编码器原理简介

编码器原理(1)光电编码器光电编码器是一种二进制光电位置指示器，其基本原理是由不同等分的明暗相间的条纹，通过光电元件取得角度位置的二进制数字信号，最后进行解码取得角度位置的绝对值或相对值。

绝对编码器的码形总是唯一的，这种码形给出了长度或角度的位置。

光电编码器由光源，码盘和光电接收器所组成。

码盘是编码器中的最重要的器件。

图3.17是一个八位编码器的码盘和编码器的工作原理图。

这里的码盘是一种自然码盘。

绝对编码器的码形有多种形式。

一种叫做格瑞码的码盘特别适用于光学编码器（见图3.18(a)）。

这种码<!--[if !vml]--><!--[endif]-->盘每进一格仅改变一个数码，不易产生错码现象。

<!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->图 3.18 (a) 格瑞码的码盘和(b)增量编码器的码盘<!--[if !vml]--><!--[endif]--> 图 3.19 增量编码器码盘脉冲信息细分的工作原理，图中z表示零位光电编码器的另一类是增量编码器。

增量编码器的码盘如图3.18(b)所示。

它的码盘是由明暗相间的条纹所构成。

一般来讲同样分辨精度的增量编码器要比绝对编码器便宜得多。

增量编码器还有一些提高分辨精度的方法。

通常增量光栅码盘有四个刻道，其中两个是明暗相间的条纹码，另外两个是电源亮度指示码。

这两个条纹码之间相互错开，这样这种码盘的编码器就不但可以给出码盘运动的角度和大小，而且可以给出码盘运动的方向。

同时当光栅码盘的方波脉冲信息输入到顺时针 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->和逆时针<!--[if !vml]--><!--[endif]-->的增减计数器中时，这种两个条纹码的方波信息就可以分解为一倍、两倍或四倍的精细信号以提高编码器的分辨本领。

如果光栅码盘的质量好，这种精细的四倍的信号可以精确到每一个信号脉冲的二分之一。

为了获得更为精细的分辨本领一种用光栅读头的方法可以达到这个目的。

（见图3.20）这时在旋转光栅的后面加上了一个小的子光栅。

当相干光照射在光栅盘上时，在子光栅面上的光强为(leki,1999)：<!--[if !vml]-->(3.58)<!--[endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->图 3.20 增量编码器中子光栅码盘细分的工作原理图(leki,1999)式中 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->是光栅的投射率。

如果第一个光栅的周期是 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->，第二个光栅的周期也是 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->。

用 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->作为在焦面上的空间频率，则在焦面上的光能量为： <!--[if !vml]--><!--[endif]-->(3.59) 如果用傅里叶级数来表示 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->，有： <!--[if !vml]--><!--[endif]--> (3.60)式中 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->是傅里叶系数，它的表达式为： <!--[if !vml]--><!--[endif]-->(3.61)如果 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->是小光栅的长度， <!--[if !vml]--><!--[endif]-->，则双光栅引起的光强为：<!--[if !vml]--><!--[endif]-->(3.62 )式中<!--[if !vml]--><!--[endif]-->是光栅之间在<!--[if !vml]--><!--[endif]-->方向的相对位移。

<!--[if !vml]--> <!--[endif]--><!--[if !vml]--> <!--[endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->(3.63 )<!--[if !vml]--><!--[endif]--> 图 3.21增量编码器中子光栅码盘细分的光强信号和位移的关系，A.U表示任意单位(leki,1999) Reprinted with permission from Taylor & Francis, Inc.。

当<!--[if !vml]--><!--[endif]-->时这一信号的光能量可以表示为一个级数形式。

如果只取前面的两项的话，则焦点的光能是<!--[if !vml]--><!--[endif]-->的余弦函数。

这样通过电细分，我们还可能获得更为精细的分辨精度。

在实际应用中可以用四组子光栅，同时用于上下两组条纹上以提高电细分的精度。

但是正如图3.21所示周期光栅的焦点能量并不是真正的余弦曲线，所以如果采用如图3.22所示的调制子光栅其焦点能量才是真正的余弦曲线，则细分后的分辨率精度就会更为准确。

另外应用调制平行光源的方法，使用两个面积不同的面光源也可以使焦点能量成为正确的余弦函数。

通过应用不同分辨率的增量光栅的组合，可以获得不同频率的正弦和余弦的值，这样就可制成精度非常高的绝对编码器。

一般这种高精度的编码器总有多个码道，它们是直流参考码以及三至十五位的正余弦码。

<!--[if !vml]--><!--[endif]--> 图 3.22 增量编码器的两种调制子光栅的光栅具体尺寸(leki,1999)现代光栅技术结合<!--[if !vml]--><!--[endif]-->的本身的精度也可以极大地提高光电编码器的精度。

一个16位的增量编码器，如在其码盘上加上16位的绝对码图案，通过<!--[if !vml]--><!--[endif]-->使增量码两相邻条纹同时成像，则<!--[if !vml]--><!--[endif]-->会给出码盘的精确位置，以至于获得24位以上的绝对编码器的精度，这是十分重要的技术进展。

(2)圆感应同步器另一种类似的轴角编码装置是圆感应同步器。

与光电编码器不同，圆感应同步器是一种模拟装置。

各个数值的变化是连续的，而不是跳动式的。

圆感应同步器的基本原理如图3.23所示，它由定子和动子所组成。

它的动子只有一个线圈，而在它的定子上，有<!--[if !vml]--><!--[endif]-->个线圈构成<!--[if !vml]--><!--[endif]-->个极。

它的每一个线圈之间的夹角是<!--[if !vml]--><!--[endif]-->度。

当在动子中输入交流电压<!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->，并且动子轴线和定子的零点偏离一定角度<!--[if !vml]--><!--[endif]-->时，则在定子上的各个线圈内就会产生不同量的电流。

如图3.24中所示，有：<!--[if !vml]--><!--[endif]-->图3.23 圆感应同步器的基本原理<!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->(3.64)<!--[if !vml]--><!--[endif]-->图3.24 圆感应同步器定子上的各个线圈内的输出电压是一比例常数。

如果将定子上的线圈如图3.23中所示式中<!--[if !vml]--><!--[endif]-->互相连结起来，则在定子上就会产生如下的电流：<!--[if !vml]--><!--[endif]-->(3.65)<!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->利用圆感应同步器这一特性，就可以用来测定微小角度的变化。

在使用圆感应同步器时为了测定角度的绝对位置，还要加上一个粗码盘。

比较光电编码器，圆感应同步器有如下几个好处：(a)线圈动定盘比较便宜，(b)对环境要求较低，可以用于温度变化和有振动的场合。

(3)编码器的应用和其它角度测定方法应用光电编码器在控制回路中要采用数模转换装置，而圆感应同步器可以直接用于同步驱动的控制。

不过它们两种都能实现轴角位置的绝对指示或者增量指示。

它们的位置精度高，误差的重复性能好，只是高位数的指示器价格较高。

光栅带尺加摩尔条纹的轴角指示方法是近年新发展起来的，这种方法特别适用于大口径的望远镜。

这种光栅带尺的精度约小于1微米，一般是均匀地粘贴在大型驱动轮的边缘，并通过摩尔条纹给出高达的分辨精度。

光栅<!--[if !vml]--><!--[endif]-->带尺的缺点是不能保证全部条纹的一致性，这需要在计算机控制中使用列表法予以校正。

在望远镜中光栅带尺常用于位置的绝对定标。

望远镜绝对定位精度是为了准确导星、定位的需要，而增量定位则是为了精确导星的要求。

因此增量编码器要求有较高的分辨精度。

绝对编码器可以直接与望远镜传动轴连接，这时位置指示没有其它的误差因素。