CN118565531A - 一种绝对式光电编码器信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝对式光电编码器信号处理方法，包括：光源发出的光照射在编码媒体的增量码道和绝对码道上，增量码道由暗交错的周期性刻线构成，绝对码道由包含绝对位置信息的特定刻线构成，两条码道透射或反射的光信号包含了位置信息；增量码道对应的受光器件阵列包括增量受光器件阵列和参考受光器件阵列，增量受光器件阵列将光信号转换为幅值相同、相位相差90°的正弦增量电流信号，参考受光器件阵列将光信号转换为近似为直流的参考光电流；经一定比例放大后得到参考电平；得到一组绝对码；结合增量码道刻线和绝对码道刻线宽度的关系，在绝对码的基础上进一步细分，确定位置信息。

Description

一种绝对式光电编码器信号处理方法

技术领域

本发明属于光电编码器领域，涉及一种绝对式光电编码器的信号处理方法。

背景技术

光学式编码器是一种通过光电转换技术将机械几何位移转换为电信号的精密光学仪器，按照工作原理和编码方法，光电编码器可分为增量式和绝对式。增量式编码器利用输出信号获得相对位置信息，绝对式编码器通过数字编码的方式获得绝对位置信息。绝对式编码器的码盘可同时具有增量码道和绝对码道，绝对码道信号经过放大后与参考电平进行比较输出方波，提供绝对位置信息，增量码道信号放大后输出正弦，后续通过模数转换(ADC)实现角度的细分。绝对型光电编码器能在小型化的同时实现较高的分辨率。然而，这种设计存在以下缺点：在温度、光强等条件发生变化时，光电流发生变化，参考电平一定，绝对码道的信号占空比会发生变化，容易导致误码。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种绝对式光电编码器的信号处理方法，该信号处理方法通过处理来源于增量码道的参考信号获得绝对信号的参考电平，具有低成本、使用环境更广、误码率更低的效果。技术方案如下：

一种绝对式光电编码器信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)光源发出的光照射在编码媒体的增量码道和绝对码道上，增量码道由暗交错的周期性刻线构成，绝对码道由包含绝对位置信息的特定刻线构成，每个位置的编码唯一确定，两条码道透射或反射的光信号包含了位置信息；

2)增量码道对应的受光器件阵列包括增量受光器件阵列和参考受光器件阵列，增量受光器件阵列将光信号转换为幅值相同、相位相差90°的四路正弦增量电流信号，参考受光器件阵列将光信号转换为近似为直流的参考光电流；参考受光器件阵列中的N个受光器件以一条增量码道刻线对应的光信号宽度为周期排列偶数个周期；

3)所述参考光电流经一定比例放大后得到参考电平；

4)绝对码道对应的n个受光器件分别将光信号转换为一组电流信号，此组电流信号放大后再与所述参考电平进行比较得到一组绝对码，该组绝对码与编码媒体的位置唯一对应，用于位置的粗分；

5)所述四路正弦增量电流信号经电路放大后通过模数转换得到在增量码道一对亮暗刻线周期内所表征的具体位置，即在绝对码基础上的相对位置信息，结合增量码道刻线和绝对码道刻线宽度的关系，在绝对码的基础上进一步细分，确定位置信息。

进一步的，设参考光电流为I_D0，四路正弦增量电流信号I_D1、I_D2、I_D3和I_D4，则I_D0＝NI₀+I_Asin(2πft+α₁)+I_Asin(2πft+α₂)+…+I_Asin(2πft+α_N)＝NI₀，其中，I₀为单个受光器件的共模电流，I_A为电流幅值，f为光信号频率。

进一步的，参考光电流的放大倍数为：

其中，A_M为绝对码道对应的电流信号的放大倍数，P_M为绝对码道对应的单个受光器件受到的入射光功率，P_D0为产生参考光电流的N个受光器件受到的总的入射光功率。

进一步的，利用一种绝对式光电编码器实现所述的信号处理，所述绝对式光电编码器包括包含编码媒体、检测元件、光源和透镜，所述编码媒体含有增量码道和绝对码道；所述增量码道由明暗交错的周期性刻线构成，所述绝对码道由包含绝对位置信息的特定刻线构成；所述检测元件包括增量受光器件阵列、参考受光器件阵列、绝对受光器件阵列、增量信号读出电路、绝对信号读出电路和参考电平产生电路。

进一步的，所述检测元件与所述光源配置于码盘的两侧；所述透镜配置于所述光源与所述编码媒体之间，将所述光源发出的光转换为平行光；所述增量受光器件阵列和所述参考受光器件阵列均配置于所述检测元件的一侧，用于检测来自码盘的所述增量码道的光信号；

所述绝对受光器件阵列配置于所述检测元件的一侧，用于检测来自所述码盘的所述绝对码道的光信号；

所述的增量信号读出电路，用于处理所述增量信号受光器件的光电流信号；

所述的绝对信号读出电路，用于处理所述绝对受光器件阵列产生的光电流信号；

所述的参考电平产生电路，为直流放大电路，用于处理所述参考受光器件的光电流信号。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案的有益效果是：

本发明提出适应于环境变化的参考电平的生成方法，所述增量码道对应的受光器件阵列中，采用部分作为参考受光器件，对其输出进行一定比例放大的处理后，作为绝对信号处理过程中的参考电平，使其可与绝对信号随温度和光强等条件同步变化，从而实现更准确的绝对码输出。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的绝对式光电编码器的剖视图；

图2是本发明的第二实施例的绝对式光电编码器的剖视图；

图3是本发明的编码媒体局部示意图；

图4是本发明的增量码道与受光器件的对应关系及受光器件排列方式；

图5是本发明的检测元件方案示意图；

附图标记说明

100、200 绝对式光电编码器

11、21 检测元件

111、24 光源

112、211 增量码道对应的受光器件阵列

113、212 绝对受光器件阵列

12、22 编码媒体

121、221 增量码道

122、222 绝对码道

23 透镜

I_D1、I_D2、I_D3、I_D4 增量光电流

I_D0 参考光电流

V_{ref_TIA} 跨阻放大器参考电平

V_ref 参考电平

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明实施例的绝对式光电编码器可工作在一定范围的光照强度、温度范围内，且具有较低的误码率。

请参照图1所示，其为本发明的第一实施例的光电编码器的剖视图。光学编码器100包含编码媒体12及检测元件11。编码媒体12例如是编码盘(code disk)或编码带(codetrip)，其相对所述检测元件转动或进行线性运动，根据不同应用而定。

编码媒体12包含增量码道121和绝对码道122。绝对码道122用于产生可确定绝对位置的特定反射图案以确定编码媒体12的目前位置或角度。增量码道121用于产生明暗交错的周期性反射图案以便于对位置或角度进行细分和提供参考电平。本实施例中，增量码道的一个明暗周期对应检测元件中十二个受光器件。本发明中，增量码道和绝对码道所包含的狭缝或反光条的数量及形状并无特定限制，增量码道的一个明暗周期所对应的检测元件中受光器件数目无特定限制。

图1中，检测元件11是指位于编码媒体12下方的封装体或芯片。检测元件包括光源111、增量码道对应的受光器件阵列112、绝对受光器件阵列113、增量信号读出电路、绝对信号读出电路和参考电平产生电路。

请参照图2所示，其为本发明的第二实施例的光电编码器的剖视图。光学编码器200包含检测元件21、编码媒体22、透镜23和光源24。编码媒体22例如是编码盘或编码带，其相对所述检测元件转动或进行线性运动，根据不同应用而定。检测元件包括增量码道对应的受光器件阵列211、绝对受光器件阵列212、增量信号读出电路、绝对信号读出电路和参考电平产生电路。光源24发出的光线经过透镜23后转换为平行光穿过编码媒体22的码道狭缝到达检测元件21的受光器件阵列，经增量信号读出电路、绝对信号读出电路和参考电平产生电路处理后输出。本实施例中，增量码道的一个周期对应检测元件中十二个受光器件。

图3中，以包含一条增量码道和一条绝对码道的圆形编码媒体为例说明了前述任一实施例中增量码道和绝对码道的结构。本发明中，编码媒体的形状和包含的码道数目并无特定限制。如图3所示，增量码道由明暗交错的周期性刻线构成，绝对码道由包含了绝对位置信息的特定刻线构成。

图4中，以直线码盘和矩形受光器件为例说明了前述任一实施例中增量码道对应的受光器件阵列的排列方式。本发明中，受光器件的形状并无特定限制。前述任一实施例中，增量码道每对亮暗刻线成像后对应于十二个受光器件，增量码道对应的受光器件阵列按图中连接方式有五路输出，四路增量信号个受光器件分别输出相位相差90°的正弦信号，参考受光器件D0最终输出与相位相关性较小、近似直流的信号。为了获得较大的信号输出，多个交错受光器件并联提供一路信号输出。用I₀表示单个受光器件的共模电流，I_A表示电流幅值，f表示输出信号频率，则一对亮暗刻线对应的增量受光器件的五路输出信号可分别表示为

参考受光器件的总输出是与相位无关的近似直流电流。本发明中，增量码道的一个周期对应检测元件中受光器件数目无绝对限制，参考受光器件在增量受光器件阵列中的位置无绝对限制，仅限制参考受光器件的总输出为近似直流电流。

增量码道对应的受光器件阵列中的参考受光器件共模电流与绝对受光器件的共模电流存在一定的比例关系，其与受光器件面积、光源的光分布有关，该比例关系可由理论分析结合测试结果确定。因此，可将所述的参考受光器件的光电流按一定的比例放大后作为绝对信号的参考电平，参考光电流的放大倍数为：

其中，A_M为绝对码道对应的电流信号的放大倍数，P_M为绝对码道对应的单个受光器件受到的入射光功率，P_D0为产生参考光电流的N个受光器件受到的总的入射光功率。

如图5所示，参考受光器件的光电流通过直流放大后作为绝对信号的参考电平。绝对码的光电流先通过一个TIA将电流转换成电压并进行一级放大，然后再进入比较器与上述参考电平进行比较，将模拟信号转化成与绝对码元对应的方波信号，得到绝对码确定粗分的位置信息。增量码的光电流先通过一个跨阻放大器(TIA)将电流转换成电压并进行一级放大，然后再通过一个运算放大器(OPA)将单端信号转换成差分信号，同时进行二级放大。通过模数转换得到在绝对码基础上的相对位置信息，结合增量码道刻线和绝对码道刻线宽度的关系，可以在绝对码的基础上进一步细分，得到最终的位置信息。

综上所述，传统的绝对式光电编码器由于绝对信号的参考电平固定，在光强和温度等条件发生变化时，绝对信号的共模电平随之变化，对于固定的参考电平，比较器输出方波的占空比会发生变化，容易导致误判。因此，本发明提供一种参考电平的生成方法，其通过在增量码道对应的一定的位置设置参考受光器件，使参考受光器件输出光电流为直流，经一定比例的放大后作为绝对信号的参考电平。因为该参考电平与绝对信号同样来源于受光器件，其随光强和温度等条件同步变化，即随环境变化自适应，从而稳定了绝对信号输出方波的占空比，降低了绝对信号输出方波的误码率。

虽然本发明已通过前述实例披露，但是并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种绝对式光电编码器信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)光源发出的光照射在编码媒体的增量码道和绝对码道上，增量码道由暗交错的周期性刻线构成，绝对码道由包含绝对位置信息的特定刻线构成，每个位置的编码唯一确定，两条码道透射或反射的光信号包含了位置信息；

2)增量码道对应的受光器件阵列包括增量受光器件阵列和参考受光器件阵列，增量受光器件阵列将光信号转换为幅值相同、相位相差90°的四路正弦增量电流信号，参考受光器件阵列将光信号转换为近似为直流的参考光电流；参考受光器件阵列中的N个受光器件以一条增量码道刻线对应的光信号宽度为周期排列偶数个周期；

3)所述参考光电流经一定比例放大后得到参考电平；

4)绝对码道对应的n个受光器件分别将光信号转换为一组电流信号，此组电流信号放大后再与所述参考电平进行比较得到一组绝对码，该组绝对码与编码媒体的位置唯一对应，用于位置的粗分；

5)所述四路正弦增量电流信号经电路放大后通过模数转换得到在增量码道一对亮暗刻线周期内所表征的具体位置，即在绝对码基础上的相对位置信息，结合增量码道刻线和绝对码道刻线宽度的关系，在绝对码的基础上进一步细分，确定位置信息。

2.根据权利要求1所述的绝对式光电编码器信号处理方法，其特征在于，设参考光电流为I_D0，四路正弦增量电流信号I_D1、I_D2、I_D3和I_D4，则I_D0＝NI₀+I_Asin(2πft+α₁)+I_Asin(2πft+α₂)+…+I_Asin(2πft+α_N)＝NI₀，其中，I₀为单个受光器件的共模电流，I_A为电流幅值，f为光信号频率。

3.根据权利要求2所述的绝对式光电编码器信号处理方法，其特征在于，参考光电流的放大倍数为：

其中，A_M为绝对码道对应的电流信号的放大倍数，P_M为绝对码道对应的单个受光器件受到的入射光功率，P_D0为产生参考光电流的N个受光器件受到的总的入射光功率。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的绝对式光电编码器信号处理方法，其特征在于，利用一种绝对式光电编码器实现所述的信号处理，所述绝对式光电编码器包括包含编码媒体、检测元件、光源和透镜，所述编码媒体含有增量码道和绝对码道；所述增量码道由明暗交错的周期性刻线构成，所述绝对码道由包含绝对位置信息的特定刻线构成；所述检测元件包括增量受光器件阵列、参考受光器件阵列、绝对受光器件阵列、增量信号读出电路、绝对信号读出电路和参考电平产生电路。

5.根据权利要求4所述的绝对式光电编码器信号处理方法，其特征在于，所述检测元件与所述光源配置于码盘的两侧；所述透镜配置于所述光源与所述编码媒体之间，将所述光源发出的光转换为平行光；所述增量受光器件阵列和所述参考受光器件阵列均配置于所述检测元件的一侧，用于检测来自码盘的所述增量码道的光信号；

所述绝对受光器件阵列配置于所述检测元件的一侧，用于检测来自所述码盘的所述绝对码道的光信号；

所述的增量信号读出电路，用于处理所述增量信号受光器件的光电流信号；

所述的绝对信号读出电路，用于处理所述绝对受光器件阵列产生的光电流信号；

所述的参考电平产生电路，为直流放大电路，用于处理所述参考受光器件的光电流信号。