多矩阵光电编码器编码方法研究及细分处理

丁红昌，贾博然，陈丹强，曹国华DING Hong-chang，　JIA Bo-ran，　CHEN Dan-qiang，　CAO Guo-hua（.长春理工大学 机电工程学院，长春 300；.空军航空大学 武器教研室，长春 300）

多矩阵光电编码器编码方法研究及细分处理

丁红昌1，贾博然1，陈丹强2，曹国华1
DING Hong-chang1，JIA Bo-ran1，CHEN Dan-qiang2，CAO Guo-hua1
（1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2.空军航空大学 武器教研室，长春 130022）

针对当今对编码器小型化、高分辨力、高精度化的要求提出了一种新型多矩阵编码器，研究并设计了多矩阵光电编码器的新型码道图案、光电读数头布置方式和A/D细分电路，在不增加编码器体积与半径的情况下，增加分辨力，提高读数精度，减少读数误差。并且根据实际工作要求分别研究并设计了大小两型多矩阵编码器，分辨力分别为20位与12位，体积分别为φ420×16mm与φ25×16mm，经A/D细分，精度可达10000细分，对于编码器的在国防、航空、航天等高精尖领域具有重要实际意义。

多矩阵光电编码器；码盘图案；光电读数头布置；A/D细分电路

0　引言

光电轴角编码器是一种具有代表性的角位移传感器，是集光机电于一体的一种数字测角装置［1］。随着我国国防、航天、航空等科技的发展，小型化、高分辨力和高精度化愈发成为光电编码器的重要研究方向。2010年长春光学精密机械研究所研制出的8矩阵超小型绝对式光电编码器，分辨率达16位，精度为30''，体积φ25mm×16mm［2］。2011年长春理工大学进行了新型矩阵编码器的研究，体积φ30mm×15mm，分辨率达24位，精度达0.2''［3］。但前者需刻划3圈码道分辨力才可达到8位；后者虽改进码道刻划，利用2圈码道分辨力即可达12位，但需布置16个光电读数头，短周期［4］误差较大。并且随着微电子技术的发展，A/D细分电路也有着巨大的改进空间。

本文综合考虑编码器体积、分辨力和精度，提出一种新型的多矩阵光电编码器，并将小型矩阵编码器与大型矩阵编码器进行分别分析。前者有3圈码道，12个光电读数头，可读取12位信息，经A/D细分，可对信号进行10000细分，体积约为φ25mm×16mm。后者有4圈码道，20个光电读数头，可读取20位信息，经A/D细分，可对信号进行10000细分，体积约为φ420mm×16mm。

本文主要介绍新型码道刻划图案、光电读数头布置方式以及A/D细分电路，其他传统编码器也具有的部分在此不做赘述。

1　小型多矩阵光电编码器设计

本文采用格雷码进行编码。格雷码经二进制数变换得到，且任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，可消除非单值性误差，极易用来解决编码器高精度、超小化的问题。

1.1小型多矩阵光电编码器码盘设计

本文所述小型多矩阵光电编码器采用刻划3圈码道的方式读取12位信息，并据此设计新型光电读数头（光源）的布置方式。相比于已有8矩阵编码器与12位矩阵编码器，提高了分辨力并降低了短周期误差。

为了配合电子学A/D细分并减少长周期误差，在码盘外围增加两圈增量式精码道，并提高分辨力。

小型多矩阵光电编码器具体码道设计如图1所示（黑色为透光部位），为清晰表达码盘半径与各圈码道半径的关系，以及各圈码道各码区中的各条码道具体分布情况，绘制与之对应的码道工作图如图2所示。

图1　小型多矩阵编码器码道分布

当今刻划工艺可以满足的最小栅距（每两条码道的间距）为5 μm。上述刻划方法中，第3圈码道315°～360°码区为码道最密处。即此码区各条码道满足最小码道刻划工艺时，其他码区一定满足刻划工艺要求。

第三圈码道315°～360°码区各码道间距计算如下。

如图3所示，该码区刻划128条码道，每两条码道之间夹角α=45°/128，半径为φ20mm，即间距x=2×20×sinα/2=245μm，满足现有刻划工艺要求。

图3　小型多矩阵编码器码道间距计算

图2　小型多矩阵编码器码道工作图

为了消除码道刻划不精确带来的长周期误差，本文采用刻划两圈精码道的方法来发现并解决这个问题。精码道在第三圈码道之外刻划两圈，内圈为13位过渡圈精码道，作为粗码道与标尺精码道之间的过渡连接码道；外圈为14位标尺精码道，作为编码器码道精度的标尺码道。两路精码信号经A/D转换，并将转换后的数字量对径相加，可以减少轴系晃动及码盘安装偏心的影响，反映编码器的真实转角。同时，配合A/D细分电路，读数精度可达10000细分，具体细分原理在此不再赘述。

1.2小型多矩阵光电编码器光电读数头设计

光电编码器工作时，光电读数头与光源成对使用，空间分布方式一一对应。由于光源之间会互相干扰，使编码器产生短周期误差。同时，因码道刻画误差产生的长周期误差对编码器的影响小于短周期误差，因此在设计编码器时，可以考虑适当增加码道圈数，并尽量减少光源数量。因此，本文设计了新型光电读数头（光源）布置方式，配合本文所设计的新型码道图案进行信号读取。光电读数头共布置12个，布置方式如图1所示，配合新型码道图案，可读取12位信号。

相比于现有的超小型12位矩阵编码器，本编码器虽然增加了一圈码道，但减少了光电读数头与光源数量，减少了读数误差，且不增加体积。

1.3小型多矩阵光电编码器编码信号关系

根据本文所述码道与光电读数头设计方式，小型多矩阵光电编码器编码信号关系如下。

第1圈刻划传统码道的第1和第2位。第1圈2位信号关系表如表1所示。

第1圈读出的信号与读数头读出的格雷码的关系为：

第2圈码道刻划传统码道的第3和第4位，由图1与表1，第2圈读出的信号与读数头读出的格雷码的关系为：

第3圈码道刻划传统码道的第5～12位。第3圈8位信号关系表如表2所示。

由图1与表2可知，第3圈读出的信号与读数头读出的格雷码的关系为：

2　大型多矩阵光电编码器设计

2.1大型多矩阵光电编码器码盘设计

在实际应用过程中，某些场合不可避免的需要分辨力更高的多矩阵编码器。参考第3圈码道设计方案，可以将第4圈码道设计为码道间距更加细密的8矩阵或16矩阵形式，以提高编码器的分辨力。经计算，第4圈16矩阵码道所需半径已超过100m，显然难以实现。因此，将第4圈码道设计为类似第3圈码道的8矩阵形式，虽然降低了分辨力，但编码器体积为φ420mm×16mm，易于应用。由于第4圈码道可读取20位信息，码道过于细密，因此本圈码道采用码道工作图的表达方式进行表达，如图4所示。

表1　第1圈码道信号关系表

表2　第3圈码道信号关系表

图4　第4圈码道工作图

大型多矩阵光电编码器精码道设计与小型多矩阵光电编码器精码道相似，但由于两型编码器分辨力不同，因此精码道位数也有所不同。大型多矩阵光电编码器内圈精码道刻划为21位过渡精码道，外圈精码道刻划为22位标尺精码道。同时，配合后文所述A/D细分电路，测量精度可达10000细分。

因本圈码道十分细密，势必需要计算满足最小刻划工艺时所需的最小码盘直径。经计算，此时半径R=2.5μm /（sinα/ 2）=420mm。

2.2大型多矩阵光电编码器光电读数头设计

第4圈光电读数头（光电发射管）布置如图5所示，大型多矩阵光电编码器光电读数头共布置20个，配合新型码道图案，可读取20位信号。可以发现，第4圈与第3圈光电读数头布置方式一致，则在空间位置上两者很可能会产生干涉，并产生串光现象［5］。为了防止此类现象的产生，光电读数头可以采用错位排列的方式摆放。即可将第4圈光电读数头与第3圈错开一个微小的角度，充分利用光源的有效范围，以保证读取信号的准确性。

图5　第4圈光电读数头布置方式

2.3大型多矩阵光电编码器编码信号关系

由于大型多矩阵光电编码器前3圈码道与小型多矩阵编码器相同，故前3圈共12位信号关系不变。第4圈码道刻划传统码道的第13～20位。由图5与表2可知，第4圈读出的信号与读数头读出的格雷码的关系为：

3　A/D细分及增量电路设计

为了提高编码器测量精度，本文所述多矩阵光电编码器同时设计了A/D细分电路，经过对光电读数头读入的信号电子细分，可提高分辨力与精度。

小型光电编码器用圆光栅进行测量时其角度值θ为：

式中，P为栅距，N为正弦周期信号的周期数，△θ为不足一个正弦周期的小数部分［6］。读入信号后，为了进一步提高角度θ的分辨力，需要对△θ进行细分。细分电路主要由差分放大、低通滤波、比较、比例运算和A/D转换等部分组成。利用如图6所示电路并配合软件编程完成上述处理，最终得到A/D细分后的信号。由于篇幅所限，细分电路各组成部分在此不做单独介绍。

A/D细分之前，大小两型编码器精度为0.0110°及2.8125°。若将信号接入细分电路，经A/D细分，可对读入信号做10000细分。并且该电路完成了增量编码器的功能设计。具体实现电路如图6所示。

4　结论

本文针对编码器的主要组成部分，即码道、光电读数头与A/D细分电路，提出了一种既不增加编码器体积和半径，又增加分辨力，降低读数误差的新型多矩阵光电编码器。并且根据实际工作要求，分别讨论、研究并设计了大小两型多矩阵编码器，分辨力分别可达20位与12位，精度可达10000细分，相比传统编码器具有很大的优势，对编码器小型化、高分辨力和高精度化的发展有重要意义。

图6　A/D细分及增量电路

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［1］ 刘春宝.基于MCS-51单片机光电编码器细分系统的研究［D］.长春:吉林大学，2008:29-32.

［2］ 刘长顺，王显军，韩旭东，等.八矩阵超小型绝对式光电编码器［J］.光学精密工程，2010，18（2）:326-333.

［3］ 耿立明，曹国华，王雯雯，等.一种新型矩阵编码器的研究［J］.光电工程，2011，38（2）:138-139.

［4］ 王显军.光电轴角编码器细分信号误差及精度分析［J］.光学精密工程，2012，20（2）:380-383.

［5］ 万秋华，孙莹，王树洁，等.双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计［J］.光学精密工程，2009，17（1）:53-55.

［6］ 冯英翘，万秋华，孙莹，等.小型光电编码器的高分辨力细分技术［J］.红外与激光工程，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

重点科技成果转化项目：绝对式线位移光栅传感器（20130303014GX）

丁红昌（1980 -），男，辽宁抚顺人，讲师，硕士，研究方向为光电检测技术。