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一種光磁編碼器及其編碼方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光磁編碼器及其編碼方法，光磁編碼器包括磁檢測部、光檢測部和控制電路單元，其中，控制電路單元中具有模數(shù)轉換電路、起始位置計算電路和旋轉角計算電路，通過模數(shù)轉換電路將光檢測部的模擬信號轉換成數(shù)字信號，再結合磁檢測部的數(shù)字信號，確定上電時編碼器的起始位置信號，在編碼器上電后，通過模數(shù)轉換電路輸出的數(shù)字信號，再結合起始位置信號，輸出旋轉角信號。本發(fā)明的光磁編碼器采用磁編碼器和光編碼器相結合的方式，在每一次編碼器上電時都能輸出絕對位置編碼信號，編碼器具有體積小，精度高的特點。
【專利說明】一種光磁編碼器及其編碼方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于編碼器【技術領域】，具體涉及一種光磁編碼器及其編碼方法。
【背景技術】
[0002]絕對式編碼器，常用于對儀器或設備的旋轉角度進行測量與校準。傳統(tǒng)的絕對式編碼，隨著編碼位數(shù)不同、精度要求不同，相應的碼盤面積、檢測頭數(shù)量都要按比例增加。在很多場合下，需要滿足高精度的同時滿足編碼器結構緊湊的要求。目前，新型絕對式編碼器一般基于分度-矩陣編碼、M序列偽隨機碼等方式進行編碼。比起傳統(tǒng)的絕對式編碼，上述兩種絕對式能夠獲得所述的偽隨機碼編碼方式能夠縮小碼盤/柵尺面積，減少檢測頭數(shù)量，減小編碼器尺寸的同時仍舊保證高精度高速度的要求。偽隨機碼編碼形式的編碼器，由于是采用串行編碼，導致在如果沒有保存上次斷電前的信息時，再次上電編碼器無法獲得實際真實角度信息，從而需要編碼器轉動一定角度才能獲得實際的物理位置(旋轉角度隨編碼位數(shù)不同而不同)，因此，屬于一種準絕對式編碼器。分度-矩陣編碼形式的編碼器，屬于純絕對式編碼器，但其體積往往大于基于偽隨機碼編碼的編碼器。因此上述兩種新型絕對式編碼器，依然具有體積大、掉電后丟失信息的缺點。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明提供一種光磁編碼器以及光磁編碼器的編碼方法，將絕對式的磁編碼和增量式的光編碼相結合，克服了現(xiàn)有的絕對式編碼器體積大，增量式編碼器掉電后丟失信息的問題。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的光磁編碼器，包括:磁檢測部，包括磁體和磁傳感器，磁體固定安裝在旋轉主軸上，根據(jù)旋轉主軸的旋轉帶動磁體旋轉，并從磁傳感器輸出數(shù)字信號；光檢測部，包括光源、碼盤、靜光柵和光傳感器，光源的光照射碼盤以及靜光柵，通過旋轉主軸的旋轉帶動碼盤旋轉，并從光傳感器輸出模擬信號；控制電路單元，分別連接磁傳感器和光傳感器，利用磁傳感器輸出的數(shù)字信號以及光傳感器輸出的模擬信號計算并確定旋轉主軸的旋轉角度；
[0005]所述的控制電路單元包括:模數(shù)轉換電路，與光檢測部的光傳感器連接，將光傳感器輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號；起始位置計算電路，分別連接磁傳感器與模數(shù)轉換電路，利用上電時模數(shù)轉換電路輸出的數(shù)字信號和磁檢測部輸出的數(shù)字信號計算并輸出起始位置信號；旋轉角計算電路，分別連接起始位置計算電路與模數(shù)轉換電路，利用上電后的模數(shù)轉換電路輸出的數(shù)字信號，以及上電時的初始位置信號，計算并輸出旋轉角信號。
[0006]所述的碼盤上設有相位差為90°的A相碼道和B相碼道，并且A相碼道和B相碼道上都分別設有2N個等間隔分布的遮光部和透光部。
[0007]優(yōu)選地，所述的碼盤上設有相位差為180°的A相碼道和A ’相碼道，與A相碼道相位差為90°的B相碼道，與B相碼道相位差為180°的B '相碼道，并且A相碼道、A '相碼道、B相碼道、B丨相碼道上分別設有2N個等間隔分布的遮光部和透光部。[0008]優(yōu)選地，所述的模數(shù)轉換電路包括A相差分放大電路、B相差分放大電路和AD轉換器，A相差分放大電路、B相差分放大電路分別將光傳感器和AD轉換器連接。
[0009]本發(fā)明的光磁編碼器的編碼方法，其步驟包括:S1:編碼器上電時，根據(jù)編碼器旋轉主軸的旋轉，從磁傳感器輸出的磁檢測部數(shù)字信號Xl，保留其高N位處理，從而將旋轉主軸旋轉一周的范圍劃分為2N個劃分區(qū)域Z ；S2:從光傳感器輸出的光檢測部模擬信號，經(jīng)過模數(shù)轉換電路后，分別輸出A相數(shù)字信號和B相數(shù)字信號，在起始位置計算電路中，將A相數(shù)字信號和B相數(shù)字信號進行除法運算、反正切運算，得到起始位置所在光檢測周期Λ的位置量信號Y ；S3:判斷起始位置輸出的磁檢測部數(shù)字信號Xl是否超過其所在的光檢測周期Λ內的磁檢測部劃分區(qū)域Z的邊界值；當未超過邊界值時，將高N位的磁檢測部數(shù)字信號Xl直接與光檢測部的位置量信號Y合并運算，得到起始位置信號；當超過邊界值時，將高N位的磁檢測部數(shù)字信號Xl的第N位“減I”后與光檢測部的位置量信號合并運算，得到起始位置信號；S4:編碼器上電后，結合A相數(shù)字信號、B相數(shù)字信號以及起始位置信號，計算并輸出旋轉角信號。
[0010]優(yōu)選地，將磁檢測部數(shù)字信號Xl與位置量信號Y做減法運算，起始位置所在的光檢測周期Λ的起點對應的磁檢測部數(shù)字信號Χ2，磁檢測部數(shù)字信號Χ2的第Ν+1位為0，則說明光檢測周期Λ的起點位于劃分區(qū)域Z的前半段，判斷時，磁檢測部數(shù)字信號Xl的第Ν+1位為0，且位置量信號Y大于光檢測周期Λ的中間值，則說明磁檢測部數(shù)字信號Xl已超過邊界值M ;否則為未超過邊界值M ;如果磁檢測部數(shù)字信號Χ2的第Ν+1位為1，則說明光檢測周期Λ的起點位于劃分區(qū)域Z的后半段，判斷時，磁檢測部數(shù)字信號Xl的第Ν+1位為1，且位置量信號Y小于光檢測周期Λ的中間值，則說明磁檢測部數(shù)字信號Xl未超過邊界值M ;否則為已超過邊界值Μ。
[0011 ] 優(yōu)選地，編碼器上電時，從磁傳感器輸出的磁檢測部數(shù)字信號Xl，保留其高N位處理，其中N ( 11。
[0012]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是:
[0013]本發(fā)明的光磁編碼器，將絕對式的磁編碼和增量式的光編碼相結合，在每一次上電時都能得到起始位置的絕對編碼，形成一種絕對式編碼器，具有體積小、精度高的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的光磁編碼器剖視圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的光磁編碼器的控制電路單元方框圖。
[0016]圖3是本發(fā)明的碼盤平面圖。
[0017]圖4是本發(fā)明的光磁器的編碼方法的步驟圖。
[0018]圖5是本發(fā)明的合并運算說明圖。
[0019]圖6是本發(fā)明的位置量信號Y的說明圖。
[0020]圖7是本發(fā)明的實施例1的碼盤局部放大圖。
[0021]圖8是本發(fā)明的實施例2的碼盤局部放大圖。
[0022]圖中標記:
[0023]10-控制電路單元，11-模數(shù)轉換電路，IlA-A相差分放大電路，IlB-B相差分放大電路，IlC-AD轉換器，12-旋轉角計算電路，13-起始位置計算電路，20-磁檢測部，21-磁傳感器，22-磁體，30-光檢測部，31-光源，32-碼盤，32A-A相碼道，32A ' -A '相碼道，32B-B相碼道，32B, -B ;相碼道，33-靜光柵，34-光傳感器，40-旋轉主軸。
【具體實施方式】
[0024]參照圖1-3，本發(fā)明的光磁編碼器【具體實施方式】，包括磁檢測部20、光檢測部30、控制電路單元10。其中磁檢測部20包括磁體22和磁傳感器21，磁體22固定安裝在旋轉主軸40上，根據(jù)旋轉主軸40的旋轉帶動磁體22旋轉，并從磁傳感器21輸出數(shù)字信號。光檢測部30包括光源31、碼盤32、靜光柵33和光傳感器34，光源31的光照射碼盤32以及靜光柵33，通過旋轉主軸40的旋轉帶動碼盤32旋轉，并從光傳感器34輸出模擬信號。
[0025]控制電路單元10包括模數(shù)轉換電路11、起始位置計算電路13和旋轉角計算電路12，模數(shù)轉換電路11包括A相差分放大電路11A、B相差分放大電路IlB和AD轉換器11C，A相差分放大電路11A、B相差分放大電路IlB分別將光傳感器34和AD轉換器IlC連接。AD轉換器IlC的輸出端分別連接到起始位置計算電路13和旋轉角計算電路12中。起始位置計算電路13分別連接磁傳感器21與模數(shù)轉換電路11，利用上模數(shù)轉換電路11輸出的數(shù)字信號和磁傳感器21輸出的數(shù)字信號計算并輸出起始位置信號。旋轉角計算電路12分別連接起始位置計算電路13與模數(shù)轉換電路11，利用上電后的模數(shù)轉換電路11輸出的增量式的數(shù)字信號，以及初始位置信號，計算并輸出旋轉角信號。
[0026]碼盤32上設有相位差為90°的A相碼道32A和B相碼道32B，并且A相碼道32A和B相碼道32B上都分別設 有2N個等間隔分布的遮光部和透光部。為了增加光傳感器34輸出的模擬信號的抗干擾性,在碼盤32上再設置相位差為90°的A '相碼道32A '與B ;相碼道32B,，并且A相碼道32A和A ^相碼道32A ^的相位差為180°。k’相碼道32A'、B'相碼道32B'上也分別設有2N個等間隔分布的遮光部和透光部。
[0027]參照圖4-圖8，本發(fā)明的光磁編碼器的編碼方法，通過以下兩個實施例來具體說明。
[0028]實施例1:
[0029]S1:編碼器上電時，根據(jù)編碼器旋轉主軸40的旋轉，從磁傳感器21輸出的磁檢測部數(shù)字信號Xl為0001000100010001，保留其高N位，本實施例N取8，保留高8位后為0001000100000000，從而將旋轉主軸40旋轉一周的范圍劃分為28個可以滿足精度要求的劃分區(qū)域Z。保留高N位的目的是，當采用16位的磁編碼部20時，其分辨率可以達到16位，但是能夠確定的精度最多能夠達到最多達到11位。所以本實施例為了能達到更高的精度要求，磁檢測部數(shù)字信號Xl保留高8位。同時光檢測部30的碼盤32的A、A ^ , B, B ;相碼道也設有28個遮光部和透光部，當光源31的光分布照射在碼盤32的A、A '、B、B '相碼道時，可以分別輸出具有一定相位差的正弦波信號。
[0030]S2:從光傳感器34輸出的光檢測部模擬信號,經(jīng)過模數(shù)轉換電路11后，分別輸出A相數(shù)字信號10001010 (十進制數(shù)10，符號為正)和B相數(shù)字信號10010100 (十進制數(shù)20，符號為正)。AD轉換器IlC采用8位分辨率，最高位為符號位，當最高位為O則為負，為I則為正。
[0031]通過圖6可知，A相數(shù)字信號和B相數(shù)字信號都位于第一象限，通過除法運算后，A/B = 0.5，再經(jīng)過反正切運算arctan(A/B)，求得角度值為26°。由于A相碼道和B相碼道的相位差為90°，本實施例中，碼盤32在逆時針旋轉時，A相信號比B相信號落后90°，因此A相數(shù)字信號和B相數(shù)字信號分別對應的模擬量信號是sin Θ和C0s Θ，通過除法運算，即A/B = sin Θ/cos Θ = tan θ ,再通過反正切運算，arctan (tan θ )，即可求出Θ值，本實施例的Θ為26°。如果碼盤32為順時針旋轉時，A相信號比B相信號超前90°，因此A相數(shù)字信號和B相數(shù)字信號分別對應的模擬量信號是sin0和-cos Θ，通過除法運算，gpA/B = sin Θ /-cos Θ = -tan θ ,在進行反正切運算前,需要先將A/B取相反數(shù)后,再進行反正切運算，即arctan(-A/B),即可求出Θ值。
[0032]將光檢測周期Λ進行細分，細分份數(shù)本實施例取256份，再將26° /360° *256 =18.5，取整為19，得到起始位置所在光檢測周期Λ的位置量信號Y為19，對應的二進制數(shù)為00010011 ( —個光檢測周期Λ細分后，從其起點到終點，對應的二進制數(shù)是從00000000到11111111)。
[0033]S3:參照圖7，判斷起始位置輸出的磁檢測部數(shù)字信號Xl的0001000100010001是否超過其所在的光檢測周期Λ內的磁檢測部20劃分區(qū)域Z的邊界值Μ。
[0034]將磁檢測部20數(shù)字信號Xl (0001000100010001)與位置量信號Y(00010011)做減法運算，得到起始位置所在的光檢測周期Λ的起點對應的磁檢測部數(shù)字信號Χ2 (0001000011111110)，磁檢測部數(shù)字信號Χ2的第9位為I，則說明光檢測周期Λ的起點位于劃分區(qū)域Z的后半段，說明光檢測周期Λ和磁檢測部劃分區(qū)域Z的誤差情況，屬于圖7中所示情況。判斷時，磁檢測部數(shù)字信號Xl (0001000100010001)的第9位為0，說明該磁檢測部數(shù)字信號Xl位于劃分區(qū)域Z的前半段，且位置量信號Υ(00010011)小于光檢測周期Λ的中間值128，則說明磁檢測部數(shù)字信號Xl (0001000100010001)已超過邊界值Μ。
[0035]當已超過邊界值M時，將磁檢測部數(shù)字信號Xl保留高8位后(0001000100000000)的第8位減I (0001000000000000)后與光檢測部30的位置量信號Y (00010011)合并運算，得到起始位置信號(0001000000010011)。合并運算的過程，即將最低位對齊，然后逐位與運算，得到最后的運算結果。
[0036]S4:編碼器上電后，結合的A相數(shù)字信號和B相數(shù)字信號再旋轉到一定的角度后，形成的增量信號，結合起始位置信號(0001000000010011)，利用常用的光增量式編碼算法，求出旋轉角信號。由于光增量式編碼算法為現(xiàn)有技術，故在此不再贅述。
[0037]實施例2:
[0038]S1:編碼器上電時，根據(jù)編碼器旋轉主軸40的旋轉，從磁傳感器21輸出的磁檢測部數(shù)字信號Xl為0001110100010001，保留其高8位后為0001110100000000從而將旋轉主軸40旋轉一周的范圍劃分為28個劃分區(qū)域Ζ。同時光檢測部30的碼盤32的A、A ^、B、B ;相碼道也設有28個遮光部和透光部。
[0039]S2:從光傳感器34輸出的光檢測部模擬信號，經(jīng)過模數(shù)轉換電路11后，分別輸出A相數(shù)字信號00001010 (十進制數(shù)10，符號為負)和B相數(shù)字信號00010100 (十進制數(shù)20，符號為負)，通過圖6可知，A相數(shù)字信號和B相數(shù)字信號都位于第四象限，通過除法運算后，Α/Β = 0.5，再經(jīng)過反正切運算，求得角度值為26°，由于處于第四象限，所以實際角度值應該是360° -26° = 334°。將光檢測周期Λ進行細分，細分分數(shù)取256，再將334° /360° *256 = 237.5，取整為238，得到起始位置所在光檢測周期Λ的位置量信號Y為238，對應的二進制數(shù)為11101110。[0040]S3:參照圖8，判斷起始位置輸出的磁檢測部數(shù)字信號Xl的0001110100010001是否超過其所在的光檢測周期Λ內的磁檢測部20劃分區(qū)域Z的邊界值Μ。
[0041]將磁檢測部數(shù)字信號Xl (0001110100010001)與位置量信號Y(lllOlllO)做減法運算，得到起始位置所在的光檢測周期Λ的起點對應的磁檢測部數(shù)字信號X2為0001110000100011，磁檢測部數(shù)字信號Χ2的第9位為O，則說明光檢測周期Λ的起點位于劃分區(qū)域Z的前半段，判斷時，磁檢測部數(shù)字信號Xl (0001110100010001)的第9位為0，說明Xl位于劃分區(qū)域Z的前半段，且位置量信號Υ(11101110)大于光檢測周期Λ的中間值128，則說明磁檢測部數(shù)字信號Xl (0001110100010001)已超過邊界值Μ。
[0042]當已超過邊界值M時，將磁檢測部數(shù)字信號Xl保留高8位后(0001110100000000)的第8位減I (0001110000000000)后與光檢測部30的位置量信號Y (11101110)合并運算，得到起始位置信號(0001110011101110)。
[0043]S4:編碼器上電后，結合的A相和B相的增量信號，以及起始位置信號(0001110011101110)，用常用的光增量式編碼算法，求出旋轉角信號。
【權利要求】
1.一種光磁編碼器，其特征在于，包括: 磁檢測部(20)，包括磁體(22)和磁傳感器(21)，磁體(22)固定安裝在旋轉主軸(40)上，根據(jù)旋轉主軸(40)的旋轉帶動磁體(22)旋轉，并從磁傳感器(21)輸出數(shù)字信號； 光檢測部(30)，包括光源(31)、碼盤(32)、靜光柵(33)和光傳感器(34)，光源(31)的光照射碼盤(32)以及靜光柵(33)，通過旋轉主軸(40)的旋轉帶動碼盤(32)旋轉，并從光傳感器(34)輸出模擬信號； 控制電路單元(10)，分別連接磁傳感器(21)和光傳感器(34)，利用磁傳感器(21)輸出的磁檢測部數(shù)字信號以及光傳感器(34)輸出的模擬信號計算并確定旋轉主軸(40)的旋轉角度； 所述的控制電路單元(10)包括: 模數(shù)轉換電路(11)，與光檢測部(30)的光傳感器(34)連接，將光傳感器(34)輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號； 起始位置計算電路(13)，分別連接磁傳感器(21)與模數(shù)轉換電路(11)，利用上電時模數(shù)轉換電路(11)輸出的數(shù)字信號和磁檢測部(20)輸出的數(shù)字信號計算并輸出起始位置信號; 旋轉角計算電 路(12)，分別連接起始位置計算電路(13)與模數(shù)轉換電路(11)，利用上電后的模數(shù)轉換電路(11)輸出的數(shù)字信號，以及上電時的初始位置信號，計算并輸出旋轉角信號； 所述的碼盤(32)上設有相位差為90°的A相碼道(32A)和B相碼道(32B)，并且A相碼道(32A)和B相碼道(32B)上都分別設有2N個等間隔分布的遮光部和透光部。
2.根據(jù)權利要求1所述的光磁編碼器，其特征在于，所述的碼盤(32)上設有相位差為180。的A相碼道(32A)和A丨相碼道(32A丨)，與A相碼道(32A)相位差為90。的B相碼道(32B)，與B相碼道(32B)相位差為180°的B ;相碼道(32B ;)，并且A相碼道(32A)、A丨相碼道(32A ' )、B相碼道(32B)、B丨相碼道(32B丨)上分別設有2N個等間隔分布的遮光部和透光部。
3.根據(jù)權利要求1所述的光磁編碼器，其特征在于，所述的模數(shù)轉換電路(11)包括A相差分放大電路(IlA)、B相差分放大電路(IlB)和AD轉換器(IlC)，A相差分放大電路(IlA)、B相差分放大電路(IlB)分別將光傳感器(34)和AD轉換器(IlC)連接。
4.一種光磁編碼器的編碼方法，其特征在于，包括: S1:編碼器上電時，根據(jù)編碼器旋轉主軸(40)的旋轉，從磁傳感器(21)輸出的磁檢測部數(shù)字信號XI，保留其高N位處理，從而將旋轉主軸(40)旋轉一周的范圍劃分為2N個劃分區(qū)域Z; S2:從光傳感器(34)輸出的模擬信號，經(jīng)過模數(shù)轉換電路(11)后，分別輸出A相數(shù)字信號和B相數(shù)字信號，在起始位置計算電路(13)中，將A相數(shù)字信號和B相數(shù)字信號進行除法運算、反正切運算，得到起始位置所在光檢測周期Λ的位置量信號Y ； S3:判斷起始位置輸出的磁檢測部數(shù)字信號Xl是否超過其所在的光檢測周期Λ內的磁檢測部(20)劃分區(qū)域Z的邊界值M ;當未超過邊界值M時，將高N位的磁檢測部數(shù)字信號Xl直接與光檢測部(30)的位置量信號Y合并運算，得到起始位置信號；當超過邊界值M時，將高N位的磁檢測部數(shù)字信號Xl的第N位“減I”后與光檢測部(30)的位置量信號合并運算，得到起始位置信號； S4:編碼器上電后，結合A相數(shù)字信號、B相數(shù)字信號以及起始位置信號，計算并輸出旋轉角信號。
5.根據(jù)權利要求4所述的編碼方法，其特征在于，將磁檢測部數(shù)字信號Xl與位置量信號Y做減法運算，起始位置所在的光檢測周期Λ的起點對應的磁檢測部數(shù)字信號Χ2，磁檢測部數(shù)字信號Χ2的第Ν+1位為O，則說明光檢測周期Λ的起點位于劃分區(qū)域Z的前半段；判斷時，磁檢測部數(shù)字信號Xl的第Ν+1位為O，且位置量信號Y大于光檢測周期Λ的中間值，則說明磁檢測部數(shù)字信號Xl已超過邊界值M ;否則為未超過邊界值M ; 如果磁檢測部數(shù)字信號Χ2的第Ν+1位為1，則說明光檢測周期Λ的起點位于劃分區(qū)域Z的后半段；判斷時，磁檢測部數(shù)字信號Xl的第Ν+1位為1，且位置量信號Y小于光檢測周期Λ的中間值，則說明磁檢測部數(shù)字信號Xl未超過邊界值M ;否則為已超過邊界值Μ。
6.根據(jù)權利要求4所述的編碼方法，其特征在于，編碼器上電時，從磁傳感器(21)輸出的磁檢測部數(shù)字信號 XI，保留其高N位處理，其中NS 11。
【文檔編號】G01D5/56GK103983291SQ201410224926
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權日:2014年5月26日
【發(fā)明者】魏慧林, 汪涌, 李勝強, 謝元元, 黃勇, 張洪峰, 陳永成 申請人:四川科奧達技術有限公司