CN115597636A - 无级编码器 - Google Patents

Abstract

无级编码器带有无级渐变码条，其优点在于：码条上任意位置与基于码条的无级渐变特征建立的模拟量的值唯一对应，分度数不受加工条件制约，可以测量单圈内任何点的绝对值位置，可以在单圈内以任何点作为起点或终点来计量位移；码条的形状和结构简单，没有大量重复的刻线，易保证精度，加工成本低；位置绝对值含有大小信息，变化量是运动距离的函数，可以忽略中间的采集和处理过程，使用电路、程序在起点值、终点值以及各种相关量之间进行运算，使用方便灵活，不必全程运算而减少了运算量；通过调整组件的性能参数或相互的距离、角度就可以改变分辨率，避免更换码具的麻烦；没有细微的刻线，对环境的洁净程度没有苛刻的要求。

Description

无级编码器

技术领域

本发明关于一种编码器。

背景技术

编码器是将信号或数据编制或转换成方便通讯、传输和储存的形式的设备，主要应用在自动化控制、机器人等工业应用领域，用来获得滑块、电机等运动设备的位置、速度或位移信息，为驱动器提供控制依据。工业编码器分为绝对式、增量式和混合式，从信号类型上划分主要有光电式、磁电式、电刷式等类型，按运动方式划分，有直线类和回转类，从信号传递方向来分，有径向布局和轴向布局，它们在工作原理上的共同之处，是采用有形的物理加工方法对码盘、码尺或码筒等码具进行固定式的细分，使其带有刻度而能够用来测量，光电式编码器作为主流类型，其主要缺点对其它类型具有普遍的代表性——在周向有刻线来与位置建立一一对应的联系，为了直接转换成二进制码，需要在径向二进制需要的位数进行细分，还要设置与位数配套的光眼、光纤，分辨率越高，等分数和位数就越多，码盘结构越复杂，每一条刻线都有较高的质量要求，光纤布线也变得更不方便，提高了制作难度和成本；光学码盘的透光条纹和遮光条纹都需要有一定的尺寸，限制了分辨率的提高，虽然随着精密加工技术的进步，加上各种电子倍频技术的应用，可以达到很高的分辨率，但在可接受的尺寸下也差不多到了极限；码盘上有大量细微的刻线，容易受到粉尘、油污遮挡而出错；分辨率由码盘决定，要改变分辨率必须更换码具；增量式编码器采用脉冲数来计量位移，容易受到干扰出现丢失脉冲的现象；绝对值编码器的位置编码不包含直接测量得来的模拟量大小信息，需要查表把格雷码转换成自然二维码，再经进一步处理来转换成实际角度值，使用不方便，也限制了发挥更大作用的可能。

发明内容

本发明的目的主要是提供一种带有无级渐变码条的编码器，弥补物理细分编码器的一些不足之处——其一，基于码条无级渐变特征建立的模拟量的值与码条位置唯一对应，分度数不受物理加工条件制约，可以测量单圈内任何一点的绝对值位置，也可以在单圈内以任何位置作为起点或终点来计量相对位移；其二，码条的形状和结构比较简单，没有大量重复的刻线，易于保证精度，加工成本低；其三，位置绝对值含有大小信息，变化量是运动距离的函数，不同的位置之间也有函数关联，在应用中可以采用传统的脉冲计数方法来进行测量，也可以忽略中间位置的采集和处理过程，直接使用电路或程序在最小值、最大值、量程、起点值、终点值、运行速度和距离等相互关联的量之间进行各种运算，使用更为方便灵活，不必全程运算而减少了运算量；其四，通过控制装置、电路或程序来调整信号源、码条或采集单元组件的性能参数或相互之间的距离、角度，就可以改变分辨率，避免了更换码具的麻烦；其五，没有大量细微的刻线，对环境的洁净程度没有苛刻的要求。

本发明的码具与信号源为不同的组件或码具本身也是信号源，码具上边带有形状、位置或姿态参数无级渐变的码条，经其建立的模拟量无级渐变且在一定范围内与位置唯一对应。

本发明的码具是码盘、码环、码筒、码尺或它们的组合；信号源为光源、电源或磁源；码条是用透光材料、遮光材料、电阻材料或磁性材料制作的实体，或者是实体之间的空间，其外形尺寸、与信号源的距离或轮廓线斜率在运动方向无级渐变，基于此特征建立无级渐变的光、电或磁模拟量；码条单向渐变或双向交替渐变，单周期或多周期渐变；有模数转换器把模拟量的值转换成数字编码，或者，有脉冲发生电路产生基于时钟或模拟量生成的脉冲信号。

本发明的信号源为光源，码条为宽度在运动方向无级渐变的空间或透光材料，采集单元带有导光器，把其输入端在码条不同位置接收到的等强度不等面积的光汇聚成等面积不等照度的光束，从输出端照射处理单元的光敏元件而转换成电流或电压模拟量。

本发明的信号源为电源，码条为电阻条，采集单元有电极与码条滑动接触，码条的长度、横截面积或电极与码条的接触面积在运动方向无级渐变，使码条在电路中的电阻值无级渐变，由此产生电模拟量。

本发明的信号源为磁体，码条为宽度在运动方向无级渐变的导磁体，或者码条为宽度在运动方向无级渐变的磁体，本身就是信号源，采集单元带有与码条无接触运动的磁电阻，两者在不同的位置有不同的作用面积或距离，磁通发生变化而使磁电阻阻值变化产生电模拟量。

本发明的模拟量的变化量是运动距离的函数，不同的位置之间也有函数关联，模拟量数值由测量直接获得或有运算电路来运算而获得，系统输出模拟量转化成的数字编码或经运算电路运算获得的数字编码。

本发明的环形或筒形的码条单向渐变，为了消除大端和小端过渡段模拟量变化规律突变带来的影响，码条大端和小端彼此不相连、连接处被屏蔽或连接处信息不被采用，并在不同相位上设置两个以上的采集单元，或者，通过控制设计参数和采样时机来使环形码条上不存在跨越大端和小端的采样点。

本发明本发明通过比较同一采集单元先后在两个采样点获得的模拟量的大小来判断方向，或者，通过对比大端和小端连接处信号缺失情况在不同的采集单元中出现的先后来判断方向。

本发明的采集单元可以在单圈内任何位置采集绝对值数据，或者，可以在单圈内以任何位置作为起点或终点来计量相对位移，或者，包含一圈标记和计数器，结合一圈内的测量和整圈计数来获得大于360度的相对位移量或绝对位置，或者，整体为多圈结构，可在大于360度的范围内获得的位置绝对值编码。

本发明采用控制装置、电路或程序来改变组件的性能参数或相互之间的距离、角度，从而调整分辨率。

附图说明

图1是光电式无级编码器；

图2是电阻无级编码器；

图3是磁电式无级编码器；

图4是码条在过渡段信号变化方式突变的情况；

图5是忽略过渡段信息的实施例；

图6是采样点避过渡段的实施例。

具体实施方式

本发明的码具与信号源为不同的组件或码具本身也是信号源，码具上边带有形状、位置或姿态参数无级渐变的码条，经其建立的模拟量无级渐变且在一定范围内与位置唯一对应。码具是与信号源配合使位置与信号形成对应关系的组件，形式为码盘、码环、码筒、码尺或它们的组合，码条是码具上特征与信号直接对应的组成部分，其外形尺寸、与信号源的距离或轮廓线斜率等参数在运动方向无级渐变，是用透光材料、遮光材料、电阻材料或磁性材料制作的实体，或者是实体之间的空间，磁性材料的码条本身也是信号源。图1是光电式无级编码器，其带有分体式码盘，由同轴的圆环6和凸轮8组成，两者可以相对运动或有透光材料连接为一体。凸轮8与中轴固定连接，其外轮廓为半径无级渐变的曲线，与圆环6的内圆周面构成径向宽度无级渐变的环形码条3，是圆环6和凸轮8之间的空间，是一种虚拟组件，或者是透光材料制作的实体组件。固定的光源1带有细长的发射口，光透过码条3向采集单元2发射，凸轮8转动时，到达采集单元2的光的径向长度、面积、光通量随着码条3的宽度无级渐变。采集单元2带有集束光纤或一体化导光材料，把输入端在码条3处于不同位置时接收到的等强度不等面积的光汇聚成等面积不等照度的光束，从输出端经凸透镜4放大后照射到处理单元7的光电池5上，转换成电流或电压模拟量，由模数转换器转换成数字编码，或者，采集单元2启动后连续或间歇采集，先后得到一系列与位置对应的电压，从处理单元7的比较电路输入端的一路输入，每遇到一个与预设条件匹配的模拟数值时，比较电路产生一个脉冲信号，以脉冲数来计量位移。码条3的宽度与位置在整圈范围唯一对应，或在一圈内更小的无级渐变周期内唯一对应，在多圈结构中还可以在超过360度的范围唯一对应，由原始信号层层转化得到的电流或电压模拟量也和位置唯一对应。码条3的参数与其建立的模拟量宏观上是无级渐变的，但由于材料在微观层面上是有级的，此外，后端的光敏材料、处理设备、显示设备等组件存在一定的灵敏度，采样点也有必要数量的要求，得到的信号实际上是有级渐变的，因为可达到的分辨率较高或没有固定的细分点而可以认为是无级的，为避免理解上的歧义而特此说明，本文中多次提到的“无级”指的均为宏观上的相对概念。

码具是码盘、码环、码筒、码尺或它们的组合；信号源为光源、电源或磁源；码条是用透光材料、遮光材料、电阻材料或磁性材料制作的实体，或者是实体之间的空间，其外形尺寸、与信号源的距离或轮廓线斜率在运动方向无级渐变，在运动中能引起不限于光通量、照度、磁通量、磁通密度、电阻、电流或电压等光、电或磁在内的物理量无级渐变，由此获得模拟量信号；码条单向渐变或双向交替渐变，在全长范围单周期或多周期渐变；有模数转换器把模拟量的值转换成数字编码，或者，有脉冲发生电路产生基于时钟或模拟量生成的脉冲信号。图1，宽度无级渐变的码条3在运动中引起光通量的变化，在光电池上形成电模拟量，处理单元7有模数转换器把采集单元2传来的模拟量值转换成数字编码传输给控制器，还可以通过脉冲发生电路产生脉冲信号来计量位移，在恒速运动条件下脉冲频率由时钟电路来控制，在变速条件下为了使距离均匀化，采用比较电路来控制脉冲的生成时机——处理单元7的比较电路的输入端有两路电压输入端口，输出端有一路脉冲信号输出端口；采集单元2启动后连续，为了减少运算量也可以按转速、细分数等参数相互关联而形成的节奏来进行间歇采集，先后得到一系列与位置对应的电压，从比较电路输入端的一路输入，另一路输入电压作为基准电压；每遇到一个与预设条件匹配的模拟数值时，比较电路产生一个脉冲信号，每发出一个脉冲，基准电压在辅助电路的控制下增加一个固定的值来形成新的基准电压。绝对值和相对值的结合能可以使功能和使用方法得到进一步拓展。

信号源为光源，码条为宽度在运动方向无级渐变的空间或透光材料，采集单元带有导光器，把其输入端在码条不同位置接收到的等强度不等面积的光汇聚成等面积不等照度的光束，从输出端照射处理单元的光敏元件而转换成电流或电压模拟量。图1是光电式无级编码器，信号源为光源1，码条3是圆环6和凸轮8之间的空间或者是透光材料，宽度在周向无级渐变，采集单元2带有集束光纤或一体化的导光块，把输入端在码条3处于不同位置时接收到的等强度不等面积的光汇聚成等面积不等照度的光束，从输出端经凸透镜4放大后照射到处理单元7的光电池5上，转换成电流或电压模拟量。

信号源为电源，码条为电阻条，采集单元有电极与码条滑动接触，码条的长度、横截面积或电极与码条的接触面积在运动方向无级渐变，使码条在电路中的电阻值无级渐变，由此产生电模拟量。图2，信号源为电源，码条22是不完全封闭的环形电阻条，其一端连接电源正极，电极21绕中轴转动，一端连接电源负极而另一端保持与码条22连接，电极21转动时，码条22接入电路部分的电阻值因码条22的长度、横截面积或电极21与码条22的接触面积在运动方向无级渐变，由此在电路中产生电流或电压模拟量。

信号源为磁体，码条为宽度在运动方向无级渐变的导磁体，或者码条为宽度在运动方向无级渐变的磁体，本身也是信号源，如图3，码条32是筒形的径向充磁的永磁体，展开后是宽度无级渐变的长条状，磁电阻31与码条32在周向无接触相对运动形成磁路，两者在不同的位置有不同的作用面积或距离，使磁路的磁通在运动中发生变化，进而使磁电阻阻值变化产生电流或电压模拟量。

模拟量的变化量是运动距离的函数，不同的位置之间也有函数关联，模拟量数值由测量直接获得或有运算电路来运算而获得，系统输出模拟量转化成的数字编码或经运算电路运算获得的数字编码。模拟量的变化量与运动距离的函数可选择类型包括但不限于线性函数、指数函数、幂函数、多项式函数、正弦函数或余弦函数等。如图1，凸轮8的外轮廓为阿基米德螺线，轨迹在周向和径向匀速渐变，与圆环6的内圆周面构成环形码条3，其径向宽度是周向运动距离的函数，因而，透过码条3到达采集单元2输入口的光的径向长度、面积、光通量乃至光束照射在光电池5上形成的电模拟量也是周向运动距离的函数。电模拟量不仅仅起到对位置的区别作用，因还包含了大小的信息，可以采用人工、电路或程序在模拟量最小值、最大值、量程、起点值、终点值、运行速度、运行时间和相对距离等相互关联的量之间进行各种运算，使用更为方便灵活，不必全程运算而减少了运算量。

环形或筒形的码条单向渐变，为了消除大端和小端过渡段模拟量变化规律突变带来的影响，码条大端和小端彼此不相连、连接处被屏蔽或连接处信息不被采用，并在不同相位上设置两个以上的采集单元，或者，通过控制设计参数和采样时机来使环形码条上不存在跨越大端和小端的采样点。图4，一圈之内只有一个渐变周期的筒形光电码条11展开后是宽度无级线性渐变的长条状，虚线表示的采样框有一定的周向宽度，因此在大端和小端过渡段附近，模拟量的变化规律朝相反方向变异为非线性渐变。在一圈的运动周期中，码条11的位置与模拟量的数值不是唯一对应的，为了消除其影响，如图5所示，在相差90度的两个相位上分别设置第一采集单元A和第二采集单元B，同时，在码条11的大端和小端的连接处，用遮光材料屏蔽大于一个采样框的宽度，或者该位置信息可以被采集到但在后期不被采用，或者彼此不相连，第一采集单元A和第二采集单元B同步工作。当两个采集单元有一方数据缺失时直接留下另一方，当不存在数据缺失时二选一，电压模拟量直接在比较电路中二选一，其它类型的数值先转化成零点对应的值的数字码再进行二选一，由此，使整个周期的数据完整并与位置唯一对应。此外，还可以如图6，在参数设计上严格控制码条11尺寸、采样框的宽度和最小步距S的精度，同时，以电控单元控制采样时机，根据转速、细分数等相关量的内在关联采用固定时间节奏或固定距离节奏来进行间歇采集，使相邻的两个采样点没有重合部分，相邻的采样点C和采样点D分别处在小端和大端的最末端，位置可以在一定的公差范围移动，但不会同时跨越小端和大端。这些处理方法同样也适合全长之内有多个渐变周期的情形。

在使用时，通过比较同一采集单元先后在两个采样点获得的模拟量的大小来判断方向，或者，通过对比大端和小端连接处信号缺失情况在不同的采集单元中出现的先后来判断方向。如图5，由码条11建立的模拟量朝一个方向渐变，因此，通过比较同一采集单元先后在两个采样点获得的模拟量的大小可以判断方向，数值变大、变小分别代表正、反的方向，比较的方法可以是把模拟量数值直接在电路中运算后输出代表结果的数字信号，也可以是利用输出的数字信号进行后期处理获得比较结果。此外，由于码条11在零点附近的信息周期性缺失，通过对比缺失点在第一采集单元A和第二采集单元B中出现的先后情况也可以判断方向，一个相对于另一个超前、滞后分别代表正、反的方向。

由于码条基于均质材料形成，没有固定的物理细分点，因此采集单元可以在单圈内任何位置采集绝对值数据，同样，可以在单圈内以任何位置作为起点或终点来计量相对位移，在有限的长度范围内，分辨率可以随着应变材料的灵敏度和放大装置的放大倍数的提高而无限提高。为了扩大量程，有的实施例包含有一圈标记和计数器，例如图5，在大端和小端过渡段设置一圈标记，结合一圈内的测量和整圈计数来获得大于360度的相对位移量或绝对位置，或者，整体为多圈结构，带有多个通过齿轮传动装置连接起来的码条，可在大于360度的范围内获得的位置绝对值编码。

为了免去改变分辨率时必须更换码具的麻烦，采用控制装置、电路或程序来控制信号源、码条、采集单元或处理单元的组件，包括电源、电子模块、电磁模块、电子元件等用电零部件，通过改变功率、频率、电压、电流、放大倍数、磁通量等性能参数，以及它们相互间的作用距离或角度。

Claims (10)

1.无级编码器，带有码具、信号源、采集单元和处理单元，其特征在于：码具与信号源为不同的组件或码具本身也是信号源，码具上边带有形状、位置或姿态参数无级渐变的码条，经其建立的模拟量无级渐变且在一定范围内与位置唯一对应。

2.根据权利要求1所述的无级编码器，其特征在于：码具是码盘、码环、码筒、码尺或它们的组合；信号源为光源、电源或磁源；码条是用透光材料、遮光材料、电阻材料或磁性材料制作的实体，或者是实体之间的空间，其外形尺寸、与信号源的距离或轮廓线斜率在运动方向无级渐变，基于此特征建立无级渐变的光、电或磁模拟量；码条单向渐变或双向交替渐变，单周期或多周期渐变；有模数转换器把模拟量的值转换成数字编码，或者，有脉冲发生电路产生基于时钟或模拟量生成的脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的无级编码器，其特征在于：信号源为光源，码条为宽度在运动方向无级渐变的空间或透光材料，采集单元带有导光器，把其输入端在码条不同位置接收到的等强度不等面积的光汇聚成等面积不等照度的光束，从输出端照射处理单元的光敏元件而转换成电流或电压模拟量。

4.根据权利要求2所述的无级编码器，其特征在于：信号源为电源，码条为电阻条，采集单元有电极与码条滑动接触，码条的长度、横截面积或电极与码条的接触面积在运动方向无级渐变，使码条在电路中的电阻值无级渐变，由此产生电模拟量。

5.根据权利要求2所述的无级编码器，其特征在于：信号源为磁体，码条为宽度在运动方向无级渐变的导磁体，或者码条为宽度在运动方向无级渐变的磁体，本身就是信号源，采集单元带有与码条无接触运动的磁电阻，两者在不同的位置有不同的作用面积或距离，磁通发生变化而使磁电阻阻值变化产生电模拟量。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的无级编码器，其特征在于：模拟量的变化量是运动距离的函数，不同的位置之间也有函数关联，模拟量数值由测量直接获得或有运算电路来运算而获得，系统输出模拟量转化成的数字编码或经运算电路运算获得的数字编码。

7.根据权利要求6所述的无级编码器，其特征在于：环形或筒形的码条单向渐变，为了消除大端和小端过渡段模拟量变化规律突变带来的影响，码条大端和小端彼此不相连、连接处被屏蔽或连接处信息不被采用，并在不同相位上设置两个以上的采集单元，或者，通过控制设计参数和采样时机来使环形码条上不存在跨越大端和小端的采样点。

8.根据权利要求7所述的无级编码器，其特征在于：通过比较同一采集单元先后在两个采样点获得的模拟量的大小来判断方向，或者，通过对比大端和小端连接处信号缺失情况在不同的采集单元中出现的先后来判断方向。

9.根据权利要求6所述的无级编码器，其特征在于：采集单元可以在单圈内任何位置采集绝对值数据，或者，可以在单圈内以任何位置作为起点或终点来计量相对位移，或者，包含一圈标记和计数器，结合一圈内的测量和整圈计数来获得大于360度的相对位移量或绝对位置，或者，整体为多圈结构，可在大于360度的范围内获得的位置绝对值编码。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、7、8或9所述的无级编码器，其特征在于：采用控制装置、电路或程序来改变组件的性能参数或相互之间的距离、角度，从而调整分辨率。

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