复合型绝对值编码器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种复合型绝对值编码器，包括一磁电式绝对值编码单元和一光电式增量编码单元，光电式增量编码单元的码盘包括一全透光区，所述复合型绝对值编码器还包括一光电校准单元和一数据组合单元，光电校准单元包括：一透光部、一遮光部、一第二光电传感器和一调节电路，透光部和遮光部分别刻有若干与第一狭缝相同的第二狭缝和第三狭缝，且第二狭缝与第一狭缝对齐，第三狭缝与第一狭缝完全错开，调节电路的输入端分别与第一光电传感器和第二光电传感器电连接，调节电路的输出端与增量编码器件电连接。本发明的复合型绝对值编码器能够进行准确的编码，从而提高所述复合型绝对值编码器的分辨率。
【专利说明】复合型绝对值编码器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合型绝对值编码器，尤其涉及一种具有磁电式绝对值编码单元与光电式增量编码单元的复合结构的绝对值编码器。
【背景技术】
[0002]在现有精密加工与自动化控制领域，对于位置的高精密测量与控制定位，包括旋转角度、速度及传动后移动的距离等的位置与速度的测量，都需要有高分辨率的绝对值编码器，尤其是分辨率需要达到千分之一度以上的要求(也即360000的圆周分割度，约2的19次方的19位以上的分割度分辨率要求)。例如精密加工中心的转台多角度精密定位、伺服电机与机器人手臂控制的高精度定位与速度控制、快速电梯轿厢的启动平稳与楼层定位、雷达与无线天线的转台高精度转角定位等等，高精度高分辨率的绝对值编码器是其控制精度的关键技术。现有的普通的光学式增量编码器，常规的光学式绝对值编码器、常规的磁电式绝对值编码器都有各自的缺点，无法达到19位以上绝对值信号高分辨率，或者由于工艺难度而非常的昂贵，从而限制了这类产品的工业广泛应用。如何获得较为经济的适合工业大量应用的19位以上的高分辨率绝对值编码器，以及如何便利地使用高分辨率绝对值编码器，是现代工业控制非常关键的技术。
[0003]现有的一种复合型绝对值编码器，参见图1，包括共用一转轴11的一磁电式绝对值编码单元、一光电式增量编码单元以及一编码电路板12。
[0004]所述磁电式绝对值编码单元于输出一绝对值信号，包括一设置于所述转轴11上的永磁铁131、一设置于所述永磁铁131下游的磁电传感器132和一与所述磁电传感器132电连接的绝对值编码器件，所述绝对编码器件设置于所述编码电路板12上。所述磁电式绝对值编码单元的编码原理为:所述绝对值编码器件利用记忆功能将所述永磁铁131的N(北)、S(南)极磁场分布图保存下来(记录为初始点，也叫零点)，当所述永磁铁131随着所述转轴11 一起转动时，所述永磁铁131的N、S极磁场分布发生改变,所述磁电传感器132将检测到的磁场分布图传输给所述绝对值编码器件，所述绝对值编码器件将接收到的磁场分布图与初始点的磁场分布图做比较，得出两图之间的相对夹角，从而推算出所述转轴11当前的绝对位置，即输出所述绝对值信号。
[0005]所述光电式增量编码单兀用于输出一正弦信号和一余弦信号，包括一光发射器141、一透镜144(图1中未示出，图4中示出)、一具有若干等宽等间距的第一狭缝的光栅146(图1中未示出，图4中示出)、一设置于所述转轴11上的码盘142、一组(两个)第一光电传感器143和一增量编码器件145,所述码盘142的外圈设有若干与所述第一狭缝相同的编码狭缝，所述光电式增量编码单元的编码原理为:所述光发射器141发射的光依次经过所述透镜144、所述光栅146和所述码盘142后传输至所述第一光电传感器143的输入端，当所述码盘142随着所述转轴11转动时，所述第一光电传感器143检测到的光通量发生变化，相应的输出所述正弦信号和所述余弦信号，并且所述正弦信号和所述余弦信号的峰峰值相同、周期相同。[0006]所述编码电路板12获取所述绝对值信号和所述正余弦信号，并将二者组合成为一绝对值编码，每个绝对值编码对应的所述转轴11转动位置都是唯一确定的。
[0007]但是在所述复合型绝对值编码器的工作中，由于各种工作环境因素引起的非正常性变化，如光发射器随供电电压的波动或温度变化而光强度的变化、透镜、码盘的玻璃面受灰尘或油污的影响透过率下降、所述第一光电传感器随温度变化的灵敏度变化等等，均会导致所述光电式增量编码单元输出的正弦信号和余弦信号不稳定，影响所述复合型绝对值编码器的分辨率。
【发明内容】
[0008]为了解决现有技术中复合型绝对值编码器的分辨率易受环境因素影响输出不稳定的缺陷，提供一种高精度、具有稳定输出的复合型绝对值编码器。
[0009]本发明是通过下述技术方案解决上述技术问题的:
[0010]一种复合型绝对值编码器，包括共用一转轴的一磁电式绝对值编码单元和一光电式增量编码单元，所述磁电式绝对值编码单元用于输出一绝对值信号，所述光电式增量编码单元包括一光发射器、一透镜、一具有若干第一狭缝的光栅、一与所述转轴连接的码盘、一第一光电传感器和一增量编码器件，其特点是，
[0011]所述码盘包括一编码区和一全透光区，所述复合型绝对值编码器还包括一光电校准单元，所述光电校准单元包括:一透光部、一遮光部、一第二光电传感器和一调节电路，所述透光部和所述遮光部分别刻有若干与所述第一狭缝相同的第二狭缝和第三狭缝，且所述第二狭缝与所述第一狭缝对齐，所述第三狭缝与所述第一狭缝完全错开。
[0012]所述光发射器发射的光依次经过所述透镜、所述光栅透射到所述码盘。其中，一部分的光通过所述编码区传输至所述第一光电传感器的输入端，所述第一光电传感器分别输出一正弦信号和一余弦信号，所述正弦信号和所述余弦信号的输出为现有技术，在此不再赘述。另一部分的光先通过所述全透光区再分别通过所述透光部和所述遮光部传输至所述第二光电传感器的输入端，对应于经所述透光部透射的光，所述第二光电传感器输出一第一电压，对应于经所述遮光部透射的光，所述第二光电传感器输出一第二电压。因为所述透光部不随所述转轴旋转，且所述透光部的第二狭缝与所述第一狭缝大小相同且位置对齐，所以经所述透光部透射的光通量就相当于经所述编码区透射的最大光通量，所述第一电压就相当于所述正弦信号和所述余弦信号的最大值。又因为所述遮光部也不随所述转轴旋转，且所述遮光部的第三狭缝与所述第一狭缝大小相同且位置完全错开，所以经所述遮光部透射的光通量就相当于经所述编码区透射的最小光通量，所述第二电压就相当于所述正弦信号和所述余弦信号的最小值。
[0013]本发明用检测经所述透光部和所述遮光部的光通量代替直接检测正弦信号和余弦信号的峰值，避免了因所述码盘转动、测量精度不高等因素造成的峰值不准确的问题，减少了测量难度。
[0014]所述第一光电传感器的输出端和所述第二光电传感器的输出端分别与所述调节电路的输入端电连接，所述调节电路的输出端与所述增量编码器件电连接；所述调节电路根据所述第一电压、所述第二电压和一预设的标准电压调节所述正弦信号和所述余弦信号以输出一标准正弦信号和一标准余弦信号，所述增量编码器件对所述标准正弦信号和所述标准余弦信号编码以输出一标准增量信号；所述复合型绝对值编码器还包括一数据组合单元，用于组合所述绝对值信号和所述标准增量信号，以输出一标准绝对值信号。
[0015]由于本发明中的正弦信号和余弦信号的幅值和频率相同，故下文中将所述正弦信号和所述余弦信号简称为正余弦信号，同理，将所述标准正弦信号和所述标准余弦信号简称为标准正余弦信号。
[0016]由上可知，本发明并没有通过直接将所述正余弦信号的峰值调节至所述标准电压的方式来调节输出标准正余弦信号，而是通过增设所述光电校准单元和在码盘中设置全透光区，模拟了编码过程中光通量最大和最小的情况，利用所述第一电压和所述第二电压、结合所述标准电压，调节输出所述标准正余弦信号，避免了在编码过程中，由于所述转轴旋转、外界环境变化造成的正余弦信号峰值不稳定的现象，使得所述第一电压和所述第二电压严格的等效于所述正余弦信号的峰值，进一步提高了光电式增量编码单元编码的准确性。另外，本发明结合了所述磁电式绝对值编码单元的绝对值信号和光电式增量编码单元的标准增量信号，既保留了现有的磁电式编码器不受停电影响的优点，又提高了编码的精度。
[0017]较佳的，所述标准正余弦信号的峰值等于所述标准电压，所述标准正余弦信号的周期等于所述正余弦信号的周期。所述正余弦信号被调节至所述标准正余弦信号，也就使得所述正余弦信号被标准化，从而使得所述增量编码器件编码时针对的是一些幅值相同，只有相位角不同的信号，简化了所述增量编码器件的编码过程。
[0018]较佳的，所述调节电路包括一负反馈放大电路和一微处理器，所述微处理器用于计算将所述第一电压和所述第二电压的电压差放大至所述标准电压的标准放大倍数，并调节所述负反馈放大电路的放大倍数等于标准放大倍数，所述负反馈放大电路用于将所述正余弦信号按照所述标准放大倍数放大。所述调节电路采用硬件和软件相结合的方式，实现了所述正余弦信号的放大，具有智能、快速计算的优点。
[0019]较佳的，所述数据组合单元用于从所述绝对值信号中截取一粗位绝对值信号，从所述标准增量信号中截取一细位标准增量信号，然后将所述粗位绝对值信号和所述细位标准增量信号组合并输出所述标准绝对值信号。所述数据组合单元的输出具有简单、有效的优点，保证了编码的精度。
[0020]较佳的，所述复合型绝对值编码器还包括一存储器，用于存储所述绝对值信号、所述标准增量信号和所述标准绝对值信号，并且所述存储器与所述数据组合单元连接。所述绝对值信号、所述标准增量信号和所述标准绝对值信号以二进制形式存储于所述存储器中，方便所述数据组合单元的调取。
[0021]较佳的，所述存储器还存储有所述绝对值信号与所述标准绝对值信号的对应关系。存储有所述对应关系，所述数据组合单元就能够通过调取与某一绝对值信号对应的标准绝对值信号来直接获得编码结果，而不需要每次都经所述增量编码器件编码，加快了所述复合型绝对值编码器的运行。
[0022]较佳的，所述复合型绝对值编码器还包括一转速计算单元，所述转速计算单元用于计算所述转轴的转速，并在计算出的转速超过一阈值时，停止所述磁电式绝对值编码单元和所述数据组合单元的运行。因为有时转轴的转速过快会导致所述磁电式绝对值编码单元精度下降，所以为了保证编码的准确度，一旦所述转速计算单元检测出转速过快，所述复合型绝对值编码器就会切换成由所述光电式增量编码单元和所述光电校准单元独立完成编码的模式。
[0023]较佳的，所述转速计算单元通过连续采集两次所述绝对值信号和/或所述正余弦信号的角度、获取两次角度的角度差和采集的时间间隔以计算所述转速。
[0024]较佳的，在所述转速计算单元采集到的角度中，若一个为范围在O度到90度的小角度且另一个为范围在270度到360度的大角度，则所述角度差等于所述小角度与之和再减去所述大角度，或，等于所述大角度与所述小角度之差再减去360度。
[0025]在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
[0026]本发明的积极进步效果在于:本发明的复合型绝对值编码器在磁电式绝对值编码单元的基础上结合了光电式增量编码单元输，并通过改变现有结构准确的校正了所述光电式增量编码单元输出的正弦信号和余弦信号，提高了增量编码的准确性，进而提高所述复合型绝对值编码器的分辨率，实现了既不受停电影响，又能保证了编码的准确性和稳定性。同时考虑到实际编码过程的效率问题，增设了所述存储器，简化了一部分计算。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为现有的复合型绝对值编码器的结构示意图。
[0028]图2为本发明实施例的码盘的结构示意图。
[0029]图3为本发明实施例的复合型绝对值编码器的示意图。
[0030]图4为本发明实施例的光电校准单元的结构示意图。
[0031]图5为本发明实施例的调节电路的示意图。
[0032]图6为本发明实施例的标准正弦信号A’和标准余弦信号B’的仿真图。
[0033]图7为本发明实施例的复合型绝对值编码器的编码过程示意图。
[0034]图8为本发明实施例的复合型绝对值编码器的转动角度的划分示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0036]实施例
[0037]图2为本发明实施例的码盘的结构示意图。所述码盘21上设有若干编码狭缝211，该些编码狭缝211形成一编码区，所述码盘的中心设有一圆孔212，所述码盘21上还设置有一全透光区213，采用全透明的玻璃材质，光线在穿透所述全透光区213前后光通量不会发生改变，本实施例的全透光区213的形状类似于一个圆环、设置于所述圆孔212与所述编码狭缝211之间，但本发明的码盘并不局限于将所述全透光区213设于所述圆孔212与所述编码狭缝211之间，所述全透光区213还可设置于所述编码狭缝211的外圈。
[0038]图3为本实施例的复合型绝对值编码器的结构示意图。所述复合型绝对值编码器，包括【背景技术】中的复合型绝对值编码器的磁电式绝对值编码单元22和光电式增量编码单元23，且所述磁电式绝对值编码单元和所述光电式增量编码单元均为现有技术，在此不再赘述。所述复合型绝对值编码器还包括一光电校准单元24、一存储器25、一数据组合单元26和一转速计算单元27。其中本实施例的存储器25采用EPPROM(—种可擦写可编程只读存储器)，但本发明的存储器并不局限于此。
[0039]参见图4，所述光电校准单元24包括:一固定的、不随转轴11转动的刻线光栅241、一第二光电传感器242和一调节电路。
[0040]所述码盘21通过所述圆孔212设置于所述转轴11上，所述刻线光栅241分成并列的一透光部和一遮光部，所述透光部和所述遮光部分别刻有若干与所述第一狭缝相同的第二狭缝和第三狭缝。所述刻线光栅241紧邻所述码盘21，设置于所述码盘21的下游(本发明的所述刻线光栅241紧邻所述码盘21，还可设置于所述码盘21的上游，和本实施例的原理类似，在此不再赘述，且所述第二狭缝与所述第一狭缝对齐，所述第三狭缝与所述第一狭缝完全错开。
[0041]所述第二光电传感器242为一组(两个)与所述第一光电传感器143相同的光电传感器，所述第二光电传感器242分别设置于所述透光部和所述遮光部的下游，用于接收检测穿透所述透光部和所述遮光部的光通量。
[0042]参见图5，所述调节电路包括一负反馈放大电路243和一微处理器244，所述微处理器244的输入端与所述第二光电传感器242电连接，输出端与所述负反馈放大电路243的输入端电连接，所述负反馈放大电路243的输入端还与所述第一光电传感器143电连接，输出端与所述增量编码器件145电连接。
[0043]在所述复合型绝对值编码器运行时，所述光电校准单元24的工作过程为:参见图4和图5，所述光发射器141发射的光经过所述透镜144变成平行、均匀的光线，然后经过所述光栅146分成若干光束，再透射到所述码盘21，此时，一部分光束通过所述编码狭缝211达到所述第一光电传感器143的输入端，由于所述编码狭缝211随着所述码盘21转动，所述第一光电传感器143检测到变化的光通量、输出正弦信号A和余弦信号B ;另一部分光束透过所述全透光区213，分别经所述刻线光栅241的透光部和遮光部达到所述第二光电传感器242的输入端，由于所述全透光区213不会改变光通量，并且所述透光部和所述遮光部是固定的，所述第二光电传感器242检测到两组稳定的光通量、输出一组电压S+和S-。又因为所述第二狭缝、第三狭缝与所述编码狭缝宽度、密度相同，且所述第一光电传感器143与所述第二光电传感器242相同，所以所述第二光电传感器242检测到的光通量应分别等于所述第一光电传感器143检测到的最大光通量和最小光通量，即电压S+等于正弦信号A和余弦信号B的最大值，电压S-等于正弦信号A和余弦信号B的最小值，也就是说，在实际测量时，并不需要直接测量正弦信号A和余弦信号B的峰值，而是可以通过测量电压S+和S-的值来间接获得。所述微处理器244获取到电压S+和S-，即获取到正弦信号A和余弦信号B的最大值和最小值，计算电压S+和S-的电压差，并计算将所述电压差放大至一预先设置的标准电压S所需的标准放大倍数，并调节所述负反馈放大电路243的放大倍数等于所述标准放大倍数，所述负反馈放大电路243再将正弦信号A和余弦信号B按照所述放大倍数放大，进而输出一标准正弦信号A’和一标准余弦信号B’，此时，标准正弦信号A’和标准余弦信号B’的峰峰值等于标准电压S。
[0044]对于理想情况，所述标准电压S就应当等于所述电压差，但是在所述光电式增量编码单元23的实际应用中，由于各种工作环境因素引起的非正常性变化，如所述光发射单元141随供电电压的波动或温度变化而光强度的变化、所述透镜144、所述码盘21的玻璃面受灰尘或油污的影响透光率下降、所述第一光电传感器143随温度变化的灵敏度变化等(这些非正常性变化均与所述码盘的旋转角度无关)，电压S+和S-、正弦信号A和余弦信号B的最大值和最小值并不等于所述标准电压S，这就需要所述调节电路进行调节。
[0045]下面举一例做进一步解释，例如，所述第一狭缝之间的刻线间隔宽度是0.5mm，那么所述编码狭缝之间、所述第二狭缝之间、所述第三狭缝之间的刻线间隔宽度同样也都是
0.5mm。假设已知在理想情况下，正弦信号A的中值应当为2.5V，峰峰值应当为IV，即标准电压S等于IV，那么所述第一光电传感器143在所述编码狭缝与所述第一狭缝完全对齐时，检测到的光通量最大，获得正弦信号A的最大值3V，在所述编码狭缝与所述第一狭缝完全错开时，检测到的光通量最小，获得正弦信号A的最小值2V ;所述第二光电传感器242在所述透光部与所述第一狭缝完全对齐时，获得的电压S+为3V，与正弦信号A的最大值相等，在所述遮光部与所述第一狭缝完全错开时，获得的电压S-为2V，与正弦信号A的最小值相等。但在实际测量时由于某一非正常性变化，测得的正弦信号A的最大值等于电压S+等于2500mV+250mV、正弦信号A的最小值等于电压S-等于2500mV_250mV。所述微处理器244获取到电压S+与电压S-，计算出电压差为0.5V，与标准电压S有50%的衰减偏差，那么同样说明正弦信号A的峰峰值也同样有50%的衰减。所述微处理器244控制所述负反馈放大电路243将正弦信号A 、标准电压S+和S-增益补偿50%，输出标准正弦信号A’，所述标准正弦信号A’的最大值为3V、最小值为2V。同理，所述负反馈放大电路243也对余弦信号B增益补偿，输出标准余弦信号B’，所述标准正弦信号B’的最大值为3V、最小值为2V。
[0046]所述增量编码器件145 (如模拟电压-数字信号转换器，ADC)对标准正弦信号A’、标准正弦信号B’进行编码输出一标准增量信号(数字信号)。现有技术已有16位高精度的ADC，而10位以上精度的ADC已经是很成熟的技术，本实施例选用确保10位精度的高速ADC，具体的编码过程可以采用现有的编码方式，如图6，图中绘制了标准正弦信号A’、标准正弦信号B’的波形，分别在这两个波形中读取同一个角度Φ的正弦值--ηΦ和余弦值COS(J),按数学三角函数公式sin<i)2+cos<i)2 = I,利用反三角函数计算出角度Φ的大小。但是这种现有的编码方式编码要反复计算反三角函数、计算速度慢，并且准确计算出角度Φ的前提是标准正弦信号A’、标准正弦信号B’处于90度正交相位角，即从这两个波形中读取的正弦值和余弦值必须为同一角度的，而实际上在复合型绝对值编码器的加工中较难保证此正好90度的相位角，为此以上基于90度正交相位角计算方式可能带来很大的非线性误差，或者需要通过较难的修正才能得到准确的结果。
[0047]本实施例还可采用一种更适用于所述复合型绝对值编码器、能够简化上述编码方法的编码方法，由于正弦信号A和余弦信号B经过了所述微处理器244和所述负反馈放大电路243的调节，输出了峰峰值为标准电压S的标准正弦信号A’和标准余弦信号B’，即所述增量编码器件145的编码对象始终为峰峰值为标准电压S的正弦信号和余弦信号，所以在所述复合型绝对值编码器的生产阶段按照现有的编码方式准确的计算出在一个周期内峰峰值为标准电压S的正弦信号和余弦信号不同正弦值sin Φ和余弦值coscji的组合对应的角度Φ，将不同正弦值8?ηΦ和余弦值Coscj5的组合与角度Φ的对应关系存储在所述存储器25中，只要已知这两个波形的正弦值与标准电压S之比、余弦值与标准电压S之比，就能确定对应的角度Φ。假设在所述复合型绝对值编码器的生产阶段已经建立了不同正弦值sin Φ和余弦值Coscj5的组合与角度Φ的对应关系，存储表中寄存在所述存储器25中，例如，参见图6，在一个正余弦信号周期中，正弦值与标准电压S之比=+0.7071，余弦值与标准电压S之比=+0.7071，通过查表，可获得唯一、准确的角度值为45度；再如，正弦值与标准电压S之比=+0.7071，余弦值与标准电压S = -0.7071，通过查表，可获得唯一、准确的角度值为135度。以此类推，即可获得信号周期内每一个精细分割的角度值。
[0048]通过本发明增加标准值S的方法，即使正弦信号A与余弦信号B没有达到90度的正交，正弦值与标准电压S之比、余弦值与标准电压S之比的微小误差是近似线性的，很容易在生产阶段经过测试及曲线分析进行测定并修正，然后将修正值存储在表中。
[0049]由于在所述磁电式绝对值编码单元22的生产安装过程中，当永磁体131安装固定在转轴11上后，永磁体131的材质均匀度以及安装时的偏差所造成的磁场精度偏差已被“固定”，如图7，通过旋转所述转轴11，同时读取同一转轴11上的经所述光电式增量编码单元23和所述光电校准单元24校准后的脉冲并计数标准增量信号，与同时读取的磁电式绝对值编码单元22输出的绝对值信号，在所述微处理器做同一角度位置同步对比处理，可标准增量信号的计数累加值与绝对值信号的数据差值，以标准增量信号的精度为基准计算出各个位置的修正差值，保存所述存储器上，作为对于磁电式绝对值编码器该位置值的修正。
[0050]例如，所述码盘21是每圈1024线(10位)，市售的磁电式绝对值编码单元的分辨率是14位，标准正余弦信号的峰峰值计数累加可以从O —1023，达到10位，而在每个信号周期里面，通过正弦信号A与余弦信号B的01组合，可以有四种组合代表4个分割位置(00，01，11，10)，再可获得更细的2位，因此标准增量信号总共可以获得12位，以此12位的标准增量信号对于同轴的同角度的磁电式绝对值编码单元比较(绝对值信号14位中取前12位比较)，并保存修正值，可获得已经过同轴光电式增量编码单元修正的12位绝对值信号。
[0051]例如在90度的位置上(光学刻线为基准)，标准增量信号的计数为255(10位计算)，或者经过4分区计算后为1023 (12位计算)，而同步读取的14位磁电式绝对值编码单元，取前12位后是1021，计算的补差值为+2，存储器25寄存，也即今后当读取到磁电式绝对值编码单元的数值为1021时，应加上补差值+2，得到经过校准的位置值1023，这个值事实上是标准增量信号的保存，这个值不受停电的影响，且每个位置是唯一的，因此就通过所述标准增量信号修正了所述绝对值信号。
[0052]校准后的所述绝对值信号，也就是标准绝对值信号，是以所述码盘21的位置作为校准的，实际上是把光学刻线增量计数值的位置以绝对值的方式保存了，而刻线产生的正余弦信号在一个信号周期内的细分，每一个位置是唯一的，也是绝对值的，且此细分是在刻线基准位置上展开，与校准后的绝对值位置是基准对齐的，为此，将校准后的磁电式绝对值信号作为粗位码，将光电式增量编码单元获得的正余弦信号细分的信息作为较精细位码，两组数据组合，可获得高分辨率高位数的标准绝对值编码信号，以码盘1024刻线的光电式增量编码单元为例，光学1024刻线码盘与磁电式14位绝对值编码单元在同一个转轴上，第一光电传感器、第二光电传感器读取正余弦信号A、B及电压S+、S-，在生产过程中，通过同步读取第一光电传感器的正弦信号A与余弦信号B并计数，通过A、B组合4倍，获得4096分辨度的12位的角度值，确定保存；并同步读取并且同步比较磁电式绝对值编码器的14位值，取前12位进行比较，得出差值，保存在每一个角度(4096分割度)位置值上，获得12位的经过光学校准的绝对值位置，每个位置事实上已经就是光学刻线的基准位置，存入EEPROM0在工作中，读取磁电式绝对值编码器的信号，以及每个位置上的修正值，获得12位的绝对值的光学刻线基准位置，取前10位作为粗位码，并将该刻线基准位置上的正余弦信号细分，获得更加精细的10位分割度，取前9位作为精细位码，该精细位码就是在此刻线角度(粗位码10位)上的细分角度值，为此两组数据组合即为完整的19位的标准增量信号。
[0053]本实施例的所述转速计算单元27用于计算所述转轴11的转速，并在计算出的转速超过一阈值时，停止所述磁电式绝对值编码单元22和所述数据组合单元26的运行。
[0054]因为复合型绝对值编码器主要作为高精度角度测量中的运动物体定位停止前的精确减速曲线及精确定位控制；或者通电启动时可直接知道启动的精确位置，以及启动初步时的精确加速控制，为自动控制带来极大方便。无论是停止前的精确减速及精确停止定位，或者通电时测知启动精确位置及精确加速，复合型绝对值编码器转轴转速都较慢，这为本发明的多组数据采集、整定与组合的电子响应带来可能。但是复合型绝对值编码器不仅仅是低速状态下的测量，也是高速运动中的测量的角度定位传感器，同时也是速度、加速度传感器，其通过单位时间内两次读数的角度差，可计算出旋转速度，在较快转速时，有可能多路数据采集整定与组合的电子响应会带来滞后，而造成数据错误。为此，本发明同时保留了光学信号正余弦信号的直接无延迟输出，后部设备可以直接计数累加，或者因传感器S信号同时输出，也可方便后续设备进行角度细分，作为复合型绝对值编码器在高速运动中测量的补充；并且复合型绝对值编码器在内部MCU (微处理器)中进行转速计算，当转速较快并有可能因响应延迟而造成输出数据错误时，在数据链前段输出一个速度状态信号，通知后部设备改用无延迟的光学正余弦信号，以此较粗位的计数累加移动距离和计算转速。
[0055]当转轴11处于较低转速时，各种计算响应满足要求，获得的数据是有效的，转速状态码输出有效，记为I。如果转速较快，有可能内部计算响应滞后而造成数据错误可能，转速状态码为无效，记为O。可MCU内部选取一个时间间隔，例如1ms，计算前后两次的数据差，即可获得转速信息。
[0056]转速的计算，例如2转/秒时，Ims的前后两次位置差是2X 360度/1000 = 0.72度。但是转速计算时，前后两次的数据采集可能跨过O度角(正转或反转，两次数值在O度两边)，由于O度角与最大角度360度是同一个位置，如果不做处理可能会获得错误的信息，为此需要修正:
[0057]将复合型绝对值编码器的转动角度从小角度(O度)到大角度(360度)分为三个逻辑判断区，O — 90度为00区，90度?270度为01区，270度-360度为11区，如图8:
[0058]在转速计算时每次数据采集进行数据分区，两次数据如果前后不在一个分区，并且两个分别在00区和11区时，(无论是前次是00还是后次是00)，00区的数值应再加上360度满量程数值参与转速减法计算。例如:前次读数为I度，在00区，后次读数为359度，在11区，00区的I度需加上360度参与计算，即1+360 = 361，后次减前次359-361=-2 (度)，也即单位时间内反向旋转了 2度。计算的转速正转是正值，反转是负值，取绝对值与预设值判断，小于等于预设值转速较慢，绝对值数据信号有效，转速状态码为I ;计算的绝对值与预设值比较，大于预设值，转速状态码记录为O。例如，两次采样间隔为1ms，预设的转速状态值为5转/秒，即1800度/秒；前次数据采集为I度在00区，后次读数为359度，在11区，00区的I度需加上360度参与计算，即1+360 = 361，后次减前次359-361=-2(度)，也即单位时间内反向旋转了 2度。取绝对值计算的转速为2/lms = 2000度/秒，已经大于了预设转速，故此转速状态码输出为O。以上是以“度”为计算单位，实际数值计算时对应各种分辨度下的数值，例如19位的分辨度524288，1000的数值=360度/524288X 1000 = 0.6866 度。
[0059]所述复合型绝对值编码器在运动控制中的测量反馈作用，当运动物通电启动时，需要测知起始点的精确位置，并输出推力推动运动物体启动，此时即需要输出高分辨率的标准绝对值信号，以及低速启动时的精确加速度曲线(与推力相关)；或者在需要运动物精确停止定位如，需要在较粗的减速后的精确减速曲线并精确停止定位?目息，在上述两种需要状况时转速较低，转速状态码为有效1，此时高分辨率的标准绝对值信号有效，确保启动时精确测知位置及精确加速曲线，并定位停止前，在粗减速后的精确减速曲线及停止定位控制的精准；当控制启动加速一段后转速较快，此时一般的控制进入粗位置模式及速度环控制模式，此时转速较快，转速状态码为无效0，后续设备在获得此信息后，可以改用直接输出的标准增量信号做计数粗位置环和速度环计算，或者细分后做较细的计数和速度计算。
[0060]虽然以上描述了本发明的【具体实施方式】，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的 保护范围。
【权利要求】
1.一种复合型绝对值编码器，包括共用一转轴的一磁电式绝对值编码单元和一光电式增量编码单元，所述磁电式绝对值编码单元用于输出一绝对值信号，所述光电式增量编码单元包括一光发射器、一透镜、一具有若干第一狭缝的光栅、一与所述转轴连接的码盘、一第一光电传感器和一增量编码器件，所述光发射器发射的光依次经过所述透镜、所述光栅和所述码盘后传输至所述第一光电传感器的输入端，所述第一光电传感器输出一正余弦信号，其特征在于， 所述码盘包括一全透光区，所述复合型绝对值编码器还包括一光电校准单元，所述光电校准单元包括:一透光部、一遮光部、一第二光电传感器和一调节电路，所述透光部和所述遮光部分别刻有若干与所述第一狭缝相同的第二狭缝和第三狭缝，且所述第二狭缝与所述第一狭缝对齐，所述第三狭缝与所述第一狭缝完全错开，所述调节电路的输入端分别与所述第一光电传感器和所述第二光电传感器电连接，所述调节电路的输出端与所述增量编码器件电连接； 自所述全透光区透射的光分别通过所述透光部和所述遮光部传输至所述第二光电传感器的输入端，所述第二光电传感器输出一第一电压和一第二电压，所述调节电路根据所述第一电压、所述第二电压和一标准电压调节所述正余弦信号以输出一标准正余弦信号，所述增量编码器件对所述标准正余弦信号编码以输出一标准增量信号； 所述复合型绝对值编码器还包括一数据组合单元，用于组合所述绝对值信号和所述标准增量信号，以输出一标准绝对值信号。
2.如权利要求 1所述的复合型绝对值编码器，其特征在于，所述标准正余弦信号的峰值等于所述标准电压，所述标准正余弦信号的周期等于所述正余弦信号的周期。
3.如权利要求2所述的复合型绝对值编码器，其特征在于，所述调节电路包括一负反馈放大电路和一微处理器，所述微处理器用于计算将所述第一电压和所述第二电压的电压差放大至所述标准电压的标准放大倍数，并调节所述负反馈放大电路的放大倍数等于所述标准放大倍数，所述负反馈放大电路用于将所述正余弦信号按照所述放大倍数放大。
4.如权利要求1所述的复合型绝对值编码器，其特征在于，所述数据组合单元用于从所述绝对值信号中截取一粗位绝对值信号，从所述标准增量信号中截取一细位标准增量信号，然后将所述粗位绝对值信号和所述细位标准增量信号组合并输出所述标准绝对值信号。
5.如权利要求4所述的复合型绝对值编码器，其特征在于，所述复合型绝对值编码器还包括一存储器，用于存储所述绝对值信号、所述标准增量信号和所述标准绝对值信号，并且所述存储器与所述数据组合单元连接。
6.如权利要求5所述的复合型绝对值编码器，其特征在于，所述存储器还存储有所述绝对值信号与所述标准绝对值信号的对应关系。
7.如权利要求1所述的复合型绝对值编码器，其特征在于，所述复合型绝对值编码器还包括一转速计算单元，所述转速计算单元用于计算所述转轴的转速，并在计算出的转速超过一阈值时，停止所述磁电式绝对值编码单元和所述数据组合单元的运行。
8.如权利要求7所述的复合型绝对值编码器，其特征在于，所述转速计算单元通过连续采集两次所述绝对值信号和/或所述正余弦信号的角度、获取两次角度的角度差和采集的时间间隔以计算所述转速。
9.如权利要求8所述的复合型绝对值编码器，其特征在于，在所述转速计算单元采集到的角度中，若一个为范围在O度到90度的小角度且另一个为范围在270度到360度的大角度，则所述角度差等于所述小角度与360度之和再减去所述大角度，或，等于所述大角度与所述小 角度之差再减去360度。
【文档编号】G01D5/56GK103983290SQ201410188609
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】裘奋 申请人:上海精浦机电有限公司