論絕對編碼器

龔仲華

（常州機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇常州 213164）

論絕對編碼器

龔仲華

（常州機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇常州 213164）

說明了數(shù)控機床所使用的增量編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對值編碼器、絕對編碼器以及光柵編碼器與磁柵編碼器的特點與區(qū)別，指出了絕對編碼器的本質(zhì)，介紹了絕對位置輸出的方式與接口。

數(shù)控機床 編碼器

當代數(shù)控機床所使用的位置編碼器形式眾多，有增量編碼器、絕對值編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器與絕對編碼器、光柵與磁柵編碼器、串行編碼器與并行編碼器等，以至于很多CNC技術(shù)人員都不易辨別，特別是“絕對值編碼器”與“絕對編碼器”的概念在很多場合均未深入說明，易引起人們誤解。本文將對以上問題進行分析與說明。

1 增量編碼與絕對值編碼

編碼器是用于電動機轉(zhuǎn)子軸（或滾珠絲杠）角位移檢測的測量器件，其位置編碼方式有增量計數(shù)與絕對值輸出兩類，前者需要通過計算輸出信號的數(shù)量來確定實際位置（角度），稱增量編碼器（Incremental Encoder）;后者的檢測信號可以直接反映實際位置，稱絕對值編碼器（Absolute－value Encoder）。

增量編碼器的輸出信號為兩相計數(shù)脈沖（A/B相）與零脈沖（Z相），通過對零脈沖的計數(shù)可確定電動機軸（或絲桿）的回轉(zhuǎn)圈數(shù);A/B兩相計數(shù)信號用來確定360°范圍內(nèi)的相對角位移與鑒別轉(zhuǎn)向。增量編碼器的三相信號并行傳送，信號形式可為TTL脈沖、HTL脈沖或1 Vpp正余弦信號。早期的增量編碼器多為TTL、HTL方波脈沖輸出，外部只能進行2或4細分，其位置分辨率通常在微米級;高精度增量編碼器多采用1 Vpp正余弦輸出，輸出可根據(jù)幅值、相位進行細分，細分倍率可高達214（16 384，誤差1%以內(nèi)），檢測分辨率可達納米級。一般意義上的增量編碼器內(nèi)部無存儲器件，故不具有斷電數(shù)據(jù)保持功能，數(shù)控機床必須通過“回參考點”操作來確定計數(shù)基準與進行實際位置“清零”。

絕對值編碼器的輸出可直接反映360°范圍內(nèi)的絕對角度，絕對位置可通過輸出信號的幅值或光柵的物理編碼刻度鑒別，前者稱旋轉(zhuǎn)變壓器（Rotating Transformer）;后者稱絕對值編碼器（Absolute－value Encoder）。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出通常為每轉(zhuǎn)1周期的正余弦信號（多極旋轉(zhuǎn)變壓器可輸出多個周期），通過幅值細分可得到絕對角度;旋轉(zhuǎn)變壓器的測量誤差較大（0.233°左右），故除 SIEMENS外的其他CNC生產(chǎn)廠家一般很少使用。

絕對值編碼器設(shè)計有多通道平行的物理編碼刻度光柵與相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件，360°圓周位置用等分的二進制或格雷編碼數(shù)據(jù)表示。由于結(jié)構(gòu)、制造難度、成本等方面的原因，絕對值編碼器的編碼刻度一般不超過13通道，每轉(zhuǎn)的位置編碼在213（8 192）以下，位置分辨率為0.044°，測量誤差在0.017°左右。為了提高位置分辨率，此類編碼器往往附加有1 Vpp正余弦增量檢測通道，通過增量信號的細分，每轉(zhuǎn)的絕對位置輸出可高達225（33 554 432）～227（134 217 728）。因此，絕對位置數(shù)據(jù)需要通過串行接口輸出，而附加的增量信號則可直接輸出（稱SSI接口）。這樣的絕對值編碼器可直接作為增量編碼器使用。

絕對值編碼器用于回轉(zhuǎn)軸角度檢測時可直接鑒別絕對位置，它既不需要后備電池保持數(shù)據(jù)，也不需要進行回參考點操作;但編碼器的位置數(shù)據(jù)不能通過控制器（如CNC）調(diào)整與改變。在半閉環(huán)控制的直線軸上，由于大范圍的位置測量信號必然是相隔360°的周期性重復(fù)信號，即便采用這樣制造難度大、成本高的絕對值編碼器最多也只能區(qū)分360°以內(nèi)的轉(zhuǎn)角，其實際意義并不大，故直線軸的絕對位置檢測一般使用的是絕對光柵尺。

2 絕對編碼器

為了提高位置分辨率、簡化結(jié)構(gòu)、降低制造難度與成本，目前數(shù)控機床經(jīng)常使用一種通過后備電池保存位置數(shù)據(jù)的增量編碼器，它可起到絕對值編碼器同樣的效果，故稱“絕對編碼器（Absolute Encoder或Absolute Pulse Coder）”。絕對編碼器內(nèi)部安裝有存儲零脈沖計數(shù)值與增量計數(shù)值等位置數(shù)據(jù)的存儲器，斷電時數(shù)據(jù)可通過后備電池保持，CNC在開機時能夠自動讀入位置數(shù)據(jù)，故同樣不需要進行回參考點操作。

從嚴格意義上說，“絕對編碼器”只是一種能夠保存位置數(shù)據(jù)的增量編碼器，屬于“柵式測量”器件的范疇。所謂“柵式測量”是將測量行程以“柵”為單位劃分為多個測量周期，一個“柵”內(nèi)的測量輸出為絕對值信號（如正弦波）、全程為多個“柵”輸出的重復(fù)?！皷攀綔y量”本身就是一種沒有絕對位置概念的增量測量方式，故必須通過零標記來確定計數(shù)的起點，一旦斷電，位置數(shù)據(jù)便消失，這就是采用增量編碼器的數(shù)控機床開機時必須進行回參考點操作的原因。當前數(shù)控機床所使用的絕對編碼器本質(zhì)上也是一種柵式測量器件，一旦取下編碼器的后備電池，其位置數(shù)據(jù)同樣也將消失;這種編碼器如果不使用后備電池，就成了串行輸出的增量編碼器，因而在絕大多數(shù)場合兩者可以通用。

3 編碼器附加檢測信號

數(shù)控機床所使用的交流伺服電動機為永磁同步電動機，驅(qū)動器的逆變管必須根據(jù)轉(zhuǎn)子的實際位置進行切換，因此，伺服電動機內(nèi)置式編碼器通常集成有轉(zhuǎn)子絕對位置檢測電路，以輸出逆變管切換控制所需的電子換向信號。絕對值編碼器的電子換向信號可直接從絕對位置輸出信號上獲得;其他編碼器的轉(zhuǎn)子絕對位置檢測有兩種方法：一是在光柵上增加轉(zhuǎn)子位置檢測通道（稱為Z1通道），Z1通道的輸出為類似于旋轉(zhuǎn)變壓器的每轉(zhuǎn)1周期正余弦信號，但其位置檢測分辨率通常只有±5°;二是在光柵上附加3～4通道二進制編碼刻度，其位置檢測分辨率為45°或22.5°。此外，部分內(nèi)置式編碼器還帶有電動機溫度檢測器件。

在增量編碼器上，轉(zhuǎn)子位置檢測信號輸出有專門的正余弦輸出或二進制編碼脈沖輸出通道;溫度測量信號一般以“觸點”的形式提供到外部。在串行輸出的絕對編碼器上，轉(zhuǎn)子位置檢測數(shù)據(jù)、溫度測量數(shù)據(jù)可通過串行接口以附加信息的形式傳輸?shù)紺NC或驅(qū)動器。

4 光柵與磁柵編碼器

從測量原理上看，常用的位置測量器件有感應(yīng)同步器（亦稱電柵）、光柵、磁柵、容柵和球柵5類，它們都是以mm、英寸或（°）、rad為測量單位的柵式測量器件。光柵與磁柵是數(shù)控機床常用的測量裝置。

光柵利用的是莫爾條紋與光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，采用這一技術(shù)的旋轉(zhuǎn)編碼器（Rotary Encoders）也屬于光柵的范疇。光柵可通過Merton－NPL（塑料復(fù)制）、照相復(fù)制、DIADUR（玻璃基板蒸發(fā)鍍鉻光刻復(fù)制）等工藝制造，其結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低;光柵的莫爾條紋有柵距放大與誤差平均的作用，故柵距可做得很小;它是數(shù)控機床最為常用的測量器件。

光柵編碼器通常集成有放大、整形與細分電路，其測量分辨率決定于每轉(zhuǎn)的物理刻度數(shù)與電路的細分倍率。物理刻度數(shù)與編碼器外形尺寸有關(guān)，就目前的制造技術(shù)水平，φ80 mm以下編碼器的物理刻度數(shù)通常在213（8 192）線/r以內(nèi)，φ80～150 mm編碼器可達214（16 384），φ150 mm以上編碼器可達215（32 768）;而1 Vpp正弦波信號的細分倍率則可達到214（16 384）;故光柵編碼器的測量分辨率可高達227（134 217 728）～229（536 870 912）脈沖/r;完全可滿足高精度機床的需要。光柵編碼器通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號為近似的正弦波，由于檢測信號較弱，當轉(zhuǎn)速超過12 000 r/min時條紋將難以分辨，故常用于轉(zhuǎn)速在 6 000 r/min以下的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，而很少用于高速主軸的位置測量。

磁柵利用的是電磁轉(zhuǎn)換技術(shù)，磁柵同樣可制成旋轉(zhuǎn)編碼器的形式，經(jīng)放大、整形后的輸出一般為1 Vpp的正余弦信號。磁柵的磁極布置需要一定的間距，柵距很難做到0.4 mm以下，因此，φ80 mm以下的磁柵編碼器其每轉(zhuǎn)輸出一般在29（512）周期以內(nèi)，細分后的測量分辨率為223（8 388 608）脈沖/r，低于光柵編碼器。同樣，由于結(jié)構(gòu)所限，磁柵編碼器也很難像光柵編碼器那樣通過物理刻度來進行絕對位置的編碼，故磁柵編碼器通常不能制成絕對值編碼器。磁柵編碼器通過電磁轉(zhuǎn)換得到的檢測信號較強，在轉(zhuǎn)速超過40 000 r/min時編碼器仍然可以分辨位置。由于以上特點，在數(shù)控機床上磁柵編碼器多用于高速主軸的位置測量。

5 絕對位置的輸出

一般而言，光柵增量編碼器的輸出為并行傳輸?shù)腡TL脈沖、HTL脈沖或1 Vpp正余弦信號;磁柵增量編碼器的輸出為并行傳輸?shù)? Vpp正余弦信號;光柵絕對值編碼器與絕對編碼器的輸出數(shù)據(jù)則采用串行接口傳輸，故又稱“串行編碼器”。

串行編碼器設(shè)計有串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟罘志€驅(qū)動電路，接口符合RS485規(guī)范。利用雙向數(shù)據(jù)傳輸，CNC或驅(qū)動器不僅可讀出編碼器的回轉(zhuǎn)圈數(shù)（零脈沖計數(shù)）、360°范圍內(nèi)的相對位置（增量計數(shù)值）等數(shù)據(jù)得到絕對位置值;在使用后備電池保持數(shù)據(jù)的絕對編碼器上，還可從CNC或驅(qū)動器向編碼器寫入數(shù)據(jù)，進行絕對位置的設(shè)定與調(diào)整。

數(shù)據(jù)的串行傳輸有規(guī)定的格式要求（通信協(xié)議），上級控制器必須按照通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)讀寫操作。通信協(xié)議有開放性通用協(xié)議與CNC生產(chǎn)廠專用協(xié)議兩類，前者用于通用型編碼器;后者用于OEM方式生產(chǎn)的伺服電動機內(nèi)置式編碼器。

以HEIDENHAIN公司產(chǎn)品為例，通用接口可以為EnDat2.2、PROFIBUS － DP、SSI等。EnDat2.2 為 HEIDENHAIN開放性雙向傳輸串行接口，位置數(shù)據(jù)的長度為2～3字，從最低位（LSB）開始傳輸，傳輸速率為2 Mbit/s（延時補償后可達16 Mbit/s，與傳輸距離有關(guān)）;SSI為附加有兩通道1 Vpp正/余弦增量輸出、轉(zhuǎn)向與清零輸入等信號的雙向傳輸串行接口，位置數(shù)據(jù)的長度為2字，從最高位（MSB）開始傳輸，最高傳輸速率為1 Mbit/s。PROFIBUS－DP為開放性現(xiàn)場總線接口，編碼器以“從站”的形式鏈接到PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)上，位置數(shù)據(jù)的長度為2字，最高傳輸速率可達12 Mbit/s;編碼器有總線輸入與輸出2個連接端，內(nèi)部有從站地址設(shè)定端與終端電阻。

采用開放性協(xié)議的串行傳輸數(shù)據(jù)格式如圖1所示（以EnDat2.2為例，其余類似），“數(shù)據(jù)幀”由冗余模式選擇碼（6 bit）、起 始 標 志 S（1 bit）、出 錯 碼F1/F2（2 bit）、位置數(shù)據(jù)（16～48 bit）、低高字標志 L/M（1 bit）、循環(huán)冗余校驗碼CRC（5 bit）等組成，如需要還可附加其他信息。串行接口需要連接時鐘（CLOCK）與數(shù)據(jù)（DATA）兩組信號線。

專門為CNC生產(chǎn)廠家配套生產(chǎn)的伺服電動機內(nèi)置式絕對編碼器（OEM編碼器）使用的是CNC生產(chǎn)廠家的專用通信協(xié)議，如FANUC01、FANUC02、Mitsubishi Mit02－04等，SIEMENS伺服電動機內(nèi)置編碼器可直接采用EnDat2.2接口。OEM編碼器的通信協(xié)議對用戶不開放，位置數(shù)據(jù)的傳輸格式與EnDat2.2類似，但編碼器存儲有ID號、伺服電動機規(guī)格與型號等CNC生產(chǎn)廠商信息，數(shù)據(jù)通信只有CNC生產(chǎn)廠家才能激活。由于通信協(xié)議為專用、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾使潭ú蛔儯ㄈ?FANUC01為1 Mbit/s、FANUC02為2 Mbit/s等），因此OEM編碼器一般不需要連接時鐘脈沖。

6 結(jié)語

綜上所述，編碼器作為一種典型的位置檢測器件，其含義隨著技術(shù)的發(fā)展與進步已發(fā)生了相應(yīng)的變化。目前數(shù)控機床所使用的絕對編碼器本質(zhì)上只是一種能夠通過后備電池斷電后保持位置數(shù)據(jù)的增量編碼器，這一點往往在很多場合被人們所混淆，希望本文能夠為讀者澄清概念提供幫助。

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On the absolute encoders

GONG Zhonghua
（Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou 213164，CHN）

This article illustrates the features of incremental encoder，resolver，absolute － value encoder，absolute encoder，grating encoder and magnetic grid encoder used on CNC machine tools，and their differences are explained as well，then points out the essence of the absolute rotary encoder and introduces the output method and interface for absolute positions.

CNC Machine Tool;Encoder

TH712

A

（編輯 譚弘穎）（

2010－11－12）

110743