专利名称：一种输出单周期位置型正弦波信号的单码道光栅编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光栅编码传感器，尤其是一种输出单周期位置型正弦波信号的单码道光栅编码器。
背景技术：
设有动光栅和静光栅的光栅编码器是一种利用光-电转换的传感器件，它是利用按正弦波信号设计输出光栅信号的。光栅编码器可以对机械系统的位置、转动角度等参数进行测量，有的场合，这种传感器还要求对三相交流同步电动机的旋转位置进行测量，作为对三相交流同步电动机的电气参数的控制依据，以达到控制功率因数，效率等运行参数的目的。通常的正弦波编码器输出的正弦波分两种一种是多周期增量型的正弦波信号 (通常称为A、B两路信号)，另一种是单周期的位置型正弦波信号(通常称为C、D两路信号)。多周期增量型正弦波的每圈为η周期(如1024Τ/圈，2048Τ/圈)的栅线正弦波，两路正弦波信号A和B采样于圆形动光栅最外圈的同一栅线码道，读数转换的是多周期的增量信号。A和B是两个频率相等，相位差为Τ/4的正弦波信号，可用于测量圆周的增量值，可作为速度检测和方向检测；单周期的位置型正弦波每圈为一个周期的栅线正弦波，单周期的位置型C和D信号是每周一个周期的正弦波信号，C信号和D信号相位差为Τ/4，C、D两路信号组成位置信号，C、D信号可用于测量旋转轴的转动位置、角度值等绝对值参数，同时也可以测量旋转的方向。现有的多周期T的栅线正弦波Α、Β信号采样较容易。但对每圈一个周期的栅线正弦波C、D信号采样光栅设计还比较复杂。公知获取单周期正弦波C，D信号的办法是在静光栅上刻有对应动光栅四个同圆心、不同旋转半径的四个码道E、F、G、H的四条透光狭缝E’， F’，G’，H’，每条光缝的宽0. 5 1毫米，高等于一个码道宽(如2毫米)，光缝宽应确保同一码道的光发生变化时，能够完整的反映光栅在运转全过程的光能变化。动光栅四个码道 E、F、G、H，每个码道都是刻有一条封闭的月牙形光缝，见图3。四个月牙形光缝中，每个月牙形光缝均以前一个为基础旋转90°，四个月牙形码道各差90°，四个月牙形码道的相位分别为E(0° )，F(90° ),6(180° )，对270° )。动光栅旋转时，穿过动光栅的光进入静光栅的光缝，通过这对光缝的光就会出现一个变化的光能量。当动光栅和静光栅上的光缝都是透光的，其它区不透光，就会有一个光能量峰值；如果动光栅上的光缝不透光，其它区透光，静光栅的光缝透光，其它区不透光，则就有光能量谷值。如果动光栅上的部分光缝不透光，其它区透光，静光栅的光缝透光，其它区不透光，则就有部分光能量，这种光能量由峰值过度到谷值的光照射到光电接收器上，就可以使光电接收器输出一个正弦波电信号，正弦波圆光栅编码器对正弦波频率响应的指标要求很高特别是对幅度以及对称性的要求。光栅编码器输出正弦波光信号的采样是利用光电二极管、光敏三极管以及光电池等光电器件组成光电接收器实现光电转换，再经放大器放大输出。如果利用单管(光电二极管、光敏三极管等)接收C、D信号，信号容易失真，出现正负半周不对称，见图1 (a)，且容易出现波形截止现象(正弦波平底或平顶)见图1 (b)。用两只光电二极管N+，N-反并联采样接收静光栅窗口的光信号，见图2 (a)，利用两只光电二极管的反向互补特性，可以实现正、负半波(C+、C-或D+、D-)C, D两路信号的对称采样接收，可以获得很好的、对称的C、D 电信号，见图2(b)。上述获取光栅编码器输出的单周期正弦波C，D信号的设计存在以下几点不足1)动光栅(码盘)除了 E，F，G，H四个码道码道外，还包括最外圈的栅线码道(获取A、B信号)，零线码道Z，共需要六个码道，码道占用的受光面积大，给信号采样带来困难， 见图3。2)由于动光栅E，F，G，H四个码道之间相互靠的很近，且是同频率接收正弦波的光信号，一但调试出现微小的误差，都容易产生相邻码道间的光干扰，发生光电转换的信号畸变。且因为单周期正弦波光栅所占的机械角度大(一个圆周360° )，径向范围宽(占用4 个码道)，给信号采集带来困难。3)三相交流同步电动机的旋转位置需要测量三相参数一般用U、V、W表示，因受到码道的限制(若按现有技术设计，动光栅除了最外圈的栅线码道和零线码道外，还需要6条码道)所以现有系统的数据处理都是用采样的两路C、D信号通过系统内部(矢量变换)处理后，获得交流同步电动机所需的三相旋转位置参数，增加了系统的复杂程度。
发明内容
本发明为克服现有技术之不足，提供一种输出单周期位置型正弦波信号的单码道光栅编码器，所说单码道的定义是指动光栅除必须设置的栅线码道和零线码道外，仅设置一条输出C、D两路正弦波光信号的码道。为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种输出单周期位置型正弦波信号的单码道光栅编码器，设有动光栅和静光栅，动光栅是一块圆形光盘，安装在编码器的旋转轴上，动光栅上设有栅线码道、零线码道及单周期位置型C、D两路正弦波光信号输出码道， 静光栅安装在光电编码器的座体上，静光栅上设置有与动光栅各码道对应的透光狭缝，动光栅旋转时，各码道通过对应的静光栅透光狭缝输出光信号给光电转换器件，光电转换器件输出正弦波信号，其特征在于在动光栅上设置一个偏心圆环透光区，构成C、D两路正弦波光信号输出的单码道，偏心圆环被包容在与动光栅同圆心的两个不同半径的同心圆环内，在同心圆环上设有四个圆周点，四个圆周点之间依次相差90°，偏心圆环之外圈在四个圆周点中任一点与同心圆环之外圆相切，与此点相差180°处，偏心圆环之内圈与同心圆环之内圆相切。可设置两块静光栅，位置相差90°，每块静光栅上设有径向直线排列的两条透光狭缝，两条透光狭缝径向高度和与动光栅同心圆环宽度一致。也可设置三块静光栅，位置相差120°，每块静光栅上设有径向直线排列的两条透光狭缝，两条透光狭缝径向高度和与动光栅同心圆环宽度一致。所说光电转换器件为光电二极管，采用一对反并联光电二极管N+、N_，对应接受一块静光栅两条透光狭缝输出光信号的正、负各半周信号。本发明的优点及显著效果1)信号失真现象得到彻底解决，对称性好，原始正弦波转换的性能可以得到保
4证；2)现有技术动光栅输出C、D两路光信号需要E，F，G，H四个码道，而本发明仅需一个码道，可以在同一码道上同步采样二路或三路光信号，码盘制做简单、可靠；3)信号采集容易，信号角度就等于机械角度，一旦机械角确定，信号相位角就确定；4)正、负半周采集的是同一码道信号，相互间是互补关系，无光干扰。
图1 (a)、(b)是现有单管接收C，D信号的失真波形图；图2(a)、(b)是现有两只光电二极管反并联接收C，D信号电路及输出波形图；图3是现有四码道的C，D信号动光栅和静光栅；图4(a)是本发明单码道码盘在0°时的采样示意图；图4 (b)是本发明单码道码盘在90 °时的采样示意图；图4(c)是本发明单码道码盘在180°时的采样示意图；图4(d)是本发明单码道码盘在270°时的采样示意图；图4(e)是本发明单码道C，D采样正弦波信号波形图；图5是三相U、V、W信号三路120°信号的采样实施例图5(a)是码盘在0°时的采样示意图；图5(b是码盘在120°时的采样示意图；图5(c)是码盘在MO °时的采样示意图；图5(d)是U，V，W正弦波信号波形图。
具体实施例方式参看图4，在动光栅光盘上设置一个偏心圆环形透光区，构成C、D两路正弦波输出的单码道，偏心圆环被包容在与动光栅圆形光盘同圆心的两个不同半径的同心圆环(虚线所示)内，在同心圆环上设置0°，90°，180°，270°四个圆周点，偏心圆环之外圈在四个圆周点中任一点与同心圆环之外圆相切(如图中“0° ”点)，与此点相差180°处偏心圆环之内圈与同心圆环之内圆相切。实施例1设置两块静光栅，其中一块采样动光栅输出的C路光信号(相当于图3动光栅中 E，G两码道输出)，设置在与动光栅偏心圆环与同心圆环之相切点(如“0° ”点)，另外一块采样动光栅输出的D路光信号(相当于图3动光栅中F，H两码道输出)，设置在相差90° 点(如“270° ”点)。每块静光栅上设有径向直线排列的两条透光狭缝，两条透光狭缝输出分别对应一对反并联光电二极管中的N+及N-(图2 (a))，两光电二极管N+分别采样C路及 D路正半周的光信号C+(相当于图3动光栅中E输出)及D+(相当于图3动光栅中F输出， 两光电二极管N-分别采样C路及D路负半周的光信号C-(相当于图3动光栅中G输出) 及D-(相当于图3动光栅中H输出)，每块静光栅的两条透光狭缝径向高度和与动光栅同心圆环宽度一致。可见，与图3现有技术相比，本发明单码道动光栅的正弦波光栅C、D(相位差90° )的信号采样可在同一码道上实现，采样对称性好，占用的码道少，采样信号间也无干扰，信号采样方便，正弦信号接收效果好。C+、C-为一组，D+、D-为另一组，在同一圆周同步采样C、D两路正弦波信号，通过动光栅上的偏心圆环透光缝(单码道)，穿过静光栅C+光信号和C-光信号，光电转换为C+和C-电信号迭加合成C信号，同理D+、D-电信号合成光电转换D信号，C、D两路电信号送入后级线性放大器进行处理后输出正弦波电信号。当动光栅逆时针旋转时，光穿过动光栅偏心圆环光缝与静光栅光缝窗口照射到光电接收器上， 使光电接收器(反并联光电二极管)输出正弦电信号。如图4a)，当动光栅旋转在位置0°时，光穿过动光栅偏心圆环光缝与静光栅光缝窗口照射到光电接收器上，C+信号光能达到最大，C-信号光能达到最小，经光电转换C信号出现峰值1相当于C0S0。，D+，D-光能相等无输出，经光电转换为0相当于SIN0。；图4b)，当动光栅旋转在位置90°时，C信号经光电转换为0相当于C0S90。，D经光电转换出现峰值1相当于SIN90。；图如)，当动光栅旋转在位置180°时，C信号经光电转换出现反向峰值-1相当于 C0S180。，D信号经光电转换为0相当于smi80° ；图4d)，当动光栅旋转在位置270°时，C信号经光电转换出现0相当于C0S270。， D信号经光电转换出现反向峰值-1相当于SIN270。。如此动光栅盘每旋转一圈，C，D信号完成一次采样，正弦波信号波形见图4(e)。实施例2作为三相电机绝对位置检测用编码器时，原来是通过C，D采样的正交位置信号经过系统内部的矢量变换后获得的三相U、V、W信号，在这里可以直接通过单码道动光栅的正弦波光栅采样获得，只要在同一半径的圆周上按照120°的机械位置设置三个定光栅，信号采样就可以完成三相U、V、W信号采样。如图5a)当动光栅旋转在位置0°时，光穿过动光栅偏心圆环光缝与静光栅光缝窗口照射到光电接收器U上，U+光能达到最大，U-光能达到最小，经光电转换U信号出现峰值1相当于C0S0。；同理这时V在120°的位置上，经光电转换相当于C0S120。，W经光电转换相当于C0S240。；图恥)当动光栅旋转在位置120°时，偏心圆环光缝也随之同步旋转，U经光电转换相当于C0S120。，V经光电转换相当于C0S240。，W经光电转换相当于COSO° ；图5c)当动光栅旋转在位置MO°时，U经光电转换相当于C0S240。，V经光电转换相当于COSO °，W经光电转换相当于COS 120° ；如此光栅盘每旋转一圈，U，V，W信号完成一次采样。正弦波信号波形见图5(d)。
权利要求
1.一种输出单周期位置型正弦波信号的单码道光栅编码器，设有动光栅和静光栅，动光栅是一块圆形光盘，安装在编码器的旋转轴上，动光栅上设有栅线码道、零线码道及单周期位置型C、D两路正弦波光信号输出码道，静光栅安装在光电编码器的座体上，静光栅上设置有与动光栅各码道对应的透光狭缝，动光栅旋转时，各码道通过对应的静光栅透光狭缝输出光信号给光电转换器件，光电转换器件输出正弦波信号，其特征在于在动光栅上设置一个偏心圆环透光区，构成C、D两路正弦波光信号输出的单码道，偏心圆环被包容在与动光栅同圆心的两个不同半径的同心圆环内，在同心圆环上设有四个圆周点，四个圆周点之间依次相差90 °，偏心圆环之外圈在四个圆周点中任一点与同心圆环之外圆相切，与此点相差180°处，偏心圆环之内圈与同心圆环之内圆相切。
2.根据权利要求1所述的单码道的正弦波光栅编码器，其特征在于设置两块静光栅， 位置相差90°，每块静光栅上设有径向直线排列的两条透光狭缝，两条透光狭缝径向高度和与动光栅同心圆环宽度一致。
3.根据权利要求1所述的单码道的正弦波光栅编码器，其特征在于设置三块静光栅， 位置相差120°，每块静光栅上设有径向直线排列的两条透光狭缝，两条透光狭缝径向高度和与动光栅同心圆环宽度一致。
4.根据权利要求2所述的单码道的正弦波光栅编码器，其特征在于光电转换器件为光电二极管，采用一对反并联光电二极管N+、N-，对应接受一块静光栅两条透光狭缝输出光信号的正、负各半周信号。
全文摘要
一种输出单周期位置型正弦波信号的单码道光栅编码器，设有动光栅和静光栅，动光栅旋转时，各码道通过对应的静光栅透光狭缝输出光信号给光电转换器件，光电转换器件输出正弦波信号，在动光栅上设置一个偏心圆环形透光区，构成C、D两路正弦波光栅信号输出的单码道，偏心圆环被包容在与动光栅同圆心的两个不同半径的同心圆环内，在同心圆环上设有四个圆周点，四个圆周点之间依次相差90°，偏心圆环之外圈在四个圆周点中任一点与同心圆环之外圆相切，与此点相差180°处，偏心圆环之内圈与同心圆环之内圆相切。
文档编号G01D5/38GK102261927SQ201110111260
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者丁一明 申请人:南京中科天文仪器有限公司