專利名稱：一種輸出單周期位置型正弦波信號(hào)的單碼道光柵編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光柵編碼傳感器，尤其是一種輸出單周期位置型正弦波信號(hào)的單碼道光柵編碼器。
背景技術(shù)：
設(shè)有動(dòng)光柵和靜光柵的光柵編碼器是一種利用光-電轉(zhuǎn)換的傳感器件，它是利用按正弦波信號(hào)設(shè)計(jì)輸出光柵信號(hào)的。光柵編碼器可以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的位置、轉(zhuǎn)動(dòng)角度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，有的場(chǎng)合，這種傳感器還要求對(duì)三相交流同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行測(cè)量，作為對(duì)三相交流同步電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)的控制依據(jù)，以達(dá)到控制功率因數(shù)，效率等運(yùn)行參數(shù)的目的。通常的正弦波編碼器輸出的正弦波分兩種一種是多周期增量型的正弦波信號(hào) (通常稱為A、B兩路信號(hào))，另一種是單周期的位置型正弦波信號(hào)(通常稱為C、D兩路信號(hào))。多周期增量型正弦波的每圈為η周期(如1024Τ/圈，2048Τ/圈)的柵線正弦波，兩路正弦波信號(hào)A和B采樣于圓形動(dòng)光柵最外圈的同一柵線碼道，讀數(shù)轉(zhuǎn)換的是多周期的增量信號(hào)。A和B是兩個(gè)頻率相等，相位差為Τ/4的正弦波信號(hào)，可用于測(cè)量圓周的增量值，可作為速度檢測(cè)和方向檢測(cè)；單周期的位置型正弦波每圈為一個(gè)周期的柵線正弦波，單周期的位置型C和D信號(hào)是每周一個(gè)周期的正弦波信號(hào)，C信號(hào)和D信號(hào)相位差為Τ/4，C、D兩路信號(hào)組成位置信號(hào)，C、D信號(hào)可用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置、角度值等絕對(duì)值參數(shù)，同時(shí)也可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)的方向。現(xiàn)有的多周期T的柵線正弦波Α、Β信號(hào)采樣較容易。但對(duì)每圈一個(gè)周期的柵線正弦波C、D信號(hào)采樣光柵設(shè)計(jì)還比較復(fù)雜。公知獲取單周期正弦波C，D信號(hào)的辦法是在靜光柵上刻有對(duì)應(yīng)動(dòng)光柵四個(gè)同圓心、不同旋轉(zhuǎn)半徑的四個(gè)碼道E、F、G、H的四條透光狹縫E’， F’，G’，H’，每條光縫的寬0. 5 1毫米，高等于一個(gè)碼道寬(如2毫米)，光縫寬應(yīng)確保同一碼道的光發(fā)生變化時(shí)，能夠完整的反映光柵在運(yùn)轉(zhuǎn)全過(guò)程的光能變化。動(dòng)光柵四個(gè)碼道 E、F、G、H，每個(gè)碼道都是刻有一條封閉的月牙形光縫，見(jiàn)圖3。四個(gè)月牙形光縫中，每個(gè)月牙形光縫均以前一個(gè)為基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)90°，四個(gè)月牙形碼道各差90°，四個(gè)月牙形碼道的相位分別為E(0° )，F(xiàn)(90° ),6(180° )，對(duì)270° )。動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，穿過(guò)動(dòng)光柵的光進(jìn)入靜光柵的光縫，通過(guò)這對(duì)光縫的光就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)變化的光能量。當(dāng)動(dòng)光柵和靜光柵上的光縫都是透光的，其它區(qū)不透光，就會(huì)有一個(gè)光能量峰值；如果動(dòng)光柵上的光縫不透光，其它區(qū)透光，靜光柵的光縫透光，其它區(qū)不透光，則就有光能量谷值。如果動(dòng)光柵上的部分光縫不透光，其它區(qū)透光，靜光柵的光縫透光，其它區(qū)不透光，則就有部分光能量，這種光能量由峰值過(guò)度到谷值的光照射到光電接收器上，就可以使光電接收器輸出一個(gè)正弦波電信號(hào)，正弦波圓光柵編碼器對(duì)正弦波頻率響應(yīng)的指標(biāo)要求很高特別是對(duì)幅度以及對(duì)稱性的要求。光柵編碼器輸出正弦波光信號(hào)的采樣是利用光電二極管、光敏三極管以及光電池等光電器件組成光電接收器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大器放大輸出。如果利用單管(光電二極管、光敏三極管等)接收C、D信號(hào)，信號(hào)容易失真，出現(xiàn)正負(fù)半周不對(duì)稱，見(jiàn)圖1(a)，且容易出現(xiàn)波形截止現(xiàn)象(正弦波平底或平頂)見(jiàn)圖1 (b)。用兩只光電二極管N+，N-反并聯(lián)采樣接收靜光柵窗口的光信號(hào)，見(jiàn)圖2 (a)，利用兩只光電二極管的反向互補(bǔ)特性，可以實(shí)現(xiàn)正、負(fù)半波(C+、C-或D+、D-)C, D兩路信號(hào)的對(duì)稱采樣接收，可以獲得很好的、對(duì)稱的C、D 電信號(hào)，見(jiàn)圖2(b)。上述獲取光柵編碼器輸出的單周期正弦波C，D信號(hào)的設(shè)計(jì)存在以下幾點(diǎn)不足1)動(dòng)光柵(碼盤)除了 E，F(xiàn)，G，H四個(gè)碼道碼道外，還包括最外圈的柵線碼道(獲取A、B信號(hào))，零線碼道Z，共需要六個(gè)碼道，碼道占用的受光面積大，給信號(hào)采樣帶來(lái)困難， 見(jiàn)圖3。2)由于動(dòng)光柵E，F(xiàn)，G，H四個(gè)碼道之間相互靠的很近，且是同頻率接收正弦波的光信號(hào)，一但調(diào)試出現(xiàn)微小的誤差，都容易產(chǎn)生相鄰碼道間的光干擾，發(fā)生光電轉(zhuǎn)換的信號(hào)畸變。且因?yàn)閱沃芷谡也ü鈻潘嫉臋C(jī)械角度大(一個(gè)圓周360° )，徑向范圍寬(占用4 個(gè)碼道)，給信號(hào)采集帶來(lái)困難。3)三相交流同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置需要測(cè)量三相參數(shù)一般用U、V、W表示，因受到碼道的限制(若按現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)，動(dòng)光柵除了最外圈的柵線碼道和零線碼道外，還需要6條碼道)所以現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理都是用采樣的兩路C、D信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部(矢量變換)處理后，獲得交流同步電動(dòng)機(jī)所需的三相旋轉(zhuǎn)位置參數(shù)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種輸出單周期位置型正弦波信號(hào)的單碼道光柵編碼器，所說(shuō)單碼道的定義是指動(dòng)光柵除必須設(shè)置的柵線碼道和零線碼道外，僅設(shè)置一條輸出C、D兩路正弦波光信號(hào)的碼道。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是一種輸出單周期位置型正弦波信號(hào)的單碼道光柵編碼器，設(shè)有動(dòng)光柵和靜光柵，動(dòng)光柵是一塊圓形光盤，安裝在編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上，動(dòng)光柵上設(shè)有柵線碼道、零線碼道及單周期位置型C、D兩路正弦波光信號(hào)輸出碼道，靜光柵安裝在光電編碼器的座體上，靜光柵上設(shè)置有與動(dòng)光柵各碼道對(duì)應(yīng)的透光狹縫，動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，各碼道通過(guò)對(duì)應(yīng)的靜光柵透光狹縫輸出光信號(hào)給光電轉(zhuǎn)換器件，光電轉(zhuǎn)換器件輸出正弦波信號(hào)，其特征在于在動(dòng)光柵上設(shè)置一個(gè)偏心圓環(huán)透光區(qū)，構(gòu)成C、D兩路正弦波光信號(hào)輸出的單碼道，偏心圓環(huán)被包容在與動(dòng)光柵同圓心的兩個(gè)不同半徑的同心圓環(huán)內(nèi)，在同心圓環(huán)上設(shè)有四個(gè)圓周點(diǎn)，四個(gè)圓周點(diǎn)之間依次相差90°，偏心圓環(huán)之外圈在四個(gè)圓周點(diǎn)中任一點(diǎn)與同心圓環(huán)之外圓相切，與此點(diǎn)相差180°處，偏心圓環(huán)之內(nèi)圈與同心圓環(huán)之內(nèi)圓相切。可設(shè)置兩塊靜光柵，位置相差90°，每塊靜光柵上設(shè)有徑向直線排列的兩條透光狹縫，兩條透光狹縫徑向高度和與動(dòng)光柵同心圓環(huán)寬度一致。也可設(shè)置三塊靜光柵，位置相差120°，每塊靜光柵上設(shè)有徑向直線排列的兩條透光狹縫，兩條透光狹縫徑向高度和與動(dòng)光柵同心圓環(huán)寬度一致。所說(shuō)光電轉(zhuǎn)換器件為光電二極管，采用一對(duì)反并聯(lián)光電二極管N+、N_，對(duì)應(yīng)接受一塊靜光柵兩條透光狹縫輸出光信號(hào)的正、負(fù)各半周信號(hào)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果1)信號(hào)失真現(xiàn)象得到徹底解決，對(duì)稱性好，原始正弦波轉(zhuǎn)換的性能可以得到保證；2)現(xiàn)有技術(shù)動(dòng)光柵輸出C、D兩路光信號(hào)需要E，F(xiàn)，G，H四個(gè)碼道，而本實(shí)用新型僅需一個(gè)碼道，可以在同一碼道上同步采樣二路或三路光信號(hào)，碼盤制做簡(jiǎn)單、可靠；3)信號(hào)采集容易，信號(hào)角度就等于機(jī)械角度，一旦機(jī)械角確定，信號(hào)相位角就確定；4)正、負(fù)半周采集的是同一碼道信號(hào)，相互間是互補(bǔ)關(guān)系，無(wú)光干擾。
圖1 (a)、(b)是現(xiàn)有單管接收C，D信號(hào)的失真波形圖；圖2(a)、(b)是現(xiàn)有兩只光電二極管反并聯(lián)接收C，D信號(hào)電路及輸出波形圖；圖3是現(xiàn)有四碼道的C，D信號(hào)動(dòng)光柵和靜光柵；圖4(a)是本實(shí)用新型單碼道碼盤在0°時(shí)的采樣示意圖；圖4(b)是本實(shí)用新型單碼道碼盤在90°時(shí)的采樣示意圖；圖4(c)是本實(shí)用新型單碼道碼盤在180°時(shí)的采樣示意圖；圖4(d)是本實(shí)用新型單碼道碼盤在270°時(shí)的采樣示意圖；圖4(e)是本實(shí)用新型單碼道C，D采樣正弦波信號(hào)波形圖；圖5是三相U、V、W信號(hào)三路120°信號(hào)的采樣實(shí)施例圖5(a)是碼盤在0°時(shí)的采樣示意圖；圖5(b是碼盤在120°時(shí)的采樣示意圖；圖5(c)是碼盤在MO °時(shí)的采樣示意圖；圖5(d)是U，V，W正弦波信號(hào)波形圖。
具體實(shí)施方式
參看圖4，在動(dòng)光柵光盤上設(shè)置一個(gè)偏心圓環(huán)形透光區(qū)，構(gòu)成C、D兩路正弦波輸出的單碼道，偏心圓環(huán)被包容在與動(dòng)光柵圓形光盤同圓心的兩個(gè)不同半徑的同心圓環(huán)(虛線所示)內(nèi)，在同心圓環(huán)上設(shè)置0°，90°，180°，270°四個(gè)圓周點(diǎn)，偏心圓環(huán)之外圈在四個(gè)圓周點(diǎn)中任一點(diǎn)與同心圓環(huán)之外圓相切(如圖中“0° ”點(diǎn))，與此點(diǎn)相差180°處偏心圓環(huán)之內(nèi)圈與同心圓環(huán)之內(nèi)圓相切。實(shí)施例1設(shè)置兩塊靜光柵，其中一塊采樣動(dòng)光柵輸出的C路光信號(hào)(相當(dāng)于圖3動(dòng)光柵中 E，G兩碼道輸出)，設(shè)置在與動(dòng)光柵偏心圓環(huán)與同心圓環(huán)之相切點(diǎn)(如“0° ”點(diǎn))，另外一塊采樣動(dòng)光柵輸出的D路光信號(hào)(相當(dāng)于圖3動(dòng)光柵中F，H兩碼道輸出)，設(shè)置在相差90° 點(diǎn)(如“270° ”點(diǎn))。每塊靜光柵上設(shè)有徑向直線排列的兩條透光狹縫，兩條透光狹縫輸出分別對(duì)應(yīng)一對(duì)反并聯(lián)光電二極管中的N+及N-(圖2 (a))，兩光電二極管N+分別采樣C路及 D路正半周的光信號(hào)C+(相當(dāng)于圖3動(dòng)光柵中E輸出)及D+(相當(dāng)于圖3動(dòng)光柵中F輸出， 兩光電二極管N-分別采樣C路及D路負(fù)半周的光信號(hào)C-(相當(dāng)于圖3動(dòng)光柵中G輸出) 及D-(相當(dāng)于圖3動(dòng)光柵中H輸出)，每塊靜光柵的兩條透光狹縫徑向高度和與動(dòng)光柵同心圓環(huán)寬度一致?？梢?jiàn)，與圖3現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明單碼道動(dòng)光柵的正弦波光柵C、D(相位差90° )的信號(hào)采樣可在同一碼道上實(shí)現(xiàn)，采樣對(duì)稱性好，占用的碼道少，采樣信號(hào)間也無(wú)干擾，信號(hào)采樣方便，正弦信號(hào)接收效果好。C+、C-為一組，D+、D-為另一組，在同一圓周同步采樣C、D兩路正弦波信號(hào)，通過(guò)動(dòng)光柵上的偏心圓環(huán)透光縫(單碼道)，穿過(guò)靜光柵C+光信號(hào)和C-光信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換為C+和C-電信號(hào)迭加合成C信號(hào)，同理D+、D-電信號(hào)合成光電轉(zhuǎn)換D信號(hào)，C、D兩路電信號(hào)送入后級(jí)線性放大器進(jìn)行處理后輸出正弦波電信號(hào)。當(dāng)動(dòng)光柵逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，光穿過(guò)動(dòng)光柵偏心圓環(huán)光縫與靜光柵光縫窗口照射到光電接收器上， 使光電接收器(反并聯(lián)光電二極管)輸出正弦電信號(hào)。如圖4a)，當(dāng)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)在位置0°時(shí)，光穿過(guò)動(dòng)光柵偏心圓環(huán)光縫與靜光柵光縫窗口照射到光電接收器上，C+信號(hào)光能達(dá)到最大，C-信號(hào)光能達(dá)到最小，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換C信號(hào)出現(xiàn)峰值1相當(dāng)于C0S0。，D+，D-光能相等無(wú)輸出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為0相當(dāng)于SIN0。；圖4b)，當(dāng)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)在位置90°時(shí)，C信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為0相當(dāng)于C0S90。，D經(jīng)光電轉(zhuǎn)換出現(xiàn)峰值1相當(dāng)于SIN90。；圖如)，當(dāng)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)在位置180°時(shí)，C信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換出現(xiàn)反向峰值-1相當(dāng)于 C0S180。，D信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為0相當(dāng)于smi80° ；圖4d)，當(dāng)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)在位置270°時(shí)，C信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換出現(xiàn)0相當(dāng)于C0S270。， D信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換出現(xiàn)反向峰值-1相當(dāng)于SIN270。。如此動(dòng)光柵盤每旋轉(zhuǎn)一圈，C，D信號(hào)完成一次采樣，正弦波信號(hào)波形見(jiàn)圖4(e)。實(shí)施例2作為三相電機(jī)絕對(duì)位置檢測(cè)用編碼器時(shí)，原來(lái)是通過(guò)C，D采樣的正交位置信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的矢量變換后獲得的三相U、V、W信號(hào)，在這里可以直接通過(guò)單碼道動(dòng)光柵的正弦波光柵采樣獲得，只要在同一半徑的圓周上按照120°的機(jī)械位置設(shè)置三個(gè)定光柵，信號(hào)采樣就可以完成三相U、V、W信號(hào)采樣。如圖5a)當(dāng)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)在位置0°時(shí)，光穿過(guò)動(dòng)光柵偏心圓環(huán)光縫與靜光柵光縫窗口照射到光電接收器U上，U+光能達(dá)到最大，U-光能達(dá)到最小，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換U信號(hào)出現(xiàn)峰值1相當(dāng)于C0S0。；同理這時(shí)V在120°的位置上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換相當(dāng)于C0S120。，W經(jīng)光電轉(zhuǎn)換相當(dāng)于C0S240。；圖恥)當(dāng)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)在位置120°時(shí)，偏心圓環(huán)光縫也隨之同步旋轉(zhuǎn)，U經(jīng)光電轉(zhuǎn)換相當(dāng)于C0S120。，V經(jīng)光電轉(zhuǎn)換相當(dāng)于C0S240。，W經(jīng)光電轉(zhuǎn)換相當(dāng)于COSO° ；圖5c)當(dāng)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)在位置MO°時(shí)，U經(jīng)光電轉(zhuǎn)換相當(dāng)于C0S240。，V經(jīng)光電轉(zhuǎn)換相當(dāng)于COSO °，W經(jīng)光電轉(zhuǎn)換相當(dāng)于COS 120° ；如此光柵盤每旋轉(zhuǎn)一圈，U，V，W信號(hào)完成一次采樣。正弦波信號(hào)波形見(jiàn)圖5(d)。
權(quán)利要求1.一種輸出單周期位置型正弦波信號(hào)的單碼道光柵編碼器，設(shè)有動(dòng)光柵和靜光柵，動(dòng)光柵是一塊圓形光盤，安裝在編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上，動(dòng)光柵上設(shè)有柵線碼道、零線碼道及單周期位置型C、D兩路正弦波光信號(hào)輸出碼道，靜光柵安裝在光電編碼器的座體上，靜光柵上設(shè)置有與動(dòng)光柵各碼道對(duì)應(yīng)的透光狹縫，動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，各碼道通過(guò)對(duì)應(yīng)的靜光柵透光狹縫輸出光信號(hào)給光電轉(zhuǎn)換器件，光電轉(zhuǎn)換器件輸出正弦波信號(hào)，其特征在于在動(dòng)光柵上設(shè)置一個(gè)偏心圓環(huán)透光區(qū)，構(gòu)成C、D兩路正弦波光信號(hào)輸出的單碼道，偏心圓環(huán)被包容在與動(dòng)光柵同圓心的兩個(gè)不同半徑的同心圓環(huán)內(nèi)，在同心圓環(huán)上設(shè)有四個(gè)圓周點(diǎn)，四個(gè)圓周點(diǎn)之間依次相差90 °，偏心圓環(huán)之外圈在四個(gè)圓周點(diǎn)中任一點(diǎn)與同心圓環(huán)之外圓相切，與此點(diǎn)相差180°處，偏心圓環(huán)之內(nèi)圈與同心圓環(huán)之內(nèi)圓相切。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種輸出單周期位置型正弦波信號(hào)的單碼道光柵編碼器，其特征在于設(shè)置兩塊靜光柵，位置相差90°，每塊靜光柵上設(shè)有徑向直線排列的兩條透光狹縫，兩條透光狹縫徑向高度和與動(dòng)光柵同心圓環(huán)寬度一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種輸出單周期位置型正弦波信號(hào)的單碼道光柵編碼器，其特征在于設(shè)置三塊靜光柵，位置相差120°，每塊靜光柵上設(shè)有徑向直線排列的兩條透光狹縫，兩條透光狹縫徑向高度和與動(dòng)光柵同心圓環(huán)寬度一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種輸出單周期位置型正弦波信號(hào)的單碼道光柵編碼器，其特征在于光電轉(zhuǎn)換器件為光電二極管，采用一對(duì)反并聯(lián)光電二極管N+、N-，對(duì)應(yīng)接受一塊靜光柵兩條透光狹縫輸出光信號(hào)的正、負(fù)各半周信號(hào)。
專利摘要一種輸出單周期位置型正弦波信號(hào)的單碼道光柵編碼器，設(shè)有動(dòng)光柵和靜光柵，動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，各碼道通過(guò)對(duì)應(yīng)的靜光柵透光狹縫輸出光信號(hào)給光電轉(zhuǎn)換器件，光電轉(zhuǎn)換器件輸出正弦波信號(hào)，在動(dòng)光柵上設(shè)置一個(gè)偏心圓環(huán)形透光區(qū)，構(gòu)成C、D兩路正弦波光柵信號(hào)輸出的單碼道，偏心圓環(huán)被包容在與動(dòng)光柵同圓心的兩個(gè)不同半徑的同心圓環(huán)內(nèi)，在同心圓環(huán)上設(shè)有四個(gè)圓周點(diǎn)，四個(gè)圓周點(diǎn)之間依次相差90°，偏心圓環(huán)之外圈在四個(gè)圓周點(diǎn)中任一點(diǎn)與同心圓環(huán)之外圓相切，與此點(diǎn)相差180°處，偏心圓環(huán)之內(nèi)圈與同心圓環(huán)之內(nèi)圓相切。
文檔編號(hào)G01D3/036GK202171460SQ20112013447
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者丁一明 申請(qǐng)人:南京中科天文儀器有限公司