一种光磁编码器及其编码方法
【专利摘要】本发明公开了一种光磁编码器及其编码方法，光磁编码器包括磁检测部、光检测部和控制电路单元，其中，控制电路单元中具有模数转换电路、起始位置计算电路和旋转角计算电路，通过模数转换电路将光检测部的模拟信号转换成数字信号，再结合磁检测部的数字信号，确定上电时编码器的起始位置信号，在编码器上电后，通过模数转换电路输出的数字信号，再结合起始位置信号，输出旋转角信号。本发明的光磁编码器采用磁编码器和光编码器相结合的方式，在每一次编码器上电时都能输出绝对位置编码信号，编码器具有体积�。雀叩奶氐恪�
【专利说明】一种光磁编码器及其编码方法
【技术领域】
[0001]本发明属于编码器【技术领域】，具体涉及一种光磁编码器及其编码方法。
【背景技术】
[0002]绝对式编码器，常用于对仪器或设备的旋转角度进行测量与校准。传统的绝对式编码，随着编码位数不同、精度要求不同，相应的码盘面积、检测头数量都要按比例增加。在很多场合下，需要满足高精度的同时满足编码器结构紧凑的要求。目前，新型绝对式编码器一般基于分度-矩阵编码、M序列伪随机码等方式进行编码。比起传统的绝对式编码，上述两种绝对式能够获得所述的伪随机码编码方式能够缩小码盘/栅尺面积，减少检测头数量，减小编码器尺寸的同时仍旧保证高精度高速度的要求。伪随机码编码形式的编码器，由于是采用串行编码，导致在如果没有保存上次断电前的信息时，再次上电编码器无法获得实际真实角度信息，从而需要编码器转动一定角度才能获得实际的物理位置(旋转角度随编码位数不同而不同)，因此，属于一种准绝对式编码器。分度-矩阵编码形式的编码器，属于纯绝对式编码器，但其体积往往大于基于伪随机码编码的编码器。因此上述两种新型绝对式编码器，依然具有体积大、掉电后丢失信息的缺点。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种光磁编码器以及光磁编码器的编码方法，将绝对式的磁编码和增量式的光编码相结合，克服了现有的绝对式编码器体积大，增量式编码器掉电后丢失信息的问题。
[0004]为了实现上述目的，本发明的光磁编码器，包括:磁检测部，包括磁体和磁传感器，磁体固定安装在旋转主轴上，根据旋转主轴的旋转带动磁体旋转，并从磁传感器输出数字信号；光检测部，包括光源、码盘、静光栅和光传感器，光源的光照射码盘以及静光栅，通过旋转主轴的旋转带动码盘旋转，并从光传感器输出模拟信号；控制电路单元，分别连接磁传感器和光传感器，利用磁传感器输出的数字信号以及光传感器输出的模拟信号计算并确定旋转主轴的旋转角度；
[0005]所述的控制电路单元包括:模数转换电路，与光检测部的光传感器连接，将光传感器输出的模拟信号转换为数字信号；起始位置计算电路，分别连接磁传感器与模数转换电路，利用上电时模数转换电路输出的数字信号和磁检测部输出的数字信号计算并输出起始位置信号；旋转角计算电路，分别连接起始位置计算电路与模数转换电路，利用上电后的模数转换电路输出的数字信号，以及上电时的初始位置信号，计算并输出旋转角信号。
[0006]所述的码盘上设有相位差为90°的A相码道和B相码道，并且A相码道和B相码道上都分别设有2N个等间隔分布的遮光部和透光部。
[0007]优选地，所述的码盘上设有相位差为180°的A相码道和A ’相码道，与A相码道相位差为90°的B相码道，与B相码道相位差为180°的B '相码道，并且A相码道、A '相码道、B相码道、B丨相码道上分别设有2N个等间隔分布的遮光部和透光部。[0008]优选地，所述的模数转换电路包括A相差分放大电路、B相差分放大电路和AD转换器，A相差分放大电路、B相差分放大电路分别将光传感器和AD转换器连接。
[0009]本发明的光磁编码器的编码方法，其步骤包括:S1:编码器上电时，根据编码器旋转主轴的旋转，从磁传感器输出的磁检测部数字信号Xl，保留其高N位处理，从而将旋转主轴旋转一周的范围划分为2N个划分区域Z ；S2:从光传感器输出的光检测部模拟信号，经过模数转换电路后，分别输出A相数字信号和B相数字信号，在起始位置计算电路中，将A相数字信号和B相数字信号进行除法运算、反正切运算，得到起始位置所在光检测周期Λ的位置量信号Y ；S3:判断起始位置输出的磁检测部数字信号Xl是否超过其所在的光检测周期Λ内的磁检测部划分区域Z的边界值；当未超过边界值时，将高N位的磁检测部数字信号Xl直接与光检测部的位置量信号Y合并运算，得到起始位置信号；当超过边界值时，将高N位的磁检测部数字信号Xl的第N位“减I”后与光检测部的位置量信号合并运算，得到起始位置信号；S4:编码器上电后，结合A相数字信号、B相数字信号以及起始位置信号，计算并输出旋转角信号。
[0010]优选地，将磁检测部数字信号Xl与位置量信号Y做减法运算，起始位置所在的光检测周期Λ的起点对应的磁检测部数字信号Χ2，磁检测部数字信号Χ2的第Ν+1位为0，则说明光检测周期Λ的起点位于划分区域Z的前半段，判断时，磁检测部数字信号Xl的第Ν+1位为0，且位置量信号Y大于光检测周期Λ的中间值，则说明磁检测部数字信号Xl已超过边界值M ;否则为未超过边界值M ;如果磁检测部数字信号Χ2的第Ν+1位为1，则说明光检测周期Λ的起点位于划分区域Z的后半段，判断时，磁检测部数字信号Xl的第Ν+1位为1，且位置量信号Y小于光检测周期Λ的中间值，则说明磁检测部数字信号Xl未超过边界值M ;否则为已超过边界值Μ。
[0011 ] 优选地，编码器上电时，从磁传感器输出的磁检测部数字信号Xl，保留其高N位处理，其中N ( 11。
[0012]由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
[0013]本发明的光磁编码器，将绝对式的磁编码和增量式的光编码相结合，在每一次上电时都能得到起始位置的绝对编码，形成一种绝对式编码器，具有体积小、精度高的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明的光磁编码器剖视图。
[0015]图2是本发明的光磁编码器的控制电路单元方框图。
[0016]图3是本发明的码盘平面图。
[0017]图4是本发明的光磁器的编码方法的步骤图。
[0018]图5是本发明的合并运算说明图。
[0019]图6是本发明的位置量信号Y的说明图。
[0020]图7是本发明的实施例1的码盘局部放大图。
[0021]图8是本发明的实施例2的码盘局部放大图。
[0022]图中标记:
[0023]10-控制电路单元，11-模数转换电路，IlA-A相差分放大电路，IlB-B相差分放大电路，IlC-AD转换器，12-旋转角计算电路，13-起始位置计算电路，20-磁检测部，21-磁传感器，22-磁体，30-光检测部，31-光源，32-码盘，32A-A相码道，32A ' -A '相码道，32B-B相码道，32B, -B ;相码道，33-静光栅，34-光传感器，40-旋转主轴。
【具体实施方式】
[0024]参照图1-3，本发明的光磁编码器【具体实施方式】，包括磁检测部20、光检测部30、控制电路单元10。其中磁检测部20包括磁体22和磁传感器21，磁体22固定安装在旋转主轴40上，根据旋转主轴40的旋转带动磁体22旋转，并从磁传感器21输出数字信号。光检测部30包括光源31、码盘32、静光栅33和光传感器34，光源31的光照射码盘32以及静光栅33，通过旋转主轴40的旋转带动码盘32旋转，并从光传感器34输出模拟信号。
[0025]控制电路单元10包括模数转换电路11、起始位置计算电路13和旋转角计算电路12，模数转换电路11包括A相差分放大电路11A、B相差分放大电路IlB和AD转换器11C，A相差分放大电路11A、B相差分放大电路IlB分别将光传感器34和AD转换器IlC连接。AD转换器IlC的输出端分别连接到起始位置计算电路13和旋转角计算电路12中。起始位置计算电路13分别连接磁传感器21与模数转换电路11，利用上模数转换电路11输出的数字信号和磁传感器21输出的数字信号计算并输出起始位置信号。旋转角计算电路12分别连接起始位置计算电路13与模数转换电路11，利用上电后的模数转换电路11输出的增量式的数字信号，以及初始位置信号，计算并输出旋转角信号。
[0026]码盘32上设有相位差为90°的A相码道32A和B相码道32B，并且A相码道32A和B相码道32B上都分别设 有2N个等间隔分布的遮光部和透光部。为了增加光传感器34输出的模拟信号的抗干扰性,在码盘32上再设置相位差为90°的A '相码道32A '与B ;相码道32B,，并且A相码道32A和A ^相码道32A ^的相位差为180°。k’相码道32A'、B'相码道32B'上也分别设有2N个等间隔分布的遮光部和透光部。
[0027]参照图4-图8，本发明的光磁编码器的编码方法，通过以下两个实施例来具体说明。
[0028]实施例1:
[0029]S1:编码器上电时，根据编码器旋转主轴40的旋转，从磁传感器21输出的磁检测部数字信号Xl为0001000100010001，保留其高N位，本实施例N取8，保留高8位后为0001000100000000，从而将旋转主轴40旋转一周的范围划分为28个可以满足精度要求的划分区域Z。保留高N位的目的是，当采用16位的磁编码部20时，其分辨率可以达到16位，但是能够确定的精度最多能够达到最多达到11位。所以本实施例为了能达到更高的精度要求，磁检测部数字信号Xl保留高8位。同时光检测部30的码盘32的A、A ^ , B, B ;相码道也设有28个遮光部和透光部，当光源31的光分布照射在码盘32的A、A '、B、B '相码道时，可以分别输出具有一定相位差的正弦波信号。
[0030]S2:从光传感器34输出的光检测部模拟信号,经过模数转换电路11后，分别输出A相数字信号10001010 (十进制数10，符号为正)和B相数字信号10010100 (十进制数20，符号为正)。AD转换器IlC采用8位分辨率，最高位为符号位，当最高位为O则为负，为I则为正。
[0031]通过图6可知，A相数字信号和B相数字信号都位于第一象限，通过除法运算后，A/B = 0.5，再经过反正切运算arctan(A/B)，求得角度值为26°。由于A相码道和B相码道的相位差为90°，本实施例中，码盘32在逆时针旋转时，A相信号比B相信号落后90°，因此A相数字信号和B相数字信号分别对应的模拟量信号是sin Θ和C0s Θ，通过除法运算，即A/B = sin Θ/cos Θ = tan θ ,再通过反正切运算，arctan (tan θ )，即可求出Θ值，本实施例的Θ为26°。如果码盘32为顺时针旋转时，A相信号比B相信号超前90°，因此A相数字信号和B相数字信号分别对应的模拟量信号是sin0和-cos Θ，通过除法运算，gpA/B = sin Θ /-cos Θ = -tan θ ,在进行反正切运算前,需要先将A/B取相反数后,再进行反正切运算，即arctan(-A/B),即可求出Θ值。
[0032]将光检测周期Λ进行细分，细分份数本实施例取256份，再将26° /360° *256 =18.5，取整为19，得到起始位置所在光检测周期Λ的位置量信号Y为19，对应的二进制数为00010011 ( —个光检测周期Λ细分后，从其起点到终点，对应的二进制数是从00000000到11111111)。
[0033]S3:参照图7，判断起始位置输出的磁检测部数字信号Xl的0001000100010001是否超过其所在的光检测周期Λ内的磁检测部20划分区域Z的边界值Μ。
[0034]将磁检测部20数字信号Xl (0001000100010001)与位置量信号Y(00010011)做减法运算，得到起始位置所在的光检测周期Λ的起点对应的磁检测部数字信号Χ2 (0001000011111110)，磁检测部数字信号Χ2的第9位为I，则说明光检测周期Λ的起点位于划分区域Z的后半段，说明光检测周期Λ和磁检测部划分区域Z的误差情况，属于图7中所示情况。判断时，磁检测部数字信号Xl (0001000100010001)的第9位为0，说明该磁检测部数字信号Xl位于划分区域Z的前半段，且位置量信号Υ(00010011)小于光检测周期Λ的中间值128，则说明磁检测部数字信号Xl (0001000100010001)已超过边界值Μ。
[0035]当已超过边界值M时，将磁检测部数字信号Xl保留高8位后(0001000100000000)的第8位减I (0001000000000000)后与光检测部30的位置量信号Y (00010011)合并运算，得到起始位置信号(0001000000010011)。合并运算的过程，即将最低位对齐，然后逐位与运算，得到最后的运算结果。
[0036]S4:编码器上电后，结合的A相数字信号和B相数字信号再旋转到一定的角度后，形成的增量信号，结合起始位置信号(0001000000010011)，利用常用的光增量式编码算法，求出旋转角信号。由于光增量式编码算法为现有技术，故在此不再赘述。
[0037]实施例2:
[0038]S1:编码器上电时，根据编码器旋转主轴40的旋转，从磁传感器21输出的磁检测部数字信号Xl为0001110100010001，保留其高8位后为0001110100000000从而将旋转主轴40旋转一周的范围划分为28个划分区域Ζ。同时光检测部30的码盘32的A、A ^、B、B ;相码道也设有28个遮光部和透光部。
[0039]S2:从光传感器34输出的光检测部模拟信号，经过模数转换电路11后，分别输出A相数字信号00001010 (十进制数10，符号为负)和B相数字信号00010100 (十进制数20，符号为负)，通过图6可知，A相数字信号和B相数字信号都位于第四象限，通过除法运算后，Α/Β = 0.5，再经过反正切运算，求得角度值为26°，由于处于第四象限，所以实际角度值应该是360° -26° = 334°。将光检测周期Λ进行细分，细分分数取256，再将334° /360° *256 = 237.5，取整为238，得到起始位置所在光检测周期Λ的位置量信号Y为238，对应的二进制数为11101110。[0040]S3:参照图8，判断起始位置输出的磁检测部数字信号Xl的0001110100010001是否超过其所在的光检测周期Λ内的磁检测部20划分区域Z的边界值Μ。
[0041]将磁检测部数字信号Xl (0001110100010001)与位置量信号Y(lllOlllO)做减法运算，得到起始位置所在的光检测周期Λ的起点对应的磁检测部数字信号X2为0001110000100011，磁检测部数字信号Χ2的第9位为O，则说明光检测周期Λ的起点位于划分区域Z的前半段，判断时，磁检测部数字信号Xl (0001110100010001)的第9位为0，说明Xl位于划分区域Z的前半段，且位置量信号Υ(11101110)大于光检测周期Λ的中间值128，则说明磁检测部数字信号Xl (0001110100010001)已超过边界值Μ。
[0042]当已超过边界值M时，将磁检测部数字信号Xl保留高8位后(0001110100000000)的第8位减I (0001110000000000)后与光检测部30的位置量信号Y (11101110)合并运算，得到起始位置信号(0001110011101110)。
[0043]S4:编码器上电后，结合的A相和B相的增量信号，以及起始位置信号(0001110011101110)，用常用的光增量式编码算法，求出旋转角信号。
【权利要求】
1.一种光磁编码器，其特征在于，包括: 磁检测部(20)，包括磁体(22)和磁传感器(21)，磁体(22)固定安装在旋转主轴(40)上，根据旋转主轴(40)的旋转带动磁体(22)旋转，并从磁传感器(21)输出数字信号； 光检测部(30)，包括光源(31)、码盘(32)、静光栅(33)和光传感器(34)，光源(31)的光照射码盘(32)以及静光栅(33)，通过旋转主轴(40)的旋转带动码盘(32)旋转，并从光传感器(34)输出模拟信号； 控制电路单元(10)，分别连接磁传感器(21)和光传感器(34)，利用磁传感器(21)输出的磁检测部数字信号以及光传感器(34)输出的模拟信号计算并确定旋转主轴(40)的旋转角度； 所述的控制电路单元(10)包括: 模数转换电路(11)，与光检测部(30)的光传感器(34)连接，将光传感器(34)输出的模拟信号转换为数字信号； 起始位置计算电路(13)，分别连接磁传感器(21)与模数转换电路(11)，利用上电时模数转换电路(11)输出的数字信号和磁检测部(20)输出的数字信号计算并输出起始位置信号; 旋转角计算电 路(12)，分别连接起始位置计算电路(13)与模数转换电路(11)，利用上电后的模数转换电路(11)输出的数字信号，以及上电时的初始位置信号，计算并输出旋转角信号； 所述的码盘(32)上设有相位差为90°的A相码道(32A)和B相码道(32B)，并且A相码道(32A)和B相码道(32B)上都分别设有2N个等间隔分布的遮光部和透光部。
2.根据权利要求1所述的光磁编码器，其特征在于，所述的码盘(32)上设有相位差为180。的A相码道(32A)和A丨相码道(32A丨)，与A相码道(32A)相位差为90。的B相码道(32B)，与B相码道(32B)相位差为180°的B ;相码道(32B ;)，并且A相码道(32A)、A丨相码道(32A ' )、B相码道(32B)、B丨相码道(32B丨)上分别设有2N个等间隔分布的遮光部和透光部。
3.根据权利要求1所述的光磁编码器，其特征在于，所述的模数转换电路(11)包括A相差分放大电路(IlA)、B相差分放大电路(IlB)和AD转换器(IlC)，A相差分放大电路(IlA)、B相差分放大电路(IlB)分别将光传感器(34)和AD转换器(IlC)连接。
4.一种光磁编码器的编码方法，其特征在于，包括: S1:编码器上电时，根据编码器旋转主轴(40)的旋转，从磁传感器(21)输出的磁检测部数字信号XI，保留其高N位处理，从而将旋转主轴(40)旋转一周的范围划分为2N个划分区域Z; S2:从光传感器(34)输出的模拟信号，经过模数转换电路(11)后，分别输出A相数字信号和B相数字信号，在起始位置计算电路(13)中，将A相数字信号和B相数字信号进行除法运算、反正切运算，得到起始位置所在光检测周期Λ的位置量信号Y ； S3:判断起始位置输出的磁检测部数字信号Xl是否超过其所在的光检测周期Λ内的磁检测部(20)划分区域Z的边界值M ;当未超过边界值M时，将高N位的磁检测部数字信号Xl直接与光检测部(30)的位置量信号Y合并运算，得到起始位置信号；当超过边界值M时，将高N位的磁检测部数字信号Xl的第N位“减I”后与光检测部(30)的位置量信号合并运算，得到起始位置信号； S4:编码器上电后，结合A相数字信号、B相数字信号以及起始位置信号，计算并输出旋转角信号。
5.根据权利要求4所述的编码方法，其特征在于，将磁检测部数字信号Xl与位置量信号Y做减法运算，起始位置所在的光检测周期Λ的起点对应的磁检测部数字信号Χ2，磁检测部数字信号Χ2的第Ν+1位为O，则说明光检测周期Λ的起点位于划分区域Z的前半段；判断时，磁检测部数字信号Xl的第Ν+1位为O，且位置量信号Y大于光检测周期Λ的中间值，则说明磁检测部数字信号Xl已超过边界值M ;否则为未超过边界值M ; 如果磁检测部数字信号Χ2的第Ν+1位为1，则说明光检测周期Λ的起点位于划分区域Z的后半段；判断时，磁检测部数字信号Xl的第Ν+1位为1，且位置量信号Y小于光检测周期Λ的中间值，则说明磁检测部数字信号Xl未超过边界值M ;否则为已超过边界值Μ。
6.根据权利要求4所述的编码方法，其特征在于，编码器上电时，从磁传感器(21)输出的磁检测部数字信号 XI，保留其高N位处理，其中NS 11。
【文档编号】G01D5/56GK103983291SQ201410224926
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】魏慧林, 汪涌, 李胜强, 谢元元, 黄勇, 张洪峰, 陈永成 申请人:四川科奥达技术有限公司
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