摘 要:传统绝对式光学编码器具有多个读码器件和多条沿码盘径向分布的编码码道,结构比较复杂,限制了绝对式编码器的应用范围和进一步的发展。提出了一种采用单读码器件的串行编码绝对式光学编码器,介绍了其工作原理和基本结构。该编码器采用单个读码器件逐个的按顺序读取位置编码,在不同阅读位置上读到的二值化信息在移位存储器中所构成的编码值具有唯一性,极大限度地简化了绝对式光学编码器的结构,为其小型化开辟了一条新的途径。
1 引 言
绝对式光学编码器是对圆周上连续的确定位置进行编码,编码值具有唯一性。由于位置不同编码值也不同,所以在每个待定位置上输出的编码值是轴角的单值函数。绝对式光学编码器抗干扰能力强,没有累积误差,位置测量值不会因系统断电而丢失,已被广泛应用于国防、航天及科研等部门。传统的绝对式编码器一般采用自然二进制码和格雷码等编码方案,具有多个读码器件和多条编码码道,也就是说如果要制成2″精度的编码器,至少要采用n个读码器件并行读取n条刻划在码盘上的同心编码码道,需要的精度越高,码盘的径向尺寸越大。这种结构比较复杂,难以实现小型化,应用起来受到限制,尤其是在一些小型化的测量仪器和军工产品中,既要求采用高精度的绝对式光学编码器,又要求体积小、重量轻。随着科学技术的发展,科技工作者在绝对式编码器的小型化方面做了不懈的努力,如采用矩阵码编码的8位绝对式光学编码器,将编码码道减少到3条,使用8个读码器件读码。20世纪90年代,日本尼康公司研制出了M系列编码器,采用多个读码器件读取单圈编码码道[1,2]。近年来,我国在绝对式编码器的小型化研究上也取得了一定的成果,推动了绝对式编码器的进一步发展,先后开发出了一些各具特色的新型编码器,如采用固体图像传感器读码的单圈绝对式编码器、结合了绝对式和增量式编码器优点的准绝对式光学编码器,利用多个读码器件读取2~3条编码码道的伪随机码编码器和采用多个均布读码器件读码的绝对码简码编码器[3~6]。本文提出一种采用单读码器件的串行编码绝对式光学编码器,采用单个读码器件逐个的按顺序读取位置编码,由移位存储器输出编码值,读码器件数目少,码盘直径小,极大地简化了绝对式光学编码器的结构。
2 工作原理
绝对式光学编码器是数字式角度测量装置,输出的是角度数字量信息,在任何时刻输出的角度值都要正确地反映被测对象所处的位置,这就要求检测到的角度值与其位置一一对应,即只要其轴处于某一位置,无论何时检测,旋转方向如何,检测到的角度值都是唯一确定的。为了实现这一技术特征,绝对式光学编码器将整个圆周的角度信息以编码的方式固化在码盘上,利用读码器件读出编码值。可以有多种形式的编码方案和读码器件的读码方式。单读码器件的串行编码绝对式光学编码器的工作原理框图如图1所示。以二值化信息的形式将位置编码刻划在单圈编码码道上,采用单个读码器件逐个的按顺序读取位置编码,在不同阅读位置上读到的二值信息在移位存储器中构成编码值,该编码值具有唯一性,与待定位置一一对应。以此编码值为地址分别赋予它一系列角度坐标值就可以构成一个查找表,经过查表译码输出坐标值,就可以实现绝对位置测量。
对单读码器件的串行编码绝对式光学编码器来说,串行编码码道既可以按照m序列(又称最大周期线性反馈移位寄存器序列,是伪随机二进制序列的一种形式[5])布置,也可以通过计算机编程的方法寻找。移位存储器的位数n根据编码位置的总数决定,即
现以具有32个编码位置的绝对式编码器为例进一步说明采用单读码器件的串行编码绝对式光学编码器技术原理。N =32,移位存储器的位数为n≥log232,取n =5。码盘上编码码道由32个透光或遮光的窗口组成,按顺时针方向相应布置的情况为
10000011111011100110101100010100其中0表示遮光窗口,1表示透光窗口。由此得到的码道布置向量为
采用一个光敏元件逐个的按顺序读取编码码道上的二值信息送入移位存储器构成二进制数,移位存储器按照先进先出的排队方法移位。当码盘按逆时针方向旋转时,先进入的位构成二进制数的高位,后进入的位构成二进制数的低位。在码盘按逆时针方向旋转的情况下,由移位存储器各位所对应的二进制数权值组成的权值矩阵为
当编码器开始上电工作时,首先需要经过一个引导过程,只有这样才能获得准确的位置编码数据。引导角度为
可以由A生成一个阅读矩阵R1,每一行表示在相应阅读位置和在移位存储器中二值信息的存储情况。定义一个在码盘按逆时针方向旋转情况下的顺序读取算子Seq1,则
可见,在此码盘的整个圆周上,采用单个读码器件逐个的顺序读取位置编码,在不同阅读位置上和在移位存储器中所构成的编码值具有唯一性。以此数值序列为索引,赋予其一系列角度坐标值,即可构成一查找表,如表1所示,经过译码单元查表输出坐标值就可以测量绝对位置。表1中的坐标值为32等分圆周角的度数坐标,表2为码盘在逆时针方向旋转时用于译码的查找表实用形式。
当码盘按顺时针方向旋转时,先进入移位存储器的位构成二进制数的低位,后进入的位构成二进制数的高位,移位存储器各位所对应的权值矩阵为
同理,可以由码道布置向量A生成一个阅读矩阵R2,每一行表示码盘在按顺时针方向旋转的情况下和在相应阅读位置移位存储器中二值信息的存储情况。定义相应的顺序读取算子Seq2,则
当码盘按顺时针方向旋转时,在各个阅读位置和在移位存储器中的二进制数所构成的编码矩阵为
在此种情况下,采用单个读码器件逐个的按顺序读取位置编码,在不同阅读位置上和在移位存储器中所构成的编码值仍然具有唯一性,可以构成一个用于码盘顺时针方向旋转时译码的查找表,如表3所示。
单读码器件的串行编码绝对式光学编码器在开始上电工作时,无论码盘按逆时针方向旋转还是按顺时针方向旋转,只有经过一个引导过程才能获得准确的位置测量值,引导角度均为θ≥(n -1)2π/N。在经过足够引导角度的引导过程后就可以进入工作状态。在正常工作过程中,当码盘换向旋转时,可以采用预测的方法,预先在移位存储器中写入相应旋转方向的上一个阅读位置读到的二进制数,这样,在编码器码盘换向时,不需要经过引导过程就可以连续测量绝对位置。
采用单读码器件的串行编码绝对式光学编码器在工作过程中需要两个查找表(表2和表3),分别用于码盘逆时针和顺时针旋转的情况。实际上,这两个查找表对于相同的位置编码值来说,坐标值相差一个最小引导角度(n -1)2π/N,只要做出一种情况下的查找表,用于另一种情况的查找表就可以在此基础上经过简单计算直接获得。
3 基本结构
具有32个编码位置的单个读码器件绝对式码盘的光学图案如图2所示,内圈为编码码道,外圈为同步码道的输出信号来同步读取编码位置上的二值信息。在同步码道上设置两个光敏元件,输出两路相位差为90°的信号,其中一路作为同步信号,两路信号结合起来输入辨向单元用于判断码盘的旋转方向。
采用单读码器件的串行编码绝对式光学编码器还可以通过细分技术来提高测量精度。通过电子或软件的方法对在同步码道上由光敏元件输出的两路相位差为90°的信号进行处理[7,8],就可以实现对最小绝对分辨角的细分,达到进一步提高测量精度的目的。
4 特 点
采用单个读码器件的串行编码绝对式光学编码器具有以下特点:
(1)码盘上刻划有一圈编码码道和一圈用于同步和辨向的同步码道,码盘径向尺寸较小。
(2)采用单个读码器件读取码盘上的位置编码,进一步简化了绝对式光学编码器的结构,可以制成一些在特殊场合下需要的小型化编码器。
(3)光学和机械装调工艺都较简单,容易加工制造。
(4)可以采用细分技术进一步提高测量精度,应用更加灵活。
5 结 论
采用单读码器件的串行编码绝对式光学编码器结构简单、体积小,具有广泛的应用前景,理论分析和实验研究验证了其可行性和实用性。随着空间技术对绝对式光学编码器小型化和高精度要求的提高,必将会对它进行更加深入的研究。
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收稿日期:2006-03-24;收到修改稿日期:2006-05-11 E-mail:qc@jdxy.njtu.edu.cn
基金项目:北京交通大学科技基金资助项目(2003SZ010)
作者简介:邱成(1973_),男,吉林省人,北京交通大学机械与电子控制工程学院讲师,博士研究生,主要从事测控技术、光电传感仪器的研究。
