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(diǎn)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。現(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(gè)角位置相對應(yīng)的完整的數(shù)字量輸出。由單個(gè)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(gè)碼盤。因?yàn)閱蝹€(gè)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(diǎn)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(gè)電刷和一根單獨(dú)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(gè)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(jì)算出每周的分辨角度360°/2n以這個(gè)角度為間隔，在一周可產(chǎn)生2n個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，先要繪制一張比實(shí)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(shí)際碼盤一樣大的版，再經(jīng)顯影電鍍就得到了可實(shí)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(shí)，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(gè)軌道的電刷在相鄰軌道間跳動(dòng)。

電刷是由金屬絲組成的，安裝時(shí)既要保證每個(gè)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(cuò)。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(shí)，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(diǎn)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(gè)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(gè)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(shí)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(diǎn)是最低位碼道上安裝一個(gè)電刷，其他高位碼道上安裝兩個(gè)電刷。一個(gè)電刷放在被測位置的前邊，稱超前電刷；另一個(gè)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(gè)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(gè)電刷，就會(huì)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(gè)軌道上電刷對真正輸出是“1”的時(shí)候，高一級軌道上的真正輸出要從滯后電刷讀出；如果某個(gè)軌道上電刷對真正輸出是“0”的時(shí)候，由于最低位軌道只有一個(gè)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(diǎn)。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(shí)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(shí)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(gè)二進(jìn)制的數(shù)碼表中得到證實(shí)。

提高分辨率的途徑

為了提高分辨率，可以采用幾個(gè)碼盤通過機(jī)械傳動(dòng)裝置連成一起的碼盤組。這是因?yàn)榭吭黾訂蝹€(gè)碼盤的碼道來提高分辨率有時(shí)要受到安裝和敏感元件的限制。利用傳動(dòng)比變化的機(jī)械裝置把幾個(gè)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(diǎn)單個(gè)絕對編碼器是做不到的。當(dāng)傳動(dòng)比大于1時(shí)，可用于測轉(zhuǎn)速；當(dāng)傳動(dòng)比小于1時(shí)，可用于測量角位移。分辨率的提高和傳動(dòng)比有關(guān)。自然，其精度也就和機(jī)械傳動(dòng)精度有關(guān)。這里的機(jī)械傳動(dòng)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(gè)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(gè)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(huì)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(diǎn)：第一，光源的光譜要和光電敏感元件相適應(yīng)。因?yàn)楣怆娫加凶约旱墓庾V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?yàn)楣庠吹妮敵龉β屎蜏囟扔嘘P(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(shí)，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(gè)軌道需接一個(gè)。放大器通常是由一個(gè)集成差動(dòng)高增益運(yùn)算放大器組成的，其作用類似一個(gè)施密特觸發(fā)器。因此，需要輸入一個(gè)預(yù)置觸發(fā)電平，這個(gè)預(yù)置觸發(fā)電平單獨(dú)用一個(gè)敏感元件掃描一個(gè)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(gè)環(huán)上繞有兩個(gè)線圈，磁環(huán)和碼道靠近，但不接觸。一個(gè)線圈通以恒幅、恒頻的交流電，稱為詢問繞組；另一個(gè)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(lì)時(shí)，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(shí)，磁路就會(huì)飽和，輸出電壓就會(huì)很低；如果對準(zhǔn)一個(gè)非磁化區(qū)，它就像一個(gè)變壓器，輸出電壓就會(huì)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(diǎn)

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。