反射式超小型光电编码器研制*

陈 赟,高胜英,张 晰,韩庆阳

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033)

0 引 言

光电编码器是一种角度测量装置,其将空间角度信息转换成数字信息,在工业、国防、航天等领域有广泛使用[1～6]。然而,在一些特殊应用场合,对编码器的尺寸和重量提出了严格的要求,如:航天类仪器；因此,亟需研制体积小,重量轻,分辨力和精度满足要求的光电编码器。

光电编码器的反射式信号拾取方式是将光源、指示光栅和探测器集成于一体,放置在光学码盘一侧,具有结构简单,体积小,重量轻和抗干扰能力强等优点[7]。增量式光电编码器具有编码方式简单,工作可靠,反应灵敏等优点,因此得到大量使用[8～10]。然而,传统的增量式光电编码,一圈只有一个零位,因此,确定绝对位置时间长,寻零效率低。

本文研制反射式多零位光电编码器,通过简化码盘码道设计,并采用反射式光电信号拾取方式,减小体积；用Silicon Labs公司生产的32位 ARM实现多零位绝对位置确定算法和信号处理；通过RS—422通信将角度传输给主系统。经测量,本编码器直径尺寸26 mm,长26 mm,重量19 g,分辨力为19.78″,精度σ为21.37″,满足系统要求。

1 总体设计

1.1 码盘码道设计

光学码盘是光电编码器的核心元件,为一块刻有编码图案的光学玻璃盘,编码图案由明暗相间的刻线组成,包含了设计的编码信息。透射式光栅盘如果采用准绝对式的编码方式,需要两圈码道组成,即,零位和精码,如图1(a)所示。反射式码盘只有一圈码道,零位按照特定的规律编排在精码码道中,如图1(b)所示。由于码盘码道和信号拾取方式的变化,使结构得到优化,体积减小。

图1 光学码盘设计

1.2 机械结构设计

本光电编码器由精密轴承、主轴、轴套、弹片、光栅盘和信号接收处理电路等组成,如图2所示。

图2 反射式超小型光电编码器外形与结构

由图2可知本编码器直径仅为26 mm,长度26 mm,在输出轴2 mm处,增加顶针设计,方便安装使用。

2 信号处理方法研究

2.1 多零位编码方式原理

多零位光电编码器的寻零效率比单零位快,码盘的两个零位间的精码线条固定,且任意相邻两个区域内的精码线条不同,这样经过两个不同零位就能够确定光电编码器转过的绝对位置。确定绝对位置的算法如图3所示。

图3 算法流程

步骤1:若没有转动,系统的计数器保持初始化状态,一旦转动计数器就要进行计数；跳到步骤2。

步骤2:如果遇到零位,标记下此时的零位和遇到零位次数,跳到步骤3。

步骤3:在步骤要判断系统第几次遇到零位,如果是第一次,继续找零位,如果是第二次,则进行步骤4。

步骤4,根据步骤2对零位的标记判断是否是同一零位,若不是则根据标记查表译码得到绝对位置,否则回到步骤2。

2.2 信号处理系统的实现

该编码器的电路板尺寸只有Φ=25 mm,所以,传统的整形放大,AD采集等信号处理硬件电路在此并不适用；而专用处理芯片的开发成本高、时间长。因此,本设计选用Silicon Labs公司32位 ARM作为信号处理芯片,该芯片内部集成12位SARADC以及CMP中断,尺寸仅为6 mm×6 mm,能够完成光电编码器信号处理电路和数据处理；RS422通信由MAX488完成。故电路板上只有反射式探测器、主处理器和MAX488三个芯片和一些外围电路组成。信号处理系统的总体设计如图4所示。

图4 信号处理系统总体设计

反射式探测器出来的Sin+、Sin-、Cos+和Cos-四相位信号分别给ARM的CMP及SRADC中断,零位信号则只给SARADC中断,经过CMP和SARADC处理,可以得到功能等同于整形放大和AD电路功能的信号,信号处理模块主要完成对粗码信号多零点绝对位置确定算法、精码细分和精粗校正等功能,具体信号处理软件流程图如图5所示。

图5 软件处理流程

3 精度检测及分析

3.1 精度分析

光电编码器的误差由码盘制造误差、轴系晃动及码盘偏心误差、细分误差、量化误差和检测误差组成,是上述 5部分误差综合作用的结果。其中,码盘制造误差、轴系晃动及码盘偏心误差和细分误差,是误差的主要组成部分,被称作光电编码器的三大误差[11]。经分析本编码器的误差构成如下:

6)合成误差

编码器的最终误差是上述5种误差的合成,本编码器的最大合成误差为

3.2 精度检测

采用自准直光管和12面体检测本编码器的精度,12面体相邻两个面与分别自准直光管垂直时编码器转过的角度为360°/12；即30°的整数倍。检测结果与基准角度求差,再将12面体的修正值考虑进去,就得到检测结果。检验结果如表1所示。

表1 精度检测结果

由表1可知:反射式超小型光电编码器的误差最大值为0″,最小值为-63.9″,峰峰值为63.9″,均方根为21.37″，小于49.58″,满足系统的精度要求。

4 结 论

研制了一种反射式超小型光电编码器,提出利用反射式的光电信号识取方式,减少码盘码道数,从而减小体积,优化结构,采用多零位的编码方式提高寻零效率。实验结果表明:该编码器直径26 mm,长度为26 mm,重量19g,分辨力为19.78″(16位),精度σ为21.37″。实际应用表明:该编码器满足系统要求。由于系统要求,尺寸未进一步缩小,如有需要,尺寸和重量还有进一步缩小的空间。