CN1157589C - 圆光栅绝对编码计量法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆光栅绝对编码计量法，该方法选择检测元件圆光栅的原始信号，通过对该信号进行信号电平逐次分频或逐次检波叠减分频和逐次检波叠加倍频，获得一簇频率依次成倍增加或减少的输出信号，将这一簇输出信号依次作为一组二进制绝对周期码的各位代码，该组代码表示被测角度值。该方法降低了制作成本，克服了可靠性低的缺陷，可用于光电式测角系统。

Description

圆光栅绝对编码计量法

                              技术领域

本发明是一种圆光栅绝对编码计量法，属于一种采用圆光栅作检测元件的光电式角度计量的编码方法。

                              背景技术

现有的光电式角度计量中，通常采用圆光栅增量计数计量法和编码盘绝对周期编码计量法。圆光栅增量计数法是采用圆光栅作为角度检测元件，通过对圆光栅转动时输出的每一个原始信号进行累计计数，用累计数表示角度值。这种方法的优点是方法简单，所用的检测元件——圆光栅的制造成本低、工艺过程短、尺寸小。但这种方法的缺陷在于获得的结果数据可靠性差，因累计计数时，受到干扰容易产生多计或漏计数，并且多计或漏计数引起的错误一直保持到计量结束，所以结果数据存在误差。而且在检测计量过程中，一旦中途断电，则计量数据立即丢失。

编码盘绝对周期编码法是采用编码盘作为角度检测元件，利用编码盘上多圈码道进行绝对周期编码计量。这种绝对周期编码法是在编码盘上刻有多圈码道，由每一圈码道的输出信号作为一组二进制周期码的一位代码，一般说，编码盘上码道的圈数即为二进制周期码代码的位数。被计量的角度值由该组代码表示，一个角度值只有唯一的一组代码。而且断电后复电该组代码不变。这种编码方法可靠性高，但缺陷在于所采用的角度检测元件——编码盘的制造过程长，因编码盘上的一圈码道代表角度值的二进制周期码的一位，因此分辨率和精度要求越高，编码盘的码道数越多，制造编码盘的成本越高，工程过程越长，需要的光电转换元件、放大器及相应的电子器件数量越多，故其测角计量装置结构复杂，尺寸大。有时，受结构等因数限制，可能无法实现。

                              发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，而提供一种方法简单、可靠、结构简化、尺寸小，检测元件制造成本低的圆光栅绝对编码计量法。

为了达到上述目的，本发明的圆光栅绝对编码计量法包括下述步骤：

选择圆光栅的原始输出信号；

通过对原始输出信号进行逐次分频，获得一簇频率依次成倍减少的输出信号，直至得到一个360°内只有一个周期的输出信号；

将原始输出信号作为一组二进制绝对周期码的最低位代码；

将原始输出信号分频后的最高频率输出信号作为该组二进制绝对周期码的次低位代码；

依次类推，将原始输出信号分频后的一簇频率依次成倍减少的输出信号依次作为该组二进制绝对周期码的各位代码；

将360°内只有一个周期的输出信号作为该组二进制绝对周期码的次高位代码；

将与360°内只有一个周期的输出信号相位差90°的另一个输出信号，即封闭码信号作为该组二进制绝对周期码的最高位代码；

用该组二进制绝对周期码表示被检测计量的角度值。

本发明的圆光栅绝对编码计量法也可以通过以下措施实现：圆光栅原始输出信号为方波信号时，通过对原始输出信号进行信号电平逐次分频；圆光栅原始输出信号为三角波信号时，通过对原始输出信号进行检波叠减分频。

本发明的圆光栅绝对编码计量法还可以通过以下措施实现：

选择圆光栅原始三角波输出信号；

通过对原始三角波输出信号进行检波叠加倍频，获得一簇频率依次成倍增加的输出信号；

将原始三角波输出信号倍频后的最高频率输出信号作为该组二进制绝对周期码的最低位代码；

将原始三角波输出信号倍频后的次高频率输出信号作为该组二进制绝对周期码的次低位代码；

依次类推，将原始三角波输出信号倍频后的一簇频率依次成倍增加的输出信号依次作为该组二进制绝对周期码的各位代码；

将原始三角波输出信号倍频后包含二个周期的输出信号作为该组二进制绝对周期码的次高位代码；

将原始三角波输出信号即只包含一个周期的输出信号作为该组二进制绝对周期码的最高位代码；

用该组二进制绝对周期码表示被检测计量的角度值。

本发明与现有技术相比，有如下优点：将圆光栅原来的累计计数计量法改变为绝对编码计量法，这样一个角度值只有唯一的一组代码，克服了圆光栅原有的累计计数计量法产生的多计、漏计引起的误差，提高了可靠性。并且该发明的绝对编码方法不需要使用复杂的编码盘，而只需要制工艺过程较短的圆光栅作检测元件，相应去掉了大量的光电转换器件、放大器和电子元器件，因此使测角系统的制造成本大大降低，结构更简化，尺寸缩小。由于本发明的绝对编码方法简单、可靠，所以可广泛用于圆光栅作检测元件的各种光电式测角系统，尤其适用于可靠性要求很高或只有一次测量就完成测试任务的重要场合。

                              附图说明

图1为本发明实施例1的圆光栅原始输出信号即两个正交(相位差90°)的方波信号L₀和L_90，，以及对该原始信号进行信号电平逐次分频后的两簇信号L₀，M₀，N₀，P₀以及L₉₀，M₉₀，N₉₀，P₉₀的原理图。

图2为实施例1的圆光栅的两个方波信号L₀和L₉₀，以及各次分频信号M₀，N₀，P₀，P₉₀，的电平图。

图3为实施例2的圆光栅原始三角波输出信号D₀C₁D₁C₂D₂C₃D₃C₄D₄C₅D₅C₆D₆C₇D₇C₈D₈，以及对其逐次检波叠减后各分频信号的原理图。

图4为实施例2的圆光栅原始三角波输出信号D₀C₁D₁C₂D₂C₃D₃C₄D₄C₅D₅C₆D₆C₇D₇C₈D₈，以及各分频信号的电平图。

图5为实施例3的圆光栅原始三角波输出信号的一个周期信号，以及对其逐次检波叠加倍频后的各次输出信号的原理图。

图6为实施例3的圆光栅原始输出信号，以及进行了三次检波叠加后的各次输出信号的电平图。

                                具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1中L₀和L₉₀为本发明实施例1的两个正交的圆光栅原始输出信号整形后的方波(共8个周期)。用触发器对信号L₉₀的前沿触发得到一次分频信号M₀，对信号L₉₀的后沿触发得到另一个一次分频信号M₉₀，信号M₉₀和信号M₀相位差90°。一次分频信号M₀和M₉₀的频率比原始信号L₀和L₉₀低一倍。用另一触发器对一次分频信号M₉₀的前、后沿分别触发，分别得到两个二次分频信号N₀和N_90，，信号N₀和N₉₀相位差90°。二次分频信号N₀和N₉₀的频率比原始信号L₀和L₉₀低二倍。再次分频可以得到相位差90°的三次信号P₀和P_90，，三次分频信号N₀和N₉₀的频率比原始信号L₀和L₉₀低三倍，如图1所示。依次类推，直至分频到360°内只有一个周期的信号。若圆光栅的线条数为8条(如图1中的8个周期)，即23，则分频3次，若圆光栅的线条数为2ⁿ，则分频n次，直至分频到360°内只有一个周期的信号。取各次信号L₀，M₀，N₀，P₀和P₉₀作为一组二进制周期码的各位代码，该组代码表示被测的角度值。

图2为实施例1的圆光栅的原始信号L₀(如图1所示)以及各次分频信号M₉₀，N₀，P₀，P₉₀(如图1所示)的电平图。将各次信号P_90.，P₀，N₀，M₀，L₀，作为二进制周期码的各位代码，这就是用绝对编码法表示的被测角度值的二进制绝对周期码。此电平图与5位编码盘码道展开图完全一致。对于不同的角度值，该组二进制周期码的代码是不同的：对于一个角度值，该组二进制周期码的代码是唯一的。如图2所示，对于在I区时的角度，其二进制周期码的代码为00001；对于在II区时，角度值的代码为00011；依次类推。

图3 所示的D₀C₁D₁C₂D₂C₃D₃C₄D₄C₅D₅C₆D₆C₇D₇C₈D₈(以下简写为D₀C₁……C₈D₈)为实施例2的圆光栅的原始三角波输出信号(共8个周期)，取此信号的高电平C₁C₂C₃C₄C₅C₆C₇C₈为一次检波线，将C₁D₁C₂，C₃D₃C₄，C₅D₅C₆，C₇D₇C₈叠减到高电平位置，形成一次分频信号D₀B₁D₂B₂D₄B₃D₆B₄D₈，此信号的频率比原始信号D₀C₁……C₈D₈低了一倍(即4个周期)。再取一次信号的高电平B₁B₂B₃B₄为二次检波线，将B₁D₂B₂，B₃D₆B₄部分叠减到高电平位置，形成二次分频信号D₀A₁D₄A₂D₈，此信号的频率比一次信号D₀B₁D₂B₂D₄B₃D₆B₄D₈低一倍，比原始信号D₀C₁……C₈D₈低二倍(即2个周期)。依次类推，可以获得一簇频率依次成倍减少的分频信号输出，直至得到360°内只有一个周期的输出信号。

图4是对实施例2的圆光栅原始三角波输出信号D₀C₁……C₈D₈(如图3所示)进行了三次检波叠减后各次分频输出信号的电平图。其中，圆光栅原始三角波输出信号D₀C₁……C₈D₈高电平图为H₁H₂，H₃H₄，H₅H₆，H₇H₈，H₉H₁₀，H₁₁H₁₂，H₁₃H₁₄，H₁₅H₁₆；对原始信号进行一次分频后的输出信号的高电平图为C₁C₂，C₃C₄，C₅C₆，C₇C₈；对原始信号进行二次分频后的输出信号的高电平图为B₁B₂，B₃B₄；对原始信号进行三次分频后的输出信号的高电平图为A₁A₂。一般说，从圆光栅上可以得到与原始信号相位差90°的另一个原始输出信号的高电平图H’₁H’₂，H’ ₃H’₄，H’₅H’₆，H’₇H’₈，H’₉H’₁₀，H’₁₁H’₁₂，H’₁₃H’₁₄，H’₁₅H’₁₆，对此信号同样进行逐次检波叠减可以得到一簇分频后的输出信号的高电平图(中间过程从略)，同样最后得到360°内只有一个周期的高电平图A’₁A’₂。电平A’₁A’₂与电平A₁A₂相位相差90°，将A’₁A’₂作为A₁A₂的封闭码。图4所示的电平图与8位编码盘的码盘展开图完全一致。若圆光栅的线数为2ⁿ，则进行n次检波叠减可以分频到360°内只有一个周期的信号。取圆光栅原始信号和分频后的输出信号作为一组二进制周期码的代码，该组二进制周期码的代码表示被测角度值。

图5所示，S₀SS₈为本发明实施例3的圆光栅原始三角波输出信号中的一个周期信号，取此信号幅值的中间值S₁S₂为一次检波线，将高电平S₁SS₂部分叠加到低电平位置，得到一次倍频信号S₀S₁S₄S₂S₈，此信号的频率比原始信号S₀SS₈高一倍，(即两个周期)。再取一次信号S₀S₁S₄S₂S₈幅值的中间值E₁E₂E₃E₄为二次检波线，将高电平E₁S₁E₂和E₃S₂E₄部分叠加到低电平位置，得到了二次倍频信号S₀E₁S₂E₂S₄E₃S₆E₄S₈，此信号的频率比原始信号S₀SS₈高二倍(即4个周期)，比一次信号S₀S₁S₄S₂S₈高一倍。依此类推，对原始信号进行逐次检波叠加倍频，获得一簇频率依次成倍增加的信号，如图5中S₀F₁S₁F₂S₂F₃S₃F₄S₄F₅S₅F₆S₆F₇S₇F₈S₈和S₀G₁K₁G₂S₁G₃K₂G₄S₂G₅K₃G₆S₃G₇K₄G₈S₄G₉K₅G₁₀S₅G₁₁K₆G₁₂S₆G₁₃K₇G₁₄S₇G₁₅K₈G₁₆S₈。同理，圆光栅原始三角波输出信号的其它周期同样可以进行逐次检波叠加倍频，获得整个圆光栅原始输出信号的倍频信号。

图6是对本发明实施例3的圆光栅的原始三角波输出信号S₀SS₈进行了三次检波叠加倍频后得到的各次信号的电平图。其中，对原始输出信号一次倍频后的输出信号的高电平图为E₂E₂，E₃E₄；对原始输出信号二次倍频后的输出信号高电平图为F₁F₂，F₃F₄，F₅F₆，F₇F₈；对原始输出信号三次倍频后的输出信号高电平图为G₁G₂，G₃G₄，G₅G₆，G₇G₈，G₉G₁₀，G₁₁G₁₂，G₁₃G₁₄，G₁₅G₁₆。这三个输出信号的频率依次成倍增加。这些电平图中的每一位依次作为二进制周期码中最低位，次低位……代码。

Claims (4)

1、一种圆光栅绝对编码计量法，其特征在于包括下列步骤：

选择圆光栅的原始输出信号；

通过对所述原始输出信号进行逐次分频，获得一簇频率依次成倍减少的输出信号，直至得到一个360°内只有一个周期的输出信号；

将所述原始输出信号作为一组二进制绝对周期码的最低位代码；

将所述原始输出信号分频后的最高频率输出信号作为该组二进制绝对周期码的次低位代码；

依次类推，将所述原始输出信号分频后的一簇频率依次成倍减少的输出信号依次作为该组二进制绝对周期码的各位代码；

将360°内只有一个周期的输出信号作为该组二进制绝对周期码的次高位代码；

将与360°内只有一个周期的输出信号相位差90°的另一个输出信号，即封闭码信号作为该组二进制绝对周期码的最高位代码；

用该组二进制绝对周期码表示被检测计量的角度值。

2、根据权利要求1所述的圆光栅绝对编码计量法，其特征在于：所述的圆光栅原始输出信号为方波信号时，通过对所述原始输出信号进行信号电平逐次分频。

3、根据权利要求1所述的圆光栅绝对编码计量法，其特征在于：所述的圆光栅原始输出信号为三角波信号时，通过对所述原始输出信号进行检波叠减分频。

4、一种圆光栅绝对编码计量法，其特征在于包括下列步骤：

选择圆光栅原始三角波输出信号；

通过对所述原始三角波输出信号进行检波叠加倍频，获得一簇频率依次成倍增加的输出信号；

将所述原始三角波输出信号倍频后的最高频率输出信号作为该组二进制绝对周期码的最低位代码；

将所述原始三角波输出信号倍频后的次高频率输出信号作为该组二进制绝对周期码的次低位代码；

依次类推，将所述原始三角波输出信号倍频后的一簇频率依次成倍增加的输出信号依次作为该组二进制绝对周期码的各位代码；

将所述原始三角波输出信号倍频后包含二个周期的输出信号作为该组二进制绝对周期码的次高位代码；

将所述原始三角波输出信号即只包含一个周期的输出信号作为该组二进制绝对周期码的最高位代码；

用该组二进制绝对周期码表示被检测计量的角度值。

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