旋轉(zhuǎn)式光電編碼器的設(shè)計(jì)動(dòng)向

光電編碼器是機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制中測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體位置（角度）與速度的傳感器，它有旋轉(zhuǎn)式與直線式兩種，其中旋轉(zhuǎn)式光電編碼器由于精度高、安裝方便，已獲得廣泛應(yīng)用。隨著運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)高精度的編碼器需求大，但主要依靠進(jìn)口。目前，活躍在我國(guó)編碼器市場(chǎng)上的主要是外商，如德國(guó)的海德漢（Heidenhain）、梅爾(Meyle)、倍加福(P+F)、圖爾克（Turck），美國(guó)（GPI）,日本多摩川，英國(guó)雷尼紹（Renishaw）,韓國(guó)（Metronix）、奧托尼克斯（Autonics）,瑞士堡盟（Baumer）,土耳其（OPKON）,以及我國(guó)的中達(dá)電通等?？v觀近幾年來(lái)旋轉(zhuǎn)式光電編碼器的發(fā)展，其設(shè)計(jì)動(dòng)向列舉以下4方面進(jìn)行闡述。

第一，設(shè)計(jì)新產(chǎn)品。首先是發(fā)展基型產(chǎn)品，上述編碼器廠商先以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)增量式編碼器和單圈絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器居多，近年來(lái)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，設(shè)計(jì)多圈絕對(duì)式編碼器與混合式編碼器增多。如多摩川推出的混合式編碼器，其包含增量式編碼器和輸出24位編碼信號(hào)的單圈絕對(duì)式編碼器，具有磁極定位功能，在用于伺服運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，能快速檢測(cè)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置角，特別對(duì)大功率伺服電機(jī)既能提高初始化的定位精度，又可使伺服電機(jī)提高輸出力矩，同時(shí)對(duì)位置控制和速度計(jì)算也都極為方便。其次是設(shè)計(jì)專(zhuān)用產(chǎn)品。例如，中達(dá)電通（臺(tái)達(dá)集團(tuán)）設(shè)計(jì)了CNC專(zhuān)用增量式編碼器和伺服電機(jī)專(zhuān)用型編碼器，新推出CNC主軸專(zhuān)用的CS7系列編碼器，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)緊湊、外型小巧，分辨率為1024p/r，采用線驅(qū)動(dòng)輸出，轉(zhuǎn)速提升到8000r/min,從而可配合機(jī)床行業(yè)主軸的高轉(zhuǎn)速，信號(hào)輸出的頻率響應(yīng)為300KHZ,可提高數(shù)控系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度，以達(dá)到高精度控制的要求。宜科（天津）電子公司設(shè)計(jì)了電梯專(zhuān)用編碼器和重工業(yè)用的重載型增量式編碼器，后者據(jù)稱(chēng)采用最新的歐洲電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，使其可承受最大軸向負(fù)荷為80N、最大徑向負(fù)荷150N,最大轉(zhuǎn)速為6000r/min,軸承壽命達(dá)109轉(zhuǎn)，工作溫度20~90℃。倍加福針對(duì)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的巨大潛在市場(chǎng)，設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電用的編碼器。倍加福、圖爾克等還設(shè)計(jì)了防爆型編碼器，有了3類(lèi)產(chǎn)品：（1）EExd隔爆型，這類(lèi)編碼器設(shè)計(jì)的外殼堅(jiān)固，若有可然性氣體進(jìn)入編碼器內(nèi)被電火花點(diǎn)燃產(chǎn)生爆炸，其火焰被限制在機(jī)殼內(nèi)，不危機(jī)外部環(huán)境安全；（2）EExi本安型，這種編碼器的設(shè)計(jì)是限制電路的電流與電壓，使電路產(chǎn)生的任何火花或熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境；（3）EExna無(wú)火花型，這是最新的防爆技術(shù)，用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的編碼器在正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生火花和電弧，從而保證環(huán)境安全。

第二，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器由光路、電路與機(jī)械3部分組成，編碼器生產(chǎn)廠非常注重這3部分的設(shè)計(jì)與制作。

（1）光路系統(tǒng)：一是光源采用放光二級(jí)管LED，設(shè)計(jì)光聚焦系統(tǒng)，使LED發(fā)射的光成為平行光束，垂直地照射到旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)（動(dòng)光柵）與固定碼盤(pán)（定光柵）上，穿過(guò)這兩個(gè)碼盤(pán)上透光縫隙的光被光敏二極管吸收后輸出模擬電信號(hào)給轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號(hào)處理。由于光路系統(tǒng)對(duì)煙霧、塵埃、水蒸氣、機(jī)械振動(dòng)等很敏感，所有一般都設(shè)計(jì)嚴(yán)密的防護(hù)措施，目前光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計(jì)的防護(hù)等級(jí)最高為IP65左右，最高工作溫度85℃左右。二是碼盤(pán)材質(zhì)的選用，有玻璃、塑料、不銹鋼，已適合不同的需求，其中玻璃編碼盤(pán)精度高，熱穩(wěn)定性好，但耐振差;塑料與不銹鋼的精度與熱穩(wěn)定稍差，但耐振，塑料成本低，可制作經(jīng)濟(jì)型的。碼盤(pán)上的光柵一般用沉積很薄的刻線（如在玻璃碼盤(pán)上）、機(jī)械刻劃或光刻法制作。三是光柵的設(shè)計(jì)，增量式與絕對(duì)式完全不同。增量（正交）式編碼器：在旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)邊緣部分徑向設(shè)計(jì)有許多均勻分布的透光縫隙，他們的寬度與間距相等，其設(shè)計(jì)透光縫隙的多少與加工質(zhì)量將直接影響編碼器的測(cè)量精度；在固定碼盤(pán)上有A、B、Z三條縫隙（轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤(pán)有一條縫隙與Z相對(duì)應(yīng)），A、B使輸出兩路正交（電角度相差90°）的方波脈沖信號(hào)，經(jīng)計(jì)算用于測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置（角度）和轉(zhuǎn)向判別；Z相信號(hào)用作參考零位，每轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖用于電機(jī)轉(zhuǎn)子定位、累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)。絕對(duì)型編碼器：n位絕對(duì)型編碼器在旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)上就設(shè)計(jì)有n條同心圓碼道，碼型采用格雷（GRAY）碼設(shè)計(jì)，即從碼盤(pán)邊緣向中心的n條碼道上，透光的扇形區(qū)數(shù)目按20、21、222n-1設(shè)計(jì)、制作；固定碼盤(pán)上只有徑向一條透光縫隙，其背后對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏二極管，輸出的n位數(shù)字碼（格雷碼可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼或BCD碼）代表轉(zhuǎn)軸某一時(shí)刻的絕對(duì)位置，特別適用于監(jiān)測(cè)上電和掉電期間的轉(zhuǎn)軸位置。這種編碼器，一般廠商設(shè)計(jì)碼型時(shí)之所以采用格雷碼，是因其兩個(gè)相鄰數(shù)之間只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化，誤差??；若用二進(jìn)制碼型，雖其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但制作、安裝要求十分嚴(yán)格，否則易出現(xiàn)兩位數(shù)誤差。

(2)電路部分：包括編碼器主電路與輸出電路。光敏二極管輸出的信號(hào)電平較低，波形也不規(guī)則，為了進(jìn)行控制、信息處理與遠(yuǎn)傳，須經(jīng)轉(zhuǎn)換電路發(fā)大、整形。以前轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)采用分立元件，零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)貴?，F(xiàn)在已有不少?gòu)S商如倍加福等將主電路集成到一片專(zhuān)用集成電路（ASIC）上，采用ASIC設(shè)計(jì)，不僅抗干擾、耐環(huán)境條件變化、提高檢測(cè)精度與速度，而且由于零部件減少、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，使絕對(duì)編碼器的價(jià)格下降，據(jù)介紹，一般比老型號(hào)約降價(jià)20％多。輸出電路形式有多種，Metronix等公司設(shè)計(jì)了五種類(lèi)型：集電極開(kāi)路輸出，電壓輸出，推挽式輸出，線驅(qū)動(dòng)輸出，互補(bǔ)型輸出。為了降低噪音干擾，提高輸出的可靠性，可用推挽式或互補(bǔ)型輸出；當(dāng)需要長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，可用線驅(qū)動(dòng)輸出或互補(bǔ)型輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，有點(diǎn)機(jī)器或生產(chǎn)線上需用幾十臺(tái)編碼器連接成分布式控制，所以新型的編碼器在電路部分還設(shè)計(jì)了設(shè)定編碼器地址的開(kāi)關(guān)，便于上位控制器隨時(shí)、準(zhǔn)確地向該編碼器讀取信息。

（3）機(jī)械部分：隨著伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高，編碼器設(shè)計(jì)時(shí)一般均考慮能承受的最高轉(zhuǎn)速，目前一般最高轉(zhuǎn)速為6000r/min,而圖爾克的編碼器為12000r/min,凸顯其軸與軸承散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)。一般編碼器采用不銹鋼軸和高精度的軸承，軸有實(shí)心、中空與貫穿型， 便于應(yīng)對(duì)各種應(yīng)用需求。編碼器殼體一般采用高強(qiáng)度鋁材（OPKON公司采用氧極氧化鋁）。

此外，在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般廠商還特別關(guān)注小型化、輕量化與密封性。例如軸端與輸出電纜連接處是兩個(gè)密封的薄弱環(huán)節(jié)，宣科（天津）公司在軸端采用高級(jí)油封，倍加福在電纜連接處的密封設(shè)計(jì)達(dá)到防護(hù)等級(jí)IP67。

第三，不斷提高分辨率。在數(shù)控應(yīng)用領(lǐng)域，提高編碼器的分辨率一直是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。例如，日本FANUC公司精心設(shè)計(jì)的2iA編碼器分辨率高達(dá)16000000p/r，這使伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)非常平滑，為伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)納米插補(bǔ)功能的納米控制創(chuàng)造了條件，所謂“納米控制”是伺服系統(tǒng)檢測(cè)分辨率為1m時(shí)，插補(bǔ)分辨率可以提高至1nm,這就能大大提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。目前，提高分辨率的方法，一是加大碼盤(pán)直徑，增加光柵的條紋；二是由伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)基于DSP的編碼器接口電路對(duì)增量式編碼器輸出的A、B兩路矩形波脈沖信號(hào)進(jìn)行前沿和后沿的檢測(cè)，以提高2倍或4倍分辨率；三是也可對(duì)增量式編碼器輸出的正弦信號(hào)進(jìn)行電子內(nèi)插，以較低的成本得到較高的分辨率?，F(xiàn)在，美國(guó)GPI公司還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了HR2A增量式編碼器電子學(xué)細(xì)分模塊，可獲得1～20倍于編碼器刻線的脈沖數(shù)，再經(jīng)4倍頻可獲得80倍的脈沖數(shù)。

第四，多樣化的信號(hào)傳輸與接口設(shè)計(jì)。絕對(duì)型編碼器的輸出可以是并行的，也可以是串行的。對(duì)于為數(shù)不多的絕對(duì)式光電編碼器一般適用并行輸出，這樣接口電路簡(jiǎn)單，而且通信速率高。但平行輸出需要多芯電纜比串行電纜貴，且傳輸距離受到限制，因此多位數(shù)、高精度的編碼器多采用串行輸出。可用于編碼器的串行總線有專(zhuān)用總線與通用總線，專(zhuān)用總線與接口如一般編碼器設(shè)計(jì)采用的SSI（同步串行接口）、BISS(雙向數(shù)字傳感器接口)、DRIVE-CLIQ(西門(mén)子專(zhuān)用)、ENDAT(海德漢研發(fā)，倍加福、貝加萊、倍福等公司采用)、Hiperface(香港博世力士樂(lè)等公司采用)。通用工業(yè)總線與接口，先前是RS-422/485,現(xiàn)在設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場(chǎng)總線與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)將成趨勢(shì)，如倍加福、堡盟等公司設(shè)計(jì)的編碼器采用了AS-i、CANopen、DeviceNet、Profibus DP等現(xiàn)場(chǎng)總線和POWERLINK、PROFINET、EtherCAT等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。

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