为您解读三种绝对值编码器的工作原理

为您解读三种绝对值编码器的工作原理

由于编码器是码盘式传感器的核心部件，只要了解编码器的原理及应用，就能正确地掌握和使用码盘式传感器。鉴于此，今天为大家重点介绍编码器的基本类型之一——角度数字编码器中的绝对值编码器的工作原理。


编码器能把角位移或线位移经过简单的转换变成数字量，所以相应的编码器分为角度数字编码器和直线位移编码器。现代的编码器比目前同样尺寸的任何模式传感器都具有更高的分辨率、更好的可靠性和更高的精度。由编码器制作的码盘式传感器，其分辨率取决于码道的多少。目前，已能生产出提供20位或21位的二进制输出的编码器。

角度数字编码器码盘的材料根据与之配套的敏感元件不同而不同。码盘的内孔由安装于被测轴的轴径所决定，码盘的外径由码盘上的码道数决定，而码道的数目由分辨率决定。如若码道数目为n，则分辨率为1/2n。码道的宽度由敏感元件的几何参数和物理特性决定。角度数字编码器有两种基本类型：绝对值编码器和增量式编码器。

绝对值编码器

绝对值编码器能给出与每个角位置相对应的完整的数字量输出。由单个码盘组成的绝对值编码器，所测的角位移范围为0〜360°。若要测量大于360°的角位移或者轴的转数，需要多个码盘。因为单个码盘组成的绝对编码器在某一位置输出的二进制码与它旋转n×360°后到达原先位置输出的二进制码是一样的（n=码道数）。换句话说，码盘和与之相连的轴，在上述情况下认为位置是一样的。所以该种编码器输出的是“位置参数”。由于码盘式传感器由敏感元件和码盘所组成，所以对采用不同的敏感元件，码盘的制造和形式也不同。下图示出了三种典型的绝对轴编码盘。最常用的绝对值编码器有接触编码器、光学编码器和磁性编码器。


接触编码器

接触编码器的特点是敏感元件-——电刷和码盘直接接触。简单的接触编码器，电刷的数目和码道数目一致。每个电刷和一根单独的导线相连，作为某一位逻辑电平“1”或“0”的输出。

这种编码器对码盘和电刷的制造和安装有一定的要求。

对码盘的要求

接触式编码器的码盘基体是个绝缘体。码道是一组同心圆。码道的数目根据分辨率决定。同心圆环的径向距离即是码道宽。根据分辨率1/2n（n为码道数），计算出每周的分辨角度360°/2n以这个角度为间隔，在一周可产生2n个扇形区，这样由正交的极坐标曲线族就可以得到2n组扇形网格。根据二进制数的规律，某位为“1”，则对应码道的相应小网格，也应为高电平，即是导电区；相反是低电平，即非导电区。这样，每一组扇区对应一个二进制数。一般外轨道是低位，内轨道是高位。为了供电，需要另加一个供电码道，并与供电电刷相连。所有码区的导电区与供电码道相连，如上图（a）所示。

为了提高码盘的制造精度，制造码盘时，先要绘制一张比实际码盘大若干倍的标准码盘图，根据各组码数，涂出导电区，然后照相、缩小，制成和实际码盘一样大的版，再经显影电镀就得到了可实际应用的码盘。

对编码器的安装要求

接触式编码器的主要组成部分是码盘和电刷，它们的安装直接影响编码器的精度。码盘安装时，要求码盘的中心孔和被测体刚性连接，同心度要好，并且码盘要和被测轴垂直。这样就避免了在旋转过程中某个轨道的电刷在相邻轨道间跳动。

电刷是由金属丝组成的，安装时既要保证每个电刷与相应码道精确对应，又要使所有的电刷在同一直线上。

提高编码器精度的途径

直接二进制码盘虽然简单，但是对码盘的制作和安装要求很严格，否则容易出错。例如，下图所示的4位二进制码盘，当电刷由h（0111）向位置i（1000）过渡时，本来是7变为8，但若电刷进入导电区的先后有差别，就可能岀现8〜15之间的任一十进制数，造成的误差可能相当大。为了解决这一问题，通常采用的方法之一是应用循环码盘。


循环码盘的特点是相邻的两组数码之间只有一位是变化的。因此，即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是最低位的一个位。4位循环码盘如下图所示。


设R为循环码，C为二进制码，则由二进制码转换成循环码的规律为


一般形式为


它表示将某个二进制码右移一位并舍去末位码，然后与原二进制码作不进位加法，即得循环码。

同样可导出由循环码转变为二进制码的关系式为


循环码转变为二进制码可由逻辑电路实现。下图是4位并行循环码-二进制码转换器。这种转换器转换速度快，但是所需元件多。


对于转换速度不高的，可采用下图所示的串行转换器。它是由与非门组成的不进位加法器和 JK 触发器构成。


解决直接二进制码可能产生较大误差的另外一种办法是扫描法。广泛应用的有V扫描法、U扫描法和M扫描法。这些方法的特点是最低位码道上安装一个电刷，其他高位码道上安装两个电刷。一个电刷放在被测位置的前边，称超前电刷；另一个电刷放在被测位置的后边，称为滞后电刷。如果最低位码道有效位的增量宽度为x，则高位电刷对应的距离依次为1x，2x，4x和8x等。这样在每个确定的位置，最低位电刷的输出电平反映了它真正的值，而高位码道由于有两个电刷，就会输出两种电平。为了读出反映该位置的高位二进制码对应的电平值，必须在某个轨道上电刷对真正输出是“1”的时候，高一级轨道上的真正输出要从滞后电刷读出；如果某个轨道上电刷对真正输出是“0”的时候，由于最低位轨道只有一个电刷，它的电刷输出代表此真正的位置，这样较高级轨道的真正输出就能以此为基础正确读出。这就是V扫描法。V扫描的电刷布置和扫描逻辑见下图。


这种方法的原理在于直接运用二进制码的特点。由于二进制码是从最低位逐级进位的，那么最低位变化最快，高位变化逐渐减慢。当某一组二进制码的第i位是“1”的时候，该组码的第i+1位和前组码的i+1位状态是一样的，故该组码的第i+1位的真正输出要从滞后电刷读出；相反，当某一组二进制码的第i位是“0”的时候，该组码的第i+1位和后组码的第i+1位状态是一样的，故该组码的第i+1位的输出要从超前电刷读出。这可以从任一个二进制的数码表中得到证实。

提高分辨率的途径

为了提高分辨率，可以采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组。这是因为靠增加单个码盘的码道来提高分辨率有时要受到安装和敏感元件的限制。利用传动比变化的机械装置把几个分辨率一般的码盘和相应的电刷安装在一起，则可大大提高分辨率，而且可以用来测定转速。这一点单个绝对编码器是做不到的。当传动比大于1时，可用于测转速；当传动比小于1时，可用于测量角位移。分辨率的提高和传动比有关。自然，其精度也就和机械传动精度有关。这里的机械传动起“放大”和“缩小”的作用。


光学编码器

光学编码器由光源、码盘和光电敏感元件所组成。

基本的光学编码器如下图所示。


码盘

光学编码器的码盘是在一个基体上形成透明和不透明的码区，类似于接触编码盘上的导电区和绝缘区。

其制成方法也是利用一个精密加工出来的码盘通过照相，生产出使用的码盘。光学编码器除了要求在透明区和不透明区的转接处有较高的精度外，还要求转接处有陡峭的边缘，否则在敏感元件中会引起噪声。虽然利用V扫描法也可以提高输出精度，但是相应的光学系统复杂，故不经济，所以码盘多用循环码盘。

光源

光源是光学编码器的重要组成部件之一，而且是光学编码器最经常发生故障的根源。对光源的选择应当考虑以下几点：第一，光源的光谱要和光电敏感元件相适应。因为光电元件都有自己的光谱特性。国内常用的光电元件大多数对红外线敏感，故光源多用白炽灯泡和发光二极管。第二，要考虑光源的工作温度范围。因为光源的输出功率和温度有关，下图是作为工作温度函数的白炽灯、发光二极管以及通常的光电管敏感元件的相对性能对比图。


可以看出，白炽灯-光电管组合的温度范围（－40〜130℃）比发光二极管-光电管组合（－40〜100℃）更宽。第三，为了减少故障，应当考虑灯泡的寿命。一般来说，发光二极管的寿命比白炽灯泡要长，也能在较为恶劣的条件下工作。

下图是白炽灯泡和发光二极管的寿命特性比较。提高白炽灯泡寿命的办法之一是让它工作在额定电压之下。


另外，为了尽可能减小光噪声的影响，在光路中要加入透镜和狭缝装置。狭缝不能太窄，要保证所有轨道的光电敏感元件的敏感区都处在狭缝内。

光电敏感元件

光电敏感元件可采用光电二极管、光电三极管或硅光电池。使用硅光电池时，输出一般为10〜20mV。为了产生希望的逻辑电平，需要后接放大器，而且每个轨道需接一个。放大器通常是由一个集成差动高增益运算放大器组成的，其作用类似一个施密特触发器。因此，需要输入一个预置触发电平，这个预置触发电平单独用一个敏感元件扫描一个完全清晰的轨道来产生，称为监控器电平，它输入到所有数据轨道的放大器中。这样可以克服光源照度变化和电源电平变化产生的输出电平的漂移。

下图是光电管放大器电路


光学编码器和接触式编码器相比，寿命较长，但成本也高。

磁性编码器

磁性编码器应用了电磁感应的原理。它是在各码道的码区进行磁化处理。一般用磁化区表示逻辑“0”，非磁化区表示逻辑“1”。

敏感元件是小磁环。每个环上绕有两个线圈，磁环和码道靠近，但不接触。一个线圈通以恒幅、恒频的交流电，称为询问绕组；另一个线圈用来感受码盘上是否有磁场，称为读出线圈或输出绕组。

当询问绕组被激励时，输岀绕组产生同频的信号，但其幅度和两绕组的匝数比有关，也与磁环附近有无磁场有关。当磁环对准磁化区时，磁路就会饱和，输出电压就会很低；如果对准一个非磁化区，它就像一个变压器，输出电压就会很高，输出信号是由码区的逻辑状态所调制妁调幅信号，因此必须进一步将其解调并整形成方波输出。
      

磁性编码器的原理图和输出信号的特点

磁性编码器工作比较可靠，能在比接触式编码器宽得多的环境条件范围内工作。但是由于需要磁环元件、询问电路和解调电路，成本比接触式高。