一種光磁編碼器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種光磁編碼器，光磁編碼器包括磁檢測(cè)部、光檢測(cè)部和控制電路單元，其中，控制電路單元中具有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、起始位置計(jì)算電路和旋轉(zhuǎn)角計(jì)算電路，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將光檢測(cè)部的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再結(jié)合磁檢測(cè)部的數(shù)字信號(hào)，確定上電時(shí)編碼器的起始位置信號(hào)，在編碼器上電后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)，再結(jié)合起始位置信號(hào)，輸出旋轉(zhuǎn)角信號(hào)。本實(shí)用新型的光磁編碼器采用磁編碼器和光編碼器相結(jié)合的方式，在每一次編碼器上電時(shí)都能輸出絕對(duì)位置編碼信號(hào)，編碼器具有體積小，精度高的特點(diǎn)。
【專利說明】一種光磁編碼器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于編碼器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光磁編碼器。

【背景技術(shù)】
[0002]絕對(duì)式編碼器，常用于對(duì)儀器或設(shè)備的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量與校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的絕對(duì)式編碼，隨著編碼位數(shù)不同、精度要求不同，相應(yīng)的碼盤面積、檢測(cè)頭數(shù)量都要按比例增加。在很多場(chǎng)合下，需要滿足高精度的同時(shí)滿足編碼器結(jié)構(gòu)緊湊的要求。目前，新型絕對(duì)式編碼器一般基于分度-矩陣編碼、M序列偽隨機(jī)碼等方式進(jìn)行編碼。比起傳統(tǒng)的絕對(duì)式編碼，上述兩種絕對(duì)式能夠獲得所述的偽隨機(jī)碼編碼方式能夠縮小碼盤/柵尺面積，減少檢測(cè)頭數(shù)量，減小編碼器尺寸的同時(shí)仍舊保證高精度高速度的要求。偽隨機(jī)碼編碼形式的編碼器，由于是采用串行編碼，導(dǎo)致在如果沒有保存上次斷電前的信息時(shí)，再次上電編碼器無法獲得實(shí)際真實(shí)角度信息，從而需要編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度才能獲得實(shí)際的物理位置(旋轉(zhuǎn)角度隨編碼位數(shù)不同而不同)，因此，屬于一種準(zhǔn)絕對(duì)式編碼器。分度-矩陣編碼形式的編碼器，屬于純絕對(duì)式編碼器，但其體積往往大于基于偽隨機(jī)碼編碼的編碼器。因此上述兩種新型絕對(duì)式編碼器，依然具有體積大、掉電后丟失信息的缺點(diǎn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型提供一種光磁編碼器，將絕對(duì)式的磁編碼和增量式的光編碼相結(jié)合，克服了現(xiàn)有的絕對(duì)式編碼器體積大，增量式編碼器掉電后丟失信息的問題。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的光磁編碼器，包括:磁檢測(cè)部，包括磁體和磁傳感器，磁體固定安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上，根據(jù)旋轉(zhuǎn)主軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁體旋轉(zhuǎn)，并從磁傳感器輸出數(shù)字信號(hào)；光檢測(cè)部，包括光源、碼盤、靜光柵和光傳感器，光源的光照射碼盤以及靜光柵，通過旋轉(zhuǎn)主軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，并從光傳感器輸出模擬信號(hào)；控制電路單元，分別連接磁傳感器和光傳感器，利用磁傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)以及光傳感器輸出的模擬信號(hào)計(jì)算并確定旋轉(zhuǎn)主軸的旋轉(zhuǎn)角度；
[0005]所述的控制電路單元包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，與光檢測(cè)部的光傳感器連接，將光傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；起始位置計(jì)算電路，分別連接磁傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，利用上電時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)和磁檢測(cè)部輸出的數(shù)字信號(hào)計(jì)算并輸出起始位置信號(hào)；旋轉(zhuǎn)角計(jì)算電路，分別連接起始位置計(jì)算電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，利用上電后的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)，以及上電時(shí)的初始位置信號(hào)，計(jì)算并輸出旋轉(zhuǎn)角信號(hào)。
[0006]所述的碼盤上設(shè)有相位差為90°的A相碼道和B相碼道，并且A相碼道和B相碼道上都分別設(shè)有2N個(gè)等間隔分布的遮光部和透光部。
[0007]優(yōu)選地，所述的碼盤上設(shè)有相位差為180°的A相碼道和A ’相碼道，與A相碼道相位差為90°的B相碼道，與B相碼道相位差為180°的B '相碼道，并且A相碼道、A '相碼道、B相碼道、B丨相碼道上分別設(shè)有2N個(gè)等間隔分布的遮光部和透光部。
[0008]優(yōu)選地，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括A相差分放大電路、B相差分放大電路和AD轉(zhuǎn)換器，A相差分放大電路、B相差分放大電路分別將光傳感器和AD轉(zhuǎn)換器連接。
[0009]由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0010]本實(shí)用新型的光磁編碼器，將絕對(duì)式的磁編碼和增量式的光編碼相結(jié)合，在每一次上電時(shí)都能得到起始位置的絕對(duì)編碼，形成一種絕對(duì)式編碼器，具有體積小、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本實(shí)用新型的光磁編碼器剖視圖。
[0012]圖2是本實(shí)用新型的光磁編碼器的控制電路單元方框圖。
[0013]圖3是本實(shí)用新型的碼盤平面圖。
[0014]圖4是本實(shí)用新型的光磁器的編碼方法的步驟圖。
[0015]圖5是本實(shí)用新型的合并運(yùn)算說明圖。
[0016]圖6是本實(shí)用新型的位置量信號(hào)Y的說明圖。
[0017]圖7是本實(shí)用新型的實(shí)施例1的碼盤局部放大圖。
[0018]圖8是本實(shí)用新型的實(shí)施例2的碼盤局部放大圖。
[0019]圖中標(biāo)記:
[0020]10-控制電路單元，11-模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，IlA-A相差分放大電路，IlB-B相差分放大電路，IlC-AD轉(zhuǎn)換器，12-旋轉(zhuǎn)角計(jì)算電路，13-起始位置計(jì)算電路，20-磁檢測(cè)部，21-磁傳感器，22-磁體，30-光檢測(cè)部，31-光源，32-碼盤，32A-A相碼道，32A ' -A '相碼道，32B-B相碼道，32B, -B ;相碼道，33-靜光柵，34-光傳感器，40-旋轉(zhuǎn)主軸。

【具體實(shí)施方式】
[0021]參照?qǐng)D1-3，本實(shí)用新型的光磁編碼器【具體實(shí)施方式】，包括磁檢測(cè)部20、光檢測(cè)部30、控制電路單元10。其中磁檢測(cè)部20包括磁體22和磁傳感器21，磁體22固定安裝在旋轉(zhuǎn)主軸40上，根據(jù)旋轉(zhuǎn)主軸40的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁體22旋轉(zhuǎn)，并從磁傳感器21輸出數(shù)字信號(hào)。光檢測(cè)部30包括光源31、碼盤32、靜光柵33和光傳感器34，光源31的光照射碼盤32以及靜光柵33，通過旋轉(zhuǎn)主軸40的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)碼盤32旋轉(zhuǎn)，并從光傳感器34輸出模擬信號(hào)。
[0022]控制電路單元10包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路11、起始位置計(jì)算電路13和旋轉(zhuǎn)角計(jì)算電路12，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路11包括A相差分放大電路11A、B相差分放大電路IlB和AD轉(zhuǎn)換器11C，A相差分放大電路11A、B相差分放大電路IlB分別將光傳感器34和AD轉(zhuǎn)換器IlC連接。AD轉(zhuǎn)換器IlC的輸出端分別連接到起始位置計(jì)算電路13和旋轉(zhuǎn)角計(jì)算電路12中。起始位置計(jì)算電路13分別連接磁傳感器21與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路11，利用上模數(shù)轉(zhuǎn)換電路11輸出的數(shù)字信號(hào)和磁傳感器21輸出的數(shù)字信號(hào)計(jì)算并輸出起始位置信號(hào)。旋轉(zhuǎn)角計(jì)算電路12分別連接起始位置計(jì)算電路13與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路11，利用上電后的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路11輸出的增量式的數(shù)字信號(hào)，以及初始位置信號(hào)，計(jì)算并輸出旋轉(zhuǎn)角信號(hào)。
[0023]碼盤32上設(shè)有相位差為90°的A相碼道32A和B相碼道32B，并且A相碼道32A和B相碼道32B上都分別設(shè)有2N個(gè)等間隔分布的遮光部和透光部。為了增加光傳感器34輸出的模擬信號(hào)的抗干擾性，在碼盤32上再設(shè)置相位差為90°的A'相碼道32A'與B'相碼道32B ^，并且A相碼道32A和A ;相碼道32A ;的相位差為180°。K'相碼道32A ;、B'相碼道32B'上也分別設(shè)有2N個(gè)等間隔分布的遮光部和透光部。
[0024]參照?qǐng)D4-圖8，本實(shí)用新型的光磁編碼器的編碼方法，通過以下兩個(gè)實(shí)施例來具體說明。
[0025]實(shí)施例1:
[0026]S1:編碼器上電時(shí)，根據(jù)編碼器旋轉(zhuǎn)主軸40的旋轉(zhuǎn)，從磁傳感器21輸出的磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl為0001 0001 0001 0001，保留其高N位，本實(shí)施例N取8，保留高8位后為0001 0001 0000 0000，從而將旋轉(zhuǎn)主軸40旋轉(zhuǎn)一周的范圍劃分為28個(gè)可以滿足精度要求的劃分區(qū)域Z。保留高N位的目的是，當(dāng)采用16位的磁編碼部20時(shí)，其分辨率可以達(dá)到16位，但是能夠確定的精度最多能夠達(dá)到最多達(dá)到11位。所以本實(shí)施例為了能達(dá)到更高的精度要求，磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl保留高8位。同時(shí)光檢測(cè)部30的碼盤32的A、A ^ , B, B ;相碼道也設(shè)有28個(gè)遮光部和透光部，當(dāng)光源31的光分布照射在碼盤32的A、A '、B、B '相碼道時(shí)，可以分別輸出具有一定相位差的正弦波信號(hào)。
[0027]S2:從光傳感器34輸出的光檢測(cè)部模擬信號(hào),經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路11后,分別輸出A相數(shù)字信號(hào)1000 1010(十進(jìn)制數(shù)10，符號(hào)為正)和B相數(shù)字信號(hào)1001 0100(十進(jìn)制數(shù)20，符號(hào)為正)。AD轉(zhuǎn)換器IIC采用8位分辨率，最高位為符號(hào)位，當(dāng)最高位為O則為負(fù)，為I則為正。
[0028]通過圖6可知，A相數(shù)字信號(hào)和B相數(shù)字信號(hào)都位于第一象限，通過除法運(yùn)算后，A/B = 0.5，再經(jīng)過反正切運(yùn)算arctan(A/B)，求得角度值為26°。由于A相碼道和B相碼道的相位差為90°，本實(shí)施例中，碼盤32在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相信號(hào)比B相信號(hào)落后90°，因此A相數(shù)字信號(hào)和B相數(shù)字信號(hào)分別對(duì)應(yīng)的模擬量信號(hào)是sin Θ和C0s Θ，通過除法運(yùn)算，即A/B = sin Θ/cos Θ = tan θ ,再通過反正切運(yùn)算，arctan (tan θ )，即可求出Θ值，本實(shí)施例的Θ為26°。如果碼盤32為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相信號(hào)比B相信號(hào)超前90°，因此A相數(shù)字信號(hào)和B相數(shù)字信號(hào)分別對(duì)應(yīng)的模擬量信號(hào)是sin0和-cos Θ，通過除法運(yùn)算，gpA/B = sin Θ /-cos Θ = -tan θ ,在進(jìn)行反正切運(yùn)算前,需要先將A/B取相反數(shù)后，再進(jìn)行反正切運(yùn)算，即arctan(-A/B),即可求出Θ值。
[0029]將光檢測(cè)周期Λ進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分份數(shù)本實(shí)施例取256份，再將26° /360° *256 =18.5，取整為19，得到起始位置所在光檢測(cè)周期Λ的位置量信號(hào)Y為19，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為0001 0011( —個(gè)光檢測(cè)周期Λ細(xì)分后，從其起點(diǎn)到終點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)是從0000 0000到 1111 1111)。
[0030]S3:參照?qǐng)D7，判斷起始位置輸出的磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl的0001 0001 00010001是否超過其所在的光檢測(cè)周期Λ內(nèi)的磁檢測(cè)部20劃分區(qū)域Z的邊界值Μ。
[0031]將磁檢測(cè)部20數(shù)字信號(hào)Xl (0001 0001 0001 0001)與位置量信號(hào)Υ(00010011)做減法運(yùn)算，得到起始位置所在的光檢測(cè)周期Λ的起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)X2 (00010000 1111 1110)，磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Χ2的第9位為1，則說明光檢測(cè)周期Λ的起點(diǎn)位于劃分區(qū)域Z的后半段，說明光檢測(cè)周期Λ和磁檢測(cè)部劃分區(qū)域Z的誤差情況，屬于圖7中所示情況。判斷時(shí)，磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl (0001 0001 0001 0001)的第9位為0，說明該磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl位于劃分區(qū)域Z的前半段，且位置量信號(hào)Υ(0001 0011)小于光檢測(cè)周期Λ的中間值128，則說明磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl (0001 0001 0001 0001)已超過邊界值Μ。
[0032]當(dāng)已超過邊界值M時(shí)，將磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl保留高8位后(0001 000100000000)的第8位減1(0001 0000 0000 0000)后與光檢測(cè)部30的位置量信號(hào)Y(00010011)合并運(yùn)算，得到起始位置信號(hào)(0001 0000 0001 0011)。合并運(yùn)算的過程，即將最低位對(duì)齊，然后逐位與運(yùn)算，得到最后的運(yùn)算結(jié)果。
[0033]S4:編碼器上電后，結(jié)合的A相數(shù)字信號(hào)和B相數(shù)字信號(hào)再旋轉(zhuǎn)到一定的角度后，形成的增量信號(hào)，結(jié)合起始位置信號(hào)(0001 0000 0001 0011)，利用常用的光增量式編碼算法，求出旋轉(zhuǎn)角信號(hào)。由于光增量式編碼算法為現(xiàn)有技術(shù)，故在此不再贅述。
[0034]實(shí)施例2:
[0035]S1:編碼器上電時(shí)，根據(jù)編碼器旋轉(zhuǎn)主軸40的旋轉(zhuǎn)，從磁傳感器21輸出的磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl為0001 1101 0001 0001，保留其高8位后為0001 11010000 0000從而將旋轉(zhuǎn)主軸40旋轉(zhuǎn)一周的范圍劃分為28個(gè)劃分區(qū)域Z。同時(shí)光檢測(cè)部30的碼盤32的A、A ^、B、B丨相碼道也設(shè)有28個(gè)遮光部和透光部。
[0036]S2:從光傳感器34輸出的光檢測(cè)部模擬信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路11后，分別輸出A相數(shù)字信號(hào)0000 1010 (十進(jìn)制數(shù)10，符號(hào)為負(fù))和B相數(shù)字信號(hào)0001 0100 (十進(jìn)制數(shù)20，符號(hào)為負(fù))，通過圖6可知，A相數(shù)字信號(hào)和B相數(shù)字信號(hào)都位于第四象限，通過除法運(yùn)算后，A/B = 0.5，再經(jīng)過反正切運(yùn)算，求得角度值為26°，由于處于第四象限，所以實(shí)際角度值應(yīng)該是360° -26° = 334°。將光檢測(cè)周期Λ進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分分?jǐn)?shù)取256，再將334° /360° *256 = 237.5，取整為238，得到起始位置所在光檢測(cè)周期Λ的位置量信號(hào)Y為238，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為1110 1110。
[0037]S3:參照?qǐng)D8，判斷起始位置輸出的磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl的0001 1101 00010001是否超過其所在的光檢測(cè)周期Λ內(nèi)的磁檢測(cè)部20劃分區(qū)域Z的邊界值Μ。
[0038]將磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl (0001 1101 0001 0001)與位置量信號(hào)Υ(1110 1110)做減法運(yùn)算，得到起始位置所在的光檢測(cè)周期Λ的起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Χ2為00011100 0010 0011，磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Χ2的第9位為0，則說明光檢測(cè)周期Λ的起點(diǎn)位于劃分區(qū)域Z的前半段，判斷時(shí)，磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl (0001 1101 0001 0001)的第9位為0，說明Xl位于劃分區(qū)域Z的前半段，且位置量信號(hào)YdllO 1110)大于光檢測(cè)周期Λ的中間值128，則說明磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl (0001 1101 0001 0001)已超過邊界值Μ。
[0039]當(dāng)已超過邊界值M時(shí)，將磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)Xl保留高8位后(0001 110100000000)的第8位減1(0001 1100 0000 0000)后與光檢測(cè)部30的位置量信號(hào)YdllO1110)合并運(yùn)算，得到起始位置信號(hào)(0001 1100 1110 1110)。
[0040]S4:編碼器上電后，結(jié)合的A相和B相的增量信號(hào)，以及起始位置信號(hào)(000111001110 1110)，用常用的光增量式編碼算法，求出旋轉(zhuǎn)角信號(hào)。
【權(quán)利要求】
1.一種光磁編碼器，其特征在于，包括: 磁檢測(cè)部(20)，包括磁體(22)和磁傳感器(21)，磁體(22)固定安裝在旋轉(zhuǎn)主軸(40)上，根據(jù)旋轉(zhuǎn)主軸(40)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁體(22)旋轉(zhuǎn)，并從磁傳感器(21)輸出數(shù)字信號(hào)； 光檢測(cè)部(30)，包括光源(31)、碼盤(32)、靜光柵(33)和光傳感器(34)，光源(31)的光照射碼盤(32)以及靜光柵(33)，通過旋轉(zhuǎn)主軸(40)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)碼盤(32)旋轉(zhuǎn)，并從光傳感器(34)輸出模擬信號(hào)； 控制電路單元(10)，分別連接磁傳感器(21)和光傳感器(34)，利用磁傳感器(21)輸出的磁檢測(cè)部數(shù)字信號(hào)以及光傳感器(34)輸出的模擬信號(hào)計(jì)算并確定旋轉(zhuǎn)主軸(40)的旋轉(zhuǎn)角度； 所述的控制電路單元(10)包括: 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(11)，與光檢測(cè)部(30)的光傳感器(34)連接，將光傳感器(34)輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； 起始位置計(jì)算電路(13)，分別連接磁傳感器(21)與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(11)，利用上電時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(11)輸出的數(shù)字信號(hào)和磁檢測(cè)部(20)輸出的數(shù)字信號(hào)計(jì)算并輸出起始位置信號(hào); 旋轉(zhuǎn)角計(jì)算電路(12)，分別連接起始位置計(jì)算電路(13)與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(11)，利用上電后的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(11)輸出的數(shù)字信號(hào)，以及上電時(shí)的初始位置信號(hào)，計(jì)算并輸出旋轉(zhuǎn)角信號(hào)； 所述的碼盤(32)上設(shè)有相位差為90°的A相碼道(32A)和B相碼道(32B)，并且A相碼道(32A)和B相碼道(32B)上都分別設(shè)有2N個(gè)等間隔分布的遮光部和透光部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光磁編碼器，其特征在于，所述的碼盤(32)上設(shè)有相位差為180。的A相碼道(32A)和A丨相碼道(32A丨)，與A相碼道(32A)相位差為90。的B相碼道(32B)，與B相碼道(32B)相位差為180°的B ;相碼道(32B ;)，并且A相碼道(32A)、A丨相碼道(32A ' )、B相碼道(32B)、B丨相碼道(32B丨)上分別設(shè)有2N個(gè)等間隔分布的遮光部和透光部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光磁編碼器，其特征在于，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(11)包括A相差分放大電路(IlA)、B相差分放大電路(IlB)和AD轉(zhuǎn)換器(IlC)，A相差分放大電路(IlA)、B相差分放大電路(IlB)分別將光傳感器(34)和AD轉(zhuǎn)換器(IlC)連接。
【文檔編號(hào)】G01D5/56GK203964930SQ201420272029
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】魏慧林, 汪涌, 李勝強(qiáng), 謝元元, 黃勇, 張洪峰, 陳永成 申請(qǐng)人:四川科奧達(dá)技術(shù)有限公司