反射式超小型光电编码器研制

何功　李雅楠

摘要：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、航天等领域有广泛应用。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，分辨率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。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。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SiliconLabs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26mm，长26mm，重量19g，分辨力为19.78″，精度σ为21.37″，满足系统要求。

关键词：反射式;超小型;多零点;光电编码器

引言：为了满足光电编码器体积小、重量轻和高精度、高分辨率的技术要求，本文研制了反射式超小尺寸光电编码器。首先，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，同时给出反射式超小型光电编码器的总体设计;其次，针对单零点增量式寻零效率低，提出采用多零点准绝对式的编码方式，利用32位的ARM实现光电信号的采集与处理，并通过RS422传输角度信息;最后，使用自准直平行光管和12面体检测精度。实验结果表明：该编码器的分辨率为19.78″（16位），精度σ=21.37″，尺寸26mm×26mm，重量仅为19g。

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。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。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。

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1所示。

由图1可知本编码器直径仅为26mm，长度26mm，在输出轴2mm处，增加顶針设计，方便安装使用[1]。

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。

2.2信号处理系统的实现

该编码器的电路板尺寸只有Φ=25mm，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SiliconLabs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6mm×6mm，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2所示。

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[2]。

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，

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面体相邻两个面分别与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。通过试验发现，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。

结论：

简而言之，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26mm，长度为26mm，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[3]。

参考文献：

[1]王显军.反射式光电编码器[J].光学·精密工程，2018，21（12）：3066-3071.

[2]于海，万秋华，王树洁，等.小型绝对式光电轴角编码器动态误差分析[J].中国激光，2017，40（8）：0808004—1-0808004—7.

[3]卢新然，宋路，万秋华.红外光源参数对光电编码器信号的影

响[J].红外与激光工程，2017，46（9）：0917007-1-0917007-6.