专利名称：用于增量轴编码器的光纤转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种轴编码器(shaft encoder)。具体而言，本发明涉及一种用于这种轴编码器的光纤转换器。
背景技术：
轴编码器是提供转轴可变性质的电学表示的机电装置。通过适当耦合编码器的输入轴，并且与适当的电子装置一起操纵编码器，可以使编码器的输出表示角度或线性位置，旋转速度，旋转方向和旋转量。此外，增量轴编码器可以提供同时具有单端和差动(即，互补对)信号的高电平和/或低电平逻辑输出。可使用用于三个信号的六条导线实现增量编码器与轴控制系统之间的标准连接(使用差动信令(differentialsignaling))，并且另一对导线用于电源。不过，这些编码器的问题在于，在许多应用中，信号导线常常与AC电源电缆、高频信号电缆和/或含有高电磁场的其他电缆一起组成束或组成电缆。这些场会干扰编码器信号。另外，编码器信号如果输送超过几米的距离，易于受到雷电感应电压的干扰。
为了消除与电磁干扰(EMI)有关的问题，可使用两个逻辑信号相位分隔180°的差动信令。不过，即使使用差动信令，由于这些信号的非隔离性质，会产生其他问题，包括地面反跳，过冲，振铃和接地环路，每一种都会产生独特的噪声信号和干扰信号。此外，编码器信号并不是完全不受电磁干扰，尤其是当线路长度长于数英尺，和由雷电产生这些现象时更是如此。
发明内容
在一个方面，本发明描述一种光纤轴编码器系统。该系统包括具有轴运动参数的转轴，增量轴编码器，第一和第二光转换器和多个光导体。该增量轴编码器将转轴的轴运动参数转换成适于处理的差动编码电信号。第一光转换器将差动编码电信号转换成光信号。光导体输送光信号。第二光转换器接收该光信号，并将光信号转换回电信号。
在另一方面，本发明描述一种用于增强的(robust)可靠传输轴编码器信号的方法。最初，接收差动编码的轴编码器信号。将轴编码器信号转换成单端电信号。然后，这些单端电信号转换成光信号。最后，通过光导体传输光信号。
图1为根据本发明一个实施例包括光纤转换器的增量轴编码器系统的方块图。
图2表示根据本发明一个实施例的电-光转换器的示意图。
图3表示根据本发明一个实施例的光-电转换器。
图4表示根据本发明一个实施例用于增强的、可靠传输轴编码器信号的技术。
具体实施例方式
在认识到与轴编码器系统的现有技术设计有关的上述问题的基础上，本发明描述了光纤轴编码器系统的实施例。具体而言，电编码器信号在传输到轴控制系统之前被转换成光信号。这充分减小电磁和/或电源的干扰。从而，为了说明而非限制的目的，用符合这种用途的方式描述本发明的实施例，不过显然本发明不限于此。
图1中表示出根据本发明一个实施例的包括光纤转换器108、112的增量轴编码器系统100的方块图。编码器系统100包括轴耦合器104，增量轴编码器106，电-光转换器108，光导体110和光-电转换器112。
轴耦合器104检测旋转装置轴102的运动参数并在增量轴编码器106的输入端将其转换成电信号。然后，增量编码器106将轴参数转换成适于处理的差动编码(即互补对)信号。此外，增量编码器106将差动编码数据提供给电-光转换器108。使用如图所示的标准屏蔽铜导线实现增量编码器106与转换器108之间的连接。由于转换器108的尺寸和复杂度相对较小，可以保持编码器106与转换器108之间的连线较短。这样可以防止任何不适当的干扰，并保证适当终接。
电-光转换器108的输出包括三个光信号，即信号A，信号B和标识脉冲(M)。具体而言，信号A和B为异相(例如90°异相)轴监控信号，表示轴102的方向。标识脉冲(M)可以表示轴102的旋转量，轴102每转一圈输出一个脉冲。然后，光导体110可以在相当长的距离，如数百或数千米上传输这些光信号。在某些实施方式中，光导体110为纤维光缆。光-电转换器112将光信号转换成信号电平与增量轴编码器106产生的信号相同的电信号。
图2表示根据本发明一个实施例的电-光转换器108的示意图。转换器108在连接器202处接收差动编码信号A，B和M，以及其互补对信号A，B和M。用终接电阻器R1，R2或R3终接各互补对差动编码信号。正温度系数(PTC)热敏电阻与四个齐纳二极管一起，构成差动信号在传入集成电路210的输入端之前的瞬时过压保护组件。与齐纳二极管串联的其余电阻器构成限流电路，其将来自轴编码器的高压驱动信号减小成信号转换器210的低压输入信号。
在本实施例中，轴编码器输出24伏逻辑电平信号，而集成电路210需要5伏逻辑电平信号。每条信号线中串联电阻器的组合与用于电压电平移动器的齐纳二极管一起，提供所需的5伏逻辑电平信号。各输入线之间表现出少量电容。该电容器与各信号线输入端上的串联电阻器一起，构成单极滤波器，保证在信号转换器210的输入端仅出现适当频率范围的信号。
在所示实施例中，信号转换器210从而将差动编码的信号A/A，B/B和M/M分别转换成单端信号Aout，Bout和Mout。通过降压变换+24伏输入电源产生用于转换器210的电源电压。+24伏电源受到热敏电阻PTC24，电阻器，电容器，二极管和逐步降压转换器212的限流，滤波和调节。从而，在所示实施例中，逐步降压转换器212的输出产生用于信号转换器210的经过调节的+5伏电源。此外，通过NAND门U1至U4，信号转换器210的输出电压可以在接地电压电平与+5伏之间摆动。信号转换器210还输出表示信号故障的故障或错误输出。
单端编码器输出Aout，Bout和Mout与故障/错误输出一起，转换成通过光导体110传输的光信号。通过触发三极管Q1至Q4的基极引出端，产生转换，从而分别驱动光耦合器O1至O4。因此，与在电导线上传输信号的传统方法相比，上面所述的电-光转换器108能在更长距离上传输轴编码器信号。另外，转换器108充分减小电磁和/或电源对编码器信号的干扰。
图3表示根据本发明一个实施例的光-电转换器112。转换器112包括提供与电-光转换器108相反功能的部件。从而，部件U1，U2，U3和U4为分别来自于光导体110的光信号A，B，M和Fail提供耦合。耦合单端光信号A，B和M分别通过部件U5，U6和U7转换成差动电信号。通过PTC和齐纳二极管组合电路302，304和306为这些信号提供瞬时过压保护。也可以在发光二极管(LEDA，LEDB，LEDM，LEDFAIL，LED5)上表示出这些信号的状态，如图3中所示。
使用电压转换器310和其他无源部件提供用于光-电转换器112中电子部件的分离电源电压。保持用于转换器108，112的分离电源电压，使得在编码器106与轴控制系统之间产生充分隔离。
图4表示根据本发明一个实施例用于增强的、可靠传输轴编码器信号的技术。该技术包括在步骤400接收差动编码轴编码器信号。在步骤402，将差动编码信号转换成单端电信号。然后在步骤404这些电信号转换成光信号，在步骤406通过光导体传输这些信号。如上所述，使用光导体光学传输编码器信号，充分减小电磁和/或电源的干扰。
在上面结合图1至4所述的增量轴编码器系统中使用的用于可靠传输编码器信号的系统和技术的实施例，具有多个优点。这些优点包括与在铜导线上传输这些信号相比可减小电磁干扰。还包括通过电-光转换器108和光-电转换器112使用分离电源，实现完全电隔离的优点。本实施例的光传输技术还可充分减小控制器装置和轴编码器的接地回路。此外，该技术通过不使用可导致信号不正常终止的长电导体而改善信号质量。
此处描述了为轴控制系统提供增强的、可靠传输编码器信号的实施例。通过能将电编码器信号在传输到轴控制系统之前转换成光信号的光纤轴编码器系统，可保持可靠传输。这充分地减小了电磁和/或电源的干扰。
尽管说明和描述了本发明的特殊实施例，不过描述仅用于说明的目的，并非为了限制。因此，在本详细描述中，为了说明，提出许多特定细节以提供对本发明的深入理解。不过，很显然，对于本领域技术人员来说，没有这些特定细节也可以实现这些实施例。例如，尽管编码器信号描述为在光传输之前从差动信号转换成单端信号，但是差动信号也可以直接转换成在光导体上传输的光信号。在其他情形中，为了避免本发明的主题不突出，没有详细描述众所周知的结构和功能。因此，应当根据以下权利要求判断本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种系统，包括具有轴运动参数的转轴；增量轴编码器，用于将转轴的轴运动参数转换成适于处理的差动编码电信号；第一光转换器，用于将差动编码电信号转换成光信号；多个光导体，用于传送光信号；以及第二光转换器，用于接收光信号并将光信号转换回电信号。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述多个光导体包括纤维光缆。
3.如权利要求1所述的系统，还包括用于将轴运动参数耦合到增量轴编码器的光耦合器。
4.如权利要求1所述的系统，其中该第一光转换器包括差动编码电信号的瞬时过压保护。
5.如权利要求4所述的系统，其中该第一光转换器包括将差动编码电信号的输入电压进行电平移动。
6.如权利要求1所述的系统，其中该第一光转换器包括配置成将差动编码电信号转换成单端电信号的差动-单转换器。
7.如权利要求6所述的系统，其中该第一光学转换器包括多个光耦合器，将单端电信号耦合至光导体用于进行传输。
8.如权利要求1所述的系统，其中该第二光转换器包括多个光耦合器，用于从光导体接收光信号，并将光信号转换成单端电信号。
9.如权利要求1所述的系统，其中该第二光转换器包括用于将单端电信号转换成差动编码电信号的单-差动转换器。
10.一种方法，包括接收差动编码轴编码器信号；将差动轴编码器信号转换成单端电信号；将单端电信号转换成光信号；以及通过光导体传输光信号。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括耦合转轴的轴运动参数。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括将耦合参数转换成电信号。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括差动编码电信号。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括从光导体接收光信号。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括将光信号转换成单端电信号。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括差动编码单端电信号。
全文摘要
一种用于增强的、可靠地传输轴编码器信号的方法。首先，接收差动编码的轴编码器信号。将轴编码器信号转换成单端电信号。然后将这些单端电信号转换成光信号。最后，通过光导体传输光信号。
文档编号G01D5/26GK1620621SQ02828102
公开日2005年5月25日 申请日期2002年12月13日 优先权日2001年12月14日
发明者K·L·库西诺 申请人:通用电气公司