旋轉式光電編碼器的設計動向

光電編碼器是機械運動控制中測量轉動物體位置（角度）與速度的傳感器，它有旋轉式與直線式兩種，其中旋轉式光電編碼器由于精度高、安裝方便，已獲得廣泛應用。隨著運動控制產品的快速發(fā)展，我國對高精度的編碼器需求大，但主要依靠進口。目前，活躍在我國編碼器市場上的主要是外商，如德國的海德漢（Heidenhain）、梅爾(Meyle)、倍加福(P+F)、圖爾克（Turck），美國（GPI）,日本多摩川，英國雷尼紹（Renishaw）,韓國（Metronix）、奧托尼克斯（Autonics）,瑞士堡盟（Baumer）,土耳其（OPKON）,以及我國的中達電通等?？v觀近幾年來旋轉式光電編碼器的發(fā)展，其設計動向列舉以下4方面進行闡述。

第一，設計新產品。首先是發(fā)展基型產品，上述編碼器廠商先以設計、生產增量式編碼器和單圈絕對式旋轉編碼器居多，近年來隨著應用領域的拓展，設計多圈絕對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位編碼信號的單圈絕對式編碼器，具有磁極定位功能，在用于伺服運動控制時，能快速檢測伺服電機轉子磁極位置角，特別對大功率伺服電機既能提高初始化的定位精度，又可使伺服電機提高輸出力矩，同時對位置控制和速度計算也都極為方便。其次是設計專用產品。例如，中達電通（臺達集團）設計了CNC專用增量式編碼器和伺服電機專用型編碼器，新推出CNC主軸專用的CS7系列編碼器，設計的結構緊湊、外型小巧，分辨率為1024p/r，采用線驅動輸出，轉速提升到8000r/min,從而可配合機床行業(yè)主軸的高轉速，信號輸出的頻率響應為300KHZ,可提高數控系統(tǒng)的整體響應速度，以達到高精度控制的要求。宜科（天津）電子公司設計了電梯專用編碼器和重工業(yè)用的重載型增量式編碼器，后者據稱采用最新的歐洲電氣和機械設計技術，使其可承受最大軸向負荷為80N、最大徑向負荷150N,最大轉速為6000r/min,軸承壽命達109轉，工作溫度20~90℃。倍加福針對我國風力發(fā)電的巨大潛在市場，設計了風力發(fā)電用的編碼器。倍加福、圖爾克等還設計了防爆型編碼器，有了3類產品：（1）EExd隔爆型，這類編碼器設計的外殼堅固，若有可然性氣體進入編碼器內被電火花點燃產生爆炸，其火焰被限制在機殼內，不危機外部環(huán)境安全；（2）EExi本安型，這種編碼器的設計是限制電路的電流與電壓，使電路產生的任何火花或熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境；（3）EExna無火花型，這是最新的防爆技術，用這種技術設計的編碼器在正常運行時不產生火花和電弧，從而保證環(huán)境安全。

第二，優(yōu)化產品結構。旋轉式光電編碼器由光路、電路與機械3部分組成，編碼器生產廠非常注重這3部分的設計與制作。

（1）光路系統(tǒng)：一是光源采用放光二級管LED，設計光聚焦系統(tǒng)，使LED發(fā)射的光成為平行光束，垂直地照射到旋轉碼盤（動光柵）與固定碼盤（定光柵）上，穿過這兩個碼盤上透光縫隙的光被光敏二極管吸收后輸出模擬電信號給轉換電路進行信號處理。由于光路系統(tǒng)對煙霧、塵埃、水蒸氣、機械振動等很敏感，所有一般都設計嚴密的防護措施，目前光學旋轉編碼器設計的防護等級最高為IP65左右，最高工作溫度85℃左右。二是碼盤材質的選用，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，可制作經濟型的。碼盤上的光柵一般用沉積很薄的刻線（如在玻璃碼盤上）、機械刻劃或光刻法制作。三是光柵的設計，增量式與絕對式完全不同。增量（正交）式編碼器：在旋轉碼盤邊緣部分徑向設計有許多均勻分布的透光縫隙，他們的寬度與間距相等，其設計透光縫隙的多少與加工質量將直接影響編碼器的測量精度；在固定碼盤上有A、B、Z三條縫隙（轉動碼盤有一條縫隙與Z相對應），A、B使輸出兩路正交（電角度相差90°）的方波脈沖信號，經計算用于測得電機的轉速、位置（角度）和轉向判別；Z相信號用作參考零位，每轉發(fā)出一個脈沖用于電機轉子定位、累計轉數。絕對型編碼器：n位絕對型編碼器在旋轉碼盤上就設計有n條同心圓碼道，碼型采用格雷（GRAY）碼設計，即從碼盤邊緣向中心的n條碼道上，透光的扇形區(qū)數目按20、21、222n-1設計、制作；固定碼盤上只有徑向一條透光縫隙，其背后對應每一碼道有一光敏二極管，輸出的n位數字碼（格雷碼可轉換成二進制碼或BCD碼）代表轉軸某一時刻的絕對位置，特別適用于監(jiān)測上電和掉電期間的轉軸位置。這種編碼器，一般廠商設計碼型時之所以采用格雷碼，是因其兩個相鄰數之間只有一個數位發(fā)生變化，誤差??；若用二進制碼型，雖其設計簡單，但制作、安裝要求十分嚴格，否則易出現(xiàn)兩位數誤差。

(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電平較低，波形也不規(guī)則，為了進行控制、信息處理與遠傳，須經轉換電路發(fā)大、整形。以前轉換電路設計采用分立元件，零部件多、結構復雜、價貴?，F(xiàn)在已有不少廠商如倍加福等將主電路集成到一片專用集成電路（ASIC）上，采用ASIC設計，不僅抗干擾、耐環(huán)境條件變化、提高檢測精度與速度，而且由于零部件減少、結構緊湊簡單，使絕對編碼器的價格下降，據介紹，一般比老型號約降價20％多。輸出電路形式有多種，Metronix等公司設計了五種類型：集電極開路輸出，電壓輸出，推挽式輸出，線驅動輸出，互補型輸出。為了降低噪音干擾，提高輸出的可靠性，可用推挽式或互補型輸出；當需要長距離傳輸時，可用線驅動輸出或互補型輸出。在實際應用中，有點機器或生產線上需用幾十臺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計了設定編碼器地址的開關，便于上位控制器隨時、準確地向該編碼器讀取信息。

（3）機械部分：隨著伺服電機轉速的不斷提高，編碼器設計時一般均考慮能承受的最高轉速，目前一般最高轉速為6000r/min,而圖爾克的編碼器為12000r/min,凸顯其軸與軸承散熱設計的優(yōu)化技術。一般編碼器采用不銹鋼軸和高精度的軸承，軸有實心、中空與貫穿型， 便于應對各種應用需求。編碼器殼體一般采用高強度鋁材（OPKON公司采用氧極氧化鋁）。

此外，在優(yōu)化產品結構設計時，一般廠商還特別關注小型化、輕量化與密封性。例如軸端與輸出電纜連接處是兩個密封的薄弱環(huán)節(jié)，宣科（天津）公司在軸端采用高級油封，倍加福在電纜連接處的密封設計達到防護等級IP67。

第三，不斷提高分辨率。在數控應用領域，提高編碼器的分辨率一直是市場競爭的焦點。例如，日本FANUC公司精心設計的2iA編碼器分辨率高達16000000p/r，這使伺服電機運動非常平滑，為伺服系統(tǒng)實現(xiàn)納米插補功能的納米控制創(chuàng)造了條件，所謂“納米控制”是伺服系統(tǒng)檢測分辨率為1m時，插補分辨率可以提高至1nm,這就能大大提高數控機床的加工精度。目前，提高分辨率的方法，一是加大碼盤直徑，增加光柵的條紋；二是由伺服驅動器內基于DSP的編碼器接口電路對增量式編碼器輸出的A、B兩路矩形波脈沖信號進行前沿和后沿的檢測，以提高2倍或4倍分辨率；三是也可對增量式編碼器輸出的正弦信號進行電子內插，以較低的成本得到較高的分辨率?，F(xiàn)在，美國GPI公司還專門設計了HR2A增量式編碼器電子學細分模塊，可獲得1～20倍于編碼器刻線的脈沖數，再經4倍頻可獲得80倍的脈沖數。

第四，多樣化的信號傳輸與接口設計。絕對型編碼器的輸出可以是并行的，也可以是串行的。對于為數不多的絕對式光電編碼器一般適用并行輸出，這樣接口電路簡單，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、高精度的編碼器多采用串行輸出?？捎糜诰幋a器的串行總線有專用總線與通用總線，專用總線與接口如一般編碼器設計采用的SSI（同步串行接口）、BISS(雙向數字傳感器接口)、DRIVE-CLIQ(西門子專用)、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)在設計采用現(xiàn)場總線與實時以太網將成趨勢，如倍加福、堡盟等公司設計的編碼器采用了AS-i、CANopen、DeviceNet、Profibus DP等現(xiàn)場總線和POWERLINK、PROFINET、EtherCAT等實時以太網。

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