一種光電編碼器及其細(xì)分方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于編碼器領(lǐng)域，具體涉及一種光電編碼器及其細(xì)分方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵碼盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵碼盤是在一定直徑的圓板上等分地開若干個(gè)長(zhǎng)方形光柵孔。由于光柵碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵碼盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，通過由發(fā)光二極管等電子元件組成的光電檢測(cè)裝置的檢測(cè)就可以得到脈沖輸出信號(hào)，通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)就以知道當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且還可以通過光電編碼器出的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行幾何位移計(jì)算。使用光電編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)的精度與光柵碼盤上的光柵孔的數(shù)量有關(guān)，光柵碼盤上的光柵孔越多，光電編碼器的精度越高。隨著光柵碼盤上的光柵孔的增加，相鄰光柵孔之間的隔斷將越來越小，光柵線紋密度越來越大就越難制作，產(chǎn)品的成本也越高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種光電編碼器及其細(xì)分方法，能夠在無需增加光柵孔和光柵板的情況下，增加光電編碼器的細(xì)分程度，進(jìn)而提高光電編碼器的精度。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0005]第一方面，本發(fā)明提供了一種光電編碼器，包括:光源、透鏡、主光柵、指示光柵、光敏組件和測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，其特征在于:所述的光敏組件包括3套相同的光敏元件，3套所述光敏元件置于所述主光柵與所述指示光柵中心連線延長(zhǎng)線光柵線方向上，其中相鄰兩套所述光敏元件在沿所述光柵線方向上相距為(m±l/3)L，以使得相鄰兩套所述光敏元件的相位角之間為1/3個(gè)周期，其中m為整數(shù)，L為莫爾條紋間距。m的大小根據(jù)具體制造工藝確定。
[0006]進(jìn)一步的，所述的光電編碼器還包括溫度傳感器，所述的溫度傳感器與測(cè)量轉(zhuǎn)換電路相連，用以測(cè)量光電編碼器內(nèi)部溫度。
[0007]第二方面，本發(fā)明還提供了一種光電編碼器的細(xì)分方法，包括:
[0008]獲取每個(gè)莫爾條紋光強(qiáng)變化周期內(nèi)3套光敏元件轉(zhuǎn)換的數(shù)字電壓值兩兩相等的點(diǎn)，并根據(jù)所述相等的點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換點(diǎn)構(gòu)成六段擬合直線；
[0009]根據(jù)擬合直線轉(zhuǎn)換的數(shù)字電壓與光電編碼器的光柵刻線數(shù)確定光電編碼器一周所能輸出的脈沖個(gè)數(shù)。
[0010]進(jìn)一步的，所述根據(jù)擬合直線的電壓變化與光電編碼器所有的光柵刻線數(shù)確定光電編碼器一周所能輸出的脈沖個(gè)數(shù)，包括:
[0011]選擇適當(dāng)轉(zhuǎn)換位數(shù)的Α/D轉(zhuǎn)換器將擬合直線的電壓變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；
[0012]根據(jù)所述數(shù)字量與輸出的脈沖對(duì)應(yīng)關(guān)系和光電編碼器所有的光柵刻線數(shù)確定光電編碼器一周所能輸出的脈沖個(gè)數(shù)。
[0013]進(jìn)一步的，所述選擇適當(dāng)轉(zhuǎn)換位數(shù)的Α/D轉(zhuǎn)換器將擬合直線的電壓變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，包括:
[0014]將每套光敏元件輸出的電壓隔離放大；
[0015]選擇適當(dāng)轉(zhuǎn)換位數(shù)的Α/D轉(zhuǎn)換器將放大后的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
[0016]進(jìn)一步的，所述獲取每個(gè)莫爾條紋光強(qiáng)變化周期內(nèi)3套光敏元件轉(zhuǎn)換的數(shù)字電壓值兩兩相等的點(diǎn)，并根據(jù)所述相等的點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換點(diǎn)構(gòu)成六段擬合直線，包括:
[0017]確定每個(gè)莫爾條紋光強(qiáng)變化周期內(nèi)三套光敏元件輸出電壓波形的交匯點(diǎn)；
[0018]根據(jù)三套光敏元件輸出電壓交匯點(diǎn)之間的電壓變化比較結(jié)果確定選取的光敏元件輸出電壓信號(hào)計(jì)算脈沖。
[0019]進(jìn)一步的，在所述根據(jù)三套光敏元件輸出電壓交匯點(diǎn)之間的電壓變化比較結(jié)果確定選取的光敏元件輸出電壓信號(hào)計(jì)算脈沖之后，包括:
[0020]根據(jù)三套光敏元件輸出電壓交匯點(diǎn)之間的電壓變化確定主光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
[0021]進(jìn)一步的，所述根據(jù)擬合直線的電壓變化與光電編碼器所有的光柵刻線數(shù)確定光電編碼器一周所能輸出的脈沖個(gè)數(shù)，包括:
[0022]在所述擬合直線向下一段轉(zhuǎn)換時(shí)，如果電壓轉(zhuǎn)換的數(shù)值不夠脈沖輸出，則可用下一段電壓變化累計(jì)。
[0023]進(jìn)一步的，所述根據(jù)擬合直線的電壓變化與光電編碼器所有的光柵刻線數(shù)確定光電編碼器一周所能輸出的脈沖個(gè)數(shù)，包括:
[0024]測(cè)量光電編碼器內(nèi)的環(huán)境溫度；
[0025]確定在不同的溫度下，數(shù)字電壓變化與溫度的變化關(guān)系，使得能夠根據(jù)光電編碼器內(nèi)的環(huán)境溫度與光電編碼器所有的光柵刻線數(shù)確定光電編碼器一周所能輸出的脈沖個(gè)數(shù)。
[0026]采用本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，能夠在無需增加光柵孔和光柵板的情況下，增加光電編碼器的細(xì)分程度，進(jìn)而提高光電編碼器的精度。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明所提供的光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明所提供的光電編碼器的工作原理示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明所提供的光電編碼器的細(xì)分方法中電壓波形轉(zhuǎn)換時(shí)脈沖輸出示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明所提供的光電編碼器的細(xì)分方法中輸出脈沖電壓波形轉(zhuǎn)換時(shí)示意圖。
[0031]圖中:1、光源；2、透鏡；3、主光柵；4、指示光柵；5、光敏組件；6、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路；7、光敏元件C ;8、光敏元件B ;9、光敏元件A。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容。
[0033]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種光電編碼器，包括:光源1、透鏡2、主光柵3、指示光柵4、光敏組件5和測(cè)量轉(zhuǎn)換電路6。參見圖2，所述的光敏組件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柵與指示光柵中心連線延長(zhǎng)線光柵線方向上，其中每?jī)蓚€(gè)光敏元件在沿光柵線方向上相距為(m±l/3)L，其中m為整數(shù)，L為莫爾條紋間距，以使得每?jī)蓚€(gè)光敏元件的相位角之間為1/3個(gè)周期。溫度傳感器用于測(cè)量編碼器內(nèi)部的溫度，所述的溫度傳感器與測(cè)量轉(zhuǎn)換電路相連，即與A/D轉(zhuǎn)換器或者單片機(jī)自帶的Α/D轉(zhuǎn)換器相連接。
[0034]莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對(duì)光柵的刻畫誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。三套光敏元件輸出的電壓波形近似于正弦波，如圖3所示。由圖2三套光敏元件的安裝位置可知，三套光敏元件輸出的電壓波形相位相差2 η /3，每?jī)陕冯妷盒盘?hào)每隔Ji /3相交一次，一個(gè)周期中三路電壓信號(hào)波形相交6次。在每?jī)陕冯妷翰ㄐ蜗嘟粎^(qū)間，如相交點(diǎn)1-2，2-3，3-4，4-5，5-6,6-7, 7-8之間電壓可以近似看作直線，在計(jì)算過程中可據(jù)此判斷編碼器轉(zhuǎn)過的角度。
[0035]艮PΔ Θ = Δu/K
[0036]Δ Θ——編碼器轉(zhuǎn)過角度的變化量
[0037]Δ u-----光敏元件輸出電壓的變化量
[0038]K------比例值
[0039]如果需要編碼器一周輸出N個(gè)脈沖，編碼器一周現(xiàn)有M條刻線，既編碼器一周有M個(gè)莫爾條紋變化，那就需要編碼器在每個(gè)莫爾條紋周期內(nèi)輸出L = N/M個(gè)脈沖，既如圖3所示每?jī)蓚€(gè)光敏元件輸出電壓波形的交匯點(diǎn)之間輸出LI = L/6個(gè)脈沖。選擇適當(dāng)?shù)摩?D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)，可得到精確脈沖。如圖3所示1-2之間，假如電壓變化為AUl，gA/DR換的數(shù)字量為Q，選擇合適的K值，既Α/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量每變化K輸出一個(gè)脈沖，則有:
[0040]LI = Q/K = L/6
[0041]L = 6Q/K
[0042]N = ML = 6MQ/K
[0043]例如:如圖3所示1-2之間，假如電壓變化50mV，如將此電壓變化經(jīng)隔離放大再經(jīng)Α/D轉(zhuǎn)換為500的數(shù)字變化量，將數(shù)字量每變化10輸出一個(gè)脈沖(其中5個(gè)脈沖輸出低電平，5個(gè)脈沖輸出高電平)，則1-2點(diǎn)之間將輸出50個(gè)脈沖，一個(gè)莫爾條紋變化周期將輸出300個(gè)脈沖，一周1000條刻線的編碼器可輸出300000個(gè)脈沖。
[0044]如圖3—個(gè)周期中三路電壓信號(hào)波形相交6次，可以用六段直線來表示一個(gè)莫爾條紋的變周期。當(dāng)UB>UA>UC時(shí)在點(diǎn)1-2之間時(shí)用UA的變化來計(jì)算并輸出脈沖，用當(dāng)UB>UC>UA時(shí)在點(diǎn)2-3之間時(shí)用UC的變化來計(jì)算并輸出脈沖，當(dāng)UC>UB>UA時(shí)在點(diǎn)3_4之間時(shí)用UB的變化來計(jì)算并輸出脈沖，當(dāng)UC>UA>UB時(shí)在點(diǎn)4-5之間時(shí)用UA的變化來計(jì)算并輸出脈沖，當(dāng)UA>UC>UB時(shí)在點(diǎn)5-6之間時(shí)用UC的變化來計(jì)算并輸出脈沖，當(dāng)UA>UB>UC時(shí)在點(diǎn)6-7之間時(shí)用UB的變化來計(jì)算并輸出脈沖，其中7點(diǎn)和I點(diǎn)在波形的同一相位點(diǎn)，以此類推。確定所選取的波形中可以近似看作直線的電壓變化段。
[0045]利用三路光敏元件輸出電壓值的比較結(jié)果確定用哪段直線來計(jì)算脈沖，同時(shí)可利用該區(qū)間內(nèi)電壓變化的情況來辨向，如圖3中點(diǎn)I和2之間用UA的變化來計(jì)算脈沖，當(dāng)主光柵向右移動(dòng)即編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)UA減少，當(dāng)主光柵向左即編碼器反轉(zhuǎn)移動(dòng)時(shí)UA增大。如圖2所示，當(dāng)光柵向右移動(dòng)時(shí)可讓單片機(jī)正轉(zhuǎn)脈沖輸出端輸出脈沖并封鎖反轉(zhuǎn)脈沖輸出，反之單片機(jī)反轉(zhuǎn)脈沖輸出端輸出反轉(zhuǎn)脈沖并封鎖正轉(zhuǎn)脈沖輸出，以此類推，可