一个读数头由第一垫块4、第一带电可擦写可编程读写存储器5、第一游标编码器处理芯片MN6、第一光敏元件阵列PDA7和第一发光二极管LED9组成，第一垫块4设置在主体3上，第一垫块4上设有第一光敏元件阵列PDA7，第一垫块4支撑第一光敏元件阵列PDA7，并可修配第一光敏元件阵列PDA7与码盘8间的空隙大小，改善光电信号的质量，第一发光二极管LED9安装在码盘8的正上方，第一发光二极管LED9发射的平行光垂直照射在码盘8上，经码盘8码道图案调制后，入射至第一光敏元件阵列PDA7，第一光敏元件阵列PDA7与第一游标编码器处理芯片MN6电连接，第一游标编码器处理芯片MN6通过由数据线SDA和时钟信号线SCL构成的I2C总线连接第一带电可擦写可编程读写存储器5，第一游标编码器处理芯片MN6通过I/O接口连接单片机10，单片机10电连接输出接口电路11。
另一个读数头由第二发光二极管LED12、第二光敏元件阵列PDA13、第二垫块14、第二游标编码器处理芯片MN15和第二带电可擦写可编程读写存储器16组成，第二垫块14设置在主体3上与第一垫块4对称的位置，第二垫块14上设有第二光敏元件阵列PDA13，第二发光二极管LED12安装在所述码盘(8)对径的另一边的正上方，第二发光二极管LED12发射的平行光垂直照射在码盘8上入射至第二光敏元件阵列PDA13，第二光敏元件阵列PDA13与第二游标编码器处理芯片MN15电连接，第二游标编码器处理芯片MN15通过由数据线SDA和时钟信号线SCL构成的I2C总线连接第二带电可擦写可编程读写存储器16，第二游标编码器处理芯片MN15通过I/O接口连接单片机10。
发光二极管LED是高准直发光二极管，发光二极管LED采用ic-TL46，发射的平行光垂直照射在码盘8上，经码盘码道图案调制后，入射至光敏元件阵列PDA，经光电转换和放大后输出12路与三码道M、S、N角位置相对应的正余弦信号：PSM、NSM、PCM、NCM、PSS、NSS、PCS、NCS、PSN、NSN、PCN、NCN，这些信号隐含了码盘的角位置信息。垫块支撑光敏元件阵列PDA，光敏元件阵列PDA采用ic-PN3324，经垫块可修配光敏元件阵列PDA与码盘8间的空隙大小，改善光电信号的质量。12路光电信号送入游标编码器专用处理芯片MN进行处理，游标编码器专用处理芯片MN采用ic-MN，MN可完成主码道M的13位SIN/D细分(内插)；对M、S、N三码道信号同时采样，经游标编码器的逻辑处理、运算，可计算出编码器旋转一周(0°～360°)范围内的全部角度代码值；数据更新率7μs；具有构建25位绝对式光电编码器的处理能力。串行带电可擦写可编程读写存储器接口由SCL和SDA组成，完成配置数据的读写操作，电可擦写可编程读写存储器采用24LC04BI/SN。EEPROM配置数据包含：码盘码道特征、M码道细分份数、M、S、N三码道共12路正余弦信号的偏移量、幅度、相位的补偿值、单头读数的总角度代码位数、输出码制(自然二进制或格雷码)选择，通信协议(SSI或BISS)的选择等。两个读数头分别独立地由游标编码器处理芯片MN输出各自的单读数头形成的全数字代码的绝对式角度值。单片机10以SSI同步串行通信协议(或BISS)采集两读数头的游标编码器处理芯片MN中角度值进行对径相加处理，消除码盘安装偏心和奇次项的轴系高次谐波误差造成的精度损失，以及温度变化、轴系磨损的影响，单片机10采用STC15F2K60S2-28I。因两头是全数字量角度代数相加，两头读数对准误差允许在±90°机械转角范围内，允差扩大上千倍，完全避免了因两读数头相对位置安装不准而造成的错码事故，极大地提高了可靠性。输出接口电路11以串行(或并行)方式输出角度代码，输出接口电路11采用LM7272。根据用户需求不同，可选用不同的接口芯片(如：RS485、RS422、RS232)和通信协议(如：定时发送、握手方式、MODBUS、SSI、CANopen、PROFBUS等各种现场总线)。
请参阅图2，码盘采用游标编码原理刻制，仅有M、S、N三条码道。M为主码道，每转(360°)刻制1024个光栅周期(CPR＝1024)；S为区段码道，CPR＝992；N为游标码道，CPR＝1023。三条码道总长不足3.5mm，非常有利于绝对式光电编码器小型化。码盘8，玻璃，M CPR＝1024，S CPR＝992，N CPR＝1023。每一读数头由ic-MN芯片对主码道M的光电信号进行10位细分，经对M、S、N的光电信号处理、运算，计算出20位绝对式角度代码值，两读数头数据经单片机同步采集、对径相加，经接口电路串行输出、波特率115200、更新率800Hz、定时发送20位绝对式角度代码。该实施技术方案已成功为用户提供高精度20位绝对式光电编码器产品，通过了-40℃～+85℃的使用温度考核，经计量质量检测研究院检测，测角精度±5″。为了进一步提高测角精度，可采用更多的读数头，更高的细分份数(内插系数)，更好地消除码盘刻制的不均匀性和轴系高次谐波误差的影响。每个读数头构成相同，其输出皆由单片机同步采集、处理、输出经多头平差后的高精度绝对式角度代码，分辨率目前最高可达25位。
综上所述，本发明提出的游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，采用游标编码原理的多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器大大缩小了体积，减小了码盘8安装偏心、轴系晃动、温度变化的影响，消除了对多读数头装调的严格限制，提高了测角精度、工作稳定性、可靠性和使用寿命。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，包括编码器主轴(1)、轴承(2)、主体(3)、第一垫块(4)、第一带电可擦写可编程读写存储器(5)、第一游标编码器处理芯片MN(6)、第一光敏元件阵列PDA(7)、码盘(8)、第一发光二极管LED(9)、单片机(10)、输出接口电路(11)、第二发光二极管LED(12)、第二光敏元件阵列PDA(13)、第二垫块(14)、第二游标编码器处理芯片MN(15)和第二带电可擦写可编程读写存储器(16)，其特征在于：所述编码器主轴(1)通过轴承(2)和主体(3)活动连接，编码器主轴(1)通过胶与码盘(8)固定连接；码盘(8)对径设置了两个结构相同的读数头；
其中一个读数头由第一垫块(4)、第一带电可擦写可编程读写存储器(5)、第一游标编码器处理芯片MN(6)、第一光敏元件阵列PDA(7)和第一发光二极管LED(9)组成，第一垫块(4)设置在主体(3)上，第一垫块(4)上设有第一光敏元件阵列PDA(7)，第一发光二极管LED(9)安装在码盘(8)的正上方，第一发光二极管LED(9)发射的平行光垂直照射在码盘(8)上入射至第一光敏元件阵列PDA(7)，第一光敏元件阵列PDA(7)与第一游标编码器处理芯片MN(6)电连接，第一游标编码器处理芯片MN(6)通过由数据线SDA和时钟信号线SCL构成的I2C总线连接第一带电可擦写可编程读写存储器(5)，第一游标编码器处理芯片MN(6)通过I/O接口连接单片机(10)，单片机(10)电连接输出接口电路(11)；
另一个读数头由第二发光二极管LED(12)、第二光敏元件阵列PDA(13)、第二垫块(14)、第二游标编码器处理芯片MN(15)和第二带电可擦写可编程读写存储器(16)组成，第二垫块(14)设置在主体(3)上与第一垫块(4)对称的位置，第二垫块(14)上设有第二光敏元件阵列PDA(13)，第二发光二极管LED(12)安装在所述码盘(8)对径的另一边的正上方，第二发光二极管LED(12)发射的平行光垂直照射在码盘(8)上入射至第二光敏元件阵列PDA(13)上，第二光敏元件阵列PDA(13)与第二游标编码器处理芯片MN(15)电连接，第二游标编码器处理芯片MN(15)通过由数据线SDA和时钟信号线SCL构成的I2C总线连接第二带电可擦写可编程读写存储器(16)，第二游标编码器处理芯片MN(15)通过I/O接口连接单片机(10)，码盘(8)采用游标编码原理刻制，仅有M、S、N三条码道，M为主码道，CPR＝1024；S为区段码道，CPR＝992；N为游标码道，CPR＝1023。
2.根据权利要求1所述的一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，其特征在于：输出接口电路(11)输出的角度代码是经过多读数头平差后的高精度角度值。
3.根据权利要求1所述的一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，其特征在于：单片机(10)的型号为STC15F2K60S2-28I,对各读数头的N码道、M码道和S码道的12路模拟光电信号同步采集。
4.根据权利要求1所述的一种游标多读数头全代码相加的高精度绝对式光电编码器，其特征在于：读数头由ic-MN芯片对主码道M的光电信号进行10位细分，经对M、S、N的光电信号处理、运算，计算出20位绝对式角度代码值，两读数头数据经单片机同步采集、对径相加，经接口电路串行输出、波特率115200、更新率800Hz、定时发送20位绝对式角度代码。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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