CN2692635Y

CN2692635Y - 密窄码道绝对式轴角光电编码器

Info

Publication number: CN2692635Y
Application number: CN 200420025915
Authority: CN
Inventors: 潘德洪; 钟旭; 管俊晨
Original assignee: No3304 Factory Pla
Current assignee: No3304 Factory Pla
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2014-04-01

Abstract

本实用新型密窄码道绝对式轴角光电编码器涉及的是一种轴角传感器，属于光电编码自动化测量旋转角度的技术领域。其结构由一个照明光源、一个绝对式光学码盘、一个集成光电接收元件、一套处理电路、一个壳体和一根轴组成，绝对式光学码盘与轴固定在一起，照明光源、集成光电接收元件、处理电路和壳体固定在一起，其特征在于绝对式光学码盘是密窄码道，照明光源是准直光源，集成光电接收元件是集成的自扫描光电二极管列阵，处理电路由稳压电路、恒光集成电路、模数集成电路、CPU、接口电路、恒光校准器件、均值校准器件和晶振器件组成；自扫描光电二极管列阵的硅光敏面与绝对式光学码盘的码道面平行、贴近放置；准直光源垂直于光学码盘。

Description

密窄码道绝对式轴角光电编码器

技术领域

本实用新型密窄码道绝对式轴角光电编码器涉及的是一种轴角传感器，属于光电编码自动化测量旋转角度的技术领域。

背景技术

轴角光电编码器在民事和军事自动化测角领域广泛应用。光电编码器可分为绝对式和增量式两大类。增量式光电编码器所用光敏元件较少，结构紧凑，处理电路简单，但它有积累误差，还有个致命的缺点：工作过程中不能断电，否则，轴角零位丢失。绝对式光电编码器具有固定的轴角零位，对于任意一个角度位置，唯一确定值与之对应，输出信号不受断电影响，且抗干扰能力强，无积累误差，但所需的光敏元件多，体积大，装调工艺复杂。由于绝对式光电编码器性能优异，应用前景好，尤其军事应用价值巨大，研究者众。1992年公开了中国科学院长春光学精密机械研究所的一种发明：绝对式轴角编码器设计方法及编码器(专利号ZL90107279.6)。该发明在采用矩阵组合编码方法解决了编码盘一圈码道输出若干位代码以减少码道圈数基础上，采用矩阵组合编码盘的N圈粗码道相对于基准N_J圈粗码道超前或滞后一定的相位角办法解决窜光以减少码道宽度和码道间隔离圈宽度，缩小绝对式轴角编码器的体积。但该发明所需光敏元件的数量没有任何减少，只是由径向线性排列改为面矩阵排列，虽然减少了码道圈数，但码道总宽度仍然不小，而且狭缝盘、处理电路和装调工艺复杂化。2000年公开了中国科学院长春光学精密机械研究所的一种实用新型：一种绝对式光电轴角编码器照明系统(专利号ZL99250599.2)。该实用新型在应用光电接收器件(径向线性)阵列的现有技术基础上，采用发光二极管阵列作光源，并用柱面透镜会聚照明，体积有所减小，装调有所改善，但码盘的码道总宽度大，光电接收器件阵列和光电二极管阵列的阵列长度和高度仍然不小，加上狭缝和柱面镜，无论径向还是轴向体积减小甚微，装调还是相当困难。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述不足之处提供一种密窄码道绝对式轴角光电编码器，具有绝对式光电编码器的具有固定的轴角零位，对于任意一个角度位置，唯一确定值与之对应，输出信号不受断电影响，且抗干扰能力强，无积累误差的优点，具有相对式光电编码器所用光敏元件较少，结构紧凑，处理电路简单的优点，相比《绝对式轴角编码器设计方法及编码器》发明专利和《一种绝对式光电轴角编码器照明系统》实用新型专利，取消狭缝片或狭缝盘、柱面透镜，进一步减少光敏元件，而确保编码精度，提高可靠性，减小编码器的体积，减轻重量，简化装调工艺，降低装调难度。

密窄码道绝对式轴角光电编码器是采取以下方案实现的：绝对式轴角光电编码器由一个照明光源、一个绝对式光学码盘、一个集成光电接收元件、一套处理电路、一个壳体和一根轴组成，绝对式光学码盘与轴固定在一起，照明光源、集成光电接收元件、处理电路和壳体固定在一起，其特征在于绝对式光学码盘是密窄码道，照明光源是准直光源，集成光电接收元件是集成的自扫描光电二极管列阵，处理电路由稳压电路、恒光集成电路、模数集成电路、CPU、接口电路、恒光校准器件、均值校准器件和晶振器件组成；自扫描光电二极管列阵的硅光敏面与绝对式光学码盘的码道面平行、贴近放置，其硅光敏元的列阵方向沿着光学码道的径向，且每一硅光敏元的中心与光学码盘相应的码道中心分别相对；准直光源垂直于光学码盘，其光轴与自扫描光电二极管列阵中心重合。

本实用新型的照明光源是一个带准直透镜半导体激光器的准直光源；绝对式光学码盘是密窄码道格雷码或密窄码道格雷码-相位码组合的光学码盘，集成光电接收元件是一个集成的自扫描光电二极管列阵，集成的自扫描光电二极管列阵为“I”字型光电二极管列阵或“T”字型光电二极管列阵，“I”字型光电二极管列阵与密窄码道格雷码的光学码盘匹配，“T”字型光电二极管列阵与密窄码道格雷码-相位码组合的光学码盘匹配；集成光电接收元件与光学码盘间无需狭缝片或狭缝盘，自扫描光电二极管列阵的硅光敏面与绝对式光学码盘的码道面平行、贴近放置，其硅光敏元的列阵方向沿着光学码道的径向，且每一硅光敏元的中心与光学码盘相应的码道中心分别相对；准直光源允许离开光学码盘一定距离，但要垂直于光学码盘，其光轴与自扫描光电二极管列阵中心重合。处理电路中的稳压电路采用CW79L06和CW7805的3端稳压器；恒光集成电路采用HG3410集成器件或可编程逻辑集成电路CPLD im4A5-64/32；数模集成电路采用HG3409集成器件或可编程逻辑集成电路CPLD im4A5-64/32；晶振器件为JA6.144MC；恒光校准采用3296W-302可调电位器；均值校准采用3296W-102可调电位器；CPU采用AT89C2051单片机；接口电路采用2个54HC374并口输出器件或采用1个ICL232串口输出器件。准直光源在恒光电路的控制下发出连续的激光，当壳体静止而轴转动或轴静止而壳体转动时，光学码盘上黑色与透明相间的码道阻挡或透过激光，数模集成电路中的时序、驱动电路给光电二极管列阵提供工作电压、起始信号S和ψ1、ψ2互补方波，集成光电接收元件的硅光敏元因受照激光强弱不同产生大小不等的电流，每个硅光敏元产生的光电模量由模数集成电路中的放大、整形、展宽电路处理成可供CPU读取的光电数字编码，展宽后的循环码由CPU采样并转换成二进制串行码或并行码，最后由接口电路输出。恒光集成电路根据激光发光强度的反馈信息，在恒光校准可调电位器的校准下工作；数模集成电路在稳压电路的稳压下，在均值校准可调电位器的校准下工作，根据硅光敏元最小和最大电流的实测调试值设定平均值，并将小于平均值作归0处理，将大于等于平均值作归1处理。以13个码道为例，在每圈360°的转角中有1000000000000～1111111111111个绝对式编码，每个码可以用密位制或度分秒制换算成角度值。上述编码的首位数始终为1是由于光学码盘近轴码道采用全圆周透光设计造成的，它是CPU循环采样所需；采用密窄码道格雷码-相位码组合的光学码盘时，在上述编码的末位数0～1间，又有由0、π/4、π/2、3π/4相位码对应的硅光敏元提供的0000～1111细分码，从而输出更多的转角编码。

本实用新型由于采用绝对式的光学码盘，确保了绝对式轴角光电编码器的优点；因光学码盘采用密窄码道设计，即码道的宽度窄而码道的间隔密，允许只用一个照明光源和一个光电接收元件，具有相对式光电编码器所用光敏元件较少，结构紧凑，处理电路简单的优点。本实用新型所用的光敏元件比《绝对式轴角编码器设计方法及编码器》发明专利所用的光敏元件少得多，比《一种绝对式光电轴角编码器照明系统》实用新型专利所用的光敏元件更小，又因光电接收元件采用硅光敏面元尺寸微小的自扫描光电二极管列阵，允许省却狭缝片或狭缝盘，还取消柱面透镜，装调工艺更为简单，无需矩阵组合编码和阵列调相处理电路，克服了上述发明专利和实用新型的全部缺点。本实用新型可以确保编码精度，提高可靠性，减小编码器的体积，减轻重量，简化装调工艺，降低装调难度，为绝对式轴角光电编码器的推广应用创造了良好条件。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的绝对式轴角光电编码器构造图。

图2是现有技术的格雷码光学码盘编码图。

图3是本实用新型的格雷码光学码盘编码图。

图4是本实用新型的格雷码—相位码组合光学码盘编码图。

图5是本实用新型的“I”字型光电二极管列阵硅光敏面元放大图。

图6是本实用新型的“T”字型光电二极管列阵硅光敏面元放大图。

图7是本实用新型的处理电路工作原理框图。

具体实施方式

参照附图1-7，本实用新型的第一实施例如下：密窄码道绝对式轴角光电编码器由一个准直光源[1]、一个密窄码道光学码盘[2]、一个集成光电接收元件[3]、一套处理电路[4]、一个壳体[5]和一根轴[6]组成(如附图1)。绝对式光学码盘[2]与轴[6]固定在一起；准直光源[1]、集成光电接收元件[3]、处理电路[4]和壳体[5]固定在一起。处理电路由稳压电路、恒光集成电路、模数集成电路、CPU、接口电路、恒光校准器件、均值校准器件和晶振器件组成。绝对式光学码盘是密窄码道格雷码的光学码盘，准直光源是带准直透镜的半导体激光器，自扫描光电二极管列阵的硅光敏面元呈“I”字型排列。准直光源是带准直透镜的半导体激光器SG-670，其激光波长为670nm，光束截面尺寸不小于3mm×5mm，光束发散角不大于3mrad；密窄码道光学码盘采用K9光学玻璃制作，码盘厚度3mm，外径φ90mm、内径φ52mm、码道中心环径φ80mm，编码图案为密窄码道格雷码(如附图3)，图中白色部位镀金属铬，码道黑色部位为透明区，中间白色部位为通孔，编码参数见表1；集成光电接收元件是“I”字型自扫描光电二极管列阵CL-16，硅光敏面元放大图如附图5，参数a＝0.12、b＝0.08、c＝0.04、h＝3.12、N＝16；处理电路中的稳压电路采用CW79L06和CW7805的3端稳压器，恒光集成电路采用HG3410集成器件，数模集成电路采用HG3409集成器件，晶振为JA6.144MC，CPU采用AT89C2051单片机，接口电路采用2个54HC374并口输出器件，恒光校准采用3296W-302可调电位器，均值校准采用3296W-102可调电位器。整个编码器直径φ110，轴向长度52，编码器轴中空φ30。光学码盘与轴固定不动；准直光源、自扫描光电二极管列阵、处理电路与壳体固定在一起，相对光学码盘转动而输出轴角编码，信号数8192/周，0-00.732/码。

表1：密窄码道格雷码光学码盘实施例编码参数

码道序号	二进制码	码道内半径R₁(mm)	码道外半径R₂(mm)	透光码起始角α(°)	透光码圆心角β(°)	挡光码圆心角γ(°)
码道序号	二进制码	码道内半径R₁(mm)	码道外半径R₂(mm)	透光码起始角α(°)	透光码圆心角β(°)	挡光码圆心角γ(°)	C0	1	38.68	38.80	0	360	0
C1	2	38.88	39.00	0	180	180	C0	1	38.68	38.80	0	360	0
C1	2	38.88	39.00	0	180	180	C2	4	39.08	39.20	90	180	180
C3	8	39.28	39.40	45	90	90	C2	4	39.08	39.20	90	180	180
C3	8	39.28	39.40	45	90	90	C4	16	39.48	39.60	22.5	45	45
C5	32	39.68	39.80	11.25	22.5	22.5	C4	16	39.48	39.60	22.5	45	45
C5	32	39.68	39.80	11.25	22.5	22.5	C6	64	39.88	40.00	5.625	11.25	11.25
C7	128	40.08	40.20	2.8125	5.625	5.625	C6	64	39.88	40.00	5.625	11.25	11.25
C7	128	40.08	40.20	2.8125	5.625	5.625	C8	256	40.28	40.40	1.40625	2.8125	2.8125
C9	512	40.48	40.60	0.703125	1.40625	1.40625	C8	256	40.28	40.40	1.40625	2.8125	2.8125
C9	512	40.48	40.60	0.703125	1.40625	1.40625	C10	1024	40.68	40.80	0.3515625	0.703125	0.703125
C11	2048	40.88	41.00	0.17578125	0.3515625	0.351525	C10	1024	40.68	40.80	0.3515625	0.703125	0.703125
C11	2048	40.88	41.00	0.17578125	0.3515625	0.351525	C12	4096	41.08	41.20	0.087890625	0.17578125	0.17578125
C13	8192	41.28	41.40	0.0439453125	0.087890625	0.087890625	C12	4096	41.08	41.20	0.087890625	0.17578125	0.17578125

本实用新型的第二实施例如下：密窄码道绝对式轴角光电编码器由一个准直光源[1]、一个密窄码道光学码盘[2]、一个集成光电接收元件[3]、一套处理电路[4]、一个壳体[5]和一根轴[6]组成(如附图1)。绝对式光学码盘[2]与轴[6]固定在一起；准直光源[1]、集成光电接收元件[3]、处理电路[4]和壳体[5]固定在一起。处理电路由稳压电路、恒光集成电路、模数集成电路、CPU、接口电路、恒光校准器件、均值校准器件和晶振器件组成。绝对式光学码盘是密窄码道格雷码-相位码的光学码盘，准直光源是带准直透镜的半导体激光器，自扫描光电二极管列阵的硅光敏面元呈“T”字型排列。准直光源是带准直透镜的半导体激光器SG-670，其激光波长为670nm，光束截面尺寸不小于3mm×5mm，光束发散角不大于3mrad；密窄码道光学码盘，采用K9光学玻璃制作，码盘厚度2mm，外径φ38mm、内径φ10mm、码道中心环径φ28mm，编码图案为密窄码道格雷码-相位码组合(如附图4)，图中白色部位镀金属铬，码道黑色部位为透明区，中间白色部位为通孔，编码参数见表2；集成光电接收元件是“T”字型自扫描光电二极管列阵CL-10XW，硅片光敏面元放大图如图6，参数a＝0.15、b＝0.08、c＝0.04、N＝10、r₁＝12.62、r₂＝12.66、R₁＝15.04、R₂＝15.36、α＝0.17578125、β＝0.263671875，其中包含两组4相位码共8个扇形硅光敏元；处理电路中的稳压电路采用CW79L06和CW7805的3端稳压器，恒光集成电路采用可编程逻辑集成电路CPLDim4A5-64/32，数模集成电路也采用可编程逻辑集成电路CPLDim4A5-64/32，晶振为JA6.144MC，CPU采用AT89C2051单片机，接口电路采用1个ICL232串口输出器件，恒光校准采用3296W-302可调电位器，均值校准采用3296W-102可调电位器。整个编码器直径φ54，轴向长度52，编码器轴实心。准直光源、自扫描光电二极管列阵、处理电路与壳体固定不动；光学码盘与轴固定在一起，相对壳体转动而输出轴角编码，信号数16384/周，0-00.366/码。

本实用新型的最佳方案是采用“T”字型自扫描光电二极管列阵与密窄码道格雷码-相位码组合的光学码盘匹配。第二实施例表明直径φ54，轴向长度52的小型光电编码器，可以获得信号数16384/周，0-00.366/码。若将第二实施例中的码道中心环径φ28mm扩到与第一实施例中码道中心环径φ80mm一样大，则可以获得信号数32768/周，0-00.183/码，甚至可获得更高的轴角分辨率，输出高精度的轴角数码信号。值得注意的是：只要码道的宽度和间隔相同，每一个“I”字型自扫描光电二极管列阵，可以与不同码道环径的光学码盘匹配，但因“T”字型自扫描光电二极管列阵包含扇形硅光敏元，每一个“T”字型自扫描光电二极管列阵只能与码道的宽度和间隔相同且码道环径相等的密窄码道格雷码-相位码组合光学码盘匹配。

表2：密窄码道格雷码—相位码组合光学码盘实施例编码参数

码道序号	二进制码	码道内半径R₁(mm)	码道外半径R₂(mm)	透光码起始角α(°)	透光码圆心角β(°)	挡光码圆心角γ(°)
码道序号	二进制码	码道内半径R₁(mm)	码道外半径R₂(mm)	透光码起始角α(°)	透光码圆心角β(°)	挡光码圆心角γ(°)	C0	1	12.62	12.66	0	360	0
C1	2	12.74	12.89	0	180	180	C0	1	12.62	12.66	0	360	0
C1	2	12.74	12.89	0	180	180	C2	4	12.97	13.12	90	180	180
C3	8	13.20	13.35	45	90	90	C2	4	12.97	13.12	90	180	180
C3	8	13.20	13.35	45	90	90	C4	16	13.43	13.58	22.5	45	45
C5	32	13.66	13.81	11.25	22.5	22.5	C4	16	13.43	13.58	22.5	45	45
C5	32	13.66	13.81	11.25	22.5	22.5	C6	64	13.89	14.04	5.625	11.25	11.25
C7	128	14.12	14.27	2.8125	5.625	5.625	C6	64	13.89	14.04	5.625	11.25	11.25
C7	128	14.12	14.27	2.8125	5.625	5.625	C8	256	14.35	14.50	1.40625	2.8125	2.8125
C9	512	14.58	14.73	0.703125	1.40625	1.40625	C8	256	14.35	14.50	1.40625	2.8125	2.8125
C9	512	14.58	14.73	0.703125	1.40625	1.40625	C10	1024	14.81	14.96	0.3515625	0.703125	0.703125
C11	4相位码	15.04	15.36	0	0.17578125	0.17578125	C10	1024	14.81	14.96	0.3515625	0.703125	0.703125

Claims

1.一种密窄码道绝对式轴角光电编码器，由一个照明光源、一个绝对式光学码盘、一个集成光电接收元件、一套处理电路、一个壳体和一根轴组成，绝对式光学码盘与轴固定在一起，照明光源、集成光电接收元件、处理电路和壳体固定在一起，其特征在于绝对式光学码盘是密窄码道，照明光源是准直光源，集成光电接收元件是集成的自扫描光电二极管列阵，处理电路由稳压电路、恒光集成电路、模数集成电路、CPU、接口电路、恒光校准器件、均值校准器件和晶振器件组成；自扫描光电二极管列阵的硅光敏面与绝对式光学码盘的码道面平行、贴近放置，其硅光敏元的列阵方向沿着光学码道的径向，且每一硅光敏元的中心与光学码盘相应的码道中心分别相对；准直光源垂直于光学码盘，其光轴与自扫描光电二极管列阵中心重合。

2.根据权利要求1所述的密窄码道绝对式轴角光电编码器，其特征在于绝对式光学码盘是密窄码道格雷码的光学码盘，准直光源是带准直透镜的半导体激光器，自扫描光电二极管列阵的硅光敏面元呈“I”字型排列。

3.根据权利要求1所述的密窄码道绝对式轴角光电编码器，其特征在于绝对式光学码盘是密窄码道格雷码—相位码的光学码盘，准直光源是带准直透镜的半导体激光器，自扫描光电二极管列阵的硅光敏面元呈“T”字型排列。

4.根据权利要求1所述的密窄码道绝对式轴角光电编码器，其特征在于恒光集成电路采用HG3410集成器件或可编程逻辑集成电路CPLD im4A5-64/32；数模集成电路采用HG3409集成器件或可编程逻辑集成电路CPLD im4A5-64/32；CPU采用AT89C2051单片机；接口电路采用2个54HC374并口输出器件或采用1个ICL232串口输出器件。