反射式超小型光電編碼器研制*

陳 赟,高勝英,張 晰,韓慶陽

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,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換成數字信息,在工業、國防、航天等領域有廣泛使用[1～6]。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點[7]。增量式光電編碼器具有編碼方式簡單,工作可靠,反應靈敏等優點,因此得到大量使用[8～10]。然而,傳統的增量式光電編碼,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Silicon Labs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。經測量,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″,滿足系統要求。

1 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,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,使結構得到優化,體積減小。

圖1 光學碼盤設計

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2所示。

圖2 反射式超小型光電編碼器外形與結構

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,增加頂針設計,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。確定絕對位置的算法如圖3所示。

圖3 算法流程

步驟1:若沒有轉動,系統的計數器保持初始化狀態,一旦轉動計數器就要進行計數；跳到步驟2。

步驟2:如果遇到零位,標記下此時的零位和遇到零位次數,跳到步驟3。

步驟3:在步驟要判斷系統第幾次遇到零位,如果是第一次,繼續找零位,如果是第二次,則進行步驟4。

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

2.2 信號處理系統的實現

該編碼器的電路板尺寸只有Φ=25 mm,所以,傳統的整形放大,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成本高、時間長。因此,本設計選用Silicon Labs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6 mm×6 mm,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。信號處理系統的總體設計如圖4所示。

圖4 信號處理系統總體設計

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,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[11]。經分析本編碼器的誤差構成如下:

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。檢驗結果如表1所示。

表1 精度檢測結果

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″,滿足系統的精度要求。

4 結 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,從而減小體積,優化結構,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″。實際應用表明:該編碼器滿足系統要求。由于系統要求,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。