数字式编码器的工作原理及应用

下面以光电式编码器为例来说明数字式编码器的工作原理及应用。

光电式编码器是用光电方法将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲传感器。表11－1所示为光电式编码器按其构造和数字脉冲的性质进行的分类。

表11－1 光电式编码器的分类

1.增量式光电编码器

（1）增量式光电编码器的结构与原理

增量式光电编码器的结构如图11－1所示。在它的编码盘边缘等间隔地制出n个透光槽。发光二极管 （LED）发出的光透过槽孔被光敏二极管所接收。当码盘转过1／n圈时，光敏元件即发出一个计数脉冲，计数器对脉冲的个数进行加减增量计数，从而判断编码盘旋转的相对角度。为了得到编码器转动的绝对位置，还需设置一个基准点，如图11－1中的“零位标记槽”。为了判断编码盘转动的方向，实际上设置了两套光电元件，如图11－1中的正弦信号接收器和余弦信号接收器，其辨向原理及细分电路将在本章11.2节中所述。

图11－1 增量式光电编码器结构

1—均匀分布透光槽的编码盘；2—LED光源；3—狭缝；4—正弦信号接收器；5—余弦信号接收器；6—零位读出光电元件；7—转轴；8—零位标记槽

（2）增量式光电编码器的应用

增量式光电编码器除了可以测量角位移外，还可以通过测量光电脉冲的频率，进而用来测量转速。如果通过机械装置，将直线位移转换成角位移，还可以用来测量直线位移。最简单的方法是采用齿轮－齿条或滚珠螺母－丝杆机械系统。这种测量方法测量直线位移的精度与机械式直线－旋转转换器的精度有关。

2.绝对式光电编码器

（1）绝对式光电编码器的结构与原理

绝对式光电编码器的核心部件是编码盘，编码盘由透明区及不透明区组成。这些透明区及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。图11－2（a）所示为一个四位自然二进制编码器的编码盘。若涂黑部分为不透明区，输出为 “1”，则空白部分为透明区，输出为 “0”，它有四条码道，对应每一条码道有一个光电元件来接收透过编码盘的光线。当编码盘与被测物转轴一起转动时，若采用n位编码盘，则能分辨的角度为α＝360°／2n

图11－2 绝对式光电编码器的结构

（a）四位自然二进制编码盘；（b）光电编码盘结构1—光源；2—透镜；3—编码盘；4—狭缝；5—光电元件

自然二进制码虽然简单，但存在着使用上的问题，这是由于图案转换点处位置不分明而引起的粗大误差。例如，在由7转换到8的位置时光束要通过编码盘0111和1000的交界处（或称渡越区）。由于编码盘的制造工艺和光敏元件安装的误差，有可能使读数头的最内圈（高位）定位位置上的光电元件比其余的超前或落后一点，这将导致可能出现两种极端的读数值，即1111和0000，从而引起读数的粗大误差，这种误差是绝对不能允许的。

为了避免这种误差，可采用格雷码 （Graycode）图案的编码盘，表11－2给出了格雷码和自然二进制码的比较。由表11－2可以看出，格雷码具有代码从任何值转换到相邻值时字节各位数中仅有一位发生状态变化的特点；而自然二进制码则不同，代码经常有2～3位甚至4位数值同时变化的情况。这样，采用格雷码的方法即使发生前述的错移，由于它在进位时相邻界面图案的转换仅仅发生一个最小量化单位 （最小分辨率）的改变，因而不会产生粗大误差。这种编码方法称作单位距离性码，是常采用的方法。

表11－2 格雷码和自然二进制码的比较

绝对式光电编码器对应每一条码道有一个光电元件，当码道处于不同角度时，经光电转换的输出就呈现出不同的数码，如图11－2（b）所示。它的优点是没有触点磨损，因而允许转速高，最外层缝隙宽度可做得更小，所以精度也很高，其缺点是结构复杂、价格高、光源寿命短。国内已有14位编码器的定型产品。

图11－3所示为绝对式光电编码器测角仪的原理。在采用循环码的情况下，每一码道有一个光电元件；在采用二进码或其他需要 “纠错”即防止产生粗大误差的场合下，除最低位外，其他各个码道均需要双缝和两个光电元件。

根据编码盘的转角位置，各光电元件输出不同大小的光电信号，这些信号经放大后送入鉴幅电路，以鉴别各个码道输出的光电信号对应于 “0”态或 “1”态。经过鉴幅后得到一组反映转角位置的编码，将它送入寄存器。在采用二进制、十进制、度分秒进制编码盘或采用组合编码盘时，有时为了防止产生粗大误差要采取 “纠错”措施，“纠错”措施由纠错电路完成。有些还要经过代码变换，再经译码显示电路显示编码盘的转角位置。

图11－3 绝对式光电编码器测角仪的原理

1—光源；2—聚光镜；3—编码盘；4—狭缝光栅

（2）绝对式光电编码器的主要技术指标

绝对式光电编码器有如下主要技术指标：

①分辨率。分辨率指每转一周所能产生的脉冲数。由于刻线和偏心误差的限制，码盘的图案不能过细，一般线宽20～30μm。进一步提高分辨率可采用电子细分的方法，现已经达到100倍细分的水平。

②输出信号的电特性。表示输出信号的形式 （代码形式、输出波形）和信号电平以及电源要求等参数称为输出信号的电特性。

③频率特性。频率特性是对高速转动的响应能力，取决于光敏器件的响应和负载电阻以及转子的机械惯量。一般的响应频率为30～80k Hz，最高可达100k Hz。

④使用特性。使用特性包括器件的几何尺寸和环境温度。通常采用光敏元件温度差分补偿的方法，其温度范围可达－5℃～＋50℃。外形尺寸由30～200mm不等，随分辨率提高而加大。

3.光电式编码器的应用

（1）位置测量

把输出的脉冲f和g分别输入到可逆计数器的正、反计数端进行计数，可检测到输出脉冲的数量，把这个数量乘以脉冲当量 （转角／脉冲）就可测出编码盘转过的角度。为了能够得到绝对转角，在起始位置，对可逆计数器清零。

在进行直线距离测量时，通常把它装到伺服电动机轴上，伺服电动机又与滚珠丝杠相连，当伺服电动机转动时，由滚珠丝杠带动工作台或刀具移动，这时编码器的转角对应直线移动部件的移动量，因此，可根据伺服电动机和丝杠的转动以及丝杠的导程来计算移动部件的位置。光电编码器的典型应用产品是轴环式数显表，它是一个将光电编码器与数字电路装在一起的数字式转角测量仪表，其外形如图11－4所示。它适用于车床、铣床等中小型机床的进给量和位移量的显示。

例如，将轴环式数显表安装在车床进给刻度轮的位置，就可直接读出整个进给尺寸，从而可以避免人为的读数误差，提高加工精度。特别是在加工无法直接测量的内台阶孔和用来制作多头螺纹时的分头，更显得优越。它是用数显技术改造老式设备的一种简单易行手段。

轴环式数显表由于设置有复零功能，可在任意进给、位移过程中设置机械零位，因此使用特别方便。

图11－4 轴环式数显表外形图

1—数显面板；2—轴环；3—穿轴孔；4—电源线；5—复位机构

（2）转速测量

转速可由编码器发出的脉冲频率或脉冲周期来测量。利用脉冲频率测量是在给定的时间

内对编码器发出的脉冲计数，然后求出其转速 （单位为r／min），即

式中 t——测速采样的时间；

N1——t时间内测得的脉冲个数；

N——编码器每转脉冲数。

编码器每转脉冲数与所用编码器型号有关，数控机床上常用LF型编码器，每转脉冲数有20～5000共36挡，一般采用1024、2000、2500或3000等几挡。

图11－5（a）所示为用脉冲频率法测转速，在给定t时间内使门电路选通，编码器输出脉冲允许进入计数器计数，这样可算出t时间内编码器的平均转速。

利用脉冲周期测量转速，是通过计数编码器一个脉冲间隔内 （脉冲周期）标准时钟的脉冲个数来计算其转速，转速 （单位为r／min）可由下述公式计算，即

式中 N2——编码器一个脉冲间隔内标准时钟脉冲输出个数；

N——编码器每转脉冲数；

T——标准时钟脉冲周期，s。

图11－5（b）所示为用脉冲周期测量转速，当编码器输出脉冲正半周时选通门电路，标准时钟脉冲通过控制门进入计数器计数，计数器输出N2，即可用上式计算出其转速。

图11－5 光电编码器测速原理简图

（a）用频率测转速；（b）用周期测转速