CN114018300A - 一种基于正交三角函数双激励的编码器及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于正交三角函数双激励的编码器，其定子包括从外到内依次设置的副尺区、主尺区、内环DA区和内环DB区，转子包括从外到内依次设置的副尺区、主尺区、内环ZA区和内环ZB区，定子副尺区成环形均匀分割成若干第一发射片，每四个第一发射片为一组，每两组第一发射片用于一个周期的信号，定子主尺区成环形均匀分割成若干第二发射片，每两个第二发射片为一组，每两组第二发射片用于一个周期的信号，转子副尺区成环形分割成若干第一感应片，一个第一感应片覆盖连续的两个第一发射片，转子的主尺区成环形分割成若干第二感应片，一个第二感应片覆盖连续的两个第二发射片，第二感应片的旋转弧长为定子的第二发射片旋转弧长的两倍。
Description
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，尤其涉及一种基于正交三角函数双激励的编码器及其运行方法。
背景技术
在工业机械自动化领域和数控加工领域，对一些机械结构做位移反馈和高精度加工及测量时，往往需要编码器做精密位置和角度反馈器件。
目前，市场上主要采用光栅、磁栅以及容栅等量尺或刻度做栅式编码器，利用其运动过程中某种物理量有规律的周期性变化而形成沿着空间均匀分布的栅线，对每经过一个栅距发出的一个位移脉冲信号进行累加，得到位移。光栅是目前应用最为广泛的栅式编码器，精度高、技术成熟，在高档数控机床、坐标测量机、齿轮测量中心等数字化高精密机械测量仪器和装备中广泛采用，可见光栅传感器技术是保证机械系统性能的基础和关键部件。但是，光栅式编码器对于工作环境要求高，尤其是对粉尘环境、油污环境等敏感，抗震能力差，性价比低，易受国外供货渠道影响等等，使得其应用范围较窄，难以大规模装备。几十年来，国内投入了大量的人力物力，迄今仍然不具备制造高端光栅编码器的能力，装备只能依赖进口。
近年来，由于国内科研水平技术的提高，诞生出由高精度时间计时换取在空间物理变化量的一种编码器思路，利用当前高指数时间计量等级的优势（即时间的计量准确度高于物理量的准确度），得到高精度角度位移变化量，从而设计出高精度编码器。由于此种编码器使用时间作为“刻度”，省去了在光栅盘片上面的实体刻度，避免了使用脆弱的光栅片，从而在高精度、抗震性、经济性、能在恶劣环境下工作等方面都具备优势，最主要的是解决了供应链和知识产权的问题，让国内编码器行业看到了希望。
然而，目前的时栅位移编码器基本都是采用单激励，即单路单一频率正弦波激励，通过
相移方式实现的，单路激励只能实现单一的计算参考相位，内外参考信号只能通过以
的周期信号作为计算参数的分割，在转子高速和低速旋转时，计算误差较大。在信号源受到干扰的时候，干扰信号会直接叠加在源信号上，当干扰源频率与源频率相近时，比较难处理，抗干扰能力较低。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种精度较高、抗干扰能力较强的基于正交三角函数双激励的编码器及其运行方法。
本发明实施例提供一种基于正交三角函数双激励的编码器，包括定子和转子，定子和转子同轴并且平行设置，定子包括从外到内依次设置的副尺区、主尺区、内环DA区和内环DB区，转子包括从外到内依次设置的副尺区、主尺区、内环ZA区和内环ZB区，定子副尺区成环形均匀分割成若干第一发射片，每四个第一发射片为一组，每两组第一发射片用于一个周期的信号，定子主尺区成环形均匀分割成若干第二发射片，每两个第二发射片为一组，每两组第二发射片用于一个周期的信号，转子副尺区成环形分割成若干第一感应片，一个第一感应片覆盖连续的两个第一发射片，转子的主尺区成环形分割成若干第二感应片，一个第二感应片覆盖连续的两个第二发射片，第二感应片的旋转弧长为定子的第二发射片旋转弧长的两倍。
进一步的，两组第一发射片的组与组之间径向对称设置，每组的两个第二发射片径向对称设置。
进一步的，每组第一发射片的内侧端共同形成一段封闭的向转子轴心方向凸出的弧形，第二发射片的内侧端形成一段封闭的向转子轴心方向凸出的弧形。
进一步的，第一感应片外侧端向逆时针方向倾斜，内端向顺时针方向倾斜。
进一步的，第一感应片是以双曲线分割而成的封闭对称图形，并且第一感应片封闭面积小，往自身中心点封闭面积逐渐增加。
进一步的，转子的第一感应片的两端边缘弧度与转子内环弧度吻合。
进一步的，定子内环DA区和内环DB区的环形面积相等，转子内环ZA区和内环ZB区的环形面积相等。
本发明实施例还提供了一种基于正交三角函数双激励的编码器的运行方法，包括以下步骤：
步骤1，数字信号源产生两路激励信号，包括正弦波信号和余弦波信号；
步骤2，两路激励信号通过数字移相，得到相位相差
的两组信号；
步骤3，合成两组信号；
步骤4，数模转换得到相位相差 
的两组合成信号；
步骤5，放大合成信号；
步骤6，定子、转子感应信号，转子主尺区感应信号通过内环ZA区、ZB区反馈给定子的内环DA区、DB区；
步骤7，合成定子的内环DA区、DB区感应到的信号；
步骤8，信号放大；
步骤9，数字鉴相；以及
步骤10，数字处理，计算所述定子主尺区、副尺区和转子主尺区、副尺区当前的所在的角度区域，根据主尺区和副尺区的读数，计算当前的角度。
进一步的，成信号也分别施加于定子副尺区的八个第一发射片；所述合成信号分别施加于定子主尺区四个第二发射片。
本发明的实施例运用正交三角函数双激励的方式，即以一路正弦波和一路余弦波合成方式，通过
，
相移得到合成信号。由于是由两路激励合成的，所以可以同时检测源信号
，
以及合成信号Y和
的同步相位差，通过比较它们之间的相位差，计算出绝对角度值。使用
相移，内部参考信号可以依据
或者
作为参考周期，即（外
，内
），（外
，内
）这种组合方式，在高速和低速旋转时，可以有效地减少计算误差。即使源信号相位和频率都受到干扰，那么在合成信号上也只是表现为低频干扰，或者直流干扰，因为合成信号的中心频率两倍于源信号的中心频率，这样很容易通过带通滤波器，就可以消除干扰信号，得到一个相对比较干净的信号，进行相位比较，从而降低系统误差。
附图说明
图1为本发明实施例的定子结构示意图；
图2为本发明实施例的转子结构示意图；
图3为本发明实施例的编码器工作原理图；
图4为本发明实施例的编码器软件工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，其为本发明一实施例的一种正交三角函数双激励的编码器，包括同轴且平行设置定子10和转子20。
定子10由外而内依次设置副尺区12、主尺区14、内环DA区16、内环DB区18。副尺区12处于外环，以定子10的圆心为中心，成环形均匀分割成若干第一发射片120，每4个第一发射片120为一组，每两组第一发射片120作为一个
相移周期，每组第一发射片120的内侧端形成向内凸出的封闭扇形，每两组第一发射片120组与组之间径向对称。当转子20旋转时，作为发射区域的定子副尺区12对作为感应区的转子20的副尺区22的临界点零点校验，进行边界补偿。主尺区14位于副尺区12内侧，以定子10的圆心为中心，成环形均匀分布，分割成若干第二发射片140，每2个第二发射片140为一组，两组第二发射片140作为一个
相移周期，每组第二发射片140朝向圆心方向共同形成弧形凸出，两组第二发射片140组与组之间径向对称。当转子20旋转时，作为发射区域的定子主尺区14对作为感应区的转子20的主尺区24的临界点零点校验，进行边界补偿。内环DA区16和内环DB区18为信号接收环，内环DA区16和内环DB区18的环形面积相等，以保证运行时能够均匀地感应接收转子20的电场信号。
转子20由外而内依次设置副尺区22、主尺区24、内环ZA区26、内环ZB区28。副尺区22处于以转子20的圆心为中心的外环，包括成环形分布的若干第一感应片220，每一第一感应片220是以双曲线分割而成的封闭对称图形，其两端封闭面积小，往自身中心点封闭面积逐渐增加，形成两头小中间大的近似椭圆的形状。第一感应片220的两端边缘弧长相等，弧度与转子20内环弧度吻合，并且一个第一感应片220在尺寸上周向跨度覆盖两个第一发射片120。本实施例中，第一感应片220倾斜一定角度，即远端向逆时针方向倾斜，近端向顺时针方向倾斜。如此图形设计可以确保转子20在旋转时，能够比较均匀地感应来自于定子10的电场信号，并将在覆盖定子10的副尺区12的时候，感应误差补偿信号，方便计算。转子20的主尺区24处于副尺区22内侧，与定子10的主尺区14轴向对应。主尺区240以转子20圆心为中心，成环形均匀分布,分割成若干第二感应片240。每两个第二感应片240为一组，作为一个
相移周期。一个第二感应片240在尺寸上周向跨度覆盖两个第二发射片140，并且第二感应片240旋转弧长为定子10的第二发射片140的两倍。内环ZA区26和内环ZB区28的环形面积相等，以保证运行时能够均匀地感应接收转子20的电场信号并向定子10的内环DA区16、内环DB区18传递电场信号。
现对本发明实施例的工作原理作详细说明：
首先，系统产生双激励信号源：
其中A0、A1为信号振幅，f为频率，t为时间。
合成信号源：
其中 A = A0*A1
合成信号源通过
，
相移，
计算方式和
一致，故只讨论
。
因此
相移得到以下信号：
同理
，
，
，
。
假设转子某个时间t的速度为V，那么转子所转过的角度可以表示为：
其中
，R为转子半径，
为转子的角速度。
那么作用感应在转子上的电场应表示为：
所以，作用在感应片的电场信号分别表示为：
最后通过时空转换得到一个角度空间与时间关系的公式：
F = 
+ 
+ 
+ 
式（14）
根据感应片的排列顺序总共有4种组合，最终化简为：
其中E是信号的振幅，k为常量系数，
为转子经过时间t后转动的角度，fc为合成信号频率。
令
，并且转子初始角度为
，那么可以得到：
如果转子从零刻度开始转动，
，那么可以得到：
当转子静止时，初始角度为
，得到：
这样不管转子是静止还是运动，系统都可以获取到一个基于转子和定子相对角度的相位变化的正弦波。
通过计算
，就可以得到当前转子和定子的相对角度变化值，并根据系统信号
零点，计算出转子和定子的绝对角度值。
结合图3，上述工作原理的实现步骤：
第一步，数字信号源产生两路激励信号，正弦和余弦信号，函数表示为式（1，2）。
第二步，两路激励信号通过数字移相，得到相位相差
的两组信号。
第三步，通过数字合成两路信号乘积，函数表示为式（3）。
第四步，通过数模转化输出并且放大，得到4组相位相差
的合成信号，函数表示为式（4，5，6，7）。
第五步，合成信号（
）分别施加于定子主尺区N1个第二发射片区域，并以（
）次序顺时针循环，如图1。其中，N1为4的倍数。
第六步，转子主尺区(Zm0, Zm1)依次循环，转子主尺区的每一个第二感应片覆盖定子主尺区的两个第二发射片，即Zm0 = (Y(0) ,Y(
)), Zm1 = (Y(
), Y(
))，依次循环。
第七步，转子主尺区(Zm0,Zm1)感应信号通过内环ZA区、ZB区反馈给定子内环DA区、DB区，如图2。
第八步，定子内环DA区、DB区感应信号，通过信号合成，信号放大，滤波，进行数字鉴相，计算主尺区当前的所在的角度区域。
以下进一步说明副尺区的实现步骤：
第九步，合成信号分别施加于定子副尺区的N2个独立的第一发射片（Y(0), Y(
),Y(
), Y(
)）（Y(
), Y(
), Y(
), Y(
)），依次循环，如图2。定子副尺区每组包括2*N2个第一发射片，每个第一发射片对应的角度为x = 180°/N2。其中N2是4的倍数。
第十步，当转子20转动时，根据电场的相对运动，转子第一感应片（Z0,Z1,Z2,Z3）上的感应信号由式（10，11，12，13）体现。
第十一步，转子第一感应片（Z0,Z1,Z2,Z3）依次循环，一个转子第一感应片覆盖定子的两个第一发射片，即Z0 = (Y(0) ,Y(
)), Z1 = (Y(
), Y(
))，依次类推。
第十二步，转子第一感应片(Z0,Z1,Z2,Z3)感应信号通过内环ZA区，ZB区反馈给定子内环DA区，DB区，如图2。
第十三步，定子内环DA区，DB区感应信号，通过信号合成，信号放大，滤波，数字鉴相，并计算副尺当前的所在的角度区域。
第十四步，根据主尺区和副尺区的读数，计算当前的角度。
第十五步，重复第九到第十四步，计算角度变量。
如图4所示，说明软件工作内容、流程如下：
一、校验和初始化（S200）
主要包括以下几点：
1）零点初始化检验，零点偏置补偿；
2）感应区域临界点零点校验，边界补偿；
3）温湿度零点校验补偿，环境误差补偿；
4）温湿度相位补偿；
5）零点相位校验；
6）刻度盘相对位置校验。
二、信号处理（S202）
主要包括：
1）信号滤波，对输入信号进行滤波，剔除不符合要求的信号分量；
2）相位比较，输入信号与内部高精度相位比较器，进行比较，获取外部信号与内部信号源的相位差；
3）错误处理，以上过程出错处理。
三、角度初始化读数
1）主尺读数校验（S204）
主尺刻盘相位读取，根据主尺刻度盘当前相位值，由式（18）计算出主尺目前所在刻度区域；
2）副尺读数校验（S206）
副尺刻盘相位读取，由式（18）计算出副尺目前所在刻度。
四、根据主尺所在刻度区域读数，加上副尺读数，进行刻度计算，得到当前的角度值，并以当前的角度值作为编码器初始角度值
（S208）。
五、重同步检测（S210）
根据当前的初始角度值，进行重同步计算，完成由式（18）到式（16）的转换，以方便后续循环检测。
六、循环检测（S212～S214）
副尺读数及计算角度；
根据式（16），处理器不断的读取副尺当前的相位，与系统当前相位进行对比计算，更新当前的角度值，根据当前的角度值进行循环累加。
本发明的实施例运用正交三角函数双激励的方式，即以一路正弦波和一路余弦波合成方式，通过
相移得到合成信号。由于是由两路激励合成的，所以可以同时检测源信号
以及合成信号Y和
的同步相位差，通过比较它们之间的相位差，计算出绝对角度值。使用
相移，内部参考信号可以依据
或者
，即（外
，内
），（外
，内
）这种组合方式，在高速和低速旋转时，可以有效地减少计算误差。即使源信号相位和频率都受到干扰，那么在合成信号上也只是表现为低频干扰，或者直流干扰，因为合成信号的中心频率两倍于源信号的中心频率，这样很容易通过带通滤波器，就可以消除干扰信号，得到一个相对比较干净的信号，进行相位比较，从而降低系统误差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于正交三角函数双激励的编码器，包括定子和转子，所述定子和转子同轴并且平行设置，其特征在于：所述定子包括从外到内依次设置的副尺区、主尺区、内环DA区和内环DB区，所述转子包括从外到内依次设置的副尺区、主尺区、内环ZA区和内环ZB区，所述定子副尺区成环形均匀分割成若干第一发射片，每四个第一发射片为一组，每两组第一发射片用于一个周期的信号，所述定子主尺区成环形均匀分割成若干第二发射片，每两个第二发射片为一组，每两组第二发射片用于一个周期的信号，所述转子副尺区成环形分割成若干第一感应片，一个所述第一感应片覆盖连续的两个所述第一发射片，所述转子的主尺区成环形分割成若干第二感应片，一个所述第二感应片覆盖连续的两个所述第二发射片，所述第二感应片的旋转弧长为所述定子的第二发射片旋转弧长的两倍。
2.如权利要求1所述的基于正交三角函数双激励的编码器，其特征在于：所述两组第一发射片的组与组之间径向对称设置，所述每组的两个第二发射片径向对称设置。
3.如权利要求2所述的基于正交三角函数双激励的编码器，其特征在于：所述每组第一发射片的内侧端共同形成一段封闭的向转子轴心方向凸出的弧形，所述第二发射片的内侧端形成一段封闭的向转子轴心方向凸出的弧形。
4.如权利要求1所述的基于正交三角函数双激励的编码器，其特征在于：所述第一感应片外侧端向逆时针方向倾斜，内端向顺时针方向倾斜。
5.如权利要求4所述的基于正交三角函数双激励的编码器，其特征在于：所述第一感应片是以双曲线分割而成的封闭对称图形，并且所述第一感应片两端封闭面积小，往自身中心点封闭面积逐渐增加。
6.如权利要求5所述的基于正交三角函数双激励的编码器，其特征在于：所述转子的第一感应片的两端边缘弧长相等。
7.如权利要求1所述的基于正交三角函数双激励的编码器，其特征在于：所述定子内环DA区和内环DB区的环形面积相等，所述转子内环ZA区和内环ZB区的环形面积相等。
8.一种如权利要求1至7其中任一项所述的基于正交三角函数双激励的编码器的运行方法，包括以下步骤：
步骤1，数字信号源产生两路激励信号，包括正弦波信号和余弦波信号；
步骤2，两路激励信号通过数字移相，得到相位相差
的两组信号；
步骤3，合成两组信号；
步骤4，数模转换得到相位相差
的两组合成信号；
步骤5，放大合成信号；
步骤6，定子、转子感应信号，所述转子主尺区感应信号通过内环ZA区、ZB区反馈给所述定子的内环DA区、DB区；
步骤7，合成所述定子的内环DA区、DB区感应到的信号；
步骤8，信号放大；
步骤9，数字鉴相；以及
步骤10，数字处理，计算所述定子主尺区、副尺区和所述转子主尺区、副尺区当前的所在的角度区域，根据主尺区和副尺区的读数，计算当前的角度。
9.如权利要求8所述的基于正交三角函数双激励的编码器的运行方法，其特征在于：所述合成信号也分别施加于定子副尺区的八个第一发射片；所述合成信号分别施加于定子主尺区四个第二发射片。
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