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1、小型绝对式光电编码器原理及实现00导语：本文基于游标编码原理，完成了绝对式光电旋转编码器的设计。文章首先提出编码方案，介绍了三码道游标编码方案，并推导绝对位置编码的解算方法；给出了细分误差模型公式和正弦信号校正结果，正弦信号校正后幅值误差低于0.33%，零偏误差低于0.2%,相移误差低于0.22%；讲明了编码器的通信接口，在10m的通信间隔上，可以到达10Mb/s的波特率，在25米间隔上可以到达5Mb/s；最后给出了整个编码器系统的构造摘要：本文基于游标编码原理，完成了绝对式光电旋转编码器的设计。文章首先提出编码方案，介绍了三码道游标编码方案，并推导绝对位置编码的解算方法；给出了细分误差模型公
2、式和正弦信号校正结果，正弦信号校正后幅值误差低于0.33%，零偏误差低于0.2%,相移误差低于0.22%；讲明了编码器的通信接口，在10m的通信间隔上，可以到达10Mb/s的波特率，在25米间隔上可以到达5Mb/s；最后给出了整个编码器系统的构造。实验结果说明，编码器工作正常，功能稳定。关键词：绝对式光电编码器；游标编码；细分模型；BiSSC形式中图分类号：TP274+.2文献标志码：A1引言光电旋转编码器是一种集光、机、电于一体的角位移测量装置【1】。在一个典型的闭环运动控制系统中，光电旋转编码器作为观测器，其性能参数直接影响控制系统精度、增益和稳定性【2】。随着机器人与自动化技术的开展，控
3、制系统要求光电旋转编码器可以输出绝对位置、构造小型化、同时对分辨率、精度、时间响应速度提出了更高参数要求。为了进步系统可靠性，编码器与控制器之间需要采用数字通信接口连接，具有校验才能。编码器的构造小型化制约编码器的最大分辨率【3】【4】【5】；另一方面，编码器的构造小型化加剧了光栅盘刻划误差对精度的影响【6】。早期的绝对式编码器采用二进制或者格雷码编码器方式，每条码道对应一个二进制位，需要多条码道才能知足高分辨率测角需要。因此码盘尺寸很大，不知足编码器小型化的需要。游标编码是利用游标原理获取绝对位置的编码方式。采用游标编码的编码器可以显著减小了码道数量，有利于编码器小型化。游标编码在保持高分辨
4、率和高绝对精度的同时，增加了信号误差的允许公差；采用相位阵技术的光电检测方法，减小了刻划误差对精度的影响；这就意味着降低了光栅盘和编码器轴系的制造、装配难度【7】，对小型绝对式编码器产业化特别有利。本文提出一种基于游标编码的绝对式光电旋转编码器，图1。采用相位调制方法对绝对码进展编码，采用电子细分技术获取高分辨率精码。由于码道数量少，适用于通用伺服电机的空心轴绝对式编码器。目前，实验室样机可以做到25位分辨率、批量产品的最大分辨率可以稳定在23位。编码器采用BiSSC数字接口，最高通信速率到达10MHz，最高时间响应周期10uS。编码器采用6位CRC校验，可以对每个通信周期的测量值进展校验，对
5、于极端平安的应用，编码器可以提供16位CRC校验和循环技术功能确保极端可靠性。2编码原理本文采用3条码道M、N、S的正弦信号确定绝对角度位置。这个方法比在两个刻度的情况下要求更低的精度。主码道M决定系统分辨率和绝对精度，游标码道N和段码道S生成粗码信息。对于任一刻线周期d，位置x在d内的相位有，的周期等于码道M、N刻线周期的最小公倍数，由于码道M、N的刻线数相差1，1在整个编码间隔内被唯一确定，2在整个编码器间隔内周期性变化。由于刻划误差及一系列等效误差存在，1不能直接用于编码。借助2的周期性变化，1与1、2共同构造整个编码器间隔的游标编码，如图2所示。实际电路中，M信道对应的差分信号为sin
6、_PMNM；N码道对应的差分信号为sin_PN，NN；S码道对应的差分信号为sin_PS，sin_NS；M,N,S信道差分信号的表达式分别如式(4)，(5)，(6)所示。3细分技术编码器主码道采用电子细分技术获取高分辨率精码。正弦信号的质量决定了最大分辨率和系统精度。为了实现更好的插值，识别相关信号误差和对其补偿是重要的。典型的误差源包括正余弦信号的零点偏移OS和OC；正余弦信号幅值AS和AC之间变化的敏感度；正弦和余弦信号之间的相移为偏离90SERR、CERR，传感器的特性曲线的非线性正弦外形偏向FSIN、FCOS。总体来讲，角度能在一个周期划分中通过正余弦信号的商的反正切计算出来。根据公式
7、(11)有：因此，编码器需要有幅值补偿、相移补偿和零偏补偿才能。实际电路中通过复杂的可编程校准电路补偿后，幅值误差低于0.33%，零偏误差低于0.2%，相移误差低于0.22o相对于Vpp。4通信接口编码器采用BiSSC数字接口，BiSSC是一个高速、平安的同步串行通讯接口标准，它可以将传感器的数据传回主端口，并以双向通讯方式将传感器的参数从传感器的存放器中读出或者写入，BiSSC接口的硬件与SSI接口兼容。其根本时序如图3所示：BiSSC采用标准RS422电气标准，需要时钟、数据两路信号；BiSSC采用总线延迟补偿技术，确保长间隔高速通信可靠性。BiSSC的典型通信应用间隔可以到达10米10M
8、Hz，25米5MHz。BiSSC协议帧的初始时钟用于启动编码器内部采样电路，采样后的信号经过补偿和游标解算形成绝对值编码。绝对值编码在同步时钟的触发下，向数据线移出。绝对值编码生成时刻与初始时钟发出时刻同步并且时间偏向小于1.25us不考虑线路因素。这就为控制器的算法优化提供了很好的技术保证，BiSSC数字接口的技术优势在需要高速、高增益控制指标的系统中更加明显。5系统实现一个完好的绝对式编码器由光源、码盘、狭缝、光电接收阵列及解码电路构成。解码电路包括6路独立的差分增益放大器，每条码道有2路相位相差90的正弦信号，由硬件完成零偏补偿。补偿后的信号进入A/D进展量化，由软件完成采样值的幅值匹配
9、补偿和相移补偿。校正后的测量值接近理想正弦，通过反正切变换，获得相位角。通过游标解算，最终获得编码器的绝对位置。图4绝对式编码器构造框图6结论本文提出了一种基于三码道游标编码的绝对式编码器。三码道游标编码具有刻划简单、便于装调，分辨率高，适于产业化推广等优点。本文对编码原理进展了讲明，并给出了编码经过；对细分电路进展了讲明，给出了误差公式，对数字通信接口进展了讲明；给出了编码功能框图，理论证明通过相位调制，有效进步了码盘的编码密度，减少了码道数量，进而对实现绝对式编码器的小型化应用有重要意义。【1】叶盛祥光电位移精细测量技术M.成都.四川科学技术出版社，2003【2】GeorgeEllis控制系统设计指南:第3版M.北京.北京电子工业出版，2006【3】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.光学精细工程，2020,18(2),326332.【4】杨鹏;艾华;刘长顺；超小型准绝对式编码器的研制J;光电工程;2020,35(12)141144【5】陈赟、赵兴国；单圈绝对式光电轴角编码器的研究;光子学报;2020,12【6】光电编码器技术汇编M;长春第一光学仪器厂【7】JoachimQuasdorfPosition/Presence/ProximityTheVernierScaleGoesDigitalJ;sensormag;January1,2020