基于十六矩陣的新型絕對式多圈光電編碼器

時偉，丁洪昌，曹國華

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

光電軸角編碼器基于光電檢測原理，是非接觸角度測量領域中一種應用廣泛的傳感技術，在傳感器測量領域有著不可比擬的地位。根據編碼方式的不同[1]，大體可分為增量式、絕對式和準絕對式光電編碼器三大類。其中絕對式光電軸角編碼器具有絕對零點、絕對位置測量、斷電信號不丟失、測量可靠性高、無累計誤差等優越性，與多圈測量方式相結合，可實現直線位移、電機轉速、大量程角度的精確測量，應用于智能機器、遙控、自動測量等各個行業，受到了廣大使用者的青睞。

為了實現絕對式編碼器的高可靠性、高精度、小型化、大量程測量，本文設計了基于十六矩陣的矩陣碼編碼方法，通過讀數頭位置的選擇，2圈碼道實現了19位信息的編碼。其中第一圈實現了高4位格雷碼，第二圈實現了低15位格雷碼，該碼盤構造極大的縮小了碼盤空間。配合組合式機械傳動結構，采用齒輪直接讀圈計數方法，實現了16圈計數，多級擴展，大量程測量的功能。下面就其碼盤編碼、讀數頭放置及譯碼原理，多圈機械傳動結構及齒輪讀圈方法進行詳細介紹。

1 十六矩陣碼盤設計

圖1 12位四矩陣編碼器碼盤圖案Fig.1 Twelve bit and fourmatrix encoder disc design

圖2 四矩陣粗碼狹縫圖案Fig.2 Four-matrix C/A code slit pattern

圖3 11位八矩陣碼盤器粗碼碼盤圖案Fig.3 Eleven bit and eightmatrix encoder disc design

圖4 八矩陣粗碼狹縫圖案Fig.4 Eight-matrix C/A code slit pattern

矩陣式碼盤設計的編碼原理是根據格雷碼的編碼規則，將碼盤圓周劃分為若干個扇形區域，每一個區域上根據位數關系，將幾個不同位數的碼道刻劃在同一圈內，與狹縫盤相配合，將光電讀數頭接收到的電信號，經過放大比較、細分、譯碼、校正等信號處理電路轉化成表征碼盤旋轉位置信息的自然二進制碼，進而獲得對應的絕對角度[2]。

目前廣泛應用的矩陣式光電編碼器大多為四矩陣、八矩陣編碼盤[3]，如圖1 圖4所示，將碼盤圓周劃分為4或8個區間，可以同時將四位、八位碼道刻在同一圈上。

根據矩陣碼道的編碼方式[4]及應用結構，設計十六矩陣編碼方式的碼盤圖案如圖5所示，其中2為各扇形區域的刻線數。

圖5 十六矩陣碼盤圖Fig.5 Sixteen-matrix encoder disc design

碼道展開圖如圖6所示。碼盤刻劃規則:設計刻劃兩圈碼道，實現粗碼19位分辨率。內圈碼道均分透光和不透光兩個區域：0°～ 180°為通光區(亮區)，180°～360°為不通光區；外圈碼道以22.5°為間隔劃分為16個扇形區間，從0°逆時針方向依次記為第1、2、…、16區，包含15位不同周期碼值。其中 1區設計成 0°到 45°之間，11.25°到 22.5°之間為通光區，其余各區均按照矩陣編碼的方式進行。

編碼盤需要與相應的狹縫盤配合構成光柵副結構，才能精準定位。狹縫布局分內外兩圈，內圈設置8個狹縫，從0°開始間隔45°依次排列，分別用標記；外圈設置16個狹縫，從0°開始間隔22.5°依次排列，分別用1，2，…，16標記，可以得到16路電信號，且每路信號包含15種不同周期的信息。

圖6 十六矩陣碼道展開圖Fig.6 Sixteen-matrix encoder disc expansion view

2 信號處理

由粗碼狹縫得到的19路電信號需經過放大、比較整形、譯碼、校正[5]、顯示等環節，得到表征位置信息的自然二進制碼及角度值。其傳統電路與矩陣式絕對式編碼器的部分相類似，不再詳述，其中譯碼電路相對復雜，由狹縫內外圈得到的格雷信號如表1所示。

表1 內圈8狹縫獲得碼道信號Tab.1 Code channel signal from inner ring eight slit

表2 外圈16狹縫獲得碼道信號Tab.2 Code channel signal from outer ring sixteen slit

內圈8路信號中，A表示通光區域，與格雷碼編碼關系為：

外圈16路信號如表2所示。

表中各位均不是單一周期的二進制格雷碼，需根據譯碼原理[6]，通過內圈碼道 A1、A2、A3、A4將單周期信號分別分離出來。得到16路單周期信號與二進制碼的關系為：

按照上述公式組(1)譯碼后，得到19位粗碼道信號。擴展外圈可刻劃2條精碼道，2條校正碼道，對徑相加后，經單片機細分，選取適當的插補系數，得到準精碼信息，通過校正碼校正處理后與粗碼共同構成高精度單圈角度測量值。

3 多圈傳動原理及實現

傳統的多圈光電軸角編碼器通常采用雙碼盤結構[7]，一個用于標記單圈角度信息，一個用于記錄主軸轉過的圈數。或者采用多單圈編碼器組合測量多圈的系統測量方法，結構相對復雜。本設計兩級齒輪傳動系[8]，通過末級齒輪與狹縫架組合結構，獲得圈數的絕對信息，實現多圈絕對測量。二級齒輪組傳動如圖7所示。

采用二級齒輪組結構，選用相同的小齒輪 14齒，大齒輪28齒，模數為0.5的傳動結構，兩級傳動，24=16系統傳動比為 1:16，當主軸轉過 16圈時，II末級齒輪轉過1圈。通過簡單譯碼電路及校正關系，可以實現多圈精確測量。其末級齒輪結構如圖9所示。

圖7 二級齒輪組傳動結構示意圖Fig.7 Two-stage gearing structure diagram

圖8 讀圈結構原理圖Fig.8 The structure diagram of obtaining number of turns

圖9 末級齒輪圖案Fig.9 Last stage gear design

每一組末級齒輪的狹縫架上間隔90°的雙狹縫輸出2位圈數信息，可記錄16圈信息。通過齒輪與狹縫架的疊加信息，經譯碼，校正處理后，即可得到相應的圈數。

4 結論

十六矩陣碼盤設計2圈粗碼道，經譯碼可得到19位粗碼的位置信息，加上精碼細分、校正后高位碼值，為矩陣式光電軸角編碼的高精度、小型化提供了一種新的方法，具有巨大的理論和應用價值。

多圈測量方式采用二級齒輪傳動的組合式結構，通過各級末端齒輪上狹縫架得到的多圈絕對位置的計數，該齒輪計數裝置可實現分級計數，多級擴展，可以單圈編碼器分離配合使用，通過對齒輪個數及齒輪組數的增減，實現多圈圈數的計量。該思想為多圈編碼器的發展提供了新的方法，具有較好的市場前景。

[1]董莉莉，熊經武，萬秋華.光電軸角編碼器的發展動態[J].光學精密工程，2000，8(2)：199-202.

[2]葉盛祥.光電位移精密測量技術[M].成都：四川科學技術出版社，2003.

[3]劉長順，王顯軍，韓旭東，等.八矩陣超小型絕對式光電編碼器[J].光學精密工程，2010，18(2)：326-333.

[4]曹振夫.小型絕對式矩陣編碼器[J].光學機械，1985(5)：66-70.

[5]蘇海水，劉恩海.單圈絕對式編碼器的研制[J].光學精密工程，2002，10(1)：74-77.

[6]Matszoe Y，Yoshizawa T.High-performance absolute rotary encoder using multi-track and M-code[J].Opt Eng，2003，42(1):122-130.

[7]趙志巍，陳赟.一種基于金屬碼盤的新型絕對式光電軸角編碼器[J].傳感器技術學報，2010，23(5)：655-659.

[8]趙傳威.一種三軸聯動多圈編碼器的研制[J].長春理工大學學報：自然科學版，2009，32(1)：8-10.