Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер
ABSOLUTE OPTICAL SINGLE-TURN ANGULAR ENCODER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения положения вала механического узла.
7
Известен абсолютный угловой энкодер, построенный на рефлексивном коде Грея [Пат. №2632058 А, США, МПК  Н03М 1/00, Н04В 14/04, Н04В 14/02, H01J 31/04, Н03М 13/00, H01J 31/00. Pulsecodecommunication / FrankGray; патентообладатель BellTelephoneLaborInc"; заявл. 13 ноября 1947; опубл. 17 марта 1953].
Суть данного устройства заключается в том, что при реализации n-разрядного энкодера на поверхность растрового диска наносится n кодирующих дорожек, каждая из которых отвечает за формирование кода соответствующего разряда.
Кодирующие дорожки формируются таким образом, чтобы коды, соответствующие двум соседним угловым положениям растра, отличались только в одном разряде. Такой способ кодирования обеспечивает длину кода равную 1 и, как следствие, обеспечивает высокую помехозащищенность.
Недостатком такого энкодера является применение нескольких кодирующих дорожек, что ограничивает область применения энкодера, так как, при его реализации, используется вся поверхность растрового диска, а в случае применения растра, работающего на просвет, источники и приемники излучения оказываются механически не связанными, что приводит к снижению технологичности конструкции. В свою очередь, применение отражающего растрового диска приводит к необходимости высокой точности относительного расположения растра и оптопар, работающих на отражения и делает конструкцию не применимой в условиях вибраций.
7
Известен оптический энкодер, описанный в патенте Спеддинга Н.Б. [Пат. №264738, Новая Зеландия, МПК  G01B 11/26, G01B 5/24. A position encoder / Spedding Norman Bruce; патентообладатель «INDUSTRIAL RESEARCH LIMITED» - заявл. 20 октября 1994; опубл. 2 февраля 1996], который содержит n оптических пар (где n - разрядность энкодера), распределенных равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов.
max
При этом максимальное количество прозрачных секторов c в зависимости от разрядности энкодера определяют выражением:
где n - разрядность энкодера (количество используемых оптопар).
Угловой размер прозрачных секторов рассчитывают по выражению:
где c - принятое количество прозрачных секторов;
max
i=1…c - номер сектора;
i
α - угловой размер i-го сектора,
Угловой размер β непрозрачных секторов вычисляют по выражению:
где s - натуральное число.
Информация с датчика выводится виде параллельного кода, который определяет значение угла.
5
8
Недостатком такого энкодера является низкая разрешающая способность по сравнению с многодорожечным энкодером. Например, при разрядности энкодера 5, обеспечивают разрешающую способность 36 градусов, при максимально возможной 360/2=11.25 градуса, при разрядности 8 - 11.25 (максимально достижимая - 360/2=1.40625 градуса) и т.д.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение разрешающей способности энкодера при сохранении разрядности.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном энкодере, содержащем n оптических пар (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной и грубой шкал.
Сущность предлагаемого технического решения, заключается следующем.
а
а
На кодирующей дорожке, представляющей собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные сектора, размещают точную и грубую шкалы. При этом грубая шкала, представляет собой непрозрачный сектор с угловым размером 720/n градусов и прозрачный сектора с угловым размером 360/n градусов, который примыкает к непрозрачному при движении почасовой стрелке. Точная шкала с угловым размером 360(1-3/n) градусов содержит n-3 части с угловым размером 360/n градусов. Каждую часть формируют по последовательности значений соответствующего разряда модифицированного n-3-разрядного кода. При этом при этом старшему разряду ставят в соответствие часть, расположенную рядом с прозрачным сектором основной шкалы, младшему - часть, расположенную рядом с непрозрачным сектором основной шкалы; нулю ставят в соответствие прозрачный сектор с угловым размером , где  - разрешающая способность энкодера, единице - непрозрачный. Разрешающую способность энкодера рассчитывают по выражению:
n-3
1
Модифицированный n-3-разрядный код получают путем исключения из 2 возможных значений известного n-3-разрядного двоичного кода, при четных n больших или равных 6, m кода вида:
где , а также, при n больших или равных 7, одного любого кода из каждой пары вида:
где k - целое число от 0 до n-6.
2
Общее количество m пар вида (7) определяют выражением:
Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер содержит n оптических пар (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, причем прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной и грубой шкал.
Изобретение поясняется рисунками на фиг. 1-8.
На фигурах 1 и 2 приведено формирование двоичных кодов на выходе энкодера при наличии цепочек 110.
На фигуре 3 приведен пример реализации пятиразрядного энкодера.
На фигуре 4 приведен пример реализации шестиразрядного энкодера.
На фигуре 5 приведен пример реализации семиразрядного энкодера.
На фигуре 6 приведено расположение оптопар, растровый диск с грубой шкалой и несформированной точной шкалой для восьмиразрядного энкодера.
На фигуре 7 приведено расположение оптопар, растровый диск с грубой шкалой и несформированной точной шкалой, разделенной на пять частей, для восьмиразрядного энкодера.
На фигуре 8 приведен пример реализации восьмиразрядного энкодера с указанием основных конструктивных размеров.
Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер, содержит n оптических пар 2 (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск 1 с одной кодирующей дорожкой 3 в виде чередующихся прозрачных 6 и непрозрачных секторов 7, причем прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной 5 и грубой 4 шкал.
Работа энкодера в соответствии с вышеприведенным описанием поясняется следующим образом.
Кодирование углового положения с точностью до 360/n градусов, может быть реализовано с помощью трех последовательно расположенных оптопар, третья из которых в пределах поворота на угол 360/n градусов остается постоянно открытой, две другие - постоянно закрыты.
Г
Это позволяет определить угловое положение растра q с точностью до 360/n градусов по следующему алгоритму:
1. Считывается код с n - оптопар.
2. Считанный код подвергается s раз кольцевому сдвигу вправо, пока два младших разряда не примут значения единицы, а старший ноль.
Г
3. Приняв за нулевое положение растра такое, что при отсутствии сдвигов старший бит в считанном с оптопар коде равен 0, а два младших 1, и считая положительным вращение против часовой стрелки, угловое положение растра q определяется выражением:
Г
При определении углового положения q неиспользуемыми оказываются (n-3) оптопар.
Г
Таким образом, задействовав неиспользуемые оптопары, путем формирования кодирующей последовательности на свободной части растра, можно обеспечить повышение разрешения энкодера. При этом следует учитывать, что в (n-3)-разрядном коде, считываемым с этих оптопар необходимо исключить те, которые содержат последовательность 110, так как при выполнении сдвиговых операций для определения q, это приводит к неоднозначности определения значения s. То есть возможно более одного значения s, при которых старший разряд имеет значение 0, а два младших 1 (фиг. 1).
В связи с этим, для исключения неоднозначности при определении s, необходимо в парах (n-3)-разрядных кодов вида (7) исключить по одному коду и при определении s считать исключенный код запрещенным.
Следует отметить, что для четных n, существуют такие (n-3)-разрядные коды, содержащие цепочки 110, которые при различных значений s, переходят сами в себя (фиг. 2). Такие коды также необходимо исключить.
n-3
n-3
2
1
2
Оставшиеся значения кодов позволяют уточнить угловое положение растра, определенное по грубой шкале значением s, в (2-m) раз для нечетных n, и в (2-m-m) раз - для четных n, и обеспечить разрешающую способность в соответствии с выражением (5). Внешний вид кодирующих дисков для n равных 5, 6, 7 приведен на фигурах. 3-5.
Определение точного углового положения q, при использовании такой кодирующей последовательности реализуется по следующему алгоритму:
1. Считывается код с n - оптопар.
2. Считанный код подвергается s раз кольцевому сдвигу вправо, пока два младших разряда не примут значения единицы, а старший ноль. При этом (n-3)-разрядный двоичный код, расположенный между старшим разрядом и двумя младшими, не должен иметь запрещенное значение.
3. Определяется номер j (n-3)-разрядного модифицированного кода в соответствии с принятой последовательностью расположения при формировании растра. При этом первому коду присваивается номер 0.
4. Рассчитывается точное значение углового положения растра q по выражению:
Для пояснения последовательности формирования энкодера, рассмотрим пример расчета 8-ми разрядного энкодера.
При разрядности n, равной 8, оптопары будут распределены равномерно по периметру растра с угловым шагом:
.
Рассчитаем угловые размеры прозрачного и непрозрачного секторов основной шкалы.
Угловой размер непрозрачного сектора основной шкалы составит:
.
Угловой размер прозрачного сектора основной шкалы составит:
.
Угловой размер части кодирующего диска под размещение n-3 разрядного кода составит:
.
Кодирующий диск без (n-3)-разрядного кода и расположение оптопар приведены на фиг. 6.
Рассчитаем структуру и угловые элементы части диска под размещение n-3 разрядного кода:
n-3
1. Сформируем последовательность кодов, содержащую 2 кода, соответствующих (n-3)-разрядному двоичному коду.
В данном случае разрядность кода равна:
8-3=5.
Количество кодов составит:
8-3
5
2=2=32,
В качестве последовательности кодов примем последовательность значений обычного прямого двоичного 5-ти разрядного кода. Принятая последовательность для расчетов приведена в таблице 1.
1
2. Так как принятое значение n, равное 8, четное и больше 6. Из полученной последовательности исключим m код вида (6).
1
Для данного случая m равно:
.
i
Количество позиций X при n, равном 8, имеет значение:
.
i
Таким образом, X могут принимать значения, приведенные в таблице 2.
Следовательно, из последовательности, приведенной в таблице 2 необходимо исключить коды, приведенные в таблице 3.
Таким образом с корректированная последовательность кодов примет вид, приведенный в таблице 4.
2
3. Так как принятое значение n, равное 8, больше 7. Из полученной последовательности исключим m пар вида (7).
2
Та как n - четное, m равно:
2
n-7
n/2-4
8-7
8/2-4
1
4-4
0
m=(n-5)⋅2-2=(8-5)⋅2-2=3⋅2-2=3⋅2-2=6-1=5.
i
Количество позиций X при n, равном 8, имеет значение:
n-6=8-6=2.
i
Таким образом, X могут принимать значения, приведенные в таблице 5.
В свою очередь, k, при n равном 8, принимает значения 0, 1, 2.
Следовательно, из последовательности, приведенной в таблице 4 необходимо исключить по одному коду из каждой пары в таблице 6.
Из каждой пары исключим по одному коду, приведенному в таблице 7.
Оставшиеся коды, приведенные в таблице 8, добавим в исходную последовательность кодов.
Таким образом, скорректированная последовательность кодов примет вид в соответствии с таблицей 9.
4. При реализации кодирующего диска сохраним исходную последовательность кодов, таким образом последовательность значений для каждого разряда примет вид согласно таблице 10.
5. Разобьем неразмеченную часть кодирующего диска на n-3 равных частей. При n равном 8, размер одной части составит:
.
Таким образом, кодирующий диск примет вид на фиг. 7.
а
Определим разрешающую способность  энкодера и угловой размер цифры n-3-разрядного кода.
Так как n, равное 8, четное разрешающая способность примет значение:
Определим угловые размеры прозрачных и непрозрачных секторов для каждой части неразмеченной области, приняв одной цифре последовательности значений разрядов угловой размер равный 1,8°. Результаты расчета приведены в таблице 11.
Примечания:
1. Нумерация частей неразмеченной области начинается от прозрачного сектора основной шкалы к непрозрачному.
2. Нумерация секторов для части неразмеченной области начинается от прозрачного сектора основной шкалы к непрозрачному.
Поставив в соответствие старшему разряду часть, расположенную рядом с прозрачным сектором основной шкалы, младшему - часть, расположенную рядом с непрозрачным сектором основной шкалы, окончательно получим одну из реализаций кодирующего диска с одной дорожкой, приведенный на фиг. 8.
Коды значений углового положения диска для различных угловых положений приведен в таблице 12.
Следует отметить, что при n, равном 8, возможны другие реализации кодирующего диска, которые могут быть получены при исключении любых других значений кодов на этапе 3, а также при изменении последовательности итогового набора кодов на этапе 4.
При этом любые другие отбрасываемые значения и произвольная последовательность сортировки итогового набора кодов принципиального значения не имеют и приводят к положительному результату.
Данные варианты реализации могут варьироваться из конструктивных или иных соображений, при решении конкретной прикладной задачи применения однооборотного однодорожечного абсолютного энкодера, в том числе и для реализации энкодеров линейного перемещения.
Сопоставляя выражение для разрешающей способности известного энкодера (2) и предлагаемого (5), видно, что данный энкодер обеспечивает увеличение разрешающей способности в W раз:
По сравнению с известным энкодером, при n больше 4 разрешающая способность предложенного энкодера увеличивается (таблица 13).
Таким образом, применение кодирующей дорожки, сформированной путем комбинации грубой и точной шкал позволяет повысить разрешающую способность однодорожечного энкодера.