阅读说明：本技术 基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器 (Absolute measuring ring photoelectric encoder based on digital potentiometer ) 是由 韩庆阳 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器,涉及光电编码器领域,解决现有绝对式测圈光电编码器体积大,转速受限和装调复杂等问题,光源发出的光经过指示光栅和主光栅后由光电接收管接收,光电接收管探测获得的粗码信号直接传送至MCU主控芯片的AD模块,探测获得的精码信号经放大电路放大后传送至MCU主控芯片的AD模块；MCU主控芯片对AD模块采集的信号进行处理,获得编码器的角位移；并将编码器的旋转圈数则转换成数字电位计的阻值,数字电位计的阻值通过补偿校准电路校准后,获得校正后的数字电位计的阻值；MCU主控芯片获得的角位移和圈数信息传送至上级系统。本发明的光电编码器体积小,装调简单。(An absolute measuring ring photoelectric encoder based on a digital potentiometer relates to the field of photoelectric encoders and solves the problems of large volume, limited rotating speed, complex installation and adjustment and the like of the existing absolute measuring ring photoelectric encoder; the MCU main control chip processes the signals acquired by the AD module to obtain the angular displacement of the encoder; the number of rotation turns of the encoder is converted into the resistance value of the digital potentiometer, and the resistance value of the digital potentiometer is calibrated through the compensation calibration circuit to obtain the corrected resistance value of the digital potentiometer; angular displacement and circle number information obtained by the MCU main control chip are transmitted to a superior system. The photoelectric encoder of the invention has small volume and simple installation and adjustment.)

基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器

技术领域

本发明涉及光电编码器领域，具体涉及一种基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器。

背景技术

光电编码器是一种集光、机、电于一体的数字化测角装置。从测量的机理上分可分为：莫尔条纹式和图像式，本发明针对莫尔条纹式的光电编码器。从编码方式上分可分为：增量式、绝对式以及准绝对式三种。绝对式光电编码器掉电后数据不丢失，上电即为一圈的绝对角位移位置。具有工作稳定可靠等优点，因此被广泛使用。但是很多情况下，如电机的直线位移需要掉电保存当前编码器旋转圈数，上电后知道上一次编码器旋转的圈数及绝对角位移才可以确定当前的绝对直线位移位置。因此既需要得到一圈的绝对角位移，又需要得到绝对的旋转圈数。

目前，同时具备测量绝对旋转圈数及角度功能的光电编码器，均是采用齿轮传动配合两个绝对式光电编码盘实现的，这种方法需要高精度的齿轮传动机构，体积大，转速受到限制，同时需要考虑两个绝对式光电编码盘之间的校正关系，且装调复杂。

发明内容

本发明为解决现有绝对式测圈光电编码器体积大，转速受限和装调复杂等问题，提供一种基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器。

基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器，包括光栅系统、机械轴系和处理电路；所述处理电路由光电接收管、MCU主控芯片、数字电位计和补偿校准电路；

光源发出的光经过指示光栅和主光栅后由光电接收管接收，所述光电接收管探测获得的粗码信号直接传送至MCU主控芯片的AD模块，探测获得的精码信号经放大电路放大后传送至MCU主控芯片的AD模块；

MCU主控芯片对AD模块采集的信号进行处理，获得编码器的角位移；并将编码器的旋转圈数则转换成数字电位计的阻值，所述数字电位计的阻值通过补偿校准电路校准后，获得校正后的数字电位计的阻值；

本发明的有益效果：本发明通过在电信号处理时增加数字电位计及其补偿校准电路的方式测量绝对旋转圈数及角度的功能实现。这种方法从纯电信号处理的角度出发，仅在电路中增加若干元器件，避免了复杂的机械设计与装调，有效的减小编码器的体积；同时通过精密稳压芯片对数字电位计的输出进行补偿，防止因数字电位计阻值的漂移造成绝对旋转圈数计数的错误。

本发明从电信号处理的角度出发，采用数字电位计实现绝对式光电编码器旋转圈数的测量。这种方法无需增加机械部件，其机械结构与普通绝对式光电编码器一致。不增加额外的机械装调工艺，降低对装调人员的要求，提高装调的工作效率。比传统的基于齿轮的绝对式测圈光电编码器体积小，装调简单。

附图说明

图1为本发明所述的基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器的结构示意图；

图2为本发明所述的基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器中处理电路的原理图；

图3为本发明所述的基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器中补偿校准电路的电路图；

图4为本发明所述的基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器的应用流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器，如图1所示，其组成与绝对式光电编码器一致，即由：光栅系统、机械轴系2和处理电路3三大部分组成。其中，光栅系统和机械轴系3与传统的非测圈绝对式光电编码器一样，无任何差别。无需像基于齿轮的绝对式测圈光电编码器那样增加齿轮结构和圈数码盘。

光源发出的光经过光栅副(指示光栅4和主光栅5)，当主光栅5随着机械轴系2转动时，在另一端的光电接收管6就收得到明暗相间的条纹即：莫尔条纹，后续的处理电路3对该条纹进行处理，就能得到旋转的角度位置。处理电路3与非测圈绝对式光电编码器处理电路相比增加了数字电位计及其补偿校正电路7，从而实现上电既可以得到绝对式角度，又可以得到上次掉电时旋转的圈数。

结合图2说明本实施方式，采用MCU(ARM或DSP)作为主控芯片，一般内部自带10bit或12bit的模数转换器，和SPI及串口通信等外设，满足绝对式测圈光电编码器信号处理的要求。光电接收管6探测得到的粗码信号直接送给MCU的AD模块，而精码信号需要进行放大，提高信噪比后送给AD模块，MCU对AD采集进来的信号进行处理得到角位移。而旋转的圈数寄存器则转换成数字电位计的阻值，它的大小可通过MCU的SPI总线进行设置，一般的数字电位计为8位，若总阻值为10K，则阻值从0～10KΩ按照分辨率(10KΩ/256)递增，若圈数较多超过256，则可将多个数字电位计串联，如：2个10KΩ的8位数字电位计串联后，阻值大小为0～20KΩ，分辨率为(20KΩ/65536)，最多可计65536圈。MCU将处理完成的角度和圈数信息通过内部自带的串口通信模块(UART)发送给上级系统。除此之外，MCU还负责校正等算法的实现。

为了确保MCU获得的数字电位计的阻值准确，本发明增加了补偿校准电路，如图3所示：在数字电位计两端增加恒流源，恒流源提供电流I，则未发生漂移的电阻AB两端的电压为V_ref，由于AB两端电阻阻值固定，所以V_ref为已知常量；电阻BC两端的电压V_out。若发生电阻漂移，MCU的AD采集电阻AB两端的电压为V′_ref，电阻BC两端的电压V′_out，需要对此时AD采集的BC两端电压V′_out进行校准，得到对应的不发生漂移的电阻BC两端电压为：

具体实施方式二、结合图4说明本实施方式，本实施方式为采用具体实施方式一所述的基于数字电位计的绝对式测圈光电编码器进行测量的方法，具体过程为：

第一步，上电后，MCU要进行初始化，在这一步需要MCU采集粗码和精码信号并进行粗码译码和精码细分等处理，得到绝对角位移；

第二步，采集并校正数字电位计的阻值，该阻值就是上次掉电时编码器旋转的圈数计数。将这两步的数据结合起来，就得到上次掉电时编码器的旋转角度和圈数。

第三步，就是上电后旋转角度的计算，由AD实时采集数据，MCU进行粗码译码和精码细分等运算，得到绝对角位移。

第四步，需要判断编码器是否旋转一整周，如果正向旋转一整周则圈数计数器加一，反之减一，如此，实现了旋转圈数测量。圈数计数获得的数据，通过SPI总线发送给数字电位计，转换成电阻阻值。这样即使掉电，圈数也可以电阻阻值的方式得以保存。既实现了同时具备测量绝对旋转圈数及角度功能的光电编码器。

最后，将带有圈数和角位移的数据通过通信模块发送出去，以供上级系统7使用。

本发明选择采用的MCU为DSP或者ARM，如果电路板的空间允许可选择FPGA外挂AD的形式，这样一样实现功能。本发明中的测圈方法也可扩展到图像式光电编码器中。