引言

　　光電軸角編碼器(以下簡(jiǎn)稱光電編碼器)，它是以高精度計(jì)量圓光柵為檢測(cè)元件，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換及相應(yīng)硬件處理電路將輸入的角位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字代碼，并可與計(jì)算機(jī)等控制系統(tǒng)及顯示裝置相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量、控制與顯示。

　　光電軸編碼器具有較高的性能價(jià)格比，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀和高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，是自動(dòng)化設(shè)備理想的角度和速度傳感器，它已成為檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度和線性位置的最為重要的手段之一。

　　本文主要介紹光電編碼器的選型原則。

　　光電編碼器類型簡(jiǎn)介

　　光電編碼器按所使用的光學(xué)碼盤圖案通常分為增量式、絕對(duì)式與混合式三種，其中增量式編碼器主要用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸速度，絕對(duì)式編碼器主要用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的空間位置，混合式編碼器是增量式編碼器與絕對(duì)式編碼器的組合，具備增量編碼器和絕對(duì)式編碼器的一些特點(diǎn)。光電編碼器后端加入處理芯片之后，三種光電編碼器都具有測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸速度與空間位置的功能。具體光柵圖案見(jiàn)圖1～圖3，其原理已有很多文章介紹，這里不再贅述。

　　光電編碼器選型原則

　　目前，使用光電編碼器測(cè)量角度和長(zhǎng)度已經(jīng)是成熟技術(shù)。在進(jìn)行光電編碼器選型時(shí)主要從以下幾個(gè)方面考慮：

　　光電編碼器類型;

　　外形;

　　分辨率、精度;

　　信號(hào)輸出形式。

　　光電編碼器類型選擇

　　光電編碼器通常用于角度測(cè)量，并且經(jīng)過(guò)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)換后也可以進(jìn)行長(zhǎng)度的測(cè)量，因此光電編碼器在角度和長(zhǎng)度測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛。

　　測(cè)長(zhǎng)度還是測(cè)角度;測(cè)長(zhǎng)度如何通過(guò)機(jī)械方式轉(zhuǎn)換;測(cè)量范圍是360°以內(nèi)(單圈)，還是超過(guò)360°(多圈);轉(zhuǎn)動(dòng)方向是一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)循環(huán)工作，還是正反向方向循環(huán)工作;測(cè)量速度還是測(cè)量角位置，這都是在選擇光電編碼器時(shí)需要事先確定的。

　　角度測(cè)速常采用增量式編碼器，其具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，且可以無(wú)限累加測(cè)量，因此目前增量式編碼器在測(cè)速應(yīng)用方面仍處于無(wú)可取代的主流位置。增量式編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過(guò)計(jì)數(shù)裝置來(lái)計(jì)算速度和位置。當(dāng)編碼器斷電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)裝置的內(nèi)部記憶來(lái)保存位置，因此斷電后，編碼器不能有任何轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)再次通電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過(guò)程中，也不能有脈沖干擾，否則，計(jì)數(shù)裝置記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，而且這種偏移量是不確定的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能發(fā)現(xiàn)。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)，用參考標(biāo)記修正計(jì)數(shù)裝置的計(jì)數(shù)值。在經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。因此，在工業(yè)控制中有每次操作先找參考點(diǎn)的操作步驟。這樣的操作對(duì)有些工控項(xiàng)目比較麻煩，甚至有些項(xiàng)目不允許開機(jī)尋找參考點(diǎn)，并且對(duì)位置、零位有嚴(yán)格要求，則這樣的項(xiàng)目就應(yīng)該選用絕對(duì)式編碼器。

　　絕對(duì)式編碼器輸出代碼具有位置唯一性(單圈或多圈)，經(jīng)過(guò)后續(xù)控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算后不僅可以測(cè)位置也可以測(cè)速。絕對(duì)式編碼器光柵碼盤上有許多條刻線，每條刻線依次以2線、4線、8線、16線……排列，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過(guò)讀取每條刻線的亮、暗，獲得一組從20～2n-1的唯一的二進(jìn)制編碼(格雷碼)，這就稱為n位絕對(duì)式編碼器。絕對(duì)式編碼器輸出角度信息由光柵碼盤機(jī)械位置決定，因此每個(gè)位置具有唯一性，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，不受斷電、干擾的影響。所以，光電編碼器的抗干擾性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。由于絕對(duì)式編碼器在位置定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于工控定位中。

　　絕對(duì)式編碼器又分為單圈絕對(duì)式編碼器和多圈絕對(duì)式編碼器。

　　當(dāng)編碼器主軸轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360°時(shí)，角度編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)編碼的唯一原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍在360°以內(nèi)的測(cè)量，稱為單圈絕對(duì)式編碼器。

　　如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360°角度范圍，就要用到多圈絕對(duì)式編碼器。運(yùn)用鐘表齒輪的傳動(dòng)原理，當(dāng)主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤(或多組齒輪、多組碼盤)，在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)式編碼器就稱為多圈絕對(duì)式編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，且無(wú)需記憶。多圈絕對(duì)式編碼器在長(zhǎng)度定位方面的優(yōu)勢(shì)明顯，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于工控定位中。

　　光電編碼器機(jī)械外形選擇

　　光電編碼器機(jī)械外形選擇主要包括以下幾方面：

　　軸的連接形式：空心軸(軸套型連接)、實(shí)心軸(通過(guò)軟性聯(lián)軸器連接);

　　軸徑;

　　定位止口，安裝孔位;

　　電纜出線方式;

　　安裝空間體積;

　　工作環(huán)境防護(hù)等級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣的，必須使用金屬光柵的旋轉(zhuǎn)編碼器，通常金屬光柵每圈脈沖數(shù)一般不大于1000個(gè)。

　　光電編碼器分辨率、精度選擇

　　在閉環(huán)控制的pwm伺服系統(tǒng)中，對(duì)測(cè)速裝置的要求比較高，通常應(yīng)滿足：

　　分辨率。分辨率表征測(cè)量裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化的敏感度，當(dāng)測(cè)量數(shù)值改變，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，則分辨率q定義為

　　q=n2-n1 (r/min) (1)

　　q值愈小，說(shuō)明測(cè)量裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化愈敏感，亦即其分辨率愈高。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，使電動(dòng)機(jī)在盡可能低的速度下運(yùn)行，必須有很高的分辨率。

　　精度。精度表示偏離實(shí)際值的百分比，即當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速為n時(shí)測(cè)速精度為：

　　影響測(cè)速精度的因素有：測(cè)速原件的制造誤差、安裝誤差及對(duì)脈沖計(jì)數(shù)時(shí)總有的±1個(gè)脈沖的誤差。

　　檢測(cè)時(shí)間。所謂檢測(cè)時(shí)間，即連續(xù)兩次速度采樣的間隔時(shí)間t，t愈短愈有利于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

　　信號(hào)輸出形式

　　編碼器信號(hào)輸出的電路結(jié)構(gòu)形式常見(jiàn)有推挽輸出、電壓輸出、集電極開路(oc門)輸出、長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器輸出等。其輸出方式應(yīng)和控制系統(tǒng)的接口電路相匹配。根據(jù)編碼器輸出信號(hào)關(guān)系可分為方波信號(hào)輸出、正弦信號(hào)輸出、并行格雷碼輸出、并行二進(jìn)制輸出、串行輸出等。

　　對(duì)增量式編碼器，其輸出信號(hào)一般為互差90°電角度的信號(hào)和參考標(biāo)記信號(hào)，信號(hào)線較少。在距離較近的情況下，可以選擇電壓輸出、推挽輸出或集電極開路輸出。輸出帶反向信號(hào)的抗干擾要好一些，即輸出a+、a-，b+、b-，z+、z-信號(hào)，每路同相和反相信號(hào)在電纜中的傳輸是對(duì)稱的，可以抑制共模干擾。對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸，一般選擇帶驅(qū)動(dòng)器輸出，由于驅(qū)動(dòng)器具有差分功能，能夠更好抑制長(zhǎng)線傳輸干擾。

　　對(duì)于絕對(duì)式編碼器，其輸出為絕對(duì)角度信息(多位格雷碼或二進(jìn)制碼)，輸出形式可以采用并行輸出或串行輸出。

　　采用并行方式輸出就是在接口上有多點(diǎn)高低電平輸出，以代表角度代碼的1或0，對(duì)于位數(shù)不高的絕對(duì)式編碼器，一般就直接以此形式輸出角度代碼，可直接進(jìn)入plc或上位機(jī)的i/o接口，輸出即時(shí)、連接簡(jiǎn)單。輸出電路選擇上可以有電壓輸出、推挽輸出、集電極開路輸出或長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器輸出。

　　但是并行輸出有如下問(wèn)題：

　　盡量使用格雷碼。格雷碼在任意兩個(gè)相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化，大大地減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)邏輯的混淆。如果采用二進(jìn)制碼，在數(shù)據(jù)刷新時(shí)可能有多位變化，讀數(shù)會(huì)在短時(shí)間里造成錯(cuò)碼，這就需要有相應(yīng)電路來(lái)判斷然后讀取角度數(shù)據(jù);

　　所有接口必須確保連接好，如有個(gè)別連接不良，將造成錯(cuò)碼;

　　傳輸距離較近，一般在10米以內(nèi)，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境，需要有隔離;

　　由于位數(shù)較多，因此信號(hào)線多，故障點(diǎn)增加。

　　串行輸出就是通過(guò)約定，在時(shí)間上有先后的數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)幀的格式都進(jìn)行規(guī)定，這種約定稱為通訊協(xié)議，其連接的物理形式有rs232、rs422、rs485等。串行輸出連接線少，傳輸距離遠(yuǎn)，一般高位數(shù)的絕對(duì)式編碼器都是采用串行輸出形式。串行通訊格式有些可以與廠家協(xié)商，有些外國(guó)公司產(chǎn)品是統(tǒng)一的，如海德漢公司的ssi接口輸出以及endat接口等。

　　結(jié)語(yǔ)

　　隨著光電軸角編碼器集成化、小型化以及研制的更趨完善，其產(chǎn)品也將在測(cè)控領(lǐng)域占領(lǐng)更大的市場(chǎng)。

　　本文綜述了增量式、絕對(duì)式光電軸編碼器的選型原則，希望能夠?qū)怆娋幋a器在工程中的推廣應(yīng)用起到積極作用，同時(shí)歡迎批評(píng)指正。