一种光电编码器及其细分方法.pdf

本发明涉及一种光电编码器及其细分方法，其中，所述光电编码器包括：光源、透镜、主光栅、指示光栅、光敏组件和测量转换电路，其特征在于：所述的光敏组件包括3套相同的光敏元件，3套所述光敏元件置于所述主光栅与所述指示光栅中心连线延长线光栅线方向上，其中相邻两套所述光敏元件在沿所述光栅线方向上相距为(m±1/3)L，以使得相邻两套所述光敏元件的相位角之间为1/3个周期，其中m为整数，L为莫尔条纹间距。采用本发明所提供的技术方案，能够在无需增加光栅孔和光栅板的情况下，增强光电编码器的细分程度，进而提高光电编码器的精度。

权利要求书
1.  一种光电编码器，包括：光源(1)、透镜(2)、主光栅(3)、指示光 栅(4)、光敏组件(5)和测量转换电路(6)，其特征在于：所述的光敏组件包 括3套相同的光敏元件，3套所述光敏元件置于所述主光栅(3)与所述指示光 栅(4)中心连线延长线光栅线方向上，其中相邻两套所述光敏元件在沿所述光 栅线方向上相距为(m±1/3)L，以使得相邻两套所述光敏元件的相位角之间为 1/3个周期，其中m为整数，L为莫尔条纹间距。

2.  根据权利要求1所述的光电编码器，其特征在于：所述的光电编码器还 包括温度传感器，所述的温度传感器与测量转换电路(6)相连，用以测量光电 编码器内部温度。

3.  一种如权利要求1所述的光电编码器的细分方法，其特征在于，包括：
获取每个莫尔条纹光强变化周期内3套光敏元件转换的数字电压值两两相 等的点，并根据所述相等的点作为转换点构成六段拟合直线；
根据拟合直线转换的数字电压与光电编码器的光栅刻线数确定光电编码器 一周所能输出的脉冲个数。

4.  根据权利要求3所述的光电编码器的细分方法，其特征在于：所述根据 拟合直线转换的数字电压与光电编码器的光栅刻线数确定光电编码器一周所能 输出的脉冲个数，包括：
选择适当转换位数的A/D转换器将拟合直线的电压变化转换为数字量；
根据所述数字量与输出的脉冲对应关系和光电编码器所有的光栅刻线数确 定光电编码器一周所能输出的脉冲个数。

5.  根据权利要求4所述的光电编码器的细分方法，其特征在于，所述选择 适当转换位数的A/D转换器将拟合直线的电压变化换为数字量，包括：
将每套光敏元件输出的电压隔离放大；
选择适当转换位数的A/D转换器将放大后的电压转换为数字量。

6.  根据权利要求3所述的光电编码器的细分方法，其特征在于，所述获取 每个莫尔条纹光强变化周期内3套光敏元件转换的数字电压值两两相等的点， 并根据所述相等的点作为转换点构成六段拟合直线，包括：
确定每个莫尔条纹光强变化周期内三套光敏元件输出电压波形的交汇点；
根据三套光敏元件输出电压交汇点之间的电压变化比较结果确定选取的光 敏元件输出电压信号计算脉冲。

7.  根据权利要求6所述的光电编码器的细分方法，其特征在于：在所述根 据三套光敏元件输出电压交汇点之间的电压变化比较结果确定选取的光敏元件 输出电压信号计算脉冲之后，包括：
根据三套光敏元件输出电压交汇点之间的电压变化确定主光栅的转动方 向。

8.  根据权利要求3所述的光电编码器的细分方法，其特征在于，所述根据 拟合直线的电压变化与光电编码器所有的光栅刻线数确定光电编码器一周所能 输出的脉冲个数，包括：
在所述拟合直线向下一段转换时，如果电压转换的数值不够脉冲输出，则可 用下一段电压变化累计。

9.  根据权利要求3所述的光电编码器的细分方法，其特征在于，所述根据 拟合直线的电压变化与光电编码器所有的光栅刻线数确定光电编码器一周所能 输出的脉冲个数，包括：
测量光电编码器内的环境温度；
确定在不同的温度下，数字电压变化与温度的变化关系，使得能够根据光电 编码器内的环境温度与光电编码器所有的光栅刻线数确定光电编码器一周所能 输出的脉冲个数。

说明书一种光电编码器及其细分方法
技术领域
本发明属于编码器领域，具体涉及一种光电编码器及其细分方法。
背景技术
光电编码器，是一种通过光电转换将转轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅码盘和 光电检测装置组成。光栅码盘是在一定直径的圆板上等分地开若干个长方形光 栅孔。由于光栅码盘与电动机同轴，在电动机旋转时，光栅码盘与电动机同速 旋转，通过由发光二极管等电子元件组成的光电检测装置的检测就可以得到脉 冲输出信号，通过计算单位时间内光电编码器输出的脉冲个数就以知道当前电 动机的转速，并且还可以通过光电编码器出的脉冲个数进行几何位移计算。使 用光电编码器进行计数的精度与光栅码盘上的光栅孔的数量有关，光栅码盘上 的光栅孔越多，光电编码器的精度越高。随着光栅码盘上的光栅孔的增加，相 邻光栅孔之间的隔断将越来越小，光栅线纹密度越来越大就越难制作，产品的 成本也越高。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种光电编码器及其细 分方法，能够在无需增加光栅孔和光栅板的情况下，增加光电编码器的细分程 度，进而提高光电编码器的精度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种光电编码器，包括：光源、透镜、主光栅、 指示光栅、光敏组件和测量转换电路，其特征在于：所述的光敏组件包括3套 相同的光敏元件，3套所述光敏元件置于所述主光栅与所述指示光栅中心连线 延长线光栅线方向上，其中相邻两套所述光敏元件在沿所述光栅线方向上相距 为(m±1/3)L，以使得相邻两套所述光敏元件的相位角之间为1/3个周期，其 中m为整数，L为莫尔条纹间距。m的大小根据具体制造工艺确定。
进一步的，所述的光电编码器还包括温度传感器，所述的温度传感器与测 量转换电路相连，用以测量光电编码器内部温度。
第二方面，本发明还提供了一种光电编码器的细分方法，包括：
获取每个莫尔条纹光强变化周期内3套光敏元件转换的数字电压值两两相 等的点，并根据所述相等的点作为转换点构成六段拟合直线；
根据拟合直线转换的数字电压与光电编码器的光栅刻线数确定光电编码器 一周所能输出的脉冲个数。
进一步的，所述根据拟合直线的电压变化与光电编码器所有的光栅刻线数 确定光电编码器一周所能输出的脉冲个数，包括：
选择适当转换位数的A/D转换器将拟合直线的电压变化转换为数字量；
根据所述数字量与输出的脉冲对应关系和光电编码器所有的光栅刻线数确 定光电编码器一周所能输出的脉冲个数。
进一步的，所述选择适当转换位数的A/D转换器将拟合直线的电压变化转 换为数字量，包括：
将每套光敏元件输出的电压隔离放大；
选择适当转换位数的A/D转换器将放大后的电压转换为数字量。
进一步的，所述获取每个莫尔条纹光强变化周期内3套光敏元件转换的数 字电压值两两相等的点，并根据所述相等的点作为转换点构成六段拟合直线， 包括：
确定每个莫尔条纹光强变化周期内三套光敏元件输出电压波形的交汇点；
根据三套光敏元件输出电压交汇点之间的电压变化比较结果确定选取的光 敏元件输出电压信号计算脉冲。
进一步的，在所述根据三套光敏元件输出电压交汇点之间的电压变化比较 结果确定选取的光敏元件输出电压信号计算脉冲之后，包括：
根据三套光敏元件输出电压交汇点之间的电压变化确定主光栅的转动方 向。
进一步的，所述根据拟合直线的电压变化与光电编码器所有的光栅刻线数 确定光电编码器一周所能输出的脉冲个数，包括：
在所述拟合直线向下一段转换时，如果电压转换的数值不够脉冲输出，则 可用下一段电压变化累计。
进一步的，所述根据拟合直线的电压变化与光电编码器所有的光栅刻线数 确定光电编码器一周所能输出的脉冲个数，包括：
测量光电编码器内的环境温度；
确定在不同的温度下，数字电压变化与温度的变化关系，使得能够根据光 电编码器内的环境温度与光电编码器所有的光栅刻线数确定光电编码器一周所 能输出的脉冲个数。
采用本发明所提供的技术方案，能够在无需增加光栅孔和光栅板的情况下， 增加光电编码器的细分程度，进而提高光电编码器的精度。
附图说明
图1是本发明所提供的光电编码器的结构示意图；
图2是本发明所提供的光电编码器的工作原理示意图；
图3是本发明所提供的光电编码器的细分方法中电压波形转换时脉冲输出 示意图；
图4是本发明所提供的光电编码器的细分方法中输出脉冲电压波形转换时 示意图。
图中：1、光源；2、透镜；3、主光栅；4、指示光栅；5、光敏组件；6、 测量转换电路；7、光敏元件C；8、光敏元件B；9、光敏元件A。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此 处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要 说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
如图1所示，本发明提供了一种光电编码器，包括：光源1、透镜2、主光 栅3、指示光栅4、光敏组件5和测量转换电路6。参见图2，所述的光敏组件 5包括3套相同的光敏元件7(光敏元件C)、8(光敏元件B)、9(光敏元件A)， 所述的3套光敏元件置于主光栅与指示光栅中心连线延长线光栅线方向上，其 中每两个光敏元件在沿光栅线方向上相距为(m±1/3)L，其中m为整数，L为 莫尔条纹间距，以使得每两个光敏元件的相位角之间为1/3个周期。温度传感 器用于测量编码器内部的温度，所述的温度传感器与测量转换电路相连，即与 A/D转换器或者单片机自带的A/D转换器相连接。
莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻画误差有平均作用， 从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。三套光敏元件输出的电 压波形近似于正弦波，如图3所示。由图2三套光敏元件的安装位置可知，三 套光敏元件输出的电压波形相位相差2π/3，每两路电压信号每隔π/3相交一 次，一个周期中三路电压信号波形相交6次。在每两路电压波形相交区间，如 相交点1-2，2-3，3-4，4-5，5-6，6-7，7-8之间电压可以近似看作直线，在 计算过程中可据此判断编码器转过的角度。
即Δθ＝Δu/K
Δθ----编码器转过角度的变化量
Δu-----光敏元件输出电压的变化量
K------比例值
如果需要编码器一周输出N个脉冲，编码器一周现有M条刻线，既编码器 一周有M个莫尔条纹变化，那就需要编码器在每个莫尔条纹周期内输出L＝N/M 个脉冲，既如图3所示每两个光敏元件输出电压波形的交汇点之间输出L1＝L/6 个脉冲。选择适当的A/D转换器的转换位数，可得到精确脉冲。如图3所示1-2 之间，假如电压变化为ΔU1，经A/D转换的数字量为Q，选择合适的K值，既 A/D转换的数字量每变化K输出一个脉冲,则有：
L1＝Q/K＝L/6
L＝6Q/K
N＝ML＝6MQ/K
例如：如图3所示1-2之间，假如电压变化50mV，如将此电压变化经隔离 放大再经A/D转换为500的数字变化量，将数字量每变化10输出一个脉冲(其 中5个脉冲输出低电平，5个脉冲输出高电平)，则1-2点之间将输出50个脉 冲，一个莫尔条纹变化周期将输出300个脉冲，一周1000条刻线的编码器可输 出300000个脉冲。
如图3一个周期中三路电压信号波形相交6次，可以用六段直线来表示一 个莫尔条纹的变周期。当UB>UA>UC时在点1-2之间时用UA的变化来计算并输 出脉冲，用当UB>UC>UA时在点2-3之间时用UC的变化来计算并输出脉冲，当 UC>UB>UA时在点3-4之间时用UB的变化来计算并输出脉冲，当UC>UA>UB时在 点4-5之间时用UA的变化来计算并输出脉冲，当UA>UC>UB时在点5-6之间时 用UC的变化来计算并输出脉冲，当UA>UB>UC时在点6-7之间时用UB的变化来 计算并输出脉冲，其中7点和1点在波形的同一相位点，以此类推。确定所选 取的波形中可以近似看作直线的电压变化段。
利用三路光敏元件输出电压值的比较结果确定用哪段直线来计算脉冲，同 时可利用该区间内电压变化的情况来辨向，如图3中点1和2之间用UA的变化 来计算脉冲，当主光栅向右移动即编码器正转时UA减少，当主光栅向左即编码 器反转移动时UA增大。如图2所示，当光栅向右移动时可让单片机正转脉冲输 出端输出脉冲并封锁反转脉冲输出，反之单片机反转脉冲输出端输出反转脉冲 并封锁正转脉冲输出，以此类推，可以确定主光栅移动的方向。
此外，在电压波形从一段向另一段转换时，可能会出现电压转换的数值不 够一个脉冲输出的情况，对此可用下一段电压变化累计来实现输出脉冲，例如， 图4中UC和UB波形的相交点3的第N+2个脉冲，假如数字量每变化10输出一 个脉冲，主光栅向右移动数字量只变化5时UB便等于UC，紧接着进入3-4点 之间，此时可用UB再增加5来输出本次脉冲，UB再增加10来输出第N+3个脉 冲，以此类推实现脉冲连续输出。
光敏元件输出的电压受温度的影响，可以使用温度传感器测量编码器内的环 境温度，在不同的温度下需要选择合适的K值，即A/D转换的数字电压每变化 K输出一个脉冲，比例值K和编码器温度T的关系可用实验测得。
编码器刚通电运行时先根据K与T的关系给出一个合适的K值，例如，图 3所示2-3点之间用K值计算并输出脉冲。由于3套光敏元件输出的电压还可 能受到其他因素的影响，因此按照此K值计算从第3点开始的第一个莫尔条纹 变化周期内输出的脉冲数可能和要求的脉冲数N不同。利用第一个周期中 1-2-3-4-5-6-7(1)六段电压的转换的数字和，通过计算改变第二个莫尔条纹 周期中某些脉冲中的K值，把上个周期中的脉冲数补过来，使两个莫尔条纹周 期输出的脉冲数为2N。第三个莫尔条纹变化周期按照第二个周期中六段电压的 转换数字和，再通过计算改变该周期中某些脉冲中的K值，使本周期中输出的 脉冲数为要求的N值。
例如，如图3中所示，假设在某一温度T下的K值为10，每个莫尔条纹变 化周期要求输出300个脉冲，第一个莫尔条纹变化周期输出295个脉冲，既本 周期中1-2-3-4-5-6-7六段电压的转换的数字和为2950，少了5个脉冲，第二 个周期就要多输出5个脉冲，既305个脉冲，按照第一周期中六段电压转换的 数字和为2950，计算第二个周期中比例值K＝10的为N1个脉冲，比例值K＝9的 为N2个脉冲，按照下式计算。
N1+N2＝600-295    (1)
10N1+9N2＝2950    (2)
由式(1)和式(2)计算得N1＝205，N2＝100。
实际在输出脉冲的时候，先按K＝10和K＝9交替各输出100个脉冲，剩下的 全按K＝10输出。
刚开机时第一个莫尔条纹变化周期中根据测量的编码器温度采用对应的比 例值K，输出脉冲数为N1，六段电压转换的数字和为Q1。第二周期中比例值为 K的脉冲数为N2A，比例值为K±1(N1小于N为减1，N1大于N为加1)的脉 冲数为N2B。按照下式计算N2A和N2B。
N2A+N2B＝2N-N1        (3)
K×N2A+(K±1)×N2B＝Q1   (4)
如果计算出N2A大于等于N2B，则按比例值K和K(±1)交替输出N2B个脉冲 后，剩下的按照比例K输出。反之，如果N2A小于等于N2B，则按比例值K和 K(±1)交替输出N1A个脉冲后，剩下的按照比例K(±1)输出。
第二个莫尔条纹变化周期实际输出N2个脉冲，六段电压转换的数字和为Q2。
第三个莫尔条纹周期中比例值为K的脉冲数为N3A，比例值为K±1(N2小 于2N-N1为减1，N2大于2N-N1为加1)的脉冲数为N3B。按照下式计算N3A 和N3B：
N3A+N3B＝3N-N2-N1      (5)
K×N3A+(K±1)×N3B＝Q2   (6)
如果计算出N3A大于等于N3B，则按比例值K和K(±1)交替输出N3B个脉冲 后，反之，如果N3A小于等于N3B，则按比例值K和K(±1)交替输出N3A个脉 冲后，剩下的按照比例K输出。
第三个莫尔周期也要求输出300个脉冲，而第二周期中六段电压转换的数 字和为2980，实际输出N2＝308个脉冲，又多输出3个脉冲，故第三个周期要 少输出3个脉冲，既要输出297个脉冲。计算第三个周期中比例值K＝10的为 N3个脉冲，比例值K＝11的为N4个脉冲，按照下式计算。
N3+N4＝900-305-298   (7)
10N3+11N4＝2980     (8)
由式(7)和式(8)计算得N3＝287，N4＝10，即按照比例值K为10的输出 287个脉冲，按照比例值为11的输出10个脉冲。第四个莫尔条纹周期依据第 三个周期中实际输出的脉冲数N3，第三周期中六段电压转换的数字和Q3，按照 公式(7)和(8)公式的方法以此类推，计算第四个莫尔条纹周期中的N5和 N6，直至计算并输出至每个周期所的脉冲。
显然，本发明创造的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明创造所作的举 例，而并非是对本发明创造的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员 来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需 也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明创造的精神和原则之内所作的 任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造权利要求的保护范围之 内。