陳 赟,高勝英,張 晰,韓慶陽

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春 130033)

0 引 言

光電編碼器是一種角度測量裝置,其將空間角度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息,在工業(yè)、國防、航天等領(lǐng)域有廣泛使用[1～6]。然而,在一些特殊應(yīng)用場合,對編碼器的尺寸和重量提出了嚴(yán)格的要求,如:航天類儀器；因此,亟需研制體積小,重量輕,分辨力和精度滿足要求的光電編碼器。

光電編碼器的反射式信號拾取方式是將光源、指示光柵和探測器集成于一體,放置在光學(xué)碼盤一側(cè),具有結(jié)構(gòu)簡單,體積小,重量輕和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]。增量式光電編碼器具有編碼方式簡單,工作可靠,反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn),因此得到大量使用[8～10]。然而,傳統(tǒng)的增量式光電編碼,一圈只有一個零位,因此,確定絕對位置時間長,尋零效率低。

本文研制反射式多零位光電編碼器,通過簡化碼盤碼道設(shè)計(jì),并采用反射式光電信號拾取方式,減小體積；用Silicon Labs公司生產(chǎn)的32位 ARM實(shí)現(xiàn)多零位絕對位置確定算法和信號處理；通過RS—422通信將角度傳輸給主系統(tǒng)。經(jīng)測量,本編碼器直徑尺寸26 mm,長26 mm,重量19 g,分辨力為19.78″,精度σ為21.37″,滿足系統(tǒng)要求。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 碼盤碼道設(shè)計(jì)

光學(xué)碼盤是光電編碼器的核心元件,為一塊刻有編碼圖案的光學(xué)玻璃盤,編碼圖案由明暗相間的刻線組成,包含了設(shè)計(jì)的編碼信息。透射式光柵盤如果采用準(zhǔn)絕對式的編碼方式,需要兩圈碼道組成,即,零位和精碼,如圖1(a)所示。反射式碼盤只有一圈碼道,零位按照特定的規(guī)律編排在精碼碼道中,如圖1(b)所示。由于碼盤碼道和信號拾取方式的變化,使結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化,體積減小。

圖1 光學(xué)碼盤設(shè)計(jì)

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本光電編碼器由精密軸承、主軸、軸套、彈片、光柵盤和信號接收處理電路等組成,如圖2所示。

圖2 反射式超小型光電編碼器外形與結(jié)構(gòu)

由圖2可知本編碼器直徑僅為26 mm,長度26 mm,在輸出軸2 mm處,增加頂針設(shè)計(jì),方便安裝使用。

2 信號處理方法研究

2.1 多零位編碼方式原理

多零位光電編碼器的尋零效率比單零位快,碼盤的兩個零位間的精碼線條固定,且任意相鄰兩個區(qū)域內(nèi)的精碼線條不同,這樣經(jīng)過兩個不同零位就能夠確定光電編碼器轉(zhuǎn)過的絕對位置。確定絕對位置的算法如圖3所示。

圖3 算法流程

步驟1:若沒有轉(zhuǎn)動,系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器保持初始化狀態(tài),一旦轉(zhuǎn)動計(jì)數(shù)器就要進(jìn)行計(jì)數(shù)；跳到步驟2。

步驟2:如果遇到零位,標(biāo)記下此時的零位和遇到零位次數(shù),跳到步驟3。

步驟3:在步驟要判斷系統(tǒng)第幾次遇到零位,如果是第一次,繼續(xù)找零位,如果是第二次,則進(jìn)行步驟4。

步驟4,根據(jù)步驟2對零位的標(biāo)記判斷是否是同一零位,若不是則根據(jù)標(biāo)記查表譯碼得到絕對位置,否則回到步驟2。

2.2 信號處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該編碼器的電路板尺寸只有Φ=25 mm,所以,傳統(tǒng)的整形放大,AD采集等信號處理硬件電路在此并不適用；而專用處理芯片的開發(fā)成本高、時間長。因此,本設(shè)計(jì)選用Silicon Labs公司32位 ARM作為信號處理芯片,該芯片內(nèi)部集成12位SARADC以及CMP中斷,尺寸僅為6 mm×6 mm,能夠完成光電編碼器信號處理電路和數(shù)據(jù)處理；RS422通信由MAX488完成。故電路板上只有反射式探測器、主處理器和MAX488三個芯片和一些外圍電路組成。信號處理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 信號處理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

反射式探測器出來的Sin+、Sin-、Cos+和Cos-四相位信號分別給ARM的CMP及SRADC中斷,零位信號則只給SARADC中斷,經(jīng)過CMP和SARADC處理,可以得到功能等同于整形放大和AD電路功能的信號,信號處理模塊主要完成對粗碼信號多零點(diǎn)絕對位置確定算法、精碼細(xì)分和精粗校正等功能,具體信號處理軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件處理流程

3 精度檢測及分析

3.1 精度分析

光電編碼器的誤差由碼盤制造誤差、軸系晃動及碼盤偏心誤差、細(xì)分誤差、量化誤差和檢測誤差組成,是上述 5部分誤差綜合作用的結(jié)果。其中,碼盤制造誤差、軸系晃動及碼盤偏心誤差和細(xì)分誤差,是誤差的主要組成部分,被稱作光電編碼器的三大誤差[11]。經(jīng)分析本編碼器的誤差構(gòu)成如下:

6)合成誤差

編碼器的最終誤差是上述5種誤差的合成,本編碼器的最大合成誤差為

3.2 精度檢測

采用自準(zhǔn)直光管和12面體檢測本編碼器的精度,12面體相鄰兩個面與分別自準(zhǔn)直光管垂直時編碼器轉(zhuǎn)過的角度為360°/12；即30°的整數(shù)倍。檢測結(jié)果與基準(zhǔn)角度求差,再將12面體的修正值考慮進(jìn)去,就得到檢測結(jié)果。檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 精度檢測結(jié)果

由表1可知:反射式超小型光電編碼器的誤差最大值為0″,最小值為-63.9″,峰峰值為63.9″,均方根為21.37″，小于49.58″,滿足系統(tǒng)的精度要求。

4 結(jié) 論

研制了一種反射式超小型光電編碼器,提出利用反射式的光電信號識取方式,減少碼盤碼道數(shù),從而減小體積,優(yōu)化結(jié)構(gòu),采用多零位的編碼方式提高尋零效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該編碼器直徑26 mm,長度為26 mm,重量19g,分辨力為19.78″(16位),精度σ為21.37″。實(shí)際應(yīng)用表明:該編碼器滿足系統(tǒng)要求。由于系統(tǒng)要求,尺寸未進(jìn)一步縮小,如有需要,尺寸和重量還有進(jìn)一步縮小的空間。