為您解讀三種絕對值編碼器的工作原理

由于編碼器是碼盤式傳感器的核心部件，只要了解編碼器的原理及應(yīng)用，就能正確地掌握和使用碼盤式傳感器。鑒于此，今天為大家重點介紹編碼器的基本類型之一——角度數(shù)字編碼器中的絕對值編碼器的工作原理。


編碼器能把角位移或線位移經(jīng)過簡單的轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，所以相應(yīng)的編碼器分為角度數(shù)字編碼器和直線位移編碼器?，F(xiàn)代的編碼器比目前同樣尺寸的任何模式傳感器都具有更高的分辨率、更好的可靠性和更高的精度。由編碼器制作的碼盤式傳感器，其分辨率取決于碼道的多少。目前，已能生產(chǎn)出提供20位或21位的二進(jìn)制輸出的編碼器。

角度數(shù)字編碼器碼盤的材料根據(jù)與之配套的敏感元件不同而不同。碼盤的內(nèi)孔由安裝于被測軸的軸徑所決定，碼盤的外徑由碼盤上的碼道數(shù)決定，而碼道的數(shù)目由分辨率決定。如若碼道數(shù)目為n，則分辨率為1/2n。碼道的寬度由敏感元件的幾何參數(shù)和物理特性決定。角度數(shù)字編碼器有兩種基本類型：絕對值編碼器和增量式編碼器。

絕對值編碼器

絕對值編碼器能給出與每個角位置相對應(yīng)的完整的數(shù)字量輸出。由單個碼盤組成的絕對值編碼器，所測的角位移范圍為0?360°。若要測量大于360°的角位移或者軸的轉(zhuǎn)數(shù)，需要多個碼盤。因為單個碼盤組成的絕對編碼器在某一位置輸出的二進(jìn)制碼與它旋轉(zhuǎn)n×360°后到達(dá)原先位置輸出的二進(jìn)制碼是一樣的（n=碼道數(shù)）。換句話說，碼盤和與之相連的軸，在上述情況下認(rèn)為位置是一樣的。所以該種編碼器輸出的是“位置參數(shù)”。由于碼盤式傳感器由敏感元件和碼盤所組成，所以對采用不同的敏感元件，碼盤的制造和形式也不同。下圖示出了三種典型的絕對軸編碼盤。最常用的絕對值編碼器有接觸編碼器、光學(xué)編碼器和磁性編碼器。


接觸編碼器

接觸編碼器的特點是敏感元件-——電刷和碼盤直接接觸。簡單的接觸編碼器，電刷的數(shù)目和碼道數(shù)目一致。每個電刷和一根單獨的導(dǎo)線相連，作為某一位邏輯電平“1”或“0”的輸出。

這種編碼器對碼盤和電刷的制造和安裝有一定的要求。

對碼盤的要求

接觸式編碼器的碼盤基體是個絕緣體。碼道是一組同心圓。碼道的數(shù)目根據(jù)分辨率決定。同心圓環(huán)的徑向距離即是碼道寬。根據(jù)分辨率1/2n（n為碼道數(shù)），計算出每周的分辨角度360°/2n以這個角度為間隔，在一周可產(chǎn)生2n個扇形區(qū)，這樣由正交的極坐標(biāo)曲線族就可以得到2n組扇形網(wǎng)格。根據(jù)二進(jìn)制數(shù)的規(guī)律，某位為“1”，則對應(yīng)碼道的相應(yīng)小網(wǎng)格，也應(yīng)為高電平，即是導(dǎo)電區(qū)；相反是低電平，即非導(dǎo)電區(qū)。這樣，每一組扇區(qū)對應(yīng)一個二進(jìn)制數(shù)。一般外軌道是低位，內(nèi)軌道是高位。為了供電，需要另加一個供電碼道，并與供電電刷相連。所有碼區(qū)的導(dǎo)電區(qū)與供電碼道相連，如上圖（a）所示。

為了提高碼盤的制造精度，制造碼盤時，先要繪制一張比實際碼盤大若干倍的標(biāo)準(zhǔn)碼盤圖，根據(jù)各組碼數(shù)，涂出導(dǎo)電區(qū)，然后照相、縮小，制成和實際碼盤一樣大的版，再經(jīng)顯影電鍍就得到了可實際應(yīng)用的碼盤。

對編碼器的安裝要求

接觸式編碼器的主要組成部分是碼盤和電刷，它們的安裝直接影響編碼器的精度。碼盤安裝時，要求碼盤的中心孔和被測體剛性連接，同心度要好，并且碼盤要和被測軸垂直。這樣就避免了在旋轉(zhuǎn)過程中某個軌道的電刷在相鄰軌道間跳動。

電刷是由金屬絲組成的，安裝時既要保證每個電刷與相應(yīng)碼道精確對應(yīng)，又要使所有的電刷在同一直線上。

提高編碼器精度的途徑

直接二進(jìn)制碼盤雖然簡單，但是對碼盤的制作和安裝要求很嚴(yán)格，否則容易出錯。例如，下圖所示的4位二進(jìn)制碼盤，當(dāng)電刷由h（0111）向位置i（1000）過渡時，本來是7變?yōu)?，但若電刷進(jìn)入導(dǎo)電區(qū)的先后有差別，就可能岀現(xiàn)8?15之間的任一十進(jìn)制數(shù)，造成的誤差可能相當(dāng)大。為了解決這一問題，通常采用的方法之一是應(yīng)用循環(huán)碼盤。


循環(huán)碼盤的特點是相鄰的兩組數(shù)碼之間只有一位是變化的。因此，即使制作和安裝不準(zhǔn)，產(chǎn)生的誤差最多也只是最低位的一個位。4位循環(huán)碼盤如下圖所示。


設(shè)R為循環(huán)碼，C為二進(jìn)制碼，則由二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成循環(huán)碼的規(guī)律為


一般形式為


它表示將某個二進(jìn)制碼右移一位并舍去末位碼，然后與原二進(jìn)制碼作不進(jìn)位加法，即得循環(huán)碼。

同樣可導(dǎo)出由循環(huán)碼轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制碼的關(guān)系式為


循環(huán)碼轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制碼可由邏輯電路實現(xiàn)。下圖是4位并行循環(huán)碼-二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，但是所需元件多。


對于轉(zhuǎn)換速度不高的，可采用下圖所示的串行轉(zhuǎn)換器。它是由與非門組成的不進(jìn)位加法器和 JK 觸發(fā)器構(gòu)成。


解決直接二進(jìn)制碼可能產(chǎn)生較大誤差的另外一種辦法是掃描法。廣泛應(yīng)用的有V掃描法、U掃描法和M掃描法。這些方法的特點是最低位碼道上安裝一個電刷，其他高位碼道上安裝兩個電刷。一個電刷放在被測位置的前邊，稱超前電刷；另一個電刷放在被測位置的后邊，稱為滯后電刷。如果最低位碼道有效位的增量寬度為x，則高位電刷對應(yīng)的距離依次為1x，2x，4x和8x等。這樣在每個確定的位置，最低位電刷的輸出電平反映了它真正的值，而高位碼道由于有兩個電刷，就會輸出兩種電平。為了讀出反映該位置的高位二進(jìn)制碼對應(yīng)的電平值，必須在某個軌道上電刷對真正輸出是“1”的時候，高一級軌道上的真正輸出要從滯后電刷讀出；如果某個軌道上電刷對真正輸出是“0”的時候，由于最低位軌道只有一個電刷，它的電刷輸出代表此真正的位置，這樣較高級軌道的真正輸出就能以此為基礎(chǔ)正確讀出。這就是V掃描法。V掃描的電刷布置和掃描邏輯見下圖。


這種方法的原理在于直接運(yùn)用二進(jìn)制碼的特點。由于二進(jìn)制碼是從最低位逐級進(jìn)位的，那么最低位變化最快，高位變化逐漸減慢。當(dāng)某一組二進(jìn)制碼的第i位是“1”的時候，該組碼的第i+1位和前組碼的i+1位狀態(tài)是一樣的，故該組碼的第i+1位的真正輸出要從滯后電刷讀出；相反，當(dāng)某一組二進(jìn)制碼的第i位是“0”的時候，該組碼的第i+1位和后組碼的第i+1位狀態(tài)是一樣的，故該組碼的第i+1位的輸出要從超前電刷讀出。這可以從任一個二進(jìn)制的數(shù)碼表中得到證實。

提高分辨率的途徑

為了提高分辨率，可以采用幾個碼盤通過機(jī)械傳動裝置連成一起的碼盤組。這是因為靠增加單個碼盤的碼道來提高分辨率有時要受到安裝和敏感元件的限制。利用傳動比變化的機(jī)械裝置把幾個分辨率一般的碼盤和相應(yīng)的電刷安裝在一起，則可大大提高分辨率，而且可以用來測定轉(zhuǎn)速。這一點單個絕對編碼器是做不到的。當(dāng)傳動比大于1時，可用于測轉(zhuǎn)速；當(dāng)傳動比小于1時，可用于測量角位移。分辨率的提高和傳動比有關(guān)。自然，其精度也就和機(jī)械傳動精度有關(guān)。這里的機(jī)械傳動起“放大”和“縮小”的作用。


光學(xué)編碼器

光學(xué)編碼器由光源、碼盤和光電敏感元件所組成。

基本的光學(xué)編碼器如下圖所示。


碼盤

光學(xué)編碼器的碼盤是在一個基體上形成透明和不透明的碼區(qū)，類似于接觸編碼盤上的導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)。

其制成方法也是利用一個精密加工出來的碼盤通過照相，生產(chǎn)出使用的碼盤。光學(xué)編碼器除了要求在透明區(qū)和不透明區(qū)的轉(zhuǎn)接處有較高的精度外，還要求轉(zhuǎn)接處有陡峭的邊緣，否則在敏感元件中會引起噪聲。雖然利用V掃描法也可以提高輸出精度，但是相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，故不經(jīng)濟(jì)，所以碼盤多用循環(huán)碼盤。

光源

光源是光學(xué)編碼器的重要組成部件之一，而且是光學(xué)編碼器最經(jīng)常發(fā)生故障的根源。對光源的選擇應(yīng)當(dāng)考慮以下幾點：第一，光源的光譜要和光電敏感元件相適應(yīng)。因為光電元件都有自己的光譜特性。國內(nèi)常用的光電元件大多數(shù)對紅外線敏感，故光源多用白熾燈泡和發(fā)光二極管。第二，要考慮光源的工作溫度范圍。因為光源的輸出功率和溫度有關(guān)，下圖是作為工作溫度函數(shù)的白熾燈、發(fā)光二極管以及通常的光電管敏感元件的相對性能對比圖。


可以看出，白熾燈-光電管組合的溫度范圍（－40?130℃）比發(fā)光二極管-光電管組合（－40?100℃）更寬。第三，為了減少故障，應(yīng)當(dāng)考慮燈泡的壽命。一般來說，發(fā)光二極管的壽命比白熾燈泡要長，也能在較為惡劣的條件下工作。

下圖是白熾燈泡和發(fā)光二極管的壽命特性比較。提高白熾燈泡壽命的辦法之一是讓它工作在額定電壓之下。


另外，為了盡可能減小光噪聲的影響，在光路中要加入透鏡和狹縫裝置。狹縫不能太窄，要保證所有軌道的光電敏感元件的敏感區(qū)都處在狹縫內(nèi)。

光電敏感元件

光電敏感元件可采用光電二極管、光電三極管或硅光電池。使用硅光電池時，輸出一般為10?20mV。為了產(chǎn)生希望的邏輯電平，需要后接放大器，而且每個軌道需接一個。放大器通常是由一個集成差動高增益運(yùn)算放大器組成的，其作用類似一個施密特觸發(fā)器。因此，需要輸入一個預(yù)置觸發(fā)電平，這個預(yù)置觸發(fā)電平單獨用一個敏感元件掃描一個完全清晰的軌道來產(chǎn)生，稱為監(jiān)控器電平，它輸入到所有數(shù)據(jù)軌道的放大器中。這樣可以克服光源照度變化和電源電平變化產(chǎn)生的輸出電平的漂移。

下圖是光電管放大器電路


光學(xué)編碼器和接觸式編碼器相比，壽命較長，但成本也高。

磁性編碼器

磁性編碼器應(yīng)用了電磁感應(yīng)的原理。它是在各碼道的碼區(qū)進(jìn)行磁化處理。一般用磁化區(qū)表示邏輯“0”，非磁化區(qū)表示邏輯“1”。

敏感元件是小磁環(huán)。每個環(huán)上繞有兩個線圈，磁環(huán)和碼道靠近，但不接觸。一個線圈通以恒幅、恒頻的交流電，稱為詢問繞組；另一個線圈用來感受碼盤上是否有磁場，稱為讀出線圈或輸出繞組。

當(dāng)詢問繞組被激勵時，輸岀繞組產(chǎn)生同頻的信號，但其幅度和兩繞組的匝數(shù)比有關(guān)，也與磁環(huán)附近有無磁場有關(guān)。當(dāng)磁環(huán)對準(zhǔn)磁化區(qū)時，磁路就會飽和，輸出電壓就會很低；如果對準(zhǔn)一個非磁化區(qū)，它就像一個變壓器，輸出電壓就會很高，輸出信號是由碼區(qū)的邏輯狀態(tài)所調(diào)制妁調(diào)幅信號，因此必須進(jìn)一步將其解調(diào)并整形成方波輸出。
      

磁性編碼器的原理圖和輸出信號的特點

磁性編碼器工作比較可靠，能在比接觸式編碼器寬得多的環(huán)境條件范圍內(nèi)工作。但是由于需要磁環(huán)元件、詢問電路和解調(diào)電路，成本比接觸式高。