專利名稱：一種光電軸角編碼器及信號提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化領(lǐng)域測量旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、特別是為自動控制系統(tǒng)提供一種測量相對旋轉(zhuǎn)空間位置的光電軸角編碼器及信號提取方法目前光電軸角編碼器有兩種一種是絕對式光電軸角編碼器，它具有一個刻劃多圈同心圓碼道的碼盤，利用狹縫讀取碼道明暗變化而形成一系列輸出代碼，經(jīng)過電路處理得出它所代表的角度值，也可以將輸出代碼特殊處理使這種編碼器轉(zhuǎn)動一周輸出一個近似正余弦曲線的信號。
另一種是增量式的，它是利用主光柵和指示光柵產(chǎn)生的莫爾條紋，將莫爾條紋轉(zhuǎn)換成脈沖信號，通過電路累計脈沖個數(shù)計量角度變化值，然后由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路把角度變化進行編碼，輸出一個不連續(xù)的近似正余弦曲線的信號。
用上述方法獲得的正余弦信號是不連續(xù)的階躍變化的信號，它不能為控制系統(tǒng)提供合理的控制信號，使得某些特殊場合的應(yīng)用控制效果不夠好。
本發(fā)明的目的是利用月牙狀碼帶10解決光電軸角編碼器轉(zhuǎn)動一周時，輸出若干個周期、具有一定相差連續(xù)變化的正余弦信號，為控制系統(tǒng)提供更合理的控制信號。
本發(fā)明的信號提取方法是在編碼器光盤3上制備若干個月牙狀碼帶10，若干個月牙狀碼帶10透光面積呈若干個周期的正余弦變化，則月牙狀碼帶10的光通量φ也呈正余弦變化，使得編碼器輸出具有若干個相差，若干個周期正余弦信號。
接收器7所能接收信息的圓環(huán)區(qū)域是由半徑分別RARB的兩圓構(gòu)成，在這個環(huán)區(qū)內(nèi)制備的月牙狀碼帶10的光通量φ是與接收器7接收的光強度I，透光面積S有關(guān)。透光面積S又與狹縫5延以半徑為RA、RB兩圓切線方向的寬度D、接收器7通過狹縫5接收到月牙狀碼帶10徑向方向上的透光長度L有關(guān)，透光長度變化值L＝Ko+KmCOSNθ，碼帶10的光通量φ＝IS＝IDL＝ID(Ko+KmCOSNθ)，式中N是在光盤3上制備月牙狀碼帶10的個數(shù)，碼帶10的個數(shù)表示光盤3旋轉(zhuǎn)一周時，光通量φ按正余弦規(guī)律變化的周期數(shù)(N＝1、2、3……N)。當(dāng)光源2選定時，則接收器7接收到的光強I為定值。選定接收器7和狹縫5后，接收窗口狹縫5延切線方向?qū)挾菵為定值，則透光面積S＝DL是按透光長度L呈若干個周期正余弦變化的，則光通量φ呈若干個周期的正余弦變化。
為了使碼帶10的光通量φ按正余弦規(guī)律變化，在接收器7所能接收的信號環(huán)區(qū)內(nèi)，光盤3上的月牙狀碼帶10的透光與不透光的分界線14F(θ)＝Ao+AmCOSNθ，界線14把接收器7接收面積的圓環(huán)帶分成透光與不透光的兩個部分，形成月牙狀碼帶10，界線14呈正余弦變化，Ao、Am取值為0＜Am≤ (RA- RB)/2 ,RA- Am≥Ao≥RB+Am。
AoAm保證界線14位于圓環(huán)帶之內(nèi)。
當(dāng)N取值為1時，月牙狀碼帶10的界線14也可由半徑為Rc的偏心圓近似代替，偏心圓偏心E值決定偏心圓圓心0′，偏心E的取值范圍為0＜E≤ (RA- RB)/2 ,RA＞RC＞RB。
一般情況下E與RC關(guān)系滿足E≤RC，則偏心制備光盤3的月牙狀碼帶10的光通量變化為φ＝DI(E+ECOSθ)。


圖1是本發(fā)明的編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖，它是由光源1、2，狹縫4、5，接收器6、7固定安裝在軸套9上，接收器6、7的電信號送入電路12、13，光盤3與軸8同軸固定安裝，當(dāng)光盤3轉(zhuǎn)動時，光盤3在接收器7接收圓環(huán)帶面積內(nèi)制備若干個月牙狀碼帶10。
接收器7與光盤3上的月牙狀碼帶10相對安裝的位置決定編碼器輸出正余弦信號的相位角度差值α，α按不同的需要在0-360°范圍取值。接收器7接收圓環(huán)帶的區(qū)域由兩個半徑為RA、RB的圓組成。RA、RB的取值由接收器7與軸8同心距離決定。狹縫5是接收器的限光窗口，限制接收器7的接收范圍。RA、RB是接收器7所能接收信息范圍的遠心距離和近心距離。限光窗口狹縫5延以RA、RB為半徑的圓切線方向的寬度為D。
如圖2、3本發(fā)明信號提取方法的月牙狀碼帶10的兩種實施方案的示意圖所示，為了使編碼器旋轉(zhuǎn)一周能獲得具有若干個相差、若干個周期正余弦信號，當(dāng)接收器7與軸8同心距離設(shè)計確定后，RA、RB即已確定。在接收器7所能接收到的半徑為RA、RB兩圓間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)制備月牙狀碼帶10，使碼帶10的透光面積在光盤3圓周范圍內(nèi)呈若干個周期的正余弦變化，則碼帶10光通量φ也是按正余弦規(guī)律連續(xù)變化的。通過接收器7的光電轉(zhuǎn)換，把若干個碼帶10光通量的變化轉(zhuǎn)變成若干個周期連續(xù)變化的正余弦信號。
為取得透光面積呈若干周期正余弦規(guī)律變化的月牙狀碼帶10，可在光盤3上制備界線14，正余弦電信號的變化規(guī)律由透光與不透光的界線14決定，界線14的一邊透光，另一邊不透光。界線14是以碼盤3的中心0為極點的極角坐標(biāo)系軌跡方程式。F(θ)是界線14上的任一點到碼盤中心0的距離，是角度θ的函數(shù)。光盤3上的碼帶10取值為N時，則光盤3轉(zhuǎn)動一周時，接收器7輸出N個周期正余弦信號由于設(shè)計時RA、RB基本確定，為確保界線14位于RARB兩圓間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，制備界線14時，AmAo取值必須滿足0＜Am≤ (RA- RB)/2 ,RA-Am≥Ao≥RB+Am。
當(dāng)Am= (RA- RB)/2 ，RA-Am≥Ao≥RB+Am界線14軌跡F(θ)的近心點與遠心分別與圓B、圓A相切。此時月牙狀碼帶10透光面積變化幅度相對最大。假設(shè)界線14內(nèi)部透光，則半徑為RB的圓B之外，界線14之內(nèi)為透光月牙狀碼帶10。
本發(fā)明光盤3的刻劃，可以在已有技術(shù)編碼器的碼盤上①直接刻劃出通光面積呈若干個周期的正余弦變化的月牙狀通光碼帶10。②按所需要的輸出信號設(shè)計F(θ)軌跡方程式中的AB、Am、N值。制備透光與不透光界線14通過接收器7的接收窗口限制的環(huán)區(qū)邊界，圓A和圓B組合，間接形成通光面積呈若干個周期正余弦變化的碼帶10。③為取得光盤3轉(zhuǎn)動一周時，輸出一個周期的正余弦信號，碼帶10可以用一個透光圓環(huán)(或圓)偏心復(fù)制制備。通過接收器7的接收窗口邊界限制取得光盤3旋轉(zhuǎn)一周時，輸出一個周期的正余弦信號。
本發(fā)明的編碼器光盤3如圖2所示，其中11是已有技術(shù)中普通增量式(或絕對式)碼道。10是本發(fā)明月牙狀碼帶，月牙狀碼帶10是包括若干個月牙狀碼帶10。這種編碼器，具有普通增量式(或絕對式)的編碼器功能，同時又能在光盤3轉(zhuǎn)動一周時輸出連續(xù)的若干個周期的正余弦信號。
接收器6、7選擇具有一定接收面積，較好接收靈敏度的接收器件，如硅光二極管，三極管，光電池等。光源12選擇有足夠照射面積的白熾燈或發(fā)光二極管。
如圖1本發(fā)明編碼器結(jié)構(gòu)示意圖所示，編碼器工作是軸8在軸套9內(nèi)轉(zhuǎn)動，光盤3與軸8同軸固定安裝，隨軸8轉(zhuǎn)動。當(dāng)光源2照射在光盤3上已有技術(shù)的碼道11時，光盤3上的碼道11與狹縫4產(chǎn)生莫爾條紋。由接收器6接收光盤3上的碼道11的莫爾條紋變化形成的光電信號，光電信號送入模數(shù)變換電路12，將光電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號。數(shù)字電信號變化反映被測系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角度及速度。
當(dāng)光源1在光盤3上的月牙狀碼帶10時，由于碼帶10透光面積隨軸8(或被測系統(tǒng)的)轉(zhuǎn)角θ呈正余弦規(guī)律變化，所以通過狹縫5、接收器7所接收到的光信號也是呈正余弦變化。放大電路13直接放大接收器7的信號。省去了已有技術(shù)中的邏輯編碼電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，就可以輸出連續(xù)變化的正余弦信號。調(diào)整接收器7與光盤3的分布角度既可調(diào)整若干路輸出信號的相位差，例如，當(dāng)兩個接收器7互成α＝90°時，接收器7輸出兩路信號相差為90°。接收器7安裝的個數(shù)決定輸出正余弦信號的路數(shù)。
本發(fā)明編碼器的積極效果，用本發(fā)明的方法制造的編碼器既有已有普通編碼器輸出功能，又可以輸出若干路具有一定相差、若干個周期連續(xù)變化的正余弦信號。反映被測旋轉(zhuǎn)物體相對旋轉(zhuǎn)空間位置的連續(xù)變化量?？梢詾榭刂葡到y(tǒng)提供更合理的控制信號。結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、造價低。用于伺服電機的測控時，可將旋轉(zhuǎn)變壓器和增量式編碼器集成為一體，省去旋轉(zhuǎn)變壓器，使得體積變小成本降低。
圖1是本發(fā)明編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明信號提取方法的月牙狀碼帶10的一個實施例示意圖。
圖3是本發(fā)明信號提取方法的月牙狀碼帶10的一個實施例示意圖。
權(quán)利要求
1.一種用于自動化領(lǐng)域測量旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、特別是為自動控制系統(tǒng)提供一種測量相對旋轉(zhuǎn)空間位置的光電軸角編碼器的信號提取方法，其特征在于在編碼器光盤3上制備若干個月牙狀碼帶10，若干個月牙狀碼帶10透光面積呈若干個周期的正余弦變化，則使得月牙狀碼帶10的光通量φ也呈若干個周期的正余弦變化，編碼器輸出具有若干相差、若干個周期的正余弦信號。
2.一種用于自動化領(lǐng)域測量旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、特別是為自動控制系統(tǒng)提供一種測量相對旋轉(zhuǎn)空間位置的光電軸角編碼器，它由光源1、2，狹縫4、5，接收器6、7固定安裝在軸套9上，接收器6、7的電信號送入電路12、13組成，其特征在于光盤3與軸8同軸固定安裝，當(dāng)光盤3轉(zhuǎn)動時，光盤3在接收器7接收圓環(huán)帶面積內(nèi)制備若干個月牙狀碼帶10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號提取方法，其特征在于光通量φ＝DI(Ko+KmCOSNθ)，Ko+KmCOSNθ是接收器7通過狹縫5接收到月牙狀碼帶10徑向方向上的透光長度L呈若干個周期正余弦變化，使透光面積S＝DL是按透光長度L呈若干上周期正余弦變化，則光通量φ呈若干個周期正余弦變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的信號提取方法，其特征在于光盤3上的月牙狀碼帶10的透光與不透光的界線14F(θ)＝Ao+AmCOSNθ，界線14把接收器7接收面積的圓環(huán)帶分成透光與不透光的兩個部分，形成月牙狀碼帶10，Ao、Am取值為0＜Am≤ (RA- RB)/2 ,RA- Am≥Ao≥RB+Am。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和4所述的信號提取方法，其特征在于當(dāng)N＝1時，月牙狀碼帶10的界線14也可由半徑為Rc的偏心圓近似代替，偏心圓偏心E值決定偏心圓圓心0′，偏心E的取值范圍為0＜E≤ (RA- RB)/2 ,RA＞RC＞RB。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的編碼器，其特征在于接收器7與光盤3月牙狀碼帶10相對安裝的位置決定編碼器輸出正余弦信號的相位角度差值α，α的取值范圍0-360°。
全文摘要
本發(fā)明屬于自動化領(lǐng)域測量旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、特別是為自動控制系統(tǒng)提供一種測量相對旋轉(zhuǎn)空間位置的光電軸角編碼器及信號提取方法。信號提取方法是在接收器7接收環(huán)帶內(nèi)在光盤3上制備碼帶10，碼帶10透光面積呈正余弦變化。編碼器輸出連續(xù)變化的具有若干相位差、若干個周期的正余弦信號，適用于自動控制系統(tǒng)的反饋和控制。其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，造價低廉，精度比較高。
文檔編號G01D5/32GK1065142SQ9110178
公開日1992年10月7日 申請日期1991年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1991年3月20日
發(fā)明者王顯軍, 居波 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所