CN109115253A - 一种单码道旋转编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单码道编码盘及相应的编码器，该单码道编码盘上设有一环形码道，码道由透光扇区和不透光扇区交替组成，码道包括一个或多个零位区，零位区由一个以上连续的不透光扇区或一个以上连续的透光扇区组成。该单码道旋转编码器仅需一条码道和两个读头就能实现一个或多个可区分的定位基准点，所涉及的电子元器件的数量也大大减少，结构明显优化，成本更低，可靠性高。

Description

一种单码道旋转编码器
技术领域
本发明涉及一种旋转编码器，具体地涉及一种单码道旋转编码器，尤其涉及一种包括至少一个零位的单码道旋转编码器。
背景技术
旋转编码器广泛用于确定旋转物体的机械位移量的传感器，通过光电或者磁场霍尔等探测，将位置信号变换为电信号，提供给处理器。旋转编码器主要分为增量式和绝对式，绝对式旋转编码器输出绝对的位置关系，而增量式旋转编码器一般输出两相信号，包括A相和B相，通常情况下，A、B相位差为90°，因此，除了可以测量速度外，增加这种的相位关系，能够额外检测出旋转方向(正转以及反转)。根据应用场合不同，增量式的旋转编码器输出信号还可以分为脉冲信号和正弦波信号，这种两种信号在一定条件下可以互相转换。目前的旋转编码器中，通常还会增加除了A相以及B相之外的定位信号Z相(一次旋转输出一次)，用于指示零点位置。目前，增量式旋转编码器的编码盘上通常需要1条码道和A\B读头分别产生A相、B相，如果需要Z相(零位信号)，则需要增加一条码道和一个读头。码道数越多，编码盘的结构复杂，精度要求高，制作困难。
有鉴于此，如何设计一种新的单码道旋转编码器，减少码道和读取头数目，提高可靠性，降低成本，以消除现有技术中的上述缺陷和不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
为了克服现有技术中旋转编码器需要多个码道以判断旋转方向和转速以及定位基准点所出现的技术问题，本发明的目的在于提供一种单码道旋转编码器，其编码盘上只包括一条码道，仅需一条码道和两个读取头就能实现一个或多个可区分的零位区域定位基准点，同时相关信号处理的元器件数量也大大减少，结构明显优化，成本更低，可靠性高。
本发明的第一方面，提供一种单码道编码盘，所述单码道编码盘上设有一环形码道，所述的码道由透光扇区和不透光扇区交替组成，所述码道包括一个或多个零位区，所述零位区由m个连续的不透光扇区或m个连续的透光扇区组成，其中m>1。
优选地，所述各透光扇区和\或各不透光扇区宽度相同且交替均匀排列。
优选地，所述零位区由m个连续的不透光扇区组成，且所述零位区两侧的扇区均为透光扇区。
优选地，所述零位区由m个连续的透光扇区组成，且所述零位区两侧的扇区均为不透光扇区。
优选地，所述编码盘为金属环形盘体、玻璃环形盘体、或树脂环形盘体。
优选地，所述编码盘为光电编码盘或磁性编码盘。
本发明第二方面，提供一种单码道旋转编码器，包括如本发明第一方面所述的编码盘；一编码器刻度读取器，包括第一读取头和第二读取头，所述编码器刻度读取器在经过所述编码盘的不同位置时产生响应信号；一用于产生零位信号的零位检测电路。
优选地，所述第一读取头和所述第二读取头的相对位置△s满足(1+2×n)×W<△s<(2+2×n)×W，其中，W为单个扇区的宽度，n为大于等于零的整数。
优选地，第一读取头和第二读取头采用透射或者反射式光电开关。
优选地，所述第一读取头和第二读取头为霍尔元件。
优选地，所述零位检测电路包括第一触发器、第二触发器和微处理器。
优选地，所述第一触发器包括第一CLK输入端和第一D输入端，所述第二触发器包括第二CLK输入端和第二D输入端，所述第一和第二触发器的输入信号均为所述第一读取头和所述第二读取头输出的信号，所述第一触发器和/或第二触发器的输出信号作为零位信号。
本发明第三方面，提供一种如本发明第二方面所述的编码器的零位测试方法，包括步骤：
(1)所述编码盘绕中心轴旋转，设置第一读取头和第二读取头的相对位置△s；
(2)所述透光扇区和不透光扇区经过所述第一读取头和第二读取头时，分别产生A相信号和B相信号；
(3)所述第一读取头分别与所述第一CLK输入端和第二CLK输入端相连，所述第二读取头分别与所述第一D输入端和第二D输入端相连，所述第一CLK输入信号设置为上升沿有效，所述第二CLK输入信号设置为下降沿有效；
或者，所述第二读取头分别与所述第一CLK输入端和第二CLK输入端相连，所述第一读取头分别与所述第一D输入端和第二D输入端相连，所述第一CLK输入信号设置为下降沿有效，所述第二CLK输入信号设置为上升沿有效；
或者，所述第一读取头分别与所述第一CLK输入端和第二D输入端相连，所述第二读取头分别与所述第一D输入端和第二CLK输入端相连，所述第一CLK和第二CLK输入信号均为上升沿有效、或均为下降沿有效；
(4)所述微处理器通过检测所述第一触发器和第二触发器的输出信号确定零位。
与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明的单码道编码盘及相应的旋转编码器只包括一条码道，实现了仅需一条码道和两个读取头就能实现一个或多个可区分的零位区域定位基准点，同时相关信号处理的元器件数量也大大减少，结构明显优化，成本更低，可靠性高。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图得到进一步的了解。
图1是本发明所提供的编码盘的一种结构示意图。
图2是本发明实施例一所提供的零位检测电路示意图。
图3是本发明实施例中检测零位的示意图，自上而下依次为：I-编码盘扇区、II-A相信号、III-B相信号、IV-A相上升沿锁存B相、V-A相下降沿锁存B相、VI-B相下降沿锁存A相、VII-B相上升沿锁存A相。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
在以下具体实施例的说明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如本发明所用，“单码道编码盘”由透光扇区和不透光扇区交替组成，透光扇区和不透光扇区的宽度可以相同，也可以不同。优选地，透光扇区和不透光扇区宽度相同且交替均匀排列，本发明对单个扇区的宽度不做特别限制，可采用本领域通用的编码盘码道的扇区设置及宽度数值即可。
如本发明所用，所述码道包括一个或多个零位区，零位区由m个连续的不透光扇区或m个连续的透光扇区组成，其中m>1。在本发明较佳地实施例中，零位区由1个以上连续的不透光扇区组成，且所述零位区两侧的扇区均为透光扇区。
如本发明所用，所述编码盘为金属环形盘体、玻璃环形盘体或树脂环形盘体等本领域技术人员熟知的编码盘用盘体，具体地，根据实际使用情况，可以采用金属、玻璃、树脂或菲林等材料制成环形编码盘盘体，使得产品多样化，以适应不同的应用环境，优选的编码盘为光电编码盘。
如本发明所用，触发器等器件可以使用各种本领域技术人员所熟知的相应的集成逻辑电路芯片以及各种可编程器件，如FPGA、CPLD、ASIC等。
本发明的目的在于提供一种单码道旋转编码器，实现一个或多个可区分的定位基准点，发光元件、光敏元件的数量也大大减少，结构明显优化，成本更低，可靠性高。
下文实施例所描述仅为本发明的单码道旋转编码器判断确定零位区的示例情况。
下面结合附图1-3详细说明本发明的具体实施例。
图1-3中，1为零位1，2为零位2，3为零位3，4为零位4，5为第一读取头，6为第二读取头，7为第一触发器，8为第二触发器，9为微处理器，10为透光扇区，11为不透光扇区。
图1是本发明编码盘的结构示意图。本发明的单码道旋转编码盘可包括一个或多个零位区，以下仅以包含4个零位区的编码盘为例说明本发明的优选实施方式。其中，宽度相同且交替均匀排列的单个透光扇区为10，单个不透光扇区为11，零位1由4个连续的不透光扇区组成，零位2、零位3和零位4分别由2个连续的不透光扇区组成。
实施例一：
如图2所示，第一读取头5输出的A相信号分别与第一触发器7和第二触发器8的CLK输入端相连，第二读取头6输出的B相信号分别与第一触发器7和第二触发器8的D输入端相连。其中，第一触发器7的输出信号设置为A相信号为上升沿时第一触发器7的D输入端的状态信号，第二触发器8的输出信号设置为A相信号为下降沿时第二触发器8的D输入端的状态信号。第一触发器7的输出端和第二触发器8的输出端分别与微处理器9输入端相连。
如图3中I所示，设置第一读取头5和第二读取头6的相对位置△s为1.5个扇区宽度。
编码盘绕中心轴旋转时，第一读取头5和第二读取头6分别检测到编码盘上交替排列的透光扇区10和不透光扇区11，如图3中II和III所示，分别产生A相信号和B相信号。
第一触发器7在A相信号为上升沿时锁存B相电平，第二触发器8是在A相信号为下降沿时锁存B相电平。A相和B相信号的输出相位相差90度，A相信号由A＝0变化为A＝1即上升沿变化时，第一触发器7锁存B相信号B＝0，A相信号由A＝1变化为A＝0即下降沿变化时，第二触发器8锁存B相信号B＝1，第一触发器7和第二触发器8的输出信号如图3中IV和V所示。微处理器9检测到第一触发器7输出信号的上升沿变化时，说明编码器零位1旋转至第一读取头5和第二读取头6区域，之后微处理器9检测到第二触发器8的输出信号的下降沿变化时，说明编码器零位2旋转至第一读取头5和第二读取头6区域，以此类推。
实施例二：
第二读取头6输出的A相信号分别与第一触发器7和第二触发器8的CLK输入端相连，第一读取头5输出的B相信号分别与第一触发器7和第二触发器8的D输入端相连。其中，第一触发器7的输出信号设置为B相信号为下降沿时第一触发器7的D输入端的状态信号，第二触发器8的输出信号设置为B相信号为上升沿时第二触发器8的D输入端的状态信号。第一触发器7的输出端和第二触发器8的输出端分别与微处理器9输入端相连。
编码盘绕中心轴旋转时，第一读取头5和第二读取头6分别检测到编码盘上交替排列的透光扇区10和不透光扇区11，分别产生B相信号和A相信号。
如图3中I所示，设置第一读取头5和第二读取头6的相对位置△s为1.5个扇区宽度。第一触发器7在B相信号为下降沿时锁存A相电平，第二触发器8是在B相信号为上升沿时锁存A相电平，A相和B相信号的输出相位相差90度。
B相信号由B＝1变化为B＝0即下降沿变化时，第一触发器7锁存A相信号A＝1，B相信号由B＝0变化为B＝1即上升沿变化时，第二触发器8锁存A相信号A＝0，第一触发器7和第二触发器8的输出信号如图3中VI和VII所示。
微处理器9检测到第一触发器7输出信号的上升沿变化时，说明编码器零位1旋转至第一读取头5和第二读取头6区域，之后微处理器9检测到第二触发器8的输出信号的下降沿变化时，说明编码器零位2旋转至第一读取头5和第二读取头6区域，以此类推。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种单码道编码盘，所述单码道编码盘上设有一环形码道，所述的码道由透光扇区和不透光扇区交替组成，所述码道包括一个或多个零位区，所述零位区由m个连续的不透光扇区或m个连续的透光扇区组成，其中m>1。
2.如权利要求1所述的单码道编码盘，其特征在于，所述各透光扇区和\或各不透光扇区宽度相同且交替均匀排列。
3.如权利要求1所述的单码道编码盘，其特征在于，所述零位区由m个连续的不透光扇区组成，且所述零位区两侧的扇区均为透光扇区。
4.如权利要求1所述的单码道编码盘，其特征在于，所述零位区由m个连续的透光扇区组成，且所述零位区两侧的扇区均为不透光扇区。
5.一种单码道旋转编码器，包括：
如权利要求1-4任一项所述的单码道编码盘；
一编码器读取器，包括第一读取头和第二读取头，所述编码器读取器在经过所述编码盘的不同位置时产生响应信号；
一用于产生零位信号的零位检测电路。
6.如权利要求5所述的旋转编码器，其特征在于，所述第一读取头和所述第二读取头的相对位置△s满足(1+2×n)×W<△s<(2+2×n)×W，其中，W为单个扇区的宽度，n为大于等于零的整数。
7.如权利要求5所述的旋转编码器，其特征在于，所述第一读取头和第二读取头采用透射或者反射式光电开关。
8.如权利要求5所述的旋转编码器，其特征在于，所述零位检测电路包括第一触发器、第二触发器和微处理器。
9.如权利要求8所述的旋转编码器，其特征在于，所述第一触发器包括第一CLK输入端和第一D输入端，所述第二触发器包括第二CLK输入端和第二D输入端，所述第一和第二触发器的输入信号均为所述第一读取头和所述第二读取头输出的信号，所述第一触发器和/或第二触发器的输出信号作为零位信号。
10.一种如权利要求5-9任一项所述的旋转编码器的零位测试方法，包括步骤：
(1)所述单码道编码盘绕中心轴旋转，设置第一读取头和第二读取头的相对位置△s；
(2)所述透光扇区和不透光扇区经过所述第一读取头和第二读取头时，分别产生A相信号和B相信号；
(3)所述第一读取头分别与所述第一CLK输入端和第二CLK输入端相连，所述第二读取头分别与所述第一D输入端和第二D输入端相连，所述第一CLK输入信号设置为上升沿有效，所述第二CLK输入信号设置为下降沿有效；
或者，所述第二读取头分别与所述第一CLK输入端和第二CLK输入端相连，所述第一读取头分别与所述第一D输入端和第二D输入端相连，所述第一CLK输入信号设置为下降沿有效，所述第二CLK输入信号设置为上升沿有效；
或者，所述第一读取头分别与所述第一CLK输入端和第二D输入端相连，所述第二读取头分别与所述第一D输入端和第二CLK输入端相连，所述第一CLK和第二CLK输入信号均为上升沿有效、或均为下降沿有效；
(4)所述微处理器通过检测所述第一触发器和第二触发器的输出信号确定零位。
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