反射式超小型光電編碼器研制

何功　李雅楠

摘要：光電編碼器是一種角度測量裝置，其將空間角度信息轉換成數字信息，在工業(yè)、國防、航天等領域有廣泛應用。然而，在一些特殊應用場合，對編碼器的尺寸和重量提出了嚴格的要求，如：航天類儀器;因此，亟需研制體積小，重量輕，分辨率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，放置在光學碼盤一側，具有結構簡單，體積小，重量輕和抗干擾能力強等優(yōu)點。增量式光電編碼器具有編碼方式簡單，工作可靠，反應靈敏等優(yōu)點，因此得到大量使用。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計，并采用反射式光電信號拾取方式，減小體積;用SiliconLabs公司生產的32位ARM實現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)。經測量，本編碼器直徑尺寸26mm，長26mm，重量19g，分辨力為19.78″，精度σ為21.37″，滿足系統(tǒng)要求。

關鍵詞：反射式;超小型;多零點;光電編碼器

引言：為了滿足光電編碼器體積小、重量輕和高精度、高分辨率的技術要求，本文研制了反射式超小尺寸光電編碼器。首先，提出利用反射式的光電信號識取方式，減少碼盤碼道數，從而減小體積，優(yōu)化結構，同時給出反射式超小型光電編碼器的總體設計;其次，針對單零點增量式尋零效率低，提出采用多零點準絕對式的編碼方式，利用32位的ARM實現光電信號的采集與處理，并通過RS422傳輸角度信息;最后，使用自準直平行光管和12面體檢測精度。實驗結果表明：該編碼器的分辨率為19.78″（16位），精度σ=21.37″，尺寸26mm×26mm，重量僅為19g。

總體設計

1.1碼盤碼道設計

光學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玻璃盤，編碼圖案由明暗相間的刻線組成，包含了設計的編碼信息。透射式光柵盤如果采用準絕對式的編碼方式，需要兩圈碼道組成，即零位和精碼。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。由于碼盤碼道和信號拾取方式的變化，使結構得到優(yōu)化，體積減小。

1.2機械結構設計

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1所示。

由圖1可知本編碼器直徑僅為26mm，長度26mm，在輸出軸2mm處，增加頂針設計，方便安裝使用[1]。

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)域內的精碼線條不同，這樣經過兩個不同零位就能夠確定光電編碼器轉過的絕對位置。

2.2信號處理系統(tǒng)的實現

該編碼器的電路板尺寸只有Φ=25mm，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，本設計選用SiliconLabs公司32位ARM作為信號處理芯片，該芯片內部集成12位SARADC以及CMP中斷，尺寸僅為6mm×6mm，能夠完成光電編碼器信號處理電路和數據處理;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)的總體設計如圖2所示。

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絕對位置確定算法、精碼細分和精粗校正等功能[2]。

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果。其中，碼盤制造誤差、軸系晃動及碼盤偏心誤差和細分誤差，是誤差的主要組成部分，被稱作光電編碼器的三大誤差，

3.2精度檢測

采用自準直光管和12面體檢測本編碼器的精度，12面體相鄰兩個面分別與自準直光管垂直時編碼器轉過的角度為360°/12;即30°的整數倍。檢測結果與基準角度求差，再將12面體的修正值考慮進去，就得到檢測結果。通過試驗發(fā)現，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。

結論：

簡而言之，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，從而減小體積，優(yōu)化結構，采用多零位的編碼方式提高尋零效率。實驗結果表明：該編碼器直徑26mm，長度為26mm，重量19g，分辨力為19.78″（16位），精度σ為21.37″。實際應用表明：該編碼器滿足系統(tǒng)要求。由于系統(tǒng)要求，尺寸未進一步縮小，如有需要，尺寸和重量還有進一步縮小的空間[3]。

參考文獻：

[1]王顯軍.反射式光電編碼器[J].光學·精密工程，2018，21（12）：3066-3071.

[2]于海，萬秋華，王樹潔，等.小型絕對式光電軸角編碼器動態(tài)誤差分析[J].中國激光，2017，40（8）：0808004—1-0808004—7.

[3]盧新然，宋路，萬秋華.紅外光源參數對光電編碼器信號的影

響[J].紅外與激光工程，2017，46（9）：0917007-1-0917007-6.