1．概述

在工業(yè)控制領(lǐng)域，編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被廣泛用于各種位移測(cè)量。

目前，應(yīng)用最廣泛的是利用光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的非接觸式光電編碼器。光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字檢測(cè)裝置。作為一次光電傳感檢測(cè)元件的光電編碼器，具有精度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠等顯著的優(yōu)點(diǎn)。按結(jié)構(gòu)形式可分為直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器兩種類型。

 圖l所示為旋轉(zhuǎn)編碼器的基本原理：主軸與兩塊圓光柵盤相連，光射入并通過該光柵時(shí)，分別用兩個(gè)光柵面感光。由于兩個(gè)感光面具有90度的相位差。因此將該輸出輸入數(shù)字加減計(jì)算器，就能以分度值來表示角度。

旋轉(zhuǎn)編碼器主要由光柵、光源、檢讀器、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、機(jī)械傳動(dòng)等部分組成。從光電編碼器的輸出信號(hào)種類來劃分，可分為增量式和絕對(duì)值式兩大類，其中式又分為單圈和多圈兩種。

 2．發(fā)展歷程

 2.1從接近開關(guān)與光電開關(guān)到旋轉(zhuǎn)編碼器

工業(yè)控制中的定位，接近開關(guān)、光電開關(guān)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了，而且很好用。可是，隨著工業(yè)控制的不斷發(fā)展，對(duì)精確定位的要求越來越高，選用旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)就更加突出了。

信息化：除了定位，控制室還知道被控器件的具體位置。

柔性化：定位可以在控制室柔性調(diào)整。

現(xiàn)場(chǎng)安裝的方便、安全和長(zhǎng)壽：拳頭大小的一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測(cè)量從幾個(gè)微米到幾百米的距離，n個(gè)工位。只要解決旋轉(zhuǎn)編碼器的安全安裝問題，就可以避免諸多接近開關(guān)、光電開關(guān)在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械安裝麻煩以及容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問題。由于是光電碼盤，無機(jī)械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長(zhǎng)。

多功能化：除了定位，還可以遠(yuǎn)傳當(dāng)前位置，換算運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于變頻器、步進(jìn)電機(jī)等的應(yīng)用尤為重要。

經(jīng)濟(jì)化：對(duì)于多個(gè)控制工位，只需一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，安裝、維護(hù)、損耗成本降低，使用壽命增長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)化逐漸突顯出來。

 2.2從增量式編碼器到絕對(duì)式編碼器

旋轉(zhuǎn)增量式編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)；當(dāng)來電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。

解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。

在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工業(yè)控制中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開機(jī)找零等方法。比如，打印機(jī)掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機(jī)，都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。這樣的方法對(duì)有些工業(yè)控制項(xiàng)目比較麻煩，甚至不允許開機(jī)找零(開機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置)，于是就有了絕對(duì)編碼器的出現(xiàn)。

絕對(duì)編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼(格雷碼)，這就稱為位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。由于絕對(duì)編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制定位中。

 2.3從單圈絕對(duì)式編碼器到多圈絕對(duì)式編碼器

旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)式編碼器，以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過360°時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360°以內(nèi)的測(cè)量，稱為單圈絕對(duì)式編碼器。

如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過360°范圍，就要用到多圈絕對(duì)式編碼器。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪傳動(dòng)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(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)編碼器就稱為多圈式絕對(duì)編碼器。它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多這樣在安裝時(shí)不需費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度。

多圈式絕對(duì)編碼器在長(zhǎng)度定位方面的優(yōu)勢(shì)明顯，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制定位中。

 3．信號(hào)輸出

編碼器信號(hào)輸出有并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出等輸出形式。

 3.1并行輸出

對(duì)于絕對(duì)編碼器，信號(hào)并行輸出是時(shí)間上數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)出：空間上，每個(gè)位數(shù)的數(shù)據(jù)各占用一根線纜。對(duì)于位數(shù)不高的絕對(duì)編碼器，一般就直接以此形式輸出數(shù)碼，可直接進(jìn)入PLC或上位機(jī)的I／O接口。

這種方式輸出即時(shí)，連接簡(jiǎn)單。但是，對(duì)于位數(shù)較多的絕對(duì)編碼器，有許多芯電纜，由此帶來工程難度和諸多不便、降低了可靠性。因此，在絕對(duì)編碼器多位數(shù)輸出一般不采用并行輸出型，而是選用串行輸出或總線型輸出。

 3.2串行輸出

串行輸出是時(shí)間上數(shù)據(jù)按照約定，有先后輸出；空間上，所有位數(shù)的數(shù)據(jù)都在一組電纜上(先后)發(fā)出。這種約定稱為“通訊協(xié)議”，其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。串行輸出連接線少，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性就大大提高了，但傳輸速度比并行輸出慢。

 3.3現(xiàn)場(chǎng)總線型輸出

現(xiàn)場(chǎng)總線型編碼器是多個(gè)編碼器各以一對(duì)信號(hào)線連接在一起，通過設(shè)定地址，用通訊方式傳輸信號(hào)。信號(hào)的接收設(shè)備只需一個(gè)接口，就可以讀多個(gè)編碼器信號(hào)。常用總線型編碼器有PROFIBUS-DP、CAN、DeviceNet、Interbus等。總線型編碼器可以節(jié)省連接線纜、接收設(shè)備接口，傳輸距離遠(yuǎn)，在多個(gè)編碼器集中控制的情況下還可以大大節(jié)省成本。

 3.4變送一體型輸出

信號(hào)已經(jīng)在編碼器內(nèi)換算后直接變送輸出，其有模擬量4-20mA輸出、RS485數(shù)字輸出、USB輸出、14位并行輸出。

 4．工業(yè)控制中的應(yīng)用

光電旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于高精度角度、位移檢測(cè)系統(tǒng)中，例如數(shù)控機(jī)床等。

 4.1脈沖盤式角度—數(shù)字編碼器

在一個(gè)圓盤的邊緣上開有相等角距的縫隙(分成透明和不透明的部分)，在開縫圓盤兩邊分別安裝光源及光敏元件，當(dāng)圓盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)續(xù)隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，經(jīng)過光敏元件就產(chǎn)生一次電信號(hào)的變化，經(jīng)整形、放大，就可以得到一定幅值和功率的電脈沖信號(hào)，脈沖數(shù)等于轉(zhuǎn)過的縫隙數(shù)，將上述信號(hào)送到計(jì)數(shù)器，則計(jì)數(shù)碼就反映了圓盤的轉(zhuǎn)角。為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，可以采用兩套光電裝置，它們?cè)诳臻g的相對(duì)位置有一定的關(guān)系，保證它們產(chǎn)生的信號(hào)在相位上相差1／4周期。正轉(zhuǎn)時(shí)光敏元件2比光敏元件1先感光，此時(shí)與門DAl有輸出，將加減控制觸發(fā)器置“1”，使可逆計(jì)數(shù)器的加法母線為高電位．同時(shí)DAl的輸出脈沖又經(jīng)或門達(dá)到可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。反轉(zhuǎn)時(shí)則光敏元件1比元件2先感光，計(jì)數(shù)器進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，這樣就可以識(shí)別旋轉(zhuǎn)方向，自動(dòng)進(jìn)行加減法計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)。由于它每次反映的都是相對(duì)于上次角度的增量，所以這種測(cè)量屬于增量法。

 圖2  辨向環(huán)節(jié)邏輯電路框圖

圖3  辨向環(huán)節(jié)邏輯電路波形圖

 4.2光電式角度—數(shù)字編碼器

碼盤式角度-數(shù)字編碼器是按角度直接進(jìn)行編碼的傳感器。按碼盤結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式。無論哪種型式．碼盤的結(jié)構(gòu)原理是相同的。

 4.2.1、碼盤的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖4是一個(gè)接觸式四位二進(jìn)制碼盤。涂黑部分是導(dǎo)電區(qū)。所有導(dǎo)電部分連在一起接高電位?？瞻撞糠譃榻^緣區(qū)。在每圈碼道上都有一個(gè)電刷，電刷經(jīng)電阻接地。當(dāng)碼盤與軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)。申刷上將出現(xiàn)相應(yīng)的電位，對(duì)應(yīng)—定的數(shù)碼。若采用n位碼盤，則能分辨的角度α為360°/2­­­n。位數(shù)n越大，能分辨的角度越小，測(cè)量也越精確。

二進(jìn)制碼盤很簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)碼盤的制作和安裝要求十分嚴(yán)格，否則極易出錯(cuò)。采用工藝上或電路方法可消除誤差，但十分復(fù)雜，因此很少采用。應(yīng)用廣泛的是采用循環(huán)碼取代二進(jìn)制碼。循環(huán)碼的特點(diǎn)是相鄰兩個(gè)數(shù)碼間只有一位是變化的，因此即使制作和安裝不到位，產(chǎn)生的誤差最多也只是一位。圖5是一個(gè)四位循環(huán)碼盤。

圖4  二進(jìn)制碼盤示意圖       圖5  四位循環(huán)碼盤

 4.2.2、光電式角度—數(shù)字編碼器

光電式角度—數(shù)字編碼器包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、碼盤、讀出系統(tǒng)和電路系統(tǒng)。編碼器的精度主要由碼盤的精度所決定，目前的分辨牢可以達(dá)到0.15”，徑向線寬度為0.067rad·s。通常碼盤是用玻璃制成的，碼盤上有代表數(shù)碼的透明和不透明的圖形，這些圖形是采用照相制版及真空鍍膜工藝制成的。碼盤的透明和不透明圖形必須清晰，邊緣必須光滑，以減少光電元件在電乎轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的過渡噪聲。

為了提高編碼器的分辨李，在光電式角度數(shù)字編碼器中采用了二進(jìn)制碼盤、脈沖增量式碼盤再加細(xì)分電路構(gòu)成的高位數(shù)絕對(duì)式角度數(shù)字編碼器。例如，有2­­­­­­­­­19分之一分辨率的編碼器，它的碼盤內(nèi)層有14條碼道，通過光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生14位二進(jìn)制數(shù)字輸出碼，外層碼道有兩路增量脈沖光學(xué)系統(tǒng)，產(chǎn)生一個(gè)正弦楊出和余弦輸出，使編碼器的分辨率從214分之一提高到219分之一，相當(dāng)于0.2rad·s。

 5．結(jié)束語

光電旋轉(zhuǎn)編碼器以其高精度、高分辨力、高頻響以及體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出等綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)代精密測(cè)量與控制設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，是工業(yè)控制中比較理想的位移、角度傳感器。隨著光電科學(xué)的發(fā)展，采用新原理、應(yīng)用新技術(shù)的各類新型光電軸角編碼器將會(huì)不斷出現(xiàn)，并向著小型化、智能化和集成化的方向發(fā)展，以滿足各個(gè)領(lǐng)域多種應(yīng)用場(chǎng)合的需要。