[发明专利]一种输出单周期位置型正弦波信号的单码道光栅编码器

说明书

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n周期(如：1024T/圈，2048T/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T/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T/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A、B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°)，G(180°)，H(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。