旋转式光电编码器的设计新方向

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光电编码器是机械运动控制中测量转动物体位置（角度）与速度的传感器，它有旋转式与直线式两种，其中旋转式光电编码器由于精度高、安装方便，已获得广泛应用。随着运动控制产品的快速发展，我国对高精度的编码器需求大，但主要依靠进口。目前，活跃在我国编码器市场上的主要是外商，如德国的海德汉（heidenhain）、梅尔(meyle)、倍加福(p+f)、图尔克（turck），美国（gpi）,日本多摩川，英国雷尼绍（renishaw）,韩国（metronix）、奥托尼克斯（autonics）,瑞士堡盟（baumer）,土耳其（opkon）,以及我国的中达电通等。纵观近几年来旋转式光电编码器的发展，其设计动向列举以下4方面进行阐述。
第一，设计新产品。首先是发展基型产品，上述编码器厂商先以设计、生产增量式编码器和单圈绝对式旋转编码器居多，近年来随着应用领域的拓展，设计多圈绝对式编码器与混合式编码器增多。如多摩川推出的混合式编码器，其包含增量式编码器和输出24位编码信号的单圈绝对式编码器，具有磁极定位功能，在用于伺服运动控制时，能快速检测伺服电机转子磁极位置角，特别对大功率伺服电机既能提高初始化的定位精度，又可使伺服电机提高输出力矩，同时对位置控制和速度计算也都极为方便。其次是设计专用产品。例如，中达电通（台达集团）设计了cnc专用增量式编码器和伺服电机专用型编码器，新推出cnc主轴专用的cs7系列编码器，设计的结构紧凑、外型小巧，分辨率为1024p/r，采用线驱动输出，转速提升到8000r/min,从而可配合机床行业主轴的高转速，信号输出的频率响应为300khz,可提高数控系统的整体响应速度，以达到高精度控制的要求。宜科（天津）电子公司设计了电梯专用编码器和重工业用的重载型增量式编码器，后者据称采用最新的欧洲电气和机械设计技术，使其可承受最大轴向负荷为80n、最大径向负荷150n,最大转速为6000r/min,轴承寿命达109转，工作温度20~90℃。倍加福针对我国风力发电的巨大潜在市场，设计了风力发电用的编码器。倍加福、图尔克等还设计了防爆型编码器，有了3类产品：（1）eexd隔爆型，这类编码器设计的外壳坚固，若有可然性气体进入编码器内被电火花点燃产生爆炸，其火焰被限制在机壳内，不危机外部环境安全；（2）eexi本安型，这种编码器的设计是限制电路的电流与电压，使电路产生的任何火花或热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境；（3）eexna无火花型，这是最新的防爆技术，用这种技术设计的编码器在正常运行时不产生火花和电弧，从而保证环境安全。
第二，优化产品结构。旋转式光电编码器由光路、电路与机械3部分组成，编码器生产厂非常注重这3部分的设计与制作。
（1）光路系统：一是光源采用放光二级管led，设计光聚焦系统，使led发射的光成为平行光束，垂直地照射到旋转码盘（动光栅）与固定码盘（定光栅）上，穿过这两个码盘上透光缝隙的光被光敏二极管吸收后输出模拟电信号给转换电路进行信号处理。由于光路系统对烟雾、尘埃、水蒸气、机械振动等很敏感，所有一般都设计严密的防护措施，目前光学旋转编码器设计的防护等级最高为ip65左右，最高工作温度85℃左右。二是码盘材质的选用，有玻璃、塑料、不锈钢，已适合不同的需求，其中玻璃编码盘精度高，热稳定性好，但耐振差;塑料与不锈钢的精度与热稳定稍差，但耐振，塑料成本低，可制作经济型的。码盘上的光栅一般用沉积很薄的刻线（如在玻璃码盘上）、机械刻划或光刻法制作。三是光栅的设计，增量式与绝对式完全不同。增量（正交）式编码器：在旋转码盘边缘部分径向设计有许多均匀分布的透光缝隙，他们的宽度与间距相等，其设计透光缝隙的多少与加工质量将直接影响编码器的测量精度；在固定码盘上有a、b、z三条缝隙（转动码盘有一条缝隙与z相对应），a、b使输出两路正交（电角度相差90°）的方波脉冲信号，经计算用于测得电机的转速、位置（角度）和转向判别；z相信号用作参考零位，每转发出一个脉冲用于电机转子定位、累计转数。绝对型编码器：n位绝对型编码器在旋转码盘上就设计有n条同心圆码道，码型采用格雷（gray）码设计，即从码盘边缘向中心的n条码道上，透光的扇形区数目按20、21、222n-1设计、制作；固定码盘上只有径向一条透光缝隙，其背后对应每一码道有一光敏二极管，输出的n位数字码（格雷码可转换成二进制码或bcd码）代表转轴某一时刻的绝对位置，特别适用于监测上电和掉电期间的转轴位置。这种编码器，一般厂商设计码型时之所以采用格雷码，是因其两个相邻数之间只有一个数位发生变化，误差小；若用二进制码型，虽其设计简单，但制作、安装要求十分严格，否则易出现两位数误差。(2)电路部分：包括编码器主电路与输出电路。光敏二极管输出的信号电平较低，波形也不规则，为了进行控制、信息处理与远传，须经转换电路发大、整形。以前转换电路设计采用分立元件，零部件多、结构复杂、价贵。现在已有不少厂商如倍加福等将主电路集成到一片专用集成电路（asic）上，采用asic设计，不仅抗干扰、耐环境条件变化、提高检测精度与速度，而且由于零部件减少、结构紧凑简单，使绝对编码器的价格下降，据介绍，一般比老型号约降价20％多。输出电路形式有多种，metronix等公司设计了五种类型：集电极开路输出，电压输出，推挽式输出，线驱动输出，互补型输出。为了降低噪音干扰，提高输出的可靠性，可用推挽式或互补型输出；当需要长距离传输时，可用线驱动输出或互补型输出。在实际应用中，有点机器或生产线上需用几十台编码器连接成分布式控制，所以新型的编码器在电路部分还设计了设定编码器地址的开关，便于上位控制器随时、准确地向该编码器读取信息。
（3）机械部分：随着伺服电机转速的不断提高，编码器设计时一般均考虑能承受的最高转速，目前一般最高转速为6000r/min,而图尔克的编码器为12000r/min,凸显其轴与轴承散热设计的优化技术。一般编码器采用不锈钢轴和高精度的轴承，轴有实心、中空与贯穿型，便于应对各种应用需求。编码器壳体一般采用高强度铝材（opkon公司采用氧极氧化铝）。
此外，在优化产品结构设计时，一般厂商还特别关注小型化、轻量化与密封性。例如轴端与输出电缆连接处是两个密封的薄弱环节，宣科（天津）公司在轴端采用高级油封，倍加福在电缆连接处的密封设计达到防护等级ip67。
第三，不断提高分辨率。在数控应用领域，提高编码器的分辨率一直是市场竞争的焦点。例如，日本fanuc公司精心设计的2ia编码器分辨率高达16000000p/r，这使伺服电机运动非常平滑，为伺服系统实现纳米插补功能的纳米控制创造了条件，所谓“纳米控制”是伺服系统检测分辨率为1m时，插补分辨率可以提高至1nm,这就能大大提高数控机床的加工精度。目前，提高分辨率的方法，一是加大码盘直径，增加光栅的条纹；二是由伺服驱动器内基于dsp的编码器接口电路对增量式编码器输出的a、b两路矩形波脉冲信号进行前沿和后沿的检测，以提高2倍或4倍分辨率；三是也可对增量式编码器输出的正弦信号进行电子内插，以较低的成本得到较高的分辨率。现在，美国gpi公司还专门设计了hr2a增量式编码器电子学细分模块，可获得1～20倍于编码器刻线的脉冲数，再经4倍频可获得80倍的脉冲数。
第四，多样化的信号传输与接口设计。绝对型编码器的输出可以是并行的，也可以是串行的。对于为数不多的绝对式光电编码器一般适用并行输出，这样接口电路简单，而且通信速率高。但平行输出需要多芯电缆比串行电缆贵，且传输距离受到限制，因此多位数、高精度的编码器多采用串行输出。可用于编码器的串行总线有专用总线与通用总线，专用总线与接口如一般编码器设计采用的ssi（同步串行接口）、biss(双向数字传感器接口)、drive-cliq(西门子专用)、endat(海德汉研发，倍加福、贝加莱、倍福等公司采用)、hiperface(香港博世力士乐等公司采用)。通用工业总线与接口，先前是rs-422/485,现在设计采用现场总线与实时以太网将成趋势，如倍加福、堡盟等公司设计的编码器采用了as-i、canopen、devicenet、profibusdp等现场总线和powerlink、profinet、ethercat等实时以太网。