光電編碼器原理結(jié)構(gòu)圖

增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器

所謂編碼器即是將某種物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的裝置。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的編碼器的作用是將位置和角度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量?？刹捎秒娊佑|、磁效應(yīng)、電容效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換等機(jī)理，形成各種類型的編碼器。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的編碼器是光電編碼器。

光電編碼器根據(jù)其用途的不同分為旋轉(zhuǎn)光電編碼器和直線光電編碼器，分別用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度和直線尺寸。光電編碼器的關(guān)鍵部件是光電編碼裝置，在旋轉(zhuǎn)光電編碼器中是圓形的碼盤(pán)(codewheel或codedisk)，而在直線光電編碼器中則是直尺形的碼尺(codestrip)。碼盤(pán)和碼尺根據(jù)用途和成本的需要，可由金屬、玻璃和聚合物等材料制作，其原理都是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生代表運(yùn)動(dòng)位置的數(shù)字化的光學(xué)信號(hào)。

圖12.1可用于說(shuō)明透射式旋轉(zhuǎn)光電編碼器的原理。在與被測(cè)軸同心的碼盤(pán)上刻制了按一定編碼規(guī)則形成的遮光和透光部分的組合。在碼環(huán)的一邊是發(fā)光二極管或白熾燈光源，另一邊則是接收光線的光電器件。碼盤(pán)隨著被測(cè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使得透過(guò)碼盤(pán)的光束產(chǎn)生間斷，通過(guò)光電器件的接收和電子線路的處理，產(chǎn)生特定電信號(hào)的輸出，再經(jīng)過(guò)數(shù)字處理可計(jì)算出位置和速度信息。

上面所說(shuō)的是透射式光電編碼器的原理。顯然利用光反射原理也可制作光電編碼器。

增量編碼器的碼盤(pán)如圖12.2所示。在現(xiàn)代高分辨率碼盤(pán)上，透光和遮光部分都是很細(xì)的窄縫和線條，因此也被稱為圓光柵。相鄰的窄縫之間的夾角稱為柵距角，透光窄縫和遮光部分大約各占柵距角的1/2。碼盤(pán)的分辨率以每轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)(CPR-countsperrevoluTIon)表示，亦即碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周在光電檢測(cè)部分可產(chǎn)生的脈沖數(shù)。例如某碼盤(pán)的CPR為2048，則可以分辨的角度為10，311.8”。在碼盤(pán)上，往往還另外安排一個(gè)（或一組）特殊的窄縫，用于產(chǎn)生定位(index)或零位(zero)信號(hào)。測(cè)量裝置或運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可利用這個(gè)信號(hào)產(chǎn)生回零或復(fù)位操作。

從原理分析，光電器件輸出的電信號(hào)應(yīng)該是三角波。但是由于運(yùn)動(dòng)部分和靜止部分之間的間隙所導(dǎo)致的光線衍射和光電器件的特性，使得到的波形近似于正弦波，而且其幅度與碼盤(pán)的分辨率無(wú)關(guān)。

在圖12.1的設(shè)計(jì)中安排了六組這樣的擋板和光電器件組合，其中兩組用于產(chǎn)生定位(index)脈沖信號(hào)I（有的文獻(xiàn)中為Z）。其他四組由于位置的安排，產(chǎn)生4個(gè)在相位上依次相差90°的準(zhǔn)正弦波信號(hào)，分別稱為A、B、A和B。將相位相差180°的A和A送到一個(gè)比較器的兩個(gè)輸入端，則在比較器的輸出端得到占空比為50%的方波信號(hào)A。同理，由B和B也可得到方波信號(hào)B。這樣通過(guò)光電檢測(cè)器件位置的特殊安排，得到了雙通道的光電脈沖輸出信號(hào)A和B（見(jiàn)圖12.3）。這兩個(gè)信號(hào)有如下特點(diǎn)：

(1)兩者的占空比均為so%；圖12.3雙通道信號(hào)的形成

(2)如果朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)A信號(hào)在相位上領(lǐng)先于B信號(hào)90°的話，那么旋轉(zhuǎn)方向反過(guò)來(lái)的時(shí)候，B信號(hào)在相位上領(lǐng)先于A信號(hào)90°。

這種雙通道信號(hào)的特點(diǎn)為測(cè)量分辨率的提高和方向信號(hào)的獲取提供了條件。

占空比為so%的方波信號(hào)A和B中有4個(gè)特殊的時(shí)刻，就是它們波形的前沿和后沿。

兩個(gè)信號(hào)的前后信號(hào)在波形的一個(gè)周期中是按90°平均分布的。將這些沿信號(hào)取出并加以利用，可得到4倍頻的脈沖信號(hào)，這樣就可把光電編碼器的分辨率提高到4倍。

圖12.4是一個(gè)由數(shù)字電路組成的處理電路，在這個(gè)電路中采用了施密特輸入的反相器、異或門(mén)、或門(mén)和D觸發(fā)器。電路中各處波形如圖所示，用虛線隔開(kāi)分別表示正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種情況下的波形?？梢钥吹皆撾娐樊a(chǎn)生4倍頻計(jì)數(shù)信號(hào)和方向信號(hào)。使用這些信號(hào)再加上定位脈沖的配合，電子線路就可以通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)來(lái)確定運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置。可以采用計(jì)數(shù)器使得其在轉(zhuǎn)軸朝某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行增數(shù)，而在朝相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行減數(shù)，這樣就可以在不掉電的前提下保持對(duì)絕對(duì)位置的記憶。

望遠(yuǎn)鏡的軸角位置指示

圖3.17一個(gè)八位編碼器的(a)碼盤(pán)和(b)編碼器的工作原理圖

近代工業(yè)已經(jīng)為望遠(yuǎn)鏡的軸角系統(tǒng)提供了一系列的軸角位置指示裝置。這些裝置包括光電編碼器，圓感應(yīng)同步器以及光柵刻尺。

(1)光電編碼器

光電編碼器是一種二進(jìn)制光電位置指示器，其基本原理是由不同等分的明暗相間的條紋，通過(guò)光電元件取得角度位置的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，最后進(jìn)行解碼取得角度位置的絕對(duì)值或相對(duì)值。絕對(duì)編碼器的碼形總是唯一的，這種碼形給出了長(zhǎng)度或角度的位置。光電編碼器由光源，碼盤(pán)和光電接收器所組成。碼盤(pán)是編碼器中的最重要的器件。圖3.17是一個(gè)八位編碼器的碼盤(pán)和編碼器的工作原理圖。這里的碼盤(pán)是一種自然碼盤(pán)。絕對(duì)編碼器的碼形有多種形式。一種叫做格瑞碼的碼盤(pán)特別適用于光學(xué)編碼器（見(jiàn)圖3.18(a)）。這種碼盤(pán)每進(jìn)一格僅改變一個(gè)數(shù)碼，不易產(chǎn)生錯(cuò)碼現(xiàn)象。

圖3.19增量編碼器碼盤(pán)脈沖信息細(xì)分的工作原理，圖中z表示零位

光電編碼器的另一類是增量編碼器。增量編碼器的碼盤(pán)如圖3.18(b)所示。它的碼盤(pán)是由明暗相間的條紋所構(gòu)成。一般來(lái)講同樣分辨精度的增量編碼器要比絕對(duì)編碼器便宜得多。增量編碼器還有一些提高分辨精度的方法。通常增量光柵碼盤(pán)有四個(gè)刻道，其中兩個(gè)是明暗相間的條紋碼，另外兩個(gè)是電源亮度指示碼。這兩個(gè)條紋碼之間相互錯(cuò)開(kāi)，這樣這種碼盤(pán)的編碼器就不但可以給出碼盤(pán)運(yùn)動(dòng)的角度和大小，而且可以給出碼盤(pán)運(yùn)動(dòng)的方向。同時(shí)當(dāng)光柵碼盤(pán)的方波脈沖信息輸入到順時(shí)針和逆時(shí)針的增減計(jì)數(shù)器中時(shí)，這種兩個(gè)條紋碼的方波信息就可以分解為一倍、兩倍或四倍的精細(xì)信號(hào)以提高編碼器的分辨本領(lǐng)。如果光柵碼盤(pán)的質(zhì)量好，這種精細(xì)的四倍的信號(hào)可以精確到每一個(gè)信號(hào)脈沖的二分之一。

為了獲得更為精細(xì)的分辨本領(lǐng)一種用光柵讀頭的方法可以達(dá)到這個(gè)目的。（見(jiàn)圖3.20）這時(shí)在旋轉(zhuǎn)光柵的后面加上了一個(gè)小的子光柵。當(dāng)相干光照射在光柵盤(pán)上時(shí)，在子光柵面上的光強(qiáng)為(leki,1999)：

圖3.20增量編碼器中子光柵碼盤(pán)細(xì)分的工作原理圖(leki,1999)

式中t1是光柵的投射率。如果第一個(gè)光柵的周期是p，第二個(gè)光柵的周期也是p。用w作為在焦面上的空間頻率，則在焦面上的光能量為：

圖3.21增量編碼器中子光柵碼盤(pán)細(xì)分的光強(qiáng)信號(hào)和位移的關(guān)系，A.U表示任意

單位(leki,1999)ReprintedwithpermissionfromTaylor&Francis,Inc.。

當(dāng)M=0時(shí)這一信號(hào)的光能量可以表示為一個(gè)級(jí)數(shù)形式。如果只取前面的兩項(xiàng)的話，則焦點(diǎn)的光能是的余弦函數(shù)。這樣通過(guò)電細(xì)分，我們還可能獲得更為精細(xì)的分辨精度。在實(shí)際應(yīng)用中可以用四組子光柵，同時(shí)用于上下兩組條紋上以提高電細(xì)分的精度。但是正如圖3.21所示周期光柵的焦點(diǎn)能量并不是真正的余弦曲線，所以如果采用如圖3.22所示的調(diào)制子光柵其焦點(diǎn)能量才是真正的余弦曲線，則細(xì)分后的分辨率精度就會(huì)更為準(zhǔn)確。另外應(yīng)用調(diào)制平行光源的方法，使用兩個(gè)面積不同的面光源也可以使焦點(diǎn)能量成為正確的余弦函數(shù)。通過(guò)應(yīng)用不同分辨率的增量光柵的組合，可以獲得不同頻率的正弦和余弦的值，這樣就可制成精度非常高的絕對(duì)編碼器。一般這種高精度的編碼器總有多個(gè)碼道，它們是直流參考碼以及三至十五位的正余弦碼。

圖3.22增量編碼器的兩種調(diào)制子光柵的光柵具體尺寸(leki,1999)

現(xiàn)代光柵技術(shù)結(jié)合的本身的精度也可以極大地提高光電編碼器的精度。一個(gè)16位的增量編碼器，如在其碼盤(pán)上加上16位的絕對(duì)碼圖案，通過(guò)使增量碼兩相鄰條紋同時(shí)成像，則會(huì)給出碼盤(pán)的精確位置，以至于獲得24位以上的絕對(duì)編碼器的精度，這是十分重要的技術(shù)進(jìn)展。

(2)圓感應(yīng)同步器

另一種類似的軸角編碼裝置是圓感應(yīng)同步器。與光電編碼器不同，圓感應(yīng)同步器是一種模擬裝置。各個(gè)數(shù)值的變化是連續(xù)的，而不是跳動(dòng)式的。圓感應(yīng)同步器的基本原理如圖3.23所示，它由定子和動(dòng)子所組成。它的動(dòng)子只有一個(gè)線圈，而在它的定子上，有個(gè)線圈構(gòu)成個(gè)極。它的每一個(gè)線圈之間的夾角是度。當(dāng)在動(dòng)子中輸入交流電壓，并且動(dòng)子軸線和定子的零點(diǎn)偏離一定角度時(shí)，則在定子上的各個(gè)線圈內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生不同量的電流。如圖3.24中所示，有：

圖3.23圓感應(yīng)同步器的基本原理

圖3.24圓感應(yīng)同步器定子上的各個(gè)線圈內(nèi)的輸出電壓

式中是一比例常數(shù)。如果將定子上的線圈如圖3.23中所示互相連結(jié)起來(lái)，則在定子上就會(huì)產(chǎn)生如下的電流：

利用圓感應(yīng)同步器這一特性，就可以用來(lái)測(cè)定微小角度的變化。在使用圓感應(yīng)同步器時(shí)為了測(cè)定角度的絕對(duì)位置，還要加上一個(gè)粗碼盤(pán)。比較光電編碼器，圓感應(yīng)同步器有如下幾個(gè)好處：(a)線圈動(dòng)定盤(pán)比較便宜，(b)對(duì)環(huán)境要求較低，可以用于溫度變化和有振動(dòng)的場(chǎng)合。

(3)編碼器的應(yīng)用和其它角度測(cè)定方法

應(yīng)用光電編碼器在控制回路中要采用數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，而圓感應(yīng)同步器可以直接用于同步驅(qū)動(dòng)的控制。不過(guò)它們兩種都能實(shí)現(xiàn)軸角位置的絕對(duì)指示或者增量指示。它們的位置精度高，誤差的重復(fù)性能好，只是高位數(shù)的指示器價(jià)格較高。光柵帶尺加摩爾條紋的軸角指示方法是近年新發(fā)展起來(lái)的，這種方法特別適用于大口徑的望遠(yuǎn)鏡。這種光柵帶尺的精度約小于1微米，一般是均勻地粘貼在大型驅(qū)動(dòng)輪的邊緣，并通過(guò)摩爾條紋給出高達(dá)的分辨精度。光柵帶尺的缺點(diǎn)是不能保證全部條紋的一致性，這需要在計(jì)算機(jī)控制中使用列表法予以校正。在望遠(yuǎn)鏡中光柵帶尺常用于位置的絕對(duì)定標(biāo)。

望遠(yuǎn)鏡絕對(duì)定位精度是為了準(zhǔn)確導(dǎo)星、定位的需要，而增量定位則是為了精確導(dǎo)星的要求。因此增量編碼器要求有較高的分辨精度。絕對(duì)編碼器可以直接與望遠(yuǎn)鏡傳動(dòng)軸連接，這時(shí)位置指示沒(méi)有其它的誤差因素。但是有的時(shí)候由于編碼器的位數(shù)較低或者望遠(yuǎn)鏡傳動(dòng)軸需要通過(guò)光線，也可以將編碼器裝置在第一級(jí)齒輪付上。這時(shí)編碼器的分辨精度得到放大，但同時(shí)齒輪的誤差也將影響角度絕對(duì)值顯示的精度。這一誤差對(duì)絕對(duì)位置定標(biāo)有很大的影響。但是近年來(lái)有不少望遠(yuǎn)鏡采用了分辨精度高的增量放大指示裝置，而使用別的重復(fù)性極好的裝置，如高靈敏度的水平儀或者特別的光柵刻線來(lái)提供軸角位置的絕對(duì)零點(diǎn)，這樣就不再需要昂貴的絕對(duì)編碼器了。在一些較新的望遠(yuǎn)鏡中還有利用精密電磁開(kāi)關(guān)來(lái)作為軸角絕對(duì)位置的編碼，這種電磁開(kāi)關(guān)的重復(fù)性精度約為1微米。在這種設(shè)計(jì)中每隔10或者15度就安裝一個(gè)精密電磁開(kāi)關(guān)。在每一個(gè)精密電磁開(kāi)關(guān)之間，使用增量編碼器，甚至可以使用磨擦面來(lái)帶動(dòng)一個(gè)低位的增量編碼器。這種設(shè)計(jì)要比較其它設(shè)計(jì)成本更低。各種編碼器都要進(jìn)行正確的安裝，才能發(fā)揮其分辯精度。當(dāng)編碼器和軸連接時(shí)，最重要的就是要避免在編碼器軸上施加任何力和力矩。因此編碼器的聯(lián)軸器應(yīng)該在軸向和徑向上強(qiáng)度比較低，而在圓周方向上強(qiáng)度很高。

對(duì)于新型的六桿平臺(tái)式的望遠(yuǎn)鏡，有的還安裝了一種叫光纖諧振陀螺儀的測(cè)角裝置。一種光纖諧振陀螺儀總共包括三個(gè)光纖回路。從頻寬很小的激光二極管向一根光纖的一端發(fā)出一束光，同時(shí)這一光纖的末端繞回到起始端并與起始端處的光纖通過(guò)一個(gè)光藕合器藕合，形成一個(gè)在兩個(gè)方向上都有光線通過(guò)的回路。在這個(gè)回路的中部，又有另一個(gè)光藕合器使得第一個(gè)回路和第二個(gè)光纖環(huán)實(shí)現(xiàn)藕合。同時(shí)在第二個(gè)光纖環(huán)中的對(duì)面又有第三個(gè)光藕合器以實(shí)現(xiàn)第二光纖環(huán)和第三光纖回路的藕合。第三光纖回路是一個(gè)開(kāi)環(huán)回路，兩端和探測(cè)器相連。這種系統(tǒng)中如果所有的回路和藕合器均為固定的并且在第二個(gè)光纖回路中兩個(gè)藕合器正好位于回路的對(duì)稱點(diǎn)上，它就會(huì)對(duì)一個(gè)特定的波長(zhǎng)的光產(chǎn)生諧振。而當(dāng)?shù)诙€(gè)回路相對(duì)于第一個(gè)回路有一個(gè)很小的轉(zhuǎn)角時(shí)，在第二個(gè)回路中會(huì)在一個(gè)方向上的光路增加，而在另一個(gè)方向上的光路減少，因此新的系統(tǒng)會(huì)在兩個(gè)不同的頻率上產(chǎn)生諧振。比較原有的諧振頻率，其中一個(gè)頻率要大些，另一個(gè)則小些。測(cè)量諧振頻率的變化就可以來(lái)了解角度的變化，以達(dá)到角度測(cè)量的目的。