绝对式光电编码器关键技术研究

2015-03-25赵波，宋明

科技传播 2015年19期

关键词：码盘编码器代码

赵波，宋明

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033

绝对式光电编码器关键技术研究

赵波，宋明

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033

绝对式光电编码器在工业生产及军用方面有着广泛的应用。绝对式光电编码器可以实时输出被测物的转动角度值，通过换算可以得到被测物的速度、加速度及位移等数据，且具有实时性好、测量精度高、看恶劣环节等特点。文中对绝对式光电编码器设计中的关键问题进行了详细讨论，给出了详细设计方案。

绝对式；光电编码器；关键技术

光电编码器又称为光电角位移传感器，采用光电转换的方式实时输出被测物的旋转角度。其一般采用轴-轴连接的方式，以光栅元件作为角度传感器，通过发光接收元件将光信号转换为电信号，CPU接收电信号将其转换为固定格式的数字量进行测量。

光电编码器分为绝对式和增量式两种。增量式光电编码器输出的信号为计数信号，通过专用的计数电路计数得到角度值，其在突然掉电时会丢失数据；绝对式光电编码器克服了增量式光电编码器的缺点，实时输出目标角度值，无积累误差，掉电不丢失数据。

1 系统组成

采用光学、机电一体化设计思想，全封闭结构。具有强度高及防腐蚀性能好的特点，如图1所示。

图1 光电编码器整体结构图

绝对式编码器把轴角信息转换成数字代码，为系统提供动态控制和测量用角度信息。绝对式编码器电路包括：光电信号整理电路、A/D模数转换电路、DSP数据处理电路、接口电路、控制软件、电源等。

2 系统电路设计

2.1 码盘

作为编码器核心元件的码盘，其表现为玻璃材质，具有干同心圆码道的形态，并且每条码道均由多个等周期的线条共同构成。

码道压缩技术是矩阵码盘中常规技术体现，其价值在于帮助码道一周输出多位码道信息，并且因此达到缩减码道数圈数的目标，进一步可以缩小码盘直径，优化整体码盘结构。除此以外，矩阵码盘的精码道还会引入一圈输出一位的思路实现设计方案，并采用裂相方案保证4路精码信号相位依次错开90°。编码器在整体设计时采取了对径读数、校正、细分等多项技术，对于切实提升编码器的精度与稳定性有着积极价值。码盘结构参见图2。

图2 码盘图

2.2 DSP处理电路

单片机是编码器电路系统的核心部分，选用DSP系列TMS320F2812为主机。粗码A及中精码F码均经AD输入接口送至处理器，完成数据采集和译码。

对径读取的两组精码信号经差分放大得到下列四路精码信号：

U1=V.Sin(a) U2 = V.Cos(a)

U1ˊ=VSin(a) U2ˊ= V.Cos(a)

精码信号由MAX1308完成A/D转换直接送入DSP。处理器对码道输入信号进行处理，最后通过422接口将24位自然二进制角度总代码输出。

2.3 代码校正电路

编码器有12条粗码道，其自然二进制码为：

X1=A1 X2=X1⊕A2 X3=X2⊕A3

X4=X3⊕A4 X5=X4⊕A5 X6=X5⊕A6

X7=X6⊕A7 X8=X7⊕A8 X9=X8⊕A9

X10=X9⊕A10

X11=X10⊕A11

X12=X11⊕A12

式中：

Am—格雷码；

Xm—自然二进制码。

由于工艺上的原因，不可避免地在各码位上出现偏差.特别是码道内圈由于刻划半径小同样的切线方向误差，反映到内圈误差就大。设计码盘时在适当位置将码道分为精码和粗码。外圈取精码，再经过其他精化措施，确保其精度。校正逻辑用比较精确的码道作标准，来发现并修正各粗码码道端面偏差，这就是代码校正（奇偶校正原理）。

根据奇偶判别原理，有如图3所示代码校正码道关系图。图中B0为精码，B1为校正控制码。它们的周期相等，相位错开四分之一周期。F为校正码，它使各个位置满足相同的校正条件。Xm为被校正的粗码，Xm与F周期相同，相位错开四分之一周期。当Xm没有发生偏差时，任何位置B0，F，Xm模值相加之和均为偶数；如果发生偏差，B0、F、Xm模值相加之和将为奇数，相应的要对Xm进行加1或减1校正，校正关系式如下：

∑B0XmF=偶数时不校正；

∑B0XmF=奇数且B1＝0时：B0=1，减一校正；B0=0，加一校正。

校正只有在B1＝0时才能进行，如果Xm的变换范围超过这个区间就不能校正，因此Xm的校正范围是B1周期的四分之一。