CN201780116U

CN201780116U - 检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器

Info

Publication number: CN201780116U
Application number: CN2010202988164U
Authority: CN
Inventors: 王滢; 张昆仑; 刘国清; 董金文; 靖永志; 王莉; 郭小舟; 郭育华; 舒泽亮; 张湘
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2020-08-20

Abstract

一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，包括编码盘，编码盘上的码道为内、外两条，一条为定位码道，另一条为编码码道，其中：定位码道由大小相同、均匀分布的2^N个透光和不透光的扇区相间排列组成，N为大于等于2的正整数；编码码道由与定位码道的扇区弧度相同的2^N个透光和不透光的扇区组成，透光扇区逻辑值为1，不透光扇区逻辑值为0，编码码道上的任意相邻的N个扇区构成N位二进制编码，且任意两组编码不相同，共有2^N组编码。该编码器既能输出轴转动的绝对位置信息，使用方便；且其制作简单，分辨率高，成本低，抗干扰能力强。

Description

检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器

技术领域

本实用新型涉及一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器。

背景技术

光电编码器用于确定旋转物体的转速和位置，是一种通过光电转换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。光电编码器由编码盘(光栅盘)和发光元件、光敏元件及数据处理装置等组成。发光元件和光敏元件分布在编码盘的两侧。编码盘上有规则地分布有透光和不透光的扇区。工作时，编码盘与电动机同轴，电动机旋转时，编码盘与电动机同速旋转，此时发光元件发出的光照射编码盘，光通过透光扇区由光敏元件接收，光敏元件输出的波形经过数据处理装置整形后变为脉冲，根据透光扇区的分布规律及输出脉冲的形状、数目等计算确定出旋转物体的转速及位置等信息。

光电编码器的核心部件是编码盘，编码盘上沿同心圆布置的透光和不透光的扇区组成码道。编码盘上有多条码道，每条码道均对应有相应的发光元件和光敏元件。现有的光电编码器主要有增量式、绝对式两种。

增量编码器的编码盘有三条码道。最外圈的码道上相间分布有弧度相同的透光与不透光的扇形区，用来产生计数脉冲；扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多，分辨率越高。中间一圈码道上有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇形区，作为辨向码道。第三圈码道上只有一条透光的窄扇区(窄缝)，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲信号将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号。增量式编码器利用光电转换原理，通过编码盘的三条码道输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，用于判断旋转方向和转速。Z相为每旋转一圈输出一个脉冲，用于基准点定位。增量式编码器所需的光敏元件数量少，码道的数量也少，因此其构造简单，寿命长，抗干扰能力强，可靠较高。但增量式编码器无法输出轴转动的绝对位置信息和旋转角度，需要进行基准点定位脉冲；若在物体旋转过程中出现漏计或错计脉冲信号，则该误差对旋转角度检测结果的影响一直存在，并会进一步产生累积误差，直到得到基准点定位信号后才能得以修正。因此增量式光电编码器每次使用之前都必须先定基准点。

绝对式编码器的编码盘有N条同心码道，每一条码道由透光和不透光的扇区组成，每一码道对应有一光敏元件。工作时，当码盘旋转于不同位置时，各光敏元件根据该位置处的码道的扇形区透光与否转换出相应的高、低电平信号，形成数字二进制码，二进制数码的位数与码盘上的码道数对应；不同角度上各码道形成的二进制编码不同，从而绝对式编码器用在空间位置上标注的方式，将转动物体的位置转换为数字二进制码，使之在转轴的任意位置都可读出一个固定的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘有N条码道。其特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失。但是绝对式编码器分辨率由码道数确定，因此其编码盘的结构复杂，精度要求高，制作困难；且随着码道数的增多，光敏元件数目也大大增多，成本增加。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，该编码器既能输出轴转动的绝对位置信息，使用方便；且其制作简单，分辨率高，成本低，抗干扰能力强。

本实用新型实现其目的所采用的技术方案是：一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，包括编码盘，编码盘上有透光和不透光的扇区组成的码道，编码盘的码道两侧设置有发光元件和光敏元件，光敏元件与数据处理装置相连，其结构特点是：

所述编码盘上的码道为内、外两条，一条为定位码道，另一条为编码码道，其中：

定位码道由大小相同、均匀分布的2^N个透光和不透光的扇区相间排列组成，N为大于等于2的正整数；

编码码道由与定位码道的扇区弧度相同的2^N个透光和不透光的扇区组成，透光扇区逻辑值为1，不透光扇区逻辑值为0，编码码道上的任意相邻的N个扇区构成N位二进制编码，且任意两组编码不相同，共有2^N组编码。

本实用新型的工作过程和原理是：

光电编码器工作时，随物体旋转，由于定位码道由相同的透光和不透光扇区相间组成，定位码道上对应的光敏元件输出宽度相同的定位脉冲信号，根据单位时间内脉冲的个数求出物体旋转速度。

同时，编码码道上的光敏元件感应编码码道扇区的变化，依次输出脉冲信号，由数据处理装置根据定位码道上的得到的定位脉冲信号作为定位基准时钟，将最近输出的N个脉冲信号转换为当前的N位二进制码。由于编码盘的码道上的任意相邻的N个扇区构成N位二进制编码，且任意两组编码不相同，每组码对应编码盘上的一个空间位置。因此，N位二进制码即对应于旋转物体当前的旋转角度和绝对位置。

由于所有的编码均不相同，因此不同的编码对应不同的物体旋转角度。另外，根据当前的编码值和前两个时刻的编码值变化情况，可判断出物体的旋转方向。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、不需要进行基准点定位，在任意时刻获得的编码便对应了该时刻物体的旋转角度和旋转物体的绝对位置，使用方便，读数准确，无累积误差。

二、编码码道上的相邻N个扇区构成N位二进制编码，共有2^N个扇区，排列在一条编码码道上，构成2^N个绝对编码；在构成N位二进制编码编码时，当前扇区的信息在当前编码的第一个位置上使用，然后在下一个编码的第二个位置上使用，以此类推，共使用了N次；而现有的绝对编码器需要N条码道，每条码道上2^N个扇区，共有N×2^N个扇区，才能构成个2^N绝对编码，在构成编码时，每个扇区的信息只使用了一次。总之，本实用新型的编码器在进行绝对定位时，所用的编码码道数只有1条，编码码道的扇区总数仅为2^N个，即可实现2^N个位置编码；因此，本实用新型在实现相同编码个数的情况下，所需要的编码码道数和编码码道的扇区总数大大减小，仅为现有绝对编码器的N分之一，从而使其结构更简单、制作方便，成本大大降低，抗干扰能力强。

上述的定位码道的扇区与编码码道相邻的扇区错开1/2扇区弧度。

这样，以定位码道输出的标准信号作为时间基准的时钟信号，即在定位码道侧的光敏元件输出的每个脉冲跳变沿作为时间基准读取编码码道对应的二进制码，读码时，光敏元件处于对应于编码码道每个扇区的中间位置，距离扇区的边沿最远，干扰最小，读数更准确、可靠。

上述的编码盘的编码码道两侧的发光元件和光敏元件分别为N个，且相邻的发光元件或光敏元件之间的距离等于扇区的宽度。

这样利用编码码道上顺序分布的N对发光元件和光敏元件，可对编码盘进行并行读码，即将相邻的N个扇区的信息同时输出，实现N位并行读码，一次性地读出N位二进制码的全部信息。使后续处理更简单、方便、迅速。

下面结合附图和具体实施方式对实用新型进一步的详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的编码盘的结构示意图。

图2是本实用新型实施例一的编码盘的剖视示意图。

图3是本实用新型实施例二的编码盘的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

图1、2示出，本实用新型的一种具体实施方式为：一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，包括编码盘1，编码盘上有透光扇区3a和不透光扇区3b组成的码道2，编码盘1的码道两侧设置有发光元件4和光敏元件5，光敏元件5与数据处理装置相连。

编码盘1上的码道2为内、外两条，一条为定位码道2a，另一条为编码码道2b，其中：

定位码道2a由大小相同、均匀分布的2^N个透光和不透光的扇区3相间排列组成，N为大于等于2的正整数；

编码码道2b由与定位码道2a的扇区弧度相同的2^N个透光和不透光的扇区3组成，透光扇区3a逻辑值为1，不透光扇区3b逻辑值为0，编码码道2b上的任意相邻的N个扇区3构成N位二进制编码，且任意两组编码不相同，共有2^N组编码。

定位码道2a的扇区与编码码道2b相邻的扇区3错开1/2扇区弧度。

本例中，编码盘1按N＝4进行编码。两个码道2a、2b都有2⁴＝16个扇区。图1示出，定位码道2a上16个扇区3按照透光扇区3a、不透光扇区3b交替排列；编码码道2b也有16个扇区3。按以透光扇区3a作为逻辑值1，以不透光扇区3b作为逻辑值0，按4位循环码编码，从而形成任意相邻的N＝4个扇区3构成4位二进制编码，且任意两组编码不相同，共有2^N＝16组编码。从图1中箭头开始的第一个扇区3开始，以顺时针方向读取的16个扇区3对应的16个二进制逻辑值依次为：0000101101001111。

当物体按顺时针方向旋转时，取上述码组中的任意相邻四位作为一组二进制码，并设定起始位置对应于二进制编码0000，则编码值与物体的旋转角度(转角)之间的关系如表1。

表1

序号	编码值	转角(°)	序号	编码值	转角(°)
						1	0000	0	9	0010	180
2	0001	22.5	10	0101	202.5
						3	0011	45	11	1011	225
4	0111	67.5	12	0110	247.5
						5	1111	90	13	1101	270
6	1110	112.5	14	1010	292.5
						7	1100	135	15	0100	315
8	1001	157.5	16	1000	337.5

当物体按反时针方向旋转时，编码码道的编码值与旋转角度之间的关系如表2。

表2

序号	编码值	转角(°)	序号	编码值	转角(°)
						1	0000	0	9	0100	180
2	0001	337.5	10	1001	157.5
						3	0010	315°	11	0011	135
4	0101	292.5	12	0111	112.5
						5	1011	270	13	1111	90
6	0110	247.5	14	1110	67.5
						7	1101	225	15	1100	45
8	1010	202.5	16	1000	22.5

根据当前的编码值和前两个时刻的编码值，是与表1还是与表2中的规律相符，可确定旋转角度是增加还是减少，从而判断出物体的旋转方向。如当编码从0000-0001-0011变换时，与表1的规律相符，可判断出物体是按顺时针方向旋转；而当编码从0000-0001-0010变换时，与表2的规律相符，可判断出物体是按逆时针方向旋转。

本例中，按N＝4进行四位编码时，一共有16个编码，检测物体旋转角度的精度为360°/16＝22.5°。实际应用时，增加编码位数N，相应减小扇区宽度，即可提高检测精度。

本例是在定位码道和编码码道两侧各安装1个发光元件和1个光敏元件；其读码方式为串行读码方式，即：某一时刻i，编码码道侧光敏元件的输出码值为a_i，而前i-1到i-(N-1)时刻编码码道侧的光敏元件输出码值依次为a_i-1、a_i-2…a_i-N+1，这N个值构成一个编码a_ia_i-1a_i-2…a_i-N+1。这种读码方式缺点是需要记住前N-1个时刻的码值，优点是发光元件和光敏元件数少。

实施例二

图3示出，本例与实施例一基本相同，所不同的是：编码盘1的编码码道2b两侧的发光元件4和光敏元件5分别为N＝4个，且相邻的发光元件4或光敏元件5之间的距离等于扇区3的宽度。这样，本例的编码码道读码为并行读码，即由N＝4个发光元件和N＝4个光敏元件一次性地同时读出四个编码码道扇区的脉冲信号码。这种读码方式优点是不需要记住以前个时刻的码值，计算处理更简单、快捷；缺点是发光元件和光敏元件数多。

实施例三

本实用新型的一种具体实施方式为：一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，包括编码盘1，编码盘上有透光扇区和不透光扇区3b组成的码道2，编码盘的码道两侧设置有发光元件4和光敏元件5，光敏元件5与数据处理装置相连。

本例中，编码盘1按N＝5进行编码。两个码道2a、2b都有2⁵＝32个扇区。定位码道2a上32个扇区3按照透光扇区3a、不透光扇区3b交替排列；编码码道2b也有32个扇区3。按以透光扇区3a作为逻辑值1，以不透光扇区3b作为逻辑值0，按5位循环码编码，从而形成任意相邻的N＝5个扇区3构成5位二进制编码，且任意两组编码不相同，共有2^N＝2⁵＝32组编码。其具体的编码值与物体旋转角度(转角)的对应关系见下表3。

表3

本例中，按N＝5进行5位编码时，一共有32个编码，检测物体旋转角度的精度为360°/32＝11.25°。实际应用时，还可继续增加编码位数N，相应减小扇区宽度，即可提高检测精度。

本实用新型的编码方式不仅局限于以上三个实施例的方式，而可以是任何一种满足相邻的N个逻辑单元的值排列构成一个N位的编码，任意的两个编码均不相同的编码，其编码的总个数为2^N。当然在实际实施时，码道上使用的编码的个数可以小于2^N。

将透光扇区和不透光扇区换为非金属材料扇区和金属材料扇区，相应的发光元件换为高频信号发射器，光敏元件换为电磁感应传感器，为本实用新型的等同技术方案，属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，包括编码盘(1)，编码盘(1)上有透光扇区(3a)和不透光扇区(3b)组成的码道，编码盘的码道两侧设置有发光元件(4)和光敏元件(5)，光敏元件(5)与数据处理装置相连，其特征在于：

所述编码盘(1)上的码道为内、外两条，一条为定位码道(2a)，另一条为编码码道(2b)，其中：

定位码道(2a)由大小相同、均匀分布的2^N个透光和不透光的扇区(3)相间排列组成，N为大于等于2的正整数；

编码码道(2b)由与定位码道(2a)的扇区弧度相同的2^N个透光和不透光的扇区(3)组成。

2.如权利要求1所述的一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，其特征在于：所述的定位码道(2a)的扇区与编码码道(2b)相邻的扇区(3)错开1/2扇区弧度。

3.如权利要求1所述的一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，其特征在于：所述的编码盘(1)的编码码道(2b)两侧的发光元件(4)和光敏元件(5)分别为N个，且相邻的发光元件(4)或光敏元件(5)之间的距离等于扇区(3)的宽度。