一种新型四矩阵的绝对式编码盘

季 英 瑜

(衢州学院 机械工程学院， 浙江 衢州 324000)

0 引 言

码盘是光电轴角编码器的核心元件[1-3]，由刻画一定图案(码道)的码盘和与之相配合的狭缝盘组成。它是在玻璃或金属表面的圆环区域上刻有若干圈均匀分布的透光或不透光相间的栅线的圆分度元件，具有抗干扰能力强、无累积误差、掉电重启后无须重新对零等优点[4-5]。随着工业现代化、军工、国防、科研等领域的发展，需要光电轴角编码器也趋向小型化、智能化。若要满足要求，主要从两方面进行有效改善：① 缩小其核心元件——码盘及狭缝盘的径向尺寸;② 改变码盘上的码道编排方式[6-7]。但是，码盘与狭缝的尺寸缩小后，会影响码道区域的有效宽度，即要保证同等分辨率，如果码道数量不变，只能减少码道的宽度，这样对减小编码器尺寸的贡献很小；而保证码道宽度不变，只能是减少码道数量，这样又会造成编码器分辨率降低。因此，在码盘的径向尺寸缩小而又不减少编码器的输出位数，就要在码盘的码道布局上采取新的设计方法。

本文提出了一种新型的矩阵绝对式编码盘，采用全新码道布局方式和单读数头读取方式。与传统三圈8位矩阵码盘相比，第一圈可读取4位，第二圈2位，第三圈4位，分辨率大大提高。

1 新型矩阵编码盘设计

新型的四矩阵编码盘解决技术问题的方案包括码盘和狭缝盘。两者之间相互平行并保持一定的间隙，分别安装在编码器的主轴(转子端)和主体(定子端)上，码盘随编码器主轴转动，狭缝盘相对于编码器主轴固定不转动，码盘与狭缝盘之间相对转动，输出代码记录着编码器主轴转动的角位移位置。

1.1 码盘的码道布局[8-11]

码盘的码道布局如图1所示：在码盘上刻划3条码道，第一圈码道分为区0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°四个扇形区域，每个区域的通光、不通光区域的设置是不同的。0°～90°的区域内，全部为非通光区；90°～180°区域内，全部为通光区；180°～270°区域内，有2个通光区段，通光区段和非通光区段的宽度相等、相间分布，每个通光区段和非通光区段的宽度都为90°/4=22.5°；270°～360°区域内，有2个通光区段，通光区段的宽度为非通光区段的1/2，宽度为22.5°。

第二圈码道为校正码，是在整个圆周上等间距地设有16个通光区段，通光区段和非通光区段的宽度相等、相间分布，靠近0°(360°)两侧各有一个通光区段，其宽度为通光区段的1/2，宽度为360°/(16×2)/2=5.625°，也就是0°(360°)线跨一个通光区段中心。通光区段和非通光区段的宽度都为5.625°×2=11.25°。

第三圈码道均分为4个扇形区域，每个区域的通光区和非通光区的设置是完全相同的。每一宽为90°的扇形区域中，通光区段的段数按2，4，8，16的等比数列梯次分布在每个宽为22.5°的分区域中，同一分区域中的通光区段和非通光区段的相间分布，每2个通光区段间的非通光区段与通光区段的等宽，但首、尾2个通光区段的外侧还各有一个半宽非通光区段，即其宽度为通光区段的1/2，以实现通光区段和非通光区段各自的总宽度均等于11.25°。图2是已有技术中码盘码道的布局结构示意图。

1.2 狭缝盘的码道布局

在图3所示的狭缝盘上，有三圈狭缝，第一圈狭缝设有8个狭缝，用a1～a8表示，a1在357.187 5°位置、a2在2.812 5°位置、a3在19.687 5°位置、a4在25.312 5°位置、a5在42.187 5°位置、a6在47.812 5°位置、a7在64.687 5°位置、a8在70.312 5°位置；第二圈狭缝设有2个狭缝，用b1、b2表示，b1在5.625°位置、b2在11.25°位置；第三圈狭缝设有4个狭缝，用c1～c4表示，c1在0°(360°)位置、c2在22.5°位置、c3在45°位置、c4在67.5°位置。图4是已有技术中狭缝盘上狭缝布局结构示意图。

图1 码盘码道的布局结构图2 已有技术中码盘码道的布局结构

图3 狭缝盘上狭缝布局结构示意图图4 现有技术中狭缝盘上狭缝布局结构示意图

2 编码盘的译码原理

码盘的三圈码道分别与狭缝盘的三圈狭缝相匹配，当码盘顺时针转动时，三圈狭缝盘在遇到码盘上相对应的码道的通光区段时，呈现高电平状态，则有信号输出。遇到不通光区段时，呈现低电平状态，没有信号输出[12-15]。利用光敏原件接收信号，光敏原件与狭缝盘相对应，在第一圈分布8个，第二圈2个，第三圈4个，然后将14个光敏元件集成一个读数头。

第一圈狭缝a1～a8接收到的光电信号如表1所示。其中，Ax代表通光区高电平信号；空格代表不通光区低电平信号，信号处理的关系式为：

A1、A2、A3、A4不是传统的周期码，通过A4×20+A3×21+A2×22+A1×23计算出十进制数字，然后按照规定编译成0～15的四位二进制码Z1、Z2、Z3、Z4，分别对应16个状态。

表1 第一圈狭缝接收到的光电信号

第二圈狭缝b1和b2各自输出了单一的A5码和A6码，无须经特殊处理即已成为传统的第5位和第6位码。

第三圈狭缝c1、c2、c3、c4接收到的光信号如表3所示，这些处理成传统的周期二进制码的关系式为：

表2 第三圈信号与传统格雷码的关系

经过处理后，得出10位格雷码，见图5。

图5 码道工作图

3 检测、试验分析

根据以上理论制作出小型编码器，对其进行误码检测，利用数据采集软件，将匀速转动的编码器实时输出进行采集，编码器转动1周即360°得到一组数据，每隔360°/1 024角度进行测量，利用相邻位置的角度差恒等于分辨率，进行检测。查看差值的规律，如果存在误码，读数差有误，在曲线上能看到有突跳点。经多次通过试验证明，不存在误码现象，因此采用本研究的新型编码盘的绝对式光电轴角编码器具有可行性。其测角精度能够达到±0.351 562 5°。由于需采集1 024个数据，故截取其中一段曲线如图6所示，证明其不存在误码现象。

图6 光电轴角编码器误码检测试验结果

4 结 语

本文提出了一种新型的四矩阵式绝对编码器，与现有的四矩阵式码盘相比较，同是三圈码道与三圈狭缝的匹配，已有技术只能输出八位码，测角分辨率为1.406 25°，4个读数头。本设计的编码盘可输出十位码，测角分辨率为0.351 562 5°(360/210)。现有技术狭缝窗口在360°圆周上四等分分布，本设计狭缝窗口分布在90°范围内，采用单头读数，狭缝尺寸为已有技术狭缝尺寸的1/4，有效地解决了编码盘输出位数与尺寸间的矛盾,有利于编码器的小型化、光电元件的集成化，具有可行性。而且结构简单，调试方便，促进编码器小型化发展，扩大了编码器的应用范围。

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