光電角度編碼器與旋轉變壓器式角度編碼器特性比較

馬建紅，孫玉彤，郝永勤

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

光電角度編碼器與旋轉變壓器式角度編碼器特性比較

馬建紅，孫玉彤，郝永勤

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

角度編碼器是將機械角位置轉換成與角度對應的數字信號的一種轉換裝置。針對在角度編碼器中普遍使用的光電角度編碼器和旋轉變壓器式角度編碼器在精度等級、制造加工、環(huán)境適應能力、應用領域等方面做了比較，為用戶提供選用參考。

光電編碼器；旋轉變壓器；比較；應用領域

0　引言

角度編碼器用于檢測機械運動中的角度位置，是將角位移轉換成電信號，并通過數據接口輸出的一種機電裝置。在工業(yè)領域、民用領域、軍事方面、航空航天及宇航等方面得到廣泛應用。目前，在這些領域中常用的角度編碼器有光電式角度編碼器（以下簡稱光電編碼器）、旋轉變壓器式角度編碼器（以下簡稱旋變式編碼器）、感應同步器式角度編碼器、磁編碼器等，在機床、伺服電機、機器人、重型機械、電梯、風力發(fā)電、交通運輸、醫(yī)療器械、坦克、火炮、雷達、經緯儀、慣性器件、伺服控制、宇航相機等設備或產品中發(fā)揮著重要作用。其中旋轉變壓器式角度編碼器和光電編碼器在角度編碼器領域具有舉足輕重的地位。本文就這兩類主要角度編碼器在性能、應用、適用環(huán)境等方面做以比較，為用戶提供選用參考。

1　角度編碼器原理

1.1光電編碼器原理

光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械角位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。根據其光柵形式和信號代碼形式可分為絕對式和增量式兩大類。圖1是一種帶細分的絕對式矩陣光電編碼器。

圖1　絕對式矩陣光電編碼器原理框圖Fig.1 The schematic diagram of absolute photoelectric ender based on matrix coding

光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置以及信號處理三部分組成。其中，碼盤（2）固定在輸出軸上，隨輸出軸轉動，光源（1）發(fā)出的光線透過碼盤和狹縫盤形成莫爾條紋，光電接收元件（4）將光信號轉換成電信號送入放大電路（6），粗碼道信號放大后經比較鑒幅電路（7）和接口電路（10）送入單片機系統(tǒng)（9），精碼信號經放大后送入模數轉換電路（8），轉換成數字量，送入CPU處理系統(tǒng)（9）。CPU接收到數據后，對精碼數據進行細分，粗碼譯碼，粗精校正形成與角度相對應的二進制碼，通過角度輸出接口（11）實時輸出角位置信息。

1.2旋變式編碼器原理

旋變式編碼器是一種通過電磁感應將角位移轉換成電信號，通過模數轉換電路得到與角位移相對應的數字信號。一般分為單通道旋變式編碼器和雙通道旋變式編碼器。圖2為一款雙通道旋變式編碼器原理框圖。

圖2　雙通道旋變式編碼器原理框圖Fig.2 The schematic diagram of two-channel resolver ender

雙通道旋變式編碼器是由雙通道旋轉變壓器和模數轉換電路兩部分組成，雙通道旋轉變壓器分轉子和定子兩部分，轉子上嵌有粗機和精機兩組激磁繞組，用來建立粗機和精機脈動磁場，定子上都嵌有粗機和精機兩套正弦繞組和余弦繞組，分別用來感應穿過繞組的磁通。隨著定、轉子之間的相對角位移，激磁端的磁場軸線與輸出端的繞組軸線的相對位置隨之變化，定、轉子繞組間的耦合磁通隨著角位移的變化呈正余弦函數關系變化，通過磁場的交變在輸出繞組兩端產生感應電勢。粗、精機各有一組正弦輸出信號、一組余弦輸出信號。粗機的兩路輸出信號和精機的兩路輸出信號經模數轉換電路轉換后輸出與角度對應的數字信號，送入CPU處理電路進行角度計算、粗精耦合及糾錯處理，最終生成與角位移對應的數字信號。通過角度輸出接口實時輸出角位置信息。

2　角度編碼器的精度比較

光電編碼器和旋變式編碼器都是角度傳感器，用戶最關心的自然是角度轉換精度，不管是光電編碼器還是旋變式編碼器，精度與外徑都是相互制約的因素，外徑越大，精度可以做得越高。例如，德國的海德漢公司為伽利略望遠鏡研制27位絕對式光電編碼器，光柵盤外徑Φ700mm，光柵線數32768，細分數4096，分辨率0.01"，精度0.036"（1σ），是目前精度最高的。對于旋轉變壓器，外徑Φ400mm時，極對數可達到128對極，精度最高可達±2.5"。相反，外徑越小，精度也就相應降低。例如，長春光學精密機械與物理研究所研制的八矩陣超小型絕對式光電編碼器外徑Φ25mm，軸向16mm，精度30″（1σ）；北京航天控制儀器研究所研制的旋轉變壓器外徑Φ40mm，軸向13mm，精度±60"。表1為國內外主要光電編碼器生產廠家研制的幾種較高精度小型光電編碼器產品。表2為國內主要旋轉變壓器生產廠家研制的幾種典型產品。

對于精度要求高的產品或設備，例如高精度望遠鏡、轉臺等，通常使用環(huán)境嚴格，一般采用光電編碼器，其中的碼盤依然采用玻璃材質，玻璃的透光率、線膨脹系數和穩(wěn)定性依然是其他材料無法替代的，精度可達到1″，甚至更高。旋轉變壓器若想達到如此高精度，需要增加產品外徑，提高極對數，相應帶來定、轉子齒數增加，加工難度加大，制造成本成倍增加，所以精度在1″或更高精度要求時一般不采用旋轉變壓器。

表1　國內外高中精度的小型光電編碼器Table 1 Medium and high accuracy small-sized photoelectric enders made in china and foreign country

表2　國內高中精度的小型旋轉變壓器Table 2 Medium and high accuracy small-sized resolver enders made in china

測角精度是角度編碼器最關鍵的技術指標，提高測角精度也是研制人員關注、努力的方向。國內就提高光電編碼器和旋變式編碼器的精度主要從以下幾個方面做工作。

（1）加工制造

光電編碼器中的計量光柵是角度測量基礎，其刻化精度直接影響光電編碼器的角度測量精度，也同時制約光電編碼器精度的提高。目前，國內計量光柵的刻化依然使用光刻機刻化，最細線條寬度5μm，刻化精度能達到0.5μm。但由于莫爾條紋的限制，刻線不能刻得很細，通常最細的線條寬度20μm。

旋變式編碼器中旋轉變壓器的加工制造是角度測量基礎。其鐵芯齒槽的分度誤差、鐵芯各向磁性能均勻性、裝配工藝都直接影響旋轉變壓器的測角精度。鐵芯的齒槽加工通常采用沖片后疊壓或疊壓后線切割的加工工藝，齒槽的角分度誤差取決于齒槽加工精度，目前，國內均采用進口線切割床切割沖?；蜩F芯，切割精度最高能達到5μm。

兩種編碼器軸承的選取和裝配安裝也是制約測角精度的關鍵部件和關鍵工藝。軸承的選取另文探討，裝配安裝在第4節(jié)詳述。

（2）元器件選取及應用

針對光電編碼器主要元器件有發(fā)光器、光接收器件、A/D轉換器、數字信號處理器等。旋變式編碼器主要有A/D轉換器、數字信號處理器等。它們的主要特性及選用原則如表3所示。

表3　光電編碼器和旋變式編碼器主要元器件Table 3 The main components applied to photoelectric enders and resolver enders

（3）數字技術

隨著數字信號處理器運算速度和存儲能力的大幅提升，數字量的運算和補償技術蓬勃發(fā)展起來。通過數字信號的修正提高測角精度是近年來不論是光電編碼器還是旋變式編碼器的研制人員都熱衷研究的課題。

光電編碼器采用軟件細分技術，將數字化后的正余弦信號經過正切計算，大大提高細分倍數。在此基礎上通過采用各種不同的誤差補償技術進一步提高光電編碼器的測角精度。例如:建立光電信號的數學模型，采用最小二乘法擬合，補償莫爾條紋光電信號的直流漂移誤差、幅值誤差及正交誤差［2］；采用BP神經網絡誤差補償［5］；全周精確標校等。

旋變式編碼器則是通過利用誤差曲線的規(guī)律性變化達到誤差補償目的。例如:建立誤差的數學模型，通過誤差數據用最小二乘法擬合獲得模型系數［8］；利用誤差數據中的極值獲得各電氣周期的模型系數；通過全周精確標校獲得補償數據庫等。

國內誤差補償技術目前只在一些角度檢測設備上應用，產品應用情況筆者沒有找到相關資料，國外誤差補償技術也只是在個別產品和轉臺產品上應用，如表1中列出的海德漢±2.5″的光電編碼器。AEROTECH公司研發(fā)的一款進口精密回轉平臺，采用外徑Φ100mm的旋轉變壓器作為角度轉換元件，不加誤差補償轉臺精度±25″；加誤差補償轉臺精度±2″～±3″。比較看，在外徑 Φ80～Φ100mm范圍內的旋轉變壓器和光電編碼器誤差補償后精度都可能達到±5″以內。所以在外徑Φ80 ～Φ100mm范圍內的旋變式編碼器和光電編碼器就目前的技術水平看最高精度等級相當。

3　角度編碼器的環(huán)境適應性比較

高精度光電編碼器由于采用玻璃做碼盤，雖然有很好的光學均勻性和透光率，但其抗沖擊性特別差，如果工作在沖擊力極大的環(huán)境中，非常容易破碎，從而造成設備儀器無法正常工作，不能適應如機載、艦載等野外惡劣環(huán)境。所以，光電編碼器在坦克、火炮、艦船、導彈等設備中較少使用。相對而言，旋轉變壓器由于定轉子結構獨立，沒有薄弱結構件，抗沖擊性好，能夠適應大過載、大沖擊、溫度范圍廣的惡劣環(huán)境要求。在坦克、火炮、艦船、導彈、飛機上都得到廣泛的應用。

為了提高光電編碼器的適用性，人們采用金屬、光學樹脂、塑料等材料制作碼盤，并用堅固外殼封裝，行業(yè)內稱重型編碼器，通過犧牲精度、成本和體積來適應高溫、潮濕、劇烈振動或臟亂的使用環(huán)境，在造紙、冶金、采礦等行業(yè)應用。

4　角度編碼器的裝配和安裝要求比較

光電編碼器對裝配和安裝要求較苛刻。由于光電編碼器精度取決于碼盤的刻線精度，碼盤的回轉精度、狹縫與碼盤的位置精度，所以碼盤的安裝偏心、端面跳動、軸系的回轉精度、軸向竄動和徑向晃動都給編碼器帶來誤差，所以對于表1中精度在30″（1σ）左右的光電編碼器，盡管用對徑安裝讀數頭的方式來減小誤差，碼盤的安裝偏心依然要控制在3μm以內，碼盤的端面跳動也需控制在3μm以內。軸系的回轉精度包括軸向竄動和徑向晃動，也都需要控制在2μm以內［3］。相對而言，旋轉變壓器的安裝要求和使用要求要寬松許多。旋轉變壓器的裝配要求與定轉子間隙的大小有很大關系，定轉子間隙越小，對裝配和安裝要求越嚴格；相反，定轉子間隙越大，對裝配和安裝要求越寬松。針對精度在±10″～±20"范圍內，單邊間隙0.2mm的旋轉變壓器，安裝偏心允許10μm，軸系的回轉精度包括軸向竄動和徑向晃動也可放寬到10μm。

鑒于光電編碼器的裝配和安裝要求，通常情況，生產廠家都愿意整件交付，即帶軸承的組合件，海德漢提供的產品大部分是這樣的。用戶拿到產品后通過聯軸器安裝到自己的軸系中，通過精度測試判斷安裝是否滿足要求。旋轉變壓器由于對安裝精度相對不高，所以很多場合都是以分裝形式交付，用戶可方便安裝，使得結構更緊湊，實現產品小型化。

5　角度編碼器的應用比較

光電編碼器精度等級從幾度到零點幾角秒不等，體積從幾十毫米到幾百毫米不等，封裝形式有分裝、整裝、重型、防爆等。國內生產廠家不下百家，國外品牌產品也有幾十家，應用領域囊括機床、電梯、風電、工廠自動化、工程機械、矢量電機、伺服電機、機器人等。主要集中在民用和工業(yè)領域。表4是國內市場應用較多的生產廠家、產品應用領域及產品特點的匯總。從文獻［1］了解到中低精度的光電編碼器近年來在更廣泛的領域得到應用，產量迅猛增加，產品需求量不斷增大，2011年國內需求量在500萬臺左右。隨著國內制造業(yè)發(fā)展需求，對光電編碼器的需求量還會繼續(xù)增長。

表4　光電編碼器主要生產廠家及產品特點和應用Table 4 Manufacturers and product features and application of photoelectric enders

旋變式編碼器在民用市場中主要選用多摩川、堡盟、海德漢等廠家的產品，通常精度低，分辨率只有12～13位，應用于紡織、風力發(fā)電、電動車等領域，國內需求量大，目前應用于民用市場且達到規(guī)模化生產的國內生產廠家還未了解到。精度在十幾到幾十角秒的旋轉變壓器生產廠家主要有上海微電機研究所和西安微電機研究所以及數量不多的民營企業(yè)等。應用領域主要集中在火炮、坦克、飛機、火箭、導彈、衛(wèi)星等軍用領域。因保密原因筆者無法獲得產品的需求量及生產量等信息。

近年來，隨著編碼技術的發(fā)展、小型化技術以及環(huán)境適應能力的提高，光電編碼器已經開始向衛(wèi)星、無人機、導彈等軍用領域發(fā)展。未來有可能實現旋變式編碼器與光電編碼器在軍用領域中分庭抗禮。

6　結論

光電編碼器和旋變式編碼器在精度等級、應用領域、環(huán)境適應能力、誤差補償技術以及制造加工等方面各領風騷。在未來發(fā)展中，兩類編碼器有可能在多領域內相互滲入，取長補短，在軍民應用領域引領角度轉換技術。

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The Comparison Between Resolver Encoders and Photoelectric Encoders

MA Jian-hong，SUN Yu-tong，HAO Yong-qin
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

Angle encoders is a translator component.It can translate mechanical angle position to digital signal of the corresponding angle.Both resolver encoders and photoelectric encoders are commonly used in angle encoders.In this article，the comparison between resolver encoders and photoelectric encoders are described，in the area of accuracy level，production，environment adaption，application，etc.It can be taken as reference for users.

photoelectric encoders；resolver encoders；comparison；application

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01091

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.016

2015-03-17

馬建紅，女，自動控制專業(yè)，碩士，高級工程師，研究方向為慣性器件用傳感器、力矩器。