引言
光電軸角編碼器(以下簡稱光電編碼器)，它是以高精度計量圓光柵為檢測元件，通過光電轉(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，并可與計算機(jī)等控制系統(tǒng)及顯示裝置相連接，實現(xiàn)數(shù)字化測量、控制與顯示。
光電軸編碼器具有較高的性能價格比，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、精度高等優(yōu)點，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，是自動化設(shè)備理想的角度和速度傳感器，它已成為檢測旋轉(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、絕對式與混合式三種，其中增量式編碼器主要用于測量旋轉(zhuǎn)軸速度，絕對式編碼器主要用于測量旋轉(zhuǎn)軸的空間位置，混合式編碼器是增量式編碼器與絕對式編碼器的組合，具備增量編碼器和絕對式編碼器的一些特點。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量旋轉(zhuǎn)軸速度與空間位置的功能。具體光柵圖案見圖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，使用光電編碼器測量角度和長度已經(jīng)是成熟技術(shù)。在進(jìn)行光電編碼器選型時主要從以下幾個方面考慮：
光電編碼器類型;
外形;
分辨率、精度;
信號輸出形式。
光電編碼器類型選擇
光電編碼器通常用于角度測量，并且經(jīng)過機(jī)械裝置轉(zhuǎn)換后也可以進(jìn)行長度的測量，因此光電編碼器在角度和長度測量領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛。
測長度還是測角度;測長度如何通過機(jī)械方式轉(zhuǎn)換;測量范圍是360°以內(nèi)(單圈)，還是超過360°(多圈);轉(zhuǎn)動方向是一個方向旋轉(zhuǎn)循環(huán)工作，還是正反向方向循環(huán)工作;測量速度還是測量角位置，這都是在選擇光電編碼器時需要事先確定的。
角度測速常采用增量式編碼器，其具有體積小、價格低等優(yōu)點，且可以無限累加測量，因此目前增量式編碼器在測速應(yīng)用方面仍處于無可取代的主流位置。增量式編碼器在轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)裝置來計算速度和位置。當(dāng)編碼器斷電時，依靠計數(shù)裝置的內(nèi)部記憶來保存位置，因此斷電后，編碼器不能有任何轉(zhuǎn)動。當(dāng)再次通電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有脈沖干擾，否則，計數(shù)裝置記憶的零點就會偏移，而且這種偏移量是不確定的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能發(fā)現(xiàn)。解決這個問題的方法是增加參考點，編碼器每經(jīng)過參考點，用參考標(biāo)記修正計數(shù)裝置的計數(shù)值。在經(jīng)過參考點以前，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的操作步驟。這樣的操作對有些工控項目比較麻煩，甚至有些項目不允許開機(jī)尋找參考點，并且對位置、零位有嚴(yán)格要求，則這樣的項目就應(yīng)該選用絕對式編碼器。
絕對式編碼器輸出代碼具有位置唯一性(單圈或多圈)，經(jīng)過后續(xù)控制系統(tǒng)進(jìn)行運算后不僅可以測位置也可以測速。絕對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，在編碼器的每一個位置，通過讀取每條刻線的亮、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位絕對式編碼器。絕對式編碼器輸出角度信息由光柵碼盤機(jī)械位置決定，因此每個位置具有唯一性，它無需記憶，無需找參考點，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)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。
絕對式編碼器又分為單圈絕對式編碼器和多圈絕對式編碼器。
當(dāng)編碼器主軸轉(zhuǎn)動超過360°時，角度編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼的唯一原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍在360°以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對式編碼器。
如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360°角度范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。運用鐘表齒輪的傳動原理，當(dāng)主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤(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)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對式編碼器就稱為多圈絕對式編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復(fù)，且無需記憶。多圈絕對式編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應(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)、實心軸(通過軟性聯(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。現(xiàn)場條件惡劣的，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。
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，對測速裝置的要求比較高，通常應(yīng)滿足：
分辨率。分辨率表征測量裝置對轉(zhuǎn)速變化的敏感度，當(dāng)測量數(shù)值改變，對應(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，說明測量裝置對轉(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，使電動機(jī)在盡可能低的速度下運行，必須有很高的分辨率。
精度。精度表示偏離實際值的百分比，即當(dāng)實際轉(zhuǎn)速為n時測速精度為：
影響測速精度的因素有：測速原件的制造誤差、安裝誤差及對脈沖計數(shù)時總有的±1個脈沖的誤差。
檢測時間。所謂檢測時間，即連續(xù)兩次速度采樣的間隔時間t，t愈短愈有利于實現(xiàn)快速響應(yīng)。
信號輸出形式
編碼器信號輸出的電路結(jié)構(gòu)形式常見有推挽輸出、電壓輸出、集電極開路(oc門)輸出、長線驅(qū)動器輸出等。其輸出方式應(yīng)和控制系統(tǒng)的接口電路相匹配。根據(jù)編碼器輸出信號關(guān)系可分為方波信號輸出、正弦信號輸出、并行格雷碼輸出、并行二進(jìn)制輸出、串行輸出等。
對增量式編碼器，其輸出信號一般為互差90°電角度的信號和參考標(biāo)記信號，信號線較少。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。輸出帶反向信號的抗干擾要好一些，即輸出a+、a-，b+、b-，z+、z-信號，每路同相和反相信號在電纜中的傳輸是對稱的，可以抑制共模干擾。對于長距離傳輸，一般選擇帶驅(qū)動器輸出，由于驅(qū)動器具有差分功能，能夠更好抑制長線傳輸干擾。
對于絕對式編碼器，其輸出為絕對角度信息(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高低電平輸出，以代表角度代碼的1或0，對于位數(shù)不高的絕對式編碼器，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、連接簡單。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線驅(qū)動器輸出。
但是并行輸出有如下問題：
盡量使用格雷碼。格雷碼在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時，只有一個數(shù)位發(fā)生變化，大大地減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆。如果采用二進(jìn)制碼，在數(shù)據(jù)刷新時可能有多位變化，讀數(shù)會在短時間里造成錯碼，這就需要有相應(yīng)電路來判斷然后讀取角度數(shù)據(jù);
所有接口必須確保連接好，如有個別連接不良，將造成錯碼;
傳輸距離較近，一般在10米以內(nèi)，對于復(fù)雜環(huán)境，需要有隔離;
由于位數(shù)較多，因此信號線多，故障點增加。
串行輸出就是通過約定，在時間上有先后的數(shù)據(jù)輸出，同時對每一個數(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
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)品也將在測控領(lǐng)域占領(lǐng)更大的市場。
本文綜述了增量式、絕對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，同時歡迎批評指正。
