光柵編碼器介紹與應(yīng)用

劉 帥

(北京慧摩森電子系統(tǒng)技術(shù)有限公司，北京，100083)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也逐漸從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由手動(dòng)到自動(dòng)。在一些高性能的伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出的狀態(tài)，也就是反饋元件，反饋的精度一定程度上影響著系統(tǒng)的精度和性能。光柵編碼器是現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)中精度較高的位置檢測(cè)元件，廣泛應(yīng)用于高精度定位檢測(cè)系統(tǒng)中，光柵編碼器的了解和使用將越來越重要。

1 光柵編碼器介紹

光柵編碼器包括刻有光柵的尺子和電子反饋器件；光柵尺的實(shí)際作用就是檢測(cè)位置信息，高精度的光柵尺是精密機(jī)械精度的一個(gè)重要影響因素，各個(gè)品牌的光柵也在不斷的更新技術(shù)，提高光柵的精度，性能；精密儀器、精密機(jī)械是以后發(fā)展的重要方向，光柵尺的應(yīng)用也更加的廣泛。如圖1所示。

光柵編碼器一般應(yīng)用是將讀數(shù)頭和光柵尺安裝在兩個(gè)相對(duì)移動(dòng)的工件上，他們每移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出信號(hào)便變化一個(gè)周期，通過周期的變化，來測(cè)量出相對(duì)位移；目前市面上使用的光柵編碼器輸出信號(hào)一般有三種，一種是兩路相差90°的方波信號(hào)，也稱數(shù)字信號(hào)，一種是兩路相差90°的正玄信號(hào)，也稱模擬信號(hào)，還有一種是串行輸出，直接輸出位置信息。

圖1 光柵編碼器示意圖

光柵編碼器的尺子一般為金屬尺帶和玻璃尺帶兩種，其中玻璃尺既可以是直線的，也可以是圓形的，即光柵碼盤。同分辨率的金屬尺帶的價(jià)格較玻璃尺帶稍便宜一些，性能也略差；高精度的光柵編碼器的尺子多為玻璃尺帶，玻璃尺的熱敏系數(shù)等一些參數(shù)要優(yōu)于金屬尺子，不過玻璃尺的行程一般較短，金屬尺在這方面就有較大的優(yōu)勢(shì)，金屬尺的行程可以很長(zhǎng)，可以有一定的彎折，安裝也比較方便。

2 光柵編碼器主要參數(shù)

光柵編碼器的主要參數(shù)有：分辨率、精度、重復(fù)性、帶寬等。在我們選擇光柵的時(shí)候，首先要考慮它的精分辨率，要求的最小分辨率是多少，其次是精度，是否能滿足系統(tǒng)的要求，還有就是輸出頻率；其他的還有一些安裝要求，環(huán)境要求，維護(hù)等。選擇合適的光柵，不僅可以讓設(shè)備滿足設(shè)計(jì)要求，還能節(jié)約成本，提升設(shè)備的整體性能。

使用者關(guān)心較多的還是光柵編碼器的精度，沒有精度的編碼器就好比走不準(zhǔn)的手表，除了裝飾毫無用處。影響精度的因素有很多，下面簡(jiǎn)單介紹一下。光柵編碼器是通過讀取尺子上的光柵來獲得位置信息，那是不是把尺子的柵距刻得越小越好呢？當(dāng)然不是，不同的光柵編碼器它的光電掃描原理不同，刻畫的柵距也各不相同，通過電子細(xì)分做成不同分辨率的光柵編碼器。分辨率一般通過對(duì)光學(xué)傳感器產(chǎn)生的周期信號(hào)進(jìn)行電信號(hào)插值或數(shù)字插值產(chǎn)生。

分辨率=0.25×（信號(hào)周期/插值系數(shù)）

上面提到插值技術(shù)，插值技術(shù)可以讓光柵編碼器的分辨率做到很小，很多朋友看到這里仿佛又看到了曙光，我們把分辨率做到特別小，無法想象的小，其實(shí)這樣做并不能提升測(cè)量精度，光柵編碼器自身的特性決定了它能達(dá)到的最大細(xì)分倍數(shù)，不過插值技術(shù)的優(yōu)劣可是決定著能否改善系統(tǒng)性能，也就是精度；通過以上簡(jiǎn)單的敘述，總結(jié)一下影響精度的主要方面：（1） 光柵尺的精度；（2）線距或信號(hào)周期；（3）工作原理；（4）尺子的熱敏系數(shù)：（5）插值技術(shù)；（6）信號(hào)質(zhì)量。

3 光柵編碼器的安裝使用

光柵編碼器是利用光學(xué)原理設(shè)計(jì)的位置傳感器，它的安裝設(shè)計(jì)要嚴(yán)格按照一定要求去做，否則信號(hào)質(zhì)量受到影響或者根本無法讀取到信號(hào)。不同系列的光柵編碼器安裝要求也不同，在設(shè)計(jì)時(shí)要仔細(xì)查看光柵的機(jī)械安裝要求。以MicorE 的產(chǎn)品為例，一般的應(yīng)用是將光柵尺固定在設(shè)備上，光柵讀書頭隨運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。

如圖2 所示，在設(shè)計(jì)機(jī)械安裝時(shí)，為光柵讀數(shù)頭設(shè)計(jì)一個(gè)小小的支架，固定在工作臺(tái)面上，光柵尺固定在一個(gè)可移動(dòng)的臺(tái)面上。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)光柵安裝機(jī)械手冊(cè)，計(jì)算尺寸，選擇合理的安裝區(qū)域，為了光柵尺的安裝方便，可以為其做一個(gè)基準(zhǔn)面；讀數(shù)頭的安裝支架設(shè)計(jì)，讀數(shù)頭固定在支架上，支架的固定孔可設(shè)計(jì)成長(zhǎng)條孔，有一定的調(diào)節(jié)量，為光柵的信號(hào)調(diào)節(jié)做一個(gè)保障。

圖2 光柵安裝示意圖

安裝完成后，需要對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，MicorE 的大多數(shù)產(chǎn)品需要整定工具，連接到電腦上，通過軟件查看信號(hào)的質(zhì)量，并且可以設(shè)置一些可編程的量。在調(diào)節(jié)過程中，只需要調(diào)整一下讀數(shù)頭的安裝位置，直到信號(hào)達(dá)到最好。

4 光柵編碼器的信號(hào)接收

現(xiàn)在使用較多的光柵編碼器有增量式和絕對(duì)式兩種，絕對(duì)式的編碼器直接輸出位置信息，但價(jià)格較高。增量式編碼器一般輸出接口為A/B 相脈沖信號(hào)，也就是常說的正交編碼信號(hào)，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器或運(yùn)動(dòng)控制器都帶有正交編碼接口，使用也十分方便。

如果是自行設(shè)計(jì)的板卡，需要對(duì)正交編碼進(jìn)行計(jì)數(shù)，正交解碼計(jì)數(shù)技術(shù)已經(jīng)非常成熟?？梢允褂玫臄?shù)字集成芯片有很多，如專用正交解碼芯片、可編程邏輯陣列、微控制器等。

專用型正交解碼芯片現(xiàn)在使用較少，一是增加系統(tǒng)單元，而是增加系統(tǒng)成本?，F(xiàn)在使用較多的是用DSP 或者FPGA 去做計(jì)數(shù)處理，這兩者一般的控制系統(tǒng)中都需要用到，其中DSP 不僅有高速的運(yùn)算能力，還有豐富的接口，在正交解碼方面，有些DSP 自身帶有QEI 正交解碼電路，還帶有數(shù)字濾波等功能。FPGA 使用比較靈活，可根據(jù)需求進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。

正交解碼電路一般包括：接口電路、數(shù)字濾波器、方向解碼電路、計(jì)數(shù)電路。光柵編碼器輸出信號(hào)多為TTL 電平的方波，A 相與B 相同寬度，相位相差90°，為了提高信號(hào)的可靠性，光柵編碼器輸出端一般為差分信號(hào)，如MicorE 系列產(chǎn)品，輸出差分信號(hào)，符合RS422 總線標(biāo)準(zhǔn)。見圖3 所示。

解碼電路首先將光柵輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)為單端信號(hào)；再由數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，濾掉一些干擾信號(hào)，這里要注意濾波器的頻率；方向解碼電路通過判斷A 相、B 相信號(hào)哪個(gè)超前90°，來判斷正、反向；4 倍頻電路在A 相、B 相信號(hào)的上升沿和下降沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于A 相、B 相相差90°，計(jì)數(shù)產(chǎn)生的脈沖即為原來的4 倍。

圖3 正交解碼示意圖

圖4 4 倍頻示意圖

5 光柵編碼器的精度

目前任何一種測(cè)量工具都有誤差，光柵編碼器也不例外，在一款光柵生產(chǎn)出來之后，它的一些參數(shù)就已經(jīng)確定了，比如光柵柵距的誤差，細(xì)分電路的優(yōu)劣等，這些都無法再去改變。在一些超高精度系統(tǒng)中，如果產(chǎn)品已經(jīng)選定，我們要想提高精度是不是可以呢？實(shí)際上我們可以通過一定的補(bǔ)償手段，來進(jìn)一步提高它的精度。對(duì)于圓光柵，影響其精度的主要是安裝誤差- 偏心率，這個(gè)參數(shù)對(duì)圓光柵的影響是非常嚴(yán)重，在安裝時(shí)為了保證它的安裝要求，有時(shí)還需要借助一定的工具。還有就是使用雙讀數(shù)頭的方式消除一定的偏心誤差，但成本也有一定的增加。直線光柵的補(bǔ)償首先要對(duì)它本身的誤差進(jìn)行標(biāo)定，獲取一定的信息，再做出對(duì)應(yīng)的解決方案。光柵編碼器本身就是高精度的測(cè)量工具，要對(duì)它進(jìn)行誤差分析，就要使用更高精度的測(cè)量工具，一般使用激光干涉儀測(cè)定光柵，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，在控制系統(tǒng)中采取一定的補(bǔ)償措施。

6 結(jié)束語

光柵編碼器廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和電子制造、自動(dòng)化及機(jī)器人行業(yè)、運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)和無刷電機(jī)控制系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、測(cè)量?jī)x表、宇航工程等行業(yè)。隨著技術(shù)的更新，用戶需求的增加，對(duì)光柵編碼性能的要求也將也來越苛刻，光柵編碼器一定會(huì)朝著更加智能化、更高性能、更微型、更方便的方向發(fā)展。

[1] 黨安明，張欽軍. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2011.122-143.

[2] 徐峰，李慶祥. 精密機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.36-40.

[3] 胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理導(dǎo)論[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.56-58.