何功　李雅楠

摘要：光電編碼器是一種角度測(cè)量裝置，其將空間角度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，在工業(yè)、國(guó)防、航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。然而，在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)編碼器的尺寸和重量提出了嚴(yán)格的要求，如：航天類(lèi)儀器;因此，亟需研制體積小，重量輕，分辨率和精度滿足要求的光電編碼器。光電編碼器的反射式信號(hào)拾取方式是將光源、指示光柵和探測(cè)器集成于一體，放置在光學(xué)碼盤(pán)一側(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。增量式光電編碼器具有編碼方式簡(jiǎn)單，工作可靠，反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，因此得到大量使用。然而，傳統(tǒng)的增量式光電編碼，一圈只有一個(gè)零位，因此，確定絕對(duì)位置時(shí)間長(zhǎng)，尋零效率低。本文研制反射式多零位光電編碼器，通過(guò)簡(jiǎn)化碼盤(pán)碼道設(shè)計(jì)，并采用反射式光電信號(hào)拾取方式，減小體積;用SiliconLabs公司生產(chǎn)的32位ARM實(shí)現(xiàn)多零位絕對(duì)位置確定算法和信號(hào)處理;通過(guò)RS—422通信將角度傳輸給主系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)量，本編碼器直徑尺寸26mm，長(zhǎng)26mm，重量19g，分辨力為19.78″，精度σ為21.37″，滿足系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞：反射式;超小型;多零點(diǎn);光電編碼器

引言：為了滿足光電編碼器體積小、重量輕和高精度、高分辨率的技術(shù)要求，本文研制了反射式超小尺寸光電編碼器。首先，提出利用反射式的光電信號(hào)識(shí)取方式，減少碼盤(pán)碼道數(shù)，從而減小體積，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)給出反射式超小型光電編碼器的總體設(shè)計(jì);其次，針對(duì)單零點(diǎn)增量式尋零效率低，提出采用多零點(diǎn)準(zhǔn)絕對(duì)式的編碼方式，利用32位的ARM實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的采集與處理，并通過(guò)RS422傳輸角度信息;最后，使用自準(zhǔn)直平行光管和12面體檢測(cè)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該編碼器的分辨率為19.78″（16位），精度σ=21.37″，尺寸26mm×26mm，重量?jī)H為19g。

總體設(shè)計(jì)

1.1碼盤(pán)碼道設(shè)計(jì)

光學(xué)碼盤(pán)是光電編碼器的核心元件，為一塊刻有編碼圖案的光學(xué)玻璃盤(pán)，編碼圖案由明暗相間的刻線組成，包含了設(shè)計(jì)的編碼信息。透射式光柵盤(pán)如果采用準(zhǔn)絕對(duì)式的編碼方式，需要兩圈碼道組成，即零位和精碼。反射式碼盤(pán)只有一圈碼道，零位按照特定的規(guī)律編排在精碼碼道中。由于碼盤(pán)碼道和信號(hào)拾取方式的變化，使結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，體積減小。

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本光電編碼器由精密軸承、主軸、軸套、彈片、光柵盤(pán)和信號(hào)接收處理電路等組成，如圖1所示。

由圖1可知本編碼器直徑僅為26mm，長(zhǎng)度26mm，在輸出軸2mm處，增加頂針設(shè)計(jì)，方便安裝使用[1]。

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(pán)的兩個(gè)零位間的精碼線條固定，且任意相鄰兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的精碼線條不同，這樣經(jīng)過(guò)兩個(gè)不同零位就能夠確定光電編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的絕對(duì)位置。

2.2信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該編碼器的電路板尺寸只有Φ=25mm，所以，傳統(tǒng)的整形放大，AD采集等信號(hào)處理硬件電路在此并不適用;而專用處理芯片的開(kāi)發(fā)成本高、時(shí)間長(zhǎng)。因此，本設(shè)計(jì)選用SiliconLabs公司32位ARM作為信號(hào)處理芯片，該芯片內(nèi)部集成12位SARADC以及CMP中斷，尺寸僅為6mm×6mm，能夠完成光電編碼器信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)處理;RS422通信由MAX488完成。故電路板上只有反射式探測(cè)器、主處理器和MAX488三個(gè)芯片和一些外圍電路組成。信號(hào)處理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

反射式探測(cè)器出來(lái)的Sin+、Sin-、Cos+和Cos-四相位信號(hào)分別給ARM的CMP及SRADC中斷，零位信號(hào)則只給SARADC中斷，經(jīng)過(guò)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(hào)，信號(hào)處理模塊主要完成對(duì)粗碼信號(hào)多零點(diǎn)絕對(duì)位置確定算法、精碼細(xì)分和精粗校正等功能[2]。

精度檢測(cè)及分析

3.1精度分析

光電編碼器的誤差由碼盤(pán)制造誤差、軸系晃動(dòng)及碼盤(pán)偏心誤差、細(xì)分誤差、量化誤差和檢測(cè)誤差組成，是上述5部分誤差綜合作用的結(jié)果。其中，碼盤(pán)制造誤差、軸系晃動(dòng)及碼盤(pán)偏心誤差和細(xì)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，

3.2精度檢測(cè)

采用自準(zhǔn)直光管和12面體檢測(cè)本編碼器的精度，12面體相鄰兩個(gè)面分別與自準(zhǔn)直光管垂直時(shí)編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的角度為360°/12;即30°的整數(shù)倍。檢測(cè)結(jié)果與基準(zhǔn)角度求差，再將12面體的修正值考慮進(jìn)去，就得到檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)的精度要求。

結(jié)論：

簡(jiǎn)而言之，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(hào)識(shí)取方式，減少碼盤(pán)碼道數(shù)，從而減小體積，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用多零位的編碼方式提高尋零效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該編碼器直徑26mm，長(zhǎng)度為26mm，重量19g，分辨力為19.78″（16位），精度σ為21.37″。實(shí)際應(yīng)用表明：該編碼器滿足系統(tǒng)要求。由于系統(tǒng)要求，尺寸未進(jìn)一步縮小，如有需要，尺寸和重量還有進(jìn)一步縮小的空間[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]王顯軍.反射式光電編碼器[J].光學(xué)·精密工程，2018，21（12）：3066-3071.

[2]于海，萬(wàn)秋華，王樹(shù)潔，等.小型絕對(duì)式光電軸角編碼器動(dòng)態(tài)誤差分析[J].中國(guó)激光，2017，40（8）：0808004—1-0808004—7.

[3]盧新然，宋路，萬(wàn)秋華.紅外光源參數(shù)對(duì)光電編碼器信號(hào)的影

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