CN113804225A - 一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法涉及光电编码器技术领域，解决了现有抗污渍方法对密封和使用环境要求严苛，一旦码盘被污染编码器将无法使用的缺点的问题，方法包括：第1测量探头、第2测量探头、第3测量探头进行角度测量得到测量角度，并将测量到的测量角度发送至总处理器；第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头这三个测量探头之间互相独立工作，每个测量探头都能完成角度测量得到测量角度；总处理器根据至少两个未经过被污染的码盘区的测量探头的测量角度得出融合后的角度值。本发明无需对其码盘密封进行加固，大幅度的降低对使用环境的要求，提高了环境适应力，提高编码器的测量精度和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光电编码器技术领域，具体涉及一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法。
背景技术
光电编码器又称为光电角位置传感器，是一种集光、机、电一体的数字测角装置，是将旋转角位置、角位移及角速度等物理量转换成电信号的位移传感器。从测量的原理上分光电编码器可分为：图像式和莫尔条纹式；从编码方式上分可分为：绝对式、增量式和准绝对式。
准绝对式光电编码器是在增量式光电编码器的基础上，零位编码环增加多个参考点，继承了增量式光电编码器编码方式简单、工作稳定可靠和响应速度快等优点的同时，还具备寻找绝对位置效率高的优势，即只需旋转一个小角度就能找到绝对位置。在使用过程中，因环境和密封不牢等原因，准绝对式光电编码器的码盘容易被污染，造成输出角度数据跳码。目前主要的解决方法就是加固密封和保持使用环境的清洁度，但要做到光电编码器完全密封是不可能的，即使完全密封，也存在因使用等原因造成的密封泄露，而使用环境更不可控，使用时环境中的污渍极易污染码盘，导致编码器输出角度错误，出现跳码现象，导致准绝对式光电编码器无法使用。
对于其中的莫尔条纹准绝对式光电编码器，其抗污渍的方式也仅为上述的加固密封和保持使用环境的清洁度，至今并未在测量方法上提出改进，基于此，研发一种莫尔条纹准绝对式光电编码器的抗污渍的测量方法。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，以解决现有抗污渍方法对密封和使用环境要求严苛，一旦码盘被污染编码器将无法使用的缺点。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，包括如下步骤：
第1测量探头、第2测量探头、第3测量探头进行角度测量得到测量角度，并将测量到的测量角度发送至总处理器；所述第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头这三个测量探头之间互相独立工作，每个测量探头都能完成角度测量得到测量角度；
总处理器根据至少两个未经过被污染的码盘区的测量探头的测量角度得出融合后的角度值。
采用所述的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法的准绝对式光电编码器，所述光电编码器包括码盘、第1测量探头、第2测量探头、第3测量探头和总处理器，码盘包括用来确定绝对位置的参考编码环和用来获得莫尔条纹信号精码编码环，第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头对应码盘设置、且均连接总处理器。
本发明的有益效果是：
本发明一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法通过三个测量探头同时测量码盘信息，总处理器再利用至少两个未经过被污染的码盘区的测量探头的测量角度得出融合后的角度值，采用三个测量探头的方式替代传统依靠编码器密封技术，在准绝对光电编码器工作时无需对其码盘密封进行加固，大幅度的降低对使用环境的要求，提高了环境适应力；通过对两个或三个测量探头的测量角度数据融合，还可以提高准绝对式光电编码器的测量精度，增强准绝对式光电编码器可靠性。
本发明的光电编码器在机构并不复杂的前提下，无需密封结构，制作工艺简单，角度测量精度高。
附图说明
图1为本发明的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法的光电编码器的结构示意图。
图2为本发明的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法的码盘结构示意图。
图3为本发明的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法的确定绝对位置的流程图。
图4为本发明的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法的相位差示意图。
图5为本发明的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，包括如下步骤：
步骤一、第1测量探头、第2测量探头、第3测量探头进行角度测量得到测量角度，并将测量到的测量角度发送至总处理器；所述第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头这三个测量探头之间互相独立工作，每个测量探头都能完成角度测量得到测量角度；
步骤二、总处理器根据至少两个未经过被污染的码盘区的测量探头的测量角度得出融合后的角度值。
光电编码器包括码盘、三个测量探头和总处理器。码盘上设有参考编码环和精码编码环。测量探头对应码盘设置。各个测量探头之间互相独立工作，每个测量探头都独立能完成角度测量得到测量角度，都连接总处理器，都能够将测量到的测量角度发送至总处理器，基于的光电编码器为莫尔条纹式准绝对式光电编码器，具有三个测量探头，称为第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头，各个测量探头之间互相独立工作，每个测量探头都独立能完成角度测量。本实施方式中第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头为相同的结构。每个测量探头均由发光二极管、接收二极管和处理电路构成。发光二极管发出的光经过码盘和狭缝形成莫尔条纹，接收二极管将莫尔条纹转换成电信号，处理电路将该电信号转换成角度，处理电路包括整形放大器和微处理器(ARM、DSP和FPGA)等。莫尔条纹经过整形放大后进入微处理器，微处理器能够完成粗码计数、精码细分和精粗校正结合后得到测量角度，完成角度测量。总处理器连接每个测量探头的处理电路，各处理电路将得到的测量角度发送至总处理器，总处理器能够根据至少两个未经过被污染的码盘区的测量探头的测量角度得出融合后的角度值。三个测量探头的处理电路可集成在同一电路板上，也可以总处理器和三个测量探头的处理电路集成在同一电路板上。
沿逆时针方向顺次设置第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头，第1测量探头和第2测量探头沿逆时针方向相隔角α，第3测量探头和第1测量探头沿逆时针方向相隔角β。设三个测量探头测量得到的角度分别为Angle1,Angle2,Angle3。融合后的角度值Angle为：
γ1、γ2和γ3中至多有一个等于0
本实施方式中三个测量探头均匀设置，也就是在码盘的上方相隔120°位置分别放置一个测量探头，如图1所示。若三个测量探头均未经过被污染的码盘区最终的角度Angle的计算如下式所示：
式子的含义为Angle2,Angle3经过旋转旋转到Angle1附近，再取三个角度的平均值作为光电编码器的最终结果Angle。
如果有且只有一个测量探头经过码盘被污染区(即被污染的码盘区)，则其测量得到的测量角度就会出现错误，需要舍弃，用另外两个测量探头的测量角度取二者的平均值作为Angle。例如假设第2测量探头经过码盘污染区，则Angle2需要被舍弃。所以Angle为第1测量探头和第3测量探头的角度融合，如下式所示：
若两个/三个测量探头均经过码盘被污染区，码盘污染过于严重，同时本发明的光电编码器无法得出Angle。
如图2所示，是一种常用的准绝对式光电编码器的码盘图案设计，光电编码盘的图案分成两个编码环，分为参考编码环和精码编码环，外圈为精码编码环用于产生莫尔条纹，用来获得莫尔条纹信号，测量探头对精码编码环能够采集精码信号，即总处理器依据精码信号能够计算相位差；内圈为绝对位置编码环，又称参考编码环，用来确定绝对位置。参考编码环是按照一定规律排布在码盘一周的，精码编码环则是均匀排布的。参考编码环的一般排布规律如下：步骤一，将码盘按照均分精码刻线数m插入参考点，其个数为n，每两个参考点之间的精码刻线数为m/n，m和n均为正整数；步骤二，再在步骤一得到的参考点的每两个参考点之间插入n个参考点(此时参考点共计2n个)，最终得到2n个参考点。参考编码环包括2n个参考点。所有参考点插入的方法按照下式：测量探头对参考编码环能够进行粗码计数，即依据粗码计数寻找绝对位置，
Ni表示第i个参考点和第i+1个参考点之间的精码线条数，i＝1,2,3,4,…,2n-1，N2n表示第2n个参考点和第1个参考点之间的精码线条数，上式中N1～N2n从零点逆时针依次排布，得到的码盘图案，其示意图如2所示，N2n的一侧是N2n-1另一侧是N1，选定某两条相邻精码刻线数之间的空隙为上述零点。
但是任何一种参考点设置规律，均存在以下问题：在码盘一周中相邻两个参考点之间的精码线条个数最多设为N2n-1，相邻参考点之间的精码线条个数最少设为N2n；则三者的大小关系为：N2n-1＞N1＞N2n。如果N2n-1＜N1+N2n，则需同方向连续经过三个参考点方可确定绝对位置；如果N2n-1≥N1+N2n，则需同方向连续经过四个参考点方可确定绝对位置。依次类推，N2n-1越大，相邻参考点之间精码线数越少，则为了确定绝对位置需要经过的参考点越多。为了提高准绝对式的寻零效率，本发明对应的码盘图案设计时，参考点设置规律设计为需要经过四个参考点可确定其绝对位置。经过四个参考点确定绝对位置的方法流程图如图3所示，当N1～N2n任区域参考点编码环被污染时，或任意几个区域参考点编码环被污染，只要剩余连续三个区域(即4个参考点)未被污染，都可以得到绝对位置。在完成绝对位置识别后，除精码编码环被污染的情况外，不再进行参考编码环识别。本发明可消除参考编码环被污染造成的输出角度错误。
三组探头安装完成后，它们之间的相位差是固定的，三组测量探头测量得到的精码相位差如图4所示，第1测量探头的相位为A，第2测量探头的相位为B，第3测量探头的相位为C，相位差如下式所示：
|A-B|为第1测量探头和第2测量探头的相位差，|B-C|为第2测量探头和第3测量探头的相位差，|A-C|为第1测量探头和第3测量探头的相位差，第1测量探头和第2测量探头的相位差理论设定值为Δθ1，第2测量探头和第3测量探头的相位差理论设定值为Δθ2，第1测量探头和第3测量探头的相位差理论设定值为Δθ3，Δθ1、Δθ2和Δθ3均为常量，如果任意一组探头经过的码盘被污染，则相位差中两个值与其对应的理论设定值不相等，例如：第1测量探头经过被污染的码盘区，则相位差公式变为：
Δθ1、Δθ2和Δθ3这三个相位差理论设定值可由三角函数公式计算得到，如下所示：
式中sinA和cosA为第1测量探头测量得到的正余弦信号，sinB和cosB为第2测量探头测量得到的正余弦信号，sinC和cosC为第3测量探头测量得到的正余弦信号。
每个测量探头均采用四个参考点确定绝对位置，如图3，经过四个参考点确定绝对位置的方法具体为：
步骤0.1、测量探头的粗码计数(粗码计数即记录参考点)清零；
步骤0.2、测量探头开始粗码计数，判断是否遇到参考点，当遇到参考点时(第一次遇到参考点)，粗码计数清零，重新进行粗编码计数，当遇到参考点时(第二次遇到参考点)，粗码计数器的计数为x1，粗码计数器清零，以x1为地址，根据参考编码环的参考点规律得到粗编码计数器遇到下一参考点时的计数理论值x2(或者为：以x1为地址，根据参考编码环的参考点设置规律得到粗编码计数器此时清零后再遇到下一参考点时的计数理论值x2，然后粗码计数器清零)，重新进行粗编码计数，当遇到参考点时(第三次遇到参考点)，粗码计数器的计数为x3，测量探头判断x2＝x3是否成立，若成立则进行步骤0.3，若不成立则返回步骤0.1，即重新执行步骤0.1和步骤0.2；
步骤0.3、测量探头以x3为地址，根据参考编码环的参考点设置规律得到测量探头的粗编码计数遇到下一参考点时的计数理论值x4，测量探头的粗码计数清零，重新进行粗编码计数，当遇到参考点时(第四次遇到参考点)，测量探头的粗码计数的计数为x5，判断x4＝x5是否成立，若不成立则返回步骤0.1，即重新执行步骤0.1和步骤0.2，若成立则进行步骤0.4；
步骤0.4、测量探头根据步骤0.2和步骤0.3遇到的参考点确定绝对位置。
本发明一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法的流程图如图5所示，
Step1：第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头通过参考编码环寻找绝对位置，按照图3的流程寻找每个测量探头的绝对位置，三个测量探头均找到绝对位置后进行Step2。
Step2：三组测量探头分别采集精码信号，即正余弦信号，计算三组测量探头精码信号的相位差。
Step3：计算得到的相位差与按照公式(6)计算得到相位差理论设定值进行比较，根据比较结果在根据公式(2)确定γ1、γ2和γ3的值。可分为三种情况；第一种情况，三组测量探头之间的相位差均与相位差理论设定值相等，则三组测量探头均未经过被污染的码盘区，数据均有效，进行Step4；第二种情况，三组测量探头之间的相位差有两个与理论不等，一个与理论相等，则三组测量探头中有一组测量探头经过被污染的码盘区，另外两组测量探头正常工作未经过被污染区，正常工作的测量探头的数据均有效，进行Step4；第三种情况，三组测量探头之间的相位差与理论值均不相等，则三组/两组测量探头均经过被污染的码盘区，三组测量探头数据均不可用，同时也说明码盘被污染的码盘区过大过多，则码盘无法使用，回到Step1重新开始或停止角度测量。
Step4：根据Step3得出的γn的值，采用公式(1)进行计算得到角度测量结果Angle，经过Step3判断后将未经过被污染的码盘区的测量探头测量角度按照公式(1)进行计算，角度测量完成。
本发明一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法通过三个测量探头同时测量码盘信息，总处理器再利用至少两个未经过被污染的码盘区的测量探头的测量角度得出融合后的角度值，采用三个测量探头的方式替代传统依靠编码器密封技术，在准绝对光电编码器工作时无需对其码盘密封进行加固，大幅度的降低对使用环境的要求，提高了环境适应力；通过对两个或三个测量探头的测量角度数据融合，还可以提高准绝对式光电编码器的测量精度，增强准绝对式光电编码器可靠性。本发明的光电编码器在机构并不复杂的前提下，无需密封结构，制作工艺简单，角度测量精度高。
具体，本发明通过三个测量探头同时测量码盘信息，再利用三个测量探头的相位关系判断经过码盘污染区的探头，并将经过码盘污染区的探头数据舍弃，同时利用多组参考点确定每个探头的绝对位置，避免因参考点编码环污染造成的绝对位置识别错误。本发明从纯电信号处理的角度，采用三个测量探头和多组参考点的方式替代传统依靠编码器密封技术，在准绝对光电编码器工作时无需对其码盘密封进行加固，也不用担心密封泄露，结构上只需安装三个测量探头，这样的设计可以大幅度的降低对使用环境的要求，提高了环境适应力。
Claims (8)
1.一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1测量探头、第2测量探头、第3测量探头进行角度测量得到测量角度，并将测量到的测量角度发送至总处理器；所述第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头这三个测量探头之间互相独立工作，每个测量探头都能完成角度测量得到测量角度；
总处理器根据至少两个未经过被污染的码盘区的测量探头的测量角度得出融合后的角度值。
2.如权利要求1所述的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，其特征在于，所述第1测量探头、第2测量探头、第3测量探头沿逆时针方向顺次设置，第1测量探头和第2测量探头沿逆时针方向相隔角α，第3测量探头和第1测量探头沿逆时针方向相隔角β；所述总处理器根据测量角度得到融合后的角度值的公式为：
γ1、γ2和γ3中至多有一个等于0
其中，Angle1为第1测量探头进行角度测量得到测量角度，Angle2为第2测量探头进行角度测量得到测量角度，Angle3为第3测量探头进行角度测量得到测量角度，Angle为融合后的角度值。
3.如权利要求2所述的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，其特征在于，所述第1测量探头和第2测量探头相隔120°，第1测量探头和第3测量探头相隔120°。
4.如权利要求2所述的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，其特征在于，所述抗污渍测量方法的具体过程为：
Step1、第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头均通过参考编码环寻找绝对位置；
Step2、第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头这三个测量探头分别采集精码信号，并计算三个测量探头的精码信号两两之间对应的相位差；
Step3、计算Step2得到的相位差与相位差理论设定值进行比较，根据比较结果和公式(2)得到γ1、γ2和γ3的值；
Step4、根据Step3得出的γn的值，采用公式(1)计算融合后的角度值Angle，角度测量完成。
5.如权利要求4所述的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，其特征在于，所述Step3具体为：将Step2得到的每个相位差均与对应的相位差理论设定值进行比较，若比较结果为三个相位差均与对应的相位差理论设定值相等，则三组测量探头均未经过被污染的码盘区，即γ1、γ2和γ3均为1，进行Step4；若比较结果为三个相位差中有且仅有一个相位差与其相位差理论设定值相等，则该相位差对应的两个测量探头均未经过被污染的码盘区，而另一个测量探头经过被污染的码盘区，根据公式(2)得出γ1、γ2和γ3的值，进行Step4；若比较结果为三个相位差均与对应的相位差理论设定值不相等，则三组测量探头均经过被污染的码盘区，即γ1、γ2和γ3均为0，回到Step1重新开始或停止角度测量。
6.如权利要求1所述的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，其特征在于，所述Step1中每个测量探头确定绝对位置均需采用四个参考点。
7.如权利要求6所述的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法，其特征在于，所述每个测量探头采用四个参考点确定绝对位置的方法为：
步骤0.1、测量探头的粗码计数清零；
步骤0.2、测量探头对参考编码环开始粗码计数，判断是否遇到参考点，当遇到参考编码环的参考点时，粗码计数清零；重新进行粗码计数，当遇到参考点时测量探头的粗码计数的计数为x1，以x1为地址，根据参考编码环的参考点设置规律得到测量探头的粗码计数遇到下一参考点时的计数理论值x2，粗码计数清零；重新进行粗码计数，当遇到参考点时，测量探头的粗码计数为x3，判断x2＝x3是否成立，若成立则进行步骤0.3，若不成立则返回步骤0.1，重新执行步骤0.1和步骤0.2；
步骤0.3、以x3为地址，根据参考编码环的参考点设置规律得到测量探头的粗码计数遇到下一参考点时的计数理论值x4，粗码计数清零；重新进行粗码计数，当遇到参考点时，测量探头的粗码计数为x5，判断x4＝x5是否成立，若不成立则返回步骤0.1，即重新执行步骤0.1和步骤0.2，若成立则进行步骤0.4；
步骤0.4、测量探头根据步骤0.2和步骤0.3遇到的参考点确定绝对位置。
8.采用如权利要求1至7中任意一项所述的一种准绝对式光电编码器的抗污渍测量方法的准绝对式光电编码器，其特征根在于，所述光电编码器包括码盘、第1测量探头、第2测量探头、第3测量探头和总处理器，码盘包括用来确定绝对位置的参考编码环和用来获得莫尔条纹信号精码编码环，第1测量探头、第2测量探头和第3测量探头对应码盘设置、且均连接总处理器。
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