沿周向紧密布置读码器件的绝对式光学编码器

第6卷　第19期　2006年10月167121815(2006)1923053204　科　学　技　术　与　工　程Science Technol ogy and Engineering　Vol .6　No .19　Oct .2006Ζ　2006　Sci .Tech .Engng .机电技术沿周向紧密布置读码器件的绝对式光学编码器邱　成　朱衡君(北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044)摘　要　提出了一种沿码盘圆周方向紧密布置读码器件的绝对式光学编码器。

利用沿码盘圆周方向连续相邻紧密布置的光敏元件,并行地读取按照串行编码方法编码的单圈码道,就可以实现绝对位置测量。

与传统绝对式编码器相比,码盘上的编码码道数量少、光学图案简单,有利于绝对式编码器实现小型化和提高精度;同时光敏元件沿码盘圆周方向连续相邻紧密布置,有利于读码器件集成化。

关键词　光学编码器 绝对式编码器 串行编码方法 读码器件 码道中图法分类号　TH741; 文献标识码　A2006年6月13日收到北京交通大学科技基金(2003SZ010)资料第一作者简介:邱　成(1973—),男(汉族),吉林人,北京交通大学讲师,在读博士,研究方向:测控技术、光电传感仪器的研究。

E 2mail:qc@jdxy .njtu .edu .cn 光学编码器是一种采用光电技术将轴的机械转角转换成数字讯号输出的数字式传感器,利用它可以实现角度、转速以及其他物理量的测量,广泛应用于各种雷达、地炮指挥仪、光电经纬仪、数控机床、机器人、自动化仪表等领域。

根据形成代码的方式不同,光学编码器可分为增量式和绝对式两大类。

传统绝对式光学编码器如果要反映2n精度,其码盘上至少要有n 道码道,每道对应于一个光敏元件,光敏元件相对于沿码盘的径向布置。

绝对式编码器和增量式编码器相比,具有固定零位、输出代码是轴角的单值函数、抗干扰能力强、断电后再启动工作时不用重新标定、无累计误差等优点;绝对式光学编码器的缺点是制造工艺复杂、不易实现小型化,以至于阻碍了绝对编码器的进一步发展[1—3]。

随着工业技术的发展,我国在绝对式编码器的小型化研究上取得了一定成果,出现了一些各具特色的编码器[4,5],并且开发出单码道绝对码简码编码、采用均布光敏元件读码的绝对式光学编码器[6]。

本文提出一种沿码盘圆周方向紧密布置读码器件的绝对式光学编码器,码盘只需要刻划一圈编码码道,光敏元件沿码盘圆周方向连续相邻紧密布置,减少了编码码道的数量、缩小了码盘直径、简化了刻划工艺,以适应绝对式编码器小型化的要求;同时读码器件组合较为紧凑,有利于读码器件向集成化方向发展。

1　沿周向紧密布置读码器件的串行编码方法对于绝对式光学编码器,要求码盘圆周上的不同待定位置具有惟一确定的编码值,其关键在于码道的编码方法和读码器件的读码方式。

沿周向紧密布置读码器件的串行编码方法技术特征为采用单圈串行编码码道,读码器件沿周向紧密布置,即在码盘上只需要刻划一圈存储多位二值信息的编码码道,沿码盘圆周方向相对编码位置连续布置光敏元件,并行地读取码道,在不同位置上即可读到惟一确定的编码值,可以实现绝对位置测量。

编码位置的总数N 决定了读码器件的个数n,n 为不小于l og 2N 的整数。

以具有25个编码位置的绝对式编码器为例作进一步说明。

N =25,所需读码器件的个数为不小于l og 225的整数,取n =5。

5个光敏元件沿着码盘的圆周方向相对编码位置连续相邻布置,以2k表示光敏元件布置位置及读出的二进制数的权值(k =1,2,…,n -1),20表示首位光敏元件读出的二进制数的权值,21表示第二位光敏元件读出的二进制数的权值,以此类推,24表示末位光敏元件读出的二进制数的权值。

由此得到光敏元件分布向量P =[24　23　22　21　20]T。

码盘上编码码道由25个透光或遮光的窗口组成,相应布置情况为0000010001100101011011111其中0表示遮光窗口,1表示透光窗口。

由此得到码道布置向量A =[0　0　0　0　0　1　0　0　1　1　0　01　0　1　0　1　1　0　1　1　1　1　1]。

可以由A 生成一个阅读矩阵R ,定义一个顺序读取算子Seq,则R =Seq A ,r ij =a mod (i +j -1,N )(i =1,2,…,N;j =1,2,…,n )。

其中,下标mod (i +j -1,N )表示i +j -1对N 取余。

光敏元件在每个位置读取的二进制数所构成的编码矩阵为B =R ×P以十进制数表示时B =[0 1 2 4 8 17 3 6 1225　18　5　10　21　11　22　13　2723　15　31　30　28　24　16]由此可见,采用沿码盘圆周方向紧密布置的光敏元件并行地读取上述编码码道,在此码盘圆周全长上各个位置读出的数值具有惟一性,可实现绝对定位功能。

以此数值序列为索引,赋予其一系列坐标值,则可构成一查找表,如表1所示,表1中的坐标值为25等分圆周角的度数坐标。

若按读出地址的大小排序,则查找表成为表2的实用形式,用于译码。

对于沿码盘圆周方向紧密布置的光敏元件,可以有多种形式的合格编码码道与之相匹配能满足各个位置编码的惟一性,编码码道既可以按照m 序列布置,也可以通过编程的方法寻找。

m 序列又称最大周期线性反馈移位寄存器序列,可以由线性反馈移位寄存器(L inear Feedback Shift Register,LFSR )生成。

典型LFSR 的基本结构如图1所示,图1中每级移存器的状态用a j 表示,a,∈{0,1};反馈线的连接状态用c j 表示,c j =1表示此线接通(参加反馈),c j =0表示此线断开。

反馈逻辑函数为a k =c 1a k -1 c 2a k -2 … c n a k -n 。

式中,算子 表示模2加法;k =n +1,n +2,…。

表1　查找表地址内容地址内容地址内容00.025129.623-100.8114.418144.015-86.4228.85158.431-72.0443.210172.830-57.6857.621-172.828-43.21772.011-158.424-28.8386.422-144.016-14.46100.813-129.612115.227-115.2表2　查找表的实用形式地址内容地址内容地址内容00.011-158.423-100.8114.412115.224-28.8228.813-129.625129.6386.415-86.427-115.2443.216-14.428-43.25158.41772.030-57.66100.818144.031-72.0857.621-172.810172.822-144.0图1　线性反馈移位寄存器4503科　学　技　术　与　工　程6卷 LFSR 在定时脉冲的控制下,一步步向外移位输出,输出序列是一个周期序列。

对于n 级LFSR,如果所产生的非零序列a =a 1a 2a 3…周期为2n-1,则称序列a 为m 序列。

引进GF (2)上的n 次多项式f (x )=1+c 1x +…+c n x n,也称它为LFSR 的联接多项式。

G (f )中之非零序列均为m 序列的充分必要条件是f (x )为GF (2)上的n 次本原多项式[7]。

可见如果知道本原多项式,就可以求出反馈逻辑函数,进而求出此LFSR 所产生的的m 序列。

m 序列的周期为2n-1,只能适用于具有2n-1个编码位置的绝对式编码器。

通过编程方法寻找合格编码码道的优点在于可以根据实际编码位置总数的需要找到码道布置方式,而且可以找到多种合格编码码道。

对于编码位置总数为N 的绝对式码盘,筛选合格编码码道位置编码的计算机程序框图如图2所示。

以具有25个编码位置的绝对式码盘为例,可以找到492种合格的编码码道布置方式,表3列出了部分合格编码码道布置方式。

图2　求沿周向紧密布置读码器件的合格串行码道的计算机编码程序框图表3　具有25个编码位置的绝对式码盘部分合格编码码道布置方式序号合格编码码道布置方式1000001000110010101101111120000010001100101101001111300000100011010010101110114000001000110100101100111150000010001101001011111011……488000011010100010010110011148900001101010001011001001114900000110101001000101100111491000011010110010001010011149200001101011001010001001112　沿周向紧密布置读码器件的串行编码绝对式码盘 具有25个编码位置的绝对式码盘的光学图案如图3所示。

内圈为编码码道,采用沿周向紧密布置读码器件的串行编码方法设计。

为了防止读码器件读码不同步产生误差,在码盘的外圈设计了同步码道,同步码道由均匀分布的透光窗口组成,并且与各个编码位置相对应,系统利用同步码道的输出信号使全部读码器件同步并行地读取位置编码。

图3　沿周向紧密布置读码器件的串行编码绝对式码盘的光学图案图4为与上述绝对式码盘相配的狭缝盘,有5条相对码盘编码位置连续相邻紧密布置的的狭缝。

在实际应用中,光源和光敏元件分别布置在码盘和狭缝盘的两侧,来自光源的5路光束平行射到码盘上,通过码盘进行编码后,再经过狭缝盘的狭缝,分别被狭550319期邱　成,等:沿周向紧密布置读码器件的绝对式光学编码器缝盘后面5个紧密布置的光敏元件并行接收。

图4　狭缝盘沿周向紧密布置读码器件的串行编码绝对式码盘具有以下特点:(1)仅需要刻划一圈编码码道,码盘径向尺寸小,容易实现小型化,扩大了绝对式编码器的应用范围;(2)读码器件沿码盘圆周方向相对编码位置紧密布置,组合比较紧凑,有利于读码器件的集成化;(3)既可以采用沿码盘圆周方向相对编码位置紧密布置的多个读码器件并行地读取码道,也可以采用单个读码器件逐个顺序读取位置编码,进一步简化绝对式编码器的结构;(4)码盘的光学图案简单,容易提高精度,克服了传统绝对式编码器提高精度要受码盘尺寸限制的缺点。

3　结论对于绝对式光学编码器,利用沿周向紧密布置的读码器件就可以读取码盘圆周上各个确定位置的惟一编码值,理论分析和实验研究验证了其可行性和实用性。

沿周向紧密布置读码器件的绝对式光学编码器具有许多优点,而且为进一步简化绝对式编码器的结构开辟了一条有效的途径,具有广泛的研究和应用前景。

参　考　文　献1　董莉莉,熊经武,万秋华.光电轴角编码器的发展动态.光学精密工程,2000,8(2):198—2022　汤天瑾,曹向群,林　斌.光电轴角编码器发展现状分析及展望.光学仪器,2005,27(1):90—963　孔智勇,熊文卓,艾　华,等.一种高精度绝对式光电轴角编码器的照明系统.光学技术,2003,29(1):30—334　罗长洲,孙　岩,高立民,等.准绝对式光学编码器.光子学报,2003,32(5):628—6315　苏海冰,刘恩海.单圈绝对式编码器的研制.光学精密工程,2002,10(1):74—776　郁有文,常　健.绝对码编码器中一种新型的编码方法.仪器仪表学报,2004,25(4):541—5447　肖国镇,梁传甲,王育民.伪随机序列及其应用.北京:国防工业出版社,1985.59—79Absolute O pti ca l Encoder w ith the Code D etectors Pl aced Con secuti velyi n the Per i phera l D i recti onQ I U Cheng,ZHU Hengjun(School of Mechanical Electr onic and Contr ol Engineering,Beijing J iaot ong University,Beijing 100044)[Abstract]　The abs olute op tical encoder with the code detect ors p laced consecutively in the peri pheral directi on is p resented .The light detect ors are p laced consecutively in the peri pheral directi on of the code disk .The code disk has a single code track based on the serial encoding method .Abs olute positi onal coordinate is inter p reted by decoding the infor mati on read concurrently on the code track .Compared with the traditi onal abs olute op tical en 2coder,the p resented encoder has fe wer code tracks and a si m p ler op tical pattern,in favour of m iniaturizati on and high p recisi on of abs olute encoders .This method is in favour of integrati on of the code detect ors .[Key words]　op tical encoder abs olute encoder serial encoding method code detect or code track6503科　学　技　术　与　工　程6卷。