多矩陣光電編碼器編碼方法研究及細分處理

丁紅昌，賈博然，陳丹強，曹國華DING Hong-chang，　JIA Bo-ran，　CHEN Dan-qiang，　CAO Guo-hua（.長春理工大學 機電工程學院，長春 300；.空軍航空大學 武器教研室，長春 300）

多矩陣光電編碼器編碼方法研究及細分處理

丁紅昌1，賈博然1，陳丹強2，曹國華1
DING Hong-chang1，JIA Bo-ran1，CHEN Dan-qiang2，CAO Guo-hua1
（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.空軍航空大學 武器教研室，長春 130022）

針對當今對編碼器小型化、高分辨力、高精度化的要求提出了一種新型多矩陣編碼器，研究并設計了多矩陣光電編碼器的新型碼道圖案、光電讀數頭布置方式和A/D細分電路，在不增加編碼器體積與半徑的情況下，增加分辨力，提高讀數精度，減少讀數誤差。并且根據實際工作要求分別研究并設計了大小兩型多矩陣編碼器，分辨力分別為20位與12位，體積分別為φ420×16mm與φ25×16mm，經A/D細分，精度可達10000細分，對于編碼器的在國防、航空、航天等高精尖領域具有重要實際意義。

多矩陣光電編碼器；碼盤圖案；光電讀數頭布置；A/D細分電路

0　引言

光電軸角編碼器是一種具有代表性的角位移傳感器，是集光機電于一體的一種數字測角裝置［1］。隨著我國國防、航天、航空等科技的發展，小型化、高分辨力和高精度化愈發成為光電編碼器的重要研究方向。2010年長春光學精密機械研究所研制出的8矩陣超小型絕對式光電編碼器，分辨率達16位，精度為30''，體積φ25mm×16mm［2］。2011年長春理工大學進行了新型矩陣編碼器的研究，體積φ30mm×15mm，分辨率達24位，精度達0.2''［3］。但前者需刻劃3圈碼道分辨力才可達到8位；后者雖改進碼道刻劃，利用2圈碼道分辨力即可達12位，但需布置16個光電讀數頭，短周期［4］誤差較大。并且隨著微電子技術的發展，A/D細分電路也有著巨大的改進空間。

本文綜合考慮編碼器體積、分辨力和精度，提出一種新型的多矩陣光電編碼器，并將小型矩陣編碼器與大型矩陣編碼器進行分別分析。前者有3圈碼道，12個光電讀數頭，可讀取12位信息，經A/D細分，可對信號進行10000細分，體積約為φ25mm×16mm。后者有4圈碼道，20個光電讀數頭，可讀取20位信息，經A/D細分，可對信號進行10000細分，體積約為φ420mm×16mm。

本文主要介紹新型碼道刻劃圖案、光電讀數頭布置方式以及A/D細分電路，其他傳統編碼器也具有的部分在此不做贅述。

1　小型多矩陣光電編碼器設計

本文采用格雷碼進行編碼。格雷碼經二進制數變換得到，且任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，可消除非單值性誤差，極易用來解決編碼器高精度、超小化的問題。

1.1小型多矩陣光電編碼器碼盤設計

本文所述小型多矩陣光電編碼器采用刻劃3圈碼道的方式讀取12位信息，并據此設計新型光電讀數頭（光源）的布置方式。相比于已有8矩陣編碼器與12位矩陣編碼器，提高了分辨力并降低了短周期誤差。

為了配合電子學A/D細分并減少長周期誤差，在碼盤外圍增加兩圈增量式精碼道，并提高分辨力。

小型多矩陣光電編碼器具體碼道設計如圖1所示（黑色為透光部位），為清晰表達碼盤半徑與各圈碼道半徑的關系，以及各圈碼道各碼區中的各條碼道具體分布情況，繪制與之對應的碼道工作圖如圖2所示。

圖1　小型多矩陣編碼器碼道分布

當今刻劃工藝可以滿足的最小柵距（每兩條碼道的間距）為5 μm。上述刻劃方法中，第3圈碼道315°～360°碼區為碼道最密處。即此碼區各條碼道滿足最小碼道刻劃工藝時，其他碼區一定滿足刻劃工藝要求。

第三圈碼道315°～360°碼區各碼道間距計算如下。

如圖3所示，該碼區刻劃128條碼道，每兩條碼道之間夾角α=45°/128，半徑為φ20mm，即間距x=2×20×sinα/2=245μm，滿足現有刻劃工藝要求。

圖3　小型多矩陣編碼器碼道間距計算

圖2　小型多矩陣編碼器碼道工作圖

為了消除碼道刻劃不精確帶來的長周期誤差，本文采用刻劃兩圈精碼道的方法來發現并解決這個問題。精碼道在第三圈碼道之外刻劃兩圈，內圈為13位過渡圈精碼道，作為粗碼道與標尺精碼道之間的過渡連接碼道；外圈為14位標尺精碼道，作為編碼器碼道精度的標尺碼道。兩路精碼信號經A/D轉換，并將轉換后的數字量對徑相加，可以減少軸系晃動及碼盤安裝偏心的影響，反映編碼器的真實轉角。同時，配合A/D細分電路，讀數精度可達10000細分，具體細分原理在此不再贅述。

1.2小型多矩陣光電編碼器光電讀數頭設計

光電編碼器工作時，光電讀數頭與光源成對使用，空間分布方式一一對應。由于光源之間會互相干擾，使編碼器產生短周期誤差。同時，因碼道刻畫誤差產生的長周期誤差對編碼器的影響小于短周期誤差，因此在設計編碼器時，可以考慮適當增加碼道圈數，并盡量減少光源數量。因此，本文設計了新型光電讀數頭（光源）布置方式，配合本文所設計的新型碼道圖案進行信號讀取。光電讀數頭共布置12個，布置方式如圖1所示，配合新型碼道圖案，可讀取12位信號。

相比于現有的超小型12位矩陣編碼器，本編碼器雖然增加了一圈碼道，但減少了光電讀數頭與光源數量，減少了讀數誤差，且不增加體積。

1.3小型多矩陣光電編碼器編碼信號關系

根據本文所述碼道與光電讀數頭設計方式，小型多矩陣光電編碼器編碼信號關系如下。

第1圈刻劃傳統碼道的第1和第2位。第1圈2位信號關系表如表1所示。

第1圈讀出的信號與讀數頭讀出的格雷碼的關系為：

第2圈碼道刻劃傳統碼道的第3和第4位，由圖1與表1，第2圈讀出的信號與讀數頭讀出的格雷碼的關系為：

第3圈碼道刻劃傳統碼道的第5～12位。第3圈8位信號關系表如表2所示。

由圖1與表2可知，第3圈讀出的信號與讀數頭讀出的格雷碼的關系為：

2　大型多矩陣光電編碼器設計

2.1大型多矩陣光電編碼器碼盤設計

在實際應用過程中，某些場合不可避免的需要分辨力更高的多矩陣編碼器。參考第3圈碼道設計方案，可以將第4圈碼道設計為碼道間距更加細密的8矩陣或16矩陣形式，以提高編碼器的分辨力。經計算，第4圈16矩陣碼道所需半徑已超過100m，顯然難以實現。因此，將第4圈碼道設計為類似第3圈碼道的8矩陣形式，雖然降低了分辨力，但編碼器體積為φ420mm×16mm，易于應用。由于第4圈碼道可讀取20位信息，碼道過于細密，因此本圈碼道采用碼道工作圖的表達方式進行表達，如圖4所示。

表1　第1圈碼道信號關系表

表2　第3圈碼道信號關系表

圖4　第4圈碼道工作圖

大型多矩陣光電編碼器精碼道設計與小型多矩陣光電編碼器精碼道相似，但由于兩型編碼器分辨力不同，因此精碼道位數也有所不同。大型多矩陣光電編碼器內圈精碼道刻劃為21位過渡精碼道，外圈精碼道刻劃為22位標尺精碼道。同時，配合后文所述A/D細分電路，測量精度可達10000細分。

因本圈碼道十分細密，勢必需要計算滿足最小刻劃工藝時所需的最小碼盤直徑。經計算，此時半徑R=2.5μm /（sinα/ 2）=420mm。

2.2大型多矩陣光電編碼器光電讀數頭設計

第4圈光電讀數頭（光電發射管）布置如圖5所示，大型多矩陣光電編碼器光電讀數頭共布置20個，配合新型碼道圖案，可讀取20位信號。可以發現，第4圈與第3圈光電讀數頭布置方式一致，則在空間位置上兩者很可能會產生干涉，并產生串光現象［5］。為了防止此類現象的產生，光電讀數頭可以采用錯位排列的方式擺放。即可將第4圈光電讀數頭與第3圈錯開一個微小的角度，充分利用光源的有效范圍，以保證讀取信號的準確性。

圖5　第4圈光電讀數頭布置方式

2.3大型多矩陣光電編碼器編碼信號關系

由于大型多矩陣光電編碼器前3圈碼道與小型多矩陣編碼器相同，故前3圈共12位信號關系不變。第4圈碼道刻劃傳統碼道的第13～20位。由圖5與表2可知，第4圈讀出的信號與讀數頭讀出的格雷碼的關系為：

3　A/D細分及增量電路設計

為了提高編碼器測量精度，本文所述多矩陣光電編碼器同時設計了A/D細分電路，經過對光電讀數頭讀入的信號電子細分，可提高分辨力與精度。

小型光電編碼器用圓光柵進行測量時其角度值θ為：

式中，P為柵距，N為正弦周期信號的周期數，△θ為不足一個正弦周期的小數部分［6］。讀入信號后，為了進一步提高角度θ的分辨力，需要對△θ進行細分。細分電路主要由差分放大、低通濾波、比較、比例運算和A/D轉換等部分組成。利用如圖6所示電路并配合軟件編程完成上述處理，最終得到A/D細分后的信號。由于篇幅所限，細分電路各組成部分在此不做單獨介紹。

A/D細分之前，大小兩型編碼器精度為0.0110°及2.8125°。若將信號接入細分電路，經A/D細分，可對讀入信號做10000細分。并且該電路完成了增量編碼器的功能設計。具體實現電路如圖6所示。

4　結論

本文針對編碼器的主要組成部分，即碼道、光電讀數頭與A/D細分電路，提出了一種既不增加編碼器體積和半徑，又增加分辨力，降低讀數誤差的新型多矩陣光電編碼器。并且根據實際工作要求，分別討論、研究并設計了大小兩型多矩陣編碼器，分辨力分別可達20位與12位，精度可達10000細分，相比傳統編碼器具有很大的優勢，對編碼器小型化、高分辨力和高精度化的發展有重要意義。

圖6　A/D細分及增量電路

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［1］ 劉春寶.基于MCS-51單片機光電編碼器細分系統的研究［D］.長春:吉林大學，2008:29-32.

［2］ 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.

［3］ 耿立明，曹國華，王雯雯，等.一種新型矩陣編碼器的研究［J］.光電工程，2011，38（2）:138-139.

［4］ 王顯軍.光電軸角編碼器細分信號誤差及精度分析［J］.光學精密工程，2012，20（2）:380-383.

［5］ 萬秋華，孫瑩，王樹潔，等.雙讀數系統的航天級絕對式光電編碼器設計［J］.光學精密工程，2009，17（1）:53-55.

［6］ 馮英翹，萬秋華，孫瑩，等.小型光電編碼器的高分辨力細分技術［J］.紅外與激光工程，2013，42（7）:1827-1829.

The research of photoelectric encoder coding method and subdivision circuit of multi-matrix encoder

TP212.14

A

1009-0134（2016）06-0001-05

2016-03-09

重點科技成果轉化項目：絕對式線位移光柵傳感器（20130303014GX）

丁紅昌（1980 -），男，遼寧撫順人，講師，碩士，研究方向為光電檢測技術。