一種增量式光柵編碼器零位信號檢測方法
【專利摘要】本發明提供一種增量式光柵編碼器零位信號的檢測方法，使用模數轉換器對零位信號進行采樣，通過零位信號的變化趨勢，提取尖峰位置。克服了傳統電壓比較或電平觸發方式易受溫度影響的問題，不需要額外增加溫控設備，提高了編碼器使用的可靠性和環境適應性。
【專利說明】一種增量式光柵編碼器零位信號檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及增量式光柵編碼器，尤其涉及一種增量式光柵編碼器零位信號檢測方法
【背景技術】
[0002]增量式光柵編碼器是一種將軸的機械轉動模擬量轉換成數字量的測角裝置，在伺服系統特別是全數字伺服系統的應用很廣。其主要部件是計量光柵盤，由標尺光柵和指示光柵構成，光柵的疊合形成疊柵條紋，當標尺光柵和指示光柵發生相對移動時，疊柵條紋就發生相應的移動，在外圍信號處理電路配合下，對疊柵條紋進行周期計數，這個數值與軸轉動的角位移量成比例。通過對疊柵條紋信號的細分處理，可以實現很高的分辨率。增量式編碼器光柵盤上有一個零位光柵刻線圖案，每次轉動經過零位時，編碼器零位輸出端會輸出一個極大尖峰電壓，通過檢測該尖峰電壓，作為固定的參考零位，每次上電后先使編碼器轉動經過零位，從零位處開始計數。
[0003]目前一般通過電平觸發或電壓比較方式，提取零位尖峰信息。專利申請號為“201310238865.7”，發明專利名稱“一種編碼器零位測試方法和測試儀”，專利權人李宗峰，采用電平觸發方式手動檢測增量型旋轉編碼器的零位脈沖信號，測試儀中具有觸發器，當手動旋轉編碼器外殼的時候，編碼器輸出的零位信號將觸發器觸發，之后對觸發信號進行放大，驅動指示器，該發明采用手動方式，不利于系統集成。文獻(徐洲，胡曉東，羅長洲，谷林.增量式軸角編碼器的電子細分及零位處理[J].光子學報，2002，31 (12) =1497-1500)給出了目前使用最廣泛的編碼器零位尖峰檢測方法，使用電壓比較器將零位尖峰變成一個窄方波脈沖，用于中斷觸發，通過調整電壓比較器的比較電平來改變方波脈沖的寬度。
[0004]采用電平觸發和電壓比較等檢測方式，將零位尖峰轉換為窄脈沖信號，作為信號處理電路的中斷觸發，需要設定一個固定的閾值電壓，閾值電壓設置過高，有可能檢測不到零位尖峰信號，閾值電壓設置過低，會造成輸出脈沖信號過寬，零位位置檢測不準確。對于目前工程上常用的編碼器，閾值電壓一般設置在零位信號的起跳電壓和尖峰電壓之間。由于編碼器內部光學及電子元件的性能限制，在不同溫度下，零位輸出電壓的變化趨勢基本不變，但幅值變化很大，隨著溫度升高，電壓幅值逐漸降低，當高溫下的尖峰電壓低于低溫下的起跳電壓時，會出現高溫時尖峰電壓低于閾值電壓，零位信號檢測不到的問題。所以采用這種設置固定的閾值電壓進行電壓比較的方法，無法適應全部溫度變化范圍，降低了編碼器使用的可靠性和環境適應性。為了保證編碼器輸出零位信號幅值的穩定性，需要額外增加溫控設備，這必然增加了系統設計的復雜性。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是:克服現有技術中存在的不足，提供一種增量式光柵編碼器零位信號的檢測方法，在不需要額外增加溫控設備情況下，提高了編碼器使用的可靠性和環境適應性。
[0006]本發明的技術方案是:
[0007]—種增量式光柵編碼器零位信號的檢測方法，所述增量式光柵編碼器零位信號包括直流段、起跳段和尖峰段，令增量式光柵編碼器單方向旋轉，增量式光柵編碼器單方向旋轉過程中輸出的零位信號通過信號調理電路進行低通濾波獲得模擬電壓信號；在信號處理器的控制下模數轉換器對信號調理后的零位信號進行模數轉換獲得數字零位電壓；在信號處理器中存儲了設定電壓Vqt和設定電壓差AVd ;其中所述設定電壓Vqt為增量式光柵編碼器在低溫、高溫、常溫狀態下的起跳電壓的最小值，所述設定電壓差AVd為增量式光柵編碼器直流段電壓噪聲的峰峰值；信號處理器的處理過程如下:
[0008](I)對數字零位電壓進行采樣獲得采樣電壓；
[0009](2)判斷當前時刻采樣電壓Vl與設定電壓Vqt的大小；若Vl ( Vqt，則表示處于直流段，返回步驟⑴；SVl>Vqt，則表示進入起跳段，進入步驟(3);
[0010](3)對數字零位電壓進行采樣獲得采樣電壓，根據當前時刻采樣電壓Vl和前一時刻采樣電壓VO計算電壓差值Λ V，其Λ V = Vl-VO ；
[0011](4)判斷I AVl與設定電壓差AVd的大小；若I AVl ( AVd，返回步驟⑶；若Λ VI > Λ Vd,則指示達到尖峰段，即檢測到零位位置，編碼器停止轉動，結束。
[0012]信號處理器為DSP。
[0013]本發明與現有技術相比具有如下優點:本發明使用模數轉換器對零位信號進行采樣，通過采集零位信號的變化特點，提取零位尖峰位置，解決傳統電壓比較或電平觸發方式易受溫度影響的問題；在不需要額外增加溫控設備情況下，提高了編碼器使用的可靠性和環境適應性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為零位光柵圖案；
[0015]圖2為增量式光柵編碼器零位信號波形；
[0016]圖3為零位信號檢測硬件電路圖；
[0017]圖4為本發明的信號處理器的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0019]實際工程應用中，增量式光柵編碼器的零位光柵一般由一組非等間隔、非等寬度的亮線和暗線所組成，如圖1所示。對于這種結構的零位光柵，編碼器過零時輸出的零位信號波形如圖2所示。在零位位置，零位信號幅值最大，達到尖峰電壓Vmax ;偏離此位置，零位信號幅值逐漸減小到起跳電壓Vqt ;當完全偏離時，零位信號中無零位信息，只剩下電路的直流偏置量Vdc。本發明為描述方便，將這三段分別稱為尖峰段、起跳段、直流段。
[0020]如圖3所示，本發明的零位信號檢測方法所基于的系統包括信號調理電路、A/D轉換器和信號處理器。令增量式光柵編碼器單方向旋轉，信號調理電路對增量式光柵編碼器單方向旋轉過程中輸出的零位信號進行低通濾波獲得模擬電壓信號，濾除多余毛刺，要求濾波前后信號的相位關系保持一致。A/D轉換器在信號處理器的控制下將模擬電壓信號轉換為數字零位電壓。信號處理器例如可以采用DSP芯片。由于零位光柵圖案是固定的，所以過零時零位信號的變化趨勢不變，可以利用信號處理器對數字零位電壓進行采樣，通過零位信號的變化趨勢，提取尖峰位置。在信號處理器中存儲了設定電壓Vqt和設定電壓差AVd ;其中所述設定電壓Vqt為增量式光柵編碼器在低溫、高溫、常溫狀態下的起跳電壓的最小值，其中增量式光柵編碼器在低溫、高溫、常溫狀態下的起跳電壓為編碼器出廠值。所述設定電壓差AVd為增量式光柵編碼器直流段電壓噪聲的峰峰值；可以通過示波器測量得到。Λ Vd例如是300mv，Vqt例如是2.4v。
[0021]如圖4所示，信號處理器的工作過程如下:
[0022](I)對數字零位電壓進行采樣獲得采樣電壓；
[0023](2)判斷當前時刻采樣電壓Vl與設定電壓Vqt的大小；若Vl ( Vqt，則表示處于直流段，返回步驟⑴；SVl>Vqt，則表示進入起跳段，進入步驟(3);
[0024](3)對數字零位電壓進行采樣獲得采樣電壓，根據當前時刻采樣電壓Vl和前一時刻采樣電壓VO計算電壓差值Λ V，其Λ V = Vl-VO ；
[0025](4)判斷I AVl與設定電壓差AVd的大小；若| AV| ( AVd，返回步驟⑶；若Λ VI > Λ Vd,則指示達到尖峰段，此時，信號處理器發出過零中斷信號，指示達到零位位置，
編碼器停止轉動，結束。
[0026]本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種增量式光柵編碼器零位信號的檢測方法，所述增量式光柵編碼器零位信號包括直流段、起跳段和尖峰段，其特征在于: 令增量式光柵編碼器單方向旋轉，增量式光柵編碼器單方向旋轉過程中輸出的零位信號通過信號調理電路進行低通濾波獲得模擬電壓信號；在信號處理器的控制下模數轉換器對信號調理后的零位信號進行模數轉換獲得數字零位電壓；在信號處理器中存儲了設定電壓Vqt和設定電壓差AVd;其中所述設定電壓Vqt為增量式光柵編碼器在低溫、高溫、常溫狀態下的起跳電壓的最小值，所述設定電壓差AVd為增量式光柵編碼器直流段電壓噪聲的峰峰值；信號處理器的處理過程如下: (1)對數字零位電壓進行采樣獲得采樣電壓； (2)判斷當前時刻采樣電壓Vl與設定電壓Vqt的大小；gVl( Vqt，則表示處于直流段，返回步驟(I) ;SVl>Vqt，則表示進入起跳段，進入步驟(3)； (3)對數字零位電壓進行采樣獲得采樣電壓，根據當前時刻采樣電壓Vl和前一時刻采樣電壓VO計算電壓差值Λ V，其Λ V = Vl-VO ； (4)判斷IAV|與設定電壓差AVd的大小；若I AV| ( AVd,返回步驟(3);若Λ VI > Λ Vd,則指示達到尖峰段，即檢測到零位位置，編碼器停止轉動，結束。
2.根據權利要求1所述的一種增量式光柵編碼器零位信號的檢測方法，其特征在于:信號處理器為DSP。
【文檔編號】G01D18/00GK104132684SQ201410240202
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】劉晴晴, 邵春江, 任磊, 張俊, 路靜, 杜建邦, 譚新洪 申請人:北京航天自動控制研究所, 中國運載火箭技術研究院