（安全技术及工程专业论文）基于单码道绝对位置编码的光电式轴角编码器.pdf

j 匕京交通人学硕士学位论文学位论文 单码道绝对位置编码克服了传统位置编码随精度提高而码道增多，工艺上不 易实现的缺点，可缩减码盘的尺度，并可根据工程需要，生成相应的精度的编码， 为绝对位置角度传感的高精度、小型化、集成化丌辟了一条新的途径。图4 0 幅， 表1 4 个，参考文献5 7 篇 关键词：绝对位置角度传感器：索引式绝对位置编码；均布式绝对位置编码：单 码道绝对位置编码；卡诺图：格雷码；m 序列；伪随机序列 分类号：t h 7 4 1 北京交通人学硕 士 学位论文 学 位 论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r ea l l da u t o - t e c h n o l o g y e n c o d e r , t h e c o m b i n a t i o no fd i g i t a la n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di n t op r a c t i c e r e c e n ty e a r s t h em i n i a t u r i z e de n c o d e rh a sm a d ec h a l l e n g e st ot h et r a d i t i o n a lo n e i ts e a m t h a tt h es t u d yo fn e wc o d i n gt h e o r y , t h ei n v e n t i o no fn e wt y p e so fe n c o d i n gd i s k , a n dt h e u s i n go fa d v a n c e de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi nd e v e l o p m e n to fn e wa b s o l u t ep h o t o e l e c t r i c e n c o d e rh a sb e e nat e n d e n c y t h i sp a p e r , a b s o l u t ee n c o d e rb a s e do nas i n g l et r a c li sf o c u s e do nt h es t u d yo fn o w a b s o l u t ee l e c t r o n i cc o d i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h eq u a n t i t ya n dr e a d i n gp o s i t i o nt h a tt h e c o d i n gd i s kr e q u i r e s i tc a nb ec a t e g o r i z e di n t ot h ei n d e xa b s o l u t ee n c o d e ra n dt h eu n i f o r m a b s o l u t ee n c o d e f b yp s e u d o - r a n d o ms c q l l e n c e , t h ei n d e xa b s o l u t ee n c o d e rc 锄b ei n d e x e de a s i l ya n d a c c u r a t e l y t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d si t sa p p l i c a t i o ni na b s o l u t ea n g u l a re n c o d e ra n dt h e g e n e r a t i o no f e n c o d e r c o n s i d e r i n gi ti sas i n g l et r a c ke n c o d e r , t h ep s e u d o - r a n d o ms e q u e n c ei n d e xa b s o l u t e e n c o d e r , l e n g t hp = 2 。- 1 ，i s g e n e r a t e d b a s e d o n m - s e q u e n o e i n t h e m e t h o d o f a d d i n gz 锄 i na d v a n c e , i tg e t si n d e xw i t ht h en u m b e ro f2 。r a n g i n gf r o mz e r ot o2 4 - 1 h o w e v e lt h e m e t h o d , m - s e q u e n c ec u t t i n g , c a nb ea d o p t e dt og e t a l li n d e xl e s st h a n2 。- 1 w i t hf i r s tp l a c e c , o r m e c t i o n i nt h i sc 蕾c t h eq 时耐o f g m m a t i n gh i g hm a ka i 搭o l a mm c o d e ri sf a s t e rt h i nt h a t o f s e a r c h i n gs t e pb ys t e p t h en u m b e ro ft r a c k si n c r e a s i n gr e s p o n d sp o s i t i v e l yt ot h ea c c u r a c yo ft h et r a d i t i o n a l g r a yc o d i n gd i s k , w h i c hi sa g a i n s tt h em i n i a t u r i z a t i o no fa n g l ee n c o d e r b e s i d e s ，t h eh i g h e r t h et e c h n o l o g yi s , t h eh i g h e rt h ec o s ti s n ”i n d e xa b s o l u t ee n c o d e rd 斌a c c o r d i n gt ot h e p r o j e c t s , n e e d so n l yt w ol a c k s n a m e l yt h es y n c h r o n o u st r a c ka n dt h ei n d e x 缸a c k , a n dt h r e e p h o t o s e n s i t i v er e a d i n gh e a d sf o rh i g hr a n ki n d e xe n c o d e rt or e a da b s o l u t ep o s i t i o n a ln u m b e r s ， w h i c hi si nf a v o ro fa d v a n c i n gm i n i a t u r i z a t i o na sw e l la sr e d u c i n gt h ec o s ta n dt e c h n o l o g y t h u s ，i ti sh i g h l yw o r t hw h i l ep r o m o t i n g 1 1 坞n u m b e ro ft r a c k si n c r e a s i n gr e s p o n d sp o s i t i v e l yt ot h ea c c u r a c yo ft h et r a d i t i o n a l g r a yc o d i n gd i s k , w h i c hi sa g a i n s tt h em i n i a t u r i z a t i o no fa n g l ee n c o d e r b e s i d e s ，t h eh i g h e r t h et e c h n o l o g yi s ，t h eh i g h e rt h ec o s ti s t h ei n d e xa b s o l u t ee n c o d e rd i s k ，a c c o r d i n gt ot h e p r o j e c t s ，n e e d so n l yt w or a c k s ，n a m e l yt h es y n c h r o n o u st r a c ka n dt h ei n d e xt r a c k , a n dt h r e e p h o t o s e n s i t i v er e a d i n gh e a d sf o rh i 【g hr a n ki n d e xe n c o d e rt or e a da b s o l u t ep o s i t i o n a ln u m b e r s ， w h i c hi si nf a v o ro fa d v a n c i n gm i n i a t u r i z a t i o na sw e l la sr e d u c i n gt h ec o s ta n dt e c h n o l o g y t h u s ，i ti sh i g h l yw o r t hw h i l ep r o m o t i n g 1 1 l cu n i f o r ma b s o l u t ee n c o d e rb a s e do nk a m a u g hm a pi sd e s i g n e da c c o r d i n gt og r a y c o d ea n dp s e u d o - r a n d o ms e q u e n c ec o d e i th a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h a ti s ，t h e r ei s 北京交通人学硕十学位论文学位 论 文 o n l yo n ed i f f e r e n c ei t lc o n s e c u t i v en u m b e r sw i t hg r a yc o d ea n dn oc u r s o r ye r r o r s ；i th a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l et r a c kp s e u d o - r a n d o ms e q u e n c ei n d e xa b s o l u t ea n g u l a re n c o d e r ；i t n e e d so n eu n i f o r mw a c kt or e a l i z ea b s o l u t ep o s i t i o n a lo r i e n t a t i o nw i t h o u ta d d i t i o n a l s y n c h r o n o u st r a c k i t sp h o t o s e n s o rd i s t r i b u t e se v e n l ya l o n gt h et r a c kc i r c u m f e r e n t i a id i r t i o nw h i c hi si n f a v o ro fm i n i a t u r i z a t i o na n dr e d u c i n gc o s t t h eu n i f o r ma b s o l u t ea n g u l a re n c o d e rs e t sv a l u e s f l e x i b l y a c c o r d i n g 幻t h ep r o j e c t s ，i t sa c c u r a c yc 锄b ef i x e d o nb yt 妇n a g u g hm a p m e a n w h i l e ，b yu s i n gt h ei n d e xc o d ew i t ht h el e n g t hn u m b e rt h a ti s , x a c t l yd i v i s i b l eb y3 6 0 d e g r e e , i tc 孤r e a l i z et h ep e r f e c t l yd i v i s i o no fd i s k , t h ei i 吣“维s eo fd i s ka e 虻u r a c ya n dt h e r e d u c i n go fe ! - r o i s b 勰t h eu n i f o r ma b s o l u t ea n g u l a re n c o d e rg o tf r o mg a r n a g u g hm a p h a sm a n yi l l u s t r a t i o u s , m a n yw a y sa c c e s s i b l et ot h ep r o d u c eo ft e c h n o l o g yc a nb eu s e dt o c o d e i t n 圮i n d e xa b s o l u t ea n g u l a re n c n d e ra n dt h eu n i f o r ma b s o l u t ea n g u l a re n c o d e rb o t h b e l o n gt ot h en 册s i n g l et r a c ka b s o l u t ea n g u l a ra 帕o d t 氘1 1 b eg e n e r a t i o no f t h e mi se a s ya n d r e l i a b l ea n di t sa l g o r i t h mi s e a s i l yg o t t h e s et w oc o d e sr e s p e c t i v e l y h a v ed i f f e r e n t a d v a n t a g e sa n da p p l yt od i f f e r e n tr a n g eo f p r o j e c t s w ec 扰c h o o s ee i t h e ro n e i np r a c t i c e n es i n g l eu - a c ka b s o l u t ea n g u l a re n c n d e ro v e g d o m e st h ew e a k n e s st h a tt h en u m b e ro f t r a c k si n e r e a s e aa st h et r a d i t i o n a la n g u l a re n c o d e r sa c c u r a c yi n c r e a s e sa n dt h ed e f e c tt h a tt h e p r o c e s so ft e c h n o l o g yi sh a r dt or e a l i z e c o n v e r s e l y , i th e l p st or e d u c et h ed i s k sy a r d s 6 c l c m o r e o v e r , a p p l y i n gt ot h ep r o j e c t s i tg e n e r a t e sc o r r e s p e n d e n t l ya c c u r a t ec o d e f o r e , i t b r e a k san e wp a t ha n do f f e r sai 删i d e ai nr e a l i z i n gt h eh i g ha c c u r a c y , t h em i n i a t u r i z a t i o n a n dt h ei n t e g r a t i o no f a b s o l e t ea a g u l a re n c o d e t k e y w o r d s ：a b s o l u t ea n g u l a re n e n d e r ；i n d e xa b s o l u t ea n g u l a re n e n d e r ；u n i f o r ma b s o l u t e p o s m o n 8 1e n c o d e r , s i n g l ew a c ka b s o l u t ea n g u l a re a r o d e r , k a r n a u g hm a p ；g r a yc o d e ； m - s e q u e n c e ；p s e u d o - r a n d o ms e q u e n c e c l a s s n o ：t h 7 4 l 致谢 由于时间和能力所限，本论文中还存在着疏漏与不足之处，恳请各位专家、 学者和老师给予批评指正，以求在今后傲进一步灼完美与提高。 本论文是在朱衡君教授指导下完成的，在这里，我要衷心的感谢朱老师的悉 心指导。朱老师在主持外事处繁忙的行政工作与实验室科研工作的同时，仍给予 我精心的教诲和无私的帮助 在两年的工作和学习中。从身传言教中，朱老师的严谨的治学态度和敬业精 神使我在学业上获益良多，对我在工作和学习上的要求一丝不苟，尤其是在培养 我严谨治学态度、对科研的敏感性上，是不可多得的良师。朱老师懂得如何让学 生发挥自己的主观能动性，给我们思考的天地与自我才能发挥的空间，并对学生 提出的具有建设性的观点和想法能虚心的采纳。 研究生期间，实验室的邱成、齐红元老师、肖红燕老师、杨江天老师、万里 冰老师都曾给予我大量的帮助，在此我向他们表示衷心的感谢。 我还感谢实验室薛寒光同学、薛子云文同学和郭子祥同学同学给予的帮助和 关怀，感谢校机电工厂的步师傅在实现产品样机的帮助。 北京交通 人学硕十学位论文学位 论 文 第一章绪论 1 1 光电编码器的发展历史与研究意义 在电气化时代的今天，角度编码器一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作 用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备， 还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的角度编码器而光电式绝对 位置编码器，由于它的具有精度高、非接触测量，无接触磨损，抗干扰能力强等优点， 在复杂控制领域中更是得到了广泛的应用。例如：军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄 准惯性导航、卫星姿态、飞船光电池对太阻跟踪的位置控制等；工业方面的各种加工 中心、专用加工设备、数控机床、工业机器入、塑料机械、绕线机、纺织机械、新型工 业缝纫机、绣花机、泵和压缩机、轧机主传动、轧辊等设各的位置控制；计算机外围设 备和办公设备中的各种磁盘驱动器、各种光盘驱动器、绘图仪、扫描仪、打印机、传真 机、复印机等的位置控制【l 喀等。 1 1 1 光电编码器的发展历史 以计量光栅为核心的光电编码器是驻着计量光栅技术的发展而发展起来的。1 5 7 4 年，英国物理学家聩利首先提出了利用莫尔条纹的移动来测量光栅相对位移的可行性， 为计量光栅的发展奠定了理论基础【2 】。从1 8 7 4 年直到1 9 5 0 年为止，由于光栅价格昂贵 而电子技术还处于初级阶段，使得计量光栅在位置检测中的实际应用很少到1 9 5 0 年 和1 9 6 0 年，m e r t o n - 1 娜l 法和照相复制法的出现使得大量生产廉价的计量光栅成为可能。 1 9 5 3 年，英国f c r r a n t i 公司发明了四倍频可逆计数系统，这在开发与计量光栅相对应的 光电子系统方面，取得了突破性进展。在此后的2 0 年闯，各国对光电系统在栅距细分 上提出的更高要求做出了长期的努力，先后发展了机械式、光电式扫描细分系统，及多 种光学细分和电子学细分方法，为提高计量光栅及其所在的光电轴角编码器的分辨率做 出了贡献四。 伴随计量光栅精度的提高和细分技术的发展，从8 0 年代开始，以机电一体化产品 的出现为标志，光电编码器已成为人们普遍认可的精密测角装置，它在控制系统的位置 反馈测量及传动误差的比较测量方面也发挥着越来越大的作用 4 j 。 j 京交通人学硕 士 学位论 文学位论文 1 1 2 研究意义 当今的社会是信息的社会，信息的获取只益重要。现代信息技术的三大支柱是传感 器技术、通讯技术和计算机技术随着当今科学技术和知识经济的发展，高新技术已经 不断渗入国民经济的各个领域，这就使得工业自动化监测、控制技术与计算机技术的结 合越来越广泛。作为感知、采集、转换、传输与处理各种信息的传感器及其系统的发展 趋势也逐渐从传统的模拟式向数字式转化。传感器技术是信息社会的重要技术基础，传 感器的品种、数量、质量和技术水平直接决定了信息技术系统的功能和质量。因此国外 一些著名专家评论：“如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明的科学就不能 得到发展。桶 作为一种采用光电技术进行非接触角度计量的仪器仪表，编码器将机械运动中转 速、位移、角度等物理量转变成数字化电脉冲，将它与数字处理技术和计算机技术相结 合，可实现快速、及时、准确的检测与控制，在位置计量领域具有不可替代的作用嘲。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 研究现状 根据形成代码的方式不同，传统的光电编码器主要分成两种类型：增量式( 直接计 数式) 和绝对式( 直接编码式) 。增量式编码嚣的码盘如图1 ( a ) 所示，其码盘的刻线 间距均匀，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲，计数器相对于基准位置( 零 位) 对输出脉冲进行累加计数。正转则加，反转则减。增量式编码器的优点是易于实现 小型化，响应迅速，结构简单，其缺点是捧电后容易造成数据损失，且有误差累积现象 f 7 】。绝对式光电轴角编码器一般使用二进铡码盘，如图l ( b ) 所示，码盘上的码道按一 定规律排列，对应每分辨率区间有唯一的二进制数，因此在不同的位置，可输出不同 的数字代码。绝对式光电轴角编码器同增量式相比，具有固定零点，输出代码是轴角的 单值函数，抗干扰能力强，掉电后再启动无须重新标定，无累积误差等优点，因此在国 防、航天，及科研部门得到了广泛应用。绝对式光电轴角编码器的缺点是制造工艺复杂， 不易实现小型化网。 北京交通 人学硕 十学 位论文 学位 论文 i ，l 图1 增量式编码盘与绝对式编码盘 当前世界上主要生产光电编码器的厂家有：德国h e i d e n h a i n 公司和o p t o n 公司， 美国的i t e k 公司和b & l 公司，日本的尼康公司、三丰公司和佳能公司此外，英国， 瑞士和俄罗斯的一些厂家也在光电轴角编码器的研制方面作出了很多贡献其中 h e i d e n h a i n 公司生产的编码器系列以其优质的性能。多样的品种誉满全球。居国际领先 水平我国对计量光栅的研究始于1 9 6 0 年前后，由中科院长春光机所率先进行光电轴 角编码器的研制，现已有增量式和绝对式数十种型号的产品此外，成都光电所、天文 仪器厂、重庆大学、中国计量科学研究院、清华大学、哈尔滨工业大学等数十家科研单 位也都先后进行了光电编码器的开发与研制，并取得了一定成果唧。 在提高光电编码器的分辨率和精度方面，国内外已采用电子学细分，多头读数及提 高码盘刻划精度，提高轴系精度等多种措施成都光电所研制的2 5 位绝对式光电轴角 编码器，分辨率已达0 0 4 ，精度0 ，7 1 ”。长春光机所在8 0 年代末生产的2 3 位绝对式光 电轴角编码器，分辨率为0 1 5 ”，铡角精度达0 5 l ”。目前，由长春光机所研制的u 也一 5 8 激光编码器，输出1 6 2 0 0 0 线周，外径为5 8 m m ，研制的旋转激光编码器分辨率可达 0 0 1 ”，线性激光编码器分辨率可达2 5 n m 。国内其它数十家生产光电轴角编码器厂家， 大多只生产低位数的编码器。相比之下，国外h e i d e n h a i n 公司为意大利伽俐略望远镜控 制系统设计并制作的2 7 位增量式光电轴角编码器，如图2 所示，经2 1 2 细分后，它的测 角精度已达0 0 3 6 ”，分辨率约为o o l ”，是当今世界精度最高的光电编码器【。美国的 i t e k 公司于1 9 8 4 年研制了2 1 位光电轴角编码器，现也正准备研制2 7 位绝对式光电轴 角编码器，以满足其航天技术的需要。 北京交通人学硕 七学位 论文 学位 堡塞 图22 7 位增量式光电轴角编码器 与此相应，日本编码器工业在工业机器人及办公自动化迅速普及的影响下，则偏向 予向小型化、智能化的方向发展。为开发高分辨率、小型增量式编码器，尼康公司研制 了2 h r 3 2 4 0 0 光电轴角编码器，每旋转一周可输出1 2 9 6 万个可逆记数脉冲此外，日 本的其它公司也研制了小型、轻便，且有着高质量信号输出的激光编码器【1 。1 2 1 ”】当 代日本编码器的年产量约为1 6 0 多万台，它们以超小型、低成本、多功能、高分辨率、 高可靠性见长，在国外编码器市场上独领风骚。 1 2 2 发展趋势 近年来，随着工业自动化的迅速发展。工业生产对编码器的要求也不断提高同时 也促进编码器的发展。纵观国内外光电编码器的现状，其发展趋势是高精度、高分辨辜、 高频响、小型化、智能化【1 4 1 其主要发展方向： ( 1 ) 编码器的体积向小型化发展 采用新的编码方式，缩小码盘尺寸，进而使编码器的体积小型化是光电编码器的一 个重要发展趋势。国外已对新型光电式编码器开展了多方面的研制。我国在小型增量式 编码器的开发上取得了一定成果。绝对式编码器的小型化由于受到刻划精度等因素的限 制，则发展缓慢。 ( 2 ) 产品制造向系列化方向发展 为适应批量生产，满足市场需求，光电编码器的产品及其组成元件应本着低成本， 高质量的原则逐渐向系列化、标准化的方向发展。例如，在光电编码器的电子学处理电 路中，通常要完成细分、校正、译码、显示等功能。如果把完成这些功能的各组成都分 模块化，则可根据用户的不同需求，采取不同的模块组合，不仅大大减少了制造时间， 还可以提高工作效率 北京交通人学硕十学位论文学位 论 客 ( 3 ) 适用于恶劣的工作环境 在某些特殊的应用场合，要求光电编码器有良好的抗冲击、耐高温、耐腐蚀、及防 振动等能力，即不仅能工作在较理想的工作环境中。也能在恶劣的条件下正常运行我 国目前正在开发的金属码盘、塑料码盘，就是应某些特殊需求而研制的。传统的玻璃码 盘将逐渐被更结实、更可靠的新型码盘所代替。 1 3 论文立题 1 3 1 课题来源 基于单码道绝对位置编码的光电式轴角编码器是从北京交通大学科技基金项目 ( 2 0 0 3 s 7 _ 0 1 0 ) 中衍生的，目的是探索在单码道绝对式编码器上编码方式的理论算法突 破和工程实现。 1 3 2 课题背景 对于传统的编码器，一方面，根据其光学和电学原理，由于需要标尺光栅( 主光栅) 和指示光栅 新型索引式绝对位置编码的生成算法 新型均布式绝对位置编码的生成算法 新型均布式绝对位置编码器的工程样机实现 1 4 论文结构 单码道绝对位置编码包括新型索引式绝对位置编码和新型均布式绝对位置编码，两 种单码道绝对位置编码各有优点，适用于不同的工程应用范畴 可以利用伪随机序列的原理来生成索引式绝对位置编码。一阶索引式绝对位置编码， 若生成的循环长度为p = 2 。一i ，则可利用肼序列来生成。生成的循环长度p - - 2 。，则 可利用m 序列补零来生成，若生成的循环长度为p 2 。一l ，则可用m 序列截短来生成。 这样就可以根据工程具体需要的精度来生成索引式绝对位置编码。由于索引式绝对位置 编码译码涉及到辨向、同步读取等问题，因此采用f p g a 构造索引式绝对位置编码的译 码电路。 由于均布式绝对位置编码具有格雷码的性质，和位置数不能取全的特性。因此，任 意位数的均布式绝对位置编码可以利用数理统计计数和卡诺图查表的方法来获得。在设 计均布式绝对位置编码时，可先按排列组合原则先设计基本区的均布式绝对位置编码的 位置读数，然后利用卡诺图查表，遵照首末相配原则得到h 阶字长的均布式绝对位置编 码。由于均布式绝对位置编码的性质，其译码电路简单可靠。 北 京交通人学硕 十 学能论文 学位 论 本文的具体内容安捧如下： 剖析传统光电式角度编码器及国内外新型编码器( 第二章) ，对新型索引式绝对位 置编码的原理和生成方法，进行深入研究( 第三章) ，对新型均布式绝对位置编码的原 理和生成方法，进行深入研究以及工程样机的实现( 第四章) 1 5 小结 本章综述了编码器的发展历史、国内外研究现状和发展动态，对编码器研究的已有 成果及存在的难点和焦点闯题进行了论述，指出：编码器的小型化将是一个热点方向； 采用新的编码方式实现编码器的小型化和系列化有待研究和应用 北京交通人学硕士 学位论文学位 论 文 第二章传统光电式角度编码器及国内外新型编码器 角度数字编码器是器件化、数字化了的角度自动读数装置它具有精密度高、结构 简单紧凑、工作可靠和性能好等优点，因而成为近代光学和电子技术领域中的一个重要 方面。编码器属高分辨率、高精度单元。比如德国h e i d e n h a i n 公司和o p t o , 公司生产的 刻线在1 0 8 0 0 到3 6 0 0 0 的增量式编码器，输出的正弦波被后续电子系统细分2 0 、1 0 0 倍 或更多，分辨率达0 6 3 “或o 1 8 “，分度误差小于士l ”或2 ”角度数字编码器具有精密 度高、结构简单紧凑、工作可靠和性能好等优点，因而成为近代光学和电子技术领域中 的一个重要方面【嘲 2 1 传统角度编码器及编码方法 角度数字编码器又称码盘，它是直接测量转轴位置最有效的方法之一，具有很高的 分辨率和颡4 量精度。角度数字编码器有两种类型：增量式和绝对式。增量式编码器需要 一个读数系统和一个辨向系统。旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，在计数中对 每个基数进行加或减，从而记录了旋转的方向和角位移量。绝对式编码器不需要基数， 它在任意位置都能给出与其相对应的一个周定的数字码输出由于光电绝对编码角度传 蓐嚣具有精度高、非接触测量，无接触磨损，抗干扰能力强等优点，因而得到了广泛的 应用【1 7 1 。 2 1 1 传统增量式角度编码器 增量式光电编码盘不像是绝对式光电编码盘那样测量转动体的绝对位置，它是专门 测量转动体角位移的累计量，图3 为增量式编码器 图3 增量式编码器 l 增量式光电编码盘的结构与工作原理 北京交通人学硕 士 学位论文学位 论文 增量式光电编码盘在一个码盘上只开出3 条码道，由内向外分别为a 、b 、c 在a 、 b 码道的码盘上，等距离地开有透光的缝隙。2 条码道上褶邻的缝隙互相错开半个缝宽， 其展开图如图4 ( b ) 所示。第3 条码道c 只开出一个缝隙，用来表示码盘的零位在 码盘的两侧分别安装光源和光敏元件，当码盘转动时，光源经过透光和不透光区域，相 应地，每条码道将有一系列脉冲从光敏元件输出。码道上有多少缝隙，就会有多少个脉 冲输出。将这些脉冲整形后，输出的脉冲信号如图4c o ) 所示1 1 8 1 。 b 鼍 a 蓬 ； 几田几几几门几几几 b 几；n 几几门几几几门a ( a ) ( c ) 国4 增量式光电编码盘原理图 例如，国产s z g h - 0 1 型增量式光电编码盘采用封闭结构。内装发光二极管( 光源) ， 光电接收器和编码盘，通过联轴节与被测轴连接，将角位移转换成a 、b 两路脉冲信号， 供可逆计数器计数，同时还输出一路零位移辣冲信号作为零位标记。它每圈能输出6 0 0 个a 相或b 相脉冲和1 个零位脉冲，a 、b 相脉冲信号的相位相差9 1 9 1 2 编码盘方向的辨剐 编码盘方向的辨别可以采用如图5 ，增量式光电编码盘辨向电路和输出波形图所示 的电路实现。下面介绍图5 电路的辨向原理。 b a bn 广 几n a n 厂 r 厂 q 厂可可1 r b n 厂 广 厂 an 厂 厂 几 q 坌i q 基鐾 图5 增量式光电编码盘辨向电路和输出波形 北京交通人学硕 七学位 论文学能 逢塞 经过放大整形后的a 、b 两相脉冲分别输入到d 触发器的d 端和c p 端，如图5 ( a ) 所示，因此，d 触发器的c p 端在a 脉冲的上升沿触发。由于a 、b 脉冲相位相差9 0 0 ， 当正转时，b 脉冲超前a 脉冲9 伊，触发器总是在b 脉冲处于高电平时触发，如图所示。 这时q = l ，表示正转，当反转时，a 脉冲超前b 脉冲9 0 ，触发器总是在b 处于低电平 时触发这时q = o ，表示反转。 a 、b 脉冲的另一路经与门后，输出计数脉冲这样，用q 或蚕控制可逆计数是加 计数还是减计数，就可以使可逆计数器对计数脉冲进行计数。 c 相脉冲接到计数器的复位端，实现每转动一圈复位一次计数器。这样，无论是正 转还是反转，计数值每次反映的都是相对于上次角度的增量，形成增量编码1 2 0 1 2 1 2 传统绝对式角度缩码器 绝对式光电编码盘是由码盘和光电检测装置组成，在码盘上刻制一个或多个同心圆 绝对位置编码码盘上的绝对位置编码采用照相腐蚀工艺，由一块圆形光学玻璃上刻出 的透光与不透光的编码构成。绝对式光电编码器具有精密度高、结构简单紧凑、工作可 靠和性能好等优点，因而在近代光学和电子技术领域中得到广泛应用和继续研究，图6 为绝对位置编码器原理图 图6 绝对位置编码器 1 绝对式光电编码盘的结构和工作原理 图7 给出了一种4 位二进制绝对式光电编码盘的例子。图7 ( a ) 是它的编码盘，黑 色代表不透光，白色代表透光。编码盘分成若干个扇区，代表若干个角位置每个扇区 分成4 条码道，代表4 位二进制编码。为了保证低位码的精度，都把最外码道作为编码 的低位，而将最内码道作为编码的高位。因为4 位二进制数最多可以表示2 4 = 1 6 ，所以 图7 中所示的扇区数为1 6 1 2 1 l 。 北京交通人学 硕 七 学位论文学位 论 文 h 虹 4 t = l 翎i _ t幻) l t - 黻i 图7 绝对式光电编码盘结构与原理图 + v b 3 1 ；2 b 1 b o 图7 ( b ) 是该编码盘的光电检测原理图光源位于编码盘的一侧，4 只光敏三极管 位于另一侧，沿编码盘的径向捧列，每一只光敏三极管都对着一条码道。当码道透光时， 该光敏三极管接收到光信号，由图中的电路可知，它输出低电平0 。当码道不透光时， 光敏三极管收不到光信号，因而输出高电平l 。例如，编码盘转到图中的第5 扇区，从 内向外4 条码道的透光状态依次为：透光、不透光、透光、不透光，所以4 个光敏三极 管的输出从高位到低位为：0 1 0 1 。它是二进制的5 ，此时代表角位置一第5 扇区所以， 不管转动机构怎样转动，都可通过随转动机构转动的编码盘来获得转动机构所在的确切 位置。因为所测得的角位置是绝对位置，所以称这样韵编码盘为绝对式编码盘 2 提高分辨率的措施 编码盘所能分辨的旋转角度就称为编码盘分辨率口，由下式给出 3 6 0 0 口= 2 4 式中箨二进制数码的位数。 如图7 中的编码盘是4 位，拧= 4 ，根据上式，口= 2 2 5 0 。如果编码盘是5 位，则 口= 1 1 2 5 。由此可见，编码盘的位数越多，扇区数也越多，能分辨的角度越小，分辨 率也就越高1 2 2 j 。 为了提高角位置的分辨率，显然，最简单的方法就是增加编码盘的位数，从而增加 扇区数。但这要受到编码盘制作工艺的限制。目前，提高分辨率最常用的方法是采用多 级编码盘，如两级编码盘。 北京交通人学硕 七 学位论文学位论文 两级编码盘中的两个码盘的关系，与钟表的分针和秒针的关系相似。在钟表中，秒 针移动6 0 个格( 一圈) ，分针才移动一个格，分针移动一个格代表一分钟。秒针移动 一个格代表一秒钟，分辨率提高6 0 倍同理，若使两级编码盘中的低位转圈，高位 码盘才转一个扇区，则分辨率将提高低位码盘扇区数那么多倍。例如，低位码盘是5 位， 它的扇区数是2 5 = 3 2 ，则编码盘系统的分辨率将提高3 2 倍。如果高位码盘是6 位，我 们可以计算出这个系统的分辨率为 口：一1 。了3 6 0 6 0 1 7 6 。 3 22 。 可见采用多级编码盘的方法可以大提高编码盘的分辨率。 3 减小误码率的方法 采用如图7 所示的二进制码虽然原理简单，但对编码盘的制作和安装要求较高。这 是因为使用这种编码，一旦出现错码，将有可能产生很大的误差。例如，在如图7 中， 编码盘从第7 扇区移动到第8 扇区之间，由于某种原因，内码道的光敏三极管首先进入 第8 扇区，则实际输出的是1 1 1 l 。如果内码道的光敏三极管滞后进入第8 扇区，则实际 输出的是0 0 0 0 编码盘的输出本应由7 变9 ，却出现了1 5 或0 ，这样大的误差是无法容 忍的鲫。为了避免出现这样的错误，使错码率限制在一个位码，可以用以下2 种方法 ( 1 ) 采用循环码 循环码的最大特点是：从一个数码变化到它的上一个数码或下一个数码时，数码中 只有一位发生变化。表l 列出了4 位循环码和二进制编码的对应关系。从表中可以看出， 循环码所代表的数无论加l 或者减l ，对应的循环码只有一位变化。如果在编码盘中采 用循环码来代替二进制码，即使编码盘停在任何两个循环码之间的位置，所产生的误差 也不会大于最低位所代表的量。例如，当编码盘停要1 l1 0 和1 0 1 0 之间时，由于这两个 循环码中有3 位相同，只有l 位不同。因此，无论停的位置如何有偏差，产生的循环码 只有l 位可能不一样，即可能是循环码1 ll o 或者是1 0 1 0 ，而它们分别对应十进制数的 i i 和1 2 。因此，即使有误差，也不过是l f 2 4 l 。 当外围设备与绝对式光电编码盘进行接口时，需要的是角位移的二进制编码，而绝 对式光电编码盘采用的是循环码，所以存在循环码与二进制编码的转换问题。 北京 交 通人学硕十 学位论文学位论文 表14 位循环码及二进制码 以现表示二进制的第疗位，表示循环码的第n 位，n 取值为o 吲，从表l 中可以 看出有如下规律t b 。= r 。 以- i = r 。o r 。- l = e o r ，l e 一：= 蜀。足一，o 墨。一= e 一。o 疋。 b i = r 。o r h o 且。一2 0 国r 3 0 r 2 0 r l 一= b 2 0 r l b 2 = r o r 疗- lo r o 0 r 2o r io r o - - 一b io r o 因此，循环码转换成二进制可用如下通用公式： 吼= 骸。以葚 以 式中一一一循环码的最高下标。 ( 2 ) 采用扫描法 北京交通人学硕十学位论文学位 论文 扫描法仍然采用二进制编码，但光电检测系统发生一些变化。扫描法是在二进制编 码盘的最低位码道( 也就是最外侧码道) 上安装1 只光敏三极管，在其他每个码道上安 装2 只光敏三极管。其中一只称为超前读出头，它处于比它低l 位的读出头超前改变状 态的位置，如图8 所示。另一只称为滞后读出头，它处于比它低l 位的读出头滞后改变 状态的位置【2 卯 b o b l b 2 b 3 ol234567 8 91 0 l l 1 2 1 31 41 5 4 t 强 f 麓 隐t ：|if 鎏赫l ，。0 萝； ：，o 】 耋；罨 f+ 4 蕞。二o “ o 口? 冀娶鹜， ：。警一j ? 1 1 tj jo j 拿：t 丢； 图8 扫描法编码盘展开示意图 于是，装有2 只读出头的码道就有2 个数字信号输出，根据前l 位是i ，还是0 ， 来决定本位数字信号是取超前读出头的电平值，还是取滞后读出头的电平值。因此规定： 当某一个二进制码的第f 位是l 时，该二进制码的第“- l 位要从滞后读出头读出。相反， 当某一个二迸制码的第l 位是0 时，该二进制码的第f + l 位要从超前读出头读出。这样 也能使错码限制为最低位的一个b i t 。例如，在图8 中，编码盘处于第l l 扇区位置，风 输出高电平l 。e 应从滞后读出头取数字信号，输出为1 。同理，及也应从滞后读出头 取数字信号，输出为0 。而虽则从超前读出头取数字信号，输出为1 。所以，输出的二 进制码为1 0 1 1 。从图中可见，由前一位电平的结果所选中的各位读出头，不论是滞后读 出头，还是超前读出头，都处于错码率最低的位置，即透光或不透光集中分布的位置。 也就是说，即使这些读出头发生错位，输出的数字信号也不会变化，从而保证了错误码 率与分辨率一致【2 6 】 北京交通人 学硕 士 学位论文学位 论文 2 2 3 传统编码器的局限性 增量式编码器的优点是易于实现小型化。响应迅速，结构简单，其缺点是掉电后容 易造成数据损失，且有误差累积现象。绝对式光电轴角编码器同增量式相比，具有固定 零点，输出代码是轴角的单值函数，抗干扰能力强，掉电后再启动无须重新标定，无累 积误差等优点，因而在国防、航天，及科研部门得到了广泛应用。但由