CN1932451A - 退化伪随机旋转传感器 - Google Patents

Abstract

一种退化伪随机旋转传感器，码盘由一个时钟码道和一个伪码道组成，伪码道采用二进制退化伪随机序列在完整圆周上进行编码，即：(1)在一个完整圆周上，用m位二进制元码序列组成的闭合圆环来表示该完整圆周被分为m等份，m为正整数；(2)取连续n位二进制元码作为角度位置代码，n≥4；(3)m＜2ⁿ；(4)任意取连续n位二进制元码构成的角度位置代码是唯一的，这m个不同的角度位置代码与完整圆周上等分的m等份的角度位置存在一一对应关系。本发明利用了数学上拓扑图论的一些研究发现结果，对圆周进行退化伪随机编码，最大程度上节省和利用了空间和时域资源。这种方案的光电旋转传感器可同时提供位置、速度、方向的数字化转动参数的输出，结构上同增量式一样，做的非常小巧，又可像绝对式一样保持数据可靠性。

Description

退化伪随机旋转传感器

技术领域

本发明涉及一种数字测角的光电旋转传感器，又称光电轴角编码器。特别涉及一种应用退化伪随机编码技术对码盘圆周进行角度位置单值化处理，从而提供位置、方向、速度信号的光电旋转传感器。

背景技术

光电旋转传感器(又称光电轴角编码器)是一种集光、机、电为一体的数字测角装置。由于它结构简单，分辨率高，精度高，因此已被广泛应用在精密角位置的测量、数控及数显系统中，并成为一种理想的角度传感器。

典型的光电轴角编码器由轴系、光栅付、光源及光电接收元件组成。当主光栅随主轴一起旋转时，和指示光栅相重叠形成莫尔条纹，通过光电转换后输出与转角相对应的光电位移信号，经过电子处理，并与计算机和显示装置连接后，便可实现角位置的实时控制与测量。

光电轴角编码器以工作方式划分为增量式和绝对式两大类。增量式编码器的码盘只需两条码道，一条为圆光栅，刻线间距均一，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲；另一条为零位光栅，可输出圆周数和圆周记数起点标志信号，其特点是结构简单，码道数少，因此可小型化，数据结构可任意，但缺点是有累计误差，遇到断电故障时所有信息全部丢失。绝对式编码器一般使用二进制码盘，码盘上采用多码道进行编码，码道按一定规律排列，对应每一分辨率区间有唯一的二进制数，因此在不同的位置，可输出不同的数字代码，其特点是有固定零位，角度位置单值化，无累积误差，抗干扰能力强，但缺点是敏感元件多，码盘复杂，制造成本大。

近年来，随着计量光栅精度的提高和细分技术的发展，光电轴角编码器已成为人们普遍认可的精密测角装置。欧美各国也把光电轴角编码器作为一种自动控制的基础性器件进行研究和生产。据申请人了解，国外曾有人对编码器码盘的角度编码专门从事过研究，并给出了在一个码道上进行各种角度编码的方案，例如EP088624，EP094828，US4906992，US4631519，US3531798专利公开的方案。但最终由于这些方案存在许多不足，降低了其实用价值。归纳起来有以下几点：1、任何一种在单码道上进行角度编码的方案都没有伪随机方案更简洁，因为要增加不少外围电路加以配合，而且随着位数增多元器件成倍增加，因而失去推广价值。2、也有采用伪随机方案对码道进行角度编码，但为了避开编制高位伪随机码的困难，在整体方案上采用低位伪随机码与其它细分技术混用来提高角度分辨率。该方法除了因混用而产生电路复杂化外，由于码元总量只能为2ⁿ个，也限制了进一步推广(即圆周的分割数量只能是2的倍数，否则不行)。3、文献中也有采用退化思想来调整数据结构，但全都采用硬性截断，数据不可避免产生重码。为了克服重码而引起的误判，增加了不少外围判别电路对此进行辨认。随着位置和退化数据的不同，这种判别电路有可能相当复杂。随着位数增多，重码数量也增多，电路可靠性下降，最终成为一种不可取的方案。

发明内容

本发明的目的是通过对码盘圆周进行退化伪随机编码，提供一种能够同时得到位置、方向和速度信号的新型光电旋转传感器，以吸取增量式和绝对式光电轴角编码器的优点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种退化伪随机旋转传感器，包括码盘，其创新在于：码盘上设有两个码道，其中，一个是在完整圆周上用周期光栅表示的时钟码道，另一个是在完整圆周上用光栅表示的伪码道；所述伪码道采用二进制退化伪随机序列在完整圆周上进行编码，即：

(1)、在一个完整圆周上，用m位二进制元码序列组成的闭合圆环来表示该完整圆周被分为m等份，m为正整数；

(2)、在该闭合圆环上，取连续n位二进制元码作为角度位置代码，n≥4；

(3)、所述m和n符合下列不等式：

          m＜2ⁿ；

(4)、所述m位二进制元码序列组成的闭合圆环上，任意取连续n位二进制元码构成的角度位置代码是唯一的，这样一组不同的角度位置代码总数为m个，这m个不同的角度位置代码与完整圆周上等分的m等份的角度位置存在一一对应关系。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述m和n满足下列不等式更好：

         2^n-1＜m＜2ⁿ。

2、完整二进制伪随机序列的概念

伪随机码(pseudo-random code)又称伪噪声序列(pseudo-noise)，具有类似随机噪声的特点，其主要特征是：自相关系数原点最大，离开原点迅速下降。由于人为产生编制，因此具有隐性规律。这里我们把建立在二进制基础上，具有闭合循环特性的伪随机序列称之为完整伪随机码。完整伪随机码序列具有M＝2ⁿ个元码，是用“1”或“0”连接构成的数据串组成。这里n称之为代码位数。一个具有n位代码的完整伪随机序列，从它的闭合圆环上任何一个数位元码开始，连续n位相邻数字组成的代码是唯一的。因而完整伪随机码具有M个不同的代码。

3、退化二进制伪随机序列的概念

如果一个伪随机序列是m＜M＝2ⁿ的码元，称为不完整伪随机序列。从完整伪随机序列换变为不完整伪随机序列的过程称之为退化。如果在一个完整二进制伪随机序列基础上适当舍去序列中的若干子段，并且在这种舍去过程中仍能保持代码的单一性和整体序列的闭合性，经过这样处理而获得的新序列就称之为退化伪随机码。

由于是人为主动、有目的地控制退化，使保留下来的序列构成的代码满足实际工作的需要，所以在工程技术上具备实用价值。如9位完整伪随机序列存在512个代码，应用在圆周角度测量上，可以退化到360或400，就可以比较方便的与角度测量中的度、分、秒制或密位制建立联系，也可以退化到500等，同其它整数进位制联系。尽管原则上讲，完整伪随机序列可以退化到小于M的任意整数，但一般情况下，退化量控制在2^n-1个之内意义比较大，即退化后的代码数在2ⁿ～2^n-1之间。这里还需要补充说明一点，对于某一个具体完全伪随机序列，并不总能退化到所需要的数字为止，因此，寻求适合退化量的序列，成为编制退化伪随机码的又一关键所在。

4、结合附图举例说明完整二进制伪随机码及退化的概念

为了清楚说明完整二进制伪随机码及退化这类问题，取4位数据串举例说明。见图1是一个4位完整二进制伪随机码构成的哈密顿圆环，有M＝16个“1”或“0”组成的数据串，见图1所示。连续相邻4位的代码数也是16个，可以表示16个状态，见图2所示，而且每个代码是唯一的。现在想把这16个状态减少到13个状态，即退化量为3，用图1中的完整二进制伪随机序列(数据串)是办不到的。然而，将图1中的数据串进行变换处理，得到图3所示的另一个4位完整二进制伪随机码构成的哈密顿圆环，而这组4位完整二进制伪随机的16个状态(见图4所示的全部)是可以退化到13个状态的，图5所示4位退化二进制伪随机码构成的哈密顿圆环，就是从图3中退化而来，其退化量为3。去掉图4中用虚线表示的代码，剩余的实线部分就是图5的13个状态展示图。

5、关于二进制伪随机码退化处理方法

要彻底解决伪随机序列安排的问题，归结为数学图论(Graph Theory)中寻求哈密顿(Hamilton)圈。由于哈密顿问题是尚未攻克的世界级难题，所以寻求伪随机序列目前还存在理论上的困难。当代计算科学表明：利用计算机搜索和判别的计算量，是随位数n增大呈爆炸性地变得惊人的巨大，现知繁复浩大得天文数字量即使依靠计算机来搜寻，时间长得也使人无法接受。下面用一些数据加以说明：5位时的排列总数就要接近43亿个，到6位时总数量达到1.8千亿亿个，而8位、16位、32位时的总数量分别达到1.2×10⁷⁷个、2.0×10¹⁹⁷²⁸、1.8×10^5050445。随着位数n变大，存在完整伪随机序列的数量虽然也会增多，但与总编排数相比反而减少。一个4位完整序列的寻求几率为4096分之一，而5位时寻求几率就下降到1.67千万分之一，6位以上的寻求几率就变得更小。由此看出编制高位伪随机码及高位退化伪随机码的工作就显得非常艰难。尽管如此，我们还是对寻求退化伪随机码得方法进行了探索，通过这类图论哈密顿问题的深入研究，采用组合分析的方法，还是能编制出具备实用意义退化伪随机码。

目前我们在下面三个方面有了进展：

(1)、可寻求完整二进制伪随机序列。

(2)、在保持代码的单一性和整体序列的闭合循环性的情况下进行退化。其中，当寻找到一个符合哈密顿圈的完整二进制伪随机序列后，如果其不能按照要求的退化量进行退化时，它的相关完整二进制伪随机序列也一定不能按该退化量进行退化。所谓相关的完整二进制伪随机序列指反码序列、逆码序列和逆反码序列。

(3)、有目的地控制退化量，编制出预期要求的退化二进制伪随机序列。

关于具体编制方法与技巧，因涉及图论数学基础和伪随机码方面的众多知识，在这里不作进一步论述。

6、本发明原理是：通过数学图论(Graph Theory)研究，发现n位完整二进制伪随机序列(pseudorandom bmary sequence)存在M＝2ⁿ个不同代码。也就是一个完整二进制伪随机序列，从它的闭合圆环上任何一个数位元码开始，连续n位相邻数字组成的代码是唯一的。因而完整二进制伪随机序列码一定具有M个不同的代码(代码构成图论中的哈密顿圆环)。如果采用变换组合等分析方法，可以在这个基础上舍去序列中的若干子段进行有目的地退化处理，最终寻找出适合退化的某一个二进制伪随机序列，并仍能构成一个哈密顿(Hamilton)圆环(即退化后的伪随机序列仍能保持代码的单一性和整体的闭合循环性)，可以将这个结构应用于光电轴角编码器作为码盘上的伪码道进行编码，并用光栅方式表示出来构成伪码道。

本发明利用了数学上拓扑图论的一些研究结果，对圆周进行退化伪随机编码，从而提出了退化伪随机式光电旋转传感器的方案。由于这种变权的二进制编码，最大程度的节省和利用了空间和时域资源，因此这种方案应用于光电轴角编码器可同时提供位置、速度、方向的数字化转动参数的输出，结构上同增量式一样，做的非常小巧，又可像绝对式一样保持数据可靠性。

以下是增量式、绝对式和退伪式光电轴角编码器三者方案之间的比较见下表：

功能分析项目	增量式	绝对式	退伪式
				速度信号	有	无	有
位置信号	无	有	有
				方向信号	无	无	有
圆周数据安排	任意	受限制	任意
				角分辨	高	中等	中高
数据正确性	有误差可能	无误差	无误差
				短时数据偏差	有误差，并且误差能积累	大数误差，与编码方式有关，葛莱码可能有一位误差	有一位误差使用过程中，误差能自动消除
有断电故障时对信号影响	信号丢失	保留	信号丢失恢复时间极短(如果用并行读取信号，信号可保留)
				断电后，位置如有变动，对新位置是否有识别能力	不能	能	能
探测元件	少	多	少
				可靠性	低	高	高
体积	小巧	大	小巧

由此可见，退化伪随机方案几乎保留了前二类形式编码器各自的优点，又摒弃了它们各自的不足，是一种非常理想的方案。

附图说明

附图1是一个4位完整二进制伪随机序列组成的闭合圆环。

附图2是图1用连续4位表示的16个不同代码展示图，图中代码构成图论中的哈密顿圆环。

附图3是另一个4位完整二进制伪随机序列组成的闭合圆环。

附图4是图3用连续4位表示的16个不同代码展示图，图中代码构成另一个哈密顿圆环。

附图5是从图3退化的二进伪随机序列组成的闭合圆环。

附图6是本发明实施例一光机结构原理图。

附图7是本发明实施例一码盘平面图。

附图8是本发明实施例一电路原理图。

以上附图中：1、带光电探测器的印制板；2、码盘；3、指示光栅；4、聚光镜；5、光源；6、轴承；7、主轴；8、时钟码道；9、伪码道；10、光电探测器；11、整形电路；12、辩向电路；13、移位寄存器；14、译码器；15、输出接口电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种退化伪随机旋转传感器，由光机结构和电路两部分组成。

如图6所示，本实施例的光机结构由带光电探测器的印制板1、码盘2、指示光栅3、聚光镜4、光源5、轴承6、主轴7组成，其连接关系为：主轴7位于码盘2的旋转轴线上，并与码盘2固定连接，主轴7由轴承6旋转支承。光源5、聚光镜4、指示光栅3在码盘2正面相对码道构成投射光路。带光电探测器的印制板1位于码盘2反面，其光电探测器正对投射光路。当轴7带动码盘2转动时，在光源5和聚光镜4的作用下，码盘2和指示光栅3之间产生旋转变动光信号，通过光电探测器10接收转变为电信号。

如图7所示，码盘2设有两个码道，其中，一个是在完整圆周上用周期光栅表示的时钟码道8，另一个是在完整圆周上用光栅表示的伪码道9。时钟码道8位于外圈，其作用是产生方向信号和速度信号。伪码道9是一个带有伪码光栅图案的码道，其作用是产生位置信号，这里定义：“1”表示透光，“0”表示不透光。伪码道9采用六位二进制退化伪随机序列在完整圆周上进行编码，具体是从六位完整二进制伪随机码(六十四个状态)退化到具有六十个状态的退化伪随机码。即：

(1)、在一个完整圆周上，用m位二进制元码序列组成的闭合圆环来表示该完整圆周被分为m等份，m＝60；

(2)、在该闭合圆环上，取连续n位二进制元码作为角度位置代码，n＝6；

(3)、所述m和n符合下列不等式：

          60＜2⁶＝64；

(4)、所述m＝60位二进制元码序列组成的闭合圆环上，任意取连续n＝6位二进制元码构成的角度位置代码是唯一的，这样一组不同的角度位置代码总数为m＝60个，这m＝60个不同的角度位置代码与完整圆周上等分的m＝60等份的角度位置存在一一对应关系。

六位完整二进制伪随机码序列M＝2⁶＝64

0111 0101 1100 0110 1101 0011 111 1 0111 1001 1001 0110 0001 0101 000100 10  0000

退化量为4，m＝60

舍去上述六位完整二进制伪随机码序列中带下划线的4位元码，得到退化量为4的六位退化二进制伪随机码序列如下：

0111 0101 1100 0110 1101 0011 1110 1111 0011 0010 1100 0010 1010 00100000

按“1”表示透光，“0”表示不透光，得到图7中的伪码道9。

如图8所示，本实施例带光电探测器的印制板1上的电路由光电探测器10、整形电路11、辩向电路12、移位寄存器13、译码器14、输出接口电路15组成。光电输入信号分三路输入，如图8中的a、b、c处，a和b是由码盘2的时钟码道8(园光栅)和指示光栅3之间形成莫尔条纹转变成为时钟信号，a、b之间相位差90°。c由码盘2的伪码道9直接转变得出的伪码信号。a、b经整形电路11进入辩向电路12输出信号b′，“1”表示轴顺时针运转，“0”表示轴逆时针运转，从而得到方向信号。b′又作为移位寄存器13的移位方向信号。a经整形电路11输出信号a′其作为转速信号，从而得到速度信号，同时又作为移位寄存器13的时钟信号。经整形电路11后的c作为伪码信号输入移位寄存器13，并且并行输出伪码信号经译码器14译码输出位置信号c′。a′、b′、c′经过输出接口电路15的功率放大和电平匹配，就成为退伪式光电旋转传感器的转动数字参量。

实施例二：一种退化伪随机旋转传感器，由光机结构和电路两部分组成。

与实施例一的不同之处主要是伪码道的编码采用七位二进制退化伪随机序列。具体为：

七位完整二进制伪随机序列M＝2⁷＝128

0111 1 111  0111  1100  1111 0101 1110 0011 1011 0111 0100 1110 0101 11000011 0110 0110 1010 1101 0001 1001 0011 0001 0110 0000 1010 1001 0100 00 10 0100  0100  0000

退化量为28，m＝100

舍去上述七位完整二进制伪随机码序列中带下划线的28位元码，得到退化量为28的七位退化二进制伪随机码序列如下：

1111 0101 1110 0011 1011 0111 0100 1110 0101 1100 0011 0110 0110 10101101 0001 1001 0011 0001 0110 0000 1010 1001 0100 0000

按“1”表示透光，“0”表示不透光，得到相应的伪码道(未画出)。

其它与实施例一相同，这里不再重复描述。

实施例三：一种退化伪随机旋转传感器，由光机结构和电路两部分组成。

与实施例一的不同之处主要是伪码道的编码采用八位二进制退化伪随机序列。具体为：

八位完整二进制伪随机序列M＝2⁸＝256

0111 1011 0111 1010 0111 1001 0111 1000 0111 0111 0110 0111 0101 01110100 0111 1111  1011 1111 0011 1110 1011 1110 0011 1001 1011 1001 0011 10001011 1000 0011 0110 1011 0110 0011 0101 0011 0100 1011 0100 0011 001 1 0010 1011 0010 0011 0001 0011 0000 1011 0000 0010 0101 0010 0100 00100010 1010 1000 1000 0010 1000 0000

退化量为6，m＝250

舍去上述八位完整二进制伪随机码序列中带下划线的6位元码，得到退化量为6的八位退化二进制伪随机码序列如下：

1111 0110 1111 0100 1111 0010 1111 0000 1110 1110 1100 1110 1010 11101000 1111 1110 1111 1100 1111 1010 1111 1000 1110 0110 1110 0100 1110 00101110 0000 1101 1010 1101 1000 1101 0100 1101 0010 1101 0000 1100 10101100 1000 1100 0100 1100 0010 1100 0000 1001 0100 1001 0000 1000 10101010 0010 0000 1010 0000 00

按“1”表示透光，“0”表示不透光，得到相应的伪码道(未画出)。

其它与实施例一相同，这里不再重复描述。

实施例四：一种退化伪随机旋转传感器，由光机结构和电路两部分组成。

与实施例一的不同之处主要是伪码道的编码采用八位二进制退化伪随机序列。具体为：

八位完整二进制伪随机序列M＝2⁸＝256

0111 1011 0111 1010 0111 1001 0111 1000 0111 0111 0110 0111 0101 01110100 0111 1111 1011 1111 0011 1110 1011 1110 0011 1001 1011 1001 0011 10001011  1000 0011 0110 1011 0110 00 11  0101  0011  0100  1011  0100  0011  0011 0010  1011  0010  0011  0001  0011  0000  1011  0000 0010 0101 0010 0100 00100010 1010  1000 1000 0010 1000 0000

退化量为76，m＝180

舍去上述八位完整二进制伪随机码序列中带下划线的76位元码，得到退化量为76的八位退化二进制伪随机码序列如下：

1111 0110 1111 0100 1111 0010 1111 0000 1110 1110 1100 1110 1010 11101000 1111 1111 0111 1110 0111 1101 0111 1100 0111 0011 0111 0010 0111 00000110 1101 0110 1100 0000 1001 0100 1001 0000 1000 1010 1000 1000 00101000 0000

按“1”表示透光，“0”表示不透光，得到相应的伪码道(未画出)。

其它与实施例一相同，这里不再重复描述。

实施例五：一种退化伪随机旋转传感器，由光机结构和电路两部分组成。

与实施例一的不同之处主要是伪码道的编码采用八位二进制退化伪随机序列。具体为：

八位完整二进制伪随机序列M＝2⁸＝256

0111 1011 0111 1010 0111 1001 0111 1000 0111 0111 0110 0111 0101 01110100 0111 1111  10 11  1111  0011 1110 1011 1110 0011 1001 1011 100 10011 10001011 1000 0011 0110 1011 0110 0011 0101 0011 0100 1011 0100 001 100110010 1011 0010 0011 0001 0011 0000 1011 0000 0010 0101 0010 010 000100010 1010 1000 1000 00 10  1000  0000

退化量为16，m＝240

舍去上述八位完整二进制伪随机码序列中带下划线的16位元码，得到退化量为16的八位退化二进制伪随机码序列如下：

0111 1011 0111 1010 0111 1001 0111 1000 0111 0111 0110 0111 0101 01110100 0111 1111 0011 1110 1011 1110 0011 1001 1011 1001 0011 1000 1011 10000011 0110 1011 0110 0011 0101 0011 0100 1011 0100 0011 0011 0010 10110010 0011 0001 0011 0000 1011 0000 0010 0101 0010 0100 0010 0010 10101000 1000 0000

按“1”表示透光，“0”表示不透光，得到相应的伪码道(未画出)。

其它与实施例一相同，这里不再重复描述。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1、一种退化伪随机旋转传感器，包括码盘，其特征在于：码盘上设有两个码道，其中，一个是在完整圆周上用周期光栅表示的时钟码道，另一个是在完整圆周上用光栅表示的伪码道；所述伪码道采用二进制退化伪随机序列在完整圆周上进行编码，即：

(1)、在一个完整圆周上，用m位二进制元码序列组成的闭合圆环来表示该完整圆周被分为m等份，m为正整数；

(2)、在该闭合圆环上，取连续n位二进制元码作为角度位置代码，n≥4；

(3)、所述m和n符合下列不等式：

          m＜2ⁿ；

(4)、所述m位二进制元码序列组成的闭合圆环上，任意取连续n位二进制元码构成的角度位置代码是唯一的，这样一组不同的角度位置代码总数为m个，这m个不同的角度位置代码与完整圆周上等分的m等份的角度位置存在一一对应关系。

2、根据权利要求1所述的退化伪随机旋转传感器，其特征在于：所述m＞2^n-1。

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