一種新型四矩陣的絕對式編碼盤

季 英 瑜

(衢州學院 機械工程學院， 浙江 衢州 324000)

0 引 言

碼盤是光電軸角編碼器的核心元件[1-3]，由刻畫一定圖案(碼道)的碼盤和與之相配合的狹縫盤組成。它是在玻璃或金屬表面的圓環區域上刻有若干圈均勻分布的透光或不透光相間的柵線的圓分度元件，具有抗干擾能力強、無累積誤差、掉電重啟后無須重新對零等優點[4-5]。隨著工業現代化、軍工、國防、科研等領域的發展，需要光電軸角編碼器也趨向小型化、智能化。若要滿足要求，主要從兩方面進行有效改善：① 縮小其核心元件——碼盤及狹縫盤的徑向尺寸;② 改變碼盤上的碼道編排方式[6-7]。但是，碼盤與狹縫的尺寸縮小后，會影響碼道區域的有效寬度，即要保證同等分辨率，如果碼道數量不變，只能減少碼道的寬度，這樣對減小編碼器尺寸的貢獻很小；而保證碼道寬度不變，只能是減少碼道數量，這樣又會造成編碼器分辨率降低。因此，在碼盤的徑向尺寸縮小而又不減少編碼器的輸出位數，就要在碼盤的碼道布局上采取新的設計方法。

本文提出了一種新型的矩陣絕對式編碼盤，采用全新碼道布局方式和單讀數頭讀取方式。與傳統三圈8位矩陣碼盤相比，第一圈可讀取4位，第二圈2位，第三圈4位，分辨率大大提高。

1 新型矩陣編碼盤設計

新型的四矩陣編碼盤解決技術問題的方案包括碼盤和狹縫盤。兩者之間相互平行并保持一定的間隙，分別安裝在編碼器的主軸(轉子端)和主體(定子端)上，碼盤隨編碼器主軸轉動，狹縫盤相對于編碼器主軸固定不轉動，碼盤與狹縫盤之間相對轉動，輸出代碼記錄著編碼器主軸轉動的角位移位置。

1.1 碼盤的碼道布局[8-11]

碼盤的碼道布局如圖1所示：在碼盤上刻劃3條碼道，第一圈碼道分為區0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°四個扇形區域，每個區域的通光、不通光區域的設置是不同的。0°～90°的區域內，全部為非通光區；90°～180°區域內，全部為通光區；180°～270°區域內，有2個通光區段，通光區段和非通光區段的寬度相等、相間分布，每個通光區段和非通光區段的寬度都為90°/4=22.5°；270°～360°區域內，有2個通光區段，通光區段的寬度為非通光區段的1/2，寬度為22.5°。

第二圈碼道為校正碼，是在整個圓周上等間距地設有16個通光區段，通光區段和非通光區段的寬度相等、相間分布，靠近0°(360°)兩側各有一個通光區段，其寬度為通光區段的1/2，寬度為360°/(16×2)/2=5.625°，也就是0°(360°)線跨一個通光區段中心。通光區段和非通光區段的寬度都為5.625°×2=11.25°。

第三圈碼道均分為4個扇形區域，每個區域的通光區和非通光區的設置是完全相同的。每一寬為90°的扇形區域中，通光區段的段數按2，4，8，16的等比數列梯次分布在每個寬為22.5°的分區域中，同一分區域中的通光區段和非通光區段的相間分布，每2個通光區段間的非通光區段與通光區段的等寬，但首、尾2個通光區段的外側還各有一個半寬非通光區段，即其寬度為通光區段的1/2，以實現通光區段和非通光區段各自的總寬度均等于11.25°。圖2是已有技術中碼盤碼道的布局結構示意圖。

1.2 狹縫盤的碼道布局

在圖3所示的狹縫盤上，有三圈狹縫，第一圈狹縫設有8個狹縫，用a1～a8表示，a1在357.187 5°位置、a2在2.812 5°位置、a3在19.687 5°位置、a4在25.312 5°位置、a5在42.187 5°位置、a6在47.812 5°位置、a7在64.687 5°位置、a8在70.312 5°位置；第二圈狹縫設有2個狹縫，用b1、b2表示，b1在5.625°位置、b2在11.25°位置；第三圈狹縫設有4個狹縫，用c1～c4表示，c1在0°(360°)位置、c2在22.5°位置、c3在45°位置、c4在67.5°位置。圖4是已有技術中狹縫盤上狹縫布局結構示意圖。

圖1 碼盤碼道的布局結構圖2 已有技術中碼盤碼道的布局結構

圖3 狹縫盤上狹縫布局結構示意圖圖4 現有技術中狹縫盤上狹縫布局結構示意圖

2 編碼盤的譯碼原理

碼盤的三圈碼道分別與狹縫盤的三圈狹縫相匹配，當碼盤順時針轉動時，三圈狹縫盤在遇到碼盤上相對應的碼道的通光區段時，呈現高電平狀態，則有信號輸出。遇到不通光區段時，呈現低電平狀態，沒有信號輸出[12-15]。利用光敏原件接收信號，光敏原件與狹縫盤相對應，在第一圈分布8個，第二圈2個，第三圈4個，然后將14個光敏元件集成一個讀數頭。

第一圈狹縫a1～a8接收到的光電信號如表1所示。其中，Ax代表通光區高電平信號；空格代表不通光區低電平信號，信號處理的關系式為：

A1、A2、A3、A4不是傳統的周期碼，通過A4×20+A3×21+A2×22+A1×23計算出十進制數字，然后按照規定編譯成0～15的四位二進制碼Z1、Z2、Z3、Z4，分別對應16個狀態。

表1 第一圈狹縫接收到的光電信號

第二圈狹縫b1和b2各自輸出了單一的A5碼和A6碼，無須經特殊處理即已成為傳統的第5位和第6位碼。

第三圈狹縫c1、c2、c3、c4接收到的光信號如表3所示，這些處理成傳統的周期二進制碼的關系式為：

表2 第三圈信號與傳統格雷碼的關系

經過處理后，得出10位格雷碼，見圖5。

圖5 碼道工作圖

3 檢測、試驗分析

根據以上理論制作出小型編碼器，對其進行誤碼檢測，利用數據采集軟件，將勻速轉動的編碼器實時輸出進行采集，編碼器轉動1周即360°得到一組數據，每隔360°/1 024角度進行測量，利用相鄰位置的角度差恒等于分辨率，進行檢測。查看差值的規律，如果存在誤碼，讀數差有誤，在曲線上能看到有突跳點。經多次通過試驗證明，不存在誤碼現象，因此采用本研究的新型編碼盤的絕對式光電軸角編碼器具有可行性。其測角精度能夠達到±0.351 562 5°。由于需采集1 024個數據，故截取其中一段曲線如圖6所示，證明其不存在誤碼現象。

圖6 光電軸角編碼器誤碼檢測試驗結果

4 結 語

本文提出了一種新型的四矩陣式絕對編碼器，與現有的四矩陣式碼盤相比較，同是三圈碼道與三圈狹縫的匹配，已有技術只能輸出八位碼，測角分辨率為1.406 25°，4個讀數頭。本設計的編碼盤可輸出十位碼，測角分辨率為0.351 562 5°(360/210)。現有技術狹縫窗口在360°圓周上四等分分布，本設計狹縫窗口分布在90°范圍內，采用單頭讀數，狹縫尺寸為已有技術狹縫尺寸的1/4，有效地解決了編碼盤輸出位數與尺寸間的矛盾,有利于編碼器的小型化、光電元件的集成化，具有可行性。而且結構簡單，調試方便，促進編碼器小型化發展，擴大了編碼器的應用范圍。

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