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小型絕對式光電編碼器原理及實現

時間：2015-02-28 17:19:55來源：00

導語：?本文基于游標編碼原理，完成了絕對式光電旋轉編碼器的設計。文章首先提出編碼方案，介紹了三碼道游標編碼方案，并推導絕對位置編碼的解算方法；給出了細分誤差模型公式和正弦信號校正結果，正弦信號校正后幅值誤差低于0.33%，零偏誤差低于0.2%,相移誤差低于0.22%；說明了編碼器的通信接口，在10m的通信距離上，可以達到10Mb/s的波特率，在25米距離上可以達到5Mb/s；最后給出了整個編碼器系統的結構

摘要：本文基于游標編碼原理，完成了絕對式光電旋轉編碼器的設計。文章首先提出編碼方案，介紹了三碼道游標編碼方案，并推導絕對位置編碼的解算方法；給出了細分誤差模型公式和正弦信號校正結果，正弦信號校正后幅值誤差低于0.33%，零偏誤差低于0.2%,相移誤差低于0.22%；說明了編碼器的通信接口，在10m的通信距離上，可以達到10Mb/s的波特率，在25米距離上可以達到5Mb/s；最后給出了整個編碼器系統的結構。實驗結果表明，編碼器工作正常，功能穩定。

關鍵詞：絕對式光電編碼器；游標編碼；細分模型；BiSSC模式

中圖分類號：TP274+.2文獻標志碼：A

1引言

光電旋轉編碼器是一種集光、機、電于一體的角位移測量裝置【1】。在一個典型的閉環運動控制系統中，光電旋轉編碼器作為觀測器，其性能參數直接影響控制系統精度、增益和穩定性【2】。隨著機器人與自動化技術的發展，控制系統要求光電旋轉編碼器能夠輸出絕對位置、結構小型化、同時對分辨率、精度、時間響應速度提出了更高參數要求。為了提高系統可靠性，編碼器與控制器之間需要采用數字通信接口連接，具有校驗能力。

編碼器的結構小型化制約編碼器的最大分辨率【3】【4】【5】；另一方面，編碼器的結構小型化加劇了光柵盤刻劃誤差對精度的影響【6】。早期的絕對式編碼器采用二進制或格雷碼編碼器方式，每條碼道對應一個二進制位，需要多條碼道才能滿足高分辨率測角需要。因此碼盤尺寸很大，不滿足編碼器小型化的需要。游標編碼是利用游標原理獲取絕對位置的編碼方式。采用游標編碼的編碼器能夠顯著減小了碼道數量，有利于編碼器小型化。游標編碼在保持高分辨率和高絕對精度的同時，增加了信號誤差的允許公差；采用相位陣技術的光電檢測方法，減小了刻劃誤差對精度的影響；這就意味著降低了光柵盤和編碼器軸系的制造、裝配難度【7】，對小型絕對式編碼器產業化十分有利。

本文提出一種基于游標編碼的絕對式光電旋轉編碼器，圖1。采用相位調制方法對絕對碼進行編碼，采用電子細分技術獲取高分辨率精碼。由于碼道數量少，適用于通用伺服電機的空心軸絕對式編碼器。目前，實驗室樣機能夠做到25位分辨率、批量產品的最大分辨率能夠穩定在23位。編碼器采用BiSS‐C數字接口，最高通信速率達到10MHz，最高時間響應周期<10uS。編碼器采用6位CRC校驗，能夠對每個通信周期的測量值進行校驗，對于極端安全的應用，編碼器能夠提供16位CRC校驗和循環技術功能確保極端可靠性。

2編碼原理

本文采用3條碼道M、N、S的正弦信號確定絕對角度位置。這個方法比在兩個刻度的情況下要求更低的精度。主碼道M決定系統分辨率和絕對精度，游標碼道N和段碼道S生成粗碼信息。對于任一刻線周期d，位置x在d內的相位α有，

β的周期等于碼道M、N刻線周期的最小公倍數，由于碼道M、N的刻線數相差1，1β在整個編碼距離內被唯一確定，2β在整個編碼器距離內周期性變化。由于刻劃誤差及一系列等效誤差存在，1β不能直接用于編碼。借助2β的周期性變化，1α與1β、2β共同構造整個編碼器距離的游標編碼，如圖2所示。

實際電路中，M信道對應的差分信號為sin_PMNM；N碼道對應的差分信號為sin_PN，NN；S碼道對應的差分信號為sin_PS，sin_NS；M,N,S信道差分信號的表達式分別如式(4)，(5)，(6)所示。

3細分技術

編碼器主碼道采用電子細分技術獲取高分辨率精碼。正弦信號的質量決定了最大分辨率和系統精度。為了實現更好的插值，識別相關信號誤差和對其補償是重要的。典型的誤差源包括正余弦信號的零點偏移（OS和OC）；正余弦信號（幅值AS和AC）之間變化的敏感度；正弦和余弦信號之間的相移為偏離90°（φSERR、φCERR），傳感器的特性曲線的非線性（正弦外形偏差FSIN、FCOS）?？傮w來說，角度能在一個周期劃分中通過正余弦信號的商的反正切計算出來。根據公式(11)有：

因此，編碼器需要有幅值補償、相移補償和零偏補償能力。實際電路中通過復雜的可編程校準電路補償后，幅值誤差低于0.33%，零偏誤差低于0.2%，相移誤差低于0.22?（相對于Vpp）。

4通信接口

編碼器采用BiSS‐C數字接口，BiSS‐C是一個高速、安全的同步串行通訊接口標準，它可以將傳感器的數據傳回主端口，并以雙向通訊方式將傳感器的參數從傳感器的寄存器中讀出或寫入，BiSS‐C接口的硬件與SSI接口兼容。其基本時序如圖3所示：

BiSS‐C采用標準RS‐422電氣規范，需要時鐘、數據兩路信號；BiSS‐C采用總線延遲補償技術，確保長距離高速通信可靠性。BiSS‐C的典型通信應用距離可以達到10米10MHz，25米5MHz。BiSS‐C協議幀的初始時鐘用于啟動編碼器內部采樣電路，采樣后的信號經過補償和游標解算形成絕對值編碼。絕對值編碼在同步時鐘的觸發下，向數據線移出。絕對值編碼生成時刻與初始時鐘發出時刻同步并且時間偏差小于1.25us（不考慮線路因素）。這就為控制器的算法優化提供了很好的技術保證，BiSS‐C數字接口的技術優勢在需要高速、高增益控制指標的系統中更加明顯。

5系統實現

一個完整的絕對式編碼器由光源、碼盤、狹縫、光電接收陣列及解碼電路構成。解碼電路包括6路獨立的差分增益放大器，每條碼道有2路相位相差90°的正弦信號，由硬件完成零偏補償。補償后的信號進入A/D進行量化，由軟件完成采樣值的幅值匹配補償和相移補償。校正后的測量值接近理想正弦，通過反正切變換，獲得相位角。通過游標解算，最終獲得編碼器的絕對位置。圖4絕對式編碼器結構框圖

6結論

本文提出了一種基于三碼道游標編碼的絕對式編碼器。三碼道游標編碼具有刻劃簡單、便于裝調，分辨率高，適于產業化推廣等優點。本文對編碼原理進行了說明，并給出了編碼過程；對細分電路進行了說明，給出了誤差公式，對數字通信接口進行了說明；給出了編碼功能框圖，實踐證明通過相位調制，有效提高了碼盤的編碼密度，減少了碼道數量，從而對實現絕對式編碼器的小型化應用有重要意義。

【1】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

【2】GeorgeEllis控制系統設計指南:第3版[M].北京.北京電子工業出版，2006

【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),326‐332.

【4】楊鵬;艾華;劉長順；超小型準絕對式編碼器的研制[J];光電工程;2008,35(12)141‐144

【5】陳赟、趙興國；單圈絕對式光電軸角編碼器的研究;光子學報;2008,12

【6】光電編碼器技術匯編[M];長春第一光學儀器廠

【7】JoachimQuasdorfPosition/Presence/ProximityTheVernierScaleGoesDigital[J];

www.sensormag.com;

January1,2009

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