CN110375776B

CN110375776B - 一种旋转编码器

Info

Publication number: CN110375776B
Application number: CN201910676442.0A
Authority: CN
Inventors: 周建丰; 王晗; 王瑞洲; 董永超; 蔡念; 曾景华; 江文佳; 辛正一
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: CN110375776A

Abstract

本发明公开了一种旋转编码器，包括具有环形码道的编码盘、读数头以及光源装置；环形码道包括两个半圆形的子码道，其中，每个子码道均匀分布有宽度相同的明暗条纹，两个子码道的明暗条纹的宽度不同；读数头的数量为两个，两个读数头分别对应环形码道直径的两端位置设置；光源装置用于分别为各个读数头提供光照。本发明中将多个码道合并于同一个码道上，使得编码器中一个环形码道即可实现现有技术中多个环形码道的测量精度，能够满足编码器高精度和小型化的双重需求。

Description

一种旋转编码器

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，特别是涉及一种旋转编码器。

背景技术

编码器作为一种高精度的位置传感器，是数控装备、精密测量仪器、机器人、航空航天及精密加工装备等的核心功能部件，能够实现高精度的位移或角度的测量。编码器在实际工程应用中是一个关键零部件，通常起着物理量检测和反馈的作用，直接影响到控制系统的控制精度和性能。

目前旋转编码器包括单码道编码器和多码道编码器。相对于单码道编码器而言，多码道编码器具有更高的测量精度。但是传统的多码道编码器，又存在编码盘码道数过多、结构复杂、刻画难度大、编码准确度低等缺点，因此多码道编码器例如多码道绝对式旋转光栅编码器已经很难满足现在相关领域对其高精度和小型化的双重需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转编码器，能够满足现在相关领域对旋转编码器高精度和小型化的双重需求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种旋转编码器，包括具有环形码道的编码盘、读数头以及光源装置；

所述环形码道包括两个半圆形的子码道，其中，每个所述子码道均匀分布有宽度相同的明暗条纹，两个所述子码道的明暗条纹的宽度不同；

所述读数头的数量为两个，两个所述读数头分别对应所述环形码道直径的两端位置设置；

所述光源装置用于分别为各个所述读数头提供光照。

其中，两个所述子码道的明暗条纹数量相差为1。

其中，包括和两个读数头相连接的处理器，用于根据两个所述读数头读取的光信号，解算出两个子码道的刻线相位角；并根据两个所述刻线相位角的差值解算出绝对位置。

其中，所述读数头的数量为两个，每个所述读数头中包括两组光电二极管组，每组所述光电二极管组分别用于读取一个所述子码道的光信号。

其中，每组所述光电二极管组均包括呈田字形分布的四个光电二极管，且相邻的所述光电二极管测得的光线相位差为90度。

其中，所述编码盘上还包括和所述环形码道同心设置，且直径和所述环形码道不同的单一环形码道；所述单一环形码道中的明暗条纹均匀分布。

其中，所述环形码道的数量为多个；各个所述环形码道在所述编码盘上同心设置且直径不同。

其中，各个所述环形码道中的所述子码道的分界线不重合。。

本发明所提供的旋转编码器，包括具有环形码道的编码盘、读数头以及光源装置；所述环形码道包括两个半圆形的子码道，其中，每个子码道均匀分布有宽度相同的明暗条纹，两个子码道的明暗条纹的宽度不同；读数头的数量为两个，两个读数头对应两个子码道交界的位置设置；所述光源装置用于分别为各个所述读数头提供光照。

本申请中位于同一圈的环形码道分成两个半圆形的子码道，且两个个子码道的条纹分布不同，相当于将现有技术中两圈码道编码器中的两圈码道合并在同一个码道上；分别对应所述环形码道直径的两端位置设置；当所述编码盘旋转时，每个所述子码道均对应一个读数头，保证了每个子码道旋转至任意角度时，对应的光信号均可通过两个读数头依次交替读取，也就相当于两圈码道的编码器中两个码道独立读取的编码读数。

本发明中将两个码道合并于同一个码道上，可以在一定程度上减少多码道编码器的码道数量，且可以同时独立读取两个子码道在旋转过程中的编码读数，使得编码器中一个环形码道即可实现现有技术中两个环形码道的测量精度。因此，本发明中的编码器能够满足高精度和小型化的双重需求。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的旋转编码器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的子码道莫尔条纹相位差的对比坐标图；

图3为本发明实施例提供的光电二极管的分布结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的旋转编码器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的旋转编码器的结构示意图，该旋转编码器可以包括：

具有环形码道的编码盘1、读数头2以及光源装置4；

环形码道包括两个半圆形的子码道3，其中，每个子码道3均匀分布有宽度相同的明暗条纹，两个子码道3的明暗条纹的宽度不同；

读数头2的数量为两个，两个读数头2分别对应环形码道直径的两端位置设置；

光源装置4用于分别为各个读数头2提供光照

如图1所示，图1中编码盘上的环形码道中包括两个子码道3，两个子码道3均为180度半圆形码道，两个子码道3恰好构成一个完整圆形的环形码道。而两个子码道3的明暗条纹的宽度是不同的，对应地，两个子码道3内的明暗条纹数量也就不同。

因为要保证环形码道的两个子码道3相互配合，实现现有旋转编码器中双码道的功能，就需要两个子码道3在编码盘1旋转过程中，均能够存在对应的读数头2对其进行读数。

在图1中，两个子码道3交界线的位置恰好在环形码道直径的两端，相对应的两个读数头2也正对于编码盘1直径两端的位置。那么，当编码盘1旋转时，当一个子码道3的首端到达一个读数头2对应的位置，其尾端恰好即可离开另一个读数头2的位置。对于读数头2而言，恰好可以交替检测读取两个子码道3的光信号。

需要说明的是，在实际应用中，光源4和读数头2应当分别位于编码盘1的两侧，本实施例中为了能够清楚的显示读数头2和子码道3之间的分布关系，在同一平面上显示出编码盘1和读数头2，但是可以理解的是，这并非编码器在实际使用时二者的位置关系。

目前现有技术中的旋转编码器，为了提高编码器的测量精度，往往需要在编码盘上设置多个同心圆形码道，在编码盘旋转时，通过读数头分别读取不同码道上的条纹读数，再综合两个码道的条纹读数确定旋转编码器的旋转角度。但是这种旋转编码器的精度越高，码道的数量也就越多，相应地旋转编码器的尺寸也就越大，反之，如果旋转编码器的尺寸小，则编码器的精度又降低。

本申请中的旋转编码器，将同一环上的码道划分为两个子码道，又分别设置两个读数头，使得两个子码道旋转至任意位置时，始终存在对应的读数头读取其光信号，进而使得同一圈的两子码道可实现现有技术中两圈的两个码道的功能，且相对于多码道的编码盘而言，本申请中的码道可以占用更小的空间位置。因此，本申请中的旋转编码器，在减小码道占用的空间体积的基础上，又能够保证旋转编码器的测量精度，进而满足现在相关领域对其高精度和小型化的双重需求。

基于上述实施例，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

两个子码道3的明暗条纹数量相差为1。

如图1所示，左边的子码道3周期数为n，右边的子码道3周期为n-1，其中n为正整数。两组读数头2在直径方向上对称分布，使用LED进行照明，使用光电二极管阵列来接收信号，每个光电二极管前排布有指示光栅，用来对子码道3分别产生4裂相莫尔条纹。

设两个读数头X和读数头Y的初始位置分别在如图1所示x和y位置，当编码器顺时针旋转时，读数头X读取周期为n的子码道3；读数头Y读取周期为n-1的子码道3。设环形码道周长为2W，两个子码道3各占半周的长度，且只相差一个周期。设周期为n的子码道3上测得莫尔条纹的相位为θ_a，另一个读数头2测得相位为θ_b。设θ_a-b为相位差。则有：

θ_a、θ_b和θ_a-b的关系可以通过图2来表示，从图2中可见，θ_a-b在W上有唯一性，由此，当两个子码道3之间的周期相差为1时，即可根据二者莫尔条纹差值的唯一性，确定编码器的绝对位置信息。

对于同样的长度W，n越大，那么得到的绝对位置信息分辨率就越高，但是由于受限于电子电路引入的噪声，n的取值受到一定限制。n＜739。游标码绝对式线性光栅编码器的周期内最小测量步距(也可称为分辨率)计算公式：

对于编码盘1直径为40mm，刻线宽度为314μm，n为100，计算得Δ＝0.43μm。测量最小角度约为0.002°。

由此可见，对于位于同一圈的两个子码道而言，只要二者的条纹周期数相差为1，即可根据两个子码道的莫尔条纹的相位差计算出绝对位置。

因此，进一步地，在本发明的另一具体实施例中，还可以包括：

和两个读数头相连接的处理器，用于根据两个读数头读取的光信号，解算出两个子码道的刻线相位角；并根据两个刻线相位角的差值解算出绝对位置。

本实施例中基于同一圈的两个子码道的光栅之间的关系，即可实现绝对位置的解算，相对于目前至少需要两圈码道才能解算绝对位置的编码器而言，本申请中的编码器在保证解算精度的基础上，减少了码道数量。

可选地，在本发明的另一具体实施例，还可以进一步地包括：

每个读数头2中包括两组光电二极管组，每组光电二极管组分别用于读取一个子码道3的光信号。

具体地，每组光电二极管组均包括四个位于呈田字型分布的光电二极管21，且相邻的光电二极管21测得的光线相位差为90度。

因为两组读数头2中对应不同的子码道3的指示光栅不同，两个读数头2不能进行全周长测量。可以通过在每个读数头2增加一组光电二极管，如图3所示，图3为本发明实施例提供的读数头的光电二极管阵列的结构示意图。图3中读数头2中集成2×4的光电二极管阵列，其中图3中每四个光电二极管21呈田字排布，分别去取两个子码道3的光信号，两组光电二极管21中的指示光栅分别对应周期不同的子码道。当检测到绝对位置过了半周时，切换读数头2中的光电二极管21测量和计算，则可以实现全周长测量。

当然，本实施例中也并不排除每组光电二极管组中只有两个光电二极管21的实施例，只是这会在一定程度上降低编码器的精度。

基于上述实施例，在本发明的另一具体实施例中，还可以包括：

编码盘1上还包括和环形码道同心设置，且直径和环形码道不同的单一环形码道5；单一环形码道4中的明暗条纹均匀分布。

如图4所示，对于图4而言，包括一个具有多个子码道3的环形码道和一个只有单一码道5的单一环形码道5。其中环形码道可以相当于双码道，再加上单一环形码道5，那么图4中的码道即可相当于现有技术中的三码道编码器，但是整个编码盘1的空间体积在一定程度上减小。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

环形码道的数量为多个；各个环形码道在编码盘1上同心设置且直径不同。

每个环形码道各包括两个子码道3，那么两个环形码道即可相当于现有技术中四码道的编码器，但是编码盘的面积确大大减小。相应地，每个环形码道对应的读数头2和图1所示的编码盘1的读数头2的设置方式类似，对此不再赘述。

进一步地，每个环形码道对应的读数头2分别设于对应环形码道不同直径的两端，也即是读数头2读取各个环形码道中子码道的光信号时，分别对编码盘1上不同位置的码道进行读数。

例如，如果环形码道数量为两圈，那么，可以设置两组读数头2，每组包括两个读数头2，且第一组两个读数头2的连线和第二组两个读数头2的连线垂直。如果第一组中一个读数头2读取的位置的编码盘1存在污染，那么该组读取的光信号可靠性就不高，而第二组读数头2读取的光信号并不对应于被污染的位置，因此读取的光信号是准确可靠的。因此，本实施例能够避免多个读数头2集中设置在同一位置，而导致读取的所有光信号均不准确的问题，提高编码器的精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

Claims

1.一种旋转编码器，其特征在于，包括具有环形码道的编码盘、读数头以及光源装置；

所述光源装置用于分别为各个所述读数头提供光照。

2.如权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，两个所述子码道的明暗条纹数量相差为1。

3.如权利要求2所述的旋转编码器，其特征在于，包括和两个读数头相连接的处理器，用于根据两个所述读数头读取的光信号，解算出两个子码道的刻线相位角；并根据两个所述刻线相位角的差值解算出绝对位置。

4.如权利要求2所述的旋转编码器，其特征在于，每个所述读数头中包括两组光电二极管组，每组所述光电二极管组分别用于读取一个所述子码道的光信号。

5.如权利要求4所述的旋转编码器，其特征在于，每组所述光电二极管组均包括呈田字形分布的四个光电二极管，且相邻的所述光电二极管测得的光线相位差为90度。

6.如权利要求1至5任一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述编码盘上还包括和所述环形码道同心设置，且直径和所述环形码道不同的单一环形码道；所述单一环形码道中的明暗条纹均匀分布。

7.如权利要求1至5任一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述环形码道的数量为多个；各个所述环形码道在所述编码盘上同心设置且直径不同。

8.如权利要求7所述的旋转编码器，其特征在于，每个所述环形码道对应的读数头分别设于对应所述环形码道不同直径的两端。