[发明专利]一种基于LC振荡电路的高精度编码器及实现方法

说明书

本发明公开了一种基于LC振荡电路的高精度编码器及实现方法，包括码盘、LC振荡电路、鉴频器/计数器电路以及数字处理单元，在码盘上喷涂介质材料并使介质材料按照规律进行分布，码盘设置于LC振荡电路中的平板电容之间充当平板电容介质。本发明摈弃了传统数字编码器利用码盘通孔进行编码以及通过光电信号检测和转换的技术路线，采取基于LC电磁振荡原理，将机械转动转变为电感量L或电容量C的变化，从而改变LC电路振荡频率，将码盘转动角度和速度变化转变为LC振荡频率的变化，并利用鉴相电路、鉴频电路或计数电路对LC振荡频率进行测量或数字化处理，从而实现对码盘旋转速度和角度的高精度测量。

技术领域

本发明涉及一种基于LC振荡电路的高精度编码器及实现方法。

背景技术

目前，在各类电机控制或机械行走控制方案中，广泛应用各类编码器作为传感器进行速度、角度、位置、距离、数量等各类参数测量，将上述参数转化为电信号并进行反馈处理。根据编码器输出信号的不同，编码器类型有模拟编码器和数字编码器两种。数字编码器由于其输出信号为数字信号，便于通过计算机进行各类数字化处理和计算，在工业控制系统有着最广泛的应用。

传统的数字编码器根据编码方式不同，又分为增量编码器和绝对值编码器。无论哪一种类型的编码器，其主要部件都包括光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路等几个组成部分，工作原理都是利用光电耦合器扫描安装在具有光通孔的旋转轴或行走轴上的码盘，将机械编码转换为成比例的电气脉冲编码，如图1所示。

光源部件(一般是可见光或红外光LED)会向接收器(一般是光电二极管)发出一道狭窄的光束，光源和接收器被安装在静止部位，码盘是一个带有透明开孔的遮光圆盘，被安装在旋转轴上。当电机转动时，码盘会让光束交替通过，光电检测器件则会根据光线的通断输出与之对应的高电平或低电平。转换电路将光电检测器件输出的信号进一步整形为方波，方便后续电路处理。

由编码器基本原理可知，传统的光电编码器存在以下几种缺陷：

编码精度有限：

码盘旋转一周能够输出的信号脉冲数取决于光通孔个数，脉冲数越多，角度测量精度越高，但受限于码盘尺寸，尤其是微型设备中，码盘在一个圆周内能够刻画出的通孔数量非常有限，这极大的限制了编码器的编码精度。虽然可以通过缩小光通孔直径和多圈刻画能够进一步增加其脉冲输出个数，但受制于光电检测器件的检测灵敏度和机械加工部件，光通孔直径实际无法做的太小。

信号抖动严重：

理想的数字编码器输出信号应该是方波信号。但由于码盘通孔是机械加工而成，存在角度分布不均匀，通孔形状或尺寸不规则等机械加工误差，光束通过码盘的时间和强度不一致，使得光电检测器件输出电平存在差异，从而高低电平翻转不对称，导致信号相位提前或滞后，即信号抖动严重。同时由于通孔形状不规则可能导致光线通过强度不是连续单调增加或连续单调降低，可能导致信号非正常翻转，造成计数误差。

信号输出质量对速度敏感：

当码盘旋转速度过慢时(如电机初始启动阶段)，光电检测器件输出电平上升或下降速度迟缓，无法形成足够陡峭的上升沿或下降沿，可能导致后续电路无法正常工作。当码盘旋转速度过快时(如高速电机)，遮光和通光时间过短，受制于光电检测器件的响应性能，无法形成稳定的高低电平或达不到信号翻转所需要的电平，输出信号质量变差，甚至无法使用。

高精度编码器成本高昂。

高精度编码器依赖于高精度加工设备，同时码盘制作材料要求使用低形变高强度材质以及光电器件具有更高的响应性能，导致整个编码器器件成本高昂，无法做到低成本应用。

发明内容