一种光电编码器及其细分方法
【技术领域】
[0001]本发明属于编码器领域，具体涉及一种光电编码器及其细分方法。
【背景技术】
[0002]光电编码器，是一种通过光电转换将转轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅码盘和光电检测装置组成。光栅码盘是在一定直径的圆板上等分地开若干个长方形光栅孔。由于光栅码盘与电动机同轴，在电动机旋转时，光栅码盘与电动机同速旋转，通过由发光二极管等电子元件组成的光电检测装置的检测就可以得到脉冲输出信号，通过计算单位时间内光电编码器输出的脉冲个数就以知道当前电动机的转速，并且还可以通过光电编码器出的脉冲个数进行几何位移计算。使用光电编码器进行计数的精度与光栅码盘上的光栅孔的数量有关，光栅码盘上的光栅孔越多，光电编码器的精度越高。随着光栅码盘上的光栅孔的增加，相邻光栅孔之间的隔断将越来越小，光栅线纹密度越来越大就越难制作，产品的成本也越高。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种光电编码器及其细分方法，能够在无需增加光栅孔和光栅板的情况下，增加光电编码器的细分程度，进而提高光电编码器的精度。
[0004]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0005]第一方面，本发明提供了一种光电编码器，包括:光源、透镜、主光栅、指示光栅、光敏组件和测量转换电路，其特征在于:所述的光敏组件包括3套相同的光敏元件，3套所述光敏元件置于所述主光栅与所述指示光栅中心连线延长线光栅线方向上，其中相邻两套所述光敏元件在沿所述光栅线方向上相距为(m±l/3)L，以使得相邻两套所述光敏元件的相位角之间为1/3个周期，其中m为整数，L为莫尔条纹间距。m的大小根据具体制造工艺确定。
[0006]进一步的，所述的光电编码器还包括温度传感器，所述的温度传感器与测量转换电路相连，用以测量光电编码器内部温度。
[0007]第二方面，本发明还提供了一种光电编码器的细分方法，包括:
[0008]获取每个莫尔条纹光强变化周期内3套光敏元件转换的数字电压值两两相等的点，并根据所述相等的点作为转换点构成六段拟合直线；
[0009]根据拟合直线转换的数字电压与光电编码器的光栅刻线数确定光电编码器一周所能输出的脉冲个数。
[0010]进一步的，所述根据拟合直线的电压变化与光电编码器所有的光栅刻线数确定光电编码器一周所能输出的脉冲个数，包括:
[0011]选择适当转换位数的Α/D转换器将拟合直线的电压变化转换为数字量；
[0012]根据所述数字量与输出的脉冲对应关系和光电编码器所有的光栅刻线数确定光电编码器一周所能输出的脉冲个数。
[0013]进一步的，所述选择适当转换位数的Α/D转换器将拟合直线的电压变化转换为数字量，包括:
[0014]将每套光敏元件输出的电压隔离放大；
[0015]选择适当转换位数的Α/D转换器将放大后的电压转换为数字量。
[0016]进一步的，所述获取每个莫尔条纹光强变化周期内3套光敏元件转换的数字电压值两两相等的点，并根据所述相等的点作为转换点构成六段拟合直线，包括:
[0017]确定每个莫尔条纹光强变化周期内三套光敏元件输出电压波形的交汇点；
[0018]根据三套光敏元件输出电压交汇点之间的电压变化比较结果确定选取的光敏元件输出电压信号计算脉冲。
[0019]进一步的，在所述根据三套光敏元件输出电压交汇点之间的电压变化比较结果确定选取的光敏元件输出电压信号计算脉冲之后，包括:
[0020]根据三套光敏元件输出电压交汇点之间的电压变化确定主光栅的转动方向。
[0021]进一步的，所述根据拟合直线的电压变化与光电编码器所有的光栅刻线数确定光电编码器一周所能输出的脉冲个数，包括:
[0022]在所述拟合直线向下一段转换时，如果电压转换的数值不够脉冲输出，则可用下一段电压变化累计。
[0023]进一步的，所述根据拟合直线的电压变化与光电编码器所有的光栅刻线数确定光电编码器一周所能输出的脉冲个数，包括:
[0024]测量光电编码器内的环境温度；
[0025]确定在不同的温度下，数字电压变化与温度的变化关系，使得能够根据光电编码器内的环境温度与光电编码器所有的光栅刻线数确定光电编码器一周所能输出的脉冲个数。
[0026]采用本发明所提供的技术方案，能够在无需增加光栅孔和光栅板的情况下，增加光电编码器的细分程度，进而提高光电编码器的精度。
【附图说明】
[0027]图1是本发明所提供的光电编码器的结构示意图；
[0028]图2是本发明所提供的光电编码器的工作原理示意图；
[0029]图3是本发明所提供的光电编码器的细分方法中电压波形转换时脉冲输出示意图；
[0030]图4是本发明所提供的光电编码器的细分方法中输出脉冲电压波形转换时示意图。
[0031]图中:1、光源；2、透镜；3、主光栅；4、指示光栅；5、光敏组件；6、测量转换电路；7、光敏元件C ;8、光敏元件B ;9、光敏元件A。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0033]如图1所示，本发明提供了一种光电编码器，包括:光源1、透镜2、主光栅3、指示光栅4、光敏组件5和测量转换电路6。参见图2，所述的光敏组件5包括3套相同的光敏元件7 (光敏元件C)、8 (光敏元件B)、9 (光敏元件A)，所述的3套光敏元件置于主光栅与指示光栅中心连线延长线光栅线方向上，其中每两个光敏元件在沿光栅线方向上相距为(m±l/3)L，其中m为整数，L为莫尔条纹间距，以使得每两个光敏元件的相位角之间为1/3个周期。温度传感器用于测量编码器内部的温度，所述的温度传感器与测量转换电路相连，即与A/D转换器或者单片机自带的Α/D转换器相连接。
[0034]莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻画误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。三套光敏元件输出的电压波形近似于正弦波，如图3所示。由图2三套光敏元件的安装位置可知，三套光敏元件输出的电压波形相位相差2 η /3，每两路电压信号每隔Ji /3相交一次，一个周期中三路电压信号波形相交6次。在每两路电压波形相交区间，如相交点1-2，2-3，3-4，4-5，5-6,6-7, 7-8之间电压可以近似看作直线，在计算过程中可据此判断编码器转过的角度。
[0035]艮PΔ Θ = Δu/K
[0036]Δ Θ——编码器转过角度的变化量
[0037]Δ u-----光敏元件输出电压的变化量
[0038]K------比例值
[0039]如果需要编码器一周输出N个脉冲，编码器一周现有M条刻线，既编码器一周有M个莫尔条纹变化，那就需要编码器在每个莫尔条纹周期内输出L = N/M个脉冲，既如图3所示每两个光敏元件输出电压波形的交汇点之间输出LI = L/6个脉冲。选择适当的Α/D转换器的转换位数，可得到精确脉冲。如图3所示1-2之间，假如电压变化为AUl，gA/DR换的数字量为Q，选择合适的K值，既Α/D转换的数字量每变化K输出一个脉冲，则有:
[0040]LI = Q/K = L/6
[0041]L = 6Q/K
[0042]N = ML = 6MQ/K
[0043]例如:如图3所示1-2之间，假如电压变化50mV，如将此电压变化经隔离放大再经Α/D转换为500的数字变化量，将数字量每变化10输出一个脉冲(其中5个脉冲输出低电平，5个脉冲输出高电平)，则1-2点之间将输出50个脉冲，一个莫尔条纹变化周期将输出300个脉冲，一周1000条刻线的编码器可输出300000个脉冲。
[0044]如图3—个周期中三路电压信号波形相交6次，可以用六段直线来表示一个莫尔条纹的变周期。当UB>UA>UC时在点1-2之间时用UA的变化来计算并输出脉冲，用当UB>UC>UA时在点2-3之间时用UC的变化来计算并输出脉冲，当UC>UB>UA时在点3_4之间时用UB的变化来计算并输出脉冲，当UC>UA>UB时在点4-5之间时用UA的变化来计算并输出脉冲，当UA>UC>UB时在点5-6之间时用UC的变化来计算并输出脉冲，当UA>UB>UC时在点6-7之间时用UB的变化来计算并输出脉冲，其中7点和I点在波形的同一相位点，以此类推。确定所选取的波形中可以近似看作直线的电压变化段。
[0045]利用三路光敏元件输出电压值的比较结果确定用哪段直线来计算脉冲，同时可利用该区间内电压变化的情况来辨向，如图3中点I和2之间用UA的变化来计算脉冲，当主光栅向右移动即编码器正转时UA减少，当主光栅向左即编码器反转移动时UA增大。如图2所示，当光栅向右移动时可让单片机正转脉冲输出端输出脉冲并封锁反转脉冲输出，反之单片机反转脉冲输出端输出反转脉冲并封锁正转脉冲输出，以此类推，可