摘要：本文基于游标编码原理，完成了绝对式光电旋转编码器的设计。文章首先提出编码方案，介绍了三码道游标编码方案，并推导绝对位置编码的解算方法；给出了细分误差模型公式和正弦信号校正结果，正弦信号校正后幅值误差低于0.33%，零偏误差低于0.2%,相移误差低于0.22%；说明了编码器的通信接口，在10m的通信距离上，可以达到10Mb/s的波特率，在25米距离上可以达到5Mb/s；最后给出了整个编码器系统的结构。实验结果表明，编码器工作正常，功能稳定。
关键词：绝对式光电编码器；游标编码；细分模型；BiSSC模式
中图分类号：TP274+.2文献标志码：A
1引言
光电旋转编码器是一种集光、机、电于一体的角位移测量装置【1】。在一个典型的闭环运动控制系统中，光电旋转编码器作为观测器，其性能参数直接影响控制系统精度、增益和稳定性【2】。随着机器人与自动化技术的发展，控制系统要求光电旋转编码器能够输出绝对位置、结构小型化、同时对分辨率、精度、时间响应速度提出了更高参数要求。为了提高系统可靠性，编码器与之间需要采用数字通信接口连接，具有校验能力。
编码器的结构小型化制约编码器的最大分辨率【3】【4】【5】；另一方面，编码器的结构小型化加剧了光栅盘刻划误差对精度的影响【6】。早期的绝对式编码器采用二进制或格雷码编码器方式，每条码道对应一个二进制位，需要多条码道才能满足高分辨率测角需要。因此码盘尺寸很大，不满足编码器小型化的需要。游标编码是利用游标原理获取绝对位置的编码方式。采用游标编码的编码器能够显著减小了码道数量，有利于编码器小型化。游标编码在保持高分辨率和高绝对精度的同时，增加了信号误差的允许公差；采用相位阵技术的光电检测方法，减小了刻划误差对精度的影响；这就意味着降低了光栅盘和编码器轴系的制造、装配难度【7】，对小型绝对式编码器产业化十分有利。
本文提出一种基于游标编码的绝对式光电旋转编码器，图1。采用相位调制方法对绝对码进行编码，采用电子细分技术获取高分辨率精码。由于码道数量少，适用于通用伺服电机的空心轴绝对式编码器。目前，实验室样机能够做到25位分辨率、批量产品的最大分辨率能够稳定在23位。编码器采用BiSS‐C数字接口，最高通信速率达到10MHz，最高时间响应周期<10uS。编码器采用6位CRC校验，能够对每个通信周期的测量值进行校验，对于极端安全的应用，编码器能够提供16位CRC校验和循环技术功能确保极端可靠性。
2编码原理
本文采用3条码道M、N、S的正弦信号确定绝对角度位置。这个方法比在两个刻度的情况下要求更低的精度。主码道M决定系统分辨率和绝对精度，游标码道N和段码道S生成粗码信息。对于任一刻线周期d，位置x在d内的相位α有，
β的周期等于码道M、N刻线周期的最小公倍数，由于码道M、N的刻线数相差1，1β在整个编码距离内被唯一确定，2β在整个编码器距离内周期性变化。由于刻划误差及一系列等效误差存在，1β不能直接用于编码。借助2β的周期性变化，1α与1β、2β共同构造整个编码器距离的游标编码，如图2所示。
实际电路中，M信道对应的差分信号为sin_PMNM；N码道对应的差分信号为sin_PN，NN；S码道对应的差分信号为sin_PS，sin_NS；M,N,S信道差分信号的表达式分别如式(4)，(5)，(6)所示。
3细分技术
编码器主码道采用电子细分技术获取高分辨率精码。正弦信号的质量决定了最大分辨率和系统精度。为了实现更好的插值，识别相关信号误差和对其补偿是重要的。典型的误差源包括正余弦信号的零点偏移（OS和OC）；正余弦信号（幅值AS和AC）之间变化的敏感度；正弦和余弦信号之间的相移为偏离90°（φSERR、φCERR），传感器的特性曲线的非线性（正弦外形偏差FSIN、FCOS）。总体来说，角度能在一个周期划分中通过正余弦信号的商的反正切计算出来。根据公式(11)有：
因此，编码器需要有幅值补偿、相移补偿和零偏补偿能力。实际电路中通过复杂的可编程校准电路补偿后，幅值误差低于0.33%，零偏误差低于0.2%，相移误差低于0.22（相对于Vpp）。
4通信接口
编码器采用BiSS‐C数字接口，BiSS‐C是一个高速、安全的同步串行通讯接口标准，它可以将传感器的数据传回主端口，并以双向通讯方式将传感器的参数从传感器的寄存器中读出或写入，BiSS‐C接口的硬件与SSI接口兼容。其基本时序如图3所示：
BiSS‐C采用标准RS‐422电气规范，需要时钟、数据两路信号；BiSS‐C采用总线延迟补偿技术，确保长距离高速通信可靠性。BiSS‐C的典型通信应用距离可以达到10米10MHz，25米5MHz。BiSS‐C协议帧的初始时钟用于启动编码器内部采样电路，采样后的信号经过补偿和游标解算形成绝对值编码。绝对值编码在同步时钟的触发下，向数据线移出。绝对值编码生成时刻与初始时钟发出时刻同步并且时间偏差小于1.25us（不考虑线路因素）。这就为的算法优化提供了很好的技术保证，BiSS‐C数字接口的技术优势在需要高速、高增益控制指标的系统中更加明显。
5系统实现
一个完整的绝对式编码器由光源、码盘、狭缝、光电接收阵列及解码电路构成。解码电路包括6路独立的差分增益放大器，每条码道有2路相位相差90°的正弦信号，由硬件完成零偏补偿。补偿后的信号进入A/D进行量化，由软件完成采样值的幅值匹配补偿和相移补偿。校正后的测量值接近理想正弦，通过反正切变换，获得相位角。通过游标解算，最终获得编码器的绝对位置。图4绝对式编码器结构框图
6结论
本文提出了一种基于三码道游标编码的绝对式编码器。三码道游标编码具有刻划简单、便于装调，分辨率高，适于产业化推广等优点。本文对编码原理进行了说明，并给出了编码过程；对细分电路进行了说明，给出了误差公式，对数字通信接口进行了说明；给出了编码功能框图，实践证明通过相位调制，有效提高了码盘的编码密度，减少了码道数量，从而对实现绝对式编码器的小型化应用有重要意义。
【1】叶盛祥光电位移精密测量技术[M].成都.四川科学技术出版社，2003
【2】GeorgeEllis控制系统设计指南:第3版[M].北京.北京电子工业出版，2006
【3】刘长顺、王显军、韩旭东等；八矩阵超小型绝对式光电编码器[J].光学精密工程，2010,18(2),326‐332.
【4】杨鹏;艾华;刘长顺；超小型准绝对式编码器的研制[J];光电工程;2008,35(12)141‐144
【5】陈赟、赵兴国；单圈绝对式光电轴角编码器的研究;光子学报;2008,12
【6】光电编码器技术汇编[M];长春第一光学仪器厂
【7】JoachimQuasdorfPosition/Presence/ProximityTheVernierScaleGoesDigital[J];
www.sensormag.com;
January1,2009
