CN207717110U - 增量式光电轴角编码器 - Google Patents

Abstract

增量式光电轴角编码器,属于光电轴角编码器技术领域，包括激光头、核心控制板、固定垫片、光盘、支撑主轴、安装轴承、机体外壳、固定螺栓、ARM芯片、D触发器、单稳态触发器及固定底座，本实用新型通过光盘上等间距均匀预录的凹坑替代光电轴角编码器中的光栅，再利用激光头及其控制电路读取出脉冲信息，制作出一种新型增量式光电轴角编码器，不仅极大地降低了产品的成本，而且有效地提高了光电轴角编码器的分辨力。

Description

增量式光电轴角编码器

技术领域

本实用新型属于光电轴角编码器技术领域，具体涉及增量式光电轴角编码器。

背景技术

光电轴角编码器又称为光电角位置传感器,是一种集光、机、电一体的数字测角装置。是将旋转角位置、角位移及角速度等物理量转换成电信号的位移传感器。光电轴角编码器由主轴带动编码器旋转发出脉冲,于是可检测角位移或通过微机控制转换成直线位移量。与其它同类用途的传感器相比，它具有精度高、测量范围广、体积小、重量轻、使用可靠、易于维护等优点，具有较高的性能价格比。因此已普遍应用在雷达，光电经纬仪，地面指挥仪，机器人，数控机床和高精度闭环调速系统等诸多领域，是自动化设备理想的角度传感器。它是以高精度计量圆光栅为检测元件，其光学结构主要包括光源、校准系统、光电接收器、电子处理电路、轴系及相应的机械元件。码盘与狭缝构成光栅付，作为基本检测单元，码盘可随主轴同步旋转，其他组件相对轴系不动。光源经校准后照射主光栅，当机械轴旋转时，码盘与狭缝之间的相对运动形成明暗交错的莫尔条纹，位于狭缝后面的光电接收器将接收到的光信号转变成电脉冲信号，经电子处理转变成二进制代码输出，由于机械转角与输出的二进制代码是一一对应的，因此编码器具有直接测量角位移的功能。分辨力是编码器的一个重要的指标，所谓分辨力指的是系统所能分辨的最小角度。圆编码器的刻线条数决定了系统每转输出脉冲数,即决定了编码器分辨力的高低。目前,我国生产的光电轴角编码器的分辨力通常在10线/周～5000线/周不等，德国的光栅式编码器可达到90000线/周，和国外相比我国的光栅制造精度上存在很大的差距。

因此现有技术中亟需一种新的技术方案解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有的光电轴角编码器存在的问题，提供增量式光电轴角编码器，通过光盘上等间距均匀预录的凹坑替代光电轴角编码器中的光栅，来提高光电轴角编码器的分辨力。

本实用新型采用如下的技术方案：增量式光电轴角编码器，其特征在于：包括激光头、核心控制芯片、光盘、支撑主轴、安装轴承、机体外壳、固定螺栓、ARM芯片、D触发器、单稳态触发器及固定底座，

所述光盘通过光盘底座安装在支撑主轴的顶端随支撑主轴同步转动，在光盘上预录有凹坑，任意两个相邻凹坑间距相等，且所有凹坑处于同一圆周上；

所述激光头设置在机体外壳内部，并位于光盘上方对准凹坑所在轨道，激光头上设置有聚焦透镜、聚焦线圈、聚焦磁铁、光检出器、激光二极管、FPC柔性电路板、循迹线圈、光头小车及聚焦永久磁铁，其中光检出器数量为两个，FPC柔性电路板用于装载激光二极管，同时在FPC柔性电路板上设有输入输出接口，循迹线圈及聚焦永久磁铁用于控制激光二极管的位置；

所述安装轴承设置在机体外壳底部中心位置；所述支撑主轴下端依次穿过机体外壳、安装轴承与外部待测物体连接；

所述固定底座安装在机体外壳内顶部,其上固定有核心控制芯片、ARM芯片、D触发器及单稳态触发器；

所述单稳态触发器的输入接口与FPC柔性电路板上的输入输出接口连接，单稳态触发器和FPC柔性电路板之间布设有功率放大电路，单稳态触发器的输出接口连接到D触发器的输入接口；所述D触发器的输出接口连接到ARM芯片上；

所述核心控制芯片通过FPC柔性电路板上的输入输出接口与激光头通信连接，核心控制芯片用于控制激光头始终对准凹坑所在轨道，核心控制芯片上布设有核心控制器及激光头控制电路，核心控制器与激光头控制电路相互之间电性连接，激光头控制电路包含聚焦驱动电路、位相补偿电路Ⅰ、位相补偿电路Ⅱ、循迹驱动电路、误差信号提取电路、滤波放大电路、电机驱动器及光头移动电机；

所述固定螺栓用于固定机体外壳。

所述激光头与机体外壳接触处设置有固定垫片。

所述ARM芯片为STM32F103ZET6芯片。

所述凹坑的长度为0.1um。

所述D触发器20的型号为74HC74。

所述单稳态触发器的型号为74HC123。

所述核心控制芯片型号为KA9259D。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：本实用新型通过光盘上等间距均匀预录的凹坑替代光电轴角编码器中的光栅，再利用激光头及其控制电路读取出脉冲信息，制作出一种新型增量式光电轴角编码器，不仅极大地降低了产品的成本，而且有效地提高了光电轴角编码器的分辨力。

附图说明

图1为激光头的结构示意图。

图2为本实用新型增量式光电轴角编码器的总装图。

图3为本实用新型增量式光电轴角编码工作的流程图。

图中：1-聚焦透镜、2-聚焦线圈、3-聚焦磁铁、4-光检出器、5-激光二极管、6-FPC柔性电路板、7-循迹线圈、8-光头小车、9-聚焦永久磁铁、10-激光头、11-核心控制芯片、12-固定垫片、14-光盘、15-支撑主轴、16-安装轴承、17-机体外壳、18-固定螺栓、19-ARM芯片、20-D触发器、21-单稳态触发器、22-固定底座、23-聚焦驱动电路、24-位相补偿电路Ⅰ、25-位相补偿电路Ⅱ、26-循迹驱动电路、27-误差信号提取电路、28-功率放大电路、29-滤波放大电路、30-电机驱动器、31-光头移动电机。

具体实施方式

为了更清楚地表明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程并没有详细的叙述。

CD光盘是通过其表面的成百上千的凹坑记录信息的，一般一张CD光盘上可以有20亿个凹坑,它们是在CD光盘在注射机中成型的时候就被压在上面的。CD光盘在驱动器中播放或使用时,一束很弱的激光由光滑的PC一面入射,当照到铝反射层时被反射回到光接收器,而当碰到凹坑时,光线被散射,光接收器接收不到返回的光信号。仪器将间断的光信号转变成通、断的二进位电脉冲信号。利用CD光盘的这种特性，本实用新型将光盘14上预录有凹坑，任意两个相邻凹坑间距相等，且所有凹坑处于同一圆周上，替代光电轴角编码器中的光栅，再利用激光头10及其控制电路读取出脉冲信息，制作出一种新型增量式光电轴角编码器，不仅极大地降低了产品的成本，而且有效地提高了光电轴角编码器的分辨力。

光盘14是一种光信号存储介质，它可以存储大量信息。在光盘14上预录有凹坑，任意两个相邻凹坑间距相等，且所有凹坑处于同一圆周上；凹坑的长度为0.1um，平台的长度也为0.1um，一张光盘14的直径R为12cm，周长C＝2πR，通过D触发器20二分频后，其分辨力可以达到1884000线/周，分辨力是德国的光栅式轴角编码器的一倍还要多。并且光盘14和激光头10等材料价格低廉，极大的降低了产品价格。信号读取就是信号记录的逆过程,靠检测光盘14上凹坑的有无及长度来读取信号的。这是由激光头10来完成的。激光头10用于将记录在光盘14上的“0”,“1”模拟信号,并转换成电信号。

如图1所示，激光头10的结构部件图，激光头10上设置有聚焦透镜1、聚焦线圈2、聚焦磁铁3、光检出器4、激光二极管5、FPC柔性电路板6、循迹线圈7、光头小车8及聚焦永久磁铁9，聚焦线圈2与聚焦透镜1固定在一起，光头小车8上固定聚焦永久磁铁9，聚焦线圈2和聚焦透镜1位于聚焦磁铁3和聚焦永久磁铁9所形成的磁场中。聚焦透镜1可调整焦距，通过光检出器4输出的电信号得到反映，光检出器4用于检测从光盘14上反射回来的激光信号,并把激光信号转换为电信号，FPC柔性电路板6用于装载激光二极管5，并提供信号输入输出接口。聚焦永久磁铁9与聚焦线圈7用于控制激光二极管5的位置，调整激光二极管5的位置，使聚焦误差最小。

如图2所示，增量式光电轴角编码器的总装图，所述光盘14通过光盘底座安装在支撑主轴15的顶端随支撑主轴15同步转动，在光盘14上预录有凹坑，任意两个相邻凹坑间距相等，且所有凹坑处于同一圆周上；所述激光头10设置在机体外壳17内部，并位于光盘14上方对准凹坑所在轨道，激光头10上设置有聚焦透镜1、聚焦线圈2、聚焦磁铁3、光检出器4、激光二极管5、FPC柔性电路板6、循迹线圈7、光头小车8及聚焦永久磁铁9，其中光检出器4数量为两个，FPC柔性电路板6用于装载激光二极管5，同时在FPC柔性电路板6上设有输入输出接口，循迹线圈7及聚焦永久磁铁9用于控制激光二极管5的位置；所述安装轴承16设置在机体外壳17底部中心位置；所述支撑主轴15下端依次穿过机体外壳17、安装轴承16与外部待测物体连接；所述固定底座22安装在机体外壳17内顶部,其上固定有核心控制芯片11、ARM芯片19、D触发器20及单稳态触发器21；所述单稳态触发器21的输入接口与FPC柔性电路板6上的输入输出接口连接，将光检出器4检测到的脉冲序列通过FPC柔性电路板6上的输入输出接口连接到单稳态触发器21，单稳态触发器21和FPC柔性电路板6之间布设有功率放大电路28，单稳态触发器21的输出接口连接到D触发器20的输入接口；所述D触发器20的输出接口连接到ARM芯片19上；所述ARM芯片19采用STM32F103ZET6芯片，利用STM32F103ZET6芯片的定时器双边沿捕获功能，获得待测物体的角度信息。

所述核心控制芯片11通过FPC柔性电路板6上的输入输出接口与激光头10通信连接，核心控制芯片11用于控制激光头10始终对准凹坑所在轨道，核心控制芯片11上布设有核心控制器及激光头控制电路，核心控制器与激光头控制电路相互之间电性连接，激光头控制电路包含聚焦驱动电路23、位相补偿电路Ⅰ24、位相补偿电路Ⅱ25、循迹驱动电路26、误差信号提取电路27、滤波放大电路29、电机驱动器30及光头移动电机31；

激光头10，利用激光二极管5发出的激光束经过聚焦透镜1聚焦成极细的亚微米级光束,垂直照射到按需求刻录好的光盘14上,扫描高速旋转的光盘14信息表面,从光盘14反射光束照射到光检出器4上,光检出器4检测从光盘14上反射回来的激光信号,并把激光信号转换为电信号，该电信号中含有脉冲信号、循迹误差信号和聚焦误差信号，从FPC柔性电路板6的输入输出接口输出强弱有别的信号经后续放大与处理后,获得记录在光盘14上的“0”、“1”信息流,形成RF(Radio Frequency)射频信号,经光检出器4的输出的信号一个支路经过功率放大模块28后送到脉冲信号接收处理单元，通过单稳态触发器21和D触发器20二分频，得到占空比为1:1的脉冲序列，将得到的脉冲序列利用ARM芯片19的定时器双边沿补获功能得到高脉冲宽度的时间信息，从而得到待测物体的主轴角速度，角位移等信息；经光检出器4的输出的信号另一个支路经过误差信号提取电路27和位相补偿电路进入聚焦驱动电路23和循迹驱动电路26，聚焦驱动电路23控制激光二级管5发出的激光束经过聚焦透镜1聚焦在光盘14上,反射光照射到两个三象限光检出器4上；根据光检出器4上光斑尺寸大小(光强不同)检测出聚焦误差信号。循迹驱动电路26经过滤波放大电路29、电机驱动器30和光头移动电机31控制激光头10移动，使激光头10始终在凹坑所在轨道之上，以确保能够读取到有效信号。核心控制器(CPU)控制位相补偿电路。

如图3所示，增量式光电轴角编码器用于测量物体的角度信息方法，具体包括如下步骤：

步骤一、电源上电后增量式光电轴角编码器进入初始化；

步骤二、激光头10中的激光二极管5产生激光束经聚焦透镜1垂直照射到光盘14上，再由光盘14反射回来照射到光检出器4，光检出器4检测从光盘14上反射回来的激光信号,并把激光信号转换为电信号，该电信号中含有脉冲信号、循迹误差信号和聚焦误差信号，光检出器4输出的电信号经误差信号提取电路27提取出循迹误差信号和聚焦误差信号，

循迹误差信号经A/D变换，核心控制器相位补偿处理，再经D/A变换后送到循迹驱动电路26，经循迹驱动电路26放大后,加到循迹线圈7上，循迹线圈7装在激光头10内，并与可沿光盘14的径向移动的激光二极管5固定在一起，构成相对光头小车8可左右移动的动组件。在光头小车8的定组件上，固定有聚焦永久磁铁9。当在循迹线圈7中通电流时,循迹线圈7产生的磁场与聚焦永久磁铁9相互作用,从而控制激光二极管5沿光盘14的径向作微小移动,实现循迹操作；

聚焦误差信号经A/D变换,核心控制器相位补偿处理，再经D/A变换后送到聚焦驱动电路23，经聚焦驱动电路23放大后，带动聚焦线圈2，在聚焦线圈2中有电流流过，产生磁场，该磁场与聚焦磁铁3相互作用，推动聚焦透镜1作上下移动，从而将焦点正好落在光盘14铝反射层上，实现聚焦操作；

步骤三、经循迹操作、聚焦操作后，激光头10中的激光二极管5产生激光束准确照射到凹坑所在轨道，外部待测物体与支撑主轴15相连，外部待测物体转动时驱动光盘14转动，激光头10扫描光盘14获取脉冲信号，脉冲信号经功率放大电路28放大后由单稳态触发器21和D触发器20二分频处理转变成占空比为1：1的脉冲序列，再经ARM芯片19的定时器双边沿捕获处理得到待测物体的角度信息。

该系统将各个器件或电路有机的集成、整合成一个整体，需要强调的是，上述各个器件或电路就单体而言，其实现各自应实现功能的具体结构在现有技术中已经存在，本实用新型并不是对各个器件和/或电路的单体做何改进，而是提出一种如何将各器件和/或电路有机的集成、整合成一个整体，即提供了一种构造方案。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (7)

1.增量式光电轴角编码器，其特征在于：包括激光头(10)、核心控制芯片(11)、光盘(14)、支撑主轴(15)、安装轴承(16)、机体外壳(17)、固定螺栓(18)、ARM芯片(19)、D触发器(20)、单稳态触发器(21)及固定底座(22)，

所述光盘(14)通过光盘底座安装在支撑主轴(15)的顶端随支撑主轴(15)同步转动，在光盘(14)上预录有凹坑，任意两个相邻凹坑间距相等，且所有凹坑处于同一圆周上；

所述激光头(10)设置在机体外壳(17)内部，并位于光盘(14)上方对准凹坑所在轨道，激光头(10)上设置有聚焦透镜(1)、聚焦线圈(2)、聚焦磁铁(3)、光检出器(4)、激光二极管(5)、FPC柔性电路板(6)、循迹线圈(7)、光头小车(8)及聚焦永久磁铁(9)，其中光检出器(4)数量为两个，FPC柔性电路板(6)用于装载激光二极管(5)，同时在FPC柔性电路板(6)上设有输入输出接口，循迹线圈(7)及聚焦永久磁铁(9)用于控制激光二极管(5)的位置；

所述安装轴承(16)设置在机体外壳(17)底部中心位置；所述支撑主轴(15)下端依次穿过机体外壳(17)、安装轴承(16)与外部待测物体连接；

所述固定底座(22)安装在机体外壳(17)内顶部,其上固定有核心控制芯片(11)、ARM芯片(19)、D触发器(20)及单稳态触发器(21)；

所述单稳态触发器(21)的输入接口与FPC柔性电路板(6)上的输入输出接口连接，单稳态触发器(21)和FPC柔性电路板(6)之间布设有功率放大电路(28)，单稳态触发器(21)的输出接口连接到D触发器(20)的输入接口；所述D触发器(20)的输出接口连接到ARM芯片(19)上；

所述核心控制芯片(11)通过FPC柔性电路板(6)上的输入输出接口与激光头(10)通信连接，核心控制芯片(11)用于控制激光头(10)始终对准凹坑所在轨道，核心控制芯片(11)上布设有核心控制器及激光头控制电路，核心控制器与激光头控制电路相互之间电性连接，激光头控制电路包含聚焦驱动电路(23)、位相补偿电路Ⅰ(24)、位相补偿电路Ⅱ(25)、循迹驱动电路(26)、误差信号提取电路(27)、滤波放大电路(29)、电机驱动器(30)及光头移动电机(31)；

所述固定螺栓(18)用于固定机体外壳(17)。

2.根据权利要求1所述的增量式光电轴角编码器，其特征在于：所述激光头(10)与机体外壳(17)接触处设置有固定垫片(12)。

3.根据权利要求1所述的增量式光电轴角编码器，其特征在于：所述ARM芯片(19)为STM32F103ZET6芯片。

4.根据权利要求1所述的增量式光电轴角编码器，其特征在于：所述凹坑的长度为0.1um。

5.根据权利要求1所述的增量式光电轴角编码器，其特征在于：所述D触发器(20)的型号为74HC74。

6.根据权利要求1所述的增量式光电轴角编码器，其特征在于：所述单稳态触发器(21)的型号为74HC123。

7.根据权利要求1所述的增量式光电轴角编码器，其特征在于：所述核心控制芯片(11)型号为KA9259D。