引言

光電軸角編碼器（以下簡稱光電編碼器），它是以高精度計量圓光柵為檢測元件，通過光電轉(zhuǎn)換及相應硬件處理電路將輸入的角位置信息轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字代碼，并可與計算機等控制系統(tǒng)及顯示裝置相連接，實現(xiàn)數(shù)字化測量、控制與顯示。

光電軸編碼器具有較高的性能價格比，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、精度高等優(yōu)點，廣泛地應用于數(shù)控機床、機器人、雷達、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀和高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，是自動化設(shè)備理想的角度和速度傳感器，它已成為檢測旋轉(zhuǎn)角度和線性位置的最為重要的手段之一。

本文主要介紹光電編碼器的選型原則。

光電編碼器類型簡介

光電編碼器按所使用的光學碼盤圖案通常分為增量式、絕對式與混合式三種，其中增量式編碼器主要用于測量旋轉(zhuǎn)軸速度，絕對式編碼器主要用于測量旋轉(zhuǎn)軸的空間位置，混合式編碼器是增量式編碼器與絕對式編碼器的組合，具備增量編碼器和絕對式編碼器的一些特點。光電編碼器后端加入處理芯片之后，三種光電編碼器都具有測量旋轉(zhuǎn)軸速度與空間位置的功能。具體光柵圖案見圖1～圖3，其原理已有很多文章介紹，這里不再贅述。

光電編碼器選型原則

目前，使用光電編碼器測量角度和長度已經(jīng)是成熟技術(shù)。在進行光電編碼器選型時主要從以下幾個方面考慮：

光電編碼器類型；

外形；

分辨率、精度；

信號輸出形式。

光電編碼器類型選擇

光電編碼器通常用于角度測量，并且經(jīng)過機械裝置轉(zhuǎn)換后也可以進行長度的測量，因此光電編碼器在角度和長度測量領(lǐng)域應用很廣泛。

測長度還是測角度；測長度如何通過機械方式轉(zhuǎn)換；測量范圍是360°以內(nèi)（單圈），還是超過360°（多圈）；轉(zhuǎn)動方向是一個方向旋轉(zhuǎn)循環(huán)工作，還是正反向方向循環(huán)工作；測量速度還是測量角位置，這都是在選擇光電編碼器時需要事先確定的。

角度測速常采用增量式編碼器，其具有體積小、價格低等優(yōu)點，且可以無限累加測量，因此目前增量式編碼器在測速應用方面仍處于無可取代的主流位置。增量式編碼器在轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)裝置來計算速度和位置。當編碼器斷電時，依靠計數(shù)裝置的內(nèi)部記憶來保存位置，因此斷電后，編碼器不能有任何轉(zhuǎn)動。當再次通電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有脈沖干擾，否則，計數(shù)裝置記憶的零點就會偏移，而且這種偏移量是不確定的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能發(fā)現(xiàn)。解決這個問題的方法是增加參考點，編碼器每經(jīng)過參考點，用參考標記修正計數(shù)裝置的計數(shù)值。在經(jīng)過參考點以前，是不能保證位置的準確性的。因此，在工業(yè)控制中有每次操作先找參考點的操作步驟。這樣的操作對有些工控項目比較麻煩，甚至有些項目不允許開機尋找參考點，并且對位置、零位有嚴格要求，則這樣的項目就應該選用絕對式編碼器。

絕對式編碼器輸出代碼具有位置唯一性（單圈或多圈），經(jīng)過后續(xù)控制系統(tǒng)進行運算后不僅可以測位置也可以測速。絕對式編碼器光柵碼盤上有許多條刻線，每條刻線依次以2線、4線、8線、16線……排列，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每條刻線的亮、暗，獲得一組從20～2n-1的唯一的二進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對式編碼器。絕對式編碼器輸出角度信息由光柵碼盤機械位置決定，因此每個位置具有唯一性，它無需記憶，無需找參考點，不受斷電、干擾的影響。所以，光電編碼器的抗干擾性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。由于絕對式編碼器在位置定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應用于工控定位中。

絕對式編碼器又分為單圈絕對式編碼器和多圈絕對式編碼器。

當編碼器主軸轉(zhuǎn)動超過360°時，角度編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼的唯一原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍在360°以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對式編碼器。

如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360°角度范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。運用鐘表齒輪的傳動原理，當主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪、多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對式編碼器就稱為多圈絕對式編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，且無需記憶。多圈絕對式編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應用于工控定位中。

光電編碼器機械外形選擇

光電編碼器機械外形選擇主要包括以下幾方面：

軸的連接形式：空心軸（軸套型連接）、實心軸（通過軟性聯(lián)軸器連接）；

軸徑；

定位止口，安裝孔位；

電纜出線方式；

安裝空間體積；

工作環(huán)境防護等級?，F(xiàn)場條件惡劣的，必須使用金屬光柵的旋轉(zhuǎn)編碼器，通常金屬光柵每圈脈沖數(shù)一般不大于1000個。

光電編碼器分辨率、精度選擇

光電編碼器類型選擇

光電編碼器通常用于角度測量，并且經(jīng)過機械裝置轉(zhuǎn)換后也可以進行長度的測量，因此光電編碼器在角度和長度測量領(lǐng)域應用很廣泛。

測長度還是測角度；測長度如何通過機械方式轉(zhuǎn)換；測量范圍是360°以內(nèi)（單圈），還是超過360°（多圈）；轉(zhuǎn)動方向是一個方向旋轉(zhuǎn)循環(huán)工作，還是正反向方向循環(huán)工作；測量速度還是測量角位置，這都是在選擇光電編碼器時需要事先確定的。

角度測速常采用增量式編碼器，其具有體積小、價格低等優(yōu)點，且可以無限累加測量，因此目前增量式編碼器在測速應用方面仍處于無可取代的主流位置。增量式編碼器在轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)裝置來計算速度和位置。當編碼器斷電時，依靠計數(shù)裝置的內(nèi)部記憶來保存位置，因此斷電后，編碼器不能有任何轉(zhuǎn)動。當再次通電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有脈沖干擾，否則，計數(shù)裝置記憶的零點就會偏移，而且這種偏移量是不確定的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能發(fā)現(xiàn)。解決這個問題的方法是增加參考點，編碼器每經(jīng)過參考點，用參考標記修正計數(shù)裝置的計數(shù)值。在經(jīng)過參考點以前，是不能保證位置的準確性的。因此，在工業(yè)控制中有每次操作先找參考點的操作步驟。這樣的操作對有些工控項目比較麻煩，甚至有些項目不允許開機尋找參考點，并且對位置、零位有嚴格要求，則這樣的項目就應該選用絕對式編碼器。

絕對式編碼器輸出代碼具有位置唯一性（單圈或多圈），經(jīng)過后續(xù)控制系統(tǒng)進行運算后不僅可以測位置也可以測速。絕對式編碼器光柵碼盤上有許多條刻線，每條刻線依次以2線、4線、8線、16線……排列，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每條刻線的亮、暗，獲得一組從20～2n-1的唯一的二進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對式編碼器。絕對式編碼器輸出角度信息由光柵碼盤機械位置決定，因此每個位置具有唯一性，它無需記憶，無需找參考點，不受斷電、干擾的影響。所以，光電編碼器的抗干擾性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。由于絕對式編碼器在位置定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應用于工控定位中。

絕對式編碼器又分為單圈絕對式編碼器和多圈絕對式編碼器。

當編碼器主軸轉(zhuǎn)動超過360°時，角度編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼的唯一原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍在360°以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對式編碼器。

如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360°角度范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。運用鐘表齒輪的傳動原理，當主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪、多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對式編碼器就稱為多圈絕對式編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，且無需記憶。多圈絕對式編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應用于工控定位中。

光電編碼器機械外形選擇

光電編碼器機械外形選擇主要包括以下幾方面：

軸的連接形式：空心軸（軸套型連接）、實心軸（通過軟性聯(lián)軸器連接）；

軸徑；

定位止口，安裝孔位；

電纜出線方式；

安裝空間體積；

工作環(huán)境防護等級。現(xiàn)場條件惡劣的，必須使用金屬光柵的旋轉(zhuǎn)編碼器，通常金屬光柵每圈脈沖數(shù)一般不大于1000個。

光電編碼器分辨率、精度選擇