光电编码器绝对角位移测量装置

摘要

本发明涉及一种光电编码器绝对角位移测量装置，该装置包括采样时间间隔ΔT、过零判断阈值Δθ

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电编码器绝对角位移测量装置。

背景技术

在光电编码器需实现有限多圈运动或单圈捷径定位功能的伺服系统中，都 需对编码器进行过零检测，并对运动圈数进行计数，以确定被测运动机构的实 际角位置。通常采用的方法是，由编码器提供的零位脉冲确定是否过零，由编 码器提供的两路正交脉冲的相位关系确定过零的方向。这种方法的缺点是需要 编码器提供零位脉冲和两路正交脉冲，而且控制系统设计需要提供相关的硬件 接口用于检测零位脉冲和正交脉冲。很多光电编码器未提供零位脉冲和正交脉 冲，仅仅提供了位置数据，对于编码器需要多圈工作或单圈捷径定位的情况， 目前还没有很有效的方法进行过零检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种仅仅根据编码器提供的位置数据即能 得到编码器绝对角位移信息的光电编码器绝对角位移测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明的光电编码器绝对角位移测量装置包括：

采样时间间隔ΔT、过零判断阈值Δθ_th存储模块：ΔT＝Δθ_max/ω_max，且ΔT不小 于光电编码器最快数据更新周期，ω_max为驱动电机最大角速度，Δθ_max＜180°，Δθ_max＜Δθ_th＜360°-Δθ_max；

采样模块：以ΔT为间隔对光电编码器角位置数据进行采样；

相邻两次采样间隔间角位移计算模块：根据相邻两次采样得到的光电编码 器角位置数据计算ΔT时间间隔内光电编码器的角位移Δθ，

过零检测模块：规定光电编码器顺时针旋转为正向旋转，比较Δθ和Δθ_th的 大小，若Δθ＞Δθ_th，则光电编码器过零，且光电编码器为反向旋转；若Δθ＜-Δθ_th， 则光电编码器过零，且光电编码器为正向旋转；若-Δθ_th≤Δθ≤Δθ_th，则光电编码 器未过零；

计数器：根据过零检测模块的检测结果对光电编码器的旋转圈数进行计数， 若光电编码器过零，且光电编码器为反向旋转，过零次数计数值Z_ct减1；若光电 编码器未过零，过零次数计数值Z_ct不变；若光电编码器过零，且光电编码器为 正向旋转，过零次数计数值Z_ct加1；

绝对角位移计算模块：根据光电编码器初始安装结束后的角位置数据P₀和当 前光电编码器的角位置数据P₁，及过零次数计数值计算光电编码器的绝对角位移 P，P＝Z_ct×360°+P₀-P₁。

本发明仅仅根据光电编码器的位置数据即可得到绝对角位移，不需要光电 编码器提供零位脉冲和两路正交脉冲，也不需要设计采集相关脉冲的硬件接口， 不仅节省资源，而且实现简单方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的光电编码器绝对角位移测量装置结构框图。

图2为实现光电编码器绝对角位移测量的程序流程图。

图3a、3b、3c、3d为光电编码器过零检测示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的光电编码器绝对角位移测量装置包括：采样时间间隔 ΔT、过零判断阈值Δθ_th存储模块；采样模块；相邻两次采样间隔间角位移计算 模块；过零检测模块；计数器；绝对角位移计算模块。

本发明通过微处理器编程实现，微处理器可以采用DSP处理器、AVR单片机 或其它嵌入式处理器。

本发明通过检测过零瞬间编码器角位置数据的突变来实现过零检测，采样 间隔ΔT需根据驱动电机最大角速度ω_max确定，但不可小于光电编码器最快数据 更新周期，确定原则是使系统在采样间隔ΔT时间内的理论最大角位移Δθ_max尽可 能小。理论上要求Δθ_max＜180°。过零检测的阈值Δθ_th需大于确定的采样间隔内光 电编码器的最大角位移绝对值Δθ_max，过零判断阈值Δθ_th选择范围为Δθ_max＜Δθ_th＜ 360°-Δθ_max，一般Δθ_th较小时可选取Δθ_th＝(2～3)Δθ_max。

实施例1

本实施例采用直流力矩电机驱动一个具有有限行程的丝杠机构，丝杠行程内 光电编码器需旋转23圈，光电编码器安装在丝杠轴上与丝杠轴一起旋转。根据 丝杠导程，光电编码器绝对角位移测量装置被用于计算负载在丝杠上的准确位 置。其中，用于光电编码器数据接收与计算的微处理器选用TI公司的 TMS320F2812型DSP，DSP与光电编码器的通讯方式为RS422方式。DSP以周期 脉冲触发方式采集光电编码器当前角位置数据。本实施例中光电编码器数据更 新周期最快为0.8ms，选取ΔT＝1ms，驱动电机的最大角速度ω_max＝3.5°/ms，计算 得采样间隔内编码器的理论最大角位移Δθ_max＝ω_mzx·ΔT＝3.5°，选取过零判断阈值 Δθ_th＝10°，Δθ_th≈2.86Δθ_max。

如图2所示，微处理器程序流程如下：

1)将过零次数计数值Z_ct初始化为零；

2)设定采样时间间隔ΔT为1ms；

3)设定过零判断阈值Δθ_th为10°；

4)以1ms为时间间隔对光电编码器角位置数据进行采样，并根据相邻两次 采样得到的光电编码器角位置数据计算相邻采样间隔内光电编码器的角 位移Δθ，$\mathrm{\Delta \theta }={\theta }_{t_2}-{\theta }_{t_1};$

5)比较Δθ和Δθ_th的大小关系，若Δθ＞10°，则光电编码器过零，且过零方 向为1°→0°→359°，如图3a所示，光电编码器为反向旋转；若Δθ＜-10°，则 光电编码器过零，且过零方向为359°→0°→1°，如图3b所示，光电编码器为 正向旋转；若-10°≤Δθ≤10°，则光电编码器未过零，如图3c、3d所示；

6)根据过零检测结果进行计数，若光电编码器过零，且光电编码器为反向 旋转，则过零次数计数值Z_ct减1，若光电编码器未过零，过零次数计数值Z_ct不 变；若光电编码器过零，且光电编码器为正向旋转，过零次数计数值Z_ct加1；

7)根据光电编码器初始安装结束后的角位置数据P₀和当前光电编码器的角 位置数据P₁，及过零次数计数值Z_ct计算光电编码器的绝对角位移， P＝Z_ct×360°+P₀-P₁。

实施例2

本实施例采用直流力矩电机驱动一个小型单轴旋转平台机构，系统要求平台 具有角位置捷径跟踪功能，因此需要对编码器进行过零检测。光电编码器安装 在平台轴上与平台轴一起旋转，光电编码器绝对角位移测量装置被用于实现平 台角位置的捷径定位功能。其中，用于光电编码器数据接收与计算的微处理器 选用Atmel公司的ATmega16型AVR单片机，AVR与光电编码器的通讯方式为 RS422方式。AVR以周期脉冲触发方式采集光电编码器当前角位置数据。本实施 例中光电编码器数据更新周期最快为2ms，选取ΔT＝2.5ms，驱动电机的最大角 速度ω_max＝12°/ms，计算得采样间隔内编码器的理论最大角位移 Δθ_max＝ω_max·ΔT＝30°，选取过零判断阈值Δθ_th＝300°。

如图2所示，微处理器程序流程如下：

1)将过零次数计数值Z_ct初始化为零；

2)设定采样时间间隔ΔT为2.5ms；

3)设定过零判断阈值Δθ_th为300°；

4)以2.5ms为时间间隔对光电编码器角位置数据进行采样，并根据相邻两次 采样得到的光电编码器角位置数据计算相邻采样间隔内光电编码器的角 位移Δθ，$\mathrm{\Delta \theta }={\theta }_{t_2}-{\theta }_{t_1};$

5)比较Δθ和Δθ_th的大小关系，若Δθ＞300°，则光电编码器过零，且过零方 向为1°→0°→359°，如图3a所示，光电编码器为反向旋转；若Δθ＜-300°，则 光电编码器过零，且过零方向为359°→0°→1°，如图3b所示，光电编码器为 正向旋转；若-300°≤Δθ≤300°，则光电编码器未过零，如图3c、3d所示；

6)根据过零检测结果进行计数，若光电编码器过零，且光电编码器为反向 旋转，则过零次数计数值Z_ct减1，若光电编码器未过零，过零次数计数值Z_ct不 变；若光电编码器过零，且光电编码器为正向旋转，过零次数计数值Z_ct加1；

7)根据光电编码器初始安装结束后的角位置数据P₀和当前光电编码器的角 位置数据P₁，及过零次数计数值Z_ct计算光电编码器的绝对角位移， P＝Z_ct×360°+P₀-P₁。