CN117949021A - 双传感光电角度编码器的实现方法、编码器及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双传感光电角度编码器的实现方法、双传感光电角度编码器及介质，双传感光电角度编码器配置两个读数头，两个读数头成180°放置，FPGA与两个读数头通过Biss‑C协议通讯，采集两个读数头的数据，判定两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据，由于采用两个读数头，将两个读数头数据合成后取平均输出，从而可以解决光栅安装偏心对精度的影响，提高编码器精度；此外，当其中一个被污染后，FPGA检测到该污染读数头产生的Biss‑C帧报警信号，编码器将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss‑C输出，从而实现了超强的抗污染能力，使得编码器被污染后，依然能够正常工作，解决编码器抗污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及编码器技术领域，尤其涉及一种双传感光电角度编码器的实现方法、双传感光电角度编码器及介质。
背景技术
光电编码器是一种利用光电转换效应，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，具有结构紧凑、稳定性强、精密度高等特点。编码器按准确度分为角度编码器和旋转编码器，其中，准确度等级大于±20″级的称为旋转编码器，准确度等级小于或等于±20″级的为角度编码器。
角度编码器广泛应用于数控转台、测量设备、天文望远镜、齿轮测量机等高准确度及高角度分辨率的场合。在高准确度，高分辨率要求的设备中，测角系统准确度是衡量设备性能的主要指标，按照误差源来说，影响测角系统准确度的主要误差源是光栅的刻划中心与被测设备旋转中心的偏心量。
如图1所示，光栅随着旋转轴转动时，由于装调误差，使得光栅刻划中心O1与被测设备旋转中心O存在径向偏心，偏心量记为e，光栅刻划直径D和测量准确度△φ存在如下关系：
Δφ=±412*e/D；
其中，Δφ为测量准确度(″角秒)，e为光栅刻划中心与被测设备旋转中心偏心量（μm），D为光栅刻划直径（mm），O为被测设备旋转中心点，O1为光栅刻划中心点，φ为“理论”角度，φ’为被测的角度。
设光栅装调时，安装偏心e=3μm，光栅刻划直径D=80mm，此时Δφ=±15.45″。然而一般此光栅刻划直径范围的光栅，被测设备对其准确度要求一般≤±5″，偏心量过大，无法满足设备使用要求，故光栅的安装精度对设备测角的准确度起决定性作用。
此外，光电编码器为高精密光学产品，在装配、测试及客户应用中很容易被污染，污染之后编码器工作即异常。
综上，现有方案仅有一个读数头，即不能解决安装偏心对编码器精度的影响。此外，当编码器被污染时，数据异常，导致通讯错误，编码器不能正常使用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双传感光电角度编码器的实现方法、双传感光电角度编码器及介质，解决光栅安装偏心对精度的影响以及编码器抗污染问题。
为实现上述目的，本发明提出一种双传感光电角度编码器的实现方法，所述编码器包括：FPGA、光栅及两个读数头，所述光栅的刻划中心与被测设备旋转中心相对，两个读数头成180°放置，所述FPGA与两个读数头通过Biss-C协议通讯，所述方法包括以下步骤：
在污染点之外，所述编码器进入双头对镜的工作模式，通过所述FPGA采集两个读数头的数据，得到两路数据；
判定所述两路数据的位置关系，基于所述两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据。
可选地，所述方法还包括：
当其中一个读数头经过污染点成为污染读数头时，通过所述FPGA检测到该污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式；
将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，得到新的编码器数据；
启动对所述污染读数头的自复位功能。
可选地，所述方法还包括：
当所述污染读数头越过污染点后，自复位功能生效；
通过所述FPGA检测到所述污染读数头的数据恢复正常，将所述编码器的工作模式切换回双头对镜的工作模式。
可选地，所述方法还包括：
将所述编码器数据发送给用户端。
本发明还提出一种双传感光电角度编码器，所述编码器包括：FPGA、光栅及两个读数头，所述光栅的刻划中心与被测设备旋转中心相对，两个读数头成180°放置，所述FPGA与两个读数头通过Biss-C协议通讯，其中：
所述FPGA，用于在污染点之外，所述编码器进入双头对镜的工作模式，采集两个读数头的数据，得到两路数据；判定所述两路数据的位置关系，基于所述两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据。
可选地，所述FPGA，还用于当其中一个读数头经过污染点成为污染读数头时，检测该污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式；将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，得到新的编码器数据；启动对所述污染读数头的自复位功能。
可选地，所述FPGA，还用于当所述污染读数头越过污染点后，自复位功能生效时，检测到所述污染读数头的数据恢复正常，将所述编码器的工作模式切换回双头对镜的工作模式。
可选地，光栅对准线为双夹线设计，和/或，对准线及夹线宽度均为3微米。
本发明还提出一种双传感光电角度编码器，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的双传感光电角度编码器的实现方法。
本发明还提出一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的双传感光电角度编码器的实现的方法。
本发明提出一种双传感光电角度编码器的实现方法、双传感光电角度编码器及介质，双传感光电角度编码器配置两个读数头，两个读数头成180°放置， FPGA与两个读数头通过Biss-C协议通讯，通过FPGA采集两个读数头的数据，得到两路数据；判定两路数据的位置关系，基于所述两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据，由于采用两个读数头，将两个读数头数据合成后取平均输出，从而可以解决光栅安装偏心对精度的影响，提高编码器定位精度及重复精度，提高编码器测角系统准确度；此外，当两个读数头其中一个被污染后，通过FPGA检测到该污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式，将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，从而实现了超强的抗污染能力，使得编码器被污染后，依然能够正常工作，解决编码器抗污染问题。
附图说明
图1为现有的角度编码器光栅装调示意图；
图2为本发明双传感光电角度编码器的结构示意图；
图3为本发明双传感光电角度编码器抗污染及对镜设计框图；
图4为本发明双传感光电角度编码器采用双读数头对镜设计的精度与原精度对比示意图；
图5为本发明双传感光电角度编码器光栅对准设计示意图；
图6为本发明基于BISS-C协议输出传感器数据中数据区与数据通道示意图；
图7为本发明基于BISS-C协议的数据写过程示意图；
图8为本发明基于BISS-C协议的数据读过程示意图；
图9为本发明双传感光电角度编码器的实现方法的一种流程示意图；
图10为本发明双传感光电角度编码器的实现方法的另一种流程示意图。
具体实施方式
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。
术语解释：
FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
BiSS(Bidirectional Synchronous Serial)-C协议，由德国IC-HAUS开发，是一种全双工同步串行总线型协议，专门为满足实时、高速、双向的传感器通信设计。其典型应用是在运动控制领域实现伺服驱动器与编码器通信。现已成为传感器通信协议的国际化标准。
现有方案的编码器仅有一个读数头，不能解决安装偏心对编码器精度的影响。此外，当编码器被污染时，数据异常，导致通讯错误，编码器不能正常使用。
本发明提出一种双传感光电角度编码器，由于采用两个读数头，将两个读数头数据合成后取平均输出，从而可以解决光栅安装偏心对精度的影响，提高编码器定位精度及重复精度，提高编码器测角系统准确度；此外，当两个读数头其中一个被污染后，通过FPGA检测到该污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式，将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，从而实现了超强的抗污染能力，使得编码器被污染后，依然能够正常工作，解决编码器抗污染问题。
具体地，参照图2和图3，本发明提出一种双传感光电角度编码器，所述编码器包括：FPGA、光栅及两个读数头，所述光栅的刻划中心与被测设备旋转中心相对，两个读数头成180°放置，所述FPGA与两个读数头通过Biss-C协议通讯，其中：
所述FPGA，用于在污染点之外，所述编码器进入双头对镜的工作模式，采集两个读数头的数据，得到两路数据；判定所述两路数据的位置关系，基于所述两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据。
本发明对镜设计框图如图3所示。也就是说，在污染点之外，本方案采用双读数头对镜读数，送至FPGA，由FPGA合成一路Biss-C信号，由于采用两个读数头，将两个读数头数据合成后取平均输出，从而可以解决光栅安装偏心对精度的影响，提高编码器定位精度及重复精度，提高编码器测角系统准确度。
其中，双头合成方法具体为：FPGA通过Biss-C数据通讯，同步采集双头数据，判定两路数据位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，然后输出，从而可以消除编码器光栅安装偏心，提高编码器精度。
参照图4，图4为本发明双传感光电角度编码器采用双读数头对镜设计的精度与原精度对比示意图。如图4所示，原始精度为A，采用本发明对镜设计方案后的精度为A//2，由此可知，编码器精度得到大大提高。
进一步地，本发明采用抗污染的对镜设计框图如图3所示。
当其中一个读数头经过污染点时，所述FPGA检测到该污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式；将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，得到新的编码器数据；启动对所述污染读数头的自复位功能。
由此，当两个读数头其中一个被污染后，通过FPGA检测到该污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式，将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，从而实现了超强的抗污染能力，使得编码器被污染后，依然能够正常工作，解决编码器抗污染问题。
进一步地，所述FPGA还用于当所述污染读数头越过污染点后，自复位功能生效时，检测到所述污染读数头的数据恢复正常，将所述编码器的工作模式切换回双头对镜的工作模式。
也就是说，当其中一个读数头经过污染点时，该读数头会产生Biss-C帧报警信号，FPGA检测到该报警信号后，将原2合1数据改为另一头单头Biss-C输出，同时启动对该污染读数头的自复位功能（基于BissC寄存器通讯功能），此时用户端收到的编码器数据为未被污染的读数头数据，数据依然安全可靠，不影响客户端正常使用。当读数头越过污染点后，自复位功能生效，该读数头数据恢复正常，无报警，FPGA工作模式切换回双头对镜的工作模式。从而实现了超强的抗污染能力，编码器被污染后，依然能够正常工作。
进一步地，本发明双传感光电角度编码器的光栅对准线为双夹线设计，光栅对准设计如图5所示，传统光栅对准线为单线设计，光栅刻划精度低，对准精度低。本方案光栅对准线为双夹线设计，提高了光栅刻划精度和对准精度。
优先地，对准线及夹线宽度均可以为3微米。在其他实施例中，对准线及夹线宽度还可以根据实际情况调整。
本发明方案中涉及的BISS-C协议及自复位功能的原理阐述如下：
BISS-C协议用于等时（isochronous）、快速、安全地输出传感器数据，实时写入执行器数据，写入同时允许访问从机寄存器。其中：
如图6所示，图6为本发明基于BISS-C协议输出传感器数据中数据区与数据通道示意图。
在BISS-C协议用于点对点配置时，BiSS协议规定系统只有一个主节点，主节点可以带多个传感器（传感器应视为从节点）。MO信号线无效，SL信号线直接由从节点连接到主节点 。在这种应用下，BiSS协议硬件接口兼容SSI接口协议，只需要2根单向信号线。
在BISS-C协议用于总线配置时，所有设备采用菊花链连接，每个从节点有BiSS-IN、BiSS-OUT两个连接器。MA信号线提供主时钟脉冲用于同步所有的从节点，SLI、SLO信号线采用菊花链的方式连接主节点和所有从节点（MO→SLIN, SLON→SLIN-1, SLO1→SL），每个从节点的SLI输入信号连接到前一个节点的SLO输出信号。
BiSS-C接口不限制从节点数量。从节点可以是执行器或传感器，从机通过不同的逻辑通道同步传输数据。从节点存储自身的配置信息和认证（诸如制造商、设备ID），必要时也包括特征ID和电子数据表（EDS）。
如图6所示，BiSS-C协议传输数据中，涉及的数据通道用来实现安全传输数据，是表达参数和数据内容的一个逻辑单位。每一个数据通道既可以是SD通道（从节点到主节点 ）也可以是AD通道（主节点到从节点）。数据通道包含SCD数据。一个数据通道占用BiSS帧的数据区中规定长度的空间，保存在主节点内存中（包含数据和校验位）。对于每个数据通道，在电子数据规格表中都有相应的参数设置和数据内容描述。控制器通过这些参数在主节点中配置数据通道。
其中，CTS = “1”，表示寄存器访问。寄存器帧开始于寻址序列。主节点发送从节点ID（3 bits），紧随着寄存器地址（7 bits）和一个 4 bits的 CRC。由于使用二进制编码，8个从动器有 128 个寄存器（=128 字节） 能够被寻址。从节点 ID 的分配和寻址次序是同时进行的。接下来的两个 CDM 位，即 R 和 W 位，决定了是一个读访问(RW=”10”)还是一个写 访问（RW=”01”）。这两位需要翻转来应答，并返回给主节点表示确定的从节点被访问。CRC 不校验这两位。
如图7所示，数据的写过程如下：
写过程中，RW = “01”，接下是起始位，8位数据，4位CRC，1位停止位。8位数据被CRC校验，并且回传写入的数据。
如图8所示，数据的读过程如下：
读过程中，RW = “10”，接下是起始位，12位0，1位停止位。CDS回传8位数据，4位CRC。
此外，还涉及连续访问过程，为实现在一次访问时读写连续的寄存器，主节点在停止位后接着发送起始位CDM = “1”，接着发读写位、数据和CRC。对于读过程只发13个”0”。从节点内部每次读写自动加1寻址，最多连续访问64个寄存器。连续访问寄存器地址不能超过63（0x3F），或127（0x7F），不再发起始位表示连续访问结束。
本发明通过上述方案，在双传感光电角度编码器配置两个读数头，两个读数头成180°放置， FPGA与两个读数头通过Biss-C协议通讯，通过FPGA采集两个读数头的数据，得到两路数据；判定两路数据的位置关系，基于所述两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据，由于采用两个读数头，将两个读数头数据合成后取平均输出，从而可以解决光栅安装偏心对精度的影响，提高编码器定位精度及重复精度，提高编码器测角系统准确度；此外，当两个读数头其中一个被污染后，通过FPGA检测到该污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式，将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，从而实现了超强的抗污染能力，使得编码器被污染后，依然能够正常工作，解决编码器抗污染问题。
参照图9，本发明提出一种双传感光电角度编码器的实现方法，所述编码器包括：FPGA、光栅及两个读数头，所述光栅的刻划中心与被测设备旋转中心相对，两个读数头成180°放置，所述FPGA与两个读数头通过Biss-C协议通讯，其中，编码器结构和原理，可以参照上述实施例。
所述方法包括以下步骤：
步骤S1，在污染点之外，所述编码器进入双头对镜的工作模式，通过所述FPGA采集两个读数头的数据，得到两路数据；
步骤S2，判定所述两路数据的位置关系，基于所述两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据。
本发明对镜设计框图如图3所示。也就是说，在污染点之外，本方案采用双读数头对镜读数，送至FPGA，由FPGA合成一路Biss-C信号，由于采用两个读数头，将两个读数头数据合成后取平均输出，从而可以解决光栅安装偏心对精度的影响，提高编码器定位精度及重复精度，提高编码器测角系统准确度。如图4所示，原始精度为A，采用本发明对镜设计方案后的精度为A//2，由此可知，编码器精度得到大大提高。
进一步地，如图10所示，所述方法还包括：
步骤S3，当其中一个读数头经过污染点时，通过所述FPGA检测到该污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式；
步骤S4，将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，得到新的编码器数据，启动对所述污染读数头的自复位功能。
步骤S5，当所述污染读数头越过污染点后，自复位功能生效，通过所述FPGA检测到所述污染读数头的数据恢复正常，将所述编码器的工作模式切换回双头对镜的工作模式。
也就是说，当其中一个读数头经过污染点时，该读数头会产生Biss-C帧报警信号，FPGA检测到该报警信号后，将原2合1数据改为另一头单头Biss-C输出，同时启动对该污染读数头的自复位功能（基于BissC寄存器通讯功能），此时用户端收到的编码器数据为未被污染的读数头数据，数据依然安全可靠，不影响客户端正常使用。当读数头越过污染点后，自复位功能生效，该读数头数据恢复正常，无报警，FPGA工作模式切换回双头对镜的工作模式。从而实现了超强的抗污染能力，编码器被污染后，依然能够正常工作。
可选地，所述方法还包括：将所述编码器数据发送给用户端。
本发明还提出一种双传感光电角度编码器，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的双传感光电角度编码器的实现方法。
本发明还提出一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的双传感光电角度编码器的实现的方法。
本发明提出一种双传感光电角度编码器的实现方法、双传感光电角度编码器及介质，双传感光电角度编码器配置两个读数头，两个读数头成180°放置， FPGA与两个读数头通过Biss-C协议通讯，通过FPGA采集两个读数头的数据，得到两路数据；判定两路数据的位置关系，基于所述两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据，由于采用两个读数头，将两个读数头数据合成后取平均输出，从而可以解决光栅安装偏心对精度的影响，提高编码器定位精度及重复精度，提高编码器测角系统准确度；此外，当两个读数头其中一个被污染后，通过FPGA检测到该污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式，将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，从而实现了超强的抗污染能力，使得编码器被污染后，依然能够正常工作，解决编码器抗污染问题。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，方案利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种双传感光电角度编码器的实现方法，其特征在于，所述编码器包括：FPGA、光栅及两个读数头，所述光栅的刻划中心与被测设备旋转中心相对，两个读数头成180°放置，所述FPGA与两个读数头通过Biss-C协议通讯，所述方法包括以下步骤：
在污染点之外，所述编码器进入双头对镜的工作模式，通过所述FPGA采集两个读数头的数据，得到两路数据；
判定所述两路数据的位置关系，基于所述两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据。
2.根据权利要求1所述的双传感光电角度编码器的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：
当其中一个读数头经过污染点成为污染读数头时，通过所述FPGA检测到所述污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式；
将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，得到新的编码器数据；
启动对所述污染读数头的自复位功能。
3.根据权利要求2所述的双传感光电角度编码器的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述污染读数头越过污染点后，自复位功能生效；
通过所述FPGA检测到所述污染读数头的数据恢复正常，将所述编码器的工作模式切换回双头对镜的工作模式。
4.根据权利要求2所述的双传感光电角度编码器的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述编码器数据发送给用户端。
5.一种双传感光电角度编码器，其特征在于，所述编码器包括：FPGA、光栅及两个读数头，所述光栅的刻划中心与被测设备旋转中心相对，两个读数头成180°放置，所述FPGA与两个读数头通过Biss-C协议通讯，其中：
所述FPGA，用于在污染点之外，所述编码器进入双头对镜的工作模式，采集两个读数头的数据，得到两路数据；判定所述两路数据的位置关系，基于所述两路数据的位置关系，将两路数据相加合成后取平均值，得到编码器数据。
6.根据权利要求5所述的双传感光电角度编码器，其特征在于，
所述FPGA，还用于当其中一个读数头经过污染点成为污染读数头时，检测所述污染读数头产生的Biss-C帧报警信号，控制所述编码器进入单头对镜的工作模式；将原来的两路合并平均的数据改为另一个未污染读数头以Biss-C输出，得到新的编码器数据；启动对所述污染读数头的自复位功能。
7.根据权利要求6所述的双传感光电角度编码器，其特征在于，
所述FPGA，还用于当所述污染读数头越过污染点后，自复位功能生效时，检测到所述污染读数头的数据恢复正常，将所述编码器的工作模式切换回双头对镜的工作模式。
8.根据权利要求7所述的双传感光电角度编码器，其特征在于，光栅对准线为双夹线设计，和/或，对准线及夹线宽度均为3微米 。
9.一种双传感光电角度编码器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的双传感光电角度编码器的实现方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的双传感光电角度编码器的实现的方法。
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